JP7387895B2 - 優れた性能及び高い耐久性の両要求条件を満たすことができる膜電極アセンブリー及びそれを含む燃料電池 - Google Patents
優れた性能及び高い耐久性の両要求条件を満たすことができる膜電極アセンブリー及びそれを含む燃料電池 Download PDFInfo
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Description
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し、より具体的には、優れた性能及び高い耐久性の両要求条件を満たすことができる膜電極アセンブリー及びそれを含む燃料電池に関する。
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。
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）とを含む。
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）とを含む。
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り水が生成される。
一般に、膜電極アセンブリーの性能及び耐久性は電極の性能及び耐久性と密接な関連がある。しかし、アノード／カソードのような電極の性能と耐久性との間のトレードオフ（ｔｒａｄｅ－ｏｆｆ）関係は電極の性能及び耐久性の中でいずれか一方の犠牲を強要する。すなわち、高い触媒活性を有する酸化／還元触媒は満足ではない耐久性を有する傾向がある。一方、高い耐久性を有する酸化／還元触媒は満足ではない性能を有する傾向がある。
一般に、膜電極アセンブリーの性能及び耐久性は電極の性能及び耐久性と密接な関連がある。しかし、アノード／カソードのような電極の性能と耐久性との間のトレードオフ（ｔｒａｄｅ－ｏｆｆ）関係は電極の性能及び耐久性の中でいずれか一方の犠牲を強要する。すなわち、高い触媒活性を有する酸化／還元触媒は満足ではない耐久性を有する傾向がある。一方、高い耐久性を有する酸化／還元触媒は満足ではない性能を有する傾向がある。
その結果、燃料電池分野で通常の知識を有する者の間では、優れた性能及び高い耐久性という両要求条件を同時に満たす膜電極アセンブリー及び／または燃料電池を製造することは不可能であると思われている。
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れを含む燃料電池に関する。
本発明の一観点は、優れた性能及び高い耐久性の両要求条件を満たす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。
本発明の他の観点は、優れた性能及び高い耐久性の両要求条件を満たすことができる燃料電池を提供することである。
以上で言及し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らかに理解可能であろう。
本発明の一観点は、優れた性能及び高い耐久性の両要求条件を満たす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。
本発明の他の観点は、優れた性能及び高い耐久性の両要求条件を満たすことができる燃料電池を提供することである。
以上で言及し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らかに理解可能であろう。
このような本発明の一観点によれば、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、第１耐久性を有する第１セグメント、及び前記第１耐久性と異なる第２耐久性を有する第２セグメントを含む膜電極アセンブリーが提供される。
前記第１セグメントは第１触媒を含むことができ、前記第２セグメントは第２触媒を含むことができ、前記第１及び第２触媒は耐久性の面で互いに異なることができる。
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担体は互いに異なることができる。
前記第１耐久性が前記第２耐久性より高いことができ、前記第１担体は結晶性炭素系担体（ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｃａｒｂｏｎ－ｂａｓｅｄ ｓｕｐｐｏｒｔ）または伝導性無機酸化物担体（ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｉｎｏｒｇａｎｉｃ ｏｘｉｄｅ ｓｕｐｐｏｒｔ）であることができ、前記第２担体は非結晶性炭素系担体（ｎｏｎ－ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｃａｒｂｏｎ－ｂａｓｅｄ ｓｕｐｐｏｒｔ）であることができる。
前記第１セグメントは第１触媒を含むことができ、前記第２セグメントは第２触媒を含むことができ、前記第１及び第２触媒は耐久性の面で互いに異なることができる。
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担体は互いに異なることができる。
前記第１耐久性が前記第２耐久性より高いことができ、前記第１担体は結晶性炭素系担体（ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｃａｒｂｏｎ－ｂａｓｅｄ ｓｕｐｐｏｒｔ）または伝導性無機酸化物担体（ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｉｎｏｒｇａｎｉｃ ｏｘｉｄｅ ｓｕｐｐｏｒｔ）であることができ、前記第２担体は非結晶性炭素系担体（ｎｏｎ－ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｃａｒｂｏｎ－ｂａｓｅｄ ｓｕｐｐｏｒｔ）であることができる。
前記第１担体は、黒鉛化カーボンブラック（ｇｒａｐｈｉｔｉｚｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｂｌａｃｋ）、炭素ナノチューブ（ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ）、炭素ナノ纎維（ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｆｉｂｅｒ）、ＳｎＯ２、ＴｉＯ２、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、前記第２担体は、非黒鉛質カーボンブラック（ｎｏｎ－ｇｒａｐｈｉｔｉｃ ｃａｒｂｏｎｂｌａｃｋ）を含むことができる。
前記第１及び第２セグメントは前記電解質膜の表面に平行な方向に並んで配列されることができる。
前記第１耐久性が前記第２耐久性より高いことができ、前記第１セグメントは前記第１電極の全活性面積の５０％以下を占めることができる。
前記第１及び第２セグメントは前記電解質膜の表面に平行な方向に並んで配列されることができる。
前記第１耐久性が前記第２耐久性より高いことができ、前記第１セグメントは前記第１電極の全活性面積の５０％以下を占めることができる。
前記第１耐久性が前記第２耐久性より高いことができ、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セグメント内の前記第１金属粒子の単位面積当たり重量は前記第２セグメント内の前記第２金属粒子の単位面積当たり重量より大きいことができる。
前記第１耐久性が前記第２耐久性より高いことができ、前記第１セグメントは第１アイオノマーをさらに含むことができ、前記第２セグメントは第２アイオノマーをさらに含むことができ、前記第１アイオノマーの測鎖（ｓｉｄｅ ｃｈａｉｎ）の長さは前記第２アイオノマーの測鎖の長さより短いことができる。
前記第１耐久性が前記第２耐久性より高いことができ、前記第１セグメントは第１アイオノマーをさらに含むことができ、前記第２セグメントは第２アイオノマーをさらに含むことができ、前記第１アイオノマーの測鎖（ｓｉｄｅ ｃｈａｉｎ）の長さは前記第２アイオノマーの測鎖の長さより短いことができる。
前記第１耐久性が前記第２耐久性より高いことができ、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金属粒子の前記第１担体上の担持率（ｌｏａｄｉｎｇ ｒａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｍｅｔａｌ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｓｕｐｐｏｒｔ）は前記第２金属粒子の前記第２担体上の担持率（ｌｏａｄｉｎｇ ｒａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄ ｍｅｔａｌ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄ ｓｕｐｐｏｒｔ）より低いことができる。
前記第１耐久性が前記第２耐久性より高いことができ、前記第１セグメントは前記電解質膜上に順次形成された第１及び第２サブ層の二重層構造（ｄｏｕｂｌｅ ｌａｙｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｆｉｒｓｔ ａｎｄ ｓｅｃｏｎｄ ｓｕｂ－ｌａｙｅｒｓ ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌｌｙ ｆｏｒｍｅｄ ｏｖｅｒ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ）を有することができ、前記第２セグメントは単一層構造（ｓｉｎｇｌｅ ｌａｙｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を有することができ、前記第１及び第２サブ層の中で一方は第１触媒を含むことができ、前記第１及び第２サブ層の中で他方と前記第２セグメントのそれぞれは前記第１触媒と異なる第２触媒を含むことができる。
前記第１耐久性が前記第２耐久性より高いことができ、前記第１セグメントは前記電解質膜上に順次形成された第１及び第２サブ層の二重層構造（ｄｏｕｂｌｅ ｌａｙｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｆｉｒｓｔ ａｎｄ ｓｅｃｏｎｄ ｓｕｂ－ｌａｙｅｒｓ ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌｌｙ ｆｏｒｍｅｄ ｏｖｅｒ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ）を有することができ、前記第２セグメントは単一層構造（ｓｉｎｇｌｅ ｌａｙｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を有することができ、前記第１及び第２サブ層の中で一方は第１触媒を含むことができ、前記第１及び第２サブ層の中で他方と前記第２セグメントのそれぞれは前記第１触媒と異なる第２触媒を含むことができる。
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担体は結晶性炭素系担体または伝導性無機酸化物担体であることができ、前記第２担体は非結晶性炭素系担体であることができる。
前記第１電極は水素の酸化反応が起こるアノードであることができ、前記第２電極は酸素の還元反応が起こるカソードであることができ、前記第１触媒は酸素発生反応（ｏｘｙｇｅｎ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｒｅａｃｔｉｏｎ：ＯＥＲ）触媒であることができ、前記第２触媒は水素酸化反応（ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｒｅａｃｔｉｏｎ：ＨＯＲ）触媒であることができる。
前記第１電極は水素の酸化反応が起こるアノードであることができ、前記第１耐久性が前記第２耐久性より高いことができ、前記第１セグメントはＯＥＲ触媒及び第１ＨＯＲ触媒を含むことができ、前記第２セグメントは前記第２ＨＯＲ触媒を含むことができ、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。
前記第１電極は水素の酸化反応が起こるアノードであることができ、前記第２電極は酸素の還元反応が起こるカソードであることができ、前記第１触媒は酸素発生反応（ｏｘｙｇｅｎ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｒｅａｃｔｉｏｎ：ＯＥＲ）触媒であることができ、前記第２触媒は水素酸化反応（ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｒｅａｃｔｉｏｎ：ＨＯＲ）触媒であることができる。
前記第１電極は水素の酸化反応が起こるアノードであることができ、前記第１耐久性が前記第２耐久性より高いことができ、前記第１セグメントはＯＥＲ触媒及び第１ＨＯＲ触媒を含むことができ、前記第２セグメントは前記第２ＨＯＲ触媒を含むことができ、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。
前記第１電極は酸素の還元反応が起こるカソードであることができ、前記第２電極は水素の酸化反応が起こるアノードであることができ、前記第１耐久性が前記第２耐久性より高いことができ、前記第１セグメントが前記第２セグメントより高い多孔率（ｐｏｒｏｓｉｔｙ）を有することができる。
本発明の他の観点によれば、第１セパレーターと、第２セパレーターと、前記第１及び第２セパレーターの間の請求項１に記載の膜電極アセンブリーとを含み、前記第１電極は前記第１セパレーターと前記電解質膜との間に配置され、前記第１セパレーターは、前記第１電極に供給される第１ガスのための第１流入口（ｉｎｌｅｔ）、前記第１ガスのための第１排出口（ｏｕｔｌｅｔ）、及び前記第１流入口と前記第１排出口との間の第１流動チャネル（ｆｌｏｗ ｃｈａｎｎｅｌ）を含み、前記第１耐久性が前記第２耐久性より高く、前記第１セグメントは前記第１流入口または前記第１排出口に対応するセグメントである燃料電池が提供される。
本発明の他の観点によれば、第１セパレーターと、第２セパレーターと、前記第１及び第２セパレーターの間の請求項１に記載の膜電極アセンブリーとを含み、前記第１電極は前記第１セパレーターと前記電解質膜との間に配置され、前記第１セパレーターは、前記第１電極に供給される第１ガスのための第１流入口（ｉｎｌｅｔ）、前記第１ガスのための第１排出口（ｏｕｔｌｅｔ）、及び前記第１流入口と前記第１排出口との間の第１流動チャネル（ｆｌｏｗ ｃｈａｎｎｅｌ）を含み、前記第１耐久性が前記第２耐久性より高く、前記第１セグメントは前記第１流入口または前記第１排出口に対応するセグメントである燃料電池が提供される。
前記電解質膜は、活性領域（ａｃｔｉｖｅ ａｒｅａ）、及び前記活性領域を取り囲む非活性領域（ｎｏｎ－ａｃｔｉｖｅ ａｒｅａ）を有することができ、前記第１電極は前記活性領域の第１面上に配置されることができ、前記第２電極は前記活性領域の第２面上に配置されることができ、前記燃料電池は、前記非活性領域の第１面上に配置され、前記第１電極を取り囲む第１サブガスケットと、前記非活性領域の第２面上に配置され、前記第２電極を取り囲む第２サブガスケットと、前記第１電極と前記第１セパレーターとの間の第１ガス拡散層と、前記第２電極と前記第２セパレーターとの間の第２ガス拡散層とをさらに含むことができる。
前記燃料電池は、前記第１サブガスケットと前記第１セパレーターとの間に配置され、前記第１ガス拡散層を取り囲む第１ガスケットと、前記第２サブガスケットと前記第２セパレーターとの間に配置され、前記第２ガス拡散層を取り囲む第２ガスケットとをさらに含むことができる。
以上のような本発明についての一般的敍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。
前記燃料電池は、前記第１サブガスケットと前記第１セパレーターとの間に配置され、前記第１ガス拡散層を取り囲む第１ガスケットと、前記第２サブガスケットと前記第２セパレーターとの間に配置され、前記第２ガス拡散層を取り囲む第２ガスケットとをさらに含むことができる。
以上のような本発明についての一般的敍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。
本発明によれば、優れた性能及び高い耐久性という両要求条件を同時に満たす膜電極アセンブリーを提供することができる。
したがって、このような膜電極アセンブリーを含む本発明の燃料電池は優れた性能を発揮しながらも充分に長い寿命を有することができる。
したがって、このような膜電極アセンブリーを含む本発明の燃料電池は優れた性能を発揮しながらも充分に長い寿命を有することができる。
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。
（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の平面図及び断面図である。
（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。
本発明の一実施例による燃料電池の断面図である。
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。
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、本発明の範囲を限定しない。
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。
図１に示すように、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。
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。
図１に示すように、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。
例えば、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）アイオノマーが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ることができる。
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種以上のイオン伝導性基を有することができる。
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ることができる。
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種以上のイオン伝導性基を有することができる。
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ることができる。
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ることができる。
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を潤滑剤の存在下でテープ上に押出し成形した後、膨張工程及び熱処理工程を遂行することにより、膨張フィルム（ｅｘｐａｎｄｅｄ ｆｉｌｍ）状の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的な膨張工程及び熱処理工程をさらに遂行することもできる。前記膨張及び熱処理工程を制御することにより、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。
代案として、前記多孔性支持体は不織ウェブ（ｎｏｎｗｏｖｅｎ ｗｅｂ）であることができる。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。
前記不織繊維ウェブは、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。
前記不織繊維ウェブは、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。
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、及び分散媒を含む電極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。
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。
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ることができる。
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ることができる。
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。
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ることができる。
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ることができる。
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ることができる。
本明細書で、前記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。
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。
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。
前記金属粒子は白金（Ｐｔ）粒子または白金系合金粒子であることができる。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であることができる。
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。
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。
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。
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。
前記電極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ることができるが、これらに限定されるものではない。
本発明によれば、図１に示すように、前記第１電極１１１０は、第１耐久性を有する第１セグメント１１１１、及び前記第１耐久性と異なる第２耐久性を有する第２セグメント１１１２を含む。
一般に、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／排出口対応する部分：以下、“劣化脆弱部分”）で主に発生する。よって、前記劣化脆弱部分（例えば、前記第１セグメント１１１１）が残りの部分に比べて高い耐久性を有するように前記第１電極１１１０を形成することにより、前記残りの部分（例えば、前記第２セグメント１１１２）の性能犠牲なしに膜電極アセンブリー１１００全体の耐久性を向上させることができる。
本発明によれば、図１に示すように、前記第１電極１１１０は、第１耐久性を有する第１セグメント１１１１、及び前記第１耐久性と異なる第２耐久性を有する第２セグメント１１１２を含む。
一般に、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／排出口対応する部分：以下、“劣化脆弱部分”）で主に発生する。よって、前記劣化脆弱部分（例えば、前記第１セグメント１１１１）が残りの部分に比べて高い耐久性を有するように前記第１電極１１１０を形成することにより、前記残りの部分（例えば、前記第２セグメント１１１２）の性能犠牲なしに膜電極アセンブリー１１００全体の耐久性を向上させることができる。
前記第１及び第２セグメント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。
前記第１電極１１１０と同様に、前記第２電極１１２０も相異なる耐久性を有するセグメント１１２１、１１２２を含むことができる。例えば、前記第２電極１１２０は、前記第１電極１１１０の第１セグメント１１１１と同じ物質から形成されたセグメント１１２１、及び前記第１電極１１１０の第２セグメント１１１２と同じ物質から形成されたセグメント１１２２を含むことができる。
本発明の一実施例によれば、前記第１電極１１１０の前記第１及び第２セグメント１１１１、１１１２は互いに異なる触媒を含むことにより、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セグメント１１１１は第１触媒を含み、前記第２セグメント１１１２は第２触媒を含み、前記第１及び第２触媒は耐久性の側面で互いに異なることができる。
前記第１電極１１１０と同様に、前記第２電極１１２０も相異なる耐久性を有するセグメント１１２１、１１２２を含むことができる。例えば、前記第２電極１１２０は、前記第１電極１１１０の第１セグメント１１１１と同じ物質から形成されたセグメント１１２１、及び前記第１電極１１１０の第２セグメント１１１２と同じ物質から形成されたセグメント１１２２を含むことができる。
本発明の一実施例によれば、前記第１電極１１１０の前記第１及び第２セグメント１１１１、１１１２は互いに異なる触媒を含むことにより、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セグメント１１１１は第１触媒を含み、前記第２セグメント１１１２は第２触媒を含み、前記第１及び第２触媒は耐久性の側面で互いに異なることができる。
前記第１及び第２触媒のいずれか一方（例えば、第１触媒）は性能の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触媒であり、前記第１電極１１１０の劣化脆弱部分（例えば、第１セグメント１１１１）の形成に使われる反面、他方（例えば、第２触媒）は耐久性の面では相対的にちょっと落ちるが相対的に高い性能を示す触媒であり、前記第１電極１１１０の残りの部分（例えば、第２セグメント１１１２）の形成に使われる。
このように、耐久性が互いに異なる種類の触媒で第１電極１１１０の劣化脆弱部分及び残りの部分をそれぞれ形成することが、他の因子（例えば、触媒濃度／塗布量／ローディング量の差、アイオノマー濃度の差など）を用いて前記劣化脆弱部分及び残りの部分の耐久性の差を誘導するより本発明の目的及び効果（すなわち、優れた性能及び高い耐久性という二つの要求を同時に満たす膜電極アセンブリーの提供）を果たすのにずっと有利である。
このように、耐久性が互いに異なる種類の触媒で第１電極１１１０の劣化脆弱部分及び残りの部分をそれぞれ形成することが、他の因子（例えば、触媒濃度／塗布量／ローディング量の差、アイオノマー濃度の差など）を用いて前記劣化脆弱部分及び残りの部分の耐久性の差を誘導するより本発明の目的及び効果（すなわち、優れた性能及び高い耐久性という二つの要求を同時に満たす膜電極アセンブリーの提供）を果たすのにずっと有利である。
前述したように、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上に金属粒子が分散されている触媒が一般的に使われる。言い換えれば、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る。
したがって、本発明の一実施例によれば、前記第１及び第２触媒自体が互いに異なる耐久性を有するために、第１及び第２担体自体が互いに異なるか／異なり、第１及び第２金属粒子自体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、よって、前記第１セグメント１１１１の第１耐久性が前記第２セグメント１１１２の第２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。
したがって、本発明の一実施例によれば、前記第１及び第２触媒自体が互いに異なる耐久性を有するために、第１及び第２担体自体が互いに異なるか／異なり、第１及び第２金属粒子自体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、よって、前記第１セグメント１１１１の第１耐久性が前記第２セグメント１１１２の第２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。
相対的に高い耐久性を有する前記第１セグメント１１１１は前記第１電極１１１０の劣化脆弱部分（例えば、後述するセパレーターのガス流入口及びガス排出口に対応する部分）であることができ、前記第１電極１１１０の全活性面積の５０％以下を占めることができる。
また、本発明の一実施例によれば、前記第１及び第２触媒自体が耐久性の側面で互いに異なるだけでなく、前記第１セグメント１１１１内の前記第１金属粒子の単位面積当たり重量と前記第２セグメント１１１２内の前記第２金属粒子の単位面積当たり重量とが互いに異なることができる。
例えば、前記第１触媒が前記第２触媒より優れた耐久性を有し、前記第１セグメント１１１１内の前記第１金属粒子の単位面積当たり重量が前記第２セグメント１１１２内の前記第２金属粒子の単位面積当たり重量より大きいことにより、前記第１セグメント１１１１の第１耐久性が前記第２セグメント１１１２の第２耐久性より高いことができる。ここで、前記第１及び第２金属粒子は同一であることができる。
また、本発明の一実施例によれば、前記第１及び第２触媒自体が耐久性の側面で互いに異なるだけでなく、前記第１セグメント１１１１内の前記第１金属粒子の単位面積当たり重量と前記第２セグメント１１１２内の前記第２金属粒子の単位面積当たり重量とが互いに異なることができる。
例えば、前記第１触媒が前記第２触媒より優れた耐久性を有し、前記第１セグメント１１１１内の前記第１金属粒子の単位面積当たり重量が前記第２セグメント１１１２内の前記第２金属粒子の単位面積当たり重量より大きいことにより、前記第１セグメント１１１１の第１耐久性が前記第２セグメント１１１２の第２耐久性より高いことができる。ここで、前記第１及び第２金属粒子は同一であることができる。
代案として、前記第１及び第２触媒自体が耐久性の側面で互いに異なるだけでなく、前記第１セグメント１１１１内の第１アイオノマーと前記第２セグメント１１１２内の第２アイオノマーが耐久性の側面で互いに異なることができる。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。よって、この実施例によれば、前記第１アイオノマーの測鎖の長さと前記第２アイオノマーの測鎖の長さとが互いに異なることができる。
例えば、前記第１触媒が前記第２触媒より優れた耐久性を有し、前記第１セグメント内の前記第１アイオノマーの測鎖の長さが前記第２セグメント内の前記第２アイオノマーの測鎖の長さより短いので、前記第１セグメント１１１１の第１耐久性が前記第２セグメント１１１２の第２耐久性より高いことができる。また、オプションで（ｏｐｔｉｏｎａｌｌｙ）、前記第１セグメント１１１１内の前記第１金属粒子の単位面積当たり重量が前記第２セグメント１１１２内の前記第２金属粒子の単位面積当たり重量より大きいことができる。
例えば、前記第１触媒が前記第２触媒より優れた耐久性を有し、前記第１セグメント内の前記第１アイオノマーの測鎖の長さが前記第２セグメント内の前記第２アイオノマーの測鎖の長さより短いので、前記第１セグメント１１１１の第１耐久性が前記第２セグメント１１１２の第２耐久性より高いことができる。また、オプションで（ｏｐｔｉｏｎａｌｌｙ）、前記第１セグメント１１１１内の前記第１金属粒子の単位面積当たり重量が前記第２セグメント１１１２内の前記第２金属粒子の単位面積当たり重量より大きいことができる。
代案として、前記第１及び第２触媒自体が耐久性の側面で互いに異なるだけでなく、前記第１金属粒子の前記第１担体上の担持率（ｌｏａｄｉｎｇ ｒａｔｅ）と前記第２金属粒子の前記第２担体上の担持率とが互いに異なることができる。ここで、前記第１及び第２金属粒子は同一であることができる。
一般に、金属粒子の担体上の担持率が高いほど前記担体の腐食による金属粒子の溶出及び／または凝集の危険が高くなる。よって、本発明の前記代案的実施例によれば、前記第１触媒が前記第２触媒より優れた耐久性を有し、前記第１金属粒子の前記第１担体上の担持率が前記第２金属粒子の前記第２担体上の担持率より低いので、前記第１セグメント１１１１の第１耐久性が前記第２セグメント１１１２の第２耐久性より高いことができる。また、オプションで（ｏｐｔｉｏｎａｌｌｙ）、前記第１セグメント１１１１内の前記第１金属粒子の単位面積当たり重量が前記第２セグメント１１１２内の前記第２金属粒子の単位面積当たり重量より大きいことができる。
一般に、金属粒子の担体上の担持率が高いほど前記担体の腐食による金属粒子の溶出及び／または凝集の危険が高くなる。よって、本発明の前記代案的実施例によれば、前記第１触媒が前記第２触媒より優れた耐久性を有し、前記第１金属粒子の前記第１担体上の担持率が前記第２金属粒子の前記第２担体上の担持率より低いので、前記第１セグメント１１１１の第１耐久性が前記第２セグメント１１１２の第２耐久性より高いことができる。また、オプションで（ｏｐｔｉｏｎａｌｌｙ）、前記第１セグメント１１１１内の前記第１金属粒子の単位面積当たり重量が前記第２セグメント１１１２内の前記第２金属粒子の単位面積当たり重量より大きいことができる。
代案として、前記第１電極１１１０は水素の酸化反応が起こるアノードであることができ、前記第１セグメント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セグメント１１１２は第２水素酸化反応触媒（以下、‘第２ＨＯＲ触媒’）を含むことにより、前記第１セグメント１１１１の第１耐久性が前記第２セグメント１１１２の第２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。
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。
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。
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。
図２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１１００の平面図及び断面図である。
図２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１１００の平面図及び断面図である。
図２に示すように、本発明の他の実施例によれば、前記第１セグメント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セグメント１１１２は単一層構造（ｓｉｎｇｌｅ ｌａｙｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を有する。
前記第１及び第２サブ層１１１１ａ、１１１１ｂの中で一方が第１触媒を含み、前記第１及び第２サブ層１１１１ａ、１１１１ｂの中で他方と前記第２セグメント１１１２のそれぞれが前記第１触媒と異なる第２触媒を含むことにより、前記第１セグメント１１１１の第１耐久性が前記第２セグメント１１１２の第２耐久性より高いことができる。
前記第１及び第２サブ層１１１１ａ、１１１１ｂの中で一方が第１触媒を含み、前記第１及び第２サブ層１１１１ａ、１１１１ｂの中で他方と前記第２セグメント１１１２のそれぞれが前記第１触媒と異なる第２触媒を含むことにより、前記第１セグメント１１１１の第１耐久性が前記第２セグメント１１１２の第２耐久性より高いことができる。
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。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。
代案として、前記第１電極１１１０が水素の酸化反応が起こるアノードであり、前記第２電極１１２０が酸素の還元反応が起こるカソードである場合、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により、前記第１セグメント１１１１の第１耐久性が前記第２セグメント１１１２の第２耐久性より高いことができる。
代案として、前記第１電極１１１０が水素の酸化反応が起こるアノードであり、前記第２電極１１２０が酸素の還元反応が起こるカソードである場合、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により、前記第１セグメント１１１１の第１耐久性が前記第２セグメント１１１２の第２耐久性より高いことができる。
本発明のさらに他の実施例によれば、前記第１電極１１１０は酸素の還元反応が起こるカソード（ｃａｔｈｏｄｅ）であり、前記第２電極１１２０は水素の酸化反応が起こるアノード（ａｎｏｄｅ）であり、前記第１セグメント１１１１が前記第２セグメント１１１２より高い多孔率（ｐｏｒｏｓｉｔｙ）を有することにより、前記酸素の還元反応によって生成される水が前記第２セグメント１１１２に比べて前記第１セグメント１１１１からよりうまく排出されることができる。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れる前記第１セグメント１１１１が前記第２セグメント１１１２より高い耐久性を有する。
前述したように、前記第２電極１１２０も前記第１電極１１１０の前記例示的な第１及び第２セグメント１１１１、１１１２と同じ物質及び構造を有するようにそれぞれ形成されたセグメント１１２１、１１２２を含むことができる。すなわち、前記第１電極１１１０の第１及び第２セグメント１１１１、１１１２についての説明が前記第２電極１１２０のセグメント１１２１、１１２２にも同様に適用可能である。
前述したように、前記第２電極１１２０も前記第１電極１１１０の前記例示的な第１及び第２セグメント１１１１、１１１２と同じ物質及び構造を有するようにそれぞれ形成されたセグメント１１２１、１１２２を含むことができる。すなわち、前記第１電極１１１０の第１及び第２セグメント１１１１、１１１２についての説明が前記第２電極１１２０のセグメント１１２１、１１２２にも同様に適用可能である。
以下、図３及び図４を参照して本発明の燃料電池１０００を具体的に説明する。
図３は本発明の一実施例による燃料電池１０００の断面図、図４は本発明の一実施例による第１セパレーター１２１０の流動チャネル（ｆｌｏｗ ｃｈａｎｎｅｌ）１２１１を示す図である。
図３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の間の上述した膜電極アセンブリー１１００を含む。
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との間に配置される。同様に、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。
図３は本発明の一実施例による燃料電池１０００の断面図、図４は本発明の一実施例による第１セパレーター１２１０の流動チャネル（ｆｌｏｗ ｃｈａｎｎｅｌ）１２１１を示す図である。
図３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の間の上述した膜電極アセンブリー１１００を含む。
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との間に配置される。同様に、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。
図４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。
本発明によれば、前記第１セグメント１１１１が前記第２セグメント１１１２より高い耐久性を有し（すなわち、前記第１耐久性が前記第２耐久性より高く）、前記第１セグメント１１１１は前記第１流入口ＧＩ及び／または前記第１排出口ＧＯに対応するセグメントである。
したがって、本発明によれば、前記第１電極１１１０のうち前記第１セパレーター１２１０の前記第１流入口ＧＩ及び／または前記第１排出口ＧＯに対応する部分（等）である劣化脆弱部分（等）のみを選択的に高耐久性を有するように形成することにより（すなわち、前記第１セグメント１１１１を前記第２セグメント１１１２より高い耐久性を有するように形成することにより）、優れた性能及び高い耐久性の両要求条件を満たすことができる燃料電池１０００を提供することができる。
本発明によれば、前記第１セグメント１１１１が前記第２セグメント１１１２より高い耐久性を有し（すなわち、前記第１耐久性が前記第２耐久性より高く）、前記第１セグメント１１１１は前記第１流入口ＧＩ及び／または前記第１排出口ＧＯに対応するセグメントである。
したがって、本発明によれば、前記第１電極１１１０のうち前記第１セパレーター１２１０の前記第１流入口ＧＩ及び／または前記第１排出口ＧＯに対応する部分（等）である劣化脆弱部分（等）のみを選択的に高耐久性を有するように形成することにより（すなわち、前記第１セグメント１１１１を前記第２セグメント１１１２より高い耐久性を有するように形成することにより）、優れた性能及び高い耐久性の両要求条件を満たすことができる燃料電池１０００を提供することができる。
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のうち前記第２セパレーター１２２０の前記第２流入口及び／または前記第２排出口に対応するセグメント１２２１を他のセグメント１２２２より高い耐久性を有するように形成することができる。
図３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。
図３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。
図３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１３１０、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１３２０を含む。
前記第１及び第２サブガスケット１３１０、１３２０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。
前記第１及び第２サブガスケット１３１０、１３２０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１３１０は前記第１電極１１１０を取り囲み、前記第２サブガスケット１３２０は前記第２電極１１２０を取り囲む。
前記第１及び第２サブガスケット１３１０、１３２０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。
前記第１及び第２サブガスケット１３１０、１３２０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１３１０は前記第１電極１１１０を取り囲み、前記第２サブガスケット１３２０は前記第２電極１１２０を取り囲む。
前記第１及び第２サブガスケット１３１０、１３２０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、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。
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１３１０、１３２０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。
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１３１０、１３２０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。
また、図３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１４１０、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１４２０をさらに含むことができる。
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／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。
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／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。
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）、金属ペーパー（ｍｅｔａｌ ｐａｐｅｒ）、金属布（ｍｅｔａｌ ｃｌｏｔｈ）、金属フェルト（ｍｅｔａｌ ｆｅｌｔ）などのような電気伝導性多孔性部材（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｐｏｒｏｕｓ ｍｅｍｂｅｒ）であることができる。
また、図３に示すように、本発明の一実施例による燃料電池１０００は、前記第１サブガスケット１３１０と前記第１セパレーター１２１０との間に配置され、前記第１ガス拡散層１４１０を取り囲む第１ガスケット１５１０、及び前記第２サブガスケット１３２０と前記第２セパレーター１２２０との間に配置され、前記第２ガス拡散層１４２０を取り囲む第２ガスケット１５２０をさらに含むことができる。
また、図３に示すように、本発明の一実施例による燃料電池１０００は、前記第１サブガスケット１３１０と前記第１セパレーター１２１０との間に配置され、前記第１ガス拡散層１４１０を取り囲む第１ガスケット１５１０、及び前記第２サブガスケット１３２０と前記第２セパレーター１２２０との間に配置され、前記第２ガス拡散層１４２０を取り囲む第２ガスケット１５２０をさらに含むことができる。
前記第１及び第２ガスケット１５１０、１５２０はガス（すなわち、水素ガス及び／または空気）の漏出を防止するためのものであり、例えばエチレンプロピレンジエンモノマー（ＥＰＤＭ）、ネオプレン（ｎｅｏｐｒｅｎｅ）、ウレタン（ｕｒｅｔｈａｎｅ）、アクリロニトリルブタジエンゴム（ＮＢＲ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの素材から形成されることができるが、これらの物質に限定されない。
Claims (4)
- 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、第１耐久性を有する第１セグメント、及び前記第１耐久性と異なる第２耐久性を有する第２セグメントを含み、
前記第１セグメントは第１触媒を含み、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金属粒子を含み、
前記第２セグメントは第２触媒を含み、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金属粒子を含み、
前記第１担体は、伝導性無機酸化物担体（ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｉｎｏｒｇａｎｉｃ ｏｘｉｄｅ ｓｕｐｐｏｒｔ）であり、該伝導性無機酸化物担体は、ＳｎＯ ２ 、ＴｉＯ ２ 、またはこれらの混合物を含み、また前記第２担体は、非黒鉛質カーボンブラック（ｎｏｎ－ｇｒａｐｈｉｔｉｃ ｃａｒｂｏｎｂｌａｃｋ）を含むことで、前記第１耐久性が前記第２耐久性より高い、
膜電極アセンブリー。 - 前記第１及び第２セグメントは前記電解質膜の表面に平行な方向に並んで配列される、
請求項１に記載の膜電極アセンブリー。 - 前記第１セグメントは前記第１電極の全活性面積の５０％以下を占める、
請求項１に記載の膜電極アセンブリー。 - 第１セパレーターと、
第２セパレーターと、
前記第１及び第２セパレーターの間の請求項１に記載の膜電極アセンブリーと、
を含み、
前記第１電極は前記第１セパレーターと前記電解質膜との間に配置され、
前記第１セパレーターは、前記第１電極に供給される第１ガスのための第１流入口（ｉｎｌｅｔ）、前記第１ガスのための第１排出口（ｏｕｔｌｅｔ）、及び前記第１流入口と前記第１排出口との間の第１流動チャネル（ｆｌｏｗ ｃｈａｎｎｅｌ）を含み、
前記第１耐久性が前記第２耐久性より高く、
前記第１セグメントは前記第１流入口または前記第１排出口に対応するセグメントである、
燃料電池。
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|---|---|---|---|---|
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| JP2006339125A (ja) | 2005-06-06 | 2006-12-14 | Nissan Motor Co Ltd | 固体高分子型燃料電池 |
| JP2008034191A (ja) | 2006-07-27 | 2008-02-14 | Toyota Motor Corp | 燃料電池用膜・電極接合体の製造法及び燃料電池用触媒粒の検査方法 |
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