多孔質基材の検査方法
【課題】表面にペースト層を有する多孔質基材におけるペーストの含浸状態の新たな検査手法を提供する。
【解決手段】アノード側ガス拡散層２３についてのペーストの含浸状態を検査するに当たり、アノード側ＭＰＬ２３ａを表面に備えたアノード側ガス拡散層２３の裏面に金属膜ＫＭを接合済みの状態とする。そして、金属膜ＫＭを接合済みのアノード側ガス拡散層２３に対して、送信側超音波探触子１３０からアノード側ＭＰＬ２３ａに向けて超音波を送信し、アノード側ガス拡散層２３および金属膜ＫＭを透過した超音波を受信側超音波探触子１４０で受信する。
【解決手段】アノード側ガス拡散層２３についてのペーストの含浸状態を検査するに当たり、アノード側ＭＰＬ２３ａを表面に備えたアノード側ガス拡散層２３の裏面に金属膜ＫＭを接合済みの状態とする。そして、金属膜ＫＭを接合済みのアノード側ガス拡散層２３に対して、送信側超音波探触子１３０からアノード側ＭＰＬ２３ａに向けて超音波を送信し、アノード側ガス拡散層２３および金属膜ＫＭを透過した超音波を受信側超音波探触子１４０で受信する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ペースト層を表面に備える多孔質基材におけるペーストの含浸状態を検査する検査方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ペースト層を表面に備える多孔質基材は、多孔質であるという性質に適った用途、例えば、燃料電池では、プロトン伝導性を有する電解質膜の両膜面の電極へのガス拡散供給を図るガス拡散基材として用いられている（例えば、特許文献１）。この特許文献１では、カーボン繊維等の多孔質基材の表面に、撥水性と導電性とを発揮できる撥水性インク（ペースト）を塗布して拡散層（ペースト層）を形成している。
【０００３】
一方、多孔質基材における気孔率等を超音波にて非接触で測定する技術も提案されている（例えば、特許文献２等）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−９４７２３号公報
【特許文献２】特開２００７−２１８９１５号公報
【特許文献３】特表２００８−５４５１２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、ペースト層の形成に際して塗布等されるペーストは、粘性を有するとはいえ流動することから、塗布等の対象である多孔質基材にその表面（塗布面）の側から染み込み、基材に含浸することがある。ペーストの含浸箇所は多孔質基材の細孔内であることから、乾燥を経て細孔周壁にペーストが凝集して細孔空隙を狭くしたり、閉塞してしまうことが危惧される。また、ペースト塗布に際しては、例えば面積当たりの塗布量が同じとなるようにされるが、上記した含浸の程度が相違すると、ペースト層の厚みが不均一となることも有り得る。このようなペーストの含浸による細孔空隙の狭小化や厚みの不均一化は、電極へのガスの拡散状態、延いては燃料電池の発電性能に影響を及ぼしかねない。しかしながら、多孔質基材の表面にペースト層を形成する際に特有の上記したペーストの含浸に関する検査は行われていなかった。
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、表面にペースト層を有する多孔質基材におけるペースト含浸の状態検査に対処できる新たな手法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記した目的の少なくとも一部を達成するために、本発明では、以下の構成を採用した。
【０００８】
[適用１：多孔質基材の検査方法]
ペーストを用いて膜状に形成されたペースト層を表面に備える多孔質基材における前記ペーストの含浸状態を検査する方法であって、
前記多孔質基材に対して、前記ペースト層の側から超音波を送信し、
前記多孔質基材を透過する超音波を、前記多孔質基材の裏面に薄葉状の固体薄膜を接合させた状態で前記裏面の側にて受信し、その受信状態により前記含浸状態を検査する
ことを要旨とする。
【０００９】
上記手順を備える多孔質基材の検査方法では、ペースト層を表面に備える多孔質基材を透過する超音波の受信を行うに当たり、この多孔質基材の裏面に薄葉状の固体薄膜を接合させ、この固体薄膜接合済みの状態で多孔質基材を透過する超音波を受信する。このため、超音波の受信状態は、次のようになる。
【００１０】
多孔質基材表面のペースト層が外部環境に晒される外表界面では、その界面を境にペースト層と外部環境（例えば大気）とにおいて超音波に対する音響インピーダンスが大きく相違する。このため、多孔質基材に対してペースト層の側から送信された超音波は、その多くが上記の外表界面で反射し、ごく一部がペースト層を経て多孔質基材に伝播する。つまり、多孔質基材には、エネルギーを大きく減衰した状態で超音波が伝播する。そして、この多孔質基材にあっては、細孔を空隙としていることから、多孔質基材を伝播する超音波のエネルギーは、多孔質基材における空隙の存在状態に起因して低下する。以下、この現象を多孔質基材へのペーストの含浸と関連付けて説明する。
【００１１】
多孔質基材表面へのペースト層形成に際して、ペーストが多孔質基材への含浸を起こしていないと仮定する。この際の多孔質基材は、その有する細孔の全てを空隙としていることから、多孔質基材を伝播する超音波のエネルギーは、多孔質基材伝搬により最も大きく低下する。これに対し、ペーストが多孔質基材の厚み方向においてくまなく含浸していると仮定すると、この際の多孔質基材は、その厚み方向において細孔がペーストで閉塞もしくは細孔空隙の狭小化されていることから、多孔質基材を伝播する超音波のエネルギーの低下程度は、最も小さくなる。つまり、多孔質基材を伝播する超音波のエネルギーの低下程度は、多孔質基材へのペースト含浸の状態に基づいて、変わることになる。
【００１２】
上記手順を備える多孔質基材の検査方法では、検査対象の多孔質基材の裏面に薄葉状の固体薄膜を接合させているので、多孔質基材と固体薄膜との界面である基材裏面においても、音響インピーダンスの相違により、既述したように超音波の反射と伝播が起きる。この場合、多孔質基材にペーストの含浸程度が小さいために空隙が多いほど、基材裏面における多孔質基材と固体薄膜との音響インピーダンスの相違は大きくなる。このため、基材裏面に到達した超音波は、多孔質基材伝播の際のエネルギーの低下程度が大きいほど、即ち、多孔質基材へのペーストの含浸程度が小さいほど、固体薄膜をより一層と透過できなくなり、多孔質基材裏面の側での超音波の受信状態は低下する。つまり、多孔質基材裏面の固体薄膜が、多孔質基材における超音波の透過状態を顕著化させる。そして、超音波が多孔質基材を伝播する際のエネルギーの低下程度は、既述したように多孔質基材へのペースト含浸が少ないほど大きくなり、ペースト含浸が進むほど小さくなるよう、ペーストの含浸状態に基づいて変化するので、多孔質基材を透過した超音波の受信状態は、多孔質基材へのペーストの含浸状態に依存することになる。よって、上記手順を備える多孔質基材の検査方法によれば、多孔質基材裏面に固体薄膜を接合済みの状態で超音波を受信することにより、多孔質基材における超音波の透過状態を顕著化させて、その受信状態を多孔質基材へのペースト含浸状態と対応付け、当該含浸状態を適切に検査できる。この場合、多孔質基材裏面に接合する固体薄膜としては、金属を膜状に延伸形成した金属膜を採用できるほか、プラスチックの薄膜成型品とすることもできる。
【００１３】
この他、上記した検査方法は、次のような態様とすることができる。例えば、検査対象となる前記多孔質基材を、燃料電池に用いられるガス拡散基材であって、その表面に前記ペースト層としての気孔層を備えるものとし、該気孔層を、導電性粒子をプロトン伝導性を有する電解質樹脂に分散させたペーストにて形成し、層において気孔を有するものとする。こうすれば、燃料電池に用いられるガス拡散基材についての気孔層形成用のペーストの含浸状態を適切に検査できる。
【００１４】
[適用２：多孔質基材の製造方法]
多孔質基材の製造方法であって、
前記多孔質基材の表裏面の一方の面に、ペーストを用いて膜状のペースト層を形成すると共に、他方の面に、薄葉状の固体薄膜を剥離可能に接合し、
該固体薄膜が接合した状態で、前記ペースト層の側からの前記多孔質基材に対する超音波の送信と、前記固体薄膜の側での多孔質基材透過超音波の受信とを行い、その受信状態により前記多孔質基材へのペーストの含浸状態を検査し、
前記固体薄膜を剥離する
ことを要旨とする。
【００１５】
上記手順を備える多孔質基材の製造方法によれば、ペーストの含浸状態の検査を経た多孔質基材を製造できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施例でのペースト含浸検査の対象となるアノード側ガス拡散層２３を含む電池セル１５の概略構成を分解して斜視にて示す説明図である。
【図２】ペースト含浸検査を組み込んだアノード側ガス拡散層２３の製造手順を示すプロセス図である。
【図３】本実施例におけるペースト含浸検査の原理を模式的に示す説明図である。
【図４】アノード側ガス拡散層２３に疎密の差を持たせたサンプル品についてのペースト含浸検査の様子を示す説明図である。
【図５】ステップＳ１４０で行うアノード側ガス拡散層２３についてのペースト含浸検査の様子を概略的に示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を燃料電池に適用した実施例について説明する。図１は本実施例でのペースト含浸検査の対象となるアノード側ガス拡散層２３を含む電池セル１５の概略構成を分解して斜視にて示す説明図である。
【００１８】
電池セル１５は、電解質膜２０の両側にアノード２１とカソード２２の両電極を備える。このアノード２１とカソード２２は、電解質膜２０の両膜面に形成され膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly／ＭＥＡ）を形成する。この他、電池セル１５は、電極形成済みの電解質膜２０を両側から挟持するアノード側ガス拡散層２３とカソード側ガス拡散層２４とガスセパレーター２５，２６を備え、両ガス拡散層は、対応する電極に接合されている。ガスセパレーター２５は、アノード側ガス拡散層２３の側に、水素を含有する燃料ガスを流すセル内燃料ガス流路４７を備える。ガスセパレーター２６は、カソード側ガス拡散層２４の側に、酸素を含有する酸化ガス（本実施例では、空気）を流すセル内酸化ガス流路４８を備える。なお、図１〜図２には記載していないが、隣り合う電池セル１５間には、例えば、冷媒が流れるセル間冷媒流路を形成することができる。
【００１９】
電解質膜２０は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。アノード２１およびカソード２２は、触媒（例えば白金、あるいは白金合金）を備えており、これらの触媒を、導電性を有する担体（例えば、カーボン粒子）上に担持させることによって形成されている。
【００２０】
アノード側ガス拡散層２３とカソード側ガス拡散層２４は、ガス透過性を有する導電性で多孔質な部材、例えば、カーボンペーパやカーボンクロスを多孔質基材として形成される。アノード側ガス拡散層２３は、ＭＥＡにおけるアノード２１の側の拡散層表面に、アノード側ＭＰＬ（Micro Porous Layer）２３ａを有する。このアノード側ＭＰＬ２３ａは、導電性の粉体であるカーボン粒子をプロトン伝導性を有する電解質樹脂（本実施例では、電解質膜２０を構成するフッ素系樹脂）で保持することで、層において連続気孔を形成する。アノード側ＭＰＬ２３ａは、例えば、フッ素系樹脂の溶液にカーボン粒子を分散させたペーストを、アノード側ガス拡散層２３の表面に塗布して乾燥することで、薄膜状に形成される。そして、アノード側ＭＰＬ２３ａを表面に備えるアノード側ガス拡散層２３が、本実施例におけるペースト含浸の検査対象となる。
【００２１】
カソード側ガス拡散層２４は、ＭＥＡにおけるカソード２２の側の拡散層表面に、カソード側撥水層２４ａを有する。このカソード側撥水層２４ａは、撥水剤をカソード側ガス拡散層２４の表面にスプレー塗布し、その乾燥を経て形成される。なお、カソード側撥水層２４ａを表面に備えるカソード側ガス拡散層２４についても、本実施例のペースト含浸の検査対象とすることもできる。
【００２２】
ガスセパレーター２５，２６は、ガス不透過な導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、焼成カーボン、あるいはステンレス鋼などの金属材料により形成されている。ガスセパレーター２５，２６は、既述したセル内燃料ガス流路４７およびセル内酸化ガス流路４８の壁面を成す部材であって、その表面には、ガス流路を形成するための凹凸形状が形成されている。
【００２３】
電池セル１５は、上記したガスセパレーター２５のセル内燃料ガス流路４７に水素ガスを流すに当たり、図１における左方側から水素ガスを供給する。また、ガスセパレーター２６のセル内酸化ガス流路４８に空気を流すに当たり、図１における右方側から空気を供給する。そして、電池セル１５は、流入した水素ガスを、アノード側ガス拡散層２３で拡散ししつつアノード２１に供給する。空気については、水素ガスと逆向きの流れでカソード側ガス拡散層２４に流入した空気を、カソード側ガス拡散層２４で拡散ししつつカソード２２に供給する。
【００２４】
上記した電池セル１５のアノード側ガス拡散層２３において、アノード側ガス拡散層２３の細孔に、アノード側ＭＰＬ２３ａの形成の際に塗布したペーストが含浸していないことが望ましい。これは、次の理由による。通常、アノード側ＭＰＬ２３ａの形成に際しては、同じ目付け量のペーストをアノード側ガス拡散層２３の表面に塗布する。よって、多孔質基材であるアノード側ガス拡散層２３の細孔にＭＰＬ形成用のペーストが含浸しないとすると、アノード側ＭＰＬ２３ａの厚みは均一となるほか、アノード側ガス拡散層２３の細孔空隙を狭くしたり閉塞してしまう事態を抑制できる。この結果、アノード側ＭＰＬ２３ａを有するアノード側ガス拡散層２３でのガス拡散状態の均一化を確保でき、アノード２１へのガス供給（空気供給）の安定化や電池セル１５での発電能力維持の上で好ましい。
【００２５】
その反面、多孔質基材であるアノード側ガス拡散層２３の細孔へのＭＰＬ形成用のペーストの含浸が起きると、含浸が起きた分だけアノード側ＭＰＬ２３ａの厚みが不均一となったり、ペースト乾燥を経て細孔周壁にペーストが凝集して細孔空隙を狭くしたり、閉塞してしまう可能性がある。こうしたアノード側ＭＰＬ２３ａの厚みの不均一化や細孔空隙の狭小化は、アノード側ＭＰＬ２３ａを有するアノード側ガス拡散層２３でのガス拡散状態に乱れを誘発して、アノード２１へのガス供給（空気供給）の安定化や電池セル１５での発電能力維持に悪影響を及ぼしかねない。このため、アノード側ガス拡散層２３へのペースト含浸の状態検査は、製造したアノード側ガス拡散層２３の採用可否決定の上で、重要視される。本実施例では、アノード側ガス拡散層２３におけるペースト含浸検査を、次のようにしてアノード側ガス拡散層２３の製造工程に組み込んで実施する。図２はペースト含浸検査を組み込んだアノード側ガス拡散層２３の製造手順を示すプロセス図である。
【００２６】
図示するように、アノード側ＭＰＬ２３ａの形成のためのペーストを調達する（ステップＳ１００）。ペースト調達に際しては、既に調合済みのペーストを購入等して準備するほか、カーボン粒子を、電解質膜２０を構成するフッ素系樹脂（電解質樹脂）と共に、有機溶剤からなる適宜な溶媒に分散配合したペーストを調合するようにすることもできる。本実施例では、アノード側ガス拡散層２３におけるペーストの含浸状態を検査することから、ペースト含浸に影響を及ぼすペースト粘度は、ステップＳ１００でのペースト調達に際して所定のものとなるようにされる他、後述の検査結果に応じたペースト粘度調整が必要に応じてなされる。
【００２７】
次に、上記のペーストを、アノード側ＭＰＬ２３ａの形成対象であるアノード側ガス拡散層２３の表面に所定の目付け量で塗布して、アノード側ＭＰＬ２３ａを成膜する（ステップＳ１１０）。ペーストのアノード側ガス拡散層２３への塗布は、例えば、スプレー法や、スクリーン印刷、あるいは、ドクターブレード法や、インクジェット法により行なうこともできる。これらの方法を用いることで、アノード側ＭＰＬ２３ａの形成用ペーストを所望の厚みに塗布できる。
【００２８】
上記のようにペーストを塗布した後は、塗布したペーストを乾燥させる（ステップＳ１２０）。この乾燥により、ペーストに含まれる溶媒は気化して、その気化箇所において微細な細孔が形成され、この乾燥を経てアノード側ＭＰＬ２３ａがアノード側ガス拡散層２３の表面に形成される。こうして形成されたアノード側ＭＰＬ２３ａの層内部は、カーボン粒子がフッ素系樹脂（電解質樹脂）で保持された上で、溶媒気化箇所が連続した連続気孔が形成される。このアノード側ＭＰＬ２３ａの乾燥に際しては、ペーストに用いる有機溶媒の性質に応じて乾燥温度を定めたり、乾燥のための昇温速度調整や真空乾燥の採用等することができる。なお、上記したステップＳ１００〜１２０の手順に代え、アノード側ＭＰＬ２３ａを既に表面に形成済みのアノード側ガス拡散層２３を購入等して調達するようにすることもできる。
【００２９】
その後、アノード側ガス拡散層２３の裏面、即ちアノード側ＭＰＬ２３ａを形成した表面と逆の面に、薄葉状の金属膜ＫＭを接合させ、この金属膜ＫＭをアノード側ガス拡散層２３と一体化する（ステップＳ１３０）。金属膜ＫＭの接合・一体化は、後述のペースト含浸検査後に金属膜ＫＭが剥離できるようになされる。この場合、アノード側ガス拡散層２３の裏面に金属膜ＫＭがなるべく間隙を残さないように接合できればよく、適宜な接着剤の散点塗布による接着や、金属膜ＫＭにアノード側ガス拡散層２３を載置して保持するような手法で、ステップＳ１３０にて金属膜ＫＭの接合・一体化がなされる。
【００３０】
ＫＭの接合・一体化に続いては、ペースト含浸検査を行う（ステップＳ１４０）。このペースト含浸検査は、作製したアノード側ガス拡散層２３の全てについて行う必要はなく、定期的或いは不定期に検査対象のアノード側ガス拡散層２３を抽出して行うようにできる。そして、抽出したアノード側ガス拡散層２３について、ペースト含浸状態を次のようにして検査する。
【００３１】
図３は本実施例におけるペースト含浸検査の原理を模式的に示す説明図である。図示するように、ペースト含浸検査には、送信側超音波探触子１３０と受信側超音波探触子１４０とを用いる。送信側超音波探触子１３０は、アノード側ガス拡散層２３に対して、その表面のアノード側ＭＰＬ２３ａの側から超音波を所定の送信時間に亘って送信する。受信側超音波探触子１４０は、送信側超音波探触子１３０と対向配置され、両探触子の間にセットされたアノード側ガス拡散層２３を透過する超音波を受信する。こうしたペースト含浸検査に処されるアノード側ガス拡散層２３は、既述したステップＳ１３０により、その裏面に金属膜ＫＭが接合済みであることから、図３に示すように、アノード側ＭＰＬ２３ａを送信側超音波探触子１３０の側とし、金属膜ＫＭを受信側超音波探触子１４０の側とする。このため、受信側超音波探触子１４０は、アノード側ガス拡散層２３と金属膜ＫＭを透過した超音波を受信することになる。
【００３２】
図３には、アノード側ガス拡散層２３におけるアノード側ＭＰＬ２３ａの形成用ペーストの含浸程度の相違と、これに伴う超音波の透過の様子、並びに超音波受信の様子が示されている。送信側超音波探触子１３０の送信した超音波は、アノード側ＭＰＬ２３ａに到達した後、このアノード側ＭＰＬ２３ａ、アノード側ガス拡散層２３、金属膜ＫＭの順に伝播し、受信側超音波探触子１４０で受信される。アノード側ＭＰＬ２３ａは、その晒される大気に比して、超音波に対する音響インピーダンスが大きく相違するので、送信側超音波探触子１３０から送信された超音波は、その多くがアノード側ＭＰＬ２３ａの外表面で反射し、ごく一部がアノード側ＭＰＬ２３ａを経てアノード側ガス拡散層２３に伝播する。つまり、アノード側ガス拡散層２３には、エネルギーを大きく減衰した状態で超音波が伝播する。
【００３３】
アノード側ガス拡散層２３は、ペースト含浸が起きていないほど細孔が空隙のままであるため、疎の状態であり、アノード側ガス拡散層２３へのペースト含浸が進むほど、細孔がペーストで狭小となり、密の状態となる。アノード側ガス拡散層２３における超音波の伝播状態は、アノード側ガス拡散層２３の疎或いは密の状態で相違する。そして、アノード側ガス拡散層２３を伝播する超音波のエネルギーの低下程度は、アノード側ガス拡散層２３へのペースト含浸の状態に基づく拡散層の疎密に応じて変化し、疎のアノード側ガス拡散層２３では、超音波のエネルギーは大きく低下する。つまり、送信側超音波探触子１３０から送信された超音波は、アノード側ＭＰＬ２３ａの外表面での反射とアノード側ガス拡散層２３の伝播に伴うエネルギー低下を経て、金属膜ＫＭに到達する。
【００３４】
金属膜ＫＭとアノード側ガス拡散層２３とは、音響インピーダンスが相違し、アノード側ガス拡散層２３へのペーストの含浸程度が小さいために空隙が多い疎の状態ほど、音響インピーダンスの相違は大きくなる。このため、アノード側ガス拡散層２３の裏面に到達した超音波は、アノード側ガス拡散層２３の伝播の際のエネルギーの低下程度が大きいほど、即ち、アノード側ガス拡散層２３へのペーストの含浸程度が小さい疎の状態ほど、金属膜ＫＭをより一層と透過できなくなり、受信側超音波探触子１４０での超音波の受信状態は低下する。つまり、アノード側ガス拡散層２３の裏面に金属膜ＫＭを接合することで、アノード側ガス拡散層２３における超音波の透過状態を顕著化できる。そして、超音波がアノード側ガス拡散層２３を伝播する際のエネルギーの低下程度は、アノード側ガス拡散層２３へのペースト含浸が少ないほど大きくなり、ペースト含浸が進むほど小さくなるよう、ペーストの含浸状態に基づいて変化するので、アノード側ガス拡散層２３を透過した超音波の受信側超音波探触子１４０での受信状態は、アノード側ガス拡散層２３へのペーストの含浸状態に依存することになる。このことは、図３において図示されており、受信側超音波探触子１４０での超音波の受信強度（intensity）は、ペースト含浸が進んでアノード側ガス拡散層２３が密の状態で大きく、ペースト含浸が少なくアノード側ガス拡散層２３が疎の状態で小さくなる。そして、金属膜ＫＭによる既述した超音波の透過状態の顕著化が受信強度に反映していることが確認できる。なお、受信強度の振れは、送信側超音波探触子１３０からの超音波送信開始から時間差を持って現れ、この時間差は、超音波が受信側超音波探触子１４０に到達する時間に相当する。
【００３５】
図４はアノード側ガス拡散層２３に疎密の差を持たせたサンプル品についてのペースト含浸検査の様子を示す説明図である。図示するように、ペースト含浸が進んで密のアノード側ガス拡散層２３を有するサンプルＡでは、大きな受信強度が得られ、ペースト含浸が進まずに疎のアノード側ガス拡散層２３を有するサンプルＢでは、受信強度が大きく低下する。つまりは、大きな受信強度が得られると、その検査対象品、即ち、アノード側ＭＰＬ２３ａを表面に備えるアノード側ガス拡散層２３では、アノード側ガス拡散層２３へのペースト含浸が進んでいることになる。その反面、受信強度が小さいと、ペースト含浸は進んでいないことになり、そのアノード側ガス拡散層２３は、アノード側ＭＰＬ２３ａの厚みの均一化やアノード側ガス拡散層２３における細孔確保がなされたガス拡散層となる。
【００３６】
また、アノード側ガス拡散層２３へのペースト含浸は、アノード側ガス拡散層２３の表面の全域において一律に起きるとは限らず、拡散層表面において点在して起きることもある。図４には、この様子が示されており、受信側超音波探触子１４０の受信した超音波を画像変換処理に処すると、受信側超音波探触子１４０の超音波受信領域において、ペースト含浸が進んだ箇所は、他の箇所に比べて黒く表示される。そして、サンプルＡでは、ペースト含浸が進んだ箇所は、広範囲に亘って存在すると共に、画像処理後の黒色部位では色が濃くなっている。これに対し、サンプルＢでは、画像処理後の黒色部位は僅かであるばかりか、その色も薄いので、ペースト含浸がそれほど起きていないことになる。
【００３７】
図５はステップＳ１４０で行うアノード側ガス拡散層２３についてのペースト含浸検査の様子を概略的に示す説明図である。図示するように、アノード側ガス拡散層２３の幅方向に亘って送信側超音波探触子１３０と受信側超音波探触子１４０とを並べて配置し、アノード側ガス拡散層２３を図示しない駆動治具を用いて一方向に走査する。送信側超音波探触子１３０のそれぞれは、アノード側ガス拡散層２３が通過するまで継続して超音波を送信し、受信側超音波探触子１４０のそれぞれは、アノード側ガス拡散層２３が通過するまで継続して超音波を受信する。それぞれの受信側超音波探触子１４０での受信超音波は、検査装置２００に出力される。
【００３８】
検査装置２００は、出力処理部２１０と、対比参照部２２０と、判定部２３０とを備え、図２のステップＳ１４０とこれに続くステップＳ１５０の電池セル組み込み可否決定を行う。対比参照部２２０は、受信側超音波探触子１４０の受信超音波を画像変換処理に処して、その結果（変換画像）を対比参照部２２０に受け渡す。対比参照部２２０は、ペースト含浸の程度が許容されるアノード側ガス拡散層２３についての変換画像を予め記憶しており、その記憶した変換画像と、出力処理部２１０から取得した変換画像を対比する。判定部２３０は、この対比結果に基づいて、今般のペースト含浸検査の対象となったアノード側ガス拡散層２３の良否を判定する。即ち、この判定部２３０にて、ステップＳ１５０の電池セル組み込み可否決定が行われ、ペースト含浸があまり起きていないアノード側ガス拡散層２３については、組み込み可能品とされ、図１に示した電池セル１５に組み込まれ、燃料電池を構成する。この場合、組み込み可能品とされたアノード側ガス拡散層２３については、その品質が保証されることになる。そして、ステップＳ１５０での組み込み可能決定の頻度が高まるよう、アノード側ＭＰＬ２３ａの形成用ペーストの粘度を高めて含浸を抑制するようにしたり、アノード側ガス拡散層２３をより小さな細孔を有する材料として、ペースト含浸を起きにくくするようにできる。なお、出力処理部２１０の変換画像を図示しないモニターに表示し、検査要員に、ペースト含浸の程度を示す画像を提示するようにすることもできる。
【００３９】
以上説明したように、本実施例によれば、作製したアノード側ガス拡散層２３についてのペーストの含浸状態を検査するに当たり、アノード側ＭＰＬ２３ａを表面に備えたアノード側ガス拡散層２３の裏面に金属膜ＫＭを接合済みの状態とする。そして、金属膜ＫＭを接合済みのアノード側ガス拡散層２３に対して、アノード側ＭＰＬ２３ａの側から超音波を送信し、アノード側ガス拡散層２３および金属膜ＫＭを透過した超音波を受信する。金属膜ＫＭは、既述したように、アノード側ガス拡散層２３における超音波の透過状態を顕著化させるので、ペーストの含浸状態を、超音波の受信強度の大小により、適切に且つ簡便に検査できる。しかも、このペースト含浸検査を、電池セル１５の発電性能に影響を及ぼすアノード側ガス拡散層２３について行って電池セルへの組み込み可否を決定するので、電池セル１５の発電能力確保に寄与できる。
【００４０】
本発明は上記した実施例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、種々の態様で実施可能である。例えば、アノード側ガス拡散層２３の裏面に、金属膜ＫＭに代わってプラスチックの薄膜成型品を接合することもできる。こうした薄膜成型品であっても、アノード側ガス拡散層２３に比べて密な構造であるため、金属膜ＫＭの代用が可能となる。
【００４１】
また、カソード側撥水層２４ａを表面に備えるカソード側ガス拡散層２４についても、カソード側撥水層２４ａの形成の際に用いる撥水剤の含浸状態を検査することもできる。この他、燃料電池の電池セル１５に限られるものではなく、表面にペースト層を有する種々の多孔質基材についても、ペースト含浸状態を検査できる。
【符号の説明】
【００４２】
１５…電池セル
２０…電解質膜
２１…アノード
２２…カソード
２３…アノード側ガス拡散層
２３ａ…アノード側ＭＰＬ
２４…カソード側ガス拡散層
２４ａ…カソード側撥水層
２５、２６…ガスセパレーター
４７…セル内燃料ガス流路
４８…セル内酸化ガス流路
１３０…送信側超音波探触子
１４０…受信側超音波探触子
２００…検査装置
２１０…出力処理部
２２０…対比参照部
２３０…判定部
ＫＭ…金属膜
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ペースト層を表面に備える多孔質基材におけるペーストの含浸状態を検査する検査方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ペースト層を表面に備える多孔質基材は、多孔質であるという性質に適った用途、例えば、燃料電池では、プロトン伝導性を有する電解質膜の両膜面の電極へのガス拡散供給を図るガス拡散基材として用いられている（例えば、特許文献１）。この特許文献１では、カーボン繊維等の多孔質基材の表面に、撥水性と導電性とを発揮できる撥水性インク（ペースト）を塗布して拡散層（ペースト層）を形成している。
【０００３】
一方、多孔質基材における気孔率等を超音波にて非接触で測定する技術も提案されている（例えば、特許文献２等）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−９４７２３号公報
【特許文献２】特開２００７−２１８９１５号公報
【特許文献３】特表２００８−５４５１２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、ペースト層の形成に際して塗布等されるペーストは、粘性を有するとはいえ流動することから、塗布等の対象である多孔質基材にその表面（塗布面）の側から染み込み、基材に含浸することがある。ペーストの含浸箇所は多孔質基材の細孔内であることから、乾燥を経て細孔周壁にペーストが凝集して細孔空隙を狭くしたり、閉塞してしまうことが危惧される。また、ペースト塗布に際しては、例えば面積当たりの塗布量が同じとなるようにされるが、上記した含浸の程度が相違すると、ペースト層の厚みが不均一となることも有り得る。このようなペーストの含浸による細孔空隙の狭小化や厚みの不均一化は、電極へのガスの拡散状態、延いては燃料電池の発電性能に影響を及ぼしかねない。しかしながら、多孔質基材の表面にペースト層を形成する際に特有の上記したペーストの含浸に関する検査は行われていなかった。
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、表面にペースト層を有する多孔質基材におけるペースト含浸の状態検査に対処できる新たな手法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記した目的の少なくとも一部を達成するために、本発明では、以下の構成を採用した。
【０００８】
[適用１：多孔質基材の検査方法]
ペーストを用いて膜状に形成されたペースト層を表面に備える多孔質基材における前記ペーストの含浸状態を検査する方法であって、
前記多孔質基材に対して、前記ペースト層の側から超音波を送信し、
前記多孔質基材を透過する超音波を、前記多孔質基材の裏面に薄葉状の固体薄膜を接合させた状態で前記裏面の側にて受信し、その受信状態により前記含浸状態を検査する
ことを要旨とする。
【０００９】
上記手順を備える多孔質基材の検査方法では、ペースト層を表面に備える多孔質基材を透過する超音波の受信を行うに当たり、この多孔質基材の裏面に薄葉状の固体薄膜を接合させ、この固体薄膜接合済みの状態で多孔質基材を透過する超音波を受信する。このため、超音波の受信状態は、次のようになる。
【００１０】
多孔質基材表面のペースト層が外部環境に晒される外表界面では、その界面を境にペースト層と外部環境（例えば大気）とにおいて超音波に対する音響インピーダンスが大きく相違する。このため、多孔質基材に対してペースト層の側から送信された超音波は、その多くが上記の外表界面で反射し、ごく一部がペースト層を経て多孔質基材に伝播する。つまり、多孔質基材には、エネルギーを大きく減衰した状態で超音波が伝播する。そして、この多孔質基材にあっては、細孔を空隙としていることから、多孔質基材を伝播する超音波のエネルギーは、多孔質基材における空隙の存在状態に起因して低下する。以下、この現象を多孔質基材へのペーストの含浸と関連付けて説明する。
【００１１】
多孔質基材表面へのペースト層形成に際して、ペーストが多孔質基材への含浸を起こしていないと仮定する。この際の多孔質基材は、その有する細孔の全てを空隙としていることから、多孔質基材を伝播する超音波のエネルギーは、多孔質基材伝搬により最も大きく低下する。これに対し、ペーストが多孔質基材の厚み方向においてくまなく含浸していると仮定すると、この際の多孔質基材は、その厚み方向において細孔がペーストで閉塞もしくは細孔空隙の狭小化されていることから、多孔質基材を伝播する超音波のエネルギーの低下程度は、最も小さくなる。つまり、多孔質基材を伝播する超音波のエネルギーの低下程度は、多孔質基材へのペースト含浸の状態に基づいて、変わることになる。
【００１２】
上記手順を備える多孔質基材の検査方法では、検査対象の多孔質基材の裏面に薄葉状の固体薄膜を接合させているので、多孔質基材と固体薄膜との界面である基材裏面においても、音響インピーダンスの相違により、既述したように超音波の反射と伝播が起きる。この場合、多孔質基材にペーストの含浸程度が小さいために空隙が多いほど、基材裏面における多孔質基材と固体薄膜との音響インピーダンスの相違は大きくなる。このため、基材裏面に到達した超音波は、多孔質基材伝播の際のエネルギーの低下程度が大きいほど、即ち、多孔質基材へのペーストの含浸程度が小さいほど、固体薄膜をより一層と透過できなくなり、多孔質基材裏面の側での超音波の受信状態は低下する。つまり、多孔質基材裏面の固体薄膜が、多孔質基材における超音波の透過状態を顕著化させる。そして、超音波が多孔質基材を伝播する際のエネルギーの低下程度は、既述したように多孔質基材へのペースト含浸が少ないほど大きくなり、ペースト含浸が進むほど小さくなるよう、ペーストの含浸状態に基づいて変化するので、多孔質基材を透過した超音波の受信状態は、多孔質基材へのペーストの含浸状態に依存することになる。よって、上記手順を備える多孔質基材の検査方法によれば、多孔質基材裏面に固体薄膜を接合済みの状態で超音波を受信することにより、多孔質基材における超音波の透過状態を顕著化させて、その受信状態を多孔質基材へのペースト含浸状態と対応付け、当該含浸状態を適切に検査できる。この場合、多孔質基材裏面に接合する固体薄膜としては、金属を膜状に延伸形成した金属膜を採用できるほか、プラスチックの薄膜成型品とすることもできる。
【００１３】
この他、上記した検査方法は、次のような態様とすることができる。例えば、検査対象となる前記多孔質基材を、燃料電池に用いられるガス拡散基材であって、その表面に前記ペースト層としての気孔層を備えるものとし、該気孔層を、導電性粒子をプロトン伝導性を有する電解質樹脂に分散させたペーストにて形成し、層において気孔を有するものとする。こうすれば、燃料電池に用いられるガス拡散基材についての気孔層形成用のペーストの含浸状態を適切に検査できる。
【００１４】
[適用２：多孔質基材の製造方法]
多孔質基材の製造方法であって、
前記多孔質基材の表裏面の一方の面に、ペーストを用いて膜状のペースト層を形成すると共に、他方の面に、薄葉状の固体薄膜を剥離可能に接合し、
該固体薄膜が接合した状態で、前記ペースト層の側からの前記多孔質基材に対する超音波の送信と、前記固体薄膜の側での多孔質基材透過超音波の受信とを行い、その受信状態により前記多孔質基材へのペーストの含浸状態を検査し、
前記固体薄膜を剥離する
ことを要旨とする。
【００１５】
上記手順を備える多孔質基材の製造方法によれば、ペーストの含浸状態の検査を経た多孔質基材を製造できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施例でのペースト含浸検査の対象となるアノード側ガス拡散層２３を含む電池セル１５の概略構成を分解して斜視にて示す説明図である。
【図２】ペースト含浸検査を組み込んだアノード側ガス拡散層２３の製造手順を示すプロセス図である。
【図３】本実施例におけるペースト含浸検査の原理を模式的に示す説明図である。
【図４】アノード側ガス拡散層２３に疎密の差を持たせたサンプル品についてのペースト含浸検査の様子を示す説明図である。
【図５】ステップＳ１４０で行うアノード側ガス拡散層２３についてのペースト含浸検査の様子を概略的に示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を燃料電池に適用した実施例について説明する。図１は本実施例でのペースト含浸検査の対象となるアノード側ガス拡散層２３を含む電池セル１５の概略構成を分解して斜視にて示す説明図である。
【００１８】
電池セル１５は、電解質膜２０の両側にアノード２１とカソード２２の両電極を備える。このアノード２１とカソード２２は、電解質膜２０の両膜面に形成され膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly／ＭＥＡ）を形成する。この他、電池セル１５は、電極形成済みの電解質膜２０を両側から挟持するアノード側ガス拡散層２３とカソード側ガス拡散層２４とガスセパレーター２５，２６を備え、両ガス拡散層は、対応する電極に接合されている。ガスセパレーター２５は、アノード側ガス拡散層２３の側に、水素を含有する燃料ガスを流すセル内燃料ガス流路４７を備える。ガスセパレーター２６は、カソード側ガス拡散層２４の側に、酸素を含有する酸化ガス（本実施例では、空気）を流すセル内酸化ガス流路４８を備える。なお、図１〜図２には記載していないが、隣り合う電池セル１５間には、例えば、冷媒が流れるセル間冷媒流路を形成することができる。
【００１９】
電解質膜２０は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。アノード２１およびカソード２２は、触媒（例えば白金、あるいは白金合金）を備えており、これらの触媒を、導電性を有する担体（例えば、カーボン粒子）上に担持させることによって形成されている。
【００２０】
アノード側ガス拡散層２３とカソード側ガス拡散層２４は、ガス透過性を有する導電性で多孔質な部材、例えば、カーボンペーパやカーボンクロスを多孔質基材として形成される。アノード側ガス拡散層２３は、ＭＥＡにおけるアノード２１の側の拡散層表面に、アノード側ＭＰＬ（Micro Porous Layer）２３ａを有する。このアノード側ＭＰＬ２３ａは、導電性の粉体であるカーボン粒子をプロトン伝導性を有する電解質樹脂（本実施例では、電解質膜２０を構成するフッ素系樹脂）で保持することで、層において連続気孔を形成する。アノード側ＭＰＬ２３ａは、例えば、フッ素系樹脂の溶液にカーボン粒子を分散させたペーストを、アノード側ガス拡散層２３の表面に塗布して乾燥することで、薄膜状に形成される。そして、アノード側ＭＰＬ２３ａを表面に備えるアノード側ガス拡散層２３が、本実施例におけるペースト含浸の検査対象となる。
【００２１】
カソード側ガス拡散層２４は、ＭＥＡにおけるカソード２２の側の拡散層表面に、カソード側撥水層２４ａを有する。このカソード側撥水層２４ａは、撥水剤をカソード側ガス拡散層２４の表面にスプレー塗布し、その乾燥を経て形成される。なお、カソード側撥水層２４ａを表面に備えるカソード側ガス拡散層２４についても、本実施例のペースト含浸の検査対象とすることもできる。
【００２２】
ガスセパレーター２５，２６は、ガス不透過な導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、焼成カーボン、あるいはステンレス鋼などの金属材料により形成されている。ガスセパレーター２５，２６は、既述したセル内燃料ガス流路４７およびセル内酸化ガス流路４８の壁面を成す部材であって、その表面には、ガス流路を形成するための凹凸形状が形成されている。
【００２３】
電池セル１５は、上記したガスセパレーター２５のセル内燃料ガス流路４７に水素ガスを流すに当たり、図１における左方側から水素ガスを供給する。また、ガスセパレーター２６のセル内酸化ガス流路４８に空気を流すに当たり、図１における右方側から空気を供給する。そして、電池セル１５は、流入した水素ガスを、アノード側ガス拡散層２３で拡散ししつつアノード２１に供給する。空気については、水素ガスと逆向きの流れでカソード側ガス拡散層２４に流入した空気を、カソード側ガス拡散層２４で拡散ししつつカソード２２に供給する。
【００２４】
上記した電池セル１５のアノード側ガス拡散層２３において、アノード側ガス拡散層２３の細孔に、アノード側ＭＰＬ２３ａの形成の際に塗布したペーストが含浸していないことが望ましい。これは、次の理由による。通常、アノード側ＭＰＬ２３ａの形成に際しては、同じ目付け量のペーストをアノード側ガス拡散層２３の表面に塗布する。よって、多孔質基材であるアノード側ガス拡散層２３の細孔にＭＰＬ形成用のペーストが含浸しないとすると、アノード側ＭＰＬ２３ａの厚みは均一となるほか、アノード側ガス拡散層２３の細孔空隙を狭くしたり閉塞してしまう事態を抑制できる。この結果、アノード側ＭＰＬ２３ａを有するアノード側ガス拡散層２３でのガス拡散状態の均一化を確保でき、アノード２１へのガス供給（空気供給）の安定化や電池セル１５での発電能力維持の上で好ましい。
【００２５】
その反面、多孔質基材であるアノード側ガス拡散層２３の細孔へのＭＰＬ形成用のペーストの含浸が起きると、含浸が起きた分だけアノード側ＭＰＬ２３ａの厚みが不均一となったり、ペースト乾燥を経て細孔周壁にペーストが凝集して細孔空隙を狭くしたり、閉塞してしまう可能性がある。こうしたアノード側ＭＰＬ２３ａの厚みの不均一化や細孔空隙の狭小化は、アノード側ＭＰＬ２３ａを有するアノード側ガス拡散層２３でのガス拡散状態に乱れを誘発して、アノード２１へのガス供給（空気供給）の安定化や電池セル１５での発電能力維持に悪影響を及ぼしかねない。このため、アノード側ガス拡散層２３へのペースト含浸の状態検査は、製造したアノード側ガス拡散層２３の採用可否決定の上で、重要視される。本実施例では、アノード側ガス拡散層２３におけるペースト含浸検査を、次のようにしてアノード側ガス拡散層２３の製造工程に組み込んで実施する。図２はペースト含浸検査を組み込んだアノード側ガス拡散層２３の製造手順を示すプロセス図である。
【００２６】
図示するように、アノード側ＭＰＬ２３ａの形成のためのペーストを調達する（ステップＳ１００）。ペースト調達に際しては、既に調合済みのペーストを購入等して準備するほか、カーボン粒子を、電解質膜２０を構成するフッ素系樹脂（電解質樹脂）と共に、有機溶剤からなる適宜な溶媒に分散配合したペーストを調合するようにすることもできる。本実施例では、アノード側ガス拡散層２３におけるペーストの含浸状態を検査することから、ペースト含浸に影響を及ぼすペースト粘度は、ステップＳ１００でのペースト調達に際して所定のものとなるようにされる他、後述の検査結果に応じたペースト粘度調整が必要に応じてなされる。
【００２７】
次に、上記のペーストを、アノード側ＭＰＬ２３ａの形成対象であるアノード側ガス拡散層２３の表面に所定の目付け量で塗布して、アノード側ＭＰＬ２３ａを成膜する（ステップＳ１１０）。ペーストのアノード側ガス拡散層２３への塗布は、例えば、スプレー法や、スクリーン印刷、あるいは、ドクターブレード法や、インクジェット法により行なうこともできる。これらの方法を用いることで、アノード側ＭＰＬ２３ａの形成用ペーストを所望の厚みに塗布できる。
【００２８】
上記のようにペーストを塗布した後は、塗布したペーストを乾燥させる（ステップＳ１２０）。この乾燥により、ペーストに含まれる溶媒は気化して、その気化箇所において微細な細孔が形成され、この乾燥を経てアノード側ＭＰＬ２３ａがアノード側ガス拡散層２３の表面に形成される。こうして形成されたアノード側ＭＰＬ２３ａの層内部は、カーボン粒子がフッ素系樹脂（電解質樹脂）で保持された上で、溶媒気化箇所が連続した連続気孔が形成される。このアノード側ＭＰＬ２３ａの乾燥に際しては、ペーストに用いる有機溶媒の性質に応じて乾燥温度を定めたり、乾燥のための昇温速度調整や真空乾燥の採用等することができる。なお、上記したステップＳ１００〜１２０の手順に代え、アノード側ＭＰＬ２３ａを既に表面に形成済みのアノード側ガス拡散層２３を購入等して調達するようにすることもできる。
【００２９】
その後、アノード側ガス拡散層２３の裏面、即ちアノード側ＭＰＬ２３ａを形成した表面と逆の面に、薄葉状の金属膜ＫＭを接合させ、この金属膜ＫＭをアノード側ガス拡散層２３と一体化する（ステップＳ１３０）。金属膜ＫＭの接合・一体化は、後述のペースト含浸検査後に金属膜ＫＭが剥離できるようになされる。この場合、アノード側ガス拡散層２３の裏面に金属膜ＫＭがなるべく間隙を残さないように接合できればよく、適宜な接着剤の散点塗布による接着や、金属膜ＫＭにアノード側ガス拡散層２３を載置して保持するような手法で、ステップＳ１３０にて金属膜ＫＭの接合・一体化がなされる。
【００３０】
ＫＭの接合・一体化に続いては、ペースト含浸検査を行う（ステップＳ１４０）。このペースト含浸検査は、作製したアノード側ガス拡散層２３の全てについて行う必要はなく、定期的或いは不定期に検査対象のアノード側ガス拡散層２３を抽出して行うようにできる。そして、抽出したアノード側ガス拡散層２３について、ペースト含浸状態を次のようにして検査する。
【００３１】
図３は本実施例におけるペースト含浸検査の原理を模式的に示す説明図である。図示するように、ペースト含浸検査には、送信側超音波探触子１３０と受信側超音波探触子１４０とを用いる。送信側超音波探触子１３０は、アノード側ガス拡散層２３に対して、その表面のアノード側ＭＰＬ２３ａの側から超音波を所定の送信時間に亘って送信する。受信側超音波探触子１４０は、送信側超音波探触子１３０と対向配置され、両探触子の間にセットされたアノード側ガス拡散層２３を透過する超音波を受信する。こうしたペースト含浸検査に処されるアノード側ガス拡散層２３は、既述したステップＳ１３０により、その裏面に金属膜ＫＭが接合済みであることから、図３に示すように、アノード側ＭＰＬ２３ａを送信側超音波探触子１３０の側とし、金属膜ＫＭを受信側超音波探触子１４０の側とする。このため、受信側超音波探触子１４０は、アノード側ガス拡散層２３と金属膜ＫＭを透過した超音波を受信することになる。
【００３２】
図３には、アノード側ガス拡散層２３におけるアノード側ＭＰＬ２３ａの形成用ペーストの含浸程度の相違と、これに伴う超音波の透過の様子、並びに超音波受信の様子が示されている。送信側超音波探触子１３０の送信した超音波は、アノード側ＭＰＬ２３ａに到達した後、このアノード側ＭＰＬ２３ａ、アノード側ガス拡散層２３、金属膜ＫＭの順に伝播し、受信側超音波探触子１４０で受信される。アノード側ＭＰＬ２３ａは、その晒される大気に比して、超音波に対する音響インピーダンスが大きく相違するので、送信側超音波探触子１３０から送信された超音波は、その多くがアノード側ＭＰＬ２３ａの外表面で反射し、ごく一部がアノード側ＭＰＬ２３ａを経てアノード側ガス拡散層２３に伝播する。つまり、アノード側ガス拡散層２３には、エネルギーを大きく減衰した状態で超音波が伝播する。
【００３３】
アノード側ガス拡散層２３は、ペースト含浸が起きていないほど細孔が空隙のままであるため、疎の状態であり、アノード側ガス拡散層２３へのペースト含浸が進むほど、細孔がペーストで狭小となり、密の状態となる。アノード側ガス拡散層２３における超音波の伝播状態は、アノード側ガス拡散層２３の疎或いは密の状態で相違する。そして、アノード側ガス拡散層２３を伝播する超音波のエネルギーの低下程度は、アノード側ガス拡散層２３へのペースト含浸の状態に基づく拡散層の疎密に応じて変化し、疎のアノード側ガス拡散層２３では、超音波のエネルギーは大きく低下する。つまり、送信側超音波探触子１３０から送信された超音波は、アノード側ＭＰＬ２３ａの外表面での反射とアノード側ガス拡散層２３の伝播に伴うエネルギー低下を経て、金属膜ＫＭに到達する。
【００３４】
金属膜ＫＭとアノード側ガス拡散層２３とは、音響インピーダンスが相違し、アノード側ガス拡散層２３へのペーストの含浸程度が小さいために空隙が多い疎の状態ほど、音響インピーダンスの相違は大きくなる。このため、アノード側ガス拡散層２３の裏面に到達した超音波は、アノード側ガス拡散層２３の伝播の際のエネルギーの低下程度が大きいほど、即ち、アノード側ガス拡散層２３へのペーストの含浸程度が小さい疎の状態ほど、金属膜ＫＭをより一層と透過できなくなり、受信側超音波探触子１４０での超音波の受信状態は低下する。つまり、アノード側ガス拡散層２３の裏面に金属膜ＫＭを接合することで、アノード側ガス拡散層２３における超音波の透過状態を顕著化できる。そして、超音波がアノード側ガス拡散層２３を伝播する際のエネルギーの低下程度は、アノード側ガス拡散層２３へのペースト含浸が少ないほど大きくなり、ペースト含浸が進むほど小さくなるよう、ペーストの含浸状態に基づいて変化するので、アノード側ガス拡散層２３を透過した超音波の受信側超音波探触子１４０での受信状態は、アノード側ガス拡散層２３へのペーストの含浸状態に依存することになる。このことは、図３において図示されており、受信側超音波探触子１４０での超音波の受信強度（intensity）は、ペースト含浸が進んでアノード側ガス拡散層２３が密の状態で大きく、ペースト含浸が少なくアノード側ガス拡散層２３が疎の状態で小さくなる。そして、金属膜ＫＭによる既述した超音波の透過状態の顕著化が受信強度に反映していることが確認できる。なお、受信強度の振れは、送信側超音波探触子１３０からの超音波送信開始から時間差を持って現れ、この時間差は、超音波が受信側超音波探触子１４０に到達する時間に相当する。
【００３５】
図４はアノード側ガス拡散層２３に疎密の差を持たせたサンプル品についてのペースト含浸検査の様子を示す説明図である。図示するように、ペースト含浸が進んで密のアノード側ガス拡散層２３を有するサンプルＡでは、大きな受信強度が得られ、ペースト含浸が進まずに疎のアノード側ガス拡散層２３を有するサンプルＢでは、受信強度が大きく低下する。つまりは、大きな受信強度が得られると、その検査対象品、即ち、アノード側ＭＰＬ２３ａを表面に備えるアノード側ガス拡散層２３では、アノード側ガス拡散層２３へのペースト含浸が進んでいることになる。その反面、受信強度が小さいと、ペースト含浸は進んでいないことになり、そのアノード側ガス拡散層２３は、アノード側ＭＰＬ２３ａの厚みの均一化やアノード側ガス拡散層２３における細孔確保がなされたガス拡散層となる。
【００３６】
また、アノード側ガス拡散層２３へのペースト含浸は、アノード側ガス拡散層２３の表面の全域において一律に起きるとは限らず、拡散層表面において点在して起きることもある。図４には、この様子が示されており、受信側超音波探触子１４０の受信した超音波を画像変換処理に処すると、受信側超音波探触子１４０の超音波受信領域において、ペースト含浸が進んだ箇所は、他の箇所に比べて黒く表示される。そして、サンプルＡでは、ペースト含浸が進んだ箇所は、広範囲に亘って存在すると共に、画像処理後の黒色部位では色が濃くなっている。これに対し、サンプルＢでは、画像処理後の黒色部位は僅かであるばかりか、その色も薄いので、ペースト含浸がそれほど起きていないことになる。
【００３７】
図５はステップＳ１４０で行うアノード側ガス拡散層２３についてのペースト含浸検査の様子を概略的に示す説明図である。図示するように、アノード側ガス拡散層２３の幅方向に亘って送信側超音波探触子１３０と受信側超音波探触子１４０とを並べて配置し、アノード側ガス拡散層２３を図示しない駆動治具を用いて一方向に走査する。送信側超音波探触子１３０のそれぞれは、アノード側ガス拡散層２３が通過するまで継続して超音波を送信し、受信側超音波探触子１４０のそれぞれは、アノード側ガス拡散層２３が通過するまで継続して超音波を受信する。それぞれの受信側超音波探触子１４０での受信超音波は、検査装置２００に出力される。
【００３８】
検査装置２００は、出力処理部２１０と、対比参照部２２０と、判定部２３０とを備え、図２のステップＳ１４０とこれに続くステップＳ１５０の電池セル組み込み可否決定を行う。対比参照部２２０は、受信側超音波探触子１４０の受信超音波を画像変換処理に処して、その結果（変換画像）を対比参照部２２０に受け渡す。対比参照部２２０は、ペースト含浸の程度が許容されるアノード側ガス拡散層２３についての変換画像を予め記憶しており、その記憶した変換画像と、出力処理部２１０から取得した変換画像を対比する。判定部２３０は、この対比結果に基づいて、今般のペースト含浸検査の対象となったアノード側ガス拡散層２３の良否を判定する。即ち、この判定部２３０にて、ステップＳ１５０の電池セル組み込み可否決定が行われ、ペースト含浸があまり起きていないアノード側ガス拡散層２３については、組み込み可能品とされ、図１に示した電池セル１５に組み込まれ、燃料電池を構成する。この場合、組み込み可能品とされたアノード側ガス拡散層２３については、その品質が保証されることになる。そして、ステップＳ１５０での組み込み可能決定の頻度が高まるよう、アノード側ＭＰＬ２３ａの形成用ペーストの粘度を高めて含浸を抑制するようにしたり、アノード側ガス拡散層２３をより小さな細孔を有する材料として、ペースト含浸を起きにくくするようにできる。なお、出力処理部２１０の変換画像を図示しないモニターに表示し、検査要員に、ペースト含浸の程度を示す画像を提示するようにすることもできる。
【００３９】
以上説明したように、本実施例によれば、作製したアノード側ガス拡散層２３についてのペーストの含浸状態を検査するに当たり、アノード側ＭＰＬ２３ａを表面に備えたアノード側ガス拡散層２３の裏面に金属膜ＫＭを接合済みの状態とする。そして、金属膜ＫＭを接合済みのアノード側ガス拡散層２３に対して、アノード側ＭＰＬ２３ａの側から超音波を送信し、アノード側ガス拡散層２３および金属膜ＫＭを透過した超音波を受信する。金属膜ＫＭは、既述したように、アノード側ガス拡散層２３における超音波の透過状態を顕著化させるので、ペーストの含浸状態を、超音波の受信強度の大小により、適切に且つ簡便に検査できる。しかも、このペースト含浸検査を、電池セル１５の発電性能に影響を及ぼすアノード側ガス拡散層２３について行って電池セルへの組み込み可否を決定するので、電池セル１５の発電能力確保に寄与できる。
【００４０】
本発明は上記した実施例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、種々の態様で実施可能である。例えば、アノード側ガス拡散層２３の裏面に、金属膜ＫＭに代わってプラスチックの薄膜成型品を接合することもできる。こうした薄膜成型品であっても、アノード側ガス拡散層２３に比べて密な構造であるため、金属膜ＫＭの代用が可能となる。
【００４１】
また、カソード側撥水層２４ａを表面に備えるカソード側ガス拡散層２４についても、カソード側撥水層２４ａの形成の際に用いる撥水剤の含浸状態を検査することもできる。この他、燃料電池の電池セル１５に限られるものではなく、表面にペースト層を有する種々の多孔質基材についても、ペースト含浸状態を検査できる。
【符号の説明】
【００４２】
１５…電池セル
２０…電解質膜
２１…アノード
２２…カソード
２３…アノード側ガス拡散層
２３ａ…アノード側ＭＰＬ
２４…カソード側ガス拡散層
２４ａ…カソード側撥水層
２５、２６…ガスセパレーター
４７…セル内燃料ガス流路
４８…セル内酸化ガス流路
１３０…送信側超音波探触子
１４０…受信側超音波探触子
２００…検査装置
２１０…出力処理部
２２０…対比参照部
２３０…判定部
ＫＭ…金属膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ペーストを用いて膜状に形成されたペースト層を表面に備える多孔質基材における前記ペーストの含浸状態を検査する方法であって、
前記多孔質基材に対して、前記ペースト層の側から超音波を送信し、
前記多孔質基材を透過する超音波を、前記多孔質基材の裏面に薄葉状の固体薄膜を接合させた状態で前記裏面の側にて受信し、その受信状態により前記含浸状態を検査する
多孔質基材の検査方法。
【請求項２】
請求項１に記載の多孔質基材の検査方法であって、
前記多孔質基材は、燃料電池に用いられるガス拡散基材であって、その表面に前記ペースト層としての気孔層を備え、
該気孔層は、導電性粒子をプロトン伝導性を有する電解質樹脂に分散させたペーストにて形成され、層において気孔を有する、多孔質基材の検査方法。
【請求項３】
多孔質基材の製造方法であって、
前記多孔質基材の表裏面の一方の面に、ペーストを用いて膜状のペースト層を形成すると共に、他方の面に、薄葉状の固体薄膜を剥離可能に接合し、
該固体薄膜が接合した状態で、前記ペースト層の側からの前記多孔質基材に対する超音波の送信と、前記固体薄膜の側での多孔質基材透過超音波の受信とを行い、その受信状態により前記多孔質基材へのペーストの含浸状態を検査し、
前記固体薄膜を剥離する
多孔質基材の製造方法。
【請求項１】
ペーストを用いて膜状に形成されたペースト層を表面に備える多孔質基材における前記ペーストの含浸状態を検査する方法であって、
前記多孔質基材に対して、前記ペースト層の側から超音波を送信し、
前記多孔質基材を透過する超音波を、前記多孔質基材の裏面に薄葉状の固体薄膜を接合させた状態で前記裏面の側にて受信し、その受信状態により前記含浸状態を検査する
多孔質基材の検査方法。
【請求項２】
請求項１に記載の多孔質基材の検査方法であって、
前記多孔質基材は、燃料電池に用いられるガス拡散基材であって、その表面に前記ペースト層としての気孔層を備え、
該気孔層は、導電性粒子をプロトン伝導性を有する電解質樹脂に分散させたペーストにて形成され、層において気孔を有する、多孔質基材の検査方法。
【請求項３】
多孔質基材の製造方法であって、
前記多孔質基材の表裏面の一方の面に、ペーストを用いて膜状のペースト層を形成すると共に、他方の面に、薄葉状の固体薄膜を剥離可能に接合し、
該固体薄膜が接合した状態で、前記ペースト層の側からの前記多孔質基材に対する超音波の送信と、前記固体薄膜の側での多孔質基材透過超音波の受信とを行い、その受信状態により前記多孔質基材へのペーストの含浸状態を検査し、
前記固体薄膜を剥離する
多孔質基材の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−１７３２３８（Ｐ２０１２−１７３２３８Ａ）
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３８０２２（Ｐ２０１１−３８０２２）
【出願日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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