(57)【要約】【課題】ガスのクロスオーバーが低減され、MEAの性能及び耐久性を改善できる固体高分子型燃料電池の触媒担持方法、膜電極接合体を提供する。【解決手段】固体高分子型燃料電池の触媒担持方法は、アノード触媒層12またはカソード触媒層14となる触媒層に触媒前駆体を担持させる工程と、高分子電解質膜13と触媒層12または14とを厚み方向に積層した状態で、触媒層12または14に対して電気化学的な還元反応を行い、当該触媒層12または14に含まれている触媒前駆体を還元させて触媒を生成させる触媒担持工程とを実施する。触媒担持工程後には、触媒の複数の微粒子が存在する触媒金属粒子層13kが高分子電解質膜13の内部に形成されている。【選択図】図２
2006040703.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード触媒層またはカソード触媒層となる触媒層に触媒前駆体を担持させる工程と、
プロトン伝導性をもつ高分子電解質膜と前記触媒層とを厚み方向に積層した状態で、前記触媒層に対して電気化学的な還元反応を行い、当該触媒層に含まれている前記触媒前駆体を還元させて触媒を生成させると共に、触媒の複数の微粒子群が存在する触媒粒子層を前記高分子電解質膜の内部に形成する触媒担持工程を実施することを特徴とする固体高分子型燃料電池の触媒担持方法。
【請求項２】
アノード触媒層及びカソード触媒層のうちの一方が触媒を有すると共に、前記アノード触媒層及び前記カソード触媒層のうちの他方が触媒前駆体を有すると共に、アノードガス拡散層、前記アノード触媒層、プロトン伝導性をもつ高分子電解質膜、前記カソード触媒層、カソードガス拡散層の順となるように厚み方向に積層して膜電極接合体を得るとともに、前記膜電極接合体を構成するアノードとカソードとを導電路で電気的に接続する工程と、
前記アノード及び前記カソードのうちの一方において電気化学的な酸化反応を生じさせると共に、酸化反応で生じた電子に基づいて前記アノード及び前記カソードのうちの他方において電気化学的な還元反応を行い、当該他方に含まれている触媒前駆体を還元させて触媒を生成させると共に、触媒の微粒子群が存在する触媒粒子層を前記高分子電解質膜の内部に形成する触媒担持工程とを実施することを特徴とする固体高分子型燃料電池の触媒担持方法。
【請求項３】
請求項２において、前記触媒担持工程の前では前記カソードは前記触媒前駆体を有しており、前記触媒担持工程では、前記アノードにおいて酸化反応を生じさせると共に、前記カソードにおいて還元反応を行い、当該前記カソードに含まれている前記触媒前駆体を還元させて触媒を生成させると共に、前記触媒粒子層は前記高分子電解質膜の内部のうち前記カソード側に形成されることを特徴とする固体高分子型燃料電池の触媒担持方法。
【請求項４】
請求項２または請求項３において、前記触媒担持工程において、当該一方に水素ガスまたは水素含有ガスを供給することを特徴とする固体高分子型燃料電池の触媒担持方法。
【請求項５】
請求項２〜請求項４のうちのいずれか一項において、前記触媒担持工程において、当該他方に不活性ガス、不活性ガスを主要成分とするガス、または、空気を供給することを特徴とする固体高分子型燃料電池の触媒担持方法。
【請求項６】
請求項１〜請求項５のうちのいずれか一項において、複数の前記膜電極接合体をガス配流部材と共に組み付けた燃料電池スタックを形成し、前記触媒担持工程は前記燃料電池スタックの全体で行なわれることを特徴とする固体高分子型燃料電池の触媒担持方法。
【請求項７】
アノードガス拡散層、アノード触媒層、一枚の高分子電解質膜、カソード触媒層、カソードガス拡散層の順となるように厚み方向に積層して形成された膜電極接合体において、
前記アノード触媒層及び前記カソード触媒層が触媒を有すると共に、前記高分子電解質膜は、触媒の微粒子群が存在する触媒粒子層を有することを特徴とする膜電極接合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は固体高分子型燃料電池の触媒担持方法及び膜電極接合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、固体高分子型燃料電池は電池内で水素やメタノール、ハイドロカーボン等の燃料を電気化学的に酸化することによって、また酸素、空気等を還元することによって酸化還元反応に伴う化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換して取り出すものである。従って化石燃料等を用いた発電のようにNOx、SOxといった環境破壊物質の発生が基本的にはないため、クリーンな電気エネルギー供給源として注目されている。燃料電池は、例えば、アノードガス拡散層／アノード触媒層／プロトン伝導性をもつ高分子電解質膜／カソード触媒層／カソード拡散層といった5層構造を有している。この燃料電池用電極すなわちアノード電極、カソード電極に使われている触媒は導電性カーボン担体に白金あるいは白金合金を数ナノレベルで担持した所謂白金（白金合金）担持カーボンと呼ばれる触媒が用いられ、実用化されている。このような燃料電池の構成において、燃料電池用電極の担持方法は、通常、カーボンブラックのような電子伝導性物質を触媒担体として使用し、その触媒担体上に触媒を高分散担持した触媒担持カーボンとイオン導電性をもつ固体電解質溶液とを混合する。（この他に水、アルコール等の溶媒やテトラフルオロエチレンなどの撥水剤を添加する場合もある。）そして、これらの混合物をガス拡散層かプロトン伝導性をもつ高分子電解質膜上にロールコート法、スプレー法、ドクターブレード法などで塗工乾燥し、触媒層を形成する。
【０００３】
その後、アノードガス拡散層／アノード触媒層／高分子電解質膜／カソード触媒層／カソードガス拡散層という層構造になるようにホットプレスするのが一般的である。しかし、このような方法によって製造された膜電極接合体（以下、MEAともいう）によれば、燃料電池の発電過程において、例えば水素・空気燃料電池においては電池反応に寄与しないガス（アノードでは水素、カソードでは酸素）の対極へのクロスオーバーが発生することがある。クロスオーバーが起きると、ケミカルショート、局部電池の生成等を引き起こし、電池性能の低下やMEAへの損傷が信頼性及び耐久性の面において大きな問題となっている。ここで、クロスオーバーは、燃料ガスまたは酸化剤ガスが高分子電解質膜を通って対極に透過することをいう。
【０００４】
これらの問題を解決する方法として、特許文献１、２では高分子電解質の両面に一対の電極を配し、金属を担持した微粒子を高分子電解質の中央部に配置した膜電極接合体（MEA，membrane electrode assembly）の製造方法として開示されている。この技術によれば、触媒を担持した微粒子（白金担持カーボン）が高分子電解質膜の中央部に存在している。このためクロスオーバーしてくるガス（水素、酸素）を、高分子電解質膜の中央部の触媒により反応させ、クロスオーバーを低減することができる。その結果、生成する水により高分子電解質膜を自己加湿でき、高性能なMEAを製造できるとしている。
【特許文献１】特開2003−59511号公報
【特許文献２】特開平7−90111号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら特許文献１に係る方法によれば、触媒を担持した触媒粒子層を高分子電解質の中央部に形成させるために、第1の高分子電解質膜と第2の高分子電解質膜とで触媒粒子層を挟んだ状態で熱接合し、これにより膜電極接合体を形成することにしている。このようにして得られた膜電極接合体の厚み方向の一面にアノード触媒層を配置するとともに、膜電極接合体の厚み方向の他面にカソード触媒層を配置する。最後にアノードガス拡散層、カソートガス拡散層を配置し、熱接合する。このような方法は以下のような問題点を有する。
【０００６】
1．高分子電解質膜の中央部に触媒粒子層を配置するために、高分子電解質膜を2枚使用する必要がある。そして第1の高分子電解質膜と第2の高分子電解質膜とで触媒粒子層を物理的に挟んだ状態で、2枚の電解質膜同士を熱接合する。この場合、仮に、バインダーを含む触媒粒子層を用いたとしても、接合性には限界がある。この結果、電解質膜の収縮により接合面での剥離が起こることがある。これにより燃料電池の性能向上には限界がある。
【０００７】
2．第1の電解質膜と第2の電解質膜と同士接合させるために、高分子電解質膜の膜厚が相対的に厚くなるおそれがある。この場合、高分子電解質膜の膜抵抗が大きくなり、電池性能が低下するおそれがある。仮に、使用する電解質膜の膜厚を極めて薄くしたとしても、電解質膜のハンドリング等が難しくなる。
【０００８】
3．MEAの製造過程において、2枚の電解質膜で触媒粒子層を物理的に挟んだ状態で、2枚の電解質膜を熱接合させるため、熱接合工程が増加する。このため膜へのタメージが大きくなる。
【０００９】
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、ガスのクロスオーバーが低減されて、MEAの性能及び耐久性を改善できる固体高分子型燃料電池の触媒担持方法及び膜電極接合体を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
第１発明に係る固体高分子型燃料電池の触媒担持方法は、アノード触媒層またはカソード触媒層となる触媒層に触媒前駆体を担持させる工程と、
プロトン伝導性をもつ高分子電解質膜と触媒層とを厚み方向に積層した状態で、触媒層に対して電気化学的な還元反応を行い、当該触媒層に含まれている触媒前駆体を還元させて触媒を生成させると共に、触媒の複数の微粒子群が存在する触媒粒子層を高分子電解質膜の内部に形成する触媒担持工程とを実施することを特徴とするものである。
【００１１】
触媒層において電気化学的な還元反応を行なう。この電気化学的な還元処理において、カソード触媒に含まれている触媒前駆体が、拡散又はイオン交換作用によって高分子電解質膜中に移動して還元が進行する。この結果、触媒層に含まれている触媒前駆体を還元させ、微小サイズ（数ナノレベル）の触媒を生成させる。これにより触媒の微小な複数の微粒子が触媒層に形成されるばかりか、高分子電解質膜の内部にも形成される。これは後述するEPMA分析により確認されている。
【００１２】
この高分子電解質膜の内部に形成されている触媒粒子層によってガス自体のクロスオーバーが抑制される。この場合、燃料ガス（水素）または酸化剤ガス（酸素）が高分子電解質膜を透過して相手極に移行しようとすると、燃料ガスの酸化、酸化剤ガスの還元が高分子電解質膜の内部に存在する触媒粒子層により生じ、水が生成される。これにより燃料ガス及び酸化剤ガスのガス自体のクロスオーバーが抑制されるものと推察される。このようにガス自体のクロスオーバーが抑制されるため、MEAの性能、耐久性が大きく改善される。
【００１３】
第２発明に係る固体高分子型燃料電池の触媒担持方法は、アノード触媒層及びカソード触媒層のうちの一方が触媒を有すると共に、アノード触媒層及びカソード触媒層のうちの他方が触媒前駆体を有すると共に、アノードガス拡散層、アノード触媒層、プロトン伝導性をもつ高分子電解質膜、カソード触媒層、カソードガス拡散層の順となるように厚み方向に積層して膜電極接合体を得ると共に、膜電極接合体を構成するアノードとカソードとを導電路で電気的に接続する工程と、
アノード及びカソードのうちの一方において電気化学的な酸化反応を生じさせると共に、酸化反応で生じた電子に基づいてアノード及びカソードのうちの他方において電気化学的な還元反応を行い、当該他方に含まれている触媒前駆体を還元させて触媒を生成させると共に、触媒の微粒子群が存在する触媒粒子層を高分子電解質膜の内部に形成する触媒担持工程とを実施することを特徴とするものである。
【００１４】
触媒担持工程によれば、アノード及びカソードのうちの一方において酸化反応を生じさせると共に、酸化反応で生じた電子に基づいてアノード及びカソードのうちの他方において電気化学的な還元反応を行なう。この電気化学的な還元処理において、カソード触媒に含まれている触媒前駆体が、拡散又はイオン交換作用によって高分子電解質膜中に移動して還元が進行する。この結果、当該他方に含まれている触媒前駆体を還元させ、微小サイズ（数ナノレベル）の触媒を生成させる。これにより触媒が他方の触媒層に形成されるばかりか、微小な複数の微粒子が存在する触媒粒子層が高分子電解質膜の内部に形成される。この高分子電解質膜の内部に形成されている触媒粒子層によってガス自体のクロスオーバーが抑制される。この場合、燃料ガス（水素）または酸化剤ガス（酸素）が高分子電解質膜を透過して相手極に移行しようとすると、燃料ガスの酸化、酸化剤ガスの還元が触媒粒子層により生じ、水が生成される。これにより燃料ガス及び酸化剤ガスのガス自体のクロスオーバーが抑制されるものと推察される。このようにガス自体のクロスオーバーが抑制されるため、MEAの性能、耐久性が大きく改善される。
【００１５】
第３発明に係る膜電極接合体は、アノードガス拡散層、アノード触媒層、一枚の高分子電解質膜、カソード触媒層、カソードガス拡散層の順となるように厚み方向に積層して形成された膜電極接合体において、アノード触媒層及びカソード触媒層が触媒を有すると共に、高分子電解質膜は、触媒の微粒子群が存在する触媒粒子層を有することを特徴とするものである。
【００１６】
このように高分子電解質膜の内部に形成されている触媒粒子層によってガス自体のクロスオーバーが抑制される。この場合、燃料ガス（水素）または酸化剤ガス（酸素）が高分子電解質膜を透過して相手極に移行しようとすると、燃料ガスの酸化、酸化剤ガスの還元が触媒粒子層により生じ、水が生成される。これにより燃料ガス及び酸化剤ガスのガス自体のクロスオーバーが抑制されるものと推察される。このようにガス自体のクロスオーバーが抑制されるため、MEAの性能、耐久性が大きく改善される。また第３発明に係る膜電極接合体によれば、高分子電解質膜は複数枚を接合した接合構造ではなく、厚み方向において一枚構造、つまり高分子電解質膜は厚み方向において単一構造である。このため２枚の電解質膜同士を接合させた形態とは異なり、２枚の電解質膜同士の境界における剥離の不具合は抑えられる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、ガスのクロスオーバーが低減されて、MEAの性能及び耐久性を改善できる固体高分子型燃料電池の触媒担持方法及び膜電極接合体を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
触媒前駆体としては、触媒を含む金属塩を例示できる。このようなものとしては、触媒を含むアンミン錯体塩、塩化物、硝酸塩等が挙げられる。触媒前駆体としては、白金属元素として白金を採用するのであれば、［Pt(NH3)4］2+、［Pt(NH3)6］4+、［PtCl(NH3)5］3+等のアンミン錯体イオンの形態とすることができる。触媒としては、白金属元素、即ち、白金、ルテニウム、ロジウム、イリジウム等が挙げられる。
【００１９】
本発明に係る触媒担持方法の好ましい形態によれば、触媒担持工程の前ではカソード触媒層は触媒前駆体を有しており、アノード触媒層は白金等の触媒を有する。アノード触媒層に設けられている触媒としては、カーボン粒子などの導電粒子の表面に触媒を担持させた形態を採用できる。例えば、カーボン粒子の表面に触媒を担持させた構造を有する触媒担持カーボンを採用できる。さらに、高分子電解質膜の両側にそれぞれアノード拡散層、カソード拡散層を積層し、高分子電解質膜−電極接合体（MEA）を形成している。
【００２０】
この高分子電解質膜−電極接合体（MEA）に、燃料を供給するための流路を有するアノード用のガス配流部材と、酸化剤ガスを供給するための流路を有するカソード用のガス配流部材を組み付ける。そしてアノード用のガス配流部材に水素（水素含有ガス）を供給すると共に、カソード用のガス配流部材に窒素（又は空気）を供給し、これに負荷を接続してカソード触媒層中の触媒前駆体を電気化学的に還元し、数ナノの触媒を析出させる。
【００２１】
このような電気化学還元処理中において、カソード触媒中に含まれている触媒前駆体が、拡散又はイオン交換作用によって高分子電解質膜中に移動し、還元が進行する。このため高分子電解質膜の内部に微細な触媒粒子が生成された触媒粒子層を形成することができる。高分子電解質膜の内部に形成されている触媒粒子層によって、ガスのクロスオーバーが低減され、MEAの性能、耐久性を大きく改善できる。
【００２２】
本発明方法に係る触媒担持工程の好ましい形態によれば、酸化反応が行われる当該一方に水素ガスまたは水素含有ガスを供給する。この場合、当該一方に供給された水素ガスまたは水素含有ガスは、当該一方に担持されている触媒によって促進される酸化反応により、プロトン（Ｈ+）と電子（ｅ-）とに分解される。酸化反応で生じた電子は当該一方から導電路を介して当該他方に移行し、当該他方における還元反応に用いられる。この結果、当該他方に含まれている触媒前駆体が還元され、触媒が生成される。
【００２３】
本発明方法に係る触媒担持工程の好ましい形態によれば、還元反応が行われる当該他方に不活性ガス、不活性ガスを主要成分とするガス、または、空気を供給する。この場合、当該他方に電子（ｅ-）が供給されたとしても、不活性ガスは還元されないため、当該他方に担持されている触媒前駆体を効率よく還元させることができる。不活性ガスとしては窒素ガス、アルゴンガス等を例示できる。不活性ガスに代えて、窒素が大部分を占める空気を用いた場合にも、本発明者が行った後述する実施例に係る試験によれば、当該他方において触媒前駆体を還元させて触媒を生成させることができた。
【００２４】
本発明方法の好ましい形態によれば、複数の膜電極接合体をガス配流部材と共に組み付けた燃料電池スタックを形成し、触媒担持工程は燃料電池スタック全体で行なわれる形態を例示できる。この場合、複数のMEAが積層されている燃料電池スタック全体で触媒担持工程を実施できるため、生産性を高めることができる。
【００２５】
第３発明に係る膜電極接合体は、アノードガス拡散層、アノード触媒層、一枚の高分子電解質膜、カソード触媒層、カソードガス拡散層の順となるように厚み方向に積層して形成されている。アノード触媒層及びカソード触媒層は触媒を有する。高分子電解質膜は、触媒の微粒子群が存在する触媒粒子層を有する。この高分子電解質膜は、複数の電解質膜を重ねて接合したものではないため、一般的には、厚み方向において複数の電解質膜同士の境界面を有しない構造とされている。電解質膜は非接合構造により厚み方向において一体化されている。このため複数の電解質膜同士の境界面における剥離の問題を抑制でき、剥離に起因する劣化を抑制でき、且つ、電解質膜の積層による内部抵抗増加を抑えるため、電池性能の低下を抑制できる。
【００２６】
カソード触媒層側で還元処理を行ったときには、高分子電解質膜の内部のうちカソード触媒層側に触媒粒子層が存在する。これに対して、アノード触媒層側で還元処理を行ったときには、高分子電解質膜の内部のうちアノード触媒層側に触媒粒子層が存在するものと考えられる。高分子電解質膜の平均厚みを相対表示で100と仮定すると、触媒粒子層の平均厚みは20〜80程度、25〜70程度、30〜60程度とされている。但し、触媒粒子層の境界が明確にあらわれないこともある。このように触媒粒子層の境界が明確にあらわれないときであっても、触媒粒子層は一般的には線状ではなく幅広状となる。
【実施例】
【００２７】
以下、本発明の実施例１について比較例１と共に説明する。
【００２８】
（実施例1）
実施例１は電気化学還元により触媒である白金を担持する方法である。アノード触媒層の作製にあたり、先ず、触媒担体としての導電性カーボンブラック（ケッチェンブラックEC）に白金ルテニウムを57重量％担持した白金ルテニウム担持カーボン触媒（田中貴金属工業製TEC62E58）を用いた。この白金ルテニウム担持カーボン触媒5g、純水18g、高分子電解質ポリマーのアルコール分散液54g（旭化成製Aciplex SS−1100）、およびイソプロピルアルコール6gを配合し、白金ルテニウム担持カーボン触媒の二次粒径が0.5μm〜1.0μmとなるように分散を行い、触媒ペーストを作製した。この触媒ペーストをETFEシート（旭硝子製  アフレックス）上にアプリケータを用いて均一な薄膜状に成形し、80℃で乾燥した。これを電極サイズに切り取り、アノード触媒層を作製した。
【００２９】
また、カソード触媒層の作製にあたり、ケッチェンブラック（ケッチェン・ブラック・インターナショナル製）25g、触媒前駆体としてジニトロジアンミン白金硝酸溶液（田中貴金属工業製）36g、高分子電解質ポリマーのアルコール分散液（旭化成製 Aciplex SS−1100）63g、イソプロピルアルコール5gをよく混合してペースト状にした。このペーストをPTFEシート（旭硝子製  アフレックス）上にアプリケータを用いて均一な薄膜状に成形し、50℃で乾燥した。これを電極サイズに切り取り、カソード触媒層を作製した。
【００３０】
撥水処理されたガス拡散基材（東レ製 カーボンペーパー）を電極サイズに切り取り、アノードガス拡散層、カソードガス拡散層をそれぞれ一枚ずつ作製した。上記のPTFEシート上に形成したアノード触媒層、カソード触媒層を、順番がアノード触媒層／高分子電解質膜／カソード触媒層になるように、温度150℃、面圧力1MPa （10kgf／cm2）、保持時間1分の条件でホットプレス（熱接合）し、膜電極接合体(MEA)を形成した。プロトン伝導性をもつ高分子電解質膜はジャパンゴアテックス製GORE−SELECT30とした。
【００３１】
さらに、この膜電極接合体(MEA)の厚み方向の両側にアノード拡散層、カソード拡散層を配置し、その状態で、温度140℃、面圧力0.8MPa（8kgf／cm2）、保持時間3分の条件でホットプレス（熱接合）した。
【００３２】
図１は実施例１に係るMEAを示す。MEAは、図1に示すようにアノードガス拡散層10、アノード触媒層12、高分子電解質膜13、カソード触媒層14、カソードガス拡散層15の順となるように厚み方向に積層して形成されている。高分子電解質膜13は１枚であり、複数の電解質膜を厚み方向において接合した構造ではない。実施例１に係るMEAによれば、アノード触媒層12が触媒(白金ルテニウム)を有すると共に、カソード触媒層14が触媒前駆体(ジニトロジアンミン白金）を有する。白金が電解質膜13に移行しないことを前提とすると、白金担持量はアノード触媒層12で0.2mg／cm2、カソード触媒層14で0.43mg／cm2とした。そして図2に示すように、MEAの両側に燃料用配流板3及び酸化剤ガス用配流板4をそれぞれ組み付け、電池セルAを構成した。ここで、燃料用配流板3及び酸化剤ガス用配流板4は、ガス配流部材として機能する。アノードとカソードとは導電路80で電気的に接続されている。
【００３３】
触媒担持工程によれば、加湿された水素を電池セルAのアノード側の燃料用配流板3に供給すると共に、加湿された窒素をカソード側の酸化剤ガス用配流板4に供給しながら、この電池セルAの両極間に、電子負荷装置85（菊水電子工業製  PLZ−1003W）を導電路80を介して直列に接続した。そして定電流モードで0.1〜0.3アンペア程度の電流を5〜15分間放電し続けた。これによりカソード触媒層14に含まれている触媒前駆体である触媒陽イオンを電気化学的に還元した。この結果、カソード触媒層14中に含まれるカーボンブラック担体（触媒担体）に白金微粒子を析出させて担持させた。
【００３４】
この触媒担持工程によれば、触媒の複数の微粒子が存在する触媒粒子層として機能する触媒金属粒子層13kが高分子電解質膜13の内部に存在することが、EPMA分析により確認されている。その理由としては、カソード触媒層14に含まれている触媒前駆体が、拡散又はイオン交換作用によって高分子電解質膜13の内部に移動して還元が進行し、カソード触媒層14に含まれている触媒前駆体を還元させ、微小サイズ（数ナノレベル）の触媒の微粒子が、カソード触媒層14ばかりか、高分子電解質膜13の内部にも形成されるためと推察される。
【００３５】
この後、実施例１に係る電池セルAのアノードに水素（利用率85％）を供給すると共に、カソードに空気（利用率40％）をそれぞれ大気圧で供給し、発電させた。この場合、水素ガスが57℃露点、空気が60℃露点となるように加湿した。このときのセル温度は77℃であった。そして、固体高分子電解質型の燃料電池評価装置にて開放端電位及び電流一電圧の特性評価を試験した。
【００３６】
（比較例1）
比較例1は、市販の田中貴金属工業製Pt／C（白金担持カーボン）を用いたMEAの製造方法である。まず、アノード触媒層の作製にあたり、導電性カーボンブラック（ケッチェンブラック EC）に白金ルテニウムを57重量％担持した白金ルテニウム担持カーボン触媒（田中貴金属工業製  TEC62E58）を用いた。この白金ルテニウム担持カーボン触媒5g、純水18g、高分子電解質ポリマーのアルコール分散液54g（旭化成製  Aciplex SS−1100）、およびイソプロピルアルコール6gを配合した。そして、白金ルテニウム担持カーボン触媒の二次粒径が0.5μm〜1.0μmとなるように分散を行い、触媒ペーストを作製した。この触媒ペーストをETFEシート（旭硝子製 アフレックス）上にアプリケ一タを用い、均一な薄膜状に成形し、80℃で乾燥した。これを電極サイズに切り取り、アノード触媒層を作製した。
【００３７】
また、カソード触媒層の作製にあたり、導電性カーボンブラック（ケッチェンブラック EC）に白金を67重量％担持した白金担持カーボン触媒5g（田中貴金属工業製  TEClOE70TPM）、純水16g、高分子電解質ポリマーのアルコール分散液41g（旭化成製Aciplex SS−1100）、およびイソプロピルアルコール5gを配合し、白金担持カーボン触媒の二次粒径が0.5μm〜1.0μmとなるように分散を行い、触媒ペーストを作製した。この触媒ペーストをETFEシート（旭硝子製アフレックス）上にアプリケータを用いて均一な薄膜状に成形し、80℃で乾燥した。これを電極サイズに切り取りカソード触媒層を作製した。更に、撥水処理されたガス拡散基材（東レ製  カーボンペーパー）を電極サイズに切り取り、アノードガス拡散層、カソードガス拡散層をそれぞれ1校ずつ作製した。
【００３８】
上記のETFEシート上に形成したアノード触媒層、カソード触媒層を、順番が、アノード触媒層12／高分子電解質膜13／カソード触媒層14となるように配置した（図３参照）。高分子電解質膜はジャパンゴアテックス製GORE−SELECT30を用いた。そして、温度150℃、面圧力1MPa(10kgf／cm2）、保持時間1分の条件でホットプレス（熱接合）し、MEAを形成した。さらに、図3に示すように、このMEAの厚み方向の両側にアノードガス拡散層10、カソードガス拡敵層15をホットプレス（熱接合）した。ホットプレス条件としては、温度140℃、面圧力0.8MPa（8kgf／cm2）、保持時間3分とした。こうして作製したMEAを用いて電池セルBを組み立てた。電池セルBについては、計算上の白金担持量としてはアノード触媒層12で0.2mg／cm2、カソード触媒層14で0.45mg／cm2であった。そして電池セルBのアノードに水素（利用率85％）、カソードに空気（利用率40％）をそれぞれ大気圧で供給し、電池セルBで発電した。そして、電池セルBの開放端電位を測定した。更に、電流とセル電圧との関係を測定した。水素ガスの露点57℃、空気の露点60℃露点となるように加湿した。セル温度は77℃であった。
【００３９】
（試験結果）
前記した開放端電位についての試験結果を図4に示す。電流一電圧の特性評価についての試験結果を図5に示す。図４の縦軸は開放端電位を示す。実施例1に係るMEAの白金担持量が比較例1に係るMEAに係る白金担持量とほぼ同等であるにも拘わらず、図4に示す結果から明らかなように、実施例1に係る電池セルAは比較例1に係る電池セルBよりも開放端電位が40〜50ミリボルト高かった。これは、実施例1に係る電池セルAの高分子電解質13の内部に形成される触媒金属粒子層13kが存在することで、触媒金属粒子層13kによりガスのクロスオーバーが抑制されている結果であると推察される。また図5の横軸は電流密度を示し、図5の縦軸はセル電圧を示し、●は実施例1を示し、○は比較例1を示す。実施例1によれば、カソード触媒層14から高分子電解質膜13中へ触媒が移行しているぶんがあるにも拘わらず、図5に示すように、実施例1に係る電池セルAは、比較例1に係る電池セルBと遜色ない電池性能を確保している。
【００４０】
図6は、比較例1に係るMEAをEPMA分析した白金マッピング分析結果を示す。図7は、実施例1に係るMEAをEPMA分析した白金マッピング分析結果を示す。比較例1に係るMEAによれば、図6に示すように、高分子電解質膜の内部に触媒金属粒子層が存在していなかった。これに対して、実施例1に係るMEAによれば、図7に示すように、高分子電解質膜13の内部に、触媒の微粒子群を備えた触媒金属粒子層13kが存在していることが確認された。殊に、図7によれば、高分子電解質膜13の内部のうちカソード触媒層14側に寄せて触媒金属粒子層13kが存在していることが確認された。図7に示すように、触媒金属粒子層13kでは、触媒の濃度はアノード触媒層12側よりもカソード触媒層14側が高くされている。触媒金属粒子層13kの厚みが明瞭ではないときには、触媒金属粒子層13kの厚みについては、様々な規定方法が考えられる。例えば、高分子電解質膜13の中心線と平行な直線を高分子電解質膜13の内部にひいたとき、触媒濃度が３重量％以上のプロット（EPMA分析した白金マッピング分析のプロット）が当該直線において２０％以上占める部位を、触媒金属粒子層13kと高分子電解質膜13との境界と仮定することができる。
【００４１】
図7によれば、高分子電解質膜13の平均厚みを相対表示で100として示すと、触媒金属粒子層13kの平均厚みは30〜60程度、40〜50程度とされている。このように高分子電解質膜13の内部に形成されている触媒金属粒子層13kは、線状の形態ではなく、幅広（ブロード状）の形態として生成されている。このように触媒金属粒子層13kが線状の形態ではなく、幅広（ブロード状）の形態であることは、クロスオーバーしようとするガスと触媒金属粒子層13kに存在する触媒とを接触させる接触確率を高めるのに有利となる。故にクロスオーバー現象の抑制に有利である。なお図8はEPMAのライン分析の結果を模写して示す。図８の横軸はMEAの厚みを示し、アノード触媒層、高分子電解質膜、カソード触媒層の位置関係を表す。Pt は白金を示す。図８から理解できるように、高分子電解質膜の内部に白金がかなりの幅をもって存在していることがわかる。
【００４２】
（実施例2）
図9は実施例2を示す。本実施例は実施例1と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。本実施例によれば図9に示すように、燃料電池セルのカソードについて酸化処理を行いつつ、アノードについて還元処理を行う。図9に示すMEAは、アノードガス拡散層10、アノード触媒層12、高分子電解質膜13、カソード触媒層14、カソードガス拡散層15の順となるように厚み方向に積層して形成されている。高分子電解質膜13は１枚であり、複数の電解質膜同士を接合した構造ではない。このMEAによれば、アノード触媒層12は触媒前駆体(ジニトロジアンミン白金)を有すると共に、カソード触媒層14は触媒(白金)を有する。電解質膜13に移行しないことを前提とすると、白金担持量は、アノード触媒層12で0.2mg／cm2、カソード触媒層14で0.43mg／cm2とする。
【００４３】
そして図9に示すように、MEAの両側に燃料用配流板3及び酸化剤ガス用配流板4をそれぞれ組み付け、電池セルを構成した。アノードとカソードとは導電路80で電気的に接続されている。触媒担持工程を行うにあたり、この電池セルの両極間を、電子負荷装置85（菊水電子工業製  PLZ−1003W）を導電路80を介して直列に接続している。そして、加湿された水素を電池セルのカソード側の酸化剤ガス配流板4に供給すると共に、加湿された窒素をアノード側の燃料用配流板3に供給しながら、実施例1の場合と同様に導電路80を用いて定電流モードで電流を流し続けた。本実施例においても、アノード触媒層12に含まれている触媒前駆体(ジニトロジアンミン白金)を電気化学的に還元させ、アノード触媒層12中に含まれるカーボンブラック担体（触媒担体）に白金微粒子を析出させて担持させる。本実施例においても、実施例1と同様に、触媒の複数の微粒子からなる微粒子群が存在する触媒金属粒子層13kを、高分子電解質膜13の内部に存在させることができる。
【００４４】
（実施例3）
図10は実施例3を示す。本実施例は実施例1と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。本実施例は燃料電池スタック200の全体についてまとめて触媒担持工程を実施する。図10に示すように、複数のMEA1と共に、燃料用配流板３及び酸化剤ガス用配流板4を組み付けることにより、燃料電池スタック200が構成されている。燃料用配流板3及び酸化剤ガス用配流板4はガス配流部材として機能している。燃料電池スタック200は、各燃料用配流板３の燃料流路3ａに燃料ガスを分配する燃料通路5と、各酸化剤ガス用配流板4の酸化剤ガス流路4ａに酸化剤ガスである空気を分配する酸化剤ガス通路6とをもつ。触媒担持工程前では、アノード触媒層12では触媒（白金ルテニウムまたは白金）が存在しており、カソード触媒層14では触媒前駆体（ジニトロジアンミン白金）が存在している。アノード1のアノード触媒層12とカソード2のカソード触媒層22とは図略の導電路で電気的に接続されている。高分子電解質膜13は１枚であり、複数の電解質膜同士を接合した構造ではない。
【００４５】
そして、触媒担持工程においては、燃料用配流板３の燃料流路3aに水素ガスを供給すると共に、酸化剤ガス用配流板4のガス流路4aに窒素ガスを供給する。水素ガスは、燃料用配流板3の燃料流路3ａ及びアノードガス拡散層10を経てアノード触媒層12に到達する。アノード触媒層12に到達した水素ガスは、アノード触媒層12における触媒（白金ルテニウムまたは白金）を介して酸化反応によりプロトン（Ｈ+）と電子（ｅ-）とに分解される。電子（ｅ-）は導電路を介してカソード側に移行し、カソード触媒層14において還元反応を行い、カソード触媒層14に含まれている触媒前駆体（ジニトロジアンミン白金）を還元させ、触媒をカソード触媒層14に担持させる。このような触媒前駆体の還元は、燃料電池スタック200全体で一体的に行なわれる。このため触媒担持工程は、１つのMEA1について実行せずとも、燃料電池スタック200全体で実行されるため、触媒担持工程の生産性が大きく向上する
本実施形態によれば、前述したように、燃料電池スタック200を構成する複数のMEA1において、複数のカソード触媒層14に含まれている触媒前駆体について同時にまとめて触媒還元を行うことができる。このため製造コストの低減に有利である。更に、複数のカソード触媒層14について同時にまとめて触媒前駆体の還元を行うことができるため、複数のカソード触媒層14に含有される触媒の品質を各MEA１のそれぞれについて均一化させるのにも有利であり、発電性能の向上にも寄与することができる。
【００４６】
なお、図10において、100はエンドプレート、101はマニホールド、102は燃料電池スタック200を冷却するために冷却水を流す冷却水通路、103は断熱材、104はテンションプレート、105はターミナル端子、106はシール部材を示す。マニホールド101は、燃料通路5にガス状の燃料を流入させる流入口5ｃをもち、酸化剤ガス通路6に酸化剤ガス（一般的には空気）を流入させる流入口6ｃをもつ。冷却水通路102に通水する水（流体）の温度により、燃料電池スタック200の温度を調整できるため、触媒を析出させる際の還元処理の温度を調整することができる。故に、燃料電池スタック2の内部の冷却水通路102に通水する水（流体）の温度を高めにすれば、燃料電池スタック200の温度を高めにできるため、触媒を析出させる際の還元処理の温度を高くでき、還元処理の短時間化に有利である。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は車両用、定置用、電子機器用、電気機器用等に使用される固体高分子型燃料電池に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】実施例1に係り、燃料電池セルAとなるMEAの概略構成図である。
【図２】実施例1に係り、燃料電池セルAのアノードについて酸化しつつ、カソードについて還元している状態を横式的に示す構造図である。
【図３】比較例1に係り、燃料電池セルBとなるMEAの概略構成図である。
【図４】実施例1に係る燃料電池セルAと、比較例1に係る燃料電池セルBとの開放端電位を示すグラフである。
【図５】実施例1に係る燃料電池セルAと、比較例1に係る燃料電池セルBとの電流一電圧特性を示すグラフである。
【図６】比較例1 に係る燃料電池セルBのMEA断面のEPMA分析の結果を示す写真図である。
【図７】実施例1に係る燃料電池セルAのMEA断面のEPMA分析の結果を示す写真図である。
【図８】EPMAのライン分析の結果を示すグラフである。
【図９】実施例2に係り、燃料電池セルAのカソードについて酸化しつつ、アノードについて還元している状態を横式的に示す構造図である。
【図１０】実施例3に係り、燃料電池スタックの概略構成図である。
【符号の説明】
【００４９】
10はアノードガス拡散層、12はアノード触媒層、13は高分子電解質膜、13kは触媒金属粒子層（触媒粒子層）、14はカソード触媒層、15はカソードガス拡散層を示す。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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