JP2004319433A - Method of forming functional porous layer, method of manufacturing fuel cell, electronic equipment, and automobile - Google Patents

Method of forming functional porous layer, method of manufacturing fuel cell, electronic equipment, and automobile Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of efficiently forming a functional porous layer including a functional material supported by a porous material so that the present amount of the functional material has a desired concentration distribution in the depth direction, a method of manufacturing a fuel cell in which this method is applied to formation of a reaction layer, and electronic equipment and an automobile equipped with a fuel cell obtained by this manufacturing method as power supply sources. <P>SOLUTION: This method of forming the functional porous layer including the functional material supported by the porous material comprises applying a solution or dispersed solution of two or more functional materials differed in surface tension to a porous layer, and controlling the penetration of the functional materials to the depth direction of the porous layer by the difference in surface tension to form the functional porous layer. The fuel cell is manufactured by applying this method to form the reaction layer. The electronic equipment and automobile are equipped with this fuel cell as power supplying sources. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、多孔質層の深さ方向に機能性材料の存在量が変化するように機能性材料が担持されてなる機能性多孔質層の形成方法、この形成方法を反応層の形成に適用した燃料電池の製造方法、並びにこの製造方法により得られる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。   The present invention provides a method for forming a functional porous layer in which a functional material is supported so that the amount of the functional material changes in the depth direction of the porous layer, and the method is applied to the formation of a reaction layer. The present invention relates to a method for manufacturing a fuel cell, and an electronic device and a vehicle including the fuel cell obtained by the method as a power supply source.

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。   Conventionally, there is a fuel cell including an electrolyte membrane, an electrode (anode) disposed on one side of the electrolyte membrane, an electrode (cathode) disposed on the other side of the electrolyte membrane, and the like. For example, in a solid polymer electrolyte fuel cell in which the electrolyte membrane is a solid polymer electrolyte membrane, a reaction that converts hydrogen into hydrogen ions and electrons is performed on the anode side, electrons flow to the cathode side, and hydrogen ions flow to the cathode side. After moving in the electrolyte membrane, a reaction for generating water from oxygen gas, hydrogen ions and electrons is performed on the cathode side.

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。   In such a solid oxide fuel cell, each electrode is usually composed of a reaction layer made of metal fine particles which is a reaction catalyst of a reaction gas, a gas diffusion layer made of carbon fine particles on the substrate side of the reaction layer, and a gas diffusion layer. And a current collecting layer made of a conductive substance on the substrate side of the layer. In one substrate, the hydrogen gas uniformly diffused through the gap between the carbon fine particles constituting the gas diffusion layer reacts in the reaction layer to become electrons and hydrogen ions. The generated electrons are collected in the current collecting layer, and the electrons flow in the current collecting layer of the other substrate. Hydrogen ions move to the reaction layer of the second substrate via the polymer electrolyte membrane, and a reaction is performed to generate water from electrons and oxygen gas flowing from the current collection layer.

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)。   In such a fuel cell, as a method for forming a reaction layer, for example, a paste for forming an electrode catalyst layer prepared by mixing (a) a catalyst-supporting carbon with a polymer electrolyte solution and an organic solvent is used as a transfer base material (polystyrene). A method of transferring a catalyst layer (reaction layer) to an electrolyte membrane by coating the coating on a tetrafluoroethylene sheet), drying it, thermocompression bonding it to an electrolyte membrane, and then peeling off a 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 using a spray and then the solvent is volatilized (Patent Document 2).

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。   However, these methods involve a large number of steps and are complicated, and furthermore, it is difficult to uniformly apply a catalyst or to accurately apply a predetermined amount of a catalyst to a predetermined position. However, there has been a problem that the production cost is increased due to a decrease in the characteristics (output density) of the catalyst and an increase in the use amount of an expensive catalyst such as platinum.

特開平8−88008号公報JP-A-8-88008 特開2002−298860号公報JP-A-2002-298860

本発明は、機能性材料の存在量が深さ方向に対して所望の濃度分布を有するように、機能性材料が多孔質物質に担持されてなる機能性多孔質層を効率よく形成する方法、この方法を反応層の形成に適用した燃料電池の製造方法、並びにこの製造方法により得られる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。   The present invention provides a method for efficiently forming a functional porous layer in which a functional material is supported on a porous substance, so that the amount of the functional material has a desired concentration distribution in the depth direction. It is an object of the present invention to provide a method of manufacturing a fuel cell in which this method is applied to the formation of a reaction layer, and an electronic device and a vehicle equipped with the fuel cell obtained by this method as a power supply source.

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、多孔質層に表面張力が異なる複数種の機能性材料の溶液又は分散液を塗布し、前記表面張力の違いにより、前記機能性材料の溶液又は分散液の、前記多孔質層の深さ方向への浸透を制御できること、及びこの方法を燃料電池の反応層の形成に適用することにより、金属微粒子の存在量が炭素系物質粒子からなる多孔質層の深さ方向に変化するように、金属微粒子が炭素系物質粒子に担持されてなる反応層を効率よく形成することができることを見出し、本発明を完成するに至った。   The present inventors have conducted intensive studies to solve the above-described problems, and as a result, applied a solution or dispersion of a plurality of types of functional materials having different surface tensions to the porous layer, and due to the difference in the surface tensions, The ability to control the permeation of the solution or dispersion of the material in the depth direction of the porous layer, and by applying this method to the formation of the reaction layer of the fuel cell, the amount of the metal fine particles is reduced to the carbon-based material particles. The present inventors have found that a reaction layer in which metal fine particles are supported by carbon-based material particles can be efficiently formed so as to change in the depth direction of a porous layer made of, and the present invention has been completed.

かくして本発明の第1によれば、機能性材料が多孔質物質に担持されてなる機能性多孔質層の形成方法であって、表面張力が異なる複数種の、機能性材料の溶液又は分散液を多孔質層に塗布し、前記表面張力の違いにより、前記機能性材料の前記多孔質層の深さ方向への浸透を制御することを特徴とする機能性多孔質層の形成方法が提供される。   Thus, according to the first aspect of the present invention, there is provided a method for forming a functional porous layer in which a functional material is supported on a porous substance, wherein a plurality of types of solutions or dispersions of functional materials having different surface tensions are provided. To a porous layer, and controlling the penetration of the functional material in the depth direction of the porous layer by the difference in the surface tension, to provide a method for forming a functional porous layer. You.

本発明の機能性多孔質層の形成方法においては、前記機能性多孔質層を、表面張力が異なる複数種の、機能性材料の溶液又は分散液を多孔質層に塗布し、前記溶液又は分散液に含まれる溶媒を除去することにより形成するのが好ましい。   In the method for forming a functional porous layer of the present invention, the functional porous layer is applied with a plurality of types of functional material solutions or dispersions having different surface tensions on the porous layer, and the solution or dispersion is performed. It is preferably formed by removing the solvent contained in the liquid.

本発明の機能性多孔質層の形成方法においては、多孔質層の深さ方向に機能性材料の存在量が変化するように、機能性材料が多孔質物質に担持されてなる機能性多孔質層を形成するものであるのが好ましい。   In the method for forming a functional porous layer according to the present invention, the functional porous material in which the functional material is supported on the porous substance so that the amount of the functional material changes in the depth direction of the porous layer. It is preferable to form a layer.

本発明の機能性多孔質層の形成方法においては、機能性材料の溶液又は分散液を多孔質層に塗布し、該多孔質層に機能性材料の溶液又は分散液を含浸させる工程を、表面張力が異なる前記機能性材料の溶液又は分散液を用いて複数回繰り返すのが好ましく、前記機能性材料の溶液又は分散液の濃度を各回毎に変えるのがより好ましい。   In the method for forming a functional porous layer according to the present invention, a step of applying a solution or dispersion of a functional material to the porous layer and impregnating the porous layer with the solution or dispersion of the functional material is performed on the surface. It is preferable to repeat a plurality of times using a solution or dispersion of the functional material having a different tension, and it is more preferable to change the concentration of the solution or dispersion of the functional material each time.

本発明の機能性多孔質層の形成方法においては、第1の機能性材料の溶液又は分散液を多孔質層に塗布し、前記第1の機能性材料の溶液又は分散液を多孔質層に含浸させた後、前記第1の機能性材料の溶液又は分散液より大きい表面張力を有する、第2の機能性材料の溶液又は分散液を前記多孔質層に塗布し、第2の機能性材料の溶液又は分散液を含浸させるのがより好ましい。   In the method for forming a functional porous layer of the present invention, a solution or dispersion of the first functional material is applied to the porous layer, and the solution or dispersion of the first functional material is applied to the porous layer. After the impregnation, a solution or dispersion of a second functional material having a surface tension greater than the solution or dispersion of the first functional material is applied to the porous layer, and the second functional material is It is more preferable to impregnate a solution or dispersion of the above.

本発明の機能性多孔質層の形成方法においては、前記表面張力が異なる機能性材料の溶液又は分散液として、機能性材料を種類の異なる溶媒に溶解又は分散させて調製したものを用いるのが好ましく、前記機能性材料の溶液又は分散液として、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若しくは該金属の化合物の溶液又は分散液を用いるのが好ましい。   In the method for forming a functional porous layer according to the present invention, as the solution or dispersion of the functional materials having different surface tensions, those prepared by dissolving or dispersing the functional materials in different types of solvents are used. Preferably, as the solution or dispersion of the functional material, fine particles of one or more metals selected from the group consisting of platinum, rhodium, ruthenium, iridium, palladium, osmium and an alloy of two or more thereof, or It is preferable to use a solution or dispersion of the metal compound.

本発明の機能性多孔質層の形成方法においては、前記多孔質層が、炭素系物質粒子からなる多孔質層であるのが好ましい。また、前記機能性多孔質層が、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炭素系物質粒子に担持されてなるものであるのが好ましく、第1の集電層、第1の反応層、電解質膜、第2の反応層、第2の集電層がこの順序で形成されてなる燃料電池の、第1の反応層又は第2の反応層の少なくとも一方であるのがより好ましい。   In the method for forming a functional porous layer of the present invention, it is preferable that the porous layer is a porous layer made of carbon-based material particles. Further, the functional porous layer may be made of a carbon-based material in which fine particles of one or more metals selected from the group consisting of platinum, rhodium, ruthenium, iridium, palladium, osmium and alloys of two or more thereof are used. It is preferable that the fuel is supported by particles, and the fuel is formed by forming a first current collecting layer, a first reaction layer, an electrolyte membrane, a second reaction layer, and a second current collecting layer in this order. More preferably, it is at least one of the first reaction layer and the second reaction layer of the battery.

また、本発明の機能性多孔質層の形成方法においては、前記機能性材料の溶液又は分散液の塗布を、吐出装置を用いて行うのが好ましい。   In the method for forming a functional porous layer according to the present invention, it is preferable that the application of the solution or dispersion of the functional material is performed using a discharge device.

本発明の第2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の集電層を形成する燃料電池の製造方法であって、前記第1の反応層及び第2の反応層の少なくとも一方を、表面張力が異なる複数種の、反応層形成用材料の溶液又は分散液を炭素系物質粒子からなる多孔質層に塗布し、前記溶液又は分散液に含まれる溶媒を除去することにより形成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。   According to a second aspect of the present invention, there is provided a fuel cell manufacturing method for forming a first current collecting layer, a first reaction layer, an electrolyte membrane, a second reaction layer, and a second current collecting layer, At least one of the first reaction layer and the second reaction layer is applied with a solution or dispersion of a plurality of types of reaction layer forming materials having different surface tensions to a porous layer made of carbon-based material particles, Alternatively, there is provided a method for manufacturing a fuel cell, wherein the method is formed by removing a solvent contained in a dispersion.

本発明の燃料電池の製造方法においては、前記第1の反応層及び第2の反応層の少なくとも一方を、炭素系物質粒子からなる多孔質層の深さ方向に反応層形成用材料の存在量が変化するように、反応層形成用材料が炭素系物質粒子に担持されてなる反応層を形成するものであるのが好ましい。   In the method for manufacturing a fuel cell according to the present invention, at least one of the first reaction layer and the second reaction layer is formed by abundance of a reaction layer forming material in a depth direction of a porous layer made of carbon-based particles. It is preferable that the material for forming a reaction layer forms a reaction layer in which the material for a reaction layer is supported on carbon-based material particles so that the reaction layer changes.

本発明の燃料電池の製造方法においては、前記第1の反応層及び第2の反応層の少なくとも一方を、反応層形成用材料の溶液又は分散液を炭素系物質粒子からなる多孔質層に塗布し、該多孔質層に反応層形成用材料の溶液又は分散液を含浸させる工程を、表面張力が異なる反応層形成用材料の溶液又は分散液を用いて複数回繰り返すことにより形成するのが好ましい。   In the method for manufacturing a fuel cell according to the present invention, at least one of the first reaction layer and the second reaction layer is coated with a solution or dispersion of a material for forming a reaction layer on a porous layer made of carbon-based material particles. The step of impregnating the porous layer with the solution or dispersion of the reaction layer forming material is preferably performed by repeating a plurality of times using a solution or dispersion of the reaction layer forming material having a different surface tension. .

本発明の燃料電池の製造方法においては、前記第1の反応層及び第2の反応層の少なくとも一方を、第1の反応層形成用材料の溶液又は分散液を炭素系物質粒子からなる多孔質層に塗布し、前記第1の反応層形成用材料の溶液又は分散液を炭素系物質粒子からなる多孔質層に含浸させた後、前記第1の反応層形成用材料の溶液又は分散液より大きい表面張力を有する、第2の反応層形成用材料の溶液又は分散液を前記炭素系物質粒子からなる多孔質層に塗布し、第2の反応層形成用材料の溶液又は分散液を含浸させることにより形成するのがより好ましい。   In the method for manufacturing a fuel cell according to the present invention, at least one of the first reaction layer and the second reaction layer is formed by using a solution or dispersion of the first reaction layer forming material as a porous material comprising carbon-based material particles. After applying to a layer and impregnating the solution or dispersion of the first reaction layer forming material into a porous layer composed of carbon-based material particles, the solution or dispersion of the first reaction layer forming material is used. A solution or dispersion of the second reaction layer forming material having a large surface tension is applied to the porous layer composed of the carbon-based material particles, and impregnated with the solution or dispersion of the second reaction layer forming material. It is more preferable to form them.

本発明の燃料電池の製造方法においては、前記表面張力が異なる反応層形成用材料の溶液又は分散液として、反応層形成用用材料を種類の異なる溶媒に溶解又は分散させて調製したものを用いるのが好ましい。   In the fuel cell manufacturing method of the present invention, as the solution or dispersion of the reaction layer forming materials having different surface tensions, those prepared by dissolving or dispersing the reaction layer forming materials in different kinds of solvents are used. Is preferred.

本発明の燃料電池の製造方法においては、前記第1の反応層及び第2の反応層の少なくとも一方を、第1の集電層上又は第2の集電層上に炭素系物質粒子を塗布することにより炭素系物質粒子からなる多孔質層を形成し、次いで、表面張力が異なる複数種の、反応層形成用材料の溶液又は分散液を前記炭素系物質粒子からなる多孔質層に塗布し、前記溶液又は分散液に含まれる溶媒を除去することにより形成するのが好ましい。   In the method for manufacturing a fuel cell according to the present invention, at least one of the first reaction layer and the second reaction layer is coated with carbon-based material particles on a first current collecting layer or a second current collecting layer. To form a porous layer composed of carbon-based material particles, and then apply a solution or dispersion of a plurality of types of reaction layer forming materials having different surface tensions to the porous layer composed of the carbon-based material particles. It is preferable to form by removing the solvent contained in the solution or dispersion.

また、本発明の燃料電池の製造方法においては、前記反応層形成用材料の溶液又は分散液の塗布を、吐出装置を用いて行うのが好ましい。   In the method for manufacturing a fuel cell according to the present invention, it is preferable that the solution or the dispersion of the material for forming a reaction layer is applied using a discharge device.

本発明の燃料電池の製造方法においては、前記第1の反応層及び第2の反応層の少なくとも一方を、金属微粒子が炭素系物質粒子に担持されてなり、該金属微粒子の存在量が、前記反応層の集電層側よりも電解質膜側の方が高くなるように形成するのが好ましい。   In the method for manufacturing a fuel cell according to the present invention, at least one of the first reaction layer and the second reaction layer includes metal fine particles supported on carbon-based material particles, and the abundance of the metal fine particles is It is preferable that the reaction layer is formed to be higher on the electrolyte membrane side than on the current collection layer side.

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る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。   According to a third aspect of the present invention, there is provided an electronic apparatus including a fuel cell manufactured by the manufacturing method of the present invention as a power supply source.

また本発明の第4によれば、本発明の製造方法により製造される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。   According to a fourth aspect of the present invention, there is provided an automobile including a fuel cell manufactured by the manufacturing method of the present invention as a power supply source.

本発明の機能性多孔質層の形成方法によれば、表面張力が異なる、複数種の機能性材料を含む溶液又は分散液を多孔質層に塗布することにより、表面張力の違いにより、前記機能性材料の前記多孔質層への深さ方向への浸透を容易に制御することができるので、機能性材料が深さ方向に変化するように分布している機能性多孔質層を容易に形成することができる。   According to the method for forming a functional porous layer of the present invention, the surface tension is different, by applying a solution or dispersion containing a plurality of types of functional materials to the porous layer, by the difference in surface tension, the function Since the penetration of the functional material into the porous layer in the depth direction can be easily controlled, the functional porous layer in which the functional material is distributed so as to change in the depth direction can be easily formed. can do.

本発明の機能性多孔質層の形成方法において、表面張力が相対的に小さい機能性材料の溶液又は分散液を塗布した後、表面張力が相対的に大きい機能性材料の溶液又は分散液を塗布する場合には、機能性材料が深さ方向に連続的に小さくなるように分布している機能性多孔質層を容易に形成することができる。   In the method for forming a functional porous layer of the present invention, after applying a solution or dispersion of a functional material having a relatively small surface tension, applying a solution or dispersion of a functional material having a relatively large surface tension. In this case, the functional porous layer in which the functional material is distributed so as to be continuously reduced in the depth direction can be easily formed.

本発明の機能性多孔質層の形成方法において、表面張力が異なる機能性材料の溶液又は分散液として、同一の機能性材料を種類の異なる溶媒に溶解又は分散させて調製したものを用いる場合には、同じ機能性材料が、深さ方向に変化するように、好ましくは深さ方向に連続的に小さくなるように分布してなる機能性多孔質層を容易に形成することができる。   In the method for forming a functional porous layer of the present invention, when a solution or a dispersion of functional materials having different surface tensions is prepared by dissolving or dispersing the same functional material in different types of solvents. Can easily form a functional porous layer in which the same functional material is distributed so as to change in the depth direction, preferably to decrease continuously in the depth direction.

本発明の機能性多孔質層の形成方法において、表面張力が異なる機能性材料の溶液又は分散液を多孔質層に塗布し、機能性材料を多孔質層に含浸させる工程を繰り返すこと、すなわち、用いる機能性材料の溶液又は分散液の表面張力を任意の値に設定し、表面張力が異なる機能性材料の溶液又は分散液を任意に組み合わせ、あるいは機能性材料の溶液又は分散液の塗布量を任意に設定することによって、深さ方向に対して所望の機能性材料の濃度分布(存在分布)を有する機能性多孔質層を容易に形成することができる。   In the method for forming a functional porous layer of the present invention, a step of applying a solution or dispersion of a functional material having a different surface tension to the porous layer and repeating the step of impregnating the porous material with the functional material, that is, The surface tension of the solution or dispersion of the functional material to be used is set to an arbitrary value, the solution or dispersion of the functional material having a different surface tension is arbitrarily combined, or the application amount of the solution or dispersion of the functional material is adjusted. By arbitrarily setting, a functional porous layer having a desired functional material concentration distribution (existence distribution) in the depth direction can be easily formed.

本発明の機能性多孔質層の形成方法において、前記多孔質層が炭素系物質粒子からなる多孔質層であり、前記機能性多孔質層が、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がら選ばれる1種若しくは2種以上の金属の微粒子からなる場合には、炭素系物質粒子からなる多孔質層に、金属微粒子が深さ方向に変化するように、好ましくは深さ方向に連続的に小さくなるように分布してなる、金属微粒子が多孔質炭素系物質粒子に担持されてなる機能性多孔質層を容易に形成することができる。   In the method for forming a functional porous layer of the present invention, the porous layer is a porous layer made of carbon-based material particles, and the functional porous layer is formed of platinum, rhodium, ruthenium, iridium, palladium, osmium and When one or two or more kinds of metal fine particles selected from the group consisting of these two or more kinds of alloys are used, the metal fine particles change in the depth direction in the porous layer made of carbon-based material particles. In addition, it is possible to easily form a functional porous layer in which metal fine particles are preferably continuously distributed in the depth direction and are supported by porous carbon-based material particles.

本発明の機能性多孔質層の形成方法は、第1の集電層、第1の反応層、電解質膜、第2の反応層、第2の集電層がこの順序で形成されてなる燃料電池の、前記第1の反応層又は第2の反応層を形成する方法として好ましく適用することができる。   The method for forming a functional porous layer according to the present invention provides a fuel 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 in this order. It can be preferably applied as a method for forming the first reaction layer or the second reaction layer of a battery.

また、本発明の機能性多孔質層の形成方法において、機能性材料の溶液又は分散液の塗布を吐出装置を用いて行う場合には、機能性材料を所定位置に正確に塗布することができるので、設計通りのプロファイルを有する機能性多孔質層を容易に形成することができる。また、機能性材料の溶液又は分散液を所定位置に必要なだけ塗布することができるので、余分な機能性材料を塗布することがなくなり、機能性材料の使用量を節減することができる。   Further, in the method for forming a functional porous layer of the present invention, when applying a solution or dispersion of a functional material using a discharge device, the functional material can be accurately applied to a predetermined position. Therefore, a functional porous layer having a profile as designed can be easily formed. In addition, since the solution or dispersion of the functional material can be applied to a predetermined position as needed, unnecessary functional material is not applied, and the amount of the functional material used can be reduced.

本発明の燃料電池の製造方法によれば、反応層形成用材料が深さ方向に対して変化するように分布してなる反応層を有する燃料電池を、容易かつ効率よく製造することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to the manufacturing method of the fuel cell of this invention, the fuel cell which has the reaction layer which the material for reaction layer formation distributes so that it changes with respect to a depth direction can be manufactured easily and efficiently.

本発明の燃料電池の製造方法において、表面張力が相対的に小さい、反応層形成用材料の溶液又は分散液を塗布した後、表面張力が相対的に大きい、反応層形成用材料の溶液又は分散液を塗布する場合には、反応層形成用材料が深さ方向に連続的に小さくなるように分布してなる反応層を有する燃料電池を、容易かつ効率よく製造することができる。   In the method for producing a fuel cell according to the present invention, the surface tension is relatively small, and after applying a solution or dispersion of the reaction layer forming material, the surface tension is relatively large, and the reaction layer forming material solution or dispersion is applied. When the liquid is applied, it is possible to easily and efficiently manufacture a fuel cell having a reaction layer in which the reaction layer forming material is continuously reduced in the depth direction.

本発明の燃料電池の製造方法において、反応層形成用材料の塗布を吐出装置を用いて行う場合には、均一で、深さ方向に対して所望の反応層形成用材料の濃度分布(存在分布)を有する反応層を効率よく形成することができる。また。従来の反応層形成用材料をベタ塗りして反応層を形成する場合に比して、高価な反応層形成用材料の使用量が少なくなる。従って、低コストで、出力の高い燃料電池を製造することができる。   In the method of manufacturing a fuel cell according to the present invention, when the application of the reaction layer forming material is performed using a discharge device, the concentration distribution of the desired reaction layer forming material in the depth direction (existence distribution) ) Can be efficiently formed. Also. Compared with the case where a conventional reaction layer forming material is solid-coated to form a reaction layer, the amount of expensive reaction layer forming material used is reduced. Therefore, a fuel cell with high output can be manufactured at low cost.

また、本発明の燃料電池の製造方法によれば、第1の反応層及び第2の反応層の少なくとも1つを、金属微粒子が炭素物質粒子に担持されてなり、前記金属微粒子の存在量が、前記反応層の集電層側よりも電解質膜側の方が高くなるように、効率よく形成することができる。   Further, according to the method for manufacturing a fuel cell of the present invention, at least one of the first reaction layer and the second reaction layer has metal fine particles supported on carbon material particles, and the amount of the metal fine particles is reduced. It is possible to efficiently form the reaction layer so that it is higher on the electrolyte membrane side than on the current collection layer side.

本発明の製造方法により製造される燃料電池は、均一で、所望量の金属微粒子を有する反応層が効率よく形成されてなるため、低コストで、出力密度が高く、特性のよい燃料電池となっている。   The fuel cell manufactured by the manufacturing method of the present invention has a low cost, a high power density, and excellent characteristics because the reaction layer having a uniform and desired amount of metal fine particles is efficiently formed. ing.

本発明の製造方法により得られる燃料電池は、電子機器及び自動車などの電力供給源として有用である。   The fuel cell obtained by the manufacturing method of the present invention is useful as a power supply source for electronic devices and automobiles.

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。   An electronic device according to the present invention includes a fuel cell manufactured by the manufacturing method according to the present invention as a power supply source. ADVANTAGE OF THE INVENTION According to the electronic device of this invention, the clean energy which considered the global environment appropriately can be provided as a power supply source.

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。   Further, an automobile according to the present invention includes a fuel cell manufactured by the manufacturing method according to the present invention as a power supply source. ADVANTAGE OF THE INVENTION According to the vehicle of this invention, the clean energy which considered the global environment appropriately can be provided as a power supply source.

以下、本発明の機能性多孔質層の形成方法、燃料電池の製造方法、並びにこの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。   Hereinafter, a method for forming a functional porous layer, a method for manufacturing a fuel cell, and an electronic device and an automobile including the fuel cell of the present invention will be described in detail.

1)機能性多孔質層の形成方法
本発明の機能性多孔質層の形成方法は、機能性材料が多孔質物質に担持されてなる機能性多孔質層の形成方法であって、表面張力が異なる複数種の、機能性材料の溶液又は分散液を多孔質層に塗布し、前記表面張力の違いにより、前記機能性材料の前記多孔質層の深さ方向への浸透を制御することを特徴とする。
1) Method for Forming Functional Porous Layer The method for forming a functional porous layer of the present invention is a method for forming a functional porous layer in which a functional material is supported on a porous substance, and has a surface tension. A plurality of different types of solutions or dispersions of functional materials are applied to the porous layer, and the difference in the surface tension is used to control the penetration of the functional material in the depth direction of the porous layer. And

本発明において、機能性多孔質層とは、多孔質層中の孔質物質に機能性材料が担持(又は吸着)されてなる多孔質層のことをいう。また、本発明の機能性多孔質層の形成方法は、機能性材料が多孔質層中に、深さ方向に所定の濃度分布で存在する多孔質層を形成する方法であるが、同時に、多孔質層表面に機能性材料からなる層が形成される場合も含む。   In the present invention, the functional porous layer refers to a porous layer in which a functional material is carried (or adsorbed) on a porous substance in the porous layer. Further, the method for forming a functional porous layer of the present invention is a method for forming a porous layer in which a functional material is present in a predetermined concentration distribution in a depth direction in a porous layer. This also includes the case where a layer made of a functional material is formed on the surface of the material layer.

本発明に用いる多孔質層の孔径は特に制限されないが、通常、数十nmから数百nmである。   Although the pore diameter of the porous layer used in the present invention is not particularly limited, it is usually several tens nm to several hundreds nm.

本発明に用いる多孔質層としては、多孔質物質からなる層であって、機能性材料を担持可能なものであれば特に制限されない。多孔質物質の好ましい具体例としては、炭素粒子、カーボンナノチューブ、カーボンナノフォーン、フラーレン等の炭素系物質粒子が挙げられる。多孔質層は多孔質物質の1種からなる層であっても、2種以上の多孔質物質からなる層であってもよい。また多孔質層は、他の層の上に形成されたものであっても、多孔質層自体からなるものであってもよい。   The porous layer used in the present invention is not particularly limited as long as it is a layer made of a porous substance and can carry a functional material. Preferred specific examples of the porous material include carbon-based material particles such as carbon particles, carbon nanotubes, carbon nanophones, and fullerenes. The porous layer may be a layer composed of one type of porous substance or a layer composed of two or more types of porous substances. The porous layer may be formed on another layer or may be formed of the porous layer itself.

本発明の機能性多孔質層の形成方法は、多孔質層に機能性材料を含む溶液又は分散液を塗布し、機能性材料の溶液又は分散液(以下、「機能性材料の液」という)を多孔質層に含浸させる工程(以下、「工程(1)」という)と、前記溶媒又は溶液に含まれる溶媒を除去する工程(以下、「工程(II)」という)に分けることができる。   In the method for forming a functional porous layer of the present invention, a solution or a dispersion containing a functional material is applied to the porous layer, and a solution or a dispersion of the functional material (hereinafter, referred to as a “functional material liquid”) (Hereinafter referred to as "step (1)") and a step of removing the solvent or the solvent contained in the solution (hereinafter referred to as "step (II)").

工程(1)は、表面張力が異なる複数種の機能性材料の液を前記多孔質層に塗布し、前記多孔質層の深さ方向に前記機能性材料の存在量が変化するように、好ましくは連続的に変化するように、より好ましくは表面側から層内部に向かうにつれ、機能性材料の存在量が連続的に少なくなるように機能性材料を前記多孔質層に含浸させる。   In the step (1), liquids of a plurality of types of functional materials having different surface tensions are preferably applied to the porous layer so that the amount of the functional material changes in a depth direction of the porous layer. The porous layer is impregnated with a functional material so that the amount of the functional material continuously decreases, more preferably, from the surface side toward the inside of the layer.

一般的に、多孔質層にある物質を含浸させる場合においては、含浸させる物質(溶液又は分散液)の表面張力が大きいほど、深さ方向に対し含浸される範囲が狭くなり、表面張力が小さいほど深さ方向に対し広範囲に含浸する。本発明はこの現象を利用するものである。すなわち、本発明は表面張力が異なる複数種の機能性物質の液を多孔質層に塗布、含浸させることで、多孔質層の深さ方向に対する所望の位置に、所望の濃度の機能性物質が存在するようにした機能性多孔質層を形成するものである。   Generally, when impregnating a substance in a porous layer, as the surface tension of the substance (solution or dispersion) to be impregnated is larger, the range of impregnation in the depth direction becomes narrower, and the surface tension is smaller. The greater the degree of impregnation in the depth direction. The present invention utilizes this phenomenon. That is, the present invention applies a liquid of a plurality of types of functional substances having different surface tensions to a porous layer and impregnates the same so that a functional substance having a desired concentration is provided at a desired position in the depth direction of the porous layer. This is to form a functional porous layer that is present.

本発明においては、表面張力が相対的に小さい機能性材料の液を多孔質層に塗布し、多孔質層に含浸させた後、次いで、表面張力が相対的に大きい機能性材料の液を多孔質層に塗布し、該機能性材料の液を多孔質層に含浸させるのが好ましい。その理由は次のとおりである。   In the present invention, a liquid of a functional material having a relatively low surface tension is applied to a porous layer, and the porous layer is impregnated with the liquid. It is preferable to apply the liquid of the functional material to the porous layer so as to impregnate the porous layer. The reason is as follows.

表面張力がAlmN/mである機能性物質の液を多孔質層上に塗布し、多孔質層に含浸させ、次いで、表面張力がA1よりも大きいA2mN/mである機能性材料の液を多孔質層上に塗布し、多孔質層に含浸させる場合には、表面張力がA1の機能性材料の液を用いた場合には、機能性材料は多孔質層の表面から深さd1までの間に均一に拡散される。また、表面張力がA2である機能性材料の液を用いた場合には、多孔質層の表面から深さd2(d1>d2)までの間に均一に拡散される。すなわち、表面張力がA1である場合にも、表面張力がA2である場合にも同じ機能性材料を使用するとすれば、相対的に多孔質層の表面付近から深さ方向(d1)にわたって、存在量が連続的に低くなるように機能性材料が分布した状態を得ることができる。   A liquid of a functional material having a surface tension of AlmN / m is applied on the porous layer and impregnated into the porous layer, and then a liquid of a functional material having a surface tension of A2 mN / m larger than A1 is applied to the porous layer. When the liquid is coated on the porous layer and impregnated into the porous layer, when the liquid of the functional material having the surface tension of A1 is used, the functional material is applied from the surface of the porous layer to the depth d1. Is uniformly diffused. When a liquid of a functional material having a surface tension of A2 is used, the liquid is uniformly diffused from the surface of the porous layer to a depth d2 (d1> d2). In other words, if the same functional material is used both when the surface tension is A1 and when the surface tension is A2, the same functional material is relatively present from the vicinity of the surface of the porous layer to the depth direction (d1). A state in which the functional material is distributed such that the amount is continuously reduced can be obtained.

また、多孔質層に機能性材料の溶液又は分散液を塗布した場合、着弾した液は横方向に拡がることなく、多孔質層の深さ方向に浸透する。従って、たとえ、表面張力が高い材料を塗布したとしても、溶媒を後から塗布することにより、機能性材料の深さ方向への浸透深さを制御することができる。   Further, when a solution or dispersion of a functional material is applied to the porous layer, the landed liquid does not spread in the lateral direction but permeates in the depth direction of the porous layer. Therefore, even if a material having a high surface tension is applied, the depth of penetration of the functional material in the depth direction can be controlled by applying the solvent later.

この方法は具体的には次のようにして行うことができる。   This method can be specifically performed as follows.

第1の濃度を有する第1の機能性材料の溶液又は分散液の所定量を多孔質層に塗布する。次に、前記第1の機能性材料の溶液又は分散液を塗布した位置と同じ位置に溶媒の所定量を塗布する(第1工程)。これにより、機能性材料の多孔質層の深さ方向への浸透を制御することができる。   A predetermined amount of a solution or dispersion of the first functional material having the first concentration is applied to the porous layer. Next, a predetermined amount of the solvent is applied to the same position where the solution or dispersion of the first functional material is applied (first step). This makes it possible to control the penetration of the functional material into the porous layer in the depth direction.

次いで、第2の濃度を有する第2の機能性材料の溶液又は分散液を多孔質層に塗布する。さらに、第2の機能性材料の溶液又は分散液を塗布した位置と同じ位置に溶媒の所定量を塗布する(第2工程)。この工程を繰り返すことにより、機能性材料の多孔質層の深さ方向に濃度分布を持たせることができる。この場合、第1工程と第2工程との間に、溶媒を除去する工程(乾燥工程)を設けることも好ましい。   Next, a solution or dispersion of a second functional material having a second concentration is applied to the porous layer. Further, a predetermined amount of the solvent is applied to the same position as the position where the solution or dispersion liquid of the second functional material is applied (second step). By repeating this step, a concentration distribution can be provided in the depth direction of the porous layer of the functional material. In this case, it is also preferable to provide a step of removing the solvent (drying step) between the first step and the second step.

なお、本実施形態では、表面張力が異なる2種類の機能性材料の液を例にとって説明したが、機能性材料の液の表面張力の値を多段階に変化させ、表面張力が異なる3種類以上の機能性材料の液を使用することもできる。   In the present embodiment, two types of liquids of functional materials having different surface tensions have been described as examples. However, the surface tension of the functional material liquid is changed in multiple steps, and three or more types of liquids having different surface tensions are used. The liquid of the functional material may be used.

本発明で用いる機能性材料としては、多孔質物質に担持されることによって、化学反応性、電気伝導性、光応答性などの機能を発揮する物質であれば特に制限されない。好ましい具体例としては、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等が挙げられる。   The functional material used in the present invention is not particularly limited as long as it is a substance that exhibits functions such as chemical reactivity, electrical conductivity, and photoresponsiveness by being supported by a porous substance. Preferred specific examples include fine particles of one or more metals selected from the group consisting of platinum, rhodium, ruthenium, iridium, palladium, osmium, and alloys of two or more of these.

機能性材料を溶解又は分散させる溶媒としては特に制限されないが、例えば、水、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、芳香族炭化水素類及びこれらの2種以上の組み合わせ等が挙げられる。   The solvent for dissolving or dispersing the functional material is not particularly limited, and examples thereof include water, alcohols, ketones, esters, ethers, hydrocarbons, aromatic hydrocarbons, and combinations of two or more of these. Is mentioned.

表面張力が異なる機能性材料の液を調製する方法は特に制限されない。例えば、機能性材料として白金微粒子を用いる場合には、水に、アルコール類、グリセリン、エチレングリコールなどの有機溶媒を所定割合で添加したり、水に界面活性剤等を所定割合で添加することにより、表面張力が水の値から20mN/mまでの広範囲な表面張力を有する白金微粒子の分散液を調製することができる。また、機能性材料の溶液又は分散液の濃度を変えることにより、所定の表面張力を有する溶液又は分散液を調製することもできる。   The method for preparing the liquids of the functional materials having different surface tensions is not particularly limited. For example, when using platinum fine particles as a functional material, an organic solvent such as alcohols, glycerin, and ethylene glycol is added to water at a predetermined ratio, or a surfactant and the like are added to water at a predetermined ratio. In addition, it is possible to prepare a dispersion liquid of platinum fine particles having a wide range of surface tension from the value of water to 20 mN / m. Further, a solution or dispersion having a predetermined surface tension can be prepared by changing the concentration of the solution or dispersion of the functional material.

本発明においては、機能性材料の液の塗布を吐出装置を用いて行うのが好ましい。吐出装置としては、後述する吐出装置20aと同様のものを使用することができる。吐出装置を用いて機能性材料の塗布を行う場合には、所望の塗布位置に、必要量の機能性材料の液を正確に塗布することができる。従って、所望量の機能性材料の液を正確に塗布することができるのみならず、機能性材料を塗布・含浸させたい位置のみに正確に塗布することも可能となるため、設計どおりの機能性材料の濃度分布(深さ方向及び水平方向)を有する機能性多孔質層を、容易に形成することができる。   In the present invention, it is preferable that the application of the liquid of the functional material is performed using a discharge device. As the ejection device, the same device as the ejection device 20a described later can be used. When the functional material is applied using the discharge device, a required amount of the liquid of the functional material can be accurately applied to a desired application position. Therefore, not only can the liquid of the desired amount of the functional material be applied accurately, but also it is possible to apply the functional material accurately only to the position where the functional material is to be applied and impregnated. A functional porous layer having a material concentration distribution (depth direction and horizontal direction) can be easily formed.

また、用いる吐出装置として、複数の吐出ノズルを有するものを使用することもできる。このような吐出装置を用いる場合には、例えば、機能性材料の液を塗布する領域全体に所定の塗布間隔で機能性材料の液を塗布した後、その塗布間隔の間にさらに機能性材料の液を塗布する場合に、異なる吐出ノズルから機能性材料の液を吐出することができる。この吐出装置によれば、吐出ノズル間に生じる1回の塗布量の誤差を全体として少なくすることができる。   Further, a discharge device having a plurality of discharge nozzles may be used. In the case of using such a discharge device, for example, after the functional material liquid is applied at a predetermined application interval over the entire region where the functional material liquid is applied, the functional material is further applied during the application interval. When applying a liquid, the liquid of the functional material can be discharged from different discharge nozzles. According to this discharge device, it is possible to reduce an error in the amount of one application generated between the discharge nozzles as a whole.

機能性材料の液の塗布は間隔を十分にあけて(例えば、1mm程度)、少量ずつ(例えば10ピコリットルずつ)塗布するのが好ましい。溶媒を留去した後、機能性材料の析出段階が変わるため、機能性材料が均一に分散された機能性多孔質層を得る上では、塗布間隔は常に同じであることが好ましい。   It is preferable to apply the liquid of the functional material at a sufficient interval (for example, about 1 mm) and to apply the liquid in small amounts (for example, 10 picoliters). After the solvent is distilled off, the deposition stage of the functional material changes, and therefore, to obtain a functional porous layer in which the functional material is uniformly dispersed, it is preferable that the application intervals are always the same.

次いで、工程(II)において、機能性材料を溶解又は分散している溶媒を除去することにより、多孔質層中に機能性材料が担持(又は吸着)されてなる多孔質層を形成することができる。   Next, in the step (II), it is possible to form a porous layer in which the functional material is carried (or adsorbed) in the porous layer by removing a solvent in which the functional material is dissolved or dispersed. it can.

機能性材料を溶解又は分散している溶媒を除去する方法としては、加熱して蒸発除去する方法が一般的である。本発明においては、長時間、高温の熱処理は、工程(I)で形成した機能性材料の分散状態を破壊するおそれがあるため、なるべく短時間、かつ低温で溶媒の除去を行うのが好ましい。具体的には、減圧下で、低温で、好ましくは100℃以下で溶媒を除去する方法が好ましい。   As a method of removing the solvent in which the functional material is dissolved or dispersed, a method of evaporating and removing by heating is generally used. In the present invention, since the heat treatment at a high temperature for a long time may destroy the dispersion state of the functional material formed in the step (I), it is preferable to remove the solvent as short as possible and at a low temperature. Specifically, a method of removing the solvent under reduced pressure at a low temperature, preferably at 100 ° C. or lower is preferable.

本発明の機能性多孔質層の形成方法によれば、機能性材料が深さ方向に変化するように分布している機能性多孔質層を容易に形成することができる。本発明の機能性多孔質層の形成方法は、以下に述べる燃料電池の反応層を形成に好適に適用することができる。   According to the method for forming a functional porous layer of the present invention, a functional porous layer in which a functional material is distributed so as to change in the depth direction can be easily formed. The method for forming a functional porous layer of the present invention can be suitably applied to formation of a reaction layer of a fuel cell described below.

2)燃料電池の製造方法
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の集電層を形成する燃料電池の製造方法であって、前記第1の反応層及び第2の反応層の少なくとも一方を、表面張力が異なる複数種の、反応層形成用材料の溶液又は分散液を炭素系物質粒子からなる多孔質層に塗布し、前記溶液又は分散液に含まれる溶媒を除去することにより形成することを特徴とする。
2) Fuel Cell Manufacturing Method The fuel cell manufacturing method of the present invention is directed to 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. The method according to claim 1, wherein at least one of the first reaction layer and the second reaction layer is formed of a plurality of types of solutions or dispersions of reaction layer forming materials having different surface tensions by using a porous material comprising carbon-based material particles. It is formed by applying to a porous layer and removing a solvent contained in the solution or dispersion.

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201、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。   The method for manufacturing a fuel cell according to 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 used in each step, a belt conveyor BC1 connecting the discharge devices 20a to 20k, a belt conveyor BC2 connecting the discharge devices 201 and 20m, and a belt conveyor BC1 are used. , BC2, an assembly device 60 for assembling the fuel cell, and a control device 56 for controlling the entire fuel cell production line.

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201、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。   The discharge devices 20a to 20k are arranged in a line at a predetermined interval along the belt conveyor BC1, and the discharge devices 201 and 20m are arranged in a line at a predetermined interval along the belt conveyor BC2. The control device 56 is connected to the ejection devices 20a to 20k, the driving device 58, and the assembling device 60.

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201、20mに搬送して、吐出装置201、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み立て作業が行なわれる。   In this fuel cell production line, the belt conveyor BC1 driven by the driving device 58 is driven, and a substrate of the fuel cell (hereinafter, simply referred to as a "substrate") is transported to each of the discharge devices 20a to 20k and 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 transported to the ejection devices 201 and 20m, and the processing in the ejection devices 201 and 20m is performed. In the assembling apparatus 60, the fuel cell assembling operation is performed using the substrates transported by the belt conveyors BC1 and BC2 based on a control signal from the control apparatus 56.

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。   The discharge devices 20a to 20m are not particularly limited as long as they are ink jet type discharge devices. For example, there are a thermal discharge device that discharges droplets by generating bubbles by heating and foaming, and a piezo discharge device that discharges droplets by compression using a piezo element.

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。   In the present embodiment, the discharge device shown in FIG. 2 is used as the discharge device 20a. The discharge device 20 a includes a tank 30 for storing the discharge 34, an inkjet head 22 connected to the tank 30 via a discharge transfer pipe 32, a table 28 for mounting and transporting the discharge target, and a stay in the inkjet head 22. And a waste liquid tank 48 for storing the excess discharged matter sucked by the suction cap 40. .

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25mm±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。   The tank 30 accommodates a discharge 34 such as a resist solution, and has a liquid level control sensor 36 for controlling the height of the liquid level 34 a of the discharge contained in the tank 30. The sensor 36 controls the height difference h (hereinafter referred to as “water head value”) between the tip 26 a of the nozzle forming surface 26 of the inkjet head 22 and the liquid surface 34 a in the tank 30 within a predetermined range. I do. For example, by controlling the height of the liquid surface 34a so that the water head value is within 25 mm ± 0.5 mm, the discharged material 34 in the tank 30 can be sent to the inkjet head 22 at a pressure within a predetermined range. it can. By sending the discharge 34 at a pressure within a predetermined range, a required amount of the discharge 34 can be stably discharged from the inkjet head 22.

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。   The discharge transport pipe 32 includes a discharge flow path ground joint 32a for preventing electrification in the flow path of the discharge transport pipe 32, and a head section bubble exhaust valve 32b. The head-portion air bubble elimination valve 32b is used when the ejected matter in the inkjet head 22 is sucked by the suction cap 40 described later.

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。   The ink jet head 22 includes a head body 24 and a nozzle forming surface 26 on which a number of nozzles for discharging a discharge are formed, and a gas flow path for supplying a discharge, for example, a reaction gas from the nozzles of the nozzle formation surface 26. A resist solution or the like that is applied to the substrate when the substrate is formed on the substrate is discharged. The table 28 is installed movably in a predetermined direction. The table 28 moves in the direction indicated by the arrow in the figure, and places the substrate conveyed by the belt conveyor BC1, and takes it into the discharge device 20a.

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。   The suction cap 40 is movable in the direction of the arrow shown in FIG. 2, closely adheres to the nozzle forming surface 26 so as to surround the plurality of nozzles formed on the nozzle forming surface 26, and is located between the nozzle cap 26 and the nozzle forming surface 26. The structure is such that a closed space is formed so that the nozzle can be shielded from the outside air. That is, when the suction cap 40 sucks an object in the ink-jet head 22, the head-portion bubble elimination valve 32b is closed so that the discharged material does not flow from the tank 30 side. Accordingly, it is possible to increase the flow rate of the ejected matter to be sucked and quickly discharge the bubbles in the inkjet head 22.

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。   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 has a role of closing the flow path for the purpose of shortening the time for maintaining the pressure balance (atmospheric pressure) between the suction side below the suction valve 42 and the ink jet head 22 above. A suction pump 46 including a suction pressure detection sensor 44 for detecting a suction abnormality and a tube pump is disposed in the flow path. The discharged material 34 sucked and conveyed by the suction pump 46 is temporarily stored in a waste liquid tank 48.

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。   In the present embodiment, the discharge devices 20b to 20m have the same configuration as the discharge device 20a except that the type of the discharge object 34 is different. Therefore, hereinafter, the same reference numerals are used for the same configuration of each ejection device.

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。   Next, each step of manufacturing a fuel cell using the fuel cell manufacturing line shown in FIG. 1 will be described. FIG. 3 shows a flowchart of a method for manufacturing a fuel cell using the fuel cell manufacturing line shown in FIG.

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。   As shown in FIG. 3, the fuel cell according to the present embodiment includes a step of forming a gas flow path in a first substrate (S10, a first gas flow path forming step), and a first support in a gas flow path. Step of applying a member (S11, first support member applying step), step of forming a first current collecting layer (S12, first current collecting layer forming step), step of forming a first gas diffusion layer (S13, first gas diffusion layer forming step), first reaction layer forming step (S14, first reaction layer forming step), step of forming an electrolyte membrane (S15, electrolyte membrane forming step), second step Forming a reaction layer (S16, second reaction layer forming step), forming a second gas diffusion layer (S17, second gas diffusion layer forming step), and forming a second current collecting layer Step (S18, second current collecting layer forming step), step of applying the second support member in the second gas flow path (S1) , The second support member application step), and a second second step (S20 of laminating substrates gas channel is formed, is manufactured by assembling step).

(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。
(1) First gas flow path forming step (S10)
First, as shown in FIG. 4A, a rectangular first substrate 2 is prepared, and the substrate 2 is transported to a discharge device 20a by a 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 the present embodiment, a silicon substrate is used.

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。   The substrate 2 transported by the belt conveyor BC1 is placed on the table 28 of the discharge device 20a and is taken into the discharge device 20a. In the discharge device 20a, a resist solution contained in the tank 30 of the discharge device 20a is applied to a predetermined position on the substrate 2 mounted on the table 28 via the nozzle of the nozzle forming surface 26, and A resist pattern (shaded in the figure) is formed on the surface of the substrate. As shown in FIG. 4B, the resist pattern is formed on a portion of the surface of the substrate 2 other than the portion forming the first gas flow path for supplying the first reaction gas.

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。   The substrate 2 on which the resist pattern is formed at a predetermined position is transported to the ejection device 20b by the belt conveyor BC1, placed on the table 28 of the ejection device 20b, and taken into the ejection device 20b. In the ejection device 20b, an etching solution such as an aqueous solution of hydrofluoric acid contained in the tank 30 is applied to the surface of the substrate 2 through the nozzle on the nozzle forming surface 26. The surface of the substrate 2 other than the portion where the resist pattern is formed is etched by the etchant, and as shown in FIG. 5 (a), the cross section of the substrate 2 has a U-shape extending from one side surface to the other side surface. A first gas flow path is formed. In addition, as shown in FIG. 5B, the surface of the substrate 2 on which the gas flow path is formed is cleaned by a cleaning device (not shown), and the resist pattern is removed. Next, the substrate 2 on which the gas flow path has been formed is transferred from the table 28 to the belt conveyor BC1, and is conveyed to the discharge device 20c by the belt conveyor BC1.

(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。
(2) First support member application step (S11)
Next, a first support member for supporting the first current collecting layer is applied on the substrate 2 on which the first gas flow path is formed. In the application of the first support member, the substrate 2 is placed on the table 28 and taken into the discharge device 20c, and then the first support member 4 housed in the tank 30 is formed by the discharge device 20c. This is performed by discharging into a first gas flow path formed in the substrate 2 through a nozzle on the surface 26.

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。   The first support member used is inert to the first reaction gas, prevents the first current collecting layer from falling into the first gas flow path, and There is no particular limitation as long as it does not prevent the first reaction gas from diffusing. For example, carbon particles, glass particles and the like can be mentioned. In the present 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 channel diffuses upward from the gap between the porous carbons, so that the flow of the reaction gas is hindered. Disappears.

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。   FIG. 6 shows an end view of the substrate 2 to which the first support member 4 has been applied. The substrate 2 to which the first support member 4 has been applied is transferred from the table 28 to the belt conveyor BC1, and is conveyed to the discharge device 20d by the belt conveyor BC1.

(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。
(3) First current collecting layer forming step (S12)
Next, a first current collecting layer for collecting electrons generated by the reaction of the first reaction 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 discharging device 20d, a predetermined amount of the current-collecting layer forming material contained in the tank 30 is discharged onto the substrate 2 through the nozzles on the nozzle forming surface 26, thereby forming a third pattern having a predetermined pattern. One current collecting layer is formed.

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。   The current-collecting layer forming material to be used is not particularly limited as long as the material contains a conductive substance. Examples of the conductive substance include copper, silver, gold, platinum, and aluminum. These can be used alone or in combination of two or more. The current-collecting layer-forming material can be prepared by dispersing at least one of these conductive substances in an appropriate solvent and adding a dispersant as required.

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。   In the present embodiment, the application of the current-collecting layer forming material is performed using the discharge device 20d, so that a predetermined amount can be accurately applied to a predetermined position by a simple operation. Therefore, the amount of the current-collecting layer-forming material used can be greatly reduced, a current-collecting layer having a desired pattern (shape) can be efficiently formed, and the application interval of the current-collecting layer-forming material is changed depending on the location. Thereby, the gas permeability of the reaction gas can be easily controlled, and the type of the current-collecting layer forming material to be used can be freely changed depending on the application position.

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。   FIG. 7 shows an end view of the substrate 2 on which the first current collecting layer 6 is formed. As shown in FIG. 7, 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 falls into the first gas flow path. Not to be. The substrate 2 on which the first current collecting layer 6 is formed is transferred from the table 28 to the belt conveyor BC1, and is conveyed to the discharge device 20e by the belt conveyor BC1.

(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。
(4) First gas diffusion layer forming step (S13)
Next, a first gas diffusion layer is formed on the current collecting layer of the substrate 2. First, the substrate 2 transported 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 contained in the tank 30 of the discharge device 20e is transferred to a predetermined position on the surface of the substrate 2 placed on the table 28 via the nozzle of the nozzle forming surface 26. To form a first gas diffusion layer.

用いるガス拡散層形成用材料としては、炭素粒子が搬的であるが、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+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。   As a gas diffusion layer forming material to be used, carbon particles are transportable, but carbon nanotubes, carbon nanophones, fullerenes and the like can also be used. In the present embodiment, since the gas diffusion layer is formed using the coating device 20e, for example, the coating interval is increased (several + μm) on the current collecting layer side, and reduced (several tens nm) on the surface side. In this way, the flow diffusion width of the reaction gas is reduced as much as possible by increasing the flow path width near the substrate, and the gas diffusion has a uniform and fine flow path near the reaction layer (surface side of the gas diffusion layer). Layers can be easily formed. Alternatively, carbon fine particles may be used on the substrate side of the gas diffusion layer, and a material having low gas diffusion ability but excellent catalyst carrying ability may be used on the surface side.

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。このガス拡散層8は多孔質層であり、次の工程で説明するように、ガス拡散層8の一部又は反応層形成用材料を担持する役割を果す。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。   FIG. 8 shows an end view of the substrate 2 on which the first gas diffusion layer 8 is formed. As shown in FIG. 8, 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. The gas diffusion layer 8 is a porous layer and plays a role of supporting a part of the gas diffusion layer 8 or a material for forming a reaction layer, as described in the next step. 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 is conveyed to the discharge device 20f by the belt conveyor BC1.

(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。
(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 conveyed to the discharge device 20f by the belt conveyor BC1 is placed on the table 28 and taken into the discharge device 20f.

次に、吐出装置20fのタンク30内に収容されている、表面張力が異なる反応層形成用材料の溶液又は分散液の所定量が、ガス拡散層8上の第1の反応層形成部位に吐出され、ガス拡散層8上に吐出された反応層形成用材料の溶液又は分散液がガス拡散層8に含浸される。この操作を繰り返すことにより、ガス拡散層8上に反応層形成用材料の塗膜が形成されると同時に、ガス拡散層8の表面部内に、表面部から基板方向に対して反応層形成材料の存在量が連続的に変化する状態を得ることができる。   Next, a predetermined amount of the solution or dispersion of the reaction layer forming material having a different surface tension, which is accommodated in the tank 30 of the discharge device 20f, is discharged to the first reaction layer forming site on the gas diffusion layer 8. The gas diffusion layer 8 is impregnated with the solution or dispersion of the reaction layer forming material discharged onto the gas diffusion layer 8. By repeating this operation, a coating film of the reaction layer forming material is formed on the gas diffusion layer 8 and, at the same time, the reaction layer forming material is formed in the surface portion of the gas diffusion layer 8 from the surface portion toward the substrate. A state in which the abundance changes continuously can be obtained.

用いる反応層形成用材料の溶液又は分散液としては、例えば、(a)金属化合物(金属錯体、金属塩)の溶液、(b)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、(c)金属微粒子の分散液等が挙げられる。   Examples of the solution or dispersion of the reaction layer forming material to be used include (a) a solution of a metal compound (metal complex, metal salt), and (b) a dispersion of metal-carrying carbon having a metal hydroxide adsorbed on a carbon carrier. And a dispersion of (c) metal fine particles.

前記(a)〜(c)の溶液及び分散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種以上の金属が挙げられ、白金が特に好ましい。   Examples of the metal of the metal compound, metal hydroxide and metal fine particles used in the solutions and dispersions (a) to (c) include platinum, rhodium, ruthenium, iridium, palladium, osmium and two or more of these. One or two or more metals selected from the group consisting of alloys are exemplified, and platinum is particularly preferred.

表面張力が異なる反応層形成用材料の溶液又は分散液を、吐出装置を用いて吐出させる場合には、同じ吐出装置20fから、表面張力が異なる反応層形成用材料の溶液又は分散液を吐出させてもよいし、表面張力が異なる反応層形成用材料の溶液又は分散液毎に異なる吐出装置から吐出させてもよい。例えば、吐出装置20fにより、表面張力が相対的に小さい、反応層形成用材料の溶液又は分散液を吐出させた後、吐出装置20f’(図示を省略)により、表面張力が相対的に大きい、反応層形成用材料の溶液又は分散液を吐出させるようにしてもよい。   In the case where a solution or a dispersion of the reaction layer forming material having a different surface tension is discharged using the discharging device, the solution or the dispersion of the reaction layer forming material having a different surface tension is discharged from the same discharging device 20f. Alternatively, the solution or the dispersion of the reaction layer forming material having a different surface tension may be discharged from a different discharge device. For example, after discharging the solution or dispersion of the reaction layer forming material having a relatively small surface tension by the discharging device 20f, the surface tension is relatively large by the discharging device 20f ′ (not shown). A solution or dispersion of the reaction layer forming material may be discharged.

本発明によれば、反応層形成用材料の溶液又は分散液を、その表面張力を段階的に(又は連続的に)変化させながらガス拡散層8上に塗布・含浸させることにより、ガス拡散層8中に表面部から基板側に向けて、反応層形成用材料の存在量が連続的に変化した構造の反応層を形成することができる。また、用いる反応層形成用材料の溶液又は分散液の表面張力、塗布量を適宜設定することで、深さ方向に対する反応層形成用材料が任意の分布パターンで存在している反応層を容易に形成することができる。   According to the present invention, the solution or the dispersion of the reaction layer forming material is applied and impregnated on the gas diffusion layer 8 while changing the surface tension in a stepwise (or continuous) manner. In 8, a reaction layer having a structure in which the amount of the material for forming a reaction layer continuously changes from the surface portion toward the substrate can be formed. Also, by appropriately setting the surface tension of the solution or dispersion of the reaction layer forming material to be used and the amount of application, the reaction layer in which the reaction layer forming material exists in an arbitrary distribution pattern in the depth direction can be easily formed. Can be formed.

また本発明においては、表面張力が異なる反応層形成用材料の溶液又は分散液を塗布し、含浸させる方法として、表面張力の小さいものから順次塗布し、含浸させる方法を用いるのが好ましい。この方法によれば、ガス拡散層8の表面側から第1の集電層に向かうにしたがって、反応層形成用材料の存在量が連続的に小さくなるような反応層を容易に形成することができる。   In the present invention, as a method of applying and impregnating a solution or dispersion of a reaction layer forming material having different surface tensions, it is preferable to use a method of sequentially applying and impregnating a solution having a lower surface tension. According to this method, it is possible to easily form a reaction layer in which the amount of the reaction layer forming material continuously decreases from the surface side of the gas diffusion layer 8 toward the first current collecting layer. it can.

さらに本発明においては、反応層形成材料の溶液又は分散液を所定間隔をおいて塗布するのが、微粒子状の反応層形成用材料の凝集を防止し、反応層形成用材料が均一に分散された反応層を形成することができるので好ましい。反応層形成用材料の溶液又は分散液を塗布する間隔は、反応層形成用材料の溶液又は分散液の液滴が着弾時に互いに接触しない程度の間隔であれば特に制限されないが、均一で、所望量の反応層形成用材料を有する反応層を効率よく形成する観点から、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。   Further, in the present invention, applying the solution or the dispersion of the reaction layer forming material at predetermined intervals prevents aggregation of the fine particles of the reaction layer forming material, and the reaction layer forming material is uniformly dispersed. This is preferable because a reaction layer can be formed. The interval at which the solution or dispersion of the reaction layer forming material is applied is not particularly limited as long as the droplets of the solution or dispersion of the reaction layer forming material do not contact each other at the time of impact. From the viewpoint of efficiently forming a reaction layer having an amount of the reaction layer forming material, the size of the droplet is reduced (for example, 10 picoliters or less), and a sufficient application interval is provided (for example, 0.1 to 1 mm). Degree) is preferable.

吐出装置20fにより、反応層形成用材料の溶液又は分散液を塗布し、ガス拡散層8に含浸することを繰り返した後は、反応層形成用材料を溶解又は分散している溶媒の除去を行うことにより、炭素粒子に反応層形成用材料が担持された構造を得ることができる。   After repeating the application or the impregnation of the gas diffusion layer 8 with the solution or dispersion of the reaction layer forming material by the discharge device 20f, the solvent dissolving or dispersing the reaction layer forming material is removed. Thereby, a structure in which the material for forming a reaction layer is supported on carbon particles can be obtained.

反応層形成用材料を溶解又は分散している溶媒を除去する方法としては、不活性ガス雰囲気下、常圧で加熱することにより溶媒を除去する方法、減圧下で加熱することにより溶媒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。   As a method for removing the solvent in which the reaction layer forming material is dissolved or dispersed, a method in which the solvent is removed by heating at normal pressure under an inert gas atmosphere, or a method in which the solvent is removed by heating under reduced pressure Although the method is mentioned, the latter method is preferable.

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、溶媒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、高温で溶媒を除去する場合には、吐出装置により作製した反応層形成用材料の均一な分散状態が破壊され、微粒子状の反応層形成用材料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。   The heating temperature is preferably as low as possible, more preferably 100 ° C or lower, and further preferably 50 ° C or lower. Further, it is preferable that the treatment for removing the solvent is performed in as short a time as possible. When the solvent is removed for a long time at a high temperature, the uniform dispersion state of the reaction layer forming material produced by the discharge device is broken, and the reaction layer in which the fine particle reaction layer forming material is uniformly dispersed is obtained. May not be possible.

以上のようにして、第1のガス拡散層8上に第1の反応層10が形成された状態概念図を図9に示す。図9に示すように、第1のガス拡散層8の表面部から基板側に向けて、粒子状の反応層形成用材料10aの存在量が連続的に小さくなるような構造の第1の反応層10が形成されている。また、図9に示す概念図においては、第1のガス拡散層8の一部が第1の反応層10を兼ねている。   FIG. 9 is a conceptual diagram showing a state in which the first reaction layer 10 is formed on the first gas diffusion layer 8 as described above. As shown in FIG. 9, the first reaction having a structure in which the amount of the particulate reaction layer forming material 10 a is continuously reduced from the surface of the first gas diffusion layer 8 toward the substrate. A layer 10 has been formed. Further, in the conceptual diagram shown in FIG. 9, a part of the first gas diffusion layer 8 also serves as the first reaction layer 10.

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。   FIG. 10 is an end view of the substrate 2 on which the first reaction layer 10 is formed as described above. The substrate 2 on which the first reaction layer 10 is formed is transferred from the table 28 to the belt conveyor BC1, and is conveyed to the discharging device 20g by the belt conveyor BC1.

(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。
(6) Electrolyte membrane forming step (S15)
Next, an electrolyte membrane is formed on the substrate 2 on which the first reaction layer 10 has been 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 20g, the electrolyte film forming material contained in the tank 30 is discharged onto the first reaction layer 10 through the nozzle on the nozzle forming surface 26 to form the electrolyte film 12.

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、20mPa・s以下)に調整した材料等が挙げられる。   Examples of the material for forming the electrolyte membrane to be used include a polymer electrolyte material obtained by micellizing perfluorosulfonic acid such as Nafion (manufactured by DuPont) in a mixed solution of water and methanol at a weight ratio of 1: 1. And a material in which a ceramic-based solid electrolyte such as tungstophosphoric acid or molybdophosphoric acid is adjusted to a predetermined viscosity (for example, 20 mPa · s or less).

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。   FIG. 11 shows an end view of the substrate 2 on which the electrolyte membrane is formed. As shown in FIG. 11, an electrolyte film 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.

(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。
(7) Second reaction layer forming step (S16)
Next, a second reaction layer is formed on the substrate 2 on which the electrolyte membrane 12 has been formed. The second reaction layer is formed by applying a material for forming a reaction layer on a substrate on which a gas flow path and a gas diffusion layer are formed while flowing an inert gas through the gas flow path.

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。   First, the substrate 2 transported to the discharge device 20h by the belt conveyor BC1 is placed on the table 28 and taken into the discharge device 20h. In the ejection device 20h, the second reaction layer 10 'is formed by the same process as that performed in the ejection device 20f. As a material for forming the second reaction layer 10 ', the same material as that for the first reaction layer can be used.

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。   FIG. 12 shows an end view of the substrate 2 in which the second reaction layer 10 ′ is formed on the electrolyte membrane 12. As shown in FIG. 12, a second reaction layer 10 'is formed on the electrolyte membrane 12. In the second reaction layer 10 ', the reaction of the second reaction gas is performed. The substrate 2 on which the second reaction layer 10 'has been 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.

(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。
(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 'has been formed. First, the substrate 2 transported 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 ejection device 20i, the second gas diffusion layer 8 'is formed by the same process as that performed in the ejection device 20e. As the material for forming the second gas diffusion layer, the same material as the first gas diffusion layer 8 can be used.

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。   FIG. 13 shows an end view of the substrate 2 on which the second gas diffusion layer 8 'is formed. 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.

(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。まず、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。
(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 'has been formed. First, the substrate 2 transported to the discharge device 20j by the belt conveyor BC1 is placed on the table 28 and taken into the discharge device 20j, and the second collection is performed by the same process as that performed in the discharge device 20d. An electrical layer 6 'is formed on the second gas diffusion layer 8'. As the material for forming the second current collecting layer, the same material as the material for forming the first current collecting layer 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 by the belt conveyor BC1 to the discharge device 20k.

(10)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。
(10) Second support member application step (S19)
Next, the substrate 2 conveyed 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 process is performed by the same process 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.

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。   FIG. 14 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 located at a position accommodated in a second gas flow channel formed on the second substrate laminated on the substrate 2. It has been applied.

(11)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2’とを積層する。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201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。
(11) Second board assembly process (S20)
Next, the substrate 2 on which the second support member 4 'is applied and the second substrate 2' on which a separately prepared second gas flow path is formed are stacked. The lamination of the first substrate and the second substrate is performed such that the second support member 4 ′ formed on the substrate 2 is accommodated in the second gas flow path formed on the second substrate. This is done by bonding to Here, the same substrate as the first substrate can be used as the second substrate. Further, the formation of the second gas flow path is performed in the ejection devices 201 and 20m by the same process as that performed by the ejection devices 20a and 20b.

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。   As described above, the fuel cell having the structure shown in FIG. 15 can be manufactured. The fuel cell shown in FIG. 15 has a first substrate 2, a first gas flow path 3 formed in the first substrate 2, and a first gas flow path 3 housed in the first gas flow path 3 from below in the drawing. First support member 4, first current collecting layer 6 formed on first substrate 2 and first support member 4, first gas diffusion layer 8, and first gas diffusion layer 8. A first reaction layer 10 formed on the layer 8, an electrolyte membrane 12, a second reaction layer 10 ', a second gas diffusion layer 8', a second current collecting layer 6 ', It comprises two gas flow paths 3 ′, a second support member 4 ′ housed in the second gas flow path 3 ′, and a second substrate 2 ′.

図15に示す燃料電池の第1の反応層10及び第2の反応層10’は、反応層形成用材料が炭素粒子に担持されてなり、前記反応層形成用材料の存在量が、前記反応層の集電層側よりも電解質膜側の方が高くなるように形成されている。従って、均一な所望量の金属微粒子を有する反応層が効率よく形成されており、低コストで、出力密度が高く、特性のよい燃料電池となっている。   The first reaction layer 10 and the second reaction layer 10 'of the fuel cell shown in FIG. 15 have a reaction layer forming material supported on carbon particles, and the amount of the reaction layer forming material depends on the reaction amount. The layer is formed to be higher on the electrolyte membrane side than on the current collector layer side. Therefore, a reaction layer having a uniform and desired amount of metal fine particles is efficiently formed, and the fuel cell has low cost, high output density, and excellent characteristics.

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。   In the fuel cell shown in FIG. 15, a U-shaped first gas flow path extending from one side surface formed on the substrate 2 to the other side surface and a second gas flow path formed on the substrate 2 ′ are formed. The substrate 2 'is arranged so that the gas flow path is parallel.

本実施形態に係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。   The type of the fuel cell according to the present embodiment is not particularly limited. For example, a polymer electrolyte fuel cell, a phosphoric acid fuel cell, a direct methanol fuel cell and the like can be mentioned.

図15に示す燃料電池は、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6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10’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、H→2H+2eの反応が進行し、第2の反応層10’においては、1/20+2H+2e→H0の反応が進行する。 The fuel cell shown in FIG. 15 operates as follows. That is, the first reaction gas is introduced from the first gas flow path 3 of the first substrate 2, is uniformly diffused by the gas diffusion layer 8, and the diffused first reaction gas is supplied to the first reaction layer 10. To generate ions and electrons, and the generated electrons are collected by the current collecting layer 6 and flow to the second current collecting layer 6 ′ of the second substrate 2 ′, and the ions generated by the first reaction gas are The inside of the electrolyte membrane 12 moves to the second reaction layer 10 '. On the other hand, the second reaction gas is introduced from the gas passage 3 ′ of the second substrate 2 ′, is uniformly diffused by the second gas diffusion layer 8 ′, and the diffused second reaction gas is In the reaction layer 10 ′, the ions react with the ions moving in the electrolyte membrane 12 and the electrons sent from the second current collecting layer 6 ′. For example, when the first reaction gas is hydrogen gas and the second reaction gas is oxygen gas, in the first reaction layer 10, the reaction of H 2 → 2H + + 2e progresses, in 2 of the reaction layer 10 ', 1/20 2 + 2H + + 2e - → the reaction of H 2 0 progresses.

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、吐出装置を用いて反応層形成用材料を塗布して、第1の反応層及び/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(MicroElectroMechanicalSystem)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。   In the method for manufacturing a fuel cell according to the above-described embodiment, the discharge device is used in all the steps. However, the fuel cell can be manufactured using the discharge device in any of the steps for manufacturing the fuel cell. For example, a first reaction layer and / or a second reaction layer are formed by applying a reaction layer forming material using a discharge device, and in other steps, a fuel cell is manufactured by the same steps as those in the related art. You may do so. Even in this case, since the reaction layer can be formed without using MEMS (Micro Electro Mechanical System), the manufacturing cost of the fuel cell can be suppressed.

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。   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. Further, the gas flow path may be formed by applying a gas flow path forming material on the substrate by using a discharge device.

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。   In the manufacturing method according to the above-described embodiment, the fuel cell is manufactured by forming constituent parts of the fuel cell from the first substrate side 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 to which the second reaction gas is supplied.

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。   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 is applied so as to intersect with the first gas flow path. It may be applied in any direction. That is, the direction in which the second support member extends from the right side surface to the left side surface in FIG. 5B, for example, so as to intersect at right angles with the gas flow path formed in the first substrate, for example. May be applied. In this case, the second substrate is formed such that the second gas passage formed in the second substrate and the first gas passage formed in the first substrate intersect at right angles. Is obtained.

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。   In the manufacturing method according to the above-described embodiment, the first current collecting layer, the first reaction layer, the electrolyte membrane, the second reaction layer, and the second reaction layer are formed on the first substrate on which the first gas flow path is formed. 2 are sequentially formed, but a current collecting layer, a reaction layer, and an electrolyte film are formed on each of the first substrate and the second substrate, and finally, the first substrate, the second substrate, By joining them, a fuel cell can also be manufactured.

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ている。従って、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。   In the fuel cell manufacturing line of the present embodiment, a first manufacturing line for processing a first substrate and a second manufacturing line for processing a second substrate are provided, and the processing in each manufacturing line is performed in parallel. A production line is used. Therefore, since the processing on the first substrate and the processing on the second substrate can be performed in parallel, the fuel cell can be manufactured quickly.

3)電子機器及び自動車
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。
3) Electronic device and automobile An electronic device 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 PHS, a mobile, a notebook computer, a PDA (Personal Digital Assistant), a mobile video phone, and the like. Further, the electronic device of the present invention may have other functions such as a game function, a data communication function, a recording / reproducing function, and a dictionary function. ADVANTAGE OF THE INVENTION According to the electronic device of this invention, the clean energy which considered the global environment appropriately can be provided as a power supply source.

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。   A vehicle according to 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. 16, a gas flow path 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 flow path is formed. A large-sized fuel cell can be manufactured by forming a gas diffusion layer, a reaction layer, an electrolyte membrane and the like and stacking the fuel cells in the same manner as in the manufacturing process of the above. ADVANTAGE OF THE INVENTION According to the vehicle of this invention, the clean energy which considered the global environment appropriately can be provided as a power supply source.

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。FIG. 2 is a diagram showing an example of a fuel cell production line according to the embodiment. 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。It is a schematic diagram of an ink jet type ejection device concerning an embodiment. 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。4 is a flowchart of a method for manufacturing a fuel cell according to an embodiment. 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。FIG. 4 is an end view of the substrate in a process of manufacturing the fuel cell according to the embodiment. 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。FIG. 4 is a diagram illustrating a process of forming a gas flow channel according to the embodiment. 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。FIG. 4 is an end view of the substrate in a process of manufacturing the fuel cell according to the embodiment. 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。FIG. 4 is an end view of the substrate in a process of manufacturing the fuel cell according to the embodiment. 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。FIG. 4 is an end view of the substrate in a process of manufacturing the fuel cell according to the embodiment. 実施の形態に係る反応層の概念図である。FIG. 3 is a conceptual diagram of a reaction layer according to the embodiment. 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。FIG. 4 is an end view of the substrate in a process of manufacturing the fuel cell according to the embodiment. 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。FIG. 4 is an end view of the substrate in a process of manufacturing the fuel cell according to the embodiment. 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。FIG. 4 is an end view of the substrate in a process of manufacturing the fuel cell according to the embodiment. 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。FIG. 4 is an end view of the substrate in a process of manufacturing the fuel cell according to the embodiment. 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。FIG. 4 is an end view of the substrate in a process of manufacturing the fuel cell according to the embodiment. 実施の形態に係る燃料電池の端面図である。FIG. 2 is an end view of the fuel cell according to the embodiment. 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。It is a figure of a large-sized fuel cell which laminated a fuel cell concerning an embodiment.

符号の説明Explanation of reference numerals

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、10a…反応層形成用材料、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,BC2…ベルトコンベア。
2 1st board | substrate, 2 '... 2nd board | substrate, 3 ... 1st gas flow path, 3' ... 2nd gas flow path, 4 ... 1st support member, 4 '... 2nd support member , 6: first current collecting layer, 6 ': second current collecting layer, 8: first gas diffusion layer, 8': second gas diffusion layer, 10a: material for forming a reaction layer, 10 ... 1 reaction layer, 10 ': second reaction layer, 12: electrolyte membrane, 20a to 20m: discharge device, BC1, BC2: belt conveyor.

Claims (22)

機能性材料が多孔質物質に担持されてなる機能性多孔質層の形成方法であって、表面張力が異なる複数種の、機能性材料の溶液又は分散液を多孔質層に塗布し、前記表面張力の違いにより、前記機能性材料の前記多孔質層の深さ方向への浸透を制御することを特徴とする機能性多孔質層の形成方法。   A method for forming a functional porous layer in which a functional material is supported on a porous substance, comprising applying a plurality of types of functional material solutions or dispersions having different surface tensions to the porous layer, A method for forming a functional porous layer, comprising controlling the penetration of the functional material in the depth direction of the porous layer by a difference in tension. 前記機能性多孔質層を、表面張力が異なる複数種の、機能性材料の溶液又は分散液を多孔質層に塗布し、前記溶液又は分散液に含まれる溶媒を除去することにより形成することを特徴とする請求項1に記載の機能性多孔質層の形成方法。   The functional porous layer may be formed by applying a solution or dispersion of a functional material having a plurality of different surface tensions to the porous layer and removing a solvent contained in the solution or dispersion. The method for forming a functional porous layer according to claim 1, wherein: 多孔質層の深さ方向に機能性材料の存在量が変化するように機能性多孔質層を形成することを特徴とする請求項1又は2に記載の機能性多孔質層の形成方法。   The method for forming a functional porous layer according to claim 1, wherein the functional porous layer is formed such that an amount of the functional material changes in a depth direction of the porous layer. 機能性材料の溶液又は分散液を多孔質層に塗布し、該多孔質層に機能性材料の溶液又は分散液を含浸させる工程を、表面張力が異なる前記機能性材料の溶液又は分散液を用いて複数回繰り返すことを特徴とする、請求項1〜3のいずれかに記載の機能性多孔質層の形成方法。   A step of applying a solution or dispersion of the functional material to the porous layer and impregnating the porous layer with the solution or dispersion of the functional material uses a solution or dispersion of the functional material having a different surface tension. The method for forming a functional porous layer according to any one of claims 1 to 3, wherein the method is repeated a plurality of times. 前記機能性材料の溶液又は分散液の濃度を各回毎に変えることを特徴とする請求項4に記載の機能性多孔質層の形成方法。   The method of forming a functional porous layer according to claim 4, wherein the concentration of the solution or dispersion of the functional material is changed each time. 第1の機能性材料の溶液又は分散液を多孔質層に塗布し、前記第1の機能性材料の溶液又は分散液を多孔質層に含浸させた後、前記第1の機能性材料の溶液又は分散液より大きい表面張力を有する、第2の機能性材料の溶液又は分散液を前記多孔質層に塗布し、第2の機能性材料の溶液又は分散液を含浸させることを特徴とする、請求項1〜5のいずれかに記載の機能性多孔質層の形成方法。   After applying the solution or dispersion of the first functional material to the porous layer and impregnating the porous layer with the solution or dispersion of the first functional material, the solution of the first functional material is dispersed. Or having a surface tension greater than the dispersion, applying a solution or dispersion of a second functional material to the porous layer and impregnating the solution or dispersion of the second functional material, A method for forming a functional porous layer according to claim 1. 前記表面張力が異なる機能性材料の溶液又は分散液として、機能性材料を種類の異なる溶媒に溶解又は分散させて調製したものを用いることを特徴とする、請求項1〜6のいずれかに記載の機能性多孔質層の形成方法。   The solution or the dispersion of the functional materials having different surface tensions is prepared by dissolving or dispersing the functional materials in different kinds of solvents, and is prepared according to any one of claims 1 to 6. Method for forming a functional porous layer. 前記多孔質層が、炭素系物質粒子からなる多孔質層であることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の機能性多孔質層の形成方法。   The method for forming a functional porous layer according to any one of claims 1 to 7, wherein the porous layer is a porous layer made of carbon-based material particles. 前記機能性多孔質層が、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、炭素系物質粒子に担持されてなるものであることを特徴とする、請求項1〜8のいずれかに記載の機能性多孔質層の形成方法。   The functional porous layer is formed of one or more metal particles selected from the group consisting of platinum, rhodium, ruthenium, iridium, palladium, osmium, and an alloy composed of two or more of these. The method for forming a functional porous layer according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the functional porous layer is carried on a substrate. 前記機能性材料の溶液又は分散液として、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若しくは該金属の化合物の溶液又は分散液を用いることを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の機能性多孔質層の形成方法。   As the solution or dispersion of the functional material, fine particles of one or more metals selected from the group consisting of platinum, rhodium, ruthenium, iridium, palladium, osmium and alloys of two or more thereof, or the metal The method for forming a functional porous layer according to any one of claims 1 to 9, wherein a solution or dispersion of the compound is used. 前記機能性多孔質層が、第1の集電層、第1の反応層、電解質膜、第2の反応層、第2の集電層がこの順序で形成されてなる燃料電池の、前記第1の反応層及び第2の反応層の少なくとも一方であることを特徴とする、請求項1〜10のいずれかに記載の機能性多孔質層の形成方法。   The fuel cell in which the functional porous layer is formed of a first current collecting layer, a first reaction layer, an electrolyte membrane, a second reaction layer, and a second current collecting layer in this order. The method for forming a functional porous layer according to any one of claims 1 to 10, wherein the method is at least one of a first reaction layer and a second reaction layer. 前記機能性材料の溶液又は分散液の塗布を、吐出装置を用いて行うことを特徴とする請求項1〜11のいずれかに記載の機能性多孔質層の形成方法。   The method for forming a functional porous layer according to any one of claims 1 to 11, wherein the application of the solution or dispersion of the functional material is performed using a discharge device. 第1の集電層、第1の反応層、電解質膜、第2の反応層、第2の集電層を形成する燃料電池の製造方法であって、前記第1の反応層及び第2の反応層の少なくとも一方を、表面張力が異なる複数種の、反応層形成用材料の溶液又は分散液を炭素系物質粒子からなる多孔質層に塗布し、前記溶液又は分散液に含まれる溶媒を除去することにより形成することを特徴とする燃料電池の製造方法。   A method for manufacturing a fuel cell, comprising forming a first current collecting layer, a first reaction layer, an electrolyte membrane, a second reaction layer, and a second current collecting layer, wherein the first reaction layer and the second At least one of the reaction layers is coated with a solution or dispersion of a plurality of reaction layer forming materials having different surface tensions on a porous layer made of carbon-based material particles to remove a solvent contained in the solution or dispersion. A method for manufacturing a fuel cell, comprising: 前記第1の反応層及び第2の反応層の少なくとも一方を、炭素系物質粒子からなる多孔質層の深さ方向に前記反応層形成用材料の存在量が変化するように、反応層形成用材料が炭素系物質粒子に担持されてなる反応層を形成するものである請求項13に記載の燃料電池の製造方法。   At least one of the first reaction layer and the second reaction layer is formed so that the amount of the reaction layer forming material changes in the depth direction of the porous layer made of carbon-based material particles. 14. The method for manufacturing a fuel cell according to claim 13, wherein the material forms a reaction layer supported by carbon-based material particles. 前記第1の反応層及び第2の反応層の少なくとも一方を、反応層形成用材料の溶液又は分散液を炭素系物質粒子からなる多孔質層に塗布し、該多孔質層に反応層形成用材料の溶液又は分散液を含浸させる工程を、表面張力が異なる反応層形成用材料の溶液又は分散液を用いて繰り返すことにより形成することを特徴とする、請求項13又は14のいずれかに記載の燃料電池の製造方法。   At least one of the first reaction layer and the second reaction layer is coated with a solution or dispersion of a material for forming a reaction layer on a porous layer made of carbon-based material particles. 15. The method according to claim 13, wherein the step of impregnating the solution or the dispersion of the material is repeated by using a solution or a dispersion of the material for forming a reaction layer having a different surface tension. Of manufacturing a fuel cell. 前記第1の反応層及び第2の反応層の少なくとも一方を、第1の反応層形成用材料の溶液又は分散液を炭素系物質粒子からなる多孔質層に塗布し、前記第1の反応層形成用材料の溶液又は分散液を含浸させた後、前記第1の反応層形成用材料の溶液又は分散液より大きい表面張力を有する、第2の反応層形成用材料の溶液又は分散液を前記炭素系物質粒子からなる多孔質層に塗布し、第2の反応層形成用材料の溶液又は分散液を含浸させることにより形成することを特徴とする、請求項13〜15のいずれかに記載の燃料電池の製造方法。   At least one of the first reaction layer and the second reaction layer is coated with a solution or dispersion of a first reaction layer forming material on a porous layer made of carbon-based material particles, and the first reaction layer is formed. After impregnating with the solution or dispersion of the forming material, the solution or dispersion of the second reaction layer forming material having a higher surface tension than the solution or dispersion of the first reaction layer forming material, The method according to any one of claims 13 to 15, wherein the composition is formed by applying to a porous layer made of carbon-based material particles and impregnating with a solution or dispersion of the second reaction layer forming material. A method for manufacturing a fuel cell. 前記表面張力が異なる反応層形成用材料の溶液又は分散液として、反応層形成用材料を種類の異なる溶媒に溶解又は分散させて調製したものを用いることを特徴とする、請求項13〜16のいずれかに記載の燃料電池の製造方法。   The solution or the dispersion of the reaction layer forming material having a different surface tension as a solution or a dispersion of the reaction layer forming material is prepared by dissolving or dispersing the reaction layer forming material in a different type of solvent, A method for manufacturing the fuel cell according to any one of the above. 前記第1の反応層及び第2の反応層の少なくとも一方を、第1の集電層上又は第2の集電層上に炭素系物質粒子を塗布することにより炭素系物質粒子からなる多孔質層を形成し、次いで、表面張力が異なる複数種の、反応層形成用材料の溶液又は分散液を前記炭素系物質粒子からなる多孔質層に塗布し、前記溶液又は分散液に含まれる溶媒を除去することにより形成することを特徴とする、請求項13〜17のいずれかに記載の燃料電池の製造方法。   At least one of the first reaction layer and the second reaction layer is coated with carbon-based material particles on the first current collecting layer or the second current collecting layer to form a porous layer made of carbon-based material particles. Form a layer, then apply a solution or dispersion of a plurality of reaction layer forming materials having different surface tensions to a porous layer composed of the carbon-based material particles, and remove a solvent contained in the solution or dispersion. The method for manufacturing a fuel cell according to claim 13, wherein the fuel cell is formed by removing. 前記反応層形成用材料の溶液又は分散液の塗布を、吐出装置を用いて行うことを特徴とする請求項13〜18のいずれかに記載の燃料電池の製造方法。   The method according to any one of claims 13 to 18, wherein the application of the solution or the dispersion of the reaction layer forming material is performed using a discharge device. 前記第1の反応層及び第2の反応層の少なくとも一方が、金属微粒子が炭素系物質粒子に担持されてなり、該金属微粒子の存在量が、前記反応層の集電層側よりも電解質膜側の方が高くなるように形成することを特徴とする、請求項13〜19のいずれかに記載の燃料電池の製造方法。   At least one of the first reaction layer and the second reaction layer has metal fine particles supported on carbon-based material particles, and the amount of the metal fine particles is larger than the current collecting layer side of the reaction layer in the electrolyte membrane. 20. The method for manufacturing a fuel cell according to claim 13, wherein the side is formed to be higher. 請求項13〜20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。   An electronic device comprising a fuel cell manufactured by the manufacturing method according to claim 13 as a power supply source. 請求項13〜20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。
An automobile comprising a fuel cell manufactured by the manufacturing method according to any one of claims 13 to 20 as a power supply source.
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