DE19956721B4

DE19956721B4 - Separator einer Protonenaustausch-Brennstoffzelle und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE19956721B4
Application number: DE19956721A
Authority: DE
Inventors: Masahiro Saitou; Kazuo Saito; Kazutoshi Takaishi; Masashi Takahashi
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1998-11-25
Filing date: 1999-11-25
Publication date: 2005-09-01
Anticipated expiration: 2019-11-26
Also published as: FR2786319A1; JP2000164225A; FR2786319B1; DE19956721A1; US6599651B1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Separators für eine einen Zellstapel umfassende Protonenaustausch-Brennstoffzelle, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt:
– Herstellen eines Ausgangsmaterials für den Separator aus einem Legierungsmaterial, das ein Leichtmetall als Hauptkomponente einschließt;
– Druckgießen des Ausgangsmaterials zur Bildung des Separators in einer Dicke von 0,4 bis 1,0 mm;
– Behandeln der Oberfläche des im Schritt des Druckgießens erhaltenen Separators, so dass die Oberflächenrauheit des behandelten Separators 0,07 μm oder mehr beträgt, und
– Überziehen der Oberfläche des im Behandlungsschritt erhaltenen Separators zur Bildung eines korrosionsbeständigen Überzugsfilms.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Separator einer Protonenaustausch-Brennstoffzelle, die Gebrauch von einer festen Polymer-Membran als Elektrolyt macht. Die Erfindung betrifft auch ein Herstellungsverfahren für einen derartigen Separator. Noch spezieller betrifft die vorliegende Erfindung einen Separator und ein Verfahren zu dessen Herstellung, um einen Separator einer Protonenaustausch-Brennstoffzelle mit verbesserter Zuverlässigkeit, mit kompakter Größe, mit geringem Gewicht und unter Berücksichtigung niedriger Herstellungskosten zu schaffen.
Eine Brennstoffzelle ist eine Vorrichtung, mit der chemische Energie eines Brennstoffs dadurch in elektrische Energie umgewandelt wird, daß man einen Brennstoff wie beispielsweise Wasserstoff und ein Oxidationsmittel wie beispielsweise Luft dazu bringt, elektrochemisch miteinander zu reagieren.
Es sind verschiedene Arten von Brennstoffzellen bekannt, die sich hinsichtlich der Art des verwendeten Elektrolyten unterscheiden. Bekannt sind beispielsweise Brennstoffzellen des Phosphorsäure-Typs, des Typs mit geschmolzenem Carbonat, des Typs mit einem festen Oxid und des Typs mit einem Protonenaustausch-Medium. Von diesen Brennstoffzellen ist eine Protonenaustausch-Brennstoffzelle eine Brennstoffzelle, die Gebrauch von der Tatsache macht, daß dann, wenn eine Membran aus einem Polymerharz, die Protonenaustausch-Reste im Modul enthält, mit Wasser gesättigt wird, eine derartige Membran als Protonen leitender Elektrolyt wirkt. Die Protonenaustausch-Brennstoffzelle arbeitet in einem relativ niedrigen Temperaturbereich mit ausgezeichneter Effizienz der Energieerzeugung und hat daher in den zurückliegenden Jahren viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen.
6 ist ein Diagramm, das die Struktur einer Einheitszelle zeigt, die eine Basiseinheit einer herkömmlichen Protonenaustausch-Brennstoffzelle ist. Wie in 6 gezeigt, ist eine Einheitszelle 1 aufgebaut aus einer Ionen leitenden festen Polymer-Membran 2, einer Anoden-Elektrode 3 und einer Kathoden-Elektrode 4, die in der Weise angeordnet sind, daß eine Membran 2 aus einem festen Polymer zwischen ihnen angeordnet ist. Außerdem sind an der Außenseite dieser Elektroden 3, 4 ein Anoden-Elektroden-seitiger Separator 5 und ein Kathoden-Elektroden-seitiger Separator 6 angeordnet, von denen jeder gasundurchlässig ist und eine Gas-Zufuhrrille zum Zuführen eines Reaktionsgases zu einer der Elektroden 3, 4 aufweist.
Als Ionen leitende feste Polymer-Membran ist beispielsweise eine Membran aus Perfluorcarbonsulfonsäure (Nafion^®) bekannt, die eine Protonenaustauschmembran ist. Die feste Polymer-Membran 2 enthält Wasserstoffionen-Austauschreste in ihrem Molekül und dient als für Ionen leitfähiger Elektrolyt, wenn sie mit Wasser gesättigt wird, und sie hat auch die Funktion, den Brennstoff 7, der von der Seite der Anoden-Elektrode 3 zugeführt wird, und das Oxidationsmittel 8, das von der Seite der Kathoden-Elektrode 4 zugeführt wird, voneinander zu trennen.
Die Anoden-Elektrode 3, die auf einer Seite der festen Polymer-Membran 2 angeordnet ist, ist gebildet aus einer katalytischen Schicht 3a und einer flachen Platte 3b aus porösem Kohlenstoff. Außerdem ist die Kathoden-Elektrode 4, die gegenüber der Anoden-Elektrode 3 angeordnet ist, aus einer katalytischen Schicht 4a und einer flachen Platte 4b aus porösem Kohlenstoff gebildet.
Der Separator 5 auf der Anoden-Elektroden-Seite besteht aus einem Separator-Substrat 9 und Brennstoff-Zufuhrrillen 10a, 10b, die auf beiden Seiten des Separator-Substrats 9 zur Zufuhr von Brennstoff angeordnet sind.
Andererseits besteht der Separator 6, der auf der Seite der Kathoden-Elektrode angeordnet ist, aus einem Separator-Substrat 11, einer Zufuhrrille 12 zum Zuführen eines Oxidationsmittels, die auf einer Oberfläche des Separator-Substrats 11 auf der Oberflächenseite angeordnet ist, die mit der Kathoden-Elektrode 4 in Kontakt steht, und einer Brennstoff-Zufuhrrille 10 zur Zufuhr von Brennstoff, die auf der anderen Oberfläche des Separator-Substrats 11 angeordnet ist.
Es wird nun das Prinzip der Funktionsweise einer Einheitszelle 1 beschrieben.
Wenn der Anoden-Elektrode 3 Brennstoff 7 zugeleitet wird und der Kathoden-Elektrode 4 ein Oxidationsmittel 8 zugeleitet wird, wird durch die elektrochemische Reaktion zwischen dem Elektrodenpaar 3, 4 der Einheitszelle 1 eine elektromotorische Kraft erzeugt. Normalerweise wird Wasserstoff als Brennstoff 7 verwendet, und Luft wird als Oxidationsmittel 8 verwendet.
Wenn Wasserstoff als Brennstoff einer Anoden-Elektrode 3 zugeleitet wird, wird der Wasserstoff in ein Wasserstoff-Ion und ein Elektron in der katalytischen Schicht 3a der Anode ionisiert (Anoden-Reaktion). Das Wasserstoff-Ion wandert durch die feste Polymer-Membran 2 zur Kathoden-Elektrode 4, und das Elektron bewegt sich über einen äußeren Kreislauf zur Kathoden-Elektrode 4. Andererseits sorgt der Sauerstoff, der in der Luft enthalten ist, die der Kathoden-Elektrode 4 als Oxidationsmittel 8 zugeleitet wird, dafür, daß mit dem Wasserstoff-Ion und dem Elektron in der katalytischen Schicht 4a Wasser gebildet wird. Dabei wandern die Elektronen durch die äußere Leitung und werden zu Strom, wodurch elektrische Energie erzeugt werden kann. Mit anderen Worten: Es laufen die nachfolgend gezeigten Reaktionen an der Anoden-Elektrode 3 und an der Kathoden-Elektrode 4 ab. Außerdem wird das gebildete Wasser zusammen mit Gas, das nicht an der Reaktion teilgenommen hat, an die Außenumgebung der Einheitszelle 1 abgegeben. Anoden-Reaktion: H₂ → 2H⁺ + 2e^- Kathoden-Reaktion: 2H⁺ + 1/2 O₂ + 2e^- → H₂O
Wenn in einer derartigen Einheitszelle 1 der Wassergehalt in der festen Polymer-Membran 2 geringer wird, wird der Ionenwiderstand groß, und es findet ein Mischen von Brennstoff 7 und Oxidationsmittel 8 statt (crossover). Als Ergebnis dessen kann die Einheitszelle 1 keine elektrische Energie erzeugen. Folglich ist es wünschenswert, die feste Polymer-Membran 2 in einem Zustand zu halten, in dem sie mit Wasser gesättigt ist.
Wenn darüber hinaus das an der Anoden-Elektrode 3 bei der Krafterzeugung ionisierte Wasserstoff-Ion durch die feste Polymer-Membran 2 zur Kathoden Elektrode 4 wandert, wandert das Wasser gleichzeitig. So besteht auf der Seite der Anoden-Elektrode 3 eine Neigung dazu, daß die feste Polymer-Membran 2 trocken wird. Weiter besteht dann, wenn die in dem zugeleiteten Brennstoff 7 oder die in der zugeleiteten Luft enthaltene Feuchtigkeitsmenge geringer ist, eine Neigung dazu, daß die feste Polymer-Membran 2 um die jeweiligen Zutrittsstellen der Reaktionsgase herum trocken wird. Aus diesem Grund werden der Einheitszelle 1 allgemein vorbefeuchteter Brennstoff 7 und vorbefeuchtetes Oxidationsmittel 8 zugeleitet.
Darüber hinaus ist die elektromotorische Kraft einer Einheitszelle 1 niedrig, und zwar unter 1 Volt. Allgemein wird daher ein Zellstapel dadurch gebildet, daß man einige 10 bis einige 100 Einheitszellen 1 über Separatoren 5, 6 aufeinanderlaminiert, die an der Oberseite und an der Unterseite der Einheitszellen 1 angeordnet sind. Kühlplatten werden in die jeweilige Einheitszelle 1 eingebaut, um den Temperaturanstieg des Zellstapels zu steuern, der das Ergebnis der Energieerzeugung ist.
Es ist erforderlich, daß Separatoren 5, 6, die in Protonenaustausch-Brennstoffzellen verwendet werden, undurchlässig für Reaktionsgase und Kühlwasser sind, damit sie die Funktion übernehmen können, jede der Einheitszelle 1 von einer anderen Einheits zelle abzutrennen. Andererseits ist es auch erforderlich, daß die Separatoren 5, 6 elektrisch leitend sind, um Einheitszellen 1 aufeinander laminieren zu können und so einen Zellstapel schaffen zu können, der als Brennstoffzelle funktioniert. Normalerweise arbeitet eine Protonenaustausch-Brennstoffzelle bei einer relativ niedrigen Temperatur von 70 bis 90°C. Separatoren 5, 6, die sich innerhalb einer Protonenaustausch-Brennstoffzelle befinden, sind insofern harten Bedingungen ausgesetzt, als sie der Luft ausgesetzt sind, die Wasserdampf enthält, dessen Dampfdruck bei der Temperatur von 70 bis 90°C nahe dem Sättigungsdruck ist. Gleichzeitig wird zwischen den Separatoren 5, 6 im Verlauf der elektrochemischen Reaktion eine Potentialdifferenz erzeugt. Damit ist es nötig, für die Separatoren 5, 6 ein korrosionsbeständiges Material zu wählen. Als korrosionsbeständige Materialien werden allgemein nicht-rostender Stahl und vergleichbare Materialien verwendet. Wenn auf Separatoren 5, 6 nicht-rostender Stahl oder vergleichbare Materialien aufgebracht werden, wird deren Oberfläche oxidiert, und es wird auf der Oberfläche eine passive Membran gebildet. Als Ergebnis dessen wird der Widerstandsverlust der Brennstoffzelle groß, und die Effizienz der Energieerzeugung fällt stark ab.

In den USA wurde während der siebziger Jahre für die Separatoren der Protonenaustausch-Brennstoffzellen, die für das Spaceshuttle entwickelt wurden, Niob verwendet, das ein ausgezeichnetes, korrosionsbeständiges Edelmetall ist. Jedoch haben Edelmetall-Materialien den Nachteil, daß sie extrem teuer und schwer sind. Wie in dem US-Patent Nr. 5,521,018 offenbart ist, werden Kohlenstoff-Platten als Separatoren verwendet, um das Gewicht und die Kosten eines Zellstapels zu reduzieren.

7 zeigt den Aufbau eines Zellstapels einer herkömmlichen Protonenaustausch-Brennstoffzelle, in der Kohlenstoff-Platten als Separatoren verwendet werden.

Wie in 7 gezeigt, besteht ein Zellstapel 13 aus einem Zell-Abschnitt 15 in einem äußeren Rahmen 14, der im Verlauf einer Gasumsetzung elektrische Energie erzeugt, und einem Befeuchtungsabschnitt 16 zum Befeuchten der Reaktionsgase. In dem Zell-Abschnitt 15 ist eine Mehrzahl von Einheitszellen 1 in einem äußeren Rahmen 14 angeordnet.

8 ist ein schematisches Diagramm, das die Struktur einer herkömmlichen Einheitszelle 1 in einem Zell-Abschnitt 15 zeigt, wie er in 7 gezeigt ist. Wie in 8 gezeigt, hat die in dem Zell-Abschnitt 15 angeordnete Einheitszelle 1 die oben beschriebene Struktur. Eine Anoden-Elektrode 3 und eine Kathoden-Elektrode 4 sind in der Weise angeordnet, daß eine Ionen leitende feste Polymer-Membran 2 zwischen ihnen angeordnet ist. Ein kühlender Separator 17 ist an der Außenseite der Anoden-Elektrode 3 vorgesehen, und ein Anoden-Elektroden-seitiger Separator 5 ist weiter außerhalb des kühlenden Separators 17 vorgesehen. Weiter ist auf der Außenseite der Kathoden-Elektrode 4 ein Kathoden-Elektroden-seitiger Separator 6 vorgesehen.

Der kühlende Separator 17 ist dafür vorgesehen, das Aufheizen des Zellabschnitts 15 dadurch zu verhindern, daß er die Reaktionswärme absorbiert, die durch die Reaktion erzeugt wird; dies geschieht mit Hilfe von Kühlwasser.

9 ist eine Aufsicht, die den Aufbau eines herkömmlichen Separators 6 zeigt, wie er auf der Seite der Kathoden-Elektrode vorgesehen wird. Wie in 9 gezeigt, besteht der Separator 6 aus einem nahezu quadratisch geformten Separator-Substrat 11, das aus einer Kohlenstoff-Platte hergestellt wurde. Das Substrat weist einen Lufteinlaß 18 zum Einlassen von Luft und einen Brennstoffgas-Einlaß 19 zum Einlassen von Brennstoffgas auf, die an einer Ecke des Separator-Substrats 11 vorgesehen sind. Auf der diesen Einlässen 18, 19 gegenüberliegenden Seite ist ein Luftablass 20 zum Ablassen von Luft und ein Brennstoff-Gasablass 21 zum Ablassen von Brennstoff vorgesehen. Außerdem sind an den anderen Ecken des Separator-Substrats 11 ein Kühlwasser-Einlaß 22 und ein Kühlwasser-Auslaß 23 vorgesehen. Auf dem Separator-Substrat 11 ist eine serpentinenförmige Luftrille 24 zur Zufuhr von Luft zur Reaktions-Oberfläche ausgebildet. Die Luftrille 24 verbindet den Lufteinlaß 18 und den Luftablass 20. Obwohl dies in 9 nicht gezeigt ist, ist auf der Unterseite des Separator-Substrats 11 die Brennstoff-Zufuhrrille ausgebildet, die den Brennstoffgas-Einlaß 19 und den Brennstoffgas-Ablaß 21 verbindet.

Die Luftrille 24 wird auf dem aus einer relativ weichen Kohlenstoff-Platte hergestellten Separator-Substrat 11 in der Weise gebildet, daß man an einer Oberfläche des Substrats eine Druckbehandlung anwendet. Weiter wird die Brennstoff-Zufuhrrille auf dem Separator-Substrat 11 in der Weise gebildet, daß man an der anderen Oberfläche des Substrats eine Druckbehandlung anwendet. Weiter haben – obwohl dies hier nicht weiter veranschaulicht ist – der Separator 5 auf der Seite der Anoden-Elektrode und der Kühlseparator 17 fast die gleiche Struktur wie der Separator 6 auf der Seite der Kathoden-Elektrode.

Die Struktur des befeuchtenden Abschnitts 16, der in 7 gezeigt ist, ist fast die gleiche wie diejenige des Zellabschnitts 15. In dem Zellabschnitt 15 stehen die Reaktionsgase über die feste Polymer-Membran 2 miteinander in Kontakt. Jedoch wird in dem befeuchtenden Abschnitt 16 die Luft oder das Brennstoffgas, d.h. die Reaktionsgase, dadurch befeuchtet, daß es/sie mit Kühlwasser über eine Dampfdurchlaß-Membran in Kontakt tritt/treten.

Jedoch gibt es selbst im Fall der oben beschriebenen Separatoren 5, 6 nach wie vor eine Beschränkung dahingehend, diese dünn auszubilden. Als Grund dafür wird angegeben, daß zum einen im Fall einer Protonenaustausch-Brennstoffzelle, die als Separatoren 5, 6 Kohlenstoff-Platten verwendet, eine bestimmte Dicke der Kohlenstoff-Platten erforderlich ist, um die für Separatoren 5, 6 erforderliche Festigkeit aufrechtzuerhalten. Zum zweiten ist eine Kohlenstoff-Platte ein von Natur aus poröses Material, und es ist erforderlich, einen Durchlaß von Gas und Wasser zwischen den Separatoren zu verhindern. Daraus ergibt sich eine Beschränkung dahingehend, die Separatoren 5, 6 dünn auszubilden. In dem US-Patent Nr. 5,521,018 beträgt die Dicke des Separators 1,6 mm, und es wird eine bestimmte Dicke verlangt.

Um einen Zellstapel 13 kompakt zu machen, ist es am wichtigsten, die Dicke der Zelleinheit gering zu halten. Wenn jedoch eine Kohlenstoff-Platte auf einen Separator aufgebracht wird, besteht ein Problem dahingehend, daß durch diese Vorgehensweise eine Beschränkung auf dünne Separatoren eingehalten werden kann. Dadurch ist es schwierig, die Größe des Zellstapels kompakt zu halten.

Da außerdem das Kohlenstoff-Material selbst teuer ist, tritt ein Problem dahingehend auf, daß es schwierig ist, einen Zellstapel 13 preiswert bereitzustellen.

Da darüber hinaus die Kohlenstoff-Platte eine geringere Wärmeleitfähigkeit als vergleichbare Platten aus Metallen wie zum Beispiel Aluminium, Kupfer usw. aufweist, ist es erforderlich, Einheitszellen dadurch zu kühlen, daß man Kühlplatten 17 einbaut und damit Kühlwasser zwischen den Einheitszellen 1 fließen läßt. Dies bringt dann das Problem mit sich, daß der Zellstapel größer wird, und eine Kühlung durch Luft ist bei Protonenaustausch-Brennstoffzellen schwierig zu verwirklichen.

Andererseits besteht in den Fällen, in denen ein Metall als Separator-Substrat anstelle einer Kohlenstoff-Platte verwendet wird, das Problem, daß Korrosion auftritt, wenn man die Separatoren in einer Sättigungsdampf-Atmosphäre oder bei einer Potentialdifferenz verwendet, wie sie speziell bei Brennstoffzellen erzeugt wird, wodurch die Zell-Leistung drastisch abfällt.

Außerdem ist im Fall eines metallischen Separators zu beachten, daß dieser prinzipiell mittels Press- oder Spanform-Verfahren hergestellt wird. Der Separator kann durch ein Press-Verfahren preiswert hergestellt werden. Jedoch bilden sich im Fall eines Separators, der ein aus einem Leichtmetall als Hauptkomponente bestehendes Material enthält, beispielsweise Aluminium, Magnesium usw., in Folge der Deformation des Separators durch den Formdruck Falten und Brüche im Gefüge. Als Ergebnis dessen war es schwierig, den Separator präzise zu bearbeiten.

Die US 5,578,388 beschreibt eine Bipolarplatte für den Einsatz in einem Zellstapel von elektrochemischen Membranzellen bzw. von Ionenaustauschmembran-Brennstoffzellen, wobei die Bipolarplatte aus einem Leichtmetall mit dem Hauptbestandteil Aluminium in Form einer Aluminiumlegierung (UNI 5076, Italian Standard oder Anticorodal 100 TA16) besteht und die Bipolarplatte nach dem Druckgussverfahren hergestellt wird.

Die DE 38 79 119 T2 beschreibt ein Verfahren zum Gießen von flüssigen Aluminiumlegierungen und Magnesiumlegierungen, bei dem die Schmelze unter relativ hohen Drücken zum Erstarren gebracht wird.

Die DE 38 88 166 T2 beschreibt Magnesiumlegierungen, die mittels Druckgießen verarbeitet werden.

Die DE 21 333 47 A beschreibt einen Aluminiumwerkstoff zur Aufbringung einer Kunststoffbeschichtung, wobei der Werkstoff auf Aluminiumbasis ein Verbundwerkstoff ist, der aus Reinaluminium oder einer Aluminiumlegierung als Grundschicht und einer Deckschicht aus einer Aluminiumlegierung besteht, die harte intermetallische Gefügebestandteile enthält und durch ein die Matrix, nicht aber die intermetallischen Verbindungen angreifendes Ätzmittel aufgerauht wird.

Die GB 1,529,305 beschreibt ein Aluminiumlegierungsprodukt und ein Verfahren zur Herstellung eines Aluminium-Silizium-Legierungsblechs.

Die GB 1,222,262 betrifft ein Lager auf Aluminiumbasis.

Die JP 63179039A beschreibt eine A1-Legierung, mit der ein A1-Zylinder mit einer hohen Oberflächenglätte hergestellt werden kann.

Die WO 92/15720 A1 beschreibt ein Legierungshärtungsmittel, das bei der Herstellung einer Legierung auf Aluminiumbasis verwendet wird.

Die US 2,413,928 betrifft ein Verfahren zum Wärmebehandeln eines Legierungswerkstücks auf Magnesiumbasis.

Die DE 23 13 579 C3 beschreibt eine warmfeste Magnesiumlegierung, die aus bestimmten Anteilen von Yttrium, Neodym, Zink, Zirkonium, Kupfer, Mangan und Magnesium besteht.

Die DE 2 201 460 A beschreibt Magnesiumlegierungen mit Aluminiumgehalten, die den maximalen Anwendungstemperaturen der Legierung angepasst sind.

Die DE 1 067 604 B betrifft eine Magnesium-Zink-Zirkonium-Legierung

Die JP 63065048 A betrifft eine gesinterte Magnesiumlegierung mit geringem Gewicht.

Die JP 03236452 A beschreibt die Herstellung eines geschmiedeten Rads, das aus einer Magnesiumlegierung hergestellt wird.

Demgemäß ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Separator einer Protonenaustausch-Brennstoffzelle mit kompakter Größe und geringem Gewicht preiswert bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Herstellungsverfahren für einen Separator einer Protonenaustausch-Brennstoffzelle mit kompakter Größe und geringem Gewicht preiswert bereitzustellen.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch das Verfahren nach Anspruch 1 und den Separator nach Anspruch 11 gelöst. Weiterentwicklungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird in dem Verfahren als Leichtmetall Aluminium (A1) oder Magnesium (Mg) verwendet.

Als Merkmale für das Druckgießen können eine kurze Füllzeit, eine hohe Füllgeschwindigkeit, ein hoher Fülldruck und eine hohe Füllgeschwindigkeit des geschmolzenen Metalls genannt werden. So kann gemäß der vorliegenden Erfindung durch Anwenden der Verfahrensweise des Druckgießens ein Separator mit hoher Produkti vität und ausgezeichneter Dimensions-Maßhaltigkeit gebildet werden, bei dem zu dem ein Nacharbeiten in nur geringerem Umfang erforderlich ist. Außerdem ist ein Separator, der mit einer glatten Guß-Oberfläche versehen ist, mechanisch stark und kann gemäß der Erfindung so dünn wie möglich ausgebildet werden.

So wird es gemäß der vorliegen Erfindung dann, wenn Separatoren nach dem Verfahren des Druckgießens unter Verwendung eines Legierungsmaterials hergestellt werden, das aus A1 und Mg als Hauptkomponente besteht, möglich, einen Zellstapel leicht und kompakt zu machen. Außerdem ist es dann, wenn ein aus Mg aufgebautes Legierungsmaterial als Hauptkomponente verwendet wird, möglich, das Gewicht des Separators und des Zellstapels noch leichter zu machen.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird als Legierungsmaterial vorzugsweise eines der nachfolgend beschriebenen Legierungsmaterialien eingesetzt:
Ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten aufgebaut ist (in Gew.-%): Cu: 0,3 bis 0,4%; Si: 12,0 bis 12,2%; Mg: 0,08 bis 0,11%; Mn: 0,23 bis 0,24 %; Fe: 0,64 bis 0,74%; Zn: 0,09 bis 0,10%; und A1: Rest;
ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten aufgebaut ist (in Gew.-%): Cu: 2,8 bis 3,0%; Si: 8,4 bis 8,6%; Mg: 0,08 bis 0,10%; Mn: 0,32 bis 0,37 %; Fe: 0,70 bis 0,71%; Zn: 0,13 bis 0,14%; und A1: Rest;
ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten aufgebaut ist (in Gew.-% ): Cu: 1,9 bis 2,5%; Si: 9,4 bis 10,4%; Mg: 0,21 bis 0,25%; Mn: 0,16 bis 0,38 %; Fe: 0,72 bis 0,93%; Zn: 0,42 bis 0,93%; und A1: Rest;
ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten aufgebaut ist (in Gew.-%): Cu: 0,01%; Si: 0,1%; Mn: 0,80%; Fe: 0,09%; Ni: 0,01%; Ti: 0,01%; und A1: Rest;
ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten aufgebaut ist (in Gew.-%): Mn: 1,4 bis 4,3%; Fe: 0,5 bis 1,0%; und A1: Rest;
ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten aufgebaut ist (in Gew.-%): Cu: nur 0,5%; Co: 1,0%; und A1: Rest; und
ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten aufgebaut ist (in Gew.-%): Mn: 2,0%; Zn: 3,0%; Fe: 1,0%; Mg: 0,5%; und A1: Rest.

Wenn Legierungsmaterialien, die aus A1 als Hauptkomponente aufgebaut sind und die oben angegebene Zusammensetzung haben, verwendet werden, ist es möglich, in hohem Maße zuverlässige Separatoren mit guter Fluidität während des Druckgießens und weniger Defekten während des Gießens herzustellen. Außerdem ist es möglich, in hohem Maße feste Separatoren herzustellen, die sowohl für Wärmer als auch für elektrischen Strom leitend sind.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren als Legierungsmaterial eines der nachfolgend beschriebenen Legierungsmaterialien eingesetzt:
Ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten aufgebaut ist (in Gew.-%): A1: 5,3 bis 6,1%; Zn: 2,5 bis 3,5%; Mn: 0,15 bis 0,6%; Si: unter 0,3%; Cu: unter 0,1%; Ni: unter 0,01%; und Mg: Rest;
ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten aufgebaut ist (in Gew.- %): A1: 8,1 bis 9,3%; Zn: 0,4 bis 1,0%; Mn: 0,1 3 bis 0,5%; Si: unter 0,3%; Cu: unter 0,1%; Ni: unter 0,01%; und Mg: Rest;
ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten aufgebaut ist (in Gew.-): A1: 8,3 bis 9,7%; Zn: 1,6 bis 2,4%; Mn: 0,1 bis 0,5%; Si: unter 0,3%; Cu: unter 0,1%; Ni: unter 0,01%; und Mg: Rest;
ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten aufgebaut ist (in Gew.-%): A1: 9,3 bis 10,7%; Zn: 0,3%; Mn: 0,1 bis 0,5%; Si: unter 0,3%; Cu: unter 0,1%; Ni: unter 0,01%; und Mg: Rest;
ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten aufgebaut ist (in Gew.-%): Zn: 3,6 bis 5,5%; Zr: 0,5 bis 1,0%; Cu: unter 0,1%; Ni: unter 0,1%; und Mg: Rest;
ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten aufgebaut ist (in Gew.-%): Zn: 5,5 bis 6,5%; Zr: 0,6 bis 1,0%; Cu: unter 0,1%; Ni: unter 0,01%; und Mg: Rest;
ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten aufgebaut ist (in Gew.-%): Zn: 2,0 bis 3,1%; Re: 2,5 bis 4,0%; Zr: 0,5 bis 1,0%; Cu: unter 0,1%; Ni: unter 0,01%; und Mg: Rest;
ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten aufgebaut ist (in Gew.-%): Th: 2,5 bis 4,0%; Zr: 0,5 bis 1,0%; und Mg: Rest;
ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten aufgebaut ist (in Gew.-%): Th: 2,5 bis 4,0%; Zn: 1,7 bis 2,5%; Zr: 0,5 bis 1,0%; und Mg: Rest;
ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten aufgebaut ist (in Gew.-% Th: 1,4 bis 2,2%; Zn: 5,2 bis 6,2%; Zr: 0,5 bis 1,0%; und Mg: Rest;
ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten aufgebaut ist (in Gew.-%): Zn: 2,0 bis 3,5%; Zr: unter 0,5%; und Mg: Rest; und
ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten aufgebaut ist (in Gew.-%): Zn: 3,6 bis 5,5%; Zr: 0,5 bis 1,0%; und Mg: Rest.

Wenn Legierungsmaterialien, die aus Mg als Hauptkomponente aufgebaut sind und die oben beschriebene Zusammensetzung haben, verwendet werden, ist es möglich, in hohem Maße zuverlässige Separatoren mit guter Fluidität während des Druckgießens und mit weniger Gieß-Defekten herzustellen. Außerdem ist es möglich, in hohem Maße feste Separatoren herzustellen, die sowohl für Wärme als auch für elektrischen Strom leitfähig sind. Wenn ein aus Mg als Hauptkomponente bestehendes Legierungsmaterial verwendet wird, ist es außerdem möglich, das Gewicht des Separators und des Zellstapels zu senken.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist das in dem Verfahren verwendete Legierungsmaterial eine Wärmeleitfähigkeit von 100 bis 230 W/m·K auf.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann während des Betriebs erzeugte Wärme effizient durch Kühlen entfernt werden. Da der Separator aus einem A1-Legierungsmaterial mit leichtem spezifischen Gewicht hergestellt wird, kann darüber hinaus der Zellstapel leicht und kompakt gehalten werden.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist das in dem Verfahren verwendete Legierungsmaterial eine elektrische Leitfähigkeit von 30 bis 60% auf.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, den elektrischen Kontakt-Widerstand von Separatoren zu verringern; dies ist ein wichtiges Merkmal der Leistung der Zelle. Im Ergebnis ist es möglich, den Spannungsabfall zu eliminieren, wie er durch den Widerstand einer Einheitszelle hervorgerufen wird, die aus einer Anoden-Elektrode und einer Kathoden-Elektrode aufgebaut ist, die auf beiden Seiten einer Elektrolyt-Membran mit einem festen Polymer angeordnet sind.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Ausgangsmaterial zur Bildung des Separators in einer Dicke von 0,4 mm bis 1,0 mm druckgegossen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Deformation des Separators, wie sie während der Herstellung durch Druckgießen erfolgt, verhindert werden, die Bildung von Gieß-Defekten kann minimiert werden. Als Ergebnis dessen kann ein in hohem Maß zuverlässiger Zellstapel leicht und kompakt hergestellt werden.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst der Schritt des Druckgießens in dem erfindungsgemäßen Verfahren einen Prozeß oder eine Kombination aus zwei oder mehr Prozessen, die gewählt sind aus: Vakuum-Druckgießen, Druckgießen unter Sauerstoff-Atmosphäre, Druckgießen unter normaler Atmosphäre, Rheocasting-Verfahren, „Acurad"-Verfahren, Druckgießen bei niedriger Füllgeschwindigkeit, Hochdruckgießen, Druckgießen bei ausbalancierter Strömung, Tiefzieh-Verfahren (car process) und „Parashot"-Verfahren. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dünne und kompliziert geformte Separatoren mit exzellenter Genauigkeit in kurzer Zeit preiswert herzustellen.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst das erfindungsgemäße Verfahren weiter den Schritt des Zurichtens bzw. Beschneidens zum Zurichten bzw. Beschneiden des beim Druckgießen hergestellten, im Rahmen eines Oberflächen-Behandlungsschrittes behandelten gebildeten Separators einschließt, wobei der Oberflächen-Behandlungsschritt gewählt ist aus der Gruppe Druck-Bearbeiten, Bearbeiten bei elektrischer Entladung, Bearbeiten mit einem Laser-Strahl und Photoätzen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird es möglich, zusätzlich den Schritt des maschinellen Bearbeitens einer Öffnung und das Ausbilden eines dünnen Abschnitts durchzuführen, was beim Druckgießen schwierig ist. Im Ergebnis kann ein dünner und kompliziert geformter Separator leicht und preiswert hergestellt werden.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt der Schritt des Behandelns der Oberfläche nach einem Verfahren oder einer Kombination von zwei oder mehreren Verfahren, die gewählt sind aus der Gruppe Glanzschleifen, Trommelpolieren, Sandstrahlen, Elektropolieren und chemische Behandlung, so daß die Oberflächen-Rauheit des Separators 0,07 μm oder mehr beträgt.

Außerdem wird die Oberfläche des Separators nach einem Trimmen bzw. Beschneiden in dem Schritt des Zurichtens bzw. Beschneidens erneut durch einen Schritt der Oberflächenbehandlung behandelt, wie er vorstehend beschrieben wurde.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, Grate, Haftstellen und rauhe Stellen der Guß-Oberfläche, wie sie beim Druckgießen gebildet werden, zu entfernen. Im Ergebnis ist es möglich, die Defekte im Überzug zu minimieren, die während der Aufbringung eines korrosionsbeständigen Überzugs auftreten können, der nach der Bearbeitung aufgebracht wird, wodurch die Haftung zwischen dem Separator-Substrat und dem Überzugsfilm verbessert wird.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt der Schritt des Überziehens nach einem Verfahren oder einer Kombination von zwei oder mehreren Verfahren aus der Gruppe physikalische Abscheidung aus der Dampfphase, Plattieren und Aufsprühen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Bildung von passiven Oxid-Filmen zu verhindern, die sich in dem gesättigten Dampf oder in der potentiell korrosiven Umgebung bilden, wie sie für eine Brennstoffzelle spezifisch ist, und dadurch eine stabilisierte Energieabgabe der Brennstoffzelle über eine lange Zeit zu erhalten.

Die Erfindung wird nun nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Ein noch vollständigeres Verständnis der Erfindung und vieler Vorteile gegenüber dem Stand der Technik, die mit ihr verbunden sind, ergibt sich für Fachleute in diesem technischen Bereich aus der folgenden detaillierten Beschreibung, wenn diese in Verbindung mit den beigefügten Figuren verstanden wird. Es zeigen:

1 ein schematisches Diagramm, das ein System zeigt, das für das Druckgießen gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird;

2 eine Aufsicht, die einen Aluminium-Separator zeigt, der im Rahmen des Druckgießens gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erhalten wurde;

3 eine Aufsicht, die einen Aluminium-Separator mit der gewünschten Form nach dem Schritt des Trimmens bzw. Beschneidens gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

4 ein Diagramm, das Gieß-Defekte zeigt, wie sie während des Schritt des Druckgießens gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hervorgerufen werden;

5 ein Diagramm, das die nicht-zerstörende Inspektion durch Infrarot-Thermographie zeigt;

6 ein Diagramm, das die Struktur einer herkömmlichen Einheitszelle zeigt;

7 ein Diagramm, das einen herkömmlichen Protonenaustausch-Brennstoffzellen-Stapel zeigt, in dem Kohlenstoff-Platten Verwendung finden;

8 ein Diagramm, das eine Struktur einer Einheitszelle des Zellabschnitts der herkömmlichen Brennstoffzelle zeigt, wie sie in 7 gezeigt ist; und

9 eine Aufsicht, die einen herkömmlichen Separator auf der Seite der Kathoden-Elektrode zeigt.

Die Erfindung wird nun nachfolgend anhand spezieller Ausführungsformen beschrieben. Dabei wird auf die Figuren Bezug genommen, in denen gleiche Bezugszeichen identische oder entsprechende Teile in den verschiedenen Ansichten zeigen.

Erste Ausführungsform (1 bis 4)

Nachfolgend wird eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 beschrieben.

In dieser Ausführungsform wurden Separatoren für eine Protonenaustausch-Brennstoffzelle mittels der Verfahrensweisen des Druckgießens unter Verwendung eines Legierungsmaterials hergestellt, das hauptsächlich aus A1 bestand. 1 ist ein Diagramm, das den schematischen Aufbau eines Systems zeigt, das zum Druckgießen verwendet wird.

Wie in 1 gezeigt ist, sind in einem Druckguß-System 30 ein elektrischer Ofen 31 zum Schmelzen von Ausgangsmaterial und eine Einspritz-Einrichtung 33 über eine Aufnahme-Einrichtung 32 verbunden angeordnet. Die Aufnahme-Einrichtung 32 nimmt heißes Material aus dem elektrischen Ofen 31 auf. Außerdem ist eine Düse auf der anderen Seite der Einspritz-Einrichtung 33 angeordnet. Weiter ist eine Kontrolleinrichtung 35 mit der Einspritz-Einrichtung 33 verbunden und steuert die Menge an heißem Material, das mittels der Aufnahme-Einrichtung 32 für heißes Material ausgegossen wird. Eine Vakuum-Vorrichtung 36 ist mit der Düse 34 verbunden und entfernt Verunreinigungen und Luft, die in dem heißem Material enthalten sind, indem sie das System während des Spritzformens unter Vakuum setzt. In der letzten Stufe ist eine Presse 37 angeordnet. Diese Presse führt den Pressvorgang durch und erlaubt den Erhalt von Formprodukten.

Unter Verwendung des Druckgieß-Systems 30 wurde eine geschmolzene Legierung, die hauptsächlich aus A1 bestand, mit hoher Geschwindigkeit und hohem Druck verpreßt und wurde schnell unter Verfestigen abgekühlt. So wurde ein Aluminium-Separator hergestellt.

Als Aluminium-Legierungsmaterial wurde ein Material verwendet, das enthielt (in Gew.-%): Mn: 2,0%; Zn: 3,0%; Fe: 1,0%; Mg: 0,5%; und A1: Rest.

Unter Verwendung des Legierungsmaterials mit dieser Zusammensetzung wurde ein Aluminium-Separator mittels des Druckgieß-Systems 30 ausgebildet. Der Füll-Druck lag – wie in 1 gezeigt – bei maximal 2450 MPa. Die weiteren Bedingungen waren: Spritzgeschwindigkeit: 60 m/s; Spritzdruck: 1176 MPa; und Füllzeit: 0,3 s. Die Aufsicht auf den dadurch erhaltenen Aluminium-Separator ist in 2 gezeigt.

Wie in 2 gezeigt, wurde ein Aluminium-Separator 38 auf einem nahezu quadratisch geformten Separator-Substrat 39 gebildet. Dabei waren serpentinenförmige Rillen 40 darauf ausgebildet, um Luft und Brennstoffgas der Reaktions-Oberfläche zuzu leiten. In 2 sind Abschnitte gezeigt, die in unterbrochenen Linien gezeichnet sind; diese werden durch das nachfolgend beschriebene Beschneide- bzw. Zuricht-Verfahren gebildet, das bestens verstanden wird bei Bezugnahme auf 3.

Der so erhaltene Aluminium-Separator 38 wurde anschließend beschnitten, und zwar durch eine der Verfahrensweisen maschinelles Press-Bearbeiten, Bearbeiten mittels elektrischer Entladung, Bearbeiten mittels Laserstrahlung und Photoätzen. Dadurch wurde ein Aluminium-Separator 41 erhalten, der die in 3 gezeigte Form hatte. Die Aufsicht auf den so erhaltenen Aluminium-Separator 41 ist in 3 gezeigt.

Wie in 3 gezeigt ist, ist der Aluminium-Separator 41 versehen mit einem Lufteinlaß 42 zum Einlaß von Luft und einem Brennstoffgas-Einlaß 43 zum Einlaß von Brennstoffgas, die an einer Ecke des Separator-Substrats 39 vorgesehen sind. Auf der Seite, die diesen Einlässen 42,43 gegenüberliegt, sind eine Luftablass-Öffnung 44 zum Ablassen von Luft und eine Brennstoffgas-Ablaßöffnung 45 zum Ablassen von Brennstoffgas vorgesehen. Außerdem sind an anderen Ecken des Separator-Substrats 39 ein Kühlwasser-Einlaß 46 und eine Kühlwasser-Ablaßöffnung 47 vorgesehen. Auf dem Separator-Substrat 39 ist eine serpentinenförmige Luftrille 40 zum Einlassen von Luft zur Reaktions-Oberfläche gebildet. Die Luftrille 40 verbindet den Lufteinlaß 42 mit der Luftablass-Öffnung 44. Auf der Unterseite des Separator-Substrats 39 ist die Brennstoff-Zufuhrrille ausgebildet, die den Brennstoff-Einlaß 43 mit der Brennstoffgas-Ablaßöffnung 45 verbindet.

Der nach dem oben beschriebenen Verfahren erhaltene Aluminium-Separator 41 weist Gußoberflächen-Muster an der Gußoberfläche und Grate im Bereich der beschnittenen Bereiche auf und kann nicht direkt für den Schritt der Aufbringung eines korrosionsbeständigen Überzugs verwendet werden, der nachfolgend durchgeführt wird. So wurden die Oberfläche des Aluminium-Separators 38 und die Oberfläche des Aluminium-Separators 41 nach dem Zeitpunkt, zu dem die Schritte des Aluminium-Gießformens und des Beschneidens durchgeführt worden waren, jeweils mittels eines Prozesses oder einer Kombination von zwei oder mehreren Prozessen behandelt, die gewählt waren aus Glanzschleifen, Trommelpolieren, Sandstrahlen, Elektropolieren und chemische Behandlung. Dadurch wurde die Oberflächen-Rauheit jedes der Aluminium-Separatoren 38, 41 auf einen Wert von 0,07 μm oder mehr eingestellt.

Nach Einstellen der Oberflächenrauheit des Aluminium-Separators 41 auf einen Wert von 0,07 μm oder mehr wurde der Passivierungsfilm oder wurden die Oxide auf dem Separator-Substrat 39 elektrisch, mechanisch oder chemisch entfernt.

Anschließend wurden die leitfähigen und korrosionsbeständigen Überzugsfilme auf dem Aluminium-Separator 41 mittels eines Verfahrens oder einer Kombination von zwei oder mehreren Verfahren aus der Gruppe physikalische Abscheidung aus der Dampfphase, Plattierungs-Verfahren und Sprühüberzugs-Verfahren aufgebracht. Als Überzugs-Material wurde ein Material oder einer Kombination von zwei oder mehreren Materialien aus der Gruppe Ni, Fe, Co, B, Pb, Cr, Cu, Ti, Bi, Sn, W, P, Mo, Ag, Pt, Au, TiC, NbC, TiCN, TiN, CrN, TiB₂, ZrB₂, Fe₂B und Si₃N₄ verwendet.

Speziell wurde bei Anwenden des Plattierungs-Verfahrens Au beschichtungsmäßig auf das Separator-Substrat 39 aufgebracht, und eine Ni-oder Cr-Schicht wurde beschichtungsmäßig darauf aufgebracht. Alternativ dazu wurde bei Anwenden der Verfahrensweise der physikalischen Abscheidung aus der Dampfphase Cr oder eine Cr enthaltende Legierung beschichtungsmäßig auf das Separator-Substrat 39 aufgebracht, und TiN oder eine TiN enthaltende Legierung wurde beschichtungsmäßig auf die äußerste Schicht aufgebracht.

Weiter wurde Cr oder eine Cr enthaltende Legierung beschichtungsmäßig auf das Separator-Substrat 31 aufgebracht, und darauf wurde TiN oder eine TiN enthaltende Legierung beschichtungsmäßig aufgebracht. Cr oder eine Cr enthaltende Legierung wurde auf die Schicht aus TiN oder eine TiN enthaltende Legierungsschicht aufgebracht, und TiN oder eine TiN enthaltende Legierung wurde beschichtungsmäßig als äußerste Schicht aufgebracht. So wurden aus mehreren Schichten bestehende Überzüge aufgebracht.

Weiter wird als Ergebnis der Aufbringung derartiger, aus mehreren Schichten bestehender Überzüge an der TiN-Schicht der Überzugs-Oberfläche der Abfall des elektrischen Widerstandes bei Kontakt verhindert. An der darunterliegenden Cr-Schicht wird die Haftfestigkeit mit der TiN-Schicht verbessert, und das Abschälen der Überzugsschicht wird verhindert. Darüber hinaus werden eine Korrosion bedingende Faktoren wie beispielsweise Sauerstoff und Korrosionsprodukte, die durch die Luftlöcher eintreten, die in der TiN-Schicht bestehen, abgefangen, da sie in Cr-Oxid umgewandelt werden, und das Abschälen des Überzugs, das durch eine Korrosion hervorgerufen wird, wird verhindert.

Weiter werden in der darunterliegenden TiN-Schicht eine Korrosion bedingende Faktoren wie beispielsweise Sauerstoff und Korrosionsprodukte, die durch die Luftlöcher eintreten, die in der Cr-Schicht existieren, abgefangen, und das Abschälen des Überzugs, das durch (Korrosionsbeständigkeit und) Korrosion hervorgerufen wird, wird verhindert. An der darunterliegenden Cr-Schicht wird die Haftfestigkeit mit der TiN-Schicht verbessert, das Abschälen des Überzugs wird verhindert, und eine Korrosion bedingende Faktoren wie beispielsweise Sauerstoff und Korrosionsprodukte, die durch die Luftlöcher eintreten, die in der TiN-Schicht existieren, werden abgefangen, da sie in Cr-Oxid umgewandelt werden, und das Abschälen des Überzugs, das durch die Korrosion hervorgerufen wird, wird verhindert.

Mit den Verfahrensweisen des maschinellen Bearbeitens oder Pressens war es schwierig, ein Deformieren von Separatoren zu verhindern und ein maschinelles Bearbeiten von Separatoren mit hoher Präzision zu verbessern. Im Rahmen der vorliegenden Ausführungsform können die Probleme jedoch gelöst werden, wenn die Separatoren mit dem Druckgieß-Verfahren hergestellt werden. Als Ergebnis dessen kann eine große Menge von Aluminium-Separatoren in kurzer Zeit hergestellt werden, und die Her stellungskosten pro Separator können reduziert werden. Dadurch wird die Herstellung eines leichten und kompakten Zellstapels möglich. Weiter können bei Anwendung einer Verfahrensweise oder einer Kombination von zwei oder mehreren Verfahrensweisen aus der Gruppe Vakuum-Druckgießen, Druckgießen in einer Sauerstoff-Atmosphäre, Druckgießen bei Atmosphäredruck, Rheocasting, „Acurad"-Verfahren, Druckgießen bei geringer Füllgeschwindigkeit, Hochdruckgießen, Druckgießen bei Normaldruck, Tiefzieh-Verfahren (car process) und „Parashot"-Verfahren dünne und eine komplizierte Form aufweisende Separatoren präzise in kurzer Zeit preiswert hergestellt werden. Insbesondere ist es bei Anwendung des Vakuum-Druckgieß-Verfahrens möglich, das Gießformen durchzuführen, während man Luftblasen und Gaskomponenten, die in dem heißen Metall existieren, herauszieht. So ist es möglich, A1-Separatoren mit einheitlicher Struktur und weniger Gußdefekten zu erhalten.

Grate, Haftstellen, und Rauheiten der Guß-Oberfläche, die durch das Druckgießen verursacht werden, sowie Grate usw., die als Ergebnis des Beschneidens auftreten, können durch die Oberflächenbehandlung der Aluminium-Separatoren 38, 41, die nach dem Druckgießen bzw. dem Beschneiden erhalten werden, vollständig entfernt werden. Als Ergebnis dessen kann die Anzahl der bei Aufbringen einer Beschichtung auftretenden Defekte, die während des beschichtungsmäßigen Aufbringens des Korrosionsbeständigkeit erbringenden Überzugs erzeugt werden, d. h. in dem Nachbehandlungs-Prozeß, minimiert werden, und die Haftfestigkeit zwischen dem Separator-Basismaterial 39 und dem Überzugsfilm kann verbessert werden. Weiter ist es dann, wenn der Passivierungs-Überzugsfilm oder Oxide, die auf dem Separator-Substrat 39 vorhanden sind, entfernt werden, möglich, die Haftfestigkeit des Separator-Substrats 39 mit dem Überzugsfilm zu verbessern. Daher kann die Wahrscheinlichkeit eines Abschälens des Überzugsfilms bei Ausbildung des Überzugsfilms bis auf ein Minimum reduziert werden, und es kann so ein in hohem Maße zuverlässiger Überzug mit weniger Defekten wie beispielsweise Luftlöchern gebildet werden.

Außerdem ist es bei Ausbildung des Überzugsfilms auf einem Separator-Substrat 39 möglich, den elektrischen Kontakt-Widerstand des Separators zu verringern. Es ist wichtig für die Leistung der Zelle, den durch den Widerstand der Einheitszelle hervorgerufen in Spannungsabfall zu verhindern und die Leistung und Zuverlässigkeit einer Protonenaustausch-Brennstoffzelle zu verbessern.

Dementsprechend ist es möglich, durch diese Prozesse einen dünnen Überzugsfilm auszubilden und in einheitlicher Weise einen dünnen Überzugsfilm aus Materialien mit geringerem elektrischen Widerstand und Kontakt-Widerstand auszubilden. Weiter ist es auch möglich, ein Material zu bilden, das eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit aufweist und nur wenige Defekte hat. Darüber hinaus kann ein Material, das eine ausgezeichnete Haftung und Duktilität aufweist, in dünner, einheitlicher und präziser Weise gebildet werden.

Weiter kann durch Ausbildung des Überzugsfilms die Bildung eines Passivierungs-Films aus Oxiden, wie sie in gesättigten Dampf oder in einer korrosiven Umgebung aufgrund der Potentialdifferenz auftreten, die spezifisch für die Brennstoffzelle ist, verhindert werden. Weiter kann eine stabile Leistung der Brennstoffzelle über eine lange Zeit erhalten werden, wenn der Überzugsfilm gebildet wird. In der vorliegenden Ausführungsform wurde der Überzugsfilm auch als Mehrschichten-Struktur gebildet. Diese Mehrschichten-Struktur macht es möglich, mehrere Funktionen gemeinsam auszuführen, wie sie für die Überzugsfilme in jeweiligen Überzugsschichten verlangt werden, und damit die Separator-Leistung zu erhöhen. Außerdem ist die Mehrschichten-Struktur in der Lage, kontinuierliche Luftlöcher, die durch die Überzugsschicht zur Grenzfläche zwischen der Überzugsschicht und dem Separator-Substrat hindurchreichen und die während der Herstellung entstehen, abzufangen. Wenn der Anoden-Elektrode Brennstoff zugeleitet wird und Luft, die als Oxidationsmittel dient, der Kathoden-Elektrode zugeleitet wird, werden Reaktionsgase wie beispielsweise Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt. Die durch derartiger Reaktionsgase wie Wasserstoff und Sauerstoff erzeugte Korrosion oder die durch die gesättigte Dampf-Atmosphäre erzeugte Korrosion kann jedoch verhindert werden durch Vorsehen eines Überzugs films. Außerdem kann die Haftung des Überzugsfilms zu dem Separator-Substrat verbessert werden, und als Ergebnis wird das Abschälen des Überzugsfilms bei Ausbildung des Überzugsfilms verhindert, und es können in hohem Maße zuverlässige Überzugsfilme mit weniger Defekten wie beispielsweise Luftlöchern usw. gebildet werden. Außerdem wird die Effizienz der Materialhaftung verbessert, wenn ein Überzugsfilm ausgebildet wird, und die Herstellungskosten des Separators können verringert werden.

Außerdem wird im Rahmen dieser Ausführungsform ein Aluminium-Separator 41 der in den Abbildungen gezeigten Form erhalten, der mit einem Lufteinlaß 42, einer Luftablass-Öffnung 44, einem Brennstoffgas-Einlaß 43 einer Brennstoff-Ablaßöffnung 45 einem Kühlwasser-Einlaß 46 und einer Kühlwasser-Ablaßöffnung 47 versehen ist und der durch einen Schritt des Zurichtens hergestellt wird. Wenn diese Einlässe und Ablaß-Öffnungen 42 bis 47 während des Druckgießens gebildet würden, würden Gieß-Defekte, wie sie in 4 gezeigt sind, aufgrund eines unzureichenden Fließens des heißen Metalls erzeugt.

4 ist ein Diagramm, das einen Aluminium-Separator zeigt, in dem Einlässe und Ablaß-Öffnungen 42 bis 47 während des Druckgießens geschaffen werden. Wie in 4 gezeigt, bilden sich Gieß-Defekte 48 in der Rille 40, im Lufteinlaß 42, im Kühlwasser-Einlaß 46 und in der Kühlwasser-Ablaßöffnung 47 usw., die an dem Separator-Substrat 39 gebildet werden.

Wenn Öffnungen mit komplizierter Form, wie sie oben beschrieben wurden, an dem Aluminium-Separator während des Druckgießens gebildet werden, bilden sich Gieß-Defekte 48 aufgrund eines falschen Strömens des heißen Materials, und die Herstellungs-Ausbeute für Aluminium-Separatoren fällt wegen ungleicher Plattendicke usw.

Demgemäß wird in dieser Ausführungsform eine serpentinenförmige Rille 40 zum Zuleiten von Luft oder Brennstoffgas zur Reaktions-Fläche während des Aluminium- Druckgießens gebildet, und die Einlässe und Ablaß-Öffnungen 42 bis 47 werden dann während des anschließenden Trimmens gebildet. Dementsprechend wird es möglich, Öffnungen und dünne Bereiche in dem Prozeß des Trimmens zu bilden; derartige Bereiche sind beim Druckgießen nur schwierig zu bilden. In gleicher Weise wird es möglich, einen dünnen und kompliziert geformten Aluminium-Separator leicht und preiswert herzustellen.

Zweite Ausführungsform (Tab. 1)

Nachfolgend wird eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf Tabelle 1 beschrieben.

In dieser Ausführungsform werden Legierungsmaterialien des Separators, die als Ausgangsmaterialien verwendet werden, erläutert.

In dieser Ausführungsform wurde der Zustand, bei dem sich Gießdefekte bilden, näher untersucht, indem man die Aluminium-Pressgieß-Tests in der Weise durchführte, daß man die Zusammensetzungen der Aluminium-Legierungsmaterialien unter Anwendung der Beispiele Nr. 1 bis Nr. 16 änderte, wie dies in Tabelle 1 gezeigt ist. Ein Pressgieß-System, in dem der Fülldruck den Maximalwert von 2450 MPa erreichte, wurde verwendet. Die Pressgieß-Bedingungen waren die folgenden: Einspritzgeschwindigkeit: 60 m/s; 1 Einspritzdruck: 1176 MPa; Füllzeit: 0,3 s. Die Zahl der Gieß-Defekte, die bei diesem Verfahren des Press Gießens gebildet wurden, sind in Tabelle 1 gezeigt.

Tabelle 1:

Wie in Tabelle 1 gezeigt, wurden Gieß-Defekte an Aluminium-Legierungsmaterialien gebildet, die die Zusammensetzungen der Beispiele Nr. 2, 4, 7, 8, 11 bzw 14 hatten. Keine Gieß-Defekte wurden jedoch erzeugt an Aluminium-Legierungsmaterialiem, die die Zusammensetzungen der Beispiele 1, 3, 5, 6, 9, 10, 12, 13, 15 bzw. 16 hatten.

Daher ist es optimal, Aluminium-Legierungsmaterialien zu verwenden, die eine der nachfolgend beschriebenen Zusammensetzung haben:

(1) ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten zusammengesetzt ist (in Gew.- ): Cu: 0,3 bis 0,4%; Si: 12,0 bis 12,2%; Mg: 0,08 bis 0,11%; Mn: 0,23 bis 0,24%; Fe: 0,64 bis 0,74%; Zn: 0,09 bis 0,10%; und A1: Rest (Beispiele Nr. 9 und 10);
(2) ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten zusammengesetzt ist (in Gew.-%): Cu: 2,8 bis 3,0%; Si: 8,4 bis 8,6%; Mg: 0,08 bis 0,10%; Mn: 0,32 bis 0,37%; Fe: 0,70 bis 0,71%; Zn: 0,13 bis 0,14%; und A1: Rest (Beispiele Nr. 15 und 16);
(3) ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten zusammengesetzt ist (in Gew.-%): Cu: 1,9 bis 2,5%; Si: 9,4 bis 10,4%; Mg: 0,21 bis 0,25%; Mn: 0,16 bis 0,38%; Fe: 0,72 bis 0,93%; Zn: 0,42 bis 0,93%; und A1: Rest (Beispiele Nr. 12 und 13);
(4) ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten zusammengesetzt ist (in Gew.-% ): Cu: 0,01%; Si: 0,1%; Mn: 0,80%; Fe: 0,09%; Ni: 0,01%; Ti: 0,01 und A1: Rest (Beispiel Nr. 5);
(5) ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten zusammengesetzt ist (in Gew.-% ): Mn: 1,4 bis 4,3%; Fe: 0,5 bis 1,0%; und A1: Rest (Beispiele Nr. 1 und 3);
(6) ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten zusammengesetzt ist (in Gew.-% ): Cu: 0,05%; Co: 1,0%; und A1: Rest (Beispiel Nr. 6);
(7) ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten zusammengesetzt ist (in Gew.-%): Mn: 2,0%; Zn: 3,0%; Fe: 1,0%; Mg: 0,5%; und A1: Rest (das Material, das in der ersten Ausführungsform verwendet wurde).

Beim Prozeß des Druckgießens bestimmt die Zusammensetzung eines Legierungsmaterials, das beim Druckgießens verwendet wird, die Fluidität des heißen Metalls und beeinflußt die Bildung von Gieß-Defekten. Wenn jedoch Aluminium-Legierungsmaterialien, wie sie in der vorliegenden Ausführungsform gezeigt sind, verwendet werden, ist die Fluidität des heißen Metalls während des Druckgießens gut, und es kann ein in hohem Maße zuverlässiger Separator mit weniger Gieß-Defekten erhalten werden.

Weiter sind trotz der Tatsache, daß in dieser Ausführungsform Legierungsmaterialien verwendet wurden, die hauptsächlich aus Aluminium bestehen, auch Legierungsmaterialien verwendbar, die Magnesium als Hauptkomponente enthalten.

Konkrete Zusammensetzungen von Legierungsmaterialien, die Magnesium als Hauptkomponente enthalten, werden nachfolgend aufgezählt:

(1) ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten zusammengesetzt ist (in Gew.-%): A1: 5,3 bis 6,1%; Zn: 2,5 bis 3,5%; Mn: 0,15 bis 0,6%; Si: unter 0,3%; Cu: unter 0,1%; Ni: unter 0,01%; und Mg: Rest;
(2) ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten zusammengesetzt ist (in Gew.-%): A1: 8,1 bis 9,3%; Zn: 0,4 bis 1,0%; Mn: 0,13 bis 0,5%; Si: unter 0,3%; Cu: unter 0,1%; Ni: unter 0,01%; und Mg: Rest;
(3) ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten zusammengesetzt ist (in Gew.-%): A1: 8,3 bis 9,7%; Zn: 1,6 bis 2,4%; Mn: 0,1 bis 0,5%; Si: unter 0,3 Prozent; Cu: unter 0,1%; Ni: unter 0,01%; und Mg: Rest;
(4) ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten zusammengesetzt ist (in Gew.-% ): A1: 9,3 bis 10,7%; Zn: 0,3%; Mn: 0,1 bis 0,5%; Si: unter 0,3%; Cu: unter 0,1%; Ni: unter 0,01%; und Mg: Rest;
(5) ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten zusammengesetzt ist (in Gew.-%): Zn: 3,6 bis 5,5%; Cu: 0,5 bis 1,0%; Cu: unter 0,01%; Ni: unter 0,1 und Mg: Rest;
(6) ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten zusammengesetzt ist (in Gew.-%): Zn: 5,5 bis 6,5%; Zr: 0,6 bis 1,0%; Cu: unter 0,1%; Ni: unter 0,01 %; und Mg: Rest;
(7) ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten zusammengesetzt ist (in Gew.-%): Zn: 2,0 bis 3,1%; Re: 2,5 bis 4,0%; Zr: 0,51 bis 1,0%; Cu: unter 0,1%; Ni: unter 0,01%; und Mg: Rest;
(8) ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten zusammengesetzt ist (in Gew.-% ): Th: 2,5 bis 4,0%; Zr: 0,5 bis 1,0%; und Mg: Rest;
(9) ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten zusammengesetzt ist (in Gew.-%): Th: 2,5 bis 4,0%; Zn: 1,7 bis 2,5%; Zr: 0,5 bis 1,0%; und Mg: Rest;
(10) ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten zusammengesetzt ist (in Gew.-%): Th: 1,4 bis 2,2%; Zn: 5,2 bis 6,2%; Zr: 0,5 bis 1,0%; und Mg: Rest;
(11) ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten zusammengesetzt ist (in Gew.-% ): Zn: 2,0 bis 3,5%; Zr: unter 0,5%; und Mg: Rest;
(12) ein Legierungsmaterial, das aus den folgenden Komponenten zusammengesetzt ist (in Gew.-% ): Zn: 3,6 bis 5,5%; Zr: 0,5 bis 1,0%; und Mg: Rest.

Selbst wenn Legierungsmaterialien, die Mg als Hauptkomponente enthalten, wie sie oben beschrieben wurden, verwendet werden, kann ein in hohem Maße zuverlässiger Separator mit weniger Gieß-Defekten erhalten werden. Weiter kann deswegen, weil Magnesium als Hauptkomponente verwendet wird, der Separator leichter gemacht werden als der Separator, der aus dem Aluminium-Legierungsmaterial hergestellt wurde.

Dritte Ausführungsform (Tabellen 2 und 3)

Nachfolgend wird die dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Tabellen 2 und 3 beschrieben.

In dieser Ausführungsform wird erklärt, daß die Wärmeleitfähigkeit eines Aluminium-Legierungsmaterials auf einen Wert von 100 bis 230 W/m·K festgesetzt wird und die elektrische Leitfähigkeit eines Aluminium-Legierungsmaterials auf einen Wert von 30 bis 60% festgesetzt wird.

Zuerst wurde die Wärmeleitfähigkeit eines Aluminium-Legierungsmaterials untersucht. In dieser Ausführungsform worden als Aluminium-Legierungsmaterialien Materialien der Beispiele Nr. 17 bis Nr. 34 verwendet, deren Wärmeleitfähigkeiten im Bereich von 53 bis 230 W/m·K lagen, wie in Tabelle 2 gezeigt ist.

Tabelle 2

Unter Verwendung der Aluminium-Legierungsmaterialien der Beispiele Nr. 17 bis Nr. 34 wurden Aluminium-Separatoren mittels des Druckgieß-Systems hergestellt, wobei der Fülldruck maximal 2450 MPa betrug. Die Bedingungen waren wie folgt: Einspritzgeschwindigkeit: 60 m/s; Einspritzdruck: 1176 MPa; und Füllzeit: 0,3 s.

Protonenaustausch-Brennstoffzellen-Stapel wurden unter Verwendung der so erhaltenen Aluminium-Separatoren gebildet, und die Werte des Spannungsabfalls und der Änderungen des Kontaktwiderstandes bei der Energieerzeugung der Einheitszellen wurden jeweils gemessen. Die gemessenen Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt.

Als Leistungswerte dieser Aluminium-Separatoren wurden jeweils folgende Werte festgesetzt: erzeugte Spannung einer Einheitszelle: 0,6 V; Kontaktwiderstand eines Aluminium-Separators: 10 mΩ/cm². Wie für die Legierungsmaterialien der Beispiele Nr. 17 bis Nr. 21 in Tabelle 2 gezeigt ist, können dann, wenn die Wärmeleitfähigkeit des Separators schlechter wird, die jeweils festgesetzten Werte nicht sicher erreicht werden. Im Ergebnis zeigt sich dann ein Spannungsabfall und ein Abfall des Kontaktwiderstandes. Mit anderen Worten: Es ist ersichtlich, daß nur solche Aluminium-Legierungsmaterialien, die eine Wärmeleitfähigkeit von 100 bis 230 W/m·K haben, die oben angegebenen Werte sicher erreichen können.

Anschließend wurde die elektrische Leitfähigkeit von Aluminium-Legierungsmaterialien untersucht. In dieser Ausführungsform worden als Aluminium-Legierungsmaterialien Materialien der Beispiele Nr. 35 bis Nr. 50 verwendet, deren elektrische Leitfähigkeiten – wie in Tabelle 3 gezeigt – im Bereich von 30 bis 107% geändert wurden. Es ist anzumerken, daß die in Tabelle 3 gezeigten Werte der elektrischen Leitfähigkeit Werte sind, die ausgedrückt sind als Prozentwert (%) im Vergleich zur elektrischen Standard-Leitfähigkeit von Aluminium bei 20°C.

Tabelle 3:

Unter Verwendung der Legierungsmaterialien der Beispiele Nr. 35 bis Nr. 50, wie sie in Tabelle 3 gezeigt sind, wurden Aluminium-Separatoren mittels des Druckgieß-Systems hergestellt, dessen Fülldruck bei maximal 2450 MPa lag. Die Bedingungen waren die folgenden: Einspritzgeschwindigkeit: 60 m/s; Einspritzdruck: 1176 MPa; und Füllzeit: 0,3 s.

Unter Verwendung der so erhaltenen Aluminium-Separatoren wurden Protonenaustausch-Brennstoffzellen-Stapel gebildet, und es wurden jeweils die Werte des Spannungsabfalls und der Änderungen des Kontaktwiderstandes bei der Energieerzeugung der Einheitszellen gemessen. Die gemessenen Ergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt.

Als Leistungswerte dieser Aluminium-Separatoren wurden jeweils folgende Werte festgesetzt: erzeugte Spannung einer Einheitszelle: 0,6 V; Kontaktwiderstand eines Aluminium-Separators: 10 mΩ/cm². Wie in Tabelle 3 – in ähnlicher Weise wie in Tabelle 2 – gezeigt ist, können dann, wenn die elektrische Leitfähigkeit der Separatoren schlechter wird, diese vorgegebenen Werte nicht sicher erreicht werden, und daraus resultiert der Spannungsabfall und der Abfall des Kontaktwiderstandes. Mit anderen Worten: Es ist ersichtlich, daß nur ein Aluminium-Legierungsmaterial die wie oben angegeben festgesetzten Werte sicher erreichen kann, das eine elektrische Leitfähigkeit im Bereich von 30 bis 60% hat.

So ist es gemäß der vorliegenden Ausführungsform dann, wenn Aluminium-Legierungsmaterialien mit einer Wärmeleitfähigkeit von 100 bis 230 W/m·K als Material für den Separator beim Druckgießen verwendet werden, möglich, die während des Betriebs gebildete Wärme effizient durch Kühlen abzuführen. Im Ergebnis wird es so möglich, die Kühlervorrichtung zu vereinfachen und einen leichten und kompakten Zellstapel zu erhalten. So kann deswegen, weil ein in ausgezeichneter Weise wärmeleitendes Material für den Separator verwendet wird, der Separator als luftgekühltes Strahlungs-Kühlblech eingesetzt werden. Wenn das luftgekühlte System verwendet wird, werden Kühlwasser und Leitungen zum Zirkulieren des Wassers sowie Pumpen usw. überflüssig. Im Ergebnis wird das System vereinfacht. Außerdem werden Kühlwasser-Verteilerlöcher in dem Zellstapel überflüssig, und es wird ein aus einem kompakten System bestehender Zellstapel erhalten. Weiter entfällt aufgrund der Tatsache, daß Kühlwasser nicht verwendet wird, die Möglichkeit des Einfrierens selbst in kalten Gegenden, wo die Temperatur unter 0°C fällt, und es kann ein in hohem Maße zuverlässiger Zellstapel erhalten werden. Weiter kann deswegen, weil ein aus Metall bestehender Separator bessere Gasdichtungs-Eigenschaften als ein aus Kohlenstoff bestehender Separator zeigt, der ein poröses Material ist, ein dünnerer Separator als der aus Kohlenstoff bestehender Separator erhalten werden. Im Ergebnis kann der Zellstapel noch kompakter gemacht werden.

Darüber hinaus wird allgemein Kühlwasser zum Befeuchten des Gases verwendet, das noch keine Reaktion eingegangen ist. Da jedoch der Zellstapel gemäß der vorliegenden Ausführungsform ein Zellstapel des luftgekühlten Typs ohne Kühlwasser ist, wird Kühlwasser zum Befeuchten nicht verwendet. Der Zellstapel weist jedoch einen selbstbefeuchtenden Abschnitt auf, und es ist daher nicht erforderlich, von neuem eine Wasserquelle zum Befeuchten zu installieren, und ein Tank, Pumpen usw. werden überflüssig. Als Ergebnis dessen wird es möglich, die Größe des Zellstapels noch kompakter zu machen.

Weiter ist es deswegen, weil der aus Metall bestehende Separator gemäß der vorliegenden Erfindung eine ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit und einen niedrigen elektrischen Widerstand aufweist, möglich, den elektrischen Kontaktwiderstand zu senken, der eine wichtige Leistungskennzahl der Zelle ist, und den Spannungsabfall aufgrund des Widerstands der Einheitszelle zu eliminieren.

Weiter ist es dann, wenn ein Aluminium-Legierungsmaterial mit einer elektrischen Leitfähigkeit von 30 bis 60% als Material für das Aluminium-Druckgießen verwendet wird, möglich, den elektrischen Kontaktwiderstand eines Aluminium-Separators zu senken, der eine wichtige Leistungskennzahl der Zelle ist, und den Spannungsabfall aufgrund des Widerstands der Einheitszelle zu eliminieren.

Vierte Ausführungsform (Tabelle 4)

Nachfolgend wird die vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf Tabelle 4 beschrieben. In dieser Ausführungsform wird erläutert, daß die Dicke des Aluminium-Separators speziell auf einen Wert von 0,4 mm oder mehr festgelegt wird.

In dieser Ausführungsform wurde in den Beispielen Nr. 51 bis Nr. 60, in denen die Dicke des Aluminium-Separators von 0,1 mm bis 1,0 mm geändert wurde, wie dies in Tabelle 4 gezeigt ist, der Zustand von Gieß-Defekten untersucht, die sich auf der In nenfläche und auf der Außenfläche der Aluminium-Separatoren gebildet hatten. Ein Pressgieß-System, dessen Fülldruck maximal 2450 MPa betrug, wurde verwendet. Die Pressgieß-Bedingungen waren wie folgt: Einspritzgeschwindigkeit: 60 m/s; Einspritzdruck: 1176 MPa; und Füllzeit: 0,3 s. Die beim Druckgießen erzeugten Gieß-Defekte sind in Tabelle 4 gezeigt.

Tabelle 4:

Wie sich deutlich aus Tabelle 4 ergibt, besteht bei den Beispielen Nr. 51 bis Nr. 53, bei denen die Dicke des Separators 0,1 mm bis 0,3 mm betrug, eine Neigung zum Auftreten von Gießdefekten, und die Bildung von Gießdefekten geht extrem zurück bei den Beispielen Nr. 54 bis Nr. 69, bei denen die Dicke des Separators 0,4 mm oder mehr beträgt. Mit anderen Worten: Die Zahl der auftretenden Gießdefekte schwankt allgemein in Abhängigkeit von der Temperatur des heißen Metalls, dem Einspritzdruck, der Einspritzgeschwindigkeit usw.. Bei der Herstellung von Aluminium-Separatoren im Verlauf des Pressgieß-Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung wird ersichtlich, daß es schwierig ist, Separatoren mit einer Dicke von 0,3 mm oder weniger herzustellen.

Dementsprechend ist es dann, wenn Aluminium-Separatoren, die im Verlauf des Pressgieß-Verfahrens hergestellt werden, in einer Dicke über 0,4 mm oder mehr angefertigt werden, möglich, die Deformation des Aluminium-Separators zu vermeiden, die im Verlauf des Pressgieß-Verfahrens entsteht, und so die Rate der Bildung von Gieß-Defekten zu minimieren. Als Ergebnis dessen wird es möglich, einen im hohen Maße zuverlässigen, leichten und kompakten Zellstapel bereitzustellen. Weiter ist es auch möglich, die Dicke des Separators geringer zu machen als diejenige von Separatoren aus einem Kohlenstoff-Material. Mit anderen Worten: Es ist möglich, die Dicke des Separators auf etwa 1/5 der Dicke eines herkömmlichen Separators zu reduzieren.

Nicht störende Inspektion eines Separators (5)

Es wurde eine nicht-zerstörende Inspektion der Oberfläche eines Separators nach dem Druckgießens und der Oberfläche eines Separators, auf die ein korrosionsbeständiger Überzug aufgebracht worden war, mittels Infrarot-Thermographie durchgeführt. 5 ist ein Diagramm, daß die nicht-zerstörende Inspektion mittels Infrarot-Thermographie zeigt.

Wie aus 5 ersichtlich ist, besteht eine Einrichtung 49 zum Untersuchen mittels Infrarot-Thermographie aus einer Infrarot-Kamera 51, die Infrarot-Energie nachweist, die sich oberhalb eines Aluminium-Separators 50 findet, der untersucht werden soll, und einer Steuereinheit 52 zum Steuern der Infrarot-Kamera 51. Eine Datenverarbeitungsanlage 53 zur Verarbeitung von Daten, die aus der Infrarot-Kamera 51 und der Steuereinheit 52 stammen bzw. gesammelt werden, ist mit der Steuereinheit 52 verbunden, und eine Anzeige 54 ist mit der Datenverarbeitungsanlage 53 verbunden und zeigte das Ergebnis der Datenverarbeitung an. Weiter ist über dem Aluminium-Separator 50, der untersucht werden soll, einer Hochenergie-Wärmequelle 56 angeordnet, an die eine Heiz-Kontrolleinheit 55 angeschlossen ist.

Unter Verwendung der Infrarot-Thermographie-Einrichtung 49 wurde die Oberfläche eines Aluminium-Separators 50 nach dem Preßgießen mittels der Infrarot-Kamera 51 untersucht, sodaß in nicht-zerstörender Weise die Gießdefekte, die in dem Aluminium-Separator 50 existierten, in kurzer Zeit inspiziert werden konnten. Dabei wurde unter Anwendung eines Heizprozesses von außen die Temperaturänderung auf der Oberfläche eines Aluminium-Separators 50 dadurch gemessen, daß man ihn mittels der Heiz-Kontrolleinrichtung 55 erhitzte. Wenn also beispielsweise ein Gießdefekt im Substrat eines Aluminium-Separators 50 existiert, wird die Temperatur des defekten Abschnitts ungewöhnlich hoch. Dementsprechend zeigt der defekte Abschnitt eine Temperaturverteilung, die völlig verschieden von derjenigen eines Abschnitts ist, der keine Defekte aufweist. Dies ist darauf zurückzuführen, daß der Wärmeleitungskoeffizient des defekte Abschnitt sinkt und die Wärmeleitung in diesem Bereich gestört ist. Daher zeigt der defekte Abschnitt eine Tendenz dazu, eine höhere Temperatur zu haben als andere Abschnitte, in denen keine Defekte auftreten. Dabei ist es möglich, die Form und Größe eines Defektes zu verdeutlichen, indem man den Temperaturgradienten aus der Temperaturverteilung des defekten Abschnitts und andere Abschnitte berechnet, die keine Defekte aufweisen. Mit anderen Worten: An der Grenze zwischen einem Defekt-Abschnitt und einem anderen Abschnitt, der keine Defekte aufweist, wird ein großer Temperaturgradient erzeugt. Durch Berechnen des maximalen Temperaturgradienten kann eine Information über die Form und Größe des Defektes erhalten werden. Weiter wird eine derartige nicht-zerstörende Inspektion an den Separatoren sowohl nach dem Vorgang des Trimmens als auch nach der Aufbringung eines Überzugs zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit durchgeführt.

Daher ist es gemäß dieser Inspektion möglich, schnell Gieß-Defekte zu entdecken, wie sie während des Druckgießens entstehen, und Defekte im Überzugsfilm zu entdecken, wie sie während der Aufbringung eines korrosionsbeständigen Überzugs entstehen. Dies alles geschieht im Verlauf einer nicht-zerstörenden Inspektion. Als Ergebnis dessen ist es möglich, das Ergebnis der Inspektion für die Verbesserung der Herstellungsbedingungen zu nutzen und dabei in hohen Maße zuverlässige Separatoren bereitzustellen.

Weiter ist für das Verfahren der nicht-zerstörenden Inspektion außer dem oben beschriebenen Verfahren der Infrarot-Thermographie ein Verfahren verwendbar, das gewählt ist aus der Gruppe Wirbelstrom-Test (Eddy current testing), Magnetteilchen-Test, Eindring-Inspektion, Ultraschall-Test, Inspektion unter Anwendung der elektromagnetischen Induktion, akustischer Emissionstest, makroskopische Inspektion, radiografische Inspektion, Laser-Holographie-Inspektion und akustische Inspektion; jedes dieser Verfahren ist für die nicht-zerstörende Inspektion anwendbar.

Wie oben beschrieben, ist es mit dem erfindungsgemäßen Separator einer Protonenaustausch-Brennstoffzelle und mit dem Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, nicht nur die Kosten für die Herstellung eines Separators zu verringern, sondern auch das System zu vereinfachen, indem man die Separatoren kompakt und leicht macht. Außerdem ist es möglich, eine Protonenaustausch-Brennstoffzelle mit langer Lebensdauer und hoher Zuverlässigkeit bereitzustellen. Offensichtlich sind zahlreiche Modifikationen und Variationen der vorliegende Erfindung im Licht der obigen Lehre möglich. Es versteht sich daher, daß im Umfang der nachfolgenden Patentansprüche die Erfindung auch anders verwirklicht werden kann, als dies anhand der oben beschriebenen speziellen Ausführungsform erkennbar ist.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Separators für eine einen Zellstapel umfassende Protonenaustausch-Brennstoffzelle, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt: – Herstellen eines Ausgangsmaterials für den Separator aus einem Legierungsmaterial, das ein Leichtmetall als Hauptkomponente einschließt; – Druckgießen des Ausgangsmaterials zur Bildung des Separators in einer Dicke von 0,4 bis 1,0 mm; – Behandeln der Oberfläche des im Schritt des Druckgießens erhaltenen Separators, so dass die Oberflächenrauheit des behandelten Separators 0,07 μm oder mehr beträgt, und – Überziehen der Oberfläche des im Behandlungsschritt erhaltenen Separators zur Bildung eines korrosionsbeständigen Überzugsfilms.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als Leichtmetall A1 oder Mg eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem als Legierungsmaterial eines der nachfolgend beschriebenen Legierungsmaterialien eingesetzt wird: – ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): Cu: 0,3 bis 0,4%; Si: 12,0 bis 12,2%; Mg: 0,08 bis 0,11%; Mn: 0,23 bis 0,24 %; Fe: 0,64 bis 0,74%; Zn: 0,09 bis 0,10%; und A1: Rest; oder – ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): Cu: 2,8 bis 3,0%; Si: 8,4 bis 8,6%; Mg: 0,08 bis 0,10%; Mn: 0,32 bis 0,37%; Fe: 0,70 bis 0,71%; Zn: 0,13 bis 0,14%; und A1: Rest; oder – ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): Cu: 1,9 bis 2,5%; Si: 9,4 bis 10,4%; Mg: 0,21 bis 0,25%; Mn: 0,16 bis 0,38%; Fe: 0,72 bis 0;93%; Zn: 0,42 bis 0,93%; und A1: Rest; oder – ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): Cu: 0,01%; Si: 0,1%; Mn: 0,80%; Fe: 0,09%; Ni: 0,01%; Ti: 0,01%; und A1: Rest; oder – ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): Mn: 1,4 bis 4,3%; Fe: 0,5 bis 1,0%; und A1: Rest; oder – ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): Cu: 0,05%; Co: 1,0%; und A1: Rest; oder – ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): Mn: 2,0%; Zn: 3,0%; Fe: 1,0%; Mg: 0,5%; und A1: Rest; oder – ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): A1: 5,3 bis 6,1%; Zn: 2,5 bis 3,5%; Mn: 0,15 bis 0,6%; Si: unter 0,3%; Cu: unter 0,1%; Ni: unter 0,01%; und Mg: Rest; oder – ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): A1: 8,1 bis 9,3%; Zn: 0,4 bis 1,0%; Mn: 0,13 bis 0,5%; Si: unter 0,3%; Cu: unter 0,1%; Ni: unter 0,01%; und Mg: Rest; oder – ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): A1: 8,3 bis 9,7%; Zn: 1,6 bis 2,4%; Mn: 0,1 bis 0,5%; Si: unter 0,3%; Cu: unter 0,1%; Ni: unter 0,01%; und Mg: Rest; oder – ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): A1: 9,3 bis 10,7%; Zn: 0,3%; Mn: 0,1 bis 0,5%; Si: unter 0,3%; Cu: unter 0,1 %; Ni: unter 0,01%; und Mg: Rest; oder – ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): Zn: 3,6 bis 5,5%; Zr: 0,5 bis 1,0%; Cu: unter 0,1%; Ni: unter 0,1%; und Mg: Rest; oder – ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): Zn: 5,5 bis 6,5%; Zr: 0,6 bis 1,0%; Cu: unter 0,1%; Ni: unter 0,01%; und Mg: Rest; oder – ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): Zn: 2,0 bis 3,1%; Re: 2,5 bis 4,0%; Zr: 0,5 bis 1,0%; Cu: unter 0,1%; Ni: unter 0,01%; und Mg: Rest; oder – ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): Th: 2,5 bis 4,0%; Zr: 0,5 bis 1,0%; und Mg: Rest; oder – ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): Th: 2,5 bis 4,0%; Zn: 1,7 bis 2,5%; Zr: 0,5 bis 1,0%; und Mg: Rest; oder – ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): Th: 1,4 bis 2,2%; Zn: 5,2 bis 6,2%; Zr: 0,5 bis 1,0%; und Mg: Rest; – ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): Zn: 2,0 bis 3,5%; Zr: unter 0,5%; und Mg: Rest; oder – ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): Zn: 3,6 bis 5,5%; Zr: 0,5 bis 1,0%; und Mg: Rest.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem als Legierungsmaterial ein Legierungsmaterial mit einer Wärmeleitfähigkeit von 100 bis 230 W/m·K eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem als Legierungsmaterial ein Legierungsmaterial mit einer elektrischen Leitfähigkeit von 30 bis 60% eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin in dem Schritt des Druckgießens das Druckgießen eine Verfahrensweise oder eine Kombination von zwei oder mehreren Verfahrensweisen aus der Gruppe Vakuum-Druckgießen, Druckgießen unter Sauerstoff-Atmosphäre, Druckgießen unter normaler Atmosphäre, Rheocasting-Verfahren, „Acurad"-Verfahren, Druckgießen bei niedriger Füllgeschwindigkeit, Hochdruckgießen, Druckgießen bei ausbalancierter Strömung, Tiefzieh-Verfahren (car process) und „Parashot"-Verfahren einschließt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Schritt des Behandelns der Oberfläche nach einer Verfahrensweise oder einer Kombination von zwei oder mehreren Verfahrensweisen aus der Gruppe Glanzschleifen, Trommelpolieren, Sandstrahlen, Elektropolieren und chemische Behandlung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, das ferner einen Schritt des Zurichtens oder Trimmens des durch das Druckgieß-Verfahren hergestellten und anschließend im Rahmen des Oberflächen-Behandlungsschritts behandelten Separators im Rahmen einer Verfahrensweise aus der Gruppe Druck-Bearbeiten, Bearbeiten bei elekt rischer Entladung, Bearbeiten mit einem Laser-Strahl und Photoätzen umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 8, worin die Oberfläche des Separators nach dem Zurichten oder Trimmen erneut im Rahmen eines Oberflächen-Behandlungsschritts behandelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem der Schritt des Überziehens nach einer Verfahrensweise oder einer Kombination von 2 oder mehreren Verfahrensweisen aus der Gruppe physikalisches Verdampfungsverfahren, Plattier-Verfahren und Sprüh-Verfahren erfolgt.
Separator für eine einen Zellstapel umfassende Protonenaustausch-Brennstoffzelle, wobei der Separator aus einem Legierungsmaterial besteht, das ein Leichtmetall als Hauptkomponente einschließt, eine Dicke von 0,4 mm bis 1,0 mm aufweist und auf seiner Oberfläche einen korrosionsbeständigen Überzugsfilm aufweist.
Separator nach Anspruch 11, bei dem das Legierungsmaterial das Leichtmetall A1 oder Mg einschließt.
Separator nach Anspruch 11 oder Anspruch 12, bei dem das Legierungsmaterial eines der nachfolgend beschriebenen Legierungsmaterialien einschließt: – ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): Cu: 0,3 bis 0,4%; Si: 12,0 bis 12,2%; Mg: 0,08 bis 0,11%; Mn: 0,23 bis 0,24 %; Fe: 0,64 bis 0,74%; Zn: 0,09 bis 0,10%; und A1: Rest; oder – ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): Cu: 2,8 bis 3,0%; Si: 8,4 bis 8,6%; Mg: 0,08 bis 0,10%; Mn: 0,32 bis 0,37%; Fe: 0,70 bis 0,71%; Zn: 0,13 bis 0,14%; und A1: Rest; oder – ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): Cu: 1,9 bis 2,5%; Si: 9,4 bis 10,4%; Mg: 0,21 bis 0,25%; Mn: 0,16 bis 0,38%; Fe: 0,72 bis 0,93%; Zn: 0,42 bis 0,93%; und A1: Rest; oder – ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): Cu: 0,01%; Si: 0,1%; Mn: 0,80%; Fe: 0,09%; Ni: 0,01%; Ti: 0,01%; und A1: Rest; oder – ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): Mn: 1,4 bis 4,3%; Fe: 0,5 bis 1,0% und A1: Rest; oder – ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): Cu: 0,05%; Co: 1,0%; und A1: Rest; oder – ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): Mn: 2,0%; Zn: 3,0%; Fe: 1,0%; Mg: 0,5%; und A1: Rest; oder – ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): A1: 5,3 bis 6,1%; Zn: 2,5 bis 3,5%; Mn: 0,15 bis 0,6%; Si: unter 0,3%; Cu: unter 0,1%; Ni: unter 0,01%; und Mg: Rest; oder – ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): A1: 8,1 bis 9,3%; Zn: 0,4 bis 1,0%; Mn: 0,13 bis 0,5%; Si: unter 0,3%; Cu: unter 0,1%; Ni: unter 0,01%; und Mg: Rest; oder – ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): A1: 8,3 bis 9,7%; Zn: 1,6 bis 2,4%; Mn: 0,1 bis 0,5%; Si: unter 0,3%; Cu: unter 0,1%; Ni: unter 0,01%; und Mg: Rest; oder – ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): A1: 9,3 bis 10,7%; Zn: 0,3%; Mn: 0,1 bis 0,5%; Si: unter 0,3%; Cu: unter 0,1 %; Ni: unter 0,01%; und Mg: Rest; oder – ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): Zn: 3,6 bis 5,5%; Zr: 0,5 bis 1,0%; Cu: unter 0,1%; Ni: unter 0,1%; und Mg: Rest; oder – ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): Zn: 5,5 bis 6,5%; Zr: 0,6 bis 1,0%; Cu: unter 0,1%; Ni: unter 0,01%; und Mg: Rest; oder – ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): Zn: 2,0 bis 3,1%; Re: 2,5 bis 4,0%; Zr: 0,5 bis 1,0%; Cu: unter 0,1%; Ni: unter 0,01%; und Mg: Rest; oder – ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): Th: 2,5 bis 4,0%; Zr: 0,5 bis 1,0%; und Mg: Rest; oder – ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): Th: 2,5 bis 4,0%; Zn: 1,7 bis 2,5%; Zr: 0,5 bis 1,0%; und Mg: Rest; oder – ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): Th: 1,4 bis 2,2%; Zn: 5,2 bis 6,2%; Zr: 0,5 bis 1,0%; und Mg: Rest; oder – ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): Zn: 2,0 bis 3,5%; Zr: unter 0,5%; und Mg: Rest; oder – ein Legierungsmaterial, das die folgenden Komponenten umfaßt (in Gew.-%): Zn: 3,6 bis 5,5%; Zr: 0,5 bis 1,0%; und Mg: Rest.
Separator nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei dem das Legierungsmaterial eine Wärmeleitfähigkeit von 100 bis 230 W/m·K aufweist.
Separator nach einem der Ansprüche 11 bis 14, bei dem das Legierungsmaterial eine elektrische Leitfähigkeit von 30 bis 60% aufweist.