(57)【要約】【課題】低コストで製造でき、かつ、高い触媒活性を有する反応層を有する燃料電池の製造方法を提供する。【解決手段】反応ガスを供給するためのガス流路と、反応ガスが反応することにより生じた電子を集める集電層と、及び反応ガスの反応を触媒する反応層とを有する基板を、電解質膜を挟んで、該電解質膜の両面に積層した構造の燃料電池の製造方法であって、前記反応層を、反応層形成用の金属微粒子と有機分散剤とを含む分散液の塗膜を、非酸化的雰囲気下、所定温度で焼成して形成すること特徴とする燃料電池の製造方法。【選択図】  図１０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の集電層、第１の反応層、電解質膜、第２の反応層、第２の集電層が形成されてなる燃料電池の製造方法であって、
前記第１の集電層の上に、反応層形成用の金属微粒子と有機分散剤とを含む分散液を塗布し、塗膜を形成する工程と、
前記塗膜を非酸化的雰囲気において焼成する工程と、
を有する燃料電池の製造方法。
【請求項２】
第１の基板に、第１の反応ガスを供給するための第１のガス流路を形成する第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の反応ガスを触媒により反応させる第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の基板に、第２の反応ガスを供給するための第２のガス流路を形成する第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の反応ガスを触媒により反応させる第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であって、
前記第１の反応層形成工程及び第２の反応層形成工程の少なくとも一方は、反応層形成用の金属微粒子と有機分散剤とを含む分散液により塗膜を形成し、該塗膜を非酸化的雰囲気下で焼成する工程を有することを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項３】
前記分散液の塗膜を、吐出装置を用いて形成することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項４】
前記有機分散剤として、アルキレングリコール系材料を用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池の製造方法。
【請求項５】
前記金属微粒子として、白金、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、パラジウム、オスミウム及びこれらの２種以上からなる合金からなる群から選ばれる１種若しくは２種以上の金属の微粒子を用いることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池の製造方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の製造方法により製造された燃料電池を電力供給源として備えることを特徴とする電子機器。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれかに記載の製造方法により製造された燃料電池を電力供給源として備えることを特徴とする自動車。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、外部から種類の異なる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する燃料電池の製造方法、並びにこの製造方法により製造された燃料電池を備える電子機器及び自動車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電解質膜とこの電解質膜の一面に配置された反応層を有する電極（アノード）、及び電解質膜の他面に配置され、白金微粒子等からなる反応層を有する電極（カソード）等から構成される燃料電池が存在する。例えば、電解質膜が固体高分子電解質膜である固体高分子電解質型燃料電池では、アノード側では水素を水素イオンと電子にする反応が行われ、電子がカソード側に流れ、水素イオンはカソード側に電解質膜中を移動し、カソード側では酸素ガス、水素イオン及び電子から水を生成する反応が行われる。
【０００３】
このような反応を触媒する反応層を形成する方法としては、例えば、（ａ）触媒担持カーボンを高分子電解質溶液と有機溶媒に混合して調製した電極触媒層形成用ペーストを転写基材（ポリテトラフルオロエチレン製シート）に塗布、乾燥し、それを電解質膜に熱圧着し、次いで、転写基材を剥がすことにより電解質膜に触媒層（反応層）を転写する方法（特許文献１）、（ｂ）電極として用いるカーボン層の上に固体触媒を担持したカーボン粒子の電解質溶液をスプレーを用いて塗布し、その後溶媒を揮発させることにより作製する方法が知られている（特許文献２）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平８−８８００８号公報
【特許文献２】
特開２００２−２９８８６０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、燃料電池の出力密度を高くし、特性のよい燃料電池を効率よく製造するためには、反応効率のよい反応層を効率よく形成する必要がある。しかしながら、上記（ａ）の方法では、転写基材上に反応層を形成した後、これを電解質膜上に転写するものであるため、工程数が多く煩雑となる。その上、触媒を覆う電解質の厚みが均等とはならず、無駄な電解質部分が多くなり、この無駄な電解質膜部分がガス流路を塞ぎ、ガス拡散性を悪化させる場合があった。また、上記（ｂ）の方法では、均一に触媒を塗布することや、所定の位置に所定量の触媒を正確に塗布することが困難であるため、得られる燃料電池の特性（出力密度）が低下したり、白金等の高価な触媒の使用量の増加により製造コストが高くなるという問題があった。
【０００６】
本発明は、このような従来技術の問題を解決すべくなされたものであって、低コストで製造でき、かつ、高い触媒活性を有する反応層を有する燃料電池の製造方法、並びにこの製造方法により製造された燃料電池を備える電子機器及び自動車を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、インクジェット式吐出装置（以下、吐出装置という）を使用して反応層形成用の金属微粒子を塗布して、反応層を形成する方法を着想した。この方法を採用する場合、金属微粒子の凝集・沈降を防止するために金属微粒子を分散剤で被覆した分散液を用い、分散液を塗布した後は、分散剤を焼成等の方法で除去する必要がある。また、分散液を塗布する前において、ガス拡散層となる多孔質の炭素微粒子を予め塗布しておく必要もある。したがって、従来においては、ガス拡散層の炭素微粒子が燃焼しない条件で分散溶媒を除去しなければならないことから、テトラデカンやテルピネオール等の除去が容易な分散剤が使用されていた。しかしながら、テトラデカンやテルピネオール等は比較的高価であり、工業的に汎用性に富む分散剤ではない。また、ガス拡散層と反応層の境界付近において、分散剤が残存したり、集電層の炭素微粒子が部分的に燃焼して、燃料電池の電気特性及びガス拡散効率が低下する場合があった。
【０００８】
そこで、金属微粒子と有機分散剤とを含む分散液を吐出装置を使用して塗布し、得られた塗膜を、窒素雰囲気中、所定温度で焼成（いわゆる蒸し焼き）する方法を案出し、金属微粒子の周囲に多数の炭素微粒子が存在する構造の反応層を容易に形成できることを見出し、本発明を完成するに到った。
【０００９】
かくして本発明の第１によれば、第１の集電層、第１の反応層、電解質膜、第２の反応層、第２の集電層が形成されてなる燃料電池の製造方法であって、前記第１の集電層の上に、反応層形成用の金属微粒子と有機分散剤とを含む分散液を塗布し塗膜を形成する工程と、前記塗膜を非酸化的雰囲気において焼成する工程とを有する燃料電池の製造方法が提供される。
【００１０】
本発明の製造方法は、第１の基板に、第１の反応ガスを供給するための第１のガス流路を形成する第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の反応ガスを触媒により反応させる第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の基板に、第２の反応ガスを供給するための第２のガス流路を形成する第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の反応ガスを触媒により反応させる第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であって、前記第１の反応層形成工程及び第２の反応層形成工程の少なくとも一方は、反応層形成用の金属微粒子と有機分散剤とを含む分散液により塗膜を形成し、前記塗膜を非酸化的雰囲気下で焼成する工程を有するのが好ましい。
【００１１】
本発明の製造方法においては、前記分散液の塗膜を吐出装置を用いて形成するのが好ましい。
本発明の製造方法においては、前記有機分散剤として、アルキレングリコール系材料を用いるのが好ましい。
また、本発明の製造方法においては、前記金属微粒子として、白金、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、パラジウム、オスミウム及びこれらの２種以上からなる合金からなる群から選ばれる１種若しくは２種以上の金属の微粒子を用いるの好ましい。
【００１２】
本発明の第２によれば、本発明の製造方法により製造された燃料電池を電力供給源として備えることを特徴とする電子機器が提供される。
本発明の第３によれば、本発明の製造方法により製造された燃料電池を電力供給源として備えることを特徴とする自動車が提供される。
【００１３】
本発明の製造方法によれば、簡便な操作により金属微粒子の周囲に多数の炭素微粒子が存在する構造を有する反応層を容易に形成することができる。
本発明の製造方法によれば、反応層と集電層との境界付近に分散剤が残存したり、ガス拡散層の炭素微粒子が燃焼して、燃料電池の電気特性及びガス拡散特性が低下することがなくなる。また、金属微粒子の周囲に存在する炭素微粒子はガス拡散層及び集電層の役割も果たすので、電気特性及びガス拡散効率がより高められた燃料電池を製造することができる。
【００１４】
本発明の製造方法において、金属微粒子および有機分散剤を含む分散液の塗布を吐出装置を用いて行う場合には、効率よく、均一に反応触媒である金属微粒子を塗布することができ、かつ、所定の位置に必要量の触媒を正確に塗布することが可能となるため、出力密度の高い燃料電池を効率よく製造することができる。
【００１５】
本発明に係る電子機器は、本発明の製造方法により製造された燃料電池を電力供給源として備えることを特徴とする。本発明の電子機器によれば、地球環境に適切に配慮したクリーンエネルギーを電力供給源として備えることができる。
また、本発明に係る自動車は、本発明の製造方法により製造された燃料電池を電力供給源として備えることを特徴とする。本発明の自動車によれば、地球環境に適切に配慮したクリーンエネルギーを電力供給源として備えることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃料電池の製造方法、並びに本発明の製造方法により製造された燃料電池を電力供給源として備える電子機器及び自動車について詳細に説明する。
【００１７】
本発明は、第１の基板に第１のガス流路を形成する第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の反応ガスの反応を触媒する第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の基板に第２のガス流路を形成する第２のガス流路形成工程と、第２の集電層を形成する第２の集電層形成工程と、及び第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である。
【００１８】
本発明の燃料電池の製造方法は、図１に示す燃料電池の製造装置（燃料電池製造ライン）を使用して実施することができる。図１に示す燃料電池製造ラインにおいては、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なう組立装置６０及び燃料電池製造ライン全体の制御を行なう制御装置５６により構成されている。
【００１９】
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、吐出装置２０ａ〜２０ｋ、駆動装置５８及び組立装置６０と接続されている。
【００２０】
この燃料電池製造ラインにおいては、駆動装置５８により駆動されたベルトコンベアＢＣ１を駆動させ、燃料電池の基板（以下、単に「基板」という。）を各吐出装置２０ａ〜２０ｋに搬送して各吐出装置２０ａ〜２０ｋにおける処理が行なわれる。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、吐出装置２０ｌ、２０ｍにおける処理が行なわれる。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ＢＣ２によって搬送されてきた基板を用いて燃料電池の組立作業が行なわれる。
【００２１】
吐出装置２０ａ〜２０ｍとしては、インクジェット方式の吐出装置であれば特に制約されない。例えば、加熱発泡により気泡を発生し、液滴の吐出を行なうサーマル方式の吐出装置、ピエゾ素子を利用する圧縮により、液滴の吐出を行なうピエゾ方式の吐出装置等が挙げられる。
【００２２】
本実施形態で用いられる吐出装置２０ａの概略を図２及び図３に示す。図２は、吐出装置２０ａの外観図である。吐出装置２０ａは、架台２０１上に、透明な安全カバー２０２を有し、架台２０１にエアーカーテン供給機器などを組み込むと共に、安全カバー２０２内に機台２０４に載置するようにして主構成装置２０５を収容して構成されている。
主構成装置２０５は、ヘッドユニット１を搭載し、これを水平面内においてＸ・Ｙ・θ方向に移動させるユニット移動装置２１１と、キャリッジ２３１に仮装着されている各液滴吐出ヘッド３１の位置補正を行うヘッド補正装置２１２と、キャリッジ２３１に各液滴吐出ヘッド３１を接着する仮固定装置２１３と、液滴吐出ヘッド３１の位置補正に先立ってキャリッジ２３１および各液滴吐出ヘッド３１を位置認識する認識装置２１４と、これらユニット移動装置２１１、ヘッド補正装置２１２、仮固定装置２１３および認識装置２１４を統括制御する制御装置（図示を省略）とを備えている。
【００２３】
図２に示す吐出装置２０ａを概念的に表したものを図３に示す。
吐出装置２０ａは、吐出物３４を収容するタンク３０と、タンク３０と吐出物搬送管３２を介して接続されたインクジェットヘッド２２、被吐出物を搭載、搬送するテーブル２８、インクジェットヘッド２２内に滞留する余剰の吐出物３４を吸引して、インクジェットヘッド２２内から過剰の吐出物を除去する吸引キャップ４０、及び吸引キャップ４０で吸引された余剰の吐出物を収容する廃液タンク４８から構成されている。
【００２４】
タンク３０は、レジスト溶液等の吐出物３４を収容するものであり、タンク３０内に収容されている吐出物の液面３４ａの高さを制御するための液面制御センサ３６を備える。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。例えば、この水頭値が２５ｍ±０．５ｍｍ内となるように液面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に送ることができる。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から必要量の吐出物３４を安定的に吐出することができる。
【００２５】
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とを備える。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。
【００２６】
インクジェットヘッド２２は、ヘッド体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、ノズル形成面２６のノズルから吐出物、例えば、反応ガスを供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等が吐出される。
テーブル２８は、所定の方向に移動可能に設置されている。テーブル２８は、図中矢印で示す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載置して、吐出装置２０ａ内に取り込む。
【００２７】
吸引キャップ４０は、図３に示す矢印方向に移動可能となっており、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。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を閉状態にして、タンク３０側から吐出物が流入しない状態とし、吸引キャップ４０で吸引することにより、吸引される吐出物の流速を上昇させ、インクジェットヘッド２２内の気泡を速やかに排出することができる。
【００２８】
また、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が配置されている。吸引バルブ４２は、吸引バルブ４２の下方の吸引側と、上方のインクジェットヘッド２２側との圧力バランス（大気圧）を取るための時間を短縮する目的で流路を閉状態にする役割を果す。この流路には、吸引異常を検出する吸引圧検出センサ４４や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。
吸引ポンプ４６で吸引、搬送された吐出物３４は、廃液タンク４８内に一時的に収容される。
【００２９】
本実施形態においては、吐出装置２０ｂ〜２０ｍは、吐出物３４の種類が異なることを除き、吐出装置２０ａと同様の構成のものである。したがって、以下においては、各吐出装置の同一構成については同一の符号を用いる。
【００３０】
次に、図１に示す燃料電池製造ラインを用いて、燃料電池を製造する各工程を説明する。図１に示す燃料電池製造ラインを用いる燃料電池の製造方法のフローチャートを図４に示す。
【００３１】
図４に示すように、本実施形態に係る燃料電池は、第１の基板にガス流路を形成する工程（Ｓ１０，第１のガス流路形成工程）、ガス流路内に第１の支持部材を塗布する工程（Ｓ１１，第１の支持部材塗布工程）、第１の集電層を形成する工程（Ｓ１２，第１の集電層形成工程）、第１のガス拡散層を形成する工程（Ｓ１３，第１のガス拡散層形成工程）、第１の反応層形成工程（Ｓ１４，第１の反応層形成工程）、電解質膜を形成する工程（Ｓ１５，電解質膜形成工程）、第２の反応層を形成する工程（Ｓ１６，第２の反応層形成工程）、第２のガス拡散層を形成する工程（Ｓ１７，第２のガス拡散層形成工程）、第２の集電層を形成する工程（Ｓ１８，第２の集電層形成工程）、第２の支持部材を塗布する工程（Ｓ１９，第２の支持部材塗布工程）、第２のガス流路が形成された第２の基板を積層する工程（Ｓ２０，組立工程）により製造される。
【００３２】
（１）第１のガス流路形成工程（Ｓ１０）
まず、図５（ａ）に示すように、矩形状の第１の基板２を用意し、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。基板２としては特に制限されず、シリコン基板等の通常の燃料電池に用いられるものを使用できる。本実施形態では、シリコン基板を用いている。
【００３３】
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内においては、吐出装置２０ａのタンク３０内に収容されているレジスト液が、ノズル形成面２６のノズルを介してテーブル２８に搭載された基板２上の所定位置に塗布され、基板２の表面にレジストパターン（図中、灰色部分）が形成される。レジストパターンは、図５（ｂ）に示すように、基板２表面の第１の反応ガスを供給するための第１のガス流路を形成する部分以外の部分に形成される。
【００３４】
所定の位置にレジストパターンが形成された基板２は、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置２０ｂに搬送され、吐出装置２０ｂのテーブル２８上に載置され、吐出装置２０ｂ内に取り込まれる。吐出装置２０ｂ内においては、タンク３０内に収容されているフッ化水素酸水溶液等のエッチング液が、ノズル形成面２６のノズルを介して基板２表面に塗布される。エッチング液により、レジストパターンが形成されている部分以外の基板２表面部がエッチングされて、図６（ａ）に示すように、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第１のガス流路３が形成される。また、図６（ｂ）に示すように、ガス流路３が形成された基板２は、図示しない洗浄装置によって表面が洗浄され、レジストパターンが除去される。次いで、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へ移され、ベルコンベアＢＣ１により吐出装置２０ｃまで搬送される。
【００３５】
（２）第１の支持部材塗布工程（Ｓ１１）
次に、第１のガス流路が形成された基板２上に、第１の集電層を支持するための第１の支持部材を第１のガス流路３内に塗布する。第１の支持部材を塗布する方法としては、スピンコート法などの公知の方法や吐出装置を用いる方法等が挙げられるが、本実施形態では吐出装置２０ｃを用いている。
【００３６】
第１の支持部材の塗布は、基板２をテーブル２８に載置して吐出装置２０ｃ内に取り込み、次いで、吐出装置２０ｃにより、タンク３０内に収容されている第１の支持部材４をノズル形成面２６のノズルを介して、基板２に形成されている第１のガス流路内に吐出することにより行われる。
【００３７】
用いる第１の支持部材としては、第１の反応ガスに対して不活性であり、第１の集電層が第１のガス流路３に落下するのを防止し、かつ、第１の反応層へ第１の反応ガスが拡散するのを妨げないものであれば特に制限されない。例えば、炭素粒子、ガラス粒子等が挙げられる。本実施形態では、直径１〜５ミクロン程度の粒子径の多孔質カーボンを使用している。所定の粒径をもつ多孔質カーボンを支持部材として使用することにより、ガス流路３を介して供給される反応ガスが多孔質カーボンの隙間から上へ拡散するため、反応ガスの流れが妨げられることがなくなる。第１の支持部材４が塗布された基板２の端面図を図７に示す。第１の支持部材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へ移され、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置２０ｄまで搬送される。
【００３８】
（３）第１の集電層形成工程（Ｓ１２）
次に、基板２上に、第１の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第１の集電層を形成する。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を形成する材料、例えば、銅等の導電性物質をノズルの形成面２６のノズルを介して基板２上に吐出して、第１の集電層が形成される。このとき、第１のガス流路に供給された第１の反応ガスの拡散を妨げることがない形状（例えば、網目状等）になるように導電性物質を吐出させるのが好ましい。
【００３９】
第１の集電層６が形成された基板２の端面図を図８に示す。図８に示すように、第１の集電層６は、基板２に形成されている第１のガス流路内の第１の支持部材４により支持され、第１のガス流路３内に落下しないようになっている。第１の集電層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へ移され、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置２０ｅまで搬送される。
【００４０】
（４）第１のガス拡散層形成工程（Ｓ１３）
次に、基板２の集電層上に第１の拡散層を形成する。先ず、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内においては、吐出装置２０ｅのタンク３０内に収容されているガス拡散層形成用材料を、ノズル形成面２６のノズルを介してテーブル２８に載置されている基板２表面の所定位置に吐出して、第１のガス拡散層が形成される。
【００４１】
用いるガス拡散層形成用材料としては、炭素微粒子が一般的であるが、カーボンナノチューブ、カーボンナノフォーン、フラーレン等も使用できる。本実施形態では、ガス拡散層を塗布装置２０ｅを用いて形成するため、例えば、集電層側には粒子径の大きい（数十μｍ）炭素微粒子とし、表面側には粒子径の小さい（数十ｎｍ）炭素微粒子とすることで、基板付近は流路幅を大きくして反応ガスの拡散抵抗をできるだけ小さくしつつ、反応層付近（ガス拡散層の表面側）においては、均一で細かい流路となっているガス拡散層を容易に形成できる。また、ガス拡散層の基板側は炭素粒子を用い、表面側は、ガス拡散能力は低いが触媒担持能力に優れる材料を用いることもできる。
【００４２】
第１のガス拡散層８が形成された基板２の端面図を図９に示す。図９に示すように、第１のガス拡散層８は、基板２に形成されている第１の集電層を覆うように基板２の全面に形成されている。第１のガス拡散層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へ移され、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置２０ｆまで搬送される。
【００４３】
（５）第１の反応層形成工程（Ｓ１４）
次に、基板２上に第１の反応層を形成する。第１の反応層は、第１の集電層とガス拡散層８を介して電気的に接続されるように形成する。まず、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内においては、吐出装置２０ｆのタンク３０内に収容されている金属微粒子と有機分散剤を含む分散液を、ノズル形成面２６のノズルを介してテーブル２８に載置されている基板２表面の所定位置に吐出して、分散液の塗膜が形成される。
【００４４】
分散液に用いる金属微粒子としては、第１の反応ガス及び第２の反応ガスの反応触媒としての機能を有するものであれば特に制限されない。例えば、白金、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、パラジウム、オスミウム及びこれらの２種以上からなる合金からなる群から選ばれる１種若しくは２種以上の金属の微粒子が挙げられ、白金が特に好ましい。金属微粒子の粒子径は制限されないが、通常１ｎｍ〜１００ｎｍ、好ましくは数ｎｍ〜数十ｎｍである。
【００４５】
有機分散剤は、金属微粒子の凝集・沈降を防止し、金属微粒子を分散液中に均一に分散させるために用いられる。用いる有機分散剤としては、分散液中に金属微粒子を均一に分散させることができ、非酸化的雰囲気下、所定温度で焼成することにより、微粒子状の炭素になるものであれば特に制限されない。例えば、アルコール類、ケトン類、エステル類、エーテル類、炭化水素類、芳香族炭化水素類等の、炭素及び水素からなる有機分散剤や炭素、水素及び酸素からなる有機分散剤が挙げられる。なかでも、金属微粒子の分散性に優れ、かつ、非酸化的雰囲気下、比較的低い温度で焼成することにより、微粒子状の炭素にすることができるアルキレングリコール系材料が好ましい。アルキレングリコール系材料の具体例としては、エチレングリコール、プロピレングリコール、１，３−プロパンジオール、１，４−ブタンジオール、ネオペンチルグリコール、１，５−ペンタンジオール、１，６−ヘキサンジオール、１，４−シクロヘキサンジメタノール、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール等が挙げられる。
【００４６】
なお、用いる分散液には、金属微粒子及び有機分散剤以外の他の溶媒を含有させてもよい。他の溶媒としては、例えば、水、メタノール、エタノール等が挙げられる。分散液中の金属微粒子及び有機分散剤の含有量は特に制限されず、形成する塗膜の厚み等に応じて適宜設定することができる。
【００４７】
次いで、分散液の塗膜が形成された基板２を、非酸化的雰囲気下、所定温度で焼成することで、金属微粒子と金属微粒子の周囲に多孔質の炭素微粒子が付着した構造の第１の反応層を形成できる。
【００４８】
ここで、「非酸化的雰囲気下、所定温度で焼成する」とは、有機分散剤が酸化（燃焼）されないで熱分解して、炭素となる条件で加熱することを意味する。いわゆる蒸し焼きである。例えば、木材を蒸し焼きにして、木炭を作るがごときである。非酸化的雰囲気下で焼成する方法としては、例えば、窒素、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガス雰囲気下で加熱する方法や、減圧下で加熱する方法が挙げられ、操作が容易であることから不活性ガス雰囲気下で加熱するのが好ましい。加熱温度は、有機分散剤が熱分解して多孔質の炭素粒子となるために必要な温度であればよい。加熱温度は、通常２００〜３００℃である。分散液の塗膜が形成された基板２を、非酸化的雰囲気下、所定温度で焼成することで、水分等の揮発成分は全て蒸散し、金属微粒子と金属微粒子の周囲に付着した多孔質の炭素微粒子のみが残存した構造の第１の反応層を容易に形成することができる。金属微粒子の周囲に存在する多孔質の炭素微粒子は、金属微粒子を担持するとともに、ガス拡散層及び集電層としての役目も果たす。
【００４９】
第１の反応層１０が形成された基板２の端面図を図１０に示す。第１の反応層は、第１の反応ガスを触媒により反応させるものである。例えば、第１の反応ガスが水素ガスの場合には、第１の反応層において、Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−の反応が進行する。
【００５０】
また、分散液の塗膜が形成された基板２を、非酸化的雰囲気下、所定温度で焼成して第１の反応層（表面部）を形成する前後の状態を図１１に示す。図１１（ａ）は焼成前における分散液の塗膜の状態を示す図であり、金属微粒子６１の周囲を有機分散剤６２が取り囲んでいる。図１１（ｂ）は焼成して得られる第１の反応層の状態を示す図であり、有機分散剤６２が熱分解して多孔質の炭素微粒子６３となり、金属微粒子６１の周囲に付着した構造となっている。第１の反応層が形成された基板２は、テーブル２８からベルトコンベアＢＣ１へ移され、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置２０ｇまで搬送される。
【００５１】
（６）電解質膜形成工程（Ｓ１５）
次に、第１の反応層１０が形成された基板２上に電解質膜を形成する。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の形成材料をノズル形成面２６のノズルを介して第１の反応層１０上に吐出して電解質膜１２が形成される。
【００５２】
用いる電解質膜の形成材料としては、例えば、ナフィオン（デュポン社の登録商標）等のパーフルオロスルホン酸を、水とメタノールの重量比が１：１の混合溶液中でミセル化して得られる高分子電解質材料や、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（例えば、２０ｃＰ以下）に調整した材料等が挙げられる。
【００５３】
電解質膜が形成された基板２の端面図を図１２に示す。図１２に示すように、第１の反応層１０上に所定の厚さを有する電解質膜１２が形成されている。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へ移され、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置２０ｈまで搬送される。
【００５４】
（７）第２の反応層形成工程（Ｓ１６）
次に、電解質膜１２が形成された基板２上に第２の反応層を形成する。まず、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、第２の反応層が形成される。第２の反応層を形成する材料としては、第１の反応層と同様のものを使用することができる。
【００５５】
電解質膜１２上に第２の反応層１０’が形成された基板２の端面図を図１３に示す。図１３に示すように、電解質膜１２上に第２の反応層１０’が形成されている。反応層１０’においては、第２の反応ガスの反応が行われる。例えば、第２の反応ガスが酸素ガスである場合には、第２の反応層において、１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏの反応が進行する。第２の反応層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へ移され、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置２０ｉまで搬送される。
【００５６】
（８）第２のガス拡散層形成工程（Ｓ１７）
次に、第２の反応層１０’が形成された基板２上に第２のガス拡散層を形成する。まず、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置２０ｉ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２０ｉ内に取り込む。吐出装置２０ｉにおいては、吐出装置２０ｅにおいて行われた処理と同様の処理により、第２のガス拡散層が形成される。第２の拡散層形成用材料としては、第１のガス拡散層と同様のものが使用できる。
【００５７】
第２のガス拡散層８’が形成された基板２の端面図を図１４に示す。第２のガス拡散層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へ移され、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置２０ｊまで搬送される。
【００５８】
（９）第２の集電層形成工程（Ｓ１８）
次に、第２のガス拡散層８’が形成された基板２上に第２の集電層を形成する。先ず、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、第２の集電層６’が第２のガス拡散層８’上に形成される。第２の集電層形成用材料としては、第１の集電層形成用材料と同様のものが使用できる。第２の集電層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へ移され、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置２０ｋまで搬送される。
【００５９】
（８）第２の支持部材塗布工程（Ｓ１９）
次に、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、第２の支持部材が塗布される。第２の支持部材としては、第１の支持部材と同様のものが使用できる。
【００６０】
第２の集電層６’及び第２の支持部材４’が塗布された基板２の端面図を図１５に示す。第２の支持部材４’は、第２の集電層６’上に形成され、基板２上に積層する第２の基板に形成されている第２のガス流路内に収容される位置に塗布されている。
【００６１】
（９）組立工程（Ｓ２０）
次に、第２の支持部材４’が塗布された基板２上に、第２のガス流路３’が形成された第２の基板を積層することによって燃料電池を組み立てる。基板２（第１の基板）と第２の基板との積層は、基板２上に形成された第２の支持部材４’が、第２の基板に形成された第２のガス流路３’内に収容されるように接合することにより行われる。ここで、第２の基板としては、第１の基板と同じものを使用できる。また、第２のガス流路形成は、吐出装置２０ｌ及び２０ｍにおいて、吐出装置２０ａ及び２０ｂにより行なわれる処理と同様の処理により行なわれる。
【００６２】
以上のようにして、図１６に示す構造の燃料電池を製造することができる。図１６に示す燃料電池では、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コ字状の第１のガス流路３と基板２’に形成されている第２のガス流路３’とが平行になるように基板２’が配置されている。
【００６３】
本実施形態の製造方法によれば、簡便な操作により金属微粒子の周囲に多数の炭素微粒子が存在する構造の反応層を容易に形成することができる。
本実施形態の製造方法によれば、反応層と集電層との境界付近に分散剤が残存したり、ガス拡散層の炭素微粒子が燃焼することによって、電気特性及びガス拡散特性が低下することがない。また、金属微粒子の周囲に存在する炭素微粒子はガス拡散層及び集電層の役割も果たすので、電気特性及びガス拡散効率がより高められた燃料電池を製造することができる。
【００６４】
本実施形態によれば、金属微粒子および有機分散剤を含む分散液の塗布を吐出装置を用いて行っているので、均一に触媒となる金属微粒子を塗布することができ、かつ、所定の位置に必要量の金属微粒子を正確に塗布することが可能であるため、出力密度の高い燃料電池を製造することができる。
【００６５】
また、本実施形態によれば、第１のガス流路形成工程、第１の集電層形成工程、第１の反応層形成工程、電解質膜形成工程、第２のガス流路形成工程、第２の集電層形成工程及び第２の反応層形成工程のすべての工程を吐出装置を用いて行っている。従って、半導体製造プロセスにおいて用いられるＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）を用いることなく、低コストで燃料電池を製造することができる。
【００６６】
上述した実施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吐出装置を用いているが、燃料電池を製造する何れかの工程において吐出装置を用いて燃料電池を製造することもできる。例えば、吐出装置を用いて分散液の塗膜を形成し、次いで、得られた塗膜を非酸化的雰囲気下、所定温度で焼成して、第１及び／又は第２の反応層を形成し、その他の工程においては従来と同様の工程により燃料電池を製造するようにしてもよい。この場合であっても、ＭＥＭＳを用いることなく反応層を形成できるため、燃料電池の製造コストを低く抑えることができる。
【００６７】
上述の実施形態の製造方法においては、基板上にレジストパターンを形成し、フッ化水素酸水溶液を塗布してエッチングを行ことによりガス流路を形成しているが、レジストパターンを形成することなくガス流路を形成することもできる。また、フッ素ガス雰囲気中に基板を載置し、基板上の所定の位置に水を吐出することによりガス流路を形成するようにしてもよい。
【００６８】
上述の実施形態の製造方法においては、第１の反応ガスが供給される第１の基板側から燃料電池の構成部分を形成し、最後に第２の基板を積層することで燃料電池の製造を行っているが、第２の反応ガスが供給される側の基板から燃料電池の製造を開始するようにしてもよい。
【００６９】
上述の実施形態の製造方法においては、第２の支持部材を第１の基板に形成されている第１のガス流路に沿って塗布しているが、第１のガス流路と交差するような方向に塗布してもよい。即ち、第２の支持部材を、例えば、第１の基板に形成されているガス流路と直角に交差するように、例えば、図６（ｂ）において図中右側面から左側面へと延びる方向に塗布するようにしてもよい。この場合には、第２の基板に形成されている第２のガス流路と、第１の基板に形成されている第１のガス流路とが、直角に交差するように第２の基板が配置された構造の燃料電池が得られる。
【００７０】
上述の実施形態の製造方法においては、第１のガス流路が形成された第１の基板上に、第１の集電層、第１の反応層、電解質膜、第２の反応層及び第２の集電層を順次形成しているが、第１の基板と第２の基板のそれぞれに集電層、反応層及び電解質膜を形成し、最後に第１の基板と第２の基板とを接合することにより、燃料電池を製造することもできる。
【００７１】
また、本実施形態においては、第１の基板に処理を施す第１製造ラインと第２の基板に処理を施す第２製造ラインとを設け、それぞれの製造ラインにおける処理を平行して行う製造ラインとしているので、第１の基板への処理と第２の基板への処理を平行して行うことができ、迅速に燃料電池を製造することができる。
【００７２】
本発明の電子機器は、上述した燃料電池を電力供給源として備えることを特徴とする。電子機器としては、携帯電話機、モバイル、ＰＨＳ、ノート型パソコン、ＰＤＡ（携帯情報端末）、携帯テレビ電話機などが挙げられる。また、本発明の電子機器は、例えば、ゲーム機能、データ通信機能、録音再生機能、辞書機能などの他の機能を有していてもよい。
本発明の電子機器によれば、地球環境に適切に配慮したクリーンエネルギーを電力供給源として備えることができる。
【００７３】
本発明の自動車は、上述した燃料電池を電力供給源として備えることを特徴とする。本発明の製造方法によれば、複数の燃料電池を積層することによって大型の燃料電池を製造することもできる。すなわち、図１７に示すように、製造した燃料電池の基板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、電解質膜などを形成して燃料電池を積層することによって大型の燃料電池を製造することができる。
本発明の自動車によれば、地球環境に適切に配慮したクリーンエネルギーを電力供給源として備えることができる。
【００７４】
【図面の簡単な説明】
【図１】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。
【図２】実施の形態に係るインクジェット式吐出装置の全体外観図である。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】実施の形態に係るガス流路を形成する処理を説明する図である。
【図６】実施の形態に係るガス流路を形成する処理を説明する図である。
【図７】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。
【図８】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。
【図９】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。
【図１０】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。
【図１１】分散液の塗膜を形成し、反応層を形成する前後の状態図である。
【図１２】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。
【図１３】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。
【図１４】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。
【図１５】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。
【図１６】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。
【図１７】実施の形態に係る燃料電池を積層した大型燃料電池の図である。
【符号の説明】１・・・ヘッドユニット、２…第１の基板、２’…第２の基板、３…第１のガス流路、３’…第２のガス流路、４…第１の支持部材、４’…第２の支持部材、６…第１の集電層、６’…第２の集電層、８…第１のガス拡散層、８’…第２のガス拡散層、１０…第１の反応層、１０’…第２の反応層、１２…電解質膜、２０ａ〜２０ｍ…吐出装置、３１…液滴吐出ヘッド、５６…制御装置、５８…駆動装置、６０…組立装置、６１…金属微粒子、６２…有機分散剤、６３…炭素微粒子、ＢＣ１，ＢＣ２…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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