JP2014203802A - 接合装置および接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】裁断の位置決めを高精度に行う。【解決手段】接合装置は、第１駆動ローラ１１１と；第１の駆動ローラ１１１よりも下流側に配置される第２駆動ローラ１２１と；第２駆動ローラ１２１よりも下流側における接合位置に配置される接合ローラ１５２と；第２駆動ローラ１２１と接合ローラ１５２との間に設けられ、帯状部材５ｒにかかる張力を検出する張力センサ１２５と；前記張力Ｔｒを目標張力Ｔｔに一致させるように、両者の偏差Ｄに応じた制御量ｕを第２駆動ローラ１２１の回転速度にフィードバックすることによって、第２駆動ローラ１２１の回転速度を制御する第２駆動ローラ制御部１２６と；前記第２駆動ローラ１２１の回転速度と、第１駆動ローラ１１１と第２駆動ローラ１２１との間のドロー比Ｋとに基づいて、第１駆動ローラ１１１の回転速度を制御する第１駆動ローラ制御部１１４と；を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、弾性体である帯状部材を搬送路に沿って搬送し、帯状部材に対して接合部材を接合する技術に関する。

従来、燃料電池を製造する際には、帯状の膜電極接合体に対してガス拡散層などの燃料電池構成部材を連続的に接合することが行われている。例えば、特許文献１には、ロール状に巻かれた膜電極接合体をニップロールにより引き出し搬送しつつ、膜電極接合体上に所定の間隔で燃料電池構成部材を配置していくとともに、複数の燃料電池構成材料を略同時に押圧して接合する技術が提案されている。

特開２０１０−２５１１３６号公報

膜電極接合体の主要成分である電解質膜は、固有の弾性係数を有した弾性体であり、膜電極接合体全体としても弾性体である。特許文献１に記載された従来技術では、弾性体である膜電極接合体をニップロールにより引き出し搬送するため、このニップロールによる張力が変動した場合に、膜電極接合体が伸縮し、膜電極接合体に対する燃料電池構成部材の接合位置がずれる問題があった。そのほか、従来の接合装置においては、その小型化や、低コスト化、省資源化、製造の容易化、接合の効率化等が望まれていた。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態は、弾性体である帯状部材を搬送路に沿って搬送し、所定の接合位置で前記帯状部材に対して接合部材を接合する接合装置である。この接合装置は、前記搬送路に設けられる第１の駆動ローラと；前記搬送路における前記第１の駆動ローラよりも下流側に配置される第２の駆動ローラと；前記搬送路における前記第２の駆動ローラよりも下流側における前記接合位置に配置される第３の駆動ローラと；前記搬送路における前記第２の駆動ローラと前記第３の駆動ローラとの間に設けられ、前記帯状部材にかかる張力を検出する張力センサと；前記張力センサによって検出された張力を目標張力に一致させるように、前記検出された張力と目標張力との偏差に応じた制御量を前記第２の駆動ローラの回転速度にフィードバックすることによって、前記第２の駆動ローラの回転速度を制御する第２駆動ローラ制御部と；前記第２駆動ローラ制御部によって定まる前記第２の駆動ローラの回転速度と、前記第１の駆動ローラと前記第２の駆動ローラとの間の回転速度比とに基づいて、前記第１の駆動ローラの回転速度を制御する第１駆動ローラ制御部と；を備える。

この形態の接合装置によれば、帯状部材が弾性体であることから、帯状部材における第１の駆動ローラと第２の駆動ローラの間の区間（以下、「第１の区間」と呼ぶ）の張力により発生したひずみは、第２の駆動ローラと第３の駆動ローラの間の区間（以下、「第２の区間」と呼ぶ）に伝わり、結果的に第１の区間の張力が第２の区間に伝搬する。このために、第２駆動ローラ制御部によって、張力センサによって検出された張力に基づいて第２の駆動ローラの回転速度を制御することによって、第２の区間の張力を目標張力に一致させることができる。したがって、第２の区間における帯状部材の伸縮を抑えることができることから、帯状部材に対する接合部材の接合位置のずれを抑制することができる。

（２）前記形態の接合装置において、前記第１駆動ローラ制御部は、前記回転速度比を、前記フィードバック制御による制御量に基づいて定める構成としてもよい。この構成の接合装置によれば、帯状部材に対する接合部材の接合位置のずれを、安定性および応答性よく向上することができる。

（３）前記形態の接合装置において、前記第１駆動ローラ制御部は、前記制御量の移動平均を求め、前記移動平均の値に基づいて前記回転速度比を定める構成としてもよい。この構成の接合装置によれば、接合部材を接合位置に投入する際に生じる張力の急激な変動に対して制御量に移動平均を行うことで、前記回転速度比を安定的に補正することができる。したがって、この形態の接合装置によれば、帯状部材に対する接合部材の接合位置のずれをより確実に抑制することができる。

（４）前記形態の接合装置において、前記第１の駆動ローラは、並列に配置される加圧ローラと対になって前記帯状部材を挟み込み；前記第２の駆動ローラは、並列に配置される加圧ローラと対になって前記帯状部材を挟み込み；前記第３の駆動ローラは、一対となって前記接合のための接合ローラとして機能する構成としてもよい。この構成の接合装置によれば、帯状部材に対する接合部材の接合位置のずれをより確実に抑制することができる。

（５）前記形態の接合装置において、前記帯状部材は燃料電池用の膜電極接合体であり、前記接合部材は燃料電池用のガス拡散層である構成としてもよい。この構成の接合装置によれば、燃料電池を製造する際に、膜電極接合体に対するガス拡散層の接合位置のずれを抑制することができる。

（６）本発明の他の形態は、弾性体である帯状部材を搬送路に沿って搬送し、所定の接合位置で前記帯状部材に対して接合部材を接合する接合方法である。この接合方法は、前記搬送路に設けられる第１の駆動ローラ、前記第１の駆動ローラよりも下流側に配置される第２の駆動ローラ、および前記第２の駆動ローラよりも下流側における前記接合位置に配置される第３の駆動ローラによって、前記帯状部材を搬送し；前記搬送路における前記第２の駆動ローラと前記第３の駆動ローラとの間の所定位置において、前記帯状部材にかかる張力を検出し；前記検出された張力を目標張力に一致させるように、前記検出された張力と目標張力との偏差に応じた制御量を前記第２の駆動ローラの回転速度にフィードバックすることによって、前記第２の駆動ローラの回転速度を制御し；前記制御によって定まる前記第２の駆動ローラの回転速度と、前記第１の駆動ローラと前記第２の駆動ローラとの間の回転速度比とに基づいて、前記第１の駆動ローラの回転速度を制御する。この形態の接合方法は、前記形態の接合装置と同様に、帯状部材に対する接合部材の接合位置のずれを抑制することができる効果を奏する。

本発明は、接合装置や接合方法以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、その接合装置を備える燃料電池製造装置、その接合方法の各工程を備える燃料電池製造方法、その接合方法の各工程をコンピュータに実行させるためのコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した一時的でない記録媒体等の形態で実現することができる。

本発明の第１実施形態としての接合装置の概略構成を示す説明図である。 帯状部材を示す説明図である。 第１実施形態において第１および第２テンション区間の各張力がどのように制御されるかを示す説明図である。 従来技術であるダンサの働きを示す説明図である。 ダンサを用いずに接合装置を構成した従来技術の問題点を示す説明図である。 本発明の第２実施形態としての接合装置の概略構成を示す説明図である。 帯状部材の搬送距離に応じた張力センサの検出値の変化を示すグラフである。 ドロー比のみを順に変化させたときの経過時間に応じた第１テンション区間の張力変化を示すグラフである。

次に、本発明の実施形態を説明する。
Ａ．第１実施形態：
Ａ−１．帯状部材と装置全体の構成：
図１は、本発明の第１実施形態としての接合装置１００の概略構成を示す説明図である。接合装置１００は、固体高分子形燃料電池（以下、単に「燃料電池」と呼ぶ）の製造工程に用いられる。接合装置１００は、燃料電池を構成する発電体である膜電極接合体が帯状に連続している帯状部材５ｒに対して、ガス拡散層７を、触媒電極層３の位置に合わせて連続的に接合する。

図２は帯状部材５ｒを示す説明図である。図２の（Ａ）は、帯状部材５ｒの第２の触媒電極層３側の面を示す平面図である。図２の（Ｂ）は、帯状部材５ｒを示す概略断面図である。図２の（Ｃ）は、帯状部材５ｒから切り出された後の、ガス拡散層７が接合された膜電極接合体５（以下、「拡散層付き膜電極接合体５Ｇ」とも呼ぶ）の構成を示す概略断面図である。なお、図２（Ａ）には、帯状部材５ｒの搬送方向を示す矢印ＰＤを図示してある。また、図２（Ａ），（Ｂ）には、ガス拡散層７が配置される領域ＧＡを破線で図示してあり、帯状部材５ｒから拡散層付き膜電極接合体５Ｇが切り出されるときの切断線ＣＬを一点鎖線で図示してある。

帯状部材５ｒは、本体部を構成する帯状の電解質膜１の一方の面に、第１の触媒電極層２が全面を被覆するように配置されており、他方の面に、複数の第２の触媒電極層３が長手方向に沿って所定の間隔で配列されている（図２（Ａ），（Ｂ））。電解質膜１は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜であり、例えば、ナフィオン（登録商標）などのフッ素系のイオン交換樹脂によって構成される。

第１と第２の触媒電極層２，３は、反応ガスの供給を受けてアノード（燃料極）またはカソード（酸化剤極）として機能するガス拡散性を有する電極である。第１と第２の触媒電極層２，３は、燃料電池反応を促進する触媒を担持する導電性粒子（例えば、白金担持カーボン）と、電解質膜１と同じ又は類似の電解質と、を分散させた分散溶液である触媒インクの乾燥塗膜として形成される。こうした構成の帯状部材５ｒは、弾性体である。

本実施形態の接合装置１００では、帯状部材５ｒにおける第２の触媒電極層３の配置位置に合わせてガス拡散層７が第１の触媒電極層２に接合される。ガス拡散層７はガス拡散性と導電性とを有する多孔質な部材によって構成されても良く、カーボンペーパーやカーボンクロスなどの導電性を有する繊維基材によって構成されても良い。

ところで、本実施形態の拡散層付き膜電極接合体５Ｇ（図２（Ｃ））では、第１の触媒電極層２の外周端部の位置が電解質膜１の外周端部の位置とほぼ揃っているのに対して、第２の触媒電極層３の外周端部の位置は電解質膜１の外周端部より内側に位置している。即ち、本実施形態の拡散層付き膜電極接合体５Ｇでは、第１と第２の触媒電極層２，３の外周端部が電解質膜１の外周縁部を介して互いに離間されている。これによって、発電中に２つの触媒電極層２，３の端部間で未反応の反応ガスが行き来してしまう、いわゆるクロスリークを抑制することができる。

また、本実施形態の拡散層付き膜電極接合体５Ｇでは、ガス拡散層７の外周端部が、第１と第２の触媒電極層２，３の外周端部の間に位置しており、電解質膜１に直接的に接触していない。この構成によって、ガス拡散層７の外周端部に存在する繊維の毛羽やバリが電解質膜１の表面に突き刺さることが抑制されている。また、この構成であれば、燃料電池の発電中などにガス拡散層７において過酸化水素ラジカルが発生した場合であっても、当該過酸化水素ラジカルは電解質膜１に到達する前に必ず第１の触媒電極層２を通過することになる。そのため、ガス拡散層７において発生した過酸化水素ラジカルを第１の触媒電極層２の触媒作用によって消失させることができ、過酸化水素ラジカルによる電解質膜１の劣化を抑制できる。

図１に示すように、本実施形態の接合装置１００は、合紙剥離部１１０と、張力調整部１２０と、ガス拡散層搬送部１４０と、接合部１５０と、電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」と呼ぶ）１７０と、を備える。合紙剥離部１１０、張力調整部１２０、および接合部１５０は、帯状部材５ｒの搬送のための搬送路を形作っており、搬送路における上流側から下流側に向かって合紙剥離部１１０、張力調整部１２０、接合部１５０の順に配置される。

ＥＣＵ１７０は、中央処理装置と主記憶装置とを備えるマイクロコンピュータによって構成される。ＥＣＵ１７０は、合紙剥離部１１０から接合部１５０までの帯状部材５ｒの搬送を制御する。また、ＥＣＵ１７０は、ガス拡散層搬送部１４０によるガス拡散層７の搬送を制御する。

接合装置１００は、膜電極接合体供給部（図示および詳細な説明は省略）から帯状部材５ｒの供給を受けるが、このとき、帯状部材５ｒの第２の触媒電極層３側の面には合紙６が貼付されている。合紙剥離部１１０は、帯状部材５ｒを長手方向に搬送しつつ合紙６を帯状部材５ｒから剥離する。合紙剥離部１１０は、駆動ローラ１１１と、加圧ローラ１１２と、合紙搬送ローラ１１３と、駆動ローラ制御部１１４とを備える。以下、この合紙剥離部１１０が備える駆動ローラ１１１を「第１駆動ローラ１１１」と呼び、駆動ローラ制御部１１４を「第１駆動ローラ制御部１１４」と呼ぶ。

第１駆動ローラ１１１は、モータ（図示せず）に接続されており、第１駆動ローラ制御部１１４の指令に応じた回転速度で回転駆動する。第１駆動ローラ制御部１１４の動作原理については、後ほど詳述する。加圧ローラ１１２と合紙搬送ローラ１１３とはそれぞれ、第１駆動ローラ１１１に追従して回転するように、第１駆動ローラ１１１に隣り合う位置において並列に配置されている。なお、加圧ローラ１１２は上流側に配置され、合紙搬送ローラ１１３はその下流側に配置されている。

合紙６が貼付されている帯状部材５ｒは、まず、合紙６が加圧ローラ１１２と接するように、第１駆動ローラ１１１と加圧ローラ１１２との間に繰り入れられて搬送される。加圧ローラ１１２は、第１駆動ローラ１１１に向かって帯状部材５ｒを押圧し、帯状部材５ｒに加圧力を付与する。加圧ローラ１１２によって加圧された帯状部材５ｒは、そのまま第１駆動ローラ１１１の側面に沿って搬送され、第１駆動ローラ１１１と合紙搬送ローラ１１３との間に繰り入れられて搬送される。合紙搬送ローラ１１３は、合紙６を吸着しつつ回転することにより、合紙６を帯状部材５ｒから剥離させる。なお、帯状部材５ｒから剥離された合紙６は合紙回収部（図示せず）に回収されて破棄される。なお、第１駆動ローラ１１１と加圧ローラ１１２とは、帯状部材５ｒを挟み込んで搬送する所謂ニップローラを構成する。

張力調整部１２０は、合紙剥離部１１０の後段において、帯状部材５ｒを搬送しつつ、帯状部材５ｒに付与されている張力（テンション）を調整する。張力調整部１２０は、駆動ローラ１２１と、加圧ローラ１２２と、張力センサ１２５と、駆動ローラ制御部１２６と、を備える。以下、この張力調整部１２０が備える駆動ローラ１２１を「第２駆動ローラ１２１」と呼び、駆動ローラ制御部１２６を「第２駆動ローラ制御部１２６」と呼ぶ。

第２駆動ローラ１２１はモータ（図示せず）に接続されており、第２駆動ローラ制御部１２６の指令に応じた回転速度で回転駆動する。第２駆動ローラ制御部１２６の動作原理については、後ほど詳述する。加圧ローラ１２２は、第２駆動ローラ１２１に追従して回転駆動するように、第２駆動ローラ１２１に隣り合う位置において並列に配置されている。

合紙剥離部１１０から搬送されてきた帯状部材５ｒは、第１の触媒電極層２側の面が第２駆動ローラ１２１側となり、第２の触媒電極層３側の面が加圧ローラ１２２側となるように、第２駆動ローラ１２１と加圧ローラ１２２との間に繰り入れられる。帯状部材５ｒは、加圧ローラ１１２から加圧力を付与されつつ、第２駆動ローラ１２１の回転駆動力によって搬送される。なお、第２駆動ローラ１２１と加圧ローラ１２２とは、帯状部材５ｒを挟み込んで搬送する所謂ニップローラを構成する。

張力センサ１２５は、第２駆動ローラ１２１および加圧ローラ１２２によって送り出された帯状部材５ｒの張力を検出する。張力センサ１２５は、帯状部材５ｒに張力を付与するように押圧しつつ帯状部材５ｒの搬送に応じて回転する回転ローラ１２５ｒを備えている。張力センサ１２５は、回転ローラ１２５ｒが帯状部材５ｒから受ける反力に基づいて、帯状部材５ｒの張力を検出する。張力センサ１２５は、検出した張力を第２駆動ローラ制御部１２６に出力する。

第２駆動ローラ制御部１２６は、張力センサ１２５からの検出信号に基づいて、帯状部材５ｒの張力が目標張力に保持されるように第２駆動ローラ１２１の回転速度を制御し、接合部１５０に到達する前の帯状部材５ｒの張力を調整する。第２駆動ローラ制御部１２６の構成については、後ほど詳述する。

ガス拡散層搬送部１４０は、ＥＣＵ１７０の指令に応じて、ガス拡散層７を接合部１５０の接合ローラ１５２の加圧点ＰＰまで搬送する搬送処理を実行する。加圧点ＰＰは、［発明の概要］の欄に記載の「接合位置」に相当する。帯状部材５ｒの搬送路における回転ローラ１２５ｒの下流側の所定の位置（以後、「検出点ＤＰ」と呼ぶ）には、触媒層センサ１３０が設けられており、ガス拡散層搬送部１４０による搬送処理の実行開始のタイミングを、触媒層センサ１３０の検出信号に基づいて定めている。

触媒層センサ１３０は、例えば、発光素子と受光素子とを備える光学的センサによって構成される。触媒層センサ１３０は、検出点ＤＰにおいて、第２の触媒電極層３の通過を検出し、検出信号をＥＣＵ１７０に出力する。ＥＣＵ１７０は、触媒層センサ１３０の検出信号から第２の触媒電極層３の先端部３ｅの通過を検出し、その検出時に、ガス拡散層搬送部１４０によるガス拡散層７の搬送処理の実行を開始する。ここで、「先端部」とは、搬送方向における下流側の端部である。

ガス拡散層搬送部１４０は、トランスファ１４１と、駆動モータ１４２と、駆動シャフト１４３と、を備える。トランスファ１４１は、駆動シャフト１４３に取り付けられており、駆動シャフト１４３の回転に応じて、駆動シャフト１４３の軸方向に沿って、所定の区間（基端位置ＳＰと終端位置ＥＰの間）を直線的に往復移動する。なお、駆動シャフト１４３は駆動モータ１４２に接続されており、駆動モータ１４２の回転駆動力によって回転する。

トランスファ１４１は、基端位置ＳＰにおいて、ガス拡散層７の収容庫（図示は省略）からガス拡散層７を１個ずつ供給される。トランスファ１４１は、真空吸着により、ガス拡散層７を移動方向に平行に保持して、基端位置ＳＰから、接合部１５０の近傍の終端位置ＥＰまで直線的に移動することにより、ガス拡散層７を帯状部材５ｒに合流させる。トランスファ１４１は、ガス拡散層７の接合の度に、基端位置ＳＰと終端位置ＥＰとの間の往復移動を繰り返す。

接合部１５０は、帯状部材５ｒの第１の触媒電極層２上にガス拡散層７を加圧プレスにより接合する。接合部１５０は、搬送ローラ１５１と、一対の接合ローラ１５２と、を備えている。搬送ローラ１５１は、帯状部材５ｒの搬送角度がガス拡散層７の搬送角度に対して鋭角をなすように帯状部材５ｒの搬送角度を変更させつつ、帯状部材５ｒを接合ローラ１５２の加圧点ＰＰへと誘導する。

接合ローラ１５２は、ＥＣＵ１７０から回転速度指令値Ｎ３を受けて、回転速度指令値Ｎ３に応じた一定速度で回転する。帯状部材５ｒとガス拡散層７とは、接合ローラ１５２の加圧点ＰＰにおいて合流するとともに加圧プレスされる。なお、ガス拡散層７が接合された帯状部材５ｒは、拡散層付き膜電極接合体５Ｇを切り出すために、裁断部（図示および詳細な説明は省略）へと送り出される。接合ローラ１５２は、［発明の概要］の欄に記載の「第３の駆動ローラ」に相当する。

Ａ−２．第１および第２駆動ローラ制御部の構成：
張力調整部１２０に備えられる第２駆動ローラ制御部１２６の構成について、次に説明する。図１に示すように、第２駆動ローラ制御部１２６は、減算部２１０と、ＰＩＤ制御部２２０と、加算部２３０と、を備える。減算部２１０は、ＥＣＵ１７０から送られてきた目標張力Ｔｔと、張力センサ１２５によって検出された張力Ｔｒとを入力し、目標張力Ｔｔから張力Ｔｒを引いた偏差Ｄを出力する。目標張力Ｔｔは、ＥＣＵ１７０のＲＯＭに予め記憶された所定値である。

ＰＩＤ制御部２２０は、偏差Ｄを入力としてＰＩＤ制御を行うことにより、張力センサ１２５によって検出された張力Ｔｒを目標張力Ｔｔに一致させるように、偏差Ｄに応じた制御量ｕを、制御対象である第２駆動ローラ１２１の回転速度にフィードバックする。すなわち、ＰＩＤ制御部２２０は、張力センサ１２５によって検出された張力Ｔｒを目標張力Ｔｔに一致させるための、第２駆動ローラ１２１の回転速度の制御量（補正量）ｕを求める。制御量ｕの単位は、第２駆動ローラ１２１の回転速度と同じ［ｍｍ／ｓｅｃ］である。なお、ＰＩＤ制御部２２０は、比例制御だけのＰ制御を行うＰ制御部、比例積分制御のＰＩ制御を行うＰＩ制御部、比例微分制御のＰＤ制御を行うＰＤ制御部等の種々のフィードバック制御部に換えることができる。さらに、偏差Ｄを値０に一致させる制御を行う制御部であれば、いずれの制御部に換えることもできる。

加算部２３０は、ＥＣＵ１７０から送られてきた接合ローラ１５２用の回転速度指令値Ｎ３と、ＰＩＤ制御部２２０の出力信号である制御量ｕとを入力し、両者の和を第２駆動ローラ１２１用の回転速度指令値Ｎ２として出力する。回転速度指令値Ｎ２は、第２駆動ローラ１２１に送られると共に、第１駆動ローラ制御部１１４にも送られる。かかる構成の第２駆動ローラ制御部１２６の動作原理については、後ほど詳述する。

張力調整部１２０に備えられる第１駆動ローラ制御部１１４は、ドロー比設定部３１０と乗算部３２０とを備える。ドロー比設定部３１０は、ドロー比Ｋとして予め定めた所定値（一定値）を出力する。「ドロー比」とは、第１駆動ローラ１１１と第２駆動ローラ１２１との間の回転速度比であり、ここでは、第２駆動ローラ１２１の回転速度に対する第１駆動ローラ１１１の回転速度の比率として示す。ドロー比Ｋとしての所定値は、予め実験的にあるいはシミュレーションにより求めたものである。

乗算部３２０は、第２駆動ローラ制御部１２６から送られてきた回転速度指令値Ｎ２と、ドロー比設定部３１０から送られてきたドロー比Ｋとを入力し、制御量ｕにドロー比Ｋを乗算し、その乗算結果を回転速度指令値Ｎ１として第１駆動ローラ制御部１１４に出力する。かかる構成の第１駆動ローラ制御部１１４によれば、第２駆動ローラ１２１の回転速度を基準としてドロー比Ｋでもって定まる回転速度に第１駆動ローラ１１１を制御することができる。

なお、本実施形態では、第１および第２駆動ローラ制御部１１４、１２６はディスクリートな電子回路によって構成されているが、これに換えて、ＥＣＵ１７０が実現する機能の一つとして構成してもよい。

Ａ−３．ひずみ変化を抑制する原理と実施形態効果：
本実施形態において、合紙剥離部１１０、張力調整部１２０、および接合部１５０によって構成される搬送機構は、駆動ローラと加圧ローラ、あるいは接合ローラといった所謂ニップローラによって帯状部材５ｒを挟み込んで搬送するものである。このため、第１駆動ローラ１１１と第２駆動ローラ１２１との間の区間Ｔ１、および第２駆動ローラ１２１と接合ローラ１５２との間の区間Ｔ２のそれぞれは、各区間内で個別の一定の張力を有する。第１駆動ローラ１１１と第２駆動ローラ１２１との間の区間Ｔ１を以下「第１テンション区間Ｔ１」と呼び、第２駆動ローラ１２１と接合ローラ１５２との間の区間Ｔ２を以下「第２テンション区間Ｔ２」と呼ぶ。

帯状部材をニップローラによって挟み込んで搬送するウェブハンドリング技術によれば、テンション区間内の張力はニップローラによって区切られ、搬送方向下流側のテンション区間に伝搬しないものと一般的に考えられていた。これに対して、本願発明者は、本実施形態の搬送機構には、次の（ｉ）、（ii）の特性が有ることを見いだし、第１テンション区間Ｔ１から第２テンション区間Ｔ２に張力の伝搬があることを確認した。

（ｉ）帯状部材５ｒは前述したように弾性体であるが、弾性体の帯状部材５ｒは、生じるひずみにバネのような特性がある。すなわち、弾性体の帯状部材５ｒは、弾性変形可能な範囲内で伸ばすと縮もうとする力が働く。
（ii）帯状部材５ｒの搬送時には、テンション区間内で帯状部材５ｒに発生するひずみは、テンション区間で区切られず、下流側のテンション区間に伝搬される。すなわち、第１テンション区間Ｔ１で発生するひずみは、第２テンション区間Ｔ２に伝搬される。

上記（ｉ）（ii）の特性によってひずみが伝搬された際、ひずみは元のサイズに戻ろうとするため、結果的に張力が下流側のテンション区間に伝搬される。そこで、第１駆動ローラ制御部１１４および第２駆動ローラ制御部１２６の構成を本願発明者は想到した。すなわち、まず、ラインマスターである接合ローラ１５２に回転速度指令値Ｎ３を指令して接合ローラ１５２を一定の速度で回転させる。そして、接合ローラ１５２の回転速度と、第２テンション区間Ｔ２の間に設けられた張力センサ１２５によって検出された張力Ｔｒとに基づいて、第２駆動ローラ制御部１２６によるフィードバック制御を行う。一方、第１テンション区間Ｔ１においては、第１駆動ローラ制御部１１４によって、第１駆動ローラ１１１と第２駆動ローラ１２１との間に回転速度差を付けることによって張力を付与しておく。

図３は、上記の制御によって、第１および第２テンション区間Ｔ１、Ｔ２の各張力がどのように制御されるかを示す説明図である。第１テンション区間Ｔ１の張力により発生したひずみは第２テンション区間Ｔ２に伝わり、結果的に第１テンション区間Ｔ１の張力が第２テンション区間Ｔ２に伝搬する。これによって、第２テンション区間Ｔ２にとって、第１テンション区間Ｔ１というプレテンション区間が設けられることになり、第２テンション区間Ｔ２での張力補正のための制御量ｕを小さく抑えることができる。制御量が小さいということは、帯状部材５ｒの伸縮が小さいということであり、接合ローラ１５２の加圧点ＰＰでの帯状部材５ｒの位置ずれを防止することができる。

従来からのウェブハンドリング設備の搬送制御は、テンション区間で区切られた範囲で張力を一定にする考え方で制御を行っている。テンション区間はニップローラによって区切られた区間であり、張力はテンション区間内に納められる。張力を一定にするため、一般的にはダンサと呼ばれるローラを用いる。

図４は、ダンサの働きを示す説明図である。図示するように、第１から第３までの駆動ローラＡ１、Ａ２、Ａ３によって帯状部材Ａ４を搬送する場合に、第１駆動ローラＡ１と第２駆動ローラＡ２との間の搬送路の上方にダンサＡ５を設けるようにする。ダンサＡ５は、第１駆動ローラＡ１と第２駆動ローラＡ２との間の帯状部材Ａ４を一定の圧力で押す。これによって、第２駆動ローラＡ２と第３駆動ローラＡ３との区間内における帯状部材Ａ４に一定の張力を付与することができる。しかしながら、ダンサＡ５を用いた従来の技術では、ダンサＡ５の押圧部Ａ６が上下に動くために、結局は、第３駆動ローラＡ３の位置で帯状部材Ａ４の位置ずれが生じた。

図５は、ダンサを用いずに接合装置を構成した従来技術の問題点を示す説明図である。ダンサを用いずに接合装置を構成しようとすると、第１から第３までの駆動ローラＢ１、Ｂ２、Ｂ３によって搬送される帯状部材Ｂ４が弾性体の場合には、第２駆動ローラＢ２と第３駆動ローラＢ３との間の区間において張力が変動すると、帯状部材Ｂ４は伸縮する。このため、第３駆動ローラＢ３の位置（加圧点Ｂ５）で帯状部材Ｂ４の位置ずれが生じた。したがって、第３駆動ローラＢ３の位置において、帯状部材Ｂ４に対する接合部材Ｂ６の位置がずれる問題があった。

これらの従来技術に対して、第１実施形態の接合装置１００によれば、前述したように、接合ローラ１５２の加圧点ＰＰでの帯状部材５ｒの位置ずれを防止することができる。したがって、第１実施形態の接合装置１００は、帯状部材５ｒに対するガス拡散層７の接合位置のずれを抑制することができるという効果を奏する。

Ｂ．第２実施形態：
図６は、本発明の第２実施形態としての接合装置１００Ｘの概略構成を示す説明図である。接合装置１００Ｘは、第１実施形態における接合装置１００と比べて、第１駆動ローラ制御部１１４Ｘの構成が異なる。第２実施形態における接合装置１００Ｘのその他の構成は、第１実施形態における接合装置１００の構成と同一であるので、同一の構成要素については、図６において、図１と同一の符合を付し、その説明を省略する。

第１実施形態における第１駆動ローラ制御部１１４が備えるドロー比設定部３１０（図１）は、一定値であるドロー比Ｋを出力する構成であったが、これに対して、第２実施形態における第１駆動ローラ制御部１１４Ｘが備えるドロー比設定部３１０Ｘは、ＰＩＤ制御部２２０の出力信号である制御量ｕを入力し、制御量ｕに基づいて可変させたドロー比Ｋ２を出力する。第２実施形態では、ドロー比の符号を「Ｋ２」とした。ドロー比Ｋ２は、第１実施形態と同様に、乗算部３２０に送られる。

ドロー比設定部３１０Ｘにおいて、制御量ｕに基づいてドロー比Ｋ２を可変させる演算は、次の考えに則ったものである。先に説明したように、第１テンション区間Ｔ１の張力は第２テンション区間Ｔ２に伝搬される。そのため、第１テンション区間Ｔ１の張力付与が大き過ぎる場合には、制御量ｕは負側に大きくなり、第１テンション区間Ｔ１の張力付与が小さ過ぎる場合には、制御量ｕは正側に大きくなる。このことから、制御量ｕが小さいときが第１テンション区間Ｔ１の張力付与が適正となり、ドロー比が最適な値だと考えられる。このことを考慮して、次式（１）により、制御量ｕに応じたドロー比Ｋ２を求めるようにした。

ただし、Ｋｏ、Ｋｐは各所定値である。式（１）で求められるＫ２には、下限値と上限値が予め定められており、下限値から上限値までの範囲で変化し得るものとしている。このため、Ｋｐは下限値および上限値を考慮した所定値となっている。一方、Ｋｏは、予め実験的にあるいはシミュレーションにより求めたものであり、例えば、第１実施形態においてドロー比Ｋとして定めた所定値である。

したがって、式（１）の演算を行うドロー比設定部３１０Ｘを備える第１駆動ローラ制御部１１４Ｘによれば、制御量ｕにより適正に可変されたドロー比Ｋ２を用いて、第２駆動ローラ１２１の回転速度に基づく第１駆動ローラ１１１の回転速度が求められることになる。この結果、第２実施形態の接合装置１００Ｘによれば、第１実施形態の接合装置１００と同様に、帯状部材５ｒに対するガス拡散層７の接合位置のずれを抑制することができる。特に、この第２実施形態では、制御量ｕが小さくなるようにドロー比も可変されることから、帯状部材５ｒに対するガス拡散層７の接合位置のずれを、安定性および応答性よく抑制することができる。

Ｃ．第３実施形態：
本発明の第３実施形態としての接合装置について次に説明する。第３実施形態の接合装置は、第２実施形態の接合装置１００Ｘと比べて、第１駆動ローラ制御部に備えられるドロー比設定部の構成が異なる。第３実施形態における接合装置のその他の構成は、第２実施形態における接合装置１００Ｘの構成と同一であり、その説明を省略する。

第２実施形態のドロー比設定部３１０Ｘは、前述した式（１）に従う演算処理を行う構成であったが、これに対して、第３実施形態のドロー比設定部は、次式（２）に従う演算処理を行なう。第３実施形態では、求めるドロー比の符号を「Ｋ３」とした。

ただし、Ｋｏ、Ｋｐ、Ｋｉは各所定値である。Ｋｏ、Ｋｐは第２実施形態における式（１）と同一である。ｖは搬送速度である。式（２）によれば、制御量ｕの移動平均をとることで求められるドロー比Ｋ３の平滑化を図ることができる。

図７は、帯状部材５ｒの搬送距離に応じた張力センサ１２５の検出値の変化を示すグラフである。図中における１点鎖線で囲った範囲ＡＲ１は、枚葉のガス拡散層７が加圧点ＰＰへ投入されたときであり、パルスのように波形が大きく変化する。図中における２点鎖線で囲った範囲ＡＲ２は、枚葉のガス拡散層７が加圧点ＰＰを通過した（外れた）ときであり、範囲ＡＲ１の波形変化よりは小さいがパルス状の波形変化がある。図中におけるＴｚは、枚葉のガス拡散層７の投入間隔である。

張力センサ１２５の検出値が大きく変動すると、ＰＩＤ制御部２２０の出力信号である制御量ｕも大きく変動するが、第３実施形態のドロー比設定部においては、前述したように制御量ｕの移動平均をとってドロー比Ｋ３を求めていることから、ドロー比Ｋ３を滑らかに変化させることができる。この結果、枚葉のガス拡散層７を投入する際等において帯状部材５ｒの張力にパルスのような外乱が発生した場合にも、第２駆動ローラ１２１と接合ローラ１５２との間の第２テンション区間Ｔ２における帯状部材５ｒの張力の変動を抑えることができる。したがって、第３実施形態の接合装置によれば、帯状部材５ｒに対するガス拡散層７の接合位置のずれをより一層、抑制することができる。

Ｄ．変形例：
・変形例１：
第１実施形態におけるドロー比Ｋとしての所定値、第２実施形態における式（１）における所定値Ｋ０、第３実施形態における式（２）における所定値Ｋ０は、予め実験的にあるいはシミュレーションにより求めたものであるが、次の手法によってドロー比をチューニングして求める構成としてもよい。まず、実験的に、第１実施形態（第２実施形態あるいは第３実施形態でも可）において、フィードバックゲインを０にして制御量ｕを０とし、ドロー比Ｋのみを順に変化させて、経過時間に応じた第１テンション区間Ｔ１における帯状部材５ｒにかかる張力の変化を測定する。

図８は、ドロー比Ｋのみを順に変化させたときの経過時間に応じた第１テンション区間Ｔ１の張力変化を示すグラフである。第１駆動ローラ１１１が第２駆動ローラ１２１に対して早いときには、グラフ中の２点鎖線に示すように、帯状部材５ｒにかかる張力は小さくなり、第１テンション区間Ｔ１における帯状部材５ｒはたるんだ状態となる。一方、第１駆動ローラ１１１が第２駆動ローラ１２１に対して遅いときには、グラフ中の１点鎖線に示すように、帯状部材５ｒにかかる張力は大きくなり、第１テンション区間Ｔ１における帯状部材５ｒは張った状態となり、破断する虞があった。そこで、グラフ中の実線に示すように、２点鎖線と１点鎖線の中間あたりで上下変動を繰り返すときのドロー比Ｋの値を、第１実施形態におけるドロー比Ｋとしての所定値、第３実施形態における所定値Ｋ０、第２実施形態における所定値Ｋ０と定める。以上のようにドロー比の所定値Ｋ０を定めることで、最適なドロー比を安定性および応答性よく設定することができる。

・変形例２：
前記各実施形態や前記変形例１の接合装置は燃料電池の製造工程において用いられており、燃料電池用の膜電極接合体５が弾性体である帯状部材５ｒに対してガス拡散層７を接合していた。しかし、各実施形態や変形例１の接合装置は、燃料電池の製造工程において用いられなくても良い。各実施形態の接合装置は、帯状部材５ｒに換えて、他の弾性体である帯状部材を搬送し、当該帯状部材に対して、ガス拡散層７以外の接合部材を接合しても良い。

・変形例３：
前記各実施形態および各変形例では、燃料電池として固体高分子型燃料電池を採用したが、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物形燃料電池等、種々の燃料電池に本発明を適用してもよい。

本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、前述した実施形態および各変形例における構成要素の中の、独立請求項で記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。

１…電解質膜
２…第１の触媒電極層
３…第２の触媒電極層
５…膜電極接合体
５Ｇ…拡散層付き膜電極接合体
５ｒ…帯状部材
６…合紙
７…ガス拡散層
１００、１００Ｘ…接合装置
１１０…合紙剥離部
１１１…第１駆動ローラ
１１２…加圧ローラ
１１３…合紙搬送ローラ
１１４、１１４Ｘ…第１駆動ローラ制御部
１２０…張力調整部
１２１…第２駆動ローラ
１２２…加圧ローラ
１２５…張力センサ
１２５ｒ…回転ローラ
１２６…第２駆動ローラ制御部
１３０…触媒層センサ
１４０…ガス拡散層搬送部
１４１…トランスファ
１４２…駆動モータ
１４３…駆動シャフト
１５０…接合部
１５２…接合ローラ（第３駆動ローラ）
１７０…ＥＣＵ
２１０…減算部
２２０…ＰＩＤ制御部
２３０…加算部
３１０、３１０Ｘ…ドロー比設定部
３２０…乗算部
Ｄ…偏差
ｕ…制御量
Ｋ、Ｋ２，Ｋ３…ドロー比
Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３…回転速度指令値
Ｔ１…第１テンション区間
Ｔ２…第２テンション区間
ＰＰ…加圧点
ＤＰ…検出点
Ｔｒ…張力
Ｔｔ…目標張力

Claims (6)

1. 弾性体である帯状部材を搬送路に沿って搬送し、所定の接合位置で前記帯状部材に対して接合部材を接合する接合装置であって、
   前記搬送路に設けられる第１の駆動ローラと、
   前記搬送路における前記第１の駆動ローラよりも下流側に配置される第２の駆動ローラと、
   前記搬送路における前記第２の駆動ローラよりも下流側における前記接合位置に配置される第３の駆動ローラと、
   前記搬送路における前記第２の駆動ローラと前記第３の駆動ローラとの間に設けられ、前記帯状部材にかかる張力を検出する張力センサと、
   前記張力センサによって検出された張力を目標張力に一致させるように、前記検出された張力と目標張力との偏差に応じた制御量を前記第２の駆動ローラの回転速度にフィードバックすることによって、前記第２の駆動ローラの回転速度を制御する第２駆動ローラ制御部と、
   前記第２駆動ローラ制御部によって定まる前記第２の駆動ローラの回転速度と、前記第１の駆動ローラと前記第２の駆動ローラとの間の回転速度比とに基づいて、前記第１の駆動ローラの回転速度を制御する第１駆動ローラ制御部と、
   を備える、接合装置。
2. 請求項１に記載の接合装置であって、
   前記第１駆動ローラ制御部は、
   前記回転速度比を、前記フィードバック制御による制御量に基づいて定める、接合装置。
3. 請求項２に記載の接合装置であって、
   前記第１駆動ローラ制御部は、
   前記制御量の移動平均を求め、前記移動平均の値に基づいて前記回転速度比を定める、接合装置。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の接合装置であって、
   前記第１の駆動ローラは、並列に配置される加圧ローラと対になって前記帯状部材を挟み込み、
   前記第２の駆動ローラは、並列に配置される加圧ローラと対になって前記帯状部材を挟み込み、
   前記第３の駆動ローラは、一対となって前記接合のための接合ローラとして機能する、接合装置。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の接合装置であって、
   前記帯状部材は、燃料電池用の膜電極接合体であり、
   前記接合部材は、燃料電池用のガス拡散層である、接合装置。
6. 弾性体である帯状部材を搬送路に沿って搬送し、所定の接合位置で前記帯状部材に対して接合部材を接合する接合方法であって、
   前記搬送路に設けられる第１の駆動ローラ、前記第１の駆動ローラよりも下流側に配置される第２の駆動ローラ、および前記第２の駆動ローラよりも下流側における前記接合位置に配置される第３の駆動ローラによって、前記帯状部材を搬送し、
   前記搬送路における前記第２の駆動ローラと前記第３の駆動ローラとの間の所定位置において、前記帯状部材にかかる張力を検出し、
   前記検出された張力を目標張力に一致させるように、前記検出された張力と目標張力との偏差に応じた制御量を前記第２の駆動ローラの回転速度にフィードバックすることによって、前記第２の駆動ローラの回転速度を制御し、
   前記制御によって定まる前記第２の駆動ローラの回転速度と、前記第１の駆動ローラと前記第２の駆動ローラとの間の回転速度比とに基づいて、前記第１の駆動ローラの回転速度を制御する、接合方法。

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