(57)【要約】装置および方法は、スタックに配列された薄く実質的に多孔性の材料層をシンギュレートすることを提供する。ピックヘッドを材料層スタックより上に位置決めする。接着テープとピックヘッドとの間で真空を用いることによって、ピックヘッドに対して接着テープを安定させる。安定された接着テープと最上材料層との間で接触を行う。ピックヘッドを移動させて、最上材料層をスタックから所定の位置に移動させる。所定の位置にある間、最上材料層から接着テープを分離する。シンギュレーション装置および方法は、自動燃料電池組立ての間、ＦＴＬのマガジンから個別の多孔性流体輸送層（ＦＴＬ）をデスタックするのに特によく適している。
2005522011.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スタック（ＦＴＬスタック）に配列された複数の多孔性燃料電池流体輸送層（ＦＴＬ）をシンギュレートする方法であって、前記ＦＴＬスタックが、最上ＦＴＬを含み、前記方法が、
ピックヘッドを前記ＦＴＬスタックより上に位置決めする工程と、
接着テープと前記ピックヘッドとの間で真空を用いることによって、前記ピックヘッドに対して前記接着テープを安定させる工程と、
前記安定された接着テープと前記最上ＦＴＬとの間の接触を行う工程と、
前記ピックヘッドを移動させて、前記最上ＦＴＬを前記ＦＴＬスタックから所定の位置に移動させる工程と、
前記所定の位置にある間、前記最上ＦＴＬから前記接着テープを分離する工程と、
その後の最上ＦＴＬについて、前記位置決めする工程、安定させる工程、行う工程、移動させる工程、および分離する工程を繰返す工程とを含む、方法。
【請求項２】
前記ピックヘッドと前記最上ＦＴＬとの間の距離を測定する工程をさらに含み、接触を行う工程が、前記接着テープが前記最上ＦＴＬと接触するように、少なくとも前記測定された距離だけ、前記ピックヘッドを移動させる工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記距離を測定する工程が、前記ピックヘッドと前記最上ＦＴＬとの間の距離を超音波測定する工程を含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記接着テープを分離する工程が、前記ピックヘッドのストリッパ機構を延在させて、前記最上ＦＴＬからの前記接着テープの分離を行う工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記接着テープを分離する工程が、前記最上ＦＴＬから前記接着テープを分離した後、前記ストリッパ機構を引っ込める工程をさらに含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記最上ＦＴＬから前記接着テープを分離した後、前記接着テープを前進させて、前記ピックヘッドに近接して未使用の接着剤を提供する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記最上ＦＴＬから前記接着テープを分離した後、かつ、前記接着テープを前進させる前に、前記接着テープと前記ピックヘッドとの間の真空を除去する工程をさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記ＦＴＬスタックが静止しており、接触を行う工程が、前記接着テープが前記最上ＦＴＬと接触するように、前記ピックヘッドを移動させる工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
接触を行う工程が、前記接着テープが前記最上ＦＴＬと接触するように、前記ピックヘッドを垂直に移動させる工程を含み、前記ピックヘッドを移動させる工程が、前記ピックヘッドを水平に移動させて、前記最上ＦＴＬを前記所定の位置に移動させる工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記ピックヘッドにおける前記接着テープの有無を検出する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記最上ＦＴＬから前記接着テープを分離する工程が、約０．２５４ｍｍ（約０．０１ｉｎ）から約０．５０８ｍｍ（約０．０２ｉｎ）の位置公差で、前記所定の位置で、前記最上ＦＴＬから前記接着テープを分離する工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
スタックに配列された複数の薄く実質的に多孔性の材料層をシンギュレートする方法であって、前記材料層スタックが、最上材料層を含み、前記方法が、
ピックヘッドを前記材料層スタックより上に位置決めする工程と、
接着テープと前記ピックヘッドとの間で真空を用いることによって、前記ピックヘッドに対して前記接着テープを安定させる工程と、
前記安定された接着テープと前記最上材料層との間の接触を行う工程と、
前記ピックヘッドを移動させて、前記最上材料層を前記スタックから所定の位置に移動させる工程と、
前記所定の位置にある間、前記最上材料層から前記接着テープを分離する工程と、
その後の最上材料層について、前記位置決めするプロセス、安定させるプロセス、行うプロセス、移動させるプロセス、および分離するプロセスを繰返す工程とを含む、方法。
【請求項１３】
前記ピックヘッドと前記最上材料層との間の距離を測定する工程をさらに含み、接触を行う工程が、前記接着テープが前記最上材料層と接触するように、少なくとも前記測定された距離だけ、前記ピックヘッドを移動させる工程をさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記距離を測定する工程が、前記ピックヘッドと前記最上材料層との間の距離を超音波測定する工程を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記接着テープを分離する工程が、前記ピックヘッドのストリッパ機構を延在させて、前記最上材料層からの前記接着テープの分離を行う工程を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
前記接着テープを分離する工程が、前記最上材料層から前記接着テープを分離した後、前記ストリッパ機構を引っ込める工程をさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記最上材料層から前記接着テープを分離した後、前記接着テープを前進させて、前記ピックヘッドに近接して未使用の接着剤を提供する工程をさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
前記最上材料層から前記接着テープを分離した後、かつ、前記接着テープを前進させる前に、前記接着テープと前記ピックヘッドとの間の真空を除去する工程をさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記材料層スタックが静止しており、接触を行う工程が、前記接着テープが前記最上材料層と接触するように、前記ピックヘッドを移動させる工程を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項２０】
接触を行う工程が、前記接着テープが前記最上材料層と接触するように、前記ピックヘッドを垂直に移動させる工程を含み、前記ピックヘッドを移動させる工程が、前記ピックヘッドを水平に移動させて、前記最上材料層を前記所定の位置に移動させる工程を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項２１】
前記ピックヘッドにおける前記接着テープの有無を検出する工程をさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項２２】
前記最上材料層から前記接着テープを分離する工程が、約０．２５４ｍｍ（約０．０１ｉｎ）から約０．５０８ｍｍ（約０．０２ｉｎ）の位置公差で、前記所定の位置で、前記最上材料層から前記接着テープを分離する工程を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項２３】
スタック（ＦＴＬスタック）に配列された複数の多孔性燃料電池流体輸送層（ＦＴＬ）をシンギュレートする装置であって、前記ＦＴＬスタックが、最上ＦＴＬを含み、前記装置が、
ピック領域と、前記ピック領域に近接して位置するストリッパ機構と、前記ピック領域に配置された真空ポートとを含むピックヘッドであって、前記真空ポートが、真空システムに結合するように適合されている、ピックヘッドと、
前記ピック領域における前記真空ポートに近接した接着テープの移動を制御するテープ駆動機構と、
前記ピックヘッドを垂直および水平に移動させるように制御可能である、前記ピックヘッドを支持する位置決めシステムと、
制御装置であって、前記制御装置が、前記接着テープが前記最上ＦＴＬと接触するように前記ピックヘッドを移動させるように前記位置決めシステムを制御するようにプログラムされ、前記接着テープが、前記接着テープと前記ピック領域との間の真空によって前記ピック領域で安定され、前記制御装置が、前記ピックヘッドを所定の位置に移動させるように前記位置決めシステムをさらに制御するようにプログラムされ、前記ストリッパ機構が、前記所定の位置で前記接着テープから前記最上ＦＴＬを分離するように作動する、制御装置とを含む、装置。
【請求項２４】
前記制御装置が、前記ＦＴＬスタックからのＦＴＬのシンギュレーションの繰返しを行うようにプログラムされる、請求項２３に記載の装置。
【請求項２５】
前記テープ駆動機構が、前記ピックヘッドに連結されている、請求項２３に記載の装置。
【請求項２６】
前記テープ駆動機構が、前記ピックヘッドから分離している、請求項２３に記載の装置。
【請求項２７】
前記テープ駆動機構が、巻取り機構と、繰出し機構とを含み、前記巻取り機構および繰出し機構が、協働して、前記接着テープの未使用の接着剤が前記ピック領域で提供されるように前記接着テープを移動させる、請求項２３に記載の装置。
【請求項２８】
前記巻取り機構および繰出し機構が、各々、ロールを含み、前記接着テープが、前記繰出し機構のロールから繰出され、前記巻取り機構のロール上に巻かれる、請求項２７に記載の装置。
【請求項２９】
前記巻取り機構が、ローラクラッチニードルベアリングと、ブレーキとを含み、前記ローラクラッチニードルベアリングおよびブレーキが、協働して、前記繰出し機構から前記巻取り機構に順方向に前記接着テープを割出しする、請求項２７に記載の装置。
【請求項３０】
前記ピックヘッドが、空気圧シリンダと、リンケージとを含み、前記空気圧シリンダおよびリンケージが、協働して、前記繰出し機構と前記巻取り機構との間で、前記接着テープを前進させる、請求項２７に記載の装置。
【請求項３１】
前記ピックヘッドが、空気圧シリンダと、リンケージとを含み、前記空気圧シリンダおよびリンケージが、協働して、前記ストリッパ機構を作動する、請求項２３に記載の装置。
【請求項３２】
前記ストリッパ機構が、前記接着テープから前記最上ＦＴＬを分離するために前記所定の位置で作動されるように、前記空気圧シリンダを制御するべく、前記制御装置がプログラムされる、請求項３１に記載の装置。
【請求項３３】
前記ストリッパ機構が、ストリッパフットを含む、請求項２３に記載の装置。
【請求項３４】
前記ピックヘッドにおいて距離センサをさらに含み、前記距離センサが、前記ピックヘッドと前記最上ＦＴＬとの間の距離を測定する、請求項２３に記載の装置。
【請求項３５】
前記距離センサが、超音波センサを含む、請求項３４に記載の装置。
【請求項３６】
前記ピック領域に近接した前記接着テープの有無を検知するセンサをさらに含む、請求項２３に記載の装置。
【請求項３７】
前記ピックヘッドが、前記ピックヘッドの重量の平衡をもたらすように取付けられた一つ以上のスプリングを含む、請求項２３に記載の装置。
【請求項３８】
前記ピックヘッドおよびテープ駆動機構が、単体ピックヘッドユニットを規定し、複数のピックヘッドユニットが、前記位置決めシステムによって支持される、請求項２３に記載の装置。
【請求項３９】
前記位置決めシステムが、前記ピックヘッドを垂直に移動させる垂直サーボモータと、前記ピックヘッドを水平に移動させる水平サーボモータとを含む、請求項２３に記載の装置。
【請求項４０】
前記ピックヘッドは、前記垂直サーボモータのわずかなオーバートラベルが、前記接着テープと前記最上ＦＴＬとの間の適切な接触を確実にするような垂直リニアスライドを備えている、請求項３９に記載の装置。
【請求項４１】
前記垂直サーボモータが、ラックアンドピニオン機構に結合され、前記水平サーボモータが、ボールねじアセンブリに結合されている、請求項３９に記載の装置。
【請求項４２】
前記装置が、１対の前記ピックヘッドを含み、前記１対の前記ピックヘッドが、第１のピックヘッドと第２のピックヘッドとを含み、前記テープ駆動機構が、前記第１のピックヘッドに近接して取付けられた繰出し機構と、前記第２のピックヘッドに近接した巻取り機構とを含み、前記繰出し機構および巻取り機構が、協働して、それぞれ前記第１および第２のピックヘッドのピック領域における前記真空ポートに近接した前記接着テープの移動を制御する、請求項２３に記載の装置。
【請求項４３】
前記第１および第２のピックヘッドが、単体ピックヘッドアセンブリを規定する、請求項４２に記載の装置。
【請求項４４】
前記第１および第２のピックヘッドが、別個のピックヘッドアセンブリを規定する、請求項４２に記載の装置。
【請求項４５】
前記位置決めシステムが、約０．２５４ｍｍ（約０．０１ｉｎ）から約０．５０８ｍｍ（約０．０２ｉｎ）の位置公差で、前記所定の位置で、前記接着テープから前記最上ＦＴＬを分離する、請求項２３に記載の装置。
【請求項４６】
スタックに配列された複数の多孔性材料層をシンギュレートする装置であって、前記スタックが、最上多孔性材料層を含み、前記装置が、
ピック領域と、前記ピック領域に近接して位置するストリッパ機構と、前記ピック領域に配置された真空ポートとを含むピックヘッドであって、前記真空ポートが、真空システムに結合するように適合されている、ピックヘッドと、
前記ピック領域における前記真空ポートに近接した接着テープの移動を制御するテープ駆動機構と、
前記ピックヘッドを垂直および水平に移動させるように制御可能である、前記ピックヘッドを支持する位置決めシステムと、
制御装置であって、前記制御装置は、前記接着テープが前記最上多孔性材料層と接触するように前記ピックヘッドを移動させるべく前記位置決めシステムを制御するためにプログラムされ、前記接着テープが、前記接着テープと前記ピック領域との間の真空によって前記ピック領域で安定化され、前記制御装置が、前記ピックヘッドを所定の位置に移動させるように前記位置決めシステムをさらに制御するべくプログラムされ、前記ストリッパ機構が、前記所定の位置で前記接着テープから前記最上多孔性材料層を分離するように作動する、制御装置とを含む、装置。
【請求項４７】
前記制御装置が、前記スタックからの前記多孔性材料層のシンギュレーションの繰返しを行うようにプログラムされる、請求項４６に記載の装置。
【請求項４８】
前記テープ駆動機構が、前記ピックヘッドに連結されている、請求項４６に記載の装置。
【請求項４９】
前記テープ駆動機構が、前記ピックヘッドから分離している、請求項４６に記載の装置。
【請求項５０】
前記テープ駆動機構が、巻取り機構と、繰出し機構とを含み、前記巻取り機構および繰出し機構が、協働して、前記接着テープの未使用の接着剤が前記ピック領域で提供されるように前記接着テープを移動させる、請求項４６に記載の装置。
【請求項５１】
前記ストリッパ機構が、ストリッパフットを含む、請求項４６に記載の装置。
【請求項５２】
前記ピックヘッドにおいて距離センサをさらに含み、前記距離センサが、前記ピックヘッドと前記最上多孔性材料層との間の距離を測定する、請求項４６に記載の装置。
【請求項５３】
前記距離センサが、超音波センサを含む、請求項５２に記載の装置。
【請求項５４】
前記ピック領域に近接した前記接着テープの有無を検知するセンサをさらに含む、請求項４６に記載の装置。
【請求項５５】
前記ピックヘッドが、前記ピックヘッドの重量の平衡をもたらすように取付けられた一つ以上のスプリングを含む、請求項４６に記載の装置。
【請求項５６】
前記ピックヘッドおよびテープ駆動機構が、単体ピックヘッドユニットを規定し、複数のピックヘッドユニットが、前記位置決めシステムによって支持される、請求項４６に記載の装置。
【請求項５７】
前記位置決めシステムが、前記ピックヘッドを垂直に移動させる垂直サーボモータと、前記ピックヘッドを水平に移動させる水平サーボモータとを含む、請求項４６に記載の装置。
【請求項５８】
前記ピックヘッドが、垂直リニアスライドを含み、前記垂直サーボモータのわずかなオーバートラベルを考慮し、前記接着テープと前記最上多孔性材料層との間の適切な接触を確実にする、請求項５７に記載の装置。
【請求項５９】
前記垂直サーボモータが、ラックアンドピニオン機構に結合され、前記水平サーボモータが、ボールねじアセンブリに結合されている、請求項５７に記載の装置。
【請求項６０】
前記装置が、１対の前記ピックヘッドを含み、前記１対の前記ピックヘッドが、第１のピックヘッドと第２のピックヘッドとを含み、前記テープ駆動機構が、前記第１のピックヘッドに近接して取付けられた繰出し機構と、前記第２のピックヘッドに近接した巻取り機構とを含み、前記繰出し機構および巻取り機構が、協働して、それぞれ前記第１および第２のピックヘッドのピック領域における前記真空ポートに近接した前記接着テープの移動を制御する、請求項４６に記載の装置。
【請求項６１】
前記第１および第２のピックヘッドが、単体ピックヘッドアセンブリを規定する、請求項６０に記載の装置。
【請求項６２】
前記第１および第２のピックヘッドが、別個のピックヘッドアセンブリを規定する、請求項６０に記載の装置。
【請求項６３】
前記位置決めシステムが、約０．２５４ｍｍ（約０．０１ｉｎ）から約０．５０８ｍｍ（約０．０２ｉｎ）の位置公差で、前記所定の位置で、前記接着テープから前記最上多孔性材料層を分離する、請求項４６に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、ピックアンドプレイスデバイスの製造に関し、より詳細には、接着テープピックヘッドアセンブリを使用して、燃料電池の多孔性層をシンギュレートする（ｓｉｎｇｕｌａｔｉｎｇ）装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
アイテムのマガジンからそのようなアイテムを自動的にデスタックする（ｄｅｓｔａｃｋ）ために、さまざまな装置が開発されている。従来のデスタック装置は、典型的には、吸引カップまたは真空を用いて、デスタック操作の間、所与の材料の層を解放可能に係合させ、輸送する。そのような従来の装置は、特定の用途において満足のいくものであろうが、さまざまな多孔性を有する比較的薄い材料をデスタックする既知の方法を実現すると、従来の装置が実行不可能になる。
【０００３】
さらに、デスタック操作のいくつかのプロセスを部分的にまたは完全に自動化することが、しばしば望ましい。多くの従来の材料取扱いおよびデスタック装置ならびに方法は、高度の自動化、特に、厳しい位置公差要件を有するデスタックプロセスにあまり適していない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
改良された材料層デスタック装置および方法が必要である。自動燃料電池組立てプラントなどの自動組立て環境において、デスタックされたさまざまな多孔性の材料層を安全かつ精密に位置決めすることができる、そのような装置および方法が、さらに必要である。本発明は、これらおよび他の必要を満たす。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、スタックに配列された薄く実質的に多孔性の材料層をシンギュレートする装置および方法に関する。本発明の方法によれば、ピックヘッドを材料層スタックより上に位置決めする。接着テープとピックヘッドとの間で真空を用いることによって、ピックヘッドに対して接着テープを安定させる。安定された接着テープとスタックの最上材料層との間で接触を行う。ピックヘッドを移動させて、最上材料層をスタックから所定の位置に移動させる。所定の位置にある間、最上材料層から接着テープを分離する。
【０００６】
本発明の装置は、スタックに配列された多孔性材料層をシンギュレートすることを提供する。この装置は、ピック領域と、ピック領域に近接して位置するストリッパ機構と、ピック領域に配置された真空ポートとを含むピックヘッドを含む。真空ポートは、真空システムに結合するように適合されている。テープ駆動機構を使用して、ピック領域における真空ポートに近接した接着テープの移動を制御する。位置決めシステムが、ピックヘッドを支持し、かつ、ピックヘッドを垂直および水平に移動させるように制御可能である。
【０００７】
制御装置が、接着テープが最上多孔性材料層と接触するようにピックヘッドを移動させるように位置決めシステムを制御するようにプログラムされる。接着テープは、接着テープとピック領域との間の真空によってピック領域で安定される。制御装置は、ピックヘッドを所定の位置に移動させるように位置決めシステムをさらに制御するようにプログラムされる。所定の位置で、ストリッパ機構は、接着テープから最上多孔性材料層を分離するように作動する。制御装置は、スタックからの多孔性材料層のシンギュレーション（ｓｉｎｇｕｌａｔｉｏｎ）の繰返しを行うようにプログラムされる。シンギュレーションプロセスは、その後のスタックの最上部における材料層について繰返される。シンギュレーション装置および方法は、自動燃料電池組立ての間、流体輸送層（ＦＴＬ）のマガジンから個別の多孔性流体輸送層（ＦＴＬ）をデスタックするのに特によく適している。
【０００８】
本発明の上記概要は、本発明の各実施形態またはあらゆる実現を説明することが意図されていない。本発明のより完全な理解とともに、利点および達成は、添付の図面と関連して、次の詳細な説明およ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、理解されるであろう。
【０００９】
本発明は、さまざまな修正例および代替形態が可能であるが、その特定のものが、図面に例として示されており、詳細に説明される。しかし、本発明を、説明される特定の実施形態に限定しないことが意図されることが理解されるべきである。それどころか、添付の特許請求の範囲によって規定されるような本発明の範囲内である修正例、均等物、および代替例をすべて網羅することが意図される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
例示された実施形態の次の説明において、本明細書の一部を形成し、本発明を実施してもよいさまざまな実施形態が例示として示されている添付の図面を参照する。これらの実施形態を用いてもよく、また、本発明の範囲から逸脱することなく、構成変更を行ってもよいことが理解されるべきである。
【００１１】
本発明のシンギュレーション装置および方法は、比較的薄い材料の個別の層をシンギュレートし、高い精度で、シンギュレートされた薄い材料層を所定の位置に移動させるために用いることができる。特に、本発明のシンギュレーション装置および方法は、実質的に多孔性である個別の薄い材料層をデスタックするのによく適している。たとえば、燃料電池を構成するために使用される特定の材料層の厚さは、１０００分の１または１０００分の２インチ（たとえば、約０．００１インチ）であることができる。これらの材料層は、多孔性であることができ、さらに、脆性であってもよい。当業者は、比較的薄い材料層、特に多孔性および脆性の材料層を、正確かつ安全にデスタックし輸送することが、かなりの難題であることを容易に理解するであろう。これらの難題は、現在、燃料電池を製造するプロセスを自動化しようと試みるものの前に現れている。
【００１２】
本発明のシンギュレーション装置および方法は、薄い多孔性材料層の自動処理の間の、そのような材料層の安全かつ精密なシンギュレーションを提供する。さらに、本発明の原理は、また、非多孔性材料層の自動処理の間、そのような材料層をシンギュレートし、正確に位置決めするために適用してもよい。
【００１３】
上で示されたように、本発明のシンギュレーション装置および方法は、燃料電池または燃料電池の一部を規定する材料層の自動シンギュレーションおよび位置決めを容易にするために用いることができる。燃料電池は、水素燃料と空気からの酸素とを組合せて、電気、熱、および水を発生する電気化学デバイスである。燃料電池は、燃焼を利用せず、したがって、燃料電池は、たとえあるとしても、有害な流出物をほとんど発生しない。燃料電池は、水素燃料および酸素を電気に直接変換し、かつ、たとえば内部燃焼発電機よりはるかに高い効率で動作させることができる。
【００１４】
典型的な燃料電池が、図１に示されている。図１に示された燃料電池１０は、アノード１４に隣接した第１の流体輸送層１２を含む。アノード１４に隣接しているのは、電解質膜１６である。カソード１８が、電解質膜１６に隣接して位置し、第２の流体輸送層１９が、カソード１８に隣接して位置する。動作中、水素燃料が、燃料電池１０のアノード部分に導入され、第１の流体輸送層１２を通って、アノード１４の上を通る。アノード１４において、水素燃料は、水素イオン（Ｈ+）と電子（ｅ-）とに分離される。
【００１５】
電解質膜１６は、水素イオンまたはプロトンのみを、電解質膜１６を通って、燃料電池１０のカソード部分に通す。電子は、電解質膜１６を通ることができず、代わりに、電流の形態で外部電気回路を通って流れる。この電流は、電気モータなどの電気負荷１７を電力供給することができるか、または充電式バッテリなどのエネルギー蓄積デバイスに向けることができる。
【００１６】
酸素は、第２の流体輸送層１９を介して、燃料電池１０のカソード側に流入する。酸素がカソード１８の上を通るとき、酸素、プロトン、および電子は、組合さって、水および熱を発生する。
【００１７】
図１に示された燃料電池などの、個別の燃料電池を、いくつかの他の燃料電池と組合せて、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、各燃料電池の表面積によって、総電流が決まる。所与の燃料電池スタックによって発生される総電力は、スタック総電圧に総電流を乗じることによって定めることができる。
【００１８】
本発明のシンギュレーション装置および方法は、さまざまな技術の燃料電池の構成における材料層の自動デスタックおよび位置決めを容易にするために用いることができる。たとえば、本発明のシンギュレーション装置および方法は、プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池を構成するために使用される材料層をシンギュレートするために用いることができる。ＰＥＭ燃料電池は、比較的低温（約１７５°Ｆ）で動作し、高電力密度を有し、電力要求のシフトに応じるためにそれらの出力を迅速に変えることができ、たとえば自動車におけるような、迅速な始動が必要とされる用途によく適している。
【００１９】
ＰＥＭ燃料電池に使用されるプロトン交換膜は、水素イオンを通す薄いプラスチックシートである。膜の両面に、活性触媒である高度に分散した金属粒子または金属合金粒子（たとえば、白金または白金／ルテニウム）がコーティングされている。使用される電解質は、典型的には、固体有機ポリマーポリ−ペルフルオロスルホン酸である。固体電解質の使用は、腐食問題および管理問題を低減するので、有利である。
【００２０】
水素が、燃料電池のアノード側に供給され、そこで、触媒は、水素イオンが、電子を放出し、水素イオン（プロトン）になることを促進する。電子は、利用することができる電流の形態で移動し、酸素が導入されている燃料電池のカソード側に戻る。同時に、プロトンは、膜を通ってカソードに拡散し、そこで、水素イオンは、酸素と再び組合され、反応して、水を発生する。
【００２１】
１つのＰＥＭ燃料電池構造によれば、ＰＥＭ層が、たとえば拡散電流コレクタ（ｄｉｆｆｕｓｅ  ｃｕｒｒｅｎｔ  ｃｏｌｌｅｃｔｏｒｓ）またはガス拡散層などの、１対の流体輸送層間に挟まれている。アノードが、第１のＦＴＬと膜との間に位置し、カソードが、膜と第２のＦＴＬとの間に位置する。１つの構成において、ＰＥＭ層が、一方の表面上にアノード触媒コーティングを含み、他方の表面上にカソード触媒コーティングを含むように製造される。別の構成によれば、第１および第２のＦＴＬは、それぞれ、アノード触媒コーティングおよびカソード触媒コーティングを含むように製造される。さらに別の構成において、アノード触媒コーティングを、第１のＦＴＬ上に部分的に配置し、かつ、ＰＥＭの一方の表面上に部分的に配置することができ、カソード触媒コーティングを、第２のＦＴＬ上に部分的に配置し、かつ、ＰＥＭの他方の表面上に部分的に配置することができる。第１のＦＴＬ／アノード／ＰＥＭ／カソード／第２のＦＴＬによって規定された５層構造物は、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）と呼ばれる。
【００２２】
ＦＴＬは、典型的には、炭素繊維紙または不織布材料から製造される。製品構造によっては、ＦＴＬは、一方の側に炭素粒子コーティングを有することができる。上述されたようなＦＴＬは、触媒コーティングを含むかまたは除くように製造することができる。この製品構造によるＦＴＬは、多孔性および脆性の両方である。本発明の原理と一致するシンギュレーション装置および方法は、自動燃料電池組立ての間、たとえばＰＥＭ層およびＦＴＬなどの薄い燃料電池層をデスタックし位置決めするのに特によく適している。
【００２３】
ダイレクトメタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）は、ポリマー膜を電解質として使用する点で、ＰＥＭ電池と同様である。しかし、ＤＭＦＣにおいて、アノード触媒自体が、液体メタノール燃料から水素を引き、燃料改質装置の必要をなくす。ＤＭＦＣは、典型的には、１２０−１９０°Ｆの間の温度で動作する。
【００２４】
溶融炭酸塩燃料電池（ＭＣＦＣ）は、電解質のための、マトリックス中に浸された炭酸リチウム、炭酸ナトリウム、および／または炭酸カリウムの液体溶液を使用する。ＭＣＦＣは、約１，２００°Ｆで動作する。高い動作温度は、電解質の十分な導電性を得るために必要である。この高温のため、貴金属触媒が、電池の電気化学的酸化プロセスおよび還元プロセスに必要ではない。ＭＣＦＣは、典型的には、水素、一酸化炭素、天然ガス、プロパン、埋立地ガス、マリンディーゼル燃料、およびシミュレートされた石炭ガス化生成物で動作する。
【００２５】
固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）は、典型的には、液体電解質の代わりに、固体酸化ジルコニウムの硬いセラミック材料および小量のイットリア（ｙｔｒｒｉａ）を使用し、動作温度が１，８００°Ｆに達することができる。
【００２６】
再生燃料電池において、太陽光発電電解槽によって、水が水素と酸素とに分離される。水素および酸素は、再生燃料電池内に供給され、これは、電気、熱、および水を発生する。次に、水は、再循環されて太陽光発電電解槽に戻り、このプロセスは繰返される。
【００２７】
プロトンセラミック燃料電池（ＰＣＦＣ）は、高温で高いプロトン伝導性を示すセラミック電解質材料を使用する。ＰＣＦＣは、約１，３００°Ｆで動作する。ＰＣＦＣは、高温で動作することができ、かつ、アノードに直接、化石燃料を電気化学的に酸化させることができる。炭化水素燃料のガス状分子が、水蒸気の存在下で、アノードの表面上に吸収され、水素イオンが、効率的に取除かれて、電解質内に吸収され、主反応生成物として二酸化炭素が生じる。これらおよび他の燃料電池技術は、本発明によるシンギュレーション装置および方法を用いることによってシンギュレートされ位置決めされた材料層から構成することができる。
【００２８】
１つの用途によれば、本発明のシンギュレーション装置および方法は、ガス拡散層または拡散電流コレクタ（ｄｉｆｆｕｓｅ  ｃｕｒｒｅｎｔ  ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ）などの１つの流体輸送層（ＦＴＬ）を、ＦＴＬのスタックの最上部からピックし、シンギュレートされたＦＴＬを、ＰＥＭタイプのＭＥＡなどの燃料電池膜電極アセンブリ内に含めるために、精密な位置に配置するために用いられる。ＭＥＡ構成において、たとえば、ＦＴＬのピッキングおよび配置は、慎重にかつ精密に行う必要がある。典型的には、ＭＥＡスタックを構成するとき、非常に厳しい位置公差がある（たとえば、位置公差は、約０．０１インチから約０．０２インチである）。ＦＴＬは、多孔性であり、典型的には脆性である。従来の真空技術を用いて、ＦＴＬのマガジンからＦＴＬをデスタックすると、いくつかのＦＴＬのピックアップをもたらす。本発明の装置および方法は、有利に、ＦＴＬのスタックからのＦＴＬのシンギュレーションを提供し、さらに、高い精度で、予め確立された位置に、シンギュレートされたＦＴＬを配置することを提供する。
【００２９】
本発明の実施形態によれば、１つ、２つ、またはそれ以上の接着テープピックヘッドを、サーボモータ駆動ロボットと関連して使用して、ＦＴＬまたは他の薄い多孔性材料層をシンギュレートし、高い精度で、所望の位置に個別のＦＴＬを輸送する。ロボットは、好ましくは、ピックヘッドを水平方向および垂直方向に移動させるように制御可能である。ロボットの水平サーボモータが、リニアベアリングを備えたラックアンドピニオンシステムを使用して、ピックヘッドを水平方向に精密に配置する。ロボットの垂直サーボモータが、リニアベアリングを備えたボールねじアセンブリを使用して、ピックヘッドを垂直方向に配置する。
【００３０】
この実施形態によって取扱うべき製品が、多孔性であり、マガジンから選ばなければならないので、製品をデスタックするためにピックヘッドアセンブリに接着テープシステムが使用される。ピックヘッドアセンブリは、各ピックサイクル後、接着テープを小量だけ割出しするために、巻取り機構および繰出し機構を組入れ、それにより、ピックヘッドアセンブリの必要な接着能力を維持する。接着テープを製品と係合させるのに必要なスタック高さおよび垂直行程を測定するために、超音波センサなどの距離センサが使用される。所定の目的位置で接着テープから製品を分離するために、ストリッパフット（ｓｔｒｉｐｐｅｒ  ｆｅｅｔ）などの剥離機構が使用される。
【００３１】
この用途による製品の脆性性質によって、ピックヘッドの重量を相殺するために、１以上のスプリングが好ましくは使用される。ウェブ破断センサが、接着テープが破断するかどうか、または、繰出し機構が利用可能な接着テープをすべて分配するかどうかを検出する。真空を有利にピックヘッドで用いて、接着テープを安定させ、接着テープおよびＦＴＬが、ピックヘッドに対して移動しないようにする。真空を組入れて、ピックヘッドにおける接着テープを制御し、したがって、それに接着されたＦＴＬの精密な位置制御を維持することは、ロボットのサーボモータ位置決めと組合されて、高精度ピックアンドプレイス装置を提供する。
【００３２】
ここで、図２を参照すると、本発明の実施形態による接着テープピックヘッドアセンブリ４０が示されている。この実施形態によれば、ピックヘッドアセンブリ４０は、自動デスタックおよび配置操作の間、ＦＴＬなどの薄い多孔性材料層をピックし配置することと関連して動作する合計４のピックヘッドの２対のピックヘッドを含む。ピックヘッドアセンブリ４０は、ロボット３０の支持アーム３２から延在する支持体３４に取付台４１によって取付けられて示されている。
【００３３】
ロボット３０の移動、およびしたがってピックヘッドアセンブリ４０の移動は、制御装置３５の制御下で位置決めシステム３１によって行われる。制御装置３５は、ロボット３０のさまざまなエレメントの活動を調整するためにプログラム命令を実行する、処理装置などの、プログラム可能なデバイスである。制御装置３５は、オンボードデバイスであってもよいし、またはロボット３０の遠くに配置してもよい。遠くに配置された場合、制御装置３５は、適切なハードワイヤード接続またはワイヤレス接続を使用して、ロボット３０に結合される。
【００３４】
位置決めシステム３１は、垂直位置決めシステムと、水平位置決めシステムとを含む。垂直位置決めシステムは、ボールねじアセンブリ（図示せず）と協働して、ピックヘッドアセンブリ４０を垂直方向に制御可能に移動させる垂直サーボモータ３７を含む。水平位置決めシステムは、ラックアンドピニオンシステム（図示せず）と協働して、ピックヘッドアセンブリ４０を水平方向に制御可能に移動させる水平サーボモータ３９を含む。
【００３５】
図３は、本発明の実施形態による、１対のピックヘッド５０と、各ピックヘッド５０を横切って接着テープ６５を前進させる共通のテープ駆動機構４３とを含むピックヘッドアセンブリ４０の斜視図である。図３に示されているように、また、以下で説明されるように、ピックヘッドアセンブリ４０は、第１のピックヘッドアセンブリ４０Ａと、第２のピックヘッドアセンブリ４０Ｂとを含む。本発明のピックヘッドアセンブリ４０が、１つのピックヘッド５０または３以上のピックヘッド５０を含んでもよいことが理解される。たとえば、図２は、協働して動作するようにロボット３０上に配列された４のピックヘッド５０を示す。
【００３６】
１つのピックヘッド５０が使用されるピックヘッドアセンブリ４０の場合、テープ駆動機構４３の繰出しセクションおよび巻取りセクションの両方が、典型的には、１つのピックヘッドアセンブリ４０内に一体化されることが理解される。さらに、また、別の実施形態によれば、テープ駆動機構４３を、ピックヘッドアセンブリ４０に直接取付ける必要はないが、代わりに、接着テープ６５が、ピックヘッドアセンブリ４０に供給され、ピックアップサイクルごとにピックヘッド５０で新しい接着剤を提供するように、テープ駆動機構４３を外部支持システムによって支持してもよい。
【００３７】
図３に示された第１のピックヘッドアセンブリ４０Ａおよび第２のピックヘッドアセンブリ４０Ｂは、各々、ピックヘッド５０の遠位端における真空ポート５２と、近位端における入口７２とを含むピックヘッド５０を組入れる。ピックヘッド５０のチャンバが、入口７２と真空ポート５２との間に延在する。入口７２は、真空システム（図示せず）と連結するように適合されており、真空システムは、ピックヘッド５０のピック領域に位置する真空ポート５２と、移動されて真空ポート５２と近接する接着テープ６５の部分との間に、真空を選択的に与えるように制御される。
【００３８】
ストリッパフット５４は、真空ポート５２の２つの側の各々に位置する。ストリッパフット５４は、図３に引っ込められた構成で示され、製品が、製品マガジンからピックされ、その意図された目的位置に移動された後まで、引っ込められた構成のままである。ピックヘッド５０が目的位置に適切に位置決めされると、ストリッパフット５４は、真空ポート５２の平面を越えて延在され、それにより、接着テープ６５は、製品の配向を乱すことなく、製品から分離する。
【００３９】
距離センサ６０が、ピックヘッドアセンブリ４０上に位置し、製品スタックの高さを測定するために使用される。距離センサ６０は、制御装置３５または他の処理装置と協働して、真空ポート５２で提供された接着テープ６５と製品スタックの最上製品との間の係合を行うのに必要な垂直行程を計算する。距離センサ６０は、好ましくは、超音波センサであるが、また、光センサであってもよい。
【００４０】
図３に示された実施形態において、第１のピックヘッドアセンブリ４０Ａは、巻取り機構４２を組入れ、第２のピックヘッドアセンブリ４０Ｂは、繰出し機構４４を組入れる。図３に示された第１のピックヘッドアセンブリ４０Ａの巻取り機構４２を、ここで、図４ａ−４ｄを参照して、より詳細に説明する。図４ａは、図３に示された第１のピックヘッドアセンブリ４０Ａの上面図である。図４ｂは、図３に示された巻取り機構４２を示す正面図である。図４ｃは、図４ａの上面図に部分的に示されたリンケージアセンブリ７４の側面図である。図４ｄは、図４ｃに示されたリンケージアセンブリ７４の背面図である。
【００４１】
巻取り機構４２は、アイドラロール４６を介してピックヘッド５０に供給された使用済みの接着テープ６５を受取る巻取りロール４５を含む。この実施形態による巻取り機構４２のアイドラロール４６は、繰出し機構４４のアイドラロール４７および繰出しロール４８から接着テープ６５を受取る。巻取り機構４２は、ブレーキ７８と協働して、繰出しロール４８から巻取りロール４５に順方向に接着テープ６５を割出しするローラクラッチニードルベアリング７１を使用する。空気圧シリンダ７７が、６バーリンケージ７６と協働して、巻取りロール４５のコアを前進させる。１つの構成において、空気圧シリンダ７７は、６バーリンケージ７６と協働して、巻取りロール４５のコアを前進させ、同時に、ストリッパフット５４を作動させて、それらの延在した構成に移動させ、ピックヘッド５０から製品を剥離する。
【００４２】
先に説明されたように、真空が、チャンバ７２を介して真空ポート５２で与えられて、真空ポート５２に近接して提供された接着テープ６５を安定させる。多孔性製品を係合させるときにピックヘッド５０で接着テープ６５を安定させることは、そのような製品をデスタックし再位置決めすることができる精度を高める。
【００４３】
第１のピックヘッドアセンブリ４０Ａの重量を平衡させるために、取付台４１の垂直部分と第１のピックヘッドアセンブリ４０Ａとの間で、スプリング４９が使用される。この重量平衡機構は、ピックヘッド５０が製品と接触されたときに、燃料電池の流体輸送層などの脆性製品の損傷を著しく低減するかまたは防止する。第１のピックヘッドアセンブリ４０Ａは、垂直にコンプライアントであるが、スライド５１とリニアベアリング５３とを含む垂直シャフトの使用は、ロボットの垂直サーボモータ３７のわずかなオーバートラベルを考慮し、ピックヘッド５０と製品との間の十分な接触を確実にする。
【００４４】
図３に示された第２のピックヘッドアセンブリ４０Ｂの繰出し機構４４を、ここで、図５ａ−５ｄを参照して、より詳細に説明する。図５ａは、図３に示された第２のピックヘッドアセンブリ４０Ｂの上面図であり、繰出し機構４４の繰出しアセンブリ８０の部分図示を提供する。図５ｂは、図５ａに示された繰出し機構４４の正面図である。図５ｃは、図５ａに部分的に示された繰出しアセンブリ８０の側面図である。図５ｄは、図５ｃに示された繰出しアセンブリ８０の背面図である。
【００４５】
繰出し機構４４は、未使用の接着テープ６５をピックヘッド５０に提供する繰出しロール４８を含む。部分的に使用された接着テープ６５は、ピックヘッド５０から、アイドラロール４７に、および巻取り機構４２のアイドラロール４６に前進する。この実施形態による巻取り機構４２は、繰出し機構４４のアイドラロール４７および繰出しロール４８から接着テープ６５を受取る。
【００４６】
１つの構成において、第１のピックヘッドアセンブリ４０Ａおよび第２のピックヘッドアセンブリ４０Ｂのピックヘッド５０間の接着テープ６５の長さは、第１のピックヘッドアセンブリ４０Ａのピックヘッド５０によって使用された接着テープ６５のセクションが、第２のピックヘッドアセンブリ４０Ｂのピックヘッド５０を飛ばすように選択される。この構成において、新しい接着剤が、第１のピックヘッドアセンブリ４０Ａおよび第２のピックヘッドアセンブリ４０Ｂの真空ポート５２で提供される。別の構成において、接着テープ６５は、２以上のピッキングサイクルの間十分な接着をもたらす接着剤を使用し、この場合、第１のピックヘッド５０によって使用された接着テープのセクションは、単に、その後の各ピックヘッド５０による使用のために前進される。
【００４７】
繰出し機構４４は、好ましくは、巻取り機構４２と同じ真空システムを使用して、ピックヘッド５０の真空ポート５２で真空によって接着テープ６５を安定させる。繰出し機構４４は、ブレーキ８５を使用して、接着テープ６５の張力を制御する。製品がその意図された目的位置に達すると、ストリッパフット５４を延在させて、ピックヘッド５０から製品を剥離するために、空気圧シリンダ８６が使用される。
【００４８】
テープ破断検出システムが、繰出し機構４４で提供される。１つの構成において、フラグ８４と協働して動作する近接スイッチであってもよいテープセンサ６２が、破断が接着テープ６５に発生するか、または、接着テープ６５のすべてが繰出しロール４８から分配されると、検知する。
【００４９】
第２のピックヘッドアセンブリ４０Ｂの重量を平衡させ、ピックヘッド５０が製品と接触されたときに脆性製品の損傷を防止するために、取付台４１の垂直部分と第２のピックヘッドアセンブリ４０Ｂとの間で、スプリング４９が使用される。第２のピックヘッドアセンブリ４０Ｂは、垂直にコンプライアントである（ｃｏｍｐｌｉａｎｔ）が、スライド５１とリニアベアリング５３とを含む垂直シャフトの使用は、ロボットの垂直サーボモータ３７のわずかなオーバートラベルを考慮し、ピックヘッド５０と製品との間の十分な接触を確実にする。
【００５０】
本発明の実施形態によるＦＴＬをシンギュレートするプロセスを、ここで説明する。ＦＴＬスタックから所望の位置に、ＦＴＬをピックし配置するために、２から４のピックヘッド５０が典型的には使用されるが、１つのピックヘッドを使用してもよいことが理解される。最初に、ピックヘッド５０は、ＦＴＬのスタックを収容するマガジンより上に位置決めされる。この段階において、ストリッパフット５４は、引っ込められており、真空ポート５２における真空は、それぞれのピックヘッド５０に対して接着テープ６５を積極的に安定させている。距離センサ６０は、ＦＴＬのスタックの最上ＦＴＬまでの距離を測定する。ロボット３０の垂直サーボモータ３７は、ピックヘッド５０を、測定された距離プラス付加的な小量だけ低下させて、ピックヘッド５０による最上ＦＴＬの捕獲を確実にする。上述されたように、ピックヘッド５０は、行程を越えて取扱うために垂直コンプライアンスが組込まれている。
【００５１】
それぞれのピックヘッド５０のピック領域で安定された接着テープ６５が、最上ＦＴＬを係合させた後、ロボット３０の垂直サーボモータ３７は、最上ＦＴＬを上方に移動させ、ロボットの水平サーボモータ３９は、最上ＦＴＬを所望の位置に移動させる。それぞれのピックヘッド５０のストリッパフット５４は、延在されて、所望の位置でピックヘッド５０から最上ＦＴＬを剥離する。ストリッパフット５４を延在させることにより、また、巻取り機構の割出しアームを回転させて戻す。次に、垂直サーボモータ３７は、ピックヘッド５０を最上ＦＴＬから離して上昇させる。真空ポート５２における真空は、接着テープ６５からオフにされ、ストリッパフット５４は、引っ込められる。この移動は、また、接着テープ６５を前方に前進させる。真空が、もう一度オンにされて、接着テープ６５を安定させ、水平サーボモータ３９は、ＦＴＬスタックの次の最上ＦＴＬを取扱うために、準備のできた状態でマガジンに戻る。
【００５２】
本発明のさまざまな実施形態の先の説明は、例示および説明のために提示された。余すところがないこと、または本発明を開示された厳密な形式に限定することは、意図されていない。上記教示に鑑み、多くの修正および変更が可能である。本発明の範囲は、この詳細な説明によって限定されないが、むしろ、特許請求の範囲によって限定されることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】燃料電池およびその構成層の図である。
【図２】本発明の実施形態による、ロボット上に取付けられたピックヘッドアセンブリの斜視図であり、ロボットは、ピックヘッドアセンブリを垂直および水平に移動させるように制御可能である。
【図３】本発明の実施形態による、１対のピックヘッドと、各ピックヘッドを横切って接着テープを提供する共通のテープ駆動機構とを含むピックヘッドアセンブリの斜視図である。
【図４ａ】図３に示された巻取り機構の上面図であり、図４ａの図は、巻取り機構のリンケージアセンブリの一部を示す。
【図４ｂ】図３に示された巻取り機構の正面図である。
【図４ｃ】図４ａに部分的に示されたリンケージアセンブリの側面図である。
【図４ｄ】図４ａに部分的に示されたリンケージアセンブリの背面図である。
【図５ａ】図３に示された繰出し機構の上面図であり、図５ａの図は、繰出し機構の繰出しアセンブリの一部を示す。
【図５ｂ】図３に示された繰出し機構の正面図である。
【図５ｃ】図５ａに部分的に示された繰出しアセンブリの側面図である。
【図５ｄ】図５ａに部分的に示された繰出しアセンブリの背面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図４ｄ】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
2005522011.tif 000011
【図５ｃ】
2005522011.tif 000012
【図５ｄ】
2005522011.tif 000013
【国際調査報告】
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2005522011.tif 000015
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