JP2005100822A - 燃料電池、該燃料電池の製造方法、該燃料電池又は該製造方法により製造された燃料電池を備える電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 小面積で多量の電流を取り出すことができる燃料電池を提供する。
【解決手段】 ２つの電解質膜・電極集合体が積層されて構成される燃料電池において、上下に隣接する前記電解質膜・電極集合体において、上部を燃料極とし下部を空気極として形成された下側に位置する前記電解質膜・電極集合体７４及び下部を燃料極とし上部を空気極として形成された上側に位置する前記電解質膜・電極集合体７６と、前記燃料極の燃料極側電極に接続する燃料極側集電部７８と、前記空気極の空気極側電極に接続する空気極側集電部７９とを備える。
【選択図】 図２

Description

この発明は、携帯機器などの小型機器に利用可能な燃料電池、該燃料電池の製造方法、該燃料電池又は該製造方法により製造された燃料電池を備える電子機器に関するものである。

従来、イオンを通す性質を持つ電解質膜を、電子を通す性質を持つ多孔質の電極で挟んだＭＥＡ（電解質膜・電極集合体）により構成される燃料電池が存在する。この燃料電池の中には、水素又はアルコール等を燃料として発電するものが存在する。このような燃料電池のうち、例えば、水素を燃料として用いる燃料電池では、一方の電極（燃料極）に水素を含む第１の反応ガスを供給し、他方の電極（空気極）に酸素を含む第２の反応ガスを供給し、第１の反応ガスに含まれている水素と第２の反応ガスに含まれている酸素とに基づく反応により発電が行われる。一般に燃料電池においては、複数の単位燃料電池を直列又は並列に接続して、要求される電圧及び電流を発生させている。また単位燃料電池内には、特許文献１に開示されているように、複数の部分電池が含まれており、複数の部分電池は、セパレ-ション（隔離）され、並列に接続されて構成されている。若しくは、特許文献２のように、セパレータが導電性の時のみ、直列構造となっている。特許文献１の構造では、部分電池同士が隔離されているため、単位電池の厚みが増す。

特開平9-223507 特開平6-310158

ところで、アナログ系の回路を駆動する場合には、多量の電流が必要になる場合があるが、部分電池が特許文献２のように直列に接続されている単位燃料電池を複数用いて所望の値の電流を得ようとする場合には、複数の単位燃料電池を配置するための面積が大きくなり、燃料電池が大型化してしまう。また、特許文献１の構造では、部分電池同士が隔離されているため、単位電池の厚みが増す。この発明の課題は、薄くかつ小面積で多量の電流を取り出すことができる燃料電池、該燃料電池の製造方法、該燃料電池又は該製造方法により製造された燃料電池を備える電子機器を提供することである。

この発明に係る燃料電池は、少なくとも２つの電解質膜・電極集合体が積層されて構成される燃料電池において、上下に隣接する前記電解質膜・電極集合体において、上部を燃料極とし下部を空気極として形成された下側に位置する前記電解質膜・電極集合体及び下部を燃料極とし上部を空気極として形成された上側に位置する前記電解質膜・電極集合体又は、上部を空気極とし下部を燃料極として形成された下側に位置する前記電解質膜・電極集合体及び下部を空気極とし上部を燃料極として形成された上側に位置する前記電解質膜・電極集合体と、前記燃料極の燃料極側電極に接続する燃料極側集電部と、前記空気極の空気極側電極に接続する空気極側集電部とを備えることを特徴とする。

この発明に係る燃料電池によれば、積層された電解質膜・電極集合体を並列に接続することができる。従って、小面積で多量の電流を取り出すことができる。

この発明に係る燃料電池は、前記燃料極側電極が積層される前記電解質膜・電極集合体の一方の外縁部に張出して形成され、前記空気極側電極は、積層される前記電解質膜・電極集合体の他方の外縁部に張出して形成されることを特徴とする。

この発明に係る燃料電池によれば、積層される電解質膜・電極集合体の一方の外縁部に燃料極側電極が張出して形成され、他方の外縁部に空気極側電極が張出して形成されているため、積層される電解質膜・電極集合体の並列接続を容易に行うことができる。

この発明に係る燃料電池は、前記電解質膜・電極集合体は、少なくとも１層の集電層、少なくとも１層のガス拡散層、少なくとも１層の反応層及び電解質層を備え、前記集電層、前記ガス拡散層、前記反応層、前記電解質層のうち、少なくとも１つの層は、吐出装置を用いて形成されていることを特徴とする。

この発明に係る燃料電池によれば、少なくとも１つの層が吐出装置を用いて形成されているため、例えば、微細なガス流路を備える小型の燃料電池を製造することができ、燃料電池の製造コストを低減することができる。

この発明に係る燃料電池の製造方法は、少なくとも２つの電解質膜・電極集合体が積層されて構成される燃料電池の製造方法において、上下に隣接する下側の前記電解質膜・電極集合体を形成する下部電解質膜・電極集合体形成工程と、上下に隣接する上側の前記電解質膜・電極集合体を形成する上部電解質膜・電極集合体形成工程と、前記下部電解質膜・電極集合体及び前記上部電解質膜・電極集合体の空気極の空気極側電極を空気極側集電部に接続する第1接続工程と、前記下部電解質膜・電極集合体及び前記上部電解質膜・電極集合体の燃料極の燃料極側電極を燃料極側集電部に接続する第２接続工程とを含み、前記下部電解質膜・電極集合体形成工程において、該下部電解質膜・電極集合体の下部に位置する空気極又は燃料極の空気極側電極又は燃料極側電極を積層される前記電解質膜・電極集合体の一方の外縁部に張出して形成すると共に、該下部電解質膜・電極集合体の上部に位置する燃料極又は空気極の燃料極側電極又は空気極側電極を積層される前記電解質膜・電極集合体の他方の外縁部に張出して形成し、前記上部電解質膜・電極集合体形成工程において、該上部電解質膜・電極集合体の下部に位置する燃料極又は空気極の燃料極側電極又は空気極側電極を積層される前記電解質膜・電極集合体の前記他方の外縁部に張出して形成すると共に、該上部電解質膜・電極集合体の上部に位置する空気極又は燃料極の空気極側電極又は燃料極側電極を積層される前記電解質膜・電極集合体の前記一方の外縁部に張出して形成することを特徴とする。

この発明に係る燃料電池の製造方法によれば、積層された電解質膜・電極集合体が並列に接続された燃料電池を容易に製造することができる。この燃料電池によれば、小面積で多量の電流を取り出すことができる。

この発明に係る燃料電池の製造方法は、前記電解質膜・電極集合体は、少なくとも１層の集電層、少なくとも１層のガス拡散層、少なくとも１層の反応層及び電解質層を備え、前記集電層、前記ガス拡散層、前記反応層、前記電解質層のうち、少なくとも１つの層を形成する工程において吐出装置を用いることを特徴とする。

この発明に係る燃料電池の製造方法によれば、少なくとも１つの層が吐出装置を用いて形成されているため、例えば、微細なガス流路を備える小型の燃料電池を製造することができ、燃料電池の製造コストを低減することができる。

この発明に係る電子機器は、この発明に係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。また、この発明に係る電子機器は、この発明に係る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。

この発明に係る電子機器によれば、小面積で多量の電流を取り出すことができる燃料電池を備えるため、電子機器の小型化を実現することができる。

以下、図面を参照して、この発明に実施の形態に係る燃料電池について説明する。図１は、実施の形態に係る単位燃料電池の平面図、図２は、図１に示すＡ−Ａ断面図、図３は、図１に示すＢ−Ｂ断面図である。

単位燃料電池７０は、下側ガラス基板７１上に、下部部分電池及び上部部分電池が積層されており、上部部分電池の上に上側ガラス基板７２が配置されて構成されている。下部部分電池は、シリコン基板７３、電解質膜・電極集合体（ＭＥＡ）７４及びシリコン基板７５により構成されている。電解質膜・電極集合体７４は、シリコン基板７３側が空気極、シリコン基板７５側が燃料極となるように形成されており、シリコン基板７３の上面に空気極側電極が、シリコン基板７５の下面に燃料極側電極が形成されている。

上部部分電池は、シリコン基板７５、電解質膜・電極集合体（ＭＥＡ）７６及びシリコン基板７７により構成されている。電解質膜・電極集合体７６は、シリコン基板７５側が燃料極、シリコン基板７７側が空気極となるように形成されており、シリコン基板７５の上面に燃料極側電極が、シリコン基板７７の下面に空気極側電極が形成されている。

シリコン基板７３の上面に形成された空気極側電極及びシリコン基板７７の下面に形成された空気極側電極は、積層される電解質膜・電極集合体７４，７６の一方の外縁部（図２における右側）に張出して形成されており、空気極側集電部７９に接続されている。また、シリコン基板７５の上面、下面に形成された燃料極側電極は、積層される電解質膜・電極集合体７４，７６の他方の外縁部（図２における左側）に張出して形成されており、燃料極側集電部７８に接続されている。更に、下部部分電池を構成するシリコン基板７３、電解質膜・電極集合体７４及びシリコン基板７５、上部部分電池を構成するシリコン基板７５、電解質膜・電極集合体７６及びシリコン基板７７の側壁部は、ポリイミド等の絶縁体により覆われている。

次に、図４に示すフローチャート、図５に示す説明図を参照して、単位燃料電池７０の製造方法の説明を行う。

まず、下側ガラス基板７１上に下部部分電池を形成する（ステップＳ１）。即ち、下側ガラス基板７１上にシリコン基板７３側を配置し、シリコン基板７３上に電解質膜・電極集合体７４をシリコン基板７３が空気極となるように形成し、電解質膜・電極集合体７４上にシリコン基板７５を配置する。なお、電解質膜・電極集合体７４は、後述する電解質膜・電極集合体の製造方法により製造される。

ここでシリコン基板７３の上面には、空気極側電極が形成されており、空気極側電極は、電解質膜・電極集合体７４の一方の外縁部から張り出すように電解質膜・電極集合体７４が形成される。また、シリコン基板７５の下面には、燃料極側電極が形成されており、燃料極側電極が電解質膜・電極集合体７４の他方の外縁部から張り出すようにシリコン基板７５が配置される。図５（ａ）は、下側ガラス基板７１上に下部部分電池が形成された状態を示す図である。

次に、インクジェット式の吐出装置などを用いて、シリコン基板７３、電解質膜・電極集合体７４及びシリコン基板７５の側壁を覆うようにポリイミドなどの絶縁物質８０ａを吐出してシリコン基板７３、電解質膜・電極集合体７４及びシリコン基板７５の側壁の周囲に絶縁体を積層させる（ステップＳ２）。図５（ｂ）は、リコン基板７３、電解質膜・電極集合体７４及びシリコン基板７５の側壁の周囲に絶縁体を積層させた状態を示す図である。

次に、下部部分電池上に上部部分電池を形成する（ステップＳ３）。即ち、シリコン基板７５上に電解質膜・電極集合体７６をシリコン基板７５側が燃料極となるように形成し、電解質膜・電極集合体７６上にシリコン基板７７を配置する。なお、電解質膜・電極集合体７６は、後述する電解質膜・電極集合体の製造方法により製造される。

ここでシリコン基板７５の上面には、燃料極側電極が形成されており、燃料極側電極が電解質膜・電極集合体７６の他方の外縁部から張り出すように電解質膜・電極集合体７６が形成される。また、シリコン基板７７の下面には、空気極側電極が形成されており、空気極電極が電解質膜・電極集合体７４の一方の外縁部から張り出すようにシリコン基板７７が配置される。図５（ｃ）は、下部部分電池上に上部部分電池を形成した状態を示す図である。

次に、インクジェット式の吐出装置などを用いて、電解質膜・電極集合体７６及びシリコン基板７７の側壁を覆うようにポリイミドなどの絶縁物質８０ｂを吐出して，電解質膜・電極集合体７６及びシリコン基板７７の側壁の周囲に絶縁体を積層させる（ステップＳ４）。

次に、シリコン基板７７上に上側ガラス基板７２を配置し（ステップＳ５）、燃料極側集電部７８、空気極側集電部７９を形成するための燃料極側集電部用穴及び空気極側集電部用穴を形成する（ステップＳ６）。即ち、エッチングにより上側ガラス基板７２、絶縁物質８０ｂ、シリコン基板７５、絶縁物質８０ａを貫通して下側ガラス基板７１に到達する穴を形成することにより燃料極側集電部用穴を形成すると共に、上側ガラス基板７２、シリコン基板７７、絶縁物質８０ｂ、絶縁物質８０ａ、シリコン基板７３を貫通して下側ガラス基板７１に到達する穴を形成することにより空気極側集電部用穴を形成する。

ここで、シリコン基板７３の上面に形成されている空気極側電極と、シリコン基板７７の下面に形成されている空気極側電極とは、電解質膜・電極集合体７４，７６に対して一方（同一方向）に張り出すように形成されているため、エッチングなどの処理により容易に空気極側集電部用穴を形成することができる。また、シリコン基板７５の上面、下面に形成されている燃料極側電極は、電解質膜・電極集合体７４，７６に対して他方に張り出すように形成されているため、エッチングなどの処理により容易に燃料極側集電部用穴を形成することができる。

次に、燃料極側集電部用穴及び空気極側集電部用にアルミニウムなどの導電性物質を充填することにより燃料極側集電部７８及び空気極側集電部７９を形成する。これにより電解質膜・電極集合体７４と電解質膜・電極集合体７６とが並列に接続される。図５(ｄ)は、上述の製造方法により製造された単位燃料電池を示す図である。

この実施の形態に係る単位燃料電池によれば、積層された電解質膜・電極集合体７４，７６を並列に接続することができる。従って、小面積で多量の電流を取り出すことができる。また、積層される電解質膜・電極集合体７４，７６の一方の外縁部に燃料極側電極が張出して形成され、他方の外縁部に空気極側電極が張出して形成されているため、積層される電解質膜・電極集合体の並列接続を容易に行うことができる。

また、シリコン基板７３、電解質膜・電極集合体７４及びシリコン基板７５の側壁を覆うようにポリイミドなどの絶縁物質８０ａを積層させると共に、電解質膜・電極集合体７６及びシリコン基板７７の側壁を覆うようにポリイミドなどの絶縁物質８０ｂ積層させているため、各部分電池からの漏電などを確実に防止することができる。また、絶縁物質８０ａ，８０ｂの積層をインクジェット式の吐出装置などを用いて行っていることから、複雑な形状を有する各部分電池の側壁部の絶縁を確実に行うことができる。また、この実施の形態に係る燃料電池の製造方法によれば、積層された電解質膜・電極集合体７４，７６が並列に接続された燃料電池を容易に製造することができる。

なお、上述の実施の形態においては、単位燃料電池内に２つの電解質膜・電極集合体を積層させているが、３つ以上の電解質膜・電極集合体を積層させるようにしても良い。また、上述の実施の形態においては、単位燃料電池を構成する下部部分電池の電解質膜・電極集合体をシリコン基板７３上に、シリコン基板７３側が空気極となるように形成しているが、燃料極となるように形成しても良い。この場合には、上部部分電池の電解質膜・電極集合体７６をシリコン基板７５上に、シリコン基板７５側が空気極となるように形成する。

次に、この発明の実施の形態に係る単位燃料電池を構成する部分電池の製造方法について説明する。図６は、実施の形態に係る単位燃料電池に含まれる部分電池の製造工程を実行する燃料電池製造ラインの構成の一例を示す図である。この図６に示すように、燃料電池製造ラインは、各工程においてそれぞれ用いられる吐出装置２０ａ〜２０ｍ、吐出装置２０ａ〜２０ｋを接続するベルトコンベアＢＣ１、吐出装置２０ｌ、２０ｍを接続するベルトコンベアＢＣ２、ベルトコンベアＢＣ１、ＢＣ２を駆動させる駆動装置５８、燃料電池の組み立てを行う組立装置６０及び燃料電池製造ライン全体の制御を行う制御装置５６により構成されている。

吐出装置２０ａ〜２０ｋは、ベルトコンベアＢＣ１に沿って所定の間隔で一列に配置されており、吐出装置２０ｌ、２０ｍはベルトコンベアＢＣ２に沿って所定の間隔で一列に配置されている。また、制御装置５６は、各吐出装置２０ａ〜２０ｋ、駆動装置５８及び組立装置６０に接続されている。制御装置５６からの制御信号に基づいてベルトコンベアＢＣ１を駆動させ、燃料電池の基板（以下、単に「基板」とする。）を各吐出装置２０ａ〜２０ｋに搬送して各吐出装置２０ａ〜２０ｋにおける処理を行う。同様に、制御装置５６からの制御信号に基づいてベルトコンベアＢＣ２を駆動させ、基板を吐出装置２０ｌ、２０ｍに搬送してこの吐出装置２０ｌ、２０ｍにおける処理を行う。また、組立装置６０においては、制御装置５６からの制御信号に基づいてベルトコンベアＢＣ１及びベルトコンベアＢＣ２を介して搬入された基板により燃料電池の組み立てを行う。

この燃料電池製造ラインにおいては、吐出装置２０ａにおいて基板に対してガス流路を形成するためのレジスト溶液を塗布する処理が行われ、吐出装置２０ｂにおいて、ガス流路を形成するためのエッチング処理が行われ、吐出装置２０ｃにおいて、集電層を支持するための支持用カーボンを塗布する処理が行われる。
また、吐出装置２０ｄにおいて、集電層を形成する処理が行われ、吐出装置２０ｅにおいて、ガス拡散層を形成する処理が行われ、吐出装置２０ｆにおいて、反応層を形成する処理が行われ、吐出装置２０ｇにおいて、電解質膜を形成する処理が行われる。更に、吐出装置２０ｈにおいて、反応層を形成する処理が行われ、吐出装置２０ｉにおいて、ガス拡散層を形成する処理が行われ、吐出装置２０ｊにおいて、集電層を形成する処理が行われ、吐出装置２０ｋにおいて、支持用カーボンを塗布する処理が行われる。

また、吐出装置２０ｌにおいて、基板に対してガス流路を形成するためのレジスト溶液を塗布する処理が行われ、吐出装置２０ｍにおいて、ガス流路を形成するためのエッチング処理が行われる。なお、吐出装置２０ａ〜２０ｋにおいて第１の基板に対して処理を施す場合には、吐出装置２０ｌ、２０ｍにおいては、第２の基板に対してガス流路を形成する処理が施される。

図７は、この発明の実施の形態に係る単位燃料電池に含まれる部分電池を製造する際に用いられるインクジェット式の吐出装置２０ａの構成の概略を示す図である。この吐出装置２０ａは、基板上に吐出物を吐出するインクジェットヘッド２２を備えている。このインクジェットヘッド２２は、ヘッド本体２４及び吐出物を吐出する多数のノズルが形成されているノズル形成面２６を備えている。このノズル形成面２６のノズルから吐出物、即ち、反応ガスを供給するためのガス流路を基板上に形成する際に、基板に塗布されるレジスト溶液が吐出される。また、吐出装置２０ａは、基板を載置するテーブル２８を備えている。このテーブル２８は、所定の方向、例えば、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に移動可能に設置されている。また、テーブル２８は、図中矢印で示すようにＸ軸に沿った方向に移動することにより、ベルトコンベアＢＣ１により搬送される基板をテーブル２８上に載置して吐出装置２０ａ内に取り込む。

また、インクジェットヘッド２２には、ノズル形成面２６に形成されているノズルから吐出される吐出物であるレジスト溶液を収容しているタンク３０が接続されている。即ち、タンク３０とインクジェットヘッド２２とは、吐出物を搬送する吐出物搬送管３２によって接続されている。また、この吐出物搬送管３２は、吐出物搬送管３２の流路内の帯電を防止するための吐出物流路部アース継手３２ａとヘッド部気泡排除弁３２ｂとを備えている。このヘッド部気泡排除弁３２ｂは、後述する吸引キャップ４０により、インクジェットヘッド２２内の吐出物を吸引する場合に用いられる。即ち、吸引キャップ４０によりインクジェットヘッド２２内の吐出物を吸引するときは、このヘッド部気泡排除弁３２ｂを閉状態にし、タンク３０側から吐出物が流入しない状態にする。そして、吸引キャップ４０で吸引すると、吸引される吐出物の流速が上がり、インクジェットヘッド２２内の気泡が速やかに排出されることになる。

また、吐出装置２０ａは、タンク３０内に収容されている吐出物の収容量、即ち、タンク３０内に収容されているレジスト溶液の液面３４ａの高さを制御するための液面制御センサ３６を備えている。この液面制御センサ３６は、インクジェットヘッド２２が備えるノズル形成面２６の先端部２６ａとタンク３０内の液面３４ａとの高さの差ｈ（以下、水頭値という）を所定の範囲内に保つ制御を行う。液面３４ａの高さを制御することで、タンク３０内の吐出物３４が所定の範囲内の圧力でインクジェットヘッド２２に送られることになる。そして、所定の範囲内の圧力で吐出物３４を送ることで、インクジェットヘッド２２から安定的に吐出物３４を吐出することができる。

また、インクジェットヘッド２２のノズル形成面２６に対向して一定の距離を隔てて、インクジェットヘッド２２のノズル内の吐出物を吸引する吸引キャップ４０が配置されている。この吸引キャップ４０は、図７中に矢印で示すＺ軸に沿った方向に移動可能に構成されており、ノズル形成面２６に形成された複数のノズルを囲むようにノズル形成面２６に密着し、ノズル形成面２６との間に密閉空間を形成してノズルを外気から遮断できる構成となっている。なお、吸引キャップ４０によるインクジェットヘッド２２のノズル内の吐出物の吸引は、インクジェットヘッド２２が吐出物３４を吐出をしていない状態、例えば、インクジェットヘッド２２が、退避位置等に退避しており、テーブル２８が破線で示す位置に退避しているときに行われる。

また、この吸引キャップ４０の下方には、流路が設けられており、この流路には、吸引バルブ４２、吸引異常を検出する吸引圧検出センサ４４及びチューブポンプ等からなる吸引ポンプ４６が配置されている。また、この吸引ポンプ４６等で吸引され、流路を搬送されてきた吐出物３４は、廃液タンク４８内に収容される。

なお、吐出装置２０ｂ〜２０ｍの構成は、吐出装置２０ａと同様の構成であるため説明を省略するが、以下の説明において、吐出装置２０ｂ〜２０ｍの各構成には、吐出装置２０ａの説明において各構成に用いたのと同一の符号を用いて説明を行う。なお、吐出装置２０ｂ〜２０ｍにそれぞれ備えられているタンク３０には、各吐出装置２０ｂ〜２０ｍにおいて行われる所定の処理に必要な吐出物が収容されている。例えば、吐出装置２０ｂ及び吐出装置２０ｍのタンク３０には、ガス流路を形成する際に行われるエッチング用の吐出物が、吐出装置２０ｃ及び吐出装置２０ｋのタンク３０には、支持用カーボンを形成するための吐出物が、吐出装置２０ｄ及び吐出装置２０ｊのタンク３０には、集電層を形成するための吐出物がそれぞれ収容されている。また、吐出装置２０ｅ及び吐出装置２０ｉのタンク３０には、ガス拡散層を形成するための吐出物が、吐出装置２０ｆ及び吐出装置２０ｈのタンク３０には、反応層を形成するための吐出物が、吐出装置２０ｇのタンク３０には、電解質膜を形成するための吐出物がそれぞれ収容されている。また、吐出装置２０ｌのタンク３０には、吐出装置２０ａのタンク３０に収容されている基板に対してガス流路を形成するための吐出物と同様の吐出物が収容されている。

次に、図８のフローチャート及び図面を参照して、実施の形態に係る吐出装置２０ａ〜２０ｍを用いた部分電池の製造方法について説明する。

まず、基板に反応ガスを供給するためのガス流路を形成する（ステップＳ１０）。即ち、まず、図９（ａ）に示すように矩形平板形状であって、例えば、シリコン素材の基板（第１の基板）２をベルトコンベアＢＣ１により吐出装置２０ａまで搬送する。ベルトコンベアＢＣ１により搬送された基板２は、吐出装置２０ａのテーブル２８上に載置され、吐出装置２０ａ内に取り込まれる。吐出装置２０ａにおいては、ノズル形成面２６のノズルを介してタンク３０内に収容されているレジスト溶液を吐出し、テーブル２８上に載置されている基板２の上面の所定の位置に塗布する。ここで、レジスト溶液は、図９（ｂ）に示すように、図中、手前方向から奥に向かって所定の間隔をおいて直線状に塗布される。即ち、基板２において、例えば、水素を含有する第１の反応ガスを供給するためのガス流路（第１のガス流路）を形成する部分を残して、それ以外の部分に対してのみレジスト溶液が塗布される。

次に、所定の位置にレジスト溶液が塗布された基板２（図９（ｂ）参照）は、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置２０ｂまで搬送され、吐出装置２０ｂのテーブル２８上に載置されて吐出装置２０ｂ内に取り込まれる。吐出装置２０ｂにおいては、タンク３０内に収容されているガス流路を形成するために行われるエッチング用の溶剤、例えば、フッ酸水溶液をノズル形成面２６のノズルを介して吐出し、テーブル２８上に載置されている基板２の上面の全体に塗布する。

ここで、基板２には、ガス流路を形成する部分以外の部分にレジスト溶液が塗布されているため、レジスト溶液が塗布されていない部分がフッ酸水溶液によりエッチングされ、図１０（ａ）に示すように、ガス流路が形成される。即ち、基板２の一方の側面から他方の側面に延びる断面コ字形状のガス流路が形成される。また、図１０（ａ）に示すようにガス流路が形成された基板２は、図示しない洗浄装置においてレジストの洗浄が行われる。そして、図１０（ｂ）に示すように、ガス流路が形成された基板２は、テーブル２８からベルトコンベアＢＣ１へと移され、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置２０ｃへと搬送される。

次に、ステップＳ１０において基板２に形成されたガス流路が、集電層により塞がれるのを防止すべく、集電層を支持する支持用カーボン（第１の支持部材）をガス流路内に塗布する（ステップＳ１１）。即ち、まず、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置２０ｃまで搬送された基板２を、テーブル２８上に載置して吐出装置２０ｃ内に取り込む。吐出装置２０ｃにおいては、タンク３０内に収容されている支持用カーボン４をノズル形成面２６のノズルを介して吐出し、基板２に形成されているガス流路内に塗布する。ここで、支持用カーボン４として、所定の大きさ、例えば、直径１〜５ミクロン程度の粒子径の多孔質カーボンが用いられる。即ち、集電層によりガス流路が塞がれることを防止すると共に、反応ガスがガス流路内を確実に流れることができるように、支持用カーボン４として所定の大きさの多孔質カーボンが用いられる。

図１１は、支持用カーボン４が塗布された基板２の端面図である。この図１１に示すように、支持用カーボン４がガス流路内に塗布されることにより、基板２上に形成される集電層のガス流路内への落下が防止される。なお、支持用カーボン４が塗布された基板２は、テーブル２８からベルトコンベアＢＣ１へと移され、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置２０ｄへと搬送される。

次に、基板２上に、反応ガスが反応することにより発生した電子を集めるための燃料極側の集電層（第１の集電層）を形成する（ステップＳ１２）。即ち、まず、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置２０ｄまで搬送された基板２を、テーブル２８上に載置して吐出装置２０ｄ内に取り込む。吐出装置２０ｄにおいては、タンク３０内に収容されている集電層６を形成する材料、例えば、銅等の導電性物質をノズル形成面２６のノズルを介してテーブル２８上に載置されている基板２上に吐出する。この時、導電性物質は、ガス流路に供給された反応ガスの拡散を妨げることがない形状に、例えば、網目形状等になるように吐出され集電層６が形成される。

図１２は、集電層６が形成された基板２の端面図である。この図１２に示すように、集電層６は、基板２上に形成されているガス流路内の支持用カーボン４により支持され、ガス流路内への落下が防止されている。なお、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へと移され、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置２０ｅへと搬送される。

次に、ステップＳ１２において形成された集電層６の上に、基板２に形成されたガス流路を介して供給される反応ガスを拡散させるためのガス拡散層を形成する（ステップＳ１３）。即ち、まず、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においては、タンク３０内に収容されているガス拡散層８を形成するための材料、例えば、カーボンを集電層６上にノズル形成面２６のノズルを介して吐出し、ガス流路を介して供給された反応ガス（第１の反応ガス）を拡散させるためのガス拡散層８を形成する。

図１３は、ガス拡散層８が形成された基板２の端面図である。この図１３に示すように、例えば、電極としての機能も有するカーボンを集電層６上に吐出し、反応ガスを拡散させるためのガス拡散層８が形成される。ここで、ガス拡散層８を構成するカーボンとしては、ガス流路を介して供給された反応ガスを十分に拡散させることができる程度の大きさであって、かつ、多孔質のカーボンが用いられる。例えば、支持用カーボン４よりも小さく、直径０．１〜１ミクロン程度の粒子径の多孔質カーボンが用いられる。なお、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へと移され、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置２０ｆへと搬送される。

次に、ステップＳ１３において形成されたガス拡散層８の上に、基板２に形成されたガス流路を介して供給される反応ガスに基づいて反応する反応層（第１の反応層）を形成する（ステップＳ１４）。即ち、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置２０ｆまで搬送された基板２を、テーブル２８上に載置して吐出装置２０ｆ内に取り込む。吐出装置２０ｆにおいては、タンク３０内に収容されている反応層を形成する材料、例えば、粒子径が数ｎｍ〜数十ｎｍの触媒用の白金微粒子を担持したカーボンをガス拡散層８上に吐出して反応層１０を形成する。ここで、白金微粒子を担持しているカーボンは、ガス拡散層８を構成するカーボンと同様のカーボン、即ち、同様の粒径であって、かつ、多孔質のカーボンが用いられる。なお、溶媒に分散剤を添加することにより白金微粒子を分散させてガス拡散層８上に塗布した後に、例えば、窒素雰囲気中で２００℃に基板２を加熱することにより、分散剤を除去し、反応層１０を形成するようにしてもよい。この場合には、ガス拡散層８を構成するカーボンの表面上に触媒として白金微粒子を付着させることによって反応層１０が形成される。

図１４は、反応層１０が形成された基板２の端面図である。この図１４に示すように、触媒としての白金微粒子を担持したカーボンがガス拡散層８上に塗布されることにより反応層１０が形成される。なお、図１４において、反応層１０とガス拡散層８とを容易に識別することができるように、反応層１０としては白金微粒子のみを示している。また、以下の図においても反応層は、図１４と同様に示すものとする。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へと移され、ベルコトンベアＢＣ１により吐出装置２０ｇへと搬送される。

次に、ステップＳ１４で形成された反応層１０上にイオン交換膜等の電解質膜を形成する（ステップＳ１５）。即ち、まず、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置２０ｇまで搬送された基板２を、テーブル２８上に載置して吐出装置２０ｇ内に取り込む。吐出装置２０ｇにおいては、タンク３０内に収容されている電解質膜を形成する材料、例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）、タングスト燐酸、モリブド燐酸等のセラミックス系固体電解質を所定の粘度に調整した材料を、ノズル形成面２６のノズルを介して反応層１０上に吐出して電解質膜１２を形成する。

図１５は、電解質膜１２が形成された基板２の端面図である。この図１５に示すように、反応層１０上に所定の厚さを有する電解質膜１２が形成される。なお、電解質膜１２が形成された基板２は、テーブル２８からベルトコンベアＢＣ１へと移され、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置２０ｈへと搬送される。

次に、ステップＳ１５において形成された電解質膜１２上に反応層（第２の反応層）を形成する（ステップＳ１６）。即ち、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置２０ｈまで搬送された基板２を、テーブル２８上に載置して吐出装置２０ｈ内に取り込む。吐出装置２０ｈにおいては、吐出装置２０ｆにおいて行われた処理と同様の処理により触媒としての白金微粒子を担持したカーボンを吐出し、反応層１０´を形成する。

図１６は、電解質膜１２上に反応層１０´が形成された基板２の端面図である。この図１６に示すように、電解質膜１２上に触媒としての白金微粒子を担持したカーボンが塗布されることによって、反応層１０´が形成される。ここで、反応層１０´は、第２の反応ガス、例えば、酸素を含有する反応ガスに基づいて反応する層である。

次に、ステップＳ１６において形成された反応層１０´上に反応ガス（第２の反応ガス）を拡散させるためのガス拡散層を形成する（ステップＳ１７）。即ち、反応層１０´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２０ｉまで搬送され、吐出装置２０ｉにおいて、吐出装置２０ｅにおいて行われた処理と同様の処理により所定の粒径の多孔質のカーボンが塗布され、ガス拡散層８´が形成される。

図１７は、反応層１０´上にガス拡散層が形成された基板２の端面図である。この図１７に示すように、反応層１０´上に多孔質のカーボンが塗布されることによって、ガス拡散層８´が形成される。

次に、ステップＳ１７において形成されたガス拡散層８´上に空気極側の集電層（第２の集電層）を形成し（ステップＳ１８）、集電層上にこの集電層を支持するための支持用カーボン（第２の支持部材）を塗布する（ステップＳ１９）。即ち、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置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、集電層６´がガス拡散層８´上に形成される。また、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置２０ｋまで搬送された基板２を、テーブル２８上に載置して吐出装置２０ｋ内に取り込み、吐出装置２０ｃにおいて行われた処理と同様の処理により、支持用カーボン４´が塗布される。なお、支持用カーボン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へと移され、組立装置６０へと搬送される。

図１８は、ガス拡散層８´上に集電層６´及び支持用カーボン４´が塗布された基板２の端面図である。この図１８に示すように、上述のステップＳ１８の処理により集電層６´が形成され、上述のステップＳ１９の処理により支持用カーボン４´が塗布される。ここで、支持用カーボン４´は、支持用カーボン４と同様に、即ち、基板２に形成されているガス流路に沿って塗布される。

次に、ステップＳ１９において支持用カーボンが塗布された基板（第１の基板）上にガス流路が形成された基板（第２の基板）を配置することによって部分電池を組み立てる（ステップＳ２０）。即ち、組立装置６０において、ベルトコンベアＢＣ１を介して搬入された基板２（第１の基板）上にベルトコンベアＢＣ２を介して搬入された基板２´（第２の基板）を配置することにより部分電池の組立を行う。ここで、基板２´には、上述のステップＳ１０〜ステップＳ１９における処理とは別に、第２のガス流路が形成されている。即ち、吐出装置２０ｌ及び吐出装置２０ｍにおいて、吐出装置２０ａ及び吐出装置２０ｂにより行われる処理と同様の処理により、第２のガス流路が形成されている。従って、基板２に形成されている一方の側面から他方の側面へと延びる断面コ字形状のガス流路と、基板２´に形成されている断面コ字形状のガス流路とが平行になるように基板２´を配置して部分電池の組立を行い、部分電池の製造を完了する。

図１９は、製造された部分電池の端面図である。この図１９に示すように、第２のガス流路が形成された基板２´を基板２の所定の位置に配置することによって基板２と基板２´の間に、集電層６、ガス拡散層８、反応層１０、電解質膜１２、反応層１０´、ガス拡散層８´、集電層６´により構成される電解質膜・電極集合体（ＭＥＡ）が形成された部分電池の製造が完了する。この部分電池においては、第１の基板に形成された第１のガス流路を介して第１の反応ガスを供給し、第２の基板に形成された第２のガス流路を介して第２の反応ガスを供給することにより発電が行われる。

なお、上述の製造方法により製造された部分電池により構成される単位燃料電池は、電子機器、特に携帯用電子機器、例えば、携帯電話等に電力供給源として組み込むことができる。例えば、携帯電話等の小型電子機器に電力供給源として組み込むことができる。

この実施の形態に係る部分電池の製造方法によれば、インクジェット式の吐出装置を用いて基板上にガス流路を形成し、部分電池を製造している。従って、半導体プロセスに用いられるＭＥＭＳ等の微細加工技術を利用することなく、基板上に微細なガス流路を形成することができるため、低コストで高性能な燃料電池を製造することができる。

また、この実施の形態に係る部分電池の製造方法によれば、インクジェット式の吐出装置を用いて反応層を形成して部分電池を製造している。従って、触媒の材料として白金のように高価な物質を用いている場合であっても、必要な分量を所定の位置に正確に吐出することができ、不必要に触媒の使用量が増加することを防止して低コストで燃料電池の製造を行うことができる。また、インクジェット式の吐出装置を用いて触媒を塗布することにより、触媒をガス拡散層上に均一に塗布することができ、燃料電池の性能を向上させることができる。

また、この実施の形態に係る部分電池の製造方法によれば、インクジェット式の吐出装置を用いて電解質膜を形成して部分電池を製造している。従って、電解質膜を圧着する必要がなく、電解質膜の破損を防止することができる。また、反応層上に電解質膜を形成するための材料を塗布して電解質膜を形成しているため、簡易な作業工程により燃料電池を製造することができる。

なお、上述の実施の形態に係る部分電池の製造方法においては、全ての工程においてインクジェット式の吐出装置を用いているが、部分電池を製造する何れかの工程においてインクジェット式の吐出装置を用いて製造するようにしてもよい。例えば、インクジェット式の吐出装置を用いてガス流路を形成し、その他の工程においては従来と同様の工程により燃料電池を製造するようにしてもよい。この場合であっても、ＭＥＭＳを用いることなくガス流路を形成することができるため、燃料電池の製造コストを低く抑えることができる。

また、上述の実施の形態に係る部分電池の製造方法においては、基板上にレジスト溶液を塗布し、フッ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、レジスト溶液を塗布することなくガス流路を形成するようにしてもよい。例えば、インクジェット式の吐出装置により、基板上の所定の位置にフッ酸水溶液を吐出してガス流路を形成してもよい。また、フッ素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。この場合には、フッ素雰囲気中において水が吐出されることにより、フッ酸水溶液となって基板に塗布され、ガス流路を形成することができる。

また、上述の実施の形態に係る部分電池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（燃料極側）から製造を行っているが、第２の反応ガスが供給される第２の基板側から製造を行うようにしてもよい。即ち、酸素を含有する第２の反応ガスが供給される側（空気極側）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。

また、上述の実施の形態に係る部分電池の製造方法においては、第２のガス流路を第１の基板に形成されている第１のガス流路と同様に第２の基板に形成しているが、第１のガス流路と交差するような方向に形成するようにしてもよい。即ち、レジスト溶液を、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１４（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の基板が配置される。

また、上述の実施の形態に係る部分電池の製造方法においては、ガス流路が形成された第１の基板上に集電層、反応層、電解質膜、反応層及び集電層を形成しているが、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するようにしてもよい。即ち、まず、第１の基板上に第１の反応ガスを供給するための第１のガス流路を形成し、第１のガス流路が形成された第１の基板上に第１の集電層を形成する。次に、第１の集電層上に第１の反応層を形成し、第１の反応層の上に電解質膜を形成する。また、第２の基板についても、第２のガス流路を形成して第２の集電層を形成し、第２の集電層上に第２の反応層を形成して、第２の反応層上に電解質膜を形成する。そして、第１のガス流路、第１の集電層、第１の反応層及び電解質膜が形成された第１の基板と、第２のガス流路、第２の集電層、第２の反応層及び電解質膜が形成された第２の基板とを、形成されている電解質膜を挟むようにして接合させ、燃料電池を製造するようにしてもよい。ここで、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ようにしてもよい。この場合には、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。

実施の形態に係る単位燃料電池の平面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 図１のＢ−Ｂ断面図である。 実施の形態に係る単位燃料電池の製造方法のフローチャートである。 実施の形態に係る単位燃料電池の製造方法の説明図である。 実施の形態に係る部分電池の製造ラインの一例を示す図である。 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。 実施の形態に係る部分電池の製造方法のフローチャートである。 実施の形態に係るガス流路の形成処理を説明する図である。 実施の形態に係るガス流路の形成処理を説明する他の図である。 実施の形態に係る部分電池の製造過程の基板の端面図である。 実施の形態に係る部分電池の製造過程の基板の端面図である。 実施の形態に係る部分電池の製造過程の基板の端面図である。 実施の形態に係る部分電池の製造過程の基板の端面図である。 実施の形態に係る部分電池の製造過程の基板の端面図である。 実施の形態に係る部分電池の製造過程の基板の端面図である。 実施の形態に係る部分電池の製造過程の基板の端面図である。 実施の形態に係る部分電池の製造過程の基板の端面図である。 実施の形態に係る部分電池の基板の端面図である。

符号の説明

２、２´…基板、４、４´…支持用カーボン、６、６´…集電層、８、８´…ガス拡散層、１０、１０´…反応層、１２…電解質膜、２０ａ〜２０ｍ…吐出装置、ＢＣ１、ＢＣ２…ベルトコンベア、７０…単位燃料電池、７１，７２…ガラス基板、７３，７５，７７…シリコン基板、７４，７６…電解質膜・電極集合体、７８…燃料極側集電部、７９…空気極側集電部。

Claims (7)

1. 少なくとも２つの電解質膜・電極集合体が積層されて構成される燃料電池において、
   上下に隣接する前記電解質膜・電極集合体において、
   上部を燃料極とし下部を空気極として形成された下側に位置する前記電解質膜・電極集合体及び下部を燃料極とし上部を空気極として形成された上側に位置する前記電解質膜・電極集合体又は、上部を空気極とし下部を燃料極として形成された下側に位置する前記電解質膜・電極集合体及び下部を空気極とし上部を燃料極として形成された上側に位置する前記電解質膜・電極集合体と、
   前記燃料極の燃料極側電極に接続する燃料極側集電部と、
   前記空気極の空気極側電極に接続する空気極側集電部と
   を備えることを特徴とする燃料電池。
2. 前記燃料極側電極は、積層される前記電解質膜・電極集合体の一方の外縁部に張出して形成され、
   前記空気極側電極は、積層される前記電解質膜・電極集合体の他方の外縁部に張出して形成されることを特徴とする請求項1記載の燃料電池。
3. 前記電解質膜・電極集合体は、少なくとも１層の集電層、少なくとも１層のガス拡散層、少なくとも１層の反応層及び電解質層を備え、
   前記集電層、前記ガス拡散層、前記反応層、前記電解質層のうち、少なくとも１つの層は、吐出装置を用いて形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の燃料電池。
4. 少なくとも２つの電解質膜・電極集合体が積層されて構成される燃料電池の製造方法において、
   上下に隣接する下側の前記電解質膜・電極集合体を形成する下部電解質膜・電極集合体形成工程と、
   上下に隣接する上側の前記電解質膜・電極集合体を形成する上部電解質膜・電極集合体形成工程と、
   前記下部電解質膜・電極集合体及び前記上部電解質膜・電極集合体の空気極の空気極側電極を空気極側集電部に接続する第1接続工程と、
   前記下部電解質膜・電極集合体及び前記上部電解質膜・電極集合体の燃料極の燃料極側電極を燃料極側集電部に接続する第２接続工程と
   を含み、
   前記下部電解質膜・電極集合体形成工程において、
   該下部電解質膜・電極集合体の下部に位置する空気極又は燃料極の空気極側電極又は燃料極側電極を積層される前記電解質膜・電極集合体の一方の外縁部に張出して形成すると共に、該下部電解質膜・電極集合体の上部に位置する燃料極又は空気極の燃料極側電極又は空気極側電極を積層される前記電解質膜・電極集合体の他方の外縁部に張出して形成し、
   前記上部電解質膜・電極集合体形成工程において、
   該上部電解質膜・電極集合体の下部に位置する燃料極又は空気極の燃料極側電極又は空気極側電極を積層される前記電解質膜・電極集合体の前記他方の外縁部に張出して形成すると共に、該上部電解質膜・電極集合体の上部に位置する空気極又は燃料極の空気極側電極又は燃料極側電極を積層される前記電解質膜・電極集合体の前記一方の外縁部に張出して形成することを特徴とする燃料電池の製造方法。
5. 前記電解質膜・電極集合体は、少なくとも１層の集電層、少なくとも１層のガス拡散層、少なくとも１層の反応層及び電解質層を備え、
   前記集電層、前記ガス拡散層、前記反応層、前記電解質層のうち、少なくとも１つの層を形成する工程において吐出装置を用いることを特徴とする請求項４記載の燃料電池の製造方法。
6. 請求項１〜請求項３の何れか一項に記載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電子機器。
7. 請求項４又は請求項５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。
   

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