KR20060093128A

KR20060093128A - 연료 전지의 제조

Info

Publication number: KR20060093128A
Application number: KR1020067010922A
Authority: KR
Inventors: 다케하루 구라모치; 마사노리 이와모토; 마사히코 가츠; 가오루 에구치; 마사히로 오마타; 히데토 가나후사; 요시키 무토
Original assignee: 닛산 지도우샤 가부시키가이샤
Priority date: 2003-12-02
Filing date: 2004-11-02
Publication date: 2006-08-23
Also published as: US20070116999A1; WO2005055349A1; US8771902B2; US20110229801A1; KR100716011B1; CN1890828A; CN1890828B; DE112004002350B4; CN101740792A; DE112004002350T5; CN101740792B; US7993798B2; CN101740789A; CN101740789B; US8470498B2; US20110229802A1

Abstract

전해질막(1)을 이용하여 연료 전지를 제조한다. 띠형상의 전해질막(1)의 표면에 길이 방향으로 일정 간격으로 촉매층(12)을 형성하고, 양측부에는 반송용 구멍(10)을 일정 간격으로 열 형상으로 형성해 둔다. 구멍(10)에 걸어 맞추는 돌기를 외주에 구비한 반송 롤러(32)를 회전시킴으로써, 전해질막(1)을 릴(9)로부터 송출한다. 송출된 전해질막(1)에 대해서, 반송 롤러(32)의 회전 속도에 의거하는 소정의 처리 타이밍에 GDL(6)이나 세퍼레이터(7)를 접착함으로써, GDL(6)이나 세퍼레이터(7)를 촉매층(12)과 정확하게 적층하면서 효율적으로 연료 전지를 제조한다.

Description

연료 전지의 제조{MANUFACTURE OF FUEL CELL}

본 발명은 연료 전지의 제조에 관한 것이다.

일본 특허청이 2001년에 발행한 JP2001-236971A는, 전해질막의 롤로부터 전해질막의 일단을 롤러를 이용하여 송출하고, 이동하는 전해질막에 대해서 촉매층의 형성, 가스 확산층의 형성, 세퍼레이터의 접합을 차례로 행함으로써 띠형상으로 연속되는 복수의 연료 전지를 얻는 방법을 개시하고 있다.

이 제조 방법을 적용하는 경우에는, 전해질막을 일정 길이씩 송출하여 각 처리를 행하는 장소에 정확하게 정지시킬 필요가 있지만, 롤러의 미끄러짐을 고려하면 이 위치 결정은 용이하지 않다.

본 발명의 목적은, 따라서 롤로부터 송출되는 전해질막의 송출 정밀도를 높이고 소정 위치로의 위치 결정을 정확하게 행하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 전해질막의 롤을 이용하여 연료 전지 스택을 효율적으로 제조하는 것이다.

이상의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 전해질막에 소정의 처리를 실시하여 연료 전지를 제조하는 연료 전지의 제조 방법을 제공한다. 제조 방법은, 양측부에 길이 방향으로 반송용 구멍을 일정 간격으로 열 형상으로 형성한 띠형상의 릴에 감겨진 전해질막을, 반송용 구멍에 걸어 맞추는 돌기를 외주에 구비한 반송 롤러의 회전에 의해 송출하는 프로세스와, 반송 롤러의 회전 속도에 의거하여 설정된 소정의 처리 타이밍에 소정의 처리를 행하는 프로세스를 포함한다.

본 발명은 또한, 전해질막에 소정의 처리를 실시하여 연료 전지를 제조하는 연료 전지의 제조 장치를 제공한다. 제조 장치는, 양측부에 길이 방향으로 반송용 구멍을 일정 간격으로 열 형상으로 형성한 띠형상의, 릴에 감겨진 전해질막과 반송용 구멍에 걸어 맞추는 돌기를 외주에 구비한 반송 롤러와, 반송 롤러의 회전에 의해 릴로부터 송출된 전해질막에 반송 롤러의 회전 속도에 의거하여 설정된 소정의 처리 타이밍에 소정의 처리를 행하는 처리 유닛을 구비한다.

본 발명은 또한, 소정의 처리를 실시하여 연료 전지를 제조하기 위한 릴에 감겨진 전해질막을 제공한다. 전해질막은 양측부에 길이 방향으로 일정 간격으로 열 형상으로 형성한 반송용 구멍을 구비한다. 반송용 구멍은 반송 롤러에 형성된 돌기에 걸어 맞추고, 반송 롤러의 회전에 따라 릴로부터 전해질막을 송출하도록 구성된다.

본 발명은 또한, 전해질막과 세퍼레이터를 교대로 적층한 연료 전지의 제조 방법을 제공한다. 제조 방법은, 소정 위치에 유지된 제1 세퍼레이터의 옆쪽으로부터 제1 세퍼레이터에 면하는 위치에 평행하게 필름형상의 전해질막을 공급하는 제1 프로세스와, 제1 세퍼레이터와 제1 세퍼레이터에 면한 전해질막을 사이에 두고 반대측에 제2 세퍼레이터를 공급하는 제2 프로세스와, 제2 세퍼레이터를 제1 세퍼레이터를 향하여 변위시킴으로써, 전해질막을 소정의 형상 치수로 절단하면서 제1 세퍼레이터와 제2 세퍼레이터에 전해질막을 끼워서 지지하는 제3 프로세스를 포함한다.

본 발명은 또한, 전해질막과 세퍼레이터를 교대로 적층한 연료 전지의 제조 장치를 제공한다. 제조 장치는, 소정 위치에 유지된 제1 세퍼레이터의 옆쪽으로부터 제1 세퍼레이터에 면하는 소정 위치에 평행하게 필름형상의 전해질막을 공급하는 전해질 반송 유닛과, 소정 위치의 전해질막을 사이에 두고 제1 세퍼레이터와 반대측에 제2 세퍼레이터를 공급하는 세퍼레이터 공급 유닛과, 제2 세퍼레이터를 제1 세퍼레이터를 향하여 변위시킴으로써, 전해질막을 소정의 형상 치수로 절단하면서 제1 세퍼레이터와 제2 세퍼레이터에 전해질막을 끼워서 지지하는 적층 유닛을 구비한다.

본 발명의 상세 및 다른 특징이나 이점은, 명세서의 이후의 기재 중에서 설명되는 동시에 첨부된 도면에 도시한다.

도 1a와 1b는 본 발명에 의한 연료 전지 제조 장치의 개략 사시도와 요부 확대도이다.

도 2는 연료 전지 제조 장치의 컨트롤러의 구성을 설명하는 블록 다이어그램이다.

도 3은 본 발명에 의한 막전극 접합체(MEA)의 롤의 사시도이다.

도 4는 도 3과 유사하지만, 보호 시트에 관한 다른 구성을 도시한다.

도 5a와 5b는 연료 전지 제조 장치가 구비하는 MEA 공급 유닛의 평면도와 반송 롤러의 측면도이다.

도 6은 도 5a의 VI-VI 방향에서 바라본 릴 유지부의 측면도이다.

도 7은 연료 전지 제조 장치가 구비하는 가스 확산층(GDL) 컨베이어의 요부 평면도이다.

도 8은 도 7의 IIX-IIX 방향에서 바라본 GDL 컨베이어와 GDL 공급부의 측면도이다.

도 9는 연료 전지 제조 장치의 GDL 장착부의, MEA의 이동 방향에서 바라본 측면도이다.

도 10은 연료 전지 제조 장치가 구비하는 핫 프레스의, MEA의 이동 방향에서 바라본 측면도이다.

도 11은 연료 전지 제조 장치가 구비하는 세퍼레이터 컨베이어의 요부 평면도이다.

도 12는 도 11의 XII-XII 방향에서 바라본 세퍼레이터 컨베이어와 세퍼레이터 공급부의 측면도이다.

도 13은 연료 전지 제조 장치의 시일제 도포부의 측면도이다.

도 14는 연료 전지 제조 장치의 세퍼레이터 장착부의, MEA의 이동 방향에서 바라본 측면도이다.

도 15는 연료 전지 제조 장치가 구비하는 건조로의 횡단면도이다.

도 16a-18c는 본 발명의 제2 실시예에 의한, 연료 전지 제조 장치의 요부의 측면도와 사시도이다.

도 17a와 17b는 본 발명의 제3 실시예에 의한, 연료 전지 제조 장치의 개략 측면도이다.

도 18은 본 발명의 제3 실시예에 의한 막전극 접합체(MEA)의 롤의 사시도이다.

도 19는 도 18과 유사하지만, 클리핑선이 없는 MEA를 도시한다.

도 20은 본 발명의 제3 실시예에 의한 다른 적층 유닛의 측면도이다.

도 21은 본 발명의 제3 실시예에 의한 적층재 공급 유닛의 평면도이다.

도 22는 본 발명의 제3 실시예에 의한 적층재의 종단면도이다.

도 23은 본 발명의 제3 실시예에 의한 다른 적층재의 종단면도이다.

도 24는 본 발명의 제3 실시예에 의한 연료 전지 제조 장치의 연료 전지 스택의 제조 프로세스를 설명하는 흐름도이다.

도 25는 본 발명의 제3 실시예에 의한 적층 유닛이 MEA에 장력을 가하는 모습을 설명하는 적층 유닛의 측면도이다.

도 26은 도 25와 유사하지만, 적층 유닛이 제2 세퍼레이터를 MEA에 가압하고 있는 모습을 도시한다.

도 27은 도 25와 유사하지만, 적층 유닛이 MEA를 절단한 모습을 도시한다.

도 28은 도 25와 유사하지만, 적층 유닛이 상측 멤버를 상승 위치로 되돌린 모습을 도시한다.

도면의 도 1a를 참조하면, 연료 전지 제조 장치는 막 전극 접합체(MEA : 1)의 롤(30)로부터 MEA(1)를 인출하여 반송하는 MEA 반송 유닛(2)과, MEA(1)의 양면에 가스 확산층(GDL : 6)을 고착하는 GDL 장착 유닛(3)과, 또한 GDL(6)의 외측에 세퍼레이터(7)를 고정하는 세퍼레이터 장착 유닛(4)을 구비한다. 연료 전지 제조 장치는 또한, MEA 반송 유닛(2)과 GDL 장착 유닛(3)과 세퍼레이터 장착 유닛(4)을 동기적(同期的)으로 제어하는 컨트롤러(5)를 구비한다.

도 3을 참조하면, MEA(1)는 전해질막의 양면에 파선으로 나타내는 바와 같이 미리 소정의 피치로 백금 등의 촉매층(12)을 형성한 것으로, 촉매층(12)이 연료 전지의 전극을 구성한다. MEA(1)의 표면은 촉매층(12)을 포함하여 보호 시트(8)로 덮여 있다.

MEA(1)와 보호 시트(8)는 일체로 릴(9)에 감겨져 롤(30)을 구성하고 있다. MEA(1)와 보호 시트(8)의 양측부에는 반송용 구멍(10)이 길이 방향에 동일한 간격으로 형성되어 있다. MEA(1)의 일면에는, 광학 마크(11)가 촉매층(12)의 형성 간격에 동일한 간격으로 미리 인쇄되어 있다. 이 광학 마크(11)를 검출하기 위해서, MEA 반송 유닛(2)은 도 5a에 도시하는 광학 센서(26)를 구비한다. 광학 센서(26)는 광학 마크(11)와 구멍(10)을 검출할 때마다 각각 고유의 신호를 컨트롤러(5)에 출력한다. 컨트롤러(5)는, 이러한 신호에 의거하여 촉매층(12)의 형성 위치를 파악하고, MEA 반송 유닛(2)과 GDL 장착 유닛(3)과 세퍼레이터 장착 유닛(4)의 제어를 행함으로써, 촉매층(12)과 GDL(6)과 세퍼레이터(7)의 적층 위치를 정밀하게 일치시킨다.

이 실시예에서는, 미리 전해질막에 촉매층(12)을 일체화한 MEA(1)의 롤(30)을 이용하고 있지만, 전해질막만의 롤을 사용하여 롤로부터 송출된 전해질막의 표면에 촉매층을 형성하는 촉매층 형성 유닛을, 롤과 GDL 장착 유닛(3) 사이에 배치하는 것도 가능하다. 혹은, GDL(6)의 전해질막과의 접촉면에 촉매층(12)을 미리 일체로 형성해 두고, 일체화된 GDL(6)과 촉매층(12)을, GDL 장착 유닛(3)이 전해질막에 고정하는 것도 가능하다. 이러한 케이스에 있어서도, 광학 센서(26)의 출력 신호에 의해서, 전해질막 상에 적층되는 촉매층(12), GDL(6) 및 세퍼레이터(7)의 적층 위치의 위치 결정을 정밀하게 행할 수 있다.

MEA(1)는 전면적으로 보호 시트(8)로 덮여 있다. 도 4에 도시하는 바와 같이, 보호 시트(8)를 MEA(1)의 양측부를 반송용 구멍(10)을 제외하고 덮는 제1 시트(8B)와, 그 내측의 중앙부를 덮는 제2 시트(8A)로 분리하는 것도 가능하다.

보호 시트(8)는 전해질막과 그 위의 촉매층(12)을 보호하는 것으로, 연료 전지의 제조 과정에서 MEA(1)의 표면에 GDL(6)을 고정하기에 앞서 MEA(1)로부터 제거된다. 이 때, 제2 시트(8A)만을 제거하고 제1 시트(8B)를 남겨 둠으로써, 연료 전지의 제조 과정 전반을 통해서 반송용 구멍(10)을 보호할 수 있다.

다시 도 1a를 참조하면, MEA 반송 유닛(2)은 MEA 공급부(13), MEA 텐셔너(14) 및 한 쌍의 MEA 견인 롤러(15)를 구비한다.

GDL 장착 유닛(3)은 MEA 공급부(13)와 MEA 텐셔너(14) 사이에 배치되고, 세퍼레이터 장착 유닛(4)은 MEA 텐셔너(14)와 한 쌍의 MEA 견인 롤러(15) 사이에 배치된다. 한 쌍의 MEA 견인 롤러(15)는 MEA(1)를 끼워서 지지하여 마찰력으로 MEA(1)를 견인한다. MEA 텐셔너(14)는 GDL 장착 유닛(3)과 세퍼레이터 장착 유닛(4) 사이에서 MEA(1)의 느슨함을 제거하여 MEA(1)의 장력을 일정하게 유지한다. MEA 텐셔너(14)는 스프링에 의해서 서로 이간(離間) 방향으로 가압된 1조의 가동 롤러(42)와, MEA(1)의 이동 방향에 관해서 가동 롤러(42)의 상류와 하류에 각각 배치된 한 쌍의 고정 롤러(41)로 이루어진다.

도 5a와 5b를 참조하면, MEA 공급부(13)는 MEA(1)의 롤(30)을 수장한 릴 유지부(33)를 구비한다.

릴 유지부(33)는 2개의 회전축(34)을 구비하고, 각 회전축(34)에는 MEA(1)를 감아붙여 릴(9)이 장착된다. 릴 유지부(33)는 유압 실린더(35)의 신축에 따라 도 6에 화살표로 나타내는 방향으로 변위한다.

도 5a에 도시하는 바와 같이, 도면의 상측의 롤(30)이 얼마 남지 않게 되면, 도면의 하측의 롤(30)로부터 MEA(1)의 선단이 인출되고, 현재 공급되고 있는 MEA(1)에 클립 혹은 열용착에 의해서 고정된다. 그 후에, 도면의 상측의 롤(30)로부터 송출된 MEA(1)가 절단된다. 또한, 유압 실린더(35)가 수축하여 릴 유지부(33)는 도면의 위쪽으로 이동한다. 이후는 도면의 하측의 롤(30)로부터 MEA(1)가 송출된다. 하측의 롤(30)이 송출되고 있는 동안에, 상측의 롤(30)을 릴(9) 채로 제거하고 새로운 롤(30)과 교환한다. 이 구성에 의해, 릴 유지부(33)는 MEA(1)를 도중에 끊김없이 송출하는 것이 가능하다.

MEA 공급부(13)는 MEA(1)를 릴 유지부(33)로부터 인출하기 위해서, 도 1b에 도시하는 바와 같이 MEA(1)의 반송용 구멍(10)에 걸어 맞추는 돌기(32A)를 구비한 반송 롤러(32)를 구비한다. 반송 롤러(32)는 도 5b에 도시하는 바와 같이, 서보 모터(36)로 구동되는 구동축(37)에 고정된다.

MEA(1)의 송출 방향에 관해서, 반송 롤러(32)의 직전과 직후에 각각 한 쌍의 유지 롤러(31)가 설치된다. 한 쌍의 유지 롤러(31)는 반송 롤러(32)에 의해서 릴 유지부(33)로부터 인출된 MEA(1)를 양측으로부터 끼워 MEA(1)의 꼬임이나 흔들림을 방지한다.

MEA 공급부(13)는 MEA(1)의 일면의 보호 시트(8)와 다른 일면의 보호 시트(8)를 각각 권취하기 위해서, MEA(1)를 사이에 두는 대칭 위치에 각 2기의 보호 시트 회수 릴(39)을 구비한다. 보호 시트 회수 릴(39)은 축(38)으로 회전 구동된다. 도 5a에 있어서 MEA(1)의 위쪽에 위치하는 2기의 보호 시트 회수 릴(39)은, 전술의 릴 유지부(33)와 동일한 구조에 의해 보호 시트(8)의 회수에 선택적으로 적용된다. 즉, 한 쪽의 보호 시트 회수 릴(39)의 권취량이 가득해지면, 다른 한 쪽의 보호 시트 회수 릴(39)이 교대하여 적용되고, 그 사이에 권취량이 가득찬 보호 시트 회수 릴(39)이 빈 보호 시트 회수 릴(39)과 교환된다. 도 5a에 있어서 MEA(1)의 아래쪽에 위치하는 2기의 보호 시트 회수 릴(39)에 대해서도 마찬가지이다.

MEA(1)는 한 쌍의 MEA 견인 롤러(15)와 MEA 텐셔너(14)에 의한 장력 하에서, MEA 공급부(13)로부터 GDL 장착 유닛(3)으로 송출된다. 전술의 광학 센서(26)는 MEA 공급부(13)와 GDL 장착 유닛(3) 사이에 설치된다.

다시 도 1a를 참조하면, GDL 장착 유닛(3)은 MEA(1)의 양측에 각각 배치된 환형상의 GDL 컨베이어(16)와, GDL 공급부(17)와, GDL 장착부(18)와, 핫 프레스 (19)를 구비한다.

도 7을 참조하면, GDL 컨베이어(16)는 한 쌍의 체인 휠(43)에 건 체인(44)을 구비한다. 한 쪽의 체인 휠(43)은 서보 모터(45)에 의해 회전 구동된다. 체인(44)에는 복수의 GDL 반송 팔레트(46)가 장착된다. 도면에 도시하는 바와 같이, GDL 컨베이어(16)는 체인(44)이 형성하는 긴원형의 궤도의 직선부가, 반송되는 MEA(1)와 평행을 이루도록 배치된다. 체인(44)의 변위의 속도는 MEA(1)의 변위의 속도와 일치하도록 제어된다.

도 8을 참조하면, GDL 반송 팔레트(46)는 체인(44)에 고정한 포스트(47)에 핀(48)과 유지 아암(49)과 신축 실린더(50)를 통하여 지지된다. 유지 아암(49)은 핀(48)을 지점으로 회동 가능하다. 신축 실린더(50)는 GDL 컨베이어(16)의 궤도에 관해서, 유지 아암(49)의 내주단에 세워서 설치된다. 신축 실린더(50)의 선단에는 흡착 패드(52)가 고정되어 있다. 흡착 패드(52)는 신호에 따라 GDL(6)의 흡착과 해방을 행하는 진공식 액추에이터로 구성된다.

GDL 컨베이어(16)는 체인(44)과 평행하는 한 쌍의 팔레트 유지 가이드(51)를 구비한다. 팔레트 유지 가이드(51)는 체인(44)과 함께 이동하는 GDL 반송 팔레트(46)의 하면에 맞닿아 GDL 반송 팔레트(46)를 수평으로 유지한다. MEA(1)와 평행하는 위치에 있어서, 한 쪽의 팔레트 유지 가이드(51)에는 노치가 형성된다.

도 9를 참조하면, GDL 장착부(18)는 이 노치에 끼워 맞추는 가동 가이드(51A)를 구비한다. 가동 가이드(51A)는 상면(床面)에 핀을 통하여 지지된 기립 실린더(59)의 선단에 장착된다. 기립 실린더(59)는 수축 위치에서는, 도면의 쇄선으 로 나타내는 바와 같이, GDL 반송 팔레트(46)를 팔레트 유지 가이드(51)와 동일하게 수평으로 유지한다. 신장 위치에서는 가동 가이드(51A)를 통하여 GDL 반송 팔레트(46)를 핀(48)을 지점으로 도면의 실선으로 나타내는 수직 위치로 회동한다. 한편, 노치 및 가동 가이드(51A)는 GDL 장착부(18)로부터 핫 프레스(19)의 직전까지의 구간에 형성된다.

GDL 반송 팔레트(46) 상의 흡착 패드(52)에 흡착된 GDL(6)은 기립 실린더(59)의 신장에 의해 MEA(1)에 면하는 직립 위치에 지지된다. 이 상태로, 신축 실린더(50)를 신장시킴으로써 GDL(6)은 MEA(1)에 가압된다. GDL 장착부(18)는, 도면에 도시하는 바와 같이, MEA(1)의 양측의 기립 실린더(59)를 동기하여 신장시키고, 다시 MEA(1)의 양측의 신축 실린더(50)를 동기하여 신장시킴으로써, MEA(1)에 동시에 양측에서 GDL(6)을 가압한다. GDL(6)의 MEA(1)과의 접합면에는 미리 전해질액을 도포하여 건조시켜 둔다. MEA(1)에 GDL(6)을 압착한 후, 흡착 패드(52)를 해방시키고, 기립 실린더(59)와 신축 실린더(50)를 수축시키면, GDL 반송 팔레트(46)는 수평 위치로 회동하고, GDL(6)은 전해질액의 점착력으로 MEA(1)에 부착한 채로 MEA(1)와 함께 핫 프레스(19)로 반송된다.

도 10을 참조하면, 핫 프레스(19)의 내부에는 MEA(1)의 양측으로부터 MEA(1)를 향하여 압출되는 한 쌍의 프레스 플레이트(60)가 설치된다. 프레스 플레이트(60)는 신축 실린더(61)의 선단으로 각각 지지된다. 프레스 플레이트(60)는 히터에 의해 섭씨 80도부터 섭씨 150도의 범위의 온도로 유지된다. 신축 실린더(61)를 신장시키면, MEA(1)의 양면에 부착하고 있는 GDL(6)에 각각 외측으로부터 프레스 플레이트(60)가 밀어붙여져 MEA(1)와 GDL(6)을 열압축한다. 전해질의 점착력만으로 MEA(1)의 양면에 부착하고 있던 GDL(6)은 이 열압축에 의해 MEA(1)와 일체화된다.

다시 도 1a를 참조하면, GDL 반송 팔레트(46)로의 GDL(6)의 공급은 체인(44)의 궤도에 관해서, GDL 장착부(18)와 반대측에 위치하는 GDL 공급부(17)에 의해서 행해진다.

다시 도 8을 참조하면, GDL 공급부(17)는 GDL 반송 팔레트(46)에 위쪽으로부터 GDL(6)을 적재하는 오버 헤드식 이재(移載) 장치(54)와 한 쌍인 GDL 공급 팔레트(53)를 구비한다. GDL 공급 팔레트(53) 상에는 미리 전해질액을 도포하여 건조시킨 GDL(6)이 적층되어 있다. GDL 공급 팔레트(53)는 이 상태로, 체인(44)의 궤도의 외측의 소정 위치에 외부로부터 반송된다.

이재 장치(54)는 GDL 공급 팔레트(53)의 위쪽으로부터 GDL 반송 팔레트(46)의 위쪽에 이르는 반송 레일(55)과, 반송 레일(55)에 걸어 맞추는 자주식 로더(56)와 로더(56)에 장착한 강착부(降着部)(57)를 구비한다. 강착부(57)는 흡착 패드(52)와 동일하게 구성된 흡착 패드(92)를 하단에 장착한 신축 부재로서, 입력 신호에 따라 신축하고, 또 다른 입력 신호에 따라 흡착 패드(92)에 의한 GDL(6)의 흡착과 해방을 행한다.

이재 장치(54)는 도면의 쇄선으로 나타내는 바와 같이, 강착부(57)를 공급 팔레트(53)의 위쪽으로 이동하고 강착부(57)를 신장시켜 하단의 흡착 패드(92)에서 공급 팔레트(53)에 적층된 최상부의 GDL(6)을 흡착한다. 다음에, GDL(6)을 흡착한 채로 강착부(57)를 수축시키고, 로더(56)를 도면의 실선으로 나타내는 바와 같이 GDL 반송 팔레트(46)의 위쪽으로 주행시킨다. 그리고, 다시 강착부(57)를 신장시켜 흡착 패드(92)를 해방시킴으로써, GDL 반송 팔레트(46)의 흡착 패드(52) 상에 GDL(6)을 적재한다. GDL 반송 팔레트(46)는 흡착 패드(52)로 이 GDL(6)을 흡착하면서, 체인(44)의 변위에 따라 GDL(6)을 GDL 장착부(18)로 반송한다.

GDL 장착 유닛(3)에 있어서, 이와 같이 하여 GDL(6)을 일체화한 MEA(1)는 MEA 텐셔너(14)를 경유하여 세퍼레이터 장착 유닛(4)에 이른다.

다시 도 1a를 참조하면, 세퍼레이터 장착 유닛(4)은 MEA(1)의 양측에 각각 배치된 환형상의 세퍼레이터 컨베이어(20)와, 세퍼레이터 공급부(21)와, 세퍼레이터 컨베이어(20) 상의 세퍼레이터(7)에 시일제를 도포하는 시일제 도포부(22)와, 세퍼레이터 장착부(23)와 건조로(24)를 구비한다.

도 11을 참조하면, 세퍼레이터 컨베이어(20)의 구성은 GDL 컨베이어(16)의 구성과 유사하고, 한 쌍의 체인 휠(63)에 건 체인(64)과, 체인 휠(63)을 구동하는 서보 모터(65)를 구비한다. 이 구성 하에서 체인(64)은 MEA(1)의 변위와 동기하여 이동한다. 체인(64)에는 복수의 세퍼레이터 반송 팔레트(66)가 장착된다.

도 12를 참조하면, 세퍼레이터 반송 팔레트(66)는 체인(64)에 고정한 포스트(67)에, 핀(68)과 유지 아암(69)과 신축 실린더(70)를 통하여 지지된다. 유지 아암(69)은 핀(98)을 지점으로 회동 가능하다. 신축 실린더(70)는 세퍼레이터 컨베이어(20)의 궤도에 관해서 유지 아암(69)의 내주단에 세워서 설치된다. 신축 실린더(70)의 선단에는 흡착 패드(72)가 고정되어 있다. 흡착 패드(72)는 신호에 따라 세퍼레이터(7)의 흡착과 해방을 행하는 진공식 액추에이터로 구성된다.

세퍼레이터 컨베이어(20)는 체인(64)과 평행하는 한 쌍의 팔레트 유지 가이드(71)를 구비한다. 팔레트 유지 가이드(71)는 체인(64)과 함께 이동하는 세퍼레이터 반송 팔레트(66)의 하면에 맞닿아 세퍼레이터 반송 팔레트(66)를 수평으로 유지한다. MEA(1)와 평행하는 위치에 있어서, 한 쪽의 팔레트 유지 가이드(71)에는 노치가 형성된다.

도 14를 참조하면, 세퍼레이터 장착부(23)는 이 노치에 끼워 맞추는 가동 가이드(71A)를 구비한다. 가동 가이드(71A)는 상면에 핀을 통하여 지지된 기립 실린더(87)의 선단에 장착된다. 기립 실린더(87)는 수축 위치에서는, 도면의 쇄선으로 나타내는 바와 같이, 세퍼레이터 반송 팔레트(66)를 팔레트 유지 가이드(71)와 동일하게 수평으로 유지한다. 신장 위치에서는, 가동 가이드(71A)를 통하여 세퍼레이터 반송 팔레트(66)를 핀(68)을 지점(支點)으로 도면의 실선으로 나타내는 수직 위치로 회동한다.

세퍼레이터 반송 팔레트(66) 상의 흡착 패드(72)에 흡착된 세퍼레이터(7)는 기립 실린더(87)의 신장에 의해 MEA(1)에 면하는 직립 위치에 지지된다. 이 상태로, 신축 실린더(70)를 신장시킴으로써 세퍼레이터(7)는 MEA(1)에 가압된다. 세퍼레이터 장착부(23)는 도면에 도시하는 바와 같이, MEA(1)의 양측의 기립 실린더(87)를 동기하여 신장시키고, 다시 MEA(1)의 양측의 신축 실린더(70)를 동기하여 신장시킴으로써 MEA(1)에 동시에 양측으로부터 세퍼레이터(7)를 가압한다. MEA(1)에 면하는 세퍼레이터(7)의 외주부에는 미리 시일제 도포부(22)에 의해서 시일제가 도포되어 있다.

건조로(24)는 MEA(1)의 이동 방향에 관해서 세퍼레이터 장착부(23)의 하류에 인접한다.

도 15를 참조하면, 건조로(24)는 체인(64)의 일부의 구간을 덮도록 하여 형성된 건조로 부스(88) 내에 구성된다. 건조로 부스(88) 내에는 세퍼레이터 반송 팔레트(66)를 신장 상태의 기립 실린더(87)와 동일한 수직 위치에 유지하는 고정 가이드(71B)가 설치된다. 세퍼레이터 컨베이어(20)가 세퍼레이터 반송 팔레트(66)를 MEA(1)와 일체로 세퍼레이터 장착부(23)로부터 건조로(24)로 이동할 때에는, 세퍼레이터 반송 팔레트(66)는 세퍼레이터(7)와 MEA(1)를 끼워서 지지한 채로 가동 가이드(71A)의 내측으로부터 고정 가이드(71B)의 내측으로 진입한다. 세퍼레이터 반송 팔레트(66)가 고정 가이드(71B)의 내측에 완전히 침입하면, 기립 실린더(87)는 수축하고 가동 가이드(71A)는 다시 팔레트 유지 가이드(71)의 연장 상에 위치한다.

건조로 부스(88) 안에는 MEA(1)를 세퍼레이터(7)와 함께 끼워서 지지한 세퍼레이터 반송 팔레트(66)에 위쪽 및 양 옆쪽으로부터 면하는 3기의 원적외선 히터(89A)가 설치된다. 원적외선 히터(89A)는 건조로 부스(88) 내의 온도를 섭씨 80도부터 섭씨 200도의 범위로 유지한다. 건조로(24)에서의 가열의 결과, 세퍼레이터(7)의 외주부의 시일제가 고화되고 MEA(1)에 세퍼레이터(7)를 고정한다. GDL 장착 유닛(3)에 있어서, MEA(1)의 양면에는 GDL(6)이 이미 일체화되어 있기 때문에, 엄밀하게는 세퍼레이터(7)는 GDL(6)에 고정된다. 즉, 이 가열 처리에 의해 각 연료 전지의 적층이 완료된다.

고정 가이드(71B)는, 세퍼레이터 반송 팔레트(66)의 이동 방향에 관해서 건조로(24)의 하류에 있어서 서서히 MEA(1)로부터 멀어지고, 최종적으로는 세퍼레이터 반송 팔레트(66)를 수평으로 유지하는 팔레트 유지 가이드(71)로 이행한다.

다시 도 1a를 참조하면, 세퍼레이터 반송 팔레트(66)로의 세퍼레이터(7)의 공급은, 체인(64)의 궤도에 관해서 세퍼레이터 장착부(23)와 반대측에 위치하는 세퍼레이터 공급부(21)에 의해서 행해진다.

다시 도 12를 참조하면, 세퍼레이터 공급부(21)는 GDL 공급부(17)와 동일하게 구성된다. 즉, 세퍼레이터 공급부(21)는 오버 헤드식 이재 장치(74)와 한 쌍의 세퍼레이터 공급 팔레트(73)를 구비한다. 세퍼레이터 공급 팔레트(53)는 세퍼레이터(7)를 적층한 상태로 체인(64)의 궤도의 외측의 소정 위치에 외부로부터 반송된다.

이재 장치(74)는 반송 레일(75)과, 반송 레일(75)에 걸어 맞추는 자주식 로더(76)와, 로더(76)에 장착한 강착부(77)를 구비한다. 강착부(77)는 흡착 패드(72)와 동일하게 구성된 흡착 패드(102)를 하단에 장착한 신축 부재로서, 입력 신호에 따라 신축하고, 또 다른 입력 신호에 따라 흡착 패드(102)에 의한 세퍼레이터(7)의 흡착과 해방을 행한다. 이재 장치(74)에 의한 세퍼레이터 공급 팔레트(53)로부터 세퍼레이터 반송 팔레트(66)로의 세퍼레이터(7)의 이송은, 이재 장치(54)에 의한 GDL 공급 팔레트(53)로부터 GDL 반송 팔레트(46)로의 GDL(6)의 이송과 동일하게 행해진다.

다시 도 1a를 참조하면, 시일제 도포부(22)는 체인(64)의 궤도에 관해서 세퍼레이터 공급부(21)의 하류측에 인접해서 설치된다.

도 13을 참조하면, 시일제 도포부(22)는 수평 상태로 세퍼레이터 반송 팔레트(66)에 반송되는 세퍼레이터(7)에 위쪽으로부터 면하는 도포 노즐(78)을 구비한다. 도포 노즐(78)은 세퍼레이터 반송 팔레트(66)의 위쪽의 소정의 동작 영역 내에서 수평 방향으로 변위 가능한 X-Y 로봇(79)에 지지되어 수직 방향으로 신축하는 신축 실린더(80)의 선단에 배치된다. X-Y 로봇(79)은 또한, 도포 노즐(78)을 동작 영역과 그 옆쪽의 대기 위치(81) 사이에서 이동시킨다.

시일제 도포부(22)는 시일제를 저장하는 펌프에 가압된 카트리지(82)와, 카트리지(82)로부터 시일제를 정류량 장치(85)에 압송하는 1차 배관(84)과, 정류량 장치(85)가 계량한 시일제를 도포 노즐(78)에 공급하는 2차 배관(86)을 구비한다. 시일제 도포부(22)는 세퍼레이터 반송 팔레트(66)에 의해서 도포 노즐(78)의 아래쪽에 반송된 세퍼레이터(7)의 외주부를 포함한 소정 위치에 도포 노즐(78)로부터 시일제를 도포한다.

다음에, MEA 반송 유닛(2)과 GDL 장착 유닛(3)과 세퍼레이터 장착 유닛(4)을 제어하는 컨트롤러(5)의 기능을 설명한다.

도 2를 참조하면, 컨트롤러(5)는 MEA(1)의 반송용 구멍(10)과 마크(11)를 검출하는 광학 센서(26)로부터의 입력 신호에 의거하여, MEA 반송 유닛(2)에 의한 MEA(1)의 반송 속도와 반송 택트(tact)를 제어한다. 구체적으로는 반송 롤러(32)를 구동하는 서보 모터(36)와 견인 롤러(15)와 보호 시트 회수 릴(39)의 회전을 제 어한다. 컨트롤러(5)는, 또한 광학 센서(26)로부터의 입력 신호에 의거하여, GDL 장착 유닛(3)의 GDL 공급부(17), GDL 컨베이어(16)의 서보 모터(45), GDL 장착부(18) 및 핫 프레스(19)의 동작 타이밍을 제어한다. 컨트롤러(5)는, 또한 광학 센서(26)로부터의 입력 신호에 의거하여, 세퍼레이터 장착 유닛(4)의 세퍼레이터 공급부(21), 세퍼레이터 컨베이어(20)의 서보 모터(65), 시일제 도포부(22), 세퍼레이터 장착부(23)의 동작 타이밍을 제어한다.

컨트롤러(5)는 중앙 연산 장치(CPU), 독출 전용 메모리(ROM), 랜덤 액세스 메모리(RAM) 및 입출력 인터페이스(I/O 인터페이스)를 구비한 마이크로 컴퓨터로 구성된다. 컨트롤러를 복수의 마이크로 컴퓨터로 구성하는 것도 가능하다.

이러한 제어를 위해서, 컨트롤러(5)는 기준 신호 출력부(27)와, 동작 타이밍 설정부(28)와, MEA 반송 유닛(2)의 각 기기를 제어하는 MEA 반송 유닛 제어부(2a)와, GDL 장착 유닛(3)의 각 기기의 동작 타이밍을 제어하는 GDL 장착 유닛 제어부(3a)와, 세퍼레이터 장착 유닛(4)의 각 기기의 세퍼레이터 장착 유닛 제어부(4a)를 구비한다. 이러한 각부는 컨트롤러(5)의 각 기능을 가상적인 유닛으로서 나타낸 것이고, 물리적으로 존재하는 것은 아니다.

기준 신호 출력부(27)는 광학 센서(26)가 반송용 구멍(10)에 의거하여 컨트롤러(5)에 입력하는 신호로부터, MEA(1)의 실제 반송 속도에 대응하는 신호를 생성한다. 기준 신호 출력부(27)는 또한, 광학 센서(26)가 광학 마크(11)에 의거하여 컨트롤러(5)에 입력하는 신호로부터, 도 3에 파선으로 나타내는 촉매층(12)의 위치를 검출하고, 이 위치 검출에 대응하여 기준 위치 신호를 생성한다.

동작 타이밍 설정부(28)는 기준 위치 신호와 MEA(1)의 실제 반송 속도로부터, 각종 액추에이터의 동작 타이밍 신호를 생성한다. 각종 액추에이터와 광학 센서의 거리는 이미 알고 있기 때문에, 이 거리와 기준 위치 신호와 MEA(1)의 실제 반송 속도로부터 각 액추에이터가 동작해야 할 타이밍은 계산에 의해 구할 수 있다.

GDL 장착 유닛(3)에 관한 동작 타이밍 신호는, GDL(6)을 MEA(1)의 촉매층(12)의 바로 위에 접합시키기 위한 기립 실린더(59)와 흡착 패드(52)의 동작 타이밍, 프레스 플레이트(60)를 MEA(1)의 양면의 GDL(6)에 밀어붙이는 신축 실린더(61)의 동작 타이밍 및 GDL 반송 팔레트(46)에 GDL 공급 팔레트(53)로부터 GDL(6)을 공급하기 위한 로더(56), 강착부(57) 및 흡착 팔레트(52)의 동작 타이밍을 포함한다.

세퍼레이터 장착 유닛(4)에 관한 동작 타이밍 신호는, 세퍼레이터(7)를 GDL(6)의 바로 위에 접합시키기 위한 기립 실린더(87)와 흡착 패드(72)의 동작 타이밍, 세퍼레이터(7)를 세퍼레이터 반송 팔레트(66)에 세퍼레이터 공급 팔레트(73)로부터 세퍼레이터(7)를 공급하기 위한 로더(76), 강착부(77) 및 흡착 팔레트(102)의 동작 타이밍, 세퍼레이터(7)의 둘레 가장자리부에 시일제를 바르게 도포하기 위한, X-Y 로봇(79), 신축 실린더(80) 및 도포 노즐(78)의 작동 타이밍을 포함한다.

MEA 반송 유닛 제어부(2a)는 미리 설정된 MEA(1)의 목표 반송 속도가 실현되도록, MEA(1)의 실제 반송 속도 신호에 의거하여 반송 롤러(32)와 MEA 견인 롤러(15)와 보호 시트 회수 릴(39)의 회전 속도를 피드백 제어한다.

GDL 장착 유닛 제어부(3a)는 MEA(1)의 실제 반송 속도 신호에 의거하여, 2기 의 GDL 컨베이어(16)의 속도가 MEA(1)의 실제 반송 속도와 동일해지도록 서보 모터(45)의 회전 속도를 제어한다. 또한, 작동 타이밍 설정부(28)가 생성한 GDL 장착 유닛(3)에 관한 동작 타이밍 신호에 의거하여 GDL 공급부(17)와 GDL 장착부(18)와 핫 프레스(19)를 제어한다.

세퍼레이터 장착 유닛 제어부(4a)는 MEA(1)의 실제 반송 속도 신호에 의거하여, 2기의 세퍼레이터 컨베이어(20)의 속도가 MEA(1)의 실제 반송 속도와 동일해지도록 서보 모터(65)의 회전 속도를 제어한다. 또한, 작동 타이밍 설정부(28)가 생성한 세퍼레이터 장착 유닛(4)에 관한 동작 타이밍 신호에 의거하여, 세퍼레이터 공급부(21)와 시일제 도포부(22)와 세퍼레이터 장착부(23)를 제어한다.

이 연료 전지 제조 장치에서는, MEA(1)에 반송 롤러(32)의 돌기에 걸어 맞추는 반송용 구멍(10)과 각 촉매층(12)의 위치를 나타내는 마크(11)를 형성하고, 광학 센서(26)가 구멍(10)과 마크(11)의 통과에 따라 각각 출력하는 고유 신호에 의거하여 MEA(1)의 실제 반송 속도와 촉매층(12)의 위치를 검출하고 있다. 따라서, MEA(1)의 실제 반송 속도에 GDL 컨베이어(16)와 세퍼레이터 컨베이어(20)의 속도를 정밀하게 일치시킬 수 있다. 또한, 촉매층(12)의 위치와 MEA(1)의 실제 반송 속도로부터, GDL 장착 유닛(3)과 세퍼레이터 장착 유닛(4)의 각 액추에이터의 동작 타이밍을 정확하게 설정할 수 있다. 따라서, MEA(1)에 대한 GDL(6)과 세퍼레이터(7)의 부착을 높은 위치 정밀도 하에서 행할 수 있다.

이 연료 전지 제조 장치는 반송되는 MEA(1)에 GDL(6)을 동일한 속도로 함께 주행시키면서 GDL(6)을 부착하고, 다시 세퍼레이터(7)를 동일한 속도로 함께 주행 시키면서 세퍼레이터(7)를 부착하기 때문에, MEA 반송 유닛(2)을 연속 운전하면서 연료 전지를 효율적으로 제조할 수 있다.

다음에 도 16a-16c를 참조하여 본 발명의 제2 실시예를 설명한다.

이 실시예는 세퍼레이터(7)를 반송 필름(95) 상에 형성한다. 반송 필름(95)에는, MEA(1)에 형성한 것과 동일한 반송용 구멍(10A)을 형성한다.

연료 전지 제조 장치는 MEA 반송 유닛(200)과 그 양측에 배치된 한 쌍의 세퍼레이터 반송 유닛(40)을 구비한다.

MEA 반송 유닛(200)은 릴(9)에 감겨진 MEA(1)의 롤(30)로부터 MEA(1)를 반송 롤러(32)에 의해서 송출한다. MEA(1)에는 제1 실시예와 마찬가지로, 일정 간격으로 촉매층이 형성되고, 촉매층의 양 외측에는 반송용 구멍(10)이 일정 간격으로 형성된다. 단, 반송 롤러(132)를 통과하는 시점에서 MEA(1)에는 제1 실시예와 같은 보호 시트는 붙어 있지 않다. 반송 롤러(132)의 외주에는 구멍(10)에 걸어 맞추는 돌기가 형성된다.

세퍼레이터(7)는 MEA(1)와 동일하게 양측에 구멍(10)과 동일한 반송용 구멍(10A)이 일정 간격으로 형성된 필름(95) 위에 미리 MEA(1)의 촉매층과 동일한 간격으로 접착되어 있다.

세퍼레이터 반송 유닛(40)은 반송 롤러(132)와 동일한 돌기를 구비하고, 반송 롤러(132)와 동기 회전하는 반송 롤러(132A)를 구비한다. 반송 롤러(132A)는 구멍(10A)에 돌기(132B)를 걸어 맞추면서 회전함으로써 필름(95)을 반송한다. 필름(95)의 이동 방향에 관해서 반송 롤러(132A)의 상류에는 시일제 도포 노즐(78)이 설치된다. 시일제 도포 노즐(78)은 제1 실시예와 동일하게, 세퍼레이터(7)의 외주부를 포함하는 소정 위치에 시일제를 도포한다.

이렇게 하여, MEA(1)의 양측에 세퍼레이터(7)를 접착한 필름(95)이 공급된다. 필름(95) 상의 세퍼레이터(7)는 한 쌍의 접합 롤러(133)에 의해 MEA(1)에 압착된다.

한 쌍의 접합 롤러(133)의 한 쪽의 외주에는, 도 16c에 도시하는 바와 같이, 반송용 구멍(10)과 구멍(10A)에 관통하는 돌기(320)가 형성된다. 한 쌍의 접합 롤러(133)의 또 다른 한 쪽에는, 돌기를 받아들이는 오목부(321)가 형성된다. 구멍(10과 10A)을 관통한 돌기(320)와 오목부(321)의 걸어 맞춤에 의해, 한 쌍의 접합 롤러(133)는 MEA(1)의 촉매층(12)에 정확하게 대응하는 위치에서 양측으로부터 세퍼레이터(7)를 압착한다. MEA(1)의 이동 방향에 관해서 접합 롤러(133)의 하류에는, 다시 열압착 롤러(94)가 설치된다. 열압착 롤러(94)는 MEA(1)를 끼워서 지지한 세퍼레이터(7)에 대해서 외측으로부터 압축력과 열을 미치게 하고, MEA(1)와 세퍼레이터(7)를 더욱 밀착시키는 동시에, 세퍼레이터(7)에 도포된 시일제를 건조시켜 MEA(1)와 세퍼레이터(7)를 완전하게 접착한다. 이상의 처리 후에 필름(95)을 세퍼레이터(7)로부터 박리함으로써 연료 전지가 완성된다. 한편, 이 실시예에서는, GDL을 이용하지 않지만, 세퍼레이터(7) 대신에 GDL을 필름(95) 상에 접착함으로써 이 장치를 MEA(1)로의 GDL의 부착에 이용하는 것도 가능하다.

이 실시예에 의하면, 필름(95) 상에 세퍼레이터(7)를 접착하고, MEA(1)의 구멍(10)과 필름(95)의 10A에 접합 롤러(133)의 돌기(320)를 관통시키기 때문에, MEA(1)의 촉매층(12)과 세퍼레이터(7)의 위치 맞춤을 항상 정확하게 행할 수 있다.

다음에 도 17a-28을 참조하여 본 발명의 제3 실시예를 설명한다.

우선, 도 17a를 참조하면, 연료 전지 스택 제조 장치는 적층 유닛(201)과 적층 유닛(201)에 MEA(1)를 공급하는 MEA 반송 유닛(202)을 구비한다. 연료 전지 제조 장치는 또한 적층 유닛(201)에 적층재(210)를 공급하는 도 21에 도시하는 적층재 공급 유닛(203)을 구비한다.

MEA 반송 유닛(202)은 릴(9)에 감겨진 MEA(1)의 롤(30)로부터, 2기의 각 한 쌍의 반송 롤러(211)에 의해서 MEA(1)를 송출하여 적층 유닛(201)에 공급한다.

도 18을 참조하면, MEA(1)의 양면에는 미리 촉매층이 형성되어 있고, MEA(1)의 양측부에는 반송용 구멍(212)이, MEA(1)의 길이 방향에 동일한 간격으로 형성되어 있다. 또한, 적층 유닛(201)에 의한 MEA(1)의 절단을 돕기 위해서, 촉매층의 외주에 직사각형의 노치선(213)이 형성되어 있다.

도 17b를 참조하면, 한 쌍의 반송 롤러(211)의 한 쪽의 외주에는, MEA(1)의 반송용 구멍(212)에 관통하는 돌기(320)가 형성된다. 한 쌍의 반송 롤러(211)의 또 다른 한 쪽에는 돌기를 받아들이는 오목부(321)가 형성된다. 구멍(10)을 관통한 돌기(320)와 오목부(321)의 걸어 맞춤에 의해, 반송 롤러(211)는 MEA(1)를 미리 설정된 반송 속도로 정확하게 적층 유닛(201)으로 반송한다. 이러한 반송 롤러(211)의 페어는 동기 회전한다. 반송 롤러(211)는 한 번의 동작에 의해서, MEA(1)가 노치선(213)의 인터벌에 동일한 거리를 이동하도록, 한 번의 동작에서의 회전 회수가 설정되어 있다.

다시 도 17a를 참조하면, 적층 유닛(201)은 한 쌍의 반송 롤러(211)와 또 다른 한 쌍의 반송 롤러(211) 사이에 위치한다.

적층 유닛(201)은 이러한 반송 롤러(211)의 페어 사이에 수평 방향으로 신장되는 MEA(1)의 위쪽과 아래쪽에 각각 면하도록 구성되어 프레임(205)을 구비한다. MEA(1)의 위쪽의 프레임(205)에는 승강 가능한 상측 멤버(206)가 지지된다. MEA(1)의 아래쪽의 프레임(205)에는 승강 가능한 하측 멤버(207)가 지지된다. 하측 멤버(207)는 이미 적층된 연료 전지(204)를 아래쪽으로부터 지지한다. 하측 멤버(207)와 적층된 연료 전지(204)는 함께 프레임(5)에 고정된 유지 테두리(208)의 내측에 수장된다. 상측 멤버(206)는 적층재(210)를 파지하는 흡착 패드(206A)를 구비한다. 흡착 패드(206A) 대신에 마그넷 척을 이용하는 것도 가능하다.

상측 멤버(206)는 도 17a에 도시하는 상승 위치와 도 27에 도시하는 하강 위치 사이에서 승강한다. 하측 멤버(207)은 도 25에 도시하는 상승 위치와 도 27에 도시하는 하강 위치 사이에서 승강한다. 단, 상측 멤버(206)의 하강 위치와 하측 멤버(207)의 상승 위치는 유지 테두리(208) 내의 이미 적층된 연료 전지(204)의 두께에 의존한다.

다시 도 17a를 참조하면, 상측 멤버(206)의 승강 스트로크 거리는 적층재(210)와 MEA(1)의 두께에, 상승 위치에서의 적층재(210)와 MEA(1) 사이에 설정되는 소정의 틈새 치수와, 하측 멤버(207) 상에 적층된 연료 전지(204)와 MEA(1) 사이에 설정되는 소정의 틈새 치수를 더한 값으로 설정된다.

다시 도 27을 참조하면, 상측 멤버(206)는 적층재(210)를 MEA(1)에 가압함으 로써 MEA(1)를 노치선(213)으로부터 절단하여 아래쪽으로 펀칭한다.

도 19에 도시하는 바와 같이, MEA(1)에 노치선(213)을 형성하지 않고, 대신에 도 20에 도시하는 바와 같이, 상측 멤버(206)에 커터(215)를 설치하여 상측 멤버(206)가 강하함으로써 MEA(1)를 절단하도록 해도 좋다.

도 22를 참조하면, 적층재(210)는 세퍼레이터(220)의 양면에 가스 확산층(GDL : 221A와 221B)을 고착하고, 세퍼레이터(220)의 외주에 시일제(222A와 222B)를 도포한 것이다. 적층재(210)는 다른 조립 장치로 조립된다. 세퍼레이터(220)의 양면에는 미리 가스의 통로(223A와 223B)가 형성되어 있다. 연료 전지 스택은 MEA(1)와 적층재(210)를 교대로 적층함으로써 구성된다. 한편, 연료 전지 스택의 상단과 하단에는 각각 엔드 플레이트가 배치되고, 최종적으로는 이들을 종단 방향으로 관통하는 스터드 볼트와 너트로 일체로 단단히 조여진다. 그 때문에, 도 17a에 도시하는 연료 전지 스택의 하단에는 도 22에 도시하는 적층재(210) 대신에 도 23에 도시하는 적층재(210A)가 이용된다.

도 23을 참조하면, 적층재(210A)는 상면에 가스 통로(223A)를 형성한 엔드 플레이트(220A) 위에 GDL(221A)을 고착하고, 엔드 플레이트(220A)의 외주에 시일제(222A)를 도포한 것이다. 한편, 소정수의 연료 전지를 적층한 연료 전지 스택의 상단에는, 도 23의 적층재(210A)와 동일한 적층재가 상하 방향을 역방향으로 한 상태로 적층된다.

이 실시예에서는, GDL(221A과 221B)을 세퍼레이터(220)에 고착하고 있지만, 미리 MEA(1)의 표면에 GDL(221A과 221B)을 형성해 두는 것도 가능하다. 그 경우에 는, 적층재(210)를 세퍼레이터(220)와 시일제(222A, 222B)만으로 구성한다.

도 21을 참조하면, 적층재 공급 유닛(203)은 반송 팔레트(216)와 마운트부(217)를 구비한다. 반송 팔레트(216)는 복수의 적층재(210)를 실은 상태로 마운트부(217)의 근방의 소정 위치에 적층재(210)를 반송한다. 마운트부(217)는 선회 아암(218)을 구비한다. 선회 아암(218)은 반송 팔레트(216)로부터 적층재(210)를 건져 올려 대략 180도 선회함으로써, 적층재(210)를 상측 멤버(206)의 흡착 패드(206A)의 바로 아래로 이동한다. 이 상태로, 상측 멤버(206)가 강하하고 흡착 패드(206A)와 적층재(210)를 파지(把持)한다.

다음에 도 24를 참조하여, 이 연료 전지 스택 제조 장치의 동작 순서를 설명한다.

제조 장치는 최초의 단계 S1에서, 도 23의 적층재(210A)를 상측 멤버(206)의 흡착 패드(206A)로 파지하여 하측 멤버(207)에 적재한다. 한편, 이 시점에서는 상측 멤버(206)의 아래쪽에 위치하는 MEA(1)에는, 전회의 적층 작업에 의해서 절취선(213)으로 촉매층의 부분을 펀칭한 후의 구멍이 형성되어 있다. 따라서, 흡착 패드(206A)에 파지된 적층재(210A)는 이 구멍을 통과하여 하측 멤버(207)에 적재된다.

다음의 단계 S2에서는, 제조 장치는 도 22에 도시하는 적층체(210)를 상측 멤버(206)의 흡착 패드(206A)로 파지한다.

다음의 단계 S3에서는, 제조 장치는 반송 롤러(211)에 의해 롤(30)로부터 MEA(1)를 적층 유닛(201)으로 송출한다.

다음의 단계 S4에서는, 제조 장치는 하측 멤버(207)를 상승시키고, 적층재(210A)를 통하여 MEA(1)를 밀어 올린다. 이것에 의해 MEA(1)에 장력이 가해지고, MEA(1)의 주름이나 느슨함이 제거된다. 한편, 도 25에 도시하는 바와 같이, 2번째 이행의 단계 S4의 실행에 있어서는, MEA(1)를 밀어 올리는 것은 적층재(210A)가 아니라 적층재(210)이다.

다음의 단계 S5에서는, 제조 장치는 도 26에 도시하는 바와 같이 상측 멤버(206)를 하강시키고 적층재(210)를 MEA(1)에 접촉시킨다. 이것에 의해, MEA(1)는 적층체(210A)와 적층체(210)에 끼워 넣어진 상태가 된다. 한편, 2번째 이행의 단계 S5의 처리의 실행에 있어서는, MEA(1)는 두 개의 적층체(210)에 끼워 넣어진다.

다음의 단계 S6에서는, 제조 장치는 상측 멤버(206)와 하측 멤버(207)를 하강시킴으로써 MEA(1)를 절취선(213)으로부터 절단하여 아래쪽으로 펀칭한다. MEA(1)에 절취선(213)이 존재하지 않고, 상측 멤버(206)에 커터(215)를 구비하는 경우에는, 여기서 커터(215)를 이용하여 MEA(1)를 절단한다. 상측 멤버(206)와 하측 멤버(207)의 하강은, 유지 테두리(208) 내에 적층된 연료 전지(204)의 상단, 즉 흡착 패드(206A)에 파지된 적층재(210)의 상단과 절취선(213)의 주위의 MEA(1) 사이에 소정의 틈새 간격이 확보되는 위치에서 정지한다.

다음의 단계 S7에서는, 제조 장치는 흡착 패드(208)로부터 적층재(210)를 해방한다.

다음의 단계 S8에서는, 제조 장치는 상측 멤버(206)를 도 28에 도시하는 바와 같이 상승 위치에 복귀시킨다. 적층재(210)는 펀칭한 MEA(1) 위에 적층된 상태 로 유지 테두리(208) 내에 머문다.

다음의 단계 S9에서는, 제조 장치는 연료 전지 스택을 구성할 예정의 소정수의 연료 전지의 적층이 완료되었는지 어떤지를 판정한다.

연료 전지의 적층이 완료되어 있지 않은 경우에는, 제조 장치는 단계 S2-S8 의 처리를 반복한다. 연료 전지의 적층이 완료한 경우에는, 제조 장치는 단계 10 에 있어서, 엔드 플레이트를 포함하는 적층재를 흡기 패드(208)로 파지하고, 상측 멤버(206)를 하강시키고, 적층재를 MEA(1)의 절취선(213)의 내측의 구멍을 통하여 유지 테두리(8) 내에 적층된 연료 전지의 상단에 부착한다. 여기서 이용하는 적층재는 전술과 같이, 도 23에 도시하는 적층재(210A)를 상하 역상으로 한 것에 상당한다.

이상의 처리에 의해, 소정수의 연료 전지를 적층한 연료 전지 스택이 제조된다. 한편, 전술과 같이, 연료 전지 스택은 최종적으로 스터드 볼트와 너트에 의해 일체로 단단히 조여지지만, 이 작업은 별도의 프로세스로 행하는 것으로 한다.

이 연료 전지 스택 제조 장치에 의하면, MEA(1)의 구멍(10)에 걸어 맞추는 돌기를 구비한 반송 롤러(211)를 이용하여 MEA(1)를 소정의 인터벌로 적층 유닛(201)으로 송출하기 때문에, MEA(1)의 촉매층을 정확하게 적층 유닛(210)의 상측 멤버(206)의 바로 아래에 위치시킬 수 있다. 따라서, MEA(1)와 적층재(210 또는 201a)를 정확한 위치 결정 하에서 적층할 수 있다.

또한, 이 제조 장치는 MEA(1)의 절단과, 절단한 MEA(1)와 적층재(210 또는 210A)의 적층 작업을 상측 멤버(206)의 1회의 스트로크로 행하기 때문에, 효율적으 로 연료 전지 스택을 효율적으로 제조할 수 있다.

이 실시예에서는, 유지 테두리(208) 내에 적층된 연료 전지에 대해서 상측 멤버(206)가 위쪽으로부터 MEA(1)와 적층재(210)를 적층하고 있지만, 유지 테두리(208)를 상측 멤버(206)에 고정하고, 위쪽의 유지 테두리(208) 내에 적층된 연료 전지에 대해서 하측 멤버(207)가 아래쪽으로부터 MEA(1)와 적층재(210)를 적층해 가는 구조도 가능하다.

한편, 특허청구된 제1 세퍼레이터는, 하측 멤버(207)에 지지된 세퍼레이터(220)를 의미하고, 특허청구된 제2 세퍼레이터는 상측 멤버(206)에 지지된 세퍼레이터(220)를 의미한다.

2003년 12월 2일을 출원일로 하는 일본에서의 특원2003-402491호 및 2003년 12월 19일을 출원일로 하는 일본에서의 특원2003-422613호의 내용을 여기에 인용에 의해 합체한다.

이상과 같이, 본 발명을 몇 개의 특정한 실시예를 통해서 설명해 왔지만, 본 발명은 상기의 각 실시예로 한정되는 것은 아니다. 당업자에 있어서는, 특허청구범위의 기술 범위에서 이러한 실시예에 여러 가지 수정 혹은 변경을 더하는 것이 가능하다.

이상과 같이 본 발명은, 반송용 구멍을 형성한 전해질막을 구멍에 걸어 맞추는 돌기를 외주에 형성한 롤러로 반송하기 때문에, 연료 전지의 제조 프로세스에 있어서 전해질막을 정밀하게 위치 결정할 수 있다. 또한, 연속적으로 전해질막을 공급할 수 있기 때문에, 연료 전지의 제조 효율의 향상도 기대할 수 있다. 본 발명은, 특히 고체 고분자형 연료 전지 스택의 제조에 적용함으로써 바람직한 효과를 초래한다.

본 발명의 실시예가 포함하는 배타적 성질 혹은 특징은 이하와 같이 특허청구된다.

Claims

전해질막(1)에 소정의 처리를 실시하여 연료 전지를 제조하는 연료 전지의 제조 방법에 있어서：

양측부에 길이 방향으로 반송용의 구멍(10, 212)을 일정 간격으로 열 형상으로 형성한 띠형상의 릴(9)에 감겨진 전해질막(1)을, 반송용 구멍(10, 212)에 걸어 맞추는 돌기(32A, 320)를 외주에 구비한 반송 롤러(32, 132, 211)의 회전에 의해 송출하는 프로세스와；

반송 롤러(32, 132)의 회전 속도에 의거하여 설정된 소정의 처리 타이밍으로 소정의 처리를 행하는 프로세스를 포함하는 연료 전지의 제조 방법.
청구항 1에 있어서, 전해질막(1)은 미리 일정한 간격으로 표면에 형성된 촉매층(12)과, 촉매층(12)의 형성 위치에 따라 형성된 위치 결정 마크(11)를 구비하고, 제조 방법은 소정의 처리 타이밍을 반송 롤러(32)의 회전 속도와 위치 결정 마크(11)에 의거하여 설정하는 프로세스를 더욱 포함하는 연료 전지의 제조 방법.
청구항 2에 있어서, 제조 방법은 전해질막(1)이 통과하는 소정의 포인트에서 센서(26)를 이용하여 반송용 구멍(10)의 변위 속도와 위치 결정 마크(11)의 통과를 검출하는 프로세스와, 반송용 구멍(10)의 변위 속도와 위치 결정 마크(11)의 검출 타이밍에 의거하여 소정의 처리 타이밍을 결정하는 프로세스를 더욱 포함하는 연료 전지의 제조 방법.
청구항 1에 있어서, 제조 방법은 반송용 구멍(10)의 변위 속도를 센서(26)를 이용하여 검출하는 프로세스와, 반송용 구멍(10)의 변위 속도가 소정의 목표 변위 속도에 일치하도록 반송 롤러(32)의 회전 속도를 제어하는 프로세스를 더욱 포함하는 연료 전지의 제조 방법.
청구항 2 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서, 소정의 처리는 촉매층(12)에 가스 확산층(6)을 접착하는 프로세스와, 촉매층(12)에 접착한 가스 확산층(6)에 세퍼레이터(7)를 접착하는 프로세스를 포함하는 연료 전지의 제조 방법.
청구항 5에 있어서, 촉매층(12)에 가스 확산층(6)을 접착하는 프로세스는 촉매층(12)에 전해질액을 도포한 가스 확산층(6)을 가압하여 임시 고정하는 프로세스와, 촉매층(12)과 가스 확산층(6)을 열압축하여 촉매층(12)에 가스 확산층(6)을 고착하는 프로세스를 포함하는 연료 전지의 제조 방법.
청구항 5에 있어서, 가스 확산층(6)에 세퍼레이터(7)를 접착하는 프로세스는, 세퍼레이터(7)에 시일제를 도포하는 프로세스와, 시일제를 도포한 세퍼레이터(7)를 가스 확산층(6)에 가압하는 프로세스와, 세퍼레이터(7)를 가스 확산층(6)에 가압한 상태로 시일제를 열건조시키는 프로세스를 포함하는 연료 전지의 제조 방 법.
청구항 1에 있어서, 전해질막(1)은 미리 보호 시트(8, 8A, 8B)로 덮이고, 제조 방법은 소정의 처리에 앞서 전해질막(1)으로부터 보호 시트(8, 8A)를 박리하는 프로세스를 더욱 포함하는 연료 전지의 제조 방법.
청구항 8에 있어서, 보호 시트(8, 8A, 8B)는 전해질막(1)의 양측부를 반송용 구멍(10)을 제외하고 덮는 제1 시트(8B)와 전해질막(1)의 중앙부를 덮는 제2 시트(8A)로 구성되고, 보호 시트(8, 8A)를 박리하는 프로세스는 제1 시트(8B)를 잔류시키면서 제2 시트(8A)만을 박리하는 프로세스를 포함하는 연료 전지의 제조 방법.
청구항 1에 있어서, 전해질막(1)은 미리 일정한 간격으로 형성된 촉매층(12)을 구비하고, 소정의 처리는

각 필름(95)에 전해질막(1)의 반송용 구멍(10)과 동일 간격의 위치 결정 구멍(10A)이 미리 형성되며, 미리 촉매층(12)과 동일한 간격으로 세퍼레이터(7)를 붙인 두 개의 필름(95)을, 위치 결정 구멍(10A)에 걸어 맞추는 돌기를 외주에 구비한 한 쌍의 제2 반송 롤러(132A)의 회전에 의해 송출하고, 두 개의 필름(95)으로 전해질막(1)을 사이에 둔 상태로, 접합 롤러(133)의 한 쪽은 위치 결정 구멍(10)과 반송용 구멍(10)을 관통하는 돌기(320)를 구비하는, 한 쌍의 접합 롤러(133)에 의해 촉매층(12)에 세퍼레이터(7)를 압착하는 프로세스를 더욱 포함하는 연료 전지의 제 조 방법.
전해질막(1)에 소정의 처리를 실시하여 연료 전지를 제조하는, 연료 전지의 제조 장치에 있어서：

양측부에 길이 방향으로 반송용 구멍(10, 212)을 일정 간격으로 열 형상으로 형성한 띠형상의, 릴(9)에 감겨진 전해질막(1)과；

반송용 구멍(10)에 걸어 맞추는 돌기(32A, 320)를 외주에 구비한 반송 롤러(32, 132, 211)와；

반송 롤러(32, 132, 211)의 회전에 의해 릴(9)로부터 송출된 전해질막(1)에 반송 롤러(32, 132, 211)의 회전 속도에 의거하여 설정된 소정의 처리 타이밍으로 소정의 처리를 행하는 처리 유닛(3, 4, 94, 133, 201)을 구비하는 연료 전지의 제조 장치.
소정의 처리를 실시하여 연료 전지를 제조하기 위한, 릴(9)에 감겨진 전해질막(1)에 있어서：

전해질막(1)은, 양측부에 길이 방향으로 일정 간격으로 열 형상으로 형성한 반송용 구멍(10, 212)을 포함하며, 상기 반송용 구멍(10, 212)은 반송 롤러(32, 132, 211)에 형성된 돌기(32A, 320)에 걸어 맞추고, 반송 롤러(32, 132, 211)의 회전에 따라 릴(9)로부터 전해질막(1)을 송출하는 전해질막.
청구항 12에 있어서, 전해질막(1)은 표면에 일정 간격으로 형성된 촉매층(12)과, 촉매층(12)의 형성 위치를 나타내는 센서(26)로 판독 가능한 위치 결정 마크(11)를 더욱 구비하는 전해질막.
청구항 12 또는 13에 있어서, 전해질막(1)은 소정의 처리에 앞서 박리되는 보호 시트(8, 8A, 8B)로 덮이는 전해질막.
청구항 14에 있어서, 보호 시트(8, 8A, 8B)는 반송용 구멍(10)을 제외한 전해질막(1)의 양측부를 덮는 제1 보호 시트(8B)와, 양측부의 사이에 위치하는 중앙부를 덮는 제2 보호 시트(8A)를 구비하는 전해질막.
전해질막(1)과 세퍼레이터(220)를 교대로 적층한 연료 전지의 제조 방법에 있어서：

소정 위치에 유지된 제1 세퍼레이터(220)의 옆쪽으로부터 제1 세퍼레이터(220)에 면하는 위치에 평행하게 필름형상의 전해질막(1)을 공급하는 제1 프로세스와；

제1 세퍼레이터(220)와 제1 세퍼레이터(220)에 면한 전해질막(1)을 사이에 두고 반대측에 제2 세퍼레이터(220)를 공급하는 제2 프로세스와；

제2 세퍼레이터(220)를 제1 세퍼레이터(220)를 향해서 변위시킴으로써 전해질막(1)을 소정의 형상 치수로 절단하면서, 제1 세퍼레이터(220)와 제2 세퍼레이터 (220)에 전해질막(1)을 끼워서 지지하는 제3 프로세스를 포함하는 연료 전지의 제조 방법.
청구항 16에 있어서, 제2 세퍼레이터(220)의 변위에 앞서 제1 세퍼레이터(220)를 전해질막(1)에 눌러 전해질막(1)에 장력을 가하는 제4 프로세스를 더욱 포함하는 연료 전지의 제조 방법.
청구항 16에 있어서, 전해질막(1)은 양측부에 길이 방향으로 일정 간격으로 열 형상으로 형성된 반송용 구멍(212)을 구비하고, 제1 프로세스는 구멍(212)에 걸어 맞추는 돌기(320)를 외주에 구비한 반송 롤러(211)를 이용하여 전해질막(1)을 제1 세퍼레이터(220)에 면하는 위치에 송출하는 프로세스를 포함하는 연료 전지의 제조 방법.
청구항 16 내지 청구항 18 중 어느 한 항에 있어서, 전해질막(1)에는 클리핑(clipping) 부분을 화성(畵成)하는 노치를 갖는 클리핑선(213)이 미리 소정의 간격으로 형성되고, 제3 프로세스는 제2 세퍼레이터(220)로 클리핑선(213)을 누름으로써 클리핑 부분을 떼어내는 프로세스를 포함하는 연료 전지의 제조 방법.
청구항 16 내지 청구항 18 중 어느 한 항에 있어서, 제3 프로세스는 제2 세퍼레이터(220)와 동일 방향으로 변위하는 커터(215)를 이용하여 전해질막(1)을 소 정의 형상 치수로 절단하는 프로세스를 포함하는 연료 전지의 제조 방법.
청구항 16 내지 청구항 18 중 어느 한 항에 있어서, 제조 방법은 제3 프로세스에 의해서 생성된 제1 세퍼레이터(220)와 전해질막(1)과 제2 세퍼레이터(220)로 이루어지는 연료 전지를 유지 테두리(218) 내에 적층하는 제4 프로세스를 더욱 포함하는 연료 전지의 제조 방법.
청구항 21에 있어서, 유지 테두리(218)는 제2 세퍼레이터(220)의 변위와 동일 방향의 연료 전지의 변위만을 허용하는 가이드 부재(218)로 구성되는 연료 전지의 제조 방법.
전해질막(1)과 세퍼레이터(220)를 교대로 적층한 연료 전지의 제조 장치에 있어서：

소정 위치에 유지된 제1 세퍼레이터(220)의 옆쪽으로부터 제1 세퍼레이터(220)에 면하는 소정 위치로 평행하게 필름형상의 전해질막(1)을 공급하는 전해질 반송 유닛(202)과；

소정 위치의 전해질막(1)을 사이에 두고 제1 세퍼레이터(220)와 반대측에 제2 세퍼레이터(220)를 공급하는 세퍼레이터 공급 유닛(203)과；

제2 세퍼레이터(220)를 제1 세퍼레이터(220)를 향해서 변위시킴으로써 전해질막(1)을 소정의 형상 치수로 절단하면서, 제1 세퍼레이터(220)와 제2 세퍼레이터 (220)에 전해질막(1)을 끼워서 지지하는 적층 유닛(201)을 구비하는 연료 전지의 제조 장치.
청구항 23에 있어서, 전해질막(1)은 양측부에 길이 방향으로 일정 간격으로 열 형상으로 형성된 반송용 구멍(212)을 구비하고, 전해질 반송 유닛(202)은 전해질막(1)을 소정 위치에 송출하기 위해서 구멍(212)에 걸어 맞추는 돌기(320)를 외주에 구비한 반송 롤러(211)를 구비하는 연료 전지의 제조 장치.
청구항 24에 있어서, 적층 유닛(201)은 제1 세퍼레이터(220)를 통하여 소정 위치의 전해질막(1)을 눌러 전해질막(1)의 장력을 증대시키는 부재(207)를 구비하는 연료 전지의 제조 장치.
청구항 24 또는 25에 있어서, 전해질막(1)에는 클리핑 부분을 화성하는 노치를 갖는 클리핑선(213)이 미리 소정의 간격으로 형성되고, 반송 롤러(211)는 간격에 상당하는 길이씩 소정 위치로 반송되도록 구성되는 연료 전지의 제조 장치.
청구항 24 또는 25에 있어서, 적층 유닛(201)은 제2 세퍼레이터(220)와 동일 방향으로 변위하여 전해질막(1)을 소정의 형상 치수로 절단하는 커터(215)를 구비하는 연료 전지의 제조 장치.
청구항 24 또는 25에 있어서, 적층 유닛(201)은 제2 세퍼레이터(220)를 소정 위치를 넘어 제1 세퍼레이터(220)를 향해서 변위시키도록 구성되는 연료 전지의 제조 장치.
청구항 23에 있어서, 적층 유닛(201)은 제1 세퍼레이터(220)와 제2 세퍼레이터(220)에 전해질막(1)을 끼워서 지지함으로써 구성되는 연료 전지를 소정 수에 이를 때까지 적층하는 유지 테두리(218)를 구비하는 연료 전지의 제조 장치.
청구항 23에 있어서, 제1 세퍼레이터(220)와 제2 세퍼레이터(220)는 전해질막(1)에 면하는 가스 확산층(221A, 221B)을 구비하는 연료 전지의 제조 장치.