JP2010514102A

JP2010514102A - 燃料電池の周囲ガスケットを組み立てるための処理方法及びシステム

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Publication number: JP2010514102A
Application number: JP2009541473A
Authority: JP
Inventors: エム．ピアーポント，ダニエル; ジェイ．ハンソン，エリック; ティー．ヒックス，マイケル; ジェイ．アイバーソン，エリック; ジェイ．ミラー，デイビッド; エー．リプリー，スコット
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 2006-12-15
Filing date: 2007-12-03
Publication date: 2010-04-30
Anticipated expiration: 2027-12-03
Also published as: EP2097943B1; WO2008108898A2; US8609296B2; JP5324465B2; CN101558522B; US20130004882A1; CN101558522A; WO2008108898A3; EP2097943A2; US20080145712A1; US8288059B2

Abstract

燃料電池構成要素をロールツーロールプロセスを介して、作製するための方法及び装置について説明する。離間開口部は、各々接着剤を含む第１及び第２のガスケットウェブ内に切断される。第１及び第２のガスケットウェブは、接合ステーションにコンベア上で搬送される。また、少なくとも１つの電解質膜を含む膜ウェブは、接合ステーションに搬送される。接合ステーションにおいて、ガスケット付き膜ウェブは、第１及び第２のガスケットウェブを膜ウェブに貼り付けることによって形成される。第１のガスケットウェブは、第１のガスケットウェブの接着剤層を介して、膜ウェブの第１の表面に貼り付けられる。第２のガスケットウェブは、第２のガスケットウェブの接着剤層を介して、膜ウェブの第２の表面に貼り付けられる。

Description

本発明は、一般に、周囲ガスケットを含む多層燃料電池サブアセンブリの自動製造のためのプロセス及び装置に関する。

典型的な燃料電池電力システムは、電力セクションを含み、燃料電池の１つ以上のスタックが、その電力セクション内に設けられる。燃料電池電力システムの効率は、主として個々の燃料電池内及びスタックの隣接する燃料電池間の様々な接触及び封止境界面の結合性に依存する。

いくつかの実施に必要な電力を達成するために、燃料電池スタックは、多数の膜電極接合体（ＭＥＡ）、流れ場プレート、及びシールガスケットを含むことができる。スタックのこれら及び他の構成要素は、綿密に位置合わせされ、組み立てられなければならない。たとえ少数の構成要素でさえも誤って位置合わせすると、ガス漏れ、水素クロスオーバー、及び性能／耐久性の劣化につながることがある。

従来の燃料電池の組み立て法は、通常、入力ウェブ構成要素のいくつかを切り開いて、そのような材料のスタックをバッチ作業で形成することを含む。次いで、燃料電池の組み立ての間に構成要素を適切に位置決めするために、構成要素は、様々な機械的手段及び真空手段を用いて操作される。

これらのプロセスの多くは、自動化が可能だが、そのような手法は典型的には、複雑で時間を要し、かつ通常は高価な自動設備によって実施される多数の取扱い工程、位置決め工程、及び位置合わせ工程を含む。従来の燃料電池製造手法に伴う処理工程の数及び複雑さは、通常、製品スループットを低下させ、このことは、自動化された燃料電池組み立てラインの生産性に悪影響を及ぼす。更に、多くの従来の燃料電池製造手法及び方法は、高度の自動装置、特に厳密な位置決め公差の要件を有する装置及びプロセスには適していない。

改善された燃料電池製造装置、方法論、並びにそのような装置及び方法論により生産される燃料電池サブアセンブリが必要とされている。自動化された燃料電池組立て工場などの自動化された組立て環境において実現され得る、そのような装置、方法論、及び燃料電池サブアセンブリが更に必要とされている。本発明は、これらの及び他の必要性を満たし、従来手法における他の不備に対処する。

本発明の実施形態は、燃料電池の製造プロセス、設備、及び燃料電池サブアセンブリに関する。様々な実施形態により、ロール品の形態の、ガスケット付き電解質膜、ガスケット付き触媒被覆膜（ＣＣＭ）、及び／又はガスケット付き膜電極接合体（ＭＥＡ）を含め、ロール品の形態の多層燃料電池サブアセンブリの自動製造を例示する。

本発明の一実施形態は、燃料電池構成要素をロールツーロールプロセスを介して、作製する方法に関する。離間開口部は、接着剤を含む第１及び第２のガスケットウェブ内に切り開かれる。第１及び第２のガスケットウェブは、接合ステーションにコンベア上で搬送される。少なくとも１つの電解質膜を含む膜ウェブも、接合ステーションに搬送される。接合ステーションにおいて、ガスケット付き膜ウェブは、第１及び第２のガスケットウェブを膜ウェブに貼り付けることによって形成される。第１のガスケットウェブは、第１のガスケット層の接着剤層を介して、膜ウェブの第１の表面に貼り付けられる。第２のガスケットウェブは、第２のガスケットウェブの接着剤層を介して、膜ウェブの第２の表面に貼り付けられる。

第１及び第２のガスケットウェブを搬送する第１のコンベア及び第２のコンベアの一方又は双方は、例えば、真空コンベア、ローラー、又はキャリアウェブを含んでもよい。接合ステーションは、１対以上の円筒状の接合ローラーを含んでもよい。

いくつかの実現において、第１及び第２のガスケットウェブは、実質的に同時に膜ウェブに貼り付けられる。他の実施において、第１のガスケットウェブは、第２のガスケットウェブが膜ウェブに貼り付けられる前に、膜ウェブに貼り付けられる。第１及び第２のガスケットウェブを膜ウェブに貼り付ける前又は貼り付けた後に、触媒層は膜ウェブ上に配置される。

１つの構成によれば、電解質膜は触媒被覆電解質膜（ＣＣＭ）であり、第１及び第２のガスケットウェブはそのＣＣＭに貼り付けられる。

更なるプロセスは、ガス拡散層をガスケット付き膜ウェブの活性領域の上に貼り付けることを含んでもよい。いくつかの実施において、第１のガス拡散層は、第１のガスケット層の開口部内に設けられ、第２のガス拡散層は、第２のガスケット層の開口部内に設けられる。他の実施において、ガス拡散層は、第１及び／又は第２のガスケット層に重なってもよい。ガス拡散層は触媒層を含んでもよい。

いくつかの構成において、接合ステーションにおいて第１及び第２のガスケットウェブを膜ウェブに接合するのに先立って、取り外される接着剤ライナーを第１及び／又は第２のガスケットウェブの接着剤は、有してもよい。

いくつかの構成において、電解質膜及び／又は触媒は、電解質膜又は触媒が第１及び第２のガスケットウェブの縁部まで延びないように、「節減」される。一実現形態において、電解質膜及び／又は触媒は、クロスウェブ方向に節減される。

本発明の一態様によれば、第１及び／又は第２のガスケット層の接着剤は、感圧性接着剤を含んでもよい。第１及び／又は第２のガスケットウェブは、室温で動作する接合ローラーを使用して第１及び／又は第２のガスケット層の感圧性接着剤を介して、膜ウェブに貼り付けられてもよい。

本発明の別の態様によれば、第１及び／又は第２のガスケット層の接着剤は、加熱活性化接着剤を含む。第１及び／又は第２のガスケットウェブは、加熱された接合ローラーを使用して第１及び／又は第２のガスケット層の加熱活性化接着剤を介して、膜ウェブに貼り付けられてもよい。

本発明の更なる別の態様によれば、第１及び／又は第２のガスケット層の接着剤は、紫外線硬化性接着剤を含む。第１及び／又は第２のガスケットウェブは、第１及び／又は第２のガスケット層の紫外線硬化性接着剤を介して、膜ウェブに貼り付けられてもよい。

本発明の別の実施形態は、燃料電池構成要素を製造するための装置に関する。第１の切断ステーションは、離間開口部を第１のガスケットウェブ内に切り開く。第１のガスケットウェブは、接着剤を有する第１のガスケット層を含む。第２の切断ステーションは、離間開口部を第２のガスケットウェブ内に切り開く。第２のガスケットウェブは、接着剤を有する第２のガスケット層を含む。搬送機構は、第１のガスケットウェブ、第２のガスケットウェブ、少なくとも１つの電解質膜を含む膜ウェブとを搬送し支持する。接合ステーションにおいて、第１のガスケットウェブ、第２のガスケットウェブ、及び膜ウェブは、搬送機構によって互いに近づけられる。接合ステーションは、第１及び第２のガスケットウェブの接着剤を介して、第１のガスケットウェブ及び第２のガスケットウェブをそれぞれ膜ウェブの第１及び第２の表面に貼り付けるように構成される。

例えば、接合ステーションは、第１のガスケットウェブを膜ウェブの第１の表面に貼り付けるように、かつそれと実質的に同時に、第２のガスケットウェブを膜ウェブの第２の表面に貼り付けるように構成された接合ローラーを含んでもよい。別の例において、第１の接合ローラーは、第１のガスケットウェブを膜ウェブの第１の表面に貼り付けるために使用され、第２の接合ローラーは、第２のガスケットウェブを膜ウェブの第２の表面に貼り付けるために使用される。膜ウェブは被覆されなくてもよく、また、触媒被覆を含んでもよい。

この装置は、ガス拡散層を膜ウェブの露出した活性領域の上に貼り付けるように構成された機構も含んでよい。膜ウェブの露出した活性領域は、第１及び第２のガスケット層によって枠で囲まれる。ガス拡散層は、触媒層を含んでもよい。

また、この装置は、接合ステーションにおいて、第１のガスケットウェブ、第２のガスケットウェブ、及び膜ウェブを互いに近づけるのに先立って、第１及び第２のガスケット層の各々の接着剤の接着剤ライナーを取り外すように構成された機構を含んでもよい。例えば、この機構は、引き剥がしバー又はアイドラーを備えてもよい。

いくつかの実施によれば、第１のガスケットウェブ、第２のガスケットウェブ、及び膜ウェブとのうちの少なくとも１つは、剥離可能な接着剤キャリアウェブ上で搬送される。切断ステーションは、例えばロータリーダイカッター、レーザーカッター、又はダイプレスを含んでもよい。

様々な構成において、第１のガスケットウェブは、第２のガスケットウェブとは異なる厚さを有してもよく及び／又は、第２のガスケットウェブとは異なる材料を含んでもよい。

本発明の更なる別の実施形態は、燃料電池サブアセンブリに関する。サブアセンブリは、第１及び第２の表面を含む膜を有し、第１の触媒層は、膜ウェブの第１の表面上に設けられ、第２の触媒層は、膜の第２の表面上に設けられる。ガスケット層及び接着剤を含む第１のガスケットは、第１のガスケットの接着剤を介して、膜の第１の表面に貼り付けられる。第１のガスケット内の１つ又は複数の開口部は、第１の触媒層の１つ又は複数の活性領域を露出させる。ガスケット層及び接着剤を含む第２のガスケットは、第２のガスケットの接着剤を介して、膜の第２の表面に貼り付けられる。第２のガスケット内の１つ又は複数の開口部は、第２の触媒層の１つ又は複数の活性領域を露出させる。

ある構成において、第１及び／又は第２のガスケットは、それぞれ第１及び第２の触媒層に重なってもよい。ある構成において、１つ又は複数の第１のガス拡散層は、第１の触媒層の１つ又は複数の活性領域の上に設けられ、第１のガスケットの少なくとも一部分に重なってもよい。１つ又は複数の第２のガス拡散層は、第２の触媒層の１つ又は複数の活性領域の上に設けられ、第２のガスケットウェブの少なくとも一部分に重なってもよい。

別の構成において、１つ又は複数の第１のガス拡散層は、第１のガスケットの開口部内の、第１の触媒層の１つ又は複数の活性領域の上に設けられてもよい。１つ又は複数の第２のガス拡散層は、第２のガスケットの開口部内の、第２の触媒層の１つ又は複数の活性領域の上に設けられてもよい。

ガスケット層は、それぞれの接着剤を介して、互いに貼り付けられてもよい。

膜ウェブは、第１及び第２のガスケットウェブの外側縁部までクロスウェブ方向に延びてもよいし、延びなくてもよい。第１及び／又は触媒層は、第１及び／又は第２のガスケットの縁部まですべての方向に延びてもよいし、延びなくてもよい。

本発明の別の実施形態は、ハーフガスケット付き膜ウェブをロールツーロールプロセスで作製する方法に関する。離間開口部は、ガスケットウェブ内に切り開かれ、ガスケットウェブは、接着剤を有するガスケット層を備える。離間開口部を有するガスケットウェブは、接合ステーションに搬送される。膜は、連続的な触媒層又はパターン化された触媒領域を含んでもよいが、含まなくてもよく、接合ステーションに搬送される。接合ステーションにおいて、ガスケット層の接着剤を介して、ガスケットウェブは、膜ウェブの表面に貼り付けられる。

上記の本発明の概要は、本発明の各実施形態又はすべての実現形態を説明することを意図したものではない。本発明の利点及び成果は、本発明のより完全な解釈と共に、添付の図面に関連してなされた以下の詳細な説明及び特許請求の範囲を参照することによって明らかになり、また理解されよう。

典型的な燃料電池及びその基本動作。本発明の実施形態によるガスケット付き触媒被覆膜（ＣＣＭ）の横断面。本発明の実施形態によるガスケット付き触媒被覆膜（ＣＣＭ）の平面図。一実施形態によるガスケット付きＣＣＭの横断面図。一実施形態によるガスケット付きＣＣＭの平面図。クロスウェブ方向に示された、本発明の実施形態による節減された電解質膜を有するガスケット付きＣＣＭの横断面図。本発明の実施形態による、ロール品として形成され得るガスケット付きＣＣＭ及びガス拡散層（ＧＤＬ）を含む膜電極接合体（ＭＥＡ）の横断面図。本発明の実施形態による、ロール品として形成され得る、ガスケット付き電解質膜及び触媒層を上に設けられたＧＤＬを含むＭＥＡの横断面図。本発明の実施形態による、ハーフガスケット付き膜ウェブを製造するためのプロセスを示すチャート。本発明の実施形態による、ガスケット付き膜ウェブ及び／又はガスケット付きＭＥＡウェブを製造するためのプロセスを示すチャート。本発明の実施形態による、第１及び第２のガスケットウェブを膜ウェブに同時に接合することによってロール品のガスケット付き膜ウェブを製造する装置。本発明の実施形態による、第１のガスケットウェブ及び第２のガスケットウェブの膜ウェブへの逐次的な接合によってロール品のガスケット付き膜ウェブを製造する装置。本発明の実施形態による、ガスケット付きＭＥＡウェブを製造するための装置。

本発明は様々な修正及び代替の形態に容易に応じるが、その細部を、一例として図面に示してあり、また詳しく説明することにする。しかしながら、その意図は、説明する特定の実施形態に本発明を限定することではないことは理解されよう。逆に、その意図は、添付の特許請求の範囲で定義される本発明の範囲に含まれるすべての修正物、等価物、及び代替物を網羅することである。

例示する実施形態を以下に説明するにあたり、添付の図面を参照するが、その図面は本願の一部をなすものであり、また、本発明が実施され得る様々な実施形態を実例として示すものである。本発明の範囲から逸脱することなく、これらの実施形態が利用されることができ、また、構造的な変更がなされ得ることが理解されよう。

本発明の実施形態は、燃料電池サブアセンブリ、並びにその燃料電池サブアセンブリを構成するための方法及び装置に関する。様々な実施形態において、ガスケット付き電解質膜ウェブは、ロール品として形成される。ロール品のガスケット付き膜ウェブは、ロール品の膜電極接合体（ＭＥＡ）を製造するために後に使用されてもよく、次いで、そのロール品の膜電極接合体は、完成した燃料電池を生産するために、流れ場プレート及び他の構成要素と結合されてもよい。

燃料電池は、空気からの水素燃料と酸素を結合して電気、熱、及び水を発生させる電気化学装置である。燃料電池は燃焼を利用せず、したがって、燃料電池は、有害な排出物があるとしてもほとんど発生することがない。燃料電池は水素燃料と酸素を直接電気に変換するものであり、例えば内燃機関発電機と比べて、より高度な効率で動作することができる。

本明細書で説明する様々な実施形態によって例示するガスケット付き膜及びＭＥＡウェブは、ポリマー電解質膜（ＰＥＭ）燃料電池の製造において特に有用である。典型的な燃料電池の構成が、図１に示されている。図１に示す燃料電池１１０は、第１のガス拡散層（ＧＤＬ）１１４に隣接する第１の流体流れプレート１１２を含んでいる。触媒被覆膜（ＣＣＭ）１２０は、ＧＤＬ１１４に隣接している。第２のＧＤＬ１１８は、ＣＣＭ１２０に隣接して位置し、第２の流体流れプレート１１９は、第２のＧＤＬ１１８に隣接して位置している。

動作の際、水素燃料は、燃料電池１１０の陽極部分の中に導入され、第１の流体流れプレート１１２を越えてＧＤＬ１１４を通過する。触媒層１１５の表面上におけるＧＤＬ１１４とＣＣＭ１２０との境界面で、水素燃料は水素イオン（Ｈ^＋）と電子（ｅ⁻）とに分離する。

ＣＣＭ１２０の電解質膜１１６は、水素イオンつまり陽子と水のみを電解質膜１１６を通して燃料電池１１０の陰極触媒層１１３へと通過させる。電子は、電解質膜１１６を通過することはできないが、その代わりに外部電気回路を通じて電流の形で流れることができる。この電流は、電動モーターなどの電気負荷１１７に給電することができ、充電式電池などのエネルギー蓄積装置に案内されることもできる。

酸素は、第２の流体流れプレート１１９を通じて、燃料電池１１０の陰極側において、第２のＧＤＬ１１８を通じて流れる。陰極触媒層１１３の表面上で酸素、陽子、及び電子が結合して、水と熱が発生する。

図１に示されるように、燃料電池などの個々の燃料電池は、多数の他の燃料電池と結合されて燃料電池スタックを形成することができる。スタック内の燃料電池の数によってスタックの総電圧が決まり、電池の各々の表面積によって総電流が決まる。所与の燃料電池スタックによって生成される総電力は、総スタック電圧を総電流で乗算することによって決定されることができる。

燃料電池スタックは、複数の電極、プレート、及びガスケットからなる。ガスケットは典型的には、電解質膜の活性領域の周囲に配置される。触媒は、膜の表面上、ＧＤＬ上に設けられてもよく、又は部分的にＧＤＬ上に、部分的に膜上に設けられてもよい。ガスケットは、電解質膜の一方若しくは双方の表面上に、及び／又はＧＤＬの一方若しくは双方の表面上に、及び／又はＧＤＬに面する流体流れプレートの一方若しくは双方の表面上に置かれてよい。ここに説明する製造プロセスによって接着剤を使用してガスケットを電解質膜に貼り付けることにより、ガスケットを正確に配置し貼り付けて、燃料電池構成要素をロールツーロール製造することが可能となる。

図１に示す燃料電池１１０などの燃料電池の形成に使用されるロール品のウェブは、本発明の実施形態によってロール品の入力材料（例えば、燃料電池構成要素のウェブ）からロール品の出力として製造されることができる。例えば、ロール品のガスケット付き電解質膜ウェブ、ロール品のガスケット付きＣＣＭウェブ、及び／又はロール品のガスケット付きＭＥＡウェブは、ロール品の入力ウェブ材料が処理されてロール品の出力ウェブを生産する連続的な組立て手法を使って製造されることができる。

出力燃料電池ウェブは、適当なライナー材料と共に巻かれてロールを形成する。別の手法において、燃料電池ウェブは、後の工程で個々のＭＥＡに変換されることができる。いくつかの手法において、ＧＤＬは、ロール品のガスケット付き膜ウェブに接合されて、連続的な方式でＭＥＡウェブを生産することができる。

図２Ａ及び２Ｂはそれぞれ、一実施形態による、ロール品として形成され得る単一のガスケット付き触媒被覆膜（ＣＣＭ）２００の横断面図及び平面図である。ガスケット付きＣＣＭ２００は、電解質膜２１１上に設けられた第１及び第２の触媒層２２１、２２２を有する電解質膜２１１を含む。第１及び第２のガスケット２３０、２４０は、ＣＣＭ２１０の表面上に配置されている。図２Ｂに最良に示すように、ガスケット２３０は、ＣＣＭ２１０の一方の表面上の活性領域２０５の周りに枠を形成している。各々のガスケット２３０はガスケット層２３１、ガスケット２４０はガスケット層２４１を含み、並びに感圧性接着剤層、加熱活性化接着剤層、又は紫外線活性化接着剤層（UV activated adhesive layer）などの接着剤層２３２、２４２を含んでいる。ガスケット２３０、２４０は、接着剤層２３２、２４２を介して、ＣＣＭに貼り付けられている。

ガスケット層２３１、２３２は、ポリエステル、ポリイミド、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、及び／又は十分に薄く、十分に強く、かつ燃料電池の環境、すなわち、水、水素、及び／若しくは酸素の存在下での６０℃〜１００℃の温度に十分に適合する硬質なポリマー材料を含めた他の類似の材料など、様々な種類の高分子材料を含んでよい。一例において、ガスケット材料は、約０．００６２５ｍｍ〜０．０５ｍｍの接着剤厚さと共に約０．０１２５ｍｍを超える厚さを有する。一実施形態において、ガスケット材料は、約０．１ｍｍの厚さを有するポリエステルである。ガスケット材料には、約０．２５ｍｍの高さを有する熱硬化したエチレンプロピレンジエンモノマー（ＥＰＤＭ）のエラストマーリブなど、ミクロ構造エラストマーリブが挙げられる。第１及び第２のガスケット層は、同一の特性を有する必要はない。ガスケット層の特性は、構成要素の取扱い又は燃料電池の操作を容易とするように選択されてもよい。例えば、特定の実施形態において、第１のガスケット層２３０は、第２のガスケット層２４０とは異なる厚さを有してもよく、及び／又は第１のガスケット層２３０は、第２のガスケット層２４０の材料とは異なる１つ若しくは複数の材料を含んでもよい。

ガスケット層２３１、２４１、及び接着剤層２３２、２４２の材料は、接着剤層２３２、２４２がガスケット層２３１、２４１、及びＣＣＭ２１０に良好に接着するように選択される。接着剤層２３２、２４２は、感圧性接着剤（ＰＳＡ）、加熱活性化接着剤、紫外線活性化接着剤、又は他の種類の接着剤を含んでもよい。例えば、接着剤層は、アクリル系ＰＳＡ、ゴム系接着剤、エチレン無水マレイン酸共重合体、１−オクテンとエチレン又はプロピレンとの共重合体などのオレフィン系接着剤、ニトリル系接着剤、エポキシ系接着剤、及びウレタン系接着剤のいずれかを含んでよい。他の実施形態において、接着剤層は、Ｔｈｅｒｍｏｂｏｎｄ８４５（マレイン酸ポリエチレン系）又はＴｈｅｒｍｏｂｏｎｄ５８３（ニトリルゴム系）などの加熱活性化接着剤を含んでもよい。

図２Ａ及び２Ｂに示すガスケット付きＣＣＭ２００は、ロールツーロールプロセスにおいて、複数の個々のガスケット付きＣＣＭを備えるウェブとして製造されてもよい。図３Ａ及び３Ｂはそれぞれ、図２Ａ及び２Ｂに示すガスケット付きＣＣＭなどの複数の個々のガスケット付きＣＣＭを形成するように切り開かれ得るガスケット付きＣＣＭウェブ３００の横断面図及び平面図を示している。図３Ａは、連続的な触媒層３２１、３２２をそれらの上に設けられた連続的な膜３１１を備える連続的なＣＣＭウェブを示している。他の実施形態において、膜ウェブは触媒層がなくても、又は連続的な触媒層ではなくパターン化された触媒領域を含んでもよい。

図３Ａのガスケット付きＣＣＭウェブ３００は、ＣＣＭウェブ３００の活性領域３０５を枠で囲むガスケット層３３１、３４１を含む。ガスケット層３３１、３４１は、接着剤層３３２、３４２を介して、ＣＣＭウェブ３１０に貼り付けられている。

図３Ａ及び３Ｂに示すガスケット付きＣＣＭウェブは、ロールツーロールプロセスで製造されてもよい。例えば、一実施形態において、ガスケット付きＣＣＭウェブの製造は、ガスケット及び接着剤層を含むガスケットウェブを、一連の活性領域用開口部をガスケット層内に切り開く切断ステーションを通じて送り、ガスケットウェブを形成することを含む。切断ステーションは、例えば、ロータリーダイカッター、レーザーカッター、又は固定型を含んでもよい。ガスケットラダーウェブ（gasket ladder web）は接合ステーションに搬送され、その接合ステーションにおいて、ＣＣＭウェブ、及びそのＣＣＭウェブの反対側にある別のガスケットラダーウェブと近づけられる。ウェブの時間調整は、切り開きが必要なときに切断ステーションの開口部カッターを始動し、切り開きの間に開口部カッターを停止するか又は減速させることによって達成される。速度合わせはすべてのステーションにおいて、使用される。ガスケットラダーウェブの接着剤層は、剥離ライナーを含んでもよい。その場合、剥離ライナーは取り外され、例えば引き剥がされ、ガスケットラダーウェブは、接合ステーションにおいて、ガスケットウェブの接着剤層を介して、ＣＣＭウェブの表面に接合される。ガスケットラダーウェブをライナーを取り外す剥離力に対抗して保持するために、真空ベルトコンベヤが使用されてもよい。引き剥がしの速度を高めるために、引き剥がしバー及び／又はアイドラーが使用されてもよい。

本発明の様々な実施形態が、脆弱なガスケットウェブを変形させることなく取り扱うことに対処している。例えばガスケット付きウェブは、真空ベルト上又はローラーなどの凸面上で接合ステーションに運ばれてもよく、使い捨てテープなどの別のウェブによって支持されてもよく、又は剥離可能な接着剤キャリアウェブなどのキャリアウェブ上に配置されてもよい。

燃料電池において用いられる電解質膜は、典型的には高価なアイオノマーを含んでいる。ガスケット材料は一般に、相当に安価である。平面図で見ると、典型的なガスケット付きＣＣＭのガスケット領域は、周囲に位置する領域であるが、ＣＣＭのかなりの部分を覆っており、ＣＣＭのその覆われた領域が燃料電池の活性領域の一部となることを防止している。現行の電極設計では、通常、ガスケット付きの領域全体と同一の広がりを有する膜が使用されるが、ガスケットで覆われた部分から膜を除くことによって、膜材料を節約することを考えることもできる。クロスウェブ方向に節減された電解質膜ウェブ又はＣＣＭウェブは、ガスケット層の縁部までクロスウェブ方向に延びることはない。

図４は、クロスウェブ方向におけるガスケット付きＣＣＭウェブ４００の横断面図を示している。図４で分かるように、電解質膜ウェブ４１１は、クロスウェブ方向に節減され又は節約されており、完全にガスケット層４３１、４４１の縁部まで延びていない。この実現形態において、接着剤層４３２、４４２は、ＣＣＭウェブ４４１にかつ互いに接着して封止機構を形成している。ＣＣＭウェブ４４１は、ウェブの形態を維持するために、ダウンウェブ方向には元のままであるべきである。ＣＣＭウェブ４４１をクロスウェブ方向に節減する利点には、膜の費用が削減されること及びマニホールド領域において膜が排除されることが挙げられ、このマニホールド領域内の膜は、時として湿度の変化が原因で問題視されることがある。

図５Ａは、一実施形態による、ガスケット付きＣＣＭ５１２及び貼り付けられたＧＤＬ５５０を有する膜電極接合体（ＭＥＡ）を示している。ＧＤＬ５５０は、ガスケット付きＣＣＭ５１２のガスケット層５３１、５４１の一部分に重なっており、ＭＥＡ５００を生産するためにＧＤＬ５５０が加えられるときに、膜縁部を保護する。いくつかの実施形態において、本明細書で説明するようにガスケット付きＣＣＭウェブが形成された後、ＧＤＬ５５０は、連続及び／又はロールツーロールプロセスでガスケット付きＣＣＭに貼り付けられてもよい。

図５Ｂは、触媒被覆裏材、つまりＣＣＢと呼ばれる触媒被覆ＧＤＬ５５１を組み込んだＭＥＡ５０１を示している。この実施形態において、ＧＤＬ５５１は、触媒層５１４、５１５を含み、ガスケット層５３１、５４１の開口部内に設けられている。接着剤層５３２、５４２は、膜５２０にかつ互いに接着して封止機構を形成している。本明細書でより詳細に説明するように、このＧＤＬは、ロールツーロールプロセスによって膜に貼り付けられて、出力ＭＥＡウェブを形成してもよい。

任意の好適な電解質膜が、本発明の実施において使用されてもよい。有効なＰＥＭ厚さは、約２００ｍと約μｍと約１５μｍとの間の範囲に及ぶ。テトラフルオロエチレン（ＴＦＥ）及び、式：ＦＳＯ２−ＣＦ２−ＣＦ２−Ｏ−ＣＦ（ＣＦ３）−ＣＦ２−Ｏ−ＣＦ＝ＣＦ２に従うコモノマーのコポリマーが知られており、スルホン酸の形態で、すなわち、ＨＳＯ３−に加水分解されたＦＳＯ２−末端基を有して、デラウェア州ウィルミントン（Wilmington）のデュポン・ケミカル社（DuPont Chemcial Company）によってＮＡＦＩＯＮ（登録商標）の商標名で販売されている。ＮＡＦＩＯＮ（登録商標）は、燃料電池に使用するためのポリマー電解質膜の作製に広く使用されている。また、テトラフルオロエチレン（ＴＦＥ）及び、式：ＦＳＯ２−ＣＦ２−ＣＦ２−Ｏ−ＣＦ＝ＣＦ２に従うコモノマーとのコポリマーが知られており、スルホン酸の形態で、すなわち、ＨＳＯ３−に加水分解されたＦＳＯ２−末端基を有して、燃料電池に使用するためのポリマー電解質膜の作製に使用されている。最も好ましいのは、ＨＳＯ３−に加水分解されたＦＳＯ２−末端基を有する、テトラフルオロエチレン（ＴＦＥ）及びＦＳＯ２−ＣＦ２ＣＦ２ＣＦ２ＣＦ２−Ｏ−ＣＦ＝ＣＦ２のコポリマーである。ＰＥＭ構造に好適な他の材料が、引用によって本願に組み込まれる、２００５年９月１３日出願の同一所有者の米国特許出願第Ｓ／Ｎ１１／２２５，６９０号に記載されている。

いくつかの実施形態において、触媒層は、塩化白金酸の還元などの湿式化学法によって、より大きな炭素粒子にコーティングされたＰｔ又はＰｔ合金を含んでもよい。この形態の触媒は、アイオノマー結合剤及び／又は溶媒と共に分散されて、膜、剥離ライナー、又はＧＤＬのいずれかに塗布されるインク、ペースト、又は分散系を形成する。

いくつかの実施形態において、触媒層は、触媒材料の粒子又はナノ構造薄膜（ＮＳＴＦ）を支えるナノ構造支持体要素を備えてもよい。ナノ構造触媒層は、支持体としての炭素粒子を含有しておらず、したがって、触媒粒子の高密度分布を形成する電解質膜の極薄表面層の中に組み込まれてもよい。ナノ構造薄膜（ＮＳＴＦ）触媒層を使用することで、触媒利用率を、分散法によって形成された触媒層と比べて非常に高くすることができ、炭素支持体が存在しないことにより、高電圧及び高温での浸食に対する更なる耐性がもたらされる。いくつかの実施において、ＣＣＭの触媒表面積は、ミクロ構造機構を有する電解質膜を使用することによって、更に拡張されてもよい。ミクロ構造電解質膜及びＮＳＴＦ触媒層を作製するための様々な方法が、引用によって本願に組み込まれる同一所有者の特許文書、つまり、米国特許第４，８１２，３５２号、同第５，８７９，８２７号、同第６，１３６，４１２号、２００５年９月１３日出願の米国特許出願第Ｓ／Ｎ１１／２２５，６９０号、及び２００５年９月１３日出願の同第１１／２２４，８７９号に記載されている。

ＮＳＴＦ触媒層は、針状のナノ構造支持体の上に触媒材料を真空蒸着させることによって形成され得る細長いナノスケール粒子を含んでいる。本発明における使用に好適なナノ構造支持体は、Ｃ．Ｉ．ピグメントレッド１４９（ペリレンレッド）などの有機顔料のウィスカを含んでもよい。結晶性ウィスカは、実質的に均一であるものの、同一ではない断面及び高い長さと幅との比率を有する。ナノ構造支持体ウィスカは、触媒作用に好適なコーティング材料でコーティングされ、それによって複数の触媒部位として作用することが可能な、微細なナノスケールの表面構造がウィスカに加えられる。

特定の実施において、ナノ構造支持体要素は、継続的な螺旋転位の成長によって拡張されてもよい。ナノ構造支持体要素の長さを拡張することにより、触媒作用のための表面積を増加させることが可能となる。ナノ構造支持体要素の長さを延長するためのプロセスは、先に組み込まれた米国特許出願第Ｓ／Ｎ１１／２２５，６９０号に記載されている。それに加えて又はそれに代わって、ナノ構造支持要素の複数の層も、表面積の増加をもたらす。ナノ構造支持体要素の複数の層を生産するためのプロセスが、先に組み込まれた米国特許出願第Ｓ／Ｎ１１／２２４，８７９号に記載されている。

そのナノ構造支持体要素は、触媒材料でコーティングされてナノ構造薄膜触媒層を形成する。一実現形態によれば、触媒材料は、白金族金属などの金属を含む。一実施形態において、触媒被覆ナノ構造支持要素は、電解質膜の表面に転写されて、触媒被覆膜を形成してもよい。別の実施形態において、触媒被覆ナノ構造支持体要素は、ＧＤＬ表面上に形成されてもよい。

ＧＤＬは、反応ガスを通過させる一方で電極から電流を集めることが可能な任意の材料、典型的には織布又は不織布の炭素繊維紙又は炭素繊維布であることができる。ＧＤＬは、ガス状の反応物及び水蒸気を触媒及び膜へ透過できる通路を提供し、また、外部負荷に電力供給するために、触媒層内で生成された電子電流も集める。

ＧＤＬは、微多孔性層（ＭＰＬ）及び電極裏材層（ＥＢＬ）を含んでもよく、ＭＰＬは触媒層とＥＢＬとの間に設けられる。ＥＢＬは、炭素繊維構造体（例えば、織布及び不織布炭素繊維構造体）など、任意の好適な導電性多孔性基材であってよい。市販されている炭素繊維構造体の例には、マサチューセッツ州ローウェル（Lowell）のバラードマテリアルプロダクツ社（Ballard Material Products）による商標表記「ＡｖＣａｒｂＰ５０」の炭素繊維紙、マサチューセッツ州ウォバーン（Woburn）のエレクトロケム社（ElectroChem, Inc.）から入手し得る「Ｔｏｒａｙ」炭素紙、マサチューセッツ州ローレンス（Lawrence）のスペクトラコープ社（Spectracorp）による「ＳｐｅｃｔｒａＣａｒｂ」炭素紙、マサチューセッツ州イーストウォルポール（East Walpole）のホリングスワースアンドヴォース社（Hollingsworth & Vose Company）による「ＡＦＮ」不織布炭素布、及びミズーリ州セントルイス（St. Louis）のゾルテックカンパニー社（Zoltek Companies, Inc.）による「Ｚｏｌｔｅｋ」炭素布が挙げられる。ＥＢＬは、疎水性を増すように又は付与するように処理されてもよい。例えば、ＥＢＬは、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）及びフッ素化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）など、高度にフッ素化されたポリマーで処理されてもよい。

ＥＢＬの炭素繊維構造体は、概して、粗くかつ多孔性の表面を有しており、その表面は、触媒層との低い接合接着力を呈する。接合接着力を増加させるために、微多孔性層がＥＢＬの表面にコーティングされてもよい。これはＥＢＬの粗くかつ多孔性の表面を滑らかにし、いくつかの種類の触媒層との接合接着力が高められる。

本発明の実施形態は、ロール品のハーフ若しくはフルガスケット付き電解質膜ウェブ、ＣＣＭウェブ、及び／又はＭＥＡウェブを製造するためのプロセスに関する。図６Ａは、本発明の実施形態による、ハーフガスケット付き膜ウェブを製造するために用いられ得る方法を示すチャートである。このプロセスは、離間開口部をガスケットウェブ内に切り開く工程（６１５）、及び得られるガスケットウェブを接合ステーションに搬送する工程（６２５）を含む。ガスケットウェブはガスケット層及び接着剤層とを含み、その接着剤層は、所望により剥離ライナーを含んでもよい。ガスケットウェブは、巻出しホイール又は別の供給源から送り出されてもよい。開口部を切り開いた後、得られるガスケットウェブは、ラダーのような構造と似たものとなり、そのラダー形の構造は、製造プロセスの各部分を通じて、真空コンベア上又は他の支持機構上で支持されかつ搬送されることができる。

膜ウェブは、連続的又はパターン化された触媒層を有するＣＣＭウェブであってもよく、接合ステーションに搬送される（６３５）。接合ステーションにおいて、ガスケットウェブ及び膜ウェブは、互いに近づけられる。膜ウェブが、パターン化された触媒領域を含む場合、ガスケットウェブと膜ウェブとの間の位置決めが実施されてもよい。ガスケットウェブ及び膜ウェブは、例えば、熱、圧力、及び紫外線暴露のうちの１つ又は複数を介して、接合ステーションにおいて、接合される（６４５）。

図６Ｂは、本発明の実施形態による、ガスケット付き膜ウェブ及び／又はＭＥＡウェブを製造するために用いられ得る方法を示すフローチャートである。この方法は、製造プロセスを通じて様々な材料ウェブを移動させることを含む。このプロセスは、離間開口部を第１のガスケットウェブ内に切り開く工程（６１０）及び得られる第１のガスケットウェブを接合ステーションに搬送する工程（６２０）を含む。開口部は、第２のガスケットウェブ内に切り開かれ（６３０）、得られる第２のガスケットウェブは、接合ステーションに搬送される（６４０）。第１及び第２のガスケットウェブの各々は、ガスケット層及び所望により剥離ライナーを含む接着剤層を含んでもよい。第１及び第２のガスケットウェブは、巻出しホイール又は別の供給源から送り出されてもよい。開口部を切り開いた後、得られるガスケットウェブは、ラダー形の構造と似たものとなり、そのラダー形の構造は、製造プロセスの部分を通じて、真空コンベア又は他の支持機構上で支持され、搬送されることができる。

接合ステーションにおいて、第１のガスケットウェブ、第２のガスケットウェブ、膜ウェブは、互いに近づけられる。第１及び第２のガスケットウェブ及び膜ウェブは、位置合わせされる。第１及び第２のガスケットウェブの開口部は、膜ウェブの第１及び第２の表面上で互いに位置合わせされるように、第１のガスケットウェブと第２のガスケットウェブとの間の位置決めが制御されてもよい。

剥離ライナーが使用される場合、剥離ライナーは、ガスケットウェブが接合ステーションに侵入する前に取り外される。第１のガスケットウェブ及び第２のガスケットウェブは、ガスケットウェブの接着剤層を介して、膜ウェブの第１及び第２の表面にそれぞれ貼り付けられる（６５０）。一実施形態において、第１及び第２のガスケットラダーウェブの貼り付けは、３つのすべてのウェブを一対の接合ローラーに通すことによって、実質的に同時に起こる。別の実施形態において、第１及び第２のガスケットウェブは、逐次的に膜ウェブに貼り付けられる。いくつかの実施形態において、膜ウェブは、触媒が膜ウェブの表面の上に設けられた又は膜ウェブ上の領域内にパターン化されたＣＣＭウェブを備える。パターン化されたＣＣＭウェブが使用される場合、パターン化された領域は、第１及び第２のガスケットウェブの開口部と位置合わせされる。得られるガスケット付き膜ウェブ又はＣＣＭウェブは、後の使用のためにロールにされ、格納されてもよく、又はＭＥＡウェブ及び／若しくは他の燃料電池サブアセンブリを作製するために、後の製造プロセスで直ちに使用されてもよい。

図６のフローチャートに更に示すように、ＭＥＡウェブは、ガスケット層内の開口部によって露出された膜ウェブ領域おいて、ＧＤＬ又はＣＣＢを貼り付けること（６６０）によって、ガスケット付き膜ウェブを使用して形成されてもよい。一実現形態において、ＧＤＬ又はＣＣＢは、膜ウェブの両表面上のガスケット層の開口部内に設けられてもよい。別の実現形態において、ＧＤＬ又はＣＣＢは、ガスケット層の内縁部において、ガスケット層と重なってもよい。

燃料電池材料の入力ウェブを処理し、ロール品のガスケット付きＣＣＭを生産する装置が、図７に示されている。一般に、図７の装置は、ロール品のガスケットウェブ及びロール品の電解質膜ウェブ又はＣＣＭウェブを使用して、ロール品のガスケット付き膜ウェブを生産することができる。図７の装置は、ガスケット付き膜ウェブを製造する独自の手法を提供し、そのガスケット付き膜ウェブは、複数の個々のガスケット付き膜又はガスケット付きＣＣＭに分離されてもよく、又は燃料電池構成要素を製造するために、後のロールツーロールプロセスで使用されてもよい。

図７に示す実施形態において、ガスケット付き膜ウェブの製造は、ガスケット層、接着剤層、及び接着剤剥離ライナー含む、切り開かれていない第１のガスケットウェブ７１５を、第１の巻出しホイール７０５から及び第１の切断ステーション７２５を通じて送ることを含む。切断ステーション７２５は、一連の活性領域用開口部７０１をガスケットウェブ７１５内に切り開き、ラダー形の第１のガスケットウェブ７３５を形成する。第１のガスケットウェブ７３５の剥離ライナー７５７は取り外される。剥離ライナー７５７の取り外しは、引き剥がしバー７４５又はアイドラーによって促進され、剥離ライナー７５７は、第１の廃棄用ホイール７５５上に巻き取られる。

切り開かれていないの第２のガスケットウェブ７１６が、第２の巻出しホイール７０６から送り出され、第２の切断ステーション７２６を通じて送られる。第２の切断ステーション７２６は、一連の活性領域用開口部７０２をガスケットウェブ７１６内に切り開いて、ラダー形の第２のガスケットウェブ７３６を形成する。第２のガスケットウェブ７３６の剥離ライナー７５８は、取り外される。剥離ライナー７５８の取り外しは、引き剥がしバー７４６又はアイドラーによって促進され、剥離ライナー７５８は、第２の廃棄用ホイール７５６上に巻き取られる。切断ステーション７２５、７２６は、例えばロータリーダイカッター又はレーザーカッターを含んでもよい。

図７に示す実施形態において、切断ステーション７２５、７２６は、真空ダイカッター７２７、７２８を含む。真空ダイカッター７２７、７２８において、真空がオンにされて、切り開かれた開口部スラグ７８３、７９３がガスケットウェブ７３５、７３６から除去される。開口部スラグ７８３、７９３の縁部が切断面から約２２５°回転されると真空が解除される。真空を解除することにより、開口部スラグ７８３、７９３は、トレー７８２、７９２に又は真空スクラップ処分プレナムに放出される。真空を解除すると、スラグ７８３、７９３が、ダイ７２７、７２８からの摩擦力でトレー７８２、７９２又はプレナムの中に押し込まれるように、ばね型アキュムレーター７８０、７９０は、スラグ７８３、７９３を保持するために使用されてもよい。

剥離ライナー７５７、７５８の取り外し後、第１及び第２のガスケットウェブ７３５、７３６は、接合ステーションに搬送され、その接合ステーションは、この例では、円柱状の接合ローラー７６０を備える。図７に示すような特定の実施形態において、ガスケットウェブ７３５、７３６は、真空コンベア７６５、７６６上で接合ローラー７６０に搬送される。膜ウェブ７１７が膜巻出しホイール７０７から送り出され、接合ローラー７６０に搬送される。

光学センサ又は他の種類の検出装置を使用した位置合わせを促進するために、いくつかの技法及び構成を用いられ得ることが、当業者には理解されよう。切断された開口部の前縁部を検出するために、センサ７８１、７９１が使用されている。左手側のガスケットラダー７３５を右手側のガスケットラダー７３６と位置合わせするために、センサ７８１、７９１、例えば再帰反射レーザーセンサによって検出される偏り及び位置決めマークが使用されている。膜ウェブ７１７が、パターン化された触媒領域７１８を含む場合、触媒領域の前縁部を検出するために、透過型ビーム光ファイバセンサを通じてなど、センサ７９７が使用されてもよい。センサ７９７からの出力は、センサ７８１又は７９１からの情報と共に制御システムによって使用され、触媒領域７１８がガスケットウェブ７３５及び７３６と位置合わせされる。３つのウェブ７３５、７３６、７１７の位置合わせを促進するために、基準マーク７９９がセンサ７７８によって検出されてもよい。

センサ７８１、７９１、７９７などのセンサからの情報は、制御システムによって使用され、第１のガスケットウェブ７３５、第２のガスケットウェブ７３６、及び膜ウェブ７１７のうちの１つ又は複数の速度及び長手方向位置が制御されてもよい。位置合わせを容易にするためのウェブ７３５、７３６、７１７の時間調整は、切断が必要なときに切断ステーション７２５、７２６の開口部カッター７２７、７２８を始動し、切断の間に開口部カッター７２７、７２８を停止するか又は減速させることによって達成されてもよい。開口部の切り開きの間に、切断ステーション７２５、７２６、及び接合ローラー７６０の速度を調和させることにより、開口部の寸法は、ガスケットウェブ７３５、７３６内に一定に保たれる。

位置合わせの後、ガスケットウェブ７３５、７３６は、接合ローラー７６０において、膜ウェブ７１７と近づけられる。ガスケットウェブ７３５、７３６は、ガスケットウェブ７３５、７３６の接着剤層を介して、接合ローラー７６０によって、膜ウェブ７１７のそれぞれの第１及び第２の表面に実質的に同時に同時に接合されて、ガスケット付き膜ウェブ７７０を形成する。

いくつかの実施形態において、ガスケットウェブ７３５、７３６の接着剤層は、感圧性接着剤を含む。これらの実施形態において、ガスケットウェブ７３５、７３６の貼り付けは、室温で動作する接合ローラー７６０を介した圧力の作用によって達成されることができる。他の実施形態において、ガスケットウェブ７３５、７３６の接着剤層は加熱活性接着剤を含み、接合ローラー７６０は、膜ウェブ７１７へのガスケットウェブ７３５、７３６の貼り付けを促進するために加熱される。更なる他の実施形態において、接着剤は、紫外線活性化接着剤を含む。紫外線活性化接着剤が使用される場合、接合は、光源を介した紫外線への暴露によって促進され、光源は、接合ローラー７６０の付近に配置されてもよい。接着剤剥離ライナーは、使用されても使用されなくてもよい。

いくつかの実施において、ガスケット付き膜ウェブ７７０は、保管及び／又は後の処理での使用のために、巻取りホイールに巻き付けられる。他の実施において、ガスケット付き膜ウェブ７７０は、ガスケット付き膜ウェブ７７０を組み込んだＭＥＡウェブの形成のための処理ステージなど、別の処理ステージに搬送される。

図８は、第１のガスケットウェブ８３５、及び所望により第２のガスケットウェブ８３６が膜ウェブに接合される製造装置を示している。１つの処理において、ハーフガスケット付き膜は、第１のガスケットウェブ８４５を膜８１７に接合することによって形成されてもよい。この処理において、第２のガスケットウェブ８３６は、膜８１７に接合されない。ハーフガスケット付き膜は、より薄いウェブが必要とされる用途で使用されることができる。

所望により、以下で説明するように、第２のガスケットウェブ８３６は、膜８１７に貼り付けられてフルガスケット付き膜ウェブを形成されてもよい。フルガスケット付き膜ウェブが形成される場合、第１及び第２のガスケットウェブ８３５、８３６は、膜ウェブ８１７に逐次的に接合されてもよい。例えば、図８に示すように、第１のガスケットウェブ８３５の貼り付け後に、第２のガスケットウェブ８３６は、膜ウェブ８１７に貼り付けられる。

ガスケット付き膜ウェブ８７１の製造は、ガスケット層、接着剤層、及び接着剤剥離ライナーを含む未切断の第１のガスケットウェブ８１５を、第１の巻出しホイール８０５から第１の切断ステーション８２５を通じて送ることを含む。図７に関連して先に説明したように、切断ステーション８２５は、真空ダイカッター８２７を含んでもよく、この真空ダイカッター８２７は、開口部スラグ８８３を取り上げ、ばね型アキュムレーター８８０を使用してトレー８８２内に置く。切断ステーション８２５は、一連の活性領域用開口部８０１をガスケットウェブ８１５内に切り開いて、ラダー形の第１のガスケットウェブ８３５を形成する。第１のガスケットウェブ８３５の剥離ライナー８５７は、取り外される。剥離ライナー８５７の取り外しは、引き剥がしバー８４５又はアイドラーによって促進され、剥離ライナー８５７は、第１の廃棄物ホイール８５５上に巻き取られる。

第１のガスケットウェブ８３５の剥離ライナー８５７を取り外すと、第１のガスケットウェブ８３５の接着剤層が露出する。第１のガスケットウェブ８３５は、真空コンベア又は他の搬送機構８６５上で、この例では円柱状接合ローラー８６０を備える接合ステーションに搬送される。膜ウェブ８１７は、膜巻出しホイール８０７から送り出され、接合ローラー８６０に搬送される。

図７に関連して先に説明したように、１つ又は複数のセンサから取得された情報が、第１のガスケットウェブ８３５を、触媒領域８１８と適切に位置合わせして膜ウェブ８１７上に配置する目的で位置合わせするために、制御システムによって使用されてもよい。位置合わせの後、第１のガスケットウェブ８３５は、接合ローラー８６０において、膜ウェブ８１７と近づけられる。ガスケットウェブ８３５は、接合ローラー８６０によって、第１のガスケットウェブ８３５の露出した接着剤層を介して、膜ウェブ８１７の第１の表面に接合されて、半ガスケット付き膜ウェブ８７０を形成する。

未切断の第２のガスケットウェブ８１６は、第２の巻出しホイール８０６から送り出され、第２の切断ステーション８２６を通じて送られる。第２の切断ステーション８２６は、一連の活性領域用開口部８０２を第２のガスケットウェブ８１６内に切り開いて、ラダー形の第２のガスケットウェブ８３６を形成する。開口部スラグ８９３は、ばね型アキュムレーター８９０の使用を介して、真空ダイカッター８２８によって取り上げられ、トレー８９２内に置かれる。

第２のガスケットウェブ８３６の剥離ライナー８５８は、取り外される。剥離ライナー８５８の取り外しは、引き剥がしバー８４６又はアイドラーによって促進され、剥離ライナー８５８は、第２の廃棄用ホイール８５６上に巻き取られる。切断ステーション８２５、８２６は、例えばロータリーダイカッター又はレーザーカッターを含んでもよい。

第２のガスケットウェブ８３６の剥離ライナー８５８を取り外すと、第２のガスケットウェブ８３６の接着剤層が露出する。第２のガスケットウェブ８３６は、真空コンベア又は他の搬送機構８６６上で、この例では円筒状の接合ローラー８６１を備える接合ステーションに搬送される。部分的ガスケット付き膜ウェブ８７０は、接合ローラー８６１に送り出される。

接合に先立って、１つ又は複数のセンサからの情報が、第２のガスケットウェブ８３６を、膜ウェブ８７０上に配置する目的で位置合わせするために使用されてもよい。第２のガスケットウェブ８３６は、部分的ガスケット付き膜ウェブ８７０上に設けられた第１のガスケットウェブ８３５に対して位置合わせされてもよい。例えば、３つのウェブ８３５、８３６、８１７の位置合わせを促進するために、センサ８９８によって検出される基準マーク８９９が使用されてもよい。

いくつかの実施において、フルガスケット付き膜ウェブ８７１は、保管及び／又は後の処理での使用のために、巻取りホイールに巻き付けられる。他の実施において、ガスケット付き膜ウェブ８７１は、図９に示されるような、ガスケット付き膜ウェブ８７１を組み込んだＭＥＡウェブの形成のための処理ステージなど、別の処理ステージに搬送される。

図９は、ガスケット付き膜ウェブを有するロール品のＭＥＡウェブを製造するように構成された装置を示している。ガスケット付きＣＣＭウェブ９５０などのガスケット付き膜ウェブは、巻出しホイール９０３から又は前のプロセスから直接送り出される。キャリアウェブ９２０上に設けられた第１のＧＤＬ９２１は、巻出しホイール９０１から又は前のプロセスから送り出される。第１のＧＤＬ９２１及びＣＣＭウェブ９５０は、接合ローラー９２２に搬送され、ここで第１のＧＤＬ９２１は、ＣＣＭウェブ９５０の第１のガスケット層内の開口部９５１に対して位置合わせされる。第１のＧＤＬ９２１は、ガスケット付き膜ウェブ９５０の第１の表面に接合される。例えば、第１のＧＤＬ９２１は、ガスケット付きＣＣＭウェブ９５０の開口部９５１内に配置する目的で位置合わせされてもよく、又は第１のＧＤＬ９２１がガスケットにわずかに重なるように位置合わせされてもよい。

キャリアウェブ９３０上に設けられた第２のＧＤＬ９３１は、巻出しホイール９０２から又は前のプロセスから送り出される。キャリアウェブ９３０上に設けられた第２のＧＤＬ９３１が、巻出しホイール９０２から又は前のプロセスから送り出される。第２のＧＤＬ９３１及びＣＣＭウェブ９５２は、接合ローラー９３２に搬送され、ここで第２のＧＤＬ９３１は、ＣＣＭウェブ９５２のガスケット層内の開口部９５１に対して位置合わせされる。第２のＧＤＬ９３１は、ガスケット付き膜ウェブ９５２の第２の表面に接合されて、ロール品のＭＥＡウェブ９５３を形成する。ＧＤＬがガスケットに重なる場合、ＧＤＬは、熱及び圧力を用いて、又はＧＤＬ、ＣＣＭ、ガスケットの少なくとも一部分上に設けられた接着剤層を用いて、ウェブに貼り付けられてよく、ここで、接着剤層は、３Ｍ社（3M Company）からＦａｓｔｂｏｎｄシリーズとして入手可能な接着剤又はアイオノマーを含んでもよい。いくつかの実施において、第１及び第２のＧＤＬは、１つ又は複数の縁部上でガスケット付きＣＣＭウェブ９５０の開口部９５１内に適合し、１つ又は複数の縁部上でガスケットに重なる。

本発明の様々な実施形態の上述の説明は、例示及び説明を目的として提示されたものである。網羅的なものにすること又は本発明を開示した厳密な形に限定することは、意図されていない。上記の教示を考慮すれば、多数の修正及び変形が可能である。例えば添付の図を参照して説明された様々な回転式接合プロセスが、その代わりとして、非回転式の方法及び装置の使用、例えば、当該技術分野において知られているようなステップアンドリピート式圧縮プロセス及び装置の使用により、達成されることができる。本発明の範囲は、この詳細な説明によってではなく、むしろ本明細書に添付された特許請求の範囲によって限定されることが意図されている。

Claims

燃料電池構成要素をロールツーロールプロセスで作製する方法であって、
離間開口部を第１のガスケットウェブ内に切り開く工程であって、前記第１のガスケットウェブが、接着剤を備える第１のガスケット層を有する、工程と、
離間開口部を有する前記第１のガスケットウェブを接合ステーションに搬送する工程と、
離間開口部を第２のガスケットウェブ内に切り開く工程であって、前記第２のガスケットウェブが、接着剤を有する第２のガスケット層を備える、工程と、
離間開口部を有する前記第２のガスケットウェブを前記接合ステーションに搬送する工程と、
少なくとも１つの電解質膜を備える膜ウェブを前記接合ステーションに搬送する工程と、
前記接合ステーションにおいて、ガスケット付き膜ウェブを形成する工程であって、
前記第１のガスケット層の前記接着剤を介して、前記第１のガスケットウェブを前記膜ウェブの第１の表面に貼り付けること、及び
前記第２のガスケット層の前記接着剤を介して、前記第２のガスケットウェブを前記膜ウェブの第２の表面に貼り付けること、を含む工程と、を含む方法。
前記第１のガスケットウェブを前記膜ウェブの前記第１の表面に貼り付けること及び前記第２のガスケットウェブを前記膜ウェブの前記第２の表面に貼り付けることが、実質的に同時に達成される、請求項１に記載の方法。
前記第２のガスケットウェブが前記膜ウェブに貼り付けられる前に、前記第１のガスケットウェブが前記膜ウェブに貼り付けられる、請求項１に記載の方法。
前記第１及び第２のガスケットウェブを前記膜ウェブに貼り付ける前又は貼り付けた後に、触媒層を前記膜ウェブ上に配置する工程を更に含む、請求項１に記載の方法。
前記電解質膜が触媒被覆電解質膜を含み、
前記第１及び第２のガスケットウェブを前記膜ウェブに貼り付けることが、ガスケット付き触媒被覆膜ウェブを形成することを含む、請求項１に記載の方法。
第１のガス拡散層を前記ガスケット付き膜ウェブの活性領域の上に貼り付けること、及び
第２のガス拡散層を前記ガスケット付き膜ウェブの活性領域の上に貼り付けること、を更に含む、請求項１に記載の方法。
前記第１及び第２のガス拡散層が、実質的に同時に貼り付けられる、請求項６に記載の方法。
前記第１及び第２のガス拡散層が、逐次的に貼り付けられる、請求項６に記載の方法。
前記第１のガス拡散層が、前記第１のガスケット層の開口部内に設けられ、
前記第２のガス拡散層が、前記第２のガスケット層の開口部内に設けられる、請求項６に記載の方法。
前記第１のガス拡散層が、前記第１のガスケット層の前記開口部において前記第１のガスケット層の内縁部と重なり、
前記第２のガス拡散層が、前記第２のガスケット層の前記開口部において前記第２のガスケット層の内縁部と重なる、請求項６に記載の方法。
前記第１及び第２のガス拡散層が、触媒層を含む、請求項６に記載の方法。
前記接合ステーションにおいて前記第１及び第２のガスケットウェブを前記膜ウェブに貼り付けることに先立って、接着剤ライナーを前記第１及び第２のガスケット層の前記接着剤から取り外すこと、を更に含む、請求項１に記載の方法。
前記第１及び第２のガスケットウェブを前記膜ウェブに貼り付けることが、前記電解質膜が前記第１及び第２のガスケットウェブの縁部までクロスウェブ方向に延びないように、前記第１及び第２のガスケットウェブを前記膜ウェブに貼り付けることを含む、請求項１に記載の方法。
前記第１のガスケット層の前記接着剤が感圧性接着剤を含み、
前記第１のガスケットウェブを前記膜ウェブの前記第１の表面に貼り付けることが、接合ローラーを使用して前記第１のガスケット層の前記感圧性接着剤を介して、前記第１のガスケットウェブを前記膜ウェブの前記第１の表面に貼り付けることを含み、
前記第２のガスケット層の前記接着剤が感圧性接着剤を含み、
前記第２のガスケットウェブを前記膜ウェブの前記第２の表面に貼り付けることが、前記接合ローラーを使用して前記第２のガスケット層の前記感圧性接着剤を介して、前記第２のガスケットウェブを前記膜ウェブの前記第２の表面に貼り付けることを含む、請求項１に記載の方法。
前記第１のガスケット層の前記接着剤が、加熱活性化接着剤を含み、
前記第１のガスケットウェブを前記膜ウェブの前記第１の表面に貼り付けることが、加熱された接合ローラーを使用して前記第１のガスケット層の前記加熱活性化接着剤を介して、前記第１のガスケットウェブを前記膜ウェブの前記第１の表面に貼り付けることを含み、
前記第２のガスケット層の前記接着剤が、加熱活性化接着剤を含み、
前記第２のガスケットウェブを前記膜ウェブの前記第２の表面に貼り付けることが、前記加熱された接合ローラーを使用して前記第２のガスケット層の前記加熱活性化接着剤を介して、前記第２のガスケットウェブを前記膜ウェブの前記第２の表面に貼り付けることを含む、請求項１に記載の方法。
前記第１のガスケット層の前記接着剤が、紫外線硬化性接着剤を含み、
前記第１のガスケットウェブを前記膜ウェブの前記第１の表面に貼り付けることが、接合ローラー及び紫外光源を使用して前記第１のガスケット層の前記紫外線硬化性接着剤を介して、前記第１のガスケットウェブを前記膜ウェブの前記第１の表面に貼り付けることを含み、
前記第２のガスケット層の前記接着剤が、紫外線硬化性接着剤を含み、
前記第２のガスケットウェブを前記膜ウェブの前記第２の表面に貼り付けることが、前記接合ローラー及び前記紫外線源を使用して前記第２のガスケット層の前記紫外線硬化性接着剤を介して、前記第２のガスケットウェブを前記膜ウェブの前記第２の表面に貼り付けることを含む、請求項１に記載の方法。
前記第１のコンベアと第２のコンベアとの少なくとも一方が、真空ベルト、ローラー、又はキャリアウェブを含む、請求項１に記載の方法。
前記第１のガスケットウェブ、前記第２のガスケットウェブ、及び前記膜ウェブのうちの少なくとも１つが、真空コンベア上で搬送される、請求項１に記載の方法。
離間開口部を前記第１のガスケットウェブと前記第２のガスケットウェブとの一方又は双方に切り開く工程が、開口部のスラグの除去を促進する真空ロータリーダイを使用して前記離間開口部を切り開くことを含む、請求項１に記載の方法。
燃料電池構成要素を製造するための装置であって、
離間開口部を第１のガスケットウェブ内に切り開くように構成された第１の切断ステーションであって、前記第１のガスケットウェブが、接着剤を有する第１のガスケット層を備える、第１の切断ステーションと、
離間開口部を第２のガスケットウェブ内に切り開くように構成された第２の切断ステーションであって、前記第２のガスケットウェブが、接着剤を有する第２のガスケット層を備える、第２の切断ステーションと、
前記第１のガスケットウェブ、前記第２のガスケットウェブ、及び少なくとも１つの電解質膜を含む膜ウェブを搬送し支持するように構成された搬送機構と、
前記第１のガスケットウェブ、前記第２のガスケットウェブ、及び前記膜ウェブが、前記搬送機構によって互いに近づけられる接合ステーションであって、前記第１及び第２のガスケットウェブの前記接着剤を介して、前記第１のガスケットウェブ及び前記第２のガスケットウェブをそれぞれ前記膜ウェブの第１及び第２の表面に貼り付けるように構成された接合ステーションと、を備える装置。
前記接合ステーションが、前記第１のガスケットウェブを前記膜ウェブの前記第１の表面に貼り付けるように、かつそれと実質的に同時に、前記第２のガスケットウェブを前記膜ウェブの前記第２の表面に貼り付けるように構成された接合ローラーを備える、請求項２０に記載の装置。
前記接合ステーションが、
前記第１のガスケットウェブを前記膜ウェブの前記第１に貼り付けるように構成された第１の接合ローラーと、
前記第２のガスケットウェブを前記膜ウェブの前記第２の表面に貼り付けるように構成された第２の接合ローラーと、を備える、請求項２０に記載の装置。
前記膜ウェブが、触媒被覆膜ウェブを含む、請求項２０に記載の装置。
前記膜ウェブの露出した活性領域の上にガス拡散層を貼り付けるように構成された機構を更に備える、請求項２０に記載の装置。
前記ガス拡散層が触媒層を含む、請求項２４に記載の装置。
触媒が一部分は前記膜ウェブ上に、一部分は前記ガス拡散層上に設けられる、請求項２４に記載の装置。
前記接合ステーションにおいて、前記第１のガスケットウェブ、前記第２のガスケットウェブ、及び前記膜ウェブを互いに近づけるのに先立って、前記第１及び第２のガスケット層の各々の前記接着剤の前記接着剤ライナーを取り外すように構成された機構を更に備える、請求項２０に記載の装置。
前記機構が引き剥がしバー又はアイドラーを備える、請求項２７に記載の装置。
前記第１及び第２のガスケットウェブの前記接着剤が、感圧性接着剤を含み、
前記接合ステーションが、圧力を加えることによって、前記第１及び第２のガスケットウェブの前記膜ウェブへの貼り付けを促進するように構成されている、請求項２０に記載の装置。
前記第１及び第２のガスケットウェブの前記接着剤が、加熱活性化接着剤を含み、
前記接合ステーションが、熱を加えることによって、前記第１及び第２のガスケットウェブの前記膜ウェブへの貼り付けを促進するように構成されている、請求項２０に記載の装置。
前記第１及び第２のガスケットウェブの前記接着剤が、紫外線硬化性接着剤を含み、
前記接合ステーションが、紫外線硬化プロセスによって、前記第１及び第２のガスケットウェブの前記膜ウェブへの貼り付けを促進するように構成されている、請求項２０に記載の装置。
前記第１のコンベア機構及び第２のコンベア機構の少なくとも一方が、真空ベルト、ローラー、又はキャリアウェブを含む、請求項２０に記載の装置。
前記接合ステーションが、１つ又は複数の円筒状のローラーを備える、請求項２０に記載の装置。
前記第１のガスケットウェブ、前記第２のガスケットウェブ、及び前記膜ウェブのうちの少なくとも１つが、剥離可能な接着剤キャリアウェブ上で搬送される、請求項２０に記載の装置。
前記切断ステーションのうちの少なくとも１つが、ロータリーダイカッター、レーザーカッター、又はダイプレスを備える、請求項２０に記載の装置。
前記第１のガスケットウェブが、前記第２のガスケットウェブとは異なる材料を含む、請求項２０に記載の装置。
前記第１のガスケットウェブの厚さが、前記第２のガスケットウェブの厚さとは異なる、請求項２０に記載の装置。
燃料電池ロール品のサブアセンブリであって、
第１及び第２の表面を含む膜ウェブと、
前記膜ウェブの前記第１の表面上に設けられた第１の触媒層と、
前記膜ウェブの前記第２の表面上に設けられた第２の触媒層と、
ガスケット層及び接着剤を備える第１のガスケットウェブであって、前記第１のガスケットウェブが、前記第１のガスケットウェブの前記接着剤を介して、前記膜の前記第１の表面に貼り付けられ、前記第１のガスケットウェブ内の１つ又は複数の開口部が、前記第１の触媒層の１つ又は複数の活性領域を露出させる、第１のガスケットウェブと、
ガスケット層及び接着剤を備える第２のガスケットウェブであって、第２のガスケットウェブが、前記第２のガスケットウェブの前記接着剤を介して、前記膜の前記第２の表面に貼り付けられ、前記第２のガスケットウェブ内の１つ又は複数の開口部が、前記第２の触媒層の１つ又は複数の活性領域を露出させる、第２のガスケットウェブと、を備えるサブアセンブリ。
前記第１のガスケットウェブが、前記第１の触媒層の少なくとも一部分に重なる、請求項３８に記載のサブアセンブリ。
前記第１の触媒層の前記１つ又は複数の活性領域の上に設けられ、前記第１のガスケットウェブの少なくとも一部分に重なる、１つ又は複数の第１のガス拡散層と、
前記第２の触媒層の前記１つ又は複数の活性領域の上に設けられ、前記第２のガスケットウェブの少なくとも一部分に重なる、１つ又は複数の第２のガス拡散層と、を更に備える請求項３８に記載のサブアセンブリ。
前記第１の触媒層の前記１つ又は複数の活性領域の上に、かつ前記第１のガスケットウェブの開口部内に設けられた、１つ又は複数の第１のガス拡散層と、
前記第２の触媒層の前記１つ又は複数の活性領域の上に、かつ前記第２のガスケットウェブの開口部内に設けられた、１つ又は複数の第２のガス拡散層と、を更に備える、請求項３８に記載のサブアセンブリ。
前記第１及び第２のガスケットウェブの前記ガスケット層が、それぞれの接着剤を介して、互いに貼り付けられる、請求項３８に記載のサブアセンブリ。
前記膜ウェブが、前記第１及び第２のガスケットウェブの１つ又は複数の外側縁部まで延びない、請求項３８に記載のサブアセンブリ。
前記第１の触媒層が、前記第１のガスケットウェブの１つ又は複数の外側縁部まで延びない、請求項３８に記載のサブアセンブリ。
ハーフガスケット付き膜ウェブをロールツーロールプロセスで作製する方法であって、
離間開口部をガスケットウェブ内に切り開く工程であって、前記ガスケットウェブが、接着剤を有するガスケット層を備える工程と、
離間開口部を有する前記ガスケットウェブを接合ステーションに搬送する工程と、
少なくとも１つの電解質膜を備える膜ウェブを前記接合ステーションに搬送する工程と、
前記接合ステーションにおいて、前記ガスケット層の前記接着剤を介して、前記ガスケットウェブを前記膜ウェブの表面に貼り付ける工程と、を含む方法。
前記ガスケットウェブを前記膜ウェブに貼り付ける前又は貼り付けた後に、触媒層を前記膜ウェブ上に配置する工程を更に含む、請求項４５に記載の方法。
前記ガスケット層の前記接着剤が、感圧性接着剤を含み、
前記ガスケットウェブを前記膜ウェブの前記表面に貼り付ける工程が、接合ローラーを使用して前記ガスケット層の前記感圧性接着剤を介して、前記ガスケットウェブを前記膜ウェブの前記表面に貼り付けることを含む、請求項４５に記載の方法。
前記ガスケット層の前記接着剤が、加熱活性化接着剤を含み、
前記ガスケットウェブを前記膜ウェブの前記表面に貼り付ける工程が、加熱された接合ローラーを使用して前記ガスケット層の前記加熱活性化接着剤を介して、前記ガスケットウェブを前記膜ウェブの前記表面に貼り付けることを含む、請求項４５に記載の方法。
前記ガスケット層の前記接着剤が、紫外線硬化性接着剤を含み、
前記ガスケットウェブを前記膜ウェブの前記第１の表面に貼り付ける工程が、接合ローラー及び紫外光源を使用して、前記ガスケット層の前記紫外線硬化性接着剤を介して、前記ガスケットウェブを前記膜ウェブの前記表面に貼り付けることを含む、請求項４５に記載の方法。
開口部のスラグを開口部のスラグの収集トレーに搬送する工程を更に含む、請求項１９に記載の方法。
開口部のスラグを真空スクラップ処分プレナムに搬送する工程を更に含む、請求項１９に記載の方法。
前記第１の切断ステーション及び前記第２の切断ステーションの一方又は双方が、真空ロータリーダイを備える、請求項２０に記載の装置。
前記第１の切断ステーション及び前記第２の切断ステーションの一方又は双方が、前記真空ロータリーダイによって搬送された開口部のスラグを受けるように構成された、開口部のスラグの収集トレーを備える、請求項５２に記載の装置。
前記第１の切断ステーション及び前記第２の切断ステーションの一方又は双方が、前記真空ロータリーダイによって搬送された開口部のスラグを受けるように構成された真空スクラップ処分プレナムを備える、請求項５２に記載の装置。
第１のガス拡散層を前記ガスケット付き膜ウェブの活性領域の上に貼り付けることと、
第２のガス拡散層を前記ガスケット付き膜ウェブの活性領域の上に貼り付けること、を更に含む、請求項４５に記載の方法。
ハーフガスケット付き膜ウェブをロールツーロールプロセスで製造するための装置であって、
離間開口部をガスケットウェブ内に切り開くように構成された切断ステーションであって、前記ガスケットウェブが、接着剤を有するガスケット層を備える切断ステーションと、
前記ガスケットウェブ及び少なくとも１つの電解質膜を含む膜ウェブを搬送し支持するように構成された搬送機構と、
前記ガスケットウェブ及び前記膜ウェブが前記搬送機構によって互いに近づけられる接合ステーションであって、前記ガスケット層の前記接着剤を介して、前記ガスケットウェブを前記膜ウェブの表面に貼り付けるように構成された接合ステーションと、を備える装置。
燃料電池ロール品のサブアセンブリであって、
第１の表面を含む膜ウェブと、
ガスケット層及び接着剤を備えるガスケットウェブであって、前記ガスケットウェブが、前記ガスケットウェブの前記接着剤を介して、前記膜の前記第１の表面に貼り付けられ、前記第１のガスケットウェブ内の１つ又は複数の開口部が、前記膜ウェブの１つ又は複数の領域を露出させる、ガスケットウェブと、を備えるサブアセンブリ。