(57)【要約】【課題】反応層と電解質膜との接触面積を広くした出力密度の高い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】制御装置５６からの信号に基づいて駆動装置５８により駆動されるベルトコンベアＢＣ１により搬送された第１の基板に、吐出装置２０ａ、２０ｂにおいて第１のガス流路を形成する。次に、ベルトコンベアＢＣ１により搬送された第１の基板に、吐出装置２０ｄにおいて第１の集電層を形成する。次に、インクジェットヘッドを複数備える吐出装置２０ｆにおいて多層構造の第１の反応層、電解質膜及び多層構造の第２の反応層を形成し、吐出装置２０ｈにおいて第２の集電層を形成する。そして、吐出装置２０ｊ、２０ｋ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電解質膜と反応層とが交互に積層された多層構造の反応層の燃料電池の製造を完了する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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の反応層及び前記第２の反応層の内の少なくとも何れか一方が、多層構造であることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記多層構造は、
前記電解質膜と前記第１の反応層とを交互に積層させた構造又は前記電解質膜と前記第２の反応層とを交互に積層させた構造であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
少なくとも１層の集電層、少なくとも１層のガス拡散層、少なくとも１層の反応層及び電解質膜が基板間に形成されてなる燃料電池であって、
前記反応層が多層構造を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
前記多層構造は、
前記電解質膜と前記反応層のうちの１層とを交互に積層させた構造であることを特徴とする請求項３記載の燃料電池。
【請求項５】
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の集電層を形成する第２の集電層形成工程と、
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の反応層を形成する第２の反応層形成工程と、
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の反応層形成工程及び前記第２の反応層形成工程の内の少なくとも何れか一方は、吐出装置を用いて多層構造の反応層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６】
前記第１の反応層形成工程は、
前記電解質膜形成工程において形成される電解質膜と、前記第１の反応層とを交互に積層させることによって多層構造の反応層を形成し、
前記第２の反応層形成工程は、
前記電解質膜形成工程において形成される電解質膜と、前記第２の反応層とを交互に積層させることによって多層構造の反応層を形成することを特徴とする請求項５記載の燃料電池の製造方法。
【請求項７】
ガス流路が形成された一対の基板間に、少なくとも１層の集電層、少なくとも１層のガス拡散層、少なくとも１層の反応層及び電解質膜が形成されてなる燃料電池の製造方法であって、
前記ガス流路内に配置する支持部材、前記集電層、前記ガス拡散層、前記反応層及び前記電解質膜のうち少なくとも１つを形成する工程において吐出装置を用いることを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項８】
前記支持部材上に前記集電層を形成し、
前記集電層上に前記ガス拡散層を形成し、
前記ガス拡散層上に前記反応層を形成し、
前記反応層上に前記電解質膜を形成することを特徴とする請求項７記載の燃料電池の製造方法。
【請求項９】
請求項１〜請求項４の何れか一項に記載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子機器。
【請求項１０】
請求項５〜請求項８の何れか一項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１１】
請求項１〜請求項４の何れか一項に記載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自動車。
【請求項１２】
請求項５〜請求項８の何れか一項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】
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、その燃料電池の製造方法、燃料電池を備えた電子機器及び燃料電池を備えた自動車に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、イオンを通す性質を持つ電解質を、電子を通す性質を持つ多孔質の電極で挟んだ燃料電池が存在する。この燃料電池の中には、水素又はアルコール等を燃料として発電するものが存在する。このような燃料電池のうち、例えば、水素を燃料として用いる燃料電池では、一方の電極に水素を含む第１の反応ガスを供給し、他方の電極に酸素を含む第２の反応ガスを供給し、第１の反応ガスに含まれている水素と第２の反応ガスに含まれている酸素とに基づく反応により発電が行われる。
【０００３】
燃料電池においては、反応を促す触媒として白金を用いた反応層を形成している場合が多い。この反応層は、ガス拡散層を構成するカーボン上に塩化白金酸溶液、或いは、白金を担持した白金担持カーボンを分散させた溶液を吹き付けスプレーを用いて噴霧等することにより形成されている（特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
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、特性の良い燃料電池を製造するためには、触媒を均一に、かつ、所定量を所定の位置に正確に塗布して反応層を形成する必要がある。しかし、スプレーを用いて白金担持カーボンを分散させた溶液を噴霧する等の場合、均一に塗布することや、所定の位置に所定量を正確に塗布することが困難である。
【０００６】
また、燃料電池の出力密度を高くするためには、供給された反応ガスが反応層で反応する際に電子及びイオンの授受が効率的に行われる必要がある。即ち、反応層と電解質膜との接触面積を広くし、反応により発生したイオンが、電解質膜を介して対極の電極へ効率的に移動し、反応が行われるようにする必要がある。しかし、スプレーを用いて反応層を形成した場合、形成される反応層は平面的になるため、反応層と電解質膜との接触面積を広げるには限界がある。
【０００７】
この発明の課題は、反応層と電解質膜との接触面積を広くした出力密度の高い燃料電池、出力密度の高い燃料電池を容易に製造することができる燃料電池の製造方法、出力密度の高い燃料電池を備える電子機器及び出力密度の高い燃料電池を備える自動車を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
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の反応層及び前記第２の反応層の内の少なくとも何れか一方が、多層構造であることを特徴とする。
【０００９】
この燃料電池によれば、第１の反応層及び第２の反応層の内の少なくとも何れか一方が多層構造になっている。従って、電解質膜と反応層との接触面積を広くすることができ、供給された反応ガスが反応する際に電子及びイオンの授受が効率的に行われ、燃料電池の出力密度を高くすることができる。
【００１０】
また、この発明に係る燃料電池は、前記多層構造が前記電解質膜と前記第１の反応層とを交互に積層させた構造又は前記電解質膜と前記第２の反応層とを交互に積層させた構造であることを特徴とする。この燃料電池によれば、電解質膜と反応層とを交互に積層させた多層構造となっているため、反応層と電解質膜との接触面積が広く、燃料電池の出力密度を高くすることができる。
【００１１】
また、この発明に係る燃料電池は、少なくとも１層の集電層、少なくとも１層のガス拡散層、少なくとも１層の反応層及び電解質膜が基板間に形成されてなる燃料電池であって、前記反応層が多層構造を有することを特徴とする。また、この発明に係る燃料電池は、前記多層構造が前記電解質膜と前記反応層のうちの１層とを交互に積層させた構造であることを特徴とする。
【００１２】
この燃料電池によれば、反応層が多層構造に、例えば、電解質膜と反応層を交互に積層させた多層構造になっている。従って、反応層と電解質膜との接触面積が広く、供給された反応ガスが反応する際に電子及びイオンの授受が効率的に行われ、燃料電池の出力密度を高くすることができる。
【００１３】
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の集電層を形成する第２の集電層形成工程と、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の反応層を形成する第２の反応層形成工程と、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の反応層形成工程及び前記第２の反応層形成工程の内の少なくとも何れか一方は、吐出装置を用いて多層構造の反応層を形成することを特徴とする。
【００１４】
この燃料電池の製造方法によれば、第１の反応層形成工程及び第２の反応層形成工程の内の少なくとも何れか一方は、吐出装置を用いて多層構造の反応層を形成している。従って、吐出装置を用いることにより、反応層と電解質膜との接触面積を広くした多層構造の反応層を容易に形成することができる。
【００１５】
また、この発明に係る燃料電池の製造方法は、前記第１の反応層形成工程において、前記電解質膜形成工程において形成される電解質膜と前記第１の反応層とを交互に積層させることによって多層構造の反応層を形成し、前記第２の反応層形成工程において、前記電解質膜形成工程において形成される電解質膜と前記第２の反応層とを交互に積層させることによって多層構造の反応層を形成することを特徴とする。
【００１６】
この燃料電池の製造方法によれば、電解質膜と反応層とを積層させることによって、多層構造の反応層を形成している。即ち、吐出装置を用いることにより、電解質膜と反応層とを交互に積層させることができ、容易に多層構造の反応層を形成することができる。
【００１７】
また、この発明に係る燃料電池の製造方法は、ガス流路が形成された一対の基板間に、少なくとも１層の集電層、少なくとも１層のガス拡散層、少なくとも１層の反応層及び電解質膜が形成されてなる燃料電池の製造方法であって、前記ガス流路内に配置する支持部材、前記集電層、前記ガス拡散層、前記反応層及び前記電解質膜のうち少なくとも１つを形成する工程において吐出装置を用いることを特徴とする。また、この発明に係る燃料電池の製造方法は、前記支持部材上に前記集電層を形成し、前記集電層上に前記ガス拡散層を形成し、前記ガス拡散層上に前記反応層を形成し、前記反応層上に前記電解質膜を形成することを特徴とする。
【００１８】
この燃料電池の製造方法によれば、例えば、吐出装置を用いて反応層と電解質膜とを交互に積層させることによって、多層構造の燃料電池を容易に形成することができる。従って、出力密度を向上させた燃料電池を容易に製造することができる。
【００１９】
また、この発明に係る電子機器は、請求項１〜請求項４の何れか一項に記載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。また、この発明に係る電子機器は、請求項５〜請求項８の何れか一項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。こ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。
【００２０】
また、この発明に係る自動車は、請求項１〜請求項４の何れか一項に記載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。また、この発明に係る自動車は、請求項５〜請求項８の何れか一項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。この自動車によれば、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。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態に係る燃料電池の製造方法について説明する。図１は、実施の形態に係る燃料電池の製造工程を実行する燃料電池製造ラインの構成の一例を示す図である。この図１に示すように、燃料電池製造ラインは、各工程においてそれぞれ用いられる吐出装置２０ａ〜２０ｋ、吐出装置２０ａ〜２０ｉを接続するベルトコンベアＢＣ１、吐出装置２０ｊ、２０ｋを接続するベルトコンベアＢＣ２、ベルトコンベアＢＣ１、ＢＣ２を駆動させる駆動装置５８、燃料電池の組み立てを行う組立装置６０及び燃料電池製造ライン全体の制御を行う制御装置５６により構成されている。
【００２２】
吐出装置２０ａ〜２０ｉ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２０ｊ、２０ｋはベルトコンベアＢＣ２に沿って所定の間隔で一列に配置されている。また、制御装置５６は、各吐出装置２０ａ〜２０ｋ、駆動装置５８及び組立装置６０に接続されている。制御装置５６からの制御信号に基づいてベルトコンベアＢＣ１を駆動させ、燃料電池の基板（以下、単に「基板」とする。）を各吐出装置２０ａ〜２０ｉに搬送して各吐出装置２０ａ〜２０ｉにおける処理を行う。同様に、制御装置５６からの制御信号に基づいてベルトコンベアＢＣ２を駆動させ、基板を吐出装置２０ｊ、２０ｋに搬送してこの吐出装置２０ｊ、２０ｋにおける処理を行う。また、組立装置６０においては、制御装置５６からの制御信号に基づいてベルトコンベアＢＣ１及びベルトコンベアＢＣ２を介して搬入された基板により燃料電池の組み立てを行う。
【００２３】
この燃料電池製造ラインにおいては、吐出装置２０ａにおいて基板に対してガス流路を形成するためのレジスト溶液を塗布する処理が行われ、吐出装置２０ｂにおいて、ガス流路を形成するためのエッチング処理が行われ、吐出装置２０ｃにおいて、集電層を支持するための支持用カーボンを塗布する処理が行われる。また、吐出装置２０ｄにおいて、集電層を形成する処理が行われ、吐出装置２０ｅにおいて、ガス拡散層を形成する処理が行われ、吐出装置２０ｆにおいて、電解質膜と反応層とを交互に積層させた多層構造の反応層を形成する処理及び電解質膜を形成する処理が行われる。更に、吐出装置２０ｇにおいて、ガス拡散層を形成する処理が行われ、吐出装置２０ｈにおいて、集電層を形成する処理が行われ、吐出装置２０ｉにおいて、支持用カーボンを塗布する処理が行われる。
【００２４】
また、吐出装置２０ｊ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２０ｋにおいて、ガス流路を形成するためのエッチング処理が行われる。なお、吐出装置２０ａ〜２０ｉ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２０ｊ、２０ｋ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。
【００２５】
図２は、この発明の実施の形態に係る燃料電池を製造する際に用いられるインクジェット式の吐出装置２０ａの構成の概略を示す図である。この吐出装置２０ａは、基板上に吐出物を吐出するインクジェットヘッド２２を備えている。このインクジェットヘッド２２は、ヘッド本体２４及び吐出物を吐出する多数のノズルが形成されているノズル形成面２６を備えている。このノズル形成面２６のノズルから吐出物、即ち、反応ガスを供給するためのガス流路を基板上に形成する際に、基板に塗布されるレジスト溶液が吐出される。また、吐出装置２０ａは、基板を載置するテーブル２８を備えている。このテーブル２８は、所定の方向、例えば、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に移動可能に設置されている。また、テーブル２８は、図中矢印で示すようにＸ軸に沿った方向に移動することにより、ベルトコンベアＢＣ１により搬送される基板をテーブル２８上に載置して吐出装置２０ａ内に取り込む。
【００２６】
また、インクジェットヘッド２２には、ノズル形成面２６に形成されているノズルから吐出される吐出物であるレジスト溶液を収容しているタンク３０が接続されている。即ち、タンク３０とインクジェットヘッド２２とは、吐出物を搬送する吐出物搬送管３２によって接続されている。また、この吐出物搬送管３２は、吐出物搬送管３２の流路内の帯電を防止するための吐出物流路部アース継手３２ａとヘッド部気泡排除弁３２ｂとを備えている。このヘッド部気泡排除弁３２ｂは、後述する吸引キャップ４０により、インクジェットヘッド２２内の吐出物を吸引する場合に用いられる。即ち、吸引キャップ４０によりインクジェットヘッド２２内の吐出物を吸引するときは、このヘッド部気泡排除弁３２ｂを閉状態にし、タンク３０側から吐出物が流入しない状態にする。そして、吸引キャップ４０で吸引すると、吸引される吐出物の流速が上がり、インクジェットヘッド２２内の気泡が速やかに排出されることになる。
【００２７】
また、吐出装置２０ａは、タンク３０内に収容されている吐出物の収容量、即ち、タンク３０内に収容されているレジスト溶液の液面３４ａの高さを制御するための液面制御センサ３６を備えている。この液面制御センサ３６は、インクジェットヘッド２２が備えるノズル形成面２６の先端部２６ａとタンク３０内の液面３４ａとの高さの差ｈ（以下、水頭値という）を所定の範囲内に保つ制御を行う。液面３４ａの高さを制御することで、タンク３０内の吐出物３４が所定の範囲内の圧力でインクジェットヘッド２２に送られることになる。そして、所定の範囲内の圧力で吐出物３４を送ることで、インクジェットヘッド２２から安定的に吐出物３４を吐出することができる。
【００２８】
また、インクジェットヘッド２２のノズル形成面２６に対向して一定の距離を隔てて、インクジェットヘッド２２のノズル内の吐出物を吸引する吸引キャップ４０が配置されている。この吸引キャップ４０は、図２中に矢印で示すＺ軸に沿った方向に移動可能に構成されており、ノズル形成面２６に形成された複数のノズルを囲むようにノズル形成面２６に密着し、ノズル形成面２６との間に密閉空間を形成してノズルを外気から遮断できる構成となっている。なお、吸引キャップ４０によるインクジェットヘッド２２のノズル内の吐出物の吸引は、インクジェットヘッド２２が吐出物３４を吐出をしていない状態、例えば、インクジェットヘッド２２が、退避位置等に退避しており、テーブル２８が破線で示す位置に退避しているときに行われる。
【００２９】
また、この吸引キャップ４０の下方には、流路が設けられており、この流路には、吸引バルブ４２、吸引異常を検出する吸引圧検出センサ４４及びチューブポンプ等からなる吸引ポンプ４６が配置されている。また、この吸引ポンプ４６等で吸引され、流路を搬送されてきた吐出物３４は、廃液タンク４８内に収容される。
【００３０】
なお、吐出装置２０ｂ〜２０ｅ及び吐出装置２０ｇ〜２０ｋの構成は、吐出装置２０ａと同様の構成であるため説明を省略するが、吐出装置２０ｂ〜２０ｅ及び吐出装置２０ｇ〜２０ｋの各構成には、吐出装置２０ａの説明において各構成に用いたのと同一の符号を用いる。なお、吐出装置２０ｂ〜２０ｅ及び吐出装置２０ｇ〜２０ｋにそれぞれ備えられているタンク３０には、各吐出装置２０ｂ〜２０ｅ及び吐出装置２０ｇ〜２０ｋにおいて行われる所定の処理に必要な吐出物が収容されている。例えば、吐出装置２０ｂ及び吐出装置２０ｋのタンク３０には、ガス流路を形成する際に行われるエッチング用の吐出物が、吐出装置２０ｃ及び吐出装置２０ｉのタンク３０には、支持用カーボンを形成するための吐出物がそれぞれ収容されている。また、吐出装置２０ｄ及び吐出装置２０ｈのタンク３０には、集電層を形成するための吐出物が、吐出装置２０ｅ及び吐出装置２０ｇのタンク３０には、ガス拡散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２０ｊのタンク３０には、吐出装置２０ａのタンク３０に収容されている基板に対してガス流路を形成するための吐出物と同様の吐出物が収容されている。
【００３１】
図３は、吐出装置２０ｆ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３に示すように、吐出装置２０ｆは、吐出装置２０ａが備えるインクジェットヘッド２２及びタンク３０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。吐出装置２０ｆにおいては、電解質膜と反応層とを交互に積層させることによって多層構造の反応層を形成する処理及び電解質膜を形成する処理が行われる。従って、反応層を形成するための吐出物を収容している第１のタンク３０ａ及び第１のタンク３０ａに収容されている吐出物を吐出する第１のインクジェットヘッド２２ａ、電解質膜を形成するための吐出物を収容している第２のタンク３０ｂ及び第２のタンク３０ｂに収容されている吐出物を吐出する第２のインクジェットヘッド２２ｂを備えている。
【００３２】
第１のインクジェットヘッド２２ａは、この第１のインクジェットヘッド２２ａのヘッド本体２４ａのノズル形成面２７ａに形成されているノズル（第１のノズル）から吐出される吐出物を収容している第１のタンク３０ａと接続されている。また、第２のインクジェットヘッド２２ｂは、この第２のインクジェットヘッド２２ｂのヘッド本体２４ｂのノズル形成面２７ｂに形成されているノズル（第２のノズル）から吐出される吐出物を収容している第２のタンク３０ｂと接続されている。
【００３３】
次に、図４のフローチャート及び図面を参照して、実施の形態に係る吐出装置２０ａ〜２０ｋを用いた燃料電池の製造方法について説明する。
【００３４】
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５（ａ）に示すように矩形平板形状であって、例えば、シリコン素材の基板（第１の基板）２をベルトコンベアＢＣ１により吐出装置２０ａまで搬送する。ベルトコンベアＢＣ１により搬送された基板２は、吐出装置２０ａのテーブル２８上に載置され、吐出装置２０ａ内に取り込まれる。吐出装置２０ａにおいては、ノズル形成面２６のノズルを介してタンク３０内に収容されているレジスト溶液を吐出し、テーブル２８上に載置されている基板２の上面の所定の位置に塗布する。ここで、レジスト溶液は、図５（ｂ）に示すように、図中、手前方向から奥に向かって所定の間隔をおいて直線状に塗布される。即ち、基板２において、例えば、水素を含有する第１の反応ガスを供給するためのガス流路（第１のガス流路）を形成する部分を残して、それ以外の部分に対してのみレジスト溶液が塗布される。
【００３５】
次に、所定の位置にレジスト溶液が塗布された基板２（図５（ｂ）参照）は、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置２０ｂまで搬送され、吐出装置２０ｂのテーブル２８上に載置されて吐出装置２０ｂ内に取り込まれる。吐出装置２０ｂにおいては、タンク３０内に収容されているガス流路を形成するために行われるエッチング用の溶液、例えば、フッ酸水溶液をノズル形成面２６のノズルを介して吐出し、テーブル２８上に載置されている基板２の上面の全体に塗布する。
【００３６】
ここで、基板２には、ガス流路を形成する部分以外の部分にレジスト溶液が塗布されているため、レジスト溶液が塗布されていない部分がフッ酸水溶液によりエッチングされ、図６（ａ）に示すように、ガス流路が形成される。即ち、基板２の一方の側面から他方の側面に延びる断面コ字形状のガス流路が形成される。また、図６（ａ）に示すようにガス流路が形成された基板２は、図示しない洗浄装置においてレジストの洗浄が行われ、レジストが取り除かれる（図６（ｂ）参照）。そして、ガス流路が形成された基板２は、テーブル２８からベルトコンベアＢＣ１へと移され、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置２０ｃへと搬送される。
【００３７】
次に、ステップＳ１０において基板２に形成されたガス流路が、集電層及びガス拡散層により塞がれるのを防止すべく、集電層を支持する支持用カーボン（第１の支持部材）をガス流路内に塗布する（ステップＳ１１）。即ち、まず、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置２０ｃまで搬送された基板２を、テーブル２８上に載置して吐出装置２０ｃ内に取り込む。吐出装置２０ｃにおいては、タンク３０内に収容されている支持用カーボン４をノズル形成面２６のノズルを介して吐出し、基板２に形成されているガス流路内に塗布する。ここで、支持用カーボン４として、所定の大きさ、例えば、直径１〜５ミクロン程度の粒子径の多孔質カーボンが用いられる。即ち、集電層及びガス拡散層によりガス流路が塞がれることを防止すると共に、反応ガスがガス流路内を確実に流れることができるように、支持用カーボン４として所定の大きさの多孔質カーボンが用いられる。
【００３８】
図７は、支持用カーボン４が塗布された基板２の端面図である。この図７に示すように、支持用カーボン４がガス流路内に塗布されることにより、基板２上に形成される集電層のガス流路内への落下が防止される。なお、支持用カーボン４が塗布された基板２は、テーブル２８からベルトコンベアＢＣ１へと移され、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置２０ｄへと搬送される。
【００３９】
次に、基板２上に、反応ガスが反応することにより発生した電子を集めるための集電層（第１の集電層）を形成する（ステップＳ１２）。即ち、まず、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置２０ｄまで搬送された基板２を、テーブル２８上に載置して吐出装置２０ｄ内に取り込む。吐出装置２０ｄにおいては、タンク３０内に収容されている集電層６を形成する材料、例えば、銅等の導電性物質をノズル形成面２６のノズルを介してテーブル２８上に載置されている基板２上に吐出する。この時、導電性物質は、ガス流路に供給された反応ガスの拡散を妨げることがない形状に、例えば、網目形状等になるように吐出され集電層６が形成される。
【００４０】
図８は、集電層６が形成された基板２の端面図である。この図８に示すように、集電層６は、基板２上に形成されているガス流路内の支持用カーボン４により支持され、ガス流路内への落下が防止されている。なお、集電層６が形成された基板２は、テーブル２８からベルトコンベアＢＣ１へと移され、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置２０ｅへと搬送される。
【００４１】
次に、ステップＳ１２において形成された集電層６の上に、基板２に形成されたガス流路を介して供給される反応ガスを拡散させるためのガス拡散層を形成する（ステップＳ１３）。即ち、まず、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置２０ｅまで搬送された基板２を、テーブル２８上に載置して吐出装置２０ｅ内に取り込む。吐出装置２０ｅにおいては、タンク３０内に収容されているガス拡散層８を形成するための材料、例えば、カーボンを集電層６上にノズル形成面２６のノズルを介して吐出し、ガス流路を介して供給された反応ガス（第１の反応ガス）を拡散させるためのガス拡散層８を形成する。
【００４２】
図９は、ガス拡散層８が形成された基板２の端面図である。この図９に示すように、例えば、電極としての機能も有するカーボンを集電層６上に吐出し、反応ガスを拡散させるためのガス拡散層８が形成される。ここで、ガス拡散層８を構成するカーボンとしては、ガス流路を介して供給された反応ガスを十分に拡散させることができる程度の大きさであって、かつ、多孔質のカーボンが用いられる。例えば、支持用カーボン４よりも小さく、直径０．１〜１ミクロン程度の粒子径の多孔質カーボンが用いられる。なお、ガス拡散層８が形成された基板２は、テーブル２８からベルトコンベアＢＣ１へと移され、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置２０ｆへと搬送される。
【００４３】
次に、ステップＳ１３において形成されたガス拡散層８の上に多層構造の反応層を形成する（ステップＳ１４）。即ち、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。次に、吐出装置２０ｆにおいては、図１０に示すように多層構造の反応層１０を形成する。即ち、第１のタンク３０ａに収容されている反応層を形成する材料、例えば、触媒である白金を担持した多孔質のカーボン（白金担持カーボン）を含む溶液を第１のノズルを介して図１０において１０ａで示す部分に吐出して反応層の第１層が形成される。ここで、白金担持カーボンを含む溶液には、溶液中で白金担持カーボンが凝集等することを防止するための分散剤が付与されている。次に、第１のタンク３０ａに収容されている白金担持カーボンを含む溶液を反応層第２層の１０ａで示す部分に吐出する。次に、第２のタンク３０ｂ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（電解質膜形成材料）を、第２のノズルを介して吐出する。ここで、電解質膜形成材料は、白金担持カーボンを含む溶液が吐出されていない部分、即ち、１０ａで示す部分以外の部分に対してのみ吐出され、反応層の第２層が形成される。
【００４４】
次に、第１のタンク３０ａに収容されている白金担持カーボンを含む溶液を、反応層の第２層と異なるパターンで第２層の上に第１のノズルを介して吐出する。即ち、図１０において１０ｂで示す部分に白金担持カーボンを含む溶液を吐出する。次に、反応層の第２層を形成する場合と同様に、第２のタンク３０ｂに収容されている電解質膜形成材料を白金担持カーボンを含む溶液が吐出されていない部分、即ち、１０ｂで示す部分以外の部分に対してのみ吐出し、反応層の第３層を形成する。以下、反応層の第２層と同様のパターンで第４層を形成し、第３層と同様のパターンで第５層を形成し、多層構造の反応層（第１の反応層）を形成する。なお、白金担持カーボンを含む溶液に付与されている分散剤は、反応層が形成された後に、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除去される。
【００４５】
図１１は、反応層１０が形成された基板２の端面図である。この図１１に示すように、ガス拡散層８の上に反応層１０が形成される。なお、反応層１０は、図１０に示すような多層構造であるが、図１１においては模式的に反応層１０を示す。また、以下の図においても反応層は、図１１と同様に示すものとする。
【００４６】
次に、ステップＳ１４において形成された反応層１０上にイオン交換膜等の電解質膜を形成する（ステップＳ１５）。即ち、吐出装置２０ｆの第２のタンク３０ｂに収容されている電解質膜形成材料を第２のノズルを介して反応層１０上に吐出し、所定の膜厚を有する電解質膜を形成する。図１２は、電解質膜１２が形成された基板２の端面図である。この図１２に示すように、反応層１０の上に所定の厚さを有する電解質膜１２が形成される。
【００４７】
次に、ステップＳ１５において形成された電解質膜１２上に反応層（第２の反応層）を形成する（ステップＳ１６）。即ち、吐出装置２０ｆにおいて、ステップＳ１４において行われた処理と同様の処理により白金担持カーボンを吐出し、多層構造の反応層１０´を形成する。例えば、第１の反応層が４層構造の反応層となっている場合には、第１の反応層と対称となる４層構造の反応層を構成する。また、第１の反応層と第２の反応層とでは、積層させる層の数を異ならせても構わない。なお、白金担持カーボンを含む溶液に付与されている分散剤は、反応層が形成された後に、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除去される。その後、第１の反応層、電解質膜及び第２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に移され、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置２０ｇまで搬送される。
【００４８】
図１３は、電解質膜１２上に反応層１０´が形成された基板２の端面図である。この図１３に示すように、電解質膜１２上に白金担持カーボンが塗布されることによって、反応層１０´が形成される。ここで、反応層１０´は、第２の反応ガス、例えば、酸素を含有する反応ガスに基づいて反応する層である。
【００４９】
次に、ステップＳ１６において形成された反応層１０´上に第２の反応ガスを拡散させるためのガス拡散層を形成する（ステップＳ１７）。即ち、反応層１０´が形成された基板２は、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置２０ｇまで搬送され、吐出装置２０ｇにおいて、吐出装置２０ｅにおいて行われた処理と同様の処理により所定の粒径の多孔質のカーボンが塗布され、ガス拡散層８´が形成される。
【００５０】
図１４は、反応層１０´上にガス拡散層８´が形成された基板２の端面図である。この図１４に示すように、反応層１０´上に多孔質のカーボンが塗布されることによって、ガス拡散層８´が形成される。
【００５１】
次に、ステップＳ１７において形成されたガス拡散層８´上に集電層（第２の集電層）を形成し（ステップＳ１８）、集電層上にこの集電層を支持するための支持用カーボン（第２の支持部材）を塗布する（ステップＳ１９）。即ち、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置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内に取り込み、吐出装置２０ｄにおいて行われた処理と同様の処理により、集電層６´がガス拡散層８´上に形成される。また、ベルトコンベアＢＣ１により吐出装置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内に取り込み、吐出装置２０ｃにおいて行われた処理と同様の処理により、支持用カーボン４´が塗布される。なお、支持用カーボン４´が塗布された基板２は、テーブル２８からベルトコンベアＢＣ１へと移され、組立装置６０へと搬送される。
【００５２】
図１５は、ガス拡散層８´上に集電層６´及び支持用カーボン４´が形成された基板２の端面図である。この図１５に示すように、上述のステップＳ１８の処理により集電層６´が形成され、上述のステップＳ１９の処理により支持用カーボン４´が塗布される。ここで、支持用カーボン４´は、支持用カーボン４と同様に、即ち、基板２に形成されているガス流路に沿って塗布される。
【００５３】
次に、ステップＳ１９において支持用カーボンが塗布された基板（第１の基板）上にガス流路が形成された基板（第２の基板）を配置することによって燃料電池を組み立てる（ステップＳ２０）。即ち、組立装置６０において、ベルトコンベアＢＣ１を介して搬入された基板２（第１の基板）上にベルトコンベアＢＣ２を介して搬入された基板２´（第２の基板）を配置することにより、燃料電池の組立を行う。ここで、基板２´には、上述のステップＳ１０〜ステップＳ１９における処理とは別に、第２のガス流路が形成されている。即ち、吐出装置２０ｊ及び吐出装置２０ｋにおいて、吐出装置２０ａ及び吐出装置２０ｂにより行われる処理と同様の処理により、第２のガス流路が形成されている。従って、基板２に形成されている一方の側面から他方の側面へと延びる断面コ字形状のガス流路と、基板２´に形成されている断面コ字形状のガス流路とが平行になるように基板２´を配置して燃料電池の組立を行い、燃料電池の製造を完了する。
【００５４】
図１６は、完成した燃料電池の端面図である。この図１６に示すように、第２のガス流路が形成された基板（第２の基板）２´を支持用カーボン４´が塗布された基板２の所定の位置に配置することによって、第１の基板に形成された第１のガス流路を介して第１の反応ガスを供給し、第２の基板に形成された第２のガス流路を介して第２の反応ガスを供給する燃料電池の製造が完了する。本実施の形態では、第１の基板２と第２の基板２´のガス流路は平行となっているが、ガス流路が直交するように第２の基板２´を配置するのが一般的である。
【００５５】
なお、吐出装置を用いることによって製造された小型の燃料電池は、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。
【００５６】
この実施の形態に係る燃料電池によれば、電解質膜形成材料と白金担持カーボンを含む溶液とを交互に積層させた多層構造の反応層を形成している。従って、反応層と電解質膜との接触面積が大きくなっており、燃料電池の出力密度を高くすることができる。また、多層構造の反応層を構成する反応層の第１層と第２層とを異なるパターンで形成しているため、反応層と電解質膜との接触面積をより大きくすることができ、より一層、燃料電池の出力密度を高くすることができる。
【００５７】
また、この実施の形態に係る燃料電池の製造方法によれば、２つのインクジェットヘッドを備える吐出装置用いて電解質膜形成材料と白金担持カーボンを含む溶液とを交互に吐出することにより、多層構造の反応層を形成して燃料電池を製造している。従って、白金担持カーボンを含む溶液を均一、かつ、正確な位置に塗布することができ、容易に多層構造の反応層を形成することができる。そのため、予め設計された通りの量の白金（触媒）を所定の位置に正確に吐出し、出力密度が高い燃料電池を容易に製造することができる。
【００５８】
なお、上述の実施の形態に係る燃料電池の製造方法においては、５層構造の反応層を形成しているが、２層以上の構造の反応層であればよく、例えば、３層構造や６層構造の反応層を形成するようにしてもよい。また、多層構造として形成される反応層の形状は、電解質膜と反応層との接触面積を広くすることができる形状であれば、いかなる形状であってもよい。
【００５９】
また、上述の実施の形態に係る燃料電池の製造方法においては、第１の反応層及び第２の反応層のそれぞれを形成した後に、基板２を加熱することによって分散剤を除去しているが、全ての燃料電池の製造工程を経た後に分散剤を除去するようにしてもよい。即ち、基板２´を所定の位置に配置し、燃料電池を製造する全ての工程を経た後に、製造された燃料電池を、例えば、窒素雰囲気中で２００℃に加熱することにより分散剤を除去するようにしてもよい。
【００６０】
また、上述の実施の形態に係る燃料電池の製造方法においては、白金担持カーボンを含む溶液を塗布することにより反応層を形成しているが、例えば、塩化白金酸溶液を塗布することにより反応層を形成するようにしてもよい。この場合には、まず、白金（触媒）を担持するためのカーボンを塗布し、その後、塩化白金酸溶液を塗布することによって、反応層が形成される。
【００６１】
また、上述の実施の形態に係る燃料電池の製造方法においては、小型の燃料電池を製造しているが、複数の燃料電池を積層させることによって大型の燃料電池を製造するようにしてもよい。即ち、図１７に示すように、製造された燃料電池の基板２´の裏面に、更にガス流路を形成し、ガス流路が形成された基板２´の裏面上に、上述の燃料電池の製造方法における製造工程と同様にしてガス拡散層、反応層、電解質膜等を形成して小型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。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。
【００６２】
この発明に係る燃料電池によれば、第１の反応層及び第２の反応層の少なくとも何れか一方が多層構造となっている。従って、反応層と電解質膜とが接触している面積が多く、燃料電池の出力密度を高くすることができる。
【００６３】
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何れか一方は、吐出装置を用いて多層構造の反応層を形成している。即ち、吐出装置を用いることによって、反応層を形成する材料を均一に、かつ、所定量を所定の位置に塗布することができると共に、電解質膜を形成する材料を反応層上に吐出することによって容易に電解質膜を形成することができる。そのため、反応層と電解質膜との接触面積を広くした出力密度の高い燃料電池を容易に製造することができる。
【００６４】
この発明に係る電子機器によれば、この発明に係る燃料電池又はこの発明に係る燃料電池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いる。また、この発明に係る自動車によれば、この発明に係る燃料電池又はこの発明に係る燃料電池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いる。従って、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】
【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の形成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の形成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】実施の形態に係る多層構造の反応層を説明する図である。
【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させた大型燃料電池の図。
【符号の説明】
２、２´…基板、４、４´…支持用カーボン、６、６´…集電層、８、８´…ガス拡散層、１０、１０´…反応層、１２…電解質膜、２０ａ〜２０ｋ…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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【図１７】
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