(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池のセパレータ用の基材の両面に原料ガスを均一に噴射する噴射装置を備えた成膜装置の提供。【解決手段】燃料電池のセパレータ用の基材の表面及び裏面に薄膜をプラズマ成膜する成膜装置において、薄膜の構成元素を含む原料ガスを基材の表面及び裏面に噴射する噴射装置は、基材の表面に向けて原料ガスを噴射する複数のノズル孔５５ａ，５５ｂを有するガス流路５１を備えており、複数のノズル孔５５ａ，５５ｂのうちガス流路５１の上流側に配置されているノズル孔５５ａの孔径よりも、ガス流路５１の下流側に配置されているノズル孔５５ｂの孔径の方が小さい成膜装置。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池のセパレータ用の基材の表面及び裏面に薄膜をプラズマ成膜する成膜装置であって、
前記薄膜の構成元素を含む原料ガスを前記基材の表面及び裏面に噴射する噴射装置を備え、
前記噴射装置は、
前記基材の表面に向けて前記原料ガスを噴射する複数の第１のノズル孔を有する第１のガス流路と、
前記基材の裏面に向けて前記原料ガスを噴射する複数の第２のノズル孔を有する第２のガス流路と、を備え、
前記複数の第１のノズル孔のうち前記第１のガス流路の上流側に配置されている第１のノズル孔の孔径よりも、前記第１のガス流路の下流側に配置されている第１のノズル孔の孔径の方が小さく、
前記複数の第２のノズル孔のうち前記第２のガス流路の上流側に配置されている第２のノズル孔の孔径よりも、前記第２のガス流路の下流側に配置されている第２のノズル孔の孔径の方が小さい、成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池のセパレータ用の基材の両面に薄膜をプラズマ成膜する成膜装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料を電気化学プロセスによって酸化させることにより酸化反応に伴って放出されるエネルギーを電気エネルギーに直接変換する発電システムであり、複数の単セルを積層して成るスタック構造を有している。単セルは、反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）の流路となる溝が形成された一対のセパレータで膜−電極アッセンブリの両面を挟み込んだ構造を有している。セパレータは、単セルで発生した電流を隣の単セルに流す役割も担っているため、セパレータを構成するセパレータ材には、高い導電性が要求されるだけでなく、その高い導電性が燃料電池のセル内部の高温酸性雰囲気中においても長期間維持される導電耐久性が要求される。このような事情に鑑み、特許文献１に記載されているように、プラズマ成膜装置を用いて、燃料電池のセパレータ用の基材の表面に炭素含有薄膜を形成することにより、高い導電性と、その高い導電性が燃料電池のセル内部の高温酸性雰囲気中においても長期間維持される導電耐久性とをセパレータに付与することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−７８４６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１に記載の成膜装置は、成膜室の壁面から燃料電池のセパレータ用の基材に向けて原料ガスを水平方向に噴射しているため（同文献の段落００１７）、原料ガスを基材の両面に均一に噴射するのが困難である。原料ガスを基材の両面に不均一に噴射すると、基材に形成される薄膜の厚みが不均一になったり、或いは、基材と薄膜との間の密着性が低下したりすることがあるため、原料ガスを基材の両面に均一に噴射するのが好ましい。また、基材への原料ガスの噴射により基材の温度が低下すると、プラズマの発生が不安定になり、均一な薄膜の形成が困難になるため、基材の温度低下を抑制するのが好ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
本発明に係る成膜装置は、燃料電池のセパレータ用の基材の表面及び裏面に薄膜をプラズマ成膜する成膜装置であって、薄膜の構成元素を含む原料ガスを基材の表面及び裏面に噴射する噴射装置を備える。ここで、噴射装置は、基材の表面に向けて原料ガスを噴射する複数の第１のノズル孔を有する第１のガス流路と、基材の裏面に向けて原料ガスを噴射する複数の第２のノズル孔を有する第２のガス流路とを備えており、複数の第１のノズル孔のうち第１のガス流路の上流側に配置されている第１のノズル孔の孔径よりも、第１のガス流路の下流側に配置されている第１のノズル孔の孔径の方が小さく、複数の第２のノズル孔のうち第２のガス流路の上流側に配置されている第２のノズル孔の孔径よりも、第２のガス流路の下流側に配置されている第２のノズル孔の孔径の方が小さい。このように、ガス流路の上流側に配置されているノズル孔の孔径よりも、ガス流路の下流側に配置されているノズル孔の孔径の方を小さくすることにより、複数のノズル孔から基材に向けて噴射される原料ガスを均一化することができる。
【０００７】
基材の平面形状は、例えば、略四辺形である。第１のガス流路は、基材の表面に平行な平面内において、基材の三辺を囲むように略コの字状に屈曲しており、第２のガス流路は、基材の裏面に平行な平面内において、基材の三辺を囲むように略コの字状に屈曲しているのが好ましい。また、複数の第１のノズル孔のそれぞれは、基材の表面に対して傾斜した角度で原料ガスを噴射し、複数の第２のノズル孔のそれぞれは、基材の裏面に対して傾斜した角度で原料ガスを噴射するのが好ましい。このような構成によれば、基材の表面及び裏面のそれぞれに原料ガスを均一に噴射することができる。
【０００８】
また、基材を保持する治具の熱容量は、基材への原料ガスの噴射に起因する基材の温度低下が所定値未満となるように選択するのが好ましい。これにより、基材への原料ガスの噴射に起因する基材の温度低下を所定値未満に制限し、プラズマの不安定化を抑制することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る成膜装置よれば、燃料電池のセパレータ用の基材の両面に原料ガスを均一に噴射することができる。また、本発明に係る成膜装置によれば、基材への原料ガスの噴射による基材の温度低下を所定値未満に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施形態に係る成膜装置の概略構成を示す説明図である。
【図２】本実施形態に係る成膜室の側面を示す説明図である。
【図３】本実施形態に係る成膜室の正面を示す説明図である。
【図４】本実施形態に係る噴射装置の概略構成を示す説明図である。
【図５】本実施形態に係る噴射装置のガス流路の概略構成を示す説明図である。
【図６】本実施形態に係る噴射装置のガス流路の概略構成を示す説明図である。
【図７】本実施形態に係る噴射装置のガス流路の概略構成を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図１乃至図７を参照しながら本発明の実施形態について説明する。ここで、同一符号は同一の要素を示すものとし、重複する説明は省略する。また、図１乃至図７において、Ｘ方向及びＹ方向は、水平面に平行な方向を示し、Ｚ方向は鉛直方向に平行な方向を示す。
図１は本実施形態に係る成膜装置１０の概略構成を示す説明図である。成膜装置１０は、化学気相成長法の一種であるプラズマＣＶＤ法により薄膜の構成元素を含む化合物の一種類以上の原料ガスをプラズマ化し、燃料電池のセパレータ用の基材６０の両面に薄膜を真空蒸着形成する。基材６０の平面形状は、例えば、略四辺形である。本実施形態では、基材６０の両面に形成される薄膜の一例として、炭素含有薄膜を例示する。炭素含有薄膜の構造は、アモルファス構造でもよく、或いはグラファイト構造でもよい。アモルファス構造を有する炭素含有薄膜として、ダイヤモンドライクカーボン膜が知られている。このような炭素含有薄膜は、炭素原子以外に水素原子等の他の元素を含有していてもよく、炭素含有薄膜全体として、導電性を有していればよい。
【００１２】
成膜装置１０は、プラズマ存在下で基材６０の両面に薄膜形成を行う成膜室４０と、成膜室４０におけるプラズマ存在下での基材６０への薄膜形成に先立って基材６０の両面を均一に予備加熱する予備加熱室３０と、予備加熱室３０と成膜室４０との間で基材６０を搬送する搬送機構２０とを備えている。
【００１３】
搬送機構２０は、中空円筒状のシリンダ筒２１と、シリンダ筒２１の内壁に沿って往復摺動可能に配置されたシリンダ軸２２と、シリンダ軸２２をシリンダ筒２１に沿って往復摺動させるための摺動機構２３とを備えている。摺動機構２３は、シリンダ筒２１の外壁に沿って往復摺動可能に嵌合する環状のスライダであり、その内部には、磁石２４が設けられている。また、シリンダ軸２２の端部付近には、磁石２４と相互作用する磁石２５が設けられており、これらの磁石２４，２５間に作用する磁力を利用して摺動機構２３の往復運動に連動してシリンダ軸２２を往復運動させることができる。シリンダ軸２２の先端には、弁体２６と、弁体２６に接続する治具２７とが設けられている。治具２７は、基材６０を保持するための部材である。
【００１４】
予備加熱室３０は、予備加熱空間を画定する筐体３１と、基材６０を予備加熱室３０へ搬入するために筐体３１に対して開閉可能な蓋３２と、予備加熱空間に設置された基材６０を予備加熱する赤外線ランプヒータ３３と、予備加熱室３０と成膜室４０との間で基材６０を搬送するために開閉可能なシャッター３４とを備えている。なお、図１には図示していないが、予備加熱室３０は、基材６０を予備加熱する際に、予備加熱室３０内を真空引きする真空ポンプと、基材６０の温度を目標温度に一致させるために赤外線ランプヒータ３３から照射される赤外線の強度を制御する制御ユニットとを備えている。
【００１５】
成膜室４０は、プラズマ発生空間を画定する筐体４１と、プラズマ生成に必要な電圧を発生する一対の対極４２，４３と、薄膜の構成元素を含む原料ガスを基材６０の表面及び裏面に噴射する噴射装置５０とを備えている。なお、図１には図示していないが、成膜室４０は、基材６０への薄膜形成時に成膜室４０内を真空引きする真空ポンプと、噴射装置５０に原料ガスを供給する原料ガス供給源と、基材６０を陰極とし、且つ、一対の対極４２，４３を陽極として、電圧を印加するプラズマ発生用電源と、プラズマ成膜に用いられることのなかった原子を含む排ガスを成膜室４０から排気する排ガス処理部とを備えている。原料ガスとして、例えば、複素環式芳香族化合物のアミンの一種であるピリジンを用いることができる。原料ガスは、炭素原子に加えて、窒素原子やケイ素原子を含んでいてもよい。プラズマ中の原料ガスの炭素原子の陽イオンは、陰極である基材６０の表面及び裏面に吸着及び堆積することにより、炭素含有薄膜が蒸着形成される。
【００１６】
次に、図２乃至図７を参照しながら、噴射装置５０の構成について説明する。図２は成膜室４０の側面を示す説明図、図３は成膜室４０の正面を示す説明図、図４は噴射装置５０の概略構成を示す説明図、図５乃至図７はガス流路５１，５２の概略構成を示す説明図である。噴射装置５０は、基材６０の表面６１に向けて原料ガスを噴射する複数のノズル孔５５を有するガス流路５１と、基材６０の裏面６２に向けて原料ガスを噴射する複数のノズル孔５６を有するガス流路５２と、原料ガス供給源から供給される原料ガスを、二股に分岐する分岐流路５４を介して、ガス流路５１，５２に導くガス流路５３とを備えている。ガス流路５１は、基材６０の表面６１に平行な平面内において、基材６０の三辺を囲むように略コの字状に屈曲している。同様に、ガス流路５２は、基材６０の裏面６２に平行な平面内において、基材６０の三辺を囲むように略コの字状に屈曲している。
【００１７】
ガス流路５１に沿って配置される各ノズル孔５５は、その位置に応じて孔径が異なるように形成されており、具体的には、図５に示すように、複数のノズル孔５５のうちガス流路５１の上流側に配置されているノズル孔５５ａの孔径よりも、ガス流路５１の下流側に配置されているノズル孔５５ｂの孔径の方が小さくなるように形成されている。同様に、ガス流路５２に沿って配置される各ノズル孔５６は、その位置に応じて孔径が異なるように形成されており、具体的には、図６に示すように、複数のノズル孔５６のうちガス流路５２の上流側に配置されているノズル孔５６ａの孔径よりも、ガス流路５２の下流側に配置されているノズル孔５６ｂの孔径の方が小さくなるように形成されている。なお、本明細書では、ノズル孔５５は、ノズル孔５５ａ，５５ｂを総称する用語であり、ノズル孔５５ａ，５５ｂを区別する必要がないときは、ノズル孔５５の用語を用いることとする。同様に、ノズル孔５６は、ノズル孔５６ａ，５６ｂを総称する用語であり、ノズル孔５６ａ，５６ｂを区別する必要がないときは、ノズル孔５６の用語を用いることとする。本発明者の実験によれば、原料ガスの圧力、流量、排気速度等を考慮し、ガス流路５１の上流側に配置されているノズル孔５５ａの孔径よりも、ガス流路５１の下流側に配置されているノズル孔５５ｂの孔径の方を小さくすることにより、複数のノズル孔５５から基材６０の表面６１に向けて噴射される原料ガスを均一化することができることが判明している。同様に、ガス流路５２の上流側に配置されているノズル孔５６ａの孔径よりも、ガス流路５２の下流側に配置されているノズル孔５６ｂの孔径の方を小さくすることにより、複数のノズル孔５６から基材６０の裏面６２に向けて噴射される原料ガスを均一化することができることが判明している。説明の便宜上、ガス流路５１は、相対的に孔径の大きいノズル孔５５ａと、相対的に孔径の小さいノズル孔５５ｂとの２種類のノズル孔５５を有している場合を例示しているが、ガス流路５１は、その下流側に配置されるもの程、孔径が次第に小さくなる３種類以上のノズル孔５５を有していてもよい。同様に、ガス流路５２は、その下流側に配置されるもの程、孔径が次第に小さくなる３種類以上のノズル孔５６を有していてもよい。
【００１８】
複数のノズル孔５５のそれぞれは、基材６０の表面６１に原料ガスを均一に噴射できるように、基材６０の表面６１に対して傾斜した角度θで原料ガスを噴射するように形成されている。同様に、複数のノズル孔５６のそれぞれは、基材６０の裏面６２に原料ガスを均一に噴射できるように、基材６０の裏面６２に対して傾斜した角度θで原料ガスを噴射するように形成されている。θは、原料ガスの噴射方向と鉛直方向とのなす角であり、例えば、約３８°である。
【００１９】
また、基材を保持する治具２７の熱容量は、基材６０への原料ガスの噴射に起因する基材６０の温度低下が所定値未満（例えば、１０℃未満）となるように選択するのが好ましい。これにより、基材６０への原料ガスの噴射に起因する基材６０の温度低下を所定値未満に制限し、プラズマの不安定化を抑制することができる。治具２７の質量又は体積を大きくしたり、或いは治具２７を高比熱材質から形成したりすることにより、治具２７の熱容量を大きくすることができる。
【００２０】
以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更／改良され得るととともに、本発明にはその等価物も含まれる。即ち、実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、実施形態が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図示の比率に限定されるものではない。また、実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
【符号の説明】
【００２１】
１０…成膜装置
２０…搬送機構
２７…治具
３０…予備加熱室
４０…成膜室
５０…噴射装置
５１，５２，５３，５４…ガス流路
５５ａ，５５ｂ，５６ａ，５６ｂ…ノズル孔
６０…基材
６１…表面
６２…裏面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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