(57)【要約】【課題】  機能性材料の存在量が深さ方向に所望の濃度分布を有するように、機能性材料が多孔質物質に担持されてなる機能性多孔質層を効率よく形成する方法、この方法を反応層の形成に適用した燃料電池の製造方法、並びにこの製造方法により得られる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を提供する。【解決手段】  機能性材料が多孔質物質に担持されてなる機能性多孔質層の形成方法であって、表面張力が異なる複数種の、機能性材料の溶液又は分散液を多孔質層に塗布し、前記表面張力の違いにより、前記機能性材料の前記多孔質層の深さ方向への浸透を制御することを特徴とする機能性多孔質層の形成方法、この方法を適用して反応層を形成する燃料電池の製造方法、並びにこの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臓器及び自動車。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
機能性材料が多孔質物質に担持されてなる機能性多孔質層の形成方法であって、表面張力が異なる複数種の、機能性材料の溶液又は分散液を多孔質層に塗布し、前記表面張力の違いにより、前記機能性材料の前記多孔質層の深さ方向への浸透を制御することを特徴とする機能性多孔質層の形成方法。
【請求項２】
前記機能性多孔質層を、表面張力が異なる複数種の、機能性材料の溶液又は分散液を多孔質層に塗布し、前記溶液又は分散液に含まれる溶媒を除去することにより形成することを特徴とする請求項１に記載の機能性多孔質層の形成方法。
【請求項３】
多孔質層の深さ方向に機能性材料の存在量が変化するように機能性多孔質層を形成することを特徴とする請求項１又は２に記載の機能性多孔質層の形成方法。
【請求項４】
機能性材料の溶液又は分散液を多孔質層に塗布し、該多孔質層に機能性材料の溶液又は分散液を含浸させる工程を、表面張力が異なる前記機能性材料の溶液又は分散液を用いて複数回繰り返すことを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の機能性多孔質層の形成方法。
【請求項５】
前記機能性材料の溶液又は分散液の濃度を各回毎に変えることを特徴とする請求項４に記載の機能性多孔質層の形成方法。
【請求項６】
第１の機能性材料の溶液又は分散液を多孔質層に塗布し、前記第１の機能性材料の溶液又は分散液を多孔質層に含浸させた後、前記第１の機能性材料の溶液又は分散液より大きい表面張力を有する、第２の機能性材料の溶液又は分散液を前記多孔質層に塗布し、第２の機能性材料の溶液又は分散液を含浸させることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の機能性多孔質層の形成方法。
【請求項７】
前記表面張力が異なる機能性材料の溶液又は分散液として、機能性材料を種類の異なる溶媒に溶解又は分散させて調製したものを用いることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の機能性多孔質層の形成方法。
【請求項８】
前記多孔質層が、炭素系物質粒子からなる多孔質層であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の機能性多孔質層の形成方法。
【請求項９】
前記機能性多孔質層が、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、炭素系物質粒子に担持されてなるものであることを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の機能性多孔質層の形成方法。
【請求項１０】
前記機能性材料の溶液又は分散液として、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若しくは該金属の化合物の溶液又は分散液を用いることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の機能性多孔質層の形成方法。
【請求項１１】
前記機能性多孔質層が、第１の集電層、第１の反応層、電解質膜、第２の反応層、第２の集電層がこの順序で形成されてなる燃料電池の、前記第１の反応層及び第２の反応層の少なくとも一方であることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれかに記載の機能性多孔質層の形成方法。
【請求項１２】
前記機能性材料の溶液又は分散液の塗布を、吐出装置を用いて行うことを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の機能性多孔質層の形成方法。
【請求項１３】
第１の集電層、第１の反応層、電解質膜、第２の反応層、第２の集電層を形成する燃料電池の製造方法であって、前記第１の反応層及び第２の反応層の少なくとも一方を、表面張力が異なる複数種の、反応層形成用材料の溶液又は分散液を炭素系物質粒子からなる多孔質層に塗布し、前記溶液又は分散液に含まれる溶媒を除去することにより形成することを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項１４】
前記第１の反応層及び第２の反応層の少なくとも一方を、炭素系物質粒子からなる多孔質層の深さ方向に前記反応層形成用材料の存在量が変化するように、反応層形成用材料が炭素系物質粒子に担持されてなる反応層を形成するものである請求項１３に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項１５】
前記第１の反応層及び第２の反応層の少なくとも一方を、反応層形成用材料の溶液又は分散液を炭素系物質粒子からなる多孔質層に塗布し、該多孔質層に反応層形成用材料の溶液又は分散液を含浸させる工程を、表面張力が異なる反応層形成用材料の溶液又は分散液を用いて繰り返すことにより形成することを特徴とする、請求項１３又は１４のいずれかに記載の燃料電池の製造方法。
【請求項１６】
前記第１の反応層及び第２の反応層の少なくとも一方を、第１の反応層形成用材料の溶液又は分散液を炭素系物質粒子からなる多孔質層に塗布し、前記第１の反応層形成用材料の溶液又は分散液を含浸させた後、前記第１の反応層形成用材料の溶液又は分散液より大きい表面張力を有する、第２の反応層形成用材料の溶液又は分散液を前記炭素系物質粒子からなる多孔質層に塗布し、第２の反応層形成用材料の溶液又は分散液を含浸させることにより形成することを特徴とする、請求項１３〜１５のいずれかに記載の燃料電池の製造方法。
【請求項１７】
前記表面張力が異なる反応層形成用材料の溶液又は分散液として、反応層形成用材料を種類の異なる溶媒に溶解又は分散させて調製したものを用いることを特徴とする、請求項１３〜１６のいずれかに記載の燃料電池の製造方法。
【請求項１８】
前記第１の反応層及び第２の反応層の少なくとも一方を、第１の集電層上又は第２の集電層上に炭素系物質粒子を塗布することにより炭素系物質粒子からなる多孔質層を形成し、次いで、表面張力が異なる複数種の、反応層形成用材料の溶液又は分散液を前記炭素系物質粒子からなる多孔質層に塗布し、前記溶液又は分散液に含まれる溶媒を除去することにより形成することを特徴とする、請求項１３〜１７のいずれかに記載の燃料電池の製造方法。
【請求項１９】
前記反応層形成用材料の溶液又は分散液の塗布を、吐出装置を用いて行うことを特徴とする請求項１３〜１８のいずれかに記載の燃料電池の製造方法。
【請求項２０】
前記第１の反応層及び第２の反応層の少なくとも一方が、金属微粒子が炭素系物質粒子に担持されてなり、該金属微粒子の存在量が、前記反応層の集電層側よりも電解質膜側の方が高くなるように形成することを特徴とする、請求項１３〜１９のいずれかに記載の燃料電池の製造方法。
【請求項２１】
請求項１３〜２０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２２】
請求項１３〜２０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】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多孔質層の深さ方向に機能性材料の存在量が変化するように機能性材料が担持されてなる機能性多孔質層の形成方法、この形成方法を反応層の形成に適用した燃料電池の製造方法、並びにこの製造方法により得られる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関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電解質膜とこの電解質膜の一面に配置された電極（アノード）、及び電解質膜の他面に配置された電極（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】
このような固体電解質型燃料電池においては、各電極は、通常、反応ガスの反応触媒である金属微粒子からなる反応層と、反応層の基板側に炭素微粒子からなるガス拡散層と、及びガス拡散層の基板側に導電性物質からなる集電層とから形成されてなる。一方の基板において、ガス拡散層を構成する炭素微粒子の隙間を通過して均一に拡散された水素ガスは、反応層において反応して電子と水素イオンとなる。発生した電子は集電層に集められ、他方の基板の集電層に電子が流れる。水素イオンは高分子電解質膜を介して第２の基板の反応層へ移動し、集電層から流れてきた電子及び酸素ガスとから水を生成する反応が行われる。
【０００４】
このような燃料電池において、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）。
【０００５】
しかしながら、これらの方法は工程数が多く煩雑であり、その上、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】
【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
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、機能性材料の存在量が深さ方向に対して所望の濃度分布を有するように、機能性材料が多孔質物質に担持されてなる機能性多孔質層を効率よく形成する方法、この方法を反応層の形成に適用した燃料電池の製造方法、並びにこの製造方法により得られる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を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、多孔質層に表面張力が異なる複数種の機能性材料の溶液又は分散液を塗布し、前記表面張力の違いにより、前記機能性材料の溶液又は分散液の、前記多孔質層の深さ方向への浸透を制御できること、及びこの方法を燃料電池の反応層の形成に適用することにより、金属微粒子の存在量が炭素系物質粒子からなる多孔質層の深さ方向に変化するように、金属微粒子が炭素系物質粒子に担持されてなる反応層を効率よく形成することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００９】
かくして本発明の第１によれば、機能性材料が多孔質物質に担持されてなる機能性多孔質層の形成方法であって、表面張力が異なる複数種の、機能性材料の溶液又は分散液を多孔質層に塗布し、前記表面張力の違いにより、前記機能性材料の前記多孔質層の深さ方向への浸透を制御することを特徴とする機能性多孔質層の形成方法が提供される。
【００１０】
本発明の機能性多孔質層の形成方法においては、前記機能性多孔質層を、表面張力が異なる複数種の、機能性材料の溶液又は分散液を多孔質層に塗布し、前記溶液又は分散液に含まれる溶媒を除去することにより形成するのが好ましい。
【００１１】
本発明の機能性多孔質層の形成方法においては、多孔質層の深さ方向に機能性材料の存在量が変化するように、機能性材料が多孔質物質に担持されてなる機能性多孔質層を形成するものであるのが好ましい。
【００１２】
本発明の機能性多孔質層の形成方法においては、機能性材料の溶液又は分散液を多孔質層に塗布し、該多孔質層に機能性材料の溶液又は分散液を含浸させる工程を、表面張力が異なる前記機能性材料の溶液又は分散液を用いて複数回繰り返すのが好ましく、前記機能性材料の溶液又は分散液の濃度を各回毎に変えるのがより好ましい。
【００１３】
本発明の機能性多孔質層の形成方法においては、第１の機能性材料の溶液又は分散液を多孔質層に塗布し、前記第１の機能性材料の溶液又は分散液を多孔質層に含浸させた後、前記第１の機能性材料の溶液又は分散液より大きい表面張力を有する、第２の機能性材料の溶液又は分散液を前記多孔質層に塗布し、第２の機能性材料の溶液又は分散液を含浸させるのがより好ましい。
【００１４】
本発明の機能性多孔質層の形成方法においては、前記表面張力が異なる機能性材料の溶液又は分散液として、機能性材料を種類の異なる溶媒に溶解又は分散させて調製したものを用いるのが好ましく、前記機能性材料の溶液又は分散液として、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若しくは該金属の化合物の溶液又は分散液を用いるのが好ましい。
【００１５】
本発明の機能性多孔質層の形成方法においては、前記多孔質層が、炭素系物質粒子からなる多孔質層であるのが好ましい。また、前記機能性多孔質層が、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炭素系物質粒子に担持されてなるものであるのが好ましく、第１の集電層、第１の反応層、電解質膜、第２の反応層、第２の集電層がこの順序で形成されてなる燃料電池の、第１の反応層又は第２の反応層の少なくとも一方であるのがより好ましい。
【００１６】
また、本発明の機能性多孔質層の形成方法においては、前記機能性材料の溶液又は分散液の塗布を、吐出装置を用いて行うのが好ましい。
【００１７】
本発明の第２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の集電層を形成する燃料電池の製造方法であって、前記第１の反応層及び第２の反応層の少なくとも一方を、表面張力が異なる複数種の、反応層形成用材料の溶液又は分散液を炭素系物質粒子からなる多孔質層に塗布し、前記溶液又は分散液に含まれる溶媒を除去することにより形成することを特徴とする燃料電池の製造方法が提供される。
【００１８】
本発明の燃料電池の製造方法においては、前記第１の反応層及び第２の反応層の少なくとも一方を、炭素系物質粒子からなる多孔質層の深さ方向に反応層形成用材料の存在量が変化するように、反応層形成用材料が炭素系物質粒子に担持されてなる反応層を形成するものであるのが好ましい。
【００１９】
本発明の燃料電池の製造方法においては、前記第１の反応層及び第２の反応層の少なくとも一方を、反応層形成用材料の溶液又は分散液を炭素系物質粒子からなる多孔質層に塗布し、該多孔質層に反応層形成用材料の溶液又は分散液を含浸させる工程を、表面張力が異なる反応層形成用材料の溶液又は分散液を用いて複数回繰り返すことにより形成するのが好ましい。
【００２０】
本発明の燃料電池の製造方法においては、前記第１の反応層及び第２の反応層の少なくとも一方を、第１の反応層形成用材料の溶液又は分散液を炭素系物質粒子からなる多孔質層に塗布し、前記第１の反応層形成用材料の溶液又は分散液を炭素系物質粒子からなる多孔質層に含浸させた後、前記第１の反応層形成用材料の溶液又は分散液より大きい表面張力を有する、第２の反応層形成用材料の溶液又は分散液を前記炭素系物質粒子からなる多孔質層に塗布し、第２の反応層形成用材料の溶液又は分散液を含浸させることにより形成するのがより好ましい。
【００２１】
本発明の燃料電池の製造方法においては、前記表面張力が異なる反応層形成用材料の溶液又は分散液として、反応層形成用用材料を種類の異なる溶媒に溶解又は分散させて調製したものを用いるのが好ましい。
【００２２】
本発明の燃料電池の製造方法においては、前記第１の反応層及び第２の反応層の少なくとも一方を、第１の集電層上又は第２の集電層上に炭素系物質粒子を塗布することにより炭素系物質粒子からなる多孔質層を形成し、次いで、表面張力が異なる複数種の、反応層形成用材料の溶液又は分散液を前記炭素系物質粒子からなる多孔質層に塗布し、前記溶液又は分散液に含まれる溶媒を除去することにより形成するのが好ましい。
【００２３】
また、本発明の燃料電池の製造方法においては、前記反応層形成用材料の溶液又は分散液の塗布を、吐出装置を用いて行うのが好ましい。
【００２４】
本発明の燃料電池の製造方法においては、前記第１の反応層及び第２の反応層の少なくとも一方を、金属微粒子が炭素系物質粒子に担持されてなり、該金属微粒子の存在量が、前記反応層の集電層側よりも電解質膜側の方が高くなるように形成するのが好ましい。
【００２５】
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る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。
【００２６】
また本発明の第４によれば、本発明の製造方法により製造される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。
【００２７】
本発明の機能性多孔質層の形成方法によれば、表面張力が異なる、複数種の機能性材料を含む溶液又は分散液を多孔質層に塗布することにより、表面張力の違いにより、前記機能性材料の前記多孔質層への深さ方向への浸透を容易に制御することができるので、機能性材料が深さ方向に変化するように分布している機能性多孔質層を容易に形成することができる。
【００２８】
本発明の機能性多孔質層の形成方法において、表面張力が相対的に小さい機能性材料の溶液又は分散液を塗布した後、表面張力が相対的に大きい機能性材料の溶液又は分散液を塗布する場合には、機能性材料が深さ方向に連続的に小さくなるように分布している機能性多孔質層を容易に形成することができる。
【００２９】
本発明の機能性多孔質層の形成方法において、表面張力が異なる機能性材料の溶液又は分散液として、同一の機能性材料を種類の異なる溶媒に溶解又は分散させて調製したものを用いる場合には、同じ機能性材料が、深さ方向に変化するように、好ましくは深さ方向に連続的に小さくなるように分布してなる機能性多孔質層を容易に形成することができる。
【００３０】
本発明の機能性多孔質層の形成方法において、表面張力が異なる機能性材料の溶液又は分散液を多孔質層に塗布し、機能性材料を多孔質層に含浸させる工程を繰り返すこと、すなわち、用いる機能性材料の溶液又は分散液の表面張力を任意の値に設定し、表面張力が異なる機能性材料の溶液又は分散液を任意に組み合わせ、あるいは機能性材料の溶液又は分散液の塗布量を任意に設定することによって、深さ方向に対して所望の機能性材料の濃度分布（存在分布）を有する機能性多孔質層を容易に形成することができる。
【００３１】
本発明の機能性多孔質層の形成方法において、前記多孔質層が炭素系物質粒子からなる多孔質層であり、前記機能性多孔質層が、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がら選ばれる１種若しくは２種以上の金属の微粒子からなる場合には、炭素系物質粒子からなる多孔質層に、金属微粒子が深さ方向に変化するように、好ましくは深さ方向に連続的に小さくなるように分布してなる、金属微粒子が多孔質炭素系物質粒子に担持されてなる機能性多孔質層を容易に形成することができる。
【００３２】
本発明の機能性多孔質層の形成方法は、第１の集電層、第１の反応層、電解質膜、第２の反応層、第２の集電層がこの順序で形成されてなる燃料電池の、前記第１の反応層又は第２の反応層を形成する方法として好ましく適用することができる。
【００３３】
また、本発明の機能性多孔質層の形成方法において、機能性材料の溶液又は分散液の塗布を吐出装置を用いて行う場合には、機能性材料を所定位置に正確に塗布することができるので、設計通りのプロファイルを有する機能性多孔質層を容易に形成することができる。また、機能性材料の溶液又は分散液を所定位置に必要なだけ塗布することができるので、余分な機能性材料を塗布することがなくなり、機能性材料の使用量を節減することができる。
【００３４】
本発明の燃料電池の製造方法によれば、反応層形成用材料が深さ方向に対して変化するように分布してなる反応層を有する燃料電池を、容易かつ効率よく製造することができる。
【００３５】
本発明の燃料電池の製造方法において、表面張力が相対的に小さい、反応層形成用材料の溶液又は分散液を塗布した後、表面張力が相対的に大きい、反応層形成用材料の溶液又は分散液を塗布する場合には、反応層形成用材料が深さ方向に連続的に小さくなるように分布してなる反応層を有する燃料電池を、容易かつ効率よく製造することができる。
【００３６】
本発明の燃料電池の製造方法において、反応層形成用材料の塗布を吐出装置を用いて行う場合には、均一で、深さ方向に対して所望の反応層形成用材料の濃度分布（存在分布）を有する反応層を効率よく形成することができる。また。従来の反応層形成用材料をベタ塗りして反応層を形成する場合に比して、高価な反応層形成用材料の使用量が少なくなる。従って、低コストで、出力の高い燃料電池を製造することができる。
【００３７】
また、本発明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１つを、金属微粒子が炭素物質粒子に担持されてなり、前記金属微粒子の存在量が、前記反応層の集電層側よりも電解質膜側の方が高くなるように、効率よく形成することができる。
【００３８】
本発明の製造方法により製造される燃料電池は、均一で、所望量の金属微粒子を有する反応層が効率よく形成されてなるため、低コストで、出力密度が高く、特性のよい燃料電池となっている。
【００３９】
本発明の製造方法により得られる燃料電池は、電子機器及び自動車などの電力供給源として有用である。
【００４０】
本発明の電子機器は、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。
【００４１】
また、本発明の自動車は、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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
以下、本発明の機能性多孔質層の形成方法、燃料電池の製造方法、並びにこの燃料電池を備える電子機器及び自動車について詳細に説明する。
【００４３】
１）機能性多孔質層の形成方法
本発明の機能性多孔質層の形成方法は、機能性材料が多孔質物質に担持されてなる機能性多孔質層の形成方法であって、表面張力が異なる複数種の、機能性材料の溶液又は分散液を多孔質層に塗布し、前記表面張力の違いにより、前記機能性材料の前記多孔質層の深さ方向への浸透を制御することを特徴とする。
【００４４】
本発明において、機能性多孔質層とは、多孔質層中の孔質物質に機能性材料が担持（又は吸着）されてなる多孔質層のことをいう。また、本発明の機能性多孔質層の形成方法は、機能性材料が多孔質層中に、深さ方向に所定の濃度分布で存在する多孔質層を形成する方法であるが、同時に、多孔質層表面に機能性材料からなる層が形成される場合も含む。
【００４５】
本発明に用いる多孔質層の孔径は特に制限されないが、通常、数十ｎｍから数百ｎｍである。
【００４６】
本発明に用いる多孔質層としては、多孔質物質からなる層であって、機能性材料を担持可能なものであれば特に制限されない。多孔質物質の好ましい具体例としては、炭素粒子、カーボンナノチューブ、カーボンナノフォーン、フラーレン等の炭素系物質粒子が挙げられる。多孔質層は多孔質物質の１種からなる層であっても、２種以上の多孔質物質からなる層であってもよい。また多孔質層は、他の層の上に形成されたものであっても、多孔質層自体からなるものであってもよい。
【００４７】
本発明の機能性多孔質層の形成方法は、多孔質層に機能性材料を含む溶液又は分散液を塗布し、機能性材料の溶液又は分散液（以下、「機能性材料の液」という）を多孔質層に含浸させる工程（以下、「工程（１）」という）と、前記溶媒又は溶液に含まれる溶媒を除去する工程（以下、「工程（II）」という）に分けることができる。
【００４８】
工程（１）は、表面張力が異なる複数種の機能性材料の液を前記多孔質層に塗布し、前記多孔質層の深さ方向に前記機能性材料の存在量が変化するように、好ましくは連続的に変化するように、より好ましくは表面側から層内部に向かうにつれ、機能性材料の存在量が連続的に少なくなるように機能性材料を前記多孔質層に含浸させる。
【００４９】
一般的に、多孔質層にある物質を含浸させる場合においては、含浸させる物質（溶液又は分散液）の表面張力が大きいほど、深さ方向に対し含浸される範囲が狭くなり、表面張力が小さいほど深さ方向に対し広範囲に含浸する。本発明はこの現象を利用するものである。すなわち、本発明は表面張力が異なる複数種の機能性物質の液を多孔質層に塗布、含浸させることで、多孔質層の深さ方向に対する所望の位置に、所望の濃度の機能性物質が存在するようにした機能性多孔質層を形成するものである。
【００５０】
本発明においては、表面張力が相対的に小さい機能性材料の液を多孔質層に塗布し、多孔質層に含浸させた後、次いで、表面張力が相対的に大きい機能性材料の液を多孔質層に塗布し、該機能性材料の液を多孔質層に含浸させるのが好ましい。その理由は次のとおりである。
【００５１】
表面張力がＡｌｍＮ／ｍである機能性物質の液を多孔質層上に塗布し、多孔質層に含浸させ、次いで、表面張力がＡ１よりも大きいＡ２ｍＮ／ｍである機能性材料の液を多孔質層上に塗布し、多孔質層に含浸させる場合には、表面張力がＡ１の機能性材料の液を用いた場合には、機能性材料は多孔質層の表面から深さｄ１までの間に均一に拡散される。また、表面張力がＡ２である機能性材料の液を用いた場合には、多孔質層の表面から深さｄ２（ｄ１＞ｄ２）までの間に均一に拡散される。すなわち、表面張力がＡ１である場合にも、表面張力がＡ２である場合にも同じ機能性材料を使用するとすれば、相対的に多孔質層の表面付近から深さ方向（ｄ１）にわたって、存在量が連続的に低くなるように機能性材料が分布した状態を得ることができる。
【００５２】
また、多孔質層に機能性材料の溶液又は分散液を塗布した場合、着弾した液は横方向に拡がることなく、多孔質層の深さ方向に浸透する。従って、たとえ、表面張力が高い材料を塗布したとしても、溶媒を後から塗布することにより、機能性材料の深さ方向への浸透深さを制御することができる。
【００５３】
この方法は具体的には次のようにして行うことができる。
【００５４】
第１の濃度を有する第１の機能性材料の溶液又は分散液の所定量を多孔質層に塗布する。次に、前記第１の機能性材料の溶液又は分散液を塗布した位置と同じ位置に溶媒の所定量を塗布する（第１工程）。これにより、機能性材料の多孔質層の深さ方向への浸透を制御することができる。
【００５５】
次いで、第２の濃度を有する第２の機能性材料の溶液又は分散液を多孔質層に塗布する。さらに、第２の機能性材料の溶液又は分散液を塗布した位置と同じ位置に溶媒の所定量を塗布する（第２工程）。この工程を繰り返すことにより、機能性材料の多孔質層の深さ方向に濃度分布を持たせることができる。この場合、第１工程と第２工程との間に、溶媒を除去する工程（乾燥工程）を設けることも好ましい。
【００５６】
なお、本実施形態では、表面張力が異なる２種類の機能性材料の液を例にとって説明したが、機能性材料の液の表面張力の値を多段階に変化させ、表面張力が異なる３種類以上の機能性材料の液を使用することもできる。
【００５７】
本発明で用いる機能性材料としては、多孔質物質に担持されることによって、化学反応性、電気伝導性、光応答性などの機能を発揮する物質であれば特に制限されない。好ましい具体例としては、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等が挙げられる。
【００５８】
機能性材料を溶解又は分散させる溶媒としては特に制限されないが、例えば、水、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、芳香族炭化水素類及びこれらの２種以上の組み合わせ等が挙げられる。
【００５９】
表面張力が異なる機能性材料の液を調製する方法は特に制限されない。例えば、機能性材料として白金微粒子を用いる場合には、水に、アルコール類、グリセリン、エチレングリコールなどの有機溶媒を所定割合で添加したり、水に界面活性剤等を所定割合で添加することにより、表面張力が水の値から２０ｍＮ／ｍまでの広範囲な表面張力を有する白金微粒子の分散液を調製することができる。また、機能性材料の溶液又は分散液の濃度を変えることにより、所定の表面張力を有する溶液又は分散液を調製することもできる。
【００６０】
本発明においては、機能性材料の液の塗布を吐出装置を用いて行うのが好ましい。吐出装置としては、後述する吐出装置２０ａと同様のものを使用することができる。吐出装置を用いて機能性材料の塗布を行う場合には、所望の塗布位置に、必要量の機能性材料の液を正確に塗布することができる。従って、所望量の機能性材料の液を正確に塗布することができるのみならず、機能性材料を塗布・含浸させたい位置のみに正確に塗布することも可能となるため、設計どおりの機能性材料の濃度分布（深さ方向及び水平方向）を有する機能性多孔質層を、容易に形成することができる。
【００６１】
また、用いる吐出装置として、複数の吐出ノズルを有するものを使用することもできる。このような吐出装置を用いる場合には、例えば、機能性材料の液を塗布する領域全体に所定の塗布間隔で機能性材料の液を塗布した後、その塗布間隔の間にさらに機能性材料の液を塗布する場合に、異なる吐出ノズルから機能性材料の液を吐出することができる。この吐出装置によれば、吐出ノズル間に生じる１回の塗布量の誤差を全体として少なくすることができる。
【００６２】
機能性材料の液の塗布は間隔を十分にあけて（例えば、１ｍｍ程度）、少量ずつ（例えば１０ピコリットルずつ）塗布するのが好ましい。溶媒を留去した後、機能性材料の析出段階が変わるため、機能性材料が均一に分散された機能性多孔質層を得る上では、塗布間隔は常に同じであることが好ましい。
【００６３】
次いで、工程（II）において、機能性材料を溶解又は分散している溶媒を除去することにより、多孔質層中に機能性材料が担持（又は吸着）されてなる多孔質層を形成することができる。
【００６４】
機能性材料を溶解又は分散している溶媒を除去する方法としては、加熱して蒸発除去する方法が一般的である。本発明においては、長時間、高温の熱処理は、工程（Ｉ）で形成した機能性材料の分散状態を破壊するおそれがあるため、なるべく短時間、かつ低温で溶媒の除去を行うのが好ましい。具体的には、減圧下で、低温で、好ましくは１００℃以下で溶媒を除去する方法が好ましい。
【００６５】
本発明の機能性多孔質層の形成方法によれば、機能性材料が深さ方向に変化するように分布している機能性多孔質層を容易に形成することができる。本発明の機能性多孔質層の形成方法は、以下に述べる燃料電池の反応層を形成に好適に適用することができる。
【００６６】
２）燃料電池の製造方法
本発明の燃料電池の製造方法は、第１の集電層、第１の反応層、電解質膜、第２の反応層、第２の集電層を形成する燃料電池の製造方法であって、前記第１の反応層及び第２の反応層の少なくとも一方を、表面張力が異なる複数種の、反応層形成用材料の溶液又は分散液を炭素系物質粒子からなる多孔質層に塗布し、前記溶液又は分散液に含まれる溶媒を除去することにより形成することを特徴とする。
【００６７】
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２０１、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。
【００６８】
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２０１、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。
【００６９】
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２０１、２０ｍに搬送して、吐出装置２０１、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み立て作業が行なわれる。
【００７０】
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。
【００７１】
本実施形態では、吐出装置２０ａとして、図２に示すものを用いる。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。
【００７２】
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２５ｍｍ±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を安定して吐出することができる。
【００７３】
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とヘッド部気泡排気弁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。
【００７４】
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。
【００７５】
吸引キャップ４０は、図２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。
【００７６】
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。また、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。
【００７７】
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。
【００７８】
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３に示す。
【００７９】
図３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の支持部材を第２のガス流路内に塗布する工程（Ｓ１９，第２の支持部材塗布工程）、及び第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。
【００８０】
（１）第１のガス流路形成工程（Ｓ１０）
まず、図４（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。
【００８１】
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、斜線部分）が形成される。レジストパターンは、図４（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。
【００８２】
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５（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のガス流路が形成される。また、図５（ｂ）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、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置２０ｃまで搬送される。
【００８３】
（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の支持部材をガス流路内に塗布する。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。
【００８４】
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。
【００８５】
第１の支持部材４が塗布された基板２の端面図を図６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。
【００８６】
（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形成用材料の一定量を、ノズルの形成面２６のノズルを介して基板２上に吐出することにより、所定のパターンを有する第１の集電層が形成される。
【００８７】
用いる集電層形成用材料としては、導電性物質を含む材料であれば特に制限されない。導電性物質としては、例えば、銅、銀、金、白金、アルミニウム等が挙げられる。これらは１種単独で、あるいは２種以上を組み合わせて用いることができる。集電層形成用材料は、これらの導電性物質の少なくとも１種を適当な溶媒に分散させ、所望により分散剤を添加して調製することができる。
【００８８】
本実施形態では、集電層形成用材料の塗布を吐出装置２０ｄを用いて行っているので、簡便な操作により、所定量を所定の位置に正確に塗布することができる。したがって、集電層形成用材料の使用量を大幅に節約でき、所望のパターン（形状）の集電層を効率よく形成することができ、集電層形成用材料の塗布間隔を場所により変化させることにより、反応ガスの通気性を制御することも容易にでき、用いる集電層形成用材料の種類を塗布位置により変更することも自由に行うことができる。
【００８９】
第１の集電層６が形成された基板２の端面図を図７に示す。図７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。
【００９０】
（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のガス拡散層を形成する。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。
【００９１】
用いるガス拡散層形成用材料としては、炭素粒子が搬的であるが、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、集電層側には塗布間隔を大きく（数＋μｍ）し、表面側には塗布間隔を小さく（数十ｎｍ）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微粒子を用い、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。
【００９２】
第１のガス拡散層８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のガス拡散層８は、基板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。このガス拡散層８は多孔質層であり、次の工程で説明するように、ガス拡散層８の一部又は反応層形成用材料を担持する役割を果す。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。
【００９３】
（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。
【００９４】
次に、吐出装置２０ｆのタンク３０内に収容されている、表面張力が異なる反応層形成用材料の溶液又は分散液の所定量が、ガス拡散層８上の第１の反応層形成部位に吐出され、ガス拡散層８上に吐出された反応層形成用材料の溶液又は分散液がガス拡散層８に含浸される。この操作を繰り返すことにより、ガス拡散層８上に反応層形成用材料の塗膜が形成されると同時に、ガス拡散層８の表面部内に、表面部から基板方向に対して反応層形成材料の存在量が連続的に変化する状態を得ることができる。
【００９５】
用いる反応層形成用材料の溶液又は分散液としては、例えば、（ａ）金属化合物（金属錯体、金属塩）の溶液、（ｂ）金属水酸化物をカーボン担体に吸着させた金属担持カーボンの分散液や、（ｃ）金属微粒子の分散液等が挙げられる。
【００９６】
前記（ａ）〜（ｃ）の溶液及び分散液に用いる金属化合物、金属水酸化物、金属微粒子の金属としては、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種以上の金属が挙げられ、白金が特に好ましい。
【００９７】
表面張力が異なる反応層形成用材料の溶液又は分散液を、吐出装置を用いて吐出させる場合には、同じ吐出装置２０ｆから、表面張力が異なる反応層形成用材料の溶液又は分散液を吐出させてもよいし、表面張力が異なる反応層形成用材料の溶液又は分散液毎に異なる吐出装置から吐出させてもよい。例えば、吐出装置２０ｆにより、表面張力が相対的に小さい、反応層形成用材料の溶液又は分散液を吐出させた後、吐出装置２０ｆ’（図示を省略）により、表面張力が相対的に大きい、反応層形成用材料の溶液又は分散液を吐出させるようにしてもよい。
【００９８】
本発明によれば、反応層形成用材料の溶液又は分散液を、その表面張力を段階的に（又は連続的に）変化させながらガス拡散層８上に塗布・含浸させることにより、ガス拡散層８中に表面部から基板側に向けて、反応層形成用材料の存在量が連続的に変化した構造の反応層を形成することができる。また、用いる反応層形成用材料の溶液又は分散液の表面張力、塗布量を適宜設定することで、深さ方向に対する反応層形成用材料が任意の分布パターンで存在している反応層を容易に形成することができる。
【００９９】
また本発明においては、表面張力が異なる反応層形成用材料の溶液又は分散液を塗布し、含浸させる方法として、表面張力の小さいものから順次塗布し、含浸させる方法を用いるのが好ましい。この方法によれば、ガス拡散層８の表面側から第１の集電層に向かうにしたがって、反応層形成用材料の存在量が連続的に小さくなるような反応層を容易に形成することができる。
【０１００】
さらに本発明においては、反応層形成材料の溶液又は分散液を所定間隔をおいて塗布するのが、微粒子状の反応層形成用材料の凝集を防止し、反応層形成用材料が均一に分散された反応層を形成することができるので好ましい。反応層形成用材料の溶液又は分散液を塗布する間隔は、反応層形成用材料の溶液又は分散液の液滴が着弾時に互いに接触しない程度の間隔であれば特に制限されないが、均一で、所望量の反応層形成用材料を有する反応層を効率よく形成する観点から、液滴の大きさを小さくし（例えば、１０ピコリットル以下）、塗布間隔を十分にあける（例えば、０．１〜１ｍｍ程度）のが好ましい。
【０１０１】
吐出装置２０ｆにより、反応層形成用材料の溶液又は分散液を塗布し、ガス拡散層８に含浸することを繰り返した後は、反応層形成用材料を溶解又は分散している溶媒の除去を行うことにより、炭素粒子に反応層形成用材料が担持された構造を得ることができる。
【０１０２】
反応層形成用材料を溶解又は分散している溶媒を除去する方法としては、不活性ガス雰囲気下、常圧で加熱することにより溶媒を除去する方法、減圧下で加熱することにより溶媒を除去する方法等が挙げられるが、後者の方法が好ましい。
【０１０３】
加熱温度は低い程好ましく、より好ましくは１００℃以下、さらに好ましくは５０℃以下である。また、溶媒を除去する処理はなるべく短い時間で行うのが好ましい。長時間、高温で溶媒を除去する場合には、吐出装置により作製した反応層形成用材料の均一な分散状態が破壊され、微粒子状の反応層形成用材料が均一に分散した反応層を得ることができなくなるおそれがある。
【０１０４】
以上のようにして、第１のガス拡散層８上に第１の反応層１０が形成された状態概念図を図９に示す。図９に示すように、第１のガス拡散層８の表面部から基板側に向けて、粒子状の反応層形成用材料１０ａの存在量が連続的に小さくなるような構造の第１の反応層１０が形成されている。また、図９に示す概念図においては、第１のガス拡散層８の一部が第１の反応層１０を兼ねている。
【０１０５】
以上のようにして第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２０ｇまで搬送される。
【０１０６】
（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。
【０１０７】
用いる電解質膜の形成材料としては、例えば、ナフィオン（デュポン社製）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、２０ｍＰａ・ｓ以下）に調整した材料等が挙げられる。
【０１０８】
電解質膜が形成された基板２の端面図を図１１に示す。図１１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。
【０１０９】
（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。第２の反応層は、ガス流路及びガス拡散層が形成された基板上に、不活性ガスを前記ガス流路中を流しながら、反応層形成用材料を塗布して形成する。
【０１１０】
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１０’が形成される。第２の反応層１０’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。
【０１１１】
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１２に示す。図１２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。第２の反応層１０’においては、第２の反応ガスの反応が行われる。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。
【０１１２】
（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８’が形成される。第２のガス拡散層形成用材料としては、第１のガス拡散層８と同様のものが使用できる。
【０１１３】
第２のガス拡散層８’が形成された基板２の端面図を図１３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。
【０１１４】
（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。まず、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。
【０１１５】
（１０）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。
【０１１６】
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１４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。
【０１１７】
（１１）第２の基板組立工程（Ｓ２０）
次に、第２の支持部材４’が塗布された基板２と、別途用意した第２のガス流路が形成された第２の基板２’とを積層する。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２０１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。
【０１１８】
以上のようにして、図１５に示す構造の燃料電池を製造することができる。図１５に示す燃料電池は、図中、下側から、第１の基板２と、第１の基板２に形成された第１のガス流路３と、第１のガス流路３内に収容された第１の支持部材４と、第１の基板２及び第１の支持部材４上に形成された第１の集電層６と、第１のガス拡散層８と、第１のガス拡散層８上に形成された第１の反応層１０と、電解質膜１２と、第２の反応層１０’と、第２のガス拡散層８’と、第２の集電層６’と、第２のガス流路３’と、第２のガス流路３’内に収容された第２の支持部材４’と、第２の基板２’とから構成されている。
【０１１９】
図１５に示す燃料電池の第１の反応層１０及び第２の反応層１０’は、反応層形成用材料が炭素粒子に担持されてなり、前記反応層形成用材料の存在量が、前記反応層の集電層側よりも電解質膜側の方が高くなるように形成されている。従って、均一な所望量の金属微粒子を有する反応層が効率よく形成されており、低コストで、出力密度が高く、特性のよい燃料電池となっている。
【０１２０】
また、図１５に示す燃料電池においては、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のガス流路と基板２’に形成されている第２のガス流路とが平行になるように基板２’が配置されている。
【０１２１】
本実施形態に係る燃料電池の種類は特に制約されない。例えば、高分子電解質型燃料電池、リン酸型燃料電池、ダイレクトメタノールタイプの燃料電池等が挙げられる。
【０１２２】
図１５に示す燃料電池は、次のように動作する。すなわち、第１の基板２の第１のガス流路３から第１の反応ガスが導入され、ガス拡散層８により均一に拡散され、拡散された第１の反応ガスが第１の反応層１０で反応してイオンと電子が生じ、生じた電子は集電層６で集められ、第２の基板２’の第２の集電層６’に流れ、第１の反応ガスにより生じたイオンは電解質膜１２の中を第２の反応層１０’へ移動する。一方、第２の基板２’のガス流路３’から第２の反応ガスが導入され、第２のガス拡散層８’により均一に拡散され、拡散された第２の反応ガスが第２の反応層１０’において、電解質膜１２中を移動してきたイオン及び第２の集電層６’から送り込まれた電子と反応する。例えば、第１の反応ガスが水素ガスであり、第２の反応ガスが酸素ガスである場合には、第１の反応層１０においては、Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−の反応が進行し、第２の反応層１０’においては、１／２０２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２０の反応が進行する。
【０１２３】
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、吐出装置を用いて反応層形成用材料を塗布して、第１の反応層及び／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（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ）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。
【０１２４】
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う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。また、基板上にガス流路形成用材料を吐出装置を用いて塗布してガス流路を形成してもよい。
【０１２５】
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。
【０１２６】
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５（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。
【０１２７】
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。
【０１２８】
本実施形態の燃料電池製造ラインにおいては、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を用いている。従って、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るため、迅速に燃料電池を製造することができる。
【０１２９】
３）電子機器及び自動車
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、ＰＨＳ、モバイル、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。
【０１３０】
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１６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。
【図面の簡単な説明】
【０１３１】
【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概略図である。
【図３】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４】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】実施の形態に係る燃料電池の製造過程の基板の端面図である。
【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】実施の形態に係る反応層の概念図である。
【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】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端面図である。
【図１６】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】
【０１３２】
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、１０ａ…反応層形成用材料、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、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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