DE112020005686T5

DE112020005686T5 - Separator, Brennstoffzelle und Herstellungsverfahren für einen Separator

Info

Publication number: DE112020005686T5
Application number: DE112020005686.4T
Authority: DE
Inventors: Shogo Takamuku; Shigetaka Uehara; Tong Bu
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-11-20
Filing date: 2020-11-12
Publication date: 2022-09-01
Also published as: CN114667618A; JP2021082576A; US20220399550A1; WO2021099896A1; JPWO2021099896A1

Abstract

Ein Separator, bei dem die Korrosionsbeständigkeit und die Dichtungseigenschaften des Brennstoffgases hervorragend sind, wird bereitgestellt. Der Separator (4) für Brennstoffzellen ist mit einem elektrisch leitfähigen Substrat (41) und einer Schutzschicht (42) versehen, die zumindest einen Teil der Oberfläche des Substrats (41) bedeckt, wobei die Schutzschicht (42) ein selbstreparierendes Material enthält.

Description

[Technisches Gebiet]
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Separator, eine Brennstoffzelle und ein Herstellungsverfahren für einen Separator.
[Stand der Technik]
Polymerelektrolytbrennstoffzellen sind gewöhnlich mit einer Membranelektrodenbaugruppe, die mit Brennstoffgas chemisch reagiert und Strom erzeugt, und einem an beiden Seiten davon angeordneten Paar von Separatoren versehen. Auf der Oberfläche des Separators, der mit der Membranelektrodenbaugruppe in Berührung kommt, werden durch eine Pressverarbeitung usw. Ausnehmungen vorgesehen, die Strömungskanäle des Brennstoffgases bilden.
In einer Verwendungsumgebung einer Brennstoffzelle kommt es vor, dass auf der Oberfläche eines Separators aus Metall durch Korrosion ein Oxidfilm gebildet wird. Der Oxidfilm erhöht den Berührungswiderstand mit der Elektrode und die Stromsammelleistung des Separators verringert sich leicht. Daher wird vorgeschlagen, die Oberfläche des Separators mit einer Harzschicht, die eine elektrisch leitfähige Füllung enthält, zu überziehen und somit die Korrosionsbeständigkeit des Separators zu erhöhen (vgl. z. B. Patentdokument 1).
[Dokument zum Stand der Technik]
[Patentdokument]
[Patentdokument 1] JP 4458877 B2
[Zusammenfassung der Erfindung]
[Zu lösende Aufgabe der Erfindung]
Wenn nach der Bildung der Harzschicht eine Ausformung, wie eine Schneideverarbeitung und eine Pressverarbeitung, durchgeführt wird, entstehen im Inneren der Harzschicht leicht Fehler, wie kleine Löcher, Lücken und Risse. Um solche Fehler in der Harzschicht zu reparieren, ist, wie bei dem obigen Patentdokument 1, eine Wärmebehandlung, bei der das Harz in der Harzschicht geschmolzen wird, notwendig, wobei Herstellungskosten zustande kommen.
Wenn andererseits die Harzschicht nach der Ausformung gebildet wird, entstehen keine Fehler durch die Ausformung. Da die Harzschicht selbst jedoch empfindlich ist, besteht die Möglichkeit, dass nach der Herstellung Fehler, wie Risse, auftreten, und dass eine Korrosion auftritt, auch wenn Fehler während der Herstellung repariert werden oder die Entstehung von Fehlern vermieden werden kann. Es kommt auch vor, dass auf dem Substrat selbst Fehler auftreten, und in diesem Fall besteht die Möglichkeit, dass aus den Fehlstellen des Substrats und der Harzschicht das Brennstoffgas nach außen dringt.
Auch bei einem Separator, der nicht aus Metall, sondern aus Kohlenstoff gefertigt ist, kommt es vor, dass während der Herstellung oder nach der Herstellung Fehler auftreten.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist, einen Separator bereitzustellen, bei dem die Korrosionsbeständigkeit und die Dichtungseigenschaften des Brennstoffgases hervorragend sind.
[Mittel zum Lösen der Aufgabe]
Eine Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist ein Separator für Brennstoffzellen (4), der mit einem elektrisch leitfähigen Substrat (41) und einer Schutzschicht (42), die zumindest einen Teil der Oberfläche des Substrats (41) bedeckt, versehen ist, wobei die Schutzschicht (42) ein selbstreparierendes Material enthält.
Eine weitere Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist ein elektrisch leitfähiger Separator für Brennstoffzellen (4C), der im Inneren ein selbstreparierendes Material enthält.
Eine weitere Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist eine Brennstoffzelle (100), die mehrere Membranelektrodenbaugruppen (3) enthält und mit einem Paar von Separatoren (4) versehen ist, die an beiden Seiten der Membranelektrodenbaugruppen (3) angeordnet sind, und bei denen auf der Oberfläche der Seite der Membranelektrodenbaugruppen (3) Ausnehmungen (4a) vorgesehen sind, wobei die Separatoren (4) mit einem elektrisch leitfähigen Substrat (41) und einer Schutzschicht (42), die zumindest auf einem Teil der Oberfläche des Substrats (41) vorgesehen ist, versehen sind, und wobei die Schutzschicht (42) ein selbstreparierendes Material enthält.
Eine weitere Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist eine Brennstoffzelle (100), die mehrere Membranelektrodenbaugruppen (3) enthält und mit einem Paar von Separatoren (4C) versehen ist, die an beiden Seiten der Membranelektrodenbaugruppen (3) angeordnet sind, und bei denen auf der Oberfläche der Seite der Membranelektrodenbaugruppen (3) Ausnehmungen (4a) vorgesehen sind, wobei die Separatoren (4C) im Inneren ein selbstreparierendes Material enthalten.
Eine weitere Ausführung der vorliegenden Erfindung ist ein Herstellungsverfahren für einen Separator (4) für Brennstoffzellen, der mit einem elektrisch leitfähigen Substrat (41) und einer Schutzschicht (42), die zumindest auf einem Teil der Oberfläche des Substrats (41) vorgesehen ist, versehen ist, wobei das Herstellungsverfahren einen Schritt, bei dem auf der Oberfläche zumindest eines Teils des Substrats (41) eine Schutzschicht (42) gebildet wird, und einen Schritt, bei dem das Substrat (41), bei dem die Schutzschicht (42) gebildet wurde, einer Formungsverarbeitung unterzogen wird, umfasst, und wobei die Schutzschicht (42) ein selbstreparierendes Material enthält.
[Vorteile der Erfindung]
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Separator, bei dem die Korrosionsbeständigkeit und die Dichtungseigenschaften des Brennstoffgases hervorragend sind, bereitgestellt werden.
Figurenliste

[1] ist eine Schnittansicht, die den Aufbau einer Brennstoffzelle gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt.
[2] ist eine Schnittansicht, die den Aufbau einer Zelle zeigt.
[3] ist eine vergrößerte Schnittansicht, die den Aufbau eines Separators bei einer ersten Ausführungsform zeigt.
[4] ist eine Ansicht, die einen Herstellungsvorgang eines Separators schematisch zeigt.
[5] ist eine Schnittansicht, die den Aufbau einer Zelle bei einer zweiten Ausführungsform zeigt.
[6] ist eine Seitenansicht, die einen Herstellungsvorgang eines Separators aus Kohlenstoff zeigt.
[7] ist eine Seitenansicht, die einen Herstellungsvorgang eines Separators aus Kohlenstoff zeigt.
[8] ist eine vergrößerte Ansicht einer Ausnehmung eines Separators aus Kohlenstoff.

[Ausführungsformen der Erfindung]
Im Folgenden werden die Ausführungsformen des Separators, der Brennstoffzelle und des Herstellungsverfahrens für den Separator gemäß der vorliegenden Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Bei dem im Folgenden erläuterten Aufbau handelt es sich um ein Beispiel der vorliegenden Erfindung (repräsentatives Beispiel) und er wird nicht darauf beschränkt.
(Erste Ausführungsform)
(Brennstoffzelle)
1 zeigt den Aufbau einer Brennstoffzelle 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
Die Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird z. B. in einen beweglichen Körper, wie ein Fahrzeug, eingebaut und reagiert chemisch mit Brennstoffgas und erzeugt Strom, wodurch die Antriebsenergie des beweglichen Körpers zugeführt wird. Allerdings kann die vorliegende Erfindung auch auf eine Brennstoffzelle eines stationären Stromerzeugungssystems usw. angewandt werden und ist nicht auf den beweglichen Körper beschränkt.
Wie in 1 gezeigt, ist die Brennstoffzelle 100 mit mehreren aufgestapelten Zellen 10, einem Paar von Stromsammelplatten 11, die jeweils an beiden Seiten in Stapelrichtung jeder Zelle 10 angeordnet sind, einem Paar von Isolatorplatten 12 und einem Paar von Endplatten 13 versehen. Ferner ist die Brennstoffzelle 100 mit einem Gasrohr 14, das zumindest an der Endplatte 13 einer der Seiten befestigt ist, versehen. Das Gasrohr 14 steht mit einem nicht dargestellten Manifold in Verbindung.
Bei der Zelle 10, der Stromsammelplatte 11 auf der Seite des Gasrohrs 14, der Isolatorplatte 12 und der Endplatte 13 sind vier Durchgangsbohrungen P1 bis P4 vorgesehen, die mit dem Gasrohr 14 in Verbindung stehen und in Stapelrichtung der Zellen 10 durchgehen. Durch diese Durchgangsbohrungen P1 bis P4 hindurch werden die Zuführung und das Ablassen des Brennstoffgases durchgeführt.
Die Brennstoffzelle 100 ist zwischen jedem Element der Stromsammelplatten 11, der Isolatorplatten 12, der Endplatten 13 und des Gasrohrs 14 mit einem Dichtstoff 15 versehen. Der Dichtstoff 15 ist z. B. ein O-Ring, der die Außenseiten der Durchgangsbohrungen P1 bis P4 umgibt, und ist so aufgebaut, dass er ein Elastomermaterial enthält. Der Dichtstoff 15 steht mit jedem der benachbarten Elemente in Berührung und dichtet den äußeren Umfang der Durchgangsbohrungen P1 bis P4 ab, wodurch unterdrückt werden kann, dass Gas aus den Durchgangsbohrungen P1 bis P4 dringt.
Das Paar von Endplatten 13 wird durch ein Klemmelement, wie einen Bolzen und eine Mutter, festgeklemmt und auf die Brennstoffzelle 100 wirkt eine Klemmkraft in Stapelrichtung jedes der Elemente der durch die Endplatten 13 eingeklemmten Brennstoffzelle 100. Durch diese Klemmkraft wird die Stapelstruktur jedes der Elemente zwischen den Endplatten 13 fixiert und gleichzeitig wird das Brennstoffgas in der Brennstoffzelle 100 abgedichtet.
2 zeigt den Aufbau der Zelle 10.
Die Zelle 10 ist mit einer Membranelektrodenbaugruppe (MEA: Membrane Electrode Assembly) 3, einem an beiden Seiten der MEA 3 angeordneten Paar von Separatoren 4 und einem Subgasket 5, das den äußeren Umfangsrand der MEA 3 umgibt, versehen. Die MEA 3 ist mit einer Elektrolytmembran 1 und einem Paar von Elektroden 2 versehen. Das Paar von Elektroden 2 klemmt die Elektrolytmembran 1 ein.
Die Elektrolytmembran 1 ist eine ionenleitfähige polyelektrolytische Membran. Als Polyelektrolyt, der für die Elektrolytmembran 1 verwendet werden kann, sind z. B. Perfluorsulfonsäure-Polymere, wie Nafion (eingetragenes Warenzeichen) und Aquivon (eingetragenes Warenzeichen), aromatische Polymere, wie sulfonierte Polyetheretherketone (SPEEK) und sulfoniertes Polyimid, und aliphatische Polymere usw., wie Polyvinylsulfonsäure und Polyvinylphosphorsäure, angeführt.
Unter dem Gesichtspunkt der Verbesserung der Widerstandsfähigkeit kann die Elektrolytmembran 1 eine Kompositmembran sein, bei der ein Polyelektrolyt auf einem porösen Substrat 1a imprägniert wurde. Das poröse Substrat 1a unterliegt keiner besonderen Beschränkung, solange es Zwischenräume aufweist, die das Polyelektrolyt tragen können, und eine Membran, die porös, gewebt, vliesartig, faserig usw. ist, kann verwendet werden. Das Material des porösen Substrats 1a unterliegt ebenfalls keiner besonderen Beschränkung, aber unter dem Gesichtspunkt der Erhöhung der lonenleitfähigkeit kann ein Polyelektrolyt, wie das oben angegebene, verwendet werden. Vor allem weisen Fluorpolymere, wie Polytetrafluorethylene, Polytetrafluorethylen-Chlortrifluorethylen-Copolymere und Polychlortrifluorethylene, eine hervorragende Stärke und Formbeständigkeit auf.
Eine der Elektroden 2 von dem Paar von Elektroden 2 ist eine Anode und wird auch als Brennstoffelektrode bezeichnet. Die andere Elektrode 2 ist eine Kathode und wird auch als Luftelektrode bezeichnet. Als Brennstoffgas wird der Anode Wasserstoffgas zugeführt und der Kathode wird Sauerstoffgas enthaltende Luft zugeführt.
An der Anode tritt eine Reaktion auf, bei der aus Wasserstoffgas (H₂) Elektronen (e^-) und Protonen (H⁺) generiert werden. Die Elektronen bewegen sich über einen nicht dargestellten externen Schaltkreis zur Kathode. Durch diese Bewegung der Elektronen entsteht bei dem externen Schaltkreis ein Stromfluss. Die Protonen bewegen sich über die Elektrolytmembran 1 zur Kathode.
An der Kathode werden durch die Elektronen, die sich von dem externen Schaltkreis aus bewegt haben, aus Sauerstoffgas (O₂) Sauerstoffionen (O₂ ^-) generiert. Die Sauerstoffionen verbinden sich mit den Protonen (2H⁺), die sich von der Elektrolytmembran 1 aus bewegt haben, und werden zu Wasser (H₂O).
Die Elektrode 2 ist mit einer Katalysatorschicht 21 versehen. Die Elektrode 2 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist mit einer Gasdiffusionsschicht 22 zur Verbesserung der Diffusionsfähigkeit des Brennstoffgases versehen. Die Gasdiffusionsschicht 22 ist an der Katalysatorschicht 21 auf der Seite des Separators 4 angeordnet.
Die Katalysatorschicht 21 beschleunigt durch einen Katalysator die Reaktionen des Wasserstoffgases und des Sauerstoffgases. Die Katalysatorschicht 21 enthält einen Katalysator, einen Träger, der den Katalysator trägt, und ein lonomer, das diese überzieht.
Als Katalysator sind z. B. Metalle, wie Platin (Pt), Ruthenium (Ru), Iridium (Ir), Rhodium (Rh), Palladium (Pd) und Wolfram (W), sowie Gemische und Legierungen usw. dieser Metalle angeführt. Unter dem Gesichtspunkt der katalytischen Aktivität, der Vergiftungsbeständigkeit gegenüber Kohlenmonoxid und der Wärmebeständigkeit usw. sind vor allem Platin, platinhaltige Gemische und Legierungen usw. vorteilhaft.
Als Träger sind elektrisch leitfähige poröse Metallverbindungen, die Poren aufweisen, wie mesoporöser Kohlenstoff und Pt-Schwarz, angeführt. Unter dem Gesichtspunkt einer großen Oberflächengröße mit guter Dispersionsfähigkeit und eines geringen Kornwachstums bei hohen Temperaturen, auch wenn die Trägermenge des Katalysators groß ist, ist mesoporöser Kohlenstoff vorteilhaft.
Als lonomer kann ein Polyelektrolyt verwendet werden, der die gleiche lonenleitfähigkeit wie die Elektrolytmembran 1 aufweist.
Die Gasdiffusionsschicht 22 kann das der Zelle 10 zugeführte Brennstoffgas homogen über die gesamte Fläche der Katalysatorschicht 21 diffundieren.
Die Gasdiffusionsschicht 22 kann dadurch gebildet werden, dass als oberste Oberflächenschicht der MEA 3 eine Folie für die Gasdiffusionsschicht angeordnet wird. Als Folie für die Gasdiffusionsschicht sind z. B. poröse Faserfolien, wie Kohlenstoff-Fasern, die eine elektrische Leitfähigkeit, Gasdurchlässigkeit und Gasdiffusionsfähigkeit aufweisen, oder Folienstoffe aus Metall usw., wie Schaummetall und Streckmetall, angeführt.
Das Subgasket 5 ist ein Film oder eine Platte, der/die den Außenumfangsrand der MEA 3 umgibt, und fungiert als Stützkörper der MEA 3. Als Material des Subgaskets 5 kann ein Harz mit einer niedrigen elektrischen Leitfähigkeit verwendet werden. Das Harzmaterial unterliegt keiner besonderen Beschränkung und es sind z. B. Polyphenylensulfid (PPS), Glas enthaltendes Polypropylen (PP-G), Polystyrol (PS), Silikonharz und Fluorharz usw. angeführt.
(Separator)
Der Separator 4 wird auch als Bipolarplatte bezeichnet. Auf der Oberfläche des Separators 4 sind mehrere Ausnehmungen 4a, die mit den Durchgangsbohrungen P1 bis P4 in Verbindung stehen, vorgesehen. Wenn die Fläche des Separators 4, bei der die Ausnehmungen 4a vorgesehen sind, mit der MEA 3 zusammenkommt, wird zwischen dem Separator 4 und der MEA 3 ein Strömungskanal des Fluids vorgesehen. Der Strömungskanal ist nicht nur ein Zuführkanal des Brennstoffgases, sondern auch ein Ablasskanal des Wassers, das durch die chemische Reaktion bei der Stromerzeugung generiert wurde. Wenn Kühlwasser für die Kühlung der Brennstoffzelle 100 verwendet wird, wird der Strömungskanal auch als Durchgangskanal des Kühlwassers verwendet.
3 ist eine vergrößerte Schnittansicht, die die Schichtstruktur des Separators 4 zeigt. Wie in 3 gezeigt, ist der Separator 4 mit dem elektrisch leitfähigen Substrat 41 und der Schutzschicht 42 versehen.
In der ersten Ausführungsform ist das Substrat 41 aus einem elektrisch leitfähigen Material, z. B aus einem Metall, wie rostfreier Stahl, Titan, Aluminium, Kupfer, Nickel und Stahl, aufgebaut.
Unter dem Gesichtspunkt der Korrosionsbeständigkeit und der Haftfähigkeit mit der Schutzschicht 42 kann das Substrat 41 auch mit einer Plattierungsschicht, die durch eine Metallplattierungsbehandlung auf der Oberfläche gebildet wurde, versehen sein. Als Metallplattierungen sind z. B. Zinnplattierungen, Nickelplattierungen oder mehrschichtige Plattierungen davon, Legierungsplattierungen usw. angeführt. Ferner kann das Substrat 41 unter dem Gesichtspunkt der Haftfähigkeit mit der Schutzschicht 42 auch mit einer durch eine Phosphatbehandlung usw. auf der Oberfläche gebildeten Ätzschicht, Polierschicht usw. versehen sein.
Die Dicke des Substrats 41 unterliegt keiner besonderen Beschränkung, aber unter dem Gesichtspunkt sowohl der Formbarkeit als auch der Gewichtsreduzierung kann sie auf 0,05 bis 0,5 mm eingestellt werden.
(Schutzschicht)
Die Schutzschicht 42 ist auf der Oberfläche des Substrats 41 vorgesehen, unterdrückt die Oxidation der Oberfläche und erhöht die Korrosionsbeständigkeit des Substrats 41. Ferner verschließt die Schutzschicht 42 Fehler, wie Risse, bei dem Substrat 41 und das Durchsickern des Brennstoffgases nach außen kann reduziert werden.
(Selbstreparierendes Material)
Die Schutzschicht 42 enthält ein selbstreparierendes Material. Selbstreparierende Eigenschaften beschreiben eine Funktion, bei der, auch in einem Fall, in dem ein ein selbstreparierendes Material enthaltender Formkörper, wie die Schutzschicht 42, beschädigt wird, die Spaltstellen rekombiniert und wiederhergestellt werden. Bei der Rekombination kann es sich z. B. um eine Kovalenzbindung, eine Wasserstoffbindung, eine lonenbindung oder eine Koordinationsbindung handeln. Es kann sich auch um eine Bindung durch eine elektrostatische Wechselwirkung, eine hydrophobe Wechselwirkung, eine π-Elektronen-Wechselwirkung oder eine andere intermolekulare Wechselwirkung handeln.
Der Separator 4 wird durch eine Ausformung, wie eine Pressverarbeitung zur Bildung der Ausnehmungen 4a und eine Lochverarbeitung zur Bildung der Durchgangsbohrungen P1 bis P4, hergestellt, aber es kommt vor, dass während der Ausformung durch die Wirkung usw. der Druckspannung auf das Substrat 41 oder der lokalen Zugspannung, die die plastische Verformung mit sich bringt, in der Schutzschicht 42 Fehler, wie kleine Löcher, Lücken und Risse, auftreten. Ferner kommt es vor, dass durch die obige Ausformung im Inneren oder auf der Oberfläche des Substrats 41 Fehler, wie Risse bzw. Lücken, entstehen.
Auch wenn auf diese Weise während der Herstellung oder nach der Herstellung Fehler auftreten, rekombinieren sich die selbstreparierenden Materialien in der Schutzschicht 42 und reparieren die Fehlstellen, wodurch die Korrosionsbeständigkeit und die Dichtungseigenschaften des Brennstoffgases des Separators 4 lange aufrechterhalten werden können und sich die Zuverlässigkeit der Brennstoffzelle 100 verbessert.
Da die Fehler, die aus der obigen Ausformung resultieren, repariert werden können, ist es auch nicht notwendig, nach der Ausformung die Entstehung von Fehlern durch die Ausformung, bei der die Schutzschicht 42 gebildet wird, zu vermeiden, und da die Bildung der Schutzschicht 42 sowohl vor als auch nach der Formungsverarbeitung möglich ist, verbessert sich der Freiheitsgrad des Herstellungsprozesses. Wenn die Ausformung nach der Bildung der Schutzschicht 42 durchgeführt wird, kann eine Rolle-zu-Rolle-Methode, bei der die Produktionseffizienz hoch ist, angewandt werden.
Ferner ist durch das selbstreparierende Material auch eine Wärmebehandlung, bei der zur Reparatur der durch die Ausformung aufgetretenen Fehler die Harzbestandteile in der Schutzschicht 42 geschmolzen werden, nicht notwendig. Der Prozess einer Wärmebehandlung kann reduziert werden und die Herstellungskosten können gesenkt werden.
Als selbstreparierendes Material können allgemein bekannte Materialien verwendet werden, bei denen es sich um organische Materialien, wie Polymere, und anorganische Materialien, wie Keramiken und Metalle, handelt. Als allgemein bekannte organische Materialien sind z. B. ein Mehrblockcopolymer mit einer Disulfidverbindung einer festen Menge, das ein hartes Segment, das aus einem harten Polymer mit einer Glasübergangstemperatur von 150 °C oder mehr besteht, und ein weiches Segment, das aus einem weichen Polymer mit einer Glasübergangstemperatur von -30 °C oder weniger besteht, aufweist (vgl. JP 2018-039876 A ), ein durch eine Wechselwirkung von Wirt-Gruppen und Gast-Gruppen vernetztes Polymer enthaltendes Polymermaterial (vgl. WO 2017/159346 A ) und ein Copolymer von Ethylen und Anisylpropylen, bei dem ein Scandium-Katalysator verwendet wurde (vgl. „Synthesis of Self-Healing Polymers by Scandium-Catalyzed Copolymerization of Ethylene and Anisylpropylenes“, Haobing Wang und 5 weitere, J. Am. Chem. Soc., American Chemical Society, 2019, 141, Seiten 3249 bis 3257) usw. angeführt, werden aber nicht darauf beschränkt.
Ferner ist als allgemein bekanntes anorganisches Material z. B. ein Aluminiumoxidkeramik-Verbundmaterial, bei dem metallisches Titan dispergiert wird (vgl. Electrochemically Assisted Room-Temperature Crack Healing of Ceramic-Based Composites, Shengfang Shi, Tomoyo Goto, Sung Hun Cho, Tohru Sekino, J. Am. Ceram. Soc., Journal of the American Ceramic Society (online am 09. Januar 2019), https://doi.org/10.1111/jace.16264) usw. angeführt, wird aber nicht darauf beschränkt.
Vor allem ist es vorteilhaft, dass das selbstreparierende Material ein Material ist, das selbstreparierende Eigenschaften aufweist, auch wenn Wassermoleküle vorhanden sind und keine Wirkung zur Selbstreparatur von außen ausgeübt wird.
Der Separator 4 für die Brennstoffzelle 100 befindet sich in einer Umgebung, in der während der Stromerzeugung Wasserstoffgas zugeführt wird und Wasser erzeugt wird, aber durch das obige selbstreparierende Material ist auch in einer solchen Umgebung eine Selbstreparatur möglich. Ferner ist es auch in dem Fall, bei dem keine andere Wirkung als eine durch die Brennstoffzelle 100 selbst hervorgerufene Wirkung, wie z. B. eine Wirkung, bei der Energie erteilt wird, wie eine Ausstrahlung von Infrarotstrahlen und Ultraviolettstrahlen, eine Erwärmung oder eine Druckerzeugung, von außerhalb der Brennstoffzelle 100 ausgeübt wird, bei dem obigen selbstreparierenden Material nicht notwendig, zum Separator 4, der in der Brennstoffzelle 100 angeordnet ist, eine Wirkung zur Selbstreparatur hinzuzufügen. Daher kann bei der Brennstoffzelle 100 eine weitere Vorrichtung bzw. Arbeit zur Hinzufügung einer Wirkung von außerhalb der Brennstoffzelle 100 weggelassen werden.
Ferner ist es vorteilhaft, dass das selbstreparierende Material durch Berührung der betreffenden selbstreparierenden Materialien die Bindung und Reparatur ausführt. Da, wie oben angegeben, bei der Brennstoffzelle 100 jedes der Elemente der Brennstoffzelle 100 in Stapelrichtung durch ein Klemmelement festgeklemmt wird, wird der Separator 4 auch in Stapelrichtung festgeklemmt. Daher wird die Schutzschicht 42 durch die Elemente auf beiden Seiten, die den Separator 4 einklemmen, aufgrund einer Erschütterung eines fahrenden Fahrzeugs bzw. einer Wärmedehnung und Nassdehnung usw. der Elektrolytmembran 1 während der Stromerzeugung leicht zerquetscht. Da sich die zerquetschte Schutzschicht 42 in Flächenrichtung vergrößert, kann leicht eine Berührung der selbstreparierenden Materialien in der Schutzschicht 42 entstehen und eine spontane Selbstreparatur vereinfacht sich, auch wenn keine Wirkung von außerhalb der Brennstoffzelle 100 ausgeübt wird.
Das Klemmelement, das die Schutzschicht 42 festklemmt, kann auch ein Fixierelement sein, das den Stapel der Zellen 10 fixiert, und die Richtung, in der sie festgeklemmt wird, kann auch die Flächenrichtung der Zellen 10 und nicht die Stapelrichtung sein. Ferner kann der Schutzschicht 42 auch durch ein Klemmelement, das separat von dem Klemmelement zum Fixieren jedes der Elemente der Brennstoffzelle 100 vorgesehen ist, eine Klemmkraft zum Vorantreiben der Berührung des selbstreparierenden Materials erteilt werden.
Als selbstreparierendes Material, das durch Berührung eine Bindung ausführt, auch wenn Wassermoleküle vorhanden sind und keine Wirkung von außen ausgeübt wird, ist z. B. das obige Copolymer von Ethylen und Anisylpropylen angeführt. Bei dem obigen Copolymer von Ethylen und Anisylpropylen ist bestätigt, dass es auch in Wasser und in Anwesenheit von 1M NaOH oder 1M HCl die gleichen selbstreparierenden Eigenschaften zeigt wie unter trockenen Bedingungen. Ferner ist bei der Selbstreparatur des obigen Copolymers von Ethylen und Anisylpropylen keine Wirkung von außen, wie eine Ausstrahlung von Ultraviolettstrahlen, notwendig und es ist bestätigt, dass sie durch Berührung mit den Spaltstellen spontan entsteht.
Die Schutzschicht 42 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist auf beiden Seiten des Substrats 41 vorgesehen und bedeckt die gesamte Oberfläche, aber die Schutzschicht 42 kann zumindest auf einem Teil der Oberfläche des Substrats 41 vorgesehen sein.
Insbesondere ist es vorteilhaft, dass die Schutzschicht 42 zumindest auf einem Teil der Ausnehmungen 4a vorgesehen ist. Da bei den Ausnehmungen 4a leicht Fehler auftreten, leistet die Reparatur von Fehlern durch das selbstreparierende Material in der Schutzschicht 42 einen großen Beitrag zur Aufrechterhaltung der Korrosionsbeständigkeit und der Dichtungseigenschaften des Brennstoffgases des Separators 4.
(Elektrisch leitfähige Füllung)
Es ist vorteilhaft, dass die Schutzschicht 42 darüber hinaus eine elektrisch leitfähige Füllung enthält. Durch die elektrisch leitfähige Füllung kann die Verringerung der elektrischen Leitfähigkeit des Separators 4 unterdrückt werden.
Als elektrisch leitfähige Füllung sind z. B. Kohlenstoff, Metallcarbid, Metalloxid, Metallnitrid, Metallfasern und Metallpulver usw. angeführt.
Als Kohlenstoff sind z. B. Graphit, Ruß, Kohlenstoff-Fasern, Kohlenstoff-Nanofasern und Kohlenstoff-Nanoröhren usw. angeführt. Als Metallcarbid sind z. B. Wolframcarbid, Silikoncarbid, Kalziumcarbid, Zirkoniumcarbid, Tantalcarbid, Titancarbid, Niobiumcarbid und Molybdäncarbid usw. angeführt.
Z. B. sind als Metalloxid Titanoxid, Rutheniumoxid und Indiumoxid usw. angeführt und als Metallnitrid sind Chromnitrid, Aluminiumnitrid, Molybdännitrid, Zirkoniumnitrid, Tantalnitrid, Titannitrid, Galliumnitrid, Niobiumnitrid, Vanadiumnitrid und Boronnitrid usw. angeführt. Als Metallfasern sind z. B. Eisenfasern, Kupferfasern und rostfreie Stahlfasern usw. angeführt. Als Metallpulver sind z. B. Nickelpulver, Zinnpulver, Tantalpulver und Niobiumpulver usw. angeführt.
Von den obigen elektrisch leitfähigen Füllungen weist Kohlenstoff eine hervorragende elektrische Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit auf und ist somit vorteilhaft.
Der Gehalt der elektrisch leitfähigen Füllung in der Schutzschicht 42 kann auf 5 bis 99 Vol.-% eingestellt werden. In diesem Bereich wird leicht eine gute elektrische Leitfähigkeit und Formbarkeit erreicht.
Die Dicke der Schutzschicht 42 beträgt vorzugsweise 10 bis 200 µ.m. In diesem Bereich kann leicht eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit erhalten werden und eine Verkleinerung der Brennstoffzelle 100 ist ebenfalls einfach.
(Herstellungsverfahren für den Separator)
Das Herstellungsverfahren für den obigen Separator 4 umfasst einen Schritt, bei dem die Schutzschicht 42 auf der Oberfläche zumindest eines Teils des Substrats 41 gebildet wird, und einen Schritt, bei dem das Substrat 41, bei dem die Schutzschicht 42 gebildet wurde, einer Formungsverarbeitung unterzogen wird.
Als Formungsverarbeitung sind z. B. eine Pressverarbeitung, eine Lochverarbeitung und eine Schneideverarbeitung usw. angeführt.
Die Reihenfolge der einzelnen Schritte unterliegt keiner besonderen Beschränkung, aber wenn die Ausformung nach der Bildung der Schutzschicht 42 erfolgt, ist eine Herstellung durch eine Rolle-zu-Rolle-Methode möglich und vorteilhaft, da die Produktionseffizienz hoch ist. Wenn die Bildung der Schutzschicht 42, wie oben angegeben, vorher ausgeführt wird, treten im Vergleich zu dem Fall, in dem die Ausformung vorher ausgeführt wird, leicht Fehler in der Schutzschicht 42 auf. Da jedoch auch solche Fehler durch das selbstreparierende Material repariert werden, können die Korrosionsbeständigkeit und die Dichtungseigenschaften des Brennstoffgases des Separators 4 lange fortgeführt werden.
4 zeigt den Herstellungsvorgang des Separators 4 durch eine Rolle-zu-Rolle-Methode.
Wie in 4 gezeigt, wird eine Rolle des Substrats 41 durch einen Abroller 61 abgerollt und durch einen Roller 62 transportiert. Bei dem transportierten Substrat 41 werden in einer Vorbehandlungsvorrichtung 63 Vorbehandlungen, wie eine Reinigung und eine Trocknung, durchgeführt.
Nach den Vorbehandlungen wird das Substrat 41 darüber hinaus zu einer Auftragungsvorrichtung 64 transportiert. In der Auftragungsvorrichtung 64 wird eine Tinte für die Bildung der Schutzschicht 42, die das selbstreparierende Material und die elektrisch Leitfähige Füllung enthält, auf das Substrat 41 aufgetragen und getrocknet und die Schutzschicht 42 wird gebildet. Die Tinte kann bei Bedarf ein Lösungsmittel und ein Dispergiermittel usw. beinhalten.
Das Substrat 41, bei dem die Schutzschicht 42 gebildet wurde, wird zu einer Verarbeitungsvorrichtung 65 transportiert und in der Verarbeitungsvorrichtung 65 einer Formungsverarbeitung unterzogen. Z. B. wird das Substrat 41 einer Pressverarbeitung unterzogen und auf der Oberfläche des Substrats 41 werden die Ausnehmungen 4a vorgesehen. Ferner wird das Substrat 41 einer Lochverarbeitung unterzogen und die Durchgangsbohrungen P1 bis P4 werden vorgesehen. Am Ende wird das Substrat 41 einer Schneideverarbeitung unterzogen und auf eine vorbestimmte Größe geschnitten und der Separator 4 wird hergestellt.
Durch die obige Rolle-zu-Rolle-Methode ist eine kontinuierliche Produktion möglich, die Produktionseffizienz ist hoch und gleichzeitig wird der Flächeninhalt, der die Schutzschicht 42 bildet, leicht vergrößert.
In 4 sind alle Prozesse kontinuierliche Prozesse, aber sie sind nicht darauf beschränkt. Z. B. können der Prozess, bei dem das Substrat 41, bei dem die Schutzschicht 42 gebildet ist, aufgewickelt wird, und der Prozess, bei dem die Ausformung durch ein Befördern ausgeführt wird, bei dem das aufgewickelte Substrat 41 aufgerollt und in einem einheitlichen Abstand transportiert wird, auch aufgeteilt werden.
(Herstellungsverfahren für die Brennstoffzelle)
Die Brennstoffzelle 100 wird hergestellt, indem an beiden Seiten der MEA 3 ein Paar von Separatoren 4 angeordnet werden. Die MEA 3 wird z. B. dadurch erhalten, dass an beiden Seiten der Elektrolytmembran 1 eine Tinte, die das Material der Katalysatorschicht 21 enthält, aufgetragen und getrocknet wird und auf diese Katalysatorschicht 21 eine Folie für die Gasdiffusionsschicht geklebt wird und die Gasdiffusionsschicht 22 gebildet wird.
Wie oben ist die Brennstoffzelle 100 gemäß der ersten Ausführungsform mit einem Separator 4 versehen, bei dem zumindest auf einem Teil der Oberfläche des Substrats 41 die Schutzschicht 42, die ein selbstreparierendes Material enthält, vorgesehen ist. Auch wenn in der Schutzschicht 42 Fehler auftreten, werden sie repariert, weshalb Fehler bei der Schutzschicht 42 nicht nur während der Herstellung, sondern auch nach der Herstellung gering sind und ein Separator 4, bei dem die Korrosionsbeständigkeit und die Dichtungseigenschaften des Brennstoffgases hervorragend sind, bereitgestellt werden kann. Ferner ist ein Prozess, wie eine Wärmebehandlung zur Reparatur von Fehlern der Schutzschicht 42, nicht notwendig, und da die Herstellung auch durch eine Rolle-zu-Rolle-Methode und nicht nur durch eine Batch-Methode möglich ist, kann die Produktionseffizienz des Separators 4 erhöht werden.
(Zweite Ausführungsform)
5 zeigt den Aufbau einer Zelle 10C in der Brennstoffzelle gemäß der zweiten Ausführungsform.
Die Zelle 10C ist anstelle des Separators 4 bei der ersten Ausführungsform mit einem elektrisch leitfähigen Separator 4C aus Kohlenstoff versehen. Mit Ausnahme des Separators 4C ist der Aufbau der Zelle 10C derselbe wie bei der Zelle 10 gemäß der ersten Ausführungsform. Derselbe Aufbau ist mit denselben Bezugszeichen versehen und ausführliche Beschreibungen davon sind weggelassen.
Auf der Oberfläche des Separators 4C aus Kohlenstoff sind, ebenso wie beim Separator 4 aus Metall, Ausnehmungen 4a vorgesehen. Der Separator 4C aus Kohlenstoff kann durch eine Formgestaltung hergestellt werden.
6 und 7 zeigen einen Herstellungsvorgang des Separators 4C aus Kohlenstoff durch eine Formgestaltung.
Wie in 6 gezeigt, wird ein Separatormaterial 40 zunächst in eine Form 50 der Unterseite gegossen. Das Separatormaterial 40 ist eine Zusammensetzung, die Kohlenstoff und Harz enthält. Als Nächstes wird das Separatormaterial 40, wie in 7 gezeigt, durch die Form 50 der Oberseite heißgepresst und ein Separator 4C wird hergestellt, bei dem auf der Oberfläche mehrere Ausnehmungen 4a vorgesehen sind.
Bei dem obigen Herstellungsvorgang kommt es vor, dass auf der Oberfläche oder im Inneren des Separators 4C, der einer Druckerzeugung und einer Erwärmung unterzogen wird, Fehler entstehen. Insbesondere treten bei den Ausnehmungen 4a, bei denen sich die Dicke verändert, leicht Fehler auf.
8 zeigt ein Beispiel von Fehlern, die bei den Ausnehmungen 4a aufgetreten sind. Wie in 8 gezeigt, treten an den Ecken der Ausnehmungen 4a Dellen 71 auf, die als Einfallstellen (Sink Marks) bezeichnet werden. Ferner treten im Inneren Risse 72 auf. Es kommt vor, dass solche Fehler der Startpunkt dafür sind, dass sich die Fehler nach der Herstellung durch die Schwingung eines eingebauten Fahrzeugs, bzw. durch eine Druckdifferenz im Strömungskanal und eine Abweichung der Klemmkraft usw. vergrößern.
Der Separator 4C aus Kohlenstoff enthält in seinem Inneren ein selbstreparierendes Material. Da es sich bei dem selbstreparierenden Material um dasselbe Material wie bei dem oben beschriebenen Separator 4 aus Metall handelt, ist eine ausführliche Erläuterung weggelassen. Auch wenn während der Herstellung oder nach der Herstellung Fehler auftreten, können sich die selbstreparierenden Materialien bei dem Separator 4C, der ein selbstreparierendes Material enthält, rekombinieren und die Fehlstellen reparieren, auch wenn es keine Wirkung von außen gibt. Daher können die Korrosionsbeständigkeit und die Dichtungseigenschaften des Brennstoffgases des Separators 4C lange aufrechterhalten werden und die Zuverlässigkeit der Brennstoffzelle 100 verbessert sich. Bei dem Separator 4C wirkt, ebenfalls wie beim Separator 4, eine Klemmkraft. Durch die Klemmkraft erfolgt leicht eine Berührung und die Selbstreparatur wird leicht ausgeführt.
Der Separator 4C, der im Inneren ein selbstreparierendes Material enthält, kann dadurch erhalten werden, dass in die oben beschriebene Zusammensetzung aus Kohlenstoff und Harz das selbstreparierende Material gemischt wird und eine Formgestaltung ausgeführt wird. Dadurch, dass bei dem Separator 4C nach der Formung ein selbstreparierendes Material auf die Oberfläche aufgebracht wird, kann ein Separator 4C erhalten werden, bei dem die Oberfläche von einem selbstreparierenden Material bedeckt ist.
Wie oben enthält der Separator 4C aus Kohlenstoff gemäß der zweiten Ausführungsform im Inneren ein selbstreparierendes Material. Auch wenn bei dem Separator 4C Fehler auftreten, werden sie repariert, weshalb nicht nur während der Herstellung, sondern auch nach der Herstellung Fehler beim Separator 4C gering sind und ein Separator 4C, bei dem die Korrosionsbeständigkeit und die Dichtungseigenschaften des Brennstoffgases hervorragend sind, bereitgestellt werden kann.
Oben wurden vorteilhafte Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert, aber die vorliegende Erfindung wird nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt und im Umfang dieser Erfindung sind verschiedene Variationen und Änderungen möglich.
Bezugszeichenliste

100...: Brennstoffzelle,
1...: Elektrolytmembran,
2...: Elektrode,
3...: MEA,
4...: Separator aus Metall,
41...: Substrat,
42...: Schutzschicht,
4C...: Separator aus Kohlenstoff

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 4458877 B2 [0004]
JP 2018039876 A [0048]
WO 2017/159346 A [0048]

Claims

Separator (4) für Brennstoffzellen, der mit einem elektrisch leitfähigen Substrat (41) und einer Schutzschicht (42) versehen ist, die zumindest einen Teil der Oberfläche des Substrats (41) bedeckt, wobei die Schutzschicht (42) ein selbstreparierendes Material enthält.
Separator (4) nach Anspruch 1, bei dem auf der Oberfläche des Substrats (41) Ausnehmungen (4a) vorgesehen sind, und wobei die Schutzschicht (42) zumindest auf einem Teil der Ausnehmungen (4a) vorgesehen ist.
Elektrisch leitfähiger Separator (4C) für Brennstoffzellen, der im Inneren ein selbstreparierendes Material enthält.
Brennstoffzelle (100), die mehrere Membranelektrodenbaugruppen (3) enthält und mit einem Paar von Separatoren (4) versehen ist, die an beiden Seiten der Membranelektrodenbaugruppen (3) angeordnet sind, und bei denen auf der Oberfläche der Seite der Membranelektrodenbaugruppen (3) Ausnehmungen (4a) vorgesehen sind, wobei die Separatoren (4) mit einem elektrisch leitfähigen Substrat (41) und einer Schutzschicht (42), die zumindest auf einem Teil der Oberfläche des Substrats (41) vorgesehen ist, versehen sind, und wobei die Schutzschicht (42) ein selbstreparierendes Material enthält.
Brennstoffzelle (100), die mehrere Membranelektrodenbaugruppen (3) enthält und mit einem Paar von Separatoren (4C) versehen ist, die an beiden Seiten der Membranelektrodenbaugruppen (3) angeordnet sind, und bei denen auf der Oberfläche der Seite der Membranelektrodenbaugruppen (3) Ausnehmungen (4a) vorgesehen sind, wobei die Separatoren (4C) im Inneren ein selbstreparierendes Material enthalten.
Brennstoffzelle (100) nach Anspruch 4 oder 5, bei der das selbstreparierende Material selbstreparierende Eigenschaften aufweist, auch wenn Wassermoleküle vorhanden sind und keine Wirkung zur Selbstreparatur von außen ausgeübt wird.
Brennstoffzelle (100) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Brennstoffzelle (100) durch Elemente, mit denen sie versehen ist, festgeklemmt wird und die selbstreparierenden Materialien miteinander in Berührung kommen und sich verbinden.
Herstellungsverfahren für einen Separator (4) für Brennstoffzellen, der mit einem elektrisch leitfähigen Substrat (41) und einer Schutzschicht (42), die zumindest auf einem Teil der Oberfläche des Substrats (41) vorgesehen ist, versehen ist, wobei das Herstellungsverfahren einen Schritt, bei dem eine Schutzschicht (42) auf der Oberfläche zumindest eines Teils des Substrats (41) gebildet wird, und einen Schritt, bei dem das Substrat (41), bei dem die Schutzschicht (42) gebildet wurde, einer Formungsverarbeitung unterzogen wird, umfasst, und wobei die Schutzschicht (42) ein selbstreparierendes Material enthält.
Herstellungsverfahren für einen Separator (4) nach Anspruch 8, bei dem eine Rolle des Substrats (41) aufgerollt und transportiert wird, wobei bei dem Schritt, bei dem die Schutzschicht (42) gebildet wird, die Schutzschicht (42) auf dem transportierten Substrat (41) gebildet wird, und wobei bei dem Schritt der Formungsverarbeitung die Formungsverarbeitung des transportierten Substrats (41) durchgeführt wird.