DE102018109973A1

DE102018109973A1 - Separator für brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102018109973A1
Application number: DE102018109973.8A
Authority: DE
Inventors: Satoshi Takata; Tomonari Kogure
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-05-19
Filing date: 2018-04-25
Publication date: 2018-11-22
Also published as: CN108963296B; CN108963296A; US10903506B2; US20180337415A1; JP6870470B2; JP2018195515A

Abstract

Bereitgestellt wird ein Separator für eine Brennstoffzelle, welcher eine Verringerung der Stromerzeugungsleistung der Brennstoffzelle durch Verringerung des Kontaktwiderstandes des Separators unterdrücken kann. Insbesondere wird ein Separator für eine Brennstoffzelle bereitgestellt, wobei der Separator geeignet ist, in Kontakt mit einer MEGA (Stromerzeugungsabschnitt) einschließlich einer Membranelektrodeneinheit der Brennstoffzelle zu sein, um die MEGA von einer MEGA einer benachbarten Brennstoffzelle zu trennen, wobei der Separator ein Metallsubstrat aus Metall; und ein Zinnoxid-Film umfasst, welcher eine Oberfläche des Metallsubstrats auf der Seite der MEGA bedeckt. Der Zinnoxid-Film ist aus Zinnoxid, welches 0,2 bis 10 Atom% Antimon enthält.

Description

HINTERGRUND
Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Separator für eine Brennstoffzelle, wobei der Separator geeignet ist, um in Kontakt mit einem Stromerzeugungsabschnitt einschließlich einer Membranelektrodeneinheit der Brennstoffzelle zu stehen, um den Stromerzeugungsabschnitt von einem Stromerzeugungsabschnitt einer benachbarten Brennstoffzelle zu trennen.
Stand der Technik
Eine Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle weist eine Membranelektrodeneinheit (MEA) auf, welche eine Elektrolytmembran mit Ionendurchlässigkeit bzw. Ionenpermeabilität, und anodenseitige und kathodenseitige Katalysatorschichten (Elektrodenschichten) umfasst, wobei die Elektrolytmembran dazwischen angeordnet ist. Die MEA weist außerdem Gasdiffusionsschichten (GDL) auf gegenüberliegenden Seiten derselben auf, um Brenngas oder Oxidationsgas der MEA zuzuführen, und um durch elektrochemische Reaktionen erzeugten Strom bzw. Elektrizität zu sammeln. Eine derartige Membranelektrodeneinheit, welche mit GDL auf gegenüberliegenden Seiten derselben versehen ist, wird als MEGA (Membranelektrode & Gasdiffusionsschichteinheit) bezeichnet, und die MEGA ist zwischen einem Paar von Separatoren angeordnet. Die MEGA ist hier der Stromerzeugungsabschnitt der Brennstoffzelle. Wenn keine Gasdiffusionsschichten angeordnet sind, ist die MEA der Stromerzeugungsabschnitt der Brennstoffzelle.
Für einen derartigen Separator für eine Brennstoffzelle, schlägt zum Beispiel JP H08-185870 A den nachstehenden Separator vor. Insbesondere umfasst der Separator ein Substrat aus Cermet, welches aus einem wärmebeständigen bzw. widerstandsfähigen bzw. hochschmelzenden, Chrom und Keramik enthaltenden Metall besteht bzw. zusammengesetzt ist, und einem Schutzfilm aus Metalloxid, welcher eine Oberfläche des Substrats auf der Seite des Kathodengases bedeckt, um die Oberfläche vor dem Kontakt mit dem Kathodengas zu schützen. Ferner stellt JP H08-185870 A mit Antimon dotiertes Zinnoxid als ein Beispiel eines derartigen Metalloxids beispielhaft dar.
ZUSAMMENFASSUNG
Gemäß dem Separator für eine Brennstoffzelle von JP H08-185870 A wird die Diffusion von Chrom zur Kathodenelektrode derart unterdrückt, dass eine Verringerung der Stromerzeugungsleistung der Brennstoffzelle unterdrückt werden kann. Selbst wenn ein derartiger Schutzfilm bereitgestellt wird, wäre es jedoch schwierig eine Verringerung der Stromerzeugungsleistung der Brennstoffzelle zu unterdrücken, außer, wenn ein elektrischer Kontaktwiderstand bzw. Übergangswiderstand auf einer Oberfläche des Separators für die Brennstoffzelle unterdrückt werden kann, welcher im Kontakt mit einem Stromerzeugungsabschnitt einschließlich einer Membranelektrodeneinheit ist.
Die vorliegende Offenbarung ist hinsichtlich des Vorstehenden gemacht worden, und beispielhafte Ausführungsformen betreffen die Bereitstellung eines Separators für eine Brennstoffzelle, welcher eine Verringerung in der Stromerzeugungsleistung der Brennstoffzelle durch Verringern des Kontaktwiderstandes mindestens zwischen dem Separator und einem Stromerzeugungsabschnitt unterdrücken kann.
Dementsprechend ist der Separator für eine Brennstoffzelle in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung ein Separator für eine Brennstoffzelle, wobei der Separator angepasst ist, um in Kontakt mit einem Stromerzeugungsabschnitt einschließlich einer Membranelektrodeneinheit der Brennstoffzelle zu sein, um den Stromerzeugungsabschnitt von einem Stromerzeugungsabschnitt einer benachbarten Brennstoffzelle zu trennen, wobei der Separator ein Metallsubstrat aus Metall und ein Zinnoxid-Film umfasst, welcher zumindest eine Oberfläche des Metallsubstrats auf der Seite des Stromerzeugungsabschnittes bedeckt. Der Zinnoxid-Film ist aus Zinnoxid, welches 0,2 bis 10 Atom% Antimon enthält, hergestellt.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung wird das Zinnoxid des Zinnoxid-Films hergestellt, um die vorstehend genannte Menge an Antimon zu enthalten, wobei die Leitfähigkeit des Zinnoxid-Films erhöht werden kann und somit der Kontaktwiderstand zumindest zwischen dem Separator für die Brennstoffzelle und dem Stromerzeugungsabschnitt verringert werden kann.
Figurenliste

1 ist eine Querschnittsansicht des primären bzw. hauptsächlichen Abschnitts eines Brennstoffzellenstapels, welcher Separatoren für Brennstoffzellen in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst;
2 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Bereichs um eine Oberfläche des Separators für eine Brennstoffzelle in Übereinstimmung mit dieser Ausführungsform;
3 ist ein Schaubild bzw. Graphik, welche die halbe Breite bei halbem Maximum eines Beugungsreflexes auf der (1 10)-Ebene von Zinnoxid eines Zinnoxid-Films bei ungefähr 2θ = 26,6°, wie mittels Röntgen-Diffraktometrie unter Verwendung von CuKα-Strahlen gemessen, darstellt.
4 ist ein Graph, welcher den Zusammenhang zwischen dem Gehalt von Antimon, welcher einem Zinnoxid-Film eines Teststücks einem jeden der Beispiele 1 bis 5 und Vergleichsbeispiel 2 zugegeben wurde, und dem Kontaktwiderstand des Teststücks zeigt; und
5 ist ein Graph, welcher das Verhältnis von Sauerstoff zu Zinn in einem Bereich von der Oberfläche zum Inneren eines Zinnoxid-Films eines Teststücks von Beispiel 7 zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Nachstehend wird die Anordnung bzw. Konfiguration der vorliegenden Offenbarung, basierend auf in der Zeichnung gezeigten Ausführungsformen, im Detail beschrieben. Obwohl die folgenden Ausführungsformen einen Fall beispielhaft darstellen, in welchem die vorliegende Offenbarung auf Brennstoffzellen angewendet wird, welche an einem Brennstoffzellen-Fahrzeug montiert sind oder ein derartige Brennstoffzellen aufweisendes Brennstoffzellensystem, ist der anwendbare Bereich der vorliegenden Offenbarung nicht darauf beschränkt.
1 ist eine Querschnittsansicht des primären Abschnitts eines Brennstoffzellenstapels (Brennstoffzellen) 10. Wie in 1 gezeigt, weist der Brennstoffzellenstapel 10 eine Mehrzahl an gestapelten Einheitszellen 1 auf. Jede Zelle 1 ist eine Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle, welche eine elektromotorische Kraft erzeugt, wenn eine elektrochemische Reaktion zwischen einem Oxidationsgas (zum Beispiel Luft) und einem Brenngas (zum Beispiel Wasserstoff) auftritt. Die Zelle 1 umfasst eine MEGA 2 und Separatoren (Separatoren für die Brennstoffzelle) 3, welche geeignet sind, um in Kontakt mit der MEGA 2 zu sein, um die MEGA 2 von den MEGA 2 der benachbarten Brennstoffzellen zu trennen. Es sollte beachtet werden, dass in dieser Ausführungsform die MEGA 2 zwischen einem Paar Separatoren 3,3 angeordnet ist.
Die MEGA 2 ist ein wesentlicher Körper einer Membranelektrodeneinheit (MEA) 4 und der Gasdiffusionsschichten 7,7, welche auf gegenüberliegenden Seiten derselben angeordnet sind. Die Membranelektrodeneinheit 4 umfasst eine Elektrolytmembran 5 und ein Paar Elektroden 6 und 6, welche verbunden sind, um die Elektrolytmembran 5 dazwischen einzuschieben bzw. zu umgeben. Die Elektrolytmembran 5 ist eine aus einem festen Polymermaterial ausgebildete protonenleitende Ionen-Austauschmembran, und jede Elektrode 6 ist aus einem porösen Kohlenstoffmaterial mit einem Katalysator wie Platin ausgebildet, welcher zum Beispiel darauf getragen wird. Die auf einer Seite der Elektrolytmembran 5 angeordnete Elektrode 6 dient als eine Anode, und die Elektrode 6 auf der anderen Seite dient als eine Kathode. Jede Gasdiffusionsschicht 7 ist aus einem gasdurchlässigen, leitfähigen Element, wie einem porösen Kohlenstoffkörper, wie Kohlepapier oder Kohlenstofftuch, oder einem porösen Metallkörper wie zum Beispiel einem Metallgewebe oder Schaummetall.
In dieser Ausführungsform, ist die MEGA 2 der Stromerzeugungsabschnitt der Brennstoffzelle 10, und die Separatoren 3 sind im Kontakt mit den Gasdiffusionsschichten 7 der MEGA 2. Wenn die Gasdiffusionsschichten 7 weggelassen werden, ist die Membranelektrodeneinheit 4 der Stromerzeugungsabschnitt, und in einem derartigen Fall sind die Separatoren 3 im Kontakt mit der Membranelektrodeneinheit 4. Deshalb umfasst der Stromerzeugungsabschnitt der Brennstoffzelle 10 die Membranelektrodeneinheit 4 und ist im Kontakt mit den Separatoren 3.
Jeder Separator 3 ist ein plattenähnliches Element, welches ein Metall mit ausgezeichneter Leitfähigkeit und Gasundurchlässigkeit als ein Substrat enthält, und eine Seite des Separators 3 grenzt an die Gasdiffusionsschicht 7 der MEGA 2, und die andere Seite desselben grenzt an eine Seite eines benachbarten Separators 3.
In dieser Ausführungsform ist jeder Separator 3 in einer Wellenform ausgebildet. Insbesondere weist der Separator 3 eine derartige Gestalt auf, dass die Wellenformen Trapeze mit gleichen Schenkeln ausbilden, der obere Abschnitt jeder Welle ist flach, und gegenüberliegende Enden des oberen Abschnitts sind eckig mit gleichen Winkeln. Die Gestalt jedes Separators 3 aus Sicht der Vorderseite und der Rückseite ist nahezu dieselbe. Die oberen Abschnitte des Separators 3 sind im Oberflächenkontakt mit einer der Gasdiffusionsschichten 7 der MEGA 2, und die oberen Abschnitte des anderen Separators 3 sind im Oberflächenkontakt mit den anderen Gasdiffusionsschichten 7 der MEGA 2.
Ein zwischen der Gasdiffusionsschicht 7 auf einer Elektrodenseite (das heißt, Anode) 6 und dem Separator 3 definierter Gasströmungskanal 21 ist ein Kanal durch welchen Brenngas zirkuliert, und ein zwischen der Gasdiffusionsschicht 7 auf der anderen Elektrodenseite (das heißt, Kathode) 6 und dem Separator 3 definierter Gasströmungskanal 22 ist ein Kanal durch welchen Oxidationsgas zirkuliert. Wenn einem der Gasströmungskanäle 21 Brenngas zugeführt wird und dem Gasströmungskanal 22, welcher sich gegenüber dem Gasströmungskanal 21 mit der dazwischen angeordneten Zelle 1 befindet, Oxidationsgas zugeführt wird, tritt eine elektrochemische Reaktion innerhalb der Zelle 1 auf, sodass eine elektromotorische Kraft erzeugt wird.
Ferner sind eine gegebene Zelle 1 und eine dazu benachbarte, andere Zelle 1 derart angeordnet, dass eine Elektrode 6, welche als eine Anode dient, und eine Elektrode 6, welche als eine Kathode dient, einander gegenüber angeordnet sind. Zusätzlich sind die oberen Abschnitte auf der Rückoberflächenseite eines Separators 3, welche entlang einer Elektrode 6 angeordnet ist, um als eine Anode einer gegebenen Zelle 1 zu dienen, und die oberen Abschnitte auf der Rückoberflächenseite eines Separators 3, welcher entlang einer Elektrode 6 angeordnet ist, um als eine Kathode einer anderen Zelle 1 zu dienen, im Oberflächenkontakt zueinander. Wasser als Kühlmittel zur Kühlung der Zellen 1 zirkuliert durch die Räume 23, welche zwischen den Separatoren 3,3 definiert sind, welche im Oberflächenkontakt zueinander zwischen den zwei benachbarten Zellen 1 stehen.
In dieser Ausführungsform, wie in 2 gezeigt, umfasst jeder Separator 3 ein Metallsubstrat 31. Beispiele des Materials des Metallsubstrats 31 enthalten Titan und rostfreien Stahl bzw. Edelstahl. Ferner sind die gegenüberliegenden Oberflächen des Separators 3 (das heißt, eine Oberfläche auf der Seite der Gasdiffusionsschicht 7 und eine Oberfläche auf der Seite des benachbarten Separators 3) jeweils mit einem Zinnoxid-Film 32 bedeckt.
Die Dicke des Zinnoxid-Films 32 ist vorzugsweise im Bereich von 10 bis 300 nm. Wenn die Dicke des Zinnoxid-Films 32 geringer als 10 nm ist, können die vorteilhaften Wirkungen des Zinnoxid-Films 32 nicht vollständig entfaltet werden. Währenddessen wird, wenn die Dicke des Zinnoxid-Films 32 größer als 300 nm ist, die Eigenspannung des Zinnoxid-Films 32 hoch. Deshalb blättert der Zinnoxid-Film 32 wahrscheinlich vom Metallsubstrat 31 ab.
Obwohl der Zinnoxid-Film 32 auf jeder Oberfläche des Separators 3 in dieser Ausführungsform ausgebildet ist, ist es akzeptabel so lange der Zinnoxid-Film 32 auf zumindest einer Oberfläche des Metallsubstrats 31 auf der Seite der Gasdiffusionsschicht 7 ausgebildet ist, da ein Abschnitt, in dem die Gasdiffusionsschicht 7 und der Separator 3 miteinander im Kontakt sind, einen hohen Widerstand aufweist.
Der Zinnoxid-Film 32 enthält Antimon (Sb). Dementsprechend wird der Zinnoxid-Film 32 ein Halbleiter. Insbesondere ist der Zinnoxid-Film 32 aus Zinnoxid gemacht, welches 0,2 bis 10 Atom% Antimon enthält. In einem derartigen Zinnoxid-Film 32, werden vierwertige bzw. quadrivalente Zinnstellen im Kristallgitter des Zinnoxids mit fünfwertigem bzw. pentavalentem Antimon substituiert. Deshalb wird die Konzentration der Träger im Zinnoxid-Film 32 erhöht und somit verbessert sich die Leitfähigkeit des Zinnoxid-Films. Dementsprechend kann der Kontaktwiderstand des Separators 3 mit dem darauf ausgebildeten Zinnoxid-Film 32 verringert werden, und somit kann der interne Widerstand bzw. Innenwiderstand des Brennstoffzellenstapels 10 verringert werden.
Wenn der Gehalt an Antimon geringer als 0,2 Atom% ist, wäre hier eine Erhöhung der Konzentration der Träger durch Substitution mit Antimon ungenügend. Deshalb ist es schwierig die Leitfähigkeit des Zinnoxid-Films zu verbessern und somit kann der Kontaktwiderstand des Separators 3 nicht ausreichend reduziert werden.
Währenddessen kann, selbst wenn der Gehalt an Antimon größer als 10 Atom% ist, eine weitere Reduktion des Kontaktwiderstandes des Separators 3 durch Antimon nicht erwartet werden. Dies liegt daran, dass selbst wenn die Konzentration der Träger mit einem erhöhten Gehalt an Antimon erhöht wird, würde der erhöhte Gehalt an Antimon die Bewegung der Träger stören. Bevorzugter wird der Zinnoxid-Film 32 aus Zinnoxid, welches 0,5 bis 10 Atom% Antimon enthält, hergestellt.
Wenn Zinnoxid, welches 0,2 bis 10 Atom% Antimon enthält, hier mittels Röntgen-Diffraktometrie unter Verwendung von CuKα-Strahlung gemessen wird, wird ein Beugungsreflex auf der (110)-Ebene des tetragonalen Zinnoxids bei ungefähr einem Bragg-Winkel von 2θ = 26,6° (insbesondere im Bereich von 26,6° ± 0,5°) gemessen, wie in 3 gezeigt.
In dieser Ausführungsform ist die halbe Breite bei halbem Maximum W eines Beugungsreflexes auf der (11 0)-Ebene von Zinnoxid des Zinnoxid-Films 32 bei ungefähr 2θ = 26,6°, gemessen mittels Röntgen-Diffraktometrie unter Verwendung von CuKα-Strahlen, vorzugsweise weniger als oder gleich 1°. Die halbe Breite bei halbem Maximum W ist die Breite eines Beugungsreflexes bei einem halben Wert (P/2) des Maximumwertes P der Beugungsintensität des Beugungsreflexes. In dieser Ausführungsform genügt die halbe Breite bei halbem Maximum eines Beugungsreflexes einer Bedingung von weniger als oder gleich 1°, sodass die Kristallinität des Zinnoxids, welches den Zinnoxid-Film 32 bildet, verbessert ist, und somit kann die Leitfähigkeit des Zinnoxid-Films 32 erhöht werden. Folglich kann der Kontaktwiderstand des Separators 3 weiter verringert werden.
Wenn die halbe Breite bei halbem Maximum des Zinnoxid-Films 32 größer als 1° ist, wird die Kristallinität des Zinnoxids, welches den Zinnoxid-Film 32 bildet, gering. Deshalb würde sich die Leitfähigkeit des Zinnoxid-Films 32 verringern und somit kann der Kontaktwiderstand des Separators 3 nicht genügend bzw. ausreichend verringert werden. Wie aus den nachstehend beschriebenen Beispielen ersichtlich, wenn die halbe Breite bei halbem Maximum eines Beugungsreflexes auf der (110)-Ebene von Zinnoxid geringer oder gleich 0,5° ist, kann der Kontaktwiderstand des Separators 3 weiter verringert werden.
Ferner wird der Zinnoxid-Film 32 vorzugsweise aus Zinnoxid mit Sauerstoffmangel hergestellt, oder wird bevorzugter aus Zinnoxid mit einem durch SnO_2-x (0,1 ≤ X ≤ 0,4) dargestellten Sauerstoffmangel hergestellt. Mittels Zinnoxid mit Sauerstoffmangel wird die Konzentration der Träger im Zinnoxid-Film 32 erhöht, und somit verbessert sich die Leitfähigkeit des Zinnoxid-Films 32. Folglich wird der Kontaktwiderstand des Separators 3 verringert, und somit kann der interne Widerstand bzw. Innenwiderstand des Brennstoffzellenstapels 10 verringert werden. Es sollte bemerkt werden, dass „Zinnoxid mit Sauerstoffmangel“, wie hier bezeichnet, Zinnoxid mit teilweise fehlendem Sauerstoff, bezogen auf die tetragonale Kristallstruktur von SnO₂, ist.
Zinnoxid mit Sauerstoffmangel, welches X in dem vorstehend genannten Bereich genügt, kann zum Beispiel durch Einstellen des Partialdruckes von Sauerstoffgas während der Abscheidung bzw. Ablagerung eines Films und einer während des nachstehend beschriebenen Zerstäubens angelegten Spannung erhalten werden. Wenn X < 0,1 ist, wird hier der Sauerstoffmangel des Zinnoxids klein. Deshalb kann die Wirkung der Verringerung des Kontaktwiderstandes des Separators 3 nicht vollständig entfaltet werden. Währenddessen wäre es schwierig den Zinnoxid-Film 32, welcher X > 0,4 genügt, auszubilden.
Ein Verfahren zur Ausbildung des Zinnoxid-Films 32 auf dem Metallsubstrat 31 des Separators 3 ist nicht besonders beschränkt. Zum Beispiel kann der Film unter Verwendung von physikalischer Dampfabscheidung (PVD), wie Zerstäuben bzw. Sputtern, Vakuumabscheidung, ionisierte Verdampfung, oder Ionenplattierung abgeschieden werden. Insbesondere kann zum Beispiel der Zinnoxid-Film 32 durch Zerstäuben eines gesinterten Körpers, welcher durch Mischen von Zinnoxid-Partikeln und Antimonoxid-Partikeln und Sinterung derselben erhalten worden ist, als ein Ziel zur Oberfläche des Metallsubstrats 31 unter Verwendung von Plasma und ähnlichem abgeschieden werden. In einem derartigen Fall, bei der Abscheidung des Zinnoxid-Films 32, werden die SubstratTemperatur während der Abscheidung des Films darauf (Filmabscheidungstemperatur), eine angelegte Spannung, und ähnliches derart eingestellt, dass der Zinnoxid-Film 32 aus Zinnoxid mit einer halben Breite bei halbem Maximum im vorstehend genannten Bereich erhalten werden kann.
Wenn der Zinnoxid-Film 32 unter Verwendung des Zerstäubens abgeschieden wird, wird das Zerstäuben unter einer Sauerstoffgasatmosphäre, einer Inertgasatmosphäre, oder einer Vakuumatmosphäre (Unterdruckatmosphäre) ausgeführt. Insbesondere, wenn der Zinnoxid-Film unter einer Inertgasatmosphäre oder einer Vakuumatmosphäre (Unterdruckatmosphäre) abgeschieden wird, kann ein Zinnoxid-Film mit Sauerstoffmangel erhalten werden.
[Beispiele]
Nachstehend wird die vorliegende Offenbarung mit Bezug zu den Beispielen beschrieben.
[Beispiel 1]
Ein Teststück, welches einem Separator entspricht, wurde wie nachstehend beschrieben hergestellt. Zuerst wurde eine reine Titanplatte mit einer Dicke von 0,1 mm als ein Metallsubstrat des Separators hergestellt. Als nächstes wurde das Metallsubstrat in eine Vakuumkammer gelegt, und Argongas wurde in die Vakuumkammer unter einer Vakuumbedingung eingeleitet, und anschließend wurde eine Spannung angelegt, um Argonionen zu erzeugen. Mittels der Argonionen wurde ein Oxidfilm auf der Oberfläche des Metallsubstrats entfernt.
Als nächstes wurde ein gesinterter Körper, welcher durch Mischen von Zinnoxid-Partikeln und Antimonoxid-Partikeln und Sinterung derselben erhalten wurde, als ein Target bzw. Ziel in die Vakuumkammer gelegt. Mittels des gesinterten Körpers als ein Target wurde eine Zerstäubung ausgeführt, um einen Zinnoxid-Film auf der Oberfläche des Metallsubstrats auszubilden. Insbesondere wurde zuerst ein Metallsubstrat auf eine dem Target gegenüberliegende Position gelegt, und anschließend wurde die Vakuumkammer evakuiert, um in einer Vakuumatmosphäre (Unterdruckatmosphäre) zu liegen. Als nächstes wurde Argongas als Zerstäubungsgas in die Vakuumkammer eingeleitet und eine Spannung wurde an das auf 450 °C erwärmte Metallsubstrat angelegt, sodass die erzeugten Argonionen mit dem Target kollidieren, und folglich wurde das Target-Material auf das Metallsubstrat abgeschieden. Es sollte bemerkt werden, dass eine Vorspannung über das Target und das Metallsubstrat angelegt wurde. Auf diese Weise wurde ein Zinnoxid-Film mit einer Dicke von 100 nm auf der Oberfläche des Metallsubstrats abgeschieden.
Als nächstes wurde der Gehalt an Antimon (Sb) im Zinnoxid-Film ausgehend von der Nachweis- bzw. Messintensität bei einer Bindungsenergie von Antimon bei 540 eV unter Verwendung eines Röntgen-Spektrometers (Quantera SXM hergestellt von ULVAC-PHI, Inc.) gemessen. Folglich wurde der Gehalt an Antimon im Zinnoxid-Film zu 0,2 Atom% bestimmt (siehe Tabelle 1).
[Beispiele 2 bis 5]
Die Teststücke wurden wie in Beispiel 1 hergestellt. Die Beispiele 2 bis 5 weichen von Beispiel 1 insofern ab, dass die Zinnoxid-Filme der Beispiele 2 bis 5 durch Verändern des Gehalts an Antimonoxid in einem gesinterten Körper als ein Target abgelagert bzw. abgeschieden wurden, sodass die entstandenen Zinnoxid-Filme jeweils 0,5 Atom%, 3,0 Atom%, 5,0 Atom%, und 10,0 Atom% Antimon enthielten. Der Gehalt an Antimon in jedem der Zinnoxid-Filme der Beispiele 2 bis 5 wurden wie in Beispiel 1 gemessen. Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse.
[Vergleichsbeispiel 1]
Ein Teststück wurde wie in Beispiel 1 hergestellt. Das Vergleichsbeispiel 1 weicht von Beispiel 1 insofern ab, dass ein Zinnoxid-Film durch einen gesinterten Körper ohne Antimonoxid als ein Target abgelagert bzw. abgeschieden wurde, sodass der entstandene Zinnoxid-Film 0 Atom% Antimon enthielt (enthielt kein Antimon). Der Gehalt an Antimon im Zinnoxid-Film des Vergleichsbeispiels 1 wurde wie in Beispiel 1 gemessen. Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse.
[Vergleichsbeispiel 2]
Ein Teststück wurde wie in Beispiel 1 hergestellt. Das Vergleichsbeispiel 2 weicht von Beispiel 1 insofern ab, dass ein Zinnoxid-Film durch Verändern des Gehalts an Antimonoxid in einem gesinterten Körper als ein Target abgelagert bzw. abgeschieden wurde, sodass der entstandene Zinnoxid-Film 0,1 Atom% Antimon enthielt. Der Gehalt an Antimon im Zinnoxid-Film des Vergleichsbeispiels 2 wurde wie in Beispiel 1 gemessen. Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse.
<Kontaktwiderstandstest>

Kohlepapier bzw. Kohlenstoffpapier (TGP-H120 mit einer Dicke von 0,5 mm hergestellt von TORAY INDUSTRIES, INC.), welches einer Diffusionsschicht des Stromerzeugungsabschnitts der Brennstoffzelle entspricht, wurde auf eine Oberfläche eines jeden Zinnoxid-Films der Teststücke der Beispiele 1 bis 5 und der Vergleichsbeispiele 1 und 2 aufgebracht bzw. gelegt, und eine vergoldete Kupferplatte wurde derart darauf aufgebracht bzw. gelegt, dass das Kohlepapier zwischen dem Teststück und der Kupferplatte angeordnet wurde. Es sollte beachtet werden, dass für die ausschließliche Messung des Kontaktwiderstandes zwischen dem Zinnoxid-Film und dem Kohlepapier eine andere bzw. weitere vergoldete Kupferplatte ebenfalls in Kontakt mit der anderen Oberfläche (welche keinen darauf abgelagerten Film aufweist) des Teststücks gebracht wurde, um den zwischen derartigen Einheiten erzeugten Kontaktwiderstand zu verhindern. Als nächstes wurde Druck einer gegebenen Last (0,98 MPa) auf die Oberfläche des Teststücks unter Verwendung einer Messlehre angewendet. In einem derartigen Zustand wurde ein Strom von einer Stromversorgung durch das Teststück geleitet, während dieser mit einem Amperemeter bzw. Strommesser derart eingestellt wird, dass die durch das Teststück fließende Strommenge konstant wurde. Anschließend wurde eine an das Teststück angelegte Spannung mit einem Voltmeter bzw. Spannungsmesser gemessen, um den Kontaktwiderstand zwischen dem Zinnoxid-Film des Teststücks und dem Kohlepapier zu berechnen. Tabelle 1 und 4 zeigen die Ergebnisse. [Tabelle 1]

	Gehalt an Antimon (Atom%)	Kontaktwiderstand (mΩ·cm²)
Vergleichsbeispiel 1	0	Es floss kein Strom.
Vergleichsbeispiel 2	0,1	53
Beispiel 1	0,2	25
Beispiel 2	0,5	16
Beispiel 3	3	11
Beispiel 4	5	10
Beispiel 5	10	10

<Ergebnis 1>
Wie in Tabelle 1 gezeigt, wurde herausgefunden, dass der Kontaktwiderstand des Teststücks in Übereinstimmung mit Vergleichsbeispiel 1 groß ist, und es konnte kein Strom zwischen dem Teststück und dem Kohlepaper fließen. Dementsprechend wurde herausgefunden, dass ein Zinnoxid-Film, welcher kein Antimon enthält, wie Vergleichsbeispiel 1, eine hohe Isolationseigenschaft aufweist (weist geringe Leitfähigkeit auf).
Zusätzlich wurde herausgefunden, wie in Tabelle 1 und 4 gezeigt, dass der Kontaktwiderstand von Beispiel 1 mit einem erhöhten Gehalt an Antimon im Vergleich zu jenen der Vergleichsbeispiele 1 und 2 scharf bzw. stark abnehmen, und der Kontaktwiderstand von jedem der Beispiele 2 bis 5 mit einem aufeinanderfolgenden, zunehmenden Gehalt an Antimon im Wesentlichen konstant ist. Dementsprechend kann gesagt werden, dass ein Antimongehalt von 0,2 Atom% in einem Zinnoxid-Film eine entscheidende Bedeutung bei der Verringerung des Kontaktwiderstandes aufweist.
Es wird angenommen, dass, wenn Zinnoxid hergestellt wurde, um 0,2 bis 10 Atom% Antimon wie in den Beispielen 1 bis 5 zu enthalten, vierwertige bzw. quadrivalente Zinn-Stellen im Kristallgitter von Zinnoxid mit fünfwertigem bzw. pentavalentem Antimon substituiert wurden, und somit verbesserte sich die Leitfähigkeit des entstehenden Zinnoxid-Films. Insbesondere, wenn Zinnoxid hergestellt wird, um 0,5 bis 10 Atom% Antimon zu enthalten, wird angenommen, dass die Leitfähigkeit des entstandenen Zinnoxid-Films weiter verbessert wird.
Wenn hierbei der Gehalt an Antimon im Zinnoxid weniger als 0,2 Atom% ist (insbesondere 0,1 Atom%), wie in Vergleichsbeispiel 2, wäre eine Erhöhung der Konzentration der Träger mittels Substitution mit Antimon nicht ausreichend. Somit wird erachtet, dass die Leitfähigkeit des entstandenen Zinnoxid-Films schwierig zu verbessern ist.
Währenddessen ist, wenn der Gehalt an Antimon größer als 10 Atom% ist, die Konzentration der Träger außerdem erhöht, aber es wird angenommen, dass der erhöhte Gehalt an Antimon im Zinnoxid die Bewegung der Träger stören würde. Folglich wird angenommen, dass sich die Leitfähigkeit des entstandenen Zinnoxid-Films nicht verbessern wird, und somit kann keine weitere Verringerung des Kontaktwiderstandes des Separators mittels Antimon erwartet werden.
[Beispiele 6 bis 8]
Die Teststücke wurden wie in Beispiel 1 hergestellt. Die Beispiele 6 und 8 weichen von Beispiel 1 insofern ab, dass die Temperatur eines Metallsubstrats während der Ablagerung bzw. Abscheidung eines Films darauf (Abscheidungstemperatur) auf 350 °C beziehungsweise 550 °C eingestellt wurde. Es sollte beachtet werden, dass Beispiel 7 dasselbe wie Beispiel 2 ist.
<Röntgen- Diffraktometriemessungstest>
Für den Zinnoxid-Film des Teststücks von jedem der Beispiele 6 bis 8 wurde ein Beugungsreflexwinkel auf der (11 0)-Ebene des Zinnoxids aus einem Röntgen-Beugungsmuster bzw. Röntgen-Diffraktogramm unter Verwendung eines Röntgen-Analysators, welcher CuKα-Strahlung (mit einer Wellenlänge von 0,154 nm) für eine Röntgenquelle als ein Kupferrohr verwendet, gemessen. Der Beugungsreflexwinkel von Zinnoxid von jedem der Teststücke wurde um einen Bragg-Winkel von 2θ = 26,6° gefunden, und die halbe Breite bei halbem Maximum des Beugungsreflexes wurde gemessen. Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse. Der Kontaktwiderstand der Teststücke von jedem der Beispiele 6 bis 7 wurde wie in Beispiel 1 gemessen. Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse.
<Rutherford-Rückstreu-Spektrometrie (RBS)>
Rutherford-Rückstreu-Spektrometrie wurde auf dem Zinnoxid-Film des Teststücks von Beispiel 7 durchgeführt, sodass das Sauerstoff/Zinn-Verhältnis (atomares Verhältnis) entlang der Richtung der Dicke von der Oberfläche des Zinnoxid-Films gemessen wurde. 5 zeigt die Ergebnisse. [Tabelle 2]

Halbe

Filmablagerungstemperatur (°C) Breite bei halbem Maximum (°) Kontaktwiderstand (mΩ·cm²)

Beispiel 6 350 1,1 45

Beispiel 7 450 0,5 16

Beispiel 8 550 0,3 12
<Ergebnis 2>
Wie in Tabelle 2 gezeigt wurde hinsichtlich der Teststücke von jedem der Beispiele 7 und 8 die halbe Breite bei halbem Maximum eines Beugungsreflexes auf der (110)-Ebene von Zinnoxid des Zinnoxid-Films kleiner als jene des Beispiels 6 gefunden. Deshalb wird die Kristallinität von Zinnoxid des Zinnoxid-Films von jedem der Beispiele 7 und 8 höher als jene des Beispiels 6 erachtet. Ferner wurde der Kontaktwiderstand des Teststücks von jeweils den Beispielen 7 und 8 geringer als jener von Beispiel 6 gefunden.
Dementsprechend ist, wenn die halbe Breite bei halbem Maximum eines Beugungsreflexes geringer als oder gleich 1° ist, oder bevorzugter, geringer als oder gleich 0,5° ist, wie die Teststücke von jedem der Beispiele 7 und 8, die Kristallinität von Zinnoxid des Zinnoxid-Films hoch. Dementsprechend wird erachtet, dass die Leitfähigkeit des Zinnoxid-Films erhöht ist, und somit der Kontaktwiderstand des Teststücks (Separator) verringert ist.
Ferner wurde, wie in 5 gezeigt, hinsichtlich des Teststücks von Beispiel 7, das Sauerstoff/Zinn-Verhältnis (atomares Verhältnis) entlang der Richtung der Dicke von der Oberfläche des Zinnoxid-Films von 1,78 gefunden. Dies wird als Grund erachtet, dass, wenn ein Film unter einer Vakuumatmosphäre, wie in Beispiel 7, abgelagert wurde, einige der Sauerstoffatome, welche sich vom Target zum Metallsubstrat bewegen, desorbiert wurden.
Wie vorstehend beschrieben wird der Zinnoxid-Film des Teststücks von Beispiel 7 aus durch SnO_1,78 dargestelltes Zinnoxid mit Sauerstoffmangel hergestellt, und mit dem Zinnoxid mit Sauerstoffmangel wird die Konzentration der Träger erhöht. Deshalb wird angenommen, dass die Leitfähigkeit des Zinnoxid-Films erhöht wird, und somit der Kontaktwiderstand des Teststücks (Separator) verringert wird.
Obwohl die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung im Detail vorstehend beschrieben worden sind, sind spezifische Konfigurationen bzw. Anordnungen nicht darauf beschränkt, und jegliche Designänderungen, welche sich im Geist und Umfang der vorliegenden Offenbarung befinden, sind in der vorliegenden Offenbarung enthalten.
Bezugszeichenliste

1: Zelle
2: MEGA (Stromerzeugungsabschnitt)
3: Separator (Separator für Brennstoffzelle)
4: Membranelektrodeneinheit (MEA)
6: Elektrode
7: Gasdiffusionsschicht
10: Brennstoffzellenstapel (Brennstoffzelle)
21, 22: Gasströmungskanäle
31: Metallsubstrat
32: Zinnoxid-Film

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP H08185870 A [0003, 0004]

Claims

Separator für eine Brennstoffzelle, wobei der Separator geeignet ist, in Kontakt mit einem Stromerzeugungsabschnitt einschließlich einer Membranelektrodeneinheit einer Brennstoffzelle zu sein, um den Stromerzeugungsabschnitt von einem Stromerzeugungsabschnitt einer benachbarten Brennstoffzelle zu trennen, wobei der Separator umfasst: ein Metallsubstrat aus Metall; und ein Zinnoxid-Film, welcher zumindest eine Oberfläche des Metallsubstrats auf einer Seite des Stromerzeugungsabschnittes bedeckt, wobei: der Zinnoxid-Film aus Zinnoxid ist, welches 0,2 bis 10 Atom% Antimon enthält.
Separator für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei eine halbe Breite bei halbem Maximum eines Beugungsreflexes auf einer (11 0)-Ebene des Zinnoxids des Zinnoxid-Films bei ungefähr 2θ = 26,6°, wie mittels Röntgenbeugung unter Verwendung von CuKα-Strahlen bestimmt wurde, weniger als oder gleich 1° ist.
Separator für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Zinnoxid-Film aus Zinnoxid mit Sauerstoffmangel ist.