DE10256922B4

DE10256922B4 - Verfahren zur Herstellung eines metallischen Separators einer Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE10256922B4
Application number: DE10256922.3A
Authority: DE
Inventors: Teruyuki Ohtani; Makoto Tsuji; Masao Utsunomiya; Koji Kotani
Original assignee: Honda Motor Co Ltd; Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2001-12-05
Filing date: 2002-12-05
Publication date: 2015-06-03
Anticipated expiration: 2022-12-06
Also published as: US20080108282A1; DE10256922A1; US7325432B2; CA2413558C; US20030162077A1; US20080292937A1; CA2413558A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines metallischen Separators einer Brennstoffzelle, umfassend: Formen einer metallischen Platte, die in einem Querschnitt alternierend Erhebungsbereiche (10) in Trapezform mit leicht schräg verlaufenden Seiten und mit abgerundeten Eckbereichen, welche die beiden schräg verlaufenden Seiten verbinden, und Vertiefungen hat, durch Pressen; Entfernen/Abtragen eines Teils (11) jedes der Erhebungsbereiche (10) in einer solchen Weise, dass jeder der Erhebungsbereiche eine abgeflachte Oberfläche aufweist; und Entfernen/Abtragen der durch Pressen entstandenen abgerundeten Eckbereiche.

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen Separators, der in eine Brennstoffzelle mit Protonenaustauschmembrane eingebaut ist.
Beschreibung der verwandten Technik
Bei einer Brennstoffzelle mit Protonenaustauschmembrane ist ein Schichtkörper, bei dem Separatoren an beide Seiten einer flachen, plattenförmigen Membranelektrodenanordnung (MEA) geschichtet sind, als eine Einheit ausgebildet, und eine Mehrzahl solcher Einheiten ist gestapelt und bildet einen Brennstoffzellen-Stack. Die Membranelektrodenanordnung ist eine dreischichtige Konstruktion, in der eine Elektrolytmembrane, die ein Ionenaustauschharz umfasst, zwischen einem Paar von Gasdiffusionselektroden gehalten ist, die einen positiven Pol (Kathode) und einen negativen Pol (Anode) bilden. Die Gasdiffusionselektrode ist so gestaltet, dass eine Gasdiffusionsschicht an der Außenseite einer Elektroden-Katalysatorschicht gebildet ist, die mit der Elektrolytmembrane in Kontakt steht. Zudem ist der Separator in der Weise geschichtet, dass er mit der Gasdiffusionselektrode der Membranelektrodenanordnung in Kontakt gebracht wird, wodurch ein Gasströmungskanal, durch welchen Gas strömen kann, und ein Kühlmittelströmungskanal zwischen dem auf diese Weise geschichteten Separator und der Gasdiffusionselektrode gebildet werden. Wenn man zum Beispiel Wasserstoffgas als Brennstoff durch den der Gasdiffusionselektrode auf der Minuspolseite zugewandten Gasströmungskanal strömen lässt, während Oxidgas wie Sauerstoff oder Luft den der Gasdiffusionselektrode auf der Pluspolseite zugewandten Gasströmungskanal durchströmt, findet gemäß der Brennstoffzelle eine elektrochemische Reaktion statt, und es wird Strom erzeugt.
Die Separatoren müssen über eine Funktion für die Zuleitung von Elektronen, die durch die katalytische Reaktion von Wasserstoffgas auf der Minuspolseite erzeugt werden, zu einem externen Kreis sowie über eine Funktion für die Zuleitung von Elektronen von dem externen Kreis zur Pluspolseite verfügen. Zu diesem Zweck werden leitende Materialien wie Graphit und metallische Materialien für die Separatoren verwendet. Insbesondere die metallischen Materialien gelten als vorteilhaft, insofern als sie über eine ausgezeichnete Materialfestigkeit verfügen und zu einer dünnen Platte geformt werden können, die schließlich einen Separator bilden kann, der klein und leichtbauend ist. Als metallischen Separator gibt es einen Separator, der hergestellt wird durch das Walzen von rostfreiem Stahl, der darin deponierte und/oder verteilte leitende Einschlüsse enthält, zu einer dünnen Platte und durch das Pressformen der dünnen Platte in der Weise, dass diese einen durch alternierende Erhebungen und Vertiefungen gebildeten Querschnitt hat, so dass die an der Vorderfläche und an der Rückfläche der dünnen Platte gebildeten Vertiefungen als Gasströmungskanäle und als Kühlmittelströmungskanäle verwendet werden. Indem sie einen leitenden Pfad bilden, tragen die leitenden Einschlüsse zur Leistungsverbesserung bei der Energieerzeugung bei.
Bei solchermaßen gebildeten metallischen Separatoren werden die Oberflächen der Erhebungen mit Gasdiffusionselektroden der Membranelektrodenanordnung in Kontakt gebracht, in einem Zustand, in dem die Separatoren mit der Membranelektrodenanordnung zusammengesetzt werden. Die Erhebungsbereiche haben eine Trapezform mit leicht schräg verlaufenden Seiten, so dass der Separator nach dem Pressen problemlos aus dem Gesenk herausgenommen werden kann. Außerdem werden Ecken, die Übergangsbereiche von der Oberfläche des Erhebungsbereichs zu den Seiten bilden, durch Biegen unvermeidbar in eine runde Form (R-Form) gebracht. Diese stellen Einschränkungen für die Vergrößerung der tatsächlichen Kontaktbereiche zu der Membranelektrodenanordnung an den Oberflächen der Erhebungsbereiche dar. Eine Reduzierung des Kontaktbereichs des Separators zur Membranelektrodenanordnung führt zu einer Erhöhung des Kontaktwiderstands und verhindert eine Leistungsverbesserung bei der Energieerzeugung. Deshalb ist die Ausdehnung des Kontaktbereichs wünschenswert. Außerdem kommen die Oberflächen der Erhebungsbereiche bei manchen Separatoren insgesamt einer runden Form sehr nahe, weshalb ihre abgeflachten Oberflächen begrenzt werden. Wenn dies der Fall ist, ist es schwierig, einen gewünschten Flächendruck an den Oberflächen der Erhebungsbereiche, die mit der Membranelektrodenanordnung in Kontakt sind, sicherzustellen, was ebenfalls zu einer Erhöhung des Kontaktwiderstands führt.
Wenn ferner rostfreier Stahl, in dem leitende Einschlüsse deponiert und/oder verteilt sind, zu einer dünnen Platte gewalzt wird, kann dies die Ursache für einen Fall sein, in dem eine anormale Schicht an der Oberfläche der dünnen Platte gebildet wird, in der sich leitende Einschlüsse, die durch das Walzen extrem fein gebrochen sind, häufen. Falls eine Brennstoffzelle durch Separatoren, auf deren Oberflächen die anormale Schicht vorhanden ist, gebildet wird und dann in Betrieb gesetzt wird, senken sich die in den anormalen Schichten vorhandenen Einschlüsse, was zu einer Verschlechterung der Energieerzeugungsleistung führt.
Da bei der oben beschriebenen Herstellung von Separatoren eine durch die Oberflächenwalzung angegriffene Schicht auf einer rostfreien Stahlplatte vorhanden ist, sind die Schritte des Schleifens notwendig, um die durch die Oberflächenwalzung angegriffene Schicht zu entfernen/abzutragen und dadurch zu ermöglichen, dass gute/intakte leitende Einschlüsse, die von dem Walzvorgang unbeeinträchtig geblieben sind, an der Oberfläche eines Basismetalls freigelegt werden können, und um weiterhin zu ermöglichen, dass die freigelegten leitenden Einschlüsse hervorstehen können, um dadurch den Kontaktwiderstand zu reduzieren. Jedoch gab es das Problem, dass sich zwischen dem Schritt des Schleifens und Entfernens der durch die Oberflächenwalzung angegriffenen Schicht und dem Schritt des Hervortretenlassens der leitenden Einschlüsse auf der Oberfläche des Basismetalls ein natürlicher Oxidfilm gebildet hat. Sobald sich auf der Oberfläche des Basismetalls ein natürlicher Oxidfilm gebildet hat, kann der Effekt der Verbesserung der Leitfähigkeit durch den Schritt des Hervortretenlassens der leitenden Einschlüsse wegen des vorhandenen natürlichen Oxidfilms nicht in ausreichendem Maß erzielt werden, selbst wenn der Schritt des Hervortretenlassens der leitenden Einschlüsse nachher durchgeführt wird. Deshalb muss man, um eine ausreichende Leitfähigkeit zu erzielen, einen weiteren komplizierten Schritt durchführen, der durch die Verteuerung der Produktionskosten ein weiteres Problem mit sich bringt.
Weiterhin wird nach dem Schleifprozess zum Entfernen der durch die Oberflächenwalzung angegriffenen Schichten, so dass ermöglicht wird, dass die leitenden Einschlüsse in die Nähe der Oberfläche der rostfreien Stahlplatte hervortreten, um dadurch den Kontaktwiderstand zu reduzieren, ein Prozess durchgeführt, in dem die neu hergestellten Oberflächen der rostfreien Stahlplatte einer Behandlung unterzogen werden, um der Platte eine Korrosionsbeständigkeit zu verleihen. Bei der einschlägigen Technik hat man die Passivierungsbehandlung angewandt, um den neu hergestellten Oberflächen eine Korrosionsbeständigkeit zu verleihen. Jedoch gab es hier das Problem, dass sich während der Passivierungsbehandlung ein natürlicher Oxidfilm auf der neu hergestellten Oberfläche gebildet hat. Der natürliche Oxidfilm ist hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit einem Film in einem passiven Zustand unterlegen, und deshalb musste noch für eine weitergehende Korrosionsbeständigkeit gesorgt werden. Aber selbst wenn die Passivierungsbehandlung nach der Bildung eines natürlichen Oxidfilms durchgeführt wird, unterbricht der natürliche Oxidfilm die Passivierung der neu hergestellten Oberfläche, weshalb der Effekt der Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit durch die Passivierungsbehandlung nicht in ausreichendem Maß erreicht wird. Aus diesem Grunde muss man, um eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit zu erreichen, einen weiteren komplizierten Schritt durchführen, der zu dem Problem einer noch weiteren Erhöhung der Produktionskosten führt.
Zusammenfassung der Erfindung
Eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines metallischen Separators einer Brennstoffzelle, der durch Pressen in einer solchen Weise geformt wird, dass er einen durch alternierende Erhebungen und Vertiefungen gebildeten Querschnitt aufweist, wobei Kontaktbereiche von Oberflächen von Erhebungsbereichen zu einer Membranelektrode zur Sicherstellung eines gewünschten Flächendrucks vergrößert sind, wodurch der Kontaktwiderstand reduziert und dadurch die Energieerzeugungsleistung verbessert wird.
Ebenfalls offenbart ist die Bereitstellung eines metallischen Separators einer Brennstoffzelle, der durch das Walzen eines leitende Einschlüsse aufweisenden metallischen Materials hergestellt wird, wobei der metallische Separator unbeeinträchtigt ist von anormalen Schichten leitender Einschlüsse, die durch das Walzen auf seinen Oberflächen gebildet sind, wodurch versucht wird, als ein Ergebnis die Energieerzeugungsleistung dieses Separators zu verbessern, und eines Verfahrens zur Herstellung dieses Separators.
Ebenfalls offenbart ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines metallischen Separators einer Brennstoffzelle, bei welchem das Schleifen einer durch Oberflächenwalzung angegriffenen Schicht auf einem Basismetall und das Herausarbeiten/Heraustretenlassen der leitenden Einschlüsse in einem einzigen Schritt durchgeführt werden können.
Ebenfalls offenbart ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines metallischen Separators einer Brennstoffzelle, bei dem eine Passivierungsbehandlung an durch Schleifen erhaltenen neu geschaffenen Oberflächen auf einem Basismetall zur selben Zeit durchgeführt werden kann wie das Schleifen zum Entfernen der durch die Oberflächenwalzung angegriffenen Schichten.
Zur Lösung der angegebenen ersten Aufgabe werden die folgenden Mittel angewandt. Beschrieben wird ein metallischer Separator einer Brennstoffzelle, umfassend:
eine metallische Platte, die in einem Querschnitt alternierend Erhebungen und Vertiefungen aufweist, die durch Pressen geformt werden, wobei jeder der Erhebungsbereiche eine abgeflachte Oberfläche hat, die mit einer Membranelektrodenanordnung in Kontakt gebracht wird, wobei die abgeflachte Oberfläche durch Entfernen/Abtragen eines Teils des Erhebungsbereichs nach dem Pressen gebildet wird.
Bei dem metallischen Separator einer Brennstoffzelle ist vorzugsweise der Betrag der Oberflächenabtragung des Erhebungsbereichs 3 μm oder mehr.
Weiterhin ist gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen Separators einer Brennstoffzelle vorgesehen, umfassend:
Formen einer metallischen Platte, die in einem Querschnitt alternierend Erhebungen und Vertiefungen hat, durch Pressen; und Entfernen/Abtragen eines Teils eines jeden Erhebungsbereichs, so dass jeder der Erhebungsbereiche eine abgeflachte Oberfläche hat. Bei diesem Verfahren ist der Betrag der Oberflächenabtragung der Erhebungsbereiche vorzugsweise gleich oder größer 3 μm. Als Methode zum Entfernen/Abtragen der Oberfläche des Erhebungsbereichs gibt es eine elektrochemische Methode wie elektrolytisches Ätzen, eine chemische Methode wie Ätzen und eine physikalische Methode wie Schneiden oder Sandstrahlen.
Ferner hat der Erfinder herausgefunden, dass die Dicke der durch den Walzvorgang auf den Oberflächen des Separators gebildeten anormalen Schicht etwa in der Größenordnung von 2% der Gesamtdicke liegt. Offenbart wird ferner ein metallischer Separator einer Brennstoffzelle, der durch Walzen eines metallischen Materials mit leitenden Einschlüssen und durch Entfernen/Abtragen einer Oberfläche des metallischen Materials nach dem Walzen um 2% oder mehr einer Dicke des metallischen Materials nach dem Walzen hergestellt wird, so dass die leitenden Einschlüsse nach dem Walzen aus der Oberfläche des metallischen Materials hervorstehen können.
Durch das Walzen gebildete anormale Schichten auf der Oberfläche des metallischen Materials werden entfernt, da die Oberflächen des Separators um 2% oder mehr der Dicke des metallischen Materials abgetragen werden, nachdem das Material gewalzt wurde. Deshalb werden gute/intakte Oberflächen des metallischen Materials geschaffen, und die leitenden Einschlüsse können aus diesen Oberflächen hervorstehen. Deswegen wird, wenn die auf diese Weise hergestellten metallischen Separatoren in eine Brennstoffzelle eingebaut werden, der Kontaktwiderstand relativ zu einer Membranelektrodenanordnung reduziert und dadurch die Energieerzeugungsleistung der Brennstoffzelle verbessert.
Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen Separators einer Brennstoffzelle beschrieben, umfassend:
Erhalten eines Rohlings durch Walzen eines metallischen Materials mit leitenden Einschlüssen und
Entfernen/Abtragen einer Oberfläche des Rohlings um einen Betrag, der 2% der Dicke des Rohlings oder mehr entspricht, so dass die leitenden Einschlüsse aus der Oberfläche des Rohlings hervorstehen können. Als Methode für das Entfernen/Abtragen der Oberflächen stehen eine elektrochemische Methode wie elektrolytisches Ätzen, eine chemische Methode wie Ätzen und eine physikalische Methode wie Schneiden oder Sandstrahlen zur Verfügung.
Außerdem kann man, falls dem Rohling die endgültige Separatorform durch Pressen des Rohlings in einer solchen Weise verliehen wird, dass an dem Rohling alternierend Erhebungen und Vertiefungen gebildet werden, den Schritt der Oberflächen-Entfernung/Abtragung entweder vor oder nach dem Pressen des Rohlings durchführen. Da bei dem auf diese Weise gepressten Separator Oberflächen der Erhebungsbereiche die Kontaktbereiche zur Membranelektrodenanordnung bilden, kann die vorliegende Erfindung dahingehend eingeschränkt werden, dass der erfindungsgemäße Prozess zur Entfernung/Abtragung der Oberflächen lediglich auf die Oberflächen der Erhebungsbereiche angewandt wird. Schließlich können die Oberflächen des Separators zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit noch einer Passivierungsbehandlung unterzogen werden.
Weiter beschrieben wird ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen Separators einer Brennstoffzelle, der leitende Einschlüsse in seiner metallischen Textur aufweist, umfassend:
Strahlbearbeitung eines gewalzten Rohlings mit einer Flüssigkeit, die ein oder zwei Schleifmittel mit unterschiedlichen Partikeldurchmessern enthält.
In der Metalltextur eines Rohlings für einen metallischen Separator gibt es leitende Einschlüsse mit einer Härte, die größer ist als die eines Basismetalls. Deshalb erfordert ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen Separators für eine Brennstoffzelle normalerweise Schritte zum Schleifen der Oberfläche des Basismetalls, um die leitenden Einschlüsse sowie die Mutterphase zu entfernen und um nur die Oberfläche des Basismetalls zu schleifen, damit die leitenden Einschlüsse hervortreten können. Eines von bei diesen Schritten üblich angewendeten Mitteln ist eine Nassstrahlmethode. Allgemein ist dies eine Methode, bei der ein zu schleifender Körper aus einer schlitzartigen Einspritzöffnung mit einer Flüssigkeit, die nur ein Schleifmittel enthält, beaufschlagt/bestrahlt wird. Bei dem Schritt des Schleifens zur Entfernung/Abtragung der Oberfläche des Basismetalls werden Schleifmittel mit einem großen Partikeldurchmesser verwendet, die ein ausreichendes Maß an Bewegungsenergie erzeugen können, um die leitenden Einschlüsse sowie die Mutterphase zu schleifen. Hingegen werden in dem Schritt des Herausarbeitens der leitenden Einschlüsse Schleifmittel mit einem kleinen Partikeldurchmesser verwendet, deren erzeugbare Bewegungsenergie zwar gering ist, aber dennoch ausreicht, um nur die Oberfläche des Basismetalls zu schleifen.
Ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen Separators einer Brennstoffzelle kann mit einer speziellen Nassstrahlmethode zur Beaufschlagung eines Separators mit einer Flüssigkeit arbeiten, die zwei oder mehr Arten von Schleifmitteln enthält, deren Partikeldurchmesser verschieden groß sind. Infolgedessen wird nicht nur die Mutterphase geschliffen, sondern durch die Schleifmittel mit dem großen Partikeldurchmesser werden auch die leitenden Einschlüsse geschliffen und gleichzeitig damit durch die Schleifmittel mit einem kleinen Partikeldurchmesser nur die Oberfläche des Basismetalls. Deshalb ist das Herausarbeiten der leitenden Einschlüsse sowie das Schleifen und Entfernen/Abtragen der Oberfläche des Basismetalls in einem einzigen Schritt implementierbar, wodurch sich die Bildung eines natürlichen Oxidfilms auf der Oberfläche des Basismetalls verhindern und der Effekt einer verbesserten Leitfähigkeit erzielen lässt. Da gemäß der vorliegenden Erfindung die komplizierten Schritte bekannter Vorgehensweisen nicht mehr notwendig sind, wird zusätzlich der Vorteil geringerer Herstellungskosten erreicht. Weiterhin zeigt sich bei Brennstoffzellen, die mit diesen Separatoren arbeiten, eine überragende Energieerzeugungsspannung.
Hinzu kommt, dass der Schritt der Strahlbeaufschlagung mit einer Flüssigkeit, die zwei oder mehr Arten von Schleifmitteln mit verschiedenen Partikeldurchmessern enthält, nach dem Pressen des Separator-Rohlings oder vor dem Fertigpressen des Separator-Rohlings durchgeführt werden kann. Weiterhin wird die Oberfläche des Separator-Rohlings bei dem Herstellungsverfahren gemäß vorliegender Erfindung vorzugsweise einer Passivierungsbehandlung unterzogen, und diese Passivierungsbehandlung kann in einem beliebigen Schritt nach Ende des Schritts der Nassstrahlbearbeitung stattfinden. Hierzu kann außerdem jede Passivierungsbehandlungsflüssigkeit verwendet werden, solange diese Flüssigkeit einen Film in einem Passivzustand auf der Oberfläche des Basismetalls des Separators bilden kann.
Ferner ist hierin ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen Separators einer Brennstoffzelle offenbart, der leitende Einschlüsse in seiner Metalltextur aufweist, umfassend:
Strahlbeaufschlagung des Separators mit einer Passivierungsbehandlungsflüssigkeit, die mit Schleifmitteln versetzt ist.
Als übliche Methode zum Schleifen eines Separators einer Brennstoffzelle unter Anwendung eines Nassstrahlbearbeitungverfahrens ist eine Methode verfügbar, nach welcher der Separatorkörper aus einer schlitzförmigen Einspritzöffnung mit Wasser beaufschlagt wird, das mit Schleifmitteln versetzt ist. Dagegen wird bei dem beschriebenen Verfahren zur Herstellung eines metallischen Separators einer Brennstoffzelle ein einzigartiger Nassstrahlprozess angewandt, bei dem der Separator mit einer mit Schleifmitteln versetzten Passivierungsbehandlungsflüssigkeit beaufschlagt wird. Gemäß dieser Methode können die durch den Walzvorgang angegriffenen Oberflächen des zu schleifenden Separators entfernt werden, indem die Oberflächen des Separators mit den Schleifmitteln beaufschlagt werden, so dass die leitenden Einschlüsse freigelegt werden können. Weiterhin kann gleichzeitig mit dem stattfindenden Schleifvorgang eine Passivierungsbehandlung der durch das Schleifen neu entstandenen Oberflächen durch Strahlbeaufschlagung mit der Passivierungsbehandlungsflüssigkeit erfolgen.
Hinsichtlich der bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines metallischen Separators einer Brennstoffzelle verwendeten Passivierungsbehandlungsflüssigkeit gibt es keinerlei Einschränkungen, sofern auf der Oberfläche des Basismetalls des Separators ein Film in einem Passivzustand gebildet werden kann. Jedoch ist die Passivierungsbehandlungsflüssigkeit vorzugsweise Salpetersäure. Außerdem kann der Prozess der Strahlbeaufschlagung mit der mit den Schleifmitteln gemäß der vorliegenden Erfindung versetzten Passivierungsbehandlungsflüssigkeit nach dem Pressen des Separator-Rohlings oder vor dem Pressen durchgeführt werden.
Figurenkurzbeschreibung
1 ist ein Diagramm, welches das Konzept eines erfindungsgemäßen Separators darstellt.
2 ist ein Bild eines Separators, der für Separatoren repräsentativ ist, die in Beispielen der vorliegenden Erfindung hergestellt werden.
3 ist eine Schnittansicht eines Stromabnahmebereichs (ein Bereich, in dem alternierend Erhebungen und Vertiefungen gebildet sind) der in den Beispielen hergestellten Separatoren.
4 ist eine graphische Darstellung der Ergebnisse von in den Beispielen gemessenen Kontaktwiderständen.
5 ist ein Bild eines in den Beispielen der vorliegenden Erfindung herzustellenden Separators.
6 ist ein Bild der Oberfläche der Separatoren nach den Beispielen der vorliegenden Erfindung.
7 ist ein Bild der Oberfläche von Separatoren nach Vergleichsbeispielen, die jenen der Erfindung entsprechen.
8 ist eine graphische Darstellung gemessener Kontaktwiderstände der Beispiele vorliegender Erfindung.
9 ist eine graphische Darstellung gemessener Korrosions-Stromdichten der Beispiele der vorliegenden Erfindung.
10 ist ein Diagramm, das eine Relation zwischen Stromerzeugungsstromdichte und Stromerzeugungsspannung in einer Brennstoffzelle zeigt, die Separatoren gemäß der Erfindung und gemäß einem Vergleichsbeispiel verwendet; und
11 ist ein Diagramm, das die Relation zwischen Stromerzeugungsspannung und Stromerzeugungsdauer in einer Brennstoffzelle zeigt, die Separatoren nach dem Beispiel vorliegender Erfindung und nach dem Vergleichsbeispiel verwendet.
Detailbeschreibung der Erfindung
In 1 ist das Konzept eines Separators dargestellt, wobei eine Oberfläche 11 eines Erhebungsbereichs 10 entfernt/abgetragen ist und eine abgeflachte Oberfläche 12 neu gebildet ist. Die Schraffierung in 1 kennzeichnet einen abgetragenen Bereich, und ein mit ”a” gekennzeichneter Bereich oder die Oberfläche 12 bilden eine Kontaktfläche, die mit einer Membranelektrodenanordnung in Kontakt gebracht wird. Übrigens ist mit ”b” ist ein Kontaktbereich zur Membranelektrodenanordnung in einem Zustand gekennzeichnet, in dem die Oberfläche 11 nicht abgetragen ist oder dem Erhebungsbereich 10 der einschlägigen Technologie entspricht.
Wie aus 1 deutlich wird, wird die Kontaktfläche vergrößert, indem man die Oberfläche des Erhebungsbereichs abträgt, weshalb ein gewünschter Flächendruck relativ zu der Membranelektrodenanordnung sichergestellt und der Kontaktwiderstand zur Verbesserung der Energieerzeugungsleistung reduziert wird. In einem Zustand, in dem die Oberfläche des Erhebungsbereichs entfernt/abgetragen ist, wird die Kontaktfläche noch weiter vergrößert, falls die beim Pressen entstehende Rundung der Eckbereiche weggenommen wird, was zu bevorzugen ist. Für den erfindungsgemäßen Separator wird vorzugsweise rostfreier Stahl verwendet. Da rostfreier Stahl, in dem leitende Nichtmetalleinschlüsse, die einen leitenden Pfad bilden, in der metallischen Textur verteilt sind, eine gute Leitfähigkeit zeigt, wird er als Material für die Separatoren einer Brennstoffzelle besonders bevorzugt. Mit der Verwendung von rostfreiem Stahl bei vorliegender Erfindung können die leitenden Einschlüsse aus der Oberfläche hervortreten, wenn die Oberfläche des Erhebungsbereichs entfernt/abgetragen wird, wodurch eine Verbesserung der Funktion als Separator erreicht werden kann. Falls sich der Betrag der nach dem Pressen entfernten/abgetragenen Oberfläche auf weniger als 3 μm verringert, ist der Effekt der Reduzierung des Kontaktwiderstands relativ zur Membranelektrodenanordnung nicht mehr in dem Ausmaß erreichbar, weshalb der Betrag der Abtragung bevorzugt gleich oder größer 3 μm entspricht.
[Beispiele]
Als nächstes werden Beispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben.
A. Separator-Herstellung
[Beispiele 1 bis 10]
Eine rostfreie Austenit-Stahlplatte mit einer Dicke von 0,2 mm wurde gepresst, um eine benötigte Anzahl von quadratischen Separator-Rohlingen mit einer Breite von 92 mm und einer Länge von 92 mm zu erhalten. 2 zeigt diese Separator-Rohlinge, deren jeder einen Stromabnahmebereich hat, der in seiner Mitte einen aus alternierenden Erhebungen und Vertiefungen gebildeten Querschnitt und rund um die Peripherie einen flachen Kantenbereich aufweist. 3 zeigt einen Teil des Querschnitts und der Dimensionen des Stromabnahmebereichs des Separator-Rohlings. Als nächstes wurden die Innenflächen der Vertiefungen auf beiden Seiten des Separator-Rohlings abgedeckt, und es wurden nur Oberflächen der Erhebungsbereiche auf den Seiten des Separator-Rohlings durch elektrolytisches Ätzen entfernt/abgetragen, um dadurch die Oberflächen abzuflachen. Wie in Tabelle 1 gezeigt ist, entsprachen die Beträge (Dicken) der abgetragenen Oberflächen 1 μm, 2 μm, 3 μm, 4 μm, 5 μm, 6 μm, 7 μm, 10 μm, 20 μm und 50 μm, wodurch zehn Arten von Separatoren hergestellt wurden, die sich in dem Betrag der Oberflächenabtragung unterscheiden und die jeweils durch die Beispiele 1 bis 10 repräsentiert ist. Als Abdeckmaterial wurde ein Klebeband (0,8 mm dick) verwendet, das von Fleon Industries Co., Ltd. unter der Handelsbezeichnung F-7034 hergestellt wird. Außerdem wurde eine von Jusco Co., Ltd. unter der Handelsbezeichnung 6C016 hergestellte elektrolytische Phosphorsäure-Ätzflüssigkeit verwendet. Dann wurde elektrolytisches Ätzen bei folgenden Bedingungen durchgeführt: die Temperatur betrug 50°C und die Stromdichte 0,125 A/cm².
[Vergleichsbeispiel]

Der Separator-Rohling, bei dem die Oberflächen der Erhebungsbereiche nicht entfernt sind, wurde zum Vergleichsbeispiel. [Tabelle 1]

	Abtragungsbeträge (μm)	Kontaktwiderstand zur MEA (mΩ/cm²)
Vergleichsbeispiel	0	68
Beispiel 1	1	30
Beispiel 2	2	27
Beispiel 3	3	16
Beispiel 4	4	17
Beispiel 5	5	16
Beispiel 6	6	15
Beispiel 7	7	15
Beispiel 8	10	14
Beispiel 9	20	14
Beispiel 10	50	14

B. Messen von Kontaktwiderständen
Als nächstes wurden Brennstoffzelleneinheiten jeweils unter Verwendung der Separatoren der Beispiele 1 bis 10 und des Vergleichsbeispiels hergestellt, bei denen die Separatoren eines jeden Beispiels zur Bildung einer Einheit an die Seiten einer Membranelektrodenanordnung geschichtet wurden, und die Einheiten wurden für jedes Beispiel aktiviert, um zur Messung von Kontaktwiderständen der Separatoren dieser Beispiele relativ zur Membranelektrodenanordnung Energie zu erzeugen. Die Ergebnisse der Messung sind ebenfalls in Tabelle 1 gezeigt, und die Beziehung zwischen dem Betrag der Oberflächenabtragung des Erhebungsbereichs und dem Kontaktwiderstand ist graphisch in 4 dargestellt.
Wie aus 4 deutlich wird, wurde verifiziert, dass die Kontaktwiderstände der Separatoren der Beispiele 1 bis 10 weitaus geringer sind als die des Separators des Vergleichsbeispiels und dass die Abflachung der Oberfläche des Erhebungsbereichs durch Entfernen/Abtragen eines Teils davon zur Verbesserung der Energieerzeugungsleistung beigetragen hat. Insbesondere bei einem Betrag der Oberflächenabtragung des Erhebungsbereichs von 3 μm hat sich der Kontaktwiderstand beachtlich reduziert. Dann hat sich bestätigt, dass der gleiche Reduzierungseffekt durch einen noch höheren Betrag der Abtragung zu erwarten war.
Im Folgenden wird ein weiterer metallischer Separator erläutert. Eine rostfreie Austenit-Stahlplatte wird als Material für den Separator beschafft. Insbesondere wird eine rostfreie Austenit-Stahlplatte verwendet, die die in Tabelle 2 jeweils angegebenen Bestandteile und in ihrem Restbereich Fe, B und unvermeidbare Verunreinigungen enthält und bei der Cr, Mo und B die folgende Formel (1) erfüllen. B ist auf der Oberfläche als ein Bond des Typs M₂B oder MB und als ein Bond des Typs M₂₃(C, B)₆ deponiert und diese Boride sind leitende Einschlüsse, die einen leitenden Pfad auf der Oberfläche des Separators bilden. Cr (Gew.-%) + 3 × Mo (Gew.-%) – 2,5 × B (Gew.-%) ≥ 17 (1) [Tabelle 2]

C Si Mn P S Al

≤ 0,15 0,01~1,5 0,01~2,5 ≤ 0,035 ≤ 0,01 0,001~0,2

N Cu Ni Cr Mo

≤ 0,3 0~3 7~50 17~30 0~7

(Gewichtsprozent)
[Beispiele]
Als nächstes werden Beispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben.
A. Rohling-Herstellung
Ein dünne Platte mit einer Dicke von 0,2 mm erhielt man durch Kaltwalzen von rostfreiem Stahl, der jeweils die in Tabelle 3 gezeigten Bestandteile sowie Fe und unvermeidbare Verunreinigungen in seinem Restbereich enthielt, wobei während des Pressens in geeigneter Weise ein Glühprozess durchgeführt wurde. Dann wurde eine benötigte Anzahl von quadratischen Rohlingen mit einer Breite von 100 mm und einer Länge von 100 mm durch Ausschneiden aus der auf diese Weise hergestellten dünnen Platte erhalten. [Tabelle 3]

C Si Mn P S Cu Ni

0,073 0,28 0,13 0,015 0,001 0,11 10,1

Cr Mo Nb Ti Al N B

20,9 2,03 - - 0,08 0,03 0,60

(Gewichtsprozent)
B. Prozess der Oberflächen-Entfernung/Abtragung und Pressen
[Beispiel 11]
Der folgende Nassstrahlprozess wurde auf beiden Oberflächen des Rohlings angewandt, um dadurch die Oberflächen um 4 μm abzutragen. Aluminiumoxidpartikel (hergestellt von Fuji Seisakusho Co., Ltd. unter der Handelsbezeichnung Fujirandom WA#300) mit einem Partikeldurchmesser von 0,3 mm wurden als Schleifpartikel in Wasser eingemischt, und die Oberflächen wurden mit diesem mit Schleifpartikeln versetzten Wasser bei einem Strahldruck von 1 kg/cm² 20 Sekunden lang beaufschlagt. Danach wurde der Rohling zu einer vorgegebenen Separatorform gepresst, um einen Separator von Beispiel 11 zu erhalten.
[Beispiel 12]
Nachdem der Rohling durch Pressen in eine vorgegebene Separatorform gebracht wurde, hat man den gleichen Nassstrahlprozess wie in Beispiel 11 auf beiden Oberflächen des Rohlings angewandt, um dadurch einen Separator von Beispiel 12 zu erhalten, bei welchem die Oberflächen um 4 μm abgetragen waren.
[Beispiel 13]
Der folgende chemische Ätzprozess (Nitro-Flourwasserstoffsäure-Ätzprozess) wurde auf den Oberflächen des Rohlings angewandt, um dadurch die Oberflächen um 5 μm abzutragen. Eine 20% Salpetersäure und 8% Flourwasserstoffsäure enthaltende Ätzflüssigkeit wurde unter Rühren auf 30°C gehalten, und der Rohling wurde für 30 Minuten in dieses Ätzbad getaucht. Durch Pressen wurde der Rohling anschließend in die vorgegebene Separatorform gebracht, um dadurch einen Separator von Beispiel 13 zu erhalten.
[Beispiel 14]
Nachdem man den Rohling durch Pressen in eine vorgegebene Separatorform gebracht hatte, wurde das gleiche chemische Ätzen wie in Beispiel 13 auf beiden Oberflächen des Rohlings angewandt, um so die Oberflächen um 5 μm abzutragen und dadurch einen Separator von Beispiel 14 zu erhalten.
[Beispiel 15]
Der folgende Sandstrahlprozess wurde auf beiden Oberflächen des Rohlings angewandt, um die Oberflächen um 10 μm abzutragen. Als Schleifpartikel wurden ebenfalls die für Beispiel 11 verwendeten Aluminiumoxidpartikel verwendet, und die Aluminiumpartikel in einem getrockneten Zustand wurden bei einem Strahldruck von 2 kg/cm² 10 Sekunden lang gestrahlt. Als nächstes wurde der auf diese Weise sandgestrahlte Rohling durch Pressen in eine vorgegebene Separatorform gebracht, um dadurch einen Separator von Beispiel 15 zu erhalten.
[Beispiel 16]
Nachdem der Rohling durch Pressen in eine vorgegebene Separatorform gebracht wurde, hat man den gleichen Sandstrahlprozess wie in Beispiel 15 auf beiden Oberflächen des Rohlings angewandt, um so die Oberflächen um 10 μm abzutragen und dadurch einen Separator von Beispiel 16 zu erhalten.
[Vergleichsbeispiel 11]
Der Rohling wurde lediglich in eine vorgegebene Separatorform gepresst, und ein Prozess zum Entfernen/Abtragen der Oberfläche wurde nicht durchgeführt, wodurch der Rohling zu einem Separator von Vergleichsbeispiel 11 wurde.
[Vergleichsbeispiel 12]
Einen Separator von Vergleichsbeispiel 12 hat man auf ähnliche Weise erhalten wie in Beispiel 11, mit der Ausnahme, dass beide Oberflächen um einen Betrag von 1,5 μm abgetragen wurden.
[Vergleichsbeispiel 13]
Einen Separator von Vergleichsbeispiel 13 hat man auf ähnliche Weise erhalten wie in Beispiel 12, mit der Ausnahme, dass beide Oberflächen um einen Betrag von 1,5 μm abgetragen wurden.
[Vergleichsbeispiel 14]
Einen Separator von Vergleichsbeispiel 14 hat man auf ähnliche Weise erhalten wie in Beispiel 11, mit der Ausnahme, dass beide Oberflächen um einen Betrag von 2,5 μm abgetragen wurden.
[Vergleichsbeispiel 15]
Einen Separator von Vergleichsbeispiel 15 hat man auf ähnliche Weise erhalten wie in Beispiel 12, mit der Ausnahme, dass beide Oberflächen um einen Betrag von 2,5 μm abgetragen wurden.
Man beachte, dass 5 einen durch Pressen hergestellten Separator zeigt, ähnlich den Separatoren, die man in den Beispielen der vorliegenden Erfindung und in den Vergleichsbeispielen erhalten hat, und dieser Separator hat in seiner Mitte einen Stromabnahmebereich, dem durch Pressen ein Querschnitt in Form von alternierenden Erhebungen und Vertiefungen verliehen wurde, und einen flachen Randbereich rund um die Peripherie des Stromabnahmebereichs.
C. Oberflächenbetrachtung
Die Oberflächen der Separatoren von Beispiel 11 und Vergleichsbeispiel 11 wurden unter dem Mikroskop betrachtet. 6 ist ein Bild der Oberfläche des Separators von Beispiel 11. 7 ist ein Bild der Oberfläche des Separators von Vergleichsbeispiel 11. Es wurde beobachtet, dass ungebrochene gute/intakte leitende Einschlüsse mit einem Partikeldurchmesser in der Größenordnung von 5 μm aus der Oberfläche des Separators von Beispiel 11 hervortreten konnten. Andererseits wurde beobachtet, dass sich fein gebrochene leitende Einschlüsse auf der Oberfläche des Separators von Vergleichsbeispiel 11 anhäuften.
D. Messung der Stromerzeugungsspannung

Unter Verwendung der jeweiligen Separatoren von Beispiel 11 bis 16 und von Vergleichsbeispiel 11 bis 15 wurden jeweils Brennstoffzelleneinheiten hergestellt, bei denen die Separatoren an beide Seiten einer Membranelektrodenanordnung (MEA) geschichtet wurden, und die auf diese Weise hergestellten Brennstoffzelleneinheiten wurden dann für die Stromerzeugung aktiviert, um bei Erzeugung eines Stroms von 0,5 A/cm² Stromerzeugungsspannungen ab einem Anfangszeitpunkt (0 Stunden) in Zeitabständen nach jeweils 10 Stunden, 100 Stunden, 2000 Stunden und 3000 Stunden zu messen. Die Ergebnisse sind zusammen mit Herstellungsprozessen (Reihenfolge des Prozesses zur Oberflächen-Entfernung/Abtragung und des Pressens) und den Beträgen der Oberflächenabtragung in den Tabellen 4A und 4B gezeigt. [Tabelle 4A]

	Herstellungsprozesse	Betrag Oberflächenabtragung (μm)
Beispiel 11	Nassstrahlen → Pressen	4
Beispiel 12	Pressen → Nassstrahlen	4
Beispiel 13	Nitro-Flourwasserstoffsäureätzen → Pressen	5
Beispiel 14	Pressen → Nitro-Flourwasserstoffsäureätzen	5
Beispiel 15	Sandstrahlen → Pressen	10
Beispiel 16	Pressen → Sandstrahlen	10
Vergleichsbeispiel 11	nur Pressen	0
Vergleichsbeispiel 12	Nassstrahlen → Pressen	1,5
Vergleichsbeispiel 13	Pressen → Nassstrahlen	1,5
Vergleichsbeispiel 14	Nassstrahlen → Pressen	2,5
Vergleichsbeispiel 15	Pressen → Nassstrahlen	2,5

[Tabelle 4B]

	Stromerzeugungsspannung (V), wenn ein Strom von 0,5 A/cm² erzeugt wird
	0 Std.	10 Std.	100 Std.	1000 Std.	2000 Std.	3000 Std.
Beispiel 11	0,7	0,7	0,7	0,7	0,7	0,7
Beispiel 12	0,7	0,7	0,7	0,7	0,7	0,7
Beispiel 13	0,7	0,7	0,7	0,7	0,7	0,7
Beispiel 14	0,7	0,7	0,7	0,7	0,7	0,7
Beispiel 15	0,7	0,7	0,7	0,7	0,7	0,7
Beispiel 16	0,7	0,7	0,7	0,7	0,7	0,7
Vergl.-Bsp. 11	0,7	0,65	0,63	0,55	0,43	0,24
Vergl.-Bsp. 12	0,7	0,69	0,66	0,63	0,59	0,55
Vergl.-Bsp. 13	0,7	0,68	0,66	0,64	0,59	0,55
Vergl.-Bsp. 14	0,7	0,69	0,68	0,66	0,65	0,63
Vergl.-Bsp. 15	0,7	0,68	0,66	0,65	0,64	0,61

Wie aus Tabelle 2 deutlich wird, blieb bei den Separatoren der Beispiele vorliegender Erfindung eine an einem Anfangszeitpunkt vorhandene Stromerzeugungsspannung sogar nach 3000 Stunden noch erhalten, wohingegen bei den Separatoren der Vergleichsbeispiele beobachtet wurde, dass die anfängliche Stromerzeugungsspannung mit der Zeit abgenommen hat, wodurch die Wirksamkeit der vorliegenden Erfindung bestätigt wird.
E. Effekt der Passivierungsbehandlung
Als nächstes wurde die Verifizierung hinsichtlich der Überlegenheit vorgenommen, die sich ergab, wenn die Oberflächen des Separators einer abschließenden Passivierungsbehandlung unterzogen wurden.
[Beispiel 17]
Die Oberflächen des Rohlings wurden einem elektrolytischen Ätzprozess unterzogen, um die Oberflächen um 4 μm abzutragen. Eine elektrolytische Phosphorsäure-Ätzflüssigkeit (unter der Handelsbezeichnung 6C016 von Jusco Co., Ltd. hergestellt) wurde auf 50°C gehalten, ein Strom mit einer Stromdichte von 0,125 A/cm² wurde durch die Ätzflüssigkeit geleitet, und der Rohling wurde 10 Minuten lang in das Ätzbad getaucht. Danach wurde der Rohling durch Pressen in eine vorgegebene Separatorform gebracht. Schließlich wurde der gepresste Separator zur Passivierungsbehandlung für 10 Minuten in eine 50 Gew.-% Salpetersäure enthaltende Badflüssigkeit getaucht, um dadurch einen Separator von Beispiel 17 zu erhalten.
[Vergleichsbeispiel 16]
Der Separator von Vergleichsbeispiel 11 wurde der gleichen Passivierungsbehandlung wie in Beispiel 17 unterzogen, um dadurch einen Separator von Beispiel 16 zu erhalten.
Die Separatoren von Beispiel 17, Vergleichsbeispiel 11 und Vergleichsbeispiel 16 wurden jeweils mit der Membranelektrodenanordnung in Kontakt gebracht, um Kontaktwiderstände der jeweiligen Separatoren zu messen. Die Ergebnisse der Messungen sind in 8 gezeigt. Zudem wurden die Korrosions-Stromdichten der Separatoren von Beispiel 17, Vergleichsbeispiel 11 und Vergleichsbeispiel 16 gemessen. 9 zeigt die Ergebnisse der Messungen. Aus den Ergebnissen wird deutlich, dass der Separator von Beispiel 17, dessen Oberflächen einer Passivierungsbehandlung unterzogen worden waren, die niedrigsten Werte sowohl bei dem Kontaktwiderstand als auch bei der Korrosions-Stromdichte zeigt. Demzufolge lässt sich erwarten, dass ein Separator, dessen Oberflächen eine Passivierungsbehandlung erfahren, eine höhere Energieerzeugungsleistung zeigt.
Als nächstes wird der metallische Separator gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung erläutert. Eine rostfreie Austenit-Stahlplatte mit leitenden Einschlüssen wird wie auch im Fall der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als Material für den Separator gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschafft. Das heißt, es wird eine rostfreie Austenit-Stahlplatte verwendet, die jeweils die in Tabelle 2 angegebenen Bestandteile und in ihrem Restbereich Fe, B und unvermeidbare Verunreinigungen enthält und bei der Cr, Mo und B die oben angegebene Formel (1) erfüllen, B auf der Oberfläche als ein Bond des Typs M₂B oder MB und als ein Bond des Typs M₂₃(C, B)₆ deponiert ist und diese Boride leitende Einschlüsse sind, die einen leitenden Pfad auf der Oberfläche des Separators bilden.
[Beispiel]
Im Folgenden wird die Wirksamkeit der vorliegenden Erfindung anhand eines Beispiels der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben.
A. Separator-Herstellung
<Beispiel>
Eine rostfreie Austenit-Stahlplatte, die jeweils die in Tabelle 5 angegebenen Bestandteile und in ihrem Restbereich Fe und unvermeidbare Verunreinigungen enthält, wurde in eine quadratische Form mit 100 mm Breite und 100 mm Länge geschnitten, um dadurch einen Rohling für einen Separator zu erhalten. Dann wurde Leitungswasser, das man mit 33,3 Gew.-% von zwei Arten von Aluminiumoxidpartikeln mit einem Partikeldurchmesser von 60 μm bzw. 180 μm bei einem Gewichtsverhältnis von 1 zu 1 als Schleifpartikel gemischt und auf einer Temperatur von 30°C gehalten hat, aus einer Sprühdüse mit einem Sprühdruck von 1 kg/cm² für 30 Sekunden auf beide Seiten des Rohlings gesprüht, wodurch unter Anwendung der Nassstrahlmethode das Schleifen der Mutterphase und das Herausarbeiten der leitenden Einschlüsse implementiert wurde. Anschließend wurde der Rohling gespült und nach dem Austrocknen mit einem Pressdruck von 50 Tonnen gepresst, und man erhielt einen Separator gemäß dem Beispiel. [Tabelle 5]

C Si Mn P S Al N Cu

0,073 0,28 0,13 0,015 0,001 0,08 0,03 0,11

Ni Cr Mo B

10,1 20,9 2,03 0,60

(Gewichtsprozent)
<Vergleichsbeispiel>
Als nächstes wurde Leitungswasser, das mit 33,3 Gew.-% von Aluminiumoxidpartikeln mit einem Partikeldurchmesser von 180 μm als Schleifpartikel gemischt und auf einer Temperatur von 30°C gehalten wurde, aus einer Sprühdüse mit einem Sprühdruck von 1 kg/cm² für 30 Sekunden auf beide Seiten eines dem in dem Beispiel verwendeten Separator-Rohling ähnlichen Separator-Rohlings gesprüht, wodurch das Schleifen mittels der Nassstrahlmethode implementiert wurde. Danach wurde der Rohling gespült und nach dem Austrocknen mit einem Pressdruck von 50 Tonnen gepresst, und man erhielt einen Separator gemäß dem Beispiel. Anschließend hat man Leitungswasser, das mit 33,3 Gew.-% von Aluminiumoxidpartikeln mit einem Partikeldurchmesser von 60 μm als Schleifpartikel gemischt und auf einer Temperatur von 30°C gehalten wurde, aus einer Sprühdüse mit einem Sprühdruck von 1 kg/cm² für 30 Sekunden auf die Seiten des Separator-Rohlings gesprüht, wodurch die Herausarbeitung der leitenden Einschlüsse unter Anwendung der Nassstrahlmethode implementiert wurde. Danach wurde der Rohling gespült und nach dem Austrocknen mit einem Pressdruck von 50 Tonnen gepresst, und man erhielt einen Separator gemäß dem Vergleichsbeispiel.
B. Verschlechterung der Energieerzeugungsspannung mit Alterung
Unter Verwendung der Separatoren des Beispiels der vorliegenden Erfindung und des Vergleichsbeispiels, die man auf die vorstehend beschriebene Weise erhalten hat, wurden Brennstoffzelleneinheiten hergestellt, wobei in jeder derselben die Separatoren an die Seiten einer Membranelektrodenanordnung (MEA) geschichtet wurden, und die Einheiten wurden für die Stromerzeugung aktiviert, und es wurden Verschlechterungen der Stromerzeugungsspannung bei zunehmender Stromdichte des erzeugten Stroms gemessen. Die Ergebnisse der Messung sind in 10 gezeigt.
Wie aus 10 deutlich wird, war die Verschlechterung der Stromerzeugungsspannung bei zunehmender Stromdichte des erzeugten Stroms bei der Brennstoffzelleneinheit mit den Separatoren des Beispiels der vorliegenden Erfindung, das durch die Implementierung der Schritte des Schleifens einer durch die Oberflächenwalzung angegriffenen Schicht und des gleichzeitigen Herausarbeitens der leitenden Einschlüsse hergestellt wurde, extrem gering im Vergleich zu der Brennstoffzelleneinheit mit den Separatoren des Vergleichsbeispiels, das hergestellt wurde, indem man die Schritte des Schleifens einer durch die Oberflächenwalzung angegriffenen Schicht und des Herausarbeitens der leitenden Einschlüsse aufeinanderfolgend durchgeführt hat.
Als nächstes wird ein weiterer metallischer Separator erläutert. Eine rostfreie Austenit-Stahlplatte mit leitenden Einschlüssen wird als Material für einen Separator beschafft. Das heißt, es wird eine rostfreie Austenit-Stahlplatte verwendet, die jeweils die in Tabelle 2 angegebenen Bestandteile und in ihrem Restbereich Fe, B und unvermeidbare Verunreinigungen enthält und bei der Cr, Mo und B die vorstehend genannte Formel (1) erfüllen, B als ein Bond des Typs M₂B oder MB und als ein Bond des Typs M₂₃(C, B)₆ auf der Oberfläche deponiert ist und diese Boride leitende Einschlüsse sind, die einen leitenden Pfad auf der Oberfläche des Separators bilden.
[Beispiel]
Im Folgenden wird die Wirksamkeit der vorliegenden Erfindung anhand eines Beispiels der vorliegenden Erfindung im Detail erläutert.
A. Separator-Herstellung
<Beispiel>
Eine rostfreie Austenit-Stahlplatte, die jeweils die in Tabelle 6 angegebenen Bestandteile sowie Fe und unvermeidbare Verunreinigungen in ihrem Restbereich enthält und eine Dicke von 0,2 mm aufweist, wurde zu einem quadratischen Separator einer Breite von 100 mm und einer Länge von 100 mm zugeschnitten, um dadurch einen Separator-Rohling herzustellen. Danach wurden 5 Gew.-% Salpetersäure, die mit 33,3 Gew.-% von Aluminiumoxidpartikeln mit einem Partikeldurchmesser von 60 μm als Schleifpartikel gemischt und auf einer Temperatur von 50°C gehalten wurde, bei einem Strahldruck von 1 kg/cm² für 30 Sekunden auf beide Oberflächen des Rohlings gestrahlt, so dass dadurch unter Anwendung des Nassstrahlprozesses das Schleifen und die Passivierungsbehandlung durchgeführt wurden. Nach dem Spülen und Trocknen des Rohlings wurde dieser mit einem Pressdruck von 50 Tonnen gepresst, um dadurch einen Separator eines Beispiels des vorliegenden Erfindung zu schaffen. [Tabelle 6]

C Si Mn P S Al N Cu

0,073 0,28 0,13 0,015 0,001 0,08 0,03 0,11

Ni Cr Mo B

10,1 20,9 2,03 0,60

(Gewichtsprozent)
<Vergleichsbeispiel>
Leitungswasser, das mit 33,5 Gew.-% von Aluminiumoxidpartikeln mit einem Partikeldurchmesser von 60 μm als Schleifpartikel gemischt und auf 30°C gehalten wurde, wurde bei einem Strahldruck von 1 kg/cm² für 30 Sekunden auf beide Oberflächen des gleichen Rohlings wie bei obigem Beispiel aufgebracht, wodurch das Schleifen unter Anwendung des Nassstrahlprozesses durchgeführt wurde. Als nächstes wurde der Rohling für 3 Minuten in 5 Gew.-% von auf 50°C gehaltener Salpetersäure getaucht und dadurch einer Passivierungsbehandlung unterzogen. Nach anschließendem Spülen und Trocknen wurde der Rohling mit einem Pressdruck von 50 Tonnen gepresst, um dadurch einen Separator eines Vergleichsbeispiels zu erhalten.
B. Verschlechterung der Energieerzeugungsspannung mit der Zeit
Es wurden Brennzoffzelleneinheiten hergestellt, wofür jeweils Separatoren des Beispiels der vorliegenden Erfindung und des Vergleichsbeispiels verwendet wurden, die man in der oben beschriebenen Weise hergestellt hat und bei denen die Separatoren an beide Seiten einer Membranelektrodenanordnung (MEA) geschichtet sind, und die Einheiten wurden aktiviert, um Strom zu erzeugen, wobei man bei einem Strom von 0,5 A/cm² für jedes Beispiel mit fortschreitender Stromerzeugungszeit eine Verschlechterung der Energieerzeugungsspannung gemessen hat. Die Ergebnisse der Messung sind in 11 gezeigt.
Wie aus 11 deutlich wird, hat sich bei einer Brennstoffzelleneinheit mit den Separatoren des Beispiels der vorliegenden Erfindung, bei welchem kein natürlicher Oxidfilm, sondern ein Film in einem passiven Zustand auf den Oberflächen des Separators gebildet wurde und das hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit überlegen ist, die Stromerzeugungsspannung extrem wenig verschlechtert, selbst wenn über einen langen Zeitraum hinweg Strom erzeugt wurde. Im Gegensatz dazu wurde bei einer Brennstoffzelleneinheit mit Separatoren des Vergleichsbeispiels, bei welchem ein Film in einem passiven Zustand über einen natürlichen Oxidfilm auf den Oberflächen des Separators gebildet wurde, festgestellt, dass sich die Stromerzeugungsspannung mit fortschreitender Stromerzeugungszeit reduziert hat.
Daher wird erfindungsgemäß, wie vorstehend beschrieben, bei einem metallischen Separator einer Brennstoffzelle, dem durch Pressen ein Querschnitt in Form von alternierenden Erhebungen und Vertiefungen verliehen wird, der Kontaktbereich an der Oberfläche des Erhebungsbereichs vergrößert, indem die Oberfläche des Erhebungsbereichs, die mit der Membranelektrodenanordnung in Kontakt gebracht wird, nach dem Pressen entfernt/abgetragen wird, um so die abgeflachte Oberfläche zu bilden. Deshalb lässt sich der gewünschte Flächendruck sicherstellen, wodurch der Kontaktwiderstand relativ zur Membranelektrodenanordnung reduziert und als Ergebnis der Vorteil einer verbesserten Energieerzeugungsleistung erreicht wird.
Wie vorstehend beschrieben wurde, können die anormalen Schichten, die beim Walzen des metallischen Materials auf dessen Oberflächen gebildet werden, entfernt werden, indem die Oberflächen des metallischen Materials nach dem Walzen des Materials um 2% oder mehr der Dicke des metallischen Materials abgetragen werden, und die dadurch entstehen Oberflächen sind gut, und es können die leitenden Einschlüsse aus denselben hervortreten. Dadurch schafft man den Vorteil, dass der Kontaktwiderstand relativ zu der Gesamtheit der Membranelektrodenanordnung unter Erreichen einer Verbesserung der Energieerzeugungsleistung reduziert wird.
Da, wie vorstehend beschrieben, das Schleifen der durch die Oberflächenwalzung angegriffenen Schicht eines Basismetalls und das Herausarbeiten der leitenden Einschlüsse gleichzeitig durchgeführt werden können, indem die einzigartige Nassstrahlmethode angewandt wird, nach welcher der Rohling nach dem Walzen mit der zwei oder mehr Arten von Schleifmitteln mit unterschiedlichen Partikeldurchmessern enthaltenden Flüssigkeit beaufschlagt wird, lässt sich die Bildung eines natürlichen Oxidfilms auf der Oberfläche des Basismetalls verhindern, wodurch der Effekt einer überlegenen Verbesserung der Leitfähigkeit erreicht wird und wodurch eine Brennstoffzelle, die die auf diese Weise hergestellten Separatoren verwendet, eine überlegene Stromerzeugungsspannung zeigen kann.
Indem wie vorstehend beschrieben der einzigartige Nassstrahlprozess angewandt wird, bei dem der Separator mit der mit Schleifmitteln versetzten Passivierungsbehandlungsflüssigkeit beaufschlagt wird, können die durch die Oberflächenwalzung angegriffenen Schichten des Separators, um sie zu entfernen/abzutragen, geschliffen werden, wodurch eine Freilegung der leitenden Einschlüsse durch die in dieser Weise aufgestrahlten Schleifmittel möglich ist, und gleichzeitig damit können die neu gebildeten Oberflächen des Separators, die das Ergebnis des Schleifens sind, der Passivierungsbehandlung durch Beaufschlagung des Separators mit der Passivierungsbehandlungsflüssigkeit unterzogen werden.
Ein metallischer Separator gemäß einer ersten Ausführungsform wird gebildet durch Erhalten eines Rohlings durch Walzen eines metallischen Materials mit leitenden Einschlüssen und durch Entfernen/Abtragen einer Oberfläche des Rohlings um 2% der Rohlingsdicke oder mehr. Ein metallischer Separator gemäß einer zweiten Ausführungsform wird gebildet durch Pressen einer metallischen Platte in einer solchen Weise, dass deren Querschnitt alternierend Erhebungen und Vertiefungen aufweist, und durch Entfernen/Abtragen von Teilen der Erhebungsbereiche, um abgeflachte Oberflächen zu schaffen. Ein metallischer Separator mit leitenden Einschlüssen in seiner Metalltextur gemäß einer dritten Ausführungsform wird gebildet durch die Strahlbeaufschlagung eines Rohlings mit einer Flüssigkeit, die zwei oder mehr Arten von Schleifmitteln mit unterschiedlichen Partikeldurchmessern enthält, nachdem der Rohling gewalzt wurde. Ein metallischer Separator mit leitenden Einschlüssen in seiner Metalltextur gemäß einer vierten Ausführungsform wird gebildet durch die Strahlbeaufschlagung des Separators mit einer Passivierungsbehandlungsflüssigkeit, die mit Schleifmitteln versetzt ist.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines metallischen Separators einer Brennstoffzelle, umfassend: Formen einer metallischen Platte, die in einem Querschnitt alternierend Erhebungsbereiche (10) in Trapezform mit leicht schräg verlaufenden Seiten und mit abgerundeten Eckbereichen, welche die beiden schräg verlaufenden Seiten verbinden, und Vertiefungen hat, durch Pressen; Entfernen/Abtragen eines Teils (11) jedes der Erhebungsbereiche (10) in einer solchen Weise, dass jeder der Erhebungsbereiche eine abgeflachte Oberfläche aufweist; und Entfernen/Abtragen der durch Pressen entstandenen abgerundeten Eckbereiche.
Verfahren zur Herstellung eines metallischen Separators einer Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei ein Betrag der Oberflächenabtragung der Erhebungsbereiche (10) 3 μm bis 50 μm ist.