JP2004303594A - 燃料電池、その製造方法、電子機器および自動車 - Google Patents
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Abstract
【課題】反応層で生じた電子を効率よく集める集電層及び反応効率のよい反応層を有し、出力密度が高く、特性のよい燃料電池を効率よく製造する燃料電池の製造方法、並びにこの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を提供する。
【解決手段】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、反応層形成用材料の所定量を所定間隔をおいて塗布することを繰り返すことにより、第１の反応層を形成する工程を有することを特徴とする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ことを特徴とする電子機器及び自動車。
【選択図】 図９
【解決手段】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、反応層形成用材料の所定量を所定間隔をおいて塗布することを繰り返すことにより、第１の反応層を形成する工程を有することを特徴とする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ことを特徴とする電子機器及び自動車。
【選択図】 図９
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、その製造方法、並びに該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電極（アノード）、及び電解質膜の他面に配置された電極（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】
このような固体電解質型燃料電池においては、各電極は、通常、反応ガスの反応触媒である金属微粒子からなる反応層と、反応層の基板側に炭素微粒子からなるガス拡散層と、及びガス拡散層の基板側に導電性物質からなる集電層とから形成されてなる。一方の基板において、ガス拡散層を構成する炭素微粒子の隙間を通過して均一に拡散された水素ガスは、反応層において反応して電子と水素イオンとなる。発生した電子は集電層に集められ、他方の基板の集電層に電子が流れる。水素イオンは高分子電解質膜を介して第２の基板の反応層へ移動し、集電層から流れてきた電子及び酸素ガスとから水を生成する反応が行われる。
【０００４】
このような燃料電池において、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）。
【０００５】
しかしながら、これらの方法は工程数が多く煩雑であり、その上、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】
【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
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
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、反応層で生じた電子を効率よく集める集電層及び反応効率のよい反応層を有し、出力密度が高く、特性のよい燃料電池を効率よく製造する燃料電池の製造方法、並びにこの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を提供することを課題とする。
【０００８】
【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、反応槽形成用材料の所定量を所定間隔をおいて塗布することを繰り返すことで、均一な所望量の触媒金属を有する反応層を効率よく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、反応層形成用材料の所定量を所定間隔をおいて塗布することを繰り返すことにより、第１の反応層を形成する工程を有することを特徴と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の電子を集める第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有する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、第１の集電層上又は第２の集電層上に、反応層形成用材料の所定量を所定間隔をおいて塗布することを繰り返すことにより、第１の反応層又は第２の反応層を形成するものであるのが好ましい。
【００１１】
本発明の製造方法においては、吐出装置を用いて前記反応層形成用材料を塗布するのが好ましい。
本発明の製造方法においては、前記反応層形成用材料を塗布して得られた塗膜を、減圧下、１００℃以下の温度条件で不要分を除去することにより、第１の反応層を形成するのが好ましい。
また、本発明の製造方法においては、前記第１の集電層上の第１の反応層形成部位全体に、反応層形成用材料の所定量を所定間隔をおいて塗布し、塗布された反応層形成用材料の液滴から不要物を除去することを１単位操作とし、該単位操作を繰り返すことにより第１の反応層を形成するのが好ましく、前記吐出装置として吐出ノズルを複数個有する吐出装置を用い、前記１単位操作毎に異なる吐出ノズルから反応層形成用材料を吐出させて塗布するのがより好ましい。
【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】
本発明の燃料電池の製造方法によれば、均一な所望量の触媒金属を有する反応層を効率よく形成できる。また。従来の反応層形成用材料をベタ塗りして反応層層を形成した場合に比して、触媒金属の使用量が少なくなるので、低コストな燃料電池となっている。
【００１４】
本発明の燃料電池の製造方法において、吐出装置を用いて前記反応層形成用材料を塗布する場合には、所定量の反応層形成用材料を所定位置に正確に塗布することができるので、均一な所望量の触媒金属を有する反応層をより効率よく形成することができる。
【００１５】
本発明の製造方法において、前記反応層形成用材料を塗布して得られた塗膜を、減圧下、１００℃以下の温度条件で不要分を除去することにより、第１の反応層を形成する場合には、吐出装置により形成した反応層形成用材料の塗膜の分散状態を破壊することなく、均一な所望量の触媒金属を有する反応層をより効率よく形成することができる。
【００１６】
本発明の製造方法において、前記第１の集電層上の第１の反応層形成部位全体に、反応層形成用材料の所定量を所定間隔をおいて塗布し、塗布された反応層形成用材料の液滴から不要物を除去することを１単位操作とし、この操作を繰り返すことにより第１の反応層を形成する場合には、吐出装置により形成した反応層形成用材料の塗膜の分散状態を破壊することなく、均一な所望量の触媒金属を有する反応層をより効率よく形成することができる。
【００１７】
また本発明の製造方法において、前記吐出装置として吐出ノズルを複数個有する吐出装置を用い、前記１単位操作毎に異なる吐出ノズルから反応層形成用材料を塗布する場合には、単位面積あたりの反応層形成用材料の塗布量の偏りがなくなるので、均一に触媒金属が分散された反応層をより効率よく形成することができる。
【００１８】
本発明の電子機器は、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、本発明の自動車は、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。
【００１９】
【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備える電子機器及び自動車について詳細に説明する。
本発明の燃料電池の製造方法は、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、反応層形成用材料の所定量を所定間隔をおいて塗布することを繰り返すことにより、第１の反応層を形成する工程を有することを特徴とする。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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２９ｌ、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が組み立て作業が行なわれる。
【００２３】
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。
【００２４】
本実施形態では、吐出装置２０ａとして、図２に示すものを用いる。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。
【００２５】
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を安定して吐出することができる。
【００２６】
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とヘッド部気泡排気弁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。
【００２７】
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。
【００２８】
吸引キャップ４０は、図２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。
【００２９】
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。また、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。
【００３０】
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。
【００３１】
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３に示す。
【００３２】
図３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の支持部材を第２のガス流路内に塗布する工程（Ｓ１９，第２の支持部材塗布工程）、及び第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。
【００３３】
（１）第１のガス流路形成工程（Ｓ１０）
まず、図４（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。
【００３４】
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、斜線部分）が形成される。レジストパターンは、図４（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。
【００３５】
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５（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のガス流路が形成される。また、図５（ｂ）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、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置２０ｃまで搬送される。
【００３６】
（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の支持部材をガス流路内に塗布する。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。
【００３８】
第１の支持部材４が塗布された基板２の端面図を図６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。
【００３９】
（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形成用材料の一定量を、ノズルの形成面２６のノズルを介して基板２上に吐出することにより、所定のパターンを有する第１の集電層が形成される。
【００４０】
用いる集電層形成用材料としては、導電性物質を含む材料であれば特に制限されない。導電性物質としては、例えば、銅、銀、金、白金、アルミニウム等が挙げられる。これらは１種単独で、あるいは２種以上を組み合わせて用いることができる。集電層形成用材料は、これらの導電性物質の少なくとも１種を適当な溶媒に分散させ、所望により分散剤を添加して調製することができる。
【００４１】
本実施形態では、集電層形成用材料の塗布を吐出装置２０ｄを用いて行っているので、簡便な操作により、所定量を所定の位置に正確に塗布することができる。したがって、集電層形成用材料の使用量を大幅に節約でき、所望のパターン（形状）の集電層を効率よく形成することができ、集電層形成用材料の塗布間隔を場所により変化させることにより、反応ガスの通気性を制御することも容易にでき、用いる集電層形成用材料の種類を塗布位置により変更することも自由に行うことができる。
【００４２】
第１の集電層６が形成された基板２の端面図を図７に示す。図７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。
【００４３】
（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のガス拡散層を形成する。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。
【００４４】
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、集電層側には塗布間隔を大きく（数十μｍ）し、表面側には塗布間隔を小さく（数十ｎｍ）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微粒子を用い、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。
【００４５】
第１のガス拡散層８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。
【００４６】
（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。次に、吐出装置２０ｆのタンク３０内に収容されている反応層形成用材料の所定量が、基板２表面上の第１の反応層形成部位に所定間隔で吐出され、反応層形成材料の塗膜が形成される。次いで、得られた塗膜から不要分を除去することにより反応層が形成される。
【００４７】
吐出装置２０ｆを用いて反応層形成用材料の所定量を、第１の集電層８表面上の第１の反応層形成部位に所定間隔で吐出して、反応層形成材料の塗膜を形成する工程の概念図を図９に示す。すなわち、図９（ａ）に示すように基板上の第１の反応層を形成する部分全体に、反応層形成用材料を等間隔に（すなわち、その前に塗布した反応層形成用材料の液滴と重ならないように）塗布する。次いで、図９（ｂ）に示すように、その間隙にさらに等間隔に塗布を行なう。さらに、図９（ｃ）に示すようにその間隙に塗布を行う。この操作を繰り返すことにより、全体に均一な塗布を行なうことができ、均一に所望量の触媒金属を有する反応層を形成することができる。なお、図９（ａ）〜（ｃ）において、まる付き数字は塗布順序、１０ａは反応層形成用材料の塗膜をそれぞれ示す。
【００４８】
この方法は、お茶の葉を急須に入れてお湯を注ぎ、複数の湯飲みにお茶を入れる場合に、急須から複数の湯飲みに少量ずつお茶を注ぐことを繰り返すと、全体に均一な濃さのお茶を点てることができるのと類似したものである。すなわち、吐出装置から一回で吐出される反応層形成用材料の量や濃度には誤差があるので、一定間隔をおいて反応層形成用材料の塗布を繰り返した方が、一方の側から他方向へ順番に塗布する場合よりも、全体としては均一な塗布が可能であり、均一で所望量の触媒金属を有する反応層を得ることができる。
【００４９】
反応層形成材料の液滴の大きさ及び塗布間隔は液滴が着弾時に互いに接触しない大きさ及び間隔であれば特に制限されないが、所望量の触媒金属を有する反応層を効率よく形成する上観点から、液滴の大きさを小さくし（例えば、１０ピコリットル以下）、塗布間隔を十分にあける（例えば、０．１〜１ｍｍ程度）のが好ましい。
【００５０】
反応層形成用材料としては、例えば、（ａ）金属化合物（金属錯体、金属塩）又は金属水酸化物をカーボン担体に吸着させた金属担持カーボンの分散液や、（ｂ）金属微粒子をカーボン担体に吸着させた分散液等が挙げられる。
【００５１】
（ａ）の分散液は、次のようにして調製することができる。先ず、金属化合物の水溶液又は水／アルコール混合溶媒溶液に所望によりアルカリを添加して金属水酸化物とし、そこへ、カーボンブラック等のカーボン担体を添加し、加熱撹拌することにより、金属化合物又は金属水酸化物をカーボン担体に吸着（沈析）させて、金属担持カーボンの粗生物を得る。次いで、このものを濾過、洗浄、乾燥を適宜繰り返すことにより精製した後、水又は水／アルコール混合溶媒に分散して分散液を得ることができる。また、（ｂ）の分散液は、金属微粒子を有機分散剤に分散させた後、カーボン担体を添加して調製することができる。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が挙げられる。
【００５２】
前記（ａ）及び（ｂ）の分差液に用いる金属化合物、金属水酸化物、金属微粒子の金属としては、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。
【００５３】
吐出装置２０ｆにより、反応層形成用材料を塗布して反応層形成用材料の塗膜を形成した後は、得られた塗膜から不要分を除去することにより、単粗粒子に金属微粒子が担持された構造の第１の反応層１０を得ることができる。
【００５４】
不反応層形成用材料の塗膜から不要分を除去する方法としては、前記塗膜を、不活性ガス雰囲気下、常圧で加熱することにより不要分を除去する方法、減圧下で加熱することにより不要分を除去する方法等が挙げられるが、後者の方法が好ましい。加熱温度は低い程好ましく、より好ましくは１００℃以下、さらに好ましくは５０℃以下である。また、不要分を除去する処理はなるべく短い時間で行うのが好ましい。長時間、を高温で不要分を除去する場合には、吐出装置により作製した金属微粒子（又は金属化合物の微粒子）の均一な分散状態が破壊され、触媒金属が均一に分散した反応層を得ることができなくなるおそれがある。
【００５５】
本発明においては、第１の反応層形成部位全体に、反応層形成用材料の所定量を所定間隔をおいて塗布し、塗布された反応層形成用材料の液滴から不要物を除去することを１単位操作とし、該単位操作を繰り返すことにより第１の反応層を形成するのがより好ましい。また、吐出装置２０ｆとして複数の吐出ノズルを有するものを用い、前記１単位操作毎に異なる吐出ノズルから反応層形成材料を吐出させるのが好ましい。単位面積あたりに塗布される触媒金属の量が均一となり、より均一に分散された触媒金属を有する反応層を形成することができるからである。
【００５６】
以上のようにして、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２０ｇまで搬送される。
【００５７】
（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。
【００５８】
用いる電解質膜の形成材料としては、例えば、ナフィオン（デュポン社製）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）に調整した材料や等が挙げられる。
【００５９】
電解質膜が形成された基板２の端面図を図１１に示す。図１１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。
【００６０】
（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。第２の反応層は、ガス流路及びガス拡散層が形成された基板上に、不活性ガスを前記ガス流路中を流しながら、反応層形成用材料を塗布して形成する。
【００６１】
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１０’が形成される。第２の反応層１０’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。
【００６２】
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１２に示す。図１２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。第２の反応層１０’においては、第２の反応ガスの反応が行われる。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。
【００６３】
（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８’が形成される。第２のガス拡散層形成用材料としては、第１のガス拡散層８と同様のものが使用できる。
【００６４】
第２のガス拡散層８’が形成された基板２の端面図を図１３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。
【００６５】
（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。
【００６６】
（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。
【００６７】
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１４に示す。第２の支持部材４’は、第２の集電層８’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。
【００６８】
（９）第２の基板組立工程（Ｓ２０）
次に、第２の支持部材４’が塗布された基板２と、別途用意した第２のガス流路が形成された第２の基板とを積層する。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。
【００６９】
以上のようにして、図１５に示す構造の燃料電池を製造することができる。図１５に示す燃料電池は、図中、下側から、第１の基板２と、第１の基板２に形成された第１のガス流路３と、第１のガス流路３内に収容された第１の支持部材４と、第１の基板２及び第１の支持部材４上に形成された第１の集電層６と、第１のガス拡散層８と、第１のガス拡散層８上に形成された第１の反応層１０と、電解質膜１２と、第２の反応層１０’と、第２のガス拡散層８’と、第２の集電層６’と、第２のガス流路３’と、第２のガス流路３’内に収容された第２の支持部材４’と、第２の基板２’とから構成されている。また、図１５に示す燃料電池においては、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のガス流路と基板２’に形成されている第２のガス流路とが平行になるように基板２’が配置されている。
【００７０】
本実施形態により製造される燃料電池の種類は特に制約されない。例えば、高分子電解質型燃料電池、リン酸型燃料電池、ダイレクトメタノールタイプの燃料電池等が挙げられる。
【００７１】
本実施形態により製造される燃料電池は、次のように動作する。すなわち、第１の基板２の第１のガス流路３から第１の反応ガスが導入され、ガス拡散層８により均一に拡散され、拡散された第１の反応ガスが第１の反応層１０で反応してイオンと電子が生じ、生じた電子は集電層８で集められ、第２の基板２’の第２の集電層６’に流れ、第１の反応ガスにより生じたイオンは電解質膜１２の中を第２の反応層８’へ移動する。一方、第２の基板２’のガス流路３’から第２の反応ガスが導入され、第２のガス拡散層８’により均一に拡散され、拡散された第２の反応ガスが第２の反応層１０’において、電解質膜１２中を移動してきたイオン及び第２の集電層６’から送り込まれた電子と反応する。例えば、第１の反応ガスが水素ガスであり、第２の反応ガスが酸素ガスである場合には、第１の反応層１０においては、Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−の反応が進行し、第２の反応層１０’においては、１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏの反応が進行する。
【００７２】
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、吐出装置を用いて集電層形成用材料を塗布して、第１の集電層及び／又は第２の集電層を形成し、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（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）を用いることなく集電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。
【００７３】
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う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。また、基板上にガス流路形成用材料を吐出装置を用いて塗布してガス流路を形成してもよい。、
【００７４】
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。
【００７５】
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５（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。
【００７６】
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。
【００７７】
本実施形態の燃料電池製造ラインにおいては、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を用いるため、こ第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るため、迅速に燃料電池を製造することができる。
【００７８】
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、ＰＨＳ、モバイル、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。
【００７９】
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。本発明に製造方法によれば、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１６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。
【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】実施の形態に係る燃料電池の製造過程の基板の端面図である。
【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】実施の形態に係る燃料電池の製造過程の基板の端面図である。
【図７】実施の形態に係る燃料電池の製造過程の基板の端面図である。
【図８】実施の形態に係る燃料電池の製造過程の基板の端面図である。
【図９】実施の形態に係る反応層を形成する処理を説明する図である。
【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端面図である。
【図１６】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】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あ…反応層形成用材料の塗膜、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、ＢＣ１，２…ベルトコンベア
【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、その製造方法、並びに該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電極（アノード）、及び電解質膜の他面に配置された電極（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】
このような固体電解質型燃料電池においては、各電極は、通常、反応ガスの反応触媒である金属微粒子からなる反応層と、反応層の基板側に炭素微粒子からなるガス拡散層と、及びガス拡散層の基板側に導電性物質からなる集電層とから形成されてなる。一方の基板において、ガス拡散層を構成する炭素微粒子の隙間を通過して均一に拡散された水素ガスは、反応層において反応して電子と水素イオンとなる。発生した電子は集電層に集められ、他方の基板の集電層に電子が流れる。水素イオンは高分子電解質膜を介して第２の基板の反応層へ移動し、集電層から流れてきた電子及び酸素ガスとから水を生成する反応が行われる。
【０００４】
このような燃料電池において、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）。
【０００５】
しかしながら、これらの方法は工程数が多く煩雑であり、その上、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】
【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
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
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、反応層で生じた電子を効率よく集める集電層及び反応効率のよい反応層を有し、出力密度が高く、特性のよい燃料電池を効率よく製造する燃料電池の製造方法、並びにこの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を提供することを課題とする。
【０００８】
【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、反応槽形成用材料の所定量を所定間隔をおいて塗布することを繰り返すことで、均一な所望量の触媒金属を有する反応層を効率よく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、反応層形成用材料の所定量を所定間隔をおいて塗布することを繰り返すことにより、第１の反応層を形成する工程を有することを特徴と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の電子を集める第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有する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、第１の集電層上又は第２の集電層上に、反応層形成用材料の所定量を所定間隔をおいて塗布することを繰り返すことにより、第１の反応層又は第２の反応層を形成するものであるのが好ましい。
【００１１】
本発明の製造方法においては、吐出装置を用いて前記反応層形成用材料を塗布するのが好ましい。
本発明の製造方法においては、前記反応層形成用材料を塗布して得られた塗膜を、減圧下、１００℃以下の温度条件で不要分を除去することにより、第１の反応層を形成するのが好ましい。
また、本発明の製造方法においては、前記第１の集電層上の第１の反応層形成部位全体に、反応層形成用材料の所定量を所定間隔をおいて塗布し、塗布された反応層形成用材料の液滴から不要物を除去することを１単位操作とし、該単位操作を繰り返すことにより第１の反応層を形成するのが好ましく、前記吐出装置として吐出ノズルを複数個有する吐出装置を用い、前記１単位操作毎に異なる吐出ノズルから反応層形成用材料を吐出させて塗布するのがより好ましい。
【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】
本発明の燃料電池の製造方法によれば、均一な所望量の触媒金属を有する反応層を効率よく形成できる。また。従来の反応層形成用材料をベタ塗りして反応層層を形成した場合に比して、触媒金属の使用量が少なくなるので、低コストな燃料電池となっている。
【００１４】
本発明の燃料電池の製造方法において、吐出装置を用いて前記反応層形成用材料を塗布する場合には、所定量の反応層形成用材料を所定位置に正確に塗布することができるので、均一な所望量の触媒金属を有する反応層をより効率よく形成することができる。
【００１５】
本発明の製造方法において、前記反応層形成用材料を塗布して得られた塗膜を、減圧下、１００℃以下の温度条件で不要分を除去することにより、第１の反応層を形成する場合には、吐出装置により形成した反応層形成用材料の塗膜の分散状態を破壊することなく、均一な所望量の触媒金属を有する反応層をより効率よく形成することができる。
【００１６】
本発明の製造方法において、前記第１の集電層上の第１の反応層形成部位全体に、反応層形成用材料の所定量を所定間隔をおいて塗布し、塗布された反応層形成用材料の液滴から不要物を除去することを１単位操作とし、この操作を繰り返すことにより第１の反応層を形成する場合には、吐出装置により形成した反応層形成用材料の塗膜の分散状態を破壊することなく、均一な所望量の触媒金属を有する反応層をより効率よく形成することができる。
【００１７】
また本発明の製造方法において、前記吐出装置として吐出ノズルを複数個有する吐出装置を用い、前記１単位操作毎に異なる吐出ノズルから反応層形成用材料を塗布する場合には、単位面積あたりの反応層形成用材料の塗布量の偏りがなくなるので、均一に触媒金属が分散された反応層をより効率よく形成することができる。
【００１８】
本発明の電子機器は、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、本発明の自動車は、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。
【００１９】
【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備える電子機器及び自動車について詳細に説明する。
本発明の燃料電池の製造方法は、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、反応層形成用材料の所定量を所定間隔をおいて塗布することを繰り返すことにより、第１の反応層を形成する工程を有することを特徴とする。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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２９ｌ、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が組み立て作業が行なわれる。
【００２３】
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。
【００２４】
本実施形態では、吐出装置２０ａとして、図２に示すものを用いる。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。
【００２５】
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を安定して吐出することができる。
【００２６】
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とヘッド部気泡排気弁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。
【００２７】
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。
【００２８】
吸引キャップ４０は、図２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。
【００２９】
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。また、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。
【００３０】
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。
【００３１】
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３に示す。
【００３２】
図３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の支持部材を第２のガス流路内に塗布する工程（Ｓ１９，第２の支持部材塗布工程）、及び第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。
【００３３】
（１）第１のガス流路形成工程（Ｓ１０）
まず、図４（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。
【００３４】
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、斜線部分）が形成される。レジストパターンは、図４（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。
【００３５】
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５（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のガス流路が形成される。また、図５（ｂ）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、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置２０ｃまで搬送される。
【００３６】
（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の支持部材をガス流路内に塗布する。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。
【００３８】
第１の支持部材４が塗布された基板２の端面図を図６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。
【００３９】
（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形成用材料の一定量を、ノズルの形成面２６のノズルを介して基板２上に吐出することにより、所定のパターンを有する第１の集電層が形成される。
【００４０】
用いる集電層形成用材料としては、導電性物質を含む材料であれば特に制限されない。導電性物質としては、例えば、銅、銀、金、白金、アルミニウム等が挙げられる。これらは１種単独で、あるいは２種以上を組み合わせて用いることができる。集電層形成用材料は、これらの導電性物質の少なくとも１種を適当な溶媒に分散させ、所望により分散剤を添加して調製することができる。
【００４１】
本実施形態では、集電層形成用材料の塗布を吐出装置２０ｄを用いて行っているので、簡便な操作により、所定量を所定の位置に正確に塗布することができる。したがって、集電層形成用材料の使用量を大幅に節約でき、所望のパターン（形状）の集電層を効率よく形成することができ、集電層形成用材料の塗布間隔を場所により変化させることにより、反応ガスの通気性を制御することも容易にでき、用いる集電層形成用材料の種類を塗布位置により変更することも自由に行うことができる。
【００４２】
第１の集電層６が形成された基板２の端面図を図７に示す。図７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。
【００４３】
（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のガス拡散層を形成する。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。
【００４４】
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、集電層側には塗布間隔を大きく（数十μｍ）し、表面側には塗布間隔を小さく（数十ｎｍ）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微粒子を用い、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。
【００４５】
第１のガス拡散層８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。
【００４６】
（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。次に、吐出装置２０ｆのタンク３０内に収容されている反応層形成用材料の所定量が、基板２表面上の第１の反応層形成部位に所定間隔で吐出され、反応層形成材料の塗膜が形成される。次いで、得られた塗膜から不要分を除去することにより反応層が形成される。
【００４７】
吐出装置２０ｆを用いて反応層形成用材料の所定量を、第１の集電層８表面上の第１の反応層形成部位に所定間隔で吐出して、反応層形成材料の塗膜を形成する工程の概念図を図９に示す。すなわち、図９（ａ）に示すように基板上の第１の反応層を形成する部分全体に、反応層形成用材料を等間隔に（すなわち、その前に塗布した反応層形成用材料の液滴と重ならないように）塗布する。次いで、図９（ｂ）に示すように、その間隙にさらに等間隔に塗布を行なう。さらに、図９（ｃ）に示すようにその間隙に塗布を行う。この操作を繰り返すことにより、全体に均一な塗布を行なうことができ、均一に所望量の触媒金属を有する反応層を形成することができる。なお、図９（ａ）〜（ｃ）において、まる付き数字は塗布順序、１０ａは反応層形成用材料の塗膜をそれぞれ示す。
【００４８】
この方法は、お茶の葉を急須に入れてお湯を注ぎ、複数の湯飲みにお茶を入れる場合に、急須から複数の湯飲みに少量ずつお茶を注ぐことを繰り返すと、全体に均一な濃さのお茶を点てることができるのと類似したものである。すなわち、吐出装置から一回で吐出される反応層形成用材料の量や濃度には誤差があるので、一定間隔をおいて反応層形成用材料の塗布を繰り返した方が、一方の側から他方向へ順番に塗布する場合よりも、全体としては均一な塗布が可能であり、均一で所望量の触媒金属を有する反応層を得ることができる。
【００４９】
反応層形成材料の液滴の大きさ及び塗布間隔は液滴が着弾時に互いに接触しない大きさ及び間隔であれば特に制限されないが、所望量の触媒金属を有する反応層を効率よく形成する上観点から、液滴の大きさを小さくし（例えば、１０ピコリットル以下）、塗布間隔を十分にあける（例えば、０．１〜１ｍｍ程度）のが好ましい。
【００５０】
反応層形成用材料としては、例えば、（ａ）金属化合物（金属錯体、金属塩）又は金属水酸化物をカーボン担体に吸着させた金属担持カーボンの分散液や、（ｂ）金属微粒子をカーボン担体に吸着させた分散液等が挙げられる。
【００５１】
（ａ）の分散液は、次のようにして調製することができる。先ず、金属化合物の水溶液又は水／アルコール混合溶媒溶液に所望によりアルカリを添加して金属水酸化物とし、そこへ、カーボンブラック等のカーボン担体を添加し、加熱撹拌することにより、金属化合物又は金属水酸化物をカーボン担体に吸着（沈析）させて、金属担持カーボンの粗生物を得る。次いで、このものを濾過、洗浄、乾燥を適宜繰り返すことにより精製した後、水又は水／アルコール混合溶媒に分散して分散液を得ることができる。また、（ｂ）の分散液は、金属微粒子を有機分散剤に分散させた後、カーボン担体を添加して調製することができる。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が挙げられる。
【００５２】
前記（ａ）及び（ｂ）の分差液に用いる金属化合物、金属水酸化物、金属微粒子の金属としては、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。
【００５３】
吐出装置２０ｆにより、反応層形成用材料を塗布して反応層形成用材料の塗膜を形成した後は、得られた塗膜から不要分を除去することにより、単粗粒子に金属微粒子が担持された構造の第１の反応層１０を得ることができる。
【００５４】
不反応層形成用材料の塗膜から不要分を除去する方法としては、前記塗膜を、不活性ガス雰囲気下、常圧で加熱することにより不要分を除去する方法、減圧下で加熱することにより不要分を除去する方法等が挙げられるが、後者の方法が好ましい。加熱温度は低い程好ましく、より好ましくは１００℃以下、さらに好ましくは５０℃以下である。また、不要分を除去する処理はなるべく短い時間で行うのが好ましい。長時間、を高温で不要分を除去する場合には、吐出装置により作製した金属微粒子（又は金属化合物の微粒子）の均一な分散状態が破壊され、触媒金属が均一に分散した反応層を得ることができなくなるおそれがある。
【００５５】
本発明においては、第１の反応層形成部位全体に、反応層形成用材料の所定量を所定間隔をおいて塗布し、塗布された反応層形成用材料の液滴から不要物を除去することを１単位操作とし、該単位操作を繰り返すことにより第１の反応層を形成するのがより好ましい。また、吐出装置２０ｆとして複数の吐出ノズルを有するものを用い、前記１単位操作毎に異なる吐出ノズルから反応層形成材料を吐出させるのが好ましい。単位面積あたりに塗布される触媒金属の量が均一となり、より均一に分散された触媒金属を有する反応層を形成することができるからである。
【００５６】
以上のようにして、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２０ｇまで搬送される。
【００５７】
（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。
【００５８】
用いる電解質膜の形成材料としては、例えば、ナフィオン（デュポン社製）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）に調整した材料や等が挙げられる。
【００５９】
電解質膜が形成された基板２の端面図を図１１に示す。図１１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。
【００６０】
（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。第２の反応層は、ガス流路及びガス拡散層が形成された基板上に、不活性ガスを前記ガス流路中を流しながら、反応層形成用材料を塗布して形成する。
【００６１】
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１０’が形成される。第２の反応層１０’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。
【００６２】
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１２に示す。図１２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。第２の反応層１０’においては、第２の反応ガスの反応が行われる。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。
【００６３】
（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８’が形成される。第２のガス拡散層形成用材料としては、第１のガス拡散層８と同様のものが使用できる。
【００６４】
第２のガス拡散層８’が形成された基板２の端面図を図１３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。
【００６５】
（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。
【００６６】
（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。
【００６７】
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１４に示す。第２の支持部材４’は、第２の集電層８’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。
【００６８】
（９）第２の基板組立工程（Ｓ２０）
次に、第２の支持部材４’が塗布された基板２と、別途用意した第２のガス流路が形成された第２の基板とを積層する。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。
【００６９】
以上のようにして、図１５に示す構造の燃料電池を製造することができる。図１５に示す燃料電池は、図中、下側から、第１の基板２と、第１の基板２に形成された第１のガス流路３と、第１のガス流路３内に収容された第１の支持部材４と、第１の基板２及び第１の支持部材４上に形成された第１の集電層６と、第１のガス拡散層８と、第１のガス拡散層８上に形成された第１の反応層１０と、電解質膜１２と、第２の反応層１０’と、第２のガス拡散層８’と、第２の集電層６’と、第２のガス流路３’と、第２のガス流路３’内に収容された第２の支持部材４’と、第２の基板２’とから構成されている。また、図１５に示す燃料電池においては、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のガス流路と基板２’に形成されている第２のガス流路とが平行になるように基板２’が配置されている。
【００７０】
本実施形態により製造される燃料電池の種類は特に制約されない。例えば、高分子電解質型燃料電池、リン酸型燃料電池、ダイレクトメタノールタイプの燃料電池等が挙げられる。
【００７１】
本実施形態により製造される燃料電池は、次のように動作する。すなわち、第１の基板２の第１のガス流路３から第１の反応ガスが導入され、ガス拡散層８により均一に拡散され、拡散された第１の反応ガスが第１の反応層１０で反応してイオンと電子が生じ、生じた電子は集電層８で集められ、第２の基板２’の第２の集電層６’に流れ、第１の反応ガスにより生じたイオンは電解質膜１２の中を第２の反応層８’へ移動する。一方、第２の基板２’のガス流路３’から第２の反応ガスが導入され、第２のガス拡散層８’により均一に拡散され、拡散された第２の反応ガスが第２の反応層１０’において、電解質膜１２中を移動してきたイオン及び第２の集電層６’から送り込まれた電子と反応する。例えば、第１の反応ガスが水素ガスであり、第２の反応ガスが酸素ガスである場合には、第１の反応層１０においては、Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−の反応が進行し、第２の反応層１０’においては、１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏの反応が進行する。
【００７２】
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、吐出装置を用いて集電層形成用材料を塗布して、第１の集電層及び／又は第２の集電層を形成し、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（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）を用いることなく集電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。
【００７３】
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う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。また、基板上にガス流路形成用材料を吐出装置を用いて塗布してガス流路を形成してもよい。、
【００７４】
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。
【００７５】
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５（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。
【００７６】
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。
【００７７】
本実施形態の燃料電池製造ラインにおいては、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を用いるため、こ第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るため、迅速に燃料電池を製造することができる。
【００７８】
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、ＰＨＳ、モバイル、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。
【００７９】
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。本発明に製造方法によれば、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１６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。
【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】実施の形態に係る燃料電池の製造過程の基板の端面図である。
【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】実施の形態に係る燃料電池の製造過程の基板の端面図である。
【図７】実施の形態に係る燃料電池の製造過程の基板の端面図である。
【図８】実施の形態に係る燃料電池の製造過程の基板の端面図である。
【図９】実施の形態に係る反応層を形成する処理を説明する図である。
【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端面図である。
【図１６】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】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あ…反応層形成用材料の塗膜、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、ＢＣ１，２…ベルトコンベア
Claims (8)
- 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、反応層形成用材料を所定間隔をおいて塗布することを繰り返すことにより、第１の反応層を形成する工程を有することを特徴とする燃料電池の製造方法。 - 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の電子を集める第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有する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、第１の集電層上又は第２の集電層上に、反応層形成用材料を所定間隔をおいて塗布することを繰り返すことにより、第１の反応層又は第２の反応層を形成するものであることを特徴とする燃料電池の製造方法。 - 吐出装置を用いて前記反応層形成用材料を塗布することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池の製造方法。
- 前記反応層形成用材料を塗布した後、得られた塗膜を、減圧下、１００℃以下の温度条件で不要分を除去することにより、第１の反応層を形成することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池の製造方法。
- 前記第１の集電層上の第１の反応層形成部位全体に、反応層形成用材料の所定量を所定間隔をおいて塗布し、塗布された反応層形成用材料の液滴から不要物を除去することを１単位操作とし、該単位操作を繰り返すことにより第１の反応層を形成することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池の製造方法。
- 前記吐出装置として吐出ノズルを複数個有する吐出装置を用い、前記１単位操作毎に異なる吐出ノズルから反応層形成用材料を吐出させて塗布することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池の製造方法。
- 請求項１〜６のいずれかに記載の製造方法により製造された燃料電池を電力供給源として備えることを特徴とする電子機器。
- 請求項１〜６のいずれかに記載の製造方法により製造された燃料電池を電力供給源として備えることを特徴とする自動車。
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