(57)【要約】  本発明は、構成部材、特に燃料電池または電気分解装置のようなエネルギシステム用の構成部材の製造方法であって、順次に行われるステップ、すなわち、ａ）５００μｍ未満の金属薄板の材料厚さを有する金属薄板から成る第１ロールを準備するステップと、ｂ）第１ロールの第１端部を、送り方向に搬送することにより、第１ロールから金属薄板を繰り出すステップと、ｃ）物理的かつ／または化学的な気相成長法によって金属薄板の少なくとも一方の面がコーティングされる少なくとも１つのコーティング装置を通して、第１ロールの第１端部と後続の金属薄板領域とを搬送するステップと、ｄ）コーティングされた金属薄板に少なくとも１つの変形加工プロセスを実行するステップと、ｅ）コーティングされた金属薄板から切り離して複数の構成部材を形成するステップと、ｆ）コーティングされた残りの金属薄板を第２ロールに巻き付け、第１ロールから第２ロールに金属薄板を連続して搬送するステップとを、有する方法に関する。本発明は、さらに、バイポーラプレートと、燃料電池と、電気分解装置とに関する。
2020524365.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
特に燃料電池または電気分解装置のようなエネルギシステム用の構成部材（１ａ、１ｂ、１ｃ）の製造方法であって、
順次に行われるステップ、すなわち
ａ）５００μｍ未満の金属薄板（２）の材料厚さを有する金属薄板（２）から成る第１ロール（２０）を準備するステップと、
ｂ）前記第１ロール（２０）の第１端部を、送り方向に搬送することにより、前記第１ロール（２０）から前記金属薄板（２）を繰り出すステップと、
ｃ）物理的かつ／または化学的な気相成長法によって前記金属薄板（２）の少なくとも一方の面がコーティングされる少なくとも１つのコーティング装置（２００ａ、２００ｂ）を通して、前記第１ロール（２０）の前記第１端部と後続の金属薄板領域とを搬送するステップと、
ｄ）コーティングされた前記金属薄板（２’）に少なくとも１つの変形加工プロセスを実行するステップと、
ｅ）コーティングされた前記金属薄板（２’）から切り離して複数の構成部材（１ａ、１ｂ、１ｃ）を形成するステップと、
ｆ）コーティングされた残りの前記金属薄板（２’’）を第２ロール（２０’）に巻き付け、前記第１ロール（２０）から前記第２ロール（２０’）に前記金属薄板（２）を連続して搬送するステップと、
有する、構成部材（１ａ、１ｂ、１ｃ）の製造方法。
【請求項２】
少なくとも１つの前記変形加工プロセスには、深絞り加工および／または押出プレス加工および／またはハイドロフォーミングが含まれる、請求項１記載の方法。
【請求項３】
少なくとも１つの前記コーティング装置（２００ａ、２００ｂ）を用いて、前記金属薄板（２）とは反対側を向いたカバー層（３ａ）を含む層系（３）を前記金属薄板（２）に被着し、
均質または不均質な金属固溶体から前記カバー層（３ａ）を形成し、前記金属固溶体は、貴金属の群からのイリジウムの形態の第１化学元素を、少なくとも９９ａｔ％の濃度で含有するか、または貴金属の群からのイリジウムの形態の第１化学元素と、貴金属の群からのルテニウムの形態の第２化学元素とを含有し、
前記第１化学元素および前記第２化学元素は、全体として、少なくとも９９ａｔ％の濃度で存在しており、さらに、窒素、炭素、フッ素を含む群からの少なくとも１種の非金属元素を含有し、
さらに、選択的に酸素および／または水素が痕跡量だけ存在する、請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
さらに、下地層系（４）を含むように前記層系（３）を構成し、前記下地層系（４）は、チタン、ニオブ、ハフニウム、ジルコニウム、タンタルの群からの少なくとも１種の化学元素を含む少なくとも１つの下地層（４ａ、４ｂ）を有する、請求項３記載の方法。
【請求項５】
化学元素のチタンおよびニオブを含む金属合金の形態の少なくとも１つの第１下地層（４ａ）と、
さらに、チタン、ニオブ、ハフニウム、ジルコニウム、タンタルの群からの少なくとも１種の化学元素と、さらに窒素、炭素、ホウ素、フッ素の群からの少なくとも１種の非金属元素とを含む第２下地層（４ｂ）と、
を含むように前記下地層系（４）を構成する、請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記第１下地層（４ａ）と前記カバー層（３ａ）との間に前記第２下地層（４ｂ）を配置する、請求項５記載の方法。
【請求項７】
請求項１から６までのいずれか１項にしたがって製造される少なくとも１つの構成部材（１ａ、１ｂ、１ｃ）を有するバイポーラプレート（１０）。
【請求項８】
前記バイポーラプレート（１０）は、接合によって互いに接続されている２つの構成部材（１ａ、１ｂ）を有する、請求項７記載のバイポーラプレート（１０）。
【請求項９】
請求項７または８記載の少なくとも１つのバイポーラプレート（１０）を有する燃料電池、特に固体高分子形燃料電池。
【請求項１０】
請求項７または８記載の少なくとも１つのバイポーラプレート（１０）を有する電気分解装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構成部材、特に燃料電池または電気分解装置のようなエネルギシステム用の構成部材の製造方法に関する。本発明は、さらに、この方法によって製造される構成部材に関する。本発明は、さらに、バイポーラプレートと、このようなバイポーラプレートを有する燃料電池または電気分解装置とに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、燃料電池、特に固体高分子形燃料電池のような電気化学システムと、このような燃料電池および電気分解装置用の導電性の集電プレートと、ガルバニ電池および電気分解装置における集電板とが知られている。
【０００３】
この一例が、燃料電池内の、特に酸素半電池内のバイポーラプレートまたはモノポーラプレートである。バイポーラプレートまたはモノポーラプレートは、主要な構成要素として炭素を含有する炭素プレート（例えばGraphioプレート）の形態で構成されている。これらのプレートは、壊れ易くまた比較的厚みがあるため、これらのプレートにより、燃料電池の出力容量が大きく減少する。別の欠点は、その物理的（例えば熱機械的）な、かつ／または化学的な、かつ／または電気的な安定性が欠如していることである。
【０００４】
燃料電池の集電プレートを金属の（特にオーステナイトの）ステンレス鋼から作製することも公知である。これについては、例えば、独国特許出願公開第１０２０１００２６３３０号明細書を参照されたい。このプレートの利点は、プレートの達成可能な厚さが比較的薄いことである。この厚さが目標とされるのは、これにより、燃料電池の設置スペースも重量も共に可能な限りに小さく維持できるようにするためである。しかしながら、このようなプレートの製造にはコストがかかる。なぜなら、これらのプレートには、流れ案内路と、一般的にはさらに腐食を防止する表面コーティングとを備え付けなければならないからである。したがって、製造コストを鑑みると、このようなバイポーラプレートの製造プロセスは、今のところ、まだ十分には効率的ではない。
【０００５】
独国特許出願公開第１０２００９０５６７２８号明細書には、金属薄板ブランクを変形加工することによって金属薄板構成部材を製造することが開示されている。欠点として記載されているのは、変形加工ステップの前に施されるコーティングが、後からの変形加工によって損傷され得ることである。
【０００６】
独国特許出願公開第１０２０１００５６０１６号明細書には、バイポーラプレートを製造する装置が開示されており、ここでは金属基板テープを加工する際にロール・ツー・ロール法が使用される。ここでは、アノードプレートおよびカソードプレートを形成するために、２つの金属基板テープが並列に加工され、これらは、次にレーザ溶接を用いて１つのバイポーラプレートに接合される。記載されているインライン方式に対し、変形加工プロセス、切り離しプロセス、方向調整プロセス、コーティングプロセス、洗浄プロセス、折り畳みプロセス、加熱プロセス、冷却プロセスおよび／または別の複数のプロセスの実行が言及されており、これらは、それぞれ金属基板テープについて時間的に並列に実行される。
【０００７】
独国特許出願公開第１００５８３３７号明細書には、少なくとも一方の面に半金属から成るコーティングを有する、バイポーラプレートとして使用するための金属薄板製品が開示されている。このプレートは、変形加工によって作製されるエンボスを有しており、コーティングは、この変形加工プロセスの前または後に、金属薄板に被着することが可能である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、本発明の課題は、構成部材、特に燃料電池または電気分解装置のようなエネルギシステム用の構成部材を製造するより効率的な方法を提示することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この課題は、本発明により、以下のステップ、すなわち、
ａ）５００μｍ未満の金属薄板の材料厚さを有する金属薄板から成る第１ロールを準備するステップと、
ｂ）第１ロールの第１端部を、送り方向に搬送することにより、第１ロールから金属薄板を繰り出すステップと、
ｃ）物理的かつ／または化学的な気相成長法によって金属薄板の少なくとも一方の面がコーティングされる少なくとも１つのコーティング装置を通して、第１ロールの第１端部と後続の金属薄板領域とを搬送するステップと、
ｄ）コーティングされた金属薄板に少なくとも１つの変形加工プロセスを実行するステップと、
ｅ）コーティングされた金属薄板から切り離すことにより、複数の構成部材を形成するステップと、
ｆ）コーティングされた残りの金属薄板を第２ロールに巻き付け、第１ロールから第２ロールに金属薄板を連続して搬送するステップと、
を有する、構成部材、特に燃料電池または電気分解装置のようなエネルギシステム用の構成部材の製造方法によって解決される。
【００１０】
金属薄板は、本発明により、ロール・ツー・ロール方式でコーティングされる。その後初めて、コーティングされた金属薄板の変形加工と、コーティングされた金属薄板から形成される複数の構成部材への切り離しが行われる。この方法により、コーティング中の金属薄板の取り扱いが容易になり、コーティングされた金属薄板の高速かつ自動化された取り扱いが可能になる。構成部材を切り離した後に残る、コーティングされた金属テープのウェブは、第２ロールに巻き付けられる。金属薄板へのコーティングは、驚くべきことに後続の変形加工プロセスおよび切り離しプロセスによって損傷しないかまたはほんのわずかにしか損傷せず、したがって、電気特性は、エネルギシステムにおけるこれらの構成部材の使用に適している。
【００１１】
金属薄板から成る第１ロールがその終端部に近づくと、この第１端部とは反対側の、金属薄板の第２端部が、巻き上げ機から外され、金属薄板のこの第２端部は、好適には、金属薄板の新たな第１ロールの第１端部に、例えば溶接によって接合される。これにより、製造プロセスを自動化し、連続的に「インラインで」ロールからロールへと動作させることが可能である。
【００１２】
この方法の好ましい一実施形態では、１００μｍ〜２００μｍの範囲の材料厚さを有する金属薄板を使用する。好適には、金属薄板は、鋼またはステンレス鋼、特にオーステナイトのステンレス鋼である。代替的には、チタンまたはチタン合金製の金属薄板を使用可能である。
【００１３】
少なくとも１つの変形加工プロセスには、特に、深絞り加工および／または押出プレス加工および／またはハイドロフォーミングが含まれる。しかしながら、ＤＩＮ  ８５８２に規定されているような別の変形加工プロセスならびに金属薄板の切断も、すでにコーティングされた金属薄板に行うことが可能である。
【００１４】
バイポーラプレート用に一般に設けられるガス分配器構造部の形成も、好ましくは、変形加工および／またはシャー切断によって行われる。
【００１５】
コーティングされかつ変形加工された金属薄板からの構成部材の切り離しは、特にシャー切断により、好ましくは打ち抜き加工によって行われる。
【００１６】
少なくとも１つのコーティング装置を用いて、特に、金属薄板とは反対側を向いたカバー層を含む層系を金属薄板に被着し、均質または不均質な金属固溶体からこのカバー層を形成し、この金属固溶体は、貴金属の群からのイリジウムの形態の第１化学元素を、少なくとも９９ａｔ％の濃度で含有するか、または貴金属の群からのイリジウムの形態の第１化学元素と、貴金属の群からのルテニウムの形態の第２化学元素とを含有し、第１化学元素および第２化学元素は、全体として少なくとも９９ａｔ％の濃度で存在しており、さらに、窒素、炭素、フッ素を含む群からの少なくとも１種の非金属元素を含有し、さらに、選択的に酸素および／または水素が痕跡量だけ存在する。
【００１７】
このカバー層は、本発明による方法に極めて適しており、かつ十分な延性を有しており、したがって、このカバー層は、金属薄板に被着した後に行われる変形加工プロセスによって損傷しないかまたはわずかにしか損傷しない。このようなカバー層は、変形加工プロセスおよび切り離しプロセスの後も、なおも十分に導電性があり、電気触媒的に活性であり、かつ防食的に構成されている。
【００１８】
均質な金属固溶体（タイプ１）とは、上述の非金属化学元素が金属格子内で溶解しており、これにより、ホスト金属またはホスト金属合金の格子型が実質的に変化しないことであると理解される。
【００１９】
不均質な金属固溶体とは、混合相において、金属含有相の他に、複数の非金属化学元素のうちの１つも単体で存在していることと理解される。例えば、相図の特性に応じて、α相（タイプ１）の他に単体の炭素が存在していてよい。デポジット条件に応じて、本発明による層は、熱力学的な意味において準安定または安定であってよい。
【００２０】
炭素を含有するカバー層により、したがって半金属または非金属化学元素の炭素を使用することにより、カバー層の導電率が金の場合よりも高くなり、同時に、酸性溶液中のカバー層の酸化安定性が、標準水素電極の２０００ｍＶの電圧を格段に上回っていることが判明した。実施形態に応じて、測定される比電気抵抗は、（標準化された条件下で、すなわち１４０Ｎ／ｃｍ２の押圧力において）金に匹敵する。金の比電気抵抗は、室温（Ｔ＝２０℃）において約１０ｍΩ ｃｍ−２である。
【００２１】
別の重要な利点は、イリジウムが、Ｅ＝２．０４−０．０５９ ｌｇｐＨ−−０．０２９５ｌｇ(ＩｒＯ４)２−の値を上回る電圧において酸化されず溶解しないことである。すなわち、固溶体において、低原子価イリジウムが安定化され、これにより、１ｍｏｌ／ｌ（１Ｎ濃）硫酸（Ｈ２ＳＯ４）中で約１８００ｍＶにおいて、通常見られる酸化がもはや発生しないようになる。安定化についての尺度は、固溶体または化合物の自由部分混合エネルギΔＧＭｉｓｃｈにおける利得である。
【００２２】
カバー層は、好ましくは、少なくとも１ｎｍ〜最大１０ｎｍの層厚で被着される。この極めてわずかな層厚であっても、驚くべきことにコーティングされた金属薄板の変形加工が可能である。
【００２３】
少なくとも１種の非金属化学元素、すなわち炭素および／または窒素および／またはフッ素は、好適には、カバー層内に０．１ａｔ％〜１ａｔ％の範囲の濃度で存在している。特に、非金属化学元素の炭素は、カバー層内に０．１０ａｔ％〜１ａｔ％の濃度範囲で含有されている。特に、非金属化学元素の窒素は、カバー層内に０．１０ａｔ％〜１ａｔ％の濃度範囲で含有されている。特に、非金属化学元素のフッ素は、カバー層内に最大０．５ａｔ％までの濃度範囲で含有されている。
【００２４】
特に、有効であることが実証されたのは、カバー層が、
ａ）少なくとも９９ａｔ％のイリジウムと、さらに炭素とを含む、または
ｂ）少なくとも９９ａｔ％のイリジウムと、さらに炭素と、痕跡量の酸素および／または水素とを含む、または
ｃ）少なくとも９９ａｔ％のイリジウムと、さらに炭素およびフッ素と、選択的にはさらに痕跡量の酸素および／または水素とを含む、または
ｄ）合わせて、少なくとも１５ａｔ％〜９８．９ａｔ％のイリジウムと、０．１ａｔ％〜８４ａｔ％のルテニウムと、さらに炭素とを含む、または
ｅ）合わせて、少なくとも１５ａｔ％〜９８．９ａｔ％のイリジウムと、０．１ａｔ％〜８４ａｔ％のルテニウムと、さらに炭素と、痕跡量の酸素および／または水素とを含む、または
ｆ）合わせて、少なくとも１５ａｔ％〜９８．９ａｔ％のイリジウムと、０．１ａｔ％〜８４ａｔ％のルテニウムと、さらに炭素およびフッ素と、選択的にはさらに痕跡量の酸素および／または水素と含む
ことである。
【００２５】
さらに、カバー層は、卑金属の群からの少なくとも１種の化学元素を含有してよい。卑金属の群からの少なくとも１種のこの化学元素は、好ましくは、アルミニウム、鉄、ニッケル、コバルト、亜鉛、セリウムまたはスズによって形成されており、かつ／またはコーティング内に０．００５ａｔ％〜０．０１ａｔ％の濃度範囲で含有されている。
【００２６】
カバー層の別の有利な一実施形態では、このカバー層は、高融点金属、特にチタンおよび／またはジルコニウムおよび／またはハフニウムおよび／またはニオブおよび／またはタンタルの群からの少なくとも１種の化学元素を有している。高融点金属の添加によって、電気分解中に発生するＨ２Ｏ２およびオゾンが付加的に部分的に制御されることが判明した。
【００２７】
（単体の、または化合物の形態の）これらの金属を利用する際の別の利点は、これらが、腐食条件下において、自己保護性であり、安定しており、かつ導電性の酸化物を形成することである。
【００２８】
少なくとも１つの高融点金属を含むカバー層は、特に、０℃〜約２００℃の温度範囲において、高い導電率および高い耐食性を有している。これにより、例えば燃料電池における疲労性の使用に対し、顕著な特性が形成される。
【００２９】
別の利点は、例えば、バイポーラプレートのような電気導体が、低温固体高分子形燃料電池用または高温固体高分子形燃料電池用に構成されている否かにかかわりなく、特に金属製のバイポーラプレートのような導電体をコーティングすることから得られる。
【００３０】
高融点金属の群からの少なくとも１種の化学元素は、カバー層内に、好ましくは、０．００５ａｔ％〜０．０１ａｔ％の濃度範囲で含有されている。
【００３１】
スズの形態の卑金属の群からの少なくとも１種の化学元素が存在する場合、この化学元素と、高融点金属の群からの少なくとも１種の化学元素とは、カバー層内に、合わせて０．０１ａｔ％〜０．２ａｔ％の濃度範囲で含有されている。
【００３２】
有効であることが実証されたのは、カバー層が、さらに、貴金属の群からの少なくとも１種の付加的な化学元素を、０．００５ａｔ％〜０．９ａｔ％の濃度範囲で有する場合である。貴金属の群からのこの化学元素は、特に、白金、金、銀、ロジウム、パラジウムである。
【００３３】
貴金属の群からのすべての化学元素が、すなわちイリジウムおよびルテニウムと共に、カバー層内に、９９ａｔ％より大きい濃度範囲で含有されていると有効であることが実証された。
【００３４】
金属薄板とカバー層との間に形成される下地層系にカバー層を被着することにより、金属薄板における防食がさらに改善される。これは、腐食性の周囲媒体が存在している場合に、特に腐食性媒体が塩化物を含有している場合に、特に有利である。
【００３５】
下位酸化、すなわち、金属薄板の表面が、この表面に被着されたカバー層によって酸化されることにより、通常、載置された貴金属層の層間剥離が発生する。
【００３６】
したがって、好ましくは、さらに、下地層系を含むようにこの層系を構成し、この下地層系は、チタン、ニオブ、ハフニウム、ジルコニウム、タンタルの群からの少なくとも１種の化学元素を含む少なくとも１つの下地層を有している。
【００３７】
これにより、この層系は、金属薄板とは反対側を向いて配置されるカバー層と、下地層系とを含む。
【００３８】
下地層系は、特に化学元素のチタンおよびニオブ、特に２０質量％〜５０質量％のニオブおよび残りのチタンを含む金属合金層の形態の第１下地層を含むように構成される。
【００３９】
特に、さらに、チタン、ニオブ、ジルコニウム、ハフニウム、タンタルの群からの少なくとも１種の化学元素と、さらに、窒素、炭素、ホウ素、フッ素の群からの少なくとも１種の非金属元素とを含む第２下地層を含むように下地層系を構成する。
【００４０】
第２下地層は、特に好ましい一実施形態では、化学元素
ａ）チタン、ニオブ、さらに炭素およびフッ素、または
ｂ）チタン、ニオブ、さらに窒素
を含むように構成される。
【００４１】
特に、第２下地層は、（Ｔｉ０．６７Ｎｂ０．３３）１−ｘＮｘ、ただしｘ＝０．４０〜０．５５から形成される。ここでは、記号（Ｔｉ０．６７Ｎｂ０．３３）１−ｘＮｘ、ただしｘ＝０．４０〜０．５５）で示される材料は、第２下地層が、Ｔｉ０．６７Ｎｂ０．３３から成るターゲットの噴霧によって形成され、ここでは気相からの窒素が、４０ａｔ％〜５５ａｔ％の濃度で第２下地層に取り込まれる。
【００４２】
第２下地層は、好ましくは、第１下地層とカバー層との間に配置されている。
【００４３】
第２下地層は、さらに、５ａｔ％までの酸素を含有していてよい。
【００４４】
本発明によるバイポーラプレートは、本発明による方法にしたがって製造される少なくとも１つの構成部材を有している。特に、このようなバイポーラプレートは、互いに接続されている少なくとも２つの構成部材を有している。これらの構成部材は、接合、特に溶接、はんだ付け、打ち抜きクリンチングまたは接着によって、またはリベット止めまたはねじ止めによっても互いに接続可能である。
【００４５】
本発明による燃料電池、特に固体高分子形燃料電池は、本発明による上記のような少なくとも１つのバイポーラプレートを有している。本発明による電気分解装置も同様に、本発明による上記のような少なくとも１つのバイポーラプレートを有している。
【００４６】
このような燃料電池、特に固体高分子形燃料電池は、わずかな製造コストで、電気値および耐食性について特に有利であることが判明している。特に、表面抵抗の変化としてｍΩ ｃｍ−２で測定した、２０００ｍＶにおける酸化安定性は、２０ｍΩ ｃｍ−２未満を達成することが可能である。したがって、このような燃料電池は、１０年を上回るもしくは５０００時間を上回る自動車運転時間、または定置形の応用において６００００運転時間を上回る長い寿命を有している。
【００４７】
燃料電池とは逆の動作原理で動作しかつ電流によって化学反応、すなわち化学変化が引き起こされる、本発明による電気分解装置により、これに匹敵する長い寿命を達成可能である。特にこの電気分解装置は、水素電気分解に適している。
【００４８】
有利には、１０ｎｍ未満のカバー層の厚みは、抵抗を高める酸化から第２下地層を保護するのに十分である。確実な防食を構成するために、少なくとも１つの高融点金属から成る下地層系の部分層が構成されており、この部分層は、鋼、特にステンレス鋼上に少なくとも二層構造で被着されており、しかも最初に金属層または合金層（＝第１下地層）として、その次に半金属層（＝第２下地層）として被着されている。カバー層の下の、この二層構造を用いて構成される二重層により、一方では、金属薄板への電気化学的な適合化が行われ、他方では、酸化プロセスおよび加水分解プロセスによる細孔形成が排除される。
【００４９】
金属薄板への電気化学的な適合化が必要であるのは、半金属層（＝第２下地層）もカバー層も、共に極めて貴であるからである。細孔形成時には、高い局部電池電位が形成され、その結果、許容されない腐食電流が形成されることになる。金属製の第１下地層は、有利には、チタン、ニオブ、ジルコニウム、タンタルもしくはハフニウムから、またはこれらの金属の合金から形成されており、これらは、例えば、鋼、特にステンレス鋼の形態の支持体材料よりも貴ではなく、腐食プロセスの際にまず反応して、これらの高融点金属の不溶性酸化物または大量の、部分的にゲル状のヒドロキソ化合物になる。これにより、細孔が成長して母材または金属薄板を腐食から保護する。このプロセスは、層系の自己修復である。
【００５０】
特に、窒化物層の形態の第２下地層は、水素バリアとして機能し、これにより、バイポーラプレートの、特にステンレス鋼製の金属薄板も金属製の第１下地層も、共に水素脆化から保護する。
【００５１】
本発明の別の利点、特徴および詳細は、好ましい実施例の以下の説明および図面から明らかになる。上記の説明において言及した特徴および特徴の組合せは、本発明の範囲から逸脱することなく、それぞれ示した組合せにおいてだけでなく、別の組合せでもまたは単独でも使用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】提案した方法についての方法の流れを略示する図である。
【図２】提案した方法にしたがって形成された構成部材を示す図である。
【図３】被着された層系の領域における、図２に示した構成部材の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００５３】
図１には、構成部材１ａ、１ｂ、１ｃを製造する、提案した方法についての方法の流れが略示されており、ここでは金属薄板２から成る第１ロール２０が準備され、ロール・ツー・ロール法で第１巻き上げ機３０から金属薄板２が繰り出され、第２巻き上げ機３０’の方向に搬送される。金属薄板２の材料厚さは、５００μｍ未満である。
【００５４】
ここでは、第１ロール２０の第１端部と、後続の金属薄板領域とが、少なくとも１つの第１コーティング装置２００ａに通して搬送され、この第１コーティング装置２００ａでは、下地層系４（図３を参照されたい）が形成される。金属薄板２は、少なくとも一方の面が、物理的かつ／または化学的な気相成長法を用いてコーティングされ、ここでは金属薄板２の全面的な、または単に部分的なコーティングを行うことが可能である。
【００５５】
金属薄板２と後続の金属薄板領域とのさらなる搬送が、少なくとも１つの第２コーティング装置２００ｂを通して行われ、第２コーティング装置２００ｂではカバー層３ａ（図３を参照されたい）が形成される。金属薄板２は、少なくとも一方の面が、物理的かつ／または化学的な気相成長法を用いて、少なくとも下地層系４の領域においてコーティングされる。
【００５６】
コーティングされた金属薄板２’は、少なくとも１つの変形加工ユニット３００に搬送される。ここでは、特に、ガス分配器構造部５を構成するために、コーティングされた金属薄板２’に変形加工プロセスが実行される。ここでは、コーティングされた金属薄板２’が三次元的に成形され、場合によっては別の変形加工ユニットおよび／またはシャー切断ユニット４００において、スリットまたは凹部も設けられる。コーティングされかつ変形加工された金属薄板２’’は、複数の構成部材１ａ、１ｂ、１ｃを形成するために、打ち抜き加工ユニット５００に供給される。ここでは、コーティングされかつ変形加工された金属薄板２’’から、構成部材１ａ、１ｂ、１ｃの切り離しが行われる。構成部材１ａ、１ｂ、１ｃは、搬送ユニット６００を介して運び去られる。
【００５７】
コーティングされた残りの金属薄板２’’’は、第２巻き上げ機３０’を用いて、第２ロール２０’に巻き付けられ、第１ロール２０から第２ロール２０’への金属薄板２の連続搬送が行われる。金属テープ２の加工は、いわゆるインライン方式で効率的にかつコストを節約して行われる。
【００５８】
少なくとも１つのコーティング装置を通り抜けた後、コーティングされた金属薄板を冷却しなければならないことがあり得る。したがって、少なくとも１つのコーティング装置と少なくとも１つの変形加工ユニットとの間に、少なくとも１つの冷却室を介在させることができる。さらに、少なくとも１つのコーティング装置に少なくとも１つの真空室を前置接続することができ、この真空室は、金属テープの選択的な予加熱または昇温に加えて、特に、少なくとも１つのコーティング装置に進入する前に、金属テープに必要な大気圧を設定するために使用される。したがって、物理的かつ／または化学的な気相成長法の実行は、一般に真空下で行われる。
【００５９】
図２には、ガス分配器構造部５を備えた、図１に示した方法にしたがって形成された構成部材１ａ、１ｂが示されており、構成部材１ａ、１ｂは、レーザ溶接によってバイポーラプレート１０に接合されている。それぞれの構成部材１ａ、１ｂは、カバー層３ａを備えた層系３を有している。図１と同じ参照符号は、同じ要素を示している。
【００６０】
図３には、被着された層系３の領域における、図２に示した構成部材１ａの断面が示されている。ステンレス鋼製の金属薄板２上には、一方の面の全面に、層系３が被着されている。層系３には、カバー層３ａと、第１下地層４ａおよび第２下地層４ｂを含む下地層系４とが含まれている。
【００６１】
導体の形態の金属薄板２は、ここでは（改質された）水素を変換する固体高分子形燃料電池のバイポーラプレート１０用に、ステンレス鋼から、特に、耐食性について極めて良く知られた要件を備えた、例えばＤＩＮ  ＩＳＯ材料番号１．４４０４を有するいわゆるオーステナイト鋼から製造されている。
【００６２】
コーティング法、例えば真空ベースのコーティング法（ＰＶＤ）を用いて、層系３が金属薄板２上に形成され、このとき、金属薄板２には、一工程フローにおいて、まず、０．５μｍ厚のチタン層の形態の第１下地層４ａがコーティングされ、引き続き、例えば１μｍ厚の窒化チタン層の形態の第２下地層４ｂがコーティングされ、最後に、例えば１０ｎｍ厚のイリジウム−炭素層の形態のカバー層３ａがコーティングされる。カバー層３ａは、一方の面が開放されている積層シートに対応する。なぜなら、別の層の、ここでは第２下地層４ｂのカバー層表面だけが、これに接触接続されて形成されているからである。これにより、燃料電池のカバー層３ａの開放表面は、電解質に、特に固体高分子形電解質に直接、接して配置されかつ曝されている。
【００６３】
第２実施例では、バイポーラプレート１０用の金属薄板２には、まず、１００ｎｍ厚の金属合金層の形態の第１下地層４ａがコーティングされ、ここでこの金属合金層は、組成Ｔｉ０．６７Ｎｂ０．３３を有している。引き続き、組成(Ｔｉ０．６７Ｎｂ０．３３)１−ｘＮｘ、ただしｘ＝０．４０〜０．５５の４００ｎｍ厚の第２下地層４ｂがさらに被着される。その上には、組成イリジウム−炭素の１０ｎｍ厚のカバー層３ａが被着される。
【００６４】
利点は、本発明によるバイポーラプレート１０の、酸化に対する際立って高い安定性である。標準水素電極と比べて＋３０００ｍＶの持続的な負荷の場合ですら、ｐＨ値３を有する硫酸溶液中において抵抗の増加は確認されない。外面的には、標準水素電極と比較して＋２０００ｍＶで５０時間の継続負荷の後でさえ、カバー層３ａの開放表面、ひいては金属薄板２とは反対側に構成された、カバー層３ａの表面は、銀色の光沢を有したままである。走査型電子顕微鏡検査でさえ、カバー層３ａの厚みを通って金属薄板２に向かって延在する、または金属薄板２に達する腐食の痕跡は認められない。
【００６５】
第２実施例のカバー層３ａは、真空ベースのＰＶＤスパッタリング技術を用いても、また真空アーク蒸発とも呼ばれるカソードＡＲＣコーティング法を用いても、被着可能である。液滴の数がより多いにもかかわらず、言い換えると、スパッタリング技術と比較して金属液滴の数が増加するにもかかわらず、カソードＡＲＣ法で製造されるカバー層３ａも、時間安定的な表面導電率で、スパッタリング技術によって製造されるカバー層３ａの比較的高い耐食性という有利な特性を有している。
【００６６】
第３実施例では、層系３が、構造化されたステンレス鋼多孔板の形態の金属薄板２上に形成される。金属薄板２は、層系３の被着の前にＨ２ＳＯ４／Ｈ３ＰＯ４浴中で電解研磨されている。数１０００ｎｍ厚の炭化タンタル層の形態の個々の下地層を被着した後、数１００ｎｍ厚のイリジウム−炭素層の形態のカバー層３ａが被着される。
【００６７】
炭化タンタルから形成される下地層の利点は、その並外れた耐食性だけではなく、この下地層が、水素を吸収せず、ひいては水素バリアとして、金属薄板２の役に立つという点にある。これは、チタンが金属薄板として使用される場合には特に有利である。
【００６８】
第３実施例の層系３は、５００ｍＡ ｃｍ−２よりも大きい電流密度ｉで、水素を発生させる電解セルに使用するのに適している。
【００６９】
層系内に介在しているかつ／または両側が閉鎖された半金属層、または最も単純な場合には、例えば窒化チタンから形成されている第２下地層の利点は、その電気抵抗が１０ｍΩ ｃｍ−２〜１２ｍΩ ｃｍ−２と低いことである。同様に、カバー層は、抵抗の増加を見込めば、第２下地層または半金属層がなくても構成することができる。
【００７０】
表１には、例示的に、いくつかの層系が、その特性値と共に示されている。
【表１】
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表１：層および選択された特性値
【００７１】
表１には、いくつかの例示的な層系だけが示されている。有利には、層系は、８０℃の値を有する温度において、硫酸溶液中で標準水素カラムに比べて＋２０００ｍＶのアノード負荷時に、数週間にわたって抵抗が増加しない。高真空下でスパッタリング法またはＡＲＣ法を用いるか、または中真空下でＰＥＣＶＤ法（プラズマ援用化学気相成長法）を用いて被着された層系は、この負荷時間後に部分的に暗色に着色された。しかしながら、視認できる腐食現象または表面抵抗の著しい変化は発生しなかった。
【符号の説明】
【００７２】
１ａ、１ｂ、１ｃ  構成部材
２  金属薄板
２’  コーティングされた金属薄板
２’’  コーティングかつ変形加工された金属薄板
２’’’  残りの金属薄板
３  層系
３ａ  カバー層
４  下地層系
４ａ  第１下地層
４ｂ  第２下地層
５  ガス分配器構造部
１０  バイポーラプレート
２０  金属薄板から成る第１ロール
２０’  残りの金属薄板から成る第２ロール
３０、３０’  巻き上げ機
１００  装置
２００ａ、２００ｂ  コーティングユニット
３００  変形加工ユニット
４００  変形加工ユニットおよび／またはシャー切断ユニット
５００  打ち抜き加工ユニット
６００  搬送ユニット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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