DE102008025930A1

DE102008025930A1 - Verfahren zur automatisierten Herstellung von Membran-Elektrodeneinheiten

Info

Publication number: DE102008025930A1
Application number: DE102008025930A
Authority: DE
Inventors: Joachim König; Annette Dr. Reiche; Dieter Dr. Melzner; Stefan Weisshaar
Original assignee: Elcomax Membranes GmbH
Current assignee: Elcore GmbH
Priority date: 2008-05-29
Filing date: 2008-05-29
Publication date: 2009-12-03

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatisierten Herstellung von Membran-Elektrodeneinheiten (88), MEAs, die jeweils eine beidseitig katalysatorbeschichtete, ionenleitfähige Polymerelektrolytmembran (12) aufweisen, auf die beidseitig je eine Gasdiffusionslage (78, 80, 82) aus flächigem Fasermaterial auflaminiert ist. Durch Einsatz eines Warenspeichers (71) wird ein quasi-kontinuierliches Verfahren bereitgestellt, das einen hohen Produktdurchsatz bei optimierten Bedingungen in jedem Fertigungsschritt, insbesondere in einem Heißverpressungsschritt zur Bildung eines MEA-Laminats ermöglicht.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatisierten Herstellung von Membran-Elektrodeneinheiten, MEAs, die jeweils eine beidseitig katalysatorbeschichtete, innenleitfähige Polymerelektrolytmembran, kurz CCM (catalyst coated membrane), aufweisen, auf die beidseitig je eine Gasdiffusionslage aus flächigem Fasermaterial auflaminiert ist, wobei folgende Schritte ausgeführt werden:

a) Zuführen von Polymerelektrolytmembran-Material von einem Rollenspeicher,
b) Beschichten einer ersten Seite des Polymerelektrolytmembran-Materials mit Katalysatortinte, umfassend ein Lösungsmittel und Katalysatormaterial, an einer ersten Beschichtungsstation,
c) Beschichten der zweiten Seite des Polymerelektrolytmembran-Materials mit Katalysatortinte, umfassend ein Lösungsmittel und Katalysatormaterial, an einer zweiten Beschichtungsstation,
d) Trocknen des beschichteten Polymerelektrolytmembran-Materials zur Verdampfung des Lösungsmittels an wenigstens je einer den Beschichtungsstationen nachgelagerten Trocknungsstation,
e) Zuführen von flächigem Fasermaterial und Positionieren des Fasermaterials beidseitig des beschichteten und getrockneten Polymerelektrolytmembran-Materials,
f) Heißverpressen des positionierten Fasermaterials mit dem beschichteten und getrockneten Polymerelektrolytmembran-Material zur Erzeugung eines MEA-Laminats an einer Pressstation,
g) Schneiden des MEA-Laminats zu einzelnen MEAs an einer Schneidstation und
h) Fördern des Polymerelektrolytmembran-Materials zwischen den einzelnen Stationen über eine Mehrzahl von Leitrollen.

Stand der Technik
Derartige Verfahren sind bekannt aus der WO 97/23919 . MEAs werden für den Aufbau von Brennstoffzellen benötigt. Typischerweise besteht eine Brennstoffzelle aus einem Stapel von Einzelzellen, deren Kernstück jeweils eine MEA ist, die beidseitig von Bipolarplatten kontaktiert wird.
Eine MEA umfasst typischer Weise ein Laminat bestehend aus einer polymeren Elektrolytmembran, Elektroden und Gasdiffusionslagen. Die Elektroden bestehen aus einer möglichst dünnen porösen Schicht eines Katalysatormaterials welches auf einem Ruß fein dispergiert ist. Die Gasdiffusionslagen sind aus einem Fasermaterial aufgebaut, wie beispielsweise einem Kohlenstoffvlies. Im Sinne einer optimalen MEA-Performance, d. h. einer möglichst hohen Stromdichte bei Umsetzung des Brenngases in der Brennstoffzelle, sollen die einzelnen Schichten so miteinander verbunden sein, dass ein optimaler Kontakt gewährleistet ist, gleichzeitig aber auch eine gute Gasdurchlässigkeit der porösen Schichten. Weiterhin sollten die Schichten möglichst dünn sein. Die Gesamtdicke einer MEA beträgt zwischen typischer Weise 400 und 1000 Mikrometer.
Beim Herstellungsprozess einer MEA kann unterschiedlich vorgegangen werden. Die Herstellung der Polymerelektrolytmembran und der Gasdiffusionselektrode, bestehend aus Elektrode und Gasdiffusionslage, können getrennt erfolgen. Die Polymerelektrolytmembran wird in diesem Fall so zwischen zwei Gasdiffusionselektroden positioniert, dass ihre Oberfläche durch die Elektroden kontaktiert wird und zu einem MEA-Verbund laminiert. Im anderen Fall wird die Polymerelektrolytmembran durch Aufbringen der Elektrodenschichten unter Bildung einer katalysatorbeschichteten Membran (CCM) beschichtet und nachfolgend Fasermaterial zur Bildung der Gasdiffusionslagen aufgelegt und zu einem MEA-Verbund laminiert. Die Elektrodenschichten können zum Beispiel durch Bedrucken der Membran mit einer Katalysatortinte, d. h. einer Dispersion des Katalysatormaterials in einem Lösungsmittel, realisiert werden. Bzgl. der geeigneten und vorteilhaften Materialien zum Aufbau einer MEA sind dem Fachmann eine Vielzahl von Möglichkeiten bekannt, die jedoch nicht Gegenstand der vorliegenden Anmeldung sind.
Aus der gattungsbildenden WO 97/23919 ist ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von MEAs bekannt. Dabei wird Polymerelektrolytmembran-Material, z. B. von einem Rollenspeicher kontinuierlich zugeführt. Die beidseitige Beschichtung des Polymerelektrolytmembran-Materials mit dem Katalysatormaterial erfolgt simultan durch zwei einander gegenüberliegende Schlitzdüsen. Nach einer kurzen Trocknung während der weiteren kontinuierlichen Förderung wird das Fasermaterial zur Bildung der Gasdiffusionlagen als Bahnmaterial beidseitig herangeführt und parallel zu dem beschichteten und getrocknetem Polymerelektrolytmembran-Material durch ein Paar von Presswalzen geführt. Es entsteht ein kontinuierliches Band aus MEA-Laminat, welches abschließend von einem bewegten Schneidmesser in einzelne MEAs geteilt wird.
Dieser Prozess erlaubt zwar die kontinuierliche Herstellung von MEAs mittels einer vergleichsweise einfachen Vorrichtung. Nachteilig ist jedoch, dass das kontinuierliche Pressen mittels Presswalzen häufig zu einer ungenügenden Produktqualität führt. Zur Erzielung eines optimalen Verbundes des MEA-Laminats sollten Temperatur- und Druckführung möglichst präzise im Sinne eines zeitlich definierten Temperatur- und Druckprogrammes steuerbar sein, was bei dem bekannten Walzpressverfahrens nicht möglich ist. Es hat sich herausgestellt, dass die Heißverpressung der CCM mit den Gasdiffusionslagen zu dem MEA-Laminat bevorzugt als statischer Press- und Heizprozess mit längeren Presszeiten zu erfolgen hat. Daher werden MEAs in der Regel einzeln und insbesondere manuell hergestellt, was zu hohen Kosten und geringen Produktionsraten führt. Das gattungsbildende Verfahren versucht zwar hier Abhilfe zu schaffen, indem die Produktion automatisiert und kontinuierlich gestaltet wird.
Hierdurch kann das gattungsbildende Verfahren jedoch den geschilderten Anforderungen der Heißverspressung nicht gerecht werden. Minderwertige MEAs sind das Produktionsergebnis.
Aufgabenstellung
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein automatisiertes Verfahren zur Herstellung von MEAs zur Verfügung zu stellen, welches insbesondere den genannten Anforderungen der Heißverpressung der CCM mit den Gasdiffusionslagen zu einem MEA-Laminat gerecht wird.
Darlegung der Erfindung
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass das Polymerelektrolytmembran-Material in Schritt a) getaktet mit einander abwechselnden Förderzeiten und Stoppzeiten zugeführt wird und die Beschichtungsschritte b) und c) jeweils während einer Stoppzeit an jeweils einem Fertigungsabschnitt des stillstehenden Polymerelektrolytmembran-Materials durchgeführt und während dazwischen liegender Förderzeiten unterbrochen werden und der Heißverpressungsschritt f) mehrere Stoppzeiten und die dazwischenliegende wenigstens eine Förderzeit überspannt, wobei das beidseitig beschichtete Polymerelektrolytmembran-Material hinter der zweiten Beschichtungsstation und vor der Pressstation über eine quer zur Förderrichtung bewegbare, erste Pufferrolle geführt wird, deren Bewegung den Förderweg vor der Pressstation getaktet und entsprechend der Länge des während des Heißverpressungsschritts f) geförderten Polymerelektrolytmembran-Materials verlängert und nach Abschluss des Heißverpressungsschritts f) wieder auf die ursprüngliche Weglänge verkürzt.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Grundgedanke der Erfindung ist die Bereitstellung eines semikontinuierlichen Verfahrens mit unterschiedlich langen Einwirkzeiten für die einzelnen, in Förderrichtung hintereinander gestaffelten Bearbeitungsstationen. Hierdurch kann jeder Einzelschritt in optimaler Weise wie bei der manuellen Produktion durchgeführt werden, wobei jedoch das Gesamtverfahren in einer quasi-kontinuierlichen Weise ablaufen kann. Insbesondere kann die zur Erzielung eines optimalen Verbundes des MEA-Laminats erforderliche, präzise Steuerbarkeit der Temperatur- und Druckführung im Sinne eines zeitlich definierten Temperatur- und Druckprogrammes realisiert werden. Der Aufheizvorganges der Heißverpressung kann idealer Weise so eingerichtet werden, dass das Polymer der Elektrolytmembran den Glasübergang durchläuft und erweicht, so dass ein optimaler Verbund zur porösen Elektrodenschicht ausgebildet werden kann. Dabei sollte die Druckbeaufschlagung so gewählt sein, dass das erweichende Polymer nur zu einem genau definierten Grad in die poröse Elektrodenschicht eindringen kann. Vor Entnahme der MEA aus der Heißpressvorrichtung sollte das MEA-Laminat soweit abgekühlt sein, dass sich das Polymer wieder im Glaszustand befindet, und der hergestellte Verbund so stabilisiert ist. Die hierzu notwendigen, längeren Presszeiten lassen sich durch die Erfindung in einen quasi-kontinuierlichen Herstellungsprozess integrieren.
Um einen Materialstau während des besonders langen Heißverpressungsschritts zu verhindern, wird das Material vor dem Heißverpressungsschritt über eine bewegliche Pufferrolle geleitet. Hierdurch wir ein hier als Warenspeicher bezeichneter periodisch gefüllter und entleerter Materialpuffer gebildet.
Grundsätzlich wäre es zwar denkbar, dass die Dauer jedes einzelnen Bearbeitungsschritts an die Dauer des längsten Bearbeitungsschritts, d. h. des Heißverpressungsschritts angepasst wird. Dies würde jedoch zu einem insgesamt sehr langsamen Herstellungsverfahren führen. Statt dessen werden die schneller durchführbaren Schritte, wie beispielsweise die Beschichtung in der für sie optimalen Zeit durchgeführt. Auch der länger andauernde Heißverpressungsschritt wird in der für ihn optimalen, langen Zeitdauer durchgeführt. Es ist offensichtlich, dass während des am unbewegten Material durchgeführten Heißverpressungsschritts weiteres beschichtetes Material auf die Pressstation zu gefördert wird. Dieses Material läuft jedoch in den erfindungsgemäßen Warenspeicher, der im Takt der Förder- und Stoppzeiten stets so vergrößert wird, dass er das gesamte während des Heißverpressungsschritts auf die Pressstation zu geförderte Material aufzunehmen vermag. Nach Abschluss des Heißverpressungsschritts wird der Warenspeicher dann komplett entleert und das gesamte gepufferte Polymerelektrolytmembran-Material als eine Charge in die Pressstation eingeführt.
Dabei ist es günstig, wenn die Dauer des Heißverpressungsschritts wenigstens die Summe mehrerer Stoppzeiten und der dazwischen liegenden Förderzeiten überspannt und an der Pressstation mehrere baugleiche, simultan arbeitende Pressvorrichtungen vorgesehen sind, mit denen simultan so viele Fertigungsabschnitte heißverpresst werden wie Stoppzeiten von dem Heißverpressungsschritt überspannt werden. Dies bedeutet, dass in der Pressstation im Gegensatz zu den vorgelagerten Beschichtungsstationen, in denen jeweils nur ein Fertigungsabschnitt während eines Schritts behandelt wird, mehrere Fertigungsabschnitte gleichzeitig heißverpresst werden. Beispielsweise könnte der Heißverpressungsschritt etwa dreimal so lange dauern, wie jeder einzelne Beschichtungsschritt. Entsprechend würden während des Heißverpressungsschritts zwei beschichtete Fertigungsabschnitte in den Warenspeicher laufen und die Pressstation würde drei simultan arbeitende Pressvorrichtungen umfassen. Nach jedem Heißverpressungsschritt würden nämlich die zwei im Warenspeicher gepufferten Fertigungsabschnitte und zusätzlich ein mit der ”normalen” Förderung des Materials zugeführter Fertigungsabschnitt in die Pressstation eingeführt werden.
Bei einer günstigen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das MEA-Laminat hinter der Pressstation und vor der Schneidstation über eine quer zur Förderrichtung bewegbare, zweite Pufferrolle geführt wird, deren Bewegung den Förderweg hinter der Pressstation getaktet und entsprechend der Länge des während des Heißverpressungsschritts f) geförderten Polymerelektrolytmembran-Materials verkürzt und nach Abschluss des Heißverpressungsschritts f) wieder auf die ursprüngliche Weglänge verlängert. Mit anderen Worten heißt das, dass auch hinter der Pressstation ein weiterer Warenspeicher vorgesehen ist, der die simultan heißverpressten Fertigungsabschnitte auf einmal aufnimmt und im Takt der herkömmlichen Föder- und Stoppzeiten der Schneidstation zuführt. Diese kann dann aus jedem einzeln zugeführten Fertigungsabschnitt eine einzelne MEA ausschneiden.
Bevorzugt weist die Schneidstation eine Stanzvorrichtung auf, die den Fertigungsabschnitten entsprechend einzelne MEAs aus dem MEA-Laminat ausstanzt. Dabei verbleibt nach dem Stanzvorgang eine zusammenhängende Materialbahn, die einem unter Zug stehenden Rollenlager zugeführt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren kann somit in einem im Fachjargon als roll-to-roll bezeichneten Betrieb arbeiten. Der Bergriff des Stanzens ist hier nicht auf eine mechanische Stanze beschränkt sondern umfasst auch andere Trennverfahren, wie z. B. Laserschneiden, bei denen nach dem Heraustrennen der MEAs eine zusammenhängende Materialbahn verbleibt. Insbesondere bei der Verwendung von Laser-Schneidköpfen kann eine flexible Formgestaltung der MEAs leicht realisiert werden.
Günstigerweise wird das einseitig beschichtete und getrocknete Polymerelektrolytmembran-Material hinter der ersten Trocknungsstation und vor der zweiten Beschichtungsstation über eine schräg zur Förderrichtung angeordnete Wenderolle geführt und für die weitere Behandlung gewendet. Ein solches Wenden der Materialbahn hat zwei bedeutende Vorteile. Das Polymerelektrolytmembran-Material kann im Wesentlichen horizontal geführt werden, ohne dass eine der Beschichtungsstationen mit der Schwerkraft und die andere gegen die Schwerkraft arbeiten müsste. Dies ist im Hinblick auf die Erzielung gleicher Beschichtungsergebnisse auf beiden Seiten, insbesondere unter Verwendung gleicher Einstellungsparameter für die Beschichtungsstationen, vorteilhaft. Auch die horizontale Führung des Materials hat insbesondere bei der Aufbringung flüssigen Beschichtungsmaterials wesentliche Vorteile gegenüber einer senkrechten Führung, die zwar eine Gleichwirkung beidseitig angeordneter Beschichtungsstationen erlauben würde, bei der aber die Gefahr des Abfließens des Beschichtungsmaterials parallel zur Förderrichtung gegeben wäre. Der zweite Vorteil der Wenderolle liegt darin, dass hierdurch die Förderrichtung zwangsläufig eine Winkelung erfährt. Damit muss das Verfahren nicht auf einer sehr langen, geraden Fertigungsstraße durchgeführt werden, sondern kann räumlich günstiger geschachtelt werden.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Dauer eines Trocknungsschritts mehrere Stoppzeiten und die dazwischen liegenden Förderzeiten überspannt, wobei die Trocknungsstation eine entsprechende Anzahl von Trocknungsvorrichtungen mit unterschiedlichen Trockungsparametern umfasst, die jeweils während einer Stoppzeit auf jeweils einen Fertigungsabschnitt einwirken.
Ebenso wie der Heißverpressungsschritt benötigt typischerweise auch der Trocknungsschritt eine längere Zeit als der Beschichtungs- oder der Schneideschritt. Es wäre daher grundsätzlich denkbar auch vor jeder Trocknungsstation einen Warenspeicher zu installieren. Günstiger ist es jedoch, den Trocknungsschritt in Trocknungs-Teilschritte zu unterteilen, die jeweils von einem eigenen Trockner mit speziellen Trocknungsparametern durchgeführt werden. Als Trocknungsparameter kommen insbesondere eine Heizleistung einer einerseits der zu trocknenden Polymerelektrolytmembran-Bahn angebrachten Heizvorrichtung und eine Absaugleistung einer andererseits der zu trocknenden Polymerelektrolytmembran-Bahn angebrachten Absaugvorrichtung in Betracht. Die gesamte Trocknung kann so beispielsweise auf eine grobe Vortrocknung, eine Weitertrocknung und eine Endtrocknung aufgeteilt werden. Jeder dieser Teilschritte kann innerhalb einer herkömmlichen Stoppzeit des Systems durchgeführt werden. Auf einen Materialspeicher kann daher an dieser Stelle verzichtet werden.
Das Fasermaterial für die Gasdiffusionslagen wird bevorzugt der Pressstation in einzelnen Fertigungsabschnitten entsprechenden Zuschnitten zugeführt. Hierdurch kann eine wesentliche Materialersparnis erreicht werden. Die korrekt dimensionierten Zuschnitte aus Fasermaterial werden in der Pressstation positionsgenau beidseitig des beschichteten und getrockneten Polymerelektrolytmembran-Materials angeordnet und mit diesem verpresst. Dabei ist bevorzugt vorgesehen, dass die Zuschnitte aus Fasermaterial bedarfsgemäß in einem parallelen, kontinuierlichen Prozess gefertigt werden, bei dem die Zuschnitte aus einer zwischen zwei Rollenspeichern unter Zug geförderten Materialbahn aus Fasermaterial mittels eines Schneidwalzenpaars ausgestanzt werden, wobei eine zusammenhängende Materialbahn verbleibt. Bei der Herstellung der Fasermaterialzuschnitte besteht keine Notwendigkeit einer Taktung des Verfahrens. Vielmehr kann dieses vollständig kontinuierlich und bevorzugt in einem roll-to-roll-Betrieb ablaufen. Ist vorgesehen, auch das Fasermaterial für die Gasdiffusionslagen vorzubehandeln, z. B. durch Imprägnierung mit einem Dotierungsmittel, kann ein solcher Prozeßschritt und ggf. ein entsprechender Trocknungsschritt in das kontinuierliche Herstellungsverfahren für die Fasermaterialzuschnitte integriert. Alternativ ist es selbstverständlich auch möglich, die Fasermaterial-Zuschnitte auf Halde zu fertigen und von einem Stücklager dem Heißverpressungsschritt zuzuführen. Insbesondere bei beschichteten Fasermaterial-Zuschnitten ist die Frischproduktion in einem parallelen Prozess jedoch vorteilhaft.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
In den Zeichnungen zeigen:
1: eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Seitenansicht
2: eine schematische Darstellung des Materialverlaufs bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in Draufsicht
Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Die 1 und 2 sollen nachfolgend gemeinsam diskutiert werden, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten bezeichnen.
Ausgangsmaterial des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein auf einem Rollenspeicher 10 aufgewickeltes Membranmaterial 12, insbesondere ein Polymerelektrolytmembran-Material. Zunächst wird ein Fertigungsabschnitt 14, d. h. ein Bereich des Membranmaterials 12, der zu einer einzelnen MEA verarbeitet wird mit einer Markierung 16 versehen. Die Markierung 16 kann bei allen oder einigen der nachfolgenden Bearbeitungsschritte, z. B durch optische Prüfung zur korrekten Ausrichtung von Bearbeitungsgeräten und/oder zur korrekten räumlichen Ausrichtung von weiteren Materialien, die zusammen mit dem Polymerelektrolytmembran-Material 12 verarbeitet werden sollen, dienen. Die Materialbahn 12 verläuft unter Spannung zwischen dem ersten Rollenspeicher 10, von dem es abgewickelt wird und einem zweiten Rollenspeicher 18, auf welchen es nach Abschluss des Prozesses aufgewickelt wird. An einer ersten Bearbeitungsstation 20 wird eine als Elektrode wirksame Katalysatorschicht 22 z. B. mittels eines Druckkopfes 24 auf einen vorgegebenen Bereich des Fertigungsabschnitts 14 aufgetragen. Die Beschichtung erfolgt nämlich bevorzugt mit einer Drucktechnik, welche eine massenmäßig präzise und ortsaufgelöste Beschichtung der Polymerelektrolytmembran erlaubt, z. B. durch InkJet-Techniken. Dabei können die Druckköpfe anhand der zu Beginn des Fertigungsprozesses auf des Membranmaterial aufgebrachten Markierung 16 präzise ausgerichtet werden. Diese Vorgehensweise garantiert eine materialsparende Beschichtung mit dem Katalysatormaterial mit einer hochreproduzierbaren Verteilung in der so hergestellten Elektrode. Durch Verwendung frei steuerbarer Druckköpfe kann die zu beschichtende Geometrie flexibel geändert werden und so eine hohe Flexibilität hinsichtlich des herzustellenden MEA-Designs erreicht werden.
An den drei nachfolgenden Bearbeitungsstationen 26, 28, 30 wird die aufgetragene Katalysatorschicht 22 mittels dreier Trockner, im gezeigten Ausführungsbeispiel jeweils bestehend aus einer Heizvorrichtung 32, 34 bzw. 36 und einer Absaugvorrichtung 38, 40 bzw. 42 getrocknet. Bevorzugt wirken die drei aufeinander folgenden Trockner mit unterschiedlichen Trocknungsparametern, d. h. insbesondere unterschiedlicher Temperatur und unterschiedlicher Absaugstärke, auf die Katalysatorbeschichtungen 22 ein.
Im Anschluss an die Trocknung wird die Materialbahn 12 über eine Wenderolle 44 gewendet und auf ihrer zweiten Seite ebenfalls mit einer als Elektrode wirksamen Katalysatorschicht 46 beschichtet und getrocknet. Hierzu wird das Membranmaterial 12 an der Beschichtungsstation 48 mittels eines Druckkopfes 50 mit einem Katalysatormaterial belegt. Dabei dient die Markierung 16 der korrekten Ausrichtung der zweiten Beschichtung 46, insbesondere so, dass diese deckungsgleich mit der ersten Beschichtung 22 aufgetragen wird. Die nachfolgenden Trockner 52, 54 und 56, die im gezeigten Ausführungsbeispiel jeweils eine Heizvorrichtung 58, 60 bzw. 62 sowie eine Absaugvorrichtung 64, 66 bzw. 68 umfassen, werden in derselben Weise getrocknet, wie zuvor beschrieben. Nach dem zweiten Trockenvorgang läuft das Membranmaterial 12 in einen Warenspeicher 70, der weiter unten näher erläutert werden soll.
Hinter dem Warenspeicher befindet sich bei der gezeigten Ausführungsform eine Pressstation mit drei baugleiche Pressen 72, 74, 76. In den Pressen 72, 74, 76 werden die beschichteten Fertigungsabschnitte jeweils im Bereich ihrer Beschichtungen 22, 46 beidseitig mit Fasermaterialien 78a, 78b, 80a, 80b und 82a, 82b belegt und mit diesen heißverpresst.
Im Anschluss an die Pressstation befindet sich ein zweiter Warenspeicher 84, der weiter unten näher erläutert werden soll.
Als abschließender Bearbeitungsschritt werden die einzelnen Fertigungsabschnitte an einer Schneidstation 86 als einsatzbereite MEAs 88 ausgestanzt. Der Stanzvorgang erfolgt dabei so, dass ein zusammenhängendes Bahnmaterial 12' verbleibt, welches auf dem zweiten Rollenspeicher 18 aufgewickelt wird.
Die Warenspeicher 70 und 84 haben folgende Funktion. Das Membranmaterial 12 wird getaktet von dem ersten Rollenspeicher 10 abgewickelt. Beispielsweise wird die Bahn mit einer Geschwindigkeit von einem Zentimeter pro Sekunde für 17 Sekunden in Förderrichtung bewegt. Dieser Förderzeit schließt sich eine Stoppzeit von beispielsweise 163 Sekunden an. Während dieser Stoppzeit werden an den Bearbeitungsstationen 20, 26, 28, 30, 48, 52, 54 und 56 die dort vorgesehenen Bearbeitungsschritte an jeweils einem Fertigungsabschnitt 14 durchgeführt. Dies betrifft die Beschichtung und die drei Teilabschnitte der beiden Trocknungsvorgänge. Der Pressvorgang, der in den Pressen 72, 74, 76 simultan an drei Fertigungsabschnitten 14 durchgeführt wird, benötigt einen längeren Zeitraum, insbesondere im gezeigten Ausführungsbeispiel 523 Sekunden entsprechend der Dauer dreier Stoppzeiten von je 163 Sekunden und der zwei dazwischenliegenden Förderzeiten von je 17 Sekunden. Während dieser Presszeit verändert sich der Prozessablauf vor dem Warenspeicher 70 nicht. Um einen Materialstau zu vermeiden wird die Pufferrolle 71 des Warenspeichers 70 quer zur Förderrichtung im Takt der Stopp- und Förderzeiten bewegt, um den Förderweg des Membranmaterials 12 entsprechend der während der Presszeit angeförderten Bahnlänge zu verlängern. Nach Abschluss der Presszeit werden die in den Pressen 72, 74, 76 behandelten Fertigungsabschnitte 14 während der nächsten Förderzeit mit einer Geschwindigkeit von drei Zentimetern pro Sekunde, d. h. dem dreifachen der vor dem Warenspeicher 70 verwendeten Fördergeschwindigkeit, in den zweiten Warenspeicher 84 gefördert, dessen Pufferrolle 85 den Förderweg entsprechend verlängert. Gleichzeitig verkürzt die Pufferrolle 71 des ersten Warenspeichers 70 den Förderweg, sodass drei weitere Fertigungsabschnitte 14 mit der erhöhten Fördergeschwindigkeit von drei Zentimetern pro Sekunde in die Pressen 72, 74, 76 gefördert werden können. Die Schneidstation 86 hinter dem zweiten Warenspeicher 84 bearbeitet die Fertigungsabschnitte 14 wieder einzeln. Entsprechend verkürzt der zweite Warenspeicher während des folgenden Pressvorgangs den Förderweg im Takt der Stopp- und Förderzeiten, sodass die einzelnen Fertigungsabschnitte mit der ursprünglichen Fördergeschwindigkeit von einem Zentimeter pro Sekunde während 17 Sekunden aus dem Warenspeicher 84 in die Schneidvorrichtung hinein gefördert und dort während der folgenden Stoppzeit von 163 Sekunden ausgestanzt werden können.
Bei der gezeigten Ausführungsform läuft parallel zu dem oben beschriebenen Fertigungsprozess ein weiterer Prozess zur Fertigung der mit dem Membranmaterial 12 zu verpressenden Gasdiffusionslagen 78a, b, 80a, b, 82a, b. Hierzu wird von einem Rollenspeicher 100 ein Fasermaterial 102 abgewickelt, welches an einer Beschichtungsstation 104 von einem Druckkopf 106 mit einem Dotierungsmittel beschichtet, an einer nachfolgenden Trocknungsstation 108, umfassend eine Heizvorrichtung 110 und eine Absaugeinrichtung 112 getrocknet und schließlich an einer Schneidstation mittels zweier Schneidesalzen 116, 118 geschnitten wird. Der Schneidvorgang an der Schneidstation 114 erfolgt dabei insbesondere so, dass ein zusammenhängender Bereich von Fasermaterial 102' verbleibt, der auf einem zweiten Rollenspeicher 120 aufgewickelt werden kann. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Gasdiffusionslagen in einem separaten Prozess zu fertigen und der Pressstationen von einem Stücklager zuzuführen.
Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum an Variationsmöglichkeiten anhand gegeben. Insbesondere kann die Wahl der Taktzeiten sowie der Fertigungsparameter jeweils den Erfordernissen des Einzelfalls angepasst werden. Auch können Verhältnisse zwischen den Presszeiten und den herkömmlichen Stoppzeiten gewählt werden, die nicht dem dargestellten Verhältnis 1:3 (plus 2) entsprechen. Auch die Wahl der Materialien für Membran, Gasdiffusionslagen, und Katalysator und Dotierung kann unabhängig von der Erfindung erfolgen. Insbesondere sind sowohl eine gleiche als auch eine verschiedene Wahl des Katalysators auf den beiden Seiten des Polymerelektrolytmembran-Materials denkbar.

10: Rollenspeicher
12: Membranmaterial
12: Abfall-Membranmaterial
14: Fertigungsabschnitt
16: Markierung
18: Rollenspeicher
20: Beschichtungsstation
22: Beschichtung, Elektrode
24: Druckkopf
26, 28, 30: Trockner
32, 34, 36: Heizung
38, 40, 42: Absaugvorrichtung
44: Wenderolle
46: Beschichtung, Elektrode
48: Beschichtungsstation
50: Druckkopf
52, 54, 56: Trockner
58, 60, 62: Heizung
64, 66, 68: Absaugvorrichtung
70: erster Warenspeicher
71: Pufferrolle
72, 74, 76: Presse
78a, b: Fasermaterialzuschnitt, Gasdiffusionslage
80a, b: Fasermaterialzuschnitt, Gasdiffusionslage
82a, b: Fasermaterialzuschnitt, Gasdiffusionslage
84: zweiter Warenspeicher
85: Pufferrolle
86: Schneidstation
88: MEA
100: Rollenspeicher
102: Fasermaterial
102': Abfall-Fasermaterial
104: Beschichtungsstation
106: Druckkopf
108: Trocknungsstation
110: Heizung
112: Absaugvorrichtung
114: Schneidstation
116, 118: Schneidesalze
120: Rollenspeicher

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 97/23919 [0002, 0005]

Claims

Verfahren zur automatisierten Herstellung von Membran-Elektrodeneinheiten (88), MEAs, die jeweils eine beidseitig katalysatorbeschichtete, innenleitfähige Polymerelektrolytmembran (12) aufweisen, auf die beidseitig je eine Gasdiffusionslage (78, 80, 82) aus flächigem Fasermaterial auflaminiert ist, wobei folgende Schritte ausgeführt werden: a) Zuführen von Polymerelektrolytmembran-Material (12) von einem Rollenspeicher (10), b) Beschichten einer ersten Seite des Polymerelektrolytmembran-Materials (12) mit Katalysatortinte, umfassend ein Lösungsmittel und Katalysatormaterial (22), an einer ersten Beschichtungsstation (20), c) Beschichten der zweiten Seite des Polymerelektrolytmembran-Materials (12) mit Katalysatortinte, umfassend ein Lösungsmittel und Katalysatormaterial (46), an einer zweiten Beschichtungsstation (48), d) Trocknen des beschichteten Polymerelektrolytmembran-Materials (12) zur Verdampfung des Lösungsmittels an wenigstens je einer den Beschichtungsstationen nachgelagerten Trocknungsstation (26, 28, 30; 52, 54, 56), e) Zuführen von flächigem Fasermaterial (78, 80, 82) und Positionieren des Fasermaterials (78, 80, 82) beidseitig des beschichteten und getrockneten Polymerelektrolytmembran-Materials (12), f) Heißverpressen des positionierten Fasermaterials (18, 80, 82) mit dem beschichteten und getrockneten Polymerelektrolytmembran-Material (12) zur Erzeugung eines MEA-Laminats an einer Pressstation (72, 74, 76), g) Schneiden des MEA-Laminats zu einzelnen MEAs an einer Schneidstation (84) und h) Fördern des Polymerelektrolytmembran-Materials (12) zwischen den einzelnen Stationen über eine Mehrzahl von Leitrollen, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymerelektrolytmembran-Material (12) in Schritt a) getaktet mit einander abwechselnden Förderzeiten und Stoppzeiten zugeführt wird und die Beschichtungsschritte b) und c) jeweils während einer Stoppzeit an jeweils einem Fertigungsabschnitt (14) des stillstehenden Polymerelektrolytmembran-Materials (12) durchgeführt und während dazwischen liegender Förderzeiten unterbrochen werden und der Heißverpressungsschritt f) mehrere Stoppzeiten und die dazwischenliegende wenigstens eine Förderzeit überspannt, wobei das beidseitig beschichtete Polymerelektrolytmembran-Material (12) hinter der zweiten Beschichtungsstation (48) und vor der Pressstation (72, 74, 76) über eine quer zur Förderrichtung bewegbare, erste Pufferrolle (71) geführt wird, deren Bewegung den Förderweg vor der Pressstation (72, 74, 76) getaktet und entsprechend der Länge des während des Heißverpressungsschritts f) geförderten Polymerelektrolytmembran-Materials (12) verlängert und nach Abschluss des Heißverpressungsschritts f) wieder auf die ursprüngliche Weglänge verkürzt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der Pressstation mehrere baugleiche, simultan arbeitende Pressvorrichtungen (72, 74, 76) vorgesehen sind, mit denen simultan so viele Fertigungsabschnitte (14) heißverpresst werden wie Stoppzeiten und dazwischen liegende Förderzeiten von dem Heißverpressungsschritt überspannt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das MEA-Laminat hinter der Pressstation (72, 74, 76) und vor der Schneidstation (86) über eine quer zur Förderrichtung bewegbare, zweite Pufferrolle (85) geführt wird, deren Bewegung den Förderweg hinter der Pressstation (72, 74, 76) getaktet und entsprechend der Länge des während des Heißverpressungsschritts f) geförderten Polymerelektrolytmembran-Materials (12) verkürzt und nach Abschluss des Heißverpressungsschritts f) wieder auf die ursprüngliche Weglänge verlängert.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneidstation (86) eine Stanzvorrichtung aufweist, die den Fertigungsabschnitten (14) entsprechende einzelne MEAs (88) aus dem MEA-Laminat ausstanzt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Stanzvorgang eine zusammenhängende Materialbahn (12') verbleibt, die einem unter Zug stehenden Rollenspeicher zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer eines Trocknungsschritts mehrere Stoppzeiten und die dazwischen liegenden Förderzeiten überspannt, wobei die Trocknungsstation eine entsprechende Anzahl von Trocknungsvorrichtungen (26, 28, 30; 52, 54, 56) mit unterschiedlichen Trockungsparametern umfasst, die jeweils während einer Stoppzeit auf jeweils einen Fertigungsabschnitt (14) einwirken.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das einseitig beschichtete und getrocknete Polymerelektrolytmembran-Material (12) hinter der ersten Trockungsstation (26, 28, 30) und vor der zweiten Beschichtungsstation (48) über eine schräg zur Förderrichtung angeordnete Wenderolle (44) geführt und für die weitere Behandlung gewendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Trockungsvorrichtung (26, 28, 30, 52, 54, 62) eine einerseits des zu trocknenden Polymerelektrolytmembran-Materials (12) eingeordnete Heizvorrichtung (32, 34, 36, 58, 60, 62) und eine andererseits des zu trocknenden Polymerelektrolytmembran-Materials (12) angeordnete Absaugvorrichtung (38, 40, 42, 64, 66, 68) aufweist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fasermaterial der Pressstation (72, 74, 76) in einzelnen Fertigungsabschnitten (14) entsprechenden Zuschnitten (78, 80, 82) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuschnitte (78, 80, 82) aus Fasermaterial bedarfsgemäß in einem parallelen, kontinuierlichen Prozess gefertigt werden, bei dem die Zuschnitte (78, 80, 82) aus einer zwischen zwei Rollenspeichern (100, 120) unter Zug geförderten Materialbahn (102) aus Fasermaterial mittels eines Schneidwalzenpaars (116, 118) ausgestanzt werden, wobei eine zusammenhängende Materialbahn (102') verbleibt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Fasermaterial (102) vor dem Schneideschritt einem kontinuierlichen Beschichtungsschritt und einem diesem folgenden kontinuierlichen Trocknungsschritt unterworfen wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungsschritte mittels eines oder mehrerer steuerbarer Druckköpfe erfolgt, von denen das zu Katalysatortinte aufbereitete Katalysatormaterial positionsgenau in definierter Menge nach einer vorgegebenen Geometrie aufgebracht wird.