DE112009001684B4

DE112009001684B4 - Brennstoffzellenseparator und Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE112009001684B4
Application number: DE112009001684.7T
Authority: DE
Inventors: Maeda Kuroudo; Naotaka Aoyama; Masahiro Mizuno
Original assignee: Aisin Takaoka Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Aisin Takaoka Co Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-07-16
Filing date: 2009-06-30
Publication date: 2020-08-06
Anticipated expiration: 2029-07-01
Also published as: US9793554B2; US20110165501A1; DE112009001684T5; WO2010007918A1; JP2010027262A

Abstract

Brennstoffzellenseparator, aufweisend:ein Metallsubstrat, das aus Titan geformt ist,eine leitfähige Beschichtung, die eine Leitfähigkeit aufweist und auf einer Oberfläche des Metallsubstrats gebildet ist, undeine Oxidschicht, die zwischen dem Metallsubstrat und der leitfähigen Beschichtung ausgebildet ist,wobeidie leitfähige Beschichtung Goldpartikel aufweist,eine durchschnittliche Partikelgröße der Goldpartikel nicht kleiner als 1 nm und nicht größer als 10 nm ist,ein Beschichtungsanteil der Oberfläche des Metallsubstrats durch die leitfähige Beschichtung 70 % oder mehr ist,es sich bei der Oxidschicht um eine Titanoxidschicht handelt, unddie Dicke der Titanoxidschicht in einem Bereich zwischen 5 nm und 200 nm ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenseparator und eine Brennstoffzelle, und betrifft insbesondere einen Brennstoffzellenseparator, der unter Verwendung eines Metallmaterials hergestellt wird, sowie eine Brennstoffzelle, die mit einem solchen Brennstoffzellenseparator ausgestattet ist.
Technischer Hintergrund
Als Beispiele für Stromzellen, die außergewöhnlich umweltschonend sind und über einen hohen Wirkungsgrad verfügen, haben Brennstoffzellen in den vergangenen Jahren ein erhebliches Maß an Aufmerksamkeit auf sich gelenkt. In einer Brennstoffzelle wird im Allgemeinen ein Oxidationsgas, wie z. B. der Sauerstoff in der Luft, einer elektrochemischen Reaktion mit einem Brenngas, wie z. B. Wasserstoff, unterzogen, wodurch elektrische Energie erzeugt wird. Infolge der elektrochemischen Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff kommt es zudem zur Entstehung von Wasser.
Zu den unterschiedlichen Arten von Brennstoffzellen gehören Phosphorsäure-Brennstoffzellen, Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen, Festelektrolyt-Brennstoffzellen, Alkali-Brennstoffzellen und Festpolymer-Brennstoffzellen. Von diesen Brennstoffzellen gilt derzeit besondere Aufmerksamkeit den Festpolymer-Brennstoffzellen, die gewisse Vorteile, wie z. B. Hochfahren bei Umgebungstemperatur und eine kurze Hochfahrzeit, bieten. Diese Art von Festpolymer-Brennstoffzelle eignet sich zudem zur Verwendung als Leistungsquelle zum Bewegen eines Objekts, wie z. B. eines Fahrzeugs.
Die Montage einer Festpolymer-Brennstoffzelle erfolgt durch Aneinanderschichten einer Mehrzahl von Zelleneinheiten, eines Stromkollektors und einer Endplatte und dergleichen. Jede Zelleneinheit für die Brennstoffzelle weist eine Elektrolytmembran, eine Katalysatorschicht, eine Gasdiffusionsschicht und einen Separator auf. Der Brennstoffzellenseparator wird durch maschinelle Bearbeitung eines Metallmaterials oder eines Kohlenstoffmaterials oder dergleichen hergestellt.
Patentschrift 1 offenbart eine goldplattierte Struktur mit goldplattierten Abschnitten und nicht plattieren Abschnitten auf der Oberfläche eines Titansubstrats, wobei die goldplattierten Abschnitte über der Oberfläche des Titansubstrats in Form von Inseln mit einem Durchmesser von nicht mehr als 100 nm, jedoch nicht weniger als 1 nm, verteilt sind, und offenbart zudem einen Brennstoffzellenseparator, der aus dieser goldplattierten Struktur besteht.
Patentschrift 2 offenbart einen Brennstoffzellenseparator, bei dem die Oberfläche aus einem rostfreien Stahlblech, das einer Oberflächenvorbehandlungs- bzw. vorbereitungsbehandlung unterzogen worden ist, mit Gold in einem Flächenverhältnis von 2,3 bis 94 % beschichtet ist.
Patentschrift 3 offenbart einen Brennstoffzellenseparator, der einen rostfreien Stahl mit einer Oberfläche aufweist, welche durch Beschichten derselben in einem Flächenverhältnis von 2,3 bis 94 % ohne eine Oberflächenbehandlung erhalten wird.
Patentschrift 4 offenbart eine Beschichtungsrate einer Au-Kolloidlösung und beschreibt, dass die Au-Kolloidlösung nach dem Aufbringen auf die natürlich gebildete Ti-Oxidschicht durch kurzes Antrocknen verbunden ist. Im Ergebnis ist ein Aggregat aus einem Pulver mit sehr kleinen Au-Partikeln entstanden, das auf der natürlich gebildeten Ti-Oxidschicht netzartig haftet.
Aufzählung der Entgegenhaltungen
Patentliteratur

Patentschrift 1: JP 2006-97088 A
Patentschrift 2: JP 2004-296381 A
Patentschrift 3: US 2004/0197661 A1
Patentschrift 4: JP 2008-159420 A

Kurzfassung der Erfindung
Aufgabenstellung
Wenn ein Brennstoffzellenseparator jedoch unter Verwendung eines Metallmaterials, wie z. B. Titan, hergestellt wird, wird auf der Oberfläche des Separators normalerweise ein Leiter mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit, wie z. B. Gold (Au) oder dergleichen, gebildet, so dass z. B. der Kontaktwiderstand mit der Gasdiffusionsschicht reduziert werden kann. Weil Metallmaterialien, wie z. B. Titan, und Leiter, wie z. B. Gold (Au), jedoch Materialien sind, die sich stark voneinander unterscheiden, ist die Adhäsion bzw. das Haftvermögen der leitfähigen Beschichtung, die unter Verwendung des Leiters gebildet wird, häufig nicht ausreichend.
Dementsprechend ist es ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass ein Brennstoffzellenseparator geschaffen wird, bei dem die Adhäsion bzw. das Haftvermögen einer leitfähigen Beschichtung, die auf der Oberfläche des Brennstoffzellenseparators gebildet wird, weiter verbessert werden kann.
Lösung der Aufgabe
Ein Brennstoffzellenseparator gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein Metallsubstrat, das aus Titan geformt ist, und eine leitfähige Beschichtung auf, die eine Leitfähigkeit aufweist und auf der Oberfläche des Metallsubstrats gebildet ist, und eine Oxidschicht, die zwischen dem Metallsubstrat und der leitfähigen Beschichtung ausgebildet ist, wobei die leitfähige Beschichtung Goldpartikel aufweist und die durchschnittliche Partikelgröße der Goldpartikel nicht kleiner als 1 nm und nicht größer als 10 nm ist. Dabei ist ein Beschichtungsanteil der Oberfläche des Metallsubstrats durch die leitfähige Beschichtung 70 % oder mehr. Es handelt sich bei der Oxidschicht um eine Titanoxidschicht, und die Dicke der Titanoxidschicht ist in einem Bereich zwischen 5 nm und 200 nm.
Vorzugsweise ist die durchschnittliche Partikelgröße der leitfähigen Partikel zudem nicht kleiner als 1 nm und nicht größer als 5 nm.
Eine Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung ist mit dem vorstehend beschriebenen Brennstoffzellenseparator ausgestattet.
Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Wie vorstehend beschrieben, kann gemäß dem Brennstoffzellenseparator der vorliegenden Erfindung die Adhäsion bzw. das Haftvermögen der leitfähigen Beschichtung, die auf der Oberfläche gebildet ist, durch Steuern bzw. Festlegen der Partikelgröße des Leiters weiter verbessert werden.
Figurenliste

1 ist ein Diagramm, das einen Querschnitt einer Zelleneinheit einer Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
2 ist ein Diagramm, das einen Querschnitt eines Brennstoffzellenseparators gemäß dem Stand der Technik darstellt.
3 ist ein Diagramm, das einen Brennstoffzellenseparator gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, in dem zwischen dem Metallsubstrat und der leitfähigen Beschichtung eine Oxidschicht angeordnet ist.
4 ist eine TEM-Fotografie eines Querschnitts eines Brennstoffzellenseparators gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in dem eine Titanoxidschicht zwischen einem Metallsubstrat, das aus reinem Titan geformt ist, und einer Gold- (Au-) Beschichtung angeordnet ist.
5 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenseparators gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
6 ist ein Diagramm, das einen Querschnitt einer Zelleneinheit für eine Brennstoffzelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
7 ist ein Diagramm, das eine Oberfläche darstellt, die einem einen Kanal ausbildenden Element in einem Brennstoffzellenseparator gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gegenüberliegt.
8 ist ein Graph, der die Bewertungsergebnisse der Adhäsion bzw. des Haftvermögens der Gold- (Au-) Beschichtung in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
9 ist ein Graph, der die Bewertungsergebnisse der Beschichtungsbeschaffenheit der Gold- (Au-) Beschichtung in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
10 ist ein Diagramm, der ein Verfahren zum Messen des Kontaktwiderstands in einem Separator gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
11 ist ein Graph, der die Ergebnisse der Messung des Kontaktwiderstands in einem Separator gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
12 ist ein Graph, der die Ergebnisse der Bewertung des Kostenaufwands für die Gold- (Au-) Beschichtung in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.

Beschreibung der Ausführungsformen
Unter Bezugnahme auf die Zeichnung erfolgt nachstehend eine ausführliche Beschreibung der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. 1 ist ein Diagramm, dass einen Querschnitt einer Zelleneinheit 10 einer Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Die Zelleneinheit 10 der Brennstoffzelle weist eine Elektrolytmembran 12, Katalysatorschichten 14, Gasdiffusionsschichten 16 und Separatoren 20 auf. Eine integrierte Anordnung aus der Elektrolytmembran 12, den Katalysatorschichten 14 und den Gasdiffusionsschichten 16 allgemein als eine Membranelektrodenanordnung (MEA) 22 bekannt.
Die Elektrolytmembran 12 weist eine Funktion zum Transportieren von Wasserstoffionen, die an der Anodenelektrodenseite erzeugt werden, auf die Kathodenelektrodenseite auf. Ein chemisch stabiles Fluorharz, wie z. B. eine Perfluorkohlenstoff-Schwefelsäure-Ionenaustauschmembran oder dergleichen, kann als das Material für die Elektrolytmembran 12 verwendet werden.
Die Katalysatorschichten 14 weisen eine Funktion zum Beschleunigen der Oxidationsreaktion von Wasserstoff auf der Anodenelektrode und der Reduktionsreaktion von Sauerstoff auf der Kathodenelektrode auf. Jede Katalysatorschicht 14 weist einen Katalysator und einen Katalysatorträger auf. Um die Größe der Elektrodenoberfläche, die für die Reaktion zur Verfügung steht, zu maximieren, liegt der Katalysator im Allgemeinen in Partikelform vor, die an dem Katalysatorträger haftet. Für die Oxidationsreaktion von Wasserstoff und die Reduktionsreaktion von Sauerstoff kann ein Element aus der Platingruppe mit einer geringen Aktivierungsüberspannung, wie z. B. Platin oder dergleichen, als der Katalysator verwendet werden. Als der Katalysatorträger kann ein Kohlenstoffmaterial, wie z. B. Rußschwarz oder dergleichen, verwendet werden.
Die Gasdiffusionsschichten 16 weisen eine Funktion zum Diffundieren des Brenngases, wie z. B. des Wasserstoffgases, und des Oxidationsgases, wie z. B. der Luft, durch die jeweilige Katalysatorschicht 14 sowie eine Funktion zum Transportieren von Elektronen auf. Ein eine elektrische Leitfähigkeit aufweisendes Material, wie z. B. Kohlefasergewebe oder Kohlepapier oder dergleichen, kann für die Gasdiffusionsschichten 16 verwendet werden. Die Herstellung der Membranelektrodenanordnung 22 kann durch Aneinanderschichten der Elektrolytmembran 12, der Katalysatorschichten 14 und der Gasdiffusionsschichten 16 und anschließendes Ausführen eines Wärmepressvorgangs oder dergleichen erfolgen.
Die Separatoren 2 sind an die Gasdiffusionsschichten 16 der Membranelektrodenanordnung 22 geschichtet, und haben die Funktion, das Brenngas und das Oxidationsgas in zueinander benachbarten Zelleneinheiten (die in der Figur nicht gezeigt sind) voneinander zu isolieren. Zudem haben die Separatoren 20 außerdem die Funktion, benachbarte Zellen (die in der Figur nicht gezeigt sind) elektrisch miteinander zu verbinden. Die Gaskanäle, durch die das Brenngas oder das Oxidationsgas strömen, und ein Kühlmittelkanal, durch den ein Kühlmittel, wie z. B. ein LLC (longLifeCoolant) bzw. langlebiges Kühlmittel oder Kühlwasser zum Kühlen der Zelleneinheit 10, strömt, sind in den Separatoren 20 ausgebildet.
2 ist ein Diagramm, das einen Querschnitt des Brennstoffzellenseparators 20 gemäß dem Stand der Technik darstellt. Der Separator 20 weist ein Metallsubstrat 24 und eine leitfähige Beschichtung 30 auf.
Das Metallsubstrat 24 ist vorzugsweise aus Titan (Ti) geformt. Titan weist ein hohes Maß an mechanischer Festigkeit auf, und weil ein inaktiver Film, wie z. B. ein Passivierungsfilm, der aus einem stabilen Oxid (wie z. B. TiO, TiO₂ oder Ti₂O3 oder dergleichen) besteht, auf der Titanoberfläche gebildet wird, weist es darüber hinaus eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit auf. In diesem Zusammenhang beinhaltet der Begriff „Titan“ nicht nur reines Titan, sondern auch Titanlegierungen. Das Material für das Metallsubstrat 24 ist in Abhängigkeit der jeweiligen Umstände natürlich nicht unbedingt auf Titan begrenzt, und es können stattdessen auch andere Metallmaterialien, wie z. B. rostfreier Stahl (SUS), verwendet werden. Rostfreier Stahl weist Nickel (Ni) und Chrom (Cr) und dergleichen auf, wobei die Wahrscheinlichkeit besteht, dass diese anderen Elemente aus dem Stahl eluieren können, auch wenn ein inaktiver Film, wie z.B. ein aus einem stabilen Oxid (wie z. B. CrO₂, CrO oder Cr₂O₃ oder dergleichen) bestehender Passivierungsfilm auf der Oberfläche des rostfreien Stahls gebildet wird und er daher eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit aufweist. Das Metallsubstrat 24 wird beispielsweise dadurch geformt, dass ein Titanblech oder dergleichen zu einer ungleichförmigen Struktur geformt wird, um die Gaskanäle oder die Kühlwasserkanäle auszubilden. Die Form des Metallsubstrats 24 ist natürlich nicht auf diese Art von ungleichmäßiger Form begrenzt.
Die leitfähige Beschichtung 30 ist leitfähig und wird auf die Oberfläche des Metallsubstrats 24 aufgetragen. Indem die Metallsubstratoberfläche, die mit der Gasdiffusionsschicht 16 in Kontakt ist, beschichtet wird, ist die leitfähige Beschichtung 30 in der Lage, den Kontaktwiderstand zwischen der Gasdiffusionsschicht 16 und dem Separator 20 zu reduzieren.
Die leitfähige Beschichtung 30 besteht vorzugsweise aus leitfähigen Partikeln aus Gold (Au), Silber (Ag), Kupfer (Cu), Platin (Pt), Rhodium (Rh) oder Iridium (Ir) oder dergleichen. Diese Metalle weisen ein hohes Maß an elektrischer Leitfähigkeit auf und sind daher in der Lage, den Kontaktwiderstand weiter zu reduzieren. Von diesen Metallmaterialien bietet Gold (Au) eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit sowie die bessere elektrische Leitfähigkeit und wird daher als das Metallmaterial zum Ausbilden der leitfähigen Beschichtung 30 ganz besonders bevorzugt. Zudem kann die leitfähige Beschichtung 30 außerdem unter Verwendung von leitfähigen Partikeln aus einer Gold-(Au)-Platin-(Pt)-Legierung oder dergleichen gebildet werden.
Die durchschnittliche Partikelgröße der leitfähigen Partikel ist vorzugsweise nicht kleiner als 1 nm und nicht größer als 100 nm. Der Grund, warum eine durchschnittliche Partikelgröße für die leitfähigen Partikel von nicht weniger als 1 nm angegeben ist, ist der, dass sich bei einer Partikelgröße von weniger als 1 nm die Erzeugung der leitfähigen Partikel schwierig gestaltet und die Herstellungskosten für den Separator 20 zur Zunahme tendieren. Der Grund, warum eine durchschnittliche Partikelgröße für die leitfähigen Partikel von nicht mehr als 100 nm angegeben ist, ist der, dass bei einer Partikelgröße von mehr als 100 nm, Faktoren, wie z. B. eine Verringerung der Kontaktoberfläche zwischen den leitfähigen Partikeln und dem Metallsubstrat 24, tendenziell eine Verschlechterung der Adhäsion zwischen der leitfähigen Beschichtung 30 und dem Metallsubstrat 24 bewirken. Wenn außerdem die Partikelgröße größer als 100 nm ist, dann steigt die verwendete Menge Gold (Au) oder dergleichen deutlich an, was einen Anstieg der Herstellungskosten für den Separator 20 zur Folge hat.
Die durchschnittliche Partikelgröße der leitfähigen Partikel ist vorzugsweise nicht kleiner als 1 nm und nicht größer als 10 nm, und ist noch besser nicht kleiner als 1 nm und nicht größer als 5 nm. Wenn die durchschnittliche Partikelgröße der leitfähigen Partikel nicht größer als 10 nm ist, dann bewirken Faktoren, wie z. B. eine Vergrößerung der Kontaktfläche zwischen den leitfähigen Partikeln und dem Metallsubstrat 24, eine weitere Verbesserung der Adhäsion zwischen der leitfähigen Beschichtung 30 und dem Metallsubstrat 24, und wenn die durchschnittliche Partikelgröße der leitfähigen Partikel nicht größer als 5 nm ist, kann Adhäsion zwischen der leitfähigen Beschichtung 30 und dem Metallsubstrat 25 noch weiter verbessert werden. Wenn außerdem die durchschnittliche Partikelgröße der leitfähigen Partikel nicht größer als 10 nm ist, dann kann die Metallsubstratoberfläche dichter beschichtet werden, was zu einer erhöhten Beschichtungsrate für die Metallsubstratoberfläche (Anteil der Fläche, die die anhaftenden leitfähigen Partikel pro Einheit Fläche der Metalloberfläche enthält) führt.
In der vorliegenden Beschreibung kann der Begriff „Partikelgröße“ eines leitfähigen Partikels als der maximale Durchmesser durch den Partikel verstanden werden. Natürlich kann die Partikelgröße eines leitfähigen Partikels auch als der durchschnittliche Durchmesser des Partikels verstanden werden. Die Partikelgröße eines jeweiligen leitfähigen Partikels kann z. B. unter Verwendung eines Transmissionselektronenmikroskops (TEM) oder eines Rasterelektronenmikroskops (REM) gemessen werden. Natürlich ist das zum Messen der Partikelgröße angewendete Verfahren nicht auf die vorstehenden Verfahren begrenzt, und es können auch andere Verfahren angewendet werden.
Eine Oxidlage 42 ist vorzugsweise zwischen dem Metallsubstrat 24, das aus Titan gebildet ist, und der leitfähigen Beschichtung 30 angeordnet. 3 ist ein Diagramm, das einen Brennstoffzellenseparator 40 darstellt, in dem eine Oxidschicht 42 zwischen dem Metallsubstrat 24 und der leitfähigen Beschichtung 30 angeordnet ist. Indem die Oxidschicht 42 zwischen dem Metallsubstrat 24 und der leitfähigen Beschichtung 30 ausgebildet wird, kann die Adhäsion zwischen dem Metallsubstrat 24 und der leitfähigen Beschichtung 30 weiter verbessert werden. Die Oxidschicht 42 besteht vorzugsweise aus einem Titanoxid (wie z. B. TiO, TiO₂ oder Ti₂O3 oder dergleichen). 4 ist eine TEM-Fotografie, die einen Querschnitt des Brennstoffzellenseparators 40 darstellt, in dem die Titanoxidschicht 42 zwischen dem Metallsubstrat 24, das aus reinem Titan geformt ist, und der Gold- (Au-) Beschichtung 30 angeordnet ist. Indem das Titanoxid (wie z. B. TiO, TiO₂ oder Ti₂O3 oder dergleichen), das durch eine Oxidation der Oberfläche des Metallsubstrats 24 entsteht, als die Oxidschicht 42 genutzt wird, kann die Adhäsion zwischen dem Metallsubstrat 24 und der Oxidschicht 42 verbessert werden. Zudem bezieht sich die Dicke der Titanoxidschicht 42 vorzugsweise auf einen Wert innerhalb eines Bereichs von 5 nm bis 200 nm.
Als nächstes folgt eine Beschreibung eines Verfahrens zur Herstellung des Brennstoffzellenseparators 20.
5 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Herstellung des Brennstoffzellenseparators 20 darstellt. Das Verfahren zur Herstellung des Brennstoffzellenseparators 20 beinhaltet einen Metallsubstrat-Formgebungsschritt (S10), einen Vorbehandlungsschritt (S12), einen Beschichtungsschritt (S14) und einen Wärmebehandlungsschritt (S16).
Bei dem Metallsubstrat-Formgebungsschritt (S10) handelt es sich um einen Schritt, in dem das Metallsubstrat 24 aus einem Metallmaterial, wie z. B. Titan, geformt wird. Der Formgebungsschritt des Metallsubstrats 24 kann unter Verwendung eines typischen maschinellen Bearbeitungsvorgangs, wie z. B. eines Schneidvorgangs, oder eines plastischen Verformungsvorgangs, wie z. B. Pressformen, ausgeführt werden. Der Formgebungsvorgang des Metallsubstrats 24 ist natürlich nicht auf die vorstehend angeführten Vorgänge begrenzt.
Bei dem Vorbehandlungsschritt (S12) handelt es sich um einen Schritt, in dem das Metallsubstrat 24, das aus Titan oder dergleichen geformt ist, einer Vorbehandlung unterzogen wird, indem eine Entfettungsbehandlung und/oder eine Säurespülbehandlung ausgeführt wird. Durch Entfetten des Metallsubstrats 24 kann alles an der Oberfläche des Metallsubstrats haftende Öl oder dergleichen entfernt werden. Die Entfettungsbehandlung kann über eine alkalische Entfettung oder eine alkalische elektrolytische Entfettung oder dergleichen durchgeführt werden. Im Anschluss an die Entfettung wird das Metallsubstrat 24 einer Säurespülbehandlung unterzogen, um die an der Metallsubstratoberfläche haftenden Oxide und dergleichen zu beseitigen. Die Säurespülbehandlung kann z. B. dadurch erfolgen, dass das Metallsubstrat 24 in eine Salpetersäure-Flurowasserstoffsäure-Lösung getaucht wird, die hergestellt wird, indem Salpetersäure und Fluorwasserstoffsäure miteinander vermischt werden. In jenen Fällen, wo eine Oxidschicht 42, die aus einem eine vorbestimmte Dicke aufweisenden Titanoxid oder dergleichen besteht, auf der Oberfläche des Metallsubstrats vorgesehen werden soll, kann die Dauer der Säurespülbehandlung zweckmäßig verkürzt werden, so dass eine Oxidschicht auf dem Substrat hinterlassen wird. Die Entfettungsbehandlung und die Säurespülbehandlung für das Metallsubstrat 24 sind natürlich nicht auf die vorstehend angesprochenen Behandlungsverfahren begrenzt, und es können auch andere Behandlungsverfahren verwendet werden.
Bei dem Beschichtungsschritt (S14) handelt es sich um einen Schritt zum Auftragen einer leitfähigen Beschichtung 30 aus Gold (Au) oder dergleichen auf das vorbehandelte Metallsubstrat 24. Der Vorgang des Auftragens der Gold- (Au-) Partikel oder dergleichen kann über ein Elektroplattierverfahren oder dergleichen erreicht werden. Als das Elektroplattierverfahren werden typischerweise Gold- (Au-), Silber- (Ag-) oder Kupfer- (Cu-) Elektroplattierverfahren angewendet. In jenen Fällen, in denen z. B. eine Beschichtung aus Gold (Au) als die leitfähige Beschichtung 30 auf die Metallsubstratoberfläche aufgetragen wird, kann eine Goldplattierungslösung, die Gold-Kaliumzyanid bzw. -Zyankali oder dergleichen aufweist, verwendet werden, wohingegen in jenen Fällen, in denen eine Beschichtung aus Silber (Ag) auf die Metallsubstratoberfläche aufgetragen wird, eine Silberplattierungslösung, die ein Silberzyanid oder dergleichen aufweist, verwendet werden kann. Zudem kann die Partikelgröße der leitfähigen Partikel, wie z. B. der Gold- (Au-) Partikel, aus denen die leitfähige Beschichtung 30 besteht, durch eine entsprechende Anpassung von Faktoren, wie z. B. der Stromdichte, der Plattierungsbehandlungsdauer und des Vorhandenseins von Additiven, wie z. B. von Materialien auf Basis von Zinn (Sn), Tantal (Ta), Nickel (Ni) und Cobalt (Co), abgeändert werden.
Zudem ist die Beschichtungstechnik, die zum Erzeugen der leitfähigen Beschichtung 30 angewendet wird, nicht auf das vorstehend erwähnte Elektroplattierverfahren begrenzt, und es können andere Beschichtungstechniken, wie z. B. physikalische Gasphasenabscheidungsverfahren (PVD-Verfahren), chemische Gasphasenabscheidungsverfahren (CVD-Verfahren), physikalische Beschichtungsverfahren und Tintenstrahlverfahren, angewendet werden. Bei einem physikalischen Dampfabscheidungsverfahren (PVD-Verfahren) kann zum Ausführen einer Beschichtung mit Gold (Au) oder dergleichen eine Sputtertechnik oder Ionenplattierungstechnik oder dergleichen verwendet werden. Bei einem physikalischen Auftragungsverfahren können die Partikel aus Gold (Au) oder dergleichen in einem Bindemittel, wie z. B. einem organischen Lösungsmittel, dispergiert werden, so dass sich ein Brei bildet, wobei die Beschichtung dann durch Auftragen dieses Breis, der die dispergierten Gold- (Au-) Partikel enthält, auf das Substrat erfolgt. Weiterhin kann in einem Tintenstrahlverfahren eine Tinte mit darin dispergierten Goldpartikeln (Au-Partikeln) oder dergleichen verwendet werden, um eine Beschichtung von vorbestimmten Bereichen auf der Metallsubstratoberfläche vorzunehmen.
Bei dem Wärmebehandlungsschritt (S16) handelt es sich um einen Schritt zur Wärmebehandlung des Metallsubstrats 24, auf dem die leitfähige Beschichtung 30 aus Gold (Au) oder dergleichen gebildet ist. Die Wärmebehandlung kann ausgeführt werden, um die Adhäsion zwischen dem Metallsubstrat 24 und der leitfähigen Beschichtung 30 weiter zu verbessern. Durch Durchführen der Wärmebehandlung des Metallsubstrats 24, auf dem die leitfähige Beschichtung 30 aus Gold (Au) oder dergleichen gebildet ist, bei einer vorbestimmten Temperatur, werden das Metall des Metallsubstrats 24 und das Gold (Au) oder dergleichen einer gegenseitigen Interdiffusion ausgesetzt, wodurch die Adhäsion zwischen dem Metallsubstrat 24 und der leitfähigen Beschichtung 30 verbessert wird. In jenen Fällen, wo das Metallsubstrat 24 aus Titan (Ti) geformt ist, sind beispielsweise Titan (Ti) und Gold (Au) der gegenseitigen Interdiffusion ausgesetzt, wodurch die Adhäsion zwischen dem aus Titan geformten Metallsubstrat 24 und der leitfähigen Beschichtung 30 aus Gold (Au) oder dergleichen verbessert wird.
In der vorstehenden Ausführungsform befasste sich die Beschreibung vorwiegend mit einer Zelleneinheit 10, in der ungleichförmige Brennstoffzellenseparatoren 20 verwendet werden, doch die Brennstoffzellenseparatoren, die in der Zelleneinheit verwendet werden, sind nicht auf diese Art von ungleicher Form begrenzt, und es sind auch andere Formen zulässig. 6 ist ein Diagramm, das einen Querschnitt einer anderen Zelleneinheit 50 für eine Brennstoffzelle darstellt. Jene Bauteile, die mit jenen der vorherigen Ausführungsform identisch sind, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen, und es wird daher von einer ausführlichen Beschreibung derselben abgesehen. Die Zelleneinheit 50 weist eine Elektrolytmembran 12, eine Katalysatorschicht 14, eine Gasdiffusionsschicht 16, ein einen Kanal ausbildendes Element 52, das einen Gaskanal oder einen Kühlwasserkanal oder dergleichen ausbildet, und einen Separator 60 auf. Das einen Kanal ausbildende Element 52 verwendet eine Struktur aus porösem Metal oder Streckmetall oder dergleichen, die aus einem Basismaterial, wie z. B. Titan oder rostfreiem Stahl, bestehen.
7 ist ein Diagramm, das die Oberfläche des Brennstoffzellenseparators 60 darstellt, der dem einen Kanal ausbildenden Element 52 gegenüberliegt. Ein blechartiges Metallsubstrat 62 wird für den Separator 60 verwendet. Eine aus Gold (Au), Silber (Ag) oder Kupfer (Cu) oder dergleichen bestehende leitfähige Beschichtung 30 ist auf der Oberfläche des Metallsubstrats 61 angeordnet, das dem einen Kanal bildenden Element 52 gegenüberliegt. Dadurch wird eine Erhöhung des Kontaktwiderstands zwischen dem Separator 60 und dem einen Kanal ausbildenden Element 52 verhindert, wodurch einer Verringerung der Leitfähigkeit entgegengewirkt wird.
In dieser Ausführungsform kann dadurch, dass sichergestellt wird, dass die durchschnittliche Partikelgröße der leitfähigen Partikel, die in der leitfähigen Beschichtung in dem Brennstoffzellenseparator enthalten sind, nicht kleiner als 1 nm und nicht größer als 100 nm ist, die Kontaktfläche mit dem Metallsubstrat im Vergleich zu jenen Fällen vergrößert werden, in denen eine die leitfähigen Partikel mit einer größeren Partikelgröße enthaltende Beschichtung verwendet wird, was zu einer verbesserten Adhäsion der leitfähigen Beschichtung führt. Weil außerdem die Metallsubstratoberfläche dichter beschichtet werden kann, kann auch die Beschichtungsrate für die Metallsubstratoberfläche erhöht werden. Außerdem kann die verwendete Menge Gold (Au) oder dergleichen reduziert werden, wodurch die Herstellungskosten des Brennstoffzellenseparators minimal gehalten werden können.
In der vorstehenden Ausführungsform kann dadurch, dass sichergestellt wird, dass die durchschnittliche Partikelgröße der in der leitfähigen Beschichtung in dem Brennstoffzellenseparator enthaltenen leitfähigen Partikel nicht kleiner als 1 nm und nicht größer als 10 nm ist, und insbesondere nicht kleiner als 1 nm und nicht größer als 5 nm ist, die Adhäsion der leitfähigen Beschichtung und die Beschichtungsrate für die Metallsubstratoberfläche noch weiter verbessert werden, und es können zudem die Herstellungskosten für den Brennstoffzellenseparator noch mehr reduziert werden.
In der vorstehenden Ausführungsform kann dadurch, dass die leitfähige Beschichtung in dem Brennstoffzellenseparator aus Gold (Au) gebildet ist, die Korrosionsbeständigkeit der leitfähigen Beschichtung weiter verbessert und der Kontaktwiderstand weiter reduziert werden.
In dem Brennstoffzellenseparator gemäß der vorstehenden Ausführungsform kann durch Bereitstellen einer aus Titanoxid oder dergleichen bestehenden Oxidschicht zwischen dem Metallsubstrat und der leitfähigen Beschichtung die Adhäsion der leitfähigen Beschichtung weiter verbessert werden.
Beispiele
Ein Brennstoffzellenseparator wurde durch Beschichtung der Oberfläche eines aus Titan geformten Metallsubstrats mit einer Gold- (Au-) Partikel aufweisenden leitfähigen Beschichtung hergestellt, und es wurde dann die Adhäsion und dergleichen der leitfähigen Beschichtung bewertet.
Zunächst folgt eine Beschreibung des Verfahrens zur Herstellung des Brennstoffzellenseparators, das bei der Bewertung der Adhäsion und dergleichen herangezogen wird. Das Verfahren zur Herstellung des Brennstoffzellenseparators wurde entsprechend den in 5 gezeigten Herstellungsschritten durchgeführt. Als das Metallmaterial zum Formen des Metallsubstrats wurde reines Titan verwendet. Das aus reinem Titan geformte Titansubstrat wurde einer Vorbehandlung unterzogen, indem es unter Verwendung einer alkalischen elektrolytischen Entfettungsbehandlung entfettet wurde, der sich ein Säurespülvorgang anschloss.
Als nächstes wurde das vorbehandelte Titansubstrat mit einer leitfähigen Beschichtung aus Gold (Au) beschichtet. Als das Beschichtungsverfahren, das zum Erzeugen der Gold- (Au-) Beschichtung angewendet wurde, wurde ein Elektroplattierungsvorgang unter Verwendung eines Phosphorsäurebads ausgeführt. Die Festlegung bzw. Steuerung der Partikelgröße der Gold- (Au-) Partikel, die auf dem Titansubstrat gebildet sind, erfolgte durch Änderung des Goldgehalts von 0,5 g/l auf 10 g/l, Änderung der Stromdichte von 0,01 A/dm² auf 10 A/dm² und Änderung der Plattierungsbehandlungsdauer von 1 Sekunde auf 10 Minuten.
Die durchschnittliche Partikelgröße für die Gold- (Au-) Partikel wurde auf 1 nm in dem Separator des Beispiels 1, 5 nm in dem Separator des Beispiels 2, 10 nm in dem Separator des Beispiels 3, 100 nm in dem Separator des Beispiels 4, 500 nm in dem Separator des Vergleichsbeispiels 1 und 1.000 nm in dem Separator des Vergleichsbeispiels 2 eingestellt. Nach der Erzeugung der Gold- (Au-) Beschichtung auf dem Titansubstrat, wurde jeder Separator einer 90-minütigen Wärmebehandlung bei 260 °C unterzogen.
Jeder der so präparierten bzw. angefertigten Brennstoffzellenseparatoren wurde auf Adhäsion der Gold- (Au-) Beschichtung bewertet. Die Bewertung der Adhäsion der Gold- (Au-) Beschichtung erfolgte unter Verwendung der Gitterschnittprobe bzw. Gitterschnitt-Adhäsionsprüfung nach JIS K 5400. 8 ist ein Graph, der die Bewertungsergebnisse der Adhäsion der Gold- (Au-) Beschichtung darstellt. In 8 ist die durchschnittliche Partikelgröße der Gold- (Au-) Partikel, aus denen die Gold- (Au-) Beschichtung besteht, die auf der Oberfläche eines jeweiligen der Separatoren ausgebildet ist, entlang der horizontalen Achse gezeigt, und die Anzahl der abgeschälten Gitterabschnitte ist entlang der vertikalen Achse gezeigt, wobei die jeweiligen Ergebnisse bezüglich der Anzahl der abgeschälten Gitterabschnitte als Balkendiagramme dargestellt sind. Die Anzahl der abgeschälten Gitteabschnitte beschreibt die Anzahl der abgeschälten Gitterabschnitte pro 100 Gitterabschnitte.
Bei den Separatoren der Beispiele 1 bis 4, die mit einer Gold- (Au-) Beschichtung mit einer durchschnittlichen Partikelgröße bei den Gold- (Au-) Partikeln von 1 nm bis 100 nm beschichtet waren, trat eine minimale Abschälung der Gold- (Au-) Beschichtung auf, und bei den Separatoren der Beispiele 1 bis 3, bei denen eine Gold- (Au-) Beschichtung mit einer durchschnittlichen Partikelgröße der Gold- (Au-) Partikel von 1 nm bis zu 10 nm ausgebildet war, konnte nahezu keine Abschälung der Gold- (Au-) Beschichtung festgestellt werden. Demgegenüber waren bei den Separatoren der Vergleichsbeispiele 1 und 2, bei denen eine Gold- (Au-) Beschichtung mit einer durchschnittlichen Partikelgröße der Gold- (Au-) Partikel von 500 nm oder 1.000 nm ausgebildet war, waren jeweils 5 oder mehr der 100 Gitterabschnitte abgeschält. Diese Ergebnisse bestätigen, dass die Adhäsion der Gold- (Au-) Beschichtung in den Separatoren der Beispiele 1 bis 4 der Adhäsion in den Separatoren der Vergleichsbeispiele 1 und 2 überlegen ist. Bei den Separatoren der Beispiele 1 bis 3, die mit einer Gold- (Au-) Beschichtung mit einer durchschnittlichen Partikelgröße der Gold- (Au-) Partikel von nicht weniger als 1 nm und nicht mehr als 10 nm beschichtet waren, und insbesondere bei den Separatoren der Beispiele 1 und 2, die mit einer Gold- (Au-) Beschichtung mit einer durchschnittlichen Partikelgröße für die Gold- (Au-) Partikel von nicht weniger als 1 nm und nicht mehr als 5 nm beschichtet waren, fiel die Adhäsion der Gold- (Au-) Beschichtung noch besser aus.
Als nächstes folgte dann die Bewertung der Beschichtungsbeschaffenheit der Gold- (Au-) Beschichtung. Die Beschichtungsbeschaffenheit der Gold- (Au-) Beschichtung wurde unter Verwendung eines SEM- oder Metallmikroskops oder dergleichen bewertet, mit dem die jeweiligen Separatoren, die eine auf einem Titansubstrat erzeugte Gold- (Au-) Beschichtung aufwiesen, untersucht wurden. 9 ist ein Graph, der die Ergebnisse der Bewertung der Beschichtungsbeschaffenheit der verschiedenen Gold-(Au-) Beschichtungen darstellt. In 9 ist die durchschnittliche Partikelgröße der auf der Oberfläche eines jeweiligen der Separatoren erzeugten Gold- (Au-) Beschichtung entlang der horizontalen Achse gezeigt, und die Beschichtungsrate ist entlang der vertikalen Achse gezeigt, wobei die Beschichtungsrate für jeden der Separatoren durch ein Balkendiagramm dargestellt ist. Die Beschichtungsrate (%) wird als der Anteil der mit Gold (Au) beschichteten Fläche pro Einheit Fläche des Titansubstrats berechnet.
In den Separatoren der Beispiele 1 bis 4, die mit einer Gold- (Au-) Beschichtung mit einer durchschnittlichen Partikelgröße der Gold- (Au-) Partikel von 1 nm bis 100 nm beschichtet waren, betrug die Beschichtungsrate 70 % oder mehr. Demgegenüber betrug die Beschichtungsrate weniger als 70 % in den Separatoren der Vergleichsbeispiele 1 und 2, die mit einer Gold- (Au-) Beschichtung mit einer durchschnittlichen Partikelgröße der Gold- (Au-) Partikel von 500 nm oder 1.000 nm beschichtet waren. Außerdem betrug die Beschichtungsrate zumindest 80 % in den Separatoren der Beispiele 1 bis 3, die mit einer Gold- (Au-) Beschichtung mit einer durchschnittlichen Partikelgröße bezüglich der Gold- (Au-) Partikel von 1 nm bis 10 nm beschichtet waren, was auf eine weitere Verbesserung der Beschichtungsbeschaffenheit der Gold- (Au-) Beschichtung hinweist.
Als nächstes erfolgte die Bewertung des Kontaktwiderstands des Brennstoffzellenseparators. 10 ist ein Diagramm, dass das Verfahren veranschaulicht, das zum Messen des Kontaktwiderstands in dem Separator angewendet wurde. Nachdem Material 72 für eine Gasdiffusionsschicht in eine Metallhaltevorrichtung 70 eingepasst worden war, wurde jeder Separator, als ein Prüfstück 74, zwischen die beiden Gasdiffusionsschichten 72 gespannt, und anschließend ein Oberflächendruck bzw. Anpressdruck ausgeübt, um die Struktur zusammenzufügen. Anschließend ließ man einen Strom der Stärke 1A für eine vorbestimmte Zeitspanne durch die Struktur fließen, dann wurde die Spannung zwischen der leitfähigen Beschichtung oder der die leitfähige dünne Beschichtungsschicht tragenden Oberfläche und der Oberfläche des Gasdiffusionsschichtmaterials gemessen und der Kontaktwiderstand zwischen dem Separator und dem Gasdiffusionsschichtmaterial 72 berechnet.
11 ist ein Graph, der die Ergebnisse der Messung des Kontaktwiderstands in jedem der Separatoren darstellt. In 11 ist die durchschnittliche Partikelgröße der Gold- (Au-) Partikel, aus denen die Gold- (Au-) Beschichtung besteht, die auf der Oberfläche eines jeden der Separatoren gebildet ist, entlang der horizontalen Achse gezeigt, und der Kontaktwiderstand (mΩ • cm²) ist entlang der vertikalen Achse gezeigt, wobei der Kontaktwiderstandswert für jeden der Separatoren durch ein Balkendiagramm dargestellt ist. Wie aus 11 hervorgeht, wiesen die Separatoren der Beispiele 1 bis 4, die mit einer Gold- (Au-) Beschichtung mit einer durchschnittlichen Partikelgröße der Gold- (Au-) Partikel von 1 nm bis 100 nm beschichtet waren, und die Separatoren der Vergleichsbeispiele 1 und 2, die mit einer Gold- (Au-) Beschichtung mit einer durchschnittlichen Partikelgröße der Gold- (Au-) Partikel von 500 nm oder 1.000 nm beschichtet waren, allesamt einen Kontaktwiderstandswert auf, der den Sollwert von 10 (mΩ • cm²) unterschritt. Diese Ergebnisse lassen darauf schließen, dass die Brennstoffzellenseparatoren insgesamt eine hervorragende Leitfähigkeit aufweisen.
Als nächstes folgte die Bewertung der für die Gold- (Au-) Beschichtung anfallenden Kosten. Die Kosten für die Gold- (Au-) Beschichtung wurden durch Bestimmen der Goldmenge, die beim Bilden einer einheitlichen Schicht auf der Oberfläche eines Titansubstrats verwendet wurde, für Gold- (Au-) Partikel mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 1 nm bis 1.000 nm berechnet. 12 ist ein Graph, der die Ergebnisse der Bewertung des Kostenaufwands für die Gold- (Au-) Beschichtung darstellt. In 12 ist die durchschnittliche Partikelgröße der Gold- (Au-) Partikel entlang der horizontalen Achse gezeigt, und die Kosten für die Gold- (Au-) Beschichtung sind entlang der vertikalen Achse gezeigt, wobei die Kosten für das für die Gold- (Au-) Partikel mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 1 nm bis 1.000 nm verwendeten Goldes als ein Balkendiagramm gezeigt sind. Der Kostenaufwand für die jeweiligen Gold- (Au-) Beschichtungen ist als ein relativer Wert der Kosten bei dieser speziellen durchschnittlichen Partikelgröße relativ zu einer Kosteneinheit von 1 für eine durchschnittliche Partikelgröße von 1 nm für die Gold- (Au-) Partikel gezeigt.
Wie aus 12 hervorgeht, ergab sich in jenen Fällen, in denen die durchschnittliche Partikelgröße der Gold- (Au-) Partikel 1 nm bis 100 nm beträgt, ein erheblich geringerer Kostenaufwand als in jenen Fällen, wo die durchschnittliche Partikelgröße der Gold- (Au-) Partikel 500 nm oder 1.000 nm betrug. Zudem konnte durch Begrenzung der durchschnittlichen Partikelgröße der Gold- (Au-) Partikel auf einen Wert von nicht weniger als 1 nm und nicht mehr als 10 nm und insbesondere auf einen Wert von nicht weniger als 1 nm und nicht mehr als 5 nm sogar ein noch geringerer Kostenaufwand erreicht werden. Anhand dieser Ergebnisse wird klar, dass die Separatoren der Beispiele 1 und 4 gegenüber den Separatoren der Vergleichsbeispiele 1 und 2 zu geringeren Kosten hergestellt werden können.
Bezugszeichenliste

10, 50: Zelleneinheit
12: Elektrolytmembran
14: Katalysatorschicht
16: Gasdiffusionsschicht
20, 40, 60: Separator
22: Membranelektrodenanordnung
24, 62: Metallsubstrat
30: Leitfähige Beschichtung
42: Oxidschicht
52: Kanal ausbildendes Element
70: Metallhaltevorrichtung
72: Gasdiffusionsschichtmaterial
74: Prüfstück

Claims

Brennstoffzellenseparator, aufweisend: ein Metallsubstrat, das aus Titan geformt ist, eine leitfähige Beschichtung, die eine Leitfähigkeit aufweist und auf einer Oberfläche des Metallsubstrats gebildet ist, und eine Oxidschicht, die zwischen dem Metallsubstrat und der leitfähigen Beschichtung ausgebildet ist, wobei die leitfähige Beschichtung Goldpartikel aufweist, eine durchschnittliche Partikelgröße der Goldpartikel nicht kleiner als 1 nm und nicht größer als 10 nm ist, ein Beschichtungsanteil der Oberfläche des Metallsubstrats durch die leitfähige Beschichtung 70 % oder mehr ist, es sich bei der Oxidschicht um eine Titanoxidschicht handelt, und die Dicke der Titanoxidschicht in einem Bereich zwischen 5 nm und 200 nm ist.
Brennstoffzellenseparator nach Anspruch 1, wobei die durchschnittliche Partikelgröße der Goldpartikel nicht kleiner als 1 nm und nicht größer als 5 nm beträgt.
Brennstoffzelle, aufweisend einen Brennstoffzellenseparator nach Anspruch 1.
Brennstoffzelle nach Anspruch 3, wobei die durchschnittliche Partikelgröße der Goldpartikel nicht kleiner als 1 nm und nicht größer als 5 nm ist.