DE102021111493A1

DE102021111493A1 - Brennstoffzellenseparator und herstellungsverfahren zur herstellung eines brennstoffzellenseparators

Info

Publication number: DE102021111493A1
Application number: DE102021111493.4A
Authority: DE
Inventors: Nobuaki Nonoyama; Tomoko Kozaki
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2020-08-05
Filing date: 2021-05-04
Publication date: 2022-02-10
Also published as: JP7415839B2; US20220045340A1; CN114068976A; US11489171B2; JP2022029802A

Abstract

Diese Erfindung stellt ein Herstellungsverfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenseparators (100) bereit. Das Herstellungsverfahren umfasst:Bereitstellen eines Materialblatts, umfassend ein Faserblatt (10), Kohlenstoff-Partikel (20), und ein Harz (30), wobei die Kohlenstoff-Partikel (20) und das Harz (30) auf das Faserblatt (10) aufgetragen werden; und Pressen des Materialblatts in eine Aussparungs-Vorsprungs-Gestalt, durch welche ein Gas-Zirkulationsdurchlass ausgebildet werden soll, und Bilden eines oberen Abschnitts (40) und eines Übergangsabschnitts (50). Beim Pressen des Materialblatts wird das Materialblatt derart gepresst, dass eine Formschräge des oberen Abschnitts (40) höher als eine Formschräge des Übergangsabschnitts (50) ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenseparator und ein Herstellungsverfahren des Brennstoffzellenseparators. Diese Erfindung betrifft insbesondere einen Kohlenstoffmaterial-basierten Brennstoffzellenseparator und ein Herstellungsverfahren desselben.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Als eines der Mittel hinsichtlich Umweltprobleme etc., ziehen Brennstoffzellen die Aufmerksamkeit auf sich. Die Brennstoffzellen erzeugen elektrische Energie durch eine elektrochemische Reaktion zwischen einem Brennstoffgas und einem Oxidansgas.
Zum Zeitpunkt der Stromerzeugung wird Wasserstoffgas einer Anodenseite als Brennstoffgas (Anodengas) zugeführt, sodass die Reaktion zur Herstellung von Wasserstoff-Ionen und Elektronen aus dem Wasserstoffgas bewirkt wird. Die Wasserstoff-Ionen bewegen sich zu einer Kathodenseite durch einen Elektrolyten, und die Elektronen erreichen die Kathodenseite durch einen Kreislauf außerhalb einer Brennstoffzelle. In der Zwischenzeit wird Sauerstoffgas oder Luft der Kathodenseite als Oxidationsgas (Kathodengas) zugeführt, sodass die Reaktion veranlasst wird, in welcher Sauerstoff mit Wasserstoff-Ionen und den Elektronen reagiert, um Wasser (Wasserdampf) zu erzeugen.
Insbesondere erreichen die Brennstoffzellen eine hohe Ausgabe bzw. Ausgabeleistung bzw. einen hohen Output der Stromerzeugung durch Laminieren einer Mehrzahl an einzelnen Zellen, wobei eine jede, wie vorstehend beschrieben, konfiguriert ist, um elektrische Energie zu erzeugen. Ein Separator, durch welchen die einzelnen Zellen voneinander getrennt sind, umfasst Durchlässe bzw. Bereiche, über welche Brennstoffgas und Oxidansgas, welche zur Stromerzeugung benötigt werden, zugeführt werden und erzeugtes Wasser (Wasserdampf) wird abgegeben bzw. ausgestoßen. Der Separator benötigt eine hohe Gasundurchlässigkeit, welche eine vollständige Trennung zwischen den zuvor genannten Zufuhr-Gasen (das Brennstoffgas und das Oxidansgas) und dem Abgabe- bzw. Auslass-Gas (Wasserdampf) und eine hohe Leitfähigkeit erreicht, um einen internen Widerstand bzw. Innenwiderstand der Brennstoffzellen zu verringern.
Brennstoffzellenseparatoren, welche der vorstehenden Bedingung bzw. Anforderung genügen, werden grob in einen Metall-Material-basierten Separator und einen Kohlenstoffmaterial-basierten Separator klassifiziert.
Ein metallisches Material bzw. Metallmaterial weist eine hohe relative Dichte auf, aber weist eine ausgezeichnete Stärke bzw. Festigkeit und eine hohe Leitfähigkeit auf. Dementsprechend ist der Metallmaterial-basierte Separator dünn und weist eine ausgezeichnet Leitfähigkeit auf. Um Korrosionsbeständigkeit beizubehalten, weist der Metallmaterial-basierte Separator jedoch Probleme auf, z.B., dass auswählbare Materialien beschränkt bzw. limitiert sind, oder, dass eine Oberflächenbehandlung benötigt wird.
Währenddessen weist ein Kohlenstoffmaterial eine kleine relative Dichte und eine hohe Leitfähigkeit auf, und weist eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit auf. Aus diesem Grund wurden verschiedene Kohlenstoffmaterial-basierte Separatoren untersucht. Zum Beispiel beschreibt die ungeprüfte japanische Veröffentlichung der Patentanmeldung Nr. 2016-81901 ( JP 2016-81901 A ) einen Brennstoffzellenseparator, welcher mit einem ausgesparten bzw. vertieften bzw. zurückstehenden Abschnitt zur Gas-Zirkulation auf mindestens einer Oberfläche versehen ist. Der vertiefte Abschnitt wird mittels Durchführen von Heißpressen („heat pressing“) auf einem Textilverbundstoff bzw. Vliesstoff, welches ein Matrix-Harz und Kohlenstoff-Faser umfasst, gebildet. Die ungeprüfte japanische Veröffentlichung der Patentanmeldung Nr. 2008-91097 ( JP 2008-91097 A ) beschreibt einen Brennstoffzellenseparator, welcher ein Kohlenstoffmaterial und ein thermoplastisches Harz umfasst, und mit einem Gas-Zirkulationsdurchlass versehen bzw. ausgestattet ist, welcher durch ein Aussparungs-Vorsprungs-Bildungsverfahren gebildet ist. Ferner beschreibt JP 2008-91097 A , dass das Kohlenstoffmaterial, welches im Brennstoffzellenseparator enthalten ist, Kohlenstoff-Fasern mit einem Durchmesser von 200 nm oder weniger umfasst, und ein oberer Abschnitt einer Aussparungs-Vorsprungs-Gestalt dünner als die anderen Teile ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Der Kohlenstoffmaterial-basierte Separator umfasst Harz zur Sicherstellung der Festigkeit. Da das Harz die Leitfähigkeit hemmt, haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung ein derartiges Problem vorgefunden, dass gewünscht war, dass der Kohlenstoffmaterial-basierte Separator im Stand der Technik hinsichtlich der Leitfähigkeit verbessert wird.
Diese Erfindung wurde vollendet, um das vorstehende Problem zu lösen. Das heißt, ein Ziel dieser Erfindung ist, einen Kohlenstoffmaterial-basierten Brennstoffzellenseparator, welcher hinsichtlich der Leitfähigkeit mehr als zuvor verbessert wurde, und ein Herstellungsverfahren desselben bereitzustellen.
Um das vorstehende Ziel zu erreichen, haben die Erfinder dieser Erfindung einen Brennstoffzellenseparator und ein Herstellungsverfahren desselben gemäß dieser Erfindung als ein Ergebnis von gewissenhafter bzw. sorgfältiger Untersuchung vollendet. Der Brennstoffzellenseparator und das Herstellungsverfahren gemäß dieser Erfindung umfassen die nachstehenden Aspekte.

<1> Ein Herstellungsverfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenseparators umfasst: Bereitstellen eines Materialblatts, welches ein Faserblatt, Kohlenstoff-Partikel, und Harz umfasst, wobei die Kohlenstoff-Partikel und das Harz auf das Faserblatt aufgetragen bzw. aufgebracht werden; und Pressen des Materialblatts in eine Aussparungs-Vorsprungs-Gestalt, durch welche ein Gas-Zirkulationsdurchlass gebildet wird, und Bilden eines oberen Abschnitts und eines Übergangsabschnitts. Beim Pressen des Materialblatts wird das Materialblatt derart gepresst, dass eine Formschräge des oberen Abschnitts höher ist als eine Formschräge des Übergangsabschnitts.
<2> Im Herstellungsverfahren, welches in <1> beschrieben ist, kann die Formschräge des oberen Abschnitts das 1,2 bis 2,0 fache der Formschräge des Übergangsabschnitts sein.
<3> Im Herstellungsverfahren, welches in <1> oder <2> beschrieben ist, kann das Faserblatt mindestens eines von den Kohlenstoff-Fasern und den Harz-Fasern umfassen, wobei jede einen Faser-Durchmesser von 1 µm bis 100 µm und eine Faser-Länge von 1 mm bis 30 mm aufweist.
<4> Im Herstellungsverfahren, welches in einem von <1> bis <3>beschrieben ist, kann das Materialblatt durch Imprägnieren des Faserblatts mit den Kohlenstoff-Partikeln und dem duroplastischem Harz bereitgestellt werden.
<5> Im Herstellungsverfahren, welches in einem von <1> bis <4> beschrieben wird, kann das Materialblatt bereitgestellt werden durch sandwichartiges Anordnen des Faserblatts, welches mit den Kohlenstoff-Partikeln zwischen Kohlenstoff-Partikel enthaltenen thermoplastischen Harz-Blättern derart imprägniert ist, dass die gegenüberliegenden bzw. zugewandten Oberflächen des Faserblatts mit den thermoplastischen Harz-Blättern bedeckt sind.
<6> Ein Brennstoffzellenseparator umfasst: ein Faserblatt; und Kohlenstoff-Partikel und Harz, welche im Faserblatt dispergiert sind. Der Brennstoffzellenseparator weist eine Aussparung-Vorsprungs-Gestalt auf, durch welche ein Gas-Zirkulationsdurchlass gebildet werden soll. Die Dicke der oberen Abschnitte der Aussparung-Vorsprungs-Gestalt auf gegenüberliegenden bzw. zugewandten Oberflächen des Brennstoffzellenseparators ist dünner als eine Dicke von mindestens einem Teil eines Übergangsabschnitts zwischen den oberen Abschnitten. Das Flächengehaltsverhältnis bzw. der Flächengehaltsanteil der Kohlenstoff-Partikel ist in mindestens einem Teil der oberen Abschnitte höher als zumindest in einem Teil des Übergangsabschnitts.
<7> Im Brennstoffzellenseparator, welcher in <6> beschrieben ist, ist die Dicke der oberen Abschnitte das 0,50- bis 0,90-fache der Dicke zumindest eines Teiles des Übergangsabschnitts.
<8> Im Brennstoffzellenseparator, welcher in <6> oder <7> beschrieben ist, kann das Faserblatt mindestens eines von den Kohlenstoff-Fasern und den Harz-Fasern umfassen, wobei jede einen Faser-Durchmesser von 1 µm bis 100 µm und eine Faser-Länge von 1 mm bis 30 mm aufweist.
<9> Im Brennstoffzellenseparator, welcher in einem von <6> bis <8> beschrieben ist, kann das Harz mindestens eines von dem duroplastischen Harz und dem thermoplastischen Harz umfassen.

In dieser Erfindung wird, zum Zeitpunkt, wenn das Materialblatt, welches durch Auftragen der Kohlenstoff-Partikel und des Harzes auf das Faserblatt erhalten wurde, in eine Aussparungs-Vorsprungs-Gestalt gepresst wird, die Formschräge der oberen Abschnitte höher als die Formschräge des Übergangsabschnitts eingestellt. Dies macht es möglich, das Herstellungsverfahren zur Herstellung des Brennstoffzellenseparators bereitzustellen, dessen Leitfähigkeit mehr als zuvor verbessert ist, während die Festigkeit des Brennstoffzellenseparators beibehalten wird. Ferner ist im Herstellungsverfahren gemäß dieser Erfindung das Gehaltsverhältnis bzw. der Gehaltsanteil der Kohlenstoff-Partikel im oberen Abschnitt der Aussparungs-Vorsprungs-Gestalt erhöht, was sich größtenteils auf die Leitfähigkeit auswirkt, während der Gehaltsanteil des Harzes im Übergangsabschnitt erhöht ist. Dies macht es möglich, den Brennstoffzellenseparator bereitzustellen, dessen Leitfähigkeit mehr als zuvor verbessert ist, während die Festigkeit des Brennstoffzellenseparators beibehalten wird.
Figurenliste
Merkmale, Vorteile und technische und industrielle Bedeutung von beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend mit Bezug zur beigefügten Zeichnung beschrieben, wobei dieselben Nummern ähnliche bzw. gleiche Elemente bezeichnen und wobei:

1 eine schematische Querschnittsansicht ist, welche ein Beispiel eines Brennstoffzellenseparators gemäß dieser Erfindung darstellt;
2 eine schematische Querschnittsansicht des wesentlichen Teils ist, welche ein Beispiel einer Brennstoffzelle, welche den Brennstoffzellenseparator gemäß dieser Erfindung verwendet, darstellt;
3A eine schematische Querschnittsansicht ist, welche ein Beispiel eines oberen Abschnitts und eines Übergangsabschnitts im Brennstoffzellenseparator gemäß dieser Erfindung darstellt;
3B eine schematische Querschnittsansicht ist, welche ein weiteres Beispiel des oberen Abschnitts und des Übergangsabschnitts des Brennstoffzellenseparators gemäß dieser Erfindung darstellt;
4A eine schematische Querschnittsansicht ist, welche einen Teil eines ersten Beispiels eines Brennstoffzellenseparators des Standes der Technik darstellt;
4B eine schematische Querschnittsansicht ist, welche einen Teil eines zweiten Beispiels eines Brennstoffzellenseparators des Standes der Technik darstellt;
4C eine schematische Querschnittsansicht ist, welche einen Teil eines dritten Beispiels eines Brennstoffzellenseparators des Standes der Technik darstellt;
4D eine schematische Querschnittsansicht ist, welche einen Teil eines vierten Beispiels eines Brennstoffzellenseparators des Standes der Technik darstellt; und
5 eine schematische Querschnittsansicht ist, welche ein Beispiel eines Materialblatts darstellt, welches in einem Herstellungsverfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenseparators gemäß dieser Erfindung verwendet wird.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Das Nachstehende beschreibt Ausführungsformen eines Brennstoffzellenseparators und ein Herstellungsverfahren desselben gemäß dieser Erfindung im Detail. Man beachte, dass die nachstehende Ausführungsform nicht beabsichtigt ist, den Brennstoffzellenseparator und das Herstellungsverfahren desselben gemäß dieser Erfindung zu beschränken.
Ein Kohlenstoffmaterial-basierter Brennstoffzellenseparator enthält Harz, um zusätzlich zu einem Kohlenstoffmaterial für die Sicherstellung der Leitfähigkeit Festigkeit bzw. Stärke als ein geformter Körper sicherzustellen. Allgemein weist das Harz eine geringe Leitfähigkeit auf, und deshalb senkt das Harz die Leitfähigkeit des Brennstoffzellenseparators. Um die Leitfähigkeit zu verbessern, ist es denkbar, dass das Gehaltsverhältnis bzw. der Gehaltsanteil des Harzes verringert wird. In diesem Fall ist es jedoch schwer die Festigkeit als ein geformter Körper beizubehalten.
Der Brennstoffzellenseparator (nachstehend auch als „Separator“ bezeichnet) weist eine Aussparungs-Vorsprungs-Gestalt (eine gewellte bzw. geriffelte Gestalt) auf. Durch Kombinieren zweier Separatoren, welche eine derartige Aussparungs-Vorsprungs-Gestalt aufweisen, werden Durchlässe, durch welche Brennstoffgas und Oxidansgas (nachstehend auch als „Reaktandgas“ bezeichnet) strömen, und ein Kühlmittel-Durchlass gebildet. Um den internen Widerstand bzw. Innenwiderstand einer Brennstoffzelle zu verringern, ist es notwendig, den elektrischen Kontakt zwischen benachbarten Separatoren und den elektrischen Kontakt mit einer benachbarten Membranelektroden-Gasdiffusionsschicht-Einheit (nachstehend können dieses Kontakte als „elektrischer Kontakt zwischen benachbarten Separatoren und so weiter“ bezeichnet werden) zu verbessern. Selbst in einem Fall, in welchem die Leitfähigkeit des gesamten Teiles des Separators nicht erhöht wird, wenn die Leitfähigkeit der oberen Abschnitte der Aussparungs-Vorsprungs-Gestalt erhöht ist, ist es jedoch möglich, den elektrischen Kontakt zwischen benachbarten Separatoren und so weiter ausreichend bzw. genügend zu verbessern. Währenddessen wirkt sich dies, selbst wenn die Leitfähigkeit eines Shift-Abschnitts bzw. Übergangsabschnitts (ein vertikaler Wandabschnitt), über welchen die oberen Abschnitte in der Aussparungs-Vorsprungs-Gestalt miteinander verbunden sind, zu einem gewissen Ausmaß sinkt, nicht so viel auf den elektrischen Kontakt zwischen benachbarten Separatoren und so weiter aus. Das heißt, wenn die Leitfähigkeit im oberen Abschnitt eher erhöht ist als in dem Übergangsabschnitt, ist es möglich, den elektrischen Kontakt zwischen benachbarten Separatoren und so weiter ausreichend zu verbessern. Um diese Verbesserung zu erreichen, haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung die nachstehende Tatsache herausgefunden. Das heißt, das Gehaltsverhältnis bzw. der Gehaltsanteil des Kohlenstoffmaterials sollte in dem oberen Abschnitt höher als in dem Übergangsabschnitt sein. Folglich sinkt der Gehaltsanteil bzw. das Gehaltsverhältnis des Harzes in dem oberen Abschnitt und deshalb sinkt die Festigkeit des oberen Abschnitts. Der Gehaltsanteil bzw. das Gehaltsverhältnis des Harzes im Übergangsabschnitt steigt jedoch, und deshalb steigt die Festigkeit des Übergangsabschnitts. Folglich ist es möglich, die Festigkeit des gesamten Separators sicherzustellen.
Der Kohlenstoffmaterial-basierte Brennstoffzellenseparator ist ein geformter Körper aus einer Mischung des Kohlenstoffmaterials und des Harzes. Dementsprechend sind, um das Gehaltsverhältnis bzw. den Gehaltsanteil des Kohlenstoff-Materials im oberen Abschnitt und im Übergangsabschnitt (um den Gehaltsanteil des Harzes zu ändern) zu ändern, komplizierte Schritte erforderlich.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben jedoch herausgefunden, dass das nachstehende Verfahren den Gehaltsanteil des Kohlenstoffmaterials im oberen Abschnitt relativ leicht erhöhen könnte, und den Gehaltsanteil des Harzes im Übergangsabschnitt relativ leicht erhöhen könnte.
Um einen Gas-Zirkulationsdurchlass zu bilden, wird ein Materialblatt, welches durch Auftragen von Kohlenstoff-Partikeln und Harz auf ein Faserblatt erhalten wird, in eine Aussparungs-Vorsprungs-Gestalt gepresst. Zu diesem Zeitpunkt, wenn die Formschräge des oberen Abschnitts höher als die Formschräge des Übergangsabschnitts eingestellt wird, strömt bzw. fließt das meiste des Harzes im oberen Abschnitt zum Übergangsabschnitt, während das meiste der Kohlenstoff-Partikel im oberen Abschnitt lediglich im oberen Abschnitt verbleibt. Folglich kann der Gehaltsanteil der Kohlenstoff-Partikel im oberen Abschnitt erhöht werden, während der Gehaltsanteil des Harzes im Übergangsabschnitt erhöht werden kann. Ohne auf die Theorie beschränkt zu sein, liegt dies wahrscheinlich daran, dass das Harz ein besseres Fließvermögen bzw. eine bessere Fluidität als die Kohlenstoff-Partikel aufweist, und deshalb wird das Harz leichter von einem Hochdruck-Abschnitt zu einem Niedrigdruck-Abschnitt zum Zeitpunkt des Pressens herausgedrückt, während die Kohlenstoff-Partikel leicht auf derselben Stelle bleiben, da sie durch das Faserblatt eingeschränkt sind.
Währenddessen haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung die nachstehende Tatsache herausgefunden. Das heißt, in einem Fall, in welchem die Faser nicht in einer Blatt-Gestalt (Faserblatt) gebildet ist, und die Faser, die Kohlenstoff-Partikel, und das Harz lediglich in einem Materialblatt dispergiert sind, werden die Faser, die Kohlenstoff-Partikel, und das Harz von einem Hochdruck-Abschnitt zu einem Niedrigdruck-Abschnitt in im Wesentlichen gleichen Anteilen bzw. Verhältnissen herausgedrückt. Folglich ist es schwer, entsprechende Gehaltsverhältnisse bzw. Gehaltsanteile der Faser, der Kohlenstoff-Partikel, und des Harzes im Hochdruck-Abschnitt und im Niedrigdruck-Abschnitt zu ändern.
Als nächstes werden Bestandsmerkmale des Brennstoffzellenseparators und des Herstellungsverfahrens desselben gemäß dieser Erfindung beschrieben, welche aufgrund des vorstehenden Wissens und so weiter erreicht wurden.
Brennstoffzellenseparator
Der Brennstoffzellenseparator gemäß dieser Erfindung wird mit Bezug zur Zeichnung beschrieben. 1 ist eine schematische Querschnittsansicht, welche ein Beispiel des Brennstoffzellenseparators gemäß dieser Erfindung darstellt.
Wie in 1 dargestellt, umfasst der Brennstoffzellenseparator 100 gemäß dieser Erfindung ein Faserblatt 10, Kohlenstoff-Partikel 20, und ein Harz 30. Ferner weist der Brennstoffzellenseparator 100 gemäß dieser Erfindung eine Aussparungs-Vorsprungs-Gestalt auf und umfasst obere Abschnitte 40 und Übergangsabschnitte 50. Das Nachstehende beschreibt das Faserblatt 10, die Kohlenstoff-Partikel 20, und das Harz 30. Das Nachstehende beschreibt auch die Aussparungs-Vorsprungs-Gestalt, den oberen Abschnitt 40, und den Übergangsabschnitt 50.
Faserblatt
Das Faserblatt 10 umfasst Fasern 12a, 12b, 12c. Hier umfasst das Faserblatt 10 aus Darstellungszwecken drei Fasern 12a, 12b, 12c, aber in der Praxis wird das Faserblatt 10 durch viele Fasern aufgebaut bzw. gebildet.
Im Faserblatt 10 werden die Kohlenstoff-Partikel 20 und das Harz 30 dispergiert. Das Faserblatt 10 ist nicht besonders beschränkt, vorausgesetzt, dass die Kohlenstoff-Partikel 20 und das Harz 30 im Faserblatt 10 dispergiert werden können. Beispiele des Faserblatts 10 umfassen ein Kohlenstoff-Faserblatt, ein Harz-Faserblatt, ein anorganisches Faserblatt, und so weiter. Diese Blätter können zusammen bzw. in Kombination verwendet werden. Die Leitfähigkeit des Brennstoffzellenseparators wird hauptsächlich durch die Kohlenstoff-Partikel 20 im Faserblatt 10 ausgedrückt. Wenn das Faserblatt 10 ein Kohlenstoff-Faserblatt ist, trägt das Kohlenstoff-Faserblatt auch zur Verbesserung der Leitfähigkeit des Brennstoffzellenseparators bei. Hinsichtlich dessen, ist es bevorzugt, das Kohlenstoff-Faserblatt als das Faserblatt 10 zu verwenden.
Beispiele des Kohlenstoff-Faserblatts umfassen Pech-basierte Kohlenstoff-Faserblätter, welche durch Schweröl, Nebenprodukt-Öl, und Kohlenteer erhalten werden, ein PAN-basiertes Kohlenstoff-Faserblatt, welches aus Polyacrylnitril erhalten wird, und so weiter. Diese Blätter können zusammen bzw. in Kombination verwendet werden. Als das Kohlenstoff-Faserblatt können ein Blatt, welches durch Bilden von Gasphasen- bzw. Dampf-gewachsenen Kohlenstoff-Fasern in einer Blattform erhalten wird, oder ein Blatt, welches durch Bilden von Kohlenstoff-Nanoröhrchen in einer Blattform erhalten wird. Wenn der Durchmesser und die Länge (Faserdurchmesser und Faserlänge) der Fasern, welche das Kohlenstoff-Faserblatt bilden, größer sind, ist die Erfassungs- bzw. Einfangfähigkeit, die Kohlenstoff-Partikel zu erfassen bzw. einzufangen, wenn das Materialblatt gepresst wird, höher. In dieser Hinsicht sind als das Kohlenstoff-Faserblatt, ein Pechbasiertes Kohlenstoff-Faserblatt und ein PAN-basiertes Kohlenstoff-Faserblatt, welche beide einen großen Faserdurchmesser und eine große Faserlänge aufweisen, bevorzugt. Der Durchmesser und die Länge (Faserdurchmesser und Faserlänge) der Fasern im Faserblatt werden nachstehend beschrieben.
Beispiele des Harz-Faserblatts umfassen Faserblätter aus Polyamid, Polyphenylsulfon, Polypropylen, Polycarbonat, Polyetheretherketon, Polyamidimid, Polyphenylensulfid, Polyetherimid, Poly(etheretherketonketon), und so weiter. Diese Blätter können zusammen bzw. in Kombination verwendet werden. Hinsichtlich der Verbesserung der Festigkeit des Brennstoffzellenseparators sind Faserblätter aus Polyamid, Polypropylen, Polycarbonat, und Polyetherimid bevorzugt.
Beispiele des anorganischen Faserblatts umfassen ein Glasfaserblatt, ein keramisches Faserblatt, ein Steinwolleblatt („rockwool sheet“), und so weiter. Diese Blätter können in Kombination verwendet werden.
Dementsprechende Faserdurchmesser der Fasern 12a, 12b, 12c, welche das Faserblatt 10 bilden, können zum Beispiel 1 µm oder mehr, 3 µm oder mehr, 7 µm oder mehr, 10 µm oder mehr, 20 µm oder mehr, 30 µm oder mehr, oder 40 µm oder mehr sein, und können 100 µm oder weniger, 90 µm oder weniger, 80 µm oder weniger, 70 µm oder weniger, 60 µm oder weniger, oder 50 µm oder weniger sein. Ferner können entsprechende Faserlängen der Fasern 12a, 12b, 12c 1 mm oder mehr, 3 mm oder mehr, 5 mm oder mehr, 7 mm oder mehr, oder 10 mm oder mehr sein, und können 30 mm oder weniger, 25 mm oder weniger, 20 mm oder weniger, oder 15 mm oder weniger sein. Wenn die Faserdurchmesser und die Faserlängen in den vorstehenden Bereichen eingestellt sind, wird die Einfangfähigkeit, um die Kohlenstoff-Partikel einzufangen, wenn das Materialblatt gepresst wird, verbessert.
Die Gestalt des Faserblatts 10 ist nicht besonders beschränkt, vorausgesetzt, dass die Kohlenstoff-Partikel 20 und das Harz 30 getragen werden können. Beispiele des Faserblatts 10 umfassen die Gestalt eines Textilverbundstoffs bzw. Faservlies bzw. Vliesstoffs, die Gestalt eines Webblatts, die Gestalt eines Netzblatts, und so weiter. Diese Formen bzw. Gestalten können in Kombination verwendet werden.
Kohlenstoff-Partikel
Wie in 1 dargestellt, sind die Kohlenstoff-Partikel 20 im Faserblatt 10 zusammen mit dem Harz 30 dispergiert. Die Kohlenstoff-Partikel 20 und das Harz 30 werden durch das Faserblatt 10 getragen. Das Harz 30 wird nachstehend beschrieben.
Die Kohlenstoff-Partikel 20 stellen die Leitfähigkeit des Brennstoffzellenseparators 100 sicher. Der Typ der Kohlenstoff-Partikel 20 ist nicht besonders beschränkt, vorausgesetzt, dass die Leitfähigkeit sichergestellt werden kann. Ferner weisen in 1 die Kohlenstoff-Partikel 20 eine sphärische bzw. runde Gestalt auf, aber sie sind lediglich schematisch dargestellt. Die Gestalt der Kohlenstoff-Partikel 20 ist nicht besonders beschränkt, vorausgesetzt, dass die Kohlenstoff-Partikel 20 zusammen mit dem Harz 30 durch das bzw. von dem Faserblatt 10 getragen werden können. Zum Beispiel können die Kohlenstoff-Partikel 20 Partikel aus Kohlenstoff-Fasern sein, welche einen kleinen Faserdurchmesser und eine kleine Faserlänge aufweisen.
Beispiele der Kohlenstoff-Partikel 20 umfassen Partikel aus Ruß bzw. Pigmentruß bzw. Kohleschwarz, gedehnter bzw. expandierter Graphit bzw. Blähgraphit („expanded graphite“), künstlicher Graphit, natürlicher Graphit, Kish-Graphit („kish graphite“), Kohlefasern, dampfgewachsene Kohlenstoff-Fasern („vapor grown carbon fibers“), und so weiter. Diese Partikel können in Kombination verwendet werden.
Der Partikeldurchmesser der Kohlenstoff-Partikel 20 ist nicht besonders beschränkt, vorausgesetzt, dass die Kohlenstoff-Partikel 20 zusammen mit dem Harz 30 durch das bzw. von dem Faserblatt 10 getragen werden können. Der Partikeldurchmesser der Kohlenstoff-Partikel 20 kann zum Beispiel 5 µm oder mehr, 10 µm oder mehr, 15 µm oder mehr, 20 µm oder mehr, 25 µm oder mehr, 30 µm oder mehr sein, und kann 100 µm oder weniger, 90 µm oder weniger, 80 µm oder weniger, 70 µm oder weniger, 60 µm oder weniger, 50 µm oder weniger, oder 40 µm oder weniger sein. Man beachte, dass in der vorliegenden Beschreibung der Partikeldurchmesser der Kohlenstoff-Partikel ein 50 % kumulativer Durchmesser (d50-Durchmesser) ist, ermittelt durch ein laseroptisches Beugungsverfahren („laser optical diffraction method“), sofern nicht anders angegeben.
Harz
Wie in 1 dargestellt, wird das Harz 30 im Faserblatt 10 zusammen mit den Kohlenstoff-Partikeln 20 dispergiert. Die Kohlenstoff-Partikel 20 und das Harz 30 werden durch das bzw. von dem Faserblatt 10 getragen.
Der Typ des Harzes 30 ist nicht besonders beschränkt, vorausgesetzt, dass das Harz 30 zusammen mit den Kohlenstoff-Partikeln 20 vom Faserblatt 10 getragen werden kann. Beispiele des Harzes 30 umfassen duroplastisches Harz, thermoplastisches Harz, und so weiter. Diese Harze können in Kombination verwendet werden. Hinsichtlich der leichtem Herstellung des Brennstoffzellenseparators und hinsichtlich, dass das Harz leichter zu einem Niedrigdruck-Abschnitt zum Zeitpunkt des Pressens des Materialblatts (hinsichtlich des Fließvermögens bzw. der Fluidität zum Zeitpunkt des Pressens) fließt, ist das duroplastische Harz bevorzugt. Ein Herstellungsverfahren zur Herstellung des Brennstoffzellenseparators wird nachstehend beschrieben.
Beispiele des duroplastischen Harzes umfassen Epoxid-Harz, Polyimid-Harz, Novolak-basiertes Phenol-Harz, Resol-basiertes Phenol-Harz, und so weiter. Diese Harze können in Kombination verwendet werden. Hinsichtlich der Festigkeit des Brennstoffzellenseparators ist Epoxid-Harz bevorzugt.
Beispiele des thermoplastischen Harzes umfassen Polypropylen, Polyethylen, Polybuten, Polymethylpenten, syndiotaktisches Polystyrol, Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer, Polystyrol, Acryl-Harz, Polyvinylchlorid, Polyimid, flüssiges kristallines Polymer, Polyetheretherketon, Fluor-Harz, Polyolefin, Polyacetal, Polyamid, Polyethylenterephthalat, Polybutylenterephthalat, Polycarbonat, Polycycloolefin, Polyphenylensulfid, Polyethersulfon, Polyphenylenoxid, Polyphenylensulfon, und so weiter. Diese Harze können in Kombination verwendet werden.
Aussparungs-Vorsprungs-Gestalt
Wie in 1 dargestellt, weist der Brennstoffzellenseparator 100 eine Aussparungs-Vorsprungs-Gestalt auf beiden Oberflächen auf. In einem Fall einer Feststoffpolymer-Brennstoffzelle werden im Allgemeinen zwei Brennstoffzellenseparatoren 100 in Kombination verwendet, und eine Brennstoffzelle wird durch sandwichartiges Anordnen der zwei Brennstoffzellenseparatoren 100 durch Membran-Elektrode-Gasdiffusionsschicht-Einheiten („membrane-electrode gas diffusion layer assemblies“, MEGA) gebildet. 2 ist eine schematische Querschnittsansicht des wesentlichen Teils, welche ein Beispiel einer Brennstoffzelle, welche den Brennstoffzellenseparator gemäß dieser Erfindung verwendet, darstellt. Wie in 2 dargestellt, sind die zwei Brennstoffzellenseparatoren 100 sandwichartig zwischen den Membran-Elektrode-Gasdiffusionsschicht-Einheiten 90 angeordnet, sodass die Gas-Zirkulationsdurchlässe 60 durch die Brennstoffzellenseparatoren 100 und die Membran-Elektrode-Gasdiffusionsschicht-Einheiten 90 gebildet werden. Ferner werden Kühlmittel-Durchlässe 62 durch die zwei Brennstoffzellenseparatoren 100 gebildet. In 2 werden, durch Erhöhen der Leitfähigkeit der oberen Abschnitte 40, in welchen die zwei Brennstoffzellenseparatoren 100 miteinander in Kontakt sind, der elektrische Kontakt zwischen den zwei Brennstoffzellenseparatoren, und so weiter verbessert.
Oberer Abschnitt und Übergangsabschnitt
Die Aussparungs-Vorsprungs-Gestalt des Brennstoffzellenseparators 100 umfasst die oberen Abschnitte 40 und die Übergangsabschnitte 50, über jeden derselben die zueinander benachbarten oberen Abschnitte 40 miteinander verbunden sind. Die Dicke des oberen Abschnitts 40 ist dünner als die Dicke von zumindest einem Teil des Übergangsabschnitts 50. Die Dicke gibt die kürzeste Länge von einem spezifischen Punkt auf einer ersten Oberfläche zu einer zweiten Oberfläche an, und im Allgemeinen die Länge in der Normalrichtung bzw. senkrechten Richtung. Ferner ist im Brennstoffzellenseparator 100 gemäß dieser Erfindung der Gehaltsanteil der Kohlenstoff-Partikel 20 in zumindest einem Teil des oberen Abschnitts 40 höher als in zumindest einem Teil des Übergangsabschnitts 50. Durch Erhöhen des Gehaltsanteils der Kohlenstoff-Partikel 20 in dem oberen Abschnitt 40, was hauptsächlich die Leitfähigkeit beeinflusst, kann die Leitfähigkeit des gesamten Brennstoffzellenseparators 100 erhöht werden. Der Flächengehaltsanteil der Kohlenstoff-Partikel 20 in zumindest einem Teil des oberen Abschnitts 40 kann zum Beispiel 1,1-mal oder mehr, 1,3-mal oder mehr, 1,5-mal oder mehr, 1,7-mal oder mehr, oder 2,0-mal oder mehr des Flächengehaltsanteils der Kohlenstoff-Partikel 20 in zumindest einem Teil des Übergangsabschnitts 50 sein, und kann auch 5,0-mal oder weniger, 4,5-mal oder weniger, 4,0-mal oder weniger, 3,5-mal oder weniger, 3,0-mal oder weniger, 2,7-mal oder weniger, 2,5-mal oder weniger, oder 2,2-mal oder weniger des Gehaltsanteils der Kohlenstoff-Partikel 20 pro Fläche in zumindest einem Teil des Übergangsabschnitts 50 sein. In dieser Erfindung kann der „Flächengehaltsanteil“ der Kohlenstoff-Partikel 20 durch Beobachtung bzw. Untersuchung eines Abschnitts bzw. Ausschnitts bzw. Bereichs des Brennstoffzellenseparators 100 gemäß dieser Erfindung mittels eines Rasterelektronenmikroskops („scanning electron miscroscope“, SEM), oder ähnlichem gemessen werden. Der Flächengehaltsanteil der Kohlenstoff-Partikel 20 wird nachstehend beschrieben.
3A ist eine schematische Schnittansicht, welche ein Beispiel eines oberen Abschnitts und eines Übergangsabschnitts im Brennstoffzellenseparator gemäß dieser Erfindung darstellt. 3B ist eine schematische Schnittansicht, welche ein weiteres Beispiel des oberen Abschnitts und des Übergangsabschnitts des Brennstoffzellenseparators gemäß dieser Erfindung darstellt. Die Dicke des oberen Abschnitts 40 ist nicht auf die in den 3A und 3B dargestellten Bespiele beschränkt, vorausgesetzt, dass die Dicke des oberen Abschnitts 40 dünner ist als die Dicke von zumindest einem Teil des Übergangsabschnitts 50. Ferner sind konkrete Werte (Einheit: mm) der in den 3A und 3B dargestellten Dicken lediglich Beispiele, um die nachstehende Beschreibung zu verdeutlichen, und die Dicken sind nicht auf diese Werte beschränkt.
3A ist eine schematische Schnittansicht, welche ein Modellbeispiel des oberen Abschnitts 40 und des Übergangsabschnitts 50 des Brennstoffzellenseparators 100 gemäß dieser Erfindung darstellt. Der Übergangsabschnitt 50 umfasst einen gebogenen Abschnitt 52, über welchen der obere Abschnitt 40 mit dem Übergangsabschnitt 50 verbunden ist, und einen Zwischenabschnitt 54, über welchen benachbarte, gebogene Abschnitte 52 miteinander verbunden sind. In 3B umfasst der Übergangsabschnitt 50 außerdem den gebogenen Abschnitt 52 und den Zwischenabschnitt 54. In dem in 3A dargestellten Beispiel ist die Dicke des oberen Abschnitts 40 dünner als die jeweiligen Dicken des gebogenen Abschnitts 52 und des Zwischenabschnitts 54. Der Gehaltsanteil der Kohlenstoff-Partikel 20 ist hierdurch im oberen Abschnitt 40 höher als sowohl im gebogenen Abschnitt 52 wie auch im Zwischenabschnitt 54, und folglich ist die Leitfähigkeit des gesamten Brennstoffzellenseparators 100 erhöht. Ferner ist der Gehaltsanteil des Harzes 30 sowohl im gebogenen Abschnitt 52 als auch im Zwischenabschnitt 54 höher als im oberen Abschnitt 40, sodass die Festigkeit des gesamten Brennstoffzellenseparators 100 beibehalten werden kann.
3B ist eine schematische Schnittansicht, welche ein anderes Beispiel des oberen Abschnitts 40 und des Übergangsabschnitts 50 des Brennstoffzellenseparators 100 gemäß dieser Erfindung darstellt. In dem in 3B dargestellten Beispiel ist die Dicke des oberen Abschnitts 40 dünner als die Dicke des gebogenen Abschnitts 52 im Übergangsabschnitt 50. Der Gehaltsanteil der Kohlenstoff-Partikel 20 ist hierdurch im oberen Abschnitt 40 höher als im gebogenen Abschnitt 52, und folglich ist die Leitfähigkeit des gesamten Brennstoffzellenseparators 100 erhöht. Ferner ist der Gehaltsanteil des Harzes 30 im gebogenen Abschnitt 52 höher als im oberen Abschnitt 40, sodass die Festigkeit des gesamten Brennstoffzellenseparators 100 beibehalten werden kann.
In dem in 3B dargestellten Beispiel ist die Dicke (0,21 mm) des oberen Abschnitts 40 dünner als die Dicke (0,26 mm) des gebogenen Abschnitts 52, welcher ein Teil des Übergangsabschnitts 50 ist, und die Dicke (0,21 mm) des Zwischenabschnitts 54 ist dieselbe wie die Dicke des oberen Abschnitts 40. Der Brennstoffzellenseparator gemäß dieser Erfindung ist jedoch nicht auf dieses beschränkt. Zum Beispiel kann die Dicke (0,21 mm) des oberen Abschnitts 40 dünner sein als die Dicke (0,26 mm) des Zwischenabschnitts 54, welcher Teil des Übergangsabschnitts 50 ist, und die Dicke (0.21 mm) des gebogenen Abschnitts 52 kann dieselbe sein wie die Dicke des oberen Abschnitts 40.
Die Dicke des oberen Abschnitts 40 sollte dünner als die Dicke zumindest eines Teils des Übergangsabschnitts 50 sein. Zum Beispiel kann die Dicke des oberen Abschnitts 40 0,50-mal oder mehr, oder 0,55-mal oder mehr der Dicke von zumindest einem Teil des Übergangsabschnitts 50 sein, und kann 0,90-mal oder weniger, 0,80-mal oder weniger, 0,70-mal oder weniger, 0,65-mal oder weniger, oder 0,60-mal oder weniger der Dicke von zumindest einem Teil des Übergangsabschnitts 50 sein.
Wie in den 4A bis 4D dargestellt, sind die Brennstoffzellenseparatoren des Standes der Technik derart konfiguriert, dass die Dicke der oberen Abschnitte 40 auf beiden Oberflächen nicht dünner ist als die Dicke zumindest eines Teil des Übergangsabschnitts 50, und deshalb kann die Wirkung des Brennstoffzellenseparators 100 gemäß dieser Erfindung nicht erhalten werden. 4A ist eine schematische Schnittansicht, welche einen Teil eines ersten Beispiels des Brennstoffzellenseparators des Standes der Technik darstellt. 4B ist eine schematische Schnittansicht, welche einen Teil eines zweiten Beispiels des Brennstoffzellenseparators des Standes der Technik darstellt. 4C ist eine schematische Schnittansicht, welche einen Teil eines dritten Beispiels des Brennstoffzellenseparators des Standes der Technik darstellt. 4D ist eine schematische Schnittansicht, welche ein Teil eines vierten Beispiels des Brennstoffzellenseparators des Standes der Technik darstellt.
In dem in 4A dargestellten ersten Beispiel sind die Dicke des oberen Abschnitts 40 und die Dicke des Übergangsabschnitts 50 gleich. In dem in 4B dargestellten zweiten Beispiel sind die jeweiligen Dicken aller oberen Abschnitte 40 dicker als die Dicke des Übergangsabschnitts 50. In dem in 4C dargestellten dritten Beispiel ist die Dicke des oberen Abschnitts 40 auf einer ersten Oberfläche (der obere Abschnitt 40 ragt nach oben heraus bzw. steht nach oben hervor unter den oberen Abschnitten 40, dargestellt in 4C) dicker als die Dicke des Übergangsabschnitts 50, und deshalb sind beide Dicken der oberen Abschnitte 40 auf gegenüberliegenden Oberflächen (der obere Abschnitt 40 ragt nach oben heraus und der obere Abschnitt 40 ragt nach unten heraus) nicht dünner als der Übergangsabschnitt 50. In dem in 4D dargestellten vierten Beispiel überlappen die oberen Abschnitte auf den gegenüberliegenden Oberflächen einander, sodass die Dicke eines Teils, in welchem sie einander überlappen, dicker als die anderen Teile ist.
Herstellungsverfahren
Ein Herstellungsverfahren zur Herstellung des Brennstoffzellenseparators gemäß dieser Erfindung umfasst ein Materialblatt-Bereitstellungsschritt und einen Press-Schritt. Das Nachstehende beschreibt jeden Schritt.
Materialblatt-Bereitstellungsschritt
Im Herstellungsverfahren zur Herstellung des Brennstoffzellenseparators gemäß dieser Erfindung wird zuerst ein Materialblatt bereitgestellt. 5 ist eine schematische Schnittansicht, welche ein Beispiel des im Herstellungsverfahren zur Herstellung des Brennstoffzellenseparators gemäß dieser Erfindung (nachstehend auch als lediglich „Herstellungsverfahren gemäß dieser Erfindung“ bezeichnet) verwendeten Materialblatts, darstellt.
Wie in 5 dargestellt, umfasst das Materialblatt 70 das Faserblatt 10, und die Kohlenstoff-Partikel 20 und das Harz 30, welche auf das Faserblatt 10 aufgetragen werden bzw. sind. Die Kohlenstoff-Partikel 20 und das Harz 30, welche auf das Faserblatt 10 aufgetragen werden bzw. sind, umfassen einen Zustand, in welchem die Kohlenstoff-Partikel 20 und das Harz 30 vom Faserblatt 10 getragen werden, nachdem das Materialblatt 70 im nachfolgenden Press-Schritt gepresst wird.
Das Faserblatt 10, die Kohlenstoff-Partikel 20, und das Harz 30 sind wie unter „Brennstoffzellenseparator“ beschrieben.
Wie das Materialblatt 70 durch Auftragen der Kohlenstoff-Partikel 20 und des Harzes 30 auf das Faserblatt 10 bereitgestellt wird, ist nicht besonders beschränkt. In einem Fall, in welchem das Harz 30 ein duroplastisches Harz ist, wird das Faserblatt 10 zum Beispiel mit den Kohlenstoff-Partikeln 20 und dem Harz 30 imprägniert. Als ein typisches Imprägnierungsverfahren gibt es ein derartiges Verfahren, dass eine Lösung, in welcher die Kohlenstoff-Partikel 20 mit dem Harz 30 gemischt sind, auf eine Oberfläche des Faserblatts 10 mit einem Applikator zum Beispiel derart aufgetragen wird, dass das Faserblatt 10 mit den Kohlenstoff-Partikeln 20 und dem Harz 30 imprägniert wird. Alternativ gibt es ein derartiges Verfahren, dass das Faserblatt 10 in eine Lösung, in welcher die Kohlenstoff-Partikel 20 mit dem Harz 30 gemischt sind, eingetaucht bzw. getaucht wird, sodass das Faserblatt 10 mit den Kohlenstoff-Partikeln 20 und dem Harz 30 imprägniert wird. In beiden Fällen des Auftragens und des Eintauchens kann ferner ein Lösungsmittel zur Lösung zugegeben werden, in welcher die Kohlenstoff-Partikel 20 mit dem Harz 30 gemischt sind, um eine Imprägnierungseigenschaft zu verbessern.
In einem Fall, in welchem das Harz 30 ein thermoplastisches Harz ist, kann das Faserblatt 10, welches mit den Kohlenstoff-Partikeln 20 imprägniert wird, sandwichartig zwischen thermoplastischen Harzblättern, welche die Kohlenstoff-Partikel 20 enthalten, angeordnet sein, und ein erhaltenes Blatt kann zum Beispiel als das Materialblatt 70 verwendet werden. Zur Zeit, wenn das Faserblatt 10 mit den Kohlenstoff-Partikeln 20 imprägniert wird, kann ein Lösungsmittel (Bindemittel) zu den Kohlenstoff-Partikeln 20 zugegeben werden, und das Faserblatt 10 kann mit einer erhaltenen Mischung imprägniert werden. Das thermoplastische Harzblatt, welches die Kohlenstoff-Partikel 20 enthält, kann durch Formen bzw. Spritzen bzw. Spritzgießen einer Mischung der Kohlenstoff-Partikel 20 und des thermoplastischen Harzes (das Harz 30) in eine Blattform erhalten werden.
Dementsprechende Gehaltsanteile des Faserblatts 10, der Kohlenstoff-Partikel 20, und des Harzes 30 zu dem gesamten Materialblatt sollten unter Berücksichtigung von verschiedenen Bedingungen geeignet bzw. passend bestimmt werden. Beispiele der verschiedenen Bedingungen umfassen Typen des Faserblatts 10, der Kohlenstoff-Partikel 20, und des Harzes 30, Formbarkeit des Materialblatts 70 zum Zeitpunkt des Pressens, Leitfähigkeit und Festigkeit des Brennstoffzellenseparators 100, und so weiter.
Der Gehaltsanteil des Faserblatts 10 kann zum Beispiel 1 Massen% oder mehr, 3 Massen% oder mehr, oder 5 Massen% oder mehr des gesamten Materialblatts 70 sein, und kann 10 Massen% oder weniger, 8 Massen% oder weniger, oder 6 Massen% oder weniger des gesamten Materialblatts 70 sein. Wenn der Gehaltsanteil des Faserblatts 10 wie vorstehend beschrieben eingestellt wird, werden die Kohlenstoff-Partikel 20 in einem Hochdruck-Bereich zum Zeitpunkt, wenn das Materialblatt 70 gepresst wird, eingefangen, sodass das Harz 30 leicht vom Hochdruck-Bereich zu einem Niedrigdruck-Bereich fließen kann.
Der Gehaltsanteil der Kohlenstoff-Partikel 20 kann zum Beispiel 50 Massen% oder mehr, 60 Massen% oder mehr, oder 70 Massen% oder mehr des gesamten Materialblatts sein, und kann 90 Massen% oder weniger, 85 Massen% oder weniger, oder 80 Massen% oder weniger des gesamten Materialblatts sein. Wenn der Gehaltsanteil der Kohlenstoff-Partikel 20 wie vorstehend beschrieben eingestellt wird, kann die Leitfähigkeit des gesamten Brennstoffzellenseparators 100 leicht sichergestellt werden.
Der Gehaltsanteil des Harzes 30 kann zum Beispiel 5 Massen% oder mehr, 10 Massen% oder mehr, 15 Massen% oder mehr, 20 Massen% oder mehr, oder 25 Massen% oder mehr des gesamten Materialblatts 70 sein, und kann 40 Massen% oder weniger, 35 Massen% oder weniger, oder 30 Massen% oder weniger des gesamten Materialblatts 70 sein. Wenn der Gehaltsanteil des Harzes 30, wie vorstehend beschrieben, eingestellt wird, kann die Festigkeit des gesamten Brennstoffzellenseparators 100 leicht sichergestellt werden.
Das Materialblatt 70 kann eine andere Substanz als das Faserblatt 10, die Kohlenstoff-Partikel 20, und das Harz 30 enthalten, so lange die Substanz die Wirkungen des Brennstoffzellenseparators und das Herstellungsverfahren desselben gemäß dieser Erfindung nicht im Wesentlichen nachteilig beeinflusst. Eine derartige Substanz kann zum Beispiel ein Lösungsmittel oder ähnliches sein, welches verwendet wird, wenn das Faserblatt 10 mit den Kohlenstoff-Partikeln 20 und dem Harz 30 imprägniert wird.
Dementsprechende Gehaltsanteile des Faserblatts 10, der Kohlenstoff-Partikel 20, und des Harzes 30, bezogen auf das gesamte Materialblatt 70, sind im Wesentlichen dieselben wie die jeweiligen Gehaltsanteile des Faserblatts 10, der Kohlenstoff-Partikel 20, und des Harzes 30, bezogen auf den gesamten Brennstoffzellenseparator 100 nach dem Pressen. Der Ausdruck „bezogen auf den ‚gesamten‘ Brennstoffzellenseparator 100“ gibt an, dass nachdem das Materialblatt 70 gepresst wird, der obere Abschnitt 40 und der Übergangsabschnitt 50 unterschiedliche Gehaltsanteile der Kohlenstoff-Partikel 20 und des Harzes 30 aufweisen, aber bezogen auf den gesamten Brennstoffzellenseparator 100, sind die Gehaltsanteile der Kohlenstoff-Partikel 20 und des Harzes 30 dieselben wie jene bezogen auf das gesamte Materialblatt 70.
Der Brennstoffzellenseparator 100 kann eine andere Substanz als das Faserblatt 10, die Kohlenstoff-Partikel 20, und das Harz 30 enthalten, solange die Substanz die Wirkungen des Brennstoffzellenseparators und das Herstellungsverfahren desselben gemäß dieser Erfindung nicht im Wesentlichen nachteilig beeinflusst. Eine derartige Substanz kann ein Lösungsmittel oder ähnliches sein, welches zum Beispiel verwendet wird, wenn das Faserblatt 10 mit den Kohlenstoff-Partikeln 20 und dem Harz 30 imprägniert wird.
Press-Schritt
Im Press-Schritt wird das Materialblatt 70 gepresst, um einen Gas-Zirkulationsdurchlass zu bilden, sodass der obere Abschnitt 40 und der Übergangsabschnitt 50 erhalten werden. In der Presse bzw. beim Pressen des Materialblatts 70, wird das Materialblatt 70 derart gepresst, dass die Formschräge des oberen Abschnitts 40 höher ist als die Formschräge des Übergangsabschnitts 50. Das meiste Harz 30 im oberen Abschnitt 40 fließt herbei zum Übergangsabschnitt 50, während die meisten Kohlenstoff-Partikel 20 im oberen Abschnitt 40 durch das Faserblatt 10 eingefangen werden und lediglich im oberen Abschnitt 40 bleiben. Folglich kann der Gehaltsanteil der Kohlenstoff-Partikel 20 im oberen Abschnitt 40 erhöht werden, und der Gehaltsanteil des Harzes 30 im Übergangsabschnitt 50 kann erhöht werden. Der Gehaltsanteil der Kohlenstoff-Partikel 20 und der Gehaltsanteil des Harzes 30 kann durch jeweilige Flächengehaltsanteile der Kohlenstoff-Partikel 20 und des Harzes 30 dargestellt werden, wenn der Ausschnitt bzw. Abschnitt des Brennstoffzellenseparators 100 gemäß dieser Erfindung mittels eines Rasterelektronenmikroskops (SEM) oder ähnlichem beobachtet bzw. untersucht wird. Ein bevorzugter Bereich des Flächengehaltsverhältnisses der Kohlenstoff-Partikel 20 ist wie vorstehend beschrieben. Hinsichtlich des Flächengehaltsanteils des Harzes 30 kann der Flächengehaltsanteil des Harzes 30 in zumindest einem Teil des Übergangsabschnitts 50 zum Beispiel 1,1-mal oder mehr, 1,3-mal oder mehr, 1,5-mal oder mehr, 1,7-mal oder mehr, oder 2,0-mal oder mehr des Flächengehaltsanteils des Harzes 30 in zumindest einem Teil des oberen Abschnitts 40 sein, und kann 5,0-mal oder kleiner, 4,5-mal oder kleiner, 4,0-mal oder kleiner, 3,5-mal oder kleiner, 3,0-mal oder kleiner, 2,7-mal oder kleiner, 2,5-mal oder kleiner, oder 2,2-mal oder kleiner des Flächengehaltsanteils des Harzes 30 in zumindest einem Teil des oberen Abschnitts 40 sein.
Die „Formschräge“ gibt einen Prozentsatz einer Dicke, welche durch Pressen verringert wird, zu einer Dicke vor dem Pressen an. Zum Beispiel, wenn ein Brennstoffzellenseparator mit einer Dicke von 0,3 mm durch Pressen eines Materialblatts mit einer Dicke von 1 mm erhalten wird, ist die Formschräge des Brennstoffzellenseparators 70 %.
Im Herstellungsverfahren gemäß dieser Erfindung wird das Materialblatt 70 derart gepresst, dass die Formschräge des oberen Abschnitts 40 höher ist als die Formschräge des Übergangsabschnitts 50. Dementsprechend ist im Brennstoffzellenseparator 100 nach der Presse die Dicke des oberen Abschnitts 40 dünner als die Dicke des Übergangsabschnitts.
Die Formschräge bzw. die Steigung bzw. der Draft des oberen Abschnitts 40 kann zum Beispiel 1,2-mal oder mehr, 1,3-mal oder mehr, 1,4-mal oder mehr, 1,5-mal oder mehr, 1,6-mal oder mehr, oder 1,7-mal oder mehr der Formschräge des Übergangsabschnitts 50 sein, und kann 2,0-mal oder weniger, 1,9-mal oder weniger, 1,8-mal oder weniger der Formschräge des Übergangsabschnitts 50 sein.
Das Press-Verfahren ist nicht besonders beschränkt, vorausgesetzt, dass das Materialblatt an den Formschrägen gepresst werden kann, wie vorstehend beschrieben. Ein typisches Beispiel des Press-Verfahrens ist ein Verfahren, in welchem ein Materialblatt mittels einer Heißpresse unter Verwendung einer Form, welche eine in der Form des Brennstoffzellenseparators gebildete Aussparung aufweist, gepresst wird.
Das Materialblatt wird durch Heißpressen unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Form bei einer Temperatur (eine Temperatur, bei welcher der obere Abschnitt 40 und der Übergangsabschnitt 50 erhalten werden können) gepresst, bei welcher der Gas-Zirkulationsdurchlass gebildet werden kann, und anschließend wird das Materialblatt gekühlt. Das „heiß“ gibt eine Temperatur an, bei welcher der Gas-Zirkulationsdurchlass gebildet werden kann (eine Temperatur, bei welcher der obere Abschnitt 40 und der Übergangsabschnitt 50 erhalten werden können). In einem Fall, in welchem ein duroplastisches Harz als das Harz 30 verwendet wird, wird typischerweise das Materialblatt 70 bei einer Temperatur gepresst, bei welcher das Harz aushärtet bzw. härtet, und anschließend wird das Materialblatt 70 gekühlt. In einem Fall, in welchem ein thermoplastisches Harz als das Harz 30 verwendet wird, wird typischerweise das Materialblatt 70 bei einer Temperatur gepresst, bei welcher das Harz erweicht bzw. weich wird, und anschließend wird das Materialblatt 70 gekühlt. In einem Fall, in welchem das thermoplastisches Harz eine Glasübergangstemperatur aufweist, wird das Materialblatt 70 bei einer Temperatur gleich oder höher als die Glasübergangstemperatur gepresst, und anschließend wird das Materialblatt 70 gekühlt. Die Temperatur für die Presse bzw. das Pressen sollte in Übereinstimmung mit dem Typ des Harzes 30 geeignet bestimmt werden. Die Temperatur kann zum Beispiel 150 °C oder mehr, 160 °C oder mehr, 170 °C oder mehr, 180 °C oder mehr, oder 190 °C oder mehr sein, und kann 300 °C oder weniger, 280 °C oder weniger, 260 °C oder weniger, 250 °C oder weniger, 240 °C oder weniger, 230 °C oder weniger, 220 °C oder weniger, 210 °C oder weniger, oder 200 °C oder weniger sein.
Eine Press-Zeit bzw. Press-Dauer sollte unter Berücksichtigung des Typs des Harzes, der Formschrägen, und so weiter geeignet bestimmt werden. Die Press-Zeit kann zum Beispiel 10 Sekunden oder mehr, 30 Sekunden oder mehr, 50 Sekunden oder mehr, 70 Sekunden oder mehr, oder 90 Sekunden oder mehr sein, und kann 200 Sekunden oder weniger, 180 Sekunden oder weniger, 160 Sekunden oder weniger, 140 Sekunden oder weniger, 120 Sekunden oder weniger, oder 100 Sekunden oder weniger sein.
Mit der vorstehend beschriebenen Anordnung bzw. Konfiguration kann der Brennstoffzellenseparator gemäß dieser Erfindung erhalten werden.
Abwandlungen
Zusätzlich zu den soweit beschriebenen Konfigurationen können der Brennstoffzellenseparator und das Herstellungsverfahren desselben gemäß dieser Erfindung innerhalb dessen, was in den Ansprüchen beschrieben ist, verschieden abgewandelt werden. Zum Beispiel weist der Brennstoffzellenseparator in den Beispielen, welche in den 3A und 3B dargestellt sind, eine Aussparungs-Vorsprungs-Gestalt auf beiden Oberflächen auf, aber kann eine Aussparungs-Vorsprungs-Gestalt lediglich auf einer Oberfläche aufweisen.
Das Nachstehende beschreibt den Brennstoffzellenseparator und das Herstellungsverfahren desselben gemäß dieser Erfindung spezifischer mit Bezug zu den Beispielen und den Vergleichsbeispielen. Man beachte, dass der Brennstoffzellenseparator und das Herstellungsverfahren desselben gemäß dieser Erfindung nicht auf die in den nachstehenden Beispielen verwendeten Bedingungen beschränkt sind.
Herstellung der Proben
Die Proben wurden auf die nachstehende Weise hergestellt.
Beispiel 1
Als ein Faserblatt wurde ein Vliesstoff bzw. Faserflies aus Kohlenstoff-Fasern bzw. Kohlefasern hergestellt. Der Faserdurchmesser der Fasern im Faservlies bzw. Fliesstoff war 7 µm und die Faserlänge der Fasern war 3 mm. Kohlenstoff-Partikel und Epoxid-Harz als duroplastisches Harz wurden hergestellt, und ein Lösungsmittel wurden zu diesen zugegeben. Eine erhaltene Mischung wurde auf den Vliesstoff aufgetragen, sodass der Vliesstoff mit der Mischung imprägniert wurde. Anschließend wurde das Lösungsmittel getrocknet, sodass ein Materialblatt erhalten wurde. Der Partikeldurchmesser der Kohlenstoff-Partikel war 30 µm. Die Dicke des Materialblatts war 0,26 mm. Entsprechende Gehaltsanteile des Vliesstoffs bzw. Faserflies, der Kohlenstoff-Partikel, und des Epoxid-Harzes zum bzw. bezogen auf das Materialblatt waren 5 Massen%, 70 Massen%, und 25 Massen%.
Das Materialblatt wurde in eine auf 190 °C erwärmte Press-Maschine gelegt und für 90 Sekunden mittels einer Form, welche eine in 3A dargestellte Aussparungsgestalt aufweist, gepresst. Nachdem das Pressen abgeschlossen war, wurde ein Brennstoffzellenseparator aus der Metallform genommen und somit wurde eine Probe des Beispiels 1 erhalten.
Beispiel 2
Eine Probe des Beispiels 2 wurde ähnlich wie Beispiel 1 hergestellt, außer, dass ein PPS-Harz-Netzblatt als ein Faserblatt anstatt des Vliesstoffs bzw. Faservlies aus Kohlenstoff-Fasern verwendet wurde. Der Faserdurchmesser des Polyamid-Harzes war 55 µm, und die Öffnung desselben war 200 µm.
Beispiel 3
Als ein Faserblatt, wurde ein Faservlies bzw. Vliesstoff aus Kohlenstoff-Fasern hergestellt. Der Faserdurchmesser der Fasern im Vliesstoff war 7 µm, die Faserlänge der Fasern war 3 mm. Kohlenstoff-Partikel mit einem Partikeldurchmesser von 30 µm wurden hergestellt. Polypropylen wurde als thermoplastisches Harz hergestellt.
Eine Mischung von Polypropylen und den Kohlenstoff-Partikeln wurde in einer Blattform geformt, und somit wurde ein erstes Blatt erhalten. Ein Lösungsmittel (Bindemittel) wurde zu den Kohlenstoff-Partikeln gegeben, und eine erhaltene Mischung wurde auf den Vliesstoff aufgetragen, sodass der Vliesstoff mit einer erhaltenen Mischung imprägniert wurde. Somit wurde ein zweites Blatt erhalten. Das zweite Blatt wurde mit dem ersten Blatt sandwichartig umgeben, und somit wurde ein Materialblatt erhalten.
Das Materialblatt wurde in eine auf 190 °C erwärmte Pressvorrichtung bzw. -maschine gelegt, für 90 Sekunden durch ein Pressform, welche die in 3A gezeigte Aussparungsgestalt aufweist, gepresst. Danach wurde ein Brennstoffzellenseparator aus der Metallform herausgenommen, und dadurch wurde eine Probe des Beispiels 3 erhalten.
Vergleichsbeispiel 1
Eine Probe des Vergleichsbeispiels 1 wurde ähnlich zu Beispiel 1 hergestellt, außer, dass eine Form, welche die in 4C dargestellte Gestalt einer Aussparung aufweist, verwendet wurde.
Auswertung
Die Oberflächen der Proben wurden einer Laser-Reinigung unterzogen, und die Harz-Schichten auf den Oberflächen der Probe wurden abgelöst bzw. abgeschält. Jede Probe wurde nach der Laser-Reinigung zwischen den Gasdiffusionsschichten sandwichartig umgeben, und der Eindringwiderstand einer jeden zwischen den Gasdiffusionsschichten sandwichartig umgebenen Probe wurde gemessen. Der Eindringwiderstand gibt die Summe eines Widerstands der Gasdiffusionsschicht, einen Kontaktwiderstand zwischen dem Brennstoffzellenseparator und der Gasdiffusionsschicht, und einen Innenwiderstand des Brennstoffzellenseparators an.
Entsprechende Eindringwiderstände der zwischen den Gasdiffusionsschichten sandwichartig umgebenen Proben in den Beispielen 1 bis 3 waren 30 mΩ·cm² bis 40 mΩ·cm². Währenddessen war der Eindringwiderstand der zwischen den Gasdiffusionsschichten sandwichartig umgebenen Probe des Vergleichsbeispiels 1 50 mΩ·cm² bis 70 mΩ·cm².
Wie in 4C dargestellt, ist die Probe des Vergleichsbeispiels 1 derart konfiguriert, dass die Dicke des oberen Abschnitts 40 auf der unteren Seite in der Figur (der obere Abschnitt in der Mitte der Figur) dünner ist als die Dicke des Übergangsabschnitts 50, aber die Dicke der oberen Abschnitte 40 auf der oberen Seite in der Figur (die oberen Abschnitte 40 auf beiden Seiten in der Figur) ist dicker als die Dicke des Übergangsabschnitts 50. Aus diesem Grund ist der Eindringwiderstand der Probe in Vergleichsbeispiel 1 größer als die Eindringwiderstände der Proben in den Beispielen 1 bis 3. Wenn die Proben, die in den 4A und 4B dargestellten Aussparungs-Vorsprungs-Gestalten aufweisen, hergestellt werden, sind die Dicken der oberen Abschnitte 40 dieser Proben nicht dünner als die Dicken der Übergangsabschnitte 50 derselben. Dementsprechend sind die Eindringwiderstände dieser Proben vermutlich größer als der Eindringwiderstand der Probe in Vergleichsbeispiel 1. Hinsichtlich dieses Punktes kann gesagt werden, dass die Leitfähigkeiten der durch die Verwendung der Proben der Beispiele 1 bis 3 erhaltenen Brennstoffzellenseparatoren verbessert sind.
Aus dem vorstehend beschriebenen Ergebnis wurden die Wirkungen des Brennstoffzellenseparators und das Herstellungsverfahren desselben gemäß dieser Erfindung bestätigt.
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 201681901 [0007]
JP 201681901 A [0007]
JP 200891097 [0007]
JP 200891097 A [0007]
JP 2008091097 A [0007]

Claims

Herstellungsverfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenseparators (100), wobei das Herstellungsverfahren umfasst: Bereitstellen eines Materialblatts, welches ein Faserblatt (10), Kohlenstoff-Partikel (20), und Harz (30) umfasst, wobei die Kohlenstoff-Partikel (20) und das Harz (30) auf das Faserblatt (10) aufgetragen sind; und Pressen des Materialblatts in eine Aussparungs-Vorsprungs-Gestalt, durch welche ein Gas-Zirkulationsdurchlass gebildet wird, und Bilden eines oberen Abschnitts (40) und eines Übergangsabschnitts (50), wobei beim Pressen des Materialblatts, das Materialblatt derart gepresst wird, dass eine Formschräge des oberen Abschnitts (40) höher ist als eine der Formschräge des Übergangsabschnitts (50).
Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, wobei die Formschräge des oberen Abschnitts (40) das 1,2- bis 2,0-fache der Formschräge des Übergangsabschnitts (50) ist.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Faserblatt (10) mindestens eines von den Kohlenstoff-Fasern und den Harz-Fasern umfasst, wobei jede einen Faserdurchmesser von 1 µm bis 100 µm und eine Faserlänge von 1 mm bis 30 mm aufweist.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Materialblatt durch Imprägnieren des Faserblatts (10) mit den Kohlenstoff-Partikeln (20) und duroplastischem Harz bereitgestellt wird.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Materialblatt bereitgestellt wird durch sandwichartiges Anordnen des Faserblatts (10), welches mit den Kohlenstoff-Partikeln (20) zwischen Kohlenstoff-Partikeln enthaltenen, thermoplastischen Harz-Blättern derart imprägniert ist, dass die gegenüberliegenden Oberflächen des Faserblatts (10) mit den thermoplastischen Harz-Blättern bedeckt sind.
Brennstoffzellenseparator (100), umfassend ein Faserblatt (10); und im Faserblatt (10) dispergierte Kohlenstoff-Partikel (20) und Harz (30), wobei: der Brennstoffzellenseparator (100) eine Aussparungs-Vorsprungs-Gestalt aufweist, durch welche ein Gas-Zirkulationsdurchlass gebildet werden soll; eine Dicke der oberen Abschnitte (40) der Aussparungs-Vorsprungs-Gestalt auf gegenüberliegenden Oberflächen des Brennstoffzellenseparators (100) dünner als eine Dicke von zumindest einem Teil eines Übergangsabschnitts (50) zwischen den oberen Abschnitten (40) ist; und ein Flächengehaltsanteil der Kohlenstoff-Partikel (20) in zumindest einem Teil der oberen Abschnitte (40) höher als zumindest in einem Teil des Übergangsabschnitts (50) ist.
Brennstoffzellenseparator (100) nach Anspruch 6, wobei die Dicke der oberen Abschnitte (40) das 0,50- bis 0,90-fache der Dicke zumindest eines Teiles des Übergangsabschnitts (50) ist.
Brennstoffzellenseparator (100) nach Anspruch 6 oder 7, wobei das Faserblatt (10) mindestens eines von den Kohlenstoff-Fasern und den Harz-Fasern umfasst, wobei jede einen Faserdurchmesser von 1 µm bis 100 µm und eine Faserlänge von 1 mm bis 30 mm aufweist.
Brennstoffzellenseparator (100) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei das Harz (30) mindestens eines von einem duroplastischen Harz und einem thermoplastischen Harz umfasst.