特表2023-501791膜－電極アセンブリー、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】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2023-01-19
(54)【発明の名称】膜－電極アセンブリー、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 4/86 20060101AFI20230112BHJP
H01M 8/10 20160101ALI20230112BHJP
H01M 8/1004 20160101ALI20230112BHJP
H01M 4/88 20060101ALI20230112BHJP
【ＦＩ】
H01M4/86 M
H01M8/10 101
H01M8/1004
H01M4/88 K
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2022526809
(86)(22)【出願日】2020-12-23
(85)【翻訳文提出日】2022-05-10
(86)【国際出願番号】 KR2020019004
(87)【国際公開番号】W WO2021137518
(87)【国際公開日】2021-07-08
(31)【優先権主張番号】10-2019-0179675
(32)【優先日】2019-12-31
(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR
(81)【指定国・地域】
(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
(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】コン ナクウォン
(72)【発明者】
【氏名】ナム キョンシク
(72)【発明者】
【氏名】ソン カヨン
(72)【発明者】
【氏名】キム ジュンヨン
(72)【発明者】
【氏名】イ ジュソン
【テーマコード（参考）】
5H018
5H126
【Ｆターム（参考）】
5H018AA06
5H018AS01
5H018BB06
5H018EE03
5H018EE05
5H018EE06
5H018EE07
5H018EE08
5H018EE10
5H018EE12
5H018EE16
5H018EE17
5H018EE18
5H018HH01
5H018HH03
5H126AA02
5H126BB06
5H126JJ03
(57)【要約】
両面にパターン化された構造を有する電極により、増加した活性面積、向上した流体管理能力、及び減少したガス伝達抵抗を有する膜－電極アセンブリー、その製造方法、及びそれを含む燃料電池が開示される。本発明の膜－電極アセンブリーは、第１電極；第２電極；及び、前記第１及び第２電極の間の高分子電解質膜を含み、前記第１電極は、前記高分子電解質膜に向く第１面及びその反対側の第２面を有し、前記第１面は、第１パターン化された構造（ｐａｔｔｅｒｎｅｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を有し、前記第２面は、第２パターン化された構造を有する。
【選択図】 図１
【選択図】 図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１電極；第２電極；及び
前記第１及び第２電極の間の高分子電解質膜
を含み、
前記第１電極は、前記高分子電解質膜に向く第１面及びその反対側の第２面を有し、
前記第１面は、第１パターン化された構造（ｐａｔｔｅｒｎｅｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を有し、前記第２面は、第２パターン化された構造を有する、
膜－電極アセンブリー。
【請求項2】
前記第１電極は、前記第１及び第２パターン化された構造の間の中間層（ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ ｌａｙｅｒ）を含み、前記中間層の厚さは、前記第１電極の厚さの１０～９０％である、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パターン化された構造は、前記第２パターン化された構造と異なる、請求項１に記載の膜－電極アセンブリー。
【請求項4】
前記第１及び第２パターン化された構造の少なくとも一つは、前記第１又は第２面の全領域にわたって散在している（ｓｃａｔｔｅｒｅｄ）複数の凸部（ｐｒｏｊｅｃｔｅｄ ｐａｒｔｓ）を有する、請求項１に記載の膜－電極アセンブリー。
【請求項5】
前記凸部のそれぞれは、１～５０μｍの高さを有し、前記凸部のそれぞれの下面の外接円の直径は１０～１０００μｍである、請求項４に記載の膜－電極アセンブリー。
【請求項6】
前記第１パターン化された構造が前記凸部を有する、請求項４に記載の膜－電極アセンブリー。
【請求項7】
前記第１及び第２パターン化された構造の少なくとも一つは、前記第１及び第２面と平行な方向に延長された少なくとも一つの凸パターン（ｐｒｏｊｅｃｔｅｄ ｐａｔｔｅｒｎ）、及び前記凸パターンに接している（ａｄｊｏｉｎｉｎｇ）凹パターン（ｒｅｃｅｓｓｅｄ ｐａｔｔｅｒｎ）を含む、請求項１に記載の膜－電極アセンブリー。
【請求項8】
前記凸パターンは、１～５０μｍの高さ及び１０～１０００μｍの幅を有する、請求項７に記載の膜－電極アセンブリー。
【請求項9】
前記第１及び第２パターン化された構造の少なくとも一つは、互いに平行に配列された複数の前記凸パターンを含む、請求項７に記載の膜－電極アセンブリー。
【請求項10】
前記凸パターンは、ジグザグ（ｚｉｇｚａｇ）形態を有する、請求項７に記載の膜－電極アセンブリー。
【請求項11】
前記第１電極はカソードであり、前記第２電極はアノードである、請求項１に記載の膜－電極アセンブリー。
【請求項12】
第１凹パターン（ｒｅｃｅｓｓ ｐａｔｔｅｒｎ）を有する第１離型フィルム上に触媒分散液を塗布する段階；塗布された前記触媒分散液を、第２凹パターン又は複数のホールを有する第２離型フィルムで覆う段階；
前記触媒分散液の少なくとも表面を乾燥させて電極を形成する段階；
前記第２離型フィルムを除去する段階；
前記電極を高分子電解質膜上に転写（ｔｒａｎｓｆｅｒ）する段階；及び
前記第１離型フィルムを除去する段階
を含む、膜－電極アセンブリーの製造方法。
【請求項13】
前記第１凹パターンは、前記第１離型フィルムの面と平行な方向に延長された少なくとも一つの溝（ｇｒｏｏｖｅ）を含み、前記溝の深さは、１～５０μｍである、請求項１２に記載の膜－電極アセンブリーの製造方法。
【請求項14】
前記第２凹パターンは、前記第１凹パターンと異なる、請求項１２に記載の膜－電極アセンブリーの製造方法。
【請求項15】
前記第２離型フィルムは、複数の前記ホールを有する、請求項１２に記載の膜－電極アセンブリーの製造方法。
【請求項16】
前記第２離型フィルムは１０～１００μｍの厚さを有し、前記ホールは１０～１０００μｍの直径を有する、請求項１５に記載の膜－電極アセンブリーの製造方法。
【請求項17】
前記第２異型フィルムを除去した直後に前記電極を乾燥させる段階をさらに含む、請求項１２に記載の膜－電極アセンブリーの製造方法。
【請求項18】
請求項１の膜－電極アセンブリー；及び前記第１電極の前記第２パターン化された構造上に配置される分離板を含み、
前記第２パターン化された構造は、前記第１及び第２面と平行な方向に延長された少なくとも一つの凸パターン、及び前記凸パターンに接している凹パターンを含み、
前記分離板は、前記膜－電極アセンブリーに向く第３面及びその反対側の第４面を有し、
前記第３面は、流路（ｆｌｕｉｄ ｐａｔｈ）として機能する溝形態（ｇｒｏｏｖｅ－ｓｈａｐｅｄ）のチャネル部分（ｃｈａｎｎｅｌ ｐａｒｔ）、及び非チャネル部分（ｎｏｎ－ｃｈａｎｎｅｌ ｐａｒｔ）を含み、
前記非チャネル部分が前記凹パターンに対応するように前記膜－電極アセンブリーと前記分離板とが整列された、燃料電池。
【請求項19】
前記第２パターン化された構造の前記凸パターンは、前記チャネル部分と同じ形態を有する、請求項１８に記載の燃料電池。
【請求項20】
前記第２パターン化された構造の前記凸パターンは、前記チャネル部分の幅よりも大きくない幅を有する、請求項１９に記載の燃料電池。
【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、その製造方法、及びそれを含む燃料電池に関し、より具体的には、両面にパターン化された構造を有する電極により、増加した活性面積、向上した流体管理能力、及び減少したガス伝達抵抗を有する膜－電極アセンブリー、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】
膜－電極アセンブリー（Ｍｅｍｂｒａｎｅ－Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）と分離板（ｓｅｐａｒａｔｏｒ）［‘バイポーラプレート（ｂｉｐｏｌａｒ ｐｌａｔｅ）’ともいう。］とからなる単位セル（ｕｎｉｔ ｃｅｌｌ）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と環境にやさしい特徴から、化石エネルギーを代替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。）、及びそれらの間における高分子電解質膜（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ると、アノード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（ＰＥＭ）を通じてカソードに伝達され、生成された電子は、外部回路を通じ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されることによって水が生成される。
【0005】
通常の膜－電極アセンブリーの電極と高分子電解質膜（ＰＥＭ）はなめらかな表面（ｓｍｏｏｔｈ ｓｕｒｆａｃｅ）を有するため、電極と高分子電解質膜のそれぞれの活性面積が前記電極の投影面積（ｐｒｏｊｅｃｔｅｄ ａｒｅａ）と実質的に同一である。このため、電極と高分子電解質膜の活性面積を増加させるには電極の大きさを増加させるしかないが、これはコスト高を招く。
【0006】
また、流路（ｆｌｕｉｄ ｐａｔｈ）として機能する流動チャネル（ｆｌｏｗ ｃｈａｎｎｅｌ）部分（すなわち、溝）及びその他の部分である非チャネル（ｎｏｎ－ｃｈａｎｎｅｌ）部分を含む分離板を膜－電極アセンブリーに加圧して締め付ける際に、前記非チャネル部分に対応する電極部分が圧縮され、流体（例えば、酸素、水素、水など）の移動を妨害する問題が発生する。
【0007】
特に、カソードで還元されるべき酸素は前記カソードに供給される空気（ａｉｒ）の約２０％に過ぎないだけでなく、酸素の還元反応によって生成される水が前記カソード内の酸素拡散を妨害する不具合がある。このため、カソードでは、活性面積を増やして水の排出を円滑にし、酸素伝達抵抗を下げることが特に要求される。
【0008】
電極と高分子電解質膜の活性面積を増加させるために、高分子電解質膜の表面に凹凸を形成することが提案されている。しかしながら、この方法は、一般的な電極形成方法であるデカル転写（ｄｅｃａｌ ｔｒａｎｓｆｅｒ）方法を利用できず、触媒分散液を前記高分子電解質膜上に直接コートすることを要求するという問題がある。しかも、高分子電解質膜上に直接コートされる前記触媒分散液の触媒分散状態が良好でない場合には、前記高分子電解質膜のパターン化された溝（ｐａｔｔｅｒｎｅｄ ｇｒｏｏｖｅｓ）内に前記触媒が浸透できなくなるが、これは、電極と高分子電解質膜との界面抵抗を増加させる。
【0009】
一方、カソードの酸素伝達抵抗を最小化するために、互いに離隔した複数個のサブ電極からなるカソードを形成することが提案されている。しかしながら、サブ電極の間における電解質膜の露出は、膜－電極アセンブリーの活性面積の損失及び耐久性の低下を招く。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
したがって、本発明は、上のような関連技術の制限及び欠点に起因する問題点を防止できる膜－電極アセンブリー、その製造方法、及びそれを含む燃料電池に関する。
【0011】
本発明の一観点は、両面にパターン化された構造を有する電極により、増加した活性面積、向上した流体管理能力、及び減少したガス伝達抵抗を有する膜－電極アセンブリーを提供することである。
【0012】
本発明の他の観点は、両面にパターン化された構造を有する電極により、増加した活性面積、向上した流体管理能力、及び減少したガス伝達抵抗を有する膜－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。
【0013】
本発明のさらに他の観点は、優れた性能及び高い耐久性を有する燃料電池を提供することである。
【0014】
上に言及された本発明の観点の他にも、本発明の別の特徴及び利点が、以下に説明されるか、これらの説明から、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者に明確に理解されるであろう。
【課題を解決するための手段】
【0015】
上のような本発明の一観点によって、第１電極；第２電極；及び、前記第１及び第２電極間の高分子電解質膜を含み、前記第１電極は、前記高分子電解質膜に向く第１面及びその反対側の第２面を有し、前記第１面は、第１パターン化された構造（ｐａｔｔｅｒｎｅｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を有し、前記第２面は、第２パターン化された構造を有する、膜－電極アセンブリーが提供される。
【0016】
前記第１電極は、前記第１及び第２パターン化された構造の間の中間層（ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ ｌａｙｅｒ）を含むことができ、前記中間層の厚さは、前記第１電極の厚さの１０～９０％であってよい。
【0017】
前記第１パターン化された構造は、前記第２パターン化された構造と異なってよい。
【0018】
前記第１及び第２パターン化された構造の少なくとも一つは、前記第１又は第２面の全領域にわたって散在している（ｓｃａｔｔｅｒｅｄ）複数の凸部（ｐｒｏｊｅｃｔｅｄ ｐａｒｔｓ）を有してよい。
【0019】
前記凸部のそれぞれは、１～５０μｍの高さを有してよく、前記凸部のそれぞれの下面の外接円の直径は、１０～１０００μｍであってよい。
【0020】
前記第１パターン化された構造が前記凸部を有してよい。
【0021】
前記第１及び第２パターン化された構造の少なくとも一つは、前記第１及び第２面と平行な方向に延長された少なくとも一つの凸パターン（ｐｒｏｊｅｃｔｅｄ ｐａｔｔｅｒｎ）、及び前記凸パターンに接している（ａｄｊｏｉｎｉｎｇ）凹パターン（ｒｅｃｅｓｓｅｄ ｐａｔｔｅｒｎ）を含んでよい。
【0022】
前記凸パターンは、１～５０μｍの高さ及び１０～１０００μｍの幅を有してよい。
【0023】
前記第１及び第２パターン化された構造の少なくとも一つは、互いに平行に配列された複数の前記凸パターンを含んでよい。
【0024】
前記凸パターンは、ジグザグ（ｚｉｇｚａｇ）形態を有してよい。
【0025】
前記第１電極がカソードでよく、前記第２電極がアノードでよい。
【0026】
本発明の他の観点によって、第１凹パターン（ｒｅｃｅｓｓ ｐａｔｔｅｒｎ）を有する第１離型フィルム上に触媒分散液を塗布する段階；塗布された前記触媒分散液を、第２凹パターン又は複数のホールを有する第２離型フィルムで覆う段階；前記触媒分散液の少なくとも表面を乾燥させて電極を形成する段階；前記第２離型フィルムを除去する段階；前記電極を高分子電解質膜上に転写（ｔｒａｎｓｆｅｒ）する段階；及び、前記第１離型フィルムを除去する段階を含む、膜－電極アセンブリーの製造方法が提供される。
【0027】
前記第１凹パターンは、前記第１離型フィルムの面と平行な方向に延長された少なくとも一つの溝（ｇｒｏｏｖｅ）を含んでよく、前記溝の深さは１～５０μｍであってよい。
【0028】
前記第２凹パターンは、前記第１凹パターンと異なってよい。
【0029】
前記第２離型フィルムは、複数の前記ホールを有してよい。
【0030】
前記第２離型フィルムは、１０～１００μｍの厚さを有してよく、前記ホールは、１０～１０００μｍの直径を有してよい。
【0031】
前記方法は、前記第２異型フィルムを除去した直後に前記電極を乾燥させる段階をさらに含んでよい。
【0032】
本発明の他の観点によって、上述した膜－電極アセンブリー；及び、前記第１電極の前記第２パターン化された構造上に配置される分離板を含み、前記第２パターン化された構造は、前記第１及び第２面と平行な方向に延長された少なくとも一つの凸パターン及び前記凸パターンに接している凹パターンを含み、前記分離板は、前記膜－電極アセンブリーに向く第３面及びその反対側の第４面を有し、前記第３面は、流路（ｆｌｕｉｄ ｐａｔｈ）として機能する溝形態（ｇｒｏｏｖｅ－ｓｈａｐｅｄ）のチャネル部分（ｃｈａｎｎｅｌ ｐａｒｔ）、及び非チャネル部分（ｎｏｎ－ｃｈａｎｎｅｌ ｐａｒｔ）を含み、前記非チャネル部分が前記凹パターンに対応するように前記膜－電極アセンブリーと前記分離板とが整列された、燃料電池が提供される。
【0033】
前記第２パターン化された構造の前記凸パターンは、前記チャネル部分と同じ形態を有してよい。
【0034】
前記第２パターン化された構造の前記凸パターンは、前記チャネル部分の幅よりも大きくない幅を有してよい。
【0035】
上のような本発明に関する一般的な叙述は、本発明を例示又は説明するためのもので、本発明の権利範囲を制限するものではない。
【発明の効果】
【0036】
本発明によれば、高分子電解質膜との接触面がパターン化された構造を有するだけでなく、その反対面もパターン化された構造を有する電極を提供することにより、前記高分子電解質膜及び前記電極の活性面積を全て増加させることができる。すなわち、両面にパターン化された構造を有する電極により、本発明の膜－電極アセンブリーは増加した活性面積及び向上した流体管理能力を有し、本発明の燃料電池は優れた性能及び高い耐久性を有することが可能である。
【0037】
また、本発明の電極は、一般的な電極形成方法であるデカル転写法によっても形成可能であるので、量産（ｍａｓｓ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ）に有利である。
【0038】
特に、カソードの両面ともにパターン化された構造を導入することにより、カソード内の酸素伝達抵抗を最小化し、カソード内の水管理能力を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0039】
添付の図面は、本発明の理解を助け、本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一緒に本発明の原理を説明する。
【0040】
【図1】本発明の一実施例に係る膜－電極アセンブリーの断面を概略的に示す図である。
【0041】
【図2】本発明の一実施例に係る両面パターン化された電極（ｄｏｕｂｌｅ－ｓｉｄｅｄ ｐａｔｔｅｒｎｅｄ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）の断面を概略的に示す図である。
【0042】
【図3】（ａ）～（ｃ）は、本発明のパターン化された構造（ｐａｔｔｅｒｎｅｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）の様々な例を示す図である。
【0043】
【図4】（ａ）～（ｃ）は、本発明の凸部又は凸パターンの様々な例を示す縦断面である。
【0044】
【図5a】本発明の一実施例に係る膜－電極アセンブリーの製造方法を説明するための断面図である。
【図5b】本発明の一実施例に係る膜－電極アセンブリーの製造方法を説明するための断面図である。
【図5c】本発明の一実施例に係る膜－電極アセンブリーの製造方法を説明するための断面図である。
【図5d】本発明の一実施例に係る膜－電極アセンブリーの製造方法を説明するための断面図である。
【図5e】本発明の一実施例に係る膜－電極アセンブリーの製造方法を説明するための断面図である。
【図5f】本発明の一実施例に係る膜－電極アセンブリーの製造方法を説明するための断面図である。
【図5g】本発明の一実施例に係る膜－電極アセンブリーの製造方法を説明するための断面図である。
【図5h】本発明の一実施例に係る膜－電極アセンブリーの製造方法を説明するための断面図である。
【0045】
【図6】本発明の一実施例に係る燃料電池の断面を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0046】
以下では添付の図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。ただし、下で説明される実施例は、本発明の明確な理解を助けるための例示的目的で提示されるだけで、本発明の範囲を制限しない。
【0047】
図１は、本発明の一実施例に係る膜－電極アセンブリー１０００の断面を概略的に示し、図２は、本発明の一実施例に係る両面パターン化された電極（ｄｏｕｂｌｅ－ｓｉｄｅｄ ｐａｔｔｅｒｎｅｄ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）１２１０の断面を概略的に示す。
【0048】
図１に例示するように、本発明の膜－電極アセンブリー１０００は、第１電極１２１０、第２電極１２２０、及び前記第１及び第２電極１２１０，１２２０の間の高分子電解質膜１１００を含む。
【0049】
本発明によれば、前記第１電極１２１０は、両面パターン化された電極である。図１には、前記第１電極１２１０だけが両面パターン化された電極であり、前記第２電極１２２０は両面ともなめらかな表面を有する電極である膜－電極アセンブリー１０００が例示されているが、本発明は、これに限定されず、前記第２電極１２２０も前記第１電極１２１０と同様に、両面パターン化された電極であってもよい。
【0050】
図２に例示するように、前記第１電極１２１０は、前記高分子電解質膜１１００に向く第１面及びその反対側の第２面を有し、前記第１面は、第１パターン化された構造１２１１を有し、前記第２面は、第２パターン化された構造１２１２を有する。
【0051】
本発明の前記第１パターン化された構造１２１１は、前記第１電極１２１０と前記高分子電解質膜１１００の両者の活性面積とも増加させることにより、膜－電極アセンブリー１０００及び燃料電池の性能を向上させることができる。
【0052】
本発明の前記第２パターン化された構造１２１２は、前記第１電極１２１０内でのガス伝達抵抗を減少させることにより、膜－電極アセンブリー１０００及び燃料電池の性能を向上させることができる。
【0053】
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電極１２１０は、前記第１及び第２パターン化された構造１２１１，１２１２の間の中間層（ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ ｌａｙｅｒ）１２１３を含むことができる。前記中間層１２１３の厚さＴ２は、前記第１電極１２１０の厚さＴ１の１０～９０％であってよい。前記中間層１２１３の厚さＴ２の比率が１０％未満であると、前記第１電極１２１０に供給されたガスが前記第１電極１２１０を容易く通過して前記第２電極１２２０に伝達され、膜－電極アセンブリー１０００の性能及び耐久性の低下を招くことがある。一方、前記中間層１２１３の厚さＴ２の比率が９０％を超えると、前記第１及び第２パターン化された構造１２１１，１２１２のパターンの大きさが過度に減少するため、本発明の目的とする効果がわずかとなることがある。
【0054】
図２には、前記第１パターン化された構造１２１１が前記第２パターン化された構造１２１２と異なる膜－電極アセンブリー１０００が例示されているが、本発明は、これに限定されず、前記第１パターン化された構造１２１１と前記第２パターン化された構造１２１２とが同一であってもよい。
【0055】
図３の（ａ）～（ｃ）は、本発明のパターン化された構造（ｐａｔｔｅｒｎｅｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）の様々な例を示す。
【0056】
図３の（ａ）に例示するように、前記第１及び第２パターン化された構造１２１１，１２１２の少なくとも一つは、前記第１又は第２面の全領域にわたって散在している複数の凸部１２１１ａ，１２１２ａを有してよい。
【0057】
例えば、図２に例示するように、前記高分子電解質膜１１００と接触する前記第１パターン化された構造１２１１が、前記第１電極１２１０の前記第１面の全領域にわたって散在している複数の凸部１２１１ａを含むことができる。
【0058】
前記凸部１２１１ａのそれぞれは１～５０μｍの高さを有してよく、前記凸部１２１１ａのそれぞれの下面の外接円の直径は１０～１０００μｍであってよい。
【0059】
図３の（ｂ）及び（ｃ）にそれぞれ例示するように、前記第１及び第２パターン化された構造１２１１，１２１２の少なくとも一つは、前記第１及び第２面と平行な方向に延長された少なくとも一つの凸パターン１２１１ａ，１２１２ａ及び該凸パターン１２１１ａ，１２１２ａに接している凹パターンを含むことができる。
【0060】
例えば、前記第２パターン化された構造１２１２が、前記第１及び第２面と平行な方向に延長された少なくとも一つの凸パターン１２１２ａ、及び前記凸パターン１２１２ａに接している凹パターン１２１２ｂを含むことができる。
【0061】
前記凸パターン１２１２ａは、１～５０μｍの高さ及び１０～１０００μｍの幅を有してよい。
【0062】
前記第１及び第２パターン化された構造１２１１，１２１２の少なくとも一つは、図３（ｂ）に例示しているように、互いに平行に配列された複数の前記凸パターン１２１１ａ，１２１２ａを含むか、図３（ｃ）に例示しているように、ジグザグ（ｚｉｇｚａｇ）形態の凸パターン１２１１ａ，１２１２ａを含むことができる。
【0063】
例えば、前記第２パターン化された構造１２１２が、互いに平行に配列された複数の前記凸パターン１２１２ａを含むか、ジグザグ形態の凸パターン１２１２ａを含むことができる。特に、燃料電池スタック（ｓｔａｃｋ）において分離板に向くことになる前記第２パターン化された構造１２１２が、前記分離板の流動チャネル（ｆｌｏｗ ｃｈａｎｎｅｌ）に対応する形態及び大きさの凸パターン１２１２ａを含むことが好ましいが、その具体的理由は後述する。
【0064】
図４の（ａ）～（ｃ）は、本発明の凸部／凸パターン１２１１ａ，１２１２ａの様々な例を示す縦断面である。
【0065】
図１及び図２には、前記凸部／凸パターン１２１１ａ，１２１２ａが半円又は長方形の縦断面を有するとしているが、本発明はそれらに限定されず、前記凸部／凸パターン１２１１ａ，１２１２ａが任意の形態の縦断面を有してよい。例えば、前記凸部／凸パターン１２１１ａ，１２１２ａの縦断面は、部分的に曲線を有する形態［例えば、図４の（ａ）に例示された形態］であるか、任意の多角形［例えば、図４の（ｂ）及び（ｃ）に例示された形態］であってよい。
【0066】
前述したように、カソードで還元されるべき酸素は前記カソード（ｃａｔｈｏｄｅ）に供給される空気（ａｉｒ）の約２０％に過ぎないだけでなく、酸素の還元反応によって生成される水が前記カソード内における酸素拡散を妨害する問題がある。このため、カソードでは、活性面積を増やし、水の排出を円滑にし、酸素伝達抵抗を下げることが特に要求される。したがって、本発明の一実施例によれば、両面パターン化された電極である前記第１電極１２１０がカソードで、前記第２電極１２２０がアノード（ａｎｏｄｅ）であってよい。
【0067】
【0068】
まず、図５Ａに例示するように、第１凹パターン（ｒｅｃｅｓｓ ｐａｔｔｅｒｎ）１１を有する第１離型フィルム１０を準備する。前記第１凹パターン１１は、前記第１離型フィルム１０の面と平行な方向に延長された少なくとも一つの溝（ｇｒｏｏｖｅ）を含むことができ、前記溝の深さは１～５０μｍであってよい。
【0069】
次に、図５Ｂに例示するように、前記第１凹パターン１１を有する前記第１離型フィルム１０の面上に、マスクフィルム２１を付着させる。そして、前記マスクフィルム２１の開口（ｏｐｅｎｉｎｇ）から露出されている前記第１離型フィルム１０の部分（すなわち、前記第１凹パターン１１が形成されている部分）上に、第１触媒分散液１２１０’を塗布する。前記第１触媒分散液１２１０’が前記第１凹パターン１１に流入した後、後続の乾燥工程により、第２パターン化された構造１２１２の凸パターン１２１２ａを形成する。
【0070】
燃料電池用電極の製造に使用可能な任意の触媒分散液が本発明で使用されてよい。例えば、前記第１触媒分散液１２１０’は、触媒、イオノマー、及び分散媒を含むことができる。
【0071】
前記触媒は、担体、及び該担体上に分散されている多数の金属粒子を含むことができる。
【0072】
前記担体は、（ｉ）炭素系担体、（ｉｉ）ジルコニア、アルミナ、チタニア、シリカ、及びセリアのような多孔性無機酸化物担体、又は（ｉｉｉ）ゼオライト担体であってよい。前記炭素系担体は、黒鉛、スーパーＰ（ｓｕｐｅｒ Ｐ）、炭素繊維（ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ）、炭素シート（ｃａｒｂｏｎ ｓｈｅｅｔ）、カーボンブラック（ｃａｒｂｏｎ ｂｌａｃｋ）、ケッチェンブラック（Ｋｅｔｊｅｎ Ｂｌａｃｋ）、デンカブラック（Ｄｅｎｋａ ｂｌａｃｋ）、アセチレンブラック（ａｃｅｔｙｌｅｎｅ ｂｌａｃｋ）、カーボンナノチューブ（ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ，ＣＮＴ）、炭素球体（ｃａｒｂｏｎ ｓｐｈｅｒｅ）、炭素リボン（ｃａｒｂｏｎ ｒｉｂｂｏｎ）、フラーレン（ｆｕｌｌｅｒｅｎｅ）、活性炭素（ａｃｔｉｖｅ ｃａｒｂｏｎ）、カーボンナノファイバー（ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｆｉｂｅｒ）、カーボンナノワイヤー（ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｗｉｒｅ）、カーボンナノボール（ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｂａｌｌ）、カーボンナノホーン（ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｈｏｒｎ）、カーボンナノケージ（ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｃａｇｅ）、カーボンナノリング（ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｒｉｎｇ）、規則性ナノ多孔性炭素（ｏｒｄｅｒｅｄ ｎａｎｏ－／ｍｅｓｏ－ｐｏｒｏｕｓ ｃａｒｂｏｎ）、カーボンエアロゲル（ｃａｒｂｏｎ ａｅｒｏｇｅｌ）、メソポーラスカーボン（ｍｅｓｏｐｏｒｏｕｓ ｃａｒｂｏｎ）、グラフェン（ｇｒａｐｈｅｎｅ）、安定化カーボン（ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ ｃａｒｂｏｎ）、活性化カーボン（ａｃｔｉｖａｔｅｄ ｃａｒｂｏｎ）、又はそれらの２以上の組合せであってよい。
【0073】
前記金属粒子は、白金（Ｐｔ）粒子又は白金系合金粒子であってよい。前記白金系合金は、Ｐｔ－Ｐｄ、Ｐｔ－Ｍｎ、Ｐｔ－Ｓｎ、Ｐｔ－Ｍｏ、Ｐｔ－Ｗ、Ｐｔ－Ｒｕ、Ｐｔ－Ｒｕ－Ｗ、Ｐｔ－Ｒｕ－Ｎｉ、Ｐｔ－Ｒｕ－Ｍｏ、Ｐｔ－Ｒｕ－Ｒｈ－Ｎｉ、Ｐｔ－Ｒｕ－Ｓｎ－Ｗ、Ｐｔ－Ｒｕ－Ｉｒ－Ｎｉ、Ｐｔ－Ｃｏ、Ｐｔ－Ｃｏ－Ｍｎ、Ｐｔ－Ｃｏ－Ｎｉ、Ｐｔ－Ｃｏ－Ｆｅ、Ｐｔ－Ｃｏ－Ｉｒ、Ｐｔ－Ｃｏ－Ｓ、Ｐｔ－Ｃｏ－Ｐ、Ｐｔ－Ｆｅ、Ｐｔ－Ｆｅ－Ｉｒ、Ｐｔ－Ｆｅ－Ｓ、Ｐｔ－Ｆｅ－Ｐ、Ｐｔ－Ａｕ－Ｃｏ、Ｐｔ－Ａｕ－Ｆｅ、Ｐｔ－Ａｕ－Ｎｉ、Ｐｔ－Ｎｉ、Ｐｔ－Ｎｉ－Ｉｒ、Ｐｔ－Ｃｒ、又はＰｔ－Ｃｒ－Ｉｒであってよいが、それらに限定されない。
【0074】
前記触媒と共に前記分散媒に分散されるイオノマーは、水素イオン伝達のためのものであり、電極と高分子電解質膜との接着力の向上のためのバインダーとしての機能も有する。前記イオノマーは、フッ素系イオノマー又は炭化水素系イオノマーであってよく、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リド基からなる群から選ばれる一つ以上のイオン伝導性基を有してよい。
【0075】
例えば、前記イオノマーは、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イオノマーであってよい。
【0076】
代案として、前記イオノマーは、スルホン化したポリイミド（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ：Ｓ－ＰＩ）、スルホン化したポリアリールエーテルスルホン（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙａｒｙｌｅｔｈｅｒｓｕｌｆｏｎｅ：Ｓ－ＰＡＥＳ）、スルホン化したポリエーテルエーテルケトン（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｅｔｈｅｒｋｅｔｏｎｅ：ＳＰＥＥＫ）、スルホン化したポリベンズイミダゾール（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙｂｅｎｚｉｍｉｄａｚｏｌｅ：ＳＰＢＩ）、スルホン化したポリスルホン（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙｓｕｌｆｏｎｅ：Ｓ－ＰＳＵ）、スルホン化したポリスチレン（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ：Ｓ－ＰＳ）、スルホン化したポリホスファゼン（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙｐｈｏｓｐｈａｚｅｎｅ）、スルホン化したポリキノキサリン（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙｑｕｉｎｏｘａｌｉｎｅ）、スルホン化したポリケトン（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙｋｅｔｏｎｅ）、スルホン化したポリフェニレンオキシド（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅ ｏｘｉｄｅ）、スルホン化したポリエーテルスルホン（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙｅｔｈｅｒ ｓｕｌｆｏｎｅ）、スルホン化したポリエーテルケトン（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙｅｔｈｅｒ ｋｅｔｏｎｅ）、スルホン化したポリフェニレンスルホン（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅ ｓｕｌｆｏｎｅ）、スルホン化したポリフェニレンスルフィド（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅ ｓｕｌｆｉｄｅ）、スルホン化したポリフェニレンスルフィドスルホン（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅ ｓｕｌｆｉｄｅ ｓｕｌｆｏｎｅ）、スルホン化した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）、スルホン化したポリアリーレンエーテル（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙａｒｙｌｅｎｅ ｅｔｈｅｒ）、スルホン化したポリアリーレンエーテルニトリル（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙａｒｙｌｅｎｅ ｅｔｈｅｒ ｎｉｔｒｉｌｅ）、スルホン化した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イオノマーであってよい。
【0077】
前記分散媒はエタノール、蒸留水、イソプロピルアルコール、ノルマルプロピルアルコール、ブタノール、又はこれらの２以上の混合物であってよいが、それらに制限されるものではない。
【0078】
次に、図５Ｃに例示するように、塗布された前記第１触媒分散液１２１０’を第２離型フィルム３０で覆う。本発明の前記第２離型フィルム３０は、第２凹パターン又は複数のホールを有する。
【0079】
例えば、前記第２離型フィルム３０は、前記第１離型フィルム１０の前記第１凹パターン１１と異なる第２凹パターンを有してよい。
【0080】
代案として、図５Ｃに例示するように、前記第２離型フィルム３０は、前記第１触媒分散液１２１０’と接触することになる領域全体にわたって散在している複数のホール３１を有してよい。前記ホール３１を通じて、後続の乾燥工程中に前記第１触媒分散液１２１０’の分散媒を容易に除去することができる。前記第２離型フィルム３０は、１０～１００μｍの厚さ（すなわち、前記ホール３１の深さ）を有してよく、前記ホール３１は１０～１０００μｍの直径を有してよい。前記第１触媒分散液１２１０’が毛細管現象によって前記ホール３１に流入した後、後続の乾燥工程により、第１パターン化された構造１２１１の凸部１２１１ａを形成する。
【0081】
次に、図５Ｄに例示するように、前記第１触媒分散液１２１０’の少なくとも表面を乾燥させて第１電極１２１０を形成し、前記第２離型フィルム３０及びマスクフィルム２１を除去する。
【0082】
前記第１触媒分散液１２１０’を完全乾燥させた後に前記第２離型フィルム３０及びマスクフィルム２１を除去してもよいが、第１電極１２１０がその形態を維持できる程度に前記第１触媒分散液１２１０’の表面だけを乾燥させた後に前記第２離型フィルム３０及びマスクフィルム２１を除去し、その後、前記第１電極１２１０をさらに乾燥させてその中の分散媒を完全に除去することが、乾燥工程の効率面で好ましいだろう。
【0083】
このように形成された第１電極１２１０は、露出されている第１パターン化された構造１２１１、及び前記第１離型フィルム１０と接触している第２パターン化された構造１２１２を有する。
【0084】
第１パターン化された構造１２１１が高分子電解質膜１１００と接触するように前記第１電極１２１０を前記高分子電解質膜１１００上に積層した後、熱圧着（ｈｏｔ ｐｒｅｓｓｉｎｇ）工程を行うことによって前記第１電極１２１０を前記高分子電解質膜１１００上に転写（ｔｒａｎｓｆｅｒ）し、その後、前記第１離型フィルム１０を除去できる。
【0085】
ただし、第１及び第２電極１２１０，１２２０を高分子電解質膜１１００に同時に転写することがより一般的である。
【0086】
すなわち、図５Ｅに例示するように、第３離型フィルム４０上にマスクフィルム２２を付着させた後、前記マスクフィルム２２の開口から露出されている前記第３離型フィルム４０の部分上に第２触媒分散液１２２０’を塗布する。前記第２触媒分散液１２２０’は、前記第１触媒分散液１２１０’と同じ組成物でよく、それに関する具体的説明は省略する。
【0087】
次に、図５Ｆに例示するように、前記第２触媒分散液１２２０’を完全乾燥させて第２電極１２２０を形成した後、マスクフィルム２２を除去する。
【0088】
次に、図５Ｇに例示するように、第１パターン化された構造１２１１が高分子電解質膜１１００と接触するように前記第１電極１２１０を前記高分子電解質膜１１００の第１面上に積層し、前記第２電極１２２０を前記高分子電解質膜１１００の第２面上に積層する。
【0089】
前記高分子電解質膜１１００は、イオノマーで形成された単一膜タイプ（ｓｉｎｇｌｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｔｙｐｅ）、又は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）であってよい。両タイプの高分子電解質膜１１００とも、上述した第１又は第２触媒分散液１２１０’，１２２０’のイオノマーが使用されてよい。前記高分子電解質膜１１００のイオノマーと前記第１及び第２電極１２１０，１２２０のイオノマーとが同じ種類のイオノマーであることが好ましいが、本発明はこれに制限されず、異なる種類のイオノマーが前記高分子電解質膜１１００及び前記第１及び第２電極１２１０，１２２０の製造にそれぞれ使用されてもよい。
【0090】
次に、図５Ｈに例示するように、得られた積層体を熱圧着することによって前記第１及び第２電極１２１０，１２２０を前記高分子電解質膜１１００の第１及び第２面の上にそれぞれ転写（ｔｒａｎｓｆｅｒ）した後、前記第１及び第３離型フィルム１０，４０を除去することによって本発明の膜－電極アセンブリー１０００を得ることができる。
【0091】
以下では、図６を参照して本発明の燃料電池を具体的に説明する。
【0092】
図６に示すように、本発明の燃料電池は、上述した本発明の膜－電極アセンブリー１０００、及び前記第１電極１２１０の前記第２パターン化された構造１２１２上に配置される第１分離板１５１０を含む。
【0093】
本実施例において、前記第２パターン化された構造１２１２は、前記第１電極１２１０の前記第１及び第２面と平行な方向に延長された少なくとも一つの凸パターン１２１２ａ、及び該凸パターン１２１２ａに接している凹パターン１２１２ｂを含む。
【0094】
前記第１分離板１５１０は、前記膜－電極アセンブリー１０００に向く第３面及びその反対側の第４面を有し、前記第３面は流路（ｆｌｕｉｄ ｐａｔｈ）として機能する溝形態（ｇｒｏｏｖｅ－ｓｈａｐｅｄ）の第１チャネル部分１５１１、及び第１非チャネル部分１５１２を含む。
【0095】
前述したように、前記第１分離板１５１０を前記膜－電極アセンブリー１０００に加圧して締め付ける際に、前記第１非チャネル部分１５１２に対応する前記第１電極１２１０の部分が圧縮してしまい、流体（例えば、酸素、水素、水など）の移動を妨害する問題が発生する。
【0096】
本発明によれば、前記第１非チャネル部分１５１２が前記第２パターン化された構造１２１２の前記凹パターン１２１２ｂに対応するように前記膜－電極アセンブリー１０００と前記第１分離板１５１０とを整列させることにより、前記第１分離板１５１０の圧縮締付の際に前記第１電極１２１０の圧縮変形を最小化させ、膜－電極アセンブリー１０００の流体管理能力を向上させることにより、燃料電池の性能及び耐久性を増加させることができる。特に、前記第１電極１２１０がカソードである場合に、カソード内酸素伝達抵抗が最小化し、カソード内における水管理能力が向上し得る。
【0097】
上のような本発明の効果を極大化するために、前記第２パターン化された構造１２１２が、前記第１分離板１５１０の第１チャネル部分１５１１に対応する形態及び大きさの凸パターン１２１２ａを含むことが好ましいだろう。例えば、前記第２パターン化された構造１２１２の前記凸パターン１２１２ａは、前記第１分離板１５１０の前記第１チャネル部分１５１１と同じ形態を有してよく、前記凸パターン１２１２ａの幅は、前記第１チャネル部分１５１１の幅よりも大きくてよい。
【0098】
図６に例示するように、本発明の燃料電池は、前記第２電極１２２０上に配置される第２分離板１５２０をさらに含むことができる。前記第２分離板１５２０も、前記膜－電極アセンブリー１０００に向く面に第２チャネル部分１５２１及び第２非チャネル部分１５２２を含むことができる。
【0099】
図６に示すように、本発明の燃料電池は、前記高分子電解質膜１１００の前記第１面上に配置されて前記第１電極１２１０を取り囲む第１サブガスケット１３１０、及び前記高分子電解質膜１１００の前記第２面上に配置されて前記第２電極１２２０を取り囲む第２サブガスケット１３２０をさらに含むことができる。
【0100】
前記第１及び第２サブガスケット１３１０，１３２０は、（ｉ）燃料電池の運転中における反復した膨潤及び収縮によって前記高分子電解質膜１１００のエッジ部分が損傷することを防止し、（ｉｉ）極度に薄い高分子電解質膜１１００による膜－電極アセンブリー１０００の低い取扱性（ｈａｎｄｌｉｎｇ）を改善し、（ｉｉｉ）ガス（すなわち、水素ガス及び空気）の漏れを防止する。前記第１及び第２サブガスケット１３１０，１３２０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、又はこれらの２以上の混合物を含むフィルムでよいが、これに制限されるものではない。
【0101】
図６に例示するように、本発明の燃料電池は、前記第１電極１２１０と前記第１分離板１５１０との間の第１ガス拡散層１４１０、及び前記第２電極１２２０と前記第２分離板１５２０との間の第２ガス拡散層１４２０をさらに含むことができる。
【0102】
前記第１及び第２ガス拡散層１４１０，１４２０の主要機能は、（ｉ）ガス（すなわち、水素ガス及び空気）が前記第１及び第２電極１２１０，１２２０で容易に且つ均一に供給され得るように、前記第１及び第２分離板１５１０，１５２０の前記第１及び第２チャネル部分１５１１，１５２１から前記第１及び第２電極１２１０，１２２０へのガス拡散経路をそれぞれ提供し、（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１２１０，１２２０の外に除去され得るようにすることによってフラッディング（ｆｌｏｏｄｉｎｇ）を防止し、（ｉｉｉ）ある程度の水を保管することにより、前記高分子電解質膜１１００の含水量が急に減少することを防止し、（ｉｖ）膜－電極アセンブリー１０００に機械的強度を提供することである。
【0103】
前記第１及び第２ガス拡散層１４１０，１４２０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）、金属布（ｍｅｔａｌ ｃｌｏｔｈ）などのような電気伝導性多孔性部材（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｐｏｒｏｕｓ ｍｅｍｂｅｒ）であってよい。
【0104】
以下、具体的な実施例を用いて本発明を具体的に説明する。ただし、下記の実施例は本発明の理解を助けるためのものに過ぎず、それらに本発明の権利範囲が制限されてはならない。
【0105】
実施例１
【0106】
図５Ａ～図５Ｈに例示された工程にしたがって、図１に例示された膜－電極アセンブリー［両面パターン化された（ｄｏｕｂｌｅ－ｓｉｄｅｄ ｐａｔｔｅｒｎｅｄ）カソード＋通常のアノード］を、デカル転写法（ｄｅｃａｌ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｍｅｔｈｏｄ）によって製造した。Ｐｔ／Ｃ触媒で前記カソード（０．４ｍｇＰｔ／ｃｍ２）と前記アノード（０．１ｍｇＰｔ／ｃｍ２）をそれぞれ形成したし、１８μｍ厚のフッ素系高分子電解質膜を使用した。
【0107】
比較例１
【0108】
通常のカソード及び通常のアノードをデカル転写法によって高分子電解質膜の両面にそれぞれ形成することによって膜－電極アセンブリーを得た。Ｐｔ／Ｃ触媒で前記カソード（０．４ｍｇＰｔ／ｃｍ２）と前記アノード（０．１ｍｇＰｔ／ｃｍ２）をそれぞれ形成したし、１８μｍ厚のフッ素系高分子電解質膜を使用した。
【0109】
比較例２
【0110】
単面パターン化された（ｓｉｎｇｌｅ－ｓｉｄｅｄ ｐａｔｔｅｒｎｅｄ）カソード及び通常のアノードをデカル転写法によって高分子電解質膜の両面にそれぞれ形成することによって膜－電極アセンブリーを得た。前記カソードのパターン化された面が前記高分子電解質膜と接触した。Ｐｔ／Ｃ触媒で前記カソード（０．４ｍｇＰｔ／ｃｍ２）と前記アノード（０．１ｍｇＰｔ／ｃｍ２）をそれぞれ形成したし、１８μｍ厚のフッ素系高分子電解質膜を使用した。
【0111】
比較例３
【0112】
互いに離隔した複数個のサブ電極からなるカソード及び通常のアノードを高分子電解質膜の両面にそれぞれ形成することによって膜－電極アセンブリーを得た。Ｐｔ／Ｃ触媒で前記カソード（０．４ｍｇＰｔ／ｃｍ２）と前記アノード（０．１ｍｇＰｔ／ｃｍ２）をそれぞれ形成したし、１８μｍ厚のフッ素系高分子電解質膜を使用した。
【0113】
［出力性能（ｐｏｗｅｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）評価］
【0114】
膜－電極アセンブリーのＩ－Ｖ測定によって出力性能を評価した。具体的に、実際の燃料電池運転条件で出力性能を確認するために、膜－電極アセンブリーを燃料電池単位セル評価装置に締め付け、温度を６５℃に維持させた。アノードとカソードに水素（１００％ＲＨ）と空気（１００％ＲＨ）をＳｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｙ １．２／２．０に応じた量でそれぞれ供給した。０．１Ａ／ｃｍ２、１Ａ／ｃｍ２、及び２Ａ／ｃｍ２の電流密度がそれぞれ印加された際の電圧をそれぞれ測定し、その結果を下表１に示した。測定された電圧が高いほど優れた出力性能を示している。
【0115】
また、開回路電圧（Ｏｐｅｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｖｏｌｔａｇｅ：ＯＣＶ）を測定し、その結果を下表１に示した。
【0116】
【表1】
【0117】
比較例２では、カソードと高分子電解質膜との界面面積が増加することにより、活性化領域（電流密度：０．１Ａ／ｃｍ２）及びオーミック領域（１Ａ／ｃｍ２）において出力性能が比較例１に比べて改善していることが確認できる。比較例３では、互いに離隔した複数個のサブ電極でカソードが形成されることにより、物質伝達抵抗領域（２Ａ／ｃｍ２）において出力性能が比較例１に比べて改善していることが確認できた。しかし、残りの領域（すなわち、０．１Ａ／ｃｍ２及び１Ａ／ｃｍ２の電流密度）では比較例１と大差はなかった。また、比較例３は比較例１に比して低いＯＣＶを示したが、これは、サブ電極の間で高分子電解質膜の露出によって水素透過度が増加したためである。
【0118】
実施例１では、比較例２及び比較例３の肯定的効果を全て有しながらも、低い気体透過度によって最も高いＯＣＶを示していることを確認した。
【0119】
［ＣＶ（Ｃｙｃｌｉｃ Ｖｏｌｔａｍｍｅｔｒｙ）及びＬＳＶ（Ｌｉｎｅａｒ Ｓｗｅｅｐ Ｖｏｌｔａｍｍｅｔｒｙ）］
【0120】
ＣＶ（Ｃｙｃｌｉｃ Ｖｏｌｔａｍｍｅｔｒｙ）から得られたＣＶ曲線において水素が吸・脱着される領域の面積値を用いて膜－電極アセンブリーのカソードの電気化学的反応表面積（Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｒｅａ：ＥＣＡ）を計算し、その結果を下表２に示した。また、ＬＳＶ（Ｌｉｎｅａｒ Ｓｗｅｅｐ Ｖｏｌｔａｍｍｅｔｒｙ）を用いて水素透過度を間接的に確認し、その結果を下表２に示した。
【0121】
【表2】
【0122】
比較例２では、カソードと高分子電解質膜との界面面積が増加することにより、電気化学的反応表面積（ＥＣＡ）が比較例１に比べて改善したが、水素透過度は比較例１に比べて増加していることが確認できる。
【0123】
比較例３では、互いに離隔した複数個のサブ電極でカソードが形成されることにより、電気化学的反応表面積（ＥＣＡ）が比較例１に比べて減少していることが確認できた。そのうえ、比較例３は、比較例１に比して遥かに高い水素透過度を示した。
【0124】
実施例１では、電気化学的反応表面積（ＥＣＡ）が比較例１に比べて最も多く改善されているだけでなく、比較例１に比べて水素透過度が少ししか増加していないことが確認できる。
【図1】
【図2】
【図3(a)】
【図3(b)】
【図3(c)】
【図4(a)】
【図4(b)】
【図4(c)】
【図5a】
【図5b】
【図5c】
【図5d】
【図5e】
【図5f】
【図5g】
【図5h】
【図6】
【国際調査報告】