专利名称：传送机构的制作方法
技术领域：
本发明涉及通过使用可旋转和可平移式头部以用于传送挠性粘胶膜的装置和方法，特别是涉及用于燃料电池的制造加工程序中的组装垫片元件和薄膜电极组件。
背景技术：
基于质子交换薄膜技术的燃料电池一般是通过将大量独立的电池层叠在一起而组装成形。每一个电池均包含薄膜电极组件(MEA)，该薄膜电极组件(MEA)任一侧边上结合有阳极板和阴极板。使用垫片来确保围绕着薄膜电极组件(MEA)的流体密封。
图I中示出了传统式燃料电池10的典型布局，为了清楚描述的目的，以分解图的形式来说明不同的层。固体聚合物离子传送薄膜11被夹设在阳极12与阴极13之间。一般而言，阳极12和阴极13 二者是由例如多孔碳的导电性多孔材料所组成，钼和/或其它贵重金属催化剂的细小颗粒被结合到多孔材料中。阳极12和阴极13通常是直接被结合至薄膜11的相应的邻接表面。这种组合通常被称为薄膜电极组件。阳极流体流场板14和阴极流体流场板15将聚合物薄膜11与多孔电极层12、13夹在其间。在阳极流体流场板14与阳极12之间还可使用中间背层12a、13a (也被称为扩散部或扩散层)，且中间背层可同样被使用于阴极流体流场板与阴极之间。背层12a、13a是多孔性的，以容许气体扩散至阳极与阴极表面，以及从阳极与阴极表面扩散出去，且协助处理电池内的水蒸气和液态水。流体流场板14、15由一种导电性的非多孔材料构成，由此能够产生与相应的阳极12或阴极13的电接触。同时，流体流场板有助于使流体燃料、氧化剂和/或反应产物输送和/或排放至多孔性电极12、13或从多孔性电极12、13中输送和/或排放出。这一结果通常是通过在流体流场板的表面上形成流体流道来实现的，例如是表面中设有的通到多孔性电极12、13的凹槽或沟槽16。阳极和阴极流体流场板14、15彼此之间保持电隔离，且横越板14、15的流场是使用垫片来维持其流体密封性，这些垫片是围绕介于流体流场板与聚合物薄膜11之间的流场区域设置的。为了能产生可用的电量，例如在图I中所示的个别的电池必须被组成为较大的电池组。这能够通过将多个电池层叠为一平面电池组来实现，导致交替的阳极和阴极板连接。将个别的电池以串联方式连接，容许借助电池组产生较高电压，而将电池或电池组以并联方式连接则容许产生较大电流。可使用多重电池组来产生电力，例如用于氢气动力车辆所需的电力单元。大数量的电池需被组装形成每个单独的电池组。因此，这种电池组的制造是需要许多独立的步骤，其中包含组成每一个电池的不同层的精确定位。任何的未对准状况将导致整个电池组失效，例如由于电气短路或是通过从燃料或氧化剂流道的泄漏所致。因此，对于将燃料电池技术应用于批量生产而言，重要之处是用于组装电池组的制造加工程序必须是快速、精确和可靠的。
一项与这种燃料电池组的组装有关的特别的问题涉及例如垫片的元件的精确定位和对准，由于垫片的性质为具有挠性，因此更加难以将垫片相对于其它挠性不佳的元件(例如是金属流体流场板)来对准。垫片可以采用粘性垫片材料的模切薄片的形式来供给，在将垫片安置于基材上(例如流体流场板或薄膜电极组件(MEA)上)的定位之前，必须将垫片从背纸上移下。不利用对准工具的协助而仅使用手，难以将这种粘性材料精确定位，且十分耗费劳力。另一项与粘性垫片材料的使用有关的问题是，当垫片被应用(贴附)至基材时可能产生空气夹杂物。在最后组装的过程中，当压力被施加时，由于空气夹杂物导致垫片的一部分从其受压位置移动并产生流体泄漏，因此这种空气夹杂物的存在可能造成电池组失效
发明内容
于是，本发明的一个目的是应对一项或更多项以上所提及的问题。依照本发明，提供一种用于将挠性薄片材料从第一基材传送至第二基材的机构，该机构具有能够相对于第一基材和第二基材旋转和平移的头部，该头部包含具有外侧表面的圆柱形弯曲部，横越该外侧表面设有多个开口，这些开口被构造为用以施加空气压力至与该外侧表面相接触的薄片材料，使得该头部借助该头部的旋转运动和平移运动的结合而能够将薄片材料从第一基材传送至第二基材。本发明解决了当将薄片材料传送至第二基材上时可能出现的空气夹杂物的问题。当本发明被应用至燃料电池的组装时是特别有利的，其中薄片材料是一种粘性垫片材料。本发明还容许薄片材料能够以一种受控的方式从第一基材处被提升离开，因此最小化或避免了薄片材料的扭曲状况。该机构优选地被构造为能够通过施加负空气压力至开口而将薄片材料从第一基材提升，同时，在将头部相对于薄片材料的表面平移的过程中使该头部旋转。头部可以被构造为能够相对于固定的第一基材和第二基材而旋转和平移，虽然在一些实施例中，头部的相对平移运动的一部分是可以通过第一基材或第二基材的平移运动来得到。该机构还可被构造为通过将该头部横越该第二基材的表面的旋转运动和平移运动相结合，来将薄片材料应用至第二基材。该机构可以被构造为在将薄片材料应用至第二基材的表面的过程中，或是在将薄片材料应用至第二基材的表面之后，施加正空气压力至开口。该机构可以被构造为在将薄片材料应用至第二基材的表面的过程中，横贯该薄片材料的厚度施加机械压力至第二基材。在较佳实施例中，头部的圆柱形弯曲部相对于头部的中央部是可旋转的，该头部的中央部包含第一出入口，用以在弯曲部处于相对于中央部的第一旋转位置时，施加负压力至开口 ；以及第二出入口，用以在弯曲部处于相对于中央部的第二旋转位置时，施加正压力至开口。第一出入口和第二出入口以及弯曲部内的开口可以被构造为随着弯曲部相对于中央部被旋转时，连续地施加空气压力至这些开口。
头部的中央部可以包含与第一出入口相连接的第一充气部(plenum)，该第一出入口则围绕头部的中央部的第一部分周向延伸；以及与第二出入口相连接的第二充气部，该第二出入口则围绕头部的中央部的第二部分周向延伸。于是，第一充气部和第二充气部被构造为用以依据弯曲部相对于中央部的旋转位置，施加正压力和负压力至位于头部的弯曲部上的选定的开口。依照本发明的第二方面，提供一种用于将薄片材料从第一基材传送至第二基材的方法，该方法使用依照本发明的第一方面的取放机构，该方法包含以下步骤将弯曲部安置于薄片材料的上方；将该弯曲部横越该薄片材料旋转和平移，同时，施加负空气压力至该弯曲部的外侧表面中的开口；将位于该头部上的薄片材料从第一基材平移至第二基材；以及
通过将该弯曲部横越第二基材的表面旋转和平移，将薄片材料应用至第二基材。依照该第二方面的该方法被作为燃料电池制造方法的一部分而应用是优选的，其中薄片材料包含一粘性垫片材料，且第二基材包含用于燃料电池组件的平面电极元件，例如是阳极或阴极流体流场板或薄膜电极组件。
在下文中将通过实例并参考随附的附图进一步详加描述本发明的说明性实施例，在附图中图I为聚合物电解质薄膜燃料电池的示意性分解剖视图；图2为用于将薄片材料从第一基材传送至第二基材的操作工序的第一立体图；图3为图2的操作工序的第二立体图；图4为取放头部的正视图；以及图5a到图5c为图4的取放头部的不同的剖视图。
具体实施例方式取放机构常用于制造加工程序中，例如用于印刷电路板上的表面安装电子元件中。这种机构通常使用施加真空作用的气压头部，用以拾取元件和将元件传送至电路板上的所需位置处，在释放真空作用之前将元件安置就位。然而，由于需要剥离操作来将粘性薄片从背衬(backing)处移除，因此若不对施加粘性薄片材料进行改变，此机构将无法被使用。专利EP0291362揭示了一种用于重量/价格贴标签装置的贴标签机构，其中位于背衬条上的自粘式标签被进给至暂时保持器上，标签是借助真空作用而被保持于保持器上。具有位于偏心驱动机构上的载具的卷标传送装置被用来将卷标从保持器移至输送位置，在输送位置处，卷标被输送给一物品。载具包括具有多个出入口的衬垫，这些出入口用以施加真空作用或空气压力来保持住标签或将标签从衬垫处卸放。然而，该机构并不适合被用来连同取放机构一起使用，且该机构被构造为针对不同标签的传送仅能提供有限程度的控制。本发明的方面将以上的不同原理组合应用，以容许背部具粘性的材料能够被精确地和可重复地从第一基材(粘性材料被供给至该第一基材上)被施加至第二基材(粘性材料待被施加至第二基材上)。这一结果是借助改良式取放机构的操作而得到的，改良式取放机构容许粘性薄片材料能够从第一基材处被剥除并被拾取到取放头部上。随后，头部被平移以将薄片材料输送至第二基材，且薄片是被卷起至第二基材上，由此能够精确地将薄片材料应用就位并将介于薄片与基材之间的空气夹杂物减小到最少，同时，还利用了与取放机构的使用相关联的放置灵活性。本发明的原埋在图2和图3中加以说明，此二图示出了依照本发明一方面的相同加工程序的不同立体视图，其中可旋转和可平移式取放头部201被用于将挠性薄片材料202从第一基材203传送至第二基材204。加工程序是以头部201被操作经过图I和图2中的步骤A至L所示的一连串操作的形式来加以说明。可旋转和可平移式头部201被安装到一机构(图中未示出)上，用以将头部沿着垂直方向和水平方向移动，同时，头部201本身被构造为用以旋转。头部201的圆柱形弯曲部205包含横越外侧表面207的一连串开口 206，开口 206经由内部流道而被连接至用于施加负空气压力(或真空作用)的第一出入口 208，并且被连接至用于施加正空气压力的第二出 入口 209。出入口 208、209与相关联的内部流道的配置方式则参考图4和图5而于下文中进一步详加说明。随着头部201处于步骤A所示的位置处，开口 206被连接至正空气压力出入口209，其用以迫使先前被附着至弯曲部的外侧表面207的背纸210离开头部201。随后，头部201被平移横越至第一基材203以拾取被安置于第一基材203上的薄片材料202的一部分。薄片材料202可以例如是模切的背部具粘性的垫片材料薄片的一部分。在步骤B，头部201的弯曲部207相对于头部201的中央部211被旋转，使得一个或更多个朝向外侧表面207的前边缘212的开口能够被连通到负压力出入口 208。在步骤B到步骤F中，头部201相对于第一基材203平移，同时，头部的弯曲部205相对于中央部211同步旋转。此结果可通过在将第一基材203保持固定的同时平移头部201，或者可通过将第一基材203相对于头部201平移而得到。这种相对平移和旋转的作用是为了将粘性薄片材料202从第一基材203传送至头部201的弯曲部205的外侧表面207。随着弯曲部205旋转，更多个沿着外侧表面的开口被连续地连通到负压力出入口 208，使得薄片材料202能够借助真空作用而被保持于外侧表面上。如同在步骤F中所示，弯曲部205已相对于头部的中央部211旋转大约四分之一圈，且薄片材料202全部被保持于外侧表面207。随后，头部201被平移(步骤G)横越至第二基材204，且薄片材料202逐步被传送至第二基材204。随着薄片材料被传送，弯曲部205相对于中央部211旋转，同时头部相对于第二基材204平移。图2和图3示出随着薄片材料202被传送，可选用的保护性背纸210被移除。从步骤H到步骤L，弯曲部205内的开口逐步被传送，从与负压力出入口 208相连接到与正压力出入口 209相连接，直至在步骤L薄片材料202全部被附着至第二基材，且背纸210仅有部分与弯曲部205的外侧表面207相连接。在步骤H到步骤L的过程中，机械压力横贯薄片材料的厚度被施加，同时头部201横越第二基材204被平移和旋转，由此用以迫使介于薄片材料与第二基材之间的空气流出，以避免空气夹杂物成形。如同步骤B到步骤F，除了头部201的平移横越第二基材204的运动之外，步骤H到步骤L还可以包括第二基材的平移运动，或是以第二基材的平移动作来取代头部201的平移横越第二基材204的运动。随后，加工程序于步骤A结束，在步骤A中，正压力经过开口被施加，使得背纸210能够从头部201处掉落并弃置。施加正压力而导致背纸210被移除的步骤是通过弯曲部205进一步旋转而实现，使得其中并无任何开口 206被连接至负压力出入口 208。在背纸210被移除之后，加工程序即针对下一个薄片材料件而重复地施行。仅当薄片材料202已被传送至第二基材时，可选地将正空气压力施加至正压力出入口 209，用以提供以下双重目的从头部201分离出背纸210以及施行清理操作，以在下一个传送操作进行之前，从头部中移除任何残留碎片。在一些实施例中，在传送操作过程中，负空气压力和正空气压力二者被连续地供给至正空气出入口 209和负空气出入口 208。如同将于下文中进一步详细说明的那样，仅借助头部201的弯曲外侧部205上的开口 206相对于头部201的中央部211的旋转定位方向，来决定如何施加不同空气压力的控制。因此，气体压力管线的额外控制(例如使用一控制器和一个或更多个电磁阀)将不是必然需要的。 薄片材料(例如一种粘性垫片的形式)被优选构造为，在背纸与垫片材料之间比在垫片材料与第一基材之间具有更高的粘着度，用以借助施加真空作用，容许薄片材料202从第一基材处移除，如图2和图3中所示。图4说明可旋转和可平移式头部201的侧视图，其中示出了弯曲部205具有开口206，开口 206经由头部的中央部211中的内部流道401而被连通到出入口 208、209(图2)。图5a、图5b和图5c示出沿着图4中的截面402、403、404截取的剖面图，其中进一步说明了内部流道或充气部401的配置方式。沿着头部201的中央部211的外侧周边部分的第一流道40la、第二流道401b被连接至负压力出入口 208，且第三流道401c被连接至正压力出入口 209。图5a中的箭头标示出空气的方向是流经弯曲部205内的开口流入至第一流道401a朝向负压力出入口 208，图5c中的箭头标示出空气流的方向是从正压力出入口209经过第三流道401c朝向在弯曲部205内的开口。于是，在一般情况下，头部201的中央部211包含与第一出入口 208相连接的第一充气部401a/401b，第一充气部围绕头部201的中央部211的第一部分周向延伸。中央部可以另外包含与第二出入口 209相连接的第二充气部401c，第二充气部401c围绕头部201的中央部211的第二部分周向延伸，该第二部分不同于第一部分。图5a至图5c还示出如何通过被连接至围绕中央部211的可旋转环501，而使弯曲部205相对于中央部211可旋转。将可旋转环501从图5a中的位置相对于中央部211以逆时针方向旋转，导致绕着头部201的弯曲部205连续的开口 206变成为经由第一内部流道401a和第二内部流道401b被连接至负压力出入口 208。另一方面，将可旋转环501从图5a中的位置以顺时针方向旋转，导致连续的开口 206变成为经由第三内部流道401c被连接至正压力出入口 209。可旋转环501可以被连接至伺服马达，该伺服马达与平移机构一起被控制，以在将薄片材料从第一基材传送到第二基材的过程中，将旋转运动与平移运动同步化。或者，在加工程序的分离阶段和应用(贴附)阶段中，随着头部横越第一基材和第二基材被平移，可以借助被施加的横越薄片材料的机械压力来致动可旋转环501的旋转运动。依照本发明的机构可以结合传统式取放机构来使用，传统式取放机构可以是数控式或手控式机构。头部201的定位配准(positional registration)是通过在头部的弯曲部的外侧表面上以及第一基材和第二基材上实体地设置一个或更多个突出桩和相对应的孔洞来实现。介于可旋转环与颈部的中央部之间的摩擦的受控程度是可以借助密封件来实现(该密封件被提供以确保得到头部中的内部流道所需的流体密封)，或者可通过使用另一元件(例如内部具弹性的摩擦衬垫)来实现。可以在延伸轴上使用多重头部，其可以被构造为用以平行操作于包含用于传送入和传送出薄片材料的多重位置的第一基材和第二基材上。头部的弯曲部的旋转运动可以单独地通过摩擦来实现，或者可以通过与基材的机械接合，例如通过使用一种齿条与小齿轮型式的配置方式来控制。或者可以使用对头部的 弯曲部的伺服马达控制。在备选实施例中，头部201可以被构造成为能仅利用负压力来操作，亦即无需供给正压力来迫使背纸被释放。取而代之，在将薄片材料应用至第二基材之后，可容许将背纸从头部移除，或是可使用另一元件以机械方式将背纸卸下。在此实施例中，头部的内部出入口可以被构造成为使得在薄片已被放置至第二基材204上之后，施加至背纸210的真空作用能够被完全释放。背纸例如可以借助顶出器组件的操作而从头部被释放，顶出器组件被构造为用以在弯曲部205旋转超过图2的步骤L中所示的位置时，能够从外侧表面207往外突出。顶出器组件可以是一种机械式护套的形式，其从位于操作工序中的合适的位置点处的外侧表面向外突出。这一备选实施例的一个优点是无需采用正压力管线。无需采用正压力管线的可能的缺点是背纸可能无法被可靠地从头部被释放，且因结合顶出器元件而将会增加头部构造的复杂度。如随附的权利要求书所界定的那样，其它的实施例也处于本发明的范围内。
权利要求
1.一种用于将挠性薄片材料从第一基材传送至第二基材的机构，该机构具有能够相对于该第一基材和第二基材旋转和平移的头部，该头部包含具有外侧表面的圆柱形弯曲部，横越该外侧表面设有多个开口，所述开口被构造为用以施加空气压力至与该外侧表面相接触的薄片材料，使得该头部借助该头部的旋转运动和平移运动的结合而能够将该薄片材料从该第一基材传送至该第二基材。
2.如权利要求I所述的机构，其中该机构被构造为通过施加负空气压力至所述开口，同时，在该头部相对于该薄片材料的表面平移的过程中使该头部旋转，而将该薄片材料从该第一基材处提升。
3.如权利要求I或2所述的机构，其中该机构被构造为通过将该头部横越该第二基材的表面的相对旋转运动和相对平移运动相结合，而将该薄片材料应用至该第二基材。
4.如前述权利要求任一项所述的机构，其中该机构被构造为在将该薄片材料应用到该第二基材的表面的过程中，或是在将该薄片材料应用至该第二基材的表面之后，施加正空气压力至所述开口。
5.如前述权利要求任一项所述的机构，其中该机构被构造为在将该薄片材料应用至该第二基材的表面的过程中，横贯该薄片材料的厚度施加机械压力至该第二基材。
6.如前述权利要求任一项所述的机构，其中该头部的圆柱形弯曲部能够相对于该头部的中央部旋转，该头部的中央部包含第一出入口，用以在该弯曲部处于相对于该中央部的第一旋转位置时，施加负压力至所述开口 ；以及第二出入口，用以在该弯曲部处于相对于该中央部的第二旋转位置时，施加正压力至所述开口。
7.如权利要求6所述的机构，其中所述第一出入口和第二出入口以及该弯曲部内的开口被构造为随着该弯曲部相对于该中央部被旋转时，连续地施加空气压力至所述开口。
8.如权利要求7所述的机构，其中该头部的中央部包含与该第一出入口相连接的第一充气部，该第一出入口围绕该头部的中央部的第一部分周向延伸；以及与该第二出入口相连接的第二充气部，该第二出入口围绕该头部的中央部的第二部分周向延伸。
9.一种用于将薄片材料从第一基材传送至第二基材的方法，该方法使用如权利要求I至8中任一项所述的机构，该方法包含以下步骤 将该弯曲部安置于该第一基材上的薄片材料的上方； 将该弯曲部横越该薄片材料旋转和平移，同时施加负空气压力至该弯曲部的外侧表面中的开口 ； 将位于该头部上的薄片材料从该第一基材平移至第二基材；以及 通过将该弯曲部横越该第二基材的表面旋转和平移，将该薄片材料应用至该第二基材。
10.一种包含如权利要求9所述的方法的燃料电池制造方法，其中该薄片材料包含一垫片材料，且该第二基材包含用于燃料电池组件的平面电极元件。
11.一种基本上根据此处参照图2、图3、图4及图5a至图5c的文字说明所述的用于将薄片材料从第一基材传送至第二基材的方法。
12.—种基本上根据此处参照图2、图3、图4及图5a至图5c的文字说明所述的用于将薄片材料从第一基材传送至第二基材的机构。
全文摘要
本发明涉及一种用于将挠性薄片材料(202)从第一基材(203)传送至第二基材(204)的机构，该机构具有能够相对于第一基材和第二基材旋转和平移的头部，该头部(201)包含具有外侧表面(207)的圆柱形弯曲部(205)，横越该外侧表面设有多个开口(206)，这些开口被构造为用以施加空气压力至与外侧表面(207)相接触的薄片材料(202)，使得头部(201)借助该头部(201)的旋转运动和平移运动的结合而能够将薄片材料(202)从第一基材(203)传送到第二基材(204)。
文档编号B63B35/14GK102781798SQ201080061422
公开日2012年11月14日 申请日期2010年12月31日 优先权日2010年1月15日
发明者彼得·戴维·胡德 申请人:智慧能量有限公司