(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステンレス鋼から作られた基材（３；３’）と、窒化クロム系コーティング層（５；５’）とを含む金属ストリップ又はシート（１；１’）であって、前記コーティング層（５；５’）が、任意選択で酸素を含み、物理気相堆積（ＰＶＤ）により得られ、前記コーティング層（５；５’）が、前記基材（３；３’）から出発して前記コーティング層（５；５’）の表面に向けて移動した場合に、界面領域（６）と、コア領域（７）と、表面領域（８）とからなっており、前記領域（６、７、８）が、前記基材（３；３’）の平均平面と垂直な方向に沿って重ねられており、前記コア領域（７）が、原子窒素含有量の１／３より少ない原子酸素含有量を含み、前記表面領域（８）及び前記界面領域（６）が、原子窒素含有量より少ない原子酸素含有量を含む、金属ストリップ又はシート（１；１’）。
【請求項２】
前記表面領域（８）が、前記コーティング層（５；５’）の全体の厚さの１５％以下の高さを有する、請求項１に記載の金属ストリップ又はシート（１；１’）。
【請求項３】
前記界面領域（６）が、前記コーティング層（５；５’）の全体の厚さの１５％以下の高さを有する、請求項１又は２に記載の金属ストリップ又はシート（１；１’）。
【請求項４】
１００Ｎ／ｃｍ２で１０ｍΩ・ｃｍ２未満の接触抵抗（ＩＣＲ）を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の金属ストリップ又はシート（１；１’）。
【請求項５】
前記コーティング層（５；５’）が、前記コーティング層（５’）と前記基材（３’）のステンレス鋼との間に不動態層（１０）の介在なく、ステンレス鋼の前記基材（３’）上に直接形成されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の金属ストリップ又はシート（１’）。
【請求項６】
前記コーティング層（５’）が、テクスチャ加工されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の金属ストリップ又はシート（１’）。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載のシート（１；１’）又は請求項１〜６のいずれか１項に記載のストリップ（１；１’）から切断されたブランクを変形することで得られた少なくとも１つのプレート（１３）を含む、バイポーラプレート（１１）。
【請求項８】
前記コーティング層（５’）が、前記基材（３’）のステンレス鋼とエピタキシャル関係を有する、請求項６に記載の金属ストリップ又はシート（１’）。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の金属ストリップ又はシート（１；１’）の製造方法であって、
ステンレス鋼から作られた基材（３；３’）を提供する提供工程と、
堆積チャンバー（２０）と、前記堆積チャンバー（２０）内に配置されたクロムターゲット（２２）とを含む堆積設備（１４）内での物理気相堆積（ＰＶＤ）によって、前記基材（３；３’）上に窒化クロム系層を堆積する工程であって、前記基材（３；３’）が、長手方向において前記堆積チャンバー（２０）を通じて移動する堆積工程と
を含み、長手方向に沿って考えた場合に、前記堆積チャンバー（２０）が、前記堆積チャンバー（２０）の長さより短い長さを持つ堆積領域（３０；３０’）と、少なくとも、長手方向において前記堆積領域（３０；３０’）と隣接した第１禁止領域（３２）とを含み、
堆積中に、前記堆積領域（３０；３０’）においてのみ窒化クロムが前記基材（３；３’）上に堆積され、前記第１禁止領域（３２）において窒化クロムが前記基材（３；３’）上に堆積されない、製造方法。
【請求項１０】
前記第１禁止領域（３２）が、前記基材（３）のパス上で前記ターゲット（２２）より下流に位置した、請求項９に記載の製造方法。
【請求項１１】
前記基材（３）上へのクロムの堆積速度が、前記ターゲット（２２）より下流の前記堆積領域（３０；３０’）において所定の閾値以上である、請求項１０に記載の製造方法。
【請求項１２】
前記堆積チャンバー（２０）が、クロム原子を透過しない下流カバー（２８）を含み、前記下流カバー（２８）が、前記第１禁止領域（３２）において前記基材（３：３’）上に窒化クロムが噴射されるのを防止し、かつ、前記堆積領域（３０；３０’）において前記基材（３）上に窒化クロムが噴射されることを可能とするように、前記チャンバー（２０）内に配置されている、請求項９〜１１のいずれか１項に記載の製造方法。
【請求項１３】
前記下流カバー（２８）が、前記第１禁止領域（３２）においてクロム原子が噴射されるのを防止するように、前記第１禁止領域（３２）に向けて噴射されるクロム原子の軌道上に挿入されている、請求項１２に記載の製造方法。
【請求項１４】
前記下流カバー（２８）が、前記基材（３；３’）上への堆積速度が前記所定の閾値より低い、前記ターゲット（２２）からの前記基材（３；３’）へのクロム原子の堆積を防止するように、前記堆積チャンバー（２０）内に配置されている、請求項１１と組み合わせた請求項１２又は１３に記載の製造方法。
【請求項１５】
前記堆積チャンバー（２０）が、前記堆積工程中に前記基材（３；３’）上に窒化クロムが堆積されない第２禁止領域（３３）をさらに含み、前記第１禁止領域（３２）及び前記第２禁止領域（３３）が長手方向において前記堆積領域（３０’）を構成するように、前記第２禁止領域（３３）が前記堆積領域（３０’）と隣接している、請求項９〜１４のいずれか１項に記載の製造方法。
【請求項１６】
前記第２禁止領域（３３）が、前記基材（３；３’）のパス上で前記ターゲット（２２）より上流に位置した、請求項１５に記載の製造方法。
【請求項１７】
前記堆積領域（３０’）全体において、堆積中の前記基材（３；３’）へのクロム原子の堆積速度が、所定の閾値以上である、請求項１１と組み合わせた請求項１６に記載の製造方法。
【請求項１８】
前記堆積チャンバー（２０）が、クロム原子を透過しない上流カバー（２９）をさらに含み、前記上流カバー（２９）が、前記堆積領域（３０’）において前記基材（３；３’）上に窒化クロムが噴射されることを可能とし、かつ、前記第２禁止領域（３３）において前記基材（３：３’）上に窒化クロムが噴射されるのを防止するように、前記チャンバー（２０）内に配置されている、請求項１５〜１７のいずれか１項に記載の製造方法。
【請求項１９】
前記上流カバー（２９）が、前記第２禁止領域（３３）においてクロム原子が噴射されるのを防止するように、前記ターゲット（２２）から前記第２禁止領域（３３）に向けて噴射されるクロム原子の軌道上に挿入されている、請求項１８に記載の製造方法。
【請求項２０】
前記堆積工程の前に、所与の堆積設備について、較正により所定の閾値を決定する工程を含み、前記所定の閾値が、所望の接触抵抗を有してコーティング層が得られる最小の堆積速度と一致している、請求項１１と組み合わせた請求項９〜１９のいずれか１項に記載の製造方法。
【請求項２１】
前記提供工程中に、ステンレス鋼から作られ、表面上に不動態酸化層を含む金属ストリップ又はシートが提供され、前記提供工程が、少なくとも、前記コーティング層（５’）でコーティングされることが意図された前記金属ストリップ又はシート（１’）の領域において、これらの領域で堆積工程の始めに不動態層（１０）の残留物が残らないように、前記不動態層（１０）を剥離して、前記不動態層（１０）を完全に取り除くための工程をさらに含む、請求項９〜２０のいずれか１項に記載の製造方法。
【請求項２２】
請求項９〜２１のいずれか１項に記載の方法を使用して得られた金属ストリップ（１；１’）を切断して、プレート（１３）を得る工程と、このプレート（１３）を成形する工程とを含む、バイポーラプレート（１１）の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属ストリップ又はシートを製造するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
プロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）は、膜・電極接合体（ＭＥＡ）とも称される、それぞれがアノード／電極／カソード接合体から構成された電池ユニットと、ＭＥＡ接合体の各側上で広がるガス拡散層（ＧＤＬ）と、バイポーラプレートとを含む。バイポーラプレートは、電池ユニットの部材を互いに対して接合することを確実にする。それらは、セル内で作られた排水、低温液体及びガスの分配を確実にする流体循環路をさらに画定する。それらはまた、電極で生成された電流を収集するために作用する。
【０００３】
燃料電池内でバイポーラプレートが担う重要な役割、並びに、多くの分野でそのようなセルの高まりつつある重要性の観点から、製造するのが高価でなく、さらに燃料電池内での動作中に長い寿命を有する、コンパクトなバイポーラプレートを開発することが望ましい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、本発明の１つの目的は、製造するのが高価でなく、さらに燃料電池内での動作中に長い寿命を有するバイポーラプレートを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
その目的を達成するために、本発明は、上で引用したような金属ストリップ又はシートの製造方法であって、ステンレス鋼から作られた基材を提供する提供工程と、堆積チャンバーと、堆積チャンバー内に配置されたクロムターゲットとを含む堆積設備内での物理気相堆積（ＰＶＤ）によって、基材上に窒化クロム系層を堆積する工程であって、基材が長手方向において堆積チャンバーを通じて移動する堆積工程とを含み、長手方向に沿って考えた場合に、堆積チャンバーが、堆積チャンバーの長さより短い長さを持つ堆積領域と、少なくとも、長手方向において堆積領域に隣接した第１禁止領域とを含み、堆積中に、堆積領域においてのみ窒化クロムが基材上に堆積され、第１禁止領域において窒化クロムが基材上に堆積されない製造方法に関する。
【０００６】
具体的な特徴によれば、方法は、単独か又は任意の技術的に可能な１つ又は複数の組み合わせに従って考えらえる以下の特徴のうち１つ又は複数を有する。
【０００７】
第１禁止領域が、基材のパス上でターゲットより下流に位置している。
【０００８】
基材上へのクロムの堆積速度が、ターゲットより下流の堆積領域において所定の閾値以上である。
【０００９】
堆積チャンバーが、クロム原子を透過しない下流カバーを含み、前記下流カバーが、第１禁止領域において基材上に窒化クロムが噴射されるのを防止し、かつ、堆積領域において基材上に窒化クロムが噴射されることを可能とするように、チャンバー内に配置されている。
【００１０】
下流カバーが、第１禁止領域においてクロム原子が噴射されるのを防止するように、第１禁止領域に向けて噴射されるクロム原子の軌道上に挿入されている。
【００１１】
下流カバーが、基材上への堆積速度が所定の閾値より低い、ターゲットからのクロム原子の基材への堆積を防止するように、堆積チャンバー内に配置されている。
【００１２】
堆積チャンバーが、堆積工程中に基材上に窒化クロムが堆積されない第２禁止領域をさらに含み、第１禁止領及び第２禁止領域が長手方向において堆積領域を構成するように、第２禁止領域が堆積領域と隣接している。
【００１３】
第２禁止領域が、基材のパス上でターゲットより上流に位置している。
【００１４】
堆積領域全体において、堆積中の基材へのクロム原子の堆積速度が、所定の閾値以上である。
【００１５】
堆積チャンバーがクロム原子を透過しない上流カバーをさらに含み、前記上流カバーが、第１堆積領域において基材上に窒化クロムが噴射されることを可能とし、かつ、第２禁止領域において基材上に窒化クロムが噴射されるのを防止するように、チャンバー内に配置されている。
【００１６】
上流カバーが、第２禁止領域においてクロム原子が噴射されるのを防止するように、ターゲットから第２禁止領域に向けて噴射されるクロム原子の軌道上に挿入されている。
【００１７】
方法は、堆積工程の前に、所与の堆積設備について、較正により所定の閾値を決定する工程を含み、所定の閾値が、所望の接触抵抗を有してコーティング層が得られる最小の堆積速度と一致している。
【００１８】
提供工程中に、ステンレス鋼から作られ、その表面上に不動態酸化層を含む金属ストリップ又はシートが提供され、前記提供工程が、少なくとも、コーティング層でコーティングされることが意図された金属ストリップ又はシートの領域において、これらの領域で堆積工程の始めに不動態層の残留物が残らないように、不動態層を剥離して、不動態層を完全に取り除くための工程をさらに含む。
【００１９】
本発明は、ステンレス鋼から作られた基材と、窒化クロム系コーティング層とを含む金属ストリップ又はシートに関し、コーティング層が任意選択で酸素を含み、前記コーティング層は、物理気相堆積（ＰＶＤ）により得られ、コーティング層は、その表面上に原子窒素含有量より少ない原子酸素含有量を含む表面領域を含む。具体的な特徴によれば、金属ストリップ又はシートは、単独か又は任意の技術的に可能な１つ又は複数の組み合わせで考えられる以下の特徴のうち１つ又は複数を有する。
【００２０】
表面領域は、コーティング層の全体の厚さの１５％以下の高さを有する。
【００２１】
コーティング層は、基材との界面に、その原子窒素含有量より少ない原子酸素含有量を含む界面領域を含む。
【００２２】
界面領域は、コーティング層の全体の厚さの１５％以下の高さを有する。
【００２３】
コーティング層は、基材から出発してコーティング層の表面に向けて移動した場合に、界面領域と、コア領域と、表面領域とからなっており、前記領域は、基材の平均平面と垂直な方向に沿って重ねられている。
【００２４】
コーティング層は、１００Ｎ／ｃｍ2で１０ｍΩ・ｃｍ2未満の接触抵抗（ＩＣＲ）を有する。
【００２５】
コーティング層は、基材のステンレス鋼とコーティング層との間に不動態層の介在なく、ステンレス鋼の基材上に直接形成されている。
【００２６】
コーティング層は、テクスチャ加工されており、特に、基材のステンレス鋼とエピタキシャル関係を有する。
【００２７】
本発明はまた、上で定義したようなストリップから切断されたブランク又はシートを変形することで得られた少なくとも１つのプレートを含むバイポーラプレートに関する。
【００２８】
本発明は、上で規定したような方法を使用して得られた金属ストリップを切断してプレートを得る工程と、このプレートを成形する工程とを含む、バイポーラプレートの製造方法に関する。
【００２９】
単に例として与えられ、添付の図面に関連してなされる以下の説明を読むことで、本発明はより良好に理解される。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明に係る金属ストリップの概略図である。
【図２】図１のストリップを製造するための方法の概略的図示である。
【図３】第１実施形態に係る堆積設備の概略的図示である。
【図４】本発明に従っていない堆積設備の概略的図示である。
【図５】第２実施形態に係る堆積設備の概略的図示である。
【図６】接触抵抗を測定するための接合体の概略的図示である。
【図７】本発明に係る金属ストリップから得られたバイポーラプレートの概略的図示である。
【図８】本発明の別の実施形態に係る金属ストリップの概略図である。
【図９】図８のストリップを製造するための方法の概略的図示である。
【図１０】図８のストリップから得られたブランクの透過型電子顕微鏡の画像を処理することで得られた画像である。
【図１１】比較ストリップ上で比較として使用された図１０と同様の画像である。
【図１２】図８のストリップから得られたブランクをスタンピングすることで得られたプレートの走査型電子顕微鏡の画像である。
【図１３】比較ストリップから得られたブランクをスタンピングすることで得られたプレートから得られた、図１２と同様の図である。
【図１４】図８のストリップから得られたブランクをスタンピングすることで得られたプレートの透過型電子顕微鏡の画像である。
【図１５】比較ストリップから得られたブランクをスタンピングすることで得られたプレートから得られた、図１４と同様の図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
説明を通じて、「ａ〜ｂに含まれる」という表現は、境界ａ及びｂを含むと理解しなければならない。
【００３２】
図１に示される金属ストリップ１は、ステンレス鋼の基材３と、少なくとも１つのコーティング層５とを含む。
【００３３】
より具体的には、基材３は、ステンレス鋼、特にフェライト系又はオーステナイト系ステンレス鋼から作られたストリップである。例としては、基材３は１．４４０４、１．４３０６、１．４５１０又は１．４５０９のステンレス鋼で作られる。
【００３４】
基材３は、７５〜２００マイクロメートルに含まれる厚さ、特に１００マイクロメートル以下の厚さを有する。
【００３５】
ストリップ形態の基材３は、任意の適切な従来の方法、例えば、所望の合金から作られたスラブを１つ又は複数のパス内で熱間圧延して、その後１つ又は複数のパスで冷間圧延することによって得られ、その方法は１つ又は複数の熱処理、特にアニールを含むことができる。
【００３６】
基材３のステンレス鋼は多結晶である。したがって、それは複数の粒子から作られる。基材３を形成する鋼の粒子は、５０マイクロメートル未満、特に１０〜３０マイクロメートルに含まれるサイズを有する。
【００３７】
コーティング層５は、型ＣｒＮの窒化クロムに基づく層である。
【００３８】
後で理解されるように、窒化クロム系層は、任意選択で、後で特定される制限内で酸素を含む。
【００３９】
例としては、窒化クロム系コーティング層５は、ｘは０．６〜２に含まれ、ｙは１．４未満であるＣｒＮxＯyと、可能性のある不純物、特に製造から生じた不純物とからなる。
【００４０】
ｘとｙの合計は、窒化クロム系コーティング層５がＣｒ1Ｎ1の面心立方結晶構造を有するように決まる。この結晶構造は当業者に公知である。
【００４１】
コーティング層５は、例えば、３〜１５０ｎｍに含まれる厚さを有する。それは、特に好ましくは５０ｎｍ以上であり、例えば、５０ｎｍ以上かつ１００ｎｍ以下である。
【００４２】
コーティング層５は、物理気相堆積法を使用して得られる。
【００４３】
窒化クロム系コーティング層５を堆積するための物理気相堆積法の使用により、このコーティング層の特徴的な微細構造が生じる。特に、コーティング層５は、比較できない場合は、基材３を構成する鋼のサイズと実質的に同一のサイズの粒子を含むカラム構造を有する。
【００４４】
コーティング層５は基材３と垂直な成長方向を有する。
【００４５】
物理気相堆積法の使用により、コーティング層５の厚さの１０〜２０％に含まれる幅を持つカラムで構成された、コーティング層５のカラム構造がもたらされる。例としては、カラムの幅は約１０ナノメートルである。
【００４６】
コーティング層５のカラムは、コーティング層５の成長方向に沿って成長する。この意味において、カラムの長さは基材３と垂直な方向のカラムの寸法を言い表し、幅は基材３の平均平面に平行な平面のカラムの寸法を言い表す。
【００４７】
図１で示されるように、コーティング層５は、コーティング層５の方向に沿って、すなわち基材３の平均平面に垂直な方向に沿って、３つの多層領域からなる。各領域は、基材３の平均平面と平行に考えた場合、コーティング層５の表面全体にわたって広がる。好ましくは、各領域は実質的に一定の厚さを有する。
【００４８】
より具体的には、コーティング層５は、基材３の平均平面と垂直な方向において、基材３から出発してコーティング層５の表面に向けて移動した場合に、界面領域６と、コア領域７と、表面領域８とからなる。
【００４９】
コーティング層５の表面領域８はコーティング層５の表面に位置する。
【００５０】
表面領域８は、その原子窒素含有量より少ない原子酸素含有量を有する。表面領域８における、原子クロム含有量に対する原子酸素含有量の比と、原子クロム含有量に対する原子窒素含有量の比との間の偏差は、好ましくは０．１以上であると考えられる。
【００５１】
表面領域８は、型：ＣｒＮx1Ｏy1の組成を有し、ｙ１はｘ１より小さく、残部は可能性のある不純物、特に製造から生じた不純物からなる。これらの不純物は酸素を含まない。ｘ１とｙ１の間の差は、好ましくは少なくとも０．１である。
【００５２】
係数ｘ１は、表面領域８における原子クロム含有量に対する原子窒素含有量の比に対応する。係数ｙ１は、表面領域８における原子クロム含有量に対する原子酸素含有量の比に対応する。
【００５３】
係数ｘ１とｙ１の合計は、表面領域８がＣｒ1Ｎ1の面心立方結晶構造を有するように決まる。
【００５４】
ｘ１は有利には０．６〜２である。
【００５５】
ｘ１の値と関係なく、ｙ１は、有利には１．４以下で、ｘ１未満であり、表面領域８がＣｒ1Ｎ1の結晶構造を保持するように決まる。
【００５６】
特に、表面領域８は、コーティング層５の厚さの少なくとも５％にわたって広がる。それは、多くともコーティング層５の厚さの約１５％にわたって広がる。
【００５７】
表面領域８上に、コーティング層５の酸化から生じる酸化層は形成されない。
【００５８】
コーティング層５の界面領域６は、基材３との界面に位置する。それは、基材３を作る鋼と直接接触している。それは、基材３に最も近いコーティング層５の部分を形成する。
【００５９】
有利には、界面領域６は、その原子窒素含有量より少ない原子酸素含有量を有する。界面領域６における、原子クロム含有量に対する原子酸素含有量の比と、原子クロム含有量に対する原子窒素含有量の比との間の差は、好ましくは０．１以上である。
【００６０】
界面領域６は、型：ＣｒＮx2Ｏy2の組成を有し、ｙ２はｘ２より小さく、残部は可能性のある不純物、特に製造から生じた不純物からなる。これらの不純物は酸素を含まない。ｘ２とｙ２の間の差は、好ましくは少なくとも０．１である。
【００６１】
係数ｘ２は、界面領域６における原子クロム含有量に対する原子窒素含有量の比に対応する。係数ｙ２は、界面領域６における原子クロム含有量に対する原子酸素含有量の比に対応する。
【００６２】
係数ｘ２とｙ２の合計は、界面領域６がＣｒ1Ｎ1の面心立方結晶構造を有するように決まる。
【００６３】
ｘ２は有利には０．６〜２である。
【００６４】
ｘ２の値と関係なく、ｙ２は有利には１．４以下で、ｘ２未満であり、界面領域６がＣｒ1Ｎ1の結晶構造を保持するように決まる。
【００６５】
特に、界面領域６は、コーティング層５の厚さの少なくとも１％にわたって広がる。それは、多くともコーティング層５の厚さの約１５％にわたって広がる。より具体的には、それは、多くともコーティング層５の厚さの１０％にわたって広がる。
【００６６】
コーティング層５のコア領域７は、コーティング層５のコアを形成する。それは、界面領域６と表面領域８の間で、基材３の平均平面と垂直な方向に沿って広がる。それは、コーティング層５の厚さの過半を構成する。有利には、それは、コーティング層５の厚さの少なくとも７０％にわたって広がる。
【００６７】
特に、コア領域７は、その原子窒素含有量の１／３より少ない原子酸素含有量を有する。言い換えると、それは、型：ＣｒＮx3Ｏy3の組成を有し、ｙ３はｘ３／３より小さく、残部は可能性のある不純物、特に製造から生じた不純物からなる。これらの不純物は酸素を含まない。
【００６８】
係数ｘ３は、コア領域７における原子クロム含有量に対する原子窒素含有量の比に対応する。係数ｙ３は、コア領域７における原子クロム含有量に対する原子酸素含有量の比に対応する。
【００６９】
係数ｘ３とｙ３の合計は、コア領域７がＣｒ1Ｎ1の面心立方結晶構造を有するように決まる。
【００７０】
ｘ３は有利には０．６〜２である。
【００７１】
ｘ３の値と関係なく、ｙ３は有利には１．４以下で、ｘ３未満であり、コア領域７がＣｒ1Ｎ1の結晶構造を保持するように決まる。
【００７２】
本発明に係るストリップ１は、プロトン交換膜燃料電池中のバイポーラプレートとして使用するのに特に有利である。
【００７３】
実際には、バイポーラプレートを製造するために基材としてステンレス鋼を使用することは特に有利である。実際に、ステンレス鋼は高価でない材料であり、さらに、バイポーラプレートとしての使用に対して極めて有利な特性を有する。特に、それは優れた機械特性を有する。それはまた、スタンピングすることができ、溶接することができ、ガスを透過しなく、その厚さでの高い電気伝導度、並びに良好な熱伝導度を有する。
【００７４】
しかしながら、裸のステンレス鋼基材が、燃料電池のバイポーラプレートで使用された場合、これらのバイポーラプレートは不十分な電気特性を有する。窒化クロム系コーティング層５は導電性であり、金属ストリップ１を使用して作られたバイポーラプレートの電気表面特性を改善するために作用する。
【００７５】
原子酸素含有量が原子窒素含有量より少ない、上で説明したような表面領域８を有するコーティング層５は、燃料電池内のバイポーラプレートとして使用するのに特に有利である。実際に、本発明者らは、表面領域８における原子酸素含有量が原子窒素含有量より少ない場合に、そのようなストリップから切断されたシートと、ＳＧＬグループの参照品３４ＢＣを含むガス拡散層との間で測定された界面接触抵抗（ＩＣＲ）が１００Ｎ／ｃｍ2で１０ｍΩ・ｃｍ2であることを述べた。
【００７６】
反対に、本発明者らは、表面領域８の原子酸素含有量がその原子窒素含有量以上である場合、より高い接触抵抗、少なくとも１００Ｎ／ｃｍ2で１００ｍΩ・ｃｍ2が測定され、それは、燃料電池内のバイポーラプレートとして使用するのには満足するものではないことを述べた。
【００７７】
さらに、本発明者らは、コーティング層５が、その界面領域６で、その原子窒素含有量より少ない原子酸素含有量を含む場合、コーティング層５は、この条件を満たしていないコーティング層に比べて良好な基材３への接着性を有すると述べた。この特性は、ストリップ１が燃料電池用のバイポーラプレートを製造するために使用された場合に、特に有利である。実際に、基材３上へのコーティング層５の不十分な接着により、成形中に、特にスタンピングによってそれが剥がされるリスクが増加し、そのような剥がれのリスクは、バイポーラプレートの導電特性を劣化させる。
【００７８】
本発明の第１実施形態に係る金属ストリップ１を得るための方法を、図２及び図３を参照して説明する。
【００７９】
この方法の第１工程の間に、ストリップ形態の金属基材３が提供される。基材３はステンレス鋼から作られる。
【００８０】
第２工程の間に、基材３上への窒化クロムの物理気相堆積（ＰＶＤ）が、図３に示すように、物理気相堆積設備１４内で行われる。
【００８１】
慣例的に、図３に示される物理気相堆積設備１４は、真空下に設置することができる堆積チャンバーと、ターゲット２２とを含む。ターゲット２２はクロムから作られる。
【００８２】
基材３は、以下で長手方向と称される移動方向に沿ってチャンバーを通過する。説明全体において、上流及び下流という用語は、チャンバー２０を通じた基材３の移動を参照して使用される。
【００８３】
チャンバー２０は、その長手端部のそれぞれに、基材３のための通路開口２５を含む。開口２５は有利には密閉されている。
【００８４】
示した例において、チャンバー２０は不活性ガス源２４を含む。この不活性ガスは例えばアルゴンである。
【００８５】
使用されるＰＶＤ法は、有利にはカソードスパッタリング法である。この場合において、ターゲット２２は「カソードスパッタリングターゲット」と称される。チャンバー２０は、ターゲット２２が堆積設備１４のカソードを形成し、基材３が堆積設備１４のアノードを形成するように、ターゲット２２と基材３の間に電位差を印加するための手段を含む。
【００８６】
基材３上へのコーティング層５の堆積は、窒素も含む大気中で不活性ガス源２４からの不活性ガスを使用してターゲット２２に衝突させることで行われる。
【００８７】
より具体的には、図３で示されるように、堆積工程中、ストリップ形態の基材３はチャンバー２０を通じて移動する。
【００８８】
適切な電位差がターゲット２２と基材３の間に印加される。
【００８９】
プラズマ形態でターゲット２２上に噴射された不活性ガスは、そこからクロム原子を抽出し、次に、それにより、クロムがチャンバー２０内に存在する窒素と組み合わさって、基材３上で凝結して窒化クロム系コーティング層５が形成される。
【００９０】
周辺温度、例えば約２０℃で基材３上に堆積が行われる。
【００９１】
この堆積工程中、チャンバー２０に噴射される窒素流量は、窒化クロム系コーティング層５内で窒素の所望の化学量論性を得るために調整される。堆積化学量論性の安定性は、ＰＶＤによるコーティングの堆積の間、プラズマが発した光スペクトルの分析により確実にされる。実際に、このスペクトルを分析することで、プラズマ内に存在するクロムと窒素の相対濃度を推定することが可能となる。
【００９２】
化学量論性の関数として使用されるべき窒素の具体的な流量は、使用されるＰＶＤ設備に応じて変化する。しかしながら、当業者は、通常の知識を使用し、かつ、プラズマが発した光スペクトルと関係する限定数の校正試験と、異なる窒素流量について得られるコーティング層の化学量論的測定とを通じて、所与の堆積設備に対して、コーティング層５内の所望の化学量論性に基づいて、使用されるべき窒素流量を決定することができる。
【００９３】
本発明によれば、そして図３に図示されるように、堆積チャンバー２０は堆積領域３０と、長手方向において堆積領域３０と隣接したいわゆる第１「禁止」領域３２とを含む。禁止領域は、クロムコーティングが製造されるのが望まれていない、基材３のパス上に位置したチャンバー２０の領域として規定される。
【００９４】
堆積領域３０の長さは、堆積チャンバー２０の長さよりも短い。より具体的には、堆積領域３０は、禁止領域３２を含まない状態で、クロムが基材３上に堆積されるチャンバー２０の領域の長さよりも短い長さを有する。
【００９５】
したがって、堆積領域３０及び第１禁止領域３２は、堆積中に、堆積領域３０においてのみ基材３上に窒化クロムが堆積され、第１禁止領域３２において基材３上に窒化クロムの堆積が防止されるように規定される。
【００９６】
第１禁止領域３２は基材３のパス上でターゲット２２より下流に位置する。
【００９７】
基材３のパス上でターゲット２２より下流に位置した堆積領域３０の全体部分においては、基材３上へのクロム原子の堆積速度が所定の閾値速度以上であるように、堆積領域３０及び第１禁止領域３２が構成される。第１禁止領域３２は、クロム原子がそれらの自然的軌道上で自由に堆積される場合、閾値速度より低い速度でターゲット２２からのクロム原子が基材３上に堆積される領域に対応する。
【００９８】
実際に、本発明者らは、所定の閾値速度より低い速度でのクロム原子の堆積により形成されたコーティング領域において、コーティングの酸素含有量は、前で説明した所望の含有量より局所的に高いと述べた。
【００９９】
所望の閾値速度は、基材３上へのクロム原子の最大堆積速度の割合と等しく、最大堆積速度は、ターゲット２２の真向かいの基材３上へのクロム原子の堆積速度に対応する。
【０１００】
所定の閾値速度の値は、所望の堆積設備に対して、限定数の実験を通じて当業者により実験的に得られる。それは、得られたコーティング層の接触抵抗が１００Ｎ／ｃｍ2で１０ｍΩ・ｃｍ2未満と測定される、ターゲット２２より下流の基材３上へのクロム原子の最小堆積速度に対応する。
【０１０１】
例としては、本発明の発明者が使用する装置の場合において、閾値速度は最大堆積速度の約１０％に等しい。
【０１０２】
堆積領域３０においてのみ基材３上に窒化クロムを堆積するために、第２工程は、堆積チャンバー２０内に少なくとも１つの下流カバー２８を設置することを含み、前記下流カバー２８は、堆積領域３０の外側でターゲット２２から基材３上にクロム原子が噴射されるのを防止することが意図される。
【０１０３】
カバー２８は、基材３上へのクロム原子の堆積速度が所与の閾値未満である第１禁止領域３２において、基材３上にクロム原子が噴射されるのを防止する。下流カバー２８は、下流カバー２８が無い場合に、基材３のパスに沿ってターゲット２２より下流で、所定の閾値速度より低い堆積速度で基材３上に堆積されるクロム原子の軌道上に位置しており、したがって、基材３上へのこれらの堆積を防止する。
【０１０４】
カバー２８はターゲット２２と基材３０との間に配置される。カバー２８はチャンバー２０の下流壁２１から離れて配置される。第１禁止領域３２はカバー２８より下流に広がる。
【０１０５】
例としては、カバー２８はターゲット２２から出たクロム原子を透過しないプレートにより形成される。それはチャンバー２０を通じて移動する基材３と実質的に垂直に配置される。
【０１０６】
本発明者らは、第１禁止領域３２に関連するそのような堆積領域３０の堆積チャンバー２０内での画定により、基材３上に、その原子位窒素含有量より少ない原子酸素含有量を有する、上で規定したような表面領域８を含むコーティング層５を形成することが可能となることを発見した。
【０１０７】
コーティング層５内に存在することがある任意の酸素は、チャンバー２０の避けられない密封不完全性と、チャンバー２０の壁又はさらに基材３からの脱着とにより生じることを留意されたい。
【０１０８】
代替実施形態によれば、堆積領域３０の下流境界は、禁止領域の画定が存在しない堆積チャンバー内で形成された窒化クロム系コーティング層内の原子酸素含有量プロファイルを測定することと、そこから、コーティング層の表面領域がその原子窒素含有量より少ない原子酸素含有量を有するチャンバー２０の領域を推定することにより決定される。
【０１０９】
したがって、原子酸素含有量が原子窒素含有量より少ない、上で規定したような表面領域８を含むコーティング層５が得られる。
【０１１０】
この代替実施形態に従って得られた堆積領域の位置は、堆積速度を使用して決定された位置と実質的に同一である。
【０１１１】
図４では、禁止領域が存在しないため、本発明の一部でないチャンバーを図示しているが、そのような領域を提供する必要性を図示している。この図において、本発明者らにより得られた曲線３１が図示され、そのようなチャンバー内で得られる窒化クロム系コーティング層内の原子酸素含有量の変化を示している。この曲線において、禁止領域がないが、本発明に従った条件と同一な条件下で堆積されたこのコーティング層内の原子酸素含有量が、ターゲット２２の真向かいに堆積されたコーティング層５の部分において最小であることを理解することができる。この原子酸素含有量は、基材３の移動方向に沿ってチャンバー２０の上流端及び下流端に向けて堆積されるコーティング層５の部分において増加し、これらの端部付近で最大である。
【０１１２】
任意選択で、方法の第２工程は、コーティング層５を堆積する前に、チャンバー２０の脱ガス速度を最小化して、可能な限りチャンバー２０内の残量ガスの量を最小化することをさらに含む。この最小化は、特に、チャンバー２０から残留ガスをポンピングすることで行われる。
【０１１３】
チャンバー２０の雰囲気内の酸素の最小及び最大の存在の決定は、本発明の局所的実施条件に基づいて実験的に行うことができる。
【０１１４】
「脱ガス速度」とは、チャンバー２０の表面全体から脱着し、制御された窒素流量に加えられたガス全体の流速を言い表す。この脱ガスは、堆積チャンバー２０内で行われるＰＶＤと関連した脱着又は化学汚染として作用する。
【０１１５】
コーティング層５は、有利には、単一のコーティングパスで、すなわち、チャンバー２０の単一の経路によって行われる。
【０１１６】
堆積工程の終わりに、上で規定したような表面領域８を有するコーティング層５を含む金属ストリップ１が得られる。
【０１１７】
第２実施形態に係る製造方法は、図５で示されるように、堆積領域３０’が、上で説明したようにターゲット２２の下流に対してだけでなく、基材３のパスに沿ってターゲット２２より上流に対しても制限される点のみ、上で説明した方法と異なっている。この実施形態において、堆積領域３０’は、基材３上へのクロム原子の堆積速度が堆積領域３０’全体において前で説明した所定の閾値速度以上であるように規定される。
【０１１８】
次いで、この実施形態において、チャンバー２０は、基材３のパスに沿ってターゲット２２より上流の堆積領域３０’に隣接した第２禁止領域３３を含む。第１禁止領域３２及び第２禁止領域３３は、長手方向に沿って堆積領域３０’を構成する。第１禁止領域３２及び第２禁止領域３３は、クロム原子がそれらの自然的軌道上に自由に堆積される場合、所定の閾値速度より低い速度で基材３上にクロム原子が堆積される領域である。
【０１１９】
堆積領域３０においてのみ基材３上に窒化クロムを堆積するために、第２工程は、堆積チャンバー２０において前に規定したような少なくとも１つの下流カバー２８と、上流カバー２９とを設置することを含む。
【０１２０】
下流カバー２８及び上流カバー２９は、堆積領域３０’の外側で、すなわち、基材３上へのクロム原子の堆積速度が所与の閾値より低いチャンバー２０の領域で、ターゲット２２からクロム原子が基材３上に噴射されることを防止するように構成される。それらは、カバー２８、２９がない場合、それぞれ第１禁止領域３２又は第２禁止領域３３において基材３上に堆積されるクロム原子の軌道上に配置され、これらの領域３２、３３においてクロム原子が堆積されるのを防止する。
【０１２１】
下流カバー２８及び上流カバー２９は、基材３の移動方向に沿ってターゲット２２の各側上に配置される。図示した例において、カバー２８、２９は、ターゲット２２から等距離にあり、堆積領域３０’はターゲット２２の中心にある。この例において、堆積領域３０’は、チャンバー２０の中心領域に、ターゲット２２の真向かいに広がる。
【０１２２】
例としては、上流カバー２９は、ターゲット２２から出たクロム原子を透過しないプレートにより形成される。それは、チャンバー２０を通じて移動する基材３と実質的に垂直に配置される。
【０１２３】
上流カバー２９は、チャンバー２０の上流壁２３から離れて配置される。
【０１２４】
例としては、本発明者らが使用する設備において、カバー２８、２９は９０ｃｍ離間していた。
【０１２５】
本発明の発明者らは、特に上流カバー２９を使用して、ターゲット２２より上流の堆積領域３０’を画定することにより、その界面領域６において、その原子窒素含有量より少ない原子酸素含有量を含むコーティング層５を得ることが可能になることを観測した。前で説明したように、そのようなコーティング層５は、この条件を満たさない層に比べ基材３’への良好な接着性を有する。
【０１２６】
したがって、堆積領域３０’が、上で特定したように、ターゲット２２より上流及び下流で画定され、堆積工程の終わりで、その表面上に、上で規定したような、かつ、基材３とコーティング層５の間の界面に表面領域８と、上で規定したような界面領域６とを含むコーティング層５が得られる。
【０１２７】
さらに、コーティング層５は、界面領域６と表面領域８との間に、上で規定したようなコア領域７を含む。
【０１２８】
第２実施形態の代替実施形態によれば、チャンバーの禁止領域を規定しないが、本発明に係る条件と同一の条件下で基材上に形成された窒化クロム系コーティング層内の原子酸素含有量プロファイルを測定し、そこから、そのようなコーティング層の表面領域及び界面領域がその原子窒素含有量より少ない原子酸素含有量を有するチャンバー２０の領域を推定することによって、堆積領域３０’の上流及び下流境界が決定される。
【０１２９】
この代替実施形態に従って得られた堆積領域３０’の位置は、堆積速度を使用して決定された位置と実質的に同一である。
【０１３０】
本発明はまた、金属ストリップ１より得られたバイポーラプレート１１に関する。そのようなバイポーラプレート１１は図７に示される。
【０１３１】
図７で示されるように、バイポーラプレート１１は、特に溶接によって互いに固定された２つのプレート１３を含む。より具体的には、プレート１３は、それらが固定された後、流体分配及び排出経路を画定する。
【０１３２】
各プレート１３は、本発明に係る金属ストリップ１から得られる。より具体的には、それは、金属ストリップ１から切断されたブランクを、特に冷間変形することにより得られる。
【０１３３】
したがって、各プレート１３は、金属ストリップ１と関連して上で説明されたように、少なくとも１つの窒化クロム系コーティング層５でコーティングされたステンレス鋼基材３を含む。
【０１３４】
プレート１３の最終形状は、有利には、金属ストリップ１から切断されたブランクを冷間スタンピングすることで得られる。
【０１３５】
本発明はまた、金属ストリップ１からバイポーラプレート１１を製造するための方法であって、
上で説明したように、少なくとも１つの窒化クロム系コーティング層５でコーティングされた、ステンレス鋼基材３を含むプレート１３を提供すること、及び
このプレート１３を別のプレート、有利には別の同様のプレート１３に固定し、バイポーラプレート１１を形成すること
を含む方法に関する。
【０１３６】
プレート１３を提供する工程は、
金属ストリップ１を切断して、少なくとも１つのブランクを形成すること、及び
このブランクを、特にスタンピングにより変形して、プレート１３を形成すること
を含む。
【０１３７】
上で説明したように、変形は、有利には冷間変形であり、特に冷間スタンピングである。
【０１３８】
２つのプレートを互いに固定してバイポーラプレート１１を形成することは、任意の適切な方法、特に溶接を使用して行われる。
【０１３９】
上で説明したように、本発明に係る金属ストリップ１は、そのようなバイポーラプレート１１を製造するのに特に適している。
【０１４０】
本発明者らは、特に、窒化クロム系コーティング層を含む３つの異なる金属ストリップ試料について、図６で示した接合体を使用して、試料と、燃料電池のガス拡散層との間の接触抵抗（ＩＣＲ）を測定した。
【０１４１】
試料１及び２は本発明に係るストリップ１の試料であり、上流カバー２９及び下流カバー２８を含む堆積チャンバー２０内でのカソードスパッタリングにより、上で説明した方法の第２実施形態に従って得られた。
【０１４２】
図６で示したように、接触抵抗は、試験されるべきストリップから切断して得られたシートと、参照ガス拡散層３２とで形成された接合体を、２つの銅プレート３４の間で挟み、次いで、この接合体に既知の強度Ｉの電流を印加することで測定された。本発明者らが使用したガス拡散層３２は、ＳＧＬグループ製の参照品３４ＢＣである。
【０１４３】
次いで、拡散層３２とシートの表面との間の電位差を測定し、そこからシートと拡散層３２との間の接触抵抗を推定した。
【０１４４】
燃料電池のバイポーラプレートの接触抵抗を測定するこの方法は伝統的であり、当業者によく知られている。
【０１４５】
本発明者らはまた、コーティング層の表面領域８の組成を実験的に決定した。
【０１４６】
以下の表１はこれらの実験結果を示している。
【０１４７】
【表１】
0006510672.tif 000002
【０１４８】
この表において、本発明に従って、表面領域における原子酸素含有量が原子窒素含有量より少ない表面領域を有するコーティング（試料１及び２）について、１００Ｎ／ｃｍ2で１０ｍΩ・ｃｍ2未満の接触抵抗値が得られることを理解することができる。反対に、コーティングの表面領域で原子酸素含有量が原子窒素含有量より多い、したがって、本発明に係る試料でない試料３の場合において、接触抵抗は１００Ｎ／ｃｍ2で１００ｍΩ・ｃｍ2超である。したがって、それは１００Ｎ／ｃｍ2で１０ｍΩ・ｃｍ2より極めて高い。
【０１４９】
本発明者らはまた、試料１〜３について、界面領域６及びコア領域７の組成を測定した。これらの測定の結果を以下の表２に示す。
【０１５０】
【表２】
0006510672.tif 000003
【０１５１】
上で説明したように、本発明の発明者らはまた、本発明に係るコーティング層５の界面領域６の特定の組成は有利であると発見した。実際に、本発明者らは、コーティング層５の存在は、界面領域６の原子酸素含有量がその原子窒素含有量より少ない場合に特に良好であることを観測した。したがって、例えばスタンピングによって、プレート１３を形成するためにストリップ１から得られたブランクを変形する間に、基材３からコーティング層５が剥がれるリスクが最小化される。そのような剥がれは、バイポーラプレート１１の完全性を傷つけ、その電気伝導度に悪影響を与え、電解質汚染を引き起こすことがあるため、そのような剥がれを避けるための試みがなされる。
【０１５２】
表面領域８の有利な原子酸素含有量を得ることは、第１禁止領域２２の存在から、すなわち、第１及び第２実施形態に係る金属ストリップ１の製造方法においてターゲット２２より下流での窒化クロム堆積の制限の存在から得られる。
【０１５３】
界面領域６の有利な原子酸素含有量を得ることは、第２禁止領域２３の存在から、すなわち、第２実施形態に係る金属ストリップ１の製造方法においてターゲット２２より上流での窒化クロム堆積の制限の存在から得られる。
【０１５４】
特に、真空下に設置された堆積チャンバー２０内でステンレス鋼基材上になされ、堆積前の脱ガス速度を最小化するが、例えば、カバーによる堆積領域の限定なく、窒化クロムがその自然的軌道に沿って堆積されることが可能である窒化クロムの堆積が、特に、コーティング層の界面領域及び表面領域において、上で説明した範囲の外側で有意に原子酸素含有量を有するコーティング層をもたらすという測定が示される。この場合において、本発明者らは、１００Ｎ／ｃｍ2で１００ｍΩ・ｃｍ2超の接触抵抗（ＩＣＲ）を有し、堆積ターゲットより上流で堆積領域が限定された場合より低い接着性をさらに有するコーティング層を得た。
【０１５５】
したがって、伝統的な技術を使用して、堆積チャンバー２０内の酸素の存在を単純に最小化することにより、本発明に係るコーティング層５を得ることはできない。
【０１５６】
１つの代替形態によれば、本発明は、金属ストリップ１を切断することで得られた金属シート又はブランクに関する。
【０１５７】
本発明に係る金属シートはまた、ストリップ１を得るために上で説明された方法と同様の方法を使用して得ることができるが、ストリップ形態の基材３ではなくシート形態の基材３から開始する。そのようなシートは、ストリップ１と同一の特性を有する。
【０１５８】
図８では、本発明の別の実施形態に係る金属ストリップ１’を示している。
【０１５９】
この有利な実施形態に係る金属ストリップ１’は、上で説明した金属ストリップ１の特徴の全てと、以下で説明される追加の特徴とを含む。
【０１６０】
金属ストリップ１’のコーティング層５’は、結晶学的視点からテクスチャ加工される。このテクスチャ加工は、以下で説明される方法の実施をもたらす。
【０１６１】
「テクスチャ加工された」とは、コーティング層５’を作るカラムの結晶成長方向がランダムでないが、ＣｒＮの原子の元素メッシュを規定する結晶軸の１つに沿って高度に配向されることを意味する。この場合において、コーティング層５’と基材３’との元素メッシュの相対的な配向は、近い相互網状距離を有する２つの相の結晶平面を配列すること、及び、基材３’とコーティング層５’の間の界面に垂直なこれらの結晶平面の連続性を確実にすることを可能とする。
【０１６２】
好ましくは、コーティング層５’は、基材３’とエピタキシャル関係を有する。「エピタキシャル」とは、慣例的に、コーティング層５’のカラムの３つの結晶軸が、これらのカラムに隣接した基材３’の粒子のものと共に配列されることを意味する。
【０１６３】
後で理解されるように、基材３’とエピタキシャル関係を有するコーティング層５は特に有利である。
【０１６４】
金属ストリップ１’は、有利には、基材３’と、１つ又は複数の窒化クロム系コーティング層５’とで作られる。特に、窒化クロム系コーティング層５’は、基材３’を作るステンレス鋼の自然酸化から生じる、酸化層又は不動態層のような中間層の介在なしで、基材３’のステンレス鋼上に直接形成される。自然酸化とは、例えば、ステンレス鋼基材３’の使用又は保存中に空気中で酸化することを言い表す。
【０１６５】
さらに、好ましくは、金属ストリップ１’は、基材３’から最も遠いコーティング層５’上に形成される層を含まない。
【０１６６】
この有利な実施形態に従って金属ストリップを製造する方法は、第１工程と第２工程の間で行われる中間の剥離工程をさらに含む点でのみ、上で説明した製造方法と異なっている。この製造方法は図９に概略的に示される。
【０１６７】
この実施形態によれば、第１工程の間に提供されるステンレス鋼ストリップは、基材３’の表面に不動態層１０を含む。この不動態層１０は、基材３’を作るステンレス鋼の自然酸化により形成された酸化クロム層である。一度ステンレス鋼が空気と接触すると、そのような不動態酸化クロム層がステンレス鋼の表面上に形成される。それは、ステンレス鋼のステンレスの性質の基礎となる。不動態層１０は、伝統的に、酸化クロムは別として、そして少数成分として、基材３’を形成する鋼中に存在する他の化学元素の酸化物を含むことがある。
【０１６８】
中間剥離工程の間、不動態層１０は、金属ストリップの少なくとも特定の領域で、これらの領域において不動態層１０の残留物が残っていないように完全に剥離される。
【０１６９】
好ましくは、この中間工程の間、不動態層１０は、コーティング層５’でコーティングされることが意図された基材３’の表面全体にわたって剥離される。
【０１７０】
剥離は、物理的な剥離方法を使用してなされる。好ましくは、剥離は、天然ガスによる初期金属ストリップの照射により行われるイオン剥離である。使用される天然ガスは例えばアルゴンである。代替的に、それは、任意の他の適切な天然ガスであることができる。
【０１７１】
そのようなイオン剥離法はそれ自体が公知であり、以下で詳細に説明されない。
【０１７２】
この中間剥離工程の終わりで、基材３’は、剥離が行われた領域において、その表面上でステンレス鋼の金属原子を有して得られる。
【０１７３】
上で説明したように、第３工程の間に、窒化クロムは、不動態層１０が剥離された領域において、物理気相堆積により基材３’上に堆積される。
【０１７４】
したがって、窒化クロム系コーティング層５’は、不動態層１０の介在なく、ステンレス鋼基材３’上に直接形成される。この工程の終わりで得られたコーティング層５’はテクスチャ加工される。より具体的には、それは、基材３’とエピタキシャル関係を有する。
【０１７５】
本発明の発明者らは以下の実験を実施した。
【０１７６】
そのような基材３’上で、図９に示されるような金属ストリップ１’を製造するための方法を行い、したがって、金属ストリップ１’を得た。
【０１７７】
次に、この金属ストリップ１’からブランクを切り出した。これらのブランクを透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を使用して画像化し、したがって、公知の画像分析技術を通じて得られた画像を分析して、基材３’とコーティング層５’の間にエピタキシャルが存在するかどうかを確かめた。
【０１７８】
より具体的には、ＴＥＭにより得られた画像のフーリエ変換を計算して、そのフーリエ変換により、ＴＥＭにより得られた画像の周波数分布を調査することが可能であった。フーリエ変換の画像において、周波数空間において近い配向が観察された基材３’及びコーティング層５’の結晶平面と一致する周波数を選択した。次に、選択された周波数からフィルター処理された逆フーリエ変換により最終画像を得た。
【０１７９】
分析後に得られた例の画像を図１０に示す。この図において、斜線は原子面を表現している。基材３’とコーティング層５’と間の界面を通る上の線の連続性は、コーティング層５’が基材３’とエピタキシャル関係を有することを示している。
【０１８０】
本発明者らは、コーティング層５’の堆積のための工程の間に異なる窒素流量で得られた金属ストリップ１’に対してそのような分析を行った。本発明者らは、基材３’とコーティング層５’と間のエピタキシャル関係が、使用される窒素流量と関係なく存在することを観測した。
【０１８１】
比較のために、第２工程の間に、不動態層１０が、コーティング層５’でコーティングされた基材３’の領域において完全に剥離されないという点でのみ、本発明に係る方法と異なる方法を使用して得られた金属ストリップを用いて、本発明者らは実験を行った。したがって、この不動態層１０は、窒化クロム系コーティング層５’で次にコーティングされる領域において残っており、コーティング層５’と基材３’の間に介在している。
【０１８２】
図１１では、上で説明した分析方法を使用して、そのような比較のストリップのＴＥＭ画像の分析後に得られた例の画像を示している。この場合において、基材３’とコーティング層５’の間の界面で原子面の連続性が存在しないことを確認することができる。この画像において、基材３’とコーティング層５’の間の白い領域は不動態層１０に相当する。
【０１８３】
したがって、本発明者らは、不動態層１０が剥離されないか、又はコーティング層５’で被覆されることが意図された基材３’の領域におけるコーティングの前に完全に剥離されない場合、コーティング層５’と基材３’の間のエピタキシャル関係が得られないことを観測した。
【０１８４】
次に、本発明者らは、スタンピングにより、本発明の実施形態に係る金属ストリップ１’を切断することで得られたブランクを変形し、プレート１３’を得た。
【０１８５】
図１２は、こうして得られたプレート１３’の走査型電子顕微鏡画像である。この画像において、スタンピングにより生じる基材３’とコーティング層５’の間での剥がれは観察されなかった。したがって、コーティング層５’は基材３’上で良好な接着性を有する。また、コーティング層５’の良好な接着性は、バイポーラプレート内でストリップ１’を使用する際に特に有利である。実際に、バイポーラプレートに良好な電気特性、特に電気伝導度を保証することが可能となり、電解質汚染を避ける。
【０１８６】
図１３は、上で説明した比較のストリップから切断することで得られたブランクをスタンピングすることで得られたプレートの走査型電子顕微鏡画像である。この画像において、コーティング層の剥がれを確認することができる。したがって、コーティング層の接着性は、比較のストリップの場合では良好でなく、ブランクのスタンピングによる変形に耐えない。
【０１８７】
本発明の内容において、この金属ストリップ１’から得られたブランクをスタンピングにより変形して、プレート１３’を得ることにより、不連続なコーティング層５’を有するプレート１３’をもたらされる場合がある。
【０１８８】
実際に、基材３’及びコーティング層５’の異なる機械特性のため、スタンピングにより、コーティング層５’に対して基材３’の極めて高い相対伸び率がもたらされる。基材３’とコーティング層５’の間の良好な接着性のため、この異なる伸びは、プレート１３’のコーティング層５’内で微小クラック２６の形成、したがって、プレート１３’上の不連続なコーティング層５’の形成をもたらす。これらの微小クラック２６は、特に、コーティング層５’の２つの隣接するカラムの間で形成する。不動態層は、基材３’のステンレス鋼の自然酸化によりこれらの微小クラック２６内で自然に再形成され、それにより、これらの領域において同一平面にある。
【０１８９】
本発明者らは、微小クラック２６の存在下でさえ、本発明に係るストリップ１’から得られたブランクのスタンピングの際にコーティングの喪失は発生しないことを観測した。
【０１９０】
さらに、コーティング層５’と基材３’の間の良好な接着性のおかげで、スタンピングの際に、コーティング層５’が基材３’から剥がされなく、プレート１３’において、不連続なコーティング層５’と基材３’の間で極めて良好な接着性が観測された。
【０１９１】
図１４は、本発明に係るプレート１３’の透過型電子顕微鏡画像であり、これらの観測物を示している。
【０１９２】
本発明者らは、そのような不連続相の電気伝導度を測定し、微小クラック２６の存在にもかかわらず、電気性能が十分であるままであることを観測した。コーティング層５’の隣接するカラム間でスタンピングした後に再形成した不動態層は、電気伝導度に悪影響を及ぼさず、同一平面内にある領域において基材３’のステンレス鋼を保護する。
【０１９３】
図１５は、上で説明した比較のストリップからスタンピングすることで得られたプレートの走査型電子顕微鏡画像である。この場合において、コーティング層５’は基材３’から剥がされ、スタンピングの影響下で基材３’の伸びに反応して一片がスライドしていることを確認することができる。したがって、こうして得られたプレートにおいて、コーティング層５’は基材３’と接着しない。また、バイポーラプレートの電気伝導度に悪影響を及ぼし、燃料電池の電解質汚染をもたらすリスクがあるそのような剥がれを避けようとする。
【０１９４】
有利な実施形態に係る金属ストリップ１’は、より低い製造コストのために長い寿命を有するバイポーラプレートを製造するのに特に適する。
【０１９５】
実際に、上で説明したように、ステンレス鋼は、バイポーラプレートを製造するための有利な金属である。
【０１９６】
さらに、本発明に係るＣｒＮ系コーティング層でステンレス鋼をコーティングすることで、特に、コーティング層５’の表面領域８の特定の化学量論性のために得られた、優れた接触抵抗から生じたバイポーラプレートに、優れた電気特性を付与し、コーティング層５’のテクスチャ加工及び界面領域６の特定の化学量論性から生じた基材３’にコーティング層５’の優れた接着性を付与することが可能となる。
【０１９７】
特に、本特許出願で説明された特性を有しないＣｒＮ系コーティング層５でコーティングされたステンレス鋼基材を含むバイポーラプレートについては、そのような電気特性は得られない。
【０１９８】
本発明は、基材３、３’の面上で形成されたコーティング層５、５’について説明してきた。代替的に、金属ストリップ１、１’、並びにこの金属ストリップ１、１’から製造されたプレート１３、１３’及びバイポーラプレートは、それらの面のそれぞれに上で規定されたタイプのコーティング層５、５’を含むことができる。
【０１９９】
基材３；３’の両面上のそのようなコーティング層は、堆積チャンバー２０内で、単一の経路又は複数の経路、例えば、２つの経路において得ることができる。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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