(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-11-08
(45)【発行日】2024-11-18
(54)【発明の名称】膜電極アセンブリー及びその製造方法
(51)【国際特許分類】
H01M 8/1004 20160101AFI20241111BHJP
H01M 4/86 20060101ALI20241111BHJP
H01M 8/0273 20160101ALI20241111BHJP
H01M 8/0276 20160101ALI20241111BHJP
H01M 8/1065 20160101ALI20241111BHJP
H01M 8/10 20160101ALN20241111BHJP
【ＦＩ】
H01M8/1004
H01M4/86 M
H01M8/0273
H01M8/0276
H01M8/1065
H01M8/10 101
【請求項の数】
9
(21)【出願番号】P 2022575430
(86)(22)【出願日】2021-11-18
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2023-07-18
(86)【国際出願番号】 KR2021016982
(87)【国際公開番号】W WO2022145728
(87)【国際公開日】2022-07-07
【審査請求日】2022-12-07
(31)【優先権主張番号】10-2020-0188951
(32)【優先日】2020-12-31
(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR
(73)【特許権者】
【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
(74)【代理人】
【識別番号】100199004
【弁理士】
【氏名又は名称】服部 洋
(72)【発明者】
【氏名】イ ジュソン
(72)【発明者】
【氏名】コン ナウォン
(72)【発明者】
【氏名】キム チョンホ
(72)【発明者】
【氏名】キム チョンヨン
(72)【発明者】
【氏名】ナム キョンシク
(72)【発明者】
【氏名】パク チャンミ
(72)【発明者】
【氏名】ソン カヨン
【審査官】高木 康晴
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１５－１７６７３９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００５－０７８９７５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２００７－５１６５５９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００７－３２４０１２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００８－１４６９３２（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｍ ４／８６－４／９８
Ｈ０１Ｍ ８／０２
Ｈ０１Ｍ ８／１０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１電極と、第２電極と、
前記第１及び第２電極の間の電解質膜と、を含み、
前記第１電極は互いに分離可能な第１及び第２電極モジュールを含む、膜電極アセンブリーであって、
前記電解質膜は、互いに分離可能な第１及び第２膜モジュールを含み、
前記第２電極は、互いに分離可能な第３及び第４電極モジュールを含み、
前記膜電極アセンブリーは、互いに分離可能な第１及び第２アセンブリーモジュールを含み、
前記第１アセンブリーモジュールは、前記第１電極モジュール、前記第３電極モジュール、及び前記第１及び第３電極モジュールの間の前記第１膜モジュールを含み、
前記第２アセンブリーモジュールは、前記第２電極モジュール、前記第４電極モジュール、及び前記第２及び第４電極モジュールの間の前記第２膜モジュールを含み、
前記第１膜モジュールは、前記第１及び第３電極モジュールと接触する活性領域、及び前記活性領域を取り囲む非活性領域を有し、
前記第２膜モジュールは、前記第２及び第４電極モジュールと接触する活性領域、及び前記活性領域を取り囲む非活性領域を有し、
前記第１アセンブリーモジュールは、前記第１膜モジュールの前記非活性領域に配置されて前記第１及び第３電極モジュールをそれぞれ取り囲む第１及び第３サブガスケットモジュールをさらに含み、
前記第２アセンブリーモジュールは、前記第２膜モジュールの前記非活性領域に配置されて前記第２及び第４電極モジュールをそれぞれ取り囲む第２及び第４サブガスケットモジュールをさらに含む、膜電極アセンブリー。
【請求項2】
前記第１アセンブリーモジュールは、前記第１電極モジュールを覆う第１ガス拡散モジュール、及び前記第３電極モジュールを覆う第３ガス拡散モジュールを含み、前記第１電極モジュールは前記第１膜モジュールと前記第１ガス拡散モジュールとの間に配置され、前記第３電極モジュールは前記第１膜モジュールと前記第３ガス拡散モジュールとの間に配置され、
前記第２アセンブリーモジュールは、前記第２電極モジュールを覆う第２ガス拡散モジュール、及び前記第４電極モジュールを覆う第４ガス拡散モジュールを含み、前記第２電極モジュールは前記第２膜モジュールと前記第２ガス拡散モジュールとの間に配置され、
前記第４電極モジュールは前記第２膜モジュールと前記第４ガス拡散モジュールとの間に配置される、請求項１に記載の膜電極アセンブリー。
【請求項3】
前記第１ガス拡散モジュール及び前記第２ガス拡散モジュールをそれぞれ露出させるための第１及び第２ウィンドウを有し、前記第１及び第２サブガスケットモジュールと接触する第１弾性ガスケットと、前記第３ガス拡散モジュール及び前記第４ガス拡散モジュールをそれぞれ露出させるための第３及び第４ウィンドウを有し、前記第３及び第４サブガスケットモジュールと接触する第２弾性ガスケットと、
をさらに含む、請求項２に記載の膜電極アセンブリー。
【請求項4】
前記第１弾性ガスケットは、前記第１及び第２ウィンドウの間の第１境界領域（ｂｏｕｎｄａｒｙ ｒｅｇｉｏｎ）を含み、前記第１境界領域は、前記第１及び第２アセンブリーモジュールの間のギャップを通してのガス漏出を防止するように、前記第１及び第２サブガスケットモジュールの両者と接触し、前記第２弾性ガスケットは、前記第３及び第４ウィンドウの間の第２境界領域を含み、前記第２境界領域は、前記第１及び第２アセンブリーモジュールの間のギャップを通してのガス漏出を防止するように、前記第３及び第４サブガスケットモジュールの両者と接触し、
前記第１境界領域は、前記第１及び第２サブガスケットモジュールと接触する面の反対面に前記第１及び第２ウィンドウを流体連通させる多数の第１溝（ｇｒｏｏｖｅｓ）を有し、
前記第２境界領域は、前記第３及び第４サブガスケットモジュールと接触する面の反対面に前記第３及び第４ウィンドウを流体連通させる多数の第２溝を有する、請求項３に記載の膜電極アセンブリー。
【請求項5】
前記第１弾性ガスケットは、前記第１及び第２ウィンドウの間の第１境界領域を含み、前記第１境界領域は、前記第１及び第２アセンブリーモジュールの間のギャップを通してのガス漏出を防止するように、前記第１及び第２サブガスケットモジュールの両者と接触し、前記第２弾性ガスケットは、前記第３及び第４ウィンドウの間の第２境界領域を含み、前記第２境界領域は、前記第１及び第２アセンブリーモジュールの間のギャップを通してのガス漏出を防止するように、前記第３及び第４サブガスケットモジュールの両者と接触し、
前記第１境界領域は、前記第１及び第２サブガスケットモジュールと接触する第１非多孔性弾性層（ｎｏｎｐｏｒｏｕｓ ｅｌａｓｔｉｃ ｌａｙｅｒ）、及び前記第１非多孔性弾性層上の第１多孔性弾性層（ｐｏｒｏｕｓ ｅｌａｓｔｉｃ ｌａｙｅｒ）を含み、 前記第２境界領域は、前記第３及び第４サブガスケットモジュールと接触する第２非多孔性弾性層、及び前記第２非多孔性弾性層上の第２多孔性弾性層を含む、請求項３に記載の膜電極アセンブリー。
【請求項6】
電解質膜の第１面上に第１電極を形成する段階と、前記第１面の反対側の前記電解質膜の第２面上に第２電極を形成する段階と、を含み、
前記第１電極は、互いに分離可能な第１及び第２電極モジュールを含む、膜電極アセンブリーの製造方法であって、
前記第２電極は、互いに分離可能な第３及び第４電極モジュールを含み、
前記電解質膜は、互いに分離可能な第１及び第２膜モジュールを含み、前記第１膜モジュールは、前記第１及び第３電極モジュールと接触する活性領域、及び前記活性領域を取り囲む非活性領域を有し、前記第２膜モジュールは、前記第２及び第４電極モジュールと接触する活性領域、及び前記活性領域を取り囲む非活性領域を有し、
前記第１電極形成段階は、
前記第１膜モジュールの第１面上に前記第１電極モジュールを形成する段階と、
前記第２膜モジュールの第１面上に前記第２電極モジュールを形成する段階と、を含み、
前記第２電極形成段階は、
前記第１膜モジュールの第２面上に前記第３電極モジュールを形成する段階と、
前記第２膜モジュールの第２面上に前記第４電極モジュールを形成する段階と、を含み、
前記方法は、更に、
前記第１電極モジュール、前記第３電極モジュール、前記第１及び第３電極モジュールの間の前記第１膜モジュール及び第１及び第３サブガスケットモジュールを有する第１アセンブリーモジュールを得るために、前記第１及び第３電極モジュールをそれぞれ取り囲む第１及び第３サブガスケットモジュールを前記第１膜モジュールの前記非活性領域に形成する段階と、
前記第２電極モジュール、前記第４電極モジュール、前記第２及び第４電極モジュールの間の前記第２膜モジュール及び第２及び第４サブガスケットモジュールを有する第２アセンブリーモジュールを得るために、前記第２及び第４電極モジュールをそれぞれ取り囲む第２及び第４サブガスケットモジュールを前記第２膜モジュールの前記非活性領域に形成する段階と、
第１アセンブリーモジュールと第２アセンブリーモジュールとを互いに隣接して配列する段階をさらに含む、膜電極アセンブリーの製造方法。
【請求項7】
前記第１アッセンブリーモジュールは、第１及び第３ガス拡散モジュールを有し、前記第２アッセンブリーモジュールは、更に、第２及び第４ガス拡散モジュールを有し、
前記第１及び第２アッセンブリーモジュールを配列する前に、
前記第１アセンブリーモジュールを得るために、前記第１及び第３電極モジュール上に前記第１及び第３ガス拡散モジュールをそれぞれ形成し、
前記第２アセンブリーモジュールを得るために、前記第２及び第４電極モジュール上に前記第２及び第４ガス拡散モジュールをそれぞれ形成する、
請求項６に記載の膜電極アセンブリーの製造方法。
【請求項8】
前記第１アセンブリーモジュールと第２アセンブリーモジュールとを互いに隣接して配列する段階の後、前記第１ガス拡散モジュール及び前記第２ガス拡散モジュールをそれぞれ露出させるための第１及び第２ウィンドウを有する第１弾性ガスケットを前記第１及び第２サブガスケットモジュール上に形成する段階と、
前記第３ガス拡散モジュール及び前記第４ガス拡散モジュールをそれぞれ露出させるための第３及び第４ウィンドウを有する第２弾性ガスケットを前記第３及び第４サブガスケットモジュール上に形成する段階と、
をさらに含む、請求項７に記載の膜電極アセンブリーの製造方法。
【請求項9】
前記第１弾性ガスケットは、前記第１及び第２ウィンドウの間の第１境界領域を含み、前記第１境界領域は、前記第１及び第２アセンブリーモジュールの間のギャップを通してのガス漏出を防止するように、前記第１及び第２サブガスケットモジュールの両者と接触し、前記第２弾性ガスケットは、前記第３及び第４ウィンドウの間の第２境界領域を含み、
前記第２境界領域は、前記第１及び第２アセンブリーモジュールの間のギャップを通してのガス漏出を防止するように、前記第３及び第４サブガスケットモジュールの両者と接触し、
前記第１境界領域は、（ｉ）前記第１及び第２サブガスケットモジュールと接触する面の反対面に前記第１及び第２ウィンドウを流体連通させる多数の第１溝を有する流路構造（ｆｌｏｗ ｐａｔｈ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）、または（ｉｉ）前記第１及び第２サブガスケットモジュールと接触する第１非多孔性弾性層、及び前記第１非多孔性弾性層上の第１多孔性弾性層を含む二重層構造（ｄｏｕｂｌｅ ｌａｙｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を有し、
前記第２境界領域は、（ｉ）前記第３及び第４サブガスケットモジュールと接触する面の反対面に前記第３及び第４ウィンドウを流体連通させる多数の第２溝を有する流路構造、または（ｉｉ）前記第３及び第４サブガスケットモジュールと接触する第２非多孔性弾性層、及び前記第２非多孔性弾性層上の第２多孔性弾性層を含む二重層構造を有する、請求項８に記載の膜電極アセンブリーの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は膜電極アセンブリー及びそれを含む燃料電池に関するものであり、より詳しくは、電極が劣化脆弱部分とその残りの部分とにモジュール化することで、劣化したモジュールの交替によって簡便に修理することができ、維持補修のための時間及び費用を節減することができる膜電極アセンブリー及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
膜電極アセンブリー（Ｍｅｍｂｒａｎｅ－Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）とセパレーター（ｓｅｐａｒａｔｏｒ）［「バイポーラプレート（ｂｉｐｏｌａｒ ｐｌａｔｅ）」ともいう］からなる単位セル（ｕｎｉ ｔｃｅｌｌ）の積層構造を用いて電気を発生させる高分子電解質膜燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＰＥＭＦＣ）は高いエネルギー効率性及び環境に優しい特徴によって、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】
前記膜電極アセンブリーは、一般的に、アノード（ａｎｏｄｅ）（「燃料極」ともいう）、カソード（ｃａｔｈｏｄｅ）（「空気極」ともいう）、及びこれらの間の高分子電解質膜（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ：ＰＥＭ）を含む。
【0004】
水素ガスのような燃料がアノードに供給されれば、アノードでは水素の酸化反応によって水素イオン（Ｈ＋）及び電子（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（ＰＥＭ）を介してカソードに伝達され、生成された電子は外部回路を介してカソードに伝達される。カソードに供給される空気中の酸素が前記水素イオン及び前記電子と結合して還元することによって水が生成される。
【0005】
一般に、燃料電池の長時間運転による電極の劣化は電極の全領域にわたって発生するよりは、特定の部分（等）（例えば、ガスの流入口／排出口に対応する部分：以下、「劣化脆弱部分」）で主に発生する。よって、燃料電池の長時間運転によって劣化脆弱部分が劣化する場合、その残りの部分が電極として正常に機能することができるにもかかわらず、電極全体または膜電極アセンブリー全体を廃棄または交替することが要求される。これは、膜電極アセンブリーの維持補修のための時間及び費用を増加させるだけでなく、資源の浪費をもたらす。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
したがって、本発明はこのような関連技術の制限及び欠点に起因した問題点を防止することができる膜電極アセンブリー及びその製造方法に関するものである。
【0007】
本発明の一観点は、電極が劣化脆弱部分とその残りの部分とにモジュール化することで、劣化したモジュールの交替によって簡便に修理することができ、維持補修のための時間及び費用を節減することができる膜電極アセンブリーを提供することである。
【0008】
本発明の他の観点は、電極が劣化脆弱部分とその残りの部分とにモジュール化することで、劣化したモジュールの交替によって簡便に修理することができ、維持補修のための時間及び費用を節減することができる膜電極アセンブリーを製造する方法を提供することである。
【0009】
以上で言及した本発明の観点の他にも、本発明の他の特徴及び利点が以下で説明され、そのような説明から本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者に明確に理解可能であろう。
【課題を解決するための手段】
【0010】
このような本発明の一観点によって、第１電極と、第２電極と、前記第１及び第２電極の間の電解質膜と、を含み、前記第１電極は互いに分離可能な第１及び第２電極モジュールを含む、膜電極アセンブリーが提供される。
【0011】
前記第１及び第２電極モジュールは互いに接触しており、前記第１及び第２電極モジュールの間の溝（ｇｒｏｏｖｅ）、前記第１及び第２電極モジュールの間の色相差、及び前記第１及び第２電極モジュールの間の構造差からなる群から選択される少なくとも一つに起因する可視的境界（ｖｉｓｉｂｌｅ ｂｏｕｎｄａｒｙ）が前記第１及び第２電極モジュールの間に存在することができる。
【0012】
前記第１及び第２電極モジュールは互いに離隔しており、前記第１及び第２電極モジュールの間の間隔（ｉｎｔｅｒｖａｌ）に起因する可視的境界が前記第１及び第２電極モジュールの間に存在することができる。
【0013】
前記膜電極アセンブリーは、第１ガス拡散層をさらに含み、前記第１ガス拡散層は、前記第１電極が前記第１ガス拡散層と前記電解質膜との間に位置するように配置され、前記第１ガス拡散層は、前記第１電極モジュールに付着されている第１ガス拡散モジュール、及び前記第２電極モジュールに付着されている第２ガス拡散モジュールを含み、前記第１及び第２ガス拡散モジュールは互いに分離可能である。
【0014】
代案として、前記膜電極アセンブリーは、第１ガス拡散層をさらに含み、前記第１ガス拡散層は、前記第１電極が前記第１ガス拡散層と前記電解質膜との間に位置するように配置され、前記膜電極アセンブリーは、前記第１及び第２電極モジュールのうちのいずれか一つと前記第１ガス拡散層との間に接着層（ａｄｈｅｓｉｖｅ ｌａｙｅｒ）をさらに含むことができる。
【0015】
前記電解質膜は、互いに分離可能な第１及び第２膜モジュールを含み、前記第２電極は、互いに分離可能な第３及び第４電極モジュールを含み、前記膜電極アセンブリーは、互いに分離可能な第１及び第２アセンブリーモジュールを含み、前記第１アセンブリーモジュールは、前記第１電極モジュール、前記第３電極モジュール、及び前記第１及び第３電極モジュールの間の前記第１膜モジュールを含み、前記第２アセンブリーモジュールは、前記第２電極モジュール、前記第４電極モジュール、及び前記第２及び第４電極モジュールの間の前記第２膜モジュールを含むことができる。
【0016】
前記第１膜モジュールは、前記第１及び第３電極モジュールと接触する活性領域、及び前記活性領域を取り囲む非活性領域を有し、前記第２膜モジュールは、前記第２及び第４電極モジュールと接触する活性領域、及び前記活性領域を取り囲む非活性領域を有し、前記第１アセンブリーモジュールは、前記第１膜モジュールの前記非活性領域に配置されて前記第１及び第３電極モジュールをそれぞれ取り囲む第１及び第３サブガスケットモジュールをさらに含み、前記第２アセンブリーモジュールは、前記第２膜モジュールの前記非活性領域に配置されて前記第２及び第４電極モジュールをそれぞれ取り囲む第２及び第４サブガスケットモジュールをさらに含むことができる。
【0017】
前記第１アセンブリーモジュールは、前記第１電極モジュールを覆う第１ガス拡散モジュール、及び前記第３電極モジュールを覆う第３ガス拡散モジュールを含み、前記第１電極モジュールは前記第１膜モジュールと前記第１ガス拡散モジュールとの間に配置され、前記第３電極モジュールは前記第１膜モジュールと前記第３ガス拡散モジュールとの間に配置され、前記第２アセンブリーモジュールは、前記第２電極モジュールを覆う第２ガス拡散モジュール、及び前記第４電極モジュールを覆う第４ガス拡散モジュールを含み、前記第２電極モジュールは前記第２膜モジュールと前記第２ガス拡散モジュールとの間に配置され、前記第４電極モジュールは前記第２膜モジュールと前記第４ガス拡散モジュールとの間に配置させることができる。
【0018】
前記膜電極アセンブリーは、前記第１ガス拡散モジュール及び前記第２ガス拡散モジュールをそれぞれ露出させるための第１及び第２ウィンドウを有し、前記第１及び第２サブガスケットモジュールと接触する第１弾性ガスケットと、前記第３ガス拡散モジュール及び前記第４ガス拡散モジュールをそれぞれ露出させるための第３及び第４ウィンドウを有し、前記第３及び第４サブガスケットモジュールと接触する第２弾性ガスケットと、をさらに含むことができる。
【0019】
前記第１弾性ガスケットは、前記第１及び第２ウィンドウの間の第１境界領域（ｂｏｕｎｄａｒｙ ｒｅｇｉｏｎ）を含み、前記第１境界領域は、前記第１及び第２アセンブリーモジュールの間のギャップを通してのガス漏出を防止するように、前記第１及び第２サブガスケットモジュールの両者と接触し、前記第２弾性ガスケットは、前記第３及び第４ウィンドウの間の第２境界領域を含み、前記第２境界領域は、前記第１及び第２アセンブリーモジュールの間のギャップを通してのガス漏出を防止するように、前記第３及び第４サブガスケットモジュールの両者と接触し、前記第１境界領域は、前記第１及び第２サブガスケットモジュールと接触する面の反対面に前記第１及び第２ウィンドウを流体連通させる多数の第１溝（ｇｒｏｏｖｅｓ）を有し、前記第２境界領域は、前記第３及び第４サブガスケットモジュールと接触する面の反対面に前記第３及び第４ウィンドウを流体連通させる多数の第２溝を有することができる。
【0020】
代案として、前記第１弾性ガスケットは、前記第１及び第２ウィンドウの間の第１境界領域を含み、前記第１境界領域は、前記第１及び第２アセンブリーモジュールの間のギャップを通してのガス漏出を防止するように、前記第１及び第２サブガスケットモジュールの両者と接触し、前記第２弾性ガスケットは、前記第３及び第４ウィンドウの間の第２境界領域を含み、前記第２境界領域は、前記第１及び第２アセンブリーモジュールの間のギャップを通してのガス漏出を防止するように、前記第３及び第４サブガスケットモジュールの両者と接触し、前記第１境界領域は、前記第１及び第２サブガスケットモジュールと接触する第１非多孔性弾性層（ｎｏｎｐｏｒｏｕｓ ｅｌａｓｔｉｃ ｌａｙｅｒ）、及び前記第１非多孔性弾性層上の第１多孔性弾性層（ｐｏｒｏｕｓ ｅｌａｓｔｉｃ ｌａｙｅｒ）を含み、前記第２境界領域は、前記第３及び第４サブガスケットモジュールと接触する第２非多孔性弾性層、及び前記第２非多孔性弾性層上の第２多孔性弾性層を含むことができる。
【0021】
本発明の他の観点によれば、電解質膜の第１面上に第１電極を形成する段階と、前記第１面の反対側の前記電解質膜の第２面上に第２電極を形成する段階と、を含み、前記第１電極は、互いに分離可能な第１及び第２電極モジュールを含む、膜電極アセンブリーの製造方法が提供される。
【0022】
前記方法は、前記第１電極上に第１ガス拡散層を形成する段階をさらに含むことができる。
【0023】
前記第１ガス拡散層形成段階は、前記第１電極モジュール上に第１ガス拡散モジュールを形成する段階と、前記第２電極モジュール上に第２ガス拡散モジュールを形成する段階と、を含み、前記第１及び第２ガス拡散モジュールは互いに分離可能に形成されることができる。
【0024】
前記方法は、前記第１ガス拡散層を形成する直前、前記第１及び第２電極モジュールのうちのいずれか一方にのみ接着剤を加える段階をさらに含むことができる。
【0025】
前記電解質膜は、互いに分離可能な第１及び第２膜モジュールを含み、前記第２電極は、互いに分離可能な第３及び第４電極モジュールを含み、前記第１電極形成段階は、前記第１膜モジュールの前記第１面上に前記第１電極モジュールを形成する段階と、前記第２膜モジュールの前記第１面上に前記第２電極モジュールを形成する段階と、を含み、前記第２電極形成段階は、前記第１膜モジュールの前記第２面上に前記第３電極モジュールを形成する段階と、前記第２膜モジュールの前記第２面上に前記第４電極モジュールを形成する段階と、を含み、前記方法は、前記第１電極モジュール、前記第３電極モジュール、及び前記第１及び第３電極モジュールの間の前記第１膜モジュールを含む第１アセンブリーモジュールと、前記第２電極モジュール、前記第４電極モジュール、及び前記第２及び第４電極モジュールの間の前記第２膜モジュールを含む第２アセンブリーモジュールとを互いに隣接して配列する段階をさらに含むことができる。
【0026】
前記第１膜モジュールは、前記第１及び第３電極モジュールと接触する活性領域、及び前記活性領域を取り囲む非活性領域を有し、前記第２膜モジュールは、前記第２及び第４電極モジュールと接触する活性領域、及び前記活性領域を取り囲む非活性領域を有し、前記方法は、前記配列段階に先立ち、前記第１アセンブリーモジュールを得るために、前記第１及び第３電極モジュールをそれぞれ取り囲む第１及び第３サブガスケットモジュールを前記第１膜モジュールの前記非活性領域にそれぞれ形成する段階と、前記第２アセンブリーモジュールを得るために、前記第２及び第４電極モジュールをそれぞれ取り囲む第２及び第４サブガスケットモジュールを前記第２膜モジュールの前記非活性領域にそれぞれ形成する段階と、をさらに含むことができる。
【0027】
前記方法は、前記配列段階に先立ち、前記第１アセンブリーモジュールを得るために、前記第１電極モジュール上の第１ガス拡散モジュール、及び前記第３電極モジュール上の第３ガス拡散モジュールをそれぞれ形成する段階と、前記第２アセンブリーモジュールを得るために、前記第２電極モジュール上の第２ガス拡散モジュール、及び前記第４電極モジュール上の第４ガス拡散モジュールをそれぞれ形成する段階と、をさらに含むことができる。
【0028】
前記方法は、前記配列段階の後、前記第１ガス拡散モジュール及び前記第２ガス拡散モジュールをそれぞれ露出させるための第１及び第２ウィンドウを有する第１弾性ガスケットを前記第１及び第２サブガスケットモジュール上に形成する段階と、前記第３ガス拡散モジュール及び前記第４ガス拡散モジュールをそれぞれ露出させるための第３及び第４ウィンドウを有する第２弾性ガスケットを前記第３及び第４サブガスケットモジュール上に形成する段階と、をさらに含むことができる。
【0029】
前記第１弾性ガスケットは、前記第１及び第２ウィンドウの間の第１境界領域を含み、前記第１境界領域は、前記第１及び第２アセンブリーモジュールの間のギャップを通してのガス漏出を防止するように、前記第１及び第２サブガスケットモジュールの両者と接触し、前記第２弾性ガスケットは、前記第３及び第４ウィンドウの間の第２境界領域を含み、前記第２境界領域は、前記第１及び第２アセンブリーモジュールの間のギャップを通してのガス漏出を防止するように、前記第３及び第４サブガスケットモジュールの両者と接触し、前記第１境界領域は、（ｉ）前記第１及び第２サブガスケットモジュールと接触する面の反対面に前記第１及び第２ウィンドウを流体連通させる多数の第１溝を有する流路構造（ｆｌｏｗ ｐａｔｈ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）、または（ｉｉ）前記第１及び第２サブガスケットモジュールと接触する第１非多孔性弾性層、及び前記第１非多孔性弾性層上の第１多孔性弾性層を含む二重層構造（ｄｏｕｂｌｅ ｌａｙｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を有し、前記第２境界領域は、（ｉ）前記第３及び第４サブガスケットモジュールと接触する面の反対面に前記第３及び第４ウィンドウを流体連通させる多数の第２溝を有する流路構造、または（ｉｉ）前記第３及び第４サブガスケットモジュールと接触する第２非多孔性弾性層、及び前記第２非多孔性弾性層上の第２多孔性弾性層を含む二重層構造を有することができる。
【0030】
このような本発明についての一般的叙述は本発明を例示するか説明するためのものであるだけで、本発明の権利範囲を限定しない。
【発明の効果】
【0031】
本発明によれば、膜電極アセンブリーの電極が劣化脆弱部分とその残りの部分とにモジュール化している。よって、燃料電池の長時間運転によって前記劣化脆弱部分が前記残りの部分より先に劣化する場合、電極全体（または膜電極アセンブリー全体）を廃棄または交替する必要なしに、劣化した部分（すなわち、劣化したモジュール）のみを新しいモジュールに交替することができる。したがって、本発明によれば、膜電極アセンブリーの維持補修のための時間及び費用をかなり節減することができ、膜電極アセンブリーの寿命を延ばすことができる。
【0032】
また、本発明によれば、劣化したモジュールのみを交替し、電極の残りの部分（すなわち、非劣化モジュール）はずっと活用することができるので、資源浪費を最小化することができる。
【図面の簡単な説明】
【0033】
添付図面は本発明の理解を手助けして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。
【0034】
【0035】
【図2】本発明の一実施例による膜電極アセンブリーの断面図である。
【0036】
【図3】本発明の他の実施例による膜電極アセンブリーの断面図である。
【0037】
【図4】本発明のさらに他の実施例による膜電極アセンブリーの断面図である。
【0038】
【図5】本発明の一実施例による燃料電池の断面図である。
【0039】
【図6】本発明の他の実施例による燃料電池の断面図である。
【0040】
【図7】本発明の一実施例によるセパレーターの流動チャネルを示す図である。
【0041】
【0042】
【図9】本発明の他の実施例による膜電極アセンブリーの断面図である。
【0043】
【図10(a)】本発明の一実施例による弾性ガスケットの平面図である。
【0044】
【0045】
【0046】
【0047】
【0048】
【0049】
【発明を実施するための形態】
【0050】
以下では添付図面を参照し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、本発明の範囲を制限しない。
【0051】
図１の（ａ）及び（ｂ）は本発明の一実施例による膜電極アセンブリー１１００の平面図及び断面図である。
【0052】
図１に例示するように、本発明の膜電極アセンブリー１１００は、第１電極１１１０、第２電極１１２０、及び前記第１及び第２電極１１１０、１１２０の間の電解質膜１１３０を含む。
【0053】
前記電解質膜１１３０は、（ｉ）アイオノマーから形成された単一膜タイプ（ｓｉｎｇｌｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｔｙｐｅ）の高分子電解質膜、または（ｉｉ）アイオノマーで含浸された多孔性支持体を含む強化複合膜タイプ（ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｔｙｐｅ）の高分子電解質膜であり得る。
【0054】
両タイプの電解質膜１１３０において、前記アイオノマーは、フッ素系アイオノマーまたは炭化水素系アイオノマーであることができ、スルホン酸基、カルボキシル基、ボロン酸基、リン酸基、イミド基、スルホンイミド基、スルホンアミド基、及びスルホン酸フルオライド基からなる群から選択される１種以上のイオン交換基を有することができる。
【0055】
例えば、前記アイオノマーは、ポリ（ペルフルオロスルホン酸）、ポリ（ペルフルオロカルボン酸）などのようなフッ素系アイオノマーであり得る。
【0056】
代案として、前記アイオノマーは、スルホン化ポリイミド（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ：Ｓ－ＰＩ）、スルホン化ポリアリールエーテルスルホン（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙａｒｙｌｅｔｈｅｒｓｕｌｆｏｎｅ：Ｓ－ＰＡＥＳ）、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｅｔｈｅｒｋｅｔｏｎｅ：ＳＰＥＥＫ）、スルホン化ポリベンズイミダゾール（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙｂｅｎｚｉｍｉｄａｚｏｌｅ：ＳＰＢＩ）、スルホン化ポリスルホン（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙｓｕｌｆｏｎｅ：Ｓ－ＰＳＵ）、スルホン化ポリスチレン（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ：Ｓ－ＰＳ）、スルホン化ポリホスファゼン（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙｐｈｏｓｐｈａｚｅｎｅ）、スルホン化ポリキノキサリン（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙｑｕｉｎｏｘａｌｉｎｅ）、スルホン化ポリケトン（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙｋｅｔｏｎｅ）、スルホン化ポリフェニレンオキサイド（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅ ｏｘｉｄｅ）、スルホン化ポリエーテルスルホン（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙｅｔｈｅｒ ｓｕｌｆｏｎｅ）、スルホン化ポリエーテルケトン（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙｅｔｈｅｒ ｋｅｔｏｎｅ）、スルホン化ポリフェニレンスルホン（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅ ｓｕｌｆｏｎｅ）、スルホン化ポリフェニレンスルフィド（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅ ｓｕｌｆｉｄｅ）、スルホン化ポリフェニレンスルフィドスルホン（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅ ｓｕｌｆｉｄｅ ｓｕｌｆｏｎｅ）、スルホン化ポリフェニレンスルフィドスルホンニトリル（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅ ｓｕｌｆｉｄｅ ｓｕｌｆｏｎｅ ｎｉｔｒｉｌｅ）、スルホン化ポリアリーレンエーテル（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙａｒｙｌｅｎｅ ｅｔｈｅｒ）、スルホン化ポリアリーレンエーテルニトリル（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙａｒｙｌｅｎｅ ｅｔｈｅｒ ｎｉｔｒｉｌｅ）、スルホン化ポリアリーレンエーテルエーテルニトリル（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙａｒｙｌｅｎｅ ｅｔｈｅｒ ｅｔｈｅｒ ｎｉｔｒｉｌｅ）、ポリアリーレンエーテルスルホンケトン（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙａｒｙｌｅｎｅ ｅｔｈｅｒ ｓｕｌｆｏｎｅ ｋｅｔｏｎｅ）などのような炭化水素系アイオノマーであり得る。
【0057】
強化複合膜タイプの電解質膜１１３０に使用可能な多孔性支持体はポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）から形成されるか、テトラフルオロエチレンとＣＦ２＝ＣＦＣｎＦ２ｎ＋１（ｎは１～５の実数）またはＣＦ２＝ＣＦＯ－（ＣＦ２ＣＦ（ＣＦ３）Ｏ）ｍＣｎＦ２ｎ＋１（ｍは０～１５の実数、ｎは１～１５の実数）との共重合体から形成されることができる。例えば、ＰＴＦＥを潤滑剤の存在の下でテープ上に押出し成形した後、延伸工程及び熱処理工程を遂行することで、延伸フィルム（ｅｘｐａｎｄｅｄｆｉｌｍ）形態のｅ－ＰＴＦＥ多孔性支持体を形成することができる。前記熱処理工程の後に追加の延伸工程及び熱処理工程をさらに遂行することもできる。前記延伸及び熱処理工程を制御することで、多様な微細構造のｅ－ＰＴＦＥ多孔性支持体を形成することができる。例えば、前記ｅ－ＰＴＦＥ多孔性支持体は、フィブリル（ｆｉｂｒｉｌｓ）によってノード（ｎｏｄｅｓ）が互いに連結された微細構造またはフィブリルのみからなった微細構造を有することができる。
【0058】
代案として、前記多孔性支持体は不織ウェブ（ｎｏｎｗｏｖｅｎ ｗｅｂ）であり得る。前記不織ウェブは、ポリオレフィン（例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレンなど）、ポリエステル（例えば、ＰＥＴ、ＰＢＴなど）、ポリアミド（例えば、ナイロン－６、ナイロン－６，６、アラミドなど）、ポリアミン酸（ウェブから成形された後、イミド化工程によってポリイミドに変換される）、ポリウレタン、ポリブテン、ポリ乳酸、ポリビニルアルコール、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリスルホン、流体結晶質重合体、ポリエチレン－コ－ビニルアセテート、ポリアクリロニトリル、環状ポリオレフィン、ポリオキシメチレン、及びポリオレフィン系熱可塑性弾性重合体からなる群から選択される１種以上の炭化水素系高分子を含む支持体形成液から形成されることができる。
【0059】
前記不織ウェブは、湿式堆積法（ｗｅｔ－ｌａｙｉｎｇ）、電界放射法（ｅｌｅｃｔｒｏｓｐｉｎｎｉｎｇ）、カーディング法（ｃａｒｄｉｎｇ）、ガーネッティング法（ｇａｒｎｅｔｉｎｇ）、エアレイング法（ａｉｒ－ｌａｙｉｎｇ）、メルトブロイング法（ｍｅｌｔ ｂｌｏｗｉｎｇ）、スパンボンド法（ｓｐｕｎｂｏｎｄｉｎｇ）、ステッチボンド法（ｓｔｉｔｃｈ ｂｏｎｄｉｎｇ）からなる群から選択される一方法によって製造することができる。
【0060】
前記第１及び第２電極１１１０、１１２０のそれぞれは、触媒、アイオノマー、及び分散媒を含む触媒スラリーを用いデカール転写（ｄｅｃａｌ ｔｒａｎｓｆｅｒ）方式または直接コーティング方式で前記電解質膜１１３０の第１面及びその反対側の第２面上にそれぞれ形成されることができる。
【0061】
触媒の活性表面積を増加させるための努力の一環として、電気伝導性を有する担体（ｓｕｐｐｏｒｔ）上に金属粒子（ｍｅｔａｌ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ）が分散されている触媒が一般的に使われる。
【0062】
前記担体は、（ｉ）炭素系担体、（ｉｉ）スズ酸化物、チタニア、ジルコニア、アルミナ、シリカ、及びセリアのような伝導性無機酸化物担体、または（ｉｉｉ）ゼオライト担体であり得る。
【0063】
前記炭素系担体は、結晶性炭素系担体または非結晶性炭素系担体であり得る。
【0064】
具体的には、前記炭素系担体は、黒鉛化または非黒鉛質カーボンブラック（ｇｒａｐｈｉｔｉｚｅｄ ｏｒ ｎｏｎ－ｇｒａｐｈｉｔｉｃ ｃａｒｂｏｎ ｂｌａｃｋ）、活性炭（ａｃｔｉｖａｔｅｄ ｃａｒｂｏｎ）、安定化炭素（ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ ｃａｒｂｏｎ）、炭素球体（ｃａｒｂｏｎ ｓｐｈｅｒｅ）、炭素纎維（ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ）、炭素シート（ｃａｒｂｏｎ ｓｈｅｅｔ）、炭素リボン（ｃａｒｂｏｎ ｒｉｂｂｏｎ）、フラーレン（ｆｕｌｌｅｒｅｎｅ）、炭素ナノチューブ（ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ：ＣＮＴ）、炭素ナノ纎維（ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｆｉｂｅｒ）、炭素ナノワイヤ（ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｗｉｒｅ）、炭素ナノボール（ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｂａｌｌ）、炭素ナノホーン（ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｈｏｒｎ）、炭素ナノケージ（ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｃａｇｅ）、炭素ナノリング（ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｒｉｎｇ）、炭素エーロゲル（ｃａｒｂｏｎ ａｅｒｏｇｅｌ）、グラフェン（ｇｒａｐｈｅｎｅ）、規則性多孔性炭素（ｏｒｄｅｒｅｄ ｐｏｒｏｕｓ ｃａｒｂｏｎ）、メソ多孔性炭素（ｍｅｓｏｐｏｒｏｕｓ ｃａｒｂｏｎ）、ナノプーラス炭素（ｎａｎｏｐｏｒｏｕｓ ｃａｒｂｏｎ）、またはこれらの中で２種以上の組合せであり得る。
【0065】
ここで使用される用語「黒鉛化または非黒鉛質カーボンブラック」は黒鉛化または非黒鉛質ケッチェンブラック（ｇｒａｐｈｉｔｉｚｅｄ ｏｒ ｎｏｎ－ｇｒａｐｈｉｔｉｃ Ｋｅｔｊｅｎ Ｂｌａｃｋ）、黒鉛化または非黒鉛質デンカブラック（ｇｒａｐｈｉｔｉｚｅｄ ｏｒ ｎｏｎ－ｇｒａｐｈｉｔｉｃ Ｄｅｎｋａ ｂｌａｃｋ）、黒鉛化または非黒鉛質アセチレンブラック（ｇｒａｐｈｉｔｉｚｅｄ ｏｒ ｎｏｎ－ｇｒａｐｈｉｔｉｃ ａｃｅｔｙｌｅｎｅ ｂｌａｃｋ）などを全部含む概念である。
【0066】
黒鉛化カーボンブラック、炭素ナノチューブ、炭素ナノ繊維などは結晶性炭素系担体に分類することができ、非黒鉛質カーボンブラックは非結晶性炭素系担体に分類することができる。
【0067】
前記金属粒子は白金（Ｐｔ）粒子または白金系合金粒子であり得る。前記白金系合金は、Ｐｔ－Ｃｏ、Ｐｔ－Ｃｒ、Ｐｔ－Ｆｅ、Ｐｔ－Ｍｎ、Ｐｔ－Ｍｏ、Ｐｔ－Ｎｉ、Ｐｔ－Ｐｄ、Ｐｔ－Ｒｕ、Ｐｔ－Ｓｎ、Ｐｔ－Ｗ、Ｐｔ－Ａｕ－Ｃｏ、Ｐｔ－Ａｕ－Ｆｅ、Ｐｔ－Ａｕ－Ｎｉ、Ｐｔ－Ｃｏ－Ｆｅ、Ｐｔ－Ｃｏ－Ｉｒ、Ｐｔ－Ｃｏ－Ｍｎ、Ｐｔ－Ｃｏ－Ｎｉ、Ｐｔ－Ｃｏ－Ｐ、Ｐｔ－Ｃｏ－Ｓ、Ｐｔ－Ｃｒ－Ｉｒ、Ｐｔ－Ｆｅ－Ｉｒ、Ｐｔ－Ｆｅ－Ｐ、Ｐｔ－Ｆｅ－Ｓ、Ｐｔ－Ｎｉ－Ｉｒ、Ｐｔ－Ｒｕ－Ｉｒ、Ｐｔ－Ｒｕ－Ｍｏ、Ｐｔ－Ｒｕ－Ｎｉ、Ｐｔ－Ｒｕ－Ｗ、Ｐｔ－Ｒｕ－Ｉｒ－Ｎｉ、Ｐｔ－Ｒｕ－Ｒｈ－Ｎｉ、またはＰｔ－Ｒｕ－Ｓｎ－Ｗであり得る。
【0068】
前記触媒とともに前記分散媒に分散されるアイオノマーは水素イオン伝達のためのものであり、前記第１及び第２電極１１１０、１１２０と前記電解質膜１１３０との間の接着力向上のためのバインダーとしての機能も果たす。
【0069】
前記電解質膜１１３０の形成に使用可能な上述したアイオノマーを前記第１及び第２電極１１１０、１１２０の形成にも使うことができる。前記電解質膜１１３０のアイオノマーと前記第１及び第２電極１１１０、１１２０のアイオノマーとは同種のアイオノマーであることが好ましいが、本発明がこれに限定されるものではなく、異種のアイオノマーを前記電解質膜１１３０及び前記第１及び第２電極１１１０、１１２０の製造にそれぞれ使うこともできる。
【0070】
前記触媒スラリーの分散媒は、エタノール、蒸留水、イソプロピルアルコール、ノーマルプロピルアルコール、ブタノール、またはこれらの中で２種以上の混合物であり得るが、これらに限定されるものではない。
【0071】
本発明によれば、図１に例示するように、前記第１電極１１１０は、互いに分離可能な第１及び第２電極モジュール１１１１、１１１２を含む。
【0072】
すなわち、本発明の膜電極アセンブリー１１００を製造する方法は、互いに隣接した第１及び第２領域を含む電解質膜１１３０の第１面上に第１電極１１１０を形成する段階と、前記電解質膜１１３０の第２面上に第２電極１１２０を形成する段階とを含む。また、前記第１電極１１１０の形成段階は、前記第１領域（等）上に第１電極モジュール（等）１１１１を形成する段階と、前記第２領域上に第２電極モジュール１１１２を形成する段階とを含み、前記第１及び第２電極モジュール１１１１、１１１２は互いに分離可能に形成される。
【0073】
本明細書で使う「互いに分離可能」と言う用語は、（ｉ）互いに接触している二つのもの（ｔｗｏ ｔｈｉｎｇｓ）が分離されることができるという意味はもちろんのこと、（ｉｉ）所定の間隔を間に置いて配列された二つのものがもっと遠く離れることができるという意味まで一緒に含む概念である。
【0074】
前記第１及び第２電極モジュール１１１１、１１１２は前記電解質膜１１３０の表面に平行な方向に並んで配列されることができる。
【0075】
前述したように、燃料電池の長時間運転による第１電極１１１０の劣化は前記第１電極１１１０の全領域にわたって発生するよりは、特定の部分（等）、例えばガスの流入口及び／または排出口に対応する部分（等）である劣化脆弱部分（等）で主に発生する。
【0076】
本発明によれば、膜電極アセンブリー１１００の第１電極１１１０が劣化脆弱部分（等）に対応する第１電極モジュール（等）１１１１とその残りの部分に対応する第２電極モジュール１１１２とにモジュール化しているので、燃料電池の長時間運転によって前記第１電極モジュール（等）１１１１が前記第２電極モジュール１１１２より先に劣化する場合、前記第１電極１１１０全体または膜電極アセンブリー１１００全体を廃棄または交替する必要なしに、劣化した第１電極モジュール（等）１１１１のみを新しい電極モジュールに交替することができる。したがって、本発明によれば、膜電極アセンブリー１１００の維持補修のための時間及び費用をかなり節減することができ、膜電極アセンブリー１１００の寿命を延ばすことができる。また、劣化した第１電極モジュール（等）１１１１のみを交替し、膜電極アセンブリー１１１０の残りの部分、すなわち第２電極モジュール１１１２はずっと活用することができるので、資源浪費を最小化することができる。
【0077】
本発明の一実施例によれば、前記第１電極１１１０の劣化脆弱部分（等）である前記第１電極モジュール（等）１１１１は前記第１電極１１１０の全体活性面積の５０％以下を占めることができるが、これに限定されるものではない。
【0078】
前記第１及び第２電極モジュール１１１１、１１１２にモジュール化した前記第１電極１１１０はアノードまたはカソードであり得る。
【0079】
膜電極アセンブリー１１００のアノード及びカソードのうちのいずれか一方のみがモジュール化することができるが、図１に例示するように、アノード及びカソードの両方がモジュール化することもできる。すなわち、本発明の一実施例によれば、図１に例示するように、第１電極１１１０が第１及び第２電極モジュール１１１１、１１１２にモジュール化しているだけでなく、第２電極１１２０も互いに分離可能な第３及び第４電極モジュール１１２１、１１２２にモジュール化している。
【0080】
図１には第１電極１１１０の劣化脆弱部分（等）である第１電極モジュール（等）１１１１と第２電極１１２０の劣化脆弱部分（等）である第３電極モジュール（等）１１２１とがずらし方式（ｓｔａｇｇｅｒ ｍａｎｎｅｒ）で配列された例を示しているが、本発明がこれに限定されるものではなく、前記第１電極モジュール（等）１１１１と前記第３電極モジュール（等）１１２１とがオーバーラップ方式（ｏｖｅｒｌａｐ ｍａｎｎｅｒ）で配列されることもできる。
【0081】
以下では、主に第１電極１１１０のモジュール化について説明するが、同じ内容を第２電極１１２０にも適用することができるというのが当業者は容易に理解可能であろう。
【0082】
劣化した第１電極モジュール（等）１１１１の交替の便宜性のために、前記第１及び第２電極モジュール１１１１、１１１２の間に可視的境界（ｖｉｓｉｂｌｅ ｂｏｕｎｄａｒｙ）が存在することができる。
【0083】
本発明の一実施例によれば、図２に例示するように、前記第１及び第２電極モジュール１１１１、１１１２は互いに接触していることができ、前記可視的境界は前記第１及び第２電極モジュール１１１１、１１１２の間の溝（ｇｒｏｏｖｅ）Ｇに起因するものであり得る。第２電極１１２０も互いに分離可能な第３及び第４電極モジュール１１２１、１１２２にモジュール化した場合には、前記第３及び第４電極モジュール１１２１、１１２２の間にもこれらの間の溝Ｇに起因する可視的境界が存在することができる。
【0084】
代案として（ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅｌｙ）または追加として（ａｄｄｉｔｉｏｎａｌｌｙ）、前記第１及び第２電極モジュール１１１１、１１１２は互いに接触していることができ、前記第１及び第２電極モジュール１１１１、１１１２の間の可視的境界は前記第１及び第２電極モジュール１１１１、１１１２を成す物質の差による前記第１及び第２電極モジュール１１１１、１１１２の色相差に起因することができる。すなわち、前記第１電極モジュール１１１１は第１触媒スラリーから形成されることができ、前記第２電極モジュール１１１２は第２触媒スラリーから形成されることができ、前記第１触媒スラリーは前記第２触媒スラリーと異なることができる。
【0085】
前記第１及び第２電極モジュール１１１１、１１１２が互いに異なる触媒スラリーからそれぞれ形成される理由は、第１電極１１１０の劣化脆弱部分である第１電極モジュール（等）１１１１が第２電極モジュール１１１２よりも高い耐久性を有するように形成されることで、前記第２電極モジュール１１１２の性能犠牲なしにまたは前記第１電極１１１０の性能低下を最小化しながら膜電極アセンブリー１１００全体の耐久性を向上させるためである。
【0086】
例えば、前記第１及び第２電極モジュール１１１１、１１１２は相異なる触媒を含むことで、互いに異なる耐久性を有することができる。すなわち、前記第１電極モジュール（等）１１１１は性能面では相対的にちょっと落ちるが相対的に高い耐久性を有する第１触媒を含む一方で、前記第２電極モジュール１１１２は耐久性面では相対的にちょっと落ちるが相対的に高い性能を有する第２触媒を含むことができる。
【0087】
前記第１触媒は第１担体及び前記第１担体上に分散された第１金属粒子を含むことができ、前記第２触媒は第２担体及び前記第２担体上に分散された第２金属粒子を含むことができ、前記第１及び第２触媒が互いに異なる耐久性を有するために、第１及び第２担体が互いに異なるか／異なり、第１及び第２金属粒子が互いに異なることができる。例えば、前記第１担体として結晶性炭素系担体（例えば、黒鉛化カーボンブラック、炭素ナノチューブ、炭素ナノ纎維など）または伝導性無機酸化物担体（例えば、ＳｎＯ２、ＴｉＯ２、またはこれらの混合物を含む担体など）が使われ、前記第２担体として非結晶性炭素系担体（例えば、非黒鉛質カーボンブラックなど）が使われることにより、前記第１触媒が前記第２触媒より優れた耐久性を有することができる。よって、前記第１電極モジュール（等）１１１１の耐久性が前記第２電極モジュール１１１２の耐久性より高いことができる。この場合、前記第１及び第２金属粒子として同種の金属粒子が使われるか、前記第１金属粒子が前記第２金属粒子より高い耐久性を有することができる。
【0088】
前記第１電極１１１０がアノードの場合、前記第１電極モジュール（等）１１１１は、酸素発生反応（ｏｘｙｇｅｎ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｒｅａｃｔｉｏｎ：ＯＥＲ）触媒（以下、「ＯＥＲ触媒」）及び第１水素酸化反応（ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｒｅａｃｔｉｏｎ：ＨＯＲ）触媒（以下、「第１ＨＯＲ触媒」）を含み、前記第２電極モジュール１１１２は第２水素酸化反応触媒（以下、「第２ＨＯＲ触媒」）を含むことで、前記第１電極モジュール１１１１の耐久性が前記第２電極モジュール１１１２の耐久性より高いことができる。前記第１及び第２ＨＯＲ触媒は互いに同じか異なることができる。
【0089】
前記第１及び第２ＨＯＲ触媒のそれぞれは、前述した白金（Ｐｔ）粒子または白金系合金粒子（すなわち、Ｐｔ－Ｃｏ、Ｐｔ－Ｃｒ、Ｐｔ－Ｆｅ、Ｐｔ－Ｍｎ、Ｐｔ－Ｍｏ、Ｐｔ－Ｎｉ、Ｐｔ－Ｐｄ、Ｐｔ－Ｒｕ、Ｐｔ－Ｓｎ、Ｐｔ－Ｗ、Ｐｔ－Ａｕ－Ｃｏ、Ｐｔ－Ａｕ－Ｆｅ、Ｐｔ－Ａｕ－Ｎｉ、Ｐｔ－Ｃｏ－Ｆｅ、Ｐｔ－Ｃｏ－Ｉｒ、Ｐｔ－Ｃｏ－Ｍｎ、Ｐｔ－Ｃｏ－Ｎｉ、Ｐｔ－Ｃｏ－Ｐ、Ｐｔ－Ｃｏ－Ｓ、Ｐｔ－Ｃｒ－Ｉｒ、Ｐｔ－Ｆｅ－Ｉｒ、Ｐｔ－Ｆｅ－Ｐ、Ｐｔ－Ｆｅ－Ｓ、Ｐｔ－Ｎｉ－Ｉｒ、Ｐｔ－Ｒｕ－Ｉｒ、Ｐｔ－Ｒｕ－Ｍｏ、Ｐｔ－Ｒｕ－Ｎｉ、Ｐｔ－Ｒｕ－Ｗ、Ｐｔ－Ｒｕ－Ｉｒ－Ｎｉ、Ｐｔ－Ｒｕ－Ｒｈ－Ｎｉ、またはＰｔ－Ｒｕ－Ｓｎ－Ｗ）を含むことができる。
【0090】
一般に、水素ガスが供給されるアノードで起こる反応としては、（ｉ）水素ガスの正常供給のうちにＨＯＲ触媒によって遂行される水素酸化反応と、（ｉｉ）燃料不足などの理由によって水素ガスの供給が減少または中断するときに引き起こされる炭素酸化反応（ｃａｒｂｏｎ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｒｅａｃｔｉｏｎ）がある。前記炭素酸化反応は前記ＨＯＲ触媒の炭素系担体を腐食させることにより、前記ＨＯＲ触媒の金属粒子の溶出及び／または凝集を引き起こす。前記ＯＥＲ触媒は酸素生成反応を誘導することによって前記炭素酸化反応を抑制することができる触媒であり、担体及びその上に分散された金属粒子を含む。前記ＯＥＲ触媒の担体としては、前述した炭素系担体、伝導性無機酸化物担体、またはゼオライト担体などを用いることができ、前記ＯＥＲ触媒の金属粒子は、ＩｒＯ２、ＲｕＯ２、ＩｒｘＳｎ１－ｘＯ２（ｘは０超過１未満の実数）、ＰｔＩｒ、ＩｒＲｕ、ＰｔＲｕＩｒ、またはこれらの中で２種以上の混合物を含むことができる。
【0091】
代案としてまたは追加として、前記第１及び第２電極モジュール１１１１、１１１２は相異なるアイオノマーを含むことで、互いに異なる耐久性を有することもできる。すなわち、前記第１電極モジュール（等）１１１１は相対的に高い耐久性を有する第１アイオノマーを含む一方で、前記第２電極モジュール１１１２は相対的に低い耐久性を有する第２アイオノマーを含むことができる。一般に、アイオノマーの耐久性はその測鎖（ｓｉｄｅ ｃｈａｉｎ）の長さに非常に深い関連がある。前記測鎖の長さが短いほど燃料電池の加速寿命の評価で性能減少率が小さくなることが現れた。すなわち、アイオノマーの測鎖の長さが短いほど耐久性が高くなると思われる。
【0092】
前記第１電極１１１０に加えて、前記第２電極１１２０も互いに分離可能な電極モジュール１１２１、１１２２にモジュール化した場合には、前記第３及び第４電極モジュール１１２１、１１２２の間にも上述した色相／耐久性の差に起因する可視的境界が存在することができる。
【0093】
本発明の他の実施例によれば、前記第１及び第２電極モジュール１１１１、１１１２は互いに接触していることができ、前記可視的境界は前記第１及び第２電極モジュール１１１１、１１１２の間の構造の差に起因する。
【0094】
例えば、図３に示すように、前記第１電極モジュール（等）１１１１は前記電解質膜１１３０上に順次形成された第１及び第２サブ層１１１１ａ、１１１１ｂの二重層構造（ｄｏｕｂｌｅ ｌａｙｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を有し、前記第２電極モジュール１１１２は単一層構造（ｓｉｎｇｌｅ ｌａｙｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を有する。
【0095】
前記第１電極１１１０に加えて、前記第２電極１１２０も互いに分離可能な電極モジュール１１２１、１１２２にモジュール化した場合には、前記第３電極モジュール（等）１１２１は前記電解質膜１１３０上に順次形成された第３及び第４サブ層１１２１ａ、１１２１ｂの二重層構造を有し、前記第４電極モジュール１１２２は単一層構造を有することができる。
【0096】
前記第１及び第２サブ層１１１１ａ、１１１１ｂのうちの一つが第１触媒を含み、前記第１及び第２サブ層１１１１ａ、１１１１ｂのうちの一つ及び前記第２電極モジュール１１１２が前記第１触媒に比べて相対的に低い耐久性を有する第２触媒を含むことで、前記第１電極モジュール（等）１１１１の耐久性が前記第２電極モジュール１１１２の耐久性より高いことができる。
【0097】
例えば、前述したように、前記第１触媒の第１担体として結晶性炭素系担体（例えば、黒鉛化カーボンブラック、炭素ナノチューブ、炭素ナノ纎維など）または伝導性無機酸化物担体（例えば、ＳｎＯ２、ＴｉＯ２、またはこれらの混合物を含む担体など）が使われ,前記第２触媒の第２担体として非結晶性炭素系担体（例えば、非黒鉛質カーボンブラック）が使われることにより、前記第１触媒が前記第２触媒より優れた耐久性を有することができる。
【0098】
代案として、前記第１電極１１１０が水素の酸化反応が起きるアノードの場合、前記第１触媒のために前述したＯＥＲ触媒が使われ、前記第２触媒のために前述したＨＯＲ触媒が使われることで、前記第１電極モジュール１１１１の耐久性が前記第２電極モジュール１１１２の耐久性より高いことができる。一方、前記第２電極１１２０がアノードの場合には、前記第３及び第４サブ層１１２１ａ、１１２１ｂのうちのいずれか一つがＯＥＲ触媒を含み、前記第３及び第４サブ層１１２１ａ、１１２１ｂのうちの他の一つ及び前記第４電極モジュール１１２２がＨＯＲ触媒を含むことができる。
【0099】
一方、前記第１電極１１１０が酸素の還元反応が起きるカソードの場合、前記第１電極モジュール（等）１１１１が前記第２電極モジュール１１１２より高い多孔率（ｐｏｒｏｓｉｔｙ）を有することで、前記酸素の還元反応によって生成される水が前記第２電極モジュール１１１２に比べて前記第１電極モジュール（等）１１１１からよりうまく排出させることができる。したがって、電極劣化を誘発及び／または加速させる水が相対的にうまく排出させる前記第１電極モジュール（等）１１１１が前記第２電極モジュール１１１２より高い耐久性を有する。この場合、互いに接触する前記第１及び第２電極モジュール１１１１、１１１２の間の可視的境界を引き起こす前記第１及び第２電極モジュール１１１１、１１１２の間の構造の差は多孔度の差である。前記第２電極１１２０がカソードの場合には、同じ内容を前記第２電極１１２０に適用することができる。
【0100】
代案としてまたは追加として、図４に例示するように、前記第１及び第２電極モジュール１１１１、１１１２は互いに離隔していることができ、前記可視的境界は前記第１及び第２電極モジュール１１１１、１１１２の間の間隔（ｉｎｔｅｒｖａｌ）Ｉに起因し得る。同様に、前記第３及び第４電極モジュール１１２１、１１２２も互いに離隔していることができ、前記可視的境界は前記第３及び第４電極モジュール１１２１、１１２２の間の間隔Ｉに起因し得る。
【0101】
【0102】
図５は本発明の一実施例による燃料電池１０００の断面図であり、図６は本発明の他の実施例による燃料電池１０００の断面図であり、図７は本発明の一実施例によるセパレーター１２１０の流動チャネル（ｆｌｏｗ ｃｈａｎｎｅｌ）１２１１を示す図である。
【0103】
図５に示すように、本発明の燃料電池１０００は、第１セパレーター１２１０、第２セパレーター１２２０、及び前記第１及び第２セパレーター１２１０、１２２０の間の膜電極アセンブリー１１００を含む。
【0104】
前記膜電極アセンブリー１１００の前記第１電極１１１０は前記第１セパレーター１２１０と前記電解質膜１１３０との間に配置され、前記膜電極アセンブリー１１００の前記第２電極１１２０は前記第２セパレーター１２２０と前記電解質膜１１３０との間に配置される。
【0105】
図７に示すように、前記第１セパレーター１２１０は、前記第１電極１１１０に供給される第１ガスのための第１流入口ＧＩ、前記第１ガスのための第１排出口ＧＯ、及び前記第１流入口ＧＩと前記第１排出口ＧＯとの間の第１流動チャネル（ｆｌｏｗ ｃｈａｎｎｅｌ）１２１１を含む。
【0106】
本発明の一実施例によれば、前記第１電極１１１０は互いに分離可能な第１及び第２電極モジュール１１１１、１１１２を含み、前記第１電極モジュール（等）１１１１が前記第１流入口ＧＩ及び／または前記第１排出口ＧＯに対応する劣化脆弱部分（等）である。
【0107】
同様に、前記第２セパレーター１２２０も、前記第２電極１１２０に供給される第２ガスのための第２流入口（図示せず）、前記第２ガスのための第２排出口（図示せず）、及び前記第２流入口と前記第２排出口との間の第２流動チャネル１２２１を含む。また、前記第２電極１１２０も互いに分離可能な第３及び第４電極モジュール１１２１、１１２２を含むことができ、前記第３電極モジュール（等）１１２１が前記第２セパレーター１２２０の第２流入口（図示せず）及び／または第２排出口（図示せず）に対応する劣化脆弱部分（等）であり得る。
【0108】
このような第１電極１１１０及び／または第２電極１１２０のモジュール化によって、燃料電池１０００の長時間運転によって劣化した電極モジュール（等）のみを選択的に交替することができ、その結果、燃料電池１０００の維持補修のための時間及び費用を節減することができ、その寿命を延ばすことができる。
【0109】
図５に示すように、前記第１及び第２電極１１１０、１１２０は前記電解質膜１１３０を挟んで互いに整列されており、前記電解質膜１１３０は、前記第１及び第２電極１１１０、１１２０の間で水素イオンを伝達する活性領域と、これを取り囲む非活性領域とを有する。すなわち、前記第１電極１１１０は前記電解質膜１１３０の前記活性領域の第１面上に配置され、前記第２電極１１２０は前記電解質膜１１３０の前記活性領域の第２面上に配置される。
【0110】
図５に示すように、本発明の一実施例による燃料電池１０００は、前記電解質膜１１３０の前記非活性領域の第１面上に配置される第１サブガスケット１１６０、及び前記電解質膜１１３０の前記非活性領域の第２面上に配置される第２サブガスケット１１７０を含むことができる。
【0111】
前記第１及び第２サブガスケット１１６０、１１７０は、（ｉ）燃料電池１０００運転中の反復的膨潤及び収縮によって前記電解質膜１１３０のエッジ部分が損傷されることを防止し、（ｉｉ）前記電解質膜１１３０が極度に薄くて膜電極アセンブリー１１００の取扱性（ｈａｎｄｌｉｎｇ）が悪いという問題を改善し、（ｉｉｉ）ガス（すなわち、水素ガス及び／または空気）の漏出を防止する。
【0112】
前記第１及び第２サブガスケット１１６０、１１７０のそれぞれは電極ウィンドウ（ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｗｉｎｄｏｗ）を備えて前記第１及び第２電極１１１０、１１２０を露出させる。すなわち、前記第１サブガスケット１１６０は前記第１電極１１１０を取り囲み、前記第２サブガスケット１１７０は前記第２電極１１２０を取り囲む。
【0113】
前記第１及び第２サブガスケット１１６０、１１７０のそれぞれは、常温（ｒｏｏｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）から１２０℃までの温度範囲で良好な耐熱性及び耐化学性を有するとともに１００トルク（ｔｏｒｑｕｅ）以上の圧力に耐え、比較的低い気体透過度を有するフィルムを前記電解質膜１１３０上にラミネートすることによって形成することができる。例えば、前記第１及び第２サブガスケット１１６０、１１７０のそれぞれは、ポリイミド（ＰＩ）系化合物、ポリエチレン（ＰＥ）系化合物、ポリプロピレン（ＰＰ）系化合物、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）系化合物、フルオロ化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）系化合物、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）系化合物、またはこれらの中で２種以上の混合物を含むことができる。
【0114】
電解質膜１１３０、第１及び第２電極１１１０、１１２０、及び第１及び第２サブガスケット１１６０、１１７０を含む構造体を膜電極アセンブリーともいい、このような膜電極アセンブリーの生産性を向上させるために、ロールツーロール（ｒｏｌｌ－ｔｏ－ｒｏｌｌ）方式の連続工程を採択することができる。例えば、前記ロールツーロール連続工程は、（ｉ）連続フィルムの形態として提供される電解質膜１１３０の前記第１及び第２面上に第１電極１１１０及び第２電極１１２０をそれぞれ所定の間隔で連続的に形成してＣＣＭ（Ｃａｔａｌｙｓｔ Ｃｏａｔｅｄ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）を得る第１段階、（ｉｉ）連続的に提供されるＣＣＭの両面上に、電極ウィンドウが所定の間隔でそれぞれ形成されている第１及び第２サブガスケットフィルムをそれぞれラミネートする第２段階、及び（ｉｉｉ）このように得た積層体を切断して個別膜電極アセンブリーを形成する段階を含むことができる。
【0115】
代案として、連続フィルム形態として提供される電解質膜１１３０の第１及び第２面上に第１及び第２サブガスケットフィルムをそれぞれラミネーションする段階を先に遂行した後、前記第１及び第２サブガスケットフィルムのウィンドウを通して露出された電解質膜１１３０部分上に前記第１電極１１１０及び第２電極１１２０をそれぞれ形成することもできる。
【0116】
図５に例示するように、本発明の一実施例による燃料電池１０００は、前記第１電極１１１０と前記第１セパレーター１２１０との間の第１ガス拡散層１１４０、及び前記第２電極１１２０と前記第２セパレーター１２２０との間の第２ガス拡散層１１５０をさらに含むことができる。すなわち、本発明の膜電極アセンブリーの製造方法は、前記第１電極１１１０上に第１ガス拡散層１１４０を形成する段階と、前記第２電極１１２０上に第２ガス拡散層１１５０を形成する段階とをさらに含むことができる。
【0117】
前記電解質膜１１３０、第１及び第２電極１１１０、１１２０、第１及び第２サブガスケット１１６０、１１７０、及び前記第１及び第２ガス拡散層１１４０、１１５０から構成された構造体全体を膜電極アセンブリーということもある。したがって、本発明の膜電極アセンブリー１１００は、第１及び第２ガス拡散層１１４０、１１５０をさらに含むことができる。この膜電極アセンブリー１１００で、前記第１電極１１１０は前記第１ガス拡散層１１４０と前記電解質膜１１３０との間に位置し、前記第２電極１１２０は前記第２ガス拡散層１１５０と前記電解質膜１１３０との間に位置する。
【0118】
前記第１及び第２ガス拡散層１１４０、１１５０の主要機能は、（ｉ）ガス（すなわち、水素ガス及び／または空気）が前記第１及び第２電極１１１０、１１２０に容易にかつ均一に供給できるように、第１及び第２セパレーター１２１０、１２２０の流動チャネル１２１１、１２２１から前記第１及び第２電極１１１０、１１２０へのガス拡散経路を提供し、（ｉｉ）酸化還元反応の副産物である水が前記第１及び第２電極１１１０、１１２０の外に容易に除去できるようにすることによりフラッディング（ｆｌｏｏｄｉｎｇ）を防止し、（ｉｉｉ）その内部にある程度の水を保管することにより、前記電解質膜１１３０の含水量が急激に減少することを防止し、（ｉｖ）膜電極アセンブリー１１００に十分な機械的強度を提供することである。
【0119】
前記第１及び第２ガス拡散層１１４０、１１５０のそれぞれは炭素ペーパー（ｃａｒｂｏｎ ｐａｐｅｒ）、炭素布（ｃａｒｂｏｎ ｃｌｏｔｈ）、炭素フェルト（ｃａｒｂｏｎ ｆｅｌｔ）、炭素不織布、金属ペーパー（ｍｅｔａｌ ｐａｐｅｒ）、金属布（ｍｅｔａｌ ｃｌｏｔｈ）、金属フェルト（ｍｅｔａｌ ｆｅｌｔ）、金属不織布などのような電気伝導性多孔性部材（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｐｏｒｏｕｓ ｍｅｍｂｅｒ）であり得る。
【0120】
本発明の一実施例によれば、図５に例示するように、前記第１ガス拡散層１１４０は、前記第１電極モジュール（等）１１１１に付着されている第１ガス拡散モジュール（等）１１４１と、前記第２電極モジュール１１１２に付着されている第２ガス拡散モジュール１１４２とを含むことができ、前記第１及び第２ガス拡散モジュール１１４１、１１４２は互いに分離されることができる。すなわち、前記第１電極モジュール１１１１上に第１ガス拡散モジュール（等）１１４１を形成し、前記第２電極モジュール１１１２上に第２ガス拡散モジュール１１４２を形成し、前記第１及び第２ガス拡散モジュール１１４１、１１４２を互いに分離可能に形成することで、前記第１ガス拡散層１１４０を形成することができる。前記第１及び第２ガス拡散モジュール１１４１、１１４２は同じ物質から同じ方式でそれぞれ形成されることができるが、本発明がこれに限定されるものではなく、相異なる物質から相異なる方式でそれぞれ形成されることもできる。この実施例の場合、前記第１電極モジュール１１１１及び第１ガス拡散モジュール１１４１が一つの交替単位になることで、前記第１電極モジュール１１１１の交替の便利性を向上させることができる。
【0121】
同じ理由で、図５に例示するように、前記第２ガス拡散層１１５０も、前記第３電極モジュール（等）１１２１に付着されている第３ガス拡散モジュール（等）１１５１と、前記第４電極モジュール１１２２に付着されている第４ガス拡散モジュール１１５２とを含むことができ、前記第３及び第４ガス拡散モジュール１１５１、１１５２は互いに分離されることができる。
【0122】
代案として、前記第１ガス拡散層１１４０を前記第１及び第２ガス拡散モジュール１１４１、１１４２にモジュール化する代わりに、前記第１ガス拡散層１１４０と前記第１電極モジュール（等）１１１１との間の接着強度を前記第１ガス拡散層１１４０と前記第２電極モジュール１１１２との間の接着強度と異なるようにすることで、前記第１電極モジュール（等）１１１１の交替の便利性を向上させることもできる。
【0123】
例えば、図６に例示するように、膜電極アセンブリー１１００は、劣化脆弱部分に相当する前記第１電極モジュール（等）１１１１と前記第１ガス拡散層１１４０との間に第１接着層（等）１１８１をさらに含むことができる。すなわち、前記第１電極モジュール（等）１１１１上にのみ接着剤を加えた後、前記第１電極１１１０全体上に前記第１ガス拡散層１１４０を形成することができる。前記第１接着層１１８１によって、前記第１ガス拡散層１１４０と前記第１電極モジュール（等）１１１１との間の接着強度が前記第１ガス拡散層１１４０と前記第２電極モジュール１１１２との間の接着強度より大きい。この場合、前記第１電極モジュール（等）１１１１及び前記第１ガス拡散層１１４０の全体が一つの交替単位になることで、前記第１電極モジュール（等）１１１１の交替の便利性を向上させることができる。
【0124】
同じ理由で、図６に例示するように、膜電極アセンブリー１１００は、劣化脆弱部分に相当する前記第３電極モジュール（等）１１２１と前記第２ガス拡散層１１５０との間に第２接着層（等）１１８２をさらに含むことができる。すなわち、前記第３電極モジュール（等）１１２１上にのみ接着剤を加えた後、前記第２電極１１２０全体上に前記第２ガス拡散層１１５０を形成することができる。
【0125】
以下では、図８を参照して、本発明の他の実施例による膜電極アセンブリー及びその製造方法を具体的に説明する。
【0126】
図８の（ａ）及び（ｂ）は本発明の他の実施例による膜電極アセンブリーの平面図及び断面図である。
【0127】
図８に例示するように、本発明の他の実施例による膜電極アセンブリーは、第１電極が互いに分離可能な第１及び第２電極モジュール１１１１、１１１２を含み、電解質膜が互いに分離可能な第１及び第２膜モジュール１１３１、１１３２を含み、第２電極が互いに分離可能な第３及び第４電極モジュール１１２１、１１２２を含む。
【0128】
図１～図６に例示した実施例とは違い、図８の実施例では、第１電極の劣化脆弱部分（等）である第１電極モジュール（等）１１１１と第２電極の劣化脆弱部分（等）である第３電極モジュール（等）１１２１とがオーバーラップ方式で配列されている。よって、前記第１及び第３電極モジュール１１１１、１１２１及びこれらの間の前記第１膜モジュール１１３１は第１アセンブリーモジュール１１０１を構成し、前記第２及び第４電極モジュール１１１２、１１２２及びこれらの間の前記第２膜モジュール１１３２は第２アセンブリーモジュール１１０２を構成する。
【0129】
劣化脆弱部分（等）である前記第１及び／または第３電極モジュール（等）１１１１、１１２１が燃料電池の長時間運転によって前記第２及び第４電極モジュール１１１２、１１２２より先に劣化する場合、前記第１アセンブリーモジュール１１０１を前記第２アセンブリーモジュール１１０２から分離して新しいモジュールに交替することができる。
【0130】
前記第１及び第２アセンブリーモジュール１１０１、１１０２は別個に製作されることができる。言い換えれば、第１膜モジュール１１３１の第１面上に第１電極モジュール１１１１を形成し、前記第１面の反対側の前記第１膜モジュール１１３１の第２面上に第３電極モジュール１１２１を形成することで、前記第１アセンブリーモジュール１１０１が得られることができる。また、第２膜モジュール１１３２の第１面上に第２電極モジュール１１１２を形成し、前記第１面の反対側の前記第２膜モジュール１１３２の第２面上に第４電極モジュール１１２２を形成することで、前記第２アセンブリーモジュール１１０２が得られることができる。
【0131】
前記電極モジュール１１１１、１１１２、１１２１、１１２２の素材は前述したようである。また、前記膜モジュール１１３１、１１３２は前述した電解質膜１１３０のための素材から製造できるので、これについての具体的説明は省略する。
【0132】
このような方式で互いに別個に得られた前記第１及び第２アセンブリーモジュール１１０１、１１０２を互いに隣接して配列することで、膜電極アセンブリーを製造することができる。
【0133】
前記第１膜モジュール１１３１は、前記第１及び第３電極モジュール１１１１、１１２１と接触する活性領域及び前記活性領域を取り囲む非活性領域を有し、前記第２膜モジュール１１３２は、前記第２及び第４電極モジュール１１１２、１１２２と接触する活性領域及び前記活性領域を取り囲む非活性領域を有する。
【0134】
図８に例示するように、前記第１アセンブリーモジュール１１０１は、前記第１膜モジュール１１３１の前記非活性領域に配置されて前記第１及び第３電極モジュール１１１１、１１２１をそれぞれ取り囲む第１及び第３サブガスケットモジュール１１６１、１１７１をさらに含むことができる。これと同様に、前記第２アセンブリーモジュール１１０２は、前記第２膜モジュール１１３２の前記非活性領域に配置されて前記第２及び第４電極モジュール１１１２、１１２２をそれぞれ取り囲む第２及び第４サブガスケットモジュール１１６２、１１７２をさらに含むことができる。
【0135】
したがって、本発明の一実施例による膜電極アセンブリーの製造方法は、前記第１及び第２アセンブリーモジュール１１０１、１１０２を互いに隣接して配置するに先立ち、（ｉ）前記第１アセンブリーモジュール１１０１を得るために、前記第１及び第３電極モジュール１１１１、１１２１をそれぞれ取り囲む第１及び第３サブガスケットモジュール１１６１、１１７１を前記第１膜モジュール１１３１の前記非活性領域にそれぞれ形成する段階と、（ｉｉ）前記第２アセンブリーモジュール１１０２を得るために、前記第２及び第４電極モジュール１１１２、１１２２をそれぞれ取り囲む第２及び第４サブガスケットモジュール１１６２、１１７２を前記第２膜モジュール１１３２の前記非活性領域にそれぞれ形成する段階とをさらに含むことができる。
【0136】
前記サブガスケットモジュール１１６１、１１６２、１１７１、１１７２の機能及び素材についての説明は前記サブガスケット１１６０、１１７０に関連して先に開示した説明を適用する。
【0137】
したがって、図８の実施例は、（ｉ）電解質膜が互いに分離可能な第１及び第２膜モジュール１１３１、１１３２を含み、（ｉｉ）劣化脆弱部分（等）である第１及び第３電極モジュール１１１１、１１２１がオーバーラップ方式で配列されており、（ｉｉｉ）第１サブガスケットが互いに分離可能な第１及び第２サブガスケットモジュール１１６１、１１６２を含み、（ｉｖ）第２サブガスケットが互いに分離可能な第３及び第４サブガスケットモジュール１１７１、１１７２を含み、（V）前記第１及び第３電極モジュール１１１１、１１２１が交替されるとき、前記第１膜モジュール１１３１、前記第１サブガスケットモジュール１１６１、及び前記第３サブガスケットモジュール１１７１も一緒に交替されることができるという点で、図１～図６に例示した実施例とは違いがある。
【0138】
図９は本発明の他の実施例による膜電極アセンブリーの断面図である。
【0139】
図９に例示するように、前記第１アセンブリーモジュール１１０１は、前記第１電極モジュール１１１１を覆う第１ガス拡散モジュール１１４１及び前記第３電極モジュール１１２１を覆う第３ガス拡散モジュール１１５１をさらに含むことができ、前記第２アセンブリーモジュール１１０２は、前記第２電極モジュール１１１２を覆う第２ガス拡散モジュール１１４２及び前記第４電極モジュール１１２２を覆う第４ガス拡散モジュール１１５２をさらに含むことができる。
【0140】
前記第１電極モジュール１１１１は前記第１膜モジュール１１３１と前記第１ガス拡散モジュール１１４１との間に配置され、前記第３電極モジュール１１２１は前記第１膜モジュール１１３１と前記第３ガス拡散モジュール１１５１との間に配置され、前記第２電極モジュール１１１２は前記第２膜モジュール１１３２と前記第２ガス拡散モジュール１１４２との間に配置され、前記第４電極モジュール１１２２は前記第２膜モジュール１１３２と前記第４ガス拡散モジュール１１５２との間に配置される。
【0141】
したがって、本発明の一実施例による膜電極アセンブリーの製造方法は、前記第１及び第２アセンブリーモジュール１１０１、１１０２を互いに隣接して配列するに先立ち、（ｉ）前記第１アセンブリーモジュール１１０１を得るために、前記第１電極モジュール１１１１上の第１ガス拡散モジュール１１４１及び前記第３電極モジュール１１２１上の第３ガス拡散モジュール１１５１をそれぞれ形成する段階と、（ｉｉ）前記第２アセンブリーモジュール１１０２を得るために、前記第２電極モジュール１１１２上の第２ガス拡散モジュール１１４２及び前記第４電極モジュール１１２２上の第４ガス拡散モジュール１１５２をそれぞれ形成する段階とをさらに含むことができる。
【0142】
前記ガス拡散モジュール１１４１、１１４２、１１５１、１１５２の機能及び素材についての説明は前記ガス拡散層１１４０、１１５０に関連して先に開示した説明を適用する。
【0143】
図９の実施例によれば、劣化脆弱部分（等）である前記第１及び／または第３電極モジュール（等）１１１１、１１２１が燃料電池の長時間運転によって前記第２及び第４電極モジュール１１１２、１１２２より先に劣化する場合、前記第１アセンブリーモジュール１１０１を前記第２アセンブリーモジュール１１０２から分離して新しいモジュールに交替するとき、前記第１及び第３ガス拡散モジュール１１４１、１１５１も一緒に交替されることができる。
【0144】
図１～図６の実施例とは違い、図８及び図９の実施例は電解質膜が互いに分離可能な第１及び第２膜モジュール１１３１、１１３２を含むので、これらの間のギャップを通してガスの漏出／流れを引き起す危険が存在し得る。以下では、図１０及び図１１を参照して、このような危険を無くすことができる膜電極アセンブリーの例を具体的に説明する。
【0145】
図１０の（ａ）は本発明の一実施例による弾性ガスケットの平面図であり、図１０の（ｂ）は図１０の（ａ）の弾性ガスケットが適用された膜電極アセンブリーの断面図であり、図１１は図１０の（ｂ）の膜電極アセンブリーの分解断面図である。
【0146】
【0147】
前記第１弾性ガスケット１１９１は、前記第１ガス拡散モジュール１１４１及び前記第２ガス拡散モジュール１１４２をそれぞれ露出させるための第１及び第２ウィンドウＷ１、Ｗ２を有し、前記第１及び第２サブガスケットモジュール１１６１、１１６２と接触する。
【0148】
これと同様に、前記第２弾性ガスケット１１９２は、前記第３ガス拡散モジュール１１５１及び前記第４ガス拡散モジュール１１５２をそれぞれ露出させるための第３及び第４ウィンドウＷ３、Ｗ４を有し、前記第３及び第４サブガスケットモジュール１１７１、１１７２と接触する。
【0149】
したがって、本発明の一実施例による膜電極アセンブリーの製造方法は、前記第１及び第２アセンブリーモジュール１１０１、１１０２を互いに隣接して配列した後、（ｉ）前記第１弾性ガスケット１１９１を前記第１及び第２サブガスケットモジュール１１６１、１１６２上に形成する段階と、（ｉｉ）前記第２弾性ガスケット１１９２を前記第３及び第４サブガスケットモジュール１１７１、１１７２上に形成する段階とをさらに含むことができる。
【0150】
前記第１及び第２弾性ガスケット１１９１、１１９２はゴム（例えば、ＥＰＤＭゴム）のような弾性素材から形成されることができ、よって、前記第１及び第２アセンブリーモジュール１１０１、１１０２の間に、より具体的には、前記第１及び第２ガス拡散モジュール１１４１、１１４２の間及び前記第３及び第４ガス拡散モジュール１１５１、１１５２の間にそれぞれタイトに挟まれることで、前記第１及び第２アセンブリーモジュール１１０１、１１０２の間のギャップを通してのガスの漏出／流れを防止することができる。
【0151】
劣化脆弱部分（等）である前記第１及び／または第３電極モジュール（等）１１１１、１１２１が燃料電池の長時間運転によって前記第２及び第４電極モジュール１１１２、１１２２より先に劣化すれば、図１１に例示するように、一旦前記第１及び第２弾性ガスケット１１９１、１１９２を前記第１及び第２アセンブリーモジュール１１０１、１１０２からそれぞれ分離し、次いで、前記第１アセンブリーモジュール１１０１を前記第２アセンブリーモジュール１１０２から分離して新しいモジュール（第１アセンブリーモジュール）に交替することができる。
【0152】
一方、セパレーター（図示せず）の流動チャネルを通して前記第１及び第２ガス拡散モジュール１１４１、１１４２に流入するガスの平面内（ｉｎ－ｐｌａｎｅ）流れが前記第１弾性ガスケット１１９１によって妨げられて乱流が発生する可能性を無視することができない。同様に、前記第３及び第４ガス拡散モジュール１１５１、１１５２に流入するガスの平面内流れが前記第２弾性ガスケット１１９２によって妨げられて乱流が発生する可能性も存在する。このような乱流の発生は圧力損失及びそれによる燃料電池性能の低下を引き起こす。
【0153】
【0154】
図１２及び図１３に例示するように、前記第１弾性ガスケット１１９１は、前記第１及び第２ウィンドウＷ１、Ｗ２の間の第１境界領域（ｂｏｕｎｄａｒｙ ｒｅｇｉｏｎ）１１９１ａを含む。前記第１境界領域１１９１ａは、前記第１及び第２アセンブリーモジュール１１０１、１１０２の間のギャップを通してのガス漏出を防止するように、前記第１及び第２サブガスケットモジュール１１６１、１１６２の両者と接触する。
【0155】
これと同様に、前記第２弾性ガスケット１１９２は、前記第３及び第４ウィンドウＷ３、Ｗ４の間の第２境界領域１１９２ａを含む。前記第２境界領域１１９２ａは、前記第１及び第２アセンブリーモジュール１１０１、１１０２の間のギャップを通してのガス漏出を防止するように、前記第３及び第４サブガスケットモジュール１１７１、１１７２の両者と接触する。
【0156】
図１２に例示する本発明の一実施例によれば、前記第１境界領域１１９１ａは、前記第１及び第２サブガスケットモジュール１１６１、１１６２と接触する面の反対面に前記第１及び第２ウィンドウＷ１、Ｗ２を流体連通させる多数の第１溝（ｇｒｏｏｖｅｓ）Ｇ１を有する構造、すなわち流路構造（ｆｌｏｗ ｐａｔｈ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を有することができる。したがって、前記第１及び第２サブガスケットモジュール１１６１、１１６２と接触する前記第１境界領域１１９１ａ部分は前記第１及び第２アセンブリーモジュール１１０１、１１０２の間のギャップを通してのガスの漏出／流れを防止するシーリングの役割を果たす一方で、前記第１溝Ｇ１が形成された前記第１境界領域１１９１ａの残りの部分は前記第１及び第２ガス拡散モジュール１１４１、１１４２に流入するガスの平面内流れを保障することで、乱流の発生を防止することができる。
【0157】
これと同様に、前記第２境界領域１１９２ａは、前記第３及び第４サブガスケットモジュール１１７１、１１７２と接触する面の反対面に前記第３及び第４ウィンドウＷ３、Ｗ４を流体連通させる多数の第２溝Ｇ２を有する流路構造を有することができる。したがって、前記第３及び第４サブガスケットモジュール１１７１、１１７２と接触する前記第２境界領域１１９２ａ部分は前記第１及び第２アセンブリーモジュール１１０１、１１０２の間のギャップを通してのガスの漏出／流れを防止するシーリングの役割を果たす一方で、前記第２溝Ｇ２が形成された前記第２境界領域１１９２ａの残りの部分は前記第３及び第４ガス拡散モジュール１１５１、１１５２に流入するガスの平面内流れを保障することで、乱流の発生を防止することができる。
【0158】
図１３に例示する本発明の一実施例によれば、前記第１境界領域１１９１ａは、前記第１及び第２サブガスケットモジュール１１６１、１１６２と接触する第１非多孔性弾性層（ｎｏｎｐｏｒｏｕｓ ｅｌａｓｔｉｃ ｌａｙｅｒ）１１９１ａａ及び前記第１非多孔性弾性層１１９１ａａ上の第１多孔性弾性層（ｐｏｒｏｕｓ ｅｌａｓｔｉｃ ｌａｙｅｒ）１１９１ａｂを含む構造、すなわち二重層構造（ｄｏｕｂｌｅ ｌａｙｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を有することができる。前記第１非多孔性弾性層１１９１ａａは前記第１及び第２アセンブリーモジュール１１０１、１１０２の間のギャップを通してのガスの漏出／流れを防止するシーリングの役割を果たす一方で、前記第１多孔性弾性層１１９１ａｂは前記第１及び第２ガス拡散モジュール１１４１、１１４２に流入するガスの平面内流れを保障することで、乱流の発生を防止することができる。
【0159】
これと同様に、前記第２境界領域１１９２ａは、前記第３及び第４サブガスケットモジュール１１７１、１１７２と接触する第２非多孔性弾性層１１９２ａａ及び前記第２非多孔性弾性層１１９２ａａ上の第２多孔性弾性層１１９２ａｂを含む二重層構造を有することができる。前記第２非多孔性弾性層１１９２ａａは前記第１及び第２アセンブリーモジュール１１０１、１１０２の間のギャップを通してのガスの漏出／流れを防止するシーリングの役割を果たす一方で、前記第２多孔性弾性層１１９２ａｂは前記第３及び第４ガス拡散モジュール１１５１、１１５２に流入するガスの平面内流れを保障することで、乱流の発生を防止することができる。
【0160】
シーリングの役割を果たす前記第１及び第２非多孔性弾性層１１９１ａａ、１１９２ａａは、ゴム（例えば、ＥＰＤＭゴム）のような弾性素材から形成されることができる。流路提供の機能を果たす前記第１及び第２多孔性弾性層１１９１ａｂ、１１９２ａｂもゴムのような弾性素材から形成されることができ、ガス流れを許容することができるサイズ（例えば、１～１０００μｍの孔径）を有する多数の気孔を含む。
【図1(a)】
【図1(b)】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8(a)】
【図8(b)】
【図9】
【図10(a)】
【図10(b)】
【図11】
【図12(a)】
【図12(b)】
【図12(c)】
【図13(a)】
【図13(b)】
【図13(c)】