DE60127337T2

DE60127337T2 - Brennstoffzellenseparator, Verfahren zur Herstellung und Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE60127337T2
Application number: DE60127337T
Authority: DE
Inventors: Hiromichi Toyota-shi Aichi-ken Nakata; Masayoshi Toyota-shi Aichi-ken Yokoi; Joji Toyota-shi Aichi-ken Yoshimura; Kenichi Aichi-gun Aichi-ken Suzuki; Fumio Aichi-gun Aichi-ken Nonoyama
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2000-04-19
Filing date: 2001-04-18
Publication date: 2007-11-29
Anticipated expiration: 2021-04-19
Also published as: DE60127337D1; JP3600503B2; US7422815B2; EP1148566A2; EP1148566A3; JP2001307747A; CA2344073A1; CA2344073C; US7052794B2; EP1148566B1; US20010033957A1; US20040197467A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenseparator, ein Herstellungsverfahren davon und eine Brennstoffzelle. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Brennstoffzellenseparator, der zwischen benachbarten einzelnen Zellen in einer Brennstoffzelle vorgesehen ist, welche eine Vielzahl von aufeinander gestapelten einzelnen Zellen aufweist, um einen Brennstoffgasströmungsweg oder einen oxidierten Gasströmungsweg zusammen mit einem benachbarten Element auszubilden und um das Brennstoffgas und das oxidierte Gas voneinander zu trennen, ein Herstellungsverfahren davon und die Brennstoffzelle.
Ein Brennstoffzellengasseparator ist ein Bauelement, das einen Brennstoffzellenstapel bildet, welcher eine Vielzahl von aufeinander gestapelten einzelnen Zellen aufweist. Der Brennstoffzellengasseparator weist eine ausreichende Gasundurchlässigkeit auf, um das Brennstoffgas und das oxidierte Gas, die jeder der benachbarten einzelnen Zellen zugeführt werden, davon abzuhalten, miteinander gemischt zu werden. In herkömmlicher Weise wurde ein solcher Brennstoffzellengasseparator hergestellt, indem ein Kohlenstoffmaterial oder Metallmaterial verwendet wird. Im allgemeinen weist ein Metallmaterial eine gute Stärke auf und macht es demgemäß möglich, einen dünneren Gasseparator im Vergleich zu dem Fall des Kohlenstoffmaterials herzustellen. Eine derart reduzierte Dicke des Gasseparators ermöglicht eine Reduktion der Gesamtgröße der Brennstoffzelle. Überdies kann ein Metallgasseparator durch ein einfaches Verfahren zum Pressen eines Metallblechs hergestellt werden. Folglich kann ein schneller, vereinfachter Herstellungsprozeß verwirklicht werden, was zu verbesserter Produktivität führt. Somit kann eine Zunahme der Herstellungskosten verhindert werden.
Ein zum Herstellen des Metallgasseparators verwendetes Metall kann in geeigneter Weise aus den Metallen ausgewählt werden, welche eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit, Stärke und Formbarkeit aufweisen. Insbesondere kann durch Verwendung eines Metalls, welches massenhaft verbreitet ist als ein Metallmaterial wie rostfreier Stahl und Aluminium, eine signifikante Reduktion der Herstellungskosten erzielt werden. Die Verwendung eines derartigen Metallmaterials erfordert normalerweise die Struktur zum Sicherstellen einer ausreichenden Korrosionsbeständigkeit in der Betriebsumgebung der Brennstoffzelle. Als die Struktur zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit des Gasseparators wurde die Struktur zum Beschichten der Oberfläche des Gasseparators mit Silber vorgeschlagen (z. B. das japanische offengelegte Patent, Veröffentlichung Nr. SHO 60-115173). Durch Beschichten der Oberfläche mit Silber kann die Korrosionsbeständigkeit des Metallgasseparators in signifikanter Weise verbessert werden.
Jedoch ist es in dem Fall, wo Abscheiden verwendet wird, um den Gasseparator mit einem Metall zu beschichten, welches eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit aufweist, schwierig, eine ausreichend kompakte Überzugsschicht auszubilden. Anders ausgedrückt, werden Poren in der Überzugsschicht gebildet. Folglich wird, auch wenn die Überzugsschicht an sich aus einem Edelmetall mit ausgezeichneter Korrosionsbeständigkeit gebildet wird, ein Substratabschnitt des Separators, der mit der Überzugsschicht bedeckt ist, durch die darin ausgebildeten Poren allmählich korrodiert, wobei die gesamte Korrosionsbeständigkeit des Gasseparators reduziert wird. Um die Korrosionseffekte durch die Poren in der Überzugsschicht aus reichend zu unterdrücken, ist es notwendig, die Überzugsschicht mit einer größeren Dicke auszubilden, was zu einer Zunahme der Menge des zu verwendenden Edelmetalls führt. Demgemäß ist die Verwendung eines derartigen Verfahrens nicht wünschenswert.
Die Druckschrift EP 0 955 686 A1 offenbart einen Separator für eine Brennstoffzelle, eine denselben inkorporierende Brennstoffzelle und ein Verfahren zur Herstellung desselben. Ein preiswerter und korrosionsbeständiger metallgefertigter Gasseparator beinhaltet eine Basis, welche gebildet wird, indem geformte rostfreie Stahlbasisplatten einander zugewandt zusammengefügt werden. Die Basis trägt an jeder der gegenüberliegenden Oberflächen davon eine durch Abscheiden bzw. Metallisieren mit Zinn gebildete erste Überzugsschicht. Die Basis ist ferner mit einer zweiten Überzugsschicht aus einem Wärmedehnungsgraphit beschichtet. Wenn er in eine Brennstoffzelle inkorporiert ist, kontaktiert der Separator Gasdiffusionselektroden, welche aus einem Kohlenstoffmaterial gebildet sind, das ähnlich wie das Kohlenstoffmaterial der zweiten Überzugsschicht ist, so daß der Übergangswiderstand reduziert ist. Die erste Überzugsschicht wird ausgebildet, nachdem eine passive Zustandsbeschichtung aus der rostfreien Stahloberfläche entfernt wurde, so daß eine Zunahme des Innenwiderstands des Separators, was durch die passive Zustandsbeschichtung hervorgerufen wird, im wesentlichen vermieden wird.
Ferner offenbart die Druckschrift WO00/03446 einen Separator für eine Brennstoffzelle und dessen Herstellung. Der Separator für eine Brennstoffzelle, welcher einen niedrigen Übergangs- bzw. Kontaktwiderstand für eine lange Betriebszeit in einer oxidierenden Dampfatmosphäre aufrechterhalten kann, ist vorgesehen, indem eine große Anzahl von Sn- oder Sn-Legierungsvorsprüngen auf der Oberfläche einer Separatorplatte ge genüberliegend zu den Elektroden ausgebildet wird. Vorzugsweise werden die Vorsprünge aus einer Sn-Bi-Legierung oder einer Sn-Bi-Legierung dotiert mit Ag ausgebildet. Der Separator wird hergestellt, indem geschmolzenes Metall aus Sn oder einer Sn-Legierung auf der Separatorplatte aufgebracht wird und ein Druckstempel mit einer großen Anzahl von kleinen Löchern gegen das geschmolzene Metall gepreßt wird, so daß das geschmolzene Metall in den durch die Platte und die kleinen Löchern definierten Raum gelangen kann.
Ein Brennstoffzellengasseparator, ein Herstellungsverfahren davon und eine Brennstoffzelle gemäß der Erfindung werden geschaffen, um die zuvor erwähnten Probleme zu lösen, und es ist ein Ziel der Erfindung, eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit in einem Metallgasseparator zu implementieren.
Die vorliegende Erfindung wird erzielt gemäß dem, was in den beigefügten unabhängigen Ansprüchen dargelegt ist. Vorteilhafte Modifikationen sind in den beigefügten abhängigen Ansprüchen definiert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellenseparator vorgesehen, der eine Metallüberzugsschicht beinhaltet, welche aus einem Metall gebildet ist, das einem Prozeß unterworfen ist, der Schmelzen und allmähliches Abkühlen involviert, und welche zumindest auf einem Teil einer Oberfläche eines Separatorbasismaterials ausgebildet ist, d. h. zumindest auf einem Bereich des Separators, welcher dem elektrischen Übergangswiderstand zwischen dem Separator und einem benachbarten Element der Brennstoffzelle zugeordnet ist, wenn der Separator mit dem benachbarten Element in Kontakt gebracht wird, wenn der Separator in die Brennstoffzelle integriert wird. Hierin wird die Metallüberzugsschicht aus einem vorbestimmten Metall, das sukzessive dem Schmelzen und all mählichen Abkühlen unterworfen wird, gebildet. Demgemäß kann die Anzahl von kleinen Defekten (Mikroabscheidungsdefekte wie unten beschrieben) innerhalb des die Metallüberzugsschicht bildenden Metalls reduziert werden im Vergleich zu dem Fall der Ausbildung der Metallüberzugsschicht aus einer normalen Metallisierungs- bzw. Abscheidungsschicht wie Elektrometallisieren bzw. galvanisches Abscheiden oder außenstromloses Metallisieren bzw. Abscheiden. Außerdem wird die Kristallkorngröße des die Metallüberzugsschicht bildenden Metalls vergrößert ebenso wie die Dichte von Korngrenzen, d. h. Grenzflächen zwischen den Kristallkörnern, reduziert wird. Dementsprechend kann der Fortschritt der Oxidation und Elution bzw. Herauslösung des Metalls von den Korngrenzen unterdrückt werden. Indem der Sauerstoff unterdrückt wird, kann eine Reduktion der Leitfähigkeit des Separator aufgrund von Oxidation unterdrückt werden, so daß eine Zunahme des Übergangswiderstands des Separators unterdrückt werden kann. Außerdem kann mit einer Reduktion der Korngrenzendichte ein Metall, das die Schicht, auf welcher die Metallüberzugsschicht ausgebildet ist, bildet (wie das Separatorbasismaterial), daran gehindert werden, durch die Korngrenzen der Metallüberzugsschicht aufgrund von Korrosion herausgelöst zu werden. Darin ist das allmähliche Abkühlen ein Prozeß, um das Abkühlen ausreichend sanft auszuführen. Beispielsweise ist eine Luftkühlung als das allmähliche Abkühlungsverfahren möglich. Mit einer derart ausreichend langsamen Abkühlung können die Kristallkörner, welche die Metallüberzugsschicht bilden, wirksam in der Größe vergrößert werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung weisen Kristallkörner des die Metallüberzugsschicht bildenden Metalls eine durchschnittliche Korngröße von 0.1 mm oder mehr auf.
In den Brennstoffzellenseparatoren gemäß der vorliegenden Erfindung und den Verfahren zur Herstellung des Brennstoffzel lenseparators gemäß der vorliegenden Erfindung muß die Metallüberzugsschicht nicht unmittelbar auf dem Separatorbasismaterial ausgebildet werden und eine unterschiedliche Metallschicht kann ferner zwischen der Metallüberzugsschicht und dem Separatorbasismaterial eingeklemmt werden.
Mit einer derartigen Struktur weisen die Metallkristallkörner, welche die Metallüberzugsschicht bilden, eine ausreichend große durchschnittliche Korngröße auf, so daß die Korngrenzendichte in der Metallüberzugsschicht ausreichend reduziert wird. Demgemäß können die zuvor erwähnten Effekte, welche von der erhöhten Kristallkorngröße herrühren (der Effekt der Unterdrückung der Oxidation und Elution aufgrund von Korrosion des Metalls, welches die Metallüberzugsschicht an sich bildet, und der Effekt zur Unterdrückung der Elution aufgrund von Korrosion der Metalle, welche die darunterliegenden Schichten der Metallüberzugsschicht bilden), in stärker ausreichendem Maße erzielt werden. Anzumerken ist, daß darin die durchschnittliche Korngröße beispielsweise durch eine Bildanalyse der Kristallkornbedingung erhalten werden kann. Noch spezifischer kann, falls die Kristallkörner nicht gleichmäßig bezüglich der Form sind, die durchschnittliche Korngröße erhalten werden, indem der Durchmesser einer Kugel erstellt wird, welche dasselbe Volumen aufweist (oder eines Kreises, welcher dieselbe Fläche aufweist) wie dasjenige von jedem Kristallkorn.
In den Brennstoffzellenseparatoren der vorliegenden Erfindung kann das vorbestimmte Metall, welches die Metallüberzugsschicht bildet, ein Metall mit einem niedrigeren Schmelzpunkt als jenem eines Materials des Separatorbasismaterials sein.
Anzumerken ist, daß durch Verwendung des Metalls mit einem niedrigeren Schmelzpunkt als jenem des Materials des Separa torbasismaterials die Metallüberzugsschicht auf dem Separatorbasismaterial ausgebildet werden kann, indem das Metall geschmolzen wird, ohne das Separatorbasismaterial zu schmelzen.
Anzumerken ist, daß in den Brennstoffzellenseparatoren gemäß der vorliegenden Erfindung ebenso wie in den Verfahren zur Herstellung des Brennstoffzellenseparators gemäß der vorliegenden Erfindung die Metallüberzugsschicht eine Vielzahl von elektrisch leitfähigen Partikeln beinhalten kann.
Mit einer derartigen Struktur kann eine erforderliche elektrische Leitfähigkeit durch die Partikel sichergestellt werden. Anders ausgedrückt, kann eine Zunahme des Übergangswiderstands des Separators, was von der Oxidation der Metallüberzugsschicht herrührt, in effektiver Weise unterdrückt werden. Es ist hierin wünschenswert, daß die Partikel eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit und elektrische Leitfähigkeit in der inneren Umgebung der Brennstoffzelle zurückbehalten, wenn die Brennstoffzelle mit dem Brennstoffzellenseparator zusammengebaut wird.
Außerdem kann in den Brennstoffzellenseparatoren gemäß der vorliegenden Erfindung ebenso wie in den Verfahren zur Herstellung des Brennstoffzellenseparators gemäß der vorliegenden Erfindung eine korrosionsbeständige Überzugsschicht aus einer korrosionsbeständigen, elektrisch leitfähigen Substanz auf einer Oberfläche der Metallüberzugsschicht ausgebildet werden.
Mit einer derart korrosionsbeständigen Überzugsschicht kann eine Oxidation des die Metallüberzugsschicht bildenden Metalls verhindert werden, wobei die erforderliche elektrische Leitfähigkeit sichergestellt werden kann. Anzumerken ist, daß diese korrosionsbeständige Überzugsschicht eine aus einem Edelmetall gebildete Edelmetallüberzugsschicht sein kann oder eine aus einer elektrisch leitfähigen Keramik mit hoher Korrosionsbeständigkeit gebildete Keramiküberzugsschicht.
In den Brennstoffzellenseparatoren gemäß der vorliegenden Erfindung ebenso wie in den Verfahren zur Herstellung des Brennstoffzellenseparators gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Kohlenstoffüberzugsschicht aus einem Kohlenstoffmaterial auf der Metallüberzugsschicht ausgebildet sein.
Mit einer derartigen Struktur kann ein Brennstoffzellenseparator mit weiter verbesserter Korrosionsbeständigkeit (Beständigkeit gegenüber Metalloxidation und Metallelution aufgrund von Korrosion) erzielt werden. Wie unten beschrieben wird, können die einzelnen Zellen, welche die Brennstoffzelle bilden, möglicherweise stark saure innere Bedingungen wie pH 2 aufweisen. Jedoch kann durch Ausbilden einer Brennstoffzelle mit den Separatoren der vorliegenden Erfindung oder den gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Separatoren, wie sie oben strukturiert sind, eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit auch in einer derart rauhen Umgebung verwirklicht werden.
Eine Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung beinhaltet eine Vielzahl von aufeinander gestapelten einzelnen Zellen und nimmt die Zufuhr von Wasserstoff aufweisendem Brennstoffgas und Sauerstoff aufweisendem oxidierten Gas auf, um die elektromotorische Kraft mittels elektrochemischer Reaktion zu erzielen. Die Brennstoffzelle der Erfindung beinhaltet ferner einen zwischen den benachbarten einzelnen Zellen vorgesehenen Separator, um eine Vielzahl von der Brennstoffzelle zugeführten Flüssigkeiten einschließlich des Brennstoffgases und des oxidierten Gases davon abzuhalten, außerhalb einer Grenze zwischen den einzelnen Zellen miteinander gemischt zu werden.
Eine derartige Brennstoffzelle beinhaltet den Brennstoffzellenseparator gemäß der Erfindung. Demgemäß kann der Korrosionsfortschritt des Separators ebenso wie eine Zunahme des Widerstands des Separators daran gehindert werden, während des Leistungserzeugungsbetriebs der Brennstoffzelle aufzutreten. Folglich kann eine ausreichende Performance bzw. Funktion für eine lange Zeitspanne zurückbehalten werden.
1 ist eine Darstellung, welche in schematischer Weise die Querschnittstruktur eines Separators 30 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
2 ist eine beispielhafte Querschnittansicht, welche die Struktur einer einzelnen Zelle 28 zeigt;
3 ist eine perspektivische Explosionsansicht, welche die Struktur der einzelnen Zelle 28 zeigt;
4 ist eine Perspektivansicht, welche das äußere Erscheinungsbild einer gestapelten Struktur 14 zeigt;
5 ist eine Darstellung, welche einen Herstellungsprozeß des Separators 30 zeigt;
6 ist eine Darstellung, welche in schematischer Weise die Struktur einer Kohlenstoffüberzugsschicht 66 zeigt;
7 zeigt den Herstellungsprozeß des Separators 30;
8 ist eine Darstellung, welche das Untersuchungsergebnis bezüglich der Zunahme des Übergangswiderstands von verschie denen Separatoren, bevor und nachdem sie einer vorbestimmten Behandlung unterworfen wurden, zeigt;
9 ist eine Darstellung, welche eine Modifikation des Herstellungsprozesses des Separators 30 zeigt;
10 ist eine Darstellung, welche die Struktur eines Separators 130 zeigt;
11 ist eine Darstellung, welche die Struktur eines Separators 230 zeigt;
12 ist eine Darstellung, welche das Auswertungsergebnis bezüglich des Leistungsvermögens eines Separators mit einer geschmolzenen Zinnschicht zeigt;
13 ist eine Darstellung, welche den Zustand zeigt, wo ein Korrosionsstrom gemessen wird; und
14 ist ein graphisches Schaubild, welches Ausführungsformen der Erfindung zusammenfaßt.
Nachstehend werden Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. 1 ist eine Darstellung, welche in schematischer Weise die Querschnittstruktur eines Separators 30 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt. Der Separator 30 gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung ist mit einem aus rostfreiem Strahl gebildeten Substratabschnitt 60, einer auf dem Substratabschnitt 60 gebildeten darunterliegenden Überzugsschicht 62 aus Nickel, einer auf der darunterliegenden Überzugsschicht 62 gebildeten Metallüberzugsschicht 64 aus einem Zinn enthaltenden niedrigschmelzenden Metall, und einer auf der Metallüberzugsschicht 64 gebildeten Kohlenstoffüberzugsschicht 66 aus einem Kohlenstoffmaterialien ent haltenden Bauelement versehen. Der Separator 30 dieser Ausführungsform ist dadurch charakterisiert, daß die Metallüberzugsschicht 64 aus einem niedrigschmelzenden Metall, das einem Schmelzprozeß unterworfen wurde, gebildet ist. Eine mit dem Separator 30 gebildete Brennstoffzelle wird zuerst erläutert werden, bevor eine ausführliche Beschreibung des Separators 30 abgegeben wird.
(1) Brennstoffzellenstruktur:
Die mit dem Separator 30 gebildete Brennstoffzelle gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung weist eine gestapelte Struktur aus einer Vielzahl von jeweils aufeinander gestapelten einzelnen Zellen (Komponenteneinheiten) auf. 2 ist eine schematische Querschnittansicht, welche die Struktur einer einzelnen Zelle 28 beispielhaft veranschaulicht, d.h. eine Komponenteneinheit der Brennstoffzelle. 3 ist eine perspektivische Explosionsansicht, welche die Struktur der einzelnen Zelle 28 zeigt. 4 ist eine Perspektivansicht, welche das äußere Erscheinungsbild der gestapelten Struktur 14 zeigt, welche die aufeinander gestapelten einzelnen Zellen 28 aufweist.
Die Brennstoffzelle dieser Ausführungsform ist eine Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle. Die Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle beinhaltet eine feste Polymermembran, welche eine ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit (ionische Leitfähigkeit) als eine Elektrolytschicht unter Naßbedingung aufweist. Eine derartige Brennstoffzelle empfängt eine Wasserstoff enthaltende Brennstoffgaszufuhr an ihrer Anode und empfängt ebenso eine Sauerstoff enthaltende oxidierte Gaszufuhr an ihrer Kathode, wobei die elektrochemische Reaktion herbeigeführt wird, wie sie durch die folgenden Formeln gegeben ist: H₂ → 2H⁺ + 2e^– (1) (1/2)O₂ + 2H⁺ + 2e^– → H₂O (2) H₂ + (1/2)O₂ → H₂O (3)
Formel (1) ist eine Reaktion an der Anode, Formel (2) ist eine Reaktion an der Kathode und die Reaktion, wie sie durch Formel (3) gegeben ist, schreitet in der gesamten Brennstoffzelle fort. Somit wandelt die Brennstoffzelle die chemische Energie des daran zugeführten Brennstoffs direkt in die elektrische Energie um. Die Brennstoffzelle ist als eine in hohem Maße energieeffiziente Vorrichtung bekannt. Wie in 2 dargestellt ist, ist die einzelne Zelle 28, d. h. eine Komponenteneinheit der Brennstoffzelle, zusammengesetzt aus einer Elektrolytmembran 21, einer Anode 22 und einer Kathode 23 sowie Separatoren 30a, 30b.
Die Anode 22 und die Kathode 23 sind Gasdiffusionselektroden, welche die Elektrolyt-Membran 21 dazwischen einklemmen, um eine Sandwichstruktur auszubilden. Die Separatoren 30a, 30b klemmen ferner die Sandwichstruktur dazwischen ein, um die Strömungswege des Brennstoffgases und oxidierten Gases zwischen dem jeweiligen Separator 30a, 30b und der Anode 22 und Kathode 23 auszubilden. Die Brennstoffgasströmungswege 24P sind zwischen der Anode 22 und dem Separator 30a ausgebildet und oxidierte Grasströmungswege 25P sind zwischen der Kathode 23 und dem Separator 30b ausgebildet. Die Brennstoffzelle wird tatsächlich mit einer vorbestimmten Anzahl von aufeinander gestapelten einzelnen Zellen 28 zusammengebaut, um die gestapelte Struktur 14 auszubilden.
In 2 sind Rippen zum Ausbilden der Gasströmungswege dargestellt, welche an lediglich einer Oberfläche von jedem Separator 30a, 30b auszubilden sind. In der tatsächlichen Brennstoffzelle weist jedoch jeder Separator 30a, 30b Rippen 54 und 55 an beiden Oberflächen auf, wie in 3 dargestellt ist. Die an einer Oberfläche von jedem Separator 30a, 30b ausgebildeten Rippen 54 bilden die Brennstoffgasströmungswege 24P zusammen mit der angrenzenden Anode 22 aus. Die an der anderen Oberfläche von jedem Separator 30a, 30b ausgebildeten Rippen 55 bilden die oxidierten Gasströmungswege 25P zusammen mit der in der einzelnen Zelle aufgenommenen benachbarten Kathode 23 aus. Dementsprechend dienen die Separatoren 30a, 30b nicht nur dazu, die Gasströmungswege zusammen mit den jeweiligen Gasdiffusionselektroden auszubilden, sondern die Brennstoffgasströmung von der oxidierten Gasströmung zwischen den angrenzenden einzelnen Zellen zu trennen. Somit sind in der tatsächlich zusammengebauten Brennstoffzelle die Separatoren 30a, 30b nicht voneinander unterschieden außer hinsichtlich ihrer Formen oder Funktionen. Demgemäß werden die Separatoren 30a, 30b nachfolgend kollektiv als Separator 30 bezeichnet.
Anzumerken ist, daß die an den Oberflächen jedes Separators ausgebildeten Rippen 54, 55 lediglich eine derartige Form aufweisen müssen, welche die Gasströmungswege bildet, um zu ermöglichen, daß das Brennstoffgas oder oxidierte Gas den jeweiligen Gasdiffusionselektroden zuzuführen ist. In dieser Ausführungsform sind eine Vielzahl von furchenartigen Strukturen, die sich parallel erstrecken, als die Rippen 54, 55 an den Oberflächen jedes Separators ausgebildet. In 2 sind die Brennstoffgasströmungswege 24P so dargestellt, daß sie sich parallel zu den oxidierten Gasströmungswegen 25P erstrecken, um die Struktur der einzelnen Zelle 28 schematisch darzustellen. Jedoch sind in den tatsächlich zum Zusammenfügen der Brennstoffzelle verwendeten Separatoren 30 die Rippen 54, 55 jeweils an beiden Oberflächen jedes Separators 30 derart ausgebildet, daß die Rippen 54 sich in der Richtung erstrecken, welche senkrecht zu jener der Rippen 55 verläuft.
Die Elektrolyt-Membran 21 ist eine aus einem festen Polymermaterial, z. B. Fluor-Kunstharz, gebildete protonen-leitende Ionenaustauschmembran und weist eine ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit unter Naßbedingung auf. Eine Nafion-Membran (hergestellt von DUPONT) wurde in dieser Ausführungsform verwendet. Platin oder eine Legierung aus Platin und einem anderen Metall wird als ein Katalysator an der Oberfläche der Elektrolyt-Membran aufgebracht.
Die Anode 22 und die Kathode 23 sind beide aus einem Kohlenstoffgewebe aus Kohlenstoff-Faserfaden gebildet. Anzumerken ist, daß in dieser Ausführungsform die Anode 22 und die Kathode 24 aus einem Kohlenstoffgewebe gebildet sind. Jedoch ist es ebenso bevorzugt, die Anode 22 und die Kathode 24 aus einem Kohlenstoffpapier oder aus Kohlenstoff-Faser gebildetem Kohlenstoff-Filz zu bilden.
Wie oben beschrieben wurde, weist der Separator 30 drei Überzugsschichten auf dem Metallsubstratabschnitt 60 auf. Der Separator 30 weist vier Lochstrukturen in seinem peripheren Abschnitt auf, d.h. Brennstoffgaslöcher 50, 51, um die die Brennstoffgasströmungswege 24P bildenden Rippen 54 miteinander zu verbinden, und oxidierte Gaslöcher 52, 53, um die die oxidierten Gasströmungswege 25P bildenden Rippen 55 miteinander zu verbinden. In der zusammengebauten Brennstoffzelle bilden die Brennstoffgaslöcher 50, 51 von jedem Separator 30 jeweils einen Brennstoffgaszufuhrverteiler und einen Brennstoffgasauslaßverteiler, welche sich intern durch die Brennstoffzelle in der Stapelungsrichtung erstrecken. In ähnlicher Weise bilden die oxidierten Gaslöcher 52, 53 von jedem Separator 30 jeweils einen oxidierten Gaszufuhrverteiler und einen oxidierten Gasauslaßverteiler, welche sich ebenso intern durch die Brennstoffzelle in der Stapelrichtung erstrecken.
Die mit den vorgenannten Bauelementen versehene Brennstoffzelle wird zusammengebaut, indem in sequentieller Weise der Separator 30, die Anode 22, die Elektrolyt-Membran 21, die Kathode 23 und der Separator 30 in dieser Reihenfolge geschichtet werden und indem Stromkollektorplatten 36, 37, Isolationsplatten 38, 39 und Endplatten 40, 41 an beiden Enden der resultierenden Laminierung bzw. Schichtung jeweils angeordnet werden, wobei die in 4 dargestellte gestapelte Struktur 14 vervollständigt wird. Die Stromkollektorplatten 36, 37 sind jeweils mit Ausgangsanschlüssen 36A, 37A versehen, die zur Ausgabe der in der Brennstoffzelle erzeugten elektromotorischen Kraft geeignet sind.
Die Endplatte 40 weist zwei Lochstrukturen auf, wie in 4 dargestellt ist, wobei eine ein Brennstoffgaszufuhrloch 42 ist und die andere ein oxidiertes Gaszufuhrloch 44 ist. Die Isolationsplatte 38 und die Stromkollektorplatte 36, welche an die Endplatte 40 angrenzen, weisen jeweils zwei ähnliche Lochstrukturen an den Positionen auf, welche den zwei Lochstrukturen der Endplatte 40 entsprechen. Das Brennstoffgaszufuhrloch 42 ist in der Mitte des Brennstoffgaslochs 50 des Separators 30 ausgebildet. Anzumerken ist, daß die Brennstoffzelle betrieben wird, wobei das Brennstoffgaszufuhrloch 42 mit einer nicht dargestellten Brennstoffzufuhrvorrichtung verbunden wird, so daß wasserstoffreiches Brennstoffgas in die Brennstoffzelle zugeführt wird. In ähnlicher Weise ist das oxidierte Gaszufuhrloch 44 an der Position ausgebildet, welche der Mitte des oxidierten Gaslochs 52 des Separators 30 entspricht. Die Brennstoffzelle wird betrieben, indem das oxidierte Gaszufuhrloch 44 mit einer nicht dargestellten oxidierten Gaszufuhrvorrichtung verbunden wird, so daß oxidier tes Gas, das Sauerstoff enthält, in die Brennstoffzelle zugeführt wird. Die Brennstoffgaszufuhrvorrichtung und oxidierte Gaszufuhrvorrichtung sind Vorrichtungen zum Zuführen des befeuchteten und unter Druck gesetzten jeweiligen Gases mit einer vorbestimmten Menge in die Brennstoffzelle.
Die Endplatte 41 weist zwei Lochstrukturen, d.h. ein Brennstoffgasauslaßloch und ein oxidiertes Gasauslaßloch (beide nicht dargestellt) an den Positionen auf, die von jenen der Endplatte 40 verschieden sind. Die Isolationsplatte 39 und die Stromkollektorplatte 37 weisen jeweils zwei Lochstrukturen an denselben Positionen wie jene der Endplatte 41 auf. Eine der Lochstrukturen der Endplatte 41, d.h. das Brennstoffgasauslaßloch, ist an der Position ausgebildet, welche der Mitte des Brennstoffgaslochs 51 des Separators 30 entspricht. Die andere Lochstruktur, d.h. das oxidierte Gasauslaßloch, ist an der Position ausgebildet, welche der Mitte des oxidierten Gaslochs 53 des Separators 30 entspricht. Die Brennstoffzelle wird betrieben, wobei eine nicht dargestellte Brennstoffgasauslaßvorrichtung mit dem Brennstoffgasauslaßloch verbunden wird und eine nicht dargestellte oxidierte Gasauslaßvorrichtung mit dem oxidierten Gasauslaßloch verbunden wird. Wie oben beschrieben wurde, sind die Brennstoffgasströmungswege 24P, welche als die Strömungswege innerhalb der einzelnen Zellen dienen, der Brennstoffgaszufuhrverteiler und der Brennstoffgasauslaßverteiler innerhalb der Brennstoffzelle ausgebildet. Diese Strömungswege kommunizieren miteinander innerhalb der Brennstoffzelle derart, daß das Brennstoffgas von dem Brennstoffgaszufuhrloch 42 zu dem Brennstoffgasauslaßloch strömen kann. Überdies sind, wie oben beschrieben wurde, die oxidierten Gasströmungswege 25P, welche als die Strömungswege innerhalb der einzelnen Zellen dienen, der oxidierte Gaszufuhrverteiler und der oxidierte Gasauslaßverteiler innerhalb der Brennstoffzelle ausgebildet. Diese Strö mungswege kommunizieren miteinander innerhalb der Brennstoffzelle derart, daß das oxidierte Gas von dem oxidierten Gaszufuhrloch 44 zu dem oxidierten Gasauslaßloch strömen kann.
Die aus den zuvor erwähnten Bauelementen gebildete gestapelte Struktur 14 wird mit einer in der Stapelrichtung ausgeübten vorbestimmten Preßkraft gehalten. Somit ist die Brennstoffzelle fertiggestellt. Die Struktur zum Pressen der gestapelten Struktur 14 ist hierin nicht dargestellt.
Nachstehend wird die jeweilige Strömung des Brennstoffgases und des oxidierten Gases innerhalb der Brennstoffzelle, welche die vorgenannte Struktur aufweist, beschrieben werden. Das Brennstoffgas wird von der vorgenannten vorbestimmten Brennstoffgaszufuhrvorrichtung in die Brennstoffzelle durch das in der Endplatte 40 ausgebildete Brennstoffgaszufuhrloch 42 eingeleitet. Innerhalb der Brennstoffzelle wird das Brennstoffgas in die Brennstoffgasströmungswege 24P von jeder einzelnen Zelle 28 durch den Brennstoffgaszufuhrverteiler zugeführt und wird für die an der Anode von jeder einzelnen Zelle 28 fortschreitende elektrochemische Reaktion vorgesehen. Das von den Brennstoffgasströmungswegen 24P abgegebene Brennstoffgas wird an dem Brennstoffgasauslaßverteiler gesammelt und erreicht das Brennstoffgasauslaßloch der Endplatte 41, von wo das Brennstoffgas an die Außenseite der Brennstoffzelle in die vorbestimmte Brennstoffgasauslaßvorrichtung abgegeben wird.
In ähnlicher Weise wird das oxidierte Gas von der vorgenannten vorbestimmten oxidierten Gaszufuhrvorrichtung in die Brennstoffzelle durch das in der Endplatte 40 ausgebildete oxidierte Gaszufuhrloch 44 eingeleitet. Innerhalb der Brennstoffzelle wird das oxidierte Gas den oxidierten Gasströmungswegen 25P von jeder einzelnen Zelle 28 durch den oxi dierten Gaszufuhrverteiler zugeführt und wird für die an der Kathode von jeder einzelnen Zelle 28 fortschreitende elektrochemische Reaktion vorgesehen. Das von den oxidierten Gasströmungswegen 25P abgegebene oxidierte Gas wird an dem oxidierten Gasausstoßverteiler gesammelt und erreicht das oxidierte Gasauslaßloch der Endplatte 41, von wo das oxidierte Gas in die vorbestimmte oxidierte Gasauslaßvorrichtung abgegeben wird.
(2) Struktur des Separators 30:
Nachstehend wird die Struktur des in der Brennstoffzelle vorgesehenen Separators 30 beschrieben werden. Wie oben beschrieben wurde, ist der Separator 30 aus dem Substratabschnitt 60, der darunterliegenden Überzugsschicht 62, der Metallüberzugsschicht 64 und der Kohlenstoffüberzugsschicht 66 zusammengesetzt. 5 ist eine Darstellung, welche den Herstellungsprozeß des Separators 30 zeigt.
Beim Herstellen des Separators 30 wird zuerst ein dünnes rostfreies Stahlblech mechanisch gepreßt, um den Substratabschnitt 60, der eine vorbestimmte konkav-konvexe Form an seinen beiden Oberflächen aufweist, auszubilden (Schritt S100). Die konkav-konvexe Form, die an beiden Oberflächen des Separators 30 durch das Pressen ausgebildet wird, ist eine derartige Form, daß sie die vorgenannten Brennstoffgasströmungswege 24P und oxidierten Gasströmungswege 25P in der Brennstoffzelle, welche die Separatoren 30 darin integriert, ausbilden kann. Ein gedehnt-geformtes oder geknicktes rostfreies Stahlblech, ein halb-geschnittenes rostfreies Stahlblech (d.h. ein teilweise gestanztes rostfreies Stahlblech) oder dergleichen kann als der Substratabschnitt 60 verwendet werden, der aus einem rostfreien Stahlblech gebildet ist, das mechanisch in die vorbestimmte konkav-konvexe Form in dem Schritt S100 gepreßt wird.
Dann wird der in Schritt S100 erhaltene Substratabschnitt 60 einer Oberflächenbehandlung unterworfen, um eine passive Zustandsschicht, die an der Oberfläche des den Substratabschnitt 60 bildenden rostfreien Stahls ausgebildet ist, zu entfernen und die darunterliegende Überzugsschicht 62 auf dem Substratabschnitt 60, welcher die davon entfernte passive Zustandsschicht aufweist, auszubilden (Schritt S110). Rostfreier Stahl weist eine nichtleitende passive Zustandsschicht an seiner Oberfläche auf. Die darunterliegende Überzugsschicht 62 wird somit ausgebildet, nachdem die passive Zustandsschicht entfernt wurde, um eine Reduktion der elektrischen Leitfähigkeit des Separators 30 zu verhindern (d.h. eine Zunahme des Übergangswiderstands mit der Metallüberzugsschicht 64, die ferner auf dem Substratabschnitt 60 ausgebildet ist) aufgrund einer derart passiven Zustandsschicht, die an der rostfreien Stahloberfläche ausgebildet ist. Die darunterliegende Überzugsschicht 62 wurde aus Nickel in dieser Ausführungsform gebildet. Jedoch kann die darunterliegende Überzugsschicht 62 aus jedem Metall gebildet werden, solange wie das Metall auf dem Substratabschnitt 60 ausgebildet werden kann und einen Schmelzpunkt aufweist, welcher ausreichend höher ist als jener des Metalls, das die Metallüberzugsschicht 64 bildet, wie unten beschrieben wurde. Beispielsweise kann ein Metall mit einer kleineren Ionisierungsneigung wie Kupfer verwendet werden. Anzumerken ist, daß die darunterliegende Überzugsschicht 62 entweder durch Elektroplattieren bzw. galvanisches Abscheiden oder außenstromloses Abscheiden gebildet werden kann. In dieser Ausführungsform wurde die darunterliegende Überzugsschicht 62 mit einer Dicke von 10 μm ausgebildet.
Nach Ausbilden der darunterliegenden Überzugsschicht 62 wird eine Legierungs-Abscheidungsschicht aus Zinn und Wismut auf der Oberfläche davon ausgebildet (Schritt S120). Diese Legierungs-Abscheidungsschicht kann ebenso leicht durch ein Verfahren wie Elektroplattieren bzw. galvanisches Abscheiden oder außenstromloses Plattieren bzw. Abscheiden ausgebildet werden und sie wurde durch Elektroplattieren in dieser Ausführungsform ausgebildet. In dieser Ausführungsform wurde diese Abscheidungsschicht mit einer Dicke von 10 μm ausgebildet.
Dann wird die Abscheidungsschicht, die auf dem Substratabschnitt 60 ausgebildet ist, welcher die darunterliegende Überzugsschicht 62 darauf aufweist, einem Schmelzprozeß unterworfen (Schritt S130). Die Legierung aus Zinn und Wismut, welche die Abscheidungsschicht bildet, ist ein niedrigschmelzendes Metall. Durch Erwärmen auf eine geeignete Temperatur kann lediglich das Metall, das die Abscheidungsschicht bildet, geschmolzen werden, ohne die darunterliegende Überzugsschicht 62 und den Substratabschnitt 60 zu beeinflussen. Der Schmelzpunkt von Zinn ist 230°C und der Schmelzpunkt der Legierung verändert sich in Abhängigkeit von dem Verhältnis aus Zinn und Wismut in der Legierung. Die Erwärmung muß lediglich bei einer derartigen Temperatur ausgeführt werden, welche in ausreichendem Maße das die Abscheidungsschicht bildende niedrigschmelzende Metall verflüssigt.
In dem Schmelzprozeß von Schritt S130 wird, nachdem das die Abscheidungsschicht bildende niedrigschmelzende Metall geschmolzen ist, das geschmolzene Metall gekühlt. In dieser Ausführungsform wurde das geschmolzene Metall luftgekühlt. Noch spezifischer wurde der Substratabschnitt 60, welcher die durch Erwärmung geschmolzene Abscheidungsschicht aufweist, in der Luft belassen, um bei Raumtemperatur langsam abgekühlt zu werden. Das geschmolzene Metall wird verfestigt, um Kristallkörner zu bilden. Eine derart langsame Abkühlung (allmähliches Abkühlen) ermöglicht es der aus Verfestigung des geschmolzenen Metalls resultierenden Metallüberzugsschicht größere Metallkristallkörner aufzuweisen. In dieser Ausführungsform wurde eine Luftkühlung ausgeführt, um eine durchschnittliche Korngröße von 0.1 mm oder mehr zu erzielen. Die Luftkühlung wird hierin beschrieben als das langsame Abkühlungsallmähliches Abkühlungs-) Verfahren. Jedoch kann jedes Verfahren verwendet werden, solange wie die Kristallkörner in ausreichendem Maße aufgewachsen werden können. Eine ausreichend langsame Abkühlung würde es zulassen, daß die Kristallkörner mit einer durchschnittlichen Korngröße von 1 mm oder mehr aufgewachsen werden. Mit einem derartigen Schmelzprozeß einschließlich sowohl der Erwärmung als auch der Abkühlung wird die in Schritt 120 ausgebildete Legierungsabscheidungsschicht aus Zinn und Wismut in die Metallüberzugsschicht 64, welche große Kristallkörner aufweist, umgewandelt.
Anzumerken ist, daß dieser Schmelzprozeß in gewünschter Weise unter der Atmosphäre ausgeführt wird, welche geeignet ist, eine Oxidation in ausreichendem Maße zu verhindern. Ein Beispiel eines herkömmlichen Verfahrens ist wie folgt: Die Abscheidungsschicht wird in Öl eingetaucht und geschmolzen bei einer Temperatur, welche geeignet ist, die Abscheidungsschicht zu schmelzen, und wird danach aus dem Öl entfernt und luftgekühlt, um das geschmolzene Metall zu verfestigen. Das Öl, wie es hierin verwendet wird, ist ein solches Öl, das weniger wahrscheinlich bei der vorgenannten Temperatur, die zum Abschmelzen der Abscheidungsschicht geeignet ist, zersetzt wird. Beispielsweise kann ein Lötöl für Lötmittel benutzt werden.
Nach Ausbilden der Metallüberzugsschicht 64 wird die aus einem Kohlenstoffmaterialien enthaltenden Element gebildete Kohlenstoffüberzugsschicht 66 ferner auf der Oberfläche davon ausgebildet (Schritt S140). Somit wird der Separator 30 vervollständigt. Die Kohlenstoffüberzugsschicht 66 enthält Graphitpartikel und Carbon Black bzw. Ruß als die Kohlenstoffmaterialien, und wird aus Kohlenstoffmaterialien gebildet, die mit einem Binder gemischt sind. Beispiele des Graphits, wie er hierin verwendet wird, beinhalten künstlichen Graphit, kristallinen Graphit, Flockengraphit, erdigen Graphit und dergleichen. Beispiele des Carbon Black bzw. Ruß, wie er hierin verwendet wird, beinhalten Kanalruß bzw. Rußschwarz, Ofenruß, Azetylenruß, Ketjenruß und dergleichen. Beispielsweise kann ein Kunstharz-basiertes Material oder Kautschukbasiertes Material, das in der inneren Umgebung der Brennstoffzelle (unter sauren Bedingungen oder bei einer vorbestimmten hohen Temperatur) stabil genug ist, als der Binder verwendet werden. Beispiele des Kunstharz-basierten Materials umfassen Fluor-Kunstharz, Acrylharz, Polyester-Harz, Urethan-Harz, Phenol-Harz, Phenol-Epoxid-Harz und dergleichen. Beispiele des Kautschuk-basierten Materials umfassen Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Isobutyl-Isopren-Kautschuk (IIR), Ethylen-Propylen-Kautschuk (EPDM), Fluor-Kautschuk, Nitrilkautschuk (NBR), Chlorpropylen-Kautschuk (CR) und dergleichen. Eines von diesen Kunstharz-basierten Materialien und Kautschuk-basierten Materialien oder eine Kombination aus einer Vielzahl von diesen Kunstharz-basierten Materialien und Kautschuk-basierten Materialien kann als der Binder verwendet werden. Die Kohlenstoffüberzugsschicht 66 kann ausgebildet werden, indem der Substratabschnitt 60, der die darunterliegende Überzugsschicht 62 und die darauf ausgebildete Metallüberzugsschicht 64 aufweist, in die Mischung aus den Kohlenstoffmaterialien und dem geschmolzenen Binder eingetaucht wird oder indem diese Mischung auf die Metallüberzugsschicht 64 aufgesprüht wird. Alternativ kann die Mischung durch eine Streichströmungsbeschichtung aufgebracht werden. Anzumerken ist, daß in dieser Ausführungsform die Kohlenstoffüberzugsschicht 66 mit einer Dicke von 40 μm ausgebildet wurde.
Anzumerken ist, daß in der vorangegangenen Beschreibung der Substratabschnitt 60 preßgeformt ist, um eine konkav-konvexe Form zur Ausbildung von Brennstoffgasströmungswegen 24P und oxidierten Gasströmungswegen 25P an den jeweiligen Oberflächen davon aufzuweisen. Jedoch kann der Substratabschnitt 60 eine andere Struktur aufweisen. Beispielsweise kann der Substratabschnitt 60 alternativ aus zwei aufeinander geschichteten dünnen Platten gebildet werden, wobei eine der dünnen Platten eine konkav-konvexe Form zur Ausbildung der Brennstoffgasströmungswege 24P auf ihrer einen Oberfläche aufweist und die andere eine konkav-konvexe Form zur Ausbildung der oxidierten Gasströmungswege 25P auf deren einen Oberfläche aufweist.
Gemäß dem Separator 30, der so strukturiert ist, bedeckt die Metallüberzugsschicht 64, die aus dem dem Schmelzprozeß unterworfenen niedrigschmelzenden Metall gebildet ist, den rostfreien Stahl-Substratabschnitt 60 und die Kohlenstoffüberzugsschicht 66, welche Kohlenstoffmaterialien enthält, ist ferner auf der Oberfläche davon ausgebildet. Folglich kann ein in hohem Maße korrosionsbeständiger, in hohem Maße leitfähiger Brennstoffzellenseparator erzielt werden. Überdies kann mit einem derartigen Separator 30 eine in hohem Maße haltbare Brennstoffzelle mit ausreichender Zellen-Performance erzielt werden.
Wie unten beschrieben wird, weist die Brennstoffzelle eine stark saure innere Umgebung während ihres Leistungserzeugungsbetriebs auf. In einer derartigen Umgebung können, auch wenn eine Überzugsschicht, welche Kohlenstoffmaterialien wie die Kohlenstoffüberzugsschicht 66 des Separators 30 dieser Ausführungsform enthält, auf der Oberfläche des Separators ausgebildet ist, um die damit bedeckten inneren Metallschichten zu schützen, die Metallschichten unter der Überzugsschicht (in dieser Ausführungsform die Metallüberzugsschicht 64, die darunterliegende Überzugsschicht 62 und der Substratabschnitt 60) möglicherweise einer allmählichen Korrosion unterworfen sein (einschließlich sowohl der Elution von ionisiertem Metall als auch der Ausbildung einer passiven Zustandsschicht als Folge von Oxidation des Metalls aufgrund von Korrosion).
Falls das ionisierte Metall durch Korrosion auch in einer geringen Menge eluiert bzw. herausgelöst wird, werden die Metallionen in eine feste Polymer-Elektrolyt-Membran eingeführt. Folglich werden die Metallionen zu den in der Elektrolyt-Membran beinhalteten Ionenaustauschgruppen (Sulfonate) angezogen, wobei die Protonenleitfähigkeit der festen Polymer-Elektrolyt-Membran verschlechtert wird. Dies ist nicht erwünscht zur Aufrechterhaltung der Performance der Brennstoffzelle. Überdies verursacht, da im allgemeinen die passive Zustandsschicht nicht elektrisch leitfähig ist oder nicht genug elektrisch leitfähig ist, die Ausbildung einer derart passiven Zustandsschicht eine Reduktion der elektrischen Leitfähigkeit des Separators (Zunahme des Übergangswiderstands).
In dem Separator 30 dieser Ausführungsform wird die Metallüberzugsschicht 64 unter der Kohlenstoffüberzugsschicht 66 aus dem dem Schmelzprozeß unterworfenen niedrigschmelzenden Metall gebildet. Folglich kann die Korrosion der Metallüberzugsschicht 64 an sich ebenso wie der darunterliegenden Überzugsschicht 62 und des darunter befindlichen Substratab schnitts 60 ausreichend unterdrückt werden. Überdies wird in dieser Ausführungsform eine Legierung aus Zinn und Wismut eher als nur Zinn verwendet als das niedrigschmelzende Metall der Metallüberzugsschicht 64. Demgemäß kann die Korrosionsbeständigkeit (Beständigkeit gegenüber Elution und Oxidation) verbessert werden. Die Beziehung zwischen der dem Schmelzprozeß unterworfenen Metallüberzugsschicht 64 und der Korrosionsbeständigkeit wird in weiteren Einzelheiten unten beschrieben werden.
Funktionen der Kohlenstoffüberzugsschicht 66 werden nunmehr in spezifischer Weise beschrieben werden. Wie oben beschrieben wurde, ist die Kohlenstoffüberzugsschicht 66 aus den mit dem Binder gebundenen Kohlenstoffmaterialien gebildet und verhindert, daß die Oberfläche der Metallüberzugsschicht 64 direkt der inneren Umgebung der Brennstoffzelle ausgesetzt wird. Noch spezifischer tendiert die innere Umgebung der Brennstoffzelle dazu, allmählich stark sauer während ihres Leistungserzeugungsbetriebs zu werden. Jedoch erzeugt die auf der Metallüberzugsschicht 64 vorgesehene Kohlenstoffüberzugsschicht 66 einen ausreichenden Protonenkonzentrationsgradienten zwischen der Oberfläche der Metallüberzugsschicht 64 und der Oberfläche des Separators 30 (die Oberfläche der Kohlenstoffüberzugsschicht 66). Demgemäß wird, auch wenn die Umgebung, welche den Separator 30 umgibt, pH 2 wird, die Oberfläche der mit der Kohlenstoffüberzugsschicht 66 bedeckten Metallüberzugsschicht 64 einer viel weniger sauren Umgebung unterworfen (pH näher bei Neutral). Dementsprechend kann die Korrosionsbeständigkeit in noch stärker ausreichendem Maße sichergestellt werden.
Die innere Umgebung der Brennstoffzelle wird als angesäuert hauptsächlich aufgrund der folgenden zwei Faktoren angesehen: In der Brennstoffzelle (z.B. Polymer-Elektrolyt-Brennstoff zelle) ist eine Katalysatorschicht einschließlich Platin, einer Platinlegierung oder dergleichen auf der Oberfläche der Elektrolyt-Membran vorgesehen. Diese Katalysatorschicht enthält normalerweise ein residuäres Sulfat oder dergleichen aus Platin, das als ein Material zum Ausbilden der Katalysatorschicht verwendet wird. Dementsprechend wird, wenn die Brennstoffzelle gestartet wird, das residuäre Platinsalz in dem Wasser, das in den Gasströmungswegen in der Brennstoffzelle erzeugt wird, eluiert bzw. herausgelöst, wobei die innere Umgebung der Brennstoffzelle sauer wird. Überdies umfaßt das in der Polymer-Elektrolytbrennstoffzelle vorgesehene feste Polymer-Elektrolytmembran Sulfonate als eine funktionale Gruppe zur Verwirklichung der Protonenleitfähigkeit. Diese feste Polymer-Elektrolytmembran wird allmählich nach und nach an den Abschnitten der Sulfonate während des Leistungserzeugungsbetriebs der Brennstoffzelle zersetzt, wobei Schwefelsäure erzeugt wird. Somit wird die innere Umgebung der Brennstoffzelle sauer gemacht. Es wird ausgesagt, daß eine derartige Platinsalz-Elution und Sulfonat-Zersetzung die innere Umgebung der Brennstoffzelle bei ungefähr pH2 sauer macht.
Anzumerken ist, daß die Kohlenstoffmaterialien, welche die Kohlenstoffüberzugsschicht 66 bilden, eine Eigenschaft aufweisen, die bewirkt, daß eine geringe Menge von Wasser allmählich darin eindringt. Überdies kann eine geringe Menge von Wasser ebenso allmählich durch die Grenzschicht zwischen dem Binder und den Kohlenstoffmaterialien eindringen. Demgemäß kann eine derart allmählich eindringende geringe Menge Wasser möglicherweise die darunterliegende Schicht während der Langzeitverwendung der Brennstoffzelle, welche die Separatoren integriert, korrodieren. In dem Separator 30 dieser Ausführungsform wird jedoch die darunterliegende Metallüberzugsschicht 64 von dem dem Schmelzprozeß unterworfenen Metall mit niedrigem Schmelzpunkt gebildet, wie oben beschrieben wurde.
Demgemäß kann eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit in der Metallüberzugsschicht 64 sichergestellt werden und ebenso kann eine Korrosion der Schichten unter der Metallüberzugsschicht 64 ausreichend unterdrückt werden. Die aus den Kohlenstoffmaterialien und dem Binder gebildete Kohlenstoffüberzugsschicht 66 weist ebenso eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit auf. Demgemäß weist der Separator 30 eine hohe Korrosionsbeständigkeit als Ganzes auf, wobei eine ausreichend haltbare Brennstoffzelle erzielt werden kann, indem der Separator 30 verwendet wird.
Anzumerken ist, daß zusätzlich zu dem zuvor erwähnten Effekt der ausreichenden Unterdrückung des Korrosionsfortschritts der Metallüberzugsschicht 64 die Kohlenstoffüberzugsschicht 66, welche die Kohlenstoffmaterialien enthält, einen Effekt aufweist, der verhindert, daß, auch wenn eine geringfügige Menge von Metallionen durch die Oberfläche der Metallüberzugsschicht 64 von den inneren Schichten einschließlich der Metallüberzugsschicht 64 aufgrund von Korrosion im Verlauf des Langzeit-Leistungserzeugungsbetriebs der Brennstoffzelle eluiert bzw. herausgelöst wird, die eluierten Metallionen an die Außenseite des Separators durch die Kohlenstoffüberzugsschicht 66 abgegeben werden. Somit kann durch Ausbilden der Metallüberzugsschicht 64 aus dem dem Schmelzprozeß unterworfenen Metall mit niedrigem Schmelzpunkt und ferner durch Ausbilden der Kohlenstoffüberzugsschicht 66, welche die Kohlenstoffmaterialien enthält, über der Metallüberzugsschicht 64 der Korrosionsfortschritt des Separators (ein Metallabschnitt, der den Separator bildet) unterdrückt werden ebenso wie die durch eine geringfügige Menge von Metallionen verursachten Probleme unterdrückt werden können. Folglich kann eine in hohem Maße haltbare Brennstoffzelle mit einem derartigen Separator 30 erzielt werden.
Überdies wird gemäß dem Separator 30 dieser Ausführungsform ein Edelmetall nicht verwendet, um die Korrosionsbeständigkeit und die elektrische Leitfähigkeit des Separators sicherzustellen. Demgemäß können die Herstellungskosten des Separators gedrückt werden. Dementsprechend kann ein übermäßiger Anstieg der Gesamtkosten der Brennstoffzelle unter Verwendung eines derartigen Separators unterdrückt werden.
Durch Ausbilden des Separators ohne Verwendung irgendeines Edelmetalls kann der Effekt der Unterdrückung des Korrosionsfortschritts in den unteren Schichten wie in dem Substratabschnitt des Separators weiter verbessert werden. In dem Fall, wo Metalle mit verschiedenen Ionisierungsneigungen mit einer Potentialdifferenz dazwischen vorhanden sind, wird eine Zelle zwischen diesen Metallen gebildet. Folglich wird das Metall, welches eine größere Ionisierungsneigung aufweist, in einem größeren Ausmaß korrodiert. In dem Fall, wo die Überzugsschicht des Metalls mit niedrigem Schmelzpunkt, welches ein Basismetall ist (Metallüberzugsschicht 64), auf dem Substratabschnitt wie in dieser Ausführungsform ausgebildet ist, wird die Differenz in der Ionisierungsneigung zwischen dem Substratabschnitt und der Überzugsschicht reduziert im Vergleich zu dem Fall, wo eine Edelmetallüberzugsschicht auf dem Substratabschnitt ausgebildet wird. Dementsprechend kann der vorgenannte Nachteil, der aus der Differenz in der Ionisierungsneigung herrührt, unterdrückt werden.
Außerdem wird in dem Separator 30 dieser Ausführungsform die darunterliegende Überzugsschicht 62 zwischen der Metallüberzugsschicht 64 und dem Substratabschnitt 60 ausgebildet. Demgemäß kann der Effekt zur Unterdrückung einer Elution des Metalls, das den Substratabschnitt 60 bildet, aufgrund von Korrosion weiter verbessert werden. Normalerweise weist eine durch Plattieren bzw. Abscheiden gebildete Abscheidungs schicht Nadellöcher (kleine Löcher) (nachstehend als Mikroabscheidungsdefekte bzw. Mikroplattierungsdefekte bezeichnet) auf. Eine unter der Abscheidungsschicht befindliche Schicht kann möglicherweise einer Korrosion durch diese Mikroabscheidungsdefekte unterworfen sein. In dieser Ausführungsform ist das Metall mit niedrigem Schmelzpunkt dem Schmelzprozeß unterworfen, um die Anzahl von Mikroabscheidungsdefekten in der Metallüberzugsschicht 64 zu reduzieren, wie unten beschrieben ist. Zusätzlich ist die darunterliegende Überzugsschicht 62 unter der Metallüberzugsschicht 64 ausgebildet, um den Effekt des Schutzes des Substratabschnitts 60 zu verbessern ebenso wie eine ausreichende Gesamtkorrosionsbeständigkeit des Separators 30 sicherzustellen. Es sollte gewürdigt werden, daß, falls der Substratabschnitt 60 durch die Kohlenstoffüberzugsschicht 66 und die Metallüberzugsschicht 64 genügend geschützt werden kann, die darunterliegende Überzugsschicht 62 eliminiert werden kann, so daß die Abscheidungsschicht aus der Zinn-Wismut-Legierung direkt auf dem Substratabschnitt 60 ausgebildet werden kann.
In dem Separator 30 dieser Ausführungsform wird der Substratabschnitt 60 aus rostfreiem Stall gebildet. Jedoch kann der Substratabschnitts 60 alternativ aus einem anderen Metall mit ausgezeichneter elektrischer Leitfähigkeit und Formbarkeit wie Aluminium oder Titan gebildet werden.
6 ist eine Darstellung, welche schematisch die Struktur der Kohlenstoffüberzugsschicht 66 zeigt, welche die Kohlenstoffmaterialien enthält. Wie in 6 dargestellt ist, ist die Kohlenstoffüberzugsschicht 66 aus Graphitpartikeln gebildet, welche Carbon-Black- bzw. Ruß-Partikel von kleinerer Größe dazwischen aufweisen. Eine ausreichende elektrische Gesamtleitfähigkeit der Kohlenstoffüberzugsschicht 66 wird durch die Kohlenstoffmaterialien sichergestellt, die mitein ander verbunden und aufeinander gestapelt sind über die Dickenrichtung der Kohlenstoffüberzugsschicht 66. Der Binder zum Binden der Kohlenstoffmaterialien ist in hohem Maße korrosionsbeständig und füllt den Raum zwischen den Kohlenstoffmaterialpartikeln aus, um das Wasser davon abzuhalten, durch den Raum zwischen den Kohlenstoffpartikeln einzudringen. Somit kann mit einer ausreichenden Menge an Binder die Wassermenge, welche die Metallüberzugsschicht 64 erreicht, ausreichend reduziert werden, wobei die gesamte Korrosionsbeständigkeit des Separators 30 verbessert werden kann. Dementsprechend können die jeweiligen Mengen an Kohlenstoffmaterialien und Binder, die in der Kohlenstoffüberzugsschicht 66 enthalten sind, in geeigneter Weise ausgewählt werden innerhalb des Bereichs, der geeignet ist, eine ausreichende elektrische Gesamtleitfähigkeit der Kohlenstoffüberzugsschicht 66 sicherzustellen.
Anzumerken ist, daß in dem Separator 30 eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit lediglich in einem Bereich sichergestellt werden muß, welcher mit einem angrenzenden Element innerhalb der Brennstoffzelle in Kontakt ist. Dementsprechend muß die Kohlenstoffüberzugsschicht 66 lediglich eine ausreichende Menge von Kohlenstoffmaterialien zumindest in dem Bereich aufweisen, welcher mit dem angrenzenden Element in Kontakt ist, und weist nicht notwendigerweise eine ausreichende Menge von Kohlenstoffmaterialien in den anderen Bereichen auf. In einem Bereich, welcher nicht der elektrischen Leitfähigkeit des Separators zugeordnet ist, muß lediglich eine ausreichende Menge von Binder vorgesehen werden, wobei die darunterliegende Metallschicht geschützt werden kann ebenso wie eine Korrosion davon unterdrückt werden kann. Die Kohlenstoffüberzugsschicht 66, welche die Kohlenstoffmaterialien enthält, kann ausgebildet werden, ohne den Binder zu verwenden, soweit deren Fähigkeit, die darunterliegende Schicht vor der Umgebung außerhalb des Separators abzuschirmen und zu schützen, ausreichend sichergestellt werden kann. Beispielsweise ist ein Wärmedehnungsgraphit ein wohlbekanntes Kohlenstoffmaterial, das eine Schichtstruktur aufweist, und kann lediglich durch Pressen miteinander verbunden werden, ohne den Binder zu verwenden. Vorausgesetzt, daß die durch die gepreßte Wärmedehnungsgraphit-Schicht eindringende Wassermenge innerhalb des zulässigen Bereichs ist, kann die Kohlenstoffüberzugsschicht 66 aus dem ohne Verwendung des Binders gepreßten Wärmedehnungsgraphit gebildet werden.
(3) Struktur der Metallüberzugsschicht 64:
Nachstehend wird der Effekt der Durchführung des Schmelzprozesses bezüglich des Metalls mit niedrigem Schmelzpunkt wie der Metallüberzugsschicht 64 dieser Ausführungsform beschrieben werden. Diese Ausführungsform ist dadurch charakterisiert, daß das niedrigschmelzende Metall dem Schmelzprozeß unterworfen wird, um den Zustand der Metallkristallkörner in der niedrigschmelzenden Metallschicht und den Zustand der Korngrenzen zwischen den Kristallkörnern zu ändern. Das niedrigschmelzende Metall ist ein Metall, das einen niedrigeren Schmelzpunkt als die anderen Metalle aufweist, und bezieht sich im allgemeinen auf ein Metall, das einen Schmelzpunkt von 500°C oder weniger aufweist. Beispiele eines derartigen Metalls mit niedrigem Schmelzpunkt umfassen Zink (Zn; Schmelzpunkt: 419.5°C), Blei (Pb; Schmelzpunkt: 327°C), Zinn (Sn; Schmelzpunkt: 232°C), Wismut (Bi; Schmelzpunkt: 271.4°C) und Cadmium (Cd; Schmelzpunkt: 320.8°C). Jedoch bezieht sich das Metall mit niedrigem Schmelzpunkt, wie es in der vorliegenden Anmeldung verwendet wird, auf ein Metall, das einen niedrigeren Schmelzpunkt als das den Substratabschnitt 60 bildende Metall aufweist und dem vorgenannten Schmelzprozeß unterwerfbar ist. Überdies wird eine niedrigschmelzende Legierung von Metallen, welche einen niedrigen Schmelzpunkt aufweisen und einem derartigen Schmelzprozeß unterwerfbar sind, hierin als das niedrigschmelzende Metall bezeichnet.
7 zeigt den Zustand, wo der Separator gemäß dem Herstellungsprozeß des Separators 30 hergestellt wird, wie in 5 dargestellt ist. 7A zeigt den Zustand, wo eine Abscheidungsschicht aus einer Zinn-Wismut-Legierung auf der darunterliegenden Überzugsschicht 62 ausgebildet worden ist. Ein Metall ist im allgemeinen polykristallin. Jedoch werden, wenn die Abscheidungsschicht über dem Substratabschnitt 60 ausgebildet wird, die Kristallkörner des Metalls, das die Abscheidungsschicht bildet, zu säulenförmigen Kristallkörnern. Die vertikale Schraffierung von 7A stellt den Zustand dar, wo die Abscheidungsschicht des säulenförmigen Kristalls ausgebildet ist.
Wenn der Substratabschnitt 60, der eine derart darauf ausgebildete Abscheidungsschicht aufweist, bei einer Temperatur erwärmt wird, welche höher als der Schmelzpunkt des niedrigschmelzenden Metalls der Abscheidungsschicht ist, wird lediglich das niedrigschmelzende Metall der Abscheidungsschicht über dem Substratabschnitt 60 geschmolzen. Das niedrigschmelzende Metall wird zu einem flüssigen Metall geschmolzen, während dessen säulenförmige Kristallstruktur zerstört wird. Das flüssige Metall wird zurück zu einem polykristallinen Metall mittels des nachfolgenden Abkühlungsvorgangs verfestigt, wie in 7B dargestellt ist. 7C zeigt den Zustand an der Oberfläche des fertiggestellten Separators 30.
In dem Schmelzprozeß einschließlich der Erwärmungs- und Abkühlungsschritte bestimmt die Abkühlungsrate zum Verfestigen des geschmolzenen Metalls die Kristallkorngröße des resultierenden polykristallinen Metalls aus der Metallüberzugsschicht 64. Wenn die Abkühlungsrate verringert wird, wird die resul tierende Kristallkorngröße vergrößert. Demgemäß erlaubt eine derart langsame Abkühlung in der Luft, wie sie in dieser Ausführungsform ausgeführt wird, eine vergrößerte Kristallkorngröße. Eine Luftkühlung ist lediglich exemplarisch und ein anderes Abkühlungsverfahren wie eine strenge Temperaturkontrolle in einem vorbestimmten Thermostat kann verwendet werden. Falls die Abkühlungsrate niedrig genug ist, kann ein derartiger Schmelzprozeß, der aus Erwärmungs- und Abkühlungsschritten zusammengesetzt ist, wie oben beschrieben wurde, eine Abscheidungsschicht, die aus Kristallkörnern gebildet ist, welche eine Korngröße von mehreren Mikrometern bis zu mehreren zehn Mikrometern aufweisen, in eine Metallschicht umgewandelt, die aus Kristallkörnern mit einer größeren Korngröße, z.B. eine Korngröße von 1 mm oder mehr, gebildet ist. Anzumerken ist, daß, falls das geschmolzene Dünnfilmmetall erneut als solches verfestigt wird, der resultierende Metallkristall hauptsächlich der isometrische Kristall ist. Der isometrische Kristall, wie er hierin verwendet wird, bezieht sich auf den Kristall, in welchem drei Achsen von gleicher Länge sich orthogonal zueinander kreuzen.
Wie oben beschrieben wurde, kann die Metallüberzugsschicht 64 möglicherweise mit dem durch die Kohlenstoffüberzugsschicht 66 eindringenden Wasser oder Sauerstoff oxidiert werden. Die Oxidation der Metallüberzugsschicht 64 schreitet von den Korngrenzen zwischen den Metallkristallkörnern der Metallüberzugsschicht 64 fort. Anders ausgedrückt, sind die Korngrenzen, wo die kontinuierliche Metallkristallstruktur unterbrochen ist, reaktiver (es ist wahrscheinlicher, daß mit einem anderen Element reagiert wird) und werden somit mit höherer Wahrscheinlichkeit oxidiert werden im Vergleich zu dem Innern der Kristallkörner, wo die Metallelemente regelmäßig angeordnet und aneinander gebunden sind. Dementsprechend kann wie die Metallüberzugsschicht 64 des Separators 30 dieser Ausführungsform durch Vergrößern der Kristallkorngröße des niedrigschmelzenden Metalls mit dem Schmelzprozeß die Dichte der Korngrenzen, welche wahrscheinlich zu oxidieren sind, reduziert werden, wobei die Oxidationsbeständigkeit der Metallüberzugsschicht 64 verbessert werden kann. Somit kann durch Unterdrückung des Oxidationsfortschritts mit einer reduzierten Korngrenzendichte eine Reduktion der gesamten elektrischen Leitfähigkeit des Separators 30 unterdrückt werden, und somit kann eine Zunahme des Innenwiderstands der Brennstoffzelle, was von einer derartigen Reduktion der elektrischen Leitfähigkeit herrührt, unterdrückt werden.
Zusätzlich zu dem vorgenannten Effekt der Unterdrückung der Reduktion der elektrischen Leitfähigkeit, was von der in der Metallüberzugsschicht 64 fortschreitenden Oxidation herrührt, kann die vergrößerte Kristallkorngröße und reduzierte Korngrenzendichte als Folge des Schmelzprozesses des niedrigschmelzenden Metalls den Effekt erzielen, eine Elution der Metallionen, die durch Korrosion der den Separator 30 bildenden Metalle erzeugt wird, zu unterdrücken. Mit anderen Worten, die Metallkorrosion schreitet ebenso von einem reaktiveren Abschnitt fort. Jedoch kann, da die Dichte der reaktiveren Korngrenzen reduziert wird, wie oben beschrieben wurde, der Korrosionsfortschritt der Metallüberzugsschicht 64 unterdrückt werden. Überdies können das Wasser und der Sauerstoff, die durch die Kohlenstoffüberzugsschicht 66 eindringen, weiter in den Separator durch die Korngrenzen innerhalb der Metallüberzugsschicht 64 eindringen. Jedoch kann die reduzierte Korngrenzendichte die Korrosion der darunterliegenden Überzugsschicht 62 und des Substratabschnitts 60 durch das Wasser und den Sauerstoff, welche durch die Metallüberzugsschicht 64 eindringen, unterdrücken und kann somit eine Elution der die darunterliegende Überzugsschicht 62 und den Substratab schnitts 60 bildenden Metalle unterdrücken, was von einer derartigen Korrosion herrührt.
Zusätzlich zu den vorgenannten Effekten, die durch die vergrößerte Kristallkorngröße und reduzierte Korngrenzendichte der die Metallüberzugsschicht 64 bildenden Metalle erzielt werden, weist der Schmelzprozeß der niedrigschmelzenden Metallschicht einen Effekt auf, die Eigenschaft der Korngrenzen zu ändern, so daß die Kristallkörner noch dichter gepackt werden. Mit anderen Worten, wird während der Abkühlung des geschmolzenen flüssigen Kristalls die Bindung zwischen Atomen in dem flüssigen Metall, das keine fremde Materie wie Wasser enthält, lediglich verstärkt. Demgemäß sind die Kristallkörner sehr dicht gepackt. Jedoch sind in der durch Abscheidung gebildeten Metallschicht die Grenzoberflächen an Stellen gebildet, wo die in dem Galvanisierungs- bzw. Abscheidungsbad unabhängig aufgewachsenen Kristallkörner aufeinander auftreffen. Demgemäß gibt es eine Galvanisierungslösung zwischen den Kristallkörnern, bis sie in Kontakt miteinander sind. Dementsprechend sind die Kristallkörner, welche von dem geschmolzenen Metall herrühren, noch dichter gepackt als jene, die in dem Galvanisierungsbad erzeugt werden. Somit ermöglicht es der Schmelzprozeß, daß die Kristallkörner noch dichter gepackt werden. Ein derart noch dichter gepackter Zustand der Grenzen zwischen den Kristallkörnern reduziert die Anzahl von Mikroabscheidungsdefekten, die oben beschrieben wurden, wobei eine Korrosion der unteren Schichten (darunterliegende Überzugsschicht 62 und Substratabschnitt 60) durch die Korngrenzen unterdrückt werden kann.
Anzumerken ist, daß in dem Separator 30 dieser Ausführungsform die Zinn-Wismut-Legierung als das die Metallüberzugsschicht 64 bildende niedrigschmelzende Metall verwendet wurde. Die Zinn-Wismut-Legierung bildet ein Eutektikum, während sie in dem Schmelzprozeß verfestigt wird. Indem diese Elemente zusammen verwendet werden, kann der Schmelzpunkt reduziert werden im Vergleich zu dem Fall, wo sie separat verwendet werden. Das Eutektikum, wie es hierin verwendet wird, weist eine derartige Struktur auf, daß zwei oder mehr feste Phasen, die von einer einzelnen Lösung erzeugt werden, während der Abkühlung dicht miteinander gemischt werden. Es ist somit wünschenswert, daß das niedrigschmelzende Metall der Metallüberzugsschicht 64 aus einer Vielzahl von Elementen gebildet wird, welche zusammen den Schmelzpunkt weiter reduzieren im Vergleich zu dem Fall, wo sie separat verwendet werden. Ein System, das zum Erzielen eines derartigen Effekts geeignet ist, ist nicht auf die Kombination von Zinn und Wismut beschränkt. Beispielsweise kann jede Kombination von zwei oder mehr Elementen aus Zinn, Wismut und Indium verwendet werden. In dem Fall, wo eine Vielzahl von Elementen zusammen verwendet wird, kann das Verhältnis von jedem Element willkürlich eingestellt werden. Unter den vorgenannten Kombinationen ist es erwünscht im Sinne der Kosten eine Kombination aus Zinn als einem ersten Hauptelement und eines aus Wismut und Indium oder beide als ein zweites Element zu verwenden. Alternativ kann die Metallüberzugsschicht 64 aus einer Legierung wie Zinn-Kupfer, Zinn-Silber oder Zinn-Blei gebildet werden, die dem Schmelzprozeß unterworfen ist. In diesem Fall kann ebenso der Schmelzpunkt reduziert werden im Vergleich zu dem Fall, wo lediglich Zinn verwendet wird.
In dem Fall, wo die Metallüberzugsschicht 64 aus einer Kombination von der Vielzahl von Elementen, wie oben beschrieben wurde, gebildet wird, ist es erwünscht, daß das zweite Element nicht nur die vorgenannte Eigenschaft aufweist, den Schmelzpunkt zu reduzieren, wenn es dem ersten Element hinzugefügt wird, sondern auch eine derartige Eigenschaft aufweist, daß ein Oxid davon eine höhere elektrische Leitfähig keit aufweist als jene eines Oxids des ersten Elements. In diesem Fall ist es ebenso erwünscht, daß das zweite Element eine stärkere Affinität zu Sauerstoff aufweist als jene des ersten Elements. Mit einer derartigen Struktur kann der Effekt erzielt werden, die gesamte elektrische Leitfähigkeit des Separators sicherzustellen. Mit anderen Worten, falls das zweite Element eines stärkere Affinität zu Sauerstoff aufweist, bewegt es sich auf die Oberfläche des Separators innerhalb der Metallüberzugsschicht 64 zu und versucht, den Sauerstoff in Bevorzugung vor dem ersten Element zu binden. Falls das resultierende Oxid des zweiten Elements eine höhere elektrische Leitfähigkeit aufweist als jene des Oxids des ersten Elements, kann eine Zunahme des gesamten Widerstands des Separators aufgrund von Oxidation unterdrückt werden. Beispielsweise wird ein derartiger Effekt in dem Fall erzielt, wo die Metallüberzugsschicht 64 aus Zinn als dem ersten Element und Indium als dem zweiten Element gebildet wird. Dies ist darin begründet, daß Indiumoxid eine höhere elektrische Leitfähigkeit als jene von Zinnoxid aufweist. Zusätzlich zu der Kombination aus Zinn und Wismut kann ein derartiger Effekt erzielt werden in dem Fall, wo die Metallüberzugsschicht 64 aus einer Kombination von Zinn und Indium, Zinn und Kupfer, Zinn und Silber oder dergleichen gebildet wird.
8 ist eine Darstellung, welche das Untersuchungsergebnis hinsichtlich einer Zunahme des Übergangswiderstands von verschiedenen Separatoren zeigt, bevor und nachdem sie einer vorbestimmten Behandlung unterzogen werden. Die Separatoren von 8 weisen dieselbe Struktur auf wie jene des Separators 30 dieser Ausführungsform, jedoch wurden die jeweiligen Metallüberzugsschichten 64 unter verschiedenen Bedingungen hergestellt. In 8 ist A ein Separator, dessen Metallüberzugsschicht 64 durch eine Zinn-Wismut-Legierungsabscheidung gebildet wurde und nicht dem Schmelzprozeß unterworfen wurde; B ist ein Separator, dessen Metallüberzugsschicht 64 aus einer Zinn-Wismut-Legierung gebildet wurde und dem Schmelzprozeß wie in der obigen Ausführungsform unterworfen wurde; C ist ein Separator, dessen Metallüberzugsschicht 64 aus einer Zinn-Wismut-Legierung gebildet wurde und in dem Abkühlungsschritt des Schmelzprozesses wassergekühlt wurde (eingetaucht in Wasser zum Abschrecken); und D ist ein Separator, dessen Metallüberzugsschicht 64 aus Zinn gebildet wurde und dem Schmelzprozeß (welcher eine allmähliche Luftkühlung einschließt) unterworfen wurde.
Die vorgenannte vorbestimmte Behandlung ist ein Prozeß, um den Separator einer Umgebung, die der inneren Umgebung der Brennstoffzelle ähnlich ist, für eine vorbestimmte Zeitspanne auszusetzen. Hierin wurde jeder Separator in heißes Wasser (80°C) für 24 Stunden eingetaucht. Eine einzelne Zelle wurde mit jedem Separator vor und nach einem derartigen Prozeß gebildet und der Übergangswiderstand in jeder Zelle wurde gemessen. Die Messung des Übergangswiderstands der Separatoren wurde ausgeführt wie folgt: Jeder Separator wurde mit einem Kohlenstoff-Gewebe laminiert bzw. beschichtet (entsprechend der Gasdiffusionselektrode, welche ein benachbartes Bauelement innerhalb der vorgenannten einzelnen Zelle 28 ist) und die resultierende Laminierung bzw. Schichtung wurde mit darauf ausgeübter Preßkraft gehalten. Dann wurde ein Konstantstrom (1 A) daran angelegt, wobei ein Spannungsabfall gemessen wurde. Ein Widerstandswert wurde aus den Strom- und Spannungswerten ermittelt, wobei eine Änderung des Widerstandswerts (der Widerstandswert multipliziert mit der Kontaktfläche) vor und nach dem vorgenannten Prozeß untersucht wurde (Einheit: mΩcm²). Es ist anhand des Resultats von 8 herausgefunden worden, daß aufgrund des vorgenannten Prozesses die Metalle, welche die jeweiligen Separatoren bilden, oxidiert wurden, um ein weniger leitfähiges Oxid zu erzeugen, wobei der Übergangswiderstand erhöht wird. Anzumerken ist, daß hierin der gesamte Widerstandswert der Laminierung des Separators und der Gasdiffusionselektrode, welche mit der darauf ausgeübten Preßkraft gehalten wird, gemessen wurde. Somit wurde der Vergleich auf der Basis des gesamten Widerstandswerts (einschließlich des Übergangswiderstands, der von der Oxidation des Metalls herrührt, das den Separator bildet), der durch die Preßkraft und dergleichen beeinflußt wird, gemacht, um die Bedingung des Brennstoffzellenstapels widerzuspiegeln.
Es kann anhand des Resultats der Separatoren A und B in 8 ausgesagt werden, daß der Effekt der Unterdrückung der Zunahme des Übergangswiderstands erzielt werden kann, indem der Schmelzprozeß ausgeführt wird, um die Metallüberzugsschicht 64 auszubilden. Überdies ist es anhand des Resultats der Separatoren B und C herausgefunden worden, daß der beachtliche Effekt der Unterdrückung der Zunahme des Übergangswiderstands erzielt werden kann, indem eine langsame Abkühlung (Luftkühlung eher als Wasserkühlung) in dem Schmelzprozeß ausgeführt wird, um die Kristallkorngröße zu erhöhen. Überdies kann anhand des Resultats der Separatoren B und D ausgesagt werden, daß durch Verwendung von Wismut zusätzlich zu Zinn (das erste Element) als dem niedrigschmelzenden Metall, das die Metallüberzugsschicht 64 bildet, der Übergangswiderstand an sich reduziert werden kann (der Widerstandswert vor dem Prozeß wird ebenso reduziert) ebenso wie der Effekt der Unterdrückung der Zunahme des Übergangswiderstands aufgrund von Oxidation weiter verbessert werden kann.
Anzumerken ist, daß unter den Separatoren von 8 in dem Separator A, dessen Metallüberzugsschicht nicht dem Schmelzprozeß unterworfen wurde, die durchschnittliche Korngröße der Kristallkörner in der Metallüberzugsschicht mehrere Mikrome ter beträgt. In dem Separator B, dessen Metallüberzugsschicht einer Luftkühlung in dem Schmelzprozeß unterworfen wurde, beträgt die durchschnittliche Korngröße der Kristallkörner 0.1 mm. In dem Separator C, dessen Metallüberzugsschicht einer Wasserkühlung in dem Schmelzprozeß unterworfen wurde, beträgt die durchschnittliche Korngröße der Kristallkörner mehrere zehn Mikrometer. Der Effekt, der erzielt wird durch Durchführung des Schmelzprozesses bezüglich des niedrigschmelzenden Metalls, das die Metallüberzugsschicht bildet, kann verbessert werden, indem der Abkühlungsschritt bei einer niedrigeren Rate nach dem Schmelzschritt in dem Schmelzprozeß ausgeführt wird, d.h. indem die durchschnittliche Korngröße der Metallkörner vergrößert wird. Wie oben beschrieben wurde, kann mit der durchschnittlichen Korngröße der Kristallkörner, welche 0.1 mm oder mehr beträgt, ein ausreichender Effekt hinsichtlich der Unterdrückung des Übergangswiderstands des Separators erzielt werden.
Anzumerken ist, daß in dieser Ausführungsform Zinn, was zur Oxidation geeignet ist, als das erste Element verwendet wurde, um die Metallüberzugsschicht 64 auszubilden. Dementsprechend kann der beachtliche Effekt der Unterdrückung der Zunahme des Übergangswiderstands erzielt werden, wie in 8 dargestellt ist. Jedoch kann, auch wenn die Metallüberzugsschicht 64 aus einem Metall, das weniger geeignet zur Oxidation als Zinn ist, oder einem niedrigschmelzenden Metall, das zur Elution aufgrund von Korrosion fähig ist, gebildet ist, der Effekt der Unterdrückung von Oxidation und Elution der Metallüberzugsschicht 64 selbst ebenso wie der vorgenannte Effekt der Unterdrückung der Elution der Metalle, welche die unteren Schichten bilden, erzielt werden, indem durch den Schmelzprozeß die Korngröße vergrößert wird (was die Korngrenzendichte reduziert) und indem somit der Zustand der Korngrenzen geändert wird, wie oben beschrieben wurde.
Wie in 5 dargestellt ist, wurde in dem Separator 30 dieser Ausführungsform die Abscheidungsschicht zuerst auf dem Substratabschnitt 60 und der darunterliegenden Überzugsschicht 62 ausgebildet und danach dem Schmelzprozeß unterworfen, um die Metallüberzugsschicht 64 auszubilden. Jedoch kann die Ausbildung der Abscheidungsschicht der Metallüberzugsschicht 64 und deren Schmelzprozeß gleichzeitig ausgeführt werden. Ein derartiges Herstellungsverfahren ist in 9 als eine Modifikation des Herstellungsverfahrens des Separators 30 der ersten Ausführungsform dargestellt. Der in 9 dargestellte Herstellungsprozeß des Separators 30 ist im wesentlichen derselbe wie jener, der in 5 dargestellt ist, mit Ausnahme davon, daß ein Heißtauchvorgang als Schritt S125 anstatt der Schritte S120 und S130 von 5 ausgeführt wird.
Der Heißtauchvorgang ist ein Prozeß zum gleichzeitigen Ausführen einer Ausbildung der Abscheidungs- bzw. Plattierungsschicht und dem Schmelzprozeß davon, wie oben beschrieben ist. Noch spezifischer, wird ein niedrigschmelzendes Metall geschmolzen durch Erwärmen bei einer vorbestimmten Temperatur (welche eine Temperatur ist, die ein zu plattierendes Basismaterial nicht beeinflußt), und das zu plattierende Basismaterial wird in das resultierende flüssige niedrigschmelzende Metall eingetaucht, um eine geschmolzene Metallschicht darauf auszubilden. Danach wird die geschmolzene Metallschicht gekühlt, um die Abscheidungsschicht auszubilden. In dem in 9 dargestellten Herstellungsprozeß des Separators 30, d. h. in der Modifikation der ersten Ausführungsform, wird der Substratabschnitt 60, der die darauf ausgebildete darunterliegende Überzugsschicht 62 aufweist, in das flüssige geschmolzene Metall aus Zinn und Wismut eingetaucht und danach luftgekühlt, um die Metallüberzugsschicht 64 auszubilden.
Somit kann in dem Fall, wo der Separator 30 durch das Herstellungsverfahren von 9 hergestellt wird, ebenso die Korngrenzendichte der Metallüberzugsschicht 64 unterdrückt werden im Vergleich zu jener der Abscheidungsschicht, welche durch normales galvanisches Abscheiden oder außenstromloses Abscheiden gebildet wird, und ferner können hauptsächlich die isometrischen Kristallkörner eher als die säulenförmigen Kristallkörner erzielt werden. Somit können dieselben Effekte wie jene des durch das Herstellungsverfahren von 5 hergestellten Separators 30 erzielt werden.
(4) Struktur des Separators 130:
In dem Fall, wo das die Metallüberzugsschicht 64 bildende niedrigschmelzende Metall ein derartiges Metall ist, das eine reduzierte elektrische Leitfähigkeit in der Form eines Oxids aufweist, ist es möglich, den Schmelzprozeß auszuführen, wie oben beschrieben wurde, um die Korngrenzendichte zu reduzieren und somit den Oxidationsfortschritt zu unterdrücken. Zusätzlich zu einer derartigen Struktur ist ebenso die folgende Struktur möglich. 10 ist eine Darstellung, welche die Struktur eine Separators 130 einer zweiten Ausführungsform zeigt. Der in 10 dargestellte Separator 130 weist im wesentlichen dieselbe Struktur auf wie jene des Separators 30 der ersten Ausführungsform und ist in derselben Brennstoffzelle integriert. Demgemäß sind die gemeinsamen Elemente mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und eine ausführliche Beschreibung davon wird weggelassen. Der Separator 130 weist eine Metallüberzugsschicht 164 anstatt der Metallüberzugsschicht 64 des Separators 30 auf. Wie die Metallüberzugsschicht 64 ist die Metallüberzugsschicht 164 aus einem niedrigschmelzenden Metall, einer Zinn-Wismut-Legierung, gebildet und wurde dem Schmelzprozeß unterworfen. Jedoch weist die Me tallüberzugsschicht 164 ferner darin dispergierte, elektrisch leitfähige Partikel 165 auf. Die leitfähigen Partikel 165 der Metallüberzugsschicht 164 sind in einer ausreichenden Menge von der Oberfläche der Metallüberzugsschicht 164 (die Oberfläche, welche in Kontakt mit der Kohlenstoffüberzugsschicht 66 ist) über deren Innenseite dispergiert bzw. zerstreut.
Anzumerken ist, daß die leitfähigen Partikel 165 irgendwelche Partikel sein können, solange wie sie aus einem Material gebildet sind, das stabil genug ist (d. h. der Korrosionsgrad ist klein genug) ebenso wie leitfähig genug ist während des Herstellungsprozesses des Separators 130 oder wenn der Separator 130 innerhalb der Brennstoffzelle vorgesehen ist. Beispielsweise können Graphit-Partikel, Edelmetall-Partikel oder leitfähige Keramik-Partikel verwendet werden. Beispiele der leitfähigen Keramiken umfassen Nitride wie Titannitrid und Chromnitrid oder Oxide wie Wolframoxid, Indiumoxid und ITO (komplexes Oxid aus Indium und Zinn).
Um einen derartigen Separator 130 herzustellen, muß der Schritt zum Ausbilden einer Zinn-Wismut-Legierungsabscheidungsschicht auf dem Substratabschnitt 60 (Schritt 120) in dem Herstellungsprozeß des Separators 30, der in 5 dargestellt ist, lediglich durch den Schritt zum Ausbilden einer Zinn-Wismut-Legierungsabscheidungsschicht, welche die darin dispergierten leitfähigen Partikel 165 aufweist, ersetzt werden. Beispielsweise wird in diesem Schritt der Substratabschnitt 60, der die darauf ausgebildete darunterliegende Überzugsschicht 62 aufweist, einem Plattierungs- bzw. Abscheidungsprozeß mit einer vorbestimmten Menge von leitfähigen Partikeln 165, die in dem Zinn-Wismut-Legierungsgalvanisierungsbad gemischt sind, unterworfen, so daß eine Zinn-Wismut-Legierungsabscheidungsschicht, welche die darin dispergierten leitfähigen Partikel 165 aufweist, gebildet wird. Alternativ kann die Metallüberzugsschicht 164 gebildet werden, indem die Mischung aus einer vorbestimmten Menge von leitfähigen Partikeln 165 mit geschmolzenem Zinn und Wismut aufgesprüht wird.
Gemäß dem Separator 130 der zweiten Ausführungsform, der so strukturiert ist, kann der Effekt der weiteren Unterdrückung der Zunahme des Übergangswiderstands (Reduktion der elektrischen Leitfähigkeit) aufgrund von Oxidation des Separators erzielt werden. Überdies kann durch Ausbildung derselben Brennstoffzelle wie jene der ersten Ausführungsform mit dem Separator 130 eine von der Oxidation des Separators herrührende Degradation der Brennstoffzellenperformance unterdrückt werden, wobei die Haltbarkeit der Brennstoffzelle verbessert werden kann.
Noch spezifischer, stellen, auch wenn die Zinn-Wismut-Legierung, welche die Metallüberzugsschicht 164 bildet, allmählich an ihren Korngrenzen oxidiert wird, die in der Metallüberzugsschicht 164 dispergierten leitfähigen Partikel 165 die elektrische Leitfähigkeit sicher, so daß eine übermäßige Reduktion der elektrischen Leitfähigkeit der Metallüberzugsschicht 164 unterdrückt werden kann. Anzumerken ist, daß die Metallüberzugsschicht 164 eine vergrößerte Kristallkorngröße und somit eine reduzierte Korngrenzendichte als Folge des Schmelzprozesses des niedrigschmelzenden Metalls aufweist. Demgemäß kann der Oxidationsfortschritt innerhalb der Metallüberzugsschicht 164 unterdrückt werden. Jedoch kann sogar der Schmelzprozeß nicht die Fläche der Grenzschicht, d. h. die Grenze der Metallüberzugsschicht 164 zu der Kohlenstoffüberzugsschicht 66, reduzieren. Dementsprechend kann in dem Fall, wo die leitfähigen Partikel 165 in der Metallüberzugsschicht 164 dispergiert sind, wie oben beschrieben wurde, der beachtliche Effekt zur Sicherstellung der gesamten elek trischen Leitfähigkeit des Separators erzielt werden, indem die leitfähigen Partikel 165 zumindest an der Grenzschicht zu der Kohlenstoffüberzugsschicht 66 dispergiert werden. Überdies kann die Menge von leitfähigen Partikeln 165 in der Metallüberzugsschicht 164 geeignet bestimmt werden gemäß dem für den Separator 130 erforderlichen Leitfähigkeitsgrad und der Leichtigkeit der Ausbildung der Metallüberzugsschicht 164 einschließlich der leitfähigen Partikel 165.
Anzumerken ist, daß in der zweiten Ausführungsform die Metallüberzugsschicht 164, welche die darin dispergierten leitfähigen Partikel 165 aufweist, aus der Zinn-Wismut-Legierung gebildet wird. Jedoch kann die Metallüberzugsschicht 164 aus einem anderen niedrigschmelzenden Metall gebildet werden (einem einzelnen Metall (z.B. Zinn) oder einer Legierung (z.B. Zinn-Indium-Legierung)). Der von der Dispersion der leitfähigen Partikel 165 herrührende Effekt kann in ausreichender Weise erzielt werden, falls das die Metallüberzugsschicht 164 bildende Metall ein niedrigschmelzendes Metall wie Zinn ist, das in der inneren Umgebung der Brennstoffzelle in dem Zustand allmählich oxidiert werden kann, wo die Kohlenstoffüberzugsschicht 66 darauf ausgebildet wird.
Außerdem ist in der zweiten Ausführungsform die darunterliegende Überzugsschicht 62 zwischen der Metallüberzugsschicht 164 und dem Substratabschnitt 60 vorgesehen. Jedoch kann, vorausgesetzt, daß die Rate, bei der eine passive Zustandschicht an dem Substratabschnitt 60 ausgebildet wird, niedrig genug ist oder eine Ausbildung einer derart passiven Zustandschicht an dem Substratabschnitt 60 nicht berücksichtigt werden muß, die Metallüberzugsschicht 164 unmittelbar auf dem Substratabschnitt 60 vorgesehen werden. In diesem Fall ist es, um das den Substratabschnitt 60 bildende Metall davon abzuhalten, durch die Metallüberzugsschicht 164 aufgrund von Korrosion herausgelöst zu werden, erwünscht, die Metallüberzugsschicht 164 mit einer ausreichenden Dicke auszubilden.
(5) Struktur des Separators 230:
In der zweiten Ausführungsform sind die leitfähigen Partikel 165 in der Metallüberzugsschicht 164 dispergiert, um die Zunahme des Übergangswiderstands in der Metallüberzugsschicht 164 und insbesondere an der Grenzfläche zwischen der Metallüberzugsschicht 164 und der Kohlenstoffüberzugsschicht 66 zu unterdrücken. Jedoch kann ein derartiger Übergangswiderstand alternativ durch eine unterschiedliche Struktur unterdrückt werden. 11 ist eine Darstellung, welche die Struktur eines Separators 230 einer dritten Ausführungsform zeigt. Der Separator 230 weist im wesentlichen dieselbe Struktur auf wie jene des Separators 30 der ersten Ausführungsform und ist in derselben Brennstoffzelle integriert. Demgemäß werden die gemeinsamen Elemente mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und eine ausführliche Beschreibung davon wird weggelassen werden. Der Separator 230 weist eine korrosionsbeständige Überzugsschicht 268 zwischen der Metallüberzugsschicht 64 und der Kohlenstoffüberzugsschicht 66 auf, welche dieselben wie jene des Separators 30 sind. Diese korrosionsbeständige Überzugsschicht 268 wird aus einem Edelmetall (wie Gold, Silber, Platin und Rhodium) oder chemisch stabilen, leitfähigen Keramiken (wie TiN, CrN und DLN (diamantähnlicher Kohlenstoff)) gebildet.
Um einen derartigen Separator 230 herzustellen, muß lediglich der Schritt zum Aufbringen einer Edelmetallabscheidung auf der Metallüberzugsschicht 64 ausgeführt werden zwischen dem Schritt zum Ausbilden der Metallüberzugsschicht 64 durch den Schmelzprozeß (Schritt S130) in dem in 5 dargestellten Herstellungsprozeß des Separators 30 oder dem Schritt zum Ausbilden der Metallüberzugsschicht 64 durch Heißtauchen (Schritt S125) in dem in 9 dargestellten Herstellungsprozeß des Separators 30 und dem Schritt zum Ausbilden der Kohlenstoffüberzugsschicht 66 (Schritt S140).
Gemäß dem Separator 230 der dritten Ausführungsform, der so strukturiert ist, kann der Effekt der weiteren Unterdrückung der Zunahme des Übergangswiderstands (Reduktion der elektrischen Leitfähigkeit) aufgrund von Oxidation des Separators erzielt werden. Außerdem kann durch Ausbilden derselben Brennstoffzelle wie jene der ersten Ausführungsform mit dem Separator 230 eine von der Oxidation des Separators herrührende Degradation der Brennstoffzellenperformance unterdrückt werden, wobei die Haltbarkeit der Brennstoffzelle verbessert werden kann.
Noch spezifischer, weist die Metallüberzugsschicht 64 eine vergrößerte Kristallkorngröße und somit eine reduzierte Korngrenzendichte als Folge des Schmelzprozesses des niedrigschmelzenden Metalls auf. Demgemäß kann der Oxidationsfortschritt innerhalb der Metallüberzugsschicht 64 unterdrückt werden. Jedoch kann sogar der Schmelzprozeß nicht die Fläche der Grenzschicht zu der Kohlenstoffüberzugsschicht 66 reduzieren. Dementsprechend kann durch Ausbilden der korrosionsbeständigen Überzugsschicht 268 aus einem Edelmetall auf der Metallüberzugsschicht 64, wie oben beschrieben wurde, eine Oxidation an der Oberfläche der Metallüberzugsschicht 64, die damit bedeckt ist, unterdrückt werden. Das Edelmetall weist eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit auf und weist ebenso eine äußerst niedrige Aktivität der Oxidation und Elution auf, was von der Ionisation herrührt. Demgemäß kann mit einer derartigen Struktur eine ausreichende elektrische Gesamtleitfähigkeit des Separators sichergestellt werden.
Anzumerken ist, daß in der dritten Ausführungsform die Metallüberzugsschicht 64 aus der Zinn-Wismut-Legierung gebildet wird. Jedoch kann die Metallüberzugsschicht 64 aus einem anderen niedrigschmelzenden Metall (einem einzelnen Metall (z.B. Zinn) oder einer Legierung (z.B. Zinn-Indium-Legierung)) gebildet werden. Der von einer Ausbildung der korrosionsbeständigen Edelmetallüberzugsschicht 268 herrührende Effekt kann ausreichend erzielt werden, falls das die Metallüberzugsschicht 64 bildende Metall ein niedrigschmelzendes Metall wie Zinn ist, das in der inneren Umgebung der Brennstoffzelle in dem Zustand allmählich oxidiert werden kann, wo die Kohlenstoffüberzugsschicht 66 darauf ausgebildet wird.
Anzumerken ist, daß in dem Separator 230 der dritten Ausführungsform die Metallüberzugsschicht 64, die eine mit dem Edelmetall bedeckte untere Schicht ist, aus dem dem Schmelzprozeß unterworfenen niedrigschmelzenden Metall gebildet wird, um eine von der Korrosion der Metallüberzugsschicht herrührende Metallelution zu verhindern. Dementsprechend muß die korrosionsbeständige Edelmetallüberzugsschicht 268 nicht dick genug sein, um zu verhindern, daß das die untere Schicht bildende Metall durch Korrosion herausgelöst wird (d.h. muß nicht dick genug sein, um die Anzahl von Mikroabscheidungsdefekten ausreichend zu unterdrücken). Die korrosionsbeständige Überzugsschicht 268 muß lediglich durch ultradünnes Edelmetallabscheiden gebildet werden, um lediglich eine Oxidation an der Oberfläche der Edelmetallüberzugsschicht 64 zu verhindern. Dementsprechend kann eine übermäßige Zunahme der Kosten, was von der Verwendung des Edelmetalls herrührt, gedrückt werden. Da eine Oxidation an der Oberfläche der Metallüberzugsschicht 64 durch die korrosionsbeständige Überzugsschicht 268 verhindert werden kann, kann der Übergangswiderstand des Separators 230 ausreichend unterdrückt werden.
In der dritten Ausführungsform ist die darunterliegende Überzugsschicht 62 zwischen der Metallüberzugsschicht 64 und dem Substratabschnitt 60 vorgesehen. Jedoch kann, vorausgesetzt, daß die Rate, bei der eine passive Zustandsschicht an dem Substratabschnitt 60 ausgebildet wird, niedrig genug ist oder eine Ausbildung einer derart passiven Zustandsschicht an dem Substratabschnitt 60 nicht berücksichtigt werden muß, die Metallüberzugsschicht 64 unmittelbar auf dem Substratabschnitt 60 vorgesehen werden. In diesem Fall ist es, um das den Substratabschnitt 60 bildende Metall davon abzuhalten, durch die Metallüberzugsschicht 64 aufgrund von Korrosion herausgelöst zu werden, erwünscht, die Metallüberzugsschicht 64 mit einer ausreichenden Dicke auszubilden.
Anzumerken ist, daß in der zuvor angeführten ersten bis dritten Ausführungsform die darunterliegende Überzugsschicht 62 zwischen der Metallüberzugsschicht und dem Substratabschnitt 60 vorgesehen ist. Diese darunterliegende Überzugsschicht 62 ist ausgebildet, um eine Adhäsion zwischen dem Substratabschnitt 60 und der Metallüberzugsschicht zu verbessern. Demgemäß kann die darunterliegende Überzugsschicht 62 eliminiert werden, falls die Adhäsion zwischen dem Substratabschnitt 60 und der Metallüberzugsschicht hoch genug ist. Überdies kann zusätzlich zu der mit der darunterliegenden Überzugsschicht 62 vorgesehenen Struktur jede Technologie, die zur Verbesserung der Adhäsion zwischen dem Substratabschnitt 60 und der Metallüberzugsschicht geeignet ist, auf die Separatoren der vorgenannten Ausführungsformen angewandt werden, so daß ein vorbestimmter Effekt wie eine Reduktion des Innenwiderstands der Brennstoffzelle erzielt werden kann.
Außerdem ist in der zuvor erwähnten ersten bis dritten Ausführungsform die gestapelte Struktur von der darunterliegen den Überzugsschicht 62 bis hinauf zu der Kohlenstoffüberzugsschicht 66 über die gesamte Oberfläche des Separators ausgebildet, um die elektrische Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit sicherzustellen. Jedoch kann eine derart gestapelte Struktur der Schichten alternativ lediglich in dem Bereich des Separators, der dem elektrischen Übergangswiderstand zugeordnet ist, vorgesehen werden, wenn der Separator in Kontakt mit einem benachbarten Element innerhalb der Brennstoffzelle gebracht wird. Eine derartige Struktur kann ebenso eine gewünschte gesamte Korrosionsbeständigkeit und elektrische Leitfähigkeit des Separators verwirklichen, solange wie eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit in den anderen Bereichen durch ein unterschiedliches Verfahren sichergestellt werden kann.
Wie oben beschrieben wurde, bildet der Brennstoffzellenseparator die Strömungswege des Brennstoffgases oder oxidierten Gases an jeder Oberfläche davon. Zusätzlich dazu kann der Brennstoffzellenseparator ebenso Strömungswege des Kühlmittels zum Einstellen der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle zumindest an einer Oberfläche davon bilden. Die Erfindung ist ebenso auf einen derartigen Separator anwendbar, der darin gebildete Kühlmittelströmungswege aufweist, wobei eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit des Separators (Oxidations- und Elutionsbeständigkeit aufgrund von Korrosion) sichergestellt werden kann. Es sollte vermerkt werden, daß ein derartiger Separator nicht notwendigerweise dieselbe Struktur aufweist wie jene der obigen Ausführungsformen an der Oberfläche, welche die Kühlmittelströmungswege bildet. Anders ausgedrückt, weist der Separator auf der Seite, durch welche das Kühlmittel hindurch gelangt, nicht so stark saure Bedingungen wie pH2 wie in dem Innern der einzelnen Zelle auf, sondern ist normalerweise ungefähr in dem neutralen Zustand gemäß der Eigenschaft des Kühlmittels. Demgemäß ist ein Me tall viel weniger korrosionsempfindlich. Außerdem beeinflussen, da der Separator nicht unmittelbar mit der festen Polymer-Elektrolytmembran auf dieser Seite kommuniziert, die herausgelösten Metallionen nicht sofort die Brennstoffzellenperformance. Dementsprechend ist alles, was auf der Seite, die den Kühlmittelströmungsweg bildet, erforderlich ist, daß der Separator eine ausreichende Leitfähigkeit aufrechterhalten kann und haltbar genug ist, um als ein Komponentenbauelement der Brennstoffzelle zu dienen. Beispielsweise kann die Kohlenstoffüberzugsschicht 66 in jeder Struktur der zuvor erwähnten Ausführungsformen eliminiert werden. In diesem Fall können ebenso die vorbestimmten Effekte, welche von der Ausbildung der dem Schmelzprozeß unterworfenen Metallschicht herrühren (der Effekt der Unterdrückung der Elution der unteren Schichten und der Effekt der Unterdrückung der Zunahme des Übergangswiderstands), erzielt werden.
Anzumerken ist, daß der Separator, welcher die aus der Zinn-Wismut-Legierung gebildete Metallüberzugsschicht aufweist, in den obigen Ausführungsformen beschrieben worden ist. Jedoch können die von dem Schmelzprozeß herrührenden vorbestimmten Effekte erzielt werden, auch wenn die Metallüberzugsschicht eher aus z. B. lediglich Zinn, wie oben beschrieben wurde, als aus einer derartigen Legierung gebildet ist. 12 zeigt als vierte und fünfte Ausführungsform das Auswertungsergebnis bezüglich des Leistungsvermögens des Separators, der eine Metallüberzugsschicht aus dem Schmelzprozeß unterworfenen Zinn aufweist anstatt der aus Zinn und Wismut gebildeten Metallüberzugsschicht 64.
Jeder der in 12 verglichenen Separatoren weist dieselbe Struktur auf wie jene des Separators 230 der dritten Ausführungsform. Anders ausgedrückt, weist jeder Separator eine korrosionsbeständige Überzugsschicht, welche aus Silber, ei nem Edelmetall, gebildet ist, auf der aus Zinn, einem geschmolzenen Metall, gebildeten Metallüberzugsschicht auf. Noch spezifischer wurde in 12 ein Vergleich des Korrosionsstroms und Übergangswiderstands gezogen zwischen einem Separator E, der eine korrosionsbeständige Überzugsschicht aus Silber und eine darunterliegende Überzugsschicht aus Kupfer aufweist, einem Separator F, der eine korrosionsbeständige Überzugsschicht aus Silber, eine Metallüberzugsschicht aus Zinn (ohne den Schmelzprozeß) und eine darunterliegende Überzugsschicht aus Kupfer aufweist, und einem Separator G (entsprechend den Separatoren der vierten und fünften Ausführungsform), der eine korrosionsbeständige Überzugsschicht aus Silber, eine Metallüberzugsschicht aus Zinn (mit dem Schmelzprozeß) und eine darunterliegende Überzugsschicht aus Kupfer aufweist.
In 12 wurde jeder Separator, der verwendet wird, um den Übergangswiderstand zu untersuchen, mit einer Kohlenstoffüberzugsschicht aus den Kohlenstoffmaterialien wie in den zuvor erwähnten Ausführungsformen versehen. Jedoch wurde jeder Separator, der verwendet wird, um den Korrosionsstrom zu untersuchen, nicht mit der Kohlenstoffüberzugsschicht aus den Kohlenstoffmaterialien versehen. Nachstehend wird ein Separator G, der nicht mit der Kohlenstoffüberzugsschicht versehen wurde und verwendet wurde, um den Korrosionsstrom zu untersuchen, als der Separator der vierten Ausführungsform bezeichnet, und wird ein Separator G, der mit der Kohlenstoffüberzugsschicht versehen wurde und verwendet wurde, um den Übergangswiderstand zu untersuchen, als der Separator der fünften Ausführungsform bezeichnet. Anzumerken ist, daß in jedem Separator die korrosionsbeständige Überzugsschicht aus Silber eine Dicke von 0.1 μm aufweist und jede Schicht aus der Barunterliegenden Überzugsschicht aus Kupfer und der Metallüberzugsschicht aus Zinn weist eine Dicke von 10 μm auf. Die jeweiligen Substratabschnitte der Separatoren E, F und G wurden aus Aluminium gebildet.
In 12 zeigt das Untersuchungsergebnis bezüglich des Korrosionsstroms, ob oder ob nicht der Korrosionsstrom in der Umgebung, die ähnlich wie die innere Umgebung der Brennstoffzelle ist, erzeugt wird. Die Anwesenheit/Abwesenheit von Korrosion kann anhand dieses Ergebnisses bestimmt werden. 13 ist eine Darstellung, welche den Zustand zeigt, wo der Korrosionsstrom von jedem Separator gemessen wird. Die Messung des Korrosionsstroms wurde wie folgt ausgeführt: Jeder Probenseparator wurde als eine Elektrode verwendet und eine Graphit-Elektrode wurde als eine Gegenelektrode verwendet. In Schwefelsäure von pH 2 wurde bei 80°C ein Strom (pro Einheitsfläche der in der Schwefelsäure eingetauchten Probe), der zwischen dem Separator und der Graphit-Elektrode fließt, welche miteinander elektrisch verbunden wurden, als Korrosionsstrom (Einheit: μA/cm²) gemessen. In dem Fall, wo die Korrosion in dem in Betracht kommenden Separator fortschreitet, werden Metallionen (dargestellt durch M⁺ in 13) aus dem Probenseparator mit dem Korrosionsfortschritt herausgelöst, wobei der Strom fließt. Anzumerken ist, daß ein Korrosionsstrom gemessen wurde, nachdem jeder Probenseparator in die Schwefelsäure von pH 2 bei 80°C für 24 Stunden eingetaucht wurde.
Außerdem zeigt in 12 das Untersuchungsergebnis bezüglich einer Änderung des Übergangswiderstands die Änderung des Übergangswiderstands, bevor und nachdem jeder der obigen Separatoren der Umgebung, die ähnlich wie die innere Umgebung der Brennstoffzelle ist, für eine vorbestimmte Zeitspanne ausgesetzt wurde. Noch spezifischer wurden Separatoren E bis G, die jeweils die Kohlenstoffüberzugsschicht aus den Kohlenstoffmaterialien aufweisen, in die Schwefelsäure von pH 2 bei 80°C für 24 Stunden eingetaucht und die Änderung des Übergangswiderstands vor und nach dem Eintauchen wurde untersucht. Die Messung des Übergangswiderstands der Separatoren wurde wie folgt ausgeführt: Jeder Separator wurde mit einem Kohlenstoffgewebe laminiert (entsprechend der Gasdiffusionselektrode, die ein benachbartes Element innerhalb der vorgenannten einzelnen Zelle 28 ist) und die resultierende Laminierung bzw. Schichtung wurde mit einer darauf ausgeübten Preßkraft gehalten. Danach wurde ein Konstantstrom (1 A) daran angelegt, wobei ein Spannungsabfall gemessen wurde. Ein Widerstandswert wurde aus den Strom- und Spannungswerten erhalten, wobei eine Änderung des Widerstandswerts (der Widerstandswert multipliziert mit der Kontaktfläche) vor und nach der zuvor erwähnten Säurebehandlung untersucht wurde (Einheit: mΩcm²). Anzumerken ist, daß hierin der gesamte Widerstandswert der Laminierung des Separators und der Gasdiffusionselektrode gemessen wurde, welche mit der darauf ausgeübten Preßkraft gehalten wird. Somit wurde der Vergleich auf der Basis des gesamten Widerstandswerts gezogen (einschließlich des an der Separator-Oberfläche erzeugten Übergangswiderstands), der durch die Preßkraft und dergleichen beeinflußt wird, um die Bedingung des Brennstoffzellenstapels widerzuspiegeln.
Wie in 12 dargestellt ist, zeigt ein Vergleich zwischen dem Separator F, der die Metallüberzugsschicht aus Zinn, welche nicht dem Schmelzprozeß unterworfen wurde, aufweist, und dem Separator G (Separator der vierten Ausführungsform), der die dem Schmelzprozeß unterworfene Metallüberzugsschicht aufweist, daß der Separator G einen viel kleineren Korrosionsstrom aufweist. Demgemäß kann die Korrosionsbeständigkeit des Separators signifikant verbessert werden, indem der Schmelzprozeß bezüglich der Zinn-Schicht ausgeführt wird. Hierin ist die Ionisationsneigung von Kupfer, welches die Metallüber zugsschicht des Separators E bildet, kleiner als jene von Zinn, welches die Metallüberzugsschicht des Separators F bildet. Demgemäß weist der Separator E einen kleineren Korrosionsstrom auf als derjenige des Separators F. Jedoch weist der Separator G, in welchem Zinn dem Schmelzprozeß unterworfen wurde (Separator der vierten Ausführungsform), einen Korrosionsstrom auf, der kleiner ist als derjenige des Separators E (die Korrosionsrate ist auf ungefähr ein Zwanzigstel oder weniger reduziert).
Wie oben beschrieben wurde, ist jeder Separator, der verwendet wird, um den Korrosionsstrom zu messen, nicht mit der Kohlenstoffüberzugsschicht aus den Kohlenstoffmaterialien versehen und die korrosionsbeständige Überzugsschicht aus dem Edelmetall ist so dünn wie 0.1 μm, was nicht genug ist, um die Korrosionsbeständigkeit des Separators durch die korrosionsbeständige Überzugsschicht sicherzustellen. Jedoch weist der Separator G (Separator der vierten Ausführungsform) einen Korrosionsstrom auf, welcher klein genug ist. Demgemäß kann ausgesagt werden, daß der Schmelzprozeß des niedrigschmelzenden Metalls wie Zinn es möglich macht, eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit des Separators sicherzustellen. Falls der Separator G ferner mit der Kohlenstoffüberzugsschicht aus den Kohlenstoffmaterialien wie in den zuvor erwähnten Ausführungsformen versehen wird (dieser Separator entspricht dem Separator der fünften Ausführungsform), kann der Separator, der über den Langzeitgebrauch innerhalb der Brennstoffzelle haltbar ist und eine bessere Korrosionsbeständigkeit aufweist, erzielt werden. Die Separatoren E bis G (Separator G entspricht dem Separator der fünften Ausführungsform) weisen eine korrosionsbeständige Überzugsschicht aus dem Edelmetall (Silber) auf. Demgemäß weist jeder Separator einen ausreichend niedrigen gemessenen Übergangswiderstand auf. Somit wird, wie oben beschrieben wurde, die Korrosionsbeständigkeit ausreichend durch den Schmelzprozeß verbessert ebenso wie der Übergangswiderstand ausreichend unterdrückt wird (Oxidation wird verhindert), indem die korrosionsbeständige Überzugsschicht vorgesehen wird, wobei ein Separator mit einem ausgezeichneten Leistungsvermögen erzielt werden kann.
Anzumerken ist, daß wie bei der dritten Ausführungsform in dem in 12 dargestellten Separator der fünften Ausführungsform der Übergangswiderstand unterdrückt wird (Oxidation wird unterdrückt), indem die korrosionsbeständige Überzugsschicht aus dem Edelmetall vorgesehen wird. Jedoch kann wie bei der zweiten Ausführungsform der Übergangswiderstand unterdrückt werden, indem die elektrisch leitfähigen Partikel innerhalb der Metallüberzugsschicht des niedrigschmelzenden Metalls (wie Zinn), das dem Schmelzprozeß unterworfen wurde, vorgesehen werden. In einer derartigen Struktur wird auch die Korrosionsbeständigkeit durch den Schmelzprozeß ausreichend verbessert ebenso wie die elektrische Leitfähigkeit durch die leitfähigen Partikel sichergestellt wird. Folglich kann ein ausgezeichnetes Leistungsvermögen in dem Separator verwirklicht werden.
14 ist eine Darstellung, welche Ausführungsformen des Separators zusammenstellt, die gemäß der Erfindung möglich sind. Hinsichtlich des Separatorbasismaterials, der Anwesenheit/Abwesenheit der vorbestimmten Behandlung, der Struktur der Metallüberzugsschicht, der Anwesenheit/Abwesenheit der leitfähigen Partikel in der Metallüberzugsschicht, der Anwesenheit/Abwesenheit der korrosionsbeständigen Überzugsschicht und der Anwesenheit/Abwesenheit der Kohlenstoffüberzugsschicht kann jede in 14 dargestellte Kombination für den Separator der Erfindung gemäß den Bedingungen, unter denen der Separator verwendet wird, gewählt werden.
Die Ausführungsformen der Erfindung wurden beschrieben wie oben. Es sollte selbstverständlich sein, daß die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und in verschiedenen Formen verkörpert werden kann, ohne von dem Umfang der Erfindung, wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, abzuweichen.
Ein Separator (30) ist mit einem Substratabschnitt (60), welcher eine vorbestimmte konkav-konvexe Form aufweist, einer auf dem Substratabschnitt (60) ausgebildeten darunterliegenden Überzugsschicht (62), einer den Substratabschnitt (60) und die darunterliegende Überzugsschicht (62) bedeckenden ersten Überzugsschicht (64) und einer darauf ausgebildeten zweiten Überzugsschicht (66) versehen. Die zweite Überzugsschicht (66), welche aus Kohlenstoffmaterialien gebildet ist, ist in ausreichender Weise elektrisch leitfähig und schützt die darunterliegenden Schichten. Die erste Überzugsschicht (64) ist aus einem niedrigschmelzenden Metall gebildet, das einem Schmelzprozeß unterworfen wurde. Der Schmelzprozeß ist ein Prozeß, mit dem zuerst eine Erwärmung bei einer derartigen Temperatur ausgeführt wird, welche das niedrigschmelzende Metall schmilzt, jedoch nicht den Substratabschnitt (60) und die darunterliegende Überzugsschicht (62) schmilzt, und danach eine Kühlung ausgeführt wird. Somit wird in der ersten Überzugsschicht (64) die Kristallkorngröße des Metalls vergrößert und somit wird die Korngrenzendichte reduziert.

Claims

Brennstoffzellenseparator, der in einer Brennstoffzelle integriert ist und einen Flüssigkeitsströmungsweg bildet, mit: einem Separatorbasismaterial (60), das eine Oberfläche aufweist; und einer Metallüberzugsschicht (64), die aus einem Metall gebildet ist und zumindest auf der Oberfläche des Separatorbasismaterials (60) in einem Bereich des Separators (30) gebildet ist, der einem elektrischen Übergangswiderstand zwischen dem Separator (30) und einem benachbarten Bauelement (22, 23) der Brennstoffzelle zugeordnet ist, wenn der Separator (30) in Kontakt mit dem benachbarten Bauelement (22, 23) gebracht wird, wenn der Separator (30) in die Brennstoffzelle integriert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallüberzugsschicht (64) eine Struktur aufweist, welche vom Schmelzen und allmählichen Abkühlen herrührt, so daß Kristallkörner des die Metallüberzugsschicht bildenden Metalls eine durchschnittliche Korngröße von 0.1 mm oder mehr aufweisen.
Separator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallüberzugsschicht (64) gebildet wird, nachdem die Oberfläche des Separatorbasismaterials (60) einer Behandlung unterworfen wird, indem eine passive Zustandsschicht entfernt wird.
Separator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß, nachdem eine darunterliegende Überzugsschicht (62) auf der Oberfläche des Separatorbasismaterials (60) nach Entfernen der passiven Zustandsschicht gebildet ist, die Metallüberzugsschicht (64) auf der darunterliegenden Überzugsschicht (62) gebildet wird.
Separator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das die Metallüberzugsschicht (64) bildende Metall ein Metall ist, welches einen niedrigeren Schmelzpunkt als jenen eines Materials des Separatorbasismaterials (60) aufweist.
Separator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Metall gebildete Metallüberzugsschicht (64) eine dem Metall hinzugefügte Substanz enthält, die einen Schmelzpunkt des Metalls reduziert, wenn sie dem Metall hinzugefügt wird.
Separator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Zinn oder eine Zinnlegierung ist.
Separator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall eine Zinnlegierung ist, welche einen niedrigeren Schmelzpunkt als jenen von Zinn aufweist.
Separator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall aus einer Zinnlegierung zusammengesetzt ist und zumindest eines von Elementen der Zinnlegierung außer Zinn eine höhere elektrische Leitfähigkeit in Form eines Oxids aufweist als die elektrische Leitfähigkeit von Zinnoxid.
Separator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallüberzugsschicht (64) eine Vielzahl von elektrisch leitfähigen Partikeln umfaßt.
Separator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallüberzugsschicht (64) eine auf der Oberfläche der Metallüberzugsschicht (64) ausgebildete korrosionsbeständige Überzugsschicht (268) aufweist, wobei die korrosionsbeständige Überzugsschicht (268) aus einer korrosionsbeständigen, elektrisch leitfähigen Substanz gebildet ist.
Separator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ferner eine Kohlenstoffüberzugsschicht (66) aus einem Kohlenstoffmaterial vorgesehen ist, welche zumindest auf dem Bereich des Separatorbasismaterials (60) ausgebildet ist, wo die Metallüberzugsschicht (64) ausgebildet ist.
Separator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu dem Bereich des Separatorbasismaterials (60), wo die Metallüberzugsschicht (64) ausgebildet ist, die Kohlenstoffüberzugsschicht (66) ferner auf einem den Flüssigkeitsströmungsweg (24P, 25P) bildenden Bereich innerhalb der Brennstoffzelle ausgebildet ist.
Separator nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallkristall der Metallüberzugsschicht (64) hauptsächlich der isometrische Kristall ist.
Brennstoffzelle, gekennzeichnet durch folgendes: eine Vielzahl von aufeinander gestapelten einzelnen Zellen (28), daß jede aus der Vielzahl von einzelnen Zellen (28) zumindest einen Separator enthält, um eine Vielzahl von der Brennstoffzelle zugeführten Flüssigkeiten einschließlich eines Brennstoffgases und eines oxidierten Gases davon abzuhalten, außerhalb einer Grenze zwischen den einzelnen Zellen miteinander gemischt zu werden, und daß jeder Separator, der in jeder aus der Vielzahl von einzelnen Zellen enthalten ist, der Separator nach einem der Ansprüche 1 bis 13 ist.
Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellenseparators, welcher in einer Brennstoffzelle integriert ist und einen Flüssigkeitsströmungsweg (24P, 25P) bildet, mit: einem Schritt (S120) zum Ausbilden einer Schicht aus einem geschmolzenen Metall auf zumindest einem Teilbereich eines den Brennstoffzellenseparator bildenden Separatorbasismaterials (60); und einem Schritt (S130) zum allmählichen Abkühlen und Verfestigen der Schicht aus dem in dem Ausbildungsschritt (S120) gebildeten geschmolzenen Metall, um eine Metallüberzugsschicht (64) auszubilden, dadurch gekennzeichnet, daß das allmähliche Abkühlen bei einer derartigen Rate ausgeführt wird, daß Kristallkörner des die Metallüberzugsschicht (64) bildenden Metalls eine durchschnittliche Korngröße von 0.1 mm oder mehr aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der zum Ausbilden einer geschmolzenen Metallschicht vorgesehene Schritt (S120) der Schritt zum Ausbilden der geschmolzenen Metallschicht ist, nachdem eine Oberfläche des Separatorbasismaterials (60) einer Behandlung (S110) zum Entfernen einer passiven Zustandsschicht unterworfen wird.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß ferner ein Schritt (S110) umfaßt ist, um vor dem zum Ausbilden einer geschmolzenen Metallschicht vorgesehenen Schritt (S120) eine darunterliegende Überzugsschicht (62) auf dem Separatorbasismaterial (60) auszubilden, wobei der zum Ausbilden einer geschmolzenen Metallschicht vorgesehene Schritt (S120) die geschmolzene Metallschicht auf der darunterliegenden Überzugsschicht (62) ausbildet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die in dem zum Ausbilden einer geschmolzenen Metallschicht vorgesehenen Schritt (S120) ausgebildete Schicht des geschmolzenen Metalls ferner eine Vielzahl von elektrisch leitfähigen Partikeln zusätzlich zu dem geschmolzenen Metall beinhaltet.
Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellenseparators, welcher in einer Brennstoffzelle integriert ist und einen Flüssigkeitsströmungsweg bildet, mit: einem Schritt (S120) zum Ausbilden einer Abscheidungsschicht aus einem Metall auf zumindest einem Teilbereich eines den Brennstoffzellenseparator bildenden Separatorbasismaterials (60); einem Schritt (S130) zum Schmelzen des die Abscheidungsschicht bildenden Metalls bei einer Temperatur, die gleich einem oder niedriger als ein Schmelzpunkt des Separatorbasismaterials (60) ist; und einem Schritt (S130) zum allmählichen Abkühlen und Verfestigen des in dem Schmelzschritt (S130) geschmolzenen Metalls, um eine Metallüberzugsschicht (64) auszubilden, dadurch gekennzeichnet, daß die allmähliche Abkühlung bei einer derartigen Rate ausgeführt wird, daß Kristallkörner des die Metallüberzugsschicht (64) bildenden Metalls eine durchschnittliche Korngröße von 0.1 mm oder mehr aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Abscheidungsschichtausbildungsschritt (S120) der Schritt zum Ausbilden der Abscheidungsschicht ist, nachdem eine Oberfläche des Separatorbasismaterials (60) einer Behandlung zum Entfernen einer passiven Zustandsschicht unterworfen wird.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß ferner vor dem Abscheidungsschichtausbildungsschritt (S120) ein Schritt zum Ausbilden einer darunterliegenden Überzugsschicht (62) auf dem Separatorbasismaterial (60) vorgesehen ist, wobei der Abscheidungsschichtausbildungsschritt (S120) die Abscheidungsschicht auf der darunterliegenden Überzugsschicht (62) ausbildet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die in dem Abscheidungsschichtausbildungsschritt ausgebildete Abscheidungsschicht ferner eine Vielzahl von elektrisch leitfähigen Partikeln zusätzlich zu dem Metall beinhaltet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß ferner ein Schritt zum Ausbilden einer korrosionsbeständigen Überzugsschicht (268) aus einer korrosionsbeständigen, elektrisch leitfähigen Substanz auf der Metallüberzugsschicht (64) vorgesehen ist.
Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß ferner ein Schritt (S140) zum Ausbilden einer Kohlenstoff überzugsschicht (66) aus einem Kohlenstoffmaterial auf der korrosionsbeständigen Überzugsschicht (268) vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß ferner ein Schritt (S140) zum Ausbilden einer Kohlenstoffüberzugsschicht (66) aus einem Kohlenstoffmaterial auf der Metallüberzugsschicht (64) vorgesehen ist.