JP5256980B2

JP5256980B2 - シート材の積層方法および積層装置

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Publication number: JP5256980B2
Application number: JP2008261087A
Authority: JP
Inventors: 俊晴飯牟禮; 弘行平松
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2008-10-07
Filing date: 2008-10-07
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2028-10-07
Also published as: JP2010089898A

Description

本発明は、シート材の積層方法および積層装置に関する。

ローダによって連続的に投入されるシート材を順次積層する際、ローダ側に設けられる可動式ブロックによって側方からシート材を押圧し、ストッパに当接させて位置決めすることで、正確に整列した積層体を得ている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平８−３２４８６６号公報

しかし、可動式ブロックの押圧機構は、多数の部品からなる複雑な機械的装置であるため、設備コストの低減が困難である問題を有する。

本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、シート材を積層するための設備コストを低減することが可能である積層方法および積層装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の一様相は、シート材を順次積層するための積層方法である。当該積層方法においては、前記シート材が積載された受けを旋回させ、前記旋回により発生する遠心力によって、前記シート材を前記受けに配置される位置決め基準面に当接させ、位置決めし、前記シート材は、燃料電池の膜電極接合体およびセパレータを構成する第１および第２シート材からなり、前記第１および第２シート材は、交互に投入され、前記受けは、旋回方向の反転が繰返されることで、所定の角度範囲において首振り運動が引き起こされており、前記シート材は、前記首振り運動の静止位置において、前記受けに投入される。
前記積層方法の別の一様相においては、前記シート材が積載された受けを旋回させ、前記旋回により発生する遠心力によって、前記シート材を前記受けに配置される位置決め基準面に当接させ、位置決めし、前記受けを旋回させる際、前記受けにおける最上位に位置するシート材の表面に、吹き付け手段によって空気を吹き付けることによって、前記シート材の浮き上がりを抑制する。
前記積層方法の別の一様相においては、前記シート材が積載された受けを旋回させ、前記旋回により発生する遠心力によって、前記シート材を前記受けに配置される位置決め基準面に当接させ、位置決めし、前記受けを旋回させる際、前記受けにおける最上位に位置するシート材の表面に、吹き付け手段によって空気を吹き付けることによって、前記シート材の浮き上がりを抑制する。

上記目的を達成するための本発明の別の一様相は、シート材を順次積層するための積層装置である。当該積層装置は、位置決め基準面が配置されかつ前記シート材が積載される受け、前記受けを旋回させるための旋回手段、および、前記シート材を前記受けに投入するための投入手段を有しており、前記旋回手段によって前記シート材が積載された受けを旋回させ、前記旋回により発生する遠心力によって、前記シート材を前記位置決め基準面に当接させ、位置決めし、前記旋回手段は、旋回方向の反転を繰返すことで、所定の角度範囲における前記受けの首振り運動を引き起こすように、構成されており、前記投入手段は、前記首振り運動の静止位置において、前記シート材を前記受けに投入する。

本発明の一様相および別の一様相によれば、シート材は、遠心力を利用して位置決めされるため、位置決め用の可動式ブロックを有する押圧機構（多数の部品からなる複雑な機械的装置）が不要である。したがって、シート材を積層するための設備コストを低減することが可能である積層方法および積層装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。

図１は、実施形態１に係る燃料電池を説明するための斜視図である。

実施形態１に係る燃料電池９５は、複数の単セルが積層されたスタック部２０を有しており、電源として利用される。電源の用途は、例えば、定置用、携帯電話などの民生用携帯機器用、非常用、レジャーや工事用電源などの屋外用、搭載スペースが限定される自動車などの移動体用である。特に、移動体用電源は、比較的長時間の運転停止後に高い出力電圧が要求されるため、燃料電池９５の用途として、特に好ましい。

スタック部２０の両側には、集電板３０，４０、絶縁板５０，６０およびエンドプレート７０，８０が配置される。集電板３０，４０は、緻密質カーボンや銅板等のガス不透過な導電性部材から形成され、また、スタック部２０で生じた起電力を出力するための出力端子３５，４５が設けられている。絶縁板５０，６０は、ゴムや樹脂等の絶縁性部材から形成される。

エンドプレート７０，８０は、剛性を備えた材料、例えば鋼などの金属材料から形成される。エンドプレート７０は、燃料ガスである水素を流通させるため水素導入口７１および水素排出口７２、酸化剤ガスである空気（酸素）を流通させるための空気導入口７４および空気排出口７５、冷媒である冷却液を流通させるための冷却液導入口７７および冷却液排出口７８を有する。

スタック部２０、集電板３０，４０、絶縁板５０，６０およびエンドプレート７０，８０の四隅には、タイロッド９０が挿通される貫通孔が配置される。タイロッド９０は、その端部に形成される雄ねじ部に、ナット（不図示）が螺合され、燃料電池９５を締結している。

タイロッド９０は、剛性を備えた材料、例えば、鋼などの金属材料から形成され、また、単セル同士の電気的短絡を防止するため、絶縁処理された表面部を有する。タイロッド９０の設置本数は、４本（四隅）に限定されない。タイロッド９０の締結機構は、螺合に限定されず、他の手段を適用することも可能である。燃料電池９５の締結機構は、内部を延長するタイロッド９０を利用する形態に限定されず、外部を延長するテンションロッドを利用することも可能である。

図２は、図１に示されるスタック部を説明するための断面図である。

スタック部２０は、単セルを構成するアセンブリ１０を複数積層した積層体を有する。アセンブリ１０は、膜電極接合体（ＭＥＡ：ｍｅｍｂｒａｎｅｅｌｅｃｔｒｏｄｅａｓｓｅｍｂｌｙ）（第１シート材）１４を一対のセパレータ（第２シート材）１５，１７によって挟持してなる。膜電極接合体１４、セパレータ１５およびセパレータ１７の間における外周縁部には、シール材（不図示）が配置されている。

膜電極接合体１４は、セパレータ１５，１７と略同一形状であり、電解質膜１１、電解質膜１１を挟んで配置されるカソード電極（空気極）１２およびアノード電極（燃料極）１３を有する。カソード電極１２は、カソード触媒層およびガス拡散層を有し、アノード電極１３は、アノード触媒層およびガス拡散層を有する。電解質膜１１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呈する。

カソード触媒層およびアノード触媒層は、導電性担体に触媒成分が担持されてなる電極触媒と、高分子電解質とを含んでいる。電極触媒の導電性担体は、触媒成分を所望の分散状態で担持するための比表面積、および、集電体として十分な電子導電性を有しておれば、特に限定されないが、主成分がカーボン粒子であるのが好ましい。

カソード触媒層に適用される触媒成分は、酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば、特に限定されない。アノード触媒層に適用される触媒成分は、水素の酸化反応に触媒作用を有するものであれば、特に限定されない。

セパレータ１５，１７は、略矩形であり、ステンレス鋼鈑にプレス加工を施すことで形成されている。ステンレス鋼鈑は、複雑な機械加工を施しやすくかつ導電性が良好である点で好ましく、必要に応じて、耐食性のコーティングを施すことも可能である。セパレータ１５，１７の素材として、ステンレス鋼鈑以外の金属材料、例えば、アルミニウム板や、クラッド材を適用することも可能である。

セパレータ１５は、カソード用であり、別のアセンブリ１０のセパレータ１７に隣接しており、凹凸部と、水素用、空気用および冷却液用のマニホールド部とを有し、カソード電極１２に相対して配置される。

カソード電極１２に相対する凹凸部の内面と、カソード電極の表面により形成される空間Ｓ_１は、空気を流通させるための流路を構成し、空気用マニホールド部を経由し、エンドプレート７０に配置される空気導入口７４および空気排出口７５に、接続されている。したがって、カソード電極１２に相対する凹凸部の内面は、空気を流通させるための流路溝を構成する。

セパレータ１７は、アノード用であり、セパレータ１５と略同一形状であり、別のアセンブリ１０のセパレータ１５に隣接しており、凹凸部と、水素用、空気用および冷却液用のマニホールド部とを有し、アノード電極１３に相対して配置される。

アノード電極１３に相対する凹凸部の内面と、アノード電極１３の表面により形成される空間Ｓ_２は、水素を流通させるための流路を構成し、水素用マニホールド部を経由し、エンドプレート７０に配置される水素導入口７１および水素排出口７２に、接続されている。したがって、アノード電極１３に相対する凹凸部の内面は、水素を流通させるための流路溝を構成する。

アノード電極１３に相対する凹凸部の外面と、隣接する別のアセンブリ１０のセパレータ１５の外面により形成される空間Ｓ_３は、冷却液を流通させるための流路を構成し、冷却液用マニホールド部を経由し、エンドプレート７０に配置される冷却液導入口７７および冷却液排出口７８に、接続されている。したがって、アノード電極１３に相対する凹凸部の外面は、冷却液を流通させるための流路溝を構成する。

図３は、実施形態１に係る積層装置を説明するための平面図、図４は、図３に示される旋回装置を説明するための平面図である。

実施形態１に係る積層装置１００は、膜電極接合体１４とセパレータ１５Ａの積層体を形成するために使用され、コンベア１１０，１１５、ローダ（投入手段）１２０，１２５、旋回装置１６０および制御装置１９０を有する。セパレータ１５Ａは、積層位置に応じて、セパレータ１５あるいはセパレータ１７を構成することとなる。

コンベア１１０，１１５は、略同一の構成を有しかつ平行に配置されており、別工程から連続的に供給されるセパレータ１５Ａおよび膜電極接合体１４を、ローダ１２０，１２５まで搬送するために使用される。コンベア１１０，１１５の搬送方式は特に限定されず、例えば、パレット方式を適用することも可能である。

ローダ１２０，１２５は、略同一の構成を有し、コンベア１１０，１１５によって搬送されたセパレータ１５Ａおよび膜電極接合体１４を、旋回装置１６０に交互に投入するために使用される。

旋回装置１６０は、スタックボックス（受け）１６２、アーム１８０および駆動部（旋回手段）１８４を有する。スタックボックス１６２は、位置決め基準面が配置されており、かつ、セパレータ１５Ａおよび膜電極接合体１４が交互に載置される載置台１６６を有する。

アーム１８０は、スタックボックス１６２が連結される先端部および駆動部１８４に連結される基部を有し、旋回自在に配置される。駆動部１８４は、固定脚１８５、固定脚１８５に連結されかつアーム１８０の基部が固定される旋回自在の軸部１８６、アーム１８０を旋回させるための電動機１８７およびバランスウェート１８８を有する。電動機１８７は、例えば、サーボモータからなり、所定の角度範囲においてアーム１８０を正逆方向に旋回可能に設定されている。電動機１８７は、ダイレクトドライブ方式を適用することが可能である。

つまり、駆動部１８４は、旋回方向の反転を繰返すことで、アーム１８０の先端部に連結されるスタックボックス１６２の首振り運動を引き起こすように、構成されている。バランスウェート１８８は、先端部にスタックボックス１６２が連結されたアーム１８０の回転バランスをとる（平衡させる）ために使用され、重心が、駆動部１８４の軸上に位置するよう設定されている。

旋回装置１６０は、上記のように、駆動部１８４によってスタックボックス１６２を旋回させるように構成されており、投入されたワークピース（セパレータ１５Ａあるいは膜電極接合体１４）を、前記旋回により発生する遠心力によってスタックボックス１６２の
位置決め基準面に当接させ、位置決めすることが可能である。そのため、位置決め用の可動式ブロックを有する押圧機構（多数の部品からなる複雑な機械的装置）が不要であり、膜電極接合体とセパレータとを積層するための設備コストを低減することが可能である。

制御装置１９０は、例えば、中央演算処理装置や記憶装置などを有するコンピュータからなり、コンベア１１０，１１５、ローダ（投入手段）１２０，１２５および旋回装置１６０を全体として制御するために使用される。

なお、首振り運動の静止位置Ａ，Ｂは、ローダ１２０，１２５によるセパレータ１５Ａおよび膜電極接合体１４の投入位置に対応しており、セパレータ１５Ａおよび膜電極接合体１４の投入とスタックボックス１６２の旋回を同期させることが容易である。また、首振り角度は、例えば、６０度である。

次に、ローダ１２０，１２５を詳述する。

図５は、図３に示されるローダを説明するための側面図、図６および図７は、図５に示されるハンド部の動作を説明するための平面図および側面図である。

セパレータ用のローダ１２０は、セパレータ１５Ａを取り扱うためのハンド部１３０、および、ハンド部１３０をスタックボックス１６２の首振り運動の静止位置Ａ（セパレータ１５Ａの投入位置）まで３次元的に移動させるための駆動部１５０を有する。

ハンド部１３０は、吸着パッド１３２、ラフガイド１３４、回転テーブル１４０およびリフトテーブル１４４を有する。

吸着パッド１３２は、吸着面に配置される開口部から流体が高速で流れる際にその静圧が負圧になる効果（ベルヌーイ効果）に基づき、セパレータ１５Ａを非接触で保持自在に設定されている。したがって、吸着パッド１３２によるセパレータ１５Ａの保持は、セパレータ１５Ａに影響を及ぼさず、例えば、吸着パッド１３２による傷、圧痕、油水付着等を回避することが可能である。ハンド部１３０は、非接触式に限定されず、必要に応じて、接触式の吸着パッドを利用したり、アームや爪によって直接的に把持する機構を採用したりすることも可能である。

ラフガイド１３４は、セパレータ１５Ａが吸着パッド１３２によって非接触に吸着される際に、セパレータ１５Ａの外周を取り囲むように配置されており、セパレータ１５Ａを大まかに位置決めするために利用される。ラフガイド１３４の先端部は、吸着パッド１３２の吸着面に対してセパレータ１５Ａが円滑に近接するように、テーパ状に構成されている。

回転テーブル１４０は、駆動部１５０の下面に連結されており、電動機（例えば、サーボモータ）によって回転自在に構成されている。リフトテーブル１４４は、回転テーブル１４０の下面に連結され、かつ、その下面にはハンド部１３０が連結されており、ボールネジおよび電動機（例えば、サーボモータ）を有するアクチュエータによって駆動され、上下方向Ｚに移動自在に構成されている。

駆動部１５０は、Ｘ軸ガイドレール１５２およびリニアテーブル１５４を有する。Ｘ軸ガイドレール１５２は、コンベア１１０に対して平行に配置され、旋回装置１６０に向かって延長している。

リニアテーブル１５４は、Ｘ軸ガイドレール１５２にスライド自在に配置され、かつ、ハンド部１３０を保持しており、例えば、ボールネジおよび電動機（例えば、サーボモータ）を有するアクチュエータによって駆動され、旋回装置１６０に向かって近接離間自在に構成されている。リニアテーブル１５４は、コンベア３１０によって搬送されたセパレータ１５Ａの上方と、スタックボックスの首振り運動の静止位置Ａ（セパレータ１５Ａの投入位置）の上方との間を、移動自在に設定されている。

したがって、上記構造を有するローダ１２０においては、セパレータ１５Ａを非接触で保持しているハンド部１３０の吸着パッド１３２を、リフトテーブル１４４によって上昇させてコンベア１１０から離間させ、コンベア１１０からスタックボックス１６２の首振り運動の静止位置Ａまで、セパレータ１５Ａをリニアテーブル１５４によって移動させることができる。また、回転テーブル１４０によって吸着パッド１３２を回転させることで、セパレータ１５Ａの向きを、静止位置Ａにおけるスタックボックス１６２の旋回軌道の接線方向ＴＤに一致させ、セパレータ１５Ａとスタックボックス１６２とを位置合せることが可能である。

さらに、吸着パッド１３２を、リフトテーブル１４４によって降下させて、スタックボックス１６２に近接させることで、セパレータ１５Ａを、スタックボックス１６２に対する投入位置に位置決めすることができる。

なお、駆動部１５０は、特に上記構成に限定されず、例えば、多軸（多関節）式のロボットアームを適用することも可能である。また、回転テーブル１４０、リフトテーブル１４４およびリニアテーブル１５４の駆動機構は、特に上記構成に限定されない。

膜電極接合体用のローダ１２５は、セパレータ用のローダ１２０と略同一の構成を有しており、重複を避けるため、その説明を省略する。

次に、スタックボックスを詳述する。

図８は、図３に示されるスタックボックスを説明するための側面図、図９は、図３に示されるスタックボックスを説明するための平面図、図１０は、図３に示されるスタックボックスを説明するための平面図である。

スタックボックス１６２は、旋回装置１６０のアーム１８０の先端部が固定されるケーシング１６４を有し、また、載置台１６６、昇降機構１７４および位置検出装置１７８が取り付けられている。ケーシング１６４は、上方開口部１６７、底部１６８、側壁１６９および前方扉１７２を有する。

上方開口部１６７は、ローダ１２０，１２５からのセパレータ１５Ａおよび膜電極接合体１４の投入口として使用される。側壁１６９は、上方開口部１６７と底部１６８との間に位置し、旋回装置１６０のアーム１８０に対して遠位側に位置する背面部１６９Ａと、背面部の両端から直角方向に延長する側方部１６９Ｂ，１６９Ｃとから構成される。背面部１６９Ａは、セパレータ１５Ａおよび膜電極接合体１４の長辺側の位置決め基準面であり、突起部から形成される複数のストッパ１７０が配置されている。

ストッパ１７０の少なくとも１つは、セパレータ１５Ａおよび膜電極接合体１４に形成されている凹部に嵌合自在に位置決めされている。したがって、セパレータ１５Ａおよび膜電極接合体１４を、スタックボックス１６２の側壁１６９における背面部（位置決め基準面）１６９Ａのストッパ１７０に当接させることによって、その長辺側および短辺側を、同時に位置決めすることが可能である。なお、短辺側を位置決めするための位置決め基準面を、別途設けることも可能である。また、載置台１６６に側壁を設けれ、当該側壁の背面部１６９Ａを位置決め基準面とすることも可能である。

前方扉１７２は、旋回装置１６０のアーム側に設けられる正面開口部に配置されており、形成された積層体２０Ａの取出し口として使用される。載置台１６６は、ケーシング１６４の内部に配置され、上下方向（積層方向）Ｚに移動自在に配置されており、セパレータ１５Ａおよび膜電極接合体１４を交互に載置するために使用される。

昇降機構１７４は、ボールネジ１７５および電動機（例えば、サーボモータ）１７６を有しており、ケーシング１６４の底部１６８に配置され、載置台１６６を上下方向Ｚに移動させるために使用される。ボールネジ１７５は、載置台１６６の下部に固定される上端部と、電動機１７６に連結される下端部を有し、電動機１７６が回転することで、載置台１６６を同伴して上下方向Ｚに移動するように構成されている。昇降機構１７４は、特に上記構成に限定されない。

位置検出装置１７８は、例えば、上方開口部１６７の近傍に配置される光センサからなり、スタックボックス１６２における最上位に位置するワークピース（セパレータ１５Ａあるいは膜電極接合体１４）の表面位置を検出する。検出された表面位置は、制御装置１９０による昇降機構１７４の制御に利用される。つまり、昇降機構１７４は、ワークピースが載置される度に載置台１６６を降下させることで、スタックボックス１６２における載置位置を一定に維持する。

これにより、投入高さを一定に維持することが可能となるため、スタックボックス１６２に対するセパレータ１５Ａおよび膜電極接合体１４の投入が容易となる。また、載置台１６６の降下は、実測値に基づいているため、セパレータ１５Ａや膜電極接合体１４における厚みのバラツキや、機械的な位置決め誤差などが存在したとしても、その影響を排除することが可能である。

位置検出装置１７８は、光センサによって構成することに限定されず、例えば、接触式センサを利用することも可能である。必要に応じ、位置検出装置１７８を省略することも可能である。この場合、載置台１６６を、セパレータ１５Ａおよび膜電極接合体１４における厚みの理論値（設計値）に対応する距離だけ、自動的に降下させる。なお、載置台の昇降機構および位置検出装置を省略することも可能である。

次に、実施形態１に係る積層方法を説明する。

まず、別工程から供給されるセパレータ１５Ａが、コンベア１１０によって搬送され、コンベア１１０の先端部に位置決めされると、ローダ１２０に設けられたハンド部１３０の吸着パッド１３２が、セパレータ１５Ａに向かって降下し、セパレータ１５Ａを非接触に吸着すると上昇する。

セパレータ１５Ａがコンベア１１０から離間すると、リニアテーブル１５４は、Ｘ軸ガイドレール１５２に沿って移動し、保持しているハンド部１３０を、スタックボックス１６２の首振り運動の静止位置Ａの上方に、位置決めする。

次に、ハンド部１３０の吸着パッド１３２は、回転し、セパレータ１５Ａの向きを、静止位置Ａにおけるスタックボックス１６２の旋回軌道の接線方向ＴＤに一致させ、セパレータ１５Ａと、静止している（旋回を停止している）スタックボックス１６２とを位置合せする。そして、ハンド部１３０の吸着パッド１３２は、セパレータ１５Ａの吸着を停止し、セパレータ１５Ａをスタックボックス１６２に投入する。セパレータ１５Ａは、スタックボックス１６２の上方開口部１６７を通過し、載置台１６６に載置される。ハンド部１３０の吸着パッド１３２は、その後、Ｘ軸ガイドレール１５２に沿って移動し、コンベア１１０の先端部の上方に位置決めされ、次のセパレータ１５Ａを吸着するための準備がなされる。

旋回装置１６０は、スタックボックス１６２が先端部に固定されているアーム１８０を静止位置Ｂに向かって旋回する。旋回により発生する遠心力は、セパレータ１５Ａを、スタックボックス１６２の側壁１６９における背面部１６９Ａのストッパ１７０に当接させて、位置決めする。この際、セパレータ１５Ａに形成されている凹部は、ストッパ１７０の１つと嵌合する。これにより、位置決め用の可動式ブロックを有する押圧機構を使用することなく、セパレータ１５Ａの長辺側および短辺側が、同時に位置決めされる。

その後、スタックボックス１６２が静止位置Ｂに到達すると、旋回装置１６０は、アーム１８０の旋回を停止する。位置検出装置１７８は、静止位置Ａにおいて投入されたセパレータ１５Ａの上面位置を、検出する。制御装置１９０は、昇降機構１７４を制御し、載置台１６６を、降下させることで、スタックボックス１６２における載置位置を一定に維持する。

一方、静止位置Ｂの上方には、ローダ１２５によって膜電極接合体１４が位置決めされている。なお、膜電極接合体１４をコンベア１１０から離間させ、静止位置Ｂの上方へ位置決めするためのローダ１２５の動作は、セパレータ用ローダ１２０の動作と略一致するため、その説明は省略する。

ローダ１２５のハンド部の吸着パッドは、膜電極接合体１４の吸着を停止し、膜電極接合体１４をスタックボックス１６２に投入する。膜電極接合体１４は、スタックボックス１６２の上方開口部１６７を通過し、載置台１６６に載置される。この際、スタックボックス１６２における載置位置は一定に維持されているため、スタックボックス１６２に対する膜電極接合体１４の投入が容易となる。ローダ１２５のハンド部は、その後、ローダ１２５のＸ軸ガイドレール１５２に沿って移動し、コンベア１１５の先端部の上方に位置決めされ、次の膜電極接合体１４を吸着するための準備がなされる。

旋回装置１６０は、スタックボックス１６２が先端部に固定されているアーム１８０を静止位置Ａに向かって旋回する。旋回により発生する遠心力は、膜電極接合体１４を、スタックボックス１６２の側壁１６９における背面部１６９Ａのストッパ１７０に当接させて、位置決めする。この際、膜電極接合体１４に形成されている凹部は、ストッパ１７０の１つと嵌合する。これにより、位置決め用の可動式ブロックを有する押圧機構を使用することなく、膜電極接合体１４の長辺側および短辺側が、同時に位置決めされる。

その後、スタックボックス１６２が静止位置Ａに到達すると、旋回装置１６０は、アーム１８０の旋回を停止する。位置検出装置１７８は、静止位置Ｂにおいて投入された膜電極接合体１４の上面位置を、検出する。制御装置１９０は、昇降機構１７４を制御し、載置台１６６を降下させることで、スタックボックス１６２における載置位置を一定に維持する。

そして、次のセパレータ１５Ａのスタックボックス１６２への投入、アーム１８０の旋回（セパレータ１５Ａの位置決め）、および、次の膜電極接合体１４のスタックボックス１６２への投入するための上記動作が、繰返される。所定枚数からなるセパレータ１５Ａおよび膜電極接合体１４の積層体２０Ａが得られると、スタックボックス１６２の前方扉１７２が開けられ、取出された積層体２０Ａは、後工程に投入される。

以上のように、実施形態１においては、燃料電池の膜電極接合体とセパレータとを交互に積層する際、膜電極接合体およびセパレータが、遠心力によって位置決めされるため、位置決め用の可動式ブロックを有する押圧機構（多数の部品からなる複雑な機械的装置）が不要である。したがって、燃料電池の膜電極接合体とセパレータとを積層するための設備コストを低減することが可能である積層方法および積層装置を提供することができる。

また、スタックボックスは、旋回方向の反転が繰返されることで、所定の角度範囲において首振り運動が引き起こされており、膜電極接合体およびセパレータは、前記首振り運動の静止位置において、スタックボックスに投入される。したがって、膜電極接合体およびセパレータの交互の投入と、スタックボックスの旋回を同期させることが容易である。

載置台を上下方向に移動させるための昇降機構を有しており、載置台を降下させることで、スタックボックスにおける載置位置を一定に維持することができる。そのため、膜電極接合体およびセパレータの投入高さを一定に維持することが可能となるため、スタックボックスに対する膜電極接合体およびセパレータの投入が容易となる。また、載置台の降下は、実測値に基づいているため、セパレータや膜電極接合体における厚みのバラツキや、機械的な位置決め誤差などが存在したとしても、その影響を排除することが可能である。

スタックボックスの側壁における背面部（セパレータおよび膜電極接合体の長辺側の位置決め基準面）に配置されるストッパの少なくとも１つは、セパレータおよび膜電極接合体に形成されている凹部に嵌合自在に位置決めされている。したがって、セパレータおよび膜電極接合体の長辺側および短辺側を、同時に位置決めすることが可能である。

膜電極接合体およびセパレータは、吸着パッドによってコンベアからスタックボックスまで非接触で保持されるため、例えば、吸着パッドによる傷、圧痕、油水付着等の発生を回避することが可能である。

なお、スタックボックスは、静止位置Ａと静止位置Ｂとの間で旋回方向の反転を繰返す形態に限定されず、例えば、反転せずに旋回方向を一定に保ちながら回転し、静止位置Ａおよび静止位置Ｂにおいて回転を一時的に停止する形態を適用することも可能である。

次に、実施形態２を説明する。なお、以下においては、実施の形態１と同様の機能を有する部材については類似する符号を使用し、重複を避けるため、その説明を省略する。

図１１は、実施形態２に係る積層装置を説明するための断面図である。

実施形態２は、スタックボックス２６２に吹き付け手段が設けられている点で、実施形態１と概して異なっている。

実施形態２に係る吹き付け手段は、図１０に示されるように、スリット（開口部）２６５によって構成される。スリット２６５は、スタックボックス（受け）２６２の側壁における（旋回方向と交差する方向に延長する）側方部２６９Ｂ，２６９Ｃに配置されており、旋回方向に相対するように位置決めされている。

また、スリット２６５は、下方かつ内側に向かって傾斜している。傾斜角度は、例えば、３０〜３５度である。スリット２６５の設置高さは、スタックボックス２６２におけるにおける載置位置（載置台２６６に配置される積層体２０Ａの上面位置）を考慮して設定され、例えば、載置位置より若干上方に位置するように設定される。

したがって、スタックボックス２６２を旋回させる際、スタックボックス２６２の外部の空気が、スリット２６５を経由して、スタックボックス２６２の内部に導入される。そして、スリット２６５は、下方かつ内側に向かって傾斜しており、また、積層体２０Ａの上面位置より若干上方に位置しているため、内部に導入された空気は、スタックボックス２６２における最上位に位置するワークピース（セパレータ１５Ａあるいは膜電極接合体１４）の表面に吹き付けられることになる。

この結果、ワークピースの浮き上がりが抑制され、ワークピースのズレが防止される。また、スリット２６５による空気の吹き付けは、スタックボックス２６２の旋回により生じる空気の流れを利用しているため、吹き付け手段が安価に構成される。なお、スリット２６５の形状、設置数、設置間隔、設置位置および設置高さは、例えば、スタックボックス２６２における載置位置、セパレータ１５Ａおよび膜電極接合体１４の重量や形状、スタックボックス２６２の旋回速度などを考慮して、適宜設定される。

以上のように、実施形態２は、スタックボックスにおける最上位に位置するワークピース（セパレータあるいは膜電極接合体）の上面に、空気を吹き付けるための吹き付け手段を有している。したがって、スタックボックスを旋回させる際、前記上面に、吹き付け手段によって空気を吹き付けることによって、ワークピースの浮き上がりを抑制し、ワークピースのズレを防止すること可能である。

また、吹き付け手段は、スタックボックスの側壁における側方部に配置されるスリットからなり、空気は、前記スリットを経由して導入されており、スタックボックスの旋回により生じる空気の流れに基づいて、吹き付けられる。つまり、吹き付け手段は、受けの旋回により生じる空気の流れを利用しているため、安価に構成される。

吹き付け手段は、開口部によって構成する形態に限定されず、例えば、圧縮空気源に連結されたノズルユニットを適用することも可能である。この場合、スタックボックスの旋回条件から独立して、空気の吹き付け条件を設定することが可能であり、自由度が向上する。

次に、実施形態３を説明する。

図１２は、実施形態３に係る積層装置を説明するための平面図、図１３は、図１２に示されるローダを説明するための平面図である。

実施形態３は、首振り運動の方向およびローダの構成に関し、実施形態１と概して異なっており、旋回装置３６０およびローダ３２０を有する。

旋回装置３６０は、旋回方向の反転を繰返すアーム３８０を有しており、アーム３８０の先端部に連結されるスタックボックス３６２の首振り運動を引き起こすように、構成されている。首振り運動の静止位置Ａ，Ｂは、ローダ３２０によるセパレータおよび膜電極接合体の投入位置に対応している。例えば、静止位置Ａ，Ｂ間の内角側の角度は、５０度であり、外角側の角度は３１０度である。

アーム３８０の旋回方向は外角側であり、首振り角度は３１０度である。したがって、実施形態１に比較し、静止位置Ａ，Ｂ間の移動のタイムサイクル（位置決め機能を有する遠心力の持続時間）が長くなっており、遠心力による位置決めは、より確実とすることが可能である。なお、静止位置Ａ，Ｂ間の内角側の角度および外角側の角度（首振り角度）は、上記値に限定されない。

また、タイムサイクルが長くなっているため、ローダによるセパレータおよび膜電極接合体の投入時間に係る制限が緩和される。そのため、ローダ３２０は、セパレータ用のローダおよび膜電極接合体用のローダが一体化されてなり、部品点数を削減することで、設備コストを低減することが可能である。

ローダ３２０は、図１３に示されるように、Ｘ軸ガイドレール３５２、リニアテーブル３５４、Ｙ軸ガイドレール３５８Ａ，３５８Ｂおよび支持テーブル３５９Ａ，３５９Ｂを有する。

Ｘ軸ガイドレール３５２およびリニアテーブル３５４は、実施形態１に係るＸ軸ガイドレール１５２およびリニアテーブル１５４と対応している。リニアテーブル３５４の可動範囲は、コンベア３１０の先端部に配置されるセパレータ１５Ａとスタックボックス３６２の首振り運動の静止位置Ａとの間の距離（およびコンベア３１５の先端部に配置される膜電極接合体１４とスタックボックス３６２（受け）の首振り運動の静止位置Ｂとの間の距離）に対応している。

Ｙ軸ガイドレール３５８Ａ，３５８Ｂは、コンベア３１０，３１５の延長する方向Ｘに対して直角に交差する方向Ｙに並置されて延長している。支持テーブル３５９Ａ，３５９Ｂは、それぞれ、Ｙ軸ガイドレール３５８Ａ，３５８Ｂにスライド自在に配置され、かつ、Ｘ軸ガイドレール３５２の端部３５２Ａ，３５２Ｂに連結されており、ボールネジおよび電動機を有するアクチュエータによって駆動される。支持テーブル３５９Ａ，３５９Ｂの駆動機構は、上記構成に特に限定されない。

支持テーブル３５９Ａ，３５９Ｂの可動範囲は、Ｘ軸ガイドレール３５２にスライド自在に配置されるリニアテーブル３５４が、コンベア３１０，３１５によって搬送されたセパレータ１５Ａおよび膜電極接合体１４の上方に、位置決めできるように、設定される。つまり、支持テーブル３５９Ａ，３５９Ｂの可動範囲は、リニアテーブル３５４によって保持されるハンド部の吸着パッドによって、コンベア３１０の先端部に配置されるセパレータ１５Ａとコンベア３１５の先端部に配置される膜電極接合体１４とを、非接触に吸着できるように、設定される。

次に、ローダの動作を説明する。

図１３および図１４は、図１２に示されるローダによるセパレータの投入動作および膜電極接合体の投入動作を説明するための平面図である。

まず、Ｘ軸ガイドレール３５２の端部３５２Ａ，３５２Ｂに連結される支持テーブル３５９Ａ，３５９Ｂが、Ｙ軸ガイドレール３５８Ａ，３５８Ｂに沿って移動し、Ｘ軸ガイドレール３５２を、セパレータ用のコンベア３１０の上方に位置決めする。Ｘ軸ガイドレール３５２に配置されるリニアテーブル３５４は、Ｘ軸ガイドレール３５２に沿って移動し、保持しているハンド部を、コンベア３１０の先端部に配置されるセパレータ１５Ａの上方に、位置決めする。ハンド部の吸着パッドは、セパレータ１５Ａに向かって降下し、セパレータ１５Ａを非接触に吸着すると上昇する。

セパレータ１５Ａがコンベア３１０から離間すると、リニアテーブル３５４は、Ｘ軸ガイドレール３５２に沿って移動し、保持しているハンド部を、スタックボックス３６２の首振り運動の静止位置Ａの上方に、位置決めする。次に、ハンド部の吸着パッドは、回転し、セパレータ１５Ａの向きを、静止位置Ａにおけるスタックボックス３６２の旋回軌道の接線方向ＴＤに一致させ、セパレータ１５Ａと静止している（旋回を停止している）スタックボックス３６２とを位置合せする。そして、ハンド部の吸着パッドは、セパレータ１５Ａの吸着を停止し、セパレータ１５Ａをスタックボックス３６２に投入する。

なお、スタックボックス３６２は、旋回装置３６０のアーム３８０によって、外角側に旋回し、静止位置Ｂに向かって移動する。この際、首振り角度は３１０度であり、静止位置Ａ，Ｂ間の移動のタイムサイクルが長くなっており、遠心力による位置決めは、より確実となる。

その後、Ｘ軸ガイドレール３５２の端部３５２Ａ，３５２Ｂに連結される支持テーブル３５９Ａ，３５９Ｂが、Ｙ軸ガイドレール３５８Ａ，３５８Ｂに沿って移動し、Ｘ軸ガイドレール３５２を、膜電極接合体用のコンベア３１５の上方に位置決めする。

Ｘ軸ガイドレール３５２に配置されるリニアテーブル３５４は、Ｘ軸ガイドレール３５２に沿って移動し、保持しているハンド部を、コンベア３１５の先端部に配置される膜電極接合体１４の上方に、位置決めする。ハンド部の吸着パッドは、膜電極接合体１４に向かって降下し、膜電極接合体１４を非接触に吸着すると上昇する。

膜電極接合体１４がコンベア３１５から離間すると、リニアテーブル３５４は、Ｘ軸ガイドレール３５２に沿って移動し、保持しているハンド部を、スタックボックス３６２の首振り運動の静止位置Ｂの上方に、位置決めする。

次に、ハンド部の吸着パッドは、回転し、膜電極接合体１４の向きを、静止位置Ｂにおけるスタックボックス３６２の旋回軌道の接線方向ＴＤに一致させ、膜電極接合体１４と、外角側に旋回して静止位置Ｂに向かって移動してきたスタックボックス３６２とを位置合せする。そして、ハンド部の吸着パッドは、膜電極接合体１４の吸着を停止し、膜電極接合体１４をスタックボックス３６２に投入する。

その後、Ｘ軸ガイドレール３５２の端部３５２Ａ，３５２Ｂに連結される支持テーブル３５９Ａ，３５９Ｂが、Ｙ軸ガイドレール３５８Ａ，３５８Ｂに沿って移動し、Ｘ軸ガイドレール３５２を、セパレータ用のコンベア３１０の上方に位置決めする。そして、上記動作を繰返すことで、スタックボックス３６２に対して、セパレータ１５Ａおよび膜電極接合体１４が、交互に投入されることになる。

以上のように、実施形態３においては、アームの旋回方向は、外角側であり、静止位置間の移動のタイムサイクルが長くなっているため、遠心力による位置決めは、より確実となる。また、タイムサイクルが長くなっており、ローダによるセパレータおよび膜電極接合体の投入時間に係る制限が緩和されるため、セパレータ用のローダおよび膜電極接合体用のローダが一体化されており、部品点数を削減することで、設備コストを低減することが可能である。なお、ローダは一体化される形態に限定されない。

次に、実施形態４を説明する。

図１６は、実施形態４に係る積層装置を説明するための平面図、図１７は、図１６に示されるコンベアを説明するための側面図である。

実施形態４は、スタックボックスが首振り運動をせずに、一方向へ定速回転する点で、実施形態１と概して異なっている。

実施形態４に係る積層装置のコンベア（投入手段）４１０，４１５は、セパレータ１５Ａおよび膜電極接合体１４をスタックボックス（受け）４６２へ投入するためのローダを兼用しており、旋回装置４６０の駆動部（旋回手段）４８４を中心とした、回転対称（１８０度）に配置され、かつ、スタックボックス４６２の旋回軌道の接線方向ＴＤに沿って延長している。

コンベア４１０，４１５の先端部の位置は、その前方（離間位置Ｃ，Ｄ）が、スタックボックス４６２の旋回軌道に重なるように、設定されている。コンベア４１０，４１５によるセパレータ１５Ａおよび膜電極接合体１４の搬送速度は、その速度による勢いによって、セパレータ１５Ａおよび膜電極接合体１４が、コンベア４１０，４１５の先端部からジャンプして離間位置Ｃ，Ｄに到達するように、設定される。コンベア４１０，４１５によるセパレータ１５Ａおよび膜電極接合体１４の搬送は、スタックボックス４６２が先端部に固定されているアーム１８０の旋回と同期されている。

したがって、コンベア４１０の先端部からセパレータ１５Ａがジャンプし、離間位置Ｃに到達して降下すると、その下方には、旋回中のスタックボックス４６２が位置している。そのため、スタックボックス４６２の旋回が中止されることなく、セパレータ１５Ａは、スタックボックス４６２に投入される。そして、スタックボックス４６２が離間位置Ｃから離間位置Ｄに向かう旋回途中において、遠心力によってセパレータ１５Ａが位置決めされると共に、載置台が降下することで、スタックボックス４６２における載置位置を一定に維持する。

一方、コンベア４１５の先端部から膜電極接合体１４がジャンプし、離間位置Ｄに到達して降下すると、その下方には、離間位置Ｃを経由した旋回中のスタックボックス４６２が同期して位置している。そのため、スタックボックス４６２の旋回が中止されることなく、膜電極接合体１４がスタックボックス４６２に投入される。そして、スタックボックス４６２が離間位置Ｄから離間位置Ｃに向かう旋回途中において、遠心力によって膜電極接合体１４が位置決めされると共に、載置台が降下することで、スタックボックス４６２における載置位置を一定に維持する。

旋回中のスタックボックス４６２に対して上記動作を同期させて繰返すことで、スタックボックスに対して、セパレータ１５Ａおよび膜電極接合体１４が、交互に投入されることになる。つまり、セパレータ１５Ａおよび膜電極接合体１４は、スタックボックス４６２が旋回している状態で、スタックボックス４６２に投入される。そのため、スタックボックス４６２の旋回を停止する必要がなく、スタックボックス４６２の旋回の加減速に基づく精度悪化を回避しつつ、生産性を向上させることが可能である。

なお、スタックボックス１６２へのセパレータ１５Ａおよび膜電極接合体１４の投入は、コンベア４１０，４１５をローダとして兼用する形態に、特に限定されない。また、コンベア４１０，４１５の延長方向は、スタックボックス１６２の旋回軌道の接線方向ＴＤに一致させる形態に限定されず、例えば、実施形態１に係るローダ１２０，１２５を組み込む場合、接線方向ＴＤと交差する方向に延長するコンベアを適用することが可能となる。

図１８は、実施形態４に係る変形例を説明するための平面図である。

セパレータ１５Ａおよび膜電極接合体１４を搬送および投入するためのコンベアは、複数セット配置することも可能である。例えば、図１８に示すように、セパレータ用のコンベア４１０Ａ、膜電極接合体用のコンベア４１５Ａ、第２のセパレータ用のコンベア４１０Ｂ、第２の膜電極接合体用のコンベア４１５Ｂを、スタックボックス１６２の旋回軌道に沿って、９０度毎に配置することが可能である。この場合、スタックボックス１６２の１回の旋回で、２枚のセパレータ１５Ａおよび２枚の膜電極接合体１４が積層されることになる。

以上のように、実施形態４においては、セパレータおよび膜電極接合体をスタックボックスに投入する際に、スタックボックスの旋回を停止する必要がないため、受けの旋回の加減速に基づく精度悪化の回避および生産性の向上を図ることができる。

なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々改変することができる。

例えば、シート材は、燃料電池の膜電極接合体およびセパレータに限定されない。また、シートは、２種類のものに限定されず、単一種あるいは３種類以上から構成されるものを適用することが可能である。

実施形態１に係る燃料電池を説明するための斜視図である。図１に示されるスタック部を説明するための断面図である。実施形態１に係る積層装置を説明するための平面図である。図３に示される旋回装置を説明するための平面図である。図３に示されるローダを説明するための側面図である。図５に示されるハンド部の動作を説明するための平面図である。図５に示されるハンド部の動作を説明するための側面図である。図３に示されるスタックボックスを説明するための側面図である。図３に示されるスタックボックスを説明するための平面図である。図３に示されるスタックボックスを説明するための平面図である。実施形態２に係る積層装置を説明するための断面図である。実施形態３に係る積層装置を説明するための平面図である。図１２に示されるローダを説明するための平面図である。図１２に示されるローダによるセパレータの投入動作を説明するための平面図である。図１２に示されるローダによる膜電極接合体の投入動作を説明するための平面図である。実施形態４に係る積層装置を説明するための平面図である。図１５に示されるコンベアを説明するための側面図である。実施形態４に係る変形例を説明するための平面図である。

符号の説明

１０アセンブリ、
１１電解質膜、
１２カソード電極、
１３アノード電極、
１４膜電極接合体（第１シート材）、
１５，１５Ａ，１７セパレータ（第２シート材）、
２０スタック部、
２０Ａ積層体、
３０，４０集電板、
３５，４５出力端子、
５０，６０絶縁板、
７０，８０エンドプレート、
７１水素導入口、
７２水素排出口、
７４空気導入口、
７５空気排出口、
７７冷却液導入口、
７８冷却液排出口、
９０タイロッド、
９５燃料電池、
１００積層装置、
１１０，１１５コンベア、
１２０，１２５ローダ（投入手段）、
１３０ハンド部、
１３２吸着パッド、
１３４ラフガイド、
１４０回転テーブル、
１４４リフトテーブル、
１５０駆動部、
１５２Ｘ軸ガイドレール、
１５４リニアテーブル、
１６０旋回装置、
１６２スタックボックス（受け）、
１６４ケーシング、
１６６載置台、
１６７上方開口部、
１６８底部、
１６９側壁、
１６９Ａ背面部、
１６９Ｂ，１６９Ｃ側方部、
１７０ストッパ、
１７２前方扉、
１７４昇降機構、
１７５ボールネジ、
１７６電動機、
１７８位置検出装置、
１８０アーム、
１８４駆動部（旋回手段）、
１８５固定脚、
１８６軸部、
１８７電動機、
１８８バランスウェート、
１９０制御装置、
２６２スタックボックス（受け）、
２６５スリット（開口部）、
２６６載置台、
２６９Ｂ，２６９Ｃ側方部、
２７４昇降機構、
３１０，３１５コンベア、
３２０ローダ（投入手段）、
３５２Ｘ軸ガイドレール、
３５２Ａ，３５２Ｂ端部、
３５４リニアテーブル、
３５８Ａ，３５８ＢＹ軸ガイドレール、
３５９Ａ，３５９Ｂ支持テーブル、
３６０旋回装置、
３６２スタックボックス（受け）、
３８０アーム、
４１０，４１０Ａ，４１０Ｂ，４１５，４１５Ａ，４１５Ｂコンベア（投入手段）、
４６０旋回装置、
４６２スタックボックス（受け）、
４８４駆動部（旋回手段）
Ａ，Ｂ静止位置、
Ｃ，Ｄ離間位置、
Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_３空間、
ＴＤ接線方向、
Ｘ，Ｙ，Ｚ方向。

Claims

シート材を順次積層するための積層方法であって、
前記シート材が積載された受けを旋回させ、前記旋回により発生する遠心力によって、前記シート材を前記受けに配置される位置決め基準面に当接させ、位置決めし、
前記シート材は、燃料電池の膜電極接合体およびセパレータを構成する第１および第２シート材からなり、前記第１および第２シート材は、交互に投入され、
前記受けは、旋回方向の反転が繰返されることで、所定の角度範囲において首振り運動が引き起こされており、
前記シート材は、前記首振り運動の静止位置において、前記受けに投入される
ことを特徴とする積層方法。
シート材を順次積層するための積層方法であって、
前記シート材が積載された受けを旋回させ、前記旋回により発生する遠心力によって、前記シート材を前記受けに配置される位置決め基準面に当接させ、位置決めし、
前記受けを旋回させた状態で、前記シート材を前記受けに投入する
ことを特徴とする積層方法。
シート材を順次積層するための積層方法であって、
前記シート材が積載された受けを旋回させ、前記旋回により発生する遠心力によって、前記シート材を前記受けに配置される位置決め基準面に当接させ、位置決めし、
前記受けを旋回させる際、前記受けにおける最上位に位置するシート材の表面に、吹き付け手段によって空気を吹き付けることによって、前記シート材の浮き上がりを抑制する
ことを特徴とする積層方法。
前記吹き付け手段は、前記受けに配置されかつ旋回方向に相対するように位置決めされた開口部からなり、
前記空気は、前記開口部を経由して導入されており、前記受けの旋回により生じる空気の流れに基づいて、吹き付けられることを特徴とする請求項３に記載の積層方法。
シート材を順次積層するための積層装置であって、
位置決め基準面が配置されかつ前記シート材が積載される受け、
前記受けを旋回させるための旋回手段、および、
前記シート材を前記受けに投入するための投入手段を有しており、
前記旋回手段によって前記シート材が積載された受けを旋回させ、前記旋回により発生する遠心力によって、前記シート材を前記位置決め基準面に当接させ、位置決めし、
前記旋回手段は、旋回方向の反転を繰返すことで、所定の角度範囲における前記受けの首振り運動を引き起こすように、構成されており、
前記投入手段は、前記首振り運動の静止位置において、前記シート材を前記受けに投入することを特徴とする積層装置。
前記シート材を前記受けに投入するための投入手段をさらに有しており、
前記投入手段は、前記受けが旋回している状態で、前記シート材を前記受けに投入することを特徴とする請求項５に記載の積層装置。
前記受けにおける載置位置を一定に維持するための昇降機構を、さらに有することを特徴とする請求項５に記載の積層装置。
前記受けにおける最上位に位置するシート材の表面に、空気を吹き付けるための吹き付け手段をさらに有しており、
前記受けを旋回させる際、前記シート材の表面に、前記吹き付け手段によって空気を吹き付けることによって、前記シート材の浮き上がりを抑制することを特徴とする請求項５に記載の積層装置。
前記吹き付け手段は、前記受けに配置されかつ旋回方向に相対するように位置決めされた開口部からなり、
前記空気は、前記開口部を経由して導入されており、前記受けの旋回により生じる空気の流れに基づいて、吹き付けられることを特徴とする請求項８に記載の積層装置。