JP2024516630A - 炭素被覆電極 - Google Patents
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Abstract
Description
(i)60%~95%のsp2含有率で高い導電性を有する少なくとも10層の第1のサブ層と、
(ii)50%~90%のsp2含有率で高い耐腐食性を有する少なくとも10層の第2のサブ層と、が交互に配置されて構成されており、
第1のサブ層のsp2含有率が、第2のサブ層のsp2含有率よりも少なくとも3%大きい電極を提供する。
a)金属または金属合金を含むシード層と、
b)シード層の金属または合金の炭化物および/または窒化物および/または酸化物を含む界面層と、
c)本発明の複数の第1のサブ層および第2のサブ層で構成されるa-Cを含むトップ層とをこの順序で含む電極を提供する。
a)金属または合金を含有するシード層をプレート上に付与する工程と、
b)シード層の金属または合金の窒化物および/または炭化物および/または酸化物を含有する界面層をシード層上に付与する工程と、
c)本発明の複数の第1のサブ層および第2のサブ層で構成されるa-Cを含む機能層を界面層上に付与する工程と、を含む方法を提供する。
a)a-Cを含み、65%~90%のsp2含有率および10%~35%のsp3含有率を有する第1のサブ層を堆積させる工程と、
b)a-Cを含み、45%~80%のsp2含有率および20%~55%のsp3含有率を有する第2のサブ層を堆積させる工程と、
c)上記複数の工程を繰り返すことにより少なくとも10層の第1のサブ層と10層の第2のサブ層とを交互に堆積させる工程と、を含む方法を提供する。
(i)高い導電性を有する少なくとも10層の第1のサブ層と、
(ii)高い耐腐食性を有する少なくとも10層の第2のサブ層とが交互に配置されているものを含む、電極を提供する。
a-C層は、少なくとも30層ずつの第1のサブ層と第2のサブ層とを交互に配置して含み、
各サブ層が、約0.8nm~1.3nmの厚さを有し、
第1のサブ層が、70%~85%のsp2含有率および15%~30%のsp3含有率を有し、
第2のサブ層が、60%~80%のsp2含有率および20%~40%のsp3含有率を有し、そして
必要に応じて、sp2の%が第1のサブ層と第2のサブ層との間で少なくとも3%異なる。
a-C層は、少なくとも80層ずつの第1のサブ層と第2のサブ層とを交互に配置して構成されており、
各サブ層が約1nmの厚さを有し、
第1のサブ層が70%~85%のsp2含有率および15%~30%のsp3含有率を有し、
第2のサブ層が60%~80%のsp2含有率および20%~40%のsp3含有率を有し、そして
必要に応じて、sp2の%が、第1のサブ層と第2のサブ層との間で約4%異なる。
a)金属または合金を含むシード層と、
b)シード層の金属/合金の炭化物および/または窒化物および/または酸化物を含む界面層と、
c)a-Cを含むトップ層(複数のサブ層として)と、
をこの順序で含んでもよい。
a-C層は、
(i)高い導電性を有する少なくとも10層の第1のサブ層と、
(ii)高い耐腐食性を有する少なくとも10層の第2のサブ層と、が交互に配置されているものを含む、方法を提供する。
炭素含有被膜が、
a)金属または金属合金を含むシード層と、
b)シード層の金属または合金の炭化物および/または窒化物および/または酸化物を含む界面層と、
c)本発明の複数の第1のサブ層および第2のサブ層で構成されるa-Cを含むトップ層と、をこの順序で含む。
a)金属または合金を含有するシード層をプレート上に付与する工程と、
b)シード層の金属または合金の窒化物および/または炭化物および/または酸化物を含有する界面層をシード層上に付与する工程と、
c)本発明の複数の第1のサブ層および第2のサブ層で構成されるa-Cを含む機能層を界面層上に付与する工程と、
を含む方法を提供する。
a)a-Cを含み、60%~90%のsp2含有率および10%~40%のsp3含有率を有する第1のサブ層を堆積させる工程と、
b)a-Cを含み、45%~80%のsp2含有率および20%~55%のsp3含有率を有する第2のサブ層を堆積させる工程と、
c)上記複数の工程を繰り返すことにより少なくとも10層の第1のサブ層と10層の第2のサブ層とを交互に堆積させる工程と、を含み、
必要に応じて、第1のサブ層のsp2含有率は、第2のサブ層のsp2含有率よりも少なくとも3%大きい。
316Lステンレス鋼バイポーラプレートを以下のように被覆した。
バイポーラプレートを以下の工程にしたがって洗浄した。
a.弱アルカリ性溶液を用いて超音波洗浄を行い、表面および流路内の油汚れを除去した。
b.酸性酸溶液を用いて、酸化膜と基材上のあらゆる錆を除去した。
c.基材を超音波条件下で純水を用いてすすいだ。
d.その後、基材を真空条件下で0.5時間乾燥させた。
被覆装置:イオンエッチング機能およびマグネトロンスパッタリング源を備えたFCVA被覆装置
プロセス:
a.被覆対象の洗浄したバイポーラプレートを被覆チャンバーに入れ、被覆チャンバー内の圧力を5.0×10-5Torr(6.6mPa)に下げ、温度を130℃に上げた。
b.イオンビーム洗浄を行う(従来のイオンビーム洗浄方法を使用)。
c.チャンバー内の圧力をさらに2×10-5Torr(2.6mPa)まで下げ、マグネトロンスパッタリング条件下で、Ti層を厚さが0.06μmになるまで堆積させるのに十分な時間、Tiシード層を堆積させる。
d.シード層を堆積させた後、界面層の堆積を開始する。真空度が4×10-3Torrになるまでアセチレンガスをチャンバーに導入する。アセチレンガスの存在下12kWの出力でチタンターゲットを用いたスパッタリング堆積法で、TiC界面層を堆積する。この堆積工程を、TiC層を厚さが0.1μmになるまで堆積させるのに十分な時間実施する。
e.界面層を堆積させた後、バイアスパラメータを周期的に変化させながら、フィルター型カソーディック真空アーク方式(FCVA)技術を用いて、複数のサブ層を有する0.3μmのa-C層を堆積させた。堆積パラメータおよび堆積方法は以下の通りであった。
f.堆積の完了後、真空チャンバーを室温および常圧に戻し、被覆された基材を被覆チャンバーから取り出す。
バイポーラプレート基材を、FCVA堆積チャンバー内の回転カルーセルに取り付けた。アーク電流および基材バイアスを、sp2バイアスとsp3バイアスとの間でデューティサイクルを切り替える基材バイアスで固定した。チャンバー内温度を測定したところ、約100℃であった。sp2含有サブ層およびsp3含有サブ層が140層ずつの合計280層となり、合計厚が約300nmとなるまで、被覆を継続した。交互に配置したサブ層のsp2含有率はそれぞれ60%~70%(sp2サブ層)および50%~40%(sp3サブ層)とした。
316L鋼板を準備し、実施例1と同様にシード層および界面層を形成した。以下の特定の被膜を個々の316L鋼板に堆積した(a-C被膜成分のみを参照)。
被覆ステンレス鋼バイポーラプレートを、上述の方法にしたがって調製したが、本実施例において、交互に配置したサブ層のsp2含有率はそれぞれ70%~85%(高sp2サブ層)および60%~80%(低sp2サブ層)とした。被覆バイポーラプレートの硬度、試験*前後の界面接触抵抗(ICR)、および腐食電流密度(Icorr)を測定した。結果を下表に示し、図1および図2にグラフで表した。
Claims (21)
- a-C層で被覆された電極であって、
該a-C層が、
(i)60%~95%のsp2含有率で高い導電性を有する少なくとも10層の第1のサブ層が
(ii)50%~90%のsp2含有率で高い耐腐食性を有する少なくとも10層の第2のサブ層と、
交互に配置されているものを含み、
該第1のサブ層のsp2含有率が、該第2のサブ層のsp2含有率よりも少なくとも3%大きい、電極。 - 前記第1のサブ層のsp2含有率が、前記第2のサブ層のsp2含有率よりも少なくとも7%大きい、請求項1に記載の電極。
- 前記第1のサブ層が70%~85%のsp2含有率を有し、かつ前記第2のサブ層が60%~80%のsp2含有率を有する、請求項1または2に記載の電極。
- 前記サブ層の各々が最大5nmの厚さを有する、先行する請求項のいずれかに記載の電極。
- 前記サブ層の各々が最大3nmの厚さを有する、先行する請求項のいずれかに記載の電極。
- 前記各サブ層が0.2nm~2nmの範囲内の厚さを有する、先行する請求項のいずれかに記載の電極。
- 前記電極がPEM水素燃料電池用バイポーラプレートである、先行する請求項のいずれかに記載の電極。
- 前記電極が水から水素を発生させるための電極である、請求項1から6のいずれかに記載の電極。
- 前記第1のサブ層および第2のサブ層がそれぞれ少なくとも20層存在する、先行する請求項のいずれかに記載の電極。
- 前記a-C層が、少なくとも30層ずつの前記第1のサブ層と前記第2のサブ層とが交互に配置されているものを含み、
該サブ層の各々が約0.8nm~2nmの厚さを有し、
該第1のサブ層が、70%~85%のsp2含有率を有し、かつ15%~30%のsp3含有率を有し、そして
該第2のサブ層が、65%~80%のsp2含有率を有し、かつ20%~35%のsp3含有率を有する、先行する請求項のいずれかに記載の電極。 - 前記a-C層が1%以下のモル水素含有率を有する、先行する請求項のいずれかに記載の電極。
- 前記a-C層が1%以下の酸素含有率を有する、先行する請求項のいずれかに記載の電極。
- 前記a-C層が2μm以下の厚さを有する、先行する請求項のいずれかに記載の電極。
- 前記a-C層が1μm以下の厚さを有する、請求項13に記載の電極。
- 前記被膜がフィルター型カソーディック真空アーク方式によって堆積される、先行する請求項のいずれかに記載の電極。
- 前記被膜全体のsp2含有率が少なくとも55%である、先行する請求項のいずれかに記載の電極。
- 先行する請求項のいずれかに記載の電極を製造するために、電気化学用途の電極を炭素含有被膜で被覆する方法であって、
a)a-Cを含む第1のサブ層を堆積させる工程と、
b)a-Cを含む第2のサブ層を堆積させる工程であって、該第1のサブ層のsp2含有率が、該第2のサブ層のsp2含有率よりも少なくとも3%大きい工程と、
c)該複数の工程を繰り返すことにより少なくとも10層の第1のサブ層と10層の第2のサブ層とを交互に堆積させる工程と、
を含む、方法。 - 電気化学用途に用いられる電極を炭素含有被膜で被覆する方法であって、
d)a-Cを含み、65%~90%のsp2含有率を有し、かつ10%~35%のsp3含有率を有する第1のサブ層を堆積させる工程と、
e)a-Cを含み、45%~80%のsp2含有率を有し、かつ20%~55%のsp3含有率を有する第2のサブ層を堆積させる工程と、
f)前記複数の工程を繰り返すことにより少なくとも10層の第1のサブ層と10層の第2のサブ層とを交互に堆積させる工程と、
を含み、
該第1のサブ層のsp2含有率が、該第2のサブ層のsp2含有率よりも少なくとも3%大きく、そして
該サブ層の各々が0.3nm~5nmの範囲内のsp3含有率を有する、方法。 - 少なくとも30層ずつの第1のサブ層と第2のサブ層とを交互に堆積させる工程を含む、請求項18に記載の方法。
- バイポーラプレートを被覆する方法であって、
第1のバイアスレジメンを該バイポーラプレートに適用しながら、フィルター型カソーディック真空アーク方式によって前記第1のサブ層を堆積させる工程と、
第2のバイアスレジメンを該バイポーラプレートに適用しながら、フィルター型カソーディック真空アーク方式によって前記第2のサブ層を堆積させる工程と、
を含み、
該第2のバイアスレジメンが、該第1のバイアスレジメンと比較して、該a-C中のsp2含有率が少なくとも3%減少しかつ該a-C中のsp3含有率が少なくとも3%増加するように調整される、請求項18または19に記載の方法。 - 前記バイアスレジメンが、デューティサイクルにしたがってバイアス電圧を印加することを含み、当該方法が、該デューティサイクルを周期的に調整し、調整後のデューティサイクルによって、sp3含有率が増加しかつsp2含有率が減少した前記第2のサブ層を堆積させる工程を含む、請求項20に記載の方法。
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