JP2006047312A - シート状部品を穿孔について検査するための試験装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 シート状部品を穿孔について検査するための試験装置及び方法を提供する。
【解決手段】 本発明は、少なくともある区間において、好ましくは連続的に、シート状部品（８）、特に燃料電池内で使用する膜・電極接合体の穿孔（７）を検査するための試験装置（１）であって、シート状部品の一方の側に試験ガス（６）を加える手段（９）と、シート状部品（８）の試験ガス（６）から遠隔にある側（１１）に配置された、試験ガス（６）に適合された波長領域の電磁放射線（１２）を放出する手段（２）と、特有の波長領域において試験ガス（６）によって吸収された電磁放射線（１２）を検出する手段（３、４、５）とを含む試験装置（１）、及びこの種の検査を行う方法について記載している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、請求項１の前文に従って、シート状部品を穿孔について検査するための試験装置、及び請求項１４の前文に従って、シート状部品を穿孔について検査する方法に関する。

燃料電池用の、たとえば膜、特に膜・電極接合体（略してＭＥＡ）などのシート状部品が、主として、連続生産工程において、たとえば巻いて作られた（ロール）製品の形態で生産されるか、又は材料の複数のウェブを被覆する又は互いに面平行に貼り合わせることにより連続的に生産されており、少なくともある場合には、これらの材料のウェブ自体が、ロール製品の形態であることもある。

特にＭＥＡの場合、その後これらから生産される燃料電池が確実に動作できるようにするためには、穿孔について試験することが必要であるが、この場合、連続生産工程にこの種の試験を統合するのには困難が伴う。製造段階にこの種の部品の試験を統合するには、試験時間が短いことと試験の高い信頼性とが必要である。

特許文献１より知られている試験方法は、ＭＥＡ内の穿孔で発熱化学反応を検出することに基づく。本文献では、この試験方法を行うために、発熱を伴って互いに反応することができる異なるガスが供給され得る、２つの気層を有する試験装置を設け、これらの気層は、気層と気層との間で面全体が締め付けられ得るＭＥＡにより互いに分離される。空気及び／又は他の残留ガスが不活性ガスにより気層から押しのけられた後、２つの気層は、異なるガスで充填され、１つの気層内のガスが、他の気層内のガスより大きい圧力となる。より大きい圧力のガスは、穿孔でＭＥＡを透過し、触媒の存在下で発熱を伴って他のガスと反応する。生成された熱は、熱画像カメラによって検出される。

この方法の１つの欠点として、気層から追い出す必要があるために、通常、数分という比較的長い測定時間と、触媒の存在を前提とする、試験装置の複雑な構造と、膜が自然発火する、したがって２つのガスが突然完全に接触しあうという危険性があり、互いに自然発火的に反応するガスの場合には、可能な帰結として爆発が起きるために、互いに反応するガスを同時に取り扱うことが潜在的に危険であることとがある。さらに、これらの危険はまた、試験装置が正しく取り扱われなかった場合、たとえば過度に高い圧力が膜の一方の側に設定された場合に生じる可能性があり、この結果、膜が破裂することとなる。ほんの小量のガスが穿孔でＭＥＡを透過すると、ほんの小量の熱が生成されることにもなり、したがって、たとえば近くにいる人々の体熱による、低い温度差により、誤差源が生じる。

独国特許出願公表第６９７０４５７１Ｔ２号明細書

したがって、本発明の目的は、シート状部品を穿孔について検査するために改良された試験装置、及びシート状部品を穿孔について検査するために改良された方法を開発することである。

本目的は、請求項１の特徴を有する試験装置、及び請求項１４に記載されている、シート状部品を穿孔について検査する方法によって達成される。

本発明によれば、請求項１に記載されている試験装置は、シート状部品の一方の側に試験ガスを加える手段と、シート状部品の試験ガスから遠隔にある側に配置された、試験ガスに適合された波長領域の電磁放射線を放出する手段と、特有の波長領域の試験ガスによって吸収された電磁放射線を検出する手段とを含む。試験ガスの特有の吸収帯の検出は、特に試験ガスが穿孔を通って真空室内に出現する場合、先行技術による発熱化学反応の所在の検出より、極めて急速かつ確実に行われ得る。したがって簡単であるために、たとえば連続的に供給され得るロール製品から個々の部品を生産する間に、周期的に、又は特にエンドレスロール製品が生産される生産工程の場合に、連続的に、試験を行うことができる。さらに、たとえば不均一な加熱による、先行技術における潜在的な誤差源、又はたとえば有害物質の使用による危険源を回避することもできる。

本発明による試験装置の好ましい形態においては、一方の側が開口し、かつ開口部を囲む保持装置内に配置され得るシート状部品により周囲に対して気密された状態で閉じられ得る圧力室と、部品の一方の側に試験ガスを加える手段として、圧力室に接続され、かつ好ましくは評価装置により自動的に制御され得る試験ガス源と、電磁放射線を放出する手段として、圧力室の外側に配置され、かつシート状部品によって閉じられ得る開口部と平行にかつ開口部を超えて、少なくとも１つの定義された波長領域を含む電磁放射線を放出する、少なくとも１つの放射線源と、開口部及び放射線源の反対側の、圧力室の外側に同様に配置された、少なくとも１つの透過光センサ装置と、特有の波長領域において試験ガスによって吸収された電磁放射線を検出する手段として、透過光センサ装置に接続された評価装置とが含まれ、放射線源は、手動で制御可能及び／又は評価装置により自動的に制御可能であるので、電磁放射線は、任意に、放出されることもあれば放出されないこともある。この場合、放出された電磁放射線の一部が、試験ガスの吸収帯があるスペクトル領域内で、圧力室から穿孔でシート状部品を通って流出した試験ガスによって吸収されるので、透過光センサ装置を用いて放射線源によって放出された電磁放射線のスペクトル測定により、穿孔が検出される。試験ガスの少なくとも１つの特有の吸収帯に適合された、定義された波長領域を含む電磁放射線は、吸収帯のスペクトル位置に対応するスペクトル成分により透過光内で減少する。その狭い側の領域内の縁領域において、シート状部品は、保持装置により開口部を囲む圧力室の縁に押圧されることが好ましく、この保持装置は、手動で又は好ましくは評価装置により、自動的に動作され得る。

本発明による試験装置の好ましい形態においては、同様に評価装置に接続された、追加の散乱光センサ装置が、特有の波長領域において試験ガスによって吸収された電磁放射線を検出する追加手段として、好ましくはシート状部品によって閉じられ得る開口部の反対側に垂直に配置され、この散乱光センサ装置を使用して、穿孔を介してシート状部品を通って圧力室から流出する試験ガス内に放出された電磁放射線の一部の吸収によって励起された試験ガス分子による電磁放射線の自然放出を検出する。散乱光センサ装置が反応する波長領域は、使用される試験ガスに適合される。

本発明による試験装置の好ましい形態においては、電磁放射線源及び／又は透過光センサ装置及び／又は散乱光センサ装置は、穿孔の位置を発見するために、シート状部品と平行に動くことができるように配置される。

本発明による試験装置の別の好ましい形態においては、試験装置は、真空室内に配置され、この中で操作される。

本発明による試験装置の別の好ましい形態においては、試験装置は、シート状部品により気密された状態で分離され得る２つの室、即ち試験ガス源に接続され得る圧力室と真空ポンプに任意に接続され得る減圧室とを備え、放射線源及び透過光センサ装置、さらに適宜、散乱光センサ装置が、部品の検出器側の減圧室内に配置されるので、シート状部品が、周囲に対して気密された状態で圧力室を閉じることはなく、減圧室に対して閉じる。

本発明による試験装置のさらに好ましい形態においては、スペクトル測定を評価する場合に、放射線源の強度の変動を考慮できるようにするために、基準として、減衰されていない電磁放射線の強度を測定するために、放射線源のビーム経路の一部に配置された、追加の基準センサが含まれる。

本発明による試験装置の別の好ましい形態においては、放射線源は、定義された周波数帯域内のレーザ光を放出するレーザ光源である。

本発明による試験装置のさらに好ましい形態においては、レーザ光源は、レーザファン（レーザ扇形ビーム）を放出する。

本発明による試験装置の特に好ましい形態においては、試験ガスは、炭酸ガスである。

本発明による試験装置の別の好ましい形態においては、少なくともある区間において、穿孔を含む欠陥区域に印を付けるために、評価装置に接続され、かつ評価装置によって制御され得るマーキング装置が含まれる。

本発明による試験装置のさらに好ましい形態においては、少なくともある区間において、穿孔を含む欠陥区域を取り除くために、評価装置に接続され、かつ評価装置によって制御され得る切断装置が含まれる。

本発明のさらに特に好ましい形態においては、試験装置は生産工程内に統合され、この場合、穿孔がシート状部品内で検出されると、欠陥であると認識された区間の、さらなる処置、除去、又はマーキングが、自動的に開始される。

本発明による請求項１４に記載されている方法は、
−残留ガスを取り除くため又は排気するために、試験装置内の、たとえば試験ガス源に接続され得る圧力室と真空ポンプに接続され得る減圧室との間に、シート状部品を配置するステップと、
−たとえば圧力室から、シート状部品の一方の側に試験ガスを加えるステップと、
−たとえば圧力室から遠隔にある部品の検出器側と平行に、広い波長領域を含むレーザビームを放出することにより、試験ガスに適合された波長領域、特にその特有の吸収帯内の電磁放射線を、シート状部品の試験ガスに晒された側から遠隔にある側に、この側と平行に放出するステップと、
−たとえば透過光センサ装置により、透過光内の、及び／又はたとえば散乱光センサ装置により、散乱光内の、電磁放射線を分光記録するステップと、（用語「散乱光」は、散乱した電磁放射線と、吸収され、かつすべての側で再び放出された放射線との両方を含む。）
−同じ波長領域内で放出された電磁放射線から、透過光内で受信された電磁放射線を引き算するステップ、及び／又は、
−たとえば透過光センサ装置及び／又は散乱光センサ装置、さらに適宜、基準センサに接続された評価装置において、同じ波長領域内で放出された電磁放射線から、散乱光内で受信された電磁放射線を引き算するステップと、
−たとえば評価装置において、取り去った結果のスペクトル領域を、放出された波長領域の試験ガスの特有の吸収帯のスペクトル位置と比較するステップと、
−両者が一致する場合には、穿孔を示す信号を出力するステップと、
−両者が一致しない場合には、試験で何も発見されかったことを示す信号を出力するステップと、（この場合、信号を使用して、単に表示するだけではなく、検査後に、試験された部品の自動分類を行う、及び／又は試験装置から試験されたＭＥＡを取り外し、これを試験すべき次のＭＥＡと交換することもできる。）
−試験装置からシート状部品を取り除くステップとを含む。

用語「スペクトル測定」及び「分光記録」とはまた、本発明においては、選択された波長領域の不可欠な光強度の測定を含むと理解されたい。

本発明による方法の好ましい形態においては、シート状部品の一方の側に試験ガスを加えることが、過圧下で行われる。

本発明による方法の別の好ましい形態においては、シート状部品を、試験装置内に自動的に挿入する及び／又は試験装置から自動的に取り除く方法ステップが含まれる。

本発明による方法の特に好ましい形態においては、シート状部品と平行の、電磁放射線源の及び受信機の相対移動により、穿孔の位置を追跡する方法ステップが含まれる。

本発明の例示的実施形態が、本発明による試験装置の概略構造を示す側面図である、図１の図面に示されている。以下、これについてより詳細に説明する。

本発明による試験装置１は、実質的に、レーザ源２と、透過光センサ３と、透過光センサ３に接続されたコンピュータ４とを具備する。その上、コンピュータ４は、試験操作に従ってレーザ源２を制御するために、レーザ源２に接続される。透過光センサ３に加えて、コンピュータ４に接続された散乱光センサ５が、放射線１４の主要方向に垂直に、レーザ源２と透過光センサ３との間に配置される。コンピュータ４は、試験ガス６が、膜・電極接合体（ＭＥＡ）８内の穿孔７を通って、レーザ光源２及びセンサ３及び５に面する検出器側１１へと通過するかどうかを判断するための評価装置として、及び試験操作用の制御ユニットとして働き、ＭＥＡ８のための生産工程に影響を及ぼすこともできる。

本発明の基本概念は、吸収分光学による、たとえばＭＥＡ８などの、シート状部品内の穿孔７又は穴の検出である。部品により本質的に気密された状態で分離され、かつこの少なくとも１つに試験ガスが供給され得る、２つの室９及び１０が、穿孔７で又は穴がある所で、互いに接続される。試験ガス６が供給され得る圧力室９内に行き渡っている、わずかに大きい圧力により、定義された特性を有するガス又はガス混合物である試験ガス６が、穿孔７での漏れ口を通って、他の室、即ち減圧室１０内に流れ込む。試験ガス６の１つの重要な特性は、たとえばレーザ源２によって放出されるレーザビーム１２などの、定義された波長領域の電磁放射線を吸収することである。圧力室９から遠隔にある検出器側１１に対応する、部品の検出器側１１で、電磁放射線源２が電磁放射線１２を放出し、電磁放射線の波長領域が、試験ガス６の少なくとも１つの吸収帯、好ましくは特有の吸収帯が波長領域内にあるように選択される。穿孔７を通って減圧室１０内へと通過する試験ガス６が、好適に配置された透過光センサ３によって測定され得る、この吸収帯の波長領域の電磁放射線１２の一部を選択的に吸収する。さらなる基準センサが、放射線源２の強度の変動を考慮できるようにするために、放射線源２の減衰されていない部分のビームを、基準として測定することができる。放射線の、吸収された一部によって励起された試験ガス６自体が、たとえば蛍光により、すべての側において無指向性電磁放射線１３を放出することができるので、この放射線１３を検出することにより、減圧室１０内の試験ガス６の存在が判断されることも考えられる。この放射線１３は、放射線１４の主要方向に垂直に配置されることが好ましい散乱光センサ５を用いて検出され得るが、この場合、試験ガス６によって放出された放射線１４がすべての側にあり、かつ無指向性であるので、放射線１４の主要方向を除き、放射線源２のビーム経路に対する散乱光センサ５の所望の位置が考えられる。さらに、散乱光センサ５を使用して、たとえば屈折及び反射を通して、試験ガス６で散乱した放射線を検出することも考えられる。連続生産されるシート状部品を検査するために特に適応された試験装置１の構造の変形形態として、部品と励起源／センサ装置との間の相対移動と合わせ、たとえばレーザビーム１２により、試験ガス６を、目標とした局部で励起させることがある。線形配置も可能であり、この場合、部品のより大きい区域を同時に試験することができる。これらの選択肢の組合せも可能である。

試験装置のための代表的な適用形態として、たとえば、燃料電池部品、特にＭＥＡ又はバイポーラ板、又はこの下位部品、たとえばこの膜を試験することがある。生産工程において及び受入れ商品の点検のために使用することが考えられる。考えられる他の適用形態には、たとえばピンホール用の薄膜又は箔の、又はたとえばバッテリ用の他の電極を試験することが含まれる。さらに、本発明による試験装置を、他の場合には部品によって分離される２つの反応性ガスの間の、穿孔で発生する発熱化学反応の熱画像をさらに記録することに組み合せることも考えられる。

本発明による試験装置の概略構造を示す側面図である。

符号の説明

１ 試験装置
２ レーザ源
３ 透過光センサ
４ コンピュータ
５ 散乱光センサ
６ 試験ガス
７ 穿孔
８ 膜・電極接合体（ＭＥＡ）
９ 圧力室
１０ 減圧室
１１ 検出器側
１２ レーザビーム
１３ 無指向性電磁放射線
１４ 放射線

Claims (17)

1. 少なくともある区間において、好ましくは連続的に、シート状部品（８）、特に燃料電池内で使用するＭＥＡを穿孔（７）について検査するための試験装置（１）であって、前記シート状部品の一方の側に試験ガス（６）を加える手段（９）と、前記シート状部品（８）の前記試験ガス（６）から遠隔にある側（１１）に配置された、前記試験ガス（６）に適合された波長領域の電磁放射線（１２）を放出する手段（２）と、特有の波長領域において前記試験ガス（６）によって吸収された電磁放射線（１２）を検出する手段（３、４、５）とを含む試験装置。
2. 一方の側が開口し、かつ前記シート状部品（８）により周囲（１０）に対して気密された状態で閉じられ得る圧力室（９）と、前記圧力室（９）に接続された制御可能な試験ガス源と、前記圧力室（９）の外側に配置され、かつ前記シート状部品（８）によって閉じられ得る開口部と平行に（１４）及び該開口部を超えて、少なくとも１つの定義された波長領域を含む電磁放射線（１２）を放出する、少なくとも１つの放射線源（２）と、前記開口部及び前記放射線源（２）の反対側に、前記圧力室（９）の外側に同様に配置された、少なくとも１つの透過光センサ装置（３）と、前記透過光センサ装置（３）に接続された評価装置（４）とを含む試験装置であって、前記放射線源（２）が、手動で制御可能及び／又は前記評価装置（４）により自動的に制御可能である請求項１に記載の試験装置。
3. 同様に前記評価装置（４）に接続された、追加の散乱光センサ装置（５）が、好ましくは前記開口部の反対側に垂直に配置されている請求項２に記載の試験装置。
4. 前記電磁放射線源（２）及び／又は前記透過光センサ装置（３）及び／又は前記散乱光センサ装置（５）が、前記シート状部品（８）に平行に動くことができるように配置される請求項２または３に記載の試験装置。
5. 前記試験装置（１）が、真空室内に配置される請求項２〜４のいずれか一項に記載の試験装置。
6. 前記試験装置（１）が、前記シート状部品（８）により気密された状態で分離され得る２つの室（９、１０）、即ち前記試験ガス源に接続され得る前記圧力室（９）と真空ポンプに任意に接続され得る減圧室（１０）とを備え、前記放射線源（２）及び前記透過光センサ装置（３）、さらに適宜、前記散乱光センサ装置（５）が、前記減圧室（１０）内に配置される請求項２〜５のいずれか一項に記載の試験装置。
7. 減衰されていない電磁放射線（１２）の強度を測定するための、前記放射線源（２）のビーム経路（１４）の一部に配置された、追加の基準センサを含む請求項２〜６のいずれか一項に記載の試験装置。
8. 前記放射線源（２）が、定義された周波数帯域のレーザ光（１２）を放出するレーザ光源（２）である請求項２〜７のいずれか一項に記載の試験装置。
9. 前記レーザ光源（２）が、レーザファンを放出する請求項８に記載の試験装置。
10. 前記試験ガス（６）が、炭酸ガスである請求項２〜９のいずれか一項に記載の試験装置。
11. 前記評価装置（４）に接続され、かつ該評価装置（４）によって制御され得るマーキング装置を含む請求項２〜１０のいずれか一項に記載の試験装置。
12. 前記評価装置（４）に接続され、かつ該評価装置（４）によって制御され得る切断装置を含む請求項２〜１１のいずれか一項に記載の試験装置。
13. 前記試験装置（１）が、生産工程内に統合される請求項２〜１２のいずれか一項に記載の試験装置。
14. シート状部品（８）、特に燃料電池内で使用するＭＥＡを穿孔（７）について検査する方法であって
    −試験装置（１）内に前記シート状部品（８）を配置するステップと、
    −前記シート状部品（８）の一方の側に試験ガス（６）を加えるステップと、
    −前記試験ガス（６）に適合された波長領域、特にその特有の吸収帯内の電磁放射線（１２）を、前記シート状部品（８）の前記試験ガス（６）に晒された側から遠隔にある側（１１）に、該側（１１）と平行に放出するステップと、
    −透過光（３）内及び／又は散乱光（５）内の前記電磁放射線（１２、１３）を分光記録するステップと、
    −同じ波長領域内で放出された前記電磁放射線（１２）から、前記透過光内で受信された前記電磁放射線を引き算するステップ、及び／又は、
    −同じ波長領域内で放出された前記電磁放射線（１２）から、前記散乱光内で受信された前記電磁放射線を引き算するステップと、
    −前記引き算の結果のスペクトル領域を、前記波長領域の前記試験ガス（６）の特有の吸収帯のスペクトル位置と比較するステップと、
    −両者が一致する場合には、穿孔（７）を示す信号を出力するステップと、
    −両者が一致しない場合には、前記試験で何も発見されなかったことを示す信号を出力するステップと、
    −前記試験装置（１）から前記シート状部品（８）を取り除くステップとを含む方法。
15. 前記シート状部品（８）の一方の側に試験ガス（６）を加えることが、過圧下で行われる請求項１４に記載の試験方法。
16. 前記シート状部品（８）を、前記試験装置（１）内に自動的に挿入する、及び／又は該試験装置（１）から自動的に取り除く方法ステップを含む請求項１４または１５に記載の試験方法。
17. 前記シート状部品（８）と平行の、電磁放射線源（２）の及び受信機（３、５）の相対移動により、前記穿孔（７）の位置を追跡する方法ステップを含む請求項１４〜１６のいずれか一項に記載の試験方法。

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