JP4412125B2 - 薄膜積層装置 - Google Patents

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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、これらを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、薄膜をロータリダイと吸着ローラで挟みつつ、ロータリダイの刃によって切断する装置が示されている。さらに、特許文献3には、センサの検出結果に基づいて、切断ローラの回転速度を調節することが示されている。
ここで、上記特許文献1では、吸引ローラによってカットされた拡散膜シートを保持する必要がある。ところが、この拡散膜シートは、材質にもよるが比較的堅いものが多く、吸引ローラにより十分吸引することが難しい場合もある。
また、3つのシートを一対のローラ(接合用のローラ)により挟み込んで積層するが、電解膜シートは、1つ1つのMEAとして機能するためにその触媒層について所定のパターンが形成されている。そこで、電解膜シートが接合用のローラに入り込むタイミングを調整する必要がある。従来は各シートの送りを停止して、調整していたが、さらに効率的に調整したいという課題がある。
本発明は、比較的堅い拡散膜シートを適切に送ることを目的とする。
特開2001−76743号公報 特開2003−48190号公報 特開昭63−156690号公報
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、対向して回転する2つのローラから構成され、異なる方向から供給される前記第1の薄膜および前記第2の薄膜を接合させて一緒に輸送する接合ローラ対と、前記接合ローラ対とは別に設けられ、対向して回転する2つのローラから構成されるとともに、少なくとも一方のローラに切断刃が形成され、前記第2の薄膜を所定形状に切断すると共に切断された第2の薄膜を前記接合ローラに向けて送るロータリカッタと、前記接合ローラ対の一方に対し、前記接合ローラ対の接触位置の上流側で接触回転し、前記切断された第2の薄膜を前記接合ローラ対に押しつけて輸送する押さえローラと、を有し、前記ロータリカッタが前記切断された第2の薄膜と離れる位置と、前記押さえローラが前記切断された第2の薄膜と接触する位置との間隔は、切断された第2の薄膜の長さより短く設定される、ことを特徴とする。
また、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、対向して回転する2つのローラから構成され、異なる方向から供給される前記第1の薄膜および前記第2の薄膜を接合させて一緒に輸送する接合ローラ対と、対向して回転する2つのローラから構成されるとともに、少なくとも一方のローラに切断刃が形成され、前記第2の薄膜を所定形状に切断すると共に切断された第2の薄膜を前記接合ローラに向けて送るロータリカッタと、前記接合ローラ対の一方に対し、前記接合ローラ対の接触位置の上流側で接触回転し、前記切断された第2の薄膜を押さえて輸送する押さえローラと、を有し、前記押さえローラと前記接合ローラ対の一方との接触位置と、前記接合ローラ対の接触位置の間に設けられ、前記切断された第2の薄膜を、前記接合ローラ対の一方に対し押さえつける規制手段を有することを特徴とする。
また、前記接合ローラ対の一方は、前記第2の薄膜と接触する部分の幅が前記切断された第2の薄膜の幅より狭く、前記切断された第2の薄膜の幅方向の両端部分を第1の薄膜に対し直接には押しつけないことが好適である
また、前記接合ローラ対は、その周面にその回転軸に平行な方向の凹溝をそれぞれ有し、これら凹溝が対向することで、前記第1の薄膜と前記接合ローラ対との機械的な接触関係を断ったアンクランプ状態とし、このアンクランプ状態において、接合ローラ対の凹溝と、第1の薄膜の所定パターンとの相対位置を調整することが好適である
また、前記アンクランプ状態において、接合ローラ対の回転速度を調整することが好適である。
また、前記アンクランプ状態において、前記第1の薄膜の移動速度を調整することが好適である。また、前記ロータリカッタは、前記第2の薄膜を幅方向に横断し、所定の幅を持ってカットすると共に、幅方向の両端をカットすることで、コの字形の不要部分を切除することが好適である。また、前記ロータリカッタの幅方向の両端部分に対向して設けられ、前記コの字形の不要部分の両側部分を押さえてロータリカッタから剥離させる押さえ部材を有することが好適である。
このように、前記ロータリカッタが前記切断された第2の薄膜と離れる位置と、前記押さえローラが前記切断された第2の薄膜と接触する位置との間隔は、切断された第2の薄膜の長さより短く設定されるため、切断された第2の薄膜を確実に受け渡すことができる。
また、前記押さえローラと前記接合ローラ対の一方との接触位置と、前記接合ローラ対の接触位置の間に設けられ、前記切断された第2の薄膜を、前記接合ローラ対の一方に対し押さえつける規制手段を有することで、第2の薄膜が比較的堅くても、これを接合ローラに沿って移動させることができる。
前記接合ローラ対の一方は、前記第2の薄膜と接触する部分の幅が前記切断された第2の 薄膜の幅より狭く、前記切断された第2の薄膜の幅方向の両端部分を第1の薄膜に対し直接には押しつけないことで、第1の薄膜のダメージを小さくできる。
また、前記接合ローラ対は、その周面にその回転軸に平行な方向の凹溝をそれぞれ有し、これら凹溝が対向することで、前記第1の薄膜と前記接合ローラ対との機械的な接触関係を断ったアンクランプ状態とすることができる。従って、このアンクランプ状態において、接合ローラ対の凹溝と、第1の薄膜の所定パターンとの相対位置を調整することができる。
また、ロータリカッタにより、第2の薄膜からコの字状の不要部分を切除することで、第2の薄膜について、長さ方向および幅方向の整形が同時に行える。
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。
まず、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、コの字上の端切れ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28a、28b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28a、28b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28a、28bの接合位置より90°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28a、28bに対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28a、28b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28a、28bの周りを1/4周だけ巻き付いて移動する。接合ローラ28a、28b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28a、28b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28a、28bに押しつけている。この拡散層規制板32a、32bは、図3に示すように、接合ローラ28a、28b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28a、28b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28a、28b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28a、28b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28a、28b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28a、28bは、内部に加熱機構を有しており、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。
また、図1および図4に示すように、接合ローラ28a、28bは、その外周面に、拡散膜シート20−1a、20−1bの大きさに対応し、それより若干小さい凸部28−1a、28−1bがそれぞれ2つ形成されている。従って、接合ローラ28a、28bのそれぞれ1つの凸部28−1a、28−1bによって、拡散膜シート20−1a、20−1bが押しつけられたときに、図5に示すように、拡散膜シート20−1a、20−bの外縁部は押圧されないことになる。これによって、拡散膜シート20−1a、20−1bの外端部によって、電解膜シート10に加えられるダメージを低減することができる。
また、接合ローラ28a、28bの表面に、凸部28−1a、28−1bが形成されることで、凸部28−1a、28−1bが形成されていない部分に回転軸に平行な方向の凹溝28−2a、28−2bが生じる。そして、この凹溝28−2a、28−2bが対向する位置においては、接合ローラ28a、28bの表面間距離が広くなり、押圧力が発生しない。この例では、この凹溝28−2a、28−2bの存在する箇所は、基本的に拡散膜シート20−1a、20−1bが存在しない場所に対応している。従って、接合ローラ28a、28bの接合位置に凹溝28−2a、28−2bが位置するタイミングにおいて、電解膜シート10は、接合ローラ28aから離れ、アンクランプ状態になる。なお、接合ローラ28a、28bを離れる方向に移動して、アンクランプ状態としてもよい。
従って、このアンクランプ状態において、接合ローラ28a、28bおよび拡散膜シート20−1a、20−1bと、電解膜シート10との位置調整が可能になる。
また、接合ローラ28a、28bの積層物の送り出し側(下流側)には、フィルム送りローラ38a、38bが配置されている。このフィルム送りローラ38a、38bにより、積層物(タイミングによって、電解膜シート10でもよい)を送ることでも、電解膜シート10の位置調整が行える。
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20−1および接合ローラ28a、28bの位置調整が行われる。この位置調整の詳細については、後述する。
また、フィルム送りローラ38a、38bの下流側には、光電センサ36が設けられている。この光電センサ36は、接合後の拡散膜シート20−1aまたは20−1bのエッジ(始端または終端)を検出する。光電センサ36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6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、カーボンクロス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28a、28b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28a、28bに受け渡される。ここで、ロータリカッタ24a、24bと、接合ローラ28a、28bとは、一定の位相を保ったまま同期回転している。従って、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28a、28bの凸部に把持される。
接合ローラ28a、28b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、接合ローラ28a、28b側におさえつけられながら、接合ローラ28a、28bに沿って移動する。
一方、電解膜シート10は、一定の速度で送られている。前の触媒層パターンが接合されている最中に次の触媒層パターンが光電センサ34によって検出され、これにより触媒層パターンと接合ローラ28a、28bの凸部28−1a、28−1bのずれが計算される。
電解膜シート10の前の触媒パターンと、拡散膜シート20−1a、20−1bの接合が終わると、対向する接合ローラ28a、28bは、その凹溝28−2a、28−2bが対向する形になり、接合ローラ28a、28b間が開き、電解膜シート10はアンクランプ状態になる。この状態で、上述のようにして算出したずれ量に基づいて接合ローラが速度を変更し(同期するロータリカッタも同様に速度を変える)、電解膜シート10の触媒層パターンと接合ローラ28a、28bの凸部28−1a、28−1bが一致するように補正(位置調整)が行われる。また、図示しない触媒層パターンの幅方向の位置ずれもセンサによって検出し、補正を行うとよい。
これらの位置調整作業は、一定速度で移動する電解膜シート10の次の触媒層パターンが接合位置に来る前に終了する。
このような位置調整について、図7に示す。接合中は、接合ローラ28a、28bおよび電解膜シート10は、一定速度で移動する。接合が終了した場合には、光電センサで検出した触媒層パターンの送り方向位置と、接合ローラ28a、28bの凸部28−1a、28−1bの位置ずれに基づいて、接合ローラ28a、28bの速度を変更し、位置調整(補正)を行う。このような作業を順次繰り返すことで、接合動作を中断せずに、位置調整を行うことができ、作業の効率化を図ることができる。
なお、上述のような作業は、マイコンなどのコントローラによって、自動的に行われる。
また、上述のような位置合わせは、次にように行うこともできる。まず、上述のように光電センサ34によって、触媒層パターンと接合ローラ28a、28bの凸部28−1a、28−1bのずれが計算される。そして、電解膜シート10が接合ローラ28a、28bからフリーになっている状態で、フィルム送りローラ38a、32bの速度を変更する。すなわち、電解膜シート10のアンクランプ状態において、フィルム送りローラ38aの速度を変更すると、接合ローラ28a、28bおよび拡散膜シート20−1a、20−1bには何ら影響なく、電解膜シート10の接合ローラ28a、28bに対する位置が変更され、位置ずれを補償することができる。
すなわち、図8に示すように、接合中は、接合ローラ28a、28bおよび電解膜シート10は、一定速度で移動する。接合が終了した場合には、光電センサで検出した触媒層パターンの送り方向位置と、接合ローラ28a、28bの凸部28−1a、28−1bの位置ずれに基づいて、フィルム送りローラ38a、38bの速度を変更することで、電解膜シート10の送り速度を変更し位置調整(補正)を行う。このような方法によっても、接合動作を中断せずに、位置調整を行うことができ、作業の効率化を図ることができる。
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24の構成および作用を示す図である。 拡散層規制板32の構成を示す図である。 接合ローラ28の構成を示す図である。 電解膜シート10と接合ローラ28の凸部28−1の関係を説明する図である。 全体の動作を説明する図である。 位置調整の一例を説明する図である。 位置調整の他の例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(28a,28b) 接合ローラ、28−1 凸部、28−2 凹溝、32(32a,32b) 拡散層規制板、34,36 光電センサ、38(38a,38b) フィルム送りローラ、44 ガイド、46 トレー、46 パレット。

Claims (9)

  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、
    対向して回転する2つのローラから構成され、異なる方向から供給される前記第1の薄膜および前記第2の薄膜を接合させて一緒に輸送する接合ローラ対と、
    前記接合ローラ対とは別に設けられ、対向して回転する2つのローラから構成されるとともに、少なくとも一方のローラに切断刃が形成され、前記第2の薄膜を所定形状に切断すると共に切断された第2の薄膜を前記接合ローラに向けて送るロータリカッタと、
    前記接合ローラ対の一方に対し、前記接合ローラ対の接触位置の上流側で接触回転し、前記切断された第2の薄膜を前記接合ローラ対に押しつけて輸送する押さえローラと、
    を有し、
    前記ロータリカッタが前記切断された第2の薄膜と離れる位置と、前記押さえローラが前記切断された第2の薄膜と接触する位置との間隔は、切断された第2の薄膜の長さより短く設定される、
    ことを特徴とする薄膜積層装置。
  2. 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、
    対向して回転する2つのローラから構成され、異なる方向から供給される前記第1の薄膜および前記第2の薄膜を接合させて一緒に輸送する接合ローラ対と、
    前記接合ローラ対とは別に設けられ、対向して回転する2つのローラから構成されるとともに、少なくとも一方のローラに切断刃が形成され、前記第2の薄膜を所定形状に切断すると共に切断された第2の薄膜を前記接合ローラに向けて送るロータリカッタと、
    前記接合ローラ対の一方に対し、前記接合ローラ対の接触位置の上流側で接触回転し、前記切断された第2の薄膜を前記接合ローラ対に押しつけて輸送する押さえローラと、
    を有し、
    前記押さえローラと前記接合ローラ対の一方との接触位置と、前記接合ローラ対の接触位置の間に設けられ、前記切断された第2の薄膜を、前記接合ローラ対の一方に対し押さえつける規制手段を有す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、
    前記規制手段は、回転軸方向に伸びる長方形の細長い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一以上の板を、その中央の凸部が接合ローラ対に向けて押しつけられるようにした構成であることを特徴とする薄膜積層装置。
  4. 請求項1〜3のいずれか1つに記載の薄膜積層装置において、
    前記接合ローラ対の一方は、前記第2の薄膜と接触する部分の幅が前記切断された第2の薄膜の幅より狭く、前記切断された第2の薄膜の幅方向の両端部分を第1の薄膜に対し直接には押しつけないことを特徴とする薄膜積層装置。
  5. 請求項1〜3のいずれか1つに記載の薄膜積層装置において、
    前記接合ローラ対は、その周面にその回転軸に平行な方向の凹溝をそれぞれ有し、これら凹溝が対向することで、前記第1の薄膜と前記接合ローラ対との機械的な接触関係を断ったアンクランプ状態とし、このアンクランプ状態において、接合ローラ対の凹溝と、第1の薄膜の所定パターンとの相対位置を調整することを特徴とする薄膜積層装置。
  6. 請求項5に記載の装置において、
    前記アンクランプ状態において、接合ローラ対の回転速度を調整することを特徴とする薄膜積層装置。
  7. 請求項5に記載の装置において、
    前記アンクランプ状態において、前記第1の薄膜の移動速度を調整することを特徴とする薄膜積層装置。
  8. 請求項1〜3のいずれか1つに記載の薄膜積層装置において、
    前記ロータリカッタは、前記第2の薄膜を幅方向に横断し、所定の幅を持ってカットすると共に、幅方向の両端をカットすることで、コの字形の不要部分を切除することを特徴とする薄膜積層装置。
  9. 請求項8に記載の装置において、
    前記ロータリカッタの幅方向の両端部分に対向して設けられ、前記コの字形の不要部分の両側部分を押さえてロータリカッタから剥離させる押さえ部材を有することを特徴とする薄膜積層装置。
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