专利名称：燃料电池、其制造方法、电子仪器以及汽车的制作方法
技术领域：
本发明是关于由外部向各电极供给不同种类的反应气体，通过被供给的反应气体的反应产生电的燃料电池，该燃料电池的制造方法，以及配备了该燃料电池作为供电电源的电子仪器和汽车。
背景技术：
此前，由电解质膜以及配置在该电解质膜的一面上的电极(正极)和配置在该电解质膜的另一面上的电极(负极)等构成的燃料电池就已经存在。例如，电解质膜是固体高分子电解质膜的固体高分子电解质型燃料电池，在正极侧进行使氢变成氢离子和电子的反应，电子向负极侧流动，氢离子通过电解质膜向负极侧移动，在负极侧进行由氧气、氢离子和电子生成水的反应。
在这样的固体电解质型燃料电池中，各电极通常由下列部分构成由作为反应气体的反应催化剂的金属粒子构成的反应层；在反应层的基板一侧由碳微粒构成的气体扩散层；以及在气体扩散层的基板一侧由导电性物质构成的集电层。在一方的基板中，通过构成气体扩散层的碳微粒的间隙均匀扩散的氢气，在反应层中发生反应，形成电子和氢离子。生成的电子在集电层中聚集，流向另一方基板的集电层。氢离子通过高分子电解质膜向第2基板的反应层移动，与由集电层流动过来的电子和氧气进行反应，生成水。
在这样的燃料电池中，作为形成反应层的方法，目前已经知道的例如有(a)将载有催化剂的碳与高分子电解质溶液和有机溶剂混合，把这样制备的电极触媒层形成用的糊状物涂布在转印基材(聚四氟乙烯制的片材)上，进行干燥，将其与电解质膜热压接合，然后揭下转印基材，从而将触媒层(反应层)转印到电解质膜上的方法(参见特开平8-88008)；(b)用喷射法在用来作为电极的碳层上涂布载有固体催化剂的碳粒子的电解质溶液，然后使溶剂挥发而制备反应层的方法(参见特开2002-298860)。
但是，这些方法有很多工序，十分烦琐，而且要想均匀地涂布催化剂和在规定的位置上准确地地涂布规定量的催化剂十分困难，因此，所得到的燃料电池的性能(功率密度)下降，或者由于白金等昂贵的催化剂的用量增加，导致生产成本提高，存在很多问题。
发明内容
本发明是为了解决上述课题而完成的。本发明的任务是，提供高效率地制造具有高效地汇集在反应层中产生的电子的集电层和反应效率良好的反应层、功率密度高、性能优异的燃料电池的燃料电池制造方法，以及配备了该燃料电池作为供电电源的电子仪器和汽车。
为了解决上述课题，本发明人进行了深入的研究，结果发现，使用喷墨式的喷出装置(以下简称喷出装置)，以规定的间隔，反复地涂布规定量的反应层形成用材料，可以高效率地形成均匀的、具有所希望量的催化剂金属的反应层，从而完成了本发明。
根据本发明之一，提供了燃料电池的制造方法，该方法是形成第1集电层、第1反应层、电解质膜、第2反应层、第2集电层的燃料电池的制造方法，其特征在于，该方法具有下述工序，即，在上述第1集电层上以规定的间隔反复地涂布规定量的反应层形成用材料，形成第1反应层。
本发明的制造方法是具有下列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；形成汇集用来使通过上述第2气体流道供给的第2反应气体反应的电子的第2集电层的第2集电层形成工序；形成利用催化剂使通过上述第2气体流道供给的第2反应气体反应的第2反应层的第2反应层形成工序；其中，优选的是上述第1反应层形成工序和第2反应层形成工序中的至少一方是，通过反复地在第1集电层上或第2集电层上以规定的间隔涂布规定量的反应层形成用材料，形成第1反应层或第2反应层。
在本发明的制造方法中，优选的是，使用喷出装置涂布上述反应层形成用材料。
在本发明的制造方法中，优选的是，在减压下和100℃以下的温度条件下除去涂布上述反应层形成用材料所得到的涂膜中的不需要的成分，形成第1反应层。
另外，在本发明的制造方法中，优选的是，在上述第1集电层上的第1反应层形成部位的全体上，以规定的间隔涂布规定量的反应层形成用材料，由涂布的反应层形成用材料的液滴中除去不需要的物质，以此作为一个单元操作，反复进行该单元操作，形成第1反应层。更优选的是，所述的喷出装置使用具有多个喷嘴的喷出装置，在上述的每一单元操作中由不同的喷嘴喷出反应层形成用材料，进行涂布。
根据本发明之二，提供了一种电子仪器，其特征在于，该仪器配备了用本发明的制造方法制成的燃料电池作为供电电源。
根据本发明之三，提供了一种汽车，其特征在于，该汽车配备了用本发明的制造方法制成的燃料电池作为供电电源。
采用本发明的燃料电池制造方法，可以高效率地形成均匀的、具有所希望量的催化剂金属的反应层。另外，与以往的全面涂布反应层形成用材料而形成反应层的场合相比，催化剂量金属的使用量减少，因而可以制造低成本的燃料电池。
在本发明的燃料电池制造方法中，使用喷出装置涂布上述反应层形成用材料的场合，由于可以在规定的位置上准确地涂布规定量的反应层形成用材料，因而能更高效率地形成均匀的、具有所希望量的催化剂金属的反应层。
在本发明的制造方法中，在减压下和100℃以下的温度条件下除去涂布上述反应层形成用材料所得到的涂膜中的不需要的成分而形成第1反应层的场合，可以不破坏由喷出装置形成的反应层形成用材料的涂膜的分散状态，高效率地形成均匀的具有所希望量的催化剂金属的反应层。
在本发明的制造方法中，在上述第1集电层上的第1反应层形成部位的全体上，设置规定的间隔涂布规定量的反应层形成用材料，由涂布的反应层形成用材料的液滴中除去不需要的物质，以此作为一个单元操作，反复进行该单元操作而形成第1反应层的场合，可以不破坏由喷出装置形成的反应层形成用材料的涂膜的分散状态，高效率地形成均匀的具有所希望量的催化剂金属的反应层。
另外，在本发明的制造方法中，在所述的喷出装置使用具有多个喷嘴的喷出装置，在上述的每一单元操作中由不同的喷嘴涂布反应层形成用材料的场合，由于每单位面积的反应层形成用材料的涂布量没有偏差，因而可以更高效率地形成催化剂金属均匀分散的反应层。
本发明的电子仪器的特征在于，配备了用本发明的制造方法制造的燃料电池作为供电电源。采用本发明的电子仪器，可以配备充分考虑环境保护的绿色能源作为供电电源。
另外，本发明的汽车的特征在于，配备了用本发明的制造方法制造的燃料电池作为供电电源。采用本发明的汽车，可以配备充分考虑环境保护的绿色能源作为供电电源。
附图的简要说明图1是表示实施方式的燃料电池生产线的一个例子的图示。
图2是实施方式的喷墨式喷出装置的示意图。
图3是实施方式的燃料电池制造方法的流程图。
图4是实施方式的燃料电池的制造过程的基板端面图。
图5是说明实施方式中形成气体流道的处理的图示。
图6是实施方式的燃料电池的制造过程的基板端面图。
图7是实施方式的燃料电池的制造过程的基板端面图。
图8是实施方式的燃料电池的制造过程的基板端面图。
图9是说明实施方式中形成反应层的处理的示意图。
图10是实施方式的燃料电池的制造过程的基板端面图。
图11是实施方式的燃料电池的制造过程的基板端面图。
图12是实施方式的燃料电池的制造过程的基板端面图。
图13是实施方式的燃料电池的制造过程的基板端面图。
图14是实施方式的燃料电池的制造过程的基板端面图。
图15是实施方式的燃料电池的端面图。
图16是将实施方式的燃料电池叠层而形成的大型燃料电池的图示。
图中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支承部件4’-第2支承部件，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，10a-反应层形成用材料的涂膜，10-第1反应层，10’-第2反应层，12-电解质膜，20a-20m-喷出装置，BC1，BC2-带式输送机具体实施方式
下面详细地说明本发明的燃料电池的制造方法以及配备了用本发明的制造方法制造的燃料电池的电子仪器和汽车。
本发明的燃料电池的制造方法，是形成第1集电层、第1反应层、电解质膜、第2反应层、第2集电层的燃料电池制造方法，其特征在于，该方法具有下述工序，即，在上述第1集电层上以规定的间隔涂布反应层形成用材料，反复地进行上述操作，形成第1反应层。
本发明的燃料电池的制造方法，可以使用图1中所示的燃料电池制造装置(燃料电池生产线)实施。图1所示的燃料电池生产线是由下列部分构成在各工序中分别使用的喷出装置20a～20m、连接喷出装置20a～20k的带式输送机BC1、连接喷出装置20l和20m的带式输送机BC2、驱动带式输送机BC1和BC2的驱动装置58、进行燃料电池的组装的组装装置60以及进行燃料电池生产线总体的控制的控制装置56。
喷出装置20a～20k沿着带式输送机BC1以一定的间隔配置成一列，喷出装置20l和20m沿着带式输送机BC2以一定的间隔配置成一列。另外，控制装置56与喷出装置20a～20k、驱动装置58和组装装置60相连接。
在该燃料电池生产线中，由驱动装置58驱动带式输送机BC1，将燃料电池的基板(以下简称“基板”)运送到各喷出装置20a～20k，在各喷出装置20a～20k中进行处理。同样，根据控制装置56发出的控制信号，驱动带式输送机BC2，将基板运送到喷出装置20l、20m，在喷出装置20l、20m中进行处理。此外，在组装装置60中，使用根据控制装置56发出的控制信号由带式输送机BC1和BC2输送过来的基板进行燃料电池的组装作业。
喷出装置20a～20m，只要是喷墨方式的喷出装置即可，没有特别的限制。例如可以举出通过加热发泡产生气泡进行液滴喷出的热方式的喷出装置，以及通过使用压电元件的压缩进行液滴喷出的压电方式的喷出装置等。
在本实施方式中，喷出装置20a使用图2中所示的装置。喷出装置20a由下列部分构成容纳喷出物34的罐30；通过喷出物输送管32与罐30连接的喷墨头22；搭载、运送被喷出物的操作台28；抽吸滞留在喷墨头22内的剩余的喷出物34、由喷墨头22中除去过剩的喷出物的抽吸盖40；以及容纳由抽吸盖40抽吸的剩余喷出物的废液槽48。
罐30是容纳抗蚀剂溶液等喷出物34的容器，配备了用于控制罐30内容纳的喷出物的液面34a的高度的液面控制传感器36。液面控制传感器36将配备喷墨头22的喷嘴形成面26的顶端部26a与罐30内的液面34a的高度差h(以下简称“水头值”)控制在规定的范围内。例如，控制液面34a的高度，使水头值在25m±0.5mm内，可以将罐30内的喷出物34在规定范围内的压力下输送到喷墨头22。通过在规定范围内的压力下输送喷出物34，可以由喷墨头22中稳定地喷出必要量的喷出物34。
喷出物输送管32配备有用于防止喷出物输送管32的流道内带电的喷出物流道部接地连接器32a和头部气泡排气阀32b。头部气泡排除阀32b是在利用下述抽吸盖40抽吸喷墨头22内的喷出物的场合使用。
喷墨头22具有头本体24和形成多个将喷出物喷出的喷嘴的喷嘴形成面26，由喷嘴形成面26的喷嘴中将喷出物(例如喷出在基板上形成用于供给反应气体的气体流道时涂布在基板上的抗蚀剂溶液等)喷出。
操作台28设置成可以在规定的方向上移动。操作台28通过在图中箭头所示的方向上移动，可以载置由带式输送机BC1输送来的基板，将其送入喷出装置20a内。
抽吸盖40可以在图2中所示的箭头方向上移动，围绕喷嘴形成面26上形成的多个喷嘴，紧贴在喷嘴形成面26上，在与喷嘴形成面26之间形成密闭空间，将喷嘴与外部大气隔绝开。即，用抽吸盖40抽吸喷墨头22内的喷出物时，该头部气泡排除阀32b形成关闭状态，喷出物不能从罐30一侧流入，通过用抽吸盖40抽吸，提高被抽吸的喷出物的流速，从而可以快速排出喷墨头22内的气泡。
在抽吸盖40的下方设置流道，在该流道中配置吸入阀门42。吸入阀门42的作用是，为了缩短吸入阀门42下方的吸入一侧与其上方的喷墨头22一侧取得压力平衡(大气压)的时间而使流道形成关闭状态。在该流道上配置了检测抽吸异常的抽吸压检测传感器44和由管式泵构成的吸入泵46。另外，由吸入泵46吸入、输送的喷出物34暂时容纳在废液槽48中。
在本实施方式中，喷出装置20b～20m除了喷出物34的种类不同外与喷出装置20a的结构相同。因此，在下文中对于各喷出装置中的相同构成部分使用同一符号。
下面说明使用图1所示的燃料电池生产线制造燃料电池的各工序。图3中示出使用图1所示的燃料电池生产线的燃料电池制造方法的流程图。
如图3所示，本实施方式的燃料电池是通过下列工序制造的在第1基板上形成气体流道的工序(S10，第1气体流道形成工序)；在气体流道内涂布第1支承部件的工序(S11，第1支承部件涂布工序)；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)；第1反应层形成工序(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)；在第2气体流道内涂布第2支承部件的工序(S19，第2支承部件涂布工序)；以及将已形成第2气体流道的第2基板层合的工序(S20，组装工序)。
(1)第1气体流道形成工序(S10)首先，如图4(a)所示，制备矩形的第1基板2，用带式输送机BC1将基板2输送到喷出装置20a。对于基板2没有特别的限制，可以使用硅基板等通常的燃料电池所使用的基板。在本实施方式中使用硅基板。
由带式输送机BC1输送来的基板2，被载置在喷出装置20a的操作台28上，送入喷出装置20a内，在喷出装置20a内，容纳在喷出装置20a的罐30内的抗蚀液，通过喷嘴形成面26的喷嘴被涂布到载置在工作台28上的基板2的规定位置上，在基板2的表面上形成抗蚀剂图案(图中的斜线部分)。如图4(b)所示，抗蚀剂图案是在基板2表面上的形成用于供给第1反应气体的第1气体流道的部分以外的区域上形成。
在规定的位置上形成了抗蚀剂图案的基板2，由带式输送机BC1输送到喷出装置20b，载置在喷出装置20b的操作台28上，送入喷出装置20b内。在喷出装置20b内，通过喷嘴形成面26的喷嘴将容纳在罐30中的氢氟酸水溶液等腐蚀液涂布到基板2表面上。利用腐蚀液将形成抗蚀剂图案的部分以外的基板2表面部腐蚀，如图5(a)所示，形成由基板2的一侧表面向另一侧表面延伸的断面コ字形的第1气体流道。另外，如图5(b)所示，已形成气体流道的基板2，用洗净装置(图中未示出)将其表面洗净，除去抗蚀剂图案，然后将形成了气体流道的基板2由操作台28转移到带式输送机BC1，由带式输送机BC1输送到喷出装置20c。
(2)第1支承部件涂布工序(S11)接下来，在形成了第1气体流道的基板2上，在气体流道内涂布用于支承第1集电层的第1支承部件。第1支承部件的涂布按以下所述进行，将基板2载在操作台28上送入喷出装置20c内，然后利用喷出装置20c，通过喷嘴形成面26的喷嘴，将容纳在罐30内的第1支承部件4喷出到在基板2上形成的第1气体流道内。
所使用的第1支承部件，只要对于第1反应气体是惰性的，能防止第1集电层落入第1气体流道中并且不妨碍第1反应气体向第1反应层中扩散即可，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微米左右的多孔质碳。由于使用具有规定粒径的多孔质碳作为支承部件，通过气体流道供给的反应气体从多孔质碳的间隙中向上扩散，因而不会妨碍反应气体的流动。
图6中示出涂布了第1支承部件4的基板2的端面图。涂布了第1支承部件4的基板2由操作台28转移到带式输送机BC1，由带式输送机BC1输送到喷出装置20d。
(3)第1集电层形成工序(S12)随后，在基板2上形成第1集电层，用于聚集由第1反应气体反应所产生的电子。首先，将由带式输送机BC1输送到喷出装置20d的基板2载置在操作台28上，送入喷出装置20d内。在喷出装置20d中，通过喷嘴形成面26的喷嘴将一定量的容纳在罐30中的集电层形成用材料喷出到基板2上，形成具有规定图案的第1集电层。
所使用的集电层形成用材料，只要是含有导电性物质的材料即可，没有特别的限制。作为导电性物质例如可以举出铜、银、金、铂、铝等，可以单独使用1种，也可以2种以上组合使用。集电层形成用材料可以通过将这些导电性物质中的至少1种分散于适当的溶剂中、根据需要添加分散剂而制成。
在本实施方式中，是使用喷出装置20d进行集电层形成用材料的涂布，通过简便的操作就可以准确地在规定位置上涂布规定量的集电层形成用材料，因此可以大大节省集电层形成用材料的用量，高效率地形成所希望的图案(图形)的集电层，通过根据位置改变集电层形成用材料的涂布间隔，可以容易地控制反应气体的通气性，还可以任意地根据涂布位置改变所使用的集电层形成用材料的种类。
图7中示出形成了第1集电层6的基板2的端面图。如图7所示，第1集电层6被基板2上形成的第1气体流道内的第1支承部件4支承，不会向下落入第1气体流道内。形成了第1集电层6的基板2由操作台28转移到带式输送机BC1，由带式输送机BC1输送到喷出装置20e。
(4)第1气体扩散层形成工序(S13)随后，在基板2的集电层上形成第1气体扩散层。首先，将由带式输送机BC1输送到喷出装置20e的基板2载置在操作台28上，送入喷出装置20e内，在喷出装置20e内，通过喷嘴形成面26的喷嘴将容纳在喷出装置20e的罐30内的气体扩散层形成用材料喷出到载置在操作台28上的基板2表面的规定位置上，形成第1气体扩散层。
所使用的气体扩散层形成用材料一般是碳素粒子，也可以使用碳纳米管、碳纳米纤维(カ-ボンナノフオ-ン)、富勒希(フラ-レン)等。在本实施方式中，是使用涂布装置20e形成气体扩散层，因此，例如在集电层一侧可以增大涂布间隔(几十微米)，在表面一侧可以减小涂布间隔(几十nm)，在基板附近增大流道宽度，尽可能地减小反应气体的扩散阻力，同时在反应层附近(气体扩散层的表面一侧)可以容易地形成均匀而细的流道的气体扩散层。另外，也可以在气体扩散层的基板一侧使用碳微粒，在其表面一侧使用气体扩散能力低但催化剂载持能力好的材料。
图8中示出已形成第1气体扩散层8的基板2的端面图。如图8所示，第1气体扩散层8是在基板2的整个表面上形成，覆盖住在基板2上形成的第1集电层。已形成第1气体扩散层8的基板2，由操作台28转移到带式输送机BC1上，由带式输送机BC1输送到喷出装置20f。
(5)第1反应层形成工序(S14)随后，在基板2上形成第1反应层。第1反应层通过气体扩散层8与第1集电层电连接。
首先，将由带式输送机BC1输送到喷出装置20f的基板2载置在工作台28上，送入喷出装置20f内。然后，容纳在喷出装置20f的罐30内的反应层形成用材料以规定的量按照规定的间隔被喷出到基板2表面上的第1反应层形成部位上，形成反应层形成材料的涂膜。随后，由所得到的涂膜中除去不需要的成分，形成反应层。
图9中示出使用喷出装置20f在第1集电层8表面上的第1反应层形成部位上以规定的间隔喷出规定量的反应层形成用材料，形成反应层形成材料的涂膜的工序示意图。如图9(a)所示，在基板上的形成第1反应层的部分全体上等间隔地(即与此前涂布的反应层形成用材料的液滴不重叠)涂布反应层形成用材料。然后，如图9(b)所示，在其间隙中进一步等间隔地进行涂布。通过重复进行上述操作，可以在全部表面上进行均匀的涂布，均匀地形成具有所希望量的催化剂金属的反应层。在图9(a)～9(c)中，标记的数字表示涂布的顺序，图10(a)表示反应层形成用材料的涂膜。
这种方法就好象将茶叶放入茶壶中，倒入开水，然后把茶水倒入多个茶杯中时，如果由茶壶中每次少量地向各茶杯中入茶水，如此反复操作，可以得到整体上浓度均匀的茶水相类似。即，由喷出装置中一次性地喷出的反应层形成用材料，其数量和浓度会有误差，因此，与由一侧向另一侧顺序地涂布的场合相比，以一定的间隔反复地涂布反应层形成用材料可以在整体上实现均匀的涂布，得到均匀的、具有所希望量的催化剂金属的反应层。
反应层形成材料的液滴大小和涂布间隔，只要液滴命中目标时彼此不接触即可，没有特别的限制，从高效率地形成具有所希望量的催化剂金属的反应层的角度考虑，优选的是液滴的大小比较小(例如10微升以下)，空出足够的涂布间隔(例如0.1～1mm)。
作为反应层形成用材料，例如可以举出(a)将金属化合物(金属配位化合物、金属盐)或金属氢氧化物吸附在碳载体上的载持金属的碳的分散液，(b)在碳载体上吸附金属微粒子的分散液等。
上述(a)的分散液可以按以下所述制备。首先，在金属化合物的水溶液或水/醇混合溶剂中根据需要添加碱，形成金属氢氧化物，然后向其中添加碳黑等碳载体，加热搅拌，使金属化合物或金属氢氧化物吸附在碳载体上，得到载持金属的碳的粗产物。然后通过适当地反复进行过滤、洗净、干燥，将其精制，然后分散于水或水/醇混合溶剂中即可得到分散液。另外，上述(b)的分散液可以通过将金属微粒子分散在有机分散剂中，然后添加碳载体而制备。所使用的有机分散剂，只要能使金属微粒子均匀地在分散液中即可，没有特别的限制，例如可以举出醇类、酮类、酯类、醚类、烃类、芳香族烃类等。
上述(a)和(b)的分散液中使用的金属化合物、金属氢氧化物、金属微粒子的金属，例如可以举出选自铂、铑、钌、铱、钯、锇以及其中的二种以上元素构成的合金中的一种或二种以上的金属的微粒子，特别优选用铂。
用喷出装置20f涂布反应层形成用材料，形成反应层形成材料的涂膜后，由所得到的涂膜中除去不需要的成分，可以得到在单粗粒子上载持金属微粒子的第1反应层10。
由反应层形成用材料的涂膜中除去不需要的成分的方法，可以举出通过在惰性气体气氛中和常压下加热上述涂膜而除去不需要的成分的方法，或者通过在减压下加热而除去不需要的成分的方法等，优先选用后一种方法。加热温度越低越好，优选的是100℃以下，最好是50℃以下。另外，除去不需要的成分的处理最好是在尽可能短的时间内完成。在高温下长时间除去溶剂的场合，由喷出装置制成的金属微粒子(或金属化合物的微粒子)的均匀的分散状态有可能被破坏，不能得到催化剂金属均匀分散的反应层。
在本发明中，更优选的是，在第1反应层形成部位的全体上，设置规定的间隔涂布规定量的反应层形成用材料，由涂布的反应层形成用材料的液滴中除去不需要的物质，以此作为一个单元操作，反复进行该单元操作，形成第1反应层。另外，优选的是，作为喷出装置20f使用具有多个喷嘴的喷出装置，在所述每一单元操作中由不同的喷嘴喷出反应层形成材料。这是因为，每单位面积上涂布的催化剂金属的量比较均匀，可以形成具有更均匀分散的催化剂金属的反应层。
图10中示出按以上所述形成了第1反应层10的基板2的端面图。形成了第1反应层10的基板2由操作台28转移至带式输送机BC1，由带式输送机BC1输送到喷出装置20g。
(6)电解质膜形成工序(S15)随后，在形成了第1反应层10的基板2上形成电解质膜。首先，将由带式输送机BC1输送到喷出装置20g的基板2载置在操作台28上，送入喷出装置20g内。在喷出装置20g内，通过喷嘴形成面26的喷嘴将容纳在罐30内的电解质膜形成材料喷出到第1反应层10上，形成电解质膜12。
所使用的电解质膜形成材料，例如可以举出将“Nafion”(杜邦公司制造)等全氟磺酸在水与甲醇的重量比为1∶1的混合溶液中胶束化而得到的高分子电解质材料，或者将钨磷酸、钼磷酸等陶瓷类固体电解质调整为规定的粘度(例如20cP以下)的材料等。
图11中示出形成了电解质膜的基板2的端面图。如图11所示，在第1反应层10上形成了具有规定厚度的电解质膜12。形成了电解质膜12的基板2，由操作台28转移至带式输送机BC1，由带式输送机BC1输送到喷出装置20h。
(7)第2反应层形成工序(S16)随后，在已形成电解质膜12的基板2上形成第2反应层。第2反应层是按以下所述形成的，即，在形成了气体流道和气体扩散层的基板上，一面在上述气体流道中流过惰性气体，一面涂布反应层形成用材料。
首先，将由带式输送机BC1输送到喷出装置20h的基板2载置在操作台28上，送入喷出装置20h内。在喷出装置20h中进行与在喷出装置20f中同样的处理，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反应层同样的材料。
图12中示出在电解质膜12上形成了第2反应层10’的基板2的端面图。如图12所示，在电解质膜12上形成第2反应层10’。在第2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，由操作台28转移至带式输送机BC1，再由带式输送机BC1输送到喷出装置20i。
(8)第2气体扩散层形成工序(S17)
随后，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，将由带式输送机BC1输送到喷出装置20i的基板载置在操作台28上，送入喷出装置20i内。在喷出装置20i中进行与在喷出装置20e中的同样的处理，形成第2气体扩散层8’。作为第2气体扩散层形成用材料，可以使用与第1气体扩散层8同样的材料。
图13中示出形成了第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由操作台28转移至带式输送机BC1，再由带式输送机BC1输送到喷出装置20j。
(9)第2集电层形成工序(S18)随后，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，将由带式输送机BC1输送到喷出装置20j的基板2载置在操作台28上，送入喷出装置20j中，进行与在喷出装置20d中同样的处理，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由操作台28转移至带式输送机BC1，由带式输送机BC1输送到喷出装置20k。
(8)第2支承部件涂布工序(S19)随后，将由带式输送机BC1输送到喷出装置20k的基板2载置在操作台28上，送入喷出装置20k内，进行与在喷出装置20c中同样的处理，涂布第2支承部件。作为第2支承部件，可以使用与第1支承部件同样的材料。
图14中示出涂布了第2集电层6’和第2支承部件4’的基板2的端面图。第2支承部件4’是在第2集电层6’上形成，涂布被在基板2上叠层的第2基板上形成的第2气体流道内所容纳的位置上。
(9)第2基板组装工序(S20)随后，将涂布了第2支承部件4’的基板2和另外制备的已形成第2气体流道的第2基板2’层叠。基板2(第1基板)与第2基板的层叠，是通过将基板2上形成的第2支承部件4’容纳在第2基板上形成的第2气体流道内使二者结合在一起来进行的。其中，第2基板可以使用与第1基板同样的材料。另外，第2气体流道是通过在喷出装置20l和20m中进行与用喷出装置20a和20b进行的同样的处理而形成的。
按照以上所述，可以制成图15中所示结构的燃料电池。图15所示的燃料电池按照自下而上的顺序由下面所述的各部分构成第1基板2；在第1基板2上形成的第1气体流道3；容纳在第1气体流道3内的第1支承部件4；在第1基板2和第1支承部件4上形成的第1集电层6；第1气体扩散层8；在第1气体扩散层8上形成的第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’；容纳在第2气体流道3’内的第2支承部件4’；以及第2基板2’。另外，在图15所示的燃料电池中，是按照使基板2上形成的由一侧表面向另一侧表面延伸的コ字形的第1气体流道与基板2’上形成的第2气体流道彼此平行的方式来配置基板2’的。
按本实施方式制造的燃料电池的种类没有特别的限制，例如可以举出高分子电解质型燃料电池、磷酸型燃料电池、直接甲醇型燃料电池等。
按照本实施方式制造的燃料电池按以下所述进行工作。即，由第1基板2的第1气体流道3导入第1反应气体，通过气体扩散层8均匀地扩散，扩散的第1反应气体在第1反应层10中反应，生成离子和电子，生成的电子聚集在集电层6中，流向第2基板2’的第2集电层6’，由第1反应气体产生的离子在电解质膜12中向第2反应层10’移动。另一方面，由第2基板2’的气体流道3’导入第2反应气体，通过第2气体扩散层8’均匀地扩散，扩散的第2反应气体在第2反应层10’中与在电解质膜12中移动过来的离子和由第2集电层6’送入的电子反应。例如，在第1反应气体是氢气，第2反应气体是氧气的场合，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。
在上述实施方式的燃料电池制造方法中，所有的工序中都使用了喷出装置，但也可以在制造燃料电池的任意一个工序中使用喷出装置制造燃料电池。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集电层和/或第2集电层，在其它的工序中按照与以往同样的工艺进行操作，制造燃料电池。在这种场合，由于不需要使用MEMS(Micro Electro MechanicalSystem)就可以形成集电层，因而可以将燃料电池的制造成本抑制在较低的水平。
在上述实施方式的制造方法中，是在基板上形成抗蚀剂图案，然后涂布氢氟酸水溶液进行腐蚀来形成气体流道的，但也可以不形成抗蚀剂图案就能形成气体流道。另外，也可以将基板置于氟气体气氛中，通过向基板上规定的位置喷出水来形成气体流道。此外，还可以使用喷出装置在基板上涂布气体流道形成用材料来形成气体流道。
在上述实施方式的制造方法中，是从供给第1反应气体的第1基板一侧开始操作，形成燃料电池的各组成部分，最后将第2基板叠层上去来制造燃料电池的，但也可以从供给第2反应气体的基板一侧开始制造燃料电池。
在上述实施方式的制造方法中，是沿着第1基板上形成的第1气体流道涂布第2支承部件的，但也可以在与第1气体流道交叉的方向上进行涂布。即，按照与第1基板上形成的气体流道成直角交叉的方式涂布第2支承部件，例如，在图5(b)中从图中右侧向左侧延伸的方向上涂布第2支承部件。在这种场合，可以得到第2基板上形成的第2气体流道与第1基板上形成的第1气体流道成直角交叉地配置第2基板的燃料电池。
在上述实施方式的制造方法中，是在形成了第1气体流道的第1基板上顺次形成了第1集电层、第1反应层、电解质膜、第2反应层和第2集电层，但也可以在第1基板和第2基板上分别形成集电层、反应层和电解质膜，最后将第1基板和第2基板结合在一起，制成燃料电池。
在本实施方式的燃料电池生产线中，设置了对第1基板进行处理的第1生产线和对第2基板进行处理的第2生产线，各生产线中的处理是平行地进行的。由于可以平行地进行对第1基板的处理和对第2基板的处理，因而可以快速地制造燃料电池。
3)电子仪器和汽车本发明的电子仪器的特征在于，配备了上述燃料电池作为供电电源。所述的电子仪器可以举出携带式电话机、PHS、移动电话、笔记本电脑、PDA(携带信息终端)、移动电视电话机等。另外，本发明的电子仪器还可以具有其它功能，例如游戏功能、数据通信功能、录音再现功能、辞典功能等。
采用本发明的电子仪器，可以配备充分考虑环境保护的绿色能源作为供电电源。
本发明的汽车的特征在于，配备了上述燃料电池作为供电电源。采用本发明的制造方法，通过将多个燃料电池叠层，还可以制造大型的燃料电池。即，如图16所示，在制备的燃料电池的基板2’的背面进一步形成气体流道，在形成了气体流道的基板2’的背面上，与上述燃料电池制造方法的制造工艺同样地形成气体扩散层、反应层、电解质膜等，将燃料电池叠层，可以制造大型的燃料电池。
采用本发明的汽车，可以配备充分考虑环境保护的绿色能源作为供电电源。
权利要求
1.一种燃料电池的制造方法，该方法是形成第1集电层、第1反应层、电解质膜、第2反应层、第2集电层的燃料电池制造方法，其特征在于，该方法具有下述工序，即，在上述第1集电层上以规定的间隔反复地涂布反应层形成用材料，形成第1反应层。
2.一种燃料电池的制造方法，该方法具有下列工序在第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；形成汇集用来使通过上述第2气体流道供给的第2反应气体反应的电子的第2集电层的第2集电层形成工序；形成利用催化剂使通过上述第2气体流道供给的第2反应气体反应的第2反应层的第2反应层形成工序；其特征在于，上述第1反应层形成工序和第2反应层形成工序中的至少一方是，通过反复地在第1集电层上或第2集电层上以规定的间隔涂布反应层形成用材料，形成第1反应层或第2反应层。
3.权利要求1或2所述的燃料电池制造方法，其特征在于，使用喷出装置涂布上述反应层形成用材料。
4.权利要求1～3中任一项所述的燃料电池制造方法，其特征在于，涂布上述反应层形成用材料之后，在减压下和100℃以下的温度条件下除去所得到的涂膜中的不需要成分，形成第1反应层。
5.权利要求1～4中任一项所述的燃料电池制造方法，其特征在于，在上述第1集电层上的第1反应层形成部位的全体上，以规定的间隔涂布规定量的反应层形成用材料，由涂布的反应层形成用材料的液滴中除去不需要的物质，以此作为一个单元操作，反复进行该单元操作，形成第1反应层。
6.权利要求5所述的燃料电池制造方法，其特征在于，所述的喷出装置使用具有多个喷嘴的喷出装置，在上述的每一单元操作中由不同的喷嘴喷出反应层形成用材料，进行涂布。
7.电子仪器，其特征在于，配备有采用权利要求1～6中任一项所述的制造方法制造的燃料电池作为供电电源。
8.汽车，其特征在于，配备有采用权利要求1～6中任一项所述的制造方法制造的燃料电池作为供电电源。
全文摘要
一种燃料电池、其制造方法、电子仪器以及汽车，本发明的燃料电池的制造方法，是形成第1集电层、第1反应层、电解质膜、第2反应层、第2集电层的燃料电池制造方法，其特征在于，该方法具有下述工序，即，在上述第1集电层上以规定的间隔反复地涂布规定量的反应层形成用材料，形成第1反应层。本发明的电子仪器和汽车的特征在于，配备了用本发明的制造方法制造的燃料电池作为供电电源。根据本发明，可以高效率地制造具有高效地汇集在反应层上产生的电子的集电层和反应效率良好的反应层、功率密度高、性能优异的燃料电池。
文档编号H01M8/02GK1534815SQ200410007069
公开日2004年10月6日 申请日期2004年2月27日 优先权日2003年3月31日
发明者森井克行, 和, 小松宽和 申请人:精工爱普生株式会社