JP4175146B2 - FUEL CELL MANUFACTURING METHOD, ELECTRONIC DEVICE HAVING FUEL CELL, AND AUTOMOBILE - Google Patents
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Description
【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[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a fuel cell in which different types of reaction gases are supplied from the outside to each electrode, and power is generated by a reaction based on the supplied reaction gas, and an electronic device including the fuel cell manufactured by the manufacturing method And related to automobiles.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, an electrolyte membrane and an electrode (anode) having a reaction layer disposed on one surface of the electrolyte membrane, and an electrode (cathode) disposed on the other surface of the electrolyte membrane and having a reaction layer made of platinum fine particles, etc. There is a fuel cell. For example, in a solid polymer electrolyte fuel cell in which the electrolyte membrane is a solid polymer electrolyte membrane, a reaction to convert hydrogen into hydrogen ions and electrons is performed on the anode side, the electrons flow to the cathode side, and the hydrogen ions to the cathode side. The reaction moves through the electrolyte membrane and generates water from oxygen gas, hydrogen ions and electrons on the cathode side.
[0003]
As a method for forming a reaction layer that catalyzes such a reaction, for example, (a) a paste for forming an electrode catalyst layer prepared by mixing a catalyst-supporting carbon in a polymer electrolyte solution and an organic solvent is used as a transfer substrate (polyester). A method of transferring a catalyst layer (reaction layer) to an electrolyte membrane by applying it to a tetrafluoroethylene sheet), drying it, thermocompression bonding it to the electrolyte membrane, and then peeling the transfer substrate (Patent Document 1), ( b) A method is known in which an electrolyte solution of carbon particles carrying a solid catalyst is applied on a carbon layer used as an electrode by spraying, and then the solvent is volatilized (Patent Document 2).
[0004]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 8-88008
[Patent Document 2]
JP 2002-298860 A
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in order to increase the output density of the fuel cell and to efficiently manufacture a fuel cell with good characteristics, it is necessary to efficiently form a reaction layer with good reaction efficiency. However, in the method (a), since a reaction layer is formed on a transfer substrate and then transferred onto an electrolyte membrane, the number of steps is complicated and complicated. In addition, the thickness of the electrolyte covering the catalyst is not uniform, and there are many wasteful electrolyte portions, and this wasteful electrolyte membrane portion may block the gas flow path and deteriorate gas diffusion. In the method (b), it is difficult to apply the catalyst uniformly or to apply a predetermined amount of the catalyst accurately at a predetermined position. There has been a problem that the production cost is increased due to a decrease in the amount used or an increase in the use amount of an expensive catalyst such as platinum.
[0006]
The present invention has been made to solve such problems of the prior art, and can be manufactured at a low cost, and a method for manufacturing a fuel cell having a reaction layer having high catalytic activity, and the manufacturing method. It is an object of the present invention to provide an electronic device and a vehicle including the manufactured fuel cell.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have applied a metal fine particle for forming a reaction layer by using an ink jet discharge device (hereinafter referred to as a discharge device) to form a reaction layer. Inspired. When this method is adopted, a dispersion in which metal fine particles are coated with a dispersant is used to prevent aggregation and settling of the metal fine particles. After the dispersion is applied, it is necessary to remove the dispersant by a method such as baking. There is. In addition, before applying the dispersion, it is necessary to apply porous carbon fine particles to be a gas diffusion layer in advance. Therefore, conventionally, a dispersing agent such as tetradecane or terpineol, which has been easily removed, has been used because the dispersion solvent must be removed under the condition that the carbon fine particles of the gas diffusion layer do not burn. However, tetradecane and terpineol are relatively expensive and are not industrially versatile dispersants. In addition, in the vicinity of the boundary between the gas diffusion layer and the reaction layer, the dispersant may remain, or the carbon fine particles in the current collecting layer may partially burn, which may deteriorate the electric characteristics and gas diffusion efficiency of the fuel cell. .
[0008]
Therefore, a dispersion containing metal fine particles and an organic dispersant is applied using a discharge device, and a method for firing (so-called steaming) the obtained coating film at a predetermined temperature in a nitrogen atmosphere has been devised. The inventors have found that a reaction layer having a structure in which a large number of carbon fine particles are present around can be easily formed, and have completed the present invention.
[0009]
Thus, according to the first aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a fuel cell in which a first current collecting layer, a first reaction layer, an electrolyte membrane, a second reaction layer, and a second current collecting layer are formed. Applying a dispersion liquid containing metal fine particles for forming a reaction layer and an organic dispersing agent on the first current collecting layer to form a coating film, and firing the coating film in a non-oxidizing atmosphere. The manufacturing method of the fuel cell which has a process to perform is provided.
[0010]
The manufacturing method of the present invention includes a first gas flow path forming step for forming a first gas flow path for supplying a first reaction gas to a first substrate, and the first gas flow path. A first current collecting layer forming step of forming a first current collecting layer for collecting electrons generated by the reaction of the first reaction gas supplied via the first reactive gas, and supplying the first current collecting layer through the first gas flow path. A first reaction layer forming step for forming a first reaction layer for reacting the first reaction gas formed with a catalyst, an electrolyte film forming step for forming an electrolyte membrane, and a second reaction on the second substrate. Necessary for the reaction of the second gas flow path forming step for forming the second gas flow path for supplying the gas and the second reaction gas supplied through the second gas flow path. A second current collecting layer forming step of forming a second current collecting layer for supplying electrons, and the second current flowing through the second gas flow path. And a second reaction layer forming step for forming a second reaction layer for reacting two reaction gases with a catalyst, wherein the first reaction layer forming step and the second reaction layer are provided. At least one of the forming steps preferably includes a step of forming a coating film with a dispersion liquid containing metal fine particles for forming a reaction layer and an organic dispersant, and baking the coating film in a non-oxidizing atmosphere.
[0011]
In the manufacturing method of this invention, it is preferable to form the coating film of the said dispersion liquid using a discharge device.
In the production method of the present invention, an alkylene glycol-based material is preferably used as the organic dispersant.
In the production method of the present invention, the metal fine particles may be one or more metals selected from the group consisting of platinum, rhodium, ruthenium, iridium, palladium, osmium, and alloys of two or more thereof. It is preferable to use fine particles.
[0012]
According to a second aspect of the present invention, there is provided an electronic apparatus comprising a fuel cell manufactured by the manufacturing method of the present invention as a power supply source.
According to a third aspect of the present invention, there is provided an automobile comprising a fuel cell manufactured by the manufacturing method of the present invention as a power supply source.
[0013]
According to the production method of the present invention, a reaction layer having a structure in which a large number of carbon fine particles exist around metal fine particles can be easily formed by a simple operation.
According to the production method of the present invention, the dispersant remains in the vicinity of the boundary between the reaction layer and the current collection layer, or the carbon fine particles in the gas diffusion layer are burned, so that the electric characteristics and gas diffusion characteristics of the fuel cell are deteriorated. Nothing will happen. In addition, since the carbon fine particles present around the metal fine particles also serve as a gas diffusion layer and a current collecting layer, it is possible to manufacture a fuel cell with improved electrical characteristics and gas diffusion efficiency.
[0014]
In the production method of the present invention, when the dispersion liquid containing the metal fine particles and the organic dispersant is applied using a discharge device, the metal fine particles that are the reaction catalyst can be efficiently and uniformly applied, and Since a required amount of catalyst can be accurately applied to a predetermined position, a fuel cell with a high output density can be manufactured efficiently.
[0015]
An electronic apparatus according to the present invention includes a fuel cell manufactured by the manufacturing method of the present invention as a power supply source. According to the electronic device of the present invention, it is possible to provide clean energy appropriately taking into account the global environment as a power supply source.
In addition, the automobile according to the present invention includes a fuel cell manufactured by the manufacturing method of the present invention as a power supply source. According to the automobile of the present invention, clean energy that appropriately considers the global environment can be provided as a power supply source.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a method for manufacturing a fuel cell according to the present invention, and an electronic apparatus and a vehicle including the fuel cell manufactured by the method according to the present invention as a power supply source will be described in detail.
[0017]
The present invention includes a first gas flow path forming step for forming a first gas flow path on a first substrate, a first current collecting layer forming step for forming a first current collecting layer, A first reaction layer forming step for forming a first reaction layer for catalyzing a reaction of the reaction gas; an electrolyte film forming step for forming an electrolyte membrane; and a second gas flow path for forming a second gas flow path on the second substrate. And a second reaction layer forming step for forming a second reaction layer, and a second reaction layer forming step for forming a second reaction layer. It is a manufacturing method.
[0018]
The fuel cell manufacturing method of the present invention can be carried out using the fuel cell manufacturing apparatus (fuel cell manufacturing line) shown in FIG. In the fuel cell production line shown in FIG. 1, the
[0019]
The
[0020]
In this fuel cell production line, the belt conveyor BC1 driven by the drive device 58 is driven, and a substrate of the fuel cell (hereinafter simply referred to as “substrate”) is conveyed to each of the
[0021]
The
[0022]
An outline of the
The
[0023]
FIG. 3 shows a conceptual representation of the
The
[0024]
The tank 30 contains a
[0025]
The discharge
[0026]
The
The table 28 is installed to be movable in a predetermined direction. The table 28 moves in the direction indicated by the arrow in the figure to place the substrate conveyed by the belt conveyor BC1 and take it into the
[0027]
The
[0028]
A flow path is provided below the
The discharged
[0029]
In the present embodiment, the ejection devices 20b to 20m have the same configuration as that of the
[0030]
Next, each process of manufacturing a fuel cell will be described using the fuel cell manufacturing line shown in FIG. FIG. 4 shows a flowchart of a fuel cell manufacturing method using the fuel cell manufacturing line shown in FIG.
[0031]
As shown in FIG. 4, the fuel cell according to the present embodiment includes a step of forming a gas flow path on the first substrate (S10, first gas flow path forming step), and a first support in the gas flow path. A step of applying a member (S11, first support member applying step), a step of forming a first current collecting layer (S12, first current collecting layer forming step), a step of forming a first gas diffusion layer (S13, first gas diffusion layer formation step), first reaction layer formation step (S14, first reaction layer formation step), electrolyte membrane formation step (S15, electrolyte membrane formation step), second A step of forming a reaction layer (S16, second reaction layer formation step), a step of forming a second gas diffusion layer (S17, second gas diffusion layer formation step), and forming a second current collecting layer Step (S18, second current collecting layer forming step), step of applying the second support member (S19, second support member) Cloth step), laminating a second substrate to the second gas channel is formed (S20, manufactured by assembly process).
[0032]
(1) First gas flow path forming step (S10)
First, as shown to Fig.5 (a), the rectangular 1st board |
[0033]
The board |
[0034]
The
[0035]
(2) First support member application step (S11)
Next, a first support member for supporting the first current collecting layer is applied to the first
[0036]
The first support member is applied by placing the
[0037]
The first support member to be used is inert to the first reaction gas, prevents the first current collecting layer from falling into the first
[0038]
(3) First current collecting layer forming step (S12)
Next, a first current collecting layer for collecting electrons generated by the reaction of the first reactive gas is formed on the
[0039]
An end view of the
[0040]
(4) First gas diffusion layer forming step (S13)
Next, a first diffusion layer is formed on the current collecting layer of the
[0041]
As the gas diffusion layer forming material to be used, carbon fine particles are generally used, but carbon nanotubes, carbon nanophones, fullerenes and the like can also be used. In this embodiment, since the gas diffusion layer is formed using the coating apparatus 20e, for example, carbon particles having a large particle diameter (several tens of μm) are formed on the current collecting layer side, and small particle diameters (several) on the surface side. (10 nm) By using carbon fine particles, the flow path width is increased in the vicinity of the substrate to minimize the diffusion resistance of the reaction gas as much as possible, while the uniform and fine flow path in the vicinity of the reaction layer (on the surface side of the gas diffusion layer). The gas diffusion layer can be easily formed. Further, carbon particles can be used on the substrate side of the gas diffusion layer, and a material having a low gas diffusion ability but excellent catalyst carrying ability can be used on the surface side.
[0042]
FIG. 9 shows an end view of the
[0043]
(5) First reaction layer forming step (S14)
Next, a first reaction layer is formed on the
[0044]
The metal fine particles used in the dispersion are not particularly limited as long as they have a function as a reaction catalyst for the first reaction gas and the second reaction gas. Examples thereof include fine particles of one or more metals selected from the group consisting of platinum, rhodium, ruthenium, iridium, palladium, osmium, and an alloy composed of two or more of these, and platinum is particularly preferred. The particle diameter of the metal fine particles is not limited, but is usually 1 nm to 100 nm, preferably several nm to several tens of nm.
[0045]
The organic dispersant is used for preventing aggregation and settling of the metal fine particles and uniformly dispersing the metal fine particles in the dispersion. The organic dispersant to be used is not particularly limited as long as it can uniformly disperse the metal fine particles in the dispersion liquid, and becomes fine carbon particles by firing at a predetermined temperature in a non-oxidizing atmosphere. Examples thereof include organic dispersants composed of carbon and hydrogen and organic dispersants composed of carbon, hydrogen and oxygen, such as alcohols, ketones, esters, ethers, hydrocarbons, and aromatic hydrocarbons. Among these, an alkylene glycol-based material that is excellent in dispersibility of metal fine particles and can be converted into fine particle carbon by firing at a relatively low temperature in a non-oxidizing atmosphere is preferable. Specific examples of the alkylene glycol material include ethylene glycol, propylene glycol, 1,3-propanediol, 1,4-butanediol, neopentyl glycol, 1,5-pentanediol, 1,6-hexanediol, 1, 4-cyclohexanedimethanol, polyethylene glycol, polypropylene glycol and the like can be mentioned.
[0046]
In addition, you may make the dispersion liquid to be used contain other solvents other than a metal microparticle and an organic dispersing agent. Examples of other solvents include water, methanol, ethanol and the like. The content of the metal fine particles and the organic dispersant in the dispersion is not particularly limited, and can be appropriately set according to the thickness of the coating film to be formed.
[0047]
Next, the
[0048]
Here, “calcining at a predetermined temperature in a non-oxidizing atmosphere” means that the organic dispersant is thermally decomposed without being oxidized (burned) and heated to carbon. It is so-called steamed baked. For example, steaming wood to make charcoal. Examples of the method of firing in a non-oxidizing atmosphere include a method of heating in an inert gas atmosphere such as nitrogen, argon, and helium, and a method of heating under reduced pressure. Heating in an active gas atmosphere is preferred. The heating temperature may be any temperature necessary for the organic dispersant to be thermally decomposed into porous carbon particles. The heating temperature is usually 200 to 300 ° C. The
[0049]
An end view of the
[0050]
Moreover, the state before and behind forming the 1st reaction layer (surface part) by baking the board |
[0051]
(6) Electrolyte film formation process (S15)
Next, an electrolyte membrane is formed on the
[0052]
As a material for forming the electrolyte membrane to be used, for example, a polymer electrolyte obtained by micellization of perfluorosulfonic acid such as Nafion (registered trademark of DuPont) in a mixed solution of water and methanol at a weight ratio of 1: 1. Examples thereof include materials and materials prepared by adjusting a ceramic solid electrolyte such as tungstophosphoric acid and molybdophosphoric acid to a predetermined viscosity (for example, 20 cP or less).
[0053]
FIG. 12 shows an end view of the
[0054]
(7) Second reaction layer forming step (S16)
Next, a second reaction layer is formed on the
[0055]
FIG. 13 shows an end view of the
[0056]
(8) Second gas diffusion layer forming step (S17)
Next, a second gas diffusion layer is formed on the
[0057]
An end view of the
[0058]
(9) Second current collecting layer forming step (S18)
Next, a second current collecting layer is formed on the
[0059]
(8) Second support member application step (S19)
Next, the
[0060]
FIG. 15 shows an end view of the
[0061]
(9) Assembly process (S20)
Next, the fuel cell is assembled by laminating the second substrate on which the second
[0062]
As described above, the fuel cell having the structure shown in FIG. 16 can be manufactured. In the fuel cell shown in FIG. 16, the U-shaped first
[0063]
According to the manufacturing method of the present embodiment, a reaction layer having a structure in which a large number of carbon fine particles exist around metal fine particles can be easily formed by a simple operation.
According to the manufacturing method of the present embodiment, the electrical properties and the gas diffusion characteristics are deteriorated due to the dispersant remaining near the boundary between the reaction layer and the current collection layer, or the carbon fine particles in the gas diffusion layer burning. There is no. In addition, since the carbon fine particles present around the metal fine particles also serve as a gas diffusion layer and a current collecting layer, it is possible to manufacture a fuel cell with improved electrical characteristics and gas diffusion efficiency.
[0064]
According to the present embodiment, since the dispersion liquid containing the metal fine particles and the organic dispersant is applied using the discharge device, the metal fine particles serving as the catalyst can be uniformly applied, and at a predetermined position. Since it is possible to accurately apply the required amount of metal fine particles, a fuel cell with a high output density can be manufactured.
[0065]
Further, according to the present embodiment, the first gas flow path forming step, the first current collecting layer forming step, the first reaction layer forming step, the electrolyte membrane forming step, the second gas flow path forming step, the first All of the current collecting
[0066]
In the fuel cell manufacturing method according to the above-described embodiment, the discharge device is used in all the steps. However, the fuel cell can also be manufactured using the discharge device in any step of manufacturing the fuel cell. For example, a coating film of the dispersion liquid is formed using a discharge device, and then the obtained coating film is baked at a predetermined temperature in a non-oxidizing atmosphere to form the first and / or second reaction layers. In other processes, the fuel cell may be manufactured by a process similar to the conventional process. Even in this case, since the reaction layer can be formed without using MEMS, the manufacturing cost of the fuel cell can be kept low.
[0067]
In the manufacturing method of the above-described embodiment, a gas flow path is formed by forming a resist pattern on a substrate, applying a hydrofluoric acid aqueous solution and performing etching, but without forming a resist pattern. A gas flow path can also be formed. Alternatively, the gas flow path may be formed by placing the substrate in a fluorine gas atmosphere and discharging water to a predetermined position on the substrate.
[0068]
In the manufacturing method of the above-described embodiment, the fuel cell is manufactured by forming the constituent parts of the fuel cell from the side of the first substrate to which the first reaction gas is supplied and finally stacking the second substrate. However, the production of the fuel cell may be started from the substrate on the side to which the second reaction gas is supplied.
[0069]
In the manufacturing method of the above-described embodiment, the second support member is applied along the first gas flow path formed on the first substrate, but intersects the first gas flow path. It may be applied in any direction. That is, for example, the direction extending from the right side surface to the left side surface in FIG. 6B so that the second support member intersects the gas flow path formed in the first substrate at a right angle, for example. You may make it apply | coat to. In this case, the second substrate so that the second gas channel formed in the second substrate and the first gas channel formed in the first substrate intersect at right angles. A fuel cell having a structure in which is disposed is obtained.
[0070]
In the manufacturing method of the above-described embodiment, the first current collecting layer, the first reaction layer, the electrolyte membrane, the second reaction layer, and the first reaction layer are formed on the first substrate on which the first gas flow path is formed. The two current collecting layers are sequentially formed. The current collecting layer, the reaction layer, and the electrolyte film are formed on each of the first substrate and the second substrate, and finally the first substrate and the second substrate are formed. By joining the fuel cells, a fuel cell can be manufactured.
[0071]
Moreover, in this embodiment, the 1st manufacturing line which processes a 1st board | substrate, and the 2nd manufacturing line which processes a 2nd board | substrate are provided, and the manufacturing line which performs the process in each manufacturing line in parallel Therefore, the processing on the first substrate and the processing on the second substrate can be performed in parallel, and the fuel cell can be manufactured quickly.
[0072]
An electronic apparatus according to the present invention includes the above-described fuel cell as a power supply source. Examples of the electronic device include a mobile phone, a mobile phone, a PHS, a notebook personal computer, a PDA (personal digital assistant), and a mobile video phone. The electronic device of the present invention may have other functions such as a game function, a data communication function, a recording / playback function, and a dictionary function.
According to the electronic device of the present invention, it is possible to provide clean energy appropriately taking into account the global environment as a power supply source.
[0073]
The automobile of the present invention includes the above-described fuel cell as a power supply source. According to the manufacturing method of the present invention, a large fuel cell can be manufactured by stacking a plurality of fuel cells. That is, as shown in FIG. 17, a gas channel is further formed on the back surface of the
According to the automobile of the present invention, clean energy that appropriately considers the global environment can be provided as a power supply source.
[0074]
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an example of a production line for a fuel cell according to an embodiment.
FIG. 2 is an overall external view of the ink jet ejection apparatus according to the embodiment.
FIG. 3 is a schematic view of an ink jet type ejection device according to an embodiment.
FIG. 4 is a flowchart of a fuel cell manufacturing method according to an embodiment.
FIG. 5 is a diagram illustrating a process for forming a gas flow path according to the embodiment.
FIG. 6 is a diagram illustrating a process for forming a gas flow path according to the embodiment.
FIG. 7 is an end view of the substrate in the manufacturing process of the fuel cell according to the embodiment.
FIG. 8 is an end view of the substrate in the process of manufacturing the fuel cell according to the embodiment.
FIG. 9 is an end view of the substrate in the process of manufacturing the fuel cell according to the embodiment.
FIG. 10 is an end view of the substrate in the process of manufacturing the fuel cell according to the embodiment.
FIG. 11 is a state diagram before and after forming a coating film of a dispersion and forming a reaction layer.
FIG. 12 is an end view of the substrate in the manufacturing process of the fuel cell according to the embodiment.
FIG. 13 is an end view of the substrate in the process of manufacturing the fuel cell according to the embodiment.
FIG. 14 is an end view of the substrate in the process of manufacturing the fuel cell according to the embodiment.
FIG. 15 is an end view of the substrate in the process of manufacturing the fuel cell according to the embodiment.
FIG. 16 is an end view of the substrate in the manufacturing process of the fuel cell according to the embodiment.
FIG. 17 is a view of a large fuel cell in which fuel cells according to an embodiment are stacked.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Head unit, 2 ... 1st board | substrate, 2 '... 2nd board | substrate, 3 ... 1st gas flow path, 3' ... 2nd gas flow path, 4 ... 1st support member, 4 '... second support member, 6 ... first current collecting layer, 6' ... second current collecting layer, 8 ... first gas diffusion layer, 8 '... second gas diffusion layer, 10 ... first Reaction layer, 10 '... second reaction layer, 12 ... electrolyte film, 20a to 20m ... discharge device, 31 ... droplet discharge head, 56 ... control device, 58 ... drive device, 60 ... assembly device, 61 ... metal Fine particles, 62 ... organic dispersant, 63 ... carbon fine particles, BC1, BC2 ... belt conveyor
Claims (6)
前記第1の集電層上に、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、
前記第1のガス拡散層上に、第1の反応層を形成する第1の反応層形成工程と、
前記第1の反応層上に、電解質膜を形成する電解質膜形成工程と、
前記電解質膜上に、第2の反応層を形成する第2の反応層形成工程と、
前記第2の反応層上に、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、
前記第2のガス拡散層上に、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の集電層上に、一方の側面から他方の側面に延びる断面コ字形状の第2の反応ガスを供給するための第2のガス流路を形成した第2の基板を載置するため、前記第2のガス流路に対応する位置に部分的に第2の支持用カーボンを塗布した後、前記第2の基板を前記第2の支持用カーボン上に前記第2のガス流路が配置されるように積層する第2の基板積層工程と、
をこの順番で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。A first gas channel for supplying a first reaction gas having a U-shaped cross section extending from one side surface to the other side surface is formed on the first substrate, and a first gas channel is formed in the first gas channel. A first current collecting layer forming step of applying one supporting carbon and forming a first current collecting layer on the first substrate and the first supporting carbon;
A first gas diffusion layer forming step of forming a first gas diffusion layer on the first current collecting layer;
A first reaction layer forming step of forming a first reaction layer on the first gas diffusion layer;
An electrolyte membrane forming step of forming an electrolyte membrane on the first reaction layer;
A second reaction layer forming step of forming a second reaction layer on the electrolyte membrane;
A second gas diffusion layer forming step of forming a second gas diffusion layer on the second reaction layer;
A second current collecting layer forming step of forming a second current collecting layer on the second gas diffusion layer;
A second substrate having a second gas flow path for supplying a second reaction gas having a U-shaped cross section extending from one side surface to the other side surface is placed on the second current collecting layer. Therefore, after partially applying the second supporting carbon to the position corresponding to the second gas flow path, the second substrate is placed on the second supporting carbon. A second substrate laminating step of laminating so that the path is disposed;
In a manufacturing method of a fuel cell including
In at least one of the first reaction layer forming step and the second reaction layer forming step, a coating film is formed with a dispersion liquid containing metal fine particles for forming the reaction layer and an organic dispersant, and the coating film is made non-coated. A method for producing a fuel cell, comprising a step of firing in an oxidizing atmosphere.
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