(57)【要約】本発明は、電気化学燃料電池の膜電極アセンブリ（４）における不完全性を検出する、より具体的には、導電性拡散媒体層（３４、３６）の間に随意選択ではさまれた膜電極アセンブリ（４）における陽子交換膜内において欠陥（８０）を検出する方法およびシステムに関し、この場合、電位電圧が、膜（４）の両端に加えられ、欠陥（８０）の存在および好ましくは欠陥（８０）の位置が、膜電極アセンブリ（４）の表面から放出される赤外線放射の強度レベルの変化を監視することによって決定される。他の好ましい実施形態は、膜電極アセンブリ（４）および導電性拡散層（３４、３６）を、赤外線放射に対して透過性である少なくとも１つの剛性固体ではさむことを含む。
2005538509.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
陽子交換膜（ＰＥＭ）および前記陽子交換膜（ＰＥＭ）の対向面に配置される電極を有する膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）において欠陥の存在を決定する方法であって、
前記膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）の両端に電位差を加え、前記電極の少なくとも１つの表面から放出される赤外線放射を監視するステップを含む、方法。
【請求項２】
前記膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）が、前記陽子交換膜（ＰＥＭ）から離れて対面する前記電極のそれぞれの側面上に導電性気体拡散媒体を備え、前記電位差が、前記拡散媒体の両端に加えられ、前記赤外線放射が、前記拡散媒体の少なくとも１つの表面において監視される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）が、ほぼ平面の要素の間に配置され、その少なくとも１つが、赤外線放射に対して透過性である、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記監視が、サーモグラフィック画像を生成することができる赤外線放射カメラによって達成される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記監視が、約７μｍから約１３μｍの波長の範囲において赤外線放射を検出することによって実施される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記監視が、約−４０℃から約１２０℃の範囲の温度を検出することによって実施される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記電位差が、０から約５ボルトの範囲の電力供給源によって供給される、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）の前記表面から放出される前記赤外線放射の強度レベルの変化が、欠陥の位置を明らかにする、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
あらゆる欠陥の存在を除いて電気的に絶縁性である膜において、あらゆる欠陥を検出する方法であって、
前記膜の第１表面および第２表面とそれぞれ接触する第１導電性基板および第２導電性基板を介して前記膜の両端に電圧を加えるステップと、
前記第１導電性基板または前記第２導電性基板の少なくとも一方の前記表面から放出される熱エネルギーを感知することによって、前記膜から放出される熱エネルギーの強度レベルのあらゆる変化を検出し、強度レベルの前記変化があらゆる欠陥の存在を明らかにするステップとを含む、方法。
【請求項１０】
前記検出が、前記膜から放出される赤外線放射を検出することによって実施される、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記膜が、ほぼ平面の要素間に配置され、その少なくとも１つが、赤外線放射に対して透過性である、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記検出が、サーモグラフィック画像を生成することができる赤外線放射カメラによって達成される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記検出が、約−４０℃から約１２０℃の範囲の温度を検出することによって実施される、請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
前記電圧が、０から約５ボルトの範囲の電力供給源によって供給される、請求項９に記載の方法。
【請求項１５】
強度レベルの前記変化が、あらゆる欠陥の位置を明らかにする、請求項９に記載の方法。
【請求項１６】
欠陥の存在を除いて、電気的に絶縁性であり、膜電極アセンブリを形成する第１電極層および第２電極層とそれぞれ接触する第１表面および第２表面を有する膜において、欠陥を検出および特定する方法であって、
前記第１電極層および前記第２電極層の両端に電位差を加え、前記電位差が、欠陥が存在しない場合、前記膜にわたって維持され、前記電位差が、欠陥が存在する場合、前記第１電極層と前記第２電極層との間の電流の流れとして減少し、前記電流の流れが、前記膜の前記第１表面および前記第２表面の少なくとも一方においてホットスポットを生成するステップと、
前記第１電極層および前記第２電極層の少なくとも一方の表面に沿ってあらゆるホットスポットの位置を決定するステップとを含む方法。
【請求項１７】
導電性気体拡散媒体層が、前記膜から離れて対面する前記第１電極層および前記第２電極層のそれぞれの側面上に配置され、前記電位差が、前記拡散媒体層にわたって加えられ、前記ホットスポットが、前記拡散媒体層の少なくとも１つの表面上において決定される、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記第１電極および前記第２電極の少なくとも一方の前記表面に沿ってあらゆるホットスポットの位置を決定するステップが、
２次元格子を形成するｘ軸およびｙ軸を備える熱画像を生成することによって達成され、
あらゆるホットスポットが、前記格子内にｘ値およびｙ値を有する少なくとも１つの座標を有し、前記少なくとも１つの座標が、前記表面に沿った前記欠陥の位置に変換される、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記第１電極層および前記第２電極層の少なくとも一方の前記表面に沿ってあらゆるホットスポットの位置を決定するステップが、
ｘ軸およびｙ軸が、前記表面の長さおよび幅に対応し、ｚ軸が熱強度レベルを表示する、ｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸を有する３次元プロットを備える熱プロファイルを生成することによって達成され、
あらゆるホットスポットの位置が、前記プロット内のｘ値、ｙ値、およびｚ値を有する少なくとも１つの座標に対応し、前記ｚ値が、熱強度を有し、前記少なくとも１つの座標が、前記表面に沿った前記欠陥の位置および強度を明らかにする、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
あらゆるホットスポットの位置を決定するステップが、プロセッサユニットによって実施される赤外線放射データのパターン分析によって達成される、請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜電極アセンブリの不完全性を検出する方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池などの電気化学電池は、反応物質と酸化剤との電気化学反応により電気を生成する。電気化学燃料電池は、アノードおよびカソードを含み、陽子交換膜が２つの電極間にある。還元剤が、アノードにおいて導入され、酸化剤が、カソードにおいて導入される。好ましい燃料電池は、水素（Ｈ２）を還元剤または燃料源として使用し、酸素（Ｏ２）を酸化剤として、純粋に気体の形態において、または空気の場合のように窒素と組み合わせて使用する。燃料電池の動作中、それぞれの電極に近接する導電要素が、燃料電池内において行われる酸化還元反応中に生成される電子を伝達する。
【０００３】
単一燃料電池は、それぞれ、アノード電極とカソード電極との間にはさまれた陽子交換膜（ＰＥＭ）を含む膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を含む。陽子交換膜（ＰＥＭ）として使用されるために選択されたポリマーは、陽子に対する透過性および電気絶縁性を含めて、固有の特性を有することが望ましい。実際、これらの要件を満たすポリマーは、比較的脆弱で薄い傾向があり、通常の厚さは、約１０から１２５μｍである。膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を形成するために、電極を陽子交換膜（ＰＥＭ）に付加するとき、陽子交換膜（ＰＥＭ）は、高温および高圧の両方を含めて、比較的高い応力条件を受ける。陽子交換膜（ＰＥＭ）膜は脆弱であるので、物理的な裂傷または薄化を最小限に抑えるために、慎重に対処および処理される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）の陽子交換膜（ＰＥＭ）に添付される電極は、それぞれの電気化学反応を促進するために、微細に分割された触媒粒子（貴金属など）、ならびにたとえば炭素などの導電性粒子を含むことが可能である。膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）の製造中に必要とされる貴金属および慎重な対処は、高価である。全体として、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）に関係付けられる関連構成要素およびアセンブリは、不完全性または欠陥をしばしばもたらす。したがって、そのような不完全性または欠陥を検出する方法が必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、電気絶縁性膜を有するアセンブリにおける欠陥を検出する方法を提供する。方法は、膜のそれぞれの第１表面および第２表面と接触する第１導電性基板および第２導電性基板を介して電気絶縁性膜の両端に電圧を印加することを含む。好ましい態様では、方法は、第１導電性基板または前記第２導電性基板の少なくとも一方の表面から放出される赤外線エネルギーを感知することによって、膜から放出される赤外線放射の強度レベルの変化を検出することをさらに含み、赤外線放射の強度レベルのそのような変化は、欠陥の存在、好ましくは位置を明らかにする。
【０００６】
本発明が適用可能な他の分野が、以下に提供される詳細な記述から明らかになるであろう。詳細な記述および具体的例は、本発明の好ましい実施形態を示すが、単なる例示を意図し、本発明の範囲を限定することを意図していないことを理解されたい。
【０００７】
本発明は、詳細な記述および添付の図面からより完全に理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
好ましい実施形態の以下の記述は、単なる例示の性質であり、本発明、その適用、または使用を限定することも全く意図していない。
一態様では、本発明は、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）における欠陥の存在を決定する方法を提供する。好ましい態様では、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）における欠陥の位置が、決定される。本発明の１つの好ましい実施形態では、電気的な欠陥が、電力供給手段によって膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）の両端に電位差を印加することによって、ならびに欠陥の存在、好ましくは欠陥の位置を検出するために、熱検出赤外線放射カメラを使用して検出される。本発明を詳細に記述する前に、燃料電池の基本的な構成要素、および欠陥が生じる可能性がある膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）の構成要素を理解することが有用である。
【０００９】
図１を全体的に参照すると、例示的な膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）が示されている。図１は、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４を有する単一セル双極ＰＥＭ燃料電池スタック２を示す。膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）は、導電性液冷双極プレート１４、１６によって、スタックの他の燃料電池（図示せず）から分離される。膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４および双極プレート１４、１６は、ステンレス鋼クランピングプレート１０と１２との間において共に積み重ねられる。導電性双極プレート１４、１６の作業面の少なくとも一方は、燃料および酸化剤気体（すなわち、Ｈ２およびＯ２）を膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４に分配するための複数の溝またはチャネル１８、２０を含む。非導電性ガスケット２６、２８が、燃料電池スタックのいくつかの構成要素間において封止および電気絶縁を提供する。気体浸透性炭素／グラファイト拡散層３４、３６が、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４の電極面３０、３２を押し付ける。導電性双極プレート１４および１６は、炭素／グラファイトペーパ拡散層３４および３６をそれぞれ押し付ける。酸素が、適切な供給配管４２を介して貯蔵タンク４６から燃料電池スタックのカソード側に供給され、一方、水素が、適切な供給配管４４を介して貯蔵タンク４８から燃料電池のアノード側に供給される。代替として、空気が、周囲からカソード側に供給され、水素が、メタノールまたはガソリンリフォーマなどからアノード側に供給されることが可能である。膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４のＨ２側およびＯ２／空気側の両方の排気配管（図示せず）も、提供される。追加の配管５０、５２が、液体冷却剤を双極／端部導電性プレート１４、１６に供給するために提供される。冷却剤を端部プレート１４、１６から排出するための適切な配管も提供されるが、図示されていない。
【００１０】
図２を参照すると、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４が示され、多孔性電極６０が、燃料側においてアノード６２を形成し、酸素側においてカソード６４を形成する。アノード６２は、陽子交換膜（ＰＥＭ）６６によってカソード６４から分離される。陽子交換膜（ＰＥＭ）６６は、燃料電池２における反応を促進するように、イオンの輸送、より具体的には陽子（すなわちＨ＋）輸送を実現する。
【００１１】
好ましいＰＥＭ膜６６が、当技術分野では周知である陽子導電性ポリマーから構築される。このポリマーは、基本的にイオン交換樹脂であり、ポリマーを通って陽イオンが移動することを可能にするポリマー構造においてイオングループを含む。陽イオン交換陽子導電性ポリマーの１つの広範なクラスは、いわゆるスルホン酸陽イオン交換樹脂である。このタイプの１つの好ましい樹脂は、過フッ化スルホン酸ポリマー電解液であり、膜構造全体が、イオン交換特性を有する。陽子交換膜（ＰＥＭ）として使用されるのに適切な１つの市販されているスルホン酸パーフルオロカーボン陽子導電性膜が、商標名ＮＡＦＩＯＮ（登録商標）でイー・アイ・デュポン・デ・ヌムール＆コ（Ｅ．Ｉ．ＤｕＰｏｎｔ  ｄｅ  Ｎｅｍｏｕｒｓ＆Ｃｏ．）によって販売されている。他の陽子導電性膜も、当業者によって選択されるように市販されている。
【００１２】
図２に示されるように、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４を形成するＰＥＭ膜５６、５８の対向面上の電極６０は、それぞれ、炭素粒子７０の内表面および外表面上において担持された非常に微細に分割された触媒粒子７２を有する微細分割炭素粒子７０と、触媒粒子７２および炭素粒子７０と混合された陽子導電性材料７４とのそれぞれのグループを備える。アノード触媒粒子７２は、水素気体（Ｈ２）の解離を容易にすることが好ましく、それにより、陽子および自由電子が形成される。陽子は、反応のために陽子交換膜（ＰＥＭ）６６を横断してカソード側６４に移動する。カソード６４に存在する触媒粒子７２は、陽子と酸素気体との間の反応を促進し、副産物として水を創出する。好ましい触媒材料は、それぞれアノード反応およびカソード反応の両方において触媒として機能し、例として、そのような触媒は、白金およびその合金である。
【００１３】
触媒粒子７２または触媒担持炭素粒子７６（図２および３）は、陽子導電性ポリマーおよび／またはフルオロポリマーを通常備えるポリマー結合剤またはマトリックス陽子導電性材料７４全体にわたって分散される。陽子導電性材料が使用されるとき、陽子交換膜（ＰＥＭ）６６（たとえば、ＮＡＦＩＯＮ（登録商標））を作成するのと同じ陽子導電性ポリマーを通常備える。フルオロポリマーは、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を通常備えるが、ＦＥＰ（フッ化エチレンプロピレン）、ＰＦＡ（パーフルオロアルコキシ）、およびＰＶＤＦ（フッ化ポリビニリデン）などのその他も使用される。これらのポリマーは、触媒を保持する頑強な構造を創出し、陽子交換膜（ＰＥＭ）によく接着し、セル内の水管理を補助し、電極のイオン交換能力を向上させる。
【００１４】
加圧下において電極６０を膜６６の中に少なくとも部分的に埋め込むことにより、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４の一方の側から他まで導電性材料６６、７４を通る陽子の連続経路が実現される。陽子導電性材料７４を触媒７２および炭素粒子７０と十分に混合することにより、反応が起きる触媒サイトまでの陽子の連続経路が提供される。電極６０が、たとえば、２０００年６月１３日に発行された米国特許第６０７４６９２号、１９９３年１２月２１日に発行された第５２７２０１７号、および１９９４年５月３１日に発行された第５３１６８７１号に記載されたものなど、当技術分野において既知の様々な方法によって陽子交換膜（ＰＥＭ）６６に添付される。１つのそのような方法は、膜６６と基本的に一体式になるホットプレス電極スラリを含む。したがって、いくつかの触媒炭素粒子７６は、膜６６において少なくとも部分的に設定されることが可能である（図３参照）。これらの触媒炭素粒子７６は、研磨用であり、陽子交換膜（ＰＥＭ）６６が従来の処理条件の温度および圧力を受けるとき、陽子交換膜（ＰＥＭ）６６のより弱い領域が、図３の７５、７７においてそれぞれ示されるように、部分的にまたは完全に貫通されることが可能である。膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４を製造するこのプロセスは、電気的欠陥を助長することがあり、図３に示されるように、導電性炭素粒子７６が膜の中に過度に突出する場合、望ましくない導電性経路が生じ、したがって、陽子交換膜（ＰＥＭ）６６を通る対向電極６２、６４の間に欠陥８０が生じる。
【００１５】
図１および４に一般的に示されるように、電気的欠陥は、燃料電池２を組み立てる際にその後の構築ステップ中に生じることもある。燃料電池２の内部において、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４は、導電性電極プレート１４、１６によって結合された２つの気体拡散層３４、３６の間において圧縮される。拡散層３４、３６は、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４の電極面３０、３２の両方を押し付け、（１）アノード６２およびカソード６４の１次電流コレクタ、および（２）膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４の機械的サポートとして作用する。拡散媒体は、拡散層３４、３６を形成する気体浸透性および導電性の材料から作成される。この拡散媒体は、通常、約８０％〜９０％の空隙を有する多孔性であり、炭素またはグラファイトのペーパまたはクロス、微細メッシュ貴金属スクリーンなどを備えることが可能であり、当技術分野において周知であるように、それを経て、気体が、ランド８２の下にある膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４に接触するように移動することができる。１つのそのような市販されている拡散媒体は、東レ・カーボン・ファイバーズ・アメリカ・インク（Ｔｏｒａｙ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｆｉｂｅｒｓ  Ａｍｅｒｉｃａ，Ｉｎｃ．）によって作成されるグラファイトファイバペーパである。
【００１６】
導電性拡散媒体ペーパまたはクロスの多くは、主に材料の性質および構造ならびに製造プロセスのために、粗い表面を有し、そこから突出部が延びる。これらの突出部は、陽子交換膜（ＰＥＭ）６６に当たり、燃料電池動作中に圧力が加えられるとき、埋め込まれることが可能である。拡散層突出部８６は、電気を伝導し、膜６６を部分的にまたは完全に貫通するように十分に長い可能性があり、それにより、燃料電池２において潜在的な電気的欠陥を創出する。したがって、導電性経路８８または導管が、膜６６を通って形成されて、短絡を創出する可能性がある。突出部８６が陽子交換膜（ＰＥＭ）の反対側まで完全に通って延びるとき、または膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４の対向面６２、６４上の２つの突出部９０、９２が、陽子交換膜（ＰＥＭ）６６を部分的に貫通して遭遇するとき、もしくは互いに近接するとき、導管８８が生じる。
【００１７】
燃料電池２において、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４は、１対の導電性プレート１４、１６によって結合される１対の拡散層３４、３６に押し付けられる。導電性プレート１４、１６は、それぞれ、アノード６２およびカソード６４の表面にわたって燃料電池の気体反応物質（たとえば、Ｈ２およびＯ２／空気）を分散させる少なくとも１つのいわゆる「流れ場」を含む。流れ場は、複数のランド８２を含み、ランドは、１次電流コレクタ３４、３６と係合し、かつその間に複数の流れチャネル１８、２０を画定する。この流れチャネルを通って、気体反応物質は、チャネルの一端にある供給マニホルド４２、４４とチャネルの他端にある排出マニホルド５０、５２との間を流れる。
【００１８】
燃料電池の製造および組立て中、欠陥が容易に明らかである場合、燃料電池２内において最終的に組み立てる前に、プロセスのある時点で膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４および拡散層３４、３６を分析することがしばしば有利である。膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４は、障害分析の目的で、組み立てられた燃料電池２から取り外すこともできる。本発明の好ましい実施形態は、拡散層３４、３６の間にはさまれた膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４を、これらの構成要素を燃料電池２に組み込む前に試験する。図５に関して、電力供給手段９０が、電圧を膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４の両端に印加する。本明細書において使用される「欠陥」は、導電性材料が対向電極まで部分的にまたは完全に貫通して導電性経路を提供する場合、陽子交換膜（ＰＥＭ）６６を通る短絡の形態における不備を本質的に指す。陽子交換膜（ＰＥＭ）６６は、不備または欠陥を有さずに適切に動作するとき、ほぼ無限の抵抗を有する誘電体として振る舞うはずである。膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４を流れるあらゆる電流が、電気的欠陥を明らかにする。電流が膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４を流れる場合、短絡を囲む材料は、その抵抗特性のために加熱され、ホットスポットを創出する。ホットスポットにおいて生成される熱の強度は、欠陥８０の重大度を確立する。温度のグラデーションを区別することができる熱撮像装置９２が、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）の電極面または表面３０、３２にわたって走査される。熱撮像装置９２は、熱放射が放出される欠陥９４の強度および位置を監視し、電気的欠陥の存在を明らかにし、欠陥の重大度および位置を分類するのに特に有用である。
【００１９】
本発明によれば、電位差または電圧が、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４の誘電容量を試験するために、電力供給源９０を介して膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４の両端に印加される。正および負のリード９６、９８が、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４の対向面１０２、１０４上に位置する導電性要素に添付される。そのような要素は、電極６０を含むことが可能であるが、導電性拡散媒体層３４、３６が好ましい。導電性拡散媒体層３４、３６は、ＭＥＡ電極面３０、３２の表面にわたる一様な電荷分布または密度を促進し、ＭＥＡ面３０、３２に沿った電位差を最小限に抑える。局所的な差は、不正確な結果または陽子交換膜（ＰＥＭ）６６の偶発的な破損をもたらす可能性がある。電圧を膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４に印加するとき、電圧は、陽子交換膜（ＰＥＭ）６６の電気的破壊電圧を超えるべきではなく、これは、材料が、ある閾値まで電荷に対して抵抗することを意味する。そのような破壊電圧を超える場合、材料は、不可逆的な障害を受け、材料を流れる電流を伝達する。電気的破壊電圧は、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４内の陽子交換膜（ＰＥＭ）６６または膜を構築する材料に応じて変化する。
【００２０】
動作燃料電池の理論的な電圧は、Ｈ２とＯ２との間の電気化学的反応によって創出される理論的なエネルギーによって計算されるように、１．２３ボルトである。したがって、動作中、通常の燃料電池の電位が達成される。しかし、可能な電気的欠陥の検出中、陽子交換膜（ＰＥＭ）６６を通る導電性経路を明らかにするために、より大きな電圧を印加することが有利である可能性がある。電圧を印加する好ましい方法は、電圧を徐々に増加させるように動作可能な電力供給９０による。例示的な範囲は、０から約５ボルトであり、最も好ましい範囲は、０ボルトから約３ボルトである。通常の試験体制では、電圧は、欠陥がそのような欠陥に対応する認識可能な熱パターンにおいて観測されるまで、増大される。
【００２１】
膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４内の陽子交換膜（ＰＥＭ）６６に存在する電気的欠陥は、強度が変化する可能性がある。電気的欠陥８０の箇所または位置９４において陽子交換膜（ＰＥＭ）６６を流れる電流と、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４から放出される熱との間には、直接的な相関が存在する。導電性経路（欠陥の源に応じて８０または８８）は、内部陽子交換膜（ＰＥＭ）６６内に存在し、そこで熱が生成され、電極６０を経て、欠陥８０、８８の箇所９４より上および下の膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）３０、３２の電極面の表面に放出される。熱源の表面位置９４は、下にある欠陥８０、８８の箇所を示す。したがって、熱の位置および強度について膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）３０、３２の表面を監視することにより、表面下の電気的欠陥に関する情報が明らかになる。
【００２２】
欠陥の存在および程度を確認することは、燃料電池の製造中の品質制御において重要である。欠陥のいくつかは、最低限であり、燃料電池環境において膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）の動作に悪影響を与えない可能性があり、したがって、いくつかの些少な欠陥は、燃料電池の動作にとって決定的ではない可能性がある。他の欠陥は、組み立てられた燃料電池内において所与の膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）の使用を除外する可能性があり、破棄される。したがって、欠陥の存在および好ましくは程度を迅速に決定する能力は、製造中に重要である。さらに、そのような欠陥の位置を識別することは、欠陥の元を決定するのに極度に価値があり、それにより、導電性拡散媒体層が添付されている膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を製造する際に、欠陥を事前に排除することができる。この方法は、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）障害の源を識別するために、分解された燃料電池の事後分析を実施するのに使用されることも可能である。
【００２３】
本発明の他の態様は、欠陥の存在、好ましくは欠陥の位置、最も好ましくは強度レベルによって実証される欠陥の程度を決定するために、表面監視を含む。本発明の好ましい実施形態によれば、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）３０、３２または導電性拡散媒体層３４、３６の表面は、赤外線放射検出装置９２、好ましくはサーモグラフィック装置で、熱エネルギー放出の強度について監視される。膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）表面３０、３２の被加熱領域は、赤外線放射を含めて、様々なエネルギー波を放出する。赤外線放射（ＩＲ）９２を検出することができる装置が、表面の温度をＩＲ放出の強度と相関させる。好ましい赤外線放射（ＩＲ）検出装置９２が、ＩＲ放出の位置および強度レベルまたは量の両方を登録し、これは、走査される物体の表面に沿った温度に変換される。赤外線放射は、電磁スペクトルの約０．８×１０−６から１×１０−３の範囲の波長を備える。好ましいＩＲ検出装置９２は、位置および強度に関するデータを分析するソフトウェアプログラムと共存可能なサーモグラフィックＩＲカメラである。そのようなＩＲカメラ９２は、市販されており、ＩＲ装置の特性は、機器の製造業者によって異なる。
【００２４】
１つの好ましいＩＲサーモグラフィカメラ９２は、フリアシステムズ（ＦＬＩＲ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）（商標）によって製造されるＴｈｅｒｍＣＡＭ（登録商標）ＰＭ６９５である。この装置の検出システムは、７．５×１０−６から１３×１０−６メートルのスペクトル波長範囲内における表面からのＩＲ放出を監視する。このカメラは、約−４０℃から約１５００℃にわたる温度を測定し、最も好ましい検出範囲は、約−４０℃から約１２０℃である。測定モードは、スポット、面積、等温、線プロファイル、および温度勾配を含む。測定の精度は、通常、＋／−２℃または＋／−２％である。
【００２５】
様々な市販のソフトウェアプログラムが、データの獲得および分析を改善するために、熱ＩＲカメラ９２と共存可能である（たとえば、フリアシステムズ（商標）のＴｈｅｒｍａＣＡＭ  Ｒｅｐｏｒｔｅｒ  Ｓｏｆｔｗａｒｅ）。これらのソフトウェアプログラムは、ＩＲカメラ９２によって得られる情報を増補し、たとえば温度分析（たとえば、等温測定、線プロファイル、および面積ヒストグラム）、記憶画像の静止画像分析、ならびに時間に対する温度のプロッティング（たとえば、実時間傾向および分析）を実施することができる。そのようなソフトウェアの使用により、ＩＲカメラ９２からの熱ＩＲ走査の評価が促進される。さらに、そのようなソフトウェアは、ＩＲサーモグラフィが層のより精巧な分析に加えて、欠陥出現のパターン認識を改善する。
【００２６】
さらに図５に関して、好ましい赤外線試験システムまたは監視装置１１０が、熱ＩＲ放出について表面を走査するために、ＩＲカメラ９２を使用する。ＩＲカメラ９２は、ベース１１４の上に配置されたステージ１１２に集束され、調節可能なサポートアーム１１６に取り付けられ、調節可能な距離は、ステージ１１２とＩＲカメラ９２との間である。走査される物体は、ステージ１１２の上に配置され、このステージは、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）３４、３６、６２、または６４の導電性部分に電荷が分布することを可能にする導電性材料で構築されることが好ましい。ステージ１１２または膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４に加えられる電荷が、試験装置の他の領域に伝達されることを防止するために、絶縁構築材料が、ベースには好ましい。試験される膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４（または導電性拡散層３４、３６が添付されているＭＥＡ）は、ＩＲカメラ９２の走査領域１１６内においてステージ１１２の上に配置される。正のリード９６および負のリード９８の両方を有する電力供給源９０（たとえば、バッテリまたはＤ．Ｃ．インバータ）が、電極６０にそれぞれ直接、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）１０２、１０４の対向面上の添付された導電性拡散層３４、３６を経て、または、導電性拡散層３４、３６、もしくは膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）１０２の一側面上の電極６０および対向面１０４上の導電性ベース１１４を経て、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）の対向面１０２、１０４の導電性部分に添付される。電力供給９０が可動され、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４の両端の電位または電位差を確立する。ＩＲカメラ９２は、レンズ１１８を経て、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）１０２、１０４の少なくとも１つの表面、好ましくはＩＲカメラ９２に向かって上向きにされた面を走査する。膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）１０２、１０４のどちらかの側面が、電気的欠陥８０が存在するときにそれを呈示し、したがって、カソード側６４またはアノード側６２がＩＲカメラ９２と対面する状態で、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４を配置することができる。電極６０を通る膜６６の両端の電位差を確立することは、特定の電極電力供給リード接続順序に無関係であるが、その理由は、両側６２、６４が、導電性であり、電荷が膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）の対向面１０２、１０４に加えられる限り、試験を実施するために、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４の両端の電位を確立するからである。前述されたように、電気的欠陥８０は、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４の本体を経て電流を伝達し、局所領域または位置９４において熱を生成する。
【００２７】
ＩＲカメラ９２は、熱ＩＲ放出について膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）３０、３２の表面または拡散媒体層３４、３６を走査し、サーモグラフィック画像として一般に知られる、表面領域のＩＲ勾配または温度勾配を特徴付ける出力を生成する。ＩＲカメラ９２は、熱画像を創出し、熱強度は、強度の熱変動の視覚的画像を創出するために、グレイスケールまたはカラーシェーディングに変換される。そのような画像の例が図６に示され、この図では、大きさの大きい欠陥または１次欠陥１２０、およびより小さい大きさの欠陥または２次欠陥１２２が、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４のほぼ欠陥のない領域１２４の中に存在する。したがって、欠陥の程度または度合いは、相対的に決定可能である。そのような画像は、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）３０、３２または拡散媒体層３４、３６の走査表面のｘ軸およびｙ軸に対応するｘ軸およびｙ軸を有すると記述されることが可能であり、画像のｘ軸およびｙ軸は、２次元格子を形成する。１２０または１２２などのホットスポットの欠陥は、欠陥の位置を確定するｘ値およびｙ値を有する少なくとも１つの座標を有する。したがって、１次欠陥１２０または２次欠陥１２２は、熱画像の視覚検査によって、またはｘおよびｙ座標で格子を分析することによって、走査表面に沿って特定されることが可能である。
【００２８】
代替として、ｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸を有する３次元プロットを創出する熱プロファイルも生成されることが可能である。ｘ軸およびｙ軸は、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）３０、３２または拡散媒体層３４、３６の走査表面の長さおよび幅に対応する。ｚ軸は、走査表面の熱強度を表し、１次欠陥または２次欠陥によって形成されるホットスポットが、正の値ｚ値を有し、したがって、表面から熱を放出しない周囲の欠陥のない領域１２４より高い。したがって、プロファイルの少なくとも１つの座標のｘ値、ｙ値、およびｚ値は、走査表面に沿った位置および強度をも明らかにする。ｘ、ｙ、ｚなど、入力変数に基づいてパラメータ３次元プロットを生成する様々なコンピュータソフトウェアプログラムによって、熱プロファイルを創出することができる。ＩＲカメラ９２は、出力画像を創出するためにデータを処理する内部ＣＰＵ（中央処理ユニットまたはコンピュータ）を通常含む。さらに、ＩＲカメラ９２は、外部処理ユニット（すなわちＣＰＵ）またはコンピュータにおいてさらに加工することができる、領域のＩＲ走査からのデータを詳述する出力データを随意選択で輸送する。ＣＰＵに輸送された出力データは、熱像に関するより詳細な情報を提供するために、上述されたソフトウェアプログラムによって処理および分析することができる。さらに、出力データは、変数またはパターン分析によってホットスポットの位置を決定するために、分析されることが可能である。
【００２９】
本発明の他の好ましい実施形態によれば、監視装置１１０は、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４の自動運搬を含む製造プロセスに適合される。そのようなシナリオでは、ステージ１１２は、ＩＲカメラ９２より下の走査領域１１６内の適切な位置に膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４を輸送する自動アセンブリプロセスに適合させることが可能である。必要であれば、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４は、独立絶縁ベース１１４の上に配置することができる。電圧が、リード９６、９８を電力供給９０から膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）１０２、１０４の対向面に接続することによって、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４の両端に印加される。ＩＲカメラ９２によるＩＲ走査は、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４における欠陥８０の存在を識別する解釈の画像を提供する。したがって、本発明の方法は、自動製造プロセスに容易に適合可能である。
【００３０】
監視装置１１０は、試験されている膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４に存在する欠陥の存在および／または程度を検出する。熱監視機器およびセンサの他の形態が考慮され、感熱紙など、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）３０、３２の表面上の温度変化を決定するために、区別なく使用することができる。しかし、ＩＲカメラ９２は、現在市販されている最も精確で信頼性のある熱撮像機器であることが実証されている。
【００３１】
図７に示される本発明の他の代替実施形態は、拡散層が添付されていない膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４の試験を含む。この試験シナリオは、電極６０および陽子交換膜（ＰＥＭ）６６を有する膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４のみが評価される場合、望ましい可能性がある。膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４のみを試験することが必要である場合、電極６０および膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４にわたる一様な電荷分布または密度を促進するために、高度に導電性の表面１３０が、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４の各電極面３０、３２に配置されることが可能である。好ましい導電性表面１３０は、たとえば炭素またはグラファイトのペーパまたはクロスなど、ＩＲ走査装置によって検出されなければならない膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）から放射されるＩＲ放出を遮断しないものを含む。
【００３２】
図８に示される本発明の他の好ましい実施形態は、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４の完全性を試験することを含み、導電性拡散媒体層３４、３６が添付され、導電性拡散層３４、３６の少なくとも一方が、固体表面１４０によって圧縮される。固体１４０は、ＩＲカメラ９２による検出および監視が妨害されないように、剛性で、ＩＲ放出に対して透過性であることが好ましい。時折、導電性拡散層３４、３６に添付された膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４の物理的解離に関する問題が、試験中に生じることがあり、それにより、拡散層３４、３６の一方または両方が、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４から分離する。クロスまたはペーパを膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４から引き離すことにより、導電性突出部８６も膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４から除去され、これにより、電気的欠陥８０が排除または低減される。しかし、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４および拡散層３４、３６が、燃料電池２に後に組み込まれるとき、導電性突出部８６は、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４に再び入り、短絡を生じさせる。したがって、いくつかの試験シナリオでは、すべての欠陥８０が試験されることを保証するために、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４および拡散媒体層３４、３６に圧力を加えることが必要である。圧力を膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４および拡散媒体層３４、３６アセンブリに加える１つの好ましい方法は、外部圧力１４４を少なくとも一方の側に及ぼすことによって、一方の側１４２上の膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）の中に押し込まれたＩＲ輸送固体を介するものである。図示されるように、固体は、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）および拡散層媒体の一方の側においてのみ必要であるが、その理由は、ステージおよびベースが、拡散媒体層より下に配置され、かつ拡散媒体層を含むからである。代替構成は、２つの固体プレート１４０が膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）１０２、１０４の両側に押し付けられたものを含む。これは、圧力を膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４に及ぼす単なる１つの方式とすることができ、または、２重カメラシステムが使用される場合、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４の各側を走査するために、両側にＩＲ透過性固体を有することが必要である可能性がある。そのような透過性固体の一例は、約１／２”の厚さを有するガラスである。当業者に利用可能な様々な材料を使用することが可能であり、この場合、材料またはガラスは、カメラが感知する周波数／波長の範囲において透過性である。波長の通常範囲は、カメラに応じて、７ｍｍ（ミクロン）から１３ミクロンである。固体１４０が耐えなければならない圧力の好ましい範囲は、０と約３８４０．４Ｐａ（約８０ｐ．ｓ．ｉ）との間である。この代替実施形態は、前述された検出方法のすべてにおいて使用することができる。
【００３３】
本発明は、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４内において生じる電気的な性質の欠陥を検出する方法に関する。より具体的には、これらの欠陥は、導電性拡散層３４、３６が添付されている膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４内においてしばしば生じる。まず、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４（または拡散層３４、３６が添付されている膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４）は、熱撮像走査装置９２の下に配置される。次に、電位差または電圧が、電力供給源９０によって膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４の両端に加えられる。膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）３０、３２の少なくとも１つの表面が、熱撮像走査装置９２によって熱像について走査される。さらに、熱撮像走査装置９２は、熱強度の位置９４および変化を表す表面３０、３２の熱像を創出する。膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４の熱強度は、評価され、表面３０、３２に沿った周囲領域と比較して、ある領域のより大きい強度は、電気的欠陥８０が膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４に存在することを示す。欠陥８０が膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４の上に存在する場合、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４は隔離され、他の分析を受ける。膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４に欠陥がない場合、または欠陥の重大度によって機能的に損なわれない場合、欠陥を燃料電池２に組み込むことができる。
【００３４】
品質制御を実施する現在の方法は、ポリマー膜の膜における送り穴を通る気体の物理的浸潤によって漏れを検出することに関するが、これらの方法は、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）における電気的欠陥に関する情報を提供しない。品質保証および制御のために、燃料電池の膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）内において生じる電気的欠陥の強度および／または位置の両方を識別する中断のない方法が必要である。
【００３５】
当業者なら、燃料電池の最も高価で欠陥を呈示しやすい構成要素である膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を評価する容易な方法を提供する本発明の有用性を認識するであろう。膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）における電気的欠陥は、当技術分野において高価な問題であることが実証されており、本発明は、そのような欠陥を検出する迅速で効率的な中断のない方法を提供し、この方法は、連続的な製造設定および品質制御分析に容易に適合可能である。
【００３６】
本発明の記述は、単なる例示の性質であり、したがって、本発明の骨子から逸脱しない変形形態が、本発明の範囲内にあることが意図される。そのような変形形態は、本発明の精神および範囲から逸脱すると見なされるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】液冷陽子交換膜（ＰＥＭ）燃料電池の概略的な分解等角投影図である。
【図２】例示的な膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を示す図１の線２−２’に沿って取られた断面図である。
【図３】陽子交換膜（ＰＥＭ）を貫通する導電性触媒粒子を有する膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）の拡大図である。
【図４】拡散媒体層と導電性プレートとの間にはさまれた例示的な膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）の図１の線４−４’に沿って取られた断面図である。
【図５】例示的な赤外線放射試験および監視システムの概略図である。
【図６】欠陥を有する膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を示す、本発明の方法によって生成されるサーモグラフィック走査の例を示す図である。
【図７】導電性基板を有する他の例示的な赤外線試験および監視システムの一般的なレイアウトの概略図である。
【図８】外部圧力が膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）に及ぼされている、赤外線放射透過性固体を有する赤外線試験および監視システムの一部の概略図である。
【図１】
2005538509.tif 000003
【図２】
2005538509.tif 000004
【図３】
2005538509.tif 000005
【図４】
2005538509.tif 000006
【図５】
2005538509.tif 000007
【図６】
2005538509.tif 000008
【図７】
2005538509.tif 000009
【図８】
2005538509.tif 000010
【国際調査報告】
2005538509.tif 000011
2005538509.tif 000012