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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft eine Edelmetallplattierung und insbesondere ein
Verfahren für eine Edelmetallplattierung von Komponenten,
die aus einem Titan oder einer Titanlegierung gefertigt sind.
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Technischer Hintergrund
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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.
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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.
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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.
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Die
Offenbarung der
japanischen
Patentschrift 2006 111514 ist hierin durch Bezugnahme aufgenommen.
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Offenbarung der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
zweite Temperatur kann vorzugsweise eine Temperatur sein, die innerhalb
eines Bereichs zwischen 220 Grad und 440 Grad Celsius liegt.
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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.
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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.
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Kurzbeschreibung der Zeichnung
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1 ist
ein Flussdiagramm, dass einen Fertigungsvorgang eines Separators
gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung darstellt;
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2 eine Schnittansicht einer plattenförmigen
Komponente zur Verwendung als Separator, die in verschiedenen Stufen
des Separator-Fertigungsvorgangs der Ausführungsform gezeigt
ist; und
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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.
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Beste Art und Weise zum Ausführen
der Erfindung
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A. Ausführungsform:
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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In
Schritt S90 wird die plattenförmige Komponente 10 gespült.
Im Speziellen wird die plattenförmige Komponente 10 in
heißes Wasser getaucht und einem Ultraschallspülvorgang
unterzogen.
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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.
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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.
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B. Beispiel:
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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C. Alternative Ausführungsformen:
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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.
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C1. Alternative Ausführungsform
1:
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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.
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C2. Alternative Ausführungsform
2:
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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.
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C3. Alternative Ausführungsform
3:
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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.
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C4. Alternative Ausführungsform
4:
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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.
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C5. Alternative Ausführungsform
5:
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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.
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C6. Alternative Ausführungsform
6:
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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.
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C7. Alternative Ausführungsform
7:
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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.
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C8. Alternative Ausführungsform
8:
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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.
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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.
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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.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Die
Erfindung kann in Brennstoffzellen, Brennstoffzellensystemen, Motoren,
die durch Brennstoffzellen angetrieben werden, und Fahrzeuge mit
einer Leistungsversorgung, die eine Brennstoffzelle verwendet, implementiert
werden.
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Zusammenfassung
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Edelmetallplattierung von
Titankomponenten
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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