DE102018131019A1

DE102018131019A1 - Brennstoffzellen-separator

Info

Publication number: DE102018131019A1
Application number: DE102018131019.6A
Authority: DE
Inventors: Tsuyoshi Seguchi; Koutaro IKEDA; Yukihiro Shibata
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-12-14
Filing date: 2018-12-05
Publication date: 2019-06-19
Also published as: KR102166959B1; KR20190071577A; CA3027406A1; US20190190035A1; JP6856012B2; CA3027406C; CN109962255A; US11069905B2; JP2019106345A

Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellen-Separators, welcher eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit unter der Anwendungsumgebung einer Brennstoffzelle sicherstellt und ein Ansteigen eines Kontaktwiderstandes mit einer Stromerzeugungseinheit durch Verbessern einer Bindungskraft eines leitfähigen Kohlenstoff-Films vermeidet, welcher auf einer Oberfläche, welche in Kontakt mit der Stromerzeugungseinheit auf einer Oberfläche eines Titan-Substrats bereitgestellt ist, gebildet ist. Es ist ein Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellen-Separators. Der Brennstoffzellen-Separator 3 umfasst einen Kontaktabschnitt 31, welcher in Kontakt mit einer Stromerzeugungseinheit 2 ist, um die Stromerzeugungseinheiten 2 einschließlich der Elektroden 6 der Brennstoffzelle 10 zu unterteilen, und umfasst einen auf dem Kontaktabschnitt 31 gebildeten, leitfähigen Kohlenstoff-Film 3e. Zuerst wird ein Titan-Substrat 3A, welches eine Mehrzahl an vorspringenden Abschnitten 31A, welche entsprechend einer Gestalt des Kontaktabschnitts 31 gebildet sind, und vertiefte Abschnitte 21A für Gas-Strömungskanäle aufweist, welche zwischen den vorspringenden Abschnitten 31A gebildet sind, werden als ein Substrat des Separators 3 hergestellt. Als nächstes wird eine Wärmebehandlung auf dem Titan-Substrat 3A in einem Zustand ausgeführt, in welchem ein Kohlepapier 9 in Kontakt mit den vorspringenden Abschnitten 31A gebracht wird, sodass der Kohlenstoff des Kohlepapiers 9 in die vorspringenden Abschnitte 31A diffundiert.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellen-Separators, welcher in Kontakt mit einer Stromerzeugungseinheit ist, um die Stromerzeugungseinheiten einschließlich den Elektroden der Brennstoffzelle zu unterteilen.
Stand der Technik
In einer Brennstoffzelle wird gewöhnlich eine Stromerzeugungseinheit, welche eine Membranelektrodeneinheit umfasst, in welcher ein Paar an Elektroden auf beiden Oberflächen einer Feststoffpolymer-Elektrolytmembran gebildet ist, als eine einzelne Zelle betrachtet. Die Stromerzeugungseinheiten sind durch Separatoren unterteilt, mit welchen Gas-Strömungskanäle für beispielsweise Wasserstoffgas als ein Brenngas und ein Oxidationsgas, wie Luft, gebildet sind. Die Brennstoffzelle ist als ein Stapel konfiguriert, in welchem eine Mehrzahl an einzelnen Zellen über die Separatoren gestapelt sind. Ein derartiger Brennstoffzellenseparator spielt eine Rolle, um zu bewirken, dass ein im Stapel erzeugter Strom zu einer benachbarten Zelle fließt, und deshalb sind hohe Leitfähigkeitseigenschaften und eine Langlebigkeit der Leitfähigkeit erwünscht.
Als ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Brennstoffzellen-Separators haben beispielsweise Patentliteratur 1 und Patentliteratur 2 ein Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellen-Separators vorgeschlagen, welches einen leitfähigen Kohlenstoff-Film, wie amorpher Kohlenstoff, auf einer Oberfläche bildet, welcher in Kontakt mit der Stromerzeugungseinheit auf einer Oberfläche eines Titan-Substrats, in welchem die Gas-Strömungskanäle gebildet sind, ist.
Quellenangabe
Patentliteratur

Patentliteratur 1: JP 2013-155406 A
Patentliteratur 2: Japanisches Patent Nr. 4825894

Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Die durch die in Patentliteratur 1 und Patentliteratur 2 beschriebenen Herstellungsverfahren erhaltenen Separatoren können jedoch einen Bereich mit einer geringen Bindungskraft bzw. haftenden Kraft zwischen einem Titan-Substrat und einem leitfähigen Kohlenstoff-Film aufweisen. Dieser Bereich mit der geringen Bindungskraft bringt eine Sorge mit sich, dass eine Grenzfläche zwischen dem Titan-Substrat und dem leitfähigen Kohlenstoff-Film leicht oxidiert wird und ein Kontaktwiderstand zwischen dem Separator und der Stromerzeugungseinheit der Anwendungsumgebung der Brennstoffzelle ansteigt.
Die vorliegende Erfindung wurde hinsichtlich eines derartigen Aspekts gemacht, und stellt ein Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellen-Separators bereit, welcher eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit unter der Anwendungsumgebung einer Brennstoffzelle durch Verbesserung einer Bindungskraft eines leitfähigen Kohlenstoff-Films sicherstellt, welcher auf einer Oberfläche gebildet ist, welche in Kontakt mit einer Stromerzeugungseinheit auf einer Oberfläche eines Titan-Substrats ist.
Lösung des Problems
Hinsichtlich des vorstehend beschriebenen Problems ist ein Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellen-Separators gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellen-Separators, welcher einen Kontaktabschnitt umfasst, welcher in Kontakt mit einer Stromerzeugungseinheit ist, um die Stromerzeugungseinheiten einschließlich der Elektroden einer Brennstoffzelle zu unterteilen, und weist einen auf dem Kontaktabschnitt gebildeten, leitfähigen Kohlenstoff-Film auf. Das Verfahren umfasst: einen Herstellungsschritt des Herstellens eines Titan-Substrats mit einer Mehrzahl an vorspringenden Abschnitten und vertieften Abschnitten für Gas-Strömungskanäle als ein Substrat des Separators, die vorspringenden Abschnitte sind entsprechend einer Form des Kontaktabschnitts gebildet, die vertieften Abschnitte sind zwischen den vorspringenden Abschnitten gebildet, und ein Wärmebehandlungsschritt, in welchem eine Wärmebehandlung auf dem Titan-Substrat in einem Zustand ausgeführt wird, in welchem ein Kohlepapier in Kontakt mit den vorspringenden Abschnitten gebracht wird, sodass Kohlenstoff im Kohlepapier in die vorspringenden Abschnitte diffundiert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung stellt das Ausführen der Wärmebehandlung in einem Zustand, in welchem das Kohlepapier in Kontakt mit mindestens den vorspringenden Abschnitten des Titan-Substrats gebracht wird, das Diffundieren des Kohlenstoffs des Kohlepapiers in das Matrixmaterial des Titan-Substrats auf der Oberfläche der Kontaktabschnitte des Titan-Substrats sicher. Dies stellt das Bilden der Titancarbid-Schicht sicher, sodass die Titancarbid-Schicht die Oberfläche des Matrixmaterials des Titan-Substrats einheitlich bedeckt.
Daher stellt das Bilden der Titancarbid-Schicht auf der Oberfläche des Matrixmaterials der vorspringenden Abschnitte das Bilden des leitfähigen Kohlenstoff-Films auf der Oberfläche der Titancarbid-Schicht in dem späteren Schritt sicher, sodass ein Kontaktabschnitt mit einer verbesserten Bindungskraft zwischen dem vorspringenden Abschnitt des Titan-Substrats und dem leitfähigen Kohlenstoff-Film erhalten werden kann. Insbesondere weist in dieser Ausführungsform, das Kohlepapier Flexibilität auf, und dadurch kann leicht bewirkt werden, dass das Kohlepapier den Oberflächen der vorspringenden Abschnitte auf der Oberfläche des Titan-Substrats folgt, und die Wärmebehandlung kann in diesem Zustand ausgeführt werden. Dies stellt ferner ein gleichmäßiges Bilden der Titancarbid-Schicht mit verringerter Unebenheit sicher.
In einem Aspekt kann ein Filmbildungsschritt zur Bildung des leitfähigen Kohlenstoff-Films auf den vorspringenden Abschnitten nach dem Wärmebehandlungsschritt enthalten sein. Dieser Aspekt stellt das Verbessern der Bindungskraft zwischen der Titancarbid-Schicht und dem leitfähigen Kohlenstoff-Film durch die Bindung zwischen dem Kohlenstoff der Titancarbid-Schicht des Kontaktabschnitts und dem Kohlenstoff des leitfähigen Kohlenstoff-Films sicher. Insbesondere stellt das Bilden des leitfähigen Kohlenstoff-Films durch das Plasma-CVD eine weitere Verbesserung der Bindungskraft zwischen dem Kohlenstoff der Titancarbid-Schicht und dem Kohlenstoff des leitfähigen Kohlenstoff-Films sicher.
Zum Beispiel kann hier in einem Aspekt das Ätzen der vorspringenden Abschnitte nach dem Wärmebehandlungsschritt und vor dem Filmbildungsschritt die auf den Oberflächen der vorspringenden Abschnitte gebildeten Passiv-Filme des Titanoxids entfernen, während ein Passiv-Film des Titan-Substrats zuvor durch Ätzen vor dem Wärmebehandlungsschritt entfernt wird. Entsprechend diesem Aspekt ist, wie nachstehend beschrieben, eine Filmdicke des Passiv-Films des Titanoxids, auf welchem der Wärmebehandlungsschritt ausgeführt worden ist, dünner als eine Filmdicke des Passiv-Films des Titanoxids, auf welchem der Wärmebehandlungsschritt nicht ausgeführt worden ist, und dadurch kann die Ätzzeit verkürzt werden.
In einigen Aspekten wird das Titan-Substrat noch durch Pressarbeit im Herstellungsschritt hergestellt. Gemäß diesem Aspekt wird im Wärmebehandlungsschritt das Titan-Substrat durch die Druckform gebildet, bevor die Titancarbid-Schicht gebildet wird, und dadurch können die vorspringenden Abschnitte und die vertieften Abschnitte leicht vom Titan-Substrat, welches hohe Formbarkeit aufweist, gebildet werden.
Die Wärmebehandlung kann in einem Zustand ausgeführt werden, in welchem die Titan-Substrate und die Kohlepapiere im Wärmebehandlungsschritt abwechselnd gestapelt sind. Gemäß diesem Aspekt kann die Wärmebehandlung ausgeführt werden, während beide Oberflächen des Kohlepapiers in Kontakt mit den vorspringenden Abschnitten des Titan-Substrats durch abwechselndes Stapeln der Titan-Substrate und der Kohlepapiere gebracht werden. Dies stellt die Verbesserung der Leistungsfähigkeit bzw. Produktivität des Separators sicher.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Mit der vorliegenden Erfindung wird der verbesserte Kontaktwidertand unter der Anwendungsumgebung der Brennstoffzelle und das Vermeiden des Ansteigens des Kontaktwiderstands mit der Stromerzeugungseinheit durch das Verbessern der Bindungskraft des leitfähigen Kohlenstoff-Films sichergestellt, welcher auf der Oberfläche gebildet ist, welche in Kontakt mit der Stromerzeugungseinheit auf der Oberfläche des Titan-Substrats ist.
Figurenliste

1 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Hauptbereichs einer Brennstoffzelle, welche Separatoren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst;
2 ist ein Fließdiagramm zur Beschreibung eines Verfahrens zur Herstellung des in 1 dargestellten Brennstoffzellen-Separators;
3 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Titan-Substrats, welches ein Substrat für den Separator in einem in 2 dargestellten Herstellungsschritt wird;
4 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines in 3 dargestellten, vorspringenden Abschnitts;
5 ist eine Zeichnung zur Beschreibung eines in 2 dargestellten Wärmebehandlungsschritts;
6 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht des vorspringenden Abschnitts nach dem in 5 dargestellten Wärmebehandlungsschritt;
7 ist eine schematische Querschnittsansicht zur Beschreibung eines in 2 dargestellten Ätzprozessschrittes;
8 ist eine schematische Querschnittsansicht zur Beschreibung eines in 2 dargestellten Filmbildungsschrittes;
9A ist ein Querschnittsfoto eines Titan-Substrats gemäß einem Beispiel;
9B ist ein vergrößertes Querschnittsfoto des Titan-Substrats in 9A;
10A ist ein Querschnittsfoto eines Titan-Substrats gemäß einem Vergleichsbeispiel;
10B ist ein vergrößertes Querschnittsfoto eines Abschnitts, in welchem kein Titancarbid auf dem Titan-Substrat in 10A gebildet ist;
10C ist ein vergrößertes Querschnittsfoto eines Abschnitts, in welchem das Titancarbid auf dem Titan-Substrat in 10A gebildet ist;
11 ist ein Graph, welcher Ätzzeiten der Titan-Substrate gemäß dem Beispiel und dem Vergleichsbeispiel darstellt; und
12 ist ein Graph, welcher die Zusammenhänge zwischen Korrodierzeiten und Kontaktwiderstand-Verhältnissen der Testobjekte gemäß dem Beispiel und dem Vergleichsbeispiel darstellt.

Beschreibung der Ausführungsformen
Das Nachstehende beschreibt eine Konfiguration der vorliegenden Erfindung im Detail, basierend auf einer in der Zeichnung dargestellten beispielhaften Ausführungsform. Obwohl das Nachstehende beispielhaft einen Fall beschreibt, in welchem die vorliegende Erfindung auf eine an einem Brennstoffzellen-Fahrzeug montierte Brennstoffzelle oder ein Brennstoffzellensystem einschließlich der Brennstoffzelle als ein Beispiel angewandt wird, ist der Umfang der Anwendung nicht auf ein derartiges Beispiel beschränkt.
Brennstoffzelle 10 einschließlich des Separators 3
1 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Hauptbereichs einer Brennstoffzelle 10 einschließlich der Separatoren 3 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 1 dargestellt sind in der Brennstoffzelle (Brennstoffzellenstapel) 10, eine Mehrzahl an Zellen (einzelne Zelle) 1 gestapelt. Die Zelle 1 ist eine Grundeinheit. Jede der Zellen 1 ist eine Feststoffpolymer-Brennstoffzelle, welche eine elektromotorische Kraft durch eine elektrochemische Reaktion zwischen einem Oxidationsgas (zum Beispiel Luft) und einem Brenngas (zum Beispiel ein Wasserstoffgas) erzeugt. Die Zelle 1 umfasst eine Membranelektrode & Gasdiffusionsschichteinheit (MEGA) 2 und die Separatoren (Brennstoffzellen-Separator) 3, welche in Kontakt mit den MEGA 2 sind, um die MEGA (Stromerzeugungseinheit) 2 zu unterteilen. Es sollte angemerkt werden, dass in dieser Ausführungsform die MEGA 2 sandwichartig von einem Paar der Separatoren 3 und 3 umgeben ist.
Die MEGA 2 ist durch Integrieren einer Membranelektrodeneinheit (MEA) 4 und Gasdiffusionsschichten 7 und 7, welche an beiden Seiten der Membranelektrodeneinheit 4 angeordnet sind, hergestellt. Die Membranelektrodeneinheit 4 ist aus einer Elektrolytmembran 5 und einem Paar an Elektroden 6 und 6, welche derart gebunden sind, um die Elektrolytmembran 5 sandwichartig zu umgeben, hergestellt. Die Elektrolytmembran 5 umfasst eine aus einem Feststoffpolymer-Material gebildete, protonenleitfähige Ionenaustauschmembran. Die Elektrode 6 ist aus beispielsweise einem porösen Kohlenstoffmaterial gebildet, welches einen Katalysator, wie Platin, trägt. Die an einer Seite der Elektrolytmembran 5 angeordnete Elektrode 6 wird eine Anode und die Elektrode 6 auf der anderen Seite wird eine Kathode. Die Gasdiffusionsschicht 7 ist aus einem leitfähigen Element mit Gasdurchlässigkeit, wie ein poröser Kohlenstoff-Körper, wie ein Kohlepapier oder ein Kohlenstofftuch, oder ein poröser Metall-Körper, wie ein Metallnetz oder ein poröses Metall gebildet.
In dieser Ausführungsform ist die MEGA 2 eine Stromerzeugungseinheit der Brennstoffzelle 10. Der Separator 3 ist in Kontakt mit der Gasdiffusionsschicht 7 der MEGA 2. Wenn die Gasdiffusionsschicht 7 ausgelassen wird, ist die Membranelektrodeneinheit 4 die Stromerzeugungseinheit, und in diesem Fall ist der Separator 3 in Kontakt mit der Membranelektrodeneinheit 4. Dementsprechend umfasst die Stromerzeugungseinheit der Brennstoffzelle 10 die Membranelektrodeneinheit 4 und ist in Kontakt mit dem Separator 3. Der Separator 3 ist ein plattenförmiges Element, welches ein Metall, welches eine hohe Leitfähigkeit und eine hohe Gasundurchlässigkeit aufweist, als ein Substrat verwendet. Der Separator 3 weist Kontaktabschnitte 31 auf der einen Oberflächenseite des Separators 3 und Kontaktabschnitte 32 auf der anderen Oberflächenseite des Separators 3 auf. Der Kontaktabschnitt 31 grenzt an die Gasdiffusionsschicht 7 der MEGA 2. Der Kontaktabschnitt 32 grenzt an die andere Oberflächenseite des benachbarten, weiteren bzw. anderen Separators 3. Die Kontaktabschnitte 31 und 32 sind Stromsammlungsabschnitte, welche in der MEGA 2 als der Stromerzeugungseinheit erzeugten, elektrischen Strom sammeln.
In dieser Ausführungsform ist jeder der Separatoren 3 in einer Wellenform gebildet. Die Gestalt bzw. Form des Separators 3 ist, dass eine Gestalt bzw. Form einer Welle ein gleichschenkliges Trapez bildet und ein oberer Abschnitt der Welle ist flach. Dieser obere Abschnitt weist beide Enden auf, welche gleiche Winkel bilden, um schräge Gestalten bzw. Formen bereitzustellen. Das heißt, jeder der Separatoren 3 stellt eine ungefähr identische Gestalt dar, egal ob es von einer Vorderseite oder einer Hinterseite betrachtet wird, und diese oberen Abschnitte (vorspringender Abschnitt) werden die Kontaktabschnitte 31 und 32 des Separators 3. Insbesondere die Kontaktabschnitte 31 sind als die oberen Abschnitte des Separators 3 in Oberflächenkontakt mit einer Gasdiffusionsschicht 7 der MEGA 2, und die Kontaktabschnitte 32 sind als die oberen Abschnitte des Separators 3 in Oberflächenkontakt mit der weiteren Gasdiffusionsschicht 7 der MEGA 2.
Ein Gas-Strömungskanal 21, welcher zwischen der Gasdiffusionsschicht 7 auf einer Seite einer Elektrode (das heißt eine Anode) 6 und dem Separator 3 definiert ist, ist ein Strömungsdurchlass, durch welchen ein Brenngas strömt. Ein Gas-Strömungskanal 22, welcher zwischen der Gasdiffusionsschicht 7 auf einer Seite der anderen Elektrode (das heißt Kathode) 6 und dem Separator 3 definiert ist, ist ein Strömungsdurchlass, durch welchen ein Oxidationsgas strömt. Wenn das Brenngas dem Gas-Strömungskanal 21 auf einer Seite zugeführt wird und das Oxidationsgas dem Gas-Strömungskanal 22 auf der anderen Seite zugeführt wird, tritt eine elektrochemische Reaktion in der Zelle 1 auf, um eine elektromotorische Kraft zu erzeugen. Der Gas-Strömungskanal 21 und der Gas-Strömungskanal 22 sind durch die Zelle 1 entgegengesetzt bzw. liegen sich durch die Zelle 1 gegenüber.
Ferner sind eine bestimmte Zelle 1 und eine zur bestimmten Zelle 1 benachbarte, weitere bzw. andere Zelle 1 angeordnet, sodass die Elektrode 6 als die Anode und die Elektrode 6 als die Kathode zueinander zugewandt sind. Die Kontaktabschnitte 32 auf einer Rückseite des Separators 3, welche entlang der Elektrode 6 als die Anode der bestimmten Zelle 1 angeordnet sind, sind in Oberflächenkontakt mit den Kontaktabschnitten 32 auf der Rückseite des Separators 3, welche entlang der Elektrode 6 als die Kathode der anderen bzw. weitern Zelle 1 angeordnet sind. Ein Raum 23, welcher zwischen den Separatoren 3 und 3, welche in Oberflächenkontakt zwischen den benachbarten zwei Zellen 1 sind, definiert ist, weist ein Wasser als ein Kühlmittel auf, um die Zelle 1 beim Durchlaufen zu kühlen.
Verfahren zur Herstellung des Separators 3
Das Nachstehende beschreibt ein Verfahren zur Herstellung des Separators 3 gemäß der Ausführungsform mit Bezug zu den 2 bis 8. 2 ist ein Fließdiagramm zur Beschreibung des Verfahrens zur Herstellung des in 1 dargestellten Brennstoffzellen-Separators 3. Es sollte angemerkt werden, dass, obwohl das Nachstehende das Verfahren zur Herstellung des Separators 3 beschreibt, in welchem der Gas-Strömungskanal 21 für das Brenngas gebildet ist, das Verfahren zur Herstellung des Separators 3, in welchem der Gas-Strömungskanal 22 für das Oxidationsgas gebildet ist, ähnlich ist, und deshalb die detaillierte Beschreibung hier nicht weiter ausgeführt wird.
Herstellungsschritt S1
3 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Titan-Substrats 3A, welches ein Substrat des Separators 3 im in 2 dargestellten Herstellungsschritt wird. 4 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines in 3 dargestellten, vorspringenden Abschnitts 31A. Wie in 2 dargestellt, wird in dieser Ausführungsform der Herstellungsschritt S1 zuerst ausgeführt.
Beim Herstellungsschritt S1, wird das Titan-Substrat 3A als das Substrat des Separators 3 hergestellt. Das Titan-Substrat 3A weist eine Mehrzahl an vorspringenden Abschnitten 31A, 31A, ... auf, welche entsprechend einer Gestalt der Kontaktabschnitte 31 und vertieften Abschnitte 21A für die Gas-Strömungskanäle gebildet sind, welche zwischen den vorspringenden Abschnitten 31A und 31A gebildet sind. Es sollte angemerkt werden, dass auf einer entgegengesetzten Seite einer Oberfläche, auf welcher die vorspringenden Abschnitte 31A ausgebildet sind, die vorspringenden Abschnitte 32A entsprechend einer Gestalt der Kontaktabschnitte 32 ausgebildet sind. Die vertieften Abschnitte 23A für ein Kühlwasser sind zwischen den vorspringenden Abschnitten 32A und 32A ausgebildet. In dieser Ausführungsform wird ein nachstehend beschriebenes, blattförmiges Titan-Substrat hergestellt, und anschließend wird eine Pressarbeit auf diesem Titan-Substrat ausgeführt, um das Titan-Substrat 3A auszubilden. Das Nachstehende beschreibt das Detail.
In diesem Schritt wird das blattartige Titan-Substrat aus einem kalt-gewalztem Material zuerst hergestellt. Das Titan-Substrat ist aus Titan oder einer Titan-Legierung hergestellt. Das Titan kann beispielsweise die Typen 1 bis 4 (entsprechen den Klassen 1 bis 4 ASTM), spezifiziert im japanischen Industriestandard H4600 enthalten. Die Titan-Legierung kann beispielsweise, Ti-Al, Ti-Nb, Ti-Ta, Ti-6A1-4V, und Ti-Pd enthalten. Sie ist jedoch nicht auf die vorstehend beschriebenen Beispiele in jedem Fall beschränkt.
Das Verwenden des Substrats aus Titan oder einer Titan-Legierung stellt ein leichtes Gewicht und eine hohe Korrosionsbeständigkeit sicher. In einigen Ausführungsformen ist das Titan-Substrat ein kaltes Plattenmaterial mit einer Dicke von 0,05 bis 1 mm. Die Dicke in diesem Bereich genügt einem Anspruch der Gewichtsverringerung und des Ausdünnens des Separators, und stellt eine Festigkeit und eine Handhabbarkeit als den Separator bereit; deshalb ist es relativ einfach in die Form des Separators zu pressen.
Die Pressarbeit auf das blattartige Titan-Substrat bildet die Mehrzahl an entsprechend der Form der Kontaktabschnitte 31 gebildeten, vorspringenden Abschnitte 31A, 31A, ... und die zwischen den vorspringenden Abschnitten 31A und 31A aus dem blattförmigen Titan-Substrat gebildeten, vertieften Abschnitte 21A der Gas-Strömungskanäle. Bevor eine Titancarbid-Schicht 3d in einem nachstehend beschriebenen Wärmebehandlungsschritt S2 gebildet wird, wird das Titan-Substrat 3A durch die Pressarbeit gebildet. Deshalb können die vorspringenden Abschnitte 31A, die vertieften Abschnitte 21A, und ähnliche Abschnitte leicht aus dem Titan-Substrat gebildet werden, welches eine hohe Formbarkeit aufweist.
Auf der Oberfläche des Titan-Substrats 3A wird hier ein Passiv-Film 3b aus Titanoxid (insbesondere, TiO₂) gebildet, wie in 4 dargestellt. Dieser Passiv-Film 3b ist ein Oxidfilm aus Titandioxid, welcher in der Atmosphäre (unter der Atmosphäre, welche ein Sauerstoffgas enthält) natürlich oxidiertes Titan ist. Ferner sind zwischen dem Passiv-Film 3b des Titanoxids und einem Matrixmaterial 3a Titancarbide 3c teilweise lokal gebildet. Dieses Titancarbid 3c ist ein Kohlenstoff von Kohlenwasserstoffen, welcher im Titan diffundierte, wenn nach dem Walzen gesintert wurde. Der Kohlenwasserstoff ist in einem Walzöl enthalten, wenn das blattförmige Titan-Substrat 3A gewalzt wird.
Wärmebehandlungsschritt S2
Als nächstes wird der Wärmebehandlungsschritt S2 ausgeführt. 5 ist eine Zeichnung zur Beschreibung des in 2 dargestellten Wärmebehandlungsschrittes S2. 6 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht des vorspringenden Abschnitts nach dem in 5 dargestellten Wärmebehandlungsschritt S2. Im Wärmebehandlungsschritt S2 wird, in einem Zustand, in welchem ein Kohlepapier 9 in Kontakt mit den vorspringenden Abschnitten 31A ist, welche den Kontaktabschnitten 31 entsprechen, welche mit mindestens der Stromerzeugungseinheit 2 auf dem Titan-Substrat 3A in Kontakt sind, die Wärmebehandlung auf dem Titan-Substrat 3A derart ausgeführt, dass der Kohlenstoff im Kohlepapier 9 in die vorspringenden Abschnitte 31A diffundiert. Es sollte angemerkt werden, dass in dieser Ausführungsform eine ähnliche Behandlung gleichzeitig in einem Zustand ausgeführt wird, in welchem das Kohlepapier 9 in Kontakt mit den auf der gegenüberliegenden Seite gebildeten, vorspringenden Abschnitten 32A gebracht wird.
Es ist lediglich erforderlich, dass das Kohlepapier 9 ein flexibles Blatt ist, dessen Oberfläche Kohlenstoff enthält, und es ist nicht besonders beschränkt, solange die Titancarbid-Schicht gebildet werden kann. Das Blatt-Material kann beispielsweise ein Kohlepapier, ein Kohletuch, oder ein Kohlefilz umfassen, und das Material ist nicht besonders beschränkt, so lange das Material die Oberflächen der vorspringenden Abschnitte 31 gleichmäßig kontaktiert bzw. berührt. Zum Beispiel kann das Kohlepapier 9 ein Blatt sein, welches Kohlenstoff-Partikel, wie Ruß, gleichmäßig auf beiden Oberflächen eines Papiermaterials oder eines Harzblattes trägt. Außerdem kann das Kohlepapier 9 beispielsweise ein blattförmiger Stoff oder Vlies aus Kohlefasern sein, oder kann der blattförmige Stoff oder das Vlies aus Kohlefasern sein, welche mit Harz imprägniert sind.
In dieser Ausführungsform wird, wie in 5 dargestellt, die Wärmebehandlung in einem Zustand ausgeführt, in welchem die Titan-Substrate 3A und die Kohlepapiere 9 im Wärmebehandlungsschritt S2 alternierend gestapelt werden. Dies stellt das Ausführen der Wärmebehandlung auf einer Mehrzahl an Titan-Substraten 3A auf einmal sicher, dadurch wird verbesserte Produktivität sichergestellt. In dieser Ausführungsform wird insbesondere das Kohlepapier 9 derart eingefügt, dass die in einem unteren Abschnitt angeordneten, vorspringenden Abschnitte 31A des Titan-Substrats 3A den in einem oberen Abschnitt angeordneten, vertieften Abschnitte 23A des Titan-Substrats 3A gegenüberliegen. Dies kann das Kohlepapier 9 mit Flexibilität mit den vorspringenden Abschnitten 31A in Kontakt bringen, um den Oberflächen der vorspringenden Abschnitte 31A zu folgen. Folglich kann die nachstehend beschriebene Wärmebehandlung den Kohlenstoff in den vorspringenden Abschnitten 31A gleichmäßig diffundieren. Es sollte angemerkt werden, dass ein Teil der vorspringenden Abschnitte 31A in dem unteren Abschnitt in die vertieften Abschnitte 23A im oberen Abschnitt mit dem dazwischen angeordneten Kohlepapier 9 gelangen kann. Das Kohlepapier 9 kann nach dem Wärmebehandlungsschritt S2 wiederverwendet werden.
In dem Wärmebehandlungsschritt S2 können hier die Titan-Substrate 3A und die Kohlepapiere 9 in einen Ofen gestellt werden in einem Zustand, in welchem die Titan-Substrate 3A und die Kohlepapiere 9, wie in 5 dargestellt, gestapelt sind, und anschließend wird die Wärmebehandlung auf den Titan-Substraten 3A ausgeführt, sodass der Kohlenstoff der Kohlepapiere 9 in die vorspringenden Abschnitte 31A diffundiert. Hinsichtlich dessen wird die Titancarbid-Schicht 3d auf der Oberfläche des Matrixmaterials 3a des Titan-Substrats 3A gleichmäßig gebildet, wie in 6 dargestellt. Es sollte angemerkt werden, dass der Passiv-Film 3b aus Titandioxid durch die natürliche Oxidation der Titanrückstände auf der Oberfläche der Titancarbid-Schicht 3d gebildet ist.
Insbesondere wird im Wärmebehandlungsschritt S2 der Kohlenstoff im Titancarbid 3c, welcher teilweise existiert hat, wie in 4 dargestellt, in das Matrixmaterial 3a des Titan-Substrats 3A diffundiert und verschwand durch die Diffusion des Kohlenstoffs des Kohlepapiers 9. Deshalb wird die Titancarbid-Schicht 3d auf der Oberfläche des Matrixmaterials 3a des Titan-Substrats 3A gleichmäßig verteilt.
Ferner wird in diesem Wärmebehandlungsschritt S2, welcher die Titancarbid-Schicht 3d bildet, bewirkt, dass eine Filmdicke des in 6 dargestellten Passiv-Films 3b, welcher auf der Oberfläche der Titancarbid-Schicht 3d gebildet ist, dünner ist als eine Dicke des in 4 dargestellten Passiv-Films 3b, welcher auf dem Titan-Substrat 3A gebildet ist. Es wird dies vermutet, da das Titancarbid eine geringere Aktivität als das Titan aufweist, und deshalb tritt dessen Oxidation weniger wahrscheinlich auf der Oberfläche der Titancarbid-Schicht 3d auf, als auf der Oberfläche des Matrixmaterials 3a.
Es sollte angemerkt werden, dass diese Wärmebehandlung die Filmdicke des Passiv-Films 3b verringert, verglichen mit der Zeit des Herstellungsschritts S1; deshalb kann der Passiv-Film 3b annähernd mit einer Behandlungsbedingung des Wärmebehandlungsschritts S2 verschwinden, oder der Passiv-Film 3b kann mittels eines Ätzprozesses beim Herstellungsschritt S1 entfernt werden und der Wärmebehandlungsschritt S2 kann in diesem Zustand ausgeführt werden. In einigen Fällen kann dies einen nachstehend beschriebenen Ätzprozessschritt S3 auslassen.
In der vorstehend beschriebenen Wärmebehandlung ist die Atmosphärenbedingung nicht besonders beschränkt, so lange der Kohlenstoff im Kohlepapier 9 in das Titan-Substrat 3A diffundiert werden kann, in einigen Ausführungsformen werden diese jedoch in einer sauerstofffreien Atmosphäre erwärmt (in noch weiteren Ausführungsformen unter einer Vakuumatmosphäre). In der Vakuumatmosphäre ist hier beispielsweise in einer Druckatmosphäre von 1,0 × 10^-2 Pa oder weniger. Dies stellt eine weitere Beschleunigung der Diffusion des Kohlenstoffs des Kohlepapiers 9 in das Titan-Substrat 3A sicher.
Für die Wärmebehandlungsbedingung in der vorstehend beschriebenen Wärmebehandlung ist die Bedingung nicht besonders beschränkt, so lange der Kohlenstoff des Kohlepapiers 9 in das Titan-Substrat 3A diffundiert werden kann, in einigen Ausführungsformen weist die Wärmebedingung jedoch eine Wärmetemperatur von 500 °C bis 650 °C und eine Wärmezeit von zwei bis vier Stunden auf. Beim Ausführen der Wärmebehandlung unter einer derartigen Wärmebedingung diffundiert der Kohlenstoff des Kohlepapiers 9 leicht in das Titan-Substrat 3A.
Wenn die Wärmetemperatur 650 °C hier übersteigt, werden eine Verdampfung des Kohlenstoffs und die Diffusion des Kohlenstoffs in das Matrixmaterial 3a des Titan-Substrats 3A aktiv, und deshalb wird es in einigen Fällen schwierig, die Titancarbid-Schicht 3d schwierig auszubilden. Währenddessen ist, wenn die Wärmetemperatur weniger als 500 °C ist, die Diffusion des Kohlenstoffs in das Matrixmaterial 3a des Titan-Substrats 3A nicht ausreichend, und deshalb dauert es bzw. benötigt es Zeit, um die Titancarbid-Schicht 3d auszubilden.
Wenn hier die Wärmezeit vier Stunden übersteigt, verformt sich möglicherweise das im unteren Abschnitt angeordnete Titan-Substrat 3A durch das eigene Gewicht des Titan-Substrats 3A und des Kohlepapiers 9 in einigen Fällen. Währenddessen ist, wenn die Wärmezeit weniger als zwei Stunden beträgt, die Diffusion des Kohlenstoffs in das Matrixmaterial 3a des Titan-Substrats 3A möglicherweise in einigen Fällen ungenügend bzw. unzureichend.
Ätzprozessschritt S3
Als nächstes wird ein Ätzprozessschritt S3 ausgeführt. Im Ätzprozessschritt S3 werden die vorspringenden Abschnitte 31A und 32A nach dem Wärmebehandlungsschritt S2 und vor einem nachstehend beschriebenen Filmbildungsschritt S4 geätzt. Dies entfernt den Passiv-Film 3b des auf den Oberflächen der vorspringenden Abschnitten 31A und 32A gebildeten Titanoxids.
Hinsichtlich eines derartigen Ergebnisses kann die Titancarbid-Schicht 3d auf der Oberfläche der Kontaktabschnitte 32 des Titan-Substrats 3A, wie in 7 dargestellt, ausgesetzt werden. Ferner ist, wie vorstehend beschrieben, die Filmdicke des Passiv-Films 3b des Titanoxids, auf welchem der Wärmebehandlungsschritt S2 ausgeführt wird, dünner als die Filmdicke des Passiv-Films 3b ohne den Wärmebehandlungsschritt S2, wodurch das Verkürzen der Ätzzeit sichergestellt wird.
So lange der Passiv-Film 3b entfernt werden kann, und der Oxidfilm, wie der Passiv-Film nicht neu gebildet wird, kann das Ätzen beispielsweise ein Trockenätzen, welches beispielsweise Plasma verwendet, oder ein Nassätzen sein, welches ein Eintauchen in eine saure Lösung, wie eine Schwefelsäurelösung, umfasst. In dieser Ausführungsform wird Ätzen durch das Plasma als ein Aspekt ausgeführt. Insbesondere wird das Titan-Substrat 3A in eine druckfreie Atmosphäre gestellt und von einem Inertgas abgeleitete Elemente, wie ein Argongas, welche in Plasma umgewandelt werden, werden mit der Oberfläche in Kontakt gebracht. Dies entfernt den Passiv-Film 3b vom Titan-Substrat 3A. Das Ausführen eines derartigen Ätzens stellt das einfache Entfernen des Passiv-Films 3b vom Titan-Substrat 3A sicher.
Filmbildungsschritt S4
Als nächstes wird ein Filmbildungsschritt S4 ausgeführt. Im Filmbildungsschritt S4 wird ein leitfähiger Kohlenstoff-Film 3e auf mindestens den vorspringenden Abschnitten 31A und 32A des Titan-Substrats 3A nach dem Ätzprozessschritt S3 gebildet (siehe 8). Dies stellt den Erhalt des Separators 3 sicher.
Beim Bilden des leitfähigen Kohlenstoff-Films 3e kann physikalische Dampfabscheidung („physical vapor deposition“, PVD), welches beispielsweise Vakuumverdampfung, Sputtern, Ionenplattieren, und Ionenstrahlmischen verwendet, den leitfähigen Kohlenstoff-Film 3e bilden, oder chemische Dampfabscheidung („chemical vapor deposition“, CVD), welches beispielsweise Plasmabehandlung verwendet, kann den leitfähigen Kohlenstoff-Film 3e bilden.
In dieser Ausführungsform wird der leitfähige Kohlenstoff-Film 3e mittels Plasma-CVD unter Verwendung einer Filmbildungsvorrichtung (nicht dargestellt) gebildet. Insbesondere wird, nachdem das Titan-Substrat 3A in eine Filmbildungskammer (nicht dargestellt) eingeführt wird, wird eine DC-Vorspannung angelegt, um ein Glimmentladungsplasma zwischen dem Titan-Substrat 3A und einer positiven Elektrode (nicht dargestellt) zu erzeugen. In dieser Ausführungsform ist die positive Elektrode angeordnet, um parallel zum Titan-Substrat 3A zu sein, und um sich beiden Oberflächen gegenüber zu sein, um das Plasma gleichzeitig auf beiden Oberflächen zu erzeugen. Als nächstes wird ein Kohlenwasserstoffgas, wie ein Acetylengas, in die Filmbildungskammer eingeführt und ionisierter Kohlenstoff wird auf der ausgesetzten Oberfläche der Titancarbid-Schicht 3d adsorbiert. Dies bewirkt, dass der Kohlenstoff auf der Oberfläche der Titancarbid-Schicht 3d auf der Oberfläche des Titan-Substrats 3A wächst, und somit kann der leitfähige Kohlenstoff-Film 3e aus dem amorphen Kohlenstoff erhalten werden.
Deshalb kann der leitfähige Kohlenstoff-Film 3e auf beiden Oberflächen des Titan-Substrats 3A einschließlich den vorspringenden Abschnitten 31A und 32A gebildet werden. Obwohl die Dicke des leitfähigen Kohlenstoff-Films 3e nicht beschränkt ist, ist er beispielsweise 10 bis 80 nm dick. Beispielsweise verringert sich die Korrosionsbeständigkeit des Separators, wenn die Filmdicke des leitfähigen Kohlenstoff-Films 3e weniger als 10 nm ist, und dadurch erhöht sich der Widerstand in manchen Fällen. Währenddessen, wenn die Filmdicke des leitfähigen Kohlenstoff-Films 3e 80 nm übersteigt, steigt eine Eigenspannung des leitfähigen Kohlenstoff-Films 3e, und dadurch blättert der leitfähige Kohlenstoff-Film 3e des Titan-Substrats 3A in manchen Fällen ab.
In dieser Ausführungsform wird die Bindung zwischen dem durch die Wärmebehandlung gebildeten Kohlenstoff der Titancarbid-Schicht 3d und dem Kohlenstoff des leitfähigen Kohlenstoff-Films 3e stark, wodurch eine verbesserte Haftkraft zwischen der Titancarbid-Schicht 3d und dem leitfähigen Kohlenstoff-Film 3e sichergestellt wird. Dies stellt einen nahen Kontaktzustand zwischen der Titancarbid-Schicht 3d und dem leitfähigen Kohlenstoff-Film 3e sicher, selbst wenn der Separator 3 einem gebildeten bzw. erzeugten Wasser ausgesetzt wird, welches erzeugt wird, wenn die Brennstoffzelle 10 eine elektrische Energie erzeugt. Folglich kann eine Erhöhung des Kontaktwiderstands des Separators 3 zur Stromerzeugungseinheit 2 vermieden werden, wodurch eine Zuverlässigkeit des Separators 3 sichergestellt wird.
[Beispiel]
Das Nachstehende beschreibt die auf einem Beispiel basierende Ausführungsform.
Beispiel
Ein Testobjekt, welches einem Separator gemäß dem Beispiel entspricht, wurde mittels dem nachstehend beschriebenen Verfahren hergestellt. Zuerst wurde eine Titan-Platte (gewalztes Material) mit einer Dicke von 0,1 mm aus reinem Titan (Material: japanischer Industriestandard Typ 1) (entspricht Klasse 1 des ASTM) in einer Gestalt bzw. Form eines Separators mit einer vorbestimmten Größe gebildet, um ein Titan-Substrat zu fertigen. Das Reinigen wurde unter Verwendung einer Alkali-basierten Reinigungsflüssigkeit ausgeführt.
Als nächstes wurden die Kohlepapiere alternierend bzw. abwechselnd auf den Titan-Substraten gestapelt, und anschließend in den Ofen gestellt. Ein Druck im Inneren des Ofens wurde evakuiert, um 10^-6 Pa zu sein. Anschließend wurde die Wärmebehandlung auf den Titan-Substraten unter der Wärmebedingung bei 600 °C für zwei Stunden ausgeführt. Eine Querschnittsoberfläche des erhaltenen Titan-Substrats wurde mittels eines Transmissionselektronenmikroskops (TEM) untersucht. Dieses Ergebnis ist in 9A und 9B dargestellt. 9A ist ein Querschnittsfoto des Titan-Substrats gemäß dem Beispiel. 9B ist ein vergrößertes Querschnittsfoto des Titan-Substrats in 9A.
Das Titan-Substrat nach der Wärmebehandlung wurde in die Filmbildungsvorrichtung eingeführt, der Druck in der Filmbildungskammer wurde auf 10 Pa eingestellt, und die Temperatur im Inneren der Filmbildungskammer wurde auf 300 °C eingestellt. Anschließend wurde die DC-Vorspannung von 2,0 kV in DC am Titan-Substrat angelegt, um das Glimmentladungsplasma zwischen dem Titan-Substrat 3A und der positiven Elektrode zu erzeugen. In diesem Zustand wird das Argongas in die Kammer zugeführt, um das in Plasma umgewandelte Argon in Kontakt mit der Oberfläche des Titan-Substrats zu bringen, und dadurch wurde der Ätzprozess des Titan-Substrats ausgeführt.
Es sollte angemerkt werden, dass der Ätzprozess ausgeführt wurde, bis der Passiv-Film (Titanoxid-Schicht), welcher auf der Oberfläche des Titan-Substrats gebildet ist, vollständig entfernt wurde, und die Zeit wurde gemessen. Dieses Ergebnis ist in 11 dargestellt. 11 ist ein Graph, welcher die Ätzzeiten der Titan-Substrate gemäß dem Beispiel und einem nachstehend beschriebenen Vergleichsbeispiel darstellt.
Als nächstes wurde das Kohlenwasserstoffgas (Acetylengas) in die Kammer der Filmbildungsvorrichtung als das Filmbildungsgas zugeführt, die DC-Vorspannung wurde angelegt, um innerhalb eines Bereiches von 2,0 bis 3,0 kV in DC zu fallen, und der leitfähige Kohlenstoff-Film wurde mittels der Plasma-CVD gebildet. Dies erhielt das Testobjekt, welches dem Brennstoffzellenseparator entspricht.
Vergleichsbeispiel
Ein Testobjekt wurde auf gleiche Weise wie das Beispiel hergestellt. Das Vergleichsbeispiel unterscheidet sich vom Beispiel insofern, dass die Wärmebehandlung nicht unter Verwendung der Kohlepapiere ausgeführt wurde. Es sollte angemerkt werden, dass die Querschnittsoberfläche des Titan-Substrats vor dem Ätzprozess mit einem Transmissionselektronenmikroskop (TEM) beobachtet wurde. Dieses Ergebnis ist in den 10A bis 10C dargestellt. 10A ist ein Querschnittsfoto des Titan-Substrats gemäß dem Vergleichsbeispiel. 10B ist ein vergrößertes Querschnittsfoto eines Abschnitts, in welchem das Titancarbid nicht auf dem Titan-Substrat in 10A gebildet ist. 10C ist ein vergrößertes Querschnittsfoto eines Abschnitts, in welchem das Titancarbid auf dem Titan-Substrat in 10A gebildet ist. Ebenso in diesem Fall mit dem Vergleichsbeispiel wurde der Ätzprozess ausgeführt, bis der auf der Oberfläche des Titan-Substrats gebildete Passiv-Film (Titanoxid-Schicht) vollständig entfernt war, und die Zeit wurde gemessen. Dieses Ergebnis ist in 11 dargestellt.
<Korrosionsbeständigkeitstest>
Die Testobjekte gemäß dem Beispiel und dem Vergleichsbeispiel wurden einem Korrosionsbeständigkeitstest (Korrosionstest mit konstantem Potential) in Übereinstimmung mit einem elektrochemischen Hochtemperatur-Korrosionstestverfahren (JIS Z2294) für metallische Materialien, spezifiziert in den japanischen Industriestandards, unterzogen. Die Testobjekte wurden in einer Schwefelsäure-Lösung (300 ml, pH3), welche auf eine Temperatur von 80 °C mittels eines temperatursteuernden Wassers in einer Atmosphären-Freisetzungsvorrichtung eingestellt wurde, eingetaucht. Das elektrische Koppeln einer Gegenelektrode aus einer Platinplatte an die Testobjekte (Probenpol) bewirkte in diesem Zustand einen elektrischen Potentialunterschied von 0,9 V zwischen der Gegenelektrode und dem Probenpol, und dadurch wurden die Testobjekte korrodiert. Es sollte angemerkt werden, dass das elektrische Potential der Testobjekte mit einer Referenzelektrode konstant gehalten wurde. Die Testzeitspanne war ungefähr 50 Stunden.
<Kontaktwiderstandstest>
Ein Kontaktwiderstandstest wurde auf den Testobjekten gemäß dem Beispiel und dem Vergleichsbeispiel vor dem Korrosionstest (Anfang), bei 100 Stunden im Korrosionstest, und bei 200 Stunden im Korrosionstest ausgeführt. Insbesondere wurde ein Kohlepapier (0,5 mm dick), welche der Diffusionsschicht der Brennstoffzelle entspricht, auf jedes der Testobjekte angeordnet, und eine Messung wurde durchgeführt, während eine konstante Last (1 MPa) mit einem Messwerkzeug hinzugefügt wurde. In diesem Zustand wurde ein Strom von einer Stromquelle eingestellt und derart fließen gelassen, dass der zu den Testobjekten geflossene Strom mit einem Amperemeter 1 A wurde, die an die Testobjekte angelegte Spannung wurde mit einem Voltmeter gemessen, und die Kontaktwiderstandswerte zwischen den Testobjekten und dem Kohlepapier wurden berechnet. Insbesondere wurden jeweils Kontaktwiderstandsverhältnisse mit dem auf 1 eingestellten Kontaktwiderstandswert vor dem Korrosionstest des Beispiels berechnet. Dieses Ergebnis ist in 12 dargestellt. 12 ist ein Graph, welcher einen Zusammenhang zwischen den Korrodierzeiten und den Kontaktwiderstandverhältnissen der Testobjekte gemäß dem Beispiel und dem Vergleichsbeispiel darstellt.
Ergebnis und Annahme
Wie in den 9A und 9B dargestellt, wurde die Titancarbid-Schicht auf der Oberfläche des Matrixmaterials des Titan-Substrats des Beispiels gebildet, auf welcher die Wärmebehandlung mit dem Kohlepapier, welches in Kontakt gebracht wurde, ausgeführt wurde, und der Passiv-Film wurde auf der Oberfläche der Titancarbid-Schicht gebildet.
Währenddessen, wie in den 10A bis 10C dargestellt, existierte das Titancarbid teilweise auf der Oberfläche des Matrixmaterials des Titan-Substrats, auf welchem die Wärmebehandlung nicht wie im Beispiel ausgeführt wurde, und der Passiv-Film wurde gebildet, um diese zu bedecken. Die Filmdicke des Passiv-Films (siehe 10B), welcher einen Abschnitt bedeckte, in welchem das Titancarbid nicht gebildet wurde, war dicker als die Filmdicke des Passiv-Films (siehe 10C), welcher einen Abschnitt bedeckte, in welchem das Titancarbid gebildet wurde, und die Filmdicke des Passiv-Films des Beispiels.
Es sollte angemerkt werden, wie aus den 10A bis 10C klar wird, obwohl angenommen wird, dass das Titancarbid lokal auf der Oberfläche des Matrixmaterials des Titansubstrats vor der Ausführung der Wärmebehandlung auf dem Titan-Substrat des Beispiels gebildet wird, dass das Ausführen der Wärmebehandlung, wie im Beispiel, die Titancarbid-Schicht mit einer einheitlichen Dicke auf der gesamten Oberfläche gebildet wurde, wobei das Kohlepapier in Kontakt mit der Oberfläche des Titan-Substrats in Kontakt war.
Wie in 11 dargestellt, war die Ätzzeit des Titan-Substrats gemäß dem Beispiel kürzer als die Ätzzeit des Titan-Substrats gemäß dem Vergleichsbeispiel. Es wird angenommen, dass dies aufgrund der Filmdicke des Passiv-Films, welcher auf dem Titan-Substrat gemäß dem Beispiel gebildet ist, dünner ist als jener des Vergleichsbeispiels. Vom Vorstehenden wird berücksichtigt, dass die Bildung der Titancarbid-Schicht durch das in Kontakt Bringen des Kohlepapiers mit dem Titan-Substrat und Diffundieren des Kohlenstoffs des Kohlepapiers in das Titan-Substrat, wie das Beispiel, die Dicke des Passiv-Films auf einer Oberflächenschicht des Titan-Substrats ausdünnt bzw. dünner macht.
Wie in 12 dargestellt, war das Kontaktwiderstandsverhältnis des Testobjekts des Beispiels kleiner als jenes des Vergleichsbeispiels in irgendeinem Fall. Es wird angenommen, dass dies aufgrund der Bildung des leitfähigen Kohlenstoff-Films auf der Titancarbid-Schicht im Testobjekt des Beispiels ist, wobei der Kohlenstoff der Titancarbid-Schicht am Kohlenstoff des leitfähigen Kohlenstoff-Films stark bindet. Folglich wird angesehen, dass das Testobjekt des Beispiels einen starken, nahen Kontakt zwischen dem Titan-Substrat und dem leitfähigen Kohlenstoff-Film und einer hohen Korrosionsbeständigkeit verglichen mit jener des Vergleichsbeispiels aufweist.
Obwohl eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorstehend im Detail beschrieben wurde, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebene Ausführungsform beschränkt, und kann verschiedenen Arten von Änderungen des Designs unterzogen werden, ohne vom in den Ansprüchen beschriebenen Geist der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
In dieser Ausführungsform kann, obwohl die Wärmebehandlung mit den Kohlepapieren bzw. Kohlenstoff-Blättern ausgeführt wird und die Titan-Substrate (Separator-Herstellungsmaterial) abwechselnd im Wärmebehandlungsschritt gestapelt werden, die Wärmebehandlung mit den in einem Titan-Substrat eingefügten Kohleblättern ausgeführt werden.
Bezugszeichenliste

2: MEGA (Stromerzeugungseinheit)
3: Separator (Brennstoffzellen-Separator)
3A: Titan-Substrat
3a: Matrix-Material
3b: Passiv-Film
3d: Titancarbid-Schicht
3e: Leitfähiger Kohlenstoff-Film
9: Kohlepapier
6: Elektrode
21, 22: Gas-Strömungskanal
21A: Vertiefter Abschnitt bzw. Vertiefungsabschnitt
31, 32: Kontaktabschnitt
31A, 32A: Vorspringender Abschnitt bzw. Vorsprungsabschnitt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2013155406 A [0003]
JP 4825894 [0003]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellen-Separators, wobei der Brennstoffzellen-Separator einen Kontaktabschnitt umfasst, welcher in Kontakt mit einer Stromerzeugungseinheit ist, um die Stromerzeugungseinheiten einschließlich der Elektroden einer Brennstoffzelle zu unterteilen, wobei der Brennstoffzellen-Separator einen auf dem Kontaktabschnitt ausgebildeten, leitfähigen Kohlenstoff-Film aufweist, wobei das Verfahren umfasst: einen Schritt des Herstellens eines Titan-Substrats mit einer Mehrzahl an vorspringenden Abschnitten und vertieften Abschnitten für Gas-Strömungskanäle als ein Substrat des Separators, wobei die vorspringenden Abschnitte entsprechend einer Gestalt des Kontaktabschnitts gebildet werden, wobei die vertieften Abschnitte zwischen den vorspringenden Abschnitten gebildet werden, und einen Schritt der Wärmebehandlung des Ausführens einer Wärmebehandlung auf dem Titan-Substrat in einem Zustand, in welchem ein Kohlepapier in Kontakt mit den vorspringenden Abschnitten gebracht wird, sodass Kohlenstoff im Kohlepapier in die vorspringenden Abschnitte diffundiert.
Verfahren zur Herstellung des Brennstoffzellen-Separators nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Filmbildungsschritt des Bildens des leitfähigen Kohlenstoff-Films auf den vorspringenden Abschnitten, nach dem Wärmebehandlungsschritt.
Verfahren zur Herstellung des Brennstoffzellen-Separators nach Anspruch 2, wobei das Ätzen der vorspringenden Abschnitte nach dem Wärmebehandlungsschritt und vor dem Filmbildungsschritt Passiv-Filme aus Titanoxid, welche auf den Oberflächen der vorspringenden Abschnitte gebildet sind, entfernt.
Verfahren zur Herstellung des Brennstoffzellen-Separators nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Titan-Substrat durch eine Pressarbeit im Herstellungsschritt gebildet wird.
Verfahren zur Herstellung des Brennstoffzellen-Separators nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Wärmebehandlung in einem Zustand ausgeführt wird, in welchem die Titan-Substrate und die Kohlepapiere im Wärmebehandlungsschritt abwechselnd gestapelt sind.