JP2005032514A - Fuel cell, manufacturing method of fuel cell, electronic device provided with fuel cell, automobile provided with fuel cell and cogeneration system provided with fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high power fuel cell, having a reaction layer with different amounts of catalyst depending on the location, and to provide a manufacturing method of the fuel cell. <P>SOLUTION: A first gas passage is formed at discharge devices 20a, 20b, on a first substrate conveyed by a belt conveyor BC1 driven by a driving device 58 according to a signal from a control device 56. Then a first collecting layer is formed at a discharge device 20d on the first substrate conveyed by the belt conveyor BC1. A first reaction layer having different amounts of catalyst depending on the location is formed at a discharge device 20f. An electrolyte membrane is formed at a discharge device 20g. Using the same processes, a second reaction layer is formed at a discharge device 20h, and a second collecting layer is formed at a discharge device 20j. A second substrate formed with a second gas passage at discharge devices 20l, 20m is arranged in a predetermined position on the first substrate to complete manufacturing of the fuel cell. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、異なる種類の反応ガスをそれぞれの電極に供給し、供給された反応ガスに基づく反応により発電を行う燃料電池、燃料電池の製造方法、燃料電池を備える電子機器、燃料電池を備える自動車及び燃料電池を備えるコージェネレーションシステムに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、イオンを通す性質を持つ電解質を、電子を通す性質を持つ多孔質の電極で挟んだ燃料電池が存在する。この燃料電池の中には、水素又はアルコール等を燃料として発電するものが存在する。このような燃料電池のうち、例えば、水素を燃料として用いる燃料電池では、一方の電極に水素を含む第1の反応ガスを供給し、他方の電極に酸素を含む第2の反応ガスを供給し、第1の反応ガスに含まれている水素と第2の反応ガスに含まれている酸素とに基づく反応により発電が行われる。
【0003】
燃料電池においては、反応を促す触媒として白金を用いた反応層を形成している場合が多い。この反応層は、ガス拡散層を構成するカーボン上に塩化白金酸溶液、或いは、白金を担持した白金担持カーボンを分散させた溶液を拭き付けスプレーを用いて噴霧等することにより形成されている(特許文献1参照)。
【0004】
【特許文献1】
特開2002−298860号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、燃料電池の出力を高くし、特性の良い燃料電池を製造するためには、所定の量の触媒を所定の場所に正確に塗布して反応層を形成する必要がある。例えば、燃料電池内における反応ガスの拡散状態は、場所によって異なっている。従って、均一に触媒を塗布することにより反応層が形成されている場合であっても、必ずしも反応層における反応ガスの反応効率が均一にはならない。反応ガスの反応効率に差が生じている場合には、反応により生じた電子が反応層内において移動してしまうため、結果として燃料電池の出力が低下してしまう。しかし、スプレーを用いて適切な量の触媒を適切な場所に塗布し、燃料電池全体として均一な反応効率が得られるように反応層を形成することは困難であり、燃料電池の出力を高めることは容易でない。
【0006】
この発明の課題は、反応層が場所により異なる量の触媒を有する高出力の燃料電池、高出力の燃料電池を容易に製造することができる燃料電池の製造方法、高出力の燃料電池を備える電子機器、高出力の燃料電池を備える自動車及び高出力の燃料電池を備えるコージェネレーションシステムを提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る燃料電池は、第1の反応ガスを供給するための第1のガス流路が形成された第1の基板と、前記第1の基板側に形成された第1の集電層と、前記第1の基板側に形成された第1のガス拡散層と、前記第1の基板側に形成された第1の反応層と、第2の反応ガスを供給するための第2のガス流路が形成された第2の基板と、前記第2の基板側に形成された第2の集電層と、前記第2の基板側に形成された第2のガス拡散層と、前記第2の基板側に形成された第2の反応層と、前記第1の反応層と前記第2の反応層との間に形成された電解質膜とを備える燃料電池であって、前記第1の反応層及び前記第2の反応層の内の少なくとも何れか一方において、反応層が場所により異なる量の触媒を有することを特徴とする。
【0008】
この燃料電池によれば、第1の反応層及び第2の反応層の内の少なくとも何れか一方において、反応層が場所により異なる量の触媒を有している。従って、例えば、反応ガスの拡散状態に基づいて反応層内における触媒の量を調整することによって、燃料電池全体における反応効率を均一に保ち、燃料電池の出力を高くすることができる。
【0009】
また、この発明に係る燃料電池は、前記第1の反応層内及び前記第2の反応層内の少なくとも何れか一方において、反応効率が高い部分の前記触媒の量よりも反応効率が低い部分の前記触媒の量が多いことを特徴とする。
【0010】
この燃料電池によれば、反応効率が高い部分の触媒の量よりも反応効率が低い部分の触媒の量が多いため、燃料電池内において反応効率の差が生じることを防止し、燃料電池の出力を高くすることができる。
【0011】
また、この発明に係る燃料電池は、前記第1の反応層内及び前記第2の反応層内の少なくとも何れか一方において、ガス流路の上流側から下流側に向かって前記触媒の量が漸次増加することを特徴とする。
【0012】
この燃料電池によれば、ガスの圧力が高く反応層に供給される反応ガスの量が多いガス流路の上流側から、ガスの圧力が低下し反応層に供給される反応ガスの量が少ないガス流路の下流側に向かって触媒の量が漸次増加している。従って、燃料電池全体における反応効率を均一に保ち、燃料電池の出力を高くすることができる。
【0013】
また、この発明に係る燃料電池は、前記第1の反応層内及び前記第2の反応層内の少なくとも何れか一方において、ガス流路上の前記触媒の量よりもガス流路が形成されていない部分上の前記触媒の量が多いことを特徴とする。
【0014】
この燃料電池によれば、ガス流路上、即ち、ガス流路が形成されている部分の垂直上方向に位置する部分よりも、ガス流路が形成されていない部分上、即ち、ガス流路とガス流路の間に位置する部分上に触媒の量が多い。従って、反応ガスの拡散抵抗が低い部分よりも反応ガスの拡散抵抗が高い部分に触媒の量が多いため、燃料電池全体における反応効率を均一に保ち、燃料電池の出力を高くすることができる。
【0015】
また、この発明に係る燃料電池は、前記第1の反応層内及び前記第2の反応層内の少なくとも何れか一方において、中心部から周辺部に向かって前記触媒の量が漸次増加することを特徴とする。
【0016】
この燃料電池によれば、反応層の中心部、即ち、反応により発生した熱エネルギーにより温度が高くなっている部分から、中心部に比較して温度が低い周辺部に向かって触媒の量が漸次増加しているため、燃料電池全体における反応効率を均一に保ち、燃料電池の出力を高くすることができる。
【0017】
また、この発明に係る燃料電池の製造方法は、第1の反応ガスを供給するための第1のガス流路を、第1の基板に形成する第1のガス流路形成工程と、前記第1のガス流路を介して供給された第1の反応ガスが反応することにより生じた電子を集める第1の集電層を形成する第1の集電層形成工程と、前記第1のガス流路を介して供給された第1の反応ガスに基づいて反応を行う第1の反応層を形成する第1の反応層形成工程と、電解質膜を形成する電解質膜形成工程と、第2の反応ガスを供給するための第2のガス流路を、第2の基板に形成する第2のガス流路形成工程と、前記第2のガス流路を介して供給された第2の反応ガスが反応するために必要な電子を供給する第2の集電層を形成する第2の集電層形成工程と、前記第2のガス流路を介して供給された第2の反応ガスに基づいて反応を行う第2の反応層を形成する第2の反応層形成工程とを含む燃料電池の製造方法において、前記第1の反応層形成工程及び前記第2の反応層形成工程の内の少なくとも何れか一方は、吐出装置を用いて触媒の量が場所により異なる反応層を形成することを特徴とする。
【0018】
この燃料電池の製造方法によれば、第1の反応層形成工程及び第2の反応層形成工程の内の少なくとも何れか一方は、吐出装置を用いて触媒の量が場所により異なる反応層を形成している。従って、吐出装置を用いることにより、所定の場所に所定の量の触媒を塗布し、触媒の量が場所により異なる反応層を容易に形成することができる。
【0019】
また、この発明に係る燃料電池の製造方法は、前記第1の反応層形成工程及び前記第2の反応層形成工程の内の少なくとも何れか一方が、反応効率が高い部分の前記触媒の量よりも反応効率が低い部分の前記触媒の量が多い反応層を形成することを特徴とする。
【0020】
この燃料電池の製造方法によれば、反応効率が高い部分の触媒の量よりも反応効率が低い部分の触媒の量が多い反応層を形成することができる。即ち、吐出装置を用いることにより、反応層内の任意の場所に任意の量の触媒を塗布することができ、容易に高出力の燃料電池を製造することができる。
【0021】
また、この発明に係る燃料電池の製造方法は、前記第1の反応層形成工程及び前記第2の反応層形成工程の内の少なくとも何れか一方が、ガス流路の上流側から下流側に向かって前記触媒の量が漸次増加する反応層を形成することを特徴とする。
【0022】
この燃料電池の製造方法によれば、ガス流路の上流側から下流側に向かって触媒の量が漸次増加する、即ち、ガスの圧力が高く反応効率が高いガス流路の上流側からガスの圧力が低下し反応効率が低いガス流路の下流側に向かって触媒の量が漸次増加する反応層を形成している。従って、反応層内における反応効率を均一に保った高出力の燃料電池を容易に製造することができる。
【0023】
また、この発明の燃料電池の製造方法は、前記第1の反応層形成工程及び前記第2の反応層形成工程の内の少なくとも何れか一方が、ガス流路上の前記触媒の量よりもガス流路が形成されていない部分上の前記触媒の量が多い反応層を形成することを特徴とする。
【0024】
この燃料電池の製造方法によれば、ガス流路上の触媒の量よりもガス流路が形成されていない部分上の触媒の量が多い反応層を形成している。従って、反応ガスの拡散抵抗が低い部分よりも反応ガスの拡散抵抗が高い部分に触媒の量が多い反応層を形成することにより、全体の反応効率が均一となった高出力の燃料電池を容易に製造することができる。
【0025】
また、この発明の燃料電池の製造方法は、前記第1の反応層形成工程及び前記第2の反応層形成工程の内の少なくとも何れか一方が、中心部から周辺部に向かって前記触媒の量が漸次増加する反応層を形成することを特徴とする。
【0026】
この燃料電池の製造方法によれば、中心部から周辺部に向かって触媒の量が漸次増加する反応層を形成している。従って、温度が高く反応効率が高い中心部から温度が低く反応効率が低い周辺部に向かって触媒の量が漸次増加する反応層を形成することにより、全体の反応効率が均一となった高出力の燃料電池を容易に製造することができる。
【0027】
また、この発明に係る電子機器は、請求項1〜請求項5の何れか一項に記載の燃料電池を電力供給源として備えることを特徴とする。また、この発明に係る電子機器は、請求項6〜請求項10の何れか一項に記載の製造方法により製造された燃料電池を電力供給源として備えることを特徴とする。この電子機器によれば、地球環境に適切に配慮したクリーンエネルギーを電力供給源として備えることができる。
【0028】
また、この発明に係る自動車は、請求項1〜請求項5の何れか一項に記載の燃料電池を電力供給源として備えることを特徴とする。また、この発明に係る自動車は、請求項6〜請求項10の何れか一項に記載の製造方法により製造された燃料電池を電力供給源として備えることを特徴とする。この自動車によれば、地球環境に適切に配慮したクリーンエネルギーを電力供給源として備えることができる。
【0029】
また、この発明に係るコージェネレーションシステムは、請求項1〜請求項5の何れか一項に記載の燃料電池をエネルギー源として備えることを特徴とする。また、この発明に係るコージェネレーションシステムは請求項6〜請求項10の何れか一項に記載の製造方法により製造された燃料電池をエネルギー源として備えることを特徴とする。このコージェネレーションシステムによれば、高出力の燃料電池をエネルギー源として備えることにより、地球環境に適切に配慮したクリーンエネルギーにより高い環境性及び高い効率性を有するコージェネレーションシステムを実現することができる。
【0030】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態に係る燃料電池の製造方法について説明する。図1は、実施の形態に係る燃料電池の製造工程を実行する燃料電池製造ラインの構成の一例を示す図である。この図1に示すように、燃料電池製造ラインは、各工程においてそれぞれ用いられる吐出装置20a〜20m、吐出装置20a〜20kを接続するベルトコンベアBC1、吐出装置20l、20mを接続するベルトコンベアBC2、ベルトコンベアBC1、BC2を駆動させる駆動装置58、燃料電池の組み立てを行う組立装置60及び燃料電池製造ライン全体の制御を行う制御装置56により構成されている。
【0031】
吐出装置20a〜20kは、ベルトコンベアBC1に沿って所定の間隔で一列に配置されており、吐出装置20l、20mはベルトコンベアBC2に沿って所定の間隔で一列に配置されている。また、制御装置56は、各吐出装置20a〜20k、駆動装置58及び組立装置60に接続されている。制御装置56からの制御信号に基づいてベルトコンベアBC1を駆動させ、燃料電池の基板(以下、単に「基板」とする。)を各吐出装置20a〜20kに搬送して各吐出装置20a〜20kにおける処理を行う。同様に、制御装置56からの制御信号に基づいてベルトコンベアBC2を駆動させ、基板を吐出装置20l、20mに搬送してこの吐出装置20l、20mにおける処理を行う。また、組立装置60においては、制御装置56からの制御信号に基づいてベルトコンベアBC1及びベルトコンベアBC2を介して搬入された基板により燃料電池の組み立てを行う。
【0032】
この燃料電池製造ラインにおいては、吐出装置20aにおいて基板に対してガス流路を形成するためのレジスト溶液を塗布する処理が行われ、吐出装置20bにおいて、ガス流路を形成するためのエッチング処理が行われ、吐出装置20cにおいて、集電層を支持するための支持用カーボンを塗布する処理が行われる。また、吐出装置20dにおいて、集電層を形成する処理が行われ、吐出装置20eにおいて、ガス拡散層を形成する処理が行われ、吐出装置20fにおいて、反応層を形成する処理が行われ、吐出装置20gにおいて、電解質膜を形成する処理が行われる。更に、吐出装置20hにおいて、反応層を形成する処理が行われ、吐出装置20iにおいて、ガス拡散層を形成する処理が行われ、吐出装置20jにおいて、集電層を形成する処理が行われ、吐出装置20kにおいて、支持用カーボンを塗布する処理が行われる。
【0033】
また、吐出装置20lにおいて、基板に対してガス流路を形成するためのレジスト溶液を塗布する処理が行われ、吐出装置20mにおいて、ガス流路を形成するためのエッチング処理が行われる。なお、吐出装置20a〜20kにおいて第1の基板に対して処理を施す場合には、吐出装置20l、20mにおいては、第2の基板に対してガス流路を形成する処理が施される。
【0034】
図2は、この発明の実施の形態に係る燃料電池を製造する際に用いられるインクジェット式の吐出装置20aの構成の概略を示す図である。この吐出装置20aは、基板上に吐出物を吐出するインクジェットヘッド22を備えている。このインクジェットヘッド22は、ヘッド本体24及び吐出物を吐出する多数のノズルが形成されているノズル形成面26を備えている。このノズル形成面26のノズルから吐出物、即ち、反応ガスを供給するためのガス流路を基板上に形成する際に、基板に塗布されるレジスト溶液が吐出される。また、吐出装置20aは、基板を載置するテーブル28を備えている。このテーブル28は、所定の方向、例えば、X軸方向、Y軸方向及びZ軸方向に移動可能に設置されている。また、テーブル28は、図中矢印で示すようにX軸に沿った方向に移動することにより、ベルトコンベアBC1により搬送される基板をテーブル28上に載置して吐出装置20a内に取り込む。
【0035】
また、インクジェットヘッド22には、ノズル形成面26に形成されているノズルから吐出される吐出物であるレジスト溶液を収容しているタンク30が接続されている。即ち、タンク30とインクジェットヘッド22とは、吐出物を搬送する吐出物搬送管32によって接続されている。また、この吐出物搬送管32は、吐出物搬送管32の流路内の帯電を防止するための吐出物流路部アース継手32aとヘッド部気泡排除弁32bとを備えている。このヘッド部気泡排除弁32bは、後述する吸引キャップ40により、インクジェットヘッド22内の吐出物を吸引する場合に用いられる。即ち、吸引キャップ40によりインクジェットヘッド22内の吐出物を吸引するときは、このヘッド部気泡排除弁32bを閉状態にし、タンク30側から吐出物が流入しない状態にする。そして、吸引キャップ40で吸引すると、吸引される吐出物の流速が上がり、インクジェットヘッド22内の気泡が速やかに排出されることになる。
【0036】
また、吐出装置20aは、タンク30内に収容されている吐出物の収容量、即ち、タンク30内に収容されているレジスト溶液の液面34aの高さを制御するための液面制御センサ36を備えている。この液面制御センサ36は、インクジェットヘッド22が備えるノズル形成面26の先端部26aとタンク30内の液面34aとの高さの差h(以下、水頭値という)を所定の範囲内に保つ制御を行う。液面34aの高さを制御することで、タンク30内の吐出物34が所定の範囲内の圧力でインクジェットヘッド22に送られることになる。そして、所定の範囲内の圧力で吐出物34を送ることで、インクジェットヘッド22から安定的に吐出物34を吐出することができる。
【0037】
また、インクジェットヘッド22のノズル形成面26に対向して一定の距離を隔てて、インクジェットヘッド22のノズル内の吐出物を吸引する吸引キャップ40が配置されている。この吸引キャップ40は、図2中に矢印で示すZ軸に沿った方向に移動可能に構成されており、ノズル形成面26に形成された複数のノズルを囲むようにノズル形成面26に密着し、ノズル形成面26との間に密閉空間を形成してノズルを外気から遮断できる構成となっている。なお、吸引キャップ40によるインクジェットヘッド22のノズル内の吐出物の吸引は、インクジェットヘッド22が吐出物34を吐出をしていない状態、例えば、インクジェットヘッド22が、退避位置等に退避しており、テーブル28が破線で示す位置に退避しているときに行われる。
【0038】
また、この吸引キャップ40の下方には、流路が設けられており、この流路には、吸引バルブ42、吸引異常を検出する吸引圧検出センサ44及びチューブポンプ等からなる吸引ポンプ46が配置されている。また、この吸引ポンプ46等で吸引され、流路を搬送されてきた吐出物34は、廃液タンク48内に収容される。
【0039】
なお、吐出装置20b〜20mの構成は、吐出装置20aと同様の構成であるため説明を省略するが、以下の説明において、吐出装置20b〜20mの各構成には、吐出装置20aの説明において各構成に用いたのと同一の符号を用いて説明を行う。なお、吐出装置20b〜20mにそれぞれ備えられているタンク30には、各吐出装置20b〜20mにおいて行われる所定の処理に必要な吐出物が収容されている。例えば、吐出装置20b及び吐出装置20mのタンク30には、ガス流路を形成する際に行われるエッチング用の吐出物が、吐出装置20c及び吐出装置20kのタンク30には、支持用カーボンを形成するための吐出物が、吐出装置20d及び吐出装置20jのタンク30には、集電層を形成するための吐出物がそれぞれ収容されている。また、吐出装置20e及び吐出装置20iのタンク30には、ガス拡散層を形成するための吐出物が、吐出装置20f及び吐出装置20hのタンク30には、反応層を形成するための吐出物が、吐出装置20gのタンク30には、電解質膜を形成するための吐出物がそれぞれ収容されている。また、吐出装置20lのタンク30には、吐出装置20aのタンク30に収容されている基板に対してガス流路を形成するための吐出物と同様の吐出物が収容されている。
【0040】
次に、図3のフローチャート及び図面を参照して、実施の形態に係る吐出装置20a〜20mを用いた燃料電池の製造方法について説明する。
【0041】
まず、基板に反応ガスを供給するためのガス流路を形成する(ステップS10)。即ち、まず、図4(a)に示すように矩形平板形状であって、例えば、シリコン素材の基板(第1の基板)2をベルトコンベアBC1により吐出装置20aまで搬送する。ベルトコンベアBC1により搬送された基板2は、吐出装置20aのテーブル28上に載置され、吐出装置20a内に取り込まれる。吐出装置20aにおいては、ノズル形成面26のノズルを介してタンク30内に収容されているレジスト溶液を吐出し、テーブル28上に載置されている基板2の上面の所定の位置に塗布する。ここで、レジスト溶液は、図4(b)に示すように、図中、手前方向から奥に向かって所定の間隔をおいて直線状に塗布される。即ち、基板2において、例えば、水素を含有する第1の反応ガスを供給するためのガス流路(第1のガス流路)を形成する部分を残して、それ以外の部分に対してのみレジスト溶液が塗布される。
【0042】
次に、所定の位置にレジスト溶液が塗布された基板2(図4(b)参照)は、ベルトコンベアBC1により吐出装置20bまで搬送され、吐出装置20bのテーブル28上に載置されて吐出装置20b内に取り込まれる。吐出装置20bにおいては、タンク30内に収容されているガス流路を形成するために行われるエッチング用の溶剤、例えば、フッ酸水溶液をノズル形成面26のノズルを介して吐出し、テーブル28上に載置されている基板2の上面の全体に塗布する。
【0043】
ここで、基板2には、ガス流路を形成する部分以外の部分にレジスト溶液が塗布されているため、レジスト溶液が塗布されていない部分がフッ酸水溶液によりエッチングされ、図5(a)に示すように、ガス流路が形成される。即ち、基板2の一方の側面から他方の側面に延びる断面コ字形状のガス流路が形成される。また、図5(a)に示すようにガス流路が形成された基板2は、図示しない洗浄装置においてレジストの洗浄が行われる。そして、図5(b)に示すように、ガス流路が形成された基板2は、テーブル28からベルトコンベアBC1へと移され、ベルトコンベアBC1により吐出装置20cへと搬送される。
【0044】
次に、ステップS10において基板2に形成されたガス流路が、集電層により塞がれるのを防止すべく、集電層を支持する支持用カーボン(第1の支持部材)をガス流路内に塗布する(ステップS11)。即ち、まず、ベルトコンベアBC1により吐出装置20cまで搬送された基板2を、テーブル28上に載置して吐出装置20c内に取り込む。吐出装置20cにおいては、タンク30内に収容されている支持用カーボン4をノズル形成面26のノズルを介して吐出し、基板2に形成されているガス流路内に塗布する。ここで、支持用カーボン4として、所定の大きさ、例えば、直径1〜5ミクロン程度の粒子径の多孔質カーボンが用いられる。即ち、集電層によりガス流路が塞がれることを防止すると共に、反応ガスがガス流路内を確実に流れることができるように、支持用カーボン4として所定の大きさの多孔質カーボンが用いられる。
【0045】
図6は、支持用カーボン4が塗布された基板2の端面図である。この図6に示すように、支持用カーボン4がガス流路内に塗布されることにより、基板2上に形成される集電層のガス流路内への落下が防止される。なお、支持用カーボン4が塗布された基板2は、テーブル28からベルトコンベアBC1へと移され、ベルトコンベアBC1により吐出装置20dへと搬送される。
【0046】
次に、基板2上に、反応ガスが反応することにより発生した電子を集めるための集電層(第1の集電層)を形成する(ステップS12)。即ち、まず、ベルトコンベアBC1により吐出装置20dまで搬送された基板2を、テーブル28上に載置して吐出装置20d内に取り込む。吐出装置20dにおいては、タンク30内に収容されている集電層6を形成する材料、例えば、銅等の導電性物質をノズル形成面26のノズルを介してテーブル28上に載置されている基板2上に吐出する。この時、導電性物質は、ガス流路に供給された反応ガスの拡散を妨げることがない形状に、例えば、網目形状等になるように吐出され集電層6が形成される。
【0047】
図7は、集電層6が形成された基板2の端面図である。この図7に示すように、集電層6は、基板2上に形成されているガス流路内の支持用カーボン4により支持され、ガス流路内への落下が防止されている。なお、集電層6が形成された基板2は、テーブル28からベルトコンベアBC1へと移され、ベルトコンベアBC1により吐出装置20eへと搬送される。
【0048】
次に、ステップS12において形成された集電層6の上に、基板2に形成されたガス流路を介して供給される反応ガスを拡散させるためのガス拡散層を形成する(ステップS13)。即ち、まず、ベルトコンベアBC1により吐出装置20eまで搬送された基板2を、テーブル28上に載置して吐出装置20e内に取り込む。吐出装置20eにおいては、タンク30内に収容されているガス拡散層8を形成するための材料、例えば、カーボンを集電層6上にノズル形成面26のノズルを介して吐出し、ガス流路を介して供給された反応ガス(第1の反応ガス)を拡散させるためのガス拡散層8を形成する。
【0049】
図8は、ガス拡散層8が形成された基板2の端面図である。この図8に示すように、例えば、電極としての機能も有するカーボンを集電層6上に吐出し、反応ガスを拡散させるためのガス拡散層8が形成される。ここで、ガス拡散層8を構成するカーボンとしては、ガス流路を介して供給された反応ガスを十分に拡散させることができる程度の大きさであって、かつ、多孔質のカーボンが用いられる。例えば、支持用カーボン4よりも小さく、直径0.1〜1ミクロン程度の粒子径の多孔質カーボンが用いられる。なお、ガス拡散層8が形成された基板2は、テーブル28からベルトコンベアBC1へと移され、ベルトコンベアBC1により吐出装置20fへと搬送される。
【0050】
次に、ステップS13において形成されたガス拡散層8の上に、基板2に形成されたガス流路を介して供給される反応ガスに基づいて反応する反応層(第1の反応層)を形成する(ステップS14)。即ち、ベルトコンベアBC1により吐出装置20fまで搬送された基板2を、テーブル28上に載置して吐出装置20f内に取り込む。吐出装置20fにおいては、タンク30内に収容されている反応層を形成する材料、例えば、粒子径が数nm〜数十nmの触媒用の白金微粒子を担持した多孔質のカーボン(白金担持カーボン)を含む溶液をノズルを介してガス拡散層8上に吐出して反応層10を形成する。
【0051】
ここで、白金担持カーボンを含む溶液は、予め吐出装置20fに設定されている吐出パターンに基づいて、ガス拡散層8上において反応効率が高い部分よりも反応効率が低い部分により多く吐出され、反応層10が形成される。例えば、基板2を9×9の正方形の区画に分割し、何れの区画において何滴の白金担持カーボンを含む溶液を吐出するかを区画毎に示した吐出パターンに基づいて吐出され、反応層10が形成される。
【0052】
図9は、反応層10を形成するための吐出パターンの一例を示す図である。図9に示すように、基板2に形成されたガス流路4を介し、矢印の方向から反応ガスが供給される場合、反応ガスが供給される入口側(上流側)においては、反応ガスの濃度が高く、かつ、ガスの圧力も高いため、触媒の量が少なくても反応する。一方、反応ガスの出口側(下流側)においては、反応ガスの濃度が低く、かつ、ガスの圧力も低いため、入口側と同様の効率で反応するためには入口側よりも多くの触媒を必要とする。従って、例えば、図9に示すように、上流側から下流側に向かって液滴数を区画毎に1〜9へと漸次増加させる吐出パターンに基づいて白金担持カーボンを含む溶液を吐出し、上流側から下流側に向かって触媒の量が漸次増加する反応層10を形成することができる。
【0053】
図10は、反応層10を形成するための吐出パターンの他の例を示す図である。図10に示すように、基板2に形成されたガス流路4を介して反応ガスが供給される場合、ガス流路4の垂直上方向(ガス流路4上)の部分においては、ガス拡散層8における反応ガスの拡散抵抗が少なく、十分な量の反応ガスが供給されるため触媒の量が少なくても反応する。一方、ガス流路4とガス流路4との間の部分上(ガス流路4間の部分上)においては、ガス流路4上の部分に比べてガス拡散層8における反応ガスの拡散抵抗が大きく、反応のために必要となる触媒の量がガス流路4上の部分よりも多い。従って、例えば、図10に示すように、ガス流路4上に吐出される液滴数を1、ガス流路4間の部分に吐出される液滴数を5とする吐出パターンに基づいて、白金担持カーボンを含む溶液を吐出し、ガス流路4上よりもガス流路4が形成されていない部分上に触媒の量が多い反応層10を形成することができる。
【0054】
図11は、反応層10を形成するための吐出パターンの他の例を示す図である。基板2に形成されたガス流路4を介して供給された反応ガスが反応層10内において反応した場合、反応により発生した熱エネルギーにより反応層10の中心部の温度が周辺部よりも高くなる。そのため、中心部における反応ガスの反応が促進され反応速度が速くなる。一方、周辺部は中心部よりも温度が低いため、中心部と同等の反応速度を実現するためには、中心部よりも多くの量の触媒を必要とする。従って、図11に示すように、中心部から周辺部に向かって吐出される溶液の液滴数を漸次増加する吐出パターンに基づいて白金担持カーボンを含む溶液を吐出することにより、中心部から周辺部に向かって触媒の量が増加する反応層10を形成することができる。
【0055】
なお、吐出装置20fには、製造された燃料電池の用途、使用状況等を考慮した吐出パターンが予め設定されている。即ち、上述の図9〜図11に示す何れかのパターン、図9〜図11に示すパターンの中の何れか2つのパターンを組み合わせたパターン、又は図9〜図11のパターンを組み合わせたパターンの何れかの吐出パターンが予め設定されている。
【0056】
ここで、白金微粒子を担持しているカーボンは、ガス拡散層8を構成するカーボンと同様のカーボン、即ち、同様の粒径であって、かつ、多孔質のカーボンが用いられる。なお、溶媒に分散剤を添加することにより白金微粒子を分散させてガス拡散層8上に塗布した後に、例えば、窒素雰囲気中で200℃に基板2を加熱することにより、分散剤を除去し、反応層10を形成するようにしてもよい。この場合には、ガス拡散層8を構成するカーボンの表面上に触媒として白金微粒子を付着させることによって反応層10が形成される。
【0057】
図12は、反応層10が形成された基板2の端面図である。この図12に示すように、触媒としての白金微粒子を担持したカーボンがガス拡散層8上に塗布されることにより反応層10が形成される。なお、図12において、反応層10とガス拡散層8とを容易に識別することができるように、反応層10としては白金微粒子のみを示している。また、以下の図においても反応層は、図12と同様に示すものとする。反応層10が形成された基板2は、テーブル28からベルトコンベアBC1へと移され、ベルコトンベアBC1により吐出装置20gへと搬送される。
【0058】
次に、ステップS14で形成された反応層10上にイオン交換膜等の電解質膜を形成する(ステップS15)。即ち、まず、ベルトコンベアBC1により吐出装置20gまで搬送された基板2を、テーブル28上に載置して吐出装置20g内に取り込む。吐出装置20gにおいては、タンク30内に収容されている電解質膜を形成する材料、例えば、Nafion(登録商標)、タングスト燐酸、モリブド燐酸等のセラミックス系固体電解質を所定の粘度に調整した材料を、ノズル形成面26のノズルを介して反応層10上に吐出して電解質膜12を形成する。
【0059】
図13は、電解質膜12が形成された基板2の端面図である。この図13に示すように、反応層10上に所定の厚さを有する電解質膜12が形成される。なお、電解質膜12が形成された基板2は、テーブル28からベルトコンベアBC1へと移され、ベルトコンベアBC1により吐出装置20hへと搬送される。
【0060】
次に、ステップS15において形成された電解質膜12上に反応層(第2の反応層)を形成する(ステップS16)。即ち、ベルトコンベアBC1により吐出装置20hまで搬送された基板2を、テーブル28上に載置して吐出装置20h内に取り込む。吐出装置20hにおいては、吐出装置20fにおいて行われた処理と同様の処理により触媒としての白金微粒子を担持したカーボンを含む溶液を吐出し、反応層10´を形成する。
【0061】
図14は、電解質膜12上に反応層10´が形成された基板2の端面図である。この図14に示すように、電解質膜12上に触媒としての白金微粒子を担持したカーボンが塗布されることによって、反応層10´が形成される。ここで、反応層10´は、第2の反応ガス、例えば、酸素を含有する反応ガスに基づいて反応する層である。
【0062】
次に、ステップS16において形成された反応層10´上に反応ガス(第2の反応ガス)を拡散させるためのガス拡散層を形成する(ステップS17)。即ち、反応層10´が形成された基板2は、ベルトコンベアBC1により吐出装置20iまで搬送され、吐出装置20iにおいて、吐出装置20eにおいて行われた処理と同様の処理により所定の粒径の多孔質のカーボンが塗布され、ガス拡散層8´が形成される。
【0063】
図15は、反応層10´上にガス拡散層が形成された基板2の端面図である。この図15に示すように、反応層10´上に多孔質のカーボンが塗布されることによって、ガス拡散層8´が形成される。
【0064】
次に、ステップS17において形成されたガス拡散層8´上に集電層(第2の集電層)を形成し(ステップS18)、集電層上にこの集電層を支持するための支持用カーボン(第2の支持部材)を塗布する(ステップS19)。即ち、ベルトコンベアBC1により吐出装置20jまで搬送された基板2を、テーブル28上に載置して吐出装置20j内に取り込み、吐出装置20dにおいて行われた処理と同様の処理により、集電層6´がガス拡散層8´上に形成される。また、ベルトコンベアBC1により吐出装置20kまで搬送された基板2を、テーブル28上に載置して吐出装置20k内に取り込み、吐出装置20cにおいて行われた処理と同様の処理により、支持用カーボン4´が塗布される。なお、支持用カーボン4´が塗布された基板2は、テーブル28からベルトコンベアBC1へと移され、組立装置60へと搬送される。
【0065】
図16は、ガス拡散層8´上に集電層6´及び支持用カーボン4´が塗布された基板2の端面図である。この図16に示すように、上述のステップS18の処理により集電層6´が形成され、上述のステップS19の処理により支持用カーボン4´が塗布される。ここで、支持用カーボン4´は、支持用カーボン4と同様に、即ち、基板2に形成されているガス流路に沿って塗布される。
【0066】
次に、ステップS19において支持用カーボンが塗布された基板(第1の基板)上にガス流路が形成された基板(第2の基板)を配置することによって燃料電池を組み立てる(ステップS20)。即ち、組立装置60において、ベルトコンベアBC1を介して搬入された基板2(第1の基板)上にベルトコンベアBC2を介して搬入された基板2´(第2の基板)を配置することにより、燃料電池の組立を行う。ここで、基板2´には、上述のステップS10〜ステップS19における処理とは別に、第2のガス流路が形成されている。即ち、吐出装置20l及び吐出装置20mにおいて、吐出装置20a及び吐出装置20bにより行われる処理と同様の処理により、第2のガス流路が形成されている。従って、基板2に形成されている一方の側面から他方の側面へと延びる断面コ字形状のガス流路と、基板2´に形成されている断面コ字形状のガス流路とが平行になるように基板2´を配置して燃料電池の組立を行い、燃料電池の製造を完了する。
【0067】
図17は、製造された燃料電池の端面図である。この図17に示すように、第2のガス流路が形成された基板2´を基板2の所定の位置に配置することによって第1の基板に形成された第1のガス流路を介して第1の反応ガスを供給し、第2の基板に形成された第2のガス流路を介して第2の反応ガスを供給する燃料電池の製造が完了する。
【0068】
なお、上述の製造方法により製造された燃料電池は、電子機器、特に携帯用電子機器、例えば、携帯電話等に電力供給源として組み込むことができる。即ち、上述の燃料電池の製造方法によれば、吐出装置を用いることによって小型の燃料電池を容易に製造することができるため、例えば、携帯電話等の小型電子機器に電力供給源として組み込むことができる。
【0069】
この実施の形態に係る燃料電池によれば、反応層内の場所により触媒の量が異なっている。即ち、反応効率が高い場所、例えば、ガス流路の入口側、ガス流路上の部分又は反応層の中心部よりも、反応効率が低い場所、例えば、ガス流路の出口側、ガス流路間上の部分又は反応層の周辺部により多くの触媒が塗布されている。従って、反応層内において反応効率に差が生じることを防止し、全体として均一な反応効率を保つことができるため、燃料電池の出力を高くすることができる。
【0070】
この実施の形態に係る燃料電池の製造方法によれば、インクジェット式の吐出装置を用いて反応層を形成している。従って、所定の位置に所定の量の触媒を塗布して反応層を形成することができ、燃料電池内における反応効率を均一に保ち、高出力の燃料電池を容易に製造することができる。
【0071】
また、この実施の形態に係る燃料電池の製造方法によれば、ガス流路の上流側、即ち、反応ガスの入口側は触媒の量を少なく、ガス流路の下流側、即ち、反応ガスの出口側は触媒の量を多く塗布してガス拡散層上に反応層を形成することができる。即ち、反応に必要な触媒の量が少なく反応ガスの濃度及びガス圧力が高いガス流路の入口側には少量の触媒を塗布し、反応に必要な触媒の量が多く反応ガスの濃度及びガス圧力が低いガス流路の出口側には多量の触媒を塗布することができる。そのため、反応層全体に均一に触媒を塗布した場合と比較して、同一の量の触媒を用いた場合であっても全体の反応効率を均一に保つことにより燃料電池全体の出力を高くすることができる。
【0072】
また、この実施の形態に係る燃料電池の製造方法によれば、ガス流路上の触媒の量よりも、ガス流路が形成されていないガス流路間上の触媒の量が多い反応層を形成することができる。即ち、ガス流路から近く反応ガスの拡散抵抗が低い部分には少量の触媒を、ガス流路から離れており、反応ガスの拡散抵抗が大きくなる部分には多量の触媒を塗布することができる。従って、反応層の全体における反応効率を均一に保つことができるため、高出力の燃料電池を容易に製造することができる。
【0073】
また、この実施の形態に係る燃料電池の製造方法によれば、ガス拡散層において、中心部は少なく、周辺部に多くなるように触媒を塗布して反応層を形成することができる。即ち、反応により発生した熱エネルギーに基づいて温度が高くなっている中心部では反応が促進されるため触媒の量を少なく、温度が低い周辺部では触媒の量を多くした反応層を形成することができる。従って、反応層内において反応効率に差が生じることを防止して反応効率を均一に保ち、高出力の燃料電池を容易に製造することができる。
【0074】
なお、上述の実施の形態に係る燃料電池の製造方法においては、全ての工程においてインクジェット式の吐出装置を用いているが、反応層を形成する工程のみにおいてインクジェット式の吐出装置を用いて燃料電池を製造するようにしてもよい。
【0075】
また、上述の実施の形態に係る燃料電池の製造方法においては、予め作成された所定の吐出パターンに基づいて所定の区画内に所定の数の液滴を吐出しているが、一度に吐出される液滴の量を変更することにより、区画毎に吐出される触媒の量を変更してもよい。即ち、インクジェット式の吐出装置を駆動させる駆動波形を区画毎に変更することにより、吐出装置のノズルを介して吐出される白金担持カーボンを含む溶液の液滴の量を変更し、区画毎に吐出される触媒の量を調整するようにしてもよい。
【0076】
また、上述の実施の形態に係る燃料電池の製造方法においては、小型の燃料電池を製造しているが、複数の燃料電池を積層させることによって大型の燃料電池を製造するようにしてもよい。即ち、図18に示すように、製造された燃料電池の基板2´の裏面に更にガス流路を形成し、ガス流路が形成された基板2´の裏面上に、上述の燃料電池の製造方法における製造工程と同様にしてガス拡散層、反応層、電解質膜等を形成して燃料電池を積層させることによって大型の燃料電池を製造するようにしてもよい。このように、大型の燃料電池が製造された場合には、例えば、電気自動車の電力供給源として用いることができ、地球環境に適切に配慮したクリーンエネルギーの自動車を提供することができる。
【0077】
また、製造された大型の燃料電池を、1つのエネルギー源から熱と電気等複数種類のエネルギーを取り出して提供するコージェネレーションシステムのエネルギー源として用いてもよい。燃料電池においては、発電の際に発生する熱エネルギー量が多いため、効率の高い家庭用又は事業用のコージェネレーションシステムを実現することができる。また、燃料電池は発電の際に有毒物質等を排出することがないため、地球環境に配慮した環境性の高いコージェネレーションシステムを実現することができる。
【0078】
この発明に係る燃料電池によれば、第1の反応層及び第2の反応層の内の少なくとも何れか一方において、反応層が場所により異なる量の触媒を有している。従って、例えば、反応ガスの燃料電池内における拡散状態を考慮して反応層内における触媒の量を調整し、燃料電池全体における反応効率を均一に保ち燃料電池の出力を高くすることができる。
【0079】
この発明に係る燃料電池の製造方法によれば、第1の反応層形成工程及び第2の反応層形成工程の内の少なくとも何れか一方は、吐出装置を用いて触媒の量が場所により異なる反応層を形成している。従って、吐出装置を用いることにより、所定の場所に所定の量の触媒を塗布して触媒の量が場所により異なる反応層を容易に形成し、高出力の燃料電池を製造することができる。
【0080】
この発明に係る電子機器によれば、この発明に係る燃料電池又はこの発明に係る燃料電池の製造方法により製造された燃料電池を電力供給源としている。従って、例えば、携帯電話等の電子機器において、廃棄される際にも有毒物質等が流出する心配がない。また、この発明に係る自動車によれば、この発明に係る燃料電池又はこの発明に係る燃料電池の製造方法により製造された燃料電池を電力供給源としている。従って、例えば、電気自動車における電力供給源として燃料電池を用いることにより、排気ガスを排出しない自動車を提供することができる。そのため、地球環境に適切に配慮したクリーンエネルギーを実現することができる。また、この発明に係るコージェネレーションシステムによれば、この発明に係る燃料電池又はこの発明に係る燃料電池の製造方法により製造された燃料電池をエネルギー源として備えている。従って、環境性及び効率性の高いコージェネレーションシステムを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施の形態に係る燃料電池の製造ラインの一例を示す図である。
【図2】実施の形態に係るインクジェット式吐出装置の概略図である。
【図3】実施の形態に係る燃料電池の製造方法のフローチャートである。
【図4】実施の形態に係るガス流路の形成処理を説明する図である。
【図5】実施の形態に係るガス流路の形成処理を説明する他の図である。
【図6】実施の形態に係る燃料電池の製造過程の基板の端面図である。
【図7】実施の形態に係る燃料電池の製造過程の基板の端面図である。
【図8】実施の形態に係る燃料電池の製造過程の基板の端面図である。
【図9】実施の形態に係る反応層の形成処理を説明する図である。
【図10】実施の形態に係る反応層の形成処理を説明する図である。
【図11】実施の形態に係る反応層の形成処理を説明する図である。
【図12】実施の形態に係る燃料電池の製造過程の基板の端面図である。
【図13】実施の形態に係る燃料電池の製造過程の基板の端面図である。
【図14】実施の形態に係る燃料電池の製造過程の基板の端面図である。
【図15】実施の形態に係る燃料電池の製造過程の基板の端面図である。
【図16】実施の形態に係る燃料電池の製造過程の基板の端面図である。
【図17】実施の形態に係る燃料電池の基板の端面図である。
【図18】実施の形態に係る燃料電池を積層させた大型燃料電池の図。
【符号の説明】
2、2´…基板、4、4´…支持用カーボン、6、6´…集電層、8、8´…ガス拡散層、10、10´…反応層、12…電解質膜、20a〜20m…吐出装置、BC1、BC2…ベルトコンベア。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention provides a fuel cell that supplies different types of reaction gas to each electrode and generates power by a reaction based on the supplied reaction gas, a method for manufacturing the fuel cell, an electronic device that includes the fuel cell, and an automobile that includes the fuel cell. And a cogeneration system including a fuel cell.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, there is a fuel cell in which an electrolyte having a property of passing ions is sandwiched between porous electrodes having a property of passing electrons. Some fuel cells generate electricity using hydrogen or alcohol as fuel. Among such fuel cells, for example, in a fuel cell using hydrogen as a fuel, a first reaction gas containing hydrogen is supplied to one electrode, and a second reaction gas containing oxygen is supplied to the other electrode. Electricity is generated by a reaction based on hydrogen contained in the first reaction gas and oxygen contained in the second reaction gas.
[0003]
In a fuel cell, a reaction layer using platinum as a catalyst for promoting a reaction is often formed. This reaction layer is formed by wiping a chloroplatinic acid solution or a solution in which platinum-supported carbon carrying platinum is dispersed on the carbon constituting the gas diffusion layer and spraying it using a spray ( Patent Document 1).
[0004]
[Patent Document 1]
JP 2002-298860 A
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in order to increase the output of the fuel cell and manufacture a fuel cell with good characteristics, it is necessary to form a reaction layer by accurately applying a predetermined amount of catalyst to a predetermined place. For example, the diffusion state of the reaction gas in the fuel cell differs depending on the location. Therefore, even when the reaction layer is formed by uniformly applying the catalyst, the reaction efficiency of the reaction gas in the reaction layer is not necessarily uniform. When there is a difference in the reaction efficiency of the reaction gas, electrons generated by the reaction move in the reaction layer, resulting in a decrease in the output of the fuel cell. However, it is difficult to form a reaction layer so that a uniform reaction efficiency can be obtained for the entire fuel cell by applying an appropriate amount of catalyst to the appropriate place using a spray, increasing the output of the fuel cell Is not easy.
[0006]
An object of the present invention is to provide a high-power fuel cell in which the reaction layer has a different amount of catalyst depending on the location, a method for manufacturing a fuel cell that can easily manufacture a high-power fuel cell, and an electron equipped with a high-power fuel cell It is to provide a device, an automobile equipped with a high output fuel cell, and a cogeneration system equipped with a high output fuel cell.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
A fuel cell according to the present invention includes a first substrate on which a first gas flow path for supplying a first reaction gas is formed, and a first current collecting layer formed on the first substrate side A first gas diffusion layer formed on the first substrate side, a first reaction layer formed on the first substrate side, and a second for supplying a second reaction gas A second substrate on which a gas flow path is formed; a second current collecting layer formed on the second substrate side; a second gas diffusion layer formed on the second substrate side; A fuel cell comprising: a second reaction layer formed on a second substrate side; and an electrolyte membrane formed between the first reaction layer and the second reaction layer, In at least one of the reaction layer and the second reaction layer, the reaction layer has a different amount of catalyst depending on the location.
[0008]
According to this fuel cell, in at least one of the first reaction layer and the second reaction layer, the reaction layer has a different amount of catalyst depending on the location. Therefore, for example, by adjusting the amount of catalyst in the reaction layer based on the diffusion state of the reaction gas, the reaction efficiency in the entire fuel cell can be kept uniform and the output of the fuel cell can be increased.
[0009]
Further, in the fuel cell according to the present invention, in at least one of the first reaction layer and the second reaction layer, a portion having a lower reaction efficiency than an amount of the catalyst in a portion having a higher reaction efficiency. The amount of the catalyst is large.
[0010]
According to this fuel cell, since the amount of catalyst in the portion with low reaction efficiency is larger than the amount of catalyst in the portion with high reaction efficiency, it is possible to prevent a difference in reaction efficiency within the fuel cell and to output the fuel cell. Can be high.
[0011]
In the fuel cell according to the present invention, in at least one of the first reaction layer and the second reaction layer, the amount of the catalyst gradually increases from the upstream side to the downstream side of the gas flow path. It is characterized by increasing.
[0012]
According to this fuel cell, from the upstream side of the gas flow path where the gas pressure is high and the amount of reaction gas supplied to the reaction layer is large, the gas pressure decreases and the amount of reaction gas supplied to the reaction layer is small The amount of catalyst gradually increases toward the downstream side of the gas flow path. Therefore, the reaction efficiency in the entire fuel cell can be kept uniform, and the output of the fuel cell can be increased.
[0013]
Further, in the fuel cell according to the present invention, in at least one of the first reaction layer and the second reaction layer, the gas flow path is not formed more than the amount of the catalyst on the gas flow path. The amount of the catalyst on the part is large.
[0014]
According to this fuel cell, on the gas flow path, that is, on the portion where the gas flow path is not formed, that is, on the portion where the gas flow path is formed, rather than on the portion positioned in the vertical direction. The amount of catalyst is large on the part located between the gas flow paths. Therefore, since the amount of catalyst is larger in the portion where the reaction gas diffusion resistance is higher than the portion where the reaction gas diffusion resistance is lower, the reaction efficiency in the entire fuel cell can be kept uniform and the output of the fuel cell can be increased.
[0015]
Further, in the fuel cell according to the present invention, in at least one of the first reaction layer and the second reaction layer, the amount of the catalyst gradually increases from the central portion toward the peripheral portion. Features.
[0016]
According to this fuel cell, the amount of the catalyst gradually increases from the central portion of the reaction layer, that is, the portion where the temperature is higher due to the heat energy generated by the reaction, toward the peripheral portion where the temperature is lower than the central portion. Since it increases, the reaction efficiency in the whole fuel cell can be kept uniform, and the output of the fuel cell can be increased.
[0017]
The fuel cell manufacturing method according to the present invention includes a first gas flow path forming step of forming a first gas flow path for supplying a first reaction gas on a first substrate; A first current collecting layer forming step of forming a first current collecting layer for collecting electrons generated by reaction of the first reaction gas supplied through one gas flow path; and the first gas A first reaction layer forming step for forming a first reaction layer that performs a reaction based on the first reaction gas supplied through the flow path; an electrolyte membrane forming step for forming an electrolyte membrane; A second gas flow path forming step for forming a second gas flow path for supplying a reactive gas on the second substrate, and a second reactive gas supplied via the second gas flow path A second current collecting layer forming step of forming a second current collecting layer for supplying electrons necessary for the reaction of the second gas flow, and the second gas flow And a second reaction layer forming step of forming a second reaction layer that performs a reaction based on the second reaction gas supplied via the first reaction layer, wherein the first reaction layer forming step And at least one of the second reaction layer forming steps is characterized in that a reaction layer having a different amount of catalyst depending on a place is formed by using a discharge device.
[0018]
According to this fuel cell manufacturing method, at least one of the first reaction layer formation step and the second reaction layer formation step forms a reaction layer in which the amount of catalyst differs depending on the location using a discharge device. is doing. Therefore, by using the discharge device, a predetermined amount of catalyst can be applied to a predetermined location, and a reaction layer having a different amount of catalyst depending on the location can be easily formed.
[0019]
Further, in the fuel cell manufacturing method according to the present invention, at least one of the first reaction layer formation step and the second reaction layer formation step is more than the amount of the catalyst in the portion where the reaction efficiency is high. Is characterized in that a reaction layer having a large amount of the catalyst in a portion having low reaction efficiency is formed.
[0020]
According to this fuel cell manufacturing method, it is possible to form a reaction layer in which the amount of catalyst in the portion with low reaction efficiency is larger than the amount of catalyst in the portion with high reaction efficiency. That is, by using the discharge device, an arbitrary amount of catalyst can be applied to an arbitrary location in the reaction layer, and a high-power fuel cell can be easily manufactured.
[0021]
In the fuel cell manufacturing method according to the present invention, at least one of the first reaction layer forming step and the second reaction layer forming step is directed from the upstream side to the downstream side of the gas flow path. Thus, a reaction layer in which the amount of the catalyst gradually increases is formed.
[0022]
According to this fuel cell manufacturing method, the amount of catalyst gradually increases from the upstream side to the downstream side of the gas flow path, that is, the gas pressure increases from the upstream side of the gas flow path where the gas pressure is high and the reaction efficiency is high. A reaction layer is formed in which the amount of catalyst gradually increases toward the downstream side of the gas flow path where the pressure decreases and the reaction efficiency is low. Therefore, it is possible to easily manufacture a high output fuel cell in which the reaction efficiency in the reaction layer is kept uniform.
[0023]
Also, in the fuel cell manufacturing method of the present invention, at least one of the first reaction layer forming step and the second reaction layer forming step has a gas flow more than the amount of the catalyst on the gas flow path. A reaction layer having a large amount of the catalyst on a portion where no path is formed is formed.
[0024]
According to this fuel cell manufacturing method, the reaction layer is formed in which the amount of catalyst on the portion where the gas channel is not formed is larger than the amount of catalyst on the gas channel. Therefore, by forming a reaction layer with a large amount of catalyst in the part where the reaction gas diffusion resistance is higher than the part where the reaction gas diffusion resistance is low, it is easy to achieve a high-power fuel cell with uniform overall reaction efficiency. Can be manufactured.
[0025]
In the fuel cell manufacturing method according to the present invention, at least one of the first reaction layer formation step and the second reaction layer formation step is performed such that the amount of the catalyst from the central portion toward the peripheral portion. It is characterized in that a reaction layer in which the gradual increase is formed.
[0026]
According to this fuel cell manufacturing method, the reaction layer in which the amount of the catalyst gradually increases from the central portion toward the peripheral portion is formed. Therefore, by forming a reaction layer in which the amount of catalyst gradually increases from the central part where the temperature is high and the reaction efficiency is high toward the peripheral part where the temperature is low and the reaction efficiency is low, the high output with which the overall reaction efficiency becomes uniform This fuel cell can be easily manufactured.
[0027]
An electronic apparatus according to the present invention includes the fuel cell according to any one of claims 1 to 5 as a power supply source. An electronic apparatus according to the present invention includes a fuel cell manufactured by the manufacturing method according to any one of claims 6 to 10 as a power supply source. According to this electronic apparatus, it is possible to provide clean energy appropriately considering the global environment as a power supply source.
[0028]
An automobile according to the present invention includes the fuel cell according to any one of claims 1 to 5 as a power supply source. An automobile according to the present invention includes a fuel cell manufactured by the manufacturing method according to any one of claims 6 to 10 as a power supply source. According to this automobile, clean energy appropriately taking into account the global environment can be provided as a power supply source.
[0029]
Moreover, the cogeneration system which concerns on this invention is provided with the fuel cell as described in any one of Claims 1-5 as an energy source. Moreover, the cogeneration system which concerns on this invention is equipped with the fuel cell manufactured by the manufacturing method as described in any one of Claims 6-10 as an energy source. According to this cogeneration system, by providing a high-output fuel cell as an energy source, it is possible to realize a cogeneration system having high environmental performance and high efficiency by clean energy appropriately considering the global environment.
[0030]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A method for manufacturing a fuel cell according to an embodiment of the present invention will be described below. FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a configuration of a fuel cell production line that performs a fuel cell production process according to an embodiment. As shown in FIG. 1, the fuel cell production line includes a discharge device 20a to 20m used in each step, a belt conveyor BC1 connecting the discharge devices 20a to 20k, a belt conveyor BC2 connecting the discharge devices 20l and 20m, The driving device 58 drives the belt conveyors BC1 and BC2, the assembling device 60 that assembles the fuel cell, and the control device 56 that controls the entire fuel cell production line.
[0031]
The discharge devices 20a to 20k are arranged in a line at a predetermined interval along the belt conveyor BC1, and the discharge devices 20l and 20m are arranged in a line at a predetermined interval along the belt conveyor BC2. The control device 56 is connected to each of the discharge devices 20a to 20k, the drive device 58, and the assembly device 60. The belt conveyor BC1 is driven based on a control signal from the control device 56, and a fuel cell substrate (hereinafter simply referred to as "substrate") is conveyed to each of the discharge devices 20a to 20k, and in each of the discharge devices 20a to 20k. Process. Similarly, the belt conveyor BC2 is driven based on a control signal from the control device 56, the substrate is conveyed to the discharge devices 20l and 20m, and processing in the discharge devices 20l and 20m is performed. Further, in the assembling apparatus 60, the fuel cell is assembled by the substrates carried in via the belt conveyor BC1 and the belt conveyor BC2 based on the control signal from the control apparatus 56.
[0032]
In this fuel cell production line, a process of applying a resist solution for forming a gas flow path to the substrate is performed in the discharge device 20a, and an etching process for forming the gas flow path is performed in the discharge device 20b. In the discharge device 20c, a process of applying a supporting carbon for supporting the current collecting layer is performed. In addition, the discharge device 20d performs a process for forming a current collecting layer, the discharge device 20e performs a process for forming a gas diffusion layer, and the discharge device 20f performs a process for forming a reaction layer. In the apparatus 20g, a process for forming an electrolyte membrane is performed. Further, a process for forming a reaction layer is performed in the discharge device 20h, a process for forming a gas diffusion layer is performed in the discharge device 20i, and a process for forming a current collecting layer is performed in the discharge device 20j. In the apparatus 20k, a process of applying the supporting carbon is performed.
[0033]
Further, in the discharge device 20l, a process of applying a resist solution for forming a gas flow path to the substrate is performed, and in the discharge apparatus 20m, an etching process for forming the gas flow path is performed. When processing is performed on the first substrate in the discharge devices 20a to 20k, in the discharge devices 20l and 20m, processing for forming a gas flow path is performed on the second substrate.
[0034]
FIG. 2 is a diagram schematically showing the configuration of an ink jet type ejection device 20a used when manufacturing a fuel cell according to an embodiment of the present invention. The ejection device 20a includes an inkjet head 22 that ejects an ejected material onto a substrate. The ink jet head 22 includes a head main body 24 and a nozzle forming surface 26 on which a large number of nozzles for discharging discharged matter are formed. When a discharge channel, that is, a gas flow path for supplying a reaction gas is formed on the substrate from the nozzle of the nozzle forming surface 26, a resist solution applied to the substrate is discharged. Further, the ejection device 20a includes a table 28 on which a substrate is placed. The table 28 is installed to be movable in a predetermined direction, for example, the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction. Further, the table 28 moves in the direction along the X axis as indicated by an arrow in the drawing, so that the substrate conveyed by the belt conveyor BC1 is placed on the table 28 and taken into the discharge device 20a.
[0035]
The ink jet head 22 is connected to a tank 30 containing a resist solution that is a discharge product discharged from a nozzle formed on the nozzle forming surface 26. In other words, the tank 30 and the inkjet head 22 are connected by a discharge material transport pipe 32 that transports the discharge material. In addition, the discharge material transport pipe 32 includes a discharge material flow path portion ground joint 32a and a head portion bubble elimination valve 32b for preventing charging in the flow path of the discharge material transport pipe 32. This head part bubble elimination valve 32b is used when suctioning the discharged substance in the inkjet head 22 with the suction cap 40 mentioned later. That is, when sucking the discharged material in the ink jet head 22 by the suction cap 40, the head part bubble elimination valve 32b is closed so that the discharged material does not flow from the tank 30 side. Then, when suction is performed with the suction cap 40, the flow rate of the suctioned product is increased, and the bubbles in the inkjet head 22 are quickly discharged.
[0036]
In addition, the discharge device 20a has a liquid level control sensor 36 for controlling the amount of discharged material stored in the tank 30, that is, the height of the liquid level 34a of the resist solution stored in the tank 30. It has. The liquid level control sensor 36 keeps the height difference h (hereinafter referred to as the water head value) between the tip end portion 26a of the nozzle forming surface 26 of the inkjet head 22 and the liquid level 34a in the tank 30 within a predetermined range. Take control. By controlling the height of the liquid level 34a, the discharge 34 in the tank 30 is sent to the inkjet head 22 with a pressure within a predetermined range. Then, the ejected material 34 can be stably ejected from the inkjet head 22 by sending the ejected material 34 at a pressure within a predetermined range.
[0037]
In addition, a suction cap 40 that sucks the ejected matter in the nozzles of the inkjet head 22 is disposed at a certain distance from the nozzle formation surface 26 of the inkjet head 22. The suction cap 40 is configured to be movable in the direction along the Z axis indicated by an arrow in FIG. 2, and is in close contact with the nozzle forming surface 26 so as to surround a plurality of nozzles formed on the nozzle forming surface 26. In addition, a sealed space is formed between the nozzle forming surface 26 and the nozzle can be blocked from outside air. In addition, the suction of the ejected matter in the nozzle of the inkjet head 22 by the suction cap 40 is in a state where the inkjet head 22 is not ejecting the ejected material 34, for example, the inkjet head 22 is retracted to a retracted position or the like. This is performed when the table 28 is retracted to a position indicated by a broken line.
[0038]
A flow path is provided below the suction cap 40, and a suction valve 42, a suction pressure detection sensor 44 for detecting a suction abnormality, and a suction pump 46 including a tube pump are disposed in the flow path. Has been. Further, the discharge 34 sucked by the suction pump 46 and transported through the flow path is accommodated in a waste liquid tank 48.
[0039]
The configuration of the ejection devices 20b to 20m is the same as that of the ejection device 20a, and thus the description thereof will be omitted. However, in the following description, each configuration of the ejection devices 20b to 20m is different in the description of the ejection device 20a. The description will be made using the same reference numerals as those used in the configuration. In addition, in the tank 30 provided in each of the discharge devices 20b to 20m, a discharge material necessary for a predetermined process performed in each of the discharge devices 20b to 20m is accommodated. For example, the discharge material for etching performed when forming the gas flow path is formed in the tank 30 of the discharge device 20b and the discharge device 20m, and the supporting carbon is formed in the tank 30 of the discharge device 20c and the discharge device 20k. In the discharge device 20d and the tank 30 of the discharge device 20j, discharge materials for forming a current collecting layer are respectively stored. Further, the discharge material for forming the gas diffusion layer is in the tank 30 of the discharge device 20e and the discharge device 20i, and the discharge material for forming the reaction layer is in the tank 30 of the discharge device 20f and the discharge device 20h. In the tank 30 of the discharge device 20g, discharge materials for forming the electrolyte membrane are respectively stored. Further, in the tank 30 of the discharge device 20l, the same discharge material as the discharge material for forming a gas flow path with respect to the substrate stored in the tank 30 of the discharge device 20a is stored.
[0040]
Next, a method for manufacturing a fuel cell using the discharge devices 20a to 20m according to the embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG. 3 and the drawings.
[0041]
First, a gas flow path for supplying a reaction gas to the substrate is formed (step S10). That is, first, as shown in FIG. 4A, a rectangular flat plate shape, for example, a silicon substrate (first substrate) 2 is conveyed to the discharge device 20a by the belt conveyor BC1. The board | substrate 2 conveyed by belt conveyor BC1 is mounted on the table 28 of the discharge apparatus 20a, and is taken in in the discharge apparatus 20a. In the discharge device 20 a, the resist solution stored in the tank 30 is discharged through the nozzles of the nozzle formation surface 26 and applied to a predetermined position on the upper surface of the substrate 2 placed on the table 28. Here, as shown in FIG. 4B, the resist solution is applied linearly at a predetermined interval from the front direction to the back side in the drawing. That is, in the substrate 2, for example, a portion that forms a gas flow path (first gas flow path) for supplying a first reaction gas containing hydrogen is left, and only the other portions are resisted. The solution is applied.
[0042]
Next, the substrate 2 (see FIG. 4B) on which the resist solution is applied at a predetermined position is conveyed to the discharge device 20b by the belt conveyor BC1, and is placed on the table 28 of the discharge device 20b to be discharged. 20b. In the discharge device 20b, an etching solvent, for example, a hydrofluoric acid aqueous solution, which is used to form a gas flow path accommodated in the tank 30, is discharged through the nozzles of the nozzle forming surface 26, and is then placed on the table 28. It is applied to the entire top surface of the substrate 2 placed on the substrate.
[0043]
Here, since the resist solution is applied to the substrate 2 in a portion other than the portion that forms the gas flow path, the portion where the resist solution is not applied is etched with the hydrofluoric acid aqueous solution, and FIG. As shown, a gas flow path is formed. That is, a gas flow path having a U-shaped cross section extending from one side surface of the substrate 2 to the other side surface is formed. Further, as shown in FIG. 5A, the substrate 2 on which the gas flow path is formed is subjected to resist cleaning in a cleaning apparatus (not shown). Then, as shown in FIG. 5B, the substrate 2 on which the gas flow path is formed is transferred from the table 28 to the belt conveyor BC1, and is conveyed to the discharge device 20c by the belt conveyor BC1.
[0044]
Next, in order to prevent the gas flow path formed on the substrate 2 in step S10 from being blocked by the current collection layer, the support carbon (first support member) that supports the current collection layer is gas flow path. It is applied inside (step S11). That is, first, the substrate 2 conveyed to the discharge device 20c by the belt conveyor BC1 is placed on the table 28 and taken into the discharge device 20c. In the discharge device 20 c, the supporting carbon 4 accommodated in the tank 30 is discharged through the nozzles on the nozzle forming surface 26 and applied to the gas flow path formed on the substrate 2. Here, as the supporting carbon 4, porous carbon having a predetermined size, for example, a particle diameter of about 1 to 5 microns in diameter is used. That is, a porous carbon having a predetermined size is used as the supporting carbon 4 to prevent the gas flow path from being blocked by the current collecting layer and to ensure that the reaction gas can flow through the gas flow path. Used.
[0045]
FIG. 6 is an end view of the substrate 2 to which the supporting carbon 4 is applied. As shown in FIG. 6, by applying the supporting carbon 4 in the gas flow path, the current collecting layer formed on the substrate 2 is prevented from falling into the gas flow path. The substrate 2 coated with the supporting carbon 4 is transferred from the table 28 to the belt conveyor BC1 and is conveyed to the discharge device 20d by the belt conveyor BC1.
[0046]
Next, a current collecting layer (first current collecting layer) for collecting electrons generated by the reaction of the reaction gas is formed on the substrate 2 (step S12). That is, first, the substrate 2 conveyed to the discharge device 20d by the belt conveyor BC1 is placed on the table 28 and taken into the discharge device 20d. In the discharge device 20d, a material for forming the current collecting layer 6 accommodated in the tank 30, for example, a conductive substance such as copper, is placed on the table 28 via the nozzles of the nozzle forming surface 26. Discharge onto the substrate 2. At this time, the conductive material is discharged into a shape that does not hinder diffusion of the reaction gas supplied to the gas flow path, for example, a mesh shape, and the current collecting layer 6 is formed.
[0047]
FIG. 7 is an end view of the substrate 2 on which the current collecting layer 6 is formed. As shown in FIG. 7, the current collecting layer 6 is supported by the supporting carbon 4 in the gas flow path formed on the substrate 2, and is prevented from falling into the gas flow path. In addition, the board | substrate 2 in which the current collection layer 6 was formed is moved to the belt conveyor BC1 from the table 28, and is conveyed by the belt conveyor BC1 to the discharge apparatus 20e.
[0048]
Next, a gas diffusion layer for diffusing the reaction gas supplied through the gas flow path formed in the substrate 2 is formed on the current collecting layer 6 formed in step S12 (step S13). That is, first, the substrate 2 conveyed to the discharge device 20e by the belt conveyor BC1 is placed on the table 28 and taken into the discharge device 20e. In the discharge device 20e, a material for forming the gas diffusion layer 8 accommodated in the tank 30, for example, carbon is discharged onto the current collecting layer 6 through the nozzles of the nozzle forming surface 26, and a gas flow path. A gas diffusion layer 8 is formed for diffusing the reaction gas (first reaction gas) supplied via.
[0049]
FIG. 8 is an end view of the substrate 2 on which the gas diffusion layer 8 is formed. As shown in FIG. 8, for example, carbon having a function as an electrode is discharged onto the current collecting layer 6 to form a gas diffusion layer 8 for diffusing the reaction gas. Here, as the carbon constituting the gas diffusion layer 8, porous carbon is used that is large enough to sufficiently diffuse the reaction gas supplied through the gas flow path. . For example, porous carbon which is smaller than the supporting carbon 4 and has a particle diameter of about 0.1 to 1 micron is used. In addition, the board | substrate 2 with which the gas diffusion layer 8 was formed is moved to the belt conveyor BC1 from the table 28, and is conveyed by the belt conveyor BC1 to the discharge apparatus 20f.
[0050]
Next, a reaction layer (first reaction layer) that reacts based on the reaction gas supplied via the gas flow path formed in the substrate 2 is formed on the gas diffusion layer 8 formed in step S13. (Step S14). That is, the board | substrate 2 conveyed by the belt conveyor BC1 to the discharge apparatus 20f is mounted on the table 28, and is taken in in the discharge apparatus 20f. In the discharge device 20f, a porous carbon (platinum-supporting carbon) carrying a material for forming a reaction layer accommodated in the tank 30, for example, platinum fine particles for a catalyst having a particle diameter of several nanometers to several tens of nanometers. A reaction layer 10 is formed by ejecting a solution containing the solution onto the gas diffusion layer 8 through a nozzle.
[0051]
Here, a solution containing platinum-supporting carbon is discharged more in a portion having a lower reaction efficiency than a portion having a higher reaction efficiency on the gas diffusion layer 8 based on a discharge pattern preset in the discharge device 20f. Layer 10 is formed. For example, the substrate 2 is divided into 9 × 9 square sections, and in each section, the number of drops of the solution containing platinum-carrying carbon is discharged based on the discharge pattern for each section. Is formed.
[0052]
FIG. 9 is a diagram illustrating an example of a discharge pattern for forming the reaction layer 10. As shown in FIG. 9, when the reaction gas is supplied from the direction of the arrow through the gas flow path 4 formed in the substrate 2, the reaction gas is supplied at the inlet side (upstream side) to which the reaction gas is supplied. Since the concentration is high and the gas pressure is high, the reaction occurs even if the amount of the catalyst is small. On the other hand, on the outlet side (downstream side) of the reactive gas, the concentration of the reactive gas is low and the gas pressure is also low. Therefore, in order to react with the same efficiency as the inlet side, more catalyst than the inlet side is required. I need. Therefore, for example, as shown in FIG. 9, a solution containing platinum-supporting carbon is discharged based on a discharge pattern in which the number of droplets gradually increases from 1 to 9 for each section from the upstream side to the downstream side. The reaction layer 10 in which the amount of the catalyst gradually increases from the side toward the downstream side can be formed.
[0053]
FIG. 10 is a diagram illustrating another example of a discharge pattern for forming the reaction layer 10. As shown in FIG. 10, when the reaction gas is supplied through the gas flow path 4 formed in the substrate 2, gas diffusion is performed in the vertically upward direction of the gas flow path 4 (on the gas flow path 4). Reaction resistance of the reaction gas in the layer 8 is small, and a sufficient amount of reaction gas is supplied, so that the reaction occurs even if the amount of catalyst is small. On the other hand, on the part between the gas flow path 4 and the gas flow path 4 (on the part between the gas flow paths 4), the diffusion resistance of the reaction gas in the gas diffusion layer 8 compared to the part on the gas flow path 4. The amount of the catalyst required for the reaction is larger than the portion on the gas flow path 4. Therefore, for example, as shown in FIG. 10, based on a discharge pattern in which the number of liquid droplets discharged onto the gas flow path 4 is 1, and the number of liquid droplets discharged between the gas flow paths 4 is 5. A solution containing platinum-supported carbon can be discharged, and the reaction layer 10 having a larger amount of catalyst can be formed on the portion where the gas flow path 4 is not formed than on the gas flow path 4.
[0054]
FIG. 11 is a diagram illustrating another example of a discharge pattern for forming the reaction layer 10. When the reaction gas supplied through the gas flow path 4 formed on the substrate 2 reacts in the reaction layer 10, the temperature of the central portion of the reaction layer 10 becomes higher than the peripheral portion due to the thermal energy generated by the reaction. . Therefore, the reaction of the reaction gas at the center is promoted and the reaction rate is increased. On the other hand, since the temperature in the peripheral part is lower than that in the central part, a larger amount of catalyst is required than in the central part in order to achieve a reaction rate equivalent to that in the central part. Accordingly, as shown in FIG. 11, by discharging a solution containing platinum-supporting carbon based on a discharge pattern in which the number of droplets of the solution discharged from the central portion toward the peripheral portion is gradually increased, the peripheral portion is discharged from the central portion. The reaction layer 10 in which the amount of the catalyst increases toward the part can be formed.
[0055]
Note that a discharge pattern is set in advance in the discharge device 20f in consideration of the use and usage of the manufactured fuel cell. That is, any one of the patterns shown in FIGS. 9 to 11 described above, a pattern obtained by combining any two patterns of the patterns shown in FIGS. 9 to 11, or a pattern obtained by combining the patterns shown in FIGS. 9 to 11. Any one of the ejection patterns is set in advance.
[0056]
Here, the carbon carrying the platinum fine particles is the same carbon as the carbon constituting the gas diffusion layer 8, that is, the carbon having the same particle diameter and the porous carbon. In addition, after disperse | distributing platinum microparticles | fine-particles by adding a dispersing agent to a solvent and apply | coating on the gas diffusion layer 8, the dispersing agent is removed by heating the board | substrate 2 to 200 degreeC in nitrogen atmosphere, for example, The reaction layer 10 may be formed. In this case, the reaction layer 10 is formed by depositing platinum fine particles as a catalyst on the surface of carbon constituting the gas diffusion layer 8.
[0057]
FIG. 12 is an end view of the substrate 2 on which the reaction layer 10 is formed. As shown in FIG. 12, the reaction layer 10 is formed by applying carbon carrying platinum fine particles as a catalyst onto the gas diffusion layer 8. In FIG. 12, only platinum fine particles are shown as the reaction layer 10 so that the reaction layer 10 and the gas diffusion layer 8 can be easily identified. In the following figures, the reaction layer is shown in the same manner as in FIG. The substrate 2 on which the reaction layer 10 is formed is transferred from the table 28 to the belt conveyor BC1, and is conveyed to the discharge device 20g by the Belcoton bear BC1.
[0058]
Next, an electrolyte membrane such as an ion exchange membrane is formed on the reaction layer 10 formed in step S14 (step S15). That is, first, the substrate 2 conveyed to the discharge device 20g by the belt conveyor BC1 is placed on the table 28 and taken into the discharge device 20g. In the discharge device 20g, a material for forming an electrolyte membrane accommodated in the tank 30, for example, a material in which a ceramic solid electrolyte such as Nafion (registered trademark), tungstophosphoric acid, molybdophosphoric acid, etc. is adjusted to a predetermined viscosity, The electrolyte membrane 12 is formed by discharging onto the reaction layer 10 through the nozzle of the nozzle forming surface 26.
[0059]
FIG. 13 is an end view of the substrate 2 on which the electrolyte membrane 12 is formed. As shown in FIG. 13, an electrolyte membrane 12 having a predetermined thickness is formed on the reaction layer 10. The substrate 2 on which the electrolyte membrane 12 is formed is transferred from the table 28 to the belt conveyor BC1, and is conveyed to the discharge device 20h by the belt conveyor BC1.
[0060]
Next, a reaction layer (second reaction layer) is formed on the electrolyte membrane 12 formed in step S15 (step S16). That is, the substrate 2 transported to the discharge device 20h by the belt conveyor BC1 is placed on the table 28 and taken into the discharge device 20h. In the discharge device 20h, a solution containing carbon carrying platinum fine particles as a catalyst is discharged by a process similar to the process performed in the discharge device 20f to form the reaction layer 10 '.
[0061]
FIG. 14 is an end view of the substrate 2 on which the reaction layer 10 ′ is formed on the electrolyte membrane 12. As shown in FIG. 14, a reaction layer 10 ′ is formed by applying carbon carrying platinum fine particles as a catalyst onto the electrolyte membrane 12. Here, the reaction layer 10 ′ is a layer that reacts based on a second reaction gas, for example, a reaction gas containing oxygen.
[0062]
Next, a gas diffusion layer for diffusing the reaction gas (second reaction gas) is formed on the reaction layer 10 ′ formed in step S16 (step S17). That is, the substrate 2 on which the reaction layer 10 ′ is formed is transported to the discharge device 20 i by the belt conveyor BC 1, and the discharge device 20 i is a porous material having a predetermined particle diameter by the same process as that performed in the discharge device 20 e. The carbon is applied to form a gas diffusion layer 8 ′.
[0063]
FIG. 15 is an end view of the substrate 2 on which a gas diffusion layer is formed on the reaction layer 10 ′. As shown in FIG. 15, gas diffusion layer 8 'is formed by applying porous carbon on reaction layer 10'.
[0064]
Next, a current collecting layer (second current collecting layer) is formed on the gas diffusion layer 8 'formed in step S17 (step S18), and support for supporting the current collecting layer on the current collecting layer is performed. Carbon for application (second support member) is applied (step S19). That is, the substrate 2 transported to the discharge device 20j by the belt conveyor BC1 is placed on the table 28 and taken into the discharge device 20j, and the current collecting layer 6 is processed by the same processing as that performed in the discharge device 20d. 'Is formed on the gas diffusion layer 8'. Further, the substrate 2 transported to the discharge device 20k by the belt conveyor BC1 is placed on the table 28 and taken into the discharge device 20k, and the supporting carbon 4 is processed by the same processing as that performed in the discharge device 20c. 'Is applied. The substrate 2 coated with the supporting carbon 4 ′ is transferred from the table 28 to the belt conveyor BC 1 and conveyed to the assembling apparatus 60.
[0065]
FIG. 16 is an end view of the substrate 2 in which the current collecting layer 6 ′ and the supporting carbon 4 ′ are applied on the gas diffusion layer 8 ′. As shown in FIG. 16, the current collecting layer 6 ′ is formed by the process of step S18 described above, and the supporting carbon 4 ′ is applied by the process of step S19 described above. Here, the supporting carbon 4 ′ is applied in the same manner as the supporting carbon 4, that is, along the gas flow path formed in the substrate 2.
[0066]
Next, the fuel cell is assembled by placing the substrate (second substrate) on which the gas flow path is formed on the substrate (first substrate) coated with the supporting carbon in step S19 (step S20). That is, in the assembling apparatus 60, by placing the substrate 2 ′ (second substrate) carried in via the belt conveyor BC2 on the substrate 2 (first substrate) carried in via the belt conveyor BC1, Assemble the fuel cell. Here, a second gas flow path is formed on the substrate 2 ′ separately from the processing in the above-described Steps S10 to S19. That is, in the discharge device 20l and the discharge device 20m, the second gas flow path is formed by the same process as the process performed by the discharge device 20a and the discharge device 20b. Therefore, the U-shaped gas channel extending from one side surface to the other side surface formed on the substrate 2 is parallel to the U-shaped gas channel formed on the substrate 2 '. As described above, the substrate 2 'is arranged to assemble the fuel cell, thereby completing the manufacture of the fuel cell.
[0067]
FIG. 17 is an end view of the manufactured fuel cell. As shown in FIG. 17, the substrate 2 ′ on which the second gas flow path is formed is disposed at a predetermined position on the substrate 2, and the first gas flow path is formed on the first substrate. The manufacture of the fuel cell in which the first reaction gas is supplied and the second reaction gas is supplied through the second gas flow path formed in the second substrate is completed.
[0068]
The fuel cell manufactured by the above-described manufacturing method can be incorporated as an electric power supply source in an electronic device, particularly a portable electronic device such as a mobile phone. That is, according to the fuel cell manufacturing method described above, a small fuel cell can be easily manufactured by using the discharge device, and therefore, for example, it can be incorporated into a small electronic device such as a mobile phone as a power supply source. it can.
[0069]
In the fuel cell according to this embodiment, the amount of catalyst differs depending on the location in the reaction layer. That is, a place where the reaction efficiency is high, for example, an inlet side of the gas flow path, a portion on the gas flow path, or a place where the reaction efficiency is lower than the central part of the reaction layer, such as the outlet side of the gas flow path, between the gas flow paths More catalyst is applied to the upper part or the periphery of the reaction layer. Accordingly, it is possible to prevent a difference in reaction efficiency in the reaction layer and to maintain a uniform reaction efficiency as a whole, so that the output of the fuel cell can be increased.
[0070]
According to the method of manufacturing a fuel cell according to this embodiment, the reaction layer is formed using an ink jet type discharge device. Accordingly, a reaction layer can be formed by applying a predetermined amount of catalyst at a predetermined position, and the reaction efficiency in the fuel cell can be kept uniform, and a high output fuel cell can be easily manufactured.
[0071]
Further, according to the fuel cell manufacturing method according to this embodiment, the upstream side of the gas flow path, that is, the reaction gas inlet side has a small amount of catalyst, and the downstream side of the gas flow path, that is, the reaction gas flow rate. On the outlet side, a large amount of catalyst can be applied to form a reaction layer on the gas diffusion layer. That is, a small amount of catalyst is applied to the inlet side of the gas flow path where the amount of the catalyst required for the reaction is small and the concentration and gas pressure of the reaction gas is high, and the concentration of the reaction gas and the gas are large. A large amount of catalyst can be applied to the outlet side of the gas flow path having a low pressure. Therefore, compared with the case where the catalyst is uniformly applied to the entire reaction layer, the output of the entire fuel cell is increased by maintaining the overall reaction efficiency even when the same amount of catalyst is used. Can do.
[0072]
In addition, according to the method of manufacturing a fuel cell according to this embodiment, a reaction layer is formed in which the amount of catalyst between the gas passages where the gas passage is not formed is larger than the amount of the catalyst on the gas passage. can do. That is, it is possible to apply a small amount of catalyst to the portion where the reaction gas diffusion resistance is low and close to the gas flow channel, and to apply a large amount of catalyst to the portion where the reaction gas diffusion resistance is large. . Therefore, since the reaction efficiency in the entire reaction layer can be kept uniform, a high-power fuel cell can be easily manufactured.
[0073]
Also, according to the method of manufacturing a fuel cell according to this embodiment, the reaction layer can be formed by applying the catalyst so that the gas diffusion layer has a small central portion and a large peripheral portion. That is, the reaction is promoted in the central part where the temperature is high based on the thermal energy generated by the reaction, so the amount of catalyst is small, and in the peripheral part where the temperature is low, a reaction layer with a large amount of catalyst is formed. Can do. Therefore, it is possible to prevent a difference in reaction efficiency in the reaction layer, keep the reaction efficiency uniform, and easily manufacture a high-power fuel cell.
[0074]
In the fuel cell manufacturing method according to the above-described embodiment, an inkjet discharge device is used in all the steps. However, only in the process of forming the reaction layer, the fuel cell is manufactured using the inkjet discharge device. May be manufactured.
[0075]
In the fuel cell manufacturing method according to the above-described embodiment, a predetermined number of droplets are discharged into a predetermined section based on a predetermined discharge pattern created in advance. The amount of the catalyst discharged for each section may be changed by changing the amount of the liquid droplets. That is, by changing the drive waveform for driving the ink jet type discharge device for each section, the amount of liquid droplets containing platinum-carrying carbon discharged through the nozzle of the discharge apparatus is changed and discharged for each section. The amount of catalyst to be produced may be adjusted.
[0076]
In the fuel cell manufacturing method according to the above-described embodiment, a small fuel cell is manufactured. However, a large fuel cell may be manufactured by stacking a plurality of fuel cells. That is, as shown in FIG. 18, a gas channel is further formed on the back surface of the substrate 2 ′ of the manufactured fuel cell, and the above-described fuel cell is manufactured on the back surface of the substrate 2 ′ on which the gas channel is formed. A large fuel cell may be manufactured by forming a gas diffusion layer, a reaction layer, an electrolyte membrane and the like and laminating the fuel cells in the same manner as the manufacturing process in the method. Thus, when a large-sized fuel cell is manufactured, for example, it can be used as a power supply source of an electric vehicle, and a clean energy vehicle appropriately considering the global environment can be provided.
[0077]
Moreover, you may use the manufactured large sized fuel cell as an energy source of the cogeneration system which takes out and provides multiple types of energy, such as heat and electricity, from one energy source. In a fuel cell, since the amount of heat energy generated during power generation is large, a highly efficient cogeneration system for home use or business use can be realized. In addition, since the fuel cell does not emit toxic substances or the like during power generation, it is possible to realize a cogeneration system with high environmental characteristics in consideration of the global environment.
[0078]
According to the fuel cell of the present invention, in at least one of the first reaction layer and the second reaction layer, the reaction layer has a different amount of catalyst depending on the location. Therefore, for example, the amount of the catalyst in the reaction layer can be adjusted in consideration of the diffusion state of the reaction gas in the fuel cell, and the reaction efficiency in the entire fuel cell can be kept uniform to increase the output of the fuel cell.
[0079]
According to the method of manufacturing a fuel cell according to the present invention, at least one of the first reaction layer formation step and the second reaction layer formation step is a reaction in which the amount of catalyst varies depending on the location using the discharge device. Forming a layer. Therefore, by using the discharge device, it is possible to apply a predetermined amount of catalyst to a predetermined location, easily form a reaction layer having a different amount of catalyst depending on the location, and manufacture a high output fuel cell.
[0080]
According to the electronic device according to the present invention, the fuel cell according to the present invention or the fuel cell manufactured by the method for manufacturing the fuel cell according to the present invention is used as the power supply source. Therefore, for example, in an electronic device such as a mobile phone, there is no fear that a toxic substance or the like flows out even when discarded. In addition, according to the automobile of the present invention, the fuel cell manufactured by the fuel cell according to the present invention or the fuel cell manufacturing method according to the present invention is used as the power supply source. Therefore, for example, by using a fuel cell as a power supply source in an electric vehicle, an automobile that does not emit exhaust gas can be provided. Therefore, it is possible to realize clean energy that takes the global environment into consideration. Further, according to the cogeneration system according to the present invention, the fuel cell according to the present invention or the fuel cell manufactured by the method for manufacturing the fuel cell according to the present invention is provided as an energy source. Therefore, it is possible to realize a cogeneration system with high environmental efficiency and high efficiency.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an example of a production line for a fuel cell according to an embodiment.
FIG. 2 is a schematic diagram of an ink jet type ejection device according to an embodiment.
FIG. 3 is a flowchart of a method for manufacturing a fuel cell according to an embodiment.
FIG. 4 is a diagram illustrating a gas flow path forming process according to an embodiment.
FIG. 5 is another diagram for explaining a gas flow path forming process according to the embodiment;
FIG. 6 is an end view of the substrate in the manufacturing process of the fuel cell according to the embodiment.
FIG. 7 is an end view of the substrate in the manufacturing process of the fuel cell according to the embodiment.
FIG. 8 is an end view of the substrate in the process of manufacturing the fuel cell according to the embodiment.
FIG. 9 is a diagram illustrating a reaction layer forming process according to an embodiment.
FIG. 10 is a diagram illustrating a reaction layer forming process according to an embodiment.
FIG. 11 is a diagram illustrating a reaction layer forming process according to an embodiment.
FIG. 12 is an end view of the substrate in the manufacturing process of the fuel cell according to the embodiment.
FIG. 13 is an end view of the substrate in the process of manufacturing the fuel cell according to the embodiment.
FIG. 14 is an end view of the substrate in the process of manufacturing the fuel cell according to the embodiment.
FIG. 15 is an end view of the substrate in the manufacturing process of the fuel cell according to the embodiment.
FIG. 16 is an end view of the substrate in the manufacturing process of the fuel cell according to the embodiment.
FIG. 17 is an end view of the substrate of the fuel cell according to the embodiment.
18 is a diagram of a large fuel cell in which fuel cells according to an embodiment are stacked. FIG.
[Explanation of symbols]
2, 2 '... substrate, 4, 4' ... supporting carbon, 6, 6 '... current collecting layer, 8, 8' ... gas diffusion layer, 10, 10 '... reaction layer, 12 ... electrolyte membrane, 20a-20m ... Discharge device, BC1, BC2 ... Belt conveyor.

Claims (16)

第1の反応ガスを供給するための第1のガス流路が形成された第1の基板と、
前記第1の基板側に形成された第1の集電層と、
前記第1の基板側に形成された第1のガス拡散層と、
前記第1の基板側に形成された第1の反応層と、
第2の反応ガスを供給するための第2のガス流路が形成された第2の基板と、
前記第2の基板側に形成された第2の集電層と、
前記第2の基板側に形成された第2のガス拡散層と、
前記第2の基板側に形成された第2の反応層と、
前記第1の反応層と前記第2の反応層との間に形成された電解質膜とを備える燃料電池であって、
前記第1の反応層及び前記第2の反応層の内の少なくとも何れか一方において、反応層が場所により異なる量の触媒を有することを特徴とする燃料電池。
A first substrate on which a first gas flow path for supplying a first reaction gas is formed;
A first current collecting layer formed on the first substrate side;
A first gas diffusion layer formed on the first substrate side;
A first reaction layer formed on the first substrate side;
A second substrate on which a second gas flow path for supplying a second reaction gas is formed;
A second current collecting layer formed on the second substrate side;
A second gas diffusion layer formed on the second substrate side;
A second reaction layer formed on the second substrate side;
A fuel cell comprising an electrolyte membrane formed between the first reaction layer and the second reaction layer,
The fuel cell, wherein at least one of the first reaction layer and the second reaction layer, the reaction layer has a different amount of catalyst depending on a location.
前記第1の反応層内及び前記第2の反応層内の少なくとも何れか一方において、反応効率が高い部分の前記触媒の量よりも反応効率が低い部分の前記触媒の量が多いことを特徴とする請求項1記載の燃料電池。In at least one of the first reaction layer and the second reaction layer, the amount of the catalyst in the portion with low reaction efficiency is larger than the amount of the catalyst in the portion with high reaction efficiency. The fuel cell according to claim 1. 前記第1の反応層内及び前記第2の反応層内の少なくとも何れか一方において、ガス流路の上流側から下流側に向かって前記触媒の量が漸次増加することを特徴とする請求項1記載の燃料電池。The amount of the catalyst gradually increases from the upstream side to the downstream side of the gas flow path in at least one of the first reaction layer and the second reaction layer. The fuel cell as described. 前記第1の反応層内及び前記第2の反応層内の少なくとも何れか一方において、ガス流路上の前記触媒の量よりもガス流路が形成されていない部分上の前記触媒の量が多いことを特徴とする請求項1記載の燃料電池。In at least one of the first reaction layer and the second reaction layer, the amount of the catalyst on the portion where the gas flow path is not formed is larger than the amount of the catalyst on the gas flow path. The fuel cell according to claim 1. 前記第1の反応層内及び前記第2の反応層内の少なくとも何れか一方において、中心部から周辺部に向かって前記触媒の量が漸次増加することを特徴とする請求項1記載の燃料電池。2. The fuel cell according to claim 1, wherein in at least one of the first reaction layer and the second reaction layer, the amount of the catalyst gradually increases from a central portion toward a peripheral portion. . 第1の反応ガスを供給するための第1のガス流路を、第1の基板に形成する第1のガス流路形成工程と、
前記第1のガス流路を介して供給された第1の反応ガスが反応することにより生じた電子を集める第1の集電層を形成する第1の集電層形成工程と、
前記第1のガス流路を介して供給された第1の反応ガスに基づいて反応を行う第1の反応層を形成する第1の反応層形成工程と、
電解質膜を形成する電解質膜形成工程と、
第2の反応ガスを供給するための第2のガス流路を、第2の基板に形成する第2のガス流路形成工程と、
前記第2のガス流路を介して供給された第2の反応ガスが反応するために必要な電子を供給する第2の集電層を形成する第2の集電層形成工程と、
前記第2のガス流路を介して供給された第2の反応ガスに基づいて反応を行う第2の反応層を形成する第2の反応層形成工程と
を含む燃料電池の製造方法において、
前記第1の反応層形成工程及び前記第2の反応層形成工程の内の少なくとも何れか一方は、吐出装置を用いて触媒の量が場所により異なる反応層を形成することを特徴とする燃料電池の製造方法。
A first gas flow path forming step of forming a first gas flow path for supplying a first reaction gas on a first substrate;
A first current collecting layer forming step of forming a first current collecting layer that collects electrons generated by the reaction of the first reaction gas supplied through the first gas flow path;
A first reaction layer forming step of forming a first reaction layer for performing a reaction based on the first reaction gas supplied through the first gas flow path;
An electrolyte membrane forming step for forming an electrolyte membrane;
A second gas flow path forming step of forming a second gas flow path for supplying a second reaction gas on the second substrate;
A second current collecting layer forming step of forming a second current collecting layer for supplying electrons necessary for the reaction of the second reaction gas supplied via the second gas flow path;
A fuel cell manufacturing method including a second reaction layer forming step of forming a second reaction layer that performs a reaction based on the second reaction gas supplied through the second gas flow path.
At least one of the first reaction layer forming step and the second reaction layer forming step forms a reaction layer in which the amount of catalyst differs depending on the location using a discharge device. Manufacturing method.
前記第1の反応層形成工程及び前記第2の反応層形成工程の内の少なくとも何れか一方は、反応効率が高い部分の前記触媒の量よりも反応効率が低い部分の前記触媒の量が多い反応層を形成することを特徴とする請求項6記載の燃料電池の製造方法。At least one of the first reaction layer forming step and the second reaction layer forming step has a larger amount of the catalyst in a portion with a lower reaction efficiency than a portion of the catalyst in a portion with a higher reaction efficiency. The method for producing a fuel cell according to claim 6, wherein a reaction layer is formed. 前記第1の反応層形成工程及び前記第2の反応層形成工程の内の少なくとも何れか一方は、ガス流路の上流側から下流側に向かって前記触媒の量が漸次増加する反応層を形成することを特徴とする請求項6記載の燃料電池の製造方法。At least one of the first reaction layer formation step and the second reaction layer formation step forms a reaction layer in which the amount of the catalyst gradually increases from the upstream side to the downstream side of the gas flow path. The method of manufacturing a fuel cell according to claim 6. 前記第1の反応層形成工程及び前記第2の反応層形成工程の内の少なくとも何れか一方は、ガス流路上の前記触媒の量よりもガス流路が形成されていない部分上の前記触媒の量が多い反応層を形成することを特徴とする請求項6記載の燃料電池の製造方法。At least one of the first reaction layer formation step and the second reaction layer formation step is performed by the catalyst on the portion where the gas flow path is not formed more than the amount of the catalyst on the gas flow path. 7. The method of manufacturing a fuel cell according to claim 6, wherein a reaction layer having a large amount is formed. 前記第1の反応層形成工程及び前記第2の反応層形成工程の内の少なくとも何れか一方は、中心部から周辺部に向かって前記触媒の量が漸次増加する反応層を形成することを特徴とする請求項6記載の燃料電池の製造方法。At least one of the first reaction layer forming step and the second reaction layer forming step forms a reaction layer in which the amount of the catalyst gradually increases from the central portion toward the peripheral portion. A method for producing a fuel cell according to claim 6. 請求項1〜請求項5の何れか一項に記載の燃料電池を電力供給源として備えることを特徴とする電子機器。An electronic apparatus comprising the fuel cell according to any one of claims 1 to 5 as a power supply source. 請求項6〜請求項10の何れか一項に記載の製造方法により製造された燃料電池を電力供給源として備えることを特徴とする電子機器。An electronic apparatus comprising a fuel cell manufactured by the manufacturing method according to claim 6 as a power supply source. 請求項1〜請求項5の何れか一項に記載の燃料電池を電力供給源として備えることを特徴とする自動車。An automobile comprising the fuel cell according to any one of claims 1 to 5 as a power supply source. 請求項6〜請求項10の何れか一項に記載の製造方法により製造された燃料電池を電力供給源として備えることを特徴とする自動車。An automobile comprising the fuel cell manufactured by the manufacturing method according to any one of claims 6 to 10 as a power supply source. 請求項1〜請求項5の何れか一項に記載の燃料電池をエネルギー源として備えることを特徴とするコージェネレーションシステム。A cogeneration system comprising the fuel cell according to any one of claims 1 to 5 as an energy source. 請求項6〜請求項10の何れか一項に記載の製造方法により製造された燃料電池をエネルギー源として備えることを特徴とするコージェネレーションシステム。A cogeneration system comprising a fuel cell manufactured by the manufacturing method according to any one of claims 6 to 10 as an energy source.
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