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KR20160043913A - 검사 장치 - Google Patents

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KR20160043913A
KR20160043913A KR1020150141783A KR20150141783A KR20160043913A KR 20160043913 A KR20160043913 A KR 20160043913A KR 1020150141783 A KR1020150141783 A KR 1020150141783A KR 20150141783 A KR20150141783 A KR 20150141783A KR 20160043913 A KR20160043913 A KR 20160043913A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
electrode assembly
membrane electrode
heat
membrane
stepped portion
Prior art date
Application number
KR1020150141783A
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English (en)
Inventor
유스케 이토오
히로오 요시카와
겐지 츠보사카
데츠오 노구치
Original Assignee
도요타지도샤가부시키가이샤
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 도요타지도샤가부시키가이샤 filed Critical 도요타지도샤가부시키가이샤
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Abstract

본 발명의 과제는, 단차부를 갖는 워크를 검사하는 검사 장치에 있어서, 온도 상승을 억제하는 것이다.
단차부(115)를 갖는 워크(100)를 검사하는 검사 장치(20)는, 상기 워크(100)를 끼워, 상기 워크(100)에 전압을 인가하는 한 쌍의 전극판(220, 230)이며, 상기 단차부(115)측에 배치되는 제1 전극판(220)과 상기 워크(100)의 상기 단차부(115)와는 반대측에 배치되는 제2 전극판(230)을 포함하는 한 쌍의 전극판과, 상기 단차부와 상기 제1 전극판(220) 사이에 간극이 발생하지 않도록 배치되는 전열 부재(240)를 구비한다.

Description

검사 장치 {INSPECTION DEVICE}
본원은, 2014년 10월 14일에 출원된 출원 번호 제2014-209771호의 일본 출원에 기초하는 우선권을 주장하고, 그 개시 내용 전부가 참조에 의해 본원에 포함된다.
본 발명은, 막 전극 접합체 등의 워크를 검사하는 검사 장치에 관한 것이다.
JP2002-90346A에는, 세라믹 시트의 관통 구멍 등의 결함의 유무를 검사하는 검사 장치가 기재되어 있다. 이 검사 장치는, 세라믹 시트의 양면을, 평행하게 배치되는 2매의 전극판 사이에 끼워, 상기 전극 사이에 직류 고전압을 인가하였을 때 발생하는 방전 전류를 검출함으로써, 상기 세라믹 시트 중의 결함의 유무를 검사한다.
그러나, 종래의 검사 장치를 연료 전지의 막 전극 접합체의 검사에 사용하는 경우에는, 이하의 과제가 있다. 막 전극 접합체는, 카본 재료 및 수분을 포함하고 있다. 그로 인해, 전압 인가시에는, 카본과 물이 이하와 같이 반응하여, 전류가 흘러, 발열한다.
Figure pat00001
여기서, 연료 전지의 막 전극 접합체(워크)는, 외연부에 있어서의 절연성을 확보하기 위해, 단차부를 갖는 구조를 갖고 있다. 그로 인해, 종래의 검사 장치에서는, 단차부와 전극 사이에 간극이 발생한다. 이 간극은, 공기 단열층으로서 기능하므로, 단차부에서는 열을 충분히 방열할 수 없어 온도가 상승하여, 워크를 열화시킬 우려가 있다.
본 발명은, 상술한 과제 중 적어도 일부를 해결하기 위해 이루어진 것이며, 이하의 형태로서 실현하는 것이 가능하다.
(1) 본 발명의 일 형태에 의하면, 단차부를 갖는 워크를 검사하는 검사 장치가 제공된다. 이 검사 장치는, 상기 워크를 끼워, 상기 워크에 전압을 인가하는 한 쌍의 전극판이며, 상기 단차부측에 배치되는 제1 전극판과 상기 워크의 상기 단차부와는 반대측에 배치되는 제2 전극판을 포함하는 한 쌍의 전극판과, 상기 단차부와 상기 제1 전극판 사이에 간극이 발생하지 않도록 배치되는 전열 부재를 구비한다. 단차부와 한 쌍의 전극판 중 상기 단차부측의 제1 전극판과의 사이에 간극이 존재하면, 그 간극에 단열성이 높은 공기가 존재하게 된다. 워크에 전압을 인가하여, 워크의 단차부의 온도가 높아진 경우, 공기가 단열재로서 기능하여 열을 전달하지 않으므로, 워크의 단차부의 온도가 지나치게 높아져 워크를 열화시킬 우려가 있다. 이 형태에 의하면, 전열 부재를 사용하여 단차부의 열을 방열할 수 있으므로, 단차부의 온도 상승을 억제할 수 있어, 워크의 열화를 억제할 수 있다.
(2) 상기 형태의 검사 장치에 있어서, 상기 전열 부재는 불소 수지제의 시트여도 된다. 불소 수지는, 절연성을 갖고, 열적, 화학적으로 안정된 물질이며, 공기의 10배의 열전도율을 갖고 있으므로, 전열 부재로서 바람직하다.
(3) 상기 형태의 검사 장치에 있어서, 상기 제1 전극판은, 상기 전열 부재와 일체로 되어 상기 단차부와 끼워 맞춤 가능한 형상을 갖고 있고, 상기 단차부에 접촉해도 된다. 전극판은 일반적으로 금속으로 형성되어 있어, 공기보다도 열전도성이 크다. 이 형태에서는, 한쪽의 전극판은 전열 부재와 일체로 되어 상기 단차부와 끼워 맞춤 가능한 형상을 갖고 있고, 상기 단차부에 접촉하고 있으므로, 전열 부재로서도 기능하고, 단차부의 온도 상승을 억제하여, 워크의 열화를 억제할 수 있다.
또한, 본 발명은 다양한 형태로 실현하는 것이 가능하다. 예를 들어, 막 전극 접합체 등의 워크를 검사하는 검사 장치 외에, 검사 장치에 있어서의 방열 구조 등의 형태로 실현할 수 있다.
도 1은 막 전극 접합체의 검사 장치의 개략 구성을 도시하는 설명도.
도 2는 실시 형태에 있어서의 한 쌍의 전극판과 그 사이에 끼워진 막 전극 접합체를 확대하여 도시하는 설명도.
도 3은 비교예에 있어서의 한 쌍의 전극판과 그 사이에 끼워진 막 전극 접합체를 확대하여 도시하는 설명도.
도 4는 전해질막의 막 두께와 내전압의 관계를 나타내는 설명도.
도 5는 막 전극 접합체에 이물질이 포함되어 있지 않은 경우의 전류의 측정 파형의 일례를 나타내는 도면.
도 6은 막 전극 접합체에 이물질이 포함되어 있는 경우의 전류의 측정 파형의 일례를 나타내는 도면.
도 7은 습도와 전압 인가 속도와 막 전극 접합체에 흐르는 피크 전류의 관계를 나타내는 설명도.
도 8은 본 발명의 변형예를 도시하는 설명도.
도 9는 본 발명의 다른 변형예를 도시하는 설명도.
도 1은, 막 전극 접합체의 검사 장치의 개략 구성을 도시하는 설명도이다. 검사 장치(20)는, 직류 전원(200)과, 전류 검지기(210)와, 한 쌍의 전극판(220, 230)과, 로드셀(260)과, 기반(270)과, 압박 기구(280)를 구비한다. 전극판(220, 230)은, 기반(270) 상에 배치되어 있고, 막 전극 접합체(100)[「워크(100)」라고도 칭함]를 사이에 끼우고 있다. 직류 전원(200)은, 전극판(220, 230) 사이에 전압을 공급함으로써, 막 전극 접합체(100)에 전압을 인가한다. 전류 검지기(210)는, 전극판(220, 230) 사이에 흐르는 전류를 검지한다. 전극판(220) 상에는, 로드셀(260)이 배치되고, 또한 그 위에 압박 기구(280)가 배치되어 있다. 압박 기구(280)는, 막 전극 접합체(100)에 면압을 부여한다. 로드셀(260)은, 막 전극 접합체(100)에 가해지는 면압을 전기 신호로서 출력한다. 로드셀(260)의 출력 신호로부터, 막 전극 접합체(100)에 가해지는 면압을 측정할 수 있다.
도 2는, 한 쌍의 전극판과 그 사이에 끼워진 막 전극 접합체를 확대하여 도시하는 설명도이다. 막 전극 접합체(100)는, 검사 장치(20)의 검사 대상이다. 막 전극 접합체(100)는, 전해질막(110)과, 캐소드측 촉매층(120)과, 애노드측 촉매층(130)과, 캐소드측 가스 확산층(140)과, 애노드측 가스 확산층(150)을 구비한다. 막 전극 접합체(100)의 외연을 둘러싸도록 2매의 전열 시트(240, 250)가 배치되어 있다.
전해질막(110)은, 프로톤 전도성을 갖는 전해질막이다. 전해질막(110)으로서, 예를 들어 퍼플루오로카본술폰산 폴리머와 같은 불소계 전해질 수지(이온 교환 수지)가 사용된다. 캐소드측 촉매층(120)과, 애노드측 촉매층(130)은, 촉매(예를 들어, 백금)를 담지한 카본을 갖고 있다. 본 실시 형태에서는, 애노드측 촉매층(130)은, 전해질막(110)의 제1면(111)의 전체 영역에 걸쳐 도포 시공되어 있다. 한편, 캐소드측 촉매층(120)은 전해질막(110)의 제2면(112) 중 일부의 영역(발전 영역)에만 도포 시공되어 있다. 그 이유는, 애노드측 촉매층(130)은 캐소드측 촉매층(120)에 비해 단위 면적당 촉매량이 적어도 되기 때문이다. 전형적으로는 애노드측 촉매층(130)의 단위 면적당 촉매량은, 캐소드측 촉매층(120)의 단위 면적당 촉매량의 1/2 이하이고, 예를 들어 약 1/3이어도 된다. 그로 인해, 전해질막(110)의 제1면(111)의 전체 영역에 촉매를 도포 시공해도 과도한 낭비로 되지는 않는다. 또한, 애노드측 촉매층(130)을 전해질막(110)의 제1면(111)의 전체 영역에 걸쳐 도포 시공하는 쪽이, 전해질막(110)의 제1면(111)의 일부 영역에만 도포 시공하는 것보다도, 도포 시공 공정이 간단해지기 때문이다. 또한, 캐소드측 촉매층(120)을 전해질막(110)의 제2면(112) 중 일부의 영역(발전 영역)에만 도포 시공함으로써, 막 전극 접합체(100)의 외연부에 있어서의 절연성을 확보하는 것이 가능해진다.
캐소드측 촉매층(120) 상에는, 캐소드측 가스 확산층(140)이 배치되고, 애노드측 촉매층(130) 상에는, 애노드측 가스 확산층(150)이 배치되어 있다. 캐소드측 가스 확산층(140) 및 애노드측 가스 확산층(150)은, 카본페이퍼로 형성되어 있다. 단, 캐소드측 가스 확산층(140) 및 애노드측 가스 확산층(150)은, 카본페이퍼 대신에 카본 부직포로 형성되어 있어도 된다.
막 전극 접합체(100)의 전해질막(110)의 제2면(112)의 외연부에는, 캐소드측 촉매층(120)이나 캐소드측 가스 확산층(140)이 존재하고 있지 않다. 즉, 막 전극 접합체(100)는 외연부에 단차부(115)를 구비한다. 단차부(115)는, 캐소드측 가스 확산층(140)의 표면(141)과, 캐소드측 가스 확산층(140)의 측면(142)과, 전해질막(110)의 제2면(112)으로 구성되어 있다.
전열 시트(240)는, 프레임 형상을 갖고 있다. 전열 시트(240)의 프레임 형상의 내측에는, 캐소드측 촉매층(120)과 캐소드측 가스 확산층(140)을 끼워 넣는 것이 가능하다. 전열 시트(240)는, 막 전극 접합체(100)의 전해질막(110)의 제2면(112) 중 단차부(115)를 구성하는 부분과 간극 없이 접하고 있다. 전열 시트(250)는, 프레임 형상을 갖고 있다. 전열 시트(250)의 프레임 형상의 내측에는, 애노드측 촉매층(130)과 애노드측 가스 확산층(150)을 끼워 넣는 것이 가능하다. 전열 시트(240, 250)는, 테플론(등록 상표)과 같은 불소 수지로 형성되어 있다. 불소 수지는, 절연성을 갖고, 열적, 화학적으로 안정된 물질이다. 전열 시트(240, 250)는, 후술하는 바와 같이, 막 전극 접합체(100)에 발생한 열을 방열하기 위한 전열 부재로서 이용된다. 불소 수지는, 공기의 약 10배의 열전도율을 갖고 있다. 절연성을 갖고, 열전도율이 공기에 비해 충분히 높은(예를 들어, 5배 이상) 재료이면, 불소 수지 이외의 다른 재료로 전열 시트(240, 250)가 형성되어 있어도 된다. 예를 들어, 전열 시트(240, 250)는, 질화알루미늄, 알루미나와 같은 세라믹계 재료로 형성되어 있어도 된다.
도 3은, 비교예에 있어서의 한 쌍의 전극판과 그 사이에 끼워진 막 전극 접합체를 확대하여 도시하는 설명도이다. 비교예는, 2매의 전열 시트(240, 250)가 배치되지 않는 점에서, 실시 형태와 다르다.
막 전극 접합체(100)를 검사하는 경우, 전극판(220, 230)에 의해 막 전극 접합체(100)에 소정의 면압을 가하여, 전압을 인가한다. 막 전극 접합체(100)의 전해질막(110), 캐소드측 촉매층(120), 애노드측 촉매층(130)은 수분을 포함하고 있고, 캐소드측 촉매층(120), 애노드측 촉매층(130)은 촉매를 담지하는 카본을 구비하고 있다. 이러한 상태에서, 막 전극 접합체(100)에 전압을 인가하면, 이하 식 (1)의 반응이 일어나, 전류가 흐른다.
Figure pat00002
막 전극 접합체(100)에 전류가 흐르면, 막 전극 접합체(100)는 발열한다. 이 발열은, 막 전극 접합체(100)에 큰 전류가 흐를수록 크다. 막 전극 접합체(100)에 발생한 열은, 도 2, 도 3에 나타내는 화살표와 같이 이동한다. 도 3에 도시하는 비교예에서는, 막 전극 접합체(100)의 단차부(115) 중 전해질막(110)의 제2면(112) 상은, 공기이며, 단차부(115)의 일부를 구성하는 제2면(112)은 어디와도 접촉되어 있지 않다. 즉, 이 제2면(112)의 부분의 상측은, 공기 단열되어 있어, 방열되기 어렵다. 그로 인해, 단차부(115)에 있어서, 막 전극 접합체(100)가 열화될 우려가 있다. 이에 반해, 도 2에 도시하는 실시 형태에서는, 단차부(115)의 상측에 전열 시트(240)가 배치되어 있다. 열은, 단차부(115)로부터 전열 시트(240)를 통해 제1 전극판(220)으로 방열된다. 따라서, 단차부(115)에 열이 축적되지 않아, 막 전극 접합체(100)의 열화를 억제할 수 있다. 실험에 의하면, 전열 시트(240, 250)를 사용하지 않은 경우에는, 막 전극 접합체의 외연[단차부(115)]에, 전해질막(110)에 변색이나 용융이 발생하였지만, 전열 시트(240, 250)를 사용한 경우에는, 전해질막(110)에 변색이나 용융이 발생하지 않았다.
도 4는, 전해질막의 막 두께와, 내전압의 관계를 나타내는 설명도이다. 전해질막(110)의 막 두께가 얇아지면, 내전압(절연 파괴에 이르는 전압)이 작고, 막 두께가 두꺼워지면, 내전압이 커지는 것을 알 수 있다. 이물질이 전해질막(110)에 포함되면, 이물질이 포함된 부분의 전해질막(110)의 막 두께가 얇아진다. 이물질이 포함된 부분에서는, 막 두께가 얇기 때문에, 낮은 전압에서 절연 파괴가 일어나, 내전압이 낮아진다. 내전압의 크기로, 전해질막(110)의 막 두께(가장 얇은 막 두께)를 평가할 수 있다.
도 5는, 막 전극 접합체(100)에 이물질이 포함되어 있지 않은 경우의 전류의 측정 파형의 일례를 나타내고, 도 6은, 막 전극 접합체(100)에 이물질이 포함되어 있는 경우의 전류의 측정 파형의 일례를 나타낸다. 막 전극 접합체(100)에 이물질이 포함되는 경우에는, 그 부분에 있어서, 전해질막(110)의 막 두께가 얇아진다. 실험에서는, 약 250㎠의 막 전극 접합체(100)를 전극판(220, 230) 사이에 끼우고, 1Mpa의 면압을 가하여, 0.2V/sec의 속도로 전압을 올리면서 인가하였다. 막 전극 접합체(100)에 이물질이 포함되어 있지 않은 경우에는, 도 5에 나타내는 바와 같이, 막 전극 접합체(100)에 가해재는 전압을 5V 약간 높이까지 올려도, 절연 파괴는 발생하지 않았지만, 막 전극 접합체(100)에 이물질이 포함되어 있는 경우에는, 도 6에 나타내는 바와 같이, 막 전극 접합체(100)에 가해지는 전압을 약 3V까지 올렸을 때, 절연 파괴가 발생하였다. 도 6에 나타내는 예에서는, 막 전극 접합체(100)의 전해질막(110)의 막 두께는, 이물질에 의해, 약 3㎛까지 얇아졌다고 생각된다. 이상의 점으로부터, 본 실시 형태에 따르면, 막 전극 접합체(100)에, 5V 이하의 전압을 인가함으로써, 전해질막(110)에 막 두께가 3㎛ 이하인 얇은 부분이 있는지 여부를 검사하는 것이 가능하다.
도 7은, 습도와 전압 인가 속도와 약 13㎠의 막 전극 접합체에 흐르는 피크 전류의 관계를 나타내는 설명도이다. 습도는, 검사 장치가 배치되는 분위기의 상대 습도(％RH)를 의미한다. 분위기의 상대 습도에 관계없이, 전압 인가 속도가 클수록, 막 전극 접합체(100)에 흐르는 피크 전류는 커진다. 따라서, 전압 인가 속도는, 작은 쪽이 바람직하다. 또한, 전압 인가 속도가 작으면 총 전하량(전류를 시간 적분한 값)이 많아져, 상술한 식 (1)에 의한 카본 산화에 의한 영향이 커지므로, 전압 인가 속도를 과도하게 작게 하지 않는 것이 바람직하다.
또한, 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, 상대 습도가 40％RH 이하로 되면, 막 전극 접합체(100)에 흐르는 피크 전류에 큰 차이는 없다. 따라서, 상대 습도는 작은 쪽이 좋고, 40％RH 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 분위기의 상대 습도가 작으면, 전해질막(110), 캐소드측 촉매층(120), 애노드측 촉매층(130)으로부터 수분이 증발하여, 상기 식 (1)의 반응이 일어나기 어려워져, 피크 전류가 적어진다고 생각된다. 따라서, 분위기의 상대 습도를 작게 하는 대신에, 예를 들어 막 전극 접합체(100)에 전압(예를 들어, 5V)을 인가하기 전에, 막 전극 접합체(100)를 가열하여 막 전극 접합체(100)의 수분을 적게 하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 막 전극 접합체(100)를 온도 80℃로 30초간 가열해도 된다.
이상, 본 실시 형태에 따르면, 검사 장치(20)는, 전열 시트(240, 250)를 구비하고 있고, 전열 시트(240, 250)를 전열 부재로서 사용하여, 막 전극 접합체(100)의 단차부(115)에 발생한 열을 방열시킨다. 그로 인해, 막 전극 접합체(100)의 단차부(115)에 열이 축적되지 않아, 막 전극 접합체(100)의 열화를 억제할 수 있다. 또한, 본 실시 형태에서는, 전열 시트(240, 250)로서 불소 수지제의 시트를 사용한다. 불소 수지는, 절연성을 갖고, 열적, 화학적으로 안정된 물질이며, 공기의 10배의 열전도율을 갖고 있으므로, 전열 부재로서 바람직하다.
변형예:
도 8은, 본 발명의 변형예를 나타내는 설명도이다. 도 8에 나타내는 변형예는, 도 2에 도시하는 실시 형태와 비교하면, 전열 시트(250)를 구비하고 있지 않은 점이 다르다. 이 변형예에 의해서도, 단차부(115)는 전열 시트(240)와 접하고 있으므로, 전열 시트(240)를 통해 단차부(115)의 열을 방열할 수 있다. 또한, 도 8에서는, 전열 시트(240)의 외연의 크기는, 막 전극 접합체(100)의 외연의 크기와 거의 동일하지만, 도 2의 전열 시트(240)와 같이, 막 전극 접합체(100)의 외연의 크기보다도 크게 해도 된다.
도 9는, 본 발명의 다른 변형예를 도시하는 설명도이다. 도 9에 도시하는 변형예는, 도 2에 도시하는 실시 형태와 비교하면, 전열 시트(240, 250)를 구비하고 있지 않은 대신에, 제1 전극판(220)의 형상이 다르다. 도 9에 도시하는 변형예에서는, 제1 전극판(220)은 막 전극 접합체(100)측에 단차부(115)와 끼워 맞춤 가능한 오목부(225)를 갖고 있다. 즉, 오목부(225)에는, 막 전극 접합체(100)의 캐소드측 촉매층(120)과 캐소드측 가스 확산층(140)이 끼움 삽입된다. 즉, 제1 전극판(220)은, 도 2에 도시하는 본 실시 형태의 전극판(220)과, 전열 시트(240)를 일체로 한 것과 같은 형상을 갖고 있다. 이 변형예에 의하면, 제1 전극판(220)이 단차부(115)에 접촉하고 있으므로, 전극판(220)을 통해 단차부(115)의 열을 방열할 수 있다. 또한, 제2 전극판(230)에 대해서도, 애노드측 촉매층(130)과 애노드측 가스 확산층(150)을 끼워 넣을 수 있는 오목부를 구비하고 있어도 된다.
이상, 몇 가지의 실시예에 기초하여 본 발명의 실시 형태에 대해 설명해 왔지만, 상기한 발명의 실시 형태는, 본 발명의 이해를 용이하게 하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 본 발명은, 그 취지 및 청구범위를 일탈하는 일 없이, 변경, 개량될 수 있음과 함께, 본 발명에는 그 등가물이 포함되는 것은 물론이다.
20 : 검사 장치
100 : 막 전극 접합체(워크)
110 : 전해질막
111 : 제1면
112 : 제2면
115 : 단차부
120 : 캐소드측 촉매층
130 : 애노드측 촉매층
140 : 캐소드측 가스 확산층
141 : 캐소드측 가스 확산층의 표면
142 : 캐소드측 가스 확산층의 측면
150 : 애노드측 가스 확산층
200 : 직류 전원
210 : 전류 검지기
220 : 전극판
225 : 오목부
230 : 전극판
240 : 전열 시트
250 : 전열 시트
260 : 로드셀
270 : 기반
280 : 압박 기구

Claims (3)

  1. 단차부를 갖는 워크를 검사하는 검사 장치이며,
    상기 워크를 끼워, 상기 워크에 전압을 인가하는 한 쌍의 전극판이며, 상기 단차부측에 배치되는 제1 전극판과 상기 워크의 상기 단차부와는 반대측에 배치되는 제2 전극판을 포함하는 한 쌍의 전극판과,
    상기 단차부와 상기 제1 전극판 사이에 간극이 발생하지 않도록 배치되는 전열 부재를 구비하는, 검사 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전열 부재는, 불소 수지제의 시트인, 검사 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극판은, 상기 전열 부재와 일체로 되어 상기 단차부와 끼워 맞춤 가능한 형상을 갖고 있고, 상기 단차부에 접촉하는, 검사 장치.
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