專利名稱：密封構(gòu)造及具有該密封構(gòu)造的燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及密封構(gòu)造及具有該密封構(gòu)造的燃料電池。
背景技術(shù)：
燃料電池是通過對(duì)氫或甲醇等燃料進(jìn)行電化學(xué)氧化來提取電能的一種發(fā)電裝置， 近年來，作為清潔能源被關(guān)注。根據(jù)所使用的電解質(zhì)的種類將燃料電池分為磷酸型、熔融碳酸鹽型、固體氧化物型、固體高分子電解質(zhì)型等。其中，固體高分子電解質(zhì)型燃料電池 (PEFC)是如下類型的燃料電池，即，通過向在電解質(zhì)膜的兩面配置電極而成的膜電極接合體(MEA)的一面供給氫(燃料氣體)并向另一面供給氧(氧化氣體)來發(fā)電的類型，由于能夠獲得與內(nèi)燃機(jī)同等的輸出密度，所以目前作為電動(dòng)汽車等的電源而廣泛地進(jìn)行實(shí)用化研究。作為MEA的封裝方法，提出了堆棧型、褶層型、中空線型等各種類型，其中，用片狀的隔膜隔離片狀的MEA并進(jìn)行層疊而構(gòu)成的堆棧型燃料電池被廣泛使用。這樣的堆棧型燃料電池通過在相互重疊的MEA和隔膜之間或隔膜彼此之間設(shè)置密封件，由此對(duì)燃料電池內(nèi)部的燃料氣體或氧化氣體進(jìn)行密封。日本特開2006-107862號(hào)公報(bào)記載的堆棧型燃料電池具有使用粘接劑作為密封件的密封構(gòu)造，該密封構(gòu)造不對(duì)金屬隔膜的粘接劑涂布面進(jìn)行表面處理，而在隔膜的基材上直接涂布粘接劑，由此提高粘接劑的粘接性。但是，在上述密封構(gòu)造中，雖然金屬隔膜彼此的粘接性提高，但難以確保金屬隔膜和其他結(jié)構(gòu)零件(例如MEA的樹脂膜等)之間的充分的粘接性。因此，在需要粘接接合多個(gè)結(jié)構(gòu)零件的情況、或變更隔膜材料的情況等下，需要根據(jù)粘接部位的不同使用不同的多種粘接劑，對(duì)設(shè)備方面、成本方面都不利。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為解決上述課題而研發(fā)的，其目的是提供具有能夠不使用多品種的密封件地提高密合性且能夠降低成本的密封構(gòu)造及具有該密封構(gòu)造的燃料電池。本發(fā)明的第1技術(shù)方案的密封構(gòu)造的特征是，具有在相對(duì)的面上具有密封面的結(jié)構(gòu)零件；介于所述密封面之間而使所述密封面緊密接觸的密封件，在所述密封面的一方或兩方的面上至少形成有硬質(zhì)碳皮膜。本發(fā)明的第2技術(shù)方案是具有所述密封構(gòu)造的燃料電池。


圖1是表示第1實(shí)施方式的密封構(gòu)造的剖視圖。圖2是表示第2實(shí)施方式的密封構(gòu)造的剖視圖。圖3是表示第3實(shí)施方式的密封構(gòu)造的剖視圖。圖4是表示第4實(shí)施方式的密封構(gòu)造的剖視圖。
圖5是表示第5實(shí)施方式的密封構(gòu)造的剖視圖。圖6是表示第5實(shí)施方式的密封構(gòu)造的變形例的剖視圖。圖7是表示第5實(shí)施方式的密封構(gòu)造的其他變形例的剖視圖。圖8是表示第5實(shí)施方式的密封構(gòu)造的又一其他變形例的剖視圖。圖9是表示第6實(shí)施方式的密封構(gòu)造的剖視圖。圖10是表示第7實(shí)施方式的密封構(gòu)造的剖視圖。圖11是表示使硬質(zhì)碳皮膜產(chǎn)生裂縫的工序的工序圖。圖12是表示第8實(shí)施方式的密封構(gòu)造的剖視圖。圖13是圖12的XIII部的放大圖。圖14是對(duì)圖13的結(jié)構(gòu)零件的表面進(jìn)行觀察的SEM照片。圖15是對(duì)圖13的結(jié)構(gòu)零件的截面進(jìn)行觀察的TEM照片。圖16是對(duì)圖13的結(jié)構(gòu)零件的截面進(jìn)行觀察的SEM照片。圖17是表示第9實(shí)施方式的燃料電池的密封構(gòu)造的剖視圖。圖18是表示第10實(shí)施方式的固體高分子型燃料電池的密封構(gòu)造剖視圖。圖19是第11實(shí)施方式的燃料電池用隔膜的立體圖。圖20是沿圖19的XX-XX線的剖視圖。圖21是表示硬質(zhì)碳皮膜的接觸電阻的圖表。圖22是第12實(shí)施方式的燃料電池用隔膜的剖視圖。圖23是第12實(shí)施方式的變形例的燃料電池用隔膜的剖視圖。圖M是第13實(shí)施方式的燃料電池用隔膜的剖視圖。圖25是第11 13實(shí)施方式的燃料電池堆棧的概略剖視圖。圖沈是表示燃料電池用隔膜的制造方法的流程圖。圖27是對(duì)基材的層疊進(jìn)行說明的剖視圖。圖觀是形成了絕緣性硬質(zhì)碳皮膜時(shí)的剖視圖。圖四是搭載有應(yīng)用了本發(fā)明的燃料電池堆棧的車輛的概念圖。
具體實(shí)施例方式以下，參照

本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式。本發(fā)明的技術(shù)范圍應(yīng)基于權(quán)利要求書的記載確定，不僅限于以下的實(shí)施方式。此外，在附圖的說明中，對(duì)于相同的要素標(biāo)注相同的附圖標(biāo)記，并省略重復(fù)的說明。另外，附圖的尺寸比率是為方便說明而被夸張化，存在與實(shí)際的比率不同的情況。第1實(shí)施方式圖1是表示本發(fā)明的第1實(shí)施方式的密封構(gòu)造的剖視圖。第1實(shí)施方式的密封構(gòu)造是對(duì)第1結(jié)構(gòu)零件1及第2結(jié)構(gòu)零件2之間進(jìn)行密封的構(gòu)造。第1結(jié)構(gòu)零件1具有基材4 ；覆蓋該基材4的與基材5相對(duì)的面的硬質(zhì)碳皮膜(DLC， 像金剛石一樣的碳)6，第2結(jié)構(gòu)零件2具有基材5 ；覆蓋該基材5的與基材4相對(duì)的面的硬質(zhì)碳皮膜(DLC，像金剛石一樣的碳)7。硬質(zhì)碳皮膜6的表面成為與密封件3緊密接觸的密封面8，硬質(zhì)碳皮膜7的表面成為與密封件3緊密接觸的密封面9。密封件3介于該密封面8、9之間，使兩密封面8、9緊密接觸。
第1結(jié)構(gòu)零件1的基材4只要是能夠形成硬質(zhì)碳皮膜6的材料即可，第2結(jié)構(gòu)零件2的基材5只要是能夠形成硬質(zhì)碳皮膜7的材料即可，對(duì)材料沒有限定，基材4、5也可以使用與第1結(jié)構(gòu)零件1和第2結(jié)構(gòu)零件2不同的材料。另外，硬質(zhì)碳皮膜6、7不是必須覆蓋基材4、5的全部表面，而是覆蓋基材4、5的包含與密封件3緊密接觸的部位在內(nèi)的范圍即可。硬質(zhì)碳皮膜6、7能夠根據(jù)結(jié)構(gòu)零件的用途使用非導(dǎo)電性或?qū)щ娦缘挠操|(zhì)碳皮膜。 此外，關(guān)于具有導(dǎo)電性的硬質(zhì)碳皮膜，詳見后述。采用第1實(shí)施方式的密封構(gòu)造，由于在第1結(jié)構(gòu)零件1的密封面上形成有硬質(zhì)碳皮膜6，在第2結(jié)構(gòu)零件2的密封面上形成有硬質(zhì)碳皮膜7，所以即使在第1結(jié)構(gòu)零件1及第2結(jié)構(gòu)零件2上使用表面特性不同的基材，也能夠均勻地發(fā)揮密封件3的密合性，能夠獲得穩(wěn)定的密封性能。另外，由于硬質(zhì)碳皮膜6、7與由樹脂等構(gòu)成的密封件3之間的密合性優(yōu)良，所以能夠?qū)崿F(xiàn)密合性優(yōu)良的密封構(gòu)造。第2實(shí)施方式圖2是表示本發(fā)明的第2實(shí)施方式的密封構(gòu)造的剖視圖。第2實(shí)施方式的密封構(gòu)造是，借助密封件3使第2結(jié)構(gòu)零件2及第3結(jié)構(gòu)零件11 這兩個(gè)(多個(gè))結(jié)構(gòu)零件同與第1實(shí)施方式相同的第1結(jié)構(gòu)零件1緊密接觸的構(gòu)造。在第 2結(jié)構(gòu)零件2中，基材5的與第1結(jié)構(gòu)零件1相對(duì)的面被硬質(zhì)碳皮膜7覆蓋，在第3結(jié)構(gòu)零件11中，基材12的與第1結(jié)構(gòu)零件1相對(duì)的面被硬質(zhì)碳皮膜13覆蓋，被該硬質(zhì)碳皮膜7 覆蓋的面成為與密封件3緊密接觸的密封面9，被該硬質(zhì)碳皮膜13覆蓋的面成為與密封件 3緊密接觸的密封面14。這樣，即使在多個(gè)結(jié)構(gòu)零件與一個(gè)結(jié)構(gòu)零件緊密接觸的構(gòu)造中，通過應(yīng)用本發(fā)明的密封構(gòu)造，也能夠提高密封件的密合性。第3實(shí)施方式圖3是表示本發(fā)明的第3實(shí)施方式的密封構(gòu)造的剖視圖。第3實(shí)施方式的密封構(gòu)造是，與第1實(shí)施方式同樣地借助密封件3使第1結(jié)構(gòu)零件1和第2結(jié)構(gòu)零件16之間緊密接觸，但與第1實(shí)施方式的不同點(diǎn)在于，在第2結(jié)構(gòu)零件 16的密封面17上不形成硬質(zhì)碳皮膜。第1結(jié)構(gòu)零件1的基材4只要是能夠形成硬質(zhì)碳皮膜的材料即可，對(duì)材料沒有限定。另外，第2結(jié)構(gòu)零件16的基材也可以是與第1結(jié)構(gòu)零件1的基材4不同的材料。密封件3優(yōu)選與第2結(jié)構(gòu)零件16的基材密合性高的材料。采用第3實(shí)施方式的密封構(gòu)造，由于在第1結(jié)構(gòu)零件1上形成有即使變更密封件 3也能夠發(fā)揮高的密合性的硬質(zhì)碳皮膜6，所以通過與未形成硬質(zhì)碳皮膜的第2結(jié)構(gòu)零件的基材相配合地選擇密封件3，從而能夠?qū)崿F(xiàn)密封件3的良好的密合性。第4實(shí)施方式圖4是表示本發(fā)明的第4實(shí)施方式的密封構(gòu)造的剖視圖。第4實(shí)施方式的密封構(gòu)造是，與第1實(shí)施方式同樣地借助密封件18使第1結(jié)構(gòu)零件1和第2結(jié)構(gòu)零件2之間緊密接觸，但與第1實(shí)施方式的不同點(diǎn)在于，密封件18的寬度 Wl,即，與密封面8、9垂直的截面中的、與密封件18的密封面8、9平行的方向上的寬度Wl
6形成得比第1結(jié)構(gòu)零件1及第2結(jié)構(gòu)零件2的硬質(zhì)碳皮膜6、7的寬度W2窄，S卩，比與密封面8、9垂直的截面中的、與硬質(zhì)碳皮膜6、7的密封面8、9平行的方上向的寬度W2窄。采用第4實(shí)施方式的密封構(gòu)造，由于密封件18只可靠地與硬質(zhì)碳皮膜緊密接觸， 所以能夠均勻地發(fā)揮密封件的優(yōu)良的密合性，能夠獲得穩(wěn)定的密封性能。第5實(shí)施方式圖5是表示本發(fā)明的第5實(shí)施方式的密封構(gòu)造的剖視圖，圖6是表示第5實(shí)施方式的密封構(gòu)造的變形例的剖視圖，圖7是表示第5實(shí)施方式的密封構(gòu)造的其他變形例的剖視圖，圖8是表示第5實(shí)施方式的密封構(gòu)造的又一其他變形例的剖視圖。第5實(shí)施方式的密封構(gòu)造與第1 第4實(shí)施方式的不同點(diǎn)在于，在結(jié)構(gòu)零件的相對(duì)的面的至少一方的面上形成凸部或凹部，密封件與該凸部或凹部緊密接觸。如圖5所示，在第5實(shí)施方式的密封構(gòu)造中，在第1結(jié)構(gòu)零件21的基材沈及第2 結(jié)構(gòu)零件22的基材27的相互相對(duì)的面上分別形成有沿與該面垂直的方向突出的凸部23、 24?；纳虻呐c基材27相對(duì)的面被硬質(zhì)碳皮膜觀覆蓋，基材27的與基材沈相對(duì)的面被硬質(zhì)碳皮膜四覆蓋，被該硬質(zhì)碳皮膜觀覆蓋的凸部23的頂端面與被該硬質(zhì)碳皮膜四覆蓋的凸部M的頂端面相互大致并列地相對(duì)，分別成為與密封件25緊密接觸的密封面30、 31。密封件25介于該密封面30、31之間，使兩密封面30、31緊密接觸。第1結(jié)構(gòu)零件21的基材沈只要是能夠形成硬質(zhì)碳皮膜觀的材料即可，第2結(jié)構(gòu)零件22的基材27只要是能夠形成硬質(zhì)碳皮膜四的材料即可，對(duì)材料沒有限定，第1結(jié)構(gòu)零件21及第2結(jié)構(gòu)零件22也可以由不同的材料形成。在第5實(shí)施方式的變形例的密封構(gòu)造中，如圖6所示，在第1結(jié)構(gòu)零件33的基材 38及第2結(jié)構(gòu)零件34的基材39的相互相對(duì)的面上分別形成有凹部35、36?；?8的與基材39相對(duì)的面被硬質(zhì)碳皮膜40覆蓋，基材39的與基材38相對(duì)的面被硬質(zhì)碳皮膜41覆蓋，被該硬質(zhì)碳皮膜40覆蓋的凹部35與被該硬質(zhì)碳皮膜41覆蓋的凹部36的底面相互大致并列地相對(duì)，分別成為與密封件37緊密接觸的密封面42、43。密封件37介于該密封面
42、43之間，使兩密封面42、43緊密接觸。如圖7所示，第5實(shí)施方式的他的變形例的密封構(gòu)造是，使具有凹部36的第2結(jié)構(gòu)零件34和具有平坦面45的第1結(jié)構(gòu)零件44緊密接觸。第1結(jié)構(gòu)零件44的基材39及第2結(jié)構(gòu)零件34的基材47的相對(duì)的面分別被硬質(zhì)碳皮膜41、48覆蓋，被該硬質(zhì)碳皮膜41 覆蓋的凹部36的底面和被該硬質(zhì)碳皮膜48覆蓋的平坦面45相互大致并列地相對(duì)，分別成為與密封件46緊密接觸的密封面43、49。密封件46介于該密封面43、49之間，使兩密封面
43、49緊密接觸。如圖8所示，第5實(shí)施方式的又一其他變形例的密封構(gòu)造是，使具有凸部23的第1 結(jié)構(gòu)零件21和具有凹部36的第2結(jié)構(gòu)零件34緊密接觸。第1結(jié)構(gòu)零件21的基材沈及第2結(jié)構(gòu)零件的基材39的相對(duì)的面分別被硬質(zhì)碳皮膜觀、41覆蓋，被該硬質(zhì)碳皮膜觀覆蓋的凸部23的頂端面和被該硬質(zhì)碳皮膜41覆蓋的凹部36的底面相互大致并列地相對(duì)，分別成為與密封件50緊密接觸的密封面30、43。密封件50介于該密封面30、43之間，使兩密封面30、43緊密接觸。采用第5實(shí)施方式的密封構(gòu)造，通過利用硬質(zhì)碳皮膜覆蓋結(jié)構(gòu)零件的具有凹凸形狀的面，能夠?qū)⒃撁孀鳛槊芊饷?，能夠獲得穩(wěn)定的密封性能。
另外，由于硬質(zhì)碳皮膜與密封件的密合性優(yōu)良，所以能夠?qū)崿F(xiàn)密合性優(yōu)良的密封構(gòu)造。此外，硬質(zhì)碳皮膜不是必須覆蓋基材的全部范圍，覆蓋基材的包含與密封件緊密接觸的部位在內(nèi)的范圍即可，例如，也可以只形成在具有凹凸形狀的部位。通常，與密封件緊密接觸的覆蓋體的表面的潤(rùn)濕性越高，密合性越好。關(guān)于硬質(zhì)碳皮膜的潤(rùn)濕性，將形成有硬質(zhì)碳皮膜的金屬表面的臨界表面張力，與實(shí)施了鍍金的金屬表面的臨界表面張力進(jìn)行比較并評(píng)估。所謂臨界表面張力是指，使用已知表面張力\的多個(gè)同系列液體，分別測(cè)定液滴與固體表面所成的接觸角Θ，將該COS0與Yd乍圖(Zisman Plot)時(shí)，使cos θ = 1的Y,的外插值Ye。若液體的表面張力Y^大于固體表面的臨界表面張力Yc，則液體在固體表面上保持其液滴形狀，相反，若液體的表面張力\小于固體表面的臨界表面張力Y。，則液體在固體表面上擴(kuò)散而更好地進(jìn)行潤(rùn)濕。即固體表面的臨界表面張力越大越容易潤(rùn)濕。通過上述方法測(cè)定形成有硬質(zhì)碳皮膜的金屬表面的臨界表面張力和實(shí)施了鍍金的金屬表面的臨界表面張力，用前者除以后者，求出兩表面的臨界表面張力之比。 得到的結(jié)果如表1所示。[表1]
權(quán)利要求
1.一種密封構(gòu)造，其特征在于，該密封構(gòu)造具有在相對(duì)的面上具有密封面的結(jié)構(gòu)零件；介于所述密封面之間而使所述密封面緊密接觸的密封件，在所述密封面中的一個(gè)密封面或兩個(gè)密封面上至少形成硬質(zhì)碳皮膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的密封構(gòu)造，其特征在于，形成在所述密封面上的硬質(zhì)碳皮膜的寬度比所述密封件的寬度寬。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的密封構(gòu)造，其特征在于， 所述結(jié)構(gòu)零件在相對(duì)的面中的至少一面上具有凸部或凹部，在該凸部的頂端面或凹部的底面設(shè)置有形成了所述硬質(zhì)碳皮膜的密封面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1 3中任一項(xiàng)所述的密封構(gòu)造，其特征在于， 在形成有所述硬質(zhì)碳皮膜的密封面上，形成有槽部。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的密封構(gòu)造，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)零件具有基材；所述硬質(zhì)碳皮膜；介于所述基材和所述硬質(zhì)碳皮膜之間的中間層，所述槽部包含形成在所述中間層的晶體之間的間隙。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的密封構(gòu)造，其特征在于， 所述中間層具有柱狀晶體結(jié)構(gòu)，所述間隙由所述中間層的柱狀晶體之間的間隙構(gòu)成。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的密封構(gòu)造，其特征在于， 所述槽部是形成在所述硬質(zhì)碳皮膜上的裂縫。
8.根據(jù)權(quán)利要求1 7中任一項(xiàng)所述的密封構(gòu)造，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)零件是相鄰的兩個(gè)燃料電池用隔膜，或者是膜電極接合體及與該膜電極接合體相鄰接的燃料電池用隔膜，所述隔膜具有形成有所述硬質(zhì)碳皮膜的密封面。
9.根據(jù)權(quán)利要求1 8中任一項(xiàng)所述的密封構(gòu)造，其特征在于， 形成在所述密封面上的硬質(zhì)碳皮膜具有導(dǎo)電性。
10.根據(jù)權(quán)利要求1 9中任一項(xiàng)所述的密封構(gòu)造，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)零件是具有如下構(gòu)件的燃料電池用隔膜扁平形狀的基材，其具有沿面方向擴(kuò)展的一個(gè)面和從該一個(gè)面的外周緣向厚度方向延伸設(shè)置的外周端面；至少覆蓋所述外周端面的絕緣性硬質(zhì)碳皮膜。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的密封構(gòu)造，其特征在于， 在所述一個(gè)面上形成有流路槽，所述一個(gè)面的包含所述流路槽的區(qū)域被導(dǎo)電性硬質(zhì)碳皮膜覆蓋。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的密封構(gòu)造，其特征在于，所述絕緣性硬質(zhì)碳皮膜覆蓋所述外周端面；所述一個(gè)面中的被所述導(dǎo)電性硬質(zhì)碳皮膜覆蓋的區(qū)域的周圍的區(qū)域。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的密封構(gòu)造，其特征在于， 所述導(dǎo)電性硬質(zhì)碳皮膜覆蓋整個(gè)所述一個(gè)面。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的密封構(gòu)造，其特征在于，所述密封件在所述一個(gè)面上以包圍被所述導(dǎo)電性硬質(zhì)碳皮膜覆蓋的區(qū)域的周圍的方式配置，所述絕緣性硬質(zhì)碳皮膜覆蓋所述外周端面；所述一個(gè)面的從所述一個(gè)面的外周緣到所述密封件的范圍的部分。
15. 一種燃料電池，其特征在于，具有權(quán)利要求1 14中任一項(xiàng)記載的密封構(gòu)造。
全文摘要
本發(fā)明提供密封構(gòu)造及具有該密封構(gòu)造的燃料電池。該密封構(gòu)造的特征是，具有在相對(duì)的面具有密封面(8、9、14、17、30、31、42、43、49、71、72)的結(jié)構(gòu)零件(1、2、11、16、21、22、33、34、44、51、52、61、62)；介于所述密封面之間而使所述密封面緊密接觸的密封件(3、18、25、37、46、50、55、65、104、105、106、140、240)，在所述密封面的一方或雙方上至少形成硬質(zhì)碳皮膜(6、7、13、28、29、40、41、48、53、54、66、67、108、120、130、220、230、320、330、430)。
文檔編號(hào)H01M8/10GK102227842SQ200980147689
公開日2011年10月26日 申請(qǐng)日期2009年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月28日
發(fā)明者姬野友克, 宮澤篤史, 山崎努, 影山和弘, 沼尾康弘 申請(qǐng)人:日產(chǎn)自動(dòng)車株式會(huì)社