JP7367711B2 - 燃料電池セルの製造方法および燃料電池セル - Google Patents
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Description
本開示は、燃料電池セルの製造方法および燃料電池セルに関する。
従来から燃料電池セルの製造方法に関する発明が知られている（下記特許文献１）。特許文献１に記載された燃料電池セルの製造方法は、膜電極接合体に対してスクリーン印刷で接着剤を塗布する接着剤塗布工程を含む。このスクリーン印刷で使用される印刷版は、上記膜電極接合体の内側を印刷する部分よりも上記膜電極接合体の外側を印刷する部分の方が、メッシュ径が小さくなるように形成されている（特許文献１、要約、請求項１、第０００６段落等）。この従来の燃料電池スタックの製造方法によれば、膜電極接合体と３層シートとを接着剤で接着する際に接着剤が載置台に付着してしまうことを防止することができる（同第０００９段落）。
たとえば、接着剤の塗布斑や接着剤への気泡の混入など、上記従来の燃料電池セルの製造方法のような液状の接着剤を使用する場合に発生し得る不具合を回避するために、液状の接着剤に替えて、シート状の熱可塑性接着剤を使用することが考えられる。しかしながら、シート状の熱可塑性接着剤を介して接合される膜電極接合体と樹脂フレームとは、表面性状が異なっている。そのため、シート状の熱可塑性接着剤を使用する場合、膜電極接合体と、樹脂フレームの両者に対して必要な接合強度を確保することが困難であるという課題がある。
本開示は、表面性状が異なる膜電極接合体と樹脂フレームの両者に対して必要な接合強度を確保することが可能な燃料電池セルの製造方法および燃料電池セルを提供する。
本開示の一態様は、膜電極接合体と樹脂フレームとがシート状の熱可塑性接着剤を介して接着された燃料電池セルの製造方法であって、前記熱可塑性接着剤として、前記膜電極接合体に対する接合性が前記樹脂フレームに対する接合性よりも良好な第１接合層と、前記樹脂フレームに対する接合性が前記膜電極接合体に対する接合性よりも良好な第２接合層と、を備えた２層接着シートを準備する準備工程と、前記第１接合層を前記膜電極接合体に対向させ、前記第２接合層を前記樹脂フレームに対向させた状態で、前記２層接着シートを前記膜電極接合体と前記樹脂フレームとの間に配置する配置工程と、前記配置工程で前記膜電極接合体と前記樹脂フレームとの間に配置された前記２層接着シートを加熱して可塑化させ、さらに可塑化した前記２層接着シートの温度を低下させて硬化させることで、前記膜電極接合体と前記樹脂フレームとを前記熱可塑性接着剤を介して接着する接着工程と、を有することを特徴とする燃料電池セルの製造方法である。
上記態様の燃料電池セルの製造方法において、前記配置工程は、前記膜電極接合体の上に前記２層接着シートを載置する工程と、前記膜電極接合体の上に載置された前記２層接着シートの上に前記樹脂フレームを載置する工程と、を含んでもよい。
上記態様の燃料電池セルの製造方法において、前記第１接合層は、アミド基を含む熱可塑性樹脂によって構成され、前記第２接合層は、オレフィン系の熱可塑性樹脂によって構成されていてもよい。
また、本開示の一態様は、膜電極接合体と樹脂フレームとがシート状の熱可塑性接着剤を介して接着された燃料電池セルであって、前記熱可塑性接着剤は、前記膜電極接合体に対する接合性が前記樹脂フレームに対する接合性よりも良好な第１接合層と、前記樹脂フレームに対する接合性が前記膜電極接合体に対する接合性よりも良好な第２接合層と、を備えた２層接着シートであり、前記膜電極接合体と前記第１接合層とが接合され、前記樹脂フレームと前記第２接合層とが接合された状態で、前記膜電極接合体と前記樹脂フレームとが前記２層接着シートを介して接着されていることを特徴とする燃料電池セルである。
本開示の上記態様によれば、表面性状が異なる膜電極接合体と樹脂フレームの両者に対して必要な接合強度を確保することが可能な燃料電池セルの製造方法および燃料電池セルを提供することができる。
以下、図面を参照して本開示に係る燃料電池セルの製造方法および燃料電池セルの実施形態を説明する。以下では、まず、本開示に係る燃料電池セルの実施形態を説明し、次に、その燃料電池セルの製造方法を説明する。
（燃料電池セル）
図１は、本開示に係る燃料電池セル１の一実施形態を示す概略的な平面図である。図２は、図１の燃料電池セル１のセパレータ５を取り外した状態を示す平面図である。図３は、図１のIII－III線に沿う燃料電池セル１の拡大断面図である。
図１は、本開示に係る燃料電池セル１の一実施形態を示す概略的な平面図である。図２は、図１の燃料電池セル１のセパレータ５を取り外した状態を示す平面図である。図３は、図１のIII－III線に沿う燃料電池セル１の拡大断面図である。
燃料電池セル１は、たとえば、膜電極ガス拡散層接合体（Membrane Electrode and Gas Diffusion Layer Assembly：以下、「ＭＥＧＡ」と略称する。）２と、樹脂フレーム３と、熱可塑性接着剤４と、カソード側セパレータ５と、アノード側セパレータ６とを備えている。図示を省略するが、複数の燃料電池セル１を積層させることで、燃料電池スタックが構成され、その燃料電池スタックを用いて燃料電池が製造される。
ＭＥＧＡ２は、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly：以下、「ＭＥＡ」と略称する。）２１と、カソード側ガス拡散層（Gas Diffusion Layer：以下、「ＧＤＬ」と略称する）２２と、アノード側ＧＤＬ２３とを含む。
ＭＥＡ２１は、電解質膜２１ａと、カソード側触媒層２１ｂと、アノード側触媒層２１ｃとを含む。カソード側触媒層２１ｂは、電解質膜２１ａの一方の面に接合され、アノード側触媒層２１ｃは、電解質膜２１ａの他方の面に接合されている。
電解質膜２１ａは、たとえば、パーフルオロスルホン酸（ＰＦＳＡ）アイオノマーなどの固体高分子材料である高分子電解質樹脂で形成され、イオン伝導性を有する高分子膜を電解質とするイオン交換膜である。電解質膜２１ａは、電子および気体の流通を阻止するとともに、プロトンをアノード側触媒層２１ｃからカソード側触媒層２１ｂに移動させる機能を有している。
カソード側触媒層２１ｂは、接着剤によりカソード側ＧＤＬ２２と接着されている。カソード側触媒層２１ｂは、白金や白金合金などの触媒を担持した導電性の担体からなり、たとえば、触媒担持カーボン粒子などのカーボン粒子を、プロトン伝導性を有するアイオノマーで被覆して形成された電極触媒層からなる。
アイオノマーは、電解質膜２１ａと同質のフッ素系樹脂などの固体高分子材料である高分子電解質樹脂からなる。アイオノマーは、イオン交換基を有することで、プロトン伝導性を有している。カソード側触媒層２１ｂは、プロトンと電子と酸素から水を生成する機能を有している。
アノード側触媒層２１ｃは、カソード側触媒層２１ｂと同様の材料で形成されているが、カソード側触媒層２１ｂと異なり、水素ガス（Ｈ２）をプロトンと電子に分解する機能を有している。アノード側触媒層２１ｃは、カソード側触媒層２１ｂよりも大きく形成されており、電解質膜２１ａを挟んで樹脂フレーム３と対向して積層される。また、アノード側触媒層２１ｃは、電解質膜２１ａおよびカソード側触媒層２１ｂを介してカソード側ＧＤＬ２２に対向して積層されている。
カソード側ＧＤＬ２２は、ガス透過性および導電性を有する材料、例えば、カーボンペーパーなどの炭素繊維や黒鉛繊維などの多孔質の繊維基材で形成されている。カソード側ＧＤＬ２２は、カソード側触媒層２１ｂの外側に接合されており、酸化剤ガスとしての空気を拡散させて均一にし、カソード側触媒層２１ｂに行き渡らせる機能を有している。
アノード側ＧＤＬ２３は、カソード側ＧＤＬ２２と同様に、ガス透過性および導電性を有する材料、たとえば、カーボンペーパーなどの炭素繊維や黒鉛繊維などの多孔質の繊維基材で形成されている。アノード側ＧＤＬ２３は、アノード側触媒層２１ｃの外側に接合されており、燃料ガスとしての水素ガスを拡散させて均一にし、アノード側触媒層２１ｃに行き渡らせる機能を有している。
樹脂フレーム３は、たとえば、図２に示すように、矩形枠状に形成され、中央に矩形の開口部３ａを有している。樹脂フレーム３は、たとえば、図３に示すように、コア材３１と、コア材３１の一方の面に形成された接着層３２と、コア材３１の他方の面に形成された接着層３３と、を有する３層構造の３層シートである。
コア材３１の素材としては、たとえば、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）などの熱可塑性の合成樹脂を使用することができる。接着層３２，３３は、たとえば、電解質膜２１ａよりも高い剛性、弾性、および粘性を有する。接着層３２，３３の素材としては、たとえば、ポリプロピレン（ＰＰ）やエポキシ樹脂からなる接着剤を使用することができる。
樹脂フレーム３は、一方の接着層３２を介してカソード側セパレータ５に接着され、もう一方の接着層３３を介してアノード側セパレータ６に接着される。また、樹脂フレーム３は、熱可塑性接着剤４を介してＭＥＧＡ２の端部に露出したＭＥＡ２１に接着されている。樹脂フレーム３は、クロスリークや触媒電極同士の電気的短絡を防止する。クロスリークは、燃料極の水素ガス（Ｈ２）や空気極の酸素ガス（Ｏ２）などの微量のガスが、電解質膜２１ａを通過して漏洩する現象である。
熱可塑性接着剤４は、たとえば、ＭＥＡ２１と樹脂フレーム３との間に配置され、これらＭＥＡ２１と樹脂フレーム３とを接着している。熱可塑性接着剤４は、たとえば、樹脂フレーム３の開口部３ａの形状に対応する矩形枠状または額縁状に設けられている。図３に示すように、熱可塑性接着剤４の外縁部は、樹脂フレーム３の開口部３ａの外側の領域に配置されており、熱可塑性接着剤４の内縁部は、樹脂フレーム３の開口部３ａの内側の領域に配置されている。
熱可塑性接着剤４は、ＭＥＧＡ２の外縁部に露出したＭＥＡ２１を覆っている。より詳細には、ＭＥＧＡ２の外縁部は、樹脂フレーム３の開口部３ａの内側に配置されるＭＥＧＡ２の発電部の外側の部分である。ＭＥＧＡ２の外縁部では、カソード側ＧＤＬ２２が除去されてＭＥＡ２１のカソード側触媒層２１ｂが露出している。
熱可塑性接着剤４は、たとえば、樹脂フレーム３の開口部３ａの内側の領域であるＭＥＧＡ２の発電部の内側から、その発電部の外側でカソード側ガス拡散層２２が除去された部分であるＭＥＧＡ２の外縁部まで延びている。これにより、熱可塑性接着剤４は、樹脂フレーム３の開口部３ａの内側でＭＥＧＡ２の外縁部に露出した膜電極接合体２１のカソード側触媒層２１ｂの表面全体を覆っている。
熱可塑性接着剤４は、たとえば、第１接合層４１と、第２接合層４２と、を備えた２層構造の２層接着シートである。熱可塑性接着剤４は、たとえば、加熱されて可塑化する前の状態では、シート状に形成されている。熱可塑性接着剤４を、樹脂フレーム３と膜電極接合体２１の間に配置した状態で加熱して可塑化させ、その後に温度を低下させて硬化させることで、樹脂フレーム３と膜電極接合体２１とが熱可塑性接着剤４を介して加熱溶着される。
熱可塑性接着剤４の第１接合層４１は、ＭＥＡ２１に対する接合性が、樹脂フレーム３に対する接合性よりも良好である。より詳細には、第１接合層４１は、たとえば、ＭＥＡ２１のカソード側触媒層２１ｂに対する接合性が、樹脂フレーム３の接着層３３に対する接合性よりも良好である。第１接合層４１は、たとえば、スルホン基と結合しやすいアミド基を含む熱可塑性樹脂によって構成されている。より具体的には、第１接合層４１は、たとえば、ポリアミド系（ナイロン系）の樹脂材料を主材としている。
熱可塑性接着剤４の第２接合層４２は、樹脂フレーム３に対する接合性が、膜電極接合体２１に対する接合性よりも良好である。より詳細には、第２接合層４２は、たとえば、樹脂フレーム３の接着層３３に対する接合性が、ＭＥＡ２１のカソード側触媒層２１ｂに対する接合性よりも良好である。第２接合層４２は、たとえば、オレフィン系の熱可塑性樹脂によって構成されている。より具体的には、第２接合層４２は、たとえば、ポリエチレンやポリプロピレンなどの樹脂材料を主材としている。なお、第１接合層４１と第２接合層４２との接合方法は、特に限定されない。
カソード側セパレータ５は、鉄鋼板、ステンレス鋼板およびアルミニウム板などの金属板で形成されている。カソード側セパレータ５は、カソード側ＧＤＬ２２および樹脂フレーム３に接着されており、カソード側ＧＤＬ２２の表面に沿って酸化剤ガスとしての空気を流す酸化剤ガス流路を形成している。カソード側セパレータ５の表面は、チタン（Ｔｉ）薄膜が形成され、チタン薄膜に炭素層が形成されている。
アノード側セパレータ６は、カソード側セパレータ５と同様、鉄鋼板、ステンレス鋼板およびアルミニウム板などの金属板で形成されている。アノード側セパレータ６は、アノード側ＧＤＬ２３および樹脂フレーム３に接合されており、アノード側ＧＤＬ２３の表面に沿って燃料ガスとしての水素を流す燃料ガス流路を形成している。アノード側セパレータ６は、カソード側セパレータ５と同様に、表面にチタン（Ｔｉ）薄膜が形成され、チタン薄膜に炭素層が形成されている。
（燃料電池セルの製造方法）
図４は、本開示に係る燃料電池セルの製造方法の一実施形態を示すフロー図である。本実施形態の燃料電池セルの製造方法Ｍは、ＭＥＡ２１と樹脂フレーム３とがシート状の熱可塑性接着剤４を介して接着された燃料電池セル１の製造方法である。本実施形態の燃料電池セルの製造方法Ｍは、準備工程Ｐ１と、配置工程Ｐ２と、接着工程Ｐ３とを有している。
図４は、本開示に係る燃料電池セルの製造方法の一実施形態を示すフロー図である。本実施形態の燃料電池セルの製造方法Ｍは、ＭＥＡ２１と樹脂フレーム３とがシート状の熱可塑性接着剤４を介して接着された燃料電池セル１の製造方法である。本実施形態の燃料電池セルの製造方法Ｍは、準備工程Ｐ１と、配置工程Ｐ２と、接着工程Ｐ３とを有している。
準備工程Ｐ１は、熱可塑性接着剤４として、２層構造の２層接着シートを準備する工程である。前述のように、２層接着シートである熱可塑性接着剤４は、膜電極接合体２１に対する接合性が樹脂フレーム３に対する接合性よりも良好な第１接合層４１と、樹脂フレーム３に対する接合性がＭＥＡ２１に対する接合性よりも良好な第２接合層４２と、を備えている。熱可塑性接着剤４の準備が完了して準備工程Ｐ１が終了すると、配置工程Ｐ２が実施される。
配置工程Ｐ２は、２層接着シートである熱可塑性接着剤４を、ＭＥＡ２１と樹脂フレーム３との間に配置する工程である。この配置工程Ｐ２において、熱可塑性接着剤４は、第１接合層４１をＭＥＡ２１に対向させ、第２接合層４２を樹脂フレーム３に対向させた状態で、膜電極接合体２１と樹脂フレーム３との間に配置される。
図５は、図４の燃料電池セルの製造方法Ｍにおける配置工程Ｐ２の一例を示すフロー図である。配置工程Ｐ２は、たとえば、ＭＥＡ２１の上に２層接着シートである熱可塑性接着剤４を載置する工程Ｐ２１と、ＭＥＡ２１の上に載置された２層接着シートである熱可塑性接着剤４の上に樹脂フレーム３を載置する工程Ｐ２２と、を含む。これにより、ＭＥＡ２１と樹脂フレーム３との間に２層接着シートである熱可塑性接着剤４が配置される。配置工程Ｐ２の終了後は、接着工程Ｐ３が実施される。
接着工程Ｐ３は、ＭＥＡ２１と樹脂フレーム３とを熱可塑性接着剤４を介して接着する工程である。この接着工程Ｐ３では、配置工程Ｐ２でＭＥＡ２１と樹脂フレーム３との間に配置された２層接着シートである熱可塑性接着剤４を加熱して可塑化させ、さらに可塑化した２層接着シートの温度を低下させて硬化させる。これにより、ＭＥＡ２１と樹脂フレーム３とが、熱可塑性接着剤４を介して熱溶着されて接着される。
その後、熱可塑性接着剤４を介して樹脂フレーム３が接着されたＭＥＧＡ２のカソード側ＧＤＬ２２をカソード側セパレータ５に対向させ、ＭＥＧＡ２のアノード側ＧＤＬ２３をアノード側セパレータ６に対向させる。そして、ＭＥＧＡ２と、カソード側セパレータ５およびアノード側セパレータ６とを接合することで、燃料電池セル１が製造される。
以下、本実施形態の燃料電池セルの製造方法Ｍおよび燃料電池セル１の作用を説明する。
前記特許文献１に記載された従来の燃料電池セルの製造方法では、液状の接着剤を使用して、膜電極接合体と樹脂フレームとを接着している。しかしながら、液状の接着剤は、塗布斑や気泡の混入のおそれがある。また、接着剤に塗布斑が生じたり、気泡が混入したりすると、接着剤が部分的に欠損して、クロスリークや膜電極接合体の耐久性を低下させるおそれがある。
このような課題を解決するために、液状の接着剤に替えて、シート状の熱可塑性接着剤を使用することが考えられる。しかしながら、シート状の熱可塑性接着剤を介して接合される膜電極接合体と樹脂フレームとは、表面性状が異なっている。そのため、シート状の熱可塑性接着剤を使用する場合、膜電極接合体と、樹脂フレームの両者に対して必要な接合強度を確保することが困難である。
これに対し、本実施形態の燃料電池セルの製造方法Ｍは、前述のように、膜電極接合体２１と樹脂フレーム３とがシート状の熱可塑性接着剤４を介して接着された燃料電池セル１の製造方法である。燃料電池セルの製造方法Ｍは、前述のように、準備工程Ｐ１と、配置工程Ｐ２と、接着工程Ｐ３を有している。準備工程Ｐ１は、熱可塑性接着剤４として、膜電極接合体２１に対する接合性が樹脂フレーム３に対する接合性よりも良好な第１接合層４１と、樹脂フレーム３に対する接合性が膜電極接合体２１に対する接合性よりも良好な第２接合層４２と、を備えた２層接着シートを準備する工程である。配置工程Ｐ２は、第１接合層４１を膜電極接合体２１に対向させ、第２接合層４２を樹脂フレーム３に対向させた状態で、熱可塑性接着剤４を膜電極接合体２１と樹脂フレーム３との間に配置する工程である。接着工程Ｐ３は、配置工程Ｐ２で膜電極接合体２１と樹脂フレーム３との間に配置された熱可塑性接着剤４を加熱して可塑化させ、さらに可塑化した熱可塑性接着剤４の温度を低下させて硬化させることで、膜電極接合体２１と樹脂フレーム３とを熱可塑性接着剤４を介して接着する工程である。
本実施形態の燃料電池セルの製造方法Ｍによれば、膜電極接合体２１と樹脂フレーム３とを、シート状の熱可塑性接着剤４を介して熱溶着して接合することで、液状の接着剤を使用した場合に発生し得る接着剤の欠損を防止することができる。したがって、本実施形態の燃料電池セルの製造方法Ｍによれば、膜電極接合体２１と樹脂フレーム３との接合に液状の接着剤を使用する場合よりも、クロスリークをより確実に防止して、膜電極接合体２１の耐久性を向上させることができる。
さらに、本実施形態の燃料電池セルの製造方法Ｍによれば、前述のように、熱可塑性接着剤４として、膜電極接合体２１に対する接合性が良好な第１接合層４１と、樹脂フレーム３に対する接合性が良好な第２接合層４２を備えた２層接着シートを用いている。これにより、熱可塑性接着剤４は、表面性状が異なる膜電極接合体２１と樹脂フレーム３の両者に対して必要な接合強度を確保することが可能となる。したがって、本実施形態の燃料電池セルの製造方法Ｍによれば、熱可塑性接着剤４を膜電極接合体２１と樹脂フレーム３の両者に対して密着接合させ、電気的絶縁性を有するシールを提供することができる。
また、本実施形態の燃料電池セルの製造方法Ｍにおいて、配置工程Ｐ２は、膜電極接合体２１の上に２層接着シートとしての熱可塑性接着剤４を載置する工程Ｐ２１と、膜電極接合体２１の上に載置された熱可塑性接着剤４の上に樹脂フレーム３を載置する工程Ｐ２２と、を含む。このような構成により、熱可塑性接着剤４の第１接合層４１を膜電極接合体２１に対向させ、熱可塑性接着剤４の第２接合層４２を樹脂フレーム３に対向させた状態で、熱可塑性接着剤４を膜電極接合体２１と樹脂フレーム３との間に配置することが容易になる。
また、本実施形態の燃料電池セルの製造方法Ｍにおいて、熱可塑性接着剤４の第１接合層４１は、アミド基を含む熱可塑性樹脂によって構成され、熱可塑性接着剤４の第２接合層４２は、オレフィン系の熱可塑性樹脂によって構成されている。このような構成により、熱可塑性接着剤４の第１接合層４１を膜電極接合体２１に対して強固に接合し、熱可塑性接着剤４の第２接合層４２を樹脂フレーム３に対して強固に接合することが可能になる。したがって、本実施形態の燃料電池セルの製造方法Ｍによれば、樹脂フレーム３と膜電極接合体２１とが剥離するのを防止することができる。
また、本実施形態の燃料電池セル１は、膜電極接合体２１と樹脂フレーム３とがシート状の熱可塑性接着剤４を介して接着されている。熱可塑性接着剤４は、膜電極接合体２１に対する接合性が樹脂フレーム３に対する接合性よりも良好な第１接合層４１と、樹脂フレーム３に対する接合性が膜電極接合体２１に対する接合性よりも良好な第２接合層４２と、を備えた２層接着シートである。燃料電池セル１は、膜電極接合体２１と第１接合層４１とが接合され、樹脂フレーム３と第２接合層４２とが接合された状態で、膜電極接合体２１と樹脂フレーム３とが２層接着シートとしての熱可塑性接着剤４を介して接着されている。
本実施形態の燃料電池セル１によれば、膜電極接合体２１と樹脂フレーム３とが、シート状の熱可塑性接着剤４を介して熱溶着により接合されるため、液状の接着剤を使用した場合に発生し得る接着剤の欠損を防止することができる。したがって、本実施形態の燃料電池セル１によれば、膜電極接合体２１と樹脂フレーム３との接合に液状の接着剤を使用する場合よりも、クロスリークをより確実に防止して、膜電極接合体２１の耐久性を向上させることができる。
さらに、本実施形態の燃料電池セル１によれば、前述のように、熱可塑性接着剤４として、膜電極接合体２１に対する接合性が良好な第１接合層４１と、樹脂フレーム３に対する接合性が良好な第２接合層４２を備えた２層接着シートを用いている。これにより、熱可塑性接着剤４は、表面性状が異なる膜電極接合体２１と樹脂フレーム３の両者に対して必要な接合強度を確保することが可能となる。したがって、本実施形態の燃料電池セル１によれば、熱可塑性接着剤４を膜電極接合体２１と樹脂フレーム３の両者に対して密着接合させ、電気的絶縁性を有するシールを提供することができる。
また、本実施形態の燃料電池セル１は、ＭＥＧＡ２の外縁部において、膜電極接合体２１のカソード側触媒層２１ｂが露出し、その露出したカソード側触媒層２１ｂが熱可塑性接着剤４によって覆われている。このように、より多くの水が生成されるカソード側触媒層２１ｂが熱可塑性接着剤４によって覆われることで、アミド結合の加水分解が抑制され、膜電極接合体２１の膨潤が抑制され、ＭＥＧＡ２の耐久性が向上する。
以上説明したように、本実施形態によれば、表面性状が異なる膜電極接合体２１と樹脂フレーム３の両者に対して必要な接合強度を確保することが可能な燃料電池セルの製造方法Ｍおよび燃料電池セル１を提供することができる。
以上、図面を用いて本開示に係る燃料電池セルの製造方法および燃料電池セルの実施形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本開示に含まれるものである。
１ 燃料電池セル
２１ 膜電極接合体（ＭＥＡ）
３ 樹脂フレーム
４ 熱可塑性接着剤（２層接着シート）
４１ 第１接合層
４２ 第２接合層
Ｍ 燃料電池セルの製造方法
Ｐ１ 準備工程
Ｐ２ 配置工程
Ｐ２１ ２層接着シートを載置する工程
Ｐ２２ 樹脂フレームを載置する工程
Ｐ３ 接着工程
２１ 膜電極接合体（ＭＥＡ）
３ 樹脂フレーム
４ 熱可塑性接着剤（２層接着シート）
４１ 第１接合層
４２ 第２接合層
Ｍ 燃料電池セルの製造方法
Ｐ１ 準備工程
Ｐ２ 配置工程
Ｐ２１ ２層接着シートを載置する工程
Ｐ２２ 樹脂フレームを載置する工程
Ｐ３ 接着工程
Claims (4)
- 膜電極接合体と樹脂フレームとがシート状の熱可塑性接着剤を介して接着された燃料電池セルの製造方法であって、
前記熱可塑性接着剤として、前記膜電極接合体に対する接合性が前記樹脂フレームに対する接合性よりも良好な第１接合層と、前記樹脂フレームに対する接合性が前記膜電極接合体に対する接合性よりも良好な第２接合層と、を備えた２層接着シートを準備する準備工程と、
前記第１接合層を前記膜電極接合体に対向させ、前記第２接合層を前記樹脂フレームに対向させた状態で、前記２層接着シートを前記膜電極接合体と前記樹脂フレームとの間に配置する配置工程と、
前記配置工程で前記膜電極接合体と前記樹脂フレームとの間に配置された前記２層接着シートを加熱して可塑化させ、さらに可塑化した前記２層接着シートの温度を低下させて硬化させることで、前記膜電極接合体と前記樹脂フレームとを前記熱可塑性接着剤を介して接着する接着工程と、
を有することを特徴とする燃料電池セルの製造方法。 - 前記配置工程は、前記膜電極接合体の上に前記２層接着シートを載置する工程と、前記膜電極接合体の上に載置された前記２層接着シートの上に前記樹脂フレームを載置する工程と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セルの製造方法。
- 前記第１接合層は、アミド基を含む熱可塑性樹脂によって構成され、
前記第２接合層は、オレフィン系の熱可塑性樹脂によって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セルの製造方法。 - 膜電極接合体と樹脂フレームとがシート状の熱可塑性接着剤を介して接着された燃料電池セルであって、
前記熱可塑性接着剤は、前記膜電極接合体に対する接合性が前記樹脂フレームに対する接合性よりも良好な第１接合層と、前記樹脂フレームに対する接合性が前記膜電極接合体に対する接合性よりも良好な第２接合層と、を備えた２層接着シートであり、
前記膜電極接合体と前記第１接合層とが接合され、前記樹脂フレームと前記第２接合層とが接合された状態で、前記膜電極接合体と前記樹脂フレームとが前記２層接着シートを介して接着されていることを特徴とする燃料電池セル。
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|---|---|---|---|---|
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Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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