JP4175146B2

JP4175146B2 - FUEL CELL MANUFACTURING METHOD, ELECTRONIC DEVICE HAVING FUEL CELL, AND AUTOMOBILE

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Publication number: JP4175146B2
Application number: JP2003058742A
Authority: JP
Inventors: 弘綱三浦; 保範山崎
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2003-03-05
Filing date: 2003-03-05
Publication date: 2008-11-05
Anticipated expiration: 2023-03-05
Also published as: JP2004273149A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、外部から種類の異なる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する燃料電池の製造方法、並びにこの製造方法により製造された燃料電池を備える電子機器及び自動車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電解質膜とこの電解質膜の一面に配置された反応層を有する電極（アノード）、及び電解質膜の他面に配置され、白金微粒子等からなる反応層を有する電極（カソード）等から構成される燃料電池が存在する。例えば、電解質膜が固体高分子電解質膜である固体高分子電解質型燃料電池では、アノード側では水素を水素イオンと電子にする反応が行われ、電子がカソード側に流れ、水素イオンはカソード側に電解質膜中を移動し、カソード側では酸素ガス、水素イオン及び電子から水を生成する反応が行われる。
【０００３】
このような反応を触媒する反応層を形成する方法としては、例えば、（ａ）触媒担持カーボンを高分子電解質溶液と有機溶媒に混合して調製した電極触媒層形成用ペーストを転写基材（ポリテトラフルオロエチレン製シート）に塗布、乾燥し、それを電解質膜に熱圧着し、次いで、転写基材を剥がすことにより電解質膜に触媒層（反応層）を転写する方法（特許文献１）、（ｂ）電極として用いるカーボン層の上に固体触媒を担持したカーボン粒子の電解質溶液をスプレーを用いて塗布し、その後溶媒を揮発させることにより作製する方法が知られている（特許文献２）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平８−８８００８号公報
【特許文献２】
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、燃料電池の出力密度を高くし、特性のよい燃料電池を効率よく製造するためには、反応効率のよい反応層を効率よく形成する必要がある。しかしながら、上記（ａ）の方法では、転写基材上に反応層を形成した後、これを電解質膜上に転写するものであるため、工程数が多く煩雑となる。その上、触媒を覆う電解質の厚みが均等とはならず、無駄な電解質部分が多くなり、この無駄な電解質膜部分がガス流路を塞ぎ、ガス拡散性を悪化させる場合があった。また、上記（ｂ）の方法では、均一に触媒を塗布することや、所定の位置に所定量の触媒を正確に塗布することが困難であるため、得られる燃料電池の特性（出力密度）が低下したり、白金等の高価な触媒の使用量の増加により製造コストが高くなるという問題があった。
【０００６】
本発明は、このような従来技術の問題を解決すべくなされたものであって、低コストで製造でき、かつ、高い触媒活性を有する反応層を有する燃料電池の製造方法、並びにこの製造方法により製造された燃料電池を備える電子機器及び自動車を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、インクジェット式吐出装置（以下、吐出装置という）を使用して反応層形成用の金属微粒子を塗布して、反応層を形成する方法を着想した。この方法を採用する場合、金属微粒子の凝集・沈降を防止するために金属微粒子を分散剤で被覆した分散液を用い、分散液を塗布した後は、分散剤を焼成等の方法で除去する必要がある。また、分散液を塗布する前において、ガス拡散層となる多孔質の炭素微粒子を予め塗布しておく必要もある。したがって、従来においては、ガス拡散層の炭素微粒子が燃焼しない条件で分散溶媒を除去しなければならないことから、テトラデカンやテルピネオール等の除去が容易な分散剤が使用されていた。しかしながら、テトラデカンやテルピネオール等は比較的高価であり、工業的に汎用性に富む分散剤ではない。また、ガス拡散層と反応層の境界付近において、分散剤が残存したり、集電層の炭素微粒子が部分的に燃焼して、燃料電池の電気特性及びガス拡散効率が低下する場合があった。
【０００８】
そこで、金属微粒子と有機分散剤とを含む分散液を吐出装置を使用して塗布し、得られた塗膜を、窒素雰囲気中、所定温度で焼成（いわゆる蒸し焼き）する方法を案出し、金属微粒子の周囲に多数の炭素微粒子が存在する構造の反応層を容易に形成できることを見出し、本発明を完成するに到った。
【０００９】
かくして本発明の第１によれば、第１の集電層、第１の反応層、電解質膜、第２の反応層、第２の集電層が形成されてなる燃料電池の製造方法であって、前記第１の集電層の上に、反応層形成用の金属微粒子と有機分散剤とを含む分散液を塗布し塗膜を形成する工程と、前記塗膜を非酸化的雰囲気において焼成する工程とを有する燃料電池の製造方法が提供される。
【００１０】
本発明の製造方法は、第１の基板に、第１の反応ガスを供給するための第１のガス流路を形成する第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の反応ガスを触媒により反応させる第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の基板に、第２の反応ガスを供給するための第２のガス流路を形成する第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の反応ガスを触媒により反応させる第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であって、前記第１の反応層形成工程及び第２の反応層形成工程の少なくとも一方は、反応層形成用の金属微粒子と有機分散剤とを含む分散液により塗膜を形成し、前記塗膜を非酸化的雰囲気下で焼成する工程を有するのが好ましい。
【００１１】
本発明の製造方法においては、前記分散液の塗膜を吐出装置を用いて形成するのが好ましい。
本発明の製造方法においては、前記有機分散剤として、アルキレングリコール系材料を用いるのが好ましい。
また、本発明の製造方法においては、前記金属微粒子として、白金、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、パラジウム、オスミウム及びこれらの２種以上からなる合金からなる群から選ばれる１種若しくは２種以上の金属の微粒子を用いるの好ましい。
【００１２】
本発明の第２によれば、本発明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が提供される。
本発明の第３によれば、本発明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が提供される。
【００１３】
本発明の製造方法によれば、簡便な操作により金属微粒子の周囲に多数の炭素微粒子が存在する構造を有する反応層を容易に形成することができる。
本発明の製造方法によれば、反応層と集電層との境界付近に分散剤が残存したり、ガス拡散層の炭素微粒子が燃焼して、燃料電池の電気特性及びガス拡散特性が低下することがなくなる。また、金属微粒子の周囲に存在する炭素微粒子はガス拡散層及び集電層の役割も果たすので、電気特性及びガス拡散効率がより高められた燃料電池を製造することができる。
【００１４】
本発明の製造方法において、金属微粒子および有機分散剤を含む分散液の塗布を吐出装置を用いて行う場合には、効率よく、均一に反応触媒である金属微粒子を塗布することができ、かつ、所定の位置に必要量の触媒を正確に塗布することが可能となるため、出力密度の高い燃料電池を効率よく製造することができる。
【００１５】
本発明に係る電子機器は、本発明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。本発明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。
また、本発明に係る自動車は、本発明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。本発明の自動車によれば、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。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃料電池の製造方法、並びに本発明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電子機器及び自動車について詳細に説明する。
【００１７】
本発明は、第１の基板に第１のガス流路を形成する第１のガス流路形成工程と、第１の集電層を形成する第１の集電層形成工程と、第１の反応ガスの反応を触媒する第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の基板に第２のガス流路を形成する第２のガス流路形成工程と、第２の集電層を形成する第２の集電層形成工程と、及び第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である。
【００１８】
本発明の燃料電池の製造方法は、図１に示す燃料電池の製造装置（燃料電池製造ライン）を使用して実施することができる。図１に示す燃料電池製造ラインにおいては、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なう組立装置６０及び燃料電池製造ライン全体の制御を行なう制御装置５６により構成されている。
【００１９】
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、吐出装置２０ａ〜２０ｋ、駆動装置５８及び組立装置６０と接続されている。
【００２０】
この燃料電池製造ラインにおいては、駆動装置５８により駆動されたベルトコンベアＢＣ１を駆動させ、燃料電池の基板（以下、単に「基板」という。）を各吐出装置２０ａ〜２０ｋに搬送して各吐出装置２０ａ〜２０ｋにおける処理が行なわれる。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、吐出装置２０ｌ、２０ｍにおける処理が行なわれる。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ＢＣ２によって搬送されてきた基板を用いて燃料電池の組立作業が行なわれる。
【００２１】
吐出装置２０ａ〜２０ｍとしては、インクジェット方式の吐出装置であれば特に制約されない。例えば、加熱発泡により気泡を発生し、液滴の吐出を行なうサーマル方式の吐出装置、ピエゾ素子を利用する圧縮により、液滴の吐出を行なうピエゾ方式の吐出装置等が挙げられる。
【００２２】
本実施形態で用いられる吐出装置２０ａの概略を図２及び図３に示す。図２は、吐出装置２０ａの外観図である。吐出装置２０ａは、架台２０１上に、透明な安全カバー２０２を有し、架台２０１にエアーカーテン供給機器などを組み込むと共に、安全カバー２０２内に機台２０４に載置するようにして主構成装置２０５を収容して構成されている。
主構成装置２０５は、ヘッドユニット１を搭載し、これを水平面内においてＸ・Ｙ・θ方向に移動させるユニット移動装置２１１と、キャリッジ２３１に仮装着されている各液滴吐出ヘッド３１の位置補正を行うヘッド補正装置２１２と、キャリッジ２３１に各液滴吐出ヘッド３１を接着する仮固定装置２１３と、液滴吐出ヘッド３１の位置補正に先立ってキャリッジ２３１および各液滴吐出ヘッド３１を位置認識する認識装置２１４と、これらユニット移動装置２１１、ヘッド補正装置２１２、仮固定装置２１３および認識装置２１４を統括制御する制御装置（図示を省略）とを備えている。
【００２３】
図２に示す吐出装置２０ａを概念的に表したものを図３に示す。
吐出装置２０ａは、吐出物３４を収容するタンク３０と、タンク３０と吐出物搬送管３２を介して接続されたインクジェットヘッド２２、被吐出物を搭載、搬送するテーブル２８、インクジェットヘッド２２内に滞留する余剰の吐出物３４を吸引して、インクジェットヘッド２２内から過剰の吐出物を除去する吸引キャップ４０、及び吸引キャップ４０で吸引された余剰の吐出物を収容する廃液タンク４８から構成されている。
【００２４】
タンク３０は、レジスト溶液等の吐出物３４を収容するものであり、タンク３０内に収容されている吐出物の液面３４ａの高さを制御するための液面制御センサ３６を備える。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。例えば、この水頭値が２５ｍ±０．５ｍｍ内となるように液面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に送ることができる。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から必要量の吐出物３４を安定的に吐出することができる。
【００２５】
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とを備える。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。
【００２６】
インクジェットヘッド２２は、ヘッド体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、ノズル形成面２６のノズルから吐出物、例えば、反応ガスを供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等が吐出される。
テーブル２８は、所定の方向に移動可能に設置されている。テーブル２８は、図中矢印で示す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載置して、吐出装置２０ａ内に取り込む。
【００２７】
吸引キャップ４０は、図３に示す矢印方向に移動可能となっており、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。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を閉状態にして、タンク３０側から吐出物が流入しない状態とし、吸引キャップ４０で吸引することにより、吸引される吐出物の流速を上昇させ、インクジェットヘッド２２内の気泡を速やかに排出することができる。
【００２８】
また、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が配置されている。吸引バルブ４２は、吸引バルブ４２の下方の吸引側と、上方のインクジェットヘッド２２側との圧力バランス（大気圧）を取るための時間を短縮する目的で流路を閉状態にする役割を果す。この流路には、吸引異常を検出する吸引圧検出センサ４４や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。
吸引ポンプ４６で吸引、搬送された吐出物３４は、廃液タンク４８内に一時的に収容される。
【００２９】
本実施形態においては、吐出装置２０ｂ〜２０ｍは、吐出物３４の種類が異なることを除き、吐出装置２０ａと同様の構成のものである。したがって、以下においては、各吐出装置の同一構成については同一の符号を用いる。
【００３０】
次に、図１に示す燃料電池製造ラインを用いて、燃料電池を製造する各工程を説明する。図１に示す燃料電池製造ラインを用いる燃料電池の製造方法のフローチャートを図４に示す。
【００３１】
図４に示すように、本実施形態に係る燃料電池は、第１の基板にガス流路を形成する工程（Ｓ１０，第１のガス流路形成工程）、ガス流路内に第１の支持部材を塗布する工程（Ｓ１１，第１の支持部材塗布工程）、第１の集電層を形成する工程（Ｓ１２，第１の集電層形成工程）、第１のガス拡散層を形成する工程（Ｓ１３，第１のガス拡散層形成工程）、第１の反応層形成工程（Ｓ１４，第１の反応層形成工程）、電解質膜を形成する工程（Ｓ１５，電解質膜形成工程）、第２の反応層を形成する工程（Ｓ１６，第２の反応層形成工程）、第２のガス拡散層を形成する工程（Ｓ１７，第２のガス拡散層形成工程）、第２の集電層を形成する工程（Ｓ１８，第２の集電層形成工程）、第２の支持部材を塗布する工程（Ｓ１９，第２の支持部材塗布工程）、第２のガス流路が形成された第２の基板を積層する工程（Ｓ２０，組立工程）により製造される。
【００３２】
（１）第１のガス流路形成工程（Ｓ１０）
まず、図５（ａ）に示すように、矩形状の第１の基板２を用意し、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。基板２としては特に制限されず、シリコン基板等の通常の燃料電池に用いられるものを使用できる。本実施形態では、シリコン基板を用いている。
【００３３】
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内においては、吐出装置２０ａのタンク３０内に収容されているレジスト液が、ノズル形成面２６のノズルを介してテーブル２８に搭載された基板２上の所定位置に塗布され、基板２の表面にレジストパターン（図中、灰色部分）が形成される。レジストパターンは、図５（ｂ）に示すように、基板２表面の第１の反応ガスを供給するための第１のガス流路を形成する部分以外の部分に形成される。
【００３４】
所定の位置にレジストパターンが形成された基板２は、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置２０ｂに搬送され、吐出装置２０ｂのテーブル２８上に載置され、吐出装置２０ｂ内に取り込まれる。吐出装置２０ｂ内においては、タンク３０内に収容されているフッ化水素酸水溶液等のエッチング液が、ノズル形成面２６のノズルを介して基板２表面に塗布される。エッチング液により、レジストパターンが形成されている部分以外の基板２表面部がエッチングされて、図６（ａ）に示すように、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第１のガス流路３が形成される。また、図６（ｂ）に示すように、ガス流路３が形成された基板２は、図示しない洗浄装置によって表面が洗浄され、レジストパターンが除去される。次いで、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へ移され、ベルコンベアＢＣ１により吐出装置２０ｃまで搬送される。
【００３５】
（２）第１の支持部材塗布工程（Ｓ１１）
次に、第１のガス流路が形成された基板２上に、第１の集電層を支持するための第１の支持部材を第１のガス流路３内に塗布する。第１の支持部材を塗布する方法としては、スピンコート法などの公知の方法や吐出装置を用いる方法等が挙げられるが、本実施形態では吐出装置２０ｃを用いている。
【００３６】
第１の支持部材の塗布は、基板２をテーブル２８に載置して吐出装置２０ｃ内に取り込み、次いで、吐出装置２０ｃにより、タンク３０内に収容されている第１の支持部材４をノズル形成面２６のノズルを介して、基板２に形成されている第１のガス流路内に吐出することにより行われる。
【００３７】
用いる第１の支持部材としては、第１の反応ガスに対して不活性であり、第１の集電層が第１のガス流路３に落下するのを防止し、かつ、第１の反応層へ第１の反応ガスが拡散するのを妨げないものであれば特に制限されない。例えば、炭素粒子、ガラス粒子等が挙げられる。本実施形態では、直径１〜５ミクロン程度の粒子径の多孔質カーボンを使用している。所定の粒径をもつ多孔質カーボンを支持部材として使用することにより、ガス流路３を介して供給される反応ガスが多孔質カーボンの隙間から上へ拡散するため、反応ガスの流れが妨げられることがなくなる。第１の支持部材４が塗布された基板２の端面図を図７に示す。第１の支持部材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へ移され、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置２０ｄまで搬送される。
【００３８】
（３）第１の集電層形成工程（Ｓ１２）
次に、基板２上に、第１の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第１の集電層を形成する。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を形成する材料、例えば、銅等の導電性物質をノズルの形成面２６のノズルを介して基板２上に吐出して、第１の集電層が形成される。このとき、第１のガス流路に供給された第１の反応ガスの拡散を妨げることがない形状（例えば、網目状等）になるように導電性物質を吐出させるのが好ましい。
【００３９】
第１の集電層６が形成された基板２の端面図を図８に示す。図８に示すように、第１の集電層６は、基板２に形成されている第１のガス流路内の第１の支持部材４により支持され、第１のガス流路３内に落下しないようになっている。第１の集電層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へ移され、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置２０ｅまで搬送される。
【００４０】
（４）第１のガス拡散層形成工程（Ｓ１３）
次に、基板２の集電層上に第１の拡散層を形成する。先ず、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内においては、吐出装置２０ｅのタンク３０内に収容されているガス拡散層形成用材料を、ノズル形成面２６のノズルを介してテーブル２８に載置されている基板２表面の所定位置に吐出して、第１のガス拡散層が形成される。
【００４１】
用いるガス拡散層形成用材料としては、炭素微粒子が一般的であるが、カーボンナノチューブ、カーボンナノフォーン、フラーレン等も使用できる。本実施形態では、ガス拡散層を塗布装置２０ｅを用いて形成するため、例えば、集電層側には粒子径の大きい（数十μｍ）炭素微粒子とし、表面側には粒子径の小さい（数十ｎｍ）炭素微粒子とすることで、基板付近は流路幅を大きくして反応ガスの拡散抵抗をできるだけ小さくしつつ、反応層付近（ガス拡散層の表面側）においては、均一で細かい流路となっているガス拡散層を容易に形成できる。また、ガス拡散層の基板側は炭素粒子を用い、表面側は、ガス拡散能力は低いが触媒担持能力に優れる材料を用いることもできる。
【００４２】
第１のガス拡散層８が形成された基板２の端面図を図９に示す。図９に示すように、第１のガス拡散層８は、基板２に形成されている第１の集電層を覆うように基板２の全面に形成されている。第１のガス拡散層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へ移され、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置２０ｆまで搬送される。
【００４３】
（５）第１の反応層形成工程（Ｓ１４）
次に、基板２上に第１の反応層を形成する。第１の反応層は、第１の集電層とガス拡散層８を介して電気的に接続されるように形成する。まず、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内においては、吐出装置２０ｆのタンク３０内に収容されている金属微粒子と有機分散剤を含む分散液を、ノズル形成面２６のノズルを介してテーブル２８に載置されている基板２表面の所定位置に吐出して、分散液の塗膜が形成される。
【００４４】
分散液に用いる金属微粒子としては、第１の反応ガス及び第２の反応ガスの反応触媒としての機能を有するものであれば特に制限されない。例えば、白金、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、パラジウム、オスミウム及びこれらの２種以上からなる合金からなる群から選ばれる１種若しくは２種以上の金属の微粒子が挙げられ、白金が特に好ましい。金属微粒子の粒子径は制限されないが、通常１ｎｍ〜１００ｎｍ、好ましくは数ｎｍ〜数十ｎｍである。
【００４５】
有機分散剤は、金属微粒子の凝集・沈降を防止し、金属微粒子を分散液中に均一に分散させるために用いられる。用いる有機分散剤としては、分散液中に金属微粒子を均一に分散させることができ、非酸化的雰囲気下、所定温度で焼成することにより、微粒子状の炭素になるものであれば特に制限されない。例えば、アルコール類、ケトン類、エステル類、エーテル類、炭化水素類、芳香族炭化水素類等の、炭素及び水素からなる有機分散剤や炭素、水素及び酸素からなる有機分散剤が挙げられる。なかでも、金属微粒子の分散性に優れ、かつ、非酸化的雰囲気下、比較的低い温度で焼成することにより、微粒子状の炭素にすることができるアルキレングリコール系材料が好ましい。アルキレングリコール系材料の具体例としては、エチレングリコール、プロピレングリコール、１，３−プロパンジオール、１，４−ブタンジオール、ネオペンチルグリコール、１，５−ペンタンジオール、１，６−ヘキサンジオール、１，４−シクロヘキサンジメタノール、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール等が挙げられる。
【００４６】
なお、用いる分散液には、金属微粒子及び有機分散剤以外の他の溶媒を含有させてもよい。他の溶媒としては、例えば、水、メタノール、エタノール等が挙げられる。分散液中の金属微粒子及び有機分散剤の含有量は特に制限されず、形成する塗膜の厚み等に応じて適宜設定することができる。
【００４７】
次いで、分散液の塗膜が形成された基板２を、非酸化的雰囲気下、所定温度で焼成することで、金属微粒子と金属微粒子の周囲に多孔質の炭素微粒子が付着した構造の第１の反応層を形成できる。
【００４８】
ここで、「非酸化的雰囲気下、所定温度で焼成する」とは、有機分散剤が酸化（燃焼）されないで熱分解して、炭素となる条件で加熱することを意味する。いわゆる蒸し焼きである。例えば、木材を蒸し焼きにして、木炭を作るがごときである。非酸化的雰囲気下で焼成する方法としては、例えば、窒素、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガス雰囲気下で加熱する方法や、減圧下で加熱する方法が挙げられ、操作が容易であることから不活性ガス雰囲気下で加熱するのが好ましい。加熱温度は、有機分散剤が熱分解して多孔質の炭素粒子となるために必要な温度であればよい。加熱温度は、通常２００〜３００℃である。分散液の塗膜が形成された基板２を、非酸化的雰囲気下、所定温度で焼成することで、水分等の揮発成分は全て蒸散し、金属微粒子と金属微粒子の周囲に付着した多孔質の炭素微粒子のみが残存した構造の第１の反応層を容易に形成することができる。金属微粒子の周囲に存在する多孔質の炭素微粒子は、金属微粒子を担持するとともに、ガス拡散層及び集電層としての役目も果たす。
【００４９】
第１の反応層１０が形成された基板２の端面図を図１０に示す。第１の反応層は、第１の反応ガスを触媒により反応させるものである。例えば、第１の反応ガスが水素ガスの場合には、第１の反応層において、Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻の反応が進行する。
【００５０】
また、分散液の塗膜が形成された基板２を、非酸化的雰囲気下、所定温度で焼成して第１の反応層（表面部）を形成する前後の状態を図１１に示す。図１１（ａ）は焼成前における分散液の塗膜の状態を示す図であり、金属微粒子６１の周囲を有機分散剤６２が取り囲んでいる。図１１（ｂ）は焼成して得られる第１の反応層の状態を示す図であり、有機分散剤６２が熱分解して多孔質の炭素微粒子６３となり、金属微粒子６１の周囲に付着した構造となっている。第１の反応層が形成された基板２は、テーブル２８からベルトコンベアＢＣ１へ移され、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置２０ｇまで搬送される。
【００５１】
（６）電解質膜形成工程（Ｓ１５）
次に、第１の反応層１０が形成された基板２上に電解質膜を形成する。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の形成材料をノズル形成面２６のノズルを介して第１の反応層１０上に吐出して電解質膜１２が形成される。
【００５２】
用いる電解質膜の形成材料としては、例えば、ナフィオン（デュポン社の登録商標）等のパーフルオロスルホン酸を、水とメタノールの重量比が１：１の混合溶液中でミセル化して得られる高分子電解質材料や、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（例えば、２０ｃＰ以下）に調整した材料等が挙げられる。
【００５３】
電解質膜が形成された基板２の端面図を図１２に示す。図１２に示すように、第１の反応層１０上に所定の厚さを有する電解質膜１２が形成されている。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へ移され、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置２０ｈまで搬送される。
【００５４】
（７）第２の反応層形成工程（Ｓ１６）
次に、電解質膜１２が形成された基板２上に第２の反応層を形成する。まず、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、第２の反応層が形成される。第２の反応層を形成する材料としては、第１の反応層と同様のものを使用することができる。
【００５５】
電解質膜１２上に第２の反応層１０’が形成された基板２の端面図を図１３に示す。図１３に示すように、電解質膜１２上に第２の反応層１０’が形成されている。反応層１０’においては、第２の反応ガスの反応が行われる。例えば、第２の反応ガスが酸素ガスである場合には、第２の反応層において、１／２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏの反応が進行する。第２の反応層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へ移され、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置２０ｉまで搬送される。
【００５６】
（８）第２のガス拡散層形成工程（Ｓ１７）
次に、第２の反応層１０’が形成された基板２上に第２のガス拡散層を形成する。まず、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置２０ｉ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２０ｉ内に取り込む。吐出装置２０ｉにおいては、吐出装置２０ｅにおいて行われた処理と同様の処理により、第２のガス拡散層が形成される。第２の拡散層形成用材料としては、第１のガス拡散層と同様のものが使用できる。
【００５７】
第２のガス拡散層８’が形成された基板２の端面図を図１４に示す。第２のガス拡散層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へ移され、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置２０ｊまで搬送される。
【００５８】
（９）第２の集電層形成工程（Ｓ１８）
次に、第２のガス拡散層８’が形成された基板２上に第２の集電層を形成する。先ず、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、第２の集電層６’が第２のガス拡散層８’上に形成される。第２の集電層形成用材料としては、第１の集電層形成用材料と同様のものが使用できる。第２の集電層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へ移され、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置２０ｋまで搬送される。
【００５９】
（８）第２の支持部材塗布工程（Ｓ１９）
次に、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、第２の支持部材が塗布される。第２の支持部材としては、第１の支持部材と同様のものが使用できる。
【００６０】
第２の集電層６’及び第２の支持部材４’が塗布された基板２の端面図を図１５に示す。第２の支持部材４’は、第２の集電層６’上に形成され、基板２上に積層する第２の基板に形成されている第２のガス流路内に収容される位置に塗布されている。
【００６１】
（９）組立工程（Ｓ２０）
次に、第２の支持部材４’が塗布された基板２上に、第２のガス流路３’が形成された第２の基板を積層することによって燃料電池を組み立てる。基板２（第１の基板）と第２の基板との積層は、基板２上に形成された第２の支持部材４’が、第２の基板に形成された第２のガス流路３’内に収容されるように接合することにより行われる。ここで、第２の基板としては、第１の基板と同じものを使用できる。また、第２のガス流路形成は、吐出装置２０ｌ及び２０ｍにおいて、吐出装置２０ａ及び２０ｂにより行なわれる処理と同様の処理により行なわれる。
【００６２】
以上のようにして、図１６に示す構造の燃料電池を製造することができる。図１６に示す燃料電池では、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コ字状の第１のガス流路３と基板２’に形成されている第２のガス流路３’とが平行になるように基板２’が配置されている。
【００６３】
本実施形態の製造方法によれば、簡便な操作により金属微粒子の周囲に多数の炭素微粒子が存在する構造の反応層を容易に形成することができる。
本実施形態の製造方法によれば、反応層と集電層との境界付近に分散剤が残存したり、ガス拡散層の炭素微粒子が燃焼することによって、電気特性及びガス拡散特性が低下することがない。また、金属微粒子の周囲に存在する炭素微粒子はガス拡散層及び集電層の役割も果たすので、電気特性及びガス拡散効率がより高められた燃料電池を製造することができる。
【００６４】
本実施形態によれば、金属微粒子および有機分散剤を含む分散液の塗布を吐出装置を用いて行っているので、均一に触媒となる金属微粒子を塗布することができ、かつ、所定の位置に必要量の金属微粒子を正確に塗布することが可能であるため、出力密度の高い燃料電池を製造することができる。
【００６５】
また、本実施形態によれば、第１のガス流路形成工程、第１の集電層形成工程、第１の反応層形成工程、電解質膜形成工程、第２のガス流路形成工程、第２の集電層形成工程及び第２の反応層形成工程のすべての工程を吐出装置を用いて行っている。従って、半導体製造プロセスにおいて用いられるＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ）を用いることなく、低コストで燃料電池を製造することができる。
【００６６】
上述した実施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吐出装置を用いているが、燃料電池を製造する何れかの工程において吐出装置を用いて燃料電池を製造することもできる。例えば、吐出装置を用いて分散液の塗膜を形成し、次いで、得られた塗膜を非酸化的雰囲気下、所定温度で焼成して、第１及び／又は第２の反応層を形成し、その他の工程においては従来と同様の工程により燃料電池を製造するようにしてもよい。この場合であっても、ＭＥＭＳを用いることなく反応層を形成できるため、燃料電池の製造コストを低く抑えることができる。
【００６７】
上述の実施形態の製造方法においては、基板上にレジストパターンを形成し、フッ化水素酸水溶液を塗布してエッチングを行ことによりガス流路を形成しているが、レジストパターンを形成することなくガス流路を形成することもできる。また、フッ素ガス雰囲気中に基板を載置し、基板上の所定の位置に水を吐出することによりガス流路を形成するようにしてもよい。
【００６８】
上述の実施形態の製造方法においては、第１の反応ガスが供給される第１の基板側から燃料電池の構成部分を形成し、最後に第２の基板を積層することで燃料電池の製造を行っているが、第２の反応ガスが供給される側の基板から燃料電池の製造を開始するようにしてもよい。
【００６９】
上述の実施形態の製造方法においては、第２の支持部材を第１の基板に形成されている第１のガス流路に沿って塗布しているが、第１のガス流路と交差するような方向に塗布してもよい。即ち、第２の支持部材を、例えば、第１の基板に形成されているガス流路と直角に交差するように、例えば、図６（ｂ）において図中右側面から左側面へと延びる方向に塗布するようにしてもよい。この場合には、第２の基板に形成されている第２のガス流路と、第１の基板に形成されている第１のガス流路とが、直角に交差するように第２の基板が配置された構造の燃料電池が得られる。
【００７０】
上述の実施形態の製造方法においては、第１のガス流路が形成された第１の基板上に、第１の集電層、第１の反応層、電解質膜、第２の反応層及び第２の集電層を順次形成しているが、第１の基板と第２の基板のそれぞれに集電層、反応層及び電解質膜を形成し、最後に第１の基板と第２の基板とを接合することにより、燃料電池を製造することもできる。
【００７１】
また、本実施形態においては、第１の基板に処理を施す第１製造ラインと第２の基板に処理を施す第２製造ラインとを設け、それぞれの製造ラインにおける処理を平行して行う製造ラインとしているので、第１の基板への処理と第２の基板への処理を平行して行うことができ、迅速に燃料電池を製造することができる。
【００７２】
本発明の電子機器は、上述し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。電子機器としては、携帯電話機、モバイル、ＰＨＳ、ノート型パソコン、ＰＤＡ（携帯情報端末）、携帯テレビ電話機などが挙げられる。また、本発明の電子機器は、例えば、ゲーム機能、データ通信機能、録音再生機能、辞書機能などの他の機能を有していてもよい。
本発明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。
【００７３】
本発明の自動車は、上述し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。本発明の製造方法によれば、複数の燃料電池を積層することによって大型の燃料電池を製造することもできる。すなわち、図１７に示すように、製造した燃料電池の基板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、電解質膜などを形成して燃料電池を積層することによって大型の燃料電池を製造することができる。
本発明の自動車によれば、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。
【００７４】
【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全体外観図である。
【図３】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４】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５】実施の形態に係るガス流路を形成する処理を説明する図である。
【図６】実施の形態に係るガス流路を形成する処理を説明する図である。
【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】実施の形態に係る燃料電池の製造過程の基板の端面図である。
【図１０】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１１】分散液の塗膜を形成し、反応層を形成する前後の状態図である。
【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を積層した大型燃料電池の図である。
【符号の説明】
１・・・ヘッドユニット、２…第１の基板、２’…第２の基板、３…第１のガス流路、３’…第２のガス流路、４…第１の支持部材、４’…第２の支持部材、６…第１の集電層、６’…第２の集電層、８…第１のガス拡散層、８’…第２のガス拡散層、１０…第１の反応層、１０’…第２の反応層、１２…電解質膜、２０ａ〜２０ｍ…吐出装置、３１…液滴吐出ヘッド、５６…制御装置、５８…駆動装置、６０…組立装置、６１…金属微粒子、６２…有機分散剤、６３…炭素微粒子、ＢＣ１,ＢＣ２…ベルトコンベア[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a fuel cell in which different types of reaction gases are supplied from the outside to each electrode, and power is generated by a reaction based on the supplied reaction gas, and an electronic device including the fuel cell manufactured by the manufacturing method And related to automobiles.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, an electrolyte membrane and an electrode (anode) having a reaction layer disposed on one surface of the electrolyte membrane, and an electrode (cathode) disposed on the other surface of the electrolyte membrane and having a reaction layer made of platinum fine particles, etc. There is a fuel cell. For example, in a solid polymer electrolyte fuel cell in which the electrolyte membrane is a solid polymer electrolyte membrane, a reaction to convert hydrogen into hydrogen ions and electrons is performed on the anode side, the electrons flow to the cathode side, and the hydrogen ions to the cathode side. The reaction moves through the electrolyte membrane and generates water from oxygen gas, hydrogen ions and electrons on the cathode side.
[0003]
As a method for forming a reaction layer that catalyzes such a reaction, for example, (a) a paste for forming an electrode catalyst layer prepared by mixing a catalyst-supporting carbon in a polymer electrolyte solution and an organic solvent is used as a transfer substrate (polyester). A method of transferring a catalyst layer (reaction layer) to an electrolyte membrane by applying it to a tetrafluoroethylene sheet), drying it, thermocompression bonding it to the electrolyte membrane, and then peeling the transfer substrate (Patent Document 1), ( b) A method is known in which an electrolyte solution of carbon particles carrying a solid catalyst is applied on a carbon layer used as an electrode by spraying, and then the solvent is volatilized (Patent Document 2).
[0004]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 8-88008
[Patent Document 2]
JP 2002-298860 A
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in order to increase the output density of the fuel cell and to efficiently manufacture a fuel cell with good characteristics, it is necessary to efficiently form a reaction layer with good reaction efficiency. However, in the method (a), since a reaction layer is formed on a transfer substrate and then transferred onto an electrolyte membrane, the number of steps is complicated and complicated. In addition, the thickness of the electrolyte covering the catalyst is not uniform, and there are many wasteful electrolyte portions, and this wasteful electrolyte membrane portion may block the gas flow path and deteriorate gas diffusion. In the method (b), it is difficult to apply the catalyst uniformly or to apply a predetermined amount of the catalyst accurately at a predetermined position. There has been a problem that the production cost is increased due to a decrease in the amount used or an increase in the use amount of an expensive catalyst such as platinum.
[0006]
The present invention has been made to solve such problems of the prior art, and can be manufactured at a low cost, and a method for manufacturing a fuel cell having a reaction layer having high catalytic activity, and the manufacturing method. It is an object of the present invention to provide an electronic device and a vehicle including the manufactured fuel cell.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have applied a metal fine particle for forming a reaction layer by using an ink jet discharge device (hereinafter referred to as a discharge device) to form a reaction layer. Inspired. When this method is adopted, a dispersion in which metal fine particles are coated with a dispersant is used to prevent aggregation and settling of the metal fine particles. After the dispersion is applied, it is necessary to remove the dispersant by a method such as baking. There is. In addition, before applying the dispersion, it is necessary to apply porous carbon fine particles to be a gas diffusion layer in advance. Therefore, conventionally, a dispersing agent such as tetradecane or terpineol, which has been easily removed, has been used because the dispersion solvent must be removed under the condition that the carbon fine particles of the gas diffusion layer do not burn. However, tetradecane and terpineol are relatively expensive and are not industrially versatile dispersants. In addition, in the vicinity of the boundary between the gas diffusion layer and the reaction layer, the dispersant may remain, or the carbon fine particles in the current collecting layer may partially burn, which may deteriorate the electric characteristics and gas diffusion efficiency of the fuel cell. .
[0008]
Therefore, a dispersion containing metal fine particles and an organic dispersant is applied using a discharge device, and a method for firing (so-called steaming) the obtained coating film at a predetermined temperature in a nitrogen atmosphere has been devised. The inventors have found that a reaction layer having a structure in which a large number of carbon fine particles are present around can be easily formed, and have completed the present invention.
[0009]
Thus, according to the first aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a fuel cell in which a first current collecting layer, a first reaction layer, an electrolyte membrane, a second reaction layer, and a second current collecting layer are formed. Applying a dispersion liquid containing metal fine particles for forming a reaction layer and an organic dispersing agent on the first current collecting layer to form a coating film, and firing the coating film in a non-oxidizing atmosphere. The manufacturing method of the fuel cell which has a process to perform is provided.
[0010]
The manufacturing method of the present invention includes a first gas flow path forming step for forming a first gas flow path for supplying a first reaction gas to a first substrate, and the first gas flow path. A first current collecting layer forming step of forming a first current collecting layer for collecting electrons generated by the reaction of the first reaction gas supplied via the first reactive gas, and supplying the first current collecting layer through the first gas flow path. A first reaction layer forming step for forming a first reaction layer for reacting the first reaction gas formed with a catalyst, an electrolyte film forming step for forming an electrolyte membrane, and a second reaction on the second substrate. Necessary for the reaction of the second gas flow path forming step for forming the second gas flow path for supplying the gas and the second reaction gas supplied through the second gas flow path. A second current collecting layer forming step of forming a second current collecting layer for supplying electrons, and the second current flowing through the second gas flow path. And a second reaction layer forming step for forming a second reaction layer for reacting two reaction gases with a catalyst, wherein the first reaction layer forming step and the second reaction layer are provided. At least one of the forming steps preferably includes a step of forming a coating film with a dispersion liquid containing metal fine particles for forming a reaction layer and an organic dispersant, and baking the coating film in a non-oxidizing atmosphere.
[0011]
In the manufacturing method of this invention, it is preferable to form the coating film of the said dispersion liquid using a discharge device.
In the production method of the present invention, an alkylene glycol-based material is preferably used as the organic dispersant.
In the production method of the present invention, the metal fine particles may be one or more metals selected from the group consisting of platinum, rhodium, ruthenium, iridium, palladium, osmium, and alloys of two or more thereof. It is preferable to use fine particles.
[0012]
According to a second aspect of the present invention, there is provided an electronic apparatus comprising a fuel cell manufactured by the manufacturing method of the present invention as a power supply source.
According to a third aspect of the present invention, there is provided an automobile comprising a fuel cell manufactured by the manufacturing method of the present invention as a power supply source.
[0013]
According to the production method of the present invention, a reaction layer having a structure in which a large number of carbon fine particles exist around metal fine particles can be easily formed by a simple operation.
According to the production method of the present invention, the dispersant remains in the vicinity of the boundary between the reaction layer and the current collection layer, or the carbon fine particles in the gas diffusion layer are burned, so that the electric characteristics and gas diffusion characteristics of the fuel cell are deteriorated. Nothing will happen. In addition, since the carbon fine particles present around the metal fine particles also serve as a gas diffusion layer and a current collecting layer, it is possible to manufacture a fuel cell with improved electrical characteristics and gas diffusion efficiency.
[0014]
In the production method of the present invention, when the dispersion liquid containing the metal fine particles and the organic dispersant is applied using a discharge device, the metal fine particles that are the reaction catalyst can be efficiently and uniformly applied, and Since a required amount of catalyst can be accurately applied to a predetermined position, a fuel cell with a high output density can be manufactured efficiently.
[0015]
An electronic apparatus according to the present invention includes a fuel cell manufactured by the manufacturing method of the present invention as a power supply source. According to the electronic device of the present invention, it is possible to provide clean energy appropriately taking into account the global environment as a power supply source.
In addition, the automobile according to the present invention includes a fuel cell manufactured by the manufacturing method of the present invention as a power supply source. According to the automobile of the present invention, clean energy that appropriately considers the global environment can be provided as a power supply source.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a method for manufacturing a fuel cell according to the present invention, and an electronic apparatus and a vehicle including the fuel cell manufactured by the method according to the present invention as a power supply source will be described in detail.
[0017]
The present invention includes a first gas flow path forming step for forming a first gas flow path on a first substrate, a first current collecting layer forming step for forming a first current collecting layer, A first reaction layer forming step for forming a first reaction layer for catalyzing a reaction of the reaction gas; an electrolyte film forming step for forming an electrolyte membrane; and a second gas flow path for forming a second gas flow path on the second substrate. And a second reaction layer forming step for forming a second reaction layer, and a second reaction layer forming step for forming a second reaction layer. It is a manufacturing method.
[0018]
The fuel cell manufacturing method of the present invention can be carried out using the fuel cell manufacturing apparatus (fuel cell manufacturing line) shown in FIG. In the fuel cell production line shown in FIG. 1, the discharge devices 20a to 20m, the belt conveyor BC1 connecting the discharge devices 20a to 20k, the belt conveyor BC2 connecting the discharge devices 20l and 20m, and the belt conveyor BC1 respectively used in each process. , A driving device 58 for driving BC2, an assembling device 60 for assembling the fuel cell, and a control device 56 for controlling the entire fuel cell production line.
[0019]
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 the discharge devices 20a to 20k, the drive device 58, and the assembly device 60.
[0020]
In this fuel cell production line, the belt conveyor BC1 driven by the drive device 58 is driven, and a substrate of the fuel cell (hereinafter simply referred to as “substrate”) is conveyed to each of the discharge devices 20a to 20k. Processing in 20a to 20k is performed. 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. In the assembling apparatus 60, the assembly operation of the fuel cell is performed using the substrates conveyed by the belt conveyors BC1 and BC2 based on the control signal from the control apparatus 56.
[0021]
The discharge devices 20a to 20m are not particularly limited as long as they are inkjet discharge devices. For example, a thermal-type discharge device that generates bubbles by heating and foaming and discharges droplets, a piezo-type discharge device that discharges droplets by compression using a piezo element, and the like can be given.
[0022]
An outline of the ejection device 20a used in the present embodiment is shown in FIGS. FIG. 2 is an external view of the discharge device 20a. The discharge device 20 a has a transparent safety cover 202 on the gantry 201, incorporates an air curtain supply device or the like into the gantry 201, and is placed on the machine base 204 in the safety cover 202. It is configured to accommodate.
The main component device 205 mounts the head unit 1 and moves the unit in the X, Y, and θ directions in the horizontal plane, and the position correction of each droplet discharge head 31 temporarily mounted on the carriage 231. The head correction device 212 for performing the above operation, the temporary fixing device 213 for bonding the droplet discharge heads 31 to the carriage 231, and the carriage 231 and the droplet discharge heads 31 are recognized before the position correction of the droplet discharge heads 31. The recognizing device 214 includes a unit moving device 211, a head correcting device 212, a temporary fixing device 213, and a control device (not shown) for overall control of the recognizing device 214.
[0023]
FIG. 3 shows a conceptual representation of the discharge device 20a shown in FIG.
The discharge device 20a has a tank 30 for storing a discharge 34, an inkjet head 22 connected to the tank 30 via a discharge transfer pipe 32, a table 28 for loading and transferring the discharge target, and a stay in the inkjet head 22. The suction cap 40 is configured to suck the excessive discharge 34 to be removed and remove the excessive discharge from the ink jet head 22, and the waste liquid tank 48 that stores the excessive discharge sucked by the suction cap 40. .
[0024]
The tank 30 contains a discharge 34 such as a resist solution, and includes a liquid level control sensor 36 for controlling the height of the liquid level 34 a of the discharge stored in the tank 30. The liquid level control sensor 36 keeps a height difference h (hereinafter referred to as a 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. For example, by controlling the height of the liquid level 34a so that the water head value is within 25 m ± 0.5 mm, the discharge 34 in the tank 30 can be sent to the inkjet head 22 with a pressure within a predetermined range. it can. By sending the ejected material 34 at a pressure within a predetermined range, a necessary amount of ejected material 34 can be stably ejected from the inkjet head 22.
[0025]
The discharge material transport pipe 32 includes a discharge material flow channel portion ground joint 32a and a head portion bubble elimination valve 32b for preventing charging in the flow channel of the discharge material transport tube 32. The head part bubble elimination valve 32b is used when suctioning the discharged material in the inkjet head 22 by the suction cap 40 described later.
[0026]
The ink jet head 22 includes a head body 24 and a nozzle forming surface 26 on which a large number of nozzles for discharging a discharge material are formed. A gas flow path for supplying a discharge material, for example, a reactive gas, from the nozzles on the nozzle formation surface 26. A resist solution or the like applied to the substrate when the film is formed on the substrate is discharged.
The table 28 is installed to be movable in a predetermined direction. The table 28 moves in the direction indicated by the arrow in the figure to place the substrate conveyed by the belt conveyor BC1 and take it into the discharge device 20a.
[0027]
The suction cap 40 is movable in the direction of the arrow shown in FIG. 3, is in close contact with the nozzle formation surface 26 so as to surround a plurality of nozzles formed on the nozzle formation surface 26, and between the nozzle formation surface 26. A sealed space is formed so that the nozzle can be blocked from outside air. That is, when sucking the discharged matter in the inkjet head 22 by the suction cap 40, the head portion bubble elimination valve 32b is closed so that the discharged matter does not flow from the tank 30 side, and sucked by the suction cap 40. As a result, the flow rate of the sucked discharge can be increased, and the bubbles in the inkjet head 22 can be quickly discharged.
[0028]
A flow path is provided below the suction cap 40, and a suction valve 42 is disposed in the flow path. The suction valve 42 plays a role of closing the flow path for the purpose of shortening the time required to achieve a pressure balance (atmospheric pressure) between the suction side below the suction valve 42 and the upper inkjet head 22 side. In this flow path, a suction pressure detection sensor 44 for detecting a suction abnormality and a suction pump 46 such as a tube pump are arranged.
The discharged material 34 sucked and conveyed by the suction pump 46 is temporarily stored in the waste liquid tank 48.
[0029]
In the present embodiment, the ejection devices 20b to 20m have the same configuration as that of the ejection device 20a except that the type of the ejected material 34 is different. Therefore, in the following, the same reference numerals are used for the same configuration of each discharge device.
[0030]
Next, each process of manufacturing a fuel cell will be described using the fuel cell manufacturing line shown in FIG. FIG. 4 shows a flowchart of a fuel cell manufacturing method using the fuel cell manufacturing line shown in FIG.
[0031]
As shown in FIG. 4, the fuel cell according to the present embodiment includes a step of forming a gas flow path on the first substrate (S10, first gas flow path forming step), and a first support in the gas flow path. A step of applying a member (S11, first support member applying step), a step of forming a first current collecting layer (S12, first current collecting layer forming step), a step of forming a first gas diffusion layer (S13, first gas diffusion layer formation step), first reaction layer formation step (S14, first reaction layer formation step), electrolyte membrane formation step (S15, electrolyte membrane formation step), second A step of forming a reaction layer (S16, second reaction layer formation step), a step of forming a second gas diffusion layer (S17, second gas diffusion layer formation step), and forming a second current collecting layer Step (S18, second current collecting layer forming step), step of applying the second support member (S19, second support member) Cloth step), laminating a second substrate to the second gas channel is formed (S20, manufactured by assembly process).
[0032]
(1) First gas flow path forming step (S10)
First, as shown to Fig.5 (a), the rectangular 1st board | substrate 2 is prepared and the board | substrate 2 is conveyed to the discharge apparatus 20a by belt conveyor BC1. The substrate 2 is not particularly limited, and a substrate used for a normal fuel cell such as a silicon substrate can be used. In this embodiment, a silicon substrate is used.
[0033]
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 20a, the resist solution accommodated in the tank 30 of the discharge device 20a is applied to a predetermined position on the substrate 2 mounted on the table 28 through the nozzles of the nozzle forming surface 26, and the substrate 2 A resist pattern (gray portion in the figure) is formed on the surface of the film. As shown in FIG. 5B, the resist pattern is formed on a portion other than the portion for forming the first gas flow path for supplying the first reaction gas on the surface of the substrate 2.
[0034]
The substrate 2 on which the resist pattern is formed at a predetermined position is transported to the discharge device 20b by the belt conveyor BC1, placed on the table 28 of the discharge device 20b, and taken into the discharge device 20b. In the discharge device 20 b, an etching solution such as a hydrofluoric acid aqueous solution accommodated in the tank 30 is applied to the surface of the substrate 2 through the nozzle of the nozzle forming surface 26. The surface portion of the substrate 2 other than the portion where the resist pattern is formed is etched by the etching solution, and as shown in FIG. 6A, the cross-sectional shape of the U-shape is extended from one side surface of the substrate 2 to the other side surface. A first gas flow path 3 is formed. Further, as shown in FIG. 6B, the surface of the substrate 2 on which the gas flow path 3 is formed is cleaned by a cleaning device (not shown), and the resist pattern is removed. Subsequently, the board | substrate 2 in which the gas flow path was formed is moved to the belt conveyor BC1 from the table 28, and is conveyed by the bell conveyor BC1 to the discharge apparatus 20c.
[0035]
(2) First support member application step (S11)
Next, a first support member for supporting the first current collecting layer is applied to the first gas flow path 3 on the substrate 2 on which the first gas flow path is formed. Examples of the method for applying the first support member include a known method such as a spin coating method, a method using a discharge device, and the like. In this embodiment, the discharge device 20c is used.
[0036]
The first support member is applied by placing the substrate 2 on the table 28 and taking it into the discharge device 20c, and then forming the nozzles in the first support member 4 accommodated in the tank 30 by the discharge device 20c. This is performed by discharging into the first gas flow path formed in the substrate 2 through the nozzle of the surface 26.
[0037]
The first support member to be used is inert to the first reaction gas, prevents the first current collecting layer from falling into the first gas flow path 3, and the first reaction. There is no particular limitation as long as it does not prevent the first reaction gas from diffusing into the layer. Examples thereof include carbon particles and glass particles. In this embodiment, porous carbon having a particle diameter of about 1 to 5 microns is used. By using porous carbon having a predetermined particle size as a support member, the reaction gas supplied through the gas flow path 3 diffuses upward from the gaps in the porous carbon, so that the flow of the reaction gas is hindered. Nothing will happen. FIG. 7 shows an end view of the substrate 2 to which the first support member 4 has been applied. The board | substrate 2 with which the 1st supporting member 4 was apply | coated is moved to the belt conveyor BC1 from the table 28, and is conveyed to the discharge apparatus 20d by belt conveyor BC1.
[0038]
(3) First current collecting layer forming step (S12)
Next, a first current collecting layer for collecting electrons generated by the reaction of the first reactive gas is formed on the substrate 2. 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 accommodated in the tank 30, for example, a conductive substance such as copper, is discharged onto the substrate 2 through the nozzles of the nozzle formation surface 26, and the first 1 current collecting layer is formed. At this time, it is preferable to discharge the conductive substance so as to have a shape (for example, a mesh shape or the like) that does not hinder diffusion of the first reaction gas supplied to the first gas flow path.
[0039]
An end view of the substrate 2 on which the first current collecting layer 6 is formed is shown in FIG. As shown in FIG. 8, the first current collecting layer 6 is supported by the first support member 4 in the first gas flow path formed on the substrate 2, and is in the first gas flow path 3. It is designed not to fall. The board | substrate 2 with which the 1st 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.
[0040]
(4) First gas diffusion layer forming step (S13)
Next, a first diffusion layer is formed on the current collecting layer of the substrate 2. 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, the gas diffusion layer forming material accommodated in the tank 30 of the discharge device 20e is placed at a predetermined position on the surface of the substrate 2 placed on the table 28 through the nozzles of the nozzle formation surface 26. To form a first gas diffusion layer.
[0041]
As the gas diffusion layer forming material to be used, carbon fine particles are generally used, but carbon nanotubes, carbon nanophones, fullerenes and the like can also be used. In this embodiment, since the gas diffusion layer is formed using the coating apparatus 20e, for example, carbon particles having a large particle diameter (several tens of μm) are formed on the current collecting layer side, and small particle diameters (several) on the surface side. (10 nm) By using carbon fine particles, the flow path width is increased in the vicinity of the substrate to minimize the diffusion resistance of the reaction gas as much as possible, while the uniform and fine flow path in the vicinity of the reaction layer (on the surface side of the gas diffusion layer). The gas diffusion layer can be easily formed. Further, carbon particles can be used on the substrate side of the gas diffusion layer, and a material having a low gas diffusion ability but excellent catalyst carrying ability can be used on the surface side.
[0042]
FIG. 9 shows an end view of the substrate 2 on which the first gas diffusion layer 8 is formed. As shown in FIG. 9, the first gas diffusion layer 8 is formed on the entire surface of the substrate 2 so as to cover the first current collecting layer formed on the substrate 2. The substrate 2 on which the first gas diffusion layer 8 is formed is transferred from the table 28 to the belt conveyor BC1 and conveyed to the discharge device 20f by the belt conveyor BC1.
[0043]
(5) First reaction layer forming step (S14)
Next, a first reaction layer is formed on the substrate 2. The first reaction layer is formed so as to be electrically connected to the first current collecting layer via the gas diffusion layer 8. First, the substrate 2 transported to the discharge device 20f by the belt conveyor BC1 is placed on the table 28 and taken into the discharge device 20f. In the discharge device 20f, the substrate 2 on which the dispersion liquid containing the metal fine particles and the organic dispersant accommodated in the tank 30 of the discharge device 20f is placed on the table 28 through the nozzles of the nozzle forming surface 26. By discharging to a predetermined position on the surface, a coating film of the dispersion liquid is formed.
[0044]
The metal fine particles used in the dispersion are not particularly limited as long as they have a function as a reaction catalyst for the first reaction gas and the second reaction gas. Examples thereof include fine particles of one or more metals selected from the group consisting of platinum, rhodium, ruthenium, iridium, palladium, osmium, and an alloy composed of two or more of these, and platinum is particularly preferred. The particle diameter of the metal fine particles is not limited, but is usually 1 nm to 100 nm, preferably several nm to several tens of nm.
[0045]
The organic dispersant is used for preventing aggregation and settling of the metal fine particles and uniformly dispersing the metal fine particles in the dispersion. The organic dispersant to be used is not particularly limited as long as it can uniformly disperse the metal fine particles in the dispersion liquid, and becomes fine carbon particles by firing at a predetermined temperature in a non-oxidizing atmosphere. Examples thereof include organic dispersants composed of carbon and hydrogen and organic dispersants composed of carbon, hydrogen and oxygen, such as alcohols, ketones, esters, ethers, hydrocarbons, and aromatic hydrocarbons. Among these, an alkylene glycol-based material that is excellent in dispersibility of metal fine particles and can be converted into fine particle carbon by firing at a relatively low temperature in a non-oxidizing atmosphere is preferable. Specific examples of the alkylene glycol material include ethylene glycol, propylene glycol, 1,3-propanediol, 1,4-butanediol, neopentyl glycol, 1,5-pentanediol, 1,6-hexanediol, 1, 4-cyclohexanedimethanol, polyethylene glycol, polypropylene glycol and the like can be mentioned.
[0046]
In addition, you may make the dispersion liquid to be used contain other solvents other than a metal microparticle and an organic dispersing agent. Examples of other solvents include water, methanol, ethanol and the like. The content of the metal fine particles and the organic dispersant in the dispersion is not particularly limited, and can be appropriately set according to the thickness of the coating film to be formed.
[0047]
Next, the substrate 2 on which the coating film of the dispersion liquid is formed is fired at a predetermined temperature in a non-oxidizing atmosphere, whereby the first structure having a structure in which porous fine carbon particles are attached around the fine metal particles and the fine metal particles. A reaction layer can be formed.
[0048]
Here, “calcining at a predetermined temperature in a non-oxidizing atmosphere” means that the organic dispersant is thermally decomposed without being oxidized (burned) and heated to carbon. It is so-called steamed baked. For example, steaming wood to make charcoal. Examples of the method of firing in a non-oxidizing atmosphere include a method of heating in an inert gas atmosphere such as nitrogen, argon, and helium, and a method of heating under reduced pressure. Heating in an active gas atmosphere is preferred. The heating temperature may be any temperature necessary for the organic dispersant to be thermally decomposed into porous carbon particles. The heating temperature is usually 200 to 300 ° C. The substrate 2 on which the coating film of the dispersion is formed is baked at a predetermined temperature in a non-oxidizing atmosphere, so that all volatile components such as moisture are evaporated, and the porous fine particles adhered around the metal fine particles and the metal fine particles. A first reaction layer having a structure in which only carbon fine particles remain can be easily formed. The porous carbon fine particles present around the metal fine particles carry the metal fine particles and also serve as a gas diffusion layer and a current collecting layer.
[0049]
An end view of the substrate 2 on which the first reaction layer 10 is formed is shown in FIG. The first reaction layer reacts the first reaction gas with a catalyst. For example, when the first reaction gas is hydrogen gas, in the first reaction layer, H ₂ → 2H ⁺ + 2e ⁻ The reaction proceeds.
[0050]
Moreover, the state before and behind forming the 1st reaction layer (surface part) by baking the board | substrate 2 with which the coating film of the dispersion liquid was formed in the non-oxidizing atmosphere at predetermined temperature is shown in FIG. FIG. 11A is a diagram showing the state of the coating film of the dispersion before firing, and the organic dispersant 62 surrounds the metal fine particles 61. FIG. 11B is a diagram showing a state of the first reaction layer obtained by firing, and the structure in which the organic dispersant 62 is thermally decomposed to become porous carbon fine particles 63 and adhered around the metal fine particles 61. It has become. The substrate 2 on which the first reaction layer is formed is transferred from the table 28 to the belt conveyor BC1, and is conveyed to the discharge device 20g by the belt conveyor BC1.
[0051]
(6) Electrolyte film formation process (S15)
Next, an electrolyte membrane is formed on the substrate 2 on which the first reaction layer 10 is formed. First, the substrate 2 transported 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 20 g, the electrolyte membrane 12 is formed by discharging the electrolyte membrane forming material accommodated in the tank 30 onto the first reaction layer 10 through the nozzles of the nozzle formation surface 26.
[0052]
As a material for forming the electrolyte membrane to be used, for example, a polymer electrolyte obtained by micellization of perfluorosulfonic acid such as Nafion (registered trademark of DuPont) in a mixed solution of water and methanol at a weight ratio of 1: 1. Examples thereof include materials and materials prepared by adjusting a ceramic solid electrolyte such as tungstophosphoric acid and molybdophosphoric acid to a predetermined viscosity (for example, 20 cP or less).
[0053]
FIG. 12 shows an end view of the substrate 2 on which the electrolyte membrane is formed. As shown in FIG. 12, an electrolyte membrane 12 having a predetermined thickness is formed on the first 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.
[0054]
(7) Second reaction layer forming step (S16)
Next, a second reaction layer is formed on the substrate 2 on which the electrolyte membrane 12 is formed. First, the substrate 2 conveyed 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, the second reaction layer is formed by a process similar to the process performed in the discharge device 20f. As a material for forming the second reaction layer, the same material as the first reaction layer can be used.
[0055]
FIG. 13 shows an end view of the substrate 2 on which the second reaction layer 10 ′ is formed on the electrolyte membrane 12. As shown in FIG. 13, a second reaction layer 10 ′ is formed on the electrolyte membrane 12. In the reaction layer 10 ′, the reaction of the second reaction gas is performed. For example, when the second reaction gas is oxygen gas, in the second reaction layer, 1/2 O ₂ + 2H ⁺ + 2e ⁻ → H ₂ The reaction of O proceeds. The substrate 2 on which the second reaction layer 10 ′ is formed is transferred from the table 28 to the belt conveyor BC1, and is conveyed to the discharge device 20i by the belt conveyor BC1.
[0056]
(8) Second gas diffusion layer forming step (S17)
Next, a second gas diffusion layer is formed on the substrate 2 on which the second reaction layer 10 ′ is formed. First, the substrate 2 conveyed to the discharge device 20i by the belt conveyor BC1 is placed on the table 28 and taken into the discharge device 20i. In the discharge device 20i, the second gas diffusion layer is formed by a process similar to the process performed in the discharge device 20e. As the second diffusion layer forming material, the same material as the first gas diffusion layer can be used.
[0057]
An end view of the substrate 2 on which the second gas diffusion layer 8 ′ is formed is shown in FIG. The substrate 2 on which the second gas diffusion layer 8 ′ is formed is transferred from the table 28 to the belt conveyor BC1, and is conveyed to the discharge device 20j by the belt conveyor BC1.
[0058]
(9) Second current collecting layer forming step (S18)
Next, a second current collecting layer is formed on the substrate 2 on which the second gas diffusion layer 8 ′ is formed. First, the substrate 2 transported to the ejection device 20j by the belt conveyor BC1 is placed on the table 28 and taken into the ejection device 20j, and the second collection is performed by the same processing as that performed in the ejection device 20d. An electric layer 6 'is formed on the second gas diffusion layer 8'. As the second current collecting layer forming material, the same material as the first current collecting layer forming material can be used. The substrate 2 on which the second current collecting layer 6 ′ is formed is transferred from the table 28 to the belt conveyor BC1, and is conveyed to the discharge device 20k by the belt conveyor BC1.
[0059]
(8) Second support member application step (S19)
Next, 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 second processing is performed by the same processing as that performed in the discharge device 20c. A support member is applied. As the second support member, the same one as the first support member can be used.
[0060]
FIG. 15 shows an end view of the substrate 2 on which the second current collecting layer 6 ′ and the second support member 4 ′ are applied. The second support member 4 ′ is formed on the second current collecting layer 6 ′ and is in a position to be accommodated in the second gas flow path formed on the second substrate stacked on the substrate 2. It has been applied.
[0061]
(9) Assembly process (S20)
Next, the fuel cell is assembled by laminating the second substrate on which the second gas flow path 3 ′ is formed on the substrate 2 to which the second support member 4 ′ is applied. In the lamination of the substrate 2 (first substrate) and the second substrate, the second support member 4 ′ formed on the substrate 2 is replaced with the second gas flow path 3 ′ formed on the second substrate. It is performed by joining so that it may be accommodated in the inside. Here, the same substrate as the first substrate can be used as the second substrate. In addition, the second gas flow path is formed in the discharge devices 20l and 20m by a process similar to the process performed by the discharge devices 20a and 20b.
[0062]
As described above, the fuel cell having the structure shown in FIG. 16 can be manufactured. In the fuel cell shown in FIG. 16, the U-shaped first gas flow path 3 extending from one side surface formed on the substrate 2 to the other side surface and the second gas flow formed on the substrate 2 ′. The substrate 2 ′ is arranged so as to be parallel to the path 3 ′.
[0063]
According to the manufacturing method of the present embodiment, a reaction layer having a structure in which a large number of carbon fine particles exist around metal fine particles can be easily formed by a simple operation.
According to the manufacturing method of the present embodiment, the electrical properties and the gas diffusion characteristics are deteriorated due to the dispersant remaining near the boundary between the reaction layer and the current collection layer, or the carbon fine particles in the gas diffusion layer burning. There is no. In addition, since the carbon fine particles present around the metal fine particles also serve as a gas diffusion layer and a current collecting layer, it is possible to manufacture a fuel cell with improved electrical characteristics and gas diffusion efficiency.
[0064]
According to the present embodiment, since the dispersion liquid containing the metal fine particles and the organic dispersant is applied using the discharge device, the metal fine particles serving as the catalyst can be uniformly applied, and at a predetermined position. Since it is possible to accurately apply the required amount of metal fine particles, a fuel cell with a high output density can be manufactured.
[0065]
Further, according to the present embodiment, the first gas flow path forming step, the first current collecting layer forming step, the first reaction layer forming step, the electrolyte membrane forming step, the second gas flow path forming step, the first All of the current collecting layer forming step 2 and the second reaction layer forming step are performed using a discharge device. Therefore, a fuel cell can be manufactured at low cost without using a MEMS (Micro Electro Mechanical System) used in the semiconductor manufacturing process.
[0066]
In the fuel cell manufacturing method according to the above-described embodiment, the discharge device is used in all the steps. However, the fuel cell can also be manufactured using the discharge device in any step of manufacturing the fuel cell. For example, a coating film of the dispersion liquid is formed using a discharge device, and then the obtained coating film is baked at a predetermined temperature in a non-oxidizing atmosphere to form the first and / or second reaction layers. In other processes, the fuel cell may be manufactured by a process similar to the conventional process. Even in this case, since the reaction layer can be formed without using MEMS, the manufacturing cost of the fuel cell can be kept low.
[0067]
In the manufacturing method of the above-described embodiment, a gas flow path is formed by forming a resist pattern on a substrate, applying a hydrofluoric acid aqueous solution and performing etching, but without forming a resist pattern. A gas flow path can also be formed. Alternatively, the gas flow path may be formed by placing the substrate in a fluorine gas atmosphere and discharging water to a predetermined position on the substrate.
[0068]
In the manufacturing method of the above-described embodiment, the fuel cell is manufactured by forming the constituent parts of the fuel cell from the side of the first substrate to which the first reaction gas is supplied and finally stacking the second substrate. However, the production of the fuel cell may be started from the substrate on the side to which the second reaction gas is supplied.
[0069]
In the manufacturing method of the above-described embodiment, the second support member is applied along the first gas flow path formed on the first substrate, but intersects the first gas flow path. It may be applied in any direction. That is, for example, the direction extending from the right side surface to the left side surface in FIG. 6B so that the second support member intersects the gas flow path formed in the first substrate at a right angle, for example. You may make it apply | coat to. In this case, the second substrate so that the second gas channel formed in the second substrate and the first gas channel formed in the first substrate intersect at right angles. A fuel cell having a structure in which is disposed is obtained.
[0070]
In the manufacturing method of the above-described embodiment, the first current collecting layer, the first reaction layer, the electrolyte membrane, the second reaction layer, and the first reaction layer are formed on the first substrate on which the first gas flow path is formed. The two current collecting layers are sequentially formed. The current collecting layer, the reaction layer, and the electrolyte film are formed on each of the first substrate and the second substrate, and finally the first substrate and the second substrate are formed. By joining the fuel cells, a fuel cell can be manufactured.
[0071]
Moreover, in this embodiment, the 1st manufacturing line which processes a 1st board | substrate, and the 2nd manufacturing line which processes a 2nd board | substrate are provided, and the manufacturing line which performs the process in each manufacturing line in parallel Therefore, the processing on the first substrate and the processing on the second substrate can be performed in parallel, and the fuel cell can be manufactured quickly.
[0072]
An electronic apparatus according to the present invention includes the above-described fuel cell as a power supply source. Examples of the electronic device include a mobile phone, a mobile phone, a PHS, a notebook personal computer, a PDA (personal digital assistant), and a mobile video phone. The electronic device of the present invention may have other functions such as a game function, a data communication function, a recording / playback function, and a dictionary function.
According to the electronic device of the present invention, it is possible to provide clean energy appropriately taking into account the global environment as a power supply source.
[0073]
The automobile of the present invention includes the above-described fuel cell as a power supply source. According to the manufacturing method of the present invention, a large fuel cell can be manufactured by stacking a plurality of fuel cells. That is, as shown in FIG. 17, 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 manufacturing method is formed on the back surface of the substrate 2 ′ on which the gas channel is formed. A large fuel cell can be manufactured by stacking fuel cells by forming a gas diffusion layer, a reaction layer, an electrolyte membrane, and the like in the same manner as the manufacturing process in FIG.
According to the automobile of the present invention, clean energy that appropriately considers the global environment can be provided as a power supply source.
[0074]
[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 an overall external view of the ink jet ejection apparatus according to the embodiment.
FIG. 3 is a schematic view of an ink jet type ejection device according to an embodiment.
FIG. 4 is a flowchart of a fuel cell manufacturing method according to an embodiment.
FIG. 5 is a diagram illustrating a process for forming a gas flow path according to the embodiment.
FIG. 6 is a diagram illustrating a process for forming a gas flow path 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 an end view of the substrate in the process of manufacturing the fuel cell according to the embodiment.
FIG. 10 is an end view of the substrate in the process of manufacturing the fuel cell according to the embodiment.
FIG. 11 is a state diagram before and after forming a coating film of a dispersion and forming a reaction layer.
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 process of manufacturing 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 a view of a large fuel cell in which fuel cells according to an embodiment are stacked.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Head unit, 2 ... 1st board | substrate, 2 '... 2nd board | substrate, 3 ... 1st gas flow path, 3' ... 2nd gas flow path, 4 ... 1st support member, 4 '... second support member, 6 ... first current collecting layer, 6' ... second current collecting layer, 8 ... first gas diffusion layer, 8 '... second gas diffusion layer, 10 ... first Reaction layer, 10 '... second reaction layer, 12 ... electrolyte film, 20a to 20m ... discharge device, 31 ... droplet discharge head, 56 ... control device, 58 ... drive device, 60 ... assembly device, 61 ... metal Fine particles, 62 ... organic dispersant, 63 ... carbon fine particles, BC1, BC2 ... belt conveyor

Claims

A first gas channel for supplying a first reaction gas having a U-shaped cross section extending from one side surface to the other side surface is formed on the first substrate, and a first gas channel is formed in the first gas channel. A first current collecting layer forming step of applying one supporting carbon and forming a first current collecting layer on the first substrate and the first supporting carbon;
A first gas diffusion layer forming step of forming a first gas diffusion layer on the first current collecting layer;
A first reaction layer forming step of forming a first reaction layer on the first gas diffusion layer;
An electrolyte membrane forming step of forming an electrolyte membrane on the first reaction layer;
A second reaction layer forming step of forming a second reaction layer on the electrolyte membrane;
A second gas diffusion layer forming step of forming a second gas diffusion layer on the second reaction layer;
A second current collecting layer forming step of forming a second current collecting layer on the second gas diffusion layer;
A second substrate having a second gas flow path for supplying a second reaction gas having a U-shaped cross section extending from one side surface to the other side surface is placed on the second current collecting layer. Therefore, after partially applying the second supporting carbon to the position corresponding to the second gas flow path, the second substrate is placed on the second supporting carbon. A second substrate laminating step of laminating so that the path is disposed;
In a manufacturing method of a fuel cell including
In at least one of the first reaction layer forming step and the second reaction layer forming step, a coating film is formed with a dispersion liquid containing metal fine particles for forming the reaction layer and an organic dispersant, and the coating film is made non-coated. A method for producing a fuel cell, comprising a step of firing in an oxidizing atmosphere.

The method for producing a fuel cell according to claim 1, wherein the coating film of the dispersion liquid is formed using a discharge device.

3. The method for producing a fuel cell according to claim 1, wherein an alkylene glycol material is used as the organic dispersant.

The fine particles of one or more metals selected from the group consisting of platinum, rhodium, ruthenium, iridium, palladium, osmium, and alloys composed of two or more thereof are used as the metal particles. The manufacturing method of the fuel cell in any one of 1-3.

An electronic apparatus comprising the fuel cell manufactured by the manufacturing method according to claim 1 as a power supply source.

An automobile comprising the fuel cell manufactured by the manufacturing method according to claim 1 as a power supply source.