(57)【要約】【課題】燃料電池に使用した場合に、膜電極接合体の触媒層中において、ガス流路に合わせて容易に均一な水持ち性を有することができる膜電極接合体の製造方法を提供する。【解決手段】電解質を含む電解質膜２０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３１，３２を形成する工程と、触媒層３１，３２の表面を加熱して熱処理する工程と、を含む、膜電極接合体１０の製造方法であって、前記熱処理工程は、アノード及びカソード触媒層３１，３２の表面３１Ａ，３２Ａうち一端側の表面３１ａ，３２ａから他端側の表面３１ｂ，３２ｂに向かって、触媒層表面３１Ａ，３２Ａ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３１Ａ，３２Ａを加熱する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質を含む電解質膜の表面に、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する工程と、該触媒層の表面を加熱して熱処理する工程と、を含む、膜電極接合体の製造方法であって、
前記熱処理工程は、前記触媒層表面の一端側から他端側に向かって、前記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、前記触媒層表面を加熱することを特徴とする膜電極接合体の製造方法。
【請求項２】
前記熱処理工程は、前記一端側の触媒層表面の温度が前記他端側の触媒層表面の温度よりも低くなるように、前記触媒層表面を加熱することを特徴とする請求項１に記載の膜電極接合体の製造方法。
【請求項３】
前記熱処理工程は、前記一端側の触媒層表面の温度が前記電解質のガラス転移温度よりも低い温度になり、かつ、前記他端側の触媒層表面の温度が前記電解質のガラス転移温度よりも高い温度になるように、前記触媒層表面を加熱することを特徴とする請求項１に記載の膜電極接合体の製造方法。
【請求項４】
請求項２又は３に記載の製造方法により製造された前記膜電極接合体の前記触媒層の両側に拡散層を積層する工程と、ガス流路が形成された一対のセパレータで、前記拡散層の表面に前記ガス流路のガスが流れるように前記膜電極接合体を挟持する工程と、を含む燃料電池の製造方法であって、
前記挟持工程において、前記一端側が前記ガス流路の入口側に位置し、前記他端側が前記ガス流路の出口側に位置するように、前記セパレータで前記膜電極接合体を挟持すること特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項５】
電解質を含む電解質膜の表面に、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する工程と、該触媒層の表面を加熱して熱処理する工程と、前記熱処理後の触媒層の両側に拡散層を積層する工程と、ガス流路が形成された一対のセパレータで、前記拡散層の表面に前記ガス流路のガスが流れるように前記膜電極接合体を挟持する工程を含む、燃料電池の製造方法であって、
前記熱処理工程は、前記ガス流路の入口側から出口側までの経路に沿って、前記入口側の触媒層表面の温度が出口側の触媒層表面の温度よりも低くなり、かつ、前記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、前記触媒層表面を加熱することを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項６】
前記熱処理工程は、前記入口側の触媒層表面の温度が前記電解質のガラス転移温度よりも低い温度になり、かつ、前記出口側の触媒層表面の温度が前記電解質のガラス転移温度よりも高い温度になるように、前記触媒層表面を加熱することを特徴とする請求項５に記載の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、電解質膜の両面に触媒層が形成された膜電極接合体の製造方法及びこの膜電極接合体を用いた燃料電池の製造方法に係り、特に、発電効率を向上させることができる膜電極接合体の製造方法及び燃料電池の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池は、低温における作動が可能であり、かつ、小型軽量化が可能であるため、自動車などの移動体への適用が検討されている。特に、固体高分子型燃料電池を搭載した燃料電池自動車はエコロジーカーとして社会的な関心が高まっている。
【０００３】
このような固体高分子型燃料電池は、図４に示すように、膜電極接合体（ＭＥＡ）９５を主要な構成要素とし、それを燃料（水素）ガス流路および空気ガス流路を備えたセパレータ９６，９６で挟持して、単セルと呼ばれる１つの燃料電池９０を形成している。膜電極接合体９５は、イオン交換膜である電解質膜９１の一方側にアノード側の電極（アノード触媒層）９３ａを積層し、他方の側にカソード側の電極（カソード触媒層）９３ｂを積層した構造であり、アノード触媒層９３ａとカソード触媒層９３ｂには、それぞれ拡散層９４ａ，９４ｂが配置されている。
【０００４】
このような膜電極接合体９５は、電解質膜９１の表面に電解質と触媒担持導電体（例えば白金担持カーボン）とを含む溶液を塗布して、塗布後の電解質膜の表面を均一に加熱することにより、前記溶液を乾燥させて、電解質膜の表面に電解質と触媒担持導電体とを含む触媒層を形成する。この際、燃料電池の高い発電効率を得るためには、加湿されたガス中の加湿水や、電気化学反応により生成する水を触媒層中に均一に分布させることが望ましい。このような点を鑑みて、例えば、触媒層のうちガス流路と対向する領域には撥水性を付与し、その他の領域には親水性を付与した燃料電池などが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１９７２０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、特許文献１に記載の方法で、膜電極接合体を製造した場合には、その領域に合わせ、触媒層に含有するカーボンの割合等を調整することにより、触媒層中の水の分布の均一化を図っている。しかし、ガス流路（ガスの流れ）等を考慮して触媒層中の水分布を均一にすべく、塗布する溶液の組成を調整することは困難であり、必ずしも、触媒層中において均一な水分布（水持ち性）が得られるものではなかった。
【０００７】
本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃料電池に使用した場合に、膜電極接合体の触媒層中において、ガス流路に合わせて容易に均一な水持ち性を有することができる膜電極接合体の製造方法及び燃料電池の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決すべく、鋭意検討を重ねた結果、触媒層の水持ち性を変化させる場合、触媒層を形成するタイミングで、触媒層を構成する電解質に負荷する熱量を変化させることにより、電解質分子の分子鎖の絡まりが変化し、熱量が大きい部分（温度が高い部分）は、小さい部分に比べて、電解質分子の自由体積が減少し含水率が減るとの新たな知見を得た。
【０００９】
本発明は、前記新たな知見に基づくものであり、本発明に係る膜電極接合体の製造方法は、電解質を含む電解質膜の表面に、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する工程と、該触媒層の表面を加熱して熱処理する工程と、を含む、膜電極接合体の製造方法であって、前記熱処理工程は、前記触媒層表面の一端側から他端側に向かって、前記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、前記触媒層表面を加熱することを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、前記熱処理工程において、触媒層表面の温度分布を傾斜的に変化するように加熱したので、触媒層の水持ち性（保水性能）を、容易に変化させることができる。すなわち、温度が高い部分は、温度が低い部分に比べて、相対的に、電解質分子の自由体積が減少し含水率が減ることになる。そして、温度分布を傾斜的に変化させるので、温度の低い触媒層表面から高い触媒層表面に向かって、触媒層の保水することができる保水量も傾斜的に変化させることができる。
【００１１】
また、本発明に係る膜電極接合体の製造方法は、前記熱処理工程において、前記一端側の触媒層表面の温度が前記他端側の触媒層表面の温度よりも低くなるように、前記触媒層表面を加熱することがより好ましい。
【００１２】
本発明によれば、触媒層の表面のうち、一端側の表面が加熱されたときの表面温度は、他端側の温度よりも低くなるので、他端側に位置する電解質の分子鎖の絡まりに比べて、一端側に位置する電解質の分子鎖の絡まりは緩やかなものとなり、電解質の自由体積の減少は小さくなる。この結果として、一端側に位置する電解質層の一部は、他端側のものに比べて、水持ち性が向上する。
【００１３】
このようにして得られた膜電極接合体の一端側を燃料電池のガス流路の入口側に配置し、他端側を燃料電池のガス流路の出口側に配置した場合には、発電時に触媒層表面が乾き易いガス流路入口側の触媒層の部分は、表面が乾き難い出口側の部分に比べて水持ち性が良くなる。これにより、発電時における入口側の触媒層と出口側の触媒層の水分の分布が均一なものとなり、燃料電池のセルの面内の発電効率を向上させることができる。さらに、燃料電池のセルの面内の発電効率が均一になるので、燃料電池の寿命も向上する。
【００１４】
また、本発明に係る膜電極接合体の製造方法は、前記触媒層を形成する工程が、前記一端側の触媒層表面の温度が前記電解質のガラス転移温度よりも低い温度になり、かつ、前記他端側の触媒層表面の温度が前記電解質のガラス転移温度よりも高い温度となるように、前記触媒層表面を加熱することがより好ましい。
【００１５】
後述する発明者の実験によれば、加熱された表面温度が、電解質のガラス転移温度前後では、電解質の水持ち性が顕著に変化することが解っている。このことから、この電解質のガラス転移温度を基準温度として、一端側の表面の温度を他端側の温度よりも低くすることにより、他端側の電解質の部分にくらべて、一端側の電解質層の部分の水持ち性をより一層高めることができる。
【００１６】
本発明として、このようにして得られた膜電極接合体を用いた燃料電池の製造方法をも開示する。本発明に係る燃料電池の製造方法は、膜電極接合体の前記触媒層の両側に拡散層を積層する工程と、ガス流路が形成された一対のセパレータで、前記拡散層の表面に前記ガス流路のガスが流れるように前記膜電極接合体を挟持する工程と、を含む燃料電池の製造方法であって、前記挟持工程において、前記一端側の表面が前記ガス流路の入口側に位置し、前記他端側の表面が前記ガス流路の出口側に位置するように、前記セパレータで前記膜電極接合体を挟持することがより好ましい。
【００１７】
本発明により製造された燃料電池は、前述したように、熱処理工程において、結果として、触媒層表面うちガス流路の入口側の表面から出口側の表面に向かって、前記触媒層表面の温度が傾斜的に上昇するように変化する温度分布となるように、触媒層が加熱されることになる。
【００１８】
これにより、低温加熱を行なった水持ち性の良い触媒層の部分は、ガス流路の入口側に位置し、高温加熱を行なった触媒層の部分は、ガス流路の出口側に位置することになる。この結果、燃料電池の発電時には、ガス流路の入口側は、出口側に比べて乾燥雰囲気になるが、触媒層の水持ち性の向上により、触媒層の同一面内の水分の分布を均一にすることができ、燃料電池のセル面内の発電効率が向上し、発電効率も均一となるので、セル寿命を向上させることができる。
【００１９】
また、別の態様として、本発明に係る燃料電池の製造方法は、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する工程と、該触媒層の表面を加熱して熱処理する工程と、前記熱処理後の触媒層の両側に拡散層を積層する工程と、ガス流路が形成された一対のセパレータで、前記拡散層の表面に前記ガス流路のガスが流れるように前記膜電極接合体を挟持する工程を含む、燃料電池の製造方法であって、前記熱処理工程は、前記ガス流路の入口側から出口側までの経路に沿って、前記入口側の触媒層表面の温度が出口側の触媒層表面の温度よりも低くなり、かつ、前記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、前記触媒層表面を加熱することを特徴とする。
【００２０】
このようにして得られた燃料電池は、ガス流路の入口側から出口側に沿って、傾斜的にガス流路の経路内の湿度が増加する場合であっても、入口側に位置する電解質層の一部は、出口側のものに比べて水持ち性が向上し、この経路に沿って保水できる量も傾斜的に変化するので、ガス流路を流れるガスの湿度の傾斜的な変化にかかわらず、同一面内における触媒層の水分布を均一に保つことができる。
【００２１】
また、前述したように、電解質のガラス転移温度前後では、電解質の水持ち性が顕著に変化することから、前記熱処理工程は、前記入口側の触媒層表面の温度が前記電解質のガラス転移温度よりも低い温度になり、かつ、前記出口側の触媒層表面の温度が前記電解質のガラス転移温度よりも高い温度になるように、前記触媒層表面を加熱することがより好ましい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、燃料電池に使用した場合に、膜電極接合体の触媒層中において、ガス流路に合わせて容易に均一な水持ち性を有することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下に、図面を参照して、本発明に係る膜電極接合体の製造方法及び該膜電極接合体を用いた燃料電池の製造方法の一実施形態に基づいて説明する。
【００２４】
図１は、本実施形態に係る燃料電池の製造方法を説明するための図であり、（ａ）は、電解質膜の表面に触媒層となる溶液を塗布する工程を示した図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す溶液を加熱により乾燥させて触媒層を形成し、膜電極接合体を製造する工程を示した図であり、（ｃ）は、（ｂ）に示す膜電極接合体の両面に拡散層を積層するための図であり、（ｄ）は、（ｃ）に示す膜電極接合体にセパレータを挟持する工程を説明するための図である。
【００２５】
図１に示すように、所定の大きさの高分子電解質（パーフルオロ系プロトン交換樹脂）を含む電解質膜２０を準備する。この電解質膜２０に含まれる高分子電解質は、イオン交換機能を有するものであり、例えば、フルオロアルキルエーテル側鎖とパーフルオロアルキル主鎖を有するフルオロアルキル共重合体のパーフルオロ系プロトン交換樹脂が好ましく用いられる。例えば、デュポン社製ナフィオン（商標名）、旭化成製アシプレックス（商標名）、旭硝子製フレミオン（商標名）、ジャパンゴアテックス社製ゴア−セレクト（商標名）等が例示され、部分フッ素樹脂では、トリフルオロスチレンスルホン酸の重合体やポリフッ化ビニリデンにスルホン酸基を導入したものなどがある。また、炭化水素系プロトン交換樹脂である、スチレン−ジビニルベンゼン共重合体、ポリイミド系樹脂などにスルホン酸基を導入したものなどがある。これらは燃料電池が用いられる用途や環境に応じて適宜選択されるべきものであるが、パーフルオロ系が燃料電池寿命の点から好ましい。
【００２６】
また、この電解質膜２０は、電解質のみからなってもよく、上述した電解質を多孔質の撥水性の高分子樹脂シートに含浸させたものであってもよい。このような高分子樹脂補強シートは、電解質膜２０の補強材として作用することができ、さらに固体高分子型燃料電池における水の結露と滞留が電極反応物を供給する際の妨げとなり効果的である。特にポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、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（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）などのフッ素樹脂が高い撥水性を有するため好ましく用いられる。その他、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド等の非フッ素系フィルムも用いることができる。
【００２７】
次に、電解質（前駆体ポリマ）と白金担持カーボン（触媒担持導電体）を含むエタノールなどの揮発性を有した溶液Ｌを準備する。電解質の種類は、上述した電解質膜を構成する高分子電解質が挙げられ、電解質膜２０と同種の電解質を選定することが好ましい。これにより、後述するアノード側及びカソード側の触媒層３１，３２と電解質膜２０との密着性等を確保することができる。
【００２８】
また、触媒担持導電体として白金担持カーボンを例に挙げたが、触媒は、触媒反応が生じるものであるならば、特に限定されるものではなく、触媒反応における活性化過電圧が小さいことから、金、パラジウム、ルテニウム、イリジウムなどの貴金属触媒が好ましく用いられる。また、これらの貴金属触媒の合金、混合物など、２種以上の元素が含まれていても構わない。さらに、導電体は、電気的に導電可能な物質であれば特に限定されるものではなく、たとえば、オイルファーネスブラック、チャンネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラックが、電子伝導性と比表面積の大きさから好ましい。
【００２９】
そして、図１（ａ）に示すように、準備した溶液Ｌを、スプレー６０等を用いて、電解質膜２０の両面に吹き付け、電解質膜２０の表面に、アノード触媒層(アノード側の触媒層）３１と、カソード触媒層（カソード側の触媒層）３２と形成する。
【００３０】
次に、図１（ｂ）に示すように、アノード触媒層３１とカソード触媒層３２の表面３１Ａ，３２Ａを、表面３１Ａ，３２Ａの一端側から他端側に向かって、その表面３１Ａ，３２Ａの温度が傾斜的に変化する温度分布となるように、前記触媒層表面を加熱して、アノード及びカソードの触媒層３１，３２の熱処理を行なう。この熱処理において、アノード及びカソードの触媒層３１，３２に含まれる溶液Ｌの成分を揮発させてを乾燥させると共に、アノード及びカソードの触媒層３１，３２を構成する電解質の分子鎖の絡まり状態を変化させる。
【００３１】
具体的には、アノード触媒層３１の表面３１Ａのうち一端側の表面３１ａから他端側の表面３１ｂに向かって、アノード触媒層３１の表面３１Ａの加熱される温度が傾斜的に（上昇するように）変化した温度分布となるように、表面３１Ａを加熱する。なお、ここでいう加熱温度とは、ヒータなどの熱源により加熱されたときの触媒層の表面温度のことをいう。
【００３２】
また、この温度分布としては、後述する燃料ガス入口側に相当する一端側の表面３１ａの温度に対して、後述する燃料ガス出口側に相当する他端側の表面３１ｂの温度を低くする。すなわち、加熱されるアノード触媒層３１の表面３１Ａの温度は、一端側の表面３１ａが高温になり、他端側の表面３１ｂが低温になる。
【００３３】
このような、加熱方法としては、例えば、図1の（ｂ）に示すようなヒータ７０を準備し、熱をかけるヒータの温度分布を意図的に作ってもよく、複数のヒータを準備して、これらのヒータの温度を設定することにより、温度分布を意図的に作ってもよい。
【００３４】
この熱処理工程において、アノード触媒層３１の一端側の表面３１ａの温度は、他端側の表面３１ｂの温度よりも低くなるので、他端側に位置する電解質の分子鎖の絡まりに比べて、一端側に位置する電解質の分子鎖の絡まりは緩やかなものとなり、電解質の自由体積の減少は小さい。この結果として、一端側に位置する電解質層の一部は、他端側のものに比べて、水持ち性が向上する。さらに、触媒層の温度分布を傾斜的に変化させるので、表面温度の低い触媒層表面から高い触媒層表面に向かって、触媒層の保水することができる量も傾斜的に変化させることができる。
【００３５】
特に好ましい加熱条件を例示すると、一端側の表面３１ａの温度が電解質のガラス転移温度よりも低い温度となり、かつ、他端側の表面３１ｂの温度が電解質のガラス転移温度よりも高い温度となるように、アノード触媒層３１の表面３１Ａを加熱する。電解質のガラス転移温度前後では、特に電解質の分子鎖の絡まり状態が変化しやすく、水持ち性が顕著に変化することが解っている。
【００３６】
例えば、電解質であるパーフルオロ系プロトン交換樹脂としてナフィオンを用いた場合には、ガラス転移温度が１２０〜１３０℃付近であるため、好ましくは、一端側の表面３１ａの温度を６０℃以上１２０℃未満、他端側の表面３１ｂの温度を１２０℃越え（より好ましくは１３０℃以上）１７０℃以下にする。このように、電解質のガラス転移温度を基準温度として、一端側の表面３１ａの温度を他端側の表面３１ｂの温度よりも低くすることにより、アノード触媒層の他端側の電解質の部分に比べて、アノード触媒層３１の一端側の電解質の部分の水持ち性をより一層高めることができる。
【００３７】
カソード触媒層３２の熱処理も同様にして、ガラス転移温度を基準として、カソード触媒層３２の表面３２Ａのうち一端側の表面３２ａから他端側の表面３２ｂに向かって、カソード触媒層３２の表面３２Ａの温度が傾斜的な温度分布となるように、表面３２Ａを加熱する。このようにして、電解質膜２０の表面にアノード触媒層３１とカソード触媒層３２とを備えた膜電極接合体１０が製造される。なお、本実施形態では、アノード側及びカソード側に触媒層を形成してから、熱処理を行なったが、これらの一連工程は、アノード側及びカソード側ごとに行なってもよい。
【００３８】
次に、図１（ｃ）に示すように、膜電極接合体１０の両側に拡散層（ガス拡散層）４１、４２を積層する。具体的には、アノード及びカソードの触媒層３１，３２の表面に、カーボンペーパーやカーボンクロス等のシート状に成形された繊維状の多孔質基材を含むガス拡散層形成材を積層し、拡散層４１、４２を形成する。例えば、拡散層形成材の製造にあたっては、まず、カーボンなどからなる導電性粒子と、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などからなる疎水性粒子を含む粒子と、界面活性剤が溶解した揮発性溶液とを、混合したペースト材を製造する。次に、このペースト材を前記基材の表面に塗布し拡散層形成材とし、該拡散層形成材の焼成を行い製造することができる。
【００３９】
そして、図１（ｄ）に示すように、空気ガス及び水素ガスが形成されたガス流路５２Ａ，５２Ｂが形成された一対のセパレータ５１，５２で、拡散層４１，４２の表面にガス流路５２Ａ，５２Ｂのガスが流れるように膜電極接合体１０を挟持する。この際、アノード及びカソード触媒層３１，３２の一端側の表面３１ａ，３２ａがガス流路５１Ａ，５１Ｂの入口側に位置し、アノード及びカソード触媒層３１，３２の他端側の表面３１ｂ，３２ｂがガス流路５１Ａ，５１Ｂの出口側に位置するように、セパレータ５１，５２で膜電極接合体を挟持し、燃料電池（単セル）１を製造する。
【００４０】
このようにして製造された燃料電池１は、熱処理工程において、低温加熱を行なった水持ち性の良いアノード及びカソード触媒層３１，３２の部分は、ガス流路５１Ａ，５１Ｂの入口側に位置する。すなわち、ガス流路５１Ａ，５１Ｂの入口側には、分子鎖の絡まりが緩やかで、自由体積の減少が小さく、含水率の大きい電解質が配置される。一方、入口側に比べて、ガス流路５１Ａ，５１Ｂの出口側には、分子鎖の絡まりが促進されて、自由体積の減少が大きい、含水率の小さい電解質が配置される。
【００４１】
この結果として、燃料電池１の発電時には、ガス流路の入口側は、出口側に比べて乾燥雰囲気になるが、触媒層の水持ち性の向上する（保水性が高まる）ことにより、触媒層の同一面内の水分の分布を均一にすることができる。これにより、燃料電池のセル面内の発電効率が向上し、発電効率も均一となるので、セル寿命を向上させることができる。
【００４２】
＜確認試験＞
電解質（ＮａｆｉｏｎＤＥ２０２０（Ｄｕｐｏｎｔ社製）：ガラス転移温度１２０℃〜１３０℃）からなる電解質膜の両面に白金担持カーボンと、電解質膜の電解質と同じ電解質とを含む溶液を塗布し、アノード側及びカソード側に触媒層を形成した。そして、これら触媒層の表面を電解質膜のガラス転移温度よりも低い温度である１００℃で加熱（低温処理）し、膜電極接合体を製作した。その後、膜電極接合体の触媒層の表面にカーボン粒子とＰＴＦＥからなるガス拡散層を積層し、この積層体を1対のセパレータで挟持し、燃料電池のセルを製作した。なお、ここで、使用されるガス拡散層の材料の割合、セパレータの材質及び形状等は、一般に知られているものを用いている。
【００４３】
上記と同様の方法で、燃料電池を製作した。異なる点は、触媒層の表面を電解質膜のガラス転移温度よりも高い温度である１４０℃で加熱（高温処理）した点である。
【００４４】
そして、２つの燃料電池の両極に対して、１００％ＲＨに加湿した水素ガスを供給し、アノード電極に１００％ＲＨに加湿した酸素ガスを供給し、セル温度を８０℃に保持して、カソード触媒層側からのガス加湿温度に対するアノード側の透過する水蒸気の量（ＡＮ水蒸気透過量）を測定した。この結果を図２に示す。
【００４５】
＜確認結果及び考察＞
低温処理を行った触媒層の蒸気透過量（◇）は、高温処理を行った触媒層の蒸気透過量（◆）よりも小さく、低温処理を行った触媒層は、高温処理を行ったものに比べて保水性が高いといえる。これは、低温処理を行った触媒層は、高温処理を行った触媒層比べて電解質の分子鎖の絡まりは緩やかなものとなり、電解質の自由体積の減少は小さく、保水率が高くなったことによると考えられる。特に、電解質のガラス転移温度前後では、電解質の分子鎖の絡まりは顕著に変化するので、このような変化が顕著に現れた結果が、触媒層の保水性に影響したものと考えられる。
【００４６】
（実施例）
参考例に示した方法と同様の方法で燃料電池を製作した。参考例と異なる点は、ガス流路の入口側に相当する触媒層の加熱温度を１００℃とし、出口側に相当する触媒層の加熱温度を１４０℃として、入口側から出口側に向かって傾斜的な温度分布となるように、触媒層を加熱して熱処理を行なった点である。
【００４７】
［評価方法］
燃料電池のカソード電極に１００％ＲＨに加湿した水素ガスを供給し、アノード電極に１００％ＲＨに加湿した酸素ガスを供給し、セル温度を８０℃に保持して発電した。また、燃料電池の出力電流を変化させるために、燃料電池に接続する外部負荷を変更しながら発電を行ない、燃料電池の発電する電流密度に対する燃料電池の電圧（セル電圧）（■）の変化を測定すると共に、燃料電池の抵抗（セル抵抗）（●）を測定した。この結果を図４に示す。
【００４８】
（比較例）
実施例と同じように、燃料電池を製作した。実施例と相違する点は、触媒層の加熱温度を１００℃とて、触媒層を加熱して熱処理を行なった点である。そして、実施例と同じように、燃料電池の電圧（セル電圧）（□）と、燃料電池の抵抗（セル抵抗）（○）とを測定した。この結果を図３に示す。
【００４９】
［結果及び考察］
実施例の電圧（■）は、比較例のもの（□）に比べて、電流密度の増加に応じて高くなった。このことから、実施例の燃料電池は、比較例のものに比べて、活性化過電圧の低減が図れていることを確認することができた。
【００５０】
さらに、実施例の燃料電池セルの抵抗（●）は、比較例のもの（○）よりも低かった。このことから、実施例の燃料電池は、比較例のものに比べて、抵抗過電圧の低減を図れていること確認することができた。
【００５１】
これは、実施例の場合には、熱処理工程において、ガス流路の入口側に相当する電解質膜の表面の温度が、出口側の表面のものよりも低くなるので、出口側に位置する電解質の分子鎖の絡まりに比べて、入口側に位置する電解質の分子鎖の絡まりは緩やかなものとなり、電解質の自由体積の減少は小さい。この結果として、入口側に位置する電解質層の一部は、出口側のものに比べて、水持ち性が向上したと考えられる。これにより、発電時における触媒層の同一面内の水分の分布が、比較例のものに比べて均一になり、燃料電池のセル面内の発電効率が向上したと考えられる。さらに、発電効率も均一となるので、セル寿命を向上させることができると考えられる。
【００５２】
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【００５３】
本実施形態では、触媒層の一端側から他端側に向かって、傾斜的に変化する温度分布となるように、触媒層を加熱したが、燃料電池を構成するセパレータのガス流路の経路が複雑は場合には、熱処理工程において、ガス流路の入口側から出口側までの経路に沿って、加熱温度を傾斜的な温度分布となるように、触媒層を加熱してもよい。
【００５４】
この場合、ガス流路の入口側から出口側に沿って、傾斜的にガス流路の経路内の湿度が傾斜的に増加する場合であっても、この変化にあわせて、このガス経路に沿った触媒層の保水できる量も傾斜的に変化するので、同一面内における触媒層の水分布を均一に保つことができる。また、このような場合、ガス経路に合わせた形状の電熱線等を熱源を用いることにより、経路に沿った加熱を行なうことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】図１は、本実施形態に係る燃料電池の製造方法を説明するための図であり、（ａ）は、電解質膜の表面に触媒層となる溶液を塗布する工程を示した図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す溶液を加熱により乾燥させて触媒層を形成し、膜電極接合体を製造する工程を示した図であり、（ｃ）は、（ｂ）に示す膜電極接合体の両面に拡散層を積層するための図であり、（ｄ）は、（ｅ）に示す膜電極接合体にセパレータを挟持する工程を説明するための図。
【図２】参考例に係るカソード側の触媒層の保水性の測定結果を示した図。
【図３】実施例及び比較例に係る電流密度の変化に伴うセル電圧の変化及びセル抵抗の変化を示した図。
【図４】従来の固体高分子電解質型燃料電池（単セル）の一例を説明する模式図。
【符号の説明】
【００５６】
２０：電解質膜、３１：アノード触媒層，３１Ａ：アノード触媒層の表面（触媒層表面）、３１ａ：アノード触媒層の一端側（ガス入口側）の表面、３１ｂ：アノード触媒層の他端側（ガス出口側）の表面、３２：カソード触媒層，３２Ａ：カソード触媒層の表面（触媒層表面）、３２ａ：カソード媒層の一端側（ガス入口側）の表面、３２ｂ：カソード触媒層の他端側（ガス入口側）の表面、４１，４２：拡散層、５１，５２：セパレータ、５１Ａ，５１Ｂ：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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