JP6928448B2 - Method for forming a conductive carbon film, method for manufacturing a conductive carbon film coating member, and method for manufacturing a separator for a fuel cell - Google Patents

Method for forming a conductive carbon film, method for manufacturing a conductive carbon film coating member, and method for manufacturing a separator for a fuel cell Download PDF

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Description

本発明は、導電性を有する炭素膜の形成方法、導電性炭素膜被覆部材の製造方法および燃料電池用セパレータの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for forming a conductive carbon film, a method for manufacturing a conductive carbon film coating member, and a method for manufacturing a separator for a fuel cell.

近年、内燃機関を備えた自動車に代わる次世代自動車の1つとして、燃料電池自動車への注目度が高まっている。従前より燃料電池に関する技術開発は活発に行われており、要求される特性を満たすことができるよう様々な技術が開発されている。例えば燃料電池の構成部品であるセパレータには導電性や耐食性、強度等が求められるが、これらの要求特性に応える技術として、ワーク(基材)の表面に導電性を有する炭素膜(以下、“導電性炭素膜”)を形成することが知られている。 In recent years, fuel cell vehicles have been attracting increasing attention as one of the next-generation vehicles to replace vehicles equipped with an internal combustion engine. Technology development related to fuel cells has been actively carried out for some time, and various technologies have been developed so as to satisfy the required characteristics. For example, a separator, which is a component of a fuel cell, is required to have conductivity, corrosion resistance, strength, etc. As a technology to meet these required characteristics, a carbon film having conductivity on the surface of a work (base material) (hereinafter, "" It is known to form a conductive carbon film ").

特許文献1には、炭素膜に導電性を付与するために膜中にホウ素等の元素を添加する方法が開示されている。特許文献2には、高周波電源を用いたプラズマ化学蒸着法(以下、“高周波プラズマCVD法”)で、導電性炭素膜を形成する方法が開示されている。特許文献3には、ベンゼン、トルエン、キシレンおよびナフタレンのような炭素環式化合物ガスや、ピリジン、ピラジンおよびピロールのような複素環式化合物ガスを用い、直流電源を用いたプラズマ化学蒸着法(以下、“直流プラズマCVD法”)で、導電性炭素膜を形成する方法が開示されている。 Patent Document 1 discloses a method of adding an element such as boron to a carbon film in order to impart conductivity to the carbon film. Patent Document 2 discloses a method of forming a conductive carbon film by a plasma chemical vapor deposition method using a high-frequency power source (hereinafter, “high-frequency plasma CVD method”). Patent Document 3 describes a plasma chemical vapor deposition method using a DC power source using a carbocyclic compound gas such as benzene, toluene, xylene and naphthalene and a heterocyclic compound gas such as pyridine, pyrazine and pyrrole (hereinafter referred to as , "DC Plasma CVD Method") discloses a method of forming a conductive carbon film.

特開2012−188688号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2012-188688 特開2012−146616号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2012-146616 特開2008−4540号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2008-4540

特許文献1のように添加元素を用いて導電性炭素膜を形成すると、成膜過程で複数の原料の使用や後処理が必要となり、炭素膜の製造工程が複雑になる。また、炭素膜中に元素を添加することで、炭素膜の諸特性(主に耐食性)が変化してしまうおそれがある。 When a conductive carbon film is formed by using additive elements as in Patent Document 1, a plurality of raw materials and post-treatment are required in the film forming process, which complicates the carbon film manufacturing process. Further, by adding an element to the carbon film, various properties (mainly corrosion resistance) of the carbon film may be changed.

特許文献2のようにプラズマ処理装置に高周波電源を用いると、装置構造の複雑化が避けられず、装置を安価に製造することが困難となる。また、高周波プラズマCVD法は、大量数のワークの成膜処理には不向きであり、燃料電池セパレータ等の導電性炭素膜被覆部材の量産には適さない。 When a high-frequency power source is used for the plasma processing device as in Patent Document 2, the device structure is inevitably complicated, and it becomes difficult to manufacture the device at low cost. Further, the high-frequency plasma CVD method is not suitable for film formation processing of a large number of workpieces, and is not suitable for mass production of conductive carbon film coating members such as fuel cell separators.

一方、特許文献3のようにプラズマ処理装置に直流電源を用いれば、高周波電源を用いたプラズマ処理装置よりも装置構造が簡易となり、大量数のワークの成膜処理を行うことが可能となる。しかしながら、直流プラズマCVD法で生成されるプラズマの密度は、高周波プラズマCVD法で生成されるプラズマの密度よりも小さくなる。このため、特許文献3では、原料ガスの供給時において、分解しやすいベンゼン、トルエン、キシレンおよびナフタレン等の炭素環式化合物のガスや、ピリジン、ピラジンおよびピロール等の複素環式化合物のガスを用いている。これらの環式化合物は液体原料であることから、原料ガスとしてこれらの環式化合物を用いる場合には、原料をガス化するために、ガス供給ラインにヒーター等の加熱機構を設けることが必須となる。これにより、プラズマ処理装置の構造が複雑化し、装置が高価なものとなる。 On the other hand, if a DC power supply is used for the plasma processing apparatus as in Patent Document 3, the apparatus structure becomes simpler than that of the plasma processing apparatus using the high frequency power supply, and it is possible to perform film formation processing of a large number of workpieces. However, the density of the plasma generated by the DC plasma CVD method is smaller than the density of the plasma generated by the high frequency plasma CVD method. Therefore, Patent Document 3 uses a gas of a carbocyclic compound such as benzene, toluene, xylene and naphthalene, which is easily decomposed when the raw material gas is supplied, and a gas of a heterocyclic compound such as pyridine, pyrazine and pyrrole. ing. Since these cyclic compounds are liquid raw materials, when these cyclic compounds are used as the raw material gas, it is essential to provide a heating mechanism such as a heater in the gas supply line in order to gasify the raw materials. Become. This complicates the structure of the plasma processing apparatus and makes the apparatus expensive.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、簡易な構造のプラズマ処理装置であっても耐食性に優れた導電性炭素膜を形成できるようにすることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to enable a conductive carbon film having excellent corrosion resistance to be formed even with a plasma processing apparatus having a simple structure.

上記課題を解決する本発明は、直流プラズマCVD法により、ワークに導電性炭素膜を形成する導電性炭素膜の形成方法であって、導電性炭素膜の成膜工程において、アセチレンガスと水素ガスを供給し、前記アセチレンガスと前記水素ガスの流量比が1〜5となる状態を維持し、成膜温度を520℃以上、750℃以下として前記アセチレンガスをプラズマ化することを特徴としている。 The present invention for solving the above problems is a method for forming a conductive carbon film on a work by a DC plasma CVD method, wherein acetylene gas and hydrogen gas are formed in the process of forming the conductive carbon film. Is maintained, the flow ratio of the acetylene gas to the hydrogen gas is 1 to 5, and the film formation temperature is set to 520 ° C. or higher and 750 ° C. or lower to turn the acetylene gas into plasma.

別の観点による本発明は、導電性炭素膜被覆部材の製造方法であって、上記の導電性炭素膜の形成方法を用い、ワークに導電性炭素膜を形成して導電性炭素膜が被覆された部材を製造することを特徴としている。 The present invention from another viewpoint is a method for manufacturing a conductive carbon film coating member, wherein a conductive carbon film is formed on a work by using the above-mentioned method for forming a conductive carbon film, and the conductive carbon film is coated. It is characterized by manufacturing the members.

更に別の観点による本発明は、燃料電池用セパレータの製造方法であって、上記の導電性炭素膜の形成方法を用い、燃料電池用セパレータ部材の表面に導電性炭素膜を形成することを特徴としている。
更に別の観点による本発明は、燃料電池用セパレータの製造方法であって、直流プラズマCVD法により、燃料電池用セパレータ部材の表面に導電性炭素膜を成膜する工程において、原料ガスとして炭素数4以下の鎖式炭化水素ガスのみ、または前記鎖式炭化水素ガスと水素ガスからなる混合ガスのみを使用し、成膜温度を520℃以上、750℃以下として前記鎖式炭化水素ガスをプラズマ化することを特徴としている。
The present invention from yet another viewpoint is a method for manufacturing a separator for a fuel cell, characterized in that a conductive carbon film is formed on the surface of a separator member for a fuel cell by using the above-mentioned method for forming a conductive carbon film. It is supposed to be.
From yet another point of view, the present invention is a method for manufacturing a separator for a fuel cell, which has a carbon number as a raw material gas in a step of forming a conductive carbon film on the surface of a separator member for a fuel cell by a DC plasma CVD method. Using only a chain hydrocarbon gas of 4 or less, or a mixed gas composed of the chain hydrocarbon gas and hydrogen gas, the chain hydrocarbon gas is converted into plasma at a film formation temperature of 520 ° C. or higher and 750 ° C. or lower. It is characterized by doing.

本発明によれば、簡易な構造のプラズマ処理装置であっても耐食性に優れた導電性炭素膜を形成することができる。 According to the present invention, a conductive carbon film having excellent corrosion resistance can be formed even with a plasma processing apparatus having a simple structure.

本発明の実施形態に係るプラズマ処理装置の概略構成を示す図である。It is a figure which shows the schematic structure of the plasma processing apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る導電性炭素膜の成膜フローを示す図である。It is a figure which shows the film formation flow of the conductive carbon film which concerns on embodiment of this invention. 接触抵抗測定装置の概略構成を示す図である。It is a figure which shows the schematic structure of the contact resistance measuring apparatus. 腐食試験装置の概略構成を示す図である。It is a figure which shows the schematic structure of the corrosion test apparatus.

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する要素においては、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the present specification and the drawings, elements having substantially the same functional configuration are designated by the same reference numerals, so that duplicate description will be omitted.

本実施形態では、図1に示すようなプラズマ処理装置1を用い、直流プラズマCVD法でワークW(基材)の表面に導電性炭素膜を形成する。プラズマ処理装置1は、収容されたワークWのプラズマ処理が行われるチャンバー2と、ワークWが載せられる台3と、台3に接続される直流パルス電源4を備えている。台3の上方には導電性炭素膜の原料ガスを供給するガスインレット5が設けられ、ガスインレット5はチャンバー外部のガス供給源6に接続されている。チャンバー2の側壁部には、チャンバー内の雰囲気ガスを排気するガス排気管7が設けられ、ガス排気管7は真空ポンプ8に接続されている。チャンバー内にはワークWの周囲を覆うようにヒーター9が設けられ、ワークWはヒーター9により加熱される。ワークWの温度は、チャンバー2のガラス窓部から、赤外線放射温度計(不図示)を用いて測定される。なお、ワークWの素材は、従前より導電性炭素膜が被覆されるような部材(燃料電池セパレータ等)に用いられる材料であれば特に限定されないが、例えば純チタン、チタン合金等の金属材料が採用される。 In the present embodiment, the plasma processing apparatus 1 as shown in FIG. 1 is used to form a conductive carbon film on the surface of the work W (base material) by the DC plasma CVD method. The plasma processing device 1 includes a chamber 2 in which plasma processing of the housed work W is performed, a table 3 on which the work W is placed, and a DC pulse power supply 4 connected to the table 3. A gas inlet 5 for supplying the raw material gas of the conductive carbon film is provided above the table 3, and the gas inlet 5 is connected to a gas supply source 6 outside the chamber. A gas exhaust pipe 7 for exhausting the atmospheric gas in the chamber is provided on the side wall portion of the chamber 2, and the gas exhaust pipe 7 is connected to the vacuum pump 8. A heater 9 is provided in the chamber so as to cover the periphery of the work W, and the work W is heated by the heater 9. The temperature of the work W is measured from the glass window of the chamber 2 using an infrared radiation thermometer (not shown). The material of the work W is not particularly limited as long as it is a material used for a member (fuel cell separator, etc.) covered with a conductive carbon film, but for example, a metal material such as pure titanium or a titanium alloy may be used. Will be adopted.

なお、プラズマ処理装置1の構成は本実施形態で説明したものに限定されない。直流プラズマCVD法により炭素膜を形成することが可能な装置であれば、他の装置構成であっても良い。例えば本実施形態では、プラズマ発生用の電源として直流パルス電源4を用いているが、パルス電源でなくても良い。ただし、直流パルス電源4でプラズマを生成すれば、プラズマ密度が高まり、ワークWに高エネルギーのイオンを供給して膜の緻密化を行うことが可能となる。また、アーキングの発生を抑えることも可能となる。このため、プラズマ生成用の電源としては直流パルス電源4を用いることが好ましい。 The configuration of the plasma processing apparatus 1 is not limited to that described in this embodiment. Other device configurations may be used as long as the device can form a carbon film by the DC plasma CVD method. For example, in the present embodiment, the DC pulse power supply 4 is used as the power supply for plasma generation, but it does not have to be the pulse power supply. However, if plasma is generated by the DC pulse power supply 4, the plasma density is increased, and high-energy ions can be supplied to the work W to densify the film. It is also possible to suppress the occurrence of arcing. Therefore, it is preferable to use the DC pulse power supply 4 as the power supply for plasma generation.

次に、導電性炭素膜の形成方法について説明する。本実施形態では、図2に示す工程に沿ってワークWに導電性炭素膜を形成し、導電性炭素膜が被覆された部材を製造する。 Next, a method for forming the conductive carbon film will be described. In the present embodiment, a conductive carbon film is formed on the work W according to the process shown in FIG. 2, and a member coated with the conductive carbon film is manufactured.

<ワークWセット、真空引き>
まず、チャンバー2にワークWを搬入して所定位置にワークWをセットする。その後、チャンバー内の圧力を例えば10Pa以下となるように真空引きする。
<Work W set, vacuuming>
First, the work W is carried into the chamber 2 and the work W is set at a predetermined position. After that, the pressure in the chamber is evacuated to, for example, 10 Pa or less.

<加熱工程>
次に、チャンバー内に少量の水素ガスを供給し、ヒーター9を作動させる。この加熱工程では、ワークWの温度を例えば500℃程度のプラズマ処理温度の近傍まで加熱する。ここではチャンバー内の圧力が例えば200Pa程度に維持されるように排気を行う。
<Heating process>
Next, a small amount of hydrogen gas is supplied into the chamber to operate the heater 9. In this heating step, the temperature of the work W is heated to near the plasma processing temperature of, for example, about 500 ° C. Here, exhaust is performed so that the pressure in the chamber is maintained at, for example, about 200 Pa.

<H+Arクリーニング工程>
次に、ヒーター9の設定温度を例えば520℃以上としてワークWを更に加熱する。また、水素ガスに加えて更にアルゴンガスを供給する。ここではチャンバー内の圧力が例えば200Pa程度に維持されるように排気を行う。そして、直流パルス電源4を作動させて、H+Arボンバード処理により、ワーク表面のクリーニングを行う。なお、直流パルス電源4はチャンバー内に供給されるガスがプラズマ化するよう電圧や周波数,Duty比等が適宜設定されている。
<H 2 + Ar cleaning process>
Next, the work W is further heated by setting the set temperature of the heater 9 to, for example, 520 ° C. or higher. Further, in addition to hydrogen gas, argon gas is further supplied. Here, exhaust is performed so that the pressure in the chamber is maintained at, for example, about 200 Pa. Then, the DC pulse power supply 4 is operated, and the work surface is cleaned by the H 2 + Ar bombard treatment. The voltage, frequency, duty ratio, etc. of the DC pulse power supply 4 are appropriately set so that the gas supplied into the chamber becomes plasma.

<成膜工程>
次に、ヒーター9の設定温度を調節し、ワークWの温度を520℃以上とする。また、水素ガスおよびアルゴンガスの供給を停止し、原料ガスとして炭素数4以下の鎖式炭化水素ガスの供給を開始する。この状態で直流パルス電源4を作動させ、鎖式炭化水素ガスをプラズマ化する。これにより、ワークWの表面に導電性炭素膜が形成されていく。
<Film formation process>
Next, the set temperature of the heater 9 is adjusted so that the temperature of the work W is 520 ° C. or higher. In addition, the supply of hydrogen gas and argon gas is stopped, and the supply of chain hydrocarbon gas having 4 or less carbon atoms is started as a raw material gas. In this state, the DC pulse power supply 4 is operated to turn the chain hydrocarbon gas into plasma. As a result, a conductive carbon film is formed on the surface of the work W.

炭素数4以下の鎖式炭化水素ガスとしては例えばメタンガス、アセチレンガス、プロパンガスおよびブタンガス等があるが、この中でもアセチレンガスを用いることが好ましい。アセチレンガスは工業的に安価であり、入手が容易である。また、アセチレンガスは、メタンガスやプロパンガス、ブタンガス等と比較して、プラズマ放電電圧が低く、電源コストを抑えることができる。さらに、アセチレンガスを用いれば、メタンガスと比較して成膜レートを高くすることができる。 Examples of the chain hydrocarbon gas having 4 or less carbon atoms include methane gas, acetylene gas, propane gas and butane gas, and among these, acetylene gas is preferably used. Acetylene gas is industrially inexpensive and easily available. Further, acetylene gas has a lower plasma discharge voltage than methane gas, propane gas, butane gas, etc., and can suppress power supply costs. Further, if acetylene gas is used, the film formation rate can be increased as compared with methane gas.

なお、本実施形態では、原料ガスの供給時に単一種類の鎖式炭化水素ガスを供給しているが、複数種類の鎖式炭化水素ガスを混合して供給しても良い。また、水素ガスを鎖式炭化水素ガスと共に供給するようにしても良い。成膜工程においてアセチレンガスと水素ガスを供給する場合、H+Arクリーニング工程から成膜工程にかけて、アセチレンガスおよび水素ガスを徐々に所定の流量に変化させていくことで、アーキングが発生し難くなる。アセチレンガスと水素ガスの流量比(C/H)が1〜5であれば、アーキングの発生を抑えやすくなり、安定した成膜処理を行うことができる。より安定した成膜処理を行うという観点からはアセチレンガスと水素ガスの流量比(C/H)を3〜4とすることが好ましい。 In the present embodiment, a single type of chain hydrocarbon gas is supplied when the raw material gas is supplied, but a plurality of types of chain hydrocarbon gas may be mixed and supplied. Further, the hydrogen gas may be supplied together with the chain hydrocarbon gas. When supplying acetylene gas and hydrogen gas in the film forming process, acetylene gas and hydrogen gas are gradually changed to a predetermined flow rate from the H 2 + Ar cleaning process to the film forming process, so that arcing is less likely to occur. .. When the flow rate ratio of acetylene gas to hydrogen gas (C 2 H 2 / H 2 ) is 1 to 5, it becomes easy to suppress the occurrence of arcing, and a stable film forming process can be performed. From the viewpoint of performing a more stable film forming process, it is preferable to set the flow rate ratio (C 2 H 2 / H 2) of acetylene gas to hydrogen gas to 3 to 4.

成膜工程におけるチャンバー内の圧力(以下、“成膜圧力”)は、20〜1000Paとすることが好ましい。成膜圧力は150〜500Paとすることが更に好ましい。 The pressure in the chamber in the film forming step (hereinafter, “deposition pressure”) is preferably 20 to 1000 Pa. The film forming pressure is more preferably 150 to 500 Pa.

成膜工程におけるワークWの温度(以下、“成膜温度”)は、520℃以上とする必要がある。成膜温度が520℃未満であると、ワーク表面に形成される炭素膜中の水素量が多くなり、導電性を有しない炭素膜が形成される。一方、成膜温度が750℃を超えると、耐食性が悪化する場合があると共に、チャンバー2の断熱性を更に高める必要があり、断熱性を確保することのみを目的としてプラズマ処理装置1の大型化が必要になることも懸念される。したがって、成膜温度の上限は750℃であることが好ましい。成膜温度のより好ましい下限は580℃である。また、成膜温度のより好ましい上限は670℃である。 The temperature of the work W in the film forming step (hereinafter, “deposition temperature”) needs to be 520 ° C. or higher. When the film formation temperature is less than 520 ° C., the amount of hydrogen in the carbon film formed on the work surface increases, and a carbon film having no conductivity is formed. On the other hand, if the film formation temperature exceeds 750 ° C., the corrosion resistance may deteriorate, and it is necessary to further improve the heat insulating property of the chamber 2, and the size of the plasma processing apparatus 1 is increased only for the purpose of ensuring the heat insulating property. Is also a concern. Therefore, the upper limit of the film formation temperature is preferably 750 ° C. A more preferable lower limit of the film formation temperature is 580 ° C. The more preferable upper limit of the film formation temperature is 670 ° C.

<冷却工程>
導電性炭素膜の成膜後、ヒーター9、原料ガスの供給、直流パルス電源4を停止させて、ワークWの冷却を行う。その後、ワークWをチャンバー2から搬出する。
<Cooling process>
After forming the conductive carbon film, the heater 9, the supply of the raw material gas, and the DC pulse power supply 4 are stopped to cool the work W. After that, the work W is carried out from the chamber 2.

本実施形態における導電性炭素膜は以上の手順で形成される。この導電性炭素膜は成膜後、長時間経過したとしても、接触抵抗値が依然として低い膜である。そして、本実施形態の導電性炭素膜の形成方法によれば、成膜工程で使用される原料ガスが炭素数4以下の鎖式炭化水素ガスであることから、ガス供給源6からガスインレット5までのガスラインに、原料を気化させるための加熱機構は不要である。即ち、本実施形態の導電性炭素膜の形成方法によれば、より簡易な構造のプラズマ処理装置1で耐食性に優れた導電性炭素膜を形成することが可能となる。 The conductive carbon film in this embodiment is formed by the above procedure. This conductive carbon film is a film having a low contact resistance value even after a long time has passed since the film was formed. Then, according to the method for forming the conductive carbon film of the present embodiment, since the raw material gas used in the film forming step is a chain hydrocarbon gas having 4 or less carbon atoms, the gas inlet 5 from the gas supply source 6 No heating mechanism is required to vaporize the raw materials in the gas lines up to. That is, according to the method for forming the conductive carbon film of the present embodiment, it is possible to form the conductive carbon film having excellent corrosion resistance with the plasma processing apparatus 1 having a simpler structure.

また、ベンゼンやトルエン等の液体原料を使用すると、プラズマ処理装置1の大型化を考慮した場合に原料ガスを供給することが困難になることが想定されるところ、本実施形態では、原料として炭素数4以下の鎖式炭化水素ガスを用いていることから、プラズマ処理装置1を大型化しても原料ガスを供給することができる。即ち、本実施形態の導電性炭素膜の形成方法を用いれば、プラズマ処理装置1を大型化して量産能力を上げることができるため、生産コストを抑えることが可能となる。 Further, when a liquid raw material such as benzene or toluene is used, it is assumed that it will be difficult to supply the raw material gas in consideration of the increase in size of the plasma processing apparatus 1, but in the present embodiment, carbon is used as the raw material. Since the chain hydrocarbon gas of several 4 or less is used, the raw material gas can be supplied even if the plasma processing apparatus 1 is enlarged. That is, if the method for forming the conductive carbon film of the present embodiment is used, the size of the plasma processing apparatus 1 can be increased to increase the mass production capacity, so that the production cost can be suppressed.

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to such examples. It is clear that a person skilled in the art can come up with various modifications or modifications within the scope of the technical idea described in the claims, and of course, the technical scope of the present invention also includes them. It is understood that it belongs to.

直流プラズマCVD法を用いてワークの表面に炭素膜を形成し、炭素膜の導電性および耐食性について評価した。 A carbon film was formed on the surface of the work using the DC plasma CVD method, and the conductivity and corrosion resistance of the carbon film were evaluated.

炭素膜の成膜処理には図1のような構造のプラズマ処理装置を使用した。プラズマ生成用の電源としては直流パルス電源を使用し、ワークとしてチタン板を用いた。炭素膜の成膜フローは前述の実施形態で説明したものと同様であるが、本実施例では処理条件を変えて複数種の炭素膜を形成している。次の成膜フローの説明では、まず実施例1の処理条件について説明する。下記表1は実施例1の処理条件である。なお、以降の説明における水素ガス、アルゴンガス、アセチレンガスおよびメタンガスの流量は0℃、1atmにおける体積流量である。 A plasma processing apparatus having the structure shown in FIG. 1 was used for the carbon film film forming process. A DC pulse power supply was used as the power source for plasma generation, and a titanium plate was used as the work. The formation flow of the carbon film is the same as that described in the above-described embodiment, but in this embodiment, a plurality of types of carbon films are formed by changing the treatment conditions. In the following description of the film formation flow, first, the processing conditions of Example 1 will be described. Table 1 below shows the processing conditions of Example 1. The flow rates of hydrogen gas, argon gas, acetylene gas, and methane gas in the following description are volumetric flow rates at 0 ° C. and 1 atm.

Figure 0006928448
Figure 0006928448

<ワークセット、真空引き>
チャンバー内にワークを搬入した後、30分間チャンバー内を真空引きし、チャンバー内の圧力を10Pa以下とする。このとき、ヒーターは作動させない。
<Workset, evacuation>
After the work is carried into the chamber, the inside of the chamber is evacuated for 30 minutes to reduce the pressure in the chamber to 10 Pa or less. At this time, the heater is not operated.

<加熱工程>
次に、チャンバー内に40ccm(0℃、1atm)の水素ガスを供給すると共に、排気量を調節してチャンバー内の圧力を220Paとする。そして、ヒーターの設定温度を500℃とし、60分間ワークを加熱する。この加熱工程によりプラズマ処理温度に近い500℃までワークを加熱する。チャンバー内のワーク温度は赤外線放射温度計で測定する。なお、ワークの温度を測定するにあたっては、事前に赤外線放射温度計の放射率の補正を実施しておく。放射率の補正は、熱電対を埋め込んだワークを本加熱工程と同条件で加熱し、その際に熱電対で測定される温度と、赤外線放射温度計で測定される温度とを比較することで行う。本実施例では熱電対による温度測定結果と、赤外線放射温度計による温度測定結果との差が±5℃以内となるように放射率を補正した。
<Heating process>
Next, 40 ccm (0 ° C., 1 atm) of hydrogen gas is supplied into the chamber, and the displacement is adjusted so that the pressure in the chamber is 220 Pa. Then, the set temperature of the heater is set to 500 ° C., and the work is heated for 60 minutes. This heating step heats the work to 500 ° C., which is close to the plasma processing temperature. The work temperature in the chamber is measured with an infrared radiation thermometer. Before measuring the temperature of the work, the emissivity of the infrared radiation thermometer is corrected. The emissivity is corrected by heating the workpiece in which the thermocouple is embedded under the same conditions as in this heating step, and comparing the temperature measured by the thermocouple with the temperature measured by the infrared radiation thermometer. conduct. In this example, the emissivity was corrected so that the difference between the temperature measurement result by the thermocouple and the temperature measurement result by the infrared radiation thermometer was within ± 5 ° C.

<H+Arクリーニング工程>
次に、ヒーターの設定温度を580℃としてワークを580℃まで加熱する。また、水素ガスに加え、40ccm(0℃、1atm)の流量でアルゴンガスを供給する。これと共に排気量を調節してチャンバー内の圧力を220Paに維持する。また、直流パルス電源の電圧を300V、周波数を25kHz、Duty比を80%に設定する。これにより、H+Arボンバード処理が開始され、ワーク表面のクリーニングを行う。
<H 2 + Ar cleaning process>
Next, the work is heated to 580 ° C. with the set temperature of the heater set to 580 ° C. Further, in addition to hydrogen gas, argon gas is supplied at a flow rate of 40 ccm (0 ° C., 1 atm). At the same time, the displacement is adjusted to maintain the pressure in the chamber at 220 Pa. Further, the voltage of the DC pulse power supply is set to 300 V, the frequency is set to 25 kHz, and the duty ratio is set to 80%. As a result, the H 2 + Ar bombard treatment is started, and the work surface is cleaned.

<成膜工程>
次に、ワークの温度を580℃に維持したまま、水素ガスおよびアルゴンガスの供給を停止し、250ccm(0℃、1atm)の流量でアセチレンガスを供給する。排気量の調節により、チャンバー内の圧力(成膜圧力)を220Paに維持する。また、直流パルス電源の電圧を600Vに上げる。これにより、アセチレンガスがプラズマ化し、ワークの表面に炭素が吸着していく。この状態を10分間維持し、ワークの表面に所定の膜厚の炭素膜が形成される。
<Film formation process>
Next, while maintaining the temperature of the work at 580 ° C., the supply of hydrogen gas and argon gas is stopped, and the acetylene gas is supplied at a flow rate of 250 ccm (0 ° C., 1 atm). By adjusting the displacement, the pressure in the chamber (deposition pressure) is maintained at 220 Pa. Also, the voltage of the DC pulse power supply is raised to 600V. As a result, the acetylene gas is turned into plasma, and carbon is adsorbed on the surface of the work. This state is maintained for 10 minutes, and a carbon film having a predetermined film thickness is formed on the surface of the work.

<冷却工程>
その後、ヒーター、アセチレンガスの供給および直流パルス電源を停止し、ワークの冷却を行う。
<Cooling process>
After that, the heater, the supply of acetylene gas, and the DC pulse power supply are stopped to cool the work.

このような処理条件で実施例1の炭素膜を形成する。その他の実施例および比較例の成膜工程の処理条件は下記表2に示す。 The carbon film of Example 1 is formed under such treatment conditions. The processing conditions for the film formation steps of the other examples and comparative examples are shown in Table 2 below.

Figure 0006928448
Figure 0006928448

なお、原料ガスとしてアセチレンガスのみ又はメタンガスのみを供給する場合において、実施例1以外の他の実施例および比較例における成膜工程までの処理条件は、実施例1と同条件である。一方、原料ガスとしてアセチレンガスと水素ガスの混合ガスを使用する実施例20と実施例21においては、成膜工程の処理条件に加え、加熱工程、H+Arクリーニング工程の処理条件も実施例1に対して一部異なっている。下記表3は実施例20の処理条件である。実施例21の処理条件は、実施例20の処理条件に対してアセチレンガスの流量が異なるだけである。 When only acetylene gas or only methane gas is supplied as the raw material gas, the treatment conditions up to the film forming step in the other Examples and Comparative Examples other than Example 1 are the same as those in Example 1. On the other hand, in Examples 20 and 21 in which a mixed gas of acetylene gas and hydrogen gas is used as the raw material gas, in addition to the processing conditions of the film forming process, the processing conditions of the heating process and the H 2 + Ar cleaning process are also the processing conditions of Example 1. Is partially different. Table 3 below shows the processing conditions of Example 20. The treatment conditions of Example 21 differ only in the flow rate of acetylene gas from the treatment conditions of Example 20.

Figure 0006928448
Figure 0006928448

次に、以上の処理条件で形成された炭素膜の導電性および耐食性の評価方法について説明する。導電性の評価は接触抵抗の測定試験結果に基づいて行う。また、耐食性の評価は腐食試験後に、再度接触抵抗値を測定し、腐食試験前後の接触抵抗値の違いに基づいて行う。各試験の試験方法は次の通りである。 Next, a method for evaluating the conductivity and corrosion resistance of the carbon film formed under the above treatment conditions will be described. The conductivity is evaluated based on the contact resistance measurement test results. In addition, the corrosion resistance is evaluated by measuring the contact resistance value again after the corrosion test and based on the difference in the contact resistance value before and after the corrosion test. The test method for each test is as follows.

(接触抵抗測定試験)
接触抵抗の測定は、図3に示す測定装置20で実施した。具体的には、チタン板21の表面に形成した炭素膜22の上にカーボンペーパー23を載置し、2枚の金属板24によりそれらを挟持する。そして、ロードセルによって2枚の金属板24に、チタン板21あるいはカーボンペーパー23との接触面に対して垂直な方向から1.1MPaの荷重をそれぞれ負荷する。この状態で2枚の金属板24の間に、定電流直流電源25から1Aの直流電流を流す。そして、荷重負荷の開始から60秒後におけるチタン板21と、カーボンペーパー23との電位差を測定して電気抵抗値を算出する。この値を炭素膜22の接触抵抗値とする。本実施例では、このように測定された接触抵抗値が10mΩ・cm以下であれば、炭素膜が十分な導電性を有していると判断する。なお、炭素膜22とカーボンペーパー23とが接触する接触面の面積は13mm×17mmである。
(Contact resistance measurement test)
The contact resistance was measured by the measuring device 20 shown in FIG. Specifically, the carbon paper 23 is placed on the carbon film 22 formed on the surface of the titanium plate 21, and the carbon paper 23 is sandwiched between the two metal plates 24. Then, a load of 1.1 MPa is applied to each of the two metal plates 24 by the load cell from the direction perpendicular to the contact surface with the titanium plate 21 or the carbon paper 23. In this state, a DC current of 1 A is passed from the constant current DC power supply 25 between the two metal plates 24. Then, the electric resistance value is calculated by measuring the potential difference between the titanium plate 21 and the carbon paper 23 60 seconds after the start of the load. This value is taken as the contact resistance value of the carbon film 22. In this embodiment, if the contact resistance value measured in this way is 10 mΩ · cm 2 or less, it is determined that the carbon film has sufficient conductivity. The area of the contact surface where the carbon film 22 and the carbon paper 23 come into contact is 13 mm × 17 mm.

(腐食試験)
腐食試験は、図4に示す試験装置30で実施した。具体的には、HSO溶液を入れた容器31と、KCl溶液を入れた容器32を用意し、容器31のHSO溶液中に対極33(Pt)を、容器32のKCl溶液中に参照極34(Ag/AgCl)を浸漬させるように配置する。また、試料極35として炭素膜が被覆されたチタン板を容器31のHSO溶液中に浸漬させるように配置する。また、HSO溶液とKCl溶液の塩橋としてルギン管36を設ける。このように構成した試験装置30において、ポテンショスタットの設定電圧を0.9V(SHE:標準水素電極 standard hydrogen electrode)とし、65時間放置した。なお、HSO溶液は、水溶液温度が80℃、pHが3、Clイオン濃度が100ppm、Fイオン濃度が50ppmである。
(Corrosion test)
The corrosion test was carried out by the test apparatus 30 shown in FIG. Specifically, a container 31 containing the H 2 SO 4 solution, prepared container 32 containing the KCl solution, the counter electrode 33 (Pt) in H 2 SO 4 solution in the container 31, KCl container 32 solution The reference electrode 34 (Ag / AgCl) is arranged so as to be immersed therein. Further, as the sample electrode 35, a titanium plate coated with a carbon film is arranged so as to be immersed in the H 2 SO 4 solution of the container 31. In addition, a Luggin capillary 36 is provided as a salt bridge between the H 2 SO 4 solution and the K Cl solution. In the test apparatus 30 configured in this way, the set voltage of the potentiostat was set to 0.9 V (SHE: standard hydrogen electrode) and left for 65 hours. The H 2 SO 4 solution has an aqueous solution temperature of 80 ° C., a pH of 3, a Cl - ion concentration of 100 ppm, and an F - ion concentration of 50 ppm.

腐食試験前後の接触抵抗値は前記の表2の通りである。 The contact resistance values before and after the corrosion test are shown in Table 2 above.

なお、表2では炭素膜の膜厚も表記している。実施例5、実施例11および比較例2の炭素膜については、FIB(集束イオンビーム)加工をした後、SEM断面観察を行うことで膜厚を測定した。その後同じサンプルに対し、EPMAによる半定量分析を行い、CとTiの割合(C/Ti)を算出して(C/Ti)×膜厚を元に検量線の作成を実施した。他のサンプルに関しては、この検量線を用いてEPMAの半定量分析により膜厚を算出した。 In Table 2, the film thickness of the carbon film is also shown. The film thickness of the carbon films of Examples 5, 11 and Comparative Example 2 was measured by performing SEM cross-sectional observation after FIB (focused ion beam) processing. After that, the same sample was subjected to semi-quantitative analysis by EPMA, the ratio of C and Ti (C / Ti) was calculated, and a calibration curve was prepared based on (C / Ti) × film thickness. For other samples, the film thickness was calculated by semi-quantitative analysis of EPMA using this calibration curve.

表2に示されるように、アセチレンガスを用いて形成した炭素膜のうち、比較例1の炭素膜は腐食試験前の段階で接触抵抗値が10mΩ・cmを超えており、導電性が不十分である。一方、実施例1〜16および比較例2の炭素膜は、腐食試験前の段階で十分な導電性を有している。しかし、実施例1〜16の炭素膜については腐食試験後においても接触抵抗値が10mΩ・cmを下回っており、依然として十分な導電性を有しているが、比較例2の炭素膜は腐食試験後の接触抵抗値が10mΩ・cmを超えており、導電性が不十分である。即ち、実施例1〜16の炭素膜は耐食性に優れた膜であり、比較例2の炭素膜は耐食性に劣る膜である。実施例9と実施例10、あるいは実施例11〜15の結果に鑑みると、成膜圧力の違いは炭素膜の導電性および耐食性に影響を与えないことがわかる。したがって、実施例16の炭素膜と比較例1の炭素膜における導電性および耐食性の違いは、成膜圧力ではなく、成膜温度に起因するものである。本実施例の結果に鑑みれば、成膜温度を520℃以上、好ましくは530℃以上とすることで、耐食性に優れた導電性炭素膜が得られることがわかる。 As shown in Table 2, among the carbon films formed using acetylene gas, the carbon film of Comparative Example 1 has a contact resistance value of more than 10 mΩ · cm 2 at the stage before the corrosion test, and has poor conductivity. It is enough. On the other hand, the carbon films of Examples 1 to 16 and Comparative Example 2 have sufficient conductivity at the stage before the corrosion test. However, the carbon film of Examples 1 to 16 has a contact resistance value of less than 10 mΩ · cm 2 even after the corrosion test and still has sufficient conductivity, but the carbon film of Comparative Example 2 is corroded. The contact resistance value after the test exceeds 10 mΩ · cm 2 , and the conductivity is insufficient. That is, the carbon film of Examples 1 to 16 is a film having excellent corrosion resistance, and the carbon film of Comparative Example 2 is a film having inferior corrosion resistance. In view of the results of Examples 9 and 10 or Examples 11 to 15, it can be seen that the difference in film formation pressure does not affect the conductivity and corrosion resistance of the carbon film. Therefore, the difference in conductivity and corrosion resistance between the carbon film of Example 16 and the carbon film of Comparative Example 1 is due to the film formation temperature, not the film formation pressure. In view of the results of this example, it can be seen that a conductive carbon film having excellent corrosion resistance can be obtained by setting the film formation temperature to 520 ° C. or higher, preferably 530 ° C. or higher.

実施例17〜19では、アセチレンガスに代えてメタンガスを原料ガスとして使用しているが、腐食試験の結果によれば、耐食性に優れた導電性炭素膜が得られることがわかる。したがって、アセチレンガス以外のメタンガスやプロパンガス、ブタンガス等の他の鎖式炭化水素ガスを原料ガスとして用いても、成膜温度を520℃以上とすれば、耐食性に優れた導電性炭素膜を形成することができる。 In Examples 17 to 19, methane gas is used as a raw material gas instead of acetylene gas, but the results of the corrosion test show that a conductive carbon film having excellent corrosion resistance can be obtained. Therefore, even if methane gas other than acetylene gas, propane gas, butane gas, or other chain hydrocarbon gas is used as the raw material gas, a conductive carbon film having excellent corrosion resistance is formed if the film formation temperature is 520 ° C. or higher. can do.

実施例20、実施例21では、成膜工程における原料ガスとしてアセチレンガスと水素ガスの混合ガスを使用しているが、腐食試験の結果によれば、耐食性に優れた導電性炭素膜が得られることがわかる。また、成膜工程においてアセチレンガスと水素ガスを供給する場合には、アセチレンガスおよび水素ガスを徐々に所定の流量に変化させていくことで、アーキングを発生し難くすることができる。本実施例の結果を考慮すると、成膜工程においてアセチレンガスと水素ガスを供給する際に、アセチレンガスと水素ガスの流量比(C/H)が1〜5となる状態を維持しつつ、各ガスの目標流量に到達するまで各ガスの流量を徐々に増加させていくことにより、アーキングの発生を抑えた状態で導電性炭素膜を形成することができる。 In Examples 20 and 21, a mixed gas of acetylene gas and hydrogen gas is used as the raw material gas in the film forming process, but according to the result of the corrosion test, a conductive carbon film having excellent corrosion resistance can be obtained. You can see that. Further, when the acetylene gas and the hydrogen gas are supplied in the film forming step, the arcing can be made less likely to occur by gradually changing the acetylene gas and the hydrogen gas to a predetermined flow rate. Considering the results of this example, when the acetylene gas and the hydrogen gas are supplied in the film forming process, the flow ratio of the acetylene gas to the hydrogen gas (C 2 H 2 / H 2 ) is maintained at 1 to 5. At the same time, by gradually increasing the flow rate of each gas until the target flow rate of each gas is reached, the conductive carbon film can be formed in a state where the occurrence of arcing is suppressed.

本発明は、燃料電池セパレータ等に用いられる導電性炭素膜の形成に適用することができる。 The present invention can be applied to the formation of a conductive carbon film used for a fuel cell separator or the like.

1 プラズマ処理装置
2 チャンバー
3 台
4 直流パルス電源
5 ガスインレット
6 ガス供給源
7 ガス排気管
8 真空ポンプ
9 ヒーター
20 接触抵抗測定装置
21 チタン板
22 炭素膜
23 カーボンペーパー
24 金属板
25 定電流直流電源
30 腐食試験装置
31 容器
32 容器
33 対極
34 参照極
35 試料極
36 ルギン管
W ワーク
1 Plasma processing device 2 Chambers 3 units 4 DC pulse power supply 5 Gas inlet 6 Gas supply source 7 Gas exhaust pipe 8 Vacuum pump 9 Heater 20 Contact resistance measuring device 21 Titanium plate 22 Carbon film 23 Carbon paper 24 Metal plate 25 Constant current DC power supply 30 Corrosion test equipment 31 Container 32 Container 33 Counter electrode 34 Reference electrode 35 Sample electrode 36 Luggin capillary W work

Claims (6)

直流プラズマCVD法により、ワークに導電性炭素膜を形成する導電性炭素膜の形成方法であって、
導電性炭素膜の成膜工程において、アセチレンガスと水素ガスを供給し、
前記アセチレンガスと前記水素ガスの流量比が1〜5となる状態を維持し、
成膜温度を520℃以上、750℃以下として前記アセチレンガスをプラズマ化する、導電性炭素膜の形成方法。
A method for forming a conductive carbon film on a work by a DC plasma CVD method.
In the process of forming a conductive carbon film, acetylene gas and hydrogen gas are supplied to provide
Maintaining a state in which the flow rate ratio of the acetylene gas and the hydrogen gas is 1 to 5,
A method for forming a conductive carbon film, in which the acetylene gas is turned into plasma at a film forming temperature of 520 ° C. or higher and 750 ° C. or lower.
記アセチレンガスおよび前記水素ガスを供給する際に、前記アセチレンガスと前記水素ガスの流量比が1〜5となる状態を維持しながら、各ガスの流量が目標流量に到達するまで、各ガスの流量を徐々に変化させる、請求項1に記載された導電性炭素膜の形成方法。 When supplying the pre Symbol acetylene gas and the hydrogen gas, while maintaining the state in which the flow rate ratio of the hydrogen gas and the acetylene gas is 1 to 5, until the flow rate of each gas reaches the target flow rate, the gas The method for forming a conductive carbon film according to claim 1, wherein the flow rate of the gas is gradually changed. プラズマ生成用の電源として直流パルス電源を用いる、請求項1または2に記載された導電性炭素膜の形成方法。 The method for forming a conductive carbon film according to claim 1 or 2 , wherein a DC pulse power source is used as a power source for plasma generation. 請求項1〜のいずれか一項に記載された導電性炭素膜の形成方法を用い、ワークに導電性炭素膜を形成して導電性炭素膜が被覆された部材を製造する、導電性炭素膜被覆部材の製造方法。 Conductive carbon for producing a member coated with the conductive carbon film by forming the conductive carbon film on the work by using the method for forming the conductive carbon film according to any one of claims 1 to 3. A method for manufacturing a film coating member. 請求項1〜のいずれか一項に記載された導電性炭素膜の形成方法を用い、燃料電池用セパレータ部材の表面に導電性炭素膜を形成する、燃料電池用セパレータの製造方法。 A method for producing a fuel cell separator, wherein the conductive carbon film is formed on the surface of the fuel cell separator member by using the method for forming the conductive carbon film according to any one of claims 1 to 3. 燃料電池用セパレータの製造方法であって、It is a method of manufacturing a separator for a fuel cell.
直流プラズマCVD法により、燃料電池用セパレータ部材の表面に導電性炭素膜を成膜する工程において、原料ガスとして炭素数4以下の鎖式炭化水素ガスのみ、または前記鎖式炭化水素ガスと水素ガスからなる混合ガスのみを使用し、In the step of forming a conductive carbon film on the surface of the separator member for a fuel cell by the DC plasma CVD method, only a chain hydrocarbon gas having 4 or less carbon atoms or the chain hydrocarbon gas and hydrogen gas is used as a raw material gas. Using only a mixed gas consisting of
成膜温度を520℃以上、750℃以下として前記鎖式炭化水素ガスをプラズマ化する、燃料電池用セパレータの製造方法。A method for producing a separator for a fuel cell, in which the chain hydrocarbon gas is turned into plasma at a film formation temperature of 520 ° C. or higher and 750 ° C. or lower.
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