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Technischer Bereich
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Separator zur Bildung eines
Gasdurchganges in einer festen Hochpolymer-Brennstoffzelle und im
spezielleren betrifft sie einen gepressten Separator für eine Brennstoffzelle,
welcher mit kontinuierlichen Wellen durch Pressformen einer nicht
rostenden Stahlplatte geformt ist.
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Hintergrundtechnik
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Eine
Brennstoffzelle aus Hochpolymer wird gebildet durch Laminieren von
Positiv- und Negativelektrodenkatalysatorschichten (Kathode und
Anode) auf beide Seiten einer Elektrolytmembran, die aus einem Ionenaustauschharz
oder dgl. hergestellt ist, und weiteres Laminieren von Gasdiffusionsschichten
auf diese Elektroden katalysatorschichten, um eine Elektrodenstruktur
zu bilden, welche als Einheitszelle bezeichnet wird. Mehrere Einheitszellen
werden auf beide Seiten eines Separators laminiert und ein verwendbarer
Brennstoffzellenstapel wird gebildet. Der Separator wird hergestellt
aus einem Material mit einer Elektronendurchlässigkeitsfunktion und weist
mehrere Gasdurchgänge
auf, die wie Rillen bzw. Kanäle
geformt sind, um unabhängig
Brennstoffgas unter Verwendung von Wasserstoff und Oxidationsgas,
wie etwa Sauerstoff oder Luft, zu zirkulieren, und wird zwischen
Einheitszellen in einem Zustand angeordnet, wobei ein Kontakt mit
der Gasdiffusionsschicht besteht.
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Zum
Beispiel findet in derartigen Brennstoffzellen eine elektrochemische
Reaktion statt durch Zirkulieren von Wasserstoffgas als ein Brennstoffgas
in dem Gasdurchgang des Separators auf der Negativelektrodenseite
und Zirkulieren von Oxidationsgas, wie etwa Sauerstoff oder Luft,
in dem Gasdurchgang des Separators der Positivelektrodenseite und
es wird Elektrizität
erzeugt. Während
der Erzeugung von Elektrizität überträgt die Gasdiffusionsschicht
Elektronen, die durch elektrochemische Reaktion erzeugt werden,
zwischen der Elektrodenkatalysatorschicht und dem Separator und
diffundiert Brennstoffgas und Oxidationsgas zur gleichen Zeit. Die
Elektrodenkatalysatorschicht der negativen Elektrodenseite induziert
eine chemische Reaktion in dem Brennstoffgas und erzeugt Protonen
und Elektronen, während
die Elektrodenkatalysatorschicht auf der positiven Elektrodenseite
Wasser aus Sauerstoff, Protonen und Elektronen bildet und die Elektrolytmembran überträgt Protonen
ionisch. Daher wird elektrische Energie über die positiven und negativen
Elektrodenkatalysatorschichten abgezogen.
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Bisher
war der Separator hauptsächlich
aus Graphitmaterial hergestellt und die Gasdurchgänge wurden
durch Einschneiden von Rillen gebildet. Graphitmaterialien umfassen
gasimpermeables Graphit, das Harz, wie etwa Phenolharz, das in gebrannten
isotropen Graphit imprägniert
ist, aufweist, amorphen Kohlenstoff mit Harz, wie etwa Phenolharz,
das nach dem Formen eingebrannt wird, und Verbundstoffmaterial,
das aus Harz und Graphit hergestellt ist. Diese Graphitmaterialien
weisen eine hohe Härte
auf und es war schwierig Gasdurchgänge zu bilden oder die mechanische
Festigkeit und die Schlagfestigkeit waren schlecht.
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Im
Hinblick auf derartige Probleme wurde in jüngerer Zeit vorgeschlagen,
neue Materialien zu verwenden, die die Probleme der Graphitmaterialien
beseitigen können,
wie etwa pressgeformte Materialien aus dünnen Metallplatten aus Aluminium,
Titan, nicht rostendem Stahl oder dgl. Unter diesen hat nicht rostender
Stahl einen passiven Film auf der Oberfläche und weist eine überragende
Korrosionsbeständigkeit
auf. Jedoch, wenn der nicht rostende Stahl in dem Separator einer
Brennstoffzelle verwendet wird, kann eine Katalysatorvergiftung
oder eine Verringerung der Leitfähigkeit
der Elektrodenmembran durch Eluieren von Ionen bewirkt werden. Da
darüber
hinaus der elektrische Widerstand des passiven Filmes hoch ist,
steigt der Kontaktwiderstand an der Kontaktgrenzschicht des Separators
und der Elektrodenstruktur an.
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Als
Mittel zum Lösen
dieser Probleme wurde in der
japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 10-228914
A ein Separator vorgeschlagen, der aus goldbeschichtetem,
nicht rostendem Stahl hergestellt ist.
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EP 1 046 723 A1 offenbart
ein nicht rostendes Stahlprodukt mit einem passivierenden Film auf
der Oberfläche.
Ferner weist das nicht rostende Stahlprodukt leitende metallische
Einflüsse
aus Carbid und Bond auf, welche stellenweise den passivierenden
Film durchbrechen.
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Es
ist ebenfalls versucht worden die Korrosionsbeständigkeit und Leitfähigkeit
durch Präzipitieren
von leitendem Bond oder Borcarbid vom Inneren des rostfreien Stahls
und Exponieren der Präzipitate
auf der Oberfläche
zusammen mit dem passiven Film zu verbessern.
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Unter
diesen herkömmlichen
Lösungsansätzen bringt
das letzte Verfahren sehr hohe Herstellungskosten mit sich. Wenn
alternativ die Goldbeschichtung Reibung durch Vibration oder dgl.
unterzogen wird, ist es wahrscheinlich, dass die Goldbeschichtung
sich an der Grenzfläche
zum nicht rostenden Stahl ablöst
und sie ist nicht für
eine Langzeitanwendung geeignet. Wenn darüber hinaus ein Nadelloch oder
ein anderer Defekt vorliegt, entsteht daraus Korrosion. Mit dem
letzteren Mittel wird auf der anderen Seite das Material aufgrund von
Präzipitaten
brüchig,
die auf der Oberfläche
auftreten, und wenn es durch Pressformen gebogen wird, trennen sich
die Präzipitate
oder fallen von dem gebogenen Teil ab und es wird Korrosion an den
vom Abfallen betroffenen Punkten initiiert und dies ist ebenfalls
nicht für
eine Langzeitanwendung geeignet.
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Offenbarung der Erfindung
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Ein
Gegenstand der Erfindung ist daher die Bereitstellung eines gepressten
Separators für
Brennstoffzellen, der eine überragende
Korrosionsfestigkeit und Leitfähigkeit
durch Kombination eines passiven Filmes und Präzipitaten von Bond oder Borcarbid
erhalten kann, wobei das Auftreten einer Korrosion unterdrückt wird, ohne
dass eine Abtrennung oder ein Abfallen von Präzipitaten aufgrund von Pressformen
auftritt und wobei der gepresste Separator eine Langzeitanwendung
durchsteht.
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Die
Erfindung ist gekennzeichnet durch die Verwendung einer nicht rostenden
Stahlplatte, die 0,005 bis 1,5 Gew.-% B umfasst und auf deren Oberfläche mindestens
eine Verbindung präzipitiert
ist, die ausgewählt
ist aus Verbindungen vom Typ M23(C,B)6-Borcarbid, M2B-
und MB-Bond, die auf der Oberfläche
des Separators präzipitieren,
welcher in kontinuierliche Wellen pressgeformt ist, in welchen der
Winkel θ eines
gebogenen Teils der kontinuierlichen Welle, welcher durch Falten
oder Dehnen bzw. Strecken beim Pressformen geformt ist, 15 Grad
oder mehr ist, und wobei der äußere Biegeradius
R, welcher der Krümmungsradius
der äußeren Seite
des gebogenen Teils ist, 1 mm oder weniger ist.
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Entsprechend
dem Separator der Erfindung werden viele Rillen, die auf der Oberfläche und
den Rückseiten
durch Pressformen von Wellen gebildet werden, als Gasdurchgänge von
Brennstoffgas oder Oxidationsgas verwendet. Im Separator der Erfindung
ist, da mindestens ein Typ der Präzipitate von Borcarbid und Boriden
auf der Oberfläche
freiliegend exponiert ist, zusätzlich
zu der hohen Korrosionsbeständigkeit,
die durch den passiven Film auf der Oberfläche realisiert ist, wobei dies
eines der Charakteristika von nicht rostendem Stahl ist, weiterhin
die Korrosionsbeständigkeit
verbessert und gleichzeitig wird die Ionenelutionsmenge verringert
und eine hohe Leitfähigkeit
erhalten. Darüber
hinaus wird die Erzeugung von schädlichen Ionen und Produkten
durch den passiven Film und die Präzipitate unterdrückt und
die Konstituententeile der Brennstoffzelle, wie etwa der Elektrolytfilm
oder die Elektrodenkatalysatorschicht oder die Leitung und andere
Teile, werden nicht durch den Austrag derartiger schädlicher
Substanzen beschädigt.
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Präzipitate
machen, wie oben erwähnt,
Materialien brüchig
und wenn diese beim Pressformen gebogen und gefaltet werden, können sich
Präzipitate
abtrennen oder von dem gebogenen Teil abfallen und Korrosion kann
an den Stellen mit Abfall entstehen. In der Erfindung jedoch wird,
da B mit 0,005 bis 1,5 Gew.-% enthalten ist, verhindert, dass durch
diesen definierten Gehalt Präzipitate
sich von dem gebogenen Teil abtrennen oder davon abfallen.
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Bor
ist ein wichtiges Element leitender Einschlüsse, die auf der Oberfläche präzipitiert
werden und 0,005 Gew.-% oder mehr sind zur Erfüllung der notwendigen Präzipitatmenge
erforderlich, um den Kontaktwiderstand zu erhalten, der für den Separator
erforderlich ist. Wenn sie 1,5 Gew.-% jedoch überschreitet, ist die Präzipitatmenge übermäßig und
Brüche
oder Spalten bzw. Zwischenräume
können
sich bilden, wenn nicht gar der Zustand einer Abtrennung oder eines
Abfallens auf der äußeren Oberfläche des
durch Pressformen gebildeten gebogenen Teils erreicht wird, und
Korrosion kann durch einen derartigen Defekt initiiert werden. Daher ist
der Gehalt von B in einem Bereich von 0,005 bis 1,5 Gew.-% definiert.
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Gasdurchgänge des
Separators der Erfindung werden als Rillen in der Oberfläche und
auf den Rückseiten
einer nicht rostenden Stahlplatte durch Pressformen in Wellen geformt
und der Winkel des gebogenen Teils zum Bilden von Gasdurchgängen ist
als 15 Grad oder mehr definiert und der äußere Biegeradius R ist 1 mm
oder weniger. Die 1A und B zeigen einen Teilschnitt
des durch Pressformen einer nicht rostenden Stahlplatte in Wellen
erhaltenen Separators. Ein Separator 1 in 1A hat
einen Gasdurchgang 1b, geformt als ein gleichschenkliges
Dreieck, worin der Winkel θ eines
gebogenen Teils 1a 90 Grad ist. Ein Separator 2 in 1B hat
einen Gasdurchgang 2b, der trapezförmig geformt ist, worin der
Winkel θ eines
gebogenen Teils 2a 45 Grad ist. In der Erfindung ist der
Krümmungsradius
der äußeren Seite
des gebogenen Teils der äußere Biegeradius
R.
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Brennstoffgas
oder Oxidationsgas strömt
in den Gasdurchgang des Separators, da jedoch das Gas bei Kontakt
mit der Elektrodenstruktur verbraucht wird, ist es erforderlich,
dass der Gasdurchgang eine bestimmte Tiefe aufweist, um eine notwendige
Flussrate aufrechtzuerhalten. Aus der Sicht des Schnittes des Gasdurchgangs
ist eine bestimmte Höhe
(Tiefe) gegenüber
der Breite des Gasdurchgangs erforderlich. Unter der Annahme, dass
die Beite des Schnittes W ist, ist die maximale Tiefe, die bei einem
Winkel θ eines
gebogenen Teils gebildet wird, 0,5 Wtanθ, und der Schnittbereich ist
zu diesem Zeitpunkt maximal. D. h. unter der Annahme, dass das Verhältniss der
Breite und der Tiefe des Schnitts zu diesem Zeitpunkt, 0,5 Wtanθ/W = 0,5 tanθ, ein Parameter
ist, kann die Tiefe des Gasdurchgangs durch Anwendung dieses Parameters
bestimmt werden.
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3 zeigt
Ergebnisse von Messungen von erzeugten Spannungen mit 0,4 A/cm2 Energieerzeugung einer Einheitszelle in
Brennstoffzellen, worin ein 0,2 mm dicker rostfreier Stahl mit der
Zusammensetzung der Erfindung pressgeformt ist, mit konstant 0,5
mm äußerem Biegeradius
R des gebogenen Teils, während
der Winkel des gebogenen Teils zum Bilden des Separators variiert
und worin ein Brennstoffzellenstapel durch Verwendung des Separators
gebildet wird. Wie aus diesem Graph ersichtlich, ist, wenn der Winkel
des gebogenen Teils 15 Grad oder mehr ist, die Stromerzeugungseffizienz
im Vergleich mit dem Winkel von weniger als 15 Grad sehr hoch. Daher
ist in der Erfindung der Winkel des gebogenen Teils zum Formen des
Gasdurchganges definiert als 15 Grad oder mehr.
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Es
ist erforderlich, dass die Gasdurchgänge einwandfreie Charakteristika
aufweisen, um es Gasen zu erlauben, gleichmäßig zu strömen, sodass das Brennstoffgas
und das Oxidationsgas ausreichend in die Elektrodenstruktur, die
gegenüber
des Gasdurchganges liegt, zugeführt
werden kann, um eine angegebene Stromerzeugungseffizienz sicherzustellen.
Jedoch, wie in 2 gezeigt, wird ein kleiner
Zwischenraum (schattierter Bereich in 2) zwischen
der äußeren Seite
des gebogenen Teils des Separators 3 und der Elektrodenstruktur 10 gebildet,
da die äußere Oberfläche des
gebogenen Teils eine gekrümmte
Oberfläche
ist, und das Gas neigt dazu, in diesem Zwischenraum zu stagnieren.
Das Gas wird durch Minimieren dieses Spalts bzw. Zwischenraums ausreichend
in die Elektrodenstruktur zugeführt.
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4 zeigt
Ergebnisse von Messungen einer erzeugten Spannung von 0,4 A/cm2 Stromerzeugung einer Einheitszelle in Brennstoffzellen,
worin ein 0,2 mm dicker rostfreier Stahl mit der Zusammensetzung
der Erfindung mit konstant 45 Grad des gebogenen Teils pressgeformt
ist, während
der äußere Biegeradius
R des gebogenen Teils zum Bilden eines Separators variiert wird,
und ein Brennstoffzellenstapel wird unter Verwendung der Separatoren
gebildet. Wie aus diesem Graph ersichtlich, ist, wenn der äußere Biegewinkel
R 1 mm oder weniger ist, die Stromerzeugungseffizienz im Vergleich
mit dem Fall über
1 mm sehr hoch. Daher ist in der Erfindung der äußere Biegeradius R des gebogenen
Teils zum Formen des Gasdurchganges als 1 mm oder weniger definiert.
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Die
Erfindung ist auch gekennzeichnet durch die Verwendung eines nicht
rostenden Austenit-Stahls, umfassend B: 0,005 bis 1,5 Gew.-%, C:
0,15 Gew.-% oder weniger, Si: 0,01 bis 1,5 Gew.-%, Mn: 0,01 bis
2,5 Gew.-%, P: 0,035 Gew.-%
oder weniger, S: 0,01 Gew.-% oder weniger, Al: 0,001 bis 0,2 Gew.-%,
N: 0,3 Gew.-% oder weniger, Cu: 0 bis 3 Gew.-%, Ni: 7 bis 50 Gew.-%,
Cr: 17 bis 30 Gew.-%, Mo: 0 bis 7 Gew.-% und als Rest Fe und unvermeidbare
Verunreinigungen, mit Gehalten von Cr, Mo und B, die der folgenden
Formel entsprechen: Cr (Gew.-%) + 3 × Mo (Gew.-%) – 2,5 × B (Gew.-%) ≥ 17,und
wobei auf der Oberfläche
des Austenit-Stahls mindestens eine Verbindung präzipitiert
ist, die ausgewählt ist
aus Verbindungen vom Typ M23(C,B)6-Borcarbid,
M2B- und MB-Bond, wobei der Austenit-Stahl
pressgeformt ist in kontinuierliche Wellen, worin der Winkel θ eines gebogenen
Teils der kontinuierlichen Welle, welcher durch Falten oder Dehnen
beim Pressformen gebildet ist, 15 Grad oder mehr ist, und der äußere Biegeradius
R, welcher der Krümmungsradius
der äußeren Seite
des gebogenen Teils ist, 1 mm oder weniger ist.
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Die
Gründe
zum Einstellen der Zahlenwerte der Gehalte der Elemente, ausgenommen
B, werden nachstehend erklärt.
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C: 0,15 Gew.-% oder weniger
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Der
Gehalt von C ist bevorzugt so niedrig wie möglich, um die Kaltzähigkeit
und Duktilität
sicherzustellen, um einem Pressformungsvermögen zu entsprechen, das für eine Massenproduktion
geeignet ist, und daher ist er als 0,15 Gew.-% oder weniger in der
Erfindung definiert.
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Si: 0,01 bis 1,5 Gew.-%
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Si
ist wirkungsvoll als Deoxidationselement, wenn jedoch weniger als
0,1 Gew.-% vorliegen,
ist die deoxidierende Wirkung nicht ausreichend oder wenn sie 1,5
Gew.-% überschreitet,
ist die Duktilität
verringert und das Pressformungsvermögen ist beeinträchtigt.
Daher ist der Gehalt von Si in einem Bereich von 0,01 bis 1,5 Gew.-%
definiert.
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Mn: 0,01 bis 2,5 Gew.-%
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Mn
ist erforderlich als ein Deoxidationselement und es wird ebenfalls
als ein Masseausgleichselement von Si zugegeben. Es wirkt ebenfalls
zur Verfestigung von gemischtem S, welcher eine unvermeidbare Verunreinigung
als ein Sulfid von Mn ist. Diese Wirkungen werden gezeigt, wenn
der Gehalt von Mn 0,01 Gew.-% oder mehr ist, wenn er jedoch 2,5
Gew.-% überschreitet,
steigt die Eisenelutionsmenge an und wenn im Besonderen die Elektrolytmembran
eine Sulfonsäurekomponente
ist, bindet sie mit einem Sulfonsäurerest und die Ionenleitfähigkeit
des Elektrolytelements wird erniedrigt. Daher ist der Gehalt von
Mn in einem Bereich von 0,01 bis 2,5 Gew.-% definiert.
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P: 0,035 Gew.-% oder weniger
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P
ist ein Element, das unvermeidbar eingemischt ist, und sein Gehalt
sollte so gering wie möglich
sein. Unter Beachtung dessen, dass das Präzipitat (Einschluss), das P
enthält,
der Ausgangspunkt von Korrosion unter der Brennstoffzellenbedingung
sein kann, ist der Gehalt von P als 0,035 Gew.-% oder weniger definiert.
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S: 0,01 Gew.-% oder weniger
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Aus
den gleichen Gründen
wie für
P ist der Gehalt von S als 0,01 Gew.-% oder weniger definiert.
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Al: 0,001 bis 0,2 Gew.-%
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Al
wird in der Stahlschmelzstufe als ein deoxidierendes Element zugegeben
und ist in einem Bereich von 0,001 bis 0,2 Gew.-% enthalten. Da
B in dem Stahl ein Element mit einer starken Bindungskraft mit Sauerstoff
im geschmolzenen Stahl ist, muss die Sauerstoffkonzentration durch
die deoxidierende Wirkung von Al erniedrigt werden.
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N: 0,3 Gew.-% oder weniger
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Aus
den gleichen Gründen
wie für
C ist der Gehalt von N als 0,3 Gew.-% definiert.
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Cu: 0 bis 3 Gew.-%
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Bedarfsmäßig ist
Cu mit 3 Gew.-% oder weniger enthalten. Wenn eine geeignete Menge
Cu enthalten ist, wird die Passivierung gefördert und es ist wirkungsvoll
zum Verhindern der Flution von Metall in die Separatorumgebung.
Der Gehalt ist vorzugsweise 0,01 Gew.-% oder mehr, jedoch wenn er
3 Gew.-% überschreitet, ist
die Verarbeitungsseffizienz im Heißverfahren erniedrigt und eine
Masseherstellung ist schwierig. Daher ist der Gehalt von Cu in einem
Bereich von 0 bis 3 Gew.-% definiert.
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Ni: 7 bis 50 Gew.-%
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Ni
ist ein wichtiges Element zur metallographischen Herstellung von
Austenit. Die Herstellungseigenschaft, Korrosionsfestigkeit und
das Formungsvermögen
werden durch die Herstellung von Austenit sichergestellt. Wenn der
Gehalt von Ni weniger als 7 Gew.-% ist, ist es schwierig, eine Austenittextur
zu bilden und wenn er 50 Gew.-% überschreitet,
wird es zu teuer. Daher ist der Gehalt von Ni in einem Bereich von
7 bis 50 Gew.-% definiert. Währenddessen
ist Ni geringfügig
in M2B-Borid enthalten.
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Cr: 17 bis 30 Gew.-%
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Umso
höher der
Gehalt von Cr, umso höher
ist die Korrosionsbeständigkeit,
jedoch die Zähigkeit
und Duktilität
bei herkömmlichen
Temperaturen sind verringert. Unter Beachtung der Ausgewogenheit
von Korrosionsfestigkeit und Zähigkeit
und Duktilität
ist der Gehalt von Cr in einem Bereich von 17 bis 30 Gew.-% in der Erfindung
definiert.
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Mo: 0 bis 7 Gew.-%
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Umso
höher der
Gehalt von Mo, umso höher
ist die Korrosionsbeständigkeit;
jedoch wird das Material brüchig.
Um Brüchigkeit
zu vermeiden, ist in der Erfindung der Gehalt von Mo in einem Bereich
von 0 bis 7 Gew.-% definiert. Cr (Gew.-%) + 3 × Mo (Gew.-%) – 2,5 × B (Gew.-%) ≥ 17.
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Da
B Cr und Mo in dem nicht rostenden Stahl verbraucht, um Boride und
Borcarbide zu bilden, werden die Gehalte von Cr und Mo als Korrosionsschutzverbesserungselemente,
die in dem Grundmaterial enthalten sind, verringert, und die Korrosionsbeständigkeit
des Grundmaterials wird verringert und folglich wird diese Formel
definiert.
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In
anderer Hinsicht ist die Erfindung charakterisiert durch die Verwendung
eines nicht rostenden Ferrit-Stahls, umfassend B: 0,005 bis 1,5
Gew.-%, C: 0,1 Gew.-% oder weniger, Si: 0,01 bis 1,5 Gew.-%, Mn:
0,01 bis 1,5 Gew.-%, B: 0,035 Gew.-% oder weniger, S: 0,01 Gew.-% oder
weniger, Al: 0,001 bis 0,2 Gew.-%, N: 0,035 Gew.-% oder weniger,
Cu: 0 bis 1 Gew.-%, Ni: 0 bis 5 Gew.-%, Cr: 17 bis 36 Gew.-%, Mo:
0 bis 7 Gew.-% und als Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen,
wobei die Gehalte von Cr, Mo und B der folgenden Formel entsprechen: Cr (Gew.-%) + 3 × Mo (Gew.-%) – 2,5 × B (Gew.-%) ≥ 17, und
wobei auf der Oberfläche
des Ferrit-Stahls mindestens eine Verbindung präzipitiert ist, die ausgewählt ist aus
Verbindungen vom Typ M23(C,B)6-Borcarbid, M2B- und MB-Bond, wobei der Ferrit-Stahl pressgeformt
ist in kontinuierliche Wellen, worin der Winkel θ eines gebogenen Teils der
kontinuierlichen Welle, welcher durch Falten oder Dehnen beim Pressformen
gebildet ist, 15 Grad oder mehr ist und der äußere Biegeradius R, welcher
der Krümmungsradius
der äußeren Seite
des gebogenen Teils ist, 1 mm oder weniger ist. Die Gehalte von
Mn, N, Cu und Ni in diesem Separator sind etwas verschieden von
den Gehalten in dem Separator, der aus dem oben genannten nicht
rostenden Austenit-Stahl hergestellt ist, jedoch die Gründe zum
Einstellen der oberen und unteren Grenzen dieser Zahlenwerte sind
die gleichen wie oben ausgeführt.
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Darüber hinaus
sind in dem gepressten Separator für Brennstoffzellen der Erfindung
nicht rostende Stahlplatten, einschließlich nicht rostende Austenit-Stahlplatten und
nicht rostende Ferrit-Stahlplatten, bevorzugt Stahlplatten, die
durch Blankglühen
nachbearbeitet sind, und wobei durch dieses Blankglühverfahren
die Bildung einer de-B-Schicht (einer an B abgereicherte Schicht)
in der Oberflächenschicht
verhindert werden kann, wobei dies nicht durch Oxidation an Luft
verhindert werden kann und eine Abnahme der Anzahl leitender Einschlüsse, die
nach der Reizbehandlung freiliegen, kann verhindert werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1A ist
eine Teilschnittansicht, die abstrakt einen Separator der Erfindung
zeigt und 1B ist eine Teilschnittansicht,
die abstrakt einen Separator in einer anderen Ausführungsform
der Erfindung zeigt.
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2 ist
ein Diagramm, das einen Spalt zeigt, der einen stagnierenden Gasstrom
zulässt,
welcher zwischen dem gebogenen Teil eines Separators und einer Elektrodenstruktur
gebildet wird.
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3 ist
ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Winkel des gebogenen
Teils, der einen Gasdurchgang eines Separators bildet, und einer
erzeugten Spannung einer Brennstoffzelle zeigt.
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4 ist
ein Diagramm, das die Beziehung zwischen äußerem Biegeradius R des gebogenen
Teils, der einen Gasdurchgang eines Separators bildet, und der erzeugten
Spannung einer Brennstoffzelle zeigt.
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5 ist
ein Diagramm, das die Beziehung des B-Gehalts, äußerem Biegeradius R und Korrosionszustand
des gebogenen Teils eines Separators zeigt, der aus einer nicht
rostenden Austenit-Stahlplatte aufgebaut ist.
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6 ist
ein Diagramm, das die Beziehung des B-Gehalt, Winkel des gebogenen
Teils und dem Korrosionszustand des gebogenen Teils eines Separators
zeigt, der aus einer nicht rostenden Austenit-Stahlplatte aufgebaut
ist.
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7 ist
ein Diagramm, das die Beziehung des B-Gehalts, äußerem Biegeradius R und Korrosionszustand
des gebogenen Teils eines Separators zeigt, der aus einer nicht
rostenden Ferrit-Stahlplatte aufgebaut ist.
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8 ist
ein Diagramm, das die Beziehung des B-Gehalts, dem Winkel des gebogenen
Teils und dem Korrosionszustand des gebogenen Teils eines Separators
zeigt, der aus einer nicht rostenden Ferrit-Stahlplatte aufgebaut
ist.
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9A ist
ein Schema eines Separators, der in den Beispielen hergestellt wurde
und 9B ist eine Schnittansicht.
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10 ist
eine Schnittansicht eines Brennstoffzellenstapels, der in den Beispielen
hergestellt wird.
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11 ist
ein Diagramm, das die Ergebnisse von Messungen des Kontaktwiderstands
und der Stromdichte bei Erhaltung des Passivzustandes bei 0,9 V
eines Separators zeigt, der aus einer nicht rostenden Austenit-Stahlplatte
aufgebaut ist, welche in den Beispielen durchgeführt wurden.
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12 ist
ein Diagramm, das Veränderungen
des Kontaktwiderstands im Verlauf der Zeit eines Separators zeigt,
der aus einer nicht rostenden Austenit-Stahlplatte aufgebaut ist, welche in
den Beispielen durchgeführt
wurden.
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13 ist
ein Diagramm, das Veränderungen
der Stromdichte eines Separators zeigt, der aus einer nicht rostenden
Austenit-Stahlplatte aufgebaut ist, welche in den Beispielen durchgeführt wurden.
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14 ist
ein Diagramm, das die Ergebnisse von Messungen des Kontaktwiderstands
und der Stromdichte bei Erhaltung des Passivzustandes bei 0,9 V
eines Separators zeigt, der aus einer nicht rostenden Ferrit-Stahlplatte
aufgebaut ist, welche in den Beispielen durchgeführt wurden.
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15 ist
ein Diagramm, das Veränderungen
des Kontaktwiderstands eines Separators mit der Zeit zeigt, der
aus einer nicht rostenden Ferrit-Stahlplatte aufgebaut ist, welche
in den Beispielen durchgeführt
wurden.
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16 ist
ein Diagramm, das Veränderungen
der Stromdichte eines Separators zeigt, der aus einer nicht rostenden
Ferrit-Stahlplatte aufgebaut ist, welche in den Beispielen durchgeführt wurden.
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Beste Art zur Durchführung der Erfindung
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Die
Effekte der Erfindung werden durch die Vorstellung der nachstehenden
Beispiele gezeigt.
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(1) Beziehung zwischen dem B-Gehalt und
dem äußeren Biegeradius
R (nicht rostender Austenit-Stahl)
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Verschiedene
Separatoren mit verschiedenen Kombinationen von B-Gehalt und äußerem Biegeradius wurden
unter Verwendung von 0,2 mm dicken nicht rostenden Austenit-Stahlplatten,
wobei der Gehalt von B variabel in einem Bereich von 0 bis 2 Gew.-%
lag und die Gehalte der anderen Elemente innerhalb des Bereichs
der Erfindung lagen, und Pressformen hergestellt, wobei der Biegewinkel
des Biegeteils konstant war (15 Grad) und der äußere Biegeradius R im Bereich
von 0,2 bis 1,6 mm lag. Unter Verwendung jedes Separators wurde
eine Brennstoffzelle gebildet, ein angegebenes Gas wurde in Gasdurchgängen zirkuliert,
um Energie kontinuierlich für
3000 Stunden zu erzeugen und eine Abtrennung, ein Abfallen und eine
Korrosion des gebogenen Teiles des Separators wurden beobachtet. 5 zeigt
die Ergebnisse, worin das O-Zeichen
einen Separator in einem einwandfreien Zustand zeigt, frei von einer
Korrosion, die aus einer Abtrennung oder einem Punkt des Abfallens
an der Oberfläche
ist und wobei das X-Zeichen einen korrodierten Separator zeigt.
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(2) Beziehung zwischen dem B-Gehalt und
dem Winkel des gebogenen Teils (nicht rostender Austenit-Stahl)
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Auf ähnliche
Weise wurden verschiedene Separatoren mit verschiedenen Kombinationen
von B-Gehalt und Winkel des gebogenen Teils durch Verwendung von
0,2 mm dicken nicht rostenden Austenit-Stahlplatten, wobei der Gehalt
von B variabel in einem Bereich von 0 bis 2 Gew.-% lag und die Gehalte
der anderen Elemente innerhalb des Bereichs der Erfindung lagen,
und Pressformen hergestellt, wobei der äußere Biegeradius des gebogenen
Teils konstant (1 mm) war und der Winkel des gebogenen Teils im
Bereich von 0 bis 120 Grad lag. Unter Verwendung jedes Separators
wurde eine Brennstoffzelle gebildet, ein angegebenes Gas wurde in
Gasdurchgängen
zirkuliert, um Energie kontinuierlich für 3000 Stunden zu erzeugen
und eine Abtrennung, ein Abfallen und Korrosion des gebogenen Teiles
des Separators wurden beobachtet. 6 zeigt
die Ergebnisse, wobei die Beurteilung durch O-Zeichen und X-Zeichen
auf dieselbe Art wie in 5 angegeben ist.
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Entsprechend 5 tritt,
wenn der äußere Biegeradius
R als 1 mm oder weniger definiert ist, Korrosion auf, es sei denn,
der B-Gehalt ist 1,5 Gew.-% oder weniger. Entsprechend 6 muss
der B-Gehalt auf ähnliche
Weise, wenn der Winkel des gebogenen Teils als 15 oder mehr Grad
definiert ist, 1,5 Gew.-% oder weniger sein. Daher sind in den Separatoren
der Erfindung, die aus nicht rostenden Austenit-Stahlplatten hergestellt
sind, zur Verhinderung einer Abtrennung und eines Abfallens von
Präzipitaten
von Boriden oder Borcarbiden aufgrund von Präzipitation, welche auf B zurückzuführen ist,
und einer Korrosion, die an Stellen mit Abfall ihren Ursprung hat,
die wesentlichen Bedingungen der B-Gehalt von 1,5 Gew.-% oder weniger,
der äußere Biegeradius
R von 1 mm und ein Winkel des gebogenen Teils von 15 Grad oder mehr.
Jedoch muss der Gehalt von B zur Erfüllung der notwendigen Präzipitationsmenge
zum Sicherstellen des Kontaktwiderstands, der für den Separator erforderlich
ist, 0,05 Gew.-% betragen.
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(3) Beziehung zwischen dem B-Gehalt und
dem äußeren Biegeradius
R (nicht rostender Ferrit-Stahl)
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Verschiedene
Separatoren aus verschiedenen Kombinationen von B-Gehalt und äußerem Biegeradius
wurden durch Verwendung von 0,2 mm dicken nicht rostenden Ferrit-Stahlplatten,
wobei der Gehalt von B variabel in einem Bereich von 0 bis 2 Gew.-%
lag und die Gehalte der anderen Elemente innerhalb des Bereiches
der Erfindung lagen, und Pressformen hergestellt, wobei der Biegewinkel
des gebogenen Teils konstant (15 Grad) gehalten wurde, und der äußere Biegeradius
R im Bereich von 0,2 bis 1,6 mm lag. Unter Verwendung jedes Separators
wurde eine Brennstoffzelle gebildet, ein angegebenes Gas wurde in
Gasdurchgängen zirkuliert,
um kontinuierlich Energie für
3000 Stunden zu erzeugen, und eine Abtrennung, ein Abfallen und
Korrosion des gebogenen Teils des Separators wurden beobachtet. 7 zeigt
die Ergebnisse, worin die Beurteilung durch O-Zeichen und X-Zeichen
auf dieselbe Art wie in 5 angegeben ist.
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(4) Beziehung zwischen dem B-Gehalt und
dem Winkel des gebogenen Teils (nicht rostender Ferrit-Stahl)
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Ebenfalls
wurden verschiedene Separatoren mit verschiedenen Kombinationen
von B-Gehalt und Winkel des gebogenen Teils durch Verwendung von
0,2 mm dicken nicht rostenden Ferrit-Stahlplatten, wobei der Gehalt
von B variabel in einem Bereich von 0 bis 2 Gew.-% lag und die Gehalte
der anderen Elemente innerhalb des Bereichs der Erfindung lagen,
und Pressformen hergestellt, wobei der äußere Biegeradius des gebogenen
Teils konstant (1 mm) war und der Winkel des gebogenen Teils im
Bereich von 0 bis 120 Grad lag. Unter Verwendung jedes Separators
wurde eine Brennstoffzelle gebildet, ein angegebenes Gas wurde in
Gasdurchgängen
zirkuliert, um kontinuierlich Energie für 3000 Stunden zu erzeugen,
und eine Abtrennung, ein Abfallen und eine Korrosion des gebogenen
Teils des Separators wurden beobachtet. 8 zeigt
die Ergebnisse, worin die Beurteilung durch O-Zeichen und X-Zeichen
auf dieselbe Art wie in 5 angegeben ist.
-
Entsprechend 7 tritt,
wenn der äußere Biegeradius
R als 1 mm oder weniger definiert ist, Korrosion auf, es sei denn,
der B-Gehalt ist 1,5 Gew.-% oder weniger. Entsprechend 8 muss,
wenn der Winkel des gebogenen Teils als 15 Grad oder mehr definiert
ist, der B-Gehalt auf ähnliche
Weise 1,5 Gew.-% oder weniger sein. Daher sind in den Separatoren
der Erfindung, die aus nicht rostenden Ferrit-Stahlplatten hergestellt
sind, zur Verhinderung einer Abtrennung und eines Abfallens von
Präzipitaten
von Boriden oder Borcarbiden aufgrund von Präzipitation, welche auf B zurückzuführen ist,
und einer Korrosion, die an Stellen mit Abfall ihren Ursprung hat,
die wesentlichen Bedingungen der B-Gehalt von 1,5 Gew.-% oder weniger,
der äußere Biegeradius
R von 1 mm und ein Winkel des gebogenen Teils von 15 Grad oder mehr.
Jedoch muss der Gehalt von B zur Erfüllung der notwendigen Präzipitationsmenge
zum Sicherstellen des Kontaktwiderstands, der für den Separator erforderlich
ist, 0,005 Gew.-% sein.
-
(5) Unterschied der Leistungsfähigkeit
durch den B-Gehalt (nicht rostender Austenit-Stahl)
-
Unter
Verwendung von 0,2 mm dickem nicht rostenden Austenit-Stahl mit
den Zusammensetzungen von Beispiel 1 (innerhalb des Bereichs der
Erfindung) und von Vergleichsbeispiel 1 (außerhalb des Bereichs der Erfindung),
die in Tabelle 1 gezeigt sind, wurden die Separatoren 4,
die in den 9A und B gezeigt sind, durch
Pressformen hergestellt. Wie in 9B gezeigt,
war der Gasdurchgang 4b des Separators 4 trapezförmig, der
Winkel des gebogenen Teils 4a war 45 Grad und der äußere Biegeradius
R war 0,3 mm. In diesen Separatoren wurden der Kontaktwiderstand
und die Stromdichte bei Erhaltung des Passivzustandes bei 0,9 V gemessen.
Die Ergebnisse der Messung sind in 11 dargestellt.
Der Kontaktwiderstand ist ein Durchgangswiderstand, gemessen durch
Anlegen einer Oberflächenbelastung
von 49,05 × 10–2 N/m2 (5 kgf/cm2) auf
zwei übereinanderliegenden
Lagen von Separatoren (Anodenseite und Kathodenseite) 4,
unter Verwendung eines Widerstandsmessgeräts. Die Stromdichte bei Erhaltung
des Passivzustandes betrifft die Stromdichte, die der Korrosionsrate
entspricht, wenn die Oxidbildungsgeschwindigkeit des nicht rostenden
Stahls des Grundmaterials, das ein Oxid wird, und die Geschwindigkeit
des Auflösens
des Oberflächenoxidfilms
um ionisch zu werden, gleich werden, d. h. wenn sich die Dünne des
Oxidfilmes nicht weiter ändert,
und diese Stromdichte wurde durch einen Konstantpotenzialpolarisationstest
gemessen.
- Element Gehaltseinheit: Gew.-%
Tabelle 1 | | C | Si | Mn | P | S | Cu | Ni | Cr | Mo | N | Al | B | Cr
+ 3 Mo – 2,5
B |
| Bsp.
1 | 0,01
8 | 0,6
5 | 1,0
2 | 0,02
8 | 0,007
8 | 0,2
5 | 8,4 | 18,8
2 | - | 0,02
5 | 0,01
5 | 0,12 | 18,52 |
| Bsp.
2 | 0,01
8 | 0,6
5 | 1,0
2 | 0,02
8 | 0,007
8 | 0,2
5 | 0,2
1 | 18,8
2 | - | 0,02
5 | 0,01
5 | 0,12 | 18,52 |
| Vgl.-Bsp. 1 | 0,01
9 | 0,1
2 | 0,0
8 | 0,01
3 | 0,000
8 | 0,0
8 | 8,4 | 24,7
6 | - | 0,03
6 | 0,02
2 | 2,52
* | 18,46 |
| Vgl.-Bsp. 2 | 0,01
9 | 0,1
2 | 0,0
8 | 0,01
3 | 0,000
8 | 0,0
8 | 0,0
1 | 24,7
6 | - | 0,03
6 | 0,02
2 | 2,52
* | 18,46 |
- *: Wert außerhalb des Bereichs der Erfindung
-
Als
Nächstes
wurde, wie in 10 gezeigt, unter Verwendung
von zehn Einheitszellen 20, die aus Elektrodenstrukturen
aufgebaut sind, ein Brennstoffzellenstapel durch Laminieren durch
Anordnen des Separators 4 von Beispiel 1 zwischen den Einheitszellen 20 aufgebaut.
In der Figur ist das Bezugszeichen 21 eine Dichtung, Bezugszeichen 22 ist
eine Stromkollektorplatte und Bezugszeichen 23 ist eine
Klammerplatte zum Fixieren des laminierten Zustands des Brennstoffzellenstapels.
Andererseits wurde unter Verwendung des Separators von Vergleichsbeispiel
1 ein Brennstoffzellenstapel auf ähnliche Weise hergestellt.
Unter Verwendung dieser Brennstoffzellen wurde Energie erzeugt und
der Kontaktwiderstand vom Beginn der Stromerzeugung bis 3000 Stunden
später
wurden in Intervallen von 500 Stunden und die Stromdichte bei 0,7
V Energieerzeugung von Einheitszellen gemessen. Die Ergebnisse der
Messungen sind in 12 und in 13 gezeigt.
-
Entsprechend 11 bestand
in Bezug auf den Kontaktwiderstand kein wesentlicher Unterschied
zwischen Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1, jedoch die Stromdichte
bei Erhaltung des Passivzustandes bei 0,9 V war wesentlich höher in Vergleichsbeispiel
1 im Vergleich mit Beispiel 1. Gemäß 12 war
nur bei Beginn der Energieerzeugung der Kontaktwiderstand niedrig
und ähnlich
in Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1, jedoch begann Vergleichsbeispiel
1 den Kontaktwiderstand unmittelbar nach dem Beginn der Energieerzeugung
zu erhöhen
und er erhöhte
sich weiter im Verlauf der Zeit. Im Gegensatz hierzu blieb in Beispiel
1 der Kontaktwiderstand bei einem niedrigen Grad und änderte sich
trotz der Erzeugung von Energie für eine lange Zeitdauer nicht.
Zusätzlich
war gemäß 13 nur
beim Beginn der Energieerzeugung die Stromdichte ähnlich in
Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1, jedoch in Vergleichsbeispiel
1 begann sich die Stromdichte unmittelbar nach dem Beginn der Stromerzeugung
zu verringern und verringerte sich weiterhin im Verlauf der Zeit.
Im Gegensatz hierzu blieb in Beispiel 1 die Stromdichte bei einem
niedrigen Grad und änderte
sich trotz Energieerzeugung für
eine lange Zeitdauer nicht.
-
(6) Unterschied der Leistungsfähigkeit
durch den B-Gehalt (nicht rostender Ferrit-Stahl)
-
Unter
Verwendung von 2 mm dickem nicht rostendem Ferrit-Stahl mit der
Zusammensetzung in Beispiel 2 (innerhalb des Bereichs der Erfindung)
und Vergleichsbeispiel 2 (außerhalb
des Bereichs der Erfindung), gezeigt in Tabelle 1, wurden Separatoren
auf dieselbe Art wie in Beispiel 1 hergestellt. In diesen Separatoren
wurden der Kontaktwiderstand und die Stromdichte bei Erhaltung des
Passivzustandes bei 0,9 V auf dieselbe Art wie oben gemessen. Die
Ergebnisse der Messungen sind in 14 aufgeführt.
-
Als
Nächstes
wurde auf dieselbe Art wie in Beispiel 1 ein Brennstoffzellenstapel
durch Verwendung des Separators von Beispiel 2 gebildet und darüber hinaus
wurde eine Brennstoffzelle durch Verwendung des Separators von Vergleichsbeispiel
2 gebildet. Unter Verwendung dieser Brennstoffzellen wurde Energie
erzeugt und der Kontaktwiderstand vom Beginn der Energieerzeugung
bis zu 3000 Stunden später
in Intervallen von 500 Stunden und die Stromdichte bei 0,7 V Energieerzeugung
von Einheitszellen wurden gemessen. Die Ergebnisse der Messungen
sind in 15 und in 16 gezeigt.
-
Gemäß 14 bestand
in Bezug auf den Kontaktwiderstand kein wesentlicher Unterschied
zwischen Beispiel 2 und Vergleichsbeispiel 2, jedoch die Stromdichte
bei Erhaltung des Passivzustandes bei 0,9 V war in Vergleichsbeispiel
2 im Vergleich mit Beispiel 2 wesentlich höher. Gemäß 15 war
nur beim Beginn der Energieerzeugung der Kontaktwiderstand gering
und er war ähnlich
wie derjenige in Beispiel 2 und Vergleichsbeispiel 2, jedoch begann
Vergleichsbeispiel 2 den Kontaktwiderstand unmittelbar nach dem
Beginn der Stromerzeugung zu erhöhen
und erhöhte
ihn weiter im Verlauf der Zeit. Im Gegensatz hierzu blieb in Beispiel 2
der Kontaktwiderstand bei einem niederen Grad und änderte sich
trotz einer Energieerzeugung für
eine lange Zeitdauer nicht. Gemäß 16 war
zusätzlich
nur beim Beginn der Energieerzeugung die Stromdichte ähnlich in
Beispiel 2 und Vergleichsbeispiel 2, jedoch begann in Vergleichsbeispiel
2 die Stromdichte unmittelbar nach dem Beginn der Energieerzeugung
abzufallen und fiel weiter im Verlauf der Zeit ab. Im Gegensatz
hierzu blieb in Beispiel 2 die Stromdichte bei einem niederen Grad
und veränderte
sich trotz einer Stromerzeugung für eine lange Zeitdauer nicht.