JP2007005032A - 薄膜積層装置 - Google Patents

Abstract

【課題】薄膜の積層を効果的に行う。
【解決手段】電解膜シート１０と、拡散膜シート２０−１ａ、２０−１ｂを接合ローラ２８−１ａ、２８−１ｂ、２８−２ａ、２８−２ｂにより押圧される金属ベルト２８−３ａ、２８−３ｂにより押圧しながら積層し積層物を得る。金属ベルト２８−３ａ、２８−ｂを利用することによって、押圧力（接合圧）を比較的広い面積で積層物に印加することができ、積層物における反りをなくして、接合が行える。
【選択図】図１

Description

本発明は、第１の薄膜に対し、所定形状に切断された第２の薄膜を積層する薄膜積層装置に関する。

従来より、各種のシート状の積層体が知られている。その１つとして、燃料電池のＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）がある。ここで、ＭＥＡは、電極触媒層を担持した固体電解質材料膜である触媒層・電解膜の両側に、カーボンペーパーからなるガス拡散層を積層した構造となっている。

このようなＭＥＡを効率よく形成するため、１つの触媒層・電解膜についてのシート（電解膜シート）と、２つのガス拡散層についてのシート（拡散膜シート）をそれぞれ、ローラに巻き付けておき、ローラから各シートを送り出し、これらを積層切断することが提案されている（特許文献１）。

この装置では、２つの拡散膜シートを２つの回転する吸引ローラにそれぞれ吸着させ、その状態で、所定の大きさにカットする。そして、これら２つの拡散膜シートを巻き付けた状態で、吸引ローラの接合位置において、電解膜シートを挟み込むようにして、押圧輸送することで、３つのシートを積層する。従って、３つのシートの積層体であるＭＥＡを効率的に製造することができる。

また、特許文献２には、シートの積層体から必要部分をロータリカッタによって、切り出しＭＥＡの製品を作製することが示されている。

特開２００１−７６７４３号公報 特開２００３−４９１９０号公報

ここで、拡散膜シートを押圧して積層体シートを作製した場合に、一対のローラが印加する押圧力による各々の拡散層の伸びを規制することが難しく、製品となるＭＥＡに反りが発生しやすいという問題があった。ＭＥＡに反りが生じると、セパレータへの組み込みなど、燃料電池モジュールの作製に問題が生じる。

本発明は、薄膜積層物の反り発生を抑制することを目的とする。

本発明は、第１の薄膜に対し、所定形状に切断された第２の薄膜を積層する薄膜積層装置であって、少なくとも２つのローラに掛け回された第１の金属ベルトと、少なくとも２つのローラに掛け回された第２の金属ベルトと、を含み、前記第１および第２の金属ベルトによって、前記第１の薄膜と第２の薄膜の積層物を挟み込んで、輸送しながら押圧接合することを特徴とする。

また、前記第１および第２の金属ベルトの第１および第２の薄膜とは反対側の面に設けられ前記第１および第２の金属ベルトを介し、前記第１および第２の薄膜を押圧する一対の押圧ローラを設けることが好適である。

また、前記押圧ローラを複数設けることが好適である。

このとき、前記複数の押圧ローラは、前記積層物の送り方向において、下流側のものの方が押圧力が大きくなるように設定されていることが好適である。

また、前記押圧ローラのその周面が弾性材料で形成されていることが好適である。

また、前記金属ベルトの第１および第２の薄膜とは反対側の面に弾性材料のシートを貼り付けたことが好適である。

このように、本発明によれば、金属ベルトを用い、薄膜積層物への押圧面積を広くすることで、薄膜積層物に加わる面圧変化を緩やかにして、反りの発生を抑制する。また、ゴムなどの弾性材料を用いることで、押圧力を分散して、効果的に反り発生を防止できる。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。

図１は、実施形態に係る薄膜積層装置を含むシステム全体を示す図である。触媒層・電解膜について電解膜シート１０は、ローラ１２に巻き付けられている。また、ガス拡散層についての拡散膜シート２０ａは、ローラ２２ａに巻き付けられており、ガス拡散層についての拡散膜シート２０ｂは、ローラ２２ｂに巻き付けられている。そして、電解膜シート１０は、図における下方に向けて送り出され、拡散膜シート２０ａ、２０ｂは、水平方向（左右端側から中央方向）に送り出される。

拡散膜シート２０ａ、２０ｂは、ローラ２２ａ、２２ｂから送り出され、ロータリカッタ２４ａ、２４ｂとこれに対向するアンビルローラ２６ａ、２６ｂに挟み込まれる。このロータリカッタ２４ａ、２４ｂは、挟み込んだ拡散膜シート２０ａ、２０ｂをアンビルローラ２６ａ、２６ｂに押しつけ、その刃によってカットする。

図２（ａ）、（ｂ）には、ロータリカッタ２４および刃の形状についての概略構成が示されている。ロータリカッタ２４の本体ローラ２４−１の周面には、カット後の拡散膜シート２０−１の形状（ワーク形状）に対応した四角形状の刃２４−２が形成されている。そして、図２（ｂ）に示すように、この四角形の刃２４−２の本体ローラ２４−１の回転軸と平行な刃の一方は、本体ローラ２４−１の側端部にまで伸びている。従って、図２（ａ）に示すように、拡散膜シート２０は、周辺部分がコの字状の端切れ２０−２としてカットされ、捨てられ、ワーク形状に対応する拡散膜シート２０−１が得られる。なお、図２（ａ）に示すように、本体ローラ２４−１の刃２４−２の両端側に対応する部分には、一対の押さえ２４−３を上から押しつけるようにして、コの字状の端切れ２０−２を確実に排除している。

このようにして、四角形のワーク形状にカットされた拡散膜シート２０−１ａ、２０−１ｂは、接合ローラ２８−１ａ、２８−１ｂと、拡散層押さえローラ３０ａ、３０ｂの間に導入される。接合ローラ２８−１ａ、２８−１ｂは、図１に示すように水平方向に対向して配置されており、拡散層押さえローラ３０ａ、３０ｂは、接合ローラ２８−１ａ、２８−１ｂの接合位置より９０°だけ拡散膜シート２０−１の送り方向における上流側に位置している。従って、拡散層押さえローラ３０ａ、３０ｂは、接合ローラ２８−１ａ、２８−１ｂに金属ベルト２８−３ａ、２８−３ｂを介し図における上方から押しつけられている。

ここで、ロータリカッタ２４ａ、２４ｂとアンビルローラ２６ａ、２６ｂの接合位置から、接合ローラ２８ａ、２８ｂと押さえローラ３０ａ、３０ｂまでの距離は、カットされた拡散膜シート２０−１ａ、２０−１ｂの送り方向長さより短く設定されている。従って、カットされた拡散膜シート２０−１ａ、２０−１ｂは、ロータリカッタ２４ａ、２４ｂとアンビルローラ２６ａ、２６ｂ、または接合ローラ２８−１ａ、２８−１ｂと押さえローラ３０ａ、３０ｂのいずれか一方によって必ず挟まれている。このため、拡散膜シート２０−１ａ、２０−１ｂが確実に輸送できる。

また、拡散膜シート２０−１ａ、２０−１ｂは、接合ローラ２８−１ａ、２８−１ｂの周りを１／４周だけ巻き付いて移動する。接合ローラ２８−１ａ、２８−１ｂには、吸引手段などを設けていない。このため、そのままでは拡散膜シート２０−１ａ、２０−１ｂは、水平方向に移動するだけで、接合ローラ２８−１ａ、２８−１ｂの周面に沿って移動しない。

そこで、複数（この例では、３つずつ）の拡散層規制板３２ａ、３２ｂを設け、拡散膜シート２０−１ａ、２０−１ｂを接合ローラ２８−１ａ、２８−１ｂに押しつけている。この拡散層規制板３２ａ、３２ｂは、接合ローラ２８−１ａ、２８−１ｂの回転軸方向に伸びる長方形の細長板をその短辺方向についてＵ字状に折り曲げた全体として樋状の板である。拡散層規制板３２ａ、３２ｂは、その中央部分が接合ローラ２８−１ａ、２８−１ｂに向けて押しつけられており、これによって拡散膜シート２０−１ａ、２０−１ｂが接合ローラ２８ａ、２８ｂの周りを巻き付いて移動し、図における下方に向けて送り出される。

なお、拡散層規制板３２ａ、３２ｂは、拡散膜シート２０−１ａ、２０−１ｂを接合ローラ２８ａ、２８ｂの周面に押しつけることができれば他の形状でもよい。例えば、複数の小径のローラでもよい。また、複数のローラに掛け回したベルトを押しつける構成でもよい。例えば、ベルトを３つのローラに掛け回し、その一辺を接合ローラ２８−１ａ、２８−１ｂに押しつける構成が採用できる。

また、電解膜シート１０は、接合ローラ２８−１ａ、２８−１ｂの接合部において、拡散膜シート２０−１ａ、２０−１ｂの間に上方から供給される。従って、接合ローラ２８−１ａ、２８−１ｂは、その接合部において、拡散膜シート２０−１ａ、２０−１ｂを電解膜シート１０に向けて押しつける。

ここで、接合ローラ２８-１ａ、２８−１ｂの下方には、接合ローラ２８-２ａ、２８-２ｂが設けられ、接合ローラ２８-１ａと接合ローラ２８-２ａには、金属ベルト２８−３ａが掛け回され、接合ローラ２８-１ｂと接合ローラ２８-２ｂには、金属ベルト２８−３ｂが掛け回されている。従って、拡散膜シート２０−１ａ、２０−１ｂは、拡散層押さえローラ３０ａ、３０ｂと金属ベルト２８−３ａ、２８−３ｂに挟まれ、その後金属ベルト２８−３ａ、２８−３ｂと共に進行方向が下方に変更され、金属ベルト２８−３ａ、２８−３ｂによって、拡散シート２０−１ａ、２０−１ｂが電解膜シート１０の両側に押さえつけられる。そして、金属ベルト２８−３ａ、２８−３ｂは、接合ローラ２８−１ａ、２８−１ｂ、２８−２ａ、２８−２ｂによって、シート積層体の方に押しつけられるため、その範囲の金属ベルト２８−３ａ、２８−３ｂによって、拡散膜シート２０−１ａ、２０−１ｂが、電解膜シート１０に押しつけられる。

また、接合ローラ２８−１ａ、２８−１ｂ２８−２ａ、２８−２ｂは、内部に加熱機構を有しており、金属ベルト２８−３ａ、２８−３ｂは、全体として加熱されている。そこで、この接合ローラ２８ａ、２８ｂの接合部において、電解膜シート１０に対し、拡散膜シート２０−１ａ、２０−１ｂがその両側から融着される。

さらに、電解膜シート１０の接合ローラ２８ａ、２８ｂ間に入る少し上流側には、光電センサ３４が設けられており、電解膜シート１０には、所定のパターン（１つの電極として利用する部分について、触媒層が形成されているパターン）が形成されている。光電センサ３４は、電解膜シート１０の触媒層パターンの送り方向エッジ（始端または終端）を検出する。そして、この光電センサ３４の検出結果に基づいて、電解膜シート１０と、拡散膜シート２０−１ａ、２０−１ｂを同期させることで、両者の位置が調整される。拡散膜シート２０−１ａ、２０−１ｂの位置は、拡散シート２０−１ａ、２０−１ｂの端部を検出してもよいし、ロータリカッタ２４ａ、２４ｂの回転を検出してもよい。

接合ローラ２８−２ａ、２８−２ｂの下流側には、ロータリカッタ４０，アンビルローラ４２が対向配置されており、ロータリカッタ４０によって拡散膜シート２０−１が積層されていない、電解膜シート１０の部分がカットされる。なお、このロータリカッタ４０によるカット位置は、光電センサ３６の検出結果によって制御されるため、正確な位置でのカットが行える。そして、カットされた積層物は、ガイド４４を介し、パレット４６に積層状態で収容される。

このようにして、ローラ１２に巻き付けられている電解膜シート１０と、２つのローラ２２ａ、２２ｂに巻き付けられている拡散膜シート２０−１ａ、２０−１ｂが積層され、所定の大きさのＭＥＡとして、トレー４６内に得られる。

このような動作について、図３に基づいて説明する。触媒層・電解膜（電解膜シート１０）には、触媒パターン（触媒層のパターン）が形成されている。一方、ペーパー拡散層は、カーボンペーパーなどで構成されており、これがロータリカッタ２４ａ、２４ｂによって、所定のワーク形状にカットされる。このとき、端切れ２０−２は、コの字状に残り、これが分離回収される。また、ワーク形状の拡散膜シート２０−１は、完全に切断される前に、接合ローラ２８−１ａ、２８−１ｂと、拡散層押さえローラ３０に把持されるので、位置ずれなく接合ローラ２８−１ａ、２８−１ｂの周りの金属ベルト２８−３ａ、２８−３ｂに受け渡される。

金属ベルト２８−３ａ、２８−３ｂに受け渡されたワーク形状にカットされた拡散膜シート２０−１ａ、２０−１ｂは、拡散層押さえローラ３０ａ、３０ｂによって、把持された状態で、拡散層規制板３２ａ、３２ｂによって、金属ベルト２８−３ａ、２８−３ｂ側に押さえつけられながら、接合ローラ２８−１ａ、２８−１ｂに沿って移動する。

一方、電解膜シート１０が送られてきて、金属ベルト２８−３ａ、２８−３ｂの間には、電解膜シート１０，拡散膜シート２０−１ａ、２０−１ｂの積層物が挟まれ、これらが加熱押圧されて接合される。

電解膜シート１０の触媒パターンと、拡散膜シート２０−１ａ、２０−１ｂの接合が終わると、ロータリカッタ４０によって拡散膜シート２０−１が積層されていない、電解膜シート１０の部分をカットして、ＭＥＡが得られる。

本実施形態によれば、電解膜シート１０への拡散シート２０−１ａ、２０−１ｂの接合は、鉛直方向に移動しながら行う。従って、重力の影響で、ＭＥＡが反ってしまうことがない。

また、金属ベルト２８−３ａ、は、接合ローラ２８−１ａ，２８−２ａに掛け回され、金属ベルト２８−３ｂは、接合ローラ２８−１ｂ、２８−２ｂに掛け回されている。従って、接合ローラ２８−１ａ，２８−２ａ間の金属ベルト２８−３ａと、接合ローラ２８−１ｂ、２８−２ｂ間の金属ベルト２８−３ｂとで、電解膜シート１０、拡散膜シート２０−１ａ、２０−１ｂの積層物が押圧され、比較的広い範囲（接触面積）で押圧できる。

比較的小径の一対のローラによって、積層物を押圧した場合、その接触面積が小さく、急激に押圧力が印加され、急激に押圧力がなくなる。このような押圧によると、その押圧力に積層物に対する押圧力が均一でなくなり、反りが生じる。金属ベルト２８−３ａ，２８−３ｂを用いることで、ＭＥＡにおける反りの発生を抑制できる。なお、大径のローラを用いれば、押圧力が作用する面積を大きくすることができるが、ローラ径を大きくすることは、装置的な制約から望ましくなく、金属ベルト２８−３ａ、２８−３ｂを用いることが好適である。

図４には、金属ベルト２８−３ａ、２８−３ｂを用いるが、接合用の押圧ローラ５０ａ、５０ｂを別に設ける例を示している。この例では、接合ローラ２８−１ａ、２８−１ｂ、２８−２ａ、２８−２ｂは、基本的に積層物の押圧はしていない。そして、積層物の表面部分に金属ベルト２８−３ａ、２８−３ｂを位置させている。このような構成において、押圧ローラ５０ａ、５０ｂによる積層物の押圧は、金属ベルト２８−３ａ、２８−３ｂを介して行われる。従って、ローラからそのまま押圧力が伝わるのに比べ、広い面積による押圧が行われる。従って、ローラ自体の径を大きくしなくても、接触面積を大きくして積層物を押圧することができる。

ここで、この例では、押圧ローラ５０ａ、５０ｂは、３００ｍｍφ程度の小径のものを利用することができる。一方、金属ベルト２８−３ａ、２８−３ｂは、厚さ３ｍｍ〜５ｍｍ程度のステンレスベルトが好適である。また、金属ベルト２８−３ａ、２８−３ｂの表面には、ポリイミドをコーティングすることが好適である。これによって、拡散膜シート２０−１および電解膜シート１０のいずれに対しても剥離性がよく、好適な押圧が可能になる。

図５には、さらに他の例が示されている。この例では、金属ベルト２８−３ａ、２８−３ｂの裏面に弾性材料であるゴムシート２８−４ａ、２８−４ｂが貼り付けられている。金属ベルト２８−３ａ、２８−３ｂは、例えばステンレス製のベルトであって、この例では、厚さ０．１ｍｍ程度のものが採用される。そして、その金属ベルト２８−３ａ、２８−３ｂの裏面には厚み３ｍｍ程度のシリコンゴムからなるゴムシート２８−４ａ、２８−４ｂが形成されている。

金属ベルト２８−３ａ、２８−３ｂを設けずに、ローラ自体にゴムシートを貼り付けて、押圧した場合、ゴムシートが伸び、それによって積層体が引き延ばされ、亀裂が入る場合がある。しかし、本実施形態のように、金属ベルト２８−３ａ、２８−３ｂの裏面にゴムシート２８−４ａ、２８−４ｂを配置する構成によれば、接合ローラ２８−１ａ、２８−１ｂの押圧力は、ゴムシート２８−４ａ、２８−４ｂによって拡散されて金属ベルト２８−３ａ、２８−３ｂに印加され、金属ベルト２８−３ａ、２８−３ｂ自体は、ほとんど伸びることがない。従って、比較的広範囲の金属ベルト２８−３ａ、２８−３ｂに押圧力が印加され、積層物であるＭＥＡについて亀裂を発することなく、効果的に反りのない積層物の接合を行うことができる。

図６には、さらに他の例が示されており、この例では接合ローラ２８−１ａ、２８−２ａおよび接合ローラ２８−１ｂ、２８−２ｂとの間に複数の押圧ローラ５０−１ａ〜５０−ｎａ、５０−１ｂ〜５０−ｎｂを有している。そして、この押圧ローラ５０−１ａ〜５０−ｎａ、５０−１ｂ〜５０−ｎｂは、入り口側から順次押圧力（接合圧）が高くなるように設定されている。

このように、複数の押圧ローラ５０−１ａ〜５０−ｎａ、５０−１ｂ〜５０−ｎｂを設け、金属ベルト２８−３ａ、２８−３ｂを設けることにより、積層物を直線的に搬送できる。また、電解膜シート１０への拡散膜シート２０−１ａ、２０−１ｂの接合が不十分な状態でも、次のローラに搬送することにより、最終的には十分な接合ができる。

例えば、押圧ローラ５０−１ａ〜５０−ｎａ、５０−１ｂ〜５０−ｎｂの径を３００ｍｍφ、金属ベルト２８−３ａ、２８−３をステンレス（ＳＵＳ）の厚さ１．５ｍｍ、とし、押圧ローラの５０−１を６つ設けその押圧力を０．５ＭＰａずつ上げていくことで、反りを発生することのなく、十分な接合を達成することができた。

さらに、金属ベルト２８−３の厚みをさらに厚くしたり、押圧ローラ５０の周面にゴムシートなどの弾性材料を貼ったゴムローラを使用したり、金属ベルト２８−３の裏面にゴムシートを貼るなどの手段を用いることで、実質的な押圧面積（接触面積）を増加することができ、効果的な接合を達成できる。すなわち、押圧ローラ５０毎の荷重の差を大きくとることができ、押圧ローラ５０の数を少なくすることができる。

図７には、反りが発生せず、十分な接合を行うための３つの手法について記載している。大径の接合ローラ２８−１を利用する場合には、その径を５．２ｍφとする必要がある。そのときの接合圧力は３．０Ｍｐａである。また、図４のように、複数の押圧ローラ５０を用いた場合、０．５Ｍｐａずつ上げて６つの押圧ローラ５０が必要である。さらに、押圧ローラ５０にゴムローラを用いた場合には、ローラ数を３つとして、１ＭＰａずつ押圧力を上昇させることで、同様の接合が達成される。

なお、ゴムローラは、図１における２８−１、２８−２や、図４における５０、図６における５０−１〜５０−ｎ等に利用できる。

このように、複数の押圧ローラ５０を用い、押圧力を段階的に上昇することで、効果的な接合を行うことができる。このような段階的な押圧は、例えば図８に示すようなものであり、実質的に接触面積を大きくして、大径のローラによる押圧と同等の押圧になる。すなわち、大径のローラでは、接合圧は徐々に上昇して、最高点に達してから、徐々に下がる。一方、小径のローラでは、接合圧は比較的急に上昇して、その後下がる。従って、積層物（ワーク）にしてみれば接触幅が短い。複数のローラを利用し、その押圧力を順次大きくした場合には、ローラ自体の径は小さくても、複数のローラの接合圧が積み重ねられ、大径のローラと同様の接合圧を順次上昇して、接触幅を長くすることができる。

なお、上述の説明では、燃料電池のＭＥＡの作成についてのみ説明したが、上述のような構成は、ロールで供給される薄膜の積層であれば、他のものにも適用することができる。

システムの全体構成を示す図である。 ロータリカッタの構成および作用を示す図である。 全体の動作を説明する図である。 他の実施形態の構成を示す図である。 さらに他の実施形態の構成を示す図である。 さらに他の実施形態の構成を示す図である。 ローラの接合圧の状態を示す図である。 各種の例による接触幅と接合圧を説明する図である。

符号の説明

１０ 電解膜シート、１２，２２（２２ａ，２２ｂ），３０（３０ａ，３０ｂ） ローラ、２０（２０ａ，２０ｂ） 拡散膜シート、２４（２４ａ，２４ｂ），４０ ロータリカッタ、２４−１ 本体ローラ、２４−２ 刃、２４−３ 押さえ、２６（２６ａ，２６ｂ），４２ アンビルローラ、２８−１（２８−１ａ，２８−１ｂ，２８−１ｂ，２８−２ｂ） 接合ローラ、２８−３（２８−３ａ，２８−３ｂ） 金属ベルト、３２（３２ａ，３２ｂ） 拡散層規制板、３４，３６ 光電センサ、４４ ガイド、４６ トレー、４６ パレット、５０（５０ａ，５０ｂ） 押圧ローラ。

Claims (6)

1. 第１の薄膜に対し、所定形状に切断された第２の薄膜を積層する薄膜積層装置であって、
   少なくとも２つのローラに掛け回された第１の金属ベルトと、
   少なくとも２つのローラに掛け回された第２の金属ベルトと、
   を含み、
   前記第１および第２の金属ベルトによって、前記第１の薄膜と第２の薄膜の積層物を挟み込んで、輸送しながら押圧接合することを特徴とする薄膜積層装置。
2. 請求項１に記載の薄膜積層装置において、
   前記第１および第２の金属ベルトの第１および第２の薄膜とは反対側の面に設けられ前記第１および第２の金属ベルトを介し、前記第１および第２の薄膜を押圧する一対の押圧ローラを設けることを特徴とする薄膜積層装置。
3. 請求項２に記載の薄膜積層装置において、
   前記押圧ローラを複数設けることを特徴とする薄膜積層装置。
4. 請求項３に記載の薄膜積層装置において、
   前記複数の押圧ローラは、前記積層物の送り方向において、下流側のものの方が押圧力が大きくなるように設定されていることを特徴とする薄膜積層装置。
5. 請求項２〜４のいずれか１つに記載の薄膜積層装置において、
   前記押圧ローラのその周面が弾性材料で形成されていることを特徴とする薄膜積層装置。
6. 請求項１〜４のいずれか１つに記載の薄膜積層装置において、
   前記金属ベルトの第１および第２の薄膜とは反対側の面に弾性材料のシートを貼り付けたことを特徴とする薄膜積層装置。

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