专利名称：燃料电池、其制造方法、电子机器及汽车的制作方法
技术领域：
本发明涉及从外部向各个电极供给种类不同的反应气体并利用基于所供给的反应气体产生的反应进行发电的燃料电池及其制造方法，以及以该燃料电池为电力供给源的电子机器及汽车。
背景技术：
一直以来，存在由电解质膜、配置于该电解质膜的一面上的电极(阳极)及配置于电解质膜的另一面上的电极(阴极)等构成的燃料电池。例如，在电解质膜为固体高分子电解质膜的固体高分子电解质型燃料电池中，在阳极侧进行将氢变成氢离子和电子的反应，电子向阴极侧流动，氢离子在电解质膜中向阴极侧移动，在阴极侧，进行由氧气、氢离子及电子生成水的反应。
在这样的固体电解质型燃料电池中，各电极通常由以下各层形成，即，由作为反应气体的反应催化剂的金属微粒形成的反应层、在反应层的基板侧由碳微粒形成的气体扩散层及在气体扩散层的基板侧由导电性物质形成的集电层。在一侧的基板中，穿过构成气体扩散层的碳微粒的空隙而均一地扩散的氢气在反应层发生反应，变成电子和氢离子。产生的电子汇集在集电层，电子流入另一侧的基板的集电层。氢离子穿过高分子电解质膜向第2基板的反应层移动，进行与从集电层流来的电子及氧气生成水的反应。
在此种燃料电池中，收集由反应产生的电子的集电层，一直以来是通过沿着基板的气体流道全面涂布含有导电性物质的导电性糊状物来形成的。但是，在此方法中，有因昂贵的导电性物质的使用量增加而造成的制造成本增高的问题。
另外，作为形成反应层的方法，已知有如下的方法，例如，(a)将通过将催化剂担载碳与高分子电解质溶液和有机溶剂混合而调制成的电极催化剂层形成用的糊状物涂布在转印基材(聚四氟乙烯制薄片)上，干燥后将其热压接在电解质膜上，然后，通过剥除转印基材而将催化剂层(反应层)转印在电解质膜上的方法(专利文献1)，(b)使用喷雾器将担载固体催化剂的碳粒子的电解质溶液涂布在作为电极使用的碳层上，其后通过使溶剂挥发而进行制作的方法(专利文献2)。但是，这些方法工序多且繁杂，而且，难以均一地涂布催化剂，并难以将特定量的催化剂正确地涂布在特定的位置上，因此有所得的燃料电池的特性(输出密度)较低或因铂等昂贵的催化剂的使用量增加而造成制造成本增高的问题。
特开平8-88008号公报[专利文献2]特开2002-298860号公报发明内容为了解决此类以往技术的问题，本发明的目的在于，提供具有高效率地收集在反应层产生的电子的集电层及反应效率高的反应层，并且输出密度高、特性良好的燃料电池，及高效率制造此燃料电池的燃料电池的制造方法，以及以此燃料电池作为电力供给源的电子机器及汽车。
本发明人等为了解决所述问题进行了深入的研究，结果发现，通过使用喷墨式的喷出装置(以下称为喷出装置)，以特定间隔涂布含有导电性物质的集电层形成用材料，可以高效率地获得通过堆积导电性物质的粒子而构成的集电层，以及可以同样地形成反应层，从而完成了本发明。
因此，根据本发明，是具有如下部分的燃料电池，即，形成了用于供给第1反应气体的第1气体流道的第1基板、形成于所述第1基板上的第1集电层、形成于所述第1集电层上的第1反应层、形成于所述第1反应层上的电解质膜、形成于所述电解质膜上的第2反应层、形成于所述第2反应层上的第2集电层、形成了用于供给第2反应气体的第2气体流道的第2基板，其特征是，所述第1集电层及第2集电层的至少一方是通过堆积导电性物质的粒子而构成的。
本发明的燃料电池最好为所述第1反应层及第2反应层的至少一方通过堆积金属微粒而构成的电池。
根据本发明之二，是具有如下工序的燃料电池的制造方法，即，在第1基板上形成用于供给第1反应气体的第1气体流道的第1气体流道形成工序、形成收集通过经由所述第1气体流道供给的第1反应气体发生反应而产生的电子的第1集电层的第1集电层形成工序、形成利用催化剂使经由所述第1气体流道供给的第1反应气体发生反应的第1反应层形成工序、形成电解质膜的电解质膜形成工序、在第2基板上形成用于供给第2反应气体的第2气体流道的第2气体流道形成工序、形成收集通过经由所述第2气体流道供给的第2反应气体发生反应而产生的电子的第2集电层的第2集电层形成工序、形成利用催化剂使经由所述第2气体流道供给的第2反应气体发生反应的第2反应层形成工序，其特征是，所述第1集电层形成工序及第2集电层形成工序的至少一方是通过在第1基板或第2基板上以特定间隔涂布集电层形成用材料而形成集电层。
在本发明的燃料电池的制造方法中，最好使用喷出装置来进行所述集电层形成用材料的涂布。
本发明的燃料电池的制造方法最好为如下的方法，即，所述第1反应层形成工序及第2反应层形成工序的至少一方，通过在第1基板或第2基板上以特定间隔涂布反应层形成用材料而形成反应层。这时，更优选是利用喷出装置进行所述反应形成用材料的涂布。
根据本发明之三，提供以将本发明的燃料电池作为电力供给源作为特征的电子机器。
另外，根据本发明之四，提供以将本发明的燃料电池作为电力供给源作为特征的汽车。
本发明的燃料电池的第1集电层及第2集电层的至少一方是通过堆积导电性物质的粒子而构成的。所以，与通过全面涂布含有导电性物质的集电层形成用材料而形成集电层的情况相比，由于导电性物质的使用量减少，因此成为低成本的燃料电池。另外，集电层由于具有在导电性物质的粒子间存在空隙的构造，因此在确保良好的导电性的同时，还具有良好的反应气体的通气性。
另外，在本发明的燃料电池中，第1反应层及第2反应层的至少一方通过堆积金属微粒而构成的情况下，与通过全面涂布含有金属微粒的反应层形成用材料而形成反应层的情况相比，由于反应层形成用材料的使用量减少，因此成为低成本的燃料电池。另外，由于形成在金属微粒间存在空隙的构造，因此反应气体与作为催化剂的金属微粒间的接触面积变大，反应气体的反应效率提高。所以就成为输出密度高、特性优良的燃料电池。
根据本发明的燃料电池的制造方法，由于以特定间隔涂布集电层形成用材料而形成，因此可以减少集电层形成用材料的使用量。所以，能够以较低的制造成本制造燃料电池。
在本发明的燃料电池的制造方法中，在通过使用喷出装置来进行集电层形成用材料的涂布的情况下，由于可以利用简便的操作，在特定的位置上正确地涂布特定量，因此可以大幅度地减少集电层形成用材料的使用量，并且，可以高效率地形成所需图案(形状)的集电层。另外，通过根据场所而使涂布集电层形成用材料的间隔变化，可以容易地控制反应气体的通气性，还可以根据涂布位置自由地改变所用的集电层形成用材料的种类。
在本发明的燃料电池的制造方法中，在以特定间隔涂布反应层形成用材料而形成的情况下，可以减少反应层形成用材料的使用量。所以，能够以较低的成本制造燃料电池。
在本发明的燃料电池的制造方法中，在通过使用喷出装置来进行反应层形成用材料的涂布的情况下，由于可以利用简便的操作，在特定的位置上正确地涂布特定量，因此可以大幅度地减少反应层形成用材料的使用量，并且，可以高效率地形成所需图案(形状)的反应层。另外，通过根据场所而使涂布反应层形成用材料的间隔变化，可以根据涂布位置自由地改变所用的反应层形成用材料的种类。
本发明的电子机器的特征是，以利用本发明的制造方法制造的燃料电池作为电力供给源。如果采用本发明的电子机器，就可以将有利于地球环境的绿色能源作为电力供给源。
另外，本发明的汽车的特征是，以利用本发明的制造方法制造的燃料电池作为电力供给源。如果采用本发明的汽车，就可以将有利于地球环境的绿色能源作为电力供给源。
图1是本实施方式的燃料电池的端面图。
图2是表示本实施方式的集电层6的构造的示意图。
图3是表示本实施方式的燃料电池的生产线的一个例子的图。
图4是本实施方式的喷墨式喷出装置的概略图。
图5是本实施方式的燃料电池的制造方法的流程图。
图6是说明形成本实施方式的气体流道的处理的图。
图7是说明形成本实施方式的气体流道的处理的图。
图8是本实施方式的燃料电池的制造过程的基板的端面图。
图9是本实施方式的燃料电池的制造过程的基板的端面图。
图10是本实施方式的燃料电池的制造过程的基板的端面图。
图11是本实施方式的燃料电池的制造过程的基板的端面图。
图12是形成分散液的涂膜、形成反应层的前后状态图。
图13是本实施方式的燃料电池的制造过程的基板的端面图。
图14是本实施方式的燃料电池的制造过程的基板的端面图。
图15是本实施方式的燃料电池的制造过程的基板的端面图。
图16是层叠了本实施方式的燃料电池的大型燃料电池的图。
其中，2...第1基板；2’...第2基板；3...第1气体流道；3’...第2气体流道；4...第1支撑构件；4’...第2支撑构件；6...第1集电层；6’...第2集电层；8...第1气体扩散层；8’...第2气体扩散层；10...第1反应层；10’...第2反应层；12...电解质膜；20a～20m...喷出装置；60...导电性物质的粒子；BC1、BC2...传送带具体实施方式
下面将对本发明的燃料电池及其制造方法以及电子机器及汽车进行详细的说明。
1)燃料电池图1表示本发明的燃料电池的端面图。图1所示的燃料电池，从图中的下侧开始，由下述部分构成，即，第1基板2、形成于第2基板2上的第1气体流道3、收装在第1气体流道3内的第1支撑构件4、形成于第1基板2及第1支撑构件4上的第1集电层6、第1气体扩散层8、形成于第1气体扩散层8上的第1反应层10、电解质膜12、第2反应层10’、第2气体扩散层8’、第2集电层6’、第2气体流道3’、收装于第2气体流道3’内的第2支撑构件4’、第2基板2’。
本发明的燃料电池的种类并没有特别的限制，例如可以举出电解质膜12为陶瓷类固体电解质的燃料电池和由高分子电解质材料制成的燃料电池等。
本发明的燃料电池如下进行动作。即，从第1基板2的第1气体流道3导入第1反应气体，被气体扩散层8均匀地扩散，扩散后的第1反应气体在第1反应层10发生反应，生成离子和电子，生成的电子被收集于集电层6，向第2基板2’的第2集电层6’流动，由第1反应气体生成的离子在电解质膜12中向第2反应层10’移动。另一方面，从第2基板2’的气体流道3’导入第2反应气体，被第2气体扩散层8’均匀地扩散，扩散后的第2反应气体在第2反应层10’中，与经电解质膜12移动来的离子及由第2集电层6’送入的电子反应。例如，在第1反应气体为氢气，第2反应气体为氧气的情况下，在第1反应层10中，进行的反应，在第2反应层10’中，进行的反应。
本发明的燃料电池的特征是，第1集电层6及第2集电层6’的至少一方通过堆积导电性的粒子而构成。图2示意性地表示具有此种构造的集电层6(或6’)的构造。图2(a)是表示集电层6(或6’)的局部剖面图，图2(b)是从侧面看到图2(a)所示构造的图。
在图2中，导电性物质的粒子60是沿水平方向以特定间隔配置，并在其上堆积导电性物质的粒子而构成。所以，与通过全面涂布含有导电性物质的集电层形成用材料而形成集电层的情况相比，由于导电性物质60的使用量变少，因此降低了燃料电池的制造成本。另外，图2所示的集电层6(或6’)由于具有导电性物质60的粒子相互接触并且存在空隙的构造，因此在确保良好的导电性的同时，还具有良好的第1(或第2)反应气体的通气性。
作为集电层所用的导电性物质，只要是具有导电性的材料，就没有特别的限制。例如，可以举出铂、铜、金、银、铝、钨及这些金属的合金等。它们可以单独使用1种，或者组合2种以上使用。另外，构成集电层的导电性物质的粒子至少为粒状即可，也可以是球状、椭圆体状、柱状等。导电性物质的粒子的大小并没有特别的限制，可以自由地决定。
另外，在本发明的燃料电池中，最好第1反应层10及第2反应层10’都具有与第1集电层及/或第2集电层相同的构造，即通过堆积金属微粒而构成。此种反应层10(10’)会形成与所述的集电层6(6’)相同的构造。在第1反应层及第2反应层的至少一方以此种构造形成的情况下，与通过全面涂布含有金属微粒的反应层形成用材料而形成反应层的情况相比，由于反应层形成用材料的使用量较少，因此降低了燃料电池的制造成本。另外，由于形成在金属微粒间存在空隙的构造，因此反应气体与作为催化剂的金属微粒间的接触面积变大，反应气体的反应效率提高。所以，成为输出密度高、特性优良的燃料电池。
作为所使用的金属微粒，只要具有作为第1反应气体及第2反应气体的反应催化剂的功能，并没有特别的限制。例如，可以举出铂、铑、钌、铱、钯、锇及从由它们2种以上构成的合金的一组中选出的1种或2种以上的金属微粒，特别优选铂。金属微粒的粒径虽然没有限制，但是通常为1nm～100nm，优选数nm～数十nm。
2)燃料电池的制造方法本发明的燃料电池的制造方法是包括如下工序的制造方法，即，在第1基板上形成第1气体流道的第1气体流道形成工序、形成第1集电层的第1集电层形成工序、形成第1反应层的第1反应层形成工序、形成电解质膜的电解质膜形成工序、在第2基板上形成第2气体流道的第2气体流道形成工序、形成第2集电层的第2集电层形成工序及形成第2反应层的第2反应层形成工序，其特征是，所述第1集电层形成工序及第2集电层形成工序的至少一方是通过在第1基板或第2基板上以特定间隔涂布集电层形成用材料而形成集电层。
本发明的燃料电池的制造方法例如可以通过使用图3所示的燃料电池制造的制造装置(燃料电池生产线)来实施。在图3所示的燃料电池生产线中，在各工序中由喷出装置20a～20k、连接喷出装置20a～20k的传送带BC1、连接喷出装置20l、20m的传送带BC2、驱动传送带BC1、BC2的驱动装置58、进行燃料电池的组装的组装装置60及对燃料电池的生产线的整体进行控制的控制装置56构成。
喷出装置20a～20k被沿着传送带BC1以特定的间隔排成一列，喷出装置20l、20m沿着传送带BC2以特定的间隔排成一列。另外，控制装置56与喷出装置20a～20k、喷出装置20l、20m、驱动装置58及组装装置60连接。
在此燃料电池生产线中，驱动由驱动装置58驱动的传送带BC1，将燃料电池的基板(以下简称为「基板」)向各喷出装置20a～20k输送，进行利用各喷出装置20a～20k的处理。同样，基于来自控制装置56的控制信号，驱动传送带BC2，将基板向喷出装置20l、20m输送，进行利用喷出装置20l、20m的处理。另外，在组装装置60中，基于来自控制装置56的控制信号，使用由传送带BC1及BC2输送来的基板，进行燃料电池的组装作业。
作为喷出装置20a～20m，只要是喷墨方式的喷出装置，就没有特别的限制。例如，可以举出通过加热发泡产生气泡来进行液滴的喷出的热方式喷出装置、通过利用压电元件来进行液滴的喷出的压电方式的喷出装置等。
图4表示图3中所示燃料电池生产线中使用的喷出装置20a的概略。喷出装置20a由收装喷出物34的储罐30、借助喷出物输送管32与储罐30连接的喷墨喷头22、搭载、输送被喷出物的平台28、通过抽吸滞留于喷墨喷头22内的剩余喷出物34来从喷墨喷头22内除去过剩的喷出物的抽吸盖40及收装由抽吸盖40抽吸的剩余的喷出物的废液储罐48构成。
储罐30是收装抗蚀剂溶液等喷出物34的装置，具有用于对收装于储罐30内的喷出物的液面34a的高度进行控制的液面控制传感器36。液面控制传感器36进行如下的控制，即，将喷墨喷头22所具有的喷嘴形成面26的头端部26a与储罐30内的液面34a的高度差h(以下成为水位差值)保持在特定的范围内。例如，通过对液面34a的高度进行控制，使得此水位差值在25mm±0.5mm内，就可以将储罐30内的喷出物34以特定范围内的压力送至喷墨喷头22处。通过以特定的范围内的压力输送喷出物34，就可以从喷墨喷头22稳定地喷出必需量的喷出物34。
喷出物输送管32具有用于防止喷出物输送管32的流道内的带电的喷出物流道部接地接头32a和喷头部气泡排出阀32b。喷头部气泡排出阀32b被用于利用后述的抽吸盖40抽吸喷墨喷头22内的喷出物的情况。
喷墨喷头22具有喷头体24及形成了多个喷出喷出物的喷嘴的喷嘴形成面26，从喷嘴形成面26的喷嘴喷出喷出物，例如在基板上形成用于供给反应气体的气体流道时涂布于基板上的抗蚀剂溶液等。
平台28可以沿特定的方向移动。平台28通过沿图中箭头所示方向移动，承载由传送带BC输送的基板，送入喷出装置20a内。
抽吸盖40可以沿图4所示的箭头方向移动，按照包围形成于喷嘴形成面26上的多个喷嘴的方式与喷嘴形成面26密接，与喷嘴形成面26之间形成密闭空间，从而可以阻断喷嘴与外界气体的接触。即，当利用抽吸盖40抽吸喷墨喷头22内的喷出物时，使此喷头部气泡排出阀32b处于关闭状态，使得喷出物不会从储罐30侧流入，通过用抽吸盖40进行抽吸，使得被抽吸的喷出物的流速上升，从而可以快速地将喷墨喷头22内的气泡排出。
在抽吸盖40的下方设有流道，在此流道中配置有抽吸阀42。抽吸阀42为了缩短达到抽吸阀42的下方的抽吸侧和上方的喷墨喷头22侧的压力平衡(大气压)的时间，发挥使流道处于关闭状态的作用。在此流道上，配置有检测抽吸异常的抽吸压力检测传感器44和由管式泵等构成的抽吸泵46。另外，由抽吸泵46抽吸、输送的喷出物34被暂时地收装在废液储罐48内。
在本实施方式中，喷出装置20b～20m除了喷出物34的种类不同以外，与喷出装置20a具有相同的构成。所以，下面对各喷出装置的相同构成都使用相同的符号。
下面将对使用图3所示的燃料电池生产线制造燃料电池的各工序进行说明。
图5表示使用图3所示的燃料电池生产线的燃料电池的制造方法的流程图。
如图5所示，本实施方式的燃料电池通过以下工序制造，即，在第1基板上形成第1气体流道的工序(S10，第1气体流道形成工序)、在气体流道内涂布第1支撑构件的工序(S11，第1支撑构件涂布工序)、形成第1集电层的工序(S12，第1集电层形成工序)、形成第1气体扩散层的工序(S13，第1气体扩散层形成工序)、形成第1反应层的工序(S14，第1反应层形成工序)、形成电解质膜的工序(S15，电解质膜形成工序)、形成第2反应层的工序(S16，第2反应层形成工序)、形成第2气体扩散层的工序(S17，第2气体扩散层形成工序)、形成第2集电层的工序(S18，第2集电层形成工序)、将第2支撑构件涂布于第2气体流道内的工序(S19，第2支撑构件涂布工序)及层叠形成了第2气体流道的第2基板的工序(S20，组装工序)。
(1)第1气体流道形成工序(S10)首先，如图6(a)所示，准备矩形形状的第1基板2，利用传送带BC1将基板2输送至喷出装置20a。基板2并没有特别的限制，可以使用硅基板等通常的燃料电池中所使用的的基板。在本实施方式中，使用硅基板。
由传送带BC1输送的基板2被放置在喷出装置20a的平台28上，并被送入喷出装置20a内。在喷出装置20a内，收装于喷出装置20a的储罐30内的抗蚀剂液借助喷嘴形成面26的喷嘴，被涂布在搭载于平台28上的基板2上的特定位置上，在基板2的表面形成抗蚀图案(图中斜线部分)。抗蚀图案如图6(b)所示，形成于基板2的表面的形成用于供给第1反应气体的第1气体流道部分以外的部分上。
在特定的位置上形成了抗蚀图案的基板2由传送带BC1输送至喷出装置20b，被放置在喷出装置20b的平台28上，并被送入喷出装置20b内。在喷出装置20b内，收装于储罐30内的氢氟酸水溶液等蚀刻液借助喷嘴形成面26的喷嘴，被涂布在基板2的表面。利用蚀刻液对形成有抗蚀层图案的部分以外的基板2表面部进行蚀刻，如图7(a)所示，形成从基板2的一侧的侧面向另一侧的侧面延伸的剖面为コ字形状的第1气体流道。另外，如图7(b)所示，形成了气体流道的基板2由未图示的清洗装置清洗表面，除去抗蚀图案。然后，形成了气体流道的基板2从平台28移送至传送带BC1上，由传送带BC1输送至喷出装置20c。
(2)第1支撑构件涂布工序(S11)然后，在形成了第1气体流道的基板2上，将用于支撑第1集电层的第1支撑构件涂布在气体流道内。第1支撑构件的涂布按如下方式进行，即，将基板2放置在平台28上后送入喷出装置20c内，然后，利用喷出装置20c，借助喷嘴形成面26的喷嘴，将收装于储罐30内的第1支撑构件4向形成于基板2上的第1气体流道内喷出。
所使用的第1支撑构件只要相对于第1反应气体为惰性，并防止第1集电层落入第1气体流道，而且不妨碍第1反应气体向第1反应层扩散，就没有特别的限制。例如，可以举出碳粒子、玻璃粒子等。在本实施方式中，使用直径1～5微米左右的粒径的多孔碳。通过以具有特定的粒径的多孔碳作为支撑构件使用，经气体流道供给的反应气体就会从多孔碳的空隙向上扩散，因此就不会妨碍反应气体的流动。图8表示涂布了第1支撑构件4的基板2的端面图。涂布了第1支撑构件4的基板2从平台28移送至传送带BC1，由传送带BC1输送至喷出装置20d。
(3)第1集电层形成工序(S12)然后，在基板2上，形成用于收集通过第1反应气体发生反应而生成的电子的第1集电层。首先，将由传送带BC1输送至喷出装置20d的基板2放置在平台28上，送入喷出装置20d。在喷出装置20d中，通过借助喷嘴的形成面26的喷嘴，在基板2上以特定间隔喷出特定量的收装于储罐30内的形成集电层的材料，形成第1集电层。
具体来说，第1集电层的形成是通过将特定量的含有导电性物质的导电性材料以特定间隔涂布在第1基板上而形成的。此涂布要进行多次。例如，第1层是在基板表面以特定间隔涂布成散点状(穿孔金属状)，第2层涂布于与涂布了第1层的位置不同的位置上，通过反复进行，就可以形成通过堆积导电性物质的粒子而构成的集电层。通过像这样形成集电层，就可以高效率地形成在确保导电性的同时还具有良好的反应气体的通气性的集电层。
集电层形成用材料的1次的涂布量并没有特别的限制。另外，涂布集电层形成用材料的间隔也没有特别的限制。由于根据1次的涂布量来决定导电性物质粒子的大小，因此通过适当地确定1次的涂布量和涂布导电性材料的间隔，就可以控制集电层的通气性。特别是在本实施方式中，由于使用喷出装置来进行导电性材料的涂布，因此就可以利用简便的操作将特定量正确地涂布在特定的位置上。所以，可以大幅度地节省集电层形成用材料的使用量，并可以高效率地形成所需图案(形状)的集电层。另外，通过根据场所使涂布集电层形成用材料的间隔变化，还可以容易地控制反应气体的通气性，并可以根据涂布位置自由地改变所用集电层形成用材料的种类。
图9表示形成了第1集电层6的基板2的端面图。第1集电层6如所述图2所示，通过堆积导电性物质60的粒子而构成。另外，如图9所示，第1集电层6由形成于基板2上的第1气体流道内的第1支撑构件5所支撑，从而不会落入第1气体流道内。形成了第1集电层6的基板2从平台28移送至传送带BC1，并由传送带BC1输送至喷出装置20e。
(4)第1气体扩散层形成工序(S13)然后，在基板2的集电层上形成第1气体扩散层。首先，将由传送带BC1输送至喷出装置20e的基板2放置在平台28上，送入喷出装置20e内。在喷出装置20e内，借助喷嘴形成面26的喷嘴，将收装于喷出装置20e的储罐30内的气体扩散层形成用材料向放置在平台28上的基板2表面的特定位置喷出，形成第1气体扩散层8。
所用的气体扩散层形成用材料虽然一般为碳微粒，但是，也可以使用碳纳米管、碳纳米突(carbon nanohorn)、富勒烯等。在本实施方式中，由于使用喷出装置20e形成气体扩散层，因此通过在集电层侧采用粒径较大(数十μm)的碳微粒，在表面侧采用粒径较小(数十nm)的碳微粒，使得基板附近的流道宽度增大，从而尽可能地减小反应气体的扩散阻力，而且，在反应层附近(气体扩散层的表面侧)，可以容易地形成具有均匀并且微细的流道的气体扩散层。另外，气体扩散层的基板侧可以使用碳粒子，表面侧可以使用气体扩散能力较低担催化剂担载能力优良的材料。
图10表示形成了第1气体扩散层8的基板2的端面图。如图10所示，第1气体扩散层8覆盖形成于基板2上的第1集电层、形成于基板2的全部表面。形成了第1气体扩散层8的基板2从平台28移送至传送带BC1，并由传送带BC1输送至喷出装置20f。
(5)第1反应层形成工序(S14)然后，在基板2的集电层上形成第1反应层。第1反应层是按照借助气体扩散层8与第1集电层电连接的方式形成的。首先，将由传送带BC1输送至喷出装置20f的基板2放置在平台28上，送入喷出装置20f内。在喷出装置20f内，借助喷嘴形成面26的喷嘴，将收装于喷出装置20f的贮罐30内的含有金属微粒和有机分散剂的分散液向放置在平台28上的基板2表面的特定位置喷出，形成分散液的涂膜。然后，通过加热至特定温度，使有机分散剂蒸发去除或燃烧，形成由金属微粒构成的反应层。另外，也可以在借助喷嘴形成面26的喷嘴，将含有金属微粒和有机分散剂的分散液向放置在平台28上的基板2表面的特定位置喷出，形成分散液的涂膜后，通过在氮气等惰性气体氛围下，在200～300下烧成该涂膜，形成反应层。在此情况下，就可以获得具有在金属微粒上附着了烧成有机分散剂后产生的碳微粒的构造的反应层。
在本发明的燃料电池的制造方法中，作为形成反应层的方法，优选使用喷出装置20f，将特定量的反应层形成用材料以特定间隔涂布而形成的方法。根据此方法，由于可以通过简便的操作，将特定量正确地涂布在特定的位置上，因此可以大幅度地节省反应层形成用材料的使用量，并可以高效率地形成所需图案(形状)的反应层。另外，可以根据场所使涂布反应层形成用材料的间隔变化，或可以根据涂布位置自由地改变所用反应层形成用材料的种类。
作为分散液所使用的金属微粒，只要具有作为第1反应气体及第2反应气体的反应催化剂的功能，就没有特别的限制。例如，可以举出铂、铑、钌、铱、钯、锇及从由它们2种以上构成的合金的一组中选出的1种或2种以上的金属微粒，特别优选铂。金属微粒的粒径虽然没有限制，但是通常为1nm～100nm，优选数nm～数十nm。
有机分散剂是为了防止金属微粒的凝聚沉降，从而使金属微粒均一地分散于分散液中而使用的。作为所使用的有机分散剂，只要可以使金属微粒均一地分散于分散液中，并通过在非氧化的气氛下在特定温度下烧成而形成微粒状的碳，就没有特别的限制。例如，可以举出醇类、酮类、酯类、醚类、烃类、芳香烃类等由碳及氢形成的有机分散剂或由碳、氢及氧形成的有机分散剂。
而且，也可以在所用的分散液中含有金属微粒及有机分散剂以外的其他溶剂。作为其他的溶剂，例如，可以举出水、甲醇、乙醇等。分散液中的金属微粒及有机分散剂的含量并没有特别的限制，可以根据要形成的涂膜的厚度等适当地设定。
图11表示形成了第1反应层的基板2的端面图。在通过使用喷出装置20f以特定间隔涂布而形成第1反应层10的情况下，可以获得具有与在所述图2所示的第1集电层6的构造中导电性物质的粒子60变成金属微粒后相同的构造的涂层。形成了第1反应层的基板2从平台28移送至传送带BC1，并由传送带BC1输送至喷出装置20g。
(6)电解质膜形成工序(S15)然后，在形成了第1反应层10的基板2上形成电解质膜。首先，将由传送带BC1输送至喷出装置20g的基板2放置在平台28上，送入喷出装置20g内。在喷出装置20g内，借助喷嘴形成面26的喷嘴，将收装于储罐30内的电解质膜形成用材料向第1反应层10上喷出，形成电解质膜12。
作为所用的电解质膜的形成材料，例如可以举出将磷钨酸、磷钼酸等陶瓷类固体电解质调制成特定的粘度(例如20cP以下)的材料或将纳米突(杜邦公司制)等的全氟化磺酸在水和甲醇的重量比为1∶1的混合溶液中胶束化后制得的高分子电解质材料等。
图12表示形成了电解质膜的基板2的端面图。如图12所示，在第1反应层10上形成有具有特定厚度的电解质膜12。形成了电解质膜12的基板2从平台28移送至传送带BC1，并由传送带BC1输送至喷出装置20h。
(7)第2反应层形成工序(S16)然后，在形成了电解质膜12的基板2上形成第2反应层。首先，将由传送带BC1输送至喷出装置20h的基板2放置在平台28上，送入喷出装置20h内。在喷出装置20h内，利用与喷出装置20f中进行的处理相同的处理，形成第2反应层10’。作为形成第2反应层10’的材料，可以使用与第1反应层形成用材料相同的材料。
图13表示在电解质膜12上形成了第2反应层10’的基板2的端面图。如图13所示，在电解质膜12上形成有第2反应层10’。在反应层10’中，进行第2反应气体的反应。形成了第2反应层10’的基板2从平台28移送至传送带BC1，并由传送带BC1输送至喷出装置20i。
(8)第2气体扩散层形成工序(S17)然后，在形成了第2反应层10’的基板2上形成第2气体扩散层。首先，将由传送带BC1输送至喷出装置20i的基板2放置在平台28上，送入喷出装置20i内。在喷出装置20i内，利用与喷出装置20e中进行的处理相同的处理，形成第2气体扩散层。作为形成第2气体扩散层的材料，可以使用与第1气体扩散层形成用材料相同的材料。
图14表示形成了第2气体扩散层8’的基板2的端面图。形成了第2气体扩散层8’的基板2从平台28移送至传送带BC1，并由传送带BC1输送至喷出装置20j。
(8)第2集电层形成工序(S18)然后，在形成了第2气体扩散层8’的基板2上形成第2集电层。首先，将由传送带BC1输送至喷出装置20j的基板2放置在平台28上，送入喷出装置20j内，利用与喷出装置20d中进行的处理相同的处理，在第2气体扩散层8’上形成第2集电层6’。作为第2集电层形成用材料，可以使用与第1集电层形成用材料相同的材料。形成了第2集电层6’的基板2从平台28移送至传送带BC1，并由传送带BC1输送至喷出装置20k。
(9)第2支撑构件涂布工序(S19)然后，将由传送带BC1输送至喷出装置20k的基板2放置在平台28上，送入喷出装置20k内，利用与喷出装置20c中进行的处理相同的处理，涂布第2支撑构件。作为第2支撑构件形成用材料，可以使用与第1支撑构件形成用材料相同的材料。
图15表示涂布了第2集电层6’及第2支撑构件4’的基板2的端面图。第2支撑构件4’被涂布在收装在形成于第2集电层6’之上并层叠在基板2上的第2基板上所形成的第2气体流道内的位置上。
(10)组装工序(S20)然后，对涂布了第2支撑构件4’的基板2和另外准备的形成了第2气体流道的第2基板进行层叠。基板2(第1基板)和第2基板的层叠是通过使形成于基板2上的第2支撑构件4’按照被收装于形成于第2基板上的第2气体流道内的方式接合而进行的。这里，第2基板可以使用与第1基板相同的材料。另外，第2气体流道的形成也可以与形成第1气体流道的工序相同地进行。
如上操作后，就可以制造图1所示构造的燃料电池。在图1所示的燃料电池中，按照形成于基板2上的从一侧的侧面向另一侧的侧面延伸的コ字形的第1气体流道与形成于基板2’上的第2气体流道平行的方式来配置基板2’在所述的实施方式的燃料电池的制造方法中，虽然在全部工序中使用喷出装置，但是也可以在制造燃料电池的某个工序中使用喷出装置来制造燃料电池。例如，也可以使用喷出装置涂布集电层形成用材料，形成第1集电层及/或第2集电层，而在其他工序中利用与以往相同的工序来制造燃料电池。即使在此情况下，由于可以不使用MEMS(Micro ElectroMechanical System)而形成集电层，因此可以将燃料电池的制造成本控制在较低水平。
在所述的实施方式的制造方法中，虽然在基板上形成抗蚀图案，通过涂布氢氟酸水溶液来进行蚀刻而形成气体流道，但是也可以不形成抗蚀图案而形成气体流道。另外，也可以将基板放置在氟气气氛中，通过向基板上的特定位置喷水而形成气体流道。
在所述的实施方式的制造方法中，虽然从供给第1反应气体的第1基板侧形成燃料电池的构成部分，最后通过层叠第2基板来进行燃料电池的制造，但是，也可以从供给第2反应气体一侧的基板开始燃料电池的制造。
在所述的实施方式的制造方法中，虽然沿着形成于第1基板上的第1气体流道涂布第2支撑构件，但是也可以沿着与第1气体流道交叉的方向进行涂布。即，也可以采用使第2支撑构件例如与形成于第1基板上的气体流道成直角交叉的方式，例如采用沿图7(b)中从图中右侧面向左侧面延伸的方向涂布的方式。在此情况下，就可以获得按照使形成于第2基板上的第2气体流道与形成于第1基板上的第1气体流道成直角交叉的方式来配置第2基板的构造的燃料电池。
在所述的实施方式的制造方法中，虽然在形成了第1气体流道的第1基板上，依次形成第1集电层、第1反应层、电解质膜、第2反应层及第2集电层，但是，也可以分别在第1基板和第2基板上形成集电层、反应层及电解质膜，最后通过将第1基板和第2基板接合来制造燃料电池。
另外，本实施方式的燃料电池的生产线设有对第1基板上进行处理的第1生产线和对第2基板进行处理的第2生产线，各个生产线的处理平行进行。所以，由于可以平行进行对第1基板的处理和对第2基板的处理，因此可以迅速地制造燃料电池。
3)电子机器及汽车本发明的电子机器的特征是，以本发明的燃料电池作为电力供给源。作为电子机器，可以举出携带电话、PHS、移动设备(mobile)、笔记本电脑、PDA(携带信息终端)、携带电视电话等。另外，本发明的电子机器也可以具有例如游戏功能、数据通信功能、录音再现功能、词典功能等其他功能。
如果采用本发明的电子机器，就可以将有利于地球环境的绿色能源作为电力供给源。
另外，本发明的汽车的特征是，以所述的燃料电池作为电力供给源。根据本发明的制造方法，通过层叠多个燃料电池，就可以制造大型的燃料电池。即，如图16所示，在所制造的燃料电池的基板2’的背面再形成气体流道，在形成了气体流道的基板2’的背面上，通过采用与所述的燃料电池的制造方法的制造工序相同的工序形成气体扩散层、反应层、电解质膜等而层叠燃料电池，就可以制造大型的燃料电池。
如果采用本发明的汽车，就可以将有利于地球环境的绿色能源作为电力供给源。
权利要求
1. 一种燃料电池，是具有如下部分的燃料电池，即，形成了用于供给第1反应气体的第1气体流道的第1基板、形成于所述第1基板上的第1集电层、形成于所述第1集电层上的第1反应层、形成于所述第1反应层上的电解质膜、形成于所述电解质膜上的第2反应层、形成于所述第2反应层上的第2集电层、形成了用于供给第2反应气体的第2气体流道的第2基板，其特征是，所述第1集电层及第2集电层的至少一方是通过堆积导电性物质的粒子而构成的。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征是，所述第1反应层及第2反应层的至少一方是通过堆积金属微粒而构成的。
3.一种燃料电池的制造方法，是具有如下工序的燃料电池的制造方法，即，在第1基板上形成用于供给第1反应气体的第1气体流道的第1气体流道形成工序、形成用来汇集通过上述第1气体流道供给的第1反应气体反应而产生的电子的第1集电层的第1集电层形成工序；形成利用催化剂使通过上述第1气体流道供给的第1反应气体反应的第1反应层的第1反应层形成工序；形成电解质膜的电解质膜形成工序；在第2基板上形成用于供给第2反应气体的第2气体流道的第2气体流道形成工序；形成用来供给通过所述第2气体流道供给的第2反应气体发生反应的电子的第2集电层的第2集电层形成工序；形成利用催化剂使经由所述第2气体流道供给的第2反应气体发生反应的第2反应层形成工序，其特征是，所述第1集电层形成工序及第2集电层形成工序的至少一方是通过在第1基板或第2基板上以特定间隔涂布集电层形成用材料而形成集电层。
4.根据权利要求3所述的燃料电池的制造方法，其特征是，使用喷出装置进行所述集电层形成用材料的涂布。
5.根据权利要求3或4所述的燃料电池的制造方法，其特征是，所述第1反应层形成工序及第2反应层形成工序的至少一方，通过在第1基板或第2基板上以特定间隔涂布集电层形成用材料而形成反应层。
6.根据权利要求3～5中任意一项所述的燃料电池的制造方法，其特征是，使用喷出装置进行所述反应层形成用材料的涂布。
7.一种电子机器，其特征是，以权利要求1或2所述的燃料电池作为电力供给源。
8.一种汽车，其特征是，以权利要求1或2所述的燃料电池作为电力供给源。
全文摘要
本发明提供燃料电池及其制造方法，此燃料电池具有形成了用于供给第1反应气体的第1气体流道的第1基板、形成于第1基板上的第1集电层、形成于第1集电层上的第1反应层、形成于第1反应层上的电解质膜、形成于电解质膜上的第2反应层、形成于第2反应层上的第2集电层、形成了用于供给第2反应气体的第2气体流道的第2基板，其特征是，第1及/或第2集电层是通过堆积导电性物质的粒子而构成的，此燃料电池的制造方法的特征是，通过使用喷出装置以特定间隔涂布集电层形成用材料而形成第1及/或第2集电层。此燃料电池具有高效率收集在反应层生成的电子的集电层及反应效率高的反应层，并且输出密度高，特性良好。
文档编号H01M4/86GK1534816SQ200410031929
公开日2004年10月6日 申请日期2004年3月31日 优先权日2003年4月2日
发明者三浦弘纲, 山崎保范, 范 申请人:精工爱普生株式会社