(57)【要約】  ロール・ツー・ロールプロセスを介して、ガス拡散層を組み込んだガスケット（ＧＩＧ）燃料電池サブアセンブリを作製するための製作方法が記載される。離間した開口を有する、熱及び圧力の一方又は両方によって加工可能な材料は、固着ステーションに移送される。第１のガスケット層の離間した開口に関連して配設されたガス拡散層を有する第１のガスケット層は、前記固着ステーションに移送される。前記熱／圧力加工可能な材料は、前記第１のガスケット層及び前記ガス拡散層に整合される。前記固着ステーションで、前記熱／圧力加工可能な材料は、前記第１のガスケット層及び前記ガス拡散層に固着される。固着後、前記熱／圧力加工可能な材料は、前記ガス拡散層を前記第１のガスケット層に付着させる第２のガスケット層を形成する。
2010514099.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロール・ツー・ロールプロセスによって、ガス拡散層を組み込んだガスケット（ＧＩＧ）燃料電池サブアセンブリを作製する方法であって、
熱及び圧力のうちの一方又は両方によって加工可能であり、離間した開口を有する材料を、固着ステーションに移送する工程と、
第１のガスケット層の離間した開口に関連して配設されるガス拡散層を有する、前記第１のガスケット層を、前記固着ステーションに移送する工程と、
前記熱／圧力加工可能な材料を、前記第１のガスケット層及び前記ガス拡散層に整合させる工程と、
前記固着ステーションで、前記熱／圧力加工可能な材料を、前記第１のガスケット層及び前記ガス拡散層に固着する工程であって、前記熱／圧力加工可能な材料は、固着後、前記ガス拡散層を前記第１のガスケット層に付着させる第２のガスケット層を形成する、固着する工程と、を含む、方法。
【請求項２】
前記熱／圧力加工可能な材料を整合させる工程は、前記熱／圧力加工可能な材料が、前記第１のガスケット層及びガス拡散層の少なくとも一部分に重なるように、前記熱／圧力加工可能な材料の前記開口を、前記第１のガスケット層の前記開口に整合させる工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ガス拡散層は、前記第１のガスケット層の前記離間した開口内に置かれる、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記ガス拡散層は、前記第１のガスケット層に重なる、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記熱／圧力加工可能な材料を移送する工程は、前記熱／圧力加工可能な材料を、第１のキャリアウェブ上に移送する工程を含み、
前記第１のガスケット層及び前記ガス拡散層を移送する工程は、前記第１のガスケット層及び前記ガス拡散層を、第２のキャリアウェブ上に移送する工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
第１の接着剤で、前記熱／圧力加工可能な材料を、前記第１のキャリアウェブに接着し、第２の接着剤で、前記ガス拡散層及び前記第１のガスケット層を、前記第２のキャリアウェブに接着する、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記第２の接着剤は、熱不活性化感圧性接着剤を含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記第２のキャリアウェブを、前記ガス拡散層及び前記第１のガスケット層から取り外す工程を更に含み、前記第２のキャリアウェブを取り外す工程は、前記第１のガスケット層の接着剤層又は接着剤ライナーを暴露する、請求項５に記載の方法。
【請求項９】
前記第２のキャリアウェブを取り外す工程は、接着剤ライナーを暴露し、
前記接着剤ライナーを、前記第１のガスケット層の前記接着剤層から取り外す工程を更に含む、請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
前記熱／圧力加工可能な材料を、前記ガス拡散層及び前記第１のガスケット層に固着する工程は、連続プロセスで固着ローラーを介して、前記熱／圧力加工可能な材料に熱及び圧力のうちの少なくとも１つを適用する工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記ガス拡散層は、触媒コーティングされたガス拡散層を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
ロール・ツー・ロールプロセスを介して膜電極アセンブリを形成する方法であって、
ガスケット（ＧＩＧ）サブアセンブリを組み込んだ第１及び第２のガス拡散層を形成する工程であって、それぞれのＧＩＧサブアセンブリの形成は、
離間した開口を有する、熱及び圧力の一方又は両方で加工可能な材料を、固着ステーションに移送する工程と、
第１のガスケット層の離間した開口に関連して配設されるガス拡散層を有する、前記第１のガスケット層を、前記固着ステーションに移送する工程と、
前記熱／圧力加工可能な材料を、前記第１のガスケット層及び前記ガス拡散層に整合させる工程と、
前記固着ステーションで、前記熱／圧力加工可能な材料を、前記第１のガスケット層及び前記ガス拡散層に固着する工程であって、前記熱／圧力加工可能な材料は、固着後、前記ガス拡散層を前記第１のガスケット層に付着させる第２のガスケット層を形成する、固着する工程と、
前記第１のガスケット層上の接着剤層を暴露する工程と、を含む、第１及び第２のガス拡散層を形成する工程と、
１つ以上の電解質膜を供給する工程と、
前記第１のＧＩＧサブアセンブリを、前記１つ以上の電解質膜の表面に固着する工程と、
前記第２のＧＩＧサブアセンブリを、前記１つ以上の電解質膜の反対側の表面に固着する工程と、を含む、方法。
【請求項１３】
前記１つ以上の電解質膜は、少なくとも部分的に触媒コーティングされる、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記第１及び第２のＧＩＧの前記ガス拡散層は、少なくとも部分的に触媒コーティングされる、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記１つ以上の電解質膜は、連続電解質膜を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
前記１つ以上の電解質膜を供給する工程は、複数個の電解質膜を供給する工程を含み、
前記第１のＧＩＧサブアセンブリを固着する工程は、前記第１のサブアセンブリを、前記複数個の電解質膜に整合させる工程を含み、
前記第２のＧＩＧサブアセンブリを固着する工程は、前記第２のサブアセンブリを、前記複数個の電解質膜に整合させる工程を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
前記１つ以上の電解質膜は、パターン形成された触媒領域を有する電解質膜ウェブを含み、
前記第１のＧＩＧサブアセンブリを固着する工程は、前記第１のＧＩＧサブアセンブリを、前記パターン形成された電解質膜ウェブに整合させる工程を含み、
前記第２のＧＩＧサブアセンブリを固着する工程は、前記第２のＧＩＧサブアセンブリを、前記パターン形成された電解質膜ウェブに整合させる工程を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
前記第１のＧＩＧサブアセンブリを前記電解質膜に固着する工程は、前記第１のＧＩＧサブアセンブリの接着剤層を介して、前記第１のＧＩＧサブアセンブリを前記電解質膜に固着する工程を含み、
前記第２のＧＩＧサブアセンブリを前記電解質膜に固着する工程は、前記第２のＧＩＧサブアセンブリの接着剤層を介して、前記第２のＧＩＧサブアセンブリを前記電解質膜に固着する工程を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１９】
前記第１及び第２のＧＩＧサブアセンブリのうちの少なくとも１つの前記接着剤層は、接着剤ライナーを含み、
固着の前に、前記接着剤ライナーを取り外す工程を更に含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記第１及び第２のＧＩＧサブアセンブリを、前記電解質膜に固着する工程は、前記第１及び第２のＧＩＧサブアセンブリを、それらのそれぞれの接着剤層を介して互いに固着する工程を含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
前記第１のＧＩＧサブアセンブリの第１のキャリアウェブを取り外す工程と、
前記第２のＧＩＧサブアセンブリの第１のキャリアウェブを取り外す工程と、
前記第１及び第２のＧＩＧサブアセンブリを固着された形で有する前記電解質膜を、個々の膜電極アセンブリに切断する工程と、を更に含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項２２】
前記熱／圧力加工可能な材料を、前記ガス拡散層及び前記第１のガスケット層に固着する工程は、連続プロセスで固着ローラーを介して、前記熱／圧力加工可能な材料、前記ガス拡散層及び前記第１のガスケット層に、熱及び圧力の一方又は両方を適用する工程を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項２３】
前記第１のＧＩＧサブアセンブリを、前記電解質膜に固着する工程は、連続プロセスで第１のセットのローラーを介して、前記第１のＧＩＧサブアセンブリ及び前記電解質膜に熱及び圧力の一方又は両方を適用する工程を含み、
前記第２のＧＩＧサブアセンブリを、前記電解質膜に固着する工程は、連続プロセスで第２のセットのローラーを介して、前記第２のＧＩＧサブアセンブリ及び前記電解質膜に熱及び圧力の一方又は両方を適用する工程を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項２４】
燃料電池サブアセンブリを製造するための装置であって、
熱及び圧力の一方又は両方によって加工可能な材料のウェブと、第１のガスケット層の離間した開口内に置かれたガス拡散層を有する第１のガスケット層を含むウェブと、を移動するように構成された、移送システムと、
前記熱／圧力加工可能な材料の前記開口を、前記第１のガスケット層及び前記ガス拡散層の前記開口に整合させるように構成された、整合システムと、
前記熱／圧力加工可能な材料を、前記ガス拡散層及び前記第１のガスケット層に固着するように構成された、第１の固着ステーションと、を含み、前記熱／圧力加工可能な材料は、固着後、前記ガス拡散層を前記第１のガスケット層に付着させる、第２のガスケット層を形成する、装置。
【請求項２５】
前記熱／圧力加工可能な材料は、第１のキャリアウェブ上に移送され、
前記第１のガスケット層及びガス拡散層は、第２のキャリアウェブ上に移送され
第１の接着剤で、前記熱／圧力加工可能な材料を、前記第１のキャリアウェブに接着し、
熱不活性化接着剤で、前記第１のガスケット層及び前記ガス拡散層を前記第２のキャリアウェブに接着する、請求項２４に記載の装置。
【請求項２６】
前記第２のキャリアウェブを、前記ガス拡散層及び前記第１のガスケット層から取り外すように構成された装置を更に含み、前記第２のキャリアウェブの取り外しは、前記第１のガスケット層の接着剤層又は接着剤剥離ライナーを暴露する、請求項２５に記載の装置。
【請求項２７】
前記接着剤ライナーを、前記第１のガスケット層の前記接着剤層から取り外すように構成された機構を更に含む、請求項２６に記載の装置。
【請求項２８】
燃料電池膜電極アセンブリを製造するための装置であって、
第１及び第２のガスケット密封ガス拡散層（ＧＩＧ）サブアセンブリを製造するように構成された第１及び第２のシステムであって、前記システムのそれぞれは、
ロール・ツー・ロールプロセス下の第１及び第２のキャリアウェブと、前記第１のキャリアウェブ上に置かれた、離間した開口を有する、熱及び圧力の一方又は両方によって加工可能な材料と、前記第２のキャリアウェブ上に置かれた、前記第１のガスケット層の離間した開口内に置かれたガス拡散層を有する、第１のガスケット層と、を移動するように構成された、移送システムと、
前記熱／圧力加工可能な材料の前記開口を、前記第１のガスケット層及び前記ガス拡散層の前記開口に整合させるように構成された、整合システムと、
前記熱／圧力加工可能な材料を、前記ガス拡散層及び前記第１のガスケット層に固着するように構成された、固着ステーションであって、前記熱／圧力加工可能な材料は、固着後、前記ガス拡散層を、前記第１のガスケット層に付着させる第２のガスケット層を形成する、固着ステーションと、
前記第２のキャリアウェブを、前記ガス拡散層及び前記第１のガスケット層から取り外すように構成された剥離ステーションであって、前記第２のキャリアウェブの取り外しは、前記第１のガスケット層の接着剤層又は接着剤ライナーを暴露する、剥離ステーションと、を含む、前記第１及び第２のシステムと、
連続ロール・ツー・ロールプロセスで、１つ以上の電解質膜を移動するように構成された、電解質膜移送システムと、
前記第１及び第２のＧＩＧサブアセンブリを、前記１つ以上の電解質膜に固着するように構成された、膜固着ステーションと、を含む、装置。
【請求項２９】
前記膜固着ステーションは、
前記第１のＧＩＧサブアセンブリを、前記膜の表面に固着するように構成された、第１の膜固着ステーションと、
前記第２のＧＩＧサブアセンブリを、前記膜の反対側の表面に固着するように構成された、第２の膜固着ステーションと、を含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記第１及び第２のＧＩＧサブアセンブリは、前記１つ以上の電解質膜に、実質的に同時に固着される、請求項２８に記載の方法。
【請求項３１】
前記第１及び第２のＧＩＧサブアセンブリの一方又は両方を、前記１つ以上の膜に整合させるように構成される、膜整合システムを更に含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３２】
前記電解質膜は、パターン形成された触媒領域を有する、連続膜を含み、
前記膜整合システムは、前記パターン形成された触媒領域を、前記第１のＧＩＧサブアセンブリ及び前記第２のＧＩＧサブアセンブリの一方又は両方に整合させるように構成される、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
ガス拡散層を組み込んだガスケット（ＧＩＧ）燃料電池サブアセンブリを作製する方法であって、
離間した開口を有する第１のガスケット層を、堆積ステーションに移送する工程と、
熱／圧力加工可能な材料を、前記第１のガスケット層に堆積する工程と、
前記熱／圧力加工可能な材料を上方に堆積された前記第１のガスケット層を、ガス拡散層に整合させる工程と、
固着ステーションで、前記熱／圧力加工可能な材料を、前記第１のガスケット層及び前記ガス拡散層に固着する工程であって、前記熱／圧力加工可能な材料は、固着後、前記ガス拡散層を前記第１のガスケット層に付着させる第２のガスケット層を形成する、工程と、を含む、方法。
【請求項３４】
前記熱／圧力加工可能な材料を上方に堆積された前記第１のガスケット層を、前記ガス拡散層に整合させる工程は、前記ガス拡散層を、前記第１のガスケット層の前記開口内に配設する工程を含む、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記熱／圧力加工可能な材料を上方に堆積された前記第１のガスケット層を、前記ガス拡散層に整合させる工程は、前記ガス拡散層が前記熱／圧力加工可能な材料に重なるように、前記ガス拡散層を配設する工程を含む、請求項３３に記載の方法。
【請求項３６】
前記熱／圧力加工可能な材料を前記第１のガスケット層上に堆積する工程は、前記熱／圧力加工可能な材料を前記第１のガスケット層上にシルクスクリーン印刷する工程を含む、請求項３３に記載の方法。
【請求項３７】
燃料電池サブアセンブリを製造するための装置であって、
離間した開口を有する第１のガスケット層を含むウェブと、ガス拡散層を含むウェブと、を移動するように構成された、移送システムと、
熱及び圧力の一方又は両方によって加工可能な材料を、前記第１のガスケット層上に堆積するように構成された、堆積システムと、
前記ガス拡散層と、熱／圧力加工可能な材料を上方に堆積された前記第１のガスケット層と、を整合させるように構成された、整合システムと、
前記熱／圧力加工可能な材料を、前記ガス拡散層及び前記第１のガスケット層に固着するように構成された、固着ステーションであって、前記熱／圧力加工可能な材料は、固着後、前記ガス拡散層を前記第１のガスケット層に付着させる第２のガスケット層を形成する、固着ステーションと、を含む、装置。
【請求項３８】
前記整合システムは、前記ガス拡散層が前記第１のガスケット層の前記開口内に配設されるように、前記ガス拡散層を整合させるように構成される、請求項３７に記載の装置。
【請求項３９】
前記整合システムは、前記ガス拡散層が前記熱／圧力加工可能な材料に重なるように、前記ガス拡散層を整合させるように構成される、請求項３７に記載の装置。
【請求項４０】
前記堆積システムは、シルクスクリーン印刷ステーションを含む、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、概して、ロール製品形状の多層燃料電池サブアセンブリの自動製作のためのプロセス及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ウェブ又はロール形状で作られたコンポーネントから燃料電池を製造するための様々な装置及び方法が開発されてきた。従来の組み立て手法は、典型的に、このような材料のスタックを形成するために、バッチ作業で、投入ウェブコンポーネントの幾つかの切断を伴う。次いで材料は、燃料電池の組み立て中、材料を適切に配置するために、様々な機械的及び真空手段を用いて操作される。
【０００３】
これらのプロセスの多くは、自動化することができるが、このような手法は、典型的に、複雑で時間が掛かり、典型的に、高価な自動設備によって実行される、数多くのハンドリング、位置合わせ、及び整合工程を含む。従来の燃料電池製造手法に関連する加工工程の数及び複雑性は、典型的に、製品処理量を低減し、自動燃料電池組み立てラインの生産性に悪影響を及ぼす。更に、多くの従来の燃料電池製作装置及び方法は、高度な自動化、特に厳しい位置公差要件があるこのような装置及びプロセスに、それ程適していない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
改善された燃料電池製造装置、方法、並びにこのような装置及び方法から製造される燃料電池サブアセンブリの必要性が存在する。自動燃料電池組み立て工場等の自動組み立て環境で使用することができる、このような装置、方法、及び燃料電池サブアセンブリの更なる必要性が存在する。本発明は、これら及びその他の必要性を満たし、従来の手法のその他の欠点に対処する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の実施形態は、燃料電池製作プロセス及び設備を目的とする。様々な実施形態は、ガス拡散層を組み込んだ、ロール製品形状のガスケット及び／又は膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を含む、ロール製品形状での多層燃料電池サブアセンブリの自動製作を例示する。
【０００６】
本発明の一実施形態は、ロール・ツー・ロールプロセスを介して、ガス拡散層を組み込んだガスケット（ＧＩＧ）燃料電池サブアセンブリの作製方法を目的とする。離間した開口を有するガスケット材料（本明細書において、熱／圧力加工可能な材料と称される）は、固着ステーションに移送される。第１のガスケット層の離間した開口に関連して配設されたガス拡散層を有する、第１のガスケット層は、固着ステーションに移送される。熱／圧力加工可能な材料は、第１のガスケット層及びガス拡散層に整合される。固着ステーションで、熱／圧力加工可能な材料は、第１のガスケット層及びガス拡散層に固着される。固着後、熱／圧力加工可能な材料は、ガス拡散層を第１のガスケット層に付着させる、第２のガスケット層を形成する。幾つかの実施においては、ガス拡散層は、触媒コーティングされたガス拡散層を含む。
【０００７】
一実施においては、熱／圧力加工可能な材料の開口は、熱／圧力加工可能な材料が、第１のガスケット層及びガス拡散層の少なくとも一部分に重なるように、第１のガスケット層の開口に整合される。ガス拡散層は、典型的に、第１のガスケット層の離間した開口内に置かれる。
【０００８】
熱／圧力加工可能な材料及び／又は第１のガスケット層並びにガス拡散層は、それぞれ、第１及び第２のキャリアウェブ上で移送されてもよい。一用途においては、熱／圧力加工可能な材料は、熱不活性化感圧性接着剤等の、第１の接着剤を介して第１のキャリアウェブに接着され、第１のガスケット層及びガス拡散層は、第２の接着剤を介して第２のキャリアウェブに接着される。第２のキャリアウェブを取り外すことにより、第１のガスケット層の接着剤層又は接着剤ライナーを暴露する。
【０００９】
熱／圧力加工可能な材料は、連続プロセス下の固着ローラーを介して、熱／圧力加工可能な材料に、熱及び圧力のうちの少なくとも１つを適用することによって、ガス拡散層及び第１のガスケット層に固着される。
【００１０】
本発明の別の実施形態は、ロール・ツー・ロールプロセスを介した膜電極組み立て方法を目的とする。第１及び第２のＧＩＧは、熱／圧力加工可能な材料を第１のガスケット層及びガス拡散層に固着することによって形成される。接着剤層は、それぞれのＧＩＧの第１のガスケット層上で暴露される。１つ以上の電解質膜は、巻き出しホイールから供給される。第１及び第２のＧＩＧは、１つ以上の電解質膜の表面に固着される。
【００１１】
本発明の一態様によると、１つ以上の電解質膜は、少なくとも部分的に触媒コーティングされる。本発明の別の態様によると、第１及び第２のＧＩＧのガス拡散層は、少なくとも部分的に触媒コーティングされる。１つ以上の電解質膜は、連続膜ウェブを含んでもよく、若しくはキャリアウェブ上に配設された複数個の別個の膜であってもよく、又はパターン形成された触媒領域を有する連続膜ウェブであってもよい。別個の又はパターン形成された膜の場合、第１及び第２のＧＩＧは、固着の前に、別個の膜又はパターン形成された領域に整合される。
【００１２】
使用される場合、ＧＩＧの接着剤ライナーは、固着の前に、接着剤から取り外される。第１及び第２のＧＩＧは、接着剤を介して、電解質膜に固着される。幾つかの実施においては、第１及び第２のＧＩＧサブアセンブリは、それらのそれぞれの接着剤層を介して、互いに固着される。幾つかの実施によると、接着剤層は、感圧性接着剤を含んでもよい。
【００１３】
熱／圧力加工可能な材料をガス拡散層及び第１のガスケット層に固着することは、連続プロセス下の固着ローラーを介して、熱／圧力加工可能な材料、ガス拡散層及び第１のガスケット層に、熱及び圧力の一方又は両方を適用する工程を含んでもよい。
【００１４】
第１のＧＩＧは、第１のセットのローラーを介して電解質膜に固着されてもよく、第２のＧＩＧは、第２のセットのローラーを介して電解質膜に固着されてもよい。固着後、第１及び第２のキャリアウェブは、取り外されてもよく、第１及び第２のＧＩＧサブアセンブリを固着された形で有する電解質膜は、個々の膜電極アセンブリに切断されてもよい。
【００１５】
本発明の別の実施形態は、燃料電池サブアセンブリを連続的に製造するための装置を目的とする。装置は、熱／圧力加工可能な材料と、第１のガスケット層の離間した開口内に置かれたガス拡散層を有する第１のガスケット層と、を移動させるように構成された、移送システムを含み、熱／圧力加工可能な材料は、第１のキャリアウェブ及び第１のガスケット層上に堆積され、ガス拡散層は、第２のキャリアウェブ上に置かれる。整合システムは、熱／圧力加工可能な材料の開口を、第１のガスケット層の開口及びガス拡散層に整合させる。固着ステーションは、熱／圧力加工可能な材料を、ガス拡散層及び第１のガスケット層に固着する。固着後、熱／圧力加工可能な材料は、ガス拡散層を第１のガスケット層に付着させる、第２のガスケット層を形成する。
【００１６】
幾つかの実施においては、第１の接着剤で、熱／圧力加工可能な材料を第１のキャリアウェブに接着し、熱不活性化接着剤で、第１のガスケット層及びガス拡散層を第２のキャリアウェブに接着する。剥離ステーションは、第２のキャリアウェブを、ガス拡散層及び第１のガスケット層から取り外し、第２のキャリアウェブの取り外しは、第１のガスケット層の接着剤層又は接着剤剥離ライナーを暴露する。
【００１７】
更に別の実施形態は、燃料電池膜電極アセンブリを連続的に製造するための装置を目的とする。装置は、第１及び第２のガスケット密封ガス拡散層（ＧＩＧ）サブアセンブリを製造するように構成された、第１及び第２のシステムを含む。電解質膜移送システムは、ロール・ツー・ロールプロセス下の１つ以上の電解質膜を移動する。膜固着ステーションは、第１及び第２のＧＩＧを、１つ以上の電解質膜に固着する。
【００１８】
一実施においては、第１及び第２のＧＩＧの１つ以上の膜の表面への固着は、第１及び第２の固着ステーションによって実行されてもよい。別の実施においては、第１及び第２のＧＩＧサブアセンブリは、単一対の固着ローラー等によって、１つ以上の電解質膜に実質的に同時に固着される。必要に応じて、第１及び第２のＧＩＧサブアセンブリの一方又は両方を１つ以上の膜に整合させるために、膜整合システムが使用される。
【００１９】
本発明の別の実施形態は、ロール・ツー・ロールプロセスを介して、ガス拡散層を組み込んだガスケット（ＧＩＧ）燃料電池サブアセンブリの作製方法を目的とする。離間した開口を有する第１のガスケット層は、熱／圧力加工可能な材料が第１のガスケット層上に堆積される、堆積ステーションに移送される。熱／圧力加工可能な材料を上方に堆積された第１のガスケット層は、ガス拡散層に整合される。固着ステーションで、熱／圧力加工可能な材料は、第１のガスケット層及びガス拡散層に固着される。熱／圧力加工可能な材料は、固着後、ガス拡散層を第１のガスケット層に付着させる、第２のガスケット層を形成する。
【００２０】
一構成においては、ガス拡散層は、ガス拡散層が第１のガスケット層の開口内となるように、第１のガスケット層に整合される。別の構成においては、ガス拡散層は、それらが熱／圧力加工可能な材料に重なるように整合されてもよい。
【００２１】
本発明の別の実施形態は、燃料電池サブアセンブリを製造するための装置に関する。移送システムは、離間した開口を有する第１のガスケット層及びガス拡散層を含むウェブを移動する。堆積システムは、熱及び圧力の一方又は両方によって加工可能な材料を、第１のガスケット層上に堆積する。整合システムは、ガス拡散層及び熱／圧力加工可能な材料を上方に堆積された第１のガスケット層を整合させる。固着ステーションは、熱／圧力加工可能な材料を、ガス拡散層及び第１のガスケット層に固着する。熱／圧力加工可能な材料は、固着後、ガス拡散層を第１のガスケット層に付着させる、第２のガスケット層を形成する。
【００２２】
上述の本発明の概要は、本発明の各実施形態又はあらゆる実施態様を説明するためのものではない。本発明の利点及び効果、並びに本発明に対する一層の理解は、以下に記載する発明を実施するための形態及び特許請求の範囲を添付図面と併せて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。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】典型的な燃料電池及びその基本動作の模式図である。
【図２Ａ】本発明の実施形態によって作られたガスケット（ＧＩＧ）を組み込んだガス拡散層の断面図である。
【図２Ｂ】本発明の実施形態によって作られたガスケット（ＧＩＧ）を組み込んだガス拡散層の平面図である。
【図２Ｃ】本発明の実施形態による、触媒コーティングされたＧＤＬを含むＧＩＧの断面図である。
【図２Ｄ】本発明の実施形態による、第１のガスケット層がＧＤＬの下に置かれる、ＧＩＧの断面図である。
【図２Ｅ】本発明の実施形態による、第１のガスケット層がＧＤＬの下に置かれる、ＧＩＧの断面図である。
【図２Ｆ】本発明の実施形態による、第２のガスケット層に使用される熱／圧力加工可能な材料の一部分が、第１のガスケット層とＧＤＬとの間に堆積される、ＧＩＧの断面図である。
【図３Ａ】一実施形態に従って形成された、第１のキャリアウェブと第２のキャリアウェブとの間に挟持された複数個のＧＩＧを含む、ＧＩＧサブアセンブリウェブの断面図である。
【図３Ｂ】本発明の実施形態による、第１のキャリアウェブがない状態の、図３ＡのＧＩＧサブアセンブリウェブの平面図である。
【図３Ｃ】一実施形態による、ＧＤＬが第１のガスケット層に重なる、第１のキャリアウェブと第２のキャリアウェブとの間に挟持される、複数個のＧＩＧを含むＧＩＧサブアセンブリウェブの断面図である。
【図４Ａ】本発明の実施形態による、触媒コーティングされた電解質膜（ＣＣＭ）の第１及び第２の表面上に置かれたＧＩＧを含む、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）の模式図である。
【図４Ｂ】本発明の実施形態による、触媒層のない、電解質膜上に置かれた触媒コーティングされたＧＤＬを含む、ＭＥＡの模式図である。
【図４Ｃ】本発明の実施形態による、ＧＤＬがＧＩＧの第１のガスケット層に重なる、ＧＩＧを含む、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）の模式図である。
【図５】本発明の実施形態による、多重ＭＥＡサブアセンブリウェブの断面図である。
【図６】本発明の実施形態による、ＧＩＧを組み込んだＭＥＡを含む、単一燃料電池の模式図である。
【図７Ａ】本発明の実施形態による、第２のガスケット層を形成するために、熱／圧力加工可能な材料の梯子構造体を使用する、ＧＩＧサブアセンブリウェブを製作するためのプロセスを図示する図である。
【図７Ｂ】本発明の実施形態による、熱／圧力加工可能な材料を第１のガスケット層上に置き、ＧＤＬを第１のガスケット層上に配設する工程を含む、ＧＩＧサブアセンブリウェブを製作するためのプロセスを図示する図である。
【図８】本発明の実施形態による、ＧＩＧサブアセンブリウェブを組み込んだＭＥＡサブアセンブリウェブを製作するためのプロセスを示すフローチャートである。
【図９Ａ】本発明の実施形態による、燃料電池材料の投入ウェブを加工し、ロール製品型ＧＩＧサブアセンブリウェブを製造する装置の模式図である。
【図９Ｂ】本発明の実施形態による、熱／圧力加工可能な材料を第１のガスケット層上に堆積するように構成された、ロール製品型ＧＩＧサブアセンブリウェブを製造する装置の模式図である。
【図１０】本発明の実施形態による、産出ロール製品型ＭＥＡサブアセンブリウェブを製造するために、第１及び第２のＧＩＧサブアセンブリウェブを加工する装置の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明は様々な変更及び代替形状が可能であるが、その具体例を一例として図面に示すと共に詳細に説明する。但し、本発明を記載される特定の実施形態に限定するものではないことを理解されたい。逆に、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にある、全ての修正例、等価物、及び代替例を包含するものとする。
【００２５】
例示実施形態についての以降の記述では、本明細書の一部を形成しかつ本発明が実施され得る様々な実施形態を一例として表している添付の図面について説明する。本発明の範囲から逸脱することなく、実施形態が利用されてもよく、また構造上の変更が行われてもよいことを理解されたい。
【００２６】
本発明の実施形態は、燃料電池サブアセンブリを作るための方法及び装置を目的とする。様々な実施形態において、ガスケット（ＧＩＧ）を組み込んだ複数のガス拡散層を含むサブアセンブリは、ロール製品として形成される。ロール製品型ＧＩＧサブアセンブリは、続いて、完全な燃料電池を製造するために、流れ場プレート及びその他のコンポーネントと次々に組み合わせられてもよい、ロール製品型ＭＥＡサブアセンブリを製作するために使用されてもよい。
【００２７】
燃料電池は、水素燃料と空気からの酸素を化合して、電気と熱と水を生成する電気化学デバイスである。燃料電池類は燃焼を利用しないため、燃料電池類は、有害な流出物をほとんど生成しない。燃料電池類は、水素燃料と酸素を直接電気に変換し、そして例えば、内燃機関の発電機よりも非常に高効率で稼動することができる。
【００２８】
本明細書に記載される様々な実施形態によって図示されるＧＩＧ及びＭＥＡサブアセンブリは、ポリマー電解質膜（ＰＥＭ）燃料電池の製作に特に有用である。典型的な燃料電池構成が図１に描写される。図１に示される燃料電池１１０は、第１のＧＩＧ  １１４に隣接した、第１の液体フロープレート１１２を含む。触媒コーティングされた電解質膜（ＣＣＭ）１２０は、ＧＩＧ  １１４に隣接する。第２のＧＩＧ  １１８は、ＣＣＭ  １２０に隣接して位置し、第２の液体フロープレート１１９は、第２のＧＩＧ  １１８に隣接して位置する。
【００２９】
作動中、水素燃料が、第１の液体フロープレート１１２を通過し、第１のＧＩＧ  １１４のＧＤＬ部分を通って、燃料電池１１０の陽極部分に導入される。触媒層１１５の表面上の第１のＧＩＧ  １１４のＧＤＬ及びＣＣＭ  １２０の境界面で、水素燃料は、水素イオン（Ｈ＋）及び電子（ｅ−）に分離される。
【００３０】
ＣＣＭ  １２０の電解質膜１１６は、水素イオン又はプロトンのみを、電解質膜１１６から燃料電池１１０の第２のＧＩＧ  １１８へ通過させる。電子は、電解質膜１１６を通過することができず、その代わりに、電流の形状で外部電子回路を貫流する。この電流は、電動モーター等の電気負荷１１７に電力を供給することができ、又は充電式バッテリ等のエネルギー蓄積デバイスに向けることができる。
【００３１】
酸素は、第２の液体フロープレート１１９を介して、燃料電池１１０の陰極側の第２のＧＩＧ  １１８のＧＤＬ部分を通って流れる。陰極触媒層１１３の表面上で、酸素、プロトン、及び電子は、結合して水及び熱を生成する。
【００３２】
図１に示されるような個々の燃料電池は、燃料電池スタックを形成するために、数多くのその他の燃料電池と組み合わせることができる。スタック内の燃料電池の数は、スタックの総電圧を決定し、電池のそれぞれの活性領域は、総電流を決定する。所定の燃料電池スタックで発生する総電力は、総スタック電圧と総電流を乗じることによって求めることができる。
【００３３】
図１に示される燃料電池１１０等の燃料電池の形成に使用されるロール製品型サブアセンブリは、本発明の実施形態に従って、ロール製品型投入材料（例えば、燃料電池コンポーネントのウェブ）から製造することができる。例えば、ロール製品型ＧＩＧ及び／又はＧＩＧを組み込んだロール製品型ＭＥＡは、ロール製品型産出ウェブを製造するために、ロール製品型投入ウェブ材料が加工される、連続組み立て手法を使用して、製作することができる。特定の手法においては、ロール製品型投入ウェブ材料は、ＧＩＧを含む燃料電池サブアセンブリのロール製品型産出ウェブを製造するために、加工することができ、次いで、ロール製品型ＭＥＡサブアセンブリ及び／又は完全な燃料電池アセンブリを製造するために、後続のプロセスで使用することができる。
【００３４】
産出燃料電池サブアセンブリウェブは、ロールを形成するために、適切なライナー材料を用いて巻き取ることができる。その他の手法においては、産出燃料電池サブアセンブリウェブに、個々の燃料電池サブアセンブリがそれらのそれぞれのウェブから分離される、シンギュレーションプロセスを行うことができる。幾つかの手法においては、ロール製品型ＧＩＧサブアセンブリは、ＭＥＡサブアセンブリを連続的方法で製造するために、加工することができる。
【００３５】
図２Ａ及び２Ｂは、それぞれ、一実施形態による、ＧＩＧ  ２００の断面図及び平面図を提供する。ＧＩＧ  ２００は、ガスケット２１０及びガス拡散層（ＧＤＬ）２０５を含む。ＧＤＬ  ２０５は、反応ガスを通過させる一方、電極から電流を回収することができる、いずれかの材料から作成することができ、典型的に、織られた若しくは不織の炭素繊維紙又は布である。
【００３６】
ガスケット２１０は、ＧＤＬ  ２０５に対して配置された第１のガスケット層２１１を含む、層構造体である。一実施形態においては、図２Ａに最もよく見られるように、ＧＤＬ  ２０５は、第１のガスケット層２１１内の開口２９０よりわずかに小さい。本実施形態においては、ＧＤＬ  ２０５は、第１のガスケット層２１１の開口２９０内に配置される。第１のガスケット層２１１は、ポリイミド、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、及び／又は十分に薄く、十分に強く、燃料電池環境、すなわち、水、水素、及び／又は酸素の存在下での８０〜１００℃の温度と十分に適合性のある、硬質高分子材料を含む、その他の類似材料等、様々な種類のポリマー材料を含んでもよい。
【００３７】
ガスケット２１０は、第１のガスケット層２１１の１つの表面上に置かれた、接着剤層２１２を含み、所望により、接着剤ライナー２１３を含む。第１のガスケット層２１１及び接着剤層２１２の材料は、接着剤層２１２が第１のガスケット層２１１にしっかりと接着するように選択される。接着剤層２１２は、感圧性接着剤（ＰＳＡ）又は熱活性接着剤を含んでもよい。例えば、接着剤層２１２は、次の、アクリル系ＰＳＡ、ゴム系接着剤、エチレン無水マレイン酸コポリマー類、エチレン又はプロピレンを有する１−オクテンのコポリマー類等のオレフィン接着剤、ニトリル系接着剤、エポキシ系接着剤、及びウレタン系接着剤のいずれかを含んでもよい。幾つかの実施形態においては、接着剤層２１２は、サーモボンド（Thermobond）８４５（ポリエチレンマレアート系）又はサーモボンド５８３（ニトリルゴム系）等の熱的に活性化される接着剤を含んでもよい。
【００３８】
ガスケット２１０は、ＧＤＬ  ２０５及び第１のガスケット層２１１を共に固着する、第２のガスケット層２１４を含む。本明細書に記載される様々な実施形態において、第２のガスケット層２１４は、室温で固体であり、ＧＤＬ  ２０５と第１のガスケット層２１１との間に固着を形成するために、熱及び／又は圧力で加工することができる、材料から形成されてもよい。材料への熱及び／又は圧力の適用は、ＧＤＬ  ２０５と第１のガスケット層２１１との間に固着を形成するのに十分に材料が流れる、又は変形するようにしてもよい。第２のガスケット層２１４を形成するために使用される材料は、本明細書において、熱／圧力加工可能な材料と称される。第２のガスケット層の形成に適した材料には、例えば、熱加工可能なポリマー類又は熱可塑性封止材料が挙げられる。熱可塑性材料は、フッ素樹脂のようなＴＨＶ（テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、及び二フッ化ビニリデンのターポリマー）、ポリエチレン、エチレン及びアクリル酸のもの等のポリエチレンのコポリマー類、サーモボンド（Thermobond）８４５（３Ｍによって製造される、例えば、ポリエチレン無水マレイン酸コポリマー）、及びサーモボンド（Thermobond）６６８（３Ｍによって製造される、例えば、ポリエステル）であってよい。これらの材料の混合物又は炭素、ガラス、セラミック等の充填剤を有するこれらの複合材料もまた、熱可塑性樹脂として使用されてもよい。溶融範囲は、約５０〜１８０℃であってよく、例えば、又は約１００〜１５０℃であってよい。
【００３９】
一実施形態においては、第１のガスケット層２１１及び／又は第２のガスケット層２１４の表面は、ミクロ構造形状２１６等の表面形状を含んでもよい。幾つかの燃料電池構成においては、ミクロ構造形状２１６は、ＧＩＧの封止特性を改善する。ミクロ構造形状２１６は、密接に詰められた六角形、又はいずれかのその他の形状を含む、様々な形状で形成されてもよい。特定の実施形態においては、ミクロ構造形状２１６の高さは、ＧＩＧの封止表面が、流れ場の上面と同一平面上である、又は封止表面がある程度陥凹している、単極流れ場プレートに収まるように選択することができる。陥凹したバージョンは、ミクロ構造形状２１６をより高くできるようにし、プレート厚さの不均等性が存在する場合の、封止許容度の改善を可能にする。場合によっては、第１及び／又は第２のガスケット層２１１、２１４の好ましい表面形状２１６は、封止を作り出すための適切な隆起部を有する、燃料電池スタック流れ場プレートへの固着を容易にするために、実質的に平らである。
【００４０】
一構成においては、第２のガスケット層２１４を形成するために、熱／圧力加工可能な材料が使用される。ＧＤＬ  ２０５は、第１のガスケット層２１１の開口２９０内に置かれる。第２のガスケット層２１４を形成するために使用される熱／圧力加工可能な材料は、開口を有する構造に切断され、ＧＤＬ  ２０５の外縁２０６（図２Ｂ）の上方及び第１のガスケット層２１１の内縁２１７の上方に定置される。定置後、サブアセンブリに熱及び／又は圧力が適用され、熱／圧力加工可能な材料の一部が、ＧＤＬ  ２０５の隣接した縁及び／又は表面、並びに第１のガスケット層２１１の隣接した縁及び／又は表面に流れるようにする。熱及び／又は圧力の適用は、第２のガスケット層２１４が、第１のガスケット層２１１及びＧＤＬ  ２０５の両方に接着するようにし、したがって第１のガスケット層２１１をＧＤＬ  ２０５に接着する。加熱プレスに使用される圧縮ツールの表面は、第１及び／又は第２のガスケット層２１１、２１４の表面上にミクロ構造形状を形成するために、その上にミクロ構造形状（負の）を有してもよい。幾つかの実施形態においては、ＧＩＧ  ２０１のＧＤＬ  ２０５は、図２Ｃに図示されるように、１つの表面上に置かれた触媒層２１５を追加で含んでもよい。
【００４１】
図２Ｄ及び２Ｅは、接着剤層２２２、及び任意の接着剤ライナー２２３を有する第１のガスケット層２２１が、ＧＤＬ  ２２５の下に配置される、実施形態を図示する。図２Ｄ及び２Ｅに図示される実施形態においては、第２のガスケット層２２４は、ＧＤＬ  ２２５に隣接した第１のガスケット層２２１上に置かれる。幾つかの実施においては、第２のガスケット層２２４を形成する材料は、ＧＤＬ  ２２５の上面に重なってもよい。第２のガスケット２２４層は、ミクロ構造形状２２６（図２Ｄ）を含んでもよく、又は実質的に平らな封止面２２８（図２Ｅ）を有してもよい。
【００４２】
幾つかの実施形態においては、ＧＩＧは、第１のガスケット層上へのＧＤＬの配設の前に、第２のガスケット層を形成するために使用される熱／圧力加工可能なガスケット材料を、第１のガスケット層上に定置する、又は堆積することによって、組み立てられる。例えば、熱／圧力加工可能なガスケット材料は、第１のガスケット層の表面上にスクリーン印刷されてもよく、又はその他の方法で堆積されてもよい。次いでＧＤＬは、第１のガスケット層の上方に配置される。幾つかの実施においては、第２のガスケット層のガスケット材料の一部分は、ＧＤＬと第１のガスケット層との間に置かれてもよい。ＧＤＬの定置後、サブアセンブリに熱及び／又は圧力が適用され、熱／圧力加工可能な材料の一部がＧＤＬの隣接した縁及び／又は表面、並びに／若しくは第１のガスケット層の隣接した縁及び／又は表面に流れるようにする。
【００４３】
図２Ｆは、上述されるプロセスに従って形成されてもよい、ＧＩＧ  ２０４を図示する。本実施においては、第２のガスケット層の熱／圧力加工可能な材料２８５の一部は、ＧＤＬ  ２８０と第１のガスケット層２８１との間に堆積される。第１のガスケット層２８１は、接着剤層２８２、及び任意の接着剤ライナー２８３を含む。第２のガスケット層２８４は、ミクロ構造形状を含んでもよく、又は図２Ｆに図示されるように実質的に平らであってもよい。
【００４４】
ＧＩＧ  ２００、２０１、２０２、及び／又は２０３の製作のための方法及び装置が以下に記載される。ＧＩＧ及びＭＥＡ、並びに／又はＧＩＧを組み込んだ燃料電池に関する更なる詳細は、本願と同時に出願され、参照によって本明細書に組み込まれる、代理人整理番号第６２４６２ＵＳ００２号によって特定される同一所有者の米国特許出願に記載される。
【００４５】
図２Ａから２Ｃに図示されるもの等、複数個のＧＩＧを含むウェブは、ロール・ツー・ロールプロセス下のＧＩＧサブアセンブリウェブとして製作されてもよい。図３Ａは、一実施形態による、複数個のＧＩＧ  ３１０を含むＧＩＧサブアセンブリウェブ３００の断面図を図示する。ＧＩＧサブアセンブリコンポーネントのハンドリング及び移送を容易にするために、製作プロセス中、第２のガスケット層３１４を形成する熱／圧力加工可能な材料は、第１のキャリアウェブ３３１上に堆積されてもよく、第１のガスケット層は、第２のキャリアウェブ３３２上に置かれてもよい。
【００４６】
製作中、第２のガスケット層３１４を形成する熱／圧力加工可能な材料は、一対の固着ローラー等の圧縮装置で、第１及び第２のキャリアウェブ３３１、３３２の移動によって、第１のガスケット材料３１１及びＧＤＬ  ３０５に接合される。固着ローラーで、熱／圧力加工可能な材料に熱及び／又は圧力が適用され、材料が流れる、又は変形するようにし、第１のガスケット材料３１１をＧＤＬ  ３０５に固着する、第２のガスケット層３１４を形成する。それぞれのＧＩＧ  ３１０は、平らなガスケット表面を有してもよく、又はミクロ構造形状３１６を含むガスケット表面を有してもよい。接着剤層３１２及び任意の接着剤ライナー３１３は、第１のガスケット層３１１上に置かれる。図３Ｂは、第２のキャリアウェブ３３２を含み、第１のキャリアウェブがない状態のＧＩＧサブアセンブリウェブの平面図（原寸に比例していない）を図示する。
【００４７】
図２Ｄから２Ｅに図示されるもの等の複数個のＧＩＧを含むウェブが、図３Ｃに図示される。図３Ｃは、一実施形態による、複数個のＧＩＧ  ３２０を含むＧＩＧウェブ３０２の断面図を図示する。ＧＩＧサブアセンブリコンポーネントのハンドリング及び移送を容易にするために、製作プロセス中、第２のガスケット層３２４を形成する熱／圧力加工可能な材料は、第１のキャリアウェブ３３１上に堆積されてもよく、第１のガスケット層は、第２のキャリアウェブ３３２上に置かれてもよい。
【００４８】
製作中、第２のガスケット層３２４を形成する熱／圧力加工可能な材料は、一対の固着ローラー等の圧縮装置で、第１及び第２のキャリアウェブ３３１、３３２の移動によって、第１のガスケット層３２１及びＧＤＬ  ３２５に接合される。固着ローラーで、熱／圧力加工可能な材料に熱及び／又は圧力が適用され、材料が流れる、又は変形するようにし、第１のガスケット材料３２１をＧＤＬ  ３２５に固着する、第２のガスケット層３２４を形成する。接着剤層３２２及び任意の接着剤ライナー３２３は、第１のガスケット層３２１上に置かれる。
【００４９】
特定の実施形態においては、上述され、図２Ａから３Ｃに描写されるプロセスに従って製作されるＧＩＧ及び／又はＧＩＧサブアセンブリウェブは、個々のＭＥＡ又はＭＥＡサブアセンブリウェブを形成するために、後続のプロセスで使用されてもよい。図４Ａ及び４Ｂは、電解質膜の第１及び第２の表面上に置かれたＧＩＧを使用して製作されたＭＥＡを図示する。図４Ａは、触媒コーティングされた電解質膜（ＣＣＭ）４３０の第１及び第２の表面上に置かれた、ＧＩＧ  ４１０、４２０を図示する。それぞれのＧＩＧ  ４１０、４２０は、ミクロ構造形状４１６、４２６を含んでも含まなくてもよい、第１のガスケット層４１１、４２１を含む。接着剤層４１２、４２２は、第１のガスケット層４１１、４２１のそれぞれの上に置かれる。ＧＩＧ  ４１０、４２０の第１のガスケット層４１１、４２１のそれぞれは、ＧＤＬ  ４０５、４０６が開口内に配設された、開口を有する。
【００５０】
図４Ａに図示されるＧＤＬ  ４０５、４０６は、ＧＤＬ  ４０５、４０６が第１のガスケット層４１１、４２１の開口内に収まるように、第１のガスケット層の開口４１１、４２１よりわずかに小さい。幾つかの実施形態においては、ＧＤＬ  ４０５、４０６は、ＧＤＬ  ４０５、４０６の外縁４１７、４２７が、第１のガスケット層４１１、４２１の内縁４１８、４２８に重なるように、第１のガスケット層の開口４１１、４２１よりわずかに大きくてもよい。それぞれのＧＩＧは、熱／圧力加工可能な材料から形成された第２のガスケット層４１４、４２４を含む。
【００５１】
熱及び圧力の適用後、熱／圧力加工可能な材料は、第１のガスケット層４１１、４２１及びＧＤＬ  ４０５、４０６を固着する第２のガスケット層４１４、４２４を形成するように流れる、又は変形する。固着プロセス中、ＧＩＧ  ４０１の封止特性を向上するために、第２のガスケット層４１４及び／又は第１のガスケット層４１１に、ミクロ構造形状が付与されてもよい。
【００５２】
図４Ｂは、ＧＩＧ  ４５０、４６０が、電解質膜４３６に隣接したＧＤＬ  ４０７、４０８の表面上に触媒層４３３、４３４を含むことを除き、図４Ａに図示されるものと類似する、ＭＥＡ  ４０１を図示する。本実施形態においては、電解質膜４３６は、触媒層を含んでも含まなくてもよい。
【００５３】
図４Ｃは、膜４３５及び触媒層４３１、４３２を有する、触媒コーティングされた電解質膜（ＣＣＭ）４３０の第１及び第２の表面上に置かれた、ＧＩＧ  ４８０、４９０を図示する。それぞれのＧＩＧ  ４８０、４９０は、第１のガスケット層４４１、４５１を含む。接着剤層４４２、４５２は、第１のガスケット層４４１、４５１のそれぞれの上に置かれる。本実施形態においては、ＧＤＬ  ４０３、４０４は、第１のガスケット層４４１、４５１に重なる。それぞれのＧＩＧ  ４８０、４９０は、熱／圧力加工可能な材料から形成された第２のガスケット層４４４、４５４を含む。その他の実施形態においては、第２のガスケット層の表面は、実質的に平らであってもよいが、本実施形態においては、第２のガスケット層４４４、４５４は、ミクロ構造形状４４６、４５６を含む。
【００５４】
図５は、一実施形態による、ロール・ツー・ロール製造プロセスによって製作されてもよい複数個のＭＥＡ  ５１０を含む、ＭＥＡサブアセンブリウェブ５００の断面図を図示する。第２のキャリアウェブ、及び使用される場合、接着剤ライナーのそれぞれのＧＩＧサブアセンブリからの取り外しの後、ＭＥＡサブアセンブリウェブ５００が、２つのＧＩＧサブアセンブリ、図３Ａに図示されるようなウェブを使用して製作されてもよい。ＧＩＧサブアセンブリ５０１のうちの１つは、第１のガスケット層５１１の接着剤層５１２を介して、ＣＣＭ  ５３０の１つの表面に接着剤で固着される。もう一方のＧＩＧサブアセンブリ５０２は、ＭＥＡサブアセンブリウェブ５００を形成するために、ＣＣＭ  ５３０の反対側の表面に接着剤で固着される。プロセスは、ＧＩＧサブアセンブリウェブ５０１、５０２のそれぞれの第１のキャリアウェブ５３１をそのままにし、これは、後続の加工工程におけるＭＥＡサブアセンブリウェブ５００のハンドリングを容易にし得る。
【００５５】
ここで図６を参照すると、本発明の実施形態による、燃料電池スタック６００の単一電池アセンブリの断面図が図示されている。燃料電池スタックは、上述されるように、液体フロープレート６６０と６６１との間に挟持された、２つのＧＩＧ  ６５１、６５５を組み込んだ５層ＭＥＡ  ６５０を含む。
【００５６】
ＭＥＡ及び流れ場プレートを含む燃料電池の製作は、ロール・ツー・ロールプロセスによって達成されてもよい。ロール・ツー・ロール加工に適した流れ場セパレータプレートを含む、ロール・ツー・ロール燃料電池製作に有用な方法及びデバイスは、その全体が参照として本明細書に組み込まれる、同一所有者の米国特許公開第２００６０１４１３２８号に記載される。
【００５７】
燃料電池６００のＭＥＡ  ６５０は、陽極触媒層６５３と陰極触媒層６５４との間に電解質膜６５２を含む。幾つかの構成においては、陽極触媒層６５３及び陰極触媒層６５４の一方又は両方は、触媒コーティングされた膜（ＣＣＭ）を形成する電解質膜６５２の表面上に置かれてもよい。その他の構成においては、既に図４Ｂに図示されたように、触媒層６５３、６５４は、ＧＤＬ  ６０５、６２５の表面上に置かれてもよい。更にその他の構成においては、触媒層６５３、６５４は、部分的に電解質膜６５２上及び部分的にＧＤＬ  ６０５、６２５上に置かれてもよい。
【００５８】
陽極及び陰極触媒層６５３、６５４は、本明細書に記載されるように構成される、電解質膜６５２及びＧＩＧ  ６５１、６５５との間に置かれる。それぞれのＧＩＧ  ６５１、６５５は、ＧＤＬ  ６０５、６２５、第１のガスケット層６１１、６２１、接着剤層６１２、６２２、及び第１のガスケット層６１１、６２１をＧＤＬ  ６０５、６２５に固着する、第２のガスケット層６１４、６２４を含む。ガスケット密封ＭＥＡ  ６５０の組み立ての前に、ＧＩＧ  ６５１、６５５は、所望により、ＭＥＡ  ６５０の組み立て中に取り外される、接着剤ライナーを含む。接着剤ライナーの取り外し後、ＧＩＧ  ６５１、６５５の接着剤層６１２、６２２は、ガスケット密封ＭＥＡ  ６５０を形成するために、ＣＣＭの表面及び／又は幾つかの構成において互いに接着する。
【００５９】
図６に提供される実施例においては、ＧＩＧ  ６５１、６５５の第１のガスケット層６１１、６２１及び／又は第２のガスケット層６１４、６２４は、ＧＩＧ  ６５１、６５５と燃料流プレート６６０、６６１との間の封止を容易にするために、任意のミクロ構造形状６１６、６２６を含む。流れ場プレート６６０、６６１のそれぞれは、水素及び酸素燃料が通過する、ガス流路６４３及びポートの領域を含む。図６に描写される構成においては、流れ場プレート６６０、６６１は、単極流れ場プレートとして構成される。その他の構成においては、流れ場プレート６６０、６６１は、燃料電池スタックに対する所望の電圧を達成するように複数のＭＥＡの積み重ねを容易にするために、双極液体フロープレートを含んでもよい。
【００６０】
本発明の実施において、いずれかの適した電解質膜が使用されてもよい。有用なＰＥＭ厚さの範囲は、約２００μｍ〜約１５μｍである。テトラフルオロエチレン（ＴＦＥ）のコポリマー類及び化学式：ＦＳＯ２−ＣＦ２−ＣＦ２−Ｏ−ＣＦ（ＣＦ３）−ＣＦ２−Ｏ−ＣＦ＝ＣＦ２と一致するコモノマーは、既知であり、スルホン酸形状、すなわち、ＨＳＯ３−に加水分解されたＦＳＯ２−末端基を有する状態で、デラウェア州ウィルミントン（Wilmington, Delaware）にあるデュポン・ケミカル社（DuPont Chemical Company）から、商標名ナフィオン（NAFION）（登録商標）で販売されている。ナフィオン（NAFION）（登録商標）は、燃料電池で使用するためのポリマー電解質膜の作製に一般的に使用される。また、テトラフルオロエチレン（ＴＦＥ）のコポリマー類及び化学式：ＦＳＯ２−ＣＦ２−ＣＦ２−Ｏ−ＣＦ＝ＣＦ２と一致するコモノマーも既知であり、スルホン酸形状、すなわち、ＨＳＯ３−に加水分解されたＦＳＯ２−末端基を有する状態で、燃料電池で使用するためのポリマー電解質膜の作製に使用される。最も好ましいものは、テトラフルオロエチレン（ＴＦＥ）のコポリマー類及びＨＳＯ３−に加水分解されたＦＳＯ２−末端基を有する、ＦＳＯ２−ＣＦ２ＣＦ２ＣＦ２ＣＦ２−Ｏ−ＣＦ＝ＣＦ２である。ＰＥＭ構造体に適したその他の材料は、参照として本明細書に組み込まれる、２００５年９月１３日に出願された同一所有者の米国特許出願第１１／２２５６９０号に記載される。
【００６１】
幾つかの実施形態においては、触媒層は、塩化白金酸の還元等の湿式化学的方法によって、より大きな炭素粒子の上にコーティングされたＰｔ又はＰｔ合金を含んでもよい。本形状の触媒は、イオノマー系結合剤、溶媒、及び、多くの場合にはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）粒子によって分散され、膜又はＧＤＬのいずれかに塗布されるインク、ペースト、又は分散体を形成する。
【００６２】
幾つかの実施形態においては、触媒層は、粒子を担持するナノ構造化担持成分、又は触媒材料のナノ構造化薄膜（ＮＳＴＦ）を含んでもよい。ナノ構造化触媒層は、担持体としての炭素粒子を含まず、したがって、触媒粒子の高密度分散を形成する、電解質膜の非常に薄い表面層に組み込まれてもよい。ＮＳＴＦ触媒層の使用は、分散方法によって形成された触媒層より大幅に高い触媒利用を可能にし、炭素担持体がないことによる、高電位及び高温での腐食に対するより高い耐性を提供する。幾つかの実施においては、ＣＣＭの触媒表面積は、電解質膜上にミクロ構造形状をエンボス加工することによって、更に向上されてもよい。ＮＳＴＦ触媒は、熱及び圧力下での触媒の電解質膜への積層転写の際に、電解質膜の表面をミクロ複製にする、ミクロ構造化触媒転写基材上にコーティングされる。ミクロ構造化触媒転写基材を目的とする方法及びシステムは、参照によって本明細書に組み込まれる、同一所有者の米国特許第６，１３６，４１２号に記載される。ミクロ構造化電解質膜及びＮＳＴＦ触媒層を作製するための様々な方法は、参照によって本明細書に組み込まれる、次の同一所有者の特許文献、米国特許第４，８１２，３５２号及び同第５，８７９，８２７号、並びに２００５年９月１３日に出願された米国特許出願第Ｓ／Ｎ１１／２２５，６９０号及び２００５年９月１３日に出願された米国特許出願第Ｓ／Ｎ１１／２２４，８７９号に記載される。
【００６３】
ＮＳＴＦ触媒層は、触媒材料の針状ナノ構造化担持体上への真空蒸着によって形成されてもよい、細長いナノスケールの粒子を含む。本発明での使用に適したナノ構造化担持体は、Ｃ．Ｉ．顔料レッド（C.I. PIGMENT RED）１４９（ペリレンレッド）等の有機顔料のウィスカーを含んでもよい。結晶性ウィスカーは、実質的に均一であるが、同一ではない断面、及び高い長さ対幅比率を有する。ナノ構造化担持体ウィスカーは、触媒作用に適しており、ウィスカーに、複数の触媒部位として働くことができる、微細なナノスケールの表面構造を付与する、コーティング材料でコーティングされる。
【００６４】
特定の実施においては、ナノ構造化担持成分は、連続らせん転位成長によって、伸張されてもよい。ナノ構造化担持成分を長くすること及び／又はその密度を高くすることは、触媒作用の増加した表面積を可能にする。ナノ構造化担持成分を長くするためのプロセスは、既に組み込まれている米国特許出願第１１／２２５，６９０号に記載される。更に、又はあるいは、ナノ構造化担持成分の多層もまた、増加した表面積を提供する。ナノ構造化担持成分の多層を製造するためのプロセスは、既に組み込まれている米国特許出願第１１／２２４，８７９号に記載される。ナノ構造化担持成分は、ナノ構造化薄膜触媒層を形成するために、触媒材料でコーティングされる。１つの実施によると、触媒材料は、白金族金属等の金属を含む。一実施形態においては、触媒コーティングされたナノ構造化担持成分は、触媒コーティングされた膜を形成するために、電解質膜の表面に転写されてもよい。その他の実施形態においては、触媒コーティングされたナノ構造化担持成分は、ＧＤＬ表面上に形成されてもよい。
【００６５】
ＧＤＬは、反応ガスを通過させる一方、電極から電流を回収することができる、いずれかの材料であってよく、典型的に、織られた、又は不織の炭素繊維紙又は布である。ＧＤＬは、ガス状反応物質及び水蒸気の触媒及び膜への多孔質アクセスを提供し、また、外部負荷に電力を供給するために、触媒層で生成される電流を回収する。
【００６６】
ＧＤＬは、炭素繊維構造体（例えば、織布及び不織布炭素繊維構造体）等のいずれかの適した導電性多孔質基材であってよい。市販の炭素繊維構造体類の例には、マサチューセッツ州ローウェル（Lowell, MA）にあるバラード・マテリアル・プロダクツ（Ballard Material Products）の取引表記「アヴカーブ（AvCarb）Ｐ５０」炭素繊維紙、マサチューセッツ州ウォバーン（Woburn, MA）にあるエレクトロケム社（ElectroChem, Inc.）から入手可能な「東レ（Toray）」カーボン紙、マサチューセッツ州ローレンス（Lawrence, MA）にあるスペクトラコープ（Spectracorp）の「スペクトラカーブ（SpectraCarb）」、マサチューセッツ州イースト・ワルポール（East Walpole, MA）にあるハリングスワース・アンド・ヴォーズ・カンパニー（Hollingsworth & Vose Company）の「ＡＦＮ」不織炭素布、及びミズーリ州セント・ルイス（St. Louis MO）のゾルテック・カンパニーズ社（Zoltek Companies, Inc.）の「ゾルテック（Zoltek）」炭素布、並びに日本、東京にある三菱レイヨン社（Mitsubishi Rayon Co.）の「Ｕ−１０５」炭素布が挙げられる。また、ＧＤＬは、疎水性を向上するため又は付与するために、処理されてもよい。例えば、ＧＤＬは、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）及びフッ素化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）等の高度フッ素化ポリマー類で処理されてもよい。
【００６７】
本発明の実施形態は、図３Ａ、３Ｂ、及び５に図示されるようなロール製品型ＧＩＧ並びに／又はＭＥＡサブアセンブリウェブを製作するためのプロセスを目的とする。図７Ａは、本発明の実施形態による、複数のＧＩＧを含むＧＩＧサブアセンブリウェブを製作するために使用されてもよい方法を図示する、フローチャートである。該方法は、製作プロセスによる様々な材料ウェブの移動を伴う。プロセスは、離間した開口を有する熱／圧力加工可能な材料のウェブを固着ステーションに移送する工程７１０を含む。典型的に、離間した開口を有する熱／圧力加工可能な材料は、キャリアウェブ又はコンベヤーを介した製作プロセス中に担持体を必要とする、比較的壊れやすい梯子構造体である。例えば、一実施形態においては、熱／圧力加工可能な材料は、粘着性が中程度の接着剤を使用して、接着剤でキャリアウェブに付着されてもよい。熱／圧力加工可能な材料を上方に堆積されたキャリアウェブは、巻き出しホイール又はその他の源から供給されてもよい。別の実施形態においては、熱／圧力加工可能な材料は、製作プロセスの一部によって、真空コンベヤー上に担持され、移送されてもよい。
【００６８】
また、プロセスは、離間した開口及びＧＤＬを有する第１のガスケット材料を固着ステーションに移送する工程７２０を含む。一構成においては、ＧＤＬは、第１のガスケット層の開口内に置かれる。第１のガスケット層及びＧＤＬは、上述されるような第２のキャリアウェブ又はコンベヤーを介して移送されてもよい。第１のガスケット層は、任意の接着剤ライナーを有する粘着性の強い接着剤を含んでもよい、接着剤層を含む。第１のガスケット層の接着剤層は、ＧＩＧサブアセンブリを電解質膜又はＣＣＭに付着させるために、ＭＥＡサブアセンブリウェブの製作で使用される。
【００６９】
一実施においては、第１のガスケット層は、接着剤層／接着剤ライナーを下向きにして、第２のキャリアウェブ上に配向される。第１のガスケット層は、例えば粘着性の低い接着剤を介して、第２のキャリアウェブに接着してもよい。ＧＤＬは、第１のガスケット層の開口内のキャリアウェブ上に置かれ、また、粘着性の低い接着剤を介して、キャリアウェブに接着剤で付着されてもよい。
【００７０】
熱／圧力加工可能な材料並びに第１のガスケット層及びＧＤＬは、整合７３０される。例えば、熱／圧力加工可能な材料並びに第１のガスケット層及びＧＤＬとの間の位置合わせは、熱／圧力加工可能な材料をＧＤＬの外辺部に定置するように、制御されてもよい。一実施形態においては、梯子のようなウェブとして作られる熱／圧力加工可能な材料は、第１のガスケット層の開口で、熱／圧力加工可能な材料がＧＤＬの外縁及び第１のガスケット層の内縁を被覆するように、第１のガスケット層及びＧＤＬに整合される。例えば、熱／圧力加工可能な材料は、約１〜２ｍｍ、又はその他の量だけ、ＧＤＬの外縁及び／又は第１のガスケット層の内縁に重なってもよい。
【００７１】
整合後、熱／圧力加工可能な材料を第１のガスケット層及びＧＤＬに固着７４０するために、熱及び圧力が使用される。一構成においては、一対の加熱固着ローラーを介して、熱／圧力加工可能な材料、第１のガスケット層、及びＧＤＬに熱及び圧力が適用される。固着ローラーによって適用される熱及び圧力は、熱／圧力加工可能な材料を、ＧＤＬの縁及び／又は表面、並びに第１のガスケット層の縁及び／又は表面に押し進める。固着後、熱／圧力加工可能な材料は、第１のガスケット層をＧＤＬに付着させる、第２のガスケット層を形成する。固着ローラーの表面は、第１及び／又は第２のガスケット層の表面上にミクロ構造形状を形成するために、その上にミクロ構造形状（負の）を有してもよい。熱不活性化感圧性接着剤を介して第１のガスケット層及びＧＤＬに付着されてもよい第２のキャリアウェブは、剥離ステーションで剥離され、取り外されてもよい。固着後、結果として生じるロール製品型ＧＩＧサブアセンブリウェブは、以下に記載されるように、ガスケット密封ＭＥＡサブアセンブリを形成するために、後で使用するために巻き上げられてもよく、又は即座に使用されてもよい。
【００７２】
図７Ｂは、本発明の実施形態による、複数のＧＩＧを含むＧＩＧサブアセンブリウェブを製作するために使用されてもよい方法を図示する、ダイアグラムである。図７Ｂに図示されるプロセスは、ＧＤＬの配設の前に、第１のガスケット層上に堆積された熱／加工可能なガスケット材料を使用する。熱／加工可能なガスケット材料は、離間した開口を切断する前に、第１のガスケット層の上に堆積されてもよい。あるいは、離間した開口を有する第１のガスケット層ウェブは、熱／圧力加工可能な材料が第１のガスケット層に堆積７６０される、シルクスクリーン印刷ステーション等の堆積ステーションに移送７５０される。ＧＤＬは、第１のガスケット層ウェブに対して配設７７０される。ＧＤＬは、それらが第１のガスケット層の開口内に収まるように配設されてもよく、又はＧＤＬの縁が開口の縁に重なってもよい。幾つかの実施においては、ＧＤＬの縁は、熱／圧力加工可能な材料に重なる。熱／圧力加工可能な材料は、可変又は勾配厚さを有するように、第１のガスケット層上に堆積されてもよい。例えば、熱／圧力加工可能な材料は、その他の領域と比較して、ＧＤＬの下でより薄くなるように、堆積されてもよい。ＧＤＬ上に堆積された熱／圧力加工可能な材料を有する第１のガスケット層ウェブは、固着ステーションで成形７８０される。成形プロセスは、第１のガスケット層をＧＤＬに付着させる、第２のガスケット層を形成する。
【００７３】
図８は、上述されるように、８１０で製作された第１及び第２のＧＩＧサブアセンブリを使用して、連続プロセスでガスケット密封ＭＥＡサブアセンブリを製作するための方法を図示する、フローチャートである。第１及び第２のＧＩＧサブアセンブリは、複数の固着ローラー及び／又はその他の固着装置を含んでもよい、固着ステーションに移送８２０される。触媒コーティングされた電解質膜又はＣＣＭウェブは、固着ステーションに移送８３０される。
【００７４】
前述されるように、ＧＩＧサブアセンブリの形成は、固着ローラーを介して適用される熱及び圧力下で、ＧＩＧコンポーネントを固着する工程を含むことがある。固着後、ＧＩＧコンポーネントの移送を容易にするために使用される第２のキャリアウェブは、取り外される。幾つかの実施形態においては、第２のキャリアウェブは、熱不活性化感圧性接着剤によってＧＩＧサブアセンブリに付着される。第２のキャリアウェブは、熱活性剥離プロセスによって、ＧＩＧサブアセンブリから取り外される。熱不活性化感圧性接着剤は、不混和性の材料から構成されてもよい。例えば、熱不活性化ＰＳＡは、スチレン−ブタジエンコポリマー類（ＳＢＳ）に基づく熱溶解性コポリマーＰＳＡを含んでもよい。ＰＳＡの接着性は、加熱によって永久的には除去され得ず、加熱固着ローラーからの流出の際、ＧＤＬ及び第１のガスケットが第２のキャリアウェブから剥離するように、ウェブが加熱固着ローラーを通過する間だけ、除去され得る。
【００７５】
第２のキャリアウェブは、それぞれのＧＩＧサブアセンブリから剥離され、第１のガスケット層の接着剤層を暴露する。第１のガスケット層が接着剤ライナーを含む場合、剥離プロセスは、所望により、接着剤ライナーも第１のガスケット層から取り外してもよい。
【００７６】
第１のＧＩＧサブアセンブリウェブ及び第２のＧＩＧアセンブリウェブは、固着ステーションで電解質膜ウェブに固着８４０される。一実施形態においては、ＧＩＧの第１のガスケット層の接着剤層は、粘着性の強い接着剤を含む。ＧＩＧサブアセンブリウェブは、室温で動作する固着ローラーを用いて、粘着性の強い接着剤を介して、触媒コーティングされた電解質膜又はＣＣＭに固着される。室温での固着は、膜及び／又は触媒の分解を生じることのある、電解質膜及び触媒のより高い温度への暴露を回避する。幾つかの実施形態においては、固着ローラーは、熱及び圧力の両方を適用する。
【００７７】
幾つかの構成においては、電解質膜は、触媒層のない、連続した細長いウェブを含んでもよい。本構成においては、電解質膜は、ＧＩＧサブアセンブリのＧＤＬ上に置かれた触媒を有するＧＩＧサブアセンブリへの高度な整合なしに、固着されてもよい。幾つかの構成においては、触媒層のある、又はない、複数個の別個の電解質膜は、連続ウェブ上で運ばれ、固着の前に、ＧＩＧサブアセンブリのＧＤＬに整合されてもよい。その他の構成においては、連続電解質膜は、電解質膜の反対側の表面上に置かれた、連続した陽極及び陰極触媒層を含んでもよい。更に他の構成において、触媒は、連続電解質膜の表面上にパターン形成されてもよい。ＧＩＧサブアセンブリは、固着の前に、触媒パターンに整合されてもよい。
【００７８】
燃料電池材料の投入ウェブを加工し、ロール製品型燃料電池ＧＩＧサブアセンブリを製造する装置が、図９Ａ及び９Ｂに図示される。大まかに言えば、図９Ａ及び９Ｂの装置は、ロール製品型燃料電池コンポーネントを使用して、ロール製品型ＧＩＧサブアセンブリを製造することができる。図９Ａ及び９Ｂの装置は、連続燃料電池製造プロセス下で、複数のＧＩＧを含むサブアセンブリウェブを製作する、独自の手法を提供する。
【００７９】
ここで、図９Ａを参照すると、梯子のような構造体として形成された熱／圧力加工可能な材料９１９は、第１のキャリアウェブ９７２に接着剤で付着される。第１のキャリアウェブ９７２及び熱／圧力加工可能な材料９１９は、第１の巻き出しホイール９８６から供給され、固着ローラー９８５に移送される。
【００８０】
離間した開口９６１を有する第１のガスケット層９１１は、第２のキャリアウェブ９７１に接着剤で付着される。ＧＤＬ  ９０５は、第１のガスケット層９１１の離間した開口９６１内に配向される。第１のガスケット層９１１及びその中に置かれるＧＤＬ  ９０５を有する第２のキャリアウェブ９７１は、第２の巻き出しホイール９８０から供給され、固着ローラー９８５に移送される。
【００８１】
熱／圧力加工可能な材料の梯子９１９、並びに第１のガスケット層９１１及びＧＤＬ  ９０５を整合させるために、光学センサ９９８、９９９が使用されてもよい。光ファイバーセンサは、例えば、第１のガスケット層９１１の開口９６１及び／又はＧＤＬ  ９０５の縁に対する、熱／圧力加工可能な材料の梯子９１９の開口９２０を検出することができる。特定の用途においては、整合は、燃料電池コンポーネント材料９１１、９０５、９１９、又はキャリアウェブ９７１、９７２上の基準マークの検出によって達成されてもよい。
【００８２】
当業者は、光学センサ又はその他の種類の感知配設を使用する整合を容易にするために、幾つかの技術及び構成を採用することができることを理解するであろう。一例として、第１のガスケット層９１１及び／又は第２のキャリアウェブ９７１上の基準マーク、並びに／若しくは第１のガスケット層９１１及び／又はその上に置かれたＧＤＬ  ９０５の特徴を検出するために、１つ以上の光学センサ９９８を配置することができる。熱／圧力加工可能な梯子９１９及び／又は第１のキャリアウェブ９７２上の基準マーク、並びに／若しくはその上に堆積された熱／圧力加工可能な材料９１９の特徴を検出するために、１つ以上の第２の光学センサ９９９を配置することができる。センサ９９８、９９９からの情報は、それぞれのキャリアウェブ９７１、９７２の速度、長手方向位置、及び／又は横方向位置を制御するために、制御システムによって使用される。
【００８３】
その上に置かれた熱／圧力加工可能な梯子９１９を有する第１のキャリアウェブ９７２、及びその上に置かれた第１のガスケット層９１１及びＧＤＬ  ９０５を有する第２のキャリアウェブ９７１は、整合後、固着ローラー９８５で接合される。固着ローラー９８５によって適用される熱及び圧力は、熱／圧力加工可能な材料９１９が、第１のガスケット層９１１及びＧＤＬ  ９０５の表面及び／又は縁の上並びに／又は中に流れるようにする。固着プロセスの後、熱／圧力加工可能な材料９１９から第２のガスケット層が形成される。第２のガスケット層は、第１のガスケット層９１１をＧＤＬ  ９０５に付着させ、ロール製品型ＧＩＧサブアセンブリウェブ９３０を形成する。幾つかの実施においては、第２のキャリアウェブ９７１は、固着に続いて剥ぎ取られ、ＧＩＧサブアセンブリウェブ９３０は、保管のため及び／又は後続の加工における後の使用のために、巻き取りホイール上に巻き取られる。幾つかの実施においては、ＧＩＧサブアセンブリは、ＧＩＧサブアセンブリを組み込んだＭＥＡサブアセンブリの形成のための加工ステージ等のその他の加工ステージに移送される。
【００８４】
図９Ｂは、その他の実施形態による、ＧＩＧを形成するための装置を図示する。本実施形態においては、第２のガスケット層を形成するために使用される熱／圧力加工可能な材料は、ＧＤＬを配置する前に、第１のガスケット層９４４上に堆積される。離間した開口９４５を有する第１のガスケット層９４４は、第１の巻き出しホイール９４３から供給され、第１のキャリアウェブ９５１上で堆積ステーション９４６に移送される。堆積ステーションで、熱／圧力加工可能な材料は、第１のガスケット層上に堆積される。例えば、熱／圧力加工可能な材料は、第１のガスケット層９４４上にシルクスクリーン印刷されてもよく、ないしは別の方法で堆積されてもよい。ＧＤＬ  ９４２は、第２の巻き出しホイール９４０から供給される、第２のキャリアウェブ９４１上に置かれる。
【００８５】
光学又はその他の種類のセンサ９４８、９４９からの情報は、その上に堆積された熱／圧力加工可能な材料を有する第１のガスケット層９４４及び第２のキャリアウェブ９４１上に置かれたＧＤＬ  ９４２を整合させるために使用されてもよい。前述されるように、センサは、例えば、整合を容易にするために、第１のガスケット層９４４及び／又はＧＤＬ  ９４２の特徴を検出してもよく、並びに／若しくはウェブ９４１、９５１上の基準マークを検出してもよい。ＧＤＬ  ９４２は、第１のガスケット層９４４に対して整合される。幾つかの実施においては、ＧＤＬ  ９４２は、ＧＤＬ  ９４２が第１のガスケット層９４４の開口９４５内に収まるように、整合される。その他の実施においては、ＧＤＬ  ９４２の縁は、第１のガスケット層９４４の開口９４５の縁に重なる。これらの実施においては、熱／圧力加工可能な材料の一部分は、第１のガスケット層９４４とＧＤＬ  ９４２との間に堆積されてもよい。
【００８６】
その上に熱／圧力加工可能な材料が堆積された第１のガスケット層９４４を有する第１のキャリアウェブ９５１及びＧＤＬ  ９４２を移送する第２のキャリアウェブ９４１は、固着ローラー９４７で接合される。固着ローラー９４７によって適用される熱及び／又は圧力は、熱／圧力加工可能な材料が、第１のガスケット層９４４及びＧＤＬ  ９４２の表面及び／又は縁の上及び／又は中に流れるようにする。固着プロセス中、第２のガスケット層が熱／圧力加工可能な材料から形成される。第２のガスケット層は、第１のガスケット層９４４をＧＤＬ  ９４２に付着させ、ロール製品型ＧＩＧサブアセンブリウェブ９５０を形成する。
【００８７】
図９Ａ又は９Ｂに図示されるプロセスを使用して製作されるＧＩＧサブアセンブリは、ガスケット密封ＭＥＡサブアセンブリを形成するために使用されてもよい。図１０は、図９Ａ又は９Ｂの装置によって製作された２つのＧＩＧサブアセンブリを使用して、ガスケット密封ＭＥＡサブアセンブリを製作するために使用されてもよい装置を図示する。
【００８８】
幾つかの用途においては、２つのＧＩＧサブアセンブリ１００１、１００２は、前の加工ステーションから図１０の装置に直接供給されてもよい。その他の用途においては、ロール製品型ＧＩＧサブアセンブリ１００１、１００２は、巻き出しホイールから供給されてもよい。第２のキャリアウェブ１０７１、１０７２は、剥離ローラー１０８１、１０８２を使用して、第１及び第２のＧＩＧサブアセンブリ１００１、１００２から剥離される。第２のキャリアウェブ１０７１、１０７２は、ＧＩＧサブアセンブリ１００１、１００２から剥ぎ取られ、廃棄物ホイール１０８３、１０８４上に巻き取られる。ＧＩＧサブアセンブリ１００１、１００２の接着剤層の接着剤ライナー１０７３、１０７４は、剥がされ、廃棄物ホイール１０８５、１０８６上に集められる。
【００８９】
電解質膜ウェブ１０７５は、巻き出しホイール１０７６から供給される。幾つかの実施形態においては、図１０に図示されるように、電解質膜ウェブ１０７５は、パターン形成された触媒領域１０７０を有する、連続する触媒コーティングされた電解質膜を含んでもよい。電解質膜ウェブ１０７５は、固着ステーション１０８８に移送される。
【００９０】
固着ステーション１０８８で、センサ１０９５、１０９６は、第１のＧＩＧサブアセンブリ１００１のＧＤＬの、電解質膜サブアセンブリ１０７５の１つの表面上のパターン形成された触媒領域１０７０との整合を容易にする。第１のＧＩＧサブアセンブリ１００１の接着剤層は、固着ローラー１０８７によって加えられる圧力によって、第１のＧＩＧサブアセンブリ１００１を電解質膜１０７５に固着する。センサ１０９７、１０９８は、第２のＧＩＧサブアセンブリ１００２のＧＤＬ  １００５の、電解質膜サブアセンブリ１０７５の表面上のパターン形成された触媒領域との整合を容易にする。第２のＧＩＧサブアセンブリ１００２の接着剤層は、固着ローラー１００４によって加えられる圧力によって、第２のＧＩＧサブアセンブリ１００２を電解質膜１０７５に固着する。幾つかの実施形態においては、第１及び第２のＧＩＧサブアセンブリ１００１、１００２は、単一固着ステージ、例えば、単一対の固着ローラーを使用して、電解質膜ウェブ１０７５の反対側の表面に同時に固着されてもよい。結果として生じる生産物は、後続の加工工程に直接供給されてもよい、又は巻き取りホイール１０９９上にロール製品として巻き上げられてもよい、ガスケット密封ＭＥＡサブアセンブリウェブ１０９０である。例えば、ガスケット密封ＭＥＡサブアセンブリウェブ１０９０は、液体フロープレートを統合することによって燃料電池スタックを作製するために、後続のロール又はシート製品プロセスで使用されてもよく、若しくは部品部分に切断する準備が整うまで、保管されてもよい。
【００９１】
本発明の多様な実施形態についての以上の記述は、例証と説明の目的で述べてきた。包括的であることも、開示されたそのままの形態に本発明を限定することも意図するものではない。以上の教示を考慮すれば、多数の修正及び変形が可能である。例えば、添付の図面を参照して記載される様々な回転式固着プロセスは、例えば、当該技術分野において既知であるようなステップアンドリピート圧縮プロセスの使用によって等、代わりに非回転式方法及び装置を使用して達成することができる。本発明の範囲は、この詳細な説明によってではなく、むしろ添付の特許請求の範囲によって制限されるものとする。
【図１】
2010514099.tif 000003
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図２Ｆ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
2010514099.tif 000014
【図４Ｃ】
2010514099.tif 000015
【図５】
2010514099.tif 000016
【図６】
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【図７Ａ】
2010514099.tif 000018
【図７Ｂ】
2010514099.tif 000019
【図８】
2010514099.tif 000020
【図９Ａ】
2010514099.tif 000021
【図９Ｂ】
2010514099.tif 000022
【図１０】
2010514099.tif 000023
【国際調査報告】
2010514099.tif 000024
2010514099.tif 000025