JP3912384B2

JP3912384B2 - 燃料電池の製造方法

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Inventors: 宏宣長谷井
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Description

この発明は、異なる種類の反応ガスをそれぞれの電極に供給し、供給された反応ガスに基づく反応により発電を行う燃料電池の製造方法に関するものである。

従来、イオンを通す性質を持つ電解質を、電子を通す性質を持つ多孔質の電極で挟んだ燃料電池が存在する。この燃料電池の中には、水素又はアルコール等を燃料として発電するものが存在する。このような燃料電池のうち、例えば、水素を燃料として用いる燃料電池では、一方の電極に水素を含む第１の反応ガスを供給し、他方の電極に酸素を含む第２の反応ガスを供給し、第１の反応ガスに含まれている水素と第２の反応ガスに含まれている酸素とに基づく反応により発電が行われる。

燃料電池においては、反応を促す触媒として白金を用いた反応層を形成している場合が多い。この反応層は、ガス拡散層を構成するカーボン上に塩化白金酸溶液、或いは、白金を担持した白金担持カーボンを分散させた溶液を拭き付けスプレーを用いて噴霧等することにより形成されている（特許文献１参照）。

特開２００２−２９８８６０号公報

ところで、反応効率が高く特性の良い燃料電池を製造するためには、触媒を均一に塗布した反応層を形成する必要がある。しかし、スプレーを用いて白金担持カーボンを分散させた溶液を噴霧する等の場合、均一に塗布することが困難であると共に、高価な材料である白金を不必要に塗布してしまう可能性がある。また、白金微粒子を分散させた溶液が重複して塗布される等により、不必要に白金微粒子を分散させた溶液が塗布された場合、分散剤を除去するための焼成等の処理において白金微粒子の結晶が大きくなってしまう。この場合、白金微粒子と反応ガスとが接触する面積が全体として減少し、燃料電池全体としての反応効率が低下するという問題がある。

この発明の課題は、触媒が均一に塗布され、反応効率の高い反応層を備えた燃料電池を容易に製造することができる燃料電池の製造方法を提供することである。

この発明は、第１の反応ガスを供給するための第１のガス流路を、第１の基板に形成する第１のガス流路形成工程と、前記第１のガス流路を介して供給された第１の反応ガスが反応することにより生じた電子を集める第１の集電層を形成する第１の集電層形成工程と、前記第１のガス流路を介して供給された第１の反応ガスに基づいて反応を行う第１の反応層を形成する第１の反応層形成工程と、電解質膜を形成する電解質膜形成工程と、第２の反応ガスを供給するための第２のガス流路を、第２の基板に形成する第２のガス流路形成工程と、前記第２のガス流路を介して供給された第２の反応ガスが反応するために必要な電子を供給する第２の集電層を形成する第２の集電層形成工程と、前記第２のガス流路を介して供給された第２の反応ガスに基づいて反応を行う第２の反応層を形成する第２の反応層形成工程とを含む燃料電池の製造方法において、前記第１の反応層形成工程及び前記第２の反応層形成工程の内の少なくとも何れか一方は、吐出装置を用いて、触媒材料を含む触媒溶液の複数の液滴を、それぞれ基板上の互いに重複しない位置に、格子状の配列で塗布する第１塗布工程と、前記第１塗布工程で格子状に塗布された複数の液滴の間の位置であって、且つ、当該複数の液滴と重複しない位置に、格子状の配列で触媒材料を含む触媒溶液の液滴を塗布する第２塗布工程と、を含むことを特徴とする。

この燃料電池の製造方法によれば、基板上に触媒溶液を均一に塗布することができ、反応効率が高い燃料電池を容易に製造することができる。

また、この発明に係る燃料電池の製造方法は、前記第１塗布工程と前記第２塗布工程との間に、前記第１塗布工程で塗布された前記触媒溶液を乾燥させる中間乾燥工程を含むことを特徴とする。

この燃料電池の製造方法によれば、第１の反応層及び第２の反応層の少なくとも何れか一方は、塗布された触媒溶液の乾燥が行われた後に、更に触媒溶液を塗布することにより形成されている。例えば、表面張力が強く乾燥しにくい触媒溶液を続けて塗布した場合、近傍に存在する触媒溶液の液適が結合し、一つの大きな液滴となり、分散剤を除去する処理を施した場合に白金微粒子の結晶が大きくなる可能性が高い。従って、触媒溶液を複数回塗布する処理と処理の間に中間乾燥を行うことにより、表面張力が強く触媒溶液を用いた場合であっても、触媒を均一に分散させた反応層を形成し、反応効率が高い燃料電池を容易に製造することができる。

また、この発明の燃料電池の製造方法は、前記第２塗布工程において、前記第１塗布工程と液滴の大きさが異なる前記触媒溶液を前記基板上に塗布することにより反応層を形成することを特徴とする。

この燃料電池の製造方法によれば、第１の反応層及び第２の反応層の何れか一方は、塗布された触媒溶液の液滴と異なる大きさの液滴で更に触媒溶液を塗布することにより形成されている。例えば、１回目に塗布された触媒溶液の液滴と液滴の間に、１回目における液滴よりも小さな液滴で触媒溶液を塗布することにより反応層が形成されている。従って、基板上に空白部分がないように満遍なく、かつ、均一に触媒溶液を塗布して反応層を形成し、反応効率が高い燃料電池を容易に製造することができる。

以下、この発明の実施の形態に係る燃料電池の製造方法について説明する。図１は、実施の形態に係る燃料電池の製造工程を実行する燃料電池製造ラインの構成の一例を示す図である。この図１に示すように、燃料電池製造ラインは、各工程においてそれぞれ用いられる吐出装置２０ａ〜２０ｍ、吐出装置２０ａ〜２０ｋを接続するベルトコンベアＢＣ１、吐出装置２０ｌ、２０ｍを接続するベルトコンベアＢＣ２、ベルトコンベアＢＣ１、ＢＣ２を駆動させる駆動装置５８、燃料電池の組み立てを行う組立装置６０及び燃料電池製造ライン全体の制御を行う制御装置５６により構成されている。

吐出装置２０ａ〜２０ｋは、ベルトコンベアＢＣ１に沿って所定の間隔で一列に配置されており、吐出装置２０ｌ、２０ｍはベルトコンベアＢＣ２に沿って所定の間隔で一列に配置されている。また、制御装置５６は、各吐出装置２０ａ〜２０ｋ、駆動装置５８及び組立装置６０に接続されている。制御装置５６からの制御信号に基づいてベルトコンベアＢＣ１を駆動させ、燃料電池の基板（以下、単に「基板」とする。）を各吐出装置２０ａ〜２０ｋに搬送して各吐出装置２０ａ〜２０ｋにおける処理を行う。同様に、制御装置５６からの制御信号に基づいてベルトコンベアＢＣ２を駆動させ、基板を吐出装置２０ｌ、２０ｍに搬送してこの吐出装置２０ｌ、２０ｍにおける処理を行う。また、組立装置６０においては、制御装置５６からの制御信号に基づいてベルトコンベアＢＣ１及びベルトコンベアＢＣ２を介して搬入された基板により燃料電池の組み立てを行う。

この燃料電池製造ラインにおいては、吐出装置２０ａにおいて基板に対してガス流路を形成するためのレジスト溶液を塗布する処理が行われ、吐出装置２０ｂにおいて、ガス流路を形成するためのエッチング処理が行われ、吐出装置２０ｃにおいて、集電層を支持するための支持用カーボンを塗布する処理が行われる。
また、吐出装置２０ｄにおいて、集電層を形成する処理が行われ、吐出装置２０ｅにおいて、ガス拡散層を形成する処理が行われ、吐出装置２０ｆにおいて、反応層を形成する処理が行われ、吐出装置２０ｇにおいて、電解質膜を形成する処理が行われる。更に、吐出装置２０ｈにおいて、反応層を形成する処理が行われ、吐出装置２０ｉにおいて、ガス拡散層を形成する処理が行われ、吐出装置２０ｊにおいて、集電層を形成する処理が行われ、吐出装置２０ｋにおいて、支持用カーボンを塗布する処理が行われる。

また、吐出装置２０ｌにおいて、基板に対してガス流路を形成するためのレジスト溶液を塗布する処理が行われ、吐出装置２０ｍにおいて、ガス流路を形成するためのエッチング処理が行われる。なお、吐出装置２０ａ〜２０ｋにおいて第１の基板に対して処理を施す場合には、吐出装置２０ｌ、２０ｍにおいては、第２の基板に対してガス流路を形成する処理が施される。

図２は、この発明の実施の形態に係る燃料電池を製造する際に用いられるインクジェット式の吐出装置２０ａの構成の概略を示す図である。この吐出装置２０ａは、基板上に吐出物を吐出するインクジェットヘッド２２を備えている。このインクジェットヘッド２２は、ヘッド本体２４及び吐出物を吐出する多数のノズルが形成されているノズル形成面２６を備えている。このノズル形成面２６のノズルから吐出物、即ち、反応ガスを供給するためのガス流路を基板上に形成する際に、基板に塗布されるレジスト溶液が吐出される。また、吐出装置２０ａは、基板を載置するテーブル２８を備えている。このテーブル２８は、所定の方向、例えば、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に移動可能に設置されている。また、テーブル２８は、図中矢印で示すようにＸ軸に沿った方向に移動することにより、ベルトコンベアＢＣ１により搬送される基板をテーブル２８上に載置して吐出装置２０ａ内に取り込む。

また、インクジェットヘッド２２には、ノズル形成面２６に形成されているノズルから吐出される吐出物であるレジスト溶液を収容しているタンク３０が接続されている。即ち、タンク３０とインクジェットヘッド２２とは、吐出物を搬送する吐出物搬送管３２によって接続されている。また、この吐出物搬送管３２は、吐出物搬送管３２の流路内の帯電を防止するための吐出物流路部アース継手３２ａとヘッド部気泡排除弁３２ｂとを備えている。このヘッド部気泡排除弁３２ｂは、後述する吸引キャップ４０により、インクジェットヘッド２２内の吐出物を吸引する場合に用いられる。即ち、吸引キャップ４０によりインクジェットヘッド２２内の吐出物を吸引するときは、このヘッド部気泡排除弁３２ｂを閉状態にし、タンク３０側から吐出物が流入しない状態にする。そして、吸引キャップ４０で吸引すると、吸引される吐出物の流速が上がり、インクジェットヘッド２２内の気泡が速やかに排出されることになる。

また、吐出装置２０ａは、タンク３０内に収容されている吐出物の収容量、即ち、タンク３０内に収容されているレジスト溶液の液面３４ａの高さを制御するための液面制御センサ３６を備えている。この液面制御センサ３６は、インクジェットヘッド２２が備えるノズル形成面２６の先端部２６ａとタンク３０内の液面３４ａとの高さの差ｈ（以下、水頭値という）を所定の範囲内に保つ制御を行う。液面３４ａの高さを制御することで、タンク３０内の吐出物３４が所定の範囲内の圧力でインクジェットヘッド２２に送られることになる。そして、所定の範囲内の圧力で吐出物３４を送ることで、インクジェットヘッド２２から安定的に吐出物３４を吐出することができる。

また、インクジェットヘッド２２のノズル形成面２６に対向して一定の距離を隔てて、インクジェットヘッド２２のノズル内の吐出物を吸引する吸引キャップ４０が配置されている。この吸引キャップ４０は、図２中に矢印で示すＺ軸に沿った方向に移動可能に構成されており、ノズル形成面２６に形成された複数のノズルを囲むようにノズル形成面２６に密着し、ノズル形成面２６との間に密閉空間を形成してノズルを外気から遮断できる構成となっている。なお、吸引キャップ４０によるインクジェットヘッド２２のノズル内の吐出物の吸引は、インクジェットヘッド２２が吐出物３４を吐出をしていない状態、例えば、インクジェットヘッド２２が、退避位置等に退避しており、テーブル２８が破線で示す位置に退避しているときに行われる。

また、この吸引キャップ４０の下方には、流路が設けられており、この流路には、吸引バルブ４２、吸引異常を検出する吸引圧検出センサ４４及びチューブポンプ等からなる吸引ポンプ４６が配置されている。また、この吸引ポンプ４６等で吸引され、流路を搬送されてきた吐出物３４は、廃液タンク４８内に収容される。

なお、吐出装置２０ｂ〜２０ｍの構成は、吐出装置２０ａと同様の構成であるため説明を省略するが、以下の説明において、吐出装置２０ｂ〜２０ｍの各構成には、吐出装置２０ａの説明において各構成に用いたのと同一の符号を用いて説明を行う。なお、吐出装置２０ｂ〜２０ｍにそれぞれ備えられているタンク３０には、各吐出装置２０ｂ〜２０ｍにおいて行われる所定の処理に必要な吐出物が収容されている。例えば、吐出装置２０ｂ及び吐出装置２０ｍのタンク３０には、ガス流路を形成する際に行われるエッチング用の吐出物が、吐出装置２０ｃ及び吐出装置２０ｋのタンク３０には、支持用カーボンを形成するための吐出物が、吐出装置２０ｄ及び吐出装置２０ｊのタンク３０には、集電層を形成するための吐出物がそれぞれ収容されている。また、吐出装置２０ｅ及び吐出装置２０ｉのタンク３０には、ガス拡散層を形成するための吐出物が、吐出装置２０ｆ及び吐出装置２０ｈのタンク３０には、反応層を形成するための吐出物が、吐出装置２０ｇのタンク３０には、電解質膜を形成するための吐出物がそれぞれ収容されている。また、吐出装置２０ｌのタンク３０には、吐出装置２０ａのタンク３０に収容されている基板に対してガス流路を形成するための吐出物と同様の吐出物が収容されている。

次に、図３のフローチャート及び図面を参照して、実施の形態に係る吐出装置２０ａ〜２０ｍを用いた燃料電池の製造方法について説明する。

まず、基板に反応ガスを供給するためのガス流路を形成する（ステップＳ１０）。即ち、まず、図４（ａ）に示すように矩形平板形状であって、例えば、シリコン素材の基板（第１の基板）２をベルトコンベアＢＣ１により吐出装置２０ａまで搬送する。ベルトコンベアＢＣ１により搬送された基板２は、吐出装置２０ａのテーブル２８上に載置され、吐出装置２０ａ内に取り込まれる。吐出装置２０ａにおいては、ノズル形成面２６のノズルを介してタンク３０内に収容されているレジスト溶液を吐出し、テーブル２８上に載置されている基板２の上面の所定の位置に塗布する。ここで、レジスト溶液は、図４（ｂ）に示すように、図中、手前方向から奥に向かって所定の間隔をおいて直線状に塗布される。即ち、基板２において、例えば、水素を含有する第１の反応ガスを供給するためのガス流路（第１のガス流路）を形成する部分を残して、それ以外の部分に対してのみレジスト溶液が塗布される。

次に、所定の位置にレジスト溶液が塗布された基板２（図４（ｂ）参照）は、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置２０ｂまで搬送され、吐出装置２０ｂのテーブル２８上に載置されて吐出装置２０ｂ内に取り込まれる。吐出装置２０ｂにおいては、タンク３０内に収容されているガス流路を形成するために行われるエッチング用の溶剤、例えば、フッ酸水溶液をノズル形成面２６のノズルを介して吐出し、テーブル２８上に載置されている基板２の上面の全体に塗布する。

ここで、基板２には、ガス流路を形成する部分以外の部分にレジスト溶液が塗布されているため、レジスト溶液が塗布されていない部分がフッ酸水溶液によりエッチングされ、図５（ａ）に示すように、ガス流路が形成される。即ち、基板２の一方の側面から他方の側面に延びる断面コ字形状のガス流路が形成される。また、図５（ａ）に示すようにガス流路が形成された基板２は、図示しない洗浄装置においてレジストの洗浄が行われる。そして、図５（ｂ）に示すように、ガス流路が形成された基板２は、テーブル２８からベルトコンベアＢＣ１へと移され、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置２０ｃへと搬送される。

次に、ステップＳ１０において基板２に形成されたガス流路が、集電層により塞がれるのを防止すべく、集電層を支持する支持用カーボン（第１の支持部材）をガス流路内に塗布する（ステップＳ１１）。即ち、まず、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置２０ｃまで搬送された基板２を、テーブル２８上に載置して吐出装置２０ｃ内に取り込む。吐出装置２０ｃにおいては、タンク３０内に収容されている支持用カーボン４をノズル形成面２６のノズルを介して吐出し、基板２に形成されているガス流路内に塗布する。ここで、支持用カーボン４として、所定の大きさ、例えば、直径１〜５ミクロン程度の粒子径の多孔質カーボンが用いられる。即ち、集電層によりガス流路が塞がれることを防止すると共に、反応ガスがガス流路内を確実に流れることができるように、支持用カーボン４として所定の大きさの多孔質カーボンが用いられる。

図６は、支持用カーボン４が塗布された基板２の端面図である。この図６に示すように、支持用カーボン４がガス流路内に塗布されることにより、基板２上に形成される集電層のガス流路内への落下が防止される。なお、支持用カーボン４が塗布された基板２は、テーブル２８からベルトコンベアＢＣ１へと移され、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置２０ｄへと搬送される。

次に、基板２上に、反応ガスが反応することにより発生した電子を集めるための集電層（第１の集電層）を形成する（ステップＳ１２）。即ち、まず、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置２０ｄまで搬送された基板２を、テーブル２８上に載置して吐出装置２０ｄ内に取り込む。吐出装置２０ｄにおいては、タンク３０内に収容されている集電層６を形成する材料、例えば、銅等の導電性物質をノズル形成面２６のノズルを介してテーブル２８上に載置されている基板２上に吐出する。この時、導電性物質は、ガス流路に供給された反応ガスの拡散を妨げることがない形状に、例えば、網目形状等になるように吐出され集電層６が形成される。

図７は、集電層６が形成された基板２の端面図である。この図７に示すように、集電層６は、基板２上に形成されているガス流路内の支持用カーボン４により支持され、ガス流路内への落下が防止されている。なお、集電層６が形成された基板２は、テーブル２８からベルトコンベアＢＣ１へと移され、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置２０ｅへと搬送される。

次に、ステップＳ１２において形成された集電層６の上に、基板２に形成されたガス流路を介して供給される反応ガスを拡散させるためのガス拡散層を形成する（ステップＳ１３）。即ち、まず、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置２０ｅまで搬送された基板２を、テーブル２８上に載置して吐出装置２０ｅ内に取り込む。吐出装置２０ｅにおいては、タンク３０内に収容されているガス拡散層８を形成するための材料、例えば、カーボンを集電層６上にノズル形成面２６のノズルを介して吐出し、ガス流路を介して供給された反応ガス（第１の反応ガス）を拡散させるためのガス拡散層８を形成する。

図８は、ガス拡散層８が形成された基板２の端面図である。この図８に示すように、例えば、電極としての機能も有するカーボンを集電層６上に吐出し、反応ガスを拡散させるためのガス拡散層８が形成される。ここで、ガス拡散層８を構成するカーボンとしては、ガス流路を介して供給された反応ガスを十分に拡散させることができる程度の大きさであって、かつ、多孔質のカーボンが用いられる。例えば、支持用カーボン４よりも小さく、直径０．１〜１ミクロン程度の粒子径の多孔質カーボンが用いられる。なお、ガス拡散層８が形成された基板２は、テーブル２８からベルトコンベアＢＣ１へと移され、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置２０ｆへと搬送される。

次に、ステップＳ１３において形成されたガス拡散層８の上に、基板２に形成されたガス流路を介して供給される反応ガスに基づいて反応する反応層（第１の反応層）を形成する（ステップＳ１４）。即ち、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置２０ｆまで搬送された基板２を、テーブル２８上に載置して吐出装置２０ｆ内に取り込む。吐出装置２０ｆにおいては、タンク３０内に収容されている反応層を形成する材料、例えば、粒子径が数ｎｍ〜数十ｎｍの触媒用の白金微粒子を所定の溶媒に分散させた触媒溶液をノズルを介してガス拡散層８上に複数回、それぞれ異なる位置に吐出して反応層１０を形成する。

ここで、白金微粒子を分散させた触媒溶液は、予め吐出装置２０ｆに設定されている吐出パターンに基づいて、ガス拡散層８上に複数回塗布されることにより反応層１０が形成される。即ち、吐出装置２０ｆにおいて、テーブル２８を図２に示すＸ軸−Ｙ軸方向に移動させガス拡散層８上の異なる位置に触媒溶液を複数回塗布することにより反応層１０を形成する。

図９は、反応層１０を形成するための吐出パターンの一例を示す図である。図９においては、複数回触媒溶液を塗布する場合において、第１回目に塗布された触媒溶液の液滴を液滴１０ａで示し、第２回目に塗布された次に塗布された触媒溶液の液滴を液滴１０ｂで示している。この図９においては、第１回目に液滴１０ａの位置に触媒溶液を塗布し、第２回目に、第１回目の触媒溶液が塗布されていない部分、即ち、液滴１０ｂの位置に触媒溶液を塗布することにより反応層１０を形成するパターンを示している。従って、吐出装置２０ｆにおいて、テーブル２８を、図９に示すパターンに基づいて図２に示すＸ軸−Ｙ軸方向に順次移動させ、まず、液滴１０ａの位置に触媒溶液を塗布し、次に、液滴１０ｂの位置に触媒溶液を塗布することにより、触媒溶液が均一に塗布された反応層１０を形成することができる。

図１０は、反応層１０を形成するための吐出パターンの他の例を示す図である。図１０においては、図９と同様に、第１回目に塗布された触媒溶液の液滴を液滴１０ａ、第２回目に塗布された触媒溶液の液滴を液滴１０ｂとして示している。この図１０においては、第１回目において液滴１０ａの位置に触媒溶液が塗布された場合に、第２回目においては、第１回目において塗布された触媒溶液の液滴１０ａが塗布されていない部分であって、かつ、既に塗布されている液滴１０ａの間の部分に、即ち、液滴１０ｂの位置に触媒溶液を塗布することにより反応層１０を形成するパターンを示している。従って、第１回目に液滴１０ａの位置に触媒溶液を塗布し、第２回目に液滴１０ｂの位置に触媒溶液を塗布することにより、触媒溶液が均一に塗布された反応層１０を形成することができる。

図１１は、反応層１０を形成するための吐出パターンの他の例を示す図である。図１１においては、第１回目に塗布された触媒溶液の液滴であって、かつ、中間乾燥により乾燥させられた液滴を液滴１０ａで示し、中間乾燥が行われた後、第２回目に塗布された触媒溶液の液滴を液滴１０ｂで示している。この図１１においては、第１回目に触媒溶液が液滴１０ａの位置に塗布された場合に、液滴１０ａが塗布されている基板２を、例えば、所定の温度に加熱等することにより乾燥させ、その後に、触媒溶液を更に液滴１０ｂの位置に塗布することにより反応層１０を形成するパターンを示している。従って、第１回目に液滴１０ａの位置に触媒溶液を塗布し中間乾燥を行った後に、第２回目に液滴１０ｂの位置に触媒溶液を塗布することにより、触媒溶液が均一に塗布された反応層１０を形成することができる。なお、図１１に示すパターンにおいては、表面張力が強く浸透性が低い溶液、例えば、水とグリセリンを主な成分とする溶媒に分散剤を添加して白金微粒子を分散させた触媒溶液を塗布する場合であっても、白金微粒子が均一に分散した反応層１０を形成することができる。即ち、中間乾燥を行うことにより、既に塗布されている液滴と新たに塗布された液滴とが結合し白金微粒子の結晶が大きくなることを防止することができるため、白金微粒子を小さな結晶のまま均一に分散させた反応層を形成することができる。

図１２は、反応層１０を形成するための吐出パターンの他の例を示す図である。図１２においては、第１回目に塗布された触媒溶液の液滴を液滴１０ａ、第２回目に塗布された触媒溶液の液滴を液滴１０ｂとして示している。この図１２においては、第１回目に触媒溶液を液滴１０ａの位置に塗布し、２回目に液滴１０ａと異なる大きさの液滴で触媒溶液を液滴１０ｂの位置に塗布することにより反応層１０を形成するパターンを示している。ここで、吐出装置２０ｆにおいては、第１回目に触媒溶液を塗布する場合の駆動波形と、第２回目に触媒溶液を塗布する場合の駆動波形とを変更することにより、吐出装置２０ｆのノズルを介して吐出される触媒溶液の液滴の大きさを変更し、液滴１０ａと液滴１０ｂとを異なる大きさにしている。従って、図１２に示すように、液滴１０ａの位置に触媒溶液が塗布された後に、液滴１０ａ間の空白部分に液滴１０ｂを塗布することにより、触媒溶液が塗布されていない空白部分を減少させ、均一に触媒溶液が塗布された反応層１０を形成することができる。

なお、上述の図９〜図１２においては、液滴１０ａと液滴１０ｂとが重複しないように触媒溶液が塗布されているが、液滴１０ａと液滴１０ｂの一部が重複するように触媒溶液を塗布するようにしてもよい。即ち、反応層１０における触媒の濃度分布を均一にすべく、液滴１０ａの周辺部分と液滴１０ｂの周辺部分の一部が重複するように触媒溶液を塗布してもよい。この場合には、ガス拡散層８上において触媒溶液が塗布されていない空白部分が存在することを的確に防止することができると共に、反応層１０における触媒の濃度分布を均一に保つことができる。

ここで、吐出装置２０ｆには、燃料電池の製造に用いられる材料、製造された燃料電池の用途、使用状況等を考慮した吐出パターンが予め設定されている。即ち、上述の図９〜図１２に示す何れかのパターン、又は図９〜図１２に示すパターンの中の何れか２つのパターンを組み合わせたパターンが予め設定されている。例えば、イソプロピルアルコール等を主溶媒とする浸透性が高い触媒溶液を用いて反応層１０が形成される場合には、図９、１０、１２の何れかのパターンが設定され、水及びグリセリン等を主溶媒とする浸透性が低く表面張力が高い触媒溶液を用いて反応層１０が形成される場合には、図１１に示すパターンが設定される。

ここで、触媒溶液は、所定の溶媒に分散剤を添加することにより白金微粒子を分散させた溶液であるため、この触媒溶液をガス拡散層８上に塗布した後に、例えば、窒素雰囲気中で２００℃に基板２を加熱することにより、分散剤を除去し、反応層１０が形成される。この場合、ガス拡散層８を構成するカーボンの表面上に触媒として所定の溶媒中に分散させていた白金微粒子を付着させることによって反応層１０が形成される。なお、触媒溶液が第１回目に塗布された後に中間乾燥が行われ、その後、更に第２回目の塗布が行われる場合にも、触媒溶液を塗布する工程が終了した後に、上述の分散剤を除去する処理が行われる。

図１３は、反応層１０が形成された基板２の端面図である。この図１３に示すように、触媒としての白金微粒子を分散させた触媒溶液がガス拡散層８上に塗布されることにより反応層１０が形成される。なお、反応層１０が形成された基板２は、テーブル２８からベルトコンベアＢＣ１へと移され、ベルコトンベアＢＣ１により吐出装置２０ｇへと搬送される。

次に、ステップＳ１４で形成された反応層１０上にイオン交換膜等の電解質膜を形成する（ステップＳ１５）。即ち、まず、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置２０ｇまで搬送された基板２を、テーブル２８上に載置して吐出装置２０ｇ内に取り込む。吐出装置２０ｇにおいては、タンク３０内に収容されている電解質膜を形成する材料、例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）、タングスト燐酸、モリブド燐酸等のセラミックス系固体電解質を所定の粘度に調整した材料を、ノズル形成面２６のノズルを介して反応層１０上に吐出して電解質膜１２を形成する。

図１４は、電解質膜１２が形成された基板２の端面図である。この図１４に示すように、反応層１０上に所定の厚さを有する電解質膜１２が形成される。なお、電解質膜１２が形成された基板２は、テーブル２８からベルトコンベアＢＣ１へと移され、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置２０ｈへと搬送される。

次に、ステップＳ１５において形成された電解質膜１２上に反応層（第２の反応層）を形成する（ステップＳ１６）。即ち、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置２０ｈまで搬送された基板２を、テーブル２８上に載置して吐出装置２０ｈ内に取り込む。吐出装置２０ｈにおいては、吐出装置２０ｆにおいて行われた処理と同様の処理により触媒としての白金微粒子を担持したカーボンを含む溶液を吐出し、反応層１０´を形成する。

図１５は、電解質膜１２上に反応層１０´が形成された基板２の端面図である。この図１５に示すように、電解質膜１２上に触媒としての白金微粒子を担持したカーボンが塗布されることによって、反応層１０´が形成される。ここで、反応層１０´は、第２の反応ガス、例えば、酸素を含有する反応ガスに基づいて反応する層である。

次に、ステップＳ１６において形成された反応層１０´上に反応ガス（第２の反応ガス）を拡散させるためのガス拡散層を形成する（ステップＳ１７）。即ち、反応層１０´が形成された基板２は、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置２０ｉまで搬送され、吐出装置２０ｉにおいて、吐出装置２０ｅにおいて行われた処理と同様の処理により所定の粒径の多孔質のカーボンが塗布され、ガス拡散層８´が形成される。

図１６は、反応層１０´上にガス拡散層が形成された基板２の端面図である。この図１６に示すように、反応層１０´上に多孔質のカーボンが塗布されることによって、ガス拡散層８´が形成される。

次に、ステップＳ１７において形成されたガス拡散層８´上に集電層（第２の集電層）を形成し（ステップＳ１８）、集電層上にこの集電層を支持するための支持用カーボン（第２の支持部材）を塗布する（ステップＳ１９）。即ち、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置２０ｊまで搬送された基板２を、テーブル２８上に載置して吐出装置２０ｊ内に取り込み、吐出装置２０ｄにおいて行われた処理と同様の処理により、集電層６´がガス拡散層８´上に形成される。また、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置２０ｋまで搬送された基板２を、テーブル２８上に載置して吐出装置２０ｋ内に取り込み、吐出装置２０ｃにおいて行われた処理と同様の処理により、支持用カーボン４´が塗布される。なお、支持用カーボン４´が塗布された基板２は、テーブル２８からベルトコンベアＢＣ１へと移され、組立装置６０へと搬送される。

図１７は、ガス拡散層８´上に集電層６´及び支持用カーボン４´が塗布された基板２の端面図である。この図１７に示すように、上述のステップＳ１８の処理により集電層６´が形成され、上述のステップＳ１９の処理により支持用カーボン４´が塗布される。ここで、支持用カーボン４´は、支持用カーボン４と同様に、即ち、基板２に形成されているガス流路に沿って塗布される。

次に、ステップＳ１９において支持用カーボンが塗布された基板（第１の基板）上にガス流路が形成された基板（第２の基板）を配置することによって燃料電池を組み立てる（ステップＳ２０）。即ち、組立装置６０において、ベルトコンベアＢＣ１を介して搬入された基板２（第１の基板）上にベルトコンベアＢＣ２を介して搬入された基板２´（第２の基板）を配置することにより、燃料電池の組立を行う。ここで、基板２´には、上述のステップＳ１０〜ステップＳ１９における処理とは別に、第２のガス流路が形成されている。即ち、吐出装置２０ｌ及び吐出装置２０ｍにおいて、吐出装置２０ａ及び吐出装置２０ｂにより行われる処理と同様の処理により、第２のガス流路が形成されている。従って、基板２に形成されている一方の側面から他方の側面へと延びる断面コ字形状のガス流路と、基板２´に形成されている断面コ字形状のガス流路とが平行になるように基板２´を配置して燃料電池の組立を行い、燃料電池の製造を完了する。

図１８は、製造された燃料電池の端面図である。この図１８に示すように、第２のガス流路が形成された基板２´を基板２の所定の位置に配置することによって第１の基板に形成された第１のガス流路を介して第１の反応ガスを供給し、第２の基板に形成された第２のガス流路を介して第２の反応ガスを供給する燃料電池の製造が完了する。

なお、上述の製造方法により製造された燃料電池は、電子機器、特に携帯用電子機器、例えば、携帯電話等に電力供給源として組み込むことができる。即ち、上述の燃料電池の製造方法によれば、吐出装置を用いることによって小型の燃料電池を容易に製造することができるため、例えば、携帯電話等の小型電子機器に電力供給源として組み込むことができる。

この実施の形態に係る燃料電池の製造方法によれば、インクジェット式の吐出装置を用いて反応層を形成している。従って、所定の位置に触媒溶液を塗布することができるため、均一に触媒溶液が塗布され、触媒を均一に分散させた反応層を形成することができ、反応効率が高く高出力の燃料電池を容易に製造することができる。

また、この実施の形態に係る燃料電池の製造方法によれば、第１回目に触媒溶液を塗布する位置と、第２回目に触媒溶液を塗布する位置とを異なる位置としている。従って、基板上に触媒溶液を均一に塗布することができ、白金微粒子を均一に分散させた反応層を形成し、反応効率が高い燃料電池を容易に製造することができる。

また、この実施の形態に係る燃料電池の製造方法によれば、第１回目に塗布した触媒溶液の液滴と重複しない位置であって、かつ、既に塗布された液滴の間の位置に第２回目の塗布を行っている。従って、触媒溶液が塗布されていない空白分が存在しないようにすることができると共に、触媒溶液の塗布量が部分的に増加し、反応層内において白金微粒子の結晶が大きくなることを防止している。そのため、白金微粒子の結晶を小さく保ち、白金微粒子を均一に分散させることができ、反応層全体において触媒である白金微粒子の表面積を大きくした反応効率の高い燃料電池を製造することができる。

また、この発明の実施の形態に係る燃料電池の製造方法によれば、第１回目に塗布された触媒溶液の中間乾燥を行った後に、第２回目の塗布を行い反応層を形成している。従って、例えば、表面張力の強い触媒溶液を塗布した場合であっても、既に塗布されている触媒溶液の液滴と新たに塗布された触媒溶液の液滴が結合して一つの液滴となり、白金微粒子の結晶が大きくなること等を防止し、確実に白金微粒子を均一に分散させた反応層を形成して反応効率の高い燃料電池を製造することができる。

また、この発明に実施の形態に係る燃料電池の製造方法によれば１回目に塗布された触媒溶液の液滴と液滴の間に、１回目における液滴よりも小さな液滴で触媒溶液を塗布することにより反応層を形成している。従って、基板上に空白部分がないように満遍なく、かつ、均一に触媒溶液を塗布して反応層を形成し、反応効率が高い燃料電池を容易に製造することができる。

なお、上述の実施の形態に係る燃料電池の製造方法においては、全ての工程においてインクジェット式の吐出装置を用いているが、反応層を形成する工程のみにおいてインクジェット式の吐出装置を用いて燃料電池を製造するようにしてもよい。

また、上述の実施の形態に係る燃料電池の製造方法においては、小型の燃料電池を製造しているが、複数の燃料電池を積層させることによって大型の燃料電池を製造するようにしてもよい。即ち、図１９に示すように、製造された燃料電池の基板２´の裏面に更にガス流路を形成し、ガス流路が形成された基板２´の裏面上に、上述の燃料電池の製造方法における製造工程と同様にしてガス拡散層、反応層、電解質膜等を形成して燃料電池を積層させることによって大型の燃料電池を製造するようにしてもよい。このように、大型の燃料電池が製造された場合には、例えば、電気自動車の電力供給源として用いることができ、地球環境に適切に配慮したクリーンエネルギーの自動車を提供することができる。

また、製造された大型の燃料電池を、１つのエネルギー源から熱と電気等複数種類のエネルギーを取り出して提供するコージェネレーションシステムのエネルギー源として用いてもよい。燃料電池においては、発電の際に発生する熱エネルギー量が多いため、効率の高い家庭用又は事業用のコージェネレーションシステムを実現することができる。また、燃料電池は発電の際に有毒物質等を排出することがないため、地球環境に配慮した環境性の高いコージェネレーションシステムを実現することができる。

この発明に係る燃料電池の製造方法によれば、第１の反応層及び第２の反応層の少なくとも何れか一方は、基板上に複数回、それぞれ異なる位置に触媒材料を含む触媒溶液を塗布することにより形成されている。従って、基板上に触媒溶液を均一に塗布することができ、反応効率が高い燃料電池を容易に製造することができる。また、基板上に複数回、それぞれ異なる位置に触媒溶液を塗布しているため、反応層における触媒、例えば、白金微粒子のを均一に分散させた反応効率の高い燃料電池を容易に製造することができる。

実施の形態に係る燃料電池の製造ラインの一例を示す図である。実施の形態に係るインクジェット式吐出装置の概略図である。実施の形態に係る燃料電池の製造方法のフローチャートである。実施の形態に係るガス流路の形成処理を説明する図である。実施の形態に係るガス流路の形成処理を説明する他の図である。実施の形態に係る燃料電池の製造過程の基板の端面図である。実施の形態に係る燃料電池の製造過程の基板の端面図である。実施の形態に係る燃料電池の製造過程の基板の端面図である。実施の形態に係る反応層の形成処理を説明する図である。実施の形態に係る反応層の形成処理を説明する図である。実施の形態に係る反応層の形成処理を説明する図である。実施の形態に係る反応層の形成処理を説明する図である。実施の形態に係る燃料電池の製造過程の基板の端面図である。実施の形態に係る燃料電池の製造過程の基板の端面図である。実施の形態に係る燃料電池の製造過程の基板の端面図である。実施の形態に係る燃料電池の製造過程の基板の端面図である。実施の形態に係る燃料電池の製造過程の基板の端面図である。実施の形態に係る燃料電池の基板の端面図である。実施の形態に係る燃料電池を積層させた大型燃料電池の図。

符号の説明

２、２´・・・基板、４、４´・・・支持用カーボン、６、６´・・・集電層、８、８´・・・ガス拡散層、１０、１０´・・・反応層、１０ａ、１０ｂ・・・液滴、１２・・・電解質膜、２０ａ〜２０ｍ・・・吐出装置、ＢＣ１、ＢＣ２・・・ベルトコンベア。

Claims

第１の反応ガスを供給するための第１のガス流路を、第１の基板に形成する第１のガス流路形成工程と、
前記第１のガス流路を介して供給された第１の反応ガスが反応することにより生じた電子を集める第１の集電層を形成する第１の集電層形成工程と、
前記第１のガス流路を介して供給された第１の反応ガスに基づいて反応を行う第１の反応層を形成する第１の反応層形成工程と、
電解質膜を形成する電解質膜形成工程と、
第２の反応ガスを供給するための第２のガス流路を、第２の基板に形成する第２のガス流路形成工程と、
前記第２のガス流路を介して供給された第２の反応ガスが反応するために必要な電子を供給する第２の集電層を形成する第２の集電層形成工程と、
前記第２のガス流路を介して供給された第２の反応ガスに基づいて反応を行う第２の反応層を形成する第２の反応層形成工程とを含む燃料電池の製造方法において、
前記第１の反応層形成工程及び前記第２の反応層形成工程の内の少なくとも何れか一方は、吐出装置を用いて、触媒材料を含む触媒溶液の複数の液滴を、それぞれ基板上の互いに重複しない位置に、格子状の配列で塗布する第１塗布工程と、
前記第１塗布工程で格子状に塗布された複数の液滴の間の位置であって、且つ、当該複数の液滴と重複しない位置に、格子状の配列で触媒材料を含む触媒溶液の液滴を塗布する第２塗布工程と、を含むことを特徴とする燃料電池の製造方法。
前記第１塗布工程と前記第２塗布工程との間に、前記第１塗布工程で塗布された前記触媒溶液を乾燥させる中間乾燥工程を含むことを特徴とする請求項１記載の燃料電池の製造方法。
前記第２塗布工程において、前記第１塗布工程と液滴の大きさが異なる前記触媒溶液を前記基板上に塗布することにより反応層を形成することを特徴とする請求項１記載の燃料電池の製造方法。