KR20050043922A

KR20050043922A - 얇은 필름재료를 가지는 장치의 제작을 용이하게 하기 위한고정구 및 방법

Info

Publication number: KR20050043922A
Application number: KR1020057003362A
Authority: KR
Inventors: 레이몬드 푸퍼; 스티븐 더비; 글렌 선더스; 글렌 호페스; 루이즈 쿠르투아; 위르겐 파블릭; 베르너 크라우스
Original assignee: 페메아스 게엠베하
Priority date: 2002-08-30
Filing date: 2003-08-20
Publication date: 2005-05-11
Also published as: WO2004021489A2; JP2005536861A; WO2004021489A3; US20100024957A1; CN1689181A; CA2496654A1; EP1537616A2; US20050281981A1

Abstract

연료전지 막 전극 결합체의 가스켓 요소와 같은 얇은 필름을 가지는 장치의 제작을 용이하게 하기 위하여 고정구를 사용한 고정구 및 방법이 개시되어 있다. 일 태양에서, 고정구 (10) 는 개구 (14) 를 가지는 플레이트 (12) 와 얇은 필름 (17) 을 플레이트에 탑재시키기 위한 수단 (16) 을 포함하며, 상기 얇은 필름은 개구를 적어도 부분적으로 덮으며, 얇은 필름에는 장치의 하나 이상의 요소를 탑재시키기 위한 표면이 제공되어 있다. 다른 태양은 플레이트에 가스켓을 탑재시키기 위한 수단과 개구를 가지는 플레이트를 포함하는 연료전지 막 전극 결합체의 제작을 용이하게 하기 위한 고정구이며, 가스켓은 적어도 부분적으로 개구를 덮으며, 가스켓에는 연료전지 막 결합체를 위한 하나 이상의 전극이 탑재되도록 표면이 제공되어 있다.

Description

얇은 필름재료를 가지는 장치의 제작을 용이하게 하기 위한 고정구 및 방법{FIXTURES AND METHODS FOR FACILITATING THE FABRICATION OF DEVICES HAVING THIN FILM MATERIALS}

본 출원은 2002 년 8월 30일에 출원한 미국 가특허 출원 60/407,115 (대리인 ref. 2036.002P) 을 우선권으로 한다. 이 미국 출원 내용 전체는 본 명세서에 참조로 관련되어 있다. 이 출원은 2002 년 8월 30일에 출원된 "METHOD AND APPARATUS FOR TRANSFERRING THIN FILMS FROM A SOURCE POSITION TO A TARGET POSITION (Attrny. Ref. 2036.001) " 이라는 발명의 명칭으로 공동 양도된 미국 특허 출원 10/232,424 와 또한 관련이 있으며, 이 특허 출원의 내용은 본 명세서에 참조로 포함되어 있다.

본 발명은 예컨대 얇은 필름 가스켓과 같은 얇은 필름에 탑재된 하나 이상의 요소를 가지는 장치를 제작하는데 사용되는 고정구 및 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 얇은 필름 가스켓에 탑재된 전극을 가지는 연료 전지용 막전극 결합체의 요소를 제작하기 위한 개선된 방법 및 기구를 제공한다.

얇은 필름과 같은 재료는 예를들어, 사진 및 x 레이 필름 산업과, 막 제조 공정과, 포장, 인쇄, 전자등의 공정에 대한 다양한 형태의 산업에서 다루어지고 있다. 얇고, 가요적이며, 손상되기 쉬운 필름과 같은 재료는 이러한 재료를 다룰 때에, 찢어지거나 구부러지고 손상됨을 방지해야 하며, 적절한 방향을 유지시켜 조립과정 중에 정렬시키는 등의 특별한 관심이 일반적으로 요구된다.

얇은 필름과 같은 재료를 다루는 데 자주 문제가 되는 분야는 예컨대, 막전극 결합체 (Membrane Electrode Assemblies 또는 MEA) 에서 발생되는 얇은 필름 가스켓에 탑재된 전극 결합체와 같은 연료전지 분야가 취급 동안에 문제시 된다. MEA 는 겹층으로 조립되거나 천분의 몇 인치의 공차로 정렬된 몇겹의 얇은 재료 (약 0.001 인치의 두께를 가진 재료임) 로 일반적으로 이루어진다. MEA 의 몇몇 형태에서, MEA 는 가스켓 재료의 두개의 층과, 두개의 전극 및 예컨대 양성자 교환 막 (PEM) 와 같은 하나의 막을 일반적으로 포함한다. 이러한 요소는 적절한 크기로 일반적으로 잘려져 천분의 몇 인치의 치수 공차로 결합된다. 일반적으로, 종래 기술 MEA 결합체 과정은 처리 동안에 결합체 스테이션 사이에서 이송되는 재료를 일반적으로 필요로 하며, 규정된 순서로 실행되어야 하는 다양한 과정으로 이루어져 있다. 예컨대 얇은 가스켓, 얇은 전극 및 얇은 막과 같은 MEA 요소의 취급은 이러한 얇은 재료들의 태양인 가요성 및 취약성에 의해 일반적으로 지장을 받는다. MEA 와 MEA 요소의 조립 동안에 요소간에 요구되는 높은 공차 정렬도 (highly-toleranced alignment) 또는 정렬은 요소가 작업 스테이션에서 다른 작업 스테이션으로 이송될 때에 반복 위치 및 요소의 재 위치작업에 지장을 초래하게 한다.

종래 기술에 따르면, MEA 는 일반적으로 차례대로 손으로 조립된다. 연료전지가 경제적으로 조립되기 위해서는, MEA 요소와 MEAs 자체의 제작과 조립은 자동화되는 것이 바람직하다. 그러나, 얇은 필름 재료 복합층의 이송 및 정렬은 종래 기술 제작 방법에서는 특별히 까다로운 과정이다. 본 발명의 일 특성에 따른 제작 고정구 및 제작 방법은 제작 과정을 자동화하는데 특히 유용한 MEAs 의 요소 제작의 종래 기술 방법의 단점을 극복하기 위해 제공되었다.

도 1 은 본 발명의 일 태양에 따른 얇은 필름을 지지하기 위한 고정구의 사시도.

도 2a, 도 2b 및 도 2c 는 본 발명의 일 태양에 따라 도 1 에서의 선 2-2 를 따라 취한 도 1 에 도시된 고정구의 단면도.

도 3 은 본 발명의 일 태양에 따른 얇은 필름을 보유하기 위한 고정구의 분해사시도.

도 4 는 본 발명의 일 태양에 따른 도 3 에 도시된 고정구의 조립된 사시도.

도 5 는 본 발명의 일 태양에 따라 여분의 필름이 절단된 도 4 에 도시된 고정구의 조립된 사시도.

도 6 은 본 발명의 일 태양에 따른 개구를 가지는 얇은 필름을 보유하는 고정구의 사시도.

도 7 은 본 발명의 일 태양에 따른 얇은 필름에 전극의 배치를 도시하는 도 6 에서 선 7-7 을 따라 취한 도 6 에서의 고정구를 도시하는 단면도.

도 8 은 본 발명의 일 태양에 따른 얇은 필름에 전극의 탑재를 도시하는 도 7 과 유사한 단면도.

도 9 는 본 발명의 일 태양에 따라 도 8 에 도시된 두개의 고정구와 막의 조립을 도시하는 분해 사시도.

도 10 은 본 발명의 일 태양에 따라 조립된 도 9 의 고정구의 사시도.

도 11 은 본 발명의 일 태양에 따른 도 10 의 선 11-11 을 따라 취한 도 10 에 도시된 고정구의 단면도.

도 12 는 본 발명의 일 태양에 따른 밀봉 전의 도 11 에 도시된 전극-막-전극 결합체의 세부도.

도 13 은 본 발명의 일 태양에 따른 밀봉 후의 도 11 에 도시된 전극-막-전극 결합체의 세부도.

도 14 는 본 발명의 일 태양에 따른 가스 통로가 형성된 도 10 에 도시된 고정구의 사시도.

도 15 는 본 발명의 일 태양에 따라 막 전극 결합체를 도 14 에 도시된 고정구로 부터 제거시킨 막 전극 결합체의 사시도.

도 16 은 본 발명의 일 태양에 따라 복수의 전극을 지닌 단일 개구를 가지는 고정구의 평면도.

도 17 은 본 발명의 일 태양에 따라 단일 전극을 지닌 복수의 개구를 가지는 고정구의 평면도.

도 18 은 본 발명의 일 태양에 따라 단일 전극을 지닌 복수의 개구를 가지는 또 다른 고정구의 평면도.

도 19 는 본 발명의 일 태양에 따라 단일 원형 전극을 지닌 원형 개구를 가지는 원형 고정구의 평면도.

도 20 은 본 발명의 일 태양에 따라 단일 개구를 가지며, 얇은 필름을 고정구에 탑재시키기 용이하게 하기 위한 수단을 또한 가지는 고정구의 평면도.

도 21 은 본 발명의 일 태양에 따라 도 20 의 선 21-21 을 따라 취한 도 20 에 도시된 고정구의 단면도.

본 발명은 종래 기술 방법 및 기구의 한계에 대한 방법 및 기구를 제공한다.

본 발명의 일 태양은 연료전지 막 전극 결합체의 제작을 용이하게 하기 위한 고정구로서, 이 고정구는 개구를 가지는 플레이트와 가스켓을 플레이트에 탑재시키기 위한 수단을 포함하며, 적어도 부분적으로 상기 개구를 덮는 가스켓의 일부분은 연료전지 막 전극 결합체를 위한 하나 이상의 전극을 탑재시키기 위한 표면을 제공한다. 본 발명의 일 태양에서, 가스켓을 플레이트에 탑재시키기 위한 수단은 가스켓을 플레이트에 탈부착가능하게 탑재시키는 수단을 포함한다. 본 발명의 일 태양에서, 가스켓을 플레이트에 탑재시키기 위한 수단은 기계적 수단과, 접착 수단과, 자성 수단 및 진공 수단 중 하나 이상을 포함한다. 예를들어, 기계적 수단은 납땜, 경납땜, 용접 및 기계적 고정체 등를 포함하며, 접착 수단은 아교, 에폭시 및 접착 테이프 등을 포함하며, 자성 수단은 하나 이상의 자석 또는 자성 표면의 사용을 포함하며, 진공 수단은 진공원으로부터의 진공 기기의 적용을 포함한다. 본 발명의 일 태양에서 가스켓을 플레이트에 탑재시키기 위한 수단은 하나 이상의 자석을 포함한다. 본 발명의 다른 태양에서, 가스켓을 플레이트에 탑재시키기 위한 수단은 하나 이상의 자석에 부착되는 하나 이상의 강자성 플레이트를 또한 포함한다. 본 발명의 일 태양에서, 고정구는 플레이트에 형성되어 진공원에 작동적으로 연결되는 하나 이상의 진공 개구를 또한 포함한다. 본 발명의 다른 태양에서, 고정구는 하나 이상의 진공 개구와 유체 연통하는 하나 이상의 진공 채널을 또한 포함한다. 본 발명의 일 태양에서, 플레이트는 예컨대 복합재료와 같은 금속 및 비금속 재료 중 하나 이상을 포함한다. 본 발명의 다른 태양에서, 가스켓은 500 ㎛ 미만의 두께를 가지는 얇은 필름 가스켓을 포함한다. 본 발명의 다른 태양에서, 가스켓은 200 ㎛ 미만의 두께를 가지는 얇은 필름 가스켓을 포함하다.

본 발명의 다른 태양은 개구를 가지는 제 1 플레이트를 포함하는 고정구를 사용하여 연료전지 막 전극 결합체의 제작을 용이하게 하기 위한 방법이며, 이 방법은 얇은 필름을 가스켓에 제공하는 단계 a) 와, 얇은 필름 가스켓을 제 1 플레이트에 탑재시켜 얇은 필름 가스켓으로 상기 개구를 적어도 부분적으로 덮는 단계 b) 와, 얇은 필름 가스켓에 개구를 형성하는 단계 c) 와, 제 1 플레이트에 탑재된 제 1 가스켓 전극을 제공하기 위하여 전극을 얇은 필름 가스켓의 개구 위에 전극을 탑재시키는 단계 d) 를 포함하며, 상기 가스켓 전극은 연료 전지 막 전극 결합체에 사용된다. 본 발명의 일 태양에서, 제 1 플레이트는 얇은 필름 가스켓을 제 1 플레이트에 부착시키기 위한 수단을 또한 포함하며, 얇은 필름 가스켓을 제 1 플레이트에 탑재시키는 단계 b) 는 얇은 필름 가스켓을 제 1 플레이트에 부착시키기 위한 수단을 사용하여 얇은 필름 가스켓을 탑재시키는 것을 포함한다. 본 발명의 다른 태양에서, 얇은 필름 가스켓에 개구를 형성하는 단계 c) 는 예를들어, 얇은 필름 가스켓에서 개구를 다이커팅하여 얇은 필름 가스켓에 사변형 개구를 형성하는 것을 포함한다. 본 발명의 다른 태양에서, 얇은 필름 가스켓에 개구를 형성하는 단계 c) 는 복수의 개구를 얇은 필름 가스켓에 형성하는 것을 포함한다. 본 발명의 다른 태양에서, 전극을 얇은 필름 가스켓의 개구 위에 탑재시키는 단계 d) 는 전극의 일부와 얇은 필름 가스켓을 겹치는 단계 d1) 와 얇은 필름 가스켓의 겹쳐진 부분과 전극의 겹쳐진 부분 사이를 접착시키기 위해 겹쳐진 부분을 가열 및 가압하는 단계 d2) 를 포함한다. 본 발명의 일 태양으로, 가열 및 가압 단계 d2) 는 약 100 ℃ 이상의 온도로 가열하고 약 100 psi 이상의 압력으로 가압하는 것을 포함한다.

본 발명의 다른 태양에서, 방법은 제 2 플레이트에 탑재된 제 2 가스켓 전극이 제공되도록 단계 a) ~ d) 를 반복하는 것을 또한 포함한다. 본 발명의 일 태양에서, 방법은 제 1 가스켓 전극과 제 2 가스켓 전극 사이에 교환막을 위치시키는 단계와 밀봉된 가스켓 전극-막-전극 결합체를 얻기위해서 제 1 가스켓 전극과 제 2 가스켓 전극을 교환막 주변에서 밀봉시키는 단계를 또한 포함한다. 본 발명의 일 태양으로, 상기 밀봉은 제 1 가스켓 전극 및 제 2 가스켓 전극에 열과 압력을 가하는 것을 포함하고 제 1 가스켓 전극과 제 2 가스켓 전극은 교환막에 부착되는 것을 포함한다. 본 발명의 다른 태양에서, 적층 (laminate) 은 제 1 가스켓 전극과 제 2 가스켓 전극의 가스켓의 적어도 일부분에 열과 압력을 가하는 것을 포함하고, 가스켓의 상기 부분이 서로 부착된다. 본 발명의 일 특징으로, 방법은 연료전지 스택 (stack) 에 결합되면, 가스 통로를 제공하기 위해서 밀봉된 가스켓 전극-막-전극 결합체의 가스켓에 하나 이상의 개구를 형성하는 것을 또한 포함한다. 본 발명의 다른 태양에서, 방법은 밀봉된 가스켓 전극-막-전극 결합체를 연료전지 스택 (stack) 에 위치시키는 단계를 또한 포함한다.

본 발명의 다른 태양은 얇은 필름을 가지는 장치의 제작을 용이하게 하기 위한 고정구이며, 이 고정구는 개구를 가지는 플레이트와, 상기 개구를 적어도 부분적으로 덮는 얇은 필름을 플레이트에 탑재시키기 위한 수단을 포함하며, 적어도 부분적으로 상기 개구를 덮는 얇은 필름의 일부분은 상기 장치의 하나 이상의 요소를 탑재시키기 위한 표면이 제공되어 있다. 본 발명의 일 태양에서, 얇은 필름을 플레이트에 탑재시키기 위한 수단은 예를들어, 기계적 수단, 자성 수단, 및 진공 수단 중 하나 이상을 포함하며, 얇은 필름을 플레이트에 탈부착가능하게 탑재시키는 수단을 포함한다. 본 발명의 다른 태양에서, 얇은 필름을 플레이트에 탑재시키기 위한 수단은 하나 이상의 자석을 포함한다. 본 발명의 태양에서, 얇은 필름을 플레이트에 탑재시키기 위한 수단은 하나 이상의 자석에 탑재된 하나 이상의 강자성 플레이트를 또한 포함한다. 본 발명의 일 태양에서, 상기 고정구는 플레이트에 형성되어 진공원에 작동적으로 연결되는 하나 이상의 진공 개구를 또한 포함한다. 본 발명의 일 태양에서, 상기 고정구는 하나 이상의 진공 개구와 유체 연통하는 하나 이상의 진공 채널을 또한 포함한다. 본 발명의 일 태양에서, 플레이트는 예를들어, 금속 및 비금속의 재료 중 하나 이상을 포함하며, 상기 비금속 재료는 복합재료를 포함한다. 본 발명의 일 태양에서, 얇은 필름은 약 1 mm 미만의 두께를 가지는 얇은 필름을 포함한다. 본 발명의 다른 태양에서, 얇은 필름은 약 500 ㎛ 미만의 두께를 가지는 얇은 필름을 포함한다. 본 발명의 다른 태양에서, 얇은 필름은 약 200 ㎛ 미만의 두께를 가지는 얇은 필름을 포함한다.

본 발명의 다른 태양은 개구를 가진 플레이트를 포함하는 고정구를 사용하여 얇은 필름을 가지는 장치의 제작을 용이하게 하기 위한 방법이며, 이 방법은 얇은 필름을 제공하는 단계 a) 와, 상기 개구를 적어도 부분적으로 덮는 얇은 필름을 플레이트에 탑재하는 단계 b) 와, 플레이트에 의해 지지되는 얇은 필름을 구비한 요소를 제공하기 위해서 장치의 하나 이상의 요소를 얇은 필름에 탑재시키는 단계 c) 와, 얇은 필름을 구비한 요소를 플레이트로 지지하면서 다른 처리를 받게하는 단계 d) 와, 장치의 얇은 필름을 구비한 요소를 탑재시키는 단계 e) 를 포함한다.

본 발명의 일 태양에서, 방법은 예컨대 얇은 필름의 개구를 다이컷팅하여 하나 이상의 개구를 얇은 필름에 도입시키는 단계 f) 를 또한 포함한다. 본 발명의 다른 태양에서, 플레이트는 얇은 필름을 플레이트에 부착시키기 위한 수단을 또한 포함하며, 얇은 필름을 플레이트에 탑재시키는 단계 b) 는 얇은 필름을 플레이트에 부착시키기 위한 수단을 사용하여 얇은 필름을 탑재시키는 단계를 포함한다. 본 발명의 일 태양에서, 플레이트는 하나 이상의 자석을 또한 포함하며, 얇은 필름을 플레이트에 탑재시키는 단계 b) 는 얇은 필름을 하나 이상의 자석 위에 위치시키는 단계 및 얇은 필름과 하나 이상의 자석 위에 강자성 플레이트를 배치시키는 단계를 포함한다. 본 발명의 다른 태양으로, 얇은 필름에 장치의 하나 이상의 요소를 탑재시키는 단계 c) 는 상기 요소의 적어도 일부분과 얇은 필름을 겹치는 단계 c1) 을 포함하며, 얇은 필름의 겹쳐진 부분과 요소의 겹쳐진 부분 사이를 접착시키기 위해 겹쳐진 부분을 가열 및 가압하는 단계 c2) 를 포함한다. 본 발명의 일 태양으로, 가열 및 가압 단계 c2) 는 약 100 ℃ 이상의 온도로 가열하고 약 100 psi 이상으로 가압하는 것을 포함한다.

상기 및 다른 태양과 본 발명의 태양은 첨부된 도면과 하기의 설명 및 첨부된 청구 범위를 참조로 하여 더욱 분명해진다.

본 발명으로 다루어진 주제는 본 명세서의 결론 부분에 청구되었다. 본 발명의 다른 목적과 그에 따른 이점과 함께 본 발명의 수립과 이행은 첨부된 도면과 선호된 실시형태의 상세한 설명을 참조로 이해될 수 있다.

도 1 은 본 발명의 일 태양에 따른 고정구 (10) 의 사시도이다. 고정구 (10) 는 개구 (14) 를 가지는 플레이트 (12) 와 예를들어 얇은 필름 가스켓 재료인 얇은 필름형 재료 (18) 를 개구 (14) 위에 부분적으로 탑재시키기 위한 수단 (16) 을 포함한다. 본 발명의 이러한 태양에 따르면, 고정구 (10) 는 얇은 필름형 재료에 탑재되는 요소를 탑재, 이송 또는 다루기 위한 플렛폼을 제공한다. 본 발명의 일 태양에 따르면, 고정구 (10) 는 예를들어, 얇은 절연성의 가스켓에 탑재된 직물전극 (fabric-electrodes) 과 같은 얇은 필름 가스켓에 탑재된 연료전지 결합체에 사용되는 요소를 탑재, 이송 또는 다루기 위하여 사용될 수 있다. 그러나, 본 발명은 제조, 조립 또는 사용 동안에 얇은 필름에 탑재되는 요소에 대한 취급을 용이하게 하기 위한 어떤 분야에서도 사용될 수 있다. 이러한 분야는 반도체 산업, 의학 산업, 식품 산업, 소재 산업, 소재 가공 산업, 화학 산업, 사진 산업, 인쇄산업, 특수 의류 산업 (예를들어, 위험물로 부터 보호) ,항공기 제조 산업 (예를들어, 복합재 제조) 등을 포함하며, 물론 이에 한정되지 않는다.

도 1 에 도시된 본 발명의 일 태양에 따르면, 플레이트 (12) 는 예를들어, 취급을 용이하게 하기 위하여 경량이며 휨을 최소화하기 위한 강성이 제공된 재료로 만들어진 얇고 편평한 요소일 수 있다. 플레이트 (12) 는 예를들어 경목판 또는 합판과 같은 나무와, 유리와, 예를들어 강, 스테인레스 강, 알루미늄, 또는 티타늄 등과 같은 금속과, 예를들어 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 또는 폴리에스테르와 같은 플라스틱과, 또는 버몬트주의 베닝턴 (Bennington, Vermont) 의 Vermont Composites 에서 제조된 탄소 복합재와 같은 복합 재료로 이루어질 수 있다. 플레이트 (12) 의 구조물은 요구된 강성과 저중량을 제공할 수 있는 다양한 형태를 취할 수 있으며, 플레이트 (12) 는 예를 들어, 길이 방향 또는 횡방향 리브와 같은 강성 보강 리브를 포함할 수 있으며, 또는 예를들어 허니콤 (honeycombed) 알루미늄 또는 다른 압출 또는 제조된 구조물과 같은 내부 캐비티 또는 강성 보강부를 지니는 중공 구조물로 이루어질 수 있다.

도면에 도시된 본 발명의 다양한 태양은 본 발명의 태양을 가능한한 분명히 도시하기 위함이다. 몇몇 구조물은 상대적으로 얇은 단면이기 때문에, 분명히 나타내기 위하여 예를 들어 도 1 의 얇은 필름 (18) 과 같은 구조물의 치수는 (두께를 가장 두드러지게) 과장될 수 있으며, 즉 일정한 축척으로 도시되지 않았다. 이러한 명세서의 본문은 도의 설명이 축척이 아닐 때에 따른 대부분의 구조물에 대한 치수 범위를 제공한다.

플레이트의 치수 (12) 는 고정구 (10) 로 다루어지는 요소의 크기에 따라 변경될 수 있다. 플레이트 (12) 는 용도에 따라 약 1 인치 (25.4 mm) ~ 약 20 피트 (약 6 m) 의 범위의 길이 및 폭을 가질 수 있다. 예를들어, 연료전지용 MEA 의 요소를 다루기위하여 사용되는 본 발명의 태양에서, 플레이트 (12) 는 약 1 피트 (약 300 mm) ~ 약 6 피트 (약 2 m) 의 범위인 길이 및 폭을 가질 수 있다. 본 발명의 일 태양에서, 플레이트 (12) 는 약 2 피트 (약 610 mm) 와 약 4 피트 (약 1.2 m) 사이의 길이와 약 1 피트 (약 300 mm) 와 약 3 피트 (약 914 mm) 사이의 폭을 갖는다. 플레이트 (12) 의 두께는 구성 재료 및 고정구 (10) 에 의해 다루어지는 요소의 중량에 따라 폭넓게 변경될 수 있다. 플레이트 (12) 의 두께 범위는 약 1 mm (0.039 인치) ~ 약 100 mm (약 4 인치) 이며, 일반적으로 약 3 mm (약 0.125 인치) ~ 약 12 mm (약 0.50 인치) 이다.

개구 (14) 는 고정구 (10) 에 의해 다루어지는 요소의 크기, 중량 및 수량에 따라 어떤 크기 또는 형상이라도 취할 수 있다. 개구 (12) 는 사각형, 정사각형, 원형, 삼각형 또는 타원형 등이 될 수 있다. 본 발명의 일 태양에 따르면, 하나 이상의 개구 (14) 가 플레이트 (12) 에 제공될 수 있다 (예를들어, 도 16 및 도 17 참조) . 본 발명의 일 태양에 따르면, 개구 (14) 는 플레이트 (12) 의 중심에 위치된 단일 개구를 포함한다. 본 발명의 다른 태양에서는, 하나 이상의 개구 (14) 가 플레이트 (12) 의 중심선으로 부터 편위되어 위치될 수 있다.

얇은 필름형 재료 (18) 는 요소를 탑재시키는 데 사용될 수 있는 다양한 재료일 수 있다. 얇은 필름 (18) 은 금속 또는 비금속 필름 또는 시트일 수 있으며, 예를들어, 금, 알루미늄, 주석, 강박 (steel foil) 과 같은 금속 박판일 수 있다. 얇은 필름 (18) 은 폴리에틸렌 (PE) 또는 폴리에스테르 (PET) 와 같은 플라스틱 또는 중합체 필름일 수 있다. 본 발명의 일 태양에서, 얇은 필름 (18) 은 예를들어, Dupont 사의 Kapton 이란 상표로 시판되는 폴리이미드 필름과 같은 고온 안정성 중합제가 될 수 있다. 본 발명의 일 태양에서, 얇은 필름 (18) 은 MEA 에서 절연 가스켓 재료로 사용되는 폴리테트라플루오로에틸렌 (polytetrafluoroethylenes, PTFE 또는 FEP) 또는 폴리에테르케톱 (polyetherketones, 예를들어, PEK, PEEK 등) 족 중의 어떤 것이라도 좋다. 얇은 필름 (18) 은 본 발명에 따라 고정구 (10) 에 의해 다루어지는 요소가 무엇이냐에 따라 다양한 두께를 또한 가질 수 있다. 본 발명의 일 태양에서, 얇은 필름 (18) 의 두께의 범위는 약 1 ㎛ (약 0.00004 인치) ~ 약 500 ㎛ (약 0.020 인치) 일 수 있으며, 일반적으로 약 25 ㎛ (약 0.001 인치) ~ 약 200 ㎛ (약 0.008 인치) 일 수 있다.

얇은 필름형 재료 (18) 를 탑재하기 위한 수단 (16) 으로서는, 필름 (18) 이 요구된 취급 및 로딩을 받을 때 그 필름 (18) 을 고정구 (10) 에 지지할 수 있으면 어떤 구조물이라도 좋다. 수단 (16) 의 세가지 실시형태가 태양은 도 2a, 도 2b 및 도 2c 에 도시되어 있다. 도 2a, 도 2b 및 도 2c 는 도 1 의 선 2-2 따라 취한 수단 (16) 의 단면도이다. 도 2a 에 도시된 본 발명의 일 태양에 따르면, 수단 (16A) 은 예를들어, 나사 (20) 및 와셔 (22) 와 같은 복수의 기계적 체결요소 및 하나 또는 그 이상의 지지 플레이트 (24) 를 포함한다. 본 발명의 이러한 태양에서, 나사 (20) 는 플레이트 (12) 의 나사 구멍 (26) 안으로 나사결합되어, 나사 (20) , 와셔 (22) 및 하나 이상의 지지 플레이트 (24) 가 플레이트 (12) 의 개구 (14) 주위에서 필름 (18) 을 지지한다. 본 발명의 일 태양에서, 나사 (20) 대신에 너트와 볼트를 사용하여 필름 (18) 을 지지할 수 있다. 플레이트 (24) 의 길이 및 두께는 고정구 (10) 의 길이 및 고정구 (10) 에 지지되는 요소의 크기 및 중량에 따라 변경될 수 있다. 예를들어, 플레이트 (24) 의 폭의 범위는 약 0.125 인치 (약 3 mm) ~ 약 3 피트 (약 1 m) 일 수 있다. 본 발명의 일 태양에서, 본 발명은 연료전지의 MEA 의 요소를 다루기 위하여 사용되며, 플레이트 (24) 의 폭의 범위는 약 0.5 인치 ~ 약 3 인치 (예를들어, 약 1 인치와 2 인치 사이) 일 수 있다. 플레이트 (24) 의 두께의 범위는 약 0.1 mm (약 0.004 인치) ~ 약 50 mm (약 2 인치) 일 수 있으며, 일반적으로 약 0.5 mm (약 0.02 인치) ~ 약 5 mm (약 0.2 인치) 일 수 있다. 본 발명의 일 태양에서, 플레이트 (24) 는 약 1 인치의 폭 (약 25.4 mm) 과 약 0.5 mm (약 0.02 인치) 의 두께를 가진다.

도 2b 에 도시된 본 발명의 태양에서, 수단 (16B) 이 플레이트 (12) 의 개구 (14) 를 가로질러 얇은 필름 (18) 을 지지한다. 본 발명의 이러한 태양으로, 수단 (16B) 은 필름 (18) 을 지지하는 하나 이상의 자석 (28) 과 하나 이상의 강자성체 플레이트 (30) 를 포함한다. 하나 이상의 자석 (28) 은 영구자석 또는 전자석을 포함하는 일반적인 형태의 자석일 수 있다. 본 발명의 일 태양에서, 자석 (28) 은 예를들어 일래스토머 메트릭스 (elastomeric matrix) 에 내장된 강자성 입자를 포함하는 자석인 일래스토머 자석이다. 자석 (28) 은 기계적 고정수단 또는 접착제를 포함하는 일반적인 수단으로 플레이트 (12) 에 고정될 수 있다. 플레이트 (30) 는 필름 (18) 을 지지하기에 충분한 힘으로 자석 (28) 에 부착되는 어떠한 형태의 플레이트 예를들어, 탄소강 플레이트 또는 스테인레스강 플레이트일 수 있다. 플레이트 (30) 는 비금속 매트릭스에 강자성 입자를 포함하는 플레이트 예를들어 철입자가 함유된 플라스틱 또는 일래스토머 재료일 수 있다. 본 발명의 일 태양에서, 예를들어 자석 (28) 은 그의 표면이 본질적으로 플레이트 (12) 의 표면과 편평하게 되도록 플레이트 (12) 에 내장될 수 있다. 내장된 자석 (28) 의 표면은 플레이트 (12) 의 표면과 편평하지 않을 수 있고, 플레이트 (12) 의 표면 보다 높거나 낮을 수 있다. 본 발명의 일 태양에서, 자석 (28) 은 플레이트 (12) 의 표면에 넣어 만들어진다. 본 발명의 다른 태양에서, 자석 (28) 은 자화된, 예를들어 전자화된 (eletro-magnetized) 플레이트 (12) 의 일부분을 포함한다.

본 발명의 일 태양에서, 플레이트 (12) 는 강자성 재료일 수 있으며, 필름 (18) 은 플레이트 (30) 없이 하나 이상의 탈부착식 자석 (28', 도시안됨) 에 의해 지지될 수 있다. 본 발명의 이러한 태양에서, 필름 (18) 은 탈부착식 자석 (28') 과 플레이트 (12) 사이의 자기 인력으로 플레이트 (12) 에 지지된다.

자석 (28) 과 플레이트 (30) 의 길이 및 두께는 고정구 (10) 의 크기 및 고정구 (10) 에 지지되는 요소의 크기 및 중량에 따라 변경될 수 있다. 예를들어, 자석 (28) 과 플레이트 (30) 의 폭의 범위는 0.125 인치 (약 3 mm) ~ 약 3 피트 (약 1 m) 일 수 있다. 본 발명의 일 태양에서, 본 발명은 연료전지의 MEA 의 요소를 다루는데 사용되며, 자석 (28) 및 플레이트 (30) 폭의 범위는 약 0.25 인치 (약 6 mm) ~ 약 3 인치 (약 75 mm) 예를들어, 약 1 인치 (25.4 mm) ~ 2 인치 (50.8 mm) 일 수 있다. 자석 (28) 과 플레이트 (30) 의 두께 범위는 약 0.1 mm (약 0.004 인치) ~ 약 50 mm (약 2 인치) 일 수 있으며, 일반적으로 약 0.5 mm (약 0.02 인치) ~ 약 5 mm (약 0.2 인치) 일 수 있다. 본 발명의 일 태양에서, 자석 (28) 은 약 1 인치 (약 25.4 mm) 의 폭과 약 2.5 mm (약 0.10 인치) 의 두께를 가지며, 플레이트 (30) 는 약 1 인치 (약 25.4 mm) 의 폭과 0.5 mm (약 0.02 인치) 의 두께를 가진다. 플레이트 (30) 의 폭은 자석 (28) 의 폭 보다 크거나 또는 작거나 혹은 같을 수 있다.

도 2c 에 도시된 본 발명의 태양에서, 수단 (16C) 는 플레이트 (12) 의 개구 (14) 를 가로질러 얇은 필름 (18) 을 지지한다. 본 발명의 이러한 태양에서, 수단 (16C) 은 얇은 필름 (18) 과 플레이트 (12) 사이의 결합부 (19) 를 포함할 수 있다. 예컨대 결합부 (19) 는 단일면 또는 양면 테이프와 같은 테이프 또는 임시 접착제 (예를들어 Post-it 에 사용되는 임시 접착제) 또는 영구 접착제와 같은 접착제일 수 있다. 결합부 (19) 는 열융접 또는 용접등으로 플레이트 (12) 에 필름 (18) 의 결합을 또한 포함한다. 필름 (18) 또는 플레이트 (12) 의 열융접은 짝을 이루는 표면에 열과 압력을 가하여 이루어질 수 있다. 결합부 (19) 는 얇은 필름 (18) 을 플레이트 (18) 에 결합시키는 다른 일반적인 수단을 포함할 수 있다.

도 3 은 도 1 에 도시된 본 발명의 일 태양에 따른 고정구 (40) 의 분해 사시도이다. 도 3 에 도시된 본 발명의 태양에서, 고정구 (40) 는 개구 (114, 개구 (14) 와 유사함) 를 가지는 플레이트 (112, 플레이트 (12) 와 유사함) 및, 얇은 필름 (118, 필름 (18) 과 유사함) 을 지지하기 위한 수단 (116b, 도 2b 에 도시된 수단 (16B) 와 유사함) 을 포함한다. 본 발명의 이러한 태양에서, 개구 (114) 는 사각형이며, 수단 (116b) 은 개구 (114) 주위에 탑재된 사각형 자석 (128) 을 포함한다. 수단 (116b) 은 지지 플레이트 (130, 도 2b 에 도시된 지지 플레이트 (30) 와 유사함) 를 또한 포함한다. 지지 플레이트 (130) 는 단일 플레이트 또는 두개 이상의 플레이트일 수 있다. 본 발명의 이러한 태양에서, 플레이트 (130) 는 자석 (128) 의 형상과 실질적으로 동일하다. 본 발명의 일 태양에 따르면, 플레이트 (130) 의 형상은 플레이트 (130) 의 취급 및 필름 (118) 에 탑재된 요소의 처리를 용이하게 하기 위하여 자석 (128) 의 형상과 다를 수 있다. 예를들어, 플레이트 (130) 는 수동 또는 자동 수단으로 플레이트 (130) 의 배치 또는 제거를 용이하게 하기 위하여 하나 이상의 연장부, 핸들, 또는 돌출부를 포함한다. 플레이트 (130) 는 자석 (128) 위에 쉽게 위치될 수 있도록 하나 이상의 구멍 또는 핀을 포함할 수 있다.

도 4 는 플레이트 (130) 와 자석 (128) 사이에 필름 (118) 이 지지되어 있는 상태로 조립된 도 3 에 도시된 고정구 (40) 의 사시도이다. 도 4 에 도시된 바와 같이, 고정구 (40) 의 조립시에, 적어도 일부의 여분의 필름 (118A, 118B) 는 플레이트 (130) 를 넘어 나올 수 있다. 본 발명의 일 태양에 따르면, 여분 필름 (118A, 118B) 은 고정구 (40) 에 도 5 에 도시된 탑재된 필름 (118) 을 제공하기 위해서, 수동 또는 자동 수단으로 제거될 수 있으며, 이렇게 해서 상기 탑재된 필름은 다음 처리를 받을 준비가 된다.

도 1 ~ 도 5 는 얇은 필름 (18, 118) 을 탑재하기 위하여 사용될 수 있는 고정구 (10, 40) 를 도시한다. 본 발명에 따르면, 고정구 (10, 40) 는 얇은 필름 (18, 118) 의 처리 또는 얇은 필름 (18, 118) 을 가지는 요소의 제작을 용이하게 하기 위하여 사용될 수 있다. 도 6 ~ 도 15 는 고정구 (10, 40) 를 사용하여 실행될 수 있는 일련의 처리를 도시한다. 설명된 처리는 연료전지의 MEA 의 요소의 제작에 사용될 수 있지만, 본 발명의 하나 이상의 태양을 사용함으로서 많은 종류의 처리 및 제작이 용이하게 된다는 것을 당업자라면 알 수 있을 것이다.

도 6 은 본 발명의 일 태양에 따른 고정구 (140) 의 사시도이다. 고정구 (140) 는 고정구 (40) 와 유사하며, 플레이트 (112) 와 유사하게 개구 (214) 를 가지는 플레이트 (212) 와, 자석 (128) 과 유사한 하나 이상의 자석 (228) 과, 플레이트 (130) 와 유사한 강자성 플레이트 (230) 및, 얇은 필름 (118) 과 유사한 가스켓 (218) 을 가진다. 도 6 에 도시된 가스켓 (218) 을 탑재시키기 위한 수단은 자석 (228) 과 강자성 플레이트 (230) 를 포함하더라도, 본 발명에 따르면, 도 6 에서 플레이트 (212) 에 가스켓 (218) 을 탑재시키기 위한 수단은 예를들면, 도 2a, 도 2b, 및 도 2c 에서 보인 수단 중 하나가 될 수 있다.

본 발명의 일 태양에 따른면, MEA 요소의 제작은 수동으로 가스켓 (218) 에 개구 (219) 를 절단하거나 또는 수동 또는 자동 다이 프레스로 개구 (219) 를 형성시키는 일반적인 수단에 의해 가스켓 (218) 에 하나 이상의 구멍, 또는 개구 (219) 를 만드는 것을 포함한다. 개구 (219) 는 예를들어 4 변형, 직사각형, 삼각형등과 같은 다각형 또는 계란형, 타원형, 원형등과 같은 둥근 형상을 포함하는 임의의 요구되는 형상일 수도 있다. 도 6 에 도시된 본 발명의 태양에 따르면, 개구 (219) 는 사각형 형상이며, 플레이트 (212) 의 개구 (214) 에 중심이 맞춰져 위치된다. 단일 개구 (219) 만이 도 6 에 도시되어 있지만, 본 발명의 일 태양에 따라 두개 이상의 개구가 가스켓 (218) 에 제공될 수 있다 (예를들어 도 16 참조) .

본 발명의 일 태양에 따르면 MEA 요소의 제작의 다음 단계에서, 전극을 개구 (219) 에 도입시킨다. 이러한 과정은 도 7 에 도시되어 있다. 도 7 은 도 6 에 도시된 단면선 7-7 을 통하여 본 고정구 (140) 의 단면도를 도시한다. 도 7 은 예를들어, NJ 의 Somerset 의 E-TEK 에 의해 제공된 탄소계 가스확산 전극과 같은 전극 (221) 의 단면도를 포함한다. 본 발명의 일 태양에 따르면, 고정구 (140) 에 탑재된 가스켓 (218) 은 전극 (221) 이 탑재되는 가스켓을 제공한다. 전극 (221) 은 예를들어, 접착제와 같은 일반적인 수단에 의해 가스켓 (218) 의 개구 (219) 위에 탑재될 수 있다. 본 발명의 일 태양에서, 전극 (221) 은 열과 압력에 의해 가스켓 (218) 의 개구 (219) 위에 탑재될 수 있다. 예를들어, 도 7 에 가상선으로 도시된 바와 같이, 앤빌 (225) 를 가지는 가열된 다이 프레스 (223) 가 가스켓 (218) 의 개구 (219) 위에 전극 (221) 을 탑재시키는데 사용될 수 있다. 본 발명의 이러한 태양에 따르면, 개구 (219) 위의 소정위치에 전극 (221) 을 위치시킨 다음에 (예를들면, 0.003 인치 이하의 공차로 위치됨) , 다이 프레스 (223) 는 예를들어 개구 (219) 의 주변에서 전극 (221) 과 가스켓 (218) 의 대향 표면을 가압한다. 본 발명의 일 태양에서, 가스켓 (218) 은 예를들어, 100 ℃ 이상의 온도와 100 psi 이상의 압력에서 전극 (221) 에 가압될 때에 그 전극 (221) 에 접착할 수 있는 재료를 포함한다. 이러한 온도 및 압력 조건하에서, 가스켓 (218) 은 전극 (221) 에 융합되어 가스켓 (218) 은 전극 (221) 에 "용접" 된다.

도 8 은 도 7 과 유사한 단면도이나, 가스켓 (218) 의 개구 (219) 에 전극 (221) 을 갖는 조립된 고정구 (240) 이다. 본 발명의 일 태양에 따르면, 가스켓이 탑재된 전극 (221) 을 가지는 두개 이상의 고정구 (240) 는 막으로 결합되어 연료전지용 MEA 를 제공한다. 이러한 MEA 의 결합은 도 9 에 도시되어 있다.

도 9 는 본 발명의 일 태양에 따른 MEA 결합체 (250) 의 분해 사시도이다. 결합체 (250) 는 가스켓 (플레이트 (212) 에 탑재됨, 218) 에 탑재된 전극 (221) 을 가지며 도 8 에 도시된 고정구 (240) 와 동일한 제 1 고정구 (240) 를 포함한다. 결합체 (250) 는 도 8 에 도시된 고정구 (240) 와 또한 동일하나 반대로 뒤집힌 제 2 고정구 (240') 를 포함한다. 본 발명의 이러한 태양에 따르면, 당 기술분야에 알려진 바와 같은 양성자 교환 막 (proton exchange membrane, PEM) 과 같은 교환 막 (252) 이 고정구 (240) 와 고정구 (240') 사이에 위치되어 전극 (221) 과 정렬된다 (예컨대 0.003 인치 이하의 공차로 정렬된다) . 본 발명의 일 태양에 따르면, 교환막 (252) 은 본 명세서에 참조로 관련되어 있는 "METHOD AND APPARATUS FOR TRANSFERRING THIN FILMS FROM A SOURCE POSITION TO A TARGET POSITION" (대리인 Ref.2036.001) 라는 발명의 명칭으로 2002년 8월 30일에 출원된 미국 특허 출원 No.10/232,424 에 개시된 자동 막 취급 방법 및 기구로 고정구 (240) 와 고정구 (240') 사이에 위치될 수 있다.

고정구 (240) 와 고정구 (240') 및 막 (252) 을 갖는 결합체 (250) 의 사시도는 도 10 에 도시되어 있다. 도 11 은 도 10 의 선 11-11 을 따라 도시된 결합체 (250) 의 단면도이다. 본 발명의 일 태양에 따르면, 도 11 에 도시된 전극 (221) 과 막 (252) 의 결합체는 전극 (221) 과 막 (252) 을 가열 및 가압하여 "밀봉" 시켜 도 12 에 도시된 바와 같이 밀봉된 전극-막-전극 결합체 (255) 를 형성할 수 있다. 도 12 는 밀봉 과정 동안에 도 11 에 도시된 바와 같은 전극-막-전극 결합체 (255) 의 상세도이다. 본 발명의 일 태양에서, 밀봉은 접착제로 이루어질 수 있다. 본 발명의 다른 태양에서, 도 7 및 도 8 에 도시된 가스켓 (218) 에 전극 (221) 을 부착시키는 과정과 유사한 과정에서, 도 12 에서 압력 배분 (229) 으로 나타낸 바와 같이 전극 (221) 과 막 (252) 을 가압하고 예컨대 가열된 다이 프레스로 열을 가하여 밀봉이 이루어진다. 본 발명의 일 태양에서, 예를들어 전극-막-전극 결합체 (255) 에 균일하게 100 ℃ 이상에서 100 psi 이상의 압력을 가하여 전극-막-전극 결합체 (255) 의 밀봉을 실행할 수 있다.

본 발명의 다른 태양에 따르면, 도 12 에서 도시된 바와 같이 전극-막-전극 결합체 (255) 가 밀봉된 후에, 전극-막-전극 결합체 (255) 는 "적층 (laminate) " 될 수 있다. 본 발명의 이러한 태양에 따르면, 당업계에서 사용되는 바와 같이 전극-막-전극 결합체 (255) 가 적층될 때, 결합체 (255) 의 막 (252) 과 전극 (221) 의 외주 바깥에 있는 대향 가스켓 표면은 융접된다. 본 발명의 일 태양에 따르면, 가스켓 (218) 의 대향 표면 사이에 접착제를 발라서 적층이 이루어진다. 본 발명의 다른 태양에 따르면, 도 7 에 보인 다이 프레스 (223) 와 유사한 형식의 다이 프레스에서 가열 및 가압하여 적층이 이루어질 수 있다. 도 13 은 적층 동안에 도 11 에 도시된 전극-막-전극 결합체 (255) 의 도 12 와 유사한 상세도이며, 이것은 즉, 전극-막-전극 결합체 (255) 의 외주 바깥의 가스켓 (218) 은 융접된 상태임을 나타낸다. 화살표 (227) 는 적층 과정 동안에 가스켓 (218) 에 작용되는 압축을 나타낸다. 적층 동안에 작용되는 온도 및 압력은 각각 100 ℃ 이상과 100 psi 이상일 수 있다.

본 발명의 다른 태양에서, 도 14 에 도시된 바와 같이 하나 또는 그 이상의 구멍 또는 개구 (260) 가 가스켓 (218) 에 형성될 수 있다. 본 발명의 일 태양에서, 개구 (260) 는 전극-막-전극 결합체 (255) 가 적층된 후에 형성될 수 있으며, 본 발명의 다른 태양에 따르면 개구 (260) 는 제조 과정 중 어느 때에도 형성될 수 있다. 예를들면, 개구 (260) 는 도 6 에 도시된 바와 같이 구멍 (219) 가 가스켓 (218) 에 형성될 때와 거의 같은 시기에 만들어질 수 있거나 또는 도 12 에 도시된 밀봉 중에 또는 도 13 에 도시된 바와 같이 적층 중에는 형성될 수 있거나 또는 과정 중 어느 때라도 형성될 수 있다. 개구 (260) 는 예를들어, 전극-막-전극 결합체 (255) 와 같은 연료전지에서 가스를 MEA 에 공급 및 배출하는 결합된 연료전지의 통로에 대응하도록 제공될 수 있다. 개구 (260) 는 임의의 원하는 갯수 또는 형상으로 제공될 수 있으며, 수동 또는 자동으로 가스켓 (218) 에 절단될 수 있다. 본 발명의 일 태양에서, 일 이상의 다이 컷 작업으로 개구 (260) 가 제공된다. 본 발명의 일 태양에서, 개구 (260) 는 없어도 된다.

결합체 (250) 에서 전극-막-전극 결합체 (255) 에 대한 작업이 완료되면, 전극-막-전극 결합체 (255) 는 결합체 (250) 으로부터 제거될 수 있으며 소정의 형상으로 다듬어져 도 15 에 도시된 바와 같이 완성된 전극-막-전극 결합체 (265) 가 제공된다. 결합체 (250) 로부터 전극-막-전극 결합체 (255) 를 제거하는데는 수동 또는 자동으로 예를들어 단일 다이 컷팅 작업으로 이루어질 수 있다. 일체화된 가스켓을 지닌 완성된 전극-막-전극 결합체 (265) 는 연료전지 스택 내로 삽입될 수 있거나 그렇지 않으면 취급 또는 저장 또는 적재를 위하여 포장될 수 있다.

본 발명의 일 태양에 따르면, 도 9 의 고정구 (240) 는 플레이트 (212) 의 단일 개구 (214) 및 단일 전극 (221) 을 포함하지만, 도 16 , 도 17 및 도 18 에 도시된 본 발명의 태양에 따르면 둘 이상의 개구 (214) 와 둘 이상의 전극 (221) 이 제공될 수 있다. 예를들어, 도 16 은 본 발명의 다른 태양에 따라 두개 이상의 전극 (321) 을 가지며 단일 개구 (314) 를 가지는 고정구 (340) 를 도시한다. 도 17 은 두개 이상의 개구 (414) 를 가지는 고정구 (440) 를 도시하며, 본 발명의 다른 태양에 따라 각 개구 (414) 는 하나 이상의 전극 (421) 을 가진다. 도 18 은 넷 이상의 개구 (514) 를 지니는 고정구 (540) 를 도시하며, 각 개구 (514) 는 본 발명의 다른 태양에 따라 하나 이상의 전극 (521) 을 가진다. 추가로, 본 발명의 일 태양에 따라, 도 6 에 도시된 플레이트 (212) 와 개구 (214) 는 예컨대, MEA 가 사용되는 연료전지의 형상에 따라 어떤 원하는 형상으로도 제공될 수 있다. 예를들어, 도 19 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 태양에서, 고정구 (640) 는 원형 플레이트 (612) 와 원형 개구 (614) 를 가질 수 있으며, 하나 이상의 원형 또는 사변형 전극 (621, 하나 이상의 대응 원형 또는 사변형 막과 짝을 이룰수 있음) 을 가질 수 있다.

본 발명의 다른 태양에서, 고정구 (240) 및 이와 관련된 고정구들에는 플레이트의 개구 위에 얇은 필름을 탑재시키기 용이하게 하기 위한 수단이 제공될 수 있다. 얇은 필름 (101) 을 탑재시키기 위한 일 고정구 (100) 가 도 20 에 도시되어 있다. 고정구 (100) 는 상기 기술된 플레이트 (12, 212) 의 하나 이상의 태양을 가질수 있는 플레이트 (102) (개구 (104) 를 포함함) 와 상기 기술된 수단 (16, 16A, 16B 또는 16C) 과 유사하며 얇은 필름 (101) 을 탑재시키기 위한 수단 (106) 을 포함한다. 도 20 에 도시된 수단 (106) 은 도 2b 에 도시된 자성 수단 (16B) 을 포함한다. 본 발명의 이러한 태양에 따르면, 고정구 (100) 는 얇은 필름 (101) 을 고정구 (100) 에 탑재 및 취급을 용이하게 하기 위한 수단 (110) 을 또한 포함한다. 본 발명의 일 태양에 따르면, 수단 (110) 은 진공원 (도시안됨) 에 작동적으로 연결된 진공 채널(112) 을 포함한다. 본 발명의 일 태양에서, 진공 채널 (112) 은 하나 이상의 진공 개구 (114) 로 진공원에 작동적으로 연결되어 있다. 진공 개구 (114) 는 원형 구멍, 사각형 구멍 또는 슬롯, 둥근 슬롯 (114') 또는 다른 형상의 개구가 조합된 것일 수 있다.

수단 (110) 의 상세도가 도 21 에 도시되어 있다. 도 21 은 도 20 의 선 21-21 을 따라 취한 단면도이다. 도 21 에 도시한 바와 같이, 얇은 필름 (101) 을 탑재하기 위한 고정구 (100) 의 플레이트 (102) 는 개구 (104) 주변에 탑재된 자석 스트립 (115) 과 얇은 필름 (101) 을 지지하기 위하여 자석 스트립 (115) 과 함께 사용되는 강자성 플레이트 (117) 를 포함한다. 도 21 에 또한 도시된 바와 같이, 고정구 (100) 는 하나 이상의 진공 구멍 (114) 으로 진공원 (도시안됨) 에 작동적으로 연결된 진공 채널 (112) 를 또한 포함한다. 진공 채널 (112) 에는 플레이트 (102) 에 탑재된 두개의 방벽 (113) 이 제공될 수 있다. 본 발명의 일 태양에서, 방벽 (113) 은 플레이트 (102) 와 일체화될 수 있는데, 예를들어, 플레이트 (102) 의 표면 내에 형성되거나 성형될 수 있다. 본 발명의 다른 태양에서, 방벽 (113) 은 예를들어, 기계적 고정요소, 용접, 또는 접착제에 의해 플레이트 (102) 의 표면에 탑재되는 별개의 구조물일 수 있다. 본 발명의 일 태양에서, 방벽 (113) 은 강 또는 알루미늄과 같은 금속 재료일 수 있고, 또한 고무 방벽과 같은 일래스토머재 또는 중합재인 비금속 재료일 수 있다. 본 발명의 일 태양에서, 일 방벽 (113) 은 자석 스트립 (115) 의 가장자리를 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 태양에서, 하나 이상의 방벽 (113) 은 자석일 수 있으며, 하나 이상의 방벽 (113) 은 자석 스트립 (115) 의 기능을 대체하거나 보완할 수 있다. 본 발명의 일 태양에서, 예를들어, 강자성 플레이트 (117) 는 하나 이상의 자석 방벽 (113) 위에 뻗어있을 수 있으며, 하나 이상의 자석 방벽 (113) 에 의해 지지될 수 있다. 본 발명의 다른 태양에서, 자석 스트립 (115) 은 하나 이상의 자석 방벽 (113) 으로 대체될 수 있으며, 따라서 자석 스트립 (115) 은 생략될 수 있는데 예를들어, 하나 이상의 자석 방벽 (113) 이 도 21 에서 자석 스트립 (115) 의 위치에 배치될 수 있어 자석 스트립 (115) 이 생략될 수 있다.

본 발명의 일 태양에서, 얇은 필름 (101) 은 예를들어, 수동 또는 자동적으로 개구 (104) 에 배치될 수 있으며, 진공원이 작동되어 (수동 또는 자동으로) 하나 이상의 구멍 (114) 을 통하여 진공 채널 (112) 내부에 진공이 형성된다. 진공 채널 (112) 내의 진공에 의해 얇은 필름 (101) 이 진공 채널 (112) 위로 흡착되어 얇은 필름 (101) 이 제 위치에서 개구 (104) 와 자석 스트립 (115) 위에 지지된다. 진공으로 얇은 필름 (101) 이 지지되는 동안에, 강자성 플레이트 (117) 가 개구 (104) 위에서 얇은 필름 (101) 을 지지하기 위해 자석 스트립 (115) 위에 배치될 수 있다 (수동 또는 자동적으로) . 진공 채널 (112) 에 대한 진공원은 그후 닫혀질 수 있으며, 얇은 필름 (101) 을 지닌 고정구 (100) 는 필요에 따라 취급되거나 처리될 수 있다. 진공 채널 (112) 은 본 명세서에서 설명된 어떠한 고정구에서도 사용될 수 있다.

도 20 에 도시한 바와 같은 본 발명의 다른 태양에 따르면, 고정구 (100, 또는 본 명세서에 설명된 임의의 다른 고정구) 는 하나 이상의 고정구 위치 결정용 개구 (120) 를 포함할 수 있다. 이 개구 (120) 는 구멍, 슬롯, 홈, 또는 고정구 (100) 에 탑재된 얇은 필름 또는 요소의 취급 및 처리 동안에 고정구 (100) 를 정렬시키기 위하여 사용되는 관련 구조물일 수 있다. 예를들어, 도 20 에 도시한 바와 같이, 고정구 (100) 는 약 0.125 인치와 약 0.75 인치 사이의 직경을 가지는 두개 이상의 위치 결정용 구멍 (120) 을 포함한다. 이 구멍 (120) 은 예를들어, 다이 프레스에 배치된 핀 또는 장부촉 (dowel) 과 같이 얇은 필름에 탑재된 요소 또는 얇은 필름을 처리하는 스테이션에 위치된 비슷한 크기의 핀 또는 장부촉과 상호작용할 수 있다. 플레이트 (102) 의 마모가 염려된다면, 마모를 줄이기 위해 또는 내마모성 표면을 제공하기 위해 부슁 (bushing) 또는 쇠고리로 구멍 (120) 을 강화할 수 있다.

본 발명의 다른 태양에 따르면, 고정구 (100, 또는 본 명세서에 개시된 다른 임의의 고정구) 는 취급 개구 (125, 127) 를 포함할 수 있다. 개구 (125, 127) 는 구멍, 슬롯, 홈, 또는 고정구 (100) 에 탑재된 요소 또는 얇은 필름의 처리 동안에 고정구 (100) 의 취급을 용이하게 하기 위하여 사용되는 관련 구조물일 수 있다. 본 발명의 일 태양에서, 예를들어, 개구 (125, 127) 는 예를들어 워킹 빔 컨베이어 (물론 다른 형태의 컨베이어도 사용될 수 있다) 와 같은 컨베이어 상의 핀 또는 장부촉에 고정구 (100) 를 지지시키기 위하여 사용될 수 있다. 개구 (125, 127) 는 약 0.125 인치와 약 1.00 인치 사이의 직경을 가질 수 있다.

본 발명의 다른 태양에 따르면, 고정구 (100, 또는 본 명세서에 설명된 다른 임의의 고정구) 는 수동으로 고정구 (100) 를 이송시키거나 다루기위한 하나 이상의 핸들을 포함할 수 있다. 이 핸들은 플레이트 (102) 에 있는 하나 이상의 관통공, 또는 바, 리브 또는 플레이트 (102) 의 표면에 탑재된 상용의 핸들을 포함할 수 있다.

본 발명은 얇은 필름을 가지는 장치 (예를들어, 막 전극 결합체의 요소) 의 제조과정 중에 얇은 필름의 취급을 용이하게 하기 위한 고정구 및 그 고정구의 사용방법을 제공한다. 본 발명은 이러한 장치 (종래의 방법에 의하면 일반적으로 손으로만 개별처리 될 수 있다) 의 조립을 자동화 할 때, 특히 유용하다. 본 발명은 상기 장치의 제조를 용이하게 하며, 상기 장치는 종래 기술의 고정구 또는 방법을 사용할 때 보다, 보다 빠르고 경제적으로 생산될 수 있다. 그래서, 본 발명을 사용함으로써, 상기 장치는 판매가능하도록 적당한 비용으로 제작가능하며, 그렇치 않는다면, 상기 장치는 상용화하기에 너무 비싸게된다.

본 발명은 바람직한 실시형태로 설명되었으며, 상세하게 도시되었으며, 당업자라면 본 발명에 대한 다양한 변형예가 이하의 청구 범위에 설명된 본 발명의 요지 및 범위에서 벗어남 없이 구현될 수 있다는 것을 이해할 수 있다.

Claims

연료 전지 막 전극 결합체의 제작을 용이하게 하기 위한 고정구로서,

개구를 가지는 플레이트 및,

적어도 부분적으로 상기 개구를 덮는 가스켓을 플레이트에 탑재시키기 위한 수단을 포함하며,

적어도 부분적으로 상기 개구를 덮는 가스켓의 일 부분은 연료 전지 막 전극 결합체를 위한 하나 이상의 전극을 탑재시키기 위한 표면을 제공하는 것을 특징으로 하는 고정구.
제 1 항에 있어서, 가스켓을 플레이트에 탑재시키기 위한 수단은 가스켓을 플레이트에 탈부착 가능하게 탑재시키기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 고정구.
제 1 항에 있어서, 가스켓을 플레이트에 탑재시키기 위한 수단은 기계적 수단, 접착 수단, 자성 수단 및 진공 수단 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 고정구.
제 1 항에 있어서, 가스켓을 플레이트에 탑재시키기 위한 수단은 하나 이상의 자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 고정구.
제 4 항에 있어서, 가스켓을 플레이트에 탑재시키기 위한 수단은 하나 이상의 자석에 탑재되는 하나 이상의 강자성 플레이트를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 고정구.
제 4 항에 있어서, 플레이트에 형성되어 진공원에 작동적으로 연결되는 하나 이상의 진공 개구를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 고정구.
제 6 항에 있어서, 하나 이상의 진공 개구와 유체 연통하는 하나 이상의 진공 채널을 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 고정구.
제 1 항에 있어서, 상기 플레이트는 약 0.25 인치 미만의 두께를 가지는 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 고정구.
제 8 항에 있어서, 플레이트는 금속 재료 및 비금속 재료 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 고정구.
제 9 항에 있어서, 상기 비금속 재료는 복합 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 고정구.
제 1 항에 있어서, 상기 가스켓은 약 500 미크론 미만의 두께를 가지는 얇은 필름 가스켓을 포함하는 것을 특징으로 하는 고정구.
개구를 가지는 제 1 플레이트를 포함하는 고정구를 사용하여 연료전지 막 전극 결합체의 제작을 용이하게 하기 위한 방법에 있어서,

a) 얇은 필름 가스켓을 제공하는 단계와,

b) 얇은 필름 가스켓을 제 1 플레이트에 탑재시켜, 얇은 필름 가스켓으로 상기 개구를 적어도 부분적으로 덮는 단계와,

c) 얇은 필름 가스켓에 개구를 형성하는 단계 및,

d) 제 1 플레이트에 탑재된 제 1 가스켓 전극을 제공하기 위하여 전극을 얇은 필름 가스켓의 개구 위에 탑재시키는 단계를 포함하며,

상기 가스켓 전극은 연료전지 막 전극 결합체에 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 12 항에 있어서, 제 1 플레이트는 얇은 필름 가스켓을 제 1 플레이트에 부착시키기 위한 수단을 또한 포함하며, 얇은 필름 가스켓을 제 1 플레이트에 탑재시키는 단계 b) 는 얇은 필름 가스켓을 제 1 플레이트에 부착시키기 위한 수단을 사용하여 얇은 필름 가스켓을 탑재시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 12 항에 있어서, 얇은 필름 가스켓에 개구를 형성하는 단계 c) 는 얇은 필름 가스켓에 사변형 개구를 형성하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 12 항에 있어서, 얇은 필름 가스켓에 개구를 형성하는 단계 c) 는 복수의 개구를 얇은 필름 가스켓에 형성하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 12 항에 있어서, 얇은 필름 가스켓에 개구를 형성하는 단계 c) 는 얇은 필름 가스켓에서 개구를 다이컷팅하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 12 항에 있어서, 전극을 얇은 필름 가스켓의 개구 위에 탑재시키는 단계 d) 는, 전극의 일부와 얇은 필름 가스켓을 겹치는 단계 d1) 와, 얇은 필름 가스켓의 겹쳐진 부분과 전극의 겹쳐진 부분 사이를 접착시키기 위해 겹쳐진 부분을 가열 및 가압하는 단계 d2) 를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 17 항에 있어서, 가열 및 가압 단계 d2) 는 약 100 ℃ 이상의 온도로 가열하고 약 100 psi 이상의 압력으로 가압하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 12 항에 있어서, 제 2 플레이트에 탑재된 제 2 가스켓 전극이 제공되도록 a) 단계 ~ d) 를 반복하는 것을 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 19 항에 있어서, 막 교환에 대하여, 제 1 가스켓 전극과 제 2 가스켓 전극 사이에 교환막을 위치시키는 단계와, 밀봉된 가스켓 전극-막-전극 결합체를 얻기 위해서, 제 1 가스켓 전극과 제 2 가스켓 전극을 교환막 주변에서 밀봉시키는 단계를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 20 항에 있어서, 상기 밀봉은 제 1 가스켓 전극과 제 2 가스켓 전극에 열과 압력을 가하는 것을 포함하고, 제 1 가스켓 전극과 제 2 가스켓 전극은 교환막에 부착되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 20 항에 있어서, 밀봉된 가스켓 전극-막-전극 결합체를 적층시키는 단계를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 22 항에 있어서, 상기 적층은 제 1 가스켓 전극과 제 2 가스켓 전극의 가스켓의 적어도 일부분에 열과 압력을 가하는 것을 포함하고, 가스켓의 상기 부분이 서로 부착되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 20 항에 있어서, 연료 전지 스택 (stack) 에 결합되면, 가스 통로를 제공하기 위해서 밀봉된 가스켓 전극-막-전극 결합체의 가스켓에 하나 이상의 개구를 형성하는 단계를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 20 항에 있어서, 밀봉된 가스켓 전극-막-전극 결합체를 연료 전지 스택에 위치시키는 단계를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
얇은 필름을 가지는 장치의 제작을 용이하게 하기 위한 고정구로서,

개구를 가지는 플레이트 및,

상기 개구를 적어도 부분적으로 덮는 얇은 필름을 플레이트에 탑재시키기 위한 수단을 포함하며,

적어도 부분적으로 상기 개구를 덮는 얇은 필름의 일 부분은 상기 장치의 하나 이상의 요소를 탑재시키기 위한 표면을 제공하는 것을 특징으로 하는 고정구.
제 26 항에 있어서, 얇은 필름을 플레이트에 탑재시키기 위한 수단은 얇은 필름을 플레이트에 탈부착가능하게 탑재시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 고정구.
제 26 항에 있어서, 얇은 필름을 플레이트에 탑재시키기 위한 수단은 기계적 수단, 자성 수단 및 진공 수단 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 고정구.
제 26 항에 있어서, 얇은 필름을 플레이트에 탑재시키기 위한 수단은 하나 이상의 자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 고정구.
제 29 항에 있어서, 얇은 필름을 플레이트에 탑재시키기 위한 수단은 하나 이상의 자석에 탑재된 하나 이상의 강자성 플레이트를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 고정구.
제 29 항에 있어서, 플레이트에 형성되어 진공원에 작동적으로 연결되는 하나 이상의 진공 개구를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 고정구.
제 31 항에 있어서, 상기 하나 이상의 진공 개구와 유체 연통하는 하나 이상의 진공 채널을 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 고정구.
제 26 항에 있어서, 상기 플레이트는 약 0.25 인치 미만의 두께를 가지는 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 고정구.
제 33 항에 있어서, 상기 플레이트는 금속 재료와 비금속 재료 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 고정구.
제 34 항에 있어서, 상기 비금속 재료는 복합 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 고정구.
제 26 항에 있어서, 상기 얇은 필름은 약 500 미크론 미만의 두께를 가지는 얇은 필름을 포함하는 것을 특징으로 하는 고정구.
개구를 가지는 플레이트를 포함하는 고정구를 사용하여 얇은 필름을 가지는 장치의 제작을 용이하게 하기 위한 방법에 있어서,

a) 얇은 필름을 제공하는 단계와,

b) 상기 개구를 적어도 부분적으로 덮는 얇은 필름을 플레이트에 탑재하는 단계와,

c) 플레이트에 의해 지지되는 얇은 필름을 구비한 요소를 제공하기 위해서 장치의 하나 이상의 요소를 얇은 필름에 탑재시키는 단계와,

d) 얇은 필름을 구비한 요소를 플레이트로 지지하면서 다른 처리를 받게 하는 단계 및,

e) 얇은 필름을 구비한 요소를 장치에 탑재시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 37 항에 있어서, 하나 이상의 개구를 얇은 필름에 형성하는 단계 f) 를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 37 항에 있어서, 상기 플레이트는 얇은 필름을 플레이트에 부착시키기 위한 수단을 포함하며, 얇은 필름을 플레이트에 탑재시키는 단계 b) 는 얇은 필름을 플레이트에 부착시키기 위한 수단을 사용하여 얇은 필름을 탑재시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 37 항에 있어서, 플레이트는 하나 이상의 자석을 또한 포함하며, 얇은 필름을 플레이트에 탑재시키는 단계 b) 는 얇은 필름을 하나 이상의 자석 위에 위치시키는 단계와 얇은 필름과 하나 이상의 자석 위에 강자성 플레이트를 위치시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 37 항에 있어서, 얇은 필름에 장치의 하나 이상의 요소를 탑재시키는 단계 c) 는 상기 요소의 적어도 일부분과 얇은 필름을 겹치는 단계 c1) 와 얇은 필름의 겹쳐진 부분과 요소의 겹쳐진 부분 사이를 접착시키기 위해 겹쳐진 부분을 가열 및 가압하는 단계 c2) 를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 41 항에 있어서, 가열 및 가압 단계 c2) 는 약 100 ℃ 이상의 온도로 가열하고 약 100 psi 이상의 압력으로 가압하는 것을 특징으로 하는 방법.