JP2016195052A - ガス拡散層付き膜電極接合体の製造方法およびその製造装置 - Google Patents

ガス拡散層付き膜電極接合体の製造方法およびその製造装置 Download PDF

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【課題】生産性の向上をもたらし得る膜−電極−ガス拡散層アッセンブリー(MEGA)の製造手法を提供する。【解決手段】裁断機構部200を構成するシート固定用ジグ210に積層体シート10を搬送ユニット170にて搬送して裁断してガス拡散層付きMEGAを得るに当たり、まず、搬送ユニット170に搬送ゾーンにて吸着済みの積層体シート10においてカソード側電極触媒層26が占める占有位置を測定する(ステップS110)。その後、占有位置の測定結果に基づいた下段側裁断刃227と上段側裁断刃232の両裁断刃の位置調整(ステップS120B)と、裁断ゾーンまでの搬送ユニット170による積層体シート10の搬送(ステップS120A)とを、同時並行的に行う。【選択図】図10

Description

本発明は、燃料電池用のガス拡散層付き膜電極接合体を製造する技術に関する。
一般に、燃料電池用の膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly/MEA)の製造の際には、まず、電解質膜に触媒層およびガス拡散層(Gas Diffusion Layer/GDL)を積層形成し、膜−電極−ガス拡散層アッセンブリー(MEGA:Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly)とする。その上で、得られたMEGAを裁断機に搬送して裁断することで、矩形状のMEGAを製造する手法が提案されている(例えば、特許文献1)。
特開2014−191906号公報
この製造手法では、裁断機に搬入されたMEGAのカメラ等による裁断位置測定と、その結果に応じた裁断機位置調整と、位置調整後の裁断機による裁断とを、MEGAが裁断ゾーンに位置している間に、順次実行している。裁断位置測定と裁断機位置調整は、裁断されたMEGAの矩形の外郭形状に対するガス拡散層や触媒層の位置精度を高める上で不可欠であるものの、生産性の向上の余地が有り得る。こうしたことを踏まえ、本願は、生産性の向上をもたらし得る膜−電極−ガス拡散層アッセンブリー(MEGA)の製造手法を提供することを課題とする。
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)本発明の一形態によれば、ガス拡散層付き膜電極接合体を、電解質膜の両面に電極触媒層が形成された膜電極接合体の一方の面にガス拡散層が積層された積層体シートから製造する製造方法が提供される。このガス拡散層付き膜電極接合体の製造方法は、前記積層体シートを搬送ゾーンの搬送ユニットに吸着し、該吸着した前記積層体シートにおいて前記電極触媒層が占める占有位置を測定する工程(a)と、前記積層体シートを前記搬送ユニットで吸着したまま裁断ゾーンに搬送しながら、前記占有位置に基づいて前記裁断ゾーンの裁断刃の位置を調整する工程(b)と、前記搬送ユニットにより前記裁断ゾーンまで搬送された前記積層体シートを前記裁断ゾーンのシート固定用ジグに受け渡した後に、前記搬送ユニットを前記裁断ゾーンから前記搬送ゾーンに復帰させる工程(c)と、前記シート固定用ジグに受け渡し済みの前記積層体シートを、前記位置の調整済みの前記裁断刃で裁断する工程(d)とを備える。
この形態のガス拡散層付き膜電極接合体の製造方法は、電極触媒層が占める占有位置の測定結果に基づいた裁断刃の位置調整と、裁断ゾーンまでの積層体シートの搬送とを、同時並行的にして行うので、次の利点がある。
ガス拡散層付き膜電極接合体を裁断ゾーンでの積層体シートの裁断を経て得るには、積層体シートの裁断ゾーンへの搬送ごとに、占有位置の測定、その測定結果に基づいた裁断刃の位置調整、および位置調整後の裁断刃による裁断がなされ、搬送インターバルは、生産性を律速する。仮に、占有位置の測定とその測定結果に基づいた裁断刃の位置調整と位置調整後の裁断刃による裁断とが、この順にシーケンシャルに実行されたとすると、搬送インターバルは、最短で、占有位置の測定時間と裁断刃の位置調整時間と裁断刃による裁断時間の総和となる。これに対し、上記の形態のガス拡散層付き膜電極接合体の製造方法によれば、裁断刃の位置調整を裁断ゾーンまでの積層体シート搬送と同時並行的に行う分だけ搬送インターバルを短縮でき、生産性が高まる。
(2)上記形態のガス拡散層付き膜電極接合体の製造方法において、前記工程(c)では、前記シート固定用ジグへの前記積層体シートの受け渡しに際し、前記搬送ユニットにより前記搬送された前記積層体シートを前記シート固定用ジグで吸着し、該吸着の後に、前記搬送ユニットの前記積層体シートの吸着を解除するようにしてもよい。こうすれば、裁断ゾーンまで搬送ユニットに吸着したまま搬送された積層体シートを、裁断ゾーンにて、シート固定用ジグに吸着させ、その後に、搬送ユニットでの吸着を解除して、積層体シートをシート固定用ジグに受け渡す。よって、搬送ユニットからシート固定用ジグへのシート受け渡しに当たり、積層体シートを無負荷の状態にしないので、裁断ゾーンへの搬送前に搬送ゾーンで測定した占有位置の測定結果が裁断ゾーンでも精度よく再現される。よって、この形態のガス拡散層付き膜電極接合体の製造方法によれば、裁断後のガス拡散層付き膜電極接合体の形状精度を維持、もしくは高めることができる。
(3)上記形態のガス拡散層付き膜電極接合体の製造方法において、前記搬送ユニットは、中空の筒状体をくし歯状に並べて備え、それぞれの前記筒状体に設けた孔からの吸引により前記工程(a)において前記積層体シートを吸着し、前記吸引を停止することで前記工程(c)において前記積層体シートの吸着を解除し、前記シート固定用ジグは、前記搬送ユニットの前記筒状体が前記積層体シートの前記搬送の方向に沿って挿入可能とされ、前記筒状体と干渉しない部位に設けた孔からの吸引により前記工程(c)において前記積層体シートを吸着して、前記積層体シートの前記搬送ユニットからの受け渡しを受けるようにしてもよい。こうすれば、裁断ゾーンまで搬送ユニットの筒状体に吸着したまま搬送された積層体シートを、位置ズレを起こすことなくシート固定用ジグに吸引吸着できるので、裁断ゾーンへの搬送前に搬送ゾーンで測定した占有位置の測定結果が裁断ゾーンでもより高い精度で再現される。よって、この形態のガス拡散層付き膜電極接合体の製造方法によれば、裁断後のガス拡散層付き膜電極接合体の形状精度をより高めることができる。
(4)上記形態のガス拡散層付き膜電極接合体の製造方法において、前記シート固定用ジグは、中空の凸条を複数筋並べた凹凸形状とされ、前記凸条の間の凹部に前記搬送ユニットの前記筒状体が前記積層体シートの前記搬送の方向に沿って挿入可能とされ、それぞれの前記凸条に設けた孔からの吸引により前記工程(c)において前記積層体シートを吸着するようにしてもよい。こうすれば、裁断ゾーンまで搬送ユニットの筒状体に吸着したまま搬送された積層体シートは、搬送ユニットの筒状体と並んだ凸条に吸着されるので、シート受け渡しの際の位置ズレがより起き難くなるので、裁断ゾーンへの搬送前に搬送ゾーンで測定した占有位置の測定結果の再現性も高まり、裁断後のガス拡散層付き膜電極接合体の形状精度の向上により有益となる。
(5)本発明の他の形態によれば、ガス拡散層付き膜電極接合体を、電解質膜の両面に電極触媒層が形成された膜電極接合体の一方の面にガス拡散層が積層された積層体シートから製造する製造装置が提供される。このガス拡散層付き膜電極接合体の製造装置は、搬送ゾーンと裁断ゾーンとの間を往復動可能とされ、前記積層体シートの吸着と吸着解除が可能な搬送ユニットと、前記積層体シートが前記搬送ゾーンで前記搬送ユニットに吸着された状態で、前記積層体シートにおいて前記電極触媒層が占める占有位置を測定する位置測定部と、前記裁断ゾーンに配設され、前記搬送ユニットにより前記裁断ゾーンに運ばれた前記積層体シートの吸着と吸着解除が可能なシート固定用ジグと、該シート固定用ジグで吸着された状態の前記積層体シートを、前記裁断ゾーンで裁断する裁断刃と、前記搬送ユニットの往復動と前記積層体シートの吸着と吸着解除、並びに前記シート固定用ジグの前記積層体シートの吸着と吸着解除、および前記裁断刃の位置調整と前記裁断刃による積層体シート裁断を実行制御する制御部とを備える。そして、この制御部は、前記積層体シートを吸着したままの前記搬送ユニットを往動させて前記積層体シートを前記裁断ゾーンに搬送しながら、前記占有位置に基づいて前記裁断刃の位置を調整し、前記搬送ユニットにより前記裁断ゾーンに運ばれた前記積層体シートを前記シート固定用ジグに吸着し、該吸着の後に、前記搬送ユニットの前記積層体シートの吸着を解除して前記搬送ユニットを前記搬送ゾーンに復動させ、前記シート固定用ジグに吸着済みの前記積層体シートを前記位置の調整済みの前記裁断刃で裁断する。この形態のガス拡散層付き膜電極接合体の製造装置によれば、上記形態の製造方法と同様、搬送インターバルの短縮化により生産性の向上を可能とする。
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、ガス拡散層付き膜電極接合体を有する燃料電池の製造方法や製造装置などの形態で実現することができる。
実施形態としてのガス拡散層付き膜電極接合体の製造に用いられる積層体シート10を示す説明図である。 裁断工程の概容を示す説明図である。 裁断工程に用いられる裁断システム100の概略構成を示す説明図である。 搬送ゾーン102に含まれる裁断搬送機構160の概略構成を搬送ユニット170を中心に示す説明図である。 搬送ゾーン102に含まれる位置測定機構150の概略構成を示す説明図である。 裁断ゾーン103に含まれる裁断機構部200の概略構成を原点位置にある搬送ユニット170と共に示す説明図である。 裁断機構部200の概略構成を搬送終点位置に達した搬送ユニット170と共に示す説明図である。 裁断機構部200を構成するシート固定用ジグ210の概略構成を搬送ユニット170との関係を含めて示す説明図である。 裁断機構部200を構成する裁断刃の配設状況と積層体シート10の搬送と裁断および裁断後のMEAの取り出しの様子を概略的に示す説明図である。 制御装置300によって実行される裁断処理ルーチンを示すフローチャートである。 シート固定用ジグ210の変形例を示す説明図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面に基づき説明する。図1は実施形態としてのガス拡散層付き膜電極接合体の製造に用いられる積層体シート10を示す説明図である。図1(a)に積層体シート10の平面図を示し、図1(b)に図1(a)におけるA−A線に沿った断面図を示し、図1(c)に積層体シート10の底面図を示す。これら図に示すように、積層体シート10は、長尺状の矩形である電解質膜22を含む積層体であり、燃料電池を製造する際の材料として準備される。電解質膜22の一方側の面には、電解質膜22と同一形状および同一サイズの電極触媒層24が設けられている。この電極触媒層24は、燃料電池として構成された時に、アノード側電極触媒層となる。以下、電極触媒層24をアノード側電極触媒層24と呼ぶ。電解質膜22の他方側の面における周辺部を除く領域には、矩形のカソード側電極触媒層となる電極触媒層(以下、「カソード側電極触媒層」と呼ぶ)26が複数、設けられている。つまり、この積層体シート10は、電解質膜22の両面たる上下面にアノード側電極触媒層24とカソード側電極触媒層26が形成された膜電極接合体の一方の面にアノード側ガス拡散層30を積層して備える形態とされている。なお、複数のカソード側電極触媒層26は、電解質膜22の長尺方向に等間隔で配列されている。アノード側電極触媒層24と電解質膜22とカソード側電極触媒層26とから構成される積層体は、膜電極接合体であり、以下の説明では、膜電極接合体20或いはMEA20と称する。
電解質膜22は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。本実施形態では、デュポン社製ナフィオン(商標名)を使用した。
アノード側電極触媒層24およびカソード側電極触媒層26は、触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金を有する層であり、アノード(水素極)とカソード(酸素極)の役割を果たす。また、アノード側電極触媒層24およびカソード側電極触媒層26は、触媒金属を担持したカーボンブラックや、ナフィオン等の電解質等を溶媒に分散させたいわゆる触媒インクを、電解質膜22の両面にそれぞれ塗布して、乾燥させることによって形成される。
MEA20におけるアノード側電極触媒層24側の面には、アノード側ガス拡散層30が等ピッチで複数、設けられている。各アノード側ガス拡散層30は、矩形であり、アノード側電極触媒層24の面における周辺部を除く領域に、電解質膜22の長尺方向に等間隔で配置されている。なお、アノード側ガス拡散層30におけるアノード側電極触媒層24側の面には、常温での接合が可能な接着性MPL(MPL:Micro Porous Layer)が塗られている。
アノード側ガス拡散層30の表面積はカソード側電極触媒層26の表面積より大きく、積層方向(図1(b)のZ方向)からの平面視において、アノード側ガス拡散層30の周縁の内側にカソード側電極触媒層26の周縁が位置する。アノード側ガス拡散層30をアノード側ガス拡散層30よりも大きくすることで、アノード側ガス拡散層30に塗ったMPLが剥がれてチリが発生するのを防ぐごとができる。
積層体シート10はMEA20にアノード側ガス拡散層30を積層したもので、この積層体シート10をワークとして定型に裁断する裁断工程を、本実施形態のガス拡散層付き膜電極接合体の製造方法は含む。図2は裁断工程の概容を示す説明図である。図示するように、積層体シート10から図中ハッチングで示した領域CAを、裁断刃にて打ち抜くことにより、積層体シート10を定型に裁断している。領域CAは、矩形で、カソード側電極触媒層26よりも大きく、かつアノード側ガス拡散層30よりも小さい領域である。裁断工程終了後の積層体シート10、すなわち、打ち抜かれた半製品10CTは、ガス拡散層付き膜電極接合体となり、続く工程において、半製品10CTのカソード側電極触媒層26の側にカソード側ガス拡散層が積層されることで、膜−電極−ガス拡散層アセンブリ(MEGA)が完成する。
図3は裁断工程に用いられる裁断システム100の概略構成を示す説明図である。裁断システム100は、上流側から、搬入ゾーン101と、搬送ゾーン102と、裁断ゾーン103と、巻取ゾーン104とに分けられる。裁断システム100は、搬入ゾーン101に、図示しない積層体シート巻取ローラーから積層体シート10を送り込むローラー機器群(図視略)と、アキューム部108と、搬入機構部110とを備える。裁断システム100は、搬送ゾーン102に、位置測定機構150と、裁断搬送機構160とを備え、裁断ゾーン103には裁断機構部200を、巻取ゾーン104には搬出巻取部120を備える。この他、裁断システム100は、制御装置300を備え、制御装置300は、スイッチやセンサーの入力に加え、位置測定機構150を構成するカメラの入力を受けて、後述の各種ローラーや制御対象の機器を駆動制御する。以下、各ゾーンに含まれる機器構成と、裁断システム100による半製品10CT(ガス拡散層付き膜電極接合体)の製造手順について、まず、機器構成から説明する。
搬入ゾーン101では、図示しないローラー機器群にて積層体シート10が積層体シート巻取ローラーから搬送ゾーン102に連続的に送り込まれるものの、積層体シート10は、アキューム部108による搬送ピッチ分の余剰が確保された状態で、搬入機構部110に送り込まれる。搬入機構部110は、側面ガイド部112と対向ローラー対114とを備え、上流側から送られてきた積層体シート10を搬送ゾーン102に搬入する。積層体シート10は、カソード側電極触媒層26が露出している側の面を上にして配置されている。搬入機構部110は、対向ローラー対114によってニップ圧の調整を行い、積層体シート10を搬送ゾーン102に送り出す。
側面ガイド部112は、積層体シート10の面方向に垂直な方向を回転軸方向とする複数のローラー対112aを備えている、各ローラー対112aは、積層体シート10を幅方向から挟むもので、積層体シート10の幅方向の位置ずれを矯正する。
搬送ゾーン102では、搬入ゾーン101から送り出された積層体シート10が、後述の裁断搬送機構160に含まれる搬送ユニット170に受け取られ、この搬送ユニット170は、積層体シート10をアノード側ガス拡散層30の側から下支えして吸着する。位置測定機構150は、搬送ユニット170に吸着した積層体シート10においてカソード側電極触媒層26が占める占有位置を、後述するように測定する。占有位置測定後、裁断搬送機構160は、積層体シート10を搬送ユニット170で吸着したまま巻取ゾーン104に搬送する。この際の搬送は、後述の搬出巻取部120による所定のピッチ単位の積層体シート10の巻き取りと協同して、積層体シート10を所定のピッチ単位でなされる。所定のピッチ単位(搬送ピッチ)は、積層体シート10におけるカソード側電極触媒層26の配列の周期間隔T(図1(a)参照)に一致する距離である。これによって、積層体シート10は、周期間隔Tだけ搬送され、その後、半製品10CTの裁断形成に必要な時間に亘って一旦停止され、再度、周期間隔Tだけ搬送されることが繰り返される。なお、搬入機構部110による積層体シート10の送り出しも、このピッチ単位の搬送に追従してなされ、積層体シート10は、アキューム部108において、ピッチ単位の搬送に適合したシート余剰分が湾曲する。
裁断ゾーン103では、搬送ユニット170により搬送された積層体シート10が、後述の裁断機構部200に含まれるシート固定用ジグ210に受け渡され、このシート固定用ジグ210は、積層体シート10をアノード側ガス拡散層30の側から下支えして吸着する。裁断機構部200は、シート固定用ジグ210に吸着した積層体シート10を、後述のタイミングで下段側裁断刃227と上段側裁断刃232にて裁断して、図2に示す半製品10CTを裁断形成する。
巻取ゾーン104では、半製品10CTの除去済み積層体シート10が搬出巻取部120のフィルム巻取回収ローラー136に巻取回収される。搬出巻取部120は、積層体シート10のテンションを測定するテンションローラー132と、ニップ圧が調整可能な対向ローラー対134と、フィルム巻取回収ローラー136とを備える。テンションローラー132によって測定されたシートテンションは、制御装置300に送られる。制御装置300は、そのシートテンションに基づいて、搬入機構部110における対向ローラー対114と、搬出巻取部120における対向ローラー対134とのニップ圧を調整する。これにより、積層体シート10は、両対向ローラー対114、134によって適切な張力を受けて保持される。フィルム巻取回収ローラー136は、所定のピッチ単位で積層体シート10を巻き取る。
図4は搬送ゾーン102に含まれる裁断搬送機構160の概略構成を搬送ユニット170を中心に示す説明図である。図示するように、裁断搬送機構160は、搬送ユニット170の他、エアーポンプ162と、シリンダー機構166とを備える。搬送ユニット170は、中空の筒状体172をくし歯状に並べて基部173から延ばして備え、それぞれの筒状体172の上面に、複数の吸引孔174を備える。基部173は、筒状体172との連結箇所から基部後端173eに掛けて中空とされ、エアーポンプ162とフレキシブル配管163にて接続されている。エアーポンプ162は、後述の制御装置300の制御を受けてエアーの吸引と、吸引停止並びにエアー開放を実行する。よって、搬送ユニット170は、エアーポンプ162によるエアー吸引を経て、それぞれの吸引孔174からの吸引により、積層体シート10を吸着し、エアーポンプ162によるエアー吸引停止と基部173の中空部のエアー開放により、吸引孔174からの吸引を停止して、積層体シート10の吸着を解除する。
シリンダー機構166は、搬送ユニット170の基部173と連結され、搬送ユニット170を、搬送ゾーン102における原点位置と巻取ゾーン104における搬送終点位置との間を往復動させる。この原点位置は、搬送ゾーン102において、搬送ユニット170が積層体シート10を吸着する位置であり、既述したピッチ単位での積層体シート10の搬送の原点位置でもある。搬送終点位置は、後述の裁断機構部200のシート固定用ジグ210に積層体シート10を受け渡す位置であり、積層体シート10の裁断位置でもある。原点位置と搬送終点位置との間において、搬送ユニット170は、図示しない案内レールにて往復動自在に保持されている。なお、原点位置と搬送終点位置との間の搬送ユニット170の往復動を、ボールネジとステッピングモーターおよび案内レールとを用いた送り機構にて行うようにしてもよい。
図5は搬送ゾーン102に含まれる位置測定機構150の概略構成を示す説明図である。図示するように、位置測定機構150は、4台のカメラ261〜264を備える。これらカメラ261〜264は、図5(a)では平面視して示され、図5(b)では、図5(a)におけるB方向からの矢視として示されている。カメラ261〜264は、固体撮像素子(CCD/Charge Coupled Device)を用いて構成され、搬送ゾーン102に搬入されて搬送ユニット170に吸着された積層体シート10を撮影する。各カメラ261〜264は、カラー撮影を行う。なお、カラー撮影に換えて、白黒撮影を行うものとしてもよい。各カメラ261〜264は、図示しない連結部材によって搬送ゾーン102の固定架台(図視略)に固定された状態で配設されている。
カメラ261〜264は、積層体シート10の上側に位置し、積層体シート10が備えるカソード側電極触媒層26の四隅に対応づけて配置されている。すなわち、それぞれのカメラ261〜264は、積層体シート10のカソード側電極触媒層26の四隅(四方の角部)のうちの対応する角部26a〜26dが撮像視野Vp1〜Vp4に入るように配設されている。換言すれば、第1のカメラ261は、カソード側電極触媒層26の搬送方向の右前の角部26aが撮像視野Vp1に入るように配設されている。第2のカメラ262は、カソード側電極触媒層26の搬送方向の左前の角部26bが撮像視野Vp2に入るように配設されている。第3のカメラ263は、カソード側電極触媒層26の搬送方向の左後の角部26cが撮像視野Vp3に入るように配設されている。第4のカメラ264は、カソード側電極触媒層26の搬送方向の右後の角部26dが撮像視野Vp4に入るように配設されている。より詳しくは、積層体シート10を吸着済みの搬送ユニット170が既述した原点位置にあるときに、それぞれの撮像視野Vp1〜Vp4の中心に各角部26a〜26dが位置するように、カメラ261〜264の配設位置が設計されている。また、撮像視野Vp1〜Vp4は矩形であるが、その矩形の隣り合う2辺の両方向はx軸方向とy軸方向となっている。カメラ261〜264の撮像画像は、後述の制御装置300に出力され、制御装置300は、各カメラの撮像画像信号から、原点位置にある搬送ユニット170に吸着済みの積層体シート10においてカソード側電極触媒層26が占める占有位置を測定する。なお、対角の2台のカメラによって、原点位置にある搬送ユニット170に吸着済みの積層体シート10においてカソード側電極触媒層26が占める占有位置を測定するようにしてもよい。また、カソード側電極触媒層26の角部以外の箇所を撮像して、原点位置にある搬送ユニット170に吸着済みの積層体シート10においてカソード側電極触媒層26が占める占有位置を測定するようにしてもよい。
次に、裁断ゾーン103について説明する。図6は裁断ゾーン103に含まれる裁断機構部200の概略構成を原点位置にある搬送ユニット170と共に示す説明図であり、図7は裁断機構部200の概略構成を搬送終点位置に達した搬送ユニット170と共に示す説明図であり、図8は裁断機構部200を構成するシート固定用ジグ210の概略構成を搬送ユニット170との関係を含めて示す説明図である。図示するように、裁断機構部200は、下段テーブル220と、上下動案内ブラケット224と、裁断刃テーブル226とを備える。下段テーブル220には、x軸モーター221とy軸モーター222とを駆動源とする図示しないx−yテーブル構造を内蔵している。x軸は積層体シート10の長手方向に沿った方向であり、y軸は積層体シート10の幅方向に沿った方向である。下段テーブル220は、後述の制御装置300の制御を受けたx軸モーター221とy軸モーター222の正逆転駆動により、積層体シート10に対してx軸、y軸の2次元的に移動が可能となる。なお、下段テーブル220に傾斜調整機構を備え付け、搬送ユニット170に吸着済みの積層体シート10の傾きに応じて、下段テーブル220を傾斜させるようにしてもよい。
上下動案内ブラケット224は、下段側裁断刃227が配設される裁断刃テーブル226の上下動を、下段側裁断刃227ごと上下動案内レール225に沿って案内するよう、下段テーブル220に立設されている。裁断刃テーブル226は、上下動案内ブラケット224と相対する側で案内シャフト229で支えられているので、裁断刃テーブル226とこれに配設された下段側裁断刃227は、xy平面に水平な水平姿勢で上下動案内レール225に沿って上下動する。なお、上下動案内ブラケット224は、後述の上段側裁断刃232についても、これを上下動案内レール225に沿って案内する。
シート固定用ジグ210は、ジグシリンダー(図視略)の支柱215にて水平に支えられて上下動可能であって、基部211から上方に突出した中空の凸条212を複数筋並べた凹凸形状とされ、凸条212の間を凹部213とする。シート固定用ジグ210は、それぞれの凸条212の上面に複数の吸引孔214を備える。基部211は、凸条212から連続する中空状とされ、エアーポンプ218とフレキシブル配管219にて接続されている。エアーポンプ218は、後述の制御装置300の制御を受けてエアーの吸引と、吸引停止並びにエアー開放を実行する。よって、シート固定用ジグ210は、エアーポンプ218によるエアー吸引を経て、それぞれの吸引孔214からの吸引により、積層体シート10を吸着し、エアーポンプ218によるエアー吸引停止と基部211の中空部のエアー開放により、吸引孔214からの吸引を停止して、積層体シート10の吸着を解除する。
シート固定用ジグ210は、それぞれの凹部213を、搬送ユニット170の筒状体172が積層体シート10の搬送の方向(x方向)に沿って挿入可能な凹部とする。よって、図7に示すように、搬送ユニット170が搬送終点位置まで往動すると、搬送ユニット170の筒状体172は、シート固定用ジグ210の凸条212と干渉することなく凹部213に入り込んで凸条212と並び、筒状体172と凸条212とはいわゆる面一となる。搬送終点位置までの往動の際、搬送ユニット170は、筒状体172の吸引孔174からの吸引により積層体シート10を吸着していることから、搬送ユニット170に搬送された積層体シート10は、シート固定用ジグ210に受け渡されて、シート固定用ジグ210の凸条212での吸引・吸着に新たに付される。
ここで、搬送ユニット170からシート固定用ジグ210への積層体シート10の受け渡しについて裁断刃構成と共に説明する。図9は裁断機構部200を構成する裁断刃の配設状況と積層体シート10の搬送および裁断後のMEAの取り出しの様子を概略的に示す説明図である。図示するように、裁断機構部200は、下段側裁断刃227と上段側裁断刃232とを、積層体シート10を挟んで上下に対向配置して備え、下段側裁断刃227は、裁断刃テーブル226(図6参照)と共に上下動する。上段側裁断刃232は、図示しない裁断刃テーブルに装着されて、当該テーブルと共に上下動する。下段側裁断刃227は、矩形の枠状をなし、図9に示すように、その外周縁を裁断刃227aとする。上段側裁断刃232は、下段側裁断刃227がその裁断刃227aの外周壁に沿って摺動するよう矩形の枠状をなし、内周壁232aを裁断刃227aの裁断案内面とする。裁断機構部200は、下段側裁断刃227を図示しないシリンダーにより、上段側裁断刃232を図示しないシリンダーにより、それぞれ個別に上下動させる。この上下の裁断刃の上下動により、裁断機構部200は、裁断ゾーン103で停止状態の積層体シート10を矩形形状、即ちMEAの製品形状(製品寸法)に裁断する。この裁断は、前述した図2の裁断に相当する。
下段側裁断刃227と上段側裁断刃232の上下動する領域を、ここでは、裁断ゾーンCzと呼ぶ。この裁断ゾーンCzは、搬送ユニット170の既述した搬送終点位置と一致する。搬入機構部110のシート送り出しおよび搬送ユニット170の積層体シート10の吸着・搬送(往動)により、積層体シート10は所定のピッチ単位で、順次、裁断ゾーンCzに搬送され、裁断機構部200によって裁断される。このシート裁断の際、積層体シート10は、搬送ユニット170に吸着されたまま裁断ゾーンCzに搬送され、シート固定用ジグ210における凸条212にも新たに吸着される。シート固定用ジグ210による吸着が完了すると、搬送ユニット170は、制御装置300の制御を受けて積層体シート10の吸着を解除して、裁断ゾーンCzから搬送ゾーンの原点位置に復帰(復動)する。これにより、搬送ユニット170からシート固定用ジグ210への積層体シート10の受け渡しが完了する。そして、搬送ユニット170が裁断ゾーンCzから離脱すると、裁断機構部200は、下段側裁断刃227と上段側裁断刃232とを上下動させて、この両裁断刃で積層体シート10を裁断する。MEAの裁断後、裁断機構部200は、ローダー250を裁断ゾーンCzに移動させ、裁断後のMEAを装置外に排出する。このローダー250は、上下の裁断刃の間の裁断ゾーンCzに対して進退可能に構成され、その下面にフィルム吸着部を複数備える。そして、このローダー250は、進退駆動とエアーの吸引・放出により、裁断済みのMEAを吸着して裁断ゾーンCzから取り出し、そのMEA、詳しくは、アノード側ガス拡散層30を備えたMEAとしての半製品MEGAを、後段のMEGA作製工程(図視略)に提供する。
制御装置300(図1参照)は、内部にCPU、RAM、ROMを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、図示しない各種スイッチやセンサー、およびカメラ261〜264からの出力を受信し、既述した各ローラーの回転速度を調整制御するほか、搬入機構部110と搬出巻取部120とによる積層体シート10のピッチ単位での搬入搬送や排出搬送、搬送ユニット170による積層体シート10の搬送、搬送ユニット170からシート固定用ジグ210へのシート受け渡し、並びに、裁断機構部200による積層体シート10の裁断を行う。すなわち、制御装置300は、図示するように、機能として実現する要素として、搬送部310、測定部320、調整部330、裁断部340を備え、これらを機能的に働かせることで、積層体シート10の裁断を行う。この裁断を行う裁断処理について、以下に詳述する。
図10は制御装置300によって実行される裁断処理ルーチンを示すフローチャートである。この裁断処理ルーチンは、搬送ユニット170が搬送ゾーンの原点位置にある状態から繰り返し実行され、まず、制御装置300は、エアーポンプ162(図4参照)を吸引駆動して、搬送ユニット170に積層体シート10を吸着させ、搬送ユニット170に吸着済みの積層体シート10においてカソード側電極触媒層26が占める占有位置を測定する(ステップS110)。搬送ユニット170による吸着により、積層体シート10は、搬送方向(x方向)とシート幅方向(y方向)に対して位置が固定され、カソード側電極触媒層26が占める占有位置についても、積層体シート10に対して位置ズレを起こさない。カソード側電極触媒層26が占める占有位置の測定は、位置測定機構150の4台のカメラ261〜264にて行われ、制御装置300は、各カメラがカソード側電極触媒層26の四隅について撮像した撮像画像データに含まれる角部26a〜26dの撮影画像の中心位置から、カソード側電極触媒層26のズレ量を算出し、その結果から占有位置を算出する。なお、この占有位置の算出には、既存の手法、例えば特開2013−64311で提案されたエッジ検出手法を適用してもよい。
制御装置300は、占有位置の算出に続き、搬送ゾーンと裁断ゾーンとで、次の処理を同時並行的に行う。裁断ゾーンでは、制御装置300は、シリンダー機構166(図4参照)を往動駆動して、搬送ユニット170を搬送ゾーンの原点位置から裁断ゾーンの搬送終点位置まで移動させ、積層体シート10を搬送ユニット170に吸着したまま、裁断ゾーンに搬送する(ステップS120A)。一方、裁断ゾーンでは、制御装置300は、裁断機構部200におけるx軸モーター221(図6参照)とy軸モーター222を駆動制御して、下段側裁断刃227(図9参照)と上段側裁断刃232の位置を、ステップS110で測定したカソード側電極触媒層26の占有位置に応じて調整(補正)する(ステップS120B)。つまり、制御装置300は、積層体シート10を搬送ユニット170に吸着したまま裁断ゾーンに搬送しながら、測定済みの占有位置に基づいた裁断ゾーンの裁断刃の位置調整を実行する。カソード側電極触媒層26の占有位置に応じた裁断刃の位置補正は、例えば、原点位置にある搬送ユニット170が吸着した積層体シート10において、カソード側電極触媒層26の4隅がx方向やy方向の一方向、或いは両方向に位置ズレを起こしていたとすると、その位置ズレの分だけ、下段側裁断刃227と上段側裁断刃232の位置をx方向やy方向の一方向、或いは両方向にずらすこと(矯正)でなされる。
ステップS120Aの搬送ユニット170のシート搬送に続き、制御装置300は、裁断ゾーンの搬送終点位置まで到達した搬送ユニット170から裁断機構部200のシート固定用ジグ210へのシート受け渡しを実行する(ステップS130)。なお、ステップS120Bでの裁断刃位置調整は、原点位置から搬送終点位置までの搬送ユニット170の移動(往動)に要する時間より通常は早く終了することから、ステップS130の受け渡し時点では、裁断刃位置調整は完了している。
ステップS130でのシート受け渡しは、シート固定用ジグ210の凹部213に搬送ユニット170の筒状体172が入り込んだ状態(図7,図8下段参照)でなされ、制御装置300は、搬送ユニット170でシート吸着を行ったまま、まず、エアーポンプ218(図6〜7,図8参照)を吸引駆動して、シート固定用ジグ210の凸条212に積層体シート10を吸着する。次いで、この吸着後に、エアーポンプ162の吸引を停止して、搬送ユニット170の積層体シート10の吸着を解除する。この吸着解除に合わせ、制御装置300は、シリンダー機構166を復動駆動して、搬送ユニット170を裁断ゾーンから搬送ゾーンの原点位置に復帰させる。
搬送ユニット170の原点位置復帰により、搬送ユニット170が裁断ゾーンから離脱すると、制御装置300は、上段側裁断刃232を下降し、下段側裁断刃227を上昇して、積層体シート10を図2で既述した通り裁断する(ステップS140)。この結果、ガス拡散層付きMEGAが製造される。
ステップS140の実行後、制御装置300は、エアーポンプ218の吸引を停止して、シート固定用ジグ210の積層体シート10の吸着を解除した後、裁断済みのガス拡散層付きMEGAをローダー250に吸着して裁断ゾーンCz(図9)から取り出す(ステップS150)。これにより、ガス拡散層付きMEGA、詳しくは、アノード側ガス拡散層30を備えたMEAとしての半製品MEGAが得られ、この半製品MEGAは、後段のMEGA作製工程に提供される。ステップS150の実行後、「リターン」に抜けてこの裁断処理ルーチンを一旦終了する。ステップS150の完了以前に、搬送ユニット170は既に搬送ゾーンの原点位置に復帰済みであるが、ステップS110の処理は、ステップS150の完了を待って改めて実行され、こうした一連の処理が繰り返される。
上記した裁断処理ルーチンにおけるステップS110の処理が図3における搬送部310と測定部320に相当し、ステップS120Aの処理が図3における搬送部310に相当し、ステップS120Bの処理が図3における調整部330に相当し、ステップS130からS150までの処理が図3における裁断部340に相当する。
以上説明した本実施形態のガス拡散層付きMEGAの製造方法では、積層体シート10の裁断ゾーンへの搬送ごとに、カソード側電極触媒層26の占有位置の測定、その測定結果に基づいた下段側裁断刃227と上段側裁断刃232の両裁断刃の位置調整、および位置調整後の両裁断刃による裁断を経て、ガス拡散層付きMEGAを得るに当たり、カソード側電極触媒層26が占める占有位置の測定結果に基づいた上記の両裁断刃の位置調整(ステップS120B)と、裁断ゾーンまでの搬送ユニット170による積層体シート10の搬送(ステップS120A)とを、同時並行的に行う。よって、本実施形態のガス拡散層付きMEGAの製造方法によれば、カソード側電極触媒層26の占有位置の測定とその測定結果に基づいた裁断刃の位置調整と位置調整後の裁断刃による裁断とをこの順にシーケンシャルに実行する場合に比べて、搬送インターバルを、裁断刃の位置調整を裁断ゾーンまでの積層体シート搬送と同時並行的に行う分だけ短縮でき、生産性の向上に寄与できる。
本実施形態のガス拡散層付きMEGAの製造方法は、裁断ゾーンまで搬送ユニット170に吸着したまま搬送された積層体シート10を、裁断ゾーンにて、シート固定用ジグ210に吸着させ、その後に、搬送ユニット170での吸着を解除して積層体シート10をシート固定用ジグ210に受け渡す(ステップS130)。よって、搬送ユニット170からシート固定用ジグ210への積層体シート10の受け渡しに当たり、積層体シート10が吸着されていない無負荷の状態にしない。この結果、本実施形態のガス拡散層付きMEGAの製造方法によれば、裁断ゾーンへの搬送前に搬送ゾーンで測定したカソード側電極触媒層26の占有位置の測定結果が裁断ゾーンでも精度よく再現されるので、裁断後のガス拡散層付きMEGAの形状精度を維持、もしくは高めることができる。
本実施形態のガス拡散層付きMEGAの製造方法に用いる搬送ユニット170は、積層体シート10を裁断ゾーンに搬送するに当たり、くし歯状に並べた中空の筒状体172の吸引孔174からの吸引により積層体シート10を筒状体172に吸着し、吸引を停止することで、シート受け渡し時に積層体シート10の吸着を解除する。本実施形態のガス拡散層付きMEGAの製造方法に用いるシート固定用ジグ210は、複数筋並べた中空の凸条212凸条の間の凹部213に搬送ユニット170の筒状体172が積層体シート搬送方向に沿って挿入可能とし、それぞれの凸条212に設けた吸引孔214孔からの吸引により積層体シート10を吸着する。よって、裁断ゾーンまで搬送ユニット170の筒状体172に吸着したまま搬送された積層体シート10を、位置ズレを起こすことなくシート固定用ジグ210の凸条212に吸引吸着できるので、裁断ゾーンへの搬送前に搬送ゾーンで測定した占有位置の測定結果が裁断ゾーンでもより高い精度で再現される。この結果、上記した搬送ユニット170とシート固定用ジグ210とを用いる本実施形態のガス拡散層付きMEGAの製造方法によれば、裁断後のガス拡散層付きMEGAの形状精度をより高めることができる。
本実施形態のガス拡散層付きMEGAの製造方法に用いる搬送ユニット170とシート固定用ジグ210とを、筒状体172が凹部213に挿入された際に、筒状体172と凸条212とが面一となるようにした。よって、搬送ユニット170にて吸着して搬送した積層体シート10のシート固定用ジグ210への受け渡しと、その後のシート固定用ジグ210の積層体シート10の吸着、並びに、その後の搬送ユニット170での吸着解除において、積層体シート10の位置ズレを高い確度で抑制できる。この結果、上記した搬送ユニット170とシート固定用ジグ210とを用いる本実施形態のガス拡散層付きMEGAの製造方法によれば、積層体シート10の位置ズレに起因したガス拡散層付きMEGAの形状精度の低下を抑制できる。
本実施形態の裁断システム100によれば、搬送ユニット170による裁断ゾーンまでの積層体シート10の吸着搬送と、搬送ユニット170に吸着済みの積層体シート10に対して測定したカソード側電極触媒層26の占有位置の測定結果に基づいた裁断刃位置調整とを同時並行的に行うことで、生産性の高いガス拡散層付きMEGAの製造装置を提供できる。
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、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部また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、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
上記の実施形態では、下段側裁断刃227と上段側裁断刃232の両裁断刃の位置調整を行うに当たり、積層体シート10においてカソード側電極触媒層26が占める占有位置を、カソード側電極触媒層26の四隅の角部にて測定したが、これに限らない。例えば、カソード側電極触媒層26がなす矩形形状における短辺や長辺の直線軌跡部位や、この直線軌跡部位と一つ以上の角部にて、占有位置を測定してもよい。
上記の実施形態では、搬送ユニット170とシート固定用ジグ210とを、筒状体172が凹部213に挿入された際に、筒状体172と凸条212とが面一となるようにしたがこれに限らない。例えば、シート固定用ジグ210を、裁断ゾーン103において搬送ユニット170より規定距離だけ低位置に待機させ、搬送ユニット170が搬送終点位置に達した時点で、シート固定用ジグ210を規定距離だけ上昇させて、シート固定用ジグ210でのシート吸着、搬送ユニット170の吸着解除を行って、シート固定用ジグ210へのシート受け渡しを行うようにしてもよい。
上記の実施形態では、シート固定用ジグ210を凸条212と凹部213が交互に並んだ凹凸形状としたが、凸条212を複数列、独立に有するようにしてもよい。図11はシート固定用ジグ210の変形例を示す説明図である。図示するように、この変形例のシート固定用ジグ210は、平板状の底板212bに凸条212を4列並べて備え、各凸条間の間隙を、搬送ユニット170の筒状体172(図6参照)より広くしている。凸条212は、中空の角状パイプを用いて形成され、長手方向両端にて屈曲して底板212bに固定されて、エアーポンプ218(図8参照)と接続されている。この変形例のシート固定用ジグ210は、凹凸形状をなさないものの、搬送ユニット170の筒状体172が、並んだ凸条212の間隙に挿入可能である事から、既述した効果を奏することができる。
10…積層体シート
10CT…半製品
22…電解質膜
24…電極触媒層(アノード側電極触媒層)
26…カソード側電極触媒層
26a〜26d…角部
30…アノード側ガス拡散層
100…裁断システム
101…搬入ゾーン
102…搬送ゾーン
103…裁断ゾーン
104…巻取ゾーン
108…アキューム部
110…搬入機構部
112…側面ガイド部
112a…ローラー対
114…対向ローラー対
120…搬出巻取部
132…テンションローラー
134…対向ローラー対
136…フィルム巻取回収ローラー
150…位置測定機構
160…裁断搬送機構
162…エアーポンプ
163…フレキシブル配管
166…シリンダー機構
170…搬送ユニット
172…筒状体
173…基部
173e…基部後端
174…吸引孔
200…裁断機構部
210…シート固定用ジグ
211…基部
212…凸条
213…凹部
214…吸引孔
215…支柱
218…エアーポンプ
219…フレキシブル配管
220…下段テーブル
221…x軸モーター
222…y軸モーター
224…上下動案内ブラケット
225…上下動案内レール
226…裁断刃テーブル
227…下段側裁断刃
227a…裁断刃
229…案内シャフト
232…上段側裁断刃
232a…内周壁
250…ローダー
261〜264…カメラ
300…制御装置
310…搬送部
320…測定部
330…調整部
340…裁断部
CA…領域
Cz…裁断ゾーン
MEGA…半製品
MPL…接着性
Vp1〜Vp4…撮像視野

Claims (5)

  1. ガス拡散層付き膜電極接合体を、電解質膜の両面に電極触媒層が形成された膜電極接合体の一方の面にガス拡散層が積層された積層体シートから製造する製造方法であって、
    前記積層体シートを搬送ゾーンの搬送ユニットに吸着し、該吸着した前記積層体シートにおいて前記電極触媒層が占める占有位置を測定する工程(a)と、
    前記積層体シートを前記搬送ユニットで吸着したまま裁断ゾーンに搬送しながら、前記占有位置に基づいて前記裁断ゾーンの裁断刃の位置を調整する工程(b)と、
    前記搬送ユニットにより前記裁断ゾーンまで搬送された前記積層体シートを前記裁断ゾーンのシート固定用ジグに受け渡した後に、前記搬送ユニットを前記裁断ゾーンから前記搬送ゾーンに復帰させる工程(c)と、
    前記シート固定用ジグに受け渡し済みの前記積層体シートを、前記位置の調整済みの前記裁断刃で裁断する工程(d)とを備える、ガス拡散層付き膜電極接合体の製造方法。
  2. 請求項1に記載のガス拡散層付き膜電極接合体の製造方法であって、
    前記工程(c)では、前記シート固定用ジグへの前記積層体シートの受け渡しに際し、前記搬送ユニットにより前記搬送された前記積層体シートを前記シート固定用ジグで吸着し、該吸着の後に、前記搬送ユニットの前記積層体シートの吸着を解除する、ガス拡散層付き膜電極接合体の製造方法。
  3. 請求項2に記載のガス拡散層付き膜電極接合体の製造方法であって、
    前記搬送ユニットは、中空の筒状体をくし歯状に並べて備え、それぞれの前記筒状体に設けた孔からの吸引により前記工程(a)において前記積層体シートを吸着し、前記吸引を停止することで前記工程(c)において前記積層体シートの吸着を解除し、
    前記シート固定用ジグは、前記搬送ユニットの前記筒状体が前記積層体シートの前記搬送の方向に沿って挿入可能とされ、前記筒状体と干渉しない部位に設けた孔からの吸引により前記工程(c)において前記積層体シートを吸着して、前記積層体シートの前記搬送ユニットからの受け渡しを受ける、ガス拡散層付き膜電極接合体の製造方法。
  4. 請求項3に記載のガス拡散層付き膜電極接合体の製造方法であって、
    前記シート固定用ジグは、中空の凸条を複数筋並べた凹凸形状とされ、前記凸条の間の凹部に前記搬送ユニットの前記筒状体が前記積層体シートの前記搬送の方向に沿って挿入可能とされ、それぞれの前記凸条に設けた孔からの吸引により前記工程(c)において前記積層体シートを吸着する、ガス拡散層付き膜電極接合体の製造方法。
  5. ガス拡散層付き膜電極接合体を、電解質膜の両面に電極触媒層が形成された膜電極接合体の一方の面にガス拡散層が積層された積層体シートから製造する製造装置であって、
    搬送ゾーンと裁断ゾーンとの間を往復動可能とされ、前記積層体シートの吸着と吸着解除が可能な搬送ユニットと、
    前記積層体シートが前記搬送ゾーンで前記搬送ユニットに吸着された状態で、前記積層体シートにおいて前記電極触媒層が占める占有位置を測定する位置測定部と、
    前記裁断ゾーンに配設され、前記搬送ユニットにより前記裁断ゾーンに運ばれた前記積層体シートの吸着と吸着解除が可能なシート固定用ジグと、
    該シート固定用ジグで吸着された状態の前記積層体シートを、前記裁断ゾーンで裁断する裁断刃と、
    前記搬送ユニットの往復動と前記積層体シートの吸着と吸着解除、並びに前記シート固定用ジグの前記積層体シートの吸着と吸着解除、および前記裁断刃の位置調整と前記裁断刃による積層体シート裁断を実行制御する制御部とを備え、
    該制御部は、
    前記積層体シートを吸着したままの前記搬送ユニットを往動させて前記積層体シートを前記裁断ゾーンに搬送しながら、前記占有位置に基づいて前記裁断刃の位置を調整し、
    前記搬送ユニットにより前記裁断ゾーンに運ばれた前記積層体シートを前記シート固定用ジグに吸着し、該吸着の後に、前記搬送ユニットの前記積層体シートの吸着を解除して前記搬送ユニットを前記搬送ゾーンに復動させ、
    前記シート固定用ジグに吸着済みの前記積層体シートを前記位置の調整済みの前記裁断刃で裁断する、ガス拡散層付き膜電極接合体の製造装置。
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