DE112008003275T5 - Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenseparators, Brennstoffzellenseparator und Brennstoffzelle - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenseparators, Brennstoffzellenseparator und Brennstoffzelle Download PDF

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Maeda Toyota-shi Kuroudo
Makoto Toyota-shi Yoshida
Masahiro Toyota-shi Mizuno
Shinji Owariasahi-shi Dewaki
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Aisin Takaoka Co Ltd
Nippon Chemical Denshi Co Ltd
Toyota Motor Corp
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Aisin Takaoka Co Ltd
Nippon Chemical Denshi Co Ltd
Toyota Motor Corp
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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenseparators, der benachbarte Zellen einer Brennstoffzelle voneinander trennt, wobei das Verfahren folgende Schritte beinhaltet:
ein Separatorsubstrat, das ein Metallmaterial aufweist, einer Vorvergoldungsplattierung unterziehen, wodurch eine erste Goldplattierungsschicht mit einer Dicke von näherungsweise 10 nm bis näherungsweise 200 nm gebildet wird.

Description

  • Technisches Gebiet
  • 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.
  • Technischer Hintergrund
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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
  • Offenbarung der Erfindung
  • Aufgabenstellung der Erfindung
  • 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.
  • Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenseparators mit einer erheblich verbesserten Korrosionsbeständigkeit, einen Brennstoffzellenseparator und eine den Brennstoffzellenseparator aufweisende Brennstoffzelle.
  • Mittel zur Lösung der Aufgabe
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Ferner wird in dem vorstehenden Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenseparators das Separatorsubstrat vorzugsweise aus Titan oder rostfreiem Stahl geformt.
  • Außerdem wird durch die vorliegende Erfindung zudem ein Brennstoffzellenseparator geschaffen, der unter Verwendung des vorstehenden Verfahrens zur Herstellung eines Brennstoffzellenseparator hergestellt wird.
  • 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.
  • Wirkung der Erfindung
  • 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.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnung
  • 1 ist ein Diagramm, dass einen Querschnitt einer Zelle einer Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 2 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Herstellung eines Separators gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 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.
  • 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.
  • 5 ist ein Diagramm, das die Ergebnisse einer Korrosionsbewertungsprüfung bzw. -bewertungstests in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 6 ist ein Diagramm, das die Ergebnisse einer Korrosionswiderstands-Bewertungsprüfung bzw. -Bewertungstests in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 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.
  • 8 ist ein Diagramm, das das Ergebnis einer Untersuchung einer Querschnittsfläche eines Separator-Prüfstücks eines Beispiels 1 in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 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
  • Beste Art und Weise zum Ausführen der Erfindung
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Als nächstes erfolgt eine Beschreibung des Herstellungsverfahrens des Brennstoffzellenseparators 22.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Beispiele
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Zusammenfassung
  • Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenseparators, Brennstoffzellenseparator und Brennstoffzelle
  • 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.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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    • - japanischen Industrienorm JIS Z2294 [0048]
    • - japanischen Industrienorm JIS Z2294 [0052]

Claims (7)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenseparators, der benachbarte Zellen einer Brennstoffzelle voneinander trennt, wobei das Verfahren folgende Schritte beinhaltet: ein Separatorsubstrat, das ein Metallmaterial aufweist, einer Vorvergoldungsplattierung unterziehen, wodurch eine erste Goldplattierungsschicht mit einer Dicke von näherungsweise 10 nm bis näherungsweise 200 nm gebildet wird.
  2. Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenseparators nach Anspruch 1, wobei das Verfahren ferner folgende Schritte beinhaltet: Ausführen einer zusätzlichen Goldplattierung auf der Oberseite der ersten Goldplattierungsschicht, die durch die Vorvergoldungsplattierung ausgebildet worden ist, wodurch eine zweite Goldplattierungsschicht gebildet wird.
  3. Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenseparators nach Anspruch 1, wobei die erste Goldplattierungsschicht mit einer Dicke von nicht weniger als näherungsweise 70 nm und nicht mehr als näherungsweise 120 nm ausgebildet wird.
  4. Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenseparators nach Anspruch 1, wobei die erste Goldplattierungsschicht mit einer Dicke von nicht weniger als näherungsweise 70 nm und nicht mehr als näherungsweise 100 nm ausgebildet wird.
  5. Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenseparators nach Anspruch 1, wobei das Separatorsubstrat aus Titan oder rostfreiem Stahl geformt wird.
  6. Brennstoffzellenseparator, der unter Verwendung des Verfahrens zur Herstellung eines Brennstoffzellenseparators nach Anspruch 1 hergestellt wird.
  7. Brennstoffzelle, die einen Brennstoffzellenseparator aufweist, der unter Verwendung des Verfahrens zur Herstellung eines Brennstoffzellenseparators nach Anspruch 1 hergestellt wird.
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