DE19956721A1 - Separator einer Protonenaustausch-Brennstoffzelle und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Separator einer Protonenaustausch-Brennstoffzelle und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number
DE19956721A1
DE19956721A1 DE19956721A DE19956721A DE19956721A1 DE 19956721 A1 DE19956721 A1 DE 19956721A1 DE 19956721 A DE19956721 A DE 19956721A DE 19956721 A DE19956721 A DE 19956721A DE 19956721 A1 DE19956721 A1 DE 19956721A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
separator
alloy material
weight
following components
fuel cell
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
DE19956721A
Other languages
English (en)
Other versions
DE19956721B4 (de
Inventor
Masahiro Saitou
Kazuo Saito
Kazutoshi Takaishi
Masashi Takahashi
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
Publication of DE19956721A1 publication Critical patent/DE19956721A1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE19956721B4 publication Critical patent/DE19956721B4/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0206—Metals or alloys
    • H01M8/0208—Alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0206—Metals or alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0223—Composites
    • H01M8/0228—Composites in the form of layered or coated products
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0065—Solid electrolytes
    • H01M2300/0082—Organic polymers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H01M8/0263—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant having meandering or serpentine paths
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Separators für eine Protonenaustausch-Brennstoffzelle. Der Zellstapel für eine Protonenaustausch-Brennstoffzelle besteht aus einem Laminat aus einer Mehrzahl von Einheitszellen und einer Mehrzahl von Separatoren. Jede der Einheitszellen besteht aus einer Anoden-Elektrode, einer Kathoden-Elektrode und einer festen Polymerelektrolyt-Membran, die zwischen der Anoden-Elektrode und der Kathoden-Elektrode angeordnet ist, wobei jeder Separatoren zwischen den Einheitszellen angeordnet ist. Das Herstellungsverfahren für den Separator der Protonenaustausch-Brennstoffzelle schließt die Schritte der Herstellung eines Ausgangsmaterials für den Separator, wobei das Ausgangsmaterial aus einem Legierungsmaterial besteht, das ein Leichtmetall als Hauptkomponente einschließt, und der Bildung des Separators aus dem Ausgangsmaterial durch Preßgießen ein.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Separator einer Protonenaustausch- Brennstoffzelle, die Gebrauch von einer festen Polymer-Membran als Elektrolyt macht. Die Erfindung betrifft auch ein Herstellungsverfahren für einen derartigen Se­ parator. Noch spezieller betrifft die vorliegende Erfindung einen Separator und ein Verfahren zu dessen Herstellung, um einen Separator einer Protonenaustausch- Brennstoffzelle mit verbesserter Zuverlässigkeit, mit kompakter Größe, mit geringem Gewicht und unter Berücksichtigung niedriger Herstellungskosten zu schaffen.
Eine Brennstoffzelle ist eine Vorrichtung, mit der chemische Energie eines Brenn­ stoffs dadurch in elektrische Energie umgewandelt wird, daß man einen Brennstoff wie beispielsweise Wasserstoff und ein Oxidationsmittel wie beispielsweise Luft dazu bringt, elektrochemisch miteinander zu reagieren.
Es sind verschiedene Arten von Brennstoffzellen bekannt, die sich hinsichtlich der Art des verwendeten Elektrolyten unterscheiden. Bekannt sind beispielsweise Brennstoff­ zellen des Phosphorsäure-Typs, des Typs mit geschmolzenem Carbonat, des Typs mit einem festen Oxid und des Typs mit einem Protonenaustausch-Medium. Von diesen Brennstoffzellen ist eine Protonenaustausch-Brennstoffzelle eine Brennstoffzelle, die Gebrauch von der Tatsache macht, daß dann, wenn eine Membran aus einem Poly­ merharz, die Protonenaustausch-Reste im Modul enthält, mit Wasser gesättigt wird, eine derartige Membran als Protonen leitender Elektrolyt wirkt. Die Protonenaus­ tausch-Brennstoffzelle arbeitet in einem relativ niedrigen Temperaturbereich mit aus­ gezeichneter Effizienz der Energieerzeugung und hat daher in den zurückliegenden Jahren viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen.
Fig. 6 ist ein Diagramm, das die Struktur einer Einheitszelle zeigt, die eine Basisein­ heit einer herkömmlichen Protonenaustausch-Brennstoffzelle ist. Wie in Fig. 6 ge­ zeigt, ist eine Einheitszelle 1 aufgebaut aus einer Ionen leitenden festen Polymer- Membran 2, einer Anoden-Elektrode 3 und einer Kathoden-Elektrode 4, die in der Weise angeordnet sind, daß eine Membran 2 aus einem festen Polymer zwischen ih­ nen angeordnet ist. Außerdem sind an der Außenseite dieser Elektroden 3, 4 ein An­ oden-Elektroden-seitiger Separator 5 und ein Kathoden-Elektroden-seitiger Separator 6 angeordnet, von denen jeder gasundurchlässig ist und eine Gas-Zufuhrrille zum Zu­ führen eines Reaktionsgases zu einer der Elektroden 3, 4 aufweist.
Als Ionen leitende feste Polymer-Membran 2 ist beispielsweise eine Membran aus Perfluorcarbonsulfonsäure (Material: Nafion-R, Hersteller: Firma Du Pont, USA) bekannt, die eine Protonenaustauschmembran ist. Die feste Polymer-Membran 2 ent­ hält Wasserstoffionen-Austauschreste in ihrem Molekül und dient als für Ionen leitfä­ higer Elektrolyt, wenn sie mit Wasser gesättigt wird, und sie hat auch die Funktion, den Brennstoff 7, der von der Seite der Anoden-Elektrode 3 zugeführt wird, und das Oxidationsmittel 8, das von der Seite der Kathoden-Elektrode 4 zugeführt wird, von­ einander zu trennen.
Die Anoden-Elektrode 3, die auf einer Seite der festen Polymer-Membran 2 angeord­ net ist, ist gebildet aus einer katalytischen Schicht 3a und einer flachen Platte 3b aus porösem Kohlenstoff. Außerdem ist die Kathoden-Elektrode 4, die gegenüber der An­ oden-Elektrode 3 angeordnet ist, aus einer katalytischen Schicht 4a und einer flachen Platte 4b aus porösem Kohlenstoff gebildet.
Der Separator 5 auf der Anoden-Elektroden-Seite besteht aus einem Separator-Substrat 9 und Brennstoff-Zufuhrrillen 10a, 10b, die auf beiden Seiten des Separator-Substrats 9 zur Zufuhr von Brennstoff angeordnet sind.
Andererseits besteht der Separator 6, der auf der Seite der Kathoden-Elektrode ange­ ordnet ist, aus einem Separator-Substrat 11, einer Zuführrille 12 zum Zuführen eines Oxidationsmittels, die auf einer Oberfläche des Separator-Substrats 11 auf der Ober­ flächenseite angeordnet ist, die mit der Kathoden-Elektrode 4 in Kontakt steht, und einer Brennstoff-Zufuhrrille 10 zur Zufuhr von Brennstoff, die auf der anderen Ober­ fläche des Separator-Substrats 11 angeordnet ist.
Es wird nun das Prinzip der Funktionsweise einer Einheitszelle 1 beschrieben.
Wenn der Anoden-Elektrode 3 Brennstoff 7 zugeleitet wird und der Kathoden- Elektrode 4 ein Oxidationsmittel 8 zugeleitet wird, wird durch die elektrochemische Reaktion zwischen dem Elektrodenpaar 3, 4 der Einheitszelle 1 eine elektromotorische Kraft erzeugt. Normalerweise wird Wasserstoff als Brennstoff 7 verwendet, und Luft wird als Oxidationsmittel 8 verwendet.
Wenn Wasserstoff als Brennstoff einer Anoden-Elektrode 3 zugeleitet wird, wird der Wasserstoff in ein Wasserstoff-Ion und ein Elektron in der katalytischen Schicht 3a der Anode ionisiert (Anoden-Reaktion). Das Wasserstoff-Ion wandert durch die feste Polymer-Membran 2 zur Kathoden-Elektrode 4, und das Elektron bewegt sich über einen äußeren Kreislauf zur Kathoden-Elektrode 4. Andererseits sorgt der Sauerstoff, der in der Luft enthalten ist, die der Kathoden-Elektrode 4 als Oxidationsmittel 8 zu­ geleitet wird, dafür, daß mit dem Wasserstoff-Ion und dem Elektron in der katalyti­ schen Schicht 4a Wasser gebildet wird. Dabei wandern die Elektronen durch die äuße­ re Leitung und werden zu Strom, wodurch elektrische Energie erzeugt werden kann. Mit anderen Worten: Es laufen die nachfolgend gezeigten Reaktionen an der Anoden- Elektrode 3 und an der Kathoden-Elektrode 4 ab. Außerdem wird das gebildete Was­ ser zusammen mit Gas, das nicht an der Reaktion teilgenommen hat, an die Außen­ umgebung der Einheitszelle 1 abgegeben.
Anoden-Reaktion: H2 → 2H+ + 2e-
Kathoden-Reaktion: 2 H+ + 1/2 O2 + 2e- → H2O.
Wenn in einer derartigen Einheitszelle 1 der Wassergehalt in der festen Polymer- Membran 2 geringer wird, wird der Ionenwiderstand groß, und es findet ein Mischen von Brennstoff 7 und Oxidationsmittel 8 statt (crossover). Als Ergebnis dessen kann die Einheitszelle 1 keine elektrische Energie erzeugen. Folglich ist es wünschenswert, die feste Polymer-Membran 2 in einem Zustand zu halten, in dem sie mit Wasser ge­ sättigt ist.
Wenn darüber hinaus das an der Anoden-Elektrode 3 bei der Krafterzeugung ionisierte Wasserstoff-Ion durch die feste Polymer-Membran 2 zur Kathoden Elektrode 4 wan­ dert, wandert das Wasser gleichzeitig. So besteht auf der Seite der Anoden-Elektrode 3 eine Neigung dazu, daß die feste Polymer-Membran 2 trocken wird. Weiter besteht dann, wenn die in dem zugeleiteten Brennstoff 7 oder die in der zugeleiteten Luft ent­ haltene Feuchtigkeitsmenge geringer ist, eine Neigung dazu, daß die feste Polymer- Membran 2 um die jeweiligen Zutrittsstellen der Reaktionsgase herum trocken wird. Aus diesem Grund werden der Einheitszelle 1 allgemein vorbefeuchteter Brennstoff 7 und vorbefeuchtetes Oxidationsmittel 8 zugeleitet.
Darüber hinaus ist die elektromotorische Kraft einer Einheitszelle 1 niedrig, und zwar unter 1 Volt. Allgemein wird daher ein Zellstapel dadurch gebildet, daß man einige 10 bis einige 100 Einheitszellen 1 über Separatoren 5, 6 aufeinanderlaminiert, die an der Oberseite und an der Unterseite der Einheitszellen 1 angeordnet sind. Kühlplatten werden in die jeweilige Einheitszelle 1 eingebaut, um den Temperaturanstieg des Zell­ stapels zu steuern, der das Ergebnis der Energieerzeugung ist.
Es ist erforderlich, daß Separatoren 5, 6, die in Protonenaustausch-Brennstoffzellen verwendet werden, undurchlässig für Reaktionsgase und Kühlwasser sind, damit sie die Funktion übernehmen können, jede der Einheitszelle 1 von einer anderen Einheits­ zelle abzutrennen. Andererseits ist es auch erforderlich, daß die Separatoren 5, 6 elek­ trisch leitend sind, um Einheitszellen 1 aufeinander laminieren zu können und so einen Zellstapel schaffen zu können, der als Brennstoffzelle funktioniert. Normalerweise arbeitet eine Protonenaustausch-Brennstoffzelle bei einer relativ niedrigen Temperatur von 70 bis 90°C. Separatoren 5, 6, die sich innerhalb einer Protonenaustausch- Brennstoffzelle befinden, sind unter harten Bedingungen insofern, als sie der Luft ausgesetzt sind, die Wasserdampf enthält, dessen Dampfdruck bei der Temperatur von 70 bis 90°C nahe dem Sättigungsdruck ist. Gleichzeitig wird zwischen den Separato­ ren 5, 6 im Verlauf der elektrochemischen Reaktion eine Potentialdifferenz erzeugt. Damit ist es nötig, für die Separatoren 5, 6 ein korrosionsfestes Material zu wählen. Als korrosionsfeste Materialien werden allgemein nicht-rostender Stahl und vergleich­ bare Materialien verwendet. Wenn auf Separatoren 5, 6 nicht-rostender Stahl oder ver­ gleichbare Materialien aufgebracht werden, wird deren Oberfläche oxidiert, und es wird auf der Oberfläche eine passive Membran gebildet. Als Ergebnis dessen wird der Widerstandsverlust der Brennstoffzelle groß, und die Effizienz der Energieerzeugung fällt stark ab.
In den USA wurde während der siebziger Jahre für die Separatoren der Protonenaus­ tausch-Brennstoffzellen, die für das Spaceshuttle entwickelt wurden, Niob verwendet, das ein ausgezeichnetes, korrosionsbeständiges Edelmetall ist. Jedoch haben Edelme­ tall-Materialien den Nachteil, daß sie extrem teuer und schwer sind. Wie in dem US- Patent Nr. 5,521,018 (Ballard Power Systems Inc. of Canada) offenbart ist, werden Kohlenstoff-Platten als Separatoren verwendet, um das Gewicht und die Kosten eines Zellstapels zu reduzieren.
Fig. 7 zeigt den Aufbau eines Zellstapels einer herkömmlichen Protonenaustausch- Brennstoffzelle, in der Kohlenstoff-Platten als Separatoren verwendet werden.
Wie in Fig. 7 gezeigt, besteht ein Zellstapel 13 aus einem Zell-Abschnitt 15 in einem äußeren Rahmen 14, der im Verlauf einer Gasumsetzung elektrische Energie erzeugt, und einem Befeuchtungsabschnitt 16 zum Befeuchten der Reaktionsgase. In dem Zell- Abschnitt 15 ist eine Mehrzahl von Einheitszellen 1 in einem äußeren Rahmen 14 an­ geordnet.
Fig. 8 ist ein schematisches Diagramm, das die Struktur einer herkömmlichen Ein­ heitszelle 1 in einem Zell-Abschnitt 15 zeigt, wie er in Fig. 7 gezeigt ist. Wie in Fig. 8 gezeigt, hat die in dem Zell-Abschnitt 15 angeordnete Einheitszelle 1 die oben beschriebene Struktur. Eine Anoden-Elektrode 3 und eine Kathoden-Elektrode 4 sind in der Weise angeordnet, daß eine Ionen leitende feste Polymer-Membran 2 zwischen ihnen angeordnet ist. Ein kühlender Separator 17 ist an der Außenseite der Anoden- Elektrode 3 vorgesehen, und ein Anoden-Elektroden-seitiger Separator 5 ist weiter außerhalb des kühlenden Separators 17 vorgesehen. Weiter ist auf der Außenseite der Kathoden-Elektrode 4 ein Kathoden-Elektroden-seitiger Separator 6 vorgesehen.
Der kühlende Separator 17 ist dafür vorgesehen, das Aufheizen des Zellabschnitts 15 dadurch zu verhindern, daß er die Reaktionswärme absorbiert, die durch die Reaktion erzeugt wird; dies geschieht mit Hilfe von Kühlwasser.
Fig. 9 ist eine Aufsicht, die den Aufbau eines herkömmlichen Separators 6 zeigt, wie er auf der Seite der Kathoden-Elektrode vorgesehen wird. Wie in Fig. 9 gezeigt, besteht der Separator 6 aus einem nahezu quadratisch geformten Separator-Substrat 11, das aus einer Kohlenstoff-Platte hergestellt wurde. Das Substrat weist einen Lufteinlaß 18 zum Einlassen von Luft und einen Brennstoffgas-Einlaß 19 zum Einlas­ sen von Brennstoffgas auf, die an einer Ecke des Separator-Substrats 11 vorgesehen sind. Auf der diesen Einlässen 18, 19 gegenüberliegenden Seite ist ein Luftablass 20 zum Ablassen von Luft und ein Brennstoff-Gasablass 21 zum Ablassen von Brennstoff vorgesehen. Außerdem sind an den anderen Ecken des Separator-Substrats 11 ein Kühlwasser-Einlaß 22 und ein Kühlwasser-Auslaß 23 vorgesehen. Auf dem Separator- Substrat 11 ist eine serpentinenförmige Luftrille 24 zur Zufuhr von Luft zur Reakti­ ons-Oberfläche ausgebildet. Die Luftrille 24 verbindet den Lufteinlaß 18 und den Luftablass 20. Obwohl dies in Fig. 9 nicht gezeigt ist, ist auf der Unterseite des Se­ parator-Substrats 11 die Brennstoff-Zufuhrrille ausgebildet, die den Brennstoffgas- Einlaß 19 und den Brennstoffgas-Ablaß 21 verbindet.
Die Luftrille 24 wird auf dem aus einer relativ weichen Kohlenstoff-Platte hergestell­ ten Separator-Substrat 11 in der Weise gebildet, daß man an einer Oberfläche des Substrats eine Druckbehandlung anwendet. Weiter wird die Brennstoff-Zufuhrrille auf dem Separator-Substrat 11 in der Weise gebildet, daß man an der anderen Oberfläche des Substrats eine Druckbehandlung anwendet. Weiter haben - obwohl dies hier nicht weiter veranschaulicht ist - der Separator 5 auf der Seite der Anoden-Elektrode und der Kühlseparator 17 fast die gleiche Struktur wie der Separator 6 auf der Seite der Kathoden-Elektrode.
Die Struktur des befeuchtenden Abschnitts 16, der in Fig. 7 gezeigt ist, ist fast die gleiche wie diejenige des Zellabschnitts 15. In dem Zellabschnitt 15 stehen die Reakti­ onsgase über die feste Polymer-Membran 2 miteinander in Kontakt. Jedoch wird in dem befeuchtenden Abschnitt 16 die Luft oder das Brennstoffgas, d. h. die Reaktions­ gase, dadurch befeuchtet, daß es/sie mit Kühlwasser über eine Dampfdurchlaß- Membran in Kontakt tritt/treten.
Jedoch gibt es selbst im Fall der oben beschriebenen Separatoren 5, 6 nach wie vor eine Beschränkung dahingehend, diese dünn auszubilden. Als Grund dafür wird ange­ geben, daß zum einen im Fall einer Protonenaustausch-Brennstoffzelle, die als Sepa­ ratoren 5, 6 Kohlenstoff-Platten verwendet, eine bestimmte Dicke der Kohlenstoff- Platten erforderlich ist, um die für Separatoren 5, 6 erforderliche Festigkeit aufrecht­ zuerhalten. Zum zweiten ist eine Kohlenstoff-Platte ein von Natur aus poröses Materi­ al. und es ist erforderlich, einen Durchlaß von Gas und Wasser zwischen den Separa­ toren zu verhindern. Daraus ergibt sich eine Beschränkung dahingehend, die Separato­ ren 5, 6 dünn auszubilden. In dem US-Patent Nr. 5,521,018 beträgt die Dicke des Se­ parators 1,6 mm, und es wird eine bestimmte Dicke verlangt.
Um einen Zellstapel 13 kompakt zu machen, ist es am wichtigsten, die Dicke der Zelleinheit gering zu halten. Wenn jedoch eine Kohlenstoff-Platte auf einen Separator aufgebracht wird, besteht ein Problem dahingehend, daß durch diese Vorgehensweise eine Beschränkung auf dünne Separatoren eingehalten werden kann. Dadurch ist es schwierig, die Größe des Zellstapels kompakt zu halten.
Da außerdem das Kohlenstoff-Material selbst teuer ist, tritt ein Problem dahingehend auf, daß es schwierig ist, einen Zellstapel 13 preiswert bereitzustellen.
Da darüber hinaus die Kohlenstoff-Platte eine geringere Wärmeleitfähigkeit als ver­ gleichbare Platten aus Metallen wie zum Beispiel Aluminium, Kupfer usw. aufweist, ist es erforderlich, Einheitszellen dadurch zu kühlen, daß man Kühlplatten 17 einbaut und damit Kühlwasser zwischen den Einheitszellen 1 fließen läßt. Dies bringt dann das Problem mit sich, daß der Zellstapel größer wird, und eine Kühlung durch Luft ist bei Protonenaustausch-Brennstoffzellen schwierig zu verwirklichen.
Andererseits besteht in den Fällen, in denen ein Metall als Separator-Substrat anstelle einer Kohlenstoff-Platte verwendet wird, das Problem, daß Korrosion auftritt, wenn man die Separatoren in einer Sättigungsdampf-Atmosphäre oder bei einer Potentialdif­ ferenz verwendet, wie sie speziell bei Brennstoffzellen erzeugt wird, wodurch die Zell-Leistung drastisch abfällt.
Außerdem ist im Fall eines metallischen Separators zu beachten, daß dieser prinzipiell mittels Press- oder Spanform-Verfahren hergestellt wird. Der Separator kann durch ein Press-Verfahren preiswert hergestellt werden. Jedoch bilden sich im Fall eines Separators, der ein aus einem Leichtmetall als Hauptkomponente bestehendes Material enthält, beispielsweise Aluminium, Magnesium usw., in Folge der Deformation des Separators durch den Formdruck Falten und Brüche im Gefüge. Als Ergebnis dessen war es schwierig, den Separator präzise zu bearbeiten.
Demgemäß ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Separator einer Proto­ nenaustausch-Brennstoffzelle mit kompakter Größe und geringem Gewicht preiswert bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Herstel­ lungsverfahren für einen Separator einer Protonenaustausch-Brennstoffzelle mit kom­ pakter Größe und geringem Gewicht preiswert bereitzustellen.
Diese und andere Aufgaben der Erfindung können gelöst werden durch Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines Separators für eine Protonenaustausch- Brennstoffzelle. Das Verfahren zur Herstellung eines Separators für eine einen Zell­ stapel umfassende Protonenaustausch-Brennstoffzelle, wobei der Zellstapel gebildet wird durch Laminieren einer Mehrzahl von Einheitszellen und einer Mehrzahl von Separatoren und wobei jede der Einheitszellen aus einer Anoden-Elektrode, einer Ka­ thoden-Elektrode und einer festen Polymer-Elektrolyt-Membran aufgebaut ist, die zwischen der Anoden-Elektrode und der Kathoden-Elektrode angeordnet ist und jeder der Separatoren zwischen den Einheitszellen angeordnet ist, umfaßt
  • - einen Herstellungsschritt zur Herstellung eines Ausgangsmaterials für den Separator, wobei das Ausgangsmaterial aus einem Legierungsmaterial besteht, das ein Leichtme­ tall als Hauptkomponente einschließt; und
  • - einen Formschritt zum Formen des Separators aus dem Ausgangsmaterial durch Druckgießen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegen Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung des Separators für die Protonenaustausch-Brennstoffzelle bereitgestellt, in dem das Legie­ rungsmaterial als Leichtmetall Aluminium (Al) oder Magnesium (Mg) einschließt.
Als Merkmale für das Druckgießen können eine kurze Füllzeit, eine hohe Füllge­ schwindigkeit, ein hoher Fülldruck und eine hohe Füllgeschwindigkeit des geschmol­ zenen Metalls genannt werden. So kann gemäß der vorliegenden Erfindung durch Anwenden der Verfahrensweise des Druckgießens ein Separator mit hoher Produkti­ vität und ausgezeichneter Dimensions-Maßhaltigkeit gebildet werden, bei dem zu dem ein Nacharbeiten in nur geringerem Umfang erforderlich ist. Außerdem ist ein Sepa­ rator, der mit einer glatten Guß-Oberfläche versehen ist, mechanisch stark und kann gemäß der Erfindung so dünn wie möglich ausgebildet werden.
So wird es gemäß der vorliegen Erfindung dann, wenn Separatoren nach dem Verfah­ ren des Druckgießens unter Verwendung eines Legierungsmaterials hergestellt wer­ den, das aus Al und Mg als Hauptkomponente besteht, möglich, einen Zellstapel leicht und kompakt zu machen. Außerdem ist es dann, wenn ein aus Mg aufgebautes Legie­ rungsmaterial als Hauptkomponente verwendet wird, möglich, das Gewicht des Sepa­ rators und des Zellstapels noch leichter zu machen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung des Separators der oben beschriebenen Protonenaustausch-Brennstoffzelle geschaffen, in dem das Legierungsmaterial eines der nachfolgend beschriebenen Legierungsmate­ rialien einschließt:
Ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten aufgebaut ist (in Gew.- %): Cu: 0,3 bis 0,4%; Si: 12,0 bis 12,2%; Mg: 0,08 bis 0,11%; Mn: 0,23 bis 0,24%; Fe: 0,64 bis 0,74%; Zn: 0,09 bis 0,10%; und Al: Rest;
ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten aufgebaut ist (in Gew.- %)Fe:: Cu: 2,8 bis 3,0%; Si: 8,4 bis 8,6%; Mg: 0,08 bis 0,10%; Mn: 0,32 bis 0,37%; 0,70 bis 0,71%; Zn: 0,13 bis 0,14%; und Al: Rest;
ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten aufgebaut ist (in Gew.- %): Cu: 1,9 bis 2,5%; Si: 9,4 bis 10,4%; Mg: 0,21 bis 0,25%; Mn: 0,16 bis 0,38% %; Fe: 0,72 bis 0,93%; Zn: 0,42 bis 0,93%; und Al: Rest;
ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten aufgebaut ist (in Gew.- %): Cu: 0,01%; Si: 0,1%; Mn: 0,80%; Fe: 0,09%; Ni: 0,01%; Ti: 0,01%; und Al: Rest;
ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten aufgebaut ist (in Gew.- %): Mn: 1,4 bis 4,3%; Fe: 0,5 bis 1,0%; und Al: Rest;
ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten aufgebaut ist (in Gew.- %): Cu: nur 0,5%; Co: 1,0%; und Al: Rest; und
ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten aufgebaut ist (in Gew.- %): Mn: 2,0%; Zn: 3,0%; Fe: 1,0%; Mg: 0,5%; und Al: Rest.
Wenn Legierungsmaterialien, die aus Al als Hauptkomponente aufgebaut sind und die oben angegebene Zusammensetzung haben, verwendet werden, ist es möglich, in ho­ hem Maße zuverlässige Separatoren mit guter Fluidität während des Druckgießens und weniger Defekten während des Gießens herzustellen. Außerdem ist es möglich, in hohem Maße feste Separatoren herzustellen, die sowohl für Wärmer als auch für elektrischen Strom leitend sind.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung des Separators der oben beschriebenen Protonenaustausch-Brennstoffzelle geschaffen, in dem das Legierungsmaterial eines der nachfolgend beschriebenen Le­ gierungsmaferialien einschließt:
Ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten aufgebaut ist (in Gew.- %): Al: 5,3 bis 6,1%; Zn: 2,5 bis 3,5%; Mn: 0,15 bis 0,6%; Si: unter 0,3%; Cu: unter 0,1%; Ni: unter 0,01%; und Mg: Rest;
ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten aufgebaut ist (in Gew.- %): Al: 8,1 bis 9,3%; Zn: 0,4 bis 1,0%; Mn: 0,1 3 bis 0,5%; Si: unter 0,3%; Cu: unter 0,1%; Ni: unter 0,01%; und Mg: Rest;
ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten aufgebaut ist (in Gew.- %): Al: 8,3 bis 9,7%; Zn: 1,6 bis 2,4%; Mn: 0,1 bis 0,5%; Si: unter 0,3%; Cu: unter 0,1%; Ni: unter 0,01%; und Mg: Rest;
ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten aufgebaut ist (in Gew.- %): Al: 9,3 bis 10,7%; Zn: 0,3%; Mn: 0,1 bis 0,5%; Si: unter 0,3%; Cu: unter 0,1%; Ni: unter 0,01%; und Mg: Rest;
ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten aufgebaut ist (in Gew.- %): Zn: 3,6 bis 5,5%; Zr: 0,5 bis 1,0%; Cu: unter 0,1%; Ni: unter 0,1%; und Mg: Rest;
ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten aufgebaut ist (in Gew.- %): Zn: 5,5 bis 6,5%; Zr: 0,6 bis 1,0%; Cu: unter 0,1%; Ni: unter 0,01%; und Mg: Rest;
ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten aufgebaut ist (in Gew.- %): Zn: 2,0 bis 3,1%; Re: 2,5 bis 4,0%; Zr: 0,5 bis 1,0%; Cu: unter 0,1%; Ni: unter 0,01%; und Mg: Rest;
ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten aufgebaut ist (in Gew.- %): Th: 2,5 bis 4,0%; Zr: 0,5 bis 1,0%; und Mg: Rest;
ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten aufgebaut ist (in Gew.- %): Th: 2,5 bis 4,0%; Zn: 1,7 bis 2,5%; Zr: 0,5 bis 1,0%; und Mg: Rest;
ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten aufgebaut ist (in Gew.- %): Th: 1,4 bis 2,2%; Zn: 5,2 bis 6,2%; Zr: 0,5 bis 1,0%; und Mg: Rest;
ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten aufgebaut ist (in Gew.- %): Zn: 2,0 bis 3,5%; Zr: unter 0,5%; und Mg: Rest; und
ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten aufgebaut ist (in Gew.- %): Zn: 3,6 bis 5,5%; Zr: 0,5 bis 1,0%; und Mg: Rest.
Wenn Legierungsmaterialien, die aus Mg als Hauptkomponente aufgebaut sind und die oben beschriebene Zusammensetzung haben, verwendet werden, ist es möglich, in hohem Maße zuverlässige Separatoren mit guter Fluidität während des Druckgießens und mit weniger Gieß-Defekten herzustellen. Außerdem ist es möglich, in hohem Ma­ ße feste Separatoren herzustellen, die sowohl für Wärme als auch für elektrischen Strom leitfähig sind. Wenn ein aus Mg als Hauptkomponente bestehendes Legie­ rungsmaterial verwendet wird, ist es außerdem möglich, das Gewicht des Separators und des Zellstapels zu senken.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung des Separators der Protonenaustausch-Brennstoffzelle geschaffen, in dem das Legie­ rungsmaterial eine Wärmeleitfähigkeit von 100 bis 230 W/m.K aufweist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann während des Betriebs erzeugte Wärme effizi­ ent durch Kühlen entfernt werden. Da der Separator aus einem Al-Legierungsmaterial mit leichtem spezifischen Gewicht hergestellt wird, kann darüber hinaus der Zellstapel leicht und kompakt gehalten werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung des Separators der Protonenaustausch-Brennstoffzelle geschaffen, in dem das Legierungsmaterial eine elektrische Leitfähigkeit von 30 bis 60% aufweist. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, den elektrischen Kontakt- Widerstand von Separatoren zu verringern; dies ist ein wichtiges Merkmal der Lei­ stung der Zelle. Im Ergebnis ist es möglich, den Spannungsabfall zu eliminieren, wie er durch den Widerstand einer Einheitszelle hervorgerufen wird, die aus einer An­ oden-Elektrode und einer Kathoden-Elektrode aufgebaut ist, die auf beiden Seiten ei­ ner Elektrolyt-Membran mit einem festen Polymer angeordnet sind.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung des Separators der Protonenaustausch-Brennstoffzelle bereitgestellt, in dem in dem Formschritt der Separator aus dem Ausgangsmaterial durch Druckgießen in der Weise gebildet wird, daß die Dicke des Separators bei 0,4 mm oder mehr liegt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Deformation des Separators, wie sie während der Herstellung durch Druckgießen erfolgt, verhindert werden, die Bildung von Gieß-Defekten kann minimiert werden. Als Ergebnis dessen kann ein in hohem Maß zuverlässiger Zellstapel leicht und kompakt hergestellt werden.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung des Separators der Protonenaustausch-Brennstoffzelle geschaffen, in dem als Form­ schritt das Druckgießen einen Prozeß oder eine Kombination aus zwei oder mehr Pro­ zessen einschließt, die gewählt sind aus: Vakuum-Druckgießen, Druckgießen unter Sauerstoff-Atmosphäre, Druckgießen unter normaler Atmosphäre, Rheocasting- Verfahren, "Acurad"-Verfahren, Druckgießen bei niedriger Füllgeschwindigkeit, Hochdruckgießen, Druckgießen bei ausbalancierter Strömung, Tiefzieh-Verfahren (car process) und "Parashot"-Verfahren. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es mög­ lich, dünne und kompliziert geformte Separatoren mit exzellenter Genauigkeit in kur­ zer Zeit preiswert herzustellen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung des Separators der Protonenaustausch-Brennstoffzelle bereitgestellt, das weiter den Schritt des Zurichtens bzw. Beschneidens zum Zurichten bzw. Beschneiden des beim Druckgießen hergestellten, im Rahmen eines Oberflächen- Behandlungsschrittes behandelten gebildeten Separators einschließt, wobei der Ober­ flächen-Behandlungsschritt gewählt ist aus der Gruppe Druck-Bearbeiten, Bearbeiten bei elektrischer Entladung, Bearbeiten mit einem Laser-Strahl und Photoätzen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird es möglich, zusätzlich den Schritt des ma­ schinellen Bearbeitens einer Öffnung und das Ausbilden eines dünnen Abschnitts durchzuführen, was beim Druckgießen schwierig ist. Im Ergebnis kann ein dünner und kompliziert geformter Separator leicht und preiswert hergestellt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung des Separators der Protonenaustausch-Brennstoffzelle geschaffen, das weiter den Schritt der Oberflächenbehandlung zur Behandlung einer Oberfläche des Separators einschließt, wie sie durch das Druckgießen ausgebildet wurde, wobei die Oberflächenbehandlung nach einem Verfahren oder einer Kombination von zwei oder mehreren Verfahren erfolgt, die gewählt sind aus der Gruppe Glanzschleifen, Trom­ melpolieren, Sandstrahlen, Elektropolieren und chemische Behandlung, so daß die Oberflächen-Rauheit des Separators 0,07 µm oder mehr beträgt.
Außerdem wird die Oberfläche des Separators nach einem Trimmen bzw. Beschneiden in dem Schritt des Zurichtens bzw. Beschneidens erneut durch einen Schritt der Ober­ flächenbehandlung behandelt, wie er vorstehend beschrieben wurde.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, Grate, Haftstellen und rauhe Stel­ len der Guß-Oberfläche, wie sie beim Druckgießen gebildet werden, zu entfernen. Im Ergebnis ist es möglich, die Defekte im Überzug zu minimieren, die während der Aufbringung eines korrosionsbeständigen Überzugs auftreten können, der nach der Bearbeitung aufgebracht wird, wodurch die Haftung zwischen dem Separator-Substrat und dem Überzugsfilm verbessert wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung des Separators der Protonenaustausch-Brennstoffzelle geschaffen, das weiter den Schritt des Aufbringens eines Überzugs zu Bildung eines korrosionsbestän­ digen Überzugsfilms auf der Oberfläche des Separators einschließt, nachdem die Oberfläche des Separators durch den Oberflächen-Behandlungsschritt aufgerauht wur­ de, wobei der Oberflächen-Behandlungsschritt gewählt wurde aus einem Verfahren oder einer Kombination von zwei oder mehreren Verfahren aus der Gruppe physikali­ sche Abscheidung aus der Dampfphase, Plattieren und Aufsprühen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Bildung von passiven Oxid- Filmen zu verhindern, die sich in dem gesättigten Dampf oder in der potentiell korro­ siven Umgebung bilden, wie sie für eine Brennstoffzelle spezifisch ist, und dadurch eine stabilisierte Energieabgabe der Brennstoffzelle über eine lange Zeit zu erhalten.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung des Separators der Protonenaustausch-Brennstoffzelle geschaffen, das weiter einen Inspektionsschritt zur Durchführung einer nicht-zerstörenden Inspektion der Oberfläche des Separators einschließt, nachdem der Schritt des Druckgießens oder der Schritt der Ausbildung eines korrosionsbeständigen Überzugsfilms durchgeführt wurde, wobei der Inspektionsschritt gewählt ist aus der Gruppe Infrarot- Thermographie, Test des Wirbelstroms (Eddy current), Magnetteilchen-Test, Penetra­ tions-Inspektion, Ultraschall-Test, Inspektion durch elektromagnetische Induktion, Test unter akustischer Emission, makroskopische Inspektion, radiographische Inspek­ tion, Laserholographie-Inspektion und akustische Inspektion.
Gemäß der vorliegenden Erfindung können Gieß-Defekte, wie sie während des Druckgießens verursacht werden, und Defekte im Überzugsfilm, wie sie während der Aufbringung eines korrosionsbeständigen Überzugs erzeugt werden, schnell entdeckt werden, indem man die oben beschriebene nicht-zerstörende Inspektion durchführt.
Als Ergebnis dessen ist es möglich, das Ergebnis der Inspektion im Verhältnis zur Verbesserung der Herstellungsbedingungen zu sehen und dadurch in hohem Maße zuverlässige Separatoren herzustellen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Separator der Protonenaustausch-Brennstoffzelle geschaffen, wobei der Separator unter Anwendung einer der Verfahrensweisen zur Herstellung des Separators der Protonenaustausch- Brennstoffzelle hergestellt wird, wie sie oben beschrieben wurden.
Die Erfindung wird nun nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Ein noch vollständigeres Verständnis der Erfindung und vieler Vor­ teile gegenüber dem Stand der Technik, die mit ihr verbunden sind, ergibt sich für Fachleute in diesem technischen Bereich aus der folgenden detaillierten Beschreibung, wenn diese in Verbindung mit den beigefügten Figuren verstanden wird. Es zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Diagramm, das ein System zeigt, das für das Druckgießen gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
Fig. 2 eine Aufsicht, die einen Aluminium-Separator zeigt, der im Rahmen des Druckgießens gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erhalten wurde;
Fig. 3 eine Aufsicht, die einen Aluminium-Separator mit der gewünschten Form nach dem Schritt des Trimmens bzw. Beschneidens gemäß der ersten Ausführungs­ form der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 4 ein Diagramm, das Gieß-Defekte zeigt wie sie während des Schritt des Druckgießens gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hervor­ rufen werden;
Fig. 5 ein Diagramm, das die nicht-zerstörende Inspektion durch Infrarot- Thermographie gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 6 ein Diagramm, das die Struktur einer herkömmlichen Einheitszelle zeigt;
Fig. 7 ein Diagramm, das einen herkömmlichen Protonenaustausch-Brennstoffzellen- Stapel zeigt, in dem Kohlenstoff-Platten Verwendung finden;
Fig. 8 ein Diagramm, das eine Struktur einer Einheitszelle des Zellabschnitts der herkömmlichen Brennstoffzelle zeigt, wie sie in Fig. 7 gezeigt ist; und
Fig. 9 eine Aufsicht, die einen herkömmlichen Separator auf der Seite der Kathoden- Elektrode zeigt.
Die Erfindung wird nun nachfolgend anhand spezieller Ausführungsformen beschrie­ ben. Dabei wird auf die Figuren Bezug genommen, in denen gleiche Bezugszeichen identische oder entsprechende Teile in den verschiedenen Ansichten zeigen.
Erste Ausführungsform (Fig. 1 bis Fig. 4)
Nachfolgend wird eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Be­ zugnahme auf die Fig. 1 bis 4 beschrieben.
In dieser Ausführungsform wurden Separatoren für eine Protonenaustausch- Brennstoffzelle mittels der Verfahrensweisen des Druckgießens unter Verwendung eines Legierungsmaterials hergestellt, das hauptsächlich aus Al bestand. Fig. 1 ist ein Diagramm, das den schematischen Aufbau eines Systems zeigt, das zum Druckgießen verwendet wird.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, sind in einem Druckguß-System 30 ein elektrischer Ofen 31 zum Schmelzen von Ausgangsmaterial und eine Einspritz-Einrichtung 33 über eine Aufnahme-Einrichtung 32 verbunden angeordnet. Die Aufnahme-Einrichtung 32 nimmt heißes Material aus dem elektrischen Ofen 31 auf. Außerdem ist eine Düse auf der anderen Seite der Einspritz-Einrichtung 33 angeordnet. Weiter ist eine Kontroll­ einrichtung 35 mit der Einspritz-Einrichtung 33 verbunden und steuert die Menge an heißem Material, das mittels der Aufnahme-Einrichtung 32 für heißes Material ausge­ gossen wird. Eine Vakuum-Vorrichtung 36 ist mit der Düse 34 verbunden und ent­ fernt Verunreinigungen und Luft, die in dem heißem Material enthalten sind, indem sie das System während des Spritzformens unter Vakuum setzt. In der letzten Stufe ist eine Presse 37 angeordnet. Diese Presse führt den Pressvorgang durch und erlaubt den Erhalt von Formprodukten.
Unter Verwendung des Druckgieß-Systems 30 wurde eine geschmolzene Legierung, die hauptsächlich aus Al bestand, mit hoher Geschwindigkeit und hohem Druck ver­ preßt und wurde schnell unter Verfestigen abgekühlt. So wurde ein Aluminium- Separator hergestellt.
Als Aluminium-Legierungsmaterial wurde ein Material verwendet, das enthielt (in Gew.-%): Mn: 2,0%; Zn: 3,0%; Fe: 1,0%; Mg: 0,5%; und Al: Rest.
Unter Verwendung des Legierungsmaterials mit dieser Zusammensetzung wurde ein Aluminium-Separator mittels des Druckgieß-Systems 30 ausgebildet. Der Füll-Druck lag - wie in Fig. 1 gezeigt - bei maximal 2450 MPa. Die weiteren Bedingungen wa­ ren: Spritzgeschwindigkeit: 60 m/s; Spritzdruck: 1176 MPa; und Füllzeit: 0,3 s. Die Aufsicht auf den dadurch erhaltenen Aluminium-Separator ist in Fig. 2 gezeigt.
Wie in Fig. 2 gezeigt, wurde ein Aluminium-Separator 38 auf einem nahezu quadra­ tisch geformten Separator-Substrat 39 gebildet. Dabei waren serpentinenförmige Ril­ len 40 darauf ausgebildet, um Luft und Brennstoffgas der Reaktions-Oberfläche zuzu­ leiten. In Fig. 2 sind Abschnitte gezeigt, die in unterbrochenen Linien gezeichnet sind; diese werden durch das nachfolgend beschriebene Beschneide- bzw. Zuricht- Verfahren gebildet, das bestens verstanden wird bei Bezugnahme auf Fig. 3.
Der so erhaltene Aluminium-Separator 38 wurde anschließend beschnitten, und zwar durch eine der Verfahrensweisen maschinelles Press-Bearbeiten, Bearbeiten mittels elektrischer Entladung, Bearbeiten mittels Laserstrahlung und Photoätzen. Dadurch wurde ein Aluminium-Separator 41 erhalten, der die in Fig. 3 gezeigte Form hatte. Die Aufsicht auf den so erhaltenen Aluminium-Separator 41 ist in Fig. 3 gezeigt.
Wie in Fig. 3 gezeigt ist, ist der Aluminium-Separator 41 versehen mit einem Lufteinlaß 42 zum Einlaß von Luft und einem Brennstoffgas-Einlaß 43 zum Einlaß von Brennstoffgas, die an einer Ecke des Separator-Substrats 39 vorgesehen sind. Auf der Seite, die diesen Einlässen 42, 43 gegenüberliegt, sind eine Luftablass-Öffnung 44 zum Ablassen von Luft und eine Brennstoffgas-Ablaßöffnung 45 zum Ablassen von Brennstoffgas vorgesehen. Außerdem sind an anderen Ecken des Separator-Substrats 39 ein Kühlwasser-Einlaß 46 und eine Kühlwasser-Ablaßöffnung 47 vorgesehen. Auf dem Separator-Substrat 39 ist eine serpentinenförmige Luftrille 40 zum Einlassen von Luft zur Reaktions-Oberfläche gebildet. Die Luftrille 40 verbindet den Lufteinlaß 42 mit der Luftablass-Öffnung 44. Auf der Unterseite des Separator-Substrats 39 ist die Brennstoff-Zufuhrrille ausgebildet, die den Brennstoff-Einlaß 43 mit der Brennstoff­ gas-Ablaßöffnung 45 verbindet.
Der nach dem oben beschriebenen Verfahren erhaltene Aluminium-Separator 41 weist Gußoberflächen-Muster an der Gußoberfläche und Grate im Bereich der beschnittenen Bereiche auf und kann nicht direkt für den Schritt der Aufbringung eines korrosions­ beständigen Überzugs verwendet werden, der nachfolgend durchgeführt wird. So wurden die Oberfläche des Aluminium-Separators 38 und die Oberfläche des Alumi­ nium-Separators 41 nach dem Zeitpunkt, zu dem die Schritte des Aluminium- Gießformens und des Beschneidens durchgeführt worden waren, jeweils mittels eines Prozesses oder einer Kombination von zwei oder mehreren Prozessen behandelt, die gewählt waren aus Glanzschleifen, Trommelpolieren, Sandstrahlen, Elektropolieren und chemische Behandlung. Dadurch wurde die Oberflächen-Rauheit jedes der Alu­ minium-Separatoren 38, 41 auf einen Wert von 0,07 µm oder mehr eingestellt.
Nach Einstellen der Oberflächenrauheit des Aluminium-Separators 41 auf einen Wert von 0,07 µm oder mehr wurde der Passivierungsfilm oder wurden die Oxide auf dem Separator-Substrat 39 elektrisch, mechanisch oder chemisch entfernt.
Anschließend wurden die leitfähigen und korrosionsbeständigen Überzugsfilme auf dem Aluminium-Separator 41 mittels eines Verfahrens oder einer Kombination von zwei oder mehreren Verfahren aus der Gruppe physikalische Abscheidung aus der Dampfphase, Plattierungs-Verfahren und Sprühüberzugs-Verfahren aufgebracht. Als Überzugs-Material wurde ein Material oder einer Kombination von zwei oder mehre­ ren Materialien aus der Gruppe Ni, Fe, Co, B, Pb, Cr, Cu,Ti, Bi, Sn, W, P, Mo, Ag, Pt, Au, TiC, NbC, TiCN, TiN, CrN, TiB2, ZrB2, Fe2B und Si3N4 verwendet.
Speziell wurde bei Anwenden des Plattierungs-Verfahrens Au beschichtungsmäßig auf das Separator-Substrat 39 aufgebracht, und eine Ni-oder Cr-Schicht wurde beschich­ tungsmäßig darauf aufgebracht. Alternativ dazu wurde bei Anwenden der Veifah­ rensweise der physikalischen Abscheidung aus der Dampfphase Cr oder eine Cr ent­ haltende Legierung beschichtungsmäßig auf das Separator-Substrat 39 aufgebracht, und TiN oder eine TiN enthaltende Legierung wurde beschichtungsmäßig auf die äu­ ßerste Schicht aufgebracht.
Weiter wurde Cr oder eine Cr enthaltende Legierung beschichtungsmäßig auf das Se­ parator-Substrat 31 aufgebracht, und darauf wurde TiN oder eine TiN enthaltende Legierung beschichtungsmäßig aufgebracht. Cr oder eine Cr enthaltende Legierung wurde auf die Schicht aus TiN oder eine TiN enthaltende Legierungsschicht aufge­ bracht, und TiN oder eine TiN enthaltende Legierung wurde beschichtungsmäßig als äußerste Schicht aufgebracht. So wurden aus mehreren Schichten bestehende Überzü­ ge aufgebracht.
Weiter wird als Ergebnis der Aufbringung derartiger, aus mehreren Schichten beste­ hender Überzüge an der TiN-Schicht der Überzugs-Oberfläche der Abfall des elektri­ schen Widerstandes bei Kontakt verhindert. An der darunterliegenden Cr-Schicht wird die Haftfestigkeit mit der TiN-Schicht verbessert, und das Abschälen der Überzugs­ schicht wird verhindert. Darüber hinaus werden eine Korrosion bedingende Faktoren wie beispielsweise Sauerstoff und Korrosionsprodukte, die durch die Luftlöcher ein­ treten, die in der TiN-Schicht bestehen, abgefangen, da sie in Cr-Oxid umgewandelt werden, und das Abschälen des Überzugs, das durch eine Korrosion hervorgerufen wird, wird verhindert.
Weiter werden in der darunterliegenden TiN-Schicht eine Korrosion bedingende Fak­ toren wie beispielsweise Sauerstoff und Korrosionsprodukte, die durch die Luftlöcher eintreten, die in der Cr-Schicht existieren, abgefangen, und das Abschälen des Über­ zugs, das durch (Korrosionsbeständigkeit und) Korrosion hervorgerufen wird, wird verhindert. An der darunterliegenden Cr-Schicht wird die Haftfestigkeit mit der TiN- Schicht verbessert, das Abschälen des Überzugs wird verhindert, und eine Korrosion bedingende Faktoren wie beispielsweise Sauerstoff und Korrosionsprodukte, die durch die Luftlöcher eintreten, die in der TiN-Schicht existieren, werden abgefangen, da sie in Cr-Oxid umgewandelt werden, und das Abschälen des Überzugs, das durch die Korrosion hervorgerufen wird, wird verhindert.
Mit den Verfahrensweisen des maschinellen Bearbeitens oder Fressens war es schwie­ rig, ein Deformieren von Separatoren zu verhindern und ein maschinelles Bearbeiten von Separatoren mit hoher Präzision zu verbessern. Im Rahmen der vorliegenden Ausführungsform können die Probleme jedoch gelöst werden, wenn die Separatoren mit dem Druckgieß-Verfahren hergestellt werden. Als Ergebnis dessen kann eine gro­ ße Menge von Aluminium-Separatoren in kurzer Zeit hergestellt werden, und die Her­ stellungskosten pro Separator können reduziert werden. Dadurch wird die Herstellung eines leichten und kompakten Zellstapels möglich. Weiter können bei Anwendung einer Verfahrensweise oder einer Kombination von zwei oder mehreren Verfahrens­ weisen aus der Gruppe Vakuum-Druckgießen, Druckgießen in einer Sauerstoff- Atmosphäre, Druckgießen bei Atmosphäredruck, Rheocasting, "Acurad"-Verfahren, Druckgießen bei geringer Füllgeschwindigkeit, Hochdruckgießen, Druckgießen bei Normaldruck, Tiefzieh-Verfahren (car process) und "Parashot"-Verfahren dünne und eine komplizierte Form aufweisen der Separatoren präzise in kurzer Zeit preiswert hergestellt werden. Insbesondere ist es bei Anwendung des Vakuum-Druckgieß- Verfahrens möglich, das Gießformen durchzuführen, während man Luftblasen und Gaskomponenten, die in dem heißen Metall existieren, herauszieht. So ist es möglich, Al-Separatoren mit einheitlicher Struktur und weniger Gußdefekten zu erhalten.
Grate, Haftstellen, und Rauheiten der Guß-Oberfläche, die durch das Druckgießen verursacht werden, sowie Grate usw., die als Ergebnis des Beschneidens auftreten, können durch die Oberflächenbehandlung der Aluminium-Separatoren 38, 41, die nach dem Druckgießen bzw. dem Beschneiden erhalten werden, vollständig entfernt wer­ den. Als Ergebnis dessen kann die Anzahl der bei Aufbringen einer Beschichtung auftretenden Defekte, die während des beschichtungsmäßigen Aufbringens des Korro­ sionsbeständigkeit erbringenden Überzugs erzeugt werden, d. h. in dem Nachbehand­ lungs-Prozeß, minimiert werden, und die Haftfestigkeit zwischen dem Separator- Basismaterial 39 und dem Überzugsfilm kann verbessert werden. Weiter ist es dann, wenn der Passivierungs-Überzugsfilm oder Oxide, die auf dem Separator-Substrat 39 vorhanden sind, entfernt werden, möglich, die Haftfestigkeit des Separator-Substrats 39 mit dem Überzugsfilm zu verbessern. Daher kann die Wahrscheinlichkeit eines Abschälens des Überzugsfilms bei Ausbildung des Überzugsfilms bis auf ein Mini­ mum reduziert werden, und es kann so ein in hohem Maße zuverlässiger Überzug mit weniger Defekten wie beispielsweise Luftlöchern gebildet werden.
Außerdem ist es bei Ausbildung des Überzugsfilms auf einem Separator-Substrat 39 möglich, den elektrischen Kontakt-Widerstand des Separators zu verringern. Es ist wichtig für die Leistung der Zelle, den durch den Widerstand der Einheitszelle her­ vorgerufen in Spannungsabfall zu verhindern und die Leistung und Zuverlässigkeit einer Protonenaustausch-Brennstoffzelle zu verbessern.
Dementsprechend ist es möglich, durch diese Prozesse einen dünnen Überzugsfilm auszubilden und in einheitlicher Weise einen dünnen Überzugsfilm aus Materialien mit geringerem elektrischen Widerstand und Kontakt-Widerstand auszubilden. Weiter ist es auch möglich, ein Material zu bilden, das eine ausgezeichnete Korrosionsbestän­ digkeit aufweist und nur wenige Defekte hat. Darüber hinaus kann ein Material, das eine ausgezeichnete Haftung und Duktilität aufweist, in dünner, einheitlicher und prä­ ziser Weise gebildet werden.
Weiter kann durch Ausbildung des Überzugsfilms die Bildung eines Passivierungs- Films aus Oxiden, wie sie in gesättigten Dampf oder in einer korrosiven Umgebung aufgrund der Potentialdifferenz auftreten, die spezifisch für die Brennstoffzelle ist, verhindert werden. Weiter kann eine stabile Leistung der Brennstoffzelle über eine lange Zeit erhalten werden, wenn der Überzugsfilm gebildet wird. In der vorliegenden Ausführungsform wurde der Überzugsfilm auch als Mehrschichten-Struktur gebildet. Diese Mehrschichten-Struktur macht es möglich, mehrere Funktionen gemeinsam aus­ zuführen, wie sie für die Überzugsfilme in jeweiligen Überzugsschichten verlangt werden, und damit die Separator-Leistung zu erhöhen. Außerdem ist die Mehrschich­ ten-Struktur in der Lage, kontinuierliche Luftlöcher, die durch die Überzugsschicht zur Grenzfläche zwischen der Überzugsschicht und dem Separator-Substrat hindurch­ reichen und die während der Herstellung entstehen, abzufangen. Wenn der Anoden- Elektrode Brennstoff zugeleitet wird und Luft, die als Oxidationsmittel dient, der Ka­ thoden-Elektrode zugeleitet wird, werden Reaktionsgase wie beispielsweise Wasser­ stoff und Sauerstoff erzeugt. Die durch derartiger Reaktionsgase wie Wasserstoff und Sauerstoff erzeugte Korrosion oder die durch die gesättigte Dampf-Atmosphäre er­ zeugte Korrosion kann jedoch verhindert werden durch Vorsehen eines Überzugs­ films. Außerdem kann die Haftung des Überzugsfilms zu dem Separator-Substrat ver­ bessert werden, und als Ergebnis wird das Abschälen des Überzugsfilms bei Ausbil­ dung des Überzugsfilms verhindert, und es können in hohem Maße zuverlässige Überzugsfilme mit weniger Defekten wie beispielsweise Luftlöchern usw. gebildet werden. Außerdem wird die Effizienz der Materialhaftung verbessert, wenn ein Über­ zugsfilm ausgebildet wird, und die Herstellungskosten des Separators können verrin­ gert werden.
Außerdem wird im Rahmen dieser Ausführungsform ein Aluminium-Separator 41 der in den Abbildungen gezeigten Form erhalten, der mit einem Lufteinlaß 42, einer Luftablass-Öffnung 44, einem Brennstoffgas-Einlaß 43 einer Brennstoff-Ablaßöffnung 45 einem Kühlwasser-Einlaß 46 und einer Kühlwasser-Ablaßöffnung 47 versehen ist und der durch einen Schritt des Zurichtens hergestellt wird. Wenn diese Einlässe und Ablaß-Öffnungen 42 bis 47 während des Druckgießens gebildet würden, würden Gieß- Defekte, wie sie in Fig. 4 gezeigt sind, aufgrund eines unzureichenden Fließens des heißen Metalls erzeugt.
Fig. 4 ist ein Diagramm, das einen Aluminium-Separator zeigt, in dem Einlässe und Ablaß-Öffnungen 42 bis 47 während des Druckgießens geschaffen werden. Wie in Fig. 4 gezeigt, bilden sich Gieß-Defekte 48 in der Rille 40, im Lufteinlaß 42, im Kühlwasser-Einlaß 46 und in der Kühlwasser-Ablaßöffnung 47 usw., die an dem Se­ parator-Substrat 39 gebildet werden.
Wenn Öffnungen mit komplizierter Form, wie sie oben beschrieben wurden, an dem Aluminium-Separator während des Druckgießens gebildet werden, bilden sich Gieß- Defekte 48 aufgrund eines falschen Strömens des heißen Materials, und die Herstel­ lung-Ausbeute für Aluminium-Separatoren fällt wegen ungleicher Plattendicke usw.
Demgemäß wird in dieser Ausführungsform eine serpentinenförmige Rille 40 zum Zuleiten von Luft oder Brennstoffgas zur Reaktions-Fläche während des Aluminium- Druckgießens gebildet, und die Einlässe und Ablaß-Öffnungen 42 bis 47 werden dann während des anschließenden Trimmens gebildet. Dementsprechend wird es möglich, Öffnungen und dünne Bereiche in dem Prozeß des Trimmens zu bilden; derartige Be­ reiche sind beim Druckgießen nur schwierig zu bilden. In gleicher Weise wird es möglich, einen dünnen und kompliziert geformten Aluminium-Separator leicht und preiswert herzustellen.
Zweite Ausführungsform (Tab. 1)
Nachfolgend wird eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf Tabelle 1 beschrieben.
In dieser Ausführungsform werden Legierungsmaterialien des Separators, die als Aus­ gangsmaterialien verwendet werden, erläutert.
In dieser Ausführungsform wurde der Zustand, bei dem sich Gießdefekte bilden, nä­ her untersucht, indem man die Aluminium-Pressgieß-Tests in der Weise durchführte, daß man die Zusammensetzungen der Aluminium-Legierungsmaterialien unter An­ wendung der Beispiele Nr. 1 bis Nr. 16 änderte, wie dies in Tabelle 1 gezeigt ist. Ein Pressgieß-System, in dem der Fülldruck den Maximalwert von 2450 MPa erreichte, wurde verwendet. Die Pressgieß-Bedingungen waren die folgenden: Einspritzge­ schwindigkeit: 60 m/s; 1 Einspritzdruck: 1176 MPa; Füllzeit: 0,3 s. Die Zahl der Gieß-Defekte, die bei diesem Verfahren des Press Gießens gebildet wurden, sind in Tabelle 1 gezeigt.
Tabelle 1
Wie in Tabelle 1 gezeigt, wurden Gieß-Defekte an Aluminium-Legierungsmaterialien gebildet, die die Zusammensetzungen der Beispiele Nr. 2, 4, 7, 8, 11 bzw 14 hatten. Keine Gieß-Defekte wurden jedoch erzeugt an Aluminium-Legierungsmaterialien, die die Zusammensetzungen der Beispiele 1, 3, 5, 6, 9, 10, 12, 13, 15 bzw. 16 hatten. Daher ist es optimal, Aluminium-Legierungsmaterialien zu verwenden, die eine der nachfolgend beschriebenen Zusammensetzung haben:
(1) ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten zusammengesetzt ist (in Gew.-): Cu: 0,3 bis 0,4%; Si: 12,0 bis 12,2%; Mg: 0,08 bis 0,11%; Mn: 0,23 bis 0,24%; Fe: 0,64 bis 0,74%; Zn: 0,09 bis 0,10%; und Al: Rest (Beispiele Nr. 9 und 10);
(2) ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten zusammengesetzt ist (in Gew.-%): Cu: 2,8 bis 3,0%; Si: 8,4 bis 8,6%; Mg: 0,08 bis 0,10%; Mn: 0,32 bis 0,37%; Fe: 0,70 bis 0,71%; Zn: 0,13 bis 0,14%; und Al: Rest (Beispiele Nr. 15 und 16);
(3) ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten zusammengesetzt ist (in Gew.-%): Cu: 1,9 bis 2,5%; Si: 9,4 bis 10,4%; Mg: 0,21 bis 0,25%; Mn: 0,16 bis 0,38%; Fe: 0,72 bis 0,93%; Zn: 0,42 bis 0,93%; und Al: Rest (Beispiele Nr. 12 und 13);
(4) ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten zusammengesetzt ist (in Gew.-%): Cu: 0,01%; Si: 0,1%; Mn: 0,80%; Fe: 0,09%; Ni: 0,01%; Ti: 0,01 und Al: Rest (Beispiel Nr. 5);
(5) ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten zusammengesetzt ist (in Gew.-%): Mn: 1,4 bis 4,3%; Fe: 0,5 bis 1,0%; und Al: Rest (Beispiele Nr. 1 und 3);
(6) ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten zusammengesetzt ist (in Gew.-%): Cu: 0,05%; Co: 1,0%; und Al: Rest (Beispiel Nr. 6);
(7) ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten zusammengesetzt ist (in Gew.-%): Mn: 2,0%; Zn: 3,0%; Fe: 1,0%; Mg: 0,5%; und Al: Rest (das Ma­ terial, das in der ersten Ausführungsform verwendet wurde).
Beim Prozeß des Druckgießens bestimmt die Zusammensetzung eines Legierungsma­ terials, das beim Druckgießens verwendet wird, die Fluidität des heißen Metalls und beeinflußt die Bildung von Gieß-Defekten. Wenn jedoch Aluminium- Legierungsmaterialien, wie sie in der vorliegenden Ausführungsform gezeigt sind, verwendet werden, ist die Fluidität des heißen Metalls während des Druckgießens gut, und es kann ein in hohem Maße zuverlässiger Separator mit weniger Gieß-Defekten erhalten werden.
Weiter sind trotz der Tatsache, daß in dieser Ausführungsform Legierungsmaterialien verwendet wurden, die hauptsächlich aus Aluminium bestehen, auch Legierungsmate­ rialien verwendbar, die Magnesium als Hauptkomponente enthalten.
Konkrete Zusammensetzungen von Legierungsmaterialien, die Magnesium als Haupt­ komponente enthalten, werden nachfolgend aufgezählt:
(1) ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten zusammengesetzt ist (in Gew.-%): Al: 5,3 bis 6,1%; Zn: 2,5 bis 3,5%; Mn: 0,15 bis 0,6%; Si: unter 0,3%; Cu: unter 0,1%; Ni: unter 0,01%; und Mg: Rest;
(2) ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten zusammengesetzt ist (in Gew.-%): Al: 8,1 bis 9,3%; Zn: 0,4 bis 1,0%; Mn: 0,13 bis 0.5%; Si: unter 0,3%; Cu: unter 0,1%; Ni: unter 0,01%; und Mg: Rest;
(3) ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten zusammengesetzt ist (in Gew.-%): Al: 8,3 bis 9,7%; Zn: 1,6 bis 2,4%; Mn: 0, I bis 0,5%; Si: unter 0,3 Prozent; Cu: unter 0,1%; Ni: unter 0,01%; und Mg: Rest;
(4) ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten zusammengesetzt ist (in Gew.-%): Al: 9,3 bis 10,7%; Zn: 0,3%; Mn: 0,1 bis 0,5%; Si: unter 0,3%; Cu: unter 0,1%; Ni: unter 0,0I %; und Mg: Rest;
(5) ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten zusammengesetzt ist (in Gew.-%): Zn: 3,6 bis 5,5%; Cu: 0,5 bis 1,0%; Cu: unter 0,01%; Ni: unter 0,1­ %; und Mg: Rest;
(6) ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten zusammengesetzt ist (in Gew.-%): Zn: 5,5 bis 6,5%; Zr: 0,6 bis 1,0%; Cu: unter 0,1%; Ni: unter 0,01%; und Mg: Rest;
(7) ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten zusammengesetzt ist (in Gew.-%): Zn: 2,0 bis 3,1%; Re: 2,5 bis 4,0%; Zr: 0,51 bis 1,0%; Cu: unter 0,1%; Ni: unter 0,01 %; und Mg: Rest;
(8) ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten zusammengesetzt ist (in Gew.-%): Th: 2,5 bis 4,0%; Zr: 0,5 bis 1,0%; und Mg: Rest;
(9) ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten zusammengesetzt ist (in Gew.-%): Th: 2,5 bis 4,0%; Zn: 1,7 bis 2,5%; Zr: 0,5 bis 1,0%; und Mg: Rest;
(10) ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten zusammengesetzt ist (in Gew.-%): Th: 1,4 bis 2,2%; Zn: 5,2 bis 6,2%; Zr: 0,5 bis 1,0%; und Mg: Rest;
(11) ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten zusammengesetzt ist (in Gew.-%): Zn: 2,0 bis 3,5%; Zr: unter 0,5%; und Mg: Rest;
(12) ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten zusammengesetzt ist (in Gew.-%): Zn: 3,6 bis 5,5%; Zr: 0,5 bis 1,0%; und Mg: Rest.
Selbst wenn Legierungsmaterialien, die Mg als Hauptkomponente enthalten, wie sie oben beschrieben wurden, verwendet werden, kann ein in hohem Maße zuverlässiger Separator mit weniger Gieß-Defekten erhalten werden. Weiter kann deswegen, weil Magnesium als Hauptkomponente verwendet wird, der Separator leichter gemacht werden als der Separator, der aus dem Aluminium-Legierungsmaterial hergestellt wurde.
Dritte Ausführungsform (Tabellen 2 und 3)
Nachfolgend wird die dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Be­ zugnahme auf die Tabellen 2 und 3 beschrieben.
In dieser Ausführungsform wird erklärt, daß die Wärmeleitfähigkeit eines Aluminium- Legierungsmaterials auf einen Wert von 100 bis 230 W/m K festgesetzt wird und die elektrische Leitfähigkeit eines Aluminium-Legierungsmaterials auf einen Wert von 30 bis 60% festgesetzt wird.
Zuerst wurde die Wärmeleitfähigkeit eines Aluminium-Legierungsmaterials unter­ sucht. In dieser Ausführungsform worden als Aluminium-Legierungsmaterialien Mate­ rialien der Beispiele Nr. 17 bis Nr. 34 verwendet, deren Wärmeleitfähigkeiten im Be­ reich von 53 bis 230 W/m•K lagen, wie in Tabelle 2 gezeigt ist.
Tabelle 2
Unter Verwendung der Aluminium-Legierungsmaterialien der Beispiele Nr. 17 bis Nr. 34 wurden Aluminium-Separatoren mittels des Druckgieß-Systems hergestellt, wobei der Fülldruck maximal 2450 MPa betrug. Die Bedingungen waren wie folgt: Einspritzgeschwindigkeit: 60 m/s; Einspritzdruck: 1176 MPa; und Füllzeit: 0,3 s.
Protonenaustausch-Brennstoffzellen-Stapel wurden unter Verwendung der so erhalte­ nen Aluminium-Separatoren gebildet, und die Werte des Spannungsabfalls und der Änderungen des Kontaktwiderstandes bei der Energieerzeugung der Einheitszellen wurden jeweils gemessen. Die gemessenen Erlebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt.
Als Leistungswerte dieser Aluminium-Separatoren wurden jeweils folgende Werte festgesetzt: erzeugte Spannung einer Einheitszelle: 0,6 V; Kontaktwiderstand eines Aluminium-Separators: 10 mΩ/cm2. Wie für die Legierungsmaterialien der Beispiele Nr. 17 bis Nr. 21 in Tabelle 2 gezeigt ist, können dann, wenn die Wärmeleitfähigkeit des Separators schlechter wird, die jeweils festgesetzten Werte nicht sicher erreicht werden. Im Ergebnis zeigt sich dann ein Spannungsabfall und ein Abfall des Kontakt­ widerstandes. Mit anderen Worten: Es ist ersichtlich, daß nur solche Aluminium- Legierungsmaterialien, die eine Wärmeleitfähigkeit von 100 bis 230 W/m.K haben, die oben angegebenen Werte sicher erreichen können.
Anschließend wurde die elektrische Leitfähigkeit von Aluminium- Legierungsmaterialien untersucht. In dieser Ausführungsform worden als Aluminium- Legierungsmaterialien Materialien der Beispiele Nr. 35 bis Nr. 50 verwendet, deren elektrische Leitfähigkeiten - wie in Tabelle 3 gezeigt - im Bereich von 30 bis 107% geändert wurden. Es ist anzumerken, daß die in Tabelle 3 gezeigten Werte der elektri­ schen Leitfähigkeit Werte sind, die ausgedrückt sind als Prozentwert (%) im Vergleich zur elektrischen Standard-Leitfähigkeit von Aluminium bei 20°C.
Tabelle 3
Unter Verwendung der Legierungsmaterialien der Beispiele Nr. 35 bis Nr. 50, wie sie in Tabelle 3 gezeigt sind, wurden Aluminium-Separatoren mittels des Druckgieß- Systems hergestellt, dessen Fülldruck bei maximal 2450 MPa lag. Die Bedingungen waren die folgenden: Einspritzgeschwindigkeit: 60 m/s; Einspritzdruck: 1176 MPa; und Füllzeit: 0,3 s.
Unter Verwendung der so erhaltenen Aluminium-Separatoren wurden Protonenaus­ tausch-Brennstoffzellen-Stapel gebildet, und es wurden jeweils die Werte des Span­ nungsabfalls und der Änderungen des Kontaktwiderstandes bei der Energieerzeugung der Einheitszellen gemessen. Die gemessenen Ergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt.
Als Leistungswerte dieser Aluminium-Separatoren wurden jeweils folgende Werte festgesetzt: erzeugte Spannung einer Einheitszelle: 0,6 V; Kontaktwiderstand eines Aluminium-Separators: 10 mΩ/cm2. Wie in Tabelle 3 - in ähnlicher Weise wie in Ta­ belle 2 - gezeigt ist, können dann, wenn die elektrische Leitfähigkeit der Separatoren schlechter wird, diese vorgegebenen Werte nicht sicher erreicht werden, und daraus resultiert der Spannungsabfall und der Abfall des Kontaktwiderstandes. Mit anderen Worten: Es ist ersichtlich, daß nur ein Aluminium-Legierungsmaterial die wie oben angegeben festgesetzten Werte sicher erreichen kann, das eine elektrische Leitfähig­ keit im Bereich von 30 bis 60% hat.
So ist es gemäß der vorliegenden Ausführungsform dann, wenn Aluminium- Legierungsmaterialien mit einer Wärmeleitfähigkeit von 100 bis 230 W/m.K als Material für den Separator beim Druckgießen verwendet werden, möglich, die wäh­ rend des Betriebs gebildete Wärme effizient durch Kühlen abzuführen. Im Ergebnis wird es so möglich, die Kühlervorrichtung zu vereinfachen und einen leichten und kompakten Zellstapel zu erhalten. So kann deswegen, weil ein in ausgezeichneter Weise wärmeleitendes Material für den Separator verwendet wird, der Separator als luftgekühltes Strahlungs-Kühlblech eingesetzt werden. Wenn das luftgekühlte System verwendet wird, werden Kühlwasser und Leitungen zum Zirkulieren des Wassers so­ wie Pumpen usw. überflüssig. Im Ergebnis wird das System vereinfacht. Außerdem werden Kühlwasser-Verteilerlöcher in dem Zellstapel überflüssig, und es wird ein aus einem kompakten System bestehender Zellstapel erhalten. Weiter entfällt aufgrund der Tatsache, daß Kühlwasser nicht verwendet wird, die Möglichkeit des Einfrierens selbst in kalten Gegenden, wo die Temperatur unter 0°C fällt, und es kann ein in hohem Maße zuverlässiger Zellstapel erhalten werden. Weiter kann deswegen, weil ein aus Metall bestehender Separator bessere Gasdichtungs-Eigenschaften als ein aus Kohlenstoff bestehender Separator zeigt, der ein poröses Material ist, ein dünnerer Separator als der aus Kohlenstoff bestehender Separator erhalten werden. Im Ergebnis kann der Zellstapel noch kompakter gemacht werden.
Darüber hinaus wird allgemein Kühlwasser zum Befeuchten des Gases verwendet, das noch keine Reaktion eingegangen ist. Da jedoch der Zellstapel gemäß der vorliegen­ den Ausführungsform ein Zellstapel des luftgekühlten Typs ohne Kühlwasser ist, wird Kühlwasser zum Befeuchten nicht verwendet. Der Zellstapel weist jedoch einen selbstbefeuchtenden Abschnitt auf, und es ist daher nicht erforderlich, von neuem eine Wasserquelle zum Befeuchten zu installieren, und ein Tank, Pumpen usw. werden überflüssig. Als Ergebnis dessen wird es möglich, die Größe des Zellstapels noch kompakter zu machen.
Weiter ist es deswegen, weil der aus Metall bestehende Separator gemäß der vorlie­ genden Erfindung eine ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit und einen niedrigen elektrischen Widerstand aufweist, möglich, den elektrischen Kontaktwiderstand zu senken, der eine wichtige Leistungskennzahl der Zelle ist, und den Spannungsabfall aufgrund des Widerstands der Einheitszelle zu eliminieren.
Weiter ist es dann, wenn ein Aluminium-Legierungsmaterial mit einer elektrischen Leitfähigkeit von 30 bis 60% als Material für das Aluminium-Druckgießen verwendet wird, möglich, den elektrischen Kontaktwiderstand eines Aluminium-Separators zu senken, der eine wichtige Leistungskennzahl der Zelle ist, und den Spannungsabfall aufgrund des Widerstands der Einheitszelle zu eliminieren.
Vierte Ausführungsform (Tabelle 4)
Nachfolgend wird die vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Be­ zugnahme auf Tabelle 4 beschrieben. In dieser Ausführungsform wird erläutert, daß die Dicke des Aluminium-Separators speziell auf einen Wert von 0,4 mm oder mehr festgelegt wird.
In dieser Ausführungsform wurde in den Beispielen Nr. 51 bis Nr. 60, in denen die Dicke des Aluminium-Separators von 0,1 mm bis 1,0 mm geändert wurde, wie dies in Tabelle 4 gezeigt ist, der Zustand von Gieß-Defekten untersucht, die sich auf der In­ nenfläche und auf der Außenfläche der Aluminium-Separatoren gebildet hatten. Ein Pressgieß-System, dessen Fülldruck maximal 2450 MPa betrug, wurde verwendet. Die Pressgieß-Bedingungen waren wie folgt: Einspritzgeschwindigkeit: 60 m/s; Ein­ spritzdruck: 1176 MPa; und Füllzeit: 0,3 s. Die beim Druckgießen erzeugten Gieß- Defekte sind in Tabelle 4 gezeigt.
Tabelle 4
Wie sich deutlich aus Tabelle 4 ergibt, besteht bei den Beispielen Nr. 51 bis Nr. 53, bei denen die Dicke des Separators 0,1 mm bis 0,3 mm betrug, eine Neigung zum Auftreten von Gießdefekten, und die Bildung von Gießdefekten geht extrem zurück bei den Beispielen Nr. 54 bis Nr. 69, bei denen die Dicke des Separators 0,4 mm oder mehr beträgt. Mit anderen Worten: Die Zahl der auftretenden Gießdefekte schwankt allgemein in Abhängigkeit von der Temperatur des heißen Metalls, dem Einspritz­ druck, der Einspritzgeschwindigkeit usw. Bei der Herstellung von Aluminium- Separatoren im Verlauf des Pressgieß-Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung wird ersichtlich, daß es schwierig ist, Separatoren mit einer Dicke von 0,3 mm oder weniger herzustellen.
Dementsprechend ist es dann, wenn Aluminium-Separatoren, die im Verlauf des Pressgieß-Verfahrens hergestellt werden, in einer Dicke über 0,4 mm oder mehr ange­ fertigt werden, möglich, die Deformation des Aluminium-Separators zu vermeiden, die im Verlauf des Pressgieß-Verfahrens entsteht, und so die Rate der Bildung von Gieß-Defekten zu minimieren. Als Ergebnis dessen wird es möglich, einen im hohen Maße zuverlässigen, leichten und kompakten Zellstapel bereitzustellen. Weiter ist es auch möglich, die Dicke des Separators geringer zu machen als diejenige von Separa­ toren aus einem Kohlenstoff-Material. Mit anderen Worten: Es ist möglich, die Dicke des Separators auf etwa 1/5 der Dicke eines herkömmlichen Separators zu reduzieren.
Fünfte Ausführungsform (Fig. 5)
Nachfolgend wird die fünfte Ausführungsform der vorliegende Erfindung unter Be­ zugnahme auf Fig. 5 beschrieben.
In dieser Ausführungsform wurde eine nicht-zerstörende Inspektion der Oberfläche eines Separators nach dem Druckgießens und der Oberfläche eines Separators, auf die ein korrosionsbeständiger Überzug aufgebracht worden war, mittels Infrarot- Thermographie durchgeführt. Fig. 5 ist ein Diagramm, daß die nicht-zerstörende Inspektion mittels Infrarot-Thermographie zeigt.
Wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, besteht eine Einrichtung 49 zum Untersuchen mittels Infrarot-Thermographie aus einer Infrarot-Kamera 51, die Infrarot-Energie nachweist, die sich oberhalb eines Aluminium-Separators 50 findet, der untersucht werden soll, und einer Steuereinheit 52 zum Steuern der Infrarot-Kamera 51. Eine Datenverarbei­ tungsanlage 53 zur Verarbeitung von Daten, die aus der Infrarot-Kamera 51 und der Steuereinheit 52 stammen bzw. gesammelt werden, ist mit der Steuereinheit 52 ver­ bunden, und eine Anzeige 54 ist mit der Datenverarbeitungsanlage 53 verbunden und zeigte das Ergebnis der Datenverarbeitung an. Weiter ist über dem Aluminium- Separator 50, der untersucht werden soll, einer Hochenergie-Wärmequelle 56 ange­ ordnet, an die eine Heiz-Kontrolleinheit 55 angeschlossen ist.
Unter Verwendung der Infrarot-Thermographie-Einrichtung 49 wurde die Oberfläche eines Aluminium-Separators 50 nach dem Preßgießen mittels der Infrarot-Kamera 51 untersucht, sodaß in nicht-zerstörender Weise die Gießdefekte, die in dem Alumini­ um-Separator 50 existierten, in kurzer Zeit inspiziert werden konnten. Dabei wurde unter Anwendung eines Heizprozesses von außen die Temperaturänderung auf der Oberfläche eines Aluminium-Separators 50 dadurch gemessen, daß man ihn mittels der Heiz-Kontrolleinrichtung 55 erhitzte. Wenn also beispielsweise ein Gießdefekt im Substrat eines Aluminium-Separators 50 existiert, wird die Temperatur des defekten Abschnitts ungewöhnlich hoch. Dementsprechend zeigt der defekte Abschnitt eine Temperaturverteilung, die völlig verschieden von derjenigen eines Abschnitts ist, der keine Defekte aufweist. Dies ist darauf zurückzuführen, daß der Wärmeleitungskoeffi­ zient des defekte Abschnitt sinkt und die Wärmeleitung in diesem Bereich gestört ist. Daher zeigt der defekte Abschnitt eine Tendenz dazu, eine höhere Temperatur zu ha­ ben als andere Abschnitte, in denen keine Defekte auftreten. Dabei ist es möglich, die Form und Größe eines Defektes zu verdeutlichen, indem man den Temperaturgra­ dienten aus der Temperaturverteilung des defekten Abschnitts und andere Abschnitte berechnet, die keine Defekte aufweisen. Mit anderen Worten: An der Grenze zwi­ schen einem Defekt-Abschnitt und einem anderen Abschnitt, der keine Defekte auf­ weist, wird ein großer Temperaturgradient erzeugt. Durch Berechnen des maximalen Temperaturgradienten kann eine Information über die Form und Größe des Defektes erhalten werden. Weiter wird eine derartige nicht-zerstörende Inspektion an den Sepa­ ratoren sowohl nach dem Vorgang des Trimmens als auch nach der Aufbringung eines Überzugs zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit durchgeführt.
Daher ist es gemäß dieser Ausführungsform möglich, schnell Gieß-Defekte zu entdec­ ken, wie sie während des Druckgießens entstehen, und Defekte im Überzugsfilm zu entdecken, wie sie während der Aufbringung eines korrosionsbeständigen Überzugs entstehen. Dies alles geschieht im Verlauf einer nicht-zerstörende Inspektion. Als Er­ gebnis dessen ist es möglich, das Ergebnis der Inspektion für die Verbesserung der Herstellungsbedingungen zu nutzen und dabei in hohen Maße zuverlässige Separatoren bereitzustellen.
Weiter ist für das Verfahren der nicht-zerstörenden Inspektion außer dem oben be­ schriebenen Verfahren der Infrarot-Thermographie ein Verfahren verwendbar, das gewählt ist aus der Gruppe Wirbelstrom-Test (Eddy current testing), Magnetteilchen- Test, Eindring-Inspektion, Ultraschall-Test, Inspektion unter Anwendung der elektro­ magnetischen Induktion, akustischer Emissionstest, makroskopische Inspektion, radio­ grafische Inspektion, Laser-Holographie-Inspektion und akustische Inspektion; jedes dieser Verfahren ist für die nicht-zerstörende Inspektion anwendbar.
Wie oben beschrieben, ist es mit dem erfindungsgemäßen Separator einer Protonen­ austausch-Brennstoffzelle und mit dem Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, nicht nur die Kosten für die Herstellung eines Separators zu ver­ ringern, sondern auch das System zu vereinfachen, indem man die Separatoren kom­ pakt und leicht macht. Außerdem ist es möglich, eine Protonenaustausch- Brennstoffzelle mit langer Lebensdauer und hoher Zuverlässigkeit bereitzustellen.
Offensichtlich sind zahlreiche Modifikationen und Variationen der vorliegende Erfin­ dung im Licht der obigen Lehre möglich. Es versteht sich daher, daß im Umfang der nachfolgenden Patentansprüche die Erfindung auch anders verwirklicht werden kann, als dies anhand der oben beschriebenen speziellen Ausführungsform erkennbar ist.

Claims (60)

1. Verfahren zur Herstellung eines Separators für eine einen Zellstapel umfassende Protonenaustausch-Brennstoffzelle, wobei der Zellstapel gebildet wird durch La­ minieren einer Vielzahl von Einheitszellen und einer Vielzahl von Separatoren, wobei jede der Einheitszellen besteht aus einer Anoden-Elektrode, einer Kathoden- Elektrode und einer festen Polymerelektolyt-Membran, die zwischen der Anoden- Elektrode und der Kathoden-Elektrode angeordnet ist und wobei jeder der Sepa­ ratoren zwischen den jeweiligen Einheitszellen angeordnet ist, umfassend:
  • - einen Herstellungsschritt zur Herstellung eines Ausgangsmaterials für den Se­ parator, wobei das Ausgangsmaterial aus einem Legierungsmaterial besteht, das ein Leichtmetall als Hauptkomponente einschließt; und
  • - einen Bildungsschritt zur Bildung des Separators aus dem Ausgangsmaterial durch Preßgießen.
2. Verfahren zur Herstellung eines Separators für eine Protonenaustausch- Brennstoffzelle nach Anspruch 1, worin in dem Legierungsmaterial das Leichtme­ tall Al einschließt.
3. Verfahren zur Herstellung eines Separators für eine Protonenaustausch- Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, worin das Legierungsmaterial eines der nachfolgend beschriebenen Legierungsmaterialien einschließt:
- ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): Cu: 0,3 bis 0,4%; Si: 12,0 bis 12,2%; Mg: 0,08 bis 0,11%; Mn: 0,23 bis 0,24%; Fe: 0,64 bis 0,74%; Zn: 0,09 bis 0,10%; und Al: Rest;
- ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): Cu: 2,8 bis 3,0%; Si: 8,4 bis 8,6%; Mg: 0,08 bis 0,10%; Mn: 0,32 bis 0,37 %; Fe: 0,70 bis 0,71%; Zn: 0,13 bis 0,14%; und Al: Rest;
- ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): Cu: 1,9 bis 2,5%; Si: 9,4 bis 10,4%; Mg: 0,21 bis 0,25%; Mn: 0,16 bis 0,38%; Fe: 0,72 bis 0,93%; Zn: 0,42 bis 0,93%; und Al: Rest;
- ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): Cu: 0,01%; Si: 0,1%; Mn: 0,80%; Fe: 0,09%; Ni: 0,01%; Ti: 0,01%; und Al: Rest;
- ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): Mn: 1,4 bis 4,3%; Fe: 0,5 bis 1,0%; und Al: Rest;
- ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): Cu: 0,05%; Co: 1,0%; und Al: Rest; und
- ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): Mn: 2,0%; Zn: 3,0%; Fe: 1,0%; Mg: 0,5%; und Al: Rest.
4. Verfahren zur Herstellung eines Separators für eine Protonenaustausch- Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin das Legierungsmaterial eine Wärmeleitfähigkeit von 100 bis 230 W/m.K aufweist.
5. Verfahren zur Herstellung eines Separators für eine Protonenaustausch- Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin das Legierungsmaterial eine elektrische Leitfähigkeit von 30 bis 60% aufweist.
6. Verfahren zur Herstellung eines Separators für eine Protonenaustausch- Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin in dem Bildungsschritt der Separator aus dem Ausgangsmaterial durch ein Pressgieß-Verfahren in der Weise gebildet wird, daß die Dicke des Separators 0,4 mm oder mehr beträgt.
7. Verfahren zur Herstellung eines Separators für eine Protonenaustausch- Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin in dem Legierungsmate­ rial das Leichtmetall Mg einschließt.
8. Verfahren zur Herstellung eines Separators für eine Protonenaustausch- Brennstoffzelle nach Anspruch 7, worin das Legierungsmaterial eines der nachfol­ gend genannten Legierungsmaterialien einschließt:
- ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): Al: 5,3 bis 6,1%; Zn: 2,5 bis 3,5%; Mn: 0,15 bis 0,6%; Si: unter 0,3%; Cu: unter 0,1%; Ni: unter 0,01%; und Mg: Rest;
- ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): Al: 8,1 bis 9,3%; Zn: 0,4 bis 1,0%; Mn: 0,13 bis 0,5%; Si: unter 0,3%; Cu: unter 0,1%; Ni: unter 0,01%; und Mg: Rest;
- ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): Al: 8,3 bis 9,7%; Zn: 1,6 bis 2,4%; Mn: 0,1 bis 0,5%; Si: unter 0,3%; Cu: unter 0,1%; Ni: unter 0,01%; und Mg: Rest;
- ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): Al: 9,3 bis 10,7%; Zn: 0,3%; Mn: 0,1 bis 0,5%; Si: unter 0,3%; Cu: unter 0,1%; Ni: unter 0,01%; und Mg: Rest;
- ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): Zn: 3,6 bis 5,5%; Zr: 0,5 bis 1,0%; Cu: unter 0,1%; Ni: unter 0,1%; und Mg: Rest;
- ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): Zn: 5,5 bis 6,5%; Zr: 0,6 bis 1,0%; Cu: unter 0,1%; Ni: unter 0,01%; und Mg: Rest;
- ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): Zn: 2,0 bis 3,1%; Re: 2,5 bis 4,0%; Zr: 0,5 bis 1,0%; Cu: unter 0,1%; Ni: unter 0,01%; und Mg: Rest;
- ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): Th: 2,5 bis 4,0%; Zr: 0,5 bis 1,0%; und Mg: Rest;
- ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): Th: 2,5 bis 4,0%; Zn: 1,7 bis 2,5%; Zr: 0,5 bis 1,0%; und Mg: Rest;
- ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): Th: 1,4 bis 2,2%; Zn: 5,2 bis 6,2%; Zr: 0,5 bis 1,0%; und Mg: Rest;
- ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): Zn: 2,0 bis 3,5%; Zr: unter 0,5%; und Mg: Rest; und
- ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): Zn: 3,6 bis 5,5%; Zr: 0,5 bis 1,0%; und Mg: Rest.
9. Verfahren zur Herstellung eines Separators für eine Protonenaustausch- Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, worin in dem Bildungsschritt der Schritt des Druckgießens eine Verfahrensweise oder eine Kombination von zwei oder mehreren Verfahrensweisen aus der Gruppe Vakuum-Druckgießen, Druckgießen unter Sauerstoff-Atmosphäre, Druckgießen unter normaler Atmo­ sphäre, Rheocasting-Verfahren, "Acurad"-Verfahren, Druckgießen bei niedriger Füllgeschwindigkeit, Hochdruckgießen, Druckgießen bei ausbalancierter Strö­ mung, Tiefzieh-Verfahren (car process) und "Parashot"-Verfahren einschließt.
10. Verfahren zur Herstellung eines Separators für eine Protonenaustausch- Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, worin das Verfahren weiter ein­ schließt einen Oberflächenbehandlungsschritt zur Behandlung einer Oberfläche des durch das Pressgieß-Verfahren hergestellten Separators, wobei die Oberflächenbe­ handlung bevorzugt nach einer Verfahrensweise oder eine Kombination von zwei oder mehreren Verfahrensweisen aus der Gruppe Glanzschleifen, Trommelpolie­ ren, Sandstrahlen, Elektropolieren und chemische Behandlung erfolgt, so daß die Oberflächen Rauheit des Separators besonders bevorzugt 0,07 µm oder mehr be­ trägt.
11. Verfahren zur Herstellung eines Separators für eine Protonenaustausch- Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10, worin das Verfahren weiter einschließt einen Schritt des Zurichtens bzw. Trimmens des durch das Pressgieß- Verfahren hergestellten und anschließend im Rahmen eines Oberflächen- Behandlungsschritts behandelten Separators im Rahmen einer Verfahrensweise aus der Gruppe Druck-Bearbeiten, Bearbeiten bei elektrischer Entladung, Bearbeiten mit einem Laser-Strahl und Photoätzen.
12. Verfahren zur Herstellung eines Separators für eine Protonenaustausch- Brennstoffzelle nach Anspruch 11, worin die Oberfläche des Separators nach dem Zurichten bzw. Trimmen erneut im Rahmen eines Oberflächen-Behandlungs­ schritts behandelt wird.
13. Verfahren zur Herstellung eines Separators für eine Protonenaustausch- Brennstoffzelle nach Anspruch 12, welches weiter umfaßt einen Überzugs-Schritt zur Bildung eines korrosionsbeständigen Überzugs-Films auf der Oberfläche des Separators, nachdem die Oberfläche des Separators durch den Oberflächenbe­ handlungsschritt aufgerauht wurde, nach einer Verfahrensweise oder einer Kombi­ nation von 2 oder mehreren Verfahrensweisen aus der Gruppe physikalisches Ver­ dampfungsverfahren, Plattier-Verfahren und Sprüh-Verfahren.
14. Verfahren zur Herstellung eines Separators für eine Protonenaustausch- Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 13, welches weiter umfaßt einen Inspektionsschritt zur Durchführung einer nicht-zerstörenden Inspektion der Ober­ fläche des Separators, nachdem der Schritt des Druckgießens durchgeführt wurde oder nach dem der Schritt der Aufbringung eines korrosionsbeständigen Überzugs- Films durchgeführt wurde, nach einer Verfahrensweise aus der Gruppe Infrarot- Thermographie, Test des Wirbelstroms (Eddy current), Magnetteilchen-Test, Pe­ netrations-Inspektion, Ultraschall-Test, Inspektion durch elektromagnetische In­ duktion, Test unter akustischer Emission, makroskopische Inspektion, radiografi­ sche Inspektion, Laserholographie-Inspektion und akustische Inspektion.
15. Separator für eine einen Zellstapel umfassende Protonenaustausch-Brennstoffzelle, umfassend ein Laminat aus einer Vielzahl von Einheitszellen und einer Vielzahl von Separatoren, wobei jede der Einheitszellen besteht aus einer Anoden- Elektrode, einer Kathoden-Elektrode und einer festen Polymerelektolyt-Membran, die zwischen der Anoden-Elektrode und der Kathoden-Elektrode angeordnet ist und wobei jeder der Separatoren zwischen den jeweiligen Einheitszellen angeord­ net ist, wobei der Separator aus einem Legierungsmaterial besteht, das ein Leichtmetall als Hauptkomponente einschließt.
16. Separator für eine einen Zellstapel umfassende Protonenaustausch-Brennstoffzelle nach Anspruch 15, worin das Legierungsmaterial das Leichtmetall Al einschließt.
17. Separator für eine einen Zellstapel umfassende Protonenaustausch-Brennstoffzelle nach Anspruch 15 oder Anspruch 16, worin das Legierungsmaterial eines der nachfolgend beschriebenen Legierungsmaterialien einschließt:
- ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): Cu: 0,3 bis 0,4%; Si: 12,0 bis 12,2%; Mg: 0,08 bis 0,11%; Mn: 0,23 bis 0,24%; Fe: 0,64 bis 0,74%; Zn: 0,09 bis 0,10%; und Al: Rest;
- ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): Cu: 2,8 bis 3,0%; Si: 8,4 bis 8,6%; Mg: 0,08 bis 0,10%; Mn: 0,32 bis 0,37%; Fe: 0,70 bis 0,71%; Zn: 0,13 bis 0,14%; und Al: Rest;
- ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): Cu: 1,9 bis 2,5%; Si: 9,4 bis 10,4%; Mg: 0,21 bis 0,25%; Mn: 0,16 bis 0,38%; Fe: 0,72 bis 0,93%; Zn: 0,42 bis 0,93%; und Al: Rest;
- ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): Cu: 0,01%; Si: 0,1%; Mn: 0,80%; Fe: 0,09%; Ni: 0,01%; Ti: 0,01%; und Al: Rest;
- ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.- %): Mn: 1,4 bis 4,3%; Fe: 0,5 bis 1,0%; und Al: Rest;
- ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): Cu: 0,05%; Co: 1,0%; und Al: Rest; und
- ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): Mn: 2,0%; Zn: 3,0%; Fe: 1,0%; Mg: 0,5%; und Al: Rest.
18. Separator für eine einen Zellstapel umfassende Protonenaustausch-Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 15 bis 17, worin das Legierungsmaterial eine Wärme­ leitfähigkeit von 100 bis 230 W/m.K aufweist.
19. Separator für eine einen Zellstapel umfassende Protonenaustausch-Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 15 bis 18, worin das Legierungsmaterial eine elektri­ sche Leitfähigkeit von 30 bis 60% aufweist.
20. Separator für eine einen Zellstapel umfassende Protonenaustausch-Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 15 bis 19, worin der Separator durch ein Pressgieß- Verfahren in der Weise gebildet wird, daß die Dicke des Separators 0,4 mm oder mehr beträgt.
21. Separator für eine einen Zellstapel umfassende Protonenaustausch-Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 15 bis 20, worin in dem Legierungsmaterial das Leichtmetall Mg einschließt.
22. Separator für eine einen Zellstapel umfassende Protonenaustausch-Brennstoffzelle nach Anspruch 21, worin das Legierungsmaterial eines der nachfolgend genannten Legierungsmaterialien einschließt:
- ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): Al: 5,3 bis 6,1%; Zn: 2,5 bis 3,5%; Mn: 0,15 bis 0,6%; Si: unter 0,3%; Cu: unter 0,1%; Ni: unter 0,01%; und Mg: Rest;
- ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): Al: 8,1 bis 9,3%; Zn: 0,4 bis 1,0%; Mn: 0,13 bis 0,5%; Si: unter 0,3%; Cu: unter 0,1%; Ni: unter 0,01%; und Mg: Rest;
- ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): Al: 8,3 bis 9,7%; Zn: 1,6 bis 2,4%; Mn: 0,1 bis 0,5%; Si: unter 0,3%; Cu: unter 0,1%; Ni: unter 0,01%; und Mg: Rest;
- ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): Al: 9,3 bis 10,7%; Zn: 0,3%; Mn: 0,1 bis 0,5%; Si: unter 0,3%; Cu: unter 0,1%; Ni: unter 0,01%; und Mg: Rest;
- ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): Zn: 3,6 bis 5,5%; Zr: 0,5 bis 1,0%; Cu: unter 0,1%; Ni: unter 0,1%; und Mg: Rest;
- ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): Zn: 5,5 bis 6,5%; Zr: 0,6 bis 1,0%; Cu: unter 0,1%; Ni: unter 0,01%; und Mg: Rest;
- ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): Zn: 2,0 bis 3,1%; Re: 2,5 bis 4,0%; Zr: 0,5 bis 1,0%; Cu: unter 0,1%; Ni: unter 0,01%; und Mg: Rest;
- ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): Th: 2,5 bis 4,0%; Zr: 0,5 bis 1,0%; und Mg: Rest;
- ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): Th: 2,5 bis 4,0%; Zn: 1,7 bis 2,5%; Zr: 0,5 bis 1,0%; und Mg: Rest;
- ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): Th: 1,4 bis 2,2%; Zn: 5,2 bis 6,2%; Zr: 0,5 bis 1,0%; und Mg: Rest;
- ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): Zn: 2,0 bis 3,5%; Zr: unter 0,5%; und Mg: Rest; und
- ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): Zn: 3,6 bis 5,5%; Zr: 0,5 bis 1,0%; und Mg: Rest.
DE19956721A 1998-11-25 1999-11-25 Separator einer Protonenaustausch-Brennstoffzelle und Verfahren zu dessen Herstellung Expired - Fee Related DE19956721B4 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JPP10-334738 1998-11-25
JP10334738A JP2000164225A (ja) 1998-11-25 1998-11-25 固体高分子電解質型燃料電池のセパレータおよびその製造方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE19956721A1 true DE19956721A1 (de) 2000-05-31
DE19956721B4 DE19956721B4 (de) 2005-09-01

Family

ID=18280678

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE19956721A Expired - Fee Related DE19956721B4 (de) 1998-11-25 1999-11-25 Separator einer Protonenaustausch-Brennstoffzelle und Verfahren zu dessen Herstellung

Country Status (4)

Country Link
US (1) US6599651B1 (de)
JP (1) JP2000164225A (de)
DE (1) DE19956721B4 (de)
FR (1) FR2786319B1 (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7604885B2 (en) 2001-08-10 2009-10-20 Denso Corporation Fuel cell system with partial heating of each individual fuel cell
WO2009143929A1 (de) * 2008-05-30 2009-12-03 Elcomax Membranes Gmbh Brennstoffzellensystem

Families Citing this family (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020055031A1 (en) * 2000-11-09 2002-05-09 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Fuel cell
JP4977930B2 (ja) * 2001-04-12 2012-07-18 ソニー株式会社 燃料電池用のセパレータおよび燃料電池
DE10128999A1 (de) * 2001-06-15 2002-12-19 Sms Demag Ag Rollgangsrolle, insbesondere für den Transport von ofenwarmem, metallischem Bandmaterial, Gießsträngen aus Stahl u. dgl.
JP5403642B2 (ja) * 2003-11-07 2014-01-29 大同特殊鋼株式会社 耐食性導電部材
JP4896023B2 (ja) * 2004-08-23 2012-03-14 ジーエム・グローバル・テクノロジー・オペレーションズ・インコーポレーテッド 燃料電池の水管理を向上させる方法
JPWO2006137572A1 (ja) * 2005-06-21 2009-01-22 トヨタ自動車株式会社 セパレータ、セパレータの製造方法、およびセパレータ製造装置
ITVE20070056A1 (it) * 2007-08-06 2009-02-07 Sae Impianti S R L Piastra bipolare per celle a combustibile a membrana polimerica (pem).-
JP2010092613A (ja) * 2008-10-03 2010-04-22 South Gate:Kk 燃料電池用セパレータ及びその製造方法
DE102009037206B4 (de) * 2009-08-12 2019-09-19 Elringklinger Ag Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstack und Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstack
KR101200276B1 (ko) * 2010-08-09 2012-11-12 중앙대학교 산학협력단 연료전지 분리판의 가공방법 및 이 방법으로 제조된 연료전지 분리판
CA2815691C (en) 2010-11-30 2020-09-15 Bloom Energy Corporation Non-destructive testing methods for fuel cell interconnect manufacturing
US9784625B2 (en) * 2010-11-30 2017-10-10 Bloom Energy Corporation Flaw detection method and apparatus for fuel cell components
US9164064B2 (en) 2012-04-13 2015-10-20 Bloom Energy Corporation Flaw detection method and apparatus for fuel cell components
US9678501B2 (en) 2013-01-08 2017-06-13 Bloom Energy Corporation Serialization of fuel cell components
US9618458B2 (en) 2013-01-08 2017-04-11 Bloom Energy Corporation Optical measurement method and apparatus for fuel cell components
US9958406B1 (en) 2013-12-06 2018-05-01 Bloom Energy Corporation Method of measurement and estimation of the coefficient of thermal expansion in components
US9945815B2 (en) * 2014-07-10 2018-04-17 Bloom Energy Corporation Methods and systems for detecting defects in a fuel cell stack
WO2020027728A1 (en) * 2018-07-30 2020-02-06 National University Of Singapore Proton conductive two-dimensional amorphous carbon film for gas membrane and fuel cell applications

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2413928A (en) * 1944-10-14 1947-01-07 American Cyanamid Co Heat treatment for magnesium alloys
DE1067604B (de) * 1952-04-22 1959-10-22 Magnesium Elektron Ltd Magnesium-Zink-Zirkonium-Legierung
CA945602A (en) * 1968-02-12 1974-04-16 Gould Inc. Fine dispersion aluminum base bearing and method for making same
DE2133347A1 (de) * 1971-07-05 1973-01-25 Vaw Ver Aluminium Werke Ag Aluminium-werkstoff zur aufbringung einer kunststoffbeschichtung
DE2201460A1 (de) * 1972-01-13 1973-07-19 Erdmann Jesnitzer Friedrich Pr Magnesiumlegierungen mit hohem kriechwiderstand bei erhoehten temperaturen
GB1529305A (en) * 1974-11-15 1978-10-18 Alcan Res & Dev Method of producing metal alloy products
JPS6365048A (ja) * 1986-09-05 1988-03-23 Fujitsu Ltd マグネシウム焼結合金およびその製法
JPS63179039A (ja) * 1987-01-20 1988-07-23 Showa Alum Corp 表面平滑性に優れたシリンダ用アルミニウム合金
IT1222827B (it) * 1987-10-05 1990-09-12 Tva Holding Procedimento di colata di metallo fuso,in particolare di leghe di alluminio e leghe di magnesio e dispositivo per la sua esecuzione
DE3888166T2 (de) * 1988-05-10 1994-10-06 Geoffrey Allan Chadwick Magnesiumlegierung.
JP2841630B2 (ja) * 1990-02-14 1998-12-24 住友金属工業株式会社 マグネシウム合金鍛造ホイールの製造方法
WO1992015720A1 (en) * 1991-03-07 1992-09-17 Kb Alloys, Inc. Master alloy hardeners
IT1270878B (it) * 1993-04-30 1997-05-13 Permelec Spa Nora Migliorata cella elettrochimica utilizzante membrane a scambio ionico e piatti bipolari metallici
IT1284072B1 (it) * 1996-06-26 1998-05-08 De Nora Spa Cella elettrochimica a membrana provvista di elettrodi a diffusione gassosa contattati da portacorrente metallici lisci e porosi a
CA2278490C (en) * 1997-01-22 2008-10-14 Siemens Aktiengesellschaft Fuel cell and use of iron-based alloys in the construction of fuel cells
JPH10208759A (ja) * 1997-01-23 1998-08-07 Chubu Electric Power Co Inc 溶融炭酸塩型燃料電池用のセパレータ
US6146780A (en) * 1997-01-24 2000-11-14 Lynntech, Inc. Bipolar separator plates for electrochemical cell stacks
JPH10255823A (ja) * 1997-03-07 1998-09-25 Asahi Glass Co Ltd 固体高分子型燃料電池
US5912088A (en) * 1997-10-28 1999-06-15 Plug Power, L.L.C. Gradient isolator for flow field of fuel cell assembly
US6203936B1 (en) * 1999-03-03 2001-03-20 Lynntech Inc. Lightweight metal bipolar plates and methods for making the same

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7604885B2 (en) 2001-08-10 2009-10-20 Denso Corporation Fuel cell system with partial heating of each individual fuel cell
WO2009143929A1 (de) * 2008-05-30 2009-12-03 Elcomax Membranes Gmbh Brennstoffzellensystem

Also Published As

Publication number Publication date
FR2786319B1 (fr) 2005-04-08
JP2000164225A (ja) 2000-06-16
FR2786319A1 (fr) 2000-05-26
DE19956721B4 (de) 2005-09-01
US6599651B1 (en) 2003-07-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE19956721A1 (de) Separator einer Protonenaustausch-Brennstoffzelle und Verfahren zu dessen Herstellung
DE112004002166B4 (de) Separatoranordnung zur Verwendung in einem Stapel elektrochemischer Zellen und Verfahren zum Herstellen
DE112004002382B4 (de) Brennstoffzellen-Herstellungsverfahren und Brennstoffzelle
DE102004052029B4 (de) Brennstoffzelle und Verfahren zu ihrer Herstellung
DE60213271T2 (de) Separator für brennstoffzelle und verfahren zu dessen herstellung
DE10132841B4 (de) Trennplatte für Festpolymerbrennstoffzellen und Verfahren zu ihrer Herstellung und Verwendung der Trennplatte in Festpolymerbrennstoffzellen
DE112007001512T5 (de) Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzellen-Elektrolytmembran und Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Einheit
DE102015100697B4 (de) Brennstoffzellenkassette und Verfahren zur Herstellung derselben und Brennstoffzellenstapel
DE102009004196A1 (de) Verfahren zum Regenerieren eines Separators für eine Brennstoffzelle, regenerierter Separator für eine Brennstoffzelle und Brennstoffzelle
DE10007990A1 (de) Elektrode und Membran-Elektrode-Anordnung für elektrochemische Zellen
DE10196698B3 (de) Brennstoffzellenseparator, Herstellungsverfahren desselben, und den Separator verwendende Feststoffpolymerbrennstoffzelle
DE60303712T2 (de) Polymerelektrolytbrennstoffzelle und Produktionsmethode der Separatorplatte
DE102007013416B4 (de) Membranelektrodenanordnung zur Verwendung in einer Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzelle
DE10001170A1 (de) Gasdiffusionselektrode, Verfahren zu ihrer Herstellung und Brennstoffzelle, die eine solche Elektrode enthält
DE112006003038T5 (de) Wasserstofftrennmembran mit einem Träger, Brennstoffzelle und Wasserstofftrenngerät mit dieser und Verfahren zum Herstellen von dieser
DE102009056908A1 (de) Korrosionsbeständiger Film für einen Brennstoffzellenseparator und Brennstoffzellenseparator
EP0154772A1 (de) Bipolarplatte für einen aus mehreren elektrochemischen Zellen mit Feststoffelektrolyt aufgebauten stapelartigen Apparat und Verfahren zu deren Herstellung
DE112008002218T5 (de) Brennstoffeinzelzelle
DE102004053589A1 (de) Brennstoffzelle mit einer Stapelstruktur
DE102014226567A1 (de) Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte
DE112008003285B4 (de) Anschlussplatte für eine Brennstoffzelle, die Anschlussplatte enthaltende Brennstoffzelle
EP2732494B1 (de) Elektrochemische zelle
DE102004054503A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Membran-Elektroden-Einheiten
WO2022058260A1 (de) Verfahren zur herstellung einer katalysatorbeschichteten membran
DE102020100341A1 (de) Verfahren zur Herstellung eines Separators für eine Brennstoffzelle

Legal Events

Date Code Title Description
8110 Request for examination paragraph 44
8128 New person/name/address of the agent

Representative=s name: KRAMER - BARSKE - SCHMIDTCHEN, 81245 MUENCHEN

8364 No opposition during term of opposition
8339 Ceased/non-payment of the annual fee