DE102013205718A1

DE102013205718A1 - Metallseparator für Brennstoffzellen und Herstellungsverfahren davon

Info

Publication number: DE102013205718A1
Application number: DE102013205718A
Authority: DE
Inventors: Teruyuki Ohtani; Masao Utsunomiya; Natsuki Anzai
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2013-03-28
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2033-03-29
Also published as: JP6181371B2; CN103367771B; US9647278B2; DE102013205718B4; US20130288161A1; CN103367771A; JP2013229294A

Abstract

Die Erfindung dient zum Bereitstellen eines Metallseparators für Brennstoffzellen, der die nasse Umgebung einer Membranelektrodenanordnung gleichmäßig machen kann, sowie ein Herstellungsverfahren davon. Ein Metallseparator für Brennstoffzellen und ein Herstellungsverfahren davon sind dadurch gekennzeichnet, dass ein aus Metall hergestellter erster Separator (14), der in einer Membranelektrodenanordnung (12) geschichtet ist, worin ein Paar von Elektroden von beiden Seiten einer Festpolymerelektrolytmembran vorgesehen ist, zu einer Wellblechform mit konvexen Teilen und konkaven Teilen umgeformt wird, ein dünner Edelmetallfilm (147) auf einem konvexen Teil (145) des ersten Separators (14) ausgebildet wird, und Löcher (148), durch die der erste Separator (14) frei liegt, in dem dünnen Edelmetallfilm (147) ausgebildet werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Metallseparator für Brennstoffzellen und ein Herstellungsverfahren davon. Insbesondere betrifft sie einen Metallseparator für Brennstoffzellen, auf dem eine Oberflächenbehandlung durchgeführt worden ist, und ein Herstellungsverfahren davon.
In den letzten Jahren haben, als neuartige Energiequelle für Automobile oder dergleichen, Brennstoffzellen Aufmerksamkeit bekommen, welche elektrischen Strom erzeugen, indem sie Reaktionsgase elektrochemisch reagieren lassen. Man sagt, dass Brennstoffzellen im Hinblick auf den Wirkungsgrad der elektrischen Stromerzeugung bevorzugt sind, weil sie mittels einer elektrochemischen Reaktion Elektrizität direkt erhalten. Darüber hinaus sagt man, dass Brennstoffzellen auch hinsichtlich der Umweltbeeinträchtigung bevorzugt sind, weil sie bei der elektrischen Stromerzeugung nur harmloses Wasser erzeugen.
Zum Beispiel haben Festpolymerbrennstoffzellen eine gestapelte Struktur, worin mehrere zehn oder mehrere hundert Zellen gestapelt sind. In jeder Zelle ist eine Membranelektrodenanordnung (MEA) zwischen einem Paar von Separatoren aufgenommen. Die Membranelektrodenanordnung ist durch eine Anode und eine Kathode sowie einer zwischen diesen Elektroden aufgenommen Elektrolytmembran aufgebaut, und beide Elektroden enthalten eine Katalysatorschicht, welche die beiden Elektrolytmembranen kontaktiert, sowie eine Gasdiffusionsschicht, die die Katalysatorschicht kontaktiert. Darüber hinaus sind an einer Oberfläche an dem Separator Brenngaskanäle ausgebildet, und an der anderen Oberfläche Oxidationsgaskanäle.
Wenn die Festpolymerbrennstoffzelle mit der obigen Konfiguration versehen ist, wird Wasserstoff als Brenngas den Brenngaskanälen zur Anode geleitet. Darüber hinaus wird Luft als Oxidationsgas durch die Oxidationsgaskanäle zur Kathode geleitet. Dann wird der der Anode zugeführte Wasserstoff an der Katalysatorschicht protoniert, und die erzeugten Protonen wandern durch die Elektrolytmembran zur Kathode. Hierbei werden die zusammen mit den Protonen gewonnenen Elektronen zu einer externen Schaltung abgezogen und als elektrische Energie verwendet.
Jedoch werden normalerweise Metallseparatoren, die aus rostfreiem Stahl oder dergleichen hergestellt sind, als die oben erwähnten Separatoren verwendet. Es sind verschiedene Oberflächenbehandlungen zur Ausführung an diesem Metallseparator bekannt, wie etwa das Durchführen einer Wasserabstoßungsbehandlung mit dem Zweck, das Auftreten von Überfluten zu verhindern, und ein Plattierungsprozess mit dem Zweck, eine Oxidation zu verhindern, um einen zunehmenden Kontaktwiderstand mit der Membranelektrodenanordnung zu verhindern. Zum Beispiel ist aus der JP 2007-141819 A eine Technik bekannt geworden, worin nach der Bildung einer Kunststoffschicht auf der Oberfläche des Metallseparators eine wasserabstoßende Schicht inselförmig auf dieser Kunststoffschicht ausgebildet wird.
Um jedoch eine hohe elektrische Stromerzeugungsleistung zu erlangen, ist in einer Membranelektrodenanordnung eine gleichmäßig nasse Umgebung erforderlich. Aus diesem Grund ist es erforderlich, den nassen Zustand der gesamten Oberfläche der elektrischen Stromerzeugungsoberfläche der Elektrolytmembran gleichmäßig zu machen, so dass der Feuchtigkeitsgehalt innerhalb der Elektrolytmembran vergleichmäßigt wird (gleichmäßig gemacht wird), um elektrische Energie gleichmäßig über die gesamte Oberfläche der elektrischen Stromerzeugungsoberfläche der Elektrolytmembran zu erzeugen.
Jedoch ist bei der JP 2007-141819 A eine wasserabstoßende Schicht an Nuten vorgesehen, die jeweils einen Kanal zur Vermeidung von Überflutung darstellen, und eine hydrophile Kunststoffschicht ist nur an Kontaktbereichen der Membranelektrodenanordnung vorgesehen. Aus diesem Grund verteilt sich in der JP 2007-141819 A das Reaktionsprodukt Wasser ungleichmäßig an der Grenze zwischen der Membranelektrodenanordnung und dem Separater, und daher kann die nasse Umgebung der Membranelektrodenanordnung nicht gleichmäßig gemacht werden.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Metallseparator für Brennstoffzellen anzugeben, der die nasse Umgebung der Membranelektrodenanordnung gleichmäßig machen kann, sowie ein Herstellungsverfahren davon.
Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Metallseparator für Brennstoffzellen angegeben, der auf eine Membranelektrodenanordnung gelegt ist, an der ein Paar von Elektroden an beiden Seiten einer Elektrolytmembran vorgesehen ist, worin der Metallseparator für Brennstoffzellen zu einer Wellblechform mit einem konvexen Teil und einem konkaven Teil geformt ist, wobei ein dünner Edelmetallfilm auf dem konvexen Teil des Metallseparators für Brennstoffzellen ausgebildet ist, und Löcher, durch die der Metallseparator für Brennstoffzellen frei liegt, in dem dünnen Edelmetallfilm ausgebildet sind.
Erfindungsgemäß ist der Metallseparator für Brennstoffzellen zu einer Wellblechform geformt, die konvexe Teile und konkave Teile aufweist, und ein dünner Edelmetallfilm ist auf der Oberfläche der konvexen Teile davon ausgebildet. Darüber hinaus sind erfindungsgemäß Löcher, durch die der Metallseparator für Brennstoffzellen frei liegt, in dem dünnen Edelmetallfilm ausgebildet.
Hierin hat der dünne Edelmetallfilm eine Charakteristik, dass er nicht leicht oxidiert und wasserabstoßend ist. Andererseits haben Löcher eine Charakteristik, dass auf der Oberfläche des Separators tendentiell Oxide erzeugt werden, und diese hydrophil sind. Aus diesem Grund fließt das Reaktionsprodukt Wasser, dass durch Reaktion der Membranelektrodenanordnung erzeugt wird und in die Grenze mit dem Separater fließt, glattgängig in die Löcher und wird darin gehalten. Die nasse Umgebung der Membranelektrodenanordnung kann hierdurch gleichmäßig gemacht werden, weil das Reaktionsprodukt Wasser gleichmäßig an der Grenze zwischen der Membranelektrodenanordnung und dem Separator gehalten wird, ohne sich ungleichmäßig zu verteilen.
Weil darüber hinaus z. B. während Hochlastbetrieb das Reaktionsprodukt Wasser im Überschuss erzeugt wird, überschreitet die Menge des Reaktionsprodukts Wasser, die in die Löcher strömt, die Kapazität der Löcher. Dann beginnt das Reaktionsprodukt Wasser damit, aus den Löchern überzufließen, und fließt glattgängig über den wasserabstoßenden dünnen Edelmetallfilm und fließt zu den jeweiligen benachbarten Kanälen hinaus. Auch während Hochlastbetrieb verteilt sich das Reaktionsprodukt Wasser nicht ungleichmäßig an der Grenze zwischen der Membranelektrodenanordnung und dem Separator, wodurch die gleichmäßig nasse Umgebung der Membranelektrodenanordnung erhalten bleibt.
Da im Gegensatz hierzu, z. B. während Niederlastbetrieb, nur eine geringe Menge des Reaktionsprodukts Wasser erzeugt wird, wird das Reaktionsprodukt Wasser, das während des Hochlastbetriebs in den Löchern zurückgehalten wird, der Membranelektrodenanordnung zugeführt. Hierdurch wird eine Änderung der nassen Umgebung der Membranelektrodenanordnung auch während Niederlastbetrieb unterdrückt, wodurch die gleichmäßig nasse Umgebung erhalten bleibt.
Daher kann erfindungsgemäß die nasse Umgebung der Membranelektrodenanordnung unabhängig vom Betriebszustand der Brennstoffzelle vergleichmäßigt werden.
Ferner kann der Kontaktwiderstand zwischen Metallseparatoren für Brennstoffzellen durch den dünnen Edelmetallfilm vermieden werden, der mit Löchern ausgebildet ist, die den Metallseparator für Brennstoffzellen freilegen, der auf dem konvexen Teilen des Metallseparators für Brennstoffzellen an der Oberfläche der konvexen Teile ausgebildet ist, mit denen die Metallseparatoren für Brennstoffzellen in Kontakt stehen.
In diesem Fall ist es bevorzugt, dass die Löcher in der Oberfläche des konvexten Teils regelmäßig ausgebildet sind.
Erfindungsgemäß sind die Löcher in der Oberfläche des Kontaktbereichs regelmäßig ausgebildet. Die nasse Umgebung der Membranelektrodenanordnung kann hierdurch weiter vergleichmäßigt werden, weil das Reaktionsprodukt Wasser noch gleichmäßiger zurückgehalten wird, ohne sich ungleichmäßig an der Grenze zwischen der Membranelektrodenanordnung und dem Separator zu verteilen. Darüber hinaus kann die nasse Umgebung der Membranelektrodenanordnung unabhängig vom Betriebszustand der Brennstoffzelle noch gleichmäßiger gemacht werden.
In diesem Fall ist es bevorzugt, dass die Löcher von dem dünnen Edelmetallfilm umgeben sind, der durch miteinander verbundene punktförmige, edelmetallhaltige Tinte gebildet ist.
Erfindungsgemäß sind die Löcher zu ausgebildet, dass sie mit dem dünnen Edelmetallfilm umgeben sind, der durch punktförmigen, edelmetallhaltiger Farbe gebildet ist, welche miteinander in Verbindung stehen. Hierdurch ist es möglich, auf leichte Weise einen Metallseparator für Brennstoffzellen zu erlangen, auf dessen Oberfläche ein gitterförmiger dünner Edelmetallfilm ausgebildet ist.
Ferner wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Herstellung eines Metallseparators für Brennstoffzellen angegeben, der auf eine Membranelektrodenanordnung gelegt ist, in dem ein Paar von Elektroden an beiden Seiten einer Elektrolytmembran vorgesehen ist, wobei das Verfahren umfasst: einen Dünner-Edelmetallfilm-Bildungsschritt zur Bildung eines dünnen Edelmetallfilms auf einem konvexen Teil eines dünnen Metallblechs, das zu einer Wellblechform geformt worden ist, die konvexe Teile und konkave Teile aufweist, worin der dünne Edelmetallfilm in dem Dünner-Edelmetallfilm-Bildungsschritt so ausgebildet wird, dass Löcher, durch die der Metallseparator für Brennstoffzellen frei liegt, in dem dünnen Edelmetallfilm gebildet werden.
In diesem Fall ist es bevorzugt, dass der dünne Edelmetallfilm in dem Dünner-Edelmetallfilm-Bildungsschritt mittels eines Tintenstrahldruckverfahrens gebildet wird.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Metallseparators für Brennstoffzellen erhält man die gleichen Wirkungen wie die Erfindung des ober erwähnten Metallseparators für Brennstoffzellen. Indem man insbesondere ein Tintenstrahldruckverfahren anwendet, ist es möglich, bei geringen Kosten und einfachem Betrieb einen Metallseparator für Brennstoffzellen herzustellen, auf dessen Oberfläche ein gitterförmiger dünner Edelmetallfilm ausgebildet ist.
Erfindungsgemäß ist es möglich, einen Metallseparator für Brennstoffzellen bereitzustellen, der die nasse Umgebung der Membranelektrodenanordnung vergleichmäßigen kann, sowie ein Herstellungsverfahren davon.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
1 ist eine Perspektivansicht der Konfiguration eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer Ausführung;
2 ist eine Explosionsperspektivansicht einer Stromerzeugungszelle gemäß einer Ausführung;
3 ist ein Längsschnitt eines Brennstoffzellenstapels gemäß der Ausführung;
4 ist eine Querschnittsansicht eines ersten Separators gemäß der Ausführung;
5 zeigt schematisch einen dünnen Edelmetallfilm, der auf der Oberfläche des ersten Separators gemäß der Ausführung ausgebildet ist, wobei (A) eine Draufsicht von konvexen Teilen des ersten Separators ist und (B) eine Endansicht entlang der Linie A-A in (A) ist;
6 zeigt einen Formungsschnitt eines dünnen Edelmetallfilms gemäß einem Tintenstrahldruckverfahrens;
7 ist eine Draufsicht von konvexen Teilen des ersten Separators gemäß einem modifizierten Beispiel der Ausführung;
8 ist eine Draufsicht von konvexen Teilen des ersten Separators gemäß einem modifizierten Beispiel der Ausführung;
9 ist eine Draufsicht eines punktförmigen Tintenmusters von konvexen Teilen des ersten Separators gemäß einem modifizierten Beispiel der Ausführung;
10 zeigt schematisch ein punktförmiges Tintenmuster von konvexen Teilen des ersten Separators gemäß einem modifizierten Beispiel der Ausführung, wobei (A) eine Draufsicht ist, (B) eine Endansicht entlang der Linie B-B in (A) ist und (C) eine Endansicht entlang der Linie C-C in (A) ist;
11 ist eine Draufsicht eines punktförmigen Tintenmusters von konvexen Teilen des ersten Separators gemäß einem modifizierten Beispiel der Ausführung;
12 ist eine Draufsicht eines punktförmigen Tintenmusters von konvexen Teilen des ersten Separators gemäß einem modifizierten Beispiel der Ausführung; und
13 ist eine Draufsicht der Form von edelmetallhaltiger punktförmiger Tinte gemäß einem modifizierten Beispiel der Ausführung.
Nachfolgend wird eine Ausführung der Erfindung in Bezug auf die Zeichnungen erläutert.
1 zeigt in einer Perspektivansicht die Konfiguration eines Brennstoffzellenstapels 1 gemäß der Ausführung. Der Brennstoffzellenstapel 1 ist mit einem Metallseparator, für Brennstoffseparatoren, gemäß der vorliegenden Erfindung versehen. Wie in 1 gezeigt, enthält der Brennstoffzellenstapel 1 eine Mehrzahl von Stromerzeugungszellen 10, die in vertikaler Richtung aufeinandergelegt sind, wobei die Elektrodenoberflächen horizontal sind.
Endplatten 82, 82, Isolierplatten 84, 84 und Endplatten 86, 86 sind jeweils am Oberende und am Unterende des Brennstoffzellenstapels 1 fest angebracht. Zwischen den Endplatten 86, 86 werden beide Enden einer Mehrzahl von Verbindungsstangen 90 durch Bolzen 92 in einem Zustand befestigt, in dem eine vorbestimmte Dichtziellast angelegt wird. Durch das Anlegen eines vorgeschriebenen Kontaktdrucks zwischen den Elektrodenoberflächen des Stromerzeugungszelle 10 wird hierdurch eine Zunahme des Kontaktwiderstands unterdrückt.
2 ist eine Explosionsperspektive der Stromerzeugungszelle 10 gemäß der vorliegenden Ausführung. Darüber hinaus ist 3 ein Längsschnitt des Brennstoffzellenstapels 1 gemäß der Ausführung.
Wie in den 2 und 3 gezeigt, enthält die Stromerzeugungszelle 10 eine Membranelektrodenanordnung 12, sowie einen ersten Separator 14 und einen zweiten Separator 16 als Paar von Metallseparatoren für Brennstoffzellen, welche die Membranelektrodenstruktur 12 zwischen sich aufnehmen.
Ein Oxidationsgaseinlasskanal 22a, ein Kühlmitteleinlasskanal 24a und ein Brenngasauslasskanal 26b, die jeweils in der der Dickerichtung der Stromerzeugungszelle 10 (Richtung X in 2) miteinander in Verbindung stehen, sind an der einen Endseite in Längsrichtung (Richtung Y in 2) der Stromerzeugungszelle 10 vorgesehen. Darüber hinaus sind an einem Brenngaseinlasskanal 26a, ein Kühlmittelauslasskanal 24b und ein Oxidationsgasauslasskanal 22b, die jeweils in Richtung X der Stromerzeugungszelle 10 miteinander in Verbindung stehen, an der anderen Endseite der Richtung Y der Stromerzeugungszelle 10 vorgesehen.
Der erste Separator 14 und der zweite Separator 16 sind z. B. aus Metallblechen, wie etwa Stahlblechen, Feinstahlblechen oder Aluminiumblechen, hergestellt.
Darüber hinaus ist, wie in 2 gezeigt, ein Dichtungselement, das den Außenumfangsrand des ersten Separators 14 umgibt, einstückig auf Oberflächen 140a und 140b des ersten Separators angeformt. Ähnlich ist ein Dichtungselement, das den Außenumfangsrand des zweiten Separators 16 umgibt, einstückig an Oberflächen 160a und 160b des zweiten Separators 16 angeformt. Zum Beispiel kann, als Dichtungselemente, ein Dichtungselement verwendet werden, das elastisch ist, wie etwa ein Dichtungsmaterial, ein Dämpfmaterial und ein Packungsmaterial, wie etwa EPDM (Ethylenpropylendiengummi), NBR (Nitrilbutadiengummi), Fluorgummi, Silikongummi, Fluorsilikongummi, Butylgummi, Naturgummi, Styrolgummi, Chloroprengummi und Acrylgummi.
Die Membranelektrodenanordnung 12 enthält z. B. eine Festpolymerelektrolytmembran 120, worin Wasser einen dünnen Perfluorsulfonsäurefilm imprägniert, und eine Kathode 122 und eine Anode 124, welche die Festpolymerelektrolytmembran 120 zwischen sich aufnimmt.
Die Kathode 122 und die Anode 124 enthalten jeweils eine Gasdiffusionsschicht, die aus Kohlepapier gebildet ist, sowie eine Katalysatorschicht, die gebildet wird, indem poröse Kohlenstoffpartikel, auf deren Oberfläche eine Platinlegierung aufgetragen ist, auf die Gasdiffusionsschicht aufgelagert wird. Diese beiden Elektroden werden auf die Festpolymerelektrolytmembran 120 gelegt, wobei die Gasdiffusionsschicht nach außen weist, so dass die Katalysatorschicht die Festpolymerelektrolytmembran 120 berührt.
Wie in den 2 und 3 gezeigt, ist ein Oxidationsgaskanal 142, der mit dem Oxidationsgaseinlasskanal 22a und dem Oxidationsgasauslasskanal 22b in Verbindung steht, an der Oberfläche 140a des ersten Separators 14 gegenüber der Membranelektrodenanordnung 12 ausgebildet. Es erstrecken sich eine Mehrzahl der Oxidationsgaskanäle 142 entlang der Richtung Y.
Ein Brenngaskanal 162, der mit dem Brenngaskanal 26a und dem Brenngasauslasskanal 26b in Verbindung steht, ist an der Oberfläche 160a ausgebildet, die der Membranelektrodenanordnung 12 des zweiten Separators 16 gegenüberliegt. Eine Mehrzahl der Brenngaskanäle 162 erstrecken sich entlang der Richtung Y.
Darüber hinaus wird durch den zweiten Separator 16 und den ersten Separator 14, die einander integriert überlappen, ein Kühlmittelkanal 240 gebildet, der von der Oberfläche 140b an einer von der Oberfläche 140a des ersten Separators 14 entgegengesetzten Seite und der Oberfläche 160b an einer von der Oberfläche 160a des zweiten Separators 16 entgegengesetzten Seite umschlossen ist. Eine Mehrzahl der Kühlmittelkanäle 240 erstreckt sich entlang der Richtung Y.
Wie in 3 gezeigt, sind der erste Separator 14 und der zweite Separator 16 Metallseparatoren für Brennstoffzellen in Wellblechform, die konkave Teile und konvexe Teile aufweisen. Hierin sind die konvexen Teile des Metallseparators für Brennstoffzellen der vorliegenden Ausführung durch konvexe Teile gebildet, welche die Membranelektrodenanordnung 12 berühren, und konvexe Teile, welche die konvexen Teile des anderen benachbarten Separators berühren.
Übrigens werden der erste Separator 14 und der zweite Separator 16 durch das später beschriebene Herstellungsverfahren hergestellt.
4 ist eine Querschnittsansicht eines Metallseparators gemäß der vorliegenden Ausführung. Insbesondere ist dies eine Querschnittsansicht in Richtung Z des ersten Separators 14 und des zweiten Separators 16, die einander benachbart sind.
Wie in 4 gezeigt, sind die konvexen Teile des ersten Separators 14 aus konvexen Teilen 145 gebildet, welche die Membranelektrodenanordnung 12 berühren (insbesondere eine Gasdiffusionsschicht 122a der Kathode 122), und dem konvexen Teil 143, das in Richtung von der Gasdiffusionsschicht 122a weg vorsteht und das konvexe Teil 164 des benachbarten zweiten Separators 16 berührt, wie später beschrieben. Eine Mehrzahl dieser konvexen Teile 143 und 145 sind sind zu jedem vorbestimmten Intervall in der Richtung Z angeordnet.
Darüber hinaus sind die konvexen Teile des zweiten Separators 16 aus konvexen Teilen 165 gebildet, welche die Membranelektrodenanordnung 12 berühren (insbesondere die Gasdiffusionsschicht 124a der Kathode 124) und dem konvexen Teil 164, das in Richtung von der Gasdiffusionsschicht 124a weg vorsteht und das konvexe Teil 143 des benachbarten ersten Separators 14 berührt. Eine Mehrzahl dieser konvexen Teile 164 und 165 sind zu jedem vorbestimmten Intervall in der Richtung Z angeordnet.
Der erste Separator 14 und der zweite Separator 16 haben die gleichen Konfiguration, wobei die konvexen Teile 145 des ersten Separators 14 den konvexen Teilen 165 des zweiten Separators 16 entsprechen, und die konvexen Teile 143 des ersten Separators 14 den konvexen Teilen 164 des zweiten Separators 16 entsprechen. Daher wird nachfolgend nur die Konfiguration des ersten Separators 14 im Detail erläutert.
Wie in 4 gezeigt, hat der erste Separator 14 eine Mehrzahl von konvexen Teilen 145 und konvexen Teilen 143, die in der Richtung Z aufeinander folgen. Die konvexen Teile und die konkaven Teile des ersten Separators 14 werden, wie später beschrieben, durch Pressformung ausgebildet; daher sind die konvexen Teile 145 gebildet aus einem flachen Abschnitt 145a und runden Abschnitten 145b und 145b, an denen die Ecke beider Enden in Richtung Z des flachen Abschnitts 145a eine abgerundete Form bilden. Darüber hinaus ist das konvexe Teil 143 auch gebildet aus einem flachen Abschnitt 143a und gerundeten Abschnitten 143b und 144b, an denen die Ecke beider Enden in Richtung Z des flachen Abschnitts 144a eine gerundete Form bilden.
Wie in 4 gezeigt, wird der Oxidationsgaskanal 142 gebildet, indem die konvexen Teile 142 des ersten Separators 14 die Gasdiffusionsschicht 122a der Kathode 122 abstützen. Obwohl hierbei ein vorbestimmter Kontaktdruck auf die Elektrodenoberfläche ausgeübt wird, wie oben erwähnt ist, ist, da die aus Kohlepapier bestehende Gasdiffusionsschicht 122a Flexibilität hat, ein Abschnitt am Oberende der konvexen Teile 145 des aus Metall hergestellten ersten Separators 14 innerhalb der Gasdiffusionsschicht 122a eingebettet. Aus diesem Grund berühren, zusätzlich zum flachen Abschnitt 145a, auch die runden Abschnitte 145b, 145b die Gasdiffusionsschicht 122a.
Daher ist unter den konvexen Teilen 145 des ersten Separators 14 ein Kontaktbereich 146, der ein die Membranelektrodenanordnung 12 berührender Abschnitt ist (insbesondere die Gasdiffusionsschicht 122a der Kathode 122), aus einem flachen Abschnitt 145a und runden Abschnitten 145b und 145b gebildet, welche die konvexen Teile 145 des ersten Separators 14 darstellen. In der vorliegenden Ausführung wird ein gitterförmiger dünner Edelmetallfilm 147 über die Gesamtoberfläche dieses Kontaktbereichs 146 hinweg ausgebildet. Insbesondere wird der dünne Edelmetallfilm nur an dem Kontaktbereich 146 der konvexen Teile 145 ausgebildet, und der dünne Edelmetallfilm wird nicht auf den konkaven Teilen ausgebildet.
Andererseits stützen die konvexen Teile 143 des ersten Separators 14 die konvexen Teile 164 des zweiten Separators 16 ab. Die Kühlmittelkanäle 240 werden durch die konvexen Teile 143 des ersten Separators 14 gebildet, der die konvexen Teile 164 des zweiten Separators 16 abstützt. Da der erste Separator 14 und der zweite Separator 16 beide metallisch sind, sind sie nicht ineinander eingebettet. Daher stützen die flachen Abschnitte 144a der konvexen Abschnitte 143 des ersten Separators 14 den Kontaktbereich der mit den konvexen Teilen 164 des zweiten Separators 16 ab. In der vorliegenden Ausführung wird auch auf der Oberfläche dieses flachen Abschnitts 144a der gitterförmige dünne Edelmetallfilm ausgebildet. Insbesondere wird der dünne Edelmetallfilm nur auf dem flachen Abschnitt 144a der konvexen Teile 143 ausgebildet, und der dünne Edelmetallfilm nicht auf den konkaven Teilen ausgebildet.
Der auf der Oberfläche des flachen Abschnitts 144a ausgebildete gitterförmige dünne Edelmetallfilm hat eine ähnliche Konfiguration wie der gitterförmige dünne Edelmetallfilm, der auf der Oberfläche des Kontaktbereichs 146 ausgebildet ist; daher ist auch der auf der Oberfläche des flachen Abschnitts 144a ausgebildete dünne Edelmetallfilm gitterförmig und wird im Detail nicht mehr erläutert.
5 zeigt schematisch den dünnen Edelmetallfilm 147, der auf der Oberfläche des ersten Separators 14 gemäß der vorliegenden Ausführung ausgebildet ist, wobei (A) eine Draufsicht von konvexen Teilen des Kontaktbereichs 146 zwischen den konvexen Teilen 145 des ersten Separators 14 und der Membranelektrodenanordnung 12 ist, und (B) eine Endansicht entlang Linie A-A in (A) ist.
Wie in 5(A) gezeigt, ist der dünne Edelmetallfilm 147 gitterförmig auf dem Kontaktbereich 146 ausgebildet, d. h. im Abschnitt der konvexen Teile 145, der die Membranelektrodenanordnung 12 berührt (insbesondere die Gasdiffusionsschicht 122a der Kathode 122). Darüber hinaus werden durch Ausbildung des gitterförmigen dünnen Edelmetallfilms 147 eine Mehrzahl von Löchern 148, welche von dem dünnen Edelmetallfilm 147 umgeben sind und die die Oberfläche des Separators 14 freilegt, in Gitterform ausgebildet. Übrigens sind die Löcher 148 an beiden Enden 149 und 149 in der Richtung Z des Kontaktbereichs 146 nicht ausgebildet.
Hier gibt eine Form, in der der dünne Edelmetallfilm 147 in einem Gitter ausgebildet wird und eine Mehrzahl von Löchern 148 in einem Gitter ausgebildet werden, eine Form an, worin die Löcher 148 in dem dünnen Edelmetallfilm 147 vorgesehen werden, wodurch die Metallseparatoroberfläche von den Löchern 148 freiliegt, und die Löcher 148 regelmäßig angeordnet sind. „Regelmäßig” bedeutet, dass die Mitte vom Großteil der Löcher 148 in vorbestimmten Intervallen auf einer Mehrzahl von virtuellen Linien L angeordnet sind, wie in 5(A) gezeigt. Übrigens können eine Mehrzahl der virtuellen Linien L in dem konvexen Teil 145 ausgebildet werden. Indem die Löcher 148 auf diese Weise regelmäßig angeordnet sind, ist es möglich, die Bewegung des abgegebenen Reaktionsprodukts Wasser zu steuern. In anderen Worten, das Reaktionsprodukt Wasser, das sich in der Mitte des konvexen Teils 145 befindet, bewegt sich auf dem dünnen Edelmetallfilm auf den virtuellen Linien L von einer zur anderen, und kann in jedem benachbarten Kanal abgegeben werden. Im Gegensatz hierzu wird, falls die Löcher 147 unregelmäßig angeordnet sind, die Bewegung des Reaktionsprodukts Wasser an einem bestimmten Abschnitt verhindert, und die Bewegung des Reaktionsprodukts Wasser wird unkontrollierbar.
In der vorliegenden Ausführung wird der dünne Edelmetallfilm 147 in der Form eines Gitters auf der Oberfläche des Kontaktbereichs 146 derart ausgebildet, dass die in Draufsicht der Mehrzahl von Löchern 148 im Wesentlichen kreisförmig ist. Die Form der Löcher 148 kann eine Form sein, die von einer glatten Kurve, wie etwa einer Ellipse, umschlossen ist. Der Gitterabstand W des gitterförmig ausgebildeten dünnen Edelmetallfilms 147 liegt im Bereich von 50 bis 200 μm. Darüber hinaus liegt der Druchmesser der Mehrzahl von Löchern 148 im Bereich von 50 bis 200 μm. Indem diese in diese Bereich gelegt werden, erhält man den später beschriebenen Effekte der vorliegenden Ausführung besonders zuverlässig.
Übriges beträgt in der vorliegenden Ausführung die Dicke der Festpolymerelektrolytmembran 120 20 bis 50 µm; wohingegen die Dicke des dünnen Edelmetallfilms 147 10 nm bis 100 nm beträgt. Darüber hinaus ist der Flächenanteil des dünnen Edelmetallfilms 147 auf dem Kontaktbereich 146 der konvexen Teile 145 40 bis 80%, und bevorzugt 55 bis 65%.
Als den dünnen Edelmetallfilm 147 darstellendes Edelmetall kann z. B. Gold, Silber, Rhodium, Platin oder eine Legierung mit diesen als Hauptkomponenten oder dergleichen verwendet werden. In der vorliegenden Ausführung wird Gold als Edelmetall verwendet, wodurch ein gitterförmiger dünner Goldfilm auf der Oberfläche des Kontaktbereichs 146 ausgebildet wird.
Im Übrigen hat der dünne Edelmetallfilm 147 die Eigenschaften, dass er nicht leicht Oxide bildet und wasserabstoßend ist; daher wird, durch Ausbildung des dünnen Edelmetallfilms 147 auf dem Kontaktbereich 146, eine Zunahme des Kontaktwiderstands zwischen dem ersten Separator 14 und der Membranelektrodenanordnung 12 vermieden, und es wird auch eine Abnahme der Klemmenspannung vermieden.
Der Brennstoffzellenstapel 1 gemäß der vorliegenden Ausführung mit der obigen Konfiguration arbeitet folgendermaßen: Zurück zu 2. Zuerst wird Oxidationsgas dem Brennstoffzellenstapel 1 durch eine nicht dargestellte Oxidationsgaszuführvorrichtung zugeführt. Dann fließt das zugeführte Oxidationsgas von dem Oxidationsgaseinlasskanal 22a hinein, und fließt durch den Oxidationsgaskanal 142, der zwischen der Festpolymerelektrolytmembran 120 und dem ersten Separator 14 ausgebildet ist. Hierdurch wird Oxidationsgas der Kathode 122 zugeführt.
Ferner wird hierbei Brenngas zum Brennstoffzellenstapel 1 durch eine nicht dargestellte Brenngaszuführvorrichtung zugeführt. Dann fließt das zugeführte Brenngas von dem Brenngaseinlasskanal 26a hinein und fließt durch den Brenngaskanal 162, der zwischen der Festpolymerelektrolytmembran 120 und dem zweiten Separator 16 ausgebildet ist. Hierdurch wird der Anode 124 Brenngas zugeführt.
Ferner wird hierbei Kühlmittel dem Brennstoffzellenstapel 1 durch eine nicht dargestellte Kühlmittelzuführvorrichtung zugeführt. Dann fließt das zugeführte Kühlmittel an dem Kühlmitteleinlasskanal 24a hinein und fließt durch den Kühlmittelkanal 240, der zwischen dem ersten Separator 14 und dem zweiten Separator 16 ausgebildet ist.
Durch die elektrochemische Reaktion, die zwischen dem der Kathode 122 zugeführten Oxidationsgas und dem der Anode 124 zugeführten Brenngas stattfindet, wird in der Membranelektrodenanordnung 12 elektrischer Strom erzeugt. Die Membranelektrodenanordnung 12 wird durch die Wärmeerzeugung der elektrischen Stromerzeugung erwärmt und wird durch das Kühlmittel gekühlt, das durch den Kühlmittelkanal 240 fließt.
Darüber hinaus wird bei der elektrischen Stromerzeugung an der Kathodenseite, einhergehend mit der elektrochemischen Reaktion, Wasser erzeugt, und dies bewegt sich durch die Festpolymermembran 120 zur Anodenseite hin. Abgesehen davon, dass es durch den Fluss durch die jeweiligen Gaskanäle abgegeben wird, fließt dieses Reaktionsprodukt Wasser in die Grenze des Kontaktbereichs 146 zwischen den konvexen Teilen 145 der jeweiligen Separatoren und der Membranelektrodenanordnung 12. Hierbei fließt das Reaktionsprodukt Wasser, das in die Grenze des Kontaktbereichs 146 hineingeflossen ist, glattgängig über den gitterförmigen dünnen Edelmetallfilm 147, der auf dem Kontaktbereich 146 der jeweiligen Separatoren ausgebildet ist, fließt in die Löcher 148 hinein und verbleibt innerhalb der Löcher 148.
Anschließend wird das Oxidationsgas, das der Kathode 122 zugeführt und verbraucht wird, von dem Oxidationsgasauslasskanal 22b abgeführt, und das Brenngas, das der Anode 124 zugeführt und verbraucht ist, wird von dem Brenngaskanal 26b abgeführt. Darüber hinaus wird das Kühlmittel, das beim Kühlen der Membranelektrodenanordnung 12 verwendet wird, von dem Kühlmittelauslasskanal 24b abgeführt.
Nachfolgend wird ein Verfahren zur Herstellung eines Metallseparators für Brennstoffzellen gemäß einer Ausführung erläutert. Das Verfahren zur Herstellung eines Metallseparators für Brennstoffzellen gemäß der vorliegenden Ausführung enthält einen Formungsschritt und einen dünnen Edelmetallfilmbildungsschritt.
In dem Formungsschritt wird ein dünnes Metallblech durch Pressformung zu einer Wellblechform umgeformt. Insbesondere wird ein dünnes Metallblech zu einer Wellblechform mit Konvexitäten und Konkavitäten durch Ziehen geformt, unter Verwendung einer herkömmlichen Pressformvorrichtung. Als das dünne Metallblech kann z. B. ein Stahlblech, rostfreies Stahlblech, Aluminiumblech oder dergleichen verwendet werden.
In dem dünnen Edelmetallfilmbildungsschritt wird, unter den konvexen Teilen des dünnen Metallblechs, das zu einem Wellblech mit Konvexitäten und Konkavitäten umgeformt worden ist, ein dünner Edelmetallfilm auf einer Oberfläche eines Kontaktbereichs ausgebildet, der die Membranelektrodenanordnung kontaktiert, wenn es auf die Membranelektrodenanordnung geschichtet ist. Genauer gesagt, der dünne Edelmetallfilm wird so ausgebildet, dass Durchgangslöcher, durch die der erste Separator freiliegt, in dem dünnen Edelmetallfilm ausgebildet werden. In der vorliegenden Ausführung wird als Verfahren zur Ausbildung des dünnen Edelmetallfilms ein Tintenstrahldruckverfahren angewendet.
6 ist eine Ansicht, die den dünnen Edelmetallfilmbildungsschritt gemäß dem Tintenstrahldruckverfahren zeigt. Wie in 6 gezeigt, enthält eine beim Tintenstrahldruckverfahren verwendete Tintenstrahlvorrichtung 5: einen Tintenbehälter 52, in dem Tinte 50 aufgenommen ist, eine Tintenzuführleitung 54 zum Zuführen der Tinte 50 und einen Tintenstrahlkopf 56, der mit einer Mehrzahl von Sprühdüsen (nicht dargestellt) versehen ist, die die Tintenzuführleitung 54 zugeführte Tinte 50 zu dem Kontaktbereich 146 des ersten Separators 14 spritzen.
Als Tinte 50 kann eine Tinte verwendet werden, die durch Dispergieren von Edelmetallpartikeln in organischem Lösungsmittel, mit der Wirkung eines Dispersionsmittels, hergestellt wird. Als Dispersionsmittel wird ein Dispersionsmittel mit einer hydrophilen Gruppe und einer hydrophoben Gruppe verwendet, wobei die hydrophile Gruppe zur Oberfläche der Edelmetallpartikel koordiniert, und die Edelmetallpartikel durch Lösung mittels der hydrophoben Gruppe stabil in dem organischen Lösungsmittel dispergiert werden.
Zum Beispiel können, als die Edelmetallpartikel, Goldpartikel, Silberpartikel, Rhodiumpartikel, Platinpartikel oder dergleichen verwendet werden, und in der vorliegenden Ausführung werden Goldpartikel als Edelmetallpartikel verwendet. Im Übrigen beträgt die Größe der Edelmetallpartikel nicht mehr als einige zehn Nanometer.
Eine Mehrzahl von Sprühdüsen, die in dem Tintenstrahlkopf 46 enthalten sind, sind mit dem gleichen Intervall wie der Intervall zwischen der Mehrzahl von benachbarten Kontaktbereichen 146 vorgesehen. Da eine Mehrzahl von Sprühdüsen an dem Tintenstrahlkopf 46 vorgesehen sind, ist es möglich, gleichzeitig ein regelmäßiges Muster auf der Mehrzahl von Kontaktbereichen 146 der konvexen Teile 145 zu erzeugen. In anderen Worten ist es mit diesen Sprühdüsen möglich geworden, unter Verwendung der Tinte 50 auf den Kontaktbereichen 146 ein Gittermuster zu zeichnen.
Bei der Ausführung des Tintenstrahldrucks wird der erste Separator 14 durch einen nicht dargestellten Fördermechanismus gefördert, während der Tintenstrahlkopf 56 mittels eines nicht dargestellten Zeilenmechanismus zeilenmäßig bewegt wird, nach Bedarf in Abhängigkeit von der Beziehung zwischen der Breite des Tintenstrahlkopfs 46 und der Auftragungsbreite. Hierdurch wird auf der Gesamtheit der Kontaktbereichs des ersten Separators 14 mit der Tinte 50 ein Gittermuster gezeichnet.
Nach dem Zeichnen des Gittermusters mit der Tinte 50 auf den Kontaktbereichen 146 mittels der Tintenstrahlvorrichtung 50 wird mit einer nicht dargestellten Heizvorrichtung eine Wärmebehandlung ausgeführt. Die Wärmebehandlungsbedingungen werden in Abhängigkeit vom verwendeten Tintentyp eingestellt, und z. B. wird die Wärmebehandlung bei 300°C für 30 Minuten ausgeführt. Dann werden die organischen Komponenten in der Tinte 50 (Dispersionsmittel und organisches Lösungsmittel) oxidativ ersetzt und beseitigt, und die verbleibenden Edelmetallpartikeln sintern und werden integriert, wodurch der dünne Edelmetallfilm ausgebildet wird. Hierbei wird das Gittermuster durch die Tinte 50 beibehalten, und wird der gitterförmige dünne Edelmetallfilm ausgebildet.
Im Übrigen wird vor der Bildung des dünnen Edelmetallfilms durch das Tintenstrahldruckverfahren ein herkömmlicher bekannter Waschprozess ausgeführt. Zum Beispiel werden, nach Ausführung einer Alkaliwäsche als Entfettungsprozess auf dem dünnen Metallblech nach dem Formungsschritt, ein eine Plasmawäsche und eine UV-Ozonwäsche daran ausgeführt, und wird dann dem Dünner-Edelmetallfilm-Bildungsschritt unterzogen. Hierdurch wird die Ausbildung eines dünnen Edelmetallfilms möglich, der eine überragende Haftfähigkeit an dem Metallseparator für Brennstoffzellen hat.
Gemäß der vorliegenden Ausführung erhält man die folgenden Effekte.
In der vorliegenden Ausführung wird der aus Metall hergestellte erste Separater 14 zu einer Wellblechform mit Konvexitäten und Konkavitäten umgeformt, und der dünne Edelmetallfilm 147 wird auf der Oberfläche der konvexen Teile 145 davon ausgebildet. Darüber hinaus werden in der vorliegenden Ausführung die Löcher 148, durch die der Separater 14 freiliegt, in dem dünnen Edelmetallfilm 147 ausgebildet.
Hierin hat der dünne Edelmetallfilm 147 die Eigenschaft, dass er nicht leicht Oxide erzeugt und wasserabstoßend ist. Andererseits haben die Löcher 148 die Eigenschaft, dass auf der Oberfläche des ersten Separators 14 tendentiell Oxide erzeugt werden und diese hydrophil sind. Aus diesem Grund fließt das Reaktionsprodukt Wasser, das durch die Reaktion an der Membranelektrodenanordnung 12 erzeugt wird und in die Grenze zu dem ersten Separator 14 fließt, glattgängig in die Löcher 148 und verbleibt darin. Die nasse Umgebung der Membranelektrodenanordnung 12 kann hierdurch angeglichen werden, weil das Reaktionsprodukt Wasser gleichmäßig an der Grenze zwischen der Membranelektrodenanordnung 12 und dem ersten Separator 14 verbleibt, ohne sich ungleichmäßig zu verteilen.
Weil darüber hinaus z. B. in Hochlastbetrieb das Reaktionsprodukt Wasser im Überschuss erzeugt wird, überschreitet die Menge des Reaktionsprodukts Wasser, das in die Löcher 148 fließt, die Kapazität der Löcher 148. Dann beginnt das Reaktionsprodukt Wasser damit, aus den Löchern 148 überzufließen und fließt glattgängig über den wasserabstoßenden dünnen Edelmetallfilm 147 fließt aus den jeweiligen benachbarten Kanälen hinaus. Auch während Hochlastbetrieb verteilt sich das Reaktionsprodukt Wasser nicht ungleichmäßig an der Grenze zwischen der Membranelektrodenanordnung 12 und dem ersten Separator 14, wodurch die Umgebung der Membranelektrodenanordnung 12 gleichmäßig nass bleibt.
Da hingegen z. B. während Niederlastbetrieb nur eine geringe Menge des Reaktionsprodukts Wasser erzeugt wird, wird das Reaktionsprodukt Wasser, das während Hochlastbetrieb in den Löchern 148 zurückgehalten wird, zur Membranelektrodenanordnung 12 hin geleitet. Hierdurch wird eine Änderung in der nassen Umgebung der Membranelektrodenanordnung 12 auch während Niederlastbetrieb vermieden, und daher bleibt die Umgebung gleichmäßig nass.
Daher kann in der vorliegenden Ausführung die Umgebung der Membranelektrodenanordnung 12 ausgeglichen werden, unabhängig vom Betriebszustand der Brennstoffzelle.
Ferner kann der Kontaktwiderstand zwischen dem ersten Separator 14 und dem zweiten Separator 16 durch den dünnen Edelmetallfilm gesenkt werden, der mit Löchern ausgebildet ist, die zu dem aus Metall hergestellten ersten Separator 14 freiliegen, und der auf einer Oberfläche des Kontaktbereichs (flachen Abschnitten 144a) der konvexen Teile des aus Metall hergestellten ersten Separators 14 ausgebildet sind, die mit den konvexen Teilen des aus Metall hergestellten zweiten Separators 16 in Kontakt stehen.
Falls übrigens ein inverses Gittermuster, worin die Position des dünnen Edelmetallfilms 147 und der Löcher 148 umgekehrt sind, d. h. in einem Fall, wo der dünne Edelmetallfilm 147 regelmäßig inselförmig in dem Kontaktbereich 146 der konvexen Teile 147 des ersten Separators 14 angeordnet ist, kann die nasse Umgebung der Membranelektrodenanordnung 12 nicht angeglichen werden, weil die Strömungsrichtung des Reaktionsprodukts Wasser, das in die Grenze zwischen Membranelektrodenanordnung 12 und dem ersten Separator 14 hineinfließt, nicht kontrolliert werden kann und sich daher an der Grenze das Reaktionsprodukt Wasser ungleichmäßig verteilt.
Darüber hinaus sind in der vorliegenden Ausführung die Löcher 148 in der Oberfläche des Kontaktbereichs 146 regelmäßig ausgebildet. Die nasse Umgebung der Membranelektrodenanordnung 12 kann hierdurch noch gleichmäßiger gemacht werden, weil das Reaktionsprodukt Wasser noch gleichmäßiger zurückgehalten wird, ohne sich an der Grenze zwischen der Membranelektrodenanordnung 12 und dem ersten Separator 14 ungleichmäßig zu verteilen. Darüber hinaus kann die nasse Umgebung der Membranelektrodenanordnung 12 weiter angeglichen werden, unabhängig vom Betriebszustand der Brennstoffzelle.
Darüber hinaus erhält man gemäß dem Verfahren zur Herstellung eines Metallseparators für Brennstoffzellen gemäß der vorliegenden Ausführung die gleichen Effekte wie oben angegeben. Insbesondere ist es durch Verwendung des Tintenstrahldruckverfahrens möglich, bei geringen Kosten und einfachem Betrieb einen Metallseparator für Brennstoffzellen herzustellen, worin ein gitterförmiger dünner Edelmetallfilm auf einer Oberfläche ausgebildet wird.
Insbesondere ist z. B. in einem Plattierungsprozess eine Maskierung erforderlich, um einen gitterförmigen dünnen Edelmetallfilm auszubilden, und ferner sind, nach dem Plattierungsprozess, ein Polierprozess sowie Wasch-Trockungs-Prozesse zur chemischen Entfernung erforderlich, und daher ist der Betrieb kompliziert und wird teuer. Weil im Gegensatz hierzu beim Tintenstrahldruck der gitterförmige dünne Edelmetallfilm 147 ohne Maskierung an den gewünschten Positionen ausgebildet werden kann, genügt es, nach dem Druck einfach eine Wärmebehandlung auszuführen, wodurch der Betrieb vereinfacht und die Kosten verringert werden können. Ferner wird es, als Charakteristikum des Tintenstrahldrucks, möglich, einen dünneren und gleichmäßigeren Edelmetallfilm 147 ohne Oberflächenunregelmäßigkeit auszubilden; daher erhält man die vorgenannten Effekte, während die verwendete Menge des teuren Edelmetalls verringert wird.
Übrigens ist die vorliegende Erfindung nicht auf die oben erwähnte Ausführung beschränkt, und Modifikationen, Verbesserungen und dergleichen innerhalb eines Umfangs, der die Aufgabe der vorliegenden Erfindung lösen kann, sind in der vorliegenden Erfindung mit eingeschlossen.
In der oben erwähnten Ausführung sind die in 5(A) gezeigten Löcher 148 in vorbestimmten Intervallen auf einer Mehrzahl von virtuellen geraden Linien L angeordnet, und alle benachbarten Löcher 148 in der Z-Richtung sind auf der gleichen geraden Linie angeordnet. Jedoch ist die Erfindung darauf nicht beschränkt. Zum Beispiels ist 7 eine Draufsicht eines Kontaktbereichs 146A zwischen konvexen Teile 145A eines ersten Separators 14A und der Membranelektrodenanordnung gemäß einem modifizierten Beispiel der oben genannten Ausführung; jedoch können, wie in 7 gezeigt, Löcher 148A auch an vorbestimmten Intervallen auf einer Mehrzahl von virtuellen geraden Linien L angeordnet werden, und die benachbarten Löcher 148A können um ein vorbestimmtes Intervall in Z-Richtung gestaffelt angeordnet werden.
8 ist eine Draufsicht auf einen Kontaktbereich 1466 zwischen konvexen Teilen 146B eines ersten Separators 14B und der Membranelektrodenanordnung gemäß einem modifizierten Beispiel der oben erwähnten Ausführung; jedoch können auch, wie in 8 gezeigt, Löcher 148B in beiden Enden 149B, 149B in der Z-Richtung des Kontaktbereichs 146B ausgebildet werden. Gemäß diesem modifizierten Beispiel sind an beiden Enden 149B, 149B in der Z-Richtung benachbart den jeweiligen Kanälen ein Abschnitt, an dem ein dünner Edelmetallfilm 142B ausgebildet ist und ein Abschnitt, in dem die Löcher 148B ausgebildet sind, vorhanden, und daher sind Abschnitte mit unterschiedlichen Funktionen vorhanden. Hierdurch wird es möglich, Reaktionsgas durch Abweisen des Reaktionsprodukts Wasser an dem Abschnitt, auf dem der dünne Edelmetallfilm 147B ausgebildet ist, glattgängig einzuleiten. Weil darüber hinaus an dem Abschnitt, an dem die Löcher 148B ausgebildet sind, Oxide an der Oberfläche des Metallseparators entstehen, wird das Reaktionsprodukt Wasser in die jeweiligen benachbarten Kanäle eingeführt (eingezogen), und kann effizient in diese abgeführt werden.
Im Übrigen können die Löcher 148B auch über einem Bereich von einem flachen Abschnitt 147a zu einem runden Abschnitt 145b vorgesehen sein, oder können nur in dem runden Bereich 145b vorgesehen sein.
Obwohl darüber hinaus der dünne Edelmetallfilm 147 so ausgebildet ist, dass in der oben erwähnten Ausführung die Form der Mehrzahl von Löchern 148 in Draufsicht angenähert kreisförmig ist, kann z. B. der dünne Edelmetallfilm auch so ausgebildet werden, dass die Form der Mehrzahl von Löchern im Wesentlichen dreieckig oder im Wesentlichen quadratisch ist. In den 9 bis 12 sind modifizierte Beispiele der oben erwähnten Ausführung gezeigt, worin der dünne Edelmetallfilm so ausgebildet ist, dass die Form der Mehrzahl von Löchern im Wesentlichen dreieckförmig oder im Wesentlichen quadratisch ist. Wie in den 9 und 12 gezeigt, ist es möglich, die Form der Löcher im Wesentlichen dreieckig oder im Wesentlichen quadratisch zu machen, indem die Tinte mit einer Mehrzahl von Edelmetall enthaltenden Punkten verbunden wird.
Zum Beispiel ist 9 eine Draufsicht eines Tintenmusters aus edelmetallhaltigen Punkten auf einem Kontaktbereich 146C zwischen konvexen Teilen 145C eines ersten Separators 14C und der Membranelektrodenanordnung gemäß einem modifizierten Beispiel der oben genannten Ausführung. Wie in 9 gezeigt, wird der dünne Edelmetallfilm 147C durch eine Mehrzahl von kreisförmigen Punkten 150C gebildet. Die Mehrzahl von kreisförmigen Punkten 150C sind in der Y-Richtung und der Z-Richtung regelmäßig angeordnet, und die benachbarten Punkte 150C berühren sich. Die Löcher 148C sind von vier von solchen Punkten 150C umgeben. Die Löcher 148C sind im Wesentlichen quadratisch, und sie sind in der Y-Richtung und Z-Richtung regelmäßig angeordnet, ähnlich wie die Punkte 150C.
Auch 10 zeigt ein Tintenmuster von Edelmetall enthaltenden Punkten an einem Kontaktbereich 146D zwischen konvexen Teilen 145D eines ersten Separators 14D und der Membranelektrodenanordnung gemäß einem modifizierten Beispiel der oben genannten Ausführung, wobei in (A) eine Draufsicht ist, (B) eine Endansicht entlang der Linie B-B in (A) ist und (C ) eine Endansicht entlang der Linie C-C in (A) ist. Wie in 10(A) gezeigt, wird der dünne Edelmetallfilm 147D durch eine Mehrzahl von kreisförmigen Punkten 150D ausgebildet. Die Mehrzahl der kreisförmigen Punkte 150D ist in der Y-Richtung und der Z-Richtung regelmäßig angeordnet, ähnlich dem in 9 gezeigten Muster; jedoch überlappen benachbarte Punkte 150D in der Y-Richtung und der Z-Richtung einander teilweise. Die Form und Größe der Bereiche, worin die benachbarten Punkte 150D überlappen, sind alle gleich. Die Löcher 148D sind von vier solchen Punkten 150D umgeben. Die Löcher 148D sind im Wesentlichen quadratisch, und sie sind in der Y-Richtung und Z-Richtung regelmäßig angeordnet, ähnlich den Punkten.
Wie darüber hinaus in den 10(B) und 10(C) gezeigt, wird an den Orten, wo benachbarte Punkte 150D überlappen, die Filmdicke des dünnen Edelmetallfilms 147D dicker als an den Orten, wo sie nicht überlappen. Dieser Ort mit der dicken Filmdicke wirkt als Führungswand, um das Reaktionsprodukt Wasser zu den Löchern 148D zu leiten. Das Reaktionsprodukt Wasser wird hierdurch effektiv in die Löcher 148D geleitet und daher zurückgehalten.
Auch 11 ist eine Draufsicht eines Tintenmusters von edelmetallhaltigen Punkten an einem Kontaktbereich 146E zwischen konvexen Teilen 145E eines ersten Separators 14E und der Membranelektrodenanordnung gemäß einem modifizierten Beispiel der oben genannten Ausführung. Wie in 11 gezeigt, wird der dünne Edelmetallfilm 147E durch eine Mehrzahl von kreisförmigen Punkten 150E ausgebildet. Die Mehrzahl der kreisförmigen Punkte 150E ist in der Y-Richtung regelmäßig angeordnet, und benachbarte Punkte 150E in der Z-Richtung sind um ihren Radius in Y-Richtung verschoben angeordnet, und benachbarte Punkte 150E berühren sich. In anderen Worten, das in 11 gezeigte Tintenmuster aus edelmetallhaltigen Punkten ist ein Muster, worin die Punkte 150E auf der ebenen Oberfläche eng gepackt sind. Die Löcher 148E sind jeweils von drei solchen Punkten 150E umgeben. Die Löcher 148E sind im Wesentlichen dreieckig, und sind in der Y-Richtung und der Z-Richtung regelmäßig angeordnet.
Auch 12 ist eine Draufsicht eines Tintenmusters aus edelmetallhaltigen Punkten an einem Kontaktbereich 146F zwischen konvexen Teilen 145F eines ersten Separators 14F und der Membranelektrodenanordnung gemäß einem modifizierten Beispiel der oben genannten Ausführung. Wie in 12 gezeigt, wird ein dünner Edelmetallfilm 147F durch eine Mehrzahl von kreisförmigen Punkten 150F gebildet. Ein Abschnitt (die auf den zusätzlichen Linien 153, 153 angeordneten Punkte 150F) der Mehrzahl von kreisförmigen Punkten 150F ist regelmäßig angeordnet, und andere sind unregelmäßig angeordnet, und es gibt somit einige Orte, an denen benachbarte Punkte 150F einander berühren, und es gibt einige überlappende Orte. Obwohl die Löcher 148F von den Punkten 150F umgeben sind, gibt es Löcher 148F mit verschiedenen Formen und Größen. Weil darüber hinaus ein Teil der Mehrzahl von kreisförmigen Punkten 150F regelmäßig angeordnet ist, ist auch ein Teil der Mehrzahl von Löchern 148F regelmäßig angeordnet. Eine im Wesentlichen quadratische Form, ähnlich wie dem in den 9 und 10 gezeigten Muster, eine im Wesentlichen dreieckige Form, ähnlich dem in 11 gezeigten Muster, und eine verzerrte, im Wesentlichen rechteckige Form, wie in 12 gezeigt, oder dergleichen, können als Beispiel der Löcher 147F angegeben werden.
Im Übrigen haben die überlappenden Orte eine Filmdicke des dünnen Edelmetallfilms 147F, die dick wird, wie oben erwähnt, und als Führungswand wirkt, die das Reaktionsprodukt Wasser zu den Löchern 148F leitet, wodurch das Reaktionsprodukt Wasser effizient in die Löcher 148F gleitet und dort zurückgehalten wird.
In den in den 9 bis 12 gezeigten modifizierten Beispielen der oben erwähnten Ausführung sind die Löcher so ausgebildet, dass sie von dem dünnen Edelmetallfilm umgeben sind, der durch Verbindung von punktförmiger, edelmetallhaltiger Tinte gebildet ist. Hierdurch wird es möglich, auf leichte Weise einen Metallseparator für Brennstoffzellen zu erhalten, auf dessen Oberfläche ein gitterförmiger dünner Edelmetallfilm ausgebildet ist.
Obwohl in den in den 9 bis 12 aufgezeigten modifizierten Beispielen der oben erwähnten Ausführung Muster, worin die punktförmige edelmetallhaltige Tinte kreisförmige Punkte 150 bildet, wie in 13(a) gezeigt, ist die Form der punktförmigen edelmetallhaltigen Tinte hierauf nicht beschränkt. Zum Beispiel kann die punktförmige edelmetallhaltige Tinte auch elliptische Punkte 151 bilden, wie in 13(b) gezeigt, oder verzerrte kreisförmige Punkte 152, wie in 13(c) gezeigt.
Die Erfindung dient zum Bereitstellen eines Metallseparators für Brennstoffzellen, der die nasse Umgebung einer Membranelektrodenanordnung gleichmäßig machen kann, sowie ein Herstellungsverfahren davon. Ein Metallseparator für Brennstoffzellen und ein Herstellungsverfahren davon sind dadurch gekennzeichnet, dass ein aus Metall hergestellter erster Separator (14), der in einer Membranelektrodenanordnung (12) geschichtet ist, worin ein Paar von Elektroden von beiden Seiten einer Festpolymerelektrolytmembran (120) vorgesehen ist, zu einer Wellblechform mit konvexen Teilen und konkaven Teilen umgeformt wird, ein dünner Edelmetallfilm (147) auf einem konvexen Teil (145) des ersten Separators (14) ausgebildet wird, und Löcher (148), durch die der erste Separator (14) frei liegt, in dem dünnen Edelmetallfilm (147) ausgebildet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2007-141819 A [0005, 0007, 0007]

Claims

Metallseparator (14, 14A, 14B, 14C, 14D, 14E, 14F, 16) für Brennstoffzellen, der auf eine Membranelektrodenanordnung (12) gelegt ist, in der ein Paar von Elektroden (122, 124) an beiden Seiten einer Elektrolytmembran (120) vorgesehen ist, worin der Metallseparator (14, 14A, 14B, 14C, 14D, 14E, 14F, 16) für Brennstoffzellen zu einer Wellblechform mit einem konvexen Teil (145, 145A, 145B, 145C, 145D, 145E, 145F) und einem konkaven Teil geformt ist, worin ein dünner Edelmetallfilm (147, 147A, 147B, 147C, 147D, 147E, 147F) auf dem konvexen Teil (145, 145A, 145B, 145C, 145D, 145E, 145F) des Metallseparators (14, 14A, 14B, 14C, 14D, 14E, 14F, 16) für Brennstoffzellen ausgebildet ist, und worin Löcher (148, 148A, 148B, 148C, 148D, 148E, 148F), durch die der Metallseparator (14, 14A, 14B, 14C, 14D, 14E, 14F, 16) für Brennstoffzellen frei liegt, in dem dünnen Edelmetallfilm (147, 147A, 147B, 147C, 147D, 147E, 147F) ausgebildet sind.
Metallseparator (14, 14A, 14B, 14C, 14D, 14E, 14F, 16) für Brennstoffzellen nach Anspruch 1, worin die Löcher in der Oberfläche des konvexen Teils regelmäßig ausgebildet sind.
Metallseparator (14, 14A, 14B, 14C, 14D, 14E, 14F, 16) für Brennstoffzellen nach Anspruch 1 oder 2, worin die Löcher (148, 148A, 148B, 148C, 148D, 148E, 148F) von dem dünnen Edelmetallfilm (147, 147A, 147B, 147C, 147D, 147E, 147F) umgeben sind, der durch miteinander verbundene punktförmige, edelmetallhaltige Tinte gebildet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Metallseparators (14, 14A, 14B, 14C, 14D, 14E, 14F, 16) für Brennstoffzellen, der auf eine Membranelektrodenanordnung (12) gelegt ist, in dem ein Paar von Elektroden (122, 124) an beiden Seiten einer Elektrolytmembran (120) vorgesehen ist, wobei das Verfahren umfasst: einen Dünner-Edelmetallfilm-Bildungsschritt zur Bildung eines dünnen Edelmetallfilms (147, 147A, 147B, 147C, 147D, 147E, 147F) auf einem konvexen Teil (145, 145A, 145B, 145C, 145D, 145E, 145F) eines dünnen Metallblechs, das zu einer Wellblechform geformt worden ist, die konvexe Teile und konkave Teile aufweist, worin der dünne Edelmetallfilm (147, 147A, 147B, 147C, 147D, 147E, 147F) in dem Dünner-Edelmetallfilm-Bildungsschritt so ausgebildet wird, dass Löcher (148, 148A, 148B, 148C, 148D, 148E, 148F), durch die der Metallseparator (14, 14A, 14B, 14C, 14D, 14E, 14F, 16) für Brennstoffzellen frei liegt, in dem dünnen Edelmetallfilm (147, 147A, 147B, 147C, 147D, 147E, 147F) gebildet werden.
Verfahren zur Herstellung eines Metallseparators (14, 14A, 14B, 14C, 14D, 14E, 14F, 16) für Brennstoffzellen nach Anspruch 4, worin der dünne Edelmetallfilm (147, 147A, 147B, 147C, 147D, 147E, 147F) in dem Dünner-Edelmetallfilm-Bildungsschritt mittels eines Tintenstrahldruckverfahrens gebildet wird.