JP2006216280A - 燃料電池の製造方法及び燃料電池の製造装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】第１触媒層、電解質層及び第２触媒層の各層の膜厚均一性が良好で、各層を連続的に製造することができる燃料電池の製造方法及び燃料電池の製造装置を提供する。
【解決手段】第１触媒層と、電解質層と、第２触媒層と、を有する筒状の燃料電池の製造方法であって、筒状支持体の外面上に、スプレー法により第１触媒層を形成する工程と、第１触媒層上に、スプレー法により電解質層を形成する工程と、電解質層上に、スプレー法により第２触媒層を形成する工程と、を含み、各工程は連続して行われる燃料電池の製造方法及び製造装置である。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池の製造方法及び燃料電池の製造装置、特に筒状の燃料電池の製造方法及び燃料電池の製造装置に関する。
環境問題や資源問題への対策の一つとして、酸素や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）あるいはメタノール等の液体燃料等とを原料として電気化学反応により化学エネルギーを電気エネルギーに変換して発電する燃料電池が注目されている。燃料電池は、電解質膜の一方の面に燃料極（アノード触媒層）と、もう一方の面に空気極（カソード触媒層）とを電解質膜を挟んで対向するように設け、電解質膜を挟持した各触媒層の外側に拡散層をさらに設け、これらを原料供給用の通路を設けたセパレータで挟んで電池が構成され、各触媒層に水素、酸素等の原料を供給して発電する。
燃料電池の発電時には、燃料極に供給する原料を水素ガス、空気極に供給する原料を空気とした場合、燃料極において、水素ガスから水素イオンと電子とが発生する。電子は外部端子から外部回路を通じて空気極に到達する。空気極において、供給される空気中の酸素と、電解質膜を通過した水素イオンと、外部回路を通じて空気極に到達した電子により、水が生成する。このように燃料極及び空気極において化学反応が起こり、電荷が発生して電池として機能することになる。この燃料電池は、発電に使用される原料のガスや液体燃料が豊富に存在すること、また、その発電原理より排出される物質が水であること等より、クリーンなエネルギー源として様々な検討がされている。
このような燃料電池として、チューブ状（円柱型、円筒型、中空形状）の燃料電池が知られている（例えば、特許文献１〜３）。チューブ状の燃料電池は、チューブ状の高分子電解質膜の内外面の一方の面に燃料極を、もう一方の面に空気極を設けた構造を有し、平面型の燃料電池に比べて小型化が容易であるという特徴を有する。チューブ状の燃料電池に用いる接合体（空気極／電解質膜／燃料極）は通常、チューブ状の電解質膜の内外面に触媒層（燃料極及び空気極）を有するように、押し出し成形法（特許文献１）、浸漬法（特許文献２）、化学めっき法（特許文献３）等により成膜することにより形成される。
特許文献１に記載されているような押し出し成形法は、燃料極用の触媒、電解質膜用の固体高分子電解質ポリマ、空気極用の触媒それぞれを適切な溶媒を使用して流動可能な流動体とし、内層から燃料極用触媒、固体高分子電解質ポリマ、空気極用触媒を含む各層を一体押し出し成型して接合体を得るものである。押し出しノズルから各流動体を押し出すことによって一体成型体を得て、押し出し後、加熱することにより溶媒を揮散させ、多層状態を固定化する。
また、特許文献２に記載されているような浸漬法は、中空形状の多孔質支持体を、空気極用の触媒を含む樹脂溶液（ペースト）を収容した処理槽に浸漬し、乾燥させて触媒層（空気極）を形成した後、同様にして電解質層、触媒層（燃料極）を形成して接合体を得るものである。
また、特許文献３に記載されているような化学めっき法は、チューブ状の電解質膜の外面側に空気極用の触媒の水溶液を接触させることによって、化学メッキ法でチューブの外面に触媒層（空気極）を形成させ、この後チューブ全体を洗浄し、次にチューブの内側に燃料極用の触媒を懸濁状態にした混合物を注入して、触媒層（燃料極）を形成して接合体を得るものである。
一方、特許文献４には、平板状の高分子電解質膜の一方の面に燃料極を、もう一方の面に空気極を備える燃料電池の製造方法として、平板状の高分子電解質膜の表面に、加熱しながら、触媒を分散させた樹脂溶液のスラリをスプレーにより吹き付けて触媒層を形成することが記載されている。スプレー法により均一に触媒層を形成した接合体を得ることができるとしている。
また、特許文献５には、円筒型固体電解質燃料電池の製造方法として、吸水性を有し、一部に耐水性もしくは撥水性部材を配した型に固体電解質含有スラリを流し込んで固体電解質の成形体を形成し、耐水性もしくは撥水性部材を除去した後に触媒含有スラリを流し込んで燃料極を形成して、耐水性もしくは撥水性部材を除去した燃料極が露出した部分にスラリを塗布またはスプレーしてインターコネクターを形成した後、焼成を行い、さらに、固体電解質膜の外側に空気極を浸漬法により形成して、接合体を得る方法が記載されている。
また、特許文献６には、円筒型固体電解質燃料電池の製造方法として、円筒状支持体の表面に空気極、固体電解質層を形成した後に、触媒を分散させた樹脂溶液のスラリをスプレーにより吹き付け、乾燥及び焼成を行った後、浸漬法により複合酸化物の表皮層を形成して燃料極を形成し、接合体を得る方法が記載されている。
特開２００２−１２４２７３号公報 特開２００２−２８９２２０号公報 特開２００２−２６０６８５号公報 特開２００３−１００３１４号公報 特開平６−２９０３１号公報 特開平６−７２７８７号公報
しかしながら、特許文献１のような押し出し成形法では、燃料極用の触媒、電解質膜用の固体高分子電解質ポリマ、空気極用の触媒をそれぞれ含有する流動体を一体押し出し成型するときに、それぞれが混ざり合ってしまう可能性があり、均一な膜厚の接合体を得ることは困難である。
また、特許文献２のような浸漬法では、使用する触媒用ペーストと、電解質膜用ペーストとでは粘度等の液特性が異なるが、連続的に触媒層、電解質層、触媒層を形成してチューブ状の接合体を作成する際には支持体の送り速度を一定にしなければならないため、それぞれのペーストに対応する最適な塗布条件を採用することができず、連続生産が困難であった。
また、特許文献３のような化学めっき法では、筒状の接合体の連続生産は困難である。
また、特許文献４に記載されている方法では、平板状の接合体を得ることは可能であるが、連続的に筒状の接合体を得ることは困難である。
また、特許文献５，６に記載されている方法は、工程が煩雑であり、連続的に筒状の接合体を得ることは困難である。
本発明は、第１触媒層と、電解質層と、第２触媒層と、を有する筒状の燃料電池の製造方法において、第１触媒層、電解質層及び第２触媒層の各層の膜厚均一性が良好で、各層を連続的に製造することができる燃料電池の製造方法及び燃料電池の製造装置である。
本発明は、第１触媒層と、電解質層と、第２触媒層と、を有する筒状の燃料電池の製造方法であって、筒状支持体の外面上に、スプレー法により第１触媒層を形成する工程と、前記第１触媒層上に、スプレー法により電解質層を形成する工程と、前記電解質層上に、スプレー法により第２触媒層を形成する工程と、を含み、前記各工程は連続して行われる。
また、前記燃料電池の製造方法において、前記第１触媒層を形成する工程の後に、形成した第１触媒層を乾燥する工程と、前記電解質層を形成する工程の後に、形成した電解質層を乾燥する工程と、前記第２触媒層を形成する工程の後に、形成した第２触媒層を乾燥する工程と、をさらに含み、前記各工程は連続して行われることが好ましい。
また、前記燃料電池の製造方法において、前記スプレー法において、前記筒状支持体の外面における複数の場所にスプレーによりペーストを吹き付けることにより行われることが好ましい。
また、前記燃料電池の製造方法において、前記各層が形成された筒状支持体を切断し、複数の燃料電池単セルを得ることが好ましい。
また、前記燃料電池の製造方法において、前記筒状支持体は、導電性多孔体であることが好ましい。
また、本発明は、第１触媒層と、電解質層と、第２触媒層と、を有する筒状の燃料電池の製造装置であって、筒状支持体を搬送する搬送手段と、前記筒状支持体の外面上に、第１触媒層用ペーストを吹き付けて第１触媒層を形成する第１の吹き付け手段と、前記形成した第１触媒層を乾燥する第１の乾燥手段と、前記乾燥した第１触媒層上に、電解質層用ペーストを吹き付けて電解質層を形成する第２の吹き付け手段と、前記形成した電解質層を乾燥する第２の乾燥手段と、前記乾燥した電解質層上に、第２触媒層用ペーストを吹き付けて第２触媒層を形成する第３の吹き付け手段と、前記形成した第２触媒層を乾燥する第３の乾燥手段と、を有する。
また、前記燃料電池の製造装置の、前記各吹き付け手段において、それぞれ複数のスプレーを有することが好ましい。
また、前記燃料電池の製造装置において、前記筒状支持体は、導電性多孔体であることが好ましい。
本発明は、第１触媒層と、電解質層と、第２触媒層と、を有する筒状の燃料電池の製造方法において、筒状支持体の外面上への、スプレー法による各層の成膜工程を連続して行うことにより、第１触媒層、電解質層及び第２触媒層の各層の膜厚均一性が良好で、各層を連続的に製造することができる。
以下、本発明の実施形態に係る燃料電池の製造方法及び製造装置により製造される燃料電池について説明する。
本発明の実施形態に係る燃料電池は、第１触媒層と、電解質層と、第２触媒層と、を有する。
本発明の実施形態に係る燃料電池１の一例の概略を図１に示し、その構成について説明する。燃料電池１は、電解質層１０、第１触媒層である燃料極（アノード触媒層）１２、第２触媒層である空気極（カソード触媒層）１４、集電体１６により構成される。また、第２触媒層である空気極１４の外面にさらに集電体層を形成してもよい。
図１に示す燃料電池１において、円筒状支持体である集電体１６の外面に、第１触媒層として燃料極１２が設けられ、燃料極１２の外面に電解質層１０が設けられ、さらに、電解質層１０の外面に第２触媒層として空気極１４が設けられ、円筒状の接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）１８が形成されている。なお、燃料電池１において、円筒状の集電体１６の外面に、第１触媒層として空気極１４が設けられ、空気極１４の外面に電解質層１０が設けられ、さらに、電解質層１０の外面に第２触媒層として燃料極１２が設けられてもよいが、通常は第１触媒層として燃料極１２が第２触媒層として空気極１４が設けられる。
このような燃料電池１において、集電体１６と第２触媒層である空気極１４とを、または集電体１６と第２触媒層である空気極１４の外面にさらに形成された集電体層とを、外部回路に電気的に接続し、燃料極１２及び空気極１４にそれぞれ原料を供給して運転すれば、電池として機能させることができる。
電解質層１０としては、プロトン（Ｈ＋）や酸素イオン（Ｏ２−）等のイオン伝導性の高い材料であれば特に制限はなく、例えば、固体高分子電解質膜、安定化ジルコニア膜等が挙げられるが、好ましくはパーフルオロスルホン酸系等の固体高分子電解質膜が用いられる。具体的には、ジャパンゴアテックス（株）のゴアセレクト（Ｇｏｒｅｓｅｌｅｃｔ、登録商標）、デュポン社（Ｄｕ Ｐｏｎｔ社）のナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ、登録商標）、旭化成（株）のアシプレックス（Ａｃｉｐｌｅｘ、登録商標）、旭硝子（株）のフレミオン（Ｆｌｅｍｉｏｎ、登録商標）等のパーフルオロスルホン酸系固体高分子電解質膜を使用することができる。電解質層１０の膜厚は例えば、１０μｍ〜２００μｍ、好ましくは３０μｍ〜５０μｍの範囲である。
燃料極１２は、例えば、白金（Ｐｔ）等をルテニウム（Ｒｕ）等の他の金属と共に担持したカーボン等の触媒をナフィオン（登録商標）等の固体高分子電解質等の樹脂に分散させて成膜されたものである。燃料極１２の膜厚は例えば、１μｍ〜１００μｍ、好ましくは１μｍ〜２０μｍの範囲である。
空気極１４としては、例えば、白金（Ｐｔ）等を担持したカーボン等の触媒をナフィオン（登録商標）等の固体高分子電解質等の樹脂に分散させて成膜されたものである。空気極１４の膜厚は例えば、１μｍ〜１００μｍ、好ましくは１μｍ〜２０μｍの範囲である。
本実施形態において、電解質層１０、燃料極１２、空気極１４を形成するための筒状支持体である集電体１６としては、接合体における発電時に電子を通すために導電性の高い材料であれば特に制限はないが、原料ガス等の原料の供給路として原料が拡散し易いように、粉末焼結体、繊維状焼結体、繊維状発泡体等の導電性多孔体材料であることが好ましい。導電性の高い材料としては、例えば、金や白金等の金属、カーボン、チタンやカーボンの表面を金や白金等の金属出コーティングしたもの等の導電性を有する材料の多孔質体；またはそれらの筒状中空体でその壁面にパンチング等により孔を設けたもの等が挙げられ、導電性、原料拡散性、耐腐食性等の点から多孔質カーボン材料であることが好ましい。集電体１６が中空体である場合、膜厚は例えば、０．５ｍｍ〜１０ｍｍ、好ましくは１ｍｍ〜３ｍｍの範囲である。集電体１６が中実体である場合、膜厚は例えば、０．５ｍｍ〜１０ｍｍ、好ましくは１ｍｍ〜３ｍｍの範囲である。
上記パンチング等により筒状中空体である集電体１６の壁面に設けられる孔の孔径は、通常０．０１ｍｍ〜１ｍｍの範囲である。
なお、本実施形態において筒状支持体として、上記集電体１６を使用しているが、これに限られるものではなく、例えば、集電体１６の代わりに、テフロン（登録商標）等の離型性のよい樹脂の棒やワイヤ、テフロン（登録商標）等の離型性のよい樹脂でコーティングした金属の棒やワイヤ等の円柱状等の支持体を用いてもよい。この場合、接合体１８を形成後に、支持体から接合体１８を取り出せばよい。
筒状支持体としては、筒状であればよく、例えば、円筒状；三角筒、四角筒、五角筒、六角筒等の多角筒状；楕円筒状等いずれの形状であってもよいが、通常は円筒状である。なお、ここで本明細書において、「筒状」とは、中空体の他にも中実体を含む。
次に、本発明の実施形態に係る燃料電池の製造装置の一例の概略を図２に示し、その構成について説明する。燃料電池製造装置３は、巻き取り装置等の搬送手段（図示せず）と、第１の吹き付け手段２２と、第１の乾燥手段２４と、第２の吹き付け手段２６と、第２の乾燥手段２８と、第３の吹き付け手段３０と、第３の乾燥手段３２と、を備える。
図２の燃料電池製造装置３において、搬送手段に沿って、第１の吹き付け手段２２、第１の乾燥手段２４、第２の吹き付け手段２６、第２の乾燥手段２８、第３の吹き付け手段３０、第３の乾燥手段３２、の順番に設置されている。なお、搬送手段による搬送方向は、鉛直方向であってもよいし、水平方向であってもよいが、塗布の均一性の観点から鉛直方向であることが好ましい。
本実施形態に係る燃料電池の製造方法及び燃料電池製造装置３の動作について説明する。図２に示すように、円筒状支持体である集電体１６は、搬送手段によって、第１の吹き付け手段２２、第１の乾燥手段２４、第２の吹き付け手段２６、第２の乾燥手段２８、第３の吹き付け手段３０、第３の乾燥手段３２、に沿って搬送される。搬送手段による搬送方向が鉛直方向である場合は、集電体１６は鉛直方向に搬送され、搬送方向が水平方向である場合は、集電体１６は水平方向に搬送されることになる。
まず第１の吹き付け手段２２により、搬送されてきた集電体１６の外面上に、燃料極用の触媒等を含む燃料極用ペーストがスプレー法により吹き付けられ、第１の触媒層である燃料極１２が形成される。
燃料極１２が形成された集電体１６は、連続して第１の乾燥手段２４内に搬送され、燃料極１２の乾燥が行われた後、連続して第２の吹き付け手段２６の方に搬送される。
次に、第２の吹き付け手段２６により、搬送されてきた集電体１６の燃料極１２の外面上に、パーフルオロスルホン酸系の固体高分子電解質等を含む電解質層用ペーストがスプレー法により吹き付けられ、電解質層１０が形成される。
電解質層１０が形成された集電体１６は、連続して第２の乾燥手段２８内に搬送され、電解質層１０の乾燥が行われた後、連続して第３の吹き付け手段３０の方に搬送される。
次に、第３の吹き付け手段３０により、搬送されてきた集電体１６の電解質層１０の外面上に、空気極用の触媒等を含む空気極用ペーストがスプレー法により吹き付けられ、第２の触媒層である空気極１４が形成される。
最後に、空気極１４が形成された集電体１６は、連続して第３の乾燥手段３２内に搬送され、空気極１４の乾燥が行われた後、集電体１６の外面上に燃料極１２、電解質層１０及び空気極１４を含んでなる接合体１８が形成された燃料電池１が得られる。
なお、燃料電池１において、円筒状の集電体１６の外面に、第１触媒層として空気極１４が設けられ、空気極１４の外面に電解質層１０が設けられ、さらに、電解質層１０の外面に第２触媒層として燃料極１２が設けられる場合には、上記製造方法において、燃料極１２と空気極１４の製造の順番を逆にすればよい。
なお、集電体１６としては、通常燃料電池として使用する単セル分の長さ（通常は１０ｍｍ〜２００ｍｍ）のものを使用してもよいが、通常燃料電池として使用する単セル分の長さの複数倍以上の長さのものを使用して、例えば、図３に示すように、一定の間隔をあけて集電体１６の外面上に接合体１８を形成し、第２触媒層を乾燥した後に、接合体１８が形成された集電体１６を各単セル分の長さに切断し、複数の燃料電池単セルを得てもよい。
上記スプレー法においては、ナフィオン（登録商標）等の固体高分子電解質等の樹脂をメタノール、エタノール、イソプロパノール等のアルコール系溶媒等に溶解させた溶液に、燃料極用または空気極用の触媒粉末を分散させたペースト、あるいはアルコール系溶媒等に溶解させた溶液に、電解質層用の固体高分子電解質等を溶解させたペーストを使用する。
ペースト中の触媒粉末あるいは固体高分子電解質、樹脂等の濃度は、触媒層（燃料極及び空気極）及び電解質層が均一な膜厚で成膜できるようにそれぞれ調整すればよく、特に制限はないが、通常、触媒層用ペーストの場合、ペースト全重量中、触媒粉末が１０重量％〜５０重量％の範囲、樹脂が１０重量％〜２０重量％の範囲であり、電解質層用ペーストの場合、ペースト全重量中、固体高分子電解質が５重量％〜３０重量％の範囲である。
第１の吹き付け手段２２、第２の吹き付け手段２６、第３の吹き付け手段３０は、例えば、それぞれ、噴出孔を有するスプレーノズル、スプレーノズルに接続されペーストを収容するペーストタンク、スプレーノズルに圧力を供給するコンプレッサを有する。
スプレー法においては、スプレーによりペーストを噴霧状にして集電体１６に吹き付ける。スプレーノズルから噴霧される液の形状は、扇形形状、円形全面形状、円環形状等が挙げられるが、均一に塗布するためには扇形形状または円形全面形状であることが好ましい。また、ペーストの液圧だけで噴霧してもよいし、空気等の気体とペーストとを混合させて噴霧してもよい。
また、塗布膜の膜厚均一性を向上させるためには、例えば図４に示すように、複数のスプレー３４を使用して、集電体１６の外面における複数の場所にペースト３６を吹き付けることが好ましい。このとき、複数のスプレー３４によるペースト３６の吹き付けは、それぞれの吹き付け範囲が重なり合わないようにそれぞれのスプレー３４の数、配置を決めて、それそれのスプレー３４の吹き付け範囲を設定して行うことが好ましい。また、１つまたは複数のスプレーを使用して、集電体１６をその軸を中心に回転させながら、好ましくは定速で回転させながら、ペーストを吹き付けてもよい。
スプレーの吹き付け距離は、０．１ｍｍ〜３００ｍｍの範囲とすることが好ましい。ここで、吹き付け距離とは、吹き付け対象である集電体１６の外面からスプレーノズルの先端までの距離のことをいう。吹き付け距離が０．１ｍｍ未満であると、スプレーノズルの先端が集電体１６の外面に近すぎて吹き付けが困難となる場合があり、３００ｍｍを超えると噴霧した液が周辺に飛び散り吹き付けの効率が低下する場合がある。
スプレーの吹き付け圧力は、液圧力を０．１ＭＰａ〜２００ＭＰａの範囲とすることが好ましい。液圧力が０．１ＭＰａ未満であると、吹き付けが弱すぎて均一に塗布することができない場合があり、２００ＭＰａを超えると、吹き付けが強すぎて噴霧した液が周辺に飛び散り吹き付けの効率が低下する場合がある。
スプレーにより噴霧されたときのペーストの液滴の直径は、０．１μｍ〜１０μｍの範囲とすることが好ましく、０．１μｍ〜２μｍの範囲とすることがより好ましい。触媒層の塗布の場合、なるべく小さい触媒のサイトを形成する必要があるために、液滴の直径はなるべく小さい方がよい。液滴の直径が０．１μｍ未満であると、液滴が小さすぎてミストが飛散して吹き付けの効率が低下する場合があり、１０μｍを超えると、液滴が大きすぎて均一に塗布することが困難となる場合がある。
また、スプレー時のペーストの温度は、通常２０℃〜７０℃の範囲である。
なお、噴霧液の形状、スプレーの数、配置位置、吹き付け範囲、吹き付け圧力、液滴の直径、ペースト温度等のスプレーの条件は、目的の膜厚、使用するペーストの性状等に応じてそれぞれを相互に考慮して決めればよく、第１の吹き付け手段２２、第２の吹き付け手段２６及び第３の吹き付け手段３０について同じ条件としてもよいし、異なる条件としてもよい。これらの条件を制御することにより、燃料極１２、電解質層１０、空気極１４を集電体１６の外面に均一に形成することができる。
第１の乾燥手段２４、第２の乾燥手段２８、第３の乾燥手段３２としては、形成した膜を乾燥させることができる手段であれば特に制限はないが、例えば、温風乾燥器、送風乾燥器、加熱乾燥器等が挙げられる。
また、第１の乾燥手段２４、第２の乾燥手段２８、第３の乾燥手段３２における乾燥温度はそれぞれのペーストに使用する溶媒の沸点等に応じて、触媒、電解質膜等の変質等がないような温度とすればよく、例えば、上記メタノール、エタノール、イソプロパノール等を使用した場合、８０〜１００℃とする。第１の乾燥手段２４、第２の乾燥手段２８、第３の乾燥手段３２について同じ条件としてもよいし、異なる条件としてもよい。
なお、第１の吹き付け手段２２、第２の吹き付け手段２６及び第３の吹き付け手段３０による成膜の後に、それぞれ第１の乾燥手段２４、第２の乾燥手段２８及び第３の乾燥手段３２を設けなくても、それらのうちの少なくとも１つを設けてもよい。例えば、第１の吹き付け手段２２、第２の吹き付け手段２６及び第３の吹き付け手段３０により、集電体１６の外面上に燃料極１２、電解質層１０及び空気極１４を連続的に形成した後、第３の乾燥手段３２により一括して乾燥させてもよい。また、第１の乾燥手段２４、第２の乾燥手段２８及び第３の乾燥手段３２を設けずに、第１の吹き付け手段２２、第２の吹き付け手段２６及び第３の吹き付け手段３０により、集電体１６の外面上に燃料極１２、電解質層１０及び空気極１４を連続的に形成した後、自然乾燥としてもよい。
搬送手段による搬送速度は通常、１ｍｍ／ｍｉｎ〜５×１０４ｍｍ／ｍｉｎとすればよい。搬送速度は、製造効率の観点から速ければ速い方がよいが、吹き付け手段による塗布の均一性、塗布膜の乾燥等を考慮すると、５×１０４ｍｍ／ｍｉｎ以上とするのは現実的ではない。
このようにして製造した、図１に示す燃料電池１において、集電体１６と第２触媒層である空気極１４とを、または集電体１６と第２触媒層である空気極１４の外面にさらに形成された集電体層とを、外部回路に電気的に接続し、燃料極１２及び空気極１４にそれぞれ原料を供給して運転すれば、電池として機能させることができる。
燃料極１２側に供給する原料としては、水素やメタン等の還元性ガス（燃料ガス）あるいはメタノール等の液体燃料等が挙げられる。空気極１４側に供給する原料としては、酸素や空気等の酸化性ガス等が挙げられる。
燃料電池１において、例えば、燃料極１２に供給する原料を水素ガス、空気極１４に供給する原料を空気として運転した場合、燃料極１２において、
２Ｈ２ → ４Ｈ＋＋４ｅ−
で示される反応式を経て、水素ガス（Ｈ２）から水素イオン（Ｈ＋）と電子（ｅ−）とが発生する。電子（ｅ−）は集電体１６から外部回路を通り、必要に応じて空気極１４の外面に設けた集電体から空気極１４に到達する。空気極１４において、供給される空気中の酸素（Ｏ２）と、電解質層１０を通過した水素イオン（Ｈ＋）と、外部回路を通じて空気極１４に到達した電子（ｅ−）により、
４Ｈ＋＋Ｏ２＋４ｅ− → ２Ｈ２Ｏ
で示される反応式を経て、水が生成する。このように燃料極１２及び空気極１４において化学反応が起こり、電荷が発生して電池として機能することになる。そして、一連の反応において排出される成分は水であるので、クリーンな電池が構成されることになる。
以上のように、本実施形態に係る燃料電池の製造装置及び燃料電池の製造方法によって、筒状支持体の外面上への、スプレー法による各層の成膜工程を連続して行うことにより、またはスプレー法による各層の成膜工程と乾燥工程とを連続して行うことにより、第１触媒層、電解質層及び第２触媒層の各層の膜厚均一性が良好で、各層を連続的に製造することができ、各単セル間の性能のバラツキを低減することができる。さらに、本製造装置及び製造方法により、燃料電池セル作成時の工程数を削減し、コスト削減を図ることができる。
また、円筒状支持体として集電体を使用することにより、集電体に接合体を一体に製造することができる、これによれば、従来のように接合体製造後に集電体として炭素繊維等をチューブ中に挿入する方法に比べて、チューブ内部の電極を傷つける心配がなく、容易に接合体に集電体を設けることができる。また、後から集電体を挿入する方法に比べて集電体と接合体との密着性が向上し、発電時のセルの抵抗を低減することができる。また、本製造装置及び製造方法により、各層の成膜工程と乾燥工程とを連続的に行えば、成膜工程と乾燥工程との間に時間を置くことによるペーストの集電体への滲み込みを抑制することができ、集電体上への均一な接合体を形成することができる。
本実施形態に係る燃料電池は、１つの筒状の燃料電池（単セル）を複数個集合させて、直列に接続することにより、必要とする電流、電圧を得ることができる。また、１つの筒状の燃料電池（単セル）を複数個集合させて、並列に接続してもよい。
本実施形態に係る燃料電池は、構造がシンプルで小型化、軽量化が可能なため、携帯電話、携帯用パソコン等のモバイル機器用小型電源；自動車用電源等として用いることができる。
本発明の実施形態に係る燃料電池の構成の一例を示す図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池の製造装置の一例を示す図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池の製造方法において得られたセルを切断して単セルを得る方法の一例を示す図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池の製造方法におけるスプレーの配置を示す図である。
符号の説明
１ 燃料電池、３ 燃料電池製造装置、１０ 電解質層、１２ 燃料極（アノード触媒層）、１４ 空気極（カソード触媒層）、１６ 集電体、１８ 接合体、２２ 第１の吹き付け手段、２４ 第１の乾燥手段、２６ 第２の吹き付け手段、２８ 第２の乾燥手段、３０ 第３の吹き付け手段、３２ 第３の乾燥手段、３４ スプレー、３６ ペースト。

Claims (8)

  1. 第１触媒層と、電解質層と、第２触媒層と、を有する筒状の燃料電池の製造方法であって、
    筒状支持体の外面上に、スプレー法により第１触媒層を形成する工程と、
    前記第１触媒層上に、スプレー法により電解質層を形成する工程と、
    前記電解質層上に、スプレー法により第２触媒層を形成する工程と、
    を含み、前記各工程は連続して行われることを特徴とする燃料電池の製造方法。
  2. 請求項１に記載の燃料電池の製造方法であって、
    前記第１触媒層を形成する工程の後に、形成した第１触媒層を乾燥する工程と、
    前記電解質層を形成する工程の後に、形成した電解質層を乾燥する工程と、
    前記第２触媒層を形成する工程の後に、形成した第２触媒層を乾燥する工程と、
    をさらに含み、前記各工程は連続して行われることを特徴とする燃料電池の製造方法。
  3. 請求項１または２に記載の燃料電池の製造方法であって、
    前記スプレー法において、前記筒状支持体の外面における複数の場所にスプレーによりペーストを吹き付けることにより行われることを特徴とする燃料電池の製造方法。
  4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池の製造方法であって、
    前記各層が形成された筒状支持体を切断し、複数の燃料電池単セルを得ることを特徴とする燃料電池の製造方法。
  5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池の製造方法であって、
    前記筒状支持体は、導電性多孔体であることを特徴とする燃料電池の製造方法。
  6. 第１触媒層と、電解質層と、第２触媒層と、を有する筒状の燃料電池の製造装置であって、
    筒状支持体を搬送する搬送手段と、
    前記筒状支持体の外面上に、第１触媒層用ペーストを吹き付けて第１触媒層を形成する第１の吹き付け手段と、
    前記形成した第１触媒層を乾燥する第１の乾燥手段と、
    前記乾燥した第１触媒層上に、電解質層用ペーストを吹き付けて電解質層を形成する第２の吹き付け手段と、
    前記形成した電解質層を乾燥する第２の乾燥手段と、
    前記乾燥した電解質層上に、第２触媒層用ペーストを吹き付けて第２触媒層を形成する第３の吹き付け手段と、
    前記形成した第２触媒層を乾燥する第３の乾燥手段と、
    を有することを特徴とする燃料電池の製造装置。
  7. 請求項６に記載の燃料電池の製造装置であって、
    前記各吹き付け手段において、それぞれ複数のスプレーを有することを特徴とする燃料電池の製造装置。
  8. 請求項６または７に記載の燃料電池の製造装置であって、
    前記筒状支持体は、導電性多孔体であることを特徴とする燃料電池の製造装置。
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