DE112014004364T5

DE112014004364T5 - Brennstoffzellenseparator, Brennstoffzelle und Herstellverfahren für Brennstoffzellenseparator

Info

Publication number: DE112014004364T5
Application number: DE112014004364.8T
Authority: DE
Inventors: Masafumi KOIZUMI; Yasuhiro Ozawa; Takashi Iseki; Kazuyuki Nakanishi
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-09-24
Filing date: 2014-09-18
Publication date: 2016-06-16
Anticipated expiration: 2034-09-19
Also published as: DE112014004364B4; WO2015044734A1; JP5890367B2; CN105556720A; US20160233523A1; JP2015064968A; CN105556720B

Abstract

Ein Brennstoffzellenseparator (110) beinhaltet ein elektrisch leitendes Basissubstrat und einen auf dem Basissubstrat gebildeten Kohlenstofffilm (120). Der Kohlenstofffilm (120) beinhaltet eine erste Schicht (121), die am nächsten zu dem Basissubstrat gebildet ist, und eine zweite Schicht (122), die am weitesten entfernt von dem Basissubstrat gebildet ist. Ein Durchmesser von Kohlenstoffpartikeln, die in der ersten Schicht (121) beinhaltet sind, beträgt 19 nm oder weniger und ist kleiner als ein Durchmesser von Kohlenstoffpartikeln, die in einer anderen Schicht des Kohlenstofffilms als der ersten Schicht (121) beinhaltet sind, und ein Durchmesser der in der zweiten Schicht (122) beinhalteten Kohlenstoffpartikel beträgt 40 nm oder weniger.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenseparator, eine Brennstoffzelle und ein Herstellverfahren für einen Brennstoffzellenseparator.
2. Beschreibung des verwandten Standes der Technik
Als eine Technik bezüglich eines Brennstoffzellenseparators ist beispielsweise eine in der Japanischen Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2008-004540 ( JP 2008-004540 A ) beschriebene Technik herkömmlich bekannt. Bei der in JP 2008-004540 A beschriebenen Technik wird zum Verbessern von Korrosionsbeständigkeit und Leitfähigkeit des Separators ein aus winzigen Kohlenstoffpartikeln hergestellter dünner Kohlenstofffilm auf einem Basissubstrat des Separators gebildet.
Wenn die Kohlenstoffpartikel, die auf einer Oberfläche des Basissubstrats zu bilden sind, klein ausgeführt werden, verbessert sich die Haftung gegenüber dem Basissubstrat. Allerdings ist die Abscheidungsrate gering, was zu einem Problem derart führt, dass die Produktionseffizienz gering ist. Falls indes der Durchmesser der Kohlenstoffpartikel erhöht wird, um die Produktionseffizienz zu verbessern, so führt dies zu einem Problem derart, dass die Beständigkeit der Ausgabeleistung der Brennstoffzelle abnimmt. Darüber hinaus werden für herkömmliche Brennstoffzellenseparatoren und Brennstoffzellen eine geringere Größe, niedrigere Kosten, Ressourceneinsparungen, vereinfachte Herstellung, verbesserte Nutzbarkeit und dergleichen gefordert.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenseparator. Dieser Brennstoffzellenseparator beinhaltet ein elektrisch leitendes Basissubstrat und einen auf dem Basissubstrat gebildeten Kohlenstofffilm. Der Kohlenstofffilm beinhaltet eine erste Schicht, die am nächsten zu dem Basismaterial gebildet ist, und eine zweite Schicht, die am weitesten entfernt von dem Basissubstrat gebildet ist. Ein Durchmesser von in der ersten Schicht beinhalteten Kohlenstoffpartikeln beträgt 19 nm oder weniger und ist kleiner als ein Durchmesser von Kohlenstoffpartikeln, die in einer anderen Schicht des Kohlenstofffilms als der ersten Schicht beinhaltet sind. Ein Durchmesser von Kohlenstoffpartikeln, die in der zweiten Schicht beinhaltet sind, beträgt 40 nm oder weniger. Da der Durchmesser der in der ersten Schicht beinhalteten Kohlenstoffpartikel 19 nm oder weniger beträgt, ist es möglich, die Haftung zwischen dem Basissubstrat und der ersten Schicht des Kohlenstofffilms zu verbessern. Da ferner der Durchmesser der in der zweiten Schicht beinhalteten Kohlenstoffpartikel 40 nm oder weniger beträgt, ist es möglich, eine Abscheidungsrate zu verbessern und die Produktionseffizienz des Brennstoffzellenseparators zu verbessern im Vergleich zu dem Fall, dass der Kohlenstofffilm derart gebildet ist, dass ein Durchmesser von ganzen Kohl enstoffpartikeln desselben 19 nm oder weniger beträgt. Ferner ist es möglich, Wasser, welches eine Substanz beinhaltet (nachstehend als die korrosive Substanz bezeichnet), die durch Energieerzeugung der Brennstoffzelle erzeugt wird und das Basissubstrat korrodiert, daran zu hindern, durch die zweite Schicht hindurchzutreten und in das Basissubstrat einzudringen. Infolgedessen ist es möglich, eine Korrosion des Basissubstrats aufgrund des die korrosive Substanz beinhaltenden Wassers zu verhindern, wodurch es ermöglicht wird, eine Verringerung der Ausgabeleistung einer Brennstoffzelle zu verhindern.
Der Brennstoffzellenseparator gemäß dem obigen Aspekt kann ferner eine Zwischenschicht beinhalten, die Komponenten sowohl des Basissubstrats als auch des Kohlenstofffilms enthält, wobei die Zwischenschicht zwischen dem Basissubstrat und dem Kohlenstofffilm vorgesehen ist. Gemäß einer solchen Ausgestaltung ist es möglich, die Haftung zwischen dem Basissubstrat und dem Kohlenstofffilm durch die Zwischenschicht weiter zu verbessern.
Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle. Die Brennstoffzelle beinhaltet eine Anode, eine Kathode, eine sandwichartig zwischen der Anode und der Kathode aufgenommene Elektrolytmembran; den Brennstoffzellenseparator des ersten Aspekts. Gemäß dem zweiten Aspekt ist es möglich, die Haftung zwischen dem Basissubstrat und der ersten Schicht des Kohlenstofffilms zu verbessern und die Verminderung der Ausgabeleistung der Brennstoffzelle zu verhindern.
Ein dritter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Herstellverfahren für einen Brennstoffzellenseparator. Das Herstellverfahren beinhaltet einen Schritt (a) des Herstellens eines elektrisch leitenden Basissubstrats und einen Schritt (b) des Bildens eines Kohlenstofffilms auf dem Basissubstrat durch Plasma-CVD. Der Schritt (b) kann einen Schritt (b1) des Bildens einer ersten Schicht des Kohlenstofffilms als eine dem Basissubstrat am nächsten gelegene Schicht und einen Schritt (b2) des Bildens einer zweiten Schicht des Kohlenstofffilms als eine von dem Basissubstrat am weitesten entfernte Schicht beinhalten. Eine Strömungsrate von Rohmaterialgas zum Zeitpunkt des Bildens der ersten Schicht im Schritt (b1) kann in einem Bereich von 1/2 bis 1/50 einer Strömungsrate von Rohmaterialgas zum Zeitpunkt des Bildens der zweiten Schicht im Schritt (b2) liegen. Mit einer derartigen Ausgestaltung ist es möglich, die Haftung zwischen dem Basissubstrat und der ersten Schicht des Kohlenstofffilms zu verbessern und die Produktionseffizienz des Brennstoffzellenseparators zu verbessern.
Die vorliegende Erfindung kann in verschiedenen anderen Aspekten als den obigen Aspekten verwirklicht werden. Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung in einem Herstellverfahren für eine Brennstoffzelle, in einem eine Brennstoffzelle beinhaltenden Fahrzeug und ähnlichen Aspekten verwirklicht werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Merkmale, Vorteile sowie die technische und industrielle Bedeutung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Zeichen gleiche Elemente bezeichnen. Es zeigt:
1 ist eine erläuternde Ansicht zum Beschreiben einer schematischen Ausgestaltung einer Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine vergrößerte erläuternde Ansicht, die einen Teil eines Ausschnitts eines Separators veranschaulicht;
3 ist eine Verfahrenszeichnung eines Herstellverfahrens für einen Separator gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 ist eine erläuternde Ansicht, die in Graphikform einen Zusammenhang zwischen einem Durchmesser von Kohlenstoffpartikeln, die in einer zweiten Schicht eines Kohlenstofffilms beinhaltet sind, und einem ansteigenden Betrag eines Widerstandwertes nach einem Beständigkeitstest veranschaulicht;
5 ist eine erläuternde Ansicht, die in Tabellenform ein experimentelles Ergebnis jeder Probe veranschaulicht;
6 ist eine erläuternde Ansicht, die eine REM-Aufnahme einer Oberfläche eines Kohlenstofffilms aus Probe 3 veranschaulicht;
7 ist eine erläuternde Ansicht, die eine REM-Aufnahme einer Oberfläche eines Kohlenstofffilms aus Probe 9 veranschaulicht;
8 ist eine erläuternde Ansicht, die eine REM-Aufnahme einer Oberfläche eines Kohlenstofffilms aus Probe 12 veranschaulicht;
9 ist eine erläuternde Ansicht, die eine REM-Aufnahme einer Oberfläche eines Kohlenstofffilms aus Probe 8 veranschaulicht;
10 ist eine erläuternde Ansicht, die eine REM-Aufnahme einer Oberfläche eines Kohlenstofffilms aus Probe 11 veranschaulicht; und
11 ist eine erläuternde Ansicht, die eine REM-Aufnahme einer Oberfläche eines Kohlenstofffilms aus Probe 12 veranschaulicht.
AUSÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Eine Ausführungsweise der vorliegenden Erfindung wird nachstehend auf Grundlage einer Ausführungsform in der folgenden Reihenfolge beschrieben.

A. Ausführungsform:
B. Beispiel:
C. Modifikationen:

A. Ausführungsform:
1 ist eine erläuternde Ansicht zum Beschreiben einer schematischen Ausgestaltung einer Brennstoffzelle 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Brennstoffzelle 10 ist eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle und besitzt einen Stapelaufbau, bei dem eine Mehrzahl von Einzelzellen 14 laminiert ist. Die Einzelzelle 14 ist ein Einheitsmodul, das in der Brennstoffzelle 10 elektrische Energie erzeugt und die Energieerzeugung durch eine elektrochemische Reaktion zwischen in der Luft beinhaltetem Wasserstoffgas und Sauerstoff durchführt. Jede der Einzelzellen 14 beinhaltet einen Energieerzeugungskörper 20, ein Paar Separatoren 100 (einen anodenseitigen Separator 100an und einen kathodenseitigen Separator 100ca), die den Energieerzeugungskörper 20 sandwichartig zwischen sich aufnehmen.
Der Energieerzeugungskörper 20 beinhaltet: eine Membranelektrodenanordnung (auch als MEA bezeichnet) 23, bei der Katalysatorelektrodenschichten 22 (eine Anode 22an und eine Kathode 22ca) auf beiden Oberflächen einer Elektrolytmembran 21 gebildet sind; und ein Paar Gasdiffusionsschichten 24 (eine anodenseitige Diffusionsschicht 24an und eine kathodenseitige Diffusionsschicht 24ca), die auf beiden Seiten der Membranelektrodenanordnung 23 platziert sind.
Die Elektrolytmembran 21 ist eine Polymerelektrolytmembran, die aus einem Sulfonsäure-Polymer auf Fluorbasis als ein festes Polymermaterial hergestellt ist und im feuchten Zustand eine gute Protonenleitfähigkeit besitzt. In der vorliegenden Ausführungsform wird ein Nafion-Film (NRE212, Nafion ist eine eingetragene Handelsmarke) als die Elektrolytmembran 21 verwendet. Jedoch ist die Elektrolytmembran 21 nicht auf Nafion (eingetragene Handelsmarke) beschränkt, und es können beispielsweise andere Sulfonsäuremembranen auf Fluorbasis, wie etwa Aciplex (eingetragene Handelsmarke) oder Flemion (eingetragene Handelsmarke), verwendet werden. Ferner kann als die Elektrolytmembran 21 eine Phosphorsäuremembran auf Fluorbasis, eine Carbonsäuremembran auf Fluorbasis, eine Kohlenwasserstoff-Pfropf-Membran auf Fluorbasis, eine Pfropf-Membran auf Kohlenwasserstoffbasis, eine aromatische Membran oder dergleichen verwendet werden. Ferner kann eine Verbundpolymermembran verwendet werden, die ein Verstärkungsmaterial wie PTFE oder Polyamid enthält, so dass eine mechanische Eigenschaft derselben verstärkt wird.
Die Katalysatorelektrodenschichten 22 (die Anode 22an und die Kathode 22ca) sind auf beiden Seiten der Elektrolytmembran 21 platziert, so dass bei Verwendung der Brennstoffzelle eine von ihnen als eine Anodenelektrode fungiert und die andere von ihnen als eine Kathodenelektrode fungiert. Die Katalysatorelektrodenschicht 22 enthält Kohlenstoffpartikel (einen katalysatortragenden Träger), die ein katalytisches Metall (in der vorliegenden Ausführungsform Platin) tragen, welches eine elektrochemische Reaktion fördert, und einen protonenleitenden Polymerelektrolyten (in der vorliegenden Ausführungsform fluorbasiertes Harz). Ein Kohlenstoffmaterial, wie etwa Kohlenstoff-Ruß, Kohlenstoffnanoröhre oder Kohlenstoffnanofaser, oder eine Kohlenstoffverbindung, die durch Siliziumcarbid repräsentiert wird, kann anstelle der Kohlenstoffpartikel als der elektrisch leitende katalysatortragende Träger verwendet werden. Ferner kann Platinlegierung, Palladium, Rhodium, Gold, Silber, Osmium, Iridium oder dergleichen anstelle von Platin als das katalytische Metall verwendet werden.
Die Gasdiffusionsschichten 24 (die anodenseitige Diffusionsschicht 24an und die kathodenseitige Diffusionsschicht 24ca) sind Schichten zum Diffundieren von Reaktionsgas (Anodengas und Kathodengas), das für eine Elektrodenreaktion entlang einer Oberflächenrichtung der Elektrolytmembran 21 verwendet wird. In der vorliegenden Ausführungsform wird Kohlenstoffpapier als die Gasdiffusionsschichten 24 verwendet. Es sei darauf hingewiesen, dass als die Gasdiffusionsschichten 24 beispielsweise ein poröses Kohlenstoffmaterial, wie etwa Kohlenstofftuch, oder ein poröses Metallmaterial, wie etwa metallisches Gitter oder Schaummetall, anstelle des Kohlenstoffpapiers verwendet werden kann.
Die Separatoren 100 (der anodenseitige Separator 100an und der kathodenseitige Separator 100ca) sind aus einem Element hergestellt, das eine Gassperreigenschaft und elektronische Leitfähigkeit besitzt. In der vorliegenden Ausführungsform sind die Separatoren 100 aus Titan hergestellt. Die Separatoren 100 können jedoch statt aus Titan beispielsweise aus anderen metallischen Komponenten hergestellt sein. Die Separatoren 100 werden später ausführlich beschrieben.
Eine unebene Form, die Kanäle bildet, in denen Gas und Flüssigkeit strömt, ist auf einer Oberfläche des Separators 100 gebildet. Genauer gesagt, beinhaltet der anodenseitige Separator 100an Anodengaskanäle AGC, in denen Gas und Flüssigkeit strömen können, zwischen dem anodenseitigen Separator 100an und der anodenseitigen Diffusionsschicht 24an. Der kathodenseitige Separator 100ca beinhaltet Kathodengaskanäle CGC, in denen Gas und Flüssigkeit strömen können, zwischen dem kathodenseitigen Separator 100ca und der kathodenseitigen Diffusionsschicht 24ca.
2 ist eine vergrößerte erläuternde Ansicht, die einen Teil eines Ausschnitts des Separators 100 veranschaulicht. Der Separator 100 beinhaltet ein Metallbasissubstrat 110, eine auf dem Metallbasissubstrat 110 gebildete Zwischenschicht 112 und einen auf der Zwischenschicht 112 gebildeten Kohlenstofffilm 120. Es sei darauf hingewiesen, dass der Kohlenstofffilm 120 auf jener Oberfläche der Zwischenschicht 112 gebildet ist, die mit der Gasdiffusionsschicht 24 in Berührung steht.
Das Metallbasissubstrat 110 ist aus einer elektrisch leitenden metallischen Komponente hergestellt, und in der vorliegenden Ausführungsform ist der Separator 100 aus Titan hergestellt. Jedoch kann das Metallbasissubstrat 110 aus einem anderen Metall, wie etwa Edelstahl, hergestellt sein.
Der Kohlenstofffilm 120 ist auf der Zwischenschicht 112 gebildet und verbessert die Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit des Separators 100. Der Kohlenstofffilm 120 wird durch Abscheiden von Kohlenstoffpartikeln durch Plasma-CVD gebildet. Der Kohlenstofffilm 120 beinhaltet eine erste Schicht 121, die auf einer Oberfläche des Metallbasissubstrats 110 gebildet ist, und eine zweite Schicht 122, die auf einer Oberfläche der ersten Schicht 121 gebildet ist. Wie später beschrieben wird, ist ein Durchmesser von Kohlenstoffpartikeln, die in der ersten Schicht 121 beinhaltet sind, verschieden von einem Durchmesser von Kohlenstoffpartikeln, die in der zweiten Schicht beinhaltet sind.
Die Zwischenschicht 112 enthält Komponenten sowohl des Metallbasissubstrats 110 als auch des Kohlenstofffilms 120. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Zwischenschicht 112 aus Titancarbid (TiC) hergestellt. Die Zwischenschicht 112 besitzt gute Haftung gegenüber dem Metallbasissubstrat 110 und besitzt auch gute Haftung gegenüber dem Kohlenstofffilm 120. Angesichts dessen ist es gemäß der vorliegenden Ausführungsform möglich, die Haftung zwischen dem Metallbasissubstrat 110 und dem Kohlenstofffilm 120 durch die Zwischenschicht 112 zu verbessern. Jedoch kann der Kohlenstofffilm 120 ohne Bildung der Zwischenschicht 112 unmittelbar auf dem Metallbasissubstrat 110 gebildet sein.
In der vorliegenden Ausführungsform ist der Durchmesser der Kohlenstoffpartikel, die in der ersten Schicht 121 beinhaltet sind, kleiner als der Durchmesser der Kohlenstoffpartikel, die in der zweiten Schicht 122 beinhaltet sind, und der Durchmesser der Kohlenstoffpartikel, die in der ersten Schicht 121 beinhaltet sind, beträgt 19 nm oder weniger. Angesichts dessen ist es gemäß der vorliegenden Ausführungsform leicht, die in der ersten Schicht 121 beinhalteten Kohlenstoffpartikel in winzige ungleiche Spalten auf der Oberfläche des Metallbasissubstrats 110 (der Zwischenschicht 112, wenn die Zwischenschicht 112 gebildet ist) einzubringen.
Ferner beträgt in der vorliegenden Ausführungsform der Durchmesser der in der zweiten Schicht 122 beinhalteten Kohlenstoffpartikel 40 nm oder weniger. Angesichts dessen ist es gemäß der vorliegenden Ausführungsform möglich, eine Abscheidungsrate zu verbessern und die Produktionseffizienz des Separators 100 zu verbessern im Vergleich zu dem Fall, dass der Kohlenstofffilm 120 derart gebildet ist, dass ein Durchmesser von ganzen Kohlenstoffpartikeln davon 19 nm oder weniger beträgt. Da ferner gemäß der vorliegenden Ausführungsform Spalten zwischen den in der zweiten Schicht 122 beinhalteten Kohlenstoffpartikeln klein sind, ist es möglich, Wasser, das eine korrosive Substanz (eine Substanz, die das Metallbasissubstrat 110 und die Zwischenschicht 112 korrodiert) beinhaltet, welche durch Energieerzeugung der Brennstoffzelle erzeugt wird, daran zu hindern, durch die zweite Schicht 122 hindurchzutreten und in das Metallbasissubstrat 110 und die Zwischenschicht 112 einzudringen. Infolgedessen ist es möglich zu verhindern, dass das Metallbasissubstrat 110 und die Zwischenschicht 112 aufgrund des die korrosive Substanz beinhaltenden Wassers korrodieren, wodurch es ermöglicht wird, eine Verminderung der Ausgabeleistung der Brennstoffzelle zu verhindern.
Es sei darauf hingewiesen, dass in der vorliegenden Spezifikation der „Durchmesser von Partikeln” einen mittleren Partikeldurchmesser angibt und der mittlere Partikeldurchmesser durch Durchführen einer Bildanalyse einer durch FE-SEM (Feldemissionsrasterelektronenmikroskop) erhaltenen Aufnahme berechnet wird.
3 ist eine Verfahrenszeichnung eines Herstellverfahrens für den Separator 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In Schritt S100 wird ein Metallbasissubstrat 110 hergestellt. In der vorliegenden Ausführungsform wird ein Metallbasissubstrat 110 aus Titan hergestellt.
In Schritt S102 wird eine Zwischenschicht 112 auf dem Metallbasissubstrat 110 gebildet. In der vorliegenden Ausführungsform wird eine Titancarbid-Schicht als die Zwischenschicht 112 auf dem Metallbasissubstrat 110 aus Titan gebildet.
In Schritt S104 wird eine erste Schicht 121 eines Kohlenstofffilms 120 auf der Zwischenschicht 112 gebildet. In der vorliegenden Ausführungsform wird die erste Schicht 121 des Kohlenstofffilms 120 durch Plasma-CVD unter Verwendung von kohlenwasserstoffbasiertem Gas gebildet. Zum Zeitpunkt der Plasma-CVD wird eine Strömungsrate des Gases so eingestellt, dass ein Durchmesser von Kohlenstoffpartikeln, die in der ersten Schicht 121 des Kohlenstofffilms 120 beinhaltet sind, 19 nm oder weniger wird.
In Schritt S106 wird eine zweite Schicht 122 des Kohlenstofffilms 120 auf der ersten Schicht 121 des Kohlenstofffilms 120 gebildet. In der vorliegenden Ausführungsform wird die zweite Schicht 122 des Kohlenstofffilms 120 durch Plasma-CVD unter Verwendung von kohlenwasserstoffbasiertem Gas gebildet. Zum Zeitpunkt der Plasma-CVD wird eine Strömungsrate des Gases so eingestellt, dass ein Durchmesser von Kohlenstoffpartikeln, die in der zweiten Schicht 122 des Kohlenstofffilms 120 beinhaltet sind, 40 nm oder weniger wird.
In der vorliegenden Ausführungsform wird die Strömungsrate von Rohmaterialgas zum Zeitpunkt des Bildens der ersten Schicht 121 in Schritt S104 so eingestellt, dass sie in einem Bereich von 1/2 bis 1/50 der Strömungsrate von Rohmaterialgas zum Zeitpunkt des Bildens der zweiten Schicht 122 in Schritt S106 liegt. Wenn, wie in der vorliegenden Ausführungsform, die Strömungsrate des Rohmaterialgases zum Zeitpunkt des Bildens der ersten Schicht 121 so eingestellt ist, dass sie 1/2 oder weniger der Strömungsrate des Rohmaterialgases zum Zeitpunkt des Bildens der zweiten Schicht 122 beträgt, ist es möglich, die Haftung der ersten Schicht 121 gegenüber dem Metallbasissubstrat 110 (und der Zwischenschicht 112) zu verbessern. Wenn die Strömungsrate des Rohmaterialgases zum Zeitpunkt des Bildens der ersten Schicht 121 so eingestellt ist, dass sie 1/50 oder mehr der Strömungsrate des Rohmaterialgases zum Zeitpunkt des Bildens der zweiten Schicht 122 beträgt, ist es möglich, die Zeit zu verkürzen, die zum Bilden der ersten Schicht 121 erforderlich ist. Wenn somit die Strömungsraten der Rohmaterialgase wie oben beschrieben eingestellt sind, ist es möglich, die Produktionseffizienz des Separators 100 zu verbessern.
B. Beispiel:
In diesem Beispiel wurde eine Mehrzahl von Proben des Brennstoffzellenseparators gebildet, und ein Widerstandswert jeder Probe wurde gemessen. Dann wurden Brennstoffzellen durch Verwenden der Proben des Brennstoffzellenseparators gebildet, und ein Beständigkeitstest wurde daran durchgeführt, in dem für eine vorbestimmte Zeit Energie erzeugt wird. Nach dem Beständigkeitstest wurde ein Widerstandswert jeder der Proben des Brennstoffzellenseparators gemessen, um einen steigenden Betrag des Widerstandswertes nach Durchführen des Beständigkeitstests zu messen.
4 ist eine erläuternde Ansicht, die in Graphikform einen Zusammenhang zwischen einem Durchmesser von Kohlenstoffpartikeln, die in der zweiten Schicht 122 des Kohlenstofffilms 120 beinhaltet sind, und dem steigenden Betrag des Widerstandswertes nach dem Beständigkeitstest veranschaulicht. Es sei darauf hingewiesen, dass der Durchmesser der Kohlenstoffpartikel der ersten Schicht 121 in jeder der in diesem Beispiel verwendeten Proben 19 nm oder weniger beträgt.
Gemäß 4 wird verständlich, dass mit kleiner werdendem Durchmesser der in der zweiten Schicht 122 beinhalteten Kohlenstoffpartikel der steigende Betrag des Widerstandswertes nach dem Beständigkeitstest verringert wird. Ferner wird verständlich, dass dann, wenn der Durchmesser der in der zweiten Schicht 122 beinhalteten Kohlenstoffpartikel 40 nm oder weniger beträgt, der Widerstandswert kaum steigt und der steigende Betrag des Widerstandswertes nach dem Beständigkeitstest 5 [mΩ·m²] oder weniger beträgt. Der Grund hierfür ist wie folgt: Wie vorstehend beschrieben, sind die Spalten zwischen den Partikeln klein, wenn der Durchmesser der in der zweiten Schicht 122 beinhalteten Kohlenstoffpartikel 40 nm oder weniger beträgt, wodurch es ermöglicht wird, Wasser, das eine durch Energieerzeugung der Brennstoffzelle erzeugte korrosive Substanz beinhaltet, daran zu hindern, durch die zweite Schicht 122 hindurchzutreten und in das Metallbasissubstrat 110 und die Zwischenschicht 112 einzudringen. Infolgedessen ist es möglich zu verhindern, dass das Metallbasissubstrat 110 und die Zwischenschicht 112 aufgrund des Wassers, das die korrosive Substanz beinhaltet, korrodieren. Angesichts dessen ist es zu bevorzugen, dass der Durchmesser der in der zweiten Schicht 122 beinhalteten Kohlenstoffpartikel 40 nm oder weniger beträgt.
5 ist eine erläuternde Ansicht, die in Tabellenform ein experimentelles Ergebnis jeder der Proben veranschaulicht. Die 6 und 11 sind erläuternde Ansichten, die jeweils eine REM-Aufnahme einer Oberfläche des Kohlenstofffilms 120 jeder der Proben veranschaulichen. Die Entsprechung zwischen den Figuren und den Proben ist wie folgt.
6: Oberfläche der ersten Schicht 121 von Probe 3
7: Oberfläche der ersten Schicht 121 von Probe 9
8: Oberfläche der ersten Schicht 121 von Probe 12
9: Oberfläche der zweiten Schicht 122 von Probe 8
10: Oberfläche der zweiten Schicht 122 von Probe 11
11: Oberfläche der zweiten Schicht 122 von Probe 12
In der Bewertung von 5 wird in dem Fall, dass der steigende Betrag des Widerstandswertes einer Probe nach dem Beständigkeitstest mehr als 5 [mΩ·m² (mΩ ist Milliohm)] beträgt, bestimmt, dass ihre Beständigkeit niedrig ist, und die Probe wird als „B” bewertet, und in dem Fall, dass der steigende Betrag des Widerstandswertes einer Probe nach dem Beständigkeitstest nicht mehr als 5 [mΩ·m²] beträgt, wird bestimmt, dass ihre Beständigkeit hoch ist, und die Probe wird als „A” bewertet.
Gemäß Probe 1 und Probe 2 wird verständlich, dass in dem Fall, dass der Kohlenstofffilm 120 nicht in zwei Schichten gebildet ist, das heißt, in dem Fall, dass die erste Schicht 121 eines kleinen Partikeldurchmessers nicht gebildet ist, der steigende Betrag des Widerstandwertes hoch ist, unabhängig davon, ob die Zwischenschicht 112 vorgesehen ist oder nicht, und die Beständigkeit niedrig ist.
Gemäß Probe 3 bis Probe 5 wird verständlich, dass die Beständigkeit hoch ist, wenn der Durchmesser der Kohlenstoffpartikel der ersten Schicht 121 19 nm oder weniger beträgt und der Durchmesser der Kohlenstoffpartikel der zweiten Schicht 122 40 nm oder weniger beträgt.
Gemäß Probe 6 bis Probe 8 wird verständlich, dass selbst in dem Fall, dass der Durchmesser der Kohlenstoffpartikel der ersten Schicht 121 5 nm oder weniger beträgt, die Beständigkeit niedrig ist, wenn der Durchmesser der Kohlenstoffpartikel der zweiten Schicht 122 mehr als 40 nm beträgt.
Gemäß Probe 9 bis Probe 13 wird verständlich, dass dann, wenn der Durchmesser der Kohlenstoffpartikel der ersten Schicht 121 10 nm oder weniger beträgt und der Durchmesser der Kohlenstoffpartikel der zweiten Schicht 122 30 nm oder weniger beträgt, der steigende Betrag des Widerstandswertes 2 [mΩ·m²] oder weniger beträgt und die Beständigkeit somit sehr hoch ist.
Es sei darauf hingewiesen, dass gemäß Probe 4 bis Probe 13 verständlich wird, dass dann, wenn die Strömungsrate des Rohmaterialgases zum Zeitpunkt des Bildens der ersten Schicht 121 in einem Bereich von 1/2 bis 1/10 der Strömungsrate des Rohmaterialgases zum Zeitpunkt des Bildens der zweiten Schicht 122 liegt, der Durchmesser der Kohlenstoffpartikel der ersten Schicht 121 19 nm oder weniger wird.
Dementsprechend beträgt der Durchmesser der Kohlenstoffpartikel der ersten Schicht 121 bevorzugt 19 nm oder weniger, weiter bevorzugt 10 nm oder weniger, und besonders bevorzugt 5 nm oder weniger. Ferner beträgt der Durchmesser der Kohlenstoffpartikel der zweiten Schicht 122 bevorzugt 40 nm oder weniger und weiter bevorzugt 30 nm oder weniger.
Die Strömungsrate des Rohmaterialgases zum Zeitpunkt des Bildens einer ersten Schicht, in der ein Durchmesser von Kohlenstoffpartikeln 19 nm oder weniger beträgt, beträgt 1 sccm bis 2000 sccm pro 1 m² eines verarbeiteten Elements, z. B. des Metallbasissubstrats 110 der obigen Ausführungsform. Die Strömungsrate des Rohmaterialgases zum Zeitpunkt des Bildens einer zweiten Schicht, in der ein Durchmesser von Kohlenstoffpartikeln 40 nm oder weniger beträgt, ist kleiner oder gleich 50000 sccm pro 1 m² eines verarbeiteten Elements, z. B. der ersten Schicht 121 der vorstehenden Ausführungsform, und ist größer als die Strömungsrate des Rohmaterialgases zum Zeitpunkt des Bildens der ersten Schicht. Beispielsweise beträgt bei der Probe 11 die Strömungsrate des Rohmaterialgases zum Zeitpunkt des Bildens der ersten Schicht 121 500 sccm pro 1 m² des Metallbasissubstrats 110. Die Strömungsrate des Rohmaterialgases zum Zeitpunkt des Bildens der zweiten Schicht 122 beträgt 5000 sccm pro 1 m² der ersten Schicht 121.
C. Modifikationen:
Es sei darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehende Ausführungsform und das vorstehende Beispiel beschränkt ist und in verschiedenen Formen innerhalb eines Bereichs ausführbar ist, der nicht vom Kern der vorliegenden Erfindung abweicht. Beispielsweise können die folgenden Modifikationen angewendet werden.
– Modifikation 1:
In der vorstehenden Ausführungsform kann der Kohlenstofffilm 120 durch drei oder mehr Schichten gebildet sein. In diesem Fall ist es zu bevorzugen, dass ein Durchmesser von Kohlenstoffpartikeln, die in einer Schicht beinhaltet sind, welche aus den drei oder mehr den Kohlenstofffilm 120 bildenden Schichten am nächsten zum Metallbasissubstrat 110 gebildet ist, kleiner ist als Durchmesser von Kohlenstoffpartikeln, die in den anderen Schichten des Kohlenstofffilms 120 beinhaltet sind.
Ferner beträgt ein Durchmesser von Kohlenstoffpartikeln, die in einer Schicht beinhaltet sind, welche aus den drei oder mehr den Kohlenstofffilm 120 bildenden Schichten am weitesten entfernt von dem Metallbasissubstrat 110 gebildet ist, bevorzugt 40 nm oder weniger, und der Durchmesser der Kohlenstoffpartikel, die in der am nächsten zu dem Metallbasissubstrat 110 gebildeten Schicht beinhaltet sind, beträgt bevorzugt 19 nm oder weniger.
– Modifikation 2:
In der vorstehenden Ausführungsform kann in dem Fall, dass das Metallbasissubstrat 110 aus Titan hergestellt ist, die Zwischenschicht 112 beispielsweise aus TiC₂ hergestellt sein. Ferner kann in dem Fall, dass das Metallbasissubstrat 110 aus Edelstahl (SUS) hergestellt ist, die Zwischenschicht 112 beispielsweise aus Fe₃C, Cr₂₃C₆ oder dergleichen hergestellt sein.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehende Ausführungsform, Beispiel und Modifikationen beschränkt und ist in verschiedenen Ausgestaltungen innerhalb eines Bereichs realisierbar, der nicht vom Kern der vorliegenden Erfindung abweicht. Beispielsweise können jene technischen Merkmale der Ausführungsform, des Beispiels und der Modifikationen, die den technischen Merkmalen jedes in KURZFASSUNG DER ERFINDUNG beschriebenen Aspekts entsprechen, auf geeignete Weise ersetzt oder kombiniert werden, um alle oder einige der vorstehend beschriebenen Probleme zu lösen, oder um alle oder einige der vorstehenden Wirkungen zu erzielen. Ferner können die technischen Merkmale auf geeignete Weise entfallen, wenn die technischen Merkmale in der vorliegenden Spezifikation nicht als wesentlich beschrieben wurden.

Claims

Brennstoffzellenseparator, umfassend: ein elektrisch leitendes Basissubstrat; und einen auf dem Basissubstrat gebildeten Kohlenstofffilm, wobei: der Kohlenstofffilm eine erste Schicht beinhaltet, die am nächsten zu dem Basissubstrat gebildet ist, und eine zweite Schicht, die am weitesten entfernt von dem Basissubstrat gebildet ist; ein Durchmesser von Kohlenstoffpartikeln, die in der ersten Schicht beinhaltet sind, 19 nm oder weniger beträgt und kleiner ist als ein Durchmesser von Kohlenstoffpartikeln, die in einer anderen Schicht des Kohlenstofffilms als der ersten Schicht beinhaltet sind; und ein Durchmesser von Kohlenstoffpartikeln, die in der zweiten Schicht beinhaltet sind, 40 nm oder weniger beträgt.
Brennstoffzellenseparator nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine Zwischenschicht, die Komponenten sowohl des Basissubstrats als auch des Kohlenstofffilms enthält, wobei die Zwischenschicht zwischen dem Basissubstrat und dem Kohlenstofffilm vorgesehen ist.
Brennstoffzelle, umfassend: eine Anode; eine Kathode; eine Elektrolytmembran, die sandwichartig zwischen der Anode und der Kathode aufgenommen ist; und den Brennstoffzellenseparator nach Anspruch 1 oder 2.
Herstellverfahren für einen Brennstoffzellenseparator, umfassend: einen Schritt (a) des Herstellens eines elektrisch leitenden Basissubstrats; und einen Schritt (b) des Bildens eines Kohlenstofffilms auf dem Basissubstrat durch Plasma-CVD, wobei: der Schritt (b) einen Schritt (b1) des Bildens einer ersten Schicht des Kohlenstofffilms als eine zu dem Basissubstrat nächstgelegene Schicht, und einen Schritt (b2) des Bildens einer zweiten Schicht des Kohlenstofffilms als eine von dem Basissubstrat am weitesten entfernte Schicht beinhaltet; und eine Strömungsrate von Rohmaterialgas zu einem Zeitpunkt des Bildens der ersten Schicht in dem Schritt (b1) in einem Bereich von 1/2 bis 1/50 einer Strömungsrate von Rohmaterialgas zu einem Zeitpunkt des Bildens der zweiten Schicht in dem Schritt (b2) liegt.
Herstellverfahren nach Anspruch 4, wobei: die Strömungsrate des Rohmaterialgases zum Zeitpunkt des Bildens der ersten Schicht in dem Schritt (b1) eine Strömungsrate ist, bei der Kohlenstoffpartikel, die in der ersten Schicht beinhaltet sind, so ausgebildet werden, dass sie einen Durchmesser von 19 nm oder weniger besitzen; und die Strömungsrate des Rohmaterialgases zum Zeitpunkt des Bildens der zweiten Schicht in dem Schritt (b2) eine Strömungsrate ist, bei der Kohlenstoffpartikel, die in der zweiten Schicht beinhaltet sind, so ausgebildet werden, dass sie einen Durchmesser von 40 nm oder weniger besitzen.