DE102011102234A1

DE102011102234A1 - Anbringung einer Wassedampfübertragungsmembran an Gasdiffusionsseparatoren

Info

Publication number: DE102011102234A1
Application number: DE102011102234A
Authority: DE
Inventors: Jeffrey M. Guzda
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-05-27
Filing date: 2011-05-23
Publication date: 2011-12-01
Anticipated expiration: 2031-05-24
Also published as: CN102263275B; US20110294032A1; CN102263275A; DE102011102234B4; US8669019B2

Abstract

Eine Wasserdampfübertragungsvorrichtung für eine Brennstoffzelle umfasst ein Paar von Diffusionsmediumschichten, ein Paar von Kantenstreifen, eine Anordnung von länglichen Schnüren und ein Paar von Polymermembranen. Einer der Kantenstreifen ist zwischen den ersten Kanten der Diffusionsmediumschichten angeordnet. Ein anderer der Kantenstreifen ist benachbart zu der zweiten Kante jeder der Diffusionsmediumschichten angeordnet. Die Kantenstreifen sind mit einem Schmelzkleber mit jeder der Diffusionsmediumschichten verbunden. Die länglichen Schnüre sind zwischen den Diffusionsmediumschichten und zwischen den Kantenstreifen liegend angeordnet. Die länglichen Schnüre sind mit einem Schmelzkleber mit jeder der Diffusionsmediumschichten verbunden und legen mehrere Strömungskanäle zwischen den Diffusionsmediumschichten fest. Die Polymermembranen sind benachbart zu den Kantenstreifen mit dem Schmelzkleber von den Kantenstreifen mit den Diffusionsmediumschichten verbunden.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Wasserdampfübertragungsvorrichtung und insbesondere ein System und Verfahren für den Zusammenbau der Wasserdampfübertragungsvorrichtung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Ein Brennstoffzellensystem wird zunehmend als Leistungsquelle in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet. Das Brennstoffzellensystem wird zum Beispiel zur Verwendung in Fahrzeugen als Ersatz für Verbrennungsmotoren vorgeschlagen. Das Brennstoffzellensystem kann auch als ortsfestes Stromaggregat in Gebäuden und Wohnungen, als tragbare Energie in Videokameras, Computer und dergleichen verwendet werden. Typischerweise umfasst das Brennstoffzellensystem mehrere Brennstoffzellen, die in einem Brennstoffzellenstapel angeordnet sind, um elektrischen Strom zu erzeugen, der zum Laden von Batterien oder zum Liefern von Leistung zu einem Elektromotor verwendet wird.
Eine typische Brennstoffzelle ist als Polymerelektrolytmembran(PEM)-Brennstoffzelle bekannt, die einen Brennstoff wie etwa Wasserstoff und ein Oxidationsmittel wie etwa Sauerstoff kombiniert, um elektrischen Strom und Wasser zu erzeugen. Der Sauerstoff wird allgemein durch einen Luftstrom zugeführt. Um in einem erwünschten Effizienzbereich zu arbeiten, sollte eine ausreichende Befeuchtung der Polymerelektrolytmembranen der Brennstoffzelle aufrechterhalten werden. Die ausreichende Befeuchtung verlängert wünschenswerterweise die Lebensdauer der Elektrolytmembranen in der Brennstoffzelle und wahrt auch die erwünschte Betriebseffizienz.
Als Teil des Brennstoffzellensystems kann eine Wasserdampfübertragungsvorrichtung (WVT-Vorrichtung, kurz vom engl. Water Vapor Transfer) genutzt werden, um den in den Brennstoffzellenstapel eintretenden Luftstrom zu befeuchten. Die WVT-Vorrichtung überträgt Wasserdampf von einem Abgasstrom von dem Brennstoffzellenstapel zu einem in den Brennstoffzellenstapel eintretenden Einspeisungsstrom. Dies wird im Allgemeinen durch Verwenden einer Wasserdampfübertragungsmembran verwirklicht, die nur Wasserdampf durchtreten lässt. Diese Membran kann dauerhaft an einer Diffusionsmedienschicht, die als Separator bezeichnet wird und die Gasströmung steuert, angebracht sein. Die Stellen, an denen die Membran an dem Separator angebracht wird, sind wünschenswerterweise leckagefrei.
In der U.S. Patentanm. Veröffentl. Nr. 2009/0092863 für Skala, deren gesamte Offenbarung hierin hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist, wird eine beispielhafte Wasserdampftransportvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem offenbart. Skala beschreibt eine Platte für eine Wasserdampftransportvorrichtung mit einer oberen Schicht, die aus einem Diffusionsmedium gebildet ist, und einer unteren Schicht, die aus einem Diffusionsmedium gebildet ist. Zwischen der oberen und unteren Diffusionsmediumschicht ist eine Anordnung von im Wesentlichen ebenen, länglichen Schnüren angeordnet. An mindestens einer von oberer und unterer Diffusionsmediumschicht haftet eine Membran an.
Es ist auch bekannt, einen Wasserdampfübertragungsseparator herzustellen, der aus einer Kunststoffplatte mit Strömungskanälen besteht, die in die Kunststoffplatte entweder maschinell eingearbeitet oder eingeformt sind. Die Gasdiffusions- und Membranschichten werden unter Verwenden von druckempfindlichem Klebstoff (PSA) an der Kunststoffplatte angebracht. Das Auftragen des PSA ist aber schwierig und zeitaufwändig. Wenn ferner der PSA nicht korrekt aufgetragen wurde, kann die sich ergebende Wasserdampfübertragungsvorrichtung im Allgemeinen nicht repariert werden.
Es besteht nach wie vor Bedarf nach einem Herstellungssystem und -verfahren zum effizienten und dauerhaften Verbinden von Was serdampfübertragungsmembranen mit Gasdiffusionsseparatoren. Wünschenswerterweise erzeugt der Herstellungsprozess eine haltbare, leckagefreie Verbindung zwischen den Wasserdampfübertragungsmembranen und den Separatoren, ergibt eine Anordnung, die in spezifischen Bereichen die Maß- und Flachheitstoleranzen erfüllt, ohne die Wasserdampfübertragungsrate der sich ergebenden Wasserdampfübertragungsvorrichtung nachteilig zu beeinflussen, und kann mühelos in entweder einen Prozess von Walze zu Walze oder einen chargenweisen Plattenprozess integriert werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Im Einklang mit der vorliegenden Offenbarung wurde überraschenderweise ein Herstellungsprozess zum effizienten und dauerhaften Verbinden von Wasserdampfübertragungsmembranen mit Gasdiffusionsseparatoren entdeckt, der eine haltbare leckagefreie Verbindung zwischen den Wasserdampfübertragungsmembranen und den Separatoren erzeugt, eine Anordnung, die in spezifischen Bereichen die Maß- und Flachheitstoleranzen erfüllt, ohne die Wasserdampfübertragungsrate der sich ergebenden Wasserdampfübertragungsvorrichtung nachteilig zu beeinflussen, ergibt und mühelos in entweder einen Prozess von Walze zu Walze oder einen chargenweisen Plattenprozess integriert werden kann.
In einer Ausführungsform umfasst eine Wasserdampfübertragungsvorrichtung für eine Brennstoffzelle ein Paar von Diffusionsmediumschichten. Jede der Diffusionsmediumschichten hat eine erste Kante und eine zweite Kante. Zwischen den Diffusionsmediumschichten ist ein Paar von Kantenstreifen angeordnet. Einer der Kantenstreifen ist benachbart zu der ersten Kante jeder der Diffusionsmediumschichten angeordnet. Ein anderer der Kantenstreifen ist benachbart zu der zweiten Kante jeder der Diffusionsmediumschichten angeordnet. Die Kantenstreifen sind mit einem Schmelzkleber mit jeder der Diffusionsmediumschichten verbunden. Zwischen den Diffusionsmediumschichten und zwischen den Kantenstreifen liegend ist eine Anordnung von länglichen Schnüren angeordnet. Die länglichen Schnüre sind mit einem Schmelzkleber mit jeder der Diffusionsmediumschichten verbunden. Die länglichen Schnüre legen mehrere Strömungskanäle zwischen den Diffusionsmediumschichten fest. Die Diffusionsmediumschichten, die Kantenstreifen und die länglichen Schnüre sind zwischen einem Paar von Polymermembranen angeordnet. Die Polymermembranen sind benachbart zu den Kantenstreifen mit dem Schmelzkleber von den Kantenstreifen mit den Diffusionsmediumschichten verbunden. Zwischen den Kantenstreifen sind die Polymermembranen nicht mit den Diffusionsmediumschichten verbunden.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Verfahren für den Zusammenbau einer Wasserdampfübertragungsvorrichtung zunächst den Schritt des Vorsehens einer Separatoranordnung. Die Separatoranordnung umfasst ein Paar von Kantenstreifen und eine Anordnung von länglichen Schnüren, die zwischen einem Paar von Diffusionsmediumschichten angeordnet sind. Einer der Kantenstreifen ist benachbart zu der ersten Kante jeder der Diffusionsmediumschichten angeordnet. Ein anderer der Kantenstreifen ist benachbart zu der zweiten Kante jeder der Diffusionsmediumschichten angeordnet. Die Kantenstreifen sind mit einem Schmelzkleber mit jeder der Diffusionsmediumschichten verbunden. Die Anordnung von länglichen Schnüren ist im Wesentlichen parallel zur ersten Kante und zweiten Kante zwischen den Kantenstreifen liegend angeordnet. Die länglichen Schnüre sind mit einem Schmelzkleber mit jeder der Diffusionsmediumschichten verbunden und legen mehrere Strömungskanäle zwischen den Diffusionsmediumschichten fest. An jeder der Diffusionsmediumschichten der Separatoranordnung ist eine Polymermembran angeordnet. An der Separatoranordnung werden Wärme und Druck angelegt, um zu bewirken, dass die Schmelzkleberbeschichtung der Kantenstreifen schmilzt und durch die Diffusionsmediumschichten dringt und die Polymermembranen kontaktiert. Die Schmelzkleberbeschichtung der Schnüre wird veranlasst, zu schmelzen und nur in die Diffusionsmediumschichten einzudringen. Dann wird die Separatoranordnung abgekühlt, um zu bewirken, dass die Schmelzkleberbeschichtungen an den Kantenstreifen und Schnüren erstarren und die Kantenstreifen sowohl mit den Diffusionsmediumschichten als auch den Polymermembranen verbinden. Die Schnüre werden während des Abkühlens der Separatoranordnung nur mit den Diffusionsmediumschichten verbunden, um dadurch die Wasserdampfübertragungsvorrichtung zu bilden.
In einer anderen Ausführungsform umfasst ein System für den Zusammenbau einer Wasserdampfübertragungsvorrichtung Mittel zum Anlegen von Wärme und Druck, um die Kleberbeschichtung der Kantenstreifen schmelzen und durch die Diffusionsmediumschichten dringen und die Polymermembranen kontaktieren zu lassen.
ZEICHNUNGEN
Die vorstehenden sowie andere Vorteile der vorliegenden Offenbarung gehen für den Fachmann ohne Weiteres aus der folgenden eingehenden Beschreibung, insbesondere bei Betrachtung im Hinblick auf die hierin nachstehend beschriebenen Zeichnungen, hervor.
1A–1C veranschaulichen eine schrittweise Abfolge eines Zusammenbaus einer Wasserdampfübertragungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung;
2 veranschaulicht ein kontinuierliches System für den Zusammenbau einer Wasserdampfübertragungsvorrichtung nach einer Ausführungsform der Offenbarung;
3 veranschaulicht ein kontinuierliches System für den Zusammenbau einer Wasserdampfübertragungsvorrichtung nach einer anderen Ausführungsform der Offenbarung; und
4A–4B veranschaulichen Chargensysteme für den Zusammenbau einer Wasserdampfübertragungsvorrichtung nach einer weiteren Ausführungsform der Offenbarung.
EINGEHENDE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die folgende eingehende Beschreibung und beigefügten Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen der Erfindung. Die Beschreibung und Zeichnungen dienen dazu, einem Fachmann das Herstellen und Nutzen der Erfindung zu ermöglichen, und sollen nicht den Schutzumfang der Erfindung in irgendeiner Weise beschränken. Bezüglich der offenbarten Verfahren ist die Reihenfolge der dargelegten Schritte beispielhafter Natur und somit nicht erforderlich oder ausschlaggebend.
Wie in 1A–1C gezeigt umfasst die vorliegende Offenbarung eine Wasserdampfübertragungsvorrichtung 2 für ein Brennstoffzellensystem. Die Wasserdampfübertragungsvorrichtung 2 weist ein Paar von Diffusionsmediumschichten 4, 6 auf. Jede der Diffusionsmediumschichten 4, 6 hat eine erste Kante 8 und eine zweite Kante 10. Als nicht einschränkende Beispiele sind die Diffusionsmediumschichten 6, 8 aus einem von Glasfaser, glasbasiertem Papier, Kohlenstofffaser und kohlenstoffbasiertem Papier gebildet. Ein Durchschnittsfachmann kann nach Bedarf andere durchlässige Materialien für die Diffusionsmediumschichten 6, 8 wählen.
Zwischen den Diffusionsmediumschichten 4, 6 ist ein Paar von Kantenstreifen 12, 14 angeordnet. Einer der Kantenstreifen 12 ist benachbart zu der ersten Kante 8 jeder der Diffusionsmediumschichten 4, 6 angeordnet. Der andere der Kantenstreifen 14 ist benachbart zu der zweiten Kante 10 jeder der Diffusionsmediumschichten 4, 6 angeordnet. Die Kantenstreifen 12, 14 sind mit einem Schmelzkleber 16 mit jeder der Diffusionsmediumschichten 4, 6 verbunden. Als nicht einschränkendes Beispiel können die Kantenstreifen 12, 14 aus Polypropylen gebildet sein. Es können auch andere Materialien mit geeigneter Beständigkeit gegenüber Umweltbedingungen, die mit Wasserdampfübertragungsvorrichtung 2 bei Gebrauch in Verbindung stehen, genutzt werden.
Zwischen den Diffusionsmediumschichten 4, 6 ist eine Anordnung von länglichen Schnüren 18 angeordnet. Die länglichen Schnüre 18 befinden sich auch zwischen den Kantenstreifen 12, 14 liegend. Auch wenn in 1A–1C nur drei längliche Schnüre 18 gezeigt sind, versteht sich, dass in einer Anordnung gemäß der vorliegenden Offenbarung viele weitere längliche Schnüre 18 vorgesehen sein können und typischerweise vorgesehen sind. Die länglichen Schnüre 18 sind mit einem Schmelzkleber 20 mit jeder der Diffusionsmediumschichten 4, 6 verbunden. Die länglichen Schnüre 18 legen mehrere Strömungskanäle 22 zwischen den Diffusionsmediumschichten 4, 6 fest. Die Diffusionsmediumschichten 4, 6 werden mit den länglichen Schnüren 18 zusammengebaut, um eine Separatoranordnung 24 für die Wasserdampfübertragungsvorrichtung 2 zu bilden.
Die Wasserdampfübertragungsvorrichtung 2 umfasst weiterhin ein Paar von Polymermembranen 26, 28. Die Polymermembranen 26, 28 können aus eifern beliebigen Material, das zum Durchlassen von Wasserdampf dadurch geeignet ist, gebildet sein. Als nicht einschränkendes Beispiel können die Polymermembranen 26, 28 aus Perfluorsulfonsäure (PFSA) gebildet sein. Innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Offenbarung können auch andere Polymermembranen 26, 28 für Wasserdampfübertragung genutzt werden.
Die Diffusionsmediumschichten 4, 6, die Kantenstreifen 12, 14 und die länglichen Schnüre 18, die die Separatoranordnung 24 bilden, sind zwischen den Polymermembranen 26, 28 angeordnet. Die Polymermembranen 26, 28 sind benachbart zu den Kantenstreifen 12 mit dem Schmelzkleber 16 von den Kantenstreifen 12, 14 mit den Diffusionsmediumschichten 4, 6 verbunden. Zwischen den Kantenstreifen 12, 14 sind die Polymermembranen 26, 28 nicht mit den Diffusionsmediumschichten 4, 6 verbunden.
In einer veranschaulichenden Ausführungsform sind die Kantenstreifen 12, 14 und die länglichen Schnüre 18 mit dem Schmelzkleber 16, 20 beschichtet. In einer bestimmten Ausführungsform hat die Kleberbeschichtung 16 auf den Kantenstreifen eine Dicke, die größer als eine Dicke der Schmelzkleberbeschichtung 20 auf den Schnüren 18 ist. Die Dicke der Schmelzkleberbeschichtung 16 auf den Kantenstreifen 12, 14 reicht aus, um durch die Diffusionsmediumschichten 4, 6 zu dringen und sich mit den Polymermembranen 26, 28 zu verbinden. Die Dicke der Kleberbeschichtung 20 auf den Schnüren 18 reicht nicht aus, um durch die Diffusionsmediumschichten 4, 6 zu dringen und sich mit den Polymermembranen 26, 28 zu verbinden. In einer Ausführungsform beträgt die Dicke der Schmelzkleberbeschichtung 16 auf den Kantenstreifen 12, 14 in etwa 0,100 mm an jeder Seite der Kantenstreifen 12, 14 und die Dicke der Schmelzkleberbeschichtung 20 auf den Schnüren 18 beträgt in etwa 0,050 mm. Es versteht sich, dass die relativen Dicken der Schmelzkleber 16, 20 abhängig von einer Dicke der Diffusionsmediumschichten 4, 6, zwischen denen die Kantenstreifen 12, 14 und die Schnüre 18 angeordnet sind, variieren kann.
Die Schmelzkleber 16, 20 auf jedem des Kantenstreifens 12, 14 und der länglichen Schnüre 18 können nach Bedarf gleich oder unterschiedlich sein. Es können Materialien für Schmelzkleber 16, 20 mit ausreichender Beständigkeit gegenüber der Betriebsumgebung der Wasserdampfübertragungsvorrichtung 2 verwendet werden. Als nicht einschränkende Beispiele können die Schmelzkleber 16, 20 ein Ethylvinylacetat(EVA)-Polymer, ein Ethylacrylatpolymer oder ein Polyethylenpolymer umfassen. In einer bestimmten Ausführungsform ist der Schmelzkleber 16, 20 ein koextrudierbares DuPont^TM Bynel^®-Klebstoffharz, das im Handel bei E. I. du Pont de Nemours and Company erhältlich ist. Andere geeignete Materialien für den Schmelzkleber 16, 20 können nach Bedarf genutzt werden.
Die vorliegende Offenbarung umfasst ein Verfahren für den Zusammenbau der Wasserdampfübertragungsvorrichtung 2. Das Verfahren kann zunächst die Schritte des Vorsehens des Paars von Diffusionsmediumschichten 4, 6, des Paars von Kantenstreifen 12, 14 mit der Schmelzkleberbeschichtung 16 und der Anordnung von länglichen Schnüren 18 mit einer Schmelzkleberbeschichtung 20 umfassen. Die Kantenstreifen 12, 14 und die länglichen Schnüre 18 sind zwischen den Diffusionsmediumschichten 4, 6 angeordnet, um die Separatoranordnung 24 zu bilden. Einer der Kantenstreifen 12, 14 ist benachbart zu der ersten Kante 8 jeder der Diffusionsmediumschichten 4, 6 angeordnet. Der andere der Kantenstreifen 12, 14 ist benachbart zu der zweiten Kante 10 jeder der Diffusionsmediumschichten 4, 6 angeordnet. Die Schnüre 18 sind zwischen den Diffusionsmediumschichten 4, 6 und zwischen den Kantenstreifen 12, 14 liegend angeordnet. Die Schnüre 18 können im Wesentlichen parallel zu der ersten und zweiten Kante 8, 10 angeordnet sein.
Auch wenn die Separatoranordnung 24 wie hierin vorstehend beschrieben zusammengebaut werden kann, sollte einem Durchschnittsfachmann verständlich sein, dass die Separatoranordnung 24 für den anschließenden Zusammenbau mit den Polymermembranen 26, 28 vormontiert vorgesehen werden kann, um die Wasserdampfübertragungsvorrichtung 2 zu bilden. Die Separatoranordnung 24 kann nach Bedarf in Form von einzelnen vormontierten Platten oder in Form einer durchgehenden Rolle vorgesehen werden.
Dann wird eine der Polymermembranen 26, 28 an jeder der Diffusionsmediumschichten 4, 6 der Separatoranordnung 24 angeordnet. Die Polymermembranen 26, 28 können nach der Bildung der Separatoranordnung 24 an den Diffusionsmediumschichten 4, 6 angeordnet werden, wie zum Beispiel in 2 gezeigt, oder gleichzeitig mit der Bildung der Separatoranordnung 24, wie zum Beispiel in 3 gezeigt.
An der Separatoranordnung 24 wird eine Kombination von Wärme und Druck angelegt, um zu bewirken, dass die Schmelzkleberbeschichtung 16 der Kantenstreifen 12, 14 schmilzt und durch die Diffusionsmediumschichten 4, 6 dringt. Sobald die Wärme und der Druck abgezogen werden, kühlt der Schmelzkleber 16 ab und erstarrt durch die Diffusionsmediumschichten 4, 6, was dadurch ein Verbinden der Kantenstreifen 12, 14 mit den Diffusionsmediumschichten 4, 6 bewirkt. Die Schmelzkleberbeschichtung 16 an den Kantenstreifen 12, 14 kann auch die Polymermembranen 26, 28 kontaktieren. Wenn eine ungenügende Menge an ursprünglichem Schmelzkleber auf den Kantenstreifen 12, 14 vorhanden ist, um die Polymermembranen 26, 28 zu kontaktieren, kann ein zusätzlicher Klebstoff 30 (in 2 gezeigt) aufgebracht werden. Die Kleberbeschichtung 20 der Schnüre 18 wird ebenfalls zum Schmelzen gebracht. Die Kleberbeschichtung 20 der Schnüre dringt nur in die Diffusionsmediumschichten 4, 6 ein. Die Kleberbeschichtung 20 der Schnüre 18 kontaktiert nicht die Polymermembranen 26, 28.
Die Separatoranordnung 24 wird dann abgekühlt, um die Schmelzkleberbeschichtungen 16, 20 an den Kantenstreifen 12, 14 und den Schnüren 18 erstarren zu lassen. Die Schmelzkleberbeschichtung 16 verbindet die Kantenstreifen 12, 14 sowohl mit den Diffusionsmediumschichten 4, 6 als auch mit den Polymermembranen 26, 28. Die Schmelzkleberbeschichtung 20 der Schnüre 18 verbindet die Schnüre 18 nur mit den Diffusionsmediumschichten 4, 6. Dadurch wird die Wasserdampfübertragungsvorrichtung 2 der vorliegenden Offenbarung gebildet.
Es versteht sich, dass die Wärme und der Druck beruhend auf der Art der verwendeten Schmelzkleberbeschichtung 16, 20 gewählt werden. Die Wärme und der Druck werden auch gewählt, um einem Ablösen der Schmelzkleberbeschichtung 16, 20 unter typischen Betriebsbedingungen für die Wasserdampfübertragungsvorrichtung 2 entgegenzuwirken. In einem nicht einschränkenden Beispiel wird die Schmelzkleberbeschichtung 16, 20 bei einem Druck von etwa 0,1 Tannen auf eine Temperatur von etwa 300°F erwärmt. Die Wärme und der Druck können als nicht einschränkendes Beispiel bis zu etwa 30 Sekunden lang an der Schmelzkleberbeschichtung 16, 20 angelegt werden. Nach Bedarf können andere Temperaturen, Drücke und Zeiten gewählt werden.
Es versteht sich auch, dass der Schritt des Anlegens von Wärme und Druck vor dem Anordnen der Polymermembranen 26, 28 auf den Diffusionsmediumschichten 4, 6 oder nach dem Anordnen der Polymermembranen 26, 28 auf den Diffusionsmediumschichten 4, 6 ausgeführt werden kann. Wenn die Wärme und der Druck vor dem Anordnen der Polymermembranen 26, 28 auf den Diffusionsmediumschichten 4, 6 angelegt werden, werden die Schmelzkleberbeschichtungen 16, 20 der Kantenstreifen 12, 14 und der Schnüre 18 veranlasst, zu schmelzen und in die Diffusionsmediumschichten 4, 6 einzudringen. Wenn die Wärme und der Druck ebenfalls nach dem Anordnen der Polymermembranen 26, 28 auf den Diffusionsmediumschichten 4, 6 angelegt werden, wird die Schmelzkleberbeschichtung 16 der Kantenstreifen 12, 14 veranlasst, zu schmelzen und auch die Polymermembranen 26, 28 zu kontaktieren. In einer in 2 gezeigten bestimmten Ausführungsform wird der Schritt des Anlegens von Wärme und Druck nach dem Anordnen der Polymermembranen 26, 28 auf den Diffusionsmediumschichten 4, 6 der Separatoranordnung 24 nur an der ersten und zweiten Kante 8, 10 ausgeführt, wo die Kantenstreifen 12, 14 angeordnet sind.
Das Verfahren der vorliegenden Offenbarung kann weiterhin einen Schritt des Auftragens des zusätzlichen Klebers 30 benachbart zur ersten Kante 8 und zur zweiten Kante 10 jeder der Diffusionsmediumschichten 4, 6 der Separatoranordnung 24 umfassen. Der zusätzliche Klebstoff 30 kann ein anderer Schmelzkleber sein. In der in 2 gezeigten bestimmten Ausführungsform wird der zusätzliche Kleber 30 vor dem Anordnen der Polymermembranen 26, 28 auf den Diffusionsmediumschichten 4, 6 der Separatoranordnung 24 aufgetragen.
Wie in 2 und 3 veranschaulicht umfasst die vorliegende Offenbarung weiterhin ein kontinuierliches System für den Zusammenbau der Wasserdampfübertragungsvorrichtung 2. Das System 100 umfasst ein Paar von Diffusionsmediumschichtrollen 102, ein Paar von Kantenstreifenrollen 104, ein Schnurverteilungssubsystem 106, ein Paar von ersten erwärmten Walzen 108 und ein Paar von Membranrollen 110.
Die Diffusionsmediumschichtrollen 102 liefern kontinuierlich die Diffusionsmediumschichten 4, 6 für die Wasserdampfübertragungsvorrichtung 2. Das Paar von Kantenstreifenrollen 104 liefert kontinuierlich die Kantenstreifen 12, 14 mit der Schmelzkleberbeschichtung 16. Das Schnurverteilungssubsystem 106 liefert kontinuierlich die Anordnung von Schnüren 18 mit der Schmelzkleberbeschichtung 20. Das Schnurverteilungssubsystem 106 kann ein Fadenausrichtungswerkzeug 111, das die Schnüre 18 von mehreren Schnurspulen 107 aufnimmt und die Schnüre 18 zu der erwünschten Anordnung anordnet, umfassen. In bestimmten Ausführungsformen können die Kantenstreifenrollen 104 und das Schnurwerteilungssubsystem 106 unbeschichtete Kantenstreifen 12, 14 und Schnüre 18 zu einem Kleberapplikator-Subsystem (nicht gezeigt) liefern, wo vor dem Einbau in die Separatoranordnung 24 die Schmelzkleberbeschichtungen 16, 20 an den Kantenstreifen 12, 14 und Schnüren 18 aufgebracht werden.
Das Paar von ersten erwärmten Walzen 108 weist einen Walzenspalt 112 auf, die die Diffusionsmediumschichten 4, 6, die Kantenstreifen 12, 14 und die Schnüre 18 aufnimmt. Die ersten erwärmten Walzen 108 laminieren die Kantenstreifen 12, 14 und die Anordnung von Schnüren 18 zwischen den Diffusionsmediumschichten 4, 6, um die Separatoranordnung 24 zu bilden. Das Paar von Membranrollen 110 platziert die Polymermembranen 26, 28 auf den Diffusionsmediumschichten 4, 6 der Separatoranordnung 24, um die Wasserdampfübertragungsvorrichtung 2 zu bilden.
Unter Bezug auf 3 liefern die Membranrollen 110 die Polymermembranen 26, 28 zu dem Walzenspalt 112 der ersten erwärmten Walzen 108. Die ersten erwärmten Walzen 108 können dadurch die Diffusionsmediumschichten 4, 6, die Kantenstreifen 12, 14, die Schnüre 18 und die Polymermembranen 26, 28 dazwischen sandwichartig einschließen. Die ersten erwärmten Walzen sehen ausreichend Wärme und Druck vor, um zu bewirken, dass der Schmelzkleber 16 an den Kantenstreifen 12, 14 schmilzt und sowohl die Diffusionsmediumschichten 12, 14 als auch die Polymermembranen 26, 28 verbindet. Die ersten erwärmten Walzen sehen auch ausreichend Wärme vor, um zu bewirken, dass der Schmelzkleber 20 an den Schnüren 18 schmilzt und sich nur mit den Diffusionsmediumschichten 12, 14 verbindet. Ein Durchschnittsfachmann sollte verstehen, dass die Menge des Schmelzklebers 20 an den Schnüren 18 beschränkt sein kann, um dem Verbinden der Schnüre 18 mit den Polymermembranen 26, 28 entgegenzuwirken. In anderen Ausführungsformen kann eine Schmelztemperatur für den Schmelzkleber 20 an den Schnüren 18 größer als eine Schmelztemperatur des Schmelzklebers 16 an den Kantenstreifen 12, 14 sein, um einen Betrag der Schmelzung und des Eindringens des Schmelzklebers 20 an den Schnüren 18 in die Diffusionsmediumschichten 4, 6 zu steuern. Dem Verbinden des Schmelzklebers 20 an den Schnüren 18 mit den Polymermembranen 26, 28 kann dadurch entgegengewirkt werden.
Unter erneutem Bezug auf 2 kann das System 100 der vorliegenden Offenbarung weiterhin ein Paar von zweiten erwärmen Walzen 114 mit einem Walzenspalt 116 zum Aufnehmen der Separatoranordnung 24 und der Polymermembranen 26, 28 umfassen. Die zweiten erwärmten Walzen 114 können jeweils erhabene Abschnitte 118 aufweisen. Die erhabenen Abschnitte 118 sind konfiguriert, um die Polymermembranen 26, 28 zu kontaktieren und an den Polymermembranen 26, 28 und der Separatoranordnung 24 Wärme und Druck anzulegen. Insbesondere sind die erhabenen Abschnitte 118 der zweiten erwärmten Walzen 114 erwärmte Scheiben. Die erhabenen Abschnitte 118 weisen den Walzenspalt 116 zum Pressen der Polymermembranen 26, 28 nur gegen die Abschnitte der Separatoranordnung 24, wo die Kantenstreifen 12, 14 vorhanden sind, auf.
In einer veranschaulichenden Ausführungsform legen nur die erhabenen Abschnitte 118 Wärme und Druck an den Polymermembranen 26, 28 und der Separatoranordnung 24 benachbart zu der ersten und zweiten Kante 8, 10 der Diffusionsmediumschichten 4, 6 an. Analog kontaktiert ein Rest der zweiten erwärmten Walzen 114 zwischen den erhabenen Abschnitten 118 die Polymermembranen 26, 28 nicht. Es versteht sich, dass die erhabenen Abschnitte 118 nur Wärme und Druck anlegen, um den Schmelzkleber 16 an den Kantenstreifen 12, 14 erneut zu schmelzen, um ein Verbinden des Schmelzklebers 16 mit den Polymermembranen 26, 28 zu bewirken. Die erhabenen Abschnitte 118 wirken auch einem erneuten Schmelzen des Schmelzklebers 20 auf den Schnüren 18 und einem anschließenden unerwünschten Verbinden der Schnüre 18 mit den Polymermembranen 26, 28 entgegen.
Das kontinuierliche System 100 der vorliegenden Offenbarung kann weiterhin ein Paar von Schneidesalzen 120 umfassen. Die Schneidesalzen 120 können Messer zum Schneiden der Wasserdampfübertragungsvorrichtung 2 nach Anordnen der Polymermembranen 26, 28 auf den Diffusionsmediumschichten 4, 6 der Separatoranordnung 24 aufweisen.
Auch wenn das hierin vorstehend beschriebene System 100 kontinuierlich ist, sollte ein Durchschnittsfachmann erkennen, dass das Verfahren der vorliegenden Offenbarung auch als Chargenprozess umgesetzt werden kann, wie zum Beispiel in 4A und 4B gezeigt ist. In einer bestimmten Ausführungsform kann ein Chargenwerkzeug zum Laminieren der Polymermembranen 26, 28 an die Separatoranordnung 24 ein Paar von Druckplatten 200, 202 umfassen. Nach Bedarf werden ein oder mehrere der Druckplatten 200, 202 erwärmt. In bestimmten Ausführungsformen können, wie in 4A gezeigt, die Druckplatten 200, 202 durch eine vertikale Bewegung eines Ganzen einer der Druckplatten 200, 202 durch eine elektrische, hydraulische oder pneumatische Bewegung öffnen und schließen. In anderen Ausführungsformen können die Druckplatten 200, 202, wie in 4B gezeigt, angelenkt oder von Klappkonstruktion sein. Die angelenkten Druckplatten oder Klappkonstruktionsdruckplatten 200, 202 können manuell betätigt werden, um zu öffnen und zu schließen.
Wenn nur eine der Druckplatten 200, 202 erwärmt wird, kann eine der Polymermembranen 26, 28 zuerst zwischen die Separatoranordnung 24 und die erwärmte der Druckplatten 200, 202 eingeführt werden. Dann werden die Druckplatten 200, 202 ausreichend lange und bei einer ausreichenden Temperatur und einem ausreichenden Druck geschlossen, um den Schmelzkleber 16 an einer Seite der Separatoranordnung 24 zu schmelzen. Die kombinierte Separatoranordnung 24 und eine der Polymermembranen 26, 28 wird umgedreht. Die andere der Membranen 26, 28 wird dann zwischen die erwärmte der Druckplatten 200, 202 und die Separatoranordnung 26 eingeführt. Die Druckplatten 200, 202 werden wieder geschlossen, um die Schmelzkleber 16 an der anderen Seite der Separatoranordnung 24 zu schmelzen. Die hierin vorstehend beschriebene Wasserdampfübertragungsvorrichtung 2 kann dadurch in einem Chargenprozess hergestellt werden. Wenn mehrere der Wasserdampfübertragungsvorrichtungen 2 zusammen als eine Charge gebildet werden, wie in 4B zum Beispiel gezeigt, können sie anschließend nach Bedarf in einem Schneidvorgang getrennt werden.
Die Nutzung von Schmelzklebern 16, 20, wie hierin vorstehend offenbart, bietet verglichen mit der Verwendung des druckempfindlichen Klebers (PSA) des Stands der Technik eine Reihe von Vorteilen. Wenn eine ausreichende Menge des Schmelzklebers 16 auf den Kantenstreifen 12, 14 vorhanden ist, muss der Anordnung kein anderer Klebstoff zugegeben werden. Der Schmelzkleber 16, der bereits in den Kantenstreifen 12, 14 und den benachbarten Diffusionsmediumschichten 4, 6 vorhanden ist, muss nur erneut geschmolzen werden, um sich mit den Polymermembranen 26, 28 zu verbinden. Das erneute Schmelzen des Schmelzklebers 16 auf den Kantenstreifen 12, 14 bietet sich bei einem Rollenherstellungsprozess mit hohem Volumen an, bei dem der Zusammenbau der Separatoranordnung 24 und die Anbringung der Polymermembranen 26, 28 alle von dem gleichen System 100 ausgeführt werden. Das Verfahren und System 100 verringert auch eine Gesamthöhe der Wasserdampfübertragungsvorrichtung 2, da der gleiche Schmelzkleber 16 zum Verbinden der Kantenstreifen 12, 14 sowohl mit den Diffusionsmediumschichten 4, 6 als auch mit den Polymermembranen 26, 28 verwendet wird. Es gibt keine zusätzliche Kleberschicht, die zum sandwichartigen Einschließen zwischen der Polymermembran 26, 28 und der Separatoranordnung 24 erforderlich ist.
Während bestimmte stellvertretende Ausführungsformen und Einzelheiten zum Zweck des Veranschaulichens der Erfindung gezeigt wurden, versteht sich für den Fachmann, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der Offenbarung abzuweichen, der in den folgenden beigefügten Ansprüchen weiter beschrieben ist.

Claims

Wasserdampfübertragungsvorrichtung für eine Brennstoffzelle, umfassend: ein Paar von Diffusionsmediumschichten, wobei jede der Diffusionsmediumschichten eine erste Kante und eine zweite Kante aufweist; ein Paar von Kantenstreifen, die zwischen den Diffusionsmediumschichten angeordnet sind, wobei einer der Kantenstreifen benachbart zu der ersten Kante jeder der Diffusionsmediumschichten angeordnet ist und ein anderer der Kantenstreifen benachbart zu der zweiten Kante jeder der Diffusionsmediumschichten angeordnet ist, wobei die Kantenstreifen mit einem Schmelzkleber mit jeder der Diffusionsmediumschichten verbunden sind; eine Anordnung von länglichen Schnüren, die zwischen den Diffusionsmediumschichten angeordnet und im Wesentlichen parallel zu der ersten Kante und der zweiten Kante zwischen den Kantenstreifen liegend positioniert sind, wobei die länglichen Schnüre mit einem Schmelzkleber mit jeder der Diffusionsmediumschichten verbunden sind und mehrere Strömungskanäle zwischen den Diffusionsmediumschichten festlegen; ein Paar von Polymermembranen, zwischen denen die Diffusionsmediumschichten, die Kantenstreifen und die länglichen Schnüre angeordnet sind, wobei die Polymermembranen mit den Diffusionsmediumschichten benachbart zu den Kantenstreifen mit dem Schmelzkleber von den Kantenstreifen verbunden sind, wobei die Polymermembranen nicht mit den Diffusionsmediumschichten zwischen den Kantenstreifen verbunden sind.
Wasserdampfübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Kantenstreifen und die länglichen Schnüre mit dem Schmelzkleber beschichtet sind.
Wasserdampfübertragungsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Schmelzkleberbeschichtung auf den Kantenstreifen eine Dicke, die größer er als eine Dicke der Schmelzkleberbeschichtung auf den Schnüren ist, aufweist.
Wasserdampfübertragungsvorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Dicke der Schmelzkleberbeschichtung auf den Kantenstreifen ausreicht, um durch die Diffusionsmediumschichten zu dringen und die Polymermembran zu verbinden.
Wasserdampfübertragungsvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Dicke der Schmelzkleberbeschichtung auf den Schnüren nicht ausreicht, um durch die Diffusionsmediumschichten zu dringen und die Polymermembran zu verbinden.
Wasserdampfübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Diffusionsmediumschichten aus einer Glasfaser, einem glasbasiertem Papier, einer Kohlenstofffaser oder einem kohlenstoffbasiertem Papier gebildet sind.
Wasserdampfübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Kantenstreifen und die Schnüre aus Propylen oder Glas gebildet sind.
Verfahren zum Zusammenbauen einer Wasserdampfübertragungsvorrichtung, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Vorsehen einer Separatoranordnung, die ein Paar von Kantenstreifen und eine Anordnung von länglichen Schnüren umfasst, die zwischen einem Paar von Diffusionsmediumschichten angeordnet sind, wobei einer der Kantenstreifen benachbart zu einer ersten Kante jeder der Diffusionsmediumschichten angeordnet ist und ein anderer der Kantenstreifen benachbart zu einer zweiten Kante jeder der Diffusionsmediumschichten angeordnet ist, wobei die Kantenstreifen mit einem Schmelzkleber mit jeder der Diffusionsmediumschichten verbunden sind und die Anordnung von länglichen Schnüren im Wesentlichen parallel zu der ersten Kante und der zweiten Kante zwischen den Kantenstreifen liegend positioniert ist, wobei die länglichen Schnüre mit einem Schmelzkleber mit jeder der Diffusionsmediumschichten verbunden sind und mehrere Strömungskanäle zwischen den Diffusionsmediumschichten festlegen; Anordnen einer Polymermembran an jeder der Diffusionsmediumschichten der Separatoranordnung; Anlegen von Wärme und Druck an der Separatoranordnung, um zu bewirken, dass die Kleberbeschichtung der Kantenstreifen schmilzt und durch die Diffusionsmediumschichten dringt und die Polymermembranen kontaktiert und die Kleberbeschichtung der Schnüre schmilzt und nur in die Diffusionsmediumschichten eindringt und nicht die Polymermembranen kontaktiert; Abkühlen der Separatoranordnung, um zu bewirken, dass die Schmelzkleberbeschichtungen auf den Kantenstreifen und den Schnüren erstarren und die Kantenstreifen sowohl mit den Diffusionsmediumschichten als auch den Polymermembranen verbinden und die Schnüre nur mit den Diffusionsmediumschichten verbinden, wodurch die Wasserdampfübertragungsvorrichtung gebildet wird.
System für den Zusammenbau einer Wasserdampfübertragungsvorrichtung, wobei die Wasserdampfübertragungsvorrichtung eine Separatoranordnung aufweist, die zwischen einem Paar von Polymermembranen angeordnet ist, wobei die Separatoranordnung ein Paar von Kantenstreifen und eine Anordnung von länglichen Schnüren umfasst, die zwischen einem Paar von Diffusionsmediumschichten angeordnet sind, wobei einer der Kantenstreifen benachbart zu einer ersten Kante jeder der Diffusionsmediumschichten angeordnet ist und ein anderer der Kantenstreifen benachbart zu einer zweiten Kante jeder der Diffusionsmediumschichten angeordnet ist, wobei die Kantenstreifen mit einem Schmelzkleber mit jeder der Diffusionsmediumschichten verbunden sind und die Anordnung von länglichen Schnüren im Wesentlichen parallel zu der ersten Kante und der zweiten Kante zwischen den Kantenstreifen positioniert ist, wobei die länglichen Schnüre mit einem Schmelzkleber mit jeder der Diffusionsmediumschichten verbunden sind und mehrere Strömungskanäle zwischen den Diffusionsmediumschichten festlegen, wobei das System umfasst: Mittel zum Anlegen von Wärme und Druck, um die Kleberbeschichtung der Kantenstreifen schmelzen und durch die Diffusionsmediumschichten dringen und die Polymermembranen kontaktieren zu lassen.
Verfahren nach Anspruch 9, weiterhin umfassend: ein Paar von Diffusionsmediumschichtrollen, die kontinuierlich das Paar von Diffusionsmediumschichten vorsehen; ein Paar von Kantenstreifenrollen, die ein Paar von Kantenstreifen vorsehen, wobei die Kantenstreifen eine Beschichtung aus dem Schmelzkleber aufweisen; ein Schnurverteilungssubsystem, das eine Anordnung von Schnüren vorsieht, wobei die Schnüre eine Beschichtung aus dem Schmelzkleber aufweisen; und ein Paar von Membranrollen, die das Paar von Polymermembranen an den Diffusionsmediumschichten anordnen; wobei das Mittel zum Anlegen von Wärme und Druck ein Paar von ersten erwärmten Walzen umfasst, wobei die ersten erwärmten Walzen einen Walzenspalt aufweisen, der die Kantenstreifen und die Anordnung von Schnüren zwischen den Diffusionsmediumschichten laminiert, um die Separatoranordnung zu bilden.