特開 2023-55831 膜電極接合体、その製造方法、及びそれを含む燃料電池

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023055831

(43)【公開日】2023-04-18

(54)【発明の名称】膜電極接合体、その製造方法、及びそれを含む燃料電池

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/1004 20160101AFI20230411BHJP

   H01M 8/0286 20160101ALI20230411BHJP

   H01M 8/0273 20160101ALI20230411BHJP

   H01M 4/88 20060101ALI20230411BHJP

   H01M 8/0284 20160101ALI20230411BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20230411BHJP

【ＦＩ】

H01M8/1004

H01M8/0286

H01M8/0273

H01M4/88 K

H01M8/0284

H01M8/10 101

【審査請求】有

【請求項の数】16

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023013332

(22)【出願日】2023-01-31

(62)【分割の表示】P 2021570248の分割

【原出願日】2020-06-18

(31)【優先権主張番号】10-2019-0082107

(32)【優先日】2019-07-08

(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR

(31)【優先権主張番号】10-2019-0148939

(32)【優先日】2019-11-19

(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR

【公序良俗違反の表示】

（特許庁注：以下のものは登録商標）

１．ピナクルダイ

(71)【出願人】

【識別番号】518215493

【氏名又は名称】コーロン インダストリーズ インク

(74)【代理人】

【識別番号】100083138

【弁理士】

【氏名又は名称】相田 伸二

(74)【代理人】

【識別番号】100189625

【弁理士】

【氏名又は名称】鄭 元基

(74)【代理人】

【識別番号】100196139

【弁理士】

【氏名又は名称】相田 京子

(72)【発明者】

【氏名】キム チョンホ

(57)【要約】      （修正有）

【課題】後続工程の作業性を低下させる段差部を全然又はほとんど有しないサブガスケットを含む膜電極接合体、その製造方法、及びそれを含む燃料電池を提供する。
【解決手段】本発明の膜電極接合体製造方法は、電解質膜１１０の第１面１１１に第１電極１２１を形成する段階、第１液状材料を用いたコーティングによって前記電解質膜の第１面上に第１サブガスケット１３１を形成する段階、前記電解質膜の第２面１１２に第２電極１２２を形成する段階、及び前記電解質膜の第２面上に第２サブガスケット１３２を形成する段階を含む。
【選択図】図４ａ

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電解質膜の第１面に第１電極を形成する段階と、
第１液状材料を用いたコーティングによって、前記電解質膜の第１面上に第１サブガスケットを形成する段階と、
前記電解質膜の第２面に第２電極を形成する段階と、
第２液状材料を用いたコーティングによって、前記電解質膜の第２面上に第２サブガスケットを形成する段階と、
を含む、膜電極接合体の製造方法。

【請求項2】

前記第１サブガスケットを形成する段階に先立ち、前記第１電極上に第１保護層を配置する段階と、
前記第２サブガスケットを形成する段階に先立ち、前記第２電極上に第２保護層を配置する段階との少なくとも一つをさらに含む、請求項１に記載の膜電極接合体の製造方法。

【請求項3】

前記第１保護層及び前記第２保護層の少なくとも一つを除去する段階を含む、請求項２に記載の膜電極接合体の製造方法。

【請求項4】

前記第１電極はコーティング又は転写によって形成する、請求項１に記載の膜電極接合体の製造方法。

【請求項5】

前記第１電極を形成する段階で、前記電解質膜は支持基板によって支持される、請求項１に記載の膜電極接合体の製造方法。

【請求項6】

前記第１サブガスケットを形成するためのコーティング及び前記第２サブガスケットを形成するためのコーティングはそれぞれ液状の素材を用いるスプレーコーティング、コンマコーティング、及びスロットダイコーティングのいずれか一方法で遂行する、請求項１に記載の膜電極接合体の製造方法。

【請求項7】

前記第１サブガスケットを形成する段階及び前記第２サブガスケットを形成する段階で、３Ｄプリンター及び部分コーティング設備の少なくとも一つを使う、請求項１に記載の膜電極接合体の製造方法。

【請求項8】

前記第１液状材料及び前記第２液状材料はそれぞれ架橋性又は硬化性を有する弾性材料である、請求項１に記載の膜電極接合体の製造方法。

【請求項9】

前記第１液状材料及び前記第２液状材料は互いに同一である、請求項１に記載の膜電極接合体の製造方法。

【請求項10】

前記第１液状材料及び前記第２液状材料は互いに異なる、請求項１に記載の膜電極接合体の製造方法。

【請求項11】

前記第１サブガスケット及び第２サブガスケットは、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリアミド、テトラフルオロエチレン／ヘキサフルオロプロペン（ＦＥＰ）、フッ素ゴム、シリコンゴム、炭化水素系弾性体及びポリウレタン（Ｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅ）の少なくとも１種を含む、請求項１に記載の膜電極接合体の製造方法。

【請求項12】

前記第１サブガスケットを形成する段階及び前記第２サブガスケットを形成する段階の少なくとも１段階で、前記コーティングの後、前記第１サブガスケット又は前記第２サブガスケットを１０秒～６００秒間放置する、請求項１に記載の膜電極接合体の製造方法。

【請求項13】

前記第１サブガスケットを形成する段階及び前記第２サブガスケットを形成する段階の少なくとも１段階で、前記コーティングの後、前記第１サブガスケット又は前記第２サブガスケットを４０～１５０℃の温度に加熱する、請求項１に記載の膜電極接合体の製造方法。

【請求項14】

前記第１サブガスケットを形成する段階及び前記第２サブガスケットを形成する段階の少なくとも１段階で、前記コーティングの後、前記第１サブガスケット又は前記第２サブガスケットを熱風で３秒～３００秒間熱処理する、請求項１に記載の膜電極接合体の製造方法。

【請求項15】

前記第１保護層及び前記第２保護層はそれぞれポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリイミド（ＰＩ）、テトラフルオロエチレン（Ｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ゴム及びシリコンの少なくとも１種を含む、請求項２に記載の膜電極接合体の製造方法。

【請求項16】

前記第１サブガスケットを形成する段階に先立ち、前記電解質膜の少なくとも一部を切断する段階をさらに含む、請求項１に記載の膜電極接合体の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は膜電極接合体、その製造方法、及びそれを含む燃料電池に関する。

【背景技術】

【0002】

高分子電解質膜燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＰＥＭＦＣ）は膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ－Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）とセパレーター（ｓｅｐａｒａｔｏｒ）とを含む単位セル（ｕｎｉｔ ｃｅｌｌ）が積層された構造を用いて電気を発生させる装置であり、高いエネルギー効率性及び環境に優しい特徴を有するので、化石エネルギーを代替することができる次世代エネルギー源として注目されている。

【0003】

膜電極接合体は、一般的に酸化極（ａｎｏｄｅ）（‘燃料極’ともいう）、還元極（ｃａｔｈｏｄｅ）（‘空気極’ともいう）、及びこれらの間の電解質膜（ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ）を含む。電解質膜としては、一般的に、高分子電解質膜（ｐｏｌｙｍｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ）が使われる。

【0004】

図１は燃料電池の駆動についての概略図である。

【0005】

水素ガスのような燃料が酸化極２１に供給されれば、酸化極２１では水素の酸化反応によって水素イオン（Ｈ^＋）と電子（ｅ^－）が生成される。生成された水素イオンは電解質膜１０を通して還元極２２に伝達され、生成された電子は外部回路を介して還元極に伝達される。酸素を含む空気が供給される還元極２２では、酸素の還元反応が起こる。還元極２２で酸素が水素イオン及び電子と結合して水が生成され、熱が発生する。

【0006】

ここで、酸化極２１に流入する水素と還元極２２に流入する空気（酸素）が相対極に透過する現象が発生すれば電池の性能が低下するから、水素と空気（酸素）が電解質膜１０を透過して混合されることを防止しなければならない。水素と空気（酸素）が電解質膜１０を透過して混合されることを抑制する能力は電解質膜１０の性能に直結される。よって、従来には、電極部分を除き、膜電極接合体の周縁部に対応する電解質膜１０の周縁にガスケットを重ねて当てることにより、水素と空気（酸素）が電解質膜１０を透過して相対電極に移ることを抑制した。

【0007】

電解質膜１０にガスケットを配置する方法の中で一般的に多く活用される方法は、加熱、加圧によってフィルム状のサブガスケットを電解質膜１０にラミネートする方法である。しかし、この方法の場合、（ｉ）サブガスケットラミネートのための加熱及び加圧の過程で電極２１、２２が損傷される問題点があり、（ｉｉ）フィルムの厚さによってサブガスケットの最終厚さが決定されるから、サブガスケットの厚さ調節のためには多様なフィルム厚さのサブガスケットを別に準備しなければならない面倒さがあり、（ｉｉｉ）フィルム状のサブガスケットの一部が電極の周囲に付着されるときに前記電極の厚さに相応する段差部が前記サブガスケットに形成される。このようなサブガスケットの段差部は後続工程［例えば、ガス拡散層（ＧＤＬ）形成／組立工程］の作業性を低下させ、（ｉｖ）前記段差部によって前記サブガスケットフィルムと前記電極の側面との間にエアギャップが発生し、サブガスケットフィルムのガス漏出防止機能を著しく低下させる。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本発明の一実施例は前記の問題点を解決することができる膜電極接合体、その製造方法、及びそれを含む燃料電池を提供しようとする。

【0009】

本発明の一観点は、後続工程の作業性を低下させる段差部を全然又はほとんど有しないサブガスケットを含む膜電極接合体を提供することである。

【0010】

本発明の他の観点は、電極損傷を引き起こさないながらも高生産性で優れた性能の膜電極接合体を製造する方法を提供することである。本発明のさらに他の観点は、後続工程の作業性を低下させる段差部を全然又はほとんど有しないサブガスケットを含む膜電極接合体を用いて製造された燃料電池を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0011】

このような本発明の一観点によって、第１面及びその反対側の第２面を有する電解質膜であって、活性領域及び前記活性領域を取り囲む非活性領域を含む電解質膜と、前記電解質膜の前記第１面上に配置されて前記活性領域を覆う第１電極と、前記電解質膜の前記第１面上に配置され、前記第１電極の中央部を露出させる第１ウィンドウを有する第１サブガスケットと、前記電解質膜の前記第２面上に配置されて前記活性領域を覆う第２電極と、前記電解質膜の前記第２面上に配置され、前記第２電極の中央部を露出させる第２ウィンドウを有する第２サブガスケットと、を含み、前記第１サブガスケットは、前記第１電極の周縁部と重畳する第１重畳領域及び前記非活性領域を覆う第１非重畳領域を含み、前記第１重畳領域と前記第１非重畳領域との間に段差部が存在しないか、又は前記第１重畳領域と前記第１非重畳領域とによって形成される第１段差部の高さが前記第１電極の厚さの０．５倍以下であり、前記第２サブガスケットは、前記第２電極の周縁部と重畳する第２重畳領域及び前記非活性領域を覆う第２非重畳領域を含み、前記第２重畳領域と前記第２非重畳領域との間に段差部が存在しないか、又は前記第２重畳領域と前記第２非重畳領域とによって形成される第２段差部の高さが前記第２電極の厚さの０．５倍以下である膜電極接合体が提供される。

【0012】

前記第１サブガスケットと前記第１電極との間にエアギャップが存在しないか又は前記第１サブガスケットと前記第１電極との間に第１エアギャップが存在すると言っても前記第１エアギャップの体積が下記の式１を満たすことができ、前記第２サブガスケットと前記第２電極との間にエアギャップが存在しないか又は前記第２サブガスケットと前記第２電極との間に第２エアギャップが存在すると言っても前記第２エアギャップの体積が下記の式２を満たすことができる。

【0013】

式１：Ｖ_１≦０．５×Ｔ_１ ^２×（Ｗ_１＋Ｌ_１）

【0014】

式２：Ｖ_２≦０．５×Ｔ_２ ^２×（Ｗ_２＋Ｌ_２）

【0015】

ここで、Ｖ_１及びＶ_２はそれぞれ前記第１及び第２エアギャップの体積、Ｔ_１及びＴ_２はそれぞれ前記第１及び第２電極の厚さ、Ｗ_１及びＷ_２はそれぞれ前記第１及び第２電極の幅、Ｌ_１及びＬ_２はそれぞれ前記第１及び第２電極の長さである。

【0016】

本発明の他の観点によって、電解質膜の第１面に第１電極を形成する段階と、第１液状材料を用いたコーティングによって、前記電解質膜の第１面上に第１サブガスケットを形成する段階と、前記電解質膜の第２面に第２電極を形成する段階と、第２液状材料を用いたコーティングによって、前記電解質膜の第２面上に第２サブガスケットを形成する段階と、を含む膜電極接合体の製造方法が提供される。

【0017】

前記膜電極接合体の製造方法は、前記第１サブガスケットを形成する段階に先立ち、前記第１電極上に第１保護層を配置する段階と、前記第２サブガスケットを形成する段階に先立ち、前記第２電極上に第２保護層を配置する段階との少なくとも一つをさらに含むことができる。

【0018】

前記膜電極接合体の製造方法は、前記第１保護層及び前記第２保護層の少なくとも一つを除去する段階を含むことができる。

【0019】

前記第１電極はコーティング又は転写によって形成することができる。

【0020】

前記第１電極を形成する段階で、前記電解質膜を支持基板によって支持することができる。

【0021】

前記第１サブガスケットを形成するためのコーティング及び前記第２サブガスケットを形成するためのコーティングはそれぞれ液状の素材を用いるスプレーコーティング、コンマコーティング、及びスロットダイコーティングのいずれか一方法で遂行することができる。

【0022】

前記第１サブガスケットを形成する段階及び前記第２サブガスケットを形成する段階で、３Ｄプリンター及び部分コーティング設備の少なくとも一つを使うことができる。

【0023】

前記第１液状材料及び前記第２液状材料はそれぞれ架橋性又は硬化性を有する弾性材料であってもよい。

【0024】

前記第１液状材料及び前記第２液状材料は互いに同一であってもよい。また、前記第１液状材料及び前記第２液状材料は互いに異なってもよい。

【0025】

前記第１サブガスケット及び第２サブガスケットは、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリアミド、テトラフルオロエチレン／ヘキサフルオロプロペン（ＦＥＰ）、フッ素ゴム、シリコンゴム、炭化水素系弾性体（ＥＰＤＭ、ＥＰＲなど）及びポリウレタン（Ｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅ）の少なくとも１種を含むことができる。

【0026】

前記第１サブガスケットを形成する段階及び前記第２サブガスケットを形成する段階の少なくとも１段階で、前記コーティングの後、前記第１サブガスケット又は前記第２サブガスケットを１０秒～６００秒間放置することができる。

【0027】

前記第１サブガスケットを形成する段階及び前記第２サブガスケットを形成する段階の少なくとも１段階で、前記コーティングの後、前記第１サブガスケット又は前記第２サブガスケットを４０～１５０℃の温度に加熱することができる。

【0028】

前記第１サブガスケットを形成する段階及び前記第２サブガスケットを形成する段階の少なくとも１段階で、前記コーティングの後、前記第１サブガスケット又は前記第２サブガスケットを熱風で３秒～３００秒間熱処理することができる。

【0029】

前記第１保護層及び前記第２保護層はそれぞれポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリイミド（ＰＩ）、テトラフルオロエチレン（Ｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ゴム及びシリコンの少なくとも１種を含むことができる。

【0030】

前記第１サブガスケットを形成する段階に先立ち、前記電解質膜の少なくとも一部を切断する段階をさらに含む、請求項３に記載の膜電極接合体の製造方法。

【0031】

本発明のさらに他の観点によって、前記膜電極接合体と、前記膜電極接合体上の気体拡散層と、前記気体拡散層上のセパレーター（ｓｅｐａｒａｔｏｒ）と、を含む燃料電池が提供される。

【発明の効果】

【0032】

本発明の一実施例によれば、コーティングによってサブガスケットが形成されるので、コーティング厚さを調節することによってサブガスケットの厚さを容易に調節することができ、直接コーティング工程を適用することによって大量生産及び自動化の具現が可能である。また、フィルムラミネートのための加熱及び加圧の工程なしに直接コーティング方式でサブガスケットを形成するので、電極損傷を引き起こさないだけでなく、サブガスケットが段差部を全然又はほとんど有しなくなるので、気体拡散層形成／組立工程のような後続工程の作業性を向上させることができる。また、電極の側面とサブガスケットとの間にエアギャップが発生することを防止するか又は最小化することができるので、ガス漏出防止というサブガスケットの本来の機能を確かに保障することができる。

【0033】

本発明の一実施例による直接コーティングに使われる液状材料は常温架橋性又は熱架橋性を有し、液状材料で形成されたサブガスケットは優れたガス遮断性及び弾性を有することができる。

【0034】

本発明の一実施例によれば、サブガスケットと膜電極接合体が一体型に製造されるから、燃料電池の駆動の際に水素又は空気（酸素）のようなガスの漏出が少なく、製作工程が簡単であって燃料電池の大量生産が容易になる。

【0035】

また、本発明の一実施例によれば、サブガスケットの素材として弾性体を使うことができる。その結果、燃料電池スタックの組立の際、構成個体間の厚さ偏差を弾性体が吸収し、安定的なスタック構造体を製造することができる。また、サブガスケットの厚さ調節が容易であるので、膜電極接合体と気体拡散層との間の界面接合力が最適化及び増加し、それによって、燃料電池の性能及び耐久性を向上させることができる。また、厚さ別にサブガスケット素材を準備する必要がないので、生産コストを節減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0036】

添付図面は本発明の理解を助け、この明細書の一部を構成するためのものであり、本発明の実施例を例示し、発明の詳細な説明とともに本発明の原理を説明する。

【図1】燃料電池の駆動についての概略図である。

【図2】燃料電池の分解斜視図である。

【図3】本発明の一実施例による膜電極接合体の分解斜視図である。

【図4a】本発明の一実施例による膜電極接合体の断面図である。

【図4b】本発明の他の実施例による膜電極接合体の断面図である。

【図5a】本発明の一実施例による膜電極接合体の製造工程図である。

【図5b】本発明の一実施例による膜電極接合体の製造工程図である

【図5c】本発明の一実施例による膜電極接合体の製造工程図である

【図5d】本発明の一実施例による膜電極接合体の製造工程図である

【図5e】本発明の一実施例による膜電極接合体の製造工程図である

【図5f】本発明の一実施例による膜電極接合体の製造工程図である

【図5g】本発明の一実施例による膜電極接合体の製造工程図である

【図5h】本発明の一実施例による膜電極接合体の製造工程図である

【図6】本発明の他の実施例による膜電極接合体の断面図である。

【図7a】本発明の他の実施例による膜電極接合体の製造工程図である。

【図7b】本発明の他の実施例による膜電極接合体の製造工程図である。

【図7c】本発明の他の実施例による膜電極接合体の製造工程図である。

【図7d】本発明の他の実施例による膜電極接合体の製造工程図である。

【図7e】本発明の他の実施例による膜電極接合体の製造工程図である。

【図7f】本発明の他の実施例による膜電極接合体の製造工程図である。

【図7g】本発明の他の実施例による膜電極接合体の製造工程図である。

【図7h】本発明の他の実施例による膜電極接合体の製造工程図である。

【図8】ロール状に巻き取られた膜電極接合体の斜視図である。

【図9a】本発明のさらに他の実施例による膜電極接合体の製造工程図である。

【図9b】本発明のさらに他の実施例による膜電極接合体の製造工程図である。

【図9c】本発明のさらに他の実施例による膜電極接合体の製造工程図である。

【図9d】本発明のさらに他の実施例による膜電極接合体の製造工程図である。

【図9e】本発明のさらに他の実施例による膜電極接合体の製造工程図である。

【図9f】本発明のさらに他の実施例による膜電極接合体の製造工程図である。

【図10a】比較例１による膜電極接合体の製造工程図である。

【図10b】比較例１による膜電極接合体の製造工程図である。

【図10c】比較例１による膜電極接合体の製造工程図である。

【図10d】比較例１による膜電極接合体の製造工程図である。

【図10e】比較例１による膜電極接合体の製造工程図である。

【図10f】比較例１による膜電極接合体の製造工程図である。

【図10g】比較例１による膜電極接合体の製造工程図である。

【図10h】比較例１による膜電極接合体の製造工程図である。

【図11】比較例２による膜電極接合体の断面図である。

【図12a】膜電極接合体の写真である。

【図12b】膜電極接合体の写真である。

【図12c】膜電極接合体の写真である。

【図13】本発明のさらに他の実施例による燃料電池の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0037】

以下では添付図面に基づいて本発明の実施例を詳細に説明する。ただ、以下で説明する実施例は本発明の明確な理解を助けるための例示的目的で提示するものであるだけで、本発明の範囲を限定しない。

【0038】

本発明の実施例を説明するための図面に開示した形状、大きさ、比率、角度、個数などは例示的なものなので、本発明が図示の事項に限定されるものではない。明細書全般にわたって同じ参照符号は同じ構成要素を示す。また、本発明の説明において、関連した公知の技術についての具体的な説明が本明細書の要旨を不必要にあいまいにする可能性があると判断される場合、その詳細な説明は省略する。

【0039】

本明細書で言及する‘含む’、‘有する’、‘なる’などを使う場合、‘～のみ’を使わない限り、他の部分が付け加わることができる。構成要素を単数で表現した場合、特に明示的な記載事項がない限り、複数を含む。また、構成要素の解釈において、別途の明示的な記載がないと言っても誤差範囲を含むものと解釈する。

【0040】

位置関係についての説明の場合、例えば‘～上に’、‘～の上部に’、‘～の下部に’、‘～のそばに’などのように二つ部分の位置関係を説明する場合、‘直ぐ’又は‘直接’を使わない限り、二つ部分の間に一つ以上の他の部分が位置することもできる。

【0041】

空間的に相対的な用語である“下（ｂｅｌｏｗ、ｂｅｎｅａｔｈ）”、“下側（ｌｏｗｅｒ）”、“上（ａｂｏｖｅ）”、“上側（ｕｐｐｅｒ）”などは、図面に示したように、一つの素子又は構成要素と他の素子又は構成要素との相関関係を容易に記述するために使うことができる。空間的に相対的な用語は図面に示されている方向に加え、使用の際又は動作の際に素子の互いに異なる方向を含む用語と理解しなければならない。例えば、図面に示されている素子を覆す場合、他の素子の“下（ｂｅｌｏｗ）”又は”下（ｂｅｎｅａｔｈ）”に記述された素子は他の素子の“上（ａｂｏｖｅ）”に置かれることができる。よって、例示的な用語である“下”は下と上の両方を含むことができる。同様に、例示的な用語である“上”は上と下の両方を含むことができる。

【0042】

時間関係についての説明の場合、例えば、‘～の後に’、‘～に引き続き’、‘～の次に’、‘～の前に’などのように時間的に先後関係を説明する場合、‘直ぐ’又は‘直接’を使わない限り、連続的ではない場合も含むことができる。

【0043】

第１、第２などを多様な構成要素を敍述するために使うが、これらの構成要素はこれらの用語に限定されない。これらの用語はただ一構成要素を他の構成要素と区別するために使用するものである。よって、以下で言及する第１構成要素は本発明の技術的思想内で第２構成要素でもあり得る。

【0044】

“少なくとも一つ”という用語は一つ以上の関連項目から提示可能な全ての組合せを含むものと理解しなければならない。例えば、“第１項目、第２項目及び第３項目の少なくとも一つ”の意味は、第１項目、第２項目又は第３項目のそれぞれだけでなく、第１項目、第２項目及び第３項目の中で二つ以上から提示可能な全ての項目の組合せを意味することができる。

【0045】

本発明の多様な例のそれぞれの技術的特徴は部分的に又は全部的に互いに結合又は組合せ可能であり、技術的に多様な連動及び駆動が可能であり、各実施例が互いに独立的に実施されることもでき、連関関係で一緒に実施されることもできる。

【0046】

図２は燃料電池の分解斜視図である。

【0047】

本発明の一実施例によれば、燃料電池は、電解質膜１０、第１電極２１、第２電極２２、サブガスケット３１、３２、気体拡散層４１、４２、ガスケット５１、５２、及びセパレーター６１、６２を含む。図２は燃料電池の単一の単位セルを示している。

【0048】

電解質膜１０としては、当該分野に知られている高分子電解質膜を使うことができる。電解質膜１０及び高分子電解質膜についての詳細な説明は省略する。

【0049】

第１電極２１及び第２電極２２のいずれか一方は酸化極になることができ、他方は還元極になることができる。酸化極をアノード又は燃料極とも言い、還元極をカソード又は空気極とも言う。

【0050】

本発明の一実施例で、第１電極２１が酸化極の場合、第２電極２２は還元極になり、第１電極２１が還元極の場合、第２電極２２は酸化極になる。

【0051】

第１電極２１及び第２電極２２のいずれか一方に水素ガスのような燃料が供給され、他方に酸素を含む空気が供給される。水素ガス及び空気は気体拡散層４１、４２を通してそれぞれ第１電極２１及び第２電極２２のいずれか一方に供給される。

【0052】

水素ガスのような燃料が酸化極に供給されれば、酸化極では水素の酸化反応によって水素イオン（Ｈ^＋）と電子（ｅ^－）が生成される。生成された水素イオンは高分子電解質膜１０を通して還元極に伝達され、生成された電子は外部回路を介して還元極に伝達される。酸素を含む空気は還元極に供給され、還元極で酸素は水素イオン及び電子と結合し、その結果、水が生成され、熱が発生する。

【0053】

酸化極に流入する水素と還元極に流入する空気（酸素）が電解質膜１０を通して相対極に透過する現象が発生すれば、燃料電池の性能が低下する。よって、水素と空気（酸素）が電解質膜１０を通して相対極に透過することを防止するためにサブガスケット３１、３２が配置される。

【0054】

サブガスケット３１、３２は電解質膜１０の縁部に配置され、水素が酸化極を通さずに還元極に流入することを防止し、酸素が電解質膜１０を通して酸化極に流入することを防止する。

【0055】

ガスケット５１、５２は、供給されたガスが損失なしに、電気化学反応が起こる第１電極２１及び第２電極２２に伝達されるようにするために、電解質膜１０とセパレーター６１、６２との間の空間を密封する役割を果たす。ガスケット５１、５２によって燃料電池スタックの気密性を維持することができる。

【0056】

セパレーター（ｓｅｐａｒａｔｏｒ）６１、６２は、電解質膜１０、第１電極２１、第２電極２２、サブガスケット３１、３２、気体拡散層４１、４２、及びガスケット５１、５２を固定する。セパレーター６１、６２はバイポーラプレート（ｂｉｐｏｌａｒ ｐｌａｔｅ）ともいう。

【0057】

図３は本発明の一実施例による膜電極接合体１００の分解斜視図、図４ａ及び図４ｂは本発明の互いに異なる実施例による膜電極接合体１００の断面図である。

【0058】

図４ａ及び図４ｂを参照すると、本発明の一実施例によるサブガスケット一体型膜電極接合体１００は、第１面１１１及びその反対側の第２面１１２を有する電解質膜１１０、前記電解質膜１１０の第１面１１１上の第１電極１２１、前記電解質膜１１０の第１面１１１上の第１サブガスケット１３１、前記電解質膜１１０の第２面１１２上の第２電極１２２、及び前記電解質膜１１０の第２面１１２上の第２サブガスケット１３２を含む。

【0059】

前記電解質膜１１０は前記第１及び第２電極１２１、１２２に対応する領域であり、電気発生に直接的に寄与する領域である活性領域ＡＡ、及び前記活性領域ＡＡを取り囲む非活性領域ＮＡを含む。電解質膜１１０としては、当該分野に知られている高分子電解質膜を使う。高分子電解質膜についての詳細な説明は省略する。

【0060】

前記第１電極１２１は前記電解質膜１１０の前記第１面１１１上に配置されて前記活性領域ＡＡを覆い、前記第２電極１２２は前記電解質膜１１０の前記第２面１１２上に配置されて前記活性領域ＡＡを覆う。

【0061】

第１電極１２１及び第２電極１２２のいずれか一方は酸化極であり、他方は還元極である。酸化極をアノード又は燃料極とも言い、還元極をカソード又は空気極とも言う。

【0062】

第１電極１２１が酸化極の場合、第２電極１２２は還元極になり、第１電極１２１が還元極の場合、第２電極１２２は酸化極になる。第１電極１２１及び第２電極１２２のいずれか一方に水素ガスのような燃料が供給され、他方に酸素を含む空気が供給される。

【0063】

前記電解質膜１１０の前記第１面１１１上に配置された前記第１サブガスケット１３１は前記第１電極１２１の中央部を露出させる第１ウィンドウＷ１を有し、前記電解質膜１１０の前記第２面１１２上に配置された前記第２サブガスケット１３２は前記第２電極１２２の中央部を露出させる第２ウィンドウＷ２を有する。前記第１及び第２ウィンドウＷ１、Ｗ２を通してそれぞれ露出された前記第１及び第２電極１２１、１２２の中央部に水素ガス及び酸素ガスがそれぞれ接触する。

【0064】

第１サブガスケット１３１及び第２サブガスケット１３２は弾性及び気密性を有する。第１サブガスケット１３１及び第２サブガスケット１３２はいずれか一電極の水素又は酸素が電解質膜１１０を通して他の電極に流入することを防止する。

【0065】

第１サブガスケット１３１及び第２サブガスケット１３２は弾性材から製造することができる。第１サブガスケット１３１及び第２サブガスケット１３２は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリアミド、テトラフルオロエチレン／ヘキサフルオロプロペン（ＦＥＰ）、フッ素ゴム、シリコンゴム、炭化水素系弾性体（ＥＰＤＭ、ＥＰＲなど）及びポリウレタン（Ｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅ）の少なくとも１種を含むことができる。

【0066】

図４ａ及び図４ｂに例示したように、第１サブガスケット１３１は、前記第１電極１２１の周縁部と重畳する第１重畳領域ＯＡ１、及び前記電解質膜１１０の非活性領域ＮＡを覆う第１非重畳領域ＮＯＡ１を含む。

【0067】

同様に、第２サブガスケット１３２は、前記第２電極１２２の周縁部と重畳する第２重畳領域ＯＡ２、及び前記電解質膜１１０の非活性領域ＮＡを覆う第２非重畳領域ＮＯＡ２を含む。

【0068】

前記第１及び第２サブガスケット１３１、１３２の第１及び第２重畳領域ＯＡ１、ＯＡ２は前記第１及び第２電極１２１、１２２の周縁部をそれぞれ保護するだけでなく、第１サブガスケット１３１と第１電極１２１との間の境界又は第２サブガスケット１３２と第２電極１２２との間の境界を通してガスが漏洩することを防止する。

【0069】

本発明によれば、（ｉ）図４ａに示したように、前記第１重畳領域ＯＡ１と前記第１非重畳領域ＮＯＡ１との間、及び前記第２重畳領域ＯＡ２と前記第２非重畳領域ＮＯＡ２との間に段差部が存在しないか、（ｉｉ）図４ｂに示したように、前記第１重畳領域ＯＡ１と前記第１非重畳領域ＮＯＡ１とによって形成される第１段差部の高さＨ１が前記第１電極１２１の厚さＴ１の０．５倍以下、より好ましくは０．２倍以下であり、前記第２重畳領域ＯＡ２と前記第２非重畳領域ＮＯＡ２とによって形成される第２段差部の高さＨ２が前記第２電極１２２の厚さＴ２の０．５倍以下、より好ましくは０．２倍以下である。

【0070】

すなわち、本発明によれば、前記第１及び第２サブガスケット１３１、１３２はその上面に段差部を有しないか、又は段差部を有すると言ってもその高さが前記第１電極１２１の厚さＴ１又は前記第２電極１２２の厚さＴ２の０．５倍以下、より好ましくは０．２倍以下の程度と非常に小さいので、気体拡散層形成／組立工程のような後続工程の作業性を向上させることができる。

【0071】

また、図４ａ及び図４ｂに例示したように、前記第１及び第２サブガスケット１３１、１３２はエアギャップが存在しない程度に前記第１及び第２電極１２１、１２２にそれぞれ密着得る。よって、エアギャップを通してのガス漏出を防止することができる。

【0072】

以下、図５ａ～図５ｈを参照して本発明の一実施例による膜電極接合体１００の製造方法を説明する。

【0073】

図５ａ～図５ｈは本発明の一実施例による膜電極接合体１００の製造工程図である。

【0074】

まず、図５ａを参照すると、電解質膜１１０の第１面１１１に第１電極１２１を形成す
る。

【0075】

第１電極１２１の形成方法に特別な制限があるものではない。本発明の一実施例によれば、第１電極１２１はコーティング法又は転写法で形成することができる。第１電極１２１の材料としては、当該分野に知られた酸化極材料又は還元極材料の少なくとも１種を使うことができる。

【0076】

第１電極１２１を形成する段階で、電解質膜１１０は支持基板１９０によって支持することができる。支持基板１９０の種類に特別な制限があるものではない。電解質膜１１０を支持することができる素材は支持基板１９０として使うことができる。例えば、プラスチックフィルムを支持基板１９０として使うことができる。本発明の一実施例によれば、支持基板１９０としてポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルムを使うことができ
る。

【0077】

図５ｂを参照すると、第１電極１２１上に第１保護層２１１を配置する。

【0078】

第１保護層２１１は第１電極１２１を保護する。第１サブガスケット１３１の形成のためのコーティングの後、第１保護層２１１は除去するか、又は第２サブガスケット１３２の形成時まで付着した後、第２サブガスケット１３２の形成の後に第２保護層２１２と一緒に除去することができる。よって、第１保護層２１１は剥離過程で第１電極１２１の損傷を最小化することができる材料から製造する。

【0079】

第１保護層２１１として、例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリイミド（ＰＩ）、テトラフルオロエチレン（Ｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ゴム及びシリコンの少なくとも１種を使うことができる。

【0080】

第１保護層２１１は１～５０μｍの厚さを有する。

【0081】

また、図５ｂを参照すると、第１保護層２１１は第１電極１２１より小さい面積を有し、第１電極１２１の領域内に配置される。より具体的に、第１保護層２１１は第１電極１２１の縁部の内側に配置される。よって、第１電極１２１の周縁部上にも第１サブガスケット１３１が配置される。

【0082】

図５ｃを参照すると、第１液状材料を用いたコーティングにより、電解質膜１１０の第１面１１１上に第１サブガスケット１３１を形成する。

【0083】

第１サブガスケット１３１の形成のための第１液状材料は架橋性又は硬化性を有する弾性材料からなる。

【0084】

具体的に、第１サブガスケット１３１は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリアミド、テトラフルオロエチレン／ヘキサフルオロプロペン（ＦＥＰ）、フッ素ゴム、シリコンゴム、炭化水素系弾性体（ＥＰＤＭ、ＥＰＲなど）及びポリウレタン（Ｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅ）の少なくとも１種を含むことができる。よって、第１液状材料は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリアミド、テトラフルオロエチレン／ヘキサフルオロプロペン（ＦＥＰ）、フッ素ゴム、シリコンゴム、炭化水素系弾性体（ＥＰＤＭ、ＥＰＲなど）及びポリウレタン（Ｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅ）のいずれか一成分が溶媒に溶解又は分散されている状態の材料であることができる。このように、第１液状材料は高分子成分を含むことができる。

【0085】

本発明の一実施例によれば、液状の素材を活用した直接コーティング方式で第１サブガスケット１３１を形成することができる。

【0086】

具体的に、第１サブガスケット１３１を形成するためのコーティングは、液状の素材を用いるスプレーコーティング、コンマコーティング及びスロットダイコーティングのいずれか一方法で遂行することができる。例えば、スプレーコーティングで第１サブガスケット１３１を形成することができる。

【0087】

図５ｃには、スプレーコーティングによって第１サブガスケット１３１を形成する方法が示されている。このように、本発明の一実施例によれば、第１サブガスケット１３１を形成するためのコーティング法として、液状の素材を活用した直接コーティング方式を適用することができる。図５ｃを参照すると、スプレーコーティングのためにスプレーコーティング装置２５０を使う。

【0088】

コーティングの後、第１液状材料が乾燥しながら架橋又は硬化して第１サブガスケット１３１ができあがる。

【0089】

第１サブガスケット１３１を形成する段階で、コーティングの後、第１サブガスケット１３１を１０秒～６００秒間放置することができる。よって、第１サブガスケット１３１の形成に使用された第１液状材料を乾燥することができ、第１液状材料に含まれた高分子成分の架橋又は硬化が進む。

【0090】

また、第１サブガスケット１３１を形成する段階で、第１液状材料を用いたコーティングの後、第１サブガスケット１３１を４０～１５０℃の温度に加熱することができる。このような加熱によって第１液状材料に含まれた高分子成分の熱架橋又は熱硬化を促進することにより、第１サブガスケット１３１ができあがる。

【0091】

本発明の一実施例によれば、第１サブガスケット１３１を形成する段階で、第１液状材料を用いたコーティングの後、第１サブガスケット１３１を熱風で３秒～３００秒間熱処理することができる。

【0092】

図５ｄを参照すると、電解質膜１１０を支持基板１９０から分離した後、電解質膜１１０を覆して、電解質膜１１０の第２面１１２が上向きになるようにする。

【0093】

図５ｅを参照すると、電解質膜１１０の第２面１１２に第２電極１２２を形成する。

【0094】

第２電極１２２は第１電極１２１と同様な方法で形成することができる。本発明の一実施例によれば、第２電極１２２はコーティング法又は転写法で形成することができる。第１電極１２１が酸化極の場合、第２電極１２２は還元極になり、第１電極１２１が還元極の場合、第２電極１２２は酸化極になる。第２電極１２２の材料としては、当該分野に知られた還元極材料又は酸化極材料の少なくとも１種を使うことができる。

【0095】

図５ｆを参照すると、第２電極１２２上に第２保護層２１２を配置する。

【0096】

第２保護層２１２は第２電極１２２を保護する。第２サブガスケット１３２の形成のためのコーティングの後、第２保護層２１２を除去する。よって、第２保護層２１２は剥離過程で第２電極１２２の損傷を最小化することができる材料から形成する。

【0097】

第２保護層２１２は第１保護層２１１と同じ材料からなる。

【0098】

第２保護層２１２としては、例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリイミド（ＰＩ）、テトラフルオロエチレン（Ｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ゴム及びシリコンの少なくとも１種を使うことができる。第１保護層２１１は１～５０μｍの厚さを有する。

【0099】

図５ｆを参照すると、第２保護層２１２は第２電極１２２より小さい面積を有し、第２電極１２２の領域内に配置される。より具体的に、第２保護層２１２は第２電極１２２の縁部の内側に配置される。よって、第２電極１２２の周縁部上にも第２サブガスケット１３２を配置することができる。

【0100】

図５ｇを参照すると、第２液状材料を用いたコーティングによって電解質膜１１０の第２面１１２上に第２サブガスケット１３２を形成する。

【0101】

第２サブガスケット１３２の形成のための第２液状材料は第１サブガスケット１３１の形成のための第１液状材料と同一であってもよく違ってもよい。

【0102】

本発明の一実施例によれば、第１液状材料と第２液状材料はその組成が互いに同一であってもよい。

【0103】

一方、適用部位又は用途によって、第１液状材料と第２液状材料に互いに異なる添加剤を添加してその組成を互いに変えることができる。その結果、第１サブガスケット１３１と第２サブガスケット１３２が互いに異なる機能性を有することもある。

【0104】

第２サブガスケット１３２の形成のための第２液状材料は架橋性又は硬化性を有する弾性材料からなる。

【0105】

具体的に、第２サブガスケット１３２は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリアミド、テトラフルオロエチレン／ヘキサフルオロプロペン（ＦＥＰ）、フッ素ゴム、シリコンゴム、炭化水素系弾性体（ＥＰＤＭ、ＥＰＲなど）及びポリウレタン（Ｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅ）の少なくとも１種を含むことができる。よって、第２液状材料は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリアミド、テトラフルオロエチレン／ヘキサフルオロプロペン（ＦＥＰ）、フッ素ゴム、シリコンゴム、炭化水素系弾性体（ＥＰＤＭ、ＥＰＲなど）及びポリウレタン（Ｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅ）のいずれか一成分が溶媒に溶解又は分散されている状態の材料である。このように、第２液状材料は高分子成分を含むことができる。本発明の一実施例によれば、液状の素材を活用した直接コーティング方式で第２サブガスケット１３２を形成することができる。

【0106】

具体的に、第２サブガスケット１３２を形成するためのコーティングは、液状の素材を用いるスプレーコーティング、コンマコーティング及びスロットダイコーティングのいずれか一方法で遂行することができる。例えば、スプレーコーティングによって第２サブガスケット１３２を形成することができる。

【0107】

図５ｇを参照すると、スプレーコーティングで第２サブガスケット１３２を形成する方法が示されている。このように、本発明の一実施例によれば、第２サブガスケット１３２を形成するために液状の素材を活用した直接コーティング方式を適用することができ、代表的にスプレーコーティングを適用することができる。

【0108】

コーティングの後、第２液状材料が乾燥しながら架橋又は硬化して第２サブガスケット１３２ができあがる。

【0109】

第２サブガスケット１３２を形成する段階で、コーティングの後、第２サブガスケット１３２を１０秒～６００秒間放置することができる。よって、第２サブガスケット１３２の形成に使用された第２液状材料が乾燥し、第２液状材料に含まれた高分子成分の架橋又は硬化が進む。

【0110】

また、第２サブガスケット１３２を形成する段階で、第２液状材料を用いたコーティングの後、第２サブガスケット１３２を４０～１５０℃の温度に加熱することができる。このような加熱によって第２液状材料に含まれた高分子成分の熱架橋又は熱硬化を促進して、第２サブガスケット１３２ができあがる。

【0111】

本発明の一実施例によれば、第２サブガスケット１３２を形成する段階で、第２液状材料を用いたコーティングの後、第２サブガスケット１３２を熱風で３秒～３００秒間熱処理することができる。

【0112】

第１サブガスケット１３１に対する加熱と第２サブガスケット１３２に対する加熱は同時に遂行することもでき、別に遂行することもできる。

【0113】

しかし、本発明の一実施例がこれに限定されるものではなく、素材によって加熱を遂行することもでき、遂行しないこともできる。

【0114】

図５ｈを参照すると、第１保護層２１１及び第２保護層２１２を除去する。第１保護層２１１及び第２保護層２１２が除去されるとき、第１保護層２１１及び第２保護層２１２の上部に残存していた第１液状材料によるコーティング層及び第２液状材料によるコーティング層も除去される。

【0115】

第１保護層２１１及び第２保護層２１２を除去して、第１電極１２１及び第２電極１２２が露出されることにより、本発明の一実施例による膜電極接合体１００ができあがる。図５ｈを参照すると、第１電極１２１の表面のうち電解質膜１１０の反対側表面が露出され、第２電極１２２の表面のうち電解質膜１１０の反対側表面が露出される。

【0116】

図６は本発明の他の実施例による膜電極接合体２００の断面図である。

【0117】

図４ａ及び図４ｂと比較して、図６に示した膜電極接合体２００は、電解質膜１１０のエッジ全体が第１及び第２サブガスケット１３１、１３２によって取り囲まれているという点で違いがある。

【0118】

電解質膜１１０が第１サブガスケット１３１又は第２サブガスケット１３２と同じ規格を有する図４ａ及び図４ｂの膜電極接合体１００と比較して、図６のサブガスケット一体型膜電極接合体２００において電解質膜１１０のエッジをより安定的に保護することができ、高価の電解質膜１１０を少なく使うので経済的である。

【0119】

図７ａ～図７ｈは本発明の他の実施例による膜電極接合体２００の製造工程図である。

【0120】

本発明の他の実施例による膜電極接合体２００の製造方法は、第１サブガスケット１３１を形成する段階に先立ち、電解質膜１１０の少なくとも一部を切断する段階をさらに含む。

【0121】

以下、図７ａ～図７ｈを参照して、本発明の他の実施例による膜電極接合体２００の製造方法を説明する。

【0122】

図７ａを参照すると、電解質膜１１０の第１面１１１に第１電極１２１を形成する。第１電極１２１の形成方法に特別な制限があるものではない。第１電極１２１はコーティング法又は転写法で形成することができる。

【0123】

図７ｂを参照すると、電解質膜１１０の縁部を切断する。ここで、カッター２６０又はピナクルダイを使うことができる。よって、電解質膜１１０は支持基板１９０より小さい面積を有する。

【0124】

図７ｃを参照すると、第１電極１２１上に第１保護層２１１を配置する。第１保護層２１１は後続のコーティング工程中に第１電極１２１を保護する。

【0125】

図７ｄを参照すると、第１液状材料を用いたコーティングによって、電解質膜１１０の第１面１１１上に第１サブガスケット１３１を形成する。第１サブガスケット１３１は電解質膜１１０の第１面１１１及び側面を完全に取り囲む。

【0126】

図７ｄを参照すると、液状の素材を活用した直接コーティング方式の一つであるスプレーコーティングによって第１サブガスケット１３１を形成する。コーティングの後、第１液状材料が乾燥しながら架橋又は硬化し得る。

【0127】

図７ｅを参照すると、電解質膜１１０を支持基板１９０から分離した後、電解質膜１１０を覆して、電解質膜１１０の第２面１１２が上向きになるようにする。

【0128】

図７ｆを参照すると、電解質膜１１０の第２面１１２に第２電極１２２が形成され、第２電極１２２上に第２保護層２１２が配置される。第２保護層２１２は第２電極１２２を保護する。

【0129】

図７ｇを参照すると、第２液状材料を用いたコーティングにより、電解質膜１１０の第２面１１２及び第１サブガスケット１３１上に第２サブガスケット１３２を形成する。

【0130】

第２サブガスケット１３２の形成のための第２液状材料は第１サブガスケット１３１の形成のための第１液状材料と同一であってもよく違ってもよい。図７ｇを参照すると、スプレーコーティングによって第２サブガスケット１３２を形成する。よって、本発明の一実施例によれば、第２サブガスケット１３２を形成するためのコーティングは液状の素材を活用した直接コーティング方式で遂行することができる。例えば、スプレーコーティングで遂行することができる。

【0131】

コーティングの後、第２液状材料が乾燥しながら架橋又は硬化し得る。

【0132】

図７ｈを参照すると、第１保護層２１１及び第２保護層２１２を除去する。第１保護層２１１及び第２保護層２１２を除去するとき、第１保護層２１１及び第２保護層２１２の上部に残存していた第１液状材料によるコーティング層及び第２液状材料によるコーティング層も除去する。第１保護層２１１及び第２保護層２１２が除去され、第１電極１２１及び第２電極１２２が開放することにより、本発明の他の実施例による膜電極接合体２００ができあがる。

【0133】

コーティング方式によって形成されるサブガスケット１３１、１３２の厚さを多様に調節することができ、液体を用いたコーティング方式で製造するから、既存のフィルム状サブガスケットをラミネートするときに電極層の厚さ段差部によって発生するエアギャップなしにサブガスケット１３１、１３２を形成することができる。また、サブガスケット１３１、１３２を平坦に製造することができ、気体拡散層（ＧＤＬ）の組立の際、容易な作業性を有する。

【0134】

図８はロール状に巻き取られた膜電極接合体の斜視図である。

【0135】

本発明の実施例による膜電極接合体１００、２００は、図８に示したように、ロール状に巻き取られる。図８のＩ－Ｉ’に沿って切断した断面は図４ａ、図４ｂ又は図６のように表示することができる。

【0136】

本発明の実施例によってサブカスケッ形成用材料を直接コーティング方式で電解質膜１１０にコーティングしてサブガスケット一体型膜電極接合体１００、２００を製造する場合、ロールツーロール方式で膜電極接合体１００、２００を製造することができる。よって、大量生産が可能になる。

【0137】

以下、図９ａ～図９ｆは本発明のさらに他の実施例による膜電極接合体の製造方法を説明する。

【0138】

図９ａを参照すると、電解質膜１１０の第１面１１１に第１電極１２１を形成する。

【0139】

第１電極１２１を形成する段階で、電解質膜１１０は支持基板１９０によって支持される。

【0140】

図９ｂを参照すると、第１液状材料を用いたコーティングによって電解質膜１１０の第１面１１１上に第１サブガスケット１３１を形成する。

【0141】

第１サブガスケット１３１の形成のための第１液状材料は架橋性又は硬化性を有する弾性材料からなる。

【0142】

本発明のさらに他の実施例によれば、保護層なしに第１電極１２１の周辺の電解質膜１１０上に第１サブガスケット１３１の形成のための第１液状材料を直接コーティング／印刷することによって第１サブガスケット１３１を形成することができる。例えば、３Ｄプリンター又は部分コーティング設備を用いて、保護層なしに第１電極１２１の周辺に第１液状材料を直接コーティング／印刷及び架橋することができる。よって、電解質膜１１０上に第１サブガスケット１３１が選択的に形成される。

【0143】

図９ｂには直接コーティングのために３Ｄプリンター３５０を使う方法が例示されている。

【0144】

図９ｃを参照すると、コーティング／印刷の後、第１液状材料が乾燥しながら架橋又は硬化して第１サブガスケット１３１ができあがる。

【0145】

図９ｄを参照すると、電解質膜１１０を支持基板１９０から分離した後、電解質膜１１０を覆して電解質膜１１０の第２面１１２が上向きになるようにし、電解質膜１１０の第２面１１２に第２電極１２２を形成する。

【0146】

第２電極１２２は第１電極１２１と同様な方法で形成することができる。本発明の一実施例によれば、第２電極１２２はコーティング法又は転写法で形成することができる。第１電極１２１が酸化極の場合、第２電極１２２は還元極になり、第１電極１２１が還元極の場合、第２電極１２２は酸化極になる。

【0147】

図９ｅを参照すると、第２液状材料を用いたコーティングによって電解質膜１１０の第２面１１２上に第２サブガスケット１３２を形成する。

【0148】

第２サブガスケット１３２の形成のための第２液状材料は架橋性又は硬化性を有する弾性材料からなる。第２サブガスケット１３２の形成のための第２液状材料は第１サブガスケット１３１の形成のための第１液状材料と同一であってもよく違ってもよい。

【0149】

本発明のさらに他の実施例によれば、保護層なしに第２電極１２２の周辺の電解質膜１１０上に第２サブガスケット１３２の形成のための第２液状材料を直接コーティング／印刷することによって第２サブガスケット１３２を形成することができる。例えば、３Ｄプリンター又は部分コーティング設備を用いて、保護層なしに第２電極１２２の周辺に第２液状材料を直接コーティング／印刷及び架橋することができる。よって、電解質膜１１０上に第２サブガスケット１３２が選択的に形成される。

【0150】

図９ｅには直接コーティングのために３Ｄプリンター３５０を使う方法が例示されている。

【0151】

図９ｆを参照すると、コーティング／印刷の後、第２液状材料が乾燥しながら架橋又は硬化して第２サブガスケット１３２ができあがる。よって、本発明のさらに他の実施例による膜電極接合体が製造される。

【0152】

図１０ａ～図１０ｈは比較例１による膜電極接合体の製造工程図である。

【0153】

比較例１による膜電極接合体の製造方法は、電解質膜１１０に第１電極１２１及び第２電極１２２が既に形成されているＣＣＭ（Ｃａｔａｌｙｓｔ Ｃｏａｔｅｄ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）を使うという点で本発明の実施例と違いがある。

【0154】

具体的に、図１０ａを参照すると、電解質膜１１０に第１電極１２１及び第２電極１２２が既に形成されているＣＣＭ（Ｃａｔａｌｙｓｔ Ｃｏａｔｅｄ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）を支持基板１９０に配置する。

【0155】

図１０ｂを参照すると、ＣＣＭの第１電極１２１上に第１保護層２１１を配置する。

【0156】

図１０ｃを参照すると、第１液状材料を用いたコーティングによって、電解質膜１１０の第１面１１１上に第１サブガスケット１３１を形成する。

【0157】

図１０ｄを参照すると、第１保護層２１１を除去する。

【0158】

図１０ｅを参照すると、電解質膜１１０を覆して、電解質膜１１０の第２面及び第２電極１２２が上向きになるようにする。

【0159】

図１０ｆを参照すると、第２電極１２２上に第２保護層２１２を配置する。第２保護層２１２は後続のコーティング工程中に第２電極１２２を保護する。

【0160】

図１０ｇを参照すると、第２液状材料を用いたコーティングによって電解質膜１１０の第２面上に第２サブガスケット１３２を形成する。

【0161】

図１０ｈを参照すると、第２保護層２１２を除去する。

【0162】

図１０ａ～図１０ｈに示したように、ＣＣＭ（Ｃａｔａｌｙｓｔ Ｃｏａｔｅｄ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）を使用してスプレーコーティングによってサブガスケット一体型膜電極接合体を製造する場合、電極１２１、１２２の厚さによって、ＣＣＭの電解質膜１１０、特に非活性領域が支持基板１９０によって充分に支持できなくて膜電極接合体にカール（ｃｕｒｌ）が発生し得る。

【0163】

図１０ａ～図１０ｄを参照すると、電解質膜１１０の非活性領域が支持基板１９０に密着せずに離隔されていることを確認することができる。このような離隔によって、電解質膜１１０の非活性領域にカール（ｃｕｒｌ）が発生し、その結果、膜電極接合体にカール（ｃｕｒｌ）が発生する。

【0164】

本発明の一実施例による図５ａ～図５ｈによる方法によって製造された膜電極接合体１００のサンプル１００個（実施例１）及び図１０ａ～図１０ｈによる方法によって製造された膜電極接合体のサンプル１００個（比較例１）に対して、サンプル当たり平均カール発生数及び良品率を計算した。結果は表１の通りである。

【0165】

サンプル当たり平均カール発生数は１００個のサンプルで発生したカール（ｃｕｒｌ）数の平均を意味し、良品率は不良ではない製品の比を意味する。

【0166】

【表1】

【0167】

表１を参照すると、本発明の一実施例によって膜電極接合体１００を製造する場合、不良率が小さく、平均カール発生数が少ないことを確認することができる。

【0168】

図１１は比較例２による膜電極接合体の断面図である。

【0169】

図１１の膜電極接合体にはフィルム状のサブガスケット１６１、１６２が付着されている。

【0170】

フィルム状のサブガスケット１６１、１６２の場合、フィルムの厚さによってサブガスケット１６１、１６２の厚さが決定されるので、直接コーティングによって形成されたサブガスケット１３１、１３２と比較して厚さ調節が容易でない。

【0171】

フィルム状のサブガスケット１６１、１６２を使う場合、サブガスケット１６１、１６２が電極１２１、１２２の厚さに対応する段差部を有することになり、このような段差部によってサブガスケット１６１、１６２と電極１２１、１２２との間にエアギャップ２９０が発生し得る。図１１は電解質膜１１０、電極１２１、１２２及びフィルム状のサブガスケット１６１、１６２で取り囲まれたエアギャップ２９０を例示する。このようなエアギャップ２９０はガス漏出を引き起こして膜電極接合体の品質を低下させる。

【0172】

エアギャップ２９０が直角二等辺三角柱（ｉｓｏｓｃｅｌｅｓ ｒｉｇｈｔ ｔｒｉａｎｇｕｌａｒ ｐｒｉｓｍ）の形態を有し、方形電極１２１、１２２の全周に発生すると仮定すれば、フィルム状のサブガスケット１６１、１６２を使う場合に発生する体積は下記の式のように算出することができる。

【0173】

Ｖ（ｃｍ^３）＝Ｔ^２×（Ｗ＋Ｌ）

【0174】

ここで、Ｖは前記エアギャップ２９０の体積、Ｔは前記電極１２１、１２２の厚さ、Ｗは前記電極１２１、１２２の幅、Ｌは前記電極１２１、１２２の長さである。

【0175】

一方、本発明の実施例によれば、直接コーティングによってサブガスケット１３１、１３２を製造するので、サブガスケット１３１、１３２の厚さを多様に調節することができる。また、本発明の実施例によれば、液状材料を用いたコーティング方式でサブガスケット１３１、１３２を製造するので、サブガスケット１３１、１３２は段差部を有しないか、又は段差部を有すると言ってもその高さが電極１２１、１２２の厚さＴ１、Ｔ２の０．５倍以下、より好ましくは０．２倍以下の程度と非常に小さい（すなわち、その上面が実質的に平坦である）。よって、本発明によれば、気体拡散層（ＧＤＬ）の形成／組立工程のような後続工程の作業性を向上させることができるだけではなく、ガス漏出を引き起こすエアギャップの形成を防止するか又は最小化（フィルム状のサブガスケットを使うときに形成されるエアギャップ体積の０．５倍以下、より好ましくは０．２倍以下）すること
ができる。

【0176】

すなわち、本発明の一実施例によれば、前記第１サブガスケット１３１と前記第１電極１２１との間にエアギャップが存在しないか又は前記第１サブガスケット１３１と前記第１電極１２１との間に第１エアギャップが存在すると言っても前記第１エアギャップの体積が下記の式１を満たし、前記第２サブガスケット１３２と前記第２電極１２２との間にエアギャップが存在しないか又は前記第２サブガスケット１３２と前記第２電極１２２との間に第２エアギャップが存在すると言っても前記第２エアギャップの体積が下記の式２を満たす。

【0177】

式１：Ｖ_１≦０．５×Ｔ_１ ^２×（Ｗ_１＋Ｌ_１）

【0178】

式２：Ｖ_２≦０．５×Ｔ_２ ^２×（Ｗ_２＋Ｌ_２）

【0179】

ここで、Ｖ_１及びＶ_２はそれぞれ前記第１及び第２エアギャップの体積、Ｔ_１及びＴ_２はそれぞれ前記第１及び第２電極１２１、１２２の厚さ、Ｗ_１及びＷ_２はそれぞれ前記第１及び第２電極１２１、１２２の幅、Ｌ_１及びＬ_２はそれぞれ前記第１及び第２電極１２１、１２２の長さである。

【0180】

図１２ａ～図１２ｃは膜電極接合体の写真である。
具体的には、図１２ａは図５ａ～図５ｈによる方法によって製造された膜電極接合体１００の写真、図１２ｂは図１０ａ～図１０ｈによる方法によって製造された膜電極接合体（比較例１）の写真、図１２ｃはフィルム状のサブガスケットが付着された膜電極接合体（比較例２）の写真である。

【0181】

図１２ｂを参照すると、比較例１による膜電極接合体には多数のカール（ｃｕｒｌｓ）が発生したことを確認することができる。

【0182】

比較例２によって製造された図１２ｃの膜電極接合体の内部にはエアギャップが発生した。

【0183】

一方、本発明の実施例によって製造された図１２ａの膜電極接合体にはカール（ｃｕｒｌ）及びエアギャップが発見されなかった。

【0184】

図１３は本発明の一実施例による燃料電池３００の断面図である。

【0185】

本発明の一実施例による燃料電池３００は、上述した本発明の膜電極接合体１００、前記膜電極接合体１００上の気体拡散層１４０、及び前記気体拡散層１４０上のセパレーター（ｓｅｐａｒａｔｏｒ）１５０を含む。

【0186】

前記膜電極接合体１００は、電解質膜１１０、前記電解質膜１１０の第１面上の第１電極１２１及び第１サブガスケット１３１、及び前記電解質膜１１０の第２面上の第２電極１２２及び第２サブガスケット１３２を含む。

【0187】

気体拡散層１４０及びセパレーター（ｓｅｐａｒａｔｏｒ）１５０を前記膜電極接合体１００の両方にそれぞれ一つずつ配置させることができる。気体拡散層１４０及びセパレーター（ｓｅｐａｒａｔｏｒ）１５０は既に説明したので、これらについての詳細な説明は省略する。

【0188】

図１３を参照すると、本発明の他の実施例による燃料電池３００は、第１ガスケット１７１及び第２ガスケット１７２を含むことができる。

【0189】

第１ガスケット１７１及び第２ガスケット１７２はそれぞれ膜電極接合体１００とセパレーター１５０との間に配置され、電解質膜１１０とセパレーター１５０との間の空間を密封する。図１３を参照すると、気体拡散層１４０を第１サブガスケット１３１と第１ガスケット１７１とによって定義される空間、及び第２サブガスケット１３２と第２ガスケット１７２とによって定義される空間に配置させることができる。

【0190】

図１３には気体拡散層１４０が第１及び第２電極１２１、１２２の露出部上にのみ形成されたものとして例示されているが、本発明がこれに限定されるものではなく、前記気体拡散層１４０を前記第１及び第２サブガスケット１３１、１３２のそれぞれの少なくとも一部までカバーするように延ばすことができる。

【0191】

以上で説明し実施例は本発明の理解を助けるためのものであり、これらによって本発明の権利範囲が限定されるものではない。本発明の権利範囲は特許請求の範囲によって定義される。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4a】

【図4b】

【図5a】

【図5b】

【図5c】

【図5d】

【図5e】

【図5f】

【図5g】

【図5h】

【図6】

【図7a】

【図7b】

【図7c】

【図7d】

【図7e】

【図7f】

【図7g】

【図7h】

【図8】

【図9a】

【図9b】

【図9c】

【図9d】

【図9e】

【図9f】

【図10a】

【図10b】

【図10c】

【図10d】

【図10e】

【図10f】

【図10g】

【図10h】

【図11】

【図12a】

【図12b】

【図12c】

【図13】