DE102019105800A1

DE102019105800A1 - Brennstoffzelle und verfahren zur herstellung eines separators für eine brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102019105800A1
Application number: DE102019105800.7A
Authority: DE
Inventors: Satoshi Takata
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-04-24
Filing date: 2019-03-07
Publication date: 2019-10-24
Also published as: JP6962264B2; JP2019192449A; US20190326613A1; CN110400942A; CN110400942B; US11205784B2

Abstract

Eine Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Anmeldung enthält Separatoren 11 und 12 aus Metall und weist vorstehende und vertiefte Formen und Gasdiffusionsschichten 13 und 14 auf. Leitfähige Partikel 21 sind in einem vorstehenden Teil auf einer Oberfläche der Separatoren 11 und 12 verborgen und Kohlenstofffasern 22 sind in einem vorstehenden Teil auf der anderen Oberfläche der Separatoren 11 und 12 verborgen. Die vorstehenden Teile auf der einen Oberfläche der Separatoren 11 und 12 grenzen aneinander, sodass die in diesen vorstehenden Teilen verborgenen leitfähigen Partikel 21 miteinander in Berührung kommen. Ferner grenzen die vorstehenden Teile auf der anderen Oberfläche der Separatoren 11 und 12 jeweils an die Gasdiffusionsschichten 13 und 14, sodass die in diesen vorstehenden Teilen verborgenen Kohlenstofffasern 22 jeweils mit den Gasdiffusionsschichten 13 und 14 in Berührung kommen.

Description

Hintergrund
Vorliegende Anmeldung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle und ein Verfahren zur Herstellung eines Separators für eine Brennstoffzelle (nachfolgend auch als „ein Brennstoffzellen-Separator“ bezeichnet).
Eine Brennstoffzelle wird durch das Stapeln einer Vielzahl von Einheitszellen gebildet. Jede Einheitszelle enthält ein Paar Separatoren und eine Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschicht-Anordnung (MEGA: Membrane Electrode Gas Diffusion Layer Assembly), angeordnet zwischen dem Paar Separatoren. Separatoren aus Metall (nachfolgend auch als metallische Separatoren bezeichnet), die durch Formpressen hergestellt werden können und optimale Leistungsfähigkeit aufweisen, werden oft als Separatoren benutzt. Besonders deshalb, weil Separatoren kostengünstig hergestellt werden können, indem Edelstahlmaterial als Material verwendet wird. Die japanische Offenlegungsschrift Nr. 2006-140095 offenbart eine Methode zur Herstellung von metallischen Separatoren für Brennstoffzellen.
Kurzfassung
Der vorliegende Erfinder hat folgendes Problem gefunden. Ein Passivfilm mit hohem elektrischem Widerstand wird auf einer Oberfläche eines metallischen Separators gebildet. Somit ergibt sich das Problem, dass sich bei der Verwendung von metallischen Separatoren als Separatoren für Brennstoffzellen der Kontaktwiderstand zwischen benachbarten Separatoren und der Kontaktwiderstand zwischen Separatoren und Gasdiffusionsschichten erhöht.
Bei der in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 2006-140095 offenbarten Technik sind die leitfähigen Partikel zur Lösung des oben beschriebenen Problems so angeordnet, dass sie einen auf einer Oberfläche eines Separators gebildeten Passivfilm durchdringen. Durch Bereitstellen von leitfähigen Partikeln zur Durchdringung des Passivfilms wie oben beschrieben, kann ein elektrischer Widerstand auf der Oberfläche des Separators verringert werden. Bei der in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 2006-140095 offenbarten Technik sind die leitfähigen Partikel auf der gesamten Oberfläche des Separators angeordnet.
Allerdings sind die Teile in einem Brennstoffzellen-Separator, die leitfähig sein müssen, Teile, die mit einem benachbarten Separator oder einer benachbarten Gasdiffusionsschicht in Berührung gebracht werden. Daher ist es unnötig, leitfähige Partikel auf der gesamten Oberfläche des Separators bereitzustellen. Das heißt, in einem Fall, in dem leitfähige Partikel auf der gesamten Oberfläche des Separators bereitgestellt sind wie bei der in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 2006-140095 offenbarten Technik, erhöht sich eine Menge an zu verwendenden leitfähigen Partikeln, wodurch das Problem entsteht, dass die Herstellungskosten für den Separator steigen.
In Anbetracht des oben beschriebenen Problems ist eine Aufgabe der vorliegenden Anmeldung, eine Brennstoffzelle und ein Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellen-Separators bereitzustellen, die fähig sind, Herstellungskosten für den Separator zu reduzieren und gleichzeitig die Leitfähigkeit auf einer Oberfläche des Separators zu verbessern.
Ein erstes Beispiel ist eine Brennstoffzelle, enthaltend: einen ersten Separator, bestehend aus Metall und vorstehende und vertiefte Formen aufweisend; einen zweiten Separator, bestehend aus Metall und vorstehende und vertiefte Formen aufweisend, wobei der erste und der zweite Separator so ausgebildet sind, dass ein vorstehendes Teil auf einer Oberfläche des zweiten Separators an ein vorstehendes Teil auf einer Oberfläche des ersten Separators angrenzt, und ein vertieftes Teil auf der einen Oberfläche des zweiten Separators einem vertieften Teil auf der einen Oberfläche des ersten Separators entgegengesetzt ist, wodurch ein Strömungsweg dazwischen gebildet wird; eine erste Gasdiffusionsschicht, ausgebildet um an ein vorstehendes Teil auf einer anderen Oberfläche des ersten Separators anzugrenzen, und ausgebildet um ein erstes durch ein vertieftes Teil fließendes Gas, auf der anderen Oberfläche des ersten Separators zu verbreiten; und eine zweite Gasdiffusionsschicht, ausgebildet um an ein vorstehendes Teil auf einer anderen Oberfläche des zweiten Separators anzugrenzen, und ausgebildet um ein zweites durch ein vertieftes Teil fließendes Gas auf der anderen Oberfläche des zweiten Separators zu verbreiten. Leitfähige Partikel sind in dem vorstehenden Teil auf der einen Oberfläche des ersten und zweiten Separators verborgen, und Kohlenstofffasern sind in dem vorstehenden Teil auf der anderen Oberfläche des ersten und zweiten Separators verborgen. Die vorstehenden Teile auf der einen Oberfläche des ersten und zweiten Separators grenzen aneinander, sodass die in diesen vorstehenden Teilen verborgenen leitfähigen Partikel miteinander in Berührung kommen. Die vorstehenden Teile auf der anderen Oberfläche des ersten und zweiten Separators grenzen jeweils an die erste und zweite Gasdiffusionsschicht an, sodass die in diesen vorstehenden Teilen verborgenen Kohlenstofffasern jeweils mit der ersten und zweiten Gasdiffusionsschicht in Berührung kommen.
Wie oben beschrieben, befinden sich in der Brennstoffzelle gemäß vorliegender Anmeldung leitfähige Partikel, die in dem vorstehenden Teil auf der einen Oberfläche des ersten und zweiten Separators verborgen sind, und Kohlenstofffasern, die in dem vorstehenden Teil auf der anderen Oberfläche des ersten und zweiten Separators verborgen sind. Somit ist es möglich, bei der Verbesserung der Leitfähigkeit auf einer Oberfläche eines Brennstoffzellen-Separators die Leitfähigkeit nur an ein Teil/e weiterzugeben, das/die in einem Brennstoffzellen-Separator leitfähig sein muss/müssen, d.h. nur an ein vorstehendes Teil/vorstehende Teile, das/die mit einem benachbarten Separator oder einer benachbarten Gasdiffusionsschicht in Berührung gebracht wird/werden. Somit ist es möglich, die Menge an zu verwendenden leitfähigen Partikeln zu reduzieren, anders als in dem Fall, in dem leitfähige Partikel auf der gesamten Oberfläche des Separators bereitgestellt sind. Ferner sind Kohlenstofffasern auf der anderen Oberfläche des Separators verborgen. Somit kann die Menge an zu verwendenden leitfähigen Partikeln reduziert werden, anders als in dem Fall, in dem leitfähige Partikel auf beiden Oberflächen des Separators verborgen sind. Somit ist es möglich, die Herstellungskosten zu reduzieren und gleichzeitig die Leitfähigkeit auf den Oberflächen der Separatoren zu verbessern.
In der oben beschriebenen Brennstoffzelle kann es sich bei den leitfähigen Partikeln um Zinnoxid-Partikel handeln. Da Zinnoxid weniger teuer ist als Edelmetalle, können die Herstellungskosten reduziert werden, indem Zinnoxid-Partikel als leitfähige Partikel verwendet werden.
In der oben beschriebenen Brennstoffzelle kann die Partikelgröße der Zinnoxid-Partikel bei 5 nm bis 10 nm liegen. Wenn die Partikelgröße der leitfähigen Partikel kleiner als 5 nm ist, durchdringen die verborgenen leitfähigen Partikel den Passivfilm nicht, sodass keine ausreichende Leitfähigkeit aufgebaut wird. Wenn jedoch die Partikelgröße der leitfähigen Partikel größer als 10 nm ist, wird eine zerstörerische Energie, welche von den verborgenen leitfähigen Partikel auf der Oberfläche des Separators bereitgestellt wird, zu groß. Als Ergebnis könnten die leitfähigen Partikel nicht nur den Passivfilm beschädigen, sondern auch den Separator selbst. Deshalb liegt die Partikelgröße der leitfähigen Partikel vorzugsweise bei 5 nm bis 10 nm.
In der oben beschriebenen Brennstoffzelle können die leitfähigen Partikel an Ecken des vorstehenden Teils auf der einen Oberfläche des ersten und zweiten Separators verborgen sein, und die Kohlenstofffasern können an Ecken des vorstehenden Teils auf der anderen Oberfläche des ersten und zweiten Separators verborgen sein. Die Ecken der vorstehenden Teile der Separatoren leisten einen erheblichen Beitrag zur Leitfähigkeit. Somit kann die Leitfähigkeit des Separators verbessert werden, indem wahlweise leitfähige Partikel oder Kohlenstofffasern an den Ecken der vorstehenden Teile verborgen werden.
Ein weiteres Beispiel ist ein Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellen-Separators mit vorstehenden und vertieften Formen auf der Oberfläche, welches das Zwischenlegen einer Metallplatte zwischen einem ersten Formwerkzeug und einem zweiten Formwerkzeug und die Ausführung von Formenpressen aufweist, wobei das erste Formwerkzeug ein vorstehendes Teil und ein vertieftes Teil aufweist, das zweite Formwerkzeug ein vorstehendes Teil an einer Stelle entgegengesetzt zu dem vertieften Teil des ersten Formwerkzeugs und ein vertieftes Teil an einer Stelle entgegengesetzt zu dem vorstehenden Teil des ersten Formwerkzeugs aufweist, eine Rille gefüllt mit leitfähigen Partikeln an einer vorbestimmten Stelle in dem vertieften Teil des ersten Formwerkzeugs gebildet wird, und die in der Rille enthaltenen leitfähigen Partikel während dem Formpressen einer Oberfläche der Metallplatte zugeführt werden. Beim Formpressen des Separators wird das Formpressen in einem Zustand ausgeführt, in dem die Metallplatte zwischen dem ersten und zweiten Formwerkzeug angeordnet ist, und eine Kohlenstofffaserbahn zwischen der Metallplatte und dem zweiten Formwerkzeug angeordnet ist, sodass die leitfähigen Partikel in einem vorstehenden Teil auf einer Oberfläche des Separators verborgen sind und die Kohlenstofffasern in einem vorstehenden Teil auf der anderen Oberfläche des Separators verborgen sind.
Wie oben beschrieben, wird in dem Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellen-Separators nach der vorliegenden Anmeldung eine mit leitfähigen Partikeln gefüllte Rille an einer vorbestimmten Stelle in dem vertieften Teil des ersten Formwerkzeugs ausgebildet. Ferner wird beim Formpressen des Separators das Formpressen in einem Zustand ausgeführt, in dem die Metallplatte zwischen dem ersten und zweiten Formwerkzeug angeordnet ist, und eine Kohlenstofffaserbahn zwischen der Metalplatte und dem zweiten Formwerkzeug angeordnet ist. Auf diese Weise ist es möglich, leitfähige Partikel in einem vorstehenden Teil auf einer Oberfläche des Separators zu verbergen und Kohlenstofffasern in einem vorstehenden Teil auf der anderen Oberfläche des Separators. Somit ist es möglich, bei der Verbesserung der Leitfähigkeit auf einer Oberfläche eines Brennstoffzellen-Separators die Leitfähigkeit nur an ein Teil/e weiterzugeben, das/die in einem Brennstoffzellen-Separator leitfähig sein muss/müssen, d.h. nur an ein vorstehendes Teil/vorstehende Teile, das/die mit einem benachbarten Separator oder einer benachbarten Gasdiffusionsschicht in Berührung gebracht wird/werden. Somit ist es möglich, die Menge an zu verwendenden leitfähigen Partikeln zu reduzieren, anders als in dem Fall, in dem leitfähige Partikel auf der gesamten Oberfläche des Separators bereitgestellt sind. Ferner sind Kohlenstofffasern durch Verwendung einer Kohlenstofffaserbahn auf der anderen Oberfläche des Separators verborgen. Somit kann die Menge an zu verwendenden leitfähigen Partikeln reduziert werden, anders als in dem Fall, in dem leitfähige Partikel auf beiden Oberflächen des Separators verborgen sind. Somit ist es möglich, die Herstellungskosten zu reduzieren und gleichzeitig die Leitfähigkeit auf den Oberflächen der Separatoren zu verbessern.
In dem oben beschriebenen Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellen-Separators kann es sich bei den leitfähigen Partikeln um Zinnoxid-Partikel handeln. Da Zinnoxid weniger teuer ist als Edelmetalle, können die Herstellungskosten reduziert werden, indem Zinnoxid-Partikel als leitfähige Partikel verwendet werden.
In dem oben beschriebenen Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellen-Separators kann die Partikelgröße der Zinnoxid-Partikel bei 5 nm bis 10 nm liegen. Wenn die Partikelgröße der leitfähigen Partikel kleiner als 5 nm ist, durchdringen die verborgenen leitfähigen Partikel den Passivfilm nicht, sodass keine ausreichende Leitfähigkeit aufgebaut wird. Wenn jedoch die Partikelgröße der leitfähigen Partikel größer als 10 nm ist, wird eine zerstörerische Energie, welche von den verborgenen leitfähigen Partikel auf der Oberfläche des Separators bereitgestellt wird, zu groß. Als Ergebnis könnten die leitfähigen Partikel nicht nur den Passivfilm beschädigen, sondern auch den Separator selbst. Deshalb liegt die Partikelgröße der leitfähigen Partikel vorzugsweise bei 5 nm bis 10 nm.
In dem oben beschriebenen Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellen-Separators kann die oben beschriebene vorbestimmte Stelle eine Ecke des vorstehenden Teils des ersten Formwerkzeugs sein und die leitfähigen Partikel können während des Formpress-Vorgangs an einer Ecke des vorstehenden Teils auf der einen Oberfläche des Separators verborgen sein. Die Ecken der vorstehenden Teile der Separatoren leisten einen erheblichen Beitrag zur Leitfähigkeit. Somit kann die Leitfähigkeit des Separators verbessert werden, indem wahlweise leitfähige Partikel an den Ecken der vorstehenden Teile verborgen werden.
Nach der vorliegenden Anmeldung ist es möglich, eine Brennstoffzelle und ein Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellen-Separators bereitzustellen, die fähig sind, Herstellungskosten für den Separator zu reduzieren und gleichzeitig die Leitfähigkeit auf einer Oberfläche des Separators zu verbessern.
Die oben genannten und weiteren Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Anmeldung werden verständlicher durch die detaillierte, unten folgende Beschreibung und die begleitenden Zeichnungen, die lediglich zur Veranschaulichung dienen und somit nicht als Einschränkung der vorliegenden Anmeldung zu erwägen sind.
Figurenliste

1 ist ein Querschnitt zur Erklärung einer Brennstoffzelle nach einer Ausführungsform;
2 ist ein vergrößerter Querschnitt eines in einer Brennstoffzelle enthaltenen Separators nach einer Ausführungsform;
3 ist ein vergrößerter Querschnitt eines in einer Brennstoffzelle enthaltenen Separators nach einer Ausführungsform;
4 ist ein Querschnitt zur Erklärung von Formwerkzeugen, die in einem Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellen-Separators nach einer Ausführungsform genutzt werden;
5 ist ein vergrößerter Querschnitt des in 4 aufgezeigten Formwerkzeugs;
6 ist ein Querschnitt, der ein Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellen-Separators nach einer Ausführungsform aufzeigt;
7 ist ein Querschnitt, der ein Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellen-Separators nach einer Ausführungsform aufzeigt;
8 ist ein Querschnitt, der ein Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellen-Separators nach einer Ausführungsform aufzeigt; und
9 ist ein Diagramm, das eine Abhängigkeit zwischen dem Oberflächen-einnehmenden Oberflächenverhältnis des Zinnoxids und des Kontaktwiderstands aufzeigt.

Beschreibung der Ausführungsformen
Ausführungsformen nach der vorliegenden Anmeldung sind nachfolgend mit Bezug zu den Zeichnungen beschrieben.
1 ist ein Querschnitt zur Erklärung einer Brennstoffzelle nach einer Ausführungsform. Wie in 1 aufgezeigt, wird eine Brennstoffzelle 1 nach dieser Ausführungsform durch Stapeln einer Vielzahl an Einheitszellen 10 gebildet. Jede Einheitszelle 10 enthält Separatoren 11 und 12, Gasdiffusionsschichten 13 und 14 und eine Membran-Elektroden-Anordnung 15. Zu beachten ist, dass die Gasdiffusionsschichten 13 und 14 und die Membran-Elektroden-Anordnung 15 eine MEGA (Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschicht-Anordnung) 20 erzeugen. Ferner ist jede MEGA zwischen ihren eigenen Separatoren 11 und 12 angeordnet.
Jeder der Separatoren 11 und 12 weist vorstehende und vertiefte Formen auf. Ein vorstehendes Teil des Separators 11, das der negativen Seite der z-Achse zugewandt hervorsteht (nachfolgend auch als „z-Achsen-Negativseite“ bezeichnet), grenzt an die (d.h. ist in Berührung mit der) Gasdiffusionsschicht 13 an. Ferner fungiert ein Raum, der in einem vertieften Teil des Separators 11 eingeschlossen ist, das in der positiven Seite der z-Achsen-Richtung (nachfolgend auch als „z-Achsen-Positivseite“ bezeichnet) und der Gasdiffusionsschicht 13 vertieft ist, als ein Gasströmungsweg 16. Ein Gas, das durch den Gasströmungsweg 16 fließt, wird durch die Gasdiffusionsschicht 13 in der Membran-Elektroden-Anordnung 15 verbreitet (zugeführt). Die Gasdiffusionsschicht 13 kann durch die Verwendung eines leitfähigen Elements gebildet werden, das Gasdurchlässigkeit aufweist (d.h. ein poröses Kohlenstoffelement).
Ein vorstehendes Teil des Separators 12, das der z-Achsen-Positivseite zugewandt hervorsteht, grenzt an die (d.h. ist in Berührung mit der) Gasdiffusionsschicht 14. Ferner fungiert ein Raum, der in einem vertieften Teil des Separators 12 eingeschlossen ist, das in der z-Achsen-Negativseite und der Gasdiffusionsschicht 14 vertieft ist, als Gasströmungsweg 17. Ein Gas, das durch den Gasströmungsweg 17 fließt, wird durch die Gasdiffusionsschicht 14 in der Membran-Elektroden-Anordnung 15 verbreitet (zugeführt). Die Gasdiffusionsschicht 14 kann durch die Verwendung eines leitfähigen Elements gebildet werden, das Gasdurchlässigkeit aufweist (d.h. ein poröses Kohlenstoffelement).
Die Membran-Elektroden-Anordnung 15 wird durch die Verwendung einer Elektrolytmembran und von Elektrodenkatalysatorschichten gebildet, die auf beiden Oberflächen der Elektrolytmembran angeordnet sind. Wenn der Membran-Elektroden-Anordnung 15 Anodengas und Kathodengas zugeführt werden, wird durch eine Oxidations-Reduktions-Reaktion des Anodengases und des Kathodengases Leistung erzeugt. Das Anodengas ist zum Beispiel ein Wasserstoffgas und das Kathodengas Sauerstoff (Luft).
Angenommen, dass zum Beispiel die z-Achsen-Negativseite der jeweiligen Einheitszelle 10 die Anodenseite ist und die z-Achsen-Positivseite davon die Kathodenseite ist, dann fließt das Kathodengas durch den Gasströmungsweg 16 und das Anodengas durch den Gasströmungsweg 17. Umgekehrt, wenn die z-Achsen-Negativseite die Kathodenseite ist und die z-Achsen-Positivseite die Anodenseite ist, dann fließt das Anodengas durch den Gasströmungsweg 16 und das Kathodengas durch den Gasströmungsweg 17.
Wie in 1 aufgezeigt, wird eine Brennstoffzelle 1 nach dieser Ausführungsform durch Stapeln einer Vielzahl an Einheitszellen 10 gebildet. Wenn die Einheitszellen 10 aufeinander gestapelt werden, werden sie so gestapelt, dass die vorstehenden Teile eines Separators 11 an die jeweiligen vorstehenden Teile eines Separators 12 zwischen jeweils zwei aneinander liegenden Einheitszellen 10 angrenzen (d.h. in Berührung sind). Insbesondere werden Einheitszellen 10 so gestapelt, dass vorstehende Teile eines Separators 11, die der z-Achsen-Positivseite zugewandt hervorstehen, an die jeweiligen vorstehenden Teile eines Separators 12, die der z-Achsen-Negativseite zugewandt hervorstehen, angrenzen. Zu beachten ist, dass vertiefte Teile benachbart zu vorstehenden Teilen, die aneinander angrenzen, einen Strömungsweg 18 bilden. Das heißt, dass ein vertieftes Teil eines Separators 11 und ein vertieftes Teil eines Separators 12 einander entgegengesetzt sind und dadurch einen Strömungsweg 18 bilden. Der Strömungsweg 18 ist ein Strömungsweg, durch den ein Kühlmittel (z.B. Wasser) zur Kühlung einer jeweiligen Einheitszelle 10 fließt.
Jeder Separator 11 und 12 ist ein Separator aus Metall (nachfolgend auch als metallischer Separator bezeichnet). Zum Beispiel ist jeder Separator 11 und 12 eine dünne Platte aus Edelstahl, Titan, einer Titanlegierung, einer Aluminiumlegierung oder ähnlichem und weist eine Dicke von ungefähr 0,1 bis 0,2 mm auf. Zu beachten ist, dass ein Passivfilm mit einem hohen elektrischen Widerstand auf einer Oberfläche der jeweiligen metallischen Separatoren 11 und 12 gebildet wird. Somit entsteht das Problem, dass sich bei der Verwendung von metallischen Separatoren als Separatoren 11 und 12 einer Brennstoffzelle der Kontaktwiederstand zwischen benachbarten Separatoren 11 und 12, der Kontaktwiderstand zwischen den Separatoren 11 und den Gasdiffusionsschichten 13 und der Kontaktwiderstand zwischen den Separatoren 12 und den Gasdiffusionsschichten 14 erhöht.
In Anbetracht dieses Problems, sind in der Brennstoffzelle 1 nach dieser Ausführungsform leitfähige Partikel 21 in vorstehenden Teilen auf einer Oberfläche der jeweiligen Separatoren 11 und 12 verborgen und Kohlenstofffasern in vorstehenden Teilen auf der anderen Oberfläche der jeweiligen Separatoren 11 und 12. Besonders sind leitfähige Partikel 21 in vorstehenden Teilen des Separators 11 verborgen, die der z-Achsen-Positivseite zugewandt hervorstehen, und Kohlenstofffasern in vorstehenden Teilen des Separators 11, die der z-Achsen-Negativseite zugewandt hervorstehen. Ferner sind leitfähige Partikel 21 in vorstehenden Teilen des Separators 12 verborgen, die der z-Achsen-Negativseite zugewandt hervorstehen, und Kohlenstofffasern in vorstehenden Teilen des Separators 12, die der z-Achsen-Positivseite zugewandt hervorstehen.
Ferner, wenn die vorstehenden Teile des Separators 11, die der z-Achsen-Positivseite zugewandt hervorstehen, so ausgebildet sind, dass sie an die vorstehenden Teile des Separators 12, die der z-Achsen-Negativseite zugewandt hervorstehen, angrenzen (d.h. damit in Berührung gebracht werden), dann sind sie ausgebildet, dass sie so aneinandergrenzen, dass die in diesen vorstehenden Teilen verborgenen leitfähigen Partikel 21 miteinander in Berührung gebracht werden. Ferner, wenn die vorstehenden Teile des Separators 11, die der z-Achsen-Negativseite zugewandt hervorstehen, so ausgebildet sind, dass sie an die Gasdiffusionsschicht 13 angrenzen (d.h. damit in Berührung gebracht werden), dann sind sie ausgebildet, dass sie so aneinandergrenzen, dass die in den vorstehenden Teilen verborgenen Kohlenstofffasern 22 mit der Gasdiffusionsschicht 13 in Berührung gebracht werden. Dementsprechend, wenn die vorstehenden Teile des Separators 12, die der z-Achsen-Positivseite zugewandt hervorstehen, so ausgebildet sind, dass sie an die Gasdiffusionsschicht 14 angrenzen (d.h. damit in Berührung gebracht werden), dann sind sie ausgebildet, dass sie so aneinandergrenzen, dass die in diesen Teilen verborgenen Kohlenstofffasern 22 mit der Gasdiffusionsschicht 14 in Berührung kommen.
Zum Beispiel sind leitfähige Partikel 21 an den Ecken der vorstehenden Teile der Separatoren 11 und 12 verborgen (d.h. an beiden Enden der jeweiligen vorstehenden Teile in die x-Richtung des Separators 11 und 12). Ähnlich sind Kohlenstofffasern 22 an den Ecken der vorstehenden Teile der Separatoren 11 und 12 verborgen (d.h. an beiden Enden der jeweiligen vorstehenden Teile in die x-Richtung des Separators 11 und 12).
Die leitfähigen Partikel 21 sind nicht auf bestimmte Partikel begrenzt, solange sie Leitfähigkeit aufweisen. Materialbeispiele für die leitfähigen Partikel 21 enthalten Zinnoxid, Gold, Indium-Zinnoxid (ITO), und Kohlenstoff-Nanoröhren. Besonders da Zinnoxid weniger teuer ist als Edelmetalle, können die Herstellungskosten reduziert werden, indem Zinnoxid-Partikel als leitfähige Partikel 21 verwendet werden.
Ferner liegt die Partikelgröße (z.B. ein Partikeldurchmesser) der leitfähigen Partikel 21 vorzugsweise bei 5 nm bis 10 nm. 2 ist ein vergrößerter Querschnitt des Separators 11. Wie in 2 aufgezeigt, werden Passivfilme 24 auf Oberflächen des metallischen Separators 11 gebildet. Im Allgemeinen hat jeder dieser Passivfilme 24 eine Dicke von ungefähr 3 nm. Wenn die Partikelgröße der leitfähigen Partikel kleiner als 5 nm ist, durchdringen die verborgenen leitfähigen Partikel 21 somit den Passivfilm 24 nicht, sodass keine ausreichende Leitfähigkeit aufgebaut wird. Ferner werden die ungeschützten Oberflächenverhältnisse der verborgenen leitfähigen Partikel 21 reduziert, so dass womöglich keine ausreichende Leitfähigkeit erhalten werden kann. Wenn jedoch die Partikelgröße der leitfähigen Partikel 21 größer als 10 nm ist, wird eine zerstörerische Energie, welche von den verborgenen leitfähigen Partikel 21 auf der Oberfläche des Separators 11 bereitgestellt wird, zu groß. Als Ergebnis könnten die leitfähigen Partikel 21 nicht nur den Passivfilm 24 beschädigen, sondern auch den Separator 11 selbst, und somit Risse im Separator 11 verursachen. Aus diesen Gründen liegt die Partikelgröße der leitfähigen Partikel 21 vorzugsweise bei 5 nm bis 10 nm.
Ähnlich liegt die Partikelgröße (z.B. ein Partikeldurchmesser) der Kohlenstofffasein 22 vorzugsweise bei 5 nm bis 10 nm. 3 ist ein vergrößerter Querschnitt des Separators 11. Ähnlich wie in 2, werden in 3 Passivfilme 24 auf Oberflächen des metallischen Separators 11 gebildet. Im Allgemeinen hat jeder dieser Passivfilme 24 eine Dicke von ungefähr 3 nm. Wenn die Partikelgröße der Kohlenstofffasern 22 kleiner als 5 nm ist, durchdringen die verborgenen Kohlenstofffasern 22 somit den Passivfilm 24 nicht, sodass keine ausreichende Leitfähigkeit aufgebaut wird. Ferner werden die ungeschützten Oberflächenverhältnisse der verborgenen Kohlenstofffasern 22 reduziert, so dass womöglich keine ausreichende Leitfähigkeit erhalten werden kann. Wenn jedoch die Partikelgröße der Kohlenstofffasern 22 größer als 10 nm ist, wird eine zerstörerische Energie, welche von den Kohlenstofffasern 22 auf der Oberfläche des Separators 11 bereitgestellt wird, zu groß. Als Ergebnis könnten die leitfähigen Partikel 21 nicht nur den Passivfilm 24 beschädigen, sondern auch den Separator 11 selbst, und somit Risse im Separator 11 verursachen. Aus diesen Gründen liegt die Partikelgröße der Kohlenstofffasern 22 vorzugsweise bei 5 nm bis 10 nm.
Ferner liegt ein Verhältnis eines Oberflächenverhältnisses, das von leitfähigen Partikeln 21 eingenommen ist (nachfolgend als ein Oberflächen-einnehmendes Oberflächenverhältnis bezeichnet), vorzugsweise bei 20 bis 60 %. Das heißt, dass das Oberflächen-einnehmende Bereichsverhältnis der leitfähigen Partikel 21 pro Einheitsbereich in einem vorstehenden Teil (d.h. Ecken eines vorstehenden Teils in dem in 1 aufgezeigten Beispiel) der Separatoren 11 und 12, in dem leitfähige Partikel 21 verborgen sind, bei vorzugsweise 20 bis 60 % liegt.
Wenn das Oberflächen-einnehmende Oberflächenverhältnis der leitfähigen Partikel 21 kleiner als 20 % ist, wird die Anzahl an Kontaktstellen zwischen den im Separator 11 und 12 verborgenen leitfähigen Partikeln 21 reduziert und somit die Leitfähigkeit zwischen den Separatoren 11 und 12 verringert. Wenn jedoch das Oberflächen-einnehmende Oberflächenverhältnis der leitfähigen Partikel 21 größer als 60 % ist, werden aufgrund der leitfähigen Partikel, die nicht in den Separatoren 11 und 12 verborgen sind, Lücken zwischen den Separatoren 11 und 12 gebildet. Da diese Lücken den Kontakt zwischen in den Separatoren 11 und 12 verborgenen leitfähigen Partikeln 21 behindern, wird die Leitfähigkeit zwischen den Separatoren 11 und 12 verringert. Ferner, da übermäßig leitfähige Partikel elektrische Ströme, die zwischen den verborgenen leitfähigen Partikeln 21 fließen, stören, wird die Leitfähigkeit zwischen den Separatoren 11 und 12 verringert.
Wie oben beschrieben, sind in der Brennstoffzelle nach dieser Ausführungsform leitfähige Partikel 21 auf einer Oberfläche eines jeden Separators 11 und 12 verborgen und Kohlenstofffasern 22 auf der anderen Oberfläche eines jeden Separators 11 und 12 verborgen. Ferner sind die Separatoren 11 und 12 so ausgebildet, dass sie aneinandergrenzen (d.h. miteinander in Berührung gebracht werden), sodass die in den vorstehenden Teilen verborgenen leitfähigen Partikel 21 auf der einen Oberfläche der Separatoren 11 und 12 miteinander in Berührung kommen. Ferner sind die Separatoren 11 und 12 so ausgebildet, dass sie jeweils an die Gasdiffusionsschichten 13 und 14 angrenzen (d.h. in Berührung gebracht werden damit), sodass in den vorstehenden Teilen verborgene Kohlenstofffasern 22 auf den anderen Oberflächen der Separatoren 11 und 12 jeweils mit den Gasdiffusionsschichten 13 und 14 in Berührung kommen.
Wie oben beschrieben, wird in der Brennstoffzelle nach dieser Ausführungsform bei gewünschter Verbesserung der Leitfähigkeit auf einer Oberfläche eines Brennstoffzellen-Separators die Leitfähigkeit nur an Teile weitergegeben, die im Brennstoffzellen-Separator leitfähig sein müssen, d.h. nur an vorstehende Teile, die mit einem benachbarten Separator oder einer Gasdiffusionsschicht in Berührung gebracht werden. Somit ist es möglich, die Menge an zu verwendenden leitfähigen Partikeln zu reduzieren, anders als in dem Fall, in dem leitfähige Partikel auf der gesamten Oberfläche des Separators bereitgestellt sind. Ferner sind Kohlenstofffasern auf der anderen Oberfläche des Separators verborgen. Somit kann die Menge an zu verwendenden leitfähigen Partikeln reduziert werden, anders als in dem Fall, in dem leitfähige Partikel auf beiden Oberflächen des Separators verborgen sind. Somit ist es möglich, die Herstellungskosten zu reduzieren und gleichzeitig die Leitfähigkeit auf den Oberflächen der Separatoren zu verbessern.
Als nächstes wird ein Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellen-Separators nach dieser Ausführungsform beschrieben. 4 ist ein Querschnitt zur Erklärung von Formwerkzeugen, die in einem Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellen-Separators nach dieser Ausführungsform genutzt werden. Bei dieser Ausführungsform wird ein Brennstoffzellen-Separator mit vorstehenden und vertieften Formen auf der Oberfläche hergestellt, indem eine Metallplatte zwischen einem Formwerkzeug 31, das auf einer unteren Seite angeordnet ist, und einem Formwerkzeug 32, das auf einer oberen Seite angeordnet ist, angeordnet wird und formgepresst wird.
Wie in 4 aufgezeigt, enthält das untere Formwerkzeug 31 vertiefte Teile 34 und vorstehende Teile 35. Das obere Formwerkzeug 32 enthält vorstehende Teile 37 an Stellen entgegengesetzt zu den vertieften Teilen 34 des unteren Formwerkzeugs 31 und vertiefte Teile 38 an Stellen entgegengesetzt zu den vorstehenden Teilen 35 des unteren Formwerkzeugs 31. Zu beachten ist, dass in 4 nur Teile der Formwerkzeuge 31 und 32 aufgezeigt sind. Das heißt, eine Vielzahl an vertieften Teilen und eine Vielzahl an vorstehenden Teilen, die so angeordnet sind, dass sie mit den entgegengesetzten vorstehenden Teilen und vertieften Teilen in Eingriff gelangen, werden schrittweise in die x-Achsen-Richtung in jedem der Formwerkzeuge 31 und 32 ausgebildet.
Mit leitfähigen Partikeln 42 gefüllte Rillen 41 werden an vorbestimmten Stellen in jedem vertieften Teil 34 des Formwerkzeugs 31 ausgebildet (d.h. Ecken eines jeden vertieften Teils 34 des Formwerkzeugs 31). Die Stellen, an denen die Rillen 41 ausgebildet werden, stimmen mit den Ecken eines vorstehenden Teils des Separators überein.
5 ist ein vergrößerter Querschnitt des in 4 aufgezeigten Formwerkzeugs 31. Wie in 5 aufgezeigt, wird eine Rille 41 mit leitfähigen Partikeln 42 gefüllt und die in der Rille 41 enthaltenen leitfähigen Partikel 42 werden während dem Formpressen einer Oberfläche einer Metallplatte 51 (siehe 6) zugeführt. Das heißt, wenn die Metallplatte 51 in den Separator formgepresst wird, wird ein Druck zwischen der Metallplatte 51 und den leitfähigen Partikeln 42 ausgeübt. Als Ergebnis werden leitfähige Partikel 42 in der Oberfläche der Metallplatte 51 verborgen. Die Rillen 41 sind innerhalb des Formwerkzeugs 31 mit Zuführungsvorrichtungen für die Zuführung der leitfähigen Partikel (nicht aufgezeigt) verbunden. Somit werden den Rillen 41 fortwährend leitfähige Partikel 42 von der Zuführungsvorrichtung (nicht aufgezeigt) zugeführt.
Wie oben beschrieben, sind die leitfähigen Partikel 42 nicht auf bestimmte Partikel begrenzt, solange sie Leitfähigkeit aufweisen. Materialbeispiele für die leitfähigen Partikel 42 enthalten Zinnoxid, Gold, Indium-Zinnoxid (ITO), und Kohlenstoff-Nanoröhren. Besonders da Zinnoxid weniger teuer ist als Edelmetalle, können die Herstellungskosten reduziert werden, indem Zinnoxid-Partikel als leitfähige Partikel 42 verwendet werden. Ferner liegt die Partikelgröße der leitfähigen Partikel 42 aus oben beschriebenen Gründen vorzugsweise bei 5 nm bis 10 nm.
Als nächstes werden Vorgänge zur Herstellung eines Brennstoffzellen-Separators mit Bezug auf 6 bis 8 ausführlich beschrieben. Wenn ein Brennstoffzellen-Separator formgepresst wird, wird zunächst, wie in 6 aufgezeigt, eine Metallplatte 51 zwischen einem unteren Formwerkzeug 31 und einem oberen Formwerkzeug 32 angeordnet und eine Kohlenstofffaserbahn 52 wird zwischen der Metallplatte 51 und dem oberen Formwerkzeug 32 angeordnet. Zu beachten ist, dass eine dünne Platte aus Edelstahl, Titan, einer Titanlegierung, einer Aluminiumlegierung oder ähnlichem Material mit einer Dicke von ungefähr 0,1 bis 0,2 mm als Metallplatte 51 verwendet werden kann. Zum Beispiel wird Edelstahl vorzugsweise als Metallplatte 51 verwendet, da Titan teurer ist als Edelstahl und Aluminium eine niedrigere Korrosionsbeständigkeit aufweist als Edelstahl. Zu beachten ist, dass auf den Oberflächen der Metallplatte 51 Passivfilme mit hohem elektrischem Widerstand ausgebildet werden.
Ferner kann die Kohlenstofffaserbahn 52 aus dem gleichen Material sein wie das Material der Gasdiffusionsschicht 13 und 14 (siehe 1). Durch die Verwendung des gleichen Materials wie das Material der Gasdiffusionsschichten 13 und 14 ist es möglich, eine Zunahme der Anzahl an zu verwendenden Arten von Komponenten zu vermeiden und damit die Herstellungskosten des Separators zu reduzieren. Ferner liegt die Partikelgröße der Kohlenstofffasern, welche die Kohlenstofffaserbahn 52 erzeugen, aus oben beschriebenen Gründen vorzugsweise bei 5 nm bis 10 nm.
Danach werden, wie in 7 aufgezeigt, die Metalplatte 51 und die Kohlenstofffaserbahn 52 durch das untere und obere Formwerkzeug 31 und 32 gepresst und dadurch in den Separator formgepresst. Bei diesem Vorgang werden leitfähige Partikel 42 in vorstehenden Teilen auf einer Oberfläche (auf der z-Achsen-Negativseite) der Metallplatte (des Separators) 51 verborgen. Ferner werden Kohlenstofffasern der Kohlenstofffaserbahn 52 in vorstehenden Teilen auf der anderen Oberfläche (auf der z-Achsen-Positivseite) der Metallplatte (des Separators) 51 verborgen.
Danach werden, wie in 8 aufgezeigt, das untere und obere Formwerkzeug 31 und 32 voneinander wegbewegt und der ausgebildete Separator 11 wird von den Formwerkzeugen 31 und 32 entfernt. Wie in 8 aufgezeigt, sind in den vorstehenden Teilen 27 auf der Oberfläche der z-Achsen-Negativseite des ausgebildeten Separators 11 leitfähige Partikel 21 verborgen. Ferner sind Kohlenstofffasern 22 in vorstehenden Teilen 28 auf der Oberfläche der z-Achsen-Positivseite des ausgebildeten Separators 11 verborgen.
Zu beachten ist, dass leitfähige Partikel 21 und Kohlenstofffasern 22 jeweils an Ecken der vorstehenden Teile 27 und 28 verborgen sind. Das heißt, dass durch die Ausbildung von Rillen 41 an Stellen, die mit den Ecken der vorstehenden Teile 27 des Separators 11 übereinstimmen, und durch das starke Ausüben einer Kraft ausgehend von dem unteren Formwerkzeug 31 auf die Ecken der vorstehenden Teile 27 des Separators 11 während des Formpressens leitfähige Partikel 21 an den Ecken der vorstehenden Teil 27 des Separators 11 verborgen sind. Ähnlich sind durch ein starkes Ausüben einer Kraft ausgehend von dem oberen Formwerkzeug 32 auf die Ecken der vorstehenden Teile 28 des Separators 11 während des Formpressens Kohlenstofffasern 22 an den Ecken der vorstehenden Teile 28 des Separators 11 verborgen.
Wie oben beschrieben, liegt das Oberflächen-einnehmende Oberflächenverhältnis der im ausgebildeten Separator 11 verborgenen leitfähigen Partikel 21 bei vorzugsweise 20 bis 60 %. Das heißt, dass das Oberflächen-einnehmende Oberflächenverhältnis der leitfähigen Partikel 21 pro Einheitsbereich in einem vorstehenden Teil (z.B. Ecken eines vorstehenden Teils in dem in 1 aufgezeigten Beispiel) der Separatoren 11 und 12, in denen leitfähige Partikel 21 verborgen sind, vorzugsweise bei 20 bis 60 % liegt. Zu beachten ist, dass die Menge an im Separator 11 verborgenen leitfähigen Partikeln 21 angepasst werden kann, indem beim Formpressen der Druck oder/und die Presszeit geändert wird/werden, oder/und indem die Menge an leitfähigen Partikeln 42, die mit der Metallplatte 51 (d.h. der Menge an in den Rillen 41 enthaltenen leitfähigen Partikeln 42) oder ähnlichem in Berührung kommen, geändert wird.
Wie oben beschrieben, werden in dem Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellen-Separators mit leitfähigen Partikeln 42 gefüllte Rillen 41 an vorbestimmten Stellen in einem vertieften Teil 34 des Formwerkzeugs 31 ausgebildet. Ferner wird das Formpressen eines Separators in einem Zustand ausgeführt, in dem eine Metallplatte 51 zwischen den Formwerkzeugen 31 und 32 angeordnet ist und eine Kohlenstofffaserbahn 52 zwischen der Metallplatte 51 und dem Formwerkzeug 32 angeordnet ist. Auf diese Weise ist es möglich, leitfähige Partikel 21 in vorstehenden Teilen 27 auf einer Oberfläche des Separators 11 zu verbergen und Kohlenstofffasern 22 in vorstehenden Teilen 28 auf der anderen Oberfläche des Separators 11 zu verbergen.
Wie oben beschrieben, ist es in dem Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellen-Separators nach dieser Ausführungsform möglich, die Leitfähigkeit nur an Teile weitergegeben, die im Brennstoffzellen-Separator leitfähig sein müssen, d.h. nur an vorstehende Teile, die mit einem benachbarten Separator oder einer Gasdiffusionsschicht in Berührung gebracht werden. Somit ist es möglich, die Menge an zu verwendenden leitfähigen Partikeln zu reduzieren, anders als in dem Fall, in dem leitfähige Partikel auf der gesamten Oberfläche des Separators bereitgestellt sind. Ferner sind Kohlenstofffasein durch Verwendung einer Kohlenstofffaserbahn auf der anderen Oberfläche des Separators verborgen. Somit kann die Menge an zu verwendenden leitfähigen Partikeln reduziert werden, anders als in dem Fall, in dem leitfähige Partikel auf beiden Oberflächen des Separators verborgen sind. Somit ist es möglich, die Herstellungskosten zu reduzieren und gleichzeitig die Leitfähigkeit auf den Oberflächen der Separatoren zu verbessern.
Ferner werden bei dieser Ausführungsform leitfähige Partikel 21 wahlweise an Ecken der vorstehenden Teile 27 des ausgebildeten Separators 11 verborgen. Das heißt, es ist möglich, die Leitfähigkeit des Separators 11 zu verbessern und gleichzeitig die zu verwendende Menge Zinnoxid zu reduzieren, indem leitfähige Partikel 21 wahlweise an Ecken der vorstehenden Teile 27 verborgen werden, die einen erheblichen Beitrag zur Leitfähigkeit des Separators 11 leisten, anstatt sie in den Zentren der vorstehenden Teile 27 zu verbergen, die nur einen kleinen Beitrag zur Leitfähigkeit des Separators 11 leisten.
Beispiel
Als nächstes wird ein Beispiel nach der vorliegenden Anmeldung beschrieben.
In einem Beispiel wurde ein Separator unter Verwendung der in 4 aufgezeigten Formwerkzeuge 31 und 32 hergestellt. Als der Separator hergestellt wurde, wurde der Separator durch den in 6 bis 8 aufgezeigten Herstellungsvorgang formgepresst. Als Metallplatte wurde eine Spule verwendet, ausgebildet von einer Metallplatte aus Edelstahl (SUS447) und mit einer Dicke von 0,1 mm. Es wurde Edelstahl verwendet, da Titan teurer ist als Edelstahl und Aluminium eine niedrigere Korrosionsbeständigkeit aufweist als Edelstahl.
Ferner wurden Zinnoxid-Partikel als leitfähige Partikel in die Rillen 41 des in 4 aufgezeigten Formwerkzeugs 31 eingebracht. Als Zinnoxid-Partikel wurden mit Antimon dotierte Zinnoxid-Partikel mit einer Partikelgröße von 10 nm (ATO, T-1 hergestellt von Mitsubishi Materials Corporation) verwendet. Zu beachten ist, dass die Partikelgröße der Zinnoxid-Partikel durch Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops (SEM: Scanning Electron Microscope) oder eines Transmissionselektronenmikroskops (TEM: Transmission Electron Microscope) gemessen werden kann.
Als Kohlenstofffaserbahn (Gasdiffusionsschicht) wurde Kohlepapier mit einer Dicke von 0,11 mm (TGP-H030 hergestellt von Toray Industries, Inc.) verwendet. Wenn die Dicke der Kohlenstofffaserbahn zu groß ist, steigt das Elastizitätsmodul und die Möglichkeit, dass die Kohlenstofffaserbahn beim Formpressen beschädigt (oder rissig) wird. Somit wird vorzugsweise Kohlepapier mit einer Dicke von ungefähr 0,11 mm verwendet. Zu beachten ist, dass Kohlepapier mit Kohlenstoff-Nanoröhren (hergestellt von Microphase Co., Ltd. Inc.) als Kohlenstofffaserbahn verwendet werden kann. Ein Nachteil allerdings ist, dass Kohlepapier mit Kohlenstoff-Nanoröhren teuer ist.
Ein Separator wurde durch den in 6 bis 8 aufgezeigten Herstellungsvorgang unter Verwendung der oben beschriebenen Materialien formgepresst. Das heißt, dass zunächst, wie in 6 aufgezeigt, eine Metallplatte 51 und eine Kohlenstofffaserbahn 52 zwischen unteren und oberen Formwerkzeugen 31 und 32 angeordnet wurden. Dann wurden, wie in 7 aufgezeigt, die Metallplatte 51 und die Kohlenstofffaserbahn 52 durch das untere und obere Formwerkzeug 31 und 32 gepresst und damit in einen Separator formgepresst. Danach wurden, wie in 8 aufgezeigt, das untere und obere Formwerkzeug 31 und 32 voneinander wegbewegt und der ausgebildete Separator 11 von den Formwerkzeugen 31 und 32 entfernt.
Eine Vielzahl an Mustern wurde durch das oben beschriebene Verfahren hergestellt und eine Abhängigkeit zwischen dem Oberflächen-einnehmenden Oberflächenverhältnis (nachfolgend lediglich als „Oberflächenverhältnisse“ bezeichnet) der Zinnoxid-Partikel und ihrem Kontaktwiderstand wurde für den ausgebildeten Separator 11 geprüft. Zu beachten ist, dass die Menge an im Separator 11 verborgenen leitfähigen Partikel angepasst wurde, indem beim Formpressen der Druck oder/und die Presszeit geändert wurde/n, oder/und indem die Menge an leitfähigen Partikeln, die mit der Metallplatte oder ähnlichem in Berührung gekommen sind, geändert wurde.
Mit dem Kontaktwiderstand ist ein Kontaktwiderstand zwischen ausgebildeten Separatoren gemeint. Das heißt, dass der Kontaktwiderstand in einem Zustand gemessen wurde, in dem vorstehende Teile der ausgebildeten Separatoren miteinander in Berührung gebracht worden sind und ein Druck von 0,98 MPa auf jeden Separator ausgeübt wurde. Besonders wurde ein Spannungswert zwischen den Separatoren in einem Zustand gemessen, in dem vorstehende Teile des Separators, in dem Zinnoxid-Partikel verborgen waren, miteinander in Berührung gebracht worden sind und ein konstanter Strom dazu gebracht wurde, zwischen den Separatoren zu fließen.
Ferner wurde das Oberflächenverhältnis der Zinnoxid-Partikel durch Berechnen eines Verhältnisses eines Bereichs der Zinnoxid-Partikel an den Ecken eines vorstehenden Teils des Separators berechnet. Durch das Ausführen einer TOF-SIMS-Analyse (Timeof-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry: Flugzeit-Sekundärionenmassenspektrometrie) für die äußerste Oberfläche des Separators und durch Erhalten von Elementverteilungen von Fe, welches die Hauptkomponente von Edelstahl war, und Sn, welches eine Komponente von Zinnoxid war, wurde das Oberflächenverhältnis der Zinnoxid-Partikel in numerische Werte umgewandelt (d.h. durch numerische Werte ausgedrückt).
9 zeigt eine Abhängigkeit zwischen dem Oberflächen-einnehmenden Oberflächenverhältnis der Zinnoxid-Partikel und den Kontaktwiderständen desselben auf. Wenn das Obeflächenverhältnis von Zinnoxid bei 0 % (nicht aufgezeigt) lag, d.h., wenn kein Zinnoxid in den Separatoren verborgen war, ist kein Strom zwischen den Separatoren geflossen. Das heißt, dass der Kontaktwiderstand zwischen den Separatoren sehr hoch war. Wenn hingegen Zinnoxid in den Separatoren verborgen war, ist Strom zwischen den Separatoren geflossen.
Besonders als das Oberflächenverhältnis der Zinnoxid-Partikel von 10 % auf 40 % erhöht wurde, ist der Kontaktwiderstand zwischen den Separatoren gesunken. Ferner hat der Kontaktwiderstand den Mindestwert erreicht, wenn das Oberflächenverhältnis der Zinnoxid-Partikel bei 40 % lag. Als dann das Oberflächenverhältnis der Zinnoxid-Partikel von 40 % weiter auf 70 % erhöht wurde, hat sich der Kontaktwiderstand zwischen den Separatoren erhöht. Basierend auf dem in 9 aufgezeigten Ergebnis, wenn das Oberflächenverhältnis der Zinnoxid-Partikel bei 20 % bis 60 % lag, war der Kontaktwiderstand zwischen den Separatoren kleiner als 20 mΩ·cm² und wies damit zufriedenstellende Werte auf.
Aus der damit beschriebenen Anmeldung wird es offensichtlich sein, dass die Ausführungsformen der Anmeldung auf viele Weisen variiert werden können. Solche Variationen sind nicht als Abweichung des Sinnes und Anwendungsbereichs der Anmeldung zu betrachten und all solche Änderungen, wie einem Fachmann nahegelegt wäre, sollen innerhalb des Anwendungsbereichs der folgenden Ansprüche berücksichtigt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2006140095 [0004, 0005]

Claims

Brennstoffzelle (1), aufweisend: einen ersten Separator (11), bestehend aus Metall und vorstehende und vertiefte Formen aufweisend; einen zweiten Separator (12), bestehend aus Metall und vorstehende und vertiefte Formen aufweisend, wobei der erste und der zweite Separator (11, 12) so ausgebildet sind, dass ein vorstehendes Teil auf einer Oberfläche des zweiten Separators (12) an ein vorstehendes Teil auf einer Oberfläche des ersten Separators (11) angrenzt, und ein vertieftes Teil auf der einen Oberfläche des zweiten Separators (12) einem vertieften Teil auf der einen Oberfläche des ersten Separators (11) entgegengesetzt ist, wodurch ein Strömungsweg (18) dazwischen gebildet wird; eine erste Gasdiffusionsschicht (13), ausgebildet um an ein vorstehendes Teil auf einer anderen Oberfläche des ersten Separators (11) anzugrenzen, und ausgebildet um ein erstes durch ein vertieftes Teil fließendes Gas (16), auf der anderen Oberfläche des ersten Separators (11) zu verbreiten; und eine zweite Gasdiffusionsschicht (14), ausgebildet um an ein vorstehendes Teil auf einer anderen Oberfläche des zweiten Separators (12) anzugrenzen, und ausgebildet um ein zweites durch ein vertieftes Teil fließendes Gas (17) auf der anderen Oberfläche des zweiten Separators (12) zu verbreiten, wobei leitfähige Partikel (21) in dem vorstehenden Teil auf der einen Oberfläche des ersten und zweiten Separators (11, 12) verborgen sind, und Kohlenstofffasern (22) in dem vorstehenden Teil auf der anderen Oberfläche des ersten und zweiten Separators (11, 12) verborgen sind, und die vorstehenden Teile auf der einen Oberfläche des ersten und zweiten Separators (11, 12) aneinandergrenzen, sodass die in diesen vorstehenden Teilen verborgenen leitfähigen Partikel (21) miteinander in Berührung kommen, und die vorstehenden Teile auf der anderen Oberfläche des ersten und zweiten Separators (11, 12) jeweils an die erste und zweite Gasdiffusionsschicht (13, 14) angrenzen, sodass die in diesen vorstehenden Teilen verborgenen Kohlenstofffasern (22) jeweils mit der ersten und zweiten Gasdiffusionsschicht (13, 14) in Berührung kommen.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei es sich bei den leitfähigen Partikeln (21) um Zinnoxid-Partikel handelt.
Brennstoffzelle nach Anspruch 2, wobei die Partikelgröße der Zinnoxid-Partikel bei 5 nm bis 10 nm liegt.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die leitfähigen Partikel (21) an Ecken der vorstehenden Teile auf der einen Oberfläche des ersten und zweiten Separators (11, 12) verborgen sind, und die Kohlenstofffasern (22) an Ecken der vorstehenden Teile auf der anderen Oberfläche des ersten und zweiten Separators (11, 12) verborgen sind.
Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellen-Separators mit vorstehenden und vertieften Formen auf der Oberfläche, die das Zwischenlegen einer Metallplatte zwischen einem ersten Formwerkzeug (31) und einem zweiten Formwerkzeug (32) und die Ausführung von Formenpressen aufweist, wobei das erste Formwerkzeug (31) ein vorstehendes Teil (35) und ein vertieftes Teil (34) aufweist, das zweite Formwerkzeug (32) ein vorstehendes Teil (37) an einer Stelle entgegengesetzt zu dem vertieften Teil (34) des ersten Formwerkzeugs (31) und ein vertieftes Teil (38) an einer Stelle entgegengesetzt zu dem vorstehenden Teil (35) des ersten Formwerkzeugs (31) aufweist, eine Rille (41) gefüllt mit leitfähigen Partikeln (42) an einer vorbestimmten Stelle in dem vertieften Teil (34) des ersten Formwerkzeugs (31) gebildet wird, und die in der Rille (41) enthaltenen leitfähigen Partikel (42) während dem Formpressen einer Oberfläche der Metallplatte (51) zugeführt werden, und beim Formpressen des Separators das Formpressen in einem Zustand ausgeführt wird, in dem die Metallplatte (51) zwischen dem ersten und zweiten Formwerkzeug (31, 32) angeordnet ist, und eine Kohlenstofffaserbahn (52) zwischen der Metallplatte (51) und dem zweiten Formwerkzeug (32) angeordnet ist, sodass die leitfähigen Partikel (21) in einem vorstehenden Teil auf einer Oberfläche des Separators verborgen sind und die Kohlenstofffasern (22) in einem vorstehenden Teil auf der anderen Oberfläche des Separators verborgen sind.
Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellen-Separators nach Anspruch 5, wobei es sich bei den leitfähigen Partikeln (42) um Zinnoxid-Partikel handelt.
Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellen-Separators nach Anspruch 6, wobei die Partikelgröße der Zinnoxid-Partikel bei 5 nm bis 10 nm liegt.
Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellen-Separators gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die oben beschriebene vorbestimmte Stelle eine Ecke des vorstehenden Teils des ersten Formwerkzeugs (31) ist, und die leitfähigen Partikel während des Formpress-Vorgangs an einer Ecke des vorstehenden Teils auf der einen Oberfläche des Separators verborgen sind.