DE112006002064T5

DE112006002064T5 - Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE112006002064T5
Application number: DE112006002064T
Authority: DE
Inventors: Noboru Fujioka Kanba; Yoshihisa Fujioka Suda
Original assignee: Mitsubishi Pencil Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Pencil Co Ltd
Priority date: 2005-08-05
Filing date: 2006-08-07
Publication date: 2008-07-03
Anticipated expiration: 2026-08-08
Also published as: DE112006002064B4; CA2618287A1; US20100099000A1; US7740971B2; KR100892187B1; CN101233640A; CN101233640B; CA2618287C; JP4148984B2; JPWO2007018185A1; WO2007018185A1; KR20080033294A; TWI373876B; TW200721583A

Abstract

Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle, geformt aus mindestens einem Kohlenstoffmaterial, bei der eine hydrophile funktionelle Gruppe gebildet und auf einem Oberflächenteil der Trennvorrichtung durch eine Laserbestrahlungsbehandlung erhöht ist, und ein unebener Teil mit einer mittleren Oberflächenrauheit Ra von weniger als 50 μm gebildet ist.

Description

Technisches Gebiet
Vorliegende Erfindung betrifft eine Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle, die für polymere Elektrolytbrennstoffzellen und dergl. geeignet ist, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung, insbesondere eine Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle, welche bezüglich der Zelleneigenschaften durch Regulierung der Befeuchtungseigenschaft verbessert ist, sowie ein Herstellungsverfahren für dieselbe.
Stand der Technik
Es ist in hohem Maße zu erwarten, dass eine Brennstoffzelle eine Energiequelle der nächsten Generation ist, welche sauber ist und eine hohe Wirksamkeit der Energieerzeugung zeigen kann, und insbesondere in jüngeren Jahren zieht eine polymere Elektrolytbrennstoffzelle aufgrund der Vorteile die Aufmerksamkeit auf sich, dass eine hohe Abgabeenergie erhalten wird, und dass der Betriebstemperaturbereich verhältnismäßig nieder ist.
Die obige polymere Elektrolytbrennstoffzelle besteht üblicherweise aus einem Schacht (stack) in den eine Einheitszelle laminiert ist, umfassend eine polymere Elektrolytmembran, die eine Ionenaustauschmembran umfasst, zwei Elektroden, welche an beiden Seiten der polymeren Elektrolytmembran vorgesehen sind, und eine hierin vorgesehene Trennvorrichtung mit Gas zuführenden Nuten für die Zufuhr eines Brennstoffgases wie Wasserstoff oder eines oxidierenden Ga ses wie Sauerstoff zu den jeweiligen Elektroden sowie zwei Energiekollektoren, die an der Außenseite des Schachtes bereitgestellt sind.
In der obigen Brennstoffzelle kann eine hohe Abgabeenergie erzeugt werden, obgleich die Betriebstemperatur so gering wie 80°–100°C ist, da eine polymere Elektrolytmembran mit einer hohen Leistung an dem Elektrolytteil benutzt wird.
Für die Trennvorrichtung der obigen polymeren Elektrolytbrennstoffzelle ist eine hohe Gasundurchlässigkeit erforderlich, um ein Brennstoffgas und ein oxydierendes Gas den Elektroden in einem völlig getrennten Zustand zuzuführen. Auch ist der Innenwiderstand der Zelle zu verringern, um die Wirksamkeit der Energieerzeugung zu erhöhen, weshalb die Trennvorrichtung eine hohe elektrische Leitfähigkeit besitzen muss. Ferner muss sie eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit, chemische Beständigkeit, mechanische Festigkeit und hydrophile Eigenschaft besitzen, um eine Langzeit-Haltbarkeit und eine hohe Wärmeleitfähigkeit zur wirksamen Freigabe von Wärme zu gewährleisten, die erzeugt wird, wenn die Zellenreaktion verläuft, um die Temperaturverteilung in der Zelle gleichmäßig zu machen.
Unter den zuvor erwähnten erforderlichen Eigenschaften ist die Leistung der Ermöglichung einer schnellen Austragung von bei der Energieerzeugung gebildetem Wasser, d. h., das Vorliegen einer hydrophilen Eigenschaft in der Trennvorrichtung, eine der wichtigsten erforderlichen Eigenschaften. Als Verfahren zur Erhöhung der hydrophilen Eigenschaft einer Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle sind insoweit viele Verfahren bekannt, beispielsweise (1) eine Brennstoffzelle für eine polymere Elektrolytbrennstoffzelle, welche hergestellt wird, Indem man leitfähigen Kohlenstoff mit einer hydrophilen funktionellen Gruppe auf mindestens einem Teil einer Oberfläche und ein Bindemittel einem Formen durch Pressen oder einem Heißformen durch Pressen unterzieht, und bei dem Unregelmäßigkeiten von durchschnittlich 50 μm oder mehr und 1 mm oder weniger auf einer Oberfläche eines Gasdurchgangs durch eine Sandstrahlbehandlung bereitgestellt werden (vgl. z. B. das nachfolgend genannte Patentdokument (1), (2) eine Hydrophilizitätsbehandlung einer Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle, die dadurch gekennzeichnet ist, dass man die Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle einer atmosphärischen Plasmaentladungsbehandlung unterzieht (vgl. z. B. das Patentdokument (2) und (3) eine Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle, welche durch Formen einer Zusammensetzung hergestellt wird, welche ein wärmehärtbares Harz, künstlichen Graphit mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 20–70 μm und ein inneres Formtrennmittel umfasst, und das mit einer mittleren Oberflächenrauheit Ra von 1,0–5,0 μm versehen ist, erhalten nach einem Oberflächenbehandlungsverfahren, wie einem Sandstrahlverfahren und dergl. (vgl. z. B. Patentdokument (3)).
Jedoch bringen die Trennvorrichtungen für eine Brennstoffzelle, bei denen unebene Teile durch eine Sandstrahlbearbeitung, eine atmosphärische Plasmaentladungsbehandlung und die Sandstrahlbehandlung, welche in den nachfolgend genannten Patentdokumenten (1) bis (3) oben beschrieben sind, das Problem mit sich, dass andere als die unebenen Teile, da diese auf der Oberfläche des Gasdurchgangs gebildet werden, abgedeckt werden müssen, so dass die Oberflächenbehandlungsstufe kompliziert wird, und ferner das Problem, dass die unebenen Teile nicht genau gebildet werden, so dass die Ausbeute verringert wird. Ferner ist hierin das Problem involviert, dass die hydrophile Leistung im Verlauf der Zeit bei den obigen Oberflächenbehandlungen noch verringert wird.
Ferner werden bei der Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle, die im Patentdokument (1) beschrieben ist, die Kohlenstoffteilchen einer Behandlung unterzogen, um sie mit einer hydrophilen funktionellen Gruppe zu versehen und sodann zusammen mit einem Bindemittel einer Formung durch Pressen oder einer Heißformung durch Pressen unterzogen, und nach dem Formen wird eine Behandlung durchgeführt, bei der die unebenen Teile auf der Oberfläche des Gasdurchgangs gebildet werden, so dass die Probleme entstehen, dass die Produktionswirksamkeit gering ist, und dass eine Streuung der Leistung verursacht wird.
Bei der im Patentdokument (2) beschriebenen Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle, bei der die Plasmabehandlung durchgeführt wird, sind im wesentlichen verschiedene Behandlungsphasen erforderlich, und ferner gibt es die Beschränkung, dass die Behandlung in einer Atmosphäre durchzuführen ist, in der das Gas durch ein Inertgas unter dem Gesichtspunkt der Sicherheit verdünnt ist.
Ferner wird das angeregte Gas geblasen und mit der Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle in Berührung gebracht, um die Behandlung durchzuführen, weshalb das Problem auftritt, dass es schwierig ist, eine partielle Bearbeitung zur Bildung komplizierter und feiner Nutenmuster durchzuführen. Ferner besteht das Problem, dass die Befeuchtungseigenschaft im Verlauf einer langen Zeit in trockenem Zustand verringert wird. Ferner wird die im Patentdokument (3) beschriebene Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle durch Formen einer Zusammensetzung hergestellt, welche ein wärmehärtbares Harz, einen künstlichen Graphit mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 20–70 μm und ein inneres Formtrennmittel umfasst; deshalb tritt das Problem auf, dass das zugegebene innere Formtrennmittel im Verlauf der Zeit ausblutet, und ferner das Problem, dass die Befeuchtungseigenschaft infolge der mit dem Harz und dem Formtrennmittel vermischten Zusammensetzung nicht befriedigend ist, und dass die Befeuchtungseigenschaft im Verlauf der Zeit verringert wird.
Andererseits sind als Verfahren, bei dem eine Laserbehandlung zur Herstellung einer Brennstoffzelle benutzt wird, beispielsweise ein Herstellungsverfahren für eine Brennstoffzelle bekannt, bei dem ein MEA von einer polymeren Elektrolytmembran und einer Brennstoffelektrode sowie einer Luftelektrode gebildet wird, jeweils bereitgestellt an beiden Seiten der Elektrolytmembran, und in der zwischen beiden Seiten der MEA Trennvorrichtungen eingeschoben sind, um einen einzigen Zellenschacht zu laminieren, wobei die Trennvorrichtung integral aus einem Gemisch von Graphitteilchen und einem Harz zur Bereitstellung eines Gasdurchgangs an der Oberfläche geformt ist, wonach eine auf der Trennvorrichtung gebildete Hautschicht durch Carbonisieren der einen großen Harzgehalt aufweisenden Hautschicht durch Laserbestrahlung entfernt wird (vgl. z. B. Patentdokument (4)). Ferner ist ein Herstellungsverfahren einer Elektrolytmembran für eine Brennstoffzelle bekannt, umfassend (a) eine Stufe der Bildung eines Substrats aus einem Wasserstoff durchlässigen Metall und (b) eine Stufe zur Bildung einer keramischen Schicht mit Protonenleitfähigkeit auf der Oberfläche des zuvor beschriebenen Substrats, wobei in der obigen Stufe (b) die zum Kristallisieren eines amorphen Materials, welches die zuvor beschriebene keramische Schicht bildet, erforderliche Kristallisationsenergie lokal auf dem amorphen Material durch Laserbestrahlung zugeführt wird (vgl. z. B. Patentdokument (5)).
Jedoch wird bei dem im zuvor erwähnten Patentdokument (4) beschriebenen Verfahren der Nutenteil abgedeckt, und die Oberfläche der Trennvorrichtung mit einem großen Harzgehalt anders als der Nutenteil wird carbonisiert, um den elektrischen Berührungswiderstand zu verringern. Es wird überhaupt nicht erkannt, den Nutenteil durch Laserbestrahlung einer Hydrophilisierungsbehandlung zu unterziehen, und das obige Verfahren ist von vorliegender Erfindung in der Zielsetzung und dem technischen Konzept (Konstitution und Handlungswirkung) völlig verschieden. Ferner ist eine Dosis der Laserbestrahlung zur Durchführung der obigen Carbonisierung zu groß, um durch die betreffende Dosis eine Hydrophilisierung zu erreichen. Ferner ist das im zuvor erwähnten Patentdokument (5) beschriebene Verfahren ein Herstellungsverfahren einer Elektrolytmembran für eine Brennstoffzelle und es wird überhaupt nicht wahrgenommen, durch eine Laserbestrahlung eine Hydrophilisierung durchzuführen, so dass das obige Verfahren von vorliegender Erfindung in der Zielsetzung und dem technischen Konzept (Konstitution und Handlungswirkung) völlig verschieden ist.

Patentdokument (1): Offen gelegte Japanische Patentanmeldung Nr. 283873/2001 (Patentansprüche, Beispiele und dergl.);
Patentdokument (2): offen gelegte Japanische Patentanmeldung Nr. 25570/2002 (Patentansprüche, Beispiele und dergl.);
Patendokument (3): offen gelegte Japanische Patentanmeldung Nr. 197222/2005 (Patentansprüche, Beispiele und dergl.);
Patentdokument (4): offen gelegte Japanische Patentanmeldung Nr. 335121/2004 (Patentansprüche, Beispiele und dergl.);
Patentdokument (5): offen gelegte Japanische Patentanmeldung Nr. 5088/2005 (Patentansprüche Beispiele und dergl.).

Offenbarung der Erfindung
Durch die Erfindung zu lösende Probleme
Angesichts der zuvor beschriebenen herkömmlichen und ähnlicher Probleme wurde vorliegende Erfindung gemacht, um diese zu lösen, und ein Ziel derselben ist, die Bereitstellung einer Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle, welche ungeachtet des Zeitablaufs eine hervorragende hydrophile Eigenschaft besitzt, ohne eine spezielle Vorbehandlung durchzuführen, und die die Eigenschaften der Zelle verbessern kann, sowie ein Herstellungsverfahren für dieselbe.
Mittel zur Lösung der Probleme
Wiederholte intensive Untersuchungen der zuvor beschriebenen herkömmlichen Probleme durch vorliegende Erfinder führten zur Entdeckung, dass eine Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle, welche das zuvor beschriebene Ziel erfüllt, und ein Herstellungsverfahren für dieselbe erhalten werden, indem man auf einem Oberflächenteil einer Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle, geformt aus zumindest einem Kohlenstoffmaterial, eine hydrophile funktionelle Gruppe bildet, indem man sie einer speziellen Behandlung unterzieht und einen unebenen Teil bildet, in dem die mittlere Oberflächenrauheit Ra weniger als ein spezieller Wert ist, womit vorliegende Erfindung ihren Abschluss fand. Das heißt, vorliegende Erfindung umfasst nachfolgende Punkte (1) bis (8):

(1) Eine Trennvorrichtung für eine aus mindestens einem Kohlenstoffmaterial geformte Brennstoffzelle, in der eine hydrophile funktionelle Gruppe gebildet und auf einem Oberflächenteil der Trennvorrichtung durch eine Laserstrahlenbehandlung erhöht wird, und ein unebener Teil mit einer mittleren Oberflächenrauheit Ra von weniger als 50 μm gebildet wird.
(2) Die im obigen Abschnitt (1) beschriebene Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle, bei der ein mit einem Laser an der Oberfläche der Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle behandelter Teil mindestens ein Teil oder ein ganzer Teil der Oberfläche des Strömungsdurchgangs ist.
(3) Die Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle, beschrieben in den vorhergehenden Abschnitten (1) oder (2), bei der die Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle irgendeinen Formkörper eines Verbunds eines wärmehärtbaren Harzes oder thermoplastischen Harzes und Kohlenstoff, einen expandierten Graphitformkörper, einen glasartigen Kohlenstoffformkörper und einen Formkörper aus einem Verbund eines glasartigen Kohlenstoffs und Graphits umfasst.
(4) Die Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle, beschrieben in einem der obigen Abschnitte (1) bis (3), bei der die Laserbestrahlungsbehandlung in einer mindestens Sauerstoff enthaltenden Gasatmosphäre durchgeführt wird.
(5) Die Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle, beschrieben in einem der obigen Abschnitte (1) bis (3), bei der die hydrophile funktionelle Gruppe mindestens eine Gruppe -OH, -COOH und >C=O ist.
(6) Die Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle, wie in einem der obigen Abschnitte (1) bis (5) beschrieben, bei der der unebene Teil eine mittlere Oberflächenrauheit Ra von weniger als 30 μm besitzt.
(7) Die Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle, wie in einem der obigen Abschnitte (1) bis (6) beschrieben, bei der die Oberfläche der Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle, behandelt durch eine Laserbestrahlung, eine kontinuierliche und glatte gekrümmte Oberfläche umfasst.
(8) Ein Herstellungsverfahren einer Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle, umfassend: Die Bildung und Erhöhung einer hydrophilen, funktionellen Gruppe auf einem Oberflächenteil einer Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle, geformt aus mindestens einem Kohlenstoffmaterial durch Unterziehen der Oberfläche der Trennvorrichtung einer Laserbestrahlungsbehandlung und Bildung eines unebenen Teils mit einer mittleren Oberflächenrauheit Ra von weniger als 50 μm.

Die bei vorliegender Erfindung vorgeschriebene „mittlere Oberflächenrauheit Ra" ist ein nach einem in JIS B0601-1994 vorgeschriebenen Verfahren gemessener Wert.
Unter der bei vorliegender Erfindung vorgeschriebenen „kontinuierlichen und glatten gekrümmten Oberfläche" ist ein Zustand zu verstehen, in dem ein Material dessen Oberfläche geschmolzen und durch Durchführung einer Laserbehandlung verflüssigt und als solches verfestigt ist, und eine derartige verfestigte Oberfläche ist kontinuierlich und glatt über das gesamte Teil ausgebreitet. Dies wird unter einem Elektronenmikroskop bei einer 10.000fachen Vergrößerung klar beobachtet. In einem Stadium vor der Laserbehandlung verharrt die Oberfläche in einem diskontinuierlichen Zustand infolge eines Niednagels (agnail) und einer Grat (burr), welche teilweise auf der Oberfläche bei einer Stufe der Formgebung oder des Kalzinierens gebildet werden, klare Abgrenzungen und Mängel, hervorgebracht durch Ränder eines Füllstoffmaterials wie Graphit. Ferner wird der diskontinuierliche Oberflächenzustand diskontinuierlicher durch eine Plasmabehandlung und Oxidationsbehandlung.
Wirkungen der Erfindung
Gemäß vorliegender Erfindung wird eine Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle bereitgestellt, welche ohne Durchführung einer speziellen Vorbehandlung mit einer hervorragenden hydrophilen Eigenschaft versehen ist und die die Eigenschaften der Zelle steigert.
Gemäß vorliegender Erfindung wird ein Herstellungsverfahren einer Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt, das der Herstellung einer Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle fähig ist, die mit einer hervorragenden hydrophilen Eigenschaft versehen ist, ohne Durchführung einer speziellen Vorbehandlung, und das kostengünstig und für eine Massenproduktion geeignet ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt ein Beispiel für vorliegende Erfindung und ist eine erklärende Strichzeichnung, welche ein Beispiel für einen Zustand zeigt, indem ein vorgeschriebener Oberflächenteil (Strömungsdurchgangsoberfläche) der Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle einer Laserbestrahlungsbehandlung unterzogen ist.
2 zeigt ein Beispiel für vorliegende Erfindung und ist eine vergrößerte Querschnitts-Strichzeichnung, die einen Zustand zeigt, indem eine hydrophile funktionelle Gruppe und ein unebener Teil mit einer mittleren Oberflächenrauheit Ra von weniger als 50 μm auf einem vorgeschriebenen Oberflächenteil (Strömungsdurchgangsoberfläche) der Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle gebildet sind.
3 ist eine Elektronenmikroskopaufnahme der Trennvorrichtungsoberfläche (Strömungsdurchgangsoberfläche) der vorliegenden Erfindung, nachdem sie der Laserbestrahlungsbehandlung unterzogen wurde.
4 ist eine Elektronenmikroskopaufnahme, die ein Beispiel für die Trennvorrichtungsoberfläche (Strömungsdurchgangsoberfläche) zeigt, welche eine diskontinuierliche behandelte Oberfläche ist.
5 ist eine Elektronenmikroskopaufnahme, die ein unterschiedliches Beispiel für die Trennvorrichtungsoberfläche (Strömungsdurchgangsoberfläche) zeigt, welche eine diskontinuierliche behandelte Oberfläche ist.
6 ist eine Elektronenmikroskopaufnahme, welche ein weiteres unterschiedliches Beispiel für die Trennvorrichtungsoberfläche (Strömungsdurchgangsoberfläche) zeigt, die eine diskontinuierliche behandelte Oberfläche ist.
7 ist eine vergrößerte, perspektivische Strichzeichnung, die ein Beispiel für eine Brennstoffzelle zeigt, bei der die Trennvorrichtung gemäß vorliegender Erfindung für eine Brennstoffzelle montiert ist.
8 ist ein Diagramm, das ein Beispiel zeigt, indem eine hydrophile funktionelle Gruppe bewertet wird.
9 ist ein Diagramm, das ein anderes Beispiel zeigt, indem eine hydrophile funktionelle Gruppe bewertet wird.

A: Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle
10: Trennvorrichtung
11: Strömungsdurchgangsoberfläche (Nutenteil)
17: unebener Teil
20: Laservorrichtung

Beste Art und Weise der Durchführung der Erfindung
Die Ausführungsformen vorliegender Erfindung werden im folgenden in Einzelheiten erklärt.
Die Trennvorrichtung gemäß vorliegender Erfindung für eine Brennstoffzelle ist eine Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle, gegossen aus mindestens einem Kohlenstoffmaterial, bei der eine hydrophile funktionelle Gruppe gebildet und an einem Oberflächenteil der Trennvorrichtung durch eine Laserbestrahlungsbehandlung erhöht wird, und ein unebener Teil mit einer mittleren Oberflächenrauheit Ra von weniger als 50 μm gebildet wird.
Das Herstellungsverfahren einer Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle gemäß vorliegender Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es umfasst:
Das Bilden und Erhöhen einer hydrophilen funktionellen Gruppe auf einem Oberflächenteil einer Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle, geformt aus mindestens einem Kohlenstoffmaterial durch Unterziehen der Oberfläche einer Laserbestrahlungsbehandlung, und
Bilden eines ungleichmäßigen Teils mit einer mittleren Oberflächenrauheit Ra von weniger als 50 μm.
Der Begriff „vorliegende Erfindung", auf den in den folgenden Beschreibungen Bezug genommen wird, umfasst sowohl die Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle als auch das Herstellungsverfahren für dieselbe.
Bei vorliegender Erfindung werden das Verfahren zur Herstellung einer Zusammensetzung mit einem Gehalt an dem Kohlenstoffmaterial, das Formgebungsverfahren, die Form und die Struktur nicht speziell beschränkt, so lange die Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle, bevor sie der Laserbestrahlungsbehandlung unterzogen wird, eine Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle, geformt aus mindestens einem Kohlenstoffmaterial, ist und sie beispielsweise eine Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle, hergestellt durch Bildung eines Nutenteils umfasst, der ein vorgeschriebener Strömungsdurchgang aus mindestens einem Kohlenstoffmaterial ist, unter Verwendung einer Form und durch anschließendes Bilden einer vorgeschriebenen Struktur durch eine Kalzinierungsbehandlung, eine Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle, hergestellt durch Formen eines Nutenteils, welcher eine vorgeschriebene Strömungsdurchgangsoberfläche aus mindestens einem Kohlenstoffmaterial und einem wärmehärtbaren Harz oder einem thermoplastischen Harz ist, unter Verwendung einer Form, und eine Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle, hergestellt durch Bildung eines Nutenteils, der eine vorgeschriebene Strömungsdurchgangsoberfläche aus mindestens einem wärmehärtbaren Harz unter Verwendung einer Form ist, und anschließendes Bilden einer vorgeschriebenen Struktur durch eine Kalzinierungsbehandlung.
Für die Trennvorrichtung benutzte Ausgangsmaterialen umfassen zusätzlich zum Kohlenstoffmaterial ein wärmehärtbares Harz, ein thermoplastisches Harz und ein gemischtes Material derselben sowie jeweilige Additive zur Formung von Trennvorrichtungen, wie z. B. ein Härtungsbeschleuniger, Weichmacher, ein Lösungsmittel und dergleichen.
Das Kohlenstoffmaterial, das benutzt werden kann, ist nicht besonders beschränkt und umfasst beispielsweise glasartigen Kohlenstoff, isotrope Kohlenstoffmaterialien, Graphitpulver (einschl. hoch ausgerichteter pyrolytischer Graphit (HOPG), Garschaumgraphit (kish graphite), natürlicher Graphit, künstlicher Graphit, Fulleren und Ruß), Kohlenstofffasern (einschl. dampfgewachsene Kohlenstofffasern, PAN-Kohlenstofffasern und Graphitkohlenstofffasern), Kohlenstoffnanoröhren, expandierte Graphitfolien und dergleichen. Die obigen Kohlenstoffmaterialien werden in geeigneter Weise gemäß dem erforderlichen elektrischen Leitfähigkeitswert und dergl. ausgewählt, und sie können allein oder in einem Gemisch von zwei oder mehreren Arten benutzt werden. Insbesondere werden Kohlenstoffmaterialien mit einer hohen leitfähigkeitsverbessernden Wirkung bevorzugt.
Das Bindemittel oder das wärmehärtbare Harz, die zum Binden des Kohlenstoffmaterials benutzt werden, umfasst beispielsweise Phenolharze, Polyimidharze, Furanharze, Epoxyharze, Xylenharze, ungesättigte Polyesterharze, Melaminharze, Alkydharze, COPNA-Harze und dergl., und die Harze, welche dreidimensional durch Bildung intermolekularer Vernetzung unter Erwärmen dreidimensional gehärtet sind, und die ohne Durchführung einer speziellen Behandlung zur Herstellung eines Kohlenstoffvorläufers eine hohe Ausbeute an Kohlenstoffrest zeigen.
Das thermoplastische Harz umfasst z. B. Vinylchlorid-Vinylacetat-Copolymere, Polyvinylchlorid, Polyacrylnitril, Polyvinylalkohol, Polyamid und dergleichen.
Bei vorliegender Erfindung wird in Anbetracht der Gasundurchlässigkeit, elektrischen Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Korrosionsbeständigkeit, chemischen Beständigkeit, mechanischen Beständigkeit und dergl., die für die Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle erforderlich sind, verschiedene Arten der jeweiligen, zuvor beschriebenen Ausgangsmaterialien vorzugsweise ausgewählt, um ein Gemisch (eine Zusammensetzung zu verwenden, die geeignete Mischungsmengen umfasst. Es umfasst z. B. ein Gemisch, das das Kohlenstoffmaterial, Bindemittel und den Härtungsbeschleuniger umfasst, ein Gemisch, das das Kohlenstoffmaterial und das wärmehärtbare Harz umfasst, sowie ein Gemisch, das das Kohlenstoffmaterial, das thermoplastische Harz und den Weichmacher umfasst.
Das zuvor erhaltene Gemisch wird in einer Menge eingefüllt, die für eine Form eines Nutenmusters geeignet ist, das eine Strömungsdurchgangsoberfläche ist und geformt (Formungsstufe). Die Gestalt (V-Form, konkave Form und dergl. im Querschnitt), Tiefe, Breite und das Muster der Nut in der Form werden nicht besonders beschränkt, und sie werden auf die geeignete Gestalt, Tiefe, Breite und das Muster der Nut gemäß der Art, den Verwendungen und der Struktur der Brennstoffzelle in geeigneter Weise eingestellt. Beispielsweise wird, wenn man die Trennvorrichtung durch eine Kalzinierungsbehandlung herstellt, die mit dem zuvor beschriebenen Gemisch gefüllte, Form auf 70°–150°C erwärmt, um eine Verfestigungsbehandlung (Trocknungsstufe) durchzuführen, und die erhaltene Platte wird der Form entnommen. Ferner wird sie durch eine Wärmebehandlung unter nicht-oxidativer Atmosphäre kalziniert (Kalzinierungsbehandlung), wodurch die Trennvorrichtung mit einer vorgeschriebenen Struktur erhalten wird.
Eine Kalzinierung unter nicht-oxidativer Atmosphäre wird unter mindestens einer Inertgasatmosphäre aus Stickstoffgas, Argongas oder dergl. und Vakuum durchgeführt, d. h., unter jeder einzelnen Atmosphäre oder bei zwei oder drei Stufen der jeweiligen Atmosphären, wodurch das Bindemittel und dergl. carbonisiert werden, zur Herstellung der Trennvorrichtung mit einer vorgeschriebenen Struktur. Eine minimale Bearbeitungsbehandlung, wie z. B. die Bearbeitung eines Umfangteils zur Positionierung für die Laminierung eines Schachts, eine Perforierungsbearbeitung und Nutenbearbeitung in Teilen, welche an Vorder- und Rückseiten verschieden sind, für eine Endfertigung können ebenfalls erforderlicherweise nach dem zuvor beschriebenen Formen und Kalzinieren (der Formungs- und Kalzinierungsstufe) durchgeführt werden.
Bei vorliegender Erfindung wird in der wie zuvor beschrieben geformten Trennvorrichtung aus dem zum Beispiel mindestens Kohlenstoffmaterial die Trennvorrichtung, die irgendeinen Formkörper eines Verbunds aus einem wärmehartbaren Harz oder einem thermoplastischen Harz und Kohlenstoff (Material) umfasst, einem expandierten Graphitformkörper, einem glasartigen Kohlenstoffform körper und einem Formkörper eines Verbunds von glasartigem Kohlenstoff und Graphit eine hydrophile funktionelle Gruppe gebildet und auf einem vorgeschriebenen Oberflächenteil, der zu hydrophilisieren ist, erhöht beispielsweise auf einem Oberflächenteil, der eine Strömungsdurchgangsoberfläche ist, durch eine Laserbestrahlungsbehandlung, und es wird ein unebener Teil mit einer Oberflächenrauheit Ra von weniger als 50 μm gebildet.
Die angewandte Laserbestrahlungsbehandlung ist nicht besonders beschränkt, so lange sie eine Laserbestrahlung ist, welche eine hydrophile funktionelle Gruppe auf einem vorgeschriebenen Oberflächenteil der Trennvorrichtung bilden und erhöhen kann, beispielsweise auf mindestens einem Teil oder einem ganzen Teil der Strömungsdurchgangsoberfläche und der den unebenen Teil mit einer Oberflächenrauheit Ra von weniger als 50 μm bilden kann. Sie umfasst einen YAG-Laser, einen Kohlendioxidgas-Laser, einen Excimer-Laser, einen Argon-Laser, einen Rubin-Laser, einen Glas-Laser und dergleichen. Unter den Gesichtspunkten der Schwingungswellenlänge und der allgemeinen Verwendung wird der YAG-Laser bevorzugt.
Die Laserbestrahlungsbehandlung bei vorliegender Erfindung wird vorzugsweise bei Raumtemperatur (25°C) unter Luftatmosphäre oder Gasatmosphäre mit einem Gehalt an mindestens Sauerstoff unter den Gesichtspunkten einer wirksamen Bildung und Erhöhung mindestens einer hydrophilen funktionellen Gruppe, ausgewählt aus -OH, -COOH, >C=O und dergl. auf einem vorgeschriebenen Oberflächenteil der Trennvorrichtung, durchgeführt, beispielsweise auf mindestens einem Teil oder einem ganzen Teil der Strömungsdurchgangsoberfläche und der wirtschaftlichen Wirksamkeit. Ferner kann sie auch bei Raumtemperatur oder höheren Temperatur in einem befeuchteten Zustand durchgeführt werden.
Die Laserbestrahlungsbehandlung bildet und erhöht, wie zuvor beschrieben, bei vorliegender Erfindung die hydrophile funktionelle Gruppe auf dem vorgeschriebenen Oberflächenteil der Trennvorrichtung und bildet zusätzlich den unebenen Teil mit einer mittleren Oberflächenrauheit Ra von weniger als 50 μm. Der unebene Teil mit einer mittleren Oberflächenrauheit Ra von vorzugsweise weniger als 30 μm, bevorzugter 0,01–10 μm, und besonders bevorzugt 0,2–7 μm, wird vorzugsweise gebildet.
Ferner weist der unebene, durch die Laserbestrahlungsbehandlung bei vorliegender Erfindung gebildete unebene Teil vorzugsweise eine mittlere Oberflächenrauheit Ra von weniger als 50 μm auf, wie zuvor beschrieben, und umfasst vorzugsweise eine kontinuierliche und glatte gekrümmte Oberfläche.
Wenn der obige unebene Teil eine mittlere Oberflächenrauheit Ra aufweist, die 50 μm überschreitet, wird im Fall einer Maschine geringer Größe, wie z. B. einer DMFC der Nachteil bewirkt, dass die Abgabeenergie fluktuiert und instabil wird, da die Abmessungsgenauigkeit wichtig ist. Ferner leidet ein Brennstoff, der durch den Strömungsdurchgang fließt, unter einem Strömungswiderstand, weshalb dieser nicht bevorzugt wird. Wenn der unebene Teil eine mittlere Oberflächenrauheit Ra von weniger als 1 μm besitzt, ist der Grad der Hydrophilizität gering, und die Zielfunktion der Hydrophilizität kann nicht im Zeitverlauf in einem bestimmten Fall gezeigt werden.
Bei vorliegender Erfindung werden die Laserbestrahlungsbedingungen nicht besonders begrenzt, so lange die Dosis ausreichend ist, um die hydrophile funktionelle Gruppe auf dem vorgeschriebenen Oberflächenteil der Trennvorrichtung zu bilden und zu erhöhen, beispielsweise auf mindestens einen Teil oder dem ganzen Teil der Strömungsdurchgangsoberfläche und um den unebenen Teil mit einer mittleren Oberflächenrauheit Ra von weniger als 50 μm zu bilden, und sie werden je nach Art des Ausgangsmaterials der Trennvorrichtung und deren Größe und Form verändert. Bei Verwendung eines YAG-Lasers wird eine gewisse Bedingungsregulierung durchgeführt, wie z. B. eine Steuerung der Abgabe zwischen 3–15 W, eine Steuerung der Laserabtastungsgeschwindigkeit, eine Steuerung der Laserimpulsdauer, eine Steuerung des Laserfleckdurchmessers oder der Energiedichte (etwa 10³–10⁶ W/cm²) durch einen Brennpunktabstand, eine Steuerung des Laserbestrahlungsmusters und dergl., wodurch die anvisierte hydrophile funktionelle Gruppe gebildet und erhöht werden kann, und der unebene Teil mit einer mittleren Oberflächenrauheit Ra von weniger als 50 μm gebildet werden kann. Ferner macht eine geeignete Kombination der jeweiligen, zuvor beschriebe nen Bedingungsregulierung es möglich, die kontinuierliche und glatte gekrümmte Oberfläche zu bilden. Wie bei der Steuerung der Abgabe zwischen 3–15 W, die zuvor beschrieben wurde, obgleich je nach den Vorschriften und den Bestrahlungsbedingungen des Lasers verschieden, macht es die Abgabeenergie von weniger als 3 W schwierig, die hydrophile funktionelle Gruppe zu bilden und zu erhöhen oder verlängert die für die Behandlung erforderliche Zeit, und die hydrophile funktionelle Gruppe kann in einem bestimmten Fall nicht mit dem Zeitablauf festgelegt werden. Andererseits, wenn die Bestrahlung durch eine Abgabeenergie, die 15 W überschreitet durchgeführt wird, die Dosis zu groß, um zu einem tiefen Einschneiden des bestrahlten Teils zu führen, weshalb es unmöglich wird, die anvisierte hydrophile funktionelle Gruppe zu bilden und zu erhöhen und den unebenen Teil zu bilden. Ferner wird das Problem einer Abmessungsgenauigkeit der Trennvorrichtungsoberfläche oder der Strömungsdurchgangsoberfläche hervorgerufen, und die Leistung der Brennstoffzelle wird instabil.
1 ist eine erklärende Strichzeichnung, welche ein Beispiel für einen Zustand zeigt, bei dem ein vorgeschriebener Oberflächenteil (Strömungsdurchgangsoberfläche) der Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle einer Laserbestrahlungsbehandlung unterzogen ist.
2 ist eine vergrößerte Querschnittsstrichzeichnung, welche einen Zustand zeigt, bei dem eine hydrophile funktionelle Gruppe (-OH, -COOH, >C=O und dergl.) gebildet und erhöht ist und bei der ein unebener Teil mit einer mittleren Oberflächenrauheit Ra von weniger als 50 μm auf einem vorgeschriebenen Oberflächenteil (Strömungsdurchgangsoberfläche) der Trennvorrichtung gebildet ist.
3 ist eine Elektronenmikroskopabbildung (S4700, Vergrößerung: 10.000fach, hergestellt von Hitachi, Ltd.; im folgenden gilt das gleiche) einer kontinuierlichen und glatten gekrümmten Oberfläche im Teil der Bezugszahl 12 (Strömungsdurchgangsoberfläche), gezeigt in 2.
4 bis 6 sind Elektronenmikroskopaufnahmen, die einen diskontinuierlichen Zustand zeigen, bei dem die Trennvorrichtungsoberfläche keine kontinuierliche und glatte gekrümmte Oberfläche infolge einer Nichtbehandlung und Oxida tionsbehandlung annimmt, während 5 einen diskontinuierlicheren Oberflächenzustand als in 4 zeigt.
Bei vorliegender Erfindung wird, wie in 1 gezeigt, ein vorgeschriebener Oberflächenteil (Strömungsdurchgangsoberfläche) 11 der Trennvorrichtung 10 für eine Brennstoffzelle, geformt aus mindestens einem Kohlenstoffmaterial, einer Strahlungsbehandlung durch eine YAG-Laservorrichtung 20 unterzogen, wodurch eine Bildung und Erhöhung der hydrophilen funktionellen Gruppe (-OH, -COOH, >C=O und dergl.) und die Bildung des unebenen Teils 12 mit einer mittleren Rauheit Ra von weniger als 50 μm zu einer Zeit auf dem obigen Oberflächenteil 11 in einer Stufe durchgeführt werden kann. Demgemäß ist ihre Produktionseffizienz besser als bei der Bildung des unebenen Teils durch eine Sandstrahlbearbeitung, eine atmosphärische Plasmaentladungsverarbeitung und Granalienglasverarbeitung (shot blast processing) bei einer herkömmlichen Abdeckungsbehandlung, und die Behandlung kann leicht in kürzerer Zeit durchgeführt werden.
Die erhaltene Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle ist mit einer hervorragenden hydrophilen Eigenschaft versehen, ungeachtet des Zeitablaufs, ohne dass sie einer speziellen Vorbehandlung unterzogen wird und kann die elektrische Eigenschaft der Zelle erhöhen.
Der Strömungsdurchgangswiderstand der erfindungsgemäßen Trennvorrichtung wird auf einem niederen Niveau gesteuert, weshalb es möglich wird, bei der Elektrodenreaktion der Zelle gebildetes Wasser leicht zu entfernen und eine Fluktuation der Eigenschaften der Brennstoffzelle zu hemmen. Bei einer polymeren Elektrolytbrennstoffzelle A, hergestellt unter Verwendung der z. B. in 7 gezeigten obigen Trennvorrichtung, im speziellen einer Brennstoffzelle A, bei der das MEA durch eine polymere Elektrolytmembran (eine protonenleitfähige Membran) 30 oder eine Brennstoffelektrode 33 sowie eine Luftelektrode 34 gebildet ist, von denen jede auf beiden Seiten der Elektrolytmembran bereitgestellt ist und Katalysatorschichten 31, 32 aufweist, und in zwischen beiden Seiten der MEA die Trennvorrichtungen 10, 10 gemäß vorliegender Erfindung eingeschoben sind, um einen einzigen Zellenschacht zu laminieren, wird die Trennvorrichtung 10 für eine Brennstoffzelle mit zuvor beschriebenen hervorragenden Wirkungen verwendet, weshalb eine Brennstoffzelle erhalten wird, die eine stabile Energieerzeugungswirkung über einen langen Zeitraum hinweg besitzt und die hervorragende Zelleneigenschaft aufweist.
BEISPIELE
Nunmehr wird vorliegende Erfindung in Bezugnahme auf Beispiele und Vergleichsbeispiele in weiteren Einzelheiten erklärt, jedoch ist vorliegende Erfindung nicht auf die im folgenden beschriebenen Beispiele beschränkt.
Beispiele 1 bis 5 und Vergleichsbeispiele 1 bis 7
Die jeweiligen Trennvorrichtungen für eine Brennstoffzelle wurden durch jeweils nachfolgend beschriebene Herstellungsverfahren und Behandlungsverfahren erhalten.
Beispiel 1
1,5 Gewichtsteile p-Toluolsulfonsäure als Härtungsbeschleuniger wurden zu 50 Gewichtsteilen Furanharz (Hitafuran VF-303, hergestellt von Hitachi Chemical Co., Ltd.) und 10 Gewichtsteilen natürlichen Graphitflocken (mittlerer Durchmesser: 5 μm, hergestellt von Nippon Graphite Industries, Ltd.) zugegeben, und diese Bestandteile wurden zur Herstellung eines Gemischs vermischt und bei 3.000 UpM zwei Minuten gerührt. Eine geeignete Menge des Gemischs wurde in eine Form zur Formung einer Platte mit einer Innenabmessung von 59 mm × 59 mm × 1,5 mm gegossen, und die Form wurde auf 100°C erwärmt und einer Verfestigungsbehandlung unterworfen. Sodann wurde die hergestellte Kunstharzplatte der Form entnommen und einer Wärmebehandlung bei 1.500°C in einem Kalzinierungsofen unterworfen, um eine Trennvorrichtung aus Kohlenstoff zu erhalten.
Die derart erhaltene Trennvorrichtung hatte eine Abmessung von 47 mm × 47 mm × 1,2 mm (Breite der Strömungsdurchgangsoberfläche: 1 mm, und Tiefe derselben: 0,5 mm). Die durch das Verfahren der Wärmebehandlung erhaltene Trennvorrichtung wurde ebenfalls im Beispiel 2 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 7, die jeweils weiter unten beschrieben sind, benutzt.
Die Strömungsdurchgangsoberfläche der derart erhaltenen Trennvorrichtung wurde einer Laserbehandlung bei Raumtemperatur in einer Luftatmosphäre unter den Bedingungen einer Abgabeenergie von 12 W und einer Impulsdauer von 50 Mikrosekunden mittels einer YAG-Laservorrichtung zur Bildung einer hydrophilen funktionellen Gruppe und eines unebenen Teils unterzogen.
Beispiel 2
Die Strömungsdurchgangsoberfläche der nach dem gleichen, zuvor im Beispiel 1 beschriebenen Verfahren hergestellten Trennvorrichtung wurde einer Laserbestrahlungsbehandlung bei Raumtemperatur in einer Luftatmosphäre unter den Bedingungen einer Abgabeenergie von 10 W und einer kontinuierlichen Abtastung mittels einer YAG-Laservorrichtung unterzogen, um eine hydrophile funktionelle Gruppe und einen unebenen Teil zu bilden.
Beispiel 3
1,5 Gewichtsteile p-Toluolsulfonsäure als Härtungsbeschleuniger wurden zu 100 Gewichtsteilen Furanharz (Hitafuran VF-303, hergestellt von Hitachi Chemical Co., Ltd.) zugegeben, und diese Bestandteile wurden vermischt und zur Herstellung eines Gemischs gerührt. Das Gemisch wurde in eine vorgeschriebene Form gegossen, und die Form wurde auf 100°C erwärmt und einer Verfestigungsbehandlung unterzogen. Sodann wurde die hergestellte Kunstharzplatte der Form entnommen und einer Wärmebehandlung von 1.500°C in einem Kalzinierungsofen unterworfen, um eine Trennvorrichtung aus Kohlenstoff zu erhalten. Die derart erhaltene Trennvorrichtung hatte eine Abmessung von 47 mm × 47 mm × 1,2 mm (Breite der Strömungsdurchgangsoberfläche: 1 mm, und Tiefe derselben: 0,5 mm).
Die Strömungsdurchgangsoberfläche der erhaltenen Trennvorrichtung wurde einer Laserbehandlung bei Raumtemperatur in einer Luftatmosphäre unter den Bedingungen einer Abgabeenergie von 12 W und einer Impulsdauer von 50 μSek. mittels einer YAG-Laservorrichtung zur Bildung einer hydrophilen funktionellen Gruppe und eines unebenen Teils unterzogen.
Beispiel 4
50 Gewichtsteile natürliche Graphitflocken (mittlerer Durchmesser: 5 μm, hergestellt von Nippon Graphite Industries, Ltd.) wurden 10 Gewichtsteile eines gemischten Kunstharzes aus dem Furanharz (Hitafuran VF-303, hergestellt von Hitachi Chemical Co., Ltd.) und 10 Gewichtsteile Polyvinylchlorid-Polyvinylacetat-Copolymer (ZEST-C150S, hergestellt von Shin-Dai-Ichi Vinyl Corporation) zugegeben, und ferner wurde das obige Gemisch mit 20 Gewichtsteilen Diallylphthalat als Weichmacher versetzt. Das erhaltene Gemisch wurde vermischt und mittels eines Henschel-Mischers dispergiert und ausreichend mittels zwei Walzen geknetet, um eine Zusammensetzung für eine Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle herzustellen. Ferner wurde es zerkleinert und gesiebt, um ein Pulver zu erhalten.
Das derart erhaltene Pulver wurde durch Pressen geformt, indem man eine Form mit einem vorgeschriebenen Nutenmuster benutzte, wonach der Formkörper getrocknet und bei einer Temperatur von 300°C in einer Sauerstoffgas enthaltenden Atmosphäre getrocknet und verfestigt sowie einer Wärmebehandlung bei 1.500°C in einer Inertgasatmosphäre unterzogen wurde, um eine Trennvorrichtung aus Kohlenstoff zu erhalten.
Die so erhaltene Trennvorrichtung hatte eine Abmessung von 47 mm × 47 mm × 1,2 mm (Breite der Strömungsdurchgangsoberfläche: 1 mm, und Tiefe derselben 0,5 mm.
Die Strömungsdurchgangsoberfläche der erhaltenen Trennvorrichtung wurde bei Raumtemperatur einer Laserbehandlung in einer Luftatmosphäre unter den Bedingungen einer Abgabeenergie von 12 W und einer Impulsdauer von 50 μSek. mittels einer YAG-Laservorrichtung unterworfen, um eine hydrophile funktionelle Gruppe und einen unebenen Teil zu bilden.
Beispiel 5
25 Gewichtsteile Phenolharz (PL4805N, hergestellt von Gunei Chemical Industry Co., Ltd.) und 75 Gewichtsteile natürliche Graphitflocken (mittlerer Durchmesser: 5 μm, hergestellt von Nippon Graphite Industries, Ltd.) wurden mit einem Henschel-Mischer zur Herstellung einer Zusammensetzung für eine Trennvorrichtung einer Brennstoffzelle vermischt.
Die so erhaltene Zusammensetzung wurde unter Verwendung einer vorgeschriebenen Form durch Pressen geformt, um eine Trennvorrichtung eines Verbunds aus Kunstharz/Graphit zu erhalten.
Die so erhaltene Trennvorrichtung hatte eine Abmessung von 47 mm × 47 mm × 1,2 mm (Breite der Strömungsdurchgangsoberfläche: 1 mm, und Tiefe derselben: 0,5 mm).
Die Strömungsdurchgangsoberfläche der erhaltenen Brennvorrichtung wurde bei Raumtemperatur einer Laserbehandlung in einer Luftatmosphäre unter den Bedingungen einer Abgabeenergie von 8 W und einer Impulsdauer von 50 μSek. mittels einer YAG-Laservorrichtung zur Bildung einer hydrophilen funktionellen Gruppe und eines unebenen Teils unterzogen.
Vergleichsbeispiel 1
Eine Strömungsdurchgangsoberfläche einer nach dem gleichen Verfahren wie im zuvor beschriebenen Beispiel 1 erhaltenen Trennvorrichtung wurde einer Laserbehandlung bei Raumtemperatur in einer Luftatmosphäre unter den Bedingungen einer Abgabeenergie von 1 W und einem kontinuierlichen Abtasten mittels einer YAG-Laservorrichtung unterworfen.
Vergleichsbeispiel 2
Eine nach dem gleichen, wie im obigen Beispiel 1 beschriebenen Verfahren erhaltene Trennvorrichtung wurde benutzt, um eine Sauerstoff-Plasmabehandlung unter den Bedingungen einer Abgabeenergie von 50 W und einer Bestrahlungszeit von 1 Minuten durchzuführen
Vergleichsbeispiel 3
Eine nach dem gleichen, wie im obigen Beispiel 1 beschriebenen Verfahren erhaltene Trennvorrichtung wurde benutzt, um eine Sauerstoff-Plasmabehandlung unter den Bedingungen einer Abgabeenergie von 300 W und einer Bestrahlungszeit von 30 Minuten durchzuführen.
Vergleichsbeispiel 4
Es wurde eine Trennvorrichtung, erhalten nach dem gleichen wie im obigen Beispiel 1 beschriebenen Verfahren, in einem unbehandelten Zustand benutzt.
Vergleichsbeispiel 5
Eine Trennvorrichtung, erhalten nach dem gleichen, wie im obigen Beispiel 1 beschriebenen Verfahren, wurde einer Sandstrahlbehandlung unterzogen (Teilchendurchmesser des Sandstrahlmittels: 1 μm, Strahldruck: 1 kg).
Vergleichsbeispiel 6
Eine Strömungsdurchgangsoberfläche einer nach dem gleichen wie im vorhergehenden Beispiel 1 beschriebenen Verfahren erhaltene Trennvorrichtung wurde bei Raumtemperatur in einer Luftatmosphäre unter den Bedingungen einer Abgabeenergie von 200 W und einer kontinuierlichen Abtastung mittels einer YAG-Laservorrichtung einer Laserbehandlung unterzogen.
Vergleichsbeispiel 7
Eine Trennvorrichtung, erhalten nach dem gleichen, wie im obigen Beispiel 1 beschriebenen Verfahren, wurde keiner Laserbestrahlungsbehandlung, sondern einer Oxidationsbehandlung in einer Luftatmosphäre unter der Bedingung von 500°C während 20 Minuten unterzogen.
Die jeweiligen Trennvorrichtungen für eine Brennstoffzelle, erhalten in den zuvor beschriebenen Beispielen 1 bis 5 und Vergleichsbeispielen 1 bis 6 wurden zur Bewertung der hydrophilen Eigenschaft (Vorliegen einer hydrophilen funktionellen Gruppe, einer mittleren Rauheit Ra, eines Kontaktwinkels unmittelbar nach der Behandlung sowie hydrophile Eigenschaft im Verlauf der Zeit), indem man nachfolgende jeweilige Bewertungsverfahren durchführte. Die Ergebnisse derselben sind in nachfolgender Tabelle 1 gezeigt.
Bewertungsverfahren für die Anwesenheit einer hydrophilen funktionellen Gruppe:
Eine hydrophile funktionelle Gruppe auf der Oberfläche der Trennvorrichtung wurde unter Zugrundelegung nachfolgender Bewertungskriterien mittels einer Röntgenstrahlenphotoelektronischen, spektroskopischen Analysenvorrichtung (ESCA-3400, hergestellt von Shimadzu Corporation) bewertet.
Bewertungskriterien:

©: Bindungsenergiepeaks von C-O und C=C werden beobachtet, ob sie im Vergleich zum unbehandelten Zustand (Vergleichsbeispiel 4) wachsen; eine Bindung einer Carboxylgruppe (COOH) wird neu gebildet, und das Anwachsen eines Bindungsenergiepeaks von Sauerstoff wird beobachtet.
O: Es wird beobachtet, dass Bindungsenergiepeaks von C-O und C=C im Vergleich zum unbehandelten Zustand (Vergleichsbeispiel 4) wachsen, und das Wachstum eines Bindungsenergiepeaks von Sauerstoff wird beobachtet.
Δ: Eine geringe Veränderung der Bindungsenergie wird beobachtet, jedoch ist sie kaum verschieden.
X: Das Anwachsen eines einer funktionellen Gruppe zuzuschreibenden Peaks wird im Vergleich zum unbehandelten Zustand (Vergleichsbeispiel 4) nicht beobachtet, und ein Peak einer zuvor beschriebenen, Sauerstoff zuzuschreibenden Bindungsenergie wird nicht beobachtet, ebenso wenig wie eine Veränderung.

Die Ergebnisse der durch die photoelektronische, spektroskopische Röntgenstrahlen-Analysenvorrichtung (ESCA) vorgenommenen Bewertungen sind in 8 und 9 veranschaulicht, wobei 8 die Peaks von -C=O, C-O·C=O und C-H und 9 die Peaks von C-O·C=O und C-H zeigen.
Bewertungsverfahren der mittleren Rauheit Ra:
Die mittlere Oberflächenrauheit Ra (μm) wurde bei einer Betriebsgeschwindigkeit von 0,3 mm/Min. mittels eines Messinstruments des mittleren Oberflächenrauheit-Umrisses (roughness contour) Surfcom, hergestellt von Tokyo Seimitsu Co., Ltd. bewertet.
Bewertungsverfahren des Kontaktwinkels:
Der Kontaktwinkel nach der Behandlung wurde bewertet, indem man ein μl eines Tropfens fallen ließ und den Kontaktwinkel mittels eines Kontaktwinkelmessgeräts vom Typ CA-X, hergestellt von Kyowa Interface Science Co., Ltd., maß. Es wird gezeigt, dass je geringer der numerische Wert ist, desto besser die hydrophile Eigenschaft ist.
Bewertungsverfahren der hydrophilen Eigenschaft im Verlauf der Zeit:

Die hydrophile Eigenschaft im Verlauf der Zeit wurde bewertet, indem man den Kontaktwinkel verändert, wobei die Trennvorrichtung unter der Atmosphäre von 25°C und einer Feuchtigkeit von 60% sowie unter der Atmosphäre von 60°C und bei Trockenheit für bestimmte Zeiträume (7 Tage, 2 Monate) lagerte, und der Kontaktwinkel wurde nach dem gleichen, wie oben beschriebenen Verfahren gemessen. Es wird gezeigt, dass je geringer die Veränderung des numerischen Wertes ist, desto besser die hydrophile Eigenschaft im Verlauf der Zeit ist. Tabelle 1

	Beispiel					Vergleichsbeispiel
	1	2	3	4	5	1	2	3	4	5	6	7
Hydrophile funkt. Gruppe	©	©	O	©	©	X	Δ	X	X	X	Δ	Δ
Mittl. Rauheit Ra (μm) Ra	1,1	0,7	2,5	1,3	5,4	0,2	0,2	0,9	0,5	4,1	500	0,9
Kontaktwinkel unmittelb. n. d. Behandlung	0	0	0	0	0	100	20	100	100	65	-	60
Alterung b. 25°C während 7 Tagen	0	0	0	0	0	100	55	100	100	100	-	60
Alterung b. 25°C während 2 Monaten	0	0	0	0	0	100	100	100	100	100	-	80
Alterung b. 60°C während 2 Monaten	0	0	0	0	0	100	100	100	100	100	-	100

Anm. Der Ausdruck „-„ im Vergleichsbeispiel 6 zeigt die Unfähigkeit einer Messung.

Wie aus den in Tabelle 1, oben, zusammengefassten Ergebnissen offensichtlich ist, wurde gefunden, dass die Trennvorrichtungen für eine Brennstoffzelle, bei denen die hydrophilen funktionellen Gruppen in den Beispielen 1 bis 5 gebildet wurden, welche in den Bereich vorliegender Erfindung fallen, und bei denen unebene Teile mit einer mittleren Oberflächenrauheit Ra von weniger als 50 μm gebildet wurden, mit einer hervorragenden hydrophilen Eigenschaft versehen waren, und ungeachtet des Zeitablaufs eine stabile hydrophile Eigenschaft hatten, im Gegensatz zu der im Vergleichsbeispiel 1 hergestellten Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle, zu den Trennvorrichtungen für eine Brennstoffzelle, hergestellt in den Vergleichsbeispielen 2 und 3, welche einer Sauerstoffplasmabehandlung unterzogen wurden, zur Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle, hergestellt im Vergleichsbeispiel 4, welche keiner Behandlung unterzogen wurde, zur Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle, hergestellt im Vergleichsbeispiel 5, welche einer Sandstrahlbehandlung unterzogen wurde, sowie der Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle, hergestellt im Vergleichsbeispiel 7, welche einer Oxidationsbehandlung unterzogen wurde, wobei jede dieser Trennvorrichtungen außerhalb des Bereichs vorliegender Erfindung fällt. Auch war die Dimensionsgenauigkeit im Vergleichsbeispiel 6 schlecht, und die Nuten waren zu tief gebildet. Die Oberflächenrauheit war zu groß, und ein Teil derselben war weggeschnitten. Demgemäß wurde gefunden, dass das obige Verfahren als Bearbeitungsverfahren für eine Trennvorrichtung einer Brennstoffzelle geringer Größe ungeeignet war.
Ferner wurden die Trennvorrichtungen für eine Brennstoffzelle, welche einer Laserbestrahlungsbehandlung in den Beispielen 1 bis 5, welche in den Umfang vorliegender Erfindung fallen, unter einem Elektronenmikroskop (10.000fache Vergrößerung) beobachtet, um zu finden, dass sie kontinuierliche und glatte gekrümmte Oberflächen aufwiesen, wie es bei der 3 der Fall war. Im Gegensatz hierzu wurde gefunden, dass bei den Vergleichsbeispiele 1 und 4 gekrümmte Oberflächen in einem diskontinuierlichen Zustand verharrten, wie es bei 4 der Fall war; in den Vergleichsbeispielen 2 und 5 bis 7 verharrten gekrümmte Oberflächen in einem kontinuierlicheren Zustand, wie es bei 5 der Fall war; und im Vergleichsbeispiel 3 verharrte eine gekrümmte Oberfläche in einem diskontinuierlichen Zustand, wie in 6 gezeigt.
Industrielle Anwendbarkeit
Es werden eine Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle, die für polymere Elektrolytbrennstoffzellen geeignet ist, und ein Herstellungsverfahren für dieselbe bereitgestellt.
Kurze Zusammenfassung der Offenbarung
Zur Bereitstellung einer Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle mit verbesserten Zelleneigenschaften durch Regulieren der Befeuchtungseigenschaft der Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle sowie eines Herstellungsverfahrens für dieselbe wird eine Konstitution angenommen, bei der in einer Trennvorrichtung A für eine Brennstoffzelle, geformt aus mindestens einem Kohlenstoffmaterial, eine hydrophile funktionelle Gruppe auf einem Oberflächenteil der Strömungsdurchgangsoberfläche 11 in der Trennvorrichtung 10 durch eine Bestrahlungsbehandlung mit einer YAG-Laservorrichtung 20 gebildet und vermehrt und bei der ein unebener Teil mit einer mittleren Oberflächenrauheit Ra von weniger als 50 μm gebildet wird.
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 283873/2001 [0012]
- JP 25570/2002 [0012]
- JP 197222/2005 [0012]
- JP 335121/2004 [0012]
- JP 5088/2005 [0012]

Claims

Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle, geformt aus mindestens einem Kohlenstoffmaterial, bei der eine hydrophile funktionelle Gruppe gebildet und auf einem Oberflächenteil der Trennvorrichtung durch eine Laserbestrahlungsbehandlung erhöht ist, und ein unebener Teil mit einer mittleren Oberflächenrauheit Ra von weniger als 50 μm gebildet ist.
Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1, bei der zumindest ein mit einem Laser auf der Oberfläche der Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle behandelter Teil mindestens ein Teil oder ein ganzer Teil einer Strömungsdurchgangsoberfläche ist.
Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle irgendeinen Formkörper eines Verbunds eines wärmehärtbaren Harzes oder thermoplastischen Harzes und Kohlenstoff, ein expandierter Graphit-Formkörper, ein glasartiger Kohlenstoff-Formkörper und ein Formkörper aus einem Verbund von glasartigem Kohlenstoff und Graphit umfasst.
Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Laserbestrahlungsbehandlung in einer Gasatmosphäre, welche mindestens Sauerstoff enthält, durchgeführt wird.
Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die hydrophile funktionelle Gruppe mindestens eine der Gruppen -OH, -COOH und >C=O ist.
Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der der unebene Teil eine mittlere Oberflächenrauheit Ra von weniger als 30 μm besitzt.
Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Oberfläche der Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle, behandelt mit einer Laserbestrahlung, eine kontinuierliche und glatte gekrümmte Oberfläche umfasst.
Verfahren zur Herstellung einer Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle, umfassend: die Bildung und Erhöhung einer hydrophilen, funktionellen Gruppe auf einem Oberflächenteil der Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle, die aus mindestens aus einem Kohlenstoffmaterial geformt ist, indem man die Oberfläche der Trennvorrichtung einer Laserbestrahlungsbehandlung unterzieht und einen unebenen Teil mit einer mittleren Oberflächenrauheim Ra von weniger als 50 μm bildet.