JP6614482B2 - 燃料電池の製造方法および燃料電池の製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池の製造方法および燃料電池の製造装置に関する。

従来、生産性良く燃料電池を製造する様々な提案がなされている。例えば特許文献１に記載の発明は、セパレータとなる長尺な基材をロールから引き出して搬送しつつ、これに種々の処理を施すことによって、燃料電池を連続的に製造している。

セパレータに施されるそれらの処理の１つに成膜がある。金属またはＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）等からなる膜をセパレータの表面に形成することによって、導電性および耐食性等の向上が図られる。このような特性は膜厚によって変化するため、膜厚を管理することは重要である。

特許第４５２９４３９号公報

しかしながら、前述の従来技術では膜厚の検査は行われておらず、所望の厚さの膜が形成されていない場合でも、その状態で製造は継続される。その結果、不良品が大量に製造され、製造コストの悪化を招く虞がある。

また、一ロール分の基材の全てに対し連続的に成膜を行った後、オフラインで膜厚を検査したとしても、一ロール分の成膜が終了するまで膜厚は検査されないため、所望の膜厚と異なる不良品が大量に製造される虞がある。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、所望の膜厚と異なる膜厚で成膜された不良品が大量に製造されるのを抑制して製造コストの悪化を防止する燃料電池の製造方法および燃料電池の製造装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の燃料電池の製造方法は、板状の基材に表面処理を施す表面処理工程を有する。表面処理工程では、真空炉内で基材の表面に連続的に膜が形成されるとともに、膜の形成に続けて基材が搬送され、搬送方向下流側で膜の形成と連続的に膜の厚みが計測される。

上記目的を達成するための本発明の燃料電池の製造装置は、板状の基材に表面処理を施す表面処理装置を有する。表面処理装置は、基材の搬送経路が設けられた真空炉と、真空炉内の搬送経路に面して配置された、基材の表面に連続的に膜を形成する膜形成装置と、膜の厚みを計測する膜厚計測装置と、を有する。膜厚計測装置は、膜形成装置に対し基材の搬送方向下流側に続く搬送経路に面して配置される。

本発明によれば、基材表面への膜の形成と連続的に膜厚が計測されるため、膜厚の不良が速やかに発見される。従って、所望の膜厚と異なる膜厚で成膜された不良品が大量に製造され難く、本発明は製造コストの悪化を防止できる。

実施形態の燃料電池の製造装置の概略構成を示す図である。 実施形態の燃料電池の製造方法の概略を示すフローチャートである。 長尺な板材に成形されたセパレータを示す斜視図である。 図１の４−４線に沿う断面図である。 セパレータ接合体の斜視図である。 実施形態の表面処理工程の概略を示すフローチャートである。 膜厚計測を示す斜視図である。 膜厚の計測結果に基づく装置の制御を示すフローチャートである。 計測軌跡に沿った膜厚の変化の例を示す図である。 接触抵抗の良否とＬ^＊ａ^＊ｂ^＊色空間におけるａ^＊、ｂ^＊との関係を示す図である。 接触抵抗の判定結果に基づく装置の制御を示すフローチャートである。 交互に積層されるセパレータ接合体および膜電極接合体の斜視図である。 燃料電池本体の斜視図である。 変形例の燃料電池の製造装置の概略構成を示す図である

以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率と異なる。

図１に示すように、実施形態の燃料電池の製造装置１０は、成形装置１４０と、溶接装置１５０と、洗浄装置１６０と、切断装置１７０と、表面処理装置１００と、接着剤塗布装置１８０と、乾燥炉１９０と、を有する。

成形装置１４０は、長尺な板材１２１を挟んで押圧するローラ１４１を含む。成形装置１４０は、板材１２１をプレス成形し、セパレータ１２２を形成する。ローラ１４１の外周面には、セパレータ１２２の外面形状に対応する凹凸形状が設けられている。板材１２１は、これを巻回したロール１２０から引き出され、連続的に供給される。

板材１２１を形成する材料は、例えば、ステンレス鋼板、もしくは、鉄、ニッケル、クロムの主成分組成を適宜変更した改良鋼板である。

溶接装置１５０は、レーザ１５１を照射してセパレータ１２２同士を溶接する。溶接装置１５０は、セパレータ１２２同士を接合できればよく、レーザ１５１によって溶接する形態に限定されない。

洗浄装置１６０は、レーザ１６１を照射してセパレータ１２２の表面を洗浄する。洗浄装置１６０は、セパレータ１２２の表面を洗浄できればよく、レーザ１６１によって表面を洗浄する形態に限定されない。

切断装置１７０は、例えばシャー方式のさい断機である。切断装置１７０は、セパレータ１２２を溶接したものを切断し、セパレータ接合体１２３（基材）を形成する。切断装置１７０は、セパレータ１２２を溶接したものを切断できればよく、シャー方式のさい断機に限定されない。

表面処理装置１００は、真空炉１０１、真空炉１０１と連通するポンプ１０２、および真空炉１０１と連通するボンベ１０３を有する。表面処理装置１００は、セパレータ接合体１２３を搬送するコンベア１０４を有する。表面処理装置１００は、電極１０５、スパッタ源１０６、スパッタ源１０７（膜形成装置）、分光計１０８（膜厚計測装置）、およびカメラ１０９（画像認識装置）を有する。これらは、コンベア１０４が形成する搬送経路に面して配置され、ワークの搬送方向上流側から下流側へこの順序で並ぶ。表面処理装置１００は、照明装置１１０を有する。表面処理装置１００は、構成要素の動作を制御する制御装置１１１を有する。

真空炉１０１は、コンベア１０４、電極１０５、スパッタ源１０６、スパッタ源１０７、および分光計１０８を収容する。電極１０５、スパッタ源１０６、スパッタ源１０７、および分光計１０８は、それぞれ壁によって仕切られている。カメラ１０９は、真空炉１０１の外に配置される。

ポンプ１０２は真空炉１０１の内部から気体を排出する。真空炉１０１の内部の真空度は、例えば１０^−３Ｐａ程度である。ボンベ１０３は、例えばアルゴン等の不活性ガスを真空炉１０１内に供給する。

電極１０５は、平板形状を有する。電極１０５は、電源（不図示）と電気的に接続している。不活性ガス中において電極１０５に電圧が印加されることによって、コンベア１０４上のセパレータ接合体１２３と電極１０５との間でプラズマが発生し、不活性ガスがイオン化される。

スパッタ源１０６は、クロムによって形成されたターゲットを含む。スパッタ源１０６は、不活性ガス中においてこのターゲットに電圧（以下、スパッタ電圧と称す）を印加し、ワークに向かってターゲットから粒子をはじき飛ばして成膜する。

スパッタ源１０６に含まれるターゲットを形成する材料は、クロムに限定されず、ニッケル、亜鉛、銅、タングステン、チタン、コバルト、モリブデン、ジルコニウム、ハフニウム及びバナジウム等であってもよい。

スパッタ源１０７は、炭素によって形成されたターゲットを含む。スパッタ源１０７は、不活性ガス中において炭素からなるターゲットにスパッタ電圧を印加し、ワークに向かってターゲットから粒子をはじき飛ばして成膜する。

形成された膜の厚みは、分光計１０８によって真空炉１０１内で計測される。分光計１０８は、コンベア１０４上のセパレータ接合体１２３に向かって光を出射する投光部と、ワークから反射した光を受ける受光部と、を含む。分光計１０８は、投光部に光学的に接続する光源を含む。光源は、例えば、ハロゲンランプおよび青色ＬＥＤである。分光計１０８は、受光部で受けた光を分光する。分光計１０８は、例えばフォトダイオードや光電子倍増管等を含み、分光した光の強度に応じた出力信号を制御装置１１１へ出力する。分光計１０８と制御装置１１１とは電気的に接続している。

カメラ１０９は、コンベア１０４上のセパレータ接合体１２３を撮像する。カメラ１０９によって撮像されるセパレータ接合体１２３は、照明装置１１０によって照らされる。照明装置１１０は、例えばハロゲンランプである。カメラ１０９は制御装置１１１と電気的に接続している。

カメラ１０９および照明装置１１０は、真空炉１０１の外に配置される。カメラ１０９は、真空炉１０１に設けられた窓部１１２を通じてセパレータ接合体１２３を撮像する。照明装置１１０は、真空炉１０１に設けられた窓部１１３を通じてセパレータ接合体１２３を照らす。窓部１１２、１１３は、例えばガラスによって形成される。

制御装置１１１は、例えばパーソナルコンピュータおよびエンジニアリングワークステーション等のコンピュータである。

制御装置１１１は、コンベア１０４によるワークの搬送速度を制御する。制御装置１１１は、電極１０５に印加される電圧を制御する。制御装置１１１は、スパッタ源１０６のスパッタ電圧を制御する。これによって、セパレータ接合体１２３上に形成される中間層の性状が制御される。制御装置１１１は、スパッタ源１０７のスパッタ電圧を制御する。これによって、中間層の上に形成される膜の性状が制御される。

制御装置１１１は、分光計１０８が受けるセパレータ接合体１２３からの反射光に基づき、セパレータ接合体１２３上に形成された膜の膜厚を算出する。膜厚の算出方法は、セパレータ接合体１２３への入射光とセパレータ接合体１２３からの反射光との間の偏光状態の変化から膜厚を算出する分光エリプソメトリである。

制御装置１１１は、カメラ１０９が撮像したセパレータ接合体１２３の表面画像から、Ｌ^＊ａ^＊ｂ^＊色空間におけるＬ^＊、ａ^＊、ｂ^＊のそれぞれの値を算出する。Ｌ^＊は明度を表す。ａ^＊、ｂ^＊は色度を表す。Ｌ^＊ａ^＊ｂ^＊色空間およびＬ^＊、ａ^＊、ｂ^＊については、ＪＩＳ Ｚ８７８１−４：２０１３に規定されている。

接着剤塗布装置１８０は、スクリーン印刷によってセパレータ接合体１２３に接着剤１８１を塗布する。接着剤塗布装置１８０は、接着剤１８１が通過する孔が形成されたスクリーン１８２と、スクリーン１８２の表面に対して摺動するスキージ１８３と、を有する。接着剤塗布装置１８０は、セパレータ接合体１２３に接着剤１８１を塗布できればよく、スクリーン印刷によって接着剤１８１を塗布する形態に限定されない。

燃料電池の製造装置１０は、セパレータ接合体１２３と膜電極接合体１２４（以下、ＭＥＡ１２４と称す）とを交互に積層するロボットアーム（不図示）を備える。

次に、燃料電池の製造方法について述べる。

図２に示すように、実施形態の燃料電池の製造方法は、成形工程Ｓ１と、溶接工程Ｓ２と、洗浄工程Ｓ３と、切断工程Ｓ４と、を有する。燃料電池の製造方法は、表面処理工程Ｓ５と、接着剤塗布工程Ｓ６と、モジュール化工程Ｓ８と、を有する。燃料電池の製造方法は、モジュール化工程Ｓ８の前に、ＭＥＡのフレームを粗面化するＭＥＡフレーム粗面化工程Ｓ７を有する。燃料電池の製造方法は、接着剤硬化工程Ｓ９と、リーク検査工程Ｓ１０と、スタック化工程Ｓ１１と、荷重調整スペーサ選択工程Ｓ１２と、本体組立工程Ｓ１３と、性能測定工程Ｓ１４と、を有する。

図３に示すように、成形工程Ｓ１では、溝状の流路１２２ａおよび貫通孔であるマニホールド１２２ｂ、１２２ｃが形成されたセパレータ１２２が成形される。複数のセパレータ１２２が連なった状態に成形される。ローラ１４１（図１）が板材１２１をプレスすることによって、流路１２２ａおよびマニホールド１２２ｂ、１２２ｃが形成される。各セパレータ１２２において、複数のマニホールド１２２ｂのうちのいずれか１つは、流路１２２ａと連通する。各セパレータ１２２において、複数のマニホールド１２２ｃのうちのいずれか１つは、流路１２２ａと連通する。

成形工程Ｓ１の後、セパレータ１２２とセパレータ１２２とが重ね合わされ、溶接工程Ｓ２において溶接される（図１）。

図４に示すように、溶接工程Ｓ２では、流路１２２ａ同士が合わさった部分１２２ｅにレーザ１５１（図１）が照射され、セパレータ１２２同士が溶接される。

洗浄工程Ｓ３において、セパレータ１２２は表面にレーザ１６１を照射され（図１）、脱脂および洗浄される。

図５に示すように、切断工程Ｓ４では、長手方向におけるセパレータ１２２とセパレータ１２２との間の部分が切断され、単一のセパレータ１２２同士が重なり合って接合したセパレータ接合体１２３が形成される。その後、セパレータ接合体１２３は、表面処理工程Ｓ５において表面処理を施される（図１）。

図６に示すように、表面処理工程Ｓ５は、真空引き工程Ｓ１０１、加熱工程Ｓ１０２、ボンバード工程Ｓ１０３、中間層形成工程Ｓ１０４、膜形成工程Ｓ１０５、膜厚計測工程Ｓ１０６、接触抵抗判定工程Ｓ１０７、および、大気戻し工程Ｓ１０８を有する。これらの工程は、表面処理装置１００で実行される。

真空引き工程Ｓ１０１では、真空炉１０１が密閉された状態で、ポンプ１０２が真空炉１０１内を真空引きする。真空引き工程Ｓ１０１前、複数のセパレータ接合体１２３が真空炉１０１内に入れられる。これらのセパレータ接合体１２３は、例えば真空炉１０１内に設けられたロボットアーム（不図示）によって、コンベア１０４の端部に一定の間隔を置いて１つずつ載せられる。

各セパレータ接合体１２３は、コンベア１０４によって搬送され、電極１０５、スパッタ源１０６、スパッタ源１０７、分光計１０８、およびカメラ１０９を順に通過する。各セパレータ接合体１２３がこれらを通過する際に、ボンバード工程Ｓ１０３、中間層形成工程Ｓ１０４、膜形成工程Ｓ１０５、膜厚計測工程Ｓ１０６、および接触抵抗判定工程Ｓ１０７のそれぞれが実行される。

加熱工程Ｓ１０２では、セパレータ接合体１２３がコンベア１０４の端から搬送されて電極１０５と対向する位置に達するまでの間に加熱される。セパレータ接合体１２３は、例えば輻射によって非接触で加熱される。または、セパレータ接合体１２３は、例えばヒータを内蔵するローラが接することによって加熱される。

ボンバード工程Ｓ１０３では、電極１０５への電圧印加によってイオン化された不活性ガスが、セパレータ接合体１２３の表面を叩き、セパレータ接合体１２３の表面の酸化膜を除去する。このとき、セパレータ接合体１２３にバイアス電圧を印加してもよい。こうすることによって、イオン化された不活性ガスがセパレータ接合体１２３に向かって誘導されるため、エッチング効果が増す。

バイアス電圧は、例えば、搬送されるセパレータ接合体１２３の表面に、電源と電気的に接続した導電性のブラシ（不図示）を摺接させることによって、セパレータ接合体１２３に印加される。

中間層形成工程Ｓ１０４では、物理気相蒸着法（ＰＶＤ：Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によってセパレータ接合体１２３の表面に中間層が形成される。セパレータ接合体１２３がスパッタ源１０６と対向しつつ搬送される際、スパッタ源１０６内のターゲットからはじき出された粒子がセパレータ接合体１２３に衝突し、中間層が形成される。

膜形成工程Ｓ１０５では、物理気相蒸着法（ＰＶＤ）によってセパレータ接合体１２３の上に膜が形成される。セパレータ接合体１２３がスパッタ源１０７と対向しつつ搬送される際、スパッタ源１０７内のターゲットからはじき出された粒子がセパレータ接合体１２３の上に衝突し、膜が形成される。膜は中間層の上に形成される。膜を形成する材料は、ダイアモンドライクカーボン（ＤＬＣ：Ｄｉａｍｏｎｄ Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）である。膜は導電性および耐食性を有する。セパレータ接合体１２３がスパッタ源１０７と対向する際、バイアス電圧がセパレータ接合体１２３に印加される。これによって、スパッタ源１０７からはじき出された粒子が、セパレータ接合体１２３に向かって引き寄せられる。セパレータ接合体１２３に印加されるバイアス電圧を制御することによって、形成される膜の性状が制御される。

中間層形成工程Ｓ１０４および膜形成工程Ｓ１０５で行われる物理気相蒸着法は、例えば、高出力インパルス・マグネトロン・スパッタリング（ＨＩＰＩＭＳ：Ｈｉｇｈ Ｐｏｗｅｒ Ｉｍｐｕｌｓｅ Ｍａｇｎｅｔｒｏｎ Ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）である。物理気相蒸着法は、ＨＩＰＩＭＳに限定されず、他のスパッタリング法またはイオンビームデポジッション等であってもよい。

図７に示すように、膜厚計測工程Ｓ１０６では、分光計１０８が、セパレータ接合体１２３の面方向において搬送方向Ｄ１と交差する方向Ｄ２に移動する。このように分光計１０８が移動するとともにセパレータ接合体１２３が搬送されることによって、搬送方向Ｄ１に対し斜めに膜の厚みが計測される。

より具体的には、セパレータ接合体１２３に当っている分光計１０８からの光は、セパレータ接合体１２３の対角線Ｌ上をその一端Ｌ１から他端Ｌ２まで相対移動し、対角線Ｌにおける膜厚が計測される。計測される膜厚は、中間層の上に形成されたＤＬＣ膜の膜厚である。セパレータ接合体１２３に当っている光のスポット径は、例えば約５００ｎｍである。

一つのセパレータ接合体１２３に対する膜厚の計測が終了し、次に搬送されてくるセパレータ接合体１２３の膜厚を計測する場合、分光計１０８は、方向Ｄ２と反対の方向Ｄ３に移動する。このとき、セパレータ接合体１２３に当っている光は、対角線Ｌと交差するセパレータ接合体１２３の他の対角線上を相対移動する。方向Ｄ１と方向Ｄ２、Ｄ３とは直交する。

分光計１０８に接続した駆動装置１１４が分光計１０８を移動させる。駆動装置１１４は、例えば分光計１０８に接続したボールネジをモータによって回転させて分光計１０８を移動させる。

駆動装置１１４による分光計１０８の移動は、制御装置１１１によって制御される。また、制御装置１１１は、計測された膜厚を判別し、その結果に基づきスパッタ源１０７のスパッタ電圧またはセパレータ接合体１２３に印加するバイアス電圧を制御する。

図８に示すように、膜の形成Ｓ１００１、および膜厚計測Ｓ１００２の後、膜厚が規格内か否か判別される（Ｓ１００３）。その後、膜厚が修正不要な範囲内にあるか否か判別される（Ｓ１００４）。図８における膜の形成Ｓ１００１は、図６の膜形成工程Ｓ１０５に対応し、膜厚計測Ｓ１００２は、図６の膜厚計測工程Ｓ１０６に対応する。

膜厚が規格内か否かの判別Ｓ１００３では、図９に示すように、計測された膜の膜厚が、上限規格値Ｖ１と下限規格値Ｖ２との間にあるか否かが判別される。計測された膜厚が規格外の場合、具体的には、計測された膜厚が厚く上限規格値Ｖ１より大きい場合、または、計測された膜厚が薄く下限規格値Ｖ２より小さい場合、制御装置１１１は、表面処理装置１００の動作を停止させ、成膜を中止する（図８のＳ１００５）。

膜厚が修正不要な範囲内にあるか否かの判別Ｓ１００４では、計測された膜厚が、修正不要上限値Ｖ３と修正不要下限値Ｖ４との間にあるか否かが判別される。

計測された膜厚が、修正不要上限値Ｖ３と修正不要下限値Ｖ４との間の修正不要な範囲にある場合、制御装置１１１は、スパッタ源１０７のスパッタ電圧を維持する。

計測された膜厚が修正不要上限値Ｖ３より大きく、修正不要上限値Ｖ３と上限規格値Ｖ１との間の修正範囲内にある場合、制御装置１１１は、スパッタ源１０７のスパッタ電圧を調整し、計測される膜厚が修正不要上限値Ｖ３以下になるようにする（図８のＳ１００６）。

計測された膜厚が修正不要下限値Ｖ４より小さく、修正不要下限値Ｖ４と下限規格値Ｖ２との間の修正範囲内にある場合、制御装置１１１は、スパッタ源１０７のスパッタ電圧を調整し、膜厚が修正不要下限値Ｖ４以上になるようにする（図８のＳ１００６）。

図８のＳ１００６で行われる電圧の調整は、セパレータ接合体１２３に印加するバイアス電圧の調整であってもよい。

膜厚計測Ｓ１００２、ならびに膜厚の判別Ｓ１００３、Ｓ１００４は、分光計１０８からの光が対角線Ｌ上を相対移動して端Ｌ２に達するまで連続的に行われる（図８のＳ１００７）。その後、セパレータ接合体１２３は続けて搬送され、次の工程である接触抵抗判定工程Ｓ１０７（図６）が行われる。

接触抵抗判定工程Ｓ１０７では、搬送されたセパレータ接合体１２３の表面画像がカメラ１０９によって撮像され、撮像された表面画像に基づき、成膜されたセパレータ接合体１２３の接触抵抗の良否が判定される。また、接触抵抗判定工程Ｓ１０７では、この判定結果に基づき、スパッタ源１０７のスパッタ電圧が制御される。ここで、セパレータ接合体１２３に印加されるバイアス電圧が調整されてもよい。

カメラ１０９によって撮像されたセパレータ接合体１２３の表面画像は、制御装置１１１に送られる。制御装置１１１は、セパレータ接合体１２３の表面画像に基づき接触抵抗を判定する判定装置として機能する。

制御装置１１１は、セパレータ接合体１２３の表面画像から、Ｌ^＊ａ^＊ｂ^＊色空間におけるＬ^＊、ａ^＊、ｂ^＊のそれぞれを算出し、算出したその色座標（Ｌ^＊、ａ^＊、ｂ^＊）がＬ^＊ａ^＊ｂ^＊色空間における所定の領域に入っていれば接触抵抗が良好であると判定し、その領域と異なる他の領域に入っていれば接触抵抗が不良であると判定する。

例えば、図１０は、表面画像から算出された所定のＬ^＊におけるａ^＊‐ｂ^＊平面を示す。この例において、表面画像から算出した色座標（ａ^＊、ｂ^＊）が、図１０の符号ＮＧによって指し示される斜線の領域にある場合、制御装置１１１は、接触抵抗が不良であると判定する。一方、表面画像から算出した色座標（ａ^＊、ｂ^＊）が、それ以外の領域である、図１０の符号ＯＫによって指し示される領域にある場合、制御装置１１１は、接触抵抗が良好であると判定する。

算出した色座標（ａ^＊、ｂ^＊）が、図１０の符号ＮＧの領域にある場合、接触抵抗は、例えば５ｍΩ・ｃｍ^２／１ＭＰａより大きい。算出した色座標（ａ^＊、ｂ^＊）が、図１０の符号ＯＫの領域にある場合、接触抵抗は、例えば５ｍΩ・ｃｍ^２／１ＭＰａ以下である。

作業者は、Ｌ^＊ａ^＊ｂ^＊色空間と接触抵抗との関係を予めデータ化しておくとともに、接触抵抗が良好であると判断されるＬ^＊ａ^＊ｂ^＊色空間における領域、および接触抵抗が不良であると判断されるＬ^＊ａ^＊ｂ^＊色空間における領域を決定しておく。制御装置１１１は、これらを記憶する。制御装置１１１は、接触抵抗の判定結果に基づき、設備の停止、またはスパッタ源１０７のスパッタ電圧の調整を行う。

具体的には、図１１に示すように、膜の形成Ｓ１０１１およびカメラ１０９による表面画像認識Ｓ１０１２の後、制御装置１１１は、接触抵抗が規格内か否か判定し、設備を停止するか否か決定する（Ｓ１０１３）。また、制御装置１１１は、接触抵抗が修正不要な範囲にあるか否か判定し、スパッタ電圧の調整を行うか否か決定する（Ｓ１０１４）。

図１１における膜の形成Ｓ１０１１は、図６の膜形成工程Ｓ１０５に対応し、図１１の符号Ｓ１０１２〜Ｓ１０１６によって示される工程は、図６の接触抵抗判定工程Ｓ１０７に対応する。

図１１のＳ１０１３において、接触抵抗が規格内である（ＹＥＳ）の場合、設備は継続的に稼働する。接触抵抗が規格内の場合とは、例えば、図１０の符号ＯＫの領域に、算出した色座標がある場合である。

一方、図１１のＳ１０１３において、接触抵抗が規格外である（ＮＯ）の場合、制御装置１１１は、設備を停止させる（Ｓ１０１５）。接触抵抗が規格外の場合とは、例えば、図１０の符号ＮＧの領域に、算出した色座標がある場合である。

また、図１０では示されていないが、作業者は、同図において、接触抵抗を修正不要な範囲および修正が必要な範囲を予め決めておく。算出した色座標が、接触抵抗を修正不要な範囲にある場合、制御装置１１１はスパッタ源１０７のスパッタ電圧を調整しない（図１１の符号Ｓ１０１４のＹＥＳ）。一方、算出した色座標が、接触抵抗の修正が必要な範囲にある場合、制御装置１１１はスパッタ源１０７のスパッタ電圧を調整する（図１１の符号Ｓ１０１６）。スパッタ電圧が調整されることによって、所望の接触抵抗が得られるようにする。セパレータ接合体１２３に印加されるバイアス電圧を調整することによって、所望の接触抵抗が得られるようにしてもよい。

表面処理装置１００（図１）によって、所定の数のセパレータ接合体１２３に対し、図６で示されるＳ１０２〜Ｓ１０７の工程が行われた後、大気戻し工程Ｓ１０８が行われる。

大気戻し工程Ｓ１０８では、真空状態の真空炉１０１内にガスが導入され、真空炉１０１内の真空状態が解除される。その後、成膜されたセパレータ接合体１２３は、真空炉１０１から取り出され、次の工程である接着剤塗布工程Ｓ６（図１、２）において接着剤１８１を塗布される。

接着剤塗布工程Ｓ６では、例えばセパレータ接合体１２３の両面それぞれの外周部に接着剤１８１が塗布される。その後、モジュール化工程Ｓ８が行われる（図２）。

図１２に示すように、モジュール化工程Ｓ８では、セパレータ接合体１２３とＭＥＡ１２４とが交互に積層される。燃料電池の最小単位である単セル１２６は、ＭＥＡ１２４をセパレータ接合体１２３によって挟んだ構成を有する。モジュール１２５（図１）は、複数の単セル１２６が積層されるとともに電気的に接続した構成を有する。

ＭＥＡ１２４は、電解質膜１２４ａと、電解質膜１２４ａの両面に形成される電極１２４ｂと、電解質膜１２４ａの両面で電極１２４ｂのまわりに配置されたフレーム１２４ｃと、を有する。

電解質膜１２４ａ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呈する。電極１２４ｂは、触媒層の上にガス拡散層が形成された構成を有する。電解質膜１２４ａの一方の面に形成された電極１２４ｂの触媒層は、酸素の還元反応に触媒作用を有する触媒成分を含む。電解質膜１２４ａの他方の面に形成された電極１２４ｂの触媒層は、水素の酸化反応に触媒作用を有する触媒成分を含む。触媒層の上に設けられるガス拡散層は、導電性およびガス拡散性を有する。ガス拡散層は例えば金網からなる。

フレーム１２４ｃは、ＭＥＡフレーム粗面化工程Ｓ７（図２）において、モジュール化工程Ｓ８の前に予め粗面化される。フレーム１２４ｃは、表面にレーザまたはプラズマが照射されることによって、粗面化される。フレーム１２４ｃを形成する材料は例えば樹脂である。

モジュール１２５（図１）は、接着剤硬化工程Ｓ９において、乾燥炉１９０に所定の温度で所定の時間収容され、セパレータ接合体１２３に塗布された接着剤１８１が乾燥される。接着剤１８１の乾燥によって、互いに隣接するセパレータ接合体１２３とＭＥＡ１２４とが接着する。乾燥後、モジュール１２５は乾燥炉１９０から取り出される。

リーク検査工程Ｓ１０（図２）において、作業者は、モジュール１２５にガスを流し、ガス漏れを検査する。

図１３に示すように、スタック化工程Ｓ１１（図２）では、モジュール１２５が複数積層され、スタック１２７が形成される。積層された複数のモジュール１２５同士は電気的に接続する。

導電性を有する集電板１３１が、モジュール１２５の積層方向におけるスタック１２７の両端外側に配置される。集電板１３１はスタック１２７と電気的に接続する。集電板１３１の外側に、集電板１３１と絶縁されたエンドプレート１３０が配置される。一対のエンドプレート１３０はスタック１２７を挟む。これら一対のエンドプレート１３０は、スタック１２７のまわりを覆う側板１３４によって締結され、スタック１２７を保持する。

エンドプレート１３０には、スタック１２７に燃料ガスを供給する供給口１３０ａ、およびスタック１２７内を通った燃料ガスが排出される排出口１３０ｂが設けられている。

エンドプレート１３０には、スタック１２７に酸化剤ガスを供給する供給口１３０ｃ、およびスタック１２７内を通過した酸化剤ガスが排出される排出口１３０ｄが設けられている。

エンドプレート１３０には、スタック１２７に冷却流体を供給する供給口１３０ｅ、およびスタック１２７内を通過した冷却流体が排出される排出口１３０ｆが設けられている。

スタック１２７からの電力を取り出す出力端子１３３が、エンドプレート１３０から突出している。出力端子１３３は、集電板１３１と電気的に接続している。

荷重調整スペーサ選択工程Ｓ１２（図２）において、エンドプレート１３０と集電板１３１との間に配置されるスペーサ１３２が選択される。一対のエンドプレート１３０が側板１３４によって締結された際にスタック１２７に積層方向から加わる荷重は、スペーサ１３２の厚みによって調整される。

本体組立工程Ｓ１３（図２）では、一対のエンドプレート１３０が側板１３４によって締結され、燃料電池本体が出来上がる。

その後、性能測定工程Ｓ１４（図２）において、作製された燃料電池本体の発電性能が測定される。発電性能の測定は、作製された燃料電池本体に例えば水素ガスおよび窒素ガスを流して発電運転と同一条件でしばらく作動させるエージングの後、窒素ガスを空気等の酸化剤ガスに代えて行われる。

次に本実施形態の作用効果を述べる。

本実施形態によれば、セパレータ接合体１２３の表面への膜の形成と連続的に膜厚が計測されるため、膜厚の不良が速やかに発見される。従って、所望の膜厚と異なる膜厚で成膜された不良品が大量に製造され難く、本実施形態は製造コストの悪化を防止できる。

本実施形態では、分光計１０８が真空炉１０１内に配置され膜厚を計測する。真空炉１０１内は大気の対流がなく、温度変化が抑えられる。このため、分光計１０８による計測精度がばらつき難い。その結果、安定した計測が連続で可能となり、適正な膜厚確保に寄与する。適正な膜厚が確保されることによって、燃料電池の使用中の異常な性能低下が防止され、品質が維持される。

本実施形態では、セパレータ接合体１２３の搬送方向Ｄ１に対し、分光計１０８が交差するように相対移動し（図７）、セパレータ接合体１２３の搬送方向Ｄ１に対し斜めに膜厚が計測される。このような動作によって、１つの分光計１０８が搬送方向Ｄ１と交差する方向Ｄ２、Ｄ３における膜厚を計測することを可能にしている。本実施形態と異なり、搬送方向Ｄ１と交差する方向Ｄ２、Ｄ３に複数の分光計１０８を並べて膜厚を計測するようにすると、分光計１０８が複数設けられるため、真空炉１０１が大型化する。しかしながら本実施形態では１つの分光計１０８が移動して膜厚を計測するため、真空炉１０１の大きさを抑えることができる。真空炉１０１の大きさが抑えられることによって、真空引きに要する時間、ひいては表面処理のリードタイムが短縮されるので、製造コストを抑えられる。

成膜されたセパレータ接合体１２３の接触抵抗は、例えば１〜１０ｍΩ程度であり、微小である。このため、本実施形態と異なり、測定端子をセパレータ接合体１２３の表面に直接接触させて接触抵抗を測定しようとすると、温度または接触圧力による影響が顕著になり、測定結果がばらつく。従って、インラインでワークの表面に測定端子を直接接触させて接触抵抗を判定することは困難である。また、一旦、全ワークに対して成膜を済ませておき、その後、オフラインでワークの表面に測定端子を直接接触させて抵抗を判定する場合、成膜の際に不良が生じると、大量の不良品が製造される。その結果、製造コストが悪化する。

これに対し、本実施形態は、セパレータ接合体１２３の表面画像に基づき非接触で接触抵抗の判定を行うため、接触圧力等の影響がなく、インラインで接触抵抗を判定できる。インラインで成膜と連続的に接触抵抗が判定される結果、接触抵抗に不良が生じた場合、不良が速やかに発見される。従って、不良品を抑制でき、製造コストを抑えることができる。

また、インラインでの接触抵抗の判定が可能であるため、例えばオフラインのように接触抵抗の判定のためにワークを別の場所に移動させて判定装置にセットする等の手間が省け、判定のリードタイムを短縮できる。

カメラ１０９は真空炉１０１の外に配置され、そこからセパレータ接合体１２３を撮像するため、真空炉１０１内にカメラ１０９を配置するスペースが必要ない。従って真空炉１０１の大きさが抑えられる。これによって、真空引きに要する時間、ひいては表面処理のリードタイムが短縮されるので、製造コストを抑制できる。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内で種々改変できる。

例えば表面処理は、上記実施形態のように搬送される複数のセパレータ接合体１２３に対して行われるものに限定されない。

図１４に示すように、長尺な板状の基材２０１をロールトゥロールによって搬送しつつ、これに上記実施形態の表面処理工程Ｓ５を行ってもよい。図１４において、図１に示す構成要素と同様のものについては図１と同一の符号を付し、ここでの重複する説明は省略する。

図１４に示される形態では、基材２０１は、これを巻回したロール２０２から引き出されつつ供給され、表面処理された後、ロール２０３に巻き取られる。この後、ロール２０３は真空炉１０１から取り出され、図１に示すロール１２０として用いられる。その後、図２に示す表面処理工程Ｓ５以外の工程が上記実施形態と同様に行われることによって、燃料電池が製造される。すなわち、図２示すフローチャートにおいて、表面処理工程Ｓ５が成形工程Ｓ１の前に行われる。燃料電池の製造方法の各工程で行われる処理および工程の順序は上記実施形態に限定されない。

また、基材に形成される膜の材料はＤＬＣに限定されず、例えば金等の他の材料によって形成された膜を含む。

また、本発明は、カメラ１０９を分光計１０８よりもワークの搬送方向上流側に配置した形態を含む。この場合、接触抵抗の判定が膜厚計測の前に行われる。

１０ 燃料電池の製造装置、
１００ 表面処理装置、
１０１ 真空炉、
１０２ ポンプ、
１０３ ボンベ、
１０４ コンベア、
１０５ 電極、
１０６ スパッタ源、
１０７ スパッタ源（膜形成装置）、
１０８ 分光計（膜厚計測装置）、
１０９ カメラ（画像認識装置）、
１１０ 照明装置、
１１１ 制御装置（判定装置）、
１１２、１１３ 窓部、
１１４ 駆動装置、
１２０ ロール、
１２１ 板材、
１２２ セパレータ、
１２３ セパレータ接合体（基材）、
１２４ 膜電極接合体（ＭＥＡ）、
１２５ モジュール、
１２６ 単セル、
１２７ スタック、
１３０ エンドプレート、
１３１ 集電板、
１３２ スペーサ、
１３３ 出力端子、
１３４ 側板、
１４０ 成形装置、
１５０ 溶接装置、
１６０ 洗浄装置、
１７０ 切断装置、
１８０ 接着剤塗布装置、
１９０ 乾燥炉、
２００ 表面処理装置、
２０１ 基材、
Ｄ１ 搬送方向、
Ｄ２、Ｄ３ 搬送方向に対し交差する方向、
Ｌ 対角線、
Ｌ１、Ｌ２ 対角線の端部。

Claims (10)

1. 板状の基材に表面処理を施す表面処理工程を有し、
   当該表面処理工程では、真空炉内で前記基材の表面に連続的に膜が形成されるとともに、当該膜の形成に続けて前記基材が搬送され、搬送方向下流側で前記膜の形成と連続的に、前記膜の厚みが計測されるとともに、前記膜が形成された前記基材の接触抵抗の良否が判定される、燃料電池の製造方法。
2. 前記膜の厚みは、前記真空炉内で分光計によって計測される、請求項１に記載の燃料電池の製造方法。
3. 前記分光計が、前記基材の面方向において前記基材の搬送方向に対し交差するように相対移動することによって、前記基材の搬送方向に対し斜めに前記膜の厚みが計測される、請求項２に記載の燃料電池の製造方法。
4. 前記表面処理工程では、前記膜の形成に続けて搬送された前記基材の表面画像が撮像され、Ｌ^＊ａ^＊ｂ^＊色空間における前記表面画像に対応した色座標から、前記膜が形成された前記基材の接触抵抗の良否が判定される、請求項１〜請求項３のうちのいずれか１つに記載の燃料電池の製造方法。
5. 前記基材の表面画像は、前記真空炉の外から撮像される、請求項４に記載の燃料電池の製造方法。
6. 板状の基材に表面処理を施す表面処理装置を有し、
   当該表面処理装置は、
   前記基材の搬送経路が設けられた真空炉と、
   当該真空炉内の前記搬送経路に面して配置された、前記基材の表面に連続的に膜を形成する膜形成装置と、
   当該膜形成装置に対し前記基材の搬送方向下流側に続く前記搬送経路に面して配置された、前記膜の厚みを計測する膜厚計測装置と、
   を有し、
   前記膜形成装置に対し前記基材の搬送方向下流側に続く前記搬送経路において、前記膜が形成された前記基材の接触抵抗の良否が判定される、燃料電池の製造装置。
7. 前記膜厚計測装置は、分光計からなり、前記真空炉内に配置される、請求項６に記載の燃料電池の製造装置。
8. 前記分光計は、前記基材の面方向において前記基材の搬送方向に対し交差するように相対移動可能に備えられ、前記基材の搬送方向に対し斜めに前記膜の厚みを計測する、請求項７に記載の燃料電池の製造装置。
9. 前記膜形成装置に対し前記基材の搬送方向下流側に続く前記搬送経路に面して配置された画像認識装置と、当該画像認識装置に電気的に接続した判定装置と、を有し、
   前記画像認識装置は、前記膜が形成された前記基材の表面画像を撮像し、前記判定装置は、Ｌ^＊ａ^＊ｂ^＊色空間における前記表面画像に対応した色座標から、前記膜が形成された前記基材の接触抵抗の良否を判定する、請求項６〜請求項８のうちのいずれか１つに記載の燃料電池の製造装置。
10. 前記画像認識装置は、前記真空炉の外に配置される、請求項９に記載の燃料電池の製造方法。