BR112012003731A2

BR112012003731A2 - metodo para fabricar uma placa de metal separadora para celulas de combustiveis e separador de metal para celulas de combustivel

Info

Publication number: BR112012003731A2
Application number: BR112012003731-5A
Authority: BR
Inventors: Yoo- Taek Jeon; Ki-Jung Kim
Original assignee: Hyundai Hysco
Priority date: 2009-08-21
Filing date: 2010-08-20
Publication date: 2020-06-30
Also published as: SG178849A1; AU2010284790A1; WO2011021881A2; KR101165542B1; US8778566B2; CN102484261A; JP5734291B2; AU2010284790B2; MX2012002218A; JP2013501340A; CA2771696A1; BR112012003731B1; CA2771696C; EP2469634A4; EP2469634A2; WO2011021881A3; CN102484261B; US20120148941A1; RU2012112361A; EP2469634B1

Abstract

MÉTODO PARA FABRICAR UMA PLACA DE METAL SEPARADORA PARA CÉLULAS DE COMBUSTÍVEIS E SEPARADOR DE METAL PARA CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL É revelado aqui um método para fabricar um separador de metal de aço para células de combustível que tem uma resistência a corrosão e resistência ao contato não somente em um estágio inicial, mas também após ser exposto às condições de alta temperatura/alta umidade na célula de combustível por um longo período de tempo. O método inclui preparar uma chapa de aço inoxidável como uma matriz do separador de metal, formando um filme de revestimento descontínuo na superfície da chapa de aço inoxidável, o filme de revestimento sendo composto de pelo menos um selecionado partir de ouro (Au), platina (Pt), rutênio (Ru), irídio (Ir), óxido de rutênio (RuO2), e óxido de irídio (IrO2), e tratar por calor a chapa de aço inoxidável tendo o filme de revestimento descontínuo para formar um filme de óxido em uma parte da chapa de aço inoxidável na qual o filme de revestimento não é formado. Um separador de metal para células de combustível fabricado pelo método também é revelado.

Description

MÉTODO PARA FABRICAR UMA PLACA DE METAL SEPARADORA PARA CÉLULAS DE COMBUSTÍVEIS E SEPARADOR DE METAL PARA CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL

CAMPO TÉCNICO A presente invenção se refere a um separador de metal para uma célula de combustível e um método para fabricar este, e mais particularmente a um separador de metal para uma célula de combustível de membrana eletrolítico de polímero (CCMEP) que tem um filme de revestimento formado na superfície do separador para fornecer uma excelente resistência à corrosão, condutividade elétrica e durabilidade, e um método para fabricar este.

HISTÓRICO DA TÉCNICA Em geral, considerando que uma célula de unidade de uma célula de combustível gera uma tensão muito baixa para ser usada sozinha na prática, a célula de combustível tem muitas e muitas centenas de células de unidade empilhadas neste. Ao empilhar as células de unidade, um separador ou placa bipolar é usado para facilitar a conexão elétrica entre as células de unidade e para separar os gases de reação.

A placa bipolar é um componente essencial de uma célula de combustível com um conjunto de eletrodo de membrana (CEM) e desempenha uma variedade de funções tais como suporte estrutural para o CEM e camada de difusão de gás (CDGs), coleção e transmissão da corrente elétrica, transmissão e remoção do gás de reação, transmissão de água de resfriamento usada para remoção de calor, e similar.

Consequentemente, é necessário para materiais do separador para ter excelente condutividade elétrica e térmica, impermeabilidade ao ar, estabilidade química, e similar.

Geralmente, materiais de grafite e materiais de grafite composto consistindo em uma mistura de grafite e resina são usados para formar o separador.

No entanto, os materiais de grafite exibem força e impermeabilidade ao ar mais baixas que os materiais metálicos, e sofrem de altos custos de fabricação e produtividade mais baixa quando aplicados na fabricação dos separadores. Recentemente, os separadores metálicos têm sido ativamente investigados para superar tais problemas dos separadores de . grafite. Quando um separador é feito de um material metálico, MN existem muitas vantagens nesta redução de volume e peso de uma pilha da célula de combustível que pode ser alcançada através da redução da espessura do separador, e nisto o separador pode ser fabricado por moldagem, que facilita a produção em massa dos separadores. Neste caso, no entanto, o material metálico inevitavelmente sofre de corrosão durante o uso da célula de combustível, causando a contaminação do CEM e desempenho da deterioração da pilha de célula de combustível. Adicionalmente, um filme de óxido espesso pode formar na superfície do material metálico após o uso estendido da célula de combustível, causando um aumento na resistência interna da célula de combustível. O aço inoxidável, as ligas de titânio, as ligas de alumínio, as ligas de níquel e similares têm sido propostos g como materiais propostos para o separador da célula de .25 combustível. Entre estes materiais, O aço inoxidável tem recebido atenção pelo seu preço baixo e boa resistência à corrosão, mas melhoras na resistência da corrosão e condutividade elétrica ainda são necessárias.

REVELAÇÃO PROBLEMA TÉCNICO | A presente invenção é direcionada para fornecer um | separador de metal para células de combustível que tem resistência à corrosão e resistência ao contato satisfazendo

| O A O A O EE a A | 3/21 os padrões estabelecidos pelo Departamento de Energia (DOE - Department of Energy) não somente em um estágio inicial, mas também após ser exposto a condições de alta temperatura/alta umidade na célula de combustível por um longo período de tempo, e um método para fabricá-lo. Os problemas técnicos da presente invenção não são . limitados aos problemas acima citados, e outros problemas técnicos ficarão claramente entendidos pelos técnicos no " assunto a partir da seguinte descrição.

SOLUÇÃO TÉCNICA De acordo com um aspecto da presente invenção, um método para fabricar um separador de metal para células de combustível inclui: preparar uma chapa de aço inoxidável como uma matriz do separador de metal; formar um filme de revestimento descontínuo na superfície da chapa de aço inoxidável, o filme de revestimento sendo composto de pelo menos um selecionado de ouro (Au), platina (Pt), rutênio (Ru), irídio (Ir), óxido de rutênio (RuO;), e óxido de irídio (IrO>); e o tratamento por calor do aço inoxidável tendo o filme de revestimento descontínuo para formar um filme de óxido em uma parte da chapa de aço inoxidável na qual o filme de revestimento não é formado. O filme de revestimento descontínuo pode ter uma ' densidade de revestimento de 5 a 500 vo/em?, e o tratamento por . 25 calor pode ser desempenhado em uma temperatura de 80 a 300"ºC. O filme de revestimento descontínuo pode ser composto de nano partículas, e a chapa de aço inoxidável pode incluir 0,08% em peso ou menos de carbono (C), 16 a 28% em peso de cromo (Cr), 0,1 a 20% em peso de níquel (Ni), O,1 a 6% em peso de molibdênio (Mo), 0,1 a 5% em peso de tungstênio (W), 0,1 a 2% em peso de estanho (Sn), 0,1 a 2% em peso de cobre (Cu), e o equilíbrio de ferro (Fe) e impurezas inevitáveis. O tratamento por calor pode ser desempenhado por 10 minutos a 3 horas.

Ainda, O tratamento por calor pode ser desempenhado sob pelo menos um de um vácuo, uma atmosfera, e uma atmosfera de oxigênio. De acordo com outro aspecto da presente invenção, um separador de metal para células de combustível inclui: uma chapa de aço inoxidável como uma matriz do separador de metal; . um filme de revestimento descontínuo formado na superfície da chapa de aço inoxidável, o filme de revestimento sendo . composto de pelo menos um selecionado de ouro (Au), platina (Pt), rutênio (Ru), irídio (Ir), óxido de rutênio (RuO:), e óxido de irídio (1IrO,)); e um filme de óxido formado em uma parte da chapa de aço inoxidável na qual o filme de revestimento não é formado.

O separador de metal pode ter uma densidade de corrente de corrosão de 1 pA/cm?º ou menos de uma resistência de contato de 10 mO*cmê ou menos em ambas as superfícies deste.

EFEITOS VANTAJOSOS O separador de metal para células de combustível de acordo com as realizações da invenção tem excelente resistência à corrosão e condutividade elétrica não somente em um estágio inicial, mas também após o uso de longo prazo em condições operacionais da célula de combustível. : í Adicionalmente, o método para fabricar um separador .-25 de metal para células de combustível de acordo com as realizações da invenção permite a modificação da superfície para obter excelente durabilidade mesmo com uma chapa de aço inoxidável geralmente barata, desta forma, diminuindo os custos de fabricação do separador de metal.

O separador de metal para células de combustível de acordo com as realizações da invenção tem uma densidade de corrente de corrosão de 1 pA/cm?º ou menos e uma resistência de contato de 10 mO*cm?º ou menos em ambas as superfícies do

: 5/21 - | separador.

DESCRIÇÃO DOS DESENHOS A Fig. 1 é um fluxograma ilustrando um método para fabricar um separador de metal para células de combustível para uma realização exemplar da presente invenção; | As Figs. 2 a 4 são vistas perspectivas do separador | . de metal nas respectivas operações do método da Fig. 1; j A Fig. 5 é uma vista seccional do separador da Fig. . 3; A Fig. 6 é uma vista seccional do separador da Fig. 4; A Fig. 7 é uma vista esquemática de um testador da resistência de contato para medir a resistência de contato de uma chapa de aço inoxidável de acordo com a presente invenção; A Fig. 8 é um gráfico retratando os resultados da avaliação da resistência de contato de um separador de metal para células de combustível para a presente invenção; A Fig. 9 é um gráfico retratando os resultados da avaliação da densidade da corrente de corrosão de um separador de metal para células de combustível para a presente invenção; A Fig. 10 é um gráfico retratando os resultados da avaliação da densidade da corrente de corrosão de cada um dos separadores de metal para células de combustível, de acordo ' com os exemplos e exemplos comparativos em um ambiente .- 25 simulado da célula de combustível; | A Fig. 11 é um gráfico retratando os resultados da | avaliação de resistência de contato de cada um dos separadores de metal para células de combustível, de acordo com os exemplos e os exemplos comparativos em um ambiente simulado da célula de combustível; e A Fig. 12 é um gráfico retratando os resultados da ! avaliação de durabilidade em longo prazo de cada um dos separadores de metal para as células de combustível, de acordo com os exemplos e exemplos comparativos em um ambiente simulado da célula de combustível.

MODO PARA INVENÇÃO As realizações exemplares da presente invenção serão agora descritas em detalhes com referência aos desenhos anexos.

Deve ser entendido que os desenhos não estão em escala precisa e podem ser exagerados na espessura das linhas ou tamanho dos componentes somente para conveniência descritiva e clareza. Ainda, deve ser entendido que quando uma camada ou filme é referido como sendo “sobre” outra camada ou filme, pode ser diretamente sobre a outra camada ou filme, ou a intervenção das camadas também pode estar presente.

A Fig. 1 é um fluxograma ilustrando um método para fabricar um separador de metal para células de combustível de acordo com uma realização exemplar da invenção.

Em referência a Fig. 1, a operação S110 de preparação de uma chapa de aço inoxidável como uma matriz para um separador de metal e a operação S120 de formação de um filme de revestimento descontínuo na superfície da chapa de aço inoxidável são desempenhadas. Nesta realização, o filme de revestimento descontínuo é composto de nano partículas e serve para aumentar a condutividade e resistência à corrosão do separador de metal. No entanto, tal formato descontínuo pode expor uma parte da chapa de aço inoxidável, desta forma causando a redução da resistência à corrosão. Assim, de acordo com esta realização, o método inclui tratar por calor a chapa de aço inoxidável na S130 para formar em filme de óxido em uma região da chapa de aço inoxidável na qual o filme de revestimento descontínuo não tenha sido formado, que é a região entre os filmes de revestimento descontínuo.

Aqui, as nano partículas se referem às partículas tendo um tamanho de partícula de 10 nm a 1 um. Considerando que as nano partículas são revestidas em uma certa densidade de 5 a 500 ug/cm?º em consideração à viabilidade econômica para melhorar a condutividade elétrica, o filme de revestimento inevitavelmente tem um formato descontínuo. Em outras palavras, a preparação de um filme de revestimento tendo uma densidade mais alta na superfície da chapa de aço inoxidável - causa um aumento no custo de preparação. Assim, a fim de reduzir o custo de preparação O . máximo possível, o filme de revestimento é descontinuamente formado na superfície da chapa de aço inoxidável.

Como um resultado, a superfície da chapa de aço inoxidável é parcialmente exposta para o lado de fora.

Além disso, o filme de óxido formado em uma parte da chapa de aço inoxidável que é diretamente exposto para o lado de fora é composto de pelo menos um componente selecionado de componentes de metal contidos na chapa de aço inoxidável.

A seguir, o método para fabricar um separador de metal de acordo com a realização exemplar da invenção será descrita em mais detalhes.

As Figs. 2 a 4 são vistas perspectivas do separador de metal nas respectivas operações do método da Fig. 1. Adicionalmente, a Fig. 5 é uma vista seccional do separador da Fig. 3 e a Fig. 6 é uma vista seccional do separador da Fig.

' 4, . 25 T Em referência a Fig. 2, a fim de fabricar um separador de metal para células de combustível de acordo com uma realização exemplar, uma matriz da chapa de aço inoxidável 200 é preparada.

Nesta realização, a matriz da chapa de aço inoxidável 200 pode ser uma chapa de aço inoxidável que contém 16 a 28% em peso de cromo. Especificamente, a chapa de aço inoxidável contém cerca de 18% em peso de cromo.

Mais especificamente, a matriz 200 da chapa de aço inoxidável inclui 0,08% em peso ou menos de carbono (C), l16 a 28% em peso de cromo (Cr), 0,1 a 20% em peso de níquel (Ni), 0,1 a 6% em peso de molibdênio (Mo), 0,1 a 5% em peso de tungstênio (W), 0,1 a 2% em peso de estanho (Sn), 0,1 a 2% em peso de cobre (Cu), e o equilíbrio de ferro (Fe) e impurezas inevitáveis.

Em algumas realizações, a chapa de aço inoxidável - pode ser um aço inoxidável austenítico tal como SUS 316L 0,2t.

A seguir, a Fig. 3 mostra uma operação de formação ' de um filme de revestimento descontínuo 220 na superfície da matriz da chapa de aço inoxidável 200. Nesta realização, O filme de revestimento descontínuo 220 é formado para as seguintes razões.

Quando a superfície da matriz da chapa de aço inoxidável 200 é exposta por longas durações a condições de operação de alta temperatura/alta umidade de uma célula de combustível, os óxidos de metal são formados na superfície da matriz da chapa de aço inoxidável 200. Os óxidos de metal podem manter a resistência de corrosão, mas tem uma influência negativa na condutividade elétrica.

Portanto, de acordo com a presente invenção, o filme 220 de revestimento descontínuo é formado de um material exibindo excelente resistência à corrosão e condutividade elétrica.

Como um resultado, O separador para a célula de combustível, de acordo com as ' realizações exemplares da invenção, pode ser preparado para . 25 ter excelente resistência à corrosão e condutividade elétrica não somente no estágio inicial de operação, mas também após a operação de longo prazo.

Em algumas realizações, o material exibindo excelente resistência à corrosão e condutividade elétrica pode incluir qualquer um selecionado a partir de ouro (Au), platina (Pt), rutênio (Ru), irídio (Ir), óxido de rutênio (RuO0,) e óxido de irídio (IrO;). Em algumas realizações, O filme de revestimento descontínuo 220 pode ser formado através de qualquer processo selecionado de chapeamento eletrolítico, chapeamento não eletrolítico e um processo PVD.

Em algumas realizações, O filme de revestimento descontínuo 220 pode ter uma densidade de 5a 500 pg/cm?. Se a densidade do revestimento for menor que 5 - upg/cm?, pode ser difícil assegurar um grau desejado de condutividade elétrica.

Se a densidade de revestimento exceder E 500 ug/cm?, o efeito da melhora da condutividade elétrica não é obtido em proporção ao aumento da quantidade de revestimento.

Assim, na presente invenção, oO processo de determinar a densidade de revestimento é um elemento essencial e a densidade de revestimento é medida conforme segue.

Quando o filme de revestimento é formado de ouro (Au), uma matriz da chapa de aço (separador de metal) revestida com nano partículas de ouro é dissolvida em 3 litros de água régia e a concentração de íons de ouro é medida usando espectroscopia de absorção atômica (EAA) para calcular a densidade de revestimento de ouro (Au) de acordo com a Equação 1: A densidade do revestimento de ouro (Au) (ug/cm?) = [3*concentração de íons de ouro (Au) (ppM)/área total do separador de metal (cm?) Conforme mostrado nas Figs. 3 e 5, o filme de . 25 revestimento 220 é formado descontinuamente na superfície da chapa de aço inoxidável.

Geralmente, é possível assegurar as características desejadas do separador de metal quando o separador inclui o filme de revestimento conforme mostrado ali.

No entanto, a fim de assegurar que o separador de metal tenha uma densidade de corrente de corrosão de 1 npg/cm? ou menos e uma resistência de contato de 10 mQºcm?º ou menos em ambas as superfícies deste, um processo de formação de um filme de óxido através do tratamento por calor é desempenhado.

A Fig. 4 é uma vista perspectiva de um processo de tratamento por calor para formar um filme de óxido e a Fig. 6 é uma vista seccional do separador mostrado na Fig. 4. Em referência as Figs. 4 e 6, um filme de óxido 230 é formado em uma parte da matriz da chapa de aço inoxidável 200, na qual o filme de revestimento descontínuo 220 não é formado, através de tratamento por calor.

Desta forma, o metal separador para células de combustível de acordo com esta realização é completamente protegido pelo filme de revestimento descontínuo 220 e o filme de óxido 230, desta forma assegurando uma excelente resistência à corrosão.

Em algumas realizações, o tratamento por calor pode ser desempenhado em 80 a 300ºC por 10 minutos a 3 horas.

Ainda, o tratamento por calor pode ser desempenhado sob pelo menos um de um vácuo, uma atmosfera, e uma atmosfera de oxigênio.

O método de acordo com a realização da invenção pode fornecer um separador de metal para células de combustível que tenha uma resistência à corrosão superior e condutividade elétrica não somente no estágio inicial, mas também após o uso de longo prazo nas condições operacionais da célula de combustível.

Consequentemente, o separador de metal para as células de combustível fabricado através do método de acordo com a realização da invenção inclui a matriz 200 da chapa de aço inoxidável, o filme de revestimento descontínuo 220 formado na superfície da matriz da chapa de aço inoxidável 200 e composta de pelo menos um de ouro (Au), platina (Pt), rutênio (Ru), irídio (Ir), óxido de rutênio (RuO:), e óxido de irídio (IrO0.)), e o filme de óxido 230 formado em uma parte da matriz da chapa de aço inoxidável 200 na qual o filme de revestimento 220 descontínuo não é formado.

A seguir, a descrição da presente invenção será dada com referência aos exemplos inventivos e exemplos comparativos. Ainda, a medida de resistência à corrosão e condutividade elétrica do separador de metal será descrita com referência à um processo de medição da densidade da corrente de corrosão e um processo para medir a resistência ao contato.

- 316L de aço inoxidável foi usado como uma matriz de aço inoxidável. Um filme de revestimento descontínuo foi ' formado na superfície da matriz de chapa de aço inoxidável para assegurar a condutividade elétrica e um filme de óxido foi formado neste através de tratamento por calor para assegurar a resistência à corrosão. Aqui, o seguinte experimento foi desempenhado para determinar a viabilidade econômica e condições ótimas para formar um filme de revestimento e um filme de óxido.

1. MEDIÇÃO DA RESISTÊNCIA AO CONTATO Primeiro, a resistência ao contato foi medida usando um testador da resistência ao contato para avaliar a | condutividade elétrica. A Fig. 7 é uma vista seccional de um testador da resistência de contato para medir a resistência ao contato de | um separador de aço inoxidável de acordo com uma realização . exemplar da invenção. | Em referência a Fig. 7, a fim de determinar os . 25 parâmetros ideais para o conjunto da célula através da medição da resistência ao contato de uma chapa de aço inoxidável 500, um método Davies modificado foi usado para medir a resistência ao contato entre o aço inoxidável AI e os dois pedaços de papel carbono.

A resistência ao contato foi medida com base no princípio de medir a tensão da corrente de quatro fios através de um testador de resistência ao contato disponível por Zahner Inc., Model IM6.

A medição da resistência ao contato foi desempenhada através da aplicação de CC 5A e CA 0,5A para um alvo de medição através de um área do eletrodo de 25 cm? em um modo de corrente constante em uma frequência na faixa de 10 KHz a 10 mHz.

O papel carbono foi 10 BB disponível de SGL Inc.

No testador da resistência ao contato 50, uma - amostra 500 foi disposta entre dois pedaços de papel carbono 520 e placas de cobre revestidos com ouro 510 conectadas ambos ' ao fornecimento de corrente 520 e um testador de tensão 540. A seguir, a tensão foi medida aplicando CC 5A/CA 0,5A para a amostra 500 através de uma área do eletrodo de 25 cmº usando um fornecimento de corrente 530 (disponível por Zahner Inc., Model IM6). Então, a amostra 500, O papel carbono 520, e as placas de cobre 510 foram comprimidas. para formar uma estrutura de pilha a partir de ambas as placas de cobre 510 do testador de resistência do contato 50 usando um regulador de pressão (Modelo Nº. 5566, disponível por Instron Inc., teste de manutenção de compressão). Usando um regulador de pressão, a pressão de 50-150 N/cmfº foi aplicada ao testador de resistência ao contato 50. Os resultados da medição usando o testador da resistência ao contato 50 são mostrados na Fig. 8. ' A Fig. 8 é um gráfico retratando os resultados da . 25 avaliação da resistência ao contato de um separador de metal para células de combustível de acordo com uma realização exemplar da invenção.

Na Fig. 8, O separador de metal não foi submetido ao tratamento por calor a fim de investigar as propriedades de condução somente através do filme de revestimento de acordo com a presente invenção.

O filme de revestimento foi formado de ouro (Au) em uma densidade de revestimento (Massa de Au depósito (ug/cm?)) | de 3-100 pug/cm? e o valor alvo da resistência ao contato (IRC) foi estabelecido em 10 mQ:cm? em ambos os lados do separador sob uma pressão de 100 N/cmº.

Em referência a Fig. 8, quando a densidade de revestimento do ouro estava na faixa de 5 - 500 pg/cm?, o separador de metal exibiu a resistência ao contato desejada.

- Ainda, ao comparar a resistência ao contato em uma densidade de revestimento de 500 ug/cm?º com aquela em uma densidade de : revestimento de 1000 pg/cm?, pode ser visto que a redução na resistência é muito insignificante e a densidade de revestimento excedendo 500 pg/cm? é desta forma, ineficientemente em termos de custo de revestimento para aumentar a quantidade de revestimento.

Desta forma, de acordo com a presente invenção, O filme de revestimento descontínuo pode ter uma densidade de revestimento de 5 a 500 ug/cmº.

A seguir, a densidade da corrente de corrosão foi medida a fim de avaliar a influência do tratamento por calor no separador de metal para células de combustível de acordo coma presente invenção.

2. MEDIÇÃO DA DENSIDADE DA CORRENTE DE CORROSÃO A densidade da corrente de corrosão (aqui, “densidade de corrosão”) do separador de metal, de acordo com Á a presente invenção, foi medida usando um testador de corrente .25 de corrosão EG&G Modelo No 273A. Os testes para durabilidade da corrosão foram desempenhados em um ambiente simulado de uma célula de combustível eletrólito de polímero (CCEP).

Após ser gravado em 80ºC com 0,1 NH;SO0, + 2 ppm HF como um solução de gravura, as amostras da chapa de aço inoxidável foram submetidas à fervura de O, por 1 hora, e a densidade da corrente de corrosão desta foi medida em um potencial de circuito aberto (PCA) de -0,25V - 1V vs. ECS.

Ainda, outras propriedades físicas foram medidas em

-0,24V vs. ECS (eletrodo de calomelano saturado) para um ambiente anodo CCEP e em 0,6V vs. ECS para um ambiente catodo CCEP. Aqui, as propriedades medidas foram avaliadas com base nos dados da corrente de corrosão em 0,6V vs. ECS em um ambiente catodo simulado de uma célula de combustível. - O ambiente anodo é um ambiente no qual o hidrogênio é separado em íons e elétrons de hidrogênio enquanto passam ' através de um conjunto de eletrodo de membrana (CEM), e o ambiente catodo é um ambiente no qual o oxigênio combina com os íons de hidrogênio para produzir água após passar através da CEM.

Considerando que o ambiente catodo tem um alto potencial e é um ambiente muito corrosivo, a resistência à corrosão é preferencialmente testada no ambiente catodo.

Ainda, é desejável que a chapa de aço inoxidável tenha uma densidade da corrente de corrosão de 1pyA/Cf ou menos por aplicação para O CCEP.

A Fig. 9 é um gráfico retratando os resultados da avaliação da densidade da corrente de corrosão do separador de metal para as células de combustível de acordo com a presente invenção.

. Na Fig. 9, O separador de metal foi submetido ao tratamento por calor em 50 a 400ºC por 30 minutos sem formar o “25 filme de revestimento descontínuo a fim de avaliar as características da resistência à corrosão pura do separador. Aqui, O valor alvo da densidade da corrente de corrosão foi estabelecido em 1 pa/cm? ou menos. Como um resultado, após o tratamento por calor em 50ºC, a corrente de corrosão excedeu o valor de referência, e após o tratamento por calor à 80ºC ou mais, a resistência à corrosão pôde ser obtida.

Adicionalmente, ao comparar a densidade da corrosão em 300ºC com a densidade da corrosão em 400ºC, a redução na densidade da corrente de corrosão foi muito insignificante. Conforme a temperatura para o tratamento por calor aumenta, O consumo de energia para O aquecimento aumenta. Desta forma, pode ser visto que desde que não exista uma variação significante na densidade da corrente de corrosão para O tratamento de calor em uma temperatura excedendo 300ºC, a usabilidade do tratamento por calor é diminuída. Portanto, de ' acordo com a presente invenção, o tratamento por calor pode ser desempenhado em uma temperatura na faixa de 80 a 300ºC. Nesta invenção, as condições ótimas foram determinadas através da experimentação e a adequabilidade destas condições foi avaliada com referência aos exemplos e exemplos comparativos descritos abaixo.

EXEMPLOS E EXEMPLOS COMPARATIVOS EXEMPLO 1 Um filme de revestimento de ouro (Au) descontínuo foi formado em uma densidade de revestimento de 5 pA/cm? em um separador de metal formado de aço inoxidável (316L). O tratamento por calor foi desempenhado em 80ºC, 150ºC, 200ºC, 300ºC e 400ºC a fim de avaliar a densidade do revestimento de acordo com a temperatura para o tratamento por calor. O R tratamento por calor foi desempenhado por 30 minutos em uma atmosfera de oxigênio. NS) EXEMPLO 2 O separador de metal do Exemplo 2 foi obtido sob as mesmas condições conforme o Exemplo 1 exceto que o filme de revestimento de ouro (Au) foi formado em uma densidade de revestimento de 50 pA/cm?. EXEMPLO 3 O separador de metal do Exemplo 3 foi obtido sob as mesmas condições conforme o Exemplo 1 exceto que o filme de revestimento de ouro (Au) foi formado em uma densidade de revestimento de 100 pA/cm?. EXEMPLOS 4 A 6 Cada um dos filmes de revestimento de platina (Pt) (Exemplo 4), irídio (Ir) (Exemplo 5), e rutênio (Ru) (Exemplo 6) foi formado em uma densidade de revestimento de 50 pA/cm?º e o tratamento por calor foi desempenhado em 80ºC por 10 minutos - a vácuo. | EXEMPLOS 7 E 8 | ' Cada um dos filmes de revestimento de óxido de irídio (Ir) (Exemplo 7) e óxido de rutênio (Ru) (Exemplo 8) | foi formado em uma densidade de revestimento de 50 pA/cm?º e o tratamento por calor foi desempenhado em 100ºC por 3 horas em uma atmosfera de oxigênio.

EXEMPLO COMPARATIVO 1 O separador de metal do Exemplo Comparativo 1 foi obtido sob as mesmas condições como no Exempio 1 exceto que o | filme de revestimento de ouro (Au) foi formado em uma | densidade de revestimento de 1000 vA/cm?. EXEMPLO COMPARATIVO 2 O separador de metal do Exempio Comparativo 2 foi | obtido sob as mesmas condições como no Exemplo 1 exceto que o filme de revestimento de ouro foi formado em uma densidade de : revestimento de 3 pA/cmº.

EXEMPLO COMPARATIVO 3 - 25 O filme de revestimento de ouro foi descontinuamente formado em uma densidade de revestimento de 50 pA/cmfº e o tratamento por calor foi desempenhado em 50ºC por 30 minutos em uma atmosfera.

A.

Avaliação da densidade da corrente de corrosão e resistência ao contato no ambiente simulado da célula de combustível | (A-1) Avaliação da densidade da corrente de corrosão Í no ambiente simulado da célula de combustível |

Para um ambiente simulado da célula de combustível para avaliar a densidade da corrente de corrosão de cada um dos separadores de metal para as células de combustível de | acordo com os Exemplos 1, 2 e 3 e Exemplos Comparativos 1 e 2, EG&G Modelo No 273A foi usado.

Conforme ilustrado na Fig. 9, o tratamento por calor foi desempenhado em uma temperatura na - faixa de 80 a 400ºC.

Após ser imerso em 0,1 NH;SO, + 2ppm HF em 80ºC, as amostras da chapa de aço inoxidável foram submetidas : à fervura de O, por 1 hora, seguida pela aplicação de uma | 10 tensão constante de 0,6V vs.

ECS nestas.

Após aplicar a tensão | constante por uma duração predeterminada, a densidade da | corrente de corrosão de cada amostra foi medida.

A Fig. 10 é um gráfico retratando os resultados da | avaliação da densidade da corrente de corrosão de cada um dos separadores de metal para células de combustível de acordo com os exemplos e exemplos comparativos em um ambiente simulado da célula de combustível.

Como pode ser visto a partir da Fig. 10, todos os separadores de metal de acordo com os exemplos exibiram características relativamente estáveis através do tratamento por calor após formar o filme de revestimento de ouro.

Ainda, apesar de não mostrado na figura, o separador de metal do Exemplo Comparativo 3 teve uma densidade de : corrente de corrosão de 1,7 pA/cm?, que foi muito mais alta . 25 que aquelas dos exemplos.

Desta forma, pôde ser visto que a resistência à corrosão foi significativamente deteriorada devido ao tratamento por calor em 50ºC, que foi mais baixo que a temperatura para o tratamento por calor nos exemplos.

Para o Exemplo Comparativo 1 no qual o filme de revestimento de ouro foi formado densamente, a densidade da corrente de corrosão foi substancialmente similar a aquela no Exemplo 3. Assim, pôde ser visto que a usabilidade é baixa devido à melhora insignificante na eficiência através do aumento do custo.

(A-2) Avaliação da resistência ao contato no ambiente simulado da célula de combustível Um ambiente simulado da célula de combustível para avaliar a resistência ao contato de cada um dos separadores de metal para células de combustível de acordo com os Exemplos 1, . 2 e3e Exemplos Comparativos 1 e 2 foi o mesmo que na Fig. 8, e os resultados deste são mostrados na Fig. 11. ' A Fig. 11 é um gráfico retratando os resultados da avaliação da resistência ao contato de cada um dos separadores de metal para células de combustível de acordo com os exemplos e os exemplos comparativos em um ambiente simulado da célula de combustível.

Em referência a Fig. 11, quando o filme de revestimento descontínuo de acordo com a invenção foi formado, o separador de acordo com o Exemplo Comparativo 2 não satisfez uma densidade de revestimento de referência e exibiu uma resistência ao contato muito alta. Assim, pôde ser visto que O separador de acordo com o Exemplo Comparativo 2 tem condutividade elétrica muito baixa.

Ainda, para o Exemplo Comparativo 1 no qual a densidade de revestimento excedeu o valor de referência, a ; resistência ao contato foi substancialmente à mesma que aquela no Exemplo 3. Assim, pôde ser visto que a usabilidade é baixa . 25 devido à melhora insignificante na eficiência através do aumento de custo.

Da mesma forma, as condições ótimas para fabricação do separador de metal para as células de combustível foram determinadas através da combinação dos resultados da avaliação acima mencionados, e a durabilidade de longo prazo do separador de metal para as células de combustível fabricadas através do método de acordo com a presente invenção através da | aplicação dos resultados foi avaliado.

B.

Avaliação e resultados da durabilidade de longo prazo da célula de combustível (B-1) Método de avaliação da durabilidade de longo prazo Os separadores cada um tendo uma passagem de serpentina para fornecer os gases de reação foram usados.

Cada . célula de combustível foi preparada interpondo um conjunto de eletrodo de membrana (Modelo 5710 da Gore Fuel Cell ' Technologies) e uma camada de difusão do gás (Modelo 10BA da SGL Ltd.) entre os separadores e comprimindo-as em uma pressão predeterminada.

O desempenho da cada uma das células de combustível foi avaliado usando uma célula de unidade.

Uma classe de NSE Test Station 700W foi usada como um operador da célula de combustível, e um KIKUSUI E-Load foi usado como um carregador eletrônico para avaliar o desempenho da célula de combustível.

Um ciclo de corrente de corrente de 1 A/cm? por 15 segundos foi constantemente aplicado por 2.000 horas.

Conforme os gases de reação, hidrogênio e ar foram fornecidos em um fluxo de manutenção uma proporção estequiométrica de H, para ar de 1,52:2,0 de acordo com a corrente elétrica após ser umidificada para uma umidade y relativa de 100%. O desempenho da célula de combustível foi avaliado em uma pressão atmosférica enquanto a mantém a . 25 temperatura de um umidificador e a célula em 65ºC.

Neste momento, a área ativa era 25 cmº e a pressão de operação era 1 atm. (B-2) Resultados da avaliação da durabilidade de longo prazo A Fig. 12 é um gráfico retratando os resultados da avaliação da durabilidade de longo prazo de cada um dos separadores de metal para as células de combustível de acordo com os exemplos e exemplos comparativos em um ambiente simulado da célula de combustível.

Nesta avaliação, a amostra do separador de metal submetido a tratamento por calor em 150ºC por 30 minutos em uma atmosfera de oxigênio foi usada entre as amostras do separador do Exemplo 2 (densidade de revestimento de 50 pg/cm?), e a amostra do separador submetida ao tratamento por calor em 150ºC por 30 minutos em uma atmosfera de oxigênio foi usada entre as amostras do separador do Exemplo Comparativo 2 1 (densidade do revestimento de 3 pg/cm?). Ainda, o separador do Exemplo 3 foi submetido à avaliação da durabilidade de longo prazo de uma célula de combustível em um ambiente simulado da célula de combustível. Os resultados da avaliação são mostrados na Fig. 12. Adicionalmente, os separadores dos Exemplos 4 a 8 foram submetidos à avaliação da durabilidade de longo prazo de uma célula de combustível e os resultados da avaliação estão listados na Tabela 1. Tabela 1 | oeenmplo 6 | o6 | 68 - [exemplo BP e oe Primeiro, em referência a Fig. 12, a célula de i 20 combustível do Exemplo Comparativo 2 gerou uma tensão de cerca de 0,59V, que foi muito mais baixa que 0,69V do Exemplo 2, após a aplicação de uma densidade de corrente de 1A/cm?, e ambas exibiram uma diferença similar na geração da tensão após

2.000 horas. Este resultado foi causado pela condutividade elétrica mais baixa do Exemplo Comparativo 2 que aquela do Exemplo 2. Em outras palavras, considerando que o separador de metal do Exemplo Comparativo 2 teve uma resistência ao contato significativamente mais alta, a célula de combustível do Exemplo Comparativo 2 exibiu um desempenho significativamente | baixo mesmo em um estágio inicial.

Ainda, a célula de combustível do Exemplo Comparativo 3 gerou uma tensão similar a aquela do Exemplo 2 em um estágio de operação inicial, mas foram submetidos a uma . redução significante na geração da tensão ao longo do tempo.

Este resultado foi causado pela baixa resistência à corrosão | ' sem considerar a condutividade elétrica similar. | 10 A seguiríi como pode ser visto a partir dos resultados da Tabela 1, todas as células de combustível de acordo com os exemplos exibiram durabilidade similar.

Este | resultado também é mostrado na Fig. 12, e pode ser visto que as células de combustível de acordo com os exemplos exibem desempenho superior àqueles dos exemplos comparativos. | Portanto, o método para fabricar um separador de | metal para células de combustível de acordo com a presente | invenção permite a modificação da superfície para obter excelente durabilidade mesmo com uma chapa de aço inoxidável geralmente barata, desta forma baixando os custos de fabricação do separador de metal enquanto melhora a eficiência desta.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. MÉTODO PARA FABRICAR UMA PLACA DE METAL SEPARADORA PARA CÉLULAS DE COMBUSTÍVEIS, caracterizado por compreender: preparação de uma chapa de aço inoxidável com uma matriz do separador de metal; - formação de um revestimento descontínuo na superfície da chapa de aço inoxidável, o filme de revestimento ' sendo composto de pelo menos um selecionado a partir de ouro (Au), platina (Pt), rutênio (Ru), irídio (Ir), óxido de rutênio (RuO2), e óxido de irídio (1r02); e tratamento por calor da chapa de aço inoxidável tendo o filme de revestimento descontínuo para formar um filme de óxido em uma parte da chapa de aço inoxidável na qual o filme de revestimento não é formado.

2. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado em que o filme de revestimento descontínuo tem uma densidade de revestimento de 5 a 500 ug/cm2.

3. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado em que o tratamento por calor é desempenhado em uma temperatura de 80 a 300ºC.

4. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado em que o filme de revestimento descontínuo é composto de nano partículas.

. 25 5. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado em que a chapa de aço inoxidável compreende 0,08% em peso de carbono (C), 16 a 28% em peso de cromo (Cr), 0,1 a 20% em peso de níquel (Ni), 0,1 a 6% em peso de molibdênio (Mo), 0,1 a 5% em peso de tungstênio (W), 0,1 a 2% em peso de estanho (Sn), 0,1 a 2% em peso de cobre (Cu), e o equilíbrio de ferro (Fe) e impurezas inevitáveis.

6. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado em que o tratamento por calor é desempenhado por oa a 2/2 l ) | 10 minutos a 3 horas. |

7. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, ! caracterizado em que o tratamento por calor é desempenhado sob pelo menos um vácuo, uma atmosfera, e uma atmosfera de oxigênio.

8. SEPARADOR DE METAL PARA CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL, - caracterizado por compreender: uma chapa de aço inoxidável como uma matriz do " separador de metal; um filme de revestimento descontínuo formado na superfície da chapa de aço inoxidável, o filme de revestimento sendo composto de pelo menos um selecionado de ouro (Au), platina (Pt), rutênio (Ru), óxido de rutênio (RuO2), e óxido de irídio (1rY02); e um filme de óxido formado em uma parte da chapa de aço inoxidável na qual o filme de revestimento não é formado.

9. SEPARADOR DE METAL, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado em que Oo filme de revestimento descontínuo tem uma densidade de revestimento de 5 a 500 u1g/cm2.

10. SEPARADOR DE METAL, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado em que o filme de revestimento : descontínuo é composto de nano partículas.

11. SEPARADOR DE METAL, de acordo com a . 25 reivindicação 8, caracterizado em que a chapa de aço inoxidável compreende 0,8% em peso ou menos de carbono (C), 16 a 28% em peso de cromo (Cr), 0,1 a 20% em peso de níquel (Ni), 0,1 a 6% em peso de molibdênio (Mo), 0,1 a 5% em peso de tungstênio (W), 0,1 a 2% em peso de estanho (Sn), 0,1 a 2% em peso de cobre (Cu), e o equilíbrio do ferro (Fe) e impurezas inevitáveis.