JP4165251B2 - 燃料電池の製造方法 - Google Patents

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。
【０００３】
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。
【０００４】
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材料を塗布又はスプレーして反応層を形成する方法（例えば、特許文献１、２）、（ｂ）白金化合物の塩等の水溶液に、金属錯体を溶解又は分散させるとともに、カーボンブラック等のカーボン担体を分散させた液をｐＨをアルカリ側として添加元素の水酸化物等としてカーボン担体に沈析させ、次いで、水素還元処理を行い、熱処理を行うことにより反応層を形成する方法（例えば、特許文献３）等が知られている。また、これらの方法においては、形成した反応層の白金微粒子等が空気中で酸化されないように、窒素ガス等の不活性ガス雰囲気下で作業が行われている。
【０００５】
しかしながら、この不活性ガス雰囲気下で反応層を形成する工程は、処理基板全体を不活性ガス雰囲気下に置いて行っていたため、不活性ガスの充填作業に長時間を要し、作業効率が悪いという問題があった。また、不活性ガスの使用量が多く、作業従事者が酸素欠乏になる危険性も問題となっていた。
【０００６】
【特許文献１】
特開平８−８８００８号公報
【特許文献２】
特開２００２−２９８８６０号公報
【特許文献３】
特開２００２−１５７４４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような従来技術の問題を解決すべくなされたものであって、反応層をより効率よく、かつ、作業従事者にとって安全に形成できる燃料電池の製造方法を提供することを課題とする。
【０００８】
【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、ガス流路が形成された基板に集電層及びガス拡散層を形成した後、反応層形成用材料を塗布、加熱処理して反応層を形成する際に、ガス流路の中を窒素ガス等の不活性ガスを通過させると、（ｉ）処理基板全体を不活性ガス雰囲気中に置いて作業を行う必要がなくなる（すなわち、ガス流路中に不活性ガスを充填するだけでよい）ので、作業効率が向上すること、(ii)使用する不活性ガスの使用量が少なくなること、(iii)ガス流路中のみに不活性ガスが注入されるので、作業従事者が酸素欠乏症になる危険性がなくなること、(iv)ガス流路からガス拡散層へも不活性ガスが流れるため、集電層等の反応層以外の他の層の導電性金属も空気酸化されるのを防止することができること、及び（ｖ）このような方法により、反応層を形成する場合には、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、反応層形成用材料を塗布して反応層を形成するのが好ましいことを見出し、本発明を完成するに到った。
【０００９】
かくして本発明の第１によれば、第１のガス流路が形成された第１の基板と、前記第１の基板上に形成された第１の集電層と、前記第１の集電層上に形成された第１のガス拡散層と、前記第１のガス拡散層上に形成された第１の反応層と、前記第１の反応層上に形成された電解質膜と、前記電解質膜上に形成された第２の反応層と、前記第２の反応層上に形成された第２のガス拡散層と、前記第２のガス拡散層上に形成された第２の集電層と、第２のガス流路が形成された第２の基板とを備え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、不活性ガスを前記ガス流路中に流しながら、ガス流路および集電層およびガス拡散層が形成された基板上に反応層形成用材料を塗布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。
【００１０】
本発明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、前記ガス流路および集電層およびガス拡散層が形成された矩形状の基板の一辺の前記不活性ガスの流れ方向と平行な側壁部及び該側壁部に対向する他の一辺の前記不活性ガスの流れ方向と平行な側壁部を封鎖して、不活性ガスを前記ガス流路中を流しながら、ガス流路および集電層およびガス拡散層が形成された基板上に反応層形成用材料を塗布して形成することが好ましい。
本発明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、反応層形成用材料を吐出装置を用いて塗布して形成するのが好ましい。
また、本発明の製造方法においては、前記反応層形成用材料として、金属の微粒子及び分散液剤を含む金属の微粒子の分散液又は金属塩溶液を用いるのが好ましい。
【００１２】
本発明の製造方法によれば、処理基板全体を不活性ガス雰囲気中に置いて作業を行う必要がなくなる。すなわち、ガス流路中に不活性ガスを充填するだけでよいので、作業効率が大幅に向上し、生産性の高い燃料電池の生産性に優れた製造方法である。
本発明の製造方法によれば、ガス流路からガス拡散層へも不活性ガスが流れ、反応層が形成される付近では高濃度で不活性ガスが存在する状態となる。従って、金属微粒子が空気により酸化されるのを防止することができる。
本発明の製造方法によれば、使用する不活性ガスの使用量が、従来の処理基板全体を不活性ガス雰囲気下に置く方法に比して大幅に少なくなる。従って、製造コストが低廉化され、また、窒素ガス以外の希ガス等の高価な不活性ガスを使用可能となる。
本発明の製造方法によれば、ガス流路中のみに不活性ガスが注入されるので、作業従事者が酸素欠乏症になる危険性が少ない。
本発明の製造方法によれば、ガス流路からガス拡散層へも不活性ガスが流れるため、集電層等の反応層以外の他の層を構成する導電性金属が空気酸化されるのも防止することができる。
【００１３】
また、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、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ので、反応層形成用材料の使用量を大幅に節約でき、かつ、所望のパターン（形状）の反応層を効率よく形成することができる。また、反応層形成用材料を塗布する間隔を場所によって変化させたり、用いる反応層形成用材料の種類を塗布位置によって変更することも自由に行うことができる。
【００１４】
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。
また、本発明の製造方法により製造された燃料電池を電極供給源として備える自動車によれば、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。
【００１５】
【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のガス流路が形成された第１の基板と、前記第１の基板上に形成された第１の集電層と、前記第１の集電層上に形成された第１のガス拡散層と、前記第１のガス拡散層上に形成された第１の反応層と、前記第１の反応層上に形成された電解質膜と、前記電解質膜上に形成された第２の反応層と、前記第２の反応層上に形成された第２のガス拡散層と、前記第２のガス拡散層上に形成された第２の集電層と、第２のガス流路が形成された第２の基板とを備え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、不活性ガスを前記ガス流路中に流しながら、ガス流路および集電層およびガス拡散層が形成された基板上に反応層形成用材料を塗布して形成することを特徴とする燃料電池の製造方法である。
【００１６】
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。
【００１７】
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、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。
【００１８】
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２９ｌ、２０ｍに搬送して、吐出装置２０ｌ、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が組み立て作業が行なわれる。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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を安定して吐出することができる。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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，積層工程）により製造される。
【００２９】
（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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
（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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
（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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
（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。
【００４０】
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。
【００４１】
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２０ｆまで搬送される。
【００４２】
（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。吐出装置２０ｆ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のガス拡散層上に塗布して第１の反応層が形成される。すなわち、吐出装置２０ｆ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。
【００４３】
第１のガス流路に不活性ガスを流しながら、吐出装置２０ｆを用いて反応層形成用材料を塗布する状態を図９に示す。図９は、第１の基板２のガス流路のガス送付口（図示を省略）から、不活性ガスを第１のガス流路の上流側から下流側に流す様子を基板上側から見た図である。図９においては、第１のガス流路及びガス拡散層が形成された矩形状の基板の一辺の側壁部及び該側壁部に対向する他の一辺の側壁部を押し板６１により封鎖し、不活性ガスを前記ガス流路中を流しながら、不活性ガスが第１の基板のガスの流れ方向と平行な両側面部から漏れ出すのを防止し、かつ、第１の基板２をしかっりと固定して、作業を容易にしている。なお、図９において、第１の基板上部は開放されており、不活性ガスの一部は、第１のガス流路から第１の集電層及び第１のガス拡散層を介して、第１の基板にも流れている。
【００４４】
図１０は、吐出装置２０ｆを用いて、第１のガス流路に不活性ガスを流しながら、第１のガス拡散層８上に反応層形成用材料を塗布する状態を模式的に示す。図１０においては、第１のガス流路３を上流側から下流側に流れる不活性ガスの一部が第１の基板上にも流れ（図中、矢印）、第１の反応層を形成する部位は、全体的に不活性ガス雰囲気下に置かれている。
【００４５】
ここで用いる不活性ガスとしては、窒素ガスが一般的であるが、本発明の製造方法においては、不活性ガスの使用量が少なくて済むので、アルゴンガス、ヘリウムガス等の比較的高価な希ガスを使用することもできる。
なお、不活性ガスを流す量は、第１の基板上の反応層を形成する部位が不活性ガス雰囲気となる量であれば、特に制限されず、製造する燃料電池の大きさ等にも依存する。また、不活性ガスを流すときの温度は特に制限されない。通常は室温である。
【００４６】
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。
【００４７】
（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。
【００４８】
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。
【００４９】
吐出装置２０ｆ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。
【００５０】
本実施形態の反応層を形成する方法によれば、次の（ａ）〜（ｆ）の効果が得られる。
（ａ）処理基板全体を不活性ガス雰囲気中に置いて作業を行う必要がなくなる。すなわち、ガス流路中に不活性ガスを充填するだけでよいので、作業効率が大幅に向上し、生産性の高い燃料電池の生産性に優れた製造方法である。
（ｂ）第１のガス流路から第１のガス拡散層へも不活性ガスが流れ、第１の反応層が形成される付近では高濃度で不活性ガスが存在する状態となる。従って、金属微粒子が空気により酸化されるのを防止することができる。
（ｃ）使用する不活性ガスの使用量が、従来の処理基板全体を不活性ガス雰囲気下に置く方法に比して大幅に少なくなり、製造コストを低廉化することができる。
（ｄ）ガス流路中のみに不活性ガスが注入されるので、作業従事者が酸素欠乏症になる危険性が少なくなる。
（ｅ）ガス流路からガス拡散層へも不活性ガスが流れるため、集電層等の反応層以外の他の層を構成する導電性金属が空気酸化されるのも防止することができる。
（ｆ）反応層を形成する方法として、反応層形成用材料の一定量を、吐出装置２０ｆを用いて、所定間隔をおいて塗布して形成しているので、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。
【００５１】
このようにして、第１の反応層が形成された基板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。
【００５２】
（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。
【００５３】
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ヤ、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）に調整した材料や等が挙げられる。
【００５４】
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２０ｈまで搬送される。
【００５５】
（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。
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。
【００５６】
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。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。
【００５７】
（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。
【００５８】
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２０ｊまで搬送される。
【００５９】
（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。
【００６０】
（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。
【００６１】
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８’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。
【００６２】
（９）第２の基板積層工程（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２０ｌ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。
【００６３】
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。また、図１６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。
【００６４】
本実施形態により製造され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。
【００６５】
本実施形態により製造される燃料電池は、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８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８’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_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻の反応が進行し、第２の反応層１０’においては、１／２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏの反応が進行する。
【００６６】
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、吐出装置を用いて集電層形成用材料を塗布して、第１の集電層及び／又は第２の集電層を形成し、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（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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７（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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
本発明の製造方法により製造された燃料電池は、電子機器の電力供給源として用いることができる。このような電子機器としては、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、このような電子機器は、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。
【００７３】
本発明の製造方法により製造された燃料電池は、自動車の電力供給源として用いることができる。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。
本発明の製造方法により製造された燃料電池を電極供給源として備える自動車によれば、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】 実施の形態に係るガス流路を形成する処理を説明する図である。
【図５】 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】 実施の形態に係る反応層を形成する処理を説明する図である。
【図１０】 実施の形態に係る反応層を形成する処理を説明する図である。
【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。
【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、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〜２０ｍ…吐出装置、６１…押し板、ＢＣ１，２…ベルトコンベア

Claims (4)

1. 第１のガス流路が形成された第１の基板と、前記第１の基板上に形成された第１の集電層と、前記第１の集電層上に形成された第１のガス拡散層と、前記第１のガス拡散層上に形成された第１の反応層と、前記第１の反応層上に形成された電解質膜と、前記電解質膜上に形成された第２の反応層と、前記第２の反応層上に形成された第２のガス拡散層と、前記第２のガス拡散層上に形成された第２の集電層と、第２のガス流路が形成された第２の基板とを備え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、不活性ガスを前記ガス流路中に流しながら、ガス流路および集電層およびガス拡散層が形成された基板上に反応層形成用材料を塗布して形成することを特徴とする燃料電池の製造方法。
2. 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、前記ガス流路および集電層およびガス拡散層が形成された矩形状の基板の一辺の前記不活性ガスの流れ方向と平行な側壁部および該側壁部に対向する他の一辺の前記不活性ガスの流れ方向と平行な側壁部を封鎖して、不活性ガスを前記ガス流路中を流しながら、ガス流路および集電層およびガス拡散層が形成された基板上に反応層形成用材料を塗布して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、反応層形成用材料をインクジェット式吐出装置を用いて塗布して形成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。
4. 前記反応層形成用材料として、金属の微粒子及び分散液剤を含む金属の微粒子の分散液又は金属塩溶液を用い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の製造方法。

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