(57)【要約】【課題】アノード、カソード両極の触媒層に対し所望の保水性特性を保有させる。【解決手段】膜電極接合体の製造方法は、（ａ）電解質膜の一方の面に第１のガラス転移温度を有する第１の触媒層を形成する工程と、（ｂ）前記電解質膜の他方の面に、前記第１のガラス転移温度よりも低い第２のガラス転移温度を有する第２の触媒層を形成する工程と、（ｃ）前記第２の触媒層に対し、前記第１のガラス転移温度よりも低い温度で熱処理を行う工程と、を備え、前記工程（ｃ）において、前記第２の触媒層の面内の少なくとも一部の処理温度は前記第２のガラス転移温度以上の温度である。【選択図】図２
2012099379.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極接合体の製造方法であって、
（ａ）電解質膜の一方の面に第１のガラス転移温度を有する第１の触媒層を形成する工程と、
（ｂ）前記電解質膜の他方の面に、前記第１のガラス転移温度よりも低い第２のガラス転移温度を有する第２の触媒層を形成する工程と、
（ｃ）前記第２の触媒層に対し、前記第１のガラス転移温度よりも低い温度で熱処理を行う工程と、
を備え、
前記工程（ｃ）において、前記第２の触媒層の面内の少なくとも一部の処理温度は前記第２のガラス転移温度以上の温度である、
膜電極接合体の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の膜電極接合体の製造方法において、
前記工程（ｃ）において、
前記熱処理の温度は、前記膜電極接合体製造後に前記第２の触媒層上を流れる反応ガスの流れる方向の下流側が高く、上流側が低い温度勾配を有するように設定されている、
膜電極接合体の製造方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の膜電極接合体の製造方法において、
前記工程（ａ）と工程（ｂ）の間に、
（ｄ）前記第１の触媒層に対して熱処理を行う工程、を有しており、
前記工程（ｄ）において、
前記熱処理の温度は、前記膜電極接合体製造後に前記第１の触媒層上を流れる反応ガスの流れる方向の下流側が高く、上流側が低い温度勾配を有するように設定されており、
前記第１の触媒層の面内の少なくとも一部の処理温度は前記第１のガラス転移温度以上の温度である、
膜電極接合体の製造方法。
【請求項４】
請求項１から請求項３のうちのいずれか一項に記載の膜電極接合体の製造方法において、
前記第１の触媒層はカソード側触媒層であり、前記第２の触媒層はアノード側触媒層である、膜電極接合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池等に用いられる膜電極接合体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、電解質を含む電解質膜の表面に、前記電解質と触媒担持導電体とを含む溶液を塗布して、触媒層を形成し、触媒層の表面のうちの一端側の表面から他端側の表面に向かって、触媒層表面の温度が傾斜的に変化する温度分布となるように、触媒層表面を加熱し、触媒層に対しガス流路に合わせた均一な水持ち性を保有させる技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２９５４２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来の技術では、アノードガス、カソードガスが対向流の場合、一方の触媒層への加熱処理が、他方の触媒層の水持ち性に影響を与える恐れがあった。
【０００５】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、アノード、カソード両極の触媒層に対し所望の保水性特性を保有させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］
膜電極接合体の製造方法であって、（ａ）電解質膜の一方の面に第１のガラス転移温度を有する第１の触媒層を形成する工程と、（ｂ）前記電解質膜の他方の面に、前記第１のガラス転移温度よりも低い第２のガラス転移温度を有する第２の触媒層を形成する工程と、（ｃ）前記第２の触媒層に対し、前記第１のガラス転移温度よりも低い温度で熱処理を行う工程と、を備え、前記工程（ｃ）において、前記第２の触媒層の面内の少なくとも一部の処理温度は前記第２のガラス転移温度以上の温度である、膜電極接合体の製造方法。
この適用例によれば、第２の触媒層の熱処理工程において、第１の触媒層の影響を与えなくすることができるので、アノード、カソード両極の触媒層に対し所望の保水性特性を保有させることが可能となる。
【０００８】
［適用例２］
適用例１に記載の膜電極接合体の製造方法において、前記工程（ｃ）において、前記熱処理の温度は、前記膜電極接合体製造後に前記第２の触媒層上を流れる反応ガスの流れる方向の下流側が高く、上流側が低い温度勾配を有するように設定されている、膜電極接合体の製造方法。
この適用例によれば、第２の触媒層において、均一な水持ち性を付与することが可能となる。
【０００９】
［適用例３］
適用例１または適用例２に記載の膜電極接合体の製造方法において、前記工程（ａ）と工程（ｂ）の間に、（ｄ）前記第１の触媒層に対して熱処理を行う工程、を有しており、
前記工程（ｄ）において、前記熱処理の温度は、前記膜電極接合体製造後に前記第１の触媒層上を流れる反応ガスの流れる方向の下流側が高く、上流側が低い温度勾配を有するように設定されており、前記第１の触媒層の面内の少なくとも一部の処理温度は前記第１のガラス転移温度以上の温度である、膜電極接合体の製造方法。
この適用例によれば、第１の触媒層において、均一な水持ち性を付与することが可能となる。
【００１０】
［適用例４］
適用例１から適用例３のうちのいずれか１つの適用例に記載の膜電極接合体の製造方法において、前記第１の触媒層はカソード側触媒層であり、前記第２の触媒層はアノード側触媒層である、膜電極接合体の製造方法。
燃料電池において、カソード側では水が生成する反応が起こる。この適用例では、カソード側触媒層のガラス転移温度をアノード側触媒層のガラス転移温度よりも高くすることになるため、カソード側触媒層の保水性をアノード側触媒層の保水性よりも高めることができる。
【００１１】
本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、膜電極接合体の製造方法の他、燃料電池の製造方法等、様々な形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施例に係る燃料電池の膜電極接合体の構成を示す説明図である。
【図２】本実施例の膜電極接合体の製造工程を示すフローチャートである。
【図３】電解質のスルホン酸基１モル当たりの乾燥重量とガラス転移温度との関係を示す説明図である。
【図４】電解質と白金を担持したカーボンを含むエタノール溶液を電解質膜に塗布する工程を示す説明図である。
【図５】熱処理を模式的に示す説明図である。
【図６】カソード側触媒層の位置と処理温度との関係を示す説明図である。
【図７】別の実施例における処理温度を示す説明図である。
【図８】図６または図７に示す傾斜温度処理を実現するための他の実施例を示す説明図である。
【図９】発熱装置を階段状に配置した実施例を示す説明図である。
【図１０】発熱装置を階段状に配置したときの処理温度を示す説明図である。
【図１１】発熱温度の異なる発熱装置を配置した実施例を示す説明図である。
【図１２】発熱装置とカソード側触媒層との間に断熱板を配置した実施例を示す説明図である。
【図１３】発熱装置とカソード側触媒層との間に断熱板を配置した他の実施例を示す説明図である。
【図１４】発熱装置とカソード側触媒層との間に断熱板を配置した他の実施例を示す説明図である。
【図１５】発熱装置とカソード側触媒層との間に断熱板を配置した他の実施例を示す説明図である。
【図１６】電解質と白金を担持したカーボンを含むエタノール溶液を電解質膜に塗布する工程を示す説明図である。
【図１７】熱処理を模式的に示す説明図である。
【図１８】アノード側触媒層の位置と処理温度との関係を示す説明図である。
【図１９】別の実施例における処理温度を示す説明図である。
【図２０】第３の実施例における処理温度を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
［第１の実施例］
図１は、本実施例に係る燃料電池の膜電極接合体の構成を示す説明図である。膜電極接合体１２０は、電解質膜１２１と、カソード側触媒層１２２と、アノード側触媒層１２３と、を備える。電解質膜１２１は、固体高分子材料、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマなどのフッ素系樹脂から成るプロトン伝導性のイオン交換膜である。カソード側触媒層１２２とアノード側触媒層１２３は、プロトン伝導性電解質と、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金触媒、あるいは白金と他の金属から成る白金合金触媒とを含んでいる。白金触媒あるいは白金合金触媒は、カーボンなどの導電性担体に担持されている。カソード側触媒層１２２は電解質膜１２１の一方の面に形成され、アノード側触媒層１２３は、電解質膜１２１の他方の面に形成されている。
【００１４】
カソード側触媒層１２２の表面に沿って酸化ガス（空気）が流れ、アノード側触媒層１２３の表面に沿って水素が流れる。燃料電池の膜電極接合体において、カソード側触媒層１２２は、酸化ガスの上流側が乾燥し易く、アノード側触媒層は、水素の上流側が乾燥し易い。したがって、カソード側触媒層１２２については、酸化ガスの上流側の保水性を、下流側よりも高くすることが好ましく、アノード側触媒層１２３については、水素の上流側の保水性を、下流側よりも高くすることが好ましい。本実施例では、酸化ガスと水素とは、対向流で流れる。したがって、カソード側触媒層１２２の保水性を高くする位置と、アノード側触媒層１２３の保水性を高くする位置は、異なる。
【００１５】
図２は、本実施例の膜電極接合体の製造工程を示すフローチャートである。ステップＳ２００では、電解質膜１２１として、所定の大きさのパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマなどのフッ素系樹脂から成るプロトン伝導性のイオン交換膜を準備する。本実施例では、電解質膜として、例えば、デュポン社製ナフィオン（登録商標）、旭化成製アシプレックス（登録商標）、旭硝子製フレミオン（登録商標）、ジャパンゴアテックス社製ゴアセレクト（登録商標）等を用いることができる。
【００１６】
ステップＳ２１０では、電解質膜１２１の一方の面にカソード側触媒層１２２を形成する。この工程では、電解質と、白金を担持したカーボンと、を含むエタノール溶液Ｌ１を準備する。ここで、エタノール溶液Ｌ１に含ませる電解質は、電解質膜１２１を形成した電解質膜と同種の電解質膜であることが好ましい。例えば、電解質膜１２１として、デュポン社製ナフィオン（登録商標）を用いた場合には、エタノール溶液Ｌ１に含ませる電解質として、デュポン社製ナフィオン（登録商標）を用いることが好ましい。
【００１７】
図３は、電解質のスルホン酸基１モル当たりの乾燥重量とガラス転移温度との関係を示す説明図である。電解質は、低温ではガラス状態であり、高温になるとゴム状態となる。このゴム状態となる温度をガラス転移温度と呼ぶ。本実施例では、電解質として、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマを用いており、この電解質は、スルホン酸基を有している。電解質のスルホン酸基１モル当たりの乾燥重量（ＥＷ：Equivalent Weight）とガラス転移温度との間には一定の関係があり、電解質のスルホン酸基１モル当たりの乾燥重量が大きくなると、ガラス転移温度が下がる。なお、電解質のスルホン酸基１モル当たりの乾燥重量が大きくなることは、電解質単位重量当たりのスルホン酸基の量が少なくなることと同義である。本実施例では、カソード側触媒層１２２を形成するためのエタノール溶液Ｌ１に含ませる電解質として、スルホン酸基１モル当たりの乾燥重量がＥＷ１、ガラス転移温度がＴｇ１の電解質を用いた。なお、エタノール溶液Ｌ１に含ませる電解質のスルホン酸基１モル当たりの乾燥重量ＥＷ１は、電解質膜１２１に含まれる電解質のスルホン酸基１モル当たりの乾燥重量よりも大きいことが好ましい。これにより、電解質膜１２１のガラス転移温度よりも、エタノール溶液Ｌ１中の電解質のガラス転移温度を低くすることができる。
【００１８】
図４は、電解質と白金を担持したカーボンを含むエタノール溶液を電解質膜に塗布する工程を示す説明図である。エタノール溶液Ｌ１をタンク２００に入れ、スプレー２０５を用いて、電解質膜１２１に一方の面に吹き付けて、塗布し、カソード側触媒層１２２を形成する。
【００１９】
図２のステップＳ２２０において、カソード側触媒層１２２に対し熱処理を行う。図５は、熱処理を模式的に示す説明図である。本実施例では、平板状の発熱装置２１０をカソード側触媒層１２２の上部に配置する。このとき、酸化ガスの上流側におけるカソード側触媒層１２２と発熱装置２１０との間の距離を、酸化ガスの下流側におけるカソード側触媒層１２２と発熱装置２１０との間の距離よりも大きくする。こうすると、カソード側触媒層１２２のうちの酸化ガスの下流側は、酸化ガスの上流側よりも強く加熱される。
【００２０】
図６は、カソード側触媒層の位置と、処理温度との関係を示す説明図である。ここで、カソード側触媒層の位置とは、酸化ガスの流れ方向に関する位置であり、処理温度とは、カソード側触媒層１２２の表面温度である。この処理温度でカソード側触媒層１２２が熱処理される。本実施例では、処理温度は、カソード側触媒層１２２のどの位置においても、カソード側触媒層１２２のガラス転移温度Ｔｇ１よりも高温である。また、カソード側触媒層１２２の酸化ガスの下流側の処理温度は、カソード側触媒層１２２の酸化ガスの上流側の処理温度よりも高い。本実施例では、このような、処理温度に勾配を持たせる処理のことを、「傾斜温度処理」と呼ぶ。
【００２１】
カソード側触媒層１２２の熱処理においては、先ず、発熱装置２１０の温度を少しずつ上げて、カソード側触媒層１２２からエタノールを揮発させて、乾燥させる。なお、エタノールは、カソード側触媒層１２２のガラス転移温度Ｔｇ１よりも低い温度で蒸発する。そして、処理温度がカソード側触媒層１２２のガラス転移温度Ｔｇ１よりも高温になると、カソード側触媒層１２２は、ガラス転移する。このとき、処理温度が高い部分は、処理温度が低い部分に比べて、電解質を構成する分子の自由体積がより減少し、電解質の含水率がより減少する。従って、カソード側触媒層１２２の酸化ガスの下流側の保水性は、酸化ガスの上流側の保水性よりも、相対的に低くなる。逆に言えば、カソード側触媒層１２２の酸化ガスの上流側の保水性は、酸化ガスの下流側の保水性よりも、相対的に高くなる。上述したように、カソード側触媒層１２２の酸化ガスの上流側は乾燥しやすいので、カソード側触媒層１２２の酸化ガスの上流側の保水性を相対的に高めることにより、カソード側触媒層１２２に対し、均一な水持ち性を付与することが可能となる。なお、カソード側触媒層１２２からエタノールを揮発させる段階においては、発熱装置２１０とカソード側触媒層１２２とをほぼ平行とし、エタノールが蒸発した後、発熱装置２１０とカソード側触媒層１２２とを非平行として傾斜温度処理を実行してもよい。
【００２２】
図７は、別の実施例における処理温度を示す説明図である。この実施例では、カソード側触媒層１２２と、発熱装置２１０との間の間隔を、図５、図６に示す場合よりも広げている。この実施例では、カソード側触媒層１２２の酸化ガスの下流側では、カソード側触媒層１２２のガラス転移温度Ｔｇ１よりも高温を維持できるが、カソード側触媒層１２２の酸化ガスの上流側では、カソード側触媒層１２２のガラス転移温度Ｔｇ１よりも低温となる。処理温度を図７に示すような分布にした場合、カソード側触媒層１２２の酸化ガスの下流側では、処理温度がカソード側触媒層１２２のガラス転移温度Ｔｇ１を越えるため、電解質を構成する分子の自由体積が減少し、電解質の含水率が減少する。一方、カソード側触媒層１２２の酸化ガスの上流側では、処理温度がカソード側触媒層１２２のガラス転移温度Ｔｇ１を越えないため、ガラス転移が起こらない。そのため、電解質を構成する分子の自由体積の減少が起こり難く、電解質の含水率の減少も起こり難い。したがって、処理温度の温度を、カソード側触媒層１２２の酸化ガスの下流側では、カソード側触媒層１２２のガラス転移温度Ｔｇ１よりも高温にし、カソード側触媒層１２２の酸化ガスの上流側では、カソード側触媒層１２２のガラス転移温度Ｔｇ１よりも低温にしてもよい。なお、処理温度をカソード側触媒層１２２のガラス転移温度Ｔｇ１よりも高温にする部分は、カソード側触媒層１２２の少なくとも一部に存在すればよい。
【００２３】
図８は、図６または図７に示す傾斜温度処理を実現するための他の実施例を示す説明図である。この実施例では、発熱装置として、棒状の発熱装置２２０を用いている。発熱装置２２０は、レール２２５に接続されている。発熱装置２２０をカソード側触媒層１２２と所定の間隔を空けて、カソード側触媒層１２２の酸化ガスの下流側に配置し、カソード側触媒層１２２加熱する。その後、発熱装置２２０をレール２２５に沿ってカソード側触媒層１２２の酸化ガスの上流側に移動させながら、発熱装置２２０と、カソード側触媒層１２２との間隔を広げていく。このようにすれば、図６または図７に示す傾斜温度処理を実現することができる。なお、発熱装置２２０をカソード側触媒層１２２と所定の間隔を空けて、カソード側触媒層１２２の酸化ガスの上流側に配置し、その後、発熱装置２２０をカソード側触媒層１２２の酸化ガスの下流側に移動させながら、発熱装置２２０と、カソード側触媒層１２２との間隔を狭めていってもよい。また、発熱装置２２０とカソード側触媒層１２２との間の距離を一定に保持し、発熱装置２２０の発熱温度を徐々に上げながら、発熱装置２２０をカソード側触媒層１２２の酸化ガスの下流側に移動させてもよい。
【００２４】
図９は、発熱装置を階段状に配置した実施例を示す説明図である。この実施例では、複数の発熱装置２３０があり、これらは、カソード側触媒層１２２の酸化ガスの下流側から上流側に向かって、発熱装置２３０と、カソード側触媒層１２２との間隔が広がるように配置されている。
【００２５】
図１０は、発熱装置を階段状に配置したときの処理温度を示す説明図である。処理温度は、カソード側触媒層１２２と、発熱装置２３０との間の間隔に依存するため、略階段状となる。なお、２つの発熱装置２３０の境界の近傍では、隣接する発熱装置２３０の影響を受けるため、処理温度は、２つの発熱装置２３０の境界の近傍で傾斜している。このように、発熱装置を階段状に配置しても、カソード側触媒層１２２の酸化ガスの下流側の処理温度を、カソード側触媒層１２２の酸化ガスの上流側の処理温度よりも高くすることができる。なお、図９、図１０に示す例では、発熱装置２３０を３つ用いているが、発熱装置の数は複数であればよい。発熱装置の数が多ければ、細かい温度調整が可能となる。また、カソード側触媒層１２２の酸化ガスの最も上流側の処理温度は、カソード側触媒層１２２のガラス転移温度よりも高くなっているが、図７に示すように、カソード側触媒層１２２の酸化ガスの下流側の少なくとも一部がカソード側触媒層１２２のガラス転移温度よりも高ければ、カソード側触媒層１２２の酸化ガスの最も上流側の処理温度は、カソード側触媒層１２２のガラス転移温度よりも低くてもよい。
【００２６】
図１１は、発熱温度の異なる発熱装置を配置した実施例を示す説明図である。この実施例では、発熱温度の異なる複数の発熱装置２４０〜２４２をカソード側触媒層１２２の酸化ガスの下流側から上流側に向かって順に配置している。ここで、発熱装置２４０の発熱温度が一番高く、発熱装置２４２の発熱温度が最も低い。なお、発熱装置２４０〜２４２と、カソード側触媒層１２２との距離は同じである。このように、発熱温度の異なる複数の発熱装置２４０〜２４２を、カソード側触媒層１２２の酸化ガスの下流側から上流側に向かって順に発熱温度が低くなるように配置してもよい。
【００２７】
図１２は、発熱装置とカソード側触媒層との間に断熱板を配置した実施例を示す説明図である。この実施例では、発熱装置２１０と、カソード側触媒層１２２との間に断熱板２５０を備えている。断熱板２５０は、酸化ガスの下流側が薄く、酸化ガスの上流側が厚く形成されている。発熱装置２１０からの熱は、断熱板２５０を通りカソード側触媒層１２２に伝わる。このとき、断熱板２５０の厚い酸化ガスの上流側に比べて、断熱板２５０の薄い酸化ガスの下流側の方が、熱が伝わりやすいので、カソード側触媒層１２２の酸化ガスの下流側を、カソード側触媒層１２２の酸化ガスの上流側よりも高い温度で熱処理することができる。
【００２８】
図１３は、発熱装置とカソード側触媒層との間に断熱板を配置した他の実施例を示す説明図である。この実施例では、発熱装置２１０と、カソード側触媒層１２２との間に断熱板２５１〜２５３を備えている。酸化ガスの最も下流側に配置される断熱板２５１が最も薄く、酸化ガスの最も上流側に配置される断熱板２５１が最も厚く形成されている。断熱板２５３が厚い酸化ガスの上流側に比べて、断熱板２５１が薄い酸化ガスの下流側の方が、熱が伝わりやすいので、カソード側触媒層１２２の酸化ガスの下流側を、カソード側触媒層１２２の酸化ガスの上流側よりも高い温度で熱処理することができる。
【００２９】
図１４は、発熱装置とカソード側触媒層との間に断熱板を配置した他の実施例を示す説明図である。この実施例では、発熱装置２１０と、カソード側触媒層１２２との間に断熱板２６０を備えている。断熱板２６０には、複数の孔２６１〜２６３が形成されている。酸化ガスの下流側に形成される孔２６１は径が大きく、酸化ガスの上流側に形成される孔２６３は径が小さい。径が大きい孔２６１は、径が小さい孔２６３よりも熱を透過させやすいので、カソード側触媒層１２２の酸化ガスの下流側を、カソード側触媒層１２２の酸化ガスの上流側よりも高い温度で熱処理することができる。
【００３０】
図１５は、発熱装置とカソード側触媒層との間に断熱板を配置した他の実施例を示す説明図である。この実施例では、発熱装置２１０と、カソード側触媒層１２２との間に断熱板２６０を備えている。断熱板２６０には、複数の孔２６４が形成されている。孔２６４は、酸化ガスの上流側よりも下流側に多く形成されている。そのため、断熱板２６０の酸化ガスの下流側は、酸化ガスの上流側よりも熱を透過させやすい。その結果、カソード側触媒層１２２の酸化ガスの下流側を、カソード側触媒層１２２の酸化ガスの上流側よりも高い温度で熱処理することができる。
【００３１】
図２のステップＳ２３０において、アノード側触媒層１２３を形成する。この工程では、電解質と、白金を担持したカーボンと、を含むエタノール溶液Ｌ２準備する。ここで、エタノール溶液Ｌ２に含ませる電解質は、電解質膜１２１を形成した電解質膜と同種の電解質膜であることが好ましい。アノード側触媒層１２３を形成するためのエタノール溶液Ｌ２に含ませる電解質として、スルホン酸基１モル当たりの乾燥重量がＥＷ２（ＥＷ２＞ＥＷ１）、ガラス転移温度がＴｇ２（Ｔｇ２＜Ｔｇ１）の電解質を用いた。アノード側触媒層１２３のガラス転移温度Ｔｇ２をカソード側触媒層１２２のガラス転移温度Ｔｇ１よりの低く設定しているため、温度Ｔｇ２から温度Ｔｇ１の間で熱処理をすれば、カソード側触媒層１２２にガラス転移を起こさせることなく、アノード側触媒層１２３にガラス転移を起こさせることができる。
【００３２】
図１６は、電解質と白金を担持したカーボンを含むエタノール溶液を電解質膜に塗布する工程を示す説明図である。エタノール溶液Ｌ２をタンク３００に入れ、スプレー３０５を用いて、電解質膜１２１のカソード側触媒層１２２を形成した面と反対側の面に吹き付けて、塗布し、アノード側触媒層１２３を形成する。
【００３３】
図２のステップＳ２４０において、アノード側触媒層１２３に対し熱処理を行う。図１７は、熱処理を模式的に示す説明図である。本実施例では、カソード側の熱処理と同様に、平板状の発熱装置３１０をアノード側触媒層１２３の上部に配置する。このとき、水素の上流側（酸化ガスの下流側）におけるアノード側触媒層１２３と発熱装置３１０との間の距離を、水素ガスの下流側（酸化ガスの下流側）におけるアノード側触媒層１２３と発熱装置３１０との間の距離よりも大きくする。こうすると、アノード側触媒層１２３のうちの酸化ガスの下流側は、酸化ガスの上流側よりも強く加熱される。
【００３４】
図１８は、アノード側触媒層の位置と、処理温度との関係を示す説明図である。ここで、アノード側触媒層の位置とは、水素の流れ方向に関する位置であり、処理温度とは、アノード側触媒層１２３の表面温度である。この処理温度でアノード側触媒層１２３が熱処理される。本実施例では、処理温度は、アノード側触媒層１２３のどの位置においても、アノード側触媒層１２３のガラス転移温度Ｔｇ２よりも高温である。ただし、カソード側触媒層１２２に影響を与えないために、処理温度は、カソード側触媒層１２２のガラス転移温度Ｔｇ１よりも低温である。また、アノード側触媒層１２３の水素の下流側の処理温度は、アノード側触媒層１２３の水素の上流側の処理温度よりも高い。
【００３５】
アノード側触媒層１２３の熱処理においては、先ず、発熱装置３１０の温度を少しずつ上げて、アノード側触媒層１２３からエタノールを蒸発させて、乾燥させる。なお、エタノールは、アノード側触媒層１２３のガラス転移温度Ｔｇ２よりも低い温度で蒸発する。そして、処理温度がアノード側触媒層１２３のガラス転移温度Ｔｇ２よりも高温になると、アノード側触媒層１２３は、ガラス転移する。このとき、処理温度が高い部分は、処理温度が低い部分に比べて、電解質を構成する分子の自由体積がより減少し、電解質の含水率がより減少する。従って、アノード側触媒層１２３の水素の下流側の保水性は、水素の上流側の保水性よりも、相対的に低くなる。逆に言えば、アノード側触媒層１２３の水素の上流側の保水性は、水素の下流側の保水性よりも、相対的に高くなる。上述したように、アノード側触媒層１２３の水素の上流側は乾燥しやすいので、保水性を相対的に高めることにより、アノード側触媒層１２３に対し、均一な水持ち性を付与することが可能となる。なお、アノード側触媒層１２３からエタノールを蒸発させる段階においては、発熱装置３１０とアノード側触媒層１２３とをほぼ平行とし、エタノールが蒸発した後、発熱装置３１０とアノード側触媒層１２３とを非平行として傾斜温度処理を実行してもよい。
【００３６】
図１９は、別の実施例における処理温度を示す説明図である。この実施例では、カソード側触媒層１２２と、発熱装置３１０との間の間隔を、図１７、１８に示す場合よりも広げている。この実施例では、アノード側触媒層１２３の水素の下流側では、アノード側触媒層１２３のガラス転移温度Ｔｇ２よりも高温を維持できるが、アノード側触媒層１２３の水素の上流側では、アノード側触媒層１２３のガラス転移温度Ｔｇ２よりも低温となる。処理温度を図１９に示すような分布にした場合、アノード側触媒層１２３の水素の下流側では、処理温度がアノード側触媒層１２３のガラス転移温度Ｔｇ２を越えるため、電解質を構成する分子の自由体積が減少し、電解質の含水率が減少する。一方、アノード側触媒層１２３の水素の上流側では、処理温度がアノード側触媒層１２３のガラス転移温度Ｔｇ２を越えないため、ガラス転移が起こらない。そのため、電解質を構成する分子の自由体積の減少が起こり難く、電解質の含水率の減少も起こり難い。したがって、処理温度の温度を、アノード側触媒層１２３の水素の下流側では、アノード側触媒層１２３のガラス転移温度Ｔｇ２よりも高温にし、アノード側触媒層１２３の水素の上流側では、アノード側触媒層１２３のガラス転移温度Ｔｇ２よりも低温にしてもよい。なお、処理温度をアノード側触媒層１２３のガラス転移温度Ｔｇ２よりも高温にする部分は、アノード側触媒層１２３の少なくとも一部に存在すればよい。
【００３７】
以上、第１の実施例においては、カソード側触媒層１２２を、カソード側触媒層１２２の酸化ガスの下流側の少なくとも一部がカソード側触媒層１２２のガラス転移温度Ｔｇ１よりも高温となり、かつ、カソード側触媒層１２２の酸化ガスの下流側ほど高温となる温度で熱処理する。その後、アノード側触媒層１２３を形成し、アノード側触媒層１２３を、アノード側触媒層１２３の水素の下流側の少なくとも一部がカソード側触媒層１２２のガラス転移温度Ｔｇ１よりも低くアノード側触媒層１２３のガラス転移温度Ｔｇ２よりも高温となり、かつ、アノード側触媒層１２３の水素の下流側ほど高温となる温度で熱処理する。そのため、カソード側触媒層１２２の酸化ガスの上流側の保水性を、酸化ガスの下流側の保水性よりも、相対的に高くできる。上述したように、カソード側触媒層１２２の酸化ガスの上流側は乾燥しやすいので、カソード側触媒層１２２の酸化ガスの上流側の保水性を相対的に高めることにより、カソード側触媒層１２２に対し、均一な水持ち性を付与することが可能となる。また、アノード側触媒層１２３についても、カソード側触媒層１２２に影響を与えることなく、均一な水持ち性を付与することが可能となる。
【００３８】
なお、アノード側触媒層１２３における傾斜温度処理においては、カソード側触媒層１２２の傾斜温度処理と同様に、例えば、図８から図１５において説明した構成と同様の構成を採用することができる。
【００３９】
［第２の実施例］
第１の実施例では、図２のステップＳ２１０においてカソード側触媒層１２２を形成し、ステップＳ２２０においてカソード側触媒層１２２を熱処理するが、第２の実施例では、ステップＳ２２０のカソード側触媒層の熱処理を省略する。例えば、カソード側触媒層１２２の保水性を変更する必要がない場合には、アノード側触媒層のみ熱処理（ステップＳ２４０）してもよい。なお、アノード側触媒層１２３の処理温度が、エタノールの蒸発温度よりも高い温度で実行されるため、アノード側触媒層１２３の熱処理中に、カソード側触媒層１２２中のエタノールを蒸発させることが出来る。また、アノード側触媒層１２３を形成する前に、カソード側触媒層１２２中のエタノールを蒸発させることが出来る程度にカソード側触媒層１２２を加熱してもよい。
【００４０】
［第３の実施例］
図２０は、第３の実施例における処理温度を示す説明図である。第１、第２の実施例では、図２のステップＳ２４０のアノード側触媒層１２３の熱処理において、傾斜温度処理を実行しているが、第３の実施例では、傾斜温度処理を行わずに、アノード側触媒層１２３の熱処理温度をアノード側触媒層の位置によらず一定の温度（アノード側触媒層１２３のガラス転移温度Ｔｇ２以上、カソード側触媒層のガラス転移温度Ｔｇ１未満の温度）で熱処理を実行してもよい。アノード側触媒層１２３において、保水性を変更しなくても良い場合には、傾斜温度処理を行わずに、熱処理を実行してもよい。この場合、発熱装置３１０とアノード側触媒層１２３とをほぼ平行として熱処理を実行すればよい。
【００４１】
上記各実施例において、カソード側触媒層１２２のガラス転移温度をアノード側触媒層１２３のガラス転移温度よりも高くしているが、アノード側触媒層１２３のガラス転移温度をカソード側触媒層１２２のガラス転移温度よりも高くしてもよい。この場合には、ガラス転移温度の高いアノード側触媒層１２３を先に形成して熱処理を行う。なお、燃料電池において、カソード側では水が生成する反応が起こる。したがって、カソード側触媒層の保水性をアノード側触媒層の保水性よりも高めるために、カソード側触媒層のガラス転移温度をアノード側触媒層のガラス転移温度よりも高くすることが好ましい。
【００４２】
以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【符号の説明】
【００４３】
１２０…膜電極接合体
１２１…電解質膜
１２２…カソード側触媒層
１２３…アノード側触媒層
２００、３００…タンク
２０５、３０５…スプレー
２１０、２２０、２３０、２４０〜２４２、３１０…発熱装置
２２５…レール
２５０、２５１〜２５３、２６０…断熱板
２６１〜２６４…孔
Ｔｇ２以…ガラス転移温度
Ｌ１、Ｌ２…エタノール溶液
ＥＷ１、ＥＷ２…乾燥重量
Ｔｇ１、Ｔｇ２…ガラス転移温度
【図１】
2012099379.tif 000003
【図２】
2012099379.tif 000004
【図３】
2012099379.tif 000005
【図４】
2012099379.tif 000006
【図５】
2012099379.tif 000007
【図６】
2012099379.tif 000008
【図７】
2012099379.tif 000009
【図８】
2012099379.tif 000010
【図９】
2012099379.tif 000011
【図１０】
2012099379.tif 000012
【図１１】
2012099379.tif 000013
【図１２】
2012099379.tif 000014
【図１３】
2012099379.tif 000015
【図１４】
2012099379.tif 000016
【図１５】
2012099379.tif 000017
【図１６】
2012099379.tif 000018
【図１７】
2012099379.tif 000019
【図１８】
2012099379.tif 000020
【図１９】
2012099379.tif 000021
【図２０】
2012099379.tif 000022