DE112007001205T5

DE112007001205T5 - Metallglied mit Edelmetallplattierung und Herstellungsverfahren desselben

Info

Publication number: DE112007001205T5
Application number: DE112007001205T
Authority: DE
Inventors: Naotaka Toyota-shi Aoyama
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-05-29
Filing date: 2007-05-25
Publication date: 2009-04-23
Anticipated expiration: 2027-05-26
Also published as: WO2007138436A3; JP5200334B2; JP2007317600A; WO2007138436A2; CA2652497C; DE112007001205B8; CN101454476B; US20090269612A1; US8043719B2; DE112007001205B4; CN101454476A; CA2652497A1

Abstract

Metallglied, das an der Oberfläche eines blanken Metallabschnitts, der aus einem vorbestimmten Metall gebildet ist, eine Plattierungsschicht aus einem Edelmetall hat, dadurch gekennzeichnet, dass ein Atomprozent von Wasserstoffatomen in der Nähe einer Grenzfläche des blanken Metallabschnitts und der Plattierungsschicht nicht mehr als 1,0% ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf ein Metallglied mit einer Edelmetallplattierung und ein Herstellungsverfahren desselben. Genauer gesagt, die Erfindung bezieht sich auf ein Metallglied, das eine Edelmetallplattierung hat, die sich nicht ohne weiteres abschält, und ein Herstellungsverfahren desselben.
2. BESCHREIBUNG DER VERWANDTEN TECHNIK
Bei einem Bilden eines Separators einer Brennstoffzelle unter Verwendung eines Materials, bei dem sich der Kontaktwiderstand zwischen der Brennstoffzelle und der Elektrode erhöht, wenn dasselbe so, wie es ist, verwendet wird, wird auf den Abschnitt der Separatoroberfläche, der die Elektrode kontaktiert, eine Edelmetallplattierung aufgebracht. Beispielsweise wird in der japanischen Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. JP-A-2001-6713 rostfreier Stahl mit einem an dessen Oberfläche haftenden Edelmetall durch Durchführen eines Prozesses erzeugt, bei dem an der Oberfläche des rostfreien Stahls winzige Mengen von Platin abgeschieden werden, während ein Passivfilm (ein Oxidfilm) durch leichtes Polieren des rostfreien Stahls mit Siliziumkarbidpapier mechanisch entfernt wird.
Ferner weist in der japanischen Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. JP-A-2000-164228 ein Brennstoffzellenseparator eine Überzugsschicht, die einen Mehrschichtaufbau hat, der aus zwei oder mehr Schichten einer Schicht mit einem niedrigen elektrischen Widerstand, einer korosionsbeständigen Schicht und einer abschälbeständigen Schicht gebildet ist, auf. Die japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. JP-A-2000-323151 beschreibt eine Brennstoffzelle, die einen Separator aufweist, bei dem bei einem Teil einer leitfähigen Gasdurchgangsplatte, die an eine Gasdiffusionselektrode anstößt, eine leitfähige Kontaktstelle mit einer Korrosionsbeständigkeit angeordnet ist. Die japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. JP-A-2002-134136 schafft ein Oberflächenbehandlungsverfahren, bei dem Überzugspartikel durch einen Ultraschallstrahl in Schwingungen versetzt und zum Fließen veranlasst werden; und während der Oberflächenoxidfilm des Passivzustandsmetalls durch die Kollision der Überzugspartikel mit der behandelten Oberfläche entfernt wird, werden die Überzugspartikel an einem Teil oder der Gesamtheit des Teils mit dem entfernten Oxidfilm angelagert.
Jedoch bildet sich, selbst wenn, unmittelbar nachdem die Edelmetallschicht gebildet wurde, die Edelmetallplattierungsschicht fest an das andere Metall des Glieds gebunden wird, mit der Zeit bei der Grenzfläche der Plattierungsschicht und des anderen Metalls eine Metallverbindungsschicht, und als ein Resultat kann sich die Edelmetallplattierungsschicht abschälen. Diese Art eines Problems ist nicht nur auf Separatoren von Brennstoffzellen begrenzt, sondern kann immer dann auftreten, wenn ein Metallglied, bei dem ein Oxidfilm dazu neigt, sich an der Oberfläche zu bilden, mit einem Edelmetall plattiert wurde.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung schafft somit ein Metallglied mit einer Edelmetallplattierungsschicht, die sich nicht ohne weiteres abschält, sowie eine Technologie, um dieses Metallglied zu erzeugen.
Somit bezieht sich ein Aspekt der Erfindung auf ein Metallglied, das eine Edelmetallplattierungsschicht an einer Oberfläche eines blanken Metallabschnitts hat, der aus einem vorbestimmten Metall gebildet ist, bei dem das Atomprozent von Wasserstoffatomen in der Nähe einer Grenzfläche des blanken Metallabschnitts und der Plattierungsschicht nicht mehr als 1,0% ist. Dies reduziert die Wahrscheinlichkeit, dass sich die Plattierungsschicht aufgrund einer Bildung eines Metallhydrids in der Nähe der Grenzfläche der Plattierungsschicht und des blanken Metallabschnitts ohne weiteres abschält. Nebenbei bemerkt kann dieses Metallglied als ein Separator einer Brennstoffzelle verwendet sein.
Das Atomprozent von Kohlenstoffatomen in der Nähe der Grenzfläche kann ebenfalls auf nicht mehr als 30% begrenzt werden. Dies reduziert die Wahrscheinlichkeit, dass sich die Plattierungsschicht aufgrund einer Bildung eines Metalloxids durch Oxidieren des Karbids, das in der Nähe der Grenzfläche der Plattierungsschicht und des blanken Metallabschnitts vorhanden ist, ohne weiteres abschält. Dieser Aufbau ist besonders bevorzugt, da der Brennstoffzellenseparator in einer Umgebung platziert sein kann, in der leicht eine Oxidation aufgrund eines sauren Fluids auftritt.
Der Durchschnittswert des Atomprozents von Kohlenstoffatomen in der Nähe der Grenzfläche kann ferner annähernd 5% sein. Hinsichtlich des Durchschnittswerts des Atomprozents von Atomen eines gegebenen Elements bedeutet annähernd X% einen Bereich von plus oder minus 10% von X%. Beispielsweise bedeutet annähernd 5% 4,5% bis 5,5%.
Das vorbestimmte Metall, aus dem der blanke Metallabschnitt gebildet ist, kann Titan oder rostfreier Stahl sein.
Das Metallglied mit einer Plattierungsschicht eines Edelmetalls an der Oberfläche eines blanken Metallabschnitts, der aus einem vorbestimmten Metall gebildet ist, kann ferner gemäß dem folgenden Verfahren hergestellt werden. Zuerst wird eine Oberflächenschicht des blanken Metallabschnitts entfernt (Entfernungsschritt). Dann wird auf den Abschnitt, von dem die Oberflächenschicht des blanken Metallabschnitts entfernt wurde (Entfernungsschritt), eine Plattierung aus einem Edelmetall aufgebracht. Dann wird das Metallglied in einer inerten Atmosphäre wärmebehandelt (Wärmebehandlungsschritt). Als ein Resultat kann ein Metallglied hergestellt werden, das in der Nähe der Grenzfläche der Plattierungsschicht und des blanken Metallabschnitts weniger Karbid und Wasserstoff aufweist, als wenn der Entfernungsschritt und der Wärmebehandlungsschritt nicht durchgeführt würden. Bei einem auf diese Weise hergestellten Metallglied schält sich die Plattierungsschicht nicht ohne weiteres ab. Die Wärmebehandlung kann so geartet sein, dass sich der Wasserstoff verteilt, so dass das Atomprozent von Wasserstoffatomen in der Nähe der Grenzfläche des blanken Metallabschnitts und der Plattierungsschicht nicht mehr als 1,0% ist.
Bei dem Wärmebehandlungsschritt kann das Metallglied in einer Atmosphäre zwischen einschließlich 220°C und einschließlich 600°C wärmebehandelt werden. Als ein Resultat kann ein Metallglied hergestellt werden, das in der Nähe der Grenzfläche der Plattierungsschicht und des blanken Metallabschnitts weniger Wasserstoff aufweist, als wenn dasselbe bei einer anderen Temperatur wärmebehandelt würde.
Bei dem Entfernungsschritt kann ein Abschnitt, der die Oberfläche des blanken Metallabschnitts umfasst und der einen höheren Kohlenstoffgehalt als ein Oberflächenabschnitt des blanken Metallabschnitts, nachdem die Oberflächenschicht entfernt wurde, aufweist, als die Oberflächenschicht entfernt werden. Als ein Resultat kann ein Metallglied hergestellt werden, das in der Nähe der Grenzfläche der Plattierungsschicht und des blanken Metallabschnitts weniger Karbid aufweist, als wenn der Entfernungsschritt nicht durchgeführt würde.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorhergehenden und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen gleiche Ziffern verwendet sind, um gleiche Elemente darzustellen, offensichtlich. Es zeigen:
1 ein Flussdiagramm, das ein Herstellungsverfahren eines Separators gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt;
2 eine grafische Darstellung, die die Verteilung des Atomprozents von Kohlenstoffatomen in der Tiefenrichtung eines Separatorglieds zeigt;
3 eine grafische Darstellung, die die Verteilung des Atomprozents von Wasserstoffatomen in der Tiefenrichtung des Separatorglieds nach einer Wärmebehandlung zeigt;
4 eine Ansicht des gemäß dem in 1 gezeigten Verfahren erzeugten Separatorglieds;
5 eine Ansicht, die die Resultate eines Abschältests für einen Separator zeigt, der erzeugt wurde, während die Bedingungen des Polierläppens bei dem Schritt S20 geändert wurden;
6 eine Ansicht, die die Resultate eines Abschältests für einen Separator zeigt, der erzeugt wurde, während Bedingungen der Wärmebehandlung bei dem Schritt S40 geändert wurden; und
7 eine grafische Darstellung, die die Haftfähigkeit bei den Fällen eines Separatorglieds (C), das gemäß dem in dem Flussdiagramm in 1 gezeigten Verfahren erzeugt wurde, eines Separatorglieds (A), das ohne Polierläppen oder Wärmebehandlung erzeugt wurde, und eines Separatorglieds (B), das ohne Wärmebehandlung erzeugt wurde, zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Als Nächstes wird die Erfindung in folgender Reihenfolge beschrieben: A. Exemplarische Ausführungsbeispiele, B. Testbeispiele, C. Modifizierte Beispiele
A. EXEMPLARISCHE AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
1 ist ein Flussdiagramm, das ein Herstellungsverfahren eines Separators gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt. Zuerst wird bei einem Schritt S10 ein Titanseparatorglied vorbereitet. Dieses Separatorglied kann ein plattenartiges Glied sein, das beispielsweise aus reinem Titan des Typs JIS 1 gebildet ist. Nebenbei bemerkt kann an der Oberfläche des Titanseparatorglieds eine Karbidschicht vorhanden sein, die TiC aufweist, das aus einer Reaktion zwischen dem Titan und einem Kohlenstoffeinschluss einer Walzlösung oder dergleichen, die zu der Zeit eines Pressformens aufgebracht wurde, gebildet wurde.
2 ist eine grafische Darstellung, die die Verteilung des Atomprozents von Kohlenstoffatomen in der Tiefenrichtung des Separatorglieds zeigt. Die horizontale Achse der grafischen Darstellung stellt die Position d in der Tiefenrichtung des Separatorglieds dar, und die vertikale Achse der grafischen Darstellung stellt das Atomprozent von Kohlenstoffatomen (Atom-%) dar. Die Zahlenwerte in der grafischen Darstellung in 2 sind Werte, die durch Röntgenstrahl-Photoelektronenspektroskopie oder XPS (engl.: X-ray Photoelectron Spectroscopy) erhalten wurden. In dieser Patentschrift wird der Kohlenstoffgehalt durch das gemäß diesem Verfahren gemessene Atomprozent von Kohlenstoffatomen bestimmt.
In 2 zeigt C1 die Verteilung des Atomprozents von Kohlenstoffatomen in der Tiefenrichtung des Titanseparatorglieds, das bei dem Schritt S10 vorbereitet wurde, an. Wie aus 2 ersichtlich ist, überschreitet bei dem Titanseparatorglied, das bei dem Schritt S10 vorbereitet wurde, der maximale Wert des Atomprozents von Kohlenstoffatomen in dem Bereich Rd0 von der Oberfläche (Tiefe 0) bis zu einer Tiefe von 50 nm 30%, und der Durchschnittswert beträgt nicht mehr als 5%.
Bei einem Schritt S20 wird das Karbid an der Oberflächenschicht SL durch Polierläppen der Oberfläche des Separatorglieds entfernt. Nebenbei bemerkt bezieht sich die Oberflächenschicht eines Glieds auf einen Abschnitt des Glieds, der die Oberfläche des Glieds umfasst. In diesem Fall wird die Oberfläche des Separatorglieds poliergeläppt, bis eine annähernd 20 nm dicke Materialschicht entfernt worden ist.
Die Dicke der bei dem Schritt S20 entfernten Oberflächenschicht kann gemäß der Verteilung des Atomprozents von Kohlenstoffatomen in dem Separatorglied, das bei dem Schritt S10 vorbereitet wurde, bestimmt werden. In diesem Fall wird bei einem Separatorglied, bei dem die Verteilung des Atomprozents von Kohlenstoffatomen wie durch C1 in 2 gezeigt aussieht, eine annähernd 20 nm dicke Oberflächenschicht SL entfernt, so dass das Atomprozent von Kohlenstoffatomen bis zu einer Tiefe von 50 nm von der Oberfläche des Titanmetallabschnitts, nachdem die Oberflächenschicht entfernt wurde, nicht mehr als 5% ist.
In 2 zeigt C2 die Verteilung des Atomprozents von Kohlenstoffatomen in der Tiefenrichtung des Separatorglieds, nachdem der Schritt S20 durchgeführt wurde, an. Wie aus 2 ersichtlich ist, liegt bei dem Titanseparatorglied nach dem Schritt S20 das Atomprozent von Kohlenstoffatomen in dem Bereich von der Oberfläche (Tiefe 0) bis zu einer Tiefe von 50 nm unter dem Durchschnittswert von 5%. Nebenbei bemerkt ist bei C2 in 2 der Prozentsatz von Kohlenstoff nicht an der Oberfläche (Tiefe 0) am höchsten. Vielmehr ist der Prozentsatz von Kohlenstoff in der Nähe einer Tiefe von 2 bis 3 nm am höchsten. Man geht davon aus, dass dies daran liegt, dass die Kohlenstoffmenge in der Nähe der Oberfläche des Separatorglieds wegen Oberflächenunebenheiten geringer als innerhalb des Glieds ist, wo 100% Metall vorhanden sind.
Dann wird bei einem Schritt S30 in 1 die Oberfläche des Separatorglieds durch Spratzen goldplattiert. Genauer gesagt, in einer Argonatmosphäre mit 10^–2 Torr wird ein Spratzen mit Gold durchgeführt, so dass die Plattierungsschicht annähernd 10 nm dick wird. Zu dieser Zeit wird H⁺ aus der geringen Menge von H₂O in der Umgebung in die Goldplattierungsschicht eingebracht.
Bei einem Schritt S40 in 1 wird das goldplattierte Separatorglied während annähernd 30 Minuten bei einer Zieltemperatur von 400°C wärmebehandelt, wobei die tatsächliche Erwärmungstemperatur in einer Argonatmosphäre mit 10^–2 Torr 220°C bis 450°C beträgt. Ein Durchführen dieser Art von Wärmebehandlung entfernt Wasserstoff, der in der Nähe der Grenzfläche der Goldplattierungsschicht und der Titanschicht vorhanden ist, als Wasserstoffgas aus der Probe oder diffundiert denselben in die Titanmetallschicht.
3 ist eine grafische Darstellung, die die Verteilung des Atomprozents von Kohlenstoffatomen in der Tiefenrichtung des Separatorglieds, nachdem eine Wärmebehandlung durchgeführt wurde, zeigt. Die horizontale Achse der grafischen Darstellung stellt die Position d in der Tiefenrichtung des Separatorglieds dar, und die vertikale Achse der grafischen Darstellung stellt das Atomprozent von Wasserstoffatomen (Atom-%) dar. Die Zahlenwerte in der grafischen Darstellung in 3 sind Werte, die durch Messungen gemäß der Rutherford-Rückstreuspektroskopie oder RBS (engl.: Rutherford Backscattering Spectroscopy) erhalten wurden. In dieser Patentschrift wird der Wasserstoffgehalt durch das gemäß diesem Verfahren gemessene Atomprozent von Wasserstoffatomen bestimmt. Nebenbei bemerkt tritt bei der Rutherford-Rückstreuspektroskopie ein Fehler von mehreren nm in der Tiefenrichtung auf.
Wie aus der grafischen Darstellung in 3 ersichtlich ist, ist das Atomprozent von Wasserstoffatomen in der Nähe der Grenzfläche der Titanschicht G und der Goldplattierungsschicht P in einer Tiefe von etwa 10 nm am höchsten. Als ein Resultat der Wärmebehandlung bei dem Schritt S40 ist das Atomprozent von Wasserstoffatomen jedoch in dem Bereich Rd von plus oder minus 10 nm von der Grenzfläche der Goldplattierungsschicht P und der Titanschicht G höchstens 1%. Nebenbei bemerkt ist in der grafischen Darstellung in 3 das Atomprozent von Wasserstoffatomen in einer Tiefe von 3 nm auf der Seite der Titanschicht G annähernd die Hälfte des Spitzenwerts. Ferner geht man davon aus, dass der Grund dafür, dass der Prozentsatz von Wasserstoff in der Nähe der Oberfläche (Tiefe 0), also bei dem linken Ende in der grafischen Darstellung, höher als in einer Tiefe von mehreren nm ist, darin liegt, dass OH-basierter Wasserstoff, der an der goldplattierten Oberfläche haftete, erfasst wurde.
4 ist eine Ansicht des gemäß dem in 1 gezeigten Verfahren erzeugten Separatorglieds. Auf die im Vorhergehenden beschriebene Art und Weise ist es möglich, ein Titanseparatorglied herzustellen, bei dem das Atomprozent von Wasserstoffatomen in dem Bereich Rd in der Nähe der Grenzfläche BS der Goldplattierungsschicht P und der Titanschicht G als dem blanken Metallabschnitt nicht mehr als 1% ist. Nebenbei bemerkt bezieht sich in dieser Patentschrift die Phrase „in der Nähe der Grenzfläche" bei dem Beschreiben des Atomprozents von Atomen eines Elements auf einen Bereich zwischen der Position 10 nm über der Grenzfläche BS und der Position 10 nm unter der Grenzfläche BS, also einen Bereich, der die Plattierungsschicht P oder den blanken Metallabschnitt G umfasst.
Ferner erhöht sich bei dem Prozess bei dem Schritt S30, bei dem die Goldplattierungsschicht auf die Titanmetalloberfläche aufgebracht wird, sowie bei dem Prozess danach, das Atomprozent von Kohlenstoffatomen in dem Titanmetall nicht. Daher ist bei dem Titanseparatorglied, das durch das Verfahren in 1 erhalten wird, das Atomprozent von Kohlenstoffatomen in einer Tiefe von 50 nm in der Nähe der Grenzfläche BS (die der Titanmetalloberfläche nach dem Schritt S20 und vor dem Schritt S30 entspricht) der Goldplattierungsschicht P und der Titanschicht G im Durchschnitt nicht mehr als 5% (siehe C2 in 2).
B. TESTBEISPIEL
B1. TESTBEISPIEL 1
Eine Mehrzahl von Separatorgliedern wurde bei dem Schritt S20 in 1 unter einer Vielfalt von unterschiedlichen Polierläppbedingungen erzeugt, so dass sich der Durchschnittswert des Atomprozents von Kohlenstoffatomen in dem Bereich von der obersten Oberfläche des Separatorglieds nach dem Polierläppen bis zu einer Tiefe von 50 nm (auf diesen Bereich wird im Folgenden als der „Oberflächenabschnitt" Bezug genommen) für jedes der Separatorglieder unterscheidet und in einem Bereich von 1% bis 14% liegt. Nebenbei bemerkt sind bei der Prozedur zum Erzeugen der Separatorglieder die Prozesse der Schritte 20 und danach die gleichen. Die Mehrzahl der auf diese Weise unter unterschiedlichen Bedingungen erzeugten Separatorglieder wurde dann während 24 Stunden in eine Schwefelsäurelösung mit 80°C und einem pH-Wert von 2 getaucht, wonach dieselben einem Abschältest unterworfen wurden. Der Test wurde gemäß dem durch den JIS vorgeschriebenen Bandabschältest durchgeführt.
5 ist eine Ansicht, die die Resultate des Abschältests für einen Separator zeigt, der erzeugt wurde, während die Bedingungen des Polierläppens bei dem Schritt S20 geändert wurden. In 5 zeigen die schwarzen Punkte die Testresultate der unter unterschiedlichen Bedingungen erzeugten Separatorglieder. Die horizontale Achse in der Mitte zeigt das Atomprozent von Kohlenstoffatomen an. Die auf der Linie über der horizontalen Achse gezeigten Punkte zeigen die Separatorglieder an, bei denen ein Abschälen auftrat, während die Punkte auf der Linie unter der horizontalen Achse die Separatorglieder anzeigen, bei denen kein Abschälen auftrat. Wie aus 5 ersichtlich ist, neigt, wenn das Titan des Typs JIS 1, das in dem im Vorhergehenden beschriebenen exemplarischen Ausführungsbeispiel eingesetzt wurde, als das Metall des blanken Metallabschnitts G verwendet wird und eine Goldplattierung aufgebracht wird, die Goldplattierungsschicht P dazu, sich abzuschälen, wenn der Durchschnittswert des Atomprozents von Kohlenstoffatomen 5% überschreitet. Wenn der Kohlenstoffgehalt weniger als 5% ist, schält sich die Goldplattierungsschicht P nicht ohne weiteres ab.
B2. TESTBEISPIEL 2
Eine Mehrzahl von Separatorgliedern wurde bei dem Schritt S40 in 1 unter einer Vielfalt von unterschiedlichen Wärmebehandlungsbedingungen erzeugt, so dass sich nach der Wärmebehandlung der maximale Wert des Atomprozents von Wasserstoffatomen in der Nähe der Grenzfläche des blanken Metallabschnitts und der Plattierungsschicht für jedes der Separatorglieder unterscheidet und in einem Bereich von 0,3% bis 2,3% liegt. Nebenbei bemerkt sind bei der Prozedur zum Erzeugen der Separatorglieder die Prozesse der anderen Schritte als des Schritts 40 die gleichen. Die Mehrzahl der auf diese Weise unter unterschiedlichen Bedingungen erzeugten Separatorglieder wurde dann während 24 Stunden in eine Schwefelsäurelösung mit 80°C und einem pH-Wert von 2 getaucht, wonach dieselben dem Abschältest unterworfen wurden. Der Test wurde gemäß dem durch den JIS vorgeschriebenen Bandabschältest durchgeführt.
6 ist eine Ansicht, die die Resultate des Abschältests für einen Separator zeigt, der erzeugt wurde, während die Bedingungen der Wärmebehandlung bei dem Schritt S40 geändert wurden. In 6 zeigt die horizontale Achse in der Mitte das Atomprozent von Wasserstoffatomen an. Die andere Darstellungsweise in 6 ist die gleiche wie in 5. Wie aus 6 ersichtlich ist, neigt, wenn das Titan des Typs JIS 1, das in dem im Vorhergehenden beschriebenen exemplarischen Ausführungsbeispiel eingesetzt wurde, als das Metall des blanken Metallabschnitts G verwendet wird und eine Goldplattierung aufgebracht wird, die Goldplattierungsschicht P dazu, sich abzuschälen, wenn der maximale Wert des Atomprozents von Wasserstoffatomen 1% überschreitet. Wenn der Wasserstoffgehalt weniger als 1% ist, schält sich die Goldplattierungsschicht P nicht ohne weiteres ab.
B3. TESTBEISPIEL 3
7 ist eine grafische Darstellung, die die Haftfähigkeit bei den Fällen eines Separatorglieds (C), das gemäß dem in dem Flussdiagramm in 1 gezeigten Verfahren erzeugt wurde, eines Separatorglieds (A), das ohne ein Polierläppen bei dem Schritt S20 oder eine Wärmebehandlung bei dem Schritt S40 erzeugt wurde, und eines Separatorglieds (B), das ohne eine Wärmebehandlung bei dem Schritt S40 erzeugt wurde, zeigt. Nebenbei bemerkt ist die Haftfähigkeit ein aus dem Abschältest erhaltener Wert, der zu dem Kehrwert des Verhältnisses der Fläche des Abschnitts, in dem ein Abschälen auftrat, zu der Gesamtfläche, auf die ein Band aufgebracht wurde, proportional ist.
Wie aus 7 ersichtlich ist, hat das Separatorglied (B), das poliergeläppt, jedoch nicht wärmebehandelt wurde, annähernd 1,3 mal die Haftfähigkeit des Separatorglieds (A), das weder (bei dem Schritt S20 in 1) poliergeläppt noch (bei dem Schritt S40 in 1) wärmebehandelt wurde. Ferner hat das Separatorglied (C), das sowohl poliergeläppt als auch wärmebehandelt wurde, 1,4 mal die Haftfähigkeit des Separatorglieds (A), das weder poliergeläppt noch wärmebehandelt wurde.
B4. ANALYSE
Man geht davon aus, dass der Grund, aus dem die Edelmetallplattierung dazu neigt, sich von dem Metallglied abzuschälen, folgender ist. Das heißt, das Karbid, das in der Nähe der Oberfläche des Metallglieds vorhanden war, bevor die Plattierung aufgebracht wurde, reagiert bei der Grenzfläche der Plattierungsschicht allmählich mit Sauerstoff, nachdem die Plattierung aufgebracht wurde. Dann wird das Karbid zu einem Oxid verwandelt. Wenn das Karbid (wie TiC) auf der Seite des Metallglieds bei der Grenzfläche der Plattierungsschicht zu einem Oxid (wie TiO₂) verwandelt wird, ändert sich der Abstand des Kristallgitters. Demgemäß ist die Plattierungsschicht nicht mehr mit der Oxidschicht ausgerichtet, was die Haftfähigkeit zwischen der Oxidschicht und der Plattierungsschicht reduziert. Man geht davon aus, dass als ein Resultat dessen die Edelmetallplattierung dazu neigt, sich von dem Metallglied abzuschälen.
Das Karbid in der Oberfläche des Metallglieds ist, bevor eine Plattierung aufgebracht wird, in einer Tiefe, die von mehreren zehn nm bis zu mehreren hundert nm reicht, in der Metalloberfläche vorhanden. Bei dem vorhergehenden exemplarischen Ausführungsbeispiel wird die Wahrscheinlichkeit eines Abschälens der Plattierungsschicht, nachdem die Edelmetallplattierung aufgebracht wurde, zuerst durch Entfernen dieser Karbidschicht von der Edelmetallplattierung reduziert (siehe Schritt S20 in 1 und 2). Wenn der blanke Metallabschnitt beispielsweise Titan ist, ist das Ti, das an der Oberfläche des blanken Metallabschnitts freiliegt, nachdem das Karbid entfernt wurde, oxidationsbeständiger als das TiC, also das Karbid.
Nebenbei bemerkt kann die im Vorhergehenden beschriebene Oxidreaktion durch beispielsweise eine saure Flüssigkeit auftreten, die durch einen Spalt in der Plattierungsschicht geht und die Grenzfläche der Plattierungsschicht und des Metallglieds erreicht. Wenn die Plattierungsschicht durch Spratzen aufgebracht wird, sammelt sich das Plattierungsmaterial in Säulen in der Dickenrichtung an und macht dieselbe anfälliger dafür, Spalte zu bekommen, als eine Plattierung, die durch einen Nassprozess aufgebracht wird. Daher ist eine Plattierung, die durch einen Nassprozess aufgebracht wird, bei einigen Anwendungen geeigneter als dieselbe durch Spratzen.
Andererseits geht man davon aus, dass ein anderer Grund, aus dem die Edelmetallplattierung dazu neigt, sich von dem Metallglied abzuschälen, folgender ist. Das heißt, wenn eine Edelmetallplattierung unter einem hohen Vakuum in einer Argonumgebung aufgebracht wird, werden Wasserstoffionen in kleinen Mengen von vorhandenem H₂O in die Plattierungsschicht eingebracht. Diese Wasserstoffionen versammeln sich dann durch eine Verteilung bei der Grenzfläche des Metallglieds und der Edelmetallplattierungsschicht und bilden ein Hydrid (beispielsweise Titanhydrid TiH oder TiH₂, wenn der blanke Metallabschnitt Titan ist). Goldhydrid ist äußerst spröde, also ist der Hydridschichtabschnitt bruchanfällig. Man geht davon aus, dass sich die Plattierungsschicht letzten Endes abschält, da diese Hydridschicht bricht. Bei dem vorhergehenden exemplarischen Ausführungsbeispiel verteilt die Wärmebehandlung, nachdem die Plattierung aufgebracht wurde, den Wasserstoff, der in der Grenzfläche BS der Plattierungsschicht P und des blanken Metallabschnitts G vorhanden ist, überall in dem gesamten Metallglied. Man geht davon aus, dass es deshalb weniger wahrscheinlich ist, dass sich die Plattierungsschicht des Glieds des vorhergehenden Ausführungsbeispiels abschält.
C. MODIFIZIERTE BEISPIELE
Die Erfindung ist nicht nur auf die im Vorhergehenden beschriebenen exemplarischen Ausführungsbeispiele und Beispiele begrenzt. Die Erfindung kann im Gegenteil modifiziert sein, ohne von dem Schutzbereich derselben abzuweichen. Beispielsweise kann die Erfindung auch in der Form eines Separators einer Brennstoffzelle, eines Herstellungsverfahrens eines Separators einer Brennstoffzelle, einer Brennstoffzelle, die einen Titanseparator aufweist, und eines Herstellungsverfahrens dieser Brennstoffzelle und dergleichen realisiert sein. Ferner ist beispielsweise auch folgender Modus möglich.
C1. MODIFIZIERTES BEISPIEL 1
Bei dem vorhergehenden exemplarischen Ausführungsbeispiel ist der Separator aus Titan des Typs JIS 1 gebildet. Das Material des plattierten Metallglieds ist jedoch nicht darauf begrenzt. Das heißt, das Material des Glieds, das mit einem Edelmetall plattiert wird, kann auch Titan des Typs JIS 2 oder JIS 3 sein. Ferner kann anders als reines Titan, wie es durch den JIS vorgeschrieben ist, auch eine Titanlegierung, die große Mengen anderer Metalle aufweist, verwendet sein. Zusätzlich kann das Material des Glieds, das mit einem Edelmetall plattiert wird, auch rostfreier Stahl sein. Dies erlaubt ein Herstellen des Glieds mit einem niedrigeren Aufwand als ein Titanglied.
Das heißt, das vorhergehende exemplarische Ausführungsbeispiel ist auch wirksam, wenn der blanke Metallabschnitt des edelmetallplattierten Metallglieds aus einem Metall gebildet ist, das in einer Atmosphäre mit einer normalen Temperatur, die Sauerstoff aufweist, an der Oberfläche einen Passivfilm bildet. Diese Art eines Metallglieds korrodiert über eine längere Zeitdauer nicht und ist somit fähig, beispielsweise als Teil einer Brennstoffzelle stabil zu funktionieren.
Nebenbei bemerkt kann in einem Modus, bei dem eine Edelmetallplattierung auf ein Metallglied, das aus rostfreiem Stahl hergestellt ist, aufgebracht wird, die Wärmebehandlung, die dem Schritt S40 in 1 entspricht, auch weggelassen werden, da sich an rostfreiem Stahl nicht so ohne weiteres wie an Titan ein Hydrid bildet.
C2. MODIFIZIERTES BEISPIEL 2
Bei dem vorhergehenden exemplarischen Ausführungsbeispiel besteht die an dem Metallglied gebildete Plattierungsschicht aus Gold. Alternativ kann die an dem Metallglied gebildete Plattierungsschicht jedoch auch aus einem anderen Material, wie beispielsweise Platin oder Kupfer, bestehen. Die Plattierungsschicht hat jedoch vorzugsweise eine größere Leitfähigkeit als das Oxid des Materials des Metallglieds und besteht ferner vorzugsweise aus einem Edelmetall.
C3. MODIFIZIERTES BEISPIEL 3
Bei dem vorhergehenden exemplarischen Ausführungsbeispiel ist das bei dem Schritt S10 vorbereitete Titanseparatorglied ein Glied, bei dem der Durchschnittswert des Atomprozents von Kohlenstoffatomen in dem Bereich Rd0 von der Oberfläche (Tiefe 0) bis zu einer Tiefe von 50 nm nicht mehr als 5% beträgt. Das Atomprozent von Kohlenstoffatomen des bei dem Schritt S10 vorbereiteten Titanseparatorglieds kann jedoch auch einen anderen Wert haben. Der Durchschnittswert des Atomprozents von Kohlenstoffatomen innerhalb eines vorbestimmten Bereichs von der Oberfläche des Separatorglieds kann beispielsweise auf nicht mehr als 6% begrenzt sein. Der Durchschnittswert des Atomprozents von Kohlenstoffatomen innerhalb eines vorbestimmten Bereichs von der Oberfläche beträgt jedoch vorzugsweise 4% bis 6%, stärker bevorzugt 4,5% bis 5,5% und am stärksten bevorzugt 4,8% bis 5,2%.
C4. MODIFIZIERTES BEISPIEL 4
Bei dem vorhergehenden exemplarischen Ausführungsbeispiel wird eine annähernd 20 nm dicke Oberflächenschicht des Separatorglieds entfernt, bevor die Plattierung aufgebracht wird. Die Dicke der Oberflächenschicht, die entfernt wird, bevor die Plattierung aufgebracht wird, kann jedoch gemäß der Verteilung des Atomprozents von Kohlenstoffatomen des Glieds variieren. Das heißt, es kann ein Prozess durchgeführt werden, bei dem ein Abschnitt, der einen höheren Kohlenstoffgehalt als der Oberflächenabschnitt des blanken Metallabschnitts nach dem Entfernungsprozess hat, als die Oberflächenschicht entfernt wird, bevor die Plattierung aufgebracht wird. Mit anderen Worten, der Prozess zum Entfernen der Oberflächenschicht kann ein Prozess sein, der einen Abschnitt, der die Oberfläche des Glieds umfasst, entfernt, derart, dass der Kohlenstoffgehalt des Oberflächenabschnitts, der zu plattieren ist, reduziert wird.
Nebenbei bemerkt bezieht sich der Ausdruck „Oberflächenabschnitt" des blanken Metallabschnitts auf einen Bereich von der Oberfläche des blanken Metallabschnitts bis zu einer Tiefe von 50 nm. Ferner wird der Kohlenstoffgehalt des Oberflächenabschnitts des blanken Metallabschnitts durch den Durchschnittswert des Atomprozents von Kohlenstoffatomen in dem Oberflächenabschnitt des blanken Metallabschnitts bestimmt.
Bei dem Prozess zum Entfernen der Oberflächenschicht kann ferner ein anderes Polierverfahren als Polierläppen verwendet werden, und ferner kann ein anderes Bearbeiten, wie Schleifen, durchgeführt werden. Ferner kann die Oberflächenschicht durch Kugelstrahlen oder Laser entfernt werden.
Bei dem vorhergehenden exemplarischen Ausführungsbeispiel ist ferner das Atomprozent von Kohlenstoffatomen in dem blanken Metallabschnitt, nachdem die Oberflächenschicht entfernt wurde, weniger als 5% (siehe C2 in 2). Das Atomprozent von Kohlenstoffatomen in dem blanken Metallabschnitt, nachdem die Oberflächenschicht entfernt wurde, kann jedoch abhängig von dem Aufbau des blanken Metallabschnitts, dem zum Plattieren verwendeten Edelmetall und dem Plattierungsverfahren und dergleichen einen von einer Vielfalt von Werten haben. Das Atomprozent von Kohlenstoffatomen in dem Oberflächenabschnitt des blanken Metallabschnitts, nachdem die Oberflächenschicht entfernt wurde, ist jedoch vorzusgweise nicht mehr als 30%, stärker bevorzugt nicht mehr als 10% und am stärksten bevorzugt nicht mehr als 5%.
C5. MODIFIZIERTES BEISPIEL 5
Bei dem vorhergehenden exemplarischen Ausführungsbeispiel wird bei dem Schritt S30 direkt nach dem Polierläppen bei dem Schritt S20 in 1 ein Spratzen durchgeführt. Es kann jedoch auch ein Argonspratzen durchgeführt werden, um nach dem Polierläppen, und bevor die Plattierung aufgebracht wird, das Oxid (wie TiO2, wenn der blanke Metallabschnitt aus Titan gebildet ist), das sich an der Oberfläche des Metallglieds gebildet hat, zu entfernen. Demgemäß kann, selbst wenn sich, bevor die Plattierung aufgebracht wird, an der Oberfläche des Metallglieds ein Oxid bildet, dieses Oxid entfernt werden. Als ein Resultat kann die Bindung zwischen der Plattierungsschicht und dem Metallmaterial noch stärker gemacht werden.
C6. MODIFIZIERTES BEISPIEL 6
Bei dem vorhergehenden exemplarischen Ausführungsbeispiel wird, wenn die Goldplattierung auf die Oberfläche des Separatorglieds aufgebracht wird, dieselbe in einer Argonatmosphäre mit 10^–2 Torr aufgespratzt. Es können jedoch, wenn eine Edelmetallplattierung auf die Oberfläche des Metallglieds aufgebracht wird, verschiedene Temperaturen, Drücke, einschließlich eines atmosphärischen Drucks, und Aufbringungszeiten verwendet werden. Der Prozess kann ferner in einer Atmosphäre eines anderen Inertgases, wie in einer Heliumatmosphäre, durchgeführt werden. Das heißt, die Wärmebehandlung kann in einer inerten Atmosphäre durchgeführt werden. Der Ausdruck „inerte Atmosphäre" bezieht sich hier auf eine Atmosphäre, in der sich, selbst wenn die Wärmebehandlung durchgeführt wird, an dem blanken Metallabschnitt kein Metalloxid bildet.
C7. MODIFIZIERTES BEISPIEL 7
Bei dem vorhergehenden exemplarischen Ausführungsbeispiel wird bei einem Wärmebehandeln des Separatorglieds die Behandlung bei einer Zieltemperatur von 400°C während 30 Minuten in einer Argonatmosphäre mit 10^–2 Torr durchgeführt. Bei dem Wärmebehandeln des Metallglieds können jedoch verschiedene Temperaturen, Drücke und Wärmebehandlungszeiten verwendet werden. Ferner kann die Behandlung in einer Atmosphäre eines anderen Inertgases, wie in einer Heliumatmosphäre, durchgeführt werden. Die Erwärmungstemperatur liegt jedoch vorzugsweise zwischen einschließlich 200°C und einschließlich 500°C, stärker bevorzugt zwischen einschließlich 350°C und einschließlich 450°C und am stärksten bevorzugt zwischen einschließlich 380°C und einschließlich 420°C.
C8. MODIFIZIERTES BEISPIEL 8
Bei dem vorhergehenden exemplarischen Ausführungsbeispiel beträgt der Wasserstoffgehalt bei der Grenzfläche der Plattierungsschicht und des blanken Metallabschnitts nicht mehr als 1%. Der Wasserstoffgehalt bei der Grenzfläche der Plattierungsschicht und des blanken Metallabschnitts kann jedoch abhängig von dem Aufbau des blanken Metallabschnitts, dem zum Plattieren verwendeten Edelmetall und dem Plattierungsverfahren und dergleichen einen anderen Wert haben. Der Wasserstoffgehalt in der Nähe der Grenzfläche der Plattierungsschicht und des blanken Metallabschnitts beträgt jedoch vorzugsweise nicht mehr als 1%, stärker bevorzugt nicht mehr als 0,7% und am stärksten bevorzugt nicht mehr als 0,5%.
C9. MODIFIZIERTES BEISPIEL 9
Eine Brennstoffzelle kann ebenfalls unter Verwendung von Separatoren hergestellt werden, die gemäß dem Verfahren des vorhergehenden exemplarischen Ausführungsbeispiels hergestellt wurden. Diese Brennstoffzelle weist die Separatoren und Membran-Elektroden-Anordnungen (MEA) auf, die durch eine elektrochemische Reaktion mit einem Reaktionsgas Elektrizität erzeugen. Jede MEA weist eine Elektrolytmembran und Elektroden, die auf beiden Seiten der Elektrolytmembran vorgesehen sind, auf. Die Separatoren sind dann auf den der Elektrolytmembran entgegengesetzten Seiten der Elektroden vorgesehen, derart, dass eine MEA durch einen Separator von einer anderen getrennt ist, wobei die Separatoren die Elektroden über die Abschnitte, die goldplattiert wurden, kontaktieren.
Bei dieser Art einer Brennstoffzelle sind die Separatoren aus einem Metall gebildet, das an der Oberfläche einen Passivfilm bildet. Als ein Resultat korrodieren die Separatoren nicht und sind somit fähig, während einer längeren Zeitdauer stabil zu funktionieren. Ferner kontaktieren die Separatoren die Elektroden über die Abschnitte, die mit einem Edelmetall plattiert wurden, so dass der Kontaktwiderstand zwischen den Separatoren und den Elektroden gering ist. Demgemäß ist die Leistungserzeugungseffizienz höher, als wenn die Kontaktabschnitte zwischen den Separatoren und den Elektroden nicht mit einem Edelmetall plattiert sind. Ferner bildet sich mit den Abschnitten, die mit dem Edelmetall plattiert wurden, bei der Grenzfläche zwischen der Edelmetallschicht und der blanken Metallschicht des Separators nicht ohne weiteres ein Oxid, und als ein Resultat schält sich die Edelmetallplattierung nicht ohne weiteres ab.
Zusammenfassung
Metallglied mit Edelmetallplattierung und Herstellungsverfahren desselben
Es wird ein Metallglied hergestellt, das an der Oberfläche eines blanken Metallabschnitts, der aus einem vorbestimmten Metall gebildet ist, eine Plattierungsschicht aus einem Edelmetall hat. Zuerst wird eine Oberflächenschicht des blanken Metallabschnitts entfernt. Dann wird auf den Abschnitt, an dem die Oberflächenschicht des blanken Metallabschnitts entfernt wurde, eine Plattierung aus einem Edelmetall aufgebracht. Dann wird das Metallglied in einer inerten Atmosphäre wärmebehandelt. Als ein Resultat kann ein Metallglied hergestellt werden, das in der Nähe einer Grenzfläche der Plattierungsschicht und des blanken Metallabschnitts weniger Karbid und Wasserstoff hat, als wenn der Entfernungsschritt und der Wärmebehandlungsschritt nicht durchgeführt würden. Bei einem Metallglied, das auf diese Weise hergestellt wird, schält sich die Plattierungsschicht nicht ohne weiteres ab.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 2001-6713 A [0002]
- JP 2000-164228 A [0003]
- JP 2000-323151 A [0003]
- JP 2002-134136 A [0003]

Claims

Metallglied, das an der Oberfläche eines blanken Metallabschnitts, der aus einem vorbestimmten Metall gebildet ist, eine Plattierungsschicht aus einem Edelmetall hat, dadurch gekennzeichnet, dass ein Atomprozent von Wasserstoffatomen in der Nähe einer Grenzfläche des blanken Metallabschnitts und der Plattierungsschicht nicht mehr als 1,0% ist.
Metallglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Atomprozent von Kohlenstoffatomen in der Nähe der Grenzfläche nicht mehr als 30% ist.
Metallglied nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchschnittswert des Atomprozents von Kohlenstoffatomen in der Nähe der Grenzfläche nicht mehr als 5,5% ist.
Metallglied nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchschnittswert des Atomprozents von Kohlenstoffatomen in der Nähe der Grenzfläche annähernd 5% ist.
Metallglied nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das vorbestimmte Metall Titan ist.
Metallglied nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das vorbestimmte Metall rostfreier Stahl ist.
Metallglied nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Nähe der Grenzfläche einen Bereich von 10 nm auf beiden Seiten der Grenzfläche bedeutet.
Herstellungsverfahren eines Metallglieds, das an der Oberfläche eines blanken Metallabschnitts, der aus einem vorbestimmten Metall gebildet ist, eine Plattierungsschicht aus einem Edelmetall hat, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Entfernen einer Oberflächenschicht des blanken Metallabschnitts; b) Aufbringen der Edelmetallplattierung auf den Abschnitt, von dem die Oberflächenschicht des blanken Metallabschnitts entfernt wurde; und c) Wärmebehandeln des Metallglieds in einer inerten Atmosphäre.
Herstellungsverfahren eines Metallglieds nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Wärmebehandlungsschritt das Metallglied in einer Atmosphäre zwischen einschließlich 220°C und einschließlich 600°C wärmebehandelt wird.
Herstellungsverfahren eines Metallglieds nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das vorbestimmte Metall Titan ist.
Herstellungsverfahren eines Metallglieds nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Entfernungsschritt ein Abschnitt, der die Oberfläche des blanken Metallabschnitts aufweist und der einen höheren Kohlenstoffgehalt als ein Oberflächenabschnitt des blanken Metallabschnitts, nachdem die Oberflächenschicht entfernt wurde, hat, als die Oberflächenschicht entfernt wird.
Herstellungsverfahren eines Metallglieds nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Entfernungsschritt cm Abschnitt des blanken Metallabschnitts, in dem das Atomprozent von Kohlenstoffatomen größer als 5,5% ist, als die Oberflächenschicht entfernt wird.