(57)【要約】【課題】  吐出装置を用いて機能性材料層を形成する場合に、長期間、一定品質の機能性材料層を形成することができる機能性材料層形成用組成物、機能性材料層の形成方法、この形成方法を用いる燃料電池の製造方法、並びにこの燃料電池の製造方法により得られた該燃料電池を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】  強酸性の機能性材料の溶液に所定量の塩基を添加することにより、吐出装置の構成部材を腐蝕しないものとした機能性材料層形成用組成物、吐出装置を用いて前記組成物を基板上に塗布する機能性材料層の形成方法、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の集電層を有する燃料電池の第１及び第２の反応層の少なくとも一方を、前記機能性材料層形成用組成物を、吐出装置を用いて塗布することにより形成する燃料電池の製造方法、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。【選択図】  なし。【特許請求の範囲】
【請求項１】
吐出装置により吐出される機能性材料層形成用組成物であって、強酸性の機能性材料の溶液に所定量の塩基を添加することにより、前記吐出装置の構成部材を腐蝕しないものとしたことを特徴とする非腐蝕性の機能性材料層形成用組成物。
【請求項２】
前記強酸性の機能性材料溶液がｐＨ２未満の溶液であり、該溶液に所定量の塩基を添加することによりｐＨ２以上の溶液としたことを特徴とする請求項１に記載の機能性材料層形成用組成物。
【請求項３】
前記塩基として、アンモニアまたは有機塩基を用いることを特徴とする請求項１または２に記載の機能性材料層形成用組成物。
【請求項４】
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の集電層を有する燃料電池の、前記第１の反応層及び第２の反応層の少なくとも一方の反応層を形成するための反応層形成用組成物である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材料層形成用組成物。
【請求項５】
白金族化合物の強酸性溶液に、所定量の塩基を添加して得られた反応層形成用組成物であることを特徴とする請求項４に記載の機能性材料層形成用組成物。
【請求項６】
ヘキサクロロ白金酸水溶液に、所定量のアンモニアまたは有機塩基を添加して得られた反応層形成用組成物であることを特徴とする請求項４または５に記載の機能性材料層形成用組成物。
【請求項７】
前記吐出装置の構成部材が、白金族元素よりイオン化傾向が大きい金属又は該金属の化合物を含有するものであることを特徴とする請求項５または６に記載の機能性材料層形成用組成物。
【請求項８】
基体上に、請求項１〜７のいずれかに記載の非腐蝕性の機能性材料層形成用組成物を、吐出装置を用いて塗布する工程を有する機能性材料層の形成方法。
【請求項９】
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の集電層を有する燃料電池の、前記第１の反応層及び第２の反応層の少なくとも一方を、請求項４〜７のいずれかに記載の機能性材料層形成用組成物を、吐出装置を用いて塗布することにより形成する工程を有する燃料電池の製造方法。
【請求項１０】
請求項９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９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、インクジェット式の吐出装置（以下、「吐出装置」という）により吐出される機能性材料層形成用組成物であって、前記吐出装置の構成部材を腐蝕しないものとしたことを特徴とする非腐蝕性の機能性材料層形成用組成物、基体上に、吐出装置を用いてこの組成物を塗布する機能性材料層の形成方法、この形成方法を用いる燃料電池の製造方法、並びにこの燃料電池の製造方法により得られた該燃料電池を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形成された電極（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（特許文献２）が知られている。
【０００５】
しかし、これらの方法はいずれも白金微粒子等の高価な触媒を多量に使用しなければならず、製造コストが高くなり問題であった。そこで、この問題を解決すべく、白金に比較し、低価格で入手できるヘキサクロロ白金酸を触媒として使用する方法が提案されている（特許文献３）。
【０００６】
しかしながら、特許文献３の方法は、ヘキサクロロ白金（ＩＶ）酸を電解質膜に接触させ、化学メッキ法で白金を析出させる方法で反応層を形成するものであったため、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できず、一定の出力密度を有する燃料電池を得ることが困難であるという問題があった。
【０００７】
【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
【特許文献３】特開２００３−２９７３７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、従来から、種々の機能性材料を吐出装置を用いて塗布して、機能性材料の層を形成する技術が知られている。
本発明者らは、この吐出装置を用いて、反応層形成用材料を塗布することにより反応層を形成する方法を案出した。
【０００９】
しかしながら、反応層形成用材料として用いるヘキサクロロ白金（ＩＶ）酸の溶液は強酸性であるため、吐出装置を用いてこの溶液の吐出を繰り返して反応層を形成した場合、吐出装置のノズルヘッド部分が徐々に腐蝕し、ノズル孔のサイズや形状が不均一となる。そのため、一定量の反応層形成用材料を塗布することが困難となり、触媒が均一に分散した反応層を形成することができないという新たな問題が生じた。
【００１０】
本発明は、かかる問題に鑑みてなされたものであって、吐出装置を用いて、燃料電池の反応層に代表される機能性材料層を形成する場合に、吐出装置の構成部材を腐蝕することがない機能性材料層形成用組成物を使用することで、長期間、一定品質の機能性材料層を形成することができる機能性材料層形成用組成物、基体上に、吐出装置を用いてこの組成物を塗布する機能性材料層の形成方法、この形成方法を用いる燃料電池の製造方法、並びにこの燃料電池の製造方法により得られた該燃料電池を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】
【００１１】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究した結果、吐出装置を使用して反応層形成用材料を塗布することにより反応層を形成する燃料電池の製造方法において、吐出装置の構成部材を腐蝕しない反応層形成用材料を用いることにより、一定の高品質な反応層を有する燃料電池を量産することができることを見出した。そして、この知見を一般化することで本発明を完成するに到った。
【００１２】
かくして本発明の第１によれば、吐出装置により吐出される機能性材料層形成用組成物であって、強酸性の機能性材料の溶液に所定量の塩基を添加することにより、前記吐出装置の構成部材を腐蝕しないものとしたことを特徴とする非腐蝕性の機能性材料層形成用組成物が提供される。
【００１３】
本発明の機能性材料層形成用組成物においては、前記強酸性の機能性材料溶液がｐＨ２未満の溶液であり、該溶液に所定量の塩基を添加することによりｐＨ２以上の溶液としたものが好ましい。
本発明の機能性材料層形成用組成物においては、前記塩基として、アンモニアまたは有機塩基を用いるのが好ましい。
【００１４】
本発明の機能性材料層形成用組成物においては、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の集電層を有する燃料電池の、前記第１の反応層及び第２の反応層の少なくとも一方の反応層を形成するための反応層形成用組成物であるのが好ましく、白金族元素化合物の強酸性溶液に、所定量の塩基を添加して得られた反応層形成用組成物であるのがより好ましく、ヘキサクロロ白金酸水溶液に、所定量のアンモニアまたは有機塩基を添加して得られた反応層形成用組成物であるのがさらに好ましい。
【００１５】
本発明の機能性材料層形成用組成物においては、前記吐出装置の構成部材が、白金族元素よりイオン化傾向が大きい金属又は該金属の化合物を含有するものであるのが好ましい。
【００１６】
本発明の機能性材料層形成用組成物は、吐出装置の構成部材を腐蝕しないものであるので、吐出装置を長期間にわたって繰り返し使用した場合であっても、一定品質の機能性材料層を量産することができる。
【００１７】
本発明の第２によれば、基体上に、本発明の非腐蝕性の機能性材料層形成用組成物を、吐出装置を用いて塗布する工程を有する機能性材料層の形成方法が提供される。
本発明の機能性材料層の形成方法によれば、吐出装置の構成部材を腐蝕しない機能性材料層形成用組成物を用いるので、吐出装置を長期間にわたって繰り返し使用した場合であっても、一定品質の機能性材料層を量産することができる。
【００１８】
本発明の第３によれば、第１の集電層、第１の反応層、電解質膜、第２の反応層及び第２の集電層を有する燃料電池の、前記第１の反応層及び第２の反応層の少なくとも一方を、本発明の機能性材料層形成用組成物を、吐出装置を用いて塗布することにより形成する工程を有する燃料電池の製造方法が提供される。
【００１９】
本発明の燃料電池の製造方法によれば、吐出装置の構成部材を腐蝕しない機能性材料形成用組成物を用いるので、吐出装置を長期間にわたって繰り返し使用した場合であっても、均一な品質を有する反応層を効率よく形成することができる。したがって、本発明の燃料電池の製造方法によれば、出力密度が一定の高品質な燃料電池を低コストで量産することができる。
【００２０】
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。
本発明によれば、地球環境に優しいクリーンエネルギーを電力供給源として備える電子機器を提供することができる。
【００２１】
本発明の第５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。
本発明によれば、地球環境に優しいクリーンエネルギーを電力供給源として備える自動車を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明を、１）機能性材料層形成用組成物、２）機能性材料層の形成方法、３）燃料電池の製造方法、４）電子機器及び５）自動車に項分けして説明する。
【００２３】
１）機能性材料層形成用組成物
本発明の機能性材料層形成用組成物は、吐出装置により吐出される非腐蝕性の機能性材料層形成用組成物であって、強酸性の機能性材料の溶液に所定量の塩基を添加することにより、前記吐出装置の構成部材を腐蝕しないものとしたことを特徴とする。
【００２４】
本発明の機能性材料層形成用組成物に用いる機能性材料としては、強酸性であって、吐出装置の構成部材と接触することで該構成部材を腐蝕するおそれのあるものであれば、特に制限されない。例えば、燃料電池の反応層形成用材料や、有機エレクトロルミネッセンス素子の発光層形成用材料等が挙げられる。なかでも、燃料電池の反応層の形成用材料がより好ましく、ｐＨ２未満の白金族元素化合物の強酸性の溶液が特に好ましい。
【００２５】
白金族元素化合物としては、例えば、白金、ロジウム、パラジウム、ルテニウム、オスミウム、イリジウム等及び、これらの２種以上からなる合金からなる群より選ばれる、１種若しくは２種以上の金属の化合物が挙げられる。これらのうち、ヘキサクロロ白金（ＩＶ）酸が特に好ましい。
【００２６】
白金族元素化合物の強酸性溶液に用いる溶媒としては、特に制限はないが、水；メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール等のアルコール類；ｎ−ヘプタン、ｎ−オクタン、デカン、トルエン、キシレン、シメン、デュレン、インデン、ジペンテン、テトラヒドロナフタレン、デカヒドロナフタレン、シクロへキシルベンゼン等の炭化水素系化合物；エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、エチレングリコールメチルエチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールメチルエチルエーテル、１，２ジメトキシエタン、ビス（２−メトキシエチル）エーテル、ｐ−ジオキサン等のエーテル系化合物等が挙げられる。これらは１種単独で、あるいは２種以上を混合して用いることができる。これらのうち、水または水と他の有機溶媒からなる混合溶媒が好ましい。
【００２７】
白金族元素化合物の溶液濃度は特に制限されず、この溶液の吐出に好適な粘度及び表面張力を満たす濃度であればよいが、１重量％以上かつ２０重量％以下が好ましい。
【００２８】
白金族元素化合物の溶液の粘度は特に制限されないが、１ｍＰａ・ｓ以上かつ５０ｍＰａ・ｓ以下であることが好ましい。吐出装置を使用して吐出する際に、粘度が１ｍＰａ・ｓより小さいと、ノズル孔の周辺部が反応層形成用材料の流出により汚染されやすく、また、粘度が５０ｍＰａ・ｓより大きいと、ノズル孔での目詰まりの頻度が高くなり、円滑な液滴の吐出が困難となる。
【００２９】
白金族元素化合物の溶液の表面張力は特に制限されないが、２ｍＮ／ｍ以上かつ７５ｍＮ／ｍ以下の範囲に入ることが好ましい。吐出装置を用いて液体を吐出する際、表面張力が２ｍＮ／ｍ未満であると、この反応層形成用材料のノズル面に対するぬれ性が増大するため、飛行曲がりが生じ易くなる。その一方、７５ｍＮ／ｍを超えるとノズル先端でのメニスカスの形状が安定しないため、吐出量、吐出タイミングの制御が困難になる。
【００３０】
本発明の機能性材料層形成用組成物は、強酸性の機能性材料の溶液に所定量の塩基を添加することにより、前記吐出装置の構成部材を腐蝕しないものとしたものである。
【００３１】
用いる塩基は特に制限されないが、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等のアルカリ金属水酸化物；炭酸ナトリウム、炭酸カリウム等のアルカリ金属炭酸塩；炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウム等のアルカリ金属炭酸水素塩；水素化ナトリウム等のアルカリ金属水素化物；水素化カルシウム等のアルカリ土類金属水素化物；アンモニア；等の無機塩基、
【００３２】
メチルアミン、エチルアミン、ｎ−プロピルアミン、アニリン等の１級アミン；ジメチルアミン、ジエチルアミン、ジ−ｎ−プロピルアミン等の２級アミン；トリメチルアミン、トリエチルアミン、トリ−ｎ−プロピルアミン等の３級アミン；ピリジン等の含窒素複素環化合物；等の有機塩基が挙げられる。
これらの中でも、後処理、取り扱い及びコストの点から、アンモニアまたは有機塩基の使用が好ましい。
【００３３】
塩基の添加量は、強酸性の機能性材料の溶液に塩基を添加することにより、吐出装置の構成部材を腐蝕しない機能性材料層形成用組成物が得られるような量、より具体的には、ｐＨが２未満の強酸性の機能性材料の溶液に塩基を添加して、ｐＨ２以上の機能性材料層形成用組成物が得られる量であれば、特に制限されない。
【００３４】
機能性材料の溶液に塩基を添加する方法に特に制限はない。例えば、機能性材料の溶液に、攪拌下で塩基の水溶液を添加する方法、機能性材料の溶液に気体状の塩基を吹き込む方法、機能性材料の溶液に、固体状の塩基を添加する方法等が挙げられる。これらの中でも、操作性等の観点から、機能性材料の溶液に、攪拌下で塩基の水溶液を添加する方法が好ましい。
【００３５】
本発明の対象とする吐出装置としては、インクジェット方式の吐出装置であれば特に制限されない。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、液滴の吐出を行うピエゾ方式の吐出装置等が挙げられる。
【００３６】
本発明の対象とする吐出装置の一例を図１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。
【００３７】
タンク３０は、本発明の機能性材料層形成用組成物等の吐出物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ト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を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。
【００３８】
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。
【００３９】
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機能性材料層形成用組成物等が吐出される。
【００４０】
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。
【００４１】
吸引キャップ４０は、図１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。
【００４２】
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。
【００４３】
本発明が対象とする吐出装置は、好ましくは、その構成部材が、本発明の機能性材料層形成用組成物に含まれる白金族元素化合物の、白金族元素よりイオン化傾向が大きい金属又は該金属の化合物を含有するものである。例えば、インクジェットヘッドの表面は、ポリテトラフルオロエチレンと、白金族元素よりイオン化傾向が大きいニッケルまたはニッケルの化合物の混合物から形成されている。
【００４４】
本発明の機能性材料層形成用組成物は、機能性材料の溶液に塩基を加えることで調製することができるが、機能性材料の溶液に塩基を加える操作は、吐出装置の吐出ノズルから機能性材料層形成用組成物を吐出する前であれば、どの工程でも行うことができる。例えば、吐出物搬送管３２で反応層形成用材料を吸い上げる前にタンク３０中で行うことができるし、あるいは、吐出物搬送管３２の途中にｐＨを調整するためのタンクを設けてそのタンク中で行うこともできる。
【００４５】
本発明の機能性材料層形成用組成物は、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の集電層を有する燃料電池の、前記第１の反応層及び第２の反応層の少なくとも一方の反応層を形成するための反応層形成用組成物であるのが好ましい。この場合においては、白金族元素化合物の強酸性溶液に、所定量の塩基を添加して得られたものであるのが好ましく、ヘキサクロロ白金酸水溶液に、所定量のアンモニアまたは有機塩基を添加して得られるものであるのがより好ましい。また、前記吐出装置の構成部材が、白金族元素よりイオン化傾向が大きい金属又は該金属の化合物を含有するものであるのが好ましい。
【００４６】
本発明の機能性材料層形成用組成物は、吐出装置の構成部材と接触しても構成部材を腐蝕しないものであるので、一定品質の機能性材料を長期間にわたって量産することが可能となる。
【００４７】
２）機能性材料層の形成方法
本発明の第２は、基体上に、本発明の非腐蝕性の機能性材料層形成用組成物を、吐出装置を用いて塗布する工程を有する機能性材料層の形成方法である。
【００４８】
基体としては、機能性材料層を担持することができるものであれば特に制限されない。本発明の方法により得られる機能性材料層が、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の集電層を有する燃料電池の、第１または第２の反応層である場合には、第１の集電層または電解質膜が基体となる。
【００４９】
本発明の機能性材料層の形成方法によれば、吐出装置の構成部材と接触しても構成部材を腐蝕しない機能性材料層形成用組成物を用いるので、均一な品質を有する機能性材料層を、長期間にわたって効率よく量産することができる。
【００５０】
３）燃料電池の製造方法
本発明の第３は、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の集電層を有する燃料電池の、前記第１の反応層及び第２の反応層の少なくとも一方を、本発明の機能性材料層形成用組成物を、吐出装置を用いて塗布することにより形成する工程を有する燃料電池の製造方法である。
【００５１】
本発明の燃料電池の製造方法は、図２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２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。
【００５２】
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。
【００５３】
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における処置が行われる。同様に、制御装置５６からの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２９ｌ、２０ｍに搬送して、吐出装置２０ｌ、２０ｍにおける処理が行われる。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われる。
【００５４】
本実施形態では、吐出装置２０ａとして、図１に示すものを用いる。また、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。
【００５５】
次に、図２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２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。
【００５６】
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。  
【００５７】
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。
【００５８】
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内に取りこまれる。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。
【００５９】
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内に取りこまれる。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。
【００６０】
第１の支持部材塗布工程（Ｓ１１）
次に、第１に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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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内に取りこむ。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。
【００６４】
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。
【００６５】
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る。
【００６６】
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。
【００６７】
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。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内に取りこむ。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。
【００６８】
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。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。
【００６９】
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。
【００７０】
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内に取りこむ。次に、吐出装置２０ｆのタンク３０内に収容されている反応層形成用組成物の所定量が、基板２表面上の第１の反応層形成部位に吐出され、反応層形成用組成物の塗膜が形成される。次いで、得られた塗膜を不活性雰囲気中で焼成することにより反応層が形成される。
【００７１】
用いる反応層形成用組成物は、吐出装置の構成部材と接触したときに、用いた構成部材が腐蝕するのを防ぐために、ｐＨ２未満の強酸性の白金族元素化合物の溶液又は分散液に所定の塩基を添加して、ｐＨ２以上の白金族元素化合物の溶液又は分散液としたものである。
反応層形成用組成物は、前記機能性材料層形成用組成物の項で説明したものと同様にして調製することができる。
【００７２】
吐出装置２０ｆにより、反応層形成用材料を塗布して反応層形成用材料の塗膜を形成した後は、触媒としての十分な活性を発現させるために、不活性ガス雰囲気下で、焼成を行う。焼成を行うことにより、第１の反応層１０を得ることができる。
【００７３】
反応層形成用材料の塗膜を焼成する方法としては、前記塗膜を、不活性ガス雰囲気下、常圧で加熱することにより不要分を除去する方法、減圧下で加熱することにより不要分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。加熱温度は低いほど好ましく、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、不要分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、高温で不要分を除去する場合には、吐出装置により作製した白金族元素化合物の均一な分散状態が破壊され、触媒金属が均一に分散した反応層を形成することができないからである。
【００７４】
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９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
【００７５】
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内に送りこむ。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。
【００７６】
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、２０ｃＰ以下）に調整した材料等が挙げられる。
【００７７】
電解質膜が形成された基板２の端面図を図１０に示す。図１０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。
【００７８】
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。
【００７９】
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内に取りこむ。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。
【００８０】
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１１に示す。図１１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。
【００８１】
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内に取りこむ。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。第２の反応層１０’上に第２のガス拡散層８’が形成された基板２の端面図を図１２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。
【００８２】
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。
【００８３】
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内に送りこみ、吐出装置２０ｃにおいて行われた処理と同様処理により、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。
【００８４】
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１３に示す。第２の支持部材４’は、第２の集電層８’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。
【００８５】
第２の基板組立工程（Ｓ２０）
次に、第２の支持部材４’が塗布された基盤２と、別途用意した第２のガス流路が形成された第２の基板とを積層する。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により行われる処理と同様の処理により行われる。
【００８６】
以上のようにして、図１４に示す構造の燃料電池を製造することができる。図１４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。また、図１４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。
【００８７】
本実施形態により製造され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。
【００８８】
本実施形態により製造される燃料電池は、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８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８’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’から送りこ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１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏの反応が進行する。
【００８９】
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、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（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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の基盤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。
【００９３】
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。
【００９４】
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る。そのため、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。
【００９５】
また、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１５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。このようにして得られる大型の燃料電池は、後述するように自動車の電力供給源として有用である。
【００９６】
４）電子機器
本発明の電子機器は、本発明の燃料電池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ことを特徴とする。電子機器としては、携帯電話、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。
本発明によれば、地球環境に優しいクリーンエネルギーを電力供給源として備える電子機器を低コストかつ高品質で提供することができる。
【００９７】
５）自動車
本発明の自動車は、本発明の燃料電池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ことを特徴とする。
本発明によれば、地球環境に優しいクリーンエネルギーを電力供給源として備える自動車を低コストかつ高品質で提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】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２】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】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端面図である。
【図１５】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】
【００９９】
２・・・第１の基板、２’・・・第２の基板、３・・・第１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、ＢＣ１，２・・・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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