KR20070100684A

KR20070100684A - 막전극 조립체용 경화성 서브개스킷

Info

Publication number: KR20070100684A
Application number: KR1020077007839A
Authority: KR
Inventors: 데이비드 더블유. 스테그잉크; 데이비드 알. 메칼라
Original assignee: 쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
Priority date: 2004-10-08
Filing date: 2005-09-27
Publication date: 2007-10-11
Also published as: EP1807893A1; US20060078781A1; TW200629633A; JP2008516395A; CN101036256A; WO2006041677A1

Abstract

막전극 조립체용 서브개스킷이 MEA 구성요소의 표면 위에 증착되고 원위치에서 경화된다. 막전극 서브조립체는 폴리머 전해질 막, 가스 확산층, 및 상기 폴리머 전해질 막과 가스 확산층 사이의 촉매 층을 구비한다. 막전극 서브조립체는 그 하나 이상의 구성요소 위에 배치되는 서브개스킷을 구비한다. 서브개스킷은 증착될 수 있고 원위치에서 경화될 수 있는 재료의 층으로 제조된다. 가스 확산층의 주위 에지는 서브개스킷과 중첩된다.

폴리머 전해질 막, 가스 확산층, 촉매층, 서브개스킷, 촉매 코팅된 전극 배킹, 방사선

Description

막전극 조립체용 경화성 서브개스킷 {CURABLE SUBGASKET FOR A MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY}

본 발명은 일반적으로 연료 전지에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 막전극 조립체용 경화성 서브개스킷에 관한 것이다.

통상적인 연료 전지 전력 시스템은 하나 이상의 연료 전지 스택이 제공되는 파워 섹션을 구비한다. 연료 전지 전력 시스템의 효능은 대부분, 개별 연료 전지 내의, 및 스택의 인접한 연료 전지 사이에서의 각종 접촉 및 밀봉 경계면의 일체성에 의존한다.

오늘날, 종래의 방법을 사용하여 연료 전지 스택을 만드는 과정은 지루하고, 시간 소모적이며, 대량 생산에 쉽게 적합해질 수 없다. 예로서, 통상적인 5kW 연료 전지 스택은 약 80개의 막전극 조립체(MEA: membrane electrode assembly), 약 160개의 유동장(flow field) 플레이트, 및 약 160개의 밀봉 개스킷을 구비할 수 있다. 스택의 상기 및 기타 부품들은 주의깊게 정렬 및 조립되어야 한다. 적은 수의 부품일지라도 오정렬되면 가스 누설, 수소 크로스오버, 및 성능/내구성 저하를 초래할 수 있다.

연장된 작동 중의 연료 전지 막의 내구성은 종종 연료 전지가 비용 효과적으 로 사용될 수 있는지를 판정한다. MEA는 여러가지 방식으로 불능화될 수 있지만, 통상은 가스 크로스오버가 특정 속도를 초과할 때 작동중지되는 바, 이는 막이 기계적으로 천자(puncture)되었거나, 또는 화학적 부패로 인해 두께가 부식되었음을 의미한다.

내구성 및 수명이 향상된 MEA가 요구된다. 본 발명은 상기 및 기타 목적을 충족한다.

본 발명은 막전극 조립체용 경화성 서브개스킷에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예는 막전극 조립체(MEA)용 구조물에 관한 것이다. MEA 구조물은 폴리머 전해질 막, 가스 확산층, 및 상기 폴리머 전해질 막과 가스 확산층 사이의 촉매층을 구비하는 막전극 서브조립체를 구비한다. 막전극 서브조립체는 서브개스킷을 구비하며, 이 서브개스킷은 막전극 서브조립체의 하나 이상의 부품 위에 배치된다. 서브개스킷은 원위치에서 증착 및 경화가능한 재료의 층으로 제조된다. 가스 확산층의 주변 에지는 서브개스킷과 중첩한다.

서브개스킷은 폴리머 전해질 막의 주위 부분 위에 배치될 수 있다. 일부 구성에서, 서브개스킷의 일부는 촉매층과 폴리머 전해질 막 사이에 또는 촉매층과 가스 확산층 사이에 배치될 수도 있다. 대안적으로, 서브개스킷 층이 가스 확산층의 주위 부분 위에 배치될 수도 있다.

일부 실시예에서, 가스 확산층과 촉매층은 촉매 코팅된 전극 배킹(CCEB: catalyst coated electrode backing)을 형성한다. 촉매 코팅된 전극 배킹의 에지는 서브개스킷과 중첩된다. 다른 실시예에서, 폴리머 전해질 막과 촉매층은 촉매 코팅된 막을 형성한다. 서브개스킷은 촉매 코팅된 막의 주위 부분 위에 배치될 수도 있다.

본 발명의 다른 실시예는 함께 결합되는 제1 및 제2 막전극 구조물을 갖는 막전극 조립체(MEA)를 포함한다. 제1 및 제2 막전극 구조물 중 적어도 하나는 폴리머 전해질 막, 가스 확산층, 및 상기 폴리머 전해질 막과 가스 확산층 사이의 촉매층을 포함하는 전극 서브조립체를 구비한다. 전극 서브조립체의 하나 이상의 부품 위에는 서브개스킷이 배치된다. 서브개스킷은 원위치에서 증착 및 경화가능한 재료의 층으로 제조된다. 서브개스킷은 가스 확산층의 주변 에지가 서브개스킷과 중첩하도록 배치된다.

본 발명의 일 태양에 따르면, 제1 및 제2 막전극 구조물은 융합된 2층 폴리머 전해질 막에 의해 결합된다.

본 발명의 다른 실시예는 전기화학적 전지 조립체에 관한 것이다. 전기화학적 전지 조립체는 서브개스킷 층을 갖는 막전극 조립체(MEA)를 구비한다. MEA는 폴리머 전해질 막, 상기 폴리머 전해질 막의 양면에 배치되는 제1 및 제2 가스 확산층, 상기 제1 및 제2 가스 확산층과 폴리머 전해질 막 사이에 각각 배치되는 제1 및 제2 촉매층을 구비한다. 상기 서브개스킷 층은, 증착될 수 있고 원위치에서 경화될 수 있는 재료로 형성된다. 상기 서브개스킷 층의 일부는 MEA의 제1 및 제2 가스 확산층 사이에 배치된다.

본 발명의 추가 실시예는 막전극 조립체(MEA)를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다. 이 방법은 하나 이상의 서브개스킷형 MEA 구성요소를 형성하는 단계를 포함한다. 서브개스킷형 MEA 구성요소는 하나 이상의 MEA 구성요소의 적어도 한쪽 면의 일부 위에 분산가능한 서브개스킷 재료를 증착함으로써 형성된다. 서브개스킷 분산 재료는 원위치에서 경화되어 하나 이상의 서브개스킷 층을 형성한다. 제1 및 제2 가스 확산층(GDL) 구조물은 서브개스킷 층의 부분들이 제1 및 제2 GDL 구조물 사이에 배치되도록 폴리머 전해질 막(PEM) 구조물의 양면에 정렬된다. 상기 제1 GDL 구조물, 제2 GDL 구조물, 및 PEM 구조물 중 하나 이상은 하나 이상의 서브개스킷형 MEA 구성요소를 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시예는 가스 확산층 구조물 및 폴리머 전해질 막 구조물을 구비하는 막전극 서브조립체를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다. 이 방법은 서브개스킷형 MEA 구성요소를 형성하는 단계를 포함한다. 서브개스킷형 MEA 구성요소는 MEA 구성요소의 적어도 한쪽 면의 일부 위에 분산가능한 서브개스킷 재료를 증착함으로써 형성된다. 상기 서브개스킷 분산 재료는 원위치에서 경화되어 하나 이상의 서브개스킷 층을 형성한다. GDL 구조물의 에지가 하나 이상의 서브개스킷 층의 일부와 중첩되도록 GDL 구조물이 PEM 구조물 위에 배치된다. 상기 GDL과 PEM 중 적어도 하나는 하나 이상의 서브개스킷형 MEA 구성요소를 포함한다.

본 발명의 상기 개요는 본 발명의 각 실시예 또는 모든 실시예를 설명하려는 것은 아니다. 본 발명의 보다 완벽한 이해와 더불어 장점 및 성취는 첨부도면을 참조하여 하기 상세한 설명 및 청구범위를 검토함으로써 보다 명백해지고 이해될 것이다.

도1A는 연료 전지와 그 구성 층의 도시도이다.

도1B는 본 발명의 일 실시예에 따라 단극(monopolar) 구조를 갖는 유닛화(unitized) 전지 조립체의 도시도이다.

도1C는 본 발명의 일 실시예에 따라 단극/쌍극(bipolar) 구조를 갖는 유닛화 전지 조립체의 도시도이다.

도2A는 촉매 코팅된 전극 배킹(CCEB) 기초 막전극 조립체(MEA) 구조물의 단면도이다.

도2B는 촉매 코팅된 막(CCM) 기초 MEA 구조물의 단면도이다.

도2C는 본 발명의 실시예에 따라 서브개스킷 층을 갖는 CCEB 기초 MEA의 단면도이다.

도2D는 본 발명의 실시예에 따라 가스 확산층(GDL) 구조물의 에지가 서브개스킷 층과 중첩되는 CCM-기초 MEA의 단면도이다.

도2E는 본 발명의 실시예에 따라 GDL 구조물의 둘레가 CCM과 직접 접촉하지 않도록 서브개스킷과 중첩하는 GDL 구조물을 갖는 CCM-기초 MEA의 단면도이다.

도3A는 본 발명의 실시예에 따른 CCEB-기초 MEA 서브조립체(또는 ½-MEA)의 단면도이다.

도3B는 본 발명의 실시예에 따라 함께 접착된 두 개의 ½-MEA 서브조립체의 단면 상세도이다.

도3C는 본 발명의 실시예에 따라 보호 서브개스킷과 중첩하는 GDL을 갖는 CCM-기초 서브조립체(½-MEA 구조물)의 단면도이다.

도3D는 본 발명의 실시예에 따라 MEA 구조물을 형성하도록 함께 접착된 두 개의 CCM 서브조립체의 단면도이다.

도3E는 본 발명의 실시예에 따른 CCM-기초 ½-MEA 서브조립체의 단면도이다.

도3F는 본 발명의 실시예에 따른 두 개의 CCM-기초 ½-MEA 서브조립체의 융합의 도시도이다.

도4A는 본 발명의 실시예에 따라 PEM의 주변 영역을 보강하는 서브개스킷 층을 갖는 ½-MEA 서브조립체의 도시도이다.

도4B는 본 발명의 실시예에 따라 융합성 막의 뒤쪽에 배치되는 서브개스킷 층을 갖는 두 개의 ½-MEA 서브조립체의 융합 이전의 도시도이다.

도4C는 본 발명의 실시예에 따라 PEM의 뒤쪽에 도포되는 보호 서브개스킷 층을 갖는 CCEB-기초 MEA 조립체의 단면도이다.

도4D는 본 발명의 실시예에 따라 막의 뒤쪽에 도포되는 보호 서브개스킷 층을 갖는 CCM-기초 MEA 서브조립체(½-MEA)의 단면도이다.

도4E는 본 발명의 실시예에 따라 2층 막을 형성하도록 함께 적층될 수 있는 두 개의 CCM 서브조립체의 도시도이다.

도4F는 본 발명의 실시예에 따라 2층 막(450)을 가지며 내부 서브개스킷 층이 보강 에지를 형성하는 완전 MEA의 단면도이다.

도5는 본 발명의 실시예에 따라 GDL의 주위 부분에 배치되는 보호 서브개스킷 층을 갖는 CCM-기초 MEA의 단면도이다.

도6 및 도7은 본 발명의 실시예에 따른 MEA 조립체 및 서브조립체의 제조에 연관되는 공정을 도시하는 흐름도이다.

도8은 연료 전지 스택의 내외로 연료가 통과하는 방식의 이해를 촉진하는 단순화한 연료 전지 스택의 도시도로서, 본 발명의 원리에 따르면 연료 전지는 MEA 조립체를 사용하는 것이 바람직한 도시도이다.

도9 내지 도12는 본원에 개시된 MEA 조립체를 포함할 수 있고 전력 발생을 위해 연료 전지 스택을 사용할 수 있는 다양한 연료 전지 시스템의 도시도이다.

본 발명은 다양한 수정예 및 대체 형태로 나타날 수 있지만, 그 특정예가 도면에 예시적으로 도시되었으며 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명이 설명되는 특정 실시예에 한정되게 하려는 의도가 아님을 알아야 한다. 오히려, 청구범위에 의해 한정되는 발명의 범위 내에 포함되는 모든 수정예, 균등예, 및 대체예를 커버하려는 의도인 것이다.

도시된 실시예에 대한 하기 설명에서는, 본 명세서의 일부를 형성하고 본 발명이 실시될 수 있는 다양한 실시예를 예시적으로 도시하는 첨부도면을 참조한다. 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 이들 실시예가 사용될 수 있고 구조적 변경이 이루어질 수 있음을 알아야 한다.

본 발명은 막전극 조립체(MEA)의 층 사이에 형성되는 보호 서브개스킷에 관한 것이다. 특정 실시예는 전해질 막과 제1 및 제2 GDL 층 사이에 각각 배치되는 서브개스킷을 갖는 완전(full) MEA 조립체에 관한 것이다. 다른 실시예에서는, PEM과 GDL층 사이에 서브개스킷이 배치되는 ½ MEA 조립체가 제공된다. 본 발명의 추가 실시예는 서브개스킷형 MEA 조립체를 사용하여 실시되는 연료 전지 스택 및 시스템에 관한 것이다.

연료 전지는 수소 연료와 공기로부터의 산소를 조합하여 전기, 열, 및 물을 발생시키는 전기화학 장치이다. 연료 전지는 연소를 이용하지 않으며, 따라서 유해한 유출물(effluent)을 거의 발생하지 않는다. 연료 전지는 수소 연료와 산소를 직접 전기로 변환하며, 예를 들면 내부 연소 발전기보다 훨씬 높은 효율로 작동될 수 있다.

통상적인 연료 전지가 도1A에 도시되어 있다. 도1A에 도시된 연료 전지(10)는 연료극(anode)(14)을 포함하는 가스 확산 마이크로층에 인접하여 제1 가스 확산층(GDL(12)을 구비한다. 연료극(14)에 인접하여 전해질 막(16)이 제공된다. 전해질 막(16)에 인접하여 가스 확산 마이크로층 공기극(cathode)(18)이 배치되고, 공기극(18)에 인접하여 제2 가스 확산층(19)이 배치된다. 작동 중에, 수소 연료가 연료 전지(10)의 연료극 부분으로 도입되어, 제1 가스 확산층(12)을 통과하고, 연료극(14) 위를 지나간다. 연료극(14)에서, 수소 연료는 수소 이온(H⁺)과 전자(e^_)로 분리된다.

전해질 막(16)은 수소 이온 또는 양자(proton)만이 전해질 막(16)을 통해서 연료 전지(10)의 공기극 부분으로 이동할 수 있게 한다. 전자는 전해질 막(16)을 통과할 수 없으며, 대신에 전류 형태로 외부 전기 회로를 통해서 흐른다. 이 전류 는 전기 모터와 같은 전기 부하(load)(17)에 전력을 공급할 수 있거나, 또는 충전식 배터리와 같은 에너지 축적 장치로 향할 수 있다.

산소는 제2 가스 확산층(19)을 통해서 연료 전지(10)의 공기극에 유입된다. 산소가 공기극(18)을 통과할 때, 산소, 양자, 및 전자는 조합되어 물과 열을 발생한다.

도1A에 도시된 것과 같은 개별 연료 전지는 유닛화 연료 전지 조립체로서 패키징될 수 있다. 본원에서 편의상 유닛화 전지 조립체 또는 UCA(unitized cell assembly)로 지칭되는 유닛화 연료 전지 조립체는 다수의 다른 UCA와 조합되어 연료 전지 스택을 형성할 수 있다. 스택 내의 UCA의 개수는 스택의 총전압을 결정하며, 각 전지의 활성 표면적은 총전류를 결정한다. 주어진 연료 전지 스택에 의해 발생되는 총전력은 전체 스택 전압에 총전류를 곱함으로써 결정될 수 있다.

본 발명의 원리에 따른 UCA를 구성하기 위해 여러가지의 상이한 연료 전지 기술이 사용될 수 있다. 예를 들면, 양자 교환막(PEM: proton exchange membrane) 연료 전지 조립체를 구성하기 위해 본 발명의 UCA 패키징 방법이 사용될 수 있다. PEM 연료 전지는 비교적 낮은 온도(약 175℉/80℃)로 작동하고, 높은 전력 밀도를 가지며, 전력 수요 변화에 대응하도록 그 출력을 신속히 변경할 수 있고, 예를 들어 자동차에서와 같이 신속한 시동이 요구되는 용도에 적합하다.

PEM 연료 전지에 사용되는 양자 교환 막은 통상, 수소 이온을 통과시킬 수 있는 얇은 플라스틱 시트이다. 이 막은, 고도로 분산된 금속 또는 금속합금 입자(예를 들면, 백금 또는 백금/루테늄)의 층과 같은 촉매 층으로 코팅될 수 있다. 사용되는 전해질은 통상, 폴리-퍼플루오로설폰산과 같은 고체 유기 폴리머이다. 고체 전해질의 사용은 이것이 부식 및 관리 문제를 감소시키기 때문에 유리하다. 일부 구성에서, GDL의 전극층은 PEM이 아닌 촉매로 코팅되어, 촉매 코팅된 전극 배킹(CCEB)으로 지칭되는 구조물을 형성할 수 있다.

수소는 연료 전지의 연료극 측으로 공급되며, 여기에서 촉매는 수소 원자가 전자를 방출하고 수소 이온(양자)이 되도록 촉진한다. 전자는 산소가 도입되는 연료 전지의 공기극 측으로 복귀하기 전에 사용될 수 있는 전류 형태로 이동한다. 동시에, 양자는 막을 통해서 공기극으로 확산되고, 그곳에서 수소 이온은 산소와 재조합 및 반응되어 물을 생성한다.

막전극 조립체(MEA)는 수소 연료 전지와 같은 PEM 연료 전지의 중심 요소이다. 전술했듯이, 통상적인 MEA는 고체 전해질로서 기능하는 폴리머 전해질 막(PEM)[이온 전도성 막(ICM)으로도 공지됨]을 포함한다.

PEM의 한쪽 면은 연료극 전극 층과 접촉하고, 반대쪽 면은 공기극 전극 층과 접촉한다. 각각의 전극 층은 통상적으로 백금 금속을 포함하는 전기화학 촉매를 구비할 수 있다. 가스 확산층(GDL)은 연료극 및 공기극 전극 재료에 대한 가스의 근접 및 이격 수송을 촉진하고 전류를 전도시킨다.

통상적인 PEM 연료 전지에서, 양자는 수소 산화를 통해서 연료극에 형성되고 공기극으로 이동하여 산소와 반응하며, 전류가 전극들을 연결하는 외부 회로에서 흐를 수 있게 한다. GDL은 또한 유체 수송층(FTL: fluid transport layer) 또는 확산체/집전체(DCC: diffuser/current collector)로 지칭될 수도 있다.

임의의 적절한 PEM이 본 발명의 실시에 사용될 수 있다. PEM은 바람직하게는 50㎛미만, 보다 바람직하게는 40㎛미만, 더욱 바람직하게는 30㎛미만, 가장 바람직하게는 약 25㎛의 두께를 갖는다. PEM은 통상적으로, 나피온(상표)(독일 윌밍톤에 소재하는 듀퐁 케미컬스)[Nafion®(DuPont Chemicals, Wilmington DE)] 및 플레미온(상표)(일본 도쿄에 소재하는 아사히 글래스 가부시끼가이샤)[Flemion®(Asahi Glass Co. Ltd., Tokyo, Japan)]과 같은 산-기능성(acid-functional) 플루오로폴리머인 폴리머 전해질 또는 화학식: YOSO₂-CF₂-CF₂-CF₂-CF₂-O-[폴리머 백본(backbone)]에 따라 고불소화 백본 및 재발성 펜던트 기를 갖는 폴리머로 구성된다. 후자는 2002년 12월 19일자로 출원된 공동 소유의 미국 특허출원 제10/325,278호에 개시되어 있다. 본 발명에 유용한 폴리머 전해질은 테트라플루오로에틸렌의 혼성 중합체 및 하나 이상의 불소화, 산-기능성 코모노머(comonomer)인 것이 바람직하다.

통상적으로, 폴리머 전해질은 설포네이트 관능기를 갖는다. 폴리머 전해질은 전술한 미국 특허출원 제10/325,278호에 개시된 화학식: YOSO₂-CF₂-CF₂-CF₂-CF₂-O-[폴리머 백본]에 따라 고불소화 백본 및 재발성 펜던트 기를 갖는 폴리머인 것이 가장 바람직하다. 폴리머 전해질은 바람직하게는 1200 이하, 보다 바람직하게는 1100 이하, 더욱 바람직하게는 1050 이하, 가장 바람직하게는 약 1000의 산당량(酸當量)을 갖는다.

임의의 적절한 GDL이 본 발명의 실시에 사용될 수 있다. 통상적으로, GDL은 탄소 섬유를 포함하는 시트 재료로 구성된다. GDL은 통상, 직포 및 부직포 탄소 섬유 구조로부터 선택되는 탄소 섬유 구조이다. 본 발명의 실시에 유용한 탄소 섬유 구조로는, Toray Carbon Paper, SPECTRACARB Carbon Paper, AFN 부직포 카본 클로쓰, ZOLTEK Carbon Cloth 등이 포함될 수 있다. GDL은 탄소 입자 코팅, 친수성화 처리, 및 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)으로의 코팅과 같은 소수성화 처리를 포함하는 다양한 재료로 코팅되거나 함침될 수 있다.

임의의 적절한 촉매가 본 발명의 실시에 사용될 수 있다. 통상적으로, 탄소-담지 촉매 입자가 사용된다. 통상적인 탄소-담지 촉매 입자는 50-90중량% 탄소 및 10-50중량% 촉매 금속이며, 촉매 금속은 통상 공기극용의 Pt와, 연료극용의 2:1 중량비의 Pt 및 Ru를 포함한다. 촉매는 통상 촉매 잉크 형태로 PEM 또는 GDL에 도포된다. 촉매 잉크는 통상 폴리머 전해질 재료를 포함하며, 이는 PEM을 구성하는 폴리머 전해질 재료와 동일할수도 그렇지 않을 수도 있는 폴리머 전해질 재료를 포함한다.

촉매 잉크는 통상 폴리머 전해질의 분산액 중에 촉매 입자의 분산액을 포함한다. 잉크는 바람직하게는 5-30%, 보다 바람직하게는 10-20%의 고형물(폴리머와 촉매)을 함유한다. 전해질 분산액은 통상 수성 분산액이며, 이는 알콜, 글리세린 및 에틸렌 글리콜과 같은 폴리알콜, 또는 N-메틸피릴리돈(NMP) 및 디메틸포름알데히드(DMF)와 같은 다른 용매를 추가로 함유할 수 있다. 물, 알콜, 및 폴리알콜 함유량은 잉크의 유변학적(rheological) 특성을 변경하기 위해 조정될 수 있다. 잉크는 통상 0-5-% 알콜 및 0-20% 폴리알콜을 함유한다. 추가로, 잉크는 0-2%의 적 절한 분산제를 함유할 수 있다. 잉크는 통상 열과 함께 교반되고 이후 코팅가능한 콘시스턴시로 희석함으로써 제조된다.

촉매는 핸드 브러싱, 노치 바(notch bar) 코팅, 유체 베어링 다이 코팅, 권선 로드(rod) 코팅, 유체 베어링 코팅, 슬롯-공급 나이프 코팅, 3-롤 코팅 또는 데칼 전사(decal transfer)를 포함하는, 수동 방법 및 기계적 방법의 양자를 포함하는 임의의 적절한 수단에 의해 PEM 또는 GDL에 도포될 수 있다. 코팅은 1회의 도포 또는 복수회의 도포로 달성될 수 있다.

다이렉트 메탄올 연료 전지(DMFC)는 전해질로서 폴리머 막을 사용한다는 점에서 PEM 전지와 유사하다. 그러나 DMFC에서는 연료극 촉매 자체가 액체 메탄올 연료로부터 수소를 끌어당기고, 연료 개질 장치의 필요를 없게 한다. DMFC는 통상 120-190℉/49-88℃ 사이의 온도에서 동작한다. 다이렉트 메탄올 연료 전지에는 본 발명의 원리에 따른 UCA 패키지를 적용할 수 있다.

이제 도1B를 참조하면, PEM 연료 전지 기술에 따라 실현되는 UCA의 일 실시예가 도시되어 있다. 도1B에 도시하듯이, UCA(20)의 막전극 조립체(MEA)(25)는 다섯 개의 구성요소 층을 포함한다. 한 쌍의 가스 확산층(24, 26) 사이에 PEM 층(22)이 샌드위치된다. 제1 GDL(24)과 막(22) 사이에 연료극 층(30)이 배치되고, 막(22)과 제2 GDL(26) 사이에 공기극 층(32)이 배치된다.

하나의 구성에서, PEM 층(22)은 한쪽 표면 상에 연료극 촉매 코팅을 포함하고, 다른쪽 표면 상에 공기극 촉매 코팅을 포함하도록 제조된다. 이 구조는 종종 촉매 코팅막 또는 CCM으로 지칭된다. 다른 구성에 따르면, 가스 확산층(24, 26)은 연료극 및 공기극 촉매 코팅(30, 32)을 갖도록 제조된다. 이 구조는 촉매 코팅된 전극 배킹 또는 CCEB로 지칭된다. 또 다른 구성에서는, 연료극 촉매 코팅(30)을 제1 GDL(24) 상에 부분적으로 배치하고 PEM(22)의 한쪽 표면 상에 부분적으로 배치할 수 있으며, 공기극 촉매 코팅(32)을 제2 GDL(26) 상에 부분적으로 배치하고 PEM(22)의 다른쪽 표면 상에 부분적으로 배치할 수 있다.

GDL(24, 26)은 통상 탄소 섬유 페이퍼 또는 부직포 재료나 직포로 제조된다. 제품 구조에 따라서, GDL(24, 26)은 한쪽에 탄소 입자 코팅을 가질 수 있다. 전술한 GDL(24, 26)은 촉매 코팅을 구비하거나 배제하도록 제조될 수 있다.

도1B에 도시된 특정 실시예에서, MEA(25)는 제1 에지 시일 시스템(34)과 제2 에지 시일 시스템(36) 사이에 샌드위치된 것으로 도시되어 있다. 제1 및 제2 에지 시일 시스템(34, 36)에 인접하여 유동장 플레이트(40, 42)가 각각 제공된다. 유동장 플레이트(40, 42)의 각각은 수소 및 산소 공급 연료가 통과하는 가스 유동 채널(43) 및 포트의 필드를 포함한다. 도1B에 도시된 구성에서, 유동장 플레이트(40, 42)는, 그 사이에 하나의 MEA(25)가 샌드위치되는 단극 유동장 플레이트로서 구성된다.

에지 시일 시스템(34, 36)은 다양한 유체(기체/액체) 수송 및 반응 영역을 상호 오염되는 것으로부터 또한 UCA(20)로부터 부적절하게 나오는 것으로부터 격리시키기 위해, UCA 패키지 내의 필요한 밀봉을 제공하고, 추가로 유동장 플레이트(40, 42) 사이의 전기 절연 및 압축 제어를 제공할 수 있다.

하나의 구성에서, 에지 시일 시스템(34, 36)은 엘라스토머 재료로 형성되는 개스킷 시스템을 구비한다. 다양한 구성에서는, 후술하듯이, 다양한 선택된 재료의 하나, 둘, 또는 그 이상의 층이 적층되고 원위치에서 경화됨으로써 UCA(20) 내의 밀봉을 위한 서브개스킷을 제공할 수 있다.

도1C는 하나 이상의 쌍극 유동장 플레이트(56)의 사용을 통해서 복수의 MEA(25)를 포함하는 UCA(50)을 도시한다. 도1C에 도시된 구성에서, UCA(50)는 두 개의 MEA(25a, 25b)와 단일의 쌍극 유동장 플레이트(56)를 포함한다. MEA(25a)는 GDL(66a, 64a) 사이에 샌드위치되는 가스확산 마이크로층 공기극(62a)/막(61a)/가스확산 마이크로층 연료극(60a)의 층상 구조를 갖는다. GDL(66a)은, 단극 유동장 플레이트로서 구성되는 유동장 단부 플레이트(52)에 인접하여 배치된다. GDL(64a)은 쌍극 유동장 플레이트(56)의 제1 유동장 표면(56a)에 인접하여 배치된다.

마찬가지로, MEA(25b)는 GDL(66b, 64b) 사이에 샌드위치되는 가스확산 마이크로층 공기극(62b)/막(61b)/가스확산 마이크로층 연료극(60b)의 층상 구조를 갖는다. GDL(64b)은, 단극 유동장 플레이트로서 구성되는 유동장 단부 플레이트(54)에 인접하여 배치된다. GDL(66b)은 쌍극 유동장 플레이트(56)의 제2 유동장 표면(56b)에 인접하여 배치된다. N개의 MEA(25) 및 N-1개의 쌍극 유동장 플레이트(56)를 단일 UCA(50)에 포함시킬 수 있음을 알 것이다. 그러나, 일반적으로 하나 또는 두 개의 MEA(56)(N=1, 쌍극 플레이트=0 또는 N=2, 쌍극 플레이트=1)를 포함하는 UCA(50)가 보다 효율적인 열관리에 바람직할 것으로 믿어진다.

도1B 및 도1C에 도시된 UCA 구성은, 본 발명에 관련한 사용을 위해 실현될 수 있는 두 개의 특정한 기구를 나타낸다. 이들 두 개의 기구는 예시적인 목적으 로만 제공된 것이며, 본 발명의 범위 내에 드는 가능한 모든 구성을 나타내려는 것은 아니다. 오히려, 도1B 및 도1C는 본 발명의 원리에 따라 제조된 MEA를 포함하는 유닛화 연료 전지 조립체에 선택적으로 포함될 수 있는 다양한 구성요소를 도시하기 위한 것이다.

본 발명의 실시예는 PEM형 연료 전지 막전극 조립체 및 서브조립체용 보호 서브개스킷에 관한 것이다. 서브개스킷은 누설을 저감하고 PEM의 손상을 방지하기 위해 MEA를 밀봉하는 작용을 한다. 서브개스킷의 표면은 MEA의 밀봉을 향상시키기 위해 미세구조형 또는 점착성 표면을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 서브개스킷 재료는 감압 접착(pressure sensitive adhesive) 조성을 가질 수 있다.

손상된 MEA를 현미경 검사해보면 MEA 주위에서 막에 구멍이나 파열이 보편적인 것으로 나타난다. 손상은 종종 막과 GDL 사이의 주위 경계면에서 막의 주름짐 및 응력에 의해 초래된다. GDL은 통상, 섬유가 막과 접촉하는 곳에서 막을 깎아내는 경향이 있는 섬유상 탄소로 준비된다. 본 발명의 서브개스킷은, 예를 들어 GDL의 에지에서 또는 활성 영역의 에지에서, 연료 전지 막의 기계적 손상을 감소시키기 위해 사용될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 보호 층 서브개스킷이 막과 GDL 사이에 적층되고 적소에서 경화되어, 필요한 울퉁불퉁한 경계면을 제공하는 바, 이는 주위 경계면을 따르는 막 손상을 감소시킨다. 서브개스킷의 관련 특징은 (광택성)막이 코팅되어 수분으로부터 보호된다는 점이다.

서브개스킷은 막의 안정성을 향상시키고, MEA 주위에서의 막의 주름짐을 감소시킨다. 막의 주름은 특히 GDL 에지에서 발생할 때, MEA가 압축될 때 응력 집중 점 및 막 천자를 초래할 수 있다.

도2A는 통상적인 촉매 코팅된 전극 배킹(CCEB) 기초 MEA 구조물을 도시한다. MEA 구조물은 CCEB 구조물(210, 215) 사이에 샌드위치되는 PEM(250)을 포함한다. CCEB 구조물은 연료극 및 공기극 촉매 층(240, 245)으로 코팅되는 연료극 및 공기극 가스 확산 마이크로층(230, 235)을 갖는 GDL 층(220, 225)을 포함한다. CCEB(210, 215)은 막과 촉매 층 사이에 친밀한 접촉이 얻어지도록 고온 고압에서 PEM(250)에 접착된다. 적당한 접촉은 임피던스 손실을 감소시키며, 촉매의 이용가능성을 향상시킨다. 또한, CCEB(210, 215)는 촉매층과 막 사이에 생성되는 접착성으로 인해 적소에 남아있다. 통합된 MEA의 양쪽의 GDL(220, 225)은 연료 전지 작동 중에 이 친밀한 접촉을 유지하기 위해 쌍극 플레이트 사이에서 추가 압축된다.

촉매층(230, 235)과 막(250) 사이의 양호한 접촉이 오옴 저항 손실을 감소시키지만, 압축 응력으로 인해 GDL/막 경계면의 주위(251)에서의 막 파열이 발생할 수 있다. 전지가 늘어난 기간 동안 작동될 때, CCEB(210, 2115)가 막(250)에 대해 가압되는 곳에서 에지 파열 및 막 손상이 관찰될 수 있다. 이러한 종류의 막 손상은 연료와 산화제 가스 크로스오버로 이어진다.

도2B는 촉매 코팅된 막(CCM)(255) 구조물의 단면도를 도시한다. CCM 구조물에서는, 촉매층(240, 245)을 막(250)에 효과적으로 융합시켜 촉매 코팅된 막(255)을 형성하기 위해 통상 열과 압력이 인가된다. GDL/가스 확산 마이크로층 구조물(211, 216)은 압력과 열에 의해 CCM(255)에 접합된다. GDL/가스 확산 마이크로층 구조물(211, 216)은 때때로 잘 부착되지만, 부착 정도가 변할 수 있으며 취급 중에 GDL 구조물(211, 216)이 CCM(255)으로부터 박리되는 것은 흔치않은 일이 아니다. 이를 방지하기 위해, 통상적으로 GDL 구조물(211, 216)은 막의 활성 영역보다 약간 큰 크기를 가지며, 중첩을 형성한다. 따라서 가스 확산 마이크로층(230, 235)은 중첩 영역에서 막(250)과 직접 접촉한다. 이는 GDL 구조물(211, 216)과 막(250) 사이에 더 확고한 부착을 생성하지만, GDL 에지에서의 노출된 탄소 섬유 또는 가스 확산 마이크로층(230, 235)의 탄소 덩어리가 대응적으로 GDL/막 경계면의 주위(251)에서 막 손상을 생성할 수도 있다.

본 발명의 일부 실시예는 MEA 조립체의 PEM의 주위 부분에 걸쳐서 형성되는 서브개스킷을 포함한다. 도2C는 본 발명의 실시예에 따른 서브개스킷 층(260, 265)을 도시하는 CCEB 기초 MEA의 단면도이다. 이 실시예에서, 서브개스킷 층(260, 265)은 PEM(250)과 CCEB(210, 215) 사이에서 PEM(250)의 주위 부분에 배치된다. CCEB(210, 215)의 주위 에지는 서브개스킷 층(260, 265)과 중첩된다. 예를 들어, CCEB(210, 215)의 주위 에지는 약 0.05mm 내지 약 10mm 만큼 서브개스킷과 중첩할 수 있다.

서브개스킷 층(260, 265)은 PEM(250)의 한쪽 또는 양쪽에 배치될 수 있다. 서브개스킷 층(260, 265)은 증착된 후 적소에서 경화된다.

서브개스킷 층(260, 265)은 액체 또는 유동가능한 형태로 증착될 수 있는 재료를 포함하며, 따라서 이 재료는 PEM 또는 기타 MEA 구조물 상으로 분산되거나 계량될 수 있다. 서브개스킷 재료를 증착하기 위해 예를 들어 스크린 프린팅, 그라비아 코팅, 패턴 코팅, 잉크젯 프린팅, 또는 기타 적절한 증착 기술이 사용될 수 있다. 서브개스킷 재료는 예를 들어 액체 모노머/올리고머 분산 혼합물을 포함할 수 있다. 분산 혼합물은 분산 또는 계량될 수 있도록 유동가능한 상태로 배치될 수 있다.

서브개스킷 재료는 MEA 구조물 상의 원위치에서 경화될 수 있는 재료로 형성된다. "원위치(in-situ)" 경화는 서브개스킷이 도포된 위치에서 서브개스킷이 표면에 대해 또는 표면 상에 적소에서 경화됨을 의미한다. 서브개스킷 재료는 예를 들어 증착된 서브개스킷 재료를 조사(irradiating), 가열 및/또는 냉각함으로써 경화될 수 있다. 일부 실시예에서, 서브개스킷은 예를 들어 열가소성 재료로 형성될 수 있다. 서브개스킷 재료는 증착된 서브개스킷 재료가 수분이나 반응성 가스에 노출됨으로써 및/또는 다른 경화 방법을 사용함으로써 경화될 수 있다.

여러 실시예에서, 서브개스킷 재료의 경화는 서브개스킷 재료의 화학적 변화를 포함할 수도 포함하지 않을 수도 있다. 일 예에서, 서브개스킷 재료는 용융된 형태로 증착될 수 있다. 서브개스킷 재료의 경화는 예를 들어 이 재료가 증착된 액체 상태로부터 실온의 고화된 폴리머로 냉각될 때 달성될 수 있다. 다른 예에서, 서브개스킷 재료의 경화는, 자외선(UV) 경화 공정에 의한 폴리머 가교결합과 같은, 증착된 재료의 화학적 변화를 포함한다.

도2D는 본 발명의 실시예에 따라 GDL 구조물(211, 216)이 CCM(255)과 중첩되는 CCM-기초 MEA의 단면도를 나타낸다. GDL 구조물(211, 216)의 주위 에지는 서브개스킷 층(260, 265)과 중첩된다. 예를 들어, GDL 구조물(211, 216)의 주위 에지는 약 0.05mm 내지 약 10mm 만큼 서브개스킷과 중첩할 수 있다.

이 예에서, 서브개스킷 층은 촉매(240, 245)와 서브개스킷(260, 265) 사이에 갭(252)이 존재하도록 PEM(250)의 주위 부분에 형성된다. 이 구성에서 촉매(240, 245)의 활성 영역은 중첩되는 서브개스킷에 의해 감소되지 않는다.

도2E는 본 발명의 실시예에 따른 CCM-기초 MEA 단면을 도시한다. 이 실시예에서, GDL 구조물(211, 216)은 GDL 구조물(211, 216)의 주위(212, 217)가 CCM(255) 또는 베어(bare) 막(250)과 직접 접촉하지 않도록 CCM(255) 상에서 서브개스킷(260, 265)과 중첩된다. 이 구성에서, 보호 서브개스킷(260, 265)은 반응성 가스가 막(250)에 직접 부딪히는 것을 방지하기 위해 CCM(255)의 활성 영역의 주위 부분과 약간 중첩된다.

도3A는 본 발명의 실시예에 따른 CCEB-기초 MEA 서브조립체(또는 ½-MEA)의 단면도를 나타낸다. 이 실시예에서, 가스 확산층(320), 가스 확산 마이크로층(330), 및 촉매층(340)을 구비하는 CCEB(310)는 본 발명의 보호 서브개스킷(360)과 중첩하도록 막(353)에 접합된다. 이 구성에서, GDL 주위(351)는 막(353)과 직접 접촉하지 않는다.

도3B는 막 표면(353, 354)이 직접 대향하는 상태로 함께 접합되어 "융합된" 2층 막(350)을 갖는 MEA를 만들어내는, 도3A와 관련하여 설명한 두 개의 ½-MEA 서브조립체의 단면 상세도이다. 도3B는 막 층(353, 354)이 융합되는 위치인 점선을 도시한다. 각각의 CCEB(310, 315)는 각각 GDL(320, 325), 마이크로층(330, 335), 및 촉매층(340, 345)을 구비한다. 여러가지 층이 얇고 일치가능하기 때문에 또한 CCEB(310, 315)가 압축가능한 속성을 갖기 때문에, 결과적인 적층 구조물은 본질적 으로 평탄하다. 그러나, 보호 서브개스킷 층(360, 365)이 너무 두껍게 도포되면, MEA가 쌍극 플레이트 사이에서 압축될 때 CCEB(310, 315)가 보호 서브개스킷(360, 365)과 중첩하는 곳에 하드 밴드가 나타날 수 있다.

도3C는 본 발명의 실시예에 따른 CCM-기초 서브조립체(½-MEA 구조물)의 단면도이다. GDL(311)은 GDL 주위(351)가 막과 직접 접촉하지 않도록 본 발명의 도포된 보호 서브개스킷(360)과 중첩된다. 도2D에 도시된 MEA 구조물과 유사하게, 서브개스킷(360)은 서브개스킷(360)과 촉매층(340) 사이에 갭(352)이 존재하도록 형성된다.

도3D는 MEA 구조물을 형성하도록 함께 접합되는 도3C와 연관하여 설명한 형태의 두 개의 CCM 서브조립체의 단면도이다. 이 실시예에 따르면, ½-MEA 구조물의 막 표면(353, 354)은 직접 대향하며, 그 결과 CCM(355)은 도시하듯이 "융합된" 2층 막(350)을 갖는다. 도3D는 막 층(353, 354)이 융합되는 위치인 점선을 도시한다. 도3C에 도시하듯이, 융합된 2층 PEM(350)의 촉매(340, 345) 코팅된 영역과 보호 서브개스킷(360, 365) 사이의 갭(352)은 촉매 활성 영역 치수의 감소를 방지한다. GDL(311, 316)은 접합되어 보호 2층 CCM(355)으로 응고될 위치에 있는 것으로 도시된다.

본 발명의 다른 실시예가 도3E에 도시되어 있다. 도3E는 CCM-기초 ½-MEA 서브조립체를 도시한다. 보호 서브개스킷 층(360)은 막(353)을 커버하는 촉매층(340)과 중첩된다. 이 중첩으로 인해, GDL(311)은 GDL-CCM 경계면(351)의 주위에서 촉매(340) 또는 막(353)과 직접 접촉하지 않는다. 이 구성에서, 서브개스 킷(360)은 그 일부가 GDL(311)과 촉매층(340) 사이에 배치되는 상태에서 PEM(350)과 GDL(311) 사이에 배치된다.

도3F는 도3E에 도시된 형태의 두 개의 CCM 서브조립체의 융합을 도시한다. ½-MEA 서브조립체는 융합된 2층 막(350)을 갖는 CCM(355)을 제조하도록 함께 접합된다. CCM(355)의 촉매층(340, 345) 위에는 도시하듯이 보호 서브개스킷이 배치된다. 도2E에 도시된 실시예와 마찬가지로, 보호 서브개스킷(360, 365)은 막에 반응성 가스가 직접 부딪히는 것을 방지하기 위해 활성 영역과 약간 중첩된다. GDL 층(311, 316)은 도시된 위치에서 보호 서브개스킷(360, 365) 위에 배치된다.

도3F는 막 층(353, 354)이 융합되는 위치인 점선을 도시함에 유의해야 한다. MEA 구조물의 여러가지 층이 얇고 일치가능하기 때문에 또한 GDL(311, 316)이 압축가능한 속성을 갖기 때문에, 그 결과적인 적층 구조물은 본질적으로 평탄하다. 보호 서브개스킷 층(360, 365)이 너무 두껍게 도포되면, MEA가 쌍극 플레이트 사이에서 압축될 때 GDL(311, 316)이 보호 서브개스킷(360, 365)과 중첩하는 곳에 하드 밴드가 보일 것이다.

도4A 내지 도4F에 도시된 본 발명의 다양한 실시예는 2층 막의 융합된 층 사이에 배치되는 보호 서브개스킷 층을 포함한다. 도4A는 막(453)의 뒷면에 배치되는 서브개스킷 층(460)을 갖는 ½-MEA 서브조립체를 도시한다. 이렇게 위치하는 서브개스킷 층(460)은, GDL 구조물(411)(GDL(420) 및 마이크로층(430))이 막(453)에 접합되는 곳인 주위 영역(452)을 보강한다.

도4B는 완전 MEA를 형성하기 위해 융합되기 전의 두 개의 ½-MEA 서브조립 체(480, 485)를 도시한다. ½MEA(480, 485)의 각각은 GDL 구조물(411, 416), 촉매층(440, 445), 및 융합성 막(453, 454)을 구비한다. ½-MEA(480, 485)는 융합성 막(453, 454)의 뒷면에 배치되는 서브개스킷 층(460, 465)을 갖는다. 융합 이후, 서브개스킷 층(460, 465)은 융합된 막 내에 보강층을 형성하며, 이 보강층은 융합된 막을 주위 영역(452)에서 보호한다.

도4C는 본 발명의 실시예에 따른 CCEB-기초 MEA 조립체의 단면도이다. MEA 서브조립체는 막(453, 454)의 뒷면에 도포되는 보호 서브개스킷 층(460, 465)을 갖는다. 막(453, 454)은 융합된 2층 막(450)을 형성하도록 융합된다. 도4C는 막 층(453, 454)이 융합되는 장소인 점선을 도시함에 유의해야 한다. 도4C는 융합된 막(450) 위에 배치되는 CCEB(410, 415)를 도시하며, 융합된 막(450)은 내부 서브개스킷 층(460, 465)을 구비한다. 두 개의 에지 보호된 막 서브조립체(453, 454)는 막 표면이 직접 대향된 채로 적층될 수 있으며, 그 결과 내부 보강 에지를 갖는 2층 막(450)을 구비하는 MEA가 얻어질 수 있다. CCEB(410, 415)는 이전 단계에서 2층 막(450)이 생성된 후 융합된 2층 막(450)에 접착될 위치에 있는 것으로 도시된다.

내부 보강 층을 갖는 융합된 2층 막의 전체적인 개념은 보강된 에지를 갖는 2층 막을 갖는 CCM과 같은 추가 치환을 생성하도록 확장될 수 있다. 이러한 구조에서, 보호 서브개스킷 층은 2층 막 내부에서 밀봉되며, 따라서 연료, 산화제, 물 또는 촉매에 의한 공격에 직접 노출되지 않는다.

도4D는 본 발명의 실시예에 따른 CCM-기초 MEA 서브조립체(½-MEA)(490)의 단면도이다. 이 예에서, 본 발명의 보호 서브개스킷 층(460)은 막(453)의 뒷면에 도포되어, GDL이 나중에 막(453)과 결합하는 곳인 주위 영역(452)을 보강한다.

도4E는 보강 에지를 갖는 2층 막(450)을 형성하도록 막(453, 454) 표면이 직접 대향하는 상태에서 서브조립체(490, 495)를 (이전 도면에서와 같이) 함께 적층하기 전의 이 구조의 CCM 서브조립체(490, 495)를 도시한다. 적소에 도시된 GDL(411)은 2층 막(450)이 형성되기 전이나 후에 CCM 서브조립체(490, 495)에 접합될 수 있다.

도4F는 보강 에지를 형성하는 내부 서브개스킷 층(460, 465)을 구비하는 2층 막(450)을 갖는 완전 MEA의 단면도이다. 도4F가 막 층(453, 454)이 융합되는 장소인 점선을 도시함에 유의해야 한다. 전술했듯이, 얇은 층 및 그 일치가능한 속성으로 인해, 최종 응고된 MEA는 본질적으로 평탄하다.

도5는 본 발명의 실시예에 따른 접합 이전의 CCM-기초 MEA 구조의 단면도이다. CCM-기초 MEA는 촉매 코팅된 막(555)을 형성하는 막(550)에 융합되는 촉매층(540, 545)을 구비한다. GDL 구조물(511, 516)은 가스 확산층(520, 525) 및 가스 확산 마이크로층(530, 535)을 구비한다. GDL 구조물(511, 516)은 압력 및 열에 의해 CCM(555)에 접합된다. 도5에 도시된 MEA 구조물은 울퉁불퉁한 GDL 에지를 갖는 MEA를 생성하기 위해 GDL(511, 516)의 주위 부분에 배치되는 본 발명의 보호 서브개스킷 층(560, 565)을 구비한다.

본 발명은 GDL 주위와 막 사이에 서브개스킷 보호층의 증착을 포함한다. 서브개스킷 층의 형성은 MEA의 주위 경계면을 따른 막 손상을 감소시킨다. 증착된 서브개스킷 층은 막을 코팅하여 수분으로부터 보호한다. 서브개스킷 층은 막을 보다 안정하게 만들고, MEA 주위에서의 막의 주름형성을 감소시킨다. 막의 주름은 특히 GDL 에지에 발생할 때, MEA가 압출될 때 응력 집중점과 막 천자를 초래할 수 있다. 보호 서브개스킷 층은 이온식으로 또는 전기적으로 비전도성인 재료를 포함할 수 있다.

본 발명의 보호 서브개스킷 층을 형성하는데 사용되는 재료는 다양한 방법으로 막, GDL 또는 기타 MEA 구성요소 상에 증착될 수 있다. 증착 방법은 스크린 프린팅, 그라비아 코팅 또는 패턴 코팅과 같은 코팅, 잉크젯 프린팅과 같은 분사, 또는 다른 증착 방법을 포함할 수 있다. 서브개스킷 재료는 예를 들어 합동(congruent) 형상이지만 MEA의 활성 영역 패턴보다는 약간 작거나 약간 큰 영역의 패턴으로 증착될 수 있다. 패턴은 또한 GDL의 주위 에지가 보호층과 중첩하도록 크기 형성될 수 있다. 통상적으로 중첩 정도는 약 0.05mm 내지 약 10mm이다.

CCEB(촉매 코팅된 전극 배킹) 방법이 사용되면, 보호 서브개스킷 층은 CCEB 주위가 보호 코팅과 중첩하도록 크기를 갖는다. CCM(촉매 코팅된 막) 방법이 사용되면, 보호 서브개스킷 층은 활성 영역보다 크거나 작도록 도포될 수 있다. 어느 경우에나, 보호층은 GDL이 그것과 중첩되도록 크기를 갖는다.

보호 서브개스킷 층은 (촉매가 나중에 비코팅 창에 도포되는 상태에서) CCM이 제조되기 전에 도포될 수 있거나, 또는 보호 코팅은 CCM이 준비된 후에 도포될 수 있다. CCM이 제작된 후 보호 코팅이 도포될 때, 코팅은 촉매 활성 영역과 중첩될 수 있거나, 또는 활성 영역 주위에 비코팅 막의 좁은 여유를 남기도록 크기 형 성될 수 있다.

막 위에 증착된 후, 보호 서브개스킷 층은 나중에 건조, 가열, 냉각, 방사선 노출, 전기장, 수분, 가스에 의해 또는 다른 경화 방법에 의해 경화될 수 있다. 다양한 실시에서, 경화 공정은 재료가 유동가능한 형태로부터 고체 형태로 경화됨에 따라 비가역적 변화를 포함할 수 있다. 경화는 예를 들어 재료 내에서의 폴리머의 화학적 가교결합에 의해 서브개스킷 재료를 화학적으로 변경시키는 것을 포함할 수 있다.

서브개스킷 재료는 자외선 또는 가시광선 스펙트럼의 광선, 전자빔 방사선, 및/또는 다른 형태의 방사선을 포함하는 다양한 파장의 방사선에 대한 노출을 통해서 경화될 수도 있다.

서브개스킷 재료는 공기로부터 또는 MEA의 구성요소로부터의 수분과 같은 수분에 노출됨으로써 경화될 수도 있다. 수분 경화에 적합한 재료로는 예를 들어 3M JET MELT가 포함된다. 폴리우레탄 핫멜트 접착제와 같은 수분 경화성 재료는 폴리에스테르 및/또는 폴리에테르 폴리올의 조합으로부터 생산될 수 있다. 이들 재료는 과잉 디-이소시아네이트와 반응할 때 말단 이소시아네이트기를 갖는 프리(pre)-폴리머를 형성한다. 프리-폴리머는 그라비아 코팅, 스크린 프린팅에 의해서 또는 슬롯 노즐을 통해서 서브개스킷 층으로서 증착될 수 있다.

서브개스킷 재료는 플라즈마와 같은 반응성 가스를 포함하는 각종 가스에 대한 노출을 통해서 또는 전기장에 대한 노출을 통해서 경화될 수도 있다.

특정 카테고리의 분산가능한 서브개스킷 재료는 서브개스킷 재료가 연료 전 지 작동 온도에서 고체 상태로 남도록 상변화를 유도하기 위해 냉각에 의해 경화될 수 있다. 상변화는 가역적이거나 비가역적일 수 있으마, 비가역적 상변화가 바람직하다.

본 발명의 보호층은, GDL의 거친 섬유상 에지에 의해 초래되는 손상, GDL 마이크로층 코팅 내의 입자나 큰 덩어리에 의해 초래되는 손상, 막/촉매 또는 막/GDL 경계면에서 종종 발생하는 에지 파열, 습윤 공기 노출이나 탈수화 조건에 기인하는 치수 변화, 및/또는 연료 전지 작동 중에 유입 가스와 막 사이에서 발생하는 화학적 부패로부터 막을 물리적으로 보호하는 것으로 밝혀졌다.

복합 구조물(막 플러스 보호 서브개스킷 층)의 기계적 특성은 베어 막의 기계적 특성에 비해 향상된다. 막의 탄성율, 천자 저항, 및 트라우저 파열 저항이 향상된다. 연료 전지 작동에서의 막의 내구성은 본 발명의 보호 서브개스킷에 의해 제공되는 향상된 기계적 특성으로 인해 증가된다.

추가로, 본원에 개시된 서브개스킷의 사용은 습윤 공기에서 또는 상승된 온도에서의 막의 치수 안정성을 향상시킨다. 끓는 물의 존재 하에서도 코팅이 접착된 상태로 남도록 막과 보호층 사이의 접착이 증대된다. 막과 보호 코팅 사이의 경계면은 가스 누설을 방지하기에 충분하다.

본 발명의 서브개스킷은 다양한 구성으로 제조된 MEA에 적합하다. 하나의 구성에서, MEA는 GDL 구조와 촉매 코팅된 PEM막(CCM)으로 구성된다. 다른 구성에서, MEA는 촉매 코팅된 GDL 구조물과 조합되는 미수정 PEM 막으로 구성된다. 촉매 코팅된 GDL 구조물은 또한 촉매 코팅된 전극 배킹(CCEB)으로 지칭될 수도 있다.

도6 및 도7의 흐름도는 본 발명의 실시예에 따른 MEA 조립체 및 서브조립체의 제조에 관련된 공정들을 도시한다. 도6의 흐름도에 도시하듯이, MEA 조립체 제조 방법은 GDL 구조물 위에 분산가능한 서브개스킷 재료를 증착하는 단계(610)를 포함한다. 분산가능한 서브개스킷 재료는 예를 들어 스크린 프린팅에 의해, 그라비아 코팅 및 패턴 코팅을 포함하는 다양한 코팅 기술에 의해, 또는 잉크젯 프린팅과 같은 분사 방법에 의해 증착될 수 있다. 본 실시예에서 GDL 구조물은 촉매 코팅된 전극 배킹(CCEB)을 포함할 수도 있다.

도6은 MEA 조립체의 형성 방법을 도시한다. 증착(610) 이후에, 서브개스킷 재료는 GDL 구조물 상에 서브개스킷을 형성하도록 원위치에서 경화된다(620). 서브개스킷형 GEL은 PEM 구조물의 일 표면 위에 배치된다(630). 제2 서브개스킷 GDL 구조물을 제1 서브개스킷 GDL 구조물에 결합함으로써 완전한 MEA가 형성될 수 있다. 제2 서브개스킷 GDL 구조물은 PEM의 자유면에 결합된다. 일부 실시에서, PEM은 촉매 코팅된 막(CCM)일 수 있다.

도7은 MEA 조립체의 형성 방법을 도시한다. 분산가능한 서브개스킷 재료가 제2 PEM층 위에 증착되고(710) 원위치에서 경화된다(720). 제1 GDL이 제1 ½MEA 서브조립체를 형성하는 제1 PEM의 표면에 증착된다(730). 서브개스킷 재료가 제2 PEM층 위에 증착되고(740) 원위치에서 경화된다(750). 제2 GDL이 제2 ½MEA 서브조립체를 형성하는 제1 PEM의 표면에 증착된다(760). 완전한 MEA를 형성하기 위해 제1 및 제2 ½MEA 서브조립체가 연결된다.

전술한 실시예에 따라 증착되고 원위치에서 경화된 서브개스킷 층은 미리 사 용된 필름 서브개스킷에 비해 여러가지 장점을 제공한다. 서브개스킷 층은 막을 손상으로부터 물리적으로 보호하는 작용을 한다. 막에 대한 손상은 GDL의 거친 섬유상 에지 및/또는 GDL 마이크로층 코팅 내의 입자 또는 큰 덩어리에 의해 초래될 수 있다. 앞서, 에지 보호 방법은 얇은 강성 필름 기판을 막에 적층하는 단계를 포함한다. 이전의 에지 보호 방법은 GDL이 에지 보호부와 중첩되는 곳에서의 하드 밴드를 감소시키기 위해 얇은 재료를 사용하였다. 이 얇은 재료를 주름형성없이 취급 및 절단하는 것은 그 유약한 속성으로 인해 또한 정전기로 인해 어려운 일이다. 또한, 버려지는 창 부분으로 인해 상당량의 재료가 폐기된다. 본원에 개시된 실시예에 따른 방법을 사용하면 보호 재료가 필요한 곳에 선택적으로 도포되므로 폐기물이 감소된다.

또한, 본원에 개시된 실시예에 따른 방법을 사용하면 이전 방법이 요구했던 복잡한 박막 절단 및 권선 장비를 구비할 필요가 줄어든다.

본 발명의 실시예에 개시된 서브개스킷의 증착 및 원위치 경화는 필름형 서브개스킷의 에지에 의해 초래되는 막 손상의 발생을 저감시킨다. 공지의 에지 보호 방법에 사용되는 필름 재료의 절단은 보통 절단 에지 상에 에지 버(burr)나 깔쭉한 흠을 남긴다. 필름형 서브개스킷의 날카로운 버나 에지는 막에 대한 손상을 초래할 수 있다. 이 손상은 막이 습도나 온도 변화로 인해 팽창 또는 수축하는 경우에 또는 전지 압축이 높은 상황에서 악화될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따라 형성되는 서브개스킷은 종래의 방법에 비해 서브개스킷의 접착을 향상시킨다. 종래의 방법에 의해 MEA 제조에 사용되는 통상적인 강 성 필름형 서브개스킷은 OL-12로 통칭되는 1.2mil(3.048×10^-2mm)의 Mylar로 제조된다. 종래 방법의 통상적인 강성 필름형 서브개스킷은 통상 막에 대해 배치되거나 막에 적층된다. OL-12는 응집력을 통해서만 들러붙으며 따라서 가스 누설 경로가 있을 수 있다.

OL-12가 사용될 때, 이는 통상 스택이나 전지가 조립될 때 막의 한쪽 면에만 배치된다. 층이 얇고 들러붙으며 취급하기 어렵기 때문에, 층은 막의 한쪽 면에만 자주 사용된다. 이 편면(one-sided) 방식은 커버되지 않는 다른쪽 면에 대한 공격이나 저하를 초래할 수 있다. 편면 서브개스킷 방법이 사용될 때, MEA 주위 에지 역시 상당한 말림(curling)을 겪기 쉽다. 본 발명의 방법을 사용하여 증착 및 경화되는 서브개스킷은 보호층이 막의 양쪽면에 쉽게 도포될 수 있게 한다.

본 발명의 실시예에 따른 서브개스킷 형성에 사용되는 모노머 및 올리고머 분산 구성요소는 말리기 전에 이오노머(ionomer) 막에 부분 침투하여 이를 팽창시킨다. 이오노머 막의 침투 및 팽창은 보호층과 막 사이에 매우 강력한 접합을 형성한다. 이러한 접합은 액상 워터 및 심지어 끓는 물에 대한 장시간 노출도 견딜 수 있다. 보호 서브개스킷과 막 사이의 접착은 이전에 사용된 필름형 서브개스킷을 사용하여 달성될 수 있는 것보다 훨씬 강력하다.

본 발명의 실시예에 따라 증착 및 경화되는 서브개스킷은 감소된 두께에서 에지 보호를 제공한다. 필름형 서브개스킷에서는 1mil(2.54×10^-2mm) 미만의 얇은 필름을 얻기 어려우며, 보다 일반적으로 1.2mil(3.048×10^-2mm) 두께의 필름이 사용 된다. 본 발명의 프린팅 및 존-코팅(zone-coating) 방법을 사용하면, 0.2mil(5.08×10^-3mm) 정도의 얇은 균일한 보호층이 쉽게 증착될 수 있다.

본 발명의 서브개스킷은 감소된 수분 흡수성을 제공한다. 연료 전지 막은 일반적으로 치수적으로 불안정하고, 습윤 공기와 액상 워터에 민감하다. 습도가 변함에 따라 막이 팽창 및 수축한다. 본 발명의 서브개스킷을 사용하면, 보호막의 수분 흡수성은 비보호 막의 그것에 비해 현저히 낮아진다.

하기의 예1에서 설명하듯이, 백본 건조 막을 실온에서 10분간 포화 상태에서 탈수처리했을 때, 이는 그 본래 중량의 51%를 얻어냈다. 본원에 개시된 바와 같이 증착 및 경화된 서브개스킷 재료에 의해 보호되는 막은 동일한 조건 하에서 18%만을 얻어냈다. 치수적 안정성 관점에서, 베어 막의 섹션은 동일한 습윤화 이후 길이가 21% 증가하였는 바, 이는 보호된 막에서의 11% 증가와 비교된다.

물방울이 베어 막에 배치되었을 때, 방울과 접촉하는 막은 현저하게 주름이 형성되었다. 물방울이 예1의 보호된 막에 배치되었을 때는 근처에 주름이 전혀 없었다.

본 발명의 실시예에 따른 서브개스킷형 막은 베어 막에 비해 향상된 기계적 특성을 제공하였다. 본원에 개시된 실시예에 따라 증착 및 경화된 서브개스킷에 의해 보호되는 막의 탄성율은 베어 막의 그것보다 높다. 베어 막과 보호된 막의 샘플을 0.5"×8" 크기로 절단하여 인장 부하를 받게 하였다. 베어 막은 845kgf/㎠의 부하에서 본래 길이의 40%까지 신장되었으며, 예1의 보호된 막을 동일한 양만큼 신장시키는데 필요한 1665kgf/㎠의 부하에 비교된다. 이는 보호된 막이 베어 막에 비해 약 두 배 강하다는 것을 나타낸다.

0.5"×8" 샘플의 인장 강도 측정에서, 베어 막은 856kgf/㎠의 응력에서 파괴되었으며 예1의 보호된 막은 3330kgf/㎠의 응력에서 파괴되었다. 이는 인장 강도가 약 3배 이상임을 나타낸다. 천자 저항은 베어 막에서 60psi였던 것에 비해 보호된 막에서 65psi로 더 높았다.

Instron 방법으로 측정된 트라우저 인열 강도(trouser tear strength)는 슬라이스 또는 점 결함이 시작된 후 재료가 크랙 전파에 얼마나 견디는지에 대한 게이지이다. 이 값은 통상 균질한 연료 전지 막에서는 극히 낮다. 본 발명의 서브개스킷에 의해 보호되는 예1의 막은 5.5그램의 트라우저 인열 강도를 나타냈으며, 이에 비해 베어 막은 3.1그램이었다. 이는 베어 막에 비해 트라우저 인열 강도가 상당히 향상됨을 나타낸다. 베어 막의 열적 어닐링 또는 두께 증대, 예를 들면 25%의 두께 증대는 통상 트라우저 인열 강도를 향상시킨다. 그러나, 본 발명의 서브개스킷 재료를 사용하면 열적 어닐링이나 두께 증대에 의해 얻어지는 것 이상의 트라우저 인열 강도 향상이 제공된다. 예를 들어, 3M 이오노머 막의 160C 및 200C 어닐링의 비교에서, 트라우저 인열 강도는 2.4그램에서 3.3그램으로 다운웨브(downweb) 증가하였으며, 2.1그램에서 2.8그램으로 크로스웨브 증가하였다. 마찬가지로 1mil과 1.5mil의 캐스트 Nafion®사이에서 작은 차이가 관측된다.

본 발명의 실시예에 따른 증착 및 원위치 경화에 의해 형성되는 서브개스킷은 열수축에 대한 저하된 감도를 제공한다. 캐스트 막이 라이너로부터 제거될 때, 이는 장력이 전혀 가해지지 않더라도, 열적 노출에 의해 초래되는 치수 변화에 민감하다. 베어 막은 150F 및 100% RH에서 약 2% 또는 20,000ppm 수축을 노출하였다. 본원에 개시된 바(예1)와 같이 형성된 서브개스킷 재료에 의해 보호되는 막은 동일한 조건 하에서 약 1.5% 또는 15,000ppm의 수축만을 노출하였다.

본 발명의 서브개스킷의 사용은 MEA가 조립된 후 막에 대한 GDL의 접착을 향상시킨다. 통상적으로, GDL은 상당한 열과 압력이 가해지더라도 미리 형성된 CCM에 잘 접착되지 않는다. 일부 시나리오에서, GDL은 MEA가 주의깊게 취급될 때만 부착된 상태로 남게 된다. 본 발명의 막 보호층은 경화 이후에도 일치성 및 유연성을 갖는다. 적절한 열 및 압력 하에서 GDL이 본원에 개시된 서브개스킷 재료에 쉽게 접합되는 것은 주목할만하다.

도8은 전원으로서 연료 전지의 작동에 대한 이해를 촉진하는 단순화한 연료 전지 시스템을 도시한다. 도8에 도시된 연료 전지 시스템(800)은 연료 전지 스택의 각 단부에 배치되는 제1 및 제2 단부 플레이트 조립체를 구비한다. 연료 전지 스택은 단부 플레이트(802, 804)에 인접하여 배치되는 단극 유동장 플레이트로서 구성되는 유동장 플레이트(832, 834)를 구비한다. 다수의 MEA(860) 및 쌍극 유동장 플레이트(870)가 제1 및 제2 단부 플레이트(802, 804) 사이에 배치된다. 이들 MEA 구성요소는 전술한바와 같이 형성된 서브개스킷을 바람직하게 이용한다.

연결 봉 너트(885)를 조여서 연료 전지 스택을 압축하기 위해, 단부 플레이트(802, 804)를 관통하는 연결 봉(880)이 사용될 수 있다. 연료 전지 스택으로부터 수집된 전류는 부하(890)에 전력을 공급하는데 사용된다.

도8에 도시하듯이, 연료 전지 시스템(800)은 예를 들어 산소를 수용할 수 있는 제1 연료 입구 포트(806), 및 예를 들어 수소를 방출할 수 있는 제2 연료 출구 포트(808)를 갖는 제1 단부 플레이트(802)를 구비한다. 제2 단부 플레이트(804)는 예를 들어 산소를 방출할 수 있는 제1 연료 출구 포트(809), 및 예를 들어 수소를 수용할 수 있는 제2 연료 입구 포트(810)를 구비한다. 연료는 단부 플레이트(802, 804)에 제공된 다양한 포트(806, 808, 809, 810) 및 스택의 MEA(860)와 유동장 플레이트(870)(예를 들면, UCA)에 제공된 매니폴드 포트를 통해서 특정 방식으로 스택을 통과한다.

도9 내지 도12는 본원에 개시된 연료 전지 조립체를 포함하고 전력 발생을 위해 연료 전지 스택을 사용할 수 있는 다양한 연료 전지 시스템을 도시한다. 도9에 도시된 연료 전지 시스템(900)은 본원에서 실시예로 도시되는 연료 전지 조립체가 사용될 수 있는 여러가지 가능한 시스템중 하나를 도시한다.

연료 전지 시스템(900)은 연료 처리기(904), 전력 섹션(906), 및 전력 조절기(power conditioner)(908)를 구비한다. 연료 개질장치를 구비하는 연료 처리기(904)는 천연 가스와 같은 소스 연료를 수용하고, 이 소스 연료를 처리하여 수소 리치 연료(hydrogen rich fuel)를 생산한다. 수소 리치 연료는 전력 섹션(906)에 공급된다. 전력 섹션(906)에서, 수소 리치 연료는 전력 섹션(906)에 수용된 연료 전지 스택의 UCA 스택 내로 도입된다. 전력 섹션(906)에는 공기 공급 또한 제공되는 바, 이는 연료 전지의 스택에 산소 공급원을 제공한다.

전력 섹션(906)의 연료 전지 스택은 DC 전력, 이용가능한 열, 및 클린워터를 생산한다. 재생 시스템에서, 부산물 열의 일부 또는 전부는 스트림을 생산하는데 사용될 수 있으며, 이 스트림은 이어서 연료 처리기(904)에 의해 그 다양한 처리 기능을 수행하는데 사용될 수 있다. 전력 섹션(906)에 의해 생산된 DC 전력은 전력 조절기(908)로 전달되며, 전력 조절기는 DC 전력을 나중 사용을 위해 AC 전력으로 변환한다. DC 출력 전력을 제공하는 시스템에서는 AC 전력 변환이 필요치 않은 것을 알 수 있다.

도10은 연료 공급 유닛(1005), 연료 전지 전력 섹션(1006), 및 전력 조절기(1008)를 구비하는 연료 전지 전원 시스템(1000)을 도시한다. 연료 공급 유닛(1005)은 연료 전지 전력 섹션(1006)에 공급되는 수소 연료를 수용하는 저장조를 구비한다. 전력 섹션(1006)에서, 수소 연료는 전력 섹션(1006)에 수용된 연료 전지 스택의 UCA 내로 공기나 산소와 함께 도입된다.

연료 전지 전원 시스템(1000)의 전력 섹션(1006)은 DC 전력, 이용가능한 열, 및 클린 워터를 생산한다. 전력 섹션(1006)에 의해 생산되는 DC 전력은 필요할 경우 AC 전력으로의 변환을 위해 전력 조절기(1008)로 전달될 수 있다. 도10에 도시된 연료 전지 전원 시스템(1000)은 예를 들어 고정 또는 휴대용 AC 또는 DC 발전기로서 실현될 수 있다.

도11에 도시된 실시에서, 연료 전지 시스템(1100)은 컴퓨터를 작동시키기 위한 전력을 제공하기 위해 연료 전지 전원에 의해 발생되는 전력을 사용한다. 도10과 관련하여 설명했듯이, 연료 전지 전원 시스템은 연료 공급 유닛(1105)과 연료 전지 전력 섹션(1106)을 구비한다. 연료 공급 유닛(1105)은 연료 전지 전력 섹 션(1106)에 수소 연료를 제공한다. 전력 섹션(1106)의 연료 전지 스택은 데스크톱이나 랩톱 컴퓨터와 같은 컴퓨터(1110)를 작동시키는데 사용되는 전력을 생산한다.

도12에 도시된 다른 실시에서, 연료 전지 시스템(1200)은 자동차를 작동시키기 위해 연료 전지 전원으로부터의 전력을 사용한다. 이 구성에서, 연료 공급 유닛(1205)은 연료 전지 전력 섹션(1206)에 수소 연료를 공급한다. 전력 섹션(1206)의 연료 전지 스택은 자동차(1210)의 구동 기구에 결합된 모터(1208)를 작동시키는데 사용되는 전력을 생산한다.

<실험>

이하에 제공되는 예는 본 발명의 실시예에 따른 MEA 구조물을 제조하는데 관련된 다양한 공정을 설명한다.

<일반적인 방법>

보호 서브개스킷 층을 구성하는 분산성 용액은 균일한 액체 혼합물(이하 "분산액"으로 지칭)을 형성하기 위해 완전히 혼합된다. PEM 또는 GDL 구조물에 대한 분산액의 도포는 바람직하게 스크린 프린팅에 의해 이루어진다. PEM은 라이너로부터 제거되고, 스크린 프린팅 테이블 상에 편평하게 놓여지며, 테이프에 의해 에지에서 적소에 유지된다. 소정 패턴을 갖는 스크린을 사용하여, 얇은 층의 분산액을 PEM에 도포하였다. 증착되는 서브개스킷 층의 두께는 스크린 메쉬 사이즈에 의해 제어하였다. 예를 들어, 서브개스킷은 약 5㎛ 내지 약 100㎛의 두께를 가질 수 있다. 스크린 내의 패턴은, 막의 비코팅 영역이 사용되는 GDL 또는 CCEB 크기보다 약간 작도록 설계되었다. 1mil(2.54×10^-2mm) 두께의 보호 코팅 층을 증착하기 위해 270 메쉬 스크린을 사용하였다.

제1 서브개스킷 층의 "습식" 코팅은 적절한 파장 및 강도의 자외선 램프를 사용하여 경화하였다. 사용된 자외선 장비는 Gaithesburg, MA 소재의 Fusion Systems, Inc.의 Model# DRS-120이었다. D형 또는 H형 벌브를 사용하여 서브개스킷 층을 4ft/min의 속도로 경화시킬 수 있다. 벌브 형태는 도포되는 분산액의 화학성질에 따라 달라진다.

부분 코팅된 막은 뒤집어지고 테이프를 사용하여 스크린 프린팅 테이블 상에 편평하게 놓여지며, 이후 막의 제2 측면을 코팅하였다. 서브개스킷형 막은 각각의 층에 대해 비코팅 창이 정렬되도록 테이블 상에 배치되었다.

GDL/촉매 부착은 CCEB 또는 GDL의 피스를 적절한 다이에 의해 크기로 절단하는 단계를 포함하였다. CCEB는 막 상의 비보호 창보다 약간 크게 치수형성되었으며, 따라서 GDL의 에지 주위에서는 약 100mil(2.54mm)의 중첩이 존재하였다. CCEB 피스는 GDL의 주위에 PTFE 심(shim)이 배치되는 상태에서 코팅된 막의 각 측면에 배치되었다.

서브개스킷형 막, 두 개의(하나는 위에 하나는 아래에) GDL, 및 GDL 주위에 배치되는 두 개의 PTFE 개스킷을 포함하는 적층된 층상 조립체가 형성되었다. 구성요소는 GDL의 에지와 개스킷이 정렬하도록 배치될 수 있다.

층상 조립체는 MEA 구성요소에 대해 압력과 열 중 하나 또는 양자를 소정 기 간 동안 인가함으로써 접합될 수 있다. 예를 들어, 열은 PEM의 연화점 근처의 온도에서 인가될 수 있다. 접합은 층을 응고하여 개스킷형 MEA를 제조하기 위해 약 132℃(270℉) 및 약 0.89 MPa(0.5톤/50㎠) 내지 약 5.3 MPa(3.0톤/50㎠), 바람직하게는 2.7 MPa(1.5톤/50㎠)의 열과 압력을 약 10분간 인가함으로써 달성될 수 있다. 초과압축을 방지하기 위해 막의 각 측면에는 한 쌍의 5mil(12.7×10^-2mm) PTFE 심이 사용될 수 있다.

예1

10부의 폴리 부타디엔 디메타크릴레이트 올리고머(Exton, PA 소재의 Sartomer로부터 상표명 "CN301"로 입수가능)와 3부의 1,6-헥사네디올 디아크릴레이트(Exton, PA 19341 소재의 Sartomer로부터 상표명 "SR238"로 입수가능)를 포함하는 UV 경화성 분산액 혼합물을 준비하였다. 대략 5중량%의 α-히드록시-아세토페논형 광개시제(Exton, PA 소재의 Sartomer로부터 상표명 SR1120으로 입수가능)를 사용하였다. 이 분산액은 약 1000cps의 점도를 구비하였다. 제1 단계에서 캐리어 라이너로부터 캐스트 Nafion®1100막 1.1mil(2.794×10^-2mm)을 박리하였다. 박막의 취급을 촉진하기 위해, 섹션을, 스크린 프린터 상에 감긴 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 캐리어 웨브 상에 테이핑하였다. 패턴화된 Gallus형 스크린을 사용하여 상기 막에 분산액을 도포하였다. 인치당 240개의 개구를 갖는 스크린 메쉬를 사용하여 막의 각 측면에 ~1mil 두께의 보호 막을 증착하였다. 각각의 코팅층이 도포된 후, 분산액을 D형 벌브를 사용하여 경화하였다. 한쪽 면에서의 프린팅 및 UV 경화 이후에, 막의 섹션을 뒤집어서 PET 캐리어 상에 역전된 자세로 테이핑하였다. 제2 패스의 분산액이 도포되어 경화된 후, 그 결과적인 막을 대략 1mil의 강인한 수지상 폴리머로 양쪽 면에 코팅하였다.

예2

막이 아직 그 PET 캐리어 라이너에 부착되어 있는 동안 상기 예1에 개시한 분산액 혼합물을 막에 프린팅하였다. PET 라이너 3mil(7.62×10^-2mm) 두께 상의 캐스트 Nafion®1100막 1.1mil(2.794×10^-2mm) 두께를 TELSTAR(Burnsville, MN) 스크린 프린팅 기계 상에 언와인드로부터 와인드업으로 감았다. UV 경화성 분산액 혼합물을 PEM 상에 대략 1mil의 두께로 증착하였다. 분산액을 예1에서와 같이 D형 벌브로 경화하였다. 막은 이후 라이너로부터 박리하였다. 결과적인 막은 코팅되지 않은 창 개구의 주위에 도포되는 보호 재료의 프레임을 한쪽 면에 구비한다.

예3

Northern Coatings(Menominee, MI)로부터 UV 보호 바니쉬(varnish)(트리메틸올프로판 트리아크릴레이트 에스테르)의 샘플을 입수하였다. 예2의 방법을 사용하여, UV 바니쉬를 2mil(5.08×10^-2mm)의 두께로 막 상에 도포하였다. 분산액은 예1에서와 같이 D형 벌브로 경화하였다. 막은 이후 라이너로부터 박리하였다. 결과적인 막은 코팅되지 않은 창 개구의 주위에 도포되는 보호 재료의 프레임을 구비하였다. 손으로 테스트했을 때 보호된 막은 연신 및 변형에 대해 훨씬 더 내성을 갖지만, 이 막을 끓는 물에 노출시켰을 때는 코팅이 박리되었다.

예4

하기 조성을 갖는 잉크젯 프린터블 졸-겔 PSA 분산액을 준비하였다: 80중량%의 모노머 혼합체, 80부의 2-에틸헥실아크릴레이트(2-EHA), 20부의 이소보르닐 아크릴레이트(IBA), 0.10부의 1,6 헥사네디올 디아크릴레이트(HDDA) 가교결합제 및 광개시제(Exton, PA 소재의 Sartomer로부터 상표명 "ESACURE KB-1"로 입수가능), 및 20중량%의 표면처리된 실리카. 이 분산액은 미국 특허출원 제2002/0128340호에서 예를 들면 예8과 표4 및 관련 본문에 개시되어 있다. 인하(draw-down) 코팅 방법을 사용하여 이 재료를 1-2mil 두께로 Nafion®1100뿐 아니라 전술한 미국 특허출원 제10/325,278호에 개시된 테트라플루오로에틸렌(TFE)과 HOSO₂CF₂CF₂CF₂-CF₂OCF₂CF₂의 혼성 중합체에 도포하였다. PSA 특성을 달성하기 위해 저압 T5 살균성 UV 튜브를 사용하여 UV 경화를 수행하였다. 이 경화 단계는 미국 특허출원 제2002/0128340호에서 예를 들면 예9에 개시되어 있다. 결과적인 막은 터프하며 점착성을 갖는다. 연신되었을 때, 샘플은 미처리된 막에 비해 현저히 강하게 느껴진다. 이 재료의 한 섹션을 네 시간 동안 증류수에서 끓인 바, 코팅은 막에 침습적으로 접착된 상태로 남아있다. 경화 이전에 막에는 모노머가 약간 침투할 수 있으며, 그 결과 막에 대한 접착성이 향상된다. 코팅이 경화된 후, 이 예비-팽창으로 인해 고정(anchorage)이 양호하였다.

예5

전술한 미국 특허출원 제10/325,278호에 개시된 1.2mil(3.048×10^-2mm) 두 께(160℃ 어닐링됨) 950 당량 막의 샘플을 유리판 상에서 잡아늘였다. 1-mil 폴리에스테르에서 절단한 스텐실을 사용하여, 약 1mil의 비닐 플라스티졸 수지(Avon Lake, OH 소재의 PolyOne Corporation으로부터 상표명 "M3108 BLACK"으로 입수가능)를 개방 영역을 갖는 프레임 패턴으로 도포하였다. 플라스티졸은 80℃에서 낮은 크립을 갖도록 개발된 미립자 충진된 제제이다. 코팅 이후, 플라스티졸을 170℃로 10분간 가열하여 겔화 및 경화시켰다. UV 경화는 전혀 실시하지 않았다. 실온으로의 냉각 이후, 코팅된 막과 코팅되지 않은 막에 대한 수동 비교가 이루어졌다. 코팅된 막이 현저히 강력하고 신장에 대해 더욱 저항적이었다. 코팅은 80℃ 탈이온수에서 2시간 이후에도 접착된 상태로 남아있었다. 그러나 탈이온수에서 네 시간 동안 끓인 이후에는 플라스티졸층이 부분적으로 박리되었다.

모노머 종을 갖는 막의 팽창이 전혀 없기 때문에 플라스티졸 역시 부착되어 있지 않을 수 있다. 그러나, 연료 전지에서의 작동 중에, 적층 구조물은 압력 하에 있으며, 덜 박리될 것이다. 비닐 플라스티졸 수지는 물 속에서 장시간 동안 끓을 때 저하되지 않고 안정적인 것으로 밝혀졌다. 일반적으로, 비닐 플라스티졸 폴리머는 내산성인 것으로 알려졌으며, 보호에 적합한 후보일 수 있다.

예6

10부의 "에스테르 백본, 지방족 우레탄 아크릴레이트 올리고머"(Exton, PA 19341 소재의 Sartomer로부터 상표명 "CN964"로 입수가능)와 6부의 1,6 헥사네디올 디아크릴레이트(Exton, PA 소재의 Sartomer로부터 상표명 "SR238"로 입수가능)를 포함하는 UV 경화성 분산액을 준비하였다. 약 5중량%의 α-히드록시-아세토페논형 광개시제(Exton, PA 19341 소재의 Sartomer로부터 상표명 SR1129로 입수가능)를 추가하였다. 이 분산액은 약 2000cps의 점도를 구비하였다. 제1 단계에서 캐리어 라이너로부터 Nafion®1100막 1.1mil(2.794×10^-2mm) 두께를 박리하였다. 박막의 취급을 촉진하기 위해, 섹션을 유리판 상에 테이핑하였다. 막의 각 측면에 대략 1mil 두께의 필름이 증착되도록, 인치당 340개의 개구를 갖는 스크린 프린팅 메쉬를 사용하여 1.1mil(2.794×10^-2mm) 캐스트 Nafion®1100의 양쪽 면에 분산액을 도포하였다. 각각의 코팅층이 도포된 후, 분산액을 D형 벌브를 사용하여 경화하였다. 한쪽 면에서의 프린팅 및 UV 경화 이후에, 막을 뒤집어서 역전된 자세로 테이핑하였다. 제2 패스의 분산액이 도포되어 경화된 후, 그 결과적인 막을 대략 1mil의 강인한 수지상 폴리머로 양쪽 면에 코팅하였다.

예7

80부의 비스페놀 A 디글리시딜 에테르 에폭시(Houston, TX 소재의 Resolution Performance Products로부터 상표명 "EPON 828"로 입수가능)와 20부의 폴리에스테르 폴리올(Midland, MI 소재의 Dow Chemical로부터 상표명 "TONER 0201 POLYOL"로 입수가능)을 포함하는 UV 경화성 분산액을 준비하고, 2% w/w의 광 개시제(Midland, MI 소재의 Dow Chemical로부터 상표명 "CPI 6976"으로 입수가능)를 추가하였다. 이 분산액은 약 4000cps의 점도를 구비하였다. 제1 단계에서 캐리어 라이너로부터 Nafion®1100막 1.1mil(2.794×10^-2mm) 두께를 박리하였다. 박막의 취급을 촉진하기 위해, 섹션을 유리판 상에 테이핑하였다. 막의 각 측면에 대략 1mil 두께의 필름이 증착되도록, 인치당 270개의 개구를 갖는 스크린 프린팅 메쉬를 사용하여 1.1mil(2.794×10^-2mm) 캐스트 Nafion®1100의 양쪽 면에 분산액을 도포하였다. 각각의 코팅층이 도포된 후, 분산액을 D형 벌브를 사용하여 경화하였다. 한쪽 면에서의 프린팅 및 UV 경화 이후에, 막을 뒤집어서 역전된 자세로 테이핑하였다. 제2 패스의 분산액이 도포되어 경화된 후, 그 결과적인 막을 대략 1mil의 강인한 수지상 폴리머로 양쪽 면에 코팅하였다.

본 발명의 다양한 실시예에 대한 상기 설명은 도시 및 개시의 목적으로 제공된 것이다. 이는 포괄적이거나 본 발명을 개시된 정확한 형태로 한정하려는 의도가 아닌 것이다. 상기 내용을 감안하여 여러가지 수정예 및 변형예가 있을 수 있다. 본 발명의 범위는 이 상세한 설명에 의해 제한되지 않아야 하며 청구범위에 의해서만 한정되어야 한다.

Claims

막전극 조립체(MEA)용 구조물이며,

폴리머 전해질 막, 가스 확산층, 및 상기 폴리머 전해질 막과 가스 확산층 사이의 촉매층을 포함하는 구성요소를 갖는 막전극 서브조립체, 및

상기 막전극 서브조립체의 하나 이상의 구성요소 위에 배치되는 서브개스킷을 포함하고,

상기 가스 확산층의 주위 에지는 서브개스킷과 중첩되며,

상기 서브개스킷은 증착되고 원위치에서 경화될 수 있는 재료의 층을 포함하는 MEA 구조물.
제1항에 있어서, 상기 서브개스킷은 폴리머 전해질 막의 주위 부분 위에 배치되는 MEA 구조물.
제1항에 있어서, 상기 서브개스킷의 일부는 촉매층과 폴리머 전해질 막 사이에 배치되는 MEA 구조물.
제1항에 있어서, 상기 서브개스킷의 일부는 촉매층과 가스 확산층 사이에 배치되는 MEA 구조물.
제1항에 있어서, 상기 가스 확산층과 촉매층은 촉매 코팅된 전극 배킹을 형성하고, 촉매 코팅된 전극 배킹의 에지는 서브개스킷과 중첩되는 MEA 구조물.
제1항에 있어서, 상기 폴리머 전해질 막과 촉매층은 촉매 코팅된 막을 형성하고, 서브개스킷은 촉매 코팅된 막의 주위 부분 위에 배치되는 MEA 구조물.
제1항에 있어서, 상기 가스 확산층의 주위 에지는 약 0.05mm 내지 약 10mm 만큼 서브개스킷과 중첩되는 MEA 구조물.
제1항에 있어서, 상기 서브개스킷 재료는 방사선에 의해 원위치에서 경화될 수 있는 MEA 구조물.
제8항에 있어서, 상기 방사선은 자외선을 포함하는 MEA 구조물.
제1항에 있어서, 상기 서브개스킷 재료는 원위치에서 열적으로 경화될 수 있는 MEA 구조물.
제1항에 있어서, 상기 서브개스킷 재료는 화학적 가교결합에 의해 경화될 수 있는 MEA 구조물.
제1항에 있어서, 상기 서브개스킷 재료는 스크린 프린팅에 의해 증착될 수 있는 MEA 구조물.
제1항에 있어서, 상기 서브개스킷 재료는 코팅에 의해 증착될 수 있는 MEA 구조물.
제1항에 있어서, 상기 서브개스킷 재료는 분사에 의해 증착될 수 있는 MEA 구조물.
제1항에 있어서, 상기 서브개스킷 재료는 잉크젯 프린팅에 의해 증착될 수 있는 MEA 구조물.
제1항에 있어서, 상기 서브개스킷은 MEA 구조물의 활성 영역과 중첩되도록 치수를 갖는 MEA 구조물.
제1항에 있어서, 상기 서브개스킷은 MEA 구조물의 활성 영역과의 중첩을 회피하도록 치수를 갖는 MEA 구조물.
제1항에 있어서, 상기 서브개스킷은 약 5㎛ 내지 약 100㎛의 두께를 갖는 MEA 구조물.
제1항에 있어서, 상기 서브개스킷은 감압 접착 조성을 갖는 MEA 구조물.
제1항에 있어서, 상기 서브개스킷은 열가소성 재료를 포함하는 MEA 구조물.
제1항에 있어서, 상기 서브개스킷은 이온적 비전도성 재료를 포함하는 MEA 구조물.
제1항에 있어서, 상기 서브개스킷은 전기적 비전도성 재료를 포함하는 MEA 구조물.
제1항에 있어서, 상기 서브개스킷의 표면은 밀봉면을 포함하는 MEA 구조물.
제23항에 있어서, 상기 밀봉면은 미세구조형 표면을 포함하는 MEA 구조물.
막전극 조립체(MEA)이며,

제1 막전극 구조물, 및

상기 제1 막전극 구조물에 결합되는 제2 막전극 구조물을 포함하고,

상기 제1 및 제2 막전극 구조물 중 적어도 하나는,

폴리머 전해질 막, 가스 확산층, 및 상기 폴리머 전해질 막과 가스 확산층 사이의 촉매층을 포함하는 구성요소를 갖는 전극 서브조립체, 및

상기 전극 서브조립체의 하나 이상의 구성요소 위에 배치되는 서브개스킷을 포함하는 구성요소를 가지며,

상기 가스 확산층의 주위 에지는 서브개스킷과 중첩되고,

상기 서브개스킷은 증착될 수 있고 원위치에서 경화될 수 있는 재료의 층을 포함하는 MEA 구조물.
제25항에 있어서, 상기 서브개스킷은 폴리머 전해질 막의 주위 부분 위에 배치되는 MEA 구조물.
제25항에 있어서, 상기 서브개스킷의 일부는 촉매층과 폴리머 전해질 막 사이에 배치되는 MEA 구조물.
제25항에 있어서, 상기 서브개스킷의 일부는 촉매층과 가스 확산층 사이에 배치되는 MEA 구조물.
제25항에 있어서, 상기 가스 확산층과 촉매층은 촉매 코팅된 전극 배킹을 형성하고, 촉매 코팅된 전극 배킹의 에지는 서브개스킷과 중첩되는 MEA 구조물.
제25항에 있어서, 상기 폴리머 전해질 막과 촉매층은 촉매 코팅된 막을 형성 하고, 서브개스킷은 촉매 코팅된 막의 주위 부분 위에 배치되는 MEA 구조물.
제25항에 있어서, 상기 가스 확산층의 주위 에지는 약 0.05mm 내지 약 10mm 만큼 서브개스킷과 중첩되는 MEA 구조물.
제25항에 있어서, 상기 제2 막전극 구조물과 제1 막전극 구조물은 융합된 2층 폴리머 전해질 막에 의해 결합되는 MEA 구조물.
제25항에 있어서, 상기 서브개스킷은 폴리머 전해질 막의 주위 부분 위에 배치되고,

상기 제2 막전극 구조물과 제1 막전극 구조물은 융합된 내부 서브개스킷을 갖는 융합된 2층 폴리머 전해질 막에 의해 결합되는 MEA 구조물.
제25항에 있어서, 상기 서브개스킷 재료는 방사선에 의해 원위치에서 경화될 수 있는 MEA 구조물.
제25항에 있어서, 상기 서브개스킷 재료는 화학적 가교결합에 의해 경화될 수 있는 MEA 구조물.
제25항에 있어서, 상기 서브개스킷 재료는 스크린 프린팅에 의해 증착될 수 있는 MEA 구조물.
제25항에 있어서, 상기 서브개스킷 재료는 코팅에 의해 증착될 수 있는 MEA 구조물.
제25항에 있어서, 상기 서브개스킷 재료는 분사에 의해 증착될 수 있는 MEA 구조물.
제25항에 있어서, 상기 서브개스킷 재료는 잉크젯 프린팅에 의해 증착될 수 있는 MEA 구조물.
제25항에 있어서, 상기 서브개스킷은 전극 서브조립체의 활성 영역과 중첩되도록 치수를 갖는 MEA 구조물.
제25항에 있어서, 상기 서브개스킷은 전극 서브조립체의 활성 영역과의 중첩을 회피하도록 치수를 갖는 MEA 구조물.
제25항에 있어서, 상기 서브개스킷은 약 5㎛ 내지 약 100㎛의 두께를 갖는 MEA 구조물.
제25항에 있어서, 상기 서브개스킷은 이온적 비전도성 재료를 포함하는 MEA 구조물.
제25항에 있어서, 상기 서브개스킷은 전기적 비전도성 재료를 포함하는 MEA 구조물.
제25항에 있어서, 상기 서브개스킷의 표면은 밀봉면을 포함하는 MEA 구조물.
제45항에 있어서, 상기 밀봉면은 미세구조형 표면을 포함하는 MEA 구조물.
전기화학적 전지 조립체이며,

폴리머 전해질 막, 상기 폴리머 전해질 막의 양면에 배치되는 제1 및 제2 가스 확산층, 상기 제1 가스 확산층과 폴리머 전해질 막 사이에 배치되는 제1 촉매층 및 상기 제2 가스 확산층과 폴리머 전해질 막 사이에 배치되는 제2 촉매층을 포함하는 구성요소를 갖는 막전극 조립체(MEA), 및

증착될 수 있고 원위치에서 경화될 수 있는 재료의 하나 이상의 층으로 형성되는 서브개스킷을 포함하고,

상기 서브개스킷의 일부는 제1 및 제2 가스 확산층 사이에 배치되는 전기화학적 전지 조립체.
제47항에 있어서, 상기 서브개스킷 층은 폴리머 전해질 막의 주위 부분 위에 배치되는 전기화학적 전지 조립체.
제47항에 있어서, 상기 제1 가스 확산층과 제1 촉매층은 제1 촉매 코팅된 전극 배킹을 형성하고, 상기 제2 가스 확산층과 제2 촉매층은 제2 촉매 코팅된 전극 배킹을 형성하며, 상기 서브개스킷의 일부는 제1 촉매 코팅된 전극 배킹과 제2 촉매 코팅된 전극 배킹 사이에 배치되는 전기화학적 전지 조립체.
제47항에 있어서, 상기 폴리머 전해질 막과 제1 및 제2 촉매층은 촉매 코팅된 막을 형성하고, 상기 서브개스킷은 촉매 코팅된 막의 주위 부분 위에 배치되는 전기화학적 전지 조립체.
제47항에 있어서, 상기 서브개스킷 재료는 방사선에 의해 원위치에서 경화될 수 있는 전기화학적 전지 조립체.
제51항에 있어서, 상기 방사선은 자외선을 포함하는 전기화학적 전지 조립체.
제47항에 있어서, 상기 서브개스킷 재료는 원위치에서 열적으로 경화될 수 있는 전기화학적 전지 조립체.
제47항에 있어서, 상기 서브개스킷 재료는 화학적 가교결합에 의해 경화될 수 있는 전기화학적 전지 조립체.
제47항에 있어서, 상기 서브개스킷 재료는 스크린 프린팅, 코팅, 분사, 및 잉크젯 프린팅 중 적어도 하나에 의해 증착될 수 있는 전기화학적 전지 조립체.
제47항에 있어서, 상기 서브개스킷은 MEA의 활성 영역과 중첩되도록 치수를 갖는 전기화학적 전지 조립체.
제47항에 있어서, 상기 서브개스킷은 MEA의 활성 영역과의 중첩을 회피하도록 치수를 갖는 전기화학적 전지 조립체.
제47항에 있어서, 상기 서브개스킷은 약 5㎛ 내지 약 100㎛의 두께를 갖는 전기화학적 전지 조립체.
제47항에 있어서, 상기 서브개스킷은 이온적 비전도성 재료를 포함하는 전기화학적 전지 조립체.
제47항에 있어서, 상기 서브개스킷은 전기적 비전도성 재료를 포함하는 전기 화학적 전지 조립체.
제47항에 있어서, 상기 서브개스킷의 표면은 밀봉면을 포함하는 전기화학적 전지 조립체.
제61항에 있어서, 상기 밀봉면은 미세구조형 표면을 포함하는 전기화학적 전지 조립체.
막전극 조립체(MEA)를 제조하기 위한 방법이며,

하나 이상의 서브개스킷형 MEA 구성요소를 형성하는 단계로서, 하나 이상의 MEA 구성요소의 적어도 한쪽 면의 일부 위에 분산가능한 서브개스킷 재료를 증착하는 것과, 상기 서브개스킷 분산 재료를 원위치에서 경화시켜 하나 이상의 서브개스킷 층을 형성하는 것을 포함하는 단계, 및

상기 서브개스킷 층의 부분들이 제1 및 제2 가스 확산층(GDL) 구조물 사이에 배치되도록 폴리머 전해질 막(PEM) 구조물의 양면에 제1 및 제2 가스 확산층을 정렬하는 단계를 포함하고,

상기 제1 GDL 구조물, 제2 GDL 구조물, 및 PEM 구조물 중 하나 이상은 하나 이상의 서브개스킷형 MEA 구성요소를 포함하는 MEA 제조 방법.
제63항에 있어서, 상기 하나 이상의 서브개스킷형 MEA 구성요소를 형성하는 단계는 서브개스킷형 PEM 구조물을 형성하는 것을 포함하는 MEA 제조 방법.
제63항에 있어서, 상기 하나 이상의 서브개스킷형 MEA 구성요소를 형성하는 단계는 하나 이상의 서브개스킷형 GDL 구조물을 형성하는 것을 포함하는 MEA 제조 방법.
제63항에 있어서, 상기 PEM 구조물은 촉매 코팅된 막을 포함하는 MEA 제조 방법.
제63항에 있어서, 상기 제1 및 제2 GDL 구조물은 촉매 코팅된 전극 배킹을 포함하는 MEA 제조 방법.
제63항에 있어서, 상기 분산가능한 서브개스킷 재료의 증착은 분산가능한 서브개스킷 재료의 스크린 프린팅을 포함하는 MEA 제조 방법.
제63항에 있어서, 상기 분산가능한 서브개스킷 재료의 증착은 분산가능한 서브개스킷 재료의 코팅을 포함하는 MEA 제조 방법.
제63항에 있어서, 상기 분산가능한 서브개스킷 재료의 증착은 분산가능한 서브개스킷 재료의 분사를 포함하는 MEA 제조 방법.
제63항에 있어서, 상기 분산가능한 서브개스킷 재료의 증착은 분산가능한 서브개스킷 재료의 잉크젯 프린팅을 포함하는 MEA 제조 방법.
제63항에 있어서, 상기 분산가능한 서브개스킷 재료의 원위치 경화는 서브개스킷 분산 재료를 수분에 노출시킴으로써 원위치에서 경화시키는 것을 포함하는 MEA 제조 방법.
제63항에 있어서, 상기 분산가능한 서브개스킷 재료의 원위치 경화는 서브개스킷 분산 재료를 가스에 노출시킴으로써 원위치에서 경화시키는 것을 포함하는 MEA 제조 방법.
제63항에 있어서, 상기 분산가능한 서브개스킷 재료의 원위치 경화는 서브개스킷 분산 재료를 방사선에 노출시킴으로써 원위치에서 경화시키는 것을 포함하는 MEA 제조 방법.
제63항에 있어서, 상기 서브개스킷 분산 재료의 원위치 경화는 서브개스킷 분산 재료를 원위치에서 열적으로 경화시키는 것을 포함하는 MEA 제조 방법.
제63항에 있어서, 상기 서브개스킷 분산 재료의 원위치 경화는 분산가능한 서브개스킷 재료를 냉각시킴으로써 서브개스킷 분산 재료를 원위치에서 경화시키는 것을 포함하는 MEA 제조 방법.
제63항에 있어서, 상기 서브개스킷 분산 재료의 원위치 경화는 서브개스킷 분산 재료를 화학적으로 변화시키는 것을 포함하는 MEA 제조 방법.
제63항에 있어서, 상기 서브개스킷 분산 재료의 원위치 경화는 서브개스킷 분산 재료를 화학적으로 변화시키지 않고 경화시키는 것을 포함하는 MEA 제조 방법.
제63항에 있어서, 상기 제1 및 제2 GDL 구조물을 PEM 구조물에 접합하는 단계를 추가로 포함하는 MEA 제조 방법.
제79항에 있어서, 상기 제1 및 제2 GDL 구조물을 PEM 구조물에 접합하는 단계는 제1 및 제2 GDL 구조물과 PEM 구조물에 압력과 열 중 하나 또는 양자를 인가하는 것을 포함하는 MEA 제조 방법.
제80항에 있어서, 상기 제1 및 제2 GDL 구조물과 PEM 구조물에 압력과 열 중 하나 또는 양자를 인가하는 것은 50㎠당 약 0.5톤 내지 약 3.0톤의 압력을 인가하는 것을 포함하는 MEA 제조 방법.
제80항에 있어서, 상기 제1 및 제2 GDL 구조물과 PEM 구조물에 압력과 열 중 하나 또는 양자를 인가하는 것은 PEM의 연화점 근처 온도의 열을 인가하는 것을 포함하는 MEA 제조 방법.
제80항에 있어서, 상기 제1 및 제2 GDL 구조물을 서브개스킷형 PEM에 접합하는 단계는 제1 및 제2 GDL 구조물과 PEM 구조물에 소정 시간 동안 압력과 열 중 하나 또는 양자를 인가하는 것을 포함하는 MEA 제조 방법.
제83항에 있어서, 상기 소정 시간은 약 10분 이하를 포함하는 MEA 제조 방법.
제63항에 있어서, 상기 하나 이상의 서브개스킷형 MEA 구성요소를 형성하는 단계는 서브개스킷형 PEM 구조물을 형성하는 것을 포함하며,

상기 서브개스킷형 PEM 구조물의 양면에 제1 및 제2 GDL 구조물을 배치하는 단계는 커다란 시트로부터 제1 및 제2 GDL 구조물을 절단하는 것과, 상기 제1 및 제2 GDL 구조물을 서브개스킷형 PEM 구조물의 양면에 대해 정렬시키는 것을 포함하는 MEA 제조 방법.
제63항에 있어서, 상기 하나 이상의 서브개스킷형 MEA 구성요소를 형성하는 단계는 서브개스킷형 PEM 구조물을 형성하는 것을 포함하며,

상기 서브개스킷형 PEM 구조물의 양면에 대해 제1 및 제2 GDL 구조물을 정렬하는 단계는 제1 및 제2 GDL 구조물을 서브개스킷형 PEM 구조물의 서브개스킷형 부분과 중첩되도록 정렬하는 것을 포함하는 MEA 제조 방법.
가스 확산층(GDL) 구조물과 폴리머 전해질 막(PEM) 구조물을 구비하는 막전극(MEA) 서브조립체를 제조하기 위한 방법이며,

서브개스킷형 MEA 구성요소를 형성하는 단계로서, MEA 구성요소의 적어도 한쪽 면의 일부 위에 분산가능한 서브개스킷 재료를 증착하는 것과, 상기 서브개스킷 분산 재료를 원위치에서 경화시켜 하나 이상의 서브개스킷 층을 형성하는 것을 포함하는 단계, 및

상기 GDL 구조물의 에지가 하나 이상의 서브개스킷 층의 일부와 중첩되도록 GDL 구조물을 PEM 구조물 위에 배치하는 단계를 포함하고,

상기 GDL과 PEM 중 적어도 하나는 하나 이상의 서브개스킷형 MEA 구성요소를 포함하는 막전극 서브조립체 제조 방법.
제87항에 있어서, 상기 서브개스킷형 MEA 구성요소를 형성하는 단계는 서브개스킷형 PEM을 형성하는 것을 포함하는 막전극 서브조립체 제조 방법.
제87항에 있어서, 상기 서브개스킷형 MEA 구성요소를 형성하는 단계는 서브 개스킷형 GDL을 형성하는 것을 포함하는 막전극 서브조립체 제조 방법.
제87항에 있어서, 상기 서브개스킷형 MEA 구성요소를 형성하는 단계는 서브개스킷형 촉매 코팅된 막을 형성하는 것을 포함하는 막전극 서브조립체 제조 방법.
제87항에 있어서, 상기 서브개스킷형 MEA 구성요소를 형성하는 단계는 서브개스킷형 촉매 코팅된 전극 배킹을 형성하는 것을 포함하는 막전극 서브조립체 제조 방법.
제87항에 있어서, 상기 PEM 구조물의 한쪽 면 위에 GDL 구조물을 배치하고 PEM 구조물의 반대쪽 면 위에 대향 GDL 구조물을 배치하는 단계를 추가로 포함하는 막전극 서브조립체 제조 방법.