TWI501460B - 傳送機構以及傳送具撓性薄片材料的方法 - Google Patents

傳送機構以及傳送具撓性薄片材料的方法 Download PDF

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Description

傳送機構以及傳送具撓性薄片材料的方法
本發明是有關藉由使用可旋轉和可平移式頭部以用於傳送具撓性黏著膠膜的裝置和方法，與用於燃料電池之製造加工程序中的組裝墊片元件和薄膜電極組件特別有關。
依據質子交換薄膜技術之燃料電池一般是藉由將大量個別的電池層疊在一起而組裝成形。每一個電池包含與位於薄膜電極組件(MEA)任一側邊上之陽極板和陰極板相結合的薄膜電極組件(MEA)。墊片被用來確保沿著薄膜電極組件(MEA)之周圍具有流體密封件。
傳統式燃料電池10的典型佈局被表示於圖1中，為了清楚描述之目的，不同層是以分解圖形式來加以說明。固體聚合物離子傳送薄膜11被夾在陽極12與陰極13之間。一般而言，陽極12和陰極13二者係以例如是多孔碳之具導電性、多孔材料所組成，鉑和/或其他貴重金屬觸媒之細小顆粒被接合至多孔材料。陽極12和陰極13通常是直接被接合至薄膜11之個別的相鄰接表面。此種組合通常被稱為薄膜電極組件。
陽極流體流場平板14和陰極流體流場平板15將聚合物薄膜11與多孔電極層12、13夾在其間。中間背墊層12a、13a(亦被稱為擴散器或擴散層)亦可以被使用於陽極流體流場平板14與陽極12之間，且同樣地被使用於陰極流體 流場平板15與陰極13之間。背墊層12a、13a是多孔性，用以容許氣體擴散至陽極與陰極表面，以及從陽極與陰極表面擴散出去，且協助管理在電池內的水蒸氣和液體水。
流體流場平板14、15是由一種具導電性、非多孔材料所組成，藉由具導電性、非多孔材料與個別的陽極12或陰極13之電氣接觸能被產生。同時，流體流場平板是有助於流體燃料、氧化劑和/或反應產物被輸送和/或排放至多孔性電極12、13，或是從多孔性電極12、13中輸送和/或排放出流體燃料、氧化劑和/或反應產物。此項結果通常是藉由在流體流場平板之表面上成形流體流道而產生作用，例如是在表面上組成流到多孔性電極12、13之凹槽或溝槽16。
陽極和陰極流體流場平板14、15彼此之間是保持電氣隔離，且橫過平板14、15之流場是使用墊片來維持其流體密封性，墊片則被安置在介於流體流場平板與聚合物薄膜11之間之流場區域的周圍。
為了使有用的電力能被產生，例如是在圖1中所示之個別的電池必須被組裝成為較大型的電池組；藉由將許多電池層疊至一平面電池組，導致交替出現之陽極和陰極平板連接，此結果能被達成。將個別的電池以串聯之方式連接容許藉由電池組產生較高電壓，且將電池或電池組以並聯之方式連接則容許產生較大電流。許多電池組可以被用來產生電力，例如是用於氫氣動力車軸所需之電力單元。
大量的電池必須被組裝來形成每一個單獨的電池組。於是，此種電池組的製造是需要許多獨立的步驟，其中包 含組成每一個電池之不同層的精確定位。任何的未對準狀況將導致整個電池組失效，例如是藉由電氣短路或是經由來自燃料或氧化劑流道之洩漏情形。於是，對於燃料電池之應用而言，重要之處是用於組裝電池組的量產製造加工程序必須是快速、精確和可靠。
一項與此種燃料電池組之組裝有關的特別問題是關於例如是墊片之元件的精確定位和對準，由於墊片的性質是具有具撓性，於是，更加難以相對於其他具撓性不佳之元件(例如是金屬流體流場平板)來將墊片對準。墊片可以採用黏著性墊片材料之模切薄片的型式來供應，在將墊片安置於基材上(例如是在流體流場平板或薄膜電極組件(MEA)上)的定位之前，墊片是必須從背墊紙處取出。
不經由對準工具之協助，僅使用手是難以將此種黏著性材料加以精確定位，且係高度勞力密集。
另外一項與黏著性墊片材料之使用有關的問題是當墊片被應用至基材時，出現空氣夾雜物的可能性。於最後組裝之過程中，當壓力被施加時，由於空氣夾雜物導致墊片之一部位於壓力作動下，從其位置移動和產生流體洩漏情形，此種空氣夾雜物的存在將造成電池組之功能失效。
於是，本發明之一項目的是提出一項或更多項以上所提及之問題。
依照本發明，其中提供一種用於將具撓性薄片材料從 第一基材傳送至第二基材的機構，機構具有能夠相對於第一基材和第二基材而可旋轉和可平移之頭部，頭部包含具有外側表面之圓柱形彎曲部位，橫過外側表面是具有被構形用以施加空氣壓力至與外側表面相接觸之薄片材料的開口，使得頭部藉由頭部之旋轉和平移的組合，能夠將薄片材料從第一基材傳送至第二基材。
本發明解決了當將薄片材料傳送至第二基材上時所可能出現空氣夾雜物的問題。當本發明被應用至燃料電池之組裝時是特別有利，其中薄片材料是一種黏著性墊片材料。本發明亦容許薄片材料能夠以一種受到控制之方式而從第一基材處被上升離開，因此，將薄片材料的扭曲狀況減小到最少或是避免出現薄片材料的扭曲狀況。
機構以是被構形用以藉由施加負空氣壓力至開口而能夠從第一基材處來將薄片材料上升為較適宜，同時，在相對於薄片材料的表面來平移頭部之過程中，將頭部旋轉。
頭部可以被構形用以相對於固定的第一基材和第二基材而可旋轉和可平移，雖然在一些實施例中，頭部的一部份相對平移運動是可以藉由第一基材或第二基材之平移運動來得到。
機構亦可被構形用以藉由頭部橫過第二基材之表面的旋轉運動和平移運動組合來將薄片材料應用至第二基材。
機構可以被構形用以於將薄片材料應用至第二基材的表面之過程中，或是在將薄片材料應用至第二基材的表面之後，施加正空氣壓力至開口。
機構可以被構形用以於將薄片材料應用至第二基材的表面之過程中，橫過薄片材料之厚度來施加機械式壓力至第二基材。
在較佳實施例中，頭部之圓柱形彎曲部位相對於頭部之中央部位是可旋轉的，頭部之中央部位包含第一出入口，用以施加負壓力至在相對於中央部位之第一旋轉位置處的彎曲部位的開頭，以及包含第二出入口，用以施加正壓力至在相對於中央部位之第二旋轉位置處的彎曲部位的開口。
第一出入口和第二出入口與在彎曲部位內之開口可以被構形用以隨著彎曲部位相對於中央部位而被旋轉時，連續地施加空氣壓力至開口。
頭部之中央部位可以包含與第一出入口相連接的第一充氣部，第一出入口則是周圍地延伸圍繞於頭部中央部位之第一部件，以及包含與第二出入口相連接的第二充氣部，第二出入口則是周圍地延伸圍繞於頭部中央部位之第二部件。於是，第一充氣空間和第二充氣空間被構形用以依據彎曲部位相對於中央部位之旋轉位置，施加正壓力和負壓力至位於頭部之彎曲部位上的被選擇開口。
依照本發明之第二項觀點，其中提供一種用於將薄片材料從第一基材傳送至第二基材的方法，方法係使用依照本發明之第一項觀點的取放機構，方法包含以下步驟：將彎曲部位安置於薄片材料之上方；將彎曲部位旋轉和平移橫過薄片材料，同時，施加負 空氣壓力至在彎曲部位之外側表面內的開口；將位於頭部上之薄片材料從第一基材處平移至第二基材；以及藉由將彎曲部位旋轉和平移橫過第二基材之表面，將薄片材料應用至第二基材。
依照第二項觀點之方法以是被應用作為燃料電池製造方法的一部份為較適宜，其中薄片材料包含一種黏著性墊片材料，且第二基材包含用於燃料電池組件之平面電極元件，例如是陽極或陰極流體流場平板或是薄膜電極組件。
取放機構是經常被使用於製造加工程序中，例如是在印刷電路板上之表面黏著電子元件。此種機構通常使用施加真空作用之氣壓頭部，用以取得元件和將元件輸送至在電路板上之所需位置處，於釋放真空作用之前，將元件安置於定位。然而，由於剝除動作是需要用以從背墊紙處移除黏著性薄片，在未被調整用以施加至黏著性薄片材料之狀況下，此機構是無法被使用。
專利EP0291362揭示出一種用於稱重/定價貼標籤裝置之貼標籤機構，其中位於背托條上之自黏式標籤被進給至暫時夾持具上，標籤則是藉由真空作用而被保持於夾持具上。具有在偏心驅動機構上之載具的標籤傳送裝置是被用來將標籤從夾持具移至輸送位置，於輸送位置處，標籤被輸送至物品。載具包括具有出入口之襯墊，用以施加真空 作用或空氣壓力來握持住標籤或是從襯墊排放出標籤。然而，機構並不適合被用來連同取放機構一起被使用，且被構形用以針對如何難以被傳送之標籤提供有限程度的控制作用。
本發明之觀點可應用至以上之不同原理的組合，用以容許背部具黏著性的材料能夠被精確地和重複地從第一基材(黏著性材料被供應至第一基材上)被施加至第二基材(黏著性材料被施加至第二基材上)。以上結果的得到是藉由改良式取放機構之作動，改良式取放機構則是容許黏著性薄片材料能夠從第一基材處被剝除，到達取放頭部。接著，頭部被平移用以將薄片材料輸送至第二基材，且薄片是被捲起至第二基材上，於是，能夠精確地將薄片材料應用至定位和將介於薄片與基材之間的空氣夾雜物減小到最少，同時，亦利用到與取放機構之使用相結合之具彈性放置的優點。
本發明的原理在圖2和圖3中加以說明，以上二圖形表示出依照本發明一項觀點之相同加工程序的不同立體視圖，其中可旋轉和可平移式取放頭部201是被用來將具撓性薄片材料202從第一基材203傳送至第二基材204。加工程序則是以頭部201被操作經過在圖1和圖2中步驟A到L所示之一連串操作的型式來加以說明。
可旋轉和可平移式頭部201被安裝至機構(圖形中未表示出來)上，用以將頭部沿著垂直方向和水平方向來移動，同時，頭部201本身被構形用以旋轉。頭部201之圓 柱形彎曲部位205包含一連串橫過外側表面207之開口206，開口206是經由內部流道而被連接至用於施加負空氣壓力(或真空作用)之第一出入口208，且被連接至用於施加正空氣壓力之第二出入口209。出入口208、209與相關內部流道之配置方式是參考圖4和圖5而於下文中進一步詳加說明。
隨著頭部201在步驟A所示之位置處，開口206被連接至正空氣壓力出入口209，用以作動來使得先前被附著至彎曲部位之外側表面207的背墊紙210離開頭部201。接著，頭部201被平移橫過至第一基材203，用以取得被安置於第一基材203上之薄片材料202的一部位。薄片材料202可以例如是背部具黏著性之模切墊片材料薄片的一部位。在步驟B，頭部201之彎曲部位205是相對於頭部201之中央部位211來旋轉，使得一個或更多個朝向外側表面207之前導邊緣212的開口能夠被連接經過到達負壓力出入口208。
在步驟B到步驟F，頭部201是相對於第一基材203來平移，同時，頭部之彎曲部位205是相對於中央部位211來同步旋轉。此項結果的得到可以是藉由平移頭部201，同時，將第一基材203保持固定，或是另外一方面可以藉由將第一基材203相對於頭部201來平移而得到。此種相對平移和旋轉的作用是用以將黏著性薄片材料202從第一基材203傳送至頭部201之彎曲部位205的外側表面207。隨著彎曲部位205產生旋轉，更多個沿著外側表面之開口是 被連續地連接經過到達負壓力出入口208，使得薄片材料202能夠藉由真空作用而被握持於外側表面上。
如同在步驟F中之所示，彎曲部位205是相對於頭部之中央部位211而已旋轉大約四分之一圈，且薄片材料202是全部被握持於外側表面207。接著，頭部201被平移(於步驟G)橫過至第二基材204，且薄片材料202是逐步被傳送至第二基材204。隨著薄片材料被傳送，彎曲部位205是相對於中央部位211來旋轉，同時，頭部是相對於第二基材204來平移。圖2和圖3表示出隨著薄片材料202被傳送，視需要選用的保護用背墊紙210將被移除。
從步驟H到步驟L，在彎曲部位205內之開口是逐步被傳送，從與負壓力出入口208相連接變成到達正壓力出入口209，直到在步驟L，薄片材料202是全部被附著至第二基材，且背墊紙210僅有部份是與彎曲部位205之外側表面207相連接。在步驟H到步驟L之過程中，機械式壓力被施加橫過薄片材料的厚度，同時，頭部201被平移和旋轉橫過第二基材204，於是，作動來迫使介於薄片材料與第二基材之間的空氣流出，用以避免空氣夾雜物成形。如同步驟B到步驟F，步驟H到步驟L可以額外包括第二基材之平移動作，或是以第二基材之平移動作來取代頭部201之平移橫過第二基材204。
接著，加工程序於步驟A結束，在步驟A中，正壓力被施加經過開口，導致背墊紙210能夠從頭部201處被剝除與棄置。施加正壓力來導致背墊紙210能夠被移除之步 驟是藉由彎曲部位205進一步旋轉而得到，使得其中並無任何開口206被連接至負壓力出入口208。在背墊紙210被移除之後，加工程序接著是以下一個薄片材料的工件來重複施行。
惟有一旦薄片材料202已被傳送至第二基材時，正空氣壓力可以視需要而選用地被施加至正壓力出入口209，用以提供以下雙重目的：從頭部201分離出背墊紙210，以及施行清理操作，用以在下一個傳送操作進行之前，從頭部中移除任何殘留碎片。在一些實施例中，於傳送之操作過程中，負空氣壓力和正空氣壓力二者是被連續地供應至正空氣出入口209和負空氣出入口208。如同將於下文中進一步詳細說明之內容，僅藉由開口206在頭部201之彎曲外側部位205上而與頭部201之中央部位211相對的旋轉定位方向，如何將不同空氣壓力施加的控制方式得以被決定。於是，空氣壓力管線的額外控制方式(例如是使用一控制器和一個或更多個電磁閥)則並非是必要需求。
薄片材料(例如是一種黏著性墊片之型式)以是被構形成為相較於在墊片材料與第一基材之間，介於背墊紙與墊片材料之間是具有較高黏著度為較適宜，用以藉由施加如圖2和圖3中所示之真空作用，容許薄片材料202從第一基材處移除。
圖4說明可旋轉和可平移式頭部201之側視圖，其中表示出彎曲部位205具有開口206，開口206則是經由在頭部之中央部位211內的內部流道401而被連接經過到達出 入口208、209(參考圖2)。
圖5a、圖5b和圖5c表示出沿著在圖4中區段部分402、403、404所取之剖面視圖，其中內部流道或充氣部401之配置方式被進一步說明。沿著頭部201之中央部位211之外側周邊部位的第一流道401a、第二流道401b是被連接至負壓力出入口208，且第三流道401c是被連接至正壓力出入口209。在圖5a中之箭頭標示出空氣氣流經過在彎曲部位205內之開口，流入至第一流道401a朝向負壓力出入口208的方向。在圖5c中之箭頭標示出空氣氣流從正壓力出入口209經過第三流道401c，朝向在彎曲部位205內之開口的方向。於是，在一項一般性的觀點中，頭部201之中央部位211包含與第一出入口208相連接之第一充氣空氣401a/401b，第一充氣部則是周圍地延伸圍繞頭部201之中央部位211的第一部件。中央部位可以另外包含與第二出入口209相連接之第二充氣空氣401c，第二充氣部401c則是周圍地延伸圍繞頭部201之中央部位211的第二部件，第二部件是不同於第一部件。
圖5a到圖5c亦表示出藉由被連接至圍繞著中央部位211之可旋轉環501，彎曲部位205是如何相對於中央部位211來旋轉。將可旋轉環501相對於中央部位211，從在圖5a中之位置而以逆時針方向旋轉，導致沿著頭部201之彎曲部位205的連續出現開口206變成經由第一內部流道401a和第二內部流道401b而被連接至負壓力出入口208。另外一方面，將可旋轉環501從在圖5a中之位置而以順時 針方向旋轉，導致連續出現開口206變成經由第三內部流道401c而被連接至正壓力出入口209。
可旋轉環501可以被連接至伺服馬達，伺服馬達是連同平移機構一起被控制，用以於將薄片材料從第一基材傳送到第二基材之過程中，將旋轉運動與平移運動同步化。另外一方面，在加工程序之分離階段和應用階段的過程中，隨著頭部被平移橫過第一基材和第二基材，可旋轉環501的旋轉運動是可以藉由被施加橫過薄片材料之機械式壓力的作用而被驅動。依照本發明之機構可以結合傳統式取放機構來使用，傳統式取放機構可以是數值控制式或是以手動來控制。
頭部201之定位控制是藉由將一個或更多個突出樁和相對應孔洞安置於頭部之彎曲部位的外側表面上，以及在第一基材和第二基材上而得到。
介於可旋轉環與頭部之中央部位中間的摩擦狀況受控程度是可以藉由密封件之作動而得到，密封件是被提供用以確保得到用於在頭部內之內部流道所需的流體密封件，或是以上摩擦狀況的受控程度是可以經由使用另一元件(例如是內部具彈性之摩擦襯墊)而得到。
多重式頭部可以被使用於延伸軸上，延伸軸可以被構形用以平行操作於第一基材和第二基材上，其中包含用於將薄片材料加以傳送之多重式位置。
頭部之彎曲部位的旋轉運動可以單獨經由摩擦作用來得到，或是可以藉由帶有基材之機械式接合方式來控制 住，例如是經由使用一種齒條與小齒輪型式之配置方式。頭部之彎曲部位的伺服馬達控制亦可另外被使用。
在其他實施例中，頭部201可以被構形成為僅使用負壓力來操作，亦即是毋須供應正壓力來迫使背墊紙被釋放。取而代之，在將薄片材料應用至第二基材之後，背墊紙可以被容許從頭部移除，或是另一元件可以被用來以機械方式將背墊紙排出。在此種實施例中，頭部之內部出入口可以被構形成為使得在薄片已被沈積至第二基材204上之後，施加至背墊紙210的真空作用能夠被完全釋放。背墊紙可以例如是藉由頂出器元件之作動而從頭部被釋出，頂出器元件被構形用以於彎曲部位205旋轉超過在圖2之步驟L中所示之位置時，能夠從外側表面207往外突出。頂出器元件可以是一種機械式護套的型式，頂出器元件則是從位於在操作順序中之適宜位置點處的外側表面往外突出。此種替代實施例之一項優點是毋須採用正壓力管線。毋須採用正壓力管線的可能缺點則是背墊紙可能無法被可靠地從頭部被釋放，且因結合頂出器元件之結果將會增加頭部構造的複雜度。
如同隨附申請專利範圍所界定之內容，其他實施例亦是在本發明之範疇內。
10‧‧‧燃料電池
11‧‧‧固體聚合物離子傳送薄膜
12‧‧‧陽極
12a‧‧‧背墊層
13‧‧‧陰極
13a‧‧‧背墊層
14‧‧‧陽極流體流場平板
15‧‧‧陰極流體流場平板
16‧‧‧溝槽
201‧‧‧頭部
202‧‧‧薄片材料
203‧‧‧第一基材
204‧‧‧第二基材
205‧‧‧彎曲部位
206‧‧‧開口
207‧‧‧外側表面
208‧‧‧出入口
209‧‧‧出入口
210‧‧‧背墊紙
211‧‧‧中央部位
212‧‧‧前導邊緣
401‧‧‧流道
401a‧‧‧流道
401b‧‧‧流道
401c‧‧‧流道
402‧‧‧區段部分
403‧‧‧區段部分
404‧‧‧區段部分
501‧‧‧可旋轉環環
A‧‧‧步驟
B‧‧‧步驟
C‧‧‧步驟
D‧‧‧步驟
E‧‧‧步驟
F‧‧‧步驟
G‧‧‧步驟
H‧‧‧步驟
I‧‧‧步驟
J‧‧‧步驟
K‧‧‧步驟
L‧‧‧步驟
經由應用實例和參考隨附圖形，本發明之說明用實施例將於下文中進一步詳加描述，圖形中： 圖1為聚合物電解液薄膜燃料電池的概略立體橫剖面視圖；圖2為用於將薄片材料從第一基材傳送至第二基材之操作順序的第一立體視圖；圖3為圖2之操作順序的第二立體視圖；圖4為取放頭部的正視圖；以及圖5a到圖5c為圖4之取放頭部的不同橫剖面視圖。
201‧‧‧頭部
202‧‧‧具撓性薄片材料
203‧‧‧第一基材
204‧‧‧第二基材
205‧‧‧彎曲部位
206‧‧‧開口
207‧‧‧外側表面
208‧‧‧出入口
209‧‧‧出入口
210‧‧‧背墊紙
211‧‧‧中央部位
212‧‧‧前導邊緣
A‧‧‧步驟
B‧‧‧步驟
C‧‧‧步驟
D‧‧‧步驟
E‧‧‧步驟
F‧‧‧步驟
G‧‧‧步驟
H‧‧‧步驟
I‧‧‧步驟
J‧‧‧步驟
K‧‧‧步驟
L‧‧‧步驟

Claims (9)

  1. 一種用於將具撓性薄片材料從第一基材傳送至第二基材的機構，其中該薄片材料包含一用於燃料電池組件之具撓性元件以及該第二基材包含一用於燃料電池組件之較不具撓性的元件，該機構具有能夠相對於第一基材和第二基材而可旋轉和可平移之頭部，該頭部包含具有外側表面之圓柱形彎曲部位，橫過該外側表面是具有被構形用以施加空氣壓力至與該外側表面相接觸之薄片材料的開口，使得頭部藉由頭部之旋轉和平移的組合，能夠將該薄片材料從該第一基材傳送至該第二基材，其中該頭部之圓柱形彎曲部位相對於該頭部之中央部位是可旋轉的，該頭部之中央部位包含第一出入口，用於以該彎曲部位是在相對於該中央部位之第一旋轉位置處將負壓力施加至該等開口，以及包含第二出入口，用於以該彎曲部位是在相對於該中央部位之第二旋轉位置處將正壓力施加至該等開口。
  2. 如申請專利範圍第1項之機構，其中該機構被構形用以藉由施加負空氣壓力至該等開口而能夠從該第一基材處來將該薄片材料上升，同時，在相對於該薄片材料的表面來平移該頭部之過程中，將該頭部旋轉。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項之機構，其中該機構被構形用以藉由該頭部橫過該第二基材之表面的相對旋轉運動和平移運動組合來將該薄片材料應用至該第二基材。
  4. 如申請專利範圍第1項或第2項之機構，其中該機構被構形用以於將該薄片材料應用至該第二基材的表面之過 程中，或是在將該薄片材料應用至該第二基材的表面之後，施加正空氣壓力至開口。
  5. 如申請專利範圍第1項或第2項之機構，其中該機構被構形用以於將該薄片材料應用至該第二基材的表面之過程中，橫過該薄片材料之厚度來施加機械式壓力至該第二基材。
  6. 如申請專利範圍第1項之機構，其中第一出入口和第二出入口與在該彎曲部位內之開口被構形用以隨著該彎曲部位相對於該中央部位而被旋轉時，連續地施加空氣壓力至開口。
  7. 如申請專利範圍第6項之機構，其中該頭部之中央部位可以包含與該第一出入口相連接的第一充氣部，該第一出入口則是周圍地延伸圍繞於該頭部中央部位之第一部件，以及包含與該第二出入口相連接的第二充氣部，該第二出入口則是周圍地延伸圍繞於該頭部中央部位之第二部件。
  8. 一種用於將薄片材料從第一基材傳送至第二基材的方法，其中該薄片材料包含一用於燃料電池組件之具撓性元件以及該第二基材包含一用於燃料電池組件之較不具撓性的元件，該方法係使用如申請專利範圍第1項到第7項中任一項之機構，該方法包含以下步驟：將該彎曲部位安置於在該第一基材上的薄片材料之上方；將該彎曲部位旋轉和平移橫過該薄片材料，同時，施 加負空氣壓力至在該彎曲部位之外側表面內的開口；將位於該頭部上之薄片材料從該第一基材處平移至第二基材；以及藉由將該彎曲部位旋轉和平移橫過該第二基材之表面，將該薄片材料應用至該第二基材。
  9. 如申請專利範圍第8項之方法，其中該薄片材料包含一種墊片材料，且第二基材包含用於燃料電池組件之平面電極元件。
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