(57)【要約】      （修正有）【課題】ポリマー電解質膜材料のウェブおよび積層ステーションを提供する。【解決手段】ライナ層と、微粒子状触媒金属を含む同延の触媒層とを含むダイカットされた触媒デカールであって、４辺を有する平行四辺形以外の形状である周囲を有するダイカットされた触媒デカール。流体輸送層と、微粒子状触媒金属を含む同延の触媒層とを含むダイカットされた電極であって、４辺を有する平行四辺形以外の形状である周囲を有するダイカットされた電極。複数の膜電極アセンブリを含む膜であって、両面にパターニングされた電極層セグメントの各々が、４辺を有する平行四辺形以外の形状である周囲を有する、膜。およびこれらの製造方法、装置。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ライナ層と、微粒子状触媒金属を含む同延の触媒層とを含むダイカットされた触媒デカールであって、４辺を有する平行四辺形以外の形状である周囲を有するダイカットされた触媒デカール。
【請求項２】
流体輸送層と、微粒子状触媒金属を含む同延の触媒層とを含むダイカットされた電極であって、４辺を有する平行四辺形以外の形状である周囲を有するダイカットされた電極。
【請求項３】
ライナ層と、触媒層とを含む、触媒デカール材料のウェブを、ダイカットする工程を含む、請求項１に記載のダイカットされた触媒デカールを製造する方法。
【請求項４】
前記ダイカット工程が、回転ダイカット工程を含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
流体輸送層と、触媒層とを含む、電極材料のウェブを、ダイカットする工程を含む、請求項２に記載のダイカットされた電極を製造する方法。
【請求項６】
前記ダイカット工程が、回転ダイカット工程を含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
第１および第２の面を有するポリマー電解質膜と、
隣接したパターニングされた触媒層セグメントが互いに接触しないように、前記膜の前記第１の面上に積層された複数の第１のパターニングされた触媒層セグメントと、
隣接したパターニングされた触媒層セグメントが互いに接触しないように、前記膜の前記第２の面上に積層された複数の第２のパターニングされた触媒層セグメントとを含む、複数の膜電極アセンブリを含む膜であって、
前記第１のパターニングされた触媒層セグメントの各々が、周囲を有し、前記第２のパターニングされた触媒層セグメントの各々が、対向する第１のパターニングされた触媒層セグメントの周囲と正確に位置合せされた周囲を有する、膜。
【請求項８】
第１および第２の面を有するポリマー電解質膜と、
隣接したパターニングされた触媒層セグメントが互いに接触しないように、前記膜の前記第１の面上に積層された複数の第１のパターニングされた触媒層セグメントと、
隣接したパターニングされた触媒層セグメントが互いに接触しないように、前記膜の前記第２の面上に積層された複数の第２のパターニングされた触媒層セグメントとを含む、複数の膜電極アセンブリを含む連続ウェブであって、
前記第１および第２のパターニングされた触媒層セグメントの各々が、４辺を有する平行四辺形以外の形状である周囲を有する、連続ウェブ。
【請求項９】
前記第１および第２のパターニングされた触媒層セグメントの各々が、４辺を有する平行四辺形以外の形状である周囲を有する、請求項７に記載の連続ウェブ。
【請求項１０】
前記第１の触媒層セグメントが、第１の触媒組成物を有し、前記第２の触媒層セグメントが、前記第１の触媒組成物と異なる第２の触媒組成物を有する、請求項７に記載の連続ウェブ。
【請求項１１】
前記第１の触媒層セグメントが、第１の触媒組成物を有し、前記第２の触媒層セグメントが、前記第１の触媒組成物と異なる第２の触媒組成物を有する、請求項８に記載の連続ウェブ。
【請求項１２】
前記第１の触媒層セグメントが、第１の触媒組成物を有し、前記第２の触媒層セグメントが、前記第１の触媒組成物と異なる第２の触媒組成物を有する、請求項９に記載の連続ウェブ。
【請求項１３】
第１および第２の面を有するポリマー電解質膜と、
隣接したパターニングされた電極層セグメントが互いに接触しないように、前記膜の前記第１の面上に積層された複数の第１のパターニングされた電極層セグメントであって、各第１のパターニングされた電極セグメントが、流体輸送層と、同延の第１の触媒の層とを含む、複数の第１のパターニングされた電極層セグメントと、
隣接したパターニングされた電極層セグメントが互いに接触しないように、前記膜の前記第２の面上に積層された複数の第２のパターニングされた電極層セグメントであって、各第２のパターニングされた電極セグメントが、流体輸送層と、同延の第２の触媒の層とを含む、複数の第２のパターニングされた電極層セグメントとを含む、複数の膜電極アセンブリを含む膜であって、
前記第１のパターニングされた電極層セグメントの各々が、周囲を有し、前記第２のパターニングされた電極層セグメントの各々が、対向する第１のパターニングされた電極層セグメントの周囲と正確に位置合せされた周囲を有する、膜。
【請求項１４】
第１および第２の面を有するポリマー電解質膜と、
隣接したパターニングされた電極層セグメントが互いに接触しないように、前記膜の前記第１の面上に積層された複数の第１のパターニングされた電極層セグメントであって、各第１のパターニングされた電極セグメントが、流体輸送層と、同延の第１の触媒の層とを含む、複数の第１のパターニングされた電極層セグメントと、
隣接したパターニングされた電極層セグメントが互いに接触しないように、前記膜の前記第２の面上に積層された複数の第２のパターニングされた電極層セグメントであって、各第２のパターニングされた電極セグメントが、流体輸送層と、同延の第２の触媒の層とを含む、複数の第２のパターニングされた電極層セグメントとを含む、複数の膜電極アセンブリを含む膜であって、
前記第１および第２のパターニングされた電極層セグメントの各々が、４辺を有する平行四辺形以外の形状である周囲を有する、膜。
【請求項１５】
前記第１および第２のパターニングされた電極セグメントの各々が、４辺を有する平行四辺形以外の形状である周囲を有する、請求項１３に記載の連続ウェブ。
【請求項１６】
前記第１の触媒が、第１の触媒組成物を有し、前記第２の触媒が、前記第１の触媒組成物と異なる第２の触媒組成物を有する、請求項１３に記載の連続ウェブ。
【請求項１７】
前記第１の触媒が、第１の触媒組成物を有し、前記第２の触媒が、前記第１の触媒組成物と異なる第２の触媒組成物を有する、請求項１４に記載の連続ウェブ。
【請求項１８】
前記第１の触媒が、第１の触媒組成物を有し、前記第２の触媒が、前記第１の触媒組成物と異なる第２の触媒組成物を有する、請求項１５に記載の連続ウェブ。
【請求項１９】
ａ）ポリマー電解質膜材料のウェブを提供する工程と、
ｂ）積層ステーションを提供する工程であって、前記ポリマー電解質膜材料のウェブが、積層ニップを形成する１対の積層ローラ間で引かれる、工程と、
ｃ）ライナ層と、第１の触媒層とを含む、第１の触媒デカール材料の第１のウェブを、ダイカットして、第１の触媒デカールを製造する工程と、
ｄ）ライナ層と、第２の触媒層とを含む、第２の触媒デカール材料の第２のウェブを、ダイカットして、第２の触媒デカールを製造する工程と、
ｅ）前記第１の触媒デカールを前記積層ステーションに輸送する工程と、
ｆ）前記第２の触媒デカールを前記積層ステーションに輸送する工程と、
ｇ）前記第１の触媒デカールを、前記ポリマー電解質膜材料のウェブに隣接して前記積層ニップ内に供給する工程と、
ｈ）前記第２の触媒デカールを、前記第１の触媒デカールと同時に、前記ポリマー電解質膜材料のウェブに隣接して前記積層ニップ内に供給する工程と、
ｉ）前記第１の触媒デカール、前記ポリマー電解質膜材料のウェブ、および前記第２の触媒デカールを積層して、積層体を形成する工程とを含む、膜電極アセンブリを製造する方法。
【請求項２０】
請求項１９に記載の方法を含み、さらに、
ｌ）工程ａ）〜ｉ）を繰返す工程を含む、請求項７に記載の連続ウェブを製造する方法。
【請求項２１】
ｍ）工程ｃ）が完了する前に、周囲より低い空気圧の作用によって、真空コンベヤの有孔エンドレスベルトに前記第１の触媒デカールを保持する工程と、
ｎ）前記真空コンベヤの前記有孔エンドレスベルトから、前記第１の触媒デカールを解放する前に、工程ｇ）を開始する工程とをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
ｏ）工程ｄ）が完了する前に、周囲より低い空気圧の作用によって、真空コンベヤの有孔エンドレスベルトに前記第２の触媒デカールを保持する工程と、
ｐ）前記真空コンベヤの前記有孔エンドレスベルトから、前記第２の触媒デカールを解放する前に、工程ｈ）を開始する工程とをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
ａ）ポリマー電解質膜材料のウェブを提供する工程と、
ｂ）積層ステーションを提供する工程であって、前記ポリマー電解質膜材料のウェブが、積層ニップを形成する１対の積層ローラ間で引かれる、工程と、
ｃ）流体輸送層と、第１の触媒層とを含む、第１の電極材料の第１のウェブを、ダイカットして、第１の電極を製造する工程と、
ｄ）流体輸送層と、第２の触媒層とを含む、第２の電極材料の第２のウェブを、ダイカットして、第２の電極を製造する工程と、
ｅ）前記第１の電極を前記積層ステーションに輸送する工程と、
ｆ）前記第２の電極を前記積層ステーションに輸送する工程と、
ｇ）前記第１の電極を、前記ポリマー電解質膜材料のウェブに隣接して前記積層ニップ内に供給する工程と、
ｈ）前記第２の電極を、前記第１の電極と同時に、前記ポリマー電解質膜材料のウェブに隣接して前記積層ニップ内に供給する工程と、
ｉ）前記第１の電極、前記ポリマー電解質膜材料のウェブ、および前記第２の電極を積層して、積層体を形成する工程とを含む、膜電極アセンブリを製造する方法。
【請求項２４】
請求項２３に記載の方法を含み、さらに、
ｌ）工程ａ）〜ｉ）を繰返す工程を含む、請求項１３に記載の連続ウェブを製造する方法。
【請求項２５】
ｍ）工程ｃ）が完了する前に、周囲より低い空気圧の作用によって、真空コンベヤの有孔エンドレスベルトに前記第１の電極を保持する工程と、
ｎ）前記真空コンベヤの前記有孔エンドレスベルトから、前記第１の電極を解放する前に、工程ｇ）を開始する工程とをさらに含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２６】
ｏ）工程ｄ）が完了する前に、周囲より低い空気圧の作用によって、真空コンベヤの有孔エンドレスベルトに前記第２の電極を保持する工程と、
ｐ）前記真空コンベヤの前記有孔エンドレスベルトから、前記第２の電極を解放する前に、工程ｈ）を開始する工程とをさらに含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
ａ）積層ステーションと、
ｂ）第１および第２の真空コンベヤと、
ｃ）第１および第２の回転ダイステーションとを含む、膜電極アセンブリを製造する装置。
【請求項２８】
前記第１の真空コンベヤおよび前記第１の回転ダイステーションの両方が機能している状態で、前記第１の回転ダイステーション内でワークピース材料の第１のウェブから切断されているワークピースの現れている部分が、前記ワークピースが前記ワークピース材料の第１のウェブから完全に分離される前に、前記第１の真空コンベヤによって保持されるようになるように、前記第１の真空コンベヤおよび前記第１の回転ダイステーションが配列されている、請求項２７に記載の装置。
【請求項２９】
前記第１の真空コンベヤおよび前記積層ステーションの両方が機能している状態で、前記ワークピースが、前記第１の真空コンベヤによって完全に解放される前に、前記積層ステーションの積層ニップ内に引かれるように、前記第１の真空コンベヤおよび前記積層ステーションが配列されている、請求項２８に記載の装置。
【請求項３０】
前記第１の真空コンベヤが、線表面速度を有する第１の有孔エンドレスベルトと、それに機能的に連結された第１の真空コンベヤ駆動機構とを含み、
前記第１の回転ダイステーションが、線表面速度を有する第１の回転ダイと、それに機能的に連結された第１の回転ダイステーション駆動機構とを含み、
前記第１の有孔エンドレスベルトの線表面速度が、前記第１の回転ダイの線表面速度より大きいように、前記第１の真空コンベヤ駆動機構および前記第１の回転ダイステーション駆動機構が、ともに連動される、請求項２９に記載の装置。
【請求項３１】
前記積層ステーションが、共通の線表面速度を有する第１および第２の積層ローラと、それらに機能的に連結された積層駆動機構とを含み、
前記第１の有孔エンドレスベルトの線表面速度が、前記第１および第２の積層ローラの線表面速度と同じであるように、前記第１の真空コンベヤ駆動機構および前記積層駆動機構が、ともに連動される、請求項３０に記載の装置。
【請求項３２】
前記第２の真空コンベヤおよび前記第２の回転ダイステーションの両方が機能している状態で、前記第２の回転ダイステーション内でワークピース材料の第２のウェブから切断されているワークピースの現れている部分が、前記ワークピースが前記ワークピース材料の第２のウェブから完全に分離される前に、前記第２の真空コンベヤによって保持されるようになるように、前記第２の真空コンベヤおよび前記第２の回転ダイステーションが配列されている、請求項３１に記載の装置。
【請求項３３】
前記第２の真空コンベヤおよび前記積層ステーションの両方が機能している状態で、前記ワークピースが、前記第２の真空コンベヤによって完全に解放される前に、前記積層ステーションの積層ニップ内に引かれるように、前記第２の真空コンベヤおよび前記積層ステーションが配列されている、請求項３２に記載の装置。
【請求項３４】
前記第２の真空コンベヤが、線表面速度を有する第２の有孔エンドレスベルトと、それに機能的に連結された第２の真空コンベヤ駆動機構とを含み、
前記第２の回転ダイステーションが、線表面速度を有する第２の回転ダイと、それに機能的に連結された第２の回転ダイステーション駆動機構とを含み、
前記第２の有孔エンドレスベルトの線表面速度が、前記第２の回転ダイの線表面速度より大きいように、前記第２の真空コンベヤ駆動機構および前記第２の回転ダイステーション駆動機構が、ともに連動される、請求項３３に記載の装置。
【請求項３５】
前記第２の有孔エンドレスベルトの線表面速度が、前記第１および第２の積層ローラの線表面速度と同じであるように、前記第２の真空コンベヤ駆動機構および前記積層駆動機構が、ともに連動される、請求項３４に記載の装置。
【請求項３６】
ａ）積層ステーションと、
ｂ）第１および第２の積極的なグリップコンベヤと、
ｃ）第１および第２の回転ダイステーションとを含む、膜電極アセンブリを製造する装置。
【請求項３７】
前記第１の積極的なグリップコンベヤおよび前記第１の回転ダイステーションの両方が機能している状態で、前記第１の回転ダイステーション内でワークピース材料の第１のウェブから切断されているワークピースの現れている部分が、前記ワークピースが前記ワークピース材料の第１のウェブから完全に分離される前に、前記第１の積極的なグリップコンベヤによって保持されるようになるように、前記第１の積極的なグリップコンベヤおよび前記第１の回転ダイステーションが配列されている、請求項３６に記載の装置。
【請求項３８】
前記第１の積極的なグリップコンベヤおよび前記積層ステーションの両方が機能している状態で、前記ワークピースが、前記第１の積極的なグリップコンベヤによって完全に解放される前に、前記積層ステーションの積層ニップ内に引かれるように、前記第１の積極的なグリップコンベヤおよび前記積層ステーションが配列されている、請求項３７に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポリマー電解質膜燃料電池の製造のためのコンポーネント、ならびにさまざまな層を積層して膜電極アセンブリを形成することによるポリマー電解質膜燃料電池の製造のための装置および自動化可能な方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
米国特許第６，１５９，３２７号明細書、同第６，００７，６６０号明細書、および同第５，７８３，０２４号明細書は、シザーカットされた積層体シートが１つまたは２つの面に積層された複数の基材を製造する装置および方法を開示している。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
簡潔に、本発明は、ポリマー電解質膜材料のウェブおよび積層ステーションを提供する工程であって、ポリマー電解質膜材料のウェブが、積層ニップを形成する、積層ステーション内の１対の積層ローラ間で引かれる、工程と、第１および第２の回転ダイステーションで、触媒デカール材料または電極材料の第１および第２のウェブをダイカットして、第１および第２のワークピースを製造する工程と、ダイカットされたワークピースを、典型的には第１および第２のウェブから完全に切断される前に、周囲より低い空気圧（ｓｕｂ−ａｍｂｉｅｎｔ  ａｉｒ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ）の作用によって第１および第２の真空コンベヤの有孔エンドレスベルトに保持する工程と、第１および第２のワークピースを積層ステーション内の膜の両側に輸送する工程と、第１および第２のワークピースを、典型的には第１および第２の真空コンベヤによって完全に解放される前に、膜に隣接して積層ニップ内に同時に供給する工程と、第１および第２のワークピースを、有利に正確に位置合せして、膜に積層する工程とを含む、膜電極アセンブリを製造する方法を提供する。
【０００４】
別の態様において、本発明は、積層ステーションと、第１および第２の真空コンベヤと、第１および第２の回転ダイステーションとを含む、膜電極アセンブリを製造する装置を提供する。これらの５のコンポーネントは、第１および第２の回転ダイステーションから現れている第１および第２のワークピースが、第１および第２のウェブから完全に切断される前に、周囲より低い空気圧の作用によって第１および第２の真空コンベヤの有孔エンドレスベルトに保持され、かつ、真空コンベヤによって解放される前に、膜に隣接して積層ニップ内に供給されるように、位置させ、ともに連動させてもよい。
【０００５】
別の態様において、本発明は、第１および第２の面を有するポリマー電解質膜と、隣接したパターニングされた触媒層セグメントが互いに接触しないように、膜の第１の面上に積層された複数の第１のパターニングされた触媒層セグメントまたは電極と、隣接したパターニングされた触媒層セグメントが互いに接触しないように、膜の第２の面上に積層された複数の第２のパターニングされた触媒層セグメントまたは電極とを含む、複数の膜電極アセンブリを含む膜を提供する。典型的には、第１のパターニングされた触媒層セグメントまたは電極は、第２のパターニングされた触媒層セグメントまたは電極と正確に位置合せされている。典型的には、前記第１および第２のパターニングされた触媒層セグメントまたは電極の各々は、４辺を有する平行四辺形以外の形状である周囲を有する。第１の触媒層セグメントまたは電極は、第２の触媒層セグメントまたは電極の触媒組成物と異なる触媒組成物を有してもよい。
【０００６】
別の態様において、本発明は、典型的には回転ダイカット方法によって製造された、４辺を有する平行四辺形以外の形状である周囲を有する、ダイカットされた触媒デカールまたは電極を提供する。
【０００７】
本出願において、
「積層する」は、２以上のシート材料をともに結合することを意味し、
「膜電極アセンブリ」は、触媒層、ポリマー電解質膜層、および別の触媒層を含む、少なくとも３つの層を含む構造を意味し、これは、また、流体輸送層、触媒層、ポリマー電解質膜層、別の触媒層、および別の流体輸送層を含む５層を含んでもよく、
「流体輸送層」としては、「ディフューザ／集電体」（ＤＣＣ）層、「ガス拡散層」（ＧＤＬ）、または「電極バッキング層」（ＥＢＬ）と以前呼ばれた層を挙げてもよい。
【０００８】
本発明の利点は、ポリマー電解質膜燃料電池の製造のための方法、装置、およびコンポーネントを提供することである。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明に係る装置の斜視図である。
【図２】本発明に係る装置の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１および図２を参照すると、本発明による装置は、１対の回転ダイステーション１０、２０と、１対の傾斜した真空コンベヤ３０、４０と、積層ステーション５０とを含む。傾斜した真空コンベヤ３０、４０は、本明細書と同じ日付で出願された「傾斜した製品移送コンベヤ」（Ａｎｇｌｅｄ  Ｐｒｏｄｕｃｔ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  Ｃｏｎｖｅｙｏｒ）という表題の同時係属中の米国特許出願に記載された真空コンベヤであってもよい。ダイステーション１０と傾斜した真空コンベヤ３０との組合せ、およびダイステーション２０と傾斜した真空コンベヤ４０との組合せの各々は、本明細書と同じ日付で出願された「傾斜した製品移送コンベヤ」（Ａｎｇｌｅｄ  Ｐｒｏｄｕｃｔ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  Ｃｏｎｖｅｙｏｒ）という表題の同時係属中の米国特許出願に記載されたシート材料を切断し輸送する装置を含んでもよい。積層ステーション５０は、本明細書と同じ日付で出願された「積層ロール用間隙調整装置」（Ｇａｐ  Ａｄｊｕｓｔｅｒ  ｆｏｒ  Ｌａｍｉｎａｔｉｎｇ  Ｒｏｌｌｓ）という表題の同時係属中の米国特許出願に記載された間隙形成ブロックおよび他の積層装置を含んでもよい。
【００１１】
いかなる適切な回転ダイステーションを使用してもよい。各回転ダイステーション１０、２０は、フレームエレメント８０を含むフレームに回転可能に取付けられた回転ダイ６０、アンビルロール７０を含む。回転ダイ６０およびアンビルロール７０の一方または両方が駆動される。回転ダイ６０およびアンビルロール７０は、典型的には、電子連動または機械連動によってともに連動される。示された装置において、アンビルロール７０は、サーボモータ９０によって駆動され、かつ、回転ダイ６０に機械的に連動される。回転ダイ６０とアンビルロール７０とのいかなる適切な組合せを用いてもよい。回転ダイ６０は、典型的には、切断される材料について適切な深さを有するローラの外側部分の周りに巻かれた１つまたは複数のカッティングエッジ（図１および図２において明らかでない）を含む。４辺を有する平行四辺形のセットから選択される形状を有するワークピースを製造することができる単純なチョッピングまたは切取り（ｓｃｉｓｓｏｒｉｎｇ）装置と異なり、回転ダイ６０は、連続ウェブ（図示せず）から、丸いコーナなどの湾曲部分を含む、任意の形状の切断されたワークピース１００を製造することができる。典型的なダイカット形状は、ダイ機械加工の制限によって、丸いコーナを有し、したがって、４辺を有する平行四辺形ではない。連続ウェブおよび切断されたワークピース１００は、膜１１０に積層されるいかなる適切な材料であってもよい。
【００１２】
燃料電池用膜電極アセンブリの製造に有用な、本発明による一実施形態において、ワークピース１００は、ライナ層と、微粒子状触媒金属を含む同延の触媒層とを含む触媒デカールである。そのようなワークピースは、触媒層でコーティングされたライナ層の連続ウェブから、少なくとも、回転ダイ６０の切断部分の下を通過する部分上で切断される。厚さが、典型的には、１ミリメートル未満、より典型的には、０．５ミリメートル未満、より典型的には、０．２ミリメートル未満である、いかなる適切な可撓性のポリマーシート材料を含む、いかなる適切なライナを使用してもよい。触媒層は、バーコーティング、スプレーコーティング、スリットコーティング、ブラシコーティングなどを含む、いかなる適切な方法で付与してもよい。触媒層は、典型的には、厚さが、１ミリメートル未満、より典型的には、０．５ミリメートル未満、より典型的には、０．２ミリメートル未満である。いかなる適切な触媒組成物を使用してもよい。炭素粒子上に担持された白金、パラジウム、ルテニウム、および他の触媒金属、または触媒金属の組合せの典型的な触媒組成物微細粒子。炭素担持触媒粒子は、典型的には、５０〜６０重量％の炭素および４０〜５０重量％の触媒金属であり、触媒金属は、典型的には、カソード用のＰｔと、アノード用の２：１の重量比のＰｔおよびＲｕとを含む。典型的な触媒組成物は、また、ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）（商標）またはフレミオン（Ｆｌｅｍｉｏｎ）（商標）を含むスルホン化フルオロポリマーなどのポリマー電解質材料を含んでもよい。触媒デカールを積層した後、ライナは、典型的には除去される。
【００１３】
また燃料電池用膜電極アセンブリの製造に有用な、本発明による別の実施形態において、ワークピース１００は、流体輸送層と、微粒子状触媒金属を含む同延の触媒層とを含む電極である。そのようなワークピースは、触媒層でコーティングされた流体輸送層の連続ウェブから、少なくとも、回転ダイ６０の切断部分の下を通過する部分上で切断される。いかなる適切な流体輸送層を使用してもよい。燃料電池用の適切な流体輸送層は、流体の通過を可能にするために多孔性であり、かつ導電性である。典型的な流体輸送層としては、東レ・カーボン・ペーパー（Ｔｏｒａｙ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｐａｐｅｒ）（日本国、東京の東レ株式会社（Ｔｏｒａｙ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ，Ｉｎｃ．，Ｔｏｋｙｏ，Ｊａｐａｎ））などの、炭素繊維ファブリック、マット、不織布、および紙が挙げられる。触媒層は、バーコーティング、スプレーコーティング、スリットコーティング、ブラシコーティングなどを含む、いかなる適切な方法で付与してもよい。いかなる適切な触媒組成物を使用してもよい。炭素粒子上に担持された白金、パラジウム、ルテニウム、および他の触媒金属、または触媒金属の組合せの典型的な触媒組成物微細粒子。炭素担持触媒粒子は、典型的には、５０〜６０重量％の炭素および４０〜５０重量％の触媒金属であり、触媒金属は、典型的には、カソード用のＰｔと、アノード用の２：１の重量比のＰｔおよびＲｕとを含む。典型的な触媒組成物は、また、ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）（商標）またはフレミオン（Ｆｌｅｍｉｏｎ）（商標）を含む、スルホン化フルオロポリマーなどのポリマー電解質材料を含んでもよい。触媒分散液でコーティングする前、ガス拡散層は、典型的には、テフロン（登録商標）（Ｔｅｆｌｏｎ）（商標）などの疎水性層で、典型的にはその水性懸濁液中に浸すことによってコーティングされ、次に、典型的には、カーボンブラック分散液でコーティングされている。カーボンブラック分散液は、典型的には、カーボンブラックおよびテフロン（登録商標）および任意にトリトン（ＴＲＩＴＯＮ）Ｘ−１００（コネチカット州ダンバリーのユニオン・カーバイド・コーポレーション（Ｕｎｉｏｎ  Ｃａｒｂｉｄｅ  Ｃｏｒｐ．，Ｄａｎｂｕｒｙ，ＣＴ））などの界面活性剤を含む水性分散液である。より典型的には、分散剤は、水とイソプロピルアルコールとの組合せであり、典型的には、６０重量％を超えるイソプロピルアルコールを含む。カーボンブラック分散液は、典型的には、乾燥した東レペーパー上に、０．０１から０．１ｍｍの湿潤厚さでコーティングされる。テフロン（登録商標）およびカーボンブラックでコーティングされた流体輸送層は、典型的には、オーブン内で３８０℃で１０分間乾燥させる。次に、このコーティングされた流体輸送層を、触媒で、典型的には、１平方センチメートルあたり触媒金属（ＰｔまたはＰｔプラスＲｕ）０．２〜５ｍｇ、典型的には、１平方センチメートルあたり触媒金属（ＰｔまたはＰｔプラスＲｕ）約０．５ｍｇをもたらす量で、さらにコーティングして、触媒コーティングされた流体輸送層を形成する。
【００１４】
燃料電池用膜電極アセンブリの製造に有用な、本発明による実施形態において、膜１１０は、ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）（登録商標）（デラウェア州ウィルミントンのデュポン・ケミカルズ（ＤｕＰｏｎｔ  Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ，Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ  ＤＥ））およびフレミオン（Ｆｌｅｍｉｏｎ）（商標）（日本国、東京の旭硝子株式会社（Ａｓａｈｉ  Ｇｌａｓｓ  Ｃｏ．  Ｌｔｄ．，Ｔｏｋｙｏ，Ｊａｐａｎ））などのスルホン化フルオロポリマー膜などのポリマー電解質膜である。本発明に有用なポリマー電解質は、典型的には、テトラフルオロエチレンと、典型的にはスルホネート官能基を支持する１以上のフッ素化酸官能性コモノマーとのコポリマーである。最も典型的には、ポリマー電解質は、ナフィオン（登録商標）である。ポリマー電解質は、典型的には、酸当量が１２００以下、より典型的には１１００以下、より典型的には１０５０以下、最も典型的には約１０００である。ポリマー電解質膜は、懸濁液から、キャストしても、コーティングしても、または他の方法で形成してもよい。バーコーティング、スプレーコーティング、スリットコーティング、ブラシコーティングなどを含む、コーティングまたはキャストのいかなる適切な方法を用いてもよい。膜１１０は、典型的には、厚さ１００マイクロメートル以下、より典型的には、厚さ５０マイクロメートル以下、より典型的には、厚さ３０マイクロメートル以下である。
【００１５】
いかなる適切な真空コンベヤを使用してもよい。傾斜した真空コンベヤ３０、４０は、ベルト孔１２１をあけられた有孔エンドレスベルト１２０を含む。このベルトは、外面が、ベルト上で輸送されるワークピース１１０と適合するのであれば、ポリマー、ゴム、ファブリック、複合材などを含むいかなる適切な材料から製造してもよい。有孔エンドレスベルト１２０は、図示されていない長手方向の開口部を有する第１の真空プレート１３０、および図示されていない長手方向の開口部を有する第２の真空プレート１４０の上を通過する。ベルト孔１２１は、長手方向の開口部と整列した列に配列されている。典型的には、各真空プレート１３０、１４０は、ベルト孔１２１の少なくとも２つの列と整列した少なくとも２つの長手方向の開口部を有する。より典型的には、各真空プレート１３０、１４０は、ベルト孔１２１の４以上の列と整列した４以上の長手方向の開口部を有し、真空コンベヤが、さまざまなサイズのワークピース１００を、それらの幅の大部分を横切ってしっかり引きつけることを可能にする。示された実施形態において、有孔エンドレスベルト１２０は、ワークピース１００を積層ステーション５０に送出するために、下方に角度をつける真空プレートに向かう方向に駆動される。
【００１６】
第１の真空プレート１３０および第２の真空プレート１４０の長手方向の開口部は、それぞれ、第１および第２の真空チャンバ（図示せず）と連通する。第１および第２の真空チャンバは、ワークピース１００を有孔エンドレスベルト１２０に保持する傾向があるような第１および第２の周囲より低い空気圧で、維持される。第１および第２の周囲より低い空気圧は、同じでも異なってもよい。第１および第２の周囲より低い空気圧が異なっている場合、第１の周囲より低い空気圧は、典型的には、第２の周囲より低い空気圧より小さく、コンベヤが、第１の真空プレート１３０の上の位置で、コンベヤ上に来ているワークピース１００をより良好に保持し、かつ、第２の真空プレート１４０の上の位置から、コンベヤを出ているワークピースを解放することを可能にする。第１および第２の真空チャンバは、任意の適切な手段によって、第１および第２の周囲より低い空気圧で維持される。真空チャンバは、１以上の、真空ポンプなどの周囲より低い空気圧源に機能的に連結してもよい。
【００１７】
第１の真空プレート１３０は、約０°である、水平面に対する第１の角度で位置する。第２の真空プレート１４０は、約−４５°である、水平面に対する第２の角度で位置する。典型的には、第１および第２の角度は、同じではない。典型的には、第１の角度は、水平面に対して３０°から−３０°であり、前記第２の角度は、水平面に対して−３０°から−９０°である。より典型的には、第１の角度は、水平面に対して５°から−５°であり、前記第２の角度は、水平面に対して−４０°から−５０°である。これらの角度は、傾斜した真空コンベヤ３０、４０が、回転ダイステーション１０、２０からワークピース１００を受取り、ワークピース１００を、下方に、積層ステーション５０の積層ニップ内に送出することを可能にする。
【００１８】
第１および第２の真空プレート１３０、１４０は、１以上のフレームエレメント１５０から構成されるフレームに取付けられている。有孔エンドレスベルト１２０は、フレームエレメント１５０に回転可能に取付けられたいくつかのローラの上を通過する。有孔エンドレスベルト１２０は、また、サーボモータ１７０によって動力供給される駆動機構１６０を通過する。
【００１９】
真空コンベヤの代わりに、いかなる積極的なグリップコンベヤを代わりに使用してもよい。積極的なグリップコンベヤとしては、アーマチュア機構を含むものを含む、既知のピックアンドプレイス機構、１対のベルトを使用して拡張ニップを形成してワークピースを搬送する既知の２ベルトコンベヤ、および静電荷を用いることによってワークピースをエンドレスベルトに保持する既知の静電気コンベヤを挙げてもよい。真空コンベヤは、有利に、デリケートなワークピースを取扱うために使用される。
【００２０】
積層ステーション５０は、第１の積層ローラ１８０および第２の積層ローラ１９０を含む。第１の積層ローラ１８０および第２の積層ローラ１９０のいずれか一方または両方を、モータなどの既知の手段によって駆動してもよい。典型的には、両方が駆動される。典型的には、第１の積層ローラ１８０および第２の積層ローラ１９０は、間隙で同じ速度を有するように、ともに連動される。一実施形態において、第１の積層ローラ１８０および第２の積層ローラ１９０は、ベルト２０１およびプーリ２０２、２０３を駆動するサーボモータ２００によって駆動される。図示されていないベルトテンショニングシステムが、曲がり２０４を維持する。
【００２１】
典型的には、第１の積層ローラ１８０および第２の積層ローラ１９０は、玉軸受、ローラ軸受、ニードル軸受などの既知のタイプの軸受２１０に乗る。軸受２１０は、第１および第２の積層ローラ１８０、１９０を一緒にする傾向がある圧力を、軸受２１０上にもたらすか維持することができるように、装置フレーム２２０に取付けられている。軸受ハウジングは、フレーム２２０に固定して取付けてもよいし、示されたような空気圧または液圧ピストンおよびシリンダ２３０によって取付けてもよい。軸受機構は、いずれか一方または両方のローラのための駆動機構の一部を形成してもよい。
【００２２】
第１の積層ローラ１８０および第２の積層ローラ１９０は、いかなる適切な方法によって加熱してもよいが、典型的には、電気加熱、または熱い空気、水、もしくは油の循環などの方法によって、内部加熱される。
【００２３】
典型的には、第１の積層ローラ１８０と第２の積層ローラ１９０との間で最小積層間隙が維持される。この最小積層間隙は、典型的には、本明細書と同じ日付で出願された「積層ロール用間隙調整装置」（Ｇａｐ  Ａｄｊｕｓｔｅｒ  ｆｏｒ  Ｌａｍｉｎａｔｉｎｇ  Ｒｏｌｌｓ）という表題の同時係属中の米国特許出願に記載された間隙形成ブロックを使用することによって維持される。このように最小間隙を維持することによって、本発明による装置を、断続的な積層、すなわち、積層の間、積層間隙内に、積層される１以上の層が連続的に存在しない場合、に使用してもよい。その場合、製品は、付加的なシート材料の不連続パッチが積層された連続ウェブであってもよい。断続的な積層の場合、不連続シート材料が間隙内に存在しないときに全積層圧力を加えると、連続ウェブは、破砕または損傷されることがある。
【００２４】
典型的には、積層の間、積層カバーライナのウェブが、積層ニップの両側に導入され、それにより、積層の間、第１の積層ローラ１８０および第２の積層ローラ１９０は、それぞれ、第１の積層カバーライナおよび第２の積層カバーライナによって被覆される。積層カバーライナの使用により、より高温の積層が可能になる。積層後、第１および第２の積層カバーライナを、積層体から除去し、再び巻く。積層条件下で積層されるようにならず、かつ、いかなる望ましくないテクスチャーも積層体に与えない限り、いかなる適切な材料を第１および第２の積層カバーライナに使用してもよい。
【００２５】
傾斜した真空コンベヤ３０、４０および回転ダイステーション１０、２０は、有利に、ワークピース材料のウェブから切断されているワークピース１００の現れている部分が、ワークピース１００がワークピース材料のウェブから完全に分離される前に、空気を第１の真空プレート１３０および有孔エンドレスベルト１２０を通して引いている第１の真空チャンバ内の第１の周囲より低い空気圧の作用によって保持されるようになることができるように配列される。傾斜した真空コンベヤ３０、４０および積層ステーション５０は、有利に、傾斜した真空コンベヤ３０、４０によって輸送されているワークピース１００の前縁が、ワークピース１００が傾斜した真空コンベヤ３０、４０によって完全に解放される前に、積層ステーション５０の積層ニップ内に引かれるように配列される。最も有利に、両方の配列がなされ、それにより、ワークピース１００は、ワークピース材料のウェブから完全に分離される前に、傾斜した真空コンベヤ３０、４０によって保持され、かつ、傾斜した真空コンベヤ３０、４０によって完全に解放される前に、積層ステーション５０の積層ニップ内に引かれる。このように、ワークピース位置の積極的な制御があらゆる工程を通して維持される。結果として、膜１１０は、正確な位置合せで両面に積層してもよい。正確な位置合せは、典型的には、パターンカットされたシート材料の周囲が、２ｍｍ以内、より典型的には１ｍｍ以内、より典型的には０．５ｍｍ以内、より典型的には２５０μｍ以内、より典型的には１２５μｍ以内に一致することを意味する。
【００２６】
回転ダイステーション１０、２０、傾斜した真空コンベヤ３０、４０、および積層ステーション５０の駆動機構は、有利に、機械連動またはより典型的には電子連動によって、ともに連動または同期される。有孔エンドレスベルト１２０を推進する駆動機構は、有孔エンドレスベルト１２０の線表面速度が、回転ダイ６０の線表面速度以上であってもよいように、回転ダイ６０を駆動する駆動機構と連動させてもよい。より大きい速度により、コンベヤは、ワークピース１００が回転ダイ６０から現れるときにワークピース１００を隔置することができ、それにより、ワークピース１００を、介在するスクラップを伴わずに切断するが、介在するマージンを伴って配置してもよい。有孔エンドレスベルト１２０を推進する駆動機構は、第１の積層ローラ１８０および第２の積層ローラ１９０の線表面速度が、有孔エンドレスベルト１２０の線表面速度以上であってもよいように、第１の積層ローラ１８０および第２の積層ローラ１９０を駆動する駆動機構と連動させてもよい。
【００２７】
本発明による方法において、ポリマー電解質膜材料のウェブなどの膜１１０は、積層ニップを形成する、積層ステーション５０内の積層ローラ１８０と積層ローラ１９０との間で引かれる。積層体材料の第１および第２のウェブは、回転ダイステーション１０、２０でダイカットされて、切断されたワークピース１００を形成する。積層体材料の第１および第２のウェブは、同じでも異なってもよい。積層体材料の第１および第２のウェブは、ライナ層と第１の触媒層とを含む触媒デカール材料、または、流体輸送層と第１の触媒層とを含む電極材料であってもよい。切断されたワークピース１００は、真空コンベヤ３０および４０によって積層ステーション５０に輸送され、積層ローラ１８０と積層ローラ１９０との間の積層ニップ内に、膜１１０の両面に同時に供給されて、積層体を形成する。有利に、ワークピース１００は、積層体材料の第１または第２のウェブから完全に分離される前に、周囲より低い空気圧の作用によって、真空コンベヤ３０および４０に保持されるようになる。有利に、ワークピース１００は、真空コンベヤ３０および４０から解放される前に、積層ローラ１８０と積層ローラ１９０との間の積層ニップによってつかまれる。
【００２８】
この積層を繰返して、同様の積層体を連結する膜の連続ウェブを形成してもよい。
上述されたように、膜１１０がポリマー電解質膜であり、かつ、上述されたように、ワークピース１００が触媒デカールである場合、本発明による方法および装置を用いて、すべてが、正確に位置合せされた第１および第２のパターニングされた触媒層セグメントを含む、複数の膜電極アセンブリを含む連続膜を製造してもよい。第１および第２のパターニングされた触媒層セグメントは、４辺を有する平行四辺形以外の形状である周囲を有することができる。典型的なダイカット形状は、丸いコーナを有し、かつ、多数の任意の周囲形状のいずれかをさらに形成してもよい。第１および第２のパターニングされた触媒層セグメントは、同じまたは異なった触媒組成物を有することができる。
【００２９】
上述されたように、膜１１０がポリマー電解質膜であり、かつ、上述されたように、ワークピース１００が流体輸送層と同延の触媒層触媒デカールとを含む電極である場合、本発明による方法および装置を用いて、すべてが、正確に位置合せされた第１および第２のパターニングされた電極セグメントを含む、複数の膜電極アセンブリを含む連続膜を製造してもよい。第１および第２のパターニングされた電極セグメントは、４辺を有する平行四辺形以外の形状である周囲を有することができる。典型的なダイカット形状は、丸いコーナを有し、かつ、多数の任意の周囲形状のいずれかをさらに形成してもよい。第１および第２のパターニングされた電極セグメントは、同じまたは異なった触媒組成物を有することができる。
【００３０】
本発明のさまざまな修正ならびに変更が、本発明の範囲および原理から逸脱することなく、当業者には明らかになるであろう。また、本発明は、上述された例示的な実施形態に不当に限定されるべきではないことが理解されるべきである。
【図１】
2010192447.tif 000002
【図２】
2010192447.tif 000003
【手続補正書】
【提出日】平成22年3月29日(2010.3.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１および第２の面を有するポリマー電解質膜と、
隣接したパターニングされた触媒層セグメントが互いに接触しないように、前記膜の前記第１の面上に積層された複数の第１のパターニングされた触媒層セグメントと、
隣接したパターニングされた触媒層セグメントが互いに接触しないように、前記膜の前記第２の面上に積層された複数の第２のパターニングされた触媒層セグメントとを含む、複数の膜電極アセンブリを含む膜であって、
前記第１のパターニングされた触媒層セグメントの各々が、周囲を有し、前記第２のパターニングされた触媒層セグメントの各々が、対向する第１のパターニングされた触媒層セグメントの周囲と正確に位置合せされた周囲を有する、膜。
【外国語明細書】
2010192447000001.pdf