(57)【要約】装置および方法は、燃料電池組立てのための、薄いパターニングされた触媒コーティング膜のウェブの、別個の膜シートへの自動加工を提供する。膜は、典型的には、厚さが約１０００分の２．５センチメートルである。自動ウェブ加工は、移動可能な真空装置を用いて、膜ウェブの端部部分を第１の位置から第２の位置に輸送することを伴う。第１および第２の位置におけるそれぞれの第１および第２の真空装置を用いて、かつ、移動可能な真空装置の非作動後、第１および第２の位置で膜ウェブの端部部分を開放可能に固定する。膜ウェブ端部部分の１つの触媒パターンと隣接した触媒パターンとの間に規定された間隙内で膜ウェブを切断して、膜シートを製造する。膜シートを所望の配向に精密に位置決めして、膜シートのその後の処理を容易にする。
2005522010.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池組立て用の薄いパターニングされた触媒コーティング膜ウェブを別個の膜シートに自動的に加工する方法であって、前記膜ウェブの第１の面がアノード触媒でコーティングされ、前記膜ウェブの第２の面がカソード触媒でコーティングされ、前記方法が、
移動可能な真空装置を用いて、前記膜ウェブの端部部分を第１の位置から第２の位置に輸送する工程と、
前記第１および第２の位置におけるそれぞれの第１および第２の真空装置を用いて、かつ、前記移動可能な真空装置の非作動後、前記第１および第２の位置で前記膜ウェブの端部部分を固定する工程と、
前記膜ウェブ端部部分の１つの触媒パターンと隣接した触媒パターンとの間に規定された間隙内で前記膜ウェブを切断して、膜シートを製造する工程と、
前記膜シートを所望の配向に位置決めして、前記膜シートのその後の処理を容易にする工程とを含む、方法。
【請求項２】
前記膜の厚さが約１０００分の２インチ未満である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１の真空を用いて、前記第１の位置で前記膜ウェブの端部部分を固定する工程と、
前記移動可能な真空装置を前記第１の位置に移動させる工程と、
前記移動可能な真空装置を作動させ、かつ前記第１の真空装置を非作動にして、前記移動可能な真空を用いることによって前記膜ウェブの端部部分の輸送を容易にする工程とをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記１つの触媒パターンの前記第２の位置への前進を検出する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記１つの触媒パターンの前進が光学的に検出される、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記１つの触媒パターンの前進が、前記１つの触媒パターンと前記隣接した触媒パターンとの間に規定された間隙を検出することによって検出される、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記膜シートを位置決めする工程が、前記膜シートが前記所望の配向に位置決めされたことを光学的に検出する工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記膜シートを位置決めする工程が、前記膜シートが前記所望の配向に位置決めされたことをカメラ検出によって検出する工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記膜シートを位置決めする工程が、前記膜シートをｘ軸およびｙ軸に対して軸方向にならびにｚ軸の周りを回転して移動させて、前記膜シートを前記所望の配向に位置決めする工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記膜シートが前記所望のｘ軸、ｙ軸、および回転配向に位置決めされたことを光学的に検出する工程をさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記膜シートが前記所望のｘ軸、ｙ軸、および回転配向に位置決めされたことをカメラ検出によって検出する工程をさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記膜ウェブを自動的に検査して膜パターンの完成を検出する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記膜ウェブを自動的に検査する工程が、前記膜ウェブを光学的に検査する工程を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記膜ウェブを自動的に検査する工程が、カメラ検査によって前記膜ウェブを検査する工程を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
膜パターンのサイズおよび質の一方または両方を自動的に検査する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記膜パターンを自動的に検査する工程が、前記膜パターンを光学的に検査する工程を含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記膜パターンを自動的に検査する工程が、カメラ検査によって前記膜パターンを検査する工程を含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
燃料電池組立て用の薄いパターニングされた触媒コーティング膜ウェブを別個の膜シートに自動的に加工する装置であって、前記膜ウェブの第１の面がアノード触媒でコーティングされ、前記膜ウェブの第２の面がカソード触媒でコーティングされ、ウェブ取扱いモジュールが、前記膜ウェブの端部部分を提供し、前記装置が、
第１の真空装置および間隙検出器を含むステージングステーションであって、前記間隙検出器が、前記膜ウェブの触媒パターンの間の間隙を検出し、前記ステージングステーションが、前記膜ウェブの端部部分を受取る、ステージングステーションと、
軸方向におよび回転して移動するように制御可能な位置決めテーブルおよび第２の真空装置を含む位置決めステーションと、
カッタと、
前記位置決めステーションに設けられ、前記膜ウェブから切断された膜シートの配向を検出する視覚システムと、
真空チャックを含み、少なくとも前記ステージングステーションと前記位置決めステーションとの間で移動可能であるロボットと、
前記ロボットに、前記真空チャックにおける真空を用いて、前記膜ウェブの端部部分を前記ステージングステーションから前記位置決めテーブルに輸送させるようにプログラムされ、前記カッタに、触媒パターン間の間隙内で前記膜ウェブを切断させるときに、前記第１および第２の真空装置ならびに前記真空チャックの真空を選択的に作動させたり非作動にしたりするようにプログラムされ、かつ、前記膜シートのその後の処理を容易にするために前記膜シートが所望の配向に移動されるように前記位置決めテーブルの移動を制御するようにプログラムされる制御装置とを含む、装置。
【請求項１９】
前記膜の厚さが約１０００分の２インチ未満である、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記制御装置が、前記膜ウェブを複数の前記別個の膜シートに自動的に加工するようにプログラムされる、請求項１８に記載の装置。
【請求項２１】
前記制御装置が、前記第１の真空装置を作動させて、前記ステージングステーションで前記膜ウェブの端部部分を固定し、前記ロボットを前記ステージングステーションに移動させ、前記真空チャックを作動させかつ前記第１の真空装置を非作動にして、前記真空チャックを使用することによって前記ステージングステーションから前記位置決めテーブルへの前記膜ウェブの端部部分の輸送を容易にする、請求項１８に記載の装置。
【請求項２２】
前記制御装置が、前記間隙検出器が前記膜ウェブの１つの触媒パターンの前記位置決めテーブルへの前進を検出することに応じて、前記第１および第２の真空装置を作動させかつ前記真空チャックの真空を非作動にして、前記膜ウェブを安定させ、かつ、前記カッタに、前記１つの触媒パターンと隣接した触媒パターンとの間の間隙内で前記膜ウェブを切断させ、膜シートを製造する、請求項１８に記載の装置。
【請求項２３】
前記間隙検出器が、前記膜ウェブの１つの触媒パターンの前記第２の位置への前進を光学的に検出する光検出器を含む、請求項１８に記載の装置。
【請求項２４】
前記間隙検出器が、前記膜ウェブの１つの触媒パターンの前記第２の位置への前進を検出するフォトアイを含む、請求項１８に記載の装置。
【請求項２５】
前記視覚システムが１つ以上のカメラを含む、請求項１８に記載の装置。
【請求項２６】
前記視覚システムが、ｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸に対する前記膜シートの軸方向の配向を定める処理装置を含み、前記処理装置が、前記制御装置に通信結合されて、前記膜シートが前記所望の配向に移動されるように、前記位置決めテーブルの移動を制御する、請求項１８に記載の装置。
【請求項２７】
前記ロボットが、前記ロボットをｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸に対して軸方向に移動させるサーボモータ駆動システムを含む、請求項１８に記載の装置。
【請求項２８】
前記ロボットが、前記ロボットをｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸の１つに対して軸方向に移動させる、少なくとも１つの空気圧モチベータを含む、請求項１８に記載の装置。
【請求項２９】
前記ロボットが、
前記ロボットをｘ軸に対して軸方向に移動させる第１のサーボモータと、
前記ロボットをｚ軸に対して軸方向に移動させる第２のサーボモータと、
前記ロボットをｙ軸に対して軸方向に移動させる空気圧モチベータとを含む、請求項１８に記載の装置。
【請求項３０】
前記ステージングステーションが静止している、請求項１８に記載の装置。
【請求項３１】
前記位置決めシステムが、前記位置決めテーブルをｘ軸およびｙ軸に対して軸方向にならびにｚ軸の周りを回転して移動させるサーボモータ駆動システムを含む、請求項１８に記載の装置。
【請求項３２】
前記膜ウェブを検査して前記触媒パターンの完成を検出する光検出器をさらに含む、請求項１８に記載の装置。
【請求項３３】
前記膜ウェブを検査して前記触媒パターンの完成を検出する検査カメラをさらに含む、請求項１８に記載の装置。
【請求項３４】
前記触媒パターンのサイズおよび質の一方または両方を検査する光検出器をさらに含む、請求項１８に記載の装置。
【請求項３５】
前記触媒パターンのサイズおよび質の一方または両方を検査する検査カメラをさらに含む、請求項１８に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広くは、自動燃料電池製造に関し、より詳細には、燃料電池膜のウェブを別個の膜シートに加工し、分離された膜シートをその後の処理のために正確に位置決めする装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
所与の材料のウェブを個別のシートに加工するために、さまざまな装置が開発されている。厚さ１０００分の１インチのオーダの非常に薄いウェブ構造の加工は、従来の加工プロセスでは、一般に実行不可能である。燃料電池の構造における関心のある１つの特定の構造は、燃料電池の薄い膜である。膜ウェブを加工する装置は、ウェブの非常に薄い２面膜構造を取扱い、切断し、いったん切断すると、膜シートを下流の処理のために適切に整列させることができなければならない。特定のプロセスステーションにおける膜シートの位置決めを乱すと、膜シートまたはそのような膜シートを組入れた燃料電池構造の損傷をもたらすことがある。膜シート配向を乱すと、また、製品処理量を低減する可能性があり、これは、自動燃料電池組立てラインの生産性に悪影響を及ぼす。
【０００３】
いくつかのウェブ加工プロセスを部分的にまたは完全に自動化することが望ましいことが多い。多くの従来のウェブ加工装置および方法は、高度の自動化、特に、厳しい位置公差要件を有する加工プロセスにあまり適していない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
改良されたウェブ加工装置および方法が要求される。自動燃料電池組立てプラントなどの自動組立て環境において、非常に薄いウェブ構造のウェブを個別のシートに安全かつ精密に加工することができる、そのような装置および方法が、さらに要求される。本発明は、これらおよび他の要求を満たす。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、燃料電池組立てのために、薄いパターニングされた触媒コーティング膜のウェブを別個の膜シートに自動的に加工する装置および方法に関する。膜ウェブの第１の面は、アノード触媒でコーティングされ、膜ウェブの第２の面は、カソード触媒でコーティングされる。膜は、典型的には、厚さが約１０００分の２インチ未満であり、典型的には、厚さが約１０００分の１インチである。
【０００６】
自動ウェブ加工方法は、移動可能な真空装置を用いて、膜ウェブの端部部分を第１の位置から第２の位置に輸送することを含む。第１および第２の位置におけるそれぞれの第１および第２の真空装置を用いて、かつ、移動可能な真空装置の非作動後、第１および第２の位置で膜ウェブの端部部分を開放可能に固定する。膜ウェブ端部部分の１つの触媒パターンと隣接した触媒パターンとの間に規定された間隙内で膜ウェブを切断して、膜シートを製造する。膜シートを所望の配向に精密に位置決めして、膜シートのその後の処理を容易にする。
【０００７】
燃料電池組立てのために、薄いパターニングされた触媒コーティング膜のウェブを別個の膜シートに自動的に加工する装置は、第１の真空装置と、間隙検出器とを含むステージングステーションを含む。間隙検出器は、膜ウェブの触媒パターンの間の間隙を検出する。ステージングステーションは、膜ウェブの端部部分を受取る。位置決めステーションが、位置決めテーブルと、第２の真空装置とを含む。位置決めテーブルは、軸方向におよび回転して移動するように制御可能である。視覚システムが、位置決めステーションに設けられる。視覚システムは、カッタを使用して膜ウェブから切断された膜シートの配向を検出する。真空チャックを含むロボットが、少なくともステージングステーションと位置決めステーションとの間で移動可能である。
【０００８】
制御装置が、ロボットに、真空チャックにおける真空を用いて、膜ウェブの端部部分をステージングステーションから位置決めテーブルに輸送させるようにプログラムされ、カッタに、触媒パターン間の間隙内で膜ウェブを切断させるときに、第１および第２の真空装置ならびに真空チャックの真空を選択的に作動させたり非作動にしたりするようにプログラムされ、かつ、膜シートのその後の処理を容易にするために膜シートが所望の配向に移動されるように位置決めテーブルの移動を制御するようにプログラムされる。
【０００９】
本発明の上記概要は、本発明の各実施形態またはあらゆる実現を説明することが意図されていない。本発明のより完全な理解とともに、利点および達成は、添付の図面と関連して、次の詳細な説明および特許請求の範囲を参照することによって、明らかになり、理解されるであろう。
【００１０】
本発明は、さまざまな修正例および代替形態が可能であるが、その特定のものが、図面に例として示されており、詳細に説明される。しかし、本発明を、説明される特定の実施形態に限定しないことが意図されることが理解されるべきである。それどころか、添付の特許請求の範囲によって規定されるような本発明の範囲内である修正例、均等物、および代替例をすべて網羅することが意図される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
例示された実施形態の次の説明において、本明細書の一部を形成し、本発明を実施してもよいさまざまな実施形態が例示として示されている添付の図面を参照する。これらの実施形態を用いてもよく、また、本発明の範囲から逸脱することなく、構成変更を行ってもよいことが理解されるべきである。
【００１２】
本発明による、燃料電池膜のウェブを別個の膜シートに加工する装置は、燃料電池組立てプロセスを自動化するために使用される重要な装置を表す。本発明のウェブ加工装置および方法は、薄い燃料電池膜ウェブの個別の膜シートへの連続加工、および下流プロセスステーションによって必要とされるような個別の膜シートの精密な位置決めを提供する。本発明のウェブ加工装置および方法は、非常に薄いパターニングされた領域を有するウェブ（たとえば、燃料電池膜）を加工するのに特に有用であり、パターニングされた領域は、典型的には、厚さが約１０００分の３インチ未満であり、典型的には、厚さが約１０００分の１インチである。
【００１３】
当業者は、厚さ１０００分の１インチのオーダのウェブ構造を、そのような構造の別個のシートに加工することの困難さを容易に理解するであろう。燃料電池の構造における関心のある１つの特定の構造は、燃料電池の膜である。以下でより詳細に説明されるように、特定の技術による燃料電池の膜は、典型的には３層構造である。典型的な燃料電池膜は、プロトン交換膜を含む。アノード触媒が、プロトン交換膜の一方の面にコーティングされ、カソード触媒が、プロトン交換膜の他方の面にコーティングされている。３層構造は、典型的には、厚さが約１０００分の１インチである。
【００１４】
燃料電池の自動組立てを容易にするために、膜ウェブ加工プロセスは、ウェブの薄い２面膜構造を取扱い、切断し、いったん切断すると、膜シートを、下流プロセスステーションにおけるその後の処理のために輸送されるときに適切に整列されるように精密に位置決めすることができなければならない。膜シートおよびそのような膜シートを組入れた燃料電池構造の処理を、高い効率および正確さで行うべき場合、自動燃料電池組立てラインの各プロセスステーションにおける膜シートの所定の配向を維持することが、必須であることを理解することができる。特定のプロセスステーションにおける膜シートの位置決めを乱すと、膜シートまたはそのような膜シートを組入れた燃料電池構造の損傷をもたらすことがある。また、特定の下流プロセスステーションにおける処理量が、低減される可能性があり、これは、自動燃料電池組立てラインの生産性に悪影響を及ぼす。
【００１５】
触媒コーティング膜（ＣＣＭ）ウェブは、薄いデリケートな連続ポリマーシートである。触媒は、繰返しピッチで特定のパターンで付与される。当業者は、ＣＣＭなどの非常に薄い燃料電池膜構造が、構造的一体性をほとんど有していないことを理解するであろう。この構造的一体性の欠如により、自動燃料電池組立てのためのウェブの取扱いおよび処理の考慮が、著しく複雑になる。たとえば、対象構造の剛性端縁を配置する従来の方法が、実行可能でない。さらなる例として、位置合せ穴の使用を伴う従来の方法も、実行可能でない。本発明のウェブ加工装置および方法は、連続膜ウェブから加工された燃料電池膜シートの安全な取扱い、切断、および位置決めを提供する。
【００１６】
本発明のウェブ加工装置および方法を用いて、さまざまな燃料電池技術のための膜ウェブを処理してもよい。典型的な燃料電池が、図１に示されている。図１に示された燃料電池１０は、アノード１４に隣接した第１の流体輸送層１２を含む。アノード１４に隣接しているのは、電解質膜１６である。カソード１８が、電解質膜１６に隣接して位置し、第２の流体輸送層１９が、カソード１８に隣接して位置する。動作中、水素燃料が、燃料電池１０のアノード部分に導入され、第１の流体輸送層１２を通って、アノード１４の上を通る。アノード１４において、水素燃料は、水素イオン（Ｈ+）と電子（ｅ-）とに分離される。
【００１７】
電解質膜１６は、水素イオンまたはプロトンのみを、電解質膜１６を通して、燃料電池１０のカソード部分に通す。電子は、電解質膜１６を通ることができず、代わりに、電流の形態で外部電気回路を通って流れる。この電流は、電気モータなどの電気負荷１７を電力供給することができるか、または充電式バッテリなどのエネルギー蓄積デバイスに向けることができる。
【００１８】
酸素は、第２の流体輸送層１９を介して、燃料電池１０のカソード側に流入する。酸素がカソード１８の上を通るとき、酸素、プロトン、および電子は、組合わされて、水および熱を発生する。
【００１９】
図１に示された燃料電池などの個別の燃料電池を、いくつかの他の燃料電池と組合せて、燃料電池スタックを形成することができる。スタック内の燃料電池の数によってスタックの総電圧が決まり、各燃料電池の表面積によって総電流が決まる。所与の燃料電池スタックによって発生される総電力は、スタック総電圧に総電流を乗じることによって定めることができる。
【００２０】
本発明のウェブ加工装置は、さまざまな技術の燃料電池のための膜ウェブの自動加工を容易にするために使用することができる。たとえば、プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池は、比較的低温（約１７５°Ｆ（約７９℃））で動作し、高電力密度を有し、電力要求のシフトに応じるためにそれらの出力を迅速に変えることができ、たとえば自動車におけるような、迅速な始動が必要とされる用途によく適している。
【００２１】
ＰＥＭ燃料電池に使用されるプロトン交換膜は、水素イオンを通す薄いプラスチックシートである。膜の両面に、活性触媒である高度に分散した金属粒子または金属合金粒子（たとえば、白金または白金／ルテニウム）がコーティングされている。使用される電解質は、典型的には、固体有機ポリマーポリ−ペルフルオロスルホン酸である。固体電解質の使用は、腐食問題および管理問題を低減するので、有利である。
【００２２】
水素が、燃料電池のアノード側に供給され、そこで、触媒は、水素イオンが、電子を放出し、水素イオン（プロトン）になることを促進する。電子は、利用可能な電流の形態で移動し、酸素が導入されている燃料電池のカソード側に戻る。同時に、プロトンは、膜を通ってカソードに拡散し、そこで、水素イオンは、酸素と再び組合わされ、反応して水を発生する。
【００２３】
１つのＰＥＭ燃料電池構造によれば、ＰＥＭ層が、たとえば拡散電流コレクタ（ｄｉｆｆｕｓｅ  ｃｕｒｒｅｎｔ  ｃｏｌｌｅｃｔｏｒｓ）またはガス拡散層などの、１対の流体輸送層（ＦＴＬ）間に挟まれる。アノードが第１のＦＴＬと膜との間に位置し、カソードが膜と第２のＦＴＬとの間に位置する。ある構成においては、ＰＥＭ層が、一方の表面上にアノード触媒コーティングを含み、他方の表面上にカソード触媒コーティングを含むように製造される。別の構成によれば、第１および第２のＦＴＬは、それぞれ、アノード触媒コーティングおよびカソード触媒コーティングを含むように製造される。さらに別の構成においては、アノード触媒コーティングを、第１のＦＴＬ上に部分的に配置し、かつ、ＰＥＭの一方の表面上に部分的に配置することができ、カソード触媒コーティングを、第２のＦＴＬ上に部分的に配置し、かつ、ＰＥＭの他方の表面上に部分的に配置することができる。第１のＦＴＬ／アノード／ＰＥＭ／カソード／第２のＦＴＬによって規定された５層構造物は、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）と呼ばれる。
【００２４】
ＦＴＬは、典型的には、炭素繊維紙または不織布材料から製造される。製品構造によっては、ＦＴＬは、一方の側に炭素粒子コーティングを有することができる。上述されたようなＦＴＬは、触媒コーティングを含むかまたは除くように製造することができる。この製品構造によるＦＴＬは、多孔性であり脆性でもある。
【００２５】
ダイレクトメタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）は、ポリマー膜を電解質として使用する点でＰＥＭ電池と同様である。しかし、ＤＭＦＣにおいてはアノード触媒自体が液体メタノール燃料から水素を引き出すので、燃料改質装置は不要となる。ＤＭＦＣは、典型的には、１２０〜１９０°Ｆ（４９〜８８℃）の間の温度で動作する。
【００２６】
溶融炭酸塩燃料電池（ＭＣＦＣ）は、電解質のための、マトリックス中に浸された炭酸リチウム、炭酸ナトリウム、および／または炭酸カリウムの液体溶液を使用する。ＭＣＦＣは、約１，２００°Ｆ（約６５０℃）で動作する。高い動作温度は、電解質の十分な導電性を得るために必要である。この高温のため、電池の電気化学的酸化プロセスおよび還元プロセスに貴金属触媒は必要ない。ＭＣＦＣは、典型的には、水素、一酸化炭素、天然ガス、プロパン、埋立地ガス、マリンディーゼル燃料、およびシミュレートされた石炭ガス化生成物で動作する。
【００２７】
固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）は、典型的には、液体電解質の代わりに、固体酸化ジルコニウムの硬いセラミック材料および小量のイットリアを使用し、動作温度が１，８００°Ｆ（９８０℃）に達することができる。
【００２８】
再生燃料電池においては、太陽光発電電解槽によって水が水素と酸素とに分離される。水素および酸素は、再生燃料電池内に供給されて電気、熱、および水を発生する。次に、水は再循環されて太陽光発電電解槽に戻り、このプロセスは繰返される。
【００２９】
プロトンセラミック燃料電池（ＰＣＦＣ）は、高温で高いプロトン伝導性を示すセラミック電解質材料を使用する。ＰＣＦＣは、約１，３００°Ｆ（約７００℃）で動作する。ＰＣＦＣは、高温で動作することができ、かつ、アノードに直接、化石燃料を電気化学的に酸化させることができる。炭化水素燃料のガス状分子が、水蒸気の存在下で、アノードの表面上に吸収され、水素イオンが、効率的に取除かれて、電解質内に吸収され、主反応生成物として二酸化炭素が生じる。これらおよび他の燃料電池技術は、本発明のウェブ加工装置を使用して製造することができる。
【００３０】
ここで、図２を参照すると、燃料電池膜のウェブを個別の燃料電池膜シートに加工し、そのような膜シートを、その後のプロセスステーションにおける処理のために所定の配向に位置決めするウェブ加工装置３０の実施形態が、示されている。ウェブ加工装置３０は、自動燃料電池組立ての間、パターニングされた触媒コーティング膜３３のウェブ３２を別個の膜シートに加工するのに特によく適している。この非限定的使用によれば、膜ウェブ３２の第１の面がアノード触媒でコーティングされ、膜ウェブ３２の第２の面がカソード触媒でコーティングされる。ウェブ取扱いモジュール（図２に示されていないが、図３に示されている）が、膜ウェブ３２の端部部分をウェブ加工装置３０に与える。
【００３１】
図２に示されたウェブ加工装置３０は、ステージングステーション５０の真空付与プレート５２に流体結合された第１の真空アセンブリ（図示せず）を含むステージングステーション５０を含む。ステージングステーション５０の上面は、好ましくは、水平方向に（すなわち、図２においてｘ軸に沿って）穴があけられて、真空付与プレート５２を規定する。真空アセンブリは、制御装置９０によって、ウェブ処理の間、選択的に作動される。制御装置９０は、ウェブ加工装置３０のさまざまなエレメントの活動を調整するためにプログラム命令を実行する、処理装置などのプログラム可能なデバイスである。制御装置９０は、オンボードデバイスとして示されているが、ウェブ加工装置３０の遠くに配置してもよい。遠くに配置された場合、制御装置９０は、適切なハードワイヤード接続またはワイヤレス接続を使用して、ウェブ加工装置３０に結合される。
【００３２】
ステージングステーション５０に近接して、間隙検出器７４が設けられる。間隙検出器７４は、ステージングステーション５０上またはステージングステーション５０より上に取付けることができる。間隙検出器７４は、ウェブ３２の隣接した膜パターン３３の間に設けられた間隙３４を検出できるように配置される。ある構成によれば、間隙検出器７４は、ステージングステーション５０を横切る膜ウェブ３２の１つの触媒パターン３３の前進を光学的に検出する光検出器を含む。ある特定の構成において、間隙検出器３４は、ステージングステーション５０を横切る膜ウェブ３２の１つの触媒パターン３３の前進を検出するフォトアイ（ｐｈｏｔｏ−ｅｙｅ）を含む。
【００３３】
カッタ７３が、ステージングステーション５０に近接して配置され、典型的には、ステージングステーション５０より上に配置される。カッタ７３は、好ましくは、ステージングステーション５０と位置決めステーション６０との間に設けられた空間に平行に位置する。カッタ７３は、好ましくは、ウェブ３２の移動方向を横切って移動するように取付けられる。カッタ７３は、図２に示されたｙ軸に沿って、軸方向に移動可能である。この構成において、カッタ７３は、横切って移動して、隣接した膜パターン３３の間に設けられた間隙３４内でウェブ３２を切断する。カッタ７３の移動は、制御装置９０によって制御される。
【００３４】
ステージングステーション５０に隣接して配置されて示されている位置決めステーション６０は、位置決めテーブル６１と、位置決めステーション６０の真空付与プレート６２に流体結合された第２の真空アセンブリ（図示せず）とを含む。位置決めステーション６０の上面は、好ましくは、水平方向に穴があけられて、真空付与プレート６２を規定する。位置決めステーション６０の真空アセンブリは、制御装置９０によって、ウェブ処理の間、選択的に作動される。
【００３５】
位置決めテーブル６１は、複数の自由度で移動可能に取付けられる。特に、位置決めテーブル６１は、ｘ軸およびｙ軸に対して軸方向に、ならびにｚ軸の周りを回転して移動させることができる。位置決めテーブル６１の移動は、制御装置９０によって精密に制御される。ある構成において、位置決めテーブル６１を、ｘ軸およびｙ軸に対して軸方向に、ならびにｚ軸の周りを回転して移動させるために、サーボモータ駆動システム６４が使用される。
【００３６】
位置決めテーブル６１は、制御装置９０の制御下で、位置決めテーブル６１より上に位置する視覚システム７０と協働して、膜ウェブ３２から個別の膜シートが切断された後、膜シートの位置を修正する。ある構成において、視覚システム７０は、膜ウェブ３２から切断された膜シートの配向を検出するために１つ以上のカメラを含む。好ましい実施形態において、２つのそのようなカメラが、視覚システム７０に使用される。
【００３７】
別の構成によれば、視覚システム７０は、１つ以上のカメラによって生成された画像データを使用して、ｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸に対する、切断された膜シートの配向を定める視覚処理装置を含む。視覚処理装置は、ウェブ加工装置３０の制御装置９０に通信結合される。この構成において、視覚システム７０のカメラ、視覚処理装置、およびウェブ加工装置３０の制御装置９０は、協働して、膜ウェブ３２から切断された膜シートが、所望の配向に精密に移動されるように、位置決めテーブル６１の移動を制御する。
【００３８】
ウェブ加工装置３０は、ロボット４０をさらに含む。ロボット４０は、輸送フレーム４４を介して、少なくともステージングステーション５０と位置決めステーション６０との間で制御されながら移動可能であり、好ましくは、位置決めステーション６０を越える処理位置まで輸送フレーム４４上を移動することができる。ロボット４０は、ある構成によれば、膜ウェブ３２を、ステージングステーション５０および位置決めステーション６０の方に引き、かつ、個別の膜シートを位置決めステーション６０から下流プロセス位置に移送するように制御される３軸（ｘ、ｙ、ｚ）サーボおよび空気圧駆動機構である。位置決めテーブル６０によって適切な位置に移動された個別の膜シートの精密な配向は、ロボット４０が、個別の膜シートを位置決めステーション６０から下流プロセス位置に輸送するとき、維持される。
【００３９】
ロボット４０は、複数の自由度で移動可能に取付けられ、かつ、真空チャック４２を含むピックアップヘッドを含む。ロボット４０の真空チャック４２は、ｘ軸およびｙ軸ならびにｚ軸に対して軸方向に移動させることができる。ロボット４０の移動は、制御装置９０によって制御される。ある構成において、ロボット４０の真空チャック４２を、ｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸に対して軸方向に移動させるために、サーボモータ駆動システムが使用される。別の構成によれば、ロボット４０の真空チャック４２をｙ軸に対して軸方向に移動させるために、ロボットの駆動システムの空気圧モータまたは空気圧モチベータ（ｍｏｔｉｖａｔｏｒ）が使用される。ロボット４０の真空チャック４２をｘ軸に対して軸方向に移動させるために、ロボットの駆動システムの第１のサーボモータが使用される。ロボット４０の真空チャック４２をｚ軸に対して軸方向に移動させるために、ロボットの駆動システムの第２のサーボモータが使用される。
【００４０】
ウェブ加工装置３０は、膜パターン３３の欠陥を検出するために膜ウェブ３２を検査する検査デバイス７２をさらに含むことができる。検査デバイス７２は、好ましくは、光学検査デバイスである。ある構成において、膜ウェブ３２を検査して、ウェブ３２の触媒パターン３３の完全性を検出するために、検査カメラ７２が使用される。
【００４１】
ウェブ加工装置３０の検査デバイス７２は、また、ウェブ３２の触媒パターン３３のサイズおよび質の一方または両方を検査するデバイスを含むことができる。たとえば、ウェブ３２の触媒パターン３３のサイズおよび質の一方または両方を検査するために、検査カメラを使用することができる。
【００４２】
続けて図２を参照して、また、図３〜図６を参照して、本発明の実施形態によるウェブ加工の付加的な特徴を以下に説明する。上述したように、ある処理実施形態によれば、制御装置９０は、自動燃料電池組立て操作の一部として、さまざまなウェブ加工装置の制御を調整するようにプログラムされる。制御装置９０は、ロボット４０に、真空チャック４２で生じた真空を用いて、膜ウェブ３２の端部部分をステージングステーション５０から位置決めテーブル６１に輸送させるようにプログラムされる。制御装置９０は、カッタ７３に、触媒パターン３３の間の間隙３４内で膜ウェブ３２を切断させるときに、第１の真空装置５２および第２の真空装置６２ならびに真空チャックの真空を選択的に作動させたり非作動にしたりする。制御装置９０は、また、膜シートのその後の処理を容易にするために、膜ウェブ３２から切断された膜シートが所望の配向に移動されるように、位置決めテーブル６１の移動を制御する。制御装置９０は、繰返して膜ウェブ３２を別個の膜シートに自動的に加工するようにプログラムされる。
【００４３】
別のプロセス実施形態によれば、制御装置９０は、次のプロセスを含む、燃料電池膜のウェブを個別の膜シートに加工するためのいくつかの自動プロセスを調整するようにプログラムされる。ロボット４０の真空チャック４２の使用によって、膜ウェブ３２の端部部分が、ステージングステーション５０の方に引かれる。第１の真空装置５２の使用によって、膜ウェブ３２の端部部分がステージングステーション５０に固定される。膜ウェブ３２をステージングステーション５０から第２のステーション６０に移動させるとき、真空チャック４２は作動させられて膜ウェブ３２を保持し、第１の真空装置５２は非作動にされる。真空チャック４２の使用によって、少なくとも１つの膜パターン３３が位置決めテーブル６１上に存在するように、膜ウェブ３２の端部部分がステージングステーション５０から位置決めステーション６０に輸送される。
【００４４】
図４〜図６に最もよく見られるように、ステージングステーション５０および位置決めステーション６０におけるそれぞれの第１の真空装置５２および第２の真空装置６２の使用によって、かつ、真空チャック４２における真空の除去後、膜ウェブ３２の端部部分は、ステージングステーション５０および位置ステーション６０に固定される。そのように固定される間、膜ウェブ３２は、膜ウェブ端部部分の１つの触媒パターン３３Ａと隣接した触媒パターン３３Ｂとの間に規定された間隙３４内でカッタ７３の使用によって切断され、それにより膜シート３３Ａが製造される。膜シート３３Ａは、所望の配向に位置決めされて、膜シート３３Ａのその後の処理を容易にする。
【００４５】
触媒パターン３３がフォトアイ７４の下を通過するとき、触媒パターン３３の位置が制御装置９０によって定められ、制御装置９０は、１つの完全な触媒パターン３３が位置決めテーブル６１より上の位置に供給されるまで、ロボット４０のｘ軸移動が続くように制御する。次に、ロボット４０は、膜ウェブ３２が位置決めテーブル６１と接触しないとしても密に近接するように、下方に移動する。真空チャック４２における真空が非作動にされ、一方、第１の真空装置５２および第２の真空装置６２が作動させられ、それにより、膜ウェブ３２はステージングステーション５０および位置決めステーション６０に固定される。次に、ロボット４０は、後退し、先頭の触媒パターン３３Ａを位置決めテーブル６１上に残す。
【００４６】
膜ウェブ３２がステージングステーション５０および位置決めステーション６０に固定された状態で、制御装置９０は、カッタ７３に、先頭の触媒パターン３３Ａと隣接した触媒パターン３３Ｂとの間の間隙３４内で膜ウェブ３２を切断させる。切断サイクルの完了後、１つの分離された触媒パターン３３Ａが、真空によって位置決めテーブル６１に固定される。膜ウェブ３２の残りの部分は、「準備のできた位置」にある新たな先頭の触媒パターン３３Ｂが、ステージングステーション５０における真空下で保持された状態で、残される。
【００４７】
制御装置９０、視覚システム７０、および位置決めテーブル駆動システム６４は、協働して、図５に最もよく見られるように、位置決めテーブル６１を所定の位置に移動させる。この段階で、別個の触媒シート３３Ａは、その後の処理ステーションにおける処理のために、正確に位置決めされる。ロボット４０は、別個の触媒シート３３Ａ（現在、その所定の配向に再位置決めされている）より上の位置に移動し、真空チャック４２によって別個の触媒シート３３Ａをつかみ、別個の触媒シート３３Ａをその後の処理ステーションに移動させ、その間中、別個の触媒シート３３Ａの所定の向きを維持する。
【００４８】
膜ウェブ３２は、触媒が適切に付与されていないか、または膜ウェブ３２上に何らかの他の欠陥が存在する、きずのある領域を含む可能性がある。フォトアイ７４は、好ましくはステージングステーション５０より上に取付けられ、その視野内の欠陥の検出に使用可能である。不合格品材料は、膜ウェブ３２から切断され、廃棄物容器に向けて下流に送られる。カメラなどの光学デバイスなどの第３の検査デバイス７２を適切に位置決めして、サイズおよび質について触媒パターン３３を検査することができることが認められる。制御装置または別個の処理デバイスは、画像検査アルゴリズムを実行して、触媒パターン３３が所定のサイズ要件および質要件を満たすかどうかを判断する。この検査からの不合格品は、上述されたように廃棄することができる。
【００４９】
本発明のさまざまな実施形態の先の説明は、例示および説明のために提示された。余すところがないこと、または本発明を開示された厳密な形式に限定することは、意図されていない。上記教示に鑑み、多くの修正および変更が可能である。本発明の範囲は、この詳細な説明によって限定されないが、むしろ、特許請求の範囲によって限定されることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】燃料電池およびその構成層の図である。
【図２】本発明の実施形態に係る、燃料電池膜のウェブを個別の膜シートに加工する装置の図である。
【図３】本発明に係る、燃料電池膜のウェブを個別の膜シートに加工する装置の実施形態である。
【図４】本発明の実施形態に係る、燃料電池膜のウェブをステージングステーションに輸送する、図３の装置のセクションを示す。
【図５】本発明の実施形態に係る、燃料電池膜のウェブから燃料電池膜シートを製造する、図３の装置のセクションを示す。
【図６】本発明の実施形態に係る、その後の処理のために個別の燃料電池膜シートを精密に位置決めする、図３の装置のセクションを示す。
【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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【国際調査報告】
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