(57)【要約】【課題】  積層体の材質に左右されることなく、積層体の欠陥を非破壊・非接触で検出しることができ、例えば固体酸化物形燃料電池の劣化診断や、製造時の工程検査などに利用することができる積層体の欠陥検査方法及び欠陥検査装置を提供する。【解決手段】  下部赤外線ランプ１１及び上部赤外線ランプ１２によって被検査体１を裏面側及び表面側からそれぞれ加熱したときの被検査体表面の熱放射分布を赤外線カメラ２０によって検出し、裏面側加熱と裏面側加熱の場合の熱放射分布の経時変化データをデータ処理手段３０によって比較し、両データの差又は比に基づいて層間剥離Ｐを特定する。【選択図】        図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層構造を有する被検査体を表面又は裏面側から加熱又は冷却し、加熱又は冷却時における被検査体表面の温度分布変化を検出して、被検査体の層間剥離の有無を判定することを特徴とする積層体の欠陥検査方法。
【請求項２】
積層構造を有する被検査体をその表面側から加熱又は冷却した場合における被検査体表面の温度分布変化と、上記被検査体をその裏面側から加熱又は冷却した場合における被検査体表面の温度分布変化とを比較して、被検査体の層間剥離の有無を判定することを特徴とする積層体の欠陥検査方法。
【請求項３】
上記被検査体をその表面側から加熱した場合における被検査体表面からの熱放射分布データと、上記被検査体をその裏面側から加熱した場合における被検査体表面からの熱放射分布データの差又は比に基づいて層間剥離を特定することを特徴とする請求項２に記載の積層体の欠陥検査方法。
【請求項４】
上記被検査体をその表面側から冷却した場合における被検査体表面からの熱放射分布データと、上記被検査体をその裏面側から冷却した場合における被検査体表面からの熱放射分布データの差又は比に基づいて層間剥離を特定することを特徴とする請求項２に記載の積層体の欠陥検査方法。
【請求項５】
積層構造を有する被検査体を表面側及び裏面側からそれぞれ加熱又は冷却する熱源又は冷却源と、
上記被検査体表面の任意の位置における熱放射分布を検出する温度分布検出手段と、
上記温度分布検出手段により検出された熱放射分布の経時変化データを収集して解析するデータ処理手段を備えたことを特徴とする積層体の欠陥検査装置。
【請求項６】
請求項５に記載の積層体の欠陥検査装置を備え、被検査体が固体酸化物形燃料電池用セルであることを特徴とする固体酸化物形燃料電池用セルの検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、積層体の欠陥、例えば固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）用セルのような積層体の固体電解質と電極界面における剥離などの欠陥を非破壊・非接触、しかも積層体の材質に拘わりなく検出することができる欠陥検査方法と、このような欠陥検査に好適に用いることができる欠陥検査装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体酸化物形燃料電池用の固体電解質のような平板状絶縁性セラミックスの欠陥検査方法としては、セラミックシートの両面を電極で挟み、シートに直流高電圧を印加したときに発生する放電電流を検出することにより２Å以上の貫通孔の有無を検査する方法が知られている（特許文献１参照。）。
また、セラミック管の検査方法としては、その内部を光源で照明し、管壁からの透過光をカメラ等で画像撮影したり、画像処理を施したりすることによって欠陥の有無を検査す方法も知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００３】
一方、欠陥検査に赤外線を用いることも知られており、過渡サーモグラフィーによるプロセス制御に関するものとして、未焼結のグリーンシート（金属と有機物）の潜在的な欠陥を検出する検査装置が開示されている（例えば、特許文献３参照。）。
また、接合型バブルシートの非破壊検査方法として、シリンダヘッドと、該シリンダヘッドに接合されたバブルシート間を熱が伝導する際におけるバブルシートの時間毎の温度分布変化を測定することによってバルブシートのシリンダヘッドに対する接合性の良否を判定することが開示されている（例えば、特許文献４参照。）。
【特許文献１】特開２００２−９０３４６号公報
【特許文献２】特開平１１−２４２０００号公報
【特許文献３】特表２００２−５０２９６８号公報
【特許文献４】特開平９−９６２０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記した従来技術のうち、特許文献１に記載のものは、被検査物であるセラミックスシートに高電圧を印加することから、非検査物を破損する可能性があるばかりでなく、検査システムに高電圧を用いることは、実際の操作上望ましいこととは言えない。
また、上記特許文献２に記載のものは、被検査物が光をある程度透過する材料でなければ適用できないという問題がある。
そして、特許文献３及び４に記載の技術については、被検査物の構造が比較的簡単であることを要し、燃料電池のように複雑な構造を有し、しかも多様の材料を用いた製品の検査にそのまま適用することは必ずしも容易ではないという問題点がある。
【０００５】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、積層体の材質に左右されることなく、積層体の欠陥を非破壊・非接触で検出しることができ、例えば固体酸化物形燃料電池の劣化診断や、製造時の工程検査などに利用可能な積層体の欠陥検査方法及び欠陥検査装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、積層体に積層方向の熱移動を与えたときに、積層体表面における温度分布の変化を観察することによって上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに到った。
【０００７】
本発明は、上記知見に基づくものであって、本発明の積層体の欠陥検査方法は、積層構造を有する被検査体をその表面又は裏面側から加熱又は冷却し、このときの被検査体表面の温度分布変化を検出して、被検査体の層間剥離の有無を判定するようにしたことを特徴としている。
そして、本発明の他の積層体の欠陥検査方法においては、被検査体を表面側から加熱又は冷却したときの被検査体表面の温度分布変化と、裏面側から加熱又は冷却した場合における被検査体表面の温度分布変化とを比較して、被検査体の層間剥離の有無を判定するようにしている。
【０００８】
また、本発明の積層体の欠陥検査装置は、上記欠陥検査方法を実施するのに好適なものであって、被検査体を表面側及び裏面側からそれぞれ加熱又は冷却する熱源又は冷却源と、加熱又は冷却された被検査体の表面の熱放射分布を検出する温度分布検出手段と、この温度分布検出手段によって検出された熱放射分布の経時変化データを収集して解析するデータ処理手段を備えたことを特徴としている。
【０００９】
また、本発明の固体酸化物形燃料電池用セルの検査装置は、上記のような積層体の欠陥検査装置を用いて構成されるものであって、このときの被検査体としての積層体が燃料電池用セルということになる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の第１の欠陥検査方法によれば、被検査体としての積層体を表面又は裏面側から加熱又は冷却し、このときの被検査体表面の温度分布変化を検出するようにしているため、積層体に層間剥離のような欠陥が生じている場合には、当該部分における熱移動（伝導）が妨げられることから、当該部分に熱移動方向に応じた温度分布のむらが発生するので、これを検出することによって、積層体の材質に拘わりなく、積層体の欠陥を非破壊・非接触で検出でき、例えば固体酸化物形燃料電池用セルなどの検査に適用することができる。
また、本発明の第２の欠陥検査方法においては、被検査体を表面側及び裏面側からそれぞれ加熱又は冷却し、被検査体表面の温度分布変化を表面側から加熱又は冷却した場合と、裏面側から加熱又は冷却した場合とで比較するようにしているので、不純物など層間剥離以外のものが混在したとしても、被検査体の層間剥離を判別することができ、検査精度を向上させることができる。
【００１１】
さらに、本発明の積層体の欠陥検査装置は、被検査体としての積層体をその表面側及び裏面側からそれぞれ加熱又は冷却する熱源又は冷却源と、このときの積層体表面の熱放射分布を検出する温度分布検出手段と、この温度分布検出手段によって検出された熱放射分布の経時変化データを収集して解析するデータ処理手段を備えていることから、上記欠陥検査方法を円滑に実施することができ、例えば固体酸化物形燃料電池用セルの工程検査や、長時間使用後の劣化診断などのメンテナンスに適用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の積層体の欠陥検査方法の原理等について、詳細に説明する。
図１〜４は、本発明の積層体の欠陥検査方法を電解質２の上に電極３を形成して成る固体酸化物形燃料電池用セルの検査に適用した例を示すものであって、図１は、積層構造をなす被検査体１である上記セルの裏面（図中下方側）、すなわち電解質２の側から当該被検査体を加熱した場合を示し、この場合に電解質２と電極３の間に層間剥離Ｐが発生していると、当該層間剥離Ｐの部分が断熱層として機能するために、電解質２から電極３に向かう熱の移動が抑えらために、電極３における層間剥離部分の温度上昇が周囲の健全な部分よりも遅れることになる。したがって、当該被検査体１の温度分布を表面側（図中上方側）から観察することにより、周囲よりも温度の低い部分を層間剥離Ｐとして検出することができる。
【００１３】
図２は、上記被検査体１を表面側、すなわち電極３の側から加熱した場合を示すものであって、この場合に電解質２と電極３の間に層間剥離Ｐが発生していると、この層間剥離Ｐによって電極３から電解質２に向かう熱移動が妨げられることになるため、電極３における層間剥離部分の温度上昇が周囲の健全な部分よりも顕著なものとなる。したがって、当該被検査体１の温度分布を表面側から観察した場合に、周囲よりも温度の高い部分を層間剥離として検出することができる。
【００１４】
なお、上記においては、被検査体１をその裏面側及び表面側から加熱した場合を例として説明したが、冷却した場合には、熱移動が逆になるので、表面側から冷却した場合は裏面側から加熱した場合と、裏面側から冷却した場合には表面側から加熱した場合と同じことになる。
また、電極３の側（図中上側）を表面側とし、電解質２の側（図中下側）を裏面側と表現したが、これは説明の便宜上のものであって、被検査体１の温度分布を電解質２の側から観察したとしても何ら差し支えない。
【００１５】
また、上記した固体酸化物形燃料電池用セルに用いられる電解質２としては、例えば、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、ＳＳＺ（スカンジウム安定化ジルコニア）、ＳＤＣ（サマリウム・ドープ・セリア）、ＬＳＧＭ（Ｌａ０．９Ｓｒ０．１Ｇａ０．８３Ｍｇ０．１７Ｏ３）、ＧＤＣ（ガリウム・ドープ・セリア）などが用いられるが、構成材料によっては、製造工程上不純物の凝集によるものと考えられる色の濃い斑点が観察されることがある。
このような斑点は、存在していても電解質としては何ら問題なく使用することができ、欠陥とはいえないが、周囲よりも熱を吸収し易く、放熱し易いため、被検査体表面の温度分布に種々の影響を及ぼす。
【００１６】
例えば、図３に示すように、被検査体１の裏面側、すなわち電解質２の側から当該被検査体１を加熱した場合には、不純物の凝集による斑点部Ｓが局部的に温度上昇するため、高温部として観察されるため、温度分布が複雑なものとなる。
一方、図４に示すように、被検査体１の表面側、すなわち電極３の側から当該被検査体１を加熱した場合でも、電極３の厚さが薄いために斑点部Ｓの温度上昇によって高温部として観察されることになり、層間剥離Ｓの発生部分と同じ傾向の挙動を示すため、不純物の凝集による斑点部Ｓと層間剥離Ｐとの判別が困難となる。
【００１７】
上述したように、斑点部Ｓの存在は性能上ほとんど問題にならないものの、層間剥離Ｐは燃料電池の性能低下を招く重大な欠陥であるため、これらを見分け、層間剥離Ｐのみを検出する必要がある。
そこで、図３に示したように被検査体１の裏面側から被検査体１を加熱した場合の温度分布変化と、図４に示したように表面側から被検査体１を加熱した場合の温度分布変化とを比較し、挙動の違いが大きい個所を検出することによって、層間剥離Ｐの発生部位を抽出することができる。
【００１８】
例えば、表面側加熱の場合と裏面側加熱の場合の熱放射分布データの差や比（商）を採ることによって、表面側加熱と裏面側加熱とで同じ挙動を示す健全な部分や斑点部Ｓのデータを打ち消すと共に、表面側加熱と裏面側加熱とで逆の挙動を示す層間剥離Ｐの発生部分のデータを拡大することができ、層間剥離Ｐの発生部位のみを高精度に検出することができる。
【００１９】
なお、被検査体１をその裏面側及び表面側から冷却した場合には、上記のように斑点部Ｓが先に冷却され、当該部分が低温部として観察されることになるが、いずれにしても斑点部Ｓは、表面側冷却と裏面側冷却の場合で同じ挙動を示すことから、上記同様に表面側冷却と裏面側冷却の場合の温度分布変化を比較することによって、層間剥離Ｐの発生部位を検出することができる。
【００２０】
本発明の積層体の欠陥検査方法において、被検査体１を表面側あるいは裏面側から加熱する熱源としては、例えば赤外線ランプなどを使用することができるが、被検査体の面を非接触で均一に加熱することができれば、これに限定されることはなく、輻射型ヒーターや熱風送風機などを利用することができる。
また、本発明の欠陥検査方法においては、被検査体１に積層方向の熱移動を与えることができればよく、被検査体１を加熱する代わりに冷却するようになすこともでき、このための手段としては、同様に被検査体の面を非接触で均一に冷却することができれば、特に限定されず、例えばペルチェ素子を用いた電子冷却器などを用いることができる。ペルチェ素子を冷却源として用いた場合、素子に流す電流の向きを反対にすれば加熱源としても使用できるので熱源を取り替えることなく欠陥検出を行うことができる。
【００２１】
被検査体表面の温度分布を検出するためには、例えば赤外線カメラを用いることができるが、被検査体の検査領域における温度分布を検出できさえすれば、これに限定されるものではない。
【００２２】
なお、被検査体１の表面温度については、加熱あるいは冷却開始直後には均一な温度分布を示し、開始後ある程度の時間が経過すると、層間剥離Ｐや不純物凝集による斑点部Ｓが存在する部分に温度変化が現れ始め、さらに加熱あるいは冷却が進むと、被検査体全体が均一な温度となってしまい、温度差分布が認められなくなることから、温度差が最も顕著な時点の温度分布を観察することが望ましい。また、上記したように被検査体１を表面側から加熱（又は冷却）した場合と裏面側から加熱（又は冷却）した場合の温度分布変化を比較することも必要となる。
【００２３】
したがって、上記赤外線カメラとしては、画素配列を有し、被検査体の検査領域全体の平面画像を撮像することができるものであることが望ましく、各画素における放射熱量の経時変化データを記憶・収集すると共に、データ間の差や商（比）などを算出する演算機能や画像処理機能を備えたマイクロコンピュータをデータ処理手段として用いることが望ましい。
【００２４】
本発明の積層体の欠陥検査装置は、被検査体を表面側及び裏面側からそれぞれ加熱又は冷却する熱源又は冷却源と、温度分布検出手段と、データ処理手段を備えており、上記欠陥検査方法を円滑に実施することができ、各種積層体の検査に実用することができる。
すなわち、生産ラインにおいては、プロセスの途中での検査ができるので、不良品に対する無駄な処理を回避することができ、製造コストの低減が可能である。例えば、固体酸化物形燃料電池における電解質の焼成プロセスの場合、焼成前に検査を行うことによって潜在的な欠陥検出ができるようになり、焼成コストの削減が可能になる。
【００２５】
また、本発明の欠陥検査装置は、装置自体をコンパクト化することができ、車載も可能になることから、自動車用燃料電池の欠陥検出にも利用できるようになり、評価データを逐次蓄積しておき、以前の評価データとその都度比較するようになすことによって、長時間使用時における経時的な劣化状況が診断でき、セル交換の指標とすることができる。
【実施例】
【００２６】
以下、本発明を実施例に基づいて、さらに詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００２７】
図５は、本発明の積層体の欠陥検査装置の一例を示すものであって、図に示す欠陥検査装置は、検査対象である積層体を表面及び裏面側からそれぞれ加熱するための熱源として、２基の赤外線ランプ１１及び１２と、上記積層体表面の熱放射分布を検出する温度分布検出手段としての赤外線カメラ２０と、当該赤外線カメラ２０に接続され、赤外線カメラ２０からの検出データを経時的に格納し、解析するデータ処理手段としてのマイクロコンピュータ３０を備えており、上記赤外線ランプ１１は、固体酸化物から成る電解質基板２と、この上に印刷法によって積層された電極３から構成された積層体１（被検査体）を表面側から加熱可能な位置に配設され、赤外線ランプ１２は、当該積層体１を裏面側から加熱し得る位置に配設されている。
【００２８】
赤外線ランプ１１及び１２は、輻射熱（赤外線）Ｈによって積層体１の検査対象領域をその両面からそれぞれほぼ均一に加熱することができ、赤外線カメラ２０は、積層体１の表面側（本例では、電極３の側）における放射赤外線ｈを検知し、検査対象領域の全面に亘る熱放射分布、すなわち温度分布を検出する。
【００２９】
データ処理手段としてのマイクロコンピュータ３０は、赤外線カメラ２０に接続されると共に、当該赤外線カメラ２０によって検出された熱放射の分布データを経時的に格納するメモリを備えると共に、演算機能や画像処理機能を備え、格納されたデータ間の差や比を算出して、任意の時点における積層体表面の温度分布や、演算加工によって層間剥離の発生部分を強調した画像データを表示装置（図示せず）に出力する。
【００３０】
以下に、上記欠陥検査装置を用いた積層体１の検査要領について簡単に説明する。
まず、被検査体である積層体１の位置を調整し、検査領域を決定する。
【００３１】
次に、赤外線カメラ２０と積層体１の間を遮光したのち、赤外線カメラ２０によって加熱前の積層体１の表面側（電極３の側）における温度分布画像を撮像し、この場合の熱放射分布データをマイクロコンピュータ３０のメモリに記憶させておく。
【００３２】
そして、下側の赤外線ランプ１１の電源を投入して、積層体１の裏面側からの加熱を開始し、赤外線カメラ２０によって積層体表面の温度分布画像を所定時間ごとに撮像し、その時の熱放射分布データをリアルタイムに記憶させる。
【００３３】
このようにして、裏面側からの加熱データの収集を終えたら、下側赤外線ランプ１１の電源を切り、積層体１の放熱冷却を行う。
そして、マイクロコンピュータ３０に収集された時間ごとの温度分布データと加熱前の温度分布データの差を算出し、最も温度差の顕著な温度分布画像を求め、裏面側加熱時の温度分布データとする。
【００３４】
積層体１の放熱が終了し、全体の温度が均一に低下したことが確認されたら、このときの積層体１の表面側温度分布画像を撮像し、熱放射分布データを同様に記憶させておく。
【００３５】
そして、上側の赤外線ランプ１２の電源を投入して、積層体１の表面側からの加熱を開始し、同様に赤外線カメラ２０によって積層体表面の温度分布画像を所定時間ごとに撮像し、このときの熱放射分布データをリアルタイムに記憶させる。
【００３６】
このようにして、表面側からの加熱データの収集が終了したら、上側赤外線ランプ１２の電源を切り、積層体１の放冷を行うと共に、マイクロコンピュータ３０に収集された時間ごとの温度分布データと表面側加熱の開始前の温度分布データの差を算出し、最も温度差の顕著な温度分布画像を求め、表面側加熱時の温度分布データとする。
【００３７】
次いで、先に求めた裏面側加熱時の温度分布データと表面側加熱時の温度分布データの差を算出することによって、層間剥離Ｐ以外の画像を削除した画像データを作成し、これを図示しない表示装置に出力することによって、当該画像から層間剥離Ｐが発生している部分を特定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の欠陥検査方法において、積層体を温度分布の観察面の反対側から加熱した場合における欠陥検出原理を示す説明図である。
【図２】本発明の欠陥検査方法において、積層体を温度分布の観察面と同じ側から加熱した場合における欠陥検出原理を示す説明図である。
【図３】本発明の欠陥検査方法において、層間剥離と斑点部が混在した積層体を温度分布の観察面の反対側から加熱した場合における欠陥検出原理を示す説明図である。
【図４】本発明の欠陥検査方法において、層間剥離と斑点部が混在した積層体を温度分布の観察面と同じ側から加熱した場合における欠陥検出原理を示す説明図である。
【図５】本発明の積層体の欠陥検査装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００３９】
１    積層体（被検査体）
Ｐ    層間剥離
１１    赤外線ランプ（熱源）
１２    赤外線ランプ（熱源）
２０    赤外線カメラ（温度分布検出手段）
３０    マイクロコンピュータ（データ処理手段）
【図１】
2005164428.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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