DE102018128079A1

DE102018128079A1 - Verfahren zur Herstellung eines Separators für eine Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102018128079A1
Application number: DE102018128079.3A
Authority: DE
Inventors: Hideo Nakamura; Yuichiro Hama; Akinori Eda
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-12-05
Filing date: 2018-11-09
Publication date: 2019-06-06
Also published as: JP2019102339A; US20190173100A1; CN109943846A

Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung eines Separators für eine Brennstoffzelle, welches die Gestalt einer auf die Oberfläche eines Metallsubstrats aufgetragenen Schlämme halten kann und somit die Struktur einer bestimmten Dicke auf der Oberfläche des Metallsubstrats ausbildet. Das Verfahren umfasst: einen Schritt des Entfernens der Beschichtung, um eine die Oberfläche des Metallsubstrats bedeckende Oxidbeschichtung teilweise zu entfernen, um einen Auftragungsbereich auszubilden; einen Schritt des Auftragens, um eine Schlämme auf den Auftragungsbereich nach dem Entfernen der Oxidbeschichtung aufzutragen; und einen Schritt des thermischen Behandelns, um die auf den Auftragungsbereich aufgetragene Schlämme zu erwärmen, um einen Leitungs-definierenden Bereich auszubilden.

Description

HINTERGRUND
Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Separators für eine Brennstoffzelle.
Stand der Technik
Herkömmliche Erfindungen bezüglich eines Verfahrens zur Herstellung eines Separators für eine Brennstoffzelle sind bekannt, und ein derartiger Separator weist eine Gasdiffusionsschicht auf, um Gas einer Elektrolytschicht, welche eine Katalysatorschicht auf der Oberfläche aufweist, zuzuführen (siehe beispielsweise JP 2006-331670 A ). Dieses Patentdokument beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Separators für eine Brennstoffzelle, welche ein als ein Separator für die Brennstoffzelle funktionierendes Substrat und eine Gasdiffusionsschicht auf der Oberfläche des Substrats umfasst.
Ein derartiges herkömmliches Verfahren zur Herstellung eines Separators für eine Brennstoffzelle umfasst einen Schritt des Auftragens bzw. Anwendens und einen Schritt des thermischen Behandelns (siehe zum Beispiel Anspruch 1, im vorstehenden Dokument). Der Schritt des Auftragens bzw. Anwendens trägt eine Metallpulver-suspendierte Schlämme bzw. Schlamm bzw. Aufschlämmung auf, welche eine metallische, poröse Schicht nach dem Sintern auf der Oberfläche des Substrats ausbilden kann. Der Schritt des thermischen Behandelns erwärmt das Substrat mit der Metallpulver-suspendierten Schlämme, welche in der Temperaturumgebung, welche die metallische, poröse Schicht aus der Metallpulver-suspendierten Schlämme mittels Sintern ausbilden kann, aufgetragen wird, um die metallische, poröse Schicht durch Sintern auszubilden.
ZUSAMMENFASSUNG
Eine metallische, poröse Schicht, welche eine Gasdiffusionsschicht einer Brennstoffzelle sein soll, muss eine bestimmte bzw. vorbestimmte Dicke aufweisen. Das vorstehende Patentdokument beschreibt spezifisch das Verfahren einschließlich Filmdrucken bzw. Siebdrucken, um die Metallpulver-suspendierte Schlämme aufzutragen. In diesem Fall kann sich die Metallpulver-suspendierte Schlämme, welche auf das Substrat beim Schritt des Auftragens aufgetragen wird, deformieren und kann sich über die Oberfläche des Substrates aufgrund des Eigengewichts verteilen bzw. ausbreiten, und es kann schwer sein eine metallische, poröse Schicht einer erforderlichen Dicke beim Schritt des thermischen Behandelns auszubilden.
Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung stellt ein Verfahren zur Herstellung eines Metallseparators für eine Brennstoffzelle bereit, welche die Gestalt der auf die Oberfläche des Metallsubstrats aufgetragene Schlämme beibehalten kann und somit die Struktur einer bestimmten bzw. vorbestimmten Dicke auf der Oberfläche des Metallsubstrats ausbildet.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Separators für eine Brennstoffzelle gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung stellt einen Separator für eine Brennstoffzelle einschließlich eines Metallsubstrats und eines Leitungs- bzw. Kanal- bzw. Rohrdefinierenden Bereiches auf der Oberfläche des Metallsubstrats her. Das Verfahren umfasst: teilweises Entfernen der die Oberfläche des Metallsubstrats bedeckenden Oxidbeschichtung, um einen Auftragungsbereich bzw. Anwendungsbereich auszubilden; Auftragen der Schlämme auf den Auftragungsbereich nach dem Entfernen der Oxidbeschichtung; und Erwärmen der auf den Auftragungsbereich aufgetragenen Schlämme, um den Leitungs- bzw. Kanal- bzw. Rohrdefinierenden Bereich auszubilden.
Das Verfahren zur Herstellung eines Separators für eine Brennstoffzelle gemäß diesem Aspekt umfasst den Schritt des teilweisen Entfernens einer Oxidbeschichtung, welche die Oberfläche des Metallsubstrats bedeckt, um einen Auftragungsbereich bzw. Anwendungsbereich auszubilden bzw. zu bilden. Dieser Schritt macht die Benetzbarkeit am Auftragungsbereich, um die Schlämme aufzutragen, besser als die Benetzbarkeit an der Oxidbeschichtung des Metallsubstrats, welche den Auftragungsbereich umgibt. Der Auftragungsbereich bzw. Anwendungsbereich, an welchem die Oxidbeschichtung auf der Oberfläche des Metallsubstrats entfernt wird bzw. ist, ist von der Oberfläche der Oxidbeschichtung, welche den Auftragungsbereich umgibt, leicht ausgespart bzw. vertieft bzw. zurückgesetzt.
Bei dem Schritt des Auftragens der Schlämme auf den Auftragungsbereich nach dem Entfernen der Oxidbeschichtung, verteilt sich die Schlämme, welche auf den Auftragungsbereich aufgetragen wurde, bei dieser Anordnung bzw. Konfiguration aufgrund des Eigengewichts nicht über der Oberfläche des umgebenden Metallsubstrats zur Benetzung. Auf diese Weise kann die Schlämme die auf den Auftragungsbereich aufgetragene Gestalt und Höhe behalten. Anschließend wird die auf den Auftragungsbereich bzw. Anwendungsbereich aufgetragene Schlämme erwärmt, um einen Leitungs-definierenden Bereich auszubilden bzw. zu bilden, wobei ein Leitungs-definierender Bereich mit einer vorbestimmten Gestalt und Höhe gebildet werden kann.
Im Verfahren zur Herstellung eines Separators für eine Brennstoffzelle gemäß dem vorstehenden Aspekt macht beispielsweise das Ausbilden des Auftragungsbereichs einen Kontaktwinkel mit reinem Wasser am Auftragungsbereich kleiner als einen Kontaktwinkel mit reinem Wasser an der Oxidbeschichtung bzw. Oxidschicht. Dies kann die Benetzbarkeit am Auftragungsbereich, wo die Schlämme aufgetragen werden soll, besser machen als die Benetzbarkeit an der Oxidbeschichtung des Metallsubstrats, welche den Auftragungsbereich umgibt.
Im Verfahren zur Herstellung eines Separators für eine Brennstoffzelle gemäß dem vorstehenden Aspekt, entfernt beispielsweise das Bilden bzw. Ausbilden des Auftragungsbereichs die Oxidbeschichtung mittels Laserlicht. Dies erlaubt dem Laserlicht von einer neu ausgebildeten Oberfläche des Metallsubstrats, welches am Auftragungsbereich bzw. Anwendungsbereich nach dem Entfernen der Oxidbeschichtung ausgesetzt ist, reflektiert zu werden, wodurch die Oxidbeschichtung auf der Oberfläche des Metallsubstrats mittels Laserlicht entfernt werden kann.
Im Verfahren zur Herstellung eines Separators für eine Brennstoffzelle gemäß dem vorstehenden Aspekt ist der Kontaktwinkel mit reinem Wasser am Auftragungsbereich beispielsweise das 0,75-fache oder weniger des Kontaktwinkels mit reinem Wasser an der Oxidbeschichtung. Dies kann die auf den Auftragungsbereich aufgetragene Schlämme davor bewahren sich aufgrund des Eigengewichts über die Oberfläche des umgebenden Metallsubstrats zur Benetzung zu verteilen. Auf diese Weise kann die Schlämme die auf den Auftragungsbereich aufgetragene Gestalt und Höhe verlässlich bewahren.
Im Verfahren zur Herstellung eines Separators für eine Brennstoffzelle gemäß dem vorstehenden Aspekt ist das Metallsubstrat aus reinem Titan, und der Kontaktwinkel mit reinem Wasser am Auftragungsbereich ist beispielsweise weniger als 20 [°]. Dies kann die auf den Auftragungsbereich aufgetragene Schlämme verlässlich davor bewahren, sich über die Oberfläche des umgebenden Metallsubstrats zur Benetzung aufgrund des Eigengewichts zu verteilen. Auf diese Weise kann die Schlämme die auf den Auftragungsbereich aufgetragene Gestalt und Höhe verlässlich bewahren.
Im Verfahren zur Herstellung eines Separators für eine Brennstoffzelle gemäß dem vorstehenden Aspekt ist das Metallsubstrat aus Edelstahl, und der Kontaktwinkel mit reinem Wasser am Auftragungsbereich bzw. Anwendungsbereich ist beispielsweise weniger als 60 [°]. Dies kann die auf den Auftragungsbereich aufgetragene Schlämme verlässlich davor bewahren, sich über die Oberfläche des umgebenden Metallsubstrats zur Benetzung aufgrund des Eigengewichts zu verteilen. Auf diese Weise kann die Schlämme die auf den Auftragungsbereich aufgetragene Gestalt und die Höhe verlässlich bewahren.
Im Verfahren zur Herstellung eines Separators für eine Brennstoffzelle gemäß dem vorstehenden Aspekt weist die Schlämme beispielsweise eine Viskosität von 1×10³ [mPa·s] oder mehr und 1×10⁴ [mPa·s] oder weniger auf, wenn die Schergeschwindigkeit innerhalb des Bereichs von 1×10² [1/Sek.] oder weniger ist. Beim Schritt des Auftragens der Schlämme auf den Auftragungsbereich kann die Schlämme mit dieser Anordnung bzw. Konfiguration mittels Sieb- bzw. Filmdruck aufgetragen werden, und die Schlämme kann die auf den Auftragungsbereich aufgetragene Gestalt und die Höhe bewahren.
Der vorstehende Aspekt kann ein Verfahren zur Herstellung eines Separators für eine Brennstoffzelle bereitstellen, welche die Gestalt der auf die Oberfläche eines Metallsubstrats aufgetragene Schlämme bewahren kann, und somit die Struktur einer bestimmten bzw. vorbestimmten Dicke auf der Oberfläche des Metallsubstrats ausbilden kann.
Figurenliste

1 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Brennstoffzelle;
2 ist eine schematische, vergrößerte Draufsicht der Oberfläche des Separators in 1;
3 ist ein Fließdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines Separators für eine Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
4 ist eine schematische, vergrößerte Querschnittsansicht des Metallsubstrats, um ein Beispiel des Schritts des Entfernens der Beschichtung in 3 zu beschreiben;
5 ist eine schematische, vergrößerte Querschnittsansicht des Metallsubstrats, wenn der Anwendungsschritt in 3 endet;
6 ist ein Graph, welcher die Kontaktwinkel mit reinem Wasser an der Oxidbeschichtung und am Auftragungsbereich der Metallsubstrate des Beispiels 1 zeigt;
7 ist ein Graph, welcher die Kontaktwinkel mit reinem Wasser an der Oxidbeschichtung und am Auftragungsbereich der Metallsubstrate des Beispiels 2 zeigt;
8 ist ein Graph, welcher den Zusammenhang zwischen der Schergeschwindigkeit und der Viskosität der Schlämme in den Beispielen zeigt; und
9 ist eine schematische Querschnittsansicht der auf die Metallsubstrate der Vergleichsbeispiele aufgetragenen Schlämme.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Das Nachstehende beschreibt eine Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines Separators für eine Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Offenbarung mit Bezug zur Zeichnung.
1 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Brennstoffzelle 1. Die Brennstoffzelle 1 umfasst beispielsweise ein Paar an Separatoren 2, und eine MEGA 3 (Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschicht-Einheit), welche zwischen diesen Separatoren 2 angeordnet ist. Die MEGA 3 umfasst die Laminierung einer Katalysatorschicht, einer wasserabweisenden Schicht, und einer Gasdiffusionsschicht auf der Oberfläche und der Rückseitenfläche einer Polymer-Elektrolytmembran.
Jeder Separator 2 für eine Brennstoffzelle umfasst ein Metallsubstrat 21 und einen Leitungs-definierenden Bereich 22 auf der Oberfläche dieses Metallsubstrats 21. Das Metallsubstrat 21 ist ein Metallplatten-ähnliches Element aus Titan oder einer Titanlegierung oder aus einem Edelstahl, wie SUS316 oder SUS447. Das Metallsubstrat 21 weist eine gewünscht Gestalt auf, welche beispielsweise durch Formpressen oder Stanzen erhalten wird.
2 ist eine schematische, vergrößerte Draufsicht der Oberfläche des Separators 2 in 1. Der Leitungs-definierende Bereich 22 umfasst eine Rippe auf der Oberfläche, welche beispielsweise der MEGA 3 des Metallsubstrats 21 entgegen steht bzw. gegenüberliegt. Der Leitungs-definierende Bereich 22 kann beispielsweise einen Überstand umfassen, welcher von der Oberfläche des Metallsubstrats 21, welcher der MEGA 3 entgegen steht bzw. gegenüberliegt, in Richtung MEGA 3 übersteht. Der Leitungs-definierende Bereich 22 definiert eine Gasleitung 4 zwischen dem Separator 2 und der MEGA 3.
Die Brennstoffzelle umfasst beispielsweise einen Brennstoffzellenstapel, welcher die Laminierung einer Mehrzahl an Brennstoffzellen 1, d.h. einzelnen Zellen, und ein Gehäuse, um den Brennstoffzellenstapel aufzubewahren, umfasst. Obwohl nicht dargestellt, weist beispielsweise die Brennstoffzelle 1 einen Harzrahmen um die MEGA 3 auf, und die äußeren Kanten des Paares an Separatoren 2 sind über diesen Harzrahmen verbunden. Das Paar der Separatoren 2 und der Harzrahmen weisen eine Mehrzahl an Verteilerlöchern an den äußeren Kanten auf.
Die Brennstoffzelle erzeugt Elektrizität, während sie Reaktandgas bzw. reaktives Gas und Kühlmittel, welche über die Verteilerlöcher an den individuellen Brennstoffzellen 1 als Komponenten des Brennstoffzellenstapels zugeführt werden, aufnimmt. Das Reaktandgas, welches der Brennstoffzelle 1 über das Verteilerloch zur Zuführung des Reaktandgases zugeführt wird, wird beispielsweise dann der Gasleitung 4 zwischen dem Separator 2 und der MEGA 3 über eine Nut-artige Leitung, welche auf der äußeren Kante des Harzrahmens ausgebildet ist, zugeführt.
Das Reaktandgas, welches der Gasleitung 4 der Brennstoffzelle 1 zugeführt wurde, und nicht für die Reaktion an der MEGA 3 verwendet bzw. verbraucht wurde, wird beispielsweise aus der Gasleitung 4 zum Verteilerloch abgegeben, um das Reaktandgas über eine nut-artige Leitung, welche an der äußeren Kante des Harzrahmens ausgebildet ist, abzugeben. Das Kühlmittel, welches dem Verteilerloch zugeführt wird, um Kühlmittel der Brennstoffzelle 1 zuzuführen, wird dann einer Kühlmittelleitung zwischen den Separatoren 2 der benachbarten Brennstoffzellen 1 als Komponenten des Brennstoffzellenstapels zugeführt. Das Kühlmittel wird dann aus dem Verteilerloch zum Ablassen des Kühlmittels abgegeben.
3 ist ein Fließdiagramm eines Verfahrens M1 zur Herstellung eines Separators für eine Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Wie in den 1 und 2 gezeigt, stellt das Verfahren M1 zur Herstellung eines Separators für eine Brennstoffzelle der vorliegenden Ausführungsform einen Separator 2 für eine Brennstoffzelle her, welcher beispielsweise das Metallsubstrat 21 und den Leitungs-definierenden Bereich 22 auf der Oberfläche des Metallsubstrats 21 umfasst.
Das Verfahren M1 zur Herstellung eines Separators für eine Brennstoffzelle der vorliegenden Ausführungsform, welche nachstehend im Detail beschrieben wird, umfasst: einen Schritt S4 des Entfernens der Beschichtung (siehe 4), um eine Oxidbeschichtung 21a, welche die Oberfläche des Metallsubstrats 21 bedeckt, teilweise zu entfernen, um einen Auftragungsbereich 21b auszubilden; einen Schritt S5 des Auftragens (siehe 5), um die Schlämme 22s auf den Auftragungsbereich 21b aufzutragen nach dem Entfernen der Oxidbeschichtung 21a; und einen Schritt S6 des thermischen Behandelns, um die auf dem Auftragungsbereich 21b aufgetragene Schlämme 22s zu erwärmen, um einen Leitungs-definierenden Bereich 22 zu bilden.
Das Verfahren M1 zur Herstellung eines Separators für eine Brennstoffzelle kann vor dem Schritt S4 des Entfernens der Beschichtung beispielsweise einen Schritt S1 des Schneidens, um das Metallsubstrat 21 aus einem Basismaterial zu schneiden, einen Schritt S2 des Ausbildens, um das bei dem Schritt S1 des Schneidens ausgeschnittene Metallsubstrat 21 zu bilden, und einen Schritt S3 des Waschens, um das Metallsubstrat 21 zu waschen, umfassen.
Der Schritt S1 des Schneidens rollt beispielsweise eine metallische, dünne Platte von der Rolle als ein Basismaterial ab, schneidet es, um ein Metallsubstrat 21 in einer gewünschten Form zu sein, und stanzt dann ein geschnittenes Metallsubstrat 21 derart, um eine Mehrzahl an Verteilerlöchern zu erhalten. Der Schritt S2 des Ausbildens komprimiert bzw. drückt beispielsweise das Metallsubstrat 21, welches dem Schritt S1 des Schneidens unterzogen wurde, um das Metallsubstrat 21 in einer gewünschte Gestalt auszubilden.
Der Schritt S3 des Waschens taucht beispielweise das Metallsubstrat 21 in eine säure Lösung, um das Oxid, welches an der Oberfläche des Metallsubstrats 21 haftet, zu waschen und zu entfernen. Der Schritt S3 des Waschens entfernt die Oxidbeschichtung 21a auf der Oberfläche des Metallsubstrats 21 nicht vollständig, und das Metallsubstrat 21 weist nach dem Schritt S3 des Waschens noch die Oxidbeschichtung 21a auf der Oberfläche auf. Der Schritt S3 des Waschens kann beispielsweise, vor oder nach dem Waschen des Oxids, Waschen mit Wasser umfassen, um das Metallsubstrat 21 in saure Lösung zu tauchen.
4 ist eine schematische, vergrößerte Querschnittsansicht des Metallsubstrats 21, um ein Beispiel des Schrittes S4 des Entfernens der Oxidschicht in 3 zu beschreiben. Wie vorstehend beschrieben, entfernt der Schritt S4 des Entfernens der Beschichtung teilweise die Oxidbeschichtung 21a, welche die Oberfläche des Metallsubstrats 21 bedeckt, um den Auftragungsbereich 21b auszubilden. Mit anderen Worten, der Auftragungsbereich 21b ist ein Bereich des Metallsubstrats 21 mit der Oxidbeschichtung 21a auf der Oberfläche, von welcher der Oxidfilm 21a auf der Oberfläche selektiv entfernt wurde.
Beim Schritt S4 des Entfernens der Beschichtung kann die Oxidbeschichtung 21a mittels Laserreinigung unter Verwendung eines Laserlichts L, wie YAG-Laser, entfernt werden. Insbesondere bestrahlt der Schritt S4 des Entfernens der Beschichtung die Oxidbeschichtung 21a, welche die Oberfläche des Metallsubstrats 21 bedeckt, mit Laserlicht L, während des Tastens über die Fläche, an welcher der Leitungs-definierende Bereich 22 ausgebildet werden soll, um den Oxidfilm 21a selektiv an der Fläche zu entfernen und den Auftragungsbereich 21b zu bilden.
Auf diese Weise entfernt der Schritt S4 des Entfernens der Beschichtung die Oxidbeschichtung 21a auf der Oberfläche des Metallsubstrats 21 mit Laserlicht L, um den Auftragungsbereich 21b zu bilden, wobei dieser Schritt die Oxidbeschichtung 21a nur auf der Oberfläche des Metallsubstrats 21 selektiv entfernen kann. Dies liegt daran, dass das Laserlicht L von einer neu geformten Oberfläche des Metallsubstrats 21, welche am Auftragungsbereich 21b nach dem Entfernen der Oxidbeschichtung 21a ausgesetzt ist, reflektiert wird. Beim Schritt S4 des Entfernens der Beschichtung kann beispielsweise die Oxidbeschichtung 21a mittels Sandstrahlen statt Laserreinigen entfernt werden.
Der Auftragungsbereich 21b, an welchem die Oxidbeschichtung 21a auf der Oberfläche des Metallsubstrats 21 entfernt wird, weist eine bessere Benetzbarkeit auf als die Benetzbarkeit der Oxidbeschichtung 21a auf der Oberfläche des Metallsubstrats 21. Mit anderen Worten, der Auftragungsbereich 21b des Metallsubstrats 21 weist einen Kontaktwinkel mit reinem Wasser auf, welcher kleiner ist als jener der Oxidbeschichtung 21a. Das heißt, der Schritt S4 des Entfernens der Beschichtung entfernt teilweise die Oxidbeschichtung 21a, welche die Oberfläche des Metallsubstrats 21 bedeckt, um den Auftragungsbereich 21b, welcher eine bessere Benetzbarkeit als jene der Oxidbeschichtung 21a aufweist, auszubilden. Mit anderen Worten, das Verfahren M1 zur Herstellung eines Separators für eine Brennstoffzelle der vorliegenden Ausführungsform umfasst den Schritt S4 des Entfernens der Beschichtung, um den Auftragungsbereich 21b auszubilden, und mittels dieses Schrittes weist der Auftragungsbereich 21b einen Kontaktwinkel mit reinem Wasser auf, welcher kleiner ist als der Kontaktwinkel mit reinem Wasser an der Oxidbeschichtung 21a.
5 ist eine schematische Querschnittsansicht des Metallsubstrats 21, wenn der Schritt S5 des Auftragens in 3 endet. Wie vorstehend beschrieben, trägt der Schritt S5 des Auftragens Schlämme 22s auf den Auftragungsbereich 21b nach dem Entfernen der Oxidbeschichtung 21a auf. Ein Verfahren zum Auftragen der Schlämme 22s beim Schritt S5 des Auftragens ist nicht besonders beschränkt, und verschiedene Verfahren wie Sieb- bzw. Filmdruck, Tiefdruck, Schlitzdüsendruck, Offsetdruck, und Tintenstrahldruck können verwendet werden.
Die Schlämme 22s kann beispielsweise mittels Mischen von Graphit, Acetylenruß (Ruß), Polyvinylalkohol (PVOH) und Bindemittel mit einem Lösungsmittel, welches die Mischung von Wasser und Ethylenglykol-2-n-butylether umfasst, hergestellt werden. Die Lösungsmittel können Ethanol, Propylenglykol, Ethylenglykol und Xylol umfassen.
Wie in 5 gezeigt, wird die Oxidbeschichtung 21a auf der Oberfläche des Metallsubstrats 21 am Auftragungsbereich 21b auf der Oberfläche des Metallsubstrats 21 derart entfernt, dass der Auftragungsbereich eine verbesserte Benetzbarkeit im Vergleich zur umgebenden Oxidbeschichtung 21a aufweisen kann, und von der Oberfläche der Oxidbeschichtung 21a leicht übersteht. Mit dieser Konfiguration bzw. Anordnung kann die auf den Auftragungsbereich 21b aufgetragene Schlämme 22s am Auftragungsbereich 21b gehalten werden und verteilt sich zur Benetzung nicht über die umliegende Fläche. Auf diese Weise kann die Schlämme eine vorbestimmte Gestalt und eine notwendige Höhe H behalten. Hinsichtlich dieses Standpunktes der Sicherung der benötigten Querschnittsfläche für die Gasleitung 4, welche mittels des Leitungs-definierenden Bereiches 22 definiert ist, muss beispielsweise die auf den Auftragungsbereich 21b aufgetragene Schlämme 22s eine Höhe H von 0,3 [mm] oder mehr von der Oberfläche des Metallsubstrats 21 aufweisen.
Wie vorstehend beschrieben, erwärmt der Schritt S6 des thermischen Behandelns die auf den Auftragungsbereich 21b auf der Oberfläche des Metallsubstrats 21 aufgetragene Schlämme 22s, um den Leitungs-definierenden Bereich 22 zu bilden. Dieser Schritt S6 des thermischen Behandelns verdampft das in der Schlämme 22s enthaltene Lösungsmittel, welches auf den Auftragungsbereich 21b auf der Oberfläche des Metallsubstrats 21 aufgetragen wurde, um den Leitungs-definierenden Bereich 22 auf der Oberfläche des Metallsubstrats 21 zu bilden. Folglich kann der Separator 2 für eine Brennstoffzelle, wie in den 1 und 2 gezeigt, hergestellt werden.
Wie vorstehend dargelegt, kann das Verfahren M1 zur Herstellung eines Separators für eine Brennstoffzelle der vorliegenden Ausführungsform die Gestalt der Schlämme 22s auf der Oberfläche des Metallsubstrats 21 halten und somit den Leitungs-definierenden Bereich 22 mit einer vorbestimmten Dicke auf der Oberfläche des Metallsubstrats 21 ausbilden.
Das ist eine detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Die spezifische Anordnung bzw. Konfiguration der vorliegenden Offenbarung ist nicht auf die vorstehend genannte Ausführungsform beschränkt, und das Design kann verschiedenartig geändert bzw. verändert werden, ohne vom Geist der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Die vorliegende Offenbarung deckt ebenso abgeänderte Ausführungsformen ab. Zum Beispiel kann die Oxidbeschichtung 21a, welche die Oberfläche des Metallsubstrats 21 bedeckt, eine plattierte bzw. beschichtete Schicht sein, welche die Oberfläche des Metallsubstrats 21 bedeckt.
Insbesondere stellt das Verfahren M1 zur Herstellung eines Separators für eine Brennstoffzelle in diesem Fall einen Separator für eine Brennstoffzelle mit einem Metallsubstrat 21 und einen Leitungs-definierenden Bereich 22 auf der Oberfläche des Metallsubstrats 21 her. Das Verfahren kann umfassen: teilweises Entfernen einer beschichteten bzw. plattierten Schicht, welche die Oberfläche des Metallsubstrats 21 bedeckt, um einen Auftragungsbereich 21b zu bilden; Auftragen der Schlämme 22s auf den Auftragungsbereich 21b nach dem Entfernen der beschichteten bzw. plattierten Schicht, und Erwärmen der auf den Auftragungsbereich 21b aufgetragenen Schlämme 22s, um einen Leitungs-definierenden Bereich 22 zu bilden. In diesem Fall kann die plattierte Schicht beispielsweise eine Metallschicht aus Gold (Au) sein.
[Beispiele]
Das Nachstehende beschreibt Beispiele des Verfahrens zur Herstellung eines Separators für eine in der vorstehenden Ausführungsform beschriebene Brennstoffzelle.
Es wurden drei dünne Platten aus reinem Titan hergestellt, welche die Metallsubstrate N11, N12, und N13 des Beispiels 1 waren. Es wurden drei dünne Platten aus Edelstahl (SUS316) hergestellt, welche die Metallsubstrate N21, N22 und N23 des Beispiels 2 waren. Als nächstes wurde der Schritt des Entfernens der Beschichtung ausgeführt, um die Oxidbeschichtung teilweise zu entfernen, welche die Oberfläche eines jeden der hergestellten Metallsubstrate N11, N12, N13, N21, N22 und N23 bedeckt und den Auftragungsbereich bzw. Anwendungsbereich bildet.
Beim Schritt des Entfernens der Beschichtung wurde eine Laservorrichtung derart verwendet, dass ein Bereich der Oxidbeschichtung, welcher die Oberfläche eines jeden der Metallsubstrate N11, N12, N13, N21, N22 und N23 bedeckt, mit gepulsten YAG-Laser mit der mittleren Leistung von 150 [W] während des Tastens des Lasers mit der Abtastrate von 10 [m/min] mit einem Spiegelgalvanometer bestrahlt wurde. Als nächstes wurden die Kontaktwinkel [°] mit reinem Wasser an der Oxidbeschichtung und am Auftragungsbereich für die Metallsubstrate N11, N12 und N13 des Beispiels 1 und für die Metallsubstrate N21, N22 und N23 des Beispiels 2 gemessen.
6 ist ein Graph, welcher die Kontaktwinkel [°] mit einem Wasser an der Oxidbeschichtung und am Auftragungsbereich für die Metallsubstrate N11, N12 und N13 des Beispiels 1 zeigt. Die Metallsubstrate N11, N12 und N13 des Beispiels 1 wiesen Kontaktwinkel mit reinem Wasser an der Oxidbeschichtung von jeweils 39 [°], 32 [°] und 38 [°] auf. Die Metallsubstrate N11, N12 und N13 wiesen Kontaktwinkel mit reinem Wasser am Auftragungsbereich nach dem Entfernen der Oxidbeschichtung auf der Oberfläche von jeweils 15 [°], 17 [°] und 15 [°] auf.
Das heißt, während die Metallsubstrate N11, N12 und N13 aus reinem Titan des Beispiels 1 Kontaktwinkel mit reinem Wasser an der Oxidbeschichtung auf der Oberfläche von 30 [°] oder mehr aufwiesen, verringerten sich die Kontaktwinkel mit reinem Wasser am Auftragungsbereich, nach dem Entfernen der Oxidbeschichtung auf weniger als 20 [°]. Das heißt, die Kontaktwinkel mit reinem Wasser an den Auftragungsbereichen war das 0,67-fache oder weniger der Kontaktwinkel mit reinem Wasser an der Oxidbeschichtung der Metallsubstrate. Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse. [Tabelle 1]

Metallsubstrat (Beispiel 1) Material Kontaktwinkel mit reinem Wasser [°]

Oxidbeschichtung Auftragungsbereich

N11 Ti 39 15

N12 Ti 32 17

N13 Ti 38 15
7 ist ein Graph, welcher die Kontaktwinkel [°] mit reinem Wasser an der Oxidbeschichtung und am Auftragungsbereich für die Metallsubstrate N21, N22 und N23 des Beispiels 2 zeigt. Die Metallsubstrate N21, N22 und N23 des Beispiels 2 wiesen Kontaktwinkel mit reinem Wasser an der Oxidbeschichtung auf der Oberfläche von jeweils 90 [°], 79 [°] und 100 [°] auf. Die Metallsubstrate N21, N22 und N23 wiesen Kontaktwinkel mit reinem Wasser am Auftragungsbereich nach dem Entfernen der Oxidbeschichtung auf der Oberfläche von jeweils 40 [°], 55 [°] und 50 [°] auf.
Das heißt, während die Metallsubstrate N21, N22 und N23 aus SUS316 des Beispiels 2 Kontaktwinkel mit reinem Wasser an der Oxidbeschichtung auf der Oberfläche von 75[°] oder mehr aufwiesen, verringerten sich die Kontaktwinkel mit reinem Wasser am Auftragungsbereich nach dem Entfernen der Oxidbeschichtung auf 55[°] oder weniger. Das heißt, die Kontaktwinkel mit reinem Wasser an den Auftragungsbereichen war das 0,75-fache oder weniger der Kontaktwinkel mit reinem Wasser an der Oxidbeschichtung der Metallsubstrate. Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse. [Tabelle 2]

Metall substrat (Beispiel 2) Material Kontaktwinkel mit reinem Wasser [°]

Oxidbeschichtung Auftragungsbereich

N21 SUS316 90 40

N22 SUS316 79 55

N23 SUS316 100 50
Als nächstes wurde die Schlämme, welche auf den Auftragungsbereich der Metallsubstrate aufgetragen werden soll, hergestellt. Die Schlämme wurde mittels Mischen von 85 Gew.-% Graphit, 15 Gew.-% Acetylenruß (Ruß), 5 Gew.-% Polyvinylalkohol (PVOH) und 3 Gew.-% Bindemittel mit Lösungsmittel einschließlich der Mischung von 49,5 Gew.-% Wasser und 5 Gew.-% Ethylenglykol-2-n-butylether hergestellt.
8 ist ein Graph, welcher den Zusammenhang zwischen der Schergeschwindigkeit [1/Sek.] und der Viskosität [mPa·s] der hergestellten Schlämme zeigt. Wie in 8 gezeigt, war die Schlämme ein nicht-Newtonsches Fluid, und zeigte das Verhalten eines Bingham-Fluids. Die Schlämme wies die Viskosität von 1×10³ [mPa·s] oder mehr und 1×10⁴ [mPa·s] oder weniger auf, wenn die Schergeschwindigkeit innerhalb des Bereiches von 1×10² [1/Sek.] oder weniger war.
Als nächstes wurde der Schritt des Auftragens ausgeführt, um die Schlämme auf den Auftragungsbereich eines jeden Metallsubstrates N11, N12, N13, N21, N22 und N23 nach dem Entfernen der Oxidbeschichtung mittels Film- bzw. Siebdruck aufzutragen. Das Sieb- bzw. Filmdrucken wurde unter den Bedingungen der Geschwindigkeit des Abziehers von 30 [mm/Sek.], dem Winkel des Abziehers von 70 [°], dem Filmdruck von 0,3 [Mpa], und der Gummihärte des Abziehers von 70 Grad unter Verwendung eines Durometers (Typ A) ausgeführt. Ein Vor-Kontakt-Abzieher wurde nicht benutzt. Wie in 5 gezeigt, hielt die auf den Auftragungsbereich eines jeden Metallsubstrats N11, N12, N13, N21, N22 und N23 aufgetragene Schlämme eine vorbestimmte Gestalt mit der Höhe H von 0,3 [mm] oder mehr.
Als nächstes wurde der Schritt des thermischen Behandelns ausgeführt, um die auf den Auftragungsbereich eines jeden Metallsubstrats N11, N12, N13, N21, N22 und N23 aufgetragene Schlämme zu erwärmen, um den Leitungs-definierenden Bereich zu bilden. Bei dem Schritt des thermischen Behandelns wurde die Schlämme erwärmt, um unter den Bedingungen von 130[°C] und 30 [Sek.] zu trocknen, und der Leitungs-definierende Bereich 22 wurde wie in den 1 und 2 gebildet.
Die mittels dieser Schritte erhaltenen Separatoren des Beispiels 1 und des Beispiels 2 wiesen den Leitungs-definierenden Bereich 22 mit einer vorbestimmten Dicke auf der Oberfläche der Metallsubstrate N11, N12, N13, N21, N22 und N23 erfolgreich auf. Die Separatoren für eine Brennstoffzelle des Beispiels 1 und des Beispiels 2 wiesen deshalb eine ausreichende Querschnittsfläche der Gasleitung 4, welche durch den Leitungs-definierenden Bereich 22 definiert ist, auf, um die Stromerzeugungseffizienz der Brennstoffzelle zu verbessern und gute Kraftstoffeffizienz aufzuweisen.
[Vergleichsbeispiele]
Es wurden dünne Platten aus reinem Titan und Edelstahl (SUS316) hergestellt, welche jeweils Metallsubstrate des Vergleichsbeispiels 1 und des Vergleichsbeispiels 2 waren. Die Oxidbeschichtung, welche die Oberfläche der Metallsubstrate der Vergleichsbeispiele 1 und 2 bedeckt, wurde nicht entfernt, und die auf dieselbe Weise bzw. gleichermaßen wie die Beispiele hergestellte Schlämme wurde mittels Sieb- bzw. Filmdruck auf die Oberfläche der Metallsubstrate der Vergleichsbeispiele 1 und 2 aufgetragen.
9 ist eine schematische Querschnittsansicht der auf das Metallsubstrat 21X der Vergleichsbeispiele 1 und 2 aufgetragenen Schlämme 22Xs. Die auf das Metallsubstrat 21X der Vergleichsbeispiele 1 und 2 aufgetragenen Schlämme 22Xs wies eine Verteilung mittels Sickern in der Umgebung über die Oxidbeschichtung 21Xa auf der Oberfläche auf, und die Höhe H war weniger als 0,3 [mm]. Auf diese Weise versagte die Schlämme, eine vorbestimmte Gestalt zu halten.
Als nächstes wurde der Schritt des thermischen Behandelns ausgeführt, um die auf den Auftragungsbereich eines jeden Metallsubstrats der Vergleichsbeispiele 1 und 2 aufgetragenen Schlämme 22Xs zu erwärmen, um den Leitungs-definierenden Bereich zu bilden. Der Schritt des thermischen Behandelns wurde auf ähnliche Weise bzw. ähnlich wie die Beispiele ausgeführt. Die Separatoren der Vergleichsbeispiele 1 und 2, welche mittels dieser Schritte erhalten wurden, versagen, den Leitungs-definierenden Bereich mit einer vorbestimmten Dicke auf der Oberfläche der Metallsubstrate zu bilden.
Die Separatoren der Vergleichsbeispiele 1 und 2 versagten deshalb, eine ausreichende Querschnittsfläche der Gasleitung, welche durch den Leitungs-definierenden Bereich definiert ist, aufzuweisen, was eine Verschlechterung der Stromerzeugungseffizienz der Brennstoffzelle und der Kraftstoffeffizienz bewirken kann.
Bezugszeichenliste

21: Metallsubstrat
22: Leitungs-definierender Bereich
21a: Oxidbeschichtung
21b: Auftragungsbereich
22: Leitungs-definierender Bereich
22s: Schlämme
L: Laserlicht
M1: Verfahren zur Herstellung eines Separators für eine Brennstoffzelle
S4: Schritt des Entfernens einer Beschichtung (Schritt des Ausbildens des Auftragungsbereichs)
S5: Schritt des Auftragens (Schritt des Auftragens der Schlämme)
S6: Schritt des thermischen Behandelns (Schritt des Ausbildens eines Leitungsdefinierenden Bereichs)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2006331670 A [0002]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Separators für eine Brennstoffzelle, welche ein Metallsubstrat und einen Leitungs-definierenden Bereich auf einer Oberfläche des Metallsubstrats umfasst, wobei das Verfahren umfasst: teilweises Entfernen der Oxidbeschichtung, welche die Oberfläche des Metallsubstrats bedeckt, um einen Auftragungsbereich zu bilden; Auftragen einer Schlämme auf den Auftragungsbereich nach dem Entfernen der Oxidbeschichtung; und Erwärmen der auf den Auftragungsbereich aufgetragenen Schlämme, um den Leitungs-definierenden Bereich auszubilden.
Verfahren zur Herstellung eines Separators für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei das Ausbilden des Auftragungsbereichs einen Kontaktwinkel mit reinem Wasser am Auftragungsbereich kleiner macht als einen Kontaktwinkel mit reinem Wasser an der Oxidbeschichtung.
Verfahren zur Herstellung eines Separators für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Ausbilden des Auftragungsbereichs die Oxidbeschichtung mit Laser-Licht entfernt.
Verfahren zur Herstellung eines Separators für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 2, wobei der Kontaktwinkel mit reinem Wasser am Auftragungsbereich das 0,75-fache oder weniger des Kontaktwinkels mit reinem Wasser an der Oxidbeschichtung ist.
Verfahren zur Herstellung eines Separators für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 4, wobei das Metallsubstrat aus reinem Titan ist, und der Kontaktwinkel mit reinem Wasser am Auftragungsbereich kleiner als 20 [°] ist.
Verfahren zur Herstellung eines Separators für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 4, wobei das Metallsubtrat aus Edelstahl ist, und der Kontaktwinkel mit reinem Wasser am Auftragungsbereich kleiner als 60 [°] ist.
Verfahren zur Herstellung eines Separators für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Schlämme eine Viskosität von 1×10³ [mPa·s] oder mehr und 1×10⁴ [mPa·s] oder weniger aufweist, wenn die Schergeschwindigkeit innerhalb des Bereiches von 1×10² [1/Sek.] oder weniger ist.