JP4885415B2 - 薄膜電気化学ユニットの陰極および陽極を積層するための回転加工装置および方法 - Google Patents
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Description
〔発明の分野〕
本発明は一般に、積層装置および積層方法に関し、さらに詳細には、回転加工積層装置および回転加工積層方法に関する。
【0002】
〔発明の背景〕
シート材料から構成される製品を製造するための様々な積層装置および積層工程が開発されている。従来の積層装置は、材料のシートを小さなセグメントにカットするカッティング機構を用いていることが多い。したがって、個別のセグメントは、個別の積層工程の一部として手動または機械によって配列され、積層される。積層構造物は、適切な力生成機構によって、積層する力を受ける。
【0003】
種々の従来の積層およびスタッキングアプローチが現在入手可能であるにもかかわらず、そのようなアプローチの多くは、比較的高いレベルの生産性、自動化、柔軟性を必要とする用途にはあまり適していない。たとえば、多くの従来の積層工程は、様々なタイプの材料、シートサイズ、シート形状に対応することができない。そのような入手可能な積層技術の多くは十分な適応性があるわけではなく、たとえば、薄膜電気化学積層構造物の構成に一般に必要とされるように、異なる材料の複数のウェブを自律的かつ連続的に積層することに適合しているわけでもない。
【0004】
様々なタイプ、色、形状、サイズの膜材料およびシート材料を積層するための改良した装置および方法が必要である。特に、固体の薄膜電池の構成に用いるために、電気化学セル材料の層を積層して、電気化学ユニットセルを製造するための改良した装置および方法が必要とされている。本発明は、これらの必要性および他の必要性を満たす。
【0005】
〔発明の概要〕
本発明は一般に、ウェブ(web)によって支持される積層構造物またはシート材料を回転可能にカットおよび/または積層するための装置および方法に関する。本発明はまた、ウェブによって支持された積層構造物またはシート材料を回転可能にカットし、隣接するカットされた積層構造物/シート間に間隔を設けるように、カットされた積層構造物/シートを他のウェブ材料に積層するための装置および方法にも関する。本発明の別の構造的特徴および工程の特徴は、隣接するカットされた積層構造物/シート間の間隔の中で、他のウェブ材料を貫通してカットされるが、他のウェブのライナを完全に貫通してカットすることはないという特徴をさらに提供する。
【0006】
電気化学セル構成に関して、本発明の回転加工装置および方法は、陰極積層構造物を含むウェブおよび陽極積層構造物を含むウェブを、剥離ライナによって支持された一連の積層電気化学セル構造物に加工する。本発明の回転加工工程の利用は、他の利点もあるが、下流または次のカットを行わなくても最終的なサイズの製品を製造するという利点がある。
【0007】
本発明の一実施形態によれば、一連の薄膜電気化学ユニットセルを製造するための装置および方法が提供される。第1の速度で移動する陰極積層構造物を含むウェブ(陰極ウェブ)が一連の陰極シートにカットされる。陰極シートのそれぞれを、第1の速度以上の第2の速度で移動する。第2の速度で移動する陰極シートのそれぞれは、第2の速度で移動する陽極積層構造物を含むウェブ(陽極ウェブ)と積層されて、隣接する陰極シート間に空間を有する積層ユニットセルが製造される。積層された陽極ウェブは、隣接する陰極シート間の空間の間でカットされて、一連のユニットセルシートが製造される。
【0008】
具体的な一実施形態において、陰極ウェブをカットする工程は、陰極ウェブの一部をカットする工程と、余分な陰極ウェブを除去する工程と、を含む。この実施形態において、隣接する陰極シート間の空間は、除去される余分な陰極ウェブのサイズおよび/または形状の関数となっている。
【0009】
別の実施形態によれば、陰極ウェブをカットする工程は、陰極ウェブを回転可能にカットする工程を含み、陰極シートのそれぞれを陽極ウェブに積層する工程は、第2の速度で陰極シートのそれぞれを回転可能に移動させる工程を含む。陰極シートのそれぞれを陽極ウェブに積層する工程は、第2の速度で陽極ウェブを回転可能に移動させる工程をさらに含んでもよい。陽極ウェブは剥離ライナを含むことができ、積層された陽極ウェブをカットする工程は、陽極積層構造物を少なくとも剥離ライナまでカットする工程または剥離ライナの一部を貫通するようにカットする工程を含んでもよい。
【0010】
陰極シートのそれぞれは、長さ(L)で規定されうる。陰極ウェブをカットする工程は、回転ダイを用いて実現されうる。この場合には、各陰極シートの長さ(L)は、回転ダイ(die)の第2の速度(W2)に対する陰極ウェブの移動の第1の速度(W1)の関数となっている。
【0011】
陰極ウェブは、円周上のブレードの間隔(D)で離隔した少なくとも1つの回転ダイブレードを用いてカットされうる。この場合、各陰極シートの長さ(L)は、円周上のダイブレードの間隔(D)に相関する陰極ウェブの移動の第1の速度(W1)および回転ダイの第2の速度(W2)の関数となっている。たとえば、各陰極シートの長さ(L)は、式L=D(W1/W2)によって特徴付けられる。
【0012】
一実施形態によれば、隣接する陰極シート間の空間(S)は、陽極ウェブの移動の第2の速度(W2)に対する陰極ウェブの移動の第1の速度(W1)の関数となっている。陰極ウェブをカットする工程は、隣接する陰極シート間の空間(S)が円周上のダイブレードの間隔(D)に相関する陰極ウェブの移動の第1の速度(W1)および回転ダイの第2の速度(W2)の関数であるように、円周上のブレードの間隔(D)で離隔された少なくとも1つの回転ダイブレードを用いて陰極ウェブを切断する工程を含みうる。たとえば、隣接する陰極シート間の空間(S)は、式S=D((W1/W2)−1)によって特徴付けられる。
【0013】
本発明のさらなる実施形態によれば、陰極シートは、約6.4mm(0.25インチ)〜約610mm(24インチ)の長さ(L)に規定されうる。隣接する陰極シート間の空間(S)は、約0.4mm(0.015インチ)〜約10.4mm(0.4インチ)の範囲にあってもよい。第1の速度に対する第2の速度の比は、約1.005〜約1.05の範囲にあってもよい。第1の速度は約1.53m(5フィート)/分〜約153m(500フィート)/分の範囲にあってもよく、第2の速度は約1.53m(5.025フィート)/分〜約160m(525フィート)/分の範囲にあってもよい。
【0014】
陰極シートを陽極ウェブに積層する工程は、各陰極シートの一部が、陽極ウェブの陽極積層構造物の少なくとも1つの縁を越えて延在して、それらの間に積層オフセットを形成するように、陰極シートのそれぞれを陽極ウェブに積層する工程をさらに含んでもよい。積層オフセットは、たとえば、約1.0mm(0.04インチ)〜約7.9mm(0.31インチ)の範囲にあってもよい。
【0015】
陰極シートを陽極ウェブに積層する工程はまた、陰極シートまたは陽極ウェブの一方または両方を加熱する工程を含んでもよい。積層された陽極ウェブをカットする工程は、光学的技術または機械的技術などによって、隣接する陰極シート間の空間を検出する工程をさらに含むことができる。
【0016】
本発明の別の実施形態によれば、一連の薄膜電気化学ユニットセルを製造する装置および方法は、第1の速度で陰極積層構造物を含むウェブ(陰極ウェブ)を移動する工程を提供する。一連の陰極シートを製造するために、陰極ウェブは、第2の速度で回転可能にカットされる。第2の速度で移動する陰極シートのそれぞれは、第3の速度で移動する陽極積層構造物を含むウェブ(陽極ウェブ)を回転して積層され、隣接する陰極シート間に空間を有する積層ユニットセルが製造される。
【0017】
ある構成では、第1の速度、第2の速度および第3の速度は、実質的に等しい。別の構成では、第2の速度および第3の速度は実質的に等しく、第2の速度および第3の速度は第1の速度より速い。さらに別の構成では、第1の速度および第2の速度は実質的に等しく、第3の速度は第1の速度および第2の速度より速い。さらなる構成では、第1の速度、第2の速度および第3の速度は等しくなく、第3の速度は第2の速度より速く、第3の速度および第2の速度は第1の速度より速い。
【0018】
別の構成によれば、第1の速度および第2の速度は実質的に等しく、陰極ウェブを切断する工程は、隣接する陰極シート間に空間を形成するように、陰極ウェブの一部をカットする工程と、余分な陰極ウェブを除去する工程と、を含む。この場合には、隣接する陰極シート間の空間は、余分な陰極ウェブのサイズおよび/または形状の関数となっている。
【0019】
別のアプローチでは、第3の速度は第1の速度および第2の速度より速く、陰極シートのそれぞれを陽極ウェブに積層する工程は、隣接する陰極シート間に空間を形成するように、第3の速度で陽極ウェブを移動させる工程をさらに含む。さらなるアプローチによれば、第3の速度は第1の速度および第2の速度より速く、陰極シートのそれぞれを陽極ウェブに積層する工程は、隣接する陰極シート間に空間を形成するように、第2の速度で陰極シートのそれぞれを回転可能に移動させると同時に、第3の速度で陽極ウェブを回転可能に移動させる工程をさらに含む。陰極シートのそれぞれを陽極ウェブに積層する工程はまた、それらの間に積層オフセットを形成するために、各陰極シートの一部が陽極ウェブの陽極積層構造物の少なくとも1つの縁を越えて延在するように、陰極シートのそれぞれを陽極ウェブに積層する工程を含むことができる。
【0020】
本発明のさらなる実施形態によれば、一連の薄膜電気化学ユニットセルを製造する装置および方法は、パターン状に形成された回転ダイを用いて、第1の速度で陰極積層構造物を含むウェブを一連の陰極積層構造物にカットする工程を含む。陰極積層構造物のそれぞれは、第1の速度以上の第2の速度で移動する陽極積層構造物を含むウェブを積層して、隣接する陰極積層構造物間と空間を有する積層ユニットセルを製造する。パターン状に形成された回転ダイによるカットから生じた無駄な陰極ウェブ材料は、廃棄または回収される。
【0021】
この実施形態によれば、隣接する陰極積層構造物間の空間は、パターン状に形成された回転ダイのサイズおよび/または形状の関数となってる。パターン状に形成された回転ダイは、たとえば、矩形の形状であってもよい。
【0022】
別の実施形態によれば、本発明の回転加工装置の出力は、本発明のスタッキング装置の入力に連結することができる。本発明による結合回転加工/スタッキング装置および方法は、実質的に任意の形状の様々な材料の類似の層または異なる層を積層させたスタックを製造することを提供する。
【0023】
本発明の上記の概要は、本発明の各実施形態またはすべての実施を示そうとするものではない。利点および功績は、本発明のさらなる完全な理解と、添付図面に関連した以下の詳細な説明および特許請求の範囲を参照することによって、明白となり、理解されるであろう。
【0024】
本発明は様々な変形および代替形態に変更可能であるが、本願明細書は図面の例によって示され、詳細に説明される。しかしながら、説明された特定の実施形態に本発明を限定することを意図しているわけではないことを理解すべきである。反対に、特許請求の範囲によって記載されているように、本発明の範囲を逸脱することなく、すべての修正物、等化物、代替物を包含することを意図している。
【0025】
〔様々な実施態様の詳細な説明〕
例示的実施形態の以下の詳細において、本願明細書の一部をなし、本発明を実現することができる様々な実施形態である例として示された添付図面を参照されたい。本発明の範囲を逸脱することなく、実施形態を利用することができ、構造的な変更を加えることができることを理解すべきである。
【0026】
本発明の回転加工積層装置およびスタッキング装置は、好都合なことに、実質的に任意の形状の様々な材料の類似の層または異なる層の積層スタックを製造することを提供する。単独の製品ウェブまたは複数の製品ウェブ(たとえば5つの異なる製品ウェブ)から製品の積層スタックを製造するために、本発明の原理を適用することができる。本発明によって製造される製品の積層スタックとしては、たとえば、単色または多色のシートまたはフィルムのパッド、包帯のパック、薄膜セルなどを挙げることができる。
【0027】
一つの具体的な用途は、電気化学電池セルの製造に関し、陰極、セパレータ、陽極の材料からなる複数の互い違いの層がスタックまたはユニットセルとしてカットし積層される。本発明の範囲内で製造可能な薄膜電気化学ユニットセルは、最小において以下のシート、すなわち集電体、陰極、セパレータ、陽極(一般にこの順である)を含むスタック部分の部分組立品として規定することができる。たとえば、スタッキング装置の上流に2つ以上の回転加工ステーションを設けることによって、陰極層および陽極層を独立に分離することができ、このことはユニットセルの陽極構造物と陰極構造物との間で短絡を生じないようにする場合に重要である。
【0028】
セパレータの相対的な配置および工具細工やタイミングの選択に応じて、陰極、陽極、セパレータの個別の領域を独立に決定することができる。このことは、一様な電流分布を維持する際に重要であり、電気化学セルの寿命にとって重要なことである。たとえば、カットされた陰極よりセパレータのサイズを大きくすることによって、縁部バーによって生じる巨視的な短絡が回避される。有利なことに、これは、そうでなければある種のセル設計における電極間に必要とされる可能性がある二次絶縁体を排除するために設けられる場合もある。
【0029】
これらの原理は、燃料電池構造に適用することもできる。さらに、これらの原理は、新たなパッケージ化された医療品を製造するために用いられることができ、パッケージングの1層のみが製品の層ごとに用いられ、最終製品が加工され、積み重ねられ、パッケージ化された形態で顧客に配送される。スタックに設けられた最初の層および最後の層は、たとえば、外部包装である。
【0030】
ここで図面を参照すると、図1には、電気化学セル層のスタックを製造するために、陰極材料および陽極材料のウェブを用いて一連の電気化学セルシートを製造する装置10が示されている。装置10は、2つの加工装置20,120が示されており、本願明細書ではそれぞれ回転加工装置20およびスタッキング装置120と呼ぶ。一実施形態において、装置10は、剥離可能なライナによって支えられた相対的に可撓性の材料から電気化学セル材料層の平坦で相対的に不撓性の多層スタック(柔軟性の小さい層を含んでも含まなくてもよい)までを製造する連続動作の組立工程のために設けられる。本発明の利点は、0層以上の低柔軟性材料を含む多層組立品を積み重ねることができることである。これに関して、本発明のスタッキング工程は、製品における層の伸び特性に対応している。この伸び特性は、製品ごとに動的に変化する可能性がある。
【0031】
回転加工装置20およびスタッキング装置120は、多数の独特かつ有用な特徴を個別に備えているため、これらの装置および関連する加工方法を個別に用いることができ、図1に示されているように総合的な二構成の部材装置の一部として組み込む必要はないことを十分に理解されたい。以下に説明するように、回転加工装置20は、様々な態様で実現されてもよい、一般に剥離ライナによって支持された一連の積層ユニットセル構造物を製造するために、個々に用いられてもよい。スタッキング装置120は、様々な態様で実現されてもよく、連続運動スタッキング作業を用いて電気化学セル層のスタックを製造するために、個々に用いられてもよい。例示のスタッキング装置および方法は、代理人整理番号810.509US01(55530USA6A)によって識別される同一出願人による同時係属出願である米国特許出願第09/718,549号の「積層品およびパッケージングのためのスタッキング装置および方法(Stacking Apparatus and Method for Laminated Products and Packaging)」に開示されている。当該出願は、本願明細書に参照によって全体を援用するものとする。
【0032】
回転加工装置20は、一般的に言えば、陰極ウェブ23および陽極ウェブ123を剥離ライナによって支持された一連の積層電気化学セル構造物に加工する。スタッキング装置120は、剥離ライナから多数の循環、ループまたは往復プラットホーム(本願明細書ではパック、パレットまたはキャリッジとして置き替えて呼ぶこともできる)に搬送される電気化学セル構造物の連続スタッキングに提供する。本発明の回転加工工程の利用によって実現される1つの利点は、下流または次のカットを必要とすることなく、最終的なサイズの製品を製造することに関連する。
【0033】
一実施形態において、積層電気化学セル構造物は、一般に1層以上の固体電解質層を含む陽極積層構造物と、陰極積層構造物と、を含む。本願明細書では、このような構造物は、ユニットセルと呼ばれ、上記に述べた構成を有する。
【0034】
陰極積層構造物は、陰極、集電体、陰極を含む部分組立品として規定されてもよい。陰極積層構造物部分組立品の別の構成は、セパレータ、陰極、集電体、陰極からなる。さらに別の陰極積層構造物部分組立品構成は、セパレータ、陰極、集電体、陰極、セパレータからなる。
【0035】
陽極積層構造物は、個別の陽極シートとして規定されてもよい。陽極積層構造物はまた、セパレータおよび陽極からなる部分組立品として規定されてもよい。陽極積層構造物部分組立品の別の構成は、セパレータ、陽極、セパレータからなる。
【0036】
一例として、陰極ウェブ23は、合成陰極材料(陰極/集電体/陰極構造物)によって両側をコーティングされたアルミニウム箔集電体を含むように製造されてもよい。陽極ウェブ123は、たとえば、剥離ライナ、固体電解質膜、リチウム箔、固体電解質膜の第2層(セパレータ/陽極/セパレータ構造物)を含む4層構造物として製造されてもよい。具体的な一実施形態において、固体重合体電解質膜が、陽極ウェブ123に用いられる。
【0037】
別の実施形態によれば、陰極ウェブ23は、合成陰極材料の両側に固体重合体電解質膜のようなセパレータを備えてもよい。さらに別の実施形態において、セパレータは、陰極ウェブ23および陽極ウェブ123のそれぞれに含まれていてもよい。また、他の多層陰極、陽極、固体電解質ウェブ構造物も考えられる。
【0038】
一実装例によれば、ウェブ23,123は、0〜10m/分の範囲の速度で移動させてもよい。製品ウェブの幅は、約203mm(8インチ)であってもよい。ユニットセルシートは、約432mm(17インチ)までの長さであってもよい。製品ウェブ供給ロールはそれぞれ、約457mm(18インチ)までの直径を有することができる。
【0039】
ここで図2を参照すると、本発明の一実施形態による回転加工装置20がさらに詳細に示されている。図2に示された回転加工装置20は、陰極供給ロール22に初めに巻き付けられた陰極材料のウェブ23を含む。巻き付けられるとき、陰極ウェブは、陰極供給ロール22の巻き戻し時、ライナ巻取りロール24に巻き取られる剥離ライナ21を含んでもよい。剥離ライナ21のない陰極ウェブ23は、第1のカッティングステーション28に供給される。陰極ウェブ23は一般に、陰極ウェブ23に所望の状態の張力を印加し、ウェブ案内機構を含むことができるテンションロール装置26を通過する。
【0040】
図2に示された実施形態において、第1のカッティングステーション28は、回転ダイステーションを表す。第1のカッティングステーション28は、この場合にはニップロール32およびゴム被覆の駆動ロール33を含む被駆動テンションロール装置31を備えている。あるいは、真空テンションロール装置を用いてもよい。テンションロール装置31の速度および/または加速度などの運動は、当業界で公知のサーボ制御システム(図示せず)によって一般に調整される。テンションロール装置31は、回転ダイ34およびアンビル(anvil)35を含むカッティングロール装置30に陰極ウェブ23を供給する。カッティングロール装置30は、陰極ウェブ23を個別の陰極シートにカットする。回転ダイ34およびアンビル35の速度および/または加速度などの運動は、当業界で公知のサーボ制御システム(図示せず)によって一般に調整される。
【0041】
また、図2にも示されているように、陽極材料123のウェブは、積層装置29に供給される。陽極ウェブ123はまた、第1のカッティングステーション28に入る前または第1のカッティングステーション28内部の赤外線加熱器38(点線で赤外線加熱器38を示す)によって加熱されてもよい。陽極ウェブ123は、前述したように、一般に剥離ライナを含み、陽極(たとえばリチウム箔)の対向する側に設けられたセパレータ層と呼ぶこともある2層の固体電解質層を含んでもよい。陽極ウェブ123は一般に、テンションロール装置39によって所望の程度の張力を印加し、一般に導かれる。
【0042】
陰極シートは、積層装置29の内部のアンビル35によって陽極ウェブ123の付近まで回転される。陰極シートは、積層ロール36とアンビルロール35との間に形成されるニップ(nip)で、陽極ウェブ123に積層されて、ユニットセル材料となる積層ウェブ50を製造する。積層ロール36は一般にゴム材料で被覆され、アンビル35は一般に金属材料から製造される。
【0043】
本発明の一実施形態によれば、陽極ウェブ123は、陰極ウェブ23の速度より速い速度で積層装置29を進められる。各陰極シートが陽極ウェブ123に積層されるときに、陽極ウェブ123と陰極ウェブ23との相対速度差は、陰極シートの間に空間を形成する。ユニットセル材料の積層ウェブ50は、第1のカッティングステーション28から第2のカッティングステーション40に供給され、第2のカッティングステーション40では陽極ウェブ材料がカットされるが、剥離ライナはカットされない。
【0044】
第2のカッティングステーション40では、被駆動ニップロール42およびゴム被覆駆動ロール43が、アンビル45および回転ダイ44を備えるカッティングロール装置41に積層ウェブ50を供給する。回転ダイ44は、アンビル45と協働し、隣接する陰極シートの間に形成された空間の間で、積層ウェブ50の陽極材料をカットするが、剥離ライナをカットすることはない。駆動ロール42を加熱してもよい。積層ウェブ50のカッティングがこれらの空間内でのみ確実に行われるようにするために、隣接する陰極シートの間の空間を検出するために光センサ37が用いられる。第2のカッティングステーション40内部の適切な切断位置における隣接する陰極シート間の空間または空隙の位置合わせは、光学または他の方法による空隙の検知または検出によってではなく、適切なタイミング、ギア調整および/またはベルト調整の利用によって実施されてもよいことを留意すべきである。
【0045】
したがって、剥離可能なライナに支持された一連の積層ユニットセルシートは、第2のカッティングステーション40の出口において造られる。積層ユニットセルシートは、スタッキング装置による後処理のために巻取りロールに巻き付けられてもよく、またはたとえば図1に示したような連続回転加工/スタッキング作業の一部としてスタッキング装置に直接供給されてもよい。
【0046】
本発明の回転加工装置を実装することによって実現可能な利点は、陽極ウェブ材料および陰極ウェブ材料の個別シートから電気化学発生器を組立てることができ、陽極シートおよび陰極シートが互いに独立してカットされ、これにより好都合なことにカッティング処理中に起こり得る短絡を生じる可能性を回避していることにある。隣接する陰極シート間に形成される空間によって、陽極ウェブ123のカッティングと独立して、陰極ウェブ23を陰極シートにカットすることができる。さらに具体的には、速度の早い陽極ウェブ123に積層される前に、陰極ウェブ23は、第1のカッティングステーション28で陰極シートにカットされている。積層装置29において既に形成されている空間により、第2のカッティングステーション40で陽極ウェブ材料のみをカットすることができる。
【0047】
別の利点は、上述したように、陰極シートおよび陽極シートを独立にカットし、さらに陽極シートに対してオフセットをもって陰極シートを重ねることができ、それによってシート間の積層オフセットを形成することである。このようにして構築されたユニットセルシートは、たとえば、陰極コーティングの4つの縁のすべてを越えて延在するセパレータ/陽極/セパレータ積層構造物を含んでもよい。集電体は、セパレータ/陽極/セパレータ積層構造物の1つの縁を越えて延在し、陰極コーティングを支持する。この実施形態によれば、両方のウェブは多層積層であるが、すべての層が同一の幅である必要はないことを留意すべきである。このユニットセルシート構造物は、次のスタッキングおよび関連するカッティング作業およびセル組立または最終加工作業中の短絡を回避し、生産性を向上することをはじめとする複数の利点を提供する。
【0048】
他のユニットセルシート構成は、個々の陰極ウェブ23および陽極ウェブ123の中に含まれる様々な材料層の慎重なサイジングによって実現可能である。このことを踏まえ、積層装置29に供給される陽極ウェブ123は、セパレータ層の縁がリチウム箔の縁まで延在する第1の縁と、リチウム箔がセパレータ層の縁を越えて延在する第2の縁と、を有するライナ/セパレータ/リチウム箔/セパレータ構造物として構築されてもよい。したがって、陰極層および集電体層が陽極層より長さが短くなるように、ユニットセルシート構造物を生成してもよい。
【0049】
図3Aおよび図3Bは、図1および図2に示された第1のカッティングステーション28の様々な態様をさらに詳細に示している。一実施形態によれば、陰極ウェブ23は、テンションロール装置31によって速度W1でカッティングロール装置30に入れられる。カッティングロール装置30は、回転ダイ34およびアンビル35を備えるものとして示されており、陰極ウェブ23の速度W1より速い速度W2で運動するように制御される。
【0050】
回転ダイ34に設けられたダイブレード47は、アンビル35と協働して、陰極ウェブ23をカットし、個別の陰極シート52(図3Bにさらに詳細に示される)を製造する。回転ダイ34は、単独のダイブレード47、図3Aに示されるような2つのダイブレード47または3つ以上のダイブレード47を含んでもよいことを理解すべきである。さらに、ダイブレード47は、1つのブレードであってもよく、またはさらに複雑なブレード構成であってもよい。たとえば、矩形のダイブレード構成またはパターンが、回転ダイ34に設けられてもよい。所与のシステムの実装に応じて、陰極ウェブ23のカッティングまたは打抜き加工のための他の方法および装置を用いることもでき、たとえば、剪断装置、レーザまたはウォータジェットの利用を含んでもよいことを十分に理解すべきである。
【0051】
一実施形態において、アンビル35は、シート化するダイブレードの間隔に適合する孔間隔を持ったパターンを有する真空アンビルロールである。個別の陰極シート52は、陰極ウェブ23の速度W1における移動から速度W2の移動へ移行し、積層装置29に供給される。
【0052】
積層装置29の積層ロール36およびアンビル35、陽極ウェブ123は、速度W2で移動することが示されている。個別の陰極シート52もまた速度W2で移動し、ゴム被覆の積層ロール36とアンビル35との間に形成されるニップにおいて陽極ウェブ123に積層される。速度W1,W2の差(速度W2は速度W1より速い)により、積層工程中、隣接する陰極シートの間に空間53を形成する。この後、陽極ウェブ123の剥離ライナによって支持される積層ウェブ50は、第2のカッティングステーション40に供給される。
【0053】
多くの用途において、遅く移動する陰極ウェブ23に対する速く移動する陽極ウェブ123の適切な速度差(すなわち、W2/W1)は、約1.005〜約1.05の間で変化してもよい。たとえば、W2/W1>1である限り、陰極ウェブ23の速度W1は約1.52m/分(5フィート/分(fpm))〜約152mpm(500fpm)の範囲であり、陽極ウェブ123の速度W2は約1.53mpm(5.025fpm)〜約160mpm(525fpm)の間で変化してもよい。
【0054】
一実施形態において、陰極ウェブ23の幅は約19mm(0.75インチ)〜約610mm(24インチ)の間で変化する。陽極ウェブ123の幅も約19mm(0.75インチ)〜約610mm(24インチ)の間で変化してもよい。各陰極シート52の長さは、約6.4mm(0.25インチ)〜約610mm(24インチ)の間で変化してもよい。隣接する陰極シート間に形成される空間53は、約0.38mm(0.015インチ)〜約10.2mm(0.4インチ)の範囲であってもよい。積層工程中に、積層オフセットが陰極ウェブ23と陽極ウェブ123との間に形成される実施形態において、そのような積層オフセットは約1.0mm(0.04インチ)〜約7.9mm(0.31インチ)の間で変化してもよい。
【0055】
説明のためであり、限定するためではないが、回転加工工程パラメータの具体的な設定が提供される。この説明に役立つ実例において、陰極ウェブ23は1.27mpm(50fpm)の速度W1で移動されると仮定する。陽極ウェブ123の速度W2が1.29mpm(51fpm)であることによって、W1に対するW2の速度比は約1.02となる。各カット陰極シートの長さは、99.6mm(3.92インチ)である。隣接する陰極シート52間の空間53は、2mm(0.08インチ)である。次の深さカットの間の空間は、ウェブ54の陽極のみの部分をつき抜け、陽極キャリア51はつき抜けないようにカットし、102mm(4.0インチ)である。陽極ウェブおよび陰極ウェブの幅は、それぞれ143mm(5.63インチ)である。この説明のための実例によれば、積層オフセットは6.1mm(0.24インチ)である。
【0056】
図3C〜図3Fは、図3Aおよび図3Bに関して上述した構成に加えて実装することができる複数の回転加工装置構成を示している。図3C〜図3Fは、回転加工装置の3つの部分において異なる処理速度関係を有する4つの有用な構成を示している。具体的には、供給部分32’、カッティング部分34’、積層部分36’に関連する速度は、速度WXとして示され、Xは1、2または3に相当する。一般的に、必ずしもではないが、速度W1、W2、W3の間の関係はW1<W2<W3で特徴付けることもできる。
【0057】
たとえば、図3Cでは、この回転加工装置構成による供給部分32’、カッティング部分34’、積層部分36’に関連する速度は、それぞれW1、W2、W2である。この場合には、本質的に図3Aおよび図3Bに関して前述した構成の通りであり、W1はW2より小さい。
【0058】
図3Dは、別の回転加工装置構成を示しており、供給部分32’、カッティング部分34’、積層部分36’に関連する速度は、すべて実質的に等しく、この説明のための実例では速度W1である。図3Dは、速度W1でライナを巻き取るための巻取りロール27をさらに備えている。この構成は、矩形形状のダイブレードをはじめとする回転ダイのようなパターン形成された回転ダイの利用に十分に適している。この構成によれば、矩形のダイブレードは、ウェブ構造物(たとえば、陰極積層構造物)に矩形形状のカッティングにカットし、除去すると、隣接するウェブ構造物間に間隙を形成する。過剰または無駄なウェブマトリクス材料は、巻取りロール27の利用によって速度W1で移動するライナに再び巻き取られてもよい。
【0059】
速度W1でカッティング部分34’を経て、陽極積層構造物のウェブのような別のウェブ123に通過するウェブ構造物シートの積層はまた、速度W1で積層部分36’において生じてもよい。図3Dに示された回転加工装置構成は、隣接する陰極積層構造物間の所望の間隙の形成を好都合なことに生じると同時に、供給部分32’、カッティング部分34’、積層部分36’のそれぞれにおいて実質的に一様な処理速度をもたらす。
【0060】
図3Eは、別の回転加工装置構成を示しており、供給部分32’およびカッティング部分34’に関連する速度は実質的に等しく、積層部分の速度はW2として示されている。この構成では、カッティングステーション34’と積層ステーション36’との間に位置するコンベヤ25が示されている。コンベヤ25の速度は、積層ステーション36’の速度、すなわちW2と実質的に同一である。
【0061】
図3Fは、さらに別の回転加工装置構成であり、供給部分32’、カッティング部分34’、積層部分36’に関連する速度が異なっている。この具体的な実例において、供給部分32’、カッティング部分34’、積層部分36’に関連する速度は、それぞれ速度W1、W2、W3として示されている。カッティングステーション34’と積層ステーション36’との間に位置するコンベヤ25は、積層ステーション36’の速度、すなわちW3と実質的に同一である。
【0062】
図3A〜図3Fに示される回転加工装置構成のそれぞれは、隣接するウェブ構造物またはシートの間に所望の間隙を提供することが分かる。隣接するウェブ構造物/シート間の間隙のサイズまたは間隔は、処理速度(たとえば、速度W1、W2、W3)および/またはダイブレードのサイズ、構成、間隔の慎重な選択によって様々であってもよい。以下に示される説明から明白であるように、隣接するウェブ構造物/シート間に形成される間隙は、第2のカッティングステーションにおける積層品(たとえば積層ユニットセル)の処理を容易にする。
【0063】
第2のウェブ123への積層のために、カッティングステーション34’におけるウェブからカットされた各ウェブ構造物を第2のウェブ123に搬送するために、別の「ピックアンドプレイス」型積層装置を用いることもできることを当業者は十分に理解されたい。この代替アプローチによれば、積層部分36’は、ピックアンドプレイス積層装置として再構成されるか、またはピックアンドプレイス積層装置によって置換されることになる。
【0064】
図4は、図1および図2に示された第2のカッティングステーション40をさらに詳細に示している。図4に示されているように、積層ウェブ50は、剥離ライナ51を有する陽極ウェブ123に積層される一連の離隔された陰極シート52として示されている。積層ウェブ50は、速度W2で第2のカッティングステーションへ進む。カッティングロール装置41のアンビル45および回転ダイ44は、一般にW2と同一である速度W3で移動されるが、常に空間53に当たるようにするために、速度は可変である。たとえば、速度W3は、約15.2mpm(50fpm)〜約16.8mpm(55fpm)の間で変化してもよい。各ダイブレード48が隣接する個別の陰極シート52間の空間53の中でのみ積層ウェブ50と係合しカットして回転されるように、回転ダイ44の直径、ダイブレード48間の間隔、速度W2、W3が適切に選択される。図4の領域「A」内部のカッティングロール装置41を示す詳細図が、図5に提供されている。
【0065】
図5は、アンビル45と回転ダイ44との間に明示されたローリングカッティング境界面内部の積層ウェブ50の一部を示している。回転ダイ44のダイブレード48は、隣接する個別の陰極シート52間に形成された空間53の内部の陽極ウェブ材料54をカットするように示されている。ダイブレード48は、陽極材料層54を完全に貫通するが、剥離ライナ51の一部しか貫通しないようにカットすることが示されている。正確に制御された深さのカットによって、剥離ライナ51をごくわずかまたは実質的に全く貫通しなくてもよいことを留意されたい。
【0066】
前述したように、図4に示された第2のカッティングステーション40は、その出口で剥離可能なライナに支持された一連の積層ユニットセルシートを製造する。積層ユニットセルシートは、スタッキング装置による後処理のために、巻取りロールに巻き付けられてもよく、または連続回転加工/スタッキング作業の一部としてスタッキング装置に直接供給されてもよい。
【0067】
前述したように、陽極ウェブ123および陰極ウェブ23の構成は、材料、材料の層の数、位置合わせ、サイズ、そのような材料層の形状に関して様々であってもよい。一例として、陰極ウェブ23の構成は、両側に陰極コーティングを有するアルミニウム箔を含んでもよい。この実例における陽極ウェブ123は、ポリエチレン/SPE/リチウム箔/SPE構成を有してもよい。尚、SPEは、固体重合体電解質を指す。
【0068】
別の例として、陰極ウェブ23は、陰極/炭素被覆アルミニウム箔/陰極構成を含んでもよい。この例における陽極ウェブ123は、ポリエチレン/SPE/リチウム箔/SPE構成を備えていてもよい。
【0069】
本発明の回転加工装置および方法は、多種多様なシート材料を積層するために用いられてもよく、薄膜電気化学セルのみの利用に限定されるわけではないことを十分に理解されたい。さらに、回転積層工程は、第1のカッティングステーション28によって処理されるウェブ材料シートの間に空間を形成する必要はないが、そのような空間の形成はある種の用途(たとえば、薄膜電気化学セルの製造)には有利である。
【0070】
本発明のスタッキング装置および方法は、ローリング積層境界の利用などの種々のタイプ、サイズ、形状の積層品の連続スタッキングを提供する。一般的に言えば、一連の平坦なパック、パレットまたはキャリッジが、パックの上面にシート形態の製品の正確な積層スタックを構築するために、ニップを経由して連続的に回送される。製品のシートは、剥離可能なウェブライナからパックに連続逐次方式または交互方式で搬送され、所望の高さの製品シートのスタックを製造する。スタッキング装置およびスタッキング工程の複数の実施形態が、以下に示されており、「DL」(直接積層)装置または「VL」(真空積層)装置および工程のいずれかとして一般に分類される。
【0071】
DL方法論によれば、製品シートは、剥離可能なウェブライナから直接積層装置のパックに搬送される。VL方法論によれば、製品シートは、最初に剥離ライナから真空ロールへ搬送され、次に間接積層装置におけるパックに積層される。製品シートの両面は粘着性であってもよいことを留意すべきである。同様に、たとえば、フックアンドループ、静電気、磁気または機械による把持機構の利用などスタッキングの他の非粘着性の態様を用いてもよい。材料層を組立てるための本発明のローリング積層工程、即ち本願明細書に記載されたDLアプローチおよびVLアプローチである二つの実施形態は、好都合なことに、積層構造物内の空気を排除する。
【0072】
積層工程に供せられる製品は、剥離ライナ上のテープの形態であってもよい。製品を貫通してライナまでの制御された深さのカットは、製品を個別の製品シートに分離する。一つのアプローチにおいて、隣接する製品シート間に形成される空間がないと仮定する。雑草(weed)が除去された伝統的なラベル付けに比べて、これは無駄を削減する。スタッキング工程は、隣接する製品シート間の空間がなく、製品シート長さにごくわずかな変動が累積する場合にも対応できるように設計されてもよい。別のアプローチでは、上述したように、隣接する多層製品シートの層の少なくとも一部の層の間に空間が形成されてもよい。
【0073】
ここで図6を参照すると、本発明の一実施形態による、連続方式で製品シートのスタックを製造するためのVLスタッキング装置120が示されている。この実施形態によれば、VLスタッキング装置120に供給される製品ウェブ135は、上述したような上流の回転加工装置20によって製造されてもよい。あるいは、製品ウェブ135は、個別の供給ロールによって提供されてもよい。製品ウェブ135は、上記で既に説明した第2のカッティングステーション40によって製造されるような製品ウェブ135の剥離ライナに剥離可能に固着されている製品またはパッケージング(たとえば電気化学ユニットセル)の個別のシートを含むと仮定される。
【0074】
図6に示されたVLスタッキング工程によれば、積層ニップ147が、真空ロール130と一連の移動パック142のそれぞれとの間に形成される。製品またはパッケージングの個別のシートは、粘着材料の面を含むことが好ましく、真空ロール130によって粘着性の面を出してニップ147に運び込まれる。
【0075】
製品シートは、運転タイミングを容易にするように真空ロール130上で離隔されている。製品シートが、真空ロール130とストリッパロール134との間の境界に設けられた小さな半径の剥離点で製品ウェブ135の剥離可能ライナから取り除かれるため、製品シートは真空ロール130上に受け取られる。ストリッパロール134において、製品シートは、剥離可能なライナから剥離され、空間を置かれて、真空ロール130上に転送される。剥離ライナは、巻取りロール124に供給される。
【0076】
真空ロール130の6時の位置で、製品シートは、真空ロール130からパック142(図6では矩形として一般的に示されている)上の大きくなっていくスタックに転送される。図6には、真空テンションロール130への巻き戻しとして示されているウェブ経路(ウェブ経路1)を示してある。このウェブ経路は、回転加工装置20からスタッキング装置120を分離させるために用いられてもよい。たとえば、回転加工装置20の出力で製造される積層ウェブは、一日巻き取られ翌日、スタッキング装置120によって巻き戻されて処理されることもできる。
【0077】
一実施形態によれば、パック142は、タイミングベルトまたはチェーン伝導コンベヤ202によって連続ループ方式でニップ147の方に搬送される。この具体的な実施形態において、図8Aおよび図8Bにさらに示されるように、離隔されたパック142は、所望の方向にコンベヤ202の上部を進み、コンベヤ202の一方の側面の弓状経路に沿い、コンベヤ202の下の部分に沿い、コンベヤ202の他の側面の弓状経路に沿って、コンベヤ202の上部へ戻る。パック142は、コンベヤ202上の連続経路に沿って移動してもよく、または別のアプローチによれば、往復コンベヤの利用によって連続経路に沿って移動してもよい。
【0078】
連続方式で製品シートのスタックを作成するために、2台以上のVL積層スタッキング装置120を用いてもよいことを理解すべきである。たとえば、2台のVL積層スタッキング装置120の場合には、各装置120は、同一または異なるサイズ/形状の同一または異なる材料層をパック142に積層することができる。
【0079】
別の実施形態において、図7Aおよび図7Bにおいて最もよく分かるように、パック142は、連続ループ方式で往復コンベヤ146aによって、図6に示されるニップ147の方に移送される。この実施形態では、1対の往復リニアモータ150a、150bがパック142の平面の下で作動する。第1のモータ150aはパック142をニップ147の方へ進めているのに対し、第2のモータ150bはその行列を停止している。
【0080】
先頭のモータ150aは、先頭のパック142がニップ147に入る前に、先頭のパック142の速度および位置を調整する。先頭のパック142がニップ147に入ると、先頭のモータ150aがパックを放し、その行列の後部にある第2のパック142を接合するために、迅速に、空で元に戻る。第2のパック142を接合するために、先頭のモータ150aは、移動中のパック142(すなわち行列の第1のパックから1つのパック長さ後方にあるパック142)と速度および位置を適合させ、パック142の下部から突出しているグリッパホールドを把持するグリッパ156を作動する。
【0081】
ニップ147を出たパック142は、コンベヤループに押出され、その行列の端へ戻るようにする。このパック142は、往復コンベヤ146aの下部面側に載る。直線ベアリングガイド154を含むことを示しているように、最後のコンベヤからレールまたはベアリング部分への移行部において、直線ベアリングガイド154と係合するために、位置の許容差を必要とする。一旦、直線ベアリングガイド154に載ると、パック142は自己調整する。
【0082】
タンデム型リニアモータ150a、150bおよびグリッパ156は、往復運動するように移動し、パック142は連続移動するように移動する。モータの加速度約40m/s2で約300積層/分という速度が実現可能である。このレベルの生産性は、市販の構成部材を用いて実現可能である。この推定値は、約30m/分の公称ラインスピードを提供する長さ約100mmのパック142に基づいている。
【0083】
図6にさらに示しているように、必要に応じて、光センサ138,133が、パック142および真空ロール130上の製品シートを検知する。リニアモータ150a、150bは、一般に位置のフィードパックのために、直線エンコーダを用いる。
【0084】
よリ広範囲な工程に関して、満たされたパック142が仕上げステーションまで回送されるのに対し、空のパック142はスタッキングループに挿入される。たとえば、電池または燃料電池のようなあるタイプの製品を適切に製造するためには、相対的に強いニップ圧力を必要とする場合がある。医療品およびパッケージング用途の場合には、そのような強い力を必要としなくても済む。図7Aおよび図7Bに示されている実装例は、ニップ147の下に、合計の力が2669N(600ポンド)以上かってもよい十分な機械的支持材を設けるように設計されている。
【0085】
図7Aおよび図7Bに示されているように、パック142は、連続移動において右から左へ移動する。ニップ147の下において、パック142は、ラウンドウェイベアリングおよびレール上、または機械加工された軌道を走るカムフォロア上に支持される。これらのオプションはいずれも、パック142をコンベヤ146aと直線ベアリングガイド154との間で搬送することができる。このようなベアリングまたはカムフォロアは、リニアモータベアリングに関係なく、実装されることができるため、積層負荷を加える必要に応じて、サイズを決定してもよい。ベアリングまたはカムフォロアは、パック142と共に移動してもよく、またはパック142の「アクティブ」軌道を形成するように固定して配置されてもよい。
【0086】
レール/ガイド部分の前のコンベヤ146aまたは積層テーブル145は、公称ラインスピードで前方方向にパック142の列全体を駆動する。ニップ147の垂直制御は、真空ロール部分によって提供されてもよい。パック142上の製品またはパッケージの増加する高さに対応するため、垂直制御が必要とされる。パック142の上部または真空ロール130自体のいずれかは、準拠した材料で被覆されていてもよい。
【0087】
リニアモータ150a、150bを用いる設計において、直線ベアリングガイド154は、コイルおよびグリッパ156の両方を支持する独立したベアリングを支持する。直線ベアリングガイド154が積層力を支えるほどに十分に強い場合には、カムフォロアおよび加工軌道を取り除いてもよい。この場合には、グリッパ156は、ニップ147によってパック142を全て搬送し、ニップは軌道をある程度長くする。
【0088】
別の実施形態においては真空ロール130を用いない。パック142は剥離ステーションの下を直接通過するか、または製品シートの前縁がスタックの前縁に連結された他のシート供給機構を通過する。このアプローチは、ラベル貼り機を用いる場合と似たり寄ったりである。次に、積層を完成するために、パックはニップを通過してもよい。
【0089】
図8はDL装置190の実施形態を示しており、製品シートが剥離可能なウェブライナから直接積層装置のパック142まで搬送される。図8に示される直接積層装置190は、多数のパックまたはキャリッジ142が循環方式で移動するコンベヤ202を備えている。
【0090】
この具体的な実施形態において、離隔されたパック142は、所望の方向にコンベヤ202の上部を進み、コンベヤ202の一方側面の弓状経路に沿い、コンベヤ202の下部分に沿い、コンベヤ202の他方の側面の弓状経路に沿って、コンベヤ202の上部へ戻る。パック142は、VLアプローチに関して前述したような方式で、コンベヤ202上の連続経路に沿って進んでもよい。あるいは、DL工程は前述したタイプの往復コンベヤを用いても良いことも十分に理解されたい。
【0091】
図8に示されているように、パック142が積層ロール212の付近を移動するとき、積層ロール212とパック142のそれぞれとの間にニップ214が形成される。この実施形態において、製品ウェブ213は、供給ロール210から巻き戻され、パック142を積層ロール212の近くに移動するとき、積層ロール212と各パック142との間に形成されるニップ214の方へ向わされる。積層ロール212とパック142との間に生じる相対的に強い積層力を提供するために、1つ以上の支持ローラ201を、コンベヤ202上に配置してもよい。
【0092】
ニップ214を形成するように、各パック142が積層ロール212の近くを通過するとき、電気化学ユニットセルシートのような製品シート216がウェブからパック142に乗り換えられる。このパック142は積層ロール212の付近からコンベヤに沿って進み、次のパック142が、ニップ214を形成するために、積層ロール212の付近に進む。製品シート216は、ウェブからパック142に乗り換えられる。積層ロール212の下で循環するパック142のそれぞれに、製品シートのスタックを構築するために、この工程が何度も繰り返される。パック142における製品またはパッケージの増加する高さに対応するために、ニップ214の垂直制御が行われる。
【0093】
コンベヤ202に固定されるか、または他の方法によりコンベヤ202上を移動するパック142は、1つの製品シート/スタックの長さより長いことが望ましいが、不可欠ではない。一実施形態において、パック142の長さは約102mm(4インチ)(たとえば104mm(4.09インチ))であり、パック142の幅は約152mm(6インチ)(たとえば、150mm(5.91インチ))である。個別のパック142間の間隔は、1つの製品シート/スタックの長さにほぼ等しい。
【0094】
一実装例によれば、0〜10m/分の範囲の速度で製品ウェブ213を移動することができる。製品ウェブの幅は、約203mm(8インチ)である。製品シートは、約432mm(17インチ)までの長さの電気化学ユニットセルシートであってもよい。
【0095】
図8に示される実施形態において、積層ステーションが1つのみ用いられる。したがって、ウェブに剥離可能に固着された互い違いの製品シートのみが、パック142に搬送され、ウェブに固着された1つおきの製品シートを残す。100%利用するために、このような未処理の製品シートは、DL装置190を通る1回目のパスで、ライナと共に巻き取られ、残りの製品シートを個別のパック142に乗り換えるために2回目のパスを行う。
【0096】
パック142に積層された第1の製品シート層の上部と製品シートの非粘着面との接着力は、ウェブの剥離ライナから製品シートをきれいに引き離すほど十分に大きくなければならない。パック142の上部に対する第1の層の下部の接着力は、工程のバランスによって、スタックを固着するほど十分に大きいが、要求に応じて容易に剥離する。たとえば、電気化学セル構成の場合には、この第1の層は、粘着性の電解質/リチウム箔/粘着性の電解質構造物であってもよく、パック142の上部は、不活性の剥離可能な誘電材料の薄層を含んでもよい。この場合には、次の各層は一般に、陰極/集電体/陰極/電解質/リチウム箔/電解質構造物を有する。
【0097】
一実施形態において、ウェブの剥離ライナに対する製品シートの接着力は一般に、約2g/25.4mm(インチ)〜約100g/25.4mm(インチ)の範囲である。製品シート対製品シートの接着力は一般に、約300g/25.4mm(インチ)〜約1200g/25.4mm(インチ)の範囲である。
【0098】
DL積層工程における第1の層と次の層との間の差異が、すべてのパック142がニップ214を通して第1の準備パスを行った後に、ロールの交換または接合を必要とすることが起こり得ることである。製品スタックが完成した後、パック142が取外される。手動または自動取外し工程の利用のいずれかによって、これが行なわれてもよい。たとえば、パック142からの製品スタックの分離は、既に述べたような不活性の剥離可能な誘電材料の薄層などのようなパック表面と隣接する製品スタック層との間に剥離可能な接着剤を利用することによって実現されうる。別の実例として、パックから製品スタックの取外しを容易にするために、スタッキング工程中、パック表面に製品スタックを固着するために用いうる真空機構を製品スタックに逆圧を形成するように、作用してもよい。
【0099】
一実施形態によれば、積層ロール212は、ゴム被覆される。パック142は、本質的に平坦で硬い。ゴム被覆された積層ロール212がニップ214において変形するため、製品スタックは実質的に平坦であり、相対的に応力を受けないことが一般的に有利である。パック142の上に設けられたコーティングは、短絡セルからパック142に熱伝導を可能にするほど十分に薄くなっており、このことは、そのような短絡が生じた場合に、潜在的に安全という利点を有す。同様に、この実施形態において、剥離ライナが剥離点で曲げられないため、ライナは再利用することが潜在的に可能であり、コスト節約につながる。さらに、製品シートは常に、ウェブライナまたはパック142のいずれか、あるいはその両方と確実に接触しているため、アライメントまたは位置合わせからずれる可能性は低い。さらに、この実施形態によれば、真空ローラは必要ではなく、さらにコスト節約に潜在的につながる。
【0100】
パックセンサおよび製品センサが、パック142上で製品シートの位置合わせを維持し、スタックの増加する高さに対応するようにDLロール212の位置を調整するために用いられることが好ましい。これらのセンサは、チェーン駆動およびウェブに固着された製品シートに関するパック142の速度および位置の微調整を容易にする。チェーン駆動式コンベヤ202の代わりに、タイミングベルトまたは別のサーボシステムを用いてもよく、高度な工程ではパック142をコンベヤ202に必ずしも固定する必要はない。
【0101】
図9は、本発明の別の実施形態による2つの積層ステーション202,204(たとえば、1つの製品ウェブステーション、2つの積層ステーション)を含むDL装置200を示している。図9は、左から右へ移動するDL工程を示している。2つの積層ステーション202、204が設けられており、キャリアウェブ213から一組の循環パック142に乗り換えれた互い違いの製品シート216を個別に積層する。さらに具体的に言えば、第1の積層ステーション202が1つおきの製品シートをその個別のパック142に乗り換え、第2の積層ステーション204が残りの製品シートをその個別のパック142に乗り換る。図9に示される実施形態において、積層ステーション202、204のそれぞれは、チェーン駆動式コンベヤ146b、146cを備えている。
【0102】
製品シート216のキャリアウェブ213は、供給ロール210から巻き戻される。前述したような回転加工装置および方法を用いて、カットされた製品シート216のキャリアウェブ213を製造してもよい。キャリアウェブ213は、第1の積層ステーション202において、第1の積層ロール212とパック142のそれぞれとの間に連続的に形成されるニップ214に供給される。第1の積層ステーション202のコンベヤ146b上を移動しているパック142の間に形成された間隔のため、DL工程中にキャリアウェブ213が供給ロール210から巻き戻され、巻取りロール222に巻き取られるときに、互い違いの製品シート216が、キャリアウェブ213からパック142へ乗り換えられる。
【0103】
第2の積層ステーション204における第2のニップ215が、第2の積層ロール220とコンベヤ146cの周囲を循環するパック142のそれぞれとの間に形成される。第1の積層ステーション202を通過した後、キャリアウェブ213に残っている製品シート216は、キャリアウェブ213から第2の積層ステーション204のパック142に乗り換えられる。したがって、連続DL工程中、製品シートのスタックが2つの積層ステーションのそれぞれにおけるパック上に構成される。キャリアウェブ213に剥離可能に固着された製品シート216は、隣接する製品シート216間に形成される間隔の有無に関係なく、キャリアウェブ213上に配置していてもよいことを留意されたい。
【0104】
3つ以上の積層ステーションを用いてもよいことと、さらなる積層ステーション追加を容易に促進するために、ウェブ速度、製品シートのサイズ、パックの間隔のような工程パラメータを適切に調整することができることと、を十分に理解されたい。パックセンサおよび製品センサは、パック142上の製品シートの位置合わせを保持するために用いられることが好ましい。これらのセンサは、コンベヤ146b、146c(たとえばチェーン駆動)の速度および位置の微調整を独立かつ容易にする。あるいは、チェーン駆動式コンベヤ146b、146cの代わりに、タイミングベルトまたは別のサーボシステムを用いてもよい。
【0105】
図10は、本発明の別の実施形態によるDL装置201を示している。この実施形態は、2つの積層ステーション単独コンベヤDL装置の実装例を示している。図示されているように、DL装置201は、コンベヤ221を含む1つの積層ステーション203を備えている。製品シート216のウェブ213は、供給ロール210から巻き戻され、第1の積層ロール212と一組の循環パック142との間を通過する。互い違いの製品シート216は、第1のニップ214においてウェブ213から移動中のパック142に乗り換えられる。残りの製品シート216は、第2の積層ロール220とパック142のそれぞれとの間に形成される第2のニップ215において、移動中のパック142に乗り換えられる。その後、剥離ライナが巻取りロール222に巻き取られる。
【0106】
図10に示される装置201を用いる1つのDL実装例によれば、キャリアウェブ213は、剥離ライナであり、その上に1つのスタックで陰極/集電体/陰極構造物およびセパレータ/陽極/セパレータ構造物の互い違いのシートを組み込み予めカットされた電気化学ユニットセルシート216が剥離可能に支持されている。あるいは、キャリアウェブ213は、1つのスタックにセパレータ/陽極/セパレータ構造物および陰極/集電体/陰極構造物の互い違いのシートを組み込み予めカットされた電気化学ユニットセルシート216を支持することもできる。
【0107】
一実装例によれば、0〜10m/分の範囲の速度で製品ウェブ213を移動することができる。製品ウェブの幅は、約203mm(8インチ)であってもよい。ユニットセルシートは、約432mm(17インチ)までの長さであってもよい。
【0108】
図10はまた、前述した図8および図9に示されたような他の実施形態で用いることができる複数の追加構成部材を示している。DL装置201は、ウェブがテンションロール219を通過するとき、ウェブアライメントに対して支援するためのウェブガイド223を備えることができる。製品シート216を所望の温度に加熱するために、赤外線ヒータ232を用いてもよい。キャリアウェブ213における製品シート216の配置およびパック142および/またはチェーン駆動/コンベヤ221の速度および位置を検出するために、光センサのようなアライメントセンサ234を用いてもよい。DL工程中のコンベヤ速度の調整を容易にするために、コンベヤ221は、1つ以上のサーボ制御駆動ロールを備えてもよい。他の実施形態においてみられるように、パック142における製品またはパッケージの増加する高さに対応するために、積層ロール214、215の垂直制御が行われる。あるいは、パックの高さを調整することによって、セルの高さに対応させることができる。
【0109】
図11は、本発明の原理によるDL装置300のさらに別の実施形態を示している。この実施形態によれば、複数の製品ウェブ306、326は、一組の連続的に移動する循環パック142においてシート製品またはパッケージングのスタックを構築するために、複数の積層ニップ214、215をそれぞれ通過させる。図示されているように、製品ウェブ306は、製品ウェブ326に除去可能なように固着された製品シートとは異なる製品シートを備えており、2つの製品ウェブ306、326は同一のタイプの製品シートを支持することができることを理解されたい。さらに示されるように、各製品ウェブ306、326は、唯一の関連する積層ニップ214、215を有し、1つおきの製品シートは、各ニップ214、215における個別のパックに乗り換えられる。1回通過中に、所与のウェブのすべての製品シートが個別のパックに乗り換えられるように、各製品ウェブ306、326のために、2つの積層ニップを設けることができることを理解すべきである。1回通過中に、所与のウェブのすべての製品シートが個別のパックに乗り換えられるように、各製品ウェブ306、326のために、3つ以上の積層ニップを設けることができることをさらに理解すべきである。
【0110】
この実施形態によるDL方法を実行する場合に実現可能な1つの利点は、製品シートが最初にパック142に乗り換えられたかどうかに関係なく、ウェブ306、326に支持された各製品シートの積層を互い違いにすることができることに関する。一例として、製品ウェブ306は、セパレータ/リチウム箔/セパレータ構造物を含む電気化学陽極製品シートを剥離可能に支持することができる。製品ウェブ326は、陰極/集電体/陰極/集電体/陰極構造物を含む電気化学陰極製品シートを剥離可能に支持することができる。たとえば、互い違いの陽極製品シート/陰極製品シートのスタックを構成するために、陽極製品シートをパック142に最初に積層し、次に陰極製品シートを積層することができる。
【0111】
一実装例によれば、0〜10m/分の範囲の速度で製品ウェブ306を移動することができる。製品ウェブの幅は、約203mm(8インチ)であってもよい。ユニットセルシートは、約432mm(17インチ)までの長さであってもよい。製品ウェブ供給ロール302、322はそれぞれ、約457mm(18インチ)までの直径を有することができる。
【0112】
ここで図12Aおよび図12Bを参照すると、本発明の別の実施形態によるスタッキング/積層装置500が示されている。この実施形態によれば、高精度で材料の積層スタックを製造するために、スタッキング/積層装置500を用いることができる。スタッキング/積層装置500によって処理される材料は、異なる寸法および柔軟性を有する材料層を含むことができる。
【0113】
図12Aおよび図12Bに示される実施形態によれば、積層ロールからパックへの製品シートの乗り換え中に、パックは移動中である必要はない。パックは、コンベヤに取付けてもよく、取付けなくてもよいが、この実施形態では、積層またはスタック構築工程中、コンベヤは移動中である必要はない。ローラは、パックを横切って通過し、各通過時にローラの面上の点が同一の位置でパックと接合するように、同時に位置Aと位置Bとの間を回転される。ロールは、ロールの面の一定の位置に分割された製品シートを保持することができる。このことは、真空、静電気または接着剤によって実現されてもよい。
【0114】
スタッキング/積層装置500は、パックの面から積層ロールの面までの距離を制御するために、調整可能な機構を有する。スタックの高さが増加すると、距離が増加する。ロールは、分割された製品シートまたはライナシートによって支持された分割された製品シートをパックに供給することができる。2層の異なる積層品または積層品混合物を正確なアライメントで1つのスタックに積層するように装置500が設計されている。各積層品のパレットは、積層の前に取得される積層品のために、機械のいずれかの端部に取付けることも可能である。
【0115】
一実施形態によるスタッキング/積層装置500は、材料を位置決めして保持するために、真空ロール502を用いる。材料の位置決めは、真空ロール502上の基準マークを用いることによって実現される。材料のパッチがその正確な配置のためのロールの基準マークを用いて、真空ロール502上に配置された後、真空ロール502はハンドル504によって回転することにより進められる。真空ロール502が回転すると、位置合わせのために、機構506上を前進する。
【0116】
この相互作用のために、真空ロール502によって搬送される材料のパッチは常に、積層が生じる位置である積層パック508上の同一の位置に示される。パッチ材料は積層パック508または材料の次の層に真空ロール502の保持力より大きい力で接着されるため、材料のパッチは真空ロール502から剥離して積層パック508に乗り換えられる。次に、真空ロール502上の別の設定の基準マークに基づいて、材料の第2の層が真空ロール502上に配置され、逆方向で材料の増加するスタックに積層される。そのような基準マークは、所与の工程の適用可能な積層要件に左右される。スタックが増加すると、クリアランスのために積層スタックの高さを下げ、一定の積層圧力を維持するように、ねじジャッキ510がハンドル513によって作動される。
【0117】
さらなる説明のために、スタッキング/積層装置500は、ステーション積層開口部503および調整可能なテーブル505を有するステーション501を備えている。調整可能なテーブル505は、上面507を有し、垂直方向(たとえば高さ)、横方向、軸方向の軸(たとえば、x軸、y軸、z軸)に関して調整可能であってもよく、さらに、方向揺れ角に関して調整可能であってもよい。調整可能なテーブル505は、ステーション501内部に位置し、ステーション501と一体であってもよく、ステーション501のステーション積層開口部503の下に配置されてもよい。装置は、調整可能なテーブル上面507に取付けられるパック508をさらに含む。パック508は、調整可能なテーブル上面機構部分の機能として移動可能である。回転可能な積層面502が、位置Aと位置Bとの間の移動のために設けられ、回転可能な積層面502に対してパック508を位置合わせするための装置506を備えている。
【0118】
この実施形態によれば、第1の製品送出装置は、陰極積層構造物のような第1の製品シートを回転可能な積層面502に供給する。第2の製品送出装置は、陽極積層構造物のような第2の製品シートを回転可能な積層面502に供給する。パック508上に第1の製品シートおよび第2の製品シートを互いに違いにするスタックを製造するために、ステーション501の対向する端部から反復交互方式で個別の第1のシートおよび第2のシートをパック508に搬送するように、第1の製品送出装置および第2の製品送出装置は、回転可能な積層面502と協働する。
【0119】
真空、接着剤、静電気またはこれらのアプローチの組合せを利用することによって、シートを回転可能な積層面502に保持することができる。1つのアプローチによれば、回転可能な積層面502に対するパック508の位置合わせは、ラックアンドピニオン装置506の利用によって実現される。たとえば、ガイドローラを有するローラベアリング装置、ピックアンドプレイス装置または他の歯車/ベルト組立品などの他の位置合わせ機構または調整機構を用いても良いことを理解すべきである。
【0120】
回転可能な積層面502および調整可能なテーブル上面507の移動は、手動で達成されてもよい。あるいは、回転可能な積層面502および調整可能なテーブル上面507の移動は、1つ以上の制御可能な電動機の利用などの完全または部分的な自動方式で達成されてもよい。
【0121】
一実施形態において、パック508のすべてまたは一部は、断熱電気絶縁材料から製造される。パック508は、たとえば、x位置表示器、y位置表示器、z位置表示器などの位置表示器および方向揺れ角計を備えていてもよい。製品送出装置は、単層シートまたは多層シートの1つ以上のウェブを含むことができ、シートは剥離ライナを含むことができる。製品送出装置は、回転可能な積層面502へのシートの手動供給を行う1台以上の手動シート供給装置を備えていてもよい。
【0122】
本発明の原理による回転加工および/またはスタッキング装置および方法によって、異なるタイプ、サイズ、形状の多種多様な材料を処理することができることを理解すべきである。本発明の原理は、たとえば、積層燃料電池の構成に適用されてもよい。
【0123】
一実施形態によれば、陽子交換膜燃料電池、センサ、電界槽、クロロアルカリ分離膜などをはじめとする電気化学素子は、膜電極組立品(MEA)から構成されることができる。このようなMEAは、イオン伝導膜と接触する白金(Pt)などの触媒電極材料を含んでいる少なくとも1つの電極部分を組み込んでいる。イオン伝導膜(ICM)は、固体電解質のような電気化学セルに用いられることが多い。
【0124】
たとえば、一般的な燃料電池において、ICMは、陰極および陽極と接触しており、陽極において形成されるイオンを陰極に搬送することによって、電極を接続している外部回路に電流を流すことができる。燃料電池、センサ、電界槽または電気化学反応炉のような電気化学セルの中心となる構成部材は、3層膜電極組立品またはMEAである。MEAは、最も一般的に言えば、イオン伝導電解質、好ましくは固体重合体電解質を挟む2つの触媒作用が及ぼされる電極を含む。同様に、この3層MEAが電極裏面層(EBL)と呼ばれる2つの多孔性導電素子の間に挟まれ、5層MEAを形成する。
【0125】
たとえば、互いとの位置合わせにおいて陰極および陽極をICMに接合し、次の工程において、3層MEAを個別の陰極側EBLおよび陽極側EBLに接合して5層MEAを形成するために、本発明の装置および方法を用いることができる。あるいは、5層MEAの予備形成された部分組立品を合わせて、完全なMEAを形成することができる。たとえば、電極層が接合されているEBLを含む部分組立品は、第2の電極、別のベアリング、ICMが接合されるEBLを含む部分組立品に接合されることができる。
【0126】
本発明の原理によれば、他のタイプの積層スタックを製造することもできる。図13〜図18は、本発明の回転加工および/またはVL/DLスタッキングアプローチを用いて製造することができる複数の異なるタイプの積層スタックを示している。
【0127】
図13は、材料の多色シートの積層スタックを示している。色付きまたは印刷されたシートの多層を共に積層し、所望の形状にカットして、積み重ねることができる。たとえば、それぞれが異なる色であり、背面の一部に接着剤を含む製品の5つの異なるウェブを共に積層し、所望の形状にカットすることができる。このスタックを複数の積層が積み重ねられるまで循環するパック上に置き、この時点で各パックが循環ループから取り出され、空のパックと置き換えられる。
【0128】
図14は、背面の一部に接着剤を有する紙または膜の単色シートの複数の層を示しており、共に積層され、第1のカッティングステーション(たとえば回転ダイステーション)で所望の形状にカットされる。カットされたスタックは、パック上に配置される。第2のウェブラインにおいて、背面の一部に接着剤を有する第2の色の複数の層が共に積層され、第2のカッティングステーションにおいて所望の形状にカットされる。このカットされたスタックは、第1のカッティングステーションでカットされたスタックと共に、パック上に配置される。
【0129】
たとえば、合わせて5つの個別のウェブラインに対して、この工程が続けられてもよい。スタックが製造される順序に応じて、パックは、ウェブラインからウェブラインへ移動する。一旦、詰め込みが完了すると、各パックは、スタッキング装置から移動され、空のパックによって置き換えられる。完成したパックは、送出部分へ送られる。
【0130】
図15は、図14に示されたものと類似の製品スタックまたはパッドを示している。図15に示された製品スタックは楕円形であるのに対し、図14に示された製品スタックは正方形または矩形である。図14および図15に示された製品スタックの形状は必要または所望に応じて、様々であってもよいことを理解すべきである。
【0131】
図16は、図14および図15に示されたものと類似の別の製品スタックまたはパッドを示しているが、様々な層の形状が変化している。シート(たとえば紙または膜)の色は変化しても変化しなくてもよいことを理解すべきである。図17は、各シートが異なる形状を有し、一度に1つのシートのみがパックに加えられる点を除き、図14および図15に示されたものと類似の製品スタックを示している。また、6つ以上の異なるカッティングステーションを必要とする様々な形状であってもよい。
【0132】
図18は、本発明の原理によって積層される包帯のパックを示している。下部ウェブは、無菌パッケージの下部シートとして作用し、製品用のライナとしても作用する。パターン化された接着剤が、ライナのない面のパッケージウェブにコーティングされる。包帯は、この工程から上流に向けられ、各包帯がカットされて、ライナ/パッケージングウェブに置かれる。このパッケージングウェブはカットされて後方に循環されるパック上に配置される。パッケージングウェブの別の包帯がカットされて、スタックの上部に置かれる。これがたとえば、10〜50回反復されてもよい。
【0133】
一旦、包帯のすべてがパック上に置かれると、上部パッケージングウェブがスタックの上部に加えられて、スタックの上部の包帯の上膜として作用する。製品の使用のために、上部ウェブが除去されることによって、包帯が露出する。一旦、包帯が取出されると、今度は前の包帯用の下部パッケージングウェブ/製品ライナが次の製品用の上部パッケージングウェブとなる。
【0134】
本発明の様々な実施形態に関する前述の説明は、例示のために提示された。開示された正確な態様に関して、本発明を包括的であるかあるいは限定するためのものではない。上記の開示を踏まえて、様々な修正および変形が可能である。本発明の範囲は、この詳細な説明によって限定されるのではなく、本願の特許請求の範囲によって限定されることを意図している。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施形態による回転加工およびスタッキング装置を示す図である。
【図2】 本発明の実施形態による回転加工装置を示す図1の部分組立品を示す図である。
【図3A】 本発明の実施形態による回転加工装置の第1の回転カッティング/積層境界の詳細図である図2の部分組立品を示す図である。
【図3B】 図3Aに示される第1の回転カッティング/積層境界におけるアンビルを移動するカット陰極シートを示す図である。
【図3C】 それぞれが、同一または異なる処理速度で作動することができる供給部分、カッティング部分、積層部分を含む回転加工装置の4つの実施形態を示す図である。
【図3D】 それぞれが、同一または異なる処理速度で作動することができる供給部分、カッティング部分、積層部分を含む回転加工装置の4つの実施形態を示す図である。
【図3E】 それぞれが、同一または異なる処理速度で作動することができる供給部分、カッティング部分、積層部分を含む回転加工装置の4つの実施形態を示す図である。
【図3F】 それぞれが、同一または異なる処理速度で作動することができる供給部分、カッティング部分、積層部分を含む回転加工装置の4つの実施形態を示す図である。
【図4】 本発明の実施形態による回転加工装置の第2の回転カッティング境界面の詳細図である図2の部分組立図である。
【図5】 図4に示される第2の回転カッティング境界面の詳細図である。
【図6】 本発明の実施形態によるスタッキング装置を示す図1の部分組立図である。
【図7A】 本発明の実施形態によるスタッキング装置の一部を示す図である。
【図7B】 本発明の実施形態によるスタッキング装置の一部を示す図である。
【図8】 本発明の別の実施形態によるスタッキング装置を示す図である。
【図9】 本発明の実施形態によるマルチプルステーション型単一製品ウェブスタッキング装置を示す図である。
【図10】 本発明の実施形態による単一ステーション型単一製品ウェブスタッキング装置を示す図である。
【図11】 本発明の実施形態によるマルチプルステーション型多製品ウェブスタッキング装置を示す図である。
【図12A】 本発明の別の実施形態による回転加工/積層装置を示す図である。
【図12B】 本発明の別の実施形態による回転加工/積層装置を示す図である。
【図13】 本発明の原理による回転加工および/またはスタッキング装置によって製造される材料の多色シートの積層スタックを示す図である。
【図14】 本発明の原理による回転加工および/またはスタッキング装置を用いて、共に積層され、所望の形状にカットされ接着剤を有する後面部を有する紙または膜の単色シートの多層を示す図である。
【図15】 図14に示されるものとは異なる形状を有するが図14に示されているものと類似の紙または膜の単色シートの多層を示す図である。
【図16】 本発明の原理による回転加工および/またはスタッキング装置を用いて製造される様々な形状およびサイズの様々なシートまたは膜の層を含む製品スタックまたはパッドを示す図である。
【図17】 本発明の原理による回転加工および/またはスタッキング装置を用いて製造される異なる形状を各シートが有する様々なシートまたは膜の層を含む製品スタックを示す図である。
【図18】 本発明の原理による回転加工および/またはスタッキング装置を用いて製造される包帯のパックを示す図である。
Claims (5)
- 一連の薄膜電気化学ユニットセルを製造する方法であって、
第1の速度で移動する陰極積層構造物を含む陰極ウェブを一連の陰極シートにカットする工程と、
前記陰極シートのそれぞれを前記第1の速度以上の第2の速度で移動する工程と、
前記第2の速度で移動する前記陰極シートのそれぞれを前記第2の速度で移動する陽極積層構造物を含む陽極ウェブに積層させて、隣接する陰極シート間に空間を有する積層ユニットセルを製造する工程と、
前記積層された陽極ウェブを隣接する陰極シート間の空間内でカットして、一連のユニットセルシートを製造する工程と、
を含む方法。 - 前記陰極シートのそれぞれを前記陽極ウェブに積層する工程は、前記第2の速度で前記陰極シートのそれぞれを回転運動の適用によって移動させると同時に、前記第2の速度で前記陽極ウェブを回転運動の適用によって移動させる工程をさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記第1の速度に対する前記第2の速度の比は、1.005〜1.05の範囲にある、請求項1に記載の方法。
- 前記陰極シートのそれぞれを前記陽極ウェブに積層する工程は、各陰極シートの一部が、前記陽極ウェブの前記陽極積層構造物の少なくとも1つの縁を越えて延在して、それらの間に積層オフセットを形成するように、前記陰極シートのそれぞれを前記陽極ウェブに積層する工程をさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記陰極シートのそれぞれを前記陽極ウェブに積層する工程は、前記陰極シートまたは前記陽極ウェブの一方または両方を加熱する工程をさらに含む、請求項1に記載の方法。
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