KR20050082154A - 기능성 재료층 형성용 조성물, 기능성 재료층의 형성방법, 연료 전지의 제조 방법, 전자 기기 및 자동차 - Google Patents

기능성 재료층 형성용 조성물, 기능성 재료층의 형성방법, 연료 전지의 제조 방법, 전자 기기 및 자동차 Download PDF

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Abstract

본 발명은 토출 장치를 사용하여 기능성 재료층을 형성하는 경우에, 장기간 일정 품질의 기능성 재료층을 형성할 수 있는 기능성 재료층 형성용 조성물, 기능성 재료층의 형성 방법, 이 형성 방법을 사용하는 연료 전지의 제조 방법, 및 이 연료 전지의 제조 방법에 의해 얻어진 상기 연료 전지를 공급원으로서 구비하는 전자 기기 및 자동차를 제공함을 과제로 한다.
본 발명은 강산성의 기능성 재료의 용액에 소정량의 염기를 첨가함으로써, 토출 장치의 구성 부재를 부식시키지 않는 것으로 한 기능성 재료층 형성용 조성물, 토출 장치를 사용하여 상기 조성물을 기판 위에 도포하는 기능성 재료층의 형성 방법, 제1 집전층, 제1 반응층, 전해질막, 제2 반응층 및 제2 집전층을 갖는 연료 전지의 제1 및 제2 반응층의 적어도 한쪽을 상기 기능성 재료층 형성용 조성물을 토출 장치를 사용하여 도포함으로써 형성하는 연료 전지의 제조 방법, 얻어진 연료 전지를 전력 공급원으로서 구비하는 전자 기기 및 자동차를 제공한다.

Description

기능성 재료층 형성용 조성물, 기능성 재료층의 형성 방법, 연료 전지의 제조 방법, 전자 기기 및 자동차{COMPOSITION FOR FORMING A FUNCTIONAL MATERIAL LAYER, METHOD FOR FORMING A FUNCTIONAL MATERIAL LAYER, AND METHOD FOR MANUFACTURING A FUEL CELL, AS WELL AS ELECTRONIC DEVICE AND AUTOMOBILE}
본 발명은 잉크젯식의 토출 장치(이하, 「토출 장치」라고 함)에 의해 토출되는 기능성 재료층 형성용 조성물로서, 상기 토출 장치의 구성 부재를 부식시키지 않는 것으로 한 것을 특징으로 하는 비부식성의 기능성 재료층 형성용 조성물, 기체(基體) 위에 토출 장치를 사용하여 이 조성물을 도포하는 기능성 재료층의 형성 방법, 이 형성 방법을 사용하는 연료 전지의 제조 방법, 및 이 연료 전지의 제조 방법에 의해 얻어진 상기 연료 전지를 공급원으로서 구비하는 전자 기기 및 자동차에 관한 것이다.
종래, 전해질막과 이 전해질막의 한쪽 면에 배치된 전극(양극), 및 전해질막의 다른 면에 형성된 전극(음극) 등으로 구성되는 연료 전지가 존재한다. 예를 들면, 전해질막이 고체 고분자 전해질막인 고체 고분자 전해질형 연료 전지에서는, 양극 측에서는 수소를 수소 이온과 전자로 하는 반응이 이루어지고, 전자가 음극 측으로 흐르며, 수소 이온은 음극 측으로 전해질막 내를 이동하고, 음극 측에서는 산소 가스, 수소 이온 및 전자로부터 물을 생성하는 반응이 이루어진다.
이러한 고체 전해질형 연료 전지에 있어서, 각 전극은 통상 반응 가스의 반응 촉매인 금속 미립자로 이루어지는 반응층과, 반응층의 기판 측에 탄소 미립자로 이루어지는 가스 확산층, 및 가스 확산층의 기판 측에 도전성 물질로 이루어지는 집전층으로 형성된다. 한쪽 기판에 있어서, 가스 확산층을 구성하는 탄소 미립자의 간극을 통과하여 균일하게 확산된 수소 가스는, 반응층에서 반응하여 전자와 수소 이온으로 된다. 발생한 전자는 집전층에 모아져 다른 쪽 기판의 집전층으로 전자가 흐른다. 수소 이온은 고분자 전해질막을 거쳐서 제2 기판의 반응층으로 이동하고, 집전층으로부터 흘러 온 전자 및 산소 가스로부터 물을 생성하는 반응이 이루어진다.
이러한 연료 전지에 있어서, 반응층을 형성하는 방법으로서는, 예를 들면 (a)촉매 담지(擔持) 카본을 고분자 전해질 용액과 유기 용매에 혼합하여 조제한 전극 촉매층 형성용 페이스트를 전사 기재(폴리테트라플루오로에틸렌제 시트)에 도포·건조시키고, 그것을 전해질막에 열압착하고, 그 다음에 전사 기재를 벗김으로써, 전해질막에 촉매층(반응층)을 전사하는 방법(특허문헌 1), (b)전극으로서 사용하는 카본층 위에 고체 촉매를 담지한 카본 입자의 전해질 용액을 스프레이를 사용하여 도포하고, 그 후 용매를 휘발시킴으로써 제조하는 방법(특허문헌 2)이 알려져 있다.
그러나, 이러한 방법은 모두 백금 미립자 등의 고가의 촉매를 다량으로 사용하지 않으면 안되어, 제조 비용이 높아져서 문제였다. 그래서, 이 문제를 해결하고자, 백금과 비교해 저가격으로 입수할 수 있는 헥사클로로 백금산을 촉매로서 사용하는 방법이 제안되어 있다(특허문헌 3).
그러나, 특허문헌 3의 방법은 헥사클로로 백금(IV)산을 전해질막에 접촉시키고, 화학 도금법으로 백금을 석출시키는 방법으로 반응층을 형성하는 것이었기 때문에, 균일하게 촉매를 도포하거나, 소정의 위치에 소정량의 촉매를 정확하게 도포할 수 없어, 일정한 출력 밀도를 갖는 연료 전지를 얻기 곤란한 문제가 있었다.
<특허문헌 1> 일본 공개특허 평8-88008호 공보
<특허문헌 2> 일본 공개특허 2002-298860호 공보
<특허문헌 3> 일본 공개특허 2003-297372호 공보
그런데, 종래부터 여러 가지의 기능성 재료를 토출 장치를 사용해 도포하여, 기능성 재료의 층을 형성하는 기술이 알려져 있다.
본 발명자들은, 이 토출 장치를 사용하여 반응층 형성용 재료를 도포함으로써 반응층을 형성하는 방법을 생각해 냈다.
그러나, 반응층 형성용 재료로서 사용하는 헥사클로로 백금(IV)산의 용액은 강산성이기 때문에, 토출 장치를 사용하여 이 용액의 토출을 반복하여 반응층을 형성한 경우, 토출 장치의 노즐 헤드 부분이 서서히 부식해, 노즐 구멍의 사이즈나 형상이 불균일하게 된다.
그 때문에, 일정양의 반응층 형성용 재료를 도포하는 것이 곤란해져, 촉매가 균일하게 분산된 반응층을 형성할 수가 없다는 새로운 문제가 생겼다.
본 발명은 이러한 문제를 감안하여 이루어진 것으로서, 토출 장치를 사용하여 연료 전지의 반응층으로 대표되는 기능성 재료층을 형성하는 경우에, 토출 장치의 구성 부재를 부식시키지 않는 기능성 재료층 형성용 조성물을 사용함으로써, 장기간 일정 품질의 기능성 재료층을 형성할 수 있는 기능성 재료층 형성용 조성물, 기체 위에 토출 장치를 사용하여 이 조성물을 도포하는 기능성 재료층의 형성 방법, 이 형성 방법을 사용하는 연료 전지의 제조 방법, 및 이 연료 전지의 제조 방법에 의해 얻어진 상기 연료 전지를 공급원으로서 구비하는 전자 기기 및 자동차를 제공하는 것을 과제로 한다.
본 발명자들은, 상기 과제를 해결하고자 열심히 연구한 결과, 토출 장치를 사용하여 반응층 형성용 재료를 도포함으로써 반응층을 형성하는 연료 전지의 제조 방법에 있어서, 토출 장치의 구성 부재를 부식시키지 않는 반응층 형성용 재료를 사용함으로써, 일정한 고품질 반응층을 갖는 연료 전지를 양산할 수 있음을 알아냈다. 그리고, 이 발견을 일반화함으로써 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
이렇게 하여 본 발명의 제1 발명에 의하면, 토출 장치에 의해 토출되는 기능성 재료층 형성용 조성물로서, 강산성의 기능성 재료의 용액에 소정량의 염기를 첨가함으로써, 상기 토출 장치의 구성 부재를 부식시키지 않는 것으로 한 것을 특징으로 하는 비부식성의 기능성 재료층 형성용 조성물이 제공된다.
본 발명의 기능성 재료층 형성용 조성물에 있어서는, 상기 강산성의 기능성 재료 용액이 pH2 미만의 용액이고, 상기 용액에 소정량의 염기를 첨가함으로써, pH2 이상의 용액으로 한 것이 바람직하다.
본 발명의 기능성 재료층 형성용 조성물에 있어서는, 상기 염기로서 암모니아 또는 유기 염기를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 기능성 재료층 형성용 조성물에 있어서는, 제1 집전층, 제1 반응층, 전해질막, 제2 반응층 및 제2 집전층을 갖는 연료 전지의 상기 제1 반응층 및 제2 반응층의 적어도 한쪽 반응층을 형성하기 위한 반응층 형성용 조성물인 것이 바람직하고, 백금족 원소 화합물의 강산성 용액에 소정량의 염기를 첨가해 얻어진 반응층 형성용 조성물인 것이 보다 바람직하며, 헥사클로로 백금산 수용액에 소정량의 암모니아 또는 유기 염기를 첨가해 얻어진 반응층 형성용 조성물인 것이 더욱 바람직하다.
본 발명의 기능성 재료층 형성용 조성물에 있어서는, 상기 토출 장치의 구성 부재가 백금족 원소보다 이온화 경향이 큰 금속 또는 상기 금속 화합물을 함유하는 것이 바람직하다.
본 발명의 기능성 재료층 형성용 조성물은, 토출 장치의 구성 부재를 부식시키지 않는 것이므로, 토출 장치를 장기간에 걸쳐서 반복하여 사용한 경우라 하더라도, 일정 품질의 기능성 재료층을 양산할 수 있다.
본 발명의 제2 발명에 의하면, 기체 위에, 본 발명의 비부식성의 기능성 재료층 형성용 조성물을 토출 장치를 사용하여 도포하는 공정을 갖는 기능성 재료층의 형성 방법이 제공된다.
본 발명의 기능성 재료층의 형성 방법에 의하면, 토출 장치의 구성 부재를 부식시키지 않는 기능성 재료층 형성용 조성물을 사용하기 때문에, 토출 장치를 장기간에 걸쳐서 반복해 사용한 경우라 하더라도, 일정 품질의 기능성 재료층을 양산할 수 있다.
본 발명의 제3 발명에 의하면, 제1 집전층, 제1 반응층, 전해질막, 제2 반응층 및 제2 집전층을 갖는 연료 전지의 상기 제1 반응층 및 제2 반응층의 적어도 한쪽을, 본 발명의 기능성 재료층 형성용 조성물을 토출 장치를 사용하여 도포함으로써 형성하는 공정을 갖는 연료 전지의 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 연료 전지의 제조 방법에 의하면, 토출 장치의 구성 부재를 부식시키지 않는 기능성 재료 형성용 조성물을 사용하기 때문에, 토출 장치를 장기간에 걸쳐서 반복해 사용한 경우라 하더라도, 균일한 품질을 갖는 반응층을 효율적으로 형성할 수 있다. 따라서, 본 발명의 연료 전지의 제조 방법에 의하면, 출력 밀도가 일정한 고품질의 연료 전지를 저비용으로 양산할 수 있다.
본 발명의 제4 발명에 의하면, 본 발명의 제조 방법에 의해 제조된 연료 전지를 전력 공급원으로서 구비하는 것을 특징으로 하는 전자 기기가 제공된다.
본 발명에 의하면, 지구 환경에 순한 크린 에너지를 전력 공급원으로서 구비하는 전자 기기를 제공할 수 있다.
본 발명의 제5 발명에 의하면, 본 발명의 제조 방법에 의해 제조된 연료 전지를 전력 공급원으로서 구비하는 것을 특징으로 하는 자동차가 제공된다.
본 발명에 의하면, 지구 환경에 순한 크린 에너지를 전력 공급원으로서 구비하는 자동차를 제공할 수 있다.
이하, 본 발명을 1) 기능성 재료층 형성용 조성물, 2) 기능성 재료층의 형성 방법, 3) 연료 전지의 제조 방법, 4) 전자 기기 및 5) 자동차로 항목을 분류하여 설명한다.
1) 기능성 재료층 형성용 조성물
본 발명의 기능성 재료층 형성용 조성물은, 토출 장치에 의해 토출되는 비부식성의 기능성 재료층 형성용 조성물로서, 강산성의 기능성 재료의 용액에 소정량의 염기를 첨가함으로써, 상기 토출 장치의 구성 부재를 부식시키지 않는 것으로 한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 기능성 재료층 형성용 조성물에 사용하는 기능성 재료로서는, 강산성으로서, 토출 장치의 구성 부재와 접촉함으로써 상기 구성 부재를 부식시킬 우려가 있는 것이면, 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 연료 전지의 반응층 형성용 재료나, 유기 전계 발광 소자의 발광층 형성용 재료 등을 들 수 있다. 그 중에서도, 연료 전지의 반응층의 형성용 재료가 보다 바람직하고, pH2 미만의 백금족 원소 화합물의 강산성 용액이 특히 바람직하다.
백금족 원소 화합물로서는, 예를 들면, 백금, 로듐, 팔라듐, 루테늄, 오스뮴, 이리듐 등 및, 이들의 2종 이상으로 이루어지는 합금으로 이루어지는 군(群)으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 금속 화합물을 들 수 있다. 이들 중 헥사클로로 백금(IV)산이 특히 바람직하다.
백금족 원소 화합물의 강산성 용액에 사용하는 용매로서는, 특별히 제한은 없지만, 물； 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 등의 알코올류； n-헵탄, n-옥탄, 데칸, 톨루엔, 크실렌, 시멘, 듀렌, 인덴, 디펜텐, 테트라하이드로나프탈렌, 데카하이드로나프탈렌, 시클로헥실벤젠 등의 탄화 수소계 화합물； 에틸렌글리콜디메틸에테르, 에틸렌글리콜디에틸에테르, 에틸렌글리콜메틸에틸에테르, 디에틸렌글리콜디메틸에테르, 디에틸렌글리콜디에틸에테르, 디에틸렌글리콜메틸에틸에테르, 1, 2-디메톡시에탄, 비스(2-메톡시에틸)에테르, p-디옥산 등의 에테르계 화합물 등을 들 수 있다. 이들은 1종 단독으로, 혹은 2종 이상을 혼합해 사용할 수 있다. 이들 중, 물 또는 물과 다른 유기 용매로 이루어지는 혼합 용매가 바람직하다.
백금족 원소 화합물의 용액 농도는 특별히 제한되지 않고, 이 용액의 토출에 적합한 점도 및 표면 장력을 만족하는 농도이면 좋지만, 1 중량% 이상 20 중량% 이하가 바람직하다.
백금족 원소 화합물의 용액의 점도는 특별히 제한되지 않지만, 1mPa·s 이상 50mPa·s 이하인 것이 바람직하다. 토출 장치를 사용하여 토출하는 때에, 점도가 1mPa·s보다 작으면 노즐 구멍의 주변부가 반응층 형성용 재료의 유출에 의해 오염되기 쉽고, 또, 점도가 50mPa·s보다 크면 노즐 구멍에서의 클로깅(clogging)의 빈도가 높아져, 원활한 액체 방울의 토출이 곤란해진다.
백금족 원소 화합물의 용액의 표면 장력은 특별히 제한되지 않지만, 2mN/m 이상 75mN/m 이하의 범위에 들어가는 것이 바람직하다. 토출 장치를 사용하여 액체를 토출할 때, 표면 장력이 2mN/m 미만이면, 이 반응층 형성용 재료의 노즐면에 대한 습윤성이 증대하기 때문에, 비행 굴곡이 생기기 쉬워진다. 반면, 75mN/m를 넘으면, 노즐 선단(先端)에서의 메니스커스의 형상이 불안정해지기 때문에, 토출량, 토출 타이밍의 제어가 곤란해진다.
본 발명의 기능성 재료층 형성용 조성물은, 강산성의 기능성 재료의 용액에 소정량의 염기를 첨가함으로써, 상기 토출 장치의 구성 부재를 부식시키지 않는 것으로 한 것이다.
사용하는 염기는 특별히 제한되지 않지만, 예를 들면, 수산화 나트륨, 수산화 칼륨 등의 알칼리 금속 수산화물； 탄산 나트륨, 탄산 칼륨 등의 알칼리 금속 탄산염； 탄산 수소 나트륨, 탄산 수소 칼륨 등의 알칼리 금속 탄산 수소염； 수소화 나트륨 등의 알칼리 금속 수소화물； 수소화 칼슘 등의 알칼리 토류 금속 수소화물； 암모니아； 등의 무기 염기,　그리고 메틸아민, 에틸아민, n-프로필아민, 아닐린 등의 1급 아민； 디메틸아민, 디에틸아민, 디-n-프로필아민 등의 2급 아민； 트리메틸아민, 트리에틸아민, 트리-n-프로필아민 등의 3급 아민； 피리딘 등의 함질소 복소환 화합물； 등의 유기 염기를 들 수 있다.
이들 중에서도, 후처리, 취급 및 비용의 면에서 암모니아 또는 유기 염기의 사용이 바람직하다.
염기의 첨가량은, 강산성의 기능성 재료의 용액에 염기를 첨가함으로써, 토출 장치의 구성 부재를 부식시키지 않는 기능성 재료층 형성용 조성물을 얻을 수 있을 만한 양, 보다 구체적으로는 pH가 2 미만인 강산성의 기능성 재료의 용액에 염기를 첨가하여, pH2 이상의 기능성 재료층 형성용 조성물을 얻을 수 있는 양이면, 특별히 제한되지 않는다.
기능성 재료의 용액에 염기를 첨가하는 방법에 특별히 제한은 없다. 예를 들면, 기능성 재료의 용액에, 교반하에서 염기의 수용액을 첨가하는 방법, 기능성 재료의 용액에 기체 상태의 염기를 불어넣는 방법, 기능성 재료의 용액에 고체 형상의 염기를 첨가하는 방법 등을 들 수 있다. 이들 중에서도, 조작성 등의 관점에서 기능성 재료의 용액에, 교반하에서 염기의 수용액을 첨가하는 방법이 바람직하다.
본 발명의 대상으로 하는 토출 장치로서는, 잉크젯 방식의 토출 장치이면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 가열 발포에 의해 기포를 발생시키고, 액체 방울의 토출을 행하는 열(thermal) 방식의 토출 장치, 피에조 소자를 이용하는 압축에 의해 액체 방울의 토출을 행하는 피에조 방식의 토출 장치 등을 들 수 있다.
본 발명의 대상으로 하는 토출 장치의 일례를 도 1에 나타낸다. 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)을 흡인하여, 잉크젯 헤드(22) 내로부터 과잉의 토출물을 제거하는 흡인 캡(40), 및 흡인 캡(40)으로 흡인된 잉여의 토출물을 수용하는 폐액 탱크(48)로 구성되어 있다.
탱크(30)는, 본 발명의 기능성 재료층 형성용 조성물 등의 토출물(34)을 수용하는 것이며, 탱크(30) 내에 수용되어 있는 토출물의 액면(34a)의 높이를 제어하기 위한 액면 제어 센서(36)를 구비한다. 액면 제어 센서(36)는, 잉크젯 헤드(22)가 구비하는 노즐 형성면(26)의 선단부(26a)와 탱크(30) 내의 액면(34a)과의 높이의 차(h)(이하, '수두값'이라 함)를 소정의 범위 내로 유지하는 제어를 행한다. 예를 들면, 이 수두(水頭)값이 25m±0.5 mm 내로 되도록 액면(34a)의 높이를 제어함으로써, 탱크(30) 내의 토출물(34)을 소정의 범위 내의 압력으로 잉크젯 헤드(22)에 보낼 수 있다. 소정의 범위 내의 압력으로 토출물(34)을 보냄으로써, 잉크젯 헤드(22)로부터 필요량의 토출물(34)을 안정적으로 토출할 수 있다.
토출물 반송관(32)은, 토출물 반송관(32)의 유로 내의 대전(帶電)을 방지하기 위한 토출물 유로부-접지 이음새(32a)와 헤드부 기포 배제 밸브(32b)를 구비한다. 헤드부 기포 배제 밸브(32b)는 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 기판 위에 형성할 때에 기판에 도포되는 기능성 재료층 형성용 조성물 등이 토출된다.
테이블(28)은 소정의 방향으로 이동 가능하게 설치되어 있다. 테이블(28)은 도면 중 화살표로 나타낸 방향으로 이동함으로써, 벨트 컨베이어(BC1)에 의해 반송되는 기판을 배치해 토출 장치(20a) 내로 수용된다.
흡인 캡(40)은 도 1에 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 형성해 노즐을 바깥 공기로부터 차단할 수 있는 구성으로 되어 있다. 즉, 흡인 캡(40)에 의해 잉크젯 헤드(22) 내의 토출물을 흡인할 때는 이 헤드부 기포 배제 밸브(32b)를 닫힌 상태로 하고, 탱크(30) 측으로부터 토출물이 유입하지 않는 상태로 하여, 흡인 캡(40)에서 흡인함으로써, 흡인되는 토출물의 유속을 상승시켜, 잉크젯 헤드(22) 내의 기포를 신속하게 배출할 수 있다.
흡인 캡(40)의 하부에는 유로가 설치되어 있고, 이 유로에는 흡인 밸브(42)가 배치되어 있다. 흡인 밸브(42)는 흡인 밸브(42)의 아랫쪽의 흡인 측과, 윗쪽의 잉크젯 헤드(22) 측과의 압력 밸런스(대기압)를 취하기 위한 시간을 단축하는 목적으로, 유로를 닫힌 상태로 하는 역할을 수행한다. 이 유로에는 흡인 이상을 검출하는 흡인압 검출 센서(44)나 튜브 펌프 등으로 이루어지는 흡인 펌프(46)가 배치되어 있다. 또, 흡인 펌프(46)로 흡인, 반송된 토출물(34)은 폐액 탱크(48) 내에 일시적으로 수용된다.
본 발명이 대상으로 하는 토출 장치는, 바람직하게는 그 구성 부재가 본 발명의 기능성 재료층 형성용 조성물에 포함되는 백금족 원소 화합물의 백금족 원소보다 이온화 경향이 큰 금속 또는 상기 금속의 화합물을 함유하는 것이다. 예를 들면, 잉크젯 헤드의 표면은 폴리테트라플루오로에틸렌과 백금족 원소보다 이온화 경향이 큰 니켈 또는 니켈 화합물의 혼합물로 형성되어 있다.
본 발명의 기능성 재료층 형성용 조성물은, 기능성 재료의 용액에 염기를 더함으로써 조제할 수 있지만, 기능성 재료의 용액에 염기를 더하는 조작은 토출 장치의 토출 노즐로부터 기능성 재료층 형성용 조성물을 토출하기 전이면 어느 공정에서도 할 수 있다. 예를 들면, 토출물 반송관(32)으로 반응층 형성용 재료를 빨아 올리기 전에 탱크(30) 내에서 할 수가 있고, 또는, 토출물 반송관(32)의 도중에 pH를 조정하기 위한 탱크를 설치해 그 탱크 내에서 행하는 것도 가능하다.
본 발명의 기능성 재료층 형성용 조성물은, 제1 집전층, 제1 반응층, 전해질막, 제2 반응층 및 제2 집전층을 갖는 연료 전지의 상기 제1 반응층 및 제2 반응층의 적어도 한쪽 반응층을 형성하기 위한 반응층 형성용 조성물인 것이 바람직하다. 이 경우에 있어서, 백금족 원소 화합물의 강산성 용액에 소정량의 염기를 첨가해 얻어진 것이 바람직하고, 헥사클로로 백금산 수용액에 소정량의 암모니아 또는 유기 염기를 첨가하여 얻어진 것이 보다 바람직하다. 또, 상기 토출 장치의 구성 부재가 백금족 원소보다 이온화 경향이 큰 금속 또는 상기 금속의 화합물을 함유하는 것이 바람직하다.
본 발명의 기능성 재료층 형성용 조성물은, 토출 장치의 구성 부재와 접촉해도 구성 부재를 부식시키지 않는 것이기 때문에, 일정 품질의 기능성 재료를 장기간에 걸쳐서 양산하는 것이 가능해진다.
2) 기능성 재료층의 형성 방법
본 발명의 제2 발명은 기체 위에 본 발명의 비부식성의 기능성 재료층 형성용 조성물을 토출 장치를 사용하여 도포하는 공정을 갖는 기능성 재료층의 형성 방법이다.
기체로서는 기능성 재료층을 담지할 수 있는 것이면 특별히 제한되지 않는다.
본 발명의 방법에 의해 얻을 수 있는 기능성 재료층이 제1 집전층, 제1 반응층, 전해질막, 제2 반응층 및 제2 집전층을 갖는 연료 전지의 제1 또는 제2 반응층인 경우에는 제1 집전층 또는 전해질막이 기체로 된다.
본 발명의 기능성 재료층의 형성 방법에 의하면, 토출 장치의 구성 부재와 접촉해도 구성 부재를 부식시키지 않는 기능성 재료층 형성용 조성물을 사용하기 때문에, 균일한 품질을 갖는 기능성 재료층을 장기간에 걸쳐서 효율적으로 양산할 수 있다.
3) 연료 전지의 제조 방법
본 발명의 제3 발명은 제1 집전층, 제1 반응층, 전해질막, 제2 반응층 및 제2 집전층을 갖는 연료 전지의 상기 제1 반응층 및 제2 반응층의 적어도 한쪽을 본 발명의 기능성 재료층 형성용 조성물을 토출 장치를 사용하여 도포함으로써 형성하는 공정을 갖는 연료 전지의 제조 방법이다.
본 발명의 연료 전지의 제조 방법은, 도 2에 나타내는 연료 전지의 제조 장치(연료 전지 제조 라인)를 사용하여 실시할 수 있다. 도 2에 나타내는 연료 전지 제조 라인에서, 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 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 컨베이어(BC1)를 따라 소정의 간격으로 일렬로 배치되어 있고, 토출 장치(20l, 20m)는 벨트 컨베이어(BC2)를 따라 소정의 간격으로 일렬로 배치되어 있다. 또, 제어 장치(56)는 토출 장치(20a ~ 20k), 구동 장치(58) 및 조립 장치(60)와 접속되어 있다.
이 연료 전지 제조 라인에서는, 구동 장치(58)에 의해 구동된 벨트 컨베이어(BC1)를 구동시켜, 연료 전지의 기판(이하, 간단히「기판」이라 함.)을 각 토출 장치(20a ~ 20k)에 반송해 각 토출 장치(20a ~ 20k)에서의 처리가 행해진다. 마찬가지로, 제어 장치(56)로부터의 신호에 의거하여 벨트 컨베이어(BC2)를 구동시켜, 기판을 토출 장치(20l, 20m)로 반송해, 토출 장치(20l, 20 m)에서의 처리가 행해진다. 또, 조립 장치(60)에서는, 제어 장치(56)로부터의 제어 신호에 의거하여 벨트 컨베이어(BC1 및 BC2)에 의해 반송되어 온 기판을 사용하여 연료 전지의 조립 작업이 행해진다.
본 실시 형태에서는, 토출 장치(20a)로서 도 1에 나타내는 것을 사용한다. 또, 토출 장치(20b ~ 20m)는 토출물(34)의 종류가 다른 것을 제외하고는 토출 장치(20a)와 같은 구성의 것이다. 따라서, 이하에서 각 토출 장치의 동일 구성에 대해서는 동일 부호를 사용한다.
다음에, 도 2에 나타내는 연료 전지 제조 라인을 사용하여 연료 전지를 제조하는 각 공정을 설명한다. 도 2에 나타내는 연료 전지 제조 라인을 사용하는 연료 전지의 제조 방법의 플로 차트를 도 3에 나타낸다.
도 3에 나타내듯이, 본 실시 형태에 관한 연료 전지는 제1 기판에 가스 유로를 형성하는 공정(S10, 제1 가스 유로 형성 공정), 가스 유로 내에 제1 지지 부재를 도포하는 공정(S11, 제1 지지 부재 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 지지 부재를 제2 가스 유로 내에 도포하는 공정(S19, 제2 지지 부재 도포 공정), 및 제2 가스 유로가 형성된 제2 기판을 적층하는 공정(S20, 조립 공정)에 의해 제조된다.
제1 가스 유로 형성 공정(S10)
우선, 도 4a에 나타내듯이, 직사각형 모양의 제1 기판(2)을 준비하고, 기판(2)을 벨트 컨베이어(BC1)에 의해 토출 장치(20a)까지 반송한다. 기판(2)으로서는 특별히 제한되지 않고, 실리콘 기판 등의 통상의 연료 전지에 사용되는 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) 위에 배치되어 토출 장치(20a) 내로 인도된다. 토출 장치(20a) 내에서는, 토출 장치(20a)의 탱크(30) 내에 수용되어 있는 레지스트 액(液)이 노즐 형성면(26)의 노즐을 거쳐서 테이블(28)에 탑재된 기판(2) 위의 소정 위치에 도포되어 기판(2)의 표면에 레지스트 패턴(도면 중, 사선 부분)이 형성된다. 레지스터 패턴은 도 4b에 나타내듯이, 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 반송되고, 토출 장치(20b)의 테이블(28) 위에 배치되어 토출 장치(20b) 내에 인도된다. 토출 장치(20b) 내에서는, 탱크(30) 내에 수용되어 있는 불화 수소산 수용액 등의 에칭액이 노즐 형성면(26)의 노즐을 거쳐서 기판(2) 표면에 도포된다. 에칭액에 의해, 레지스트 패턴이 형성되어 있는 부분 이외의 기판(2) 표면부가 에칭되고, 도 5a에 나타내듯이, 기판(2)의 한쪽 측면으로부터 다른쪽 측면으로 연장되는 단면 ㄷ 자 형상의 제1 가스 유로가 형성된다. 또, 도 5b에 나타내듯이, 가스 유로가 형성된 기판(2)은 도시하지 않은 세정 장치에 의해 표면이 세정되어 레지스트 패턴이 제거된다. 그 다음에, 가스 유로가 형성된 기판(2)은 테이블(28)로부터 벨트 컨베이어(BC1)로 옮겨지고, 벨트 컨베이어(BC1)에 의해 토출 장치(20c)까지 반송된다.
제1 지지 부재 도포 공정(S11)
다음에, 제1 가스 유로가 형성된 기판(2) 위에, 제1 집전층을 지지하기 위한 제1 지지 부재를 가스 유로 내에 도포한다. 제1 지지 부재의 도포는 기판(2)을 테이블(28)에 배치하여 토출 장치(20c) 내에 인도하고, 그 다음에, 토출 장치(20c)에 의해 탱크(30) 내에 수용되어 있는 제1 지지 부재(4)를 노즐 형성면(26)의 노즐을 거쳐서 기판(2)에 형성되어 있는 제1 가스 유로 내로 토출하는 것에 의해 행해진다.
사용하는 제1 지지 부재로서는, 제1 반응 가스에 대하여 불활성이고, 제1 집전층이 제1 가스 유로에 낙하하는 것을 방지하며, 또한, 제1 반응층에 제1 반응 가스가 확산하는 것을 방해하지 않는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 탄소 입자, 유리 입자 등을 들 수 있다. 본 실시 형태에서는, 직경 1 ~ 5 마이크론 정도의 입자 지름의 다공질 카본을 사용하고 있다. 소정의 입경을 갖는 다공질 카본을 지지 부재로서 사용함으로써, 가스 유로를 거쳐서 공급되는 반응 가스가 다공질 카본의 간극으로부터 위로 확산하기 때문에, 반응 가스의 흐름을 방해하는 것이 없게 된다.
제1 지지 부재(4)가 도포된 기판(2)의 단면도를 도 6에 나타낸다. 제1 지지 부재(4)가 도포된 기판(2)은 테이블(28)로부터 벨트 컨베이어(BC1)로 옮겨지고, 벨트 컨베이어(BC1)에 의해 토출 장치(20d)까지 반송된다.
제1 집전층 형성 공정(S12)
다음에, 기판(2) 위에, 제1 반응 가스가 반응함으로써 발생한 전자를 모으기 위한 제1 집전층을 형성한다. 우선, 벨트 컨베이어(BC1)에 의해 토출 장치(20d)까지 반송된 기판(2)을 테이블(28) 위에 배치해 토출 장치(20d) 내로 인도한다. 토출 장치(20d)에서는, 탱크(30) 내에 수용되어 있는 집전층 형성용 재료의 일정양을 노즐 형성면(26)의 노즐을 거쳐서 기판(2) 위에 토출함으로써, 소정의 패턴을 갖는 제1 집전층이 형성된다.
사용하는 집전층 형성용 재료로서는, 도전성 물질을 포함한 재료이면 특별히 제한되지 않는다.
도전성 물질로서는, 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 분산시키고, 원하는 바에 따라 분산제를 첨가해 조제할 수 있다.
본 실시 형태에서는, 집전층 형성용 재료의 도포를 토출 장치(20d)를 사용하여 행하고 있기 때문에, 간편한 조작에 의해 소정량을 소정의 위치에 정확하게 도포할 수 있다. 따라서, 집전층 형성용 재료의 사용량을 큰폭으로 절약할 수 있고, 원하는 패턴(형상)의 집전층을 효율적으로 형성할 수 있다.
제1 집전층(6)이 형성된 기판(2)의 단면도를 도 7에 나타낸다. 도 7에 나타내듯이, 제1 집전층(6)은 기판(2)에 형성되어 있는 제1 가스 유로 내의 제1 지지 부재(4)에 의해 지지되고, 제1 가스 유로 내에 낙하하지 않도록 되어 있다. 제1 집전층(6)이 형성된 기판(2)은 테이블(28)로부터 벨트 컨베이어(BC1)에 옮겨지고, 벨트 컨베이어(BC1)에 의해 토출 장치(20e)까지 반송된다.
제1 가스 확산층 형성 공정(S13)
다음에, 기판(2)의 집전층 위에 제1 가스 확산층을 형성한다. 우선, 벨트 컨베이어(BC1)에 의해 토출 장치(20e)까지 반송된 기판(2)을 테이블(28) 위에 배치하고, 토출 장치(20e)내에 인도한다. 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 배치되어 있는 기판(2) 표면의 소정 위치에 토출하여, 제1 가스 확산층이 형성된다.
사용하는 가스 확산층 형성용 재료로서는 탄소 미립자가 일반적이지만, 카본 나노 튜브, 카본 나노 혼(horn), 플러렌(fullerene) 등도 사용할 수 있다. 또, 가스 확산층의 기판 측은 탄소 미립자를 사용하고, 표면측은, 가스 확산 능력은 낮지만 촉매 담지 능력이 뛰어난 재료를 사용하는 것도 가능하다.
제1 가스 확산층(8)이 형성된 기판(2)의 단면도를 도 8에 나타낸다. 도 8에 나타내듯이, 제1 가스 확산층(8)은 기판(2)에 형성되어 있는 제1 집전층을 덮도록 기판(2)의 전체 면에 형성되어 있다. 제1 가스 확산층(8)이 형성된 기판(2)은 테이블(28)로부터 벨트 컨베이어(BC1)에 옮겨지고, 벨트 컨베이어(BC1)에 의해 토출 장치(20f)까지 반송된다.
제1 반응층 형성 공정(S14)
다음에, 기판(2) 위에 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) 위에 배치하고, 토출 장치(20f) 내에 인도한다. 다음에, 토출 장치(20f)의 탱크(30) 내에 수용되어 있는 반응층 형성용 조성물의 소정량이 기판(2) 표면 위의 제1 반응층 형성 부위에 토출되어, 반응층 형성용 조성물의 도포막이 형성된다. 그 다음에, 얻어진 도포막을 불활성 분위기 내에서 소성함으로써 반응층이 형성된다.
사용하는 반응층 형성용 조성물은, 토출 장치의 구성 부재와 접촉했을 때에, 사용한 구성 부재가 부식하는 것을 막기 위해서, pH2 미만의 강산성의 백금족 원소 화합물의 용액 또는 분산액에 소정의 염기를 첨가해 pH2 이상의 백금족 원소 화합물의 용액 또는 분산액으로 한 것이다.
반응층 형성용 조성물은, 상기 기능성 재료층 형성용 조성물의 항에서 설명한 것과 동일하게 하여 조제할 수 있다.
토출 장치(20f)에 의해, 반응층 형성용 재료를 도포해 반응층 형성용 재료의 도포막을 형성한 후에는, 촉매로서의 충분한 활성을 발현시키기 위해서, 불활성 가스 분위기하에서 소성을 행한다. 소성을 행함으로써, 제1 반응층(10)을 얻을 수 있다.
반응층 형성용 재료의 도포막을 소성하는 방법으로는, 상기 도포막을 불활성 가스 분위기하에서 대기압으로 가열함으로써 불필요분을 제거하는 방법, 감압하에서 가열함으로써 불필요분을 제거하는 방법 등을 들 수 있지만, 후자의 방법이 바람직하다. 가열 온도는 낮을 수록 바람직하고, 보다 바람직하게는 100℃ 이하, 더욱 바람직하게는 50℃ 이하이다. 또, 불필요분을 제거하는 처리는 가능한 한 짧은 시간에 행하는 것이 바람직하다. 장시간, 고온으로 불필요분을 제거하는 경우에는 토출 장치에 의해 제조한 백금족 원소 화합물의 균일한 분산 상태가 파괴되어, 촉매 금속이 균일하게 분산한 반응층을 형성할 수 없기 때문이다.
이상과 같이 하여, 제1 반응층(10)이 형성된 기판(2)의 단면도를 도 9에 나타낸다. 제1 반응층(10)이 형성된 기판(2)은 테이블(28)로부터 벨트 컨베이어(BC1)로 옮겨지고, 벨트 컨베이어(BC1)에 의해 토출 장치(20g)까지 반송된다.
전해질막 형성 공정(S15)
다음에, 제1 반응층(10)이 형성된 기판(2) 위에 전해질막을 형성한다. 우선, 벨트 컨베이어(BC1)에 의해 토출 장치(20g)까지 반송된 기판(2)을 테이블(28) 위에 배치하여 토출 장치(20g) 내로 보낸다. 토출 장치(20g)에서, 탱크(30) 내에 수용되어 있는 전해질막의 형성 재료를 노즐 형성면(26)의 노즐을 거쳐서 제1 반응층(10) 위에 토출하여 전해질막(12)이 형성된다.
사용하는 전해질막의 형성 재료로서는, 예를 들면, 나피온(듀퐁사제) 등의 퍼플루오로술폰산을 물과 메탄올의 중량비가 1：1인 혼합 용액 내에서 미셀화(micellization)해 얻을 수 있는 고분자 전해질 재료나, 텅스트 인산, 몰리브드 인산 등의 세라믹스계 고체 전해질을 소정의 점도(예를 들면, 20cP 이하)로 조정한 재료 등을 들 수 있다.
전해질막이 형성된 기판(2)의 단면도를 도 10에 나타낸다. 도 10에 나타내듯이, 제1 반응층(10) 위에 소정의 두께를 갖는 전해질막(12)이 형성되어 있다. 전해질막(12)이 형성된 기판(2)은 테이블(28)로부터 벨트 컨베이어(BC1)로 옮겨지고, 벨트 컨베이어(BC1)에 의해 토출 장치(20h)까지 반송된다.
제2 반응층 형성 공정(S16)
다음에, 전해질막(12)이 형성된 기판(2) 위에 제2 반응층을 형성한다. 제2 반응층은 가스 유로 및 가스 확산층이 형성된 기판 위에, 불활성 가스를 상기 가스 유로내로 흘리면서, 반응층 형성용 재료를 도포해 형성한다.
우선, 벨트 컨베이어(BC1)에 의해 토출 장치(20h)까지 반송된 기판(2)을 테이블(28) 위에 배치하여 토출 장치(20h) 내로 인도한다. 토출 장치(20h)에서는, 토출 장치(20f)에서 행해진 처리와 동일한 처리에 의해 제2 반응층(10＇)이 형성된다. 제2 반응층(10＇)을 형성하는 재료로서는, 제1 반응층과 동일한 것을 사용할 수 있다.
전해질막(12) 위에 제2 반응층(10＇)이 형성된 기판(2)의 단면도를 도 11에 나타낸다. 도 11에 나타내듯이, 전해질막(12) 위에 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)로부터 벨트 컨베이어(BC1)로 옮겨지고, 벨트 컨베이어(BC1)에 의해 토출 장치(20i)까지 반송된다.
제2 가스 확산층 형성 공정(S17)
다음에, 제2 반응층(10＇)이 형성된 기판(2) 위에 제2 가스 확산층을 형성한다. 우선, 벨트 컨베이어(BC1)에 의해 토출 장치(20i)까지 반송된 기판(2)을 테이블(28) 위에 배치해 토출 장치(20i) 내로 인도한다. 토출 장치(20i)에 있어서는, 토출 장치(20e)에서 행해진 처리와 동일한 처리에 의해, 제2 가스 확산층(8＇)이 형성된다. 제2 가스 확산층 형성용 재료로서는, 제1 가스 확산층(8)과 동일한 것을 사용할 수 있다. 제2 반응층(10＇) 위에 제2 가스 확산층(8＇)이 형성된 기판(2)의 단면도를 도 12에 나타낸다. 제2 가스 확산층(8＇)이 형성된 기판(2)은 테이블(28)로부터 벨트 컨베이어(BC1)로 옮겨지고, 벨트 컨베이어(BC1)에 의해 토출 장치(20j)까지 반송된다.
제2 집전층 형성 공정(S18)
다음에, 제2 가스 확산층(8＇)이 형성된 기판(2) 위에 제2 집전층을 형성한다. 우선, 벨트 컨베이어(BC1)에 의해 토출 장치(20j)까지 반송된 기판(2)을 테이블(28) 위에 배치하여 토출 장치(20j) 내로 인도하고, 토출 장치(20d)에서 행해진 처리와 동일한 처리에 의해, 제2 집전층(6＇)이 제2 가스 확산층(8＇) 위에 형성된다. 제2 집전층 형성용 재료로서는, 제1 집전층 형성용 재료와 동일한 것을 사용할 수 있다. 제2 집전층(6＇)이 형성된 기판(2)은 테이블(28)로부터 벨트 컨베이어(BC1)로 옮겨지고, 벨트 컨베이어(BC1)에 의해 토출 장치(20k)까지 반송된다.
제2 지지 부재 도포 공정(S19)
다음에, 벨트 컨베이어(BC1)에 의해 토출 장치(20k)까지 반송된 기판(2)을 테이블(28) 위에 배치하고 토출 장치(20k) 내로 보내주며, 토출 장치(20c)에서 행해진 처리와 동일한 처리에 의해, 제2 지지 부재가 도포된다. 제2 지지 부재로서는, 제1 지지 부재와 동일한 것을 사용할 수 있다.
제2 집전층(6＇) 및 제2 지지 부재(4＇)가 도포된 기판(2)의 단면도를 도 13에 나타낸다. 제2 지지 부재(4＇)는 제2 집전층(8＇) 위에 형성되고, 기판(2) 위에 적층하는 제2 기판에 형성되어 있는 제2 가스 유로 내로 수용되는 위치에 도포되어 있다.
제2 기판 조립 공정(S20)
다음에, 제2 지지 부재(4＇)가 도포된 기판(2)과 별도로 준비한 제2 가스 유로가 형성된 제2 기판을 적층한다. 기판(2)(제1 기판)과 제2 기판과의 적층은 기판(2) 위에 형성된 제2 지지 부재(4＇)가 제2 기판에 형성된 제2 가스 유로 내로 수용되도록 접합함으로써 행해진다. 여기서, 제2 기판으로서는, 제1 기판과 같은 것을 사용할 수 있다. 또, 제2 가스 유로 형성은, 토출 장치(20l 및 20m)에서, 토출 장치(20a 및 20b)에 의해 행해지는 처리와 동일한 처리에 의해 행해진다.
이상과 같이 하여, 도 14에 나타내는 구조의 연료 전지를 제조할 수 있다. 도 14에 나타내는 연료 전지는, 도면 중 아래 쪽으로부터 제1 기판(2)과 제1 기판(2)에 형성된 제1 가스 유로(3)와, 제1 가스 유로(3) 내로 수용된 제1 지지 부재(4)와, 제1 기판(2) 및 제1 지지 부재(4) 위에 형성된 제1 집전층(6)과, 제1 가스 확산층(8)과, 제1의 가스 확산층(8) 위에 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＇) 내로 수용된 제2 지지 부재(4＇)와, 제2 기판(2＇)으로 구성되어 있다. 또, 도 14에 나타내는 연료 전지에서, 기판(2)에 형성되어 있는 한쪽 측면으로부터 다른쪽 측면으로 연장되는 ㄷ 자형의 제1 가스 유로와 기판(2＇)에 형성되어 있는 제2 가스 유로가 평행하게 되도록 기판(2＇)이 배치되어 있다.
본 실시 형태에 의해 제조되는 연료 전지의 종류는 특별히 제약되지 않는다. 예를 들면, 고분자 전해질형 연료 전지, 인산형 연료 전지, 다이렉트 메탄올 타입의 연료 전지 등을 들 수 있다.
본 실시 형태에 의해 제조되는 연료 전지는 다음과 같이 동작한다. 즉, 제1 기판(2)의 제1 가스 유로(3)로부터 제1 반응 가스가 도입되고, 가스 확산층(8)에 의해 균일하게 확산되며, 확산된 제1 반응 가스가 제1 반응층(10)에서 반응하여 이온과 전자가 발생하고, 발생한 전자는 집전층(8)에 모아져 제2 기판(2＇)의 제2 집전층(6＇)으로 흐르고, 제1 반응 가스에 의해 발생한 이온은 전해질막(12) 내를 제2 반응층(8＇)으로 이동한다. 한편, 제2 기판(2＇)의 가스 유로(3＇)로부터 제2 반응 가스가 도입되고, 제2 가스 확산층(8＇)에 의해 균일하게 확산되며, 확산된 제2 반응 가스가 제2 반응층(10＇)에서, 전해질막(12) 내를 이동하여 온 이온 및 제2 집전층(6＇)으로부터 보내진 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 1/2O2 ＋ 2H＋ ＋ 2e- → H2O의 반응이 진행한다.
상술한 실시 형태에 관한 연료 전지의 제조 방법에서는, 모든 공정에서 토출 장치를 사용하고 있지만, 토출 장치를 사용하여 반응층 형성용 재료를 도포하여, 제1 반응층 및/또는 제2 반응층을 형성하고, 그 외의 공정에서 종래와 같은 공정에 의해 연료 전지를 제조하도록 해도 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 위에 레지스트 패턴을 형성하고, 불화 수소산 수용액을 도포하여 에칭을 행함으로써, 가스 유로를 형성하고 있지만, 레지스트 패턴을 형성하지 않고 가스 유로를 형성할 수도 있다. 또, 불소 가스 분위기 내에 기판을 배치하고, 기판 위의 소정의 위치에 물을 토출함으로써, 가스 유로를 형성하도록 해도 좋다. 또, 기판 위에 가스 유로 형성용 재료를 토출 장치를 사용하여 도포해 가스 유로를 형성해도 좋다.
상술한 실시 형태의 제조 방법에서는, 제1 반응 가스가 공급되는 제1 기판측으로부터 연료 전지의 구성 부분을 형성하고, 최후에 제2 기판을 적층함으로써 연료 전지의 제조를 하고 있지만, 제2 반응 가스가 공급되는 측의 기판으로부터 연료 전지의 제조를 개시하도록 해도 좋다.
상술한 실시 형태의 제조 방법에서는, 제2 지지 부재를 제1 기판에 형성되어 있는 제1 가스 유로를 따라 도포하고 있지만, 제1 가스 유로와 교차하는 방향으로 도포해도 좋다. 즉, 제2 지지 부재를, 예를 들면, 제1 기판에 형성되어 있는 가스 유로와 직각으로 교차하도록, 예를 들면, 도 5b에서 도면 중 우측면으로부터 좌측면으로 연장하는 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 전지를 얻을 수 있다.
상술한 실시 형태의 제조 방법에서는, 제1 가스 유로가 형성된 제1 기판 위에, 제1 집전층, 제1 반응층, 전해질막, 제2 반응층 및 제2 집전층을 순서대로 형성하고 있지만, 제1 기판과 제2 기판의 각각에 집전층, 반응층 및 전해질막을 형성하고, 마지막에 제1 기판과 제2 기판을 접합함으로써, 연료 전지를 제조하는 것도 가능하다.
본 실시 형태의 연료 전지 제조 라인에서, 제1 기판에 처리를 행하는 제1 제조 라인과 제2 기판에 처리를 행하는 제2 제조 라인을 설치해, 각각의 제조 라인에서의 처리를 평행하게 행하는 제조 라인을 사용한다. 그 때문에, 제1 기판에의 처리와 제2 기판에의 처리를 평행하게 행할 수 있기 때문에, 신속하게 연료 전지를 제조할 수 있다.
또, 본 발명의 제조 방법에 의하면, 복수의 연료 전지를 적층함으로써, 대형의 연료 전지를 제조할 수도 있다. 즉, 도 15에 나타내듯이, 제조한 연료 전지의 기판(2＇)의 이면에 가스 유로를 더 형성하고, 가스 유로가 형성된 기판(2＇)의 이면 위에 상술한 연료 전지의 제조 방법에서의 제조 공정과 동일하게 하여 가스 확산층, 반응층, 전해질 등을 형성해 연료 전지를 적층함으로써, 대형의 연료 전지를 제조할 수 있다. 이와 같이 하여 얻어지는 대형의 연료 전지는, 후술하는 바와 같이 자동차의 전력 공급원으로서 유용하다.
4) 전자 기기
본 발명의 전자 기기는, 본 발명의 연료 전지의 제조 방법에 의해 얻어지는 연료 전지를 전력 공급원으로서 구비하는 것을 특징으로 한다. 전자 기기로서는 휴대전화, PHS, 모바일, 노트북 컴퓨터, PDA(휴대 정보 단말기), 휴대 화상 전화기 등을 들 수 있다. 또, 본 발명의 전자 기기는 예를 들면, 게임 기능, 데이터 통신 기능, 녹음 재생 기능, 사전 기능 등 그 밖의 기능을 갖고 있어도 좋다.
본 발명에 의하면, 지구 환경에 순한 크린 에너지를 전력 공급원으로서 구비하는 전자 기기를 저비용 및 고품질로 제공할 수 있다.
5) 자동차
본 발명의 자동차는, 본 발명의 연료 전지의 제조 방법에 의해 얻어지는 연료 전지를 전력 공급원으로서 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 지구 환경에 순한 크린 에너지를 전력 공급원으로서 구비하는 자동차를 저비용 및 고품질로 제공할 수 있다.
본 발명에 의하면 토출 장치를 사용하여 기능성 재료층을 형성하는 경우에, 장기간 일정 품질의 기능성 재료층을 형성할 수 있는 기능성 재료층 형성용 조성물, 기능성 재료층의 형성 방법, 이 형성 방법을 사용하는 연료 전지의 제조 방법, 및 이 연료 전지의 제조 방법에 의해 얻어진 상기 연료 전지를 공급원으로서 구비하는 전자 기기 및 자동차를 제공할 수 있다.
도 1은 실시 형태에 따른 잉크젯식 토출 장치의 개략도.
도 2는 실시 형태에 따른 연료 전지의 제조 라인의 일례를 나타내는 도면.
도 3은 실시 형태에 따른 연료 전지의 제조 방법의 플로 차트.
도 4는 실시 형태에 따른 연료 전지의 제조 과정의 기판의 단면도.
도 5는 실시 형태에 따른 가스 유로를 형성하는 처리를 설명하는 도면.
도 6은 실시 형태에 따른 연료 전지의 제조 과정의 기판의 단면도.
도 7은 실시 형태에 따른 연료 전지의 제조 과정의 기판의 단면도.
도 8은 실시 형태에 따른 연료 전지의 제조 과정의 기판의 단면도.
도 9는 실시 형태에 따른 연료 전지의 제조 과정의 기판의 단면도.
도 10은 실시 형태에 따른 연료 전지의 제조 과정의 기판의 단면도.
도 11은 실시 형태에 따른 연료 전지의 제조 과정의 기판의 단면도.
도 12는 실시 형태에 따른 연료 전지의 제조 과정의 기판의 단면도.
도 13는 실시 형태에 따른 연료 전지의 제조 과정의 기판의 단면도.
도 14는 실시 형태에 따른 연료 전지의 단면도.
도 15는 실시 형태에 따른 연료 전지를 적층한 대형 연료 전지의 도면.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
2··· : 제1 기판
2＇··· : 제2 기판
3··· : 제1 가스 유로
4··· : 제1 지지 부재
4＇··· : 제2 지지 부재
6··· : 제1 집전층
6＇··· : 제2 집전층
8··· : 제1 가스 확산층
8＇··· : 제2 가스 확산층
10··· : 제1 반응층
10＇··· : 제2 반응층
12··· : 전해질막
20a ~ 20m··· : 토출 장치
BC1, 2··· : 벨트 컨베이어

Claims (11)

  1. 토출 장치에 의해 토출되는 기능성 재료층 형성용 조성물로서, 강산성의 기능성 재료의 용액에 소정량의 염기를 첨가함으로써 상기 토출 장치의 구성 부재를 부식시키지 않는 것으로 한 것을 특징으로 하는 비부식성의 기능성 재료층 형성용 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 강산성의 기능성 재료 용액이 pH2 미만의 용액이고, 상기 용액에 소정량의 염기를 첨가함으로써 pH2 이상의 용액으로 한 것을 특징으로 하는 기능성 재료층 형성용 조성물.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 염기로서 암모니아 또는 유기 염기를 사용하는 것을 특징으로 하는 기능성 재료층 형성용 조성물.
  4. 제 1 항에 있어서,
    제1 집전층, 제1 반응층, 전해질막, 제2 반응층 및 제2 집전층을 갖는 연료 전지의, 상기 제1 반응층 및 제2 반응층의 적어도 한쪽 반응층을 형성하기 위한 반응층 형성용 조성물인 것을 특징으로 하는 기능성 재료층 형성용 조성물.
  5. 제 4 항에 있어서,
    백금족 화합물의 강산성 용액에 소정량의 염기를 첨가하여 얻어진 반응층 형성용 조성물인 것을 특징으로 하는 기능성 재료층 형성용 조성물.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    헥사클로로 백금산 수용액에 소정량의 암모니아 또는 유기 염기를 첨가하여 얻어진 반응층 형성용 조성물인 것을 특징으로 하는 기능성 재료층 형성용 조성물.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 토출 장치의 구성 부재가 백금족 원소보다 이온화 경향이 큰 금속 또는 상기 금속의 화합물을 함유하는 것임을 특징으로 하는 기능성 재료층 형성용 조성물.
  8. 기체(基體) 위에, 제 1 항에 기재된 비부식성의 기능성 재료층 형성용 조성물을 토출 장치를 사용하여 도포하는 공정을 갖는 기능성 재료층의 형성 방법.
  9. 제1 집전층, 제1 반응층, 전해질막, 제2 반응층 및 제2 집전층을 갖는 연료 전지의 상기 제1 반응층 및 제2 반응층의 적어도 한쪽을, 제 4 항에 기재된 기능성 재료층 형성용 조성물을 토출 장치를 사용하여 도포함으로써 형성하는 공정을 갖는 연료 전지의 제조 방법.
  10. 제 9 항에 기재된 제조 방법에 의해 제조된 연료 전지를 전력 공급원으로서 구비하는 것을 특징으로 하는 전자 기기.
  11. 제 9 항에 기재된 제조 방법에 의해 제조된 연료 전지를 전력 공급원으로서 구비하는 것을 특징으로 하는 자동차.
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