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TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines
Brennstoffzellenseparators und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung
eines Brennstoffzellenseparators, der Gase zwischen benachbarten
Zellen für eine Brennstoffzelle trennt.
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EINSCHLÄGIGER STAND
DER TECHNIK
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In
den vergangenen Jahren haben Brennstoffzellen durch ihren hohen
Wirkungsgrad und ihre ausgezeichneten Umweltcharakteristiken zunehmend
an Interesse gewonnen. Allgemein gesagt erzeugen Brennstoffzellen
elektrische Leistung durch eine elektrochemische Reaktion von Wasserstoff
als ein Brennstoffgas mit Luftsauerstoff als ein Oxidationsmittelgas.
Als Resultat der elektrochemischen Reaktion zwischen Wasserstoff
und Sauerstoff wird Wasser erzeugt.
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Es
gibt verschiedene Arten von Brennstoffzellen, darunter Phosphorsäure-Brennstoffzellen, Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen,
Festoxid-Brennstoffzellen, alkalische Brennstoffzellen, Feststoffpolymer-Brennstoffzellen
usw. Unter diesen richtet sich das Hauptaugenmerk auf Feststoffpolymer-Brennstoffzellen,
die insofern von Vorteil sind, als sie für einen Kaltstart
geeignet sind, eine kurze Hochfahrzeit benötigen, und so
fort. Solche Feststoffpolymer-Brennstoffzellen werden beispielsweise
als Leistungsquellen für mobile Körper wie etwa
Fahrzeuge verwendet.
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Eine
Feststoffpolymer-Brennstoffzelle ist durch Schichtung einer Mehrzahl
von einzelnen Zellen, einer Kollektorplatte, einer Endplatte und
dergleichen aufgebaut. Jede Zelle für eine Brennstoffzelle ist
so konfiguriert, dass sie eine Elektrolytmembran, eine Katalysatorschicht,
eine Gasdiffusionsschicht und einen Separator umfasst.
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Patentdokument
1 beschreibt einen Brennstoffzellenseparator mit einer Metallplatte,
wobei die Metallplatte einen Gaskanalabschnitt aufweist sowie einen
Kontaktabschnitt, der sich außerhalb des Gaskanalabschnitts
befindet und mit einem Zellenspannungs-Überwachungsanschluss
in Berührung steht. Am Gaskanalabschnitt ist die Metallplatte
mit einem Metall überzogen, auf das eine Kohlenstoffbeschichtung
aufgebracht ist. An dem Kontaktabschnitt, der sich außerhalb
des Gaskanalabschnitts befindet und mit einem Zellenspannungs-Überwachungsanschluss
in Berührung steht, behält die Metallplatte ihren
Metallüberzug, indem der Kontaktabschnitt während
der Aufbringung der Kohlenstoffbeschichtung maskiert wird.
- Patentdokument
1: Japanisches Patent Nr. 3891069
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OFFENBARUNGSGEHALT DER ERFINDUNG
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DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSENDE
PROBLEME
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Falls
ein Brennstoffzellenseparator aus einem metallischen Material wie
etwa Titan hergestellt wird, wird im Allgemeinen Gold (Au) oder
ein ähnlicher elektrischer Leiter mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit
durch Plattieren oder dergleichen auf seine Oberfläche
aufgebracht, wodurch der Kontaktwiderstand zwischen dem Brennstoffzellenseparator und
der Gasdiffusionsschicht usw. reduziert wird. Wenn die Plattierung
mit Gold (Au) oder einem ähnlichen elektrischen Leiter
hierbei auch auf eine Kühlmittelkanaloberfläche
des Separators aufgebracht wird, besteht beispielsweise die Möglichkeit,
dass die elektrische Leitfähigkeit des Kühlmittels
aufgrund der katalytischen Aktivität von Gold (Au) oder
dergleichen zunimmt.
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Die
Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenseparators
zur Verfügung, das ein Zunahme der elektrischen Leitfähigkeit
eines Kühlmittels unterdrückt und dadurch den
Kontaktwiderstand zwischen dem Brennstoffzellenseparator und einer
Gasdiffusionsschicht usw. verringert.
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MASSNAHMEN ZUR PROBLEMLÖSUNG
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Ein
erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines
Brennstoffzellenseparators ist ein Verfahren zur Herstellung eines
Brennstoffzellenseparators, der Gase zwischen benachbarten Zellen
für eine Brennstoffzelle trennt. Das Verfahren umfasst
folgendes: Ausbilden eines Vorsprünge und Vertiefungen aufweisenden
Separatorsubstrats aus einem metallischen Material; und Ausbilden
einer elektrisch leitenden Schicht aus einem elektrischen Leiter
nur auf den Vorsprüngen des Separatorsubstrats.
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Bei
dem Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenseparators ist
es bevorzugt, dass beim Ausbilden der elektrisch leitenden Schicht
eine metallische Plattierung nur auf die Vorsprünge des Separatorsubstrats
aufgebracht wird, um die elektrisch leitende Schicht zu bilden.
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Bei
dem Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenseparators ist
es bevorzugt, dass die metallische Plattierung eine Goldplattierung
ist.
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Bei
dem Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenseparators ist
es bevorzugt, dass beim Ausbilden des Separatorsubstrats das Separatorsubstrat
aus einem Titanmaterial oder einem Edelstahl ausgebildet wird.
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Bei
dem Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenseparators ist
es bevorzugt, dass beim Ausbilden der elektrisch leitenden Schicht
die elektrisch leitende Schicht durch Aufwalzen unter Verwendung
einer Walze ausgebildet wird, die an ihrer Oberfläche eine
Plattierlösung hält.
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VORTEIL DER ERFINDUNG
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Wie
vorausgehend erwähnt wurde, verhindert das Verfahren zur
Herstellung eines Brennstoffzellenseparators gemäß der
vorliegenden Erfindung die Ausbildung einer elektrisch leitenden
Schicht aus Gold (Au) oder dergleichen auf einer Kühlmittelkanaloberfläche
des Separators, wodurch es möglich wird, eine Zunahme der
elektrischen Leitfähigkeit des Kühlmittels zu
unterdrücken, so dass der Kontaktwiderstand zwischen dem
Brennstoffzellenseparator und einer Gasdiffusionsschicht usw. reduziert
wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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1 zeigt
eine Schnittansicht einer Zelle für eine Brennstoffzelle
gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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2 zeigt
ein Ablaufdiagramm zur Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung
eines Brennstoffzellenseparators gemäß einer Ausführungsform der
Erfindung.
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3 zeigt
die Konfiguration einer Plattiervorrichtung gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung.
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4 zeigt
einen Fall, in dem eine elektrisch leitende Schicht unter Verwendung
einer Plattiervorrichtung gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung ausgebildet wird.
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5 zeigt
einen Fall, in dem eine elektrisch leitende Schicht unter Verwendung
einer Sputtervorrichtung gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung ausgebildet wird.
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6A zeigt
eine Schemazeichnung eines mit Noppen versehenen Separators, der
eine elektrisch leitende Schicht (Draufsicht bei Betrachtung von
der Kühlmittelseite her) gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung aufweist.
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6B zeigt
eine vergrößerte Ansicht des Noppenbereichs von 6A.
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6C zeigt
eine Schnittansicht des Noppenbereichs entlang der Linie A-A in 6B.
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7 zeigt
die Messergebnisse für die elektrische Leitfähigkeit
eines Kühlmittels gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung.
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ERLÄUTERUNG DER BEZUGSZEICHEN
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- 10: Zelle für eine Brennstoffzelle, 12:
Elektrolytmembran, 14: Katalysatorschicht, 16:
Gasdiffusionsschicht, 18: Membranelektrodenanordnung, 20, 29: Separator, 22:
Separatorsubstrat, 24: Elektrisch leitende Schicht, 26:
Gaskanal, 28: Kühlmittelkanal, 30: Plattiervorrichtung, 32:
Plattierbad, 34: Erste Walze, 36: Zweite Walze, 38:
Flüssigkeit zurückhaltendes Material, 40:
Plattierlösung, 50: Mit Noppen versehener Separator, 52:
Zylindrische Erhebung, 54: Gaskanaloberfläche, 56:
Kühlmittelkanaloberfläche
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BESTE AUSFÜHRUNGSWEISE
DER ERFINDUNG
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Im
Nachfolgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung unter
Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben. Zuerst
wird die Konfiguration einer Zelle für eine Brennstoffzelle
erläutert. 1 zeigt eine Schnittansicht
einer Zelle 10 für eine Brennstoffzelle. Die Zelle 10 für
eine Brennstoffzelle umfasst folgendes: eine Membranelektrodenanordnung 18 (MEA),
die aus einer Elektrolytmembran 12, einer Katalysatorschicht 14 und
einer Gasdiffusionsschicht 16 zusammengesetzt ist und Brennstoffzellenelektroden
zur Verfügung stellt; und einen Separator 20,
der Brennstoff- und Oxidationsmittelgase zwischen benachbarten Zellen
für eine Brennstoffzelle trennt. Die in 1 gezeigte
Zelle 10 für eine Brennstoffzelle ist beispielhaft
gedacht und soll die Erfindung nicht auf diese Konfiguration einschränken.
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Die
Elektrolytmembran 12 hat u. a. die Funktion, auf der Anodenseite
erzeugte Wasserstoffionen auf die Kathodenseite zu transportieren.
Bei dem Material für die Elektrolytmembran 12 kann
es sich um ein chemisch stabiles Fluorharz handeln, wobei eine Perfluorocarbonsulfonat-Ionenaustauschermembran
ein Beispiel hierfür darstellt.
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Die
Katalysatorschicht 14 hat die Funktion, die Wasserstoffoxidationsreaktion
auf der Anodenseite oder die Sauerstoffreduktionsreaktion auf der Kathodenseite
zu beschleunigen. Die Katalysatorschicht 14 umfasst einen
Katalysator und einen Katalysatorträger. Um die Reaktionsfläche
der Elektrode zu vergrößern, wird der Katalysator
im Allgemeinen in Form von Partikeln verwendet, die am Katalysatorträger
fest gemacht sind. Ein Beispiel für den Katalysator ist
Platin, d. h. ein Element der Platingruppe, das ein geringeres Aktivierungsüberpotenzial
für die Wasserstoffoxidationsreaktion oder die Sauerstoffreduktionsreaktion
besitzt. Als der Katalysatorträger kann beispielsweise
ein Kohlenstoffmaterial wie etwa Russ verwendet werden.
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Die
Gasdiffusionsschicht 16 hat die Funktionen, als Brennstoffgas
dienendes Wasserstoffgas oder dergleichen und als Oxidationsmittelgas
dienende Luft oder dergleichen in die Katalysatorschicht 14 zu
diffundieren, Elektronen zu transportieren, und so fort. Für
die Gasdiffusionsschicht 16 kann ein Gewebe aus Kohlenstofffaser,
Kohlenstoffpapier, oder ein ähnliches Material verwendet
werden, das elektrische Leitfähigkeit besitzt.
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Der
Separator 20 ist auf die Membranelektrodenanordnung 18 geschichtet
und hat die Funktion, Brennstoff- und Oxidationsmittelgase zwischen
benachbarten Zellen für eine Brennstoffzelle zu trennen.
Der Separator 20 besitzt ferner die Funktion, benachbarte
Zellen für eine Brennstoffzelle elektrisch miteinander
zu verbinden. Der Separator 20 weist ein Separatorsubstrat 22 auf,
das aus einem metallischen Material ausgebildet ist und Vorsprünge
und Vertiefungen besitzt, und weist ferner eine elektrisch leitende
Schicht 24 auf, die nur auf den Vorsprüngen des
Separatorsubstrats 22 ausgebildet ist. Das Vorsehen des
Vorsprünge und Vertiefungen aufweisenden Separators kann
zur Bildung eines Gaskanals 26 führen, in dem
ein Brennstoffgas oder ein Oxidationsmittelgas strömt,
sowie eines Kühlmittelkanals 28, in dem ein Ethylenglycol
oder dergleichen enthaltendes Kühlmittel LLC (Long-Life-Coolant)
strömt.
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Das
Separatorsubstrat 22 ist bevorzugt aus einem Titanmaterial
wie etwa Titan oder einer Titanlegierung oder aus einem Edelstahl
wie etwa SUS316L oder SUS304 ausgebildet. Ein zu nennender Grund
hierfür ist, dass diese metallischen Materialien eine hohe
mechanische Festigkeit besitzen. Ferner kann ein solches metallisches
Material die Ausbildung eines inaktiven Films wie etwa eines Passivierungsfilms,
der ein stabiles Oxid (TiO, Ti2O3, TiO2, CrO2, CrO, Cr2O3 usw.) enthält, auf seiner Oberfläche
ermöglichen und somit eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit
besitzen. Als der Edelstahl kann austenitischer Edelstahl, ferritischer
Edelstahl oder dergleichen verwendet werden. Selbstverständlich
kann das Separatorsubstrat 22 in Abhängigkeit von
anderen Bedingungen aus einem anderen metallischen Material ausgebildet
werden, ohne auf die vorstehend genannten metallischen Materialien
beschränkt zu sein.
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Die
elektrisch leitende Schicht 24 kann aus Gold (Au), Silber
(Ag), Kupfer (Cu), Platin (Pt), Rhodium (Rh), Iridium (Ir), Palladium
(Pd) oder einem ähnlichen metallischen Material ausgebildet
werden, das als elektrischer Leiter dient. Ein zu nennender Grund
hierfür ist, dass diese metallischen Materialien eine hohe
elektrische Leitfähigkeit besitzen, wodurch der Kontaktwiderstand
zwischen dem Separator 20 und der Membranelektrodenanordnung 18 bzw.
einem Separator 29 der benachbarten Zelle für
eine Brennstoffzelle weiter reduziert werden kann. Von diesen metallischen
Materialien besitzt Gold (Au) eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit,
weist eine hohe elektrische Leitfähigkeit auf, und ist
daher als das metallische Material zum Ausbilden der elektrisch
leitenden Schicht 24 bevorzugt. Die elektrisch leitende
Schicht 24 kann auch aus einer Legierung von Gold (Au),
Platin (Pt) und dergleichen gefertigt werden.
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Für
eine Erhöhung der zwischen der Gasdiffusionsschicht 16 und
dem Separator 20 strömenden Menge von Brennstoffgas
oder Oxidationsmittelgas kann ferner ein Gaskanalaufbau (nicht veranschaulicht)
wie etwa ein Streckmetall, eine Metalllattung oder ein poröses
metallisches Material vorgesehen werden.
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Als
Nächstes wird ein Verfahren zur Herstellung des Brennstoffzellenseparators 20 erläutert.
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2 zeigt
ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zur Herstellung des Brennstoffzellenseparators 20 darstellt.
Das Verfahren zur Herstellung des Brennstoffzellenseparators 20 umfasst
einen Separatorsubstrat-Ausbildungsschritt (S10), einen Säuberungsschritt
(S12), einen Neutralisierungsschritt (S14), einen Beizvorgang (S16),
und einen Schritt zum Ausbilden einer elektrisch leitenden Schicht (S18).
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Der
Separatorsubstrat-Ausbildungsschritt (S10) ist ein Schritt des Bearbeitens
eines metallischen Materials, so dass es Vorsprünge und
Vertiefungen aufweist, wodurch das Separatorsubstrat 22 erhalten
wird. Das Separatorsubstrat 22 kann beispielsweise durch
Umformen eines Metallblechs ausgebildet werden. Das Separatorsubstrat 22 kann
eine mit Noppen versehene Form, eine gewellte Form oder dergleichen
mit Vorsprüngen und Vertiefungen aufweisen. Als Bearbeitungsgerät
wird im Allgemeinen ein solches verwendet, das beispielsweise bei der
Umformungsbearbeitung eines metallischen Materials Anwendung findet.
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Der
Säuberungsschritt (S12) ist ein Schritt des Säuberns
des Separatorsubstrats 22. Das Separatorsubstrat 22 kann
beispielsweise durch alkalisches Tauchentfetten gereinigt werden.
Eine alkalische Lösung wie beispielsweise etwa Ätznatron
kann bei dem alkalischen Tauchentfetten eingesetzt werden. Das Säubern
des Separatorsubstrats 22 durch alkalisches Tauchentfetten
oder dergleichen kann an der Oberfläche des Separatorsubstrats 22 anhaftendes Öl
und dergleichen entfernen.
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Der
Neutralisierungsschritt (S14) ist ein Schritt des Neutralisierens
und Entfernens der auf dem gereinigten Separatorsubstrat 22 zurückgebliebenen
alkalischen Lösung. Das Neutralisieren kann beispielsweise
durch Eintauchen des gesäuberten Separatorsubstrats 22 in
eine Neutralisierungslösung vorgenommen werden. Eine Schwefelsäurelösung, eine
Salzsäurelösung, eine Salpetersäurelösung oder
dergleichen kann als die Neutralisierungslösung eingesetzt
werden. Das aus der Neutralisierungslösung entnommene Separatorsubstrat 22 kann
mit entionisiertem Wasser oder dergleichen gewaschen werden.
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Der
Geizschritt (S16) ist ein Schritt des Waschens des neutralisierten
Separatorsubstrats 22 mit einer Säure, um Oxide
und dergleichen von der Oberfläche des Separatorsubstrats 22 zu
entfernen. Beizen kann beispielsweise durch Eintauchen des Separatorsubstrats 22 in
eine fluoridhaltige Lösung wie etwa eine Salpeter-/Flusssäurelösung
oder eine Flusssäurelösung vorgenommen werden.
Als Result des Eintauchens des Separatorsubstrats 22 in
die fluoridhaltige Lösung können auf der Oberfläche
des Separatorsubstrats 22 gebildete Oxide und dergleichen
abgeätzt werden. Das aus der fluoridhaltigen Lösung
oder dergleichen entnommene Separatorsubstrat 22 kann mit
entionisiertem Wasser oder dergleichen gewaschen werden.
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Der
Schritt zum Ausbilden einer elektrisch leitenden Schicht (S18) ist
ein Schritt des Ausbildens der elektrisch leitenden Schicht 24 auf
den Vorsprüngen des gebeizten Separatorsubstrats 22 aus
Gold (Au) oder einem ähnlichen elektrischen Leiter. Um eine
Beschichtung aus Gold (Au) oder dergleichen aufzubringen, kann beispielsweise
Metallplattieren mittels galvanischen Beschichtens eingesetzt werden.
Bei dem galvanischen Beschichten kann es sich um gewöhnliches
galvanisches Beschichten mit Gold (Au), Silber (Ag), Kupfer (Cu)
oder dergleichen handeln.
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Falls
eine Gold(Au)-Plattierschicht als die elektrisch leitende Schicht 24 auf
die Vorsprünge des Separatorsubstrats 22 aufgebracht
wird, kann ein Goldplattierbad eingesetzt werden, das beispielsweise
Kaliumgoldcyanid, Natriumgoldsulfit oder dergleichen enthält.
Als das Goldplattierbad kann ein alkalisches, neutrales oder saures
Plattierbad verwendet werden. Ferner kann der Teilchendurchmesser
der Gold(Au)-Partikel oder dergleichen, welche die elektrisch leitende
Schicht 24 ausbilden, über die Stromdichte, die
Plattierdauer, Additive, usw. gesteuert werden.
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3 zeigt
die Konfiguration einer Plattiervorrichtung 30 für
das Aufwalzen unter Verwendung einer Walze, die an ihrer Oberfläche
eine Plattierlösung hält. Die Plattiervorrichtung 30 umfasst
ein Plattierbad 32, das eine Plattierlösung 40 bevorratet,
eine erste Walze 34, welche die Plattierlösung 40 aufnimmt,
und eine zweite Walze 36, die das Separatorsubstrat 22 zwischen
sich und der ersten Walze 34 mit einem vorgegebenen Druck
hält.
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Die
erste Walze 34 und die zweite Walze 36 können
beispielsweise aus einem Edelstahl gefertigt sein, der eine ausgezeichnete
Korrosionsbeständigkeit besitzt. Die erste Walze 34 weist
bevorzugt auf ihrer Oberfläche ein Flüssigkeit
zurückhaltendes Material 38 wie etwa einen Rayon-Textilverbundstoff (Filz)
auf, um eine Plattierlösung zu halten. Die erste Walze 34 und
die zweite Walze 36 können an eine Leistungsversorgung
angeschlossen sein, wobei die erste Walze 34 an die Anode
und die zweite Walze 36 an die Kathode angeschlossen sein
kann.
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Wenn
die von der ersten Walze 34 aufgenommene Plattierlösung
mit dem Separatorsubstrat 22 in Kontakt kommt, kann der
resultierende Kontaktabschnitt des Separatorsubstrats 22 mit
einem elektrischen Leiter plattiert werden. Nachdem eine Seite des
Separatorsubstrats 22 mit der ersten Walze 34 in Kontakt
gebracht wurde, so dass Vorsprünge auf einer Seite mit
dem elektrischen Leiter plattiert werden können, kann daraufhin
die andere Seite des Separatorsubstrats 22 mit der ersten
Walze 34 in Kontakt gebracht werden, so dass Vorsprünge
auf der anderen Seite mit dem elektrischen Leiter plattiert werden können.
Als Ergebnis kann die elektrisch leitende Schicht 24 aus
dem elektrischen Leiter auf den Vorsprüngen des Separatorsubstrats 22 ausgebildet werden,
die an der Membranelektrodenanordnung 18 oder dem Separator 29 der
benachbarten Zelle für eine Brennstoffzelle in Kontakt
anliegen. Diese Plattiervorrichtung 30 kann es ermöglichen,
dass die elektrisch leitende Schicht 24 nur auf den Vorsprüngen
ausgebildet wird, ohne dass ein Maskieren anderer Abschnitte wie
etwa der Gaskanaloberfläche, der Kühlmittelkanaloberfläche
und dergleichen erforderlich wäre. Hierdurch können
die Herstellungskosten für den Brennstoffzellenseparator 20 gesenkt
werden.
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Auch
wenn das durch Umformen oder dergleichen ausgebildete Separatorsubstrat 22 verwunden
oder ausgebaucht ist, kann ferner eine im Wesentlichen gleichförmige
Plattierung auf die Vorsprünge des Separatorsubstrats 22 aufgebracht
werden, da die Plattierung aufgebracht werden kann, während
das Separatorsubstrat 22 einem vorgegebenen Druck durch
die erste Walze 34 und die zweite Walze 36 ausgesetzt
ist.
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4 zeigt
einen Fall, in dem die elektrisch leitende Schicht 24 unter
Verwendung der Plattiervorrichtung 30 ausgebildet wird. 5 zeigt
einen Fall, in dem die elektrisch leitende Schicht 24 unter Verwendung
einer Sputtervorrichtung ausgebildet wird. Die Zeichnung linker
Hand zeigt eine Draufsicht auf das Separatorsubstrat 22,
während die Zeichnung rechter Hand eine Seitenansicht zeigt,
die angibt, wie das Sputtern vor sich geht. Wie in 4 gezeigt
ist, ist selbst im Falle eines verwundenen oder ausgebauchten Separatorsubstrats 22 eine
Korrektur durch Erhöhen des Walzdrucks der zweiten Walze 36 möglich.
Somit kann eine im Wesentlichen gleichförmige Plattierung
auf die Vorsprünge des Separatorsubstrats 22 aufgebracht
werden. Wie hingegen in 5 gezeigt ist, kann sich, falls
eine elektrisch leitende Schicht aus Gold (Au) oder dergleichen
auf dem Separatorsubstrat 22 unter Verwendung einer Sputtervorrichtung
oder dergleichen ausgebildet wird, ein Sputtern des Targetbereichs
als schwierig erweisen, wenn das Separatorsubstrat 22 verwunden
oder ausgebaucht ist, so dass es schwierig sein kann, eine im Wesentlichen
gleichförmige elektrisch leitende Schicht auf den Vorsprüngen
des Separatorsubstrats 22 auszubilden. Falls die elektrisch
leitende Schicht unter Verwendung einer Sputtervorrichtung oder
dergleichen ausgebildet wird, kann daher ein Korrekturschritt wie
etwa Glühen erforderlich sein, um eine Verwindung oder
Ausbauchung des Separatorsubstrats 22 zu korrigieren. Falls
die elektrisch leitende Schicht 24 unter Verwendung der
in 3 gezeigten Plattiervorrichtung 30 ausgebildet
wird, kann sich ein Korrekturschritt wie etwa Glühen als
unnötig erweisen, selbst wenn das Separatorsubstrat 22 verwunden
oder ausgebaucht ist, wodurch die Herstellungskosten für
den Brennstoffzellenseparator 20 weiter gesenkt werden
können.
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Selbstverständlich
ist das Verfahren zum Ausbilden der elektrisch leitenden Schicht
nicht auf das vorstehend beschriebene galvanische Beschichten beschränkt,
und andere Beschichtungsverfahren, darunter PVD (Physical Vapor
Deposition), CVD (Chemical Vapor Deposition), ein Applikationsverfahren,
ein Tintenstrahlverfahren und dergleichen können ebenso
verwendet werden. Bei der PVD (Physical Vapor Deposition) kann beispielsweise
Sputtern oder Ionenplattieren eingesetzt werden, um eine Beschichtung
aus Gold (Au) oder dergleichen auszubilden. Bei dem Applikationsverfahren
können Gold(Au)-Partikel oder dergleichen zur Herstellung einer
Aufschlämmung in einem Bindemittel wie etwa einem organischen
Lösungsmittel disper giert werden, und die Aufschlämmung
mit den darin befindlichen Gold(Au)-Partikeln oder dergleichen Partikeln kann
zum Ausbilden einer Beschichtung aufgebracht werden. Beim Tintenstrahlverfahren
kann beispielsweise eine ultrafeine Metalltinte mit darin dispergierten
Gold(Au)-Partikeln oder dergleichen Partikeln verwendet werden,
um eine Beschichtung auszubilden.
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Falls
die elektrisch leitende Schicht 24 aus Gold ausgebildet
wird, beträgt die Dicke der elektrisch leitenden Schicht 24 bevorzugt
nicht weniger als ca. 2 nm und nicht mehr als ca. 100 nm. Der Grund
hierfür liegt darin, dass der Kontaktwiderstand des resultierenden
Separators 20 hoch sein kann, wenn die Dicke der elektrisch
leitenden Schicht 24 weniger als ca. 2 nm beträgt.
Ein weiterer Grund hierfür ist, dass sich die Kosten für
die Herstellung erhöhen können, wenn die Dicke
der elektrisch leitenden Schicht 24 mehr als 100 nm beträgt,
da das Gold für die Ausbildung der elektrisch leitenden
Schicht 24 kostspielig ist. Falls die elektrisch leitende
Schicht 24 aus Gold ausgebildet wird, beträgt
die Dicke der elektrisch leitenden Schicht 24 außerdem
bevorzugt nicht weniger als ca. 2 nm und nicht mehr als ca. 20 nm. Die
Herstellung des Brennstoffzellenseparators 20 kann damit
abschlossen werden.
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Die 6 zeigen einen mit Noppen versehenen Separator 50,
der die elektrisch leitende Schicht 24 aufweist. 6A zeigt
eine Schemazeichnung des mit Noppen versehenen Separators 50 (Draufsicht
bei Betrachtung von der Kühlmittelseite her), 6B zeigt
eine vergrößerte Ansicht des Noppenbereichs, und 6C zeigt
eine Schnittansicht des Noppenbereichs entlang der Linie A-A in 6B. Gemäß der
Darstellung in den 6B und 6C kann
der Außendurchmesser einer zylindrischen Erhebung 52 beispielsweise
ca. 0,5 mm bis ca. 3,0 mm betragen; die Teilung L der zylindrischen
Erhebungen 52 kann beispielsweise ca. 0,6 mm bis ca. 5,0
mm betragen, und die Höhe H der zylindrischen Erhebungen
kann beispielsweise ca. 0,05 mm bis ca. 0,6 mm betragen. Es ist
möglich, die elektrisch leitende Schicht 24 wie
etwa eine Gold(Au)-Plattierschicht nur auf denjenigen Vorsprüngen
auszubilden, die an einer Membranelektrodenanordnung 18 oder
einem Separator der benachbarten Zelle für eine Brennstoffzelle
in Berührung anliegen, und sie nicht auf einer Gaskanaloberfläche 54,
an der ein Brennstoffgas oder ein Oxidationsmittelgas strömt,
oder auf einer Kühlmittelkanal oberfläche 56,
an der ein Kühlmittel strömt, auszubilden. Um
die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern, kann die Gaskanaloberfläche 54 des Separators 50 mit
einem Titanoxid (TiO2) oder dergleichen
beschichtet werden.
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Die
vorstehend beschriebene Konfiguration verhindert eine Ausbildung
der elektrisch leitenden Schicht aus Gold (Au) oder dergleichen
auf der Kühlmittelkanaloberfläche des Brennstoffzellenseparators,
wodurch eine Zunahme der elektrischen Leitfähigkeit des
Kühlmittels unterdrückt und somit der Kontaktwiderstand
zwischen dem Brennstoffzellenseparator und einer Gasdiffusionsschicht
usw. verringert werden kann.
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Die
Anwendung der vorstehend beschriebenen Konfiguration ermöglicht
es, die elektrisch leitende Schicht aus Gold (Au) oder dergleichen
nur auf der Kontaktoberfläche auszubilden, die an der Membranelektrodenanordnung 18 oder
einem Separator der benachbarten Zelle für eine Brennstoffzelle
anliegt, wodurch die Herstellungskosten für Zellen für eine
Brennstoffzelle weiter gesenkt werden können.
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Beispiele
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Im
Nachfolgenden wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf
Beispiele und Vergleichsbeispiele in weiterem Detail beschrieben;
die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt.
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Es
werden drei Arten von Separatorprobestücken hergestellt,
und Änderungen in der elektrischen Leitfähigkeit
eines Kühlmittel werden bewertet.
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Zuerst
wird ein Verfahren zur Herstellung eines Separatorprobestücks
von Beispiel 1 erläutert. Ein Blech aus reinem Titan wird
umgeformt, um ein Titanblech mit Vorsprüngen und Vertiefungen
auszubilden, gefolgt von Säubern durch alkalisches Tauchentfetten,
um Öl zu entfernen, das an dem Vorsprünge und
Vertiefungen aufweisenden Titanblech anhaftet. Nach dem alkalischen
Tauchentfetten wird das bearbeitete, Vorsprünge und Vertiefungen
aufweisende Titanblech zum Neutralisieren in eine Schwefelsäurelösung
eingetaucht. Das Vorsprünge und Vertiefungen aufweisende Titanblech
wird daraufhin zum Beizen in eine Salpeter-/Flusssäurelösung
eingetaucht, und auf der Oberfläche des Vorsprünge und
Vertiefungen aufweisenden Titanblechs gebildete Oxide werden durch Ätzen
entfernt. Anschließend wird eine Goldplattierschicht, die
als die elektrisch leitende Schicht dient, nur auf den Vorsprüngen
des gebeizten, Vorsprünge und Vertiefungen aufweisenden Titanblechs
ausgebildet. Die Goldplattierschicht wird durch galvanisches Beschichten
unter Verwendung eines alkalischen Goldplattierbades ausgebildet. Zum
Goldplattieren wird die in 3 gezeigte
Plattiervorrichtung 30 verwendet. Die Dicke der Goldplattierschicht
beträgt 10 nm.
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Als
Nächstes wird ein Verfahren zur Herstellung eines Separatorprobestücks
von Vergleichsbeispiel 1 erläutert. Ein Blech aus reinem
Titan wird umgeformt, um ein Titanblech mit Vorsprüngen
und Vertiefungen auszubilden, gefolgt von Säubern durch
alkalisches Tauchentfetten, um Öl zu entfernen, das an dem
Vorsprünge und Vertiefungen aufweisenden Titanblech anhaftet.
Nach dem alkalischen Tauchentfetten wird das bearbeitete, Vorsprünge
und Vertiefungen aufweisende Titanblech zum Neutralisieren in eine
Schwefelsäurelösung eingetaucht. Das Vorsprünge
und Vertiefungen aufweisende Titanblech wird daraufhin zum Beizen
in eine Salpeter-/Flusssäurelösung getaucht, und
auf der Oberfläche des Vorsprünge und Vertiefungen
aufweisenden Titanblechs gebildete Oxide werden durch Ätzen
entfernt. Anschließend wird eine Goldplattierschicht, die
als die elektrisch leitende Schicht dient, über die gesamte
Oberfläche des gebeizten, Vorsprünge und Vertiefungen
aufweisenden Titanblechs ausgebildet. Die Goldplattierschicht wird
durch galvanisches Beschichten unter Verwendung eines alkalischen
Goldplattierbades ausgebildet. Die Goldplattierschicht wird durch
Eintauchen des gebeizten, Vorsprünge und Vertiefungen aufweisenden
Titanblechs in eine Gold-Plattierlösung ausgebildet. Die
Dicke der Goldplattierschicht beträgt 10 nm. Als ein Separatorprobestück
von Vergleichsbeispiel 2 wird eines ohne Goldplattierschicht verwendet.
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Jede
der drei Arten von Separatorprobestücken wird in ein Kühlmittel
getaucht, und die elektrische Leitfähigkeit des Kühlmittels
wird bewertet. Die elektrische Leitfähigkeit des Kühlmittels
wird mittels eines gewöhnlichen Verfahrens zum Messen der elektrischen
Leitfähigkeit einer Flüssigkeit gemessen. Als
Kühlmittel wird ein Ethylenglycol und dergleichen enthaltendes
LLC (Long Life Coolant) verwendet. 7 zeigt
die Ergebnisse der Messung der elektrischen Leitfähigkeit
des Kühlmittels. Wie in 7 gezeigt
ist, stellt die Abszisse die Eintauchzeit in einem Kühlmittel
dar, und die Ordinate die elektrische Leitfähigkeit (μS/cm).
Die elektrische Leitfähigkeit des Kühlmittels,
in das das Separatorprobestück von Beispiel 1 getaucht
wird, ist durch schwarze Dreiecke angegeben, die elektrische Leitfähigkeit
des Kühlmittels, in das das Separatorprobestück
von Vergleichsbeispiel 1 getaucht wird, ist durch weisse Dreiecke
angegeben, und die elektrische Leitfähigkeit des Kühlmittels,
in das das Separatorprobestück von Vergleichsbeispiel 2
getaucht wird, ist durch weisse Kreise angegeben. Was das Kühlmittel
betrifft, in das das Separatorprobestück von Vergleichsbeispiel
1 getaucht wird, so nimmt seine elektrische Leitfähigkeit
im Verlauf der Eintauchzeit zu. Im Gegensatz hierzu zeigt die elektrische
Leitfähigkeit des Kühlmittels, in das das Separatorprobestück
von Beispiel 1 getaucht wird, fast keine Zunahme im Verlauf der
Eintauchzeit. Der Grund hierfür dürfte darin liegen,
dass die Goldplattierschicht des Separatorprobestücks von
Beispiel 1 auf einer kleineren Fläche ausgebildet ist als
bei dem Separatorprobestück von Vergleichsbeispiel 1, und
die katalytische Einwirkung von Gold (Au) auf das LLC somit geringer
ist.
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Zusammenfassung
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VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG
EINES BRENNSTOFFZELLENSEPARATORS
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Verfahren
zur Herstellung eines Brennstoffzellenseparators, das eine Zunahme
der elektrischen Leitfähigkeit eines Kühlmittels
unterdrückt, um den Kontaktwiderstand zu reduzieren. Das
Verfahren zur Herstellung des Brennstoffzellenseparators 20 zum Trennen
von Gasen zwischen benachbarten Zellen für die Brennstoffzelle
umfasst das Ausbilden eines Vorsprünge und Vertiefungen
aufweisenden Separatorsubstrats 22 aus einem metallischen
Material wie etwa einem Titanmaterial oder einem Edelstahl, und das
Ausbilden einer elektrisch leitenden Schicht 24 mit einem
elektrischen Leiter aus Gold (Au) oder dergleichen nur auf den Vorsprüngen
des Separatorsubstrats 22.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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