JP2022547793A - 燃料電池スタックの１つまたは複数の金属コンポーネントをコーティングする方法、燃料電池スタックのコンポーネント、および燃料電池スタックの１つまたは複数のコンポーネントをコーティングする装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、バイポーラプレート、電極、ガスケットなどの、燃料電池スタックの１つまたは複数の金属コンポーネントをコーティングする方法に関し、当該方法は、未コーティングの金属コンポーネントを提供するステップと、前記未コーティングの金属コンポーネントをエッチングするステップと、前記エッチングされた未コーティングの金属コンポーネント上に接着層を任意選択で堆積するステップと、前記接着層上に、または前記エッチングされた未コーティングの金属コンポーネント上に炭素コーティングを堆積するステップとを含み、前記接着層と前記炭素コーティングはそれぞれ、物理蒸着工程、アークイオンめっき工程、スパッタリング工程、およびＨｉＰＩＭＳ工程のうちの１つを用いて堆積される。本発明はさらに、燃料電池スタックのコンポーネントと、燃料電池スタックの１つまたは複数のコンポーネントをコーティングする装置とに関する。

Description

本発明は、バイポーラプレート、電極、ガスケットなどの、燃料電池スタックの１つまたは複数の金属コンポーネントをコーティングする方法に関し、当該方法は、未コーティングの金属コンポーネントを提供するステップと、前記未コーティングの金属コンポーネントをエッチングするステップと、前記エッチングされた未コーティングの金属コンポーネントに接着層を任意選択で堆積させるステップと、前記接着層に炭素コーティングを堆積させるステップとを含み、前記接着層および前記炭素コーティングがそれぞれ、物理蒸着工程、アークイオンめっき工程、スパッタリング工程、およびＨｉＰＩＭＳ工程のうちの１つを用いて堆積される。本発明はさらに、燃料電池スタックのコンポーネントと、燃料電池スタックの１つまたは複数のコンポーネントをコーティングする装置とに関する。

自動車産業では、燃料電池車の開発および製造に対する低コストで量産的な課題解決法が求められている。燃料電池スタックにおける主要コンポーネントの１つにバイポーラプレート（ＢＰＰ）がある。低コストの鋼を比較的容易に機械的に成形して、良好な品質の流れ場を有するいわゆるハーフプレートにすることができる（二つの溶接されたハーフプレートがバイポーラプレートをなすことに留意されたい）。しかしながら、前記鋼上の導電性で保護作用のあるコーティングは、低いｐＨ値および電圧レベルの下での過酷な動作環境により少なくとも５０００時間の燃料電池寿命を提供する必要がある。

金属基板をコーティングするさらなる先行技術の方法および装置は、独国特許出願公開第１０ ２０１７ ２０２６７９号、米国特許出願公開第２０１４／２２７６３１号、独国特許出願公開第２０ ２０１４ １１３７３６号、欧州特許出願公開第２ ６２８ ８１７号、および独国特許出願公開第１０ ２００５ ００３７６９号からそれぞれ知られている。

この理由から、燃料電池がさらされることになる化学的環境に強く、動作条件で５０００時間を超える寿命を有する燃料電池を大量生産するために短時間で行うことができる、燃料電池スタックのコンポーネントを製作する方法を提供することが、本発明の１つの目的である。

この目的は、請求項１に記載の方法によって達成される。

そのような方法は、バイポーラプレート、ハーフプレート、電極、ガスケットなどの、燃料電池スタックの１つまたは複数のコンポーネントをコーティングする方法であって、
‐未コーティングの金属コンポーネントを提供するステップと、
‐前記未コーティングの金属コンポーネントをエッチングするステップと、
‐物理蒸着工程、アーク物理蒸着工程、アークイオンめっき工程、スパッタリング工程、およびＨｉＰＩＭＳ工程のうちの１つを用いて、前記エッチングされた未コーティングの金属コンポーネント上に接着層を任意選択で堆積するステップと、
‐前記接着層を設けた場合は該接着層上に、または前記エッチングされた未コーティングの金属コンポーネント上に直接、炭素コーティングを堆積するステップとを含み、
前記炭素コーティングは、－０Ｖから－２００Ｖのバイアス電圧で５ｎｍから５００ｎｍの範囲内で選ばれた層厚で堆積され、
前記炭素コーティングは、アーク物理蒸着工程、アークイオンめっき工程、およびＨｉＰＩＭＳ工程のうちの１つによって堆積された、少なくとも実質的に水素フリーのＤＬＣ層を含む。

上記で言及した先行技術は、アーク物理蒸着工程、アークイオンめっき工程、およびＨｉＰＩＭＳ工程のうちの１つによって堆積させることができる、少なくとも実質的に水素フリーのＤＬＣ層を有する炭素コーティングを伴う方法、物品または装置を教示していない。

このような工程を用いて、燃料電池スタックのコンポーネントを比較的短時間でコーティングすることができ、燃料電池の大量生産が可能になる。しかも、前記燃料電池は、前記接着層が設けられている場合は当該燃料電池が使用される化学的環境に対する耐性が高まる可能性がある。

これに関して、前記コンポーネントは、一面または二面を任意選択でコーティングされるバイポーラプレート、一面または二面を同様に任意選択でコーティングされるハーフプレートとすることができることに留意されたい。概して言えば、前記金属コンポーネントは、ステンレス鋼が低コストであるので、材料としてステンレス鋼を含むコンポーネントになるだろう。その他の材料としては、Ｔｉを含む金属コンポーネントとすることができ、この場合、接着層なしの単一の炭素コーティングで済み、前記コンポーネントの製造はより単純になるが、Ｔｉのコストにより前記コンポーネントはより高価になる。アルミニウム製品は低コストかつ低重量であるので、使用し得る前記コンポーネントのさらなる材料としてはアルミニウムがある。

前記接着層によって、基板における炭素層の接着性の向上をもたらすことができ、電解質の被毒および前記燃料電池の性能の低下につながりかねない、前記コンポーネントから燃料電池膜へのイオンの拡散を低減することができる。

これに関して、前記接着層におけるＴｉの使用はＣｒの使用よりも概して好ましいことに留意されたい。なぜなら、Ｔｉの過不動態化電位はＣｒのものよりもはるかに高く（２ｅＶ対１．２ｅＶ）、Ｔｉ接着層がＣｒよりもはるかに高い電圧で酸化するからである。Ｃｒ酸化は不安定であり、前記バイポーラプレート基板へのコーティング不安定性につながるおそれがある。Ｔｉ酸化物は対照的に非常に安定しており、炭素のない箇所（ピンホール）での表面不動態化につながる。

これに関して、前記炭素コーティングを、ＤＬＣ層、ＨフリーＤＬＣ層、ａ‐Ｃ層、およびｔａ‐Ｃ層と呼ぶ場合があることに留意されたい。層の好ましい選択は、水素含有量がほとんどゼロである水素フリーＤＬＣ層である。

これに関して、前記水素フリーＤＬＣ層の密度は、概して、２．１±０．１ｇ／ｃｍ^３から２．３±０．１ｇ／ｃｍ^３の範囲内で選ばれる。

前記水素フリーＤＬＣ層の好ましいアルゴン含有量は、１００ａｔ％の前記少なくとも実質的に水素フリーのＤＬＣ層に対するａｔ％でアルゴンが１ａｔ％未満、好ましくはアルゴンが０．０５ａｔ％と０．５ａｔ％の間である。

これと比較して、スパッタリングされた炭素コーティングは、１００ａｔ％の前記少なくとも実質的に水素フリーのＤＬＣ層を基準にして２．２ａｔ％のアルゴンというアルゴン含有量を有しており、したがって、アークＰＶＤコーティングを形成することにより、前記水素フリーＤＬＣ層のアルゴン含有量の大幅な減少につながる。

このような工程を用いることで、動作条件、すなわち、これらが電解質中に存在する間に燃料電池スタックで電圧が上昇する動作条件で５０００時間を超える寿命を有する燃料電池スタックを形成することができる。

しかも、このようなコーティング工程によって、比較的低コストのコンポーネントを作製することができる。

炭素コーティングの使用により、バイポーラプレートの例えば活性面の電気的特性が確保される一方、前記燃料電池スタックの前記コンポーネント上に機械的に安定しかつ耐久性のあるコーティングももたらされる。これに関して、前記炭素コーティングの目的は、腐食の低減と、平らな試験プレートに関して０．１ｍΩ・ｃｍ^２から２ｍΩ・ｃｍ^２の範囲内の導電率とをもたらすことであることに留意されたい。バイポーラプレートに関して、それぞれ流路を有するハーフプレートは、導電率が、０．１ｍΩ・ｃｍ^２から２ｍΩ・ｃｍ^２の範囲内にある。

炭素を堆積させる一般的な方法は、スパッタリングまたはアンバランスドマグネトロン（ＵＢＭ）スパッタリングによる。これは、スパッタリングが、良好な均一性と、可制御性と、工業的生産（例えば、ガラスコーティング機、ディスプレイガラスコーティング用ＰＶＤライン、およびロールツーロールコーティング機）に大抵必要とされるターゲットの長寿命とをもたらすことから、インラインコーティングにとって公知の方法である。

さらに、ＵＢＭによって、ターゲット材料からのドロップレットが全くないクリーンで滑らかなコーティングが提供される。一方、アークＰＶＤまたはアークイオンめっきは非常に高速の堆積技術であるが、この場合に使用されるアークＰＶＤはラインプロセスというよりはポイントプロセスであるため、堅牢な工業プロセスへの導入はより困難である。

信頼性が高く、制御可能かつ均一な工業プロセスを実現するためには、機械が複雑になり設計の手間がかかる。しかしながら、前記最終的な課題解決法は、はるかに高い生産性をもたらし、したがって、従来のＵＢＭ技術を導入した場合と比較してユーザの所有コストを削減する。

また、アークＰＶＤ工程またはアークイオンめっき工程では、ＵＢＭよりも多くのドロップレットが発生する。しかしながら、比較的薄いコーティングを施す必要があるこの用途に関しては、ドロップレットの数が大幅に減少する。さらに、アークＰＶＤ炭素コーティングで得られた試験結果からは、炭素表面上のドロップレットの存在からの何らの欠点も悪影響も明らかになっていない。

前記エッチングステップは、－０Ｖと－３５０Ｖの間のバイアス電圧で１分と６０分の間に及ぶ時間にわたって実施されるプラズマエッチング工程とすることができる。

あるいは、前記エッチングステップは、０Ｖと－１２００Ｖの間のバイアス電圧で１分と６０分の間に及ぶ時間にわたって行われる金属イオンエッチング工程を含んでもよい。前記エッチング工程は、バイアス電圧が０Ｖから－３５０Ｖの範囲から選択されたアルゴンプラズマエッチング工程とすることができる。あるいは、前記エッチング工程は、バイアス電圧が－８００Ｖから－１２００Ｖの範囲から選択された金属イオンエッチング工程とすることができる。

前記エッチング工程は、前記基板上に存在する酸化物層を除去するために使用される。当該酸化物層は、前記コーティングの導電性の低下および接着性の低下につながるため、燃料電池スタックの前記１つまたは複数の金属コンポーネントの導電性を高め、燃料電池スタックの前記１つまたは複数の金属コンポーネントに対する前記コーティングの接着性も高めるためには、その除去が望ましい。

接着層を堆積する前記ステップは、－０Ｖから－３５０Ｖの範囲から選択されたバイアス電圧で、２５ｎｍから５００ｎｍ、好ましくは７５ｎｍから３００ｎｍの範囲内の厚みを有する層を堆積させることを含んでもよい。

このような接着層により、前記基板における前記炭素層の接着性のさらなる向上をもたらすことができ、前記コーティングされたコンポーネントの個々の層間でのイオンの拡散に影響を与えることができ、前記コーティングされたコンポーネントのさらなる防食性をもたらすことができる。

前記接着層は、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｚｒ、ＴｉＮ、ＣｒＮ、ＮｂＮ、ＺｒＮ、ＴａＮおよびそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つの層を含むことができ、特に、前記接着層はＴｉを含む。このような材料は、特に有益なタイプの接着層をもたらすことが分かっている。

前記接着層は、当該接着層を含む１つまたは複数の材料の層と、
前記接着層の前記１つまたは複数の材料と混合された金属の第１の勾配層であって、前記接着層の前記１つまたは複数の１つまたは複数の材料を含む前記層まで、金属の量が当該第１の勾配層の高さにわたって減少し、前記接着層の前記１つまたは複数の材料の量が当該第１の勾配層の前記高さにわたって増加する、第１の勾配層、および／または
前記炭素コーティングの炭素と混合された前記接着層の前記１つまたは複数の材料を含む第２の勾配層であって、前記炭素コーティングまで、前記接着層の前記１つまたは複数の材料の量が当該第２の勾配層の高さにわたって減少し、炭素の量が当該第２の勾配層の前記高さにわたって増加する、第２の勾配層を含む１つまたは複数の勾配層とを含むことができる。

前記炭素コーティングは、－２０Ｖから－２００Ｖのバイアス電圧で５ｎｍから５００ｎｍの範囲内で選択された層厚で堆積させることができる。このような炭素コーティングは機械的に安定しており、前記燃料電池スタック中に存在する化学的環境にも強いことが分かっている。

前記炭素コーティングは、アークＰＶＤ工程、アークイオンめっき工程、およびＨｉＰＩＭＳ工程のうちの１つによって堆積された、少なくとも実質的に水素フリーのＤＬＣ層を含んでもよい。このような工程により、前記接着層上で特に好都合かつ高品質の炭素コーティングの堆積が可能になる。特にアークＰＶＤの使用時は、燃料電池内に存在する動作環境において機械的、化学的かつ電気的に安定した、前記金属コンポーネント上で特に安定しているコーティングが生成されている。

前記少なくとも実質的に水素ＤＬＣ層は、任意選択で、内部にドーパントが存在する最上層を含むことができ、または当該少なくとも実質的に水素フリーのＤＬＣ層の全体にドーパントを含むことができ、
前記ドーパントは、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン、窒素、ケイ素およびそれらの組み合わせからなる要素群から選ぶことができ、かつ／または
前記ドーパントの割合が、１００ａｔ％の前記ドーパントを含む前記少なくとも実質的に水素フリーのＤＬＣ層または前記最上層を基準にして、０．２ａｔ％から１０ａｔ％、特に０．５ａｔ％から６ａｔ％とすることができる。ＤＬＣ層中または当該ＤＬＣ層の上にドーパントを使用することにより、前記コーティングされたコンポーネント中または前記ＤＬＣ層中の内部応力に影響を与えることができ、前記異なる層間の接着性の向上につながり、したがってこのようなコンポーネントの寿命の向上につながる。

前記方法は、真空チャンバ内で行うことができ、当該真空チャンバの温度は、前記コンポーネントを前記炭素コーティングでコーティングする前記ステップ中は、１２０°Ｃから４００°Ｃ、特に１６０°Ｃから２５０°Ｃの範囲内の温度に調節することができる。このようにして、特に硬くかつ耐久性のある層構造を形成することができる。

前記真空チャンバ内の圧力は、前記バイポーラプレートまたはハーフプレートを少なくとも実質的に水素フリーのＤＬＣ層でコーティングする前記ステップ中に、１０^－２ｍｂａｒから１０^－４ｍｂａｒの圧力に調節することができる。このような圧力は、前記所望の構造を効率的に形成するのに適している。

任意選択で前述の請求項の少なくとも１つによる方法を使用して形成された、バイポーラプレート、ハーフプレート、電極およびガスケットなどの燃料電池スタックのコンポーネントに係る本発明のさらなる態様において、前記燃料電池コンポーネントは、金属コンポーネントと、
前記金属コンポーネント上に任意選択で形成される接着層と、
前記接着層が設けられている場合は該接着層上に、または前記金属コンポーネント上に形成された炭素コーティングとを含み、
該炭素コーティングは、少なくとも実質的に水素フリーのＤＬＣ層であって、２０ＧＰａから７０ＧＰａの範囲内で選ばれた硬さと、１００ａｔ％の該少なくとも実質的に水素フリーのＤＬＣ層を基準にしてアルゴンが１ａｔ％未満のアルゴン含有量とを有する少なくとも実質的に水素フリーのＤＬＣ層を含む。

このようなコンポーネントは、５０００時間超の動作条件で燃料電池で確実に使用することができる。しかも、本願に記載の方法を用いてコンポーネントを形成することによって達成することができる上記で論じた利点は、本願で論じる前記コンポーネントにも当てはまる。

前記燃料電池スタックの前記コンポーネントはさらに、前記金属コンポーネントと前記少なくとも実質的に水素フリーのＤＬＣ層との間に配置された接着層を含み、当該接着層は、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン、窒素、ケイ素、炭素、およびそれらの組み合わせからなる要素群から選ばれた少なくともひとつの材料を任意選択で含み、好ましくはチタンを含み、特に、当該接着層は、２５ｎｍから５００ｎｍ、好ましくは７５ｎｍから３００ｎｍの層厚を有する。前記金属コンポーネントと前記ＤＬＣ層の間に接着層を設けることにより、基板における炭素層の接着性の向上をもたらすことができ、前記コンポーネントから燃料電池膜へのイオンの拡散を低減することができる。当該拡散は、電解質の被毒および前記燃料電池の性能低下につながるおそれがある。しかも、前記接着層により、前記コーティングされたコンポーネントのさらなる防食性をもたらすことができ、したがって前記燃料電池スタックの前記コンポーネントの耐久性を向上させることができる。

しかも、少なくとも実質的に水素フリーのＤＬＣ層は比較的高い硬さを有し、当該層が存在する表面に傷が付きにくくなる。水素フリーＤＬＣ層は、燃料電池内に存在するような化学的環境にあまり影響されず、このような層構造でコーティングされた製品の寿命が延びることも分かっている。

さらに、少なくとも実質的に水素フリーのＤＬＣ層は、比較的良好なコーティング接着性および高い硬さを有し、したがって、この理由から、前記燃料電池スタックの前記コンポーネントの寿命の延長にもつながる。

これに関して、少なくとも実質的に水素フリーのＤＬＣ層は、１００ａｔ％の当該少なくとも実質的に水素フリーのＤＬＣ層を基準にして、含有する水素が１ａｔ％未満であるＤＬＣ層であることに留意されたい。

前記少なくとも実質的に水素フリーのＤＬＣ層のｓｐ^３に対するｓｐ^２の含有量の割合は、２０％から７０％のｓｐ^３に対して８０％から３０％のｓｐ^２の範囲内にあり、特に前記ｓｐ^３含有量は、１００％の前記少なくとも実質的に水素フリーのＤＬＣ層を基準にして３０％を超えるｓｐ^３であり、特に４０％を上回る。これに関して、ｓｐ^２／ｓｐ^３比の好ましい範囲は、アークＰＶＤによって施された炭素コーティングに関しては３６％から４６％のｓｐ^２と６４％から５４％のｓｐ^３という３６％から４６％のｓｐ^２／ｓｐ^３の範囲内にある。前記少なくとも実質的に水素フリーのＤＬＣ層は、１つまたは複数のｔａ‐Ｃ層および／または１つまたは複数のａ‐Ｃ層を含んでもよい。これらは、前記少なくとも実質的に水素フリーのＤＬＣ層の有益な特徴である。

これと比較して、スパッタリングされた炭素コーティングは、２９％から３９％のｓｐ^２と７１％から６１％のｓｐ^３の範囲内にあるｓｐ^２／ｓｐ^３比の範囲を含む。

これに関して、前記少なくとも実質的に水素フリーのＤＬＣ層は、上記に列挙した特徴を有する単一のＤＬＣ層によって形成される場合があり、または複数のＤＬＣ層であって、各々が、例えば互いの硬さに関して互いに比較したとき、上記特徴の互いの絶対値においてやや異なる複数のＤＬＣ層を含む場合があることに留意されたい。例えば硬さが異なるいくつかのＤＬＣ層を設けることは、前記層構造内の内部応力を低下させる観点から有益であり、これにより、前記接着層に対する前記ＤＬＣ層の接着性の向上につながり、したがって、このようにコーティングされた前記コンポーネントの寿命の向上につながる。

前記金属コンポーネントは、アルミニウム層、アルミニウム合金層、チタン層、チタン合金層、ステンレス鋼層およびそれらの組み合わせからなる要素群から選ばれた１つまたは複数の金属層を含むことができる。このような金属層は、例えば、燃料電池スタックのバイポーラプレートに特に適した層であり、当該バイポーラプレートの特に好ましい材料は鋼およびステンレス鋼を含むが、それは、これらであれば、必要な努力とコストに無理がなく所望の量で生産することができるからである。

前記少なくとも実質的に水素フリーのＤＬＣ層は、３０ＧＰａから５０ＧＰａの範囲内で選ばれた硬さを有することができ、かつ／または、
前記少なくとも実質的に水素フリーのＤＬＣ層は、１つまたは複数のｔａ‐Ｃ層および／または１つまたは複数のａ‐Ｃ層を含むことができ、かつ／または、
前記少なくとも実質的に水素フリーのＤＬＣ層のｓｐ^３に対するｓｐ^２の含有量の割合が、７０％から２０％のｓｐ^３に対して３０％から８０％のｓｐ^２の範囲内にあることができ、特に前記ｓｐ^３含有量は、前記少なくとも実質的に水素フリーのＤＬＣ層の３０％を超えるｓｐ^３、特に４０％を上回るものとすることができ、かつ／または、
かつ／または、
前記少なくとも実質的に水素フリーのＤＬＣ層は、１００ａｔ％の当該少なくとも実質的に水素フリーのＤＬＣ層を基準にして、含有する水素が１ａｔ％未満であるＤＬＣ層とすることができる。

前記少なくとも実質的に水素フリーのＤＬＣ層は、任意選択で、内部にドーパントが存在する最上層を含むことができ、または当該少なくとも実質的に水素フリーのＤＬＣ層の全体にドーパントを含むことができ、
前記ドーパントは、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン、窒素、ケイ素およびそれらの組み合わせからなる要素群から選ばれることができ、かつ／または
前記ドーパントの割合が、１００ａｔ％の前記ドーパントを含む前記少なくとも実質的に水素フリーのＤＬＣ層または前記最上層を基準にして、０．２ａｔ％から１０ａｔ％、特に０．５ａｔ％から６ａｔ％とすることができる。

前記接着層は、前記少なくとも実質的に水素フリーのＤＬＣ層の真下または前記金属コンポーネントの真上に形成された１つまたは複数の勾配層を含むことができ、特に、前記勾配層は、当該勾配層の両側に形成された前記層の少なくともいくつかの構成要素の材料の混合体を含み、特に、前記１つまたは複数の勾配層の層厚は、２ｎｍから２００ｎｍの範囲内で選ばれる。

前記勾配層は、前記接着層の真上に形成することができ、当該勾配層の真下に配置された前記層の材料は前記接着層の材料とすることができ、当該勾配層の上の前記層は、前記少なくとも実質的に水素フリーのＤＬＣ層とすることができ、かつ／または、前記勾配層は、前記金属コンポーネントの真上に形成され、当該勾配層の真下に配置された前記層の材料は前記金属コンポーネントの材料とすることができ、当該勾配層の真上に配置された前記層の材料は前記接着層の材料である。

このような勾配層は、前記それぞれの層間、すなわち、前記金属コンポーネントと前記接着層の間および／または前記接着層と前記炭素コーティングの間の結合強度の向上につながる。このような結合強度の向上により、前記コンポーネントの耐久性が上がり、前記コンポーネントは、化学的攻撃にもあまり影響されなくなる。

前記アークＰＶＤ工程を使用して施された前記炭素コーティングは、エリプソメトリ測定において２ｅＶのエネルギーに関して２．２５から２．４の範囲内の屈折率ｎを有することができ、かつ／またはエリプソメトリ測定において４ｅＶのエネルギーに関して１．６から１．８の範囲内の屈折率ｎを有することができる。このような炭素コーティングは、スパッタリング技法を用いて施された炭素コーティングに対して増大した密度を有する。

同様に、前記アークＰＶＤ工程を用いて施された前記炭素コーティングは、エリプソメトリ測定において４ｅＶのエネルギーに関して０．９５から１．１の吸収値ｋを有することができ、したがって、スパッタリングを用いて施された炭素コーティングと比べて導電率が向上した炭素コーティングを得ることができる。

前記炭素コーティングは、１μｍ^２のスキャン面積に関して０．９ｎｍから１．５ｎｍ、特に１μｍ^２のスキャン面積に関して１ｎｍから１．３ｎｍの範囲内で選ばれた表面粗さ（すなわち、算術平均高さ）を有することができる。前記炭素コーティングはさらに、１μｍ^２のスキャン面積に関して２％から４％のＳｄｒ、特に１μｍ^２のスキャン面積に関して２．５％から３．１％のＳｄｒの範囲内で選ばれた表面積を有することができる。先に詳述したような特性を有する炭素コーティングは、スパッタリング技法を用いて施された同等のコーティングよりも高密度である。これらは、前記炭素コーティングが、スパッタリングされた炭素コーティングと比較して低減した表面粗さおよび表面積を有していることも示しており、アークＰＶＤを用いて施された炭素コーティングに関しては、燃料電池スタックのより耐久性のあるコンポーネントにつながる、燃料電池の環境における化学的攻撃にあまり影響されない炭素コーティングが得られる。

１つまたは複数のバイポーラプレート、１つまたは複数のハーフプレート、１つまたは複数の電極、１つまたは複数のガスケットなどの、燃料電池スタックの１つまたは複数のコンポーネントをコーティングする装置に係る、本発明のさらなる態様によると、該装置は、ここで説明された方法を実行するように構成され、該装置該装置は、インラインコーティングシステムであり、
‐次々に直列に配置された複数の真空チャンバと、
‐物理蒸着工程、アーク物理蒸着工程、アークイオンめっき工程、スパッタリング工程、およびＨｉＰＩＭＳ工程のうちの少なくとも１つのためのカソードであって、前記複数の真空チャンバのうちの少なくともいくつかに配置された１つまたは複数のカソードと、
‐コーティング対象面が前記１つまたは複数のカソードに対向するように、複数の未コーティングの前記金属コンポーネントを受容するようにそれぞれ構成された１つまたは複数の固定具とを含み、
前記１つまたは複数の固定具は、前記それぞれの真空チャンバ内で、および１つの真空チャンバから別の真空チャンバへと直線的に移動されるように配置され、各真空チャンバは、工程を行うように構成され、該工程は、加熱、排気、エッチング、１つまたは複数の接着層の堆積、コーティング、取り出しおよび／またはそれらの組み合わせを含む要素群から選ばれる。

このような装置を用いて、上記で論じた燃料電池スタックの前記コンポーネントは、耐久性のあるコーティングでコーティングすることができる。

しかも、このようなコーティングは、部品当たり魅力的なコストで、前記インラインＰＤＶコーティングシステムで大量生産することができる。

さらに、前記インラインシステムでアークＰＶＤ工程が使用される場合、スパッタリングと比べてコーティング速度を上げることができ、それにより、自動車産業、建設産業、航空産業、据置用途、重量物輸送、船舶用途、フォークリフトトラックなどに関して設備の複雑さとコストを軽減することができる。

本発明のさらなる利益および有利な実施形態は、従属請求項、本明細書および添付の図面から明らかになる。

本発明のさらなる実施形態を、次の図面の説明において説明する。本発明は、実施形態を用いて、かつ次に示す図面を参照して、下記に詳述する。

金属コンポーネントの概略断面図。 さらなるコンポーネントの概略断面図。 さらなるコンポーネントの概略断面図。 さらなるコンポーネントの概略断面図。 さらなるコンポーネントの概略断面図。 さらなるコンポーネントの概略断面図。 （ａ）は、バイポーラプレートとその活性面を撮影した写真、（ｂ）は、バイポーラプレートとその裏面を撮影した写真。 （ａ）は、１時間の腐食試験後のコーティング済み平板試験片及びカーボンコーティングの写真、（ｂ）は、４時間の腐食試験後のコーティング済み平板試験片及びカーボンコーティングの写真。 コーティングされたコンポーネントのＥＤＸスペクトルであって、一方はアークＰＶＤでコーティングされたコンポーネント、もう一方はアンバランスマグネトロンスパッタリングでコーティングされたコンポーネント。 ｓｐ^２／ｓｐ^３比を示すスペクトルであって、（ａ）は、アンバランスドマグネトロンスパッタリングプロセスでコーティングされたコンポーネントに関し、（ｂ）は、アークＰＶＤプロセスでコーティングされたコンポーネントに関する。 インラインコーティング装置の概略図。 ２つの異なる走査位置で撮影された、スパッタリングカーボンプロセスを用いてコーティングされたコンポーネント表面のＡＦＭ画像。 ２つの異なる走査位置で撮影された、アークＰＶＤプロセスを用いてコーティングされたコンポーネント表面のＡＦＭ画像。 アークＰＶＤプロセスでコーティングされたサンプルとスパッタリングカーボンプロセスを用いてコーティングされたサンプルの屈折率ｎ及び吸収係数ｋ対エネルギー／波長を示すエリプソメトリ測定の結果。

下記において、同一の参照番号は、同一または同等な機能を有する部分に関して使用する。コンポーネントの方向を考慮してなされた記述は、前記図面に示す位置に対してなされており、当然のことながら実際の適用位置で変わり得る。

図１は、バイポーラプレート１０’（図７（ａ）および図７（ｂ）を参照）などの、燃料電池スタック（図示せず）のコンポーネント１０の概略断面図を示す。当該コンポーネントは、上部に接着層１４が堆積された金属コンポーネント１２を含む。接着層１４上には炭素コーティング１６が存在している。

コンポーネント１０の生産に際し、未コーティングの金属コンポーネント１２にはエッチングステップが行われ、当該エッチングステップは、例えばプラズマエッチング工程またはイオンエッチング工程とすることができる。一例として、プラズマエッチング工程は、典型的には、未コーティングの金属コンポーネント１２に－０Ｖから－１２００Ｖの間のバイアス電圧を印加しながら、１分から６０分の間に及ぶ時間にわたって行われる。前記エッチング工程は、バイアス電圧が０Ｖから－３５０Ｖの範囲内で選択されたアルゴンプラズマエッチング工程とすることができる。あるいは、前記エッチング工程は、バイアス電圧が－８００Ｖから－１２００Ｖの範囲内で選択された金属イオンエッチング工程とすることができる。

接着層１４は、ＰＶＤ工程、例えばアークＰＶＤ工程を用いて堆積され、その間、金属コンポーネント１２に－０Ｖから－２００Ｖの範囲内で選ばれたバイアス電圧が印加されながら、２５ｎｍから５００ｎｍ厚の接着層１４が堆積される。

接着層１４は、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｚｒ、ＴｉＮ、ＣｒＮ、ＮｂＮ、ＺｒＮおよびそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含むことができ、特に接着層１４はＴｉまたはＣｒを含むことができる。これに関して、前記接着層の好ましい材料はＴｉであることに留意されたい。

炭素コーティング１６は、接着層１４上に５ｎｍから５００ｎｍの範囲内で選ばれた層厚で堆積される。当該堆積工程中は、金属コンポーネント１２に－２０Ｖから－２００Ｖのバイアス電圧が印加される。炭素コーティング１６は、好ましくは１つまたは複数のＤＬＣ層１６を含む。

本願で論じるＤＬＣ層１６は、アークＰＶＤ工程を用いて堆積された少なくとも実質的に水素フリーのＤＬＣ層１６である。アークＰＶＤではなくアンバランスドマグネトロンスパッタリングを用いて施されたＰＶＤコーティングを示す、図８（ｃ）で適用されたＤＬＣコーティングは除く。

本願で論じる少なくとも実質的に水素フリーのＤＬＣ層は、次の特徴のうちの少なくとも１つを有する。すなわち、
‐２０ＧＰａから７０ＧＰａ、特に３０ＧＰａから５０ＧＰａの範囲内で選ばれた硬さ。このような硬さは、ビッカースダイヤモンドを用いる表面のナノインデンテーションを用いて測定される。これに関して、前記硬さ測定は、ＤＩＮ ＥＮ ＩＳＯ １４５７７‐１（標準ナノインデンテーション）に従って行われることに留意されたい。
‐少なくとも実質的に水素フリーのＤＬＣ層１８のｓｐ^３に対するｓｐ^２の含有量の割合が、７０％から２０％のｓｐ^３に対して３０％から８０％のｓｐ^２の範囲内にあり、特に前記ｓｐ^３含有量は、少なくとも実質的に水素フリーのＤＬＣ層１８の３０％を超えるｓｐ^３、特に４０％を上回る。
‐前記少なくとも実質的に水素フリーのＤＬＣ層が、１つまたは複数のｔａ‐Ｃ層および／または１つまたは複数のａ‐Ｃ層を含む、および／または
‐前記少なくとも実質的に水素フリーのＤＬＣ層１８が、１００ａｔ％の水素フリーＤＬＣ層１８を基準にして１ａｔ％未満のアルゴン含有量を含む。

図２は、さらなるコンポーネント１０の概略的な断面図を示す。金属コンポーネント１２と接着層１４の間に勾配層１８が設けられている。勾配層１８は、接着層１４の前記１つまたは複数の材料と混合された金属コンポーネント１２の金属を含む混合材料層であり、接着層１４の前記１つまたは複数の１つまたは複数の材料を含む層まで、金属量が接着層１４に向かって勾配層１８の高さにわたって減少し、接着層１４の前記１つまたは複数の材料の量が勾配層１８の前記高さにわたって増加する。

図３は、さらなるコンポーネント１０の概略的な断面図を示す。図２と比べて、つまり接着層１４と炭素コーティング１６の間に、第２の勾配層２０が設けられている。第２の勾配層２０は、炭素コーティング１６の炭素と混合された接着層１４の１つまたは複数の材料を含み、炭素コーティング１６まで、接着層１４の前記１つまたは複数の材料の量が第２の勾配層２０の高さにわたって減少し、炭素の量が第２の勾配層２０の前記高さにわたって増加する。

図４は、さらなるコンポーネント１０の概略的な断面図を示す。このコンポーネント１２は、接着層１４と炭素コーティング１６の間に配置された１つの勾配層のみを含む。

図５は、さらなるコンポーネント１０の概略的な断面図を示す。図１に示すコンポーネントとの違いは、最上層２２が設けられていることであり、この最上層は、炭素コーティング１６を被覆するコーティングとすることができ、またはこの最上層は、ドープＤＬＣ層１６を含む混合層である。

図６は、さらなるコンポーネント１０の概略的な断面図を示す。図３に示すコンポーネントと類似のこのコンポーネント１０は、第１および第２の勾配層１８、２０および最上層２２を含む。

これに関して、図２および図４に示すコンポーネント１０もこのような最上層２２を備えることができることに留意されたい。

これに関して、少なくとも実質的に水素フリーのＤＬＣ層１６は、内部にドーパントが存在する最上層２２を有するのではなく、少なくとも実質的に水素フリーのＤＬＣ層１６の全体にドーパントを含むことができ、接着層１４と炭素コーティング１６の間に配置された勾配層２０が設けられている場合は、勾配層２０もドーパントを含むことができることに留意されたい。

前記ドーパントは、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン、窒素、ケイ素およびそれらの組み合わせからなる要素群から選ぶことができる。好ましいドーパントはチタンおよびジルコニウムである。

前記ドーパントの割合は、１００ａｔ％の当該ドーパントを含む前記少なくとも実質的に水素フリーのＤＬＣ層及び前記最上層のそれぞれを基準にして、０．５ａｔ％から１０ａｔ％、特に１ａｔ％から４ａｔ％である。

図７（ａ）は、バイポーラプレート１０’およびその活性面２４の写真を示す。図７（ｂ）は、バイポーラプレート１０’およびその裏面２６の写真を示す。当該バイポーラプレートは、活性面および裏面２４、２６上に延在するいくつかのチャネルを含む。典型的には、活性面２４および前記裏面は、本願に記載の方法でコーティングされるが、本願に記載の方法で面２４、２６の一方のみをコーティングすることも可能である。前記バイポーラプレートは、実質的に正方形の板状の形をしている。これに関して、長方形のバイポーラプレートを使用することもできることに留意されたい。

図８（ａ）は、一時間にわたって行った腐食試験後の炭素コーティング１６を有する、コーティングされた平らな試験プレート１０’の写真を示す。炭素コーティング１６は黒色であり、アークＰＶＤを用いて設けられた。

前記腐食試験は、試験プレート１０’に１．４Ｖの高電圧を印加して行ったが、前記コーティングは無傷のままだった。これに比べて、接着層１４にスパッタリングされたコーティングまたは標準的なＰＶＤ工程を用いて堆積されたコーティングは、同じ一時間の腐食試験後に炭素コーティングが完全に劣化することを示している。

図８（ｂ）は、前記腐食試験が４時間にわたって行われた後のコーティングされた試験プレート１０’およびその炭素コーティング１６の写真を示す。当該コーティングは無傷のままである。アークＰＶＤコーティングされた炭素コーティング１６の安定性は、アルゴン含有量の減少（図９を参照）およびこのような層のｓｐ^２／ｓｐ^３比（図１０（ａ）と比較して図１０（ｂ）を参照）によるものと考えられる。前記改善した結果につながり得るさらなる一要因は、より高いコーティング密度である可能性がある。これらの違いは、標準的なＰＶＤ工程（ＵＢＭ）と比べてこのアークＰＶＤ工程を用いて達成することができる。

アークＰＶＤによって施された炭素コーティングを示す図８（ａ）および図８（ｂ）とは対照的に、図８（ｃ）は、スパッタリングされたＰＶＤ層を用いて施された炭素コーティングの１時間にわたって行われた腐食試験後のコーティングされた平らな試験プレートおよび炭素コーティングの写真を示す。金属コンポーネント１４は、コイン形の物品としてはっきりと見ることができ、したがって前記コーティングは完全に破壊されており、使用できない。前記試験プレートをさらに検査した際、前記炭素コーティングのみが完全に溶解されたこと、および前記接着コーティングはまだ残っていたことが分かった。前記炭素層の溶解は酸化作用によるものと推定される。

図９は、コーティングされたコンポーネント１２のＥＤＸスペクトルを示す。スペクトル３６は、アークＰＶＤ工程でコーティングを行った、コーティングされたコンポーネント１０に関するＥＤＸスペクトルを示す。スペクトル２１は、アンバランスドマグネトロンスパッタリング工程を用いる標準的なＰＶＤ工程でコーティングを行った、コーティングされたコンポーネント１０のＥＤＸスペクトルを示す。

前記ＥＤＸスペクトル間の主な違いは、標準的なＰＶＤ工程でコーティングされたコンポーネントとともに生じるスペクトル２１中のアルゴンピーク２８の存在である。一方、アークＰＶＤ工程を用いた前記コーティングはアルゴンピークを示していない（スペクトル３６を参照）。標準的なＰＶＤ技法を用いて堆積された前記炭素コーティング中のこのアルゴン含有量が、当該炭素コーティングの品質の低下につながり、したがって、アークＰＶＤを用いて施された炭素コーティング１６に比べてその腐食安定性が劣ることにつながると考えられる。

図１０（ａ）および図１０（ｂ）は、ｓｐ^２／ｓｐ^３比を示す２Ｄスペクトルを示しており、（ａ）はアンバランスドマグネトロンスパッタリング工程を用いてコーティングが行われた、コーティングされたコンポーネントに関し、（ｂ）はアークＰＶＤ工程を用いてコーティングが行われた、コーティングされたコンポーネントに関するものである。

これに関して、アークＰＶＤで施されたコーティングに関するｓｐ^２／ｓｐ^３比の範囲は、３５．６％から４５．８％のｓｐ^２と６４．４％から５４．２％のｓｐ^３の範囲内にあるが、アンバランスドマグネトロンスパッタリングを用いてコーティングされた前記コーティングされたコンポーネントは、２９％から３９％のｓｐ^２と７１％から６１％のｓｐ^３のｓｐ^２／ｓｐ^３比の範囲を有する。

アークＰＶＤを用いて設けられた水素フリーＤＬＣ層１６中のｓｐ^３結合数における約５％の上昇が、アンバランスドマグネトロンスパッタリングを用いて施された前記コーティングとは対照的に、アークＰＶＤによって設けた前記炭素コーティングの品質が高まった理由の一部であると考えられる。

さらに、接着層１４の材料としてＣｒの代わりにＴｉを使用することで、電圧ピーク下でより良好な安定性がもたらされ、十分にイオンの拡散が妨げられることが分かった。Ｔｉの過不動態化電位はＣｒのものよりもはるかに高いため、Ｔｉのほうが好ましい。

Ｔｉ上へのＣの接着性の弱さという問題は、炭素に対してアークＰＶＤを用いることによって解決される（Ｔｉはそれでもスパッタリングしてもよいし、アークＰＶＤを用いて施してもよいことに留意されたい）。

しかも、Ｔｉ＋Ｃ（アークＰＶＤ）コーティングは、高電圧性能においてもＴｉ＋Ｃよりも性能が優れている。これらの違いは、アークＰＶＤの（スパッタと比べた場合の）いくつかのコーティング特性によって説明することができると思われる。

これらは、約２．１±０．１ｇ／ｃｍ^３から約２．３±０．１ｇ／ｃｍ^３、好ましくは２．２±０．１ｇ／ｃｍ^３の前記コーティングの密度である。

１００ａｔ％の前記水素フリーＤＬＣ層を基準にして、２．２ａｔ％のアルゴン（スパッタカーボン）と比べてたった０．１ａｔ％のアルゴン（アークＰＶＤ）という、標準的なスパッタリング技法で設けた炭素コーティングと比べて減少したアルゴン含有量。

アークＰＶＤを用いた炭素イオンの運動エネルギーの増大により、接着層１４の前記Ｔｉ材料および／またはＴｉＯｘ（存在する場合）への炭素の拡散、すなわち、２ｎｍから２００ｎｍの範囲内の厚みを有する、接着層１４と炭素コーティング１６の間の第２の勾配層２０の形成につながってもよい。同様に、第１の勾配層１６の厚みも、２ｎｍから２００ｎｍの範囲で選択することができる。このような第２の勾配層２０は、炭素コーティング１６と接着層１４の間の接着性の向上につながる。

しかも、前記ｓｐ^２／ｓｐ^３比は、アークＰＶＤコーティングされたコンポーネントとＰＶＤコーティングされたコンポーネントとの間で異なり、当該異なる比率により、より良好な耐酸化性がもたらされる。

さらに、アークＰＶＤは、標準的なＰＶＤスパッタリング工程よりもはるかに高速の工程であり、したがって、自動車産業における設備の複雑性、設備投資コストの軽減、および所有コストの低減につながることに留意されたい。

接着層１４もアークＰＶＤ技術を用いて設けられる場合には、前記エッチングステップは、プラズマエッチングステップではなくイオンエッチングステップを含むべきである。しかも、このような設計は、コーティング装置を単純化することができるので製造がよりシンプルであり、コストおよび顧客の投資レベルの引き下げにつながる。

図１１は、複数の真空チャンバ６０、１００、１０２、１０４、１０８を含む、燃料電池スタックのコンポーネント１０をコーティングする装置５０の上面図を示す。真空チャンバ６０の側壁６６はそれぞれ、複数のアークカソードおよび／またはスパッタカソード６８、６８’を含む。複数のアークカソードおよび／またはスパッタカソード６８、６８’は、上記で論じた様々な層および層構造１４、１６、１８、２０を堆積するために使用される。

一方の側壁６６’は、未コーティングのコンポーネント１０の最初の搬入および完成したコンポーネント１０のその後の搬出のために真空チャンバ６０にアクセスするのに使用されるドアを含む。

装置５０は、真空チャンバ６０のトップサイド６２とボトムサイド６４の間にコンポーネント１０を収容する真空チャンバ６０の軸５８と平行に当該チャンバ内に延在する複数の固定具５６を含む（図６ｂを参照）。

固定具５６は各々、１つのコンポーネント１０につき１つまたは複数の固定部材７４を含む。１つまたは固定部材７４は、コンポーネント１０をそれぞれの裏面２６で保持するように構成され、その活性面２４が、堆積装置５０の側壁６６、６６’に向かって外側を向くようにしてある。

コンポーネント１０をコーティングするために固定部材７４とともに固定具５６を使用するということは、これらを、本願に記載の様々なＰＶＤ工程を用いて装置５０内でコーティングすることができることを意味する。

コーティング工程が行われた後、固定具５６はチャンバ６０から取り出されて、前記燃料電池スタックのコンポーネント１０の未コーティングのものの新しいバッチをコーティングするために、未コーティングのコンポーネント１０の新しいバッチとともに新しい固定具５６が真空チャンバ６０に導入される、または前記燃料電池スタックのコンポーネント１０の未コーティングのものの新しいバッチとともに先の固定具５６が真空チャンバ６０に再導入される。

固定具５６は、それぞれのチャンバ６０内で直線的に移動される。図１１の図面の例では、コンポーネント１０は、矢印の方向に右から左へ、すなわち、真空チャンバ１００から真空チャンバ１０２、真空チャンバ１０４、そして最後に真空チャンバ１０８へと移動される。

コンポーネント１０は、第１のチャンバ１００にて堆積装置５０に搬入される。第１のチャンバ１００は次いで、当該チャンバを１０^－４ｍｂａｒから１０^－５ｍｂａｒの範囲内で選ばれた圧力まで排気するのと同時に脱ガス目的で未コーティングの金属コンポーネント１２を加熱するために１００°Ｃから３００°Ｃの範囲内の温度まで加熱される。

第１のチャンバ１００の排気および未コーティングの金属コンポーネント１２の脱ガス後、未コーティングの金属コンポーネント１２は次いで、第２のチャンバ１０２に移動され、エッチング源７６を用いてエッチングされる。

これらのエッチング後、前記未コーティングの金属コンポーネントは、接着層１４でコーティングするために第３のチャンバ１０４に移動される。図示のように、第３のチャンバ１０４も、真空ポンプ１０６を用いて第１および第２のチャンバ１００、１０２と同様に排気することができる真空チャンバ６０である。本願で論じるＰＶＤ装置のアーク源および／またはスパッタ源および／またはＨｉＰＩＭＳ源６８、６８’が側壁６６に配置されている。

接着層１４の堆積後、接着層１４の上に炭素コーティング１６が設けられる。これに関して、この目的のためにさらなるコーティングチャンバも設けることができ、それらは、例えば、真空チャンバ１０４と１０８の間に配置することができることに留意されたい。

前記コーティング工程後、コーティングされたコンポーネント１０を含む固定具５６は、チャンバ１０８から取り出すことができる。このために、最後のチャンバ１０８の真空チャンバ６０は標準圧力にされる。個々のチャンバ１００、１０２、１０４、１０８は、それぞれのチャンバ１００、１０２、１０４、１０８内で所望の雰囲気および圧力を達成することができるように当該それぞれのチャンバをロックするロードロックシステム１１０によって互いに分離されている。

図１１に示す固定具５６は台（図示せず）上に配置されており、当該台によって、真空チャンバ１００、１０２、１０４、１０８から次のチャンバへと固定具５６が移動される。固定具５６は前記台に対して不動とすることができる、すなわち、固定具５６は前記台に対して回転しない。あるいは、固定具５６は、コンポーネント１０をコーティングするために前記台に対して回転するように構成することができる。固定具５６が回転する場合は、スパッタカソードおよび／またはアークカソード６８、６８’は、一方の壁６６に存在するだけで済ませることができ、固定具５６が回転しない場合は、両方の側壁６６にスパッタカソードおよび／またはアークカソード６８、６８’を配置する必要がある。

ＤＬＣ層１６を形成するのに使用されるカソード６８、６８’は、内部にドーパントが存在しないＤＬＣ層１６を形成する純グラファイトターゲット６８とすることができる。

下記では、上記で論じたコンポーネント１０をコーティングする方法について論じる。当該方法は、次のステップを含む、すなわち、
‐複数の未コーティングの金属コンポーネント１２をフレーム上に載置し、当該フレームを真空チャンバ６０、１００に運び入れ、前記真空チャンバ６０、１００を所望の圧力まで排気するステップ。オプションで、前記未コーティングの金属コンポーネント１２を所定の温度に加熱するステップと、
‐同一の真空チャンバ６０、１００内または第２のチャンバ１０２内で、前記未コーティングの金属コンポーネント１２の少なくとも活性面２４をエッチングするステップと、
‐前記活性面２４を接着層１４でコーティングするステップであって、接着層１２を設けることは、前記エッチングが行われるのと同じ真空チャンバ１０２内で、またはその代わりに第３のチャンバ１０４内で行うことができるステップと、
‐アークＰＶＤ工程を用いて、接着層１４を、少なくとも実質的に水素フリーのＤＬＣ層１６でコーティングするステップ。当該アークＰＶＤ工程は、前記接着層による前記コーティングと同じ真空チャンバ６０内で、またはその代わりにさらなるチャンバ１０４内で行うことができる。

これに関して、前記金属コンポーネントの両面、すなわち、バイポーラプレート、および／またはハーフプレートの活性面および裏面２４、２６は、前記アークＰＶＤコーティング工程中にコーティングすべきであることに留意されたい。

さらに、コーティングされた金属コンポーネント１０がハーフプレートの場合、これは活性面２４および裏面２６を有することに留意されたい。

勾配層１８、２０が設けられる場合、これは、それ自体既知のやり方でそれぞれの勾配層１８、２０の成長を確保するために、それぞれの堆積ステップ中に動作電圧および動作電流を変化させることによって生成される。

図１２は、二つの異なるスキャン位置におけるスパッタカーボン工程を用いてコーティングした、炭素コーティングされたコンポーネントの表面のＡＦＭ画像を示す。図１３も、二つの異なるスキャン位置における炭素コーティングされたコンポーネントの表面のＡＦＭ画像を示しており、この例では、当該炭素コーティングはアークＰＶＤ工程を用いて施されている。

図１２と図１３の両方に記録されているＡＦＭ画像は、先端が半径５ｎｍのＳｉプローブ（Ｆａｓｔｓｃａｎ‐Ａ）を装着したＢｒｕｋｅｒ ＦａｓｔＳｃａｎ ＡＦＭを用いて、スキャンタッピングモードで１ライン当たり１Ｈｚのスキャン速度で記録したものである。当該ＡＦＭプローブを用いて、それぞれのサンプルの表面粗さ（Ｓａ）すなわち表面の算術平均高さと、増大表面積（Ｓｄｒ）すなわち界面の展開面積比とを、二つの異なる離れた箇所で測定した。このパラメータは、平面的な定義領域と比べたときの、テクスチャが寄与する定義領域の追加の表面積の割合として表される。

両者の比較として、図１２および図１３は、スパッタリングを用いて施された炭素コーティングは、アークＰＶＤを用いて施された炭素コーティング１６とは対照的に、表面粗さが増大し、表面積が増大している。この表面積の増大が理由で、前記スパッタリングされた炭素コーティングは、それぞれのコンポーネントの表面積がより大きいため、アークＰＶＤを用いて施されたより滑らかな炭素コーティング１６よりも腐食に弱い可能性がある。

これに関して、前記アークＰＶＤ炭素コーティングの表面粗さは、好ましくは、１μｍ^２のスキャン面積に関して０．９ｎｍから１．５ｎｍのＳａ（すなわち、算術平均高さ）、特に１μｍ^２のスキャン面積に関して１ｎｍから１．３ｎｍの範囲内で選択され、図１３のＡＦＭ画像では、１μｍ^２のスキャン面積に関して１．１ｎｍのＳａであることに留意されたい。これとは対照的に、図１２のスパッタリングされた炭素コーティングの表面粗さは、１μｍ^２のスキャン面積に関して２．９ｎｍのＳａである。

これに関して、アークＰＶＤ炭素コーティング１６の表面積Ｓｄｒは、好ましくは、１μｍ^２のスキャン面積に関して２％から４％のＳｄｒ、特に１μｍ^２のスキャン面積に関して２．５％から３．１％のＳｄｒの範囲内で選ばれ、図１３のＡＦＭ画像では、１μｍ^２のスキャン面積に関して２．７％のＳｄｒであることに留意されたい。これとは対照的に、図１２のスパッタリングされた炭素コーティングの表面積は、１μｍ^２のスキャン面積に関してそれぞれ１０．６％のＳｄｒと１１．４％のＳｄｒである。

図１４は、アークＰＶＤ工程でコーティングされたサンプルおよびスパッタカーボン工程を用いてコーティングされたサンプルに関するエネルギー／波長に対する屈折率ｎおよび吸収係数ｋを示すエリプソメトリ測定の結果を示す。当該エリプソメトリ測定は、Ｗｏｏｌｌａｍ社の分光エリプソメータＭ２０００ＤＩで行われた。波長間隔は１９２ｎｍから１６８９ｎｍになるように選択された。当該測定は、面法線に対して（５度刻みで）５０度から８０度の７つの入射角で行った。前記エリプソメトリ測定を行うために、実際の炭素コーティング１６の層厚をまず決める必要がある。典型的な層厚は、このような炭素コーティング１６に関しては５ｎｍから５００ｎｍの範囲内である。一例として、透過型電子顕微鏡検査（ＴＥＭ）を行って前記層厚を決定することができる。前記ＴＥＭで決定した層厚は次いで、前記エリプソメトリ測定に使用するソフトウェアモデルに入力される。

前記測定を行って、炭素でコーティングされた前記サンプルのエネルギー／波長に対する屈折率ｎおよび吸収ｋを決定した。これに関して、アークＰＶＤ工程を用いて施された炭素コーティング１６は、エリプソメトリ測定において２ｅＶのエネルギーに関して２．２５から２．４の範囲内の屈折率ｎ、および／またはエリプソメトリ測定において４ｅＶのエネルギーに関して１．６から１．８の範囲内の屈折率ｎ、および／または前記エリプソメトリ測定において４ｅＶのエネルギーに関して０．９５から１．１の吸収値ｋを有することが分かった。

図１４に示すように、エリプソメトリ測定において、４ｅＶでのアークコーティングされた炭素コーティング１６に関する屈折率ｎは１．７１であり、２ｅＶのエネルギーに関しては２．３３である。これと比較して、前記スパッタリングされた炭素コーティングは、１．５８の４ｅＶでの屈折率ｎを有し、２ｅＶのエネルギーに関しては２．１６の屈折率ｎを有する。

これは、前記屈折率ｎの数値の増大により、アークＰＶＤ炭素コーティング１６が、前記スパッタリングされた炭素コーティングよりも高い密度を有することを示している。

前記エリプソメトリ測定に関して、アークＰＶＤを用いて施された炭素コーティング１６は、４ｅＶのエネルギーに関して１．０５の吸収値ｋを有するが、前記スパッタリングされた炭素コーティングは０．９の吸収値ｋを有する。前記アークＰＶＤコーティングのより高いｋ値は、前記スパッタリングされた炭素コーティングと比べて導電性が向上していることも示している。

１０，１０’ 燃料電池のコンポーネント、バイポーラプレート
１２ 金属コンポーネント
１４ 接着層
１６ 炭素コーティング
１８ 第１の勾配層
２０ 第２の勾配層
２２ 最上層
２４ 活性面
２６ 裏面
２８ アルゴンピーク
５０ 堆積装置
５６ 固定具
６０ 真空チャンバ
６２ ６０のトップサイド
６４ ６０のボトムサイド
６６、６６’ 側壁、７０を有する側壁
６８、６８’ アークおよび／またはスパッタカソード、アークおよび／またはスパッタカソード
７０ ドア
７２ モータ
７４ 固定部材
７６ プラズマ源
１００ チャンバ
１０２ チャンバ
１０４ チャンバ
１０６ 真空ポンプ
１０８ チャンバ
１１０ ロードロックシステム

Claims (33)

1. バイポーラプレート、ハーフプレート（１０’）、電極、ガスケットなどの、燃料電池スタックの１つまたは複数のコンポーネント（１０）をコーティングする方法であって、
   ‐未コーティングの金属コンポーネント（１２）を提供するステップと、
   ‐前記未コーティングの金属コンポーネント（１２）をエッチングするステップと、
   ‐物理蒸着工程、アーク物理蒸着工程、アークイオンめっき工程、スパッタリング工程、およびＨｉＰＩＭＳ工程のうちの１つを用いて、前記エッチングされた未コーティングの金属コンポーネント（１２）上に接着層（１４）を任意選択で堆積するステップと、
   ‐前記接着層（１４）を設けた場合は該接着層（１４）上に、または前記エッチングされた未コーティングの金属コンポーネント（１２）上に直接、炭素コーティング（１６）を堆積するステップとを含み、
   前記炭素コーティング（１６）は、－０Ｖから－２００Ｖのバイアス電圧で５ｎｍから５００ｎｍの範囲内で選ばれた層厚で堆積され、
   前記炭素コーティング（１６）は、アーク物理蒸着工程、アークイオンめっき工程、およびＨｉＰＩＭＳ工程のうちの１つによって堆積された、少なくとも実質的に水素フリーのＤＬＣ層（１６）を含む、方法。
2. 前記エッチングステップは、０Ｖと－１２００Ｖの間のバイアス電圧で１分と６０分の間に及ぶ時間にわたって行われるプラズマエッチング工程または金属イオンエッチング工程の一方である、請求項１に記載の方法。
3. 前記エッチングステップは、バイアス電圧が０Ｖから－３５０Ｖの範囲内で選ばれたアルゴンプラズマエッチングおよびバイアス電圧が－８００Ｖから－１２００Ｖの範囲内で選ばれた金属イオンエッチング工程のうちの一方である、請求項２に記載の方法。
4. さらに前記接着層（１４）を含み、接着層（１４）を堆積する前記ステップは、－０Ｖから－３５０Ｖの範囲内で選ばれたバイアス電圧で２５ｎｍから５００ｎｍの範囲内の厚みを有する層を堆積することを含む、先行請求項のうちの少なくとも１項に記載の方法。
5. 前記接着層（１４）は、－０Ｖから－３５０Ｖの範囲内で選ばれたバイアス電圧でアークＰＶＤ工程を用いて堆積される、請求項４に記載の方法。
6. さらに前記接着層（１４）を含み、該接着層（１４）は、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｚｒ、ＴｉＮ、ＣｒＮ、ＮｂＮ、ＺｒＮおよびそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含む、先行請求項のうちの少なくとも１項に記載の方法。
7. 前記接着層（１４）は、ＴｉおよびＣｒの一方を含む、請求項５または請求項６に記載の方法。
8. さらに前記接着層（１４）を含み、
   前記接着層（１４）は、該接着層（１４）を含む１つまたは複数の材料の層と、１つまたは複数の勾配層（１８；１８、２０）とを含み、
   前記勾配層は、前記接着層（１４）の前記１つまたは複数の材料と金属とが混合された第１の勾配層（１８）を含み、該第１の勾配層は、前記接着層（１４）の前記１つまたは複数の１つまたは複数の材料を含む前記層まで、金属の量が該第１の勾配層（１８）の高さにわたって減少し、前記接着層（１４）の前記１つまたは複数の材料の量が該第１の勾配層（１８）の前記高さにわたって増加する、先行請求項のうちの少なくとも１項に記載の方法。
9. さらに前記接着層（１４）を含み、
   前記接着層（１４）は、該接着層（１４）を含む１つまたは複数の材料の層と、１つまたは複数の勾配層（２０；１８、２０）とを含み、
   前記勾配層は、前記炭素コーティング（１６）の炭素と混合された前記接着層（１４）の前記１つまたは複数の材料を含む第２の勾配層（２０）を含み、該第２の勾配層は、前記炭素コーティング（１６）まで、前記接着層（１４）の前記１つまたは複数の材料の量が該第２の勾配層（２０）の高さにわたって減少し、炭素の量が該第２の勾配層（２０）の前記高さにわたって増加する、先行請求項のうちの少なくとも１項に記載の、任意選択で請求項８に記載の方法。
10. 前記少なくとも実質的に水素フリーのＤＬＣ層（１６）は、内部にドーパントが存在する最上層（２２）を含むか、または該少なくとも実質的に水素フリーのＤＬＣ層（１６）の全体にドーパントを含む、先行請求項のうちの少なくとも１項に記載の方法。
11. 前記ドーパントが、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン、窒素、ケイ素およびそれらの組み合わせからなる要素群から選ばれる、請求項１０に記載の方法。
12. 前記ドーパントの割合が、１００ａｔ％の該ドーパントを含む前記少なくとも実質的に水素フリーのＤＬＣ層（１６）または前記最上層を基準にして、０．２ａｔ％から１０ａｔ％、特に０．５ａｔ％から６ａｔ％である、請求項１０または請求項１１に記載の方法。
13. 前記方法は、真空チャンバ（６０）内で行われ、該真空チャンバ（６０）の温度が、前記コンポーネントを前記炭素コーティング（１６）でコーティングする前記ステップ中に１２０°Ｃから４００°Ｃ、特に１２０°Ｃから２５０°Ｃの範囲内の温度に調節される、先行請求項のうちの少なくとも１項に記載の方法。
14. 先行請求項のうちの少なくとも１項に記載の方法を用いて任意選択で得ることができる、バイポーラプレート（１０’）、ハーフプレート、電極およびガスケットなどの、燃料電池スタックのコンポーネントであって、
    該燃料電池コンポーネント（１０）は、
    金属コンポーネント（１２）と、
    前記金属コンポーネント（１２）上に任意選択で形成される接着層（１４）と、
    前記接着層（１４）が設けられている場合は該接着層（１４）上に、または前記金属コンポーネント（１２）上に形成された炭素コーティング（１６）とを含み、
    該炭素コーティング（１６）は、少なくとも実質的に水素フリーのＤＬＣ層であって、２０ＧＰａから７０ＧＰａの範囲内で選ばれた硬さと、１００ａｔ％の該少なくとも実質的に水素フリーのＤＬＣ層を基準にしてアルゴンが１ａｔ％未満のアルゴン含有量とを有する少なくとも実質的に水素フリーのＤＬＣ層（１６）を含む、コンポーネント。
15. 前記少なくとも実質的に水素フリーのＤＬＣ層（１６）は、３０ＧＰａから５０ＧＰａの範囲内で選ばれた硬さを有する、請求項１４に記載のコンポーネント。
16. 前記少なくとも実質的に水素フリーのＤＬＣ層（１６）は、１つまたは複数のｔａ‐Ｃ層および／または１つまたは複数のａ‐Ｃ層を含む、請求項１４または請求項１５に記載のコンポーネント。
17. 前記少なくとも実質的に水素フリーのＤＬＣ層（１６）のｓｐ^３に対するｓｐ^２の含有量の割合は、７０％から２０％のｓｐ^３に対して３０％から８０％のｓｐ^２の範囲内にあり、特に前記ｓｐ^３含有量は、前記少なくとも実質的に水素フリーのＤＬＣ層（１６）の３０％を超えるｓｐ^３であり、特に４０％を上回る、請求項１４から１６のうちの１項に記載のコンポーネント。
18. 前記少なくとも実質的に水素フリーのＤＬＣ層（１６）は、１００ａｔ％の該少なくとも実質的に水素フリーのＤＬＣ層（１６）を基準にして、含有する水素が１ａｔ％未満であるＤＬＣ層である、請求項１４から１７のうちの１項に記載のコンポーネント。
19. 前記少なくとも実質的に水素フリーのＤＬＣ層（１６）は、内部にドーパントが存在する最上層（２２）を含むか、または該少なくとも実質的に水素フリーのＤＬＣ層（１６）の全体にドーパントを含む、請求項１４から１８のうちの１項に記載のコンポーネント。
20. 前記ドーパントは、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン、窒素、ケイ素およびそれらの組み合わせからなる要素群から選ばれる、請求項１９に記載のコンポーネント。
21. 前記ドーパントの割合は、１００ａｔ％の該ドーパントを含む前記少なくとも実質的に水素フリーのＤＬＣ層（１６）または前記最上層（２２）を基準にして、０．２ａｔ％から１０ａｔ％、特に０．５ａｔ％から６ａｔ％である、請求項１９または請求項２０に記載のコンポーネント。
22. さらに前記接着層（１４）を含み、該接着層（１４）は、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン、窒素、ケイ素、およびそれらの組み合わせからなる要素群から選ばれた少なくともひとつの材料を含み、好ましくはチタンを含む、請求項１４から２１のうちの１項に記載のコンポーネント。
23. さらに前記接着層（１４）を含み、該接着層（１４）は、２５ｎｍから５００ｎｍ、好ましくは７５ｎｍから３００ｎｍの層厚を有する、請求項１４から２２のうちの１項に記載のコンポーネント。
24. さらに前記接着層（１４）を含み、該接着層（１４）は、前記少なくとも実質的に水素フリーのＤＬＣ層（１６）の真下かつ／または前記金属コンポーネント（１２）の真上に形成された１つまたは複数の勾配層（１８、２０）を含む、請求項１４から２３のうちの１項に記載のコンポーネント。
25. 前記１つまたは複数の勾配層（１８、２０）は、該１つまたは複数の勾配層（１８、２０）の何れかの側に形成された前記層（１２、１４、１６）の構成要素の少なくともいくつかの材料の混合物を含む、請求項２４に記載のコンポーネント。
26. 前記１つまたは複数の勾配層（１８、２０）の層厚は、２ｎｍから２００ｎｍの範囲内で選ばれる、請求項２４または請求項２５に記載のコンポーネント。
27. 前記勾配層（２０）は前記接着層（１４）の真上に形成され、
    該勾配層（２０）の真下に配置された前記層（１２）の材料は、前記接着層（１４）の材料であり、
    該勾配層（２０）の上の前記層（１４）は、前記少なくとも実質的に水素フリーのＤＬＣ層（１６）であり、
    かつ／または、
    前記勾配層（１８）は、前記金属コンポーネント（１２）の真上に形成され、
    前記勾配層（１８）の真下に配置された前記層（１２）の材料は、前記金属コンポーネント（１２）の材料であり、
    前記勾配層（１８）の真上に配置された前記層（１４）の材料は、前記接着層（１４）の材料である、
    請求項２４から２６のうちの１項に記載のコンポーネント。
28. 前記炭素コーティング（１６）は、エリプソメトリ測定において２ｅＶのエネルギーに関して２．２５から２．４の範囲内の屈折率ｎを有する、請求項１４から２７のうちの１項に記載のコンポーネント。
29. 前記炭素コーティング（１６）は、エリプソメトリ測定において４ｅＶのエネルギーに関して１．６から１．８の範囲内の屈折率ｎを有する、請求項１４から２８のうちの１項に記載のコンポーネント。
30. 前記炭素コーティング（１６）は、エリプソメトリ測定において４ｅＶのエネルギーに関して０．９５から１．１の吸収値ｋを有する、請求項１４から２９のうちの１項に記載のコンポーネント。
31. 前記炭素コーティング（１６）は、１μｍ^２のスキャン面積に関して０．９ｎｍから１．５ｎｍの範囲内、特に１μｍ^２のスキャン面積に関して１ｎｍから１．３ｎｍの範囲内で選ばれた表面粗さ（Ｓａ）（すなわち、算術平均高さ）を有する、請求項１４から３０のうちの１項に記載のコンポーネント。
32. 前記炭素コーティング（１６）は、１μｍ^２のスキャン面積に関して２％から４％のＳｄｒの範囲内、特に１μｍ^２のスキャン面積に関して２．５％から３．１％のＳｄｒの範囲内で選ばれた表面積（Ｓｄｒ）（すなわち、界面の展開面積比）を有する、請求項１４から３１のうちの１項に記載のコンポーネント。
33. 特に請求項１４から３２のうちの少なくとも１項に記載の、１つまたは複数のバイポーラプレート（１０’）、１つまたは複数のハーフプレート、１つまたは複数の電極、１つまたは複数のガスケットなどの、燃料電池スタックの１つまたは複数のコンポーネント（１０）をコーティングする装置（５０）であって、該装置（５０）は、請求項１から１３のうちの１項に記載の方法を行うように構成され、該装置（５０）は、インラインコーティングシステムであり、
    ‐次々に直列に配置された複数の真空チャンバ（６０）と、
    ‐前記複数の真空チャンバのうちの少なくともいくつかに配置された１つまたは複数のカソード（６８、６８’）と、
    ‐コーティング対象面が前記１つまたは複数のカソードに対向するように、複数の未コーティングの前記金属コンポーネント（１２）を受容するようにそれぞれ構成された１つまたは複数の固定具（５６）とを含み、前記カソード（６８、６８’）は、物理蒸着工程、アーク物理蒸着工程、アークイオンめっき工程、スパッタリング工程、およびＨｉＰＩＭＳ工程のうちの少なくとも１つのためのカソードであり、
    前記１つまたは複数の固定具（５６）は、前記それぞれの真空チャンバ（６０）内で、および１つの真空チャンバ（６０）から別の真空チャンバ（６０）へと直線的に移動されるように配置され、各真空チャンバ（６０）は、工程を行うように構成され、該工程は、加熱、排気、エッチング、１つまたは複数の接着層の堆積、コーティング、取り出しおよび／またはそれらの組み合わせを含む要素群から選ばれる、装置。

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