JP2015207490A - 燃料電池の製造方法及び製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】クリーンな環境下で、簡便な方法によって、支持部及びセパレータ間の接着性が向上した燃料電池を製造する燃料電池の製造方法を提供する。
【解決手段】膜電極接合体２０を支持する支持部５０の表面５７を改質して表面自体の性状を変化させる表面改質工程Ｓ０４１と、表面改質工程において改質された支持部の表面に、接着剤Ｓを塗布する塗布工程Ｓ０４２と、塗布工程において塗布された接着剤を介して、セパレータ３０を支持部に接合する接合工程Ｓ０４３と、を有する。
【選択図】図６

Description

本発明は、燃料電池の製造方法及び製造装置に関する。

近年、環境負荷の少ない電源として燃料電池が注目されている。燃料電池は、電極反応による生成物が原理的に水であり、地球環境への悪影響がほとんどないクリーンな発電システムである。特に固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、比較的低温で作動することから、電気自動車用電源として期待されている。

このような燃料電池の製造方法は、例えば、セパレータをプレス成形する工程、セパレータを溶接（接合）する工程、及びセパレータを表面処理する工程を有する。燃料電池の製造方法はさらに、セパレータ及び膜電極接合体が組み込まれたモジュールを組み立てる工程、モジュールからスタックを組み立てる工程を有する。これに関連して、例えば下記の特許文献１には、セパレータの形成からモジュールの組立までを連続的に実施する燃料電池の製造方法が開示されている。

一方、モジュールを組み立てる工程は、膜電極接合体を支持する支持部に、接着剤を用いて、セパレータを接合する工程を有する。一般的に、支持部及び接着剤間の接着性は良好ではない。したがって、支持部及び接着剤間の接着性を向上させるために、例えば、スチレン系のプライマー処理を支持部に施す場合がある。このプライマー処理を施すと、プライマーが塗られた表面と接着剤の密着性が向上することで、支持部及び接着剤間の接着性が向上し、結果的に支持部及びセパレータ間の接着性が向上する。このとき、支持部及び接着剤は、プライマーを介して接合される。接着のメカニズムには、表面形状等に左右される機械的結合、材料の分子同士の結合力による物理的相互作用、化学処理等による化学的相互作用があることが、一般的に知られている。しかしながら、プライマー処理によってどの結合力が向上するか、特定出来ず、プライマーの選定は、経験上から実験的に得られた情報から選定している。

特開２００５−１９０９４６号公報

しかしながら、上述のプライマー処理を支持部に施す際に、プライマーを支持部に塗布する工程、塗布されたプライマーを乾燥する工程が必要となり、結果的にリードタイムが長くなり、生産性を向上させることが困難である。また、プライマーの塗布及び乾燥を行う際に、大量の揮発性有機化合物（ＶＯＣ）が伴うため、対策として排気設備が必要となり、製造コストが増大するという問題がある。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、クリーンな環境下で、簡便な方法によって、支持部及びセパレータ間の接着性が向上した燃料電池を製造する燃料電池の製造方法及び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本発明に係る燃料電池の製造方法は、電解質膜の両面にアノード及びカソードの電極層を備える膜電極接合体と、セパレータと、を有する燃料電池を製造する燃料電池の製造方法である。燃料電池の製造方法は、前記膜電極接合体を支持する支持部の、前記セパレータが積層される側の表面を改質して前記表面自体の性状を変化させる表面改質工程と、前記表面改質工程において改質された前記表面に、接着剤を塗布する塗布工程と、を有する。また、燃料電池の製造方法は、前記塗布工程において塗布された前記接着剤を介して、前記セパレータを前記支持部に接合する接合工程をさらに有する。

また、上記目的を達成する本発明に係る燃料電池の製造装置は、電解質膜の両面にアノード及びカソードの電極層を備える膜電極接合体と、セパレータと、を有する燃料電池を製造する燃料電池の製造装置である。燃料電池の製造装置は、前記膜電極接合体を支持する支持部の、前記セパレータが積層される側の表面を改質して前記表面自体の性状を変化させる表面改質手段と、前記表面改質手段によって改質された前記表面に、接着剤を塗布する塗布手段と、を有する。また、燃料電池の製造装置は、前記塗布手段によって塗布された前記接着剤を介して、前記セパレータを前記支持部に接合する接合手段をさらに有する。

上記の燃料電池の製造方法であれば、表面改質工程において改質された支持部の表面に、塗布工程において接着剤が塗布される。このため、プライマー処理を施すことなく、支持部の表面と接着剤間の接着性を向上させることができる。したがって、クリーンな環境下で、簡便な方法によって、支持部及びセパレータ間の接着性が向上した燃料電池を製造する燃料電池の製造方法を提供することができる。

また、上記の燃料電池の製造装置であれば、表面改質手段によって改質された支持部の表面に、塗布手段によって接着剤が塗布される。このため、プライマー処理を施すことなく、支持部の表面と接着剤間の接着性を向上させることができる。したがって、クリーンな環境下で、簡便な方法によって、支持部及びセパレータ間の接着性が向上した燃料電池を製造する燃料電池の製造装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池を示す斜視図である。 燃料電池の積層構造の一部を示す要部拡大断面図である。 支持部が膜電極接合体を支持する様子を示す図である。 表面改質手段を示す斜視図である。 燃料電池の製造方法を説明するためのフローチャートである。 モジュール化工程を説明するためのフローチャートである。 塗布手段によって、支持部の表面に接着剤を塗布する様子を示す図である。 接合手段によって、セパレータを支持部に接合する様子を示す図である。 プラズマが照射される前の支持部の表面における状態を模式的に示す図である。 プラズマが照射された後の支持部の表面における状態を模式的に示す図である。 活性化された表面に対し、接着剤中の官能基が結合する様子を示す図である。

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、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池１を示す斜視図である。図２は、燃料電池１の積層構造の一部を示す要部拡大断面図である。図３は、支持部５０が膜電極接合体２０を支持する様子を示す図である。

燃料電池１は、図１に示すように、燃料ガス（水素）と酸化剤ガス（酸素）との反応により起電力を生じる単セル２を所定数だけ積層した積層体３を有している。積層体３の両端のそれぞれに、集電板４、絶縁板５及びエンドプレート６を配置し、これらをタイロッドボルト７により締結することによって、燃料電池１を構成する。燃料電池１内部において燃料ガス、酸化剤ガス、及び冷却水のそれぞれを流通させるために、一方のエンドプレート６に、６つの貫通孔が形成される。６つの貫通孔は、燃料ガス導入口８、燃料ガス排出口９、酸化剤ガス導入口１０、酸化剤ガス排出口１１、冷却水導入口１２、及び冷却水排出口１３を構成する。

単セル２は、図２，３に示すように、電解質膜２１の両面にアノード及びカソードの電極層（アノード側電極２３、カソード側電極２２）を備える膜電極接合体２０と、膜電極接合体２０を支持する支持部５０と、を有する。単セル２は、膜電極接合体２０の両面のそれぞれに配置される燃料電池用金属セパレータ３０（以下、単にセパレータ３０と称する）をさらに有する。

膜電極接合体２０は、図２に示すように、電解質膜２１と、カソード側電極２２と、アノード側電極２３と、を有する。また、膜電極接合体２０は、図３に示すように、矩形形状に構成される。

カソード側電極２２は、カソード側触媒層２２１及びカソード側ガス拡散層２２２を有する。

カソード側触媒層２２１は、触媒成分、触媒成分を担持する導電性の触媒担体及び電解質を含んでおり、酸素の還元反応が進行する触媒層であり、電解質膜２１の一方の側に配置される。

カソード側ガス拡散層２２２は、カソード側触媒層２２１に酸化剤ガスを供給するため、十分なガス拡散性及び導電性を有する。カソード側ガス拡散層２２２は、カソード側触媒層２２１の電解質膜２１が配置される面と反対側の面に配置される。

アノード側電極２３は、アノード側触媒層２３１及びアノード側ガス拡散層２３２を有する。

アノード側触媒層２３１は、触媒成分、触媒成分を担持する導電性の触媒担体及び電解質を含んでおり、水素の酸化反応が進行する触媒層であり、電解質膜２１の他方の側に配置される。

アノード側ガス拡散層２３２は、アノード側触媒層２３１に燃料ガスを供給するため、十分なガス拡散性及び導電性を有する。アノード側ガス拡散層２３２は、アノード側触媒層２３１の電解質膜２１が配置される面と反対側の面に配置される。

電解質膜２１は、アノード側触媒層２３１で生成したプロトンをカソード側触媒層２２１へ選択的に透過させる機能及びアノード側に供給される燃料ガスとカソード側に供給される酸化剤ガスとを混合させないための隔壁としての機能を有する。

セパレータ３０は、単セル２を電気的に直列接続する機能及び燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却水を互いに遮断する隔壁としての機能を有する。セパレータ３０は、例えば、ステンレス鋼板にプレス加工を施すことで成形され、図２に示すように、流路溝を成形するために凹凸形状を有している。ステンレス鋼板は、複雑な機械加工を施しやすくかつ導電性が良好である点で好ましく、必要に応じて、耐食性のコーティングを施すことも可能である。セパレータ３０は、膜電極接合体２０の両面のそれぞれに配置されることによって、燃料ガスを流通させるための燃料ガス流路３１、酸化剤ガスを流通させるための酸化剤ガス流路３２、及び冷却水を流通させるための冷却水流路３３を形成している。

支持部５０は、図２，３に示すように、膜電極接合体２０の外周に設けられ膜電極接合体２０を支持する。支持部５０は、熱可塑性樹脂が射出成形されることによって成形される。支持部５０を射出成形によって成形する際、熱可塑性樹脂がガス拡散層２２２，２３２の外周部に含浸することによって、支持部５０及び膜電極接合体２０が一体化して、支持部５０が膜電極接合体２０を支持する。したがって、膜電極接合体２０のハンドリング性が向上する。支持部５０は、図３に示すように、エンドプレート６に対応して、燃料ガス導入口５１、燃料ガス排出口５２、酸化剤ガス導入口５３、酸化剤ガス排出口５４、冷却水導入口５５、及び冷却水排出口５６を有する。

セパレータ３０及び支持部５０は、図２に示すように、接着剤Ｓを介して接合される。支持部５０の、セパレータ３０が積層される側の表面５７は、後述するようにプラズマが照射されることによって改質される。このため、支持部５０の表面５７及び接着剤Ｓ間の接着性が向上する。

燃料ガスは、燃料ガス導入口８から導入され、セパレータ３０の燃料ガス流路３１を流れ、燃料ガス排出口９から排出される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入口１０から導入され、セパレータ３０の酸化剤ガス流路３２を流れ、酸化剤ガス排出口１１から排出される。冷却水は、冷却水導入口１２から導入され、セパレータ３０の冷却水流路３３を流れ、冷却水排出口１３から排出される。

次に、各構成部品の材質及びサイズなどについて記述する。

電解質膜２１は、パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーから構成されるフッ素系電解質膜、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂膜、リン酸やイオン性液体等の電解質成分を含浸した多孔質状の膜を、適用することが可能である。パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーは、例えば、ナフィオン（登録商標、デュポン株式会社製）、アシプレックス（登録商標、旭化成株式会社製）、フレミオン（登録商標、旭硝子株式会社製）である。多孔質状の膜は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）から成形される。

電解質膜２１は、特に限定されないが、強度、耐久性及び出力特性の観点から５〜３０μｍが好ましく、より好ましくは１０〜２００μｍである。

触媒層２２１，２３１のうちカソード側触媒層２２１に用いられる触媒成分は、酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば、特に限定されない。触媒層２２１，２３１のうちアノード側触媒層２３１に用いられる触媒成分は、水素の酸化反応に触媒作用を有するものであれば、特に限定されない。

触媒成分は、例えば、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属、及びそれらの合金等などから選択される。触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性などを向上させるために、少なくとも白金を含むものが好ましい。カソード側触媒層２２１及びアノード側触媒層２３１に適用される触媒成分は、同一である必要はなく、適宜変更することが可能である。

触媒層２２１，２３１に用いられる触媒の導電性担体は、触媒成分を所望の分散状態で担持するための比表面積、及び集電体として十分な電子導電性を有しておれば、特に限定されないが、主成分がカーボン粒子であることが好ましい。カーボン粒子は、例えば、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛から構成される。

触媒層２２１，２３１に用いられる電解質は、少なくとも高いプロトン伝導性を有する部材であれば、特に限定されない。具体的には例えば、ポリマー骨格の全部又は一部にフッ素原子を含むフッ素系電解質や、ポリマー骨格にフッ素原子を含まない炭化水素系電解質が適用可能である。触媒層２２１，２３１に用いられる電解質は、電解質膜２１に用いられる電解質と同一であっても異なっていてもよいが、電解質膜２１に対する触媒層２２１，２３１の密着性を向上させる観点から、同一であることが好ましい。

触媒層２２１，２３１の厚みは、水素の酸化反応（アノード側）及び酸素の還元反応（カソード側）の触媒作用が十分発揮できる厚みであれば、特に制限されず、従来と同様の厚みが使用できる。具体的には、各触媒層の厚みは、１〜１０μｍが好ましい。

ガス拡散層２２２，２３２は、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロス、カーボンペーパー、またはカーボンフェルトから成形される。ガス拡散層２２２，２３２は、撥水剤を含ませることで、撥水性をより高めてフラッディング現象などを防ぐことが好ましい。撥水剤は、特に限定されないが、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）などのフッ素系の高分子材料、ポリプロピレン、ポリエチレンである。

ガス拡散層２２２，２３２の厚さは、機械的強度及びガスや水などの透過距離を考慮して、３０〜５００μｍ程度が好ましい。なお、撥水性は、独立した層を成形することによって、向上させることも可能である。

セパレータ３０は、上述したようにステンレス鋼板から構成される。しかしながら、ステンレス鋼板に限定されず、その他の金属材料（例えば、アルミニウム板やクラッド材）、緻密カーボングラファイトや炭素板などのカーボンを適用することも可能である。カーボンを適用する場合、燃料ガス流路３１及び酸化剤ガス流路３２は、切削加工やスクリーン印刷によって成形することが可能である。

セパレータ３０の板厚は、例えば、０．２ｍｍ以下である。このようにセパレータ３０を薄肉に成形することによって、電気抵抗をできるだけ小さくし、燃料電池の性能評価の１つ指標である出力密度（「起電力／単位容積」と定義される）を高めることができる。

支持部５０を構成する樹脂は、熱可塑性樹脂である。熱可塑性樹脂としては例えば、塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）、アクリル（ＰＭＭＡ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリブチレンテフタレート（ＰＢＴ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリスルホン（ＰＳＦ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリオレフィン等のプラスチックまたはエラストマーが用いられる。また、これらの熱可塑性樹脂を２種以上併用（ブレンド）したり、フィラーを適宜混入したりすることも可能である。

接着剤Ｓは、例えばエポキシ樹脂系の熱硬化型の接着剤であり、加熱することで硬化する。

次に、本発明の実施形態に係る燃料電池１の製造装置１００を説明する。

本実施形態に係る燃料電池１の製造装置１００は、電解質膜２１の両面にアノード側電極２３及びカソード側電極２２を備える膜電極接合体２０と、セパレータ３０と、を有する燃料電池１を製造する燃料電池１の製造装置１００である。燃料電池１の製造装置１００は、膜電極接合体２０を支持する支持部５０の、セパレータ３０が積層される側の表面５７を改質して表面５７自体の性状を変化させる表面改質手段１１０を有する。燃料電池の製造装置１００は、表面改質手段１１０によって改質された表面５７に、接着剤Ｓを塗布する塗布手段１２０を有する。燃料電池の製造装置１００は、塗布手段１２０によって塗布された接着剤Ｓを介して、セパレータ３０を支持部５０に接合する接合手段１３０を有する。以下、図４を参照して、表面改質手段１１０について詳述し、塗布手段１２０及び接合手段１３０については、後述する製造方法と併せて説明する。

本明細書において「表面改質」とは、表面５７自体の性状が、化学的、機械的、物理的に変化することを意味し、プライマー処理など他の種類の部材が表面５７に形成するものは含まれない。

表面改質手段１１０は、支持部５０の表面５７を改質する。表面改質手段１１０は、図４に示すように、載置部１１１と、プラズマ装置１１２と、Ｘ方向移動手段１１３と、Ｙ方向移動手段１１４と、を有する。

載置部１１１には、膜電極接合体２０を支持する支持部５０（図３参照）が載置される。また、不図示の固定部によって、支持部５０は載置部１１１に固定される。固定部は、例えば、板ばねであるがこれに限定されない。

プラズマ装置１１２は、支持部５０の表面５７にプラズマを照射して（図４矢印Ｐ参照）、支持部５０の表面５７を改質する。プラズマ装置１１２は、例えば、ＰＳ−６０１ＳＷ（ウエッジ株式会社製）であって、プラズマ装置１１２のプラズマ照射口から、表面までの距離は、例えば１０ｍｍである。

Ｘ方向移動手段１１３は、プラズマ装置１１２をＸ方向に移動させる。Ｘ方向移動手段１１３は、それぞれ図示しないが、載置部１１１に固定されたＸ固定部と、Ｘ固定部に対してＸ方向に移動自在なＸ可動部と、Ｘ可動部を駆動させるＸ駆動部と、を有する。Ｘ駆動部を駆動することによって、プラズマ装置１１２がＸ方向に移動される。

Ｙ方向移動手段１１４は、プラズマ装置１１２をＹ方向に移動させる。Ｙ方向移動手段１１４は、それぞれ図示しないが、Ｘ方向移動手段１１３に固定されたＹ固定部と、Ｙ固定部に対してＹ方向に移動自在なＹ可動部と、Ｙ可動部を駆動させるＹ駆動部と、を有する。Ｙ駆動部を駆動することによって、プラズマ装置１１２がＹ方向に移動される。

次に、図５〜図１１を参照して、本実施形態に係る燃料電池１の製造方法を説明する。

本実施形態に係る燃料電池１の製造方法は、概説すると、支持部５０の表面５７を改質して表面５７自体の性状を変化させる表面改質工程Ｓ０４１と、表面改質工程Ｓ０４１において改質された表面５７に、接着剤Ｓを塗布する塗布工程Ｓ０４２と、を有する。燃料電池１の製造方法は、塗布工程Ｓ０４２において塗布された接着剤Ｓを介して、セパレータ３０を支持部５０に接合する接合工程Ｓ０４３をさらに有する。以下、本実施形態に係る燃料電池１の製造方法を詳述する。

図５は、本実施形態に係る燃料電池１の製造方法を説明するためのフローチャートである。

本発明の実施形態に係る燃料電池１の製造方法は、図５に示すように、プレス成形工程Ｓ０１、溶接工程Ｓ０２、防食処理工程Ｓ０３、モジュール化工程Ｓ０４、スタッキング工程Ｓ０５、組立工程Ｓ０６、及び性能検査工程Ｓ０７を有する。

プレス成形工程Ｓ０１においては、セパレータ素材が、セパレータ３０の外面形状に対応する凹凸部が形成された成形型によって押圧されて、セパレータ３０がプレス成形される。

溶接工程Ｓ０２においては、隣接する単セル２間において隣接するセパレータ３０同士が互いに溶接され、一体化される。

防食処理工程Ｓ０３は、洗浄工程、酸化被膜除去工程、及び硬質炭素被膜形成工程を有する。

洗浄工程においては、セパレータ３０の表面にレーザー光線が照射されることによって、セパレータ３０が脱脂及び洗浄される。セパレータ３０の脱脂及び洗浄は、例えば乾式のレーザー洗浄に限定されず、湿式の洗浄を適用することも可能である。また、例えば、適当な溶媒を用いて、セパレータ３０表面を脱脂及び洗浄することも可能である。溶媒は、例えば、エタノール、エーテル、アセトン、イソプロピルアルコール、トリクロロエチレンなどである。

酸化被膜除去工程においては、例えば、イオンボンバード処理によって、セパレータ３０表面に形成される酸化被膜が除去される。

硬質炭素被膜形成工程においては、例えば、スパッタリング処理によって、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ：Ｄｉａｍｏｎｄ Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）からなる硬質炭素被膜層が形成される。

モジュール化工程Ｓ０４においては、セパレータ３０は、接着剤Ｓを利用して、膜電極接合体２０と一体化され、その後、接着剤Ｓを加熱硬化することで、モジュールが形成される。モジュールは、複数の単セル２を有するように適宜構成される。

スタッキング工程Ｓ０５においては、例えば、モジュールを直列に数百枚積層して、積層体３が組立てられる。この際、搭載姿勢における厚みが測定され、荷重調整用のスペーサが選択される。

組立工程Ｓ０６においては、積層体３の両端のそれぞれに、集電板４、絶縁板５及びエンドプレート６を配置し、これらをタイロッドボルト７により締結することによって、燃料電池１が組立てられる。

性能検査工程Ｓ０７においては、燃料電池１のエージング運転（慣らし運転）を実施し、電池電圧の飽和値を測定することで、発電性能が検査される。

次に、モジュール化工程Ｓ０４を詳述する。

図６は、モジュール化工程Ｓ０４を説明するためのフローチャートである。図７は、塗布手段１２０によって、支持部５０の表面５７に接着剤Ｓを塗布する様子を示す図である。図８は、接合手段１３０によって、セパレータ３０を支持部５０に接合する様子を示す図である。図９は、プラズマが照射される前の支持部５０の表面５７における状態を模式的に示す図である。図１０は、プラズマが照射された後の支持部５０の表面５７における状態を模式的に示す図である。図１１は、活性化された表面５７に対し、接着剤Ｓ中の官能基が結合する様子を示す図である。

モジュール化工程Ｓ０４は、図６に示すように、表面改質工程Ｓ０４１、塗布工程Ｓ０４２、及び接合工程Ｓ０４３を有する。

表面改質工程Ｓ０４１においては、支持部５０の表面５７にプラズマを照射することによって、支持部５０の表面５７を改質して表面５７自体の性状を変化させる。具体的には、図４に示すように、まず膜電極接合体２０を支持した支持部５０を載置部１１１に載置する。次に、プラズマ装置１１２を所定の位置にセットする。次に、プラズマを支持部５０の表面５７に照射させつつ、Ｘ方向移動手段１１３及びＹ方向移動手段１１４によって、プラズマ装置１１２をＸＹ方向へ移動させ、表面５７上の所定の範囲（図３において２点鎖線で示す）にプラズマを照射する。

塗布工程Ｓ０４２においては、表面改質工程Ｓ０４１において改質された支持部５０の表面５７に接着剤Ｓを塗布する。具体的には、図７に示すように、塗布手段１２０によって、プラズマが照射された範囲に接着剤Ｓを塗布する。塗布手段１２０は例えばノズルであるが、これに限定されない。また、図示は省略するが、塗布手段１２０は、プラズマ装置１１２と同様に、ＸＹ方向に移動可能に構成される。

接合工程Ｓ０４３においては、支持部５０の表面５７に塗布された接着剤Ｓを介して、セパレータ３０を支持部５０に接合する。具体的には、図８に示すように、接合手段１３０によって、セパレータ３０を支持部５０に接合する。図８において、明瞭化のため、接着剤Ｓは省略し、またセパレータ３０は簡略化して示す。接合手段１３０は、支持部５０を載置する台部１３１と、セパレータ３０を支持部５０に近接する際にガイドをするガイド手段１３２と、を有する。以上の工程によって、モジュールが形成される。

以下、図９〜図１１を参照して、支持部５０の表面５７にプラズマを照射することによって、支持部５０及びセパレータ３０間の接着性が向上するメカニズムについて説明する。

例えば、Ｃ−Ｈ結合のような安定状態にある原子間結合（図９参照）にプラズマ（図１０矢印Ｐ参照）が照射されることによって、原子間結合が切断されてラジカルが生成する（図１０参照）。すなわち、支持部５０の表面５７が活性化される（ラジカル状態）。この活性化された表面５７に対して、接着剤Ｓを塗布することによって、接着剤Ｓ中の官能基（例えば、酸素原子を含むもの）が結合しやすくなるため（図１１参照）、支持部５０の表面５７及び接着剤Ｓ間の結合が強固になる。したがって、支持部５０及びセパレータ３０間の接着性が向上する。

以上説明したように、本実施形態に係る燃料電池１の製造方法は、電解質膜２１の両面にアノード側電極２３及びカソード側電極２２を備える膜電極接合体２０と、セパレータ３０と、を有する燃料電池１を製造する燃料電池１の製造方法である。燃料電池１の製造方法は、膜電極接合体２０を支持する支持部５０の、セパレータ３０が積層される側の表面５７を改質して表面５７自体の性状を変化させる表面改質工程Ｓ０４１を有する。燃料電池１の製造方法は、表面改質工程Ｓ０４１において改質された支持部５０の表面５７に、接着剤Ｓを塗布する塗布工程Ｓ０４２を有する。燃料電池１の製造方法は、塗布工程Ｓ０４２において塗布された接着剤Ｓを介して、セパレータ３０を支持部５０に接合する接合工程Ｓ０４３を有する。この製造方法によれば、表面改質工程Ｓ０４１において改質された支持部５０の表面５７に、塗布工程Ｓ０４２において接着剤Ｓが塗布される。このため、プライマー処理を施すことなく支持部５０の表面５７と接着剤Ｓ間の接着性を向上させることができる。したがって、クリーンな環境下で、簡便な方法によって、支持部５０及びセパレータ３０間の接着性が向上した燃料電池１を製造する製造方法を提供することができる。

また、表面改質工程Ｓ０４１において、支持部５０の表面５７にプラズマを照射することによって、支持部５０の表面５７を改質する。このため、塗布及び乾燥する工程を有するプライマー処理と比較して、より短いリードタイムで、支持部５０及びセパレータ３０間の接着性が向上した燃料電池１を製造することができる。

また、支持部５０は熱可塑性樹脂によって成形され、熱可塑性樹脂は、塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）、アクリル（ＰＭＭＡ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリブチレンテフタレート（ＰＢＴ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリスルホン（ＰＳＦ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリオレフィンのプラスチック及びエラストマーのうち少なくとも１つである。このような熱可塑性樹脂を用いれば、支持部５０の表面５７にプラズマを照射することによって、安定状態にあった原子間結合が切断されて表面５７が活性化する。そして、この活性化した表面に接着剤Ｓを塗布することによって、支持部５０の表面５７と接着剤Ｓ間の接着性が向上し、結果的に支持部５０及びセパレータ３０間の接着性が向上した燃料電池１を提供することができる。

また、本実施形態に係る燃料電池１の製造装置１００は、電解質膜２１の両面にアノード側電極２３及びカソード側電極２２を備える膜電極接合体２０と、セパレータ３０と、を有する燃料電池１を製造する燃料電池１の製造装置１００である。燃料電池１の製造装置１００は、膜電極接合体２０を支持する支持部５０の、セパレータ３０が積層される側の表面５７を改質して表面５７自体の性状を変化させる表面改質手段１１０を有する。燃料電池１の製造装置１００は、表面改質手段１１０によって改質された支持部５０の表面５７に、接着剤Ｓを塗布する塗布手段１２０を有する。燃料電池１の製造装置１００は、塗布手段１２０によって塗布された接着剤Ｓを介して、セパレータ３０を支持部５０に接合する接合手段１３０を有する。この製造装置によれば、表面改質手段１１０によって改質された支持部５０の表面５７に、塗布手段１２０によって接着剤Ｓが塗布される。このため、プライマー処理を実施することなく、支持部５０の表面５７と接着剤Ｓ間の接着性を向上させることができる。したがって、クリーンな環境下で、簡便な方法によって、支持部５０及びセパレータ３０間の接着性が向上した燃料電池１を製造する製造装置１００を提供することができる。

また、表面改質手段１１０は、プラズマを発生するプラズマ装置１１２を有し、プラズマ装置１１２が支持部５０の表面５７にプラズマを照射することによって、支持部５０の表面５７を改質する。このため、塗布及び乾燥する工程を有するプライマー処理と比較して、より短いリードタイムで、支持部５０及びセパレータ３０間の接着性が向上した燃料電池１を製造することができる。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲で種々改変することができる。

例えば、上述した実施形態では、プラズマを照射して支持部５０の表面５７を改質することによって、支持部５０の表面５７及び接着剤Ｓ間の接着性を向上させた。しかしながら、支持部５０の表面５７及び接着剤Ｓ間の接着性の向上させる方法は、これらに限定されず、研磨紙、研磨布、サンドブラスト、ショットピーニング等のような機械的処理を用いて支持部５０の表面５７を粗面化して改質する方法であってもよい。さらに、紫外線照射処理、コロナ放電処理等のような物理的処理を用いて支持部５０の表面５７を改質する方法であってもよい。

また、上述した実施形態では、支持部５０が膜電極接合体２０を支持した状態で、支持部５０の表面５７の改質を行った。しかしながら、支持部５０が膜電極接合体２０を支持していない状態で、支持部５０の表面５７の改質を行った後に、支持部５０が膜電極接合体２０を支持してもよい。

また、上述した実施形態では、プラズマ装置１１２をＸＹ方向に走査して、支持部５０の表面５７の所定の位置にプラズマを照射した。しかしながら、載置部１１１を走査して、支持部５０の表面５７の所定の位置にプラズマを照射してもよい。

１ 燃料電池、
２０ 膜電極接合体、
２１ 電解質膜、
２２ カソード側電極、
２３ アノード側電極、
３０ セパレータ、
５０ 支持部、
５７ 表面、
１００ 燃料電池の製造装置、
１１０ 表面改質手段、
１１２ プラズマ装置、
１２０ 塗布手段、
１３０ 接合手段、
Ｓ０４１ 表面改質工程、
Ｓ０４２ 塗布工程、
Ｓ０４３ 接合工程、
Ｓ 接着剤。

Claims (5)

1. 電解質膜の両面にアノード及びカソードの電極層を備える膜電極接合体と、セパレータと、を有する燃料電池を製造する燃料電池の製造方法であって、
   前記膜電極接合体を支持する支持部の、前記セパレータが積層される側の表面を改質して前記表面自体の性状を変化させる表面改質工程と、
   前記表面改質工程において改質された前記表面に、接着剤を塗布する塗布工程と、
   前記塗布工程において塗布された前記接着剤を介して、前記セパレータを前記支持部に接合する接合工程と、を有する燃料電池の製造方法。
2. 前記表面改質工程において、前記表面にプラズマを照射することによって、前記表面を改質する請求項１に記載の燃料電池の製造方法。
3. 前記支持部は、熱可塑性樹脂によって成形され、前記熱可塑性樹脂は、塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）、アクリル（ＰＭＭＡ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリブチレンテフタレート（ＰＢＴ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリスルホン（ＰＳＦ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリオレフィンのプラスチック及びエラストマーのうち少なくとも１つである請求項２に記載の燃料電池の製造方法。
4. 電解質膜の両面にアノード及びカソードの電極層を備える膜電極接合体と、セパレータと、を有する燃料電池を製造する燃料電池の製造装置であって、
   前記膜電極接合体を支持する支持部の、前記セパレータが積層される側の表面を改質して前記表面自体の性状を変化させる表面改質手段と、
   前記表面改質手段によって改質された前記表面に、接着剤を塗布する塗布手段と、
   前記塗布手段によって塗布された前記接着剤を介して、前記セパレータを前記支持部に接合する接合手段と、を有する燃料電池の製造装置。
5. 前記表面改質手段は、プラズマを発生するプラズマ装置を有し、
   前記プラズマ装置が前記表面にプラズマを照射することによって、前記表面を改質する請求項４に記載の燃料電池の製造装置。