KR100615937B1 - 연료 전지의 제조 방법 - Google Patents

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KR100615937B1
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세이코 엡슨 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 촉매가 균일하게 도포되어, 반응 효율이 높은 반응층을 구비한 연료 전지를 제조하는 연료 전지의 제조 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.
제어 장치(56)로부터의 신호에 의거하여 구동 장치(58)에 의해 구동되는 벨트 콘베이어(BC1)에 의해 반송된 제 1 기판에, 토출 장치(20a, 20b)에서 제 1 가스 유로를 형성한다. 다음으로, 벨트 콘베이어(BC1)에 의해 반송된 제 1 기판에, 토출 장치(20d)에서 제 1 집전층을 형성한다. 다음으로, 토출 장치(20f)에서 복수 회(回), 각각 다른 장소에 촉매 용액을 도포함으로써 제 1 반응층을 형성한다. 다음으로, 토출 장치(20g)에서 전해질막을 형성한다. 동일한 처리에 의해 토출 장치(20h)에서 제 2 반응층을, 토출 장치(20j)에서 제 2 집전층을 형성한다. 그리고, 토출 장치(20l, 20m)에서 제 2 가스 유로가 형성된 제 2 기판을, 제 1 기판 상의 소정의 위치에 배치하여 연료 전지의 제조를 완료한다.
연료 전지, 토출 장치, 벨트 콘베이어, 가스 유로, 노즐 형성면, 가스 확산층, 전해질막

Description

연료 전지의 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING A FUEL CELL}
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 연료 전지의 제조 라인의 일례를 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 실시형태에 따른 잉크젯식 토출 장치의 개략도.
도 3은 본 발명의 실시형태에 따른 연료 전지의 제조 방법의 플로 챠트.
도 4는 본 발명의 실시형태에 따른 가스 유로의 형성 처리를 설명하는 도면.
도 5는 본 발명의 실시형태에 따른 가스 유로의 형성 처리를 설명하는 다른 도면.
도 6은 본 발명의 실시형태에 따른 연료 전지 제조 과정의 기판의 단면도.
도 7은 본 발명의 실시형태에 따른 연료 전지 제조 과정의 기판의 단면도.
도 8은 본 발명의 실시형태에 따른 연료 전지 제조 과정의 기판의 단면도.
도 9는 본 발명의 실시형태에 따른 반응층의 형성 처리를 설명하는 도면.
도 10은 본 발명의 실시형태에 따른 반응층의 형성 처리를 설명하는 도면.
도 11은 본 발명의 실시형태에 따른 반응층의 형성 처리를 설명하는 도면.
도 12는 본 발명의 실시형태에 따른 반응층의 형성 처리를 설명하는 도면.
도 13은 본 발명의 실시형태에 따른 연료 전지 제조 과정의 기판의 단면도.
도 14는 본 발명의 실시형태에 따른 연료 전지 제조 과정의 기판의 단면도.
도 15는 본 발명의 실시형태에 따른 연료 전지 제조 과정의 기판의 단면도.
도 16은 본 발명의 실시형태에 따른 연료 전지 제조 과정의 기판의 단면도.
도 17은 본 발명의 실시형태에 따른 연료 전지 제조 과정의 기판의 단면도.
도 18은 본 발명의 실시형태에 따른 연료 전지의 기판의 단면도.
도 19는 본 발명의 실시형태에 따른 연료 전지를 적층시킨 대형 연료 전지의 도면.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
2, 2′ : 기판
4, 4′ : 지지용 카본
6, 6′ : 집전층
8, 8′ : 가스 확산층
10, 10′ : 반응층
10a, 10b : 액적(液滴)
12 : 전해질막
20a∼20m : 토출 장치
BC1, BC2 : 벨트 콘베이어
본 발명은 다른 종류의 반응 가스를 각각의 전극에 공급하고, 공급된 반응 가스에 의거한 반응에 의해 발전(發電)을 행하는 연료 전지의 제조 방법에 관한 것이다.
종래, 이온(ion)을 통과시키는 성질을 가진 전해질(電解質)을 전자를 통과시키는 성질을 가진 다공질(多孔質)의 전극 사이에 끼운 연료 전지가 존재한다. 이 연료 전지 중에는 수소 또는 알콜 등을 연료로 하여 발전하는 것이 존재한다. 이와 같은 연료 전지 중, 예를 들면 수소를 연료로서 사용하는 연료 전지에서는 한쪽의 전극에 수소를 포함하는 제 1 반응 가스를 공급하고, 다른 쪽의 전극에 산소를 포함하는 제 2 반응 가스를 공급하여, 제 1 반응 가스에 포함되어 있는 수소와 제 2 반응 가스에 포함되어 있는 산소에 의거한 반응에 의해 발전이 행하여진다.
연료 전지에서는 반응을 촉진시키는 촉매로서 백금을 사용한 반응층을 형성하고 있는 경우가 많다. 이 반응층은 가스 확산층을 구성하는 카본 위에 염화백금산 용액, 또는 백금을 담지(擔持)한 백금 담지 카본을 분산시킨 용액을 분무 스프레이를 사용하여 분무 등을 함으로써 형성되어 있다(특허문헌 1 [일본국 특허 공개 2002-298860호 공보] 참조).
그런데, 반응 효율이 높고 특성이 좋은 연료 전지를 제조하기 위해서는 촉매를 균일하게 도포한 반응층을 형성할 필요가 있다. 그러나, 스프레이를 사용하여 백금 담지 카본을 분산시킨 용액을 분무하는 등의 경우, 균일하게 도포하는 것이 곤란함과 동시에 고가의 재료인 백금을 불필요하게 도포해 버릴 가능성이 있다. 또한, 백금 미립자를 분산시킨 용액이 중복하여 도포되는 등에 의해 불필요하게 백 금 미립자를 분산시킨 용액이 도포된 경우, 분산제(分散劑)를 제거하기 위한 소성(燒成) 등의 처리에서 백금 미립자의 결정이 커져 버린다. 이 경우, 백금 미립자와 반응 가스가 접촉하는 면적이 전체적으로 감소하고, 연료 전지 전체로서의 반응 효율이 저하한다고 하는 문제가 있다.
본 발명의 과제는 촉매가 균일하게 도포되어, 반응 효율이 높은 반응층을 구비한 연료 전지를 용이하게 제조할 수 있는 연료 전지의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 연료 전지의 제조 방법은, 제 1 반응 가스를 공급하기 위한 제 1 가스 유로(流路)를 제 1 기판에 형성하는 제 1 가스 유로 형성 공정과, 상기 제 1 가스 유로를 통하여 공급된 제 1 반응 가스가 반응함으로써 발생한 전자를 모으는 제 1 집전층(集電層)을 형성하는 제 1 집전층 형성 공정과, 상기 제 1 가스 유로를 통하여 공급된 제 1 반응 가스에 의거하여 반응을 행하는 제 1 반응층을 형성하는 제 1 반응층 형성 공정과, 전해질막(電解質膜)을 형성하는 전해질막 형성 공정과, 제 2 반응 가스를 공급하기 위한 제 2 가스 유로를 제 2 기판에 형성하는 제 2 가스 유로 형성 공정과, 상기 제 2 가스 유로를 통하여 공급된 제 2 반응 가스가 반응하기 위해 필요한 전자를 공급하는 제 2 집전층을 형성하는 제 2 집전층 형성 공정과, 상기 제 2 가스 유로를 통하여 공급된 제 2 반응 가스에 의거하여 반응을 행하는 제 2 반응층을 형성하는 제 2 반응층 형성 공정을 포함하는 연료 전지의 제조 방법에 있어서, 상기 제 1 반응층 형성 공정 및 상기 제 2 반응층 형성 공 정 중 적어도 어느 한쪽은, 토출 장치를 사용하여 기판 상에 복수 회(回), 각각 다른 위치에 촉매 재료를 포함하는 촉매 용액을 도포함으로써 반응층을 형성하는 것을 특징으로 한다.
이 연료 전지의 제조 방법에 의하면, 제 1 반응층 및 제 2 반응층 중 적어도 어느 한쪽은 기판 상에 복수 회, 각각 다른 위치에 촉매 재료를 포함하는 촉매 용액을 도포함으로써 형성되어 있다. 따라서, 기판 상에 촉매 용액을 균일하게 도포할 수 있고, 반응 효율이 높은 연료 전지를 용이하게 제조할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 연료 전지의 제조 방법은, 상기 제 1 반응층 형성 공정 및 상기 제 2 반응층 형성 공정 중 적어도 어느 한쪽이, 상기 기판 상에 상기 촉매 용액을 도포하는 제 1 도포 공정과, 상기 제 1 도포 공정에서 상기 기판 상에 상기 촉매 용액이 도포된 후에, 상기 기판 상에 상기 촉매 용액을 더 도포하는 제 2 도포 공정을 포함하며, 상기 제 2 도포 공정에서, 상기 제 1 도포 공정에서 상기 기판 상에 도포된 상기 촉매 용액의 액적(液滴)과 중복되지 않는 위치에, 상기 촉매 용액을 도포함으로써 반응층을 형성하는 것을 특징으로 한다.
이 연료 전지의 제조 방법에 의하면, 제 1 반응층 또는 제 2 반응층 중 적어도 어느 한쪽은 도포되어 있는 촉매 용액의 액적과 겹치지 않도록, 촉매 용액의 액적을 더 도포함으로써 형성되어 있다. 따라서, 기판 상의 단위 면적당 도포되는 촉매 용액의 양이 불필요하게 많아지는 것을 방지하여, 백금 미립자를 균일하게 분산시킬 수 있다. 즉, 단위 면적당에 있어서, 백금 미립자를 작은 결정인 채로 분산시킴으로써, 백금 미립자를 균일하게 분산시킨 반응 효율이 높은 반응층을 구비 한 연료 전지를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 연료 전지의 제조 방법은, 상기 제 1 반응층 형성 공정 및 상기 제 2 반응층 형성 공정 중 적어도 어느 한쪽이, 상기 기판 상에 상기 촉매 용액을 도포하는 제 1 도포 공정과, 상기 제 1 도포 공정에서 상기 기판 상에 상기 촉매 용액이 도포된 후에, 도포된 상기 촉매 용액을 건조시키는 중간 건조 공정과, 상기 중간 건조 공정에서, 상기 제 1 도포 공정에서 상기 기판 상에 도포된 상기 촉매 용액의 건조가 행하여진 후에, 상기 기판 상에 상기 촉매 용액을 더 도포하는 제 2 도포 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이 연료 전지의 제조 방법에 의하면, 제 1 반응층 및 제 2 반응층 중 적어도 어느 한쪽은 도포된 촉매 용액의 건조가 행하여진 후에, 촉매 용액을 더 도포함으로써 형성되어 있다. 예를 들면, 표면장력(表面張力)이 강하여 건조시키기 어려운 촉매 용액을 계속해서 도포한 경우, 근방에 존재하는 촉매 용액의 액적이 결합하여 하나의 큰 액적이 되며, 분산제를 제거하는 처리를 실시한 경우에 백금 미립자의 결정이 커지게 될 가능성이 높다. 따라서, 촉매 용액을 복수 회 도포하는 처리와 처리 사이에 중간 건조를 행함으로써, 표면장력이 강한 촉매 용액을 사용한 경우에도, 촉매를 균일하게 분산시킨 반응층을 형성하고, 반응 효율이 높은 연료 전지를 용이하게 제조할 수 있다.
또한, 본 발명의 연료 전지의 제조 방법은, 상기 제 1 반응층 형성 공정 및 상기 제 2 반응층 형성 공정 중 적어도 어느 한쪽이, 상기 기판 상에 상기 촉매 용액을 도포하는 제 1 도포 공정과, 상기 제 1 도포 공정에서 상기 기판 상에 상기 촉매 용액이 도포된 후에, 상기 기판 상에 상기 촉매 용액을 더 도포하는 제 2 도포 공정을 포함하고, 상기 제 2 도포 공정에서 상기 제 1 도포 공정과 액적의 크기가 다른 상기 촉매 용액을 상기 기판 상에 도포함으로써 반응층을 형성하는 것을 특징으로 한다.
이 연료 전지의 제조 방법에 의하면, 제 1 반응층 및 제 2 반응층 중 어느 한쪽은 도포된 촉매 용액의 액적과 다른 크기의 액적으로 촉매 용액을 더 도포함으로써 형성되어 있다. 예를 들면, 1회째에 도포된 촉매 용액의 액적과 액적 사이에, 1회째에서의 액적보다도 작은 액적으로 촉매 용액을 도포함으로써 반응층이 형성되어 있다. 따라서, 기판 상에 공백 부분이 없도록 빈틈없이, 또한 균일하게 촉매 용액을 도포하여 반응층을 형성하고, 반응 효율이 높은 연료 전지를 용이하게 제조할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시형태에 따른 연료 전지의 제조 방법에 대해서 설명한다. 도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 연료 전지의 제조 공정을 실행하는 연료 전지 제조 라인의 구성의 일례를 나타내는 도면이다. 이 도 1에 나타낸 바와 같이, 연료 전지 제조 라인은 각 공정에서 각각 사용되는 토출 장치(20a∼20m), 토출 장치(20a∼20k)를 접속하는 벨트 콘베이어(BC1), 토출 장치(20l, 20m)를 접속하는 벨트 콘베이어(BC2), 벨트 콘베이어(BC1, BC2)를 구동시키는 구동 장치(58), 연료 전지의 조립을 행하는 조립 장치(60) 및 연료 전지 제조 라인 전체의 제어를 행하는 제어 장치(56)에 의해 구성되어 있다.
토출 장치(20a∼20k)는 벨트 콘베이어(BC1)를 따라 소정의 간격으로 일렬로 배치되어 있고, 토출 장치(20l, 20m)는 벨트 콘베이어(BC2)를 따라 소정의 간격으로 일렬로 배치되어 있다. 또한, 제어 장치(56)는 각 토출 장치(20a∼20k), 구동 장치(58) 및 조립 장치(60)에 접속되어 있다. 제어 장치(56)로부터의 제어 신호에 의거하여 벨트 콘베이어(BC1)를 구동시켜, 연료 전지의 기판(이하, 단지 「기판」이라고 한다.)을 각 토출 장치(20a∼20k)로 반송하여 각 토출 장치(20a∼20k)에서의 처리를 행한다. 마찬가지로, 제어 장치(56)로부터의 제어 신호에 의거하여 벨트 콘베이어(BC2)를 구동시켜, 기판을 토출 장치(20l, 20m)로 반송하여 이 토출 장치(20l, 20m)에서의 처리를 행한다. 또한, 조립 장치(60)에서는 제어 장치(56)로부터의 제어 신호에 의거하여 벨트 콘베이어(BC1) 및 벨트 콘베이어(BC2)를 통하여 반입된 기판에 의해 연료 전지의 조립을 행한다.
이 연료 전지 제조 라인에서는, 토출 장치(20a)에서 기판에 대하여 가스 유로를 형성하기 위한 레지스트 용액을 도포하는 처리가 행하여지고, 토출 장치(20b)에서 가스 유로를 형성하기 위한 에칭 처리가 행하여지며, 토출 장치(20c)에서 집전층을 지지하기 위한 지지용 카본을 도포하는 처리가 행하여진다.
또한, 토출 장치(20d)에서 집전층을 형성하는 처리가 행하여지고, 토출 장치(20e)에서 가스 확산층을 형성하는 처리가 행하여지고, 토출 장치(20f)에서 반응층을 형성하는 처리가 행하여지며, 토출 장치(20g)에서 전해질막을 형성하는 처리가 행하여진다. 또한, 토출 장치(20h)에서 반응층을 형성하는 처리가 행하여지고, 토출 장치(20i)에서 가스 확산층을 형성하는 처리가 행하여지고, 토출 장치(20j)에서 집전층을 형성하는 처리가 행하여지며, 토출 장치(20k)에서 지지용 카본을 도포하 는 처리가 행하여진다.
또한, 토출 장치(20l)에서 기판에 대하여 가스 유로를 형성하기 위한 레지스트 용액을 도포하는 처리가 행하여지고, 토출 장치(20m)에서 가스 유로를 형성하기 위한 에칭 처리가 행하여진다. 또한, 토출 장치(20a∼20k)에서 제 1 기판에 대하여 처리를 실시할 경우에는, 토출 장치(20l, 20m)에 있어서는 제 2 기판에 대하여 가스 유로를 형성하는 처리가 실시된다.
도 2는 본 발명의 실시형태에 따른 연료 전지를 제조할 때에 사용되는 잉크젯식의 토출 장치(20a)의 구성의 개략을 나타내는 도면이다. 이 토출 장치(20a)는 기판 상에 토출물을 토출하는 잉크젯 헤드(22)를 구비하고 있다. 이 잉크젯 헤드(22)는 헤드 본체(24) 및 토출물을 토출하는 다수의 노즐이 형성되어 있는 노즐 형성면(26)을 구비하고 있다. 이 노즐 형성면(26)의 노즐로부터 토출물, 즉, 반응 가스를 공급하기 위한 가스 유로를 기판 상에 형성할 때에, 기판에 도포되는 레지스트 용액이 토출된다.
또한, 토출 장치(20a)는 기판을 탑재 배치하는 테이블(28)을 구비하고 있다. 이 테이블(28)은 소정의 방향, 예를 들면 X축 방향, Y축 방향 및 Z축 방향으로 이동 가능하게 설치되어 있다. 또한, 테이블(28)은 도면 중 화살표로 나타낸 바와 같이 X축에 따른 방향으로 이동함으로써, 벨트 콘베이어(BC1)에 의해 반송되는 기판을 테이블(28) 상에 탑재 배치하여 토출 장치(20a) 내로 수용한다.
또한, 잉크젯 헤드(22)에는 노즐 형성면(26)에 형성되어 있는 노즐로부터 토출되는 토출물인 레지스트 용액을 수용하고 있는 탱크(30)가 접속되어 있다. 즉, 탱크(30)와 잉크젯 헤드(22)는 토출물을 반송하는 토출물 반송관(32)에 의해 접속되어 있다. 또한, 이 토출물 반송관(32)은 토출물 반송관(32)의 유로 내의 대전(帶電)을 방지하기 위한 토출물 유로부 어스 이음매(32a)와 헤드부 기포(氣泡) 배제 밸브(32b)를 구비하고 있다. 이 헤드부 기포 배제 밸브(32b)는 후술하는 흡인 캡(40)에 의해 잉크젯 헤드(22) 내의 토출물을 흡인하는 경우에 사용된다. 즉, 흡인 캡(40)에 의해 잉크젯 헤드(22) 내의 토출물을 흡인할 때는 이 헤드부 기포 배제 밸브(32b)를 닫힌 상태로 하여, 탱크(30) 측으로부터 토출물이 유입되지 않는 상태로 한다. 그리고, 흡인 캡(40)으로 흡인하면, 흡인되는 토출물의 유속이 상승하여 잉크젯 헤드(22) 내의 기포가 신속하게 배출되게 된다.
또한, 토출 장치(20a)는 탱크(30) 내에 수용되어 있는 토출물의 수용량, 즉, 탱크(30) 내에 수용되어 있는 레지스트 용액의 액면(液面)(34a)의 높이를 제어하기 위한 액면 제어 센서(36)를 구비하고 있다. 이 액면 제어 센서(36)는 잉크젯 헤드(22)가 구비하는 노즐 형성면(26)의 선단부(先端部)(26a)와 탱크(30) 내의 액면(34a)과의 높이차 ｈ(이하, 수두(水頭)값이라고 함)를 소정의 범위 내로 유지하는 제어를 행한다. 액면(34a)의 높이를 제어함으로써, 탱크(30) 내의 토출물(34)이 소정 범위 내의 압력으로 잉크젯 헤드(22)에 보내지게 된다. 그리고, 소정 범위 내의 압력으로 토출물(34)을 보냄으로써, 잉크젯 헤드(22)로부터 안정적으로 토출물(34)을 토출할 수 있다.
또한, 잉크젯 헤드(22)의 노즐 형성면(26)에 대향하여 일정한 거리를 두고, 잉크젯 헤드(22)의 노즐 내의 토출물을 흡인하는 흡인 캡(40)이 배치되어 있다. 이 흡인 캡(40)은 도 2 중에 화살표로 표시하는 Z축에 따른 방향으로 이동 가능하게 구성되어 있으며, 노즐 형성면(26)에 형성된 복수의 노즐을 둘러싸도록 노즐 형성면(26)에 밀착하고, 노즐 형성면(26)과의 사이에 밀폐 공간을 형성하여 노즐을 외기(外氣)로부터 차단할 수 있는 구성으로 되어 있다. 또한, 흡인 캡(40)에 의한 잉크젯 헤드(22)의 노즐 내의 토출물의 흡인은 잉크젯 헤드(22)가 토출물(34)을 토출하고 있지 않은 상태, 예를 들면 잉크젯 헤드(22)가 퇴피(退避) 위치 등으로 퇴피하여 있고, 테이블(28)이 파선(破線)으로 나타내는 위치로 퇴피하여 있을 때에 행하여진다.
또한, 이 흡인 캡(40)의 하방에는 유로가 설치되어 있으며, 이 유로에는 흡인 밸브(42), 흡인 이상(異常)을 검출하는 흡인압 검출 센서(44) 및 튜브 펌프 등으로 이루어지는 흡인 펌프(46)가 배치되어 있다. 또한, 이 흡인 펌프(46) 등으로 흡인되어 유로를 반송되어 온 토출물(34)은 폐액 탱크(48) 내에 수용된다.
또한, 토출 장치(20b∼20m)의 구성은 토출 장치(20a)와 같은 구성이기 때문에 설명을 생략하지만, 이하의 설명에서 토출 장치(20b∼20m)의 각 구성에는 토출 장치(20a)의 설명에서 각 구성에 사용한 것과 동일한 부호를 사용하여 설명을 행한다. 또한, 토출 장치(20b∼20m)에 각각 구비되어 있는 탱크(30)에는 각 토출 장치(20b∼20m)에서 행하여지는 소정의 처리에 필요한 토출물이 수용되어 있다. 예를 들면, 토출 장치(20b) 및 토출 장치(20m)의 탱크(30)에는 가스 유로를 형성할 때에 행하여지는 에칭용의 토출물이, 토출 장치(20c) 및 토출 장치(20k)의 탱크(30)에는 지지용 카본을 형성하기 위한 토출물이, 토출 장치(20d) 및 토출 장치(20j)의 탱크 (30)에는 집전층을 형성하기 위한 토출물이 각각 수용되어 있다. 또한, 토출 장치(20e) 및 토출 장치(20i)의 탱크(30)에는 가스 확산층을 형성하기 위한 토출물이, 토출 장치(20f) 및 토출 장치(20h)의 탱크(30)에는 반응층을 형성하기 위한 토출물이, 토출 장치(20g)의 탱크(30)에는 전해질막을 형성하기 위한 토출물이 각각 수용되어 있다. 또한, 토출 장치(20l)의 탱크(30)에는 토출 장치(20a)의 탱크(30)에 수용되어 있는 기판에 대하여 가스 유로를 형성하기 위한 토출물과 같은 토출물이 수용되어 있다.
다음으로, 도 3의 플로 차트 및 도면을 참조하여, 본 발명의 실시형태에 따른 토출 장치(20a∼20m)를 사용한 연료 전지의 제조 방법에 대하여 설명한다.
먼저, 기판에 반응 가스를 공급하기 위한 가스 유로를 형성한다(스텝 S10). 즉, 우선, 도 4의 (a)에 나타낸 바와 같이 직사각형의 평판 형상으로서, 예를 들면 실리콘 소재의 기판(제 1 기판)(2)을 벨트 콘베이어(BC1)에 의해 토출 장치(20a)까지 반송한다. 벨트 콘베이어(BC1)에 의해 반송된 기판(2)은 토출 장치(20a)의 테이블(28) 상에 탑재 배치되어, 토출 장치(20a) 내에 수용된다. 토출 장치(20a)에서는 노즐 형성면(26)의 노즐을 통하여 탱크(30) 내에 수용되어 있는 레지스트 용액을 토출하고, 테이블(28) 상에 탑재 배치되어 있는 기판(2)의 상면의 소정의 위치에 도포한다. 여기서, 레지스트 용액은 도 4의 (b)에 나타낸 바와 같이 도면 중, 앞쪽으로부터 안쪽을 향하여 소정의 간격을 두고 직선 형상으로 도포된다.
즉, 기판(2)에서, 예를 들면 수소를 함유하는 제 1 반응 가스를 공급하기 위한 가스 유로(제 1 가스 유로)를 형성하는 부분을 남기고, 그 이외의 부분에 대해 서만 레지스트 용액이 도포된다.
다음으로, 소정의 위치에 레지스트 용액이 도포된 기판(2)(도 4의 (b) 참조)은 벨트 콘베이어(BC1)에 의해 토출 장치(20b)까지 반송되고, 토출 장치(20b)의 테이블(28) 상에 탑재 배치되어 토출 장치(20b) 내에 수용된다. 토출 장치(20b)에서는 탱크(30) 내에 수용되어 있는 가스 유로를 형성하기 위해 행하여지는 에칭용의 용제, 예를 들면 불산 수용액을 노즐 형성면(26)의 노즐을 통하여 토출하고, 테이블(28) 상에 탑재 배치되어 있는 기판(2)의 상면 전체에 도포한다.
여기서, 기판(2)에는 가스 유로를 형성하는 부분 이외의 부분에 레지스트 용액이 도포되어 있기 때문에, 레지스트 용액이 도포되어 있지 않은 부분이 불산 수용액에 의해 에칭되어, 도 5의 (a)에 나타낸 바와 같이 가스 유로가 형성된다. 즉, 기판(2)의 한쪽 측면으로부터 다른쪽의 측면으로 연장되는 단면 ㄷ자 형상의 가스 유로가 형성된다. 또한, 도 5의 (a)에 나타낸 바와 같이, 가스 유로가 형성된 기판(2)은 세정 장치(도시 생략)에서 레지스트의 세정이 행하여진다. 그리고, 도 5의 (b)에 나타낸 바와 같이, 가스 유로가 형성된 기판(2)은 테이블(28)로부터 벨트 콘베이어(BC1)으로 이동하여, 벨트 콘베이어(BC1)에 의해 토출 장치(20c)로 반송된다.
다음으로, 스텝 S10에서 기판(2)에 형성된 가스 유로가 집전층에 의해 막히는 것을 방지하기 위해, 집전층을 지지하는 지지용 카본(제 1 지지 부재)을 가스 유로 내에 도포한다(스텝 S11). 즉, 우선, 벨트 콘베이어(BC1)에 의해 토출 장치(20c)까지 반송된 기판(2)을 테이블(28) 상에 탑재 배치하여 토출 장치(20c) 내에 수용한다. 토출 장치(20c)에서는 탱크(30) 내에 수용되어 있는 지지용 카본(4)을 노즐 형성면(26)의 노즐을 통하여 토출하고, 기판(2)에 형성되어 있는 가스 유로 내에 도포한다. 여기서, 지지용 카본(4)으로서 소정의 크기, 예를 들면 지름 1∼5 마이크론 정도의 입자 지름의 다공질 카본이 사용된다. 즉, 집전층에 의해 가스 유로가 막히는 것을 방지함과 동시에, 반응 가스가 가스 유로 내에 확실하게 흐를 수 있도록, 지지용 카본(4)으로서 소정 크기의 다공질 카본이 이용된다.
도 6은 지지용 카본(4)이 도포된 기판(2)의 단면도이다. 이 도 6에 나타낸 바와 같이, 지지용 카본(4)이 가스 유로 내에 도포됨으로써, 기판(2) 상에 형성되는 집전층의 가스 유로 내로의 낙하가 방지된다. 또한, 지지용 카본(4)이 도포된 기판(2)은 테이블(28)로부터 벨트 콘베이어(BC1)로 이동되어, 벨트 콘베이어(BC1)에 의해 토출 장치(20d)로 반송된다.
다음으로, 기판(2) 상에 반응 가스가 반응함으로써 발생한 전자를 모으기 위한 집전층(제 1 집전층)을 형성한다(스텝 S12). 즉, 우선, 벨트 콘베이어(BC1)에 의해 토출 장치(20d)까지 반송된 기판(2)을 테이블(28) 상에 탑재 배치하여 토출 장치(20d) 내에 수용한다. 토출 장치(20d)에서는 탱크(30) 내에 수용되어 있는 집전층(6)을 형성하는 재료, 예를 들면 구리 등의 도전성 물질을 노즐 형성면(26)의 노즐을 통하여 테이블(28) 상에 탑재 배치되어 있는 기판(2) 상에 토출한다. 이때, 도전성 물질은 가스 유로에 공급된 반응 가스의 확산을 방해하지 않는 형상으로, 예를 들면 그물코 형상 등이 되도록 토출되어 집전층(6)이 형성된다.
도 7은 집전층(6)이 형성된 기판(2)의 단면도이다. 이 도 7에 나타낸 바와 같이, 집전층(6)은 기판(2) 상에 형성되어 있는 가스 유로 내의 지지용 카본(4)에 의해 지지되어, 가스 유로 내로의 낙하가 방지되어 있다. 또한, 집전층(6)이 형성된 기판(2)은 테이블(28)로부터 벨트 콘베이어(BC1)으로 이동되어, 벨트 콘베이어(BC1)에 의해 토출 장치(20e)로 반송된다.
다음으로, 스텝 S12에서 형성된 집전층(6) 상에 기판(2)에 형성된 가스 유로를 통하여 공급되는 반응 가스를 확산시키기 위한 가스 확산층을 형성한다(스텝 S13). 즉, 우선, 벨트 콘베이어(BC1)에 의해 토출 장치(20e)까지 반송된 기판(2)을 테이블(28) 상에 탑재 배치하여 토출 장치(20e) 내에 수용한다. 토출 장치(20e)에서는 탱크(30) 내에 수용되어 있는 가스 확산층(8)을 형성하기 위한 재료, 예를 들면 카본을 집전층(6) 상에 노즐 형성면(26)의 노즐을 통하여 토출하고, 가스 유로를 통하여 공급된 반응 가스(제 1 반응 가스)를 확산시키기 위한 가스 확산층(8)을 형성한다.
도 8은 가스 확산층(8)이 형성된 기판(2)의 단면도이다. 이 도 8에 나타낸 바와 같이, 예를 들면 전극으로서의 기능도 갖는 카본을 집전층(6) 상에 토출하여, 반응 가스를 확산시키기 위한 가스 확산층(8)이 형성된다. 여기서, 가스 확산층(8)을 구성하는 카본으로서는, 가스 유로를 통하여 공급된 반응 가스를 충분히 확산시킬 수 있는 정도의 크기로서, 또한 다공질의 카본이 이용된다. 예를 들면, 지지용 카본(4)보다도 작고, 지름 0.1∼1 마이크론 정도의 입자 지름의 다공질 카본이 이용된다. 또한, 가스 확산층(8)이 형성된 기판(2)은 테이블(28)로부터 벨트 콘베이어(BC1)으로 이동되어, 벨트 콘베이어(BC1)에 의해 토출 장치(20f)로 반송된 다.
다음으로, 스텝 S13에서 형성된 가스 확산층(8) 상에 기판(2)에 형성된 가스 유로를 통하여 공급되는 반응 가스에 의거하여 반응하는 반응층(제 1 반응층)을 형성한다(스텝 S14). 즉, 벨트 콘베이어(BC1)에 의해 토출 장치(20f)까지 반송된 기판(2)을 테이블(28) 상에 탑재 배치하여 토출 장치(20f) 내에 수용한다. 토출 장치(20f)에서는 탱크(30) 내에 수용되어 있는 반응층을 형성하는 재료, 예를 들면 입자 지름이 수㎚∼수십㎚의 촉매용 백금 미립자를 소정의 용매에 분산시킨 촉매 용액을 노즐을 통하여 가스 확산층(8) 상에 복수 회, 각각 다른 위치에 토출하여 반응층(10)을 형성한다.
여기서, 백금 미립자를 분산시킨 촉매 용액은 미리 토출 장치(20f)에 설정되어 있는 토출 패턴에 의거하여 가스 확산층(8) 상에 복수 회 도포됨으로써, 반응층(10)이 형성된다. 즉, 토출 장치(20f)에서 테이블(28)을 도 2에 나타낸 X축-Y축 방향으로 이동시켜 가스 확산층(8) 상의 다른 위치에 촉매 용액을 복수 회 도포함으로써, 반응층(10)을 형성한다.
도 9는 반응층(10)을 형성하기 위한 토출 패턴의 일례를 나타내는 도면이다. 도 9에서는 복수 회 촉매 용액을 도포할 경우에 있어서, 제 1 회째에 도포된 촉매 용액의 액적을 액적(10a)으로 나타내고, 제 2 회째에 도포된, 다음으로 도포된 촉매 용액의 액적을 액적(10b)으로 나타내고 있다. 이 도 9에서는 제 1 회째에 액적(10a)의 위치에 촉매 용액을 도포하고, 제 2 회째에, 제 1 회째의 촉매 용액이 도포되어 있지 않은 부분, 즉, 액적(10b)의 위치에 촉매 용액을 도포함으로써, 반응 층(10)을 형성하는 패턴을 나타내고 있다. 따라서, 토출 장치(20f)에서 테이블(28)을 도 9에 나타내는 패턴에 의거하여, 도 2에 나타낸 X축-Y축 방향으로 순차적으로 이동시켜, 우선, 액적(10a)의 위치에 촉매 용액을 도포하고, 그 다음에, 액적(10b)의 위치에 촉매 용액을 도포함으로써, 촉매 용액이 균일하게 도포된 반응층(10)을 형성할 수 있다.
도 10은 반응층(10)을 형성하기 위한 토출 패턴의 다른 예를 나타내는 도면이다. 도 10에서는 도 9와 마찬가지로, 제 1 회째에 도포된 촉매 용액의 액적을 액적(10a), 제 2 회째에 도포된 촉매 용액의 액적을 액적(10b)으로서 나타내고 있다. 이 도 10에서는, 제 1 회째에 있어서 액적(10a)의 위치에 촉매 용액이 도포된 경우에, 제 2 회째에서는 제 1 회째에 있어서 도포된 촉매 용액의 액적(10a)이 도포되어 있지 않은 부분으로서, 또한 이미 도포되어 있는 액적(10a) 사이의 부분에, 즉, 액적(10b)의 위치에 촉매 용액을 도포함으로써, 반응층(10)을 형성하는 패턴을 나타내고 있다. 따라서, 제 1 회째에 액적(10a)의 위치에 촉매 용액을 도포하고, 제 2 회째에 액적(10b)의 위치에 촉매 용액을 도포함으로써, 촉매 용액이 균일하게 도포된 반응층(10)을 형성할 수 있다.
도 11은 반응층(10)을 형성하기 위한 토출 패턴의 다른 예를 나타내는 도면이다. 도 11에서는 제 1 회째에 도포된 촉매 용액의 액적으로서, 또한 중간 건조에 의해 건조된 액적을 액적(10a)으로 나타내고, 중간 건조가 행하여진 후, 제 2 회째에 도포된 촉매 용액의 액적을 액적(10b)으로 나타내고 있다. 이 도 11에서는, 제 1 회째에 촉매 용액이 액적(10a)의 위치에 도포된 경우에, 액적(10a)이 도 포되어 있는 기판(2)을, 예를 들면 소정의 온도로 가열 등을 함으로써 건조시키고, 그 후에 촉매 용액을 액적(10b)의 위치에 더 도포함으로써, 반응층(10)을 형성하는 패턴을 나타내고 있다. 따라서, 제 1 회째에 액적(10a)의 위치에 촉매 용액을 도포하여 중간 건조를 행한 후에, 제 2 회째에 액적(10b)의 위치에 촉매 용액을 도포함으로써, 촉매 용액이 균일하게 도포된 반응층(10)을 형성할 수 있다. 또한, 도 11에 나타내는 패턴에서는 표면장력이 강하고 침투성(浸透性)이 낮은 용액, 예를 들면, 물과 글리세린을 주성분으로 하는 용매에 분산제를 첨가하여 백금 미립자를 분산시킨 촉매 용액을 도포하는 경우에서도, 백금 미립자가 균일하게 분산된 반응층(10)을 형성할 수 있다. 즉, 중간 건조를 행함으로써, 이미 도포되어 있는 액적과 새롭게 도포된 액적이 결합하여 백금 미립자의 결정이 커지는 것을 방지할 수 있기 때문에, 백금 미립자를 작은 결정인 채로 균일하게 분산시킨 반응층을 형성할 수 있다.
도 12는 반응층(10)을 형성하기 위한 토출 패턴의 다른 예를 나타내는 도면이다. 도 12에서는 제 1 회째에 도포된 촉매 용액의 액적을 액적(10a), 제 2 회째에 도포된 촉매 용액의 액적을 액적(10b)으로서 나타내고 있다. 이 도 12에서는 제 1 회째에 촉매 용액을 액적(10a)의 위치에 도포하고, 2 회째에 액적(10a)과 다른 크기의 액적으로 촉매 용액을 액적(10b)의 위치에 도포함으로써, 반응층(10)을 형성하는 패턴을 나타내고 있다.
여기서, 토출 장치(20f)에서는 제 1 회째에 촉매 용액을 도포하는 경우의 구동 파형(波形)과 제 2 회째에 촉매 용액을 도포하는 경우의 구동 파형을 변경함으 로써, 토출 장치(20f)의 노즐을 통하여 토출되는 촉매 용액의 액적 크기를 변경하여, 액적(10a)과 액적(10b)을 다른 크기로 하고 있다. 따라서, 도 12에 나타낸 바와 같이, 액적(10a)의 위치에 촉매 용액이 도포된 후에, 액적(10a) 사이의 공백 부분에 액적(10b)을 도포함으로써, 촉매 용액이 도포되어 있지 않은 공백 부분을 감소시켜, 균일하게 촉매 용액이 도포된 반응층(10)을 형성할 수 있다.
또한, 상술한 도 9∼도 12에서는 액적(10a)과 액적(10b)이 중복되지 않도록 촉매 용액이 도포되어 있지만, 액적(10a)과 액적(10b)의 일부가 중복되도록 촉매 용액을 도포하게 하여도 좋다. 즉, 반응층(10)에서의 촉매의 농도 분포를 균일하게 하기 위해, 액적(10a)의 주변 부분과 액적(10b)의 주변 부분의 일부가 중복되도록 촉매 용액을 도포하여도 좋다. 이 경우에는, 가스 확산층(8) 상에서 촉매 용액이 도포되어 있지 않은 공백 부분이 존재하는 것을 확실하게 방지할 수 있음과 동시에, 반응층(10)에서의 촉매의 농도 분포를 균일하게 유지할 수 있다.
여기서, 토출 장치(20f)에는 연료 전지의 제조에 사용되는 재료, 제조된 연료 전지의 용도, 사용 상황 등을 고려한 토출 패턴이 미리 설정되어 있다. 즉, 상술한 도 9∼도 12에 나타낸 어느 하나의 패턴, 또는 도 9∼도 12에 나타낸 패턴 중 어느 2개의 패턴을 조합시킨 패턴이 미리 설정되어 있다. 예를 들면, 이소프로필알콜 등을 주용매로 하는 침투성이 높은 촉매 용액을 사용하여 반응층(10)이 형성되는 경우에는 도 9, 도 10, 도 12 중 어느 하나의 패턴이 설정되며, 물 및 글리세린 등을 주용매로 하는 침투성이 낮고 표면장력이 높은 촉매 용액을 사용하여 반응층(10)이 형성되는 경우에는 도 11에 나타내는 패턴이 설정된다.
여기서, 촉매 용액은 소정의 용매에 분산제를 첨가함으로써 백금 미립자를 분산시킨 용액이기 때문에, 이 촉매 용액을 가스 확산층(8) 상에 도포한 후에, 예를 들면 질소 분위기 중에서 200℃로 기판(2)을 가열함으로써, 분산제를 제거하고 반응층(10)이 형성된다. 이 경우, 가스 확산층(8)을 구성하는 카본의 표면 상에 촉매로서 소정의 용매 중에 분산하고 있던 백금 미립자를 부착시킴으로써 반응층(10)이 형성된다. 또한, 촉매 용액이 제 1 회째에 도포된 후에 중간 건조가 행하여지고, 그 후, 제 2 회째의 도포가 더 행하여지는 경우에도 촉매 용액을 도포하는 공정이 종료한 후에, 상술한 분산제를 제거하는 처리가 행하여진다.
도 13은 반응층(10)이 형성된 기판(2)의 단면도이다. 이 도 13에 나타낸 바와 같이, 촉매로서의 백금 미립자를 분산시킨 촉매 용액이 가스 확산층(8) 상에 도포됨으로써 반응층(10)이 형성된다. 또한, 반응층(10)이 형성된 기판(2)은 테이블(28)로부터 벨트 콘베이어(BC1)로 이동되어, 벨트 콘베이어(BC1)에 의해 토출 장치(20g)로 반송된다.
다음으로, 스텝 S14에서 형성된 반응층(10) 상에 이온 교환막 등의 전해질막을 형성한다(스텝 S15). 즉, 우선, 벨트 콘베이어(BC1)에 의해 토출 장치(20g)까지 반송된 기판(2)을 테이블(28) 상에 탑재 배치하여 토출 장치(20g) 내에 수용한다. 토출 장치(20g)에서는 탱크(30) 내에 수용되어 있는 전해질막을 형성하는 재료, 예를 들면 Nafion(등록 상표), 텅스트 인산, 몰리브드 인산 등의 세라믹스계 고체 전해질을 소정의 점도로 조정한 재료를 노즐 형성면(26)의 노즐을 통하여 반응층(10) 상에 토출하여 전해질막(12)을 형성한다.
도 14는 전해질막(12)이 형성된 기판(2)의 단면도이다. 이 도 14에 나타낸 바와 같이, 반응층(10) 상에 소정의 두께를 갖는 전해질막(12)이 형성된다. 또한, 전해질막(12)이 형성된 기판(2)은 테이블(28)로부터 벨트 콘베이어(BC1)으로 이동되어, 벨트 콘베이어(BC1)에 의해 토출 장치(20h)로 반송된다.
다음으로, 스텝 S15에서 형성된 전해질막(12) 상에 반응층(제 2 반응층)을 형성한다(스텝 S16). 즉, 벨트 콘베이어(BC1)에 의해 토출 장치(20h)까지 반송된 기판(2)을 테이블(28) 상에 탑재 배치하여 토출 장치(20h) 내에 수용한다. 토출 장치(20h)에서는, 토출 장치(20f)에서 행하여진 처리와 같은 처리에 의해 촉매로서의 백금 미립자를 담지(擔持)한 카본을 포함하는 용액을 토출하여 반응층(10′)을 형성한다.
도 15는 전해질막(12) 상에 반응층(10′)이 형성된 기판(2)의 단면도이다. 이 도 15에 나타낸 바와 같이, 전해질막(12) 상에 촉매로서의 백금 미립자를 담지한 카본이 도포됨으로써 반응층(10′)이 형성된다. 여기서, 반응층(10′)은 제 2 반응 가스, 예를 들면 산소를 함유하는 반응 가스에 의거하여 반응하는 층이다.
다음으로, 스텝 S16에서 형성된 반응층(10′) 상에 반응 가스(제 2 반응 가스)를 확산시키기 위한 가스 확산층을 형성한다(스텝 S17). 즉, 반응층(10′)이 형성된 기판(2)은 벨트 콘베이어(BC1)에 의해 토출 장치(20i)까지 반송되고, 토출 장치(20i)에서, 토출 장치(20e)에서 행하여진 처리와 같은 처리에 의해 소정의 입자 지름의 다공질의 카본이 도포되어, 가스 확산층(8′)이 형성된다.
도 16은 반응층(10′) 상에 가스 확산층이 형성된 기판(2)의 단면도이다. 이 도 16에 나타낸 바와 같이, 반응층(10′) 상에 다공질의 카본이 도포됨으로써, 가스 확산층(8′)이 형성된다.
다음으로, 스텝 S17에서 형성된 가스 확산층(8′) 상에 집전층(제 2 집전층)을 형성하고(스텝 S18), 집전층 상에 이 집전층을 지지하기 위한 지지용 카본(제 2 지지 부재)을 도포한다(스텝 S19). 즉, 벨트 콘베이어(BC1)에 의해 토출 장치(20j)까지 반송된 기판(2)을 테이블(28) 상에 탑재 배치하여 토출 장치(20j) 내에 수용하고, 토출 장치(20d)에서 행하여진 처리와 같은 처리에 의해 집전층(6′)이 가스 확산층(8′) 상에 형성된다. 또한, 벨트 콘베이어(BC1)에 의해 토출 장치(20k)까지 반송된 기판(2)을 테이블(28) 상에 탑재 배치하여 토출 장치(20k) 내에 수용하고, 토출 장치(20c)에서 행하여진 처리와 같은 처리에 의해 지지용 카본(4′)이 도포된다. 또한, 지지용 카본(4′)이 도포된 기판(2)은 테이블(28)로부터 벨트 콘베이어(BC1)로 이동되어, 조립 장치(60)로 반송된다.
도 17은 가스 확산층(8′) 상에 집전층(6′) 및 지지용 카본(4′)이 도포된 기판(2)의 단면도이다. 이 도 17에 나타낸 바와 같이, 상술한 스텝 S18의 처리에 의해 집전층(6′)이 형성되고, 상술한 스텝 S19의 처리에 의해 지지용 카본(4′)이 도포된다. 여기서, 지지용 카본(4′)은 지지용 카본(4)과 마찬가지로, 즉 기판(2)에 형성되어 있는 가스 유로를 따라 도포된다.
다음으로, 스텝 S19에서 지지용 카본이 도포된 기판(제 1 기판) 상에 가스 유로가 형성된 기판(제 2 기판)을 배치함으로써 연료 전지를 조립한다(스텝 S20). 즉, 조립 장치(60)에서, 벨트 콘베이어(BC1)를 통하여 반입된 기판(2)(제 1 기판) 상에 벨트 콘베이어(BC2)를 통하여 반입된 기판(2′)(제 2 기판)을 배치함으로써, 연료 전지의 조립을 행한다. 여기서, 기판(2′)에는 상술한 스텝 S10∼스텝 S19에서의 처리와는 달리, 제 2 가스 유로가 형성되어 있다. 즉, 토출 장치(20l) 및 토출 장치(20m)에서, 토출 장치(20a) 및 토출 장치(20b)에 의해 행하여지는 처리와 같은 처리에 의해, 제 2 가스 유로가 형성되어 있다. 따라서, 기판(2)에 형성되어 있는 한쪽 측면으로부터 다른 쪽의 측면으로 연장되는 단면 ㄷ자 형상의 가스 유로와, 기판(2′)에 형성되어 있는 단면 ㄷ자 형상의 가스 유로가 평행하게 되도록 기판(2′)을 배치하여 연료 전지의 조립을 행하고, 연료 전지의 제조를 완료한다.
도 18은 제조된 연료 전지의 단면도이다. 이 도 18에 나타낸 바와 같이, 제 2 가스 유로가 형성된 기판(2′)을 기판(2)의 소정의 위치에 배치함으로써 제 1 기판에 형성된 제 1 가스 유로를 통하여 제 1 반응 가스를 공급하고, 제 2 기판에 형성된 제 2 가스 유로를 통하여 제 2 반응 가스를 공급하는 연료 전지의 제조가 완료된다.
또한, 상술한 제조 방법에 의해 제조된 연료 전지는 전자기기, 특히 휴대용 전자기기, 예를 들면 휴대 전화 등에 전력 공급원으로서 합체할 수 있다. 즉, 상술한 연료 전지의 제조 방법에 의하면, 토출 장치를 사용함으로써 소형의 연료 전지를 용이하게 제조할 수 있기 때문에, 예를 들면 휴대 전화 등의 소형 전자기기에 전력 공급원으로서 합체할 수 있다.
이 실시형태에 따른 연료 전지의 제조 방법에 의하면, 잉크젯식의 토출 장치를 사용하여 반응층을 형성하고 있다. 따라서, 소정의 위치에 촉매 용액을 도포 할 수 있기 때문에, 균일하게 촉매 용액이 도포되어, 촉매를 균일하게 분산시킨 반응층을 형성할 수 있고, 반응 효율이 높은 고출력의 연료 전지를 용이하게 제조할 수 있다.
또한, 이 실시형태에 따른 연료 전지의 제조 방법에 의하면, 제 1 회째에 촉매 용액을 도포하는 위치와, 제 2 회째에 촉매 용액을 도포하는 위치를 다른 위치로 하고 있다. 따라서, 기판 상에 촉매 용액을 균일하게 도포할 수 있고, 백금 미립자를 균일하게 분산시킨 반응층을 형성하며, 반응 효율이 높은 연료 전지를 용이하게 제조할 수 있다.
또한, 이 실시형태에 따른 연료 전지의 제조 방법에 의하면, 제 1 회째에 도포된 촉매 용액의 액적과 중복하지 않는 위치로서, 또한 이미 도포된 액적 사이의 위치에 제 2 회째의 도포를 행하고 있다. 따라서, 촉매 용액이 도포되어 있지 않은 공백 부분이 존재하지 않도록 할 수 있음과 동시에, 촉매 용액의 도포량이 부분적으로 증가하여, 반응층 내에서 백금 미립자의 결정이 커지는 것을 방지하고 있다. 그 때문에, 백금 미립자의 결정을 작게 유지하고, 백금 미립자를 균일하게 분산시킬 수 있으며, 반응층 전체에서 촉매인 백금 미립자의 표면적을 크게 한 반응 효율이 높은 연료 전지를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시형태에 따른 연료 전지의 제조 방법에 의하면, 제 1 회째에 도포된 촉매 용액의 중간 건조를 행한 후에, 제 2 회째의 도포를 행하여 반응층을 형성하고 있다. 따라서, 예를 들면 표면장력이 강한 촉매 용액을 도포한 경우에도, 이미 도포되어 있는 촉매 용액의 액적과 새롭게 도포된 촉매 용액의 액적 이 결합하여 하나의 액적이 되어, 백금 미립자의 결정이 커지는 것을 방지하고, 확실하게 백금 미립자를 균일하게 분산시킨 반응층을 형성하여, 반응 효율이 높은 연료 전지를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명에 실시형태에 따른 연료 전지의 제조 방법에 의하면, 제 1 회째에 도포된 촉매 용액의 액적과 액적 사이에, 제 1 회째에서의 액적보다도 작은 액적으로 촉매 용액을 도포함으로써 반응층을 형성하고 있다. 따라서, 기판 상에 공백 부분이 없도록 빈틈 없이, 또한 균일하게 촉매 용액을 도포하여 반응층을 형성하고, 반응 효율이 높은 연료 전지를 용이하게 제조할 수 있다.
또한, 상술한 실시형태에 따른 연료 전지의 제조 방법에서는, 모든 공정에서 잉크젯식의 토출 장치를 사용하고 있지만, 반응층을 형성하는 공정에서만 잉크젯식의 토출 장치를 사용하여 연료 전지를 제조하도록 하여도 좋다.
또한, 상술한 실시형태에 따른 연료 전지의 제조 방법에서는, 소형의 연료 전지를 제조하고 있지만, 복수의 연료 전지를 적층시킴으로써 대형의 연료 전지를 제조하도록 하여도 좋다. 즉, 도 19에 나타낸 바와 같이, 제조된 연료 전지의 기판(2′)의 이면에 가스 유로를 더 형성하고, 가스 유로가 형성된 기판(2′)의 이면 상에 상술한 연료 전지의 제조 방법에서의 제조 공정과 동일하게 하여, 가스 확산층, 반응층, 전해질막 등을 형성하여 연료 전지를 적층시킴으로써 대형의 연료 전지를 제조하도록 하여도 좋다. 이와 같이, 대형의 연료 전지가 제조된 경우에는, 예를 들면 전기 자동차의 전력 공급원으로서 사용할 수 있고, 지구 환경을 적절하게 배려한 클린 에너지의 자동차를 제공할 수 있다.
또한, 제조된 대형의 연료 전지를 1개의 에너지원(源)으로부터 열과 전기 등의 복수 종류의 에너지를 취출하여 제공하는 코제너레이션 시스템(cogeneration system)의 에너지원으로서 사용하여도 좋다. 연료 전지에서는, 발전(發電) 시에 발생하는 열에너지 양이 많기 때문에, 효율이 높은 가정용 또는 사업용의 코제너레이션 시스템을 실현할 수 있다. 또한, 연료 전지는 발전 시에 유독 물질 등을 배출하지 않기 때문에, 지구 환경을 배려한 환경성이 높은 코제너레이션 시스템을 실현할 수 있다.
본 발명에 따른 연료 전지의 제조 방법에 의하면, 제 1 반응층 및 제 2 반응층 중 적어도 어느 한 쪽은 기판 상에 복수 회, 각각 다른 위치에 촉매 재료를 포함하는 촉매 용액을 도포함으로써 형성되어 있다. 따라서, 기판 상에 촉매 용액을 균일하게 도포할 수 있고, 반응 효율이 높은 연료 전지를 용이하게 제조할 수 있다. 또한, 기판 상에 복수 회, 각각 다른 위치에 촉매 용액을 도포하고 있기 때문에, 반응층에서의 촉매, 예를 들면 백금 미립자를 균일하게 분산시킨 반응 효율이 높은 연료 전지를 용이하게 제조할 수 있다.

Claims (4)

  1. 제 1 반응 가스를 공급하기 위한 제 1 가스 유로(流路)를 제 1 기판에 형성하는 제 1 가스 유로 형성 공정과,
    상기 제 1 가스 유로를 통하여 공급된 제 1 반응 가스가 반응함으로써 발생한 전자를 모으는 제 1 집전층(集電層)을 형성하는 제 1 집전층 형성 공정과,
    상기 제 1 가스 유로를 통하여 공급된 제 1 반응 가스에 의거하여 반응을 행하는 제 1 반응층을 형성하는 제 1 반응층 형성 공정과,
    전해질막(電解質膜)을 형성하는 전해질막 형성 공정과,
    제 2 반응 가스를 공급하기 위한 제 2 가스 유로를 제 2 기판에 형성하는 제 2 가스 유로 형성 공정과,
    상기 제 2 가스 유로를 통하여 공급된 제 2 반응 가스가 반응하기 위해 필요한 전자를 공급하는 제 2 집전층을 형성하는 제 2 집전층 형성 공정과,
    상기 제 2 가스 유로를 통하여 공급된 제 2 반응 가스에 의거하여 반응을 행하는 제 2 반응층을 형성하는 제 2 반응층 형성 공정을 포함하는 연료 전지의 제조 방법에 있어서,
    상기 제 1 반응층 형성 공정 및 상기 제 2 반응층 형성 공정 중 적어도 어느 한쪽은, 토출 장치를 사용하여 기판 상에 복수 회(回), 각각 다른 위치에 촉매 재료를 포함하는 촉매 용액을 도포함으로써 반응층을 형성하는 것을 특징으로 하는 연료 전지의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 반응층 형성 공정 및 상기 제 2 반응층 형성 공정 중 적어도 어느 한쪽은,
    상기 기판 상에 상기 촉매 용액을 도포하는 제 1 도포 공정과,
    상기 제 1 도포 공정에서 상기 기판 상에 상기 촉매 용액이 도포된 후에, 상기 기판 상에 상기 촉매 용액을 더 도포하는 제 2 도포 공정을 포함하고,
    상기 제 2 도포 공정에서, 상기 제 1 도포 공정에서 상기 기판 상에 도포된 상기 촉매 용액의 액적(液滴)과 중복되지 않는 위치에, 상기 촉매 용액을 도포함으로써 반응층을 형성하는 것을 특징으로 하는 연료 전지의 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 반응층 형성 공정 및 상기 제 2 반응층 형성 공정 중 적어도 어느 한쪽은,
    상기 기판 상에 상기 촉매 용액을 도포하는 제 1 도포 공정과,
    상기 제 1 도포 공정에서 상기 기판 상에 상기 촉매 용액이 도포된 후에, 도포된 상기 촉매 용액을 건조시키는 중간 건조 공정과,
    상기 중간 건조 공정에서, 상기 제 1 도포 공정에서 상기 기판 상에 도포된 상기 촉매 용액의 건조가 행하여진 후에, 상기 기판 상에 상기 촉매 용액을 더 도포하는 제 2 도포 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지의 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 반응층 형성 공정 및 상기 제 2 반응층 형성 공정 중 적어도 어느 한쪽은,
    상기 기판 상에 상기 촉매 용액을 도포하는 제 1 도포 공정과,
    상기 제 1 도포 공정에서 상기 기판 상에 상기 촉매 용액이 도포된 후에, 상기 기판 상에 상기 촉매 용액을 더 도포하는 제 2 도포 공정을 포함하고,
    상기 제 2 도포 공정에서, 상기 제 1 도포 공정과 액적의 크기가 다른 상기 촉매 용액을 상기 기판 상에 도포함으로써 반응층을 형성하는 것을 특징으로 하는 연료 전지의 제조 방법.
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