KR100528020B1 - 기능성 다공질층의 형성 방법, 연료 전지의 제조 방법,전자 기기 및 자동차 - Google Patents

기능성 다공질층의 형성 방법, 연료 전지의 제조 방법,전자 기기 및 자동차 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기능성 재료의 존재량이 깊이 방향으로 소망한 농도 분포를 갖도록, 기능성 재료가 다공질 물질에 담지되어 이루어지는 기능성 다공질층을 효율좋게 형성하는 방법, 이 방법을 반응층의 형성에 적용한 연료 전지의 제조 방법, 및 이 제조 방법에 의해 얻어진 연료 전지를 전력 공급원으로서 구비하는 전자 기기 및 자동차를 제공함을 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 기능성 재료가 다공질 물질에 담지되어 이루어지는 기능성 다공질층의 형성 방법으로서, 표면장력이 다른 복수종의, 기능성 재료의 용액 또는 분산액을 다공질층에 도포하고, 상기 표면장력의 차이에 의해, 상기 기능성 재료의 상기 다공질층의 깊이 방향으로의 침투를 제어하는 것을 특징으로 하는 기능성 다공질층의 형성 방법, 이 방법을 적용하여 반응층을 형성하는 연료 전지의 제조 방법, 및 이 연료 전지를 전력 공급원으로서 구비하는 것을 특징으로 하는 전자 기기 및 자동차를 제공한다.

Description

기능성 다공질층의 형성 방법, 연료 전지의 제조 방법, 전자 기기 및 자동차{METHOD FOR FORMING FUNCTIONAL POROUS LAYER, METHOD FOR MANUFACTURING FUEL CELL, ELECTRONIC DEVICE, AND AUTOMOBILE}
본 발명은, 다공질층의 깊이 방향으로 기능성 재료의 존재량이 변화하도록 기능성 재료가 담지되어 이루어지는 기능성 다공질층의 형성 방법, 이 형성 방법을 반응층의 형성에 적용한 연료 전지의 제조 방법, 및 이 제조 방법에 의해 얻어지는 연료 전지를 전력 공급원으로서 구비하는 전자 기기 및 자동차에 관한 것이다.
종래, 전해질막과 이 전해질막의 일면에 배치된 전극(양극), 및 전해질막의 다른면에 배치된 전극(음극) 등으로 구성되는 연료 전지가 존재한다. 예를 들면, 전해질막이 고체 고분자 전해질막인 고체 고분자 전해질형 연료 전지에서는, 양극측에서는 수소를 수소 이온과 전자로 하는 반응이 행해져, 전자가 음극측으로 흐르고, 수소 이온은 음극측으로 전해질막 중을 이동하고, 음극측에서는 산소 가스, 수소 이온 및 전자로부터 물을 생성하는 반응이 행해진다.
이러한 고체 전해질형 연료 전지에서는, 각 전극은, 통상, 반응 가스의 반응 촉매인 금속 미립자로 이루어지는 반응층과, 반응층의 기판측에 탄소 미립자로 이루어지는 가스 확산층과, 가스 확산층의 기판측에 도전성 물질로 이루어지는 집전층으로 형성되어 이루어진다. 한쪽의 기판에서, 가스 확산층을 구성하는 탄소 미립자의 갭(gap)을 통과하여 균일하게 확산된 수소 가스는 반응층에서 반응하여 전자와 수소 이온으로 된다. 발생한 전자는 집전층에 모아져, 다른쪽 기판의 집전층으로 전자가 흐른다. 수소 이온은 고분자 전해질막을 거쳐서 제2 기판의 반응층으로 이동하여, 집전층으로부터 흘러나온 전자 및 산소 가스로부터 물을 생성하는 반응이 행해진다.
이러한 연료 전지에서, 반응층을 형성하는 방법으로는, 예를 들면, (a)촉매 담지 카본을 고분자 전해질 용액과 유기용매에 혼합하여 제조한 전극 촉매층 형성용 페이스트를 전사 기재(폴리테트라플루오로에틸렌 시트)에 도포, 건조하여, 그것을 전해질막에 열압착한 다음, 전사 기재를 박리함으로써 전해질막에 촉매층(반응층)을 전사하는 방법(일본 특개평8－88008호 공보), (b)전극으로서 사용하는 카본층 위에 고체 촉매를 담지한 카본 입자의 전해질 용액을 분무기(sprayer)를 사용하여 도포한 후, 용매를 휘발시킴에 의해 제조하는 방법이 알려져 있다(일본 특개2002－298860호 공보).
그러나, 이들 방법은 공정수가 많아 번잡하고, 또한, 균일하게 촉매를 도포하는 것이나, 소정 위치에 소정량의 촉매를 정확히 도포하는 것이 곤란하기 때문에, 얻어지는 연료 전지의 특성(출력 밀도)이 저하하거나, 백금 등의 고가의 촉매의 사용량의 증가에 의해 제조 비용이 높아지는 문제가 있었다.
본 발명은 기능성 재료의 존재량이 깊이 방향에 대해서 소망한 농도 분포를 갖도록, 기능성 재료가 다공질 물질에 담지되어 이루어지는 기능성 다공질층을 효율좋게 형성하는 방법, 이 방법을 반응층의 형성에 적용한 연료 전지의 제조 방법, 및 이 제조 방법에 의해 얻어지는 연료 전지를 전력 공급원으로서 구비하는 전자 기기 및 자동차를 제공하는 것을 과제로 한다.
본 발명자들은, 상기 과제를 해결하기 위해 예의 검토한 결과, 다공질층에 표면장력이 다른 복수종의 기능성 재료의 용액 또는 분산액을 도포하고, 상기 표면장력의 차이에 의해, 상기 기능성 재료의 용액 또는 분산액의, 상기 다공질층의 깊이 방향으로의 침투를 제어할 수 있음, 및 이 방법을 연료 전지의 반응층의 형성에 적용함에 의해, 금속 미립자의 존재량이 탄소계 물질 입자로 이루어지는 다공질층의 깊이 방향으로 변화하도록, 금속 미립자가 탄소계 물질 입자에 담지되어 이루어지는 반응층을 효율 좋게 형성할 수 있음을 알아내어, 본 발명을 완성하기 이르렀다.
이렇게 하여 본 발명의 제1에 의하면, 기능성 재료가 다공질 물질에 담지되어 이루어지는 기능성 다공질층의 형성 방법으로서, 표면장력이 다른 복수종의, 기능성 재료의 용액 또는 분산액을 다공질층에 도포하고, 상기 표면장력의 차이에 의해, 상기 기능성 재료의 상기 다공질층의 깊이 방향으로의 침투를 제어하는 것을 특징으로 하는 기능성 다공질층의 형성 방법이 제공된다.
본 발명의 기능성 다공질층의 형성 방법에서는, 상기 기능성 다공질층을, 표면장력이 다른 복수종의, 기능성 재료의 용액 또는 분산액을 다공질층에 도포하고, 상기 용액 또는 분산액에 함유되는 용매를 제거함으로써 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명의 기능성 다공질층의 형성 방법에서는, 다공질층의 깊이 방향으로 기능성 재료의 존재량이 변화하도록, 기능성 재료가 다공질 물질에 담지되어 이루어지는 기능성 다공질층을 형성하는 것임이 바람직하다.
본 발명의 기능성 다공질층의 형성 방법에서는, 기능성 재료의 용액또는 분산액을 다공질층에 도포하여, 그 다공질층에 기능성 재료의 용액 또는 분산액을 함침시키는 공정을, 표면장력이 다른 상기 기능성 재료의 용액 또는 분산액을 사용하여 복수회 반복하는 것이 바람직하고, 상기 기능성 재료의 용액 또는 분산액의 농도를 각 회마다 변경하는 것이 보다 바람직하다.
본 발명의 기능성 다공질층의 형성 방법에서는, 제1 기능성 재료의 용액 또는 분산액을 다공질층에 도포하여, 상기 제1 기능성 재료의 용액 또는 분산액을 다공질층에 함침시킨 뒤, 상기 제1 기능성 재료의 용액 또는 분산액보다 큰 표면장력을 가진, 제2 기능성 재료의 용액 또는 분산액을 상기 다공질층에 도포하여, 제2 기능성 재료의 용액 또는 분산액을 함침시키는 것이 보다 바람직하다.
본 발명의 기능성 다공질층의 형성 방법에서는, 상기 표면장력이 다른 기능성 재료의 용액 또는 분산액으로서, 기능성 재료를 종류가 다른 용매에 용해 또는 분산시켜 제조한 것을 사용하는 것이 바람직하고, 상기 기능성 재료의 용액 또는 분산액로서, 백금, 로듐, 루테늄, 이리듐, 팔라듐, 오스뮴 및 이들 2종 이상으로 이루어지는 합금으로 구성되는 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 금속의 미립자 또는 그 금속의 화합물의 용액 또는 분산액을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 기능성 다공질층의 형성 방법에서는, 상기 다공질층이, 탄소계 물질 입자로 이루어지는 다공질층인 것이 바람직하다. 또한, 상기 기능성 다공질층이 백금, 로듐, 루테늄, 이리듐, 팔라듐, 오스뮴 및 이들 2종 이상으로 이루어지는 합금으로 구성되는 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 금속의 미립자가 탄소계 물질 입자에 담지되어 이루어지는 것임이 바람직하고, 제1 집전층, 제1 반응층, 전해질막, 제2 반응층, 제2 집전층이 이 순서로 형성되어 이루어지는 연료 전지의, 제1 반응층 또는 제2 반응층의 적어도 하나인 것이 보다 바람직하다.
또한, 본 발명의 기능성 다공질층의 형성 방법에서는, 상기 기능성 재료의 용액 또는 분산액의 도포를, 토출 장치를 사용하여 행하는 것이 바람직하다.
본 발명의 제2에 의하면, 제1 집전층, 제1 반응층, 전해질막, 제2 반응층, 제2 집전층을 형성하는 연료 전지의 제조 방법으로서, 상기 제1 반응층 및 제2 반응층의 적어도 하나를, 표면장력이 다른 복수종의, 반응층 형성용 재료의 용액 또는 분산액을 탄소계 물질 입자로 이루어지는 다공질층에 도포하고, 상기 용액 또는 분산액에 함유되는 용매를 제거함으로써 형성하는 것을 특징으로 하는 연료 전지의 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 연료 전지의 제조 방법에서는, 상기 제1 반응층 및 제2 반응층의 적어도 하나를, 탄소계 물질 입자로 이루어지는 다공질층의 깊이 방향으로 반응층 형성용 재료의 존재량이 변화하도록, 반응층 형성용 재료가 탄소계 물질 입자에 담지되어 이루어지는 반응층을 형성하는 것임이 바람직하다.
본 발명의 연료 전지의 제조 방법에서는, 상기 제1 반응층 및 제2 반응층의 적어도 하나를, 반응층 형성용 재료의 용액 또는 분산액을 탄소계 물질 입자로 이루어지는 다공질층에 도포하여, 그 다공질층에 반응층 형성용 재료의 용액 또는 분산액을 함침시키는 공정을, 표면장력이 다른 반응층 형성용 재료의 용액 또는 분산액을 사용하여 복수회 반복함으로써 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명의 연료 전지의 제조 방법에서는, 상기 제1 반응층 및 제2 반응층의 적어도 하나를, 제1 반응층 형성용 재료의 용액 또는 분산액을 탄소계 물질 입자로 이루어지는 다공질층에 도포하여, 상기 제1 반응층 형성용 재료의 용액 또는 분산액을 탄소계 물질 입자로 이루어지는 다공질층에 함침시킨 뒤, 상기 제1 반응층 형성용 재료의 용액 또는 분산액보다 큰 표면장력을 가진, 제2 반응층 형성용 재료의 용액 또는 분산액을 상기 탄소계 물질 입자로 이루어지는 다공질층에 도포하여, 제2 반응층 형성용 재료의 용액 또는 분산액을 함침시킴으로써 형성하는 것이 보다 바람직하다.
본 발명의 연료 전지의 제조 방법에서는, 상기 표면장력이 다른 반응층 형성용 재료의 용액 또는 분산액로서, 반응층 형성용 재료를 종류가 다른 용매에 용해 또는 분산시켜 제조한 것을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 연료 전지의 제조 방법에서는, 상기 제1 반응층 및 제2 반응층의 적어도 하나를, 제1 집전층상 또는 제2 집전층상에 탄소계 물질 입자를 도포함으로써 탄소계 물질 입자로 이루어지는 다공질층을 형성하고, 그 다음에, 표면장력이 다른 복수종의, 반응층 형성용 재료의 용액 또는 분산액을 상기 탄소계 물질 입자로 이루어지는 다공질층에 도포하고, 상기 용액 또는 분산액에 포함되는 용매를 제거함으로써 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 연료 전지의 제조 방법에서는, 상기 반응층 형성용 재료의 용액 또는 분산액의 도포를, 토출 장치를 사용하여 행하는 것이 바람직하다.
본 발명의 연료 전지의 제조 방법에서는, 상기 제1 반응층 및 제2 반응층의 적어도 하나를, 금속 미립자가 탄소계 물질 입자에 담지되어 이루어지고, 그 금속 미립자의 존재량이, 상기 반응층의 집전층 측보다도 전해질막측이 높게 되도록 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명의 제3에 의하면, 본 발명의 제조 방법에 의해 제조되는 연료 전지를 전력 공급원으로서 구비하는 것을 특징으로 하는 전자 기기가 제공된다.
또한 본 발명의 제4에 의하면, 본 발명의 제조 방법에 의해 제조되는 연료 전지를 전력 공급원으로서 구비하는 것을 특징으로 하는 자동차가 제공된다.
본 발명의 기능성 다공질층의 형성 방법에 의하면, 표면장력이 다른, 복수종의 기능성 재료를 포함하는 용액 또는 분산액을 다공질층에 도포함으로써, 표면장력의 차이에 의해, 상기 기능성 재료의 상기 다공질층으로의 깊이 방향으로의 침투를 용이하게 제어할 수 있으므로, 기능성 재료가 깊이 방향으로 변화하도록 분포하고 있는 기능성 다공질층을 용이하게 형성할 수 있다.
본 발명의 기능성 다공질층의 형성 방법에서, 표면장력이 상대적으로 작은 기능성 재료의 용액 또는 분산액을 도포한 뒤, 표면장력이 상대적으로 큰 기능성 재료의 용액 또는 분산액을 도포하는 경우에는, 기능성 재료가 깊이 방향으로 연속적으로 작아지도록 분포해 있는 기능성 다공질층을 용이하게 형성할 수 있다.
본 발명의 기능성 다공질층의 형성 방법에서, 표면장력이 다른 기능성 재료의 용액 또는 분산액으로서, 동일한 기능성 재료를 종류가 다른 용매에 용해 또는 분산시켜 제조한 것을 사용하는 경우에는, 동일한 기능성 재료가, 깊이 방향으로 변화하도록, 바람직하게는 깊이 방향으로 연속적으로 작아지도록 분포하여 이루어지는 기능성 다공질층을 용이하게 형성할 수 있다.
본 발명의 기능성 다공질층의 형성 방법에서, 표면장력이 다른 기능성 재료의 용액 또는 분산액을 다공질층에 도포하여, 기능성 재료를 다공질층에 함침시키는 공정을 반복하는 것, 즉, 사용하는 기능성 재료의 용액 또는 분산액의 표면장력을 임의의 값으로 설정하고, 표면장력이 다른 기능성 재료의 용액 또는 분산액을 임의로 조합, 또는 기능성 재료의 용액 또는 분산액의 도포량을 임의로 설정함에 의해서, 깊이 방향에 대해서 소망한 기능성 재료의 농도 분포(존재 분포)를 갖는 기능성 다공질층을 용이하게 형성할 수 있다.
본 발명의 기능성 다공질층의 형성 방법에서, 상기 다공질층이 탄소계 물질 입자로 이루어지는 다공질층이고, 상기 기능성 다공질층이 백금, 로듐, 루테늄, 이리듐, 팔라듐, 오스뮴 및 이들의 2종 이상으로 이루어지는 합금으로 구성되는 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 금속의 미립자로 이루어지는 경우에는, 탄소계 물질 입자로 이루어지는 다공질층에, 금속 미립자가 깊이 방향으로 변화하도록, 바람직하게는 깊이 방향으로 연속적으로 작아지도록 분포되는, 금속 미립자가 다공질 탄소계 물질 입자에 담지되어 이루어지는 기능성 다공질층을 용이하게 형성할 수 있다.
본 발명의 기능성 다공질층의 형성 방법은, 제1 집전층, 제1 반응층, 전해질막, 제2 반응층, 제2 집전층이 이 순서로 형성되어 이루어지는 연료 전지의, 상기 제1 반응층 또는 제2 반응층을 형성하는 방법으로서 바람직하게 적용할 수 있다.
또한, 본 발명의 기능성 다공질층의 형성 방법에서, 기능성 재료의 용액 또는 분산액의 도포를 토출 장치를 사용하여 행하는 경우에는, 기능성 재료를 소정 위치에 정확히 도포할 수 있으므로, 설계와 같은 프로 파일을 갖는 기능성 다공질층을 용이하게 형성할 수 있다. 또한, 기능성 재료의 용액 또는 분산액을 소정 위치에 필요한만큼 도포할 수 있으므로, 여분의 기능성 재료를 도포할 필요가 없어져, 기능성 재료의 사용량을 절감할 수 있다.
본 발명의 연료 전지의 제조 방법에 의하면, 반응층 형성용 재료가 깊이 방향에 대해서 변화하도록 분포되어 이루어지는 반응층을 갖는 연료 전지를, 용이 또한 효율 좋게 제조할 수 있다.
본 발명의 연료 전지의 제조 방법에서, 표면장력이 상대적으로 작은, 반응층 형성용 재료의 용액 또는 분산액을 도포한 뒤, 표면장력이 상대적으로 큰, 반응층 형성용 재료의 용액 또는 분산액을 도포하는 경우에는, 반응층 형성용 재료가 깊이 방향으로 연속적으로 작아지도록 분포하여 이루어지는 반응층을 가진 연료 전지를, 용이 또한 효율좋게 제조할 수 있다.
본 발명의 연료 전지의 제조 방법에서, 반응층 형성용 재료의 도포를 토출 장치를 사용하여 행하는 경우에는, 균일하게, 깊이 방향에 대해서 소망한 반응층 형성용 재료의 농도 분포(존재 분포)를 갖는 반응층을 효율 좋게 형성할 수 있다. 또한, 종래의 반응층 형성용 재료를 빈틈없이 도포하여 반응층을 형성하는 경우에 비해서, 고가의 반응층 형성용 재료의 사용량이 적어진다. 따라서, 저비용으로, 출력이 높은 연료 전지를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명의 연료 전지의 제조 방법에 의하면, 제1 반응층 및 제2 반응층의 적어도 하나를, 금속 미립자가 탄소 물질 입자에 담지되어 이루어지고, 상기 금속 미립자의 존재량이, 상기 반응층의 집전층 측보다도 전해질막측이 높아지도록, 효율좋게 형성할 수 있다.
본 발명의 제조 방법에 의해 제조되는 연료 전지는, 균일하게, 소망양의 금속 미립자를 가진 반응층이 효율 좋게 형성되어 이루어지기 때문에, 저비용으로, 출력 밀도가 높고, 특성이 좋은 연료 전지로 된다.
본 발명의 제조 방법에 의해 얻어지는 연료 전지는 전자 기기 및 자동차 등의 전력 공급원으로서 유용하다.
본 발명의 전자 기기는, 본 발명의 제조 방법에 의해 제조된 연료 전지를 전력 공급원으로서 구비하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 전자 기기에 의하면, 지구 환경을 적절히 배려한 클린 에너지를 전력 공급원으로서 구비할 수 있다.
또한, 본 발명의 자동차는, 본 발명의 제조 방법에 의해 제조된 연료 전지를 전력 공급원으로서 구비하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 자동차에 의하면, 지구 환경을 적절히 배려한 클린 에너지를 전력 공급원으로서 구비할 수 있다.
[발명의 실시 형태]
이하, 본 발명의 기능성 다공질층의 형성 방법, 연료 전지의 제조 방법, 및 이 연료 전지를 구비하는 전자 기기 및 자동차에 대해서 상세하게 설명한다.
1)기능성 다공질층의 형성 방법
본 발명의 기능성 다공질층의 형성 방법은, 기능성 재료가 다공질 물질에 담지되어 이루어지는 기능성 다공질층의 형성 방법으로서, 표면장력이 다른 복수종의, 기능성 재료의 용액 또는 분산액을 다공질층에 도포하고, 상기 표면장력의 차이에 의해, 상기 기능성 재료의 상기 다공질층의 깊이 방향으로의 침투를 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 기능성 다공질층이라 함은, 다공질층 중의 다공질 물질에 기능성 재료가 담지(또는 흡착)되어 이루어지는 다공질층을 말한다. 또한, 본 발명의 기능성 다공질층의 형성 방법은, 기능성 재료가 다공질층 중에, 깊이 방향으로 소정의 농도 분포로 존재하는 다공질층을 형성하는 방법이지만, 동시에, 다공질층 표면에 기능성 재료로 이루어지는 층이 형성되는 경우도 포함한다.
본 발명에서 사용하는 다공질층의 구멍 지름은 특별히 제한되지 않지만, 통상, 수십 nm에서 수백 nm이다.
본 발명에서 사용하는 다공질층으로는, 다공질 물질로 이루어지는 층으로서, 기능성 재료를 담지할 수 있는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 다공질 물질의 바람직한 구체예로는 탄소 입자, 카본 나노튜브, 카본 나노폰, 풀러렌(fullerene) 등의 탄소계 물질 입자를 들 수 있다. 다공질층은 다공질 물질의 1종으로 이루어지는 층이어도, 2종 이상의 다공질 물질로 이루어지는 층이어도 좋다. 또한 다공질층은, 다른 층 위에 형성된 것이어도, 다공질층 자체로 이루어지는 것이어도 좋다.
본 발명의 기능성 다공질층의 형성 방법은, 다공질층에 기능성 재료를 함유하는 용액 또는 분산액을 도포하여, 기능성 재료의 용액 또는 분산액(이하,「기능성 재료의 액」이라 함)을 다공질층에 함침시키는 공정(이하,「공정(1)」이라 함)과, 상기 용액 또는 분산액에 함유되는 용매를 제거하는 공정(이하,「공정(II)」라 함)으로 나눌 수 있다.
공정(1)은 표면장력이 다른 복수종의 기능성 재료의 액을 상기 다공질층에 도포하여, 상기 다공질층의 깊이 방향으로 상기 기능성 재료의 존재량이 변화하도록, 바람직하게는 연속적으로 변화하도록, 보다 바람직하게는 표면측으로부터 층 내부로 향하여, 기능성 재료의 존재량이 연속적으로 적어지도록 기능성 재료를 상기 다공질층에 함침시킨다.
일반적으로, 다공질층에 어떤 물질을 함침시키는 경우에는, 함침시키는 물질(용액 또는 분산액)의 표면장력이 클수록, 깊이 방향에 대해 광범위하게 함침되고, 표면장력이 작을수록 함침되는 범위는 좁아진다(깊이 방향에 대해). 본 발명은 이 현상을 이용하는 것이다. 즉, 본 발명은 표면장력이 다른 복수종의 기능성 물질의 액을 다공질층에 도포, 함침시킴으로써, 다공질층의 깊이 방향에 대한 소망한 위치에, 소망한 농도의 기능성 물질이 존재하도록 한 기능성 다공질층을 형성하는 것이다.
본 발명에서는, 표면장력이 상대적으로 작은 기능성 재료의 액을 다공질층에 도포하여, 다공질층에 함침시킨 뒤, 표면장력이 상대적으로 큰 기능성 재료의 액을 다공질층에 도포하여, 그 기능성 재료의 액을 다공질층에 함침시키는 것이 바람직하다. 그 이유는 다음과 같다.
표면장력이 A1mN／m인 기능성 물질의 액을 다공질층 상에 도포하여, 다공질층에 함침시킨 다음, 표면장력이 A1보다도 큰 A2mN／m인 기능성 재료의 액을 다공질층 상에 도포하여, 다공질층에 함침시키는 경우에는, 표면장력이 A1의 기능성 재료의 액을 사용한 경우에는, 기능성 재료는 다공질층의 표면으로부터 깊이 d1까지의 사이에 균일하게 확산된다. 또한, 표면장력이 A2인 기능성 재료의 액을 사용한 경우에는, 다공질층의 표면으로부터 깊이 d2(d1＞d2)까지의 사이에 균일하게 확산된다. 즉, 표면장력이 A1인 경우에도, 표면장력이 A2인 경우에도 동일한 기능성 재료를 사용한다고 하면, 상대적으로 다공질층의 표면 부근으로부터 깊이 방향(d2)에 걸쳐서, 존재량이 연속적으로 낮아지도록 기능성 재료가 분포한 상태를 얻을 수 있다.
또한, 다공질층에 기능성 재료의 용액 또는 분산액을 도포한 경우, 착탄한 액은 횡방향으로 퍼지는 것이 아니라, 다공질층의 깊이 방향으로 침투한다. 따라서, 예를 들면, 표면장력이 높은 재료를 도포한다 해도, 용매를 후에 도포함으로써, 기능성 재료의 깊이 방향으로의 침투 깊이를 제어할 수 있다.
이 방법은 구체적으로는 다음과 같이 하여 행할 수 있다.
제1 농도를 갖는 제1 기능성 재료의 용액 또는 분산액의 소정량을 다공질층에 도포한다. 다음에, 상기 제1 기능성 재료의 용액 또는 분산액을 도포한 위치와 같은 위치에 용매의 소정량을 도포한다(제 1공정). 이것에 의해, 기능성 재료의 다공질층의 깊이 방향으로의 침투를 제어할 수 있다.
그 다음에, 제2 농도를 갖는 제2 기능성 재료의 용액 또는 분산액을 다공질층에 도포한다. 또한, 제2 기능성 재료의 용액 또는 분산액을 도포한 위치와 같은 위치에 용매의 소정량을 도포한다(제 2공정). 이 공정을 반복함에 의해, 기능성 재료의 다공질층의 깊이 방향으로 농도 분포를 갖게 할 수 있다. 이 경우, 제 1공정과 제 2공정의 사이에, 용매를 제거하는 공정(건조 공정)을 마련하는 것도 바람직하다.
또한, 본 실시 형태에서는, 표면장력이 다른 2종류의 기능성 재료의 액을 예로 들어 설명했지만, 기능성 재료의 액의 표면장력의 값을 다단계로 변화시켜, 표면장력이 다른 3종류 이상의 기능성 재료의 액을 사용할 수도 있다.
본 발명에서 사용하는 기능성 재료로는, 다공질 물질에 담지시킴에 의해서, 화학 반응성, 전기 전도성, 광응답성 등의 기능을 발휘하는 물질이면 특별히 제한되지 않는다. 바람직한 구체적인 예로는, 백금, 로듐, 루테늄, 이리듐, 팔라듐, 오스뮴 및 이들의 2종 이상으로 이루어지는 합금으로 구성되는 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 금속의 미립자 등을 들 수 있다.
기능성 재료를 용해 또는 분산시키는 용매로는 특별히 제한되지 않지만, 예를 들면, 물, 알콜류, 케톤류, 에스테르류, 에테르류, 탄화수소류, 방향족 탄화수소류 및 이들 2종 이상의 조합 등을 들 수 있다.
표면장력이 다른 기능성 재료의 액을 제조하는 방법은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 기능성 재료로서 백금 미립자를 사용하는 경우에는, 물에, 알콜류, 글리세린, 에틸렌글리콜 등의 유기용매를 소정 비율로 첨가하거나, 물에 계면 활성제 등을 소정 비율로 첨가함에 의해, 표면장력이 물의 값에서 20mN／m까지의 광범위한 표면장력을 갖는 백금 미립자의 분산액을 제조할 수 있다. 또한, 기능성 재료의 용액 또는 분산액의 농도를 변경함에 의해, 소정의 표면장력을 갖는 용액 또는 분산액을 제조할 수도 있다.
본 발명에서는, 기능성 재료의 액의 도포를 토출 장치를 사용하여 행하는 것이 바람직하다. 토출 장치로는, 후술하는 토출 장치(20a)와 같은 것을 사용할 수 있다. 토출 장치를 사용하여 기능성 재료의 도포를 행하는 경우에는, 소망한 도포 위치에, 필요량의 기능성 재료의 액을 정확히 도포할 수 있다. 따라서, 소망양의 기능성 재료의 액을 정확히 도포할 수 있을 뿐만 아니라, 기능성 재료를 도포·함침시키고 싶은 위치에만 정확히 도포할 수 있게 되기 때문에, 설계와 같은 기능성 재료의 농도 분포(깊이 방향 및 수평 방향)를 갖는 기능성 다공질층을, 용이하게 형성할 수 있다.
또한, 사용하는 토출 장치로서, 복수의 토출 노즐을 가진 것을 사용할 수도 있다. 이러한 토출 장치를 사용하는 경우에는, 예를 들면, 기능성 재료의 액을 도포하는 영역 전체에 소정의 도포 간격으로 기능성 재료의 액을 도포한 뒤, 그 도포 간격의 사이에 기능성 재료의 액을 더 도포하는 경우에, 다른 토출 노즐로부터 기능성 재료의 액을 토출할 수 있다. 이 토출 장치에 의하면, 토출 노즐간에 생기는 1회의 도포량의 오차를 전체로서 적게 할 수 있다.
기능성 재료의 액의 도포는 간격을 충분히 두고(예를 들면, 1mm 정도), 소량씩(예를 들면 10피코리터씩) 도포하는 것이 바람직하다. 용매를 증류하여 제거한 뒤, 기능성 재료의 석출 단계가 바뀌기 때문에, 기능성 재료가 균일하게 분산된 기능성 다공질층을 얻기 위해서는, 도포 간격은 항상 동일한 것이 바람직하다.
다음에, 공정(II)에서, 기능성 재료를 용해 또는 분산하고 있는 용매를 제거함에 의해, 다공질층 중에 기능성 재료가 담지(또는 흡착)되어 이루어지는 다공질층을 형성할 수 있다.
기능성 재료를 용해 또는 분산하고 있는 용매를 제거하는 방법으로는, 가열하여 증발 제거하는 방법이 일반적이다. 본 발명에서는, 장시간, 고온의 열처리는, 공정(I)에서 형성한 기능성 재료의 분산 상태를 파괴할 우려가 있기 때문에, 가능한 한 단시간, 또한 저온에서 용매의 제거를 행하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 감압하에서, 저온으로, 바람직하게는 100℃이하에서 용매를 제거하는 방법이 바람직하다.
본 발명의 기능성 다공질층의 형성 방법에 의하면, 기능성 재료가 깊이 방향으로 변화하도록 분포하고 있는 기능성 다공질층을 용이하게 형성 할 수 있다. 본 발명의 기능성 다공질층의 형성 방법은, 이하에서 말하는 연료 전지의 반응층 형성에 적합하게 적용할 수 있다.
2)연료 전지의 제조 방법
본 발명의 연료 전지의 제조 방법은 제1 집전층, 제1 반응층, 전해질막, 제2 반응층, 제2 집전층을 형성하는 연료 전지의 제조 방법으로서, 상기 제1 반응층 및 제2 반응층의 적어도 하나를, 표면장력이 다른 복수종의, 반응층 형성용 재료의 용액 또는 분산액을 탄소계 물질 입자로 이루어지는 다공질층에 도포하고, 상기 용액 또는 분산액에 포함되는 용매를 제거함에 의해 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 연료 전지의 제조 방법은, 도 1에 나타내는 연료 전지의 제조 장치(연료 전지 제조 라인)를 사용하여 실시할 수 있다. 도 1에 나타내는 연료 전지 제조 라인에서는, 각 공정에서 각각 사용되는 토출 장치(20a∼20m), 토출 장치(20a∼20k)를 접속하는 벨트 컨베이어(BC1), 토출 장치(20l,20m)를 접속하는 벨트 컨베이어(BC2), 벨트 컨베이어(BC1,BC2)를 구동시키는 구동장치(58), 연료 전지의 조립을 행하는 조립 장치(60) 및 연료 전지 제조 라인 전체의 제어를 행하는 제어장치(56)로 구성되어 있다.
토출 장치(20a∼20k)는 벨트 컨베이어(BC1)를 따라 소정의 간격으로 일렬로 배치되어 있고, 토출 장치(20l,20m)는 벨트 컨베이어(BC2)를 따라 소정의 간격으로 일렬로 배치되어 있다. 또한, 제어장치(56)는 토출 장치(20a∼20k), 구동장치(58) 및 조립 장치(60)와 접속되어 있다.
이 연료 전지 제조 라인에서는, 구동장치(58)에 의해 구동되는 벨트 컨베이어(BC1)를 구동시켜, 연료 전지의 기판(이하, 단지「기판」이라 함.)을 각 토출 장치(20a∼20k)로 반송하여 각 토출 장치(20a∼20k)에서의 처리가 행해진다. 마찬가지로, 제어장치(56)로부터의 제어 신호에 의거하여 벨트 컨베이어(BC2)를 구동 시켜, 기판을 토출 장치(20l,20m)로 반송하여, 토출 장치(20l,20m)에서의 처리가 행해진다. 또한, 조립 장치(60)에서는, 제어장치(56)로부터의 제어 신호에 의거하여 벨트 컨베이어(BC1 및 BC2)에 의해서 반송되어 온 기판을 사용하여 연료 전지의 조립작업이 행해진다.
토출 장치(20a∼20m)로는, 잉크젯 방식의 토출 장치이면 특별히 제약되지 않는다. 예를 들면, 가열 발포에 의해 기포를 발생하여, 액적의 토출을 행하는 써멀(thermal) 방식의 토출 장치, 피에조 소자를 이용하는 압축에 의해, 액적의 토출을 행하는 피에조 방식의 토출 장치 등을 들 수 있다.
본 실시 형태에서는, 토출 장치(20a)로서, 도 2에 나타내는 것을 사용한다. 토출 장치(20a)는 토출물(34)을 수용하는 탱크(30)와, 탱크(30)와 토출물 반송관(32)을 거쳐서 접속된 잉크젯 헤드(22), 피토출물을 탑재, 반송하는 테이블(28), 잉크젯 헤드(22)내에 체류하는 잉여의 토출물(34)를 흡인하여, 잉크젯 헤드(22)내로부터 과잉의 토출물을 제거하는 흡인 캡(40), 및 흡인 캡(40)에서 흡인된 잉여의 토출물을 수용하는 폐수 탱크(48)로 구성되어 있다.
탱크(30)는 레지스트 용액 등의 토출물(34)을 수용하는 것이고, 탱크(30)내에 수용되어 있는 토출물의 액면(34a)의 높이를 제어하기 위한 액면제어 센서(36)를 구비하는 액면제어 센서(36)는 잉크젯 헤드(22)가 구비하는 노즐 형성면(26)의 선단부(26a)와, 탱크(30)내의 액면(34a)의 높이의 차 h(이하,「수두(水頭)값」이라 함)를 소정의 범위내로 유지하는 제어를 행한다. 예를 들면, 이 수두값이 25m±0.5mm내로 되도록 액면(34a)의 높이를 제어함으로써, 탱크(30)내의 토출물(34)을 소정의 범위내의 압력으로 잉크젯 헤드(22)로 보낼 수 있다. 소정의 범위내의 압력으로 토출물(34)을 보냄으로써, 잉크젯 헤드(22)로부터 필요량의 토출물(34)을 안정하게 토출할 수 있다.
토출물 반송관(32)은 토출물 반송관(32)의 유로내의 대전을 방지하기 위한 토출물 유로부 어스 이음매(32a)와 헤드부 기포 배제변(32b)를 구비한다. 헤드부 기포 배제변(32b)은 후술하는 흡인 캡(40)에 의해, 잉크젯 헤드(22)내의 토출물을 흡인하는 경우에 사용된다.
잉크젯 헤드(22)는 헤드체(24) 및 토출물을 토출하는 다수의 노즐이 형성되어 있는 노즐 형성면(26)을 구비하고, 노즐 형성면(26)의 노즐로부터 토출물, 예를 들면, 반응 가스를 제공하기 위한 가스 유로를 기판상에 형성할 때에 기판에 도포되는 레지스트 용액 등이 토출된다. 테이블(28)은, 소정의 방향으로 이동 가능하게 설치되어 있다. 테이블(28)은, 도면 중 화살표로 나타내는 방향으로 이동함에 의해, 벨트 컨베이어(BC1)에 의해 반송되는 기판을 올려놓아, 토출 장치(20a)내로 보낸다.
흡인 캡(40)은 도 2에 나타내는 화살표 방향으로 이동 가능하게 되어 있고, 노즐 형성면(26)에 형성된 복수의 노즐을 둘러싸도록 노즐 형성면(26)에 밀착하여, 노즐 형성면(26)과의 사이에 밀폐 공간을 형성하여 노즐을 바깥 공기로부터 차단할 수 있는 구성으로 되어 있다. 즉, 흡인 캡(40)에 의해 잉크젯 헤드(22)내의 것을 흡인할 때는, 이 헤드부 기포 배제변(32b)을 닫힌 상태로 하여, 탱크(30)측으로부터 토출물이 유입하지 않는 상태로 하고, 흡인 캡(40)으로 흡인함에 의해, 흡인되는 토출물의 유속을 상승 시켜, 잉크젯 헤드(22)내의 기포를 신속히 배출할 수 있다.
흡인 캡(40)의 하부에는 유로가 마련되어 있고, 이 유로에는, 흡인 밸브(42)가 배치되어 있다. 흡인 밸브(42)는, 흡인 밸브(42)의 아래쪽의 흡인측과, 윗쪽의 잉크젯 헤드(22)측의 압력 밸런스(대기압)를 취하기 위한 시간을 단축할 목적으로 유로를 닫힌 상태로 하는 역할을 한다. 이 유로에는, 흡인 이상을 검출하는 흡인압 검출 센서(44)나 튜브 펌프 등으로 되는 흡인 펌프(46)가 배치되어 있다. 또한, 흡인 펌프(46)에서 흡인, 반송된 토출물(34)은 폐수 탱크(48)내에 일시적으로 수용된다.
본 실시 형태에서는, 토출 장치(20b∼20m)는 토출물(34)의 종류가 다른 것을 제외하고, 토출 장치(20a)와 같은 구성의 것이다. 따라서, 이하에서는, 각 토출 장치의 동일 구성에 대해서는 동일한 부호를 사용하다.
다음에, 도 1에 나타내는 연료 전지 제조 라인을 사용하여, 연료 전지를 제조하는 각 공정을 설명한다. 도 1에 나타내는 연료 전지 제조 라인을 사용하는 연료 전지의 제조 방법의 플로우 차트를 도 3에 나타낸다.
도 3에 나타내는 바와 같이, 본 실시 형태에 의한 연료 전지는, 제1 기판에 가스 유로를 형성하는 공정(S10, 제1 가스 유로 형성 공정), 가스 유로내에 제1 지지부재를 도포하는 공정(S11, 제1 지지부재 도포 공정), 제1 집전층을 형성하는 공정(S12, 제1 집전층 형성 공정), 제1 가스 확산층을 형성하는 공정(S13, 제1 가스 확산층 형성 공정), 제1 반응층 형성 공정(S14, 제1 반응층 형성 공정), 전해질막을 형성하는 공정(S15, 전해질막 형성 공정), 제2 반응층을 형성하는 공정(S16, 제2 반응층 형성 공정), 제2 가스 확산층을 형성하는 공정(S17, 제2 가스 확산층 형성 공정), 제2 집전층을 형성하는 공정(S18, 제2 집전층 형성 공정), 제2 지지부재를 제2 가스 유로내에 도포하는 공정(S19, 제2 지지부재 도포 공정), 및 제2 가스 유로가 형성된 제2 기판을 적층하는 공정(S20, 조립 공정)에 의해 제조된다.
(1)제1 가스 유로 형성 공정(S10)
우선, 도 4(a)에 나타내는 바와 같이, 직사각형 모양의 제1 기판(2)을 준비하고, 기판(2)을 벨트 컨베이어(BC1)에 의해 토출 장치(20a)까지 반송한다. 기판(2)으로는 특별히 제한되지 않고, 실리콘 기판 등의 통상의 연료 전지에 이용되는 것을 사용할 수 있다. 본 실시 형태에서는, 실리콘 기판을 사용하고 있다.
벨트 컨베이어(BC1)에 의해 반송된 기판(2)은, 토출 장치(20a)의 테이블(28)상에 올려놓아, 토출 장치(20a)내로 보내진다. 토출 장치(20a)내에서는, 토출 장치(20a)의 탱크(30)내에 수용되어 있는 레지스트 액이, 노즐 형성면(26)의 노즐을 거쳐서 테이블(28)에 탑재된 기판(2)상의 소정 위치에 도포되어, 기판(2)의 표면에 레지스트 패턴(도면 중, 사선 부분)이 형성된다. 레지스트 패턴은, 도 4(b)에 나타내는 바와 같이, 기판(2) 표면의 제1 반응 가스를 공급하기 위한 제1 가스 유로를 형성하는 부분 이외의 부분에 형성된다.
소정의 위치에 레지스트 패턴이 형성된 기판(2)은, 벨트 컨베이어(BC1)에 의해 토출 장치(20b)로 반송되어, 토출 장치(20b)의 테이블(28)상에 올려져서, 토출 장치(20b)내로 보내진다. 토출 장치(20b)내에서는, 탱크(30)내에 수용되어 있는 불화수소산 수용액 등의 에칭액이, 노즐 형성면(26)의 노즐을 거쳐서 기판(2) 표면에 도포된다. 에칭액에 의해, 레지스트 패턴이 형성되어 있는 부분 이외의 기판(2) 표면부가 에칭되어, 도 5(a)에 나타내는 바와 같이, 기판(2)의 한쪽 측면으로부터 다른쪽 측면으로 뻗은 단면 コ자 형상의 제1 가스 유로가 형성된다. 또한, 도 5(b)에 나타내는 바와 같이, 가스 유로가 형성된 기판(2)은, 도시하지 않은 세정 장치에 의해서 표면이 세정되어, 레지스트 패턴이 제거된다. 그 다음에, 가스 유로가 형성된 기판(2)은 테이블(28)로부터 벨트 컨베이어(BC1)에 옮겨져, 벨트 컨베이어(BC1)에 의해 토출 장치(20c)까지 반송된다.
(2)제1 지지부재 도포 공정(S11)
다음에, 제1 가스 유로가 형성된 기판(2)상에, 제1 집전층을 지지하기 위한 제1 지지부재를 가스 유로내에 도포한다. 제1 지지부재의 도포는 기판(2)을 테이블(28)에 올려놓아 토출 장치(20c)내로 보낸 다음, 토출 장치(20c)에 의해, 탱크(30)내에 수용되어 있는 제1 지지부재(4)를 노즐 형성면(26)의 노즐을 거쳐서, 기판(2)에 형성되어 있는 제1 가스 유로내로 토출함에 의해 행해진다.
사용하는 제1 지지부재로는, 제1 반응 가스에 대해서 불활성이고, 제1 집전층이 제1 가스 유로에 낙하하는 것을 방지하고, 또한, 제1 반응층에 제1 반응 가스가 확산하는 것을 방해하지 않은 것이면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 탄소 입자, 유리 입자 등을 들 수 있다. 본 실시 형태에서는, 직경 1∼5미크론 정도의 입경의 다공질 카본을 사용하고 있다. 소정의 입경을 갖는 다공질 카본을 지지부재로 사용함으로써, 가스 유로를 거쳐서 공급되는 반응 가스가 다공질 카본의 갭으로부터 위로 확산하기 때문에, 반응 가스의 흐름을 방해하지 않게 된다.
제1 지지부재(4)가 도포된 기판(2)의 단면도를 도 6에 나타낸다. 제1 지지부재(4)가 도포된 기판(2)은 테이블(28)에서 벨트 컨베이어(BC1)로 옮겨져, 벨트 컨베이어(BC1)에 의해 토출 장치(20d)까지 반송된다.
(3)제1 집전층 형성 공정(S12)
다음에, 기판(2)상에, 제1 반응 가스가 반응함에 의해 발생한 전자를 모으기 위한 제1 집전층을 형성한다. 우선, 벨트 컨베이어(BC1)에 의해 토출 장치(20d)까지 반송된 기판(2)를, 테이블(28)상에 올려놓아 토출 장치(20d)내로 보낸다. 토출 장치(20d)에서는, 탱크(30)내에 수용되어 있는 집전층 형성용 재료의 일정양을, 노즐의 형성면(26)의 노즐을 거쳐서 기판(2)상에 토출함에 의해, 소정의 패턴을 갖는 제1 집전층을 형성한다.
사용하는 집전층 형성용 재료로는, 도전성 물질을 포함하는 재료이면 특별히 제한되지 않는다. 도전성 물질로는, 예를 들면, 동, 은, 금, 백금, 알루미늄 등을 들 수 있다. 이들은 1종 단독으로, 또는 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다. 집전층 형성용 재료는, 이들 도전성 물질의 적어도 1종을 적당한 용매에 분산시켜, 필요에 따라 분산제를 첨가하여 제조할 수 있다.
본 실시 형태에서는, 집전층 형성용 재료의 도포를 토출 장치(20d)를 사용하여 행하고 있으므로, 간편한 조작에 의해, 소정량을 소정의 위치에 정확히 도포할 수 있다. 따라서, 집전층 형성용 재료의 사용량을 큰폭으로 절약할 수 있고, 소망한 패턴(형상)의 집전층을 효율좋게 형성할 수 있고, 집전층 형성용 재료의 도포 간격을 장소에 따라 변화시킴으로써, 반응 가스의 통기성을 제어하는 것도 용이하게 할 수 있으며, 사용하는 집전층 형성용 재료의 종류를 도포 위치에 따라 변경하는 것도 자유롭게 행할 수 있다.
제1 집전층(6)이 형성된 기판(2)의 단면도를 도 7에 나타낸다. 도 7에 나타내는 바와 같이, 제1 집전층(6)은, 기판(2)에 형성되어 있는 제1 가스 유로내의 제1 지지부재(4)에 의해 지지되어, 제1 가스 유로내로 낙하하지 않도록 되어 있다. 제1 집전층(6)이 형성된 기판(2)은 테이블(28)에서 벨트 컨베이어(BC1)로 옮겨져, 벨트 컨베이어(BC1)에 의해 토출 장치(20e)까지 반송된다.
(4)제1 가스 확산층 형성 공정(S13)
다음에, 기판(2)의 집전층 상에 제1 가스 확산층을 형성한다. 먼저, 벨트 컨베이어(BC1)에 의해 토출 장치(20e)까지 반송된 기판(2)을 테이블(28)상에 올려놓아, 토출 장치(20e)내로 보낸다. 토출 장치(20e)내에서는, 토출 장치(20e)의 탱크(30)내에 수용되어 있는 가스 확산층 형성용 재료를, 노즐 형성면(26)의 노즐을 거쳐서 테이블(28)에 올려져 있는 기판(2) 표면의 소정 위치에 토출하여, 제1 가스 확산층을 형성한다.
사용하는 가스 확산층 형성용 재료로는, 탄소 미립자가 일반적이지만, 카본 나노튜브, 카본 나노폰, 풀러렌(fullerene) 등도 사용할 수 있다. 본 실시 형태에서는, 가스 확산층을 도포 장치(20e)를 사용하여 형성하기 때문에, 예를 들면, 집전층측에는 도포 간격을 크게(수십㎛)하고, 표면측에는 도포 간격을 작게(수십 nm)함으로써, 기판 부근은 유로폭을 크게 하여 반응 가스의 확산 저항을 가능한 한 작게 하면서, 반응층 부근(가스 확산층의 표면측)에서는, 균일하고 좁은 유로로 되어 있는 가스 확산층을 용이하게 형성할 수 있다. 또한, 가스 확산층의 기판측은 탄소 미립자를 사용하고, 표면측은 가스 확산 능력은 낮지만 촉매 담지 능력이 뛰어난 재료를 사용할 수도 있다.
제1 가스 확산층(8)이 형성된 기판(2)의 단면도를 도 8에 나타낸다. 도 8에 나타내는 바와 같이, 제1 가스 확산층(8)은 기판(2)에 형성되어 있는 제1 집전층(6)을 덮도록 기판(2)의 전면에 형성되어 있다. 이 가스 확산층(8)은 다공질층이며, 다음 공정에서 설명하는 바와 같이 가스 확산층(8)의 일부 또는 반응층 형성용 재료를 담지하는 역할을 한다. 제1 가스 확산층(8)이 형성된 기판(2)은 테이블(28)에서 벨트 컨베이어(BC1)로 옮겨져, 벨트 컨베이어(BC1)에 의해 토출 장치(20f)까지 반송된다.
(5)제1 반응층 형성 공정(S14)
다음에, 기판(2)상에 제1 반응층을 형성한다. 제1 반응층은 제1 집전층과 가스 확산층(8)을 거쳐서 전기적으로 접속되도록 형성한다. 우선, 벨트 컨베이어 (BC1)에 의해 토출 장치(20f)까지 반송된 기판(2)을 테이블(28)상에 올려놓아, 토출 장치(20f)내로 보낸다.
다음에, 토출 장치(20f)의 탱크(30)내에 수용되어 있는, 표면장력이 다른 반응층 형성용 재료의 용액 또는 분산액의 소정량을, 가스 확산층(8) 상의 제1 반응층 형성부위에 토출시켜, 가스 확산층(8) 상에 토출된 반응층 형성용 재료의 용액 또는 분산액을 가스 확산층(8)에 함침시킨다. 이 조작을 반복함으로써, 가스 확산층(8) 상에 반응층 형성용 재료의 도막이 형성되는 동시에, 가스 확산층(8)의 표면 부내에, 표면부로부터 기판 방향에 대하여 반응층 형성 재료의 존재량이 연속적으로 변화하는 상태를 얻을 수 있다.
사용하는 반응층 형성용 재료의 용액 또는 분산액으로는, 예를 들면, (a)금속 화합물(금속 착체, 금속염)의 용액, (b)금속 수산화물을 카본 담체에 흡착시킨 금속 담지 카본의 분산액이나, (c)금속 미립자의 분산액 등을 들 수 있다.
상기(a)∼(c)의 용액 및 분산액에 사용하는 금속 화합물, 금속 수산화물, 금속 미립자의 금속으로는, 예를 들면, 백금, 로듐, 루테늄, 이리듐, 팔라듐, 오스뮴 및 이들의 2종 이상으로 되는 합금으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 금속을 들 수 있고, 백금이 특히 바람직하다.
표면장력이 다른 반응층 형성용 재료의 용액 또는 분산액을, 토출 장치를 사용하여 토출시키는 경우에는, 같은 토출 장치(20f)로부터, 표면장력이 다른 반응층 형성용 재료의 용액 또는 분산액을 토출시켜도 좋고, 표면장력이 다른 반응층 형성용 재료의 용액 또는 분산액마다 다른 토출 장치로부터 토출시켜도 좋다. 예를 들면, 토출 장치(20f)에 의해, 표면장력이 상대적으로 작은, 반응층 형성용 재료의 용액 또는 분산액을 토출시킨 뒤, 토출 장치(20f＇)(도시를 생략)에 의해, 표면장력이 상대적으로 큰, 반응층 형성용 재료의 용액 또는 분산액을 토출시키도록 해도 좋다.
본 발명에 의하면, 반응층 형성용 재료의 용액 또는 분산액을, 그 표면장력을 단계적으로(또는 연속적으로) 변화시키면서 가스 확산층(8) 상에 도포·함침시킴으로써, 가스 확산층(8) 중에 표면부로부터 기판측으로 향하여, 반응층 형성용 재료의 존재량이 연속적으로 변화한 구조의 반응층을 형성할 수 있다. 또한, 사용하는 반응층 형성용 재료의 용액 또는 분산액의 표면장력, 도포량을 적당히 설정함으로써, 깊이 방향에 대한 반응층 형성용 재료가 임의의 분포 패턴으로 존재해 있는 반응층을 용이하게 형성할 수 있다.
또한 본 발명에서는, 표면장력이 다른 반응층 형성용 재료의 용액 또는 분산액을 도포하여, 함침시키는 방법으로서, 표면장력이 작은 것으로부터 순차 도포하여, 함침시키는 방법을 사용하는 것이 바람직하다. 이 방법에 의하면, 가스 확산층(8)의 표면측으로부터 제1 집전층으로 향하게 함으로써, 반응층 형성용 재료의 존재량이 연속적으로 작게 되도록 반응층을 용이하게 형성할 수 있다.
또한 본 발명에서는, 반응층 형성 재료의 용액 또는 분산액을 소정간격을 두어 도포하는 것이, 미립자상의 반응층 형성용 재료의 응집을 방지하고, 반응층 형성용 재료가 균일하게 분산된 반응층을 형성할 수 있으므로 바람직하다. 반응층 형성용 재료의 용액 또는 분산액을 도포하는 간격은 반응층 형성용 재료의 용액 또는 분산액의 액적이 착탄시에 서로 접촉하지 않을 정도의 간격이면 특히 제한되지 않지만, 균일하게, 소망양의 반응층 형성용 재료를 갖는 반응층을 효율좋게 형성하는 관점에서, 액적의 크기를 작게 하고(예를 들면, 10피코리터 이하), 도포 간격을 충분히 두는 것(예를 들면, 0.1∼1mm정도)이 바람직하다.
토출 장치(20f)에 의해, 반응층 형성용 재료의 용액 또는 분산액을 도포하여, 가스 확산층(8)에 함침시킴을 반복한 후에는, 반응층 형성용 재료를 용해 또는 분산하고 있는 용매의 제거를 행함으로써, 탄소 입자에 반응층 형성용 재료가 담지된 구조를 얻을 수 있다.
반응층 형성용 재료를 용해 또는 분산하고 있는 용매를 제거하는 방법으로는, 불활성 가스 분위기 하, 상압에서 가열함에 의해 용매를 제거하는 방법, 감압 하에서 가열함에 의해 용매를 제거하는 방법 등을 들 수 있지만, 후자의 방법이 바람직하다.
가열 온도는 낮을수록 바람직하고, 보다 바람직하게는 100℃ 이하, 더 바람직하게는 50℃이하이다. 또한, 용매를 제거하는 처리는 가능한 한 짧은 시간에 행하는 것이 바람직하다. 장시간, 고온에서 용매를 제거하는 경우에는, 토출 장치에 의해 제조한 반응층 형성용 재료의 균일한 분산 상태가 파괴되어, 미립자상의 반응층 형성용 재료가 균일하게 분산한 반응층을 얻을 수 없게 될 우려가 있다.
이상과 같이 하여, 제1 가스 확산층(8)상에 제1 반응층(10)이 형성된 상태 개념도를 도 9에 나타낸다. 도 9에 나타내는 바와 같이, 제1 가스 확산층(8)의 표면부로부터 기판 측을 향하여, 입자상의 반응층 형성용 재료(10a)의 존재량이 연속적으로 작아지는 구조의 제1 반응층(10)이 형성되어 있다. 또한, 도 9에 나타내는 개념도에서는, 제1 가스 확산층(8)의 일부가 제1 반응층(10)을 겸하고 있다.
이상과 같이 하여 제1 반응층(10)이 형성된 기판(2)의 단면도를 도 10에 나타낸다. 제1 반응층(10)이 형성된 기판(2)는 테이블(28)에서 벨트 컨베이어 (BC1)로 옮겨져, 벨트 컨베이어(BC1)에 의해 토출 장치(20g)까지 반송된다.
(6)전해질막 형성 공정(S15)
다음에, 제1 반응층(10)이 형성된 기판(2)상에 전해질막을 형성한다. 우선, 벨트 컨베이어(BC1)에 의해 토출 장치(20g)까지 반송된 기판(2)을, 테이블(28)상에 올려놓아 토출 장치(20g)내로 보낸다. 토출 장치(20g)에서는, 탱크(30)내에 수용되어 있는 전해질막의 형성 재료를 노즐 형성면(26)의 노즐을 거쳐서 제1 반응층(10)상에 토출하여 전해질막(12)을 형성한다.
사용하는 전해질막의 형성 재료로는, 예를 들면, 나피온(듀퐁사제) 등의 퍼플루오로설폰산을, 물과 메탄올의 중량비가 1：1인 혼합 용액중에서 미셀화하여 얻어진 고분자 전해질 재료나, 텅스토인산, 몰리브도인산 등의 세라믹스계 고체 전해질을 소정의 점도(예를 들면, 20mPa·s 이하)로 조정한 재료 등을 들 수 있다.
전해질막이 형성된 기판(2)의 단면도를 도 11에 나타낸다. 도 11에 나타내는 바와 같이, 제1 반응층(10)상에 소정의 두께를 가진 전해질막(12)이 형성되어 있다. 전해질막(12)이 형성된 기판(2)는, 테이블(28)에서 벨트 컨베이어(BC1)로 옮겨져, 벨트 컨베이어(BC1)에 의해 토출 장치(20h)까지 반송된다.
(7)제2 반응층 형성 공정(S16)
다음에, 전해질막(12)이 형성된 기판(2)상에 제2 반응층을 형성한다. 제2 반응층은 가스 유로 및 가스 확산층이 형성된 기판상에, 불활성 가스를 상기 가스 유로 중을 흘리면서, 반응층 형성용 재료를 도포하여 형성한다.
우선, 벨트 컨베이어(BC1)에 의해 토출 장치(20h)까지 반송된 기판(2)을, 테이블(28) 상에 올려놓아 토출 장치(20h)내로 보낸다. 토출 장치(20h)에서는, 토출 장치(20f)에서 행해진 처리와 같은 처리에 의해, 제2 반응층(10＇)을 형성한다. 제2 반응층(10＇)을 형성하는 재료로는, 제1 반응층과 같은 것을 사용할 수 있다.
전해질막(12) 상에 제2 반응층(10')이 형성된 기판(2)의 단면도를 도 12에 나타낸다. 도 12에 나타내는 바와 같이, 전해질막(12) 상에 제2 반응층(10＇)이 형성되어 있다. 제2 반응층(10＇)에서는, 제2 반응 가스의 반응이 행해진다. 제2 반응층(10＇)이 형성된 기판(2)은 테이블(28)에서 벨트 컨베이어 (BC1)로 옮겨져, 벨트 컨베이어(BC1)에 의해 토출 장치(20i)까지 반송된다.
(8)제2 가스 확산층 형성 공정(S17)
다음에, 제2 반응층(10＇)이 형성된 기판(2)상에 제2 가스 확산층을 형성한다. 우선, 벨트 컨베이어(BC1)에 의해 토출 장치(20i)까지 반송된 기판(2)을, 테이블(28)상에 올려놓아 토출 장치(20i)내로 보낸다. 토출 장치(20i)에서는, 토출 장치(20e)에서 행해진 처리와 같은 처리에 의해, 제2 가스 확산층(8＇)을 형성한다. 제2 가스 확산층 형성용 재료로는, 제1 가스 확산층(8)과 같은 것을 사용할 수 있다.
제2 가스 확산층(8＇)이 형성된 기판(2)의 단면도를 도 13에 나타낸다. 제2 가스 확산층(8＇)이 형성된 기판(2)는 테이블(28)로부터 벨트 컨베이어(BC1)에 옮겨져, 벨트 컨베이어(BC1)에 의해 토출 장치(20j)까지 반송된다.
(9)제2 집전층 형성 공정(S18)
다음에, 제2 가스 확산층(8＇)이 형성된 기판(2)상에 제2 집전층을 형성한다. 우선, 벨트 컨베이어(BC1)에 의해 토출 장치(20j)까지 반송된 기판(2)을, 테이블(28)상에 올려놓아 토출 장치(20j)내로 보내어, 토출 장치(20d)에서 행해진 처리와 같은 처리에 의해, 제2 집전층(6＇)을 제2 가스 확산층(8＇)상에 형성한다. 제2 집전층 형성용 재료로는, 제1 집전층 형성용 재료와 같은 것을 사용할 수 있다. 제2 집전층(6＇)이 형성된 기판(2)은 테이블(28)로부터 벨트 컨베이어(BC1)에 옮겨져, 벨트 컨베이어(BC1)에 의해 토출 장치(20k)까지 반송된다.
(10)제2 지지부재 도포 공정(S19)
다음에, 벨트 컨베이어(BC1)에 의해 토출 장치(20k)까지 반송된 기판(2)을, 테이블(28)상에 올려놓아 토출 장치(20k)내로 보내어, 토출 장치(20c)에서 행해진 처리와 같은 처리에 의해, 제2 지지부재를 도포한다. 제2 지지부재로는, 제1 지지부재와 같은 것을 사용할 수 있다.
제2 집전층(6＇) 및 제2 지지부재(4＇)가 도포된 기판(2)의 단면도를 도 14에 나타낸다. 제2 지지부재(4＇)는 제2 집전층(6＇)상에 형성되어, 기판(2) 상에 적층하는 제2 기판에 형성되어 있는 제2 가스 유로내에 수용되는 위치에 도포되어 있다.
(11)제2 기판 조립 공정(S20)
다음에, 제2 지지부재(4＇)가 도포된 기판(2)과, 별도 준비한 제2 가스 유로가 형성된 제2 기판을 적층한다. 기판(2)(제1 기판)과 제2 기판의 적층은, 기판(2)상에 형성된 제2 지지부재(4＇)가, 제2 기판에 형성된 제2 가스 유로내에 수용되도록 접합함에 의해 행해진다. 여기서, 제2 기판으로는 제1 기판과 동일한 것을 사용할 수 있다. 또한, 제2 가스 유로 형성은 토출 장치(20l 및 20m)에서, 토출 장치(20a 및 20b)에 의해 행해지는 처리와 같은 처리에 의해 행해진다.
이상과 같이 하여, 도 15에 나타내는 구조의 연료 전지를 제조할 수 있다. 도 15에 나타내는 연료 전지는 도면 중, 하측으로부터, 제1 기판(2)과, 제1 기판(2)에 형성된 제1 가스 유로(3)와, 제1 가스 유로(3)내에 수용된 제1 지지부재(4)와, 제1 기판(2) 및 제1 지지부재(4) 상에 형성된 제1 집전층(6)과, 제1 가스 확산층(8)과, 제1 가스 확산층(8) 상에 형성된 제1 반응층(10)과, 전해질막(12)과, 제2 반응층(10＇)과, 제2 가스 확산층(8＇)과, 제2 집전층(6＇)과, 제2 가스 유로(3＇)와, 제2 가스 유로(3＇)내에 수용된 제2 지지부재(4＇)와, 제2 기판(2＇)으로 구성되어 있다.
도 15에 나타내는 연료 전지의 제1 반응층(10) 및 제2 반응층(10＇)은, 반응층 형성용 재료가 탄소 입자에 담지되어 이루어지고, 상기 반응층 형성용 재료의 존재량이, 상기 반응층의 집전층측보다도 전해질막측이 높게 되도록 형성되어 있다. 따라서, 균일한 소망양의 금속 미립자를 갖는 반응층이 효율좋게 형성되어 있어, 저비용으로, 출력 밀도가 높고, 특성이 양호한 연료 전지로 되어 있다.
또한, 도 15에 나타내는 연료 전지에서는, 기판(2)에 형성되어 있는 한쪽 측면에서 다른쪽 측면으로 뻗은 コ자형의 제1 가스 유로와 기판(2＇)에 형성되어 있는 제2 가스 유로가 평행으로 되도록 기판(2＇)이 배치되어 있다.
본 실시 형태에 의한 연료 전지의 종류는 특별히 제약되지 않는다. 예를 들면, 고분자 전해질형 연료 전지, 인산형 연료 전지, 다이렉트 메탄올 타입의 연료 전지 등을 들 수 있다.
도 15에 나타내는 연료 전지는, 다음과 같이 동작한다. 즉, 제1 기판(2)의 제1 가스 유로(3)로부터 제1 반응 가스가 도입되어, 가스 확산층(8)에 의해 균일하게 확산되어, 확산된 제1 반응 가스가 제1 반응층(10)에서 반응하여 이온과 전자가 발생하고, 발생한 전자는 제1 집전층(6)에 모아져, 제2 기판(2＇)의 제2 집전층(6＇)으로 흐르고, 제1 반응 가스에 의해 생긴 이온은 전해질막(12) 중을 통하여 제2 반응층(10＇)으로 이동한다. 한편, 제2 기판(2＇)의 제2 가스 유로(3＇)로부터 제2 반응 가스가 도입되어, 제2 가스 확산층(8＇)에 의해 균일하게 확산되어, 확산된 제2 반응 가스가 제2 반응층(10＇)에서, 전해질막(12) 중을 이동해 온 이온 및 제2 집전층(6＇)으로부터 이송된 전자와 반응한다. 예를 들면, 제1 반응 가스가 수소 가스이고, 제2 반응 가스가 산소 가스인 경우에는, 제1 반응층(10)에서는 H2→2H＋＋2e－의 반응이 진행하고, 제2 반응층(10＇)에서는, 1／202 ＋2H＋＋2e－ →H20의 반응이 진행한다.
상술한 실시 형태에 의한 연료 전지의 제조 방법에서는, 모든 공정에서 토출 장치를 사용하고 있지만, 연료 전지를 제조하는 어느 공정에서 토출 장치를 사용하여 연료 전지를 제조할 수도 있다. 예를 들면, 토출 장치를 사용하여 반응층 형성용 재료를 도포하여, 제1 반응층 및／또는 제2 반응층을 형성하고, 기타의 공정에서는 종래와 같은 공정에 의해 연료 전지를 제조해도 좋다. 이 경우에도, MEMS(Micro Electro　Mechanical System)를 사용하지 않고 반응층을 형성할 수 있기 때문에, 연료 전지의 제조 비용을 낮게 억제할 수 있다.
상술한 실시 형태의 제조 방법에서는, 기판 상에 레지스트 패턴을 형성하고, 불화수소산 수용액을 도포하여 에칭을 행함으로써 가스 유로를 형성하고 있지만, 레지스트 패턴을 형성하지 않고 가스 유로를 형성할 수도 있다. 또한, 불소 가스 분위기 중에 기판을 올려놓고, 기판상의 소정의 위치에 물을 토출함으로써 가스 유로를 형성하도록 해도 좋다. 또한, 기판 상에 가스 유로 형성용 재료를 토출 장치를 사용하여 도포하여 가스 유로를 형성해도 좋다.
상술한 실시 형태의 제조 방법에서는, 제1 반응 가스가 공급되는 제1 기판측에서부터 연료 전지의 구성 부분을 형성하고, 마지막에 제2 기판을 적층함으로써 연료 전지의 제조를 행하고 있지만, 제2 반응 가스가 공급되는 측의 기판에서부터 연료 전지의 제조를 개시하도록 해도 좋다.
상술한 실시 형태의 제조 방법에서는, 제2 지지부재를 제1 기판에 형성되어 있는 제1 가스 유로를 따라 도포하고 있지만, 제1 가스 유로와 교차하는 방향으로 도포해도 좋다. 즉, 제2 지지부재를, 예를 들면, 제1 기판에 형성되어 있는 가스 유로와 직각으로 교차하도록, 예를 들면, 도 5(b)에서 도면 중 우측면에서 좌측면으로 뻗은 방향으로 도포하도록 해도 좋다. 이 경우에는, 제2 기판에 형성되어 있는 제2 가스 유로와, 제1 기판에 형성되어 있는 제1 가스 유로가, 직각으로 교차하도록 제2 기판이 배치된 구조의 연료 전지가 얻어진다.
상술한 실시 형태의 제조 방법에서는, 제1 가스 유로가 형성된 제1 기판 상에, 제1 집전층, 제1 반응층, 전해질막, 제2 반응층 및 제2 집전층을 순차 형성하고 있지만, 제1 기판과 제2 기판의 각각에 집전층, 반응층 및 전해질막을 형성하고, 마지막으로 제1 기판과 제2 기판을 접합함에 의해, 연료 전지를 제조할 수도 있다.
본 실시 형태의 연료 전지 제조 라인에서는, 제1 기판에 처리를 행하는 제1 제조 라인과 제2 기판에 처리를 행하는 제2 제조 라인을 마련하여, 각각의 제조 라인에서의 처리를 평행하여 행하는 제조 라인을 사용하고 있다. 따라서, 제1 기판에의 처리와 제2 기판에의 처리를 평행하여 행할 수 있기 때문에, 신속히 연료 전지를 제조할 수 있다.
3) 전자 기기 및 자동차
본 발명의 전자 기기는, 상술한 연료 전지를 전력 공급원으로서 구비하는 것을 특징으로 한다. 전자 기기로서는, 휴대 전화기, PHS, 모바일, 노트북 컴퓨터, PDA(휴대 정보 단말), 휴대 화상 전화기 등을 들 수 있다. 또한, 본 발명의 전자 기기는, 예를 들면, 게임 기능, 데이터 통신 기능, 녹음 재생 기능, 사전 기능 등의 다른 기능을 가지고 있어도 좋다. 본 발명의 전자 기기에 의하면, 지구 환경을 적절히 배려한 클린 에너지를 전력 공급원으로서 구비할 수 있다.
본 발명의 자동차는, 상술한 연료 전지를 전력 공급원으로서 구비하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 제조 방법에 의하면, 복수의 연료 전지를 적층함에 의해 대형의 연료 전지를 제조할 수도 있다. 즉, 도 16에 나타내는 바와 같이, 제조한 연료 전지의 기판(2＇)의 이면에 가스 유로를 더 형성하고, 가스 유로가 형성된 기판(2＇)의 이면상에, 상술한 연료 전지의 제조 방법에서의 제조 공정과 동일하게 하여 가스 확산층, 반응층, 전해질막 등을 형성하여 연료 전지를 적층함에 의해서 대형의 연료 전지를 제조할 수 있다. 본 발명의 자동차에 의하면, 지구 환경을 적절히 배려한 클린 에너지를 전력 공급원으로서 구비할 수 있다.
본 발명에 의하면, 기능성 재료의 존재량이 깊이 방향에 대해서 소망한 농도 분포를 갖도록, 기능성 재료가 다공질 물질에 담지되어 이루어지는 기능성 다공질층을 효율좋게 형성하는 방법, 이 방법을 반응층의 형성에 적용한 연료 전지의 제조 방법, 및 이 제조 방법에 의해 얻어지는 연료 전지를 전력 공급원으로서 구비하는 전자 기기 및 자동차를 제공할 수 있게 된다.
도 1은 실시 형태에 의한 연료 전지의 제조 라인의 일례를 나타낸 도면.
도 2는 실시 형태에 의한 잉크젯식 토출 장치의 개략도.
도 3은 실시 형태에 의한 연료 전지의 제조 방법의 플로우 챠트.
도 4는 실시 형태에 의한 연료 전지의 제조 과정의 기판의 단면도.
도 5는 실시 형태에 의한 가스 유로를 형성하는 처리를 설명하는 도면.
도 6은 실시 형태에 의한 연료 전지의 제조 과정의 기판의 단면도.
도 7은 실시 형태에 의한 연료 전지의 제조 과정의 기판의 단면도.
도 8은 실시 형태에 의한 연료 전지의 제조 과정의 기판의 단면도.
도 9는 실시 형태에 의한 반응층의 개념도.
도 10은 실시 형태에 의한 연료 전지의 제조 과정의 기판의 단면도.
도 11은 실시 형태에 의한 연료 전지의 제조 과정의 기판의 단면도.
도 12는 실시 형태에 의한 연료 전지의 제조 과정의 기판의 단면도.
도 13은 실시 형태에 의한 연료 전지의 제조 과정의 기판의 단면도.
도 14는 실시 형태에 의한 연료 전지의 제조 과정의 기판의 단면도.
도 15는 실시 형태에 의한 연료 전지의 단면도.
도 16은 실시 형태에 의한 연료 전지를 적층한 대형 연료 전지의 도면.
[부호의 설명]
2…제1 기판, 2＇…제2 기판, 3…제1 가스 유로, 3＇…제2 가스 유로, 4…제1 지지부재, 4＇…제2 지지부재, 6…제1 집전층, 6＇…제2 집전층, 8…제1 가스 확산층, 8＇…제2 가스 확산층, 10a…반응층 형성용 재료, 10…제1 반응층, 10＇…제2 반응층, 12…전해질막, 20a∼20m…토출 장치, BC1,BC2…벨트 컨베이어

Claims (22)

  1. 기능성 재료가 다공질 물질에 담지되어 이루어지는 기능성 다공질층의 형성 방법으로서, 표면장력이 다른 복수종의, 기능성 재료의 용액 또는 분산액을 다공질층에 도포하고, 상기 표면장력의 차이에 의해, 상기 기능성 재료의 상기 다공질층의 깊이 방향으로의 침투를 제어하는 것을 특징으로 하는 기능성 다공질층의 형성 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기능성 다공질층을, 표면장력이 다른 복수종의, 기능성 재료의 용액 또는 분산액을 다공질층에 도포하고, 상기 용액 또는 분산액에 함유되는 용매를 제거함에 의해 형성하는 것을 특징으로 하는 기능성 다공질층의 형성 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    다공질층의 깊이 방향으로 기능성 재료의 존재량이 변화하도록 기능성 다공질층을 형성하는 것을 특징으로 하는 기능성 다공질층의 형성 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    기능성 재료의 용액 또는 분산액을 다공질층에 도포하여, 그 다공질층에 기능성 재료의 용액 또는 분산액을 함침시키는 공정을, 표면장력이 다른 상기 기능성 재료의 용액 또는 분산액을 사용하여 복수회 반복하는 것을 특징으로 하는 기능성 다공질층의 형성 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 기능성 재료의 용액 또는 분산액의 농도를 각 회마다 변경하는 것을 특징으로 하는 기능성 다공질층의 형성 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    제1 기능성 재료의 용액 또는 분산액을 다공질층에 도포하여, 상기 제1 기능성 재료의 용액 또는 분산액을 다공질층에 함침시킨 뒤, 상기 제1 기능성 재료의 용액 또는 분산액보다 큰 표면 장력을 갖는, 제2 기능성 재료의 용액 또는 분산액을 상기 다공질층에 도포하여, 제2 기능성 재료의 용액 또는 분산액을 함침시키는 것을 특징으로 하는 기능성 다공질층의 형성 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 표면장력이 다른 기능성 재료의 용액 또는 분산액으로서, 기능성 재료를 종류가 다른 용매에 용해 또는 분산시켜 제조한 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 기능성 다공질층의 형성 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 다공질층이 탄소계 물질 입자로 이루어지는 다공질층인 것을 특징으로 하는 기능성 다공질층의 형성 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 기능성 다공질층이 백금, 로듐, 루테늄, 이리듐, 팔라듐, 오스뮴 및 이들의 2종 이상으로 이루어지는 합금으로 구성되는 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 금속의 미립자가, 탄소계 물질 입자에 담지되어 이루어지는 것임을 특징으로 하는 기능성 다공질층의 형성 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 기능성 재료의 용액 또는 분산액로서, 백금, 로듐, 루테늄, 이리듐, 팔라듐, 오스뮴 및 이들의 2종 이상으로 이루어지는 합금으로 구성되는 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 금속의 미립자 또는 그 금속의 화합물의 용액 또는 분산액을 사용하는 것을 특징으로 하는 기능성 다공질층의 형성 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 기능성 다공질층이 제1 집전층, 제1 반응층, 전해질막, 제2 반응층, 제2 집전층이 이 순서로 형성되어 이루어지는 연료 전지의 상기 제1 반응층 및 제2 반응층 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 기능성 다공질층의 형성 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 기능성 재료의 용액 또는 분산액의 도포를, 토출 장치를 사용하여 행하는 것을 특징으로 하는 기능성 다공질층의 형성 방법.
  13. 제1 집전층, 제1 반응층, 전해질막, 제2 반응층, 제2 집전층을 형성하는 연료 전지의 제조 방법으로서, 상기 제1 반응층 및 제2 반응층 중 적어도 하나를, 표면장력이 다른 복수종의, 반응층 형성용 재료의 용액 또는 분산액을 탄소계 물질 입자로 이루어지는 다공질층에 도포하고, 상기 용액 또는 분산액에 함유되는 용매를 제거함으로써 형성하는 것을 특징으로 하는 연료 전지의 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 반응층 및 제2 반응층 중 적어도 하나를, 탄소계 물질 입자로 이루어지는 다공질층의 깊이 방향으로 상기 반응층 형성용 재료의 존재량이 변화하도록, 반응층 형성용 재료가 탄소계 물질 입자에 담지되어 이루어지는 반응층을 형성하는 것을 특징으로 하는 연료 전지의 제조 방법.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    상기 제1 반응층 및 제2 반응층의 적어도 하나를, 반응층 형성용 재료의 용액 또는 분산액을 탄소계 물질 입자로 이루어지는 다공질층에 도포하여, 그 다공질층에 반응층 형성용 재료의 용액 또는 분산액을 함침시키는 공정을 표면장력이 다른 반응층 형성용 재료의 용액 또는 분산액을 사용하여 반복함으로써 형성하는 것을 특징으로 하는 연료 전지의 제조 방법.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 제1 반응층 및 제2 반응층의 적어도 하나를, 제1 반응층 형성용 재료의 용액 또는 분산액을 탄소계 물질 입자로 이루어지는 다공질층에 도포하여, 상기 제1 반응층 형성용 재료의 용액 또는 분산액을 함침시킨 뒤, 상기 제1 반응층 형성용 재료의 용액 또는 분산액보다 큰 표면장력을 갖는, 제2 반응층 형성용 재료의 용액 또는 분산액을 상기 탄소계 물질 입자로 이루어지는 다공질층에 도포하여, 제2 반응층 형성용 재료의 용액 또는 분산액을 함침시킴으로써 형성하는 것을 특징으로 하는 연료 전지의 제조 방법.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 표면장력이 다른 반응층 형성용 재료의 용액 또는 분산액으로서, 반응층 형성용 재료를 종류가 다른 용매에 용해 또는 분산시켜 제조한 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 연료 전지의 제조 방법.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 제1 반응층 및 제2 반응층의 적어도 하나를, 제1 집전층상 또는 제2 집전층상에 탄소계 물질 입자를 도포함에 의해 탄소계 물질 입자로 이루어지는 다공질층을 형성하고, 그 다음에, 표면장력이 다른 복수종의, 반응층 형성용 재료의 용액 또는 분산액을 상기 탄소계 물질 입자로 이루어지는 다공질층에 도포하고, 상기 용액 또는 분산액에 함유되는 용매를 제거함으로써 형성하는 것을 특징으로 하는 연료 전지의 제조 방법.
  19. 제13항에 있어서,
    상기 반응층 형성용 재료의 용액 또는 분산액의 도포를, 토출 장치를 사용하여 행하는 것을 특징으로 하는 연료 전지의 제조 방법.
  20. 제13항에 있어서,
    상기 제1 반응층 및 제2 반응층의 적어도 하나가, 금속 미립자가 탄소계 물질 입자에 담지되어 이루어지고, 그 금속 미립자의 존재량이 상기 반응층의 집전층측보다도 전해질막측이 높아지도록 형성하는 것을 특징으로 하는 연료 전지의 제조 방법.
  21. 제13항 기재의 제조 방법에 의해 제조된 연료 전지를 전력 공급원으로서 구비하는 것을 특징으로 하는 전자 기기.
  22. 제13항 기재의 제조 방법에 의해 제조된 연료 전지를 전력 공급원으로서 구비하는 것을 특징으로 하는 자동차.
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