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TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Technik für ein Verfahren
der Oberflächenbehandlung eines metallischen Ausgangsmaterials.
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STAND DER TECHNIK
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Eine
Plattierungsschicht oder dergleichen wird auf einem metallischen
Ausgangsmaterial durch Plattieren, Aufdampfen oder dergleichen gebildet, um
dem metallischen Ausgangsmaterial, den Umständen entsprechend,
eine Fähigkeit, wie Korrosionsbeständigkeit, Wärmebeständigkeit,
Hydrophobie oder Hydrophilie zu verleihen. In dem Fall, in dem jedoch
eine Plattierungsschicht oder dergleichen auf dem metallischen Ausgangsmaterial
gebildet wurde, tendiert die Plattierungsschicht oder dergleichen, wenn
eine Oxidschicht auf dem metallischen Ausgangsmaterial gebildet
wurde, dazu, sich von dem metallischen Ausgangsmaterial abzuschälen.
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Die
Oxidschicht wird durch eine Wärmebehandlung oder eine chemische
Behandlung mit einem Oxidationsmittel oder dergleichen des metallischen
Ausgangsmaterials gebildet. Insbesondere wird auf einem metallischen
Ausgangsmaterial, das einen Fe-Bestandteil, sowie Edelstahl, wie
SUS304 oder SUS316, oder Eisen einschließt, eine Oxidschicht
auf Basis von Eisen oder dergleichen schnell durch eine Wärmebehandlung
oder dergleichen gebildet.
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Zum
Beispiel wird Edelstahl oder dergleichen als Ausgangsmaterial für
einen Separater zur Verwendung in einer Brennstoffzelle verwendet.
Eine Wärmebehandlung wird zur Zeit des Bildens, des Beschichtens
mit Harz oder einer vergleichbaren Bearbeitung des Separators für
eine Brennstoffzelle durchgeführt, und daher kann eine
Oxid schicht auf dem Ausgangsmaterial aus Edelstahl des Separators zur
Verwendung in einer Brennstoffzelle gebildet werden. Zusätzlich
kann, um dem Separator zur Verwendung in einer Brennstoffzelle Korrosionsbeständigkeit
oder dergleichen zu verleihen, eine Platierungsbehandlung oder dergleichen
auf dem Edelstahl des Separators zur Verwendung in einer Brennstoffzelle, welcher
der oben beschriebenen Wärmebehandlung unterzogen wurde,
aufgebracht werden.
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Eine
Oxidschicht auf Basis von Eisen oder dergleichen wird auf dem Ausgangsmaterial
aus Edelstahl, welches der Wärmebehandlung unterzogen wurde,
gebildet und daher ist, selbst wenn das Plattieren zum Bilden einer
Plattierungsschicht auf dem Ausgangsmaterial aus Edelstahl angewendet würde,
die Haftung der Plattierungsschicht minderwertig und daher neigt
die Plattierungsschicht dazu, sich aufgrund der Wirkung der Oxidschicht
auf Basis von Eisen abzuschälen.
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Zum
Beispiel wurde in der
JP
7-303977 A ein Verfahren für eine Oberflächenbehandlung
von Edelstahl vorgeschlagen, bei dem, um die Oxidschicht auf dem
Edelstahl zu entfernen, eine auf einer Elektrolysebehandlung basierende
Reduktionsbehandlung an dem Edelstahl mit der Oxidschicht angewendet
wird.
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Zusätzlich
wurde zum Beispiel in der
JP 2-85394
A ein Verfahren für eine Oberflächenbehandlung
von Edelstahl vorgeschlagen, in dem, um die Oxidschicht auf dem
Edelstahl zu entfernen, eine auf einer Elektrolysebehandlung basierende
Oxidationsbehandlung an dem Edelstahl mit der Oxidschicht angewendet
wird.
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Zusätzlich
wurde zum Beispiel in der
JP 7-188976
A ein Verfahren für eine Oberflächenbehandlung
von Edelstahl vorgeschlagen, in dem, um die Oxidschicht auf dem
Edelstahl zu entfernen, eine auf einer Elektrolysebehandlung basierende
Oxidationsbehandlung an dem Edelstahl mit der Oxidschicht angewendet
wird und nachfolgend eine auf einer Elektrolysebehandlung basierende
Reduktionsbehandlung an dem Edelstahl angewendet wird.
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Der
Hauptbestandteil der Oxidschicht auf dem Edelstahl ist Fe
2O
3. Nur mit der
Reduktionsbehandlung, wie es der Fall in dem Verfahren der Oberflächenbehandlung
von Edelstahl gemäß der
JP 7-303977 A ist, wird
Fe
2O
3 zu FeO reduziert,
aber es ist extrem schwierig, die Oxidschicht von dem Edelstahl
zu entfernen.
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Zusätzlich
ist es mit einer Oxidationsbehandlung, wie es der Fall in dem Verfahren
der Oberflächenbehandlung von Edelstahl in der
JP 2-85394 A ist,
schwierig, das Fe
2O
3 zu
entfernen und der Versuch das Fe
2O
3 nur mit einer Oxidationsbehandlung zu entfernen,
kann in der Erosion des Edelstahls resultieren, welcher das Ausgangsmaterial
ist.
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Zusätzlich
ist es, wie oben beschrieben, schwierig, Fe
2O
3 zu entfernen, selbst wenn zunächst eine
Oxidationsbehandlung durchgeführt wird und infolge dessen
ist es schwierig, die Oxidschicht von dem Edelstahl zu entfernen,
selbst wenn nachfolgend eine Reduktionsbehandlung durchgeführt
wird, wie es der Fall in dem Verfahren der Oberflächenbehandlung
von Edelstahl in der
JP
7-188976 A ist.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung ist ein Verfahren der Oberflächenbehandlung,
wie sie auf einem metallischen Ausgangsmaterial angewendet wird,
wobei das Verfahren geeignet ist, die auf einem metallischen Ausgangsmaterial
gebildete Oxidschicht zu entfernen.
- (1) Das
Verfahren der Oberflächenbehandlung eines metallischen
Ausgangsmaterials der vorliegenden Erfindung schließt Folgendes
ein: einen Schritt einer Reduktionsbehandlung, in dem eine auf einem
metallischen Ausgangsmaterial gebildete Oxidschicht einer Reduktionsbehandlung unterzogen
wird; und einen Schritt einer Oxidationsbehandlung, in dem die Oxidschicht,
die der Reduktionsbehandlung unterzogen wurde, einer Oxidationsbehandlung
unterzogen wird.
- (2) In dem Verfahren der Oberflächenbehandlung des
metallischen Ausgangsmaterials gemäß dem oben
beschriebenen (1) schließt das Verfahren ferner einen Schritt
einer Oxidations-Vorbehandlung ein, in dem die auf dem metallischen
Ausgangsmaterial gebildete Oxidschicht vor dem Schritt der Reduktionsbehandlung
einer Oxidationsbehandlung unterzogen wird.
- (3) In dem Verfahren der Oberflächenbehandlung eines
metallischen Ausgangsmaterials gemäß dem oben
beschriebenen (1) oder (2) ist wenigstens eines, die Reduktionsbehandlung,
die Oxidationsbehandlung und die Oxidations-Vorbehandlung bevorzugt
eine Elektrolysebehandlung.
- (4) In dem Verfahren der Oberflächenbehandlung eines
metallischen Ausgangsmaterials gemäß einem der
oben beschriebenen (1) bis (3) ist das metallische Ausgangsmaterial
bevorzugt ein einen Eisenbestandteil enthaltendes metallisches Ausgangsmaterial.
- (5) In dem Verfahren der Oberflächenbehandlung eines
metallischen Ausgangsmaterials gemäß dem oben
beschriebenen (4) wird die Reduktion bevorzugt in dem Schritt der
Reduktionsbehandlung durchgeführt bis FeO in der Oxidschicht
als Bestandteil der Oxidschicht eingeschlossen wird.
- (6) In dem Verfahren der Oberflächenbehandlung eines
metallischen Ausgangsmaterials gemäß einem der
oben beschriebenen (1) bis (5) schließt das Verfahren ferner
bevorzugt einen Schritt der Schichtbildung ein, in dem nach dem
Schritt der Oxidationsbehandlung eine Metall- oder Harz-enthaltende
Schicht auf dem metallischen Ausgangsmaterial gebildet wird.
- (7) In dem Verfahren der Oberflächenbehandlung eines
metallischen Ausgangsmaterials gemäß einem der
oben beschriebenen (1) bis (6) ist das metallische Ausgangsmaterial
bevorzugt ein Separator zur Verwendung in einer Brennstoffzelle.
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Gemäß der
vorliegenden Erfindung kann ein Verfahren der Oberflächenbehandlung,
wie sie an einem metallischen Ausgangsmaterial angewendet wird,
bereitgestellt werden, wobei das Verfahren geeignet ist, eine auf
dem metallischen Ausgangsmaterial gebildete Oxidschicht zu entfernen,
indem ein Schritt einer Reduktionsbehandlung eingeschlossen wird,
in dem die auf dem metallischen Ausgangsmaterial gebildete Oxidschicht
einer Reduktionsbehandlung unterzogen wird und ein Schritt einer
Oxidationsbehandlung, in dem die Oxidschicht, die der Reduktionsbehandlung
unterzogen wurde, einer Oxidationsbehandlung unterzogen wird.
- (8) In dem Verfahren der Oberflächenbehandlung eines
metallischen Ausgangsmaterials gemäß dem oben
beschriebenen (1) ist die Reduktionsbehandlung bevorzugt eine Elektrolysebehandlung
oder eine chemische Behandlung unter Verwendung eines Reduktionsmittels.
- (9) In dem Verfahren der Oberflächenbehandlung eines
metallischen Ausgangsmaterials gemäß dem oben
beschriebenen (8) ist das Reduktionsmittel bevorzugt ausgewählt
aus Hydrazin, Formaldehyd, Glyoxal und Natriumborhydrid.
- (10) In dem Verfahren der Oberflächenbehandlung eines
metallischen Ausgangsmaterials gemäß dem oben
beschriebenen (1) ist die Oxidationsbehandlung bevorzugt eine Elek-trolysebehandlung
oder eine chemische Behandlung unter Verwendung eines Oxidationsmittels.
- (11) In dem Verfahren der Oberflächenbehandlung eines
metallischen Ausgangsmaterials gemäß dem oben
beschriebenen (10) ist das Oxidationsmittel bevorzugt ausgewählt
aus wasserfreiem Aluminiumchlorid/Cuprochlorid; Alkalimetallpersulfaten;
Ammoniumpersulfat; Kaliumpermanganat; Chinonen, wie 2,3-Dichlor-5,6-dicyano-1,4-benzochinon
(DDQ), Tetrachlor-1,4-benzochinon und Tetracyano-1,4-benzochinon;
Halogenen, wie Jod und Brom; Persäuren; Schwefelsäure;
rauchender Schwefelsäure; Schwefeltrioxid; Schwefelsäuren,
wie Chlorschwefelsäure, Fluorschwefelsäure und
Amidoschwefelsäure; und Ozon.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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1 ist
ein Flussdiagramm, das ein Beispiel des Mechanismus der Oberflächenbehandlung eines
metallischen Ausgangsmaterials gemäß einer Aus führungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt, das mit den Schritten (A), (B),
(C) und (D) bereitgestellt wird.
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2 ist
eine schematische Draufsicht, die ein Beispiel der Struktur eines
Separators zur Verwendung in einer Brennstoffzelle gemäß der
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
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3 ist
ein Flussdiagramm, das ein Beispiel eines Verfahrens zur Oberflächenbehandlung des
Separators zur Verwendung in einer Brennstoffzelle gemäß der
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, das mit
den Schritten (A), (B), (C) und (D) bereitgestellt wird.
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BESTE ART ZUM AUSFÜHREN
DER ERFINDUNG
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Die
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unten beschrieben.
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Das
Verfahren der Oberflächenbehandlung eines metallischen
Ausgangsmaterials der vorliegenden Erfindung schließt einen
Schritt der Reduktionsbehandlung ein, in dem eine auf einem metallischen Ausgangsmaterial
gebildete Oxidschicht einer Reduktionsbehandlung unterzogen wird
und einen Schritt der Oxidationsbehandlung, in dem die Oxidschicht,
die der Reduktionsbehandlung unterzogen wurde, einer Oxidationsbehandlung
unterzogen wird, um die Oxidschicht, die der Reduktionsbehandlung unterzogen
wurde, zu entfernen.
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<Schritt
der Reduktionsbehandlung>
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In
dem Schritt der Reduktionsbehandlung wird die auf einem metallischen
Ausgangsmaterial gebildete Oxidschicht einer Reduktionsbehandlung unterzogen.
Der Oxidschicht auf dem metallischen Ausgangsmaterial wird durch
eine Behandlung, wie eine Wärmebehandlung oder eine chemische
Behandlung mit einem Oxidationsmittel oder dergleichen, des metallischen
Ausgangsmaterials, gebildet. Es ist schwierig eine solche Oxidschicht
nur durch die unten beschriebene Oxidationsbehandlung zu entfer nen
und daher ist es nötig, eine Reduktionsbehandlung durchzuführen,
so dass es ermöglicht wird, die auf dem metallischen Ausgangsmaterial
gebildete Oxidschicht durch die unten beschriebene Oxidationsbehandlung
zu entfernen.
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Die
Reduktionsbehandlung ist nur erforderlich, um die Oxidschicht reduzieren
zu können, und Beispiele der Reduktionsbehandlung schließen
eine reduktive Elektrolysebehandlung und eine chemische Behandlung
unter Verwendung eines Reduktionsmittels ein.
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In
der reduktiven Elektrolyse in der in der vorliegenden Ausführungsform
verwendeten Reduktionsbehandlung, wird eine Elektrolyse durchgeführt, zum
Beispiel in einer sauren Lösung auf Basis von Schwefelsäure
mit einem pH von 3 oder weniger, bevorzugt einem pH von 1 oder weniger,
oder in einer alkalischen Lösung mit einem pH von 10 oder
mehr, mit Kohlenstoff als Anode und dem metallischen Ausgangsmaterial
als Kathode unter den Bedingungen, dass die Stromdichte in einem
Bereich von 0,5 A/dm2 bis 6 A/dm2 liegt, die Elektrolysemenge 10 Colomb/dm2 oder mehr beträgt und die Behandlungszeit 60
Sekunden oder mehr beträgt, bevorzugt 180 Sekunden oder
mehr. Um eine Anhaftung des Wassersstoffs oder Sauerstoffs auf dem
metallischen Ausgangsmaterial zu verhindern, der zum Zeitpunkt der Elektrolysebehandlung
gebildet wird, ist es bevorzugt ein Tensid in einem Gehalt von 0,1
bis 10% zuzugeben. Zusätzlich wird, wenn Edelstahl als
metallisches Ausgangsmaterial verwendet wird, die Temperatur der
Lösung in einem Bereich von 0 bis 80°C festgelegt,
bevorzugt in einem Bereich von 0 bis 35°C. Die Bedingungen
in der oben beschriebenen Reduktionsbehandlung, einschließlich
des pH, der Lösung, der Spannung, der Stromdichte, der
Behandlungszeit und der Temperatur, sind nicht notwendigerweise
auf das beschränkt was oben beschrieben wurde.
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Daneben
ist die chemische Behandlung unter Verwenden eines Reduktionsmittels
nur erforderlich, um zu ermöglichen, dass die Oxidschicht
auf dem metallischen Ausgangsmaterial mit einem Reduktionsmittel
reduziert wird und das Reduktionsreagenz kann entsprechend gemäß der
Zusammensetzung der Oxidschicht ausgewählt werden. Beispiele von
geeigneten Reduktionsmitteln schließen Hydrazin und dessen
Hydrat ein, Formaldehyd, Glyoxal und Natriumborhydrid. Ebenso kann
zum Beispiel durch Verwenden von Kohlenstoff als Reduktionsmittel
in einer Hochtemperatur-Stickstoffatmosphäre die Oxidschicht
auf dem metallischen Ausgangsmaterial reduziert werden.
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In
der vorliegenden Ausführungsform ist die Reduktionsbehandlung
bevorzugt eine reduktive Elektrolysebehandlung, da die reduktive
Elektrolysebehandlung ermöglicht, dass die Reduktionsbedingungen
entsprechend gemäß der Zusammensetzung, der Quantität
und dergleichen der auf dem metallischen Ausgangsmaterial gebildeten
Oxidschicht festzulegen.
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<Oxidationsbehandlung>
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In
der Oxidationsbehandlung wird die Oxidschicht, die der Reduktionsbehandlung
unterzogen wurde, einer Oxidationsbehandlung unterzogen. Die Oxidationsbehandlung
der Oxidschicht, die durch die Reduktionsbehandlung reduziert wurde,
ermöglicht, dass die Oxidschicht auf dem metallischen Ausgangsmaterial
leicht entfernt wird. Daher ermöglicht die Oxidationsbehandlung
die Bildung, zum Beispiel durch Aufdampfen, Plattieren, Beschichten
oder dergleichen, einer zufriedenstellenden Haftschicht eines Metall,
eines Harzes oder dergleichen auf dem metallischen Ausgangsmaterial.
Es ist zu beachten, dass das Entfernen der Oxidschicht nicht auf
den Fall beschränkt ist, in dem die Oxidschicht vollständig
entfernt wird, sondern ebenso das Entfernen der Oxidschicht in einem
solchen Ausmaß einschließt, dass eine zufriedenstellende
Haftschicht oder dergleichen durch Plattieren oder dergleichen gebildet
werden kann. Zum Beispiel kann, in dem Fall, in dem die Dicke der
Oxidschicht ein paar Nanometer oder weniger beträgt, ein
zufriedenstellend haftender Plattierungsüberzug erhalten
werden.
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Es
ist nur erforderlich, dass durch die Oxidationsbehandlung ermöglicht
wird, dass die Oxidschicht, die der Reduktionsbehandlung unterzogen wurde,
oxidiert wird und Beispiele der Oxidationsbehandlung schließen
eine oxidative Elektrolysebehandlung unter Verwendung eines Oxidationsmittels ein.
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Bei
der oxidativen Elektrolysebehandlung in der in der vorliegenden
Ausführungsform verwendeten Oxidationsbehandlung wird die
Elektrolyse zum Beispiel in einer sauren Lösung auf Basis
von Schwefelsäure mit einem pH von 3 oder weniger, bevorzugt
einem pH von 1 oder weniger, durchgeführt, oder in einer
alkalischen Lösung mit einem pH von 10 oder mehr, mit Kohlenstoff
als Kathode und dem metallischen Ausgangsmaterial als Anode unter
den Bedingungen, dass die Spannung in einem Bereich von 1,0 bis
6,0 Volt liegt, bevorzugt 4 Volt, die Stromdichte in einem Bereich
von 0,1 A/dm2 oder mehr liegt, die Elektrolysemenge
0,5 Colomb/dm2 oder mehr beträgt und
die Behandlungszeit 5 bis 60 Sekunden beträgt. Um die Anhaftung
des Wasserstoffs oder Sauerstoffs zu verhindern, der zur Zeit der
Elektrolysebehandlung gebildet wird, ist es bevorzugt, ein Tensid
in einem Gehalt von 0,1 bis 10% zuzugeben. Zusätzlich wird,
wenn Edelstahl als metallisches Ausgangsmaterial verwendet wird,
die Temperatur der Lösung in einem Bereich von 0 bis 80°C
festgelegt, bevorzugt in einem Bereich von 0 bis 35°C.
Die Bedingungen in der oben beschriebenen Oxidationsbehandlung,
einschließlich des pH, der Lösung, der Spannung,
der Stromdichte, der Behandlungszeit und der Temperatur, sind nicht
notwendigerweise auf das beschränkt, was oben beschrieben
wurde.
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Die
chemische Behandlung unter Verwendung eines Oxidationsmittels ist
ebenso nur erforderlich, um zu ermöglichen, dass die Oxidschicht
auf dem metallischen Ausgangsmaterial mit dem Oxidationsmittel oxidiert
wird und kann entsprechend gemäß der Zusammensetzung
der Oxidschicht ausgewählt werden. Beispiele für
geeignete Oxidationsmittel schließen folgende ein: wasserfreies
Aluminiumchlorid/Cuprochlorid; Alkalimetallpersulfate; Ammoniumpersulfate;
Peroxide; Manganverbindungen, wie Kaliumpermanganat; Chinone, wie
2,3-Dichlor-5,6-dicyano-1,4-benzochinon (DDQ), Tetrachlor-1,4-benzochinon
und Tetracyano-1,4-benzochinon; Halogene, wie Jod und Brom; Persäuren; Schwefelsäure;
rauchender Schwefelsäure; Schwefeltrioxid; Schwefelsäuren,
wie Chlorschwefelsäure, Florschwefelsäure und
Amidoschwefelsäure; und Ozon. In der vorliegenden Ausführungsform
ist die Oxidationsbehandlung bevorzugt eine oxidative Elektrolysebehandlung,
da die oxidative Elektrolysebehandlung ermöglicht, dass
die Bedingungen der Oxidationsbehandlung zum Entfernen der Oxidschicht,
die der Reduktionsbehandlung unterzogen wurde, entsprechend gemäß der
Zusammen setzung, der Quantität und dergleichen der Oxidschicht,
die der Reduktionsbehandlung unterzogen wurde, festgelegt werden.
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<Oxidations-Vorbehandlung>
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In
der vorliegenden Ausführungsform wird durch die oben beschriebene
Reduktionsbehandlung und die Oxidationsbehandlung die auf dem metallischen
Ausgangsmaterial gebildete Oxidschicht entfernt. Wenn die Dicke
der auf dem metallischen Ausgangsmaterial gebildeten Oxidschicht
dick ist, ist es bevorzugt, vor der Reduktionsbehandlung eine Oxidations-Vorbehandlung
durchzuführen, in der die auf dem metallischen Ausgangsmaterial
gebildete Oxidschicht einer Oxidationsbehandlung unterzogen wird, da
die Reduktion der auf dem metallischen Ausgangsmaterial gebildeten
Oxidschicht wirksam durch eine nachfolgende Reduktionsbehandlung
durchgeführt werden kann.
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Beispiele
der Oxidations-Vorbehandlung schließen eine oxidative Elektrolysebehandlung
und eine chemische Behandlung unter Verwendung eines Oxidationsmittels
ein, wie es der Fall für die oben beschriebene Oxidationsbehandlung
ist. Die Oxidations-Vorbehandlung ist bevorzugt eine oxidative Elektrolysebehandlung,
da die oxidative Elektrolysebehandlung ermöglicht, dass
die Bedingungen der Oxidationsbehandlung zum Entfernen der Oxidschicht, die
der Reduktionsbehandlung unterzogen wurde, entsprechend gemäß der
Zusammensetzung, der Quantität und dergleichen der Oxidschicht
festgelegt werden. Die Bedingungen der oxidativen Elektrolysebehandlung
für die Oxidations-Vorbehandlung sind dieselben wie die
Bedingungen für die oxidative Elektrolysebehandlung für
die oben beschriebene Oxidationsbehandlung.
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Das
in der vorliegenden Ausführungsform verwendete metallische
Ausgangsmaterial ist nicht besonders beschränkt. Beispiel
für das metallische Ausgangsmaterial schließen
folgende ein: Edelstähle, wie SUS316 und SUS304; und Ti,
Al oder Legierungen derselben. Insbesondere sind Metalle, wie Edelstähle,
die Bestandteile auf Basis von Eisen enthalten, ausgezeichnet in
der Wärmebeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit,
Festigkeit und dergleichen und werden daher in verschiedenen Bereichen,
ein schließlich Fahrzeugteilen, Tafelausstattung und den unten
beschriebenen Separatoren zur Verwendung in Brennstoffzellen eingesetzt.
Edelstahl unterliegt jedoch der Bildung einer robusten Oxidschicht
darauf durch eine Wärmebehandlung oder dergleichen und daher
ist, selbst wenn eine korrosionsbeständige, wasserabweisende,
hydrophile oder reibungsbeständige Schicht oder dergleichen
auf dem Edelstahl durch Plattieren, Aufdampfen, Beschichten oder
dergleichen gebildet wird, die Schicht minderwertig in der Haftfestigkeit
und schält sich daher manchmal ab. In der vorliegenden
Ausführungsform kann durch Durchführen der Oxidationsbehandlung
nach der oben beschriebenen Reduktionsbehandlung die robuste Oxidschicht,
die auf dem einen Bestandteil auf Basis von Eisen enthaltenden metallischen
Ausgangsmaterial gebildet wurde, entfernt werden. Daher kann durch
das nachfolgende Plattieren, das Aufdampfen, Beschichten oder dergleichen
eine zufriedenstellend haftende Metallschicht, eine zufriedenstellend
haftende Harzschicht oder dergleichen auf dem einen Bestandteil
auf Basis von Eisen enthaltenden metallischen Ausgangsmaterial gebildet
werden.
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1 ist
ein Flussdiagramm, das ein Beispiel des Mechanismus der Oberflächenbehandlung eines
metallischen Ausgangsmaterials gemäß der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt, die mit den Schritten (A), (B),
(C) und (D) bereitgestellt wird. Die auf dem in 1(A) gezeigten
Edelstahl 1 gebildete Oxidschicht 2 schließt
Oxide auf Basis von Eisen, Oxide auf Basis von Nickel, Oxide auf Basis
von Chrom und dergleichen ein. Wie in 1(B) gezeigt
können durch Durchführen der oben beschriebenen
Oxidations-Vorbehandlung hauptsächlich die Eisen- und Nickelbestandteile
aus der Oxidschicht 2 eluiert werden und daher kann die Schichtdicke
der Oxidschicht 2 verringert werden. Darüber hinaus
kann, wie in 1(C) gezeigt, durch Durchführen
der oben beschriebenen Reduktionsbehandlung hauptsächlich
der Chrombestandteil aus der Oxidschicht 2 eluiert werden.
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Zusätzlich
ist es in der Reduktionsbehandlung bevorzugt, die Oxidschicht zu
reduzieren bis FeO in der Oxidschicht 2 als Bestandteil
der Oxidschicht 2 eingeschlossen ist, da eine solche Reduktion
die Entfernung des Eisenbestandteils in der Oxidschicht 2 in
der nachfolgenden Oxidationsbehandlung erleichtert. Zum Beispiel
ist es, wenn die in 1(B) gezeigte
Oxidschicht Fe2O3 und
dergleichen einschließt, bevorzugt, zum Bei spiel die Reduktionsbehandlung,
wie die reduktive Elektrolysebehandlung durchzuführen,
bis bewirkt wird, dass die folgende Reaktion stattfindet. Fe2O3 +
2e– + H2O → 2FeO
+ 2OH–
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Nachfolgend
kann, wie in 1(D) gezeigt, durch Durchführen
der oben beschriebenen Oxidationsbehandlung hauptsächlich
der Eisenbestandteil aus der Oxidschicht 2 eluiert werden
und daher kann die Oxidschicht 2 zu einem solchen Ausmaß entfernt werden,
dass die Dicke der Oxidschicht 2 zum Beispiel auf ein paar
Nanometer oder weniger verringert wird.
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Wie
oben beschrieben kann die Oxidschicht auf dem metallischen Ausgangsmaterial
durch Durchführen einer Oxidationsbehandlung nach einer Reduktionsbehandlung
oder durch Durchführen einer Reduktionsbehandlung und einer
Oxidationsbehandlung nach einer Oxidations-Vorbehandlung entfernt
werden. Wenn die Oxidschicht auf dem metallischen Ausgangsmaterial
entfernt werden kann, kann eine zufriedenstellend haftende Metallschicht,
eine zufriedenstellend haftende Harzschicht oder dergleichen gebildet
werden, selbst wenn eine Behandlung zur Schichtbildung, um eine
Metall enthaltende Schicht, eine Harz enthaltende Schicht oder dergleichen
auf dem metallischen Ausgangsmaterial durch das nachfolgende Plattieren,
Aufdampfen, Beschichten oder dergleichen, zu bilden, durchgeführt
wird.
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Es
ist für die Metallschicht oder dergleichen, die durch Plattieren,
Aufdampfen, Beschichten oder dergleichen gebildet wird, empfohlen,
entsprechend den Anwendungen des zu verwendenden metallischen Ausgangsmaterials
ausgewählt zu werden. Zum Beispiel wird, in dem unten beschriebenen
Fall des Separators zur Verwendung in einer Brennstoffzelle, um
dem Reaktionsgas-Strömungskanal des Separators zur Verwendung
in der Brennstoffzelle Korrosionsbeständigkeit oder dergleichen
zu verleihen und den Durchgangswiderstand sicherzustellen, eine
Metallschicht oder eine leitfähige Harzschicht durch ein
bisher bekanntes Edelmetall-Plattieren, wie Gold-Plattieren, bzw.
durch Beschichten mit einem Kohlenstoff-haltigen Harz, gebildet.
Alternativ wird, zum Beispiel wenn Pfannen und Tafelausstattung
betroffen sind, ein bisher bekanntes Ni- Plattieren oder dergleichen
zum Bilden der Metallschicht durchgeführt. Nachfolgend
wird die Oberflächenbehandlung des Separators zur Verwendung
in einer Brennstoffzelle beschrieben.
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2 ist
eine schematische Draufsicht, die ein Beispiel der Struktur eines
Separators zur Verwendung in einer Brennstoffzelle gemäß der
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 2 gezeigt
wird der Separator 3 zur Verwendung in einer Brennstoffzelle
durch Bilden eines Reaktionsgas-Strömungskanals 5,
einem Anodengaszuführ-Rohrleitungssystem 7, einem
Anodengasabführ-Rohrleitungssystem 9, einem Kathodengaszuführ-Rohrleitungssystem 11,
einem Kathodengasabführ-Rohrleitungssystem 13,
einem Kühlmittelzuführ-Rohrleitungssystem 15 und
einem Kühlmittelabführ-Rohrleitungssystem 17,
auf dem metallischen Ausgangsmaterial 4 hergestellt.
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Der
Reaktionsgas-Strömungskanal 5 führt der
Elektrode der Brennstoffzelle das Reaktionsgas zu, das für
die Erzeugung von Elektrizität notwendig ist. Wenn der
Separator 3 zur Verwendung in einer Brennstoffzelle auf
der Elektrodenseite der Anode der Brennstoffzelle verwendet wird,
dient der Reaktionsgas-Strömungskanal 5 als Anodengas-Strömungskanal,
um Anodengas zuzuführen (zum Beispiel Wasserstoffgas).
Andererseits dient, wenn der Separator 3 auf der Elektrodenseite
der Kathode der Brennstoffzelle verwendet wird, der Reaktionsgas-Strömungskanal 5 als
Kathodengas-Strömungskanal, um Kathodengas zuzuführen
(zum Beispiel Sauerstoffgas). Das Anodengaszuführ-Rohrleitungssystem 7 und
das Anodenabführ-Rohrleitungssystem 9 sind der
Einlass zum Zuführen des Anodengases zu bzw. der Auslass
zum Abführen des Anodengases aus dem Anodengas-Strömungskanal.
Zusätzlich sind das Kathodengaszuführ-Rohrleitungssystem 11 und
das Kathodengasabführ-Rohrleitungssystem 13 der
Einlass zum Zuführen des Kathodengases zu bzw. der Auslass
zum Abführen des Kathodengases aus dem Kathodengas-Strömungskanal.
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Beispiele
des metallischen Ausgangsmaterials 4, das für
den Separator 3 zur Verwendung in einer Brennstoffzelle
verwendet wird schließen Folgende ein: Edelstähle,
wie SUS316 und SUS304 und Aluminium, Titan und Legierungen derselben.
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In
dem Separator 3 zur Verwendung in einer Brennstoffzelle
wird, zum Sicherstellen des Durchgangswiderstands desselben oder
Sicherstellen der Korrosionsbeständigkeit desselben, eine
Oberflächenbehandlung zum Beispiel mit einem Metall, einem
Harz oder dergleichen an dem metallischen Ausgangsmaterial 4 durchgeführt.
Dann wird, zum Verbessern der Haftung des durch Beschichten aufgebrachten
Metalls oder zum Härten des durch Beschichten aufgebrachten
Harzes eine Wärmebehandlung an dem metallischen Ausgangsmaterial 4 angewendet.
In dieser Wärmebehandlung wird eine Oxidschicht auf dem
metallischen Ausgangsmaterial 4 gebildet (zum Beispiel
der Reaktionsgas-Strömungskanal 5 und ein nicht
gezeigter Kühlwasser-Strömungskanal).
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3 ist
ein Flussdiagramm, das ein Beispiel eines Verfahrens der Oberflächenbehandlung des
Separators zur Verwendung in einer Brennstoffzelle gemäß der
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, das mit
den Schritten (A), (B), (C) und (D) bereitgestellt wird, und ist
eine schematische Querschnittsansicht des in 2 gezeigten
metallischen Ausgangsmaterials (zum Beispiel des Reaktionsgas-Strömungskanals 5).
Zusätzlich wird eine Beschreibung gegeben, indem Edelstahl
(Edelstahl 19, gezeigt in 3) als Beispiel
des metallischen Ausgangsmaterials des Separators zur Verwendung in
einer Brennstoffzelle genommen wird. Wie in 3(A) gezeigt,
wird, in dem Separator zur Verwendung in einer Brennstoffzelle,
bevor dieser der Oberflächenbehandlung in der vorliegenden
Ausführungsform unterzogen wird, die Oxidschicht 21 durch
die oben beschriebene Wärmebehandlung auf dem Edelstahl 19 des
Reaktionsgas-Strömungskanals 5, des nicht gezeigten
Kühlwasser-Strömungskanals oder dergleichen, gebildet.
In der Oxidschicht 21 sind, wie oben beschrieben, Oxide
auf Basis von Eisen, Oxide auf Basis von Nickel, Oxide auf Basis
von Chrom und dergleichen eingeschlossen.
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In
der vorliegenden Ausführungsform wird der Separator zur
Verwendung in einer Brennstoffzelle zunächst der Reduktionsbehandlung
unterzogen und, wie in 3(B) gezeigt,
die Oxidschicht 21 auf dem Edelstahl 19 des Reaktionsgas-Strömungskanals 5 reduziert.
Die Reduktionsbehandlung ist bevorzugt die oben beschriebene reduktive
Elektrolysebehandlung, da die reduktive Elektrolysebehandlung keine
Beschädigung des Separators zur Verwendung in einer Brennstoffzelle
hervorruft. Bei der reduktiven Elektrolysebehandlung wird eine Elektrolyse
durchgeführt, zum Beispiel in einer sauren Lösung
auf Basis von Schwefelsäure mit einem pH von 3 oder weniger,
bevorzugt einem pH von 1 oder weniger, mit Kohlenstoff als Anode
und dem Separator zur Verwendung in einer Brennstoffzelle als Kathode
unter den Bedingungen, dass die Stromdichte in einem Bereich von
1,0 A/dm2 bis 10 A/dm2 liegt
und die Elektrolysemenge in einem Bereich von 0,5 Colomb/dm2 bis 5000 Colomb/dm2 liegt.
Die Bedingungen der Reduktionsbehandlung sind nicht notwendigerweise
auf das oben Beschriebene beschränkt. Wenn jedoch die Stromdichte,
die Elektrolysemenge und dergleichen außerhalb des oben
beschriebenen Bereichs liegen, ist es manchmal schwierig die Oxidschicht 21 (zum Beispiel
Fe2O3 → FeO)
zu reduzieren, bis FeO in der Oxidschicht 21 als Bestandteil
der Oxidschicht 21 eingeschlossen ist.
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Als
Nächstes wird die Oxidationsbehandlung an dem Separator
zur Verwendung in einer Brennstoffzelle, der der Reduktionsbehandlung
unterzogen wurde, angewendet, und daher wird, wie in 3(C) gezeigt, die Oxidschicht 21,
die reduziert wurde, oxidiert, um entfernt zu werden. Die Oxidschicht
wird bevorzugt zu einem solchen Ausmaß entfernt, dass die Dicke
der Oxidschicht auf ein paar Nanometer oder weniger verringert wird.
Die Oxidationsbehandlung ist bevorzugt die oben beschriebene oxidative
Elektrolysebehandlung, da die oxidative Elektrolysebehandlung keine
Beschädigung des Separators zur Verwendung in einer Brennstoffzelle
hervor ruft. Bei der oxidativen Elektrolysebehandlung wird eine
Elektrolyse zum Beispiel in einer sauren Lösung auf Basis von
Schwefelsäure mit einem pH von 3 oder weniger, bevorzugt
einem pH von 1 oder weniger, mit Kohlenstoff als Kathode und dem
Separator zur Verwendung in einer Brennstoffzelle als Anode unter
den Bedingungen, dass die Stromdichte in einem Bereich von 0,1 A/dm2 bis 10 A/dm2 liegt
und die Elektrolysemenge in einem Bereich von 0,5 Colomb/dm2 bis 100 Colomb/dm2 liegt,
durchgeführt. Die Bedingungen der Oxidationsbehandlung
sind nicht notwendigerweise auf das oben Beschriebene beschränkt.
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Zusätzlich
ist es bevorzugt, vor der Reduktionsbehandlung die oben beschriebene
Oxidations-Vorbehandlung an dem Separator zur Verwendung in einer
Brennstoffzelle anzuwenden. Die Bedingungen der Oxidations-Vorbehandlung
sind dieselben wie die Bedingungen der oben beschriebenen Oxidationsbehandlung.
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Als
Nächstes wird ein Plattieren, Aufdampfen, Beschichten oder
dergleichen an dem Reaktionsgas-Strömungskanal 5,
dem nicht gezeigten Kühlwasser-Strömungskanal
und dergleichen des Separators zur Verwendung in einer Brennstoffzelle angewendet,
welcher dem Entfernen der Oxidschicht unterzogen wurde und daher
wird, wie in 3(D) gezeigt, die Metall-
oder Harz-enthaltende Schicht 23 gebildet (Behandlung zur
Schichtbildung). Als Behandlung zur Schichtbildung einer auf dem
Edelstahl 19 des Reaktionsgas-Strömungskanals 5 gebildeten Schicht
ist es bevorzugt, ein Plattieren mit einem Edelmetall durchzuführen,
so wie ein Gold-Plattieren, da ein solches Plattieren dem Reaktionsgas-Strömungskanal
Korrosionsbeständigkeit verleiht. Für das Plattieren
mit dem Edelmetall, wie das Gold-Plattieren, oder ähnliche
Vorgänge, können bisher bekannte Verfahren angewendet
werden. In der vorliegenden Ausführungsform kann durch
Durchführen der Oxidationsbehandlung nach der Reduktionsbehandlung
und Durchführen der Reduktionsbehandlung nach der Oxidations-Vorbehandlung
und der Oxidationsbehandlung die Oxidschicht zu einem solchen Ausmaß entfernt
werden, dass die Dicke der Oxidschicht auf ein paar Nanometer oder
weniger verringert wird. Daher kann, selbst wenn ein Plattieren
oder dergleichen nach dem Entfernen der Oxidschicht durchgeführt
wird, eine zufriedenstellend haftende Metallschicht gebildet werden.
Es ist anzumerken, dass in der vorliegenden Ausführungsform
die Bildung der Metallschicht nicht notwendigerweise auf die Bildung
einer Metallschicht durch ein Plattieren mit Edelmetall beschränkt
ist. Die Metallschicht kann ebenso durch andere Verfahren, wie Plattieren
(einschließlich stromloses Plattieren), wie Nickel-Plattieren
oder Zn-Plattieren, Aufdampfen und Beschichten gebildet werden.
Alternativ kann ebenso, um Hydrophilie oder andere Zwecke zu verleihen,
eine Harzschicht durch Beschichten mit einem Harz (einschließlich
Kohlenstoff-haltige Harze) oder dergleichen gebildet werden.
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Wie
oben beschrieben schließt in dem Verfahren der Oberflächenbehandlung
eines metallischen Ausgangsmaterials der vorliegenden Ausführungsform
das Verfahren einen Schritt der Reduktionsbehandlung ein, in dem
eine auf dem metallischen Aus gangsmaterial gebildete Oxidschicht
einer Reduktionsbehandlung unterzogen wird und einen Schritt der
Oxidationsbehandlung, in dem die Oxidschicht, die der Reduktionsbehandlung
unterzogen wurde, einer Oxidationsbehandlung unterzogen wird und
daher kann die auf dem metallischen Ausgangsmaterial gebildete Oxidschicht
entfernt werden. Daher kann, selbst wenn eine Behandlung zur Schichtbildung,
zum Bilden einer Metallschicht oder dergleichen an dem metallischen
Ausgangsmaterial durchgeführt wird, eine zufriedenstellend
haftende Metallschicht, eine zufriedenstellend haftende Harzschicht oder
dergleichen gebildet werden.
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Zusammenfassung
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VERFAHREN DER OBERFLÄCHENBEHANDLUNG EINES
METALLISCHEN AUSGANGSMATERIALS
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Das
Verfahren der Oberflächenbehandlung der vorliegenden Erfindung,
wie es an einem metallischen Ausgangmaterial angewendet wird, schließt einen
Schritt der Reduktionsbehandlung ein, indem eine auf dem metallischen
Ausgangsmaterial gebildete Oxidschicht einer Reduktionsbehandlung
unterzogen wird und einen Schritt der Oxidationsbehandlung, in dem
die Oxidschicht, die der Reduktionsbehandlung unterzogen wurde,
einer Oxidationsbehandlung unterzogen wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 7-303977
A [0006, 0009]
- - JP 2-85394 A [0007, 0010]
- - JP 7-188976 A [0008, 0011]