(57)【要約】繊維（１）を含む層（２）を有するガス拡散膜であって、繊維（１）に部分的に被覆材料（３）が設けられており、繊維（１）が接点（４）で相互に隣接しており、層（２）が、周囲の方を向く境界面（５）を有する、ガス拡散膜が、最適な電導性を保証するという課題を鑑み、接点及び／又は境界面にて繊維から被覆材料（３）が除去されていることによって特徴付けられている。さらに、被覆材料（３）を繊維（１）から部分的且つ選択的に除去するステップを含むガス拡散膜の製造方法も記載されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
繊維（１）を含む層（２）を有するガス拡散膜であって、前記繊維（１）に部分的に被覆材料（３）が設けられており、前記繊維（１）が、接点（４）で相互に隣接しており、前記層（２）が、周囲の方を向く境界面（５）を有するものであって、
前記接点（４）及び／又は境界面（５）で、前記繊維（１）から前記被覆材料（３）が除去されていることを特徴とする、ガス拡散膜。
【請求項２】
繊維（１）を含む層（２）を有するガス拡散膜であって、前記繊維（１）に部分的に被覆材料（３）が設けられており、前記繊維（１）が、接点（４）で相互に隣接しており、前記層（２）が、周囲の方を向く境界面（５）を有するものであって、
前記ガス拡散膜を前記被覆材料（３）の融点以上の一度の加熱によって増大可能な、室温での電気抵抗を特徴とする、ガス拡散膜。
【請求項３】
前記層（２）が、導電性の繊維状平面形成物として形成されている、請求項１又は２に記載のガス拡散膜。
【請求項４】
前記層（２）が炭素繊維を含有する、請求項１から３のいずれか１項に記載のガス拡散膜。
【請求項５】
前記被覆材料（３）が疎水化剤である、請求項１から４のいずれか１項に記載のガス拡散膜。
【請求項６】
前記被覆材料（３）が親水化剤である、請求項１から５のいずれか１項に記載のガス拡散膜。
【請求項７】
前記被覆材料（３）が結合剤として働く、請求項１から６のいずれか１項に記載のガス拡散膜。
【請求項８】
被覆材料含量が０〜７０体積パーセントである、請求項１から７のいずれか１項に記載のガス拡散膜。
【請求項９】
前記被覆材料が、ポリテトラフルオロエチレン、フッ素ポリマー又はシランを含む、請求項１から８のいずれか１項に記載のガス拡散膜。
【請求項１０】
少なくとも１つの境界面（５）に微孔性被覆が配設されている、請求項１から９のいずれか１項に記載のガス拡散膜。
【請求項１１】
プラズマ処理された、請求項１から１０のいずれか１項に記載のガス拡散膜。
【請求項１２】
特に請求項１から１１のいずれか１項に記載のガス拡散膜を製造する方法であって、繊維（１）を含む層（２）に被覆材料（３）を施与させて、前記繊維（１）を前記被覆材料（３）で少なくとも部分的に覆う方法において、
前記被覆材料（３）を前記繊維（１）から部分的に且つ選択的に除去することを特徴とする、方法。
【請求項１３】
特に請求項１から１１のいずれか１項に記載のガス拡散膜を製造する方法であって、繊維（１）を含む層（２）に被覆材料（３）を施与させて、前記繊維（１）を前記被覆材料（３）で少なくとも部分的に覆う方法において、
前記ガス拡散膜を前記被覆材料（３）の融点以上に加熱することによって、当該ガス拡散膜の室温での電気抵抗を一度増大させることを特徴とする、方法。
【請求項１４】
前記被覆材料（３）を加圧によって除去する、請求項１２又は１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記被覆材料（３）を、アニール工程前、該工程中又は該工程後に除去する、請求項１２から１４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１６】
前記層（２）に、湿式又は乾式の方式で被覆材料（３）を施与する、請求項１２から１５のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繊維を含む層を有するガス拡散膜（ガス拡散層）であって、繊維が、部分的に被覆材料を備えており、繊維が、接点で相互に隣接しており、繊維を含む層が、周囲の方を向く境界面を有するものに関する。本発明はさらに、ガス拡散膜の製造方法であって、繊維を含む層に被覆材料を設け、繊維を被覆材料で少なくとも部分的に覆う方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
上記のようなガス拡散膜及び方法は従来技術で既に知られており、化学エネルギーを電気エネルギーに変換する燃料電池で使用されている。燃料電池の効率においては、ガス拡散膜がどの程度の電気抵抗を有するかが極めて重要である。
【０００３】
ガス拡散膜には様々な理由から被覆材料が設けられている。しかし、この材料は、ガス拡散膜の導電特性に極めて大きな影響を及ぼす。
【０００４】
従来技術で公知の、機械的に結合されているガス拡散膜、例えば不織布又は織物は、従来技術による被覆後のその物理的性質に関するところ、比較的高く、ほとんど最適化されていない抵抗値を有する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、本発明の課題は、冒頭に記載のようなガス拡散膜を、最適な導電特性が与えられるように形成し、発展させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記課題を、特許請求項１に記載の特徴によって解決する。それによれば、ガス拡散膜が、接点及び／又は境界面にて繊維が被覆材料から自由になっている（繊維から被覆材料が除去されている）ことによって特徴付けられる。
【０００７】
本発明によれば、まず、具体的な領域、つまり繊維の境界面及び接点が導電性に極めて大きな影響を及ぼすことが分かった。次に、ガス拡散膜の特別な領域からの被覆材料の選択的な除去が、ガス拡散膜の安定性及び物理化学的性質を最低限必要な程度だけ変化させることがさらに分かった。続いて、被覆材料の選択的且つ部分的な除去が、一定の抵抗値を再現可能にすることが分かった。また、境界面からの被覆材料の除去によって、燃料電池装置において近接する要素に対する電気的接触抵抗が減じられる。その場合、常に最適な導電特性を示すガス拡散膜が得られる。
【０００８】
したがって、冒頭に記載の課題が解決される。
【０００９】
さらに、上記課題は、従属の請求項２の特徴によって解決される。
【００１０】
つまり、繊維の接点から被覆材料が十分に除去されているガス拡散膜が、融点、軟化点又は焼結温度以上の温度に加熱されると、被覆材料が接点で再び融合することができる。導電性はこのことによって再び著しく低下し、電気抵抗は一度顕著に高められる。
【００１１】
電気抵抗は、層を貫く貫通抵抗（体積抵抗）であると理解されたい。抵抗を測定するためには、前記層を適当な電極間に配置することができる。通常、電気抵抗は加熱によって少なくとも倍増する。本発明によるガス拡散膜が加熱前に室温（Ｔ＝２０℃）で、ある電気抵抗を示す場合、この電気抵抗を、被覆材料を融点、軟化点又は焼結温度以上に一度加熱しただけで高めることができる。その場合、このガス拡散膜は、一度加熱して改めて室温へ冷却した後、顕著に高められた電気抵抗を示す。
【００１２】
構造的に特に有利な形態では、層は導電性の繊維状平面形成物として形成されていてよい。この具体的な形態によって、既製の半製品を問題なく加工することができる。繊維状平面形成物の使用によって、ガス拡散膜が一定の弾性を示すこと、及び例えば巻くこと又は変形が可能であることが保証される。
【００１３】
層は炭素繊維を含んでいてよい。炭素は、特に有利な導電特性を特徴としている。さらに、炭素は、高い剛性、安定性及び低密度を有し、よって、軽量で且つ安定した層の製造に適している。これを背景としてさらに、燃料電池内で生じる反応物質の、電極への良好な到達を保証する炭素繊維紙又は炭素不織布を使用することができる。
【００１４】
被覆材料は、疎水化剤として形成されていてよい。例えば、その疎水性の形態では、燃料電池内で生じる反応水がガス拡散膜の細孔を塞ぐこと及びガスの流れを妨げることを阻止することができる。
【００１５】
被覆材料は、親水化剤として形成されていてもよい。これにより、ガス拡散膜への水の付加（添加）を促進させ、ガス拡散膜の乾燥及びそれによるプロトン導電性の悪化を防ぐことができる。
【００１６】
ガス拡散膜の疎水性又は親水性の選択に応じて、ガス拡散膜を通るガス又は液体の流れの最適化、つまりガス及び水の管理を最適化することができる。それどころかこの場合には、ガス拡散膜に同時に、部分的に疎水化剤を且つ部分的に親水化剤を設けることも可能である。
【００１７】
被覆材料は、結合剤として機能させることもできる。この形態によって、層の繊維の化学的な結合の実現が可能となる。この場合には、繊維を、被覆材料の構造を介して相互に結合させることができ、この場合、繊維が相互に隣接している若しくは接触して配置されている交差点からは被覆材料が除去されている。この結合剤は、添加剤、例えばカーボンブラックを含有していてよく、これにより、導電性が高まる、且つ／又は親水性の若しくは疎水性がより小さい箇所が得られる。
【００１８】
ガス拡散膜は、熱的、化学的又は機械的な結合メカニズムの組合せによって安定化されていてもよい。異なる結合メカニズムの組合せによって、ガス拡散膜の種々の物理的及び化学的な性質の選択的な調整が可能となる。
【００１９】
被覆材料は、０〜７０体積％の割合であってよい。被覆材料の百分率含量の選択のみに依存させて、層の弾性及び機械的性質をも調整することができる。特に有利には、被覆材料の割合は５〜２０体積％であってよい。この範囲を選択することによって、ガス拡散膜は、十分な疎水性を有しながらも同様の十分な保水能力を示す。
【００２０】
被覆材料は、ポリテトラフルオロエチレンを含んでいてよい。ポリテトラフルオロエチレンは、簡単に購入可能であり且つその物理化学的な性質に関してよく研究されているので疎水化剤として特に適している。さらにポリテトラフルオロエチレンは、問題なく液体に分散させて処理することができる。ポリテトラフルオロエチレン以外にも、他のフッ素ポリマー、例えばフルオロポリエチレンプロピレン（ＦＥＰ）、並びにフッ素ポリマーの共重合体、シラン又は問題なくガス拡散膜に塗布できる他の疎水性材料も使用可能である。フッ素ポリマーは、高い熱的且つ化学的安定性を特徴とする疎水性材料である。
【００２１】
少なくとも１つの境界面に、微孔性の被覆を設けてもよい。このことによって、ガス拡散膜のこの微孔性被覆に施与されるか又は燃料電池のプロトン導電性の膜に設けられていてよい触媒層とのより良好な付着結合が得られる。微孔性の被覆は、適した原料選択及び方法実施で、接点の領域での被覆材料濃度に影響を及ぼさないように塗布することができる。
【００２２】
ガス拡散膜は、プラズマ処理されていてよい。プラズマ処理によって、イオン又は分子を現存の構造に選択的に結合させることができる。これは、流体に対するガス拡散膜の透過性に影響を与える。プラズマ処理によって、被覆材料によって既に得られた疎水性及び親水性の領域に加えて、そのような領域を追加的に生じさせることができる。
【００２３】
冒頭に記載の課題は、さらに、請求項１２の特徴を含む方法によって解決される。請求項１２によれば、ガス拡散膜の製造方法が、被覆材料を繊維から部分的且つ選択的に除去することを特徴としている。
【００２４】
冒頭に記載の課題は、請求項１３の特徴を含む方法によっても解決される。
【００２５】
繰り返しを避けるため、本発明の進歩性に関しては、ガス拡散膜自体の実施態様を参照されたい。
【００２６】
被覆材料は、加圧によって除去することができる。その場合、ガス拡散膜を、相互に接触配置された２本の繊維間で被覆材料が押し出されるように規定された圧力をガス拡散膜にかける装置に通過させることができる。特に、層に加えられる圧力を、ガス拡散膜の所望の導電率に応じて選択することが好ましい。この方法によって、前もって設定可能な導電率を有するガス拡散膜を再現可能に製造することができる。
【００２７】
上記事項を背景として、被覆材料に１つ以上の添加物質を含有させ、それにより、ガス拡散膜の、雰囲気（環境）との境界面に被覆材料が付着しないようにさせることもできる。その場合、有利には、被覆材料を層のバルク相内に入り込ませることができる。
【００２８】
被覆材料をアニール工程前、該工程中又は該工程後に除去することができる。
【００２９】
アニール工程は、熱可塑性の被覆材料の場合には、均質な層をもたらす該材料の均一な溶融を生じさせ、これは焼結としても知られている。焼結工程は通常、被覆材料の焼結温度で実施される。
【００３０】
熱可塑性の被覆材料が使用される場合、焼結工程中に除去を行うことによって特に迅速な製造工程が可能となり、それというのは、溶融状態の被覆材料が十分な流動性を示すからである。この流動性によって、接点間の被覆材料の除去が可能となる。
【００３１】
焼結工程後の、後続の方法段階での除去は、焼結工程の最適化を可能にし、この場合、接点間の被覆材料の濃度を無視することができる。
【００３２】
架橋性の被覆材料が使用される場合には、アニール工程は、均一で且つ十分に完全な架橋反応に対し有効である。アニール工程前に除去を行うと、架橋反応前に接点からほぼ完全に被覆材料が除去されていることが保証される。
【００３３】
層には、湿式又は乾式で、被覆材料を施与することができる。乾式の施与では、焼結工程前の乾燥工程を省略することができるという利点がある。湿式の施与では、繊維を被覆材料で完全に濡らすことが可能となり、その結果、繊維をほぼ完全に覆うことが保証され得る。これにより、機械的に特に安定で且つ均質な構造のガス拡散膜が実現できる。
【００３４】
本発明の教示を有利に構成し、発展させる手法は種々存在する。それについては、一方で従属請求項、他方で図面に基づく本発明の有利な実施例の以下の説明を参照することができる。この図面に基づく本発明の有利な実施例の説明に関連させて、上記教示の有利な態様及び発展形も総括的に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
唯一の図に、概略図として、平坦な層２を有するガス拡散膜を示す。断面Ａは、層２の拡大図を示す。層２は繊維１を含み、この場合、繊維１には部分的に被覆材料３が設けられており、繊維１は、接点４にて相互に隣接しており、層２は、周囲の方を向く境界面５を有する。繊維１は、接点４及び／又は境界面５にて被覆材料３が除去されている。
【００３６】
層２は導電性の繊維状平面形成物として形成されており、炭素繊維を含有する。被覆材料３は、疎水化剤として構成されている。被覆材料３としては、ポリテトラフルオロエチレンを使用する。
【００３７】
本発明による教示の別の有利な態様及び発展形については、一方で明細書の総括的な部分、他方で添付の特許請求の範囲を参照されたい。
【００３８】
最後に、先に純粋に任意に選択された実施例は、本発明の教示を論じるためのみに使用されているが、本発明が教示するものは、この実施例に限定されないことを特に強調しておく。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明によるガス拡散膜の概略図を示す。
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【国際調査報告】
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