(57)【要約】【課題】、触媒層に親水性を付与し、拡散層に撥水性を付与した後に、膜−電極アッセンブリ又は燃料電池を製造するような従来の製造方法より、簡易な膜−電極アッセンブリ及び燃料電池の製造方法を提供する。【解決手段】電解質膜を挟持する一対の触媒層及び拡散層を備える膜−電極アッセンブリの製造方法であって、前記触媒層及び前記拡散層に撥水性を付与する撥水性付与工程と、前記撥水性付与工程後、膜−電極アッセンブリ基材の両外側から内側に向けて親水性を付与する親水性付与工程とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜を挟持する一対の触媒層と前記触媒層の両外側を挟持する一対の拡散層とを備える膜−電極アッセンブリの製造方法であって、
前記触媒層及び前記拡散層に撥水性を付与する撥水性付与工程と、前記撥水性付与工程後、膜−電極アッセンブリ基材の両外側から内側に向けて親水性を付与する親水性付与工程とを備えることを特徴とする膜−電極アッセンブリの製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の膜−電極アッセンブリの製造方法であって、前記撥水性付与工程において、前記撥水性は、前記触媒層及び前記拡散層に撥水化ガスを供給することにより付与され、前記親水性付与工程において、前記親水性は、前記膜−電極アッセンブリ基材の両外側から内側に向けて親水化ガスを供給することにより付与されることを特徴とする膜−電極アッセンブリの製造方法。
【請求項３】
請求項２記載の膜−電極アッセンブリの製造方法であって、前記撥水化ガスは、フッ素ガスであり、前記親水化ガスは、フッ素と酸素との混合ガスであることを特徴とする膜−電極アッセンブリの製造方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の膜−電極アッセンブリの製造方法であって、前記親水性は、前記触媒層側から前記拡散層側に向けて高くなるように付与させることを特徴とする膜−電極アッセンブリの製造方法。
【請求項５】
電解質膜を挟持する一対の触媒層と前記触媒層の両外側を挟持する一対の拡散層とを備える膜−電極アッセンブリと、前記膜−電極アッセンブリの両外側に配置される一対の燃料電池用セパレータとを備える燃料電池の製造方法であって、
少なくともどちらか一方の触媒層及び少なくともどちらか一方の拡散層に撥水性を付与する撥水性付与工程と、前記撥水性付与工程後、撥水性を付与した拡散層側から撥水性を付与した触媒層側に向けて親水性を付与する親水性付与工程とを備えることを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項６】
請求項５記載の燃料電池の製造方法であって、前記撥水性付与工程において、前記撥水性は、前記燃料電池用セパレータの反応ガス流路を介して、少なくともどちらか一方の触媒層及び少なくともどちらか一方の拡散層に撥水化ガスを供給することにより付与され、前記親水性付与工程において、前記親水性は、前記燃料電池用セパレータの反応ガス流路を介して、撥水性を付与した拡散層側から撥水性を付与した触媒層側に向けて親水化ガスを供給することにより付与されることを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項７】
請求項５又は６記載の燃料電池の製造方法であって、前記撥水性付与工程において、撥水性を付与する拡散層及び触媒層は、カソード極拡散層及びカソード極触媒層であることを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項８】
電解質膜を挟持する一対の触媒層と前記触媒層の両外側を挟持する一対の拡散層とを備える膜−電極アッセンブリと、前記膜−電極アッセンブリの両外側に配置される一対の燃料電池用セパレータとを備える燃料電池の製造方法であって、
前記触媒層及び前記拡散層に撥水性を付与する撥水性付与工程と、前記撥水性付与工程後、膜−電極アッセンブリ基材の両外側から内側に向けて親水性を付与する親水性付与工程とを備えることを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項９】
請求項８記載の燃料電池の製造方法であって、前記撥水性付与工程において、前記撥水性は、前記燃料電池用セパレータの反応ガス流路を介して、前記触媒層及び前記拡散層に撥水化ガスを供給することにより付与され、前記親水性付与工程において、前記親水性は、前記燃料電池用セパレータの反応ガス流路を介して、膜−電極アッセンブリの両外側から内側に向けて親水化ガスを供給することにより付与されることを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項１０】
請求項６又は９記載の燃料電池の製造方法であって、前記撥水化ガスは、フッ素ガスであり、前記親水化ガスは、フッ素と酸素との混合ガスであることを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項１１】
請求項５，６，８〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池の製造方法であって、前記親水性は、前記触媒層側から前記拡散層側に向けて高くなるように付与させることを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項１２】
請求項７に記載の燃料電池の製造方法であって、前記親水性は、前記カソード極触媒層側から前記カソード極拡散層側に向けて高くなるように付与させることを特徴とする燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜−電極アッセンブリの製造方法、燃料電池の製造方法の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に燃料電池は、電解質膜を挟持する一対の触媒層と、触媒層の両外側を挟持する一対の拡散層を含む電極（アノード極及びカソード極）を備える膜−電極アッセンブリと、膜−電極アッセンブリの両外側に配置される一対の燃料電池用セパレータとを有する。燃料電池の発電時には、アノード極に供給するアノードガスを水素ガス、カソード極に供給するカソードガスを酸素ガスとした場合、アノード極側では、水素イオンと電子とにする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中を通りカソード極側に、電子は外部回路を通じてカソード極に到達する。一方、カソード極側では、水素イオン、電子及び酸素ガスが反応して水分を生成する反応が行われ、エネルギを放出する。
【０００３】
燃料電池では、電解質膜のイオン伝導性を維持するために、前記電解質膜に水分を含ませておく必要があり、反応ガス（アノードガス、カソードガスの少なくとも一方を意味する。）は予め水分を含んだ状態で電極（アノード極、カソード極）に供給される。また発電時には、前述したようにカソード極側から水分が生成される。
【０００４】
電極に供給される水分及びカソード極側から生成される水分のうちの一部は、拡散層又は触媒層に滞留し、また、上記水分のうちの一部は、燃料電池の系外へ排水される。しかし、拡散層又は触媒層に滞留する水分の量が、燃料電池の系外へ排水される水分の量より多くなると、触媒層への反応ガス（アノードガス及びカソードガス）の供給が妨げられ、燃料電池の発電性能の低下が引き起こされる（この現象は、一般的にフラッディングと呼ばれる）。
【０００５】
一方、燃料電池の系外へ排水される水分の量が、拡散層又は触媒層に滞留する水分の量より多くなると、電解質膜に供給される水分が不足する。そうすると、電解質膜が乾燥して、電解質膜の抵抗が高くなり、燃料電池の発電性能の低下が引き起こされる（この現象は、一般的にドライアップと呼ばれる）。
【０００６】
上記、フラッディング又はドライアップの発生を防止するため、触媒層には、拡散層側に水分を排水し、且つ電解質膜に水分を供給するために、撥水性を付与する。一方、拡散層には、触媒層の水分を排水するために、親水性を付与する。
【０００７】
撥水性を付与する方法は、フッ素系樹脂粉末、フッ素系樹脂溶液の添加、不活性ガス雰囲気下での焼成、フッ素ガス処理等が挙げられ、親水性を付与する方法としては、フッ素系樹脂溶液添加後の電気化学的酸化処理、不活性ガス雰囲気下で焼成後の酸化処理等が挙げられる（例えば、特許文献１〜６参照）。
【０００８】
特に、拡散層及び触媒層の厚さ方向に対して傾斜するように撥水性又は親水性を付与する場合には、触媒層又は拡散層毎にフッ素系樹脂溶液の塗布量、含有量等を変える必要がある（例えば、特許文献１，２参照）。
【０００９】
図６は、一般的な膜−電極アッセンブリの製造方法を説明するための図である。図６に示すように、まず、上記いずれかの方法等で触媒層２２に撥水性が付与される。そして、撥水性付与後の触媒層２２は、電解質膜２４の両側を挟持するように配置される。その後、拡散層２６に上記いずれかの方法等で親水性が付与される。そして、親水性付与後の拡散層２６が触媒層２２の両外側を挟持するように配置されることにより、膜−電極アッセンブリ６が得られる。
【００１０】
このような触媒層及び拡散層毎に撥水性又は親水性を付与した後、膜−電極アッセンブリを製造する方法は、特に、拡散層及び触媒層の厚さ方向に対して傾斜するように撥水性又は親水性を付与する場合に行われている。これは、燃料電池を製造する場合も同様である。そのため、上記説明したように膜−電極アッセンブリ及び燃料電池の製造工程は、非常に複雑になる問題がある。
【００１１】
【特許文献１】特開２００３−１５１５６５号公報
【特許文献２】特開２００４−２３５１１９号公報
【特許文献３】特開２００２−２５５６２号公報
【特許文献４】特開２００３−３３１８５０号公報
【特許文献５】特開２００６−１０８０３１号公報
【特許文献６】特開２００６−１４７３９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、拡散層又は触媒層の厚さ方向に対して撥水性又は親水性を異ならせる場合の製造方法、すなわち、触媒層に撥水性を付与し、拡散層に親水性を付与した後に、膜−電極アッセンブリ又は燃料電池を製造するような従来の製造方法より、簡易な膜−電極アッセンブリ及び燃料電池の製造方法である。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、電解質膜を挟持する一対の触媒層と前記触媒層の両外側を挟持する一対の拡散層とを備える膜−電極アッセンブリの製造方法であって、前記触媒層及び前記拡散層に撥水性を付与する撥水性付与工程と、前記撥水性付与工程後、膜−電極アッセンブリ基材の両外側から内側に向けて親水性を付与する親水性付与工程とを備える。
【００１４】
また、前記膜−電極アッセンブリの製造方法において、前記撥水性付与工程では、前記撥水性は、前記触媒層及び前記拡散層に撥水化ガスを供給することにより付与され、前記親水性付与工程では、前記親水性は、前記膜−電極アッセンブリ基材の両外側から内側に向けて親水化ガスを供給することにより付与されることが好ましい。
【００１５】
また、前記膜−電極アッセンブリの製造方法において、前記撥水化ガスは、フッ素ガスであり、前記親水化ガスは、フッ素と酸素との混合ガスであることが好ましい。
【００１６】
また、前記膜−電極アッセンブリの製造方法において、前記親水性は、前記触媒層側から前記拡散層側に向けて高くなるように付与させることが好ましい。
【００１７】
また、本発明は、電解質膜を挟持する一対の触媒層と前記触媒層の両外側を挟持する一対の拡散層とを備える膜−電極アッセンブリと、前記膜−電極アッセンブリの両外側に配置される一対の燃料電池用セパレータとを備える燃料電池の製造方法であって、少なくともどちらか一方の触媒層及び少なくともどちらか一方の拡散層に撥水性を付与する撥水性付与工程と、前記撥水性付与工程後、撥水性を付与した拡散層側から撥水性を付与した触媒層側に向けて親水性を付与する親水性付与工程とを備える。
【００１８】
また、前記燃料電池の製造方法において、前記撥水性付与工程において、前記撥水性は、前記燃料電池用セパレータの反応ガス流路を介して、少なくともどちらか一方の触媒層及び少なくともどちらか一方の拡散層に撥水化ガスを供給することにより付与され、前記親水性付与工程において、前記親水性は、前記燃料電池用セパレータの反応ガス流路を介して、撥水性を付与した拡散層側から撥水性を付与した触媒層側に向けて親水化ガスを供給することにより付与されることが好ましい。
【００１９】
また、前記燃料電池の製造方法において、前記撥水性付与工程において、撥水性を付与する拡散層及び触媒層は、カソード極拡散層及びカソード極触媒層であることが好ましい。
【００２０】
また、本発明は、電解質膜を挟持する一対の触媒層と前記触媒層の両外側を挟持する一対の拡散層を備える膜−電極アッセンブリと、前記膜−電極アッセンブリの両外側に配置される一対の燃料電池用セパレータとを備える燃料電池の製造方法であって、前記触媒層及び前記拡散層に撥水性を付与する撥水性付与工程と、前記撥水性付与工程後、膜−電極アッセンブリ基材の両外側から内側に向けて親水性を付与する親水性付与工程とを備える。
【００２１】
また、前記燃料電池の製造方法において、前記撥水性付与工程では、前記撥水性は、前記燃料電池用セパレータの反応ガス流路を介して、前記触媒層及び前記拡散層に撥水化ガスを供給することにより付与され、前記親水性付与工程では、前記親水性は、前記燃料電池用セパレータの反応ガス流路を介して、膜−電極アッセンブリの両外側から内側に向けて親水化ガスを供給することにより付与されることが好ましい。
【００２２】
また、前記燃料電池の製造方法において、前記撥水化ガスは、フッ素ガスであり、前記親水化ガスは、フッ素と酸素との混合ガスであることが好ましい。
【００２３】
また、前記燃料電池の製造方法において、前記親水性は、前記触媒層側から前記拡散層側に向けて高くなるように付与させることが好ましい。
【００２４】
また、前記燃料電池の製造方法において、前記親水性は、前記カソード極触媒層側から前記カソード極拡散層側に向けて高くなるように付与させることが好ましい。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、触媒層及び拡散層に撥水性を付与する撥水性付与工程と、撥水性付与工程後、膜−電極アッセンブリ基材の両外側から内側に向けて親水性を付与する親水性付与工程とを備えることによって、触媒層に撥水性を付与し、拡散層に親水性を付与した後に、膜−電極アッセンブリ又は燃料電池を製造するような従来の製造方法より、簡易な膜−電極アッセンブリ及び燃料電池の製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明の実施の形態について以下説明する。
【００２７】
図１は、本発明の実施形態に係る膜−電極アッセンブリの製造方法の一例を説明するための図である。図１に示すように、本実施形態に係る膜−電極アッセンブリの製造方法は、膜−電極アッセンブリ基材１を構成する触媒層１２及び拡散層１４に撥水性を付与する撥水性付与工程と、撥水性付与工程後、膜−電極アッセンブリ基材１の両外側から内側に向けて親水性を付与する親水性付与工程とを備えるものである。
【００２８】
まず、上記各工程を説明する前に、膜−電極アッセンブリ基材１について説明する。
【００２９】
膜−電極アッセンブリ基材１は、電解質膜１０と、電解質膜１０を挟持する撥水性及び親水性付与前の一対の触媒層１２と、触媒層１２の両外側を挟持する一対の拡散層１４とを備える。
【００３０】
拡散層１４は、ガス透過性、電子伝導性を有するものであれば、特に制限されるものではない。例えば、カーボンクロス、カーボンペーパ等の多孔質カーボン材料等が挙げられる。
【００３１】
触媒層１２は、例えば、白金、ルテニウム等の金属触媒を担持したカーボンと、パーフルオロスルホン酸系等の電解質溶液とを混合して、電解質膜１０又は拡散層１４上に成膜したものである。上記カーボンとしては、例えば、アセチレンブラック、ファーネスブラック、チャンネルブラック、サーマルブラック等のカーボンブラック等が挙げられる。
【００３２】
電解質膜１０は、プロトン伝導性のイオン交換膜であれば特に制限されるものではない。例えば、パーフルオロスルホン酸系の樹脂膜、トリフルオロスチレン誘導体の共重合膜、リン酸を含有させたポリベンズイミダゾール膜、芳香族ポリエーテルケトンスルホン酸膜等が挙げられる。具体的には、ナフィオン膜（登録商標、デュポン社製）が挙げられる。
【００３３】
＜撥水性付与工程＞
撥水性付与工程では、膜−電極アッセンブリ基材１の触媒層１２及び拡散層１４に撥水性が付与される。撥水性の付与には、撥水化樹脂を含有する樹脂溶液、撥水化ガス等の撥水化剤を供給することにより行われる。拡散層１４ほぼ全体（表面及び内部）及び触媒層１２ほぼ全体（表面及び内部）に撥水性を付与することができる点で、撥水化ガスを使用することが好ましい。
【００３４】
撥水化樹脂には、例えば、ポリテトラフルオロエチレン樹脂、ポリフッカビニリデン樹脂、ポリヘキサフルオロプロピレン樹脂、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体等のフッ素系樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂等を使用することができる。
【００３５】
撥水化ガスには、例えば、フッ素ガス、フッ化水素ガス等を使用することができる。触媒層１２及び拡散層１４に撥水性を付与する際に、触媒層１２及び拡散層１４に不純物を付与しない点で、フッ素ガスを使用することが好ましい。
【００３６】
フッ素ガスを例として、触媒層及び拡散層に撥水性を付与するメカニズムを説明する。図２は、フッ素ガスによる撥水性付与のメカニズムを説明するための模式図である。なお、図２では、説明を容易とするために、触媒層及び拡散層の表面における撥水性付与のメカニズムを示すが、触媒層内部及び拡散層内部におけるメカニズムも表面と同様である。図２に示すように、触媒層及び拡散層にフッ素ガスを供給することによって、触媒層及び拡散層の表面（内部も同様）に存在する炭素は、フッ素と結合し、ＣＦ、ＣＦ２、又はＣＦ３基が形成される。このように触媒層及び拡散層の表面（内部も同様）にＣＦ、ＣＦ２、又はＣＦ３基が形成されることによって、触媒層及び拡散層に撥水性が付与される。
【００３７】
上記撥水化剤の供給量、時間等は、触媒層及び拡散層の大きさ、厚さ等によって適宜設定されればよく、特に制限されるものではない。
【００３８】
＜親水性付与工程＞
親水性付与工程では、上記撥水性付与工程後、膜−電極アッセンブリ基材１の両外側から内側に向けて、親水性が付与される。膜−電極アッセンブリ基材１の両外側とは、拡散層１４と触媒層１２とが接する面と反対面の拡散層１４側（図１に示す矢印Ａ）のことである。また、膜−電極アッセンブリ基材１の内側とは、電解質膜１０側のことである。
【００３９】
親水性の付与には、親水性化合物を含む溶液、親水化ガス等の親水化剤を供給することにより行われる。後述するように、比較的容易に膜−電極アッセンブリ基材１の内側から両外側に向けて親水性を高くすることができる点で、親水化ガスを使用することが好ましい。膜−電極アッセンブリ基材１の内側から両外側に向けて親水性を高くすることによって、効率的に膜−電極アッセンブリ内の水分を外へ排水させることができる。
【００４０】
親水性化合物としては、例えば、過マンガン酸カリウム、硝酸、塩素酸塩、過流酸塩、過炭酸塩、過酸化水素等の強酸化性化合物等を使用することができる。
【００４１】
親水化ガスとしては、例えば、酸素とフッ素との混合ガス、オゾンガス、空気、酸素含有ガス等が挙げられる。上記撥水性付与工程で、撥水化した拡散層等を、効率的に親水性に変えることができる点で、酸素とフッ素との混合ガスを使用することが好ましい。
【００４２】
上記撥水化ガス及び親水化ガスの組み合わせとしては、撥水化ガスとしてフッ素ガス、親水化ガスとして酸素とフッ素との混合ガスであることが好ましい。まず、フッ素ガスを供給することにより効率的に触媒層１２及び拡散層１４に撥水性を付与することができる。その後、供給しているフッ素ガスに酸素ガスを混合することで、撥水性付与工程から親水性付与工程へ容易に移行することができる。また、効率的に拡散層１４等に親水性を付与する（具体的には、撥水性を親水性に変化させる）ことや、膜−電極アッセンブリの内側から両外側、すなわち、触媒層１２側から拡散層１４側に向けて親水性を高くすることも可能である。
【００４３】
フッ素と酸素との混合ガスを例として、親水性を付与するメカニズムについて説明する。図３は、フッ素と酸素との混合ガスによる親水性付与のメカニズムを説明するための模式図である。なお、図３では、説明を容易とするために、触媒層及び拡散層の表面における親水性付与のメカニズムを示すが、触媒層内部及び拡散層内部におけるメカニズムも表面と同様である。図３に示すように、まず、フッ素と酸素との混合ガスは、上記撥水性付与後の例えば、Ｃ−Ｆ基と反応し、ＣＦＯ基が形成される。ＣＦＯ基は、空気中の水分等によって徐々に酸化され（ＣＦＯ基のフッ素がＨＦとして脱離）、ＣＯＯＨ基等の親水基が形成され、親水性が付与される。
【００４４】
また、触媒層側から拡散層側（膜−電極アッセンブリ基材の内側から外側）に向けて高くなるように親水性を付与するためには、親水化ガスの場合、例えば、フッ素と酸素との混合ガス等の割合（酸素の分圧を制御する）や、混合ガス等の供給時間等を調整し、膜−電極アッセンブリ基材の両外側から内側に向けて供給することによって行われる。また、親水性化合物を含む溶液の場合には、溶液の粘度、親水性化合物の濃度等を調製し、膜−電極アッセンブリ基材の両外側から内側に向けて供給することによって行われる。
【００４５】
以上のように本実施形態に係る膜−電極アッセンブリの製造方法では、膜−電極アッセンブリ基材の触媒層及び拡散層に撥水性を付与する撥水性付与工程と、撥水性付与工程後、膜−電極アッセンブリ基材の両外側から内側に向けて親水性を付与する親水性付与工程とを備えることにより、触媒層、拡散層に撥水性、親水性を付与した後に膜−電極アッセンブリを製造する従来の製造方法（例えば図６に示す）より、製造工程を単純化することができる。また、撥水性の付与にフッ素ガスを使用することにより、効率的に且つ不純物を付与せずに触媒層及び拡散層に撥水性を付与することができる。また、親水性の付与にフッ素と酸素との混合ガスを使用することにより、撥水性付与工程で使用しているフッ素ガスに酸素ガスを混合することだけで、撥水性付与工程から親水性付与工程へ容易に移行することができる。また、フッ素と酸素との混合ガスを膜−電極アッセンブリ基材の両外側から内側に向けて供給することにより、触媒層側から拡散層側に向けて親水性を高くすることができる。すなわち、本実施形態の膜−電極アッセンブリの製造方法では、触媒層は、拡散層より撥水性が高く、拡散層は触媒層より親水性が高い膜−電極アッセンブリ（図１に示す膜−電極アッセンブリ２）を従来の製造方法より単純な工程で製造することができる。得られた膜−電極アッセンブリの触媒層は拡散層側に水分を排水し、且つ電解質膜に水分を供給し易く、拡散層は触媒層から排水された水分をさらに拡散層外に排水し易いものとなる。
【００４６】
次に本実施形態に係る燃料電池の製造方法について説明する。
【００４７】
本実施形態に係る燃料電池の製造方法は、上記説明した触媒層及び拡散層に撥水性を付与する撥水性付与工程と、撥水性付与工程後、上記説明した膜−電極アッセンブリ基材の両外側から内側に向けて親水性を付与する親水性付与工程とを備えるものである。
【００４８】
図４は、本発明の実施形態に係る燃料電池の製造方法の一例を説明するための図である。本実施形態に係る燃料電池の製造方法は、図４に示すように、膜−電極アッセンブリ基材１に、上記説明した撥水性付与工程、親水性付与工程を行い、得られた膜−電極アッセンブリ２の両外側に一対の燃料電池用セパレータ１６を配置させ、燃料電池４を得るものでもよい。また後述する、膜−電極アッセンブリ基材の両外側に配置される一対の燃料電池用セパレータを備える燃料電池基材に、撥水性付与工程と、親水性付与工程を行うものであってもよい。
【００４９】
図４に示す燃料電池用セパレータ１６は、金属板又はカーボン板等を使用することができる。燃料電池用セパレータ１６の空洞部は、触媒層及び拡散層に反応ガスを供給するための反応ガス流路１８となっている。
【００５０】
図５は、本発明の他の実施形態に係る燃料電池の製造方法の一例を説明するための図である。図５に示すように、膜−電極アッセンブリ基材１は、電解質膜１０と、電解質膜１０を挟持する撥水性及び親水性付与前の一対の触媒層（アノード極触媒層１２ａ及びカソード極触媒層１２ｂ）と、触媒層の両外側を挟持する一対の拡散層（アノード極拡散層１４ａ及びカソード極拡散層１４ｂ）とを供える。また、燃料電池基材３は、膜−電極アッセンブリ基材１の両外側を挟持する一対の燃料電池用セパレータ（アノード極セパレータ１６ａ及びカソード極セパレータ１６ｂ）を備える。
【００５１】
図５に示すように、本実施形態に係る燃料電池の製造方法は、燃料電池基材３を構成する燃料電池用セパレータ（１６ａ，１６ｂ）の反応ガス流路１８を介して、拡散層（１４ａ，１４ｂ）及び触媒層（１２ａ，１２ｂ）に撥水化剤を供給することにより、拡散層（１４ａ，１４ｂ）及び触媒層（１２ａ，１２ｂ）に撥水性を付与する撥水性付与工程と、燃料電池基材３を構成する燃料電池用セパレータ（１６ａ，１６ｂ）の反応ガス流路１８を介して、膜−電極アッセンブリ基材１の両外側から内側に向けて親水化剤を供給することにより、膜−電極アッセンブリ基材１の両外側から内側に向けて親水性を付与する親水性付与工程とを備えるものである。
【００５２】
＜撥水性付与工程＞
撥水性付与工程では、燃料電池用セパレータ（１６ａ，１６ｂ）の反応ガス流路１８に撥水化剤を供給することにより、拡散層（１４ａ，１４ｂ）、触媒層（１２ａ，１２ｂ）に撥水性が付与される。撥水化剤としては、上記と同様のものを使用することができる。また、上記同様に、撥水化剤としては、撥水化ガスを使用することが好ましく、また、撥水化ガスとしては、フッ素ガスを使用することが好ましい。
【００５３】
＜親水性付与工程＞
親水性付与工程では、燃料電池用セパレータ（１６ａ，１６ｂ）の反応ガス流路１８に親水化剤を供給することにより、膜−電極アッセンブリ基材１の両外側から内側に向けて、親水性を付与することができる。親水化剤としては、上記と同様のものを使用することができる。また、上記同様に、親水化剤としては、親水化ガスを使用することが好ましく、また、親水化ガスとしては、酸素とフッ素との混合ガスを使用することが好ましい。
【００５４】
燃料電池用セパレータ（１６ａ，１６ｂ）は、発電時に拡散層（１４ａ，１４ｂ）から排水された水分を燃料電池（例えば図４，５に示す燃料電池４）外へ排水する必要がある。拡散層（１４ａ，１４ｂ）から排水された水分は、反応ガス流路１８を介して燃料電池外へ排水される。すなわち、拡散層（１４ａ，１４ｂ）と同様に燃料電池用セパレータ（１６ａ，１６ｂ）の反応ガス流路１８は、親水性を有することが好ましい。本実施形態に用いられる燃料電池用セパレータ（１６ａ，１６ｂ）は、カーボン板等のカーボン系セパレータであることが好ましい。カーボン系セパレータ中には炭素が存在する。そのため、上記でも説明したように、撥水性付与工程では、反応ガス流路１８に存在する炭素が、反応ガス流路１８を通るフッ素ガス等と結合して、撥水性を有することとなるが、その後の親水性付与工程で、反応ガス流路１８を通るフッ素と酸素との混合ガス等によって、反応ガス流路１８は、親水性を有することとなる。
【００５５】
また、反応ガス流路１８内を親水化するには、必ずしも上記実施形態に限定されるものではない。例えば、膜−電極アッセンブリ基材１に撥水性付与工程を行った後、膜−電極アッセンブリ基材１の両外側に燃料電池用セパレータ（１６ａ，１６ｂ）を配置して、その後親水性付与工程を行ってもよい。
【００５６】
本実施形態では、拡散層（１４ａ，１４ｂ）等に撥水性及び親水性を付与するものであるが、これに限定されるものではない。すなわち、本実施形態に係る燃料電池の製造方法は、少なくともどちらか一方の拡散層（１４ａ，１４ｂ）及び少なくともどちらか一方の触媒層（１２ａ，１２ｂ）に撥水性を付与する撥水性付与工程と、撥水性を付与した少なくともどちらか一方の拡散層（１４ａ，１４ｂ）側から撥水性を付与した少なくともどちらか一方の触媒層（１２ａ，１２ｂ）側に向けて親水性を付与する親水性付与工程とを備えるものであればよい。例えば、カソード極セパレータ１６ｂに撥水化ガスを供給し、カソード極拡散層１４ｂ及びカソード極触媒層１２ｂに撥水性を付与した後、親水化ガスを供給することにより、カソード極拡散層１４ｂ側からカソード極触媒層１２ｂ側に向けて親水性を付与することも可能である。燃料電池の発電時では、主にカソード極触媒層１２ｂで水分が発生するため、上記のように、撥水性付与工程及び親水性付与工程をカソード極拡散層１４ｂ及びカソード極触媒層１２ｂで行うことが好ましい。また、アノード極セパレータ１６ａ側とカソード極セパレータ１６ｂ側とで、親水化ガス等の供給時間等を調整すれば、カソード極拡散層１４ｂとアノード極拡散層１４ａとの親水性の程度を変えることも可能である。
【００５７】
以上のように本実施形態に係る燃料電池の製造方法では、触媒層及び拡散層に撥水性を付与する撥水性付与工程と、撥水性付与工程後、膜−電極アッセンブリ基材の両外側から内側に向けて親水性を付与する親水性付与工程とを備えることにより、触媒層、拡散層に撥水性、親水性を付与した後に燃料電池を製造する従来の製造方法（例えば図６に示す）より、製造工程を単純化することができる。また、撥水性の付与にフッ素ガスを使用することにより、効率的に且つ不純物を付与せずに触媒層及び拡散層に撥水性を付与することができる。また、親水性の付与にフッ素と酸素との混合ガスを使用することにより、撥水性付与工程で使用しているフッ素ガスに酸素ガスを混合することだけで、撥水性付与工程から親水性付与工程へ容易に移行することができる。また、フッ素と酸素との混合ガスを膜−電極アッセンブリ基材の両外側から内側に向けて供給することにより、膜−電極アッセンブリ基材の触媒層側から拡散層側に向けて親水性を高くすることができる。さらに、燃料電池用セパレータの反応ガス流路を介して触媒層、拡散層に撥水化ガス、親水化ガスを供給することにより、反応ガス流路にも親水性を付与することができる。また、反応ガス流路に対向する拡散層部分ほど親水性を高くすることができるため、反応ガス流路への排水性をより高めることができる。すなわち、本実施形態の燃料電池の製造方法では、触媒層は、拡散層及び反応ガス流路より撥水性が高く、拡散層及び反応ガス流路は触媒層より親水性が高い燃料電池（図４，５に示す燃料電池４）を従来の製造方法より単純な工程で製造することができる。得られた燃料電池の触媒層は拡散層側に水分を排水し、且つ電解質膜に水分を供給し易く、拡散層及び燃料電池セパレータは触媒層から排水された水分をさらに燃料電池外に排水し易いものとなる。
【００５８】
本実施形態の燃料電池の製造方法により製造された燃料電池は、例えば、携帯電話、携帯用パソコン等のモバイル機器用小型電源、自動車用電源、定置用電源等として使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の実施形態に係る膜−電極アッセンブリの製造方法の一例を説明するための図である。
【図２】フッ素ガスによる撥水性付与のメカニズムを説明するための模式図である。
【図３】フッ素と酸素との混合ガスによる親水性付与のメカニズムを説明するための模式図である。
【図４】本発明の実施形態に係る燃料電池の製造方法の一例を説明するための図である。
【図５】本発明の他の実施形態に係る燃料電池の製造方法の一例を説明するための図である。
【図６】一般的な膜−電極アッセンブリの製造方法を説明するための図である。
【符号の説明】
【００６０】
１  膜−電極アッセンブリ基材、２，６  膜−電極アッセンブリ、３  燃料電池基材、４  燃料電池、１０，２４  電解質膜、１２，２２  触媒層、１４，２６  拡散層、１６燃料電池用セパレータ、１８  反応ガス流路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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