(57)【要約】【課題】本発明の課題は、積層燃料電池を組み立てる方法及び装置を提供することである。【解決手段】アセンブリヘッドは、１つ以上のパンチを含んでおり、シート素材から一部を分割し、積層のために電極プレートに前記一部を転送するために使用される。開示された実施形態は、積層燃料電池を組み立てる方法を含んでいる。前記方法は、第１の型２０５に第１のシート素材２０２ｂを供給する工程と、アセンブリヘッド２０４を前記第１の型に隣接する第１の位置へ移動し、前記アセンブリヘッドは、前記第１の型に嵌合する表面５０７を有する第１のパンチ５０１を含む工程と、前記第１のパンチを前記第１の型に嵌合し、前記第１のシート素材から一部を分割する工程と、前記第１のシート部分を前記第１のパンチの前記表面に付着させる工程と、前記第１のシート素材部分を有する前記アセンブリヘッドを、電極プレート７０１を含むアセンブリステーション２０３に移動する工程と、前記第１のシート素材部分を前記電極プレートの表面に配置する工程とを含む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層燃料電池を組み立てる方法であって、
第１の型に第１のシート素材を供給する工程と、
アセンブリヘッドを前記第１の型に隣接する第１の位置へ移動し、前記アセンブリヘッドは、前記第１の型に嵌合する表面を有する第１のパンチを含む工程と、
前記第１のパンチを前記第１の型に嵌合し、前記第１のシート素材から一部を分割する工程と、
前記第１のシート部分を前記第１のパンチの前記表面に付着させる工程と、
前記第１のシート素材部分を有する前記アセンブリヘッドを、電極プレートを含むアセンブリステーションに移動する工程と、
前記第１のシート素材部分を前記電極プレートの表面に配置する工程とを含む、
方法。
【請求項２】
請求項１に記載された方法であって、前記第１のシート部分は、前記第１のパンチの前記表面にある開口部に印加される負圧によって、前記第１のパンチの前記表面に付着される、方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載された方法であって、
前記アセンブリヘッドは、第２の型に嵌合する表面を有する第２のパンチを含んでおり、
第２のシート素材を前記第２の型に供給する工程と、
前記アセンブリヘッドを前記第２の型に隣接する第２の位置へ移動する工程と、
前記第２のパンチを前記第２の型に嵌合し、前記第２のシート素材から一部を分割する工程と、
前記第２のシート素材部分を有する前記アセンブリヘッドを、前記アセンブリステーションに移動する工程と、
前記第２のシート素材部分を前記電極プレートの前記表面に配置する工程とを含む、
方法。
【請求項４】
請求項３に記載された方法であって、前記第２のシート部分は、前記第２のパンチの前記表面にある開口部に印加される負圧によって、前記第２のパンチの前記表面に付着される、方法。
【請求項５】
請求項３又は４に記載された方法であって、
前記アセンブリヘッドは、前記第１のパンチ及び前記第２のパンチのそれぞれの表面に付着した前記第１のシート素材部分及び前記第２のシート素材部分の両方を有して、前記第２の位置から前記アセンブリステーションに移動され、
前記第１のシート素材部分及び前記第２のシート素材部分は、単一の操作において、前記電極プレートの前記表面に配置される、
方法。
【請求項６】
請求項３乃至５のいずれかに記載された方法であって、前記第２のパンチの前記表面の外周は、全て、前記第１のパンチの前記表面の内周の内側に収まる、方法。
【請求項７】
請求項６に記載された方法であって、
前記第１のシート素材は、接着性ガスケット素材を含んでおり、
前記第２のシート素材は、多孔質ガス拡散層素材を含んでいる、
方法。
【請求項８】
請求項１に記載された方法であって、前記第１のシート素材は、直線状のシート供給ラインによって、前記第１のシート素材から前記第１の型に供給される、方法。
【請求項９】
請求項１又は８に記載された方法であって、前記電極プレートは、一連の連結した電極プレートを含む直線状のシート供給ラインによって、前記アセンブリステーションに供給される、方法。
【請求項１０】
請求項９に記載された方法であって、
前記アセンブリステーションは、第１のアセンブリステーションであり、
前記一連の連結した電極プレートは、前記電極プレートの前記表面に前記第１のシート素材部分を配置する操作の後に、前記アセンブリステーションから第２のアセンブリステーションに間欠送りされる、
方法。
【請求項１１】
請求項３乃至７のいずれかに記載された方法であって、
前記アセンブリヘッドは、第１のアセンブリヘッドであり、
第３のシート素材を第３の型に供給する工程と、
第２のアセンブリヘッドを第３の型に隣接する第３の位置へ移動し、前記第２のアセンブリヘッドは、前記第３の型に嵌合する表面を有する第１のパンチを含む工程と、
前記第２のアセンブリヘッドの前記第１のパンチを前記第３の型に嵌合し、前記第３のシート素材から一部を分割する工程と、
前記第３のシート部分を前記第２のアセンブリヘッドの前記第１のパンチの前記表面に付着させる工程と、
前記第３のシート素材部分を有する前記第２のアセンブリヘッドを前記アセンブリステーションに移動する工程と、
前記第１のシート素材部分及び前記第２のシート素材部分の上方に前記第３のシート素材部分を配置するとを含む、
方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載された方法であって、前記第３のシート部分は、前記第２のアセンブリヘッドの前記第１のパンチの前記表面にある開口部に印加される負圧によって、前記第２のアセンブリヘッドの前記第１のパンチの前記表面に付着される、方法。
【請求項１３】
請求項１１又は１２に記載された方法であって、
前記第２のアセンブリヘッドは、第４の型に嵌合する表面を有する第２のパンチを含んでおり、
第４のシート素材を前記第４の型に供給する工程と、
前記第２のアセンブリヘッドを前記第４の型に隣接する第４の位置へ移動する工程と、
前記第２のアセンブリヘッドの前記第２のパンチを前記第４の型に嵌合し、前記第４のシート素材から一部を分割する工程と、
前記第４のシート素材部分を有する前記第２のアセンブリヘッドを前記アセンブリステーションに移動する工程と、
前記第１のシート素材部分及び前記第２のシート素材部分の上方に前記第４のシート素材部分を配置する工程とを含む、
方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載された方法であって、前記第４のシート部分は、前記第２のアセンブリヘッドの前記第２のパンチの前記表面にある開口部に印加される負圧によって、前記第２のアセンブリヘッドの前記第２のパンチの前記表面に付着される、方法。
【請求項１５】
請求項１３又は１４に記載された方法であって、
前記第２のアセンブリヘッドは、前記第２のアセンブリヘッドの前記第１のパンチ及び前記第２のパンチのそれぞれの表面に付着した前記第３のシート素材部分及び前記第４のシート素材部分の両方を有して、前記第４の位置から前記アセンブリステーションに移動され、
前記第３のシート素材部分及び前記第４のシート素材部分は、単一の操作において、前記第１のシート素材部分及び前記第２のシート素材部分の上方に配置される、
方法。
【請求項１６】
請求項３乃至７のいずれかに記載された方法であって、
前記第１のアセンブリヘッドは、第５の位置にある第５の型に嵌合する第３のパンチを含んでおり、
第５のシート素材を前記第５の型に供給する工程と、
前記第１のアセンブリヘッドを前記第５の位置に移動する工程と、
前記第３のパンチを前記第５の型に嵌合し、前記第５のシート素材から一部を分割する工程と、
前記第５のシート素材部分を有する前記第１のアセンブリヘッドを前記アセンブリステーションに移動する工程と、
前記第１のシート素材部分及び前記第２のシート素材部分の上方に前記第５のシート素材部分を配置する工程とを含む、
方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載された方法であって、前記第５のシート素材部分は、前記燃料電池集合体に対応した膜電極集合体を形成する、方法。
【請求項１８】
複数のシート供給ラインと、アセンブリステーションと、複数の裁断ステーションと、アセンブリヘッドとを含む積層燃料電池を組み立てる装置であって、
前記複数のシート供給ラインは、前記燃料電池の層に対応するシート素材を受け取り、一連の連結した電極プレートを前記アセンブリステーションに間欠送りするものであり、
前記アセンブリステーションは、前記シート供給ラインの１つによって与えられ、
前記複数の裁断ステーションは、前記複数のシート供給ラインの他の１つによって与えられ、前記シート素材のそれぞれから分割される部分を定めるための型を含んでおり、
前記アセンブリヘッドは、前記アセンブリステーションと前記裁断ステーションのそれぞれの間において移動可能であり、第１のパンチを含んでおり、
前記第１のパンチは、前記裁断位置の第１の位置にある対応した型に嵌合する表面を有しており、
前記裁断ステーションと前記アセンブリステーションの間において、前記アセンブリヘッドを移動させ、
前記アセンブリヘッドを作動させ、前記裁断ステーションにおいて前記シート素材それぞれからシート素材の一部を分割し、
前記裁断ステーションから前記アセンブリステーションに前記分割した部分を転送する、
装置。
【請求項１９】
請求項１８に記載された装置であって、
前記アセンブリヘッドは、第２のパンチを含んでおり、
前記第２のパンチは、前記裁断位置の第２の位置にある対応した型に嵌合する表面を有しており、
前記第１のパンチの前記表面の外周は、全て、前記第２のパンチの前記表面の内周の内側に収まる、装置。
【請求項２０】
請求項１８に記載された装置であって、前記第１のパンチ及び前記第２のパンチは、開口部を含んでおり、
前記開口部は、負圧を印加して、前記パンチそれぞれによって分割されたシート素材を前記アセンブリヘッドに付着させる、
装置。
【請求項２１】
積層燃料電池を組み立てる方法であって、図２乃至７を参照して、実質的に本明細書の説明に従う、方法。
【請求項２２】
積層燃料電池を組み立てる装置であって、図２乃至７を参照して、実質的に本明細書の説明に従う、装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、積層燃料電池を組み立てる方法及び装置に関するものであり、１つ以上のパンチを有するアセンブリヘッドが、シート素材から複数の部分を分割し、積層のためにその複数の部分を電極プレートへ転送する。
【背景技術】
【０００２】
プロトン交換膜技術に基づく燃料電池は、一般的に、多数の個々の電池を積層することによって組み立てられる。それぞれの電池は、膜電極集合体（ＭＥＡ）を含んでおり、ＭＥＡの両側にアノードプレート及びカソードプレートが連結している。ガスケットは、ＭＥＡの周辺において、水密封止を確保するために用いられる。
【０００３】
従来の燃料電池１０の典型的なレイアウトが図１に示されている。図１では、分かりやすいように、個々の層を展開して図示している。固体高分子イオン転写膜１１は、アノード１２及びカソード１３に挟まれている。一般的に、アノード１２及びカソード１３は、ともに、白金の微粒子又はその他の貴金属触媒が結合する多孔質炭素のような、電気的伝導性を有し、多孔質の素材から形成される。アノード１２及びカソード１３は、隣接する膜１１の面それぞれに直接接合される。この結合は、一般的に、一まとめにして、膜電極集合体と言われる。
【０００４】
アノード流体フローフィールドプレート１４及びカソード流体フローフィールドプレート１５は、高分子膜１１及び多孔質電極層１２、１３を挟んでいる。中間バッキング層１２ａ、１３ａは、拡散器又は拡散層とも称されるが、アノード流体フローフィールドプレート１４とアノード１２の間、及び、同様に、カソード流体フローフィールドプレート１５とカソード１３の間に設けられていてもよい。バッキング層１２ａ、１３ａは、多孔質であり、アノード及びカソードの表面へのガスの拡散、及び、アノード及びカソードの表面からのガスの拡散を可能とし、電池内における水蒸気及び液体水の制御も補助する。
【０００５】
流体フローフィールドプレート又は電極プレート１４、１５は、電気的伝導性のある非多孔質性の素材から形成されており、アノード電極１２又はカソード電極１３それぞれに対する電気的接触がなされる。同時に、流体フローフィールドプレートは、多孔質電極１２、１３への流体燃料、オキシダント又は反応生成物の運搬や消費を促進したり、多孔質電極１２、１３からの流体燃料、オキシダント又は反応生成物の運搬や消費を促進する。これは、一般には、流体フローフィールドプレートの表面に流体流路を形成することによって達成される。この流体流路は、例えば、多孔質電極１２、１３に対向する表面におけるグルーブ(grooves）又はチャネル（channel）１６である。
【０００６】
電極プレート１４、１５は、互いに電気的に絶縁され、プレート１４、１５を横切るフローフィールドは、ガスケットを使用して水密に維持される。このガスケットは、流体フロープレートと高分子膜１１の間における流体フィールドエリアの周囲に配置される。
【０００７】
有用な量の電力を発生させるために、図１に示されたような個々の電池は、より大きな電池スタックに組み立てられる必要がある。これは、複数の電池を平面スタックに積層することによって行われ、アノードプレート及びカソードプレートは交互に結合することになる。それぞれの電池を直列に接続すると、スタックによってより高い電圧が発生し、電池又は電池のグループを並列に接続すると、より大きい電流が発生する。複数のスタックは、電力を発生させるために用いられてもよく、例えば、水素駆動自動車の電力電源装置に用いられる。
【０００８】
多数の電池は、それぞれ個々のスタックを形成するために組み立てられる必要がある。それ故、このようなスタックの製造は、多くの別々の工程を要し、各工程のそれぞれは、各電池を構成する多様な層の正確な位置決め要する。いずれの整合不良は、例えば、電気的な短絡、又は、燃料流路もしくはオキシダント流路からの漏れによって、スタック全体の故障となる。それ故、スタックを組み立てる製造工程が速く、正確であり、信頼きるものであるということは、大量生産への燃料電池技術の適用にとって重要である。
【０００９】
このような燃料電池スタックの組み立てに係る特定の問題は、ガスケットのような部品の正確な位置決め及び配列に関するものである。そのような部品は、その性質によって、柔軟性を備え、それ故、特に、サブ・ミリメートルでの位置精度が要求されるときには、例えば、金属性流体フィールドプレートのような他の柔軟性に劣る部品を基準として配列することが困難となる。ガスケットは、接着性ガスケット素材の打ち抜きシートの形で供給され、例えば、流体フローフィールドプレート、又は、ＭＥＡのような基板上に位置決めされる前に、裏紙からの除去を要する。
【００１０】
このような接着性素材の正確な位置決めは、配列ツールを利用せずに、手作業で達成することは難しく、非常に労働集約的になる。
【００１１】
シートは、操作と組み立ての間、動作及び歪みを受けるので、燃料電池アセンブリの柔軟性部品に対してプレカットシートを使用することもまた問題となる。例えば、ガスケットのような接着層に関して、裏紙の使用は、歪みを低減させる傾向にあるが、このようなガスケットの位置決めについて、サブミリメーターレベルの精度を反復可能に維持するためには不十分であろう。
【００１２】
更なる問題は、どのようにして、可能な限り少ない操作によって積層燃料電池を組み立て、工程全体の能率促進を行い、位置決め公差の対象となる変数の数を減少させるのかということである。
【００１３】
もう一つの一般的な更なる問題は、どのようにして、精度及び反復性のいずれも犠牲にせず、積層燃料電池を組み立てる工程全体の能率促進を行うかということである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の課題は、上述した問題の１つ以上を解決することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の第１の態様によると、積層燃料電池を組み立てる方法が提供される。前記方法は、第１の型に第１のシート素材を供給する工程と、アセンブリヘッドを前記第１の型に隣接する第１の位置へ移動し、前記アセンブリヘッドは、前記第１の型に嵌合する表面を有する第１のパンチを含む工程と、前記第１のパンチを前記第１の型に嵌合し、前記第１のシート素材から一部を分割する工程と、前記第１のシート部分を前記第１のパンチの前記表面に付着させる工程と、前記第１のシート素材部分を有する前記アセンブリヘッドを、電極プレートを含むアセンブリステーションに移動する工程と、前記第１のシート素材部分を前記電極プレートの表面に配置する工程とを含む。
【００１６】
本発明の利点は、シート素材の裁断工程、及び、その裁断された素材を積層のために電極プレートへ転送する工程が、単一の工程の部分として実施され、単一のアセンブリヘッドを使用することである。これによって、プリカットシートの操縦と組み立ての間における動作及び歪みに関する上述の問題が解消される。本発明の更なる利点は、直接的かつ間接的に組み立て費用が低減することである。これは、パンチング及び積層操作が、同じ全体工程の範囲内で実施されることによる。
【００１７】
前記シート部分は、前記第１のパンチの前記表面にある開口部に印加される負圧によって、前記第１のパンチの前記表面に付着されてもよい。パンチに対してシート部分を保持するために、負圧システムを使用することによって、シート素材が、アセンブリステーションへの移動の間、しっかりとアセンブリヘッドに保持されることが可能となり、また、シート素材が、電極プレートに積層された後に解放されることが可能となる。
【００１８】
前記方法は、前記アセンブリヘッドが、第２の型に嵌合する表面を有する第２のパンチを含み、第２のシート素材を前記第２の型に供給する工程と、前記アセンブリヘッドを前記第２の型に隣接する第２の位置へ移動する工程と、前記第２のパンチを前記第２の型に嵌合し、前記第２のシート素材から一部を分割する工程と、前記第２のシート素材部分を有する前記アセンブリヘッドを、前記アセンブリステーションに移動する工程と、前記第２のシート素材部分を前記電極プレートの前記表面に配置する工程とを含んでいてもよい。
【００１９】
アセンブリヘッドに１つ以上のパンチを有することによって、装置が遂行することになる操作数が低減し、工程の能率促進が図られる。
【００２０】
前記第１のシート素材と同様に、前記第２のシート部分は、前記第２のパンチの前記表面にある開口部に印加される負圧によって、前記第２のパンチの前記表面に付着されてもよい。
【００２１】
前記アセンブリヘッドは、前記第１のパンチ及び前記第２のパンチのそれぞれの表面に付着した前記第１のシート素材部分及び前記第２のシート素材部分の両方を有して、前記第２の位置から前記アセンブリステーションに移動され、前記第１のシート素材部分及び前記第２のシート素材部分は、単一の操作において、前記電極プレートの前記表面に配置されてもよい。これによって、第１のシート部分及び第２のシート部分の相対的な位置決め公差が改善される。これは、アセンブリステーションに対する相対的なアセンブリヘッドの位置決め公差によるものでなく、第１のシート部分及び第２のシート部分の位置決め公差によって指示されるからである。
【００２２】
好ましい実施形態において、前記第２のパンチの前記表面の外周は、全て、前記第１のパンチの前記表面の内周の内側に収まる。これは、特に、ガスケット素材が、積層燃料電池においてガス拡散層素材の周囲を囲む必要があって、第１のシート素材が接着性ガスケット素材を含み、第２のシート素材が多孔質ガス拡散層素材を含んでいるときに関するものである。これによって、両シート素材がアセンブリヘッドに付着して同時に移動することとなり、組み立て工程から移動操作が１つ省略される。
【００２３】
前記第１又は第２のシート素材は、直線状のシート供給ラインによって、前記第１のシート素材から前記第１の型に供給されてもよい。シート素材の片は、リール（reel）から供給される。シート素材の裁断は、組み立て装置において実施されるので、シート素材は、組み立て工程と互換性をもつ指定の幅及び厚さ以外の別の形態で供給される必要はない。
【００２４】
前記電極プレートは、一連の連結した電極プレートを含む直線状のシート供給ラインによって、前記アセンブリステーションに供給されてもよい。電極プレートは、アノードプレートであってもよく、任意に要求され、既に所定の位置にあるフローチャネルを有したプレカットの状態で供給されてもよい。
【００２５】
前記一連の連結した電極プレートは、前記電極プレートの前記表面に前記第１のシート素材部分を配置する操作の後に、前記アセンブリステーションから第２のアセンブリステーションに間欠送りされてもよい。次に、第２のアセンブリステーションは、更なる電極プレート、例えば、カソードプレートの配置のような他の操作を遂行するために使用することができる。一方、第１のアセンブリステーションは、新たな電極プレートを供給され、更なるシート素材が配置される。それ故、第２のアセンブリステーションで実施される操作は、第１のアセンブリステーションで実施される後続の操作と並行して実施することができ、それによって、更に、能率促進が図られる。
【００２６】
上記において、前記アセンブリヘッドは、第１のアセンブリヘッドであり、前記方法は、更に、第３のシート素材を第３の型に供給する工程と、第２のアセンブリヘッドを第３の型に隣接する第３の位置へ移動し、前記第２のアセンブリヘッドは、前記第３の型に嵌合する表面を有する第１のパンチを含む工程と、前記第２のアセンブリヘッドの前記第１のパンチを前記第３の型に嵌合し、前記第３のシート素材から一部を分割する工程と、前記第３のシート部分を前記第２のアセンブリヘッドの前記第１のパンチの前記表面に付着させる工程と、前記第３のシート素材部分を有する前記第２のアセンブリヘッドを前記アセンブリステーションに移動する工程と、前記第１のシート素材部分及び前記第２のシート素材部分の上方に前記第３のシート素材部分を配置する工程とを含んでもいてもよい。
【００２７】
実質的に第１のアセンブリヘッドと同じ第２のアセンブリヘッドを使用すると、複数の操作が並行して実施される。例えば、第１のアセンブリヘッド及び第２のアセンブリヘッドは、異なる裁断位置に移動するように操作され、同時に、シート素材部分を取得するように操作され、次に、シート素材部分を順に電極プレートの上に配置する。これは、更に、工程全体の能率促進を図る。
【００２８】
第１のシート部分及び第２のシート部分と同様に、前記第３のシート部分は、前記第２のアセンブリヘッドの前記第１のパンチの前記表面にある開口部に印加される負圧によって、前記第２のアセンブリヘッドの前記第１のパンチの前記表面に付着されてもよい。
【００２９】
第１のアセンブリヘッドと同様に、前記第２のアセンブリヘッドは、第４の型に嵌合する表面を有する第２のパンチを含んでいてもよい。また、前記の方法は、更に、第４のシート素材を前記第４の型に供給する工程と、前記第２のアセンブリヘッドを前記第４の型に隣接する第４の位置へ移動する工程と、前記第２のアセンブリヘッドの前記第２のパンチを前記第４の型に嵌合し、前記第４のシート素材から一部を分割する工程と、前記第４のシート素材部分を有する前記第２のアセンブリヘッドを前記アセンブリステーションに移動する工程と、前記第１のシート素材部分及び前記第２のシート素材部分の上方に前記第４のシート素材部分を配置する工程とを含んでもよい。
【００３０】
第３のシート素材部分及び第４のシート素材部分は、例えば、燃料電池のカソード側のガスケット及びガス拡散層であってもよい。その場合、第１のシート素材部分及び第２のシート素材部分は、燃料電池のアノード側のガスケット及びガス拡散層となる。
【００３１】
選択的な実施態様において、前記第１のアセンブリヘッドは、前記第１のシート素材部分、前記第２のシート素材部分、前記第３のシート素材部分、及び、前記第４のシート素材部分のそれぞれを裁断して、移動させるために使用されてもよい。
【００３２】
他のシート部分と同様に、前記第４のシート部分は、前記第２のアセンブリヘッドの前記第２のパンチの前記表面にある開口部に印加される負圧によって、前記第２のアセンブリヘッドの前記第２のパンチの前記表面に付着されてもよい。
【００３３】
前記第２のアセンブリヘッドは、前記第２のアセンブリヘッドの前記第１のパンチ及び前記第２のパンチのそれぞれの表面に付着した前記第３のシート素材部分及び前記第４のシート素材部分の両方を有して、前記第４の位置から前記アセンブリステーションに移動されてもよく、前記第３のシート素材部分及び前記第４のシート素材部分は、単一の操作において、前記第１のシート素材部分及び前記第２のシート素材部分の上方に配置される。
【００３４】
前記第１のアセンブリヘッドは、第５の位置にある第５の型に嵌合する第３のパンチを含んでいてもよい。また、前記方法は、第５のシート素材を前記第５の型に供給する工程と、前記第１のアセンブリヘッドを前記第５の位置に移動する工程と、前記第３のパンチを前記第５の型に嵌合し、前記第５のシート素材から一部を分割する工程と、前記第５のシート素材部分を有する前記第１のアセンブリヘッドを前記アセンブリステーションに移動する工程と、前記第１のシート素材部分及び前記第２のシート素材部分の上方に前記第５のシート素材部分を配置する工程とを含んでいてもよい。
【００３５】
選択的な実施態様において、第２のアセンブリヘッドは、第５の位置にある第５の型に嵌合するパンチを含んでいてもよい。前記方法は、第５のシート素材を前記第５の型に供給する工程と、前記第２のアセンブリヘッドを前記第５の位置に移動させる工程と、前記第２のアセンブリヘッドの前記パンチヘッドを嵌合させて、前記第５のシート素材から一部を分割する工程と、前記第５のシート素材部分を有する前記第２のアセンブリヘッドを前記アセンブリステーションに移動する工程と、前記第１のシート素材部分及び前記第２のシート素材部分の上方に前記第５のシート素材部分を配置する工程とを含んでいてもよい。
【００３６】
前記第５のシート素材部分は、好ましくは、前記燃料電池集合体に対応した膜電極集合体を形成する。
【００３７】
本発明の第２の実施態様によると、複数のシート供給ラインと、アセンブリステーションと、複数の裁断ステーションと、アセンブリヘッドとを含む積層燃料電池を組み立てる装置が提供される。前記複数のシート供給ラインは、前記燃料電池の層に対応するシート素材を受け取り、一連の連結した電極プレートを前記アセンブリステーションに間欠送りする。前記アセンブリステーションは、前記シート供給ラインの１つによって与えられる。前記複数の裁断ステーションは、前記複数のシート供給ラインの他の１つによって与えられ、前記シート素材のそれぞれから分割される部分を定めるための型を含んでいる。前記アセンブリヘッドは、前記アセンブリステーションと前記裁断ステーションのそれぞれの間において移動可能であり、第１のパンチを含んでいる。前記第１のパンチは、前記裁断位置の第１の位置にある対応した型に嵌合する表面を有している。前記装置は、前記裁断ステーションと前記アセンブリステーションの間において、前記アセンブリヘッドを移動させる。前記装置は、前記アセンブリヘッドを作動させ、前記裁断ステーションにおいて前記シート素材それぞれからシート素材の一部を分割する。前記装置は、前記裁断ステーションから前記アセンブリステーションに前記分割した部分を転送する。
【００３８】
前記アセンブリヘッドは、第２のパンチを含んでおり、前記第２のパンチは、前記裁断位置の第２の位置にある対応した型に嵌合する表面を有していてもよく、前記第２のパンチの前記表面の外周は、全て、前記第１のパンチの前記表面の内周の内側に収まる。
【００３９】
前記第１のパンチ及び前記第２のパンチは、開口部を含み、前記開口部が、負圧を印加して、前記パンチそれぞれによって分割されたシート素材を前記アセンブリヘッドに付着させるものであってもよい。
【００４０】
本発明の第１の実施態様に関連する他の選択的かつ好ましい特徴が、第２の実施態様に提供されてもよい。
【発明の効果】
【００４１】
本発明によれば、積層燃料電池を組み立てる方法及び装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
以下、本発明の実施形態について、実施例及び図面を参照しながら、更に詳しく説明する。
【図１】高分子電解質膜燃料電池の略分解断面図である。
【図２】積層燃料電池の組み立てに用いる典型的な装置の斜視図である。
【図３】図２の装置の平面図である。
【図４】図２及び図３の装置の側面図である。
【図５】図２乃至図４の装置に用いる典型的なアセンブリヘッドの一連の切取り斜視図である。
【図６】図２乃至図４の装置に用いる典型的なアセンブリヘッドの一連の切取り斜視図である。
【図７】積層燃料電池アセンブリの組み立てにおける一連の工程を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
図１に示す一般的な燃料電池の構造は、背景技術の欄で述べたとおりである。
【００４４】
図２は、本発明の第２の態様による典型的な装置２００の斜視図である。図３は、装置２００の平面図であり、図４は、装置２００の側面図である。複数のシート供給ライン２０１ａ〜ｇは、シート素材２０２ａ〜２０２ｇの数に対応して設けられている。図示された具体例においては、全部で７つの供給ラインが設けられており、連結した一連のＭＥＡ２０２ａ、２つの接着性ガスケットシート素材２０２ｂ、２０２ｆ、２つのガス拡散層素材２０２ｃ、２０２ｅ、一連の連結したアノード電極プレート２０２ｄ、及び、一連の連結したカソード電極プレート２０２ｇを供給するように設計されている。ガスケット及びガス拡散層ライン２０１ｂ、２０１ｃ、２０１ｅ、２０１ｆに用いられる素材は、未加工の状態で供給される。すなわち、規定のシート厚と幅のみをもって供給される。一方、アノード電極プレート２０２ｄとカソード電極プレート２０２ｇに用いられる素材は、流体フローチャネルのような表面機能を備えており、事前に準備された形態で、既に所定の位置に供給される。流体フローチャネルは、例えば、スタンピング又はエッチングの少なくとも一方によって形成されていてもよい。アノードプレートとカソードプレートがアセンブリ２００を通じて間欠送りされるように、連続したプレートは、互いに接続される。もっとも、これらのプレートは、このような部品のスタックを含むホッパー（hopper）から代替的に供給されてもよい。ガスケット及びガス拡散素材は、リール（reel）又はシートフェッドストック（sheet fed stock）から供給されてもよい。ガスケット素材は、片側又は両側に裏紙を有する接着性シートの形態で供給されてもよいが、ガス拡散層素材は、接着層を有さずに供給されてもよい。
【００４５】
ＭＥＡライン２０１ａは、既製の膜電極集合体を提供される。示された実施例において、その膜電極集合体は、間欠送りのために互いに連結されており、組み立ての前に、最後の裁断のみを要し、個々のＭＥＡ部品を切調え、分割する。ＭＥＡは、シート供給機からのリールフェッドシート（reel fed sheet）、又は、個々の部品のどちらかとしても供給されることができる。それぞれの供給ラインにとって、アセンブリ２００が、シート又は一連の連結した部品の状態で素材を供給されることは、アセンブリの複雑さを低減させるので、利点となる。
【００４６】
アノードプレート２０２ｄは、供給ライン２０１ｄによって、第１の中間積層又はアセンブリ、ステーション２０３に向けて、間欠送りされる。ステーション２０３において、ガスケット、ガス拡散層、及び、膜電極集合体部品がアノードプレートそれぞれに積層される。この目的のために、多機能性のアセンブリヘッド２０４が提供される。アセンブリヘッド２０４は、ピックアンドプレース装置（明示的には図示されていない）を用いて、１つ以上の軸に沿って、供給ラインを跨いで横断可能である。好ましい具体例として、アセンブリヘッド２０４は、Ｘ軸（図２に図示）に沿って移動可能となっている。Ｘ軸は、供給ラインの平面に沿った方向にあり、供給ラインがシート素材を供給する方向に対して横軸となる。また、Ｘ軸は、Ｚ軸において、すなわち、供給ラインの平面に直交する方向において、昇降可能である。
【００４７】
ガス拡散層及び接着性ガスケットを有したアノードプレートを含む集合体に至る典型的な一連の操作は、以下のとおり進行する。
【００４８】
アノードプレートは、最初に、アセンブリステーション２０３へ進む。アノードプレートは、アセンブリステーションにおける１つ以上のピンを用いて配置されることによって、アセンブリステーション２０３に正確に配置されてもよい。このピンは、アノードプレートにおける孔に対応し、この穴と嵌合する。アセンブリヘッド２０４は、ガスケット供給ライン２０１ｂ上の位置にある第１の型２０５に移動する。次に、アセンブリヘッドのパンチは、ガスケット素材２０２ｂを越えて型に嵌合し、シートからガスケット形状の片を切り取る。パンチは、一連の開口部が設けられており、開口部を通じて、負圧が印加され、ガスケットがアセンブリヘッド２０４に保持される。次に、アセンブリヘッドは、型２０５から後退し、第２の型２０６に移動し、その上にガス拡散層素材が提供される。
【００４９】
アセンブリヘッド上の所定の位置にガスケット素材を有したまま、アセンブリヘッドの第２のパンチは、ガス拡散層素材を越えて第２の型に嵌合し、既存のガスケット素材によって囲まれた素材の一部を切り出す。次に、アセンブリヘッド２０４は、第２の型２０６から後退し、アセンブリステーション２０３に移動し、ガスケットとガス拡散層部分の両方を運搬する。次に、単一の操作において、アセンブリヘッドは、アセンブリステーション２０３に位置するアノードプレートにガスケット及びガス拡散層を配置する。ガス拡散層は、全体がガスケット層の内側に収まるので、ガス拡散層は、一度アノードプレートに配置されると、所定の位置において、側方に保持される。それ故、ガス拡散層に接着剤は不要となるが、その層が後続の工程の間に移動しないように、少なくとも部分的な接着層が設けられてもよい。
【００５０】
いったん、ガスケット及びガス拡散層が配置されると、ＭＥＡ層は、アノードプレートの上に配置される。これは、アセンブリヘッド２０４を移動することによって行われてもよく、アセンブリヘッド２０４は、ＭＥＡ部品を切り出して、ＭＥＡ部品に保持するための第３のパンチを含んでいてもよい。また、これは、選択的に、特に、ＭＥＡ部品を裁断し、アセンブリステーション２０３に移動させるための第２のアセンブリヘッド２０７を使用することによって実施されてもよい。
【００５１】
上述した第１の選択的手段において、名目上、第１のアセンブリヘッド２０４と同一である第２のアセンブリヘッド２０８が、シート供給ライン２０１ｇ、２０１ｆによって供給される型２０９、２１０のそれぞれからガスケット及びガス拡散層の部分を得るために設けられていてもよい。それ故、この第２のアセンブリヘッド２０８は、第１のアセンブリヘッドがＭＥＡステーション２１１からＭＥＡを取り出す間に、並行して、他の操作を実施することによって、工程全体の能率促進をするために使用されることができる。
【００５２】
第２の選択的手段において、第１のアセンブリヘッド２０４は、型２０９、２１０からガスケット及びガス拡散層部分を得るために用いられてもよく、第２のアセンブリヘッド２０７は、ＭＥＡを取得るために用いられる。この選択的手段において、ＭＥＡステーション２１１は、好ましくは、アセンブリステーション２０３からオフセットされ、第２のアセンブリヘッド２０７の動きと第１のアセンブリヘッド２０４の動きの間における任意の衝突が回避される。第２のアセンブリヘッド２０７は、アノードプレートにＭＥＡ部品を転送するために、ＭＥＡアセンブリステーション２１１と第１のアセンブリステーション２０３の間において移動する設計となっている。
【００５３】
第１の選択的手段及び第２の選択的手段のそれぞれにおいて、いくつかの操作が並行して実施され、それ故、組み立て工程全体が、アセンブリヘッド１つのみを使用する場合よりも迅速化する。特に、ＭＥＡ層の転送のために別々のアセンブリヘッドを使用すると、３つの裁断工程ではなく、２つの裁断工程を要するだけであるので、アセンブリヘッド２０４の設計の複雑さを低減させる。
【００５４】
いったん、アノードプレートが、要求されるガスケット、ガス拡散層、及び、ＭＥＡに設けられると、アノードプレート供給ライン２０１ｄは、間欠送りされ、アノードプレートを第２のアセンブリステーション２１２に移動させる。次に、第３のアセンブリヘッド２１３は、カソードプレート供給ライン２０１ｇによって供給されるカソードプレートの上方にあって、カソードシート素材２０２ｇからカソードプレートを持ち上げ、カソードプレートを第２のアセンブリステーション２１２の上方へ移動させる。材料切断刃作動装置２１４は、操作され、シート供給ラインからカソードプレートを分割する。
【００５５】
いったん、カソードプレートが、第２のアセンブリステーション２１２に配置されると、アノード供給ラインは、完成した燃料電池を第３のアセンブリステーション２１７に間欠送りし、更に、材料切断刃差動装置２１５は、連続する間欠移送工程において、二度操作され、アノード供給ライン２０２ｄから組み立てられた燃料電池を分割する。次に、組み立てられた燃料電池は、更なる組み立てのために、アセンブリ斜路２１６に移送される。第３のアセンブリステーション２１７は、好ましくは、材料切断操作の間、所定の入りに燃料電池集合体を保持するために、負圧ベッドが設けられる。
【００５６】
上述したアセンブリヘッドそれぞれにとって、好ましくは、負圧システムが、アセンブリステーション２０３、２１２において、打ち抜き工程及び積層工程の間に部品を保持するために使用される。アセンブリヘッド２０４の更なる詳細は、以下において記述される。
【００５７】
多様な廃棄物斜路２１８〜２２３は、図１にも示されている。シート供給ラインからの多様な部品を分割する裁断操作の後に、供給ライン２０１ａ〜ｃ、供給ライン２０１ｅ〜ｇからの廃棄素材は、廃棄斜路２１８〜２２３に沿って供給される。
【００５８】
組み立ての間、部品の相対位置を監視するように、１台以上のカメラ４０１（図４）をシート供給アセンブリ２０１の下に設けてもよい。カメラ４０１は、例えば、ガスケットの縁とガス拡散層の縁が、それぞれの型の上方において正確な位置にあることを確認するために使用してもよい。カメラは、アノードライン及びカソードラインを監視するため、又は、必要に応じて、アノードライン及びカソードラインを調整するために使用してもよい。
【００５９】
図５及び図６は、典型的なアセンブリヘッド２０４の異なる切取り斜視図である。アセンブリヘッド２０４は、ガスケット及びガス拡散層シート素材を裁断及び移動させるために、別々の位置にある。図５ａ及び図６ａの部分Ａ及び部分Ｂにおいて、アセンブリヘッドは、ガスケット型２０５に隣接する位置にあり、外縁５０２、内縁５０３、及び、更なる特徴部分５０４を含んだ第１のパンチを有している。特徴部分５０４は、ガスケット型２０５と嵌合する関係にあるガスケット素材に流体フローチャネルを設ける設計となっている。第１のパンチが型２０５に接触すると、ガスケットの外側の外形及び内側の外形が、同時に、内縁５０３、外縁５０２、及び、更なる特徴的部分５０４によって形成され、廃棄素材が排出される。負圧ホルダ５０１は、この打ち抜き操作の後にパンチの表面５０７に付着したガスケットを保持するために、内縁及び外縁５０４、５０２の間に設けられる。ガスケット型２０５との嵌合の後、第１のパンチは、後退し、第２のパンチ５０５が、伸長してガス拡散層型２０６（部分Ｃ）と嵌合する。第２のパンチ５０５は、第１のパンチの内縁と共通する外縁５０３を含んでいる。両シート素材が分割された後、図５及び図６の部分Ｄに示されるように、第１及び第２のパンチ５０１、５０５それぞれの表面５０７、５０８は、互いに位置合わせされるとともに、表面５０７、５０８の所定の位置に保持されるシート素材（図示省略）が、アセンブリステーション２０３（図２）において、アノードプレートに配置される。
【００６０】
図５及び図６は、アセンブリヘッド２０４に設けられた負圧ライン５０９、５１０も図示している。負圧ライン５０９、５１０は、第１及び第２のパンチ５０１、５０５の表面５０７、５０８に設けられた開口部に吸引力を印加し、アセンブリステーション２０３への移動の間、シート素材を所定の位置に保持する。第１の負圧ライン５０９は、第１のパンチ５０１の表面５０７に対して吸引力を印加し、第２の負圧ライン５１０は、第２のパンチ５０５の表面５０８に対して吸引力を印加する。
【００６１】
図７は、ガスケット及びガス拡散層を転送する典型的な一連の工程を概略的に示すものである。ガスケット及びガス拡散層は、型２０５、２０６それぞれからアセンブリステーション２０３に対して転送される。アセンブリステーション２０３には、アノードプレート７０１が設けられている。工程Ａにおいて、アセンブリヘッドは、ガスケット型の上方の所定の位置にある。ガスケット素材は、型の上方に供給され、アセンブリヘッドは、第１のパンチ５０１（図５及び図６）をガスケット型２０５に嵌合させる（工程Ｂ）。ガスケット素材の一部７０２は、工程において、ガスケット型２０５を通じて排出され、廃棄される。次に、アセンブリヘッド２０４は、ガスケット型２０５から後退し（工程Ｃ）、ガス拡散層型２０６の上方に移動する（工程Ｄ）。次に、アセンブリヘッド２０４は、第２のパンチをガス拡散層型２０６に嵌合させ（工程Ｅ）、ガスケット及びガス拡散層部分の両方を第１及び第２のパンチそれぞれの表面に付着したまま、ガス拡散層型２０６から後退する。次に、アセンブリヘッド２０４は、アセンブリステーション２０３の上方に移動し（工程Ｇ）、アノードプレート７０１にガスケット及びガス拡散層部分を配置する（工程Ｈ）。次に、アセンブリヘッド２０４は、アセンブリステーションから後退し（段階Ｉ）、ガスケット素材の上面から裏紙を取り除く。次に、裏紙は、アセンブリヘッド２０４、廃棄素材斜路、又は、漏斗に移動され、第１のパンチの表面に印加された負圧を解放することによって廃棄される。また、裏紙を確保するための選択的な正圧の印加が解除され、任意の残留素材が排出される。
【００６２】
後続する処理工程において、ＭＥＡはアノードプレート７０１の上方に配置される。次に、図７に示された工程に従って、更に、ガスケット及びガス拡散層が配置される。次に、カソードプレートが配置され、燃料電池集合体を完成させる。
【００６３】
アセンブリヘッド２０４は、好ましくは、上述した操作が、少なくとも２つの平行な軸に沿ってヘッドを移動させることが可能なピックアンドプレースアームを用いることによって、実施され得るような設計となっている。ヘッドは、更に、追加の回転軸を含むように設計されてもよく、その場合、追加の工程が組み入れられる。
【００６４】
上述した典型的な実施形態において、別々の供給ライン２０１ｂ、２０１ｆが、２つのガスケット素材２０２ｂ、２０２ｆに対して設けられ、アノード側及びカソード側の異なる形状及び設計のガスケットを実現する。同様に、別々の供給ライン２０１ｃ、２０１ｅは、２つのガス拡散層素材２０２ｃ、２０２ｅに対して設けられることによって、異なる形状及び素材がアノード側とカソード側に対して使用され得る。これらのラインは、ガスケットラインを１つの共通のラインへ統合するか、ガス拡散ラインを１つの共通ラインに統合することによって、簡素化される。これによって、更に、工程及び関連するインベントリの要件を簡素化できる。
【００６５】
添付した特許請求の範囲によって定まる本発明の範囲には、他の実施態様も当然に含まれる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2013520778.tif 000006
【図５】
2013520778.tif 000007
【図６】
2013520778.tif 000008
【図７Ａ】
2013520778.tif 000009
【図７Ｂ】
2013520778.tif 000010
【図７Ｃ】
2013520778.tif 000011
【図７Ｄ】
2013520778.tif 000012
【図７Ｅ】
2013520778.tif 000013
【図７Ｆ】
2013520778.tif 000014
【図７Ｇ】
2013520778.tif 000015
【図７Ｈ】
2013520778.tif 000016
【図７Ｉ】
2013520778.tif 000017
【国際調査報告】
2013520778.tif 000018
2013520778.tif 000019