WO2006082995A1 - 燃料電池の製造方法及び燃料電池の製造装置 - Google Patents

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WO2006082995A1
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layer
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Yuichiro Hama
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Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell manufacturing method and a fuel cell manufacturing apparatus, and more particularly to a cylindrical fuel cell manufacturing method and a fuel cell manufacturing apparatus.
  • oxidizing gas such as oxygen and air and reducing gas such as hydrogen and methane (fuel gas) or liquid fuel such as methanol
  • fuel gas fuel gas
  • liquid fuel such as methanol
  • oxidizing gas such as oxygen and air
  • reducing gas such as hydrogen and methane (fuel gas) or liquid fuel
  • fuel gas fuel gas
  • liquid fuel such as methanol
  • fuel cells that generate electricity by converting chemical energy into electrical energy are attracting attention.
  • a fuel electrode an anode catalyst layer
  • an air electrode forced sword catalyst layer
  • a diffusion layer is further provided on the outside of each sandwiched catalyst layer, and these are sandwiched by separators provided with raw material supply passages.
  • a battery is configured, and raw materials such as hydrogen and oxygen are supplied to each catalyst layer to generate electricity.
  • the raw material supplied to the fuel electrode is hydrogen gas and the raw material supplied to the air electrode is air
  • hydrogen ions and electrons are generated from the hydrogen gas at the fuel electrode.
  • the electrons reach the air electrode from the external terminal through the external circuit.
  • water is generated by oxygen in the supplied air, hydrogen ions that have passed through the electrolyte membrane, and electrons that have reached the air electrode through an external circuit.
  • This fuel cell has a variety of clean energy sources due to the abundance of gastric and liquid fuels used in power generation and the fact that the substance discharged from the power generation principle is water. Consideration has been made.
  • tubular A fuel cell has a structure in which a fuel electrode is provided on one of the inner and outer surfaces of a tubular polymer electrolyte membrane, and an air electrode is provided on the other surface, making it easier to reduce the size than a flat fuel cell. It has the characteristic of being.
  • the joined body (air electrode Z electrolyte membrane Z fuel electrode) used for a tubular fuel cell is usually an extrusion method that has catalyst layers (fuel electrode and air electrode) on the inner and outer surfaces of the tubular electrolyte membrane.
  • Japanese Unexamined Patent Publication No. 2002-124273 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2002-124273
  • dipping method Japanese Unexamined Patent Publication No. 2002-289220
  • chemical plating method Japanese Unexamined Patent Publication No. 2002-260685
  • the extrusion method as described in JP 2002-1 24273 uses a suitable solvent for the catalyst for the fuel electrode, the solid polymer electrolyte polymer for the electrolyte membrane, and the catalyst for the air electrode, respectively.
  • a fluid that can flow is obtained, and the layers including the fuel electrode catalyst, the solid polymer electrolyte polymer, and the air electrode catalyst are integrally extruded from the inner layer to obtain a joined body.
  • An integral molded body is obtained by extruding each fluid from the extrusion nozzle, and after extrusion, the solvent is volatilized by heating to fix the multilayer state.
  • the dipping method as described in JP-A-2002-289220 involves dipping a hollow porous support in a treatment tank containing a resin solution (paste) containing a catalyst for an air electrode, After drying to form a catalyst layer (air electrode), an electrolyte layer and a catalyst layer (fuel electrode) are similarly formed to obtain a joined body.
  • the chemical plating method as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-260685 is performed by bringing an aqueous solution of a catalyst for an air electrode into contact with the outer surface side of a tubular electrolyte membrane. Then, a catalyst layer (air electrode) is formed on the outer surface of the tube, and then the entire tube is washed. Next, a mixture in which the catalyst for the fuel electrode is suspended is injected into the inside of the tube, and the catalyst layer ( A joined body is obtained by forming a fuel electrode).
  • JP-A-2003-100314 discloses a method for producing a fuel cell having a fuel electrode on one side of a flat polymer electrolyte membrane and an air electrode on the other side.
  • a catalyst layer is formed by spraying a slurry of a resin solution in which a catalyst is dispersed on a surface of a molecular electrolyte membrane while being heated. It is said that a joined body in which a catalyst layer is uniformly formed by a spray method can be obtained.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-2903 1 discloses a method for manufacturing a cylindrical solid electrolyte fuel cell. As a method, a solid electrolyte-containing slurry is poured into a mold having water absorption and a part of which is provided with a water-resistant or water-repellent member to form a solid electrolyte, and the water-resistant or water-repellent member is removed.
  • JP-A-6-72787 discloses a method for producing a cylindrical solid electrolyte fuel cell in which a resin solution in which a catalyst is dispersed after forming an air electrode and a solid electrolyte layer on the surface of a cylindrical support.
  • a method is described in which a slurry is sprayed, dried and fired, a composite oxide skin layer is formed by an immersion method, a fuel electrode is formed, and a joined body is obtained.
  • JP-A-6-29031 and JP-A-6-72787 have complicated processes, and can continuously obtain a cylindrical joined body. It is difficult.
  • the present invention relates to a method for producing a cylindrical fuel cell having a first catalyst layer, an electrolyte layer, and a second catalyst layer, wherein the thicknesses of the first catalyst layer, the electrolyte layer, and the second catalyst layer are as follows.
  • the present invention relates to a method for producing a cylindrical fuel cell having a first catalyst layer, an electrolyte layer, and a second catalyst layer, and the first catalyst is sprayed onto the outer surface of the cylindrical support.
  • the method further includes a step of drying, and a step of drying the formed second catalyst layer after the step of forming the second catalyst layer, and the steps are preferably performed continuously.
  • the spraying method is preferably performed by spraying a paste on a plurality of locations on the outer surface of the cylindrical support.
  • the cylindrical support body on which the respective layers are formed is cut to obtain a plurality of fuel cell single cells.
  • the cylindrical support is preferably a conductive porous body.
  • the present invention is a cylindrical fuel cell manufacturing apparatus having a first catalyst layer, an electrolyte layer, and a second catalyst layer, the transport means transporting a cylindrical support, and the cylindrical shape
  • a second spraying means for spraying an electrolyte layer paste to form an electrolyte layer a second drying means for drying the formed electrolyte layer
  • a third spraying means for spraying the second catalyst layer paste to form the second catalyst layer, and a third drying means for drying the formed second catalyst layer.
  • each of the spraying means of the fuel cell manufacturing apparatus has a plurality of sprays.
  • the cylindrical support body is preferably a conductive porous body.
  • the present invention relates to a method for manufacturing a cylindrical fuel cell having a first catalyst layer, an electrolyte layer, and a second catalyst layer, and forming each layer on the outer surface of a cylindrical support by a spray method.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of the configuration of a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of a fuel cell manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of a method of obtaining a single cell by cutting cells obtained in the method for manufacturing a fuel cell according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a view showing the arrangement of sprays in the fuel cell manufacturing method according to the embodiment of the present invention.
  • a fuel cell according to an embodiment of the present invention includes a first catalyst layer, an electrolyte layer, and a second catalyst layer.
  • the fuel cell 1 includes an electrolyte layer 10 and a fuel electrode (an anode) that is a first catalyst layer.
  • Catalyst layer) 1 2 air electrode (forced sword catalyst layer) 14, which is the second catalyst layer, and current collector 16.
  • a current collector layer may be further formed on the outer surface of the air electrode 14 as the second catalyst layer.
  • a fuel electrode 1 2 is provided as a first catalyst layer on the outer surface of a current collector 16 that is a cylindrical support, and an electrolyte layer 10 is provided on the outer surface of the fuel electrode 1 2. Further, an air electrode 14 is provided as a second catalyst layer on the outer surface of the electrolyte layer 10, and a cylindrical joined body (MEA: Membrane Electro Assembl 1 y) 18 is formed.
  • MEA Membrane Electro Assembl 1 y
  • air electrode 14 is provided as the first catalyst layer on the outer surface of cylindrical current collector 16
  • electrolyte layer 10 is provided on the outer surface of air electrode 14, and electrolyte layer 1
  • the fuel electrode 12 may be provided as the second catalyst layer on the outer surface of 0, but normally, the fuel electrode 12 is provided as the first catalyst layer, and the air electrode 14 is provided as the second catalyst layer.
  • the electrolyte layer 10 is not particularly limited as long as it is a material having high ion conductivity such as proton (H +) or oxygen ion (O 2 —). Examples thereof include a solid polymer electrolyte membrane and a stabilized zirconia membrane. A solid polymer electrolyte membrane such as perfluorosulfonic acid type is preferably used.
  • the thickness of the electrolyte layer 10 is, for example, 10 ⁇ ! ⁇ 200 m, preferably 30 ⁇ ⁇ ! The range is ⁇ 50 ⁇ .
  • the fuel electrode 1 2 includes a catalyst such as carbon carrying platinum (Pt) or the like together with another metal such as ruthenium (Ru) dispersed in a resin such as a solid polymer electrolyte such as naphthion (registered trademark).
  • the film was formed.
  • the film thickness of the anode 1 2 is, for example, 1 ⁇ m to 10 0 ⁇ m, preferably 1 ⁇ m to 20 m.
  • the air electrode 14 is formed by dispersing a catalyst such as carbon carrying platinum (Pt) or the like in a resin such as a solid polymer electrolyte such as naphthion (registered trademark).
  • the film thickness of the air electrode 14 is, for example, 1 ⁇ ! ⁇ 1 0 0 / ⁇ m, preferably 1 ⁇ ! It is in the range of ⁇ 20 ⁇ m.
  • the current collector 16 which is a cylindrical support for forming the electrolyte layer 10, the fuel electrode 12, and the air electrode 14, is conductive so as to pass electrons during power generation in the joined body.
  • the material is not particularly limited as long as the material has high properties.
  • the powdered sintered body, the fibrous sintered body, the fibrous foam, etc. are introduced so that the raw material can be easily diffused as a supply path for the raw material gas or the like. It is preferred to be an electroconductive porous material.
  • the highly conductive material include a porous body of a conductive material such as a metal such as gold or platinum, carbon, a titanium or carbon surface coated with a metal such as gold or platinum, or the like.
  • the film thickness is, for example, 0.5 mm to l O mm, preferably 1 m n! It is in the range of ⁇ 3 mm.
  • the film thickness is, for example, in the range of 0.5 mm to 10 mm, preferably 1 mm to 3 mm 6.
  • the hole diameter of the hole provided in the wall surface of the current collector 16 that is a cylindrical hollow body by punching or the like is usually in the range of 0.0 lmm to 1 mm.
  • the current collector 16 is used as the cylindrical support.
  • Teflon registered trademark
  • the present invention is not limited to this.
  • Teflon registered trademark
  • a cylindrical support such as a metal rod or wire coated with a resin having good releasability, such as a resin rod or wire having good releasability, or Teflon (registered trademark).
  • the joined body 18 may be taken out from the support after the joined body 18 is formed.
  • the cylindrical support may be in any shape, for example, a cylindrical shape; a polygonal cylinder shape such as a triangular cylinder, a square cylinder, a pentagonal cylinder, or a hexagonal cylinder; Usually cylindrical.
  • the term “tubular” includes a solid body in addition to a hollow body.
  • the transport direction by the transport means may be the vertical direction or the horizontal direction, but is preferably the vertical direction from the viewpoint of coating uniformity.
  • the current collector 16 which is a cylindrical support is composed of a first spraying means 2 2, a first drying means 2 4, a second spraying means 2 6, It is conveyed along the second drying means 28, the third spraying means 30, and the third drying means 3 2.
  • the transport direction by the transport means is vertical, the current collector 16 is transported in the vertical direction, and when the transport direction is horizontal, the current collector 16 is transported in the horizontal direction. .
  • a fuel electrode paste containing a fuel electrode catalyst or the like is sprayed on the outer surface of the conveyed current collector 16 by the first spraying means 2 2 by a spraying method to form a first catalyst layer.
  • a fuel electrode 1 2 is formed.
  • the current collector 16 having the fuel electrode 12 formed thereon is continuously conveyed into the first drying means 24, and after the fuel electrode 12 is dried, the second spraying means is continuously provided. 2 Transported toward 6.
  • the current collector 16 on which the electrolyte layer 10 is formed is continuously transported into the second drying means 28, and after the electrolyte layer 10 is dried, the third spray is continuously performed. It is conveyed toward means 30.
  • an air electrode paste containing an air electrode catalyst or the like is sprayed by the spray method onto the outer surface of the electrolyte layer 10 of the current collector 16 that has been conveyed by the third spraying means 30. An air electrode 14 as the second catalyst layer is formed.
  • the current collector 16 formed with the air electrode 14 is continuously conveyed into the third drying means 3 2, and after the air electrode 14 is dried, the current collector 1 6
  • the fuel cell 1 is obtained in which the joined body 18 including the fuel electrode 12, the electrolyte layer 10, and the air electrode 14 is formed on the outer surface.
  • an air electrode 14 is provided as a first catalyst layer on the outer surface of a cylindrical current collector 16, an electrolyte layer 10 is provided on the outer surface of the air electrode 14, and the electrolyte.
  • the current collector 16 may have a length equivalent to that of a single cell normally used as a fuel cell (usually 1 O mn! To 20 O mm). Use a unit that is more than twice the length of the single cell to be used. For example, as shown in Fig.
  • a joined body on the outer surface of the current collector 16 with a certain interval After forming 1 8 and drying the second catalyst layer, the current collector 16 formed with the joined body 18 is cut into a length corresponding to each single cell to obtain a plurality of fuel cell single cells. Good.
  • catalyst powder for fuel electrode or air electrode is added to a solution in which a resin such as solid polymer electrolyte such as naphthion (registered trademark) is dissolved in an alcohol solvent such as methanol, ethanol or isopropanol.
  • a resin such as solid polymer electrolyte such as naphthion (registered trademark) is dissolved in an alcohol solvent such as methanol, ethanol or isopropanol.
  • the concentration of the catalyst powder, solid polymer electrolyte, resin, etc. in the paste may be adjusted so that the catalyst layer (fuel electrode and air electrode) and the electrolyte layer can be formed with a uniform film thickness.
  • the catalyst powder in the case of a paste for a catalyst layer, in the total weight of the paste, the catalyst powder is in the range of 10% to 50% by weight and the resin is in the range of 10% to 20% by weight.
  • the solid polymer electrolyte is in the range of 5% to 30% by weight in the total weight of the paste.
  • 1st spraying means 2 2, 2nd spraying means 2 6, 3rd spraying means 3 0 each has a spray nozzle having an ejection hole, a paste tank connected to the spray nozzle and containing a paste, and a compressor for supplying pressure to the spray nozzle.
  • the paste is atomized by spraying and sprayed onto the current collector 16.
  • the shape of the liquid sprayed from the spray nozzle include a fan shape, a circular entire surface shape, an annular shape, etc. In order to apply uniformly, a fan shape or a circular entire surface shape is preferable. Moreover, it may be sprayed only by the fluid pressure of the paste, or a gas such as air and a paste may be mixed and sprayed.
  • a plurality of sprays 34 are used to spray paste 36 on a plurality of locations on the outer surface of current collector 16. It is preferable. At this time, the spraying of the paste 36 with a plurality of sprays 34 determines the number and arrangement of the sprays 34 so that the spraying ranges do not overlap, and sets the spraying range of each spray 34. It is preferable to carry out. You can also use one or more sprays to spray the paste while rotating the current collector 16 about its axis, preferably at a constant speed.
  • the spraying distance is preferably in the range of 0.1 mm to 300 mm.
  • the spray distance refers to the distance from the outer surface of the current collector 16 to be sprayed to the tip of the spray nozzle. If the spraying distance is less than 0.1 mm, the tip of the spray nozzle may be too close to the outer surface of the current collector 16, making spraying difficult. If the spraying distance exceeds 30 Omm, the sprayed liquid will scatter and spray around. Efficiency may be reduced.
  • the spraying pressure is preferably in the range of 0. IMP a to 20 OMPa. If the liquid pressure is less than 0. IMP a, the spray may be too weak to be applied uniformly. If it exceeds 200 MPa, the spray will be too strong and the sprayed liquid will scatter to the surroundings. May decrease.
  • Paste droplet diameter when sprayed by spray is 0. ⁇ ⁇ ! ⁇ 10; preferably in the range of zm, 0.1 ⁇ ! More preferably, it is in the range of ⁇ 2 / zm.
  • the droplet diameter should be as small as possible. If the diameter of the droplet is less than 0.3 ⁇ , the droplet may be too small and the mist may be scattered to reduce the spraying efficiency. If the droplet diameter exceeds ⁇ ⁇ , the droplet is too large. It may be difficult to apply evenly.
  • the paste temperature during spraying is usually in the range of 20 ° C to 70 ° C.
  • the spraying conditions such as the shape of the spray liquid, number of sprays, placement position, spraying range, spraying pressure, droplet diameter, paste temperature, etc. depend on the desired film thickness, the properties of the paste used, etc. Each may be determined in consideration of each other, and the same condition may be applied to the first spraying means 22, the second spraying means 26, and the third spraying means 30, or different conditions. By controlling these conditions, the fuel electrode 12, the electrolyte layer 10, and the air electrode 14 can be uniformly formed on the outer surface of the current collector 16.
  • the first drying means 24, the second drying means 28, and the third drying means 32 are not particularly limited as long as they can dry the formed film.
  • warm air Examples include dryers, blower dryers, and heat dryers.
  • the drying temperature in the first drying means 24, the second drying means 28, and the third drying means 32 depends on the boiling point of the solvent used in each paste, etc.
  • the temperature may be set such that the membrane or the like is not deteriorated. For example, when methanol, ethanol, isopropanol or the like is used, the temperature is set to 80 to 100 ° C.
  • the first drying means 24, the second drying means 28, and the third drying means 32 may be the same conditions or different conditions.
  • the first drying means 24, the second drying means 2 8 and the second spraying means respectively. You do not need to provide the drying means 3 3, but you can have at least one of them.
  • the fuel electrode 12, the electrolyte layer 10, and the air electrode 1 are formed on the outer surface of the current collector 16 by the first spraying means 2 2, the second spraying means 26, and the third spraying means 30. After forming 4 continuously, it may be dried together by the third drying means 32.
  • the first spraying means 22, the second spraying means 26, and the third are continuously formed on the outer surface of the current collector 16 by the spraying means 30, and then may be naturally dried.
  • the conveying speed by the conveying means is usually 1 ni mZm in to 5 ⁇ 10 4 mm / min.
  • the conveyance speed should be as fast as possible from the viewpoint of manufacturing efficiency. However, considering the uniformity of coating by the spraying means and the drying of the coating film, it is actually 5 X 10 4 mm / min or more. Not right.
  • the current collector layer further formed on the outer surface of 1 4 is electrically connected to an external circuit, and the fuel electrode 1 2 and the air electrode 1 4 are supplied with raw materials and operated to function as a battery. Can do.
  • Examples of the raw material supplied to the fuel electrode 1 or 2 include reducing gas (fuel gas) such as hydrogen and methane or liquid fuel such as methanol.
  • Examples of the raw material supplied to the air electrode 14 include oxidizing gases such as oxygen and air.
  • the fuel electrode 1 2 when the raw material supplied to the fuel electrode 1 2 is operated as hydrogen gas and the raw material supplied to the air electrode 14 is operated as air, the fuel electrode 1 2
  • the hydrogen ion (H +) and the electrons (e _) are generated from the hydrogen gas (H 2 ) through the reaction formula shown by.
  • the electrons (e1) pass from the current collector 16 through the external circuit, and reach the air electrode 14 from the current collector provided on the outer surface of the air electrode 14 as necessary.
  • oxygen (0 2 ) in the supplied air hydrogen ions (H +) that passed through the electrolyte layer 10, and electrons (e—) that reached the air electrode 14 through the external circuit ,
  • the film forming process of each layer by the spray method is continuously performed on the outer surface of the cylindrical support.
  • the film thickness uniformity of each layer of the first catalyst layer, the electrolyte layer, and the second catalyst layer is good by performing the film forming process and the drying process of each layer by the spray method continuously.
  • this manufacturing apparatus and manufacturing method can reduce the number of processes at the time of fuel cell creation, thereby reducing costs.
  • the support is directly immersed in and drawn out from the material solution, and therefore unnecessary catalyst layers are removed in the post-process for the parts where the catalyst layer is not necessary (for example, the end of the support).
  • intermittent spraying can be performed. Therefore, by removing the spray coating of the portion where the catalyst layer is unnecessary, the removal process in the post-process is performed. It becomes unnecessary and the number of processes can be reduced.
  • Such intermittent coating can be performed only by a spray method. Also, by using a current collector as a cylindrical support, a joined body can be manufactured as a single body on the current collector.
  • the current collector is easily provided in the joined body.
  • the adhesion between the current collector and the joined body is improved compared to the method in which the current collector is inserted later, and the resistance of the cell during power generation can be reduced.
  • the paste can be applied to the current collector by putting a time between the film forming process and the drying process. Bleeding can be suppressed, and a uniform joined body on the current collector can be formed.
  • the fuel cell according to the present embodiment can obtain necessary current and voltage by assembling a plurality of cylindrical fuel cells (single cells) and connecting them in series.
  • a plurality of cylindrical fuel cells (single cells) may be assembled and connected in parallel.
  • the fuel cell according to the present embodiment has a simple structure and can be reduced in size and weight, it can be used as a small power source for mopile equipment such as a mobile phone and a portable personal computer;

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Abstract

第１触媒層と、電解質層と、第２触媒層と、を有する筒状の燃料電池の製造方法であって、筒状支持体の外面上に、スプレー法により第１触媒層を形成する工程と、第１触媒層上に、スプレー法により電解質層を形成する工程と、電解質層上に、スプレー法により第２触媒層を形成する工程と、を含み、各工程は連続して行われる燃料電池の製造方法及び製造装置である。

Description

明 細 書 燃料電池の製造方法及び燃料電池の製造装置 [技術分野]
本発明は、 燃料電池の製造方法及び燃料電池の製造装置、 特に筒状の燃料電池 の製造方法及び燃料電池の製造装置に関する。
[背景技術]
環境問題や資源問題への対策の一つとして、 酸素や空気等の酸化性ガスと、 水 素やメタン等の還元性ガス （燃料ガス） あるいはメタノール等の液体燃料等とを 原料として電気化学反応により化学エネルギーを電気エネルギーに変換して発電 する燃料電池が注目されている。 燃料電池は、 電解質膜の一方の面に燃料極 （ァ ノード触媒層） と、 もう一方の面に空気極 （力ソード触媒層） とを電解質膜を挟 んで対向するように設け、 電解質膜を挟持した各触媒層の外側に拡散層をさらに 設け、 これらを原料供給用の通路を設けたセパレータで挟んで電池が構成され、 各触媒層に水素、 酸素等の原料を供給して発電する。
燃料電池の発電時には、 燃料極に供給する原料を水素ガス、 空気極に供給する 原料を空気とした場合、 燃料極において、 水素ガスから水素イオンと電子とが発 生する。 電子は外部端子から外部回路を通じて空気極に到達する。 空気極におい て、 供給される空気中の酸素と、 電解質膜を通過した水素イオンと、 外部回路を 通じて空気極に到達した電子により、 水が生成する。 このように燃料極及び空気 極において化学反応が起こり、 電荷が発生して電池として機能することになる。 この燃料電池は、 発電に使用される原科のガスや液体燃料が豊富に存在すること 、 また、 その発電原理より排出される物質が水であること等より、 クリーンなェ ネルギ一源として様々な検討がされている。
このような燃料電池として、 チューブ状 （円柱型、 円筒型、 中空形状） の燃料 電池が知られている （例えば、 特開 2002— 124273号公報、 特開 200 2-289220号公報、 特開 2002— 26068 5号公報）。 チューブ状の 燃料電池は、 チューブ状の高分子電解質膜の内外面の一方の面に燃料極を、 もう 一方の面に空気極を設けた構造を有し、 平面型の燃料電池に比べて小型化が容易 であるという特徴を有する。 チューブ状の燃料電池に用いる接合体 （空気極 Z電 解質膜 Z燃料極） は通常、 チューブ状の電解質膜の内外面に触媒層 （燃料極及び 空気極） を有するように、 押し出し成形法 （特開 2002— 1 24273号公報 )、 浸漬法 （特開 2002— 289220号公報）、 化学めつき法 （特開 2002 - 260685号公報） 等により成膜することにより形成される。
特開 2002— 1 24273号公報に記載されているような押し出し成形法は 、 燃料極用の触媒、 電解質膜用の固体高分子電解質ポリマ、 空気極用の触媒それ ぞれを適切な溶媒を使用して流動可能な流動体とし、 内層から燃料極用触媒、 固 体高分子電解質ポリマ、 空気極用触媒を含む各層を一体押し出し成型して接合体 を得るものである。 押し出しノズルから各流動体を押し出すことによって一体成 型体を得て、 押し出し後、 加熱することにより溶媒を揮散させ、 多層状態を固定 化する。
また、 特開 2002— 289220号公報に記載されているような浸漬法は、 中空形状の多孔質支持体を、 空気極用の触媒を含む樹脂溶液 （ペースト） を収容 した処理槽に浸漬し、 乾燥させて触媒層 （空気極） を形成した後、 同様にして電 解質層、 触媒層 （燃料極） を形成して接合体を得るものである。
また、 特開 2002— 260685号公報に記載されているような化学めつき 法は、 チューブ状の電解質膜の外面側に空気極用の触媒の水溶液を接触させるこ とによって、 化学メ 'ツキ法でチューブの外面に触媒層 （空気極） を形成させ、 こ の後チューブ全体を洗浄し、 次にチューブの内側に燃料極用の触媒を懸濁状態に した混合物を注入して、 触媒層 （燃科極） を形成して接合体を得るものである。 一方、 特開 2003— 1003 14号公報には、 平板状の高分子電解質膜の一 方の面に燃料極を、 もう一方の面に空気極を備える燃料電池の製造方法として、 平板状の高分子電解質膜の表面に、 加熱しながら、 触媒を分散させた樹脂溶液の スラリをスプレーにより吹き付けて触媒層を形成することが記載されている。 ス プレー法により均一に触媒層を形成した接合体を得ることができるとしている。 また、 特開平 6— 2903 1号公報には、 円筒型固体電解質燃料電池の製造方 法として、 吸水性を有し、 一部に耐水性もしくは撥水性部材を配した型に固体電 解質含有スラリを流し込んで固体電解質の成形体を形成し、 耐水性もしくは撥水 性部材を除去した後に触媒含有スラリを流し込んで燃料極を形成して、 耐水性も しくは撥水性部材を除去した燃料極が露出した部分にスラリを塗布またはスプレ 一してインターコネクターを形成した後、 焼成を行い、 さらに、 固体電解質膜の 外側に空気極を浸漬法により形成して、 接合体を得る方法が記載されている。 また、 特開平 6— 7278 7号公報には、 円筒型固体電解質燃料電池の製造方 法として、 円筒状支持体の表面に空気極、 固体電解質層を形成した後に、 触媒を 分散させた樹脂溶液のスラリをスプレーにより吹き付け、 乾燥及び焼成を行った 後、 浸漬法により複合酸化物の表皮層を形成して燃料極を形成し、 接合体を得る 方法が記載されている。
[発明の開示]
しかしながら、 特開 2002— 1 24273号公報のような押し出し成形法で は、 燃料極用の触媒、 電解質膜用の固体高分子電解質ポリマ、 空気極用の触媒を それぞれ含有する流動体を一体押し出し成型するときに、 それぞれが混ざり合つ てしまう可能性があり、 均一な膜厚の接合体を得ることは困難である。
また、 特開 2002— 289220号公報のような浸漬法では、 使用する触媒 用ペース トと、 電解質膜用ペース トとでは粘度等の液特性が異なるが、 連続的に 触媒層、 電解質層、 触媒層を形成してチューブ状の接合体を作成する際には支持 体の送り速度を一定にしなければならないため、 それぞれのペーストに対応する 最適な塗布条件を採用することができず、 連続生産が困難であった。 また、 浸漬 法では、 材料溶液に支持体を直接浸漬、 引き出しを行うため、 触媒層が必要でな い部分 （例えば、 支持体の端部） については後工程において不要な触媒層を除去 する必要があった。
また、 特開 2002— 260685号公報のような化学めつき法では、 筒状の 接合体の連続生産は困難である。
また、 特開 2003— 1 003 14号公報に記載されている方法では、 平板状 の接合体を得ることは可能であるが、 連続的に筒状の接合体を得ることは困難で める。
また、 特開平 6 _ 2 9 0 3 1号公報、 特開平 6— 7 2 7 8 7号公報に記載され ている方法は、 工程が煩雑であり、 連続的に筒状の接合体を得ることは困難であ る。
本発明は、 第 1触媒層と、 電解質層と、 第 2触媒層と、 を有する筒状の燃料電 池の製造方法において、 第 1触媒層、 電解質層及び第 2触媒層の各層の膜厚均一 性が良好で、 各層を連続的に製造することができる燃料電池の製造方法及び燃料 電池の製造装置である。
本発明は、 第 1触媒層と、 電解質層と、 第 2触媒層と、 を有する筒状の燃料電 池の製造方法であって、 筒状支持体の外面上に、 スプレー法により第 1触媒層を 形成する工程と、 前記第 1触媒層上に、 スプレー法により電解質層を形成するェ 程と、 前記電解質層上に、 スプレー法により第 2触媒層を形成する工程と、 を含 み、 前記各工程は連続して行われる。
また、 前記燃料電池の製造方法において、 前記第 1触媒層を形成する工程の後 に、 形成した第 1触媒層を乾燥する工程と、 前記電解質層を形成する工程の後に 、 形成した電解質層を乾燥する工程と、 前記第 2触媒層を形成する工程の後に、 形成した第 2触媒層を乾燥する工程と、 をさらに含み、 前記各工程は連続して行 われることが好ましい。
また、 前記燃料電池の製造方法において、 前記スプレー法において、 前記筒状 支持体の外面における複数の場所にスプレーによりペーストを吹き付けることに より行われることが好ましい。
また、 前記燃料電池の製造方法において、 前記各層が形成された筒状支持体を 切断し、 複数の燃料電池単セルを得ることが好ましい。
また、 前記燃料電池の製造方法において、 前記筒状支持体は、 導電性多孔体で あることが好ましい。
また、 本発明は、 第 1触媒層と、 電解質層と、 第 2触媒層と、 を有する筒状の 燃料電池の製造装置であって、 筒状支持体を搬送する搬送手段と、 前記筒状支持 体の外面上に、 第 1触媒層用ペーストを吹き付けて第 1触媒層を形成する第 1の 吹き付け手段と、 前記形成した第 1触媒層を乾燥する第 1の乾燥手段と、 前記乾 燥した第 1触媒層上に、 電解質層用ペーストを吹き付けて電解質層を形成する第 2の吹き付け手段と、 前記形成した電解質層を乾燥する第 2の乾燥手段と、 前記 乾燥した電解質層上に、 第 2触媒層用ペーストを吹き付けて第 2触媒層を形成す る第 3の吹き付け手段と、 前記形成した第 2触媒層を乾燥する第 3の乾燥手段と 、 を有する。
また、 前記燃料電池の製造装置の、 前記各吹き付け手段において、 それぞれ複 数のスプレーを有することが好ましい。
また、 前記燃料電池の製造装置において、 前記筒状支持体は、 導電性多孔体で あることが好ましい。
本発明は、 第 1触媒層と、 電解質層と、 第 2触媒層と、 を有する筒状の燃料電 池の製造方法において、 筒状支持体の外面上への、 スプレー法による各層の成膜 工程を連続して行うことにより、 第 1触媒層、 電解質層及ぴ第 2触媒層の各層の 膜厚均一性が良好で、 各層を連続的に製造することができる。
[図面の簡単な説明]
図 1は、 本発明の実施形態に係る燃料電池の構成の一例を示す図である。 図 2は、 本発明の実施形態に係る燃料電池の製造装置の一例を示す図である。 図 3は、 本発明の実施形態に係る燃料電池の製造方法において得られたセルを 切断して単セルを得る方法の一例を示す図である。
図 4は、 本発明の実施形態に係る燃料電池の製造方法におけるスプレーの配置 を示す図である。
[発明を実施するための最良の形態]
以下、 本発明の実施形態に係る燃料電池の製造方法及び製造装置により製造さ れる燃料電池について説明する。
本発明の実施形態に係る燃料電池は、 第 1触媒層と、 電解質層と、 第 2触媒層 と、 を有する。
本発明の実施形態に係る燃料電池 1の一例の概略を図 1に示し、 その構成につ いて説明する。 燃料電池 1は、 電解質層 1 0、 第 1触媒層である燃料極 （ァノー ド触媒層） 1 2、 第 2触媒層である空気極 （力ソード触媒層） 14、 集電体 1 6 により構成される。 また、 第 2触媒層である空気極 14の外面にさらに集電体層 を形成してもよレ、。
図 1に示す燃料電池 1において、 円筒状支持体である集電体 1 6の外面に、 第 1触媒層として燃料極 1 2が設けられ、 燃料極 1 2の外面に電解質層 10が設け られ、 さらに、 電解質層 10の外面に第 2触媒層として空気極 14が設けられ、 円筒状の接合体 （MEA : Memb r a n e E l e c t r o d e As s em b 1 y) 1 8が形成されている。 なお、 燃料電池 1において、 円筒状の集電体 1 6の外面に、 第 1触媒層として空気極 14が設けられ、 空気極 14の外面に電解 質層 10が設けられ、 さらに、 電解質層 1 0の外面に第 2触媒層として燃料極 1 2が設けられてもよいが、 通常は第 1触媒層として燃料極 1 2が第 2触媒層とし て空気極 14が設けられる。
このような燃料電池 1において、 集電体 1 6と第 2触媒層である空気極 14と を、 または集電体 1 6と第 2触媒層である空気極 14の外面にさらに形成された 集電体層とを、 外部回路に電気的に接続し、 燃料極 1 2及ぴ空気極 14にそれぞ れ原料を供給して運転すれば、 電池として機能させることができる。
電解質層 1 0としては、 プロトン （H+) や酸素イオン （O2— ) 等のイオン伝 導性の高い材料であれば特に制限はなく、 例えば、 固体高分子電解質膜、 安定化 ジルコニァ膜等が挙げられるが、 好ましくはパーフルォロスルホン酸系等の固体 高分子電解質膜が用いられる。 具体的には、 ジャパンゴァテックス (株） のゴァ セレクト （G o r e s e l e c t、 登録商標）、 デュポン社 （D u P o n t社 ) のナフイオン （N a f i o n、 登録商標）、 旭化成 （株） のァシプレックス （ Ac i p 1 e x、 登録商標）、 旭硝子 （株） のフレミオン （F 1 em i o n、 登 録商標） 等のパーフルォロスルホン酸系固体高分子電解質膜を使用することがで きる。 電解質層 1 0の膜厚は例えば、 10 π！〜 200 m、 好ましくは 30〃 π！〜 50 μπιの範囲である。
燃料極 1 2は、 例えば、 白金 （P t) 等をルテニウム （Ru) 等の他の金属と 共に担持したカーボン等の触媒をナフイオン （登録商標） 等の固体高分子電解質 等の樹脂に分散させて成膜されたものである。 燃料極 1 2の膜厚は例えば、 1 μ m〜 1 0 0 ^ m、 好ましくは 1 μ m〜 2 0 mの範囲である。
空気極 1 4としては、 例えば、 白金 （P t ) 等を担持したカーボン等の触媒を ナフイオン （登録商標） 等の固体高分子電解質等の樹脂に分散させて成膜された ものである。 空気極 1 4の膜厚は例えば、 1 μ π！〜 1 0 0 /^ m、 好ましくは 1 π！〜 2 0 μ mの範囲である。
本実施形態において、 電解質層 1 0、 燃料極 1 2、 空気極 1 4を形成するため の筒状支持体である集電体 1 6としては、 接合体における発電時に電子を通すた めに導電性の高い材料であれば特に制限はないが、 原料ガス等の原料の供給路と して原料が拡散し易いように、 粉末焼結体、 繊維状焼結体、 繊維状発泡体等の導 電性多孔体材料であることが好ましレ、。 導電性の高い材料としては、 例えば、 金 や白金等の金属、 カーボン、 チタンやカーボンの表面を金や白金等の金属出コー ティングしたもの等の導電性を有する材料の多孔質体；またはそれらの筒状中空 体でその壁面にパンチング等により孔を設けたもの等が挙げられ、 導電性、 原料 拡散性、 耐腐食性等の点から多孔質カーボン材料であることが好ましい。 集電体 1 6が中空体である場合、 膜厚は例えば、 0 . 5 m m〜l O mm、 好ましくは 1 m n！〜 3 mmの範囲である。 集電体 1 6が中実体である場合、 膜厚は例えば、 0 . 5 m m〜 1 0 mm、 好まし は 1 m m~ 3 mmの範囲であ 6。
上記パンチング等により筒状中空体である集電体 1 6の壁面に設けられる孔の 孔径は、 通常 0 . 0 l m m〜 1 mmの範囲である。
なお、 本実施形態において筒状支持体として、 上記集電体 1 6を使用している が、 これに限られるものではなく、 例えば、 集電体 1 6の代わりに、 テフロン （ 登録商標） 等の離型性のよい樹脂の棒やワイヤ、 テフロン （登録商標） 等の離型 性のよい樹脂でコーティングした金属の棒やワイヤ等の円柱状等の支持体を用い てもよい。 この場合、 接合体 1 8を形成後に、 支持体から接合体 1 8を取り出せ ばよい。
筒状支持体としては、 筒状であればよく、 例えば、 円筒状；三角筒、 四角筒、 五角筒、 六角筒等の多角筒状；楕円筒状等いずれの形状であってもよいが、 通常 は円筒状である。 なお、 ここで本明細書において、 「筒状」 とは、 中空体の他に も中実体を含む。 次に、 本発明の実施形態に係る燃料電池の製造装置の一例の概略を図 2に示し 、 その構成について説明する。 燃料電池製造装置 3は、 卷き取り装置等の搬送手 段 （図示せず） と、 第 1の吹き付け手段 2 2と、 第 1の乾燥手段 2 4と、 第 2の 吹き付け手段 2 6と、 第 2の乾燥手段 2 8と、 第 3の吹き付け手段 3 0と、 第 3 の乾燥手段 3 2と、 を備える。
図 2の燃料電池製造装置 3において、 搬送手段に沿って、 第 1の吹き付け手段 2 2、 第 1の乾燥手段 2 4、 第 2の吹き付け手段 2 6、 第 2の乾燥手段 2 8、 第 3の吹き付け手段 3 0、 第 3の乾燥手段 3 2、 の順番に設置されている。 なお、 搬送手段による搬送方向は、 鉛直方向であってもよいし、 水平方向であってもよ いが、 塗布の均一性の観点から鉛直方向であることが好ましい。
本実施形態に係る燃料電池の製造方法及び燃料電池製造装置 3の動作について 説明する。 図 2に示すように、 円筒状支持体である集電体 1 6は、 搬送手段によ つて、 第 1の吹き付け手段 2 2、 第 1の乾燥手段 2 4、 第 2の吹き付け手段 2 6 、 第 2の乾燥手段 2 8、 第 3の吹き付け手段 3 0、 第 3の乾燥手段 3 2、 に沿つ て搬送される。 搬送手段による搬送方向が鉛直方向である場合は、 集電体 1 6は 鉛直方向に搬送され、 搬送方向が水平方向である場合は、 集電体 1 6は水平方向 に搬送されることになる。
まず第 1の吹き付け手段 2 2により、 搬送されてきた集電体 1 6の外面上に、 燃料極用の触媒等を含む燃料極用ペーストがスプレー法により吹き付けられ、 第 1の触媒層である燃料極 1 2が形成される。
燃料極 1 2が形成された集電体 1 6は、 連続して第 1の乾燥手段 2 4内に搬送 され、 燃料極 1 2の乾燥が行われた後、 連続して第 2の吹き付け手段 2 6の方に 搬送される。
次に、 第 2の吹き付け手段 2 6により、 搬送されてきた集電体 1 6の燃料極 1 2の外面上に、 パーフルォロスルホン酸系の固体高分子電解質等を含む電解質層 用ペーストがスプレー法により吹き付けられ、 電解質層 1 0が形成される。 電解質層 1 0が形成された集電体 1 6は、 連続して第 2の乾燥手段 2 8内に搬 送され、 電解質層 1 0の乾燥が行われた後、 連続して第 3の吹き付け手段 3 0の 方に搬送される。 次に、 第 3の吹き付け手段 3 0により、 搬送されてきた集電体 1 6の電解質層 1 0の外面上に、 空気極用の触媒等を含む空気極用ペーストがスプレー法により 吹き付けられ、 第 2の触媒層である空気極 1 4が形成される。
最後に、 空気極 1 4が形成された集電体 1 6は、 連続して第 3の乾燥手段 3 2 内に搬送され、 空気極 1 4の乾燥が行われた後、 集電体 1 6の外面上に燃料極 1 2、 電解質層 1 0及び空気極 1 4を含んでなる接合体 1 8が形成された燃料電池 1が得られる。
なお、 燃料電池 1において、 円筒状の集電体 1 6の外面に、 第 1触媒層として 空気極 1 4が設けられ、 空気極 1 4の外面に電解質層 1 0が設けられ、 さらに、 電解質層 1 0の外面に第 2触媒層として燃料極 1 2が設けられる場合には、 上記 製造方法において、 燃料極 1 2と空気極 1 4の製造の順番を逆にすればよい。 なお、 集電体 1 6としては、 通常燃料電池として使用する単セル分の長さ （通 常は 1 O mn！〜 2 0 O mm) のものを使用してもよいが、 通常燃料電池として使 用する単セル分の長さの複数倍以上の長さのものを使用して、 例えば、 図 3に示 すように、 一定の間隔をあけて集電体 1 6の外面上に接合体 1 8を形成し、 第 2 触媒層を乾燥した後に、 接合体 1 8が形成された集電体 1 6を各単セル分の長さ に切断し、 複数の燃料電池単セルを得てもよい。
上記スプレー法においては、 ナフイオン （登録商標） 等の固体高分子電解質等 の樹脂をメタノール、 エタノール、 イソプロパノール等のアルコール系溶媒等に 溶解させた溶液に、 燃料極用または空気極用の触媒粉末を分散させたペースト、 あるいはアルコール系溶媒等に溶解させた溶液に、 電解質層用の固体高分子電解 質等を溶解させたペーストを使用する。
ペースト中の触媒粉末あるいは固体高分子電解質、 樹脂等の濃度は、 触媒層 （ 燃料極及び空気極） 及 電解質層が均一な膜厚で成膜できるようにそれぞれ調整 すればよく、 特に制限はないが、 通常、 触媒層用ペース トの場合、 ペースト全重 量中、 触媒粉末が 1 0重量％〜5 0重量％の範囲、 樹脂が 1 0重量％〜2 0重量 %の範囲であり、 電解質層用ペース トの場合、 ペースト全重量中、 固体高分子電 解質が 5重量％〜 3 0重量％の範囲である。
第 1の吹き付け手段 2 2、 第 2の吹き付け手段 2 6、 第 3の吹き付け手段 3 0 は、 例えば、 それぞれ、 噴出孔を有するスプレーノズル、 スプレーノズルに接続 されペース トを収容するペース トタンク、 スプレーノズルに圧力を供給するコン プレッサを有する。
スプレー法においては、 スプレーによりペーストを噴霧状にして集電体 1 6に 吹き付ける。 スプレーノズルから噴霧される液の形状は、 扇形形状、 円形全面形 状、 円環形状等が挙げられるが、 均一に塗布するためには扇形形状または円形全 面形状であることが好ましい。 また、 ペース トの液圧だけで噴霧してもよいし、 空気等の気体とペーストとを混合させて噴霧してもよい。
また、 塗布膜の膜厚均一性を向上させるためには、 例えば図 4に示すように、 複数のスプレー 34を使用して、 集電体 1 6の外面における複数の場所にペース ト 36を吹き付けることが好ましい。 このとき、 複数のスプレー 34によるぺー ス ト 36の吹き付けは、 それぞれの吹き付け範囲が重なり合わないようにそれぞ れのスプレー 34の数、 配置を決めて、 それぞれのスプレー 34の吹き付け範囲 を設定して行うことが好ましい。 また、 1つまたは複数のスプレーを使用して、 集電体 16をその軸を中心に回転させながら、 好ましくは定速で回転させながら 、 ペース トを吹き付けてもよレヽ。
スプレーの吹き付け距離は、 0. lmm〜 300mmの範囲とすることが好ま しい。 ここで、 吹き付け距離とは、 吹き付け対象である集電体 1 6の外面からス プレーノズルの先端までの距離のことをいう。 吹き付け距離が 0. 1mm未満で あると、 スプレーノズルの先端が集電体 1 6の外面に近すぎて吹き付けが困難と なる場合があり、 30 Ommを超えると噴霧した液が周辺に飛び散り吹き付けの 効率が低下する場合がある。
スプレーの吹き付け圧力は、 液圧力を 0. IMP a〜20 OMP aの範囲とす ることが好ましい。 液圧力が 0. IMP a未満であると、 吹き付けが弱すぎて均 一に塗布することができない場合があり、 200MP aを超えると、 吹き付けが 強すぎて噴霧した液が周辺に飛び散り吹き付けの効率が低下する場合がある。 スプレーにより噴霧されたときのペース トの液滴の直径は、 0. Ι μπ！〜 1 0 ； zmの範囲とすることが好ましく、 0. 1 μπ！〜 2 /zmの範囲とすることがより 好ましい。 触媒層の塗布の場合、 なるべく小さい触媒のサイトを形成する必要が あるために、 液滴の直径はなるべく小さい方がよい。 液滴の直径が 0 . Ι μ πι未 満であると、 液滴が小さすぎてミストが飛散して吹き付けの効率が低下する場合 があり、 Ι Ο μ πιを超えると、 液滴が大きすぎて均一に塗布することが困難とな る場合がある。
また、 スプレー時のペーストの温度は、 通常 2 0 °C〜7 0 °Cの範囲である。 なお、 噴霧液の形状、 スプレーの数、 配置位置、 吹き付け範囲、 吹き付け圧力 、 液滴の直径、 ペースト温度等のスプレーの条件は、 目的の膜厚、 使用するぺー ス トの性状等に応じてそれぞれを相互に考慮して決めればよく、 第 1の吹き付け 手段 2 2、 第 2の吹き付け手段 2 6及び第 3の吹き付け手段 3 0について同じ条 件としてもよいし、 異なる条件としてもよい。 これらの条件を制御することによ り、 燃料極 1 2、 電解質層 1 0、 空気極 1 4を集電体 1 6の外面に均一に形成す ることができる。
第 1の乾燥手段 2 4、 第 2の乾燥手段 2 8、 第 3の乾燥手段 3 2としては、 形 成した膜を乾燥させることができる手段であれば特に制限はないが、 例えば、 温 風乾燥器、 送風乾燥器、 加熱乾燥器等が挙げられる。
また、 第 1の乾燥手段 2 4、 第 2の乾燥手段 2 8、 第 3の乾燥手段 3 2におけ る乾燥温度はそれぞれのペース トに使用する溶媒の沸点等に応じて、 触媒、 電解 質膜等の変質等がないような温度とすればよく、 例えば、 上記メタノール、 エタ ノール、 イソプロパノール等を使用した場合、 8 0〜1 0 0 °Cとする。 第 1の乾 燥手段 2 4、 第 2の乾燥手段 2 8、 第 3の乾燥手段 3 2について同じ条件として もよいし、 異なる条件としてもよい。
なお、 第 1の吹き付け手段 2 2、 第 2の吹き付け手段 2 6及び第 3の吹き付け 手段 3 0による成膜の後に、 それぞれ第 1の乾燥手段 2 4、 第 2の乾燥手段 2 8 及ぴ第 3の乾燥手段 3 2を設けなくても、 それらのうちの少なくとも 1つを設け てもよレ、。 例えば、 第 1の吹き付け手段 2 2、 第 2の吹き付け手段 2 6及び第 3 の吹き付け手段 3 0により、 集電体 1 6の外面上に燃料極 1 2、 電解質層 1 0及 ぴ空気極 1 4を連続的に形成した後、 第 3の乾燥手段 3 2により一括して乾燥さ せてもよい。 また、 第 1の乾燥手段 2 4、 第 2の乾燥手段 2 8及び第 3の乾燥手 段 3 2を設けずに、 第 1の吹き付け手段 2 2、 第 2の吹き付け手段 2 6及び第 3 の吹き付け手段 3 0により、 集電体 1 6の外面上に燃料極 1 2、 電 ^質層 1 0及 び空気極 1 4を連続的に形成した後、 自然乾燥としてもよい。
搬送手段による搬送速度は通常、 1 ni mZm i n〜5 X 1 0 4 mm/m i nと すればよい。 搬送速度は、 製造効率の観点から速ければ速い方がよいが、 吹き付 け手段による塗布の均一性、 塗布膜の乾燥等を考慮すると、 5 X 1 0 4 mm/m i n以上とするのは現実的ではない。
このようにして製造した、 図 1に示す燃料電池 1において、 集電体 1 6と第 2 触媒層である空気極 1 4とを、 または集電体 1 6と第 2触媒層である空気極 1 4 の外面にさらに形成された集電体層とを、 外部回路に電気的に接続し、 燃料極 1 2及び空気極 1 4にそれぞれ原料を供給して運転すれば、 電池として機能させる ことができる。
燃料極 1 2側に供給する原料としては、 水素やメタン等の還元性ガス （燃料ガ ス） あるいはメタノール等の液体燃料等が挙げられる。 空気極 1 4側に供給する 原料としては、 酸素や空気等の酸化性ガス等が挙げられる。
燃料電池 1において、 例えば、 燃料極 1 2に供給する原料を水素ガス、 空気極 1 4に供給する原料を空気として運転した場合、 燃料極 1 2において、
2 H 2 → 4 H + + 4 e—
で示される反応式を経て、 水素ガス （H 2 ) から水素イオン （H+) と電子 （e _ ) とが発生する。 電子 （e一） は集電体 1 6から外部回路を通り、 必要に応じて 空気極 1 4の外面に設けた集電体から空気極 1 4に到達する。 空気極 1 4におい て、 供給される空気中の酸素 （0 2) と、 電解質層 1 0を通過した水素イオン （ H+) と、 外部回路を通じて空気極 1 4に到達した電子 （e— ) により、
4 H + + 0 2 + 4 e— → 2 H 2〇
で示される反応式を経て、 水が生成する。 このように燃料極 1 2及ぴ空気極 1 4 において化学反応が起こり、 電荷が発生して電池として機能することになる。 そ して、 一連の反応において排出される成分は水であるので、 クリーンな電池が構 成されることになる。
以上のように、 本実施形態に係る燃料電池の製造装置及び燃料電池の製造方法 によって、 筒状支持体の外面上への、 スプレー法による各層の成膜工程を連続し て行うことにより、 またはスプレー法による各層の成膜工程と乾燥工程とを連続 して行うことにより、 第 1触媒層、 電解質層及び第 2触媒層の各層の膜厚均一性 が良好で、 各層を連続的に製造することができ、 各単セル間の性能のバラツキを 低減することができる。 さらに、 本製造装置及び製造方法により、 燃料電池セル 作成時の工程数を削減し、 コス ト削減を図ることができる。 また、 従来の浸漬法 では、 材料溶液に支持体を直接浸漬、 引き出しを行うため、 触媒層が必要でない 部分 （例えば、 支持体の端部） については後工程において不要な触媒層を除去す る必要があった。 しかし、 本実施形態に係る燃料電池の製造装置及び燃料電池の 製造方法によれば、 間欠スプレーが行えるため、 触媒層が不要な部分はスプレー 塗工を休止することにより、 後工程における除去工程が不要になり、 工程の削減 が可能となる。 このような間欠塗工はスプレー法によってのみ行うことができる また、 円筒状支持体として集電体を使用することにより、 集電体に接合体を一 体に製造することができる、 これによれば、 従来のように接合体製造後に集電体 として炭素繊維等をチューブ中に揷入する方法に比べて、 チューブ内部の電極を 傷つける心配がなく、 容易に接合体に集電体を設けることができる。 また、 後か ら集電体を挿入する方法に比べて集電体と接合体との密着性が向上し、 発電時の セルの抵抗を低減することができる。 また、 本製造装置及ぴ製造方法により、 各 層の成膜工程と乾燥工程とを連続的に行えば、 成膜工程と乾燥工程との間に時間 を置くことによるペーストの集電体への滲み込みを抑制することができ、 集電体 上への均一な接合体を形成することができる。
本実施形態に係る燃料電池は、 1つの筒状の燃料電池 （単セル） を複数個集合 させて、 直列に接続することにより、 必要とする電流、 電圧を得ることができる 。 また、 1つの筒状の燃料電池 （単セル） を複数個集合させて、 並列に接続して あよい。
本実施形態に係る燃料電池は、 構造がシンプルで小型化、 軽量化が可能なため 、 携帯電話、 携帯用パソコン等のモパイル機器用小型電源； 自動車用電源等とし て用いることができる。

Claims

1 . 第 1触媒層と、 電解質層と、 第 2触媒層と、 を有する筒状の燃料電池の製造 方法であって、
筒状支持体の外面上に、 スプレー法により第 1触媒層を形成する工程と、 前記第 1触媒層上に、 スプレー法により電解質層を形成する工程と、 前記電解質層上に、 スプレー法により第 2触媒層を形成する工程と、 を含み、 前記各工程は連続して行われることを特徴とする燃料電池の製造方法 請
の
2 . 請求項 1に記載の燃料電池の製造方法であって、
前記第 1触媒層を形成する工程の後に、 形成した第 1触媒層を乾燥する工程と 囲 前記電解質層を形成する工程の後に、 形成した電解質層を乾燥する工程と、 前記第 2触媒層を形成する工程の後に、 形成した第 2触媒層を乾燥する工程と をさらに含み、 前記各工程は連続して行われることを特徴とする燃料電池の製 造方法。
3 . 請求項 1または 2に記載の燃料電池の製造方法であって、
前記スプレー法において、 前記筒状支持体の外面における複数の場所にスプレ 一によりペーストを吹き付けることにより行われることを特徴とする燃料電池の 製造方法。
4 . 請求項 1〜 3のいずれか 1項に記載の燃料電池の製造方法であって、 前記各層が形成された筒状支持体を切断し、 複数の燃料電池単セルを得ること を特徴とする燃料電池の製造方法。
5 . 請求項 1〜 4のいずれか 1項に記載の燃料電池の製造方法であって、 前記筒状支持体は、 導電性多孔体であることを特徴とする燃料電池の製造方法
6 . 第 1触媒層と、 電解質層と、 第 2触媒層と、 を有する筒状の燃料電池の製造 装置であって、
筒状支持体を搬送する搬送手段と、
前記筒状支持体の外面上に、 第 1触媒層用ペーストを吹き付けて第 1触媒層を 形成する第 1の吹き付け手段と、
前記形成した第 1触媒層を乾燥する第 1の乾燥手段と、
前記乾燥した第 1触媒層上に、 電解質層用ペーストを吹き付けて電解質層を形 成する第 2の吹き付け手段と、
前記形成した電解質層を乾燥する第 2の乾燥手段と、
前記乾燥した電解質層上に、 第 2触媒層用ペーストを吹き付けて第 2触媒層を 形成する第 3の吹き付け手段と、
前記形成した第 2触媒層を乾燥する第 3の乾燥手段と、
を有することを特徴とする燃料電池の製造装置。
7 . 請求項 6に記載の燃料電池の製造装置であって、
前記各吹き付け手段において、 それぞれ複数のスプレーを有することを特徴と する燃料電池の製造装置。
8 . 請求項 6または 7に記載の燃料電池の製造装置であって、
前記筒状支持体は、 導電性多孔体であることを特徴とする燃料電池の製造装置
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