JP2004296324A - 燃料電池及び燃料電池の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】発電効率が高い燃料電池及び該燃料電池の製造方法を提供する。
【解決手段】制御装置５６からの信号に基づいて駆動装置５８により駆動されるベルトコンベアＢＣ１により搬送された第１の基板に、吐出装置２０ａ、２０ｂにおいて第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。次に、第１の基板に、吐出装置２０ｅにおいて第１の反応層を形成する。次に、第１の基板に、吐出装置２０ｆにおいて、反応層において用いられる触媒を構成する物質で第１の集電層を形成する。次に、第１の基板に、吐出装置２０ｇにおいて電解質膜を形成する。次に、同様の処理により吐出装置２０ｈにおいて第２の集電層を、吐出装置２０ｉにおいて第２の反応層を形成する。そして、吐出装置２０ｌ及び吐出装置２０ｍにおいて第２のガス流路が形成された第２の基板を第２の反応層上に配置して反応層において用いられる触媒を構成する物質で集電層が形成された燃料電池の製造を完了する。
【選択図】 図１
【解決手段】制御装置５６からの信号に基づいて駆動装置５８により駆動されるベルトコンベアＢＣ１により搬送された第１の基板に、吐出装置２０ａ、２０ｂにおいて第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。次に、第１の基板に、吐出装置２０ｅにおいて第１の反応層を形成する。次に、第１の基板に、吐出装置２０ｆにおいて、反応層において用いられる触媒を構成する物質で第１の集電層を形成する。次に、第１の基板に、吐出装置２０ｇにおいて電解質膜を形成する。次に、同様の処理により吐出装置２０ｈにおいて第２の集電層を、吐出装置２０ｉにおいて第２の反応層を形成する。そして、吐出装置２０ｌ及び吐出装置２０ｍにおいて第２のガス流路が形成された第２の基板を第２の反応層上に配置して反応層において用いられる触媒を構成する物質で集電層が形成された燃料電池の製造を完了する。
【選択図】 図１
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及びその燃料電池の製造方法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、白金微粒子を担持した白金担持カーボンを分散させた溶液を吹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、近年、携帯機器等にも用いることができる小型燃料電池の開発が行われている。このような小型の燃料電池においては、小型でありながらも携帯機器を作動させるのに十分な電力を発生することが必要となり、発電効率の向上が望まれている。燃料電池の発電効率を向上させるためには、供給された反応ガスの反応効率を向上させること、及び、反応により発生した電子を集める効率を向上させること又は反応に使われる電子の提供効率を向上させることが必要になる。
【０００６】
この発明の課題は、発電効率を向上させた燃料電池及び該燃料電池の製造方法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、前記第１の基板側に形成された第１の集電層と、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２の基板側に形成された第２の集電層と、前記第１の集電層と前記第２の集電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の集電層及び前記第２の集電層の内の少なくとも何れか一方が、前記第１の反応層及び前記第２の反応層に用いられる触媒を構成する物質により形成されていることを特徴とする。
【０００８】
この燃料電池によれば、第１の集電層及び第２の集電層の内の少なくとも何れか一方が、第１の反応層及び第２の反応層に用いられる触媒を構成する物質、例えば、白金微粒子により形成されている。従って、ガス流路を介して供給された反応ガスを効率的に反応させることができると共に、反応により発生した電子を効率的に集めること又は反応に使われる電子を効率的に供給することができ、燃料電池の発電効率を向上させることができる。
【０００９】
また、この発明に係る燃料電池は、前記第１の集電層が前記第１の反応層と前記電解質膜との間に形成され、前記第２の集電層が前記第２の反応層と前記電解質膜との間に形成されることを特徴とする。この発明に係る燃料電池によれば、反応層に用いられる触媒を構成する物質、例えば、白金微粒子により形成された集電層が反応層と電解質膜との間に形成される。そのため、集電層が反応層としても機能し、反応ガスの反応効率を向上させることができる。
【００１０】
また、この発明に係る燃料電池は、前記第１の集電層及び前記第２の集電層が、前記第１の反応層及び前記第２の反応層に用いられる触媒を構成する物質が鎖状に連結した形状に形成されることを特徴とする。この発明に係る燃料電池によれば、例えば、白金微粒子が鎖状に連結した形状に集電層が形成されているため、触媒として機能する白金微粒子の表面積が広く効率的に反応が行われると共に、反応により発生した電子を効率的に集めること又は反応に使われる電子を効率的に供給することができる。
【００１１】
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、第１のガス拡散層を形成する第１のガス拡散層形成工程と、第１の反応層を形成する第１の反応層形成工程と、第１の集電層を形成する第１の集電層形成工程と、電解質膜を形成する電解質膜形成工程と、第２の反応層を形成する第２の反応層形成工程と、第２の集電層を形成する第２の集電層形成工程と、第２のガス拡散層を形成する第２のガス拡散層形成工程と、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を含む燃料電池の製造方法において、前記第１の集電層形成工程及び前記第２の集電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、前記第１の反応層及び前記第２の反応層に用いられる触媒を構成する物質により集電層を形成することを特徴とする。
【００１２】
この発明に係る燃料電池の製造方法によれば、第１の集電層形成工程及び第２の集電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、第１の反応層及び第２の反応層に用いられる触媒を構成する物質により集電層を形成している。従って、吐出装置を用いることにより、反応層に用いられる触媒を構成する物質により所望形状の集電層を容易に形成することができ、発電効率を向上させた燃料電池を容易に製造することができる。
【００１３】
また、この発明に係る燃料電池の製造方法は、前記第１の集電層形成工程におて、前記第１の反応層と前記電解質膜との間に前記第１の集電層を形成し、前記第２の集電層形成工程において、前記第２の反応層と前記電解質膜との間に前記第２の集電層を形成することを特徴とする。この発明に係る燃料電池の製造方法によれば、反応層と電解質膜との間に、例えば、白金微粒子からなる集電層が形成されているため、反応効率を向上させた燃料電池を製造することができる。
【００１４】
また、この発明に係る燃料電池の製造方法は、前記第１の集電層形成工程において、前記第１の反応層及び前記第２の反応層に用いられる触媒を構成する物質が鎖状に連結した形状に第１の集電層を形成し、前記第２の集電層形成工程において、前記第１の反応層及び前記第２の反応層に用いられる触媒を構成する物質が鎖状に連結した形状に第２の集電層を形成することを特徴とする。この発明に係る燃料電池の製造方法によれば、例えば、白金微粒子が鎖状に連結した形状に集電層を形成しているため、反応効率が高い燃料電池を容易に製造することができる。
【００１５】
【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を示す図である。
【００１６】
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。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。
【００１７】
制御装置５６は、各吐出装置２０ａ〜２０ｍ、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。
【００１８】
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においてガス流路がガス拡散層により塞がれれることを防止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、ガス拡散層を形成する処理が行われ、吐出装置２０ｅにおいて、反応層を形成する処理が行われ、吐出装置２０ｆにおいて、集電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、集電層を形成する処理が行われ、吐出装置２０ｉにおいて、反応層を形成する処理が行われ、吐出装置２０ｊにおいて、ガス拡散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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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それぞれ収容されている。また、吐出装置２０ｄ及び吐出装置２０ｊのタンク３０には、ガス拡散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、反応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、集電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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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液、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。
【００２９】
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、レジストが取り除かれる（図５（ｂ）参照）。そして、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。
【００３０】
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、ガス拡散層により塞がれるのを防止すべく、ガス拡散層を支持する支持用カーボン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、ガス拡散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。
【００３１】
図６は、支持用カーボン４が形成された基板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がガス流路内に形成されることにより、基板２上に形成されるガス拡散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２０ｄへと搬送される。
【００３２】
次に、基板２上に、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ガス拡散層６を形成するための材料、例えば、カーボン粒子を基板２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６を形成する。
【００３３】
図７は、ガス拡散層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、基板２上にカーボン粒子を吐出し、反応ガスを拡散させるためのガス拡散層６が形成される。ここで、ガス拡散層６を構成するカーボン粒子としては、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。ここで、基板２に形成されたガス流路内には、支持用カーボン４が形成されているため、ガス拡散層６を形成するカーボン粒子がガス流路内の空間を塞ぐことを防止することができる。なお、ガス拡散層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。
【００３４】
次に、ステップＳ１２において形成されたガス拡散層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が反応する反応層（第１の反応層）を形成する（ステップＳ１３）。即ち、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カーボン粒子（白金担持カーボン）をガス拡散層６の上に吐出して反応層８を形成する。ここで、白金微粒子を担持している白金担持カーボンは、ガス拡散層６を構成するカーボン粒子と同様のカーボン粒子、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６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８を形成するようにしてもよい。この場合には、ガス拡散層６を構成するカーボン粒子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８が形成される。
【００３５】
図８は、反応層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、触媒としての白金微粒子を担持した白金担持カーボンがガス拡散層６上に塗布されることにより反応層８が形成される。なお、図８において、反応層８とガス拡散層６とを容易に識別することができるように、反応層８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８と同様に示すものとする。反応層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、ベルコトンベアＢＣ１により吐出装置２０ｆへと搬送される。
【００３６】
次に、ステップＳ１３において形成された反応層８の上に、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Ｓ１４）。即ち、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においては、タンク３０内に収容されている集電層１０を形成する材料、即ち、反応層において用いられる触媒を構成する白金微粒子を分散させた溶剤をノズル形成面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。なお、白金微粒子を分散させた溶剤には、白金微粒子の凝集等を防ぐために分散剤が付与されている。そのため、集電層１０を形成した後に、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、分散剤を除去する。
【００３７】
図９は、反応層８上に形成された集電層１０を説明するための図である。この図９に示すように、白金担持カーボンにより構成される反応層８の上に、白金微粒子が鎖状に連結している網目形状の集電層１０が形成されている。即ち、白金微粒子を分散させた溶剤を所定の間隔を空けて反応層８の上に吐出し、溶剤中に分散されている白金微粒子の各々を鎖状に連結させることによって集電層１０を形成する。この集電層１０は、白金微粒子により構成されているため、反応ガスと白金微粒子とが接する面積が広くなり、ガス流路を介して供給された反応ガスの反応効率を向上させている。また、各々の白金微粒子が鎖状に連結しているため、発生した電子を効率的に集めることができる。なお、白金微粒子が鎖状に連結することによって形成される集電層１０は、図９に示すような菱形の網目形状のものに限らず、網目の形状は三角形、正方形又は六角形等、どのような形状であってもよい。また、図中上から下に向かって、又は、図中右方向から左方向に向かって、直線的に白金微粒子が鎖状に連結した集電層１０を形成するようにしてもよい。
【００３８】
図１０は、集電層１０が形成された基板２の端面図である。この図１０に示すように、集電層１０は、反応層８の上に形成されている。ここで、図１０において、集電層１０を模式的に示す。また、以下の図においても集電層は、図１０と同様に示すものとする。なお、集電層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、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置２０ｇへと搬送される。
【００３９】
次に、ステップＳ１４で形成された集電層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、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のノズルを介して集電層１０上に吐出して電解質膜１２を形成する。
【００４０】
図１１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１１に示すように、集電層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。
【００４１】
次に、ステップＳ１５において形成された電解質膜１２上に集電層（第２の集電層）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反応層において用いられる触媒を構成する物質である白金微粒子を吐出し、集電層１０´を形成する。
【００４２】
図１２は、電解質膜１２上に集電層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、電解質膜１２上に反応層において用いられる触媒を構成する物質である白金微粒子が塗布されることによって、反応層としての機能も有する集電層１０´が形成される。
【００４３】
次に、ステップＳ１６において形成された集電層１０´上に反応層（第２の反応層）を形成する（ステップＳ１７）。即ち、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白金担持カーボンを吐出し、反応層８´を形成する。
【００４４】
図１３は、集電層１０´上に反応層８´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、集電層１０´上に触媒としての白金微粒子を担持した白金担持カーボンが塗布されることによって、反応層８´が形成される。ここで、反応層８´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。
【００４５】
次に、ステップＳ１７において形成された反応層８´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Ｓ１８）。即ち、反応層８´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２０ｊまで搬送され、吐出装置２０ｊにおいて、吐出装置２０ｄ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６´が形成される。
【００４６】
図１４は、反応層８´上にガス拡散層６´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、反応層８´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６´が形成される。
【００４７】
次に、ステップＳ１７において形成されたガス拡散層６´上にこのガス拡散層６´を支持するための支持用カーボンを塗布する（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。
【００４８】
図１５は、ガス拡散層６´上に支持用カーボン４´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、上述のステップＳ１９の処理により支持用カーボン４´を形成する材料が塗布され、支持用カーボン４´が形成されている。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。
【００４９】
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。
【００５０】
図１６は、完成した燃料電池の端面図である。この図１６に示すように、第２のガス流路が形成された基板２´を支持用カーボン４´が塗布された基板２の所定の位置に配置することによって燃料電池の製造が完了する。即ち、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。
【００５１】
この実施の形態に係る燃料電池によれば、反応層の上に形成される集電層が、反応層において用いられる触媒を構成する物質である白金微粒子により形成されている。従って、ガス流路を介して供給された反応ガスが、集電層においても反応して電子を発生させるため、反応ガスの反応が効率的に行われる。また、反応ガスが反応することにより発生した電子は、ガス拡散層を形成するカーボン粒子を通過することなく、直ちに集電層において集められるため、効率的に集電することができ、燃料電池の発電効率を向上させることができる。
【００５２】
また、白金微粒子により形成される集電層を反応層の上に形成しているため、ガス拡散層において拡散された反応ガスと白金微粒子とが接する面積が広くなっており、反応ガスの反応効率を向上させている。また、白金微粒子が鎖状に連結された網目形状の集電層を形成しているため、反応により発生した電子を効率的に集めること又は反応に使われる電子を効率的に供給することができ、燃料電池の発電効率を向上させることができる。
【００５３】
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、インクジェット式の吐出装置を用いて反応層において用いられる触媒を構成する物質である白金微粒子により集電層を形成している。従って、反応ガスの反応効率を向上させ、かつ、反応ガスの流れを妨げることがない所望形状の集電層を、容易に形成することができる。
【００５４】
この発明に係る燃料電池によれば、第１の集電層及び第２の集電層の内の少なくとも何れか一方が、反応層において用いられる触媒を構成する物質により形成されている。従って、ガス流路を介して供給された反応ガスが集電層においても反応しているため、反応ガスが効率的に反応している。また、反応ガスが反応することにより発生した電子を効率的に集めること又は反応に使われる電子を共立的に供給することができるため、燃料電池の発電効率を向上させることができる。
【００５５】
また、この発明に係る燃料電池の製造方法によれば、第１の集電層形成工程及び第２の集電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、反応層において用いられる触媒を構成する物質により集電層を形成している。即ち、吐出装置を用いることにより、反応ガスの反応を促す触媒を構成する物質を用いて所望形状の集電層を容易に形成することができる。そのため、発電効率の高い燃料電池を容易に製造することができる。
【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】実施の形態に係る集電層を説明するための図である。
【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】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基板の端面図である。
【符号の説明】
２、２´…基板、４、４´…支持用カーボン、６、６´…ガス拡散層、８、８´…反応層、１０、１０´…集電層、１２…電解質膜、２０ａ〜２０ｍ…吐出装置、ＢＣ１、ＢＣ２…ベルトコンベア。
【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及びその燃料電池の製造方法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、白金微粒子を担持した白金担持カーボンを分散させた溶液を吹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、近年、携帯機器等にも用いることができる小型燃料電池の開発が行われている。このような小型の燃料電池においては、小型でありながらも携帯機器を作動させるのに十分な電力を発生することが必要となり、発電効率の向上が望まれている。燃料電池の発電効率を向上させるためには、供給された反応ガスの反応効率を向上させること、及び、反応により発生した電子を集める効率を向上させること又は反応に使われる電子の提供効率を向上させることが必要になる。
【０００６】
この発明の課題は、発電効率を向上させた燃料電池及び該燃料電池の製造方法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、前記第１の基板側に形成された第１の集電層と、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２の基板側に形成された第２の集電層と、前記第１の集電層と前記第２の集電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の集電層及び前記第２の集電層の内の少なくとも何れか一方が、前記第１の反応層及び前記第２の反応層に用いられる触媒を構成する物質により形成されていることを特徴とする。
【０００８】
この燃料電池によれば、第１の集電層及び第２の集電層の内の少なくとも何れか一方が、第１の反応層及び第２の反応層に用いられる触媒を構成する物質、例えば、白金微粒子により形成されている。従って、ガス流路を介して供給された反応ガスを効率的に反応させることができると共に、反応により発生した電子を効率的に集めること又は反応に使われる電子を効率的に供給することができ、燃料電池の発電効率を向上させることができる。
【０００９】
また、この発明に係る燃料電池は、前記第１の集電層が前記第１の反応層と前記電解質膜との間に形成され、前記第２の集電層が前記第２の反応層と前記電解質膜との間に形成されることを特徴とする。この発明に係る燃料電池によれば、反応層に用いられる触媒を構成する物質、例えば、白金微粒子により形成された集電層が反応層と電解質膜との間に形成される。そのため、集電層が反応層としても機能し、反応ガスの反応効率を向上させることができる。
【００１０】
また、この発明に係る燃料電池は、前記第１の集電層及び前記第２の集電層が、前記第１の反応層及び前記第２の反応層に用いられる触媒を構成する物質が鎖状に連結した形状に形成されることを特徴とする。この発明に係る燃料電池によれば、例えば、白金微粒子が鎖状に連結した形状に集電層が形成されているため、触媒として機能する白金微粒子の表面積が広く効率的に反応が行われると共に、反応により発生した電子を効率的に集めること又は反応に使われる電子を効率的に供給することができる。
【００１１】
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、第１のガス拡散層を形成する第１のガス拡散層形成工程と、第１の反応層を形成する第１の反応層形成工程と、第１の集電層を形成する第１の集電層形成工程と、電解質膜を形成する電解質膜形成工程と、第２の反応層を形成する第２の反応層形成工程と、第２の集電層を形成する第２の集電層形成工程と、第２のガス拡散層を形成する第２のガス拡散層形成工程と、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を含む燃料電池の製造方法において、前記第１の集電層形成工程及び前記第２の集電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、前記第１の反応層及び前記第２の反応層に用いられる触媒を構成する物質により集電層を形成することを特徴とする。
【００１２】
この発明に係る燃料電池の製造方法によれば、第１の集電層形成工程及び第２の集電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、第１の反応層及び第２の反応層に用いられる触媒を構成する物質により集電層を形成している。従って、吐出装置を用いることにより、反応層に用いられる触媒を構成する物質により所望形状の集電層を容易に形成することができ、発電効率を向上させた燃料電池を容易に製造することができる。
【００１３】
また、この発明に係る燃料電池の製造方法は、前記第１の集電層形成工程におて、前記第１の反応層と前記電解質膜との間に前記第１の集電層を形成し、前記第２の集電層形成工程において、前記第２の反応層と前記電解質膜との間に前記第２の集電層を形成することを特徴とする。この発明に係る燃料電池の製造方法によれば、反応層と電解質膜との間に、例えば、白金微粒子からなる集電層が形成されているため、反応効率を向上させた燃料電池を製造することができる。
【００１４】
また、この発明に係る燃料電池の製造方法は、前記第１の集電層形成工程において、前記第１の反応層及び前記第２の反応層に用いられる触媒を構成する物質が鎖状に連結した形状に第１の集電層を形成し、前記第２の集電層形成工程において、前記第１の反応層及び前記第２の反応層に用いられる触媒を構成する物質が鎖状に連結した形状に第２の集電層を形成することを特徴とする。この発明に係る燃料電池の製造方法によれば、例えば、白金微粒子が鎖状に連結した形状に集電層を形成しているため、反応効率が高い燃料電池を容易に製造することができる。
【００１５】
【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を示す図である。
【００１６】
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。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。
【００１７】
制御装置５６は、各吐出装置２０ａ〜２０ｍ、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。
【００１８】
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においてガス流路がガス拡散層により塞がれれることを防止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、ガス拡散層を形成する処理が行われ、吐出装置２０ｅにおいて、反応層を形成する処理が行われ、吐出装置２０ｆにおいて、集電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、集電層を形成する処理が行われ、吐出装置２０ｉにおいて、反応層を形成する処理が行われ、吐出装置２０ｊにおいて、ガス拡散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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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それぞれ収容されている。また、吐出装置２０ｄ及び吐出装置２０ｊのタンク３０には、ガス拡散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、反応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、集電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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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液、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。
【００２９】
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、レジストが取り除かれる（図５（ｂ）参照）。そして、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。
【００３０】
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、ガス拡散層により塞がれるのを防止すべく、ガス拡散層を支持する支持用カーボン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、ガス拡散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。
【００３１】
図６は、支持用カーボン４が形成された基板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がガス流路内に形成されることにより、基板２上に形成されるガス拡散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２０ｄへと搬送される。
【００３２】
次に、基板２上に、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ガス拡散層６を形成するための材料、例えば、カーボン粒子を基板２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６を形成する。
【００３３】
図７は、ガス拡散層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、基板２上にカーボン粒子を吐出し、反応ガスを拡散させるためのガス拡散層６が形成される。ここで、ガス拡散層６を構成するカーボン粒子としては、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。ここで、基板２に形成されたガス流路内には、支持用カーボン４が形成されているため、ガス拡散層６を形成するカーボン粒子がガス流路内の空間を塞ぐことを防止することができる。なお、ガス拡散層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。
【００３４】
次に、ステップＳ１２において形成されたガス拡散層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が反応する反応層（第１の反応層）を形成する（ステップＳ１３）。即ち、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カーボン粒子（白金担持カーボン）をガス拡散層６の上に吐出して反応層８を形成する。ここで、白金微粒子を担持している白金担持カーボンは、ガス拡散層６を構成するカーボン粒子と同様のカーボン粒子、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６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８を形成するようにしてもよい。この場合には、ガス拡散層６を構成するカーボン粒子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８が形成される。
【００３５】
図８は、反応層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、触媒としての白金微粒子を担持した白金担持カーボンがガス拡散層６上に塗布されることにより反応層８が形成される。なお、図８において、反応層８とガス拡散層６とを容易に識別することができるように、反応層８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８と同様に示すものとする。反応層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、ベルコトンベアＢＣ１により吐出装置２０ｆへと搬送される。
【００３６】
次に、ステップＳ１３において形成された反応層８の上に、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Ｓ１４）。即ち、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においては、タンク３０内に収容されている集電層１０を形成する材料、即ち、反応層において用いられる触媒を構成する白金微粒子を分散させた溶剤をノズル形成面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。なお、白金微粒子を分散させた溶剤には、白金微粒子の凝集等を防ぐために分散剤が付与されている。そのため、集電層１０を形成した後に、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、分散剤を除去する。
【００３７】
図９は、反応層８上に形成された集電層１０を説明するための図である。この図９に示すように、白金担持カーボンにより構成される反応層８の上に、白金微粒子が鎖状に連結している網目形状の集電層１０が形成されている。即ち、白金微粒子を分散させた溶剤を所定の間隔を空けて反応層８の上に吐出し、溶剤中に分散されている白金微粒子の各々を鎖状に連結させることによって集電層１０を形成する。この集電層１０は、白金微粒子により構成されているため、反応ガスと白金微粒子とが接する面積が広くなり、ガス流路を介して供給された反応ガスの反応効率を向上させている。また、各々の白金微粒子が鎖状に連結しているため、発生した電子を効率的に集めることができる。なお、白金微粒子が鎖状に連結することによって形成される集電層１０は、図９に示すような菱形の網目形状のものに限らず、網目の形状は三角形、正方形又は六角形等、どのような形状であってもよい。また、図中上から下に向かって、又は、図中右方向から左方向に向かって、直線的に白金微粒子が鎖状に連結した集電層１０を形成するようにしてもよい。
【００３８】
図１０は、集電層１０が形成された基板２の端面図である。この図１０に示すように、集電層１０は、反応層８の上に形成されている。ここで、図１０において、集電層１０を模式的に示す。また、以下の図においても集電層は、図１０と同様に示すものとする。なお、集電層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、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置２０ｇへと搬送される。
【００３９】
次に、ステップＳ１４で形成された集電層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、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のノズルを介して集電層１０上に吐出して電解質膜１２を形成する。
【００４０】
図１１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１１に示すように、集電層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。
【００４１】
次に、ステップＳ１５において形成された電解質膜１２上に集電層（第２の集電層）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反応層において用いられる触媒を構成する物質である白金微粒子を吐出し、集電層１０´を形成する。
【００４２】
図１２は、電解質膜１２上に集電層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、電解質膜１２上に反応層において用いられる触媒を構成する物質である白金微粒子が塗布されることによって、反応層としての機能も有する集電層１０´が形成される。
【００４３】
次に、ステップＳ１６において形成された集電層１０´上に反応層（第２の反応層）を形成する（ステップＳ１７）。即ち、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白金担持カーボンを吐出し、反応層８´を形成する。
【００４４】
図１３は、集電層１０´上に反応層８´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、集電層１０´上に触媒としての白金微粒子を担持した白金担持カーボンが塗布されることによって、反応層８´が形成される。ここで、反応層８´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。
【００４５】
次に、ステップＳ１７において形成された反応層８´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Ｓ１８）。即ち、反応層８´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２０ｊまで搬送され、吐出装置２０ｊにおいて、吐出装置２０ｄ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６´が形成される。
【００４６】
図１４は、反応層８´上にガス拡散層６´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、反応層８´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６´が形成される。
【００４７】
次に、ステップＳ１７において形成されたガス拡散層６´上にこのガス拡散層６´を支持するための支持用カーボンを塗布する（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。
【００４８】
図１５は、ガス拡散層６´上に支持用カーボン４´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、上述のステップＳ１９の処理により支持用カーボン４´を形成する材料が塗布され、支持用カーボン４´が形成されている。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。
【００４９】
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。
【００５０】
図１６は、完成した燃料電池の端面図である。この図１６に示すように、第２のガス流路が形成された基板２´を支持用カーボン４´が塗布された基板２の所定の位置に配置することによって燃料電池の製造が完了する。即ち、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。
【００５１】
この実施の形態に係る燃料電池によれば、反応層の上に形成される集電層が、反応層において用いられる触媒を構成する物質である白金微粒子により形成されている。従って、ガス流路を介して供給された反応ガスが、集電層においても反応して電子を発生させるため、反応ガスの反応が効率的に行われる。また、反応ガスが反応することにより発生した電子は、ガス拡散層を形成するカーボン粒子を通過することなく、直ちに集電層において集められるため、効率的に集電することができ、燃料電池の発電効率を向上させることができる。
【００５２】
また、白金微粒子により形成される集電層を反応層の上に形成しているため、ガス拡散層において拡散された反応ガスと白金微粒子とが接する面積が広くなっており、反応ガスの反応効率を向上させている。また、白金微粒子が鎖状に連結された網目形状の集電層を形成しているため、反応により発生した電子を効率的に集めること又は反応に使われる電子を効率的に供給することができ、燃料電池の発電効率を向上させることができる。
【００５３】
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、インクジェット式の吐出装置を用いて反応層において用いられる触媒を構成する物質である白金微粒子により集電層を形成している。従って、反応ガスの反応効率を向上させ、かつ、反応ガスの流れを妨げることがない所望形状の集電層を、容易に形成することができる。
【００５４】
この発明に係る燃料電池によれば、第１の集電層及び第２の集電層の内の少なくとも何れか一方が、反応層において用いられる触媒を構成する物質により形成されている。従って、ガス流路を介して供給された反応ガスが集電層においても反応しているため、反応ガスが効率的に反応している。また、反応ガスが反応することにより発生した電子を効率的に集めること又は反応に使われる電子を共立的に供給することができるため、燃料電池の発電効率を向上させることができる。
【００５５】
また、この発明に係る燃料電池の製造方法によれば、第１の集電層形成工程及び第２の集電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、反応層において用いられる触媒を構成する物質により集電層を形成している。即ち、吐出装置を用いることにより、反応ガスの反応を促す触媒を構成する物質を用いて所望形状の集電層を容易に形成することができる。そのため、発電効率の高い燃料電池を容易に製造することができる。
【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】実施の形態に係る集電層を説明するための図である。
【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】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基板の端面図である。
【符号の説明】
２、２´…基板、４、４´…支持用カーボン、６、６´…ガス拡散層、８、８´…反応層、１０、１０´…集電層、１２…電解質膜、２０ａ〜２０ｍ…吐出装置、ＢＣ１、ＢＣ２…ベルトコンベア。
Claims (6)
- 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、
前記第１の基板側に形成された第１の集電層と、
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２の基板側に形成された第２の集電層と、
前記第１の集電層と前記第２の集電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の集電層及び前記第２の集電層の内の少なくとも何れか一方が、前記第１の反応層及び前記第２の反応層に用いられる触媒を構成する物質により形成されていることを特徴とする燃料電池。 - 前記第１の集電層は、前記第１の反応層と前記電解質膜との間に形成され、前記第２の集電層は、前記第２の反応層と前記電解質膜との間に形成されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
- 前記第１の集電層及び前記第２の集電層は、前記第１の反応層及び前記第２の反応層に用いられる触媒を構成する物質が鎖状に連結した形状に形成されることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の燃料電池。
- 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、
第１のガス拡散層を形成する第１のガス拡散層形成工程と、
第１の反応層を形成する第１の反応層形成工程と、
第１の集電層を形成する第１の集電層形成工程と、
電解質膜を形成する電解質膜形成工程と、
第２の反応層を形成する第２の反応層形成工程と、
第２の集電層を形成する第２の集電層形成工程と、
第２のガス拡散層を形成する第２のガス拡散層形成工程と、
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
を含む燃料電池の製造方法において、
前記第１の集電層形成工程及び前記第２の集電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、前記第１の反応層及び前記第２の反応層に用いられる触媒を構成する物質により集電層を形成することを特徴とする燃料電池の製造方法。 - 前記第１の集電層形成工程は、前記第１の反応層と前記電解質膜との間に前記第１の集電層を形成し、前記第２の集電層形成工程は、前記第２の反応層と前記電解質膜との間に前記第２の集電層を形成することを特徴とする請求項４記載の燃料電池の製造方法。
- 前記第１の集電層形成工程は、前記第１の反応層及び前記第２の反応層に用いられる触媒を構成する物質が鎖状に連結した形状に第１の集電層を形成し、
前記第２の集電層形成工程は、前記第１の反応層及び前記第２の反応層に用いられる触媒を構成する物質が鎖状に連結した形状に第２の集電層を形成することを特徴とする請求項４又は請求項５記載の燃料電池の製造方法。
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Applications Claiming Priority (1)
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| JP2003088794A JP2004296324A (ja) | 2003-03-27 | 2003-03-27 | 燃料電池及び燃料電池の製造方法 |
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|---|---|
| JP2004296324A true JP2004296324A (ja) | 2004-10-21 |
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Family Applications (1)
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| JP2003088794A Withdrawn JP2004296324A (ja) | 2003-03-27 | 2003-03-27 | 燃料電池及び燃料電池の製造方法 |
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|---|---|
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2003
- 2003-03-27 JP JP2003088794A patent/JP2004296324A/ja not_active Withdrawn
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