專利名稱：功能性多孔層形成方法、燃料電池制造方法、電子儀器、汽車的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于在多孔層上載持功能性材料且在多孔層的深度方向上功能性材料的存在量變化的的功能性多孔層的形成方法，將該形成方法用于形成反應(yīng)層的燃料電池的制造方法，以及裝備了由該制造方法得到的燃料電池作為供電電源的電子儀器和汽車。
背景技術(shù)：
此前，由電解質(zhì)膜以及配置在該電解質(zhì)膜的一面上的電極(正極)和配置在該電解質(zhì)膜的另一面上的電極(負極)等構(gòu)成的燃料電池就已經(jīng)存在。例如，電解質(zhì)膜是固體高分子電解質(zhì)膜的固體高分子電解質(zhì)型燃料電池，在正極側(cè)進行使氫變成氫離子和電子的反應(yīng)，電子在負極側(cè)流動，氫離子在電解質(zhì)膜中向負極側(cè)移動，在負極側(cè)進行由氧氣、氫離子和電子生成水的反應(yīng)。
在這樣的固體電解質(zhì)型燃料電池中，各電極通常由下列部分構(gòu)成由作為反應(yīng)氣體的反應(yīng)催化劑的金屬微粒構(gòu)成的反應(yīng)層；在反應(yīng)層的基板一側(cè)由碳微粒構(gòu)成的氣體擴散層；以及在氣體擴散層的基板一側(cè)由導電性物質(zhì)構(gòu)成的集電層。在一方的基板中，通過構(gòu)成氣體擴散層的碳微粒的間隙均勻擴散的氫氣，在反應(yīng)層中發(fā)生反應(yīng)，形成電子和氫離子。生成的電子在集電層中聚集，流向另一方基板的集電層。氫離子通過高分子電解質(zhì)膜向第2基板的反應(yīng)層移動，與由集電層流動過來的電子和氧氣進行反應(yīng)，生成水。
在這樣的燃料電池中，作為形成反應(yīng)層的方法，目前已經(jīng)知道的例如有(a)將載有催化劑的碳與高分子電解質(zhì)溶液和有機溶劑混合，把這樣制備的電極催化劑層形成用的糊狀物涂布在轉(zhuǎn)印基材(聚四氟乙烯制的片材)上，進行干燥，將其與電解質(zhì)膜熱壓接合，然后揭下轉(zhuǎn)印基材，從而將催化劑層(反應(yīng)層)轉(zhuǎn)印到電解質(zhì)膜上的方法(參見特開平8-88008)；(b)用噴射法在用來作為電極的碳層上涂布載有固體催化劑的碳粒子的電解質(zhì)溶液，然后使溶劑揮發(fā)而制備反應(yīng)層的方法(參見特開2002-298860)。
但是，這些方法有很多工序，十分煩瑣，而且要想均勻地涂布催化劑和在規(guī)定的位置上準確地地涂布規(guī)定量的催化劑十分困難，因此，所得到的燃料電池的性能(功率密度)下降，或者由于鉑等昂貴的催化劑的用量增加，導致生產(chǎn)成本提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務(wù)是，提供高效率地形成在多孔性物質(zhì)上載持功能性材料并且功能性材料的存在量在深度方向上具有所希望的深度分布的功能性多孔層的方法，將該方法適用于反應(yīng)層的形成中的燃料電池的制造方法。以及配備了由該制造方法得到的燃料電池作為供電電源的電子儀器和汽車。
為了完成上述任務(wù)，本發(fā)明人進行了深入的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在多孔層上涂布表面張力不同的多種功能性材料的溶液或分散液，利用上述表面張力的差異，可以控制所述功能性材料的溶液或分散液向多孔層的深度方向的浸滲，另外，將該方法用于形成燃料電池的反應(yīng)層，可以高效率地形成在碳類物質(zhì)粒子上載持金屬微粒子并且金屬微粒子的存在量在由碳類物質(zhì)粒子構(gòu)成的多孔層的深度方向上變化反應(yīng)層，從而完成了本發(fā)明。
根據(jù)本發(fā)明之一，提供了功能性多孔層的形成方法，該方法是形成在多孔性物質(zhì)上載持功能性材料的功能性多孔層的方法，其特征在于，在多孔層上涂布表面張力不同的多種功能性材料的溶液或分散液，利用上述表面張力的差異，控制所述功能性材料向多孔層的深度方向的浸滲。
在本發(fā)明的功能性多孔層的形成方法中，優(yōu)選的是，通過在多孔層上涂布表面張力不同的多種功能性材料的溶液或分散液，除去上述溶液或分散液中所含的溶劑，形成上述功能性多孔層。
在本發(fā)明的功能性多孔層的形成方法中，優(yōu)選的是，按照在多孔層的深度方向上功能性材料的存在量變化的方式，形成在多孔性物質(zhì)上載持功能性材料而構(gòu)成的功能性多孔層。
在本發(fā)明的功能性多孔層的形成方法中，優(yōu)選的是，使用表面張力不同的所述功能性材料的溶液或分散液，多次重復進行在多孔層上涂布功能性材料的溶液或分散液，使功能性材料的溶液或分散液浸滲該多孔層的工序，更優(yōu)選的是，每一次改變功能性材料的溶液或分散液的濃度。
在本發(fā)明的功能性多孔層的形成方法中，更優(yōu)選的是，在多孔層上涂布第1功能性材料的溶液或分散液，使所述第1功能性材料的溶液或分散液浸滲該多孔層，然后，在所述多孔層上涂布具有比所述第1功能性材料的溶液或分散液更大的表面張力的第2功能性材料的溶液或分散液，使第2功能性材料的溶液或分散液浸滲該多孔層。
在本發(fā)明的功能性多孔層的形成方法中，作為上述表面張力不同的功能性材料的溶液或分散液，優(yōu)先選用將功能性材料溶解或分散于不同種類的溶劑中而制備的溶液或分散液，作為上述功能性材料的溶液或分散液，優(yōu)先使用選自鉑、銠、釕、銥、鈀、鋨以及由其中的二種以上元素構(gòu)成的合金中的1種或2種以上的金屬的微粒子或該金屬的化合物的溶液或分散液。
在本發(fā)明的功能性多孔層的形成方法中，優(yōu)選的是，所述的多孔層是由碳類物質(zhì)粒子構(gòu)成的多孔層。另外，所述的功能性多孔層優(yōu)選的是在碳類物質(zhì)粒子上載持選自鉑、銠、釕、銥、鈀、鋨以及由其中的二種以上元素構(gòu)成的合金中的1種或2種以上的金屬的微粒子的功能性多孔層，更優(yōu)選的是按照第1集電層、第1反應(yīng)層、電解質(zhì)膜、第2反應(yīng)層、第2集電層這一順序形成的燃料電池的第1反應(yīng)層和第2反應(yīng)層中的至少一方。
此外，在本發(fā)明的功能性多孔層的形成方法中，優(yōu)選的是，功能性材料的溶液或分散液的涂布是使用噴出裝置進行。
根據(jù)本發(fā)明之二，提供了燃料電池的制造方法，該方法是形成第1集電層、第1反應(yīng)層、電解質(zhì)膜、第2反應(yīng)層、第2集電層的燃料電池的制造方法，其特征在于，通過在由碳類物質(zhì)粒子構(gòu)成的多孔層上涂布表面張力不同的多種反應(yīng)層形成用材料的溶液或分散液，除去上述溶液或分散液中所含的溶劑，形成上述第1反應(yīng)層和第2反應(yīng)層的至少一方。
在本發(fā)明的燃料電池制造方法中，優(yōu)選的是，在上述第1反應(yīng)層和第2反應(yīng)層的至少一方中，按照在由碳類物質(zhì)粒子構(gòu)成的多孔層的深度方向上反應(yīng)層形成用材料的存在量變化的方式形成在碳類物質(zhì)粒子上載持反應(yīng)層形成用材料的反應(yīng)層。
在本發(fā)明的燃料電池制造方法中，優(yōu)選的是，上述第1反應(yīng)層和第2反應(yīng)層中的至少一方是按下述方式形成的，即，使用表面張力不同的反應(yīng)層形成用材料的溶液或分散液，多次重復進行在由碳類物質(zhì)粒子構(gòu)成的多孔層上涂布反應(yīng)層形成用材料的溶液或分散液，使反應(yīng)層形成用材料的溶液或分散液浸滲該多孔層的工序。
在本發(fā)明的燃料電池制造方法中，優(yōu)選的是，上述第1反應(yīng)層和第2反應(yīng)層中的至少一方是按下述方式形成的，即，在由碳類物質(zhì)粒子構(gòu)成的多孔層上涂布第1反應(yīng)層形成用材料的溶液或分散液，使第1反應(yīng)層形成用材料的溶液或分散液浸滲由碳類物質(zhì)粒子構(gòu)成的多孔層，然后，在上述由碳類物質(zhì)粒子構(gòu)成的多孔層上涂布具有比上述第1反應(yīng)層形成用材料的溶液或分散液更大的表面張力的第2反應(yīng)層形成用材料的溶液或分散液，使第2反應(yīng)層形成用材料的溶液或分散液浸滲該多孔層。
在本發(fā)明的燃料電池制造方法中，優(yōu)選的是，作為上述表面張力不同的反應(yīng)層形成用材料的溶液或分散液，使用將反應(yīng)層形成用材料溶解或分散于不同種類的溶劑中而制備的溶液或分散液。
在本發(fā)明的燃料電池制造方法中，優(yōu)選的是，上述第1反應(yīng)層和第2反應(yīng)層中的至少一方是按下述方式形成的，即，通過在第1集電層上或第2集電層上涂布碳類物質(zhì)粒子，形成由碳類物質(zhì)粒子構(gòu)成的多孔層，然后，在由碳類物質(zhì)粒子構(gòu)成的多孔層上涂布表面張力不同的多種反應(yīng)層形成用材料的溶液或分散液，除去上述溶液或分散液中所含的溶劑。
另外，在本發(fā)明的燃料電池制造方法中，優(yōu)選的是，上述反應(yīng)層形成用材料的溶液或分散液的涂布是使用噴出裝置進行的。
在本發(fā)明的燃料電池制造方法中，優(yōu)選的是，上述第1反應(yīng)層和第2反應(yīng)層中的至少一方是按下述方式形成的，即，在碳類物質(zhì)粒子上載持金屬微粒子，該金屬微粒子的存在量在上述反應(yīng)層的電解質(zhì)膜一側(cè)比集電層一側(cè)要高。
根據(jù)本發(fā)明之三，提供了一種電子儀器，其特征在于，該裝置配備了用本發(fā)明的制造方法制成的燃料電池作為供電電源。
根據(jù)本發(fā)明的之四，提供了一種汽車，其特征在于，該汽車配備了用本發(fā)明的制造方法制成的燃料電池作為供電電源。
采用本發(fā)明的功能性多孔層的形成方法，通過在多孔層上涂布表面張力不同的、含有多種功能性材料的溶液或分散液，利用表面張力的差異，可以容易地控制所述功能性材料向所述多孔層的深度方向的浸滲，因而可以容易地形成功能性材料在深度方向上變化分布的功能性多孔層。
本發(fā)明的功能性多孔層的形成方法中，在涂布表面張力相對較小的功能性材料的溶液或分散液之后，涂布表面張力相對大的功能性材料的溶液或分散液的場合，可以容易形成功能性材料在深度方向上連續(xù)減少地分布的功能性多孔層。
在本發(fā)明的功能性多孔層的形成方法中，作為表面張力不同的功能性材料的溶液或分散液使用將同一功能性材料溶解或分散于不同種類的溶劑中而制備的溶液或分散液的場合，可以容易地形成同一功能性材料在深度方向上變化分布、優(yōu)選的是在深度方向上連續(xù)減少地分布的功能性多孔層。
在本發(fā)明的功能性多孔層的形成方法中，通過反復進行在多孔層上涂布表面張力不同的功能性材料的溶液或分散液，使功能性材料浸滲多孔層的工序，即，將所使用的功能性材料的溶液或分散液的表面張力設(shè)定成任意值，任意地組合使用表面張力不同的功能性材料的溶液或分散液，或者通過任意地設(shè)定功能性材料的溶液或分散液的涂布量，可以容易地在深度方向上具有所希望的功能性材料的濃度分布(存在分布)的功能性多孔層。
在本發(fā)明的功能性多孔層的形成方法中，在上述多孔層是由碳類物質(zhì)粒子構(gòu)成的多孔層，上述功能性多孔層是由選自鉑、銠、釕、銥、鈀、鋨以及由其中的2種以上元素構(gòu)成的合金中的1種或2種以上的金屬微粒子構(gòu)成的場合，可以容易地形成在由碳類物質(zhì)粒子構(gòu)成的多孔層中金屬微粒子在深度方向上變化分布、優(yōu)選的是在深度方向上濃度連續(xù)減小地分布的、在多孔質(zhì)碳類物質(zhì)粒子上載持金屬微粒子的功能性多孔層。
本發(fā)明的功能性多孔層的形成方法，特別適合用來作為按照第1集電層、第1反應(yīng)層、電解質(zhì)膜、第2反應(yīng)層、第2集電層的順序形成的燃料電池的上述第1反應(yīng)層或第2反應(yīng)層的形成方法。
另外，在本發(fā)明的功能性多孔層的制造方法中，在使用噴出裝置進行功能性材料的溶液或分散液的涂布的場合，可以將功能性材料準確地涂布在規(guī)定的位置上，因而可以容易地形成具有符合設(shè)計的分布圖的功能性多孔層。此外，由于可以在規(guī)定的位置上只涂布必要量的功能性材料的溶液或分散液，不會涂布多余的功能性材料，可以節(jié)省功能性材料的用量。
采用本發(fā)明的燃料電池的制造方法，可以容易并且高效率地制造具有反應(yīng)層形成用材料在深度方向上變化分布的反應(yīng)層的燃料電池。
在本發(fā)明的燃料電池的制造方法中，在先涂布表面張力相對較小的反應(yīng)層形成用材料的溶液或分散液，然后涂布表面張力相對較大的反應(yīng)層形成用材料的溶液或分散液的場合，可以容易并且高效率地制造具有反應(yīng)層形成用材料在深度方向上連續(xù)減小地分布的反應(yīng)層的燃料電池。
在本發(fā)明的燃料電池的制造方法中，在使用噴出裝置進行反應(yīng)層形成用材料的涂布的場合，可以高效率地形成均勻且在深度方向上具有所希望的反應(yīng)層形成用材料的濃度分布(存在分布)的反應(yīng)層。另外，與以往的全面涂布反應(yīng)層形成用材料而形成反應(yīng)層的場合相比，可以減少昂貴的反應(yīng)層形成用材料的使用量，從而可以以較低的成本制造輸出功率高的燃料電池。
另外，采用本發(fā)明的燃料電池的制造方法，可以按下述方式高效率地形成上述第1反應(yīng)層和第2反應(yīng)層中的至少一方，即，金屬微粒子被載持在碳類物質(zhì)粒子上，所述的金屬微粒子的存在量在所述反應(yīng)層的電解質(zhì)膜一側(cè)比集電層一側(cè)要高。
用本發(fā)明的制造方法制成的燃料電池，由于可以高效率地形成均勻并且具有所希望量的金屬微粒子的反應(yīng)層，因而可以以較低的成本制成功率密度高、性能優(yōu)異的燃料電池。
用本發(fā)明的制造方法得到的燃料電池，可以用來作為電子儀器和汽車等的供電電源。
本發(fā)明的電子儀器，其特征在于，配備了用本發(fā)明的制造方法制造的燃料電池作為供電電源。采用本發(fā)明的電子儀器，可以配備充分考慮環(huán)境保護的綠色能源作為供電電源。
另外，本發(fā)明的汽車，其特征在于，配備了用本發(fā)明的制造方法制造的燃料電池作為供電電源。采用本發(fā)明的汽車，可以配備充分考慮環(huán)境保護的綠色能源作為供電電源。


圖1是表示實施方式的燃料電池生產(chǎn)線的一個例子的圖示。
圖2是實施方式的噴墨式噴出裝置的示意圖。
圖3是實施方式的燃料電池制造方法的流程圖。
圖4是實施方式的燃料電池的制造過程的基板端面圖。
圖5是說明實施方式中形成氣體流道的處理的圖示。
圖6是實施方式的燃料電池的制造過程的基板端面圖。
圖7是實施方式的燃料電池的制造過程的基板端面圖。
圖8是實施方式的燃料電池的制造過程的基板端面圖。
圖9是實施方式中的反應(yīng)層的示意圖。
圖10是實施方式的燃料電池的制造過程的基板端面圖。
圖11是實施方式的燃料電池的制造過程的基板端面圖。
圖12是實施方式的燃料電池的制造過程的基板端面圖。
圖13是實施方式的燃料電池的制造過程的基板端面圖。
圖14是實施方式的燃料電池的制造過程的基板端面圖。
圖15是實施方式的燃料電池的端面圖。
圖16是將實施方式的燃料電池疊層而成的大型燃料電池的圖示。
圖中1-第1基板，2’-第2基板，3-第1氣體流道，3’-第2氣體流道，4-第1支撐部件，4’-第2支撐部件，6-第1集電層，6’-第2集電層，8-第1氣體擴散層，8’-第2氣體擴散層，10a-反應(yīng)層形成用材料，10-第1反應(yīng)層，10’-第2反應(yīng)層，12-電解質(zhì)膜，20a-20m-噴出裝置，BC1，BC2-帶式輸送機具體實施方式
下面詳細地說明本發(fā)明的功能性多孔層的形成方法、燃料電池的制造方法以及配備了該燃料電池的電子儀器和汽車。
1)功能性多孔層的形成方法本發(fā)明的功能性多孔層的形成方法，是在多孔性物質(zhì)上載持功能性材料的功能性多孔層的形成方法，其特征在于，在多孔層上涂布表面張力不同的多種功能性材料的溶液或分散液，利用所述表面張力的差異，控制所述功能性材料向所述多孔層的深度方向的滲透。
在本發(fā)明中，所述的功能性多孔層是指在多孔層的多孔性物質(zhì)上載持(或吸附)功能性材料而形成的多孔層。另外，本發(fā)明的功能性多孔層的形成方法，是功能性材料在多孔層中沿深度方向以規(guī)定的濃度分布存在的多孔層的形成方法，同時還包括在多孔層表面上形成由功能性材料構(gòu)成的層的情況。
本發(fā)明中使用的多孔層的孔徑?jīng)]有特別的限制，通常是幾十nm至幾百nm。
本發(fā)明所使用的多孔層是由多孔性物質(zhì)構(gòu)成的層，只要能載持功能性材料即可，沒有特別的限制。作為多孔性物質(zhì)的優(yōu)選的具體例子可以舉出碳類物質(zhì)粒子、碳納米管、碳納米纖維(カ-ボンナノフオ-ン)、富勒希(フラ-レン)等碳類物質(zhì)粒子。多孔層可以是由1種多孔性物質(zhì)構(gòu)成的層，也可以是由2種以上的多孔性物質(zhì)構(gòu)成的層。另外，多孔層可以是在其它的層上形成的層，也可以是由多孔層本身構(gòu)成的層。
本發(fā)明的功能性多孔層的形成方法可以分為以下工序在多孔層上涂布含有功能性材料的溶液或分散液，使功能性材料的溶液或分散液(以下簡稱“功能性材料的液體”)浸滲多孔層的工序(以下簡稱“工序(1)”)；以及除去上述溶液或分散液中所含的溶劑的工序(以下簡稱“工序(2)”)。
工序(1)是，在所述多孔層上涂布表面張力不同的多種功能性材料的液體，將功能性材料浸滲到多孔層中，使得在所述多孔層的濃度方向上所述功能性材料的存在量呈現(xiàn)變化，優(yōu)選的是連續(xù)地變化，最好是從表面?zhèn)认驅(qū)拥膬?nèi)部功能性材料的存在量連續(xù)地減少。
一般地說，在多孔層中浸滲某種物質(zhì)時，浸滲的物質(zhì)(溶液或分散液)的表面張力越大，在深度方向上浸滲的范圍越寬，表面張力越小，浸滲的范圍越窄(相對于深度方向而言)。本發(fā)明就是利用了這種現(xiàn)象，即，本發(fā)明是通過在多孔層上涂布表面張力不同的多種功能性材料的液體，使之浸滲，從而形成在多孔層的深度方向上的所希望的位置上存在所希望的濃度的功能性材料的功能性多孔層。
在本發(fā)明中優(yōu)選的是，首先在多孔層上涂布表面張力相對較小的功能性材料的液體，使之浸滲多孔層，然后，在多孔層上涂布表面張力相對較大的功能性材料的液體，使該功能性材料的液體浸滲到多孔層中，其理由如下。
在多孔層上涂布表面張力為A1mN/m的功能性材料的液體，使之浸滲多孔層，然后在多孔層上涂布表面張力為＞A1的A2mN/m的功能性材料的液體，使之浸滲多孔層的場合，在使用表面張力為A1的功能性材料的液體時，功能性材料在多孔層的表面到深度d1之間均勻地擴散，另外，在使用表面張力為A2的功能性材料的液體時，功能性材料在多孔層的表面到深度d2(d1＞d2)之間均勻地擴散。即，無論是表面張力為A1的場合，還是表面張力為A2的場合，只要是使用相同的功能性材料，就可以得到相對來說從多孔層的表面附近向著深度方向(d2)功能性材料的存在量連續(xù)降低的功能性材料分布狀態(tài)。
另外，在多孔層上涂布功能性材料的溶液或分散液的場合，命中的液體不會在橫向上擴展，而是在多孔層的深度方向上滲透。因此，即使是涂布表面張力較大的材料，然后再涂布溶劑，也可以控制功能性材料在深度方向上的滲透深度。
具體地說，這一方法可以按以下所述進行。
在多孔層上涂布規(guī)定量的具有第1濃度的第1功能性材料的溶液或分散液。然后，在與涂布了所述第1功能性材料的溶液或分散液的位置相同的位置上涂布規(guī)定量的溶劑(第1工序)。這樣，可以控制功能性材料在多孔層的深度方向上的滲透。
隨后，在多孔層上涂布具有第2濃度的第2功能性材料的溶液或分散液。另外在與涂布了第2功能性材料的溶液或分散液的位置相同的位置上涂布規(guī)定量的溶劑(第2工序)。反復進行這一工序，可以使得功能性材料在多孔層的深度方向上具有一定的濃度分布。在這種場合，在第1工序與第2工序之間還可以設(shè)置除去溶劑的工序(干燥工序)。
在本實施方式中，是以表面張力不同的2種功能性材料的液體為例進行說明的，但也可以使功能性材料的液體的表面張力值分多級變化，使用表面張力不同的3種以上的功能性材料的液體。
本發(fā)明中使用的功能性材料，只要是載持在多孔性物質(zhì)上能發(fā)揮化學反應(yīng)性、導電性、光應(yīng)答性等功能的物質(zhì)即可，沒有特別的限制。作為優(yōu)選的具體例子可以舉出選自鉑、銠、釕、銥、鈀、鋨以及由其中的二種以上元素構(gòu)成的合金中的1種或2種以上的金屬的微粒子。
對于溶解或分散功能性材料的溶劑沒有特別的限制，例如可以舉出水、醇類、酮類、酯類、醚類、烴類、芳香族烴類以及它們中的2種以上的組合等。
制備表面張力不同的功能性材料的液體的方法也沒有特別的限制。例如，在使用鉑微粒子作為功能性材料的場合，通過以規(guī)定的比例在水中添加醇類、丙三醇、乙二醇等有機溶劑或者以規(guī)定的比例在水中添加表面活性劑等，可以制備表面張力從水的值到20mN/m的具有寬范圍的表面張力的鉑微粒子的分散液。另外，通過改變功能性材料的溶液或分散液的濃度，還可以制備具有規(guī)定的表面張力的溶液或分散液。
在本發(fā)明中優(yōu)選的是，使用噴出裝置進行功能性材料液體的涂布。所述的噴出裝置可以使用與下述噴出裝置20a同樣的裝置。在使用噴出裝置進行功能性材料的涂布的場合，可以在所希望的涂布位置上準確地涂布必要量的功能性材料的液體。因此，不僅可以準確地涂布所希望量的功能性材料的液體，而且還可以只在要涂布、浸滲的位置上準確地涂布功能性材料，因而可以容易地形成具有符合設(shè)計要求的功能性材料濃度分布(深度方向和水平方向)的功能性多孔層。
另外，作為所使用的噴出裝置，還可以使用具有多個噴嘴的裝置。在使用這樣的噴出裝置的場合，例如，在涂布功能性材料的液體的整個區(qū)域上以規(guī)定的涂布間隔涂布功能性材料，然后在該涂布間隔之間進一步涂布功能性材料的液體的場合，可以由不同的噴嘴噴出功能性材料的液體。使用這種噴出裝置，可以從總體上減少噴嘴之間產(chǎn)生的1次涂布量的誤差。
功能性材料的液體的涂布，最好是充分留出間隔(1mm左右)，每次少量(例如10微升)涂布。在餾去溶劑后，功能性材料的析出階段改變，因而可以得到功能性材料均勻分散的功能性多孔層，而且涂布間隔時常是相同的。
然后，在工序(2)中，除去溶解或分散功能性材料的溶劑，可以形成在多孔層中載持(或吸附)功能性材料而構(gòu)成的多孔層。
除去溶解或分散功能性材料的溶劑的方法，一般是采用通過加熱蒸發(fā)、除去的方法。在本發(fā)明中，長時間在高溫下進行熱處理有可能破壞在工序(1)中形成的功能性材料的分散狀態(tài)，因而優(yōu)選的是盡可能短時間并且在低溫下進行溶劑的去除。具體地說，最好是在減壓和低溫下例如在100℃以下除去溶劑。
采用本發(fā)明的功能性多孔層的形成方法，可以容易地形成功能性材料在深度方向上變化分布的功能性多孔層。本發(fā)明的功能性多孔層的形成方法特別適合用于形成下面所述的燃料電池的反應(yīng)層。
2)燃料電池的形成方法本發(fā)明的燃料電池的形成方法，是形成第1集電層、第1反應(yīng)層、電解質(zhì)膜、第2反應(yīng)層、第2集電層的燃料電池的制造方法，其特征在于，上述第1反應(yīng)層和第2反應(yīng)層中的至少一方是按下述方式形成的，即，在由碳類物質(zhì)粒子構(gòu)成的多孔層上涂布表面張力不同的多種反應(yīng)層形成用材料的溶液或分散液，然后除去上述溶液或分散液中所含的溶劑。
本發(fā)明的燃料電池的制造方法，可以使用圖1中所示的燃料電池制造裝置(燃料電池生產(chǎn)線)實施。圖1所示的燃料電池生產(chǎn)線是由下列部分構(gòu)成在各工序中分別使用的噴出裝置20a-20m、連接噴出裝置20a-20k的帶式輸送機BC1、連接噴出裝置20l和20m的帶式輸送機BC2、驅(qū)動帶式輸送機BC1和BC2的驅(qū)動裝置58、進行燃料電池的組裝的組裝裝置60以及進行燃料電池生產(chǎn)線總體的控制的控制裝置56。
噴出裝置20a-20k沿著帶式輸送機BC1以一定的間隔配置成一列，噴出裝置20l和20m沿著帶式輸送機BC2以一定的間隔配置成一列。另外，控制裝置56與噴出裝置20a-20k、驅(qū)動裝置58和組裝裝置60相連接。
在該燃料電池生產(chǎn)線中，由驅(qū)動裝置58驅(qū)動帶式輸送機BC1，將燃料電池的基板(以下簡稱“基板”)運送到各噴出裝置20a-20k，在各噴出裝置20a-20k中進行處理。同樣，根據(jù)控制裝置56發(fā)出的控制信號，驅(qū)動帶式輸送機BC2，將基板運送到噴出裝置20l、20m，在噴出裝置20l、20m中進行處理。此外，在組裝裝置60中，使用根據(jù)控制裝置56發(fā)出的控制信號由帶式輸送機BC1和BC2輸送過來的基板進行燃料電池的組裝作業(yè)。
噴出裝置20a-20m，只要是噴墨方式的噴出裝置即可，沒有特別的限制。例如可以舉出通過加熱發(fā)泡產(chǎn)生氣泡，進行液滴噴出的熱方式的噴出裝置，以及通過使用壓電元件的壓縮進行液滴噴出的壓電方式的噴出裝置等。
在本實施方式中，作為噴出裝置20a使用圖2中所示的裝置。噴出裝置20a由下列部分構(gòu)成容納噴出物34的罐30；通過噴出物輸送管32與罐30連接的噴墨頭22；搭載、運送被噴出物的操作臺28；抽吸滯留在噴墨頭22內(nèi)的剩余的噴出物34、由噴墨頭22中除去過剩的噴出物的抽吸蓋40；以及容納由抽吸蓋40抽吸的剩余噴出物的廢液槽48。
罐30是容納抗蝕劑溶液等噴出物34的容器，配備了用于控制罐30內(nèi)容納的噴出物的液面34a的高度的液面控制傳感器36的液面控制傳感器36，將配備噴墨頭22的噴嘴形成面26的頂端部26a與罐30內(nèi)的液面34a的高度差h(以下簡稱“水頭值”)控制在規(guī)定的范圍內(nèi)。例如，控制液面34a的高度，使水頭值在25m±0.5mm內(nèi)，可以將罐30內(nèi)的噴出物34在規(guī)定范圍內(nèi)的壓力下輸送到噴墨頭22。通過在規(guī)定范圍內(nèi)的壓力下輸送噴出物34，可以由噴墨頭22中穩(wěn)定地噴出必要量的噴出物34。
噴出物輸送管32，配備有用于防止噴出物輸送管32的流道內(nèi)帶電的噴出物流道部接地連接器32a和頭部氣泡排氣閥32b。頭部氣泡排氣閥32b是在利用下述抽吸蓋40抽吸噴墨頭22內(nèi)的噴出物的場合使用。
噴墨頭22具有頭體24和形成多個將噴出物噴出的噴嘴的噴嘴形成面26，由噴嘴形成面26的噴嘴中噴出噴出物，例如將在基板上形成用于供給反應(yīng)氣體的氣體流道時涂布在基板上的抗蝕劑溶液等。操作臺28設(shè)置成可以在規(guī)定的方向上移動。操作臺28通過在圖中箭頭所示的方向上移動，可以載置由帶式輸送機BC1輸送來的基板，將其送入噴出裝置20a內(nèi)。
抽吸蓋40可以在圖2中所示的箭頭方向上移動，圍繞噴嘴形成面26上形成的多個噴嘴，緊貼在噴嘴形成面26上，在與噴嘴形成面26之間形成密閉空間，將噴嘴與外部大氣隔絕開。即，用抽吸蓋40抽吸噴墨頭22內(nèi)的物料時，該頭部氣泡排除閥32b為關(guān)閉狀態(tài)，噴出物不能從罐30一側(cè)流入，通過用抽吸蓋40抽吸，提高被抽吸的噴出物的流速，從而可以快速排出噴墨頭22內(nèi)的氣泡。
在抽吸蓋40的下方設(shè)置流道，在該流道中配置吸入閥門42。吸入閥門42的作用是，為了縮短吸入閥門42下方的吸入一側(cè)與其上方的噴墨頭22一側(cè)取得的壓力平衡(大氣壓) 的時間而使流道形成關(guān)閉狀態(tài)。在該流道上配置了檢測抽吸異常的抽吸壓檢測傳感器44和由管式泵構(gòu)成的吸入泵46。另外，由吸入泵吸入、送出的噴出物34暫時容納在廢液槽48中。
在本實施方式中，噴出裝置20b-20m除了噴出物34的種類不同外與噴出裝置20a的結(jié)構(gòu)相同。因此，在下文中對于各噴出裝置中的相同構(gòu)成部分使用同一符號。
下面說明使用圖1所示的燃料電池生產(chǎn)線制造燃料電池的各種工序。圖3中示出使用圖1中所示燃料電池生產(chǎn)線的燃料電池制造方法的流程圖。
如圖3所示，本實施方式的燃料電池是通過下列工序制造的在第1基板上形成氣體流道的工序(S10，第1氣體流道形成工序)；在氣體流道內(nèi)涂布第1支撐部件的工序(S11，第1支撐部件涂布工序)；形成第1集電層的工序(S12，第1集電層形成工序)；形成第1氣體擴散層的工序(S13，第1氣體擴散層形成工序)；第1反應(yīng)層形成工序(S14，第1反應(yīng)層形成工序)；形成電解質(zhì)膜的工序(S15，電解質(zhì)膜形成工序)；形成第2反應(yīng)層的工序(S16，第2反應(yīng)層形成工序)；形成第2氣體擴散層的工序(S17，第2氣體擴散層形成工序)；形成第2集電層的工序(S18，第2集電層形成工序)；在第2氣體流道內(nèi)涂布第2支撐部件的工序(S19，第2支撐部件涂布工序)；以及將已形成第2氣體流道的第2基板層合的工序(S20，組裝工序)。
(1)第1氣體流道形成工序(S10)首先，如圖4(a)所示，準備矩形的第1基板2，用帶式輸送機BC1將基板2輸送到噴出裝置20a。對于基板2沒有特別的限制，可以使用硅基板等通常的燃料電池所使用的基板。在本實施方式中使用硅基板。
由帶式輸送機BC1輸送來的基板2，被載置在噴出裝置20a的操作臺28上，送入噴出裝置20a內(nèi)，在噴出裝置20a內(nèi)，容納在噴出裝置20a的罐30內(nèi)的抗蝕液，通過噴嘴形成面26的噴嘴被涂布到工作臺28上載置的基板2上的規(guī)定位置上，在基板2的表面上形成抗蝕劑圖案(圖中的斜線部分)。如圖4(b)所示，抗蝕劑圖案是在基板2表面上的形成用于供給第1反應(yīng)氣體的第1氣體流道的部分以外的區(qū)域上形成。
在規(guī)定的位置上形成了抗蝕劑圖案的基板2，由帶式輸送機BC1輸送到噴出裝置20b，載置在噴出裝置20b的操作臺28上，送入噴出裝置20b內(nèi)。在噴出裝置20b內(nèi)，通過噴嘴形成面26的噴嘴將容納在罐30中的氫氟酸水溶液等腐蝕液涂布到基板2表面上。利用腐蝕液將形成抗蝕劑圖案的部分以外的基板2表面部腐蝕，如圖5(a)所示，形成由基板2的一側(cè)表面向另一側(cè)表面延伸的斷面コ字形的第1氣體流道。另外，如圖5(b)所示，已形成氣體流道的基板2，用洗凈裝置(圖中未示出)將其表面洗凈，除去抗蝕劑圖案，然后將形成了氣體流道的基板2由操作臺28轉(zhuǎn)移到帶式輸送機BC1，由帶式輸送機BC1輸送到噴出裝置20c。
(2)第1支撐部件涂布工序(S11)接下來，在形成了第1氣體流道的基板2上，在氣體流道內(nèi)涂布用于支撐第1集電層的第1支撐部件。第1支撐部件的涂布按以下所述進行，將基板2載在操作臺28上送入噴出裝置20c內(nèi)，然后利用噴出裝置20c，通過噴嘴形成面26的噴嘴，將容納在罐30內(nèi)的第1支撐部件4噴出到在基板2上形成的第1氣體流道內(nèi)。
所使用的第1支撐部件，對于第1反應(yīng)氣體是惰性的，只要能防止第1集電層向下落入第1氣體流道中并且不妨礙第1反應(yīng)氣體向第1反應(yīng)層中擴散即可，沒有特別的限制。例如可以舉出碳素粒子、玻璃粒子等。在本實施方式中，使用粒徑1-5微米左右的多孔質(zhì)碳。由于使用具有規(guī)定粒徑的多孔質(zhì)碳作為支撐部件，通過氣體流道供給的反應(yīng)氣體從多孔質(zhì)碳的間隙中向上擴散，因而不會妨礙反應(yīng)氣體的流動。
圖6中示出涂布了第1支撐部件4的基板2的端面圖。涂布了第1支撐部件4的基板2由操作臺28轉(zhuǎn)移到帶式輸送機BC1，由帶式輸送機BC1輸送到噴出裝置20d。
(3)第1集電層形成工序(S12)隨后，在基板2上形成第1集電層，用于聚集第1反應(yīng)氣體反應(yīng)所產(chǎn)生的電子。首先，將由帶式輸送機BC1輸送到噴出裝置20d的基板2載置在操作臺28上，送入噴出裝置20d內(nèi)。在噴出裝置20d中，通過噴嘴形成面26的噴嘴將一定量的容納在罐30中的集電層形成用材料噴出到基板2上，形成具有規(guī)定圖案的第1集電層。
所使用的集電層形成用材料，只要是含有導電性物質(zhì)的材料即可，沒有特別的限制。作為導電性物質(zhì)例如可以舉出銅、銀、金、鉑、鋁等，可以單獨使用1種，也可以2種以上組合使用。集電層形成用材料可以通過將這些導電性物質(zhì)中的至少1種分散于適當?shù)娜軇┲?、根?jù)需要添加分散劑而制成。
在本實施方式中，是使用噴出裝置20d進行集電層形成用材料的涂布，通過簡便的操作就可以準確地在規(guī)定位置上涂布規(guī)定量的集電層形成用材料，因此可以大幅度節(jié)省集電層形成用材料的用量，高效率地形成所希望的圖案(圖形)的集電層，通過根據(jù)位置改變集電層形成用材料的涂布間隔，還可以容易地控制反應(yīng)氣體的通氣性，還可以任意地根據(jù)涂布位置改變所使用的集電層形成用材料的種類。
圖7中示出形成了第1集電層6的基板2的端面圖。如圖7所示，第1集電層6被基板2上形成的第1氣體流道內(nèi)的第1支撐部件4支撐，不會向下落入第1氣體流道內(nèi)。形成了第1集電層6的基板2由操作臺28轉(zhuǎn)移到帶式輸送機BC1，由帶式輸送機BC1輸送到噴出裝置20e。
(4)第1氣體擴散層形成工序(S13)隨后，在基板2的集電層上形成第1氣體擴散層。首先，將由帶式輸送機BC1輸送到噴出裝置20e的基板2載置在操作臺28上，送入噴出裝置20e內(nèi)，在噴出裝置20e內(nèi)，通過噴嘴形成面26的噴嘴將容納在噴出裝置20e的罐30內(nèi)的氣體擴散層形成用材料噴出到載置在操作臺28上的基板2表面的規(guī)定位置上，形成第1氣體擴散層。
所使用的擴散層形成用材料一般是碳素粒子，也可以使用碳納米管、碳納米纖維、富勒希等。在本實施方式中，是使用涂布裝置20e形成氣體擴散層，因此，例如在集電層一側(cè)可以增大涂布間隔(幾十個μm)，在表面一側(cè)可以減小涂布間隔(幾十nm)，在基板附近增大流道寬度，盡可能地減小反應(yīng)氣體的擴散阻力，同時在反應(yīng)層附近(氣體擴散層的表面一側(cè))可以容易地形成均勻而細的流道的氣體擴散層。另外，也可以在氣體擴散層的基板一側(cè)使用碳微粒，在其表面一側(cè)使用氣體擴散能力低但催化劑載持能力好的材料。
圖8中示出已形成第1氣體擴散層8的基板2的端面圖。如圖8所示，第1氣體擴散層8是在基板2的整個表面上形成，覆蓋住在基板上形成的第1集電層。該氣體擴散層8是多孔層，如同在下一道工序中所說明的那樣，它的作用是載持氣體擴散層8的一部分或反應(yīng)層形成用材料。已形成第1氣體擴散層8的基板2，由操作臺28轉(zhuǎn)移到帶式輸送機BC1上，由帶式輸送機BC1輸送到噴出裝置20f。
(5)第1反應(yīng)層形成工序(S14)隨后，在基板2上形成第1反應(yīng)層。第1反應(yīng)層通過氣體擴散層8與第1集電層電連接。首先，將由帶式輸送機BC1輸送到噴出裝置20f的基板2載置在工作臺28上，送入噴出裝置20f內(nèi)。
然后，容納在噴出裝置20f的罐30內(nèi)的、規(guī)定量的表面張力不同的反應(yīng)層形成用材料的溶液或分散液被噴出到氣體擴散層8上的第1反應(yīng)層形成部位上，噴出到氣體擴散層8上的反應(yīng)層形成用材料的溶液或分散液浸滲到氣體擴散層8中。反復進行這一操作，在氣體擴散層8上形成反應(yīng)層形成用材料的涂膜，同時，可以獲得在氣體擴散層8的表面部內(nèi)從表面部向基板方向反應(yīng)層形成用材料的存在量連續(xù)變化的狀態(tài)。
所使用的反應(yīng)層形成用材料的溶液或分散液，例如可以舉出(a)金屬化合物(金屬配位化合物、金屬鹽)的溶液、(b)在碳載體上吸附金屬氫氧化物的載持金屬的碳的分散液、(c)金屬微粒子的分散液等。
上述(a)-(c)的溶液和分散液中使用的金屬化合物、金屬氫氧化物、金屬微粒子中的金屬，例如可以舉出選自鉑、銠、釕、銥、鈀、鋨以及由其中的二種以上元素構(gòu)成的合金中的1種或2種以上的金屬，特別優(yōu)選選用鉑。
在使用噴出裝置噴出表面張力不同的反應(yīng)層形成用材料的溶液或分散液的場合，可以由同一噴出裝置20f噴出表面張力不同的反應(yīng)層形成用材料的溶液或分散液，也可以每次由不同的噴出裝置噴出表面張力不同的反應(yīng)層形成用材料的溶液或分散液。例如，由噴出裝置20f噴出表面張力相對較小的反應(yīng)層形成用材料的溶液或分散液，然后由噴出裝置20f’(圖中未示出)噴出表面張力相對較大的反應(yīng)層形成用材料的溶液或分散液。
根據(jù)本發(fā)明，通過一面使反應(yīng)層形成用材料的溶液或分散液的表面張力分階段(或連續(xù)地)變化，一面將其涂布到氣體擴散層8上，使其浸滲，可以形成在氣體擴散層8中從表面部向基板一側(cè)反應(yīng)層形成用材料的存在量連續(xù)變化的反應(yīng)層。另外，通過適當設(shè)定所使用的反應(yīng)層形成用材料的溶液或分散液的表面張力和涂布量，可以容易地形成在深度方向上反應(yīng)層形成用材料以任意的分布圖形存在的反應(yīng)層。
另外，在本發(fā)明中，作為涂布、浸滲表面張力不同的反應(yīng)層形成用材料的溶液或分散液的方法，優(yōu)選使用從表面張力較小者開始順序涂布、浸滲的方法。采用這種方法，可以容易地形成從氣體擴散層8的表面?zhèn)认虻?集電層、反應(yīng)層形成用材料的存在量連續(xù)地減小的反應(yīng)層。
此外，在本發(fā)明中優(yōu)選的是，設(shè)置一定的間隔涂布反應(yīng)層形成用材料的溶液或分散液，這樣可以防止微粒子狀的反應(yīng)層形成用材料的凝集，形成反應(yīng)層形成用材料均勻分散的反應(yīng)層。涂布反應(yīng)層形成用材料的溶液或分散液的間隔，只要反應(yīng)層形成用材料的溶液或分散液的液滴命中目標時彼此不接觸即可，沒有特別的限制，從高效率地形成均勻的、具有所希望量的反應(yīng)層形成用材料的反應(yīng)層的角度考慮，優(yōu)選的是液滴的大小比較小(例如10微升以下)，空出足夠的涂布間隔(例如0.1-1mm)。
使用噴出裝置20f涂布反應(yīng)層形成用材料的溶液或分散液，使之浸滲到氣體擴散層8中，反復進行這一操作，然后除去溶解或分散反應(yīng)層形成用材料的溶劑，可以得到在碳素粒子上載持反應(yīng)層形成用材料的結(jié)構(gòu)。
作為除去溶解或分散反應(yīng)層形成用材料的溶劑的方法，可以舉出通過在惰性氣體氣氛中和常壓下加熱而除去溶劑的方法，或者通過在減壓下加熱而除去溶劑的方法等，優(yōu)先選用后一種方法。
加熱溫度越低越好，優(yōu)選的是100℃以下，最好是50℃以下。另外，除去溶劑的處理最好是在盡可能短的時間內(nèi)完成。在高溫下長時間除去溶劑的場合，由噴出裝置制成的反應(yīng)層形成用材料的均勻分散狀態(tài)有可能被破壞，不能得到微粒子狀的反應(yīng)層形成用材料均勻分散的反應(yīng)層。
圖9中示出按以上所述在第1氣體擴散層8上形成了第1反應(yīng)層10的狀態(tài)的示意圖。如圖9所示，形成的第1反應(yīng)層10，從第1氣體擴散層8的表面向基板一側(cè)、粒子狀的反應(yīng)層形成用材料10a的存在量連續(xù)地減小。另外，在圖9所示的示意圖中，第1氣體擴散層8的一部分兼作第1反應(yīng)層10。
圖10中示出按以上所述形成了第1反應(yīng)層10的基板2的端面圖。形成了第1反應(yīng)層10的基板2，由操作臺28轉(zhuǎn)移到帶式輸送機BC1，由帶式輸送機BC1輸送到噴出裝置20g。
(6)電解質(zhì)膜形成工序(S15)隨后，在形成了第1反應(yīng)層10的基板2上形成電解質(zhì)膜。首先，將由帶式輸送機BC1輸送到噴出裝置20g的基板2載置在工作臺28上，送入噴出裝置20g內(nèi)。在噴出裝置20g內(nèi)，通過噴嘴形成面26的噴嘴將容納在罐30內(nèi)的電解質(zhì)膜形成材料噴出到第1反應(yīng)層10上，形成電解質(zhì)膜12。
所使用的電解質(zhì)膜形成材料，例如可以舉出將“Nafion”(杜邦公司制造)等全氟磺酸在水與甲醇的重量比為1∶1的混合溶液中膠束化而得到的高分子電解質(zhì)材料，或者將鎢磷酸、鉬磷酸等陶瓷類固體電解質(zhì)調(diào)整為規(guī)定的粘度(例如20mPa·s以下)的材料等。
圖11中示出形成了電解質(zhì)膜的基板2的端面圖。如圖11所示，在第1反應(yīng)層10上形成了具有規(guī)定厚度的電解質(zhì)膜12。形成了電解質(zhì)膜12的基板2，由操作臺28轉(zhuǎn)移至帶式輸送機BC1，由帶式輸送機BC1輸送到噴出裝置20h。
(7)第2反應(yīng)層形成工序(S16)隨后，在已形成電解質(zhì)膜12的基板2上形成第2反應(yīng)層。第2反應(yīng)層是按以下所述形成的，即，在形成了氣體流道和氣體擴散層的基板上，一面在上述氣體流道中流過惰性氣體，一面涂布反應(yīng)層形成用材料。
首先，將由帶式輸送機BC1輸送到噴出裝置20h的基板2載置在工作臺28上，送入噴出裝置20h內(nèi)。在噴出裝置20h中，通過與在噴出裝置20f中進行的同樣的處理形成第2反應(yīng)層10’。作為形成第2反應(yīng)層10’的材料，可以使用與第1反應(yīng)層同樣的材料。
圖12中示出在電解質(zhì)膜12上形成了第2反應(yīng)層10’的基板2的端面圖。如圖12所示，在電解質(zhì)膜12上形成第2反應(yīng)層10’。在第2反應(yīng)層10’中進行第2反應(yīng)氣體的反應(yīng)。形成了第2反應(yīng)層10’的基板2，由操作臺28轉(zhuǎn)移至帶式輸送機BC1，由帶式輸送機BC1輸送到噴出裝置20i。
(8)第2氣體擴散層形成工序(S17)隨后，在形成了第2反應(yīng)層10’的基板2上形成第2氣體擴散層。首先，將由帶式輸送機BC1輸送到噴出裝置20i的基板載置在工作臺28上，送入噴出裝置20i內(nèi)。在噴出裝置20i中，通過與在噴出裝置20e中進行的同樣的處理形成第2氣體擴散層8’。作為形成第2氣體擴散層形成用材料，可以使用與第1氣體擴散層8同樣的材料。
圖13中示出形成了第2氣體擴散層8’的基板2的端面圖。形成了第2氣體擴散層8’的基板2由操作臺28轉(zhuǎn)移至帶式輸送機BC1，由帶式輸送機BC1輸送到噴出裝置20j。
(9)第2集電層形成工序(S18)隨后，在形成了第2氣體擴散層8’的基板2上形成第2集電層。首先，將由帶式輸送機BC1輸送到噴出裝置20j的基板2載置在工作臺28上，送入噴出裝置20j中，進行與噴出裝置20d中同樣的處理，在第2氣體擴散層8’上形成第2集電層6’。作為第2集電層形成用材料，可以使用與第1集電層形成用材料相同的材料。形成了第2集電層6’的基板2由操作臺28轉(zhuǎn)移至帶式輸送機BC1，由帶式輸送機BC1輸送到噴出裝置20k。
(8)第2支撐部件涂布工序(S19)隨后，將由帶式輸送機BC1輸送到噴出裝置20k的基板2載置在工作臺28上，送入噴出裝置20k內(nèi)，進行與噴出裝置20c中同樣的處理，涂布第2支撐部件。作為第2支撐部件，可以使用與第1支撐部件同樣的材料。
圖14中示出涂布了第2集電層6’和第2支撐部件4’的基板2的端面圖。第2支撐部件4’是在第2集電層6’上形成，涂布被在基板2上疊層的第2基板上形成的第2氣體流道內(nèi)所容納的位置上。
(9)第2基板組裝工序(S20)隨后，將涂布了第2支撐部件4’的基板2和另外制備的已形成第2氣體流道的第2基板2’層疊。第1基板與第2基板的層疊，是通過將基板2上形成的第2支撐部件4’容納在第2基板上形成的第2氣體流道內(nèi)使二者結(jié)合在一起來進行的。其中，第2基板可以使用與第1基板同樣的材料。另外，第2氣體流道是通過在噴出裝置20l和20m中進行與在噴出裝置20a和20b中同樣的處理而形成的。
按照以上所述，可以制成圖15中所示結(jié)構(gòu)的燃料電池。圖15所示的燃料電池，自下而上由下面所述的各部分構(gòu)成第1基板2；在第1基板2上形成的第1氣體流道3；容納在第1氣體流道3內(nèi)的第1支撐部件4；在第1基板2和第1支撐部件4上形成的第1集電層6；第1氣體擴散層8；在第1氣體擴散層8上形成的第1反應(yīng)層10；電解質(zhì)膜12；第2反應(yīng)層10’；第2氣體擴散層8’；第2集電層6’；第2氣體流道3’；容納在第2氣體流道3’內(nèi)的第2支撐部件4’；以及第2基板2’。
圖15中所示的燃料電池的第1反應(yīng)層10和第2反應(yīng)層10’是按下述方式形成的，即，反應(yīng)層形成用材料被載持在碳類物質(zhì)粒子上，所述的反應(yīng)層形成用材料的存在量在所述反應(yīng)層的電解質(zhì)膜一側(cè)比所述反應(yīng)層的集電層一側(cè)要高。因此，可以高效率地形成均勻的具有所希望量的金屬微粒子的反應(yīng)層，可以以較低的成本制成功率密度高、性能良好的燃料電池。
另外，在圖15所示的燃料電池中，是按照基板2上形成的由一側(cè)表面向另一側(cè)表面延伸的コ字型的第1氣體流道與基板2’上形成的第2氣體流道彼此平行的方式配置基板2’。
本實施方式的燃料電池的種類沒有特別的限制，例如可以舉出高分子電解質(zhì)型燃料電池、磷酸型燃料電池、直接甲醇型燃料電池等。
圖15所示的燃料電池按以下所述進行工作。即，由第1基板2的第1氣體流道3導入第1反應(yīng)氣體，通過氣體擴散層8均勻地擴散，擴散的第1反應(yīng)氣體在第1反應(yīng)層10中反應(yīng)，生成離子和電子，生成的電子聚集在集電層6中，流向第2基板2’的第2集電層6’，由第1反應(yīng)氣體產(chǎn)生的離子在電解質(zhì)膜12中向第2反應(yīng)層10’移動。另一方面，由第2基板2’的氣體流道3’導入第2反應(yīng)氣體，通過第2氣體擴散層8’均勻地擴散，擴散的第2反應(yīng)氣體在第2反應(yīng)層10’中與在電解質(zhì)膜12中移動過來的離子和由第2集電層6’送入的電子反應(yīng)。例如，在第1反應(yīng)氣體是氫氣，第2反應(yīng)氣體是氧氣的場合，在第1反應(yīng)層10中進行的反應(yīng)，在第2反應(yīng)層10’中進行的反應(yīng)。
在上述實施方式的燃料電池制造方法中，所有的工序中都使用噴出裝置，但也可以在制造燃料電池的任意工序中使用噴出裝置制造燃料電池。例如，也可以使用噴出裝置涂布反應(yīng)層形成用材料，形成第1反應(yīng)層和/或第2反應(yīng)層，在其它的工序中按照與以往同樣的工藝進行操作，制造燃料電池。在這種場合，由于不需要使用MEMS(MicroElectroMechanicalSystem)就可以形成反應(yīng)層，因而可以將燃料電池的制造成本抑制在較低的水平。
在上述實施方式的制造方法中，是在基板上形成抗蝕劑圖案，然后涂布氫氟酸水溶液進行腐蝕來形成氣體流道，但也可以不形成抗蝕劑圖案就能形成氣體流道。另外，也可以載置基板，使之處于氟氣體氣氛中，通過向基板上規(guī)定的位置噴出水來形成氣體流道。此外，還可以使用噴出裝置在基板上涂布氣體流道形成用材料來形成氣體流道。
在上述實施方式的制造方法中，是從供給第1反應(yīng)氣體的第1基板一側(cè)開始形成燃料電池的各組成部分，最后將第2基板疊層上去來制造燃料電池的，但也可以從供給第2反應(yīng)氣體的基板一側(cè)開始制造燃料電池。
在上述實施方式的制造方法中，是沿著第1基板上形成的第1氣體流道涂布第2支撐部件，但也可以在與第1氣體流道交叉的方向上進行涂布。即，按照與第1基板上形成的氣體流道成直角交叉的方式涂布第2支撐部件，例如，在圖5(b)中可以從圖中右側(cè)向左側(cè)延伸的方向上涂布第2支撐部件。在這種場合，可以得到第2基板上形成的第2氣體流道與第1基板上形成的第1氣體流道成直角交叉地配置第2基板的燃料電池。
在上述實施方式的制造方法中，是在形成了第1氣體流道的第1基板上順次形成第1集電層、第1反應(yīng)層、電解質(zhì)膜、第2反應(yīng)層和第2集電層，但也可以在第1基板和第2基板上分別形成集電層、反應(yīng)層和電解質(zhì)膜，然后將第1基板和第2基板結(jié)合在一起，制成燃料電池。
在本實施方式的燃料電池生產(chǎn)線中，設(shè)置了對第1基板進行處理的第1生產(chǎn)線和對第2基板進行處理的第2生產(chǎn)線，各生產(chǎn)線中的處理是平行地進行的。由于可以平行地進行對第1基板的處理和對第2基板的處理，因而可以快速地制造燃料電池。
3)電子儀器和汽車本發(fā)明的電子儀器的特征在于，配備了上述燃料電池作為供電電源。所述的電子儀器可以舉出移動電話、PHS、可動裝置、筆記本電腦、PDA(攜帶終端末端)、移動電視電話機等。另外，本發(fā)明的電子儀器還可以具有其它功能，例如游戲功能、數(shù)據(jù)通信功能、錄音再現(xiàn)功能、辭典功能等。采用本發(fā)明的電子儀器，可以配備充分考慮環(huán)境保護的綠色能源作為供電電源。
本發(fā)明的汽車的特征在于，配備了上述燃料電池作為供電電源。采用本發(fā)明的制造方法，通過將多個燃料電池疊層，還可以制造大型的燃料電池。即，如圖16所示，在制備的燃料電池的基板2’的背面進一步形成氣體流道，在形成了氣體流道的基板2’的背面上，與上述燃料電池制造方法的制造工藝同樣地形成氣體擴散層、反應(yīng)層、電解質(zhì)膜等，將燃料電池疊層，可以制造大型的燃料電池。采用本發(fā)明的汽車，可以配備充分考慮環(huán)境保護的綠色能源作為供電電源。
權(quán)利要求
1.一種功能性多孔層的形成方法，該方法是在多孔性物質(zhì)上載持功能性材料的功能性多孔層的形成方法，其特征在于，在多孔層上涂布表面張力不同的多種功能性材料的溶液或分散液，利用所述表面張力的差異，控制所述功能性材料在所述多孔層深度方向的滲透。
2.權(quán)利要求1所述的功能性多孔層的形成方法，其特征在于，通過在多孔層上涂布表面張力不同的多種功能性材料的溶液或分散液，除去所述溶液或分散液中所含的溶劑，形成所述功能性多孔層。
3.權(quán)利要求1或2所述的功能性多孔層的形成方法，其特征在于，按照功能性材料的存在量在多孔層的深度方向上變化的方式形成功能性多孔層。
4.權(quán)利要求1-3中任一項所述的功能性多孔層的形成方法，其特征在于，使用表面張力不同的所述功能性材料的溶液或分散液，反復多次進行在多孔層上涂布功能性材料的溶液或分散液，使功能性材料的溶液或分散液浸滲該多孔層的工序。
5.權(quán)利要求4所述的功能性多孔層的形成方法，其特征在于，每次改變所述功能性材料的溶液或分散液的濃度。
6.權(quán)利要求1-5中任一項所述的功能性多孔層的形成方法，其特征在于，在多孔層上涂布第1功能性材料的溶液或分散液，使所述第1功能性材料的溶液或分散液浸滲該多孔層，然后，在所述多孔層上涂布具有比第1功能性材料的溶液或分散液大的表面張力的第2功能性材料的溶液或分散液，使第2功能性材料的溶液或分散液浸滲。
7.權(quán)利要求1-6中任一項所述的功能性多孔層的形成方法，其特征在于，所述的表面張力不同的功能性材料的溶液或分散液使用將功能性材料溶解或分散于不同種類的溶劑中而制備的溶液或分散液。
8.權(quán)利要求1-7中任一項所述的功能性多孔層的形成方法，其特征在于，所述的多孔層是由碳類物質(zhì)粒子構(gòu)成的多孔層。
9.權(quán)利要求1-8中任一項所述的功能性多孔層的形成方法，其特征在于，所述的功能性多孔層是在碳類物質(zhì)粒子上載持選自鉑、銠、釕、銥、鈀、鋨以及由其中的二種以上元素構(gòu)成的合金中的1種或2種以上的金屬的微粒子而形成的多孔層。
10.權(quán)利要求1-9中任一項所述的功能性多孔層的形成方法，其特征在于，所述的功能性材料的溶液或分散液，使用選自鉑、銠、釕、銥、鈀、鋨以及由其中的二種以上元素構(gòu)成的合金中的1種或2中以上的金屬的微粒子或該金屬的化合物的溶液或分散液。
11.權(quán)利要求1-10中任一項所述的功能性多孔層的形成方法，其特征在于，所述的功能性多孔層是按照第1集電層、第1反應(yīng)層、電解質(zhì)膜、第2反應(yīng)層、第2集電層的順序形成的燃料電池的所述第1反應(yīng)層和第2反應(yīng)層中的至少一方。
12.權(quán)利要求1-11中任一項所述的功能性多孔層的形成方法，其特征在于，使用噴出裝置進行所述功能性材料的溶液或分散液的涂布。
13.一種燃料電池的制造方法，該方法是形成第1集電層、第1反應(yīng)層、電解質(zhì)膜、第2反應(yīng)層、第2集電層的燃料電池的制造方法，其特征在于，通過在由碳類物質(zhì)粒子構(gòu)成的多孔層上涂布表面張力不同的多種反應(yīng)層形成用材料的溶液或分散液，除去所述溶液或分散液中所含的溶劑，形成所述第1反應(yīng)層和第2反應(yīng)層中的至少一方。
14.權(quán)利要求13所述的燃料電池制造方法，其特征在于，所述第1反應(yīng)層和第2反應(yīng)層中的至少一方是按下述方法形成的，即，在形成碳類物質(zhì)粒子上載持反應(yīng)層形成用材料而構(gòu)成的反應(yīng)層時，使所述反應(yīng)層形成用材料的存在量在由碳類物質(zhì)粒子構(gòu)成的多孔層的深度方向上變化。
15.權(quán)利要求13或14所述的燃料電池制造方法，其特征在于，所述第1反應(yīng)層和第2反應(yīng)層中的至少一方是按照下述方式形成的，即，使用表面張力不同的反應(yīng)層形成用材料的溶液或分散液，反復進行在由碳類物質(zhì)粒子構(gòu)成的多孔層上涂布反應(yīng)層形成用材料的溶液或分散液，使反應(yīng)層形成用材料的溶液或分散液浸滲該多孔層的工序。
16.權(quán)利要求13-15中任一項所述的燃料電池制造方法，其特征在于，所述第1反應(yīng)層和第2反應(yīng)層中的至少一方是按下述方式形成的，即，在由碳類物質(zhì)粒子構(gòu)成的多孔層上涂布第1反應(yīng)層形成用材料的溶液或分散液，使所述第1反應(yīng)層形成用材料的溶液或分散液浸滲，然后，在由所述碳類物質(zhì)粒子構(gòu)成的多孔層上涂布具有比所述第1反應(yīng)層形成用材料的溶液或分散液大的表面張力的第2反應(yīng)層形成用材料的溶液或分散液，使第2反應(yīng)層形成用材料的溶液或分散液浸滲。
17.權(quán)利要求13-16中任一項所述的燃料電池制造方法，其特征在于，所述的表面張力不同的反應(yīng)層形成用材料的溶液或分散液使用將反應(yīng)層形成用材料溶解或分散于不同種類的溶劑中而制備的溶液或分散液。
18.權(quán)利要求13-17中任一項所述的燃料電池制造方法，其特征在于，所述第1反應(yīng)層和第2反應(yīng)層中的至少一方是按下述方式形成的，即，在第1集電層上或第2集電層上涂布碳類物質(zhì)粒子，形成由碳類物質(zhì)粒子構(gòu)成的多孔層，然后，在由所述碳類物質(zhì)粒子構(gòu)成的多孔層上涂布表面張力不同的多種反應(yīng)層形成用材料的溶液或分散液，除去該溶液或分散液中所含的溶劑。
19.權(quán)利要求13-18中任一項所述的燃料電池制造方法，其特征在于，使用噴出裝置進行所述反應(yīng)層形成用材料的溶液或分散液的涂布。
20.權(quán)利要求13-19中任一項所述的燃料電池制造方法，其特征在于，所述第1反應(yīng)層和第2反應(yīng)層中的至少一方是按下述方式形成的，在碳類物質(zhì)粒子上載持金屬微粒子，該金屬微粒子的存在量在所述反應(yīng)層的電解質(zhì)膜一側(cè)比反應(yīng)層的集電層一側(cè)要高。
21.電子儀器，其特征在于，裝有采用權(quán)利要求13-20中任一項所述的制造方法制造的燃料電池作為供電電源。
22.汽車，其特征在于，裝有采用權(quán)利要求13-20中任一項所述的制造方法制造的燃料電池作為供電電源。
全文摘要
一種功能性多孔層的形成方法，所述在多孔性物質(zhì)上載持功能性材料的功能性多孔層的形成方法，其特征在于，在多孔層上涂布表面張力不同的多種功能性材料的溶液或分散液，利用表面張力的差異，控制功能性材料向多孔層的深度方向的浸滲。本發(fā)明還提供了將該方法用于形成反應(yīng)層的燃料電池的制造方法，以及配備了用該制造方法制得的燃料電池作為供電電源的電子儀器和汽車。根據(jù)本發(fā)明，可以提供高效率地形成在多孔性物質(zhì)上載持功能性材料并且功能性材料的存在量在深度方向上具有所希望的濃度分布的功能性多孔層的形成方法。
文檔編號H01M4/88GK1534814SQ20041000670
公開日2004年10月6日 申請日期2004年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月31日
發(fā)明者森井克行 申請人:精工愛普生株式會社