(57)【要約】【課題】反応ガスが流れる空間を確保したガス流路が形成された燃料電池及び該燃料電池の製造方法を提供する。【解決手段】ベルトコンベアＢＣ１１により搬送された第１の基板に、吐出装置１２０ａ、１２０ｂにおいて第１のガス流路を、吐出装置１２０ｃにおいて第１の集電層を、吐出装置１２０ｄにおいて第１のガス拡散層を、吐出装置１２０ｅにおいて第１の反応層を、吐出装置１２０ｆにおいて電解質膜をそれぞれ形成する。同様に、吐出装置１２０ｇにおいて第２の反応層を、吐出装置１２０ｈにおいてガス拡散層を、吐出装置１２０ｉにおいて第２の集電層を形成する。そして、吐出装置１２０ｊ、１２０ｋにおいて第２のガス流路が形成された第２の基板を、第１の基板上の所定の位置に配置してガス拡散層を構成する物質の粒径に比較してガス流路の開口幅が狭い燃料電池の製造を完了する。【選択図】図１
2008140785.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
第１の反応ガスを供給するための第１のガス流路が形成された第１の基板と、
前記第１の基板側に形成された第１の集電層と、
前記第１の基板側に形成された第１のガス拡散層と、
前記第１の基板側に形成された第１の反応層と、
第２の反応ガスを供給するための第２のガス流路が形成された第２の基板と、
前記第２の基板側に形成された第２の集電層と、
前記第２の基板側に形成された第２のガス拡散層と、
前記第２の基板側に形成された第２の反応層と、
前記第１の反応層と前記第２の反応層との間に形成された電解質膜とを備え、
前記第１のガス流路及び前記第２のガス流路の内の少なくとも何れか一方の流路幅が、上流側から下流側に向かって漸次広がっていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記第１のガス流路及び前記第２のガス流路の内の少なくとも何れか一方は、流路幅が最下流部において狭くなっていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記第１のガス流路中の何れかは、前記第１の基板の一端部に供給口を有すると共に他端部に排出口を有し、残りの第１のガス流路は、前記第１の基板の一端部に排出口を有すると共に他端部に供給口を有しており、
前記第２のガス流路中の何れかは、前記第２の基板の一端部に供給口を有すると共に他端部に排出口を有し、残りの第２のガス流路は、前記第２の基板の一端部に排出口を有すると共に他端部に供給口を有していることを特徴とする請求項２又は請求項３記載の燃料電池。
【請求項４】
燃料電池の製造方法であって、
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、
第１の集電層を形成する第１の集電層形成工程と、
第１のガス拡散層を形成する第１のガス拡散層形成工程と、
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の反応層を形成する第２の反応層形成工程と、
第２のガス拡散層を形成する第２のガス拡散層形成工程と、
第２の集電層を形成する第２の集電層形成工程と、
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
を含み、
前記第１のガス流路形成工程及び前記第２のガス流路形成工程の内の少なくとも何れか一方は上流側から下流側へ向かって、流路幅が漸次広がっているガス流路を形成することを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項５】
前記第１のガス流路形成工程及び前記第２のガス流路形成工程の内の少なくとも何れか一方は、流路幅が最下流部において狭くなっているガス流路を形成することを特徴とする請求項４記載の燃料電池の製造方法。
【請求項６】
前記第１のガス流路形成工程においては、前記第１のガス流路中の何れかが、前記第１の基板の一端部に供給口を有すると共に他端部に排出口を有し、残りの第１のガス流路が、前記第１の基板の一端部に排出口を有すると共に他端部に供給口を有する第１のガス流路を形成し、
前記第２のガス流路形成工程においては、前記第２のガス流路中の何れかが、前記第２の基板の一端部に供給口を有すると共に他端部に排出口を有し、残りの第２のガス流路が、前記第２の基板の一端部に排出口を有すると共に他端部に供給口を有する第２のガス流路を形成することを特徴とする請求項４又は請求項５記載の燃料電池の製造方法。
【請求項７】
前記第１のガス流路形成工程及び前記第２のガス流路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、上流側から下流側に向かって漸次広がっているガス流路を形成することを特徴とする請求項４又は請求項５記載の燃料電池の製造方法。
【請求項８】
燃料電池であって、
第１の反応ガスを供給するための第１のガス流路が形成された第１の基板と、
前記第１の基板側に形成された第１の集電層と、
前記第１の基板側に形成された第１のガス拡散層と、
前記第１の基板側に形成された第１の反応層と、
第２の反応ガスを供給するための第２のガス流路が形成された第２の基板と、
前記第２の基板側に形成された第２の集電層と、
前記第２の基板側に形成された第２のガス拡散層と、
前記第２の基板側に形成された第２の反応層と、
前記第１の反応層と前記第２の反応層との間に形成された電解質膜とを備え、
前記第１のガス流路及び前記第２のガス流路の内の少なくとも何れか一方の流路幅が、該第１のガス流路又は該第２のガス流路の上部から底部に向かって漸次減少していることを特徴とする燃料電池。
【請求項９】
前記第１のガス流路及び前記第２のガス流路の内の少なくとも何れか一方は、曲面を有する断面形状であることを特徴とする請求項８記載の燃料電池。
【請求項１０】
燃料電池の製造方法であって、
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、
第１の集電層を形成する第１の集電層形成工程と、
第１のガス拡散層を形成する第１のガス拡散層形成工程と、
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の反応層を形成する第２の反応層形成工程と、
第２のガス拡散層を形成する第２のガス拡散層形成工程と、
第２の集電層を形成する第２の集電層形成工程と、
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
を含み、
前記第１のガス流路形成工程及び前記第２のガス流路形成工程の内の少なくとも何れか一方は、前記第１のガス流路又は前記第２のガス流路の上部から底部に向かって、流路幅が漸次減少しているガス流路を形成することを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項１１】
前記第１のガス流路形成工程は、
前記第１の基板表面にガス流路形成用材料を塗布するガス流路形成用材料塗布工程を含み、
前記第１基板上に塗布されたガス流路形成用材料に、ガス流路を形成するためのガス流路形成型を用いて、前記第１のガス流路の上部から底部に向かって、流路幅が漸次減少する形状の第１のガス流路を形成し、
前記第２のガス流路形成工程は、
前記第２の基板表面にガス流路形成用材料を塗布するガス流路形成用材料と不工程を含み、
前記第２基板上に塗布されたガス流路形成用材料に、ガス流路を形成するためのガス流路形成型を用いて、前記第２のガス流路の上部から底部に向かって、流路幅が漸次減少する形状の第２のガス流路を形成することを特徴とする請求項１０記載の燃料電池の製造方法。
【請求項１２】
前記第１のガス流路形成工程及び前記第２のガス流路形成工程の内の少なくとも何れか一方は、断面半円形状のガス流路を形成することを特徴とする請求項１０又は請求項１１記載の燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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及び燃料電池の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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、天然ガス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。
【０００３】
ここで、燃料電池の基板には、反応ガスを供給するためのガス流路が形成され、このガス流路を介して反応ガスが供給される。従って、電極として用いられる物質、例えば、カーボン粒子がガス流路内に入り込み、反応ガスが流れる空間を閉塞することがないよう、例えば、電極を構成するカーボン粒子よりも粒径の大きなカーボン粒子をガス流路内に配置し、電極として用いられているカーボン粒子がガス流路に入り込むことを防止している。
【０００４】
また、現在、携帯機器等に用いることができるマイクロ燃料電池の研究開発が行われている。マイクロ燃料電池の製造には、微細なガス流路を形成するために、半導体プロセス等において利用されている微細加工技術を基本とするＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）が用いられている。このＭＥＭＳを用いた場合には、例えば、まず、ＭＥＭＳによりシリコン等の基板の表面に微細なガス流路を形成し、ガス流路が形成された基板上に導電層及びカーボンによる電極等を形成する。そして、予め形成しておいた電解質膜を電極等が形成された２枚の基板で挟み込んで圧着することにより燃料電池が製造されている（非特許文献１及び非特許文献２参照）。
【非特許文献１】Sang-Joon J Lee,Suk Won Cha,Amy Ching -Chien,O`Hayre and Fritz B.PrinzFactrical，Design Study of Miniature Fuel Cells with Micromachined Silicon Flow Structures，The 200th Meeting of The Electrochemical society,Abstract No.452(2001)
【非特許文献２】Amy Ching -Chien，Suk Won Cha，Sang-Joon J Lee，O`Hayre and Fritz B.PrinzPlaner , Interconnection of Mutiple Polymer Electolyte Membrane Micro fabrication，The 200th Meeting of The Electrochemical society,Abstract No.453 (2001)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、ガス流路内にカーボン粒子を配置する場合、電極を構成するカーボン粒子よりも粒径が大きなカーボン粒子を別途用意する必要があり、燃料電池を製造するために必要とされる材料が多くなる。また、このカーボン粒子をガス流路内に配置する工程が必要なことから、燃料電池を製造するための工程が増加するという問題がある。
【０００６】
また、ＭＥＭＳを用いて電極として用いられるカーボン粒子の粒径に比較して幅が狭いガス流路を形成することも可能であるが、半導体プロセスにおいて用いられる機器は高価なものが多く、製造コストが高くなる。また、ＭＥＭＳを用いて基板上にガス流路を形成した場合には、基板にガス流路を形成した後に別途電解質膜を圧着する作業を行う必要があり、製造工程が複雑になる。
【０００７】
また、ガス流路を介して供給される反応ガスは、ガス流路の上流側ではガス圧力が高いが、下流側に行くほどガス圧力が低下している。そのため、上流側と下流側とで供給される反応ガスの量にバラつきが出来てしまい、燃料電池の発電効率が悪くなっている。また、反応ガスの反応を促すために、反応層においては高価な白金が触媒として用いられているが、反応層に供給される反応ガスのガス量が少ない部分では反応効率が悪く、その部分に塗布されている白金が有効に機能してない。
【０００８】
更に、ガス流路には、反応ガスのガス圧力による応力がかかるため、この応力によりガス流路が損傷する場合がある。即ち、図４４に示す基板３７０に形成された断面コ字形状のガス流路においては、流路底部の角部Ｐに反応ガスのガス圧力により発生した応力が集中してしまい、図中Ｌで示すガス流路間の壁部が折れてガス流路に損傷が生じる場合がある。また、断面コ字形状のガス流路においては、反応ガスとガス流路との接触面積が広く、反応ガスに対する管路抵抗が高くなっているために反応ガスの圧力損失が大きくなっている。
【０００９】
ここで、ＭＥＭＳを用いたマイクロ燃料電池の製造においては、ドライエッチングやレーザー加工によりガス流路が形成されることから断面コ字形状のガス流路が形成されている。そのため、発生した応力によるガス流路の損傷が生じる可能性が高い。
【００１０】
この発明の課題は、反応ガスが流れる空間を確実に確保したガス流路が形成された燃料電池及び該燃料電池の製造方法、ガス流路を介して供給される反応ガスの反応効率を向上させた燃料電池及び該燃料電池の製造方法、反応ガスのガス圧力に基づいて発生した応力によるガス流路の損傷を防ぎ、かつ、流路抵抗を減少させた燃料電池及び該燃料電池の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明に係る燃料電池は、第１の反応ガスを供給するための第１のガス流路が形成された第１の基板と、前記第１の基板側に形成された第１の集電層と、前記第１の基板側に形成された第１のガス拡散層と、前記第１の基板側に形成された第１の反応層と、第２の反応ガスを供給するための第２のガス流路が形成された第２の基板と、前記第２の基板側に形成された第２の集電層と、前記第２の基板側に形成された第２のガス拡散層と、前記第２の基板側に形成された第２の反応層と、前記第１の反応層と前記第２の反応層との間に形成された電解質膜とを備える燃料電池であって、前記第１のガス流路及び前記第２のガス流路の内の少なくとも何れか一方の開口幅が、前記第１のガス拡散層及び前記第２のガス拡散層を構成する物質の粒径に比較して狭いことを特徴とする。
【００１２】
この燃料電池によれば、第１のガス流路及び第２のガス流路の内の少なくとも何れか一方の開口幅が、第１のガス拡散層及び第２のガス拡散層を構成する物質の粒径に比較して狭い。即ち、第１のガス拡散層及び第２のガス拡散層を構成する物質、例えば、電極としての機能も有する多孔質のカーボン粒子の粒径に比較してガス流路の開口幅が狭い。従って、ガス流路内にカーボン粒子が入り込んでガス流路が塞がれることを防止することができる。
【００１３】
また、この発明に係る燃料電池は、前記第１のガス流路が該第１のガス流路の底面の幅が前記開口幅よりも広く、前記第２のガス流路が該第２のガス流路の底面の幅が前記開口幅よりも広いことを特徴とする。この燃料電池によれば、ガス流路の底面がガス流路の開口幅よりも広いため、開口幅を狭くしたガス流路であっても、反応ガスの流量を低減させることなく、十分な量の反応ガスを供給することができる。
【００１４】
また、この発明に係る燃料電池の製造方法は、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、第１の集電層を形成する第１の集電層形成工程と、第１のガス拡散層を形成する第１のガス拡散層形成工程と、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の反応層を形成する第２の反応層形成工程と、第２のガス拡散層を形成する第２のガス拡散層形成工程と、第２の集電層を形成する第２の集電層形成工程と、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を含む燃料電池の製造方法において、前記第１のガス流路形成工程及び前記第２のガス流路形成工程の内の少なくとも何れか一方は、吐出装置を用いて前記第１のガス拡散層及び前記第２のガス拡散層を構成する物質の粒径に比較して開口幅が狭いガス流路を形成することを特徴とする。
【００１５】
この燃料電池の製造方法によれば、第１のガス流路形成工程及び第２のガス流路形成工程の内の少なくとも何れか一方は、吐出装置を用いて第１のガス拡散層及び第２のガス拡散層を構成する物質の粒径に比較して開口幅が狭いガス流路を形成している。従って、ガス流路内にガス拡散層を構成する物質、例えば、電極としての機能も有する多孔質のカーボン粒子がガス流路内に入り込んでガス流路を塞ぐことを防止した燃料電池を製造することができる。
【００１６】
また、この発明に係る燃料電池の製造方法は、前記第１のガス流路形成工程は、ガス流路の底面の幅が前記開口幅よりも広い第１のガス流路を形成し、前記第２のガス流路形成工程は、ガス流路の底面の幅が前記開口幅よりも広い第２のガス流路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、ガス流路の開口幅よりもガス流路の底面の幅が広くなっているため、ガス流路が塞がれることを防止すること共に、十分な量の反応ガスを燃料電池内に供給することができる。
【００１７】
この発明に係る燃料電池は、第１の反応ガスを供給するための第１のガス流路が形成された第１の基板と、前記第１の基板側に形成された第１の集電層と、前記第１の基板側に形成された第１のガス拡散層と、前記第１の基板側に形成された第１の反応層と、第２の反応ガスを供給するための第２のガス流路が形成された第２の基板と、前記第２の基板側に形成された第２の集電層と、前記第２の基板側に形成された第２のガス拡散層と、前記第２の基板側に形成された第２の反応層と、前記第１の反応層と前記第２の反応層との間に形成された電解質膜とを備える燃料電池であって、前記第１のガス流路及び前記第２のガス流路の内の少なくとも何れか一方の流路幅が、上流側から下流側に向かって漸次広がっていることを特徴とする。
【００１８】
この燃料電池によれば、第１のガス流路及び第２のガス流路の内の少なくとも何れか一方の流路幅が、上流側から下流側に向かって漸次広がっている。従って、ガス流路を介して反応層に供給される反応ガスのガス量を、ガス流路の上流側と下流側とで均一に保つことができる。
【００１９】
また、この発明に係る燃料電池は、前記第１のガス流路及び前記第２のガス流路の内の少なくとも何れか一方は、流路幅が最下流部において狭くなっていることを特徴とする。この燃料電池によれば、ガス流路の最下流部において流路幅が狭くなっていることから、ガス流路における反応ガスのガス圧力を適切に調整することができる。
【００２０】
また、この発明に係る燃料電池は、前記第１のガス流路中の何れかが、前記第１の基板の一端部に供給口を有すると共に他端部に排出口を有し、残りの第１のガス流路は、前記第１の基板の一端部に排出口を有すると共に他端部に供給口を有しており、前記第２のガス流路中の何れかは、前記第２の基板の一端部に供給口を有すると共に他端部に排出口を有し、残りの第２のガス流路は、前記第２の基板の一端部に排出口を有すると共に他端部に供給口を有していることを特徴とする。
【００２１】
この燃料電池によれば、基板上に形成されたガス流路の中の何れかは、基板の一端部に供給口を有すると共に他端部に排出口を有し、残りのガス流路は基板の他端部に供給口を有すると共に一端部に排出口を有している。従って、例えば、酸素を含有する第１の反応ガスを供給する第１の反応ガス供給装置と、水素を含有する第２の反応ガスを供給する第２の反応ガス供給装置とを適切に設置することができる。
【００２２】
また、この発明に係る燃料電池の製造方法は、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、第１の集電層を形成する第１の集電層形成工程と、第１のガス拡散層を形成する第１のガス拡散層形成工程と、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の反応層を形成する第２の反応層形成工程と、第２のガス拡散層を形成する第２のガス拡散層形成工程と、第２の集電層を形成する第２の集電層形成工程と、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を含む燃料電池の製造方法において、前記第１のガス流路形成工程及び前記第２のガス流路形成工程の内の少なくとも何れか一方は、上流側から下流側へ向かって、流路幅が漸次広がっているガス流路を形成することを特徴とする。
【００２３】
この燃料電池の製造方法によれば、第１のガス流路形成工程及び第２のガス流路形成工程の内の少なくとも何れか一方は、上流側から下流側へ向かって、流路幅が漸次広がっているガス流路が形成されている。従って、ガス流路を介して反応層に供給される反応ガスの量をガス流路の上流側と下流側とで均一に保つことができ、かつ、発電効率の高い燃料電池を製造することができる。
【００２４】
また、この発明に係る燃料電池の製造方法は、前記第１のガス流路形成工程及び前記第２のガス流路形成工程の内の少なくとも何れか一方において、流路幅が最下流部において狭くなっているガス流路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、ガス流路における反応ガスのガス圧力を適切に調整することができるガス流路が形成された燃料電池を容易に製造することができる。
【００２５】
また、この発明に係る燃料電池の製造方法は、前記第１のガス流路形成工程において、前記第１のガス流路中の何れかが、前記第１の基板の一端部に供給口を有すると共に他端部に排出口を有し、残りの第１のガス流路が、前記第１の基板の一端部に排出口を有すると共に他端部に供給口を有する第１のガス流路を形成し、前記第２のガス流路形成工程においては、前記第２のガス流路中の何れかが、前記第２の基板の一端部に供給口を有すると共に他端部に排出口を有し、残りの第２のガス流路が、前記第２の基板の一端部に排出口を有すると共に他端部に供給口を有する第２のガス流路を形成することを特徴とする。
【００２６】
この燃料電池の製造方法によれば、基板上に形成されたガス流路の中の何れかは、基板の一端部に供給口を有すると共に他端部に排出口を有し、残りのガス流路は基板の他端部に供給口を有すると共に一端部に排出口を有している。従って、例えば、酸素を含有する第１の反応ガスを供給する第１の反応ガス供給装置と、水素を含有する第２の反応ガスを供給する第２の反応ガス供給装置とを適切に設置することができる燃料電池を製造することができる。
【００２７】
また、この発明に係る燃料電池の製造方法は、前記第１のガス流路形成工程及び前記第２のガス流路形成工程の内の少なくとも何れか一方において、吐出装置を用いて、上流側から下流側に向かって漸次広がっているガス流路を形成することを特徴とする。
【００２８】
こ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り、半導体製造プロセスにおいて用いられるＭＥＭＳを用いることなく、上流側から下流側に向かって漸次広がっているガス流路を容易に形成することができる。
【００２９】
この発明に係る燃料電池は、第１の反応ガスを供給するための第１のガス流路が形成された第１の基板と、前記第１の基板側に形成された第１の集電層と、前記第１の基板側に形成された第１のガス拡散層と、前記第１の基板側に形成された第１の反応層と、第２の反応ガスを供給するための第２のガス流路が形成された第２の基板と、前記第２の基板側に形成された第２の集電層と、前記第２の基板側に形成された第２のガス拡散層と、前記第２の基板側に形成された第２の反応層と、前記第１の反応層と前記第２の反応層との間に形成された電解質膜とを備える燃料電池であって、前記第１のガス流路及び前記第２のガス流路の内の少なくとも何れか一方の流路幅が、該第１のガス流路又は該第２のガス流路の上部から底部に向かって漸次減少していることを特徴とする。
【００３０】
この燃料電池によれば、第１のガス流路及び第２のガス流路の内の少なくとも何れか一方の流路幅が、第１のガス流路又は第２のガス流路の上部から底部に向かって漸次減少している。従って、断面コ字形状のガス流路と異なり、第１の反応ガス又は第２の反応ガスのガス圧力により生じる応力が特定の部分に集中することを防ぎ、発生した応力によってガス流路が損傷することを適切に防止することができる。
【００３１】
また、この発明に係る燃料電池は、前記第１のガス流路及び前記第２のガス流路の内の少なくとも何れか一方は、曲面を有する断面形状であることを特徴とする。この燃料電池によれば、曲面を有する断面形状のガス流路が形成されているため、ガス圧力による応力の集中を防ぐことができる。また、断面コ字形状のガス流路に比較してガス流路と第１の反応ガス又は第２の反応ガスとが接触する面積を小さくすることによりガス流路の管路抵抗を減少させているため、ガス圧力の圧力損失を軽減させることができる。
【００３２】
また、この発明に係る燃料電池の製造方法は、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、第１の集電層を形成する第１の集電層形成工程と、第１のガス拡散層を形成する第１のガス拡散層形成工程と、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の反応層を形成する第２の反応層形成工程と、第２のガス拡散層を形成する第２のガス拡散層形成工程と、第２の集電層を形成する第２の集電層形成工程と、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を含む燃料電池の製造方法において、前記第１のガス流路形成工程及び前記第２のガス流路形成工程の内の少なくとも何れか一方は、前記第１のガス流路又は前記第２のガス流路の上部から底部に向かって、流路幅が漸次減少しているガス流路を形成することを特徴とする。
【００３３】
この燃料電池の製造方法によれば、第１のガス流路形成工程及び第２のガス流路形成工程の内の少なくとも何れか一方は、第１のガス流路又は第２のガス流路の上部から底部に向かって、流路幅が漸次減少しているガス流路を形成している。従って、ガス流路内において反応ガスのガス圧力により生じた応力が特定の部分に集中することを防ぐことにより、ガス流路が損傷することを適切に防止している。
【００３４】
また、この発明に係る燃料電池の製造方法は、前記第１のガス流路形成工程において、前記第１の基板表面にガス流路形成用材料を塗布するガス流路形成用材料塗布工程を含み、前記第１基板上に塗布されたガス流路形成用材料に、ガス流路を形成するためのガス流路形成型を用いて、前記第１のガス流路の上部から底部に向かって、流路幅が漸次減少する形状の第１のガス流路を形成し、前記第２のガス流路形成工程は、前記第２の基板表面にガス流路形成用材料を塗布するガス流路形成用材料と不工程を含み、前記第２基板上に塗布されたガス流路形成用材料に、ガス流路を形成するためのガス流路形成型を用いて、前記第２のガス流路の上部から底部に向かって、流路幅が漸次減少する形状の第２のガス流路を形成することを特徴とする。
【００３５】
この燃料電池の製造方法によれば、ガス流路形成用材料、例えば、光硬化性樹脂にガス流路形成型を用いてガス流路の上部から底部に向かって、流路幅が漸次減少する形の第１のガス流路及び第２のガス流路を形成している。従って、ガス流路形成型を用いることにより、所望形状のガス流路を容易、かつ、迅速に形成することができる。
【００３６】
また、この発明に係る燃料電池の製造方法は、前記第１のガス流路形成工程及び前記第２のガス流路形成工程の内の少なくとも何れか一方は、断面半円形状のガス流路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、断面半円形状のガス流路は、断面コ字形状のガス流路に比較して反応ガスに接触する面積が小さくなっているため、反応ガスのガス圧力損失を適切に軽減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
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、この発明の第１の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１２０ａ〜１２０ｋ、吐出装置１２０ａ〜１２０ｉを接続するベルトコンベアＢＣ１１、吐出装置１２０ｊ、１２０ｋを接続するベルトコンベアＢＣ１２、ベルトコンベアＢＣ１１、ＢＣ１２を駆動させる駆動装置１５８、燃料電池の組み立てを行う組立装置１６０及び燃料電池製造ライン全体の制御を行う制御装置１５６により構成されている。
【００３８】
吐出装置１２０ａ〜１２０ｉは、ベルトコンベアＢＣ１１に沿って所定の間隔で一列に配置されており、吐出装置１２０ｊ、１２０ｋはベルトコンベアＢＣ１２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１５６は、各吐出装置１２０ａ〜１２０ｋ、駆動装置１５８及び組立装置１６０に接続されている。制御装置１５６からの制御信号に基づいてベルトコンベアＢＣ１１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１２０ａ〜１２０ｉに搬送して各吐出装置１２０ａ〜１２０ｉにおける処理を行う。同様に、制御装置１５６からの制御信号に基づいてベルトコンベアＢＣ１２を駆動させ、基板を吐出装置１２０ｊ、１２０ｋに搬送してこの吐出装置１２０ｊ、１２０ｋにおける処理を行う。また、組立装置１６０においては、制御装置１５６からの制御信号に基づいてベルトコンベアＢＣ１１及びベルトコンベアＢＣ１２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。
【００３９】
この燃料電池製造ラインにおいては、吐出装置１２０ａ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１２０ｂ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１２０ｃにおいて、集電層を形成する処理が行われる。また、吐出装置１２０ｄにおいて、ガス拡散層を形成する処理が行われ、吐出装置１２０ｅにおいて、反応層を形成する処理が行われ、吐出装置１２０ｆ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１２０ｇにおいて、反応層を形成する処理が行われ、吐出装置１２０ｈにおいて、ガス拡散層を形成する処理が行われ、吐出装置１２０ｉにおいて、集電層を形成する処理が行われる。
【００４０】
また、吐出装置１２０ｊ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１２０ｋ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１２０ａ〜１２０ｉ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１２０ｊ、１２０ｋ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。
【００４１】
図２は、この発明の第１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１２０ａの構成の概略を示す図である。この吐出装置１２０ａは、基板上に吐出物を吐出するインクジェットヘッド１２２を備えている。このインクジェットヘッド１２２は、ヘッド本体１２４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１２６を備えている。このノズル形成面１２６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１２０ａは、基板を載置するテーブル１２８を備えている。このテーブル１２８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１２８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ＢＣ１１により搬送される基板をテーブル１２８上に載置して吐出装置１２０ａ内に取り込む。
【００４２】
また、インクジェットヘッド１２２には、ノズル形成面１２６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１３０が接続されている。即ち、タンク１３０とインクジェットヘッド１２２とは、吐出物を搬送する吐出物搬送管１３２によって接続されている。また、この吐出物搬送管１３２は、吐出物搬送管１３２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１３２ａとヘッド部気泡排除弁１３２ｂとを備えている。このヘッド部気泡排除弁１３２ｂは、後述する吸引キャップ１４０により、インクジェットヘッド１２２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１４０によりインクジェットヘッド１２２内の吐出物を吸引するときは、このヘッド部気泡排除弁１３２ｂを閉状態にし、タンク１３０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１４０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１２２内の気泡が速やかに排出されることになる。
【００４３】
また、吐出装置１２０ａは、タンク１３０内に収容されている吐出物の収容量、即ち、タンク１３０内に収容されているレジスト溶液の液面１３４ａの高さを制御するための液面制御センサ１３６を備えている。この液面制御センサ１３６は、インクジェットヘッド１２２が備えるノズル形成面１２６の先端部１２６ａとタンク１３０内の液面１３４ａ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１３４ａの高さを制御することで、タンク１３０内の吐出物１３４が所定の範囲内の圧力でインクジェットヘッド１２２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１３４を送ることで、インクジェットヘッド１２２から安定的に吐出物１３４を吐出することができる。
【００４４】
また、インクジェットヘッド１２２のノズル形成面１２６に対向して一定の距離を隔てて、インクジェットヘッド１２２のノズル内の吐出物を吸引する吸引キャップ１４０が配置されている。この吸引キャップ１４０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１２６に形成された複数のノズルを囲むようにノズル形成面１２６に密着し、ノズル形成面１２６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１４０によるインクジェットヘッド１２２のノズル内の吐出物の吸引は、インクジェットヘッド１２２が吐出物１３４を吐出をしていない状態、例えば、インクジェットヘッド１２２が、退避位置等に退避しており、テーブル１２８が破線で示す位置に退避しているときに行われる。
【００４５】
また、この吸引キャップ１４０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１４２、吸引異常を検出する吸引圧検出センサ１４４及びチューブポンプ等からなる吸引ポンプ１４６が配置されている。また、この吸引ポンプ１４６等で吸引され、流路を搬送されてきた吐出物１３４は、廃液タンク１４８内に収容される。
【００４６】
なお、吐出装置１２０ｂ〜１２０ｋの構成は、吐出装置１２０ａ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１２０ｂ〜１２０ｋの各構成には、吐出装置１２０ａ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１２０ｂ〜１２０ｋにそれぞれ備えられているタンク１３０には、各吐出装置１２０ｂ〜１２０ｋ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１２０ｂ及び吐出装置１２０ｋのタンク１３０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１２０ｃ及び吐出装置１２０ｉのタンク１３０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１２０ｄ及び吐出装置１２０ｈのタンク１３０には、ガス拡散層を形成するための吐出物が、吐出装置１２０ｅ及び吐出装置１２０ｇのタンク１３０には、反応層を形成するための吐出物が、吐出装置１２０ｆのタンク１３０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１２０ｊのタンク１３０には、吐出装置１２０ａのタンク１３０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。
【００４７】
次に、図３のフローチャート及び図面を参照して、この発明の第１の実施の形態に係る吐出装置１２０ａ〜１２０ｋを用いた燃料電池の製造方法について説明する。
【００４８】
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）１０２をベルトコンベアＢＣ１１により吐出装置１２０ａまで搬送する。ベルトコンベアＢＣ１１により搬送された基板１０２は、吐出装置１２０ａのテーブル１２８上に載置され、吐出装置１２０ａ内に取り込まれる。吐出装置１２０ａにおいては、ノズル形成面１２６のノズルを介してタンク１３０内に収容されているレジスト溶液を吐出し、テーブル１２８上に載置されている基板１０２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１０２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。
【００４９】
ここで、レジスト溶液は、ガス拡散層を構成するために用いられる物質、例えば、多孔質のカーボンの粒径に比較して狭い間隔を空けて塗布される。即ち、形成されるガス流路の開口幅が、ガス拡散層を構成するカーボンの粒径に比較して狭くなるようにレジスト溶液が塗布される。
【００５０】
次に、所定の位置にレジスト溶液が塗布された基板１０２（図４（ｂ）参照）は、ベルトコンベアＢＣ１１により吐出装置１２０ｂまで搬送され、吐出装置１２０ｂのテーブル１２８上に載置されて吐出装置１２０ｂ内に取り込まれる。吐出装置１２０ｂにおいては、タンク１３０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１２６のノズルを介して吐出し、テーブル１２８上に載置されている基板１０２の上面の全体に塗布する。
【００５１】
ここで、基板１０２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１０２の一方の側面から他方の側面に延びる断面コ字形状であって、開口幅がガス拡散層用のカーボン粒子の粒径に比較して狭い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１０２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、レジストが取り除かれる（図５（ｂ）参照）。そして、ガス流路が形成された基板１０２は、テーブル１２８からベルトコンベアＢＣ１１へと移され、ベルトコンベアＢＣ１１により吐出装置１２０ｃへと搬送される。
【００５２】
次に、基板１０２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Ｓ１１）。即ち、まず、ベルトコンベアＢＣ１１により吐出装置１２０ｃまで搬送された基板１０２を、テーブル１２８上に載置して吐出装置１２０ｃ内に取り込む。吐出装置１２０ｃにおいては、タンク１３０内に収容されている集電層１０６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１２６のノズルを介してテーブル１２８上に載置されている基板１０２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１０６が形成される。
【００５３】
図６は、集電層１０６が形成された基板１０２の端面図である。この図６に示すように、例えば、銅等の導電性物質を網目形状に吐出することにより、集電層１０６が形成される。なお、集電層１０６が形成された基板１０２は、テーブル１２８からベルトコンベアＢＣ１１へと移され、ベルトコンベアＢＣ１１により吐出装置１２０ｄへと搬送される。
【００５４】
次に、ステップＳ１１において形成された集電層１０６の上に、基板１０２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（第１のガス拡散層）を形成する（ステップＳ１２）。即ち、まず、ベルトコンベアＢＣ１１により吐出装置１２０ｄまで搬送された基板１０２を、テーブル１２８上に載置して吐出装置１２０ｄ内に取り込む。吐出装置１２０ｄにおいては、タンク１３０内に収容されているガス拡散層１０８を形成するための材料、例えば、カーボン粒子を集電層１０６上にノズル形成面１２６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１０８を形成する。
【００５５】
図７は、ガス拡散層１０８が形成された基板１０２の端面図である。この図７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粒子を集電層１０６上に吐出し、反応ガスを拡散させるためのガス拡散層１０８が形成される。ここで、ガス拡散層１０８を構成するカーボン粒子としては、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、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。ここで、ガス流路の開口幅が１ミクロン未満となっている場合には、ガス拡散層を構成するカーボン粒子として粒径が１ミクロン以上のカーボン粒子が用いられる。また、ガス拡散層１０８が形成された基板１０２は、テーブル１２８からベルトコンベアＢＣ１１へと移され、ベルトコンベアＢＣ１１により吐出装置１２０ｅへと搬送される。
【００５６】
次に、ステップＳ１２において形成されたガス拡散層１０８の上に、基板１０２に形成されたガス流路を介して供給される反応ガスが反応する反応層（第１の反応層）を形成する（ステップＳ１３）。即ち、ベルトコンベアＢＣ１１により吐出装置１２０ｅまで搬送された基板１０２を、テーブル１２８上に載置して吐出装置１２０ｅ内に取り込む。吐出装置１２０ｅにおいては、タンク１３０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担持したカーボン粒子（白金担持カーボン）をガス拡散層１０８上に吐出して反応層１１０を形成する。ここで、白金微粒子を担持しているカーボンは、ガス拡散層１０８を構成するカーボン粒子と同様のカーボン粒子、即ち、同様の粒径であって、かつ、多孔質のカーボンが用いられる。なお、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てガス拡散層１０８上に塗布した後に、例えば、窒素雰囲気中で２００℃に基板１０２を加熱することにより、分散剤を除去し、反応層１１０を形成するようにしてもよい。この場合には、ガス拡散層１０８を構成するカーボン粒子の表面上に触媒として白金微粒子を付着させることによって反応層１１０が形成される。
【００５７】
図８は、反応層１１０が形成された基板１０２の端面図である。この図８に示すように、触媒としての白金微粒子を担持したカーボンがガス拡散層１０８上に塗布されることにより反応層１１０が形成される。なお、図８において、反応層１１０とガス拡散層１０８とを容易に識別することができるように、反応層１１０としては白金微粒子のみを示している。また、以下の図においても反応層は、図８と同様に示すものとする。反応層１１０が形成された基板１０２は、テーブル１２８からベルトコンベアＢＣ１１へと移され、ベルコトンベアＢＣ１１により吐出装置１２０ｆへと搬送される。
【００５８】
次に、ステップＳ１３で形成された反応層１１０上にイオン交換膜等の電解質膜を形成する（ステップＳ１４）。即ち、まず、ベルトコンベアＢＣ１１により吐出装置１２０ｆまで搬送された基板１０２を、テーブル１２８上に載置して吐出装置１２０ｆ内に取り込む。吐出装置１２０ｆにおいては、タンク１３０内に収容されている電解質膜を形成する材料、例えば、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１２６のノズルを介して反応層１１０上に吐出して電解質膜１２を形成する。
【００５９】
図９は、電解質膜１１２が形成された基板１０２の端面図である。この図９に示すように、反応層１１０上に所定の厚さを有する電解質膜１１２が形成される。なお、電解質膜１１２が形成された基板１０２は、テーブル１２８からベルトコンベアＢＣ１１へと移され、ベルトコンベアＢＣ１１により吐出装置１２０ｇへと搬送される。
【００６０】
次に、ステップＳ１４において形成された電解質膜１１２上に反応層（第２の反応層）を形成する（ステップＳ１５）。即ち、ベルトコンベアＢＣ１１により吐出装置１２０ｇまで搬送された基板１０２を、テーブル１２８上に載置して吐出装置１２０ｇ内に取り込む。吐出装置１２０ｇにおいては、吐出装置１２０ｅ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吐出し、反応層１１０´を形成する。
【００６１】
図１０は、電解質膜１１２上に反応層１１０´が形成された基板１０２の端面図である。この図１０に示すように、電解質膜１１２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１１０´が形成される。ここで、反応層１１０´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。
【００６２】
次に、ステップＳ１５において形成された反応層１１０´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（第２のガス拡散層）を形成する（ステップＳ１６）。即ち、反応層１１０´が形成された基板１０２は、ベルトコンベアＢＣ１１により吐出装置１２０ｈまで搬送され、吐出装置１２０ｈにおいて、吐出装置１２０ｄ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１０８´が形成される。
【００６３】
図１１は、反応層１１０´上にガス拡散層１０８´が形成された基板１０２の端面図である。この図１１に示すように、反応層１１０´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１０８´が形成される。
【００６４】
次に、ステップＳ１６において形成されたガス拡散層１０８´上に集電層（第２の集電層）を形成する（ステップＳ１７）。即ち、ベルトコンベアＢＣ１１により吐出装置１２０ｉまで搬送された基板１０２を、テーブル１２８上に載置して吐出装置１２０ｉ内に取り込み、吐出装置１２０ｃにおいて行われた処理と同様の処理により、集電層１０６´がガス拡散層１０８´上に形成される。
【００６５】
図１２は、ガス拡散層１０８´上に集電層１０６´が形成された基板１０２の端面図である。この図１２に示すように、上述のステップＳ１７の処理により集電層１０６´が形成される。なお、集電層１０６´が形成された基板１０２は、テーブル１２８からベルトコンベアＢＣ１１へと移され、組立装置１６０へと搬送される。
【００６６】
次に、ステップＳ１７において集電層が形成された基板（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Ｓ１８）。即ち、組立装置１６０において、ベルトコンベアＢＣ１１を介して搬入された基板１０２（第１の基板）上にベルトコンベアＢＣ１２を介して搬入された基板１０２´（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１０２´には、上述のステップＳ１０〜ステップＳ１７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１２０ｊ及び吐出装置１２０ｋにおいて、吐出装置１２０ａ及び吐出装置１２０ｂ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１０２´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１０２´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。
【００６７】
図１３は、完成した燃料電池の端面図である。この図１３に示すように、第２のガス流路が形成された基板１０２´を基板１０２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。
【００６８】
この第１の実施の形態に係る燃料電池によれば、燃料電池のガス流路の開口幅が、ガス拡散層を形成するために用いられるカーボン粒子の粒径に比較して狭い。従って、ガス流路内において反応ガスが流れる空間を確保するために粒径の大きなカーボン粒子を別途配置することなく、確実に反応ガスを供給するための空間をガス流路内に確保することができる。
【００６９】
また、第１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基板上にガス流路を形成し、燃料電池を製造している。従って、カーボン粒子の粒径に比較して開口幅が狭い微細なガス流路を、インクジェット式の吐出装置を用いることにより容易に形成することができる。そのため、ＭＥＭＳのように高額な半導体プロセス用の機器を用いることなく、微細な開口幅のガス流路を形成することができ、燃料電池の製造コストの低減を図ることができる。
【００７０】
また、第１の実施の形態に係る燃料電池の製造方法によれば、ガス拡散層を形成するために用いられるカーボン粒子と異なる粒径の大きなカーボン粒子を別途用意する必要が無い。従って、燃料電池を製造するために用いられる材料数を減らすことができると共に、余分な作業工程を省いて効率的に燃料電池を製造することができる。
【００７１】
次に、第２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。なお、この第２の実施の形態の説明においては、第１の実施の形態と同一の構成には、第１の実施の形態で用いたのと同一の符号を付して、その説明を行う。図１４は、この第２の実施の形態に係る燃料電池製造ラインを示す図である。この図１４に示すように、この第２の実施の形態に係る燃料電池製造ラインにおいては、第１の実施の形態の吐出装置１２０ａ、１２０ｂにおいて行われる処理が吐出装置１２０ｏにおいて行われ、第１の実施の形態の吐出装置１２０ｊ、１２０ｋにおいて行われる処理が吐出装置１２０ｐにおいて行われる。その他の点については、第１の実施の形態に係る燃料電池製造ラインと同様の構成であるため、詳細な説明は省略する。
【００７２】
図１５は、第２の実施の形態に係る吐出装置１２０ｏが備えるインクジェットヘッド及びタンクを説明するための図である。この図１５に示すように、吐出装置１２０ｏは、第１の実施の形態に係る吐出装置１２０ａが備えるインクジェットヘッド１２２及びタンク１３０と同様のインクジェットヘッド及びタンクをそれぞれ２つずつ備えている。この吐出装置１２０ｏにおいては、ポジ型レジストとネガ型レジストをそれぞれ基板表面上の所定の位置に吐出することによりガス流路を形成する処理が行われる。従って、ネガ型レジストを収容している第１のタンク１３０ａ及び第１のタンク１３０ａに収容されているネガ型レジストを吐出する第１のインクジェットヘッド１２２ａ、ポジ型レジストを収容している第２のタンク１３０ｂ及び第２のタンク１３０ｂに収容されているポジ型レジストを吐出する第２のインクジェットヘッド１２２ｂを備えている。なお、第１のタンク１３０ａに収容されているネガ型レジスト及び第２のタンク１３０ｂに収容されているポジ型レジストは、所定の粘度、例えば、１０ｃＰｓ程度の粘度に調整されている。
【００７３】
第１のインクジェットヘッド１２２ａは、この第１のインクジェットヘッド１２２ａのヘッド本体１２４ａのノズル形成面１２７ａに形成されているノズル（第１のノズル）から吐出されるネガ型レジストを収容している第１のタンク１３０ａと接続されている。また、第２のインクジェットヘッド１２２ｂは、この第２のインクジェットヘッド１２２ｂのヘッド本体１２４ｂのノズル形成面１２７ｂに形成されているノズル（第２のノズル）から吐出されるポジ型レジストを収容している第２のタンク１３０ｂと接続されている。なお、吐出装置１２０ｐの構成は、吐出装置１２０ｏと同一の構成であるため説明を省略する。
【００７４】
この第２の実施の形態に係る燃料電池製造ラインにおいては、第１の実施の形態に係る燃料電池製造ラインにおける処理（図３参照）とガス流路を形成する処理のみが異なる処理が行われるため、以下、ガス流路を形成する処理について説明する。
【００７５】
まず、吐出装置１２０ｏにおいては、テーブル１２８上に載置された基板１０２の上面に、図１６（ａ）に示すように、第１のノズルを介して第１のタンク１３０ａに収容されているネガ型レジスト１０４ａを所定の位置に吐出する。次に、テーブル１２８を第２のインクジェットヘッド１２２ｂに対向する位置まで移動させ、第２のノズルを介して第２のタンク１３０ｂに収容されているポジ型レジスト１０４ｂを所定の位置に吐出する。
【００７６】
次に、ネガ型レジスト１０４ａとポジ型レジスト１０４ｂとが塗布された基板１０２を図示しない加熱装置において、所定の温度に加熱することによってネガ型レジスト１０４ａ及びポジ型レジスト１０４ｂを硬化させる。次に、再び吐出装置１２０ａにおいてネガ型レジスト１０４ａ及びポジ型レジスト１０４ｂを所定の位置に吐出する。そして、上述の処理を繰り返すことにより、図１６（ｂ）に示すようにポジ型レジスト１０４ｂの断面が開口幅に比較して底面の幅が広い台形状となるようにネガ型レジスト１０４ａとポジ型レジスト１０４ｂを塗布し、ガス流路を形成するために用いられる犠牲層１０４を形成する。ここで、犠牲層１０４の表面において、ネガ型レジスト１０４ａ間の間隔は、犠牲層１０４の上に形成されるガス拡散層を構成する物質、例えば、多孔質のカーボンの粒径に比較して狭い。
【００７７】
次に、図示しない洗浄装置において、現像液でポジ型レジスト１０４ｂを溶解し、ガス流路を形成する（図１６（ｃ）参照）。即ち、現像液によりポジ型レジスト１０４ｂのみが溶解されることによって基板１０２上から除去され、ネガ型レジスト１０４ａのみが基板１０２上に残る。そのため、硬化したネガ型レジスト１０４ａにより開口幅に比較して底面の幅が広い断面台形状のガス流路が形成される。
【００７８】
次に、ガス流路が形成された基板１０２は、ベルトコンベアＢＣ１１により吐出装置１２０ｃ〜１２０ｉ間を搬送され、吐出装置１２０ｃ〜１２０ｉのそれぞれにおいて、第１の実施の形態に係る燃料電池製造ラインにおける処理と同様の処理が施される。
【００７９】
そして、組立装置１６０において、第２のガス流路が形成された基板１０２´を図１３に示すように基板１０２上に配置することにより燃料電池の製造を完了する。即ち、吐出装置１２０ｐにおいて、吐出装置１２０ｏにおける処理と同様の処理により、例えば、酸素を含有する第２の反応ガスを供給するための断面台形状の第２のガス流路が形成された基板（第２の基板）１０２´を、基板１０２の所定の位置に配置することにより燃料電池の製造を完了する。
【００８０】
この第２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、開口幅がガス拡散層を構成するカーボン粒子の粒径に比較して狭いガス流路を形成している。即ち、ネガ型レジストとポジ型レジストとをそれぞれ基板表面上の所定の位置に吐出することにより犠牲層を形成し、形成された犠牲層において、ポジ型レジストのみを除去することにより断面台形状のガス流路を形成している。従って、ガス拡散層を構成するカーボン粒子がガス流路内に入り込むことによってガス流路が塞がれることを防止することができる。
【００８１】
また、断面台形状のガス流路、即ち、開口幅がガス拡散層を構成するカーボン粒子の粒径に比較して狭く、底面が開口幅よりも広いガス流路が形成される。そのため、ガス流路を介して供給されるガスの量を減少させることなく、供給される反応ガスが流れる空間が十分に確保されたガス流路が形成された燃料電池を製造することができる。
【００８２】
なお、上述の第２の実施の形態に係る燃料電池の製造方法においては、ネガ型レジストを用いてガス流路を形成しているが、例えば、ＵＶ硬化樹脂用いてガス流路を形成するようにしてもよい。即ち、ＵＶ硬化樹脂を図１６（ｃ）に示すネガ型レジストと同様の形状に吐出することによって、断面台形状のガス流路を形成するようにしてもよい。また、例えば、ネガ型レジストに代えて透明樹脂を吐出し、ポジ型レジストに代えて黒インクを吐出するようにしてもよい。この場合には、図１６（ｂ）に示すように透明樹脂と黒インクとにより犠牲層が形成された後に、光を照射して黒インクの部分のみを焼いて除去し、残った透明樹脂により断面台形状のガス流路を形成することができる。
【００８３】
また、上述の第２の実施の形態に係る燃料電池の製造方法においては、断面台形状のガス流路を形成しているが、開口幅がガス拡散層を構成するカーボン粒子の粒径より狭く、底面が開口幅より広い他の形状のガス流路を形成してもよい。例えば、断面Ｌ字形状のガス流路を形成するようにしてもよい。断面Ｌ字形状のガス流路においても、ガス流路内にガス拡散層を構成するカーボン粒子が入りこむことが防止されると共に、十分な量の反応ガスを供給することができる。
【００８４】
次に、この発明の第３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１７は、第３の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を示す図である。この図１７に示すように、燃料電池製造ラインは、ガス流路形成装置２１４ａ、２１４ｂ及び吐出装置２２０ａ〜２２０ｇ、ガス流路形成装置２１４ａ、吐出装置２２０ａ〜２２０ｇ及び組立装置２６０を接続するベルトコンベアＢＣ２１、ガス流路形成装置２１４ｂ及び組立装置２６０を接続するベルトコンベアＢＣ２２、ベルトコンベアＢＣ２１、ＢＣ２２を駆動させる駆動装置２５８及び燃料電池製造ライン全体の制御を行う制御装置２５６により構成されている。
【００８５】
ガス流路形成装置２１４ａ及び吐出装置２２０ａ〜２２０ｇは、ベルトコンベアＢＣ２１に沿って所定の間隔で一列に配置されており、ガス流路形成装置２１４ｂはベルトコンベアＢＣ２２に沿って配置されている。また、制御装置２５６は、ガス流路形成装置２１４ａ、２１４ｂ、各吐出装置２２０ａ〜２２０ｇ、駆動装置２５８及び組立装置２６０に接続されている。制御装置２５６からの制御信号に基づいてベルトコンベアＢＣ２１を駆動させ、燃料電池の基板（以下、単に「基板」とする。）をガス流路形成装置２１４ａ及び各吐出装置２２０ａ〜２２０ｇに搬送して、ガス流路形成装置２１４ａ及び各吐出装置２２０ａ〜２２０ｇにおける処理を行う。同様に、制御装置２５６からの制御信号に基づいてベルトコンベアＢＣ２２を駆動させ、基板をガス流路形成装置２１４ｂに搬送してこのガス流路形成装置２１４ｂにおける処理を行う。また、組立装置２６０においては、制御装置２５６からの制御信号に基づいてベルトコンベアＢＣ２１及びベルトコンベアＢＣ２２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。
【００８６】
この燃料電池製造ラインにおいては、ガス流路形成装置２１４ａにおいてガス流路を形成する処理が行われる。また、吐出装置２２０ａにおいて、集電層を形成する処理が行われ、吐出装置２２０ｂにおいて、ガス拡散層を形成する処理が行われ、吐出装置２２０ｃにおいて、反応層を形成する処理が行われる。また、吐出装置２２０ｄにおいて、電解質膜を形成する処理が行われ、吐出装置２２０ｅにおいて、反応層を形成する処理が行われる。更に、吐出装置２２０ｆにおいて、ガス拡散層を形成する処理が行われ、吐出装置２２０ｇにおいて、集電層を形成する処理が行われる。
【００８７】
また、ガス流路形成装置２１４ｂにおいて、基板に対してガス流路を形成するための処理が行われる。なお、ガス流路形成装置２１４ａ及び吐出装置２２０ａ〜２２０ｇにおいて第１の基板に対して処理を施す場合には、ガス流路形成装置２１４ｂ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。
【００８８】
また、吐出装置２２０ａ〜２２０ｇの構成は、第１の実施の形態に係る吐出装置１２０ａと同様の構成（図２参照）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２２０ａ〜２２０ｇの各構成には、吐出装置１２０ａ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２２０ａ〜２２０ｇにそれぞれ備えられているタンク１３０には、各吐出装置２２０ａ〜２２０ｇ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２２０ａ及び吐出装置２２０ｇのタンク１３０には、集電層を形成するための吐出物が収容されている。また、吐出装置２２０ｂ及び吐出装置２２０ｆのタンク１３０には、ガス拡散層を形成するための吐出物が、吐出装置２２０ｃ及び吐出装置２２０ｅのタンク１３０には、反応層を形成するための吐出物が、吐出装置２２０ｄのタンク１３０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。
【００８９】
次に、図１８のフローチャート及び図面を参照して、第３の実施の形態に係るガス流路形成装置２１４ａ、２１４ｂ及び吐出装置２２０ａ〜２２０ｇを用いた燃料電池の製造方法について説明する。
【００９０】
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Ｓ２０）。即ち、まず、図１９（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）２０２をベルトコンベアＢＣ２１によりガス流路形成装置２１４ａまで搬送する。ベルトコンベアＢＣ２１によりガス流路形成装置２１４ａに搬送された基板２０２の表面に樹脂２０４、例えば、光硬化性樹脂又は熱硬化型樹脂が塗布される（図１９（ｂ）参照）。なお、基板２０２の表面には、未硬化状態であって、低粘度の樹脂２０４、例えば、２０ｍＰａ・ｓ程度の粘度の樹脂２０４が塗布される。
【００９１】
次に、予め形成されているガス流路形成型を樹脂２０４に押し付け、樹脂２０４にガス流路形成型の形状を転写することによって、ガス流路の上流側から下流側に向かって流路幅が漸次広がっているガス流路を形成する。なお、ガス流路形成型は、予め石英ガラス等により形成されている。
【００９２】
次に、ガス流路形成型の背面から光を、例えば、短波長のレーザー光を照射し、照射されたレーザー光により、樹脂２０４を硬化させることによって、ガス流路形成型の形状を樹脂２０４に転写させる。即ち、樹脂２０４が低粘度であるため、ガス流路形成型を押し付けたままの状態で樹脂２０４を硬化させる。そして、樹脂２０４が硬化した後にガス流路形成型を取り外してガス流路を形成する。なお、ガス流路形成型には、硬化させた樹脂２０４から容易に取り外すことができるように剥離剤が塗布されている。
【００９３】
ここで、ガス流路は、吐出装置を用いて形成するようにしてもよい。即ち、基板２０２上に、上流側から下流側に向かって漸次流路幅が広がる形状にフッ酸水溶液を吐出装置により塗布して所望形状のガス流路を形成するようにしてもよい。また、基板２０２上に、上流側から下流側に向かって漸次流路幅が広がる形状に樹脂２０４を吐出装置により塗布して所望形状のガス流路を形成するようにしてもよい。
【００９４】
また、吐出装置を用いてガス流路を形成する場合、例えば、樹脂２０４を基板２０２上に直接塗布する場合は、少量の樹脂２０４を基板２０２上に直接塗布して硬化させ、硬化させた樹脂２０４の上に更に樹脂２０４を塗布して再び硬化させる処理を繰り返して、任意の断面形状を有し、上流側から下流側に向かって漸次流路幅が広がっているガス流路を形成することができる。
【００９５】
図２０は、ガス流路が形成された基板を示す図である。図２０（ａ）は、上流側から下流側に向かって流路幅が漸次広がっており、かつ、最下流部において再度流路幅が狭くなっているガス流路を、供給口（図中矢印で示す方向から反応ガスを供給する）が互い違いとなるように形成されている基板２０２を示す図である。即ち、基板２０２の一端部に反応ガスを供給するための供給口を有すると共に、供給口を有する一端部に対向する他端部に、供給された反応ガスを排出する排出口を有するガス流路が交互に形成されている。なお、図２０（ａ）に示す基板２には、ガス流路内において反応ガスのガス圧力を適切に調整すべく、上流側から下流側に向けてガス流路の流路幅が供給口の幅より狭くなった後、下流側に向けて漸次広くなり、最下流部において再度流路幅が狭くなっているガス流路が形成されている。
【００９６】
図２０（ｂ）は、上流側から下流側に向かって流路幅が漸次広がっており、かつ、最下流部において再度流路幅が狭くなっているガス流路であって、供給口（図中矢印で示す方向から反応ガスを供給する）が基板２０２の一端部に位置するように形成された基板２０２を示す図である。即ち、基板２０２の一端部に反応ガスを供給するための供給口を有すると共に、他端部に反応ガスを排出するための排出口を有するガス流路が形成されている。なお、図２０（ｂ）に示す基板２には、ガス流路の下流側において低下している反応ガスのガス圧力を調整すべく、最下流部において再度流路幅が狭くなるガス流路が形成されている。
【００９７】
図２０（ｃ）は、上流側から下流側に向かって流路幅が漸次広がっており、かつ、最下流部において再度流路幅が狭くなっているガス流路であって、半数のガス流路の供給口（図中矢印で示す方向から反応ガスを供給する）が基板２０２の一端部に位置し、残りの半数の供給口が基板２０２の他端部に位置するように形成されている基板２０２を示す図である。即ち、ガス流路の中で、半数のガス流路は基板２０２の一端部に供給口を有すると共に基板２０２の他端部に排出口を有しており、残りのガス流路は基板２０２の一端部に排出口を有すると共に基板２０２の他端部に供給口を有しているガス流路が形成されている。なお、図２０（ｃ）に示す基板には、ガス流路の下流側において低下している反応ガスのガス圧力を調整すべく、最下流部において再度流路幅が狭くなるガス流路が形成されている。また、ステップＳ２０において形成されるガス流路は、図２０に示す何れのガス流路であってもよい。また、形成されるガス流路の断面形状は、半円形状、半楕円形状等となっていてもよい。
【００９８】
上流側から下流側に向かって流路幅が漸次広がっており、かつ、最下流部において再度流路幅が狭くなっているガス流路が形成された基板２０２は、ガス流路形成装置２１４ａからベルトコンベアＢＣ２１へと移され、ベルトコンベアＢＣ２１により吐出装置２２０ａへと搬送される。
【００９９】
次に、基板２０２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Ｓ２１）。即ち、まず、ベルトコンベアＢＣ２１により吐出装置２２０ａまで搬送された基板２０２を、テーブル１２８上に載置して吐出装置２２０ａ内に取り込む。吐出装置２２０ａにおいては、タンク１３０内に収容されている集電層２０６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１２６のノズルを介してテーブル１２８上に載置されている基板２０２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２０６が形成される。
【０１００】
図２１は、集電層２０６が形成された基板２０２の端面図である。この図２１に示すように、例えば、銅等の導電性物質を網目形状に吐出することにより、集電層２０６が形成される。なお、図２１においては、上流側から下流側に向かって流路幅が漸次広がっており、かつ、最下流部において再度流路幅が狭くなっているガス流路を模式的に示している。また、以下の図においてもガス流路は図２１と同様に示すものとする。また、集電層２０６が形成された基板２０２は、テーブル１２８からベルトコンベアＢＣ２１へと移され、ベルトコンベアＢＣ２１により吐出装置２２０ｂへと搬送される。
【０１０１】
次に、ステップＳ２１において形成された集電層２０６の上に、基板２０２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（第１のガス拡散層）を形成する（ステップＳ２２）。即ち、まず、ベルトコンベアＢＣ２１により吐出装置２２０ｂまで搬送された基板２０２を、テーブル１２８上に載置して吐出装置２２０ｂ内に取り込む。吐出装置２２０ｂにおいては、タンク１３０内に収容されているガス拡散層２０８を形成するための材料、例えば、カーボン粒子を集電層２０６上にノズル形成面１２６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２０８を形成する。
【０１０２】
図２２は、ガス拡散層２０８が形成された基板２０２の端面図である。この図２２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粒子を集電層２０６上に吐出し、反応ガスを拡散させるためのガス拡散層２０８が形成される。ここで、ガス拡散層２０８を構成するカーボン粒子としては、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、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。また、ガス拡散層２０８が形成された基板２０２は、テーブル１２８からベルトコンベアＢＣ２１へと移され、ベルトコンベアＢＣ２１により吐出装置２２０ｃへと搬送される。
【０１０３】
次に、ステップＳ２２において形成されたガス拡散層２０８の上に、基板２０２に形成されたガス流路を介して供給される反応ガスが反応する反応層（第１の反応層）を形成する（ステップＳ２３）。即ち、ベルトコンベアＢＣ２１により吐出装置２２０ｃまで搬送された基板２０２を、テーブル１２８上に載置して吐出装置２２０ｃ内に取り込む。吐出装置２２０ｃにおいては、タンク１３０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担持したカーボン粒子（白金担持カーボン）をガス拡散層２０８上に吐出して反応層２１０を形成する。ここで、白金微粒子を担持しているカーボンは、ガス拡散層２０８を構成するカーボン粒子と同様のカーボン粒子、即ち、同様の粒径であって、かつ、多孔質のカーボンが用いられる。なお、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てガス拡散層２０８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２１０を形成するようにしてもよい。この場合には、ガス拡散層２０８を構成するカーボン粒子の表面上に触媒として白金微粒子を付着させることによって反応層２１０が形成される。
【０１０４】
図２３は、反応層２１０が形成された基板２の端面図である。この図２３に示すように、触媒としての白金微粒子を担持したカーボンがガス拡散層２０８上に塗布されることにより反応層２１０が形成される。なお、図２３において、反応層２１０とガス拡散層２０８とを容易に識別することができるように、反応層２１０としては白金微粒子のみを示している。また、以下の図においても反応層は、図２３と同様に示すものとする。反応層２１０が形成された基板２０２は、テーブル１２８からベルトコンベアＢＣ２１へと移され、ベルコトンベアＢＣ２１により吐出装置２２０ｄへと搬送される。
【０１０５】
次に、ステップＳ２３で形成された反応層２１０上にイオン交換膜等の電解質膜を形成する（ステップＳ２４）。即ち、まず、ベルトコンベアＢＣ２１により吐出装置２２０ｄまで搬送された基板２０２を、テーブル１２８上に載置して吐出装置２２０ｄ内に取り込む。吐出装置２２０ｄにおいては、タンク１３０内に収容されている電解質膜を形成する材料、例えば、パーフルオロカーボン、スルホン酸ポリマー（例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標））を含む溶液を、ノズル形成面１２６のノズルを介して反応層２１０上に吐出して電解質膜２１２を形成する。
【０１０６】
図２４は、電解質膜２１２が形成された基板２０２の端面図である。この図２４に示すように、反応層２１０上に所定の厚さを有する電解質膜２１２が形成される。なお、電解質膜２１２が形成された基板２０２は、テーブル１２８からベルトコンベアＢＣ２１へと移され、ベルトコンベアＢＣ２１により吐出装置２２０ｅへと搬送される。
【０１０７】
次に、ステップＳ２４において形成された電解質膜２１２上に反応層（第２の反応層）を形成する（ステップＳ２５）。即ち、ベルトコンベアＢＣ２１により吐出装置２２０ｅまで搬送された基板２０２を、テーブル１２８上に載置して吐出装置２２０ｅ内に取り込む。吐出装置２２０ｅにおいては、吐出装置２２０ｃ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吐出し、反応層２１０´を形成する。
【０１０８】
図２５は、電解質膜２１２上に反応層２１０´が形成された基板２０２の端面図である。この図２５に示すように、電解質膜２１２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２１０´が形成される。ここで、反応層２１０´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。
【０１０９】
次に、ステップＳ２５において形成された反応層２１０´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（第２のガス拡散層）を形成する（ステップＳ２６）。即ち、反応層２１０´が形成された基板２０２は、ベルトコンベアＢＣ２１により吐出装置２２０ｆまで搬送され、吐出装置２２０ｆにおいて、吐出装置２２０ｂ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２０８´が形成される。
【０１１０】
図２６は、反応層２１０´上にガス拡散層２０８´が形成された基板２０２の端面図である。この図２６に示すように、反応層２１０´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２０８´が形成される。
【０１１１】
次に、ステップＳ２６において形成されたガス拡散層２０８´上に集電層（第２の集電層）を形成する（ステップＳ２７）。即ち、ベルトコンベアＢＣ２１により吐出装置２２０ｇまで搬送された基板２０２を、テーブル１２８上に載置して吐出装置２２０ｇ内に取り込み、吐出装置２２０ａにおいて行われた処理と同様の処理により、集電層２０６´がガス拡散層２０８´上に形成される。
【０１１２】
図２７は、ガス拡散層２０８´上に集電層２０６´が形成された基板２０２の端面図である。この図２７に示すように、上述のステップＳ２７の処理により集電層２０６´が形成される。なお、集電層２０６´が形成された基板２０２は、テーブル１２８からベルトコンベアＢＣ２１へと移され、組立装置２６０へと搬送される。
【０１１３】
次に、ステップＳ２７において集電層が形成された基板（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Ｓ２８）。即ち、組立装置２６０において、ベルトコンベアＢＣ２１を介して搬入された基板２０２（第１の基板）上にベルトコンベアＢＣ２２を介して搬入された基板２０２´（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２０２´には、上述のステップＳ２０〜ステップＳ２７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、ガス流路形成装置２１４ｂにおいて、ガス流路形成装置２１４ａにおいて行われた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２０２に形成されている上流側から下流側に向かって流路幅が漸次広がっており、かつ、最下流部において再度流路幅が狭くなっているガス流路と、基板２０２´に形成されている上流側から下流側に向かって流路幅漸次広がっており、かつ、最下流部において再度流路幅が狭くなっているガス流路とが直交するように基板２０２´を配置する。即ち、図２８（ａ）に示す基板２０２に、図２８（ｂ）に示す基板２０２´を基板２０２に形成されているガス流路と基板２０２´に形成されているガス流路とが直交するように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。
【０１１４】
図２９は、図２８（ａ）に示す基板２０２に図２８（ｂ）に示す基板２０２´を配置して製造された燃料電池における反応ガスの流れを示す図である。この図２９に示すように、基板２０２において図中縦方向の中心線２０２ａから基板２０２の右側と左側とで供給される反応ガスの流れの方向が反転している。また、基板２０２において図中横方向の中心線２０２ｂから基板２０２の上側と下側とで供給される反応ガスの流れの方向が反転している。従って、例えば、中心線２０２ａの右側及び左側のそれぞれにおいて、ガス流路の上流側と下流側とが位置しているために、反応層に供給される反応ガスのガス量を確実に均一に保つことができる。また、例えば、酸素を含有する第１の反応ガスを供給する第１の反応ガス供給装置と水素を含有する第２の反応ガスを供給する第２の反応ガス供給装置とをそれぞれ適切に配置することができる。
【０１１５】
図３０は、完成した燃料電池の端面図である。この図３０に示すように、第２のガス流路が形成された基板２０２´を基板２０２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。
【０１１６】
なお、上述の第３の実施の形態に係る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、上流側から下流側に向かって流路幅が漸次広がっているガス流路を形成することにより、反応ガスの反応効率を向上させた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。
【０１１７】
この第３の実施の形態に係る燃料電池によれば、上流側から下流側に向かって流路幅が漸次広がっており、かつ、最下流部において再度流路幅が狭くなっているガス流路が形成されている。従って、ガス流路の上流側と下流側とで反応層に供給される反応ガスのガス量にバラつきが出来ることを防止し、ガス流路の上流側と下流側とで均一なガス量の反応ガスを反応層に供給することができる。
【０１１８】
また、上述の第３の実施の形態に係る燃料電池によれば、反応層に供給される反応ガスのガス量をガス流路の上流側と下流側とで均一に保つことができるため、反応層において触媒として用いられている高価な白金を有効に機能させて反応ガスの反応効率を向上させ、燃料電池の発電効率を向上させることができる。
【０１１９】
また、上述の第３の実施の形態に係る燃料電池の製造方法によれば、上流側から下流側に向かって流路幅が漸次広がっており、かつ、最下流部において再度流路幅が狭くなっているガス流路が形成されている。従って、ガス流路内において反応ガスのガス圧力を適切に調整し、発電効率を向上させた燃料電池を製造することができる。
【０１２０】
なお、上述の第３の実施の形態に係る燃料電池においては、上流側から下流側に向かって流路幅が漸次広がっており、かつ、最下流部において再度流路幅が狭くなっているガス流路が形成されているが、最下流部まで流路幅が漸次広がっている形状のガス流路を形成するようにしてもよい。
【０１２１】
また、上述の第３の実施の形態に係る燃料電池の製造方法においては、ガス流路形成装置においてガス流路形成型を用いてガス流路を形成しているが、ガス流路形成型を用いることなくガス流路を形成するようにしてもよい。例えば、吐出装置を用いてレジスト溶液を基板上において所定形状に塗布した後に、エッチング溶液を吐出することによって上流側から下流側に向かって流路幅が漸次広がっているガス流路を形成するようにしてもよい。また、吐出装置を用いて、樹脂を基板上に塗布することにより、上流側から下流側に向かって流路幅が漸次広がっているガス流路を形成するようにしてもよい。
【０１２２】
また、上述の第３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３１に示すように、製造された燃料電池の基板２０２´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２０２´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。
【０１２３】
次に、この発明の第４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３２は、第４の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を示す図である。この図３２に示すように、燃料電池製造ラインは、ガス流路形成装置３１４ａ、３１４ｂ及び吐出装置３２０ａ〜３２０ｇ、ガス流路形成装置３１４ａ、吐出装置３２０ａ〜３２０ｇ及び組立装置３６０を接続するベルトコンベアＢＣ３１、ガス流路形成装置３１４ｂ及び組立装置３６０を接続するベルトコンベアＢＣ３２、ベルトコンベアＢＣ３１、ＢＣ３２を駆動させる駆動装置３５８及び燃料電池製造ライン全体の制御を行う制御装置３５６により構成されている。
【０１２４】
ガス流路形成装置３１４ａ及び吐出装置３２０ａ〜３２０ｇは、ベルトコンベアＢＣ３１に沿って所定の間隔で一列に配置されており、ガス流路形成装置３１４ｂはベルトコンベアＢＣ３２に沿って配置されている。また、制御装置３５６は、ガス流路形成装置３１４ａ、３１４ｂ、各吐出装置３２０ａ〜３２０ｇ、駆動装置３５８及び組立装置３６０に接続されている。制御装置３５６からの制御信号に基づいてベルトコンベアＢＣ３１を駆動させ、燃料電池の基板（以下、単に「基板」とする。）をガス流路形成装置３１４ａ及び各吐出装置３２０ａ〜３２０ｇに搬送して、ガス流路形成装置３１４ａ及び各吐出装置３２０ａ〜３２０ｇにおける処理を行う。同様に、制御装置３５６からの制御信号に基づいてベルトコンベアＢＣ３２を駆動させ、基板をガス流路形成装置３１４ｂに搬送してこのガス流路形成装置３１４ｂにおける処理を行う。また、組立装置３６０においては、制御装置３５６からの制御信号に基づいてベルトコンベアＢＣ３１及びベルトコンベアＢＣ３２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。
【０１２５】
この燃料電池製造ラインにおいては、ガス流路形成装置３１４ａにおいてガス流路を形成する処理が行われる。また、吐出装置３２０ａにおいて、集電層を形成する処理が行われ、吐出装置３２０ｂにおいて、ガス拡散層を形成する処理が行われ、吐出装置３２０ｃにおいて、反応層を形成する処理が行われる。また、吐出装置３２０ｄにおいて、電解質膜を形成する処理が行われ、吐出装置３２０ｅにおいて、反応層を形成する処理が行われる。更に、吐出装置３２０ｆにおいて、ガス拡散層を形成する処理が行われ、吐出装置３２０ｇにおいて、集電層を形成する処理が行われる。
【０１２６】
また、ガス流路形成装置３１４ｂにおいて、基板に対してガス流路を形成するための処理が行われる。なお、ガス流路形成装置３１４ａ及び吐出装置３２０ａ〜３２０ｇにおいて第１の基板に対して処理を施す場合には、ガス流路形成装置３１４ｂ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。
【０１２７】
また、吐出装置３２０ａ〜３２０ｇの構成は、第１の実施の形態に係る吐出装置１２０ａと同様の構成（図２参照）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３２０ａ〜３２０ｇの各構成には、吐出装置１２０ａ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３２０ａ〜３２０ｇにそれぞれ備えられているタンク１３０には、各吐出装置３２０ａ〜３２０ｇ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３２０ａ及び吐出装置３２０ｇのタンク１３０には、集電層を形成するための吐出物が収容されている。また、吐出装置３２０ｂ及び吐出装置３２０ｆのタンク１３０には、ガス拡散層を形成するための吐出物が、吐出装置３２０ｃ及び吐出装置３２０ｅのタンク１３０には、反応層を形成するための吐出物が、吐出装置３２０ｄのタンク１３０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。
【０１２８】
次に、図３３のフローチャート及び図面を参照して、第４の実施の形態に係るガス流路形成装置３１４ａ、３１４ｂ及び吐出装置３２０ａ〜３２０ｇを用いた燃料電池の製造方法について説明する。
【０１２９】
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Ｓ３０）。即ち、まず、図３４（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）３０２をベルトコンベアＢＣ３１によりガス流路形成装置３１４ａまで搬送する。ベルトコンベアＢＣ３１によりガス流路形成装置３１４ａに搬送された基板３０２には、基板３０２の表面に樹脂３０４、例えば、光硬化性樹脂又は熱硬化型樹脂が塗布される（図３４（ｂ）参照）。なお、基板３０２の表面には、未硬化状態であって、低粘度の樹脂３０４、例えば、２０ｍＰａ・ｓ程度の粘度の樹脂３０４が塗布されている。
【０１３０】
次に、予め形成されているガス流路形成型３０５を樹脂３０４に押し付け（図３５（ａ）参照）、樹脂３０４にガス流路形成型５の形状を転写することによって、所定形状のガス流路を形成する。即ち、流路幅がガス流路の上部から底部に向かって漸次減少しているガス流路、例えば、図３５（ａ）に示す曲面を有する断面形状である断面半円形形状のガス流路を形成するためのガス流路形成型３０５を樹脂３０４に押し付ける。ここで、ガス流路形成型３０５は、予め石英ガラス等により形成されている。
【０１３１】
次に、ガス流路形成型３０５の背面から光を、例えば、短波長のレーザー光を照射し、照射されたレーザー光により、樹脂３０４を硬化させることによって、ガス流路形成型３０５の形状を樹脂３０４に転写させる。即ち、樹脂３０４が低粘度であるため、ガス流路形成型３０５を押し付けたままの状態で樹脂３０４を硬化させる。そして、樹脂３０４が硬化した後にガス流路形成型３０５を取り外し、図３５（ｂ）に示すような断面半円形形状のガス流路を形成する。なお、ガス流路形成型３０５には、硬化させた樹脂３０４から容易に取り外すことができるように剥離剤が塗布されている。
【０１３２】
流路幅がガス流路の上部から底部に向かって漸次減少しているガス流路が形成された基板３０２は、ガス流路形成装置３１４ａからベルトコンベアＢＣ３１へと移され、ベルトコンベアＢＣ３１により吐出装置３２０ａへと搬送される。
【０１３３】
次に、基板３０２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Ｓ３１）。即ち、まず、ベルトコンベアＢＣ３１により吐出装置３２０ａまで搬送された基板３０２を、テーブル１２８上に載置して吐出装置３２０ａ内に取り込む。吐出装置３２０ａにおいては、タンク１３０内に収容されている集電層３０６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１２６のノズルを介してテーブル１２８上に載置されている基板３０２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３０６が形成される。
【０１３４】
図３６は、集電層３０６が形成された基板３０２の端面図である。この図３６に示すように、例えば、銅等の導電性物質を網目形状に吐出することにより、集電層３０６が形成される。なお、集電層３０６が形成された基板３０２は、テーブル１２８からベルトコンベアＢＣ３１へと移され、ベルトコンベアＢＣ３１により吐出装置３２０ｂへと搬送される。
【０１３５】
次に、ステップＳ３１において形成された集電層３０６の上に、基板３０２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（第１のガス拡散層）を形成する（ステップＳ３２）。即ち、まず、ベルトコンベアＢＣ３１により吐出装置３２０ｂまで搬送された基板３０２を、テーブル１２８上に載置して吐出装置３２０ｂ内に取り込む。吐出装置３２０ｂにおいては、タンク１３０内に収容されているガス拡散層３０８を形成するための材料、例えば、カーボン粒子を集電層３０６上にノズル形成面１２６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３０８を形成する。
【０１３６】
図３７は、ガス拡散層３０８が形成された基板３０２の端面図である。この図３７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粒子を集電層３０６上に吐出し、反応ガスを拡散させるためのガス拡散層３０８が形成される。ここで、ガス拡散層３０８を構成するカーボン粒子としては、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、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。また、ガス拡散層３０８が形成された基板３０２は、テーブル１２８からベルトコンベアＢＣ３１へと移され、ベルトコンベアＢＣ３１により吐出装置３２０ｃへと搬送される。
【０１３７】
次に、ステップＳ３２において形成されたガス拡散層３０８の上に、基板３０２に形成されたガス流路を介して供給される反応ガスが反応する反応層（第１の反応層）を形成する（ステップＳ３３）。即ち、ベルトコンベアＢＣ３１により吐出装置３２０ｃまで搬送された基板３０２を、テーブル１２８上に載置して吐出装置３２０ｃ内に取り込む。吐出装置３２０ｃにおいては、タンク１３０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担持したカーボン粒子（白金担持カーボン）をガス拡散層３０８上に吐出して反応層３１０を形成する。ここで、白金微粒子を担持しているカーボンは、ガス拡散層３０８を構成するカーボン粒子と同様のカーボン粒子、即ち、同様の粒径であって、かつ、多孔質のカーボンが用いられる。なお、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てガス拡散層３０８上に塗布した後に、例えば、窒素雰囲気中で２００℃に基板３０２を加熱することにより、分散剤を除去し、反応層３１０を形成するようにしてもよい。この場合には、ガス拡散層３０８を構成するカーボン粒子の表面上に触媒として白金微粒子を付着させることによって反応層３１０が形成される。
【０１３８】
図３８は、反応層３１０が形成された基板３０２の端面図である。この図３８に示すように、触媒としての白金微粒子を担持したカーボンがガス拡散層３０８上に塗布されることにより反応層３１０が形成される。なお、図３８において、反応層３１０とガス拡散層３０８とを容易に識別することができるように、反応層３１０としては白金微粒子のみを示している。また、以下の図においても反応層は、図３８と同様に示すものとする。反応層３１０が形成された基板３０２は、テーブル１２８からベルトコンベアＢＣ３１へと移され、ベルコトンベアＢＣ３１により吐出装置３２０ｄへと搬送される。
【０１３９】
次に、ステップＳ３３で形成された反応層３１０上にイオン交換膜等の電解質膜を形成する（ステップＳ３４）。即ち、まず、ベルトコンベアＢＣ３１により吐出装置３２０ｄまで搬送された基板３０２を、テーブル１２８上に載置して吐出装置３２０ｄ内に取り込む。吐出装置３２０ｄにおいては、タンク１３０内に収容されている電解質膜を形成する材料、例えば、パーフルオロカーボン、スルホン酸ポリマー（例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標））を含む溶液を、ノズル形成面１２６のノズルを介して反応層３１０上に吐出して電解質膜３１２を形成する。
【０１４０】
図３９は、電解質膜３１２が形成された基板３０２の端面図である。この図３９に示すように、反応層３１０上に所定の厚さを有する電解質膜３１２が形成される。なお、電解質膜３１２が形成された基板３０２は、テーブル１２８からベルトコンベアＢＣ３１へと移され、ベルトコンベアＢＣ３１により吐出装置３２０ｅへと搬送される。
【０１４１】
次に、ステップＳ３４において形成された電解質膜３１２上に反応層（第２の反応層）を形成する（ステップＳ３５）。即ち、ベルトコンベアＢＣ３１により吐出装置３２０ｅまで搬送された基板３０２を、テーブル１２８上に載置して吐出装置３２０ｅ内に取り込む。吐出装置３２０ｅにおいては、吐出装置３２０ｃ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吐出し、反応層３１０´を形成する。
【０１４２】
図４０は、電解質膜３１２上に反応層３１０´が形成された基板３０２の端面図である。この図４０に示すように、電解質膜３１２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３１０´が形成される。ここで、反応層３１０´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。
【０１４３】
次に、ステップＳ３５において形成された反応層３１０´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（第２のガス拡散層）を形成する（ステップＳ３６）。即ち、反応層３１０´が形成された基板３０２は、ベルトコンベアＢＣ３１により吐出装置３２０ｆまで搬送され、吐出装置３２０ｆにおいて、吐出装置３２０ｂ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３０８´が形成される。
【０１４４】
図４１は、反応層３１０´上にガス拡散層３０８´が形成された基板３０２の端面図である。この図４１に示すように、反応層３１０´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３０８´が形成される。
【０１４５】
次に、ステップＳ３６において形成されたガス拡散層３０８´上に集電層（第２の集電層）を形成する（ステップＳ３７）。即ち、ベルトコンベアＢＣ３１により吐出装置３２０ｇまで搬送された基板３０２を、テーブル１２８上に載置して吐出装置３２０ｇ内に取り込み、吐出装置３２０ａにおいて行われた処理と同様の処理により、集電層３０６´がガス拡散層３０８´上に形成される。
【０１４６】
図４２は、ガス拡散層３０８´上に集電層３０６´が形成された基板３０２の端面図である。この図４２に示すように、上述のステップＳ３７の処理により集電層３０６´が形成される。なお、集電層３０６´が形成された基板３０２は、テーブル１２８からベルトコンベアＢＣ３１へと移され、組立装置３６０へと搬送される。
【０１４７】
次に、ステップＳ３７において集電層が形成された基板（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Ｓ３８）。即ち、組立装置３６０において、ベルトコンベアＢＣ３１を介して搬入された基板３０２（第１の基板）上にベルトコンベアＢＣ３２を介して搬入された基板３０２´（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３０２´には、上述のステップＳ３０〜ステップＳ３７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、ガス流路形成装置３１４ｂにおいて、ガス流路形成装置３１４ａにおいて行われた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３０２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半円形状のガス流路と、基板３０２´に形成されている断面半円形状のガス流路とが平行になるように基板３０２´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。
【０１４８】
図４３は、完成した燃料電池の端面図である。この図４３に示すように、第２のガス流路が形成された基板３０２´を基板３０２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、この第４の実施の形態においては、第１のガス流路と第２のガス流路とが平行になるように基板３０２´を配置しているが、第３の実施の形態における場合と同様に、第１のガス流路と第２のガス流路とが直交するように基板３０２´を配置してもよい。
【０１４９】
また、上述の第４の実施の形態に係る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、流路抵抗を減少させることによって発電効率を向上させた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。
【０１５０】
この第４の実施の形態に係る燃料電池によれば、ガス流路の流路幅がガス流路の上部から底部に向かって漸次減少している断面半円形状のガス流路が形成されている。従って、断面コ字形状のガス流路の場合のように反応ガスのガス圧力による応力が特定の部分に集中せず、ガス流路内で分散されるため、ガス流路間の壁部が折れる等によりガス流路に損傷が発生することを効果的に防止することができる。そのため、ガス流路間の間隔を狭くし、燃料電池内に反応ガスを効率的に供給し、燃料電池の反応効率を向上させることができる。また、断面コ字形状のガス流路に比較してガス流路の内壁面と反応ガスとが接する面積が小さいため、流路抵抗を減少させて反応ガスの圧力損失を軽減させることができる。
【０１５１】
また、上述の第４の実施の形態に係る燃料電池の製造方法によれば、予め形成されたガス流路形成型を基板上に塗布された樹脂に押し付けることによって、所望形状のガス流路を形成している。従って、予めガス流路上部から底部へと漸次ガス流路幅が減少する形状、例えば、断面半円形状のガス流路形成型を予め作成することにより、所望形状のガス流路を容易に形成することができる。また、予め作成されたガス流路形成型を用いてガス流路を形成しているため、所望形状のガス流路を大量、かつ、迅速に形成することができ、燃料電池の製造効率を向上させることができる。
【０１５２】
なお、上述の第４の実施の形態に係る燃料電池においては、断面半円形状のガス流路を形成しているが、ガス流路の上部から底部に向けてガス流路幅が漸次減少する形状であれば、何れの形状、例えば、断面逆三角形状、断面半楕円形状、ガス流路の内壁面が階段状になっている形状等であってもよい。
【０１５３】
また、上述の第４の実施の形態に係る燃料電池の製造方法においては、ガス流路形成型を用いてガス流路を形成しているが、ガス流路形成型を用いることなくガス流路を形成するようにしてもよい。例えば、断面半円形状のガス流路を形成する際には、等方性を持つウェットエッチングによりガス流路を形成するようにしてもよい。
【０１５４】
また、上述の第４の実施の形態に係る燃料電池の製造方法においては、低粘度の樹脂を用いてガス流路を形成しているが、高粘度の樹脂を用いてガス流路を形成するようにしてもよい。この場合には、樹脂にガス流路形成型を押し付け、ガス流路形成型を取り外した後に、短波長のレーザー光を照射する等により樹脂を硬化させてガス流路を形成することができる。
【０１５５】
また、上述の第４の実施の形態に係る燃料電池の製造方法においては、ガス流路形成装置によりガス流路を形成しているが、吐出装置を用いてガス流路を形成するようにしてもよい。例えば、エッチング用の溶剤を基板表面に塗布する際に、液滴の大きさを漸次小さくすることによって、ガス流路の上部から底部に向けてガス流路幅が漸次減少しているガス流路、即ち、ガス流路の内壁面が階段状になっているガス流路を形成するようにしてもよい。
【０１５６】
また、吐出装置により基板上に樹脂を塗布し、基板にガス流路形成装置において予め作成されているガス流路形成型を押し付け、光を照射する等によりガス流路を形成するようにしてもよい。この場合には、吐出装置により基板上に塗布される樹脂の密度をガス流路が形成される部分では低く、ガス流路の壁部が形成される部分では高くして無駄な部分に樹脂を塗布することを防止し、ガス流路を形成するために用いられる樹脂を節約することができる。
【０１５７】
また、上述の第４の実施の形態に係る燃料電池の製造方法においては、一度に基板上に形成される全てのガス流路を形成しているが、ガス流路を分割して形成するようにしてもよい。即ち、小型のガス流路形成型を用い、基板上に形成される複数のガス流路を一部づつ、分割して形成するようにしてもよい。この場合には、ガス流路形成型が小型であるため、ガス流路形成型に対する押圧を確実に均等とすることができ、高精度に所望形状のガス流路を形成することができる。また、小型のガス流路形成型を用いることにより、ガス流路形成装置そのものを小型化することができ、低コスト、省スペースで燃料電池製造ラインを構築することができる。
【０１５８】
また、上述の第４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３１に示す場合と同様に、製造された燃料電池の基板３０２´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３０２´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。
【０１５９】
この発明に係る燃料電池によれば、第１のガス流路及び第２のガス流路の内の少なくとも何れか一方の開口幅が、第１のガス拡散層及び第２のガス拡散層を構成する物質の粒径に比較して狭い。例えば、ガス拡散層を構成する多孔質のカーボン粒子の粒径に比較してガス流路の開口幅が狭いため、多孔質のカーボン粒子がガス流路内に入り込んでガス流路を塞ぐことを確実に防止することができる。
【０１６０】
また、この発明に係る燃料電池の製造方法によれば、第１のガス流路形成工程及び第２のガス流路形成工程の内の少なくとも何れか一方は、吐出装置を用いて第１のガス拡散層及び第２のガス拡散層を構成する物質の粒径に比較して開口幅が狭いガス流路を形成している。従って、ガス流路内にガス拡散層を構成する物質、例えば、多孔質のカーボンがガス流路内に入り込んでガス流路が塞がれることを防止した燃料電池を低コストで容易に製造することができる。
【０１６１】
また、この発明に係る燃料電池によれば、第１のガス流路及び第２のガス流路の内の少なくとも何れか一方の流路幅が、上流側から下流側に向かって漸次広がっている。従って、反応層に供給される反応ガスのガス量をガス流路の上流側と下流側とで均一に保つことができる。
【０１６２】
また、この発明に係る燃料電池の製造方法によれば、第１のガス流路形成工程及び第２のガス流路形成工程の内の少なくとも何れか一方は、上流側から下流側へ向かって流路幅が漸次広がっているガス流路を形成している。従って、ガス流路の上流側と下流側とで均一なガス量の反応ガスを反応層に供給することができ、かつ、発電効率を向上させた燃料電池を容易に製造することができる。
【０１６３】
また、この発明に係る燃料電池によれば、第１のガス流路及び第２のガス流路の内の少なくとも何れか一方の流路幅が、第１のガス流路又は第２のガス流路の上部から底部に向かって漸次減少している。即ち、断面コ字形状のガス流路と異なり、第１の反応ガス又は第２の反応ガスのガス圧力により生じる応力が特定の部分に集中することを防止したガス流路が形成されている。従って、ガス圧力により生じる応力によってガス流路が損傷することを適切に防止することができる。また、断面コ字形状のガス流路に比較してガス流路と反応ガスとが接触する面積が小さいため、ガス流路の管路抵抗を低減させて反応ガスの圧力損失を適切に軽減することができる。
【０１６４】
また、この発明に係る燃料電池の製造方法によれば、第１のガス流路形成工程及び第２のガス流路形成工程の内の少なくとも何れか一方は、第１のガス流路又は第２のガス流路の上部から底部に向かって、流路幅が漸次減少しているガス流路を形成している。従って、ガス流路内において反応ガスのガス圧力により生じた応力が特定の部分に集中することを防止し、ガス流路が損傷することを適切に防止した燃料電池を形成することができる。また、ガス流路形成型を用いることにより、所望形状のガス流路を容易、かつ、迅速に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１６５】
【図１】第１の実施の形態に係る燃料電池製造ラインを示す図。
【図２】第１の実施の形態に係るインクジェット式吐出装置の概略図。
【図３】第１の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。
【図４】第１の実施の形態に係るガス流路の形成処理を説明する図。
【図５】第１の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。
【図６】第１の実施の形態に係る燃料電池の製造過程の基板の端面図。
【図７】第１の実施の形態に係る燃料電池の製造過程の基板の端面図。
【図８】第１の実施の形態に係る燃料電池の製造過程の基板の端面図。
【図９】第１の実施の形態に係る燃料電池の製造過程の基板の端面図。
【図１０】第１の実施の形態に係る燃料電池の製造過程の基板の端面図。
【図１１】第１の実施の形態に係る燃料電池の製造過程の基板の端面図。
【図１２】第１の実施の形態に係る燃料電池の製造過程の基板の端面図。
【図１３】第１の実施の形態に係る燃料電池の端面図。
【図１４】第２の実施の形態に係る燃料電池製造ラインを示す図。
【図１５】第２の実施の形態に係るインクジェット式吐出装置の概略図。
【図１６】第２の実施の形態に係るガス流路の形成処理を説明する図。
【図１７】第３の実施の形態に係る燃料電池製造ラインを示す図。
【図１８】第３の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。
【図１９】第３の実施の形態に係るガス流路の形成処理を説明する図。
【図２０】第３の実施の形態に係るガス流路の形状を説明する他の図。
【図２１】第３の実施の形態に係る燃料電池の製造過程の基板の端面図。
【図２２】第３の実施の形態に係る燃料電池の製造過程の基板の端面図。
【図２３】第３の実施の形態に係る燃料電池の製造過程の基板の端面図。
【図２４】第３の実施の形態に係る燃料電池の製造過程の基板の端面図。
【図２５】第３の実施の形態に係る燃料電池の製造過程の基板の端面図。
【図２６】第３の実施の形態に係る燃料電池の製造過程の基板の端面図。
【図２７】第３の実施の形態に係る燃料電池の製造過程の基板の端面図。
【図２８】第３の実施の形態に係る燃料電池の組立工程を説明する図。
【図２９】第３の実施の形態に係る燃料電池のガスの流れを説明する図。
【図３０】第３の実施の形態に係る燃料電池の端面図。
【図３１】第３の実施の形態に係る燃料電池積層大型燃料電池の図。
【図３２】第４の実施の形態に係る燃料電池製造ラインを示す図。
【図３３】第４の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。
【図３４】第４の実施の形態に係るガス流路の形成処理を説明する図。
【図３５】第４の実施の形態に係るガス流路の形成処理を説明する図。
【図３６】第４の実施の形態に係る燃料電池の製造過程の基板の端面図。
【図３７】第４の実施の形態に係る燃料電池の製造過程の基板の端面図。
【図３８】第４の実施の形態に係る燃料電池の製造過程の基板の端面図。
【図３９】第４の実施の形態に係る燃料電池の製造過程の基板の端面図。
【図４０】第４の実施の形態に係る燃料電池の製造過程の基板の端面図。
【図４１】第４の実施の形態に係る燃料電池の製造過程の基板の端面図。
【図４２】第４の実施の形態に係る燃料電池の製造過程の基板の端面図。
【図４３】第４の実施の形態に係る燃料電池の端面図。
【図４４】従来のガス流路を説明するための図。
【符号の説明】
【０１６６】
１０２、１０２´…基板、１０４…犠牲層、１０４ａ…ネガ型レジスト、１０４ｂ…ポジ型レジスト、１０６、１０６´…集電層、１０８、１０８´…ガス拡散層、１１０、１１０´…反応層、１１２…電解質膜、１２０ａ〜１２０ｋ、１２０ｏ、１２０ｐ…吐出装置、ＢＣ１１、ＢＣ１２…ベルトコンベア、２０２、２０２´…基板、２０４…樹脂、２０６、２０６´…集電層、２０８、２０８´…ガス拡散層、２１０、２１０´…反応層、２１２…電解質膜、２１４ａ、２１４ｂ…ガス流路形成装置、２２０ａ〜２２０ｇ…吐出装置、ＢＣ２１、ＢＣ２２…ベルトコンベア、３０２、３０２´…基板、３０４…樹脂、３０６、３０６´…集電層、３０８、３０８´…ガス拡散層、３１０、３１０´…反応層、３１２…電解質膜、３１４ａ、３１４ｂ…ガス流路形成装置、３２０ａ〜３２０ｇ…吐出装置、ＢＣ３１、ＢＣ３２…ベルトコンベア。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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