DE69933566T2

DE69933566T2 - Brennstoffzelle mit festem polymerelektrolyten

Info

Publication number: DE69933566T2
Application number: DE69933566T
Authority: DE
Inventors: Kazufumi Moriguchi-shi Nishida; Eiichi Katano-shi Yasumoto; Hisaaki Shijonawate-shi Gyoten; Kazuhito Osaka -shi HATOH; Makoto Hirakata-shi Uchida; Hideo Ohara; Yasushi Sugawara; Teruhisa Ikeda-shi Kanbara; Toshihiro Ibaraki -shi MATSUMOTO; Junji Hirakat a-shi NIIKURA
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 1998-06-30
Filing date: 1999-06-28
Publication date: 2007-05-16
Anticipated expiration: 2019-06-29
Also published as: CN1151573C; KR20010071682A; DE69933566D1; EP1094535A4; EP1094535A1; WO2000001025A1; KR20040011601A; CN1307733A; US6660419B1; KR100453597B1; KR100426094B1; EP1094535B1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Brennstoffzellen mit festem Polymerelektrolyt, die für tragbare Stromquellen, Elektromobilstromquellen, häusliche Miterzeugungssysteme usw. verwendet werden.
Stand der Technik
Eine Brennstoffzelle mit festem Polymerelektrolyt erzeugt gleichzeitig elektrische Energie und Wärme durch elektrochemische Reaktion eines Brennstoffgases, das Wasserstoff enthält, und eines Oxidationsgases, das Sauerstoff enthält, wie etwa die Luft. Diese Brennstoffzelle besteht grundsätzlich aus einer Polymerelektrolytmembran für den selektiven Transport von Wasserstoff-Ionen und einem Paar Elektroden, nämlich einer Anode und einer Kathode, die auf beiden Oberflächen der Polymerelektrolytmembran ausgebildet werden. Die vorher erwähnte Elektrode enthält gewöhnlich eine Katalysatorschicht, welche hauptsächlich aus Kohlenstoffteilchen aufgebaut ist, die einen Platinmetallkatalysator tragen und wird auf der Oberfläche der Polymerelektrolytmembran ausgebildet, und eine Diffusionsschicht, welche sowohl Gasdurchlässigkeit als auch elektrische Leitfähigkeit hat und auf der äußeren Oberfläche dieser Katalysatorschicht gebildet wird.
Außerdem werden gegen Gas abdichtende Materialien oder Dichtungen an den peripheren Abschnitten der Elektrode mit der Polymerelektrolytmembran dazwischen angeordnet, um zu vermeiden, dass ein Brennstoffgas und ein Oxidationsgas, die zu den Elektroden geführt werden, auslecken, oder um zu vermeiden, dass sich die zwei Gassorten miteinander mischen. Diese abdichtenden Materialien und Dichtungen werden vorher als ein einzelnes Teil zusammen mit den Elektroden und der Polymerelektrolytmembran zusammengesetzt. Dieses Teil wird "MEA" (Elektrolytmembran- und Elektrodenbaugruppe; electrolyte membrane and electrode assembly) genannt. Außerhalb der MEA sind leitfähige Separatorplatten für die mechanische Sicherung der MEA und für die elektrische Verbindung nebeneinander liegender MEAs in Reihe, oder in einigen Fällen parallel, angeordnet. Ein Teil der Separatorplatte, welcher in Kontakt mit dem MEA ist, wird mit einem Gasflusskanal für die Zufuhr eines reagierenden Gases zu der Elektrodenoberfläche und für die Entfernung eines erzeugten Gases und eines überschüssigen Gases versehen. Obwohl der Gasflusskanal getrennt von der Separatorplatte vorgesehen werden kann, werden gewöhnlich Vertiefungen bzw. Nuten oder Furchen auf der Oberfläche jedes Separators ausgebildet, um als der Gasflusskanal zu dienen.
Um das Brennstoffgas und das Oxidationsgas zu derartigen Vertiefungen zu führen, ist es notwendig, Rohre für die Zufuhr des Brennstoffgases bzw. Oxidationsgases gemäß der Anzahl der zu verwendenden Separatorplatten abzuzweigen, und Rohrbefestigungen für die Verbindung eines Endes der Verzweigung direkt an die Vertiefungen der Separatorplatte zu verwenden. Diese Befestigung wird "Verteiler" ("manifold") genannt, und eine Art von Verteiler, welcher direkt die Rohre des Brennstoffgases und des Oxidationsgases mit den wie vorher erwähnten Vertiefungen verbindet, wird als der "äußere Verteiler" bezeichnet. Es gibt eine Sorte von Verteiler, der der "innere Verteiler" genannt wird, mit einer einfacheren Struktur. Der innere Verteiler ist einer, in welchem durchgehende Öffnungen in den Separatorplatten mit einem Gasflusskanal ausgebildet werden, und der Einlass und der Auslass des Gasflusskanals werden zu den Öffnungen verlängert, um so das Brennstoffgas und das Oxidationsgas direkt von den Öffnungen zuzuführen.
Da die Brennstoffzelle während des Betriebs Wärme erzeugt, ist es notwendig, die Zelle mit Kühlwasser oder ähnlichem zu kühlen, damit die Zelle gute Temperaturbedingungen beibehält. Allgemein wird ein Kühlabschnitt für die Zufuhr des Kühlwassers für alle ersten bis dritten Zellen zur Verfügung gestellt. Es gibt einen Typ, bei welchem der Kühlabschnitt zwischen den Separatorplatten eingefügt ist, und einen Typ, in welchem ein Kühlwasserflusskanal an der rückseitigen Oberfläche der Separatorplatte vorgesehen wird, um als der Kühlabschnitt zu dienen, und der letztere wird oftmals verwendet. Die Struktur eines herkömmlichen Zellstapels ist derartig, dass die MEAs, die Separatorplatten und die Kühlabschnitte einer auf dem anderen angeordnet werden, um einen Stapel von 10 bis 200, Zellen zu bilden, und dieser Zellstapel wird zwischen Endplatten einer Stromsammelplatte und einer Isolationsplatte zwischen dem Zellstapel und jeder Endplatte eingefasst, und mit einer Spannschraube von beiden Seiten gesichert.
In einer derartigen Brennstoffzelle mit festem Polymerelektrolyt müssen die Separatorplatten eine hohe Leitfähigkeit, eine hohe Gasdichte in Bezug auf ein Brennstoffgas und ein Oxidationsgas und eine hohe Korrosionsbeständigkeit gegen eine Reaktion von Wasserstoff/Sauerstoff-Oxidations-Reduktion haben. Aus diesen Gründen werden herkömmliche Separatorplatten gewöhnlich aus Kohlenstoffmaterialien, wie etwa glasartigem Kohlenstoff und expandiertem Graphit hergestellt, und der Gasflusskanal wird durch Schneiden der Oberfläche der Separatorplatte oder durch Formen mit einer Form hergestellt, wenn das Material expandierter Graphit ist.
Bei einem herkömmlichen Verfahren, einschließlich Schneiden einer Kohlenstoffplatte, ist es schwierig, die Materialkosten der Kohlenstoffplatte und die Kosten für das Schneiden der Kohlenstoffplatte zu reduzieren. Daneben erfordert ein Verfahren unter Verwendung von expandiertem Graphit hohe Materialkosten, und es wurde angenommen, dass die hohen Materialkosten eine praktische Verwendung dieses Verfahrens verhindern.
In den vergangenen Jahren gab es Versuche, eine Metallplatte, wie etwa rostfreier Stahl, anstelle des herkömmlich verwendeten Kohlenstoffmaterials zu verwenden.
Jedoch wird in dem vorher erwähnten Verfahren unter Verwendung einer Metallplatte, da die Metallplatte einer sauren Atmosphäre mit einem pH von 2 bis 3 bei hohen Temperaturen ausgesetzt wird, die Korrosion oder Auflösung der Metallplatte auftreten, wenn sie für eine lange Zeit verwendet wird. Die Korrosion der Metallplatte erhöht den elektrischen Widerstand in dem korrodierten Abschnitt und senkt die Ausgabe der Zelle. Außerdem, wenn die Metallplatte gelöst wird, diffundieren gelöste Metall-Ionen in die Polymerelektrolytmembran und werden durch die Ionenaustauschstelle der Polymerelektrolytmembran gefangen, was in einer Verringerung der ionischen Leitfähigkeit der Polymerelektrolytmembran resultiert. Aus diesen Gründen tritt, wenn eine Zelle, in welcher eine Metallplatte wie sie ist für eine Separatorplatte verwendet wird, für eine lange Zeit betrieben wird, das Problem auf, dass die Energieerzeugungseffizienz schrittweise abnimmt.
JP 11 126 621 A , WO 99 119 927 A, EP 1 030 393 A1 und JP 11 126 622 A , die alle zu der gleichen Patentfamilie gehören und Dokumente nach Artikel 54 (3) EPÜ darstellen, offenbaren einen Separator für eine Brennstoffzelle (SPEFC), welcher aus rostfreiem Stahl besteht und eine leitfähige Oberflächenbeschichtung hat, welche eine Oxidschicht oder eine leitfähige plattierte Metallschicht (Ni-Cr, Ti, Ta oder Ti-Ta) mit darin dispergierten Kohlenstoffteilchen ist.
JP 10 255 823 A , ein Dokument nach Artikel 54 (3) EPÜ, offenbart ebenfalls eine SPEFC, welche aus einem für den Grundkörper verwendeten Metall (Al oder Ti) und einer Schicht besteht, die ein auf einer Grundkörperoberfläche ausgebildetes leitfähiges Kohlenstoffmaterial enthält.
US-A-5 683 828 bezieht sich auf eine Brennstoffzelle, in welcher ein SPEFC, die aus Ti hergestellt ist, eine anti-korrosive und leitfähige Titannitrid-Oberflächenschicht hat. In einer Ausführungsform wird das Vorsehen einer Dichtung zwischen den Elektrodenmembranbaugruppen offenbart.
WO 94 11912 offenbart einen Separator, welcher aus einem Metall und einer elektrisch leitfähigen Beschichtung aufgebaut sein kann, welche ein Wasser abstoßendes Material (Polyvinylidenfluorid) umfasst.
EP-A-0 780 916 bezieht sich ebenfalls auf einen SPEFC mit einem Titannitrid-beschichteten Leichtgewicht-Metallkern.
EP-A-1 098 380 offenbart einen Separator mit einem Metallkern und einer elektrisch leitfähigen Kohlenstoff-Überzugsschicht.
In EP-A-0 955 686, ein Dokument nach Artikel 54 (3) EPÜ, umfasst die Oberfläche des aus Metall hergestellten Gasseparators zwei Überzugsschichten, eine erste aus Zinn und eine zweite aus Graphit, wobei die erste Überzugsschicht aufgeraut wird, um die Adhäsion der zweiten Überzugsschicht zu erhöhen.
WO 99 67845 A, ein Dokument nach Artikel 54(3) EPÜ, ist auf Strömungsfeldplatten gerichtet, die in Brennstoffzellenstapeln als Separatoren verwendet werden und aus einem korrosionsbeständigen Metall hergestellt sind.
Offenbarung der Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Separatorplatte für die Verwendung in Brennstoffzellen zu verbessern, und eine Separatorplatte zur Verfügung zu stellen, welche ihre chemische Inaktivität selbst dann erhält, wenn ihre Oberfläche, die in Kontakt mit einem Gas kommt, einer sauren Atmosphäre ausgesetzt wird, die Korrosion und Auflösung unterdrückt und eine gute Leitfähigkeit hat, durch Verwendung eines Metalls, das leicht als ein Material verarbeitet werden kann.
Die vorliegende Erfindung stellt eine wie in Anspruch 1 definierte Brennstoffzelle mit festem Polymerelektrolyt zur Verfügung.
Die leitfähige Beschichtung ist bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einer kohlenstoffförmigen Beschichtung, einer Beschichtung aus einer leitfähigen anorganischen Verbindung und einer metallisierten Beschichtung, die Teilchen eines wasserabstoßenden Materials enthält.
Eine bevorzugte leitfähige Separatorplatte besteht aus einem schwammförmigen Metall und einer Kohlenstoffpulverschicht, welche in das schwammförmige Metall gefüllt wird und die Oberfläche des schwammförmigen Metalls bedeckt.
Eine weitere bevorzugte leitfähige Separatorplatte besteht aus einer Metallplatte und einer leitfähigen Beschichtung, die die Oberfläche der Metallplatte bedeckt, wobei die leitfähige Beschichtung eine leitfähige anorganische Verbindung, ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus Oxiden, Nitriden und Carbiden besteht.
Noch eine weitere bevorzugte leitfähige Separatorplatte besteht aus einer Metallplatte und einer leitfähigen Beschichtung, die die Oberfläche der Metallplatte bedeckt, wobei die leitfähige Beschichtung aus einer metallisierten Beschichtung hergestellt wird, die Teilchen eines Wasser abstoßenden Materials enthält. Die vorliegende Erfindung stellt eine wie in Anspruch 3 definierte Brennstoffzelle mit festem Polymerelektrolyt zur Verfügung.
Außerdem stellt die vorliegende Erfindung eine wie in Anspruch 4 definierte Brennstoffzelle mit festem Polymerelektrolyt zur Verfügung.
Die vorliegende Erfindung stellt eine leitfähige Separatorplatte zur Verfügung, bestehend aus einer Metallplatte mit Vertiefungen oder Rippen für die Führung des Brennstoffgases auf ihrer Oberfläche, die einer Elektrode zugewandt ist, und aus einem Isolationsblatt, welches einen Gasflusskanal für die Führung des Brennstoffgases oder Oxidationsgases von einer Gaszufuhrseite zu einer Gasauslassseite auf einer Oberfläche der Metallplatte in Zusammenarbeit mit den Vertiefungen oder Rippen ausbildet, und welche Elastizität hat, um als eine Dichtung zu dienen, um das Auslecken des Brennstoffgases oder des Oxidationsgases aus dem Gasflusskanal zu vermeiden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die 1 ist eine Querschnittsansicht, die wesentliche Abschnitte einer Brennstoffzelle gemäß einem Beispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
Die 2 ist eine Draufsicht auf eine anodenseitige Separatorplatte der Brennstoffzelle.
Die 3 ist eine Draufsicht auf eine kathodenseitige Separatorplatte der Brennstoffzelle.
Die 4 ist eine Draufsicht auf eine Metallplatte, die die anodenseitige Separatorplatte bildet.
Die 5 ist eine Draufsicht auf ein Isolationsblatt, das die anodenseitige Separatorplatte bildet.
Die 6 ist eine Zeichnung, die die Ausgabeeigenschaften der Brennstoffzellen des Beispiels 1 der vorliegenden Erfindung und eines Vergleichsbeispiels zeigt.
Die 7 ist eine Darstellung, die einen elektrischen Kontaktabschnitt zwischen einer Separatorplatte und einer Elektrode nach einem anderen Beispiel gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
Die 8 ist eine Zeichnung, die die Strom-Spannungs-Eigenschaften der Brennstoffzelle des Beispiels 9 der vorliegenden Erfindung und eines Vergleichsbeispiels zeigt.
Die 9 ist eine Zeichnung, die die Strom-Spannungs-Eigenschaften einer Brennstoffzelle des Beispiels 10 der vorliegenden Erfindung und eines Vergleichsbeispiels zeigt.
Die 10 ist eine Darstellung, die einen elektrischen Kontaktabschnitt zwischen einer Separatorplatte und einer Elektrode gemäß noch eines weiteren Beispiels der vorliegenden Erfindung zeigt.
Bevorzugte Ausführungsform
Eine Separatorplatte der vorliegenden Erfindung besteht im Wesentlichen aus einer Metallplatte, deren Oberfläche mit einer Beschichtung bedeckt ist, die beständig gegen Oxidation ist. Daneben wird diese Metallplatte mit Rippen oder Vertiefungen für die Ausbildung eines Gasflusskanals z.B. durch Pressbearbeitung (press working) versehen.
Eine Separatorplatte der vorliegenden Erfindung besteht aus einer Kombination der verarbeiteten Metallplatte mit Rippen oder Vertiefungen für die Führung eines Brennstoffgases oder Oxidationsgases auf ihrer Oberfläche, die einer Elektrode zugewandt ist, und einem Isolationsblatt, welches Elastizität hat, und als eine Dichtung dient. Das Isolationsblatt bildet einen Gasflusskanal für die Führung des Brennstoffgases oder des Oxidationsgases von einer Gaszufuhrseite zu einer Gasauslassseite in Zusammenarbeit mit den Rippen oder Vertiefungen der Metallplatte und dient als eine Dichtung, um das Auslecken des Brennstoffgases oder Oxidationsgases aus dem Gasflusskanal zu vermeiden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Beschichtung, die beständig gegen Oxidation ist, welche die Oberfläche der Metallplatte bedeckt, eine Beschichtung mit einer wie im Folgenden beschriebenen vorbestimmten Leitfähigkeit.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Beschichtung mit Beständigkeit gegen Oxidation eine Beschichtung mit schlechter Leitfähigkeit oder mit Isolationseigenschaften. In diesem Fall ist, wie später beschrieben wird, die Separatorplatte elektrisch an eine Anode oder Kathode durch einen Teil ohne Beschichtung verbunden.
Als das vorher erwähnte Metall wird eine Metallplatte verwendet, wie etwa rostfreier Stahl und Aluminium, welcher eine hervorragende Leitfähigkeit hat und leicht durch Pressbearbeitung die Ausbildung von Rippen oder Vertiefungen ermöglicht, die als ein Gasflusskanal dienen.
Für die leitfähige Beschichtung, die auf eine derartige Metallplatte zu beschichten ist, ist es bevorzugt, eine Beschichtung einer leitfähigen anorganischen Verbindung und eine metallisierte Beschichtung zu verwenden, die Teilchen eines Wasser abstoßenden Materials enthält.
Als die anorganische Verbindung, die die leitfähige Beschichtung ausbildet, ist es bevorzugt Oxide zu verwenden, wie etwa Indium-dotiertes Zinnoxid Sn(In)O₂, Bleioxide, PbO und PbO₂, Nitride, wie etwa TiN und TiAlN und Carbide, wie etwa SiC. Um eine leitfähige Beschichtung auf der Metalloberfläche zu bilden, werden Verfahren, wie etwa Vakuumverdampfen, Elektrodenstrahlverdampfen, Sputtern und Hochfrequenz-Glimmentladungszersetzen verwendet. Die Dicke einer derartigen leitfähigen Schicht ist bevorzugt in dem Bereich von 500 Å bis 5 μm vom Gesichtspunkt des Aufweisens sowohl von Korrosionsbeständigkeit als auch von Leitfähigkeit.
Die metallisierte Beschichtung mit Teilchen eines Wasser abstoßenden Materials wird durch Einschließen von Teilchen eines Wasser abstoßenden Materials in eine Beschichtung erhalten, die mit einem korrosionsbeständigen Metall, wie etwa Gold, Silber, Nickel und Chrom plattiert ist. Die als das Wasser abstoßende Material verwendeten Materialien sind Wasser abstoßende Materialien auf Fluorcarbon-Basis, wie etwa Pechfluorid, fluorierter Graphit, Polytetrafluorethylen, Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen-Copolymer und Tetrafluorethylen-Perfluoralkylvinylether-Copolymer. Die metallisierte Beschichtung mit Teilchen eines Wasser abstoßenden Materials wird durch Dispersion der Teilchen des Wasser abstoßenden Materials in einem Plattierungsbad für den Erhalt der Metallplattierung und durch Durchführung von Elektroplattierung in diesem Plattierungsbad erhalten. Der Teilchendurchmesser der hier verwendeten Teilchen des Wasser abstoßenden Materials ist im Bereich von 0,05 bis 50 μm, bevorzugt 0,5 bis 10 μm, und die Dicke der plattierten Beschichtung ist bevorzugt im Bereich von 0,5 bis 10 μm. Ein geeigneter pH des Plattierungsbades ist im Bereich von 3 bis 6, und eine geeignete Stromdichte ist im Bereich von 0,1 bis 1 A/cm².
Die leitfähige Separatorplatte der vorliegenden Erfindung kann ebenfalls aus einem schwammförmigen Metall und einer Kohlenstoffpulverschicht, welche in das schwammförmige Metall gefüllt wird und die Oberfläche des schwammförmigen Metalls bedeckt, gebildet werden. Spezifisch wird das Kohlenstoffpulver als eine Paste mit Wasser oder einer wässrigen Lösung eines viskosen Mittels, wie etwa Carboxymethylcellulose, zubereitet, und diese Paste wird in das schwammförmige Metall gefüllt. Dann wird das resultierende schwammförmige Metall durch Druckausübung gepresst, um eine Separatorplatte mit einem Gasflusskanal auszubilden. Auf diese Art und Weise wird eine Separatorplatte hergestellt, welche mit dem Kohlenstoffpulver gefüllt ist und eine Oberfläche hat, die mit der Kohlenstoffpulverschicht beschichtet ist, die eine hervorragende Beständigkeit gegen Korrosion hat.
Die folgende Beschreibung wird die Fälle erläutern, in denen die oxidationsbeständige Beschichtung eine Beschichtung mit schlechter Leitfähigkeit oder mit Isolationseigenschaften ist, und die Separatorplatte elektrisch mit der Anode oder Kathode durch einen Teil ohne Beschichtung verbunden ist.
Zunächst wird in dem ersten Fall die Metallplatte, deren Oberfläche mit der Beschichtung mit Beständigkeit gegen Oxidation beschichtet ist, aufgeraut, so dass wenigstens ihre der Anode und Kathode zugewandte Oberfläche feine Vertiefungen und Vorstöße hat. Dann brechen die Kohlenstofffasern eines Kohlenstoffpapiers, das eine Gasdiffusionsschicht der Anode oder Kathode bilden, die Beschichtung an der oberen Oberfläche der vorspringenden Abschnitte des aufgerauten Bereichs durch den Klemmdruck eines Zellstapels, und die Abschnitte ohne Beschichtung werden elektrisch mit der Anode oder Kathode verbunden.
In dem zweiten Fall werden leitfähige Teilchen zwischen der Metallplatte, deren Oberfläche mit einer oxidationsbeständigen Beschichtung bedeckt ist, und der Anode oder Kathode in Kontakt mit dieser Metallplatte eingefügt. Diese leitfähigen Teilchen durchbrechen die Beschichtung auf der Metallplattenoberfläche durch den Klemmdruck eines Zellstapels, und die Teile ohne Beschichtung werden elektrisch mit der Anode oder Kathode verbunden. Die vorher erwähnten leitfähigen Teilchen können mit der Metallbasis durch die Beschichtung durch das vorherige mechanische Vergraben der leitfähigen Teilchen in der Metallplattenoberfläche in Kontakt kommen.
Die vorher erwähnte Beschichtung mit schlechter Leitfähigkeit oder mit Isolationseigenschaften hat eine geeignete Korrosionsbeständigkeit und eine Dicke, bevorzugt im Bereich von 500 Å bis 10 μm für die elektrische Verbindung der Elektrode.
Als Nächstes werden unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 Beispiele der Struktur einer Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung erläutert. Die hier verwendeten strukturellen Ansichten sind dafür beabsichtigt, das Verständnis zu erleichtern, und die relativen Größen und die Positionsbeziehungen der entsprechenden Elemente sind nicht unbedingt genau.
Die 1 ist eine Querschnittsansicht, die wesentliche Teile eines Brennstoffstapels darstellt, die 2 ist eine Draufsicht auf ihre anodenseitige Separatorplatte und die 3 ist eine Draufsicht auf ihre kathodenseitige Separatorplatte.
10 stellt eine Elektrolytmembran und eine Elektrodenbaugruppe dar (hiernach als der "MEA" bezeichnet), bestehend aus einer festen Elektrolytmembran 11, einer Anode 12 und einer Kathode 13, die an beide Oberflächen der festen Elektrolytmembran 11 gebunden sind, Dichtungen 14 und 15, die an den peripheren Abschnitten davon angeordnet sind, usw. Eine anodenseitige Separatorplatte 21 und eine kathodenseitige Separatorplatte 31 werden an der Außenseite der MEA angeordnet. Die MEA 10 und die Separatorplatten 21 und 31 bilden eine Einheitszelle, und eine Mehrzahl von derartigen Einheitszellen wird gestapelt, um in Reihe verbunden zu werden. In diesem Beispiel werden ein leitfähiges Metallnetz 16 und eine Dichtung 17 zwischen den Separatorplatten 21 und 31 alle zwei Zellen einfügt, um einen Kühlabschnitt für das Durchführen von Kühlwasser, auszubilden.
Die anodenseitige Separatorplatte 21 wird durch Zusammenkleben einer Metallplatte 22, die in der 4 gezeigt wird, und eines Isolationsblatts 27, das in der 5 gezeigt wird, aufgebaut. Die Metallplatte 22 wird mit einer Anordnung von hervorspringenden Rippen 23 versehen, die an der Mitte einer Hauptoberfläche, die der Anode zugewandt ist, durch Pressbearbeitung ausgebildet werden, und Fluideinlassöffnungen 24a, 25a, 26a und Fluidauslassöffnungen 24b, 25b, 26b werden rechts und links ausgebildet. Währenddessen wird das Isolationsblatt 27 durch Stanzen eines Blattes hergestellt, und es bildet eine Vertiefung 28 aus für das Führen eines Fluids, d.h. eines Brennstoffgases, von der Fluideinlassöffnung 24a zu der Fluidauslassöffnung 24b, wenn es auf eine Oberfläche der Metallplatte 22 mit den Rippen 23 aufgesetzt wird, und dient als eine Dichtung für die Vermeidung des Ausleckens des Brennstoffgases aus der Vertiefung 28 und für die Vermeidung des Ausleckens des Fluids, das durch die Öffnungen 25a, 25b und die Öffnungen 26a, 26b tritt, wenn es an die Anode angeheftet ist.
Die auf der Oberfläche der Separatorplatte 21 ausgebildete Vertiefung 28 verursacht zwei Vertiefungen 23', die auf beiden Seiten der Rippe 23 durch den Zusammenbau der Rippen 23 der Metallplatte 22 und der Rippenteile 29 des Blattes 27 gebildet werden, um ein Brennstoffgas durchzuleiten.
Wie in der 3 gezeigt, ist die kathodenseitige Separatorplatte 31 aus einer Metallplatte 32 aufgebaut, die versehen ist mit einer Anordnung von hervorspringenden Rippen 33, die an der Mitte einer Hauptoberfläche, die der Kathode zugewandt ist, durch Pressbearbeitung ausgebildet wird, und rechts und links mit Fluideinlassöffnungen 34a, 35a, 36a und Fluidauslassöffnungen 34b, 35b, 36b; und ein Isolationsblatt 37 haftet an der Oberfläche der Metallplatte mit den Rippen 33. Auf der Oberfläche dieser kathodenseitigen Separatorplatte 31, die der Kathode zugewandt ist, wird eine Vertiefung 38 für die Führung eines Fluids ausgebildet, d.h. eines Oxidationsgases von der Fluideinlassöffnung 36a zu der Fluidauslassöffnung 36b. Daneben dient das Blatt 37 als eine Dichtung, um zu vermeiden, dass Oxidationsgas aus der Vertiefung 38 ausleckt, und um zu vermeiden, dass das Fluid, das durch die Öffnungen 34a, 35a und die Öffnungen 34b, 35b tritt, ausleckt.
Die Vertiefung 38 verursacht vier Vertiefungen 33', die zwischen den Rippen 33 durch Zusammenbau der Rippen 33 auf der Metallplatte 32 und den Rippenteilen 39 des Blatts 37 gebildet werden, um das Oxidationsgas durchzuleiten.
Auf diese Weise ist es möglich, wenn eine Separatorplatte durch eine Kombination einer Metallplatte mit einer Mehrzahl von Rippen, gebildet durch Pressverarbeitung, und des durch Stanzen erhaltenen Isolationsblattes aufgebaut wird die Größe der Fluidleitungsvertiefung nur durch Änderung der Form des Isolationsblattes zu ändern.
In dem vorher erwähnten Beispiel ist die Querschnittsfläche einer Passage, die zwischen den Rippen 33 als ein Gasflusskanal gebildet wird, der zu der Vertiefung 38 der kathodenseitigen Separatorplatte 31 verläuft, das Dreifache der Querschnittsfläche einer Passage, die zwischen den Rippen 23, als ein Gasflusskanal ausgebildet wird, der zu der Vertiefung 28 der anodenseitigen Separatorplatte 21 verläuft. Es ist daher möglich, die Flussmenge des Oxidationsgases größer als die des Brennstoffgases einzustellen.
In dem vorher erwähnten Beispiel, während jede der anodenseitigen leitfähigen Separatorplatte und der kathodenseitigen leitfähigen Separatorplatte unabhängig hergestellt werden, ist es möglich, die anodenseitige leitfähige Separatorplatte und die kathodenseitige leitfähige Separatorplatte als ein Teil einer Separatorplatte aufzubauen, in welchem eine der Oberflächen eine anodenseitige leitfähige Separatorplatte und die andere Oberfläche eine kathodenseitige leitfähige Separatorplatte ist.
Beispiel 1
Ein Elektrodenkatalysator, der 25 Gew.-% Platinteilchen mit einem mittleren Teilchendurchmesser von etwa 30 Å auf Acetylenschwarz trägt, wurde hergestellt. Eine Dispersion dieses Katalysatorpulvers in Isopropanal wurde mit einer Dispersion eines Perfluorcarbonsulfonsäurepulvers in Ethylalkohol gemischt, um eine Paste auszubilden. Diese Paste wurde auf eine der Oberflächen eines 250 μm dicken Kohlenstoffvlieses durch Siebdruck gedruckt, um eine Elektroden-Katalysatorschicht auszubilden. Die Mengen an Platin und Perfluorcarbonsulfonsäure, die in der resultierenden Katalysatorschicht enthalten sind, wurde auf 0,5 mg/cm² bzw. 1,2 mg/cm² eingestellt. Durch Ausbildung der Katalysatorschicht auf dem Kohlenstoffvlies als eine Diffusionsschicht in dieser Art und Weise, wurden eine Anode und eine Kathode mit identischen Konfigurationen hergestellt.
Eine Elektrolytmembran- und Elektrodenbaugruppe (MEA) wurde durch Binden dieser Elektroden an beide Oberflächen eines Mittelteils einer Protonen-leitfähigen Polymerelektrolytmembran, die eine leicht größere Fläche als die Elektrode hat, durch Warmpressen hergestellt, so dass die Katalysatorschichten in Kontakt mit den Elektrolytmembranen waren. Die hier verwendete Elektrolytmembran war eine 25 μm dicke Dünnschicht einer Perfluorcarbonsulfonsäure, dargestellt durch folgende Formel, wobei x = 1, y = 2, m = 5 bis 13,5 und n = 1000. Daneben war die in die Katalysatorschicht gemischte Perfluorcarbonsulfonsäure die gleiche Verbindung wie die vorher erwähnte Elektrolytmembran.
Als Nächstes wird ein Verfahren für die Herstellung einer leitfähigen Separatorplatte beschrieben. Wie in der 3 gezeigt, werden die Rippen 23 mit einer Breite von etwa 2,8 mm und einer Höhe von etwa 1 mm in einem Abstand von 5,6 mm auf einer 10 cm × 9 cm-Fläche im Mittelteil einer 0,3 mm dicken Platte aus rostfreiem Stahl SUS316 durch Pressbearbeitung ausgebildet. Nachfolgend wurde, um eine Oxidschicht auf der Oberfläche zu entfernen, eine Vorbehandlung durch Sputtern mit Ar in einer Atmosphäre aus Ar-Gas bei 5 × 10^–6 Torr durchgeführt. Als Nächstes wurde in der Atmosphäre aus Ar-Gas bei 5 × 10^–6 Torr die Temperatur dieser Separatorplatte auf 300°C erhöht, und eine In-dotierte Zinnoxidschicht wurde in einer Dicke von 0,5 μm auf der Oberfläche der Separatorplatte durch Elektronenstrahlverdampfen ausgebildet. Die auf diese Weise behandelte Metallplatte 22 und das in der 4 gezeigte Isolationsblatt wurden zusammengeheftet, um die anodenseitige Separatorplatte 21 herzustellen. Die auf die gleiche Art und Weise behandelte Metallplatte 32 und das Isolationsblatt 37 wurden zusammengeheftet, um die kathodenseitige Separatorplatte 31 herzustellen.
Diese Separatorplatten wurden mit den vorher erwähnten MEAs zu einem Stapel von 50 Zellen kombiniert, und der resultierende Zellstapel wurde über Stromsammelplatten und Isolationsplatten durch rostfreie Stahlendplatten und Klemmstäbe mit einem Druck von 20 kgf/cm² zusammengeklemmt. Wenn der Klemmdruck zu gering ist, leckt das Gas aus und der Oberflächenwiderstand zwischen den leitfähigen Elementen steigt an, was in einer Verringerung der Zellleistung resultiert. Andererseits, wenn der Klemmdruck zu groß ist, brechen die Elektroden und die Separatorplatten werden verformt, und daher ist es wichtig, den Klemmdruck gemäß dem Aufbau der Vertiefungen für den Gasflusskanal zu ändern.
Als ein Vergleichsbeispiel wurde eine Zelle mit der gleichen Struktur wie die des Beispiels 1 aufgebaut, mit der Ausnahme, dass die leitfähigen Separatorplatten durch Platten aus rostfreiem Stahl SUS316 mit unbehandelten Oberflächen gebildet wurden.
Die Brennstoffzellen mit Polymerelektrolyt des Beispiels 1 und des Vergleichsbeispiels wurden bei 85°C gehalten und ein angefeuchtetes und auf einen Taupunkt von 83°C erwärmtes Wasserstoffgas wurde zu der Anode geführt, während Luft, welche angefeuchtet und auf einen Taupunkt von 78°C erwärmt war, zu der Kathode geführt wurde. Als ein Ergebnis wurde eine offene Schaltkreisspannung von 50 V in einem Nicht-Belastungszustand aufgewiesen, in welchem ein Strom nicht ausgegeben wird.
Diese Zellen wurden einem kontinuierlichen Stromerzeugungstest unter den Bedingungen eines Brennstoffnutzungsverhältnisses von 80 %, eines Sauerstoffnutzungsverhältnisses von 40 % und einer Stromdichte von 0,5 A/cm² ausgesetzt, und die Änderungen der Ausgabeeigenschaften über die Zeit werden in der 6 gezeigt. Als ein Ergebnis wurde die Ausgabe der Zelle des Vergleichsbeispiels mit dem Verstreichen der Zeit weniger, während die Zelle des Beispiels 1 eine Zellausgabe von etwa 1.000 W (22 V-45 A) über 8.000 Stunden behielt.
Beispiel 2
In diesem Beispiel wurde eine Zelle in der gleichen Art und Weise wie in Beispiel 1 aufgebaut und bewertet, mit der Ausnahme der Verwendung von Separatorplatten mit einer Bleioxidschicht auf der Oberfläche einer rostfreiem Stahlplatte, auf welcher Pb durch Dampfzersetzung abgeschieden wurde.
Ein Verfahren für die Herstellung einer leitfähigen Separatorplatte wird im Folgenden beschrieben. Zunächst wurde, nach Durchführung der gleichen Vorbehandlung wie in Beispiel 1, an einer 0,3 mm-dicken Platte aus rostfreiem Stahl SUS315, eine 1 μm-dicke Pb-Schicht auf der Oberfläche der Platte in einer Ar-Atmosphäre (99,9999 %) bei 1 × 10^–7 Torr und bei einer Temperatur von 200°C durch Dampfauftrag ausgebildet. Nachfolgend wurde eine 1 μm-dicke PbO-Schicht auf der Pb-überzogenen Oberfläche durch Sputtern ausgebildet. Das Sputtern erfolgte in einer Ar-Atmosphäre (99,9999 %) mit einem Sauerstoffpartialdruck von 2 × 10^–4 Torr und bei einer Temperatur von 200°C durch Steuerung der Sputterleistung, so dass die Schichtabscheidungsrate 3 μm/Stunde war. Die resultierende gesputterte Schicht wurde durch Röntgenstrahlbeugung als PbO identifiziert. Der spezifische Widerstand dieser PbO-Schicht war 5 × ^–5 Ω-cm.
Außerdem wurde eine 1 μm-dicke PbO₂-Schicht anstelle von PbO in einer Atmosphäre aus Sauerstoff bei 3 × 10^–9 Torr, einer Temperatur von 40°C und einer Filmabscheidungsrate von 2 μm/Stunde ausgebildet.
Beispiel 3
In diesem Beispiel wird ein Fall beschrieben, in dem ein Nitrid als die leitfähige anorganische Verbindung verwendet wird, beschrieben.
Ein Verfahren für die Herstellung einer leitfähigen Separatorplatte wird im Folgenden beschrieben. Nach Pressen einer 0,3 mm-dicken Ti-Platte in der gleichen Art und Weise wie im vorhergehenden Beispiel, wurde eine 1 μm-dicke TiN-Schicht auf der Oberfläche der Platte durch Sputtern unter Verwendung eines RF-planaren Magnetrons ausgebildet. Das hierbei verwendete Target war TiN (99 %) und das Sputtern wurde in einer Ar-Atmosphäre (99,9999 %) bei 4 × 10^–2 Torr und bei einer Temperatur von 500°C durch Einstellung der Sputterleistung auf 400 W durchgeführt, so dass die Abscheidungsmenge 1,5 μm/Stunde war. Die resultierende Sputterschicht wurde durch Röntgenstrahlbeuqung als TiN identifiziert. Der spezifische Widerstand dieser TiN-Schicht war 2 × 10^–4 Ω·cm.
Daneben gibt es den Vorteil, wenn die Schichtdicke von TiN vermindert wird, dass der Scheinwiderstand (Impedanz) als eine Zelle verringert und die Ausgabeeigenschaft folglich verbessert wird, aber es gibt ebenfalls einen Nachteil, dass die Langzeitstabilität beeinträchtigt wird. Nebenbei wird, wenn die Schichtdicke zu dick hergestellt wird, die Verlässlichkeit erhöht, aber es erfordert längere Zeit, eine Schicht abzuscheiden, was das Problem verursacht, dass die Produktivität verringert wird. Es wurde durch Untersuchung der Dicke der TiN-Schicht gefunden, dass eine Dicke von etwa 1 μm praktikabel war.
Als Nächstes wurde, nach Pressen einer 0,3 mm-dicken Al-Platte in der gleichen Art und Weise wie vorher, eine 1,2 μm-dicke TiAlN-Schicht auf der Oberfläche durch Sputtern unter Verwendung einer RF-Diode ausgebildet. Das verwendete Target war TiAlN (99 %) und das Sputtern erfolgte in einer Ar-Atmosphäre (99,9999 %) bei 4 × 10^–2 Torr und bei einer Temperatur von 300°C durch Einstellen der Sputterleistung auf 300 W, so dass die Abscheidungsrate 1,0 μm/Stunde war. Der spezifische Widerstand der durch dieses Verfahren hergestellten TiAlN-Schicht war 1 × 10^–3 Ω-cm.
Beispiel 4
In diesem Beispiel wird ein Fall beschrieben, in dem ein SiC vom n-Typ, d.h. ein leitfähiges Carbid, als die leitfähige anorganische Verbindung verwendet wird.
Eine Separatorplatte wurde durch Ausbildung einer P-dotierten SiC-Schicht vom n-Typ auf einer Platte aus rostfreiem Stahl SUS316 ausgebildet, an welcher die gleiche Pressbearbeitung und Vorbehandlung wie in Beispiel 1 durchgeführt wurde. Spezifisch wurde die SiC-Schicht vom n-Typ in einer Dicke von 1000 Å auf der Oberfläche der rostfreien Stahlplatte durch 14,56 MHz-Hochfrequenzglimmentladungszersetzung in einer Atmosphäre aus gemischtem Silan, Methan (CH₄) und Diboran (PH₃), verdünnt mit Wasserstoff, in einem Verhältnis von P/(Si + C) = 10 Atom-% bei 10 Torr und einer Temperatur von 300°C ausgebildet. Nach dem Abscheiden wurde eine Goldelektrode auf die SiC-Schicht gedampft und der spezifische Widerstand der SiC-Schicht wurde als 50 Ω·cm gemessen.
Zellen unter Verwendung der Platten der vorhergehenden Beispiele 2 bis 4 wurden einem kontinuierlichen Stromerzeugungstest unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 unterzogen, und die anfängliche Zellausgabe (10 Stunden nach Beginn des Betriebs) und die Zellausgabe nach 8000 Stunden Betrieb wurden verglichen. Die Ergebnisse werden in der Tabelle 1 gezeigt.
Tabelle 1
Beispiel 5

Eine Nickel-plattierte Beschichtung mit Pechfluoridteilchen als ein Wasser abstoßendes Material wurde auf der Oberfläche einer Platte aus rostfreiem Stahl SUS316L ausgebildet, bei welcher die gleiche Pressbearbeitung und Vorbehandlung wie in Beispiel 1 unter den folgenden Bedingungen durchgeführt wurde. Plattierungsbad

Nickelsulphamat	150 g/l
Nickelchlorid	50 g/l
Borsäure	50 g/l
kationisches oberflächenaktives Mittel tertiäres Perfluorammonium {C₈F₁₇SO₂NH(CH₂)₃N⁺(CH₃)3·Cl^–}	15 g/l
Feine Teilchen aus Pechfluorid	20 g/l
pH	4,2
Badtemperatur	45 ± 5°C
Anode	Nickelplatte
Stromdichte	0,5 A/cm².

Das verwendete Pechfluorid wurde durch feines Mahlen von Pechfluorid mit einem mittleren Molekulargewicht von 2000 und einem F/C-Atomverhältnis = 1,3 in Teilchen mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 1,3 μm erhalten. Die resultierende nickelplattierte Beschichtung hatte eine Dicke von 7 μm und Ni:Pechfluorid (Gewichtsverhältnis) = 85:15.
Diese Zelle wurde dem kontinuierlichen Stromerzeugungstest unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 unterzogen. Im Ergebnis waren die Ausgabeeigenschaften nahezu die gleichen wie die der Zelle des Beispiels 1, und die Zellausgabe von 1000 W (22 V-45 A) wurde über 8000 Stunden beibehalten.
Mit dem Ansteigen der Dicke der Nickel-plattierten Beschichtung, die die Pechfluoridteilchen enthält, wird die anfängliche Ausgabe verringert, aber die Langzeitverlässlichkeit verbessert. Außerdem wird mit Erhöhung des Anteils an Pechfluorid die anfängliche Eigenschaft verringert, aber die Langzeitverlässlichkeit verbessert.
Als Nächstes wurde eine Separatorplatte durch Änderung des pH des vorher erwähnten Plattierungsbades und der Stromdichte während der Elektrolyse hergestellt, und eine Zelle wurde in der gleichen Art und Weise zusammengesetzt. Nebenbei wurde der pH des Plattierungsbads durch die Menge der Borsäure gesteuert.
Die Tabelle 2 zeigt die anfängliche Ausgabe und die Ausgabe nach etwa 8000 Stunden Betrieb der entsprechenden Zellen.
Tabelle 2
Es ist aus der Tabelle 2 ersichtlich, dass je höher die Stromdichte während der Elektrolyse ist, desto stärker wird eine Verschlechterung durch die Langzeitverwendung verursacht. Wenn jedoch die Stromdichte gering ist, wird eine enorme Bearbeitungszeit erforderlich und die Praktikabilität wird beeinträchtigt. Daneben wird, wenn der pH des Plattierungsbads kleiner als 3 ist, die Verschlechterung durch die Langzeitverwendung erhöht. Wenn jedoch der pH zu nahe am neutralen Wert liegt, kann die Stromdichte während der Elektrolyse nicht erhöht werden, und eine enorme Bearbeitungszeit ist erforderlich, was die Praktikabilität beeinträchtigt.
Gemäß dieser Ergebnisse ist es angemessen, den pH des Plattierungsbades in einem Bereich von 3 bis 6 und die Stromdichte pro Fläche einer zu plattierenden Oberfläche während der Elektrolyse in einen Bereich von 0,1 A/cm² bis 1 A/cm² einzustellen.
Beispiel 6
Eine leitfähige Separatorplatte wurde durch Ausbilden einer 7 μm-dicken Nickel-plattierten Schicht mit fluorierten Graphitteilchen unter der Verwendung von fluorierten Graphitteilchen mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 3 μm anstelle von Pechfluorid ausgebildet. Eine Zelle, ähnlich zu der des Beispiels 1 wurde unter Verwendung dieser Separatorplatte konstruiert und einem kontinuierlichen Stromerzeugungstest unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 unterzogen. Als ein Ergebnis behielt die Zelle eine Zellleistung von 1089 W (24,2 V-45 A) über 8000 Stunden.
Beispiel 7
In diesem Beispiel wurden plattierte Beschichtungen entsprechend auf den Platten aus rostfreiem Stahl SUS316L durch Änderung des Plattierungsmetalls und des Wasser abstoßenden Materials ausgebildet, und Separatorplatten wurden hergestellt. Die Leistungseigenschaften der Zellen unter Verwendung dieser Separatorplatten werden in der Tabelle 3 gezeigt.
Tabelle 3
In der Tabelle 3 stellt PTFE Polytetrafluorethylen (der Polymerisationsgrad ist etwa 1100) dar, TFE-HFP stellt Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen-Copolymer (der Polymerisationsgrad ist etwa 1000 und das Copolymerisationsverhältnis ist 1:1) dar und TFE-PFEV stellt Tetrafluorethylen-Perfluorethylvinylether-Copolymer (der Polymerisationsgrad ist etwa 1000 und das Copolymerisationsverhältnis ist 1:1) dar. Der mittlere Teilchendurchmesser der Teilchen dieser Wasser abstoßenden Materialien ist 1 μm. Das Pechfluorid und der fluorierte Graphit sind die gleichen wie die vorher verwendeten.
Die hier verwendeten Plattierungsbäder wurden durch Zugabe von tertiärem Perfluorammonium {C₈F₁₇SO₂NH(CH₂)₃N⁺(CH₃)₃·Cl^–} als ein kationisches oberflächenaktives Mittel und der Teilchen des entsprechenden Wasser abstoßenden Materials in einem Verhältnis von 15 g/l bzw. 50 g/l zu den folgenden gezeigten Zusammensetzungen hergestellt, das elektrolytische Plattieren erfolgte mit einem pH von 5, einer Badtemperatur von 55 ± 5°C und einem elektrolytischen Strom von 0,2 A/cm², bis die Schichtdicke 1 μm erreichte.
Das Gewichtsverhältnis des Metalls und des Wasser abstoßenden Materials in der resultierenden plattierten Beschichtung war 95:5. Goldplattierungsbad

Kaliumdicyanoaurat 10 g/l

Kaliumcyanid 30 g/l

Kaliumcarbonat 30 g/l

Silberplattierungsbad

Silbercyanid 5 g/l

Kaliumcyanid 20 g/l

Chromplattierungsbad

Chromsäureanhydrid 250 q/l

Schwefelsäure 2,5 g/l
Es ist aus diesen Ergebnissen offensichtlich, dass ähnliche Eigenschaften unter Verwendung von Gold, Silber und Brom als auch Nickel als ein Metall erhältlich sind, das die plattierte Beschichtung bildet, und durch Verwendung eines Polytetrafluorethylens, Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen-Copolymers und Tetrafluorethylen-Perfluorvinylether-Copolymers als auch von Pechfluorid und fluoriertem Graphit als ein Wasser abstoßendes Material. Außerdem wurden mit der Verwendung eines Tetrafluorethylen-Perfluormethylvinylether-Copolymers (der Polymerisationsgrad ist etwa 1000 und das Copolymerisationsverhältnis ist 1:1) oder eines Tetrafluorethylen-Perfluorvinylether-Copolymers (der Polymerisationsgrad ist etwa 1000 und das Copolymerisationsverhältnis ist 1:1) mit einer ähnlichen Struktur zu der des Tetrafluorethyl-Perfluorethylvinylether-Copolymers, ähnliche Eigenschaften erhalten.
Außerdem wurde bestätigt, dass wenn die Dicke der plattierten Beschichtung und der Anteil des Wasser abstoßenden Materials entsprechend erhöht wurden, die anfängliche Leistung gesenkt, aber die Langzeitverlässlichkeit verbessert wurde.
Beispiel 8
In diesem Beispiel wird ein Fall erläutert, in dem eine Separatorplatte ein schwammförmiges Metall als ein Metallsubstrat verwendet.
Zunächst wurde ein schwammförmiges Nickelsubstrat in Streifenform mit einem METSUKE von etwa 600 g/m² in einer Anzahl von dreidimensional kommunizierenden Poren mit im Wesentlichen Spindelform mit einem Verhältnis des längeren Durchmessers zu dem kürzeren Durchmesser eines Gitterliniensegments im Wesentlichen parallel zu der Blattoberfläche von etwa 1,3, hergestellt. Währenddessen wurden Ruß und Polytetrafluorethylen in einem Gewichtsverhältnis von 3:7 gemischt, und diese Mischung wurde in einer wässrigen Lösung von Carboxymethylcellulose, welche in einer 10-fachen höheren Menge ist, suspendiert, um eine leitfähige Paste herzustellen. Diese Paste wurde in das schwammförmige Nickelsubstrat gefüllt und getrocknet. Nachfolgend wurde das schwammförmige Nickelsubstrat auf eine Dicke von 0,3 mm durch Walzen gewalzt. Ein mit einem Abstand von 5,6 mm (Breite der Vertiefung etwa 2,8 mm) sich wellender Bereich wurde in eine 10 cm × 9 cm Fläche an dem Mittelteil dieses gewalzten schwammförmigen Nickelsubstrats durch Pressbearbeitung gebildet. Zu dieser Zeit war die Höhe der Rippen etwa 1 mm. Das schwammförmige Nickelsubstrat wurde mit vielfältigen Verteileröffnungen für die entsprechende Zufuhr und den Auslass des Brennstoffgases, des Kühlwassers und der Luft versehen, und wurde mit einer Isolationsplatte ähnlich zu der des Beispiels 1 kombiniert, um auf diese Weise die anodenseitigen und kathodenseitigen Separatorplatten herzustellen.
Eine Brennstoffzelle, ähnlich zu der des Beispiels 1, wurde unter Verwendung der vorher erwähnten Separatorplatten aufgebaut und dem kontinuierlichen Stromerzeugungstest unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 unterzogen, und folglich behielt die Zelle eine Zellleistung von etwa 1000 W (22 V-45 A) über etwa 8000 Stunden bei.
Beispiel 9
Unter Verwendung von Separatorplatten, die aus Metallplatten hergestellt wurden, deren Oberfläche mit einer Vielzahl von feinen Mustern durch Walzendruck geprägt wurde, wurde die Wirkung der Aufrauungsbehandlung untersucht. Während eine Aluminiumseparatorplatte leicht geprägt wurde, war es schwierig, große Vertiefungen und Vorsprünge für eine Separatorplatte aus rostfreiem Stahl auszubilden, und daher wurden Vertiefungen und Vorstöße durch Schneiden ausgebildet, wenn die Höhe der vorspringenden Teile mehr als 100 μm war. Währenddessen wurden die vorspringenden Teile mit einer Höhe von weniger als 10 μm durch Polieren mit Sandpapier oder durch Einstellen der Grobheit von Sandteilchen im Sandstrahlen ausgebildet. Die aufgerauten Oberflächenbedingungen wurden beobachtet und mit einem optischen stereoskopischen Mikroskop, einem Elektronenmikroskop oder einem Tracerverfahren bestätigt.
Vor dem Testen der Zellen nach Einbau der Separatorplatten in die Zellen wurde der elektrische Kontaktwiderstand zwischen dem als die Gasdiffusionsschicht der Elektrode verwendeten Kohlenstoffpapier und dem Metallteststück mit einem Druck für das Pressen des Teststücks und des Kohlenstoffpapiers gegeneinander als ein Parameter gemessen. Tabelle 4 zeigt den mittleren Wert des Kontaktwiderstandes, wenn das Teststück aus rostfreiem Stahl SUS316 und das Kohlenstoffpapier miteinander in Kontakt durch Ausübung eines Drucks von 25 kgf/cm² gebracht wurden.
Tabelle 4
Es ist aus der Tabelle 4 ersichtlich, dass die SUS316-Platte einen großen Kontaktwiderstand von 120 mΩ·cm² hat, wenn ihre Oberfläche nicht aufgeraut wird, aber einen verbesserten Kontaktwiderstand von 10 bis 50 mΩ·cm² hat, wenn ihre Oberfläche aufgeraut wird. Hinsichtlich Aluminium wurde nach dem Aufrauen des Aluminiums eine Alumit-Behandlung durch anodische Oxidation durchgeführt. Die Aluminiumplatte hatte einen hohen Kontaktwiderstand von 530 mΩ·cm², wenn sie nicht aufgeraut wird, aber hatte einen Kontaktwiderstand von 50 bis 300 mΩ·cm², wenn sie aufgeraut wird. In dem Fall der Aluminiumplatte verursacht übermäßige anodische Oxidation einen Anstieg in der Dicke der Alumit-Überzugsschicht, und auf diese Weise wurde keine signifikante Verbesserung in dem Kontaktwiderstand erzielt, selbst wenn die Aluminiumplatte aufgeraut wurde. Es ist aus den vorhergehenden Ergebnissen ersichtlich, dass der Kontaktwiderstand dazu neigt, mit einer Abnahme der Höhe der vorspringenden Teile kleiner zu werden, und dass der Kontaktwiderstand durch das Aufrauen bemerkenswert verbessert wird.
Als Nächstes wurde, um der Beziehung zwischen der Konfiguration der Vertiefungen und Vorstöße, die auf der Oberfläche der Separatorplatte gebildet werden, und dem Kontaktwiderstand, der Kontaktwiderstand unter Verwendung der Separatorplatten gemessen, auf welchen Vertiefungen und Vorsprünge durch Änderung der Pressform und des Pressdrucks beim Prägedruckformen gebildet waren. Als ein Ergebnis wurde der Kontaktwiderstand nicht stark verbessert, wenn der Pressdruck gering war und flache Abschnitte verblieben hauptsächlich auf der Spitze der vorspringenden Teile. Außerdem hat im Allgemeinen das vorspringende Teil eine Keilform mit einem dünnen Punkt, und es wurde gefunden, dass der Kontaktwiderstand geringer wird, wenn der Winkel der Keilform kleiner wird. Auf diese Weise wurde gefunden, dass der Druck für das Pressen der Platte gegen das Kohlenstoffpapier oder Ähnliches für denselben Kontaktwiderstand verringert werden kann. Dieser Effekt war beahctlich, wenn der Winkel der Keilform kleiner als 90° war.
Da weiter gefunden wurde, dass es einen großen Unterschied in dem Verhalten des Kontaktwiderstandes zwischen Metallplatten gab, welche im Wesentlichen die gleichen vorspringenden Abschnitte auf der aufgerauten Oberfläche haben, wenn sie durch das Tracerverfahren beobachtet wurden, wurde diesen Ursachen nachgegangen. Die Feinstruktur des Kontaktbereichs zwischen der Separatorplatte und der Elektrode werden in der 7 auf der Grundlage der Beobachtung mit einem Mikroskop dargestellt. Die Kohlenstofffasern 1, die die Gasdiffusionsschicht der Elektrode bilden, wurden gegen eine Separatorplatte aus rostfreiem Stahl 2 gepresst, und ein leitfähiger Pfad wird durch eine Oxidschicht 3 auf der Oberfläche gebildet. Wenn die Breite W eines vorspringenden Teils 4 schmal ist, erzielt sie eine größere Verbesserung in dem Kontaktwiderstand im Vergleich mit einem vorspringenden Teil 4 mit einer größeren Breite W. Wenn die Breite des vorspringenden Teils 4 schmaler als 20 μm war, war der Kontaktwiderstand beachtlich verringert. Wie in der 7 gezeigt, wenn die Breite des vorspringenden Teils 4 im Wesentlichen gleich dem Durchmesser (5 bis 20 μm) der Kohlenstofffaser 1 des Kohlenstoffpapiers ist, steigt die Verformung des vorspringenden Teils, verursacht durch den Druck für das Anpressen der Kohlenstofffaser 1 und der Separatorplatte 2 gegeneinander an, und die Fläche einer wesentlichen Kontaktfläche 6 zwischen dem Kohlenstoffmaterial und dem Metallmaterial wird größer.
Rippen für die Ausbildung eines Gasflusskanals wurden durch Anpressen einer wie vorher erwähnt aufgerauten Metallplatte ausgebildet und mit einem Isolationsblatt ähnlich zu dem des Beispiels 1 kombiniert, um so Separatorplatten herzustellen. Diese Separatorplatten und die zu der des Beispiels 1 ähnliche MEA wurden kombiniert, um eine Einheitszelle zusammenzusetzen, und der Stromerzeugungstest wurde durchgeführt. Der Zelltest wurde wie folgt durchgeführt. Zunächst wurde die Luft und der Wasserstoff durch Einbringen der Luft in einen Warmwassersprudler bei 60 bis 70°C und des Wasserstoffs in einem Warmwassersprudler bei 80°C angefeuchtet, und dann zu dem zu den Elektroden verlaufenden Verteiler zugeführt. Der Test wurde durch Einstellen der Zelltemperatur auf 75°C und des Gasnutzungsverhältnisses, das das Verhältnis des durch die Elektrodenreaktion verbrauchten Gases darstellt, auf 70 % für Wasserstoff und 20 % für die Luft durchgeführt. Die Zellleistung wurde durch die Ausgabespannung bewertet, wenn die Belastungsstromdichte 0,5 A/cm² war.
Die 8 zeigt die Leistung einer Zelle "a" unter Verwendung einer Separatorplatte aus rostfreiem Stahl mit vorspringenden Teilen, deren mittlere Höhe und Breite entsprechend etwa 20 μm waren, der Zelle "b" unter Verwendung einer Separatorplatte aus rostfreiem Stahl, welche nicht aufgeraut wurde und der Zelle "c" unter Verwendung einer Separatorplatte, in welcher die Vertiefungen für den Gasflusskanal durch Schneiden einer herkömmlichen Kohlenstoffplatte ausgebildet wurden. Es wurde aus den Ergebnissen gefunden, dass wenn die Separatorplatte aus rostfreiem Stahl aufgeraut wird, sie eine Leistung aufweisen kann, die so gut wie die der Separatorplatte ist, die durch Schneiden der Kohlenstoffplatte gebildet wurde. Außerdem wurde der Zelltest für verschiedene aufgeraute Metallseparatorplatten, wie in der Tabelle 4 gezeigt, durchgeführt und folglich wurde eine Korrelation erhalten, dass je kleiner der Kontaktwiderstand ist, desto höher die Zellleistung war. Die Zellleistung einer Zelle unter Verwendung von Aluminiumseparatorplatten war aufgrund des größeren Kontaktwiderstands im Vergleich mit einer Zelle unter Verwendung von rostfreiem Stahl gering, aber es wurde gefunden, dass die Zellleistung durch Aufrauen der Oberfläche verbessert werden kann.
Als Nächstes wurde die Zellleistung bei Erhöhung der Höhe der vorspringenden Teile bewertet, die sich durch die Aufrauungsbehandlung ergaben. Die Separatorplatten aus rostfreiem Stahl mit vorspringenden Teilen mit einer Höhe von 100 μm, 200 μm, 300 μm bzw. 500 μm wurden experimentell durch Pressformen oder Schneiden hergestellt. Während Zellen unter Verwendung jeder Separatorplatte eine gute Leistung aufwiesen, litten einige der Zellen unter Verwendung von Separatorplatten mit vorspringenden Teilen, deren Höhe nicht weniger als 300 μm war, an einer Zerstörung des Kohlenstoffpapiers und zeigten eine plötzliche Verringerung der Leistung während des Tests. Es ist daher möglich zu sagen, dass eine geeignete Höhe der vorspringenden Teile nicht mehr als 50 % der Dicke der Gasdiffusionsschicht der Elektrode ist.
Außerdem wurde die Korrelation zwischen der Korrosionsbeständigkeit und dem Kontaktwiderstand einer aufgerauten Metallseparatorplatte untersucht. Es wurden einige Separatorplatten hergestellt aus Legierungen mit Eisen, wie etwa rostfreier Stahl als ein Hauptbestandteil, hergestellt, und die durch eine Beschichtung im Passivzustand bzw. Passivzustandbeschichtung, die aus Chromoxid auf der Oberfläche erzeugt wurde; einen Korrosionswiderstand hatten. Hauptsächlich durch Änderung des Prozentgehalts an Chrom wurde ein pH-Bereich, an welchem die Passivzustandbeschichtung vorhanden war, in einer stabilen Art und Weise variiert. Es wurde als ein Ergebnis der Zelltests gefunden, dass die Zellleistung der Zellen unter Verwendung von Separatorplatten, die aus Legierungen erzeugt wurden, die eine hohe Korrosionsbeständigkeit selbst in einer Atmosphäre beibehielten, in der der pH 2 war, nicht sehr hoch war, selbst wenn die Separatorplatten aufgeraut wurden. Auf der anderen Seite wurde unter Verwendung von Separatorplatten mit einer Legierungszusammensetzung, in welcher die Passivzustandbeschichtung nicht in einer stabilen Art und Weise vorhanden sein kann, wenn der pH in der Atmosphäre nicht höher als 2 ist, die Zellleistung durch Anwendung der Aufrauungsbehandlung signifikant werden. Es wurde angenommen, dass eine derartige signifikante Verbesserung erzielt wurde, weil die Wirkung der Aufrauungsbehandlung erhöht wird, wenn die korrosionsbeständige Beschichtung auf der Oberfläche in einem bestimmten Umfang dünner ist.
Beispiel 10
Dieses Beispiel wird einen Fall erläutern, in dem leitfähige Teilchen, deren Härte höher als die eines Metalls ist, das eine Metallseparatorplatte bildet, zwischen der Gasdiffusionsschicht der Elektrode und der Separatorplatte angeordnet werden.
Wie in Beispiel 9 wurde der Kontaktwiderstand zwischen dem Kohlenstoffpapier und dem Metallteststück vor dem Zelltest bewertet. Aluminiumpulver, Pulver aus rostfreiem Stahl (SUS316) und Kobaltpulver wurden als leitfähige Metallteilchen ausgewählt, kristalliner Graphit und glasförmiger Kohlenstoff wurden als die leitfähigen Kohlenstoffteilchen und Titannitrid, Siliciumcarbid und Bleioxid wurden als die leitfähigen Teilchen vom Keramiktyp ausgewählt. Nach feinem Mahlen jedes dieser Pulver in einem Achatmörser für eine Stunde wurde mit dem resultierenden Pulver mit einem organischen Lösungsmittel eine Aufschlämmung erzeugt, diese auf die Oberfläche des Teststücks aufgebracht und getrocknet, um sie zu verfestigen.
Unter Verwendung des Kohlenstoffpapiers und des Teststücks aus rostfreiem Stahl (SUS316) wurde der Kontaktwiderstand in einem Zustand gemessen, in welchem sie gegeneinander bei einem Druck von 25 kgf/cm² gepresst wurden. Der mittlere Wert des gemessenen Widerstands wird in der Tabelle 5 gezeigt.
Tabelle 5
Jedes Pulver, außer das Aluminiumpulver und das Bleioxidpulver, zeigten eine Verbesserung im Kontaktwiderstand. Insbesondere wiesen das Pulver aus rostfreiem Stahl, das Kobaltpulver, der glasartige Kohlenstoff und das Titannitrid einen signifikant verbesserten Kontaktwiderstand von 15 bis 40 mΩ·cm², verglichen mit dem Kontaktwiderstand von 130 mΩ·cm² auf, wenn ein derartiges Pulver nicht verwendet wurde.
Um die Ursache der Verbesserung im Kontaktwiderstand zu bestimmen, wurde nach dem Test die Oberfläche des Teststücks aus rostfreiem Stahl mit einem Mikroskop beobachtet. Im Ergebnis wurden in dem Fall, in dem glasartiger Kohlenstoff oder Titannitridpulver verwendet wurde, zahllose Kratzer auf der Oberfläche des rostfreien Stahls beobachtet. Andererseits wurden in dem Fall, in dem das Aluminiumpulver oder das Bleioxidpulver verwendet wurde, derartige Kratzer nicht gefunden. Aus diesen Ergebnissen wird geschlossen, dass leitfähige feine Teilchen auf der Kontaktoberfläche in einem derartigen Zustand vorhanden sind, dass die Teilchen die Beschichtung der Oberfläche des rostfreien Stahls durchbrechen und die elektrische Leitfähigkeit zwischen den Kohlenstofffasern, die das Kohlenstoffpapier bilden, und dem Teststück aus rostfreiem Stahl sicherstellen.
In dem Fall, wo ein kristallines Graphitpulver verwendet wurde, welches ein leitfähiges Kohlenstoffteilchen ist, aber eine Härte hat, die geringer als die Vickers-Härte (180 bis 220 HV) von rostfreiem Stahl ist, war die Verbesserung des Kontaktwiderstands gering. Da außerdem Carbide eine hohe Vickers-Härte haben, wurde, wenn ein Carbid mit höherer Leitfähigkeit als Siliciumcarbid in dem Experiment verwendet wurde, der Kontaktwiderstand signifikant verbessert. Außerdem wurde durch die Verwendung der Aluminium- und Bleioxidpulver der Kontaktwiderstand nicht verbessert, weil die Härte der Aluminium- und Bleioxidpulver geringer als die von rostfreiem Stahl war, und die Leitfähigkeit der Oxidbeschichtung auf der Oberfläche und ihre eigene Leitfähigkeit gering waren.
Als Nächstes wurden die Zelltests unter Verwendung des glasartigen Kohlenstoffpulvers und des Pulvers aus rostfreiem Stahl dieser leitfähigen Pulver mit hoher Härte durchgeführt. Die Grundstruktur der Zelle, wie etwa die Elektrolytmembran und die Elektroden, die Herstellung und der Zusammenbauvorgang waren im Wesentlichen die gleichen wie im Beispiel 9. Das glasartige Kohlenstoffpulver, dessen Vickers-Härte 550 HV war, wurde durch Mahlen eines Blocks aus glasartigem Kohlenstoffpulver mit einer Kugelmühle erhalten, der durch Erwärmen eines wärmehärtenden Harzes über eine lange Zeit hergestellt wurde. Der mittlere Teilchendurchmesser dieses Kohlenstoffpulvers war 30 μm. Daneben wurde SUS304-Pulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 30 μm als das Pulver aus rostfreiem Stahl verwendet. Während des Zusammenbaus einer Brennstoffzelle wurde das glasartige Kohlenstoffpulver, welches mit Ethanol eine Aufschlämmung ergab, auf die Oberfläche der Separatorplatte aus rostfreiem Stahl (SUS316) in Kontakt mit der Elektrode gegeben und getrocknet. Der Druck für das Pressen der Separatorplatte und der Elektrode gegeneinander wurde auf 25 kgf/cm² eingestellt.
Der Zelltest wurde unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 9 durchgeführt. Die 9 zeigt die Leistung der Zelle "d" unter Verwendung einer Separatorplatte, auf welcher das glasartige Kohlenstoffpulver aufgebracht war, die Zelle "e" unter Verwendung einer Separatorplatte, auf welcher das Pulver aus rostfreiem Stahl aufgebracht war und die Zelle "c" die des in Beispiel 9 verwendeten Vergleichsbeispiels. Es wird ersichtlich sein, dass die Zellen "d" und "e" eine signifikant verbesserte Ausgabespannung von 0,63 bis 0,6 V bei der Stromdichte von 0,5 A/cm², verglichen mit dem Wert von 0,50 V der Zelle des Vergleichsbeispiels erzielten. Außerdem wurde mit einer Zelle unter Verwendung einer Separatorplatte, auf welcher kristalliner Kohlenstoff aufgebracht war, eine leichte Verbesserung der Ausgabespannung auf 0,57 V bestätigt.
In einer Zelle, in welcher das glasartige Kohlenstoffpulver auf die Separatorplatte aus rostfreiem Stahl beschichtet wird, durchstoßen die glasartigen Kohlenstoffteilchen 8, welche auf einem organischen Bindemittel 7 fixiert sind, eine Oxidüberzugsschicht 3 und erreichen eine Metallbasis 2, während sie Kontakt mit den Kohlenstofffasern 1 der Gasdiffusionsschicht der Elektrode an der Kontaktoberfläche mit der Elektrode herstellen, wie schematisch in der 10 gezeigt. Da die Leitfähigkeitspfade durch diese glasartigen Kohlenstoffteilchen 8 gebildet werden, wird der Kontaktwiderstand signifikant verbessert.
Wie vorher beschrieben, ist ersichtlich, dass die Zellleistung verbessert wird, wenn der Wert für den Kontaktwiderstand geringer wird. In diesem Beispiel war, während das SUS304-Pulver, welches genauso hart wie oder leicht weicher als SUS316, d.h. das Material der Separatorplatte ist, als das Pulver aus rostfreiem Stahl verwendet wurde, die Zellleistung durch Verwendung eines härteren Materials aus rostfreiem Stahl oder Metallpulvers verbessert wird.
Als Nächstes wurden Pulver mit einem variierenden mittleren Teilchendurchmesser (5 μm, 10 μm, 20 μm, 35 μm und 60 μm) durch Änderung der Mahlbedingungen des auf die Separatorplatte zu bringenden glasartigen Kohlenstoffs zubereitet, und die Beziehung zwischen dem Teilchendurchmesser und der Zellleistung wurde untersucht. Alle Zellen zeigten eine Verbesserung in der Leistung in einem frühen Stadium des Betriebs, aber die Leistung einer Zelle unter Verwendung eines Pulvers mit einem Teilchendurchmesser von mehr als 20 μm neigte dazu, sich schrittweise während des Zelltests über 200 Stunden zu verringern. Es wird angenommen, dass eine derartige Verringerung der Leistung dadurch verursacht wird, dass die Kohlenstoffteilchen schwer auf der Kontaktoberfläche zurückzuhalten sind, wenn der Durchmesser der Kohlenstoffteilchen größer als der Durchmesser (5 bis 20 μm) der Kohlenstofffasern als ein poröses Kohlenstoffmaterial der Elektrode ist.
In dem vorhergehenden Beispiel wurde aus den Kohlenstoffteilchen eine Aufschlämmung mit einem organischen Lösungsmittel erzeugt, und diese dann auf die Oberfläche der Metallseparatorplatte aufgebracht, aber die Adhäsionsstärke der Kohlenstoffteilchen war schwach und manchmal fielen Kohlenstoffteilchen während des Zusammenbaus einer Zelle ab. Daher wurde das glasartige Kohlenstoffpulver in einer Ethanollösung mit 2 Gew.-% Polyvinylbutyral dispergiert, um eine Aufschlämmung zu bilden, und die Aufschlämmung wurde auf die Separatorplatte aufgetragen und getrocknet. Außerdem wurde, um die Leitfähigkeit der Überzugsschicht zu erhöhen, eine Aufschlämmung durch Zugabe von 5 bis 50 Gew.-% kristallinem Kohlenstoffpulver zu dem glasartigen Kohlenstoffpulver gegeben und durch Zugeben eines oberflächenaktiven Mittels, um die Dispersionsfähigkeit zu beeinflussen, hergestellt und dann auf die Separatorplatte aufgetragen und getrocknet. Eine Zelle unter Verwendung der auf diese Weise erhaltenen Separatorplatte wurde getestet. Im Ergebnis war, wenn nur Polyvinylbutyral zu der Aufschlämmung des glasartigen Kohlenstoffpulvers gegeben wurde, die Leistungsfähigkeit leicht vermindert. Wenn jedoch die Leitfähigkeit des Überzugsfilms durch weitere Zugabe des kristallinen Kohlenstoffs erhöht wurde, war die Leistungsfähigkeit verbessert. Es war durch die Zugabe eines Bindemittels möglich zu vermeiden, dass das Kohlenstoffpulver während des Zusammenbaus abfällt. Außerdem wurde gefunden, dass, wenn ein kristallines Kohlenstoffpulver oder ähnliches zugegeben wird, um die Leitfähigkeit des beschichteten Films zu verbessern, wenn etwa 5 Gew.-% der leitfähigen Teilchen mit hoher Härte enthalten sind, es die Wirkung der Verbesserung des Kontaktwiderstandes erzeugt.
Außerdem wurde als ein Ergebnis der Durchführung des Zelltests unter Verwendung einer Separatorplatte aus rostfreiem Stahl, die durch Sandstrahlen aufgeraut wird, um die Adhäsionsfähigkeit des Überzugsfilms zu verstärken und die Kontaktfläche zu erhöhen festgestellt, dass die Zellleistung offensichtlich im Vergleich mit einer Zelle unter Verwendung einer Separatorplatte, welche nicht sandgestrahlt war, verbessert war. Es wird angenommen, dass der Grund dafür ist, dass Polyvinylbutyral während des Verdampfens des Ethanols schrumpft und die Verfestigung und die Kraft, die die gasartigen Kohlenstoffteilchen gegen die Oberfläche des rostfreien Stahls drückt, erhöht war.
Als ein anderes Verfahren zur Ausbildung leitfähiger Teilchen mit hoher Härte auf der Kontaktoberfläche wurde das folgende Verfahren untersucht. Spezifisch wurde das Pulver des glasartigen Kohlenstoffs nach Dispersion auf der Metalloberfläche mechanisch in die Metallplatte durch Walzenpressen gedrückt. Es wurde durch Beobachtung der Oberfläche mit einem Mikroskop bestätigt, dass eine Anzahl von Kohlenstoffteilchen in der Metalloberfläche eingegraben war. Ein Pressdruck von 50 kg-Kraft/cm² war ausreichend für weiche Metalle, wie etwa Aluminium, aber ein Pressdruck von nicht weniger als 100 kg-Kraft/cm² war für rostfreien Stahl erforderlich. Ferner wurde durch ein Experiment bestätigt, in welchem relativ grobe glasartige Kohlenstoffteilchen von etwa 200 μm dazu gebracht wurden, auf die Metalloberfläche durch Druckluft zu treffen, dass zerbrochene Teile des glasartigen Kohlenstoffs teilweise auf der Metalloberfläche verblieben.
Daneben war etwa 10 Gew.-% des auf einen Teilchendurchmesser von etwa 10 bis 100 μm verkleinerten glasartigen Kohlenstoffs in das geschmolzene Aluminium gemischt und dispergiert. Die Mischung wurde herabgekühlt, während Ultraschallvibration angewandt wurde, um die Absonderung beim Festwerden zu vermeiden, und ein Verbundstoffblock des glasartigen Kohlenstoffpulvers und aus Aluminium wurde erhalten. Ein für die Messung des elektrischen Kontaktwiderstands zu verwendendes Metallteststück wurde ausgeschnitten und für 1 bis 5 Minuten in Chlorwasserstoffsäure eingetaucht. Danach wurde die Alumitbehandlung auf die Oberfläche durch anodische Oxidation angewandt, um eine Korrosionsbeständigkeit zu verleihen, und dann wurde der Kontaktwiderstand gemessen. Der Kontaktwiderstand war ausreichend gering in einem Bereich von 10 bis 30 mΩ·cm². Es wurde durch Beobachtung der Oberfläche mit einem Mikroskop gefunden, dass eine Anzahl von glasartigen Kohlenstoffteilchen eine durch die anodische Oxidation erzeugte Aluminiumschicht durchdrang und auf der Oberfläche erschienen. Es war möglich, Metalle mit geringem Kontaktwiderstand und hoher Korrosionsbeständigkeit durch Verwendung von anderen Metallen als Aluminium, z.B. rostfreier Stahl, durch das gleiche Verfahren zu erhalten.
Ein Zelltest wurde unter Verwendung einer Separatorplatte aus rostfreiem Stahl mit derartigen glasartigen Kohlenstoffteilchen durchgeführt, die mechanisch in ihrer Oberfläche in Kontakt mit der Elektrode eingegraben sind, und folglich wurden gute Zelleigenschaften aufgewiesen, wie bei einer Zelle unter Verwendung einer Separatorplatte, auf welcher die glasartigen Kohlenstoffteilchen beschichtet waren, die als eine Aufschlämmung mit einem adhäsiven Mittel erzeugt wurden.
In dem vorhergehenden Beispiel, während die feinen Teilchen von glasartigem Kohlenstoff als die leitfähigen Teilchen mit hoher Härte verwendet wurden, ist es unnötig zu sagen, dass es ähnlich wirkungsvoll ist, andere leitfähige Teilchen mit hoher Härte zu verwenden. Daneben sind aufgrund einer Schicht mit geringer Leitfähigkeit, wie etwa eine Passivzustandsschicht aus Metalloxid und eine Aluminiumoxidschicht, leitfähige Teilchen mit hoher Härte besonders wirkungsvoll für Metalle mit Korrosionsbeständigkeit.
In jedem der Beispiele 9 und 10 wurde eine Einheitszelle getestet, aber wenn ein Zellstapel zu testen ist, wird ein Kühlwasserbereich für alle zwei oder drei Zellen gebildet, um die erzeugte Joule-Wärme zu sammeln und eine bestimmte Temperatur des Zellstapels zu halten. In diesem Fall ist es notwendig, den elektrischen Widerstand an dem Kontaktbereich zwischen den Metallseparatorplatten zu steuern. Dann kann der Kontaktwiderstand zwischen den Separatorplatten durch Aufrauen der Oberfläche der Metallseparatorplatten und durch Vorsehen leitfähiger Teilchen mit höherer Härte als die Separatorplatten auf der Oberfläche der Metallseparatorplatten gesenkt werden.
Industrielle Anwendbarkeit
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann für die Separatorplatte, da ein Metallmaterial, wie etwa rostfreier Stahl, ohne Schneiden anstelle eines herkömmlichen Verfahrens des Schneidens einer Kohlenstoffplatte verwendet werden kann, eine signifikante Reduktion der Kosten für die Massenproduktion erzielt werden. Außerdem, da die Separatorplatte dünner gemacht werden kann, trägt sie zur Realisierung eines kompakten Zellstapels bei.

Claims

Brennstoffzelle mit festem Polymerelektrolyt umfassend: eine Membran aus festem Polymerelektrolyt (11); eine Anode (12) und eine Kathode (13), die die Membran aus festem Polymerelektrolyt (11) zwischen sich einfassen; eine anodenseitige, leitfähige Separatorplatte (21) mit einem Gasflusskanal (23') für die Zufuhr eines Brennstoffgases zu der Anode (12); und eine kathodenseitige, leitfähige Separatorplatte (31) mit einem Gasflusskanal (33') für die Zufuhr eines Oxidationsgases zu der Kathode (13), wobei jede der anodenseitigen und kathodenseitigen, leitfähigen Separatorplatten (21; 31) aus einem Metall und einer leitfähigen Beschichtung aufgebaut ist, die beständig gegen Oxidation ist und eine Oberfläche des Metalls abdeckt, und wobei die anodenseitige, leitfähige Separatorplatte (21) aufgebaut ist aus einer Metallplatte (22) mit Vertiefungen (28) oder Rippen (23) für die Führung des Brennstoffgases auf ihrer Oberfläche, die der Anode (12) zugewandt ist, und aus einem Isolationsblatt (27), welches einen Gasflusskanal für die Führung des Brennstoffgases von einer Gaszufuhrseite zu einer Gasauslassseite auf einer Oberfläche der Metallplatte (22) in Zusammenarbeit mit den Vertiefungen (28) oder Rippen (23) ausbildet, und welches Elastizität hat, um als eine Dichtung zu dienen, um das Auslecken des Brennstoffgases aus dem Gasflusskanal zu vermeiden; und die kathodenseitige, leitfähige Separatorplatte (31) aufgebaut ist aus einer Metallplatte (32) mit Vertiefungen (38) oder Rippen (33) für das Führen des Oxidationsgases auf ihrer Oberfläche, die der Kathode (13) zugewandt ist, und aus einem Isolationsblatt (37), welches einen Gasflusskanal für das Führen des Oxidationsgases von einer Gaszufuhrseite zu einer Gasauslassseite auf einer Oberfläche der Metallplatte (32) in Zusammenarbeit mit den Vertiefungen (38) oder Rippen (33) ausbildet, und welches Elastizität hat, um als eine Dichtung zu dienen, um das Auslecken des Oxidationsgases aus dem Gasflusskanal zu vermeiden.
Brennstoffzelle mit festem Polymerelektrolyt nach Anspruch 1, wobei die anodenseitigen und kathodenseitigen, leitfähigen Separatorplatten (21; 31) durch ein Stück einer Separatorplatte ausgebildet sind, so dass eine der Oberfläche des Separatorplatte die anodenseitige, leitfähige Separatorplatte (21) ist, und die andere Oberfläche die kathodenseitige, leitfähige Separatorplatte (31) ist.
Brennstoffzelle mit festem Polymerelektrolyt, umfassend: eine Membran aus festem Polymerelektrolyt (11); eine Anode (12) und eine Kathode (13), die die Membran aus festem Polymerelektrolyt (11) zwischen sich einschließen; eine anodenseitige, leitfähige Separatorplatte (21) mit einem Gasflusskanal für die Zufuhr eines Brennstoffgases zu der Anode (12); und eine kathodenseitige, leitfähige Separatorplatte (31) mit einem Gasflusskanal für die Zufuhr eines Oxidationsgases zu der Kathode (13), wobei die anodenseitigen und kathodenseitigen Separatorplatten (21; 31) aus einem Metall ausgebildet sind, dessen Oberfläche mit einer Beschichtung bedeckt ist, die beständig gegen Oxidation ist, wobei wenigstens Oberflächen in Kontakt mit der Anode (12) und der Kathode (13) aufgeraut sind, um Vertiefungen und Vorsprünge zu haben, und die Teile einer oberen Oberfläche der vorspringenden Teile, welche die Beschichtung nicht aufweisen, elektrisch mit der Anode (12) bzw. der Kathode (13) verbunden sind.
Brennstoffzelle mit festem Polymerelektrolyt, umfassend: eine Membran aus festem Polymerelektrolyt (11); eine Anode (12) und eine Kathode (13), die die Membran aus festem Polymerelektrolyt (11) zwischen sich einschließen; eine anodenseitige, leitfähige Separatorplatte (21) mit einem Gasflusskanal für die Zufuhr eines Brennstoffgases zu der Anode (12); und eine kathodenseitige, leitfähige Separatorplatte (31) mit einem Gasflusskanal für die Zufuhr eines Oxidationsgases zu der Kathode (13), wobei die anodenseitigen und kathodenseitigen, leitfähigen Separatorplatten (21; 31) aus einem Metall ausgebildet sind, dessen Oberfläche mit einer Beschichtung bedeckt ist, die beständig gegen Oxidation ist, und deren Oberflächen, die der Anode (12) und der Kathode (13) zugewandt sind, Teile haben, welche keine Beschichtung haben und elektrisch mit der Anode (12) bzw. der Kathode (13) durch leitfähige Teilchen (8), die zwischen der Separatorplatte (21) und der Anode (12) und zwischen der Separatorplatte (31) und der Kathode (13) angeordnet sind, elektrisch verbunden sind, wobei die leitfähigen Teilchen (8) aus einem Material gebildet sind, dessen Härte höher als die des Metalls ist, das die leitfähigen Separatorplatten (21; 31) bildet.
Brennstoffzelle mit festem Polymerelektrolyt nach Anspruch 4, wobei eine Oberfläche jeweils der Anode (12) und der Kathode (13), die der leitfähigen Separatorplatte (21; 31) zugewandt ist, aus einer porösen Schicht hergestellt ist, die Kohlenstoffteilchen oder Kohlenstofffasern enthält, und wobei ein Teilchendurchmesser der leitfähigen Teilchen (8) kleiner als ein Teilchendurchmesser der Kohlenstoffteilchen oder ein Durchmesser der Kohlenstofffasern ist.
Brennstoffzelle mit festem Polymerelektrolyt nach Anspruch 4, wobei die leitfähigen Teilchen (8) auf einer Oberfläche jeweils der Separatorplatten (21; 31) oder einer Oberfläche der Anode (12) und der Kathode (13) beschichtet sind.
Brennstoffzelle mit festem Polymerelektrolyt nach Anspruch 3 oder 4, wobei die anodenseitige, leitfähige Separatorplatte (21) aufgebaut ist aus einer Metallplatte (22) mit Vertiefungen (28) oder Rippen (23) für das Führen des Brennstoffgases auf ihrer Oberfläche, die der Anode (12) zugewandt ist, und einem Isolationsblatt (27), welches einen Gasflusskanal für das Führen des Brennstoffgases von einer Gaszufuhrseite zu einer Gasauslassseite auf einer Oberfläche der Metallplatte (22) in Zusammenarbeit mit den Vertiefungen (28) oder Rippen (23) bildet, und welches Elastizität hat, um als eine Dichtung zu dienen, um zu vermeiden, dass Brennstoffgas aus dem Gasflusskanal ausleckt; und die kathodenseitige, leitfähige Separatorplatte (31) ist aufgebaut aus einer Metallplatte (32) mit Vertiefungen (38) oder Rippen (33) für das Führen des Oxidationsgases auf ihrer Oberfläche, die der Kathode (13) zugewandt ist, und einem Isolationsblatt (37), welches einen Gasflusskanal für das Führen des Oxidationsgases von einer Gaszufuhrseite zu einer Gasauslassseite auf einer Oberfläche der Metallplatte (32) in Zusammenarbeit mit den Vertiefungen (38) oder Rippen (33) ausbildet, und welche Elastizität hat, um als eine Dichtung zu dienen, um zu vermeiden, dass das Oxidationsgas aus dem Gasflusskanal ausleckt.