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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines
Brennstoffzellenseparators, einen Brennstoffzellenseparator und
eine Brennstoffzelle, und betrifft insbesondere ein Verfahren zur
Herstellung eines Brennstoffzellenseparators, der benachbarte Zellen
einer Brennstoffzelle voneinander trennt, einen Brennstoffzellenseparator und
eine Brennstoffzelle.
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Technischer Hintergrund
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Als
Zellen, die einen hohen Wirkungsgrad und eine hervorragende ökologische
Leistung aufweisen, ist Brennstoffzellen in jüngster Zeit
ein hohes Maß an Beachtung zuteil geworden. In einer Brennstoffzelle
wird der Sauerstoff in der Luft, der als ein Oxidationsgas dient,
im Allgemeinen einer elektrochemischen Reaktion mit dem als ein
Brenngas dienenden Wasserstoff ausgesetzt, wodurch elektrische Energie
erzeugt wird. Infolge der elektrochemischen Reaktion zwischen Wasserstoff
und Sauerstoff wird Wasser erzeugt.
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Zu
den Variationen der Brennstoffzelle zählen Phosphorsäure-Brennstoffzellen,
Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen, Festelektrolyt-Brennstoffzellen,
Alkali-Brennstoffzellen und Festpolymer-Brennstoffzellen. Von diesen
gilt besonderes Augenmerk den Festpolymer-Brennstoffzellen, da sie
besondere Vorteile bieten, wie z. B. ein Hochfahren bzw. Inbetriebnahme
bei Umgebungstemperatur und eine kurze Hochfahrzeit bzw. Inbetriebnahmezeit.
Eine solche Festpolymer-Brennstoffzelle kann als eine Leistungsquelle
für bewegliche Objekte, wie z. B. Fahrzeuge, verwendet
werden.
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Eine
Festpolymer-Brennstoffzelle wird zusammengebaut, indem eine Mehrzahl
von Zelleneinheiten, ein Stromabnehmer und eine Endplatte und dergleichen
aneinandergeschichtet werden. Jede Zelle der Brennstoffzelle weist
eine Elektrolytmembran, eine Katalysatorschicht, eine Gasdiffusionsschicht
und einen Separator auf.
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Die
Patentschrift 1 offenbart ein Verfahren zur Verwendung einer Goldplattierung,
bei dem rostfreiem Stahl bei geringem Kostenaufwand hervorragende
Löteigenschaften und Drahtbonding-Eigenschaften verliehen
werden sollen, wobei, in einer Vorbehandlung, die Oberfläche
des rostfreien Stahls stark aktiviert wird, indem der rostfreie
Stahl in zwei separaten Verfahrensstufen einer kathodischen Elektrolyse
in Elektrolysebädern unterzogen wird, die eine anorganische
Säure und eine organische Säure aufweisen, so
dass es während der Ausführung des Goldplattierungsvorgangs
nicht zur Entstehung winziger Löcher und ähnlichem
kommt und die Haftfestigkeit bzw. das Haftvermögen der
Plattierung deutlich verbessert wird.
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Die
Patentschrift 2 offenbart einen Metallseparator für eine
Brennstoffzelle, bei dem ein Bereich bzw. Abschnitt des rostfreien
Stahls unter der Voraussetzung plattiert wird, dass ein deutlicher
Anstieg der Herstellungskosten verhindert werden kann, wobei der
Separator einen hervorragenden Durchgangs- bzw. Übergangswiderstand
mit der Gasdiffusionselektrode und eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit
aufweist, die ein vorzeitiges Verkürzen der von einem Separator
verlangten Lebensdauer verhindert, und wobei durch die korrosionsbeständige
Oberfläche ein leitfähiger Einschluss freigelegt wird
und der Bereich der Oberfläche, wo der leitfähige
Einschluss nicht freiliegt, mit Gold beschichtet wird.
- Patentschrift
1: JP 61-243193 A
- Patentschrift 2: JP
2004-71321 A
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabenstellung der Erfindung
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In
jenen Fällen jedoch, wo ein Brennstoffzellenseparator aus
einem Metallmaterial, wie z. B. Titan, gefertigt ist, wird zur Beschichtung
der Separatoroberfläche im Allgemeinen ein Leiter bzw.
ein leitendes Element mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit,
wie z. B. das oben erwähnte Gold, verwendet, wodurch der
Durchgangs- bzw. Übergangswiderstand mit der Gasdiffusionsschicht
und dergleichen verringert wird. Wenn der Beschichtungsfilm des
Leiters bzw. leitenden Elements nicht dicht ausgebildet ist, kann
es zur Korrosion des Separators durch Fluor (F) oder Chlor (Cl)
und dergleichen kommen, die in der Umgebung der Brennstoffzelle,
in der Leistung erzeugt wird, entstehen.
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Die
vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zur Herstellung eines
Brennstoffzellenseparators mit einer erheblich verbesserten Korrosionsbeständigkeit,
einen Brennstoffzellenseparator und eine den Brennstoffzellenseparator
aufweisende Brennstoffzelle.
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Mittel zur Lösung
der Aufgabe
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Die
vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zur Herstellung eines
Brennstoffzellenseparators, der benachbarte Zellen einer Brennstoffzelle voneinander
trennt, wobei das Verfahren einen Schritt aufweist, bei dem ein
Separatorsubstrat, das aus einem Metallmaterial besteht, einer Vorvergoldungsplattierung
unterzogen wird, wodurch eine erste Goldplattierungsschicht mit
einer Dicke von näherungsweise 10 nm bis näherungsweise
200 nm ausgebildet wird.
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In
dem vorstehenden Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenseparators
wird außerdem vorzugsweise eine zusätzliche Goldplattierung auf
der Oberseite der durch die Vorvergoldungsplattierung ausgebildeten
ersten Goldplattierungsschicht ausgeführt, wodurch eine
zweite Goldplattierungsschicht ausgebildet wird.
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In
dem vorstehenden Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenseparators
wird zudem vorzugsweise die erste Goldplattierungsschicht mit einer
Dicke von nicht weniger als näherungsweise 70 nm und nicht
mehr als näherungsweise 120 nm ausgebildet.
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In
dem vorstehenden Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenseparator
wird außerdem die erste Goldplattierungsschicht vorzugsweise
mit einer Dicke von nicht weniger als näherungsweise 70 nm
und nicht mehr als näherungsweise 100 nm ausgebildet.
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Ferner
wird in dem vorstehenden Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenseparators
das Separatorsubstrat vorzugsweise aus Titan oder rostfreiem Stahl
geformt.
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Außerdem
wird durch die vorliegende Erfindung zudem ein Brennstoffzellenseparator
geschaffen, der unter Verwendung des vorstehenden Verfahrens zur
Herstellung eines Brennstoffzellenseparator hergestellt wird.
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Abgesehen
davon schafft die vorliegende Erfindung zudem eine Brennstoffzelle,
die einen Brennstoffzellenseparator aufweist, der unter Verwendung des
vorstehenden Verfahrens zur Herstellung eines Brennstoffzellenseparators
hergestellt wird.
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Wirkung der Erfindung
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Wie
vorstehend beschrieben kann in einem Verfahren zur Herstellung eines
Brennstoffzellenseparators gemäß der vorliegenden
Erfindung und in einem Brennstoffzellenseparator und einer Brennstoffzelle
gemäß der vorliegenden Erfindung die Korrosionsbeständigkeit
noch mehr verbessert werden, da Gold sich auf der Oberfläche
des Brennstoffzellenseparators dichter auftragen lässt
bzw. ausgebildet werden kann.
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Kurzbeschreibung der Zeichnung
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1 ist
ein Diagramm, dass einen Querschnitt einer Zelle einer Brennstoffzelle
gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung zeigt.
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2 ist
ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Herstellung eines Separators
gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung zeigt.
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3A bis 3C sind
schematische Darstellungen, die die Entstehung einer ersten Goldplattie
rungsschicht einer vorbestimmten Dicke auf einem Separatorsubstrat
gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung zeigt.
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4 ein
Diagramm, das eine Prüf- bzw. eine Testvorrichtung zeigt,
die beim Durchführen einer elektrochemischen Hochtemperatur-Korrosionsprüfung
bzw. Korrosionstest in einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung verwendet wird.
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5 ist
ein Diagramm, das die Ergebnisse einer Korrosionsbewertungsprüfung
bzw. -bewertungstests in einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung zeigt.
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6 ist
ein Diagramm, das die Ergebnisse einer Korrosionswiderstands-Bewertungsprüfung bzw.
-Bewertungstests in einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung zeigt.
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7 ist
ein Diagramm, das das Ergebnis einer Untersuchung einer Querschnittsfläche
eines Separator-Prüfstücks bzw. Separator-Teststücks
eines Vergleichsbeispiels 1 in einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung zeigt.
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8 ist
ein Diagramm, das das Ergebnis einer Untersuchung einer Querschnittsfläche
eines Separator-Prüfstücks eines Beispiels 1 in
einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
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- 10
- Zelle
einer Brennstoffzelle
- 12
- Elektrolytmembran
- 14
- Katalysatorschicht
- 16
- Gasdiffusionsschicht
- 18
- Membranelektrodenanordnung
- 20
- Streckformteil
bzw. Expanded Molding
- 22
- Separator
- 24
- Separatorsubstrat
- 26
- Leitfähige
Schicht
- 28
- Erste
Goldplattierungsschicht
- 30
- Zweite
Goldplattierungsschicht
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Beste Art und Weise zum Ausführen
der Erfindung
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Unter
Bezugnahme auf die Zeichnung erfolgt nachstehend eine ausführliche
Beschreibung der Ausführungsformen gemäß der
vorliegenden Erfindung. Zunächst erfolgt eine Beschreibung
des Aufbaus einer Zelle einer Brennstoffzelle. 1 ist
ein Diagramm, das einen Querschnitt einer Zelle 10 einer Brennstoffzelle
zeigt. Die Zelle 10 einer Brennstoffzelle weist eine Membranelektrodenanordnung (MEA) 18,
in die eine Elektrolytmembran 12, eine Katalysatorschicht 14 und
eine Gasdiffusionsschicht 16 integriert sind und die eine
Elektrode der Brennstoffzelle ausbildet, sowie ein Streckformteil 20,
bei dem es sich um eine Gasleitungsstruktur handelt, in der Gasleitungen
ausgebildet sind, und einen Separator 22 auf, der das Brenngas
oder Oxidationsgas aus einer benachbarten Zelle (die in der Zeichnung
nicht gezeigt ist) voneinander trennt. Die Zelle 10 einer Brennstoffzelle,
die in 1 gezeigt ist, dient lediglich als Beispiel, und
die Zellenstruktur ist nicht auf diese Struktur beschränkt.
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Die
Elektrolytmembran 12 hat die Funktion, die auf der Seite
der Anodenelektrode erzeugten Wasserstoffionen auf die Seite der
Kathodenelektrode zu transportieren. Als das Material für
die Elektrolytmembran 12 kann ein chemisch stabiles Fluorharz, wie
z. B. in einer Perfluorkohlenstoff-Schwefelsäure-Ionenaustauschmembran
oder dergleichen, verwendet werden.
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Die
Katalysatorschicht 14 hat die Funktion, die Oxidationsreaktion
des Wasserstoffs auf der Seite der Anodenelektrode und die Reduktionsreaktion bzw.
Reduktion von Sauerstoff auf der Seite der Kathodenelektrode zu
beschleunigen. Die Katalysatorschicht 14 weist einen Katalysator
und einen Katalysatorträger auf. Um den Flächeninhalt
der Elektrode, der für die Reaktion zur Verfügung
steht, zu vergrößern, liegt der Katalysator allgemein
in Form von Partikeln, die am Katalysatorträger haften.
Als Katalysator für die Oxidationsreaktion des Wasserstoffs
und die Reduktionsreaktion bzw. Reduktion von Sauerstoff kann ein
Element aus der Platingruppe mit einer geringen Aktivierungsüberspannung,
wie z. B. Platin und dergleichen, verwendet werden. Als der Katalysatorträger
kann ein Kohlenstoffmaterial, wie z. B. Rußschwarz oder
dergleichen, verwendet werden.
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Die
Gasdiffusionsschicht 16 weist die Funktion auf, das Brenngas,
wie z. B. Wasserstoffgas, und das Oxidationsgas, wie z. B. Luft,
bis zur Katalysatorschicht 14 diffundieren zu lassen, sowie
die Funktion, Elektronen zu transportieren. Für die Gasdiffusionsschicht 16 kann
z. B. ein leitfähiges Material, wie z. B. ein Kohlenstofffasergewebe
oder ein Kohlenstoffpapier und dergleichen, verwendet werden.
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Das
Streckformteil bzw. Expanded Molding 20 ist an beide Oberflächen
der Membranelektrodenanordnung 18 geschichtet und funktioniert
als eine Gasleitungsstruktur, in der Gasleitungen ausgebildet sind.
Das Streckformteil bzw. Expanded Molding 20 ist derart
schichtförmig angeordnet, dass es die Gasdiffusionsschicht 16 der
Membranelektrodenanordnung 18 und den Separator 22 kontaktiert
und mit der Membranelektrodenanordnung 18 und dem Separator 22 elektrisch
verbunden ist. Das Streckformteil 20 weist eine Maschenstruktur
mit einer Vielzahl von Öffnungen auf, und somit kann eine
größere Menge Brenngas oder ähnliches
mit der Membranelektrodenanordnung 18 in Kontakt gelangen
und einer chemischen Reaktion unterzogen werden, was bedeutet, dass
die Leistungserzeugungseffizienz der Zelle 10 der Brennstoffzelle
verbessert werden kann.
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Für
das Streckformteil 20 können Streckmetalle entsprechend
der japanischen Industrienorm JIS G 3351 oder Metallleisten
oder poröse Metallmaterialien entsprechend der japanischen
Industrienorm JIS A 5505 oder ähnliches verwendet
werden. Das Streckformteil 20 wird vorzugsweise aus Titan, einer
Titanlegierung oder rostfreiem Stahl oder ähnlichem geformt.
Der Grund, warum diesen Materialien der Vorzug gegeben wird, ist,
dass diese Metallmaterialien eine hohe mechanische Festigkeit aufweisen und
eine inaktive Beschichtung, wie z. B. einen Passivierungsfilm, der
ein stabiles Oxid (wie z. B. TiO, Ti2O3, TiO2, CrO2, CrO oder Cr2O3) auf der Metalloberfläche aufweist,
beinhalten und somit eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit
aufweisen. Statt des rostfreien Stahls kann auch ein rostfreier
Austenitstahl oder ein rostfreier Ferritstahl und dergleichen verwendet
werden.
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Der
Separator 22 ist auf das Streckformteil 20 geschichtet
und weist die Funktion auf, das Brenngas und das Oxidationsgas in
den zueinander benachbarten Zellen (die in der Zeichnung nicht gezeigt sind)
voneinander zu trennen. Außerdem weist der Separator 22 darüber
hinaus die Funktion auf, die benachbarten Zellen (die in der Zeichnung
nicht gezeigt sind) elektrisch zu verbinden. Der Separator 22 weist ein
Separatorsubstrat 24 und eine auf dem Separatorsubstrat 24 ausgebildete
leitfähige Schicht 26 auf.
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Das
Separatorsubstrat 24 ist vorzugsweise aus Titan, einer
Titanlegierung oder rostfreiem Stahl oder ähnlichem ausgebildet.
Wie vorstehend beschrieben ist der Grund, warum diesen Materialien der
Vorzug gegeben wird, der, dass Titanmaterialien und rostfreier Stahl
eine hohe mechanische Festigkeit aufweisen und eine inaktive Beschichtung,
wie z. B. einen Passivierungsfilm, der ein auf der Metalloberfläche
ausgebildetes stabiles Oxid aufweist, beinhalten und daher eine
hervorragende Korrosionsbeständigkeit aufweisen.
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Die
leitfähige Schicht 26 weist die Funktion auf,
den Durchgangs- bzw. Übergangswiderstand zwischen dem Streckformteil 20 und
dem Separatorsubstrat 24 zu verringern. Die leitfähige
Schicht 26 wird unter Verwendung von Gold (Au) als der
Leiter bzw. das leitfähige Element ausgebildet. Gold (Au) weist
eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit und eine hohe
elektrische Leitfähigkeit auf.
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Die
leitfähige Schicht 26 weist eine erste Goldplattierungsschicht 28 und
eine zweite Goldplattierungsschicht 30 auf. Wie vorstehend
beschrieben, wird die erste Goldplattierungsschicht 28 auf
der Oberfläche des Separatorsubstrats 24 unter
Verwendung eines Vorvergoldungsplattierungsverfahrens ausgebildet,
wohingegen die zweite Goldplattierungsschicht 30 auf der
Oberseite der ersten Goldplattierungsschicht 28 unter Verwendung
eines Verfahrens zur Erzeugung einer dicken Goldplattierung oder ähnlichem
ausgebildet wird. Durch das Ausbilden der ersten Goldplattierungsschicht 28 durch
eine Vorvergoldungsplattierung kann ein dichterer Beschichtungsfilm
gebildet werden. Ferner kann durch das Ausbilden der Schicht unter
Verwendung der Vorvergoldungsplattierung auch ein verbessertes Haftungsvermögen
zwischen dem Separatorsubstrat 24 und der ersten Goldplattierungsschicht 28 erreicht werden.
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Als
nächstes erfolgt eine Beschreibung des Herstellungsverfahrens
des Brennstoffzellenseparators 22.
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2 ist
ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Herstellung des Separators 22 zeigt.
Das Verfahren zur Herstellung des Separators 22 beinhaltet einen
Separatorsubstrat-Formschritt (S10), einen Reinigungsschritt (S12),
einen Neutralisierungsschritt (S14) einen Säurespülungsschritt
(S16), einen Erste-Goldplattierungsschicht-Entstehungsschritt (S18)
und einen Zweite-Goldplattierungsschicht-Entstehungsschritt (S20).
Ein Brennstoffzellenseparator mit nur der auf dem Separatorsubstrat 24 ausgebildeten
ersten Goldplattierungsschicht 28 kann ebenso hergestellt
werden, indem auf den Zweite-Goldplattierungsschicht-Entstehungsschritt
(S20), der in den Flussdiagramm von 2 gezeigt
ist, verzichtet wird und danach der Separatorsubstrat-Formschritt
(S10), der Reinigungsschritt (S12), der Neutralisierungsschritt
(S14), der Säurespülungsschritt (S16) und der Erste-Goldplattierungsschicht-Entstehungsschritt (S18)
ausgeführt werden.
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Bei
dem Separatorsubstrat-Formschritt (S10) handelt es sich um einen
Schritt, bei dem das Separatorsubstrat 24 aus einem Metallmaterial
geformt wird. Wie vorstehend erwähnt, kann als das Metallmaterial
Titan oder rostfreier Stahl oder ähnliches Verwendet werden.
Das Separatorsubstrat 24 wird beispielsweise zu einer schichtartigen
Form oder ähnlichem ausgebildet, indem das Titan oder der
rostfreie Stahl einem Walz- oder Pressbearbeitung unterzogen werden.
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Bei
dem Reinigungsschritt (S12) handelt es sich um einen Schritt, bei
dem das Separatorsubstrat 24 gereinigt wird. Das Separatorsubstrat 24 kann
z. B. durch eine Entfettung mittels Eintauchen in ein Alkalibad
oder dergleichen gereinigt werden. Eine alkalische Lösung
oder ähnliches aus Natriumhydroxid bzw. Ätznatron
kann für die Entfettung mittels Eintauchen in ein Alkalibad
verwendet werden. Indem das Separatorsubstrat 24 durch
Entfettung mittels Eintauchen in ein Alkalibad gereinigt wird, können
an der Oberfläche des Separatorsubstrats 24 haftende Ölbestandteile
und dergleichen entfernt werden.
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Bei
dem Neutralisierungsschritt (S14) handelt es sich um einen Schritt
zum Neutralisieren und anschließenden Entfernen der restlichen
Alkalilösung, die nach dem Reinigungsvorgang auf dem Separatorsubstrat 24 zurückgeblieben
ist. Die Neutralisierungsbehandlung kann z. B. durch Eintauchen des
gereinigten Separatorsubstrats 24 in eine neutralisierende
Lösung erfolgen. Als die neutralisierende Lösung
können eine Schwefelsäurelösung, eine Chlorwasserstoffsäure-
bzw. Salzsäurelösung oder eine Salpetersäurelösung
oder ähnliches verwendet werden. Nachdem das Separatorsubstrat 24 aus
der neutralisierenden Lösungen entnommen worden ist, kann
das Separatorsubstrat 24 mit entionisiertem Wasser oder ähnlichem
gespült werden.
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Bei
dem Säurespülungsschritt (S16) handelt es sich
um einen Schritt, bei dem das Separatorsubstrat 24, das
der Neutralisierungsbehandlung und dergleichen unterzogen worden
ist, mit Säure gespült wird, wodurch Oxide und
dergleichen, die auf der Oberfläche des Separatorsubstrats 24 entstanden sind,
entfernt werden. Die Säurespülungsbehandlung kann
z. B. durch Eintauchen des Separatorsubstrats 24 in eine
Salpetersäure-Fluorwasserstoffsäure-Lösung
oder eine Fluorwasserstoffsäure-Lösung oder ähnliches
durchgeführt werden. Nachdem das Separatorsubstrat 24 der
Salpetersäure-Fluorwasserstoffsäure-Lösung
oder ähnlichem entnommen worden ist, kann es mit entionisiertem
Wasser oder dergleichen gespült werden.
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Bei
dem Erste-Goldplattierungsschicht-Entstehungsschritt (S18) handelt
es sich um einen Schritt, bei dem die erste Goldplattierungsschicht 28 auf
dem Separatorsubstrat 24, das der Säurespülungsbehandlung
und dergleichen unterzogen worden ist, ausgebildet wird. Die erste
Goldplattierungsschicht 28 entsteht unter Verwendung eines
Vorvergoldungsplattierungsverfahrens. Der Grund, warum ein Vorvergoldungsplattierungsverfahren
verwendet bzw. angewendet wird, ist, dass die erste Goldplattierungsschicht 28 dichter
ausgebildet werden kann. Als das Vorvergoldungsplattierungsverfahren
können herkömmlich durchgeführte elektrolytische
Goldplattierungsverfahren oder ähnliches verwendet werden. Ein
Plattierungsbad, das Kaliumgoldcyanid oder Natriumgoldsulfit oder ähnliches
aufweist, kann als das Vorvergoldungsplattierungsbad verwendet werden. Ferner
kann ein Alkalibad oder ein Säurebad oder ähnliches
für das Vorvergoldungsplattierungsbad verwendet werden.
In einem Vorvergoldungsplattierungsverfahren ist die Metallionenkonzentration
niedriger angesetzt bzw. eingestellt als die in einem klassischen
Verfahren zur Erzeugung einer dicken Goldplattierung verwendete
Konzentration, und der Plattierungsvorgang wird dabei mit einer
vergleichsweise hohen elektrischen Stromdichte durchgeführt.
In diesem Fall kann die elektrische Stromdichte z. B. bei einem
Wert innerhalb eines Bereichs von näherungsweise 0,2 bis
näherungsweise 2 A/dm2 angesetzt werden.
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3A bis 3C sind
schematische Darstellungen, die die Entstehung der ersten Goldplattierungsschicht 28 mit
vorbestimmten Dickewerten auf dem Separatorsubstrat 25 zeigen,
wobei es sich bei 3A um eine schematische Darstellung
handelt, die die Entstehung der ersten Goldplattierungsschicht 28 mit
einer Dicke von näherungsweise 3 nm zeigt, bei 3B um
eine schematische Darstellung, die die Entstehung der ersten Goldplattierungsschicht 28 mit
einer Dicke von näherungsweise 100 nm zeigt, und bei 3C um
eine schematische Darstellung, die die Entstehung der ersten Goldplattierungsschicht 28 mit
einer Dicke zeigt, die näherungsweise 200 nm überschreitet.
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Die
erste Goldplattierungsschicht 28 wird typischerweise mit
einer Dicke von nicht weniger als näherungsweise 10 nm
und nicht mehr als näherungsweise 200 nm ausgebildet. Der
Grund dafür, dass die Dicke der ersten Goldplattierungsschicht 28 nicht
weniger als näherungsweise 10 nm beträgt, ist der,
dass, wenn die erste Goldplattierungsschicht 28 unter Verwendung
der Vorvergoldungsplattierung mit einer Dicke von weniger als näherungsweise
10 nm ausgebildet wäre, würde die Goldplattierungsschicht dazu
tendieren, eine erhöhte Anzahl von Unregelmäßigkeiten
und Defekten aufzuweisen, und die Goldplattierungsschicht nicht
dicht ausgeführt sein. Der Grund dafür, dass die
Dicke der ersten Goldplattierungsschicht 28 nicht mehr
als näherungsweise 200 nm beträgt, ist, dass wenn
die erste Goldplattierungsschicht 28 unter Verwendung der
Vorvergoldungsplattierung mit einer Dicke von mehr als näherungsweise
200 nm ausgebildet wäre, würden die abgeschiedenen
Goldpartikel gröber ausfallen und die Dichte der Goldplattierungsschicht
sich verschlechtern. Die erste Goldplattierungsschicht 28 wird
vorzugsweise mit einer Dicke von nicht weniger als näherungsweise
70 nm und nicht mehr als näherungsweise 120 nm ausgebildet,
und noch mehr bevorzugt wird, wenn sie mit einer Dicke von nicht
weniger als näherungsweise 70 nm und nicht mehr als näherungsweise
100 nm ausgebildet wird. Dies ist darin begründet, dass
dadurch, dass die erste Goldplattierungsschicht 28 mit
einer Dicke von nicht weniger als näherungsweise 70 nm
und nicht mehr als näherungsweise 100 nm ausgebildet wird,
eine weitere Verbesserung des Korrosionswiderstands des Separators 22 erreicht
werden kann.
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Bei
dem Zweite-Goldplattierungsschicht-Entstehungsschritt (S20) handelt
es sich um einen Schritt, bei dem die zweite Goldplattierungsschicht 30 auf
dem Separatorsubstrat 24 ausgebildet wird, auf dem die
erste Goldplattierungsschicht 28 ausgebildet ist. Die zweite
Goldplattierungsschicht 30 kann beispielsweise unter Verwendung
eines Verfahrens zur Herstellung einer dicken Goldplattierung oder ähnlichem
gebildet werden. Als das Verfahren zur Herstellung einer dicken
Goldplattierung kann ein herkömmlich durchgeführtes
elektrolytisches Plattierungsverfahren oder ähnliches angewendet
werden. Als das Goldplattierungsbad kann ein Plattierungsbad, das
Kaliumgoldcyanid oder Natriumgoldsulfit oder ähnliches
aufweist, verwendet werden. Außerdem kann anstelle des
Goldplattierungsbads ein Alkalibad, ein neutrales Bad oder ein Säurebad
oder ähnliches verwendet werden. Die zweite Goldplattierungsschicht 30 wird
auf der ersten Goldplattierungsschicht 28 beispielsweise
mit einer Dicke innerhalb eines Bereichs von näherungsweise
100 nm bis näherungsweise 20 μm ausgebildet.
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Gemäß der
vorstehend beschriebenen Konfiguration kann dadurch, dass die erste
Goldplattierungsschicht auf dem Separatorsubstrat 24 unter Verwendung
eines Vorvergoldungsplattierungsverfahrens ausgebildet wird, die
erste Goldplattierungsschicht dichter ausgebildet werden, wodurch
die Korrosionsbeständigkeit der ersten Goldplattierungsschicht
und folglich auch die Korrosionsbeständigkeit des Brennstoffzellenseparators
werden kann. Außerdem kann dadurch, dass die zweite Goldplattierungsschicht
auf der dicht ausgebildeten ersten Goldplattierungsschicht ausgebildet
ist, die Korrosionsbeständigkeit der leitfähigen
Schicht, die die erste Goldplattierungsschicht und die zweite Goldplattierungsschicht
aufweist, noch mehr verbessert werden, was bedeutet, dass die Korrosionsbeständigkeit
des Brennstoffzellenseparators weiter verbessert werden kann.
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Beispiele
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Eine
ausführlichere Beschreibung über Einzelheiten
der vorliegenden Erfindung erfolgt nachstehend basierend auf Beispielen
und Vergleichsbeispielen, wenngleich die Erfindung keinesfalls auf
die nachstehend angeführten Beispiele beschränkt
ist.
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Die
Dicke der Vorvergoldungsschicht der ersten Goldplattierungsschicht 28 wird
variiert und die Korrosionsbeständigkeit bewertet. Die
Bewertung der Korrosionsbeständigkeit wird durchgeführt,
indem nur die Vorvergoldungsplattierungsschicht auf einer Titanschicht
ausgebildet wird, die als das Separatorsubstrat 24 dient.
Die Titanschicht wird zunächst einer alkalischen Entfettungsspülung
und dann einer Neutralisierungsbehandlung mit Schwefelsäure
und einer Säurespülungsbehandlung mit Salpeter-Fluorwasserstoffsäure-Lösung
unterzogen. Anschließend wird die säuregespülte
Titanschicht einer Vorvergoldungsplattierung unterzogen. Als die
Vorvergoldungsplattierung wird ein alkalisches nicht cyanidhaltiges
Goldplattierungsbad verwendet. Dann wird bei einer auf 1 A/dm2 angesetzten bzw. eingestellten elektrischen
Stromdichte eine Vorvergoldungsplattierungsschicht ausgebildet,
wobei die Plattierungszeit so eingestellt wird, dass eine Vorvergoldungsplattierungsschicht
mit einer Dichte von 2 nm bis 200 nm (3 nm, 5 nm, 10 nm, 20 nm,
30 nm, 40 nm, 50 nm, 60 nm, 70 nm, 80 nm, 100 nm, 120 nm, 140 nm,
160 nm, 180 nm oder 200 nm) entsteht.
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Die
Korrosionsprüfung bzw. der Korrosionstest wird gemäß dem
elektrochemischen Hochtemperatur-Korrosionsprüfungs- bzw.
-testverfahren für Metallmaterialien gemäß der japanischen
Industrienorm JIS Z2294 durchgeführt. Bei 4 handelt
es sich um ein Diagramm, das die Prüfvorrichtung bzw. die
Testvorrichtung zeigt, die beim Durchführen der elektrochemischen
Hochtemperaturkorrosionsprüfung verwendet wird. Die Prüfung
wird in einem in der offenen Atomsphäre befindlichen System
durchgeführt. Die bei der Prüfung verwendete Lösung
ist eine Lösung auf Schwefelsäurebasis. Die Temperatur
der Prüf- bzw. Testlösung wird auf 50°C
eingestellt. Die Korrosionsprüfung wird über eine
Dauer von 50 Stunden durchgeführt, währenddessen
ein Festpotential anliegt. Die Bewertung der Korrosionsbeständigkeit erfolgt
dadurch, dass die Korrosionsentstehungszeit basierend auf einer
Beobachtung des äußeren Erscheinungsbildes und
des korrosionserzeugenden Stroms bestimmt wird.
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5 ist
ein Diagramm, das die Ergebnisse der Korrosionsbewertungsprüfung
bzw. -tests zeigt. Wie aus 5 zu ersehen
ist, ist die Dicke der Vorvergoldungsplattierungsschicht entlang
der Abszisse aufgetragen, und die Korrosionsentstehungszeit ist entlang
der Ordinate aufgetragen, während die Daten für
die Korrosionsentstehungszeit für eine jeweilige der unterschiedliche
Dicken aufweisenden Vorvergoldungsplattierungsschichten durch schwarze
Rauten angezeigt sind. Wenn die Dicke der Vorvergoldungsplattierungsschicht
weniger als 10 nm beträgt, liegt die Korrosionsentstehungszeit
unter einer Zeitspanne von 500 Stunden, und es kann keine zufriedenstellende
Korrosionsbeständigkeit erreicht werden. Wenn die Dicke
der Vorvergoldungsplattierungsschicht von 10 nm auf 70 nm erhöht
wird, verlängert sich die Korrosionsentstehungszeit allmählich,
und wenn die Dicke der Vorvergoldungsplattierungsschicht von 70
nm auf 100 nm erhöht wird, kommt es schnell zu einer Verlängerung
der Korrosionsentstehungszeit, und wenn schließlich die
Dicke der Vorvergoldungsplattierungsschicht von 100 nm auf 200 nm
erhöht wird, verkürzt sich die Korrosionsentstehungszeit
allmählich. Wenn dementsprechend die Dicke der Goldschichtplattierungsschicht
innerhalb eines Bereichs von 10 nm bis 200 nm liegt, tritt die Korrosionsentstehungszeit
erst nach 500 Stunden ein, was darauf hindeutet, dass eine vorteilhafte Korrosionsbeständigkeit
erhalten werden kann.
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Um
anschließend bewerten zu können, wie die Korrosionsbeständigkeit
des Separator sich in Abhängigkeit vom Vorhandensein oder
Nichtvorhandensein der Vorvergoldungsplattierungsschicht verändert,
werden zwei Arten von Separatorprüfstücken vorbereitet
und anschließenden Korrosionsbewertungsprüfungen
unterzogen. Zunächst wird ein Verfahren zur Herstellung
eines Separatorprüfstücks gemäß einem
Beispiel 1 beschrieben. In dem Verfahren zur Herstellung eines Separatorprüfstücks
gemäß dem Beispiel 1 wird zunächst eine
aus Titan geformte Titanschicht einer alkalischen Entfettungsspülung und
dann einer Neutralisierungsbehandlung mit Schwefelsäure
und einer Säurespülungsbehandlung mit einer Salpeter-Fluorwasserstoffsäure-Lösung
unterzogen. Anschließend wird die säuregespülte
Titanschicht einer Vorvergoldungsplattierung unter Verwendung eines
alkalischen nicht cyanidhaltigen Goldplattierungsbads unterzogen.
Die Dicke der Vorvergoldungsplattierungsschicht wird auf 100 nm
eingestellt. Eine dicke Goldplattierung wird dann an der Vorvergoldungsplattierungsschicht
unter Verwendung eines alkalischen nicht cyanidhaltigen Goldplattierungsbads
vorgenommen. Die Dicke dieser Goldplattierungsschicht wird auf 20 μm
eingestellt.
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Anschließend
erfolgt eine Beschreibung eines Verfahrens zur Herstellung eines
Separatorprüfstücks gemäß einem
Vergleichsbeispiel 1. In dem Verfahren zur Herstellung eines Separatorprüfstücks des
Vergleichsbeispiels 1 wird zunächst eine aus Titan geformte
Titanschicht einer alkalischen Entfettungsspülung und dann
genauso wie in der Beschreibung des Separatorprüfstücks
gemäß dem Beispiel einer Neutralisierungsbehandlung
und einer Säurespülungsbehandlung unterzogen.
Anschließend wird eine dicke Goldplattierungsschicht mit
einer Dicke von 20 μm direkt auf der säuregespülten
Titanschicht ausgebildet, ohne dass vorher eine Vorvergoldungsplattierungsschicht
ausgebildet wird. Die dicke Goldplattierung wird unter Verwendung
des gleichen Verfahrens wie dem durchgeführt, das im Beispiel
1 beschrieben ist.
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Die
Korrosionsbeständigkeits-Bewertungsprüfungen werden
an den Separatorprüfstücken des Beispiels 1 und
des Vergleichsbeispiels 1 vorgenommen. Die Korrosionsbeständigkeits-Bewertungsprüfungen
erfolgen entsprechend der vorstehend beschriebenen japanischen
Industrienorm JIS Z2294. 6 ist ein
Diagramm, dass die Ergebnisse der Korrosionsbeständigkeits-Bewertungsprüfungen zeigt.
Wie aus 6 zu ersehen ist, ist die Leistungserzeugungszeitspanne
entlang der Abszisse und der korrosionserzeugende Strom entlang
der Ordinate aufgetragen, die Daten für das Separatorprüfstück des
Beispiels 1 sind als schwarze Quadrate und die Daten für
das Separatorprüfstück des Vergleichsbeispiels
1 sind als schwarze Rauten dargestellt. Mit dem Separatorprüfstück
des Vergleichsbeispiels 1 beginnt der Wert des korrosionserzeugenden
Stroms 500 Stunden nach Beginn der Prüfung bzw. des Tests anzusteigen,
was darauf hindeutet, dass die Korrosion voranschreitet. Demgegenüber
ist bei dem Separatorprüfstück des Beispiels 1
nahezu kein Anstieg des korrosionserzeugenden Stroms zu beobachten, und
auch nicht nach 2000 Stunden nach Beginn der Prüfung.
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Anschließend
werden die Separatorprüfstücke, für die
seit Beginn der Korrosionsbeständigkeitsprüfung
2000 Stunden verstrichen sind, unter Verwendung eines metallurgischen
Mikroskops einer Untersuchung an deren Querschnittsfläche
unterzogen. 7 ist ein Diagramm, das das
Ergebnis der Untersuchung der Querschnittsfläche des Separatorprüfstücks
des Vergleichsbeispiels 1 zeigt. Außerdem handelt es sich
bei 8 um ein Diagramm, dass das Ergebnis der Untersuchung
der Querschnittsfläche des Separatorprüfstücks
des Beispiels 1 darstellt. In dem Separatorprüfstück
des Vergleichsbeispiels 1 sind auf der Oberfläche korrodierte Bereiche
festzustellen. Demgegenüber sind in dem Separatorprüfstück
des Beispiels 1 keine korrodierten Bereiche auf der Oberfläche
festzustellen. Anhand dieser Ergebnisse wird daher offenbar, dass
die Korrosionsbeständigkeit durch Vorsehen einer Vorvergoldungsplattierungsschicht
auf einer Titanschicht verbessert werden kann.
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Zusammenfassung
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Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenseparators,
Brennstoffzellenseparator und Brennstoffzelle
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenseparator,
bei dem die Korrosionsbeständigkeit verbessert werden kann. Ein
Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenseparators (22),
der die benachbarten Zellen (10) einer Brennstoffzelle
voneinander trennt, wobei das Verfahren den Schritt beinhaltet,
bei dem ein Separatorsubstrat (24), das aus einem Metallmaterial
besteht, einer Vorvergoldungsplattierung unterzogen wird, wodurch
eine erste Goldplattierungsschicht mit einer Dicke von 10 bis 200
nm ausgebildet wird. Eine zusätzliche Goldplattierung wird
vorzugsweise auf der Oberseite der ersten Goldplattierungsschicht
vorgenommen, die durch die Vorvergoldungsplattierung ausgebildet
worden ist, wodurch eine zweite Goldplattierungsschicht entsteht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 61-243193
A [0006]
- - JP 2004-71321 A [0006]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - japanischen
Industrienorm JIS G 3351 [0030]
- - japanischen Industrienorm JIS A 5505 [0030]
- - japanischen Industrienorm JIS Z2294 [0048]
- - japanischen Industrienorm JIS Z2294 [0052]