JP2005056586A

JP2005056586A - 燃料電池、その製造方法及び電気・電子機器

Info

Publication number: JP2005056586A
Application number: JP2003205396A
Authority: JP
Inventors: Hirokazu Komatsu; 寛和小松
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2003-08-01
Filing date: 2003-08-01
Publication date: 2005-03-03

Abstract

【課題】小型・軽量でフレキシブルな燃料電池、その製造方法及びこの燃料電池を用いる小型電気・電子機器を提供する。
【解決手段】電解質膜及び該電解質膜を挟んで対峙して形成された第１の反応層と第２の反応層とを有する燃料電池素子が、水平方向に複数個形成されてなる発電セル部と、この発電セル部の垂直方向の両面側に設けられ、前記第１の反応層に第１の反応ガスを供給する第１のガス流路、及び前記第２の反応層に第２の反応ガスを供給する第２のガス流路を形成するフレキシブル基板とからなる燃料電池であって、前記燃料電池素子が吐出装置を使用する工程を含む形成方法により得られたものであることを特徴とする燃料電池、その製造方法、並びに本発明の燃料電池を電力供給源として用いることを特徴とする電気・電子機器。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、吐出装置を用いて形成される発電セル部（ＭＥＳ：電解質膜−電極接合体）と、反応ガスを供給するためのガス流路を有するフレキシブル基板とからなる燃料電池及びその製造方法、並びにこの燃料電池を電力供給源として用いる電気・電子機器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
酸素又は空気等の酸化性ガスと水素やメタン等の還元性ガス（燃料ガス）とを原料ガスとする化学エネルギーを電気エネルギーに変換する燃料電池は、これまで、電気自動車用の電池や電力貯蔵用の電池等として開発が進められてきた。このような燃料電池は環境汚染の少ないクリーンエネルギー源となることから、近年において注目を集め、種々の技術的提案がなされている。
【０００３】
ところで、上記したような技術分野で利用される燃料電池は、数百Ｖ程度の高電圧で、数ＫＷ程度の高容量であることが必要である。そこで、この種の燃料電池では、高電圧出力を得るために、数十個の単位電池を直列接続したスタック構造とし、高出力容量を確保するために、燃料電池の構成要素である酸素又は水素のイオン伝導体、及びイオン伝導体を挟んだ正・負両電極を大面積化及び薄板化する工夫が行われている。
【０００４】
しかしながら、上記したように高電圧・高容量の電池として従来より提案され開発されている燃料電池は、スタック構造を有し、構成要素が大面積化された大重量で大型の電池であり、小型電池としての燃料電池の利用は、従来はほとんど検討されていなかった。
【０００５】
従来、小型燃料電池としては、例えば、特許文献１にはシリコン基板をエッチングして作製されたガス流路、マイクロセンサ及び開閉制御部を備えた超小型燃料電池システムが提案されている。しかしながら、この文献には具体的な構造及び製造方法が明記されていない。
【０００６】
また特許文献２には、イオン伝導体板を挟んだ複数の電極対から構成される燃料電池素子を、スルーホール方式をとらず、同一平面上で接続可能な構造とする燃料電池が提案されている。しかしながら、この文献記載の燃料電池は、ガス流路用材料としてＳＵＳ３０４を使用し、ガラス封止材で接着することにより得られるものであり、フレキシブルな燃料電池とはいえないものである。
【０００７】
【特許文献１】
特開平７−２０１３４８号公報
【特許文献２】
特開２００２−１１０２１５号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はかかる従来技術の実情に鑑みてなされたものであり、小型・軽量でフレキシブルな燃料電池及びその製造方法、並びにこの燃料電池を用いる小型電気・電子機器を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
近年、Ｍｉｃｒｏ−ＴｏｔａｌＡｎａｌｙｓｉｓＳｙｓｔｅｍ（μ−ＴＡＳ）や、Ｌａｂ−ｏｎ−ａ−ｃｈｉｐと呼ばれる研究領域が注目を集めている。これはＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ）技術を応用したものであり、ガラス基板あるいはプラスチック基板にエッチング法により微細加工を施してマイクロチップ化して、バイオや医療分野への応用が検討されている。
【００１０】
本発明者は、このようなマイクロチップ技術をガス流路の形状を有するフレキシブル基板の形成に適用し、また、吐出装置を用いる技術を電解質膜−電極接合体（ＭＥＳ）からなる発電セル部の形成に適用することにより、微細な構造を有する発電セル部と、ガス流路を形成するフレキシブル基板とからなる、小型・軽量でフレキシブルな燃料電池を効率よく得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。
【００１１】
かくして本発明の第１によれば、電解質膜及び該電解質膜を挟んで対峙して形成された第１の反応層と第２の反応層とを有する燃料電池素子が、水平方向に複数個形成されてなる発電セル部と、この発電セル部の垂直方向の両面側に設けられ、前記第１の反応層に第１の反応ガスを供給する第１のガス流路、及び前記第２の反応層に第２の反応ガスを供給する第２のガス流路を形成するフレキシブル基板とからなる燃料電池であって、前記燃料電池素子が吐出装置を使用する工程を含む形成方法により得られたものであることを特徴とする燃料電池が提供される。
【００１２】
本発明の燃料電池においては、前記第１の反応層と第２の反応層とが水平方向に対して交互になるように形成されているのが好ましい。
本発明の燃料電池においては、前記第１のガス流路と第２のガス流路とが水平方向に対して交互になるように形成されているのが好ましい。
【００１３】
本発明の燃料電池は、前記発電セル部が、第１の基板の一方の面側から他方の面側に貫通する溝内に形成された第１のガス拡散層と、前記第１の基板の一方の面側であって、第１のガス拡散層上に形成された第１の集電層と、並びに前記第１の基板の他方の面側であって第１のガス拡散層上に、水平方向に対して交互になるように形成された第１の反応層及び第２の反応層とを有する第１の基板と、第２の基板の一方の面側から他方の面側に貫通する溝内に形成された第２のガス拡散層と、前記第２の基板の一方の面側であって、第２のガス拡散層上に形成された第２の集電層と、並びに前記第２の基板の他方の面側であって第２のガス拡散層上に、水平方向に対して交互になるように形成された第１の反応層及び第２の反応層とを有する第２の基板とが、前記第１の基板の第１の反応層側と前記第２の基板の第２の反応層側とをそれぞれ内側にして、電解質膜を挟んで接合されてなるものが好ましい。
【００１４】
本発明の燃料電池においては、前記フレキシブル基板が、基板材料をローストモールド法又は射出成形法により成形して得られたフレキシブル基板であるのが好ましく、基板をエッチング法により加工して得られたマスタ基板を用いて成形用金型を作製し、この成形用金型を用いるローストモールド法又は射出成形法により、基板材料を成形して得られたフレキシブル基板であるのがより好ましい。
【００１５】
本発明の燃料電池においては、前記第１及び第２の基板の少なくとも一方が、基板材料をローストモールド法又は射出成形法により成形して得られたフレキシブル基板であるのが好ましく、基板をエッチング法により加工して得られたマスタ基板を用いて成形用金型を作製し、この成形用金型を用いるローストモールド法又は射出成形法により、基板材料を成形して得られたフレキシブル基板であるのがより好ましい。
【００１６】
本発明の第２によれば、電解質膜及び該電解質膜を挟んで対峙して形成された第１の反応層と第２の反応層とを有する燃料電池素子が、水平方向に複数個形成されてなる発電セル部と、この発電セル部の垂直方向の両面側に設けられ、前記第１の反応層に第１の反応ガスを供給する第１のガス流路、及び前記第２の反応層に第２の反応ガスを供給する第２のガス流路を形成するフレキシブル基板とからなる燃料電池の製造方法であって、前記燃料電池素子を吐出装置を使用して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。
【００１７】
本発明の燃料電池の製造方法は、第１の基板の一方の面側から他方の面側に貫通する溝内に形成された第１のガス拡散層を形成する工程（１）と、前記第１の基板の一方の面側であって、第１のガス拡散層上に第１の集電層を形成する工程（２）と、前記第１の基板の他方の面側であって第１のガス拡散層上に、水平方向に対して交互になるように第１の反応層及び第２の反応層を形成する工程（３）と、第２の基板の一方の面側から他方の面側に貫通する溝内に第２のガス拡散層を形成する工程（４）と、前記第２の基板の一方の面側であって、第２のガス拡散層上に第２の集電層を形成する工程（５）と、前記第２の基板の他方の面側であって第２のガス拡散層上に、水平方向に対して交互になるように第１の反応層及び第２の反応層を形成する工程（６）と、前記第１の基板と第２の基板とを、電解質膜を挟んで、前記第１の基板の第１の反応層と、第２の基板の第２の反応層とが対峙するように接合することにより発電セル部を形成する工程（７）と、前記第１のガス流路及び第２のガス流路の形状を有するフレキシブル基板２枚を、前記第１のガス流路から第１のガス拡散層へ第１の反応ガスが供給され、前記第２のガス流路から第２のガス拡散層へ第２の反応ガスが供給されるように、前記発電セル部を挟んで接合する工程（８）とを有するのが好ましい。
【００１８】
本発明の燃料電池の製造方法においては、前記工程（１）〜工程（６）の少なくとも一つが、吐出装置を使用する工程であるのが好ましい。
本発明の製造方法においては、前記フレキシブル基板が、基板材料をローストモールド法又は射出成形法により成形して得られたフレキシブル基板であるが好ましく、基板をエッチング法により加工して得られたマスタ基板を用いて成形用金型を作製し、この成形用金型を用いるローストモールド法又は射出成形法により、基板材料を成形して得られたフレキシブル基板であるのがより好ましい。
【００１９】
本発明の燃料電池の製造方法においては、前記第１及び第２の基板の少なくとも一方が、基板材料をローストモールド法又は射出成形法により成形して得られたフレキシブル基板であるのが好ましく、基板をエッチング法により加工して得られたマスタ基板を用いて成形用金型を作製し、この成形用金型を用いるローストモールド法又は射出成形法により、基板材料を成形して得られたフレキシブル基板であるのがより好ましい。
【００２０】
本発明の第３によれば、本発明の燃料電池を電力供給源として用いることを特徴とする電気・電子機器が提供される。
本発明の電気・電子機器は、本発明の燃料電池をフレキシブル部位に配置したものであるのが好ましい。
また、本発明の電気・電子機器は、電子ペーパー又はウエアラブル機器であるのが好ましい。
【００２１】
本発明の燃料電池は、その燃料電池素子部分（発電セル部）が吐出装置を使用する工程を経て得られたものである。吐出装置を使用する場合には、所定の位置に所定量の材料を正確に塗布することができるので、均一で出力の安定した燃料電池素子を得ることができる。
【００２２】
本発明の燃料電池は、各燃料電池素子が前記電解質膜の同一の面側で接続されており、それぞれが均一な出力特性を備えることが特に重要である。吐出装置を使用することにより、均一であって出力が高く、かつ出力が安定した燃料電池を得ることができる。
本発明の燃料電池は、各燃料電池素子が前記電解質膜の同一の面側で、直列に接続されてなる。従って、小型でありながら、高い出力を確保することができる。
本発明の燃料電池は、外側がフレキシブル基板で覆われている。また、燃料電池素子部分が、微細溝中に形成されたガス拡散層で覆われているので、基板が変形した場合であっても、燃料電池の発電セル部分が破壊されることが少ないフレキシブルな電池である。
【００２３】
本発明の燃料電池の製造方法は、ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ）の技術とインクジェット技術（吐出装置を用いる技術）を融合したものであり、フレキシブル基板に燃料電池素子及びガス流路を形成することで、フレキシブル部位に利用できる小型の燃料電池の製造が可能である。
本発明の電気・電子機器は、小型で、フレキシブルな部位に本発明の燃料電池を電力供給源として備えたものであり、地球環境に適切に配慮した電気・電子機器である。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃料電池、燃料電池の製造方法及び電気・電子機器について詳細に説明する。
【００２５】
１）燃料電池
本発明の燃料電池は、電解質膜及び該電解質膜を挟んで対峙して形成された第１の反応層と第２の反応層とを有する燃料電池素子が、水平方向に複数個形成されてなる発電セル部と、この発電セル部の垂直方向の両面側に設けられ、前記第１の反応層に第１の反応ガスを供給する第１のガス流路、及び前記第２の反応層に第２の反応ガスを供給する第２のガス流路を形成するフレキシブル基板とからなる燃料電池であって、前記燃料電池素子が吐出装置を使用する工程を含む形成方法により得られたものであることを特徴とする。
【００２６】
本発明の燃料電池の一例を図１に示す。図１中、１０は基板、３０ａは第１のガス拡散層、３０ｂは第２のガス拡散層、４０ａは第１の集電層、４０ｂは第２の集電層、５０ａは第１の反応層、５０ｂは第２の反応層、６０は電解質膜、７０はフレキシブル基板、８０ａは第１のガス流路、８０ｂは第２のガス流路をそれぞれ表す。
【００２７】
図１に示す燃料電池は、発電セル部Ａと、この発電セル部Ａの垂直方向の両面に設けられ、前記発電セル部Ａに反応ガスを供給するガス流路８０ａ、８０ｂを形成するフレキシブル基板７０とからなる。
【００２８】
発電セル部Ａは、電解質膜６０を間に挟んで対峙して形成された第１の反応層５０ａと第２の反応層５０ｂとからなる燃料電池素子が、図中、水平方向に複数個形成されて構成されてなる。
【００２９】
図１に示す燃料電池においては、第１の反応層５０ａと第２の反応層５０ｂとが、水平方向に対して交互に配置された構造に対応して、第１のガス流路８０ａと第２のガス流路８０ｂとが交互に配置されている。すなわち、第１の反応層５０ａには、第１の反応ガスを供給するための第１のガス流路８０ａが、第２の反応層５０ｂには、第２の反応ガスを供給するための第２のガス流路８０ｂが、第１のガス拡散層３０ａ及び第２のガス拡散層３０ｂを介して、それぞれ連結された構造となっている。
【００３０】
図１に示す燃料電池の要部構造模式図を図２に示す。図２（ａ）に示すものは、図１においてＢ−Ｂ’方向の断面図であり、図２（ｂ）に示すものは、図１においてＣ−Ｃ’方向の断面図である。図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、図１に示す燃料電池のガス流路は、第１のガス流路８０ａと第２のガス流路８０ｂとが、水平方向に対して交互に配置された櫛歯形構造を備えている。このような構造とすることにより、スルーホール接続方式をとることなく、簡便に種類の異なる反応ガスの一定量をガス拡散層３０ａ、３０ｂにそれぞれ供給することができる。
【００３１】
図１に示す燃料電池の動作を、第１の反応ガスとして水素ガスを使用し、第２の反応ガスとして酸素ガスを使用する場合を例にとって説明する。先ず、水素ガスが第１のガス流路８０ａから供給され、第１のガス拡散層３０ａを通過して、第１の反応層５０ａに送られる。第１の反応層５０ａでは水素ガスが電子と水素イオン（Ｈ^＋）になる反応が行われ、生成した水素イオンは、電解質膜６０中を第２の反応層５０ｂに移動する。また、第１の反応層５０ａにおける反応で生成した電子は、第１の集電層４０ａに集められ、電解質膜６０を介して対峙して配置されている第２の集電層４０ｂに送られる。一方、酸素ガスが第２のガス流路８０ｂから供給され、第２のガス拡散層３０ｂを通過して、第２の反応層５０ｂに送り込まれる。第２の反応層５０ｂでは、酸素ガスと電解質膜６０中を移動してきた水素イオンと、第２の集電層４０ｂから送られてきた電子とにより、水が生成する反応が行われる。
【００３２】
図１に示す燃料電池の燃料電池素子は、吐出装置を使用する工程を経て得られたものである。吐出装置を使用する場合には、所定の位置に所定量の材料を正確に塗布することができるので、均一で出力の安定した燃料電池素子を得ることができる。この燃料電池は、各燃料電池素子が前記電解質膜の同一の面側で接続されており、燃料電池素子が均一な出力特性を備えていることが特に重要である。本実施形態の燃料電池は、吐出装置を使用する工程により核燃料電池素子が形成されるものであるので、均一であって出力が高く、かつ出力が安定した燃料電池となっている。
【００３３】
図１に示す燃料電池は、各燃料電池素子が前記電解質膜の同一の面側で、直列に接続されてなる。従って、小型でありながら、高い出力を確保することができる。図１に示す燃料電池は、外側がフレキシブル基板７０で覆われている。また、前記発電セル部分が、基板１０の微細溝に形成されたガス拡散層３０ａ、３０ｂで覆われているので、変形しても燃料電池セル部分が破壊されることが少ない、フレキシビリティに優れる燃料電池である。
【００３４】
２）燃料電池の製造方法
本発明の燃料電池の製造方法は、電解質膜及び該電解質膜を挟んで対峙して形成された第１の反応層と第２の反応層とを有する燃料電池素子が水平方向に複数個形成されてなる発電セル部と、この発電セル部の垂直方向の両面側に設けられ、前記第１の反応層に第１の反応ガスを供給する第１のガス流路、及び前記第２の反応層に第２の反応ガスを供給する第２のガス流路を形成するフレキシブル基板とからなる燃料電池の製造方法である。
【００３５】
本発明の製造方法は、図３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３に示す燃料電池の製造装置において、各工程においてそれぞれ用いられる吐出装置１００ａ〜１００ｄを接続するベルトコンベアＢＣ１、ベルトコンベアＢＣ１を駆動させる駆動装置１０３、電解質膜を挟んで第１の基板と第２の基板との接合を行う接合装置１０５ａ、燃料電池の組み立てを行なう組立装置１０５ｂ及び燃料電池製造ライン全体の制御を行う制御装置１０１により構成されている。
【００３６】
吐出装置１００ａ〜１００ｄ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いる。また、制御装置１０１は、吐出装置１００ａ〜１００ｄ、駆動装置１０３、接合装置１０５ａ及び組立装置１０５ｂと接続されている。
【００３７】
この燃料電池製造ラインにおいては、駆動装置１０３によりベルトコンベアＢＣ１を駆動させ、燃料電池製造用の基板を各吐出装置１００ａ〜１００ｄに搬送して、各吐出装置１００ａ〜１００ｄにおける処理が行われる。また、接合装置１０５ａ及び組立装置１０５ｂにおいては、制御装置１０１からの制御信号に基づいてベルトコンベアＢＣ１によって搬送されてきた基板を用いて、燃料電池の接合作業及び組み立て作業が行われる。
【００３８】
吐出装置１００ａ〜１００ｄ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。
【００３９】
図３に示す燃料電池製造ラインに用いられる吐出装置１００ａの概略を図４に示す。吐出装置１００ａは、吐出物１１８を収容するタンク１１４と、タンク１１４と吐出物搬送管１１６を介して接続されたインクジェットヘッド１０６、被吐出物を搭載、搬送するテーブル１１２、インクジェットヘッド１０６内に滞留する余剰の吐出物１１８を吸引して、インクジェットヘッド１０６内から過剰の吐出物を除去する吸引キャップ１２２、及び吸引キャップ１２２で吸引された余剰の吐出物を収容する廃液タンク１３０から構成されている。
【００４０】
タンク１１４は、レジスト溶液等の吐出物１１８を収容するものであり、タンク１１４内に収容されている吐出物の液面１１８ａの高さを制御するための液面制御センサ１２０を備える。液面制御センサ１２０は、インクジェットヘッド１０６が備えるノズル形成面１１０の先端部１１０ａと、タンク１１４内の液面１１８ａとの高さの差ｈ（以下、水頭値という）を所定の範囲内に保つ制御を行う。例えば、この水頭値が２５ｍ±０．５ｍｍ内となるように液面１１８ａの高さを制御することで、タンク１１４内の吐出物１１８が所定の範囲内の圧力でインクジェットヘッド１０６に送ることができる。所定の範囲内の圧力で吐出物１１８を送ることで、インクジェットヘッド１０６から必要量の吐出物１１８を安定して吐出することができる。
【００４１】
吐出物搬送管１１６は、吐出物搬送管１１６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１１６ａとヘッド部気泡排気弁１１６ｂとを備える。ヘッド部気泡排気弁１１６ｂは、後述する吸引キャップ１２２により、インクジェットヘッド１０６内の吐出物を吸引する場合に用いられる。
【００４２】
インクジェットヘッド１０６は、ヘッド体１０８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１１０を備え、ノズル形成面１１０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１１２は、所定の方向に移動可能に設置されている。テーブル１１２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１００ａ内に取り込む。
【００４３】
吸引キャップ１２２は図４に示す矢印方向に移動可能となっており、ノズル形成面１１０に形成された複数のノズルを囲むようにノズル形成面１１０に密着し、ノズル形成面１１０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１２２によりインクジェットヘッド１０６内の吐出物を吸引するときは、このヘッド部気泡排除弁１１６ｂを閉状態にして、タンク１１４側から吐出物が流入しない状態とし、吸引キャップ１２２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１０６内の気泡を速やかに排出することができる。
【００４４】
吸引キャップ１２２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１２４が配置されている。吸引バルブ１２４は、吸引バルブ１２４の下方の吸引側と、上方のインクジェットヘッド１０６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１２６やチューブポンプ等からなる吸引ポンプ１２８が配置されている。
また、吸引ポンプ１２８で吸引、搬送された吐出物１１８は、廃液タンク１３０内に一時的に収容される。
【００４５】
本実施形態においては、吐出装置１００ｂ〜１００ｄは、吐出物１１８の種類が異なることを除き、吐出装置１００ａ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。
【００４６】
次に、図３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。
先ず、図５に示す燃料電池のセル部分を形成するための基板１０を２枚用意する。なお、図５において、（ａ）は基板を上部から見た図であり、（ｂ）は基板の断面図である（図６及び図７も同様である）。
【００４７】
用いる基板としては、基板の一方の面から他方の面に貫通する微細な複数の溝が形成されたものであって、燃料電池の発電セル部を形成することができるものであれば特に制限されない。例えば、シリコン基板、セラミック基板、合成樹脂基板等が挙げられる。本発明においては、フレキシブルな合成樹脂基板を用いるのが好ましい。
【００４８】
この合成樹脂基板は、次のようにして作製することができる。
先ず、マスタ基板となる基板（シリコン基板等）を用意し、この基板に、半導体装置を製造するためのものとして多用されているフォトエッチングの技術を使用して微細な溝形状を形成する。次に、上記で得た微細溝形状が形成されたマスタ基板を鋳型として、射出成形用金型を作製する。金型の製造方法は特に制限されず、公知の方法を採用できる。例えば、金属ニッケルを用いる電解鋳造法が挙げられる。
【００４９】
次いで、上記で得た金型を用いて射出成形法によりフレキシブル基板を作製する。この方法によれば、再現性よく微細な溝を有するフレキシブル基板を量産することが可能である。成形用材料としては、従来から射出成形法に用いられている公知の成形用材料を使用することができる。本発明においては、後工程において集電層や反応層を形成するため、４００〜５００℃程度の高耐熱性材料の使用が好ましい。高耐熱性材料としては、例えば、ポリイミド等の高耐熱性フレキシブルプリント配線板用材料が挙げられる。
【００５０】
次に、基板１０を図３に示す燃料電池の製造ラインのベルトコンベアＢＣ１上に載せ、吐出装置１００ａに運搬し、吐出装置１００ａにより、基板１０の溝２０内にガス拡散層形成用材料を塗布して、ガス拡散層３０を形成する。この状態を図６に示す。
【００５１】
用いるガス拡散層形成用材料としては、カーボンブラック等の炭素微粒子が一般的であるが、カーボンナノチューブ、カーボンナノフォーン、フラーレン等も使用できる。本実施形態では、カーボンブラックを水及びグリセリンで粘性のある塗布液としたものを使用する。また、本実施形態では吐出装置１００ａを用いるため、例えば、集電層側には粒子径の大きい（数十μｍ）炭素微粒子とし、表面側には粒子径の小さい（数十ｎｍ）炭素微粒子とすることで、基板付近は流路幅を大きくして反応ガスの拡散抵抗をできるだけ小さくしつつ、反応層付近（ガス拡散層の表面側）においては、均一で細かい流路となっているガス拡散層を形成することも容易である。その他、ガス拡散層の基板側は炭素粒子を用い、表面側は、ガス拡散能力は低いが触媒担持能力に優れる材料を用いることもできる。
【００５２】
次に、ガス拡散層３０が形成された基板１０をベルトコンベアＢＣ１上に載せ、吐出装置１００ｂに運搬し、吐出装置１００ｂにより集電層形成用材料を塗布し、アニールを施すことにより集電層４０を形成する。この状態を図７に示す。
【００５３】
用いる集電層形成用材料としては、導電性を有する材料であれば特に制限されない。例えば、白金、銅、金、銀、アルミニウム、タングステン及びこれらの金属の合金等が挙げられる。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。
【００５４】
次に、集電層４０が形成された基板１０はベルトコンベアＢＣ１上に載せられ、吐出装置１００ｃに運搬される。吐出装置１００ｃ内においては、基板１０を上下１８０°回転させ、集電層４０が形成されていない面側であって、ガス拡散層３０上に、第１の反応層５０ａと第２の反応層５０ｂとが、水平方向に対して交互になるように形成する作業が行われる。
【００５５】
用いる反応層形成用材料としては、金属化合物若しくは金属微粒子を含む溶液又は分散液が挙げられる。金属化合物としては、例えば、白金、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、パラジウム、オスミウム及びこれらの２種以上からなる合金からなる群から選ばれる１種若しくは２種以上の金属の金属塩や金属錯体等が挙げられる。また、金属微粒子としては、例えば、白金、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、パラジウム、オスミウム及びこれらの２種以上からなる合金からなる群から選ばれる１種若しくは２種以上の金属の微粒子が挙げられる。これらの中でも、白金微粒子又は白金塩が好ましい。
【００５６】
吐出装置１００ｃ内において、第１の反応層５０ａと第２の反応層５０ｂとが、水平方向に対して交互になるように形成する作業は、具体的には次のように行うことができる。すなわち、塩化白金酸及びカーボンブラックを含む塗布液（１）と、塩化ルテニウム及びカーボンブラックを含む塗布液（２）とをそれぞれ調製し、第１の反応層となるところには、塗布液（１）を塗布した後、溶媒が蒸発する前に塗布液（２）を塗布してアニール処理を施すことにより合金化を行う。また、第２の反応層となるところには、塗布液（１）を塗布した後に、２３０〜２４０℃で乾燥し、４００〜５００℃で熱分解を行なう。このようにすることにより、図８に示すように、同一平面上に第１の反応層５０ａと第２の反応層５０ｂとを水平方向に対して交互に形成された構造を得ることができる。
【００５７】
本実施形態では、吐出装置１００ｃを使用し、異なるノズルから塗布液（１）と塗布液（２）をそれぞれ塗布するようにしているが、図示を省略する吐出装置をさらに一台用意し、それぞれの吐出装置を使用して、塗布液（１）と塗布液（２）の塗布を別個に行うこともできる。
【００５８】
第１の反応層５０ａ及び第２の反応層５０ｂが形成された基板１０は、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置１００ｄまで搬送され、吐出装置１００ｄにより電解質膜形成用材料を塗布することにより、基板１０上に電解質膜６０を形成する。電解質膜６０が形成された基板１０の端面図を図９に示す。
【００５９】
用いる電解質膜形成用材料としては、例えば、タングスト燐酸、モリブド燐酸等のセラミックス系固体電解質を所定の粘度（例えば、１００ｃＰ以下）に調整した材料や、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等が挙げられる。
【００６０】
次いで、電解質膜６０が形成された基板１０はベルトコンベアＢＣ１に載せられ、接合装置１０５ａに運搬される。
接合装置１０５ａでは、２枚の基板１０を電解質膜６０を挟んで、第１の反応層５０ａと第２の反応層５０ｂとが対峙するように接合させる。接合方法としては、例えばホットプレス法が挙げられる。この場合、第１の反応層と第２の反応層とが、電解質膜６０を挟んで正確に向かい合うように精度よく圧着を行う必要がある。接合して得られた接合基板１０ａの端面図を図１０に示す。
【００６１】
次に、接合装置１０５ａにより接合された基板（接合基板）１０ａは、ベルトコンベアＢＣ１に載せられ、組立装置１０５ｂに運搬される。そこで、図１１に示すように、接合基板１０ａを挟むようにフレキシブル基板７０ａ、７０ｂを重ね合わせる作業（組立作業）が行われる。
【００６２】
フレキシブル基板７０ａ、７０ｂは表面に凹凸部が形成されている。この凹凸部は、接合基板１０ａと接着されて第１のガス流路及び第２のガス流路が形成されるような形状である。
【００６３】
このような形状をもつフレキシブル基板は、燃料電池の発電セル部の製造に用いた基板と同様の方法で作製することができる。
すなわち、先ず、フォトエッチングの技術を使用して、基板上に微細な溝形状を形成してマスタ基板を作製する。用いる基板としては特に制限されない。例えば、シリコン基板を使用することができる。次に、上記で得られたマスタ基板を鋳型として、射出成形用金型を作製する。金型の製造方法は特に制限されず、公知の方法、例えば、金属ニッケルを用いる電解鋳造法を用いることができる。
次いで、上記で得られた金型を用いて射出成形法によりフレキシブル基板を製造することができる。成形用材料としては、従来から射出成形法に用いられている公知の成形用材料を使用することができる。本発明においては、燃料電池が変形しても発電セル部を支持できるような材料（例えば、合成樹脂基板）が好ましい。
【００６４】
以上のようにして、図１に示す構造の燃料電池を製造することができる。
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）を用いることなく集電層を形成できるため、燃料電池の製造コストを低く抑えることができる。
【００６５】
上述の実施形態の製造方法においては、燃料電池製造ラインとして、ベルトコンベアＢＣ１のみを有するものを使用して燃料電池を製造しているが、さらにベルトコンベア（ＢＣ２）を併設し、吐出装置１００ａ〜１００ｄと同様の吐出装置を配置して、吐出装置１００ａ〜１００ｄで行われる作業と同様の作業により、基板１０を使用して、ガス拡散層、集電層、反応層及び電解質膜を順次形成し、接合装置１０５ａに搬送するようにしてもよい。このようにすれば、より迅速かつ効率よく燃料電池を製造することができる。
【００６６】
３）電気・電子機器
本発明の電気・電子機器は、本発明の燃料電池を電力供給源として備えることを特徴とする。本発明の電気・電子機器は、本発明の燃料電池をフレキシブル部位に配置したものであるのが好ましい。
本発明の電気・電子機器としては、電子ペーパー；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、デジタルカメラ、腕時計等のウエアラブル機器；等が挙げられる。本発明の電気・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、辞書機能等の他の機能を有していてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態に係る燃料電池の構造断面図である。
【図２】実施の形態に係る燃料電池の要部構造模式図である。
【図３】実施の形態に係る燃料電池の製造ラインの一例を示す図である。
【図４】実施の形態に係るインクジェット式吐出装置の概略図である。
【図５】実施の形態に係る燃料電池の製造過程の基板の端面図である。
【図６】実施の形態に係る燃料電池の製造過程の基板の端面図である。
【図７】実施の形態に係る燃料電池の製造過程の基板の端面図である。
【図８】実施の形態に係る燃料電池の製造過程の基板の端面図である。
【図９】実施の形態に係る燃料電池の製造過程の基板の端面図である。
【図１０】実施の形態に係る燃料電池の製造過程の基板の端面図である。
【図１１】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。
【符号の説明】
１０…基板、１０ａ…接合基板、２０…溝、３０…ガス拡散層、４０…集電層、５０ａ…第１の反応層、５０ｂ…第２の反応層、６０…電解質膜、７０…フレキシブル基板、８０ａ…第１のガス流路、８０ｂ…第２のガス流路、１００ａ〜１００ｄ…吐出装置、１０１…制御装置、１０３…駆動装置、１０５ａ…接合装置、１０５ｂ…組立装置、ＢＣ１…ベルトコンベア

Claims

電解質膜及び該電解質膜を挟んで対峙して形成された第１の反応層と第２の反応層とを有する燃料電池素子が、水平方向に複数個形成されてなる発電セル部と、この発電セル部の垂直方向の両面側に設けられ、前記第１の反応層に第１の反応ガスを供給する第１のガス流路、及び前記第２の反応層に第２の反応ガスを供給する第２のガス流路を形成するフレキシブル基板とからなる燃料電池であって、前記燃料電池素子が吐出装置を使用する工程を含む形成方法により得られたものであることを特徴とする燃料電池。
前記第１の反応層と第２の反応層とが、水平方向に対して交互になるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
前記第１のガス流路と第２のガス流路とが水平方向に対して交互になるように形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池。
前記発電セル部が、第１の基板の一方の面側から他方の面側に貫通する溝内に形成された第１のガス拡散層と、前記第１の基板の一方の面側であって第１のガス拡散層上に形成された第１の集電層と、及び前記第１の基板の他方の面側であって第１のガス拡散層上に、水平方向に対して交互になるように形成された第１の反応層と第２の反応層とを有する第１の基板と、
第２の基板の一方の面側から他方の面側に貫通する溝内に形成された第２のガス拡散層と、前記第２の基板の一方の面側であって第２のガス拡散層上に形成された第２の集電層と、及び前記第２の基板の他方の面側であって第２のガス拡散層上に、水平方向に対して交互になるように形成された第１の反応層と第２の反応層とを有する第２の基板とが、
前記第１の基板の第１の反応層側と前記第２の基板の第２の反応層側とをそれぞれ内側にして、電解質膜を挟んで接合されてなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。
前記フレキシブル基板が、基板材料をローストモールド法又は射出成形法により成形して得られたフレキシブル基板であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池の製造方法。
前記フレキシブル基板が、基板をエッチング法により加工して得られたマスタ基板を用いて成形用金型を作製し、この成形用金型を用いるローストモールド法又は射出成形法により、基板材料を成形して得られたフレキシブル基板であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池。
前記第１及び第２の基板の少なくとも一方が、基板材料をローストモールド法又は射出成形法により成形して得られたフレキシブル基板であることを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の燃料電池。
前記第１及び第２の基板の少なくとも一方が、基板をエッチング法により加工して得られたマスタ基板を用いて成形用金型を作製し、この成形用金型を用いるローストモールド法又は射出成形法により、基板材料を成形して得られたフレキシブル基板であることを特徴とする請求項４〜７のいずれかに記載の燃料電池。
電解質膜及び該電解質膜を挟んで対峙して形成された第１の反応層と第２の反応層とを有する燃料電池素子が、水平方向に複数個形成されてなる発電セル部と、この発電セル部の垂直方向の両面側に設けられ、前記第１の反応層に第１の反応ガスを供給する第１のガス流路、及び前記第２の反応層に第２の反応ガスを供給する第２のガス流路を形成するフレキシブル基板とからなる燃料電池の製造方法であって、
前記燃料電池素子を吐出装置を使用して形成することを特徴とする燃料電池の製造方法。
第１の基板の一方の面側から他方の面側に貫通する溝内に形成された第１のガス拡散層を形成する工程（１）と、
前記第１の基板の一方の面側であって、第１のガス拡散層上に第１の集電層を形成する工程（２）と、
前記第１の基板の他方の面側であって第１のガス拡散層上に、水平方向に対して交互になるように第１の反応層及び第２の反応層を形成する工程（３）と、
第２の基板の一方の面側から他方の面側に貫通する溝内に第２のガス拡散層を形成する工程（４）と、
前記第２の基板の一方の面側であって、第２のガス拡散層上に第２の集電層を形成する工程（５）と、
前記第２の基板の他方の面側であって第２のガス拡散層上に、水平方向に対して交互になるように第１の反応層及び第２の反応層を形成する工程（６）と、
前記第１の基板と第２の基板とを、電解質膜を挟んで、前記第１の基板の第１の反応層と、第２の基板の第２の反応層とが対峙するように接合することにより発電セル部を形成する工程（７）と、
第１のガス流路及び第２のガス流路の形状を有するフレキシブル基板２枚を、前記第１のガス流路から第１のガス拡散層へ第１の反応ガスが供給され、前記第２のガス流路から第２のガス拡散層へ第２の反応ガスが供給されるように、前記発電セル部を挟んで接合する工程（８）と
を有する請求項９に記載の燃料電池の製造方法。
前記工程（１）〜工程（６）の少なくとも一つが、吐出装置を使用する工程であることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池の製造方法。
前記フレキシブル基板が、基板材料をローストモールド法又は射出成形法により成形して得られたものであることを特徴とする請求項９〜１１のいずれかに記載の燃料電池の製造方法。
前記フレキシブル基板が、基板をエッチング法により加工して得られたマスタ基板を用いて成形用金型を作製し、この成形用金型を用いるローストモールド法又は射出成形法により、基板材料を成形して得られたものであることを特徴とする請求項９〜１２のいずれかに記載の燃料電池の製造方法。
前記第１及び第２の基板の少なくとも一方が、基板材料をローストモールド法又は射出成形法により成形して得られたフレキシブル基板であることを特徴とする請求項１０〜１３のいずれかに記載の燃料電池の製造方法。
前記第１及び第２の基板の少なくとも一方が、基板をエッチング法により加工して得られたマスタ基板を用いて成形用金型を作製し、この成形用金型を用いるローストモールド法又は射出成形法により、基板材料を成形して得られたフレキシブル基板であることを特徴とする請求項１０〜１３のいずれかに記載の燃料電池の製造方法。
請求項１〜８のいずれかに記載の燃料電池を電力供給源として用いることを特徴とする電気・電子機器。
請求項１〜８のいずれかに記載の燃料電池をフレキシブル部位に配置したことを特徴とする請求項１６に記載の電気・電子機器。
電子ペーパー又はウエアラブル機器であることを特徴とする請求項１６又は１７に記載の電気・電子機器。