JP3985698B2 - 燃料電池の製造方法 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、外部から種類の異なる反応ガスをそれぞれの電極に供給し、供給された反応ガスに基づく反応により発電する燃料電池の製造方法、並びにこの製造方法により製造された燃料電池を備える電子機器及び自動車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電解質膜とこの電解質膜の一面に配置された反応層を有する電極（アノード）、及び電解質膜の他面に配置され、白金微粒子等からなる反応層を有する電極（カソード）等から構成される燃料電池が存在する。例えば、電解質膜が固体高分子電解質膜である固体高分子電解質型燃料電池では、アノード側では水素を水素イオンと電子にする反応が行われ、電子がカソード側に流れ、水素イオンはカソード側に電解質膜中を移動し、カソード側では酸素ガス、水素イオン及び電子から水を生成する反応が行われる。
【０００３】
現在、携帯機器等に用いることができるマイクロ燃料電池の研究開発が行われている。マイクロ燃料電池は、半導体プロセス等において利用されている微細加工技術を基本とするＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）を用いて製造されている。例えば、基板にガス流路を形成するには、基板表面にレジストパターンを形成し、該レジストパターンを残して他の部分をエッチングしてガス流路を形成し、次いで、レジスト樹脂を剥離する作業が行われる（非特許文献１，２参照）。
【０００４】
【非特許文献１】
Ｓａｎｇ‐Ｊｏｏｎ Ｊ Ｌｅｅ，Ｓｕｋ Ｗｏｎ Ｃｈａ，Ａｍｙ Ｃｈｉｎｇ −Ｃｈｉｅｎ，Ｏ｀Ｈａｙｒｅ ａｎｄ Ｆｒｉｔｚ Ｂ．ＰｒｉｎｚＦａｃｔｒｉｃａｌ， Ｄｅｓｉｇｎ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｍｉｎｉａｔｕｒｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ ｗｉｔｈ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｆｌｏｗ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，Ｔｈｅ ２００ｔｈ Ｍｅｅｔｉｎｇ ｏｆ Ｔｈｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｓｏｃｉｅｔｙ，Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｎｏ．４５２（２００１）
【非特許文献２】
Ａｍｙ Ｃｈｉｎｇ −Ｃｈｉｅｎ，Ｓｕｋ Ｗｏｎ Ｃｈａ，Ｓａｎｇ‐Ｊｏｏｎ Ｊ Ｌｅｅ，Ｏ｀Ｈａｙｒｅ ａｎｄ Ｆｒｉｔｚ Ｂ．ＰｒｉｎｚＰｌａｎｅｒ ，Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｕｔｉｐｌｅ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｍｉｃｒｏ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ，Ｔｈｅ ２００ｔｈ Ｍｅｅｔｉｎｇ ｏｆ Ｔｈｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｓｏｃｉｅｔｙ，Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｎｏ．４５３
（２００１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＭＥＭＳのように半導体プロセスにおける技術を用いて基板にガス流路を形成する場合には、使用する装置が高価である上に、レジストパターンの形成、エッチング及びレジスト樹脂の剥離といった作業を行う必要があり、製造工程が煩雑になるという問題があった。
本発明は、このような従来技術の実情に鑑みてなされたものであり、低コストで、任意のパターンのガス流路を有する燃料電池を、簡易かつ効率よく製造することができる燃料電池の製造方法、並びにこの燃料電池を電力供給源として備える電子機器及び自動車を提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、インクジェット式吐出装置（以下、「吐出装置」という）を使用してガス流路形成用材料を基板上に塗布してガス流路を形成すると、任意のパターンのガス流路を容易かつ効率よく形成できることを見出し、本発明を完成するに到った。
【０００７】
本発明は、第１の反応ガスが供給される第１のガス流路が形成された第１の基板と、前記第１の基板に対向配置された、第２の反応ガスが供給される第２のガス流路が形成された第２の基板と、前記第１の基板と前記第２の基板との間に配置された電解質膜と、前記第１の基板と前記電解質膜との間に配置された第１の反応層および第１の集電層と、前記第２の基板と前記電解質膜との間に配置された第２の反応層および第２の集電層と、を備える燃料電池の製造方法であって、前記第１のガス流路を形成する工程は、インクジェット式吐出装置を用いて、前記第１の基板に第１のガス流路形成材料を所定のパターンに塗布する第１の工程と、前記インクジェット式吐出装置を用いて、前記第１のガス流路形成材料上に前記第１のガス流路形成材料よりも粘度の低い第２のガス流路形成材料を塗布する第２の工程と、を含むことを特徴とする。
【０００８】
上記の燃料電池の製造方法において、前記第１の工程は、前記第１のガス流路のパターン毎、前記第１のガス流路形成用材料を、所定間隔をおいて塗布して複数の塗膜を形成し、さらに前記複数の塗膜の間隙に所定間隔をおいて塗布して塗膜を形成することを繰り返して頂面を含む層を複数形成し、前記層どうしにより挟まれた空間にて前記第１のガス流路を形成することが望ましい。
【０００９】
上記の燃料電池の製造方法において、前記第１の工程は、前記第１のガス流路形成材料を、前記第１のガス流路の幅が前記第１の反応ガスが流れる方向に沿って上流側から下流側に連続的に広くなるパターンに塗布することが望ましい。
【００１０】
本発明の製造方法によれば、簡便な操作により、任意のパターンを有するガス流路を基板上に容易に形成することができる。また、本発明の製造方法は吐出装置を用いてガス流路を形成するので、効率よく、所定の位置に必要量のガス流路形成用材料を正確に塗布することが可能となる。
本発明の製造方法において、吐出装置を用いて、ガス流路形成用材料を所定間隔をおいて塗布することを繰り返すことにより、均一な高さと厚みを有するガス流路を効率よく形成することができる。
本発明の製造方法において、前記第１のガス流路形成工程及び第２のガス流路形成工程の少なくとも一方は、基板上のガス流路形成部分全体に、吐出装置を用いて、第１のガス流路形成用材料を所定間隔をおいて塗布することを繰り返して塗膜を得た後、該塗膜の頂面に、仕上げ用として、前記第１のガス流路形成用材料よりも粘度の低い第２のガス流路形成用材料を塗布して形成する場合には、均一な厚みを有するガス流路を効率よく形成することができる。
また、本発明の製造方法において、ガス流路形成用材料として、加熱又は光照射により容易に硬化する、安価な熱硬化性樹脂又は光硬化性樹脂を使用することにより、所望のパターンを有するガス流路を有する燃料電池を、効率よく、かつ低コストで製造することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃料電池の製造方法、並びに本発明の製造方法により製造された燃料電池を備える電子機器及び自動車について詳細に説明する。
本発明は、第１の基板に第１のガス流路を形成する第１のガス流路形成工程と、第１の集電層を形成する第１の集電層形成工程と、第１の反応ガスを触媒により反応させる第１の反応層を形成する第１の反応層形成工程と、電解質膜を形成する電解質膜形成工程と、第２の基板に第２のガス流路を形成する第２のガス流路形成工程と、第２の集電層を形成する第２の集電層形成工程と、及び第２の反応層を形成する第２の反応層形成工程とを含む燃料電池の製造方法である。
【００１３】
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〜２０ｋ、吐出装置２０ａ〜２０ｊを接続するベルトコンベアＢＣ１、吐出装置２０ｋ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。
【００１４】
吐出装置２０ａ〜２０ｊ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２０ｋ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〜２０ｊ、駆動装置５８及び組立装置６０と接続されている。
【００１５】
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〜２０ｊに搬送して各吐出装置２０ａ〜２０ｊ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２０ｋに搬送して、吐出装置２０ｋ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。
【００１６】
吐出装置２０ａ〜２０ｋ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。
【００１７】
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。
【００１８】
タンク３０は、ガス流路形成用材料等の吐出物３４を収容するものであり、タンク３０内に収容されている吐出物の液面３４ａの高さを制御するための液面制御センサ３６を備える。液面制御センサ３６は、インクジェットヘッド２２が備えるノズル形成面２６の先端部２６ａと、タンク３０内の液面３４ａとの高さの差ｈ（以下、水頭値という）を所定の範囲内に保つ制御を行う。例えば、この水頭値が２５ｍ±０．５ｍｍ内となるように液面３４ａの高さを制御することで、タンク３０内の吐出物３４が所定の範囲内の圧力でインクジェットヘッド２２に送ることができる。所定の範囲内の圧力で吐出物３４を送ることで、インクジェットヘッド２２から必要量の吐出物３４を安定的に吐出することができる。
【００１９】
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。
【００２０】
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ガス流路形成用材料等が吐出される。
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。
【００２１】
吸引キャップ４０は、図２に示す矢印方向に移動可能となっており、ノズル形成面２６に形成された複数のノズルを囲むようにノズル形成面２６に密着し、ノズル形成面２６との間に密閉空間を形成してノズルを外気から遮断できる構成となっている。即ち、吸引キャップ４０によりインクジェットヘッド２２内の吐出物を吸引するときは、このヘッド部気泡排除弁３２ｂを閉状態にして、タンク３０側から吐出物が流入しない状態とし、吸引キャップ４０で吸引することにより、吸引される吐出物の流速を上昇させ、インクジェットヘッド２２内の気泡を速やかに排出することができる。
【００２２】
また、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。
【００２３】
本実施形態においては、吐出装置２０ｂ〜２０ｋ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。従って、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。
【００２４】
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。
【００２５】
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の支持部材を塗布する工程（Ｓ１９，第２の支持部材塗布工程）、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。
【００２６】
（１）第１のガス流路形成工程（Ｓ１０）
先ず、図４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、シリコン基板やアルミナ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。
【００２７】
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ガス流路形成用材料が、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の表面に所定のパターンを有するガス流路形成用材料の塗膜が形成される。本実施形態によれば、吐出装置を用いることにより、基板上に、任意のパターンのガス流路形成用材料の塗膜を容易に塗布することができる。
【００２８】
用いるガス流路形成用材料としては、基板上にガス流路が形成できるものであれば特に制約されない。本発明においては、取り扱いが容易であること、基板との密着性に優れること及び低コストであること等の理由から、合成樹脂が好ましい。なかでも、熱硬化性樹脂及び光硬化性樹脂は、硬化することにより三次元網目状構造となるため、耐熱性、耐薬品性、耐候性、接着性、耐磨耗性、耐水性、機械強度、硬度等に優れ、本発明における燃料電池のガス流路形成用材料として特に好ましい。
【００２９】
熱硬化性樹脂は、そのもの単独又は硬化剤等を加えて加熱すると高分子量架橋体となる樹脂である。即ち、加熱することにより硬化して、三次元構造又は網状構造をとり不融不溶の物質となるものである。
【００３０】
熱硬化性樹脂としては、例えば、フェノール樹脂、尿素（ユリア）樹脂、メラミン樹脂、フラン樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、シリコン樹脂、ポリウレタン樹脂、ジアリルフタレート樹脂、グアナミン樹脂、ケトン樹脂等が挙げられる。また、熱硬化性樹脂とともに用いる硬化剤としては、脂肪族ポリアミン、アミドアミン、ポリアミド、芳香族ポリアミン、酸無水物、ルイス塩基、ポリメルカプタン等が挙げられる。
【００３１】
光硬化性樹脂は、光照射により光重合開始剤が活性化し、ラジカル分子や水素イオン等を生成させ、これらがモノマー又はオリゴマーの反応基と反応し、三次元的な重合や架橋反応を起こすことにより、硬化する樹脂である。光硬化性樹脂は、一般的には、光重合性のモノマー又はオリゴマー、光重合開始剤等で構成される光硬化性樹脂組成物の塗膜を光照射することによって得ることができる。
【００３２】
光硬化性樹脂組成物に用いるモノマーとしては、例えば、２−エチルヘキシルアクリレート、２−ヒドロキシエチルアクリレート、ネオペンチルグリコールドアクリレート、ヘキサンジオールジアクリレート等が挙げられる。また、オリゴマーは、前記モノマーの繰り返し数が２〜２０程度の、二重結合を有する重合体（プレポリマー）であり、例えば、ポリエステルアクリレート、エポキシアクリレート、ウレタンアクリレート等が挙げられる。
【００３３】
光硬化性樹脂組成物に用いる光重合開始剤としては、ベンゾフェノン等のベンゾフェノン系化合物、ベンゾインイソプロピルエーテル等のベンゾイン系化合物、アセトフェノンジエチルケタール等のアセトフェノン系化合物、クロロチオキサントン、イソプロピルチオキサントン等のチオキサントン系化合物等が挙げられる。
【００３４】
本発明に用いるガス流路形成用材料が液状である場合はそのまま用いることができるが、液状でない場合には、ガス流路形成用材料を適当な溶剤に溶解又は分散させた溶液又は分散液として用いる。例えば、ガス流路形成用材料が熱硬化性樹脂の場合には、熱硬化性樹脂を、所望により硬化剤とともに有機溶媒に溶解又は分散させたワニスの形で用いる。また、前記ガス流路形成用材料が光硬化性樹脂の場合には、光硬化性樹脂は、光重合性のモノマー又はオリゴマー、光重合開始剤等で構成される光硬化性樹脂組成物を有機溶剤に溶解又は分散させた溶液又は分散液の形で用いる。
【００３５】
これらの熱硬化性樹脂及び光硬化性樹脂を溶解又は分散させる溶媒は特に制約されず、従来公知の有機溶媒を用いることができる。
また、熱硬化性樹脂のワニス及び光硬化性樹脂の溶液又は分散液には、必要に応じてその安定化や強化等の目的で、安定剤、フィラー、連鎖移動剤、光増感剤、架橋剤等の各種添加剤を加えてもよい。
【００３６】
吐出装置２０ａを用いて、基板２上にガス流路形成用材料を塗布する方法としては、ガス流路形成用材料を、基板２上のガス流路を形成する部分に一定間隔をおいて塗布する方法が好ましい。即ち、先ず、図５（ａ）に示すように、基板上のガス流路を形成する部分全体に、ガス流路形成用材料を等間隔に塗布する。次いで、図５（ｂ）に示すように、その間隙にさらに等間隔に塗布を行なう。さらに、図５（ｃ）に示すように、その間隙に塗布を行う。この操作を繰り返すことにより、全体に均一な塗布を行なうことができ、均一な高さ（縦方向）と厚み（横方向）を有するガス流路を形成することができる。なお、図５（ａ）〜（ｃ）において、まる付き数字は塗布順序、３ａはガス流路形成材料の塗膜をそれぞれ示す。
【００３７】
この方法は、お茶の葉を急須に入れてお湯を注ぎ、複数の湯飲みにお茶を入れる場合に、急須から複数の湯飲みに少量ずつお茶を注ぐことを繰り返すと、全体に均一な濃さのお茶を点てることができるのと類似したものである。即ち、微細構造のガス流路を形成する場合に、吐出装置から一回で吐出されるガス流路形成用材料の量や濃度には誤差があるので、一定間隔をおいてガス流路形成用材料の塗布を繰り返した方が、一方の側から他方向へ順番に塗布する場合よりも、全体としては均一な塗布が可能であり、より均一な高さと厚みを有するガス流路を形成することができる。
【００３８】
また、本発明においては、基板上のガス流路形成部分全体に、吐出装置を用いて、第１のガス流路形成用材料を所定間隔をおいて塗布することを繰り返して塗膜を得た後、該塗膜の頂面に前記第１のガス流路形成用材料よりも粘度の低い第２のガス流路形成用材料を塗布して形成するのが好ましい。第１のガス流路形成用材料を所定間隔をおいて塗布することを繰り返して得られた塗膜の頂面は、微視的には高さが不均一である。従って、仕上げ用として、前記第１のガス流路形成用材料よりも粘度の低い、より流動性に富む第２のガス流路形成用材料を塗布することにより、厚みが均一なガス流路を得ることができる。第２のガス流路形成用材料としては、粘度が低いことを除き、第１のガス流路形成用材料と同様のものを使用することができる。ガス流路形成用材料の粘度を低くする方法としては、例えば、固形分濃度を下げる（溶媒使用量を多くする）方法が挙げられる。
【００３９】
ガス流路形成用材料として、熱硬化性樹脂又は光硬化性樹脂を使用した場合には、吐出装置によりガス流路形成用材料の塗膜を形成後、該塗膜を加熱又は光照射により硬化させる。なお、この加熱又は光照射は、熱硬化性樹脂又は光硬化性樹脂の塗膜を形成した後、直ちに行ってもよいし、後の工程のいずれかで行ってもよい。
【００４０】
熱硬化性樹脂を硬化させるには、塗膜を加熱ヒーター等を用いて所定温度に加熱すればよい。加熱温度及び加熱時間は、熱硬化性樹脂が完全に硬化するために必要な温度及び時間であればよく、用いる熱硬化性樹脂及び硬化剤の種類に応じて、適宜設定することができる。また、光硬化性樹脂を硬化させるには、所定波長の光を照射すればよい。用いる光としては、紫外線、可視光、電子線等が例示される。光照射は、通常、高圧水銀灯、メタルハライドランプ等のランプを用いて行なうことができる。照射時間は、樹脂組成物が硬化するまでの時間であり、通常は数秒から数分である。
【００４１】
以上のようにして、図６に示すように、第１のガス流路３を形成することができる。第１のガス流路３は、ガス流路形成用材料の塗膜が固化（又は硬化）したガス流路形成用材料の層３ｂにより挟まれた空間内に形成されている。
【００４２】
なお、本実施形態では、基板２の１辺と平行に、同じ幅をもつ複数のガス流路３を形成しているが、第１の反応ガスを流すことができるものであれば、ガス流路の形状、流路幅等は特に制約されない。例えば、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、ガス流路の幅を、反応ガスの流れに沿って上流側から下流側に連続的に広くなるように形成することもできる。反応ガスの濃度は、一般的に反応ガスが流れる方向に従い薄くなる。従って、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、ガス流路の幅を、反応ガスの流れに沿って上流側から下流側に連続的に広くなるように形成すると、反応ガスが流れる方向に従い反応ガスの流量が多くなるため、結果として反応層に供給される反応ガスの量を一定にすることができ、出力の安定した燃料電池を得ることができる。図７中、矢印は第１の反応ガスの供給口を示す。
【００４３】
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２０ｂまで搬送される。
【００４４】
（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の支持部材を第１のガス流路３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２０ｂ内に取り込み、次いで、吐出装置２０ｂ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。
【００４５】
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３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３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。第１の支持部材４が塗布された基板２の端面図を図８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２０ｃまで搬送される。
【００４６】
（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。先ず、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。
【００４７】
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。
【００４８】
本実施形態では、集電層形成用材料の塗布を吐出装置２０ｃ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。従って、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。
【００４９】
第１の集電層６が形成された基板２の端面図を図９に示す。図９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２０ｄまで搬送される。
【００５０】
（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内においては、吐出装置２０ｄ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。
【００５１】
用いるガス拡散層形成用材料としては、炭素微粒子が一般的であるが、カーボンナノチューブ、カーボンナノフォーン、フラーレン等も使用できる。本実施形態では、ガス拡散層を塗布装置２０ｄを用いて形成するため、例えば、集電層側には塗布間隔を大きく（数十μｍ）し、表面側には塗布間隔を小さく（数十ｎｍ）することで、基板付近は流路幅を大きくして反応ガスの拡散抵抗をできるだけ小さくしつつ、反応層付近（ガス拡散層の表面側）においては、均一で細かい流路となっているガス拡散層を容易に形成できる。また、ガス拡散層の基板側は炭素微粒子を用い、表面側は、ガス拡散能力は低いが触媒担持能力に優れる材料を用いることもできる。
【００５２】
第１のガス拡散層８が形成された基板２の端面図を図１０に示す。図１０に示すように、第１のガス拡散層８は、基板２に形成されている第１の集電層を覆うように基板２の全面に形成されている。第１のガス拡散層８が形成された基板２は、テーブル２８からベルトコンベアＢＣ１へ移され、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置２０ｅまで搬送される。
【００５３】
（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。
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、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第１のガス拡散層８上に塗布して第１の反応層１０が形成される。すなわち、吐出装置２０ｅのタンク３０内に収容されている反応層形成用材料を、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、所定温度に加熱することにより反応層が形成される。
【００５４】
用いる反応層形成用材料としては、例えば、（ａ）金属化合物又は金属水酸化物をカーボン担体に吸着させた金属担持カーボンの分散液や、（ｂ）金属微粒子をカーボン担体に吸着させた分散液等が挙げられる。
【００５５】
（ａ）の分散液は、次のようにして調製することができる。先ず、金属化合物の水溶液又は水／アルコール混合溶媒溶液に所望によりアルカリを添加して金属水酸化物とし、そこへ、カーボンブラック等のカーボン担体を添加し、加熱撹拌することにより、金属化合物又は金属水酸化物をカーボン担体に吸着（沈析）させて、金属担持カーボンの粗生物を得る。次いで、このものを濾過、洗浄、乾燥を適宜繰り返すことにより精製した後、水又は水／アルコール混合溶媒に分散して分散液を得ることができる。ここで用いる金属化合物としては、例えば、白金、金等の貴金属の塩等が挙げられる。
【００５６】
また、（ｂ）の分散液は、金属微粒子を有機分散剤に分散させた後、カーボン担体を添加して調製することもできる。用いる金属微粒子としては、第１の反応ガス及び第２の反応ガスの反応触媒としての機能を有するものであれば特に制限されない。例えば、白金、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、パラジウム、オスミウム及びこれらの２種以上からなる合金からなる群から選ばれる１種若しくは２種以上の金属の微粒子が挙げられ、白金が特に好ましい。金属微粒子の粒子径は制限されないが、通常１ｎｍ〜１００ｎｍ、好ましくは数ｎｍ〜数十ｎｍである。また有機分散剤としては、分散液中に金属微粒子を均一に分散させることができるものであれば特に制限されない。例えば、アルコール類、ケトン類、エステル類、エーテル類、炭化水素類、芳香族炭化水素類等が挙げられる。
【００５７】
吐出装置２０ｅにより、反応層形成用材料を塗布して反応層形成用材料の塗膜を形成した後は、（ａ）の分散液を用いる場合には、塗膜を乾燥し、水素ガス等により還元処理を施し、更に加熱処理を施すことにより反応層を形成することができる。また、（ｂ）の分散液を用いる場合には、塗膜を加熱して、有機分散剤及び溶媒を除去することで反応層を得ることができる。該塗膜を窒素ガス等の不活性ガス雰囲気下、２００〜３００℃で焼成することによっても形成することができる。この場合には、金属微粒子に有機分散剤が焼成してできた炭素微粒子が付着した構造の反応層が得られる。
【００５８】
このようにして、第１の反応層１０が形成された基板２の端面図を図１１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２０ｆまで搬送される。
【００５９】
（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。先ず、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。吐出装置２０ｆ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。
【００６０】
用いる電解質膜の形成材料としては、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、２０ｃＰ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。
【００６１】
電解質膜が形成された基板２の端面図を図１２に示す。図１２に示すように、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２０ｇまで搬送される。
【００６２】
（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。先ず、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、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の反応層が形成される。第２の反応層を形成する材料としては、第１の反応層１０と同様のものを使用することができる。
【００６３】
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１３に示す。図１３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。例えば、第２の反応ガスが酸素ガスである場合には、第２の反応層１０’において、１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏの反応が進行する。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２０ｈまで搬送される。
【００６４】
（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。先ず、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２０ｄにおいて行われた処理と同様の処理により、第２のガス拡散層が形成される。第２の拡散層形成用材料としては、第１のガス拡散層と同様のものが使用できる。
【００６５】
第２のガス拡散層８’が形成された基板２の端面図を図１４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２０ｉまで搬送される。
【００６６】
（９）第２の集電層形成工程（Ｓ１８）
次に、第２のガス拡散層８’が形成された基板２上に第２の集電層を形成する。先ず、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置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２０ｊまで搬送される。
【００６７】
（８）第２の支持部材塗布工程（Ｓ１９）
次に、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置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２０ｂ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。
【００６８】
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１５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。
【００６９】
（９）第２の基板組立工程（Ｓ２０）
次に、第２の支持部材４’が塗布された基板２と、別途用意した第２のガス流路３’が形成された第２の基板とを積層する。基板２（第１の基板）と第２の基板との積層は、基板２上に形成された第２の支持部材４’が、第２の基板に形成された第２のガス流路３’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２０ｋにおいて、吐出装置２０ａにより行なわれる処理と同様の処理により行なわれる。
【００７０】
以上のようにして、図１６に示す構造の燃料電池を製造することができる。図１６に示す燃料電池では、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３と基板２’に形成されている第２のガス流路３’とが平行になるように基板２’が配置されている。
【００７１】
本実施形態によれば、吐出装置を用いてガス流路形成材料を塗布することにより、ガス流路を形成するので、基板上に所望のパターンを有するガス流路を容易に形成することができる。本実施形態の製造方法は、基板上に、微細構造を有するガス流路を形成するのに特に好適である。
本実施形態によれば、吐出装置を用いてガス流路形成用材料を所定間隔をおいて塗布することを繰り返すことによって、均一な高さと厚みを有するガス流路を容易に形成することができる。
本実施形態によれば、基板上にガス流路を形成するので、基板として、金属、シリコン、合成樹脂、セラミックス等の種々の材料からなるものを使用することができ、また、厚みの薄い基板を使用することもできる。
【００７２】
また、本実施形態によれば、第１のガス流路形成工程、第１の集電層形成工程、第１の反応層形成工程、電解質膜形成工程、第２のガス流路形成工程、第２の集電層形成工程及び第２の反応層形成工程のすべての工程を吐出装置を用いて行っている。従って、半導体製造プロセスにおいて用いられるＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）を用いることなく、低コストで燃料電池を製造することができる。
【００７３】
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、吐出装置を用いて基板上にガス流路を形成し、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。
【００７４】
上述の実施形態の製造方法においては、第１の反応ガスが供給される第１の基板側から燃料電池の構成部分を形成し、最後に第２の基板を積層することで燃料電池の製造を行っているが、第２の反応ガスが供給される側の基板から燃料電池の製造を開始するようにしてもよい。
【００７５】
上述の実施形態の製造方法においては、第２の支持部材を第１の基板に形成されている第１のガス流路に沿って塗布しているが、第１のガス流路と交差するような方向に塗布してもよい。即ち、第２の支持部材を、例えば、第１の基板に形成されているガス流路と直角に交差するように塗布してもよい。この場合には、第２の基板に形成されている第２のガス流路と、第１の基板に形成されている第１のガス流路とが、直角に交差するように第２の基板が配置された構造の燃料電池が得られる。
【００７６】
上述の実施形態の製造方法においては、第１のガス流路が形成された第１の基板上に、第１の集電層、第１の反応層、電解質膜、第２の反応層及び第２の集電層を順次形成しているが、第１の基板と第２の基板のそれぞれに集電層、反応層及び電解質膜を形成し、最後に第１の基板と第２の基板とを接合することにより、燃料電池を製造することもできる。
【００７７】
また、本実施形態の燃料電池製造ラインの別の態様として、第１の基板に処理を施す第１製造ラインと第２の基板に処理を施す第２製造ラインとを設け、それぞれの製造ラインにおける処理を平行して行う製造ラインを用いることもできる。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。
【００７８】
本発明の電子機器は、上述した燃料電池を電力供給源として備えることを特徴とする。電子機器としては、携帯電話機、ＰＨＳ、モバイル、ノート型パソコン、ＰＤＡ（携帯情報端末）、携帯テレビ電話機などが挙げられる。また、本発明の電子機器は、例えば、ゲーム機能、データ通信機能、録音再生機能、辞書機能などの他の機能を有していてもよい。
本発明の電子機器によれば、地球環境に適切に配慮したクリーンエネルギーを電力供給源として備えることができる。
【００７９】
本発明の自動車は、上述した燃料電池を電力供給源として備えることを特徴とする。本発明に製造方法によれば、複数の燃料電池を積層することによって大型の燃料電池を製造することもできる。すなわち、図１７に示すように、製造した燃料電池の基板２’の裏面に更にガス流路を形成し、ガス流路が形成された基板２’の裏面上に、上述の燃料電池の製造方法における製造工程と同様にしてガス拡散層、反応層、電解質膜などを形成して燃料電池を積層することによって大型の燃料電池を製造することができる。
本発明の自動車によれば、地球環境に適切に配慮したクリーンエネルギーを電力供給源として備えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施の形態に係る燃料電池の製造ラインの一例を示す図である。
【図２】 実施の形態に係るインクジェット式吐出装置の概略図である。
【図３】 実施の形態に係る燃料電池の製造方法のフローチャートである。
【図４】 実施の形態に係る燃料電池の製造過程の基板の端面図である。
【図５】 実施の形態に係るガス流路を形成する方法を説明する図である。
【図６】 実施の形態に係るガス流路を形成する処理を説明する図である。
【図７】 実施の形態に係る別のパターンのガス流路の上面図である。
【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】 分散液の塗膜を形成し、反応層を形成する前後の状態図である。
【図１２】 実施の形態に係る燃料電池の製造過程の基板の端面図である。
【図１３】 実施の形態に係る燃料電池の製造過程の基板の端面図である。
【図１４】 実施の形態に係る燃料電池の製造過程の基板の端面図である。
【図１５】 実施の形態に係る燃料電池の製造過程の基板の端面図である。
【図１６】 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１７】 実施の形態に係る燃料電池を積層した大型燃料電池の図である。
【符号の説明】
２…第１の基板、２’…第２の基板、３…第１のガス流路、３’…第２のガス流路、３ａ…ガス流路形成材料の塗膜、３ｂ、３ｂ’…ガス流路形成用材料の層、４…第１の支持部材、４’…第２の支持部材、６…第１の集電層、６’…第２の集電層、８…第１のガス拡散層、８’…第２のガス拡散層、１０…第１の反応層、１０’…第２の反応層、１２…電解質膜、２０ａ〜２０ｋ…吐出装置、５６…制御装置、５８…駆動装置、ＢＣ１，ＢＣ２…ベルトコンベア

Claims (3)

  1. 第１の反応ガスが供給される第１のガス流路が形成された第１の基板と、前記第１の基板に対向配置された、第２の反応ガスが供給される第２のガス流路が形成された第２の基板と、前記第１の基板と前記第２の基板との間に配置された電解質膜と、前記第１の基板と前記電解質膜との間に配置された第１の反応層および第１の集電層と、前記第２の基板と前記電解質膜との間に配置された第２の反応層および第２の集電層と、を備える燃料電池の製造方法であって、
    前記第１のガス流路を形成する工程は、
    インクジェット式吐出装置を用いて、前記第１の基板に第１のガス流路形成材料を所定のパターンに塗布する第１の工程と、
    前記インクジェット式吐出装置を用いて、前記第１のガス流路形成材料上に前記第１のガス流路形成材料よりも粘度の低い第２のガス流路形成材料を塗布する第２の工程と、を含むことを特徴とする燃料電池の製造方法。
  2. 前記第１の工程は、前記第１のガス流路のパターン毎、前記第１のガス流路形成用材料を、所定間隔をおいて塗布して複数の塗膜を形成し、さらに前記複数の塗膜の間隙に所定間隔をおいて塗布して塗膜を形成することを繰り返して頂面を含む層を複数形成し、前記層どうしにより挟まれた空間にて前記第１のガス流路を形成することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の製造方法。
  3. 前記第１の工程は、前記第１のガス流路形成材料を、前記第１のガス流路の幅が前記第１の反応ガスが流れる方向に沿って上流側から下流側に連続的に広くなるパターンに、塗布することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池の製造方法。
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