DE112007000680T5 - Edelmetallplattierung von Titankomponenten - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenseparators, der zumindest teilweise mit einem Edelmetall plattiert ist, wobei das Verfahren folgende Schritte beinhaltet:
(a) Bilden von Titankarbid auf zumindest einem Bereich von einer Oberfläche einer Titankomponente aus einem Titan oder einer Titanlegierung zur Verwendung als ein Brennstoffzellenseparator; und
(b) im Anschluss an Schritt (a), Ausführen einer Edelmetallplattierung von zumindest einem Bereich des Titankarbids.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft eine Edelmetallplattierung und insbesondere ein Verfahren für eine Edelmetallplattierung von Komponenten, die aus einem Titan oder einer Titanlegierung gefertigt sind.
  • Technischer Hintergrund
  • Wenn ein zur Verwendung in einer Brennstoffzelle vorgesehener Separator aus einem Material besteht, das in unmodifizierter Form einen hohen Kontaktwiderstand mit den Elektroden der Brennstoffzelle vorweist, ist es in der Praxis üblich gewesen, die Elektrodenkontaktierungsbereiche der Separatoroberfläche einem Goldplattierungsverfahren zu unterziehen.
  • Wenn ein Separator jedoch aus einem Titan oder einer Titanlegierung gebildet ist, gestaltet sich eine direkte elektrolytische Goldplattierung der Oberfläche schwierig. Dies ist in der Tatsache begründet, dass sich auf den Oberflächen eines aus Titan oder einer Titanlegierung gefertigten Separators (der nachstehend allgemein als ein „Titanseparator" bezeichnet wird) eine Schicht aus reaktionsträgem Titanoxid bildet. Die Goldplattierung der Titanseparatoren wird andererseits möglich, wenn zuerst mittels einer Basisplattierung eine Nickelplattierung ausgeführt wird, auf die anschließend eine Goldplattierung folgt. Wenn jedoch in der Plattierung auf der Oberfläche Defekte vorliegen, kann sich bei so hergestellten Separatoren aus diesen Stellen Nickel herauslösen. Aufgrund der umweltschädigenden Wirkung von Nickel besteht Bedarf an einer Technologie, die eine direkte Ausführung des Goldplattierungsvorgangs auf Titan ermöglicht. Zudem ist diese Problematik nicht alleine auf die Goldplattierung beschränkt, sondern ist häufig in Fällen anzutreffen, wo eine Edelmetallplattierung auf aus Titan oder Titanlegierung gefertigten Industriegütern oder Komponenten ausgeführt wird, bei denen ein geringer Kontaktwiderstand mit anderen elektrisch leitfähigen Komponenten erforderlich ist.
  • Im Hinblick darauf, die vorstehenden Probleme wenigstens teilweise in Angriff zu nehmen, ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren für eine Edelmetall-Elektroplattierung von Titanoberflächen zu schaffen.
  • Die Offenbarung der japanischen Patentschrift 2006 111514 ist hierin durch Bezugnahme aufgenommen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Zur Lösung dieser Aufgaben wird in der vorliegenden Erfindung ein Verfahren wie das folgende angewendet, wenn ein Brennstoffzellenseparator hergestellt wird, der zumindest teilweise einer Edelmetallplattierung unterzogen worden ist. Im Speziellen wird zunächst a) ein Titankarbid auf zumindest einem Bereich einer Oberfläche einer aus Titan oder Titanlegierung gefertigten Titankomponente gebildet, die zur Verwendung als Brennstoffzellenseparator vorgesehen ist. Dann wird b) eine Edelmetallplattierung von zumindest einem Bereich des Titankarbids ausgeführt. Gold geht mit Titankarbid eine stärkere Bindung ein als mit einem Titanoxid. Es ist dementsprechend möglich, dass eine Edelmetallplattierung auf Titanoberflächen ausgeführt werden kann.
  • In einer bevorzugten Anwendung wird ein Verfahren wie das folgende während der Entstehung von Titankarbid auf zumindest einem Bereich der Oberfläche der Titankomponente ausgeführt. Im Speziellen wird (a1) eine Titankomponente, die auf einer Oberfläche mit einer kohlenstoffhaltigen Substanz beschichtet ist, zur Verwendung als Titankomponente vorbereitet. Dann wird (a2) die Titankomponente einer ersten Wärmebehandlung bei einer vorgeschriebenen ersten Temperatur unterzogen, die über einer Normaltemperatur liegt. Dementsprechend kann dann das Titankarbid auf zumindest einem Bereich der Oberfläche der Titankomponente gebildet werden.
  • Bei der Titankomponente, die auf der Oberfläche mit der kohlenstoffhaltigen Substanz beschichtet ist, kann es sich um eine Titankomponente handeln, die mit einem in Walzwerken verwendeten Schmiermittel beschichtet ist, das während des Walzens der Titankomponente verwendet wird. In einer derartigen Ausführungsform kann es sich bei der kohlenstoffhaltigen Substanz um das in Walzwerken verwendete Schmiermittel handeln. Dementsprechend kann in dem Fertigungsvorgang der Titankomponente das anhaftende in Walzwerken verwendete Schmiermittel verwendet werden, um das Titankarbid zu bilden. Aus diesem Grund muss für den Zweck des Auftragens einer kohlenstoffhaltigen Substanz, um das Titankarbid zu bilden, kein vom Walzvorgang gesonderten Verfahrensschritt vorgesehen werden.
  • Die erste Temperatur kann vorzugsweise eine Temperatur sein, die innerhalb eines Bereichs zwischen 300 Grad und 700 Grad Celsius liegt. Noch stärker bevorzugt wird, dass die erste Temperatur eine Temperatur ist, die innerhalb eines Bereichs zwischen 450 Grad und 550 Grad Celsius liegt.
  • Es ist zudem zu bevorzugen, dass aufgrund des Schritts (a) das Titankarbid mit einer nichteinheitlichen Dichte auf zumindest dem Bereich der Oberfläche der Titankomponente gebildet wird.
  • Wenn das Titankarbid auf der Oberfläche der Titankomponente gebildet wird, kann dies folgendermaßen geschehen: An einer ersten Stelle, die in zumindest dem Bereich der Oberfläche der Titankomponente beinhaltet ist, wird ein Titankarbid mit einer ersten Dicke gebildet. An einer zweiten Stelle, die in zumindest dem Bereich der Oberfläche der Titankomponente beinhaltet ist und sich von der ersten Stelle unterscheidet, wird cm Titankarbid mit einer zweiten Dicke gebildet, die sich von der ersten Dicke unterscheidet.
  • Bei der Herstellung eines Brennstoffzellenseparators kann vorzugsweise der nachstehende Schritt ausgeführt werden: (c) Die mit einem Edelmetall plattierte Titankomponente wird einer zweiten Wärmebehandlung bei einer zweiten Temperatur unterzogen, die über einer Normaltemperatur liegt. Dementsprechend wird ermöglicht, eine Diffusion von Titanhydriden, die an der Grenzfläche der Edelmetallplattierungsschicht und der Titankomponente vorliegen, in die Titankomponente herbeizuführen. Daraus folgend kann eine stärkere Adhäsion der Edelmetallplattierungsschicht an der Titankomponente erreicht werden.
  • Die zweite Temperatur kann vorzugsweise eine Temperatur sein, die innerhalb eines Bereichs zwischen 220 Grad und 440 Grad Celsius liegt.
  • Die vorliegende Erfindung kann auf viele verschiedene Anwendungsmöglichkeiten begrenzt werden, beispielsweise auf einen Brennstoffzellenseparator; ein Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenseparators; eine Brennstoffzelle, die mit einem Titan-Separator ausgestattet ist; oder ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle.
  • Eine Erläuterung dieser und weiterer Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung erfolgt in der nachstehenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnung
  • 1 ist ein Flussdiagramm, dass einen Fertigungsvorgang eines Separators gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • 2 eine Schnittansicht einer plattenförmigen Komponente zur Verwendung als Separator, die in verschiedenen Stufen des Separator-Fertigungsvorgangs der Ausführungsform gezeigt ist; und
  • 3 einen Graphen, der Ergebnisse von Adhäsionsprüfungen der Plattierungsschichten darstellt, die durch das Verfahren von 1 bei unterschiedlichen Solltemperaturen für die Wärmebehandlung in Schritt S20 erhalten wurden, während die Bedingungen in den anderen Schritten von 1 unverändert beibehalten wurden.
  • Beste Art und Weise zum Ausführen der Erfindung
  • A. Ausführungsform:
  • 1 ist ein Flussdiagramm, das einen Fertigungsvorgang eines Separators gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. 2 ist eine Schnittansicht einer plattenförmigen Komponente zur Verwendung als Separator, die in verschiedenen Stufen des Separator-Fertigungsvorgangs der Ausführungsform dargestellt ist. Während der Fertigung des Separators wird zunächst in Schritt S10 von 1 eine plattenförmige Titankomponente 10 zur Verwendung als Separator, die einer Goldplattierung unterzogen werden soll, vorbereitet. Das Material der plattenförmigen Komponente 10 kann beispielsweise reines Titan der JIS-Klasse 1 sein. Bei dieser plattenförmigen Komponente 10 handelt es sich um eine Komponente in Plattenform, die durch Walzen von Titanmaterial hergestellt wird, und deren Oberflächen mit einem in Walzwerken verwendeten Schmiermittel 20 beschichtet sind (siehe 2(a)). Das in Walzwerken verwendete Schmiermittel wird durch einen ölhaltigen Kohlenstoff bereitgestellt.
  • In einer Umgebung, in der Luft vorhanden ist, werden die Oberflächen der Titankomponente normalerweise durch einen reaktionsträgen Film aus Titanoxid TiO2 bedeckt. In 2 ist der Bereich der plattenförmigen Komponente 10, die aus reinem Titan Ti besteht, durch das Bezugszeichen 11 angezeigt, während die Oxid-(TiO2-)Bereiche auf der Oberfläche durch das Bezugszeichen 12 angezeigt sind.
  • In Schritt S20 von 1 wird die plattenförmige Komponente 10 einem Leitfähigkeitsvorgang unterzogen. Im Speziellen wird die plattenförmige Komponente 10 einer Argonatmosphäre bei 10–2 Torr ausgesetzt und für näherungsweise 30 Sekunden einer Wärmebehandlung bei 400 bis 500 Grad Celsius unterzogen. In diesem Fall wird die Solltemperatur zur Temperaturregelung auf 450 Grad eingestellt. Im Verlauf dieser Wärmebehandlung reagiert der in dem in Walzwerken verwendeten Schmiermittel 20 vorhandene Kohlenstoff mit den Oberflächenbereichen der plattenförmigen Titankomponente 10, wodurch ein Titankarbid Ti-C entsteht. Die Titankarbidbereiche der plattenförmigen Komponente 10 sind durch das Bezugszeichen 30 in 2(b) angezeigt. Das in Walzwerken verwendete Schmiermittel 20, mit dem die Oberflächen der plattenförmigen Komponente 10 beschichtet sind, haftet nicht in streng einheitlichen Mengen und einer streng einheitlichen Dichte an allen Teilen der Komponente. Folglich sind Dichte und Dicke der Titankarbidbereiche 30 von Stelle zu Stelle unterschiedlich. In einigen Bereichen kann noch das reaktionsträge Titanoxid TiO2 vorhanden sein. Das heißt, dass die Oberflächen der plattenförmigen Komponente 10 Bereiche, die reich an Titankarbid Ti-C sind, und Bereiche, die reich an Titanoxid TiO2 sind, beinhalten.
  • Während der Herstellung des Titanseparators wird die plattenförmige Titankomponente vor dem Vorgang von Schritt S20 einem Walzschritt und einem anschließenden Glühschritt unterzogen. Schritt S20 kann in der letzten Stufe diese Glühschritts ausgeführt werden, indem die Temperatur auf zwischen 400 Grad und 500 Grad Celsius angepasst wird. In der realen Praxis handelt es sich bei der Temperatureinstellung zwischen 400 und 500 Grad Celsius in Schritt S20 um eine Temperatur, die niedriger ist als die Temperatur des Glühschritts. In den meisten Fällen wird in einem Dauerglühvorgang zu Beginn ein Spülschritt ausgeführt; ungeachtet des Spülvorgangs verbleibt das in Walzwerken verwendete Schmiermittel auf den Oberflächen der plattenförmigen Titankomponente dennoch in einer Menge zurück, die ausreicht, um in Schritt 20 ein Titankarbid zu bilden.
  • In Schritt S30 bis S70 werden Vorbehandlungsschritte vor dem anschließend ausgeführten elektrolytischen Goldplattierungsvorgang ausgeführt. In Schritt S30 wird die plattenförmige Komponente 10 einem Schwabbel- oder Poliervorgang unterzogen. Bei diesem Schwabbelvorgang wird ein Schleifmaterial verwendet, um das karbonisierte in Walzwerken verwendete Schmiermittel etc., mit dem die Oberflächen der plattenförmigen Komponente 10 beschichtet sind, mechanisch zu entfernen. Falls die Oberflächen rein sind, kann das Verfahren direkt bei dem Vorgang von Schritt S80 fortgesetzt werden, ohne die Schritte S30 bis S70 durchlaufen zu müssen.
  • In Schritt S40 wird die plattenförmige Komponente 10 einer Entfernung der Rückstände des Schwabbelvorgangs unterzogen. In diesem Vorgang zur Entfernung der Rückstände des Schwabbelvorgangs wird das an den Oberflächen der plattenförmigen Komponente 10 haftende Schleifmittel mit einem grenzflächenaktiven Mittel entfernt.
  • In Schritt S50 wird die plattenförmige Komponente 10 einem Tauch-Entfettungsvorgang unterzogen. Im Speziellen wird die plattenförmige Komponente 10 wird in eine alkalische Lösung mit NaOH als Hauptbestandteil eingetaucht. Dabei werden auf der Oberfläche der plattenförmigen Komponente 10 vorhandenen Öle durch eine Verseifungsreaktion beseitigt.
  • In Schritt S60 wird die plattenförmige Komponente 10 einem elektrolytischen Entfettungsvorgang unterzogen. Im Speziellen wird die plattenförmige Komponente 10 einer Elektrolyse unterzogen, während sie in eine alkalische Lösung mit NaOH als Hauptbestandteil eingetaucht wird. Folglich werden die auf der Oberfläche der plattenförmigen Komponente 10 vorhandenen Verunreinigungen neben der Verseifungsreaktion noch durch das durch die Elektrolyse erzeugte Gas angelöst.
  • In Schritt S70 wird die plattenförmige Komponente 10 einer Säureaktivierung unterzogen. Im Speziellen wird die plattenförmige Komponente 10 in eine Fluorwasserstoffsäurelösung eingetaucht. Dabei wird der dünne Rost- oder Rußfilm, der auf den Oberflächen der plattenförmigen Komponente 10 vorhanden ist, entfernt, und die Oberflächen der plattenförmigen Komponente 10 werden teilweise aufgelöst, so dass die Metalloberfläche freigelegt ist. Bei dem Metall, das im Anschluss an Schritt S70 freiliegt, handelt es sich um Titankarbid, Titanhydroxid oder Titanoxid. Das heißt, dass der Titanbereich 11, der unter den Titankarbidbereichen 30 oder den Titanoxidbereichen 12 liegt, nicht freigelegt ist.
  • In Schritt S80 wird die plattenförmige Komponente 10 einer Gold-Elektroplattierung unterzogen. Im Speziellen wird die plattenförmige Komponente 10 als die Kathode in ein schwefelhaltiges Säurebad gelegt, das Gold-Ionen oder Goldkomplex-Ionen enthält, und ein elektrischer Strom durch den Stromkreis geführt, um auf den Oberflächen der plattenförmigen Komponente 10 ein metallisches Gold abzuscheiden. Die Stromdichte beträgt in diesem Fall 0,3 A/dm2, und der Stromfluss findet für etwa 10 Minuten bei 50 Grad Celsius statt. Beim Ausführen des Goldelektroplattierungsvorgangs könnte genauso gut ein Bad auf Zyanidbasis verwendet werden.
  • Die Oberflächen der Titankomponente werden typischerweise mit einem reaktionsträgen Titanoxid TiO2 bedeckt. Dies ist der Grund dafür, warum sich die Ausführung einer Goldplattierung von Titankomponenten schwierig gestaltet. In der vorliegenden Ausführungsform werden die Oberflächen der plattenförmigen Komponente 10 in Schritt S20 mit Titankarbid Ti-C-Bereichen 30 versehen, die eine höhere Leitfähigkeit aufweisen als Titanoxid TiO2. Aus diesem Grund können die Oberflächen der plattenförmigen Komponente 10 in Schritt S80 mit Gold plattiert werden. Zudem geht Gold mit Titankarbid eine stärkere Bindung ein als mit Titanoxid TiO2, das reaktionsträge ist. Folglich ist es gemäß der vorliegenden Ausführungsform auch in dieser Hinsicht möglich, eine Goldplattierung zu erzeugen, die eine höhere Beständigkeit gegenüber einer Abblätterung von der Titankomponente aufweist. Obgleich man außerdem festgestellt hat, dass die vorliegende Erfindung in ihrer Anwendung auf eine Form begrenzt werden kann, die anstelle von Ti-C einen hochleitfähigen Film wie TiN oder TiB aufweist, werden mit Ti-C dennoch bessere Ergebnisse erhalten.
  • Aufgrund der in Schritt S80 ausgeführten Gold-Elektroplattierung wird auf den Oberflächen der plattenförmigen Komponente 10 eine Goldplattierungsschicht 40 gebildet, wie in 2(c) dargestellt ist. Dabei bildet sich eine Schicht 50 aus Titanhydroxiden TiH, TiH2 zwischen der Goldplattierungsschicht 40 und dem Titankarbidbereich 30. Von diesen wird angenommen, dass sie sich aus einem auf den Oberflächen der plattenförmigen Komponente 10 während der Säureaktivierung in Schritt S70 abgeschiedenen Wasserstoff durch eine Reaktion des Wasserstoffs mit dem Titankarbid Ti-C der plattenförmigen Komponente 10 bilden. Dies ist darin begründet, dass, obgleich Au nicht auf eine TiO2-Schicht plattiert werden kann, von der die Ti-C-Schicht vollständig entfernt worden ist, auch die Entstehung einer Schicht aus TiH, TiH2 deutlich beeinträchtigt wird.
  • In Schritt S90 wird die plattenförmige Komponente 10 gespült. Im Speziellen wird die plattenförmige Komponente 10 in heißes Wasser getaucht und einem Ultraschallspülvorgang unterzogen.
  • In Schritt S100 wird die plattenförmige Komponente 10 einer Wärmebehandlung unterzogen. Im Speziellen wird die plattenförmige Komponente 10 für etwa 9 Minuten einer Wärmebehandlung unter einer Argonatmosphäre bei 102 Torr bei zwischen 300 und 350 Grad Celsius unterzogen. Die Solltemperatur beträgt 330 Grad Celsius. Im Verlauf der Wärmebehandlung diffundieren die in der Titanhydroxidschicht 50 vorhandenen Titanhydroxide in die plattenförmige Komponente 10. Aufgrund dessen verschwindet die Schicht 50 aus Titanhydroxiden, wie 2(d) gezeigt ist.
  • Titanhydroxide sind spröde beschaffen. Wenn daher eine Schicht 50 aus Titanhydroxiden TiH, TiH2 zwischen der Goldplattierungsschicht 40 und dem Titankarbidbereich 30 vorhanden ist, neigt die Goldplattierungsschicht 40 zur Abblätterung. In der Ausführungsform werden jedoch die Titanhydroxide, die zwischen der Goldplattierungsschicht 40 und dem Titankarbidbereich 30 vorhanden sind, durch die Wärmebehandlung diffundiert. Somit geht die Goldplattierungsschicht 40 eine starke Bindung mit dem Titankarbid-Bereich 30 ein und ist gegenüber einer Abblätterung von der plattenförmigen Komponente 10 beständig.
  • B. Beispiel:
  • In dem Beispiel wurde eine Goldplattierung auf einer plattenförmigen Titankomponente 10, die als Separator verwendet werden soll, gemäß dem Flussdiagramm von 1 ausgeführt. Dabei wurde eine Behandlung ausgeführt, während der die Solltemperatur der Wärmebehandlung in Schritt S20 variiert wurde, während die Bedingungen in den anderen Schritten unverändert beibehalten wurden. Die Bedingungen waren wie folgt.
    • a) Bei dem Material der plattenförmigen Komponente 10 handelte es sich um Titan der JIS-Klasse 1.
    • b) Der Leitfähigkeitsvorgang zur Erzeugung von Ti-C auf den Oberflächen der plattenförmigen Komponente 10 (siehe Schritt S20 von 1) wurde für etwa 30 Sekunden unter einer Argonatmosphäre bei 10–2 Torr ausgeführt, während die Solltemperatur auf verschiedene Temperaturwerte zwischen 300 und 700 Grad eingestellt wurde.
    • c) Eine elektrolytische Entfettung und eine Tauch-Entfettung (siehe Schritte S50 und S60) wurden in einer alkalischen Lösung mit NaOH als Hauptbestandteil ausgeführt.
    • d) Eine Säureaktivierung (siehe Schritt S70) wurde unter Verwendung einer Fluorwasserstoffsäurelösung ausgeführt.
    • e) Eine Goldplattierung (siehe Schritt S80) wurde in einem Goldkomplex-Ionen enthaltenden Schwefelsäurebad ausgeführt.
    • f) Eine Wärmebehandlung zum Diffundieren der Titanhydroxide (siehe Schritt S100) wurde für etwa 9 Minuten unter einer Argonatmosphäre bei 10–2 Torr ausgeführt, wobei die Solltemperatur auf 330 Grad eingestellt war.
  • 3 ist ein Graph, der die Ergebnisse der Prüfungen der Adhäsion Vs der Plattierungsschichten darstellt, die durch den Vorgang von 1 bei unterschiedlichen Solltemperaturen für die Wärmebehandlung in Schritt S20 erhalten wurden, während die Bedingungen in den anderen Schritten von 1 unverändert beibehalten wurden. Die Prüfungen von 3 wurden unter Verwendung des Klebeband-Abziehverfahrens (Tape Peel Test) gemäß JIS-Standards ausgeführt. Wie aus dem Graphen von 3 hervorgeht, wird die Wärmebehandlung von Schritt S20 zur Bildung des Titankarbids vorzugsweise in einem Bereich zwischen 400 bis 600 Grad Celsius ausgeführt, wobei ein Bereich zwischen 450 und 550 Grad Celsius stärker bevorzugt wird.
  • Ein möglicher Grund für die geringe Adhäsion der Plattierungsschicht, die bei Wärmebehandlungstemperaturen von weniger als 400 Grad Celsius beobachtet wurden, ist folgender. Wenn die Behandlungstemperatur geringer als 400 Grad Celsius ist, wird die Karbonisierung des in Walzwerken verwendeten Schmiermittels (bei dem es sich um eine kohlenstoffhaltige Verbindung handelt) nicht fortgesetzt, und eine Zersetzung des in Walzwerken verwendeten Schmiermittels erfolgt nur erschwert. Man nimmt an, dass das Titankarbid Ti-C aufgrund dessen nicht so ohne Weiteres entstehen kann.
  • Andererseits ist ein möglicher Grund für die geringe Adhäsion der Plattierungsschicht, die bei Wärmebehandlungstemperaturen über 700 Grad Celsius beobachtet wurde, folgender. Man nimmt an, dass sich, wenn die Behandlungstemperatur 700 Grad Celsius überschreitet, ein Großteil des Kohlenstoffbestandteils in dem in Walzwerken verwendeten Schmiermittel in Gase wie Kohlenstoffdioxid umwandelt und aus dem Material ausgetrieben wird, oder in das Material diffundiert, so dass in der Nähe der Oberflächen des Materials kein Kohlenstoffbestandteil zurückbleibt.
  • Vergleichsprüfungen der Goldplattierungsadhäsion wurden jeweils an plattenförmigen Titankomponenten 10 mit nichteinheitlichem Titankarbid, das sich auf deren Oberflächen durch eine Wärmebehandlung in der vorstehenden Weise (siehe 2(b)) gebildet hatte, und an identischen plattenförmigen Titankomponenten ausgeführt, die anstelle einer Wärmebehandlung durch Sputtern mit einer einheitlichen Schicht aus Titankarbid versehen worden waren. Die Prüfungen wurden unter Verwendung des Klebeband-Abziehverfahrens gemäß JIS-Standards ausgeführt. Dabei wurde festgestellt, dass die plattenförmigen Komponenten 10, auf deren Oberflächen sich durch Wärmebehandlung ein nichteinheitliches Titankarbid gebildet hatte, eine stärkere Adhäsion der Goldplattierung aufzeigten als die plattenförmigen Komponenten, die ein durch Sputtern erzeugtes, einheitliches Titankarbid aufwiesen.
  • C. Alternative Ausführungsformen:
  • Die Erfindung ist nicht auf die nachstehend angeführten Ausführungsformen beschränkt, und es können verschiedene Modifizierungen wie die folgenden vorgenommen werden, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen.
  • C1. Alternative Ausführungsform 1:
  • In der vorhergehenden Ausführungsform wird die plattenförmige Komponente 10 einer Goldplattierung unterzogen. Das Material, das zum Plattieren der Oberflächen der Komponenten verwendet wird, ist jedoch nicht auf Gold (Au) beschränkt, es können durchaus auch andere Edelmetalle, wie z. B. Silber (Ag), Platin (Pt), Palladium (Pd), Rhodium (Rh), Iridium (Ir), Ruthenium (Ru) oder Osmium (Os), verwendet werden.
  • C2. Alternative Ausführungsform 2:
  • In der vorhergehenden Ausführungsform bestand die plattenförmige Komponente 10 aus Titan der JIS-Klasse 1. Die für die Goldplattierung verwendete Komponente ist jedoch nicht darauf beschränkt. Im Speziellen könnte Titan der JIS-Klasse 2 oder Klasse 3 als das Material der zur Goldplattierung verwendeten Komponente verwendet werden. Neben reinem Titan, wie es durch den JIS spezifiziert ist, könnten auch Titanlegierungen, die größere Mengen an anderen Metallen enthalten, verwendet werden.
  • C3. Alternative Ausführungsform 3:
  • In der vorhergehenden Ausführungsform wird das Titankarbid durch eine Reaktion von Kohlenstoff, der in dem in Walzwerken verwendeten Schmiermittel vorhanden ist und mit dem die Oberflächen der plattenförmigen Komponente 10 beschichtet sind, mit dem Titan der plattenförmigen Komponente 10 erzeugt. Der Kohlenstoff, der verwendet wird, um das Titankarbid zu bilden, könnte jedoch anderweitig bereitgestellt werden. Zum Beispiel könnte vor der Wärmebehandlung ein geeignetes kohlenstoffhaltiges Material auf die Oberflächen der plattenförmigen Komponente 10 aufgetragen werden.
  • C4. Alternative Ausführungsform 4:
  • In der vorhergehenden Ausführungsform wird während der Entstehung des Titankarbids auf den Oberflächen der plattenförmigen Komponente 10 eine Wärmebehandlung für näherungsweise 30 Sekunden unter einer Argonatmosphäre bei 10–2 Torr bei einer Solltemperatur von 450°C ausgeführt. Es könnten jedoch unterschiedliche Werte für Temperatur, Druck und Wärmdauer während der Bildung des Titankarbids auf den Oberflächen der Titankomponente herangezogen werden. Außerdem kann der Vorgang unter einer Atmosphäre von anderen inerten Gasen, wie z. B. unter einer Heliumatmosphäre, ausgeführt werden. In einer bevorzugten Anwendung beträgt die Heiztemperatur zumindest 300°C und nicht mehr als 700C, vorzugsweise zumindest 400°C und nicht mehr als 600°C. Noch stärker bevorzugt wird eine Heiztemperatur von mindestens 450C und nicht mehr als 550°C.
  • C5. Alternative Ausführungsform 5:
  • In der vorhergehenden Ausführungsform wird der Vorgang zur Bildung von Titankarbid auf den Oberflächen der plattenförmigen Komponente 10 (Schritt S20 von 1) in der letzten Stufe des Glühschritts ausgeführt. Der Schritt zum Bilden von Titankarbid auf den Oberflächen der Titankomponente ist jedoch nicht darauf beschränkt, und kann stattdessen als ein vom Glühschritt unabhängiger Schritt ausgeführt werden.
  • C6. Alternative Ausführungsform 6:
  • In der vorhergehenden Ausführungsform werden die Oberflächen der plattenförmigen Komponente 10 durch Wärmebehandlung mit einem Titankarbidbereich von einer nichteinheitlichen Dicke versehen. Stattdessen könnte das Titankarbid jedoch durch ein anderes Verfahren auf den Oberflächen der Titankomponente gebildet werden. Es besteht zudem die Möglichkeit, die Oberflächen der Titankomponente mit einer Titankarbidschicht von einer im Wesentlichen einheitlichen Dicke zu versehen. Es wird jedoch bevorzugt, das Titankarbid mit einer nichteinheitlichen Dicke auf den Oberflächen der Titankomponente zu bilden. Die Umschreibung „Titankarbid, das mit einer nichteinheitlichen Dicke versehen ist" soll die Fälle umfassen, in denen das Titankarbid in einem gewissen Bereich oder Bereichen der Titankomponentenoberflächen nicht vorhanden ist.
  • C7. Alternative Ausführungsform 7:
  • In der vorhergehenden Ausführungsform wird der Schritt zum Diffundieren von Titanhydriden (Schritt S100 von 1) durch eine Wärmebehandlung für etwa 9 Minuten unter einer Argonatmosphäre bei 10–2 Torr bei einer Solltemperatur von etwa 330°C ausgeführt. Für Temperatur, Druck und Wärmdauer während der Wärmebehandlung können jedoch für den Zweck der Diffundierung von Titanhydriden in die Titankomponente, die einer Goldplattierung unterzogen worden ist, unterschiedliche Werte herangezogen werden. Der Vorgang kann außerdem unter einer Atmosphäre eines anderen inerten Gases ausgeführt werden, wie z. B. unter einer Heliumatmosphäre. In einer bevorzugten Anwendung beträgt die Heiztemperatur jedoch zumindest 300°C und nicht mehr als 400°C, vorzugsweise zumindest 320°C und nicht mehr als 380°C.
  • C8. Alternative Ausführungsform 8:
  • In noch einer weiteren Ausführungsform wird eine Brennstoffzelle unter Verwendung eines durch das Verfahren der vorhergehenden Ausführungsform gefertigten Separators hergestellt. Diese Brennstoffzelle beinhaltet eine Membranelektrodenanordnung zum Erzeugen einer Leistung durch eine elektrochemische Reaktion von gasförmigen Reaktionspartnern, und den vorstehend erwähnten Separator. Die Membranelektrodenanordnung beinhaltet eine Elektrolytmembran und Elektroden, die auf jeder Seite der Elektrolytmembran angeordnet sind. Die Separatoren sind jeweils an der Seite der Elektroden angeordnet, die von der Elektrolytmembran abgewandt ist, und sind so angeordnet, dass die goldplattierten Bereiche die Elektroden kontaktieren.
  • Da in einer solchen Brennstoffzelle die Separatoren aus Titan gefertigt sind, erleiden diese keine Korrosion, wodurch sie über einen längeren Zeitraum eine gleichbleibende Leistung erbringen können. Da die goldplattierten Bereiche der Separatoren außerdem die Elektroden kontaktieren, besteht zwischen Separator und Elektrode ein minimaler Kontaktwiderstand. Folglich ist die Leistungserzeugungseffizienz im Vergleich zu dem Fall höher, wo die Separator-/Elektroden-Kontaktbereiche keine Goldplattierung aufweisen. Ferner weist die Goldplattierungsschicht eine Beständigkeit gegenüber einem Abblättern von der Titankomponente auf, da die Goldplattierungsschicht und die Titankomponente über das Titankarbid in dem Separator in Kontakt sind.
  • Obgleich die vorliegende Erfindung vorstehend unter Bezugnahme auf bestimmte beispielhafte bevorzugte Ausführungsformen beschrieben worden ist, soll die Erfindung damit nicht auf die spezifischen Ausführungsformen oder Ausführungen, die hierin beschrieben wurden, beschränkt werden. Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung umfasst verschiedene Modifizierungen und konstruktive Entsprechungen. Obgleich die verschiedenen Elemente der Erfindung, die hierin gelehrt wird, in verschiedenen Kombinationen und Ausführungen offenbart sind, sind diese nur veranschaulichend, und es können mehr oder weniger Elemente umfasst sein. So wäre ein einzelnes Element durchaus genauso denkbar. Solche Ausführungsformen würden ebenso als vom Schutzbereich umfasst gelten.
  • Industrielle Anwendbarkeit
  • Die Erfindung kann in Brennstoffzellen, Brennstoffzellensystemen, Motoren, die durch Brennstoffzellen angetrieben werden, und Fahrzeuge mit einer Leistungsversorgung, die eine Brennstoffzelle verwendet, implementiert werden.
  • Zusammenfassung
  • Edelmetallplattierung von Titankomponenten
  • Die vorliegende Erfindung schafft eine Technologie für eine Edelmetallplattierung von Titanoberflächen. Ein Vorgang wie der folgende würde ausgeführt werden, wenn beispielsweise ein teilweise goldplattierter Separator für eine Brennstoffzelle hergestellt werden würde. Zunächst wird eine aus einem Titan oder einer Titanlegierung gefertigte Titankomponente zur Verwendung als der Brennstoffzellenseparator vorbereitet (S10). Bei dieser Titankomponente handelt es sich um eine Titankomponente, deren Oberflächen mit einer kohlenstoffhaltigen Substanz beschichtet sind. Diese Titankomponente wird dann einer ersten Wärmebehandlung bei einer vorgeschriebenen ersten Temperatur zwischen 300 und 700 Grad Celsius unterzogen (S20). Dann wird die Goldplattierung der Oberflächen der wärmebehandelten Titankomponente ausgeführt (S80). Auf diese Weise wird ein einfacheres Ausführen einer elektrolytischen Goldplattierung von Titanoberflächen ermöglicht.
  • 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 2006111514 [0005]

Claims (9)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenseparators, der zumindest teilweise mit einem Edelmetall plattiert ist, wobei das Verfahren folgende Schritte beinhaltet: (a) Bilden von Titankarbid auf zumindest einem Bereich von einer Oberfläche einer Titankomponente aus einem Titan oder einer Titanlegierung zur Verwendung als ein Brennstoffzellenseparator; und (b) im Anschluss an Schritt (a), Ausführen einer Edelmetallplattierung von zumindest einem Bereich des Titankarbids.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt (a) folgende Schritte beinhaltet: (a1) Vorbereiten, als die Titankomponente, einer Titankomponente, die auf einer Oberfläche mit einer kohlenstoffhaltigen Substanz beschichtet ist; und (a2) Unterziehen der Titankomponente einer ersten Wärmebehandlung bei einer vorgeschriebenen ersten Temperatur, die über einer Normaltemperatur liegt.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei es sich bei der Titankomponente, die auf der Oberfläche mit der kohlenstoffhaltigen Substanz beschichtet ist, um eine Titankomponente handelt, die mit einem in Walzwerken verwendeten Schmiermittel beschichtet ist, das während des Walzens der Titankomponente verwendet wird; und es sich bei der kohlenstoffhaltigen Substanz um das in Walzwerken verwendete Schmiermittel handelt.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei es sich bei der ersten Temperatur um eine Temperatur handelt, die innerhalb eines Bereichs zwischen 300 Grad und 700 Grad Celsius liegt.
  5. Verfahren nach Anspruch 2, wobei es sich bei der ersten Temperatur um eine Temperatur handelt, die innerhalb eines Bereichs zwischen 450 Grad und 550 Grad Celsius liegt.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei aufgrund des Schritts (a) das Titankarbid mit einer nichteinheitlichen Dichte auf zumindest dem Bereich der Oberfläche der Titankomponente gebildet wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei es sich bei Schritt (a) um einen Schritt handelt, der folgendes umfasst: Bilden von Titankarbid mit einer ersten Dicke an einer ersten Stelle, die in zumindest dem Bereich der Oberfläche der Titankomponente beinhaltet ist; und Bilden von Titankarbid mit einer zweiten Dicke, die sich von der ersten Dicke unterscheidet, an einer zweiten Stelle, die in zumindest dem Bereich der Oberfläche der Titankomponente beinhaltet ist und sich von der ersten Stelle unterscheidet.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, ferner beinhaltend den Schritt des (c) Unterziehens der edelmetallplattierten Titankomponente einer zweiten Wärmebehandlung bei einer zweiten Temperatur, die über einer Normaltemperatur liegt.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei es sich bei der zweiten Temperatur um eine Temperatur handelt, die innerhalb eines Bereichs zwischen 220 Grad und 400 Grad Celsius liegt.
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