(57)【要約】燃料電池の少なくとも一つの部品にプラズマ技術に基づいて表面処理を実施する少なくとも一つのステップを備える燃料電池用の部品を作成する方法。燃料電池部品として使用される材料に異なる性質の表面機能特性を形成し、それによって、より少ない重量および寸法、高い効率および動作寿命の一体化された部品の燃料電池を作成することを可能にする。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池用の部品を作成する方法であって、前記方法は、前記燃料電池の少なくとも一つの部品上のプラズマ技術に基づいて、表面処理を実施する少なくとも一つのステップを備える、ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記方法は、２つの電気伝導多孔性シート（ガス拡散層あるいはＧＤＬ）を準備するステップを備える、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記準備ステップは、撥水性勾配あるいは疎水性勾配を形成するように、前記少なくとも一つの部品の２つの表面に撥水特性を形成するための処理を備える、ことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記準備ステップは、親水性勾配を形成するように、前記２つの表面に親水性を形成するための処理を備える、ことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項５】
前記準備ステップは、一方の表面に前記撥水性およびもう一方の表面に前記親水性を形成する処理を備える、ことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項６】
前記方法は、触媒支持体（電極‐触媒‐層）準備ステップを備える、ことを特徴とする先行する１つまたはそれ以上の請求項に記載の方法。
【請求項７】
前記触媒支持体準備ステップは、前記膜あるいはＧＤＬの表面に直接触媒を堆積させ、それによって、前記触媒量を最小化するために、前記付着物を直接一体化し、および、その一様な分布を形成し、かつ前記表面に対するその密着性を増大するステップを備える、ことを特徴とする先行する１つまたはそれ以上の請求項に記載の方法。
【請求項８】
前記方法は、前記燃料電池部品の前記表面積を増大するためにプラズマ処理を用いて、界面を準備するステップを備える、ことを特徴とする先行する１つまたはそれ以上の請求項に記載の方法。
【請求項９】
前記界面を準備する前記ステップは、以下の部品、すなわち、プロトン交換膜、電気伝導および多孔性支持体あるいはガス拡散層、前記電気伝導多孔質層と前記膜（電極触媒層）との間に配置される触媒支持体、搬送チャンネルを通して反応性の触媒部位に酸素および水素を分配するバイポーラーインタコネクタ、の１つ以上に対するプラズマ処理を使用するために設ける、ことを特徴とする先行する１つまたはそれ以上の請求項に記載の方法。
【請求項１０】
前記方法は、フッ化炭素のような、一般にフッ化物処理されたガス、例えばＣＦ４、ＣＦＣあるいはＮＦ３およびＷＦ６、ＳＦ６、シリコン化合物、シランおよびシロキサン、例えばヘキサメチルジシロキサンなどのオルガノシラン類、炭化水素、スチレンおよびその混合物、によって前記ＧＤＬの前記表面の間に撥水勾配を形成するステップを備える、ことを特徴とする先行する１つまたはそれ以上の請求項に記載の方法。
【請求項１１】
前記フッ化炭素およびシリコン化合物、シランおよびシロキサンは、撥水効果を形成するように適応するために、前記材料の前記表面上の膜を形成するように堆積される、ことを特徴とする先行する１つまたはそれ以上の請求項に記載の方法。
【請求項１２】
前記ポリマーフィルムは、０．１ｎｍから１０ミクロンまで、変動する厚さを持つ、ことを特徴とする先行する１つまたはそれ以上の請求項に記載の方法。
【請求項１３】
前記処理は、真空状態（Ｐ＜１０ｍｂａｒｓ）で、あるいはガス混合物あるいは純ガスによる大気圧で実施される、ことを特徴とする先行する１つまたはそれ以上の請求項に記載の方法。
【請求項１４】
大気圧処理に対して、前記部品はプラズマ発生源から変動する距離で配置され、前記変動する距離は一般的に１ｍｍから５０ｍｍまでである、ことを特徴とする先行する１つまたはそれ以上の請求項に記載の方法。
【請求項１５】
前記方法は、１０−６ｍｂａｒｓまでの最低圧力の真空を発生させるステップを備え、前記プラズマは、高周波あるいはマイクロ波あるいは低周波供給源によって発生される、ことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記基板層上の前記出力密度は、１Ｗ／ｃｍ２未満である、ことを特徴とする先行する１つまたはそれ以上の請求項に記載の方法。
【請求項１７】
前記大気圧処理はＳＦ６およびＨＤＭＳＯ混合物によって実施され、前記出力密度は１Ｗ／ｃｍ２を超えない、ことを特徴とする先行する１つまたはそれ以上の請求項に記載の方法。
【請求項１８】
前記方法において、プラズマの異なる種類、例えば、希有ガスプラズマ、不活性ガスプラズマおよび好ましくは酸素、空気、塩素、アンモニア、フッ化物処理されたガス、水素、窒素、アルゴン、ヘリウム、ネオンおよびその混合物、単量体プラズマなど、が使用される、ことを特徴とする先行する１つまたはそれ以上の請求項に記載の方法。
【請求項１９】
真空発生させられたプラズマが使用されるにつれて、そのガスは空気であり、前記材料加工チャンバは、０．１ｍｂａｒから２ｍｂａｒｓまで負圧を形成するために排気される、ことを特徴とする先行する１つまたはそれ以上の請求項に記載の方法。
【請求項２０】
前記方法は、前記少なくとも一つの部品の前記２つの表面を、それぞれプラズマ親水性処理およびプラズマ疎水性処理によって、前記セル水バランスを最適化するために、変更するステップを備える、ことを特徴とする先行する１つまたはそれ以上の請求項に記載の方法。
【請求項２１】
前記触媒支持体を準備することにおいて、前記触媒は、前記表面へ移される前記触媒量が制御される真空蒸着プロセスによって、前記ＧＤＬにあるいは前記セルの前記膜に直接堆積される、ことを特徴とする先行する１つまたはそれ以上の請求項に記載の方法。
【請求項２２】
前記触媒は、粉末形、真空昇華状態の双方でおよびイオンビームによって堆積される、ことを特徴とする先行する１つまたはそれ以上の請求項に記載の方法。
【請求項２３】
前記プラズマ処理は、１０−１ｍｂａｒｓから１気圧まで可変の圧力を持つ常温プラズマによって実施され、および好ましくは１０−１ｍｂａｒｓから１０ｍｂａｒｓまでＲＦ発生されたプラズマおよび大気圧プラズマによって実施される、ことを特徴とする先行する１つまたはそれ以上の請求項に記載の方法。
【請求項２４】
前記ガスは、希有ガスおよび不活性ガス、酸素、二酸化炭素、フッ素含有ガス、オルガノシラン類含有ガス、シロキサン、アンモニア、スチレン、炭化水素およびその混合物である、ことを特徴とする先行する１つまたはそれ以上の請求項に記載の方法。
【請求項２５】
前記電力は可変であるが、好ましくは１０Ｗ／ｃｍ２未満である、ことを特徴とする先行する１つまたはそれ以上の請求項に記載の方法。
【請求項２６】
低圧プラズマプロセスに対して、適用時間は、１０分未満、好ましくは３０秒から１０分まで、およびより好ましくは、１分から６分まで、であり、一方、大気圧プラズマに対して、前記時間は、１分未満である、ことを特徴とする先行する１つまたはそれ以上の請求項に記載の方法。
【請求項２７】
燃料電池であって、前記燃料電池の前記部品の一つ以上が、前記プラズマ技術に基づく表面処理を備える、ことを特徴とする燃料電池。
【請求項２８】
前記方法は、前記開示されたおよび／または例示された特性の一つ以上を備える、ことを特徴とする先行する１つまたはそれ以上の請求項に記載の方法。
【請求項２９】
前記燃料電池は、前記開示されたおよび／または例示された特性の一つ以上を備える、ことを特徴とする先行する１つまたはそれ以上の請求項に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用の部品を作成する方法、およびそれによって作成される燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
既に知られているように、燃料電池は直接および連続的に燃料化学エネルギーを電気エネルギーあるいは電力に変換するのに適している発電装置である。
【０００３】
重合膜可燃性セルは、従来は、適切な触媒を含み、および重合電解質内に積み重ねられた関係で配置される負極（アノード）および正極（カソード）を備える。
【０００４】
水素は燃料としてこれらのセル内で動作し、および、それはアノードに供給し、一方、酸素あるいは単に空気はカソード側から燃料電池あるいは「ＦＣ」に入る。
【０００５】
より詳しくは、水素原子は、異なる経路を通ってカソードの方へ移動するプロトンおよび電子に分裂し、前記プロトンは電解質中を移動し、および前記電子は、外部回路に供給することができる連続電流あるいは直流電流を形成する。
【０００６】
カソードの近くで、前記プロトンおよび電子は、水分子を再び形成するために酸素と再結合される。
【０００７】
この反応は、触媒、すなわちプロセスを促進し、消費されることなく反応に介在する化学物質が与えられることによって促進される。
【０００８】
前記触媒は、また、プロセス温度および補助の駆動エネルギーを減らすために適切に使用されることができる。
【０００９】
化学エネルギーから電気エネルギーへの変換という見地から、このシステムは、電池にほぼ同化されることができるが、それはしかし放電にさらされず、かつ、この反応装置は単に燃料の存在に起因する電力を発生するだけである。
【００１０】
したがって、再充電時間は、その蓄積タンク内に燃料を補充するのに必要な時間、すなわち蓄電池パックを再充電するのに必要であろう数時間でなくて数分、に関連する。
【００１１】
さらに、電気エネルギーへの化学エネルギーの変換は、燃焼を伴わずに、唯一の残留物が水蒸気から成るので、完全にきれいなおよび汚染しないプロセスを提供する。
【００１２】
多数の燃料電池が存在し、特に、
−燐酸セル（ＰＡＦＣ）
−アルカリ電解質セル（ＡＦＣ）
−溶解炭素塩セル（ＭＣＦＣ）
−固体酸化物セル（ＳＯＦＣ）
−プロトン交換膜セル（ＰＥＭＦＣ）
がある。
【００１３】
高分子電解質燃料電池あるいはＰＥＭは高効率で高密度電力を発生させ、それによって、この技術は、静止用途および動的あるいは輸送用途の双方にきわめて有用であろう。
【００１４】
実際には、重量、体積およびコストが、現在までこの種の技術の使用を支持する主要な要因を代表する。
【００１５】
それらがセル電解質として重合膜を使用するので、ＰＥＭＦＣは他の種類と異なる。
【００１６】
したがって、膜がポリマーフィルムなので、密閉および組立に関連した問題は、他の種類のセルより複雑でなく、実際、例えば、腐食性の酸が含まれる危険な液体を管理する問題は、存在しない。
【００１７】
ＰＥＭＦＣは通常、６０℃から１００℃の範囲の低温で動作し、それによって、迅速な動作開始および必要な出力の変化に対する動的応答を提供する。
【００１８】
ＰＥＭセルの典型的な部品は、プロトン交換膜、電気伝導および多孔性支持体あるいはガス拡散層、伝導多孔質層と膜との間に配置される触媒支持体あるいは電極−触媒層、搬送チャンネルを通して酸素および水素を反応性の触媒部位に分配するバイポーラーインタコネクタ、である。
【００１９】
現状技術によれば、前記ガス拡散層は重合膜が２つの伝導多孔性シート、すなわち従来は「ガス拡散層」あるいはＧＤＬと呼ばれたもの、の間に配置されるよう配置することによって作成される。
【００２０】
これらの部品の機能は、そのガス（酸素および水素）拡散体として動作し、セルの機械的支持体および電子電気経路を提供するものである。
【００２１】
前記ＧＤＬは、また、「支持体層」とも呼ばれ、一般的に炭素材でできており、および、炭素フィラメントあるいは圧縮成形された炭素繊維を含む不織布構成を備えることができ、あるいは、それは単にフェルトとして作成されることができ、および、さらに撥水加工の材料（例えばＰＴＦＥ）で含浸されることができ、ＰＴＦＥは、前記ガスが触媒側（ＥＣＬ）と自由に接触するのを可能にするために、多孔性体内部に排出されたガスの同時逆拡散のためにさらに必要なので、水が反応ガス拡散体に入るのを防ぐ。
【００２２】
さらに、ＰＴＦＥはそれが材料内部で濡れない表面を形成するので、カソードから水を容易に取り除くことができる。
【００２３】
その表面に実施されるべき積層プロセスをさらに使用することにより、前記触媒は前記ＧＤＬ上に設けられることができる。
【００２４】
しかし化学的ＰＴＦＥ含浸は、それが穴の一部を詰まらせ、それによって前記材料内部の疎水性勾配の効率的な制御を妨げるので、材料の均一な表面分布を形成しない。
【００２５】
さらに、この種の化学的含浸は、部品の電気特性を変更する可能性がある。
【００２６】
したがって、上述の開示された限界は、後者の結果として起こるより劣る効率によって、セル内の水の制御における効率を低下させる。
【００２７】
さらに、セルが通常１００℃未満の温度でおよび大気圧で動作されるので、水は、液体状態で存在し、それによって、決定的な必要条件は、高いイオン交換を提供するために、高い値の電解含水量を保持することである。
【００２８】
特に、高い水量を保持することは、高電流密度動作（約１Ａ／ｃｍ２）において特に重要である。
【００２９】
高い含水量は、他方では、セル内部の最適動作バランスによって確実にされる。
【００３０】
この点で、最適な水バランスを提供するための決定的な要因は、カソード側からの高度に効率的な水引抜き、同じく、アノード側での燃料を濡らすための水の拡散、を提供することである。
【００３１】
２つのシナリオが起こる可能性があり、アノードからカソードまで、電解質を通して移動する水は失われ、膜は脱水状態であり、それによって、セル作動性能が低下する（頻繁に、失われた水の量は、カソードによって発生した水の量を超える）。
【００３２】
この現象は、いわゆる電気浸透輸送現象である。
【００３３】
この欠点を克服するために、ガスを適切に濡らすことが可能である。
【００３４】
第２の現象は、電気浸透輸送現象に起因する、および酸素および水素の水化合反応に起因する、カソード上の過剰な水の発生現象である。
【００３５】
電極はしたがって、含浸され、それによって、効率は低下する。
【００３６】
もしガス流が増加するならば、反応ガスは前記余剰含水量から取り除くことができる。
【００３７】
したがって、述べられた最適水バランスをターゲット値に保つことが、前記膜を脱水状態（過剰な量の排出された水）から、あるいは逆の現象の水飽和カソード（不十分な量の排出された水）から防ぐために、必要であり、この点で前記ＧＤＬは、その内部で水およびガス流を最適化する際に基本機能を提供する。
【００３８】
上述した問題を解決するために、２つの表面の各々の上の疎水性の目標均等性を確実にするように、および、これらの修正が熱機械的性質の変化およびＧＤＬのない表層域の変化を伴わないように、２つのＧＤＬ表面の間に適切に制御されたおよび最適化された疎水性勾配を提供することが必要である。
【発明の開示】
【００３９】
したがって、本発明の目的は、燃料電池用の部品として使用される材料の、異なる性質の表面機能特性を提供する方法を開示し、それによって、より小さい重量と寸法、および高効率および動作寿命の一体化された部品の燃料電池を作成することを可能にすることである。
【００４０】
本発明の一態様では、上述した目的、同じくさらに、以下により明らかになる他の目的は、燃料電池用の部品を作成する一方法によって達成され、前記方法は、少なくとも一つの前記部品に、プラズマ技術に基づいて表面処理を実施する少なくとも一つのステップを備えるという点で特徴づけられる。
【００４１】
プラズマ処理は疎水性の面および親水性の面双方で材料表面を機能化しやすく、あるいは異なる性質の付着物を形成しやすいことは公知である。
【００４２】
本発明は、まさに、その部品を作成するために、燃料電池の分野にこの技術を適用することから成る。
【００４３】
特に、以前の方法に対して、本発明の方法は、以下の利点を提供する、すなわち、それは、燃料電池分野の用途に対して制御された方法で、新奇な独特の特性を有する表面を作成することを可能にし、
前記機能特性は、機能化プロセス中に直接制御されることができ、
前記機能特性は、均一および恒久的でおよび材料の機械的性質および多孔性を変更せず、
前記機能特性は、燃料電池部品の統合化を可能にし、
前記特性は、より効率的な動作および長い動作寿命のセルを提供し、
この方法は、望ましい外形を持つ材料に、および望ましい寸法および出力のセルに適用されることができ、このように処理された材料は、その新奇な特性を不変に保ち、かつセル部品の目標特性を適合させながら、さらに望ましい処理方法にかけられることができる。
【００４４】
この方法は、さらに、表面を機能させるために使用される化学薬品（触媒、撥水材料）の量を減らすことを可能にし、
−前記方法は、少ない環境影響で実施されることができ、
−追加された化学製品の量は、従来のプロセスにおけるより少なく、実際、本発明の方法は、分子レベル（ナノメータの１０分の１から最高数ミクロンまでのオーダー）で、ごく少ない表面層に影響を及ぼし、
−エネルギー利点：実際、それはドライプロセスであり、および従って、水を使用する必要がなく、あるいは水および／または他の溶媒を蒸発させるために電力を消費する必要がなく、
−環境上の利点：前記方法は、それが無視してよい量の化学添加剤を使用するので、廃棄物および放出物を発生させず、繊維がより容易な方法でリサイクルされることを可能にし、およびさらに、述べたように、それが無視してよい水サイクルを伴うドライプロセスであるので、それは水の消費量を減少する。
【００４５】
Ａ．ＧＤＬの準備
ＧＤＬを機能させるために、以下の３つの動作モードに従って、プラズマ処理を実施することが可能である、すなわち、
１）表面の両方に撥水特性を形成するための、すなわち疎水性勾配を形成するための処理。
２）表面の両方に親水性を形成するための、すなわち親水性勾配を形成するための処理。
３）一面に撥水性および残りの面に親水性を形成するための処理。
【００４６】
Ｂ．触媒支持体の準備
触媒支持体あるいは電極−触媒層に対して、膜あるいはＧＤＬの表面に直接触媒付着物を堆積させることが可能であり、それによって、触媒量を最小化し、および、表面上の触媒の密着性を増加するのに適している一様な触媒分布を形成するように、直接付着物を一体化する。
【００４７】
Ｃ．界面の準備
セル内の電荷およびガスの界面および輸送を改善するために、燃料電池部品の表面積を増大することがさらに実施されるために、プラズマ処理が使用される。したがって全ての以下のセル部品、すなわち、
プロトン交換膜、
電気伝導および多孔性支持体あるいはガス拡散層、
電気伝導多孔性層と膜あるいは電極触媒層との間に配置される触媒支持体、
反応性の触媒部位に酸素および水素を搬送チャンネルを通して分配してあるいは送るバイポーラーインタコネクタ、を適用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４８】
本発明のさらなる特性および利点は、添付の図面内に示すが、制限しない実例として例示される、好適な、限定しないが、本発明の実施態様の次の詳細な開示から以下により明らかになるであろう。
【００４９】
４．ＧＤＬの準備
本発明に従う常温プラズマの適用は、ＧＤＬの表面間の撥水勾配を得ることから成る。
【００５０】
より詳しくは、前記撥水特性を形成するために、プラズマ処理は、フッ化炭素のような一般に流動化されたガス、例えばＣＦ４、ＣＦＣあるいはＮＦ３およびＷＦ６、ＳＦ６、シリコン化合物、シランおよびシロキサン、例えばヘキサメチルジシロキサンなどのオルガノシラン類、炭化水素、スチレンおよびその混合物、を用いて実施されることができる。
【００５１】
フッ化炭素およびシリコン化合物、シランおよびシロキサンは、撥水特性あるいは効果を提供するために適応される材料の表面上に膜を形成するように堆積させることができることがわかっている。
【００５２】
これらのポリマーフィルムは、０．１ｎｍから１０ミクロンまで変化する厚さを持つ。さらに、付着物の良い密着性を形成するために、安定したおよび清潔な表面、すなわち、その脱ガスが適切に制御され、かつ同時に活性化された表面を形成することが、重要である。
【００５３】
処理は、真空状態（Ｐ＜１０ｍｂａｒｓ）下で、あるいは、上述のようなガス混合物あるいは純ガスを伴う大気圧で実施される。
【００５４】
大気圧処理に対して、サンプルは、一般的に１ｍｍから５０ｍｍまでの距離で、プラズマ発生源から可変の距離で配置される。
【００５５】
次いで、前記プラズマは、高周波あるいはマイクロ波あるいは低周波発振源を用いて生成される。
【００５６】
基体表面上の出力密度は、１Ｗ／ｃｍ２未満である。
【００５７】
炭素繊維布サンプル上のおよび炭素繊維不織布上の処理実例が、以下に開示される。「ＣＣ１２０／０」と呼ばれる未処理のサンプルは、ウィルヘルミー測定法によって測定されて、３０°の接触角を提示する。
【００５８】
表ＥＳ１は、片面即ち表面Ａ上に処理された炭素繊維布の対を示す。
【００５９】
表ＥＳ２は、両面即ち表面ＡおよびＢ上に処理された炭素繊維布対を示す。
【００６０】
表ＥＳ３は、片面即ち表面Ａ上に処理された炭素繊維不織布材料対を示す。
【００６１】
大気圧処理は、ＳＦ６およびＨＤＭＳＯ混合物を用いて実施された。出力密度は、１Ｗ／ｃｍ２を超えない。
【００６２】
機能特性は、一様でおよび恒久的でおよび被加工材の機械的性質および多孔性を変更しない。
【００６３】
前記プラズマ技術によって取得される適切な勾配によって、最適水バランスは、セルがより大きな効率および寿命で動作することを可能にするように制御される。
【００６４】
より良い結果は、２面間の疎水性勾配を用いて達成される。未処理のＧＤＬに対して、プラズマ機能させられたＧＤＬは燃料電池の動作を改善し、それは最高５０％まで増加する。
【００６５】
出力送出、すなわちプラズマ処理されたＧＤＬによって構成されるセルの出力送出は、そのＧＤＬがプラズマ処理されなかった燃料電池のそれより最高５０％大きく、他の動作条件（水素ガス流量、セル温度、空気流量、湿潤温度）は同じである。
【００６６】
従来の化学方法によって処理されたＧＤＬに対して、プラズマ機能させられたあるいは処理されたＧＤＬは、少なくとも２５％燃料電池動作出力性能の改善を受けやすい。
【００６７】
換言すれば、プラズマ処理されたＧＤＬによって構成される燃料電池の出力送出は、化学方法あるいは市販ＧＤＬによって処理されたＧＤＬによって構成される燃料電池のそれに対して最高２５％増加する。
【００６８】
このプラズマ法は、材料の親水性勾配を達成することを可能にし、それによって、開始副層あるいは基体の親水性の増加を受けやすい異なる接触角を有する表面を提供する。
【００６９】
ここで、上述した方法あるいはプロセスに対して異なる種類のプラズマ、たとえば、希有ガスプラズマ、不活性気体プラズマおよび、好ましくは、酸素、空気、塩素、アンモニア、フッ化物処理されたガス、水素、窒素、アルゴン、ヘリウム、ネオンおよびその混合物、単量体およびその他プラズマなど、を使用することが可能である。
【００７０】
真空生成されたプラズマが使用され、そのガスが空気であるならば、材料加工チャンバは、０．１ｍｂａｒから２ｍｂａｒまでのチャンバ圧力を形成するために排気される。
【００７１】
したがって、開示されたプラズマ技術によって取得される適切な勾配により、セルをより大きな効率および寿命で動作するように誘導するために、水最適バランスを制御することが可能である。
【００７２】
別のプラズマ法あるいはプロセスは、セル水バランスを最適化するために、それぞれ親水性プラズマおよび疎水性処理によって、材料の２つの表面を変更することから成る。
【００７３】
４．触媒支持体の準備
触媒は、真空蒸着プロセスによってセルのＧＤＬにあるいは膜に直接堆積され、そこにおいて、表面へ移される触媒量は、適切に制御される。
【００７４】
触媒は粉末形および真空昇華状態の双方でおよびイオンビームによって、堆積されることができる。
【００７５】
Ｃ．界面の準備
各々の部品（触媒あるいは支持体）の界面を改善しておよび高めるために、機械的および電気接触および荷電粒子およびガス流、プラズマプロセスが、
１．プラズマ洗浄工程によって均質のおよび一様な接触表面を作成する、
２．プラズマエッチングプロセスによって接触表面積を増加する、
３．堆積された触媒の密着性を、選択的に、他の方法によってもまた、プラズマ表面活性化プロセスによって、増加する、
ために実施される。
【００７６】
表ＥＳ４は、真空プラズマ処理を示す。
【００７７】
表ＥＳ５は、大気圧プラズマ処理を示す。
【００７８】
プラズマ処理を実行するために使用される方法
プラズマ処理は、１０−１ｍｂａｒｓから１気圧までの、および好ましくは１０−１ｍｂａｒｓから１０ｍｂａｒｓまでの圧力で常温プラズマによって実行され、プラズマはＲＦ生成されたプラズマおよび大気圧プラズマである。
【００７９】
使用されたガスは、希有ガスおよび不活性ガス、酸素、二酸化炭素、フッ素、含有ガス、オルガノシラン類含有ガス、シロキサン、アンモニア、スチレン、炭化水素およびその混合物である。
【００８０】
使用された電力は、可変であるが、常に１０Ｗ／ｃｍ２未満である。
【００８１】
低圧プラズマプロセス適用時間は１０分未満、好ましくは３０秒から１０分まで、およびより好ましくは１分から６分までであり、および、高圧プラズマに対して、それらは１分未満である。
【００８２】
図１は、プロトン交換膜および触媒支持体あるいはプラズマプロセスによって堆積されたＥＣＬを示している模式図である。
【００８３】
図２は、電気伝導および多孔性支持体あるいはＧＤＬを示している模式図である。
【００８４】
図３は、本発明に従う部品の配列および表面処理の場所を示している模式図である。
【００８５】
本発明に従う処理によって達成される有利な効果は、簡潔に以下に開示される。
【００８６】
部品重量の低減
実験データは、表面上の制御されたおよび一様な疎水性勾配の準備が、ＭＥＡ（Ｖ／１）の荷重曲線範囲を拡大しておよび増加することを可能にする、すなわち、高電流で、２つの電極間の電位差を増加することを可能にする、ことを確認した。
【００８７】
この特性に由来している利点は、表面単位（Ａ／ｃｍ２）に対して高電流で発生させられる電力を増加することから成る。したがって、発生させられた電力が同じならば、燃料電池の寸法および重量は、減少する。
【００８８】
セル効率の向上
実験データは、表面上の制御されたおよび一様な疎水性勾配の準備が、ＭＥＡ（Ｖ／Ｉ）の荷重曲線範囲を拡大しておよび広げることを可能にする、すなわち、高電流で、２つの電極間の電位差を増加することを可能にする、ことを確認した。
【００８９】
この特性に由来している利点は、高電流で発生させられる電力の増加から成り、燃料電池供給ガス流量は同じである。
【００９０】
セルの持続期間あるいは寿命
プラズマ加工あるいは処理によって表面を機能させることはナノメートル寸法の表面の修正から成り、および、この種の修正は恒久的なものである。
【００９１】
これは、部品のおよびしたがって、セルのより大きな持続期間あるいは有効寿命を伴う。
【００９２】
図４は、未処理のサンプル、化学製品によってそれらを含浸することによって処理されたサンプルおよびプラズマ処理されたサンプルに実行された実験的な試験の結果を示す模式図である。
【００９３】
本発明が意図された目標および目的を完全に達成することが分かった。
【００９４】
実際、本発明の方法は、燃料電池用の部品として使用される材料の異なる性質の表面に、機能特性を形成し、それによって、より小さい重量および寸法、より大きな効率および持続期間の一体化された部品を有する燃料電池を形成する。
【００９５】
本発明を実施することにおいて、使用された材料、同じく付随する寸法および形状は、技術の必要条件および状況に従い、いずれにもすることができる。
【００９６】
炭素繊維布サンプル上の処理実例および炭素繊維不織布上の処理実例が、以下に示される。
【００９７】
ウィルヘルミー測定法で測定されるように、ＣＣ１２０／０と呼ばれる未処理のサンプルは、３０°の接触角を示す。
【００９８】
ＥＳ１−片面Ａに処理された炭素繊維布対
2008500706.tif 000002
【００９９】
ＥＳ２‐両面ＡおよびＢに処理された炭素繊維布対
2008500706.tif 000003
【０１００】
ＥＳ３−片面Ａに処理された炭素繊維不織布対
2008500706.tif 000004
【０１０１】
大気圧処理は、ＳＦ６およびＨＤＭＳＯ混合物を用いて実施される。
【０１０２】
出力密度は、１Ｗ／ｃｍ２を超えない。
【０１０３】
機能特性は、一様でおよび恒久的でおよび材料の機械的性質および多孔性を変更しない。
【０１０４】
主題プラズマ技術によって達成される適切な勾配によって、水最適バランスを制御することが可能であり、それによって、セルをより大きな効率および持続期間で動作するように誘導する。
【０１０５】
結論
ＧＤＬを準備することにおける最高の結果は、２つの面あるいは表面間の疎水性勾配を形成することによって達成される。
未処理のＧＤＬに対して、プラズマ機能させられたあるいは処理されたＧＤＬは、燃料電池の動作を改善する、すなわち、それは電力送出特性を５０％向上する。
【０１０６】
表面へ移される触媒量が制御される真空蒸着プロセスによって、触媒は直接ＧＤＬ上にあるいはセルの膜上に堆積される。
【０１０７】
触媒は、粉末形および真空昇華状態の双方において、およびイオンビームによって堆積されることができる。
【０１０８】
各々の部品（触媒あるいは支持体）の界面を改善し、および従って機械的接触および電気接触、同じくガスおよび荷電粒子輸送、を改善するために、プラズマプロセスは、
１．プラズマ洗浄工程によって均質のおよび一様なコンタクト表面を作成する、
２．プラズマエッチングプロセスによって接触表面積を増大する、
３．おそらくまた他の方法を使用することにより、プラズマ表面活性化プロセスによって、堆積された触媒の密着性を向上する、
ために適用される。
【０１０９】
ＥＳ４‐真空におけるプラズマによる処理
2008500706.tif 000005
【０１１０】
ＥＳ５−大気中の加圧処理
2008500706.tif 000006
【０１１１】
処理は、１０−１ｍｂａｒｓから１気圧まで可変の圧力の常温プラズマによって実施され、および好ましくは１０−１ｍｂａｒｓから１０ｍｂａｒｓまでＲＦ発生させられたプラズマおよび大気圧プラズマによって実施される。
【０１１２】
使用されたガスは、希有ガスおよび不活性ガス、酸素、二酸化炭素、フッ素含有ガス、オルガノシラン類含有ガス、シロキサン、アンモニア、スチレン、炭化水素およびその混合物である。
【０１１３】
処理は、１０−１ｍｂａｒｓから１気圧まで変化する圧力で、常温プラズマによって実施され、および好ましくは１０−１ｍｂａｒｓから１０ｍｂａｒｓまでＲＦ発生させられたプラズマおよび大気圧プラズマによって実施される。
【０１１４】
使用されたガスは、希有ガスおよび不活性ガス、酸素、二酸化炭素、フッ素保持ガス、オルガノシラン類保持ガス、シロキサン、アンモニア、スチレン、炭化水素およびその混合物である。
【０１１５】
電力は可変であるが、常に１０Ｗ／ｃｍ２未満である。
【０１１６】
低圧プラズマプロセス適用時間は１０分未満、好ましくは３０秒から１０分まで、およびより好ましくは１分から６分までであり、一方、高圧プラズマ適用時間は、１分未満である。
【０１１７】
プロトン交換膜およびプラズマ堆積触媒支持体あるいはＥＣＬの表示。
図１
2008500706.tif 000007
電気伝導および多孔性支持体（ＧＤＬ）の表示
図２
2008500706.tif 000008
この特許が関連する表面上の部品および処理場所の配列の表示
図３
2008500706.tif 000009
本発明に従う処理によって達成される利点は、以下に開示される。
【０１１８】
部品重量の低減
実験データは、表面上の制御されたおよび一様な疎水性勾配の準備が、ＭＥＡ（Ｖ／１）の荷重曲線範囲を拡大しておよび増大することを可能にする、すなわち、高電流で、２つの電極間の電位差を増大することを可能にする、ことを確認した。
【０１１９】
この特性に由来する利点は、表面単位（Ａ／ｃｍ２）に対して高電流で発生させられる電力の増加から成る。したがって、発生させられた電力が同じなので、寸法および燃料電池の重量は、減少される。
【０１２０】
セル効率の増加
実験データは、表面上の制御されたおよび一様な疎水性勾配の準備が、ＭＥＡ（Ｖ／Ｉ）の荷重曲線の範囲を拡大しておよび広げることを可能にする、すなわち、高電流で、２つの電極間の電位差を増大することを可能にする、ことを確認した。
【０１２１】
この特性に由来する利点は高電流で発生させられる電力の増加から成り、燃料電池供給ガス流量は同じである。
【０１２２】
セルの持続期間
プラズマ加工あるいは処理によって表面を機能させることはナノメートル寸法の表面の修正から成り、および、この種の修正は恒久的なものである。
【０１２３】
これは、部品のおよびしたがってセルのより大きな持続期間あるいは有効寿命を伴う。
【０１２４】
実験の結果の表示
以下に、未処理のサンプル、化学製品でそれらを含浸することによって処理されたサンプルおよびプラズマ処理されたサンプルによって達成された実験的な試験の結果を示す。
図４
2008500706.tif 000010
技術．３：未処理の布
技術．７  １５０１０４１：疎水性勾配でプラズマ処理された布
技術．７  １５０１０４２：勾配のない疎水性表面でプラズマ処理された布
５０２０４１：２つの側面に含浸することによって処理された布
５０２０４４：他のプラズマ処理による布
【図面の簡単な説明】
【０１２５】
【図１】プロトン交換膜および関連した触媒支持体あるいはプラズマ堆積によって堆積されたＥＣＬの模式図である。
【図２】電気伝導および多孔性支持体あるいはＧＤＬを示す模式図である。
【図３】本発明に従う、部品のおよび、表面処理部位あるいは場所の配列の更なる模式図である。
【図４】未処理のサンプル、その中に化学製品を含浸することによって処理されたサンプルおよびプラズマ処理されたサンプルによって取得された実験的な試験の結果を示す模式図である。
【図１】
2008500706.tif 000011
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【手続補正書】
【提出日】平成18年2月6日(2006.2.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池用の部品を作成する方法であって、前記部品は、少なくとも、ガス拡散層、触媒支持体、高分子膜バイポーラーコネクタおよび前記部品に対する界面を含み、前記部品の各々は処理されるべき少なくとも一つの表面を持ち、前記方法は、常温プラズマによって前記部品の前記少なくとも一つの表面を処理する少なくとも一つのステップを備え、前記常温プラズマは、低圧あるいは大気圧常温プラズマであり、かつ、前記常温プラズマは、前記少なくとも一つの表面の実質的に１Ｗ／ｃｍ２未満の常温プラズマ密度で前記少なくとも一つの表面に適用される、ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記方法は、２つのそれぞれの表面に前記ガス拡散層を形成するために２つの電気伝導多孔性シートを準備するステップを備える、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記準備ステップは、撥水性を前記ガス拡散層の前記２つの表面の両方に形成する、ことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記準備ステップは、親水性を前記ガス拡散層の前記２つの表面の両方に形成する、ことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記準備ステップは、前記ガス拡散後の一つの表面に撥水性、またもう一つの表面に親水性を形成する、ことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項６】
前記拡散層の前記２つの表面は、フッ化炭素のような一般にフッ化物処理されたガス、例えば、ＣＦ４、ＣＦＣあるいはＮＦ３およびＷＦ６、ＳＦ６、シリコン化合物、シランおよび例えばヘキサメチルジシロキサンなどのシロキサンオルガノシラン類、炭化水素、スチレンおよびその混合物、によって撥水にされる、ことを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項７】
前記過フッ化炭素およびシリコン化合物、シランおよびシロキサンは、前記２つの表面に撥水膜を形成するように堆積される、ことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記膜は、０．１ｎｍから１０ミクロンまで変動する厚さを持つ、ことを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記低圧は、１０ｍｂａｒｓ未満である、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
大気圧常温プラズマに対して、前記部品は、プラズマ発生源から変動する距離、一般的に１ｍｍ‐５０ｍｍに配置される、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記常温プラズマは、高周波あるいはマイクロ波あるいは低周波供給源によって発生される、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記大気圧常温プラズマは、ＳＦ６およびＨＤＭＳＯ混合常温プラズマである、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記常温プラズマは、希ガスプラズマ、不活性ガスプラズマおよび好ましくは酸素、空気、塩素、アンモニア、フッ化物処理されたガス、水素、窒素、アルゴン、ヘリウム、ネオンおよびその混合物、単量体プラズマである、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記低圧常温プラズマは、１０分未満の時間、好ましくは３０秒から１０分まで、およびより好ましくは、１分から６分まで適用され、一方、前記大気圧常温プラズマに対して、前記時間は１分未満である、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
燃料電池であって、前記燃料電池は先行する１つまたはそれ以上の請求項に記載の方法によって作成された少なくとも１つのセル部品を備える、ことを特徴とする燃料電池。
【国際調査報告】
2008500706.tif 000015
2008500706.tif 000016
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