DE102013225034A1

DE102013225034A1 - Vorrichtung zum Herstellen von Brennstoffzellenkomponenten

Info

Publication number: DE102013225034A1
Application number: DE102013225034.7A
Authority: DE
Inventors: Sang Yeoul Ahn
Original assignee: Hyundai Motor Co
Current assignee: Hyundai Motor Co
Priority date: 2013-04-12
Filing date: 2013-12-05
Publication date: 2014-10-16
Also published as: JP6345467B2; JP2014207229A; US9490489B2; US20140305596A1; KR101416417B1

Abstract

Eine Vorrichtung zum Herstellen von Brennstoffzellenkomponenten verbindet einstückig/integral Gasdiffusionsschichten mit beiden Oberflächen eines Membran-Elektroden-Anordnung(MEA)-Grundmaterials, wobei eine Membran-Elektroden-Anordnung Sub-Dichtungen aufweist. Die Vorrichtung umfasst einen Rahmen, eine obere Pressform, die an dem Rahmen angeordnet ist, um in einer vertikalen Richtung verfahrbar zu sein, und eine untere Pressform, die an dem Rahmen angeordnet ist und eingerichtet ist, um das MEA-Grundmaterial und die Gasdiffusionsschichten an einer unteren Seite der oberen Pressform aufzunehmen. Bonder sind jeweils an der oberen Pressform und der unteren Pressform angebracht und eingerichtet, um das MEA-Grundmaterial und die Gasdiffusionsschichten bei einer hohen Temperatur und einem hohen Druck zu komprimieren. Dampfinjektoren sind an den Bondern angeordnet und eingerichtet, um Dampf zu dem MEA-Grundmaterial und den Gasdiffusionsschichten zu injizieren. Ein Reinstwassertank bevorratet Reinstwasser zum Erzeugen des Dampfes durch die Bonder und führt das Reinstwasser an die Bonder zu.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein System zum Herstellen von Brennstoffzellenkomponenten und insbesondere ein System zum Herstellen von Brennstoffzellenkomponenten zum einstückigen/integralen Verbinden einer Gasdiffusionsschicht (Gas Diffusion_Layer – GDL) mit einer eine Sub-Dichtung aufweisenden Membran-Elektroden-Anordnung (Membrane-Electrode Assembly – MEA).
HINTERGRUND
Es ist bekannt, dass eine Brennstoffzelle Elektrizität durch eine elektrochemische Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt. Die Brennstoffzelle erhält einen chemischen Reaktionspartner von außen auch ohne einen separaten Ladevorgang und erzeugt eine Dauerleistung.
Die Brennstoffzelle kann durch Anordnen von Separatoren (Separatorplatten/Trennplatten oder Bipolarplatten) an beiden Seiten einer Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) gebildet werden, wobei die Membran-Elektroden-Anordnung dort dazwischen eingefügt ist. Eine Mehrzahl von Brennstoffzellenplatten kann kontinuierlich angeordnet werden, um einen Brennstoffzellenstaple zu bilden.
In der Membran-Elektroden-Anordnung, die eine Kernkomponente des Brennstoffzellenstapels darstellt, ist eine Anodenelektrodenschicht (Katalysatorschicht) auf einer Oberfläche einer Elektrolytmembran gebildet und eine Kathodenelektrodenschicht (Katalysatorschicht) ist auf ihrer anderen Oberfläche gebildet, wobei die Elektrolytmembran dort dazwischen eingefügt ist.
Sub-Dichtungen zum Schutz der Elektrodenschichten und der Elektrolytmembran und zum Sicherstellen einer Montageeigenschaft der Brennstoffzelle sind mit den Randabschnitten der jeweiligen Elektrodenschichten der Membran-Elektroden-Anordnung verbunden. Unterdessen sind Gasdiffusionsschichten (Gas Diffusion Layer – GDL) zum Diffundieren von eine Reaktion eingegangenem Gas von Wasserstoff und Sauerstoff einstückig/integral mit den Elektrodenschichten der Membran-Elektroden-Anordnung verbunden.
Die Brennstoffzellenstapelkomponenten, die die Membran-Elektroden-Anordnung, die Sub-Dichtungen und die Gasdiffusionsschichten umfassen, können durch einstückiges/integrales Verbinden der Sub-Dichtungen mit der Membran-Elektroden-Anordnung, mit welcher die Sub-Dichtungen verbunden sind (nachfolgend der Einfachheit halber als ein ”MEA-Grundmaterial” bezeichnet), und einstückiges/integrales Verbinden der Gasdiffusionsschichten mit der gesamten Fläche der Elektrodenschicht hergestellt werden.
Im Allgemeinen verwendet ein Verfahren zum Verbinden der Gasdiffusionsschichten mit dem MEA-Grundmaterial zum Beispiel eine Heißpressvorrichtung zum Komprimieren des MEA-Grundmaterials und der Gasdiffusionsschichten bei einer hohen Temperatur und einem hohen Druck in einem Zustand, wo die Gasdiffusionsschichten auf beiden Oberflächen des MEA-Grundmaterials angeordnet sind, und zum einstückigen/integralen Verbinden des MEA-Grundmaterials und der Gasdiffusionsschichten.
Jedoch, in einem Fall, wo das MEA-Grundmaterial und die Gasdiffusionsschichten bei der hohen Temperatur und dem hohen Druck unter Verwendung der Heißpressvorrichtung komprimiert werden, wird Feuchtigkeit der Sub-Dichtung durch von der Heißpressvorrichtung zugeführte Wärme verdampft, wodurch sich die Sub-Dichtung zusammenzieht und Falten auf ihrer Oberfläche gebildet werden. Die Falten auf der Oberfläche der Sub-Dichtung verursachen ein Entweichen von reagiertem Gas, wenn der Brennstoffzellenstapel hergestellt wird, wodurch sich die Leistung des Brennstoffzellenstapels verschlechtert.
Die Membran-Elektroden-Anordnung umfasst einen Platinkatalysator und eine Ionen-leitenden Polymerfolie wie Nafion, und die Ionen-leitende Polymerfolie benötigt darin eine ausreichende Feuchtigkeit, um das Leistungsvermögen zum Leiten der Ionen sicherzustellen.
Jedoch verdampft der größte Teil der Feuchtigkeit innerhalb der Ionen-leitenden Polymerfolie während des Kompressionsvorganges bei der hohen Temperatur und dem hohen Druck durch die Heißpressvorrichtung, so dass die Membran-Elektroden-Anordnung ihre inhärenten Ionen-leitenden Eigenschaften verliert. Dementsprechend ist es, nachdem der Brennstoffzellenstapel hergestellt ist, notwendig, eine ausreichende Feuchtigkeit an die Ionen-leitende Polymerfolie durch einen Aktivierungsvorgang der Membran-Elektroden-Anordnung wieder zuzuführen.
Wenn der Aktivierungsvorgang der Membran-Elektroden-Anordnung durchgeführt wird, nachdem der Brennstoffzellenstapel hergestellt ist, werden Wasserstoff und elektrische Energie rasch verbraucht, und als ein Ergebnis werden die Herstellungskosten des Brennstoffzellenstapels erhöht und die Fertigungszeit wird unvermeidlich erhöht.
Die oben in diesem Hintergrundabschnitt offenbarten Informationen dienen nur der Verbesserung des Verständnisses des Hintergrunds der Erfindung und sie können daher Informationen enthalten, die nicht den Stand der Technik bilden, der einem Durchschnittsfachmann in diesem Land bereits bekannt ist.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Offenbarung stellt eine Vorrichtung zum Herstellen von Brennstoffzellenstapelkomponenten bereit, die Dampf an eine mit Sub-Dichtungen und Gasdiffusionsschichten ausgerüstete Membran-Elektroden-Anordnung zuführt, wenn die Membran-Elektroden-Anordnung mit den Sub-Dichtungen und die Gasdiffusionsschichten thermisch komprimiert werden, um so eine Qualität einer verbundenen Komponente einschließlich der Membran-Elektroden-Anordnung, der Sub-Dichtungen und der Gasdiffusionsschichten sicherzustellen.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung stellt eine Vorrichtung zum Herstellen von Brennstoffzellenstapelkomponenten zum einstückigen/integralen Verbinden von Gasdiffusionsschichten mit beiden Oberflächen eines Membran-Elektroden-Anordnung-(MEA)Grundmaterials bereit, wobei das MEA-Grundmaterial eine MEA und Sub-Dichtungen aufweist. Die Vorrichtung umfasst einen Rahmen, eine obere Pressform, die an dem Rahmen angeordnet ist, um in einer vertikalen Richtung verfahrbar zu sein, und eine untere Pressform, die an dem Rahmen angeordnet und eingerichtet ist, um das MEA-Grundmaterial und die Gasdiffusionsschichten an einer unteren Seite der oberen Pressform aufzunehmen. Bonder sind jeweils an der oberen Pressform und der unteren Pressform angeordnet und eingerichtet, um das MEA-Grundmaterial und die Gasdiffusionsschichten bei einer hohen Temperatur und einem hohen Druck zu komprimieren. Dampfinjektoren sind in den Bondern angeordnet und eingerichtet, um Dampf zu dem MEA-Grundmaterial und den Gasdiffusionsschichten zu injizieren (einzudüsen). Ein Reinstwassertank ist eingerichtet, um Reinstwasser zum Erzeugen von Dampf an die Bonder zu bevorraten, und führt das Reinstwasser an die Bonder zu.
Der Reinstwassertank kann das Reinstwasser an einen Hochtemperaturabschnitt von jedem der Bonder zuführen und die Dampfinjektoren können den von dem Hochtemperaturabschnitt verdampften Dampf injizieren.
Die Bonder können Heizplatten umfassen, die die Gasdiffusionsschichten auf beide Oberflächen des MEA-Grundmaterials pressen.
Die Dampfinjektoren können eine Mehrzahl von in den Heizplatten gebildeten Dampfdüsenbohrungen umfassen.
Der Reinstwassertank kann das Reinstwasser an die Heizplatten durch eine Reinstwasserversorgungsleitung zuführen. Die Dampfinjektoren können den von den Heizplatten verdampften Dampf durch die Dampfdüsenbohrungen injizieren.
Ein durch ein elektrisches Signal betriebenes Öffnungs-/Schließventil kann in der Reinstwasserversorgungsleitung angebracht sein.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung stellt eine Vorrichtung zum Herstellen von Brennstoffzellenstapelkomponenten zum einstückigen/integralen Verbinden von Gasdiffusionsschichten mit beiden Oberflächen eines Membran-Elektroden-Anordnung-(MEA)Grundmaterials mit einer MEA und Sub-Dichtungen bereit. Die Vorrichtung umfasst einen Rahmen, eine obere Pressform, die an dem Rahmen angeordnet ist, um in einer vertikalen Richtung verfahrbar zu sein, und eine untere Pressform, die an dem Rahmen angeordnet und eingerichtet ist, um das MEA-Grundmaterial und die Gasdiffusionsschichten an einer unteren Seite der oberen Pressform aufzunehmen. Bonder sind jeweils an der oberen Pressform und der unteren Pressform angeordnet und eingerichtet, um das MEA-Grundmaterial und die Gasdiffusionsschichten bei einer hohen Temperatur und einem hohen Druck zu komprimieren. Dampfinjektoren sind in den Bondern angeordnet und injizieren Dampf zu dem MEA-Grundmaterial und den Gasdiffusionsschichten. Ein Dampferzeuger ist mit den Dampfinjektoren verbunden und eingerichtet, um den Dampf durch Erwärmen von Reinstwasser zu erzeugen und um den erzeugten Dampf an die Dampfinjektoren zuzuführen.
Die Bonder können Heizplatten umfassen, die die Gasdiffusionsschichten auf beide Oberflächen des MEA-Grundmaterials komprimieren. Die Dampfinjektoren können eine Mehrzahl von in einer Heizplatte gebildeten Dampfdüsenbohrungen umfassen.
Der Dampferzeuger kann einen Vorratsbehälter zum Bevorraten des Reinstwassers und ein Heizelement zum Erzeugen von Dampf durch Aufnehmen des in dem Vorratsbehälter bevorrateten Reinstwassers umfassen. Eine Dampfversorgungsleitung führt den durch das Heizelement erzeugten Dampf an die Dampfdüsenbohrungen der Heizplatten zu.
Ein durch ein elektrisches Signal betriebenes Öffnungs-/Schließventil kann in der Reinstwasserversorgungsleitung angebracht sein.
Die Dampfdüsenbohrungen können in den Heizplatten gebildet werden, mit Ausnahme eines Bereichs, der einem Verbindungsabschnitt der Sub-Dichtung und der Gasdiffusionsschichten entspricht.
Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung ist es möglich, Feuchtigkeit an die Membran-Elektroden-Anordnung, umfassend einen Platinkatalysator und eine Ionen-leitende Polymerfolie, wie Nafion beim thermischen Komprimieren der Membran-Elektroden-Anordnung und der Gasdiffusionsschichten unter Verwendung der Heizplatten zuzuführen. Somit werden Zeit und Kosten für einen zusätzlichen Aktivierungsvorgang aufgrund einer Verdampfung und eines Verlusts der Feuchtigkeit in der Membran-Elektroden-Anordnung für den bestehenden thermischen Kompressionsvorgang in erheblichem Umfang verringert.
Ferner wird gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung der Dampf der Feuchtigkeit zu den Oberflächen der Sub-Dichtungen der Membran-Elektroden-Anordnung zugeführt, wenn die Membran-Elektroden-Anordnung und die Gasdiffusionsschichten unter Verwendung der Heizplatten thermisch komprimiert werden, so dass es möglich ist, zu verhindern, dass die Oberflächen der Sub-Dichtungen beim Zusammenziehen eine Faltenform aufweisen.
Da die vorliegende Offenbarung die Falten auf den Oberflächen der Sub-Dichtungen wie oben beschrieben verhindern kann, ist es möglich, eine Leckerzeugungsrate von reagiertem Gas aufgrund der Falten merklich zu verringern, wodurch eine Leistungsstabilität des Brennstoffzellenstapels erhöht wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Zeichnungen dienen der Beschreibung der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung und sollen nicht derart ausgelegt werden, dass die technische Lehre der vorliegenden Offenbarung auf die beigefügten Zeichnungen beschränkt ist.
1 zeigt ein Diagramm, das schematisch eine Vorrichtung zum Herstellen von Brennstoffzellenstapelkomponenten gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung darstellt.
2 zeigt ein Diagramm, das schematisch einen bei einer Vorrichtung zum Herstellen von Brennstoffzellenstapelkomponenten verwendeten Dampfinjektor einer Heizplatte gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung darstellt.
3 zeigt ein Diagramm zum Beschreiben eines Betriebs einer Vorrichtung zum Herstellen von Brennstoffzellenstapelkomponenten gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung.
4 zeigt ein Diagramm zum Beschreiben einer Wirkung einer Vorrichtung zum Herstellen von Brennstoffzellenstapelkomponenten gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung.
5 zeigt ein Diagramm, das schematisch eine Vorrichtung zum Herstellen von Brennstoffzellenstapelkomponenten gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung darstellt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Offenbarung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele der Offenbarung gezeigt sind, ausführlicher beschrieben. Wie der Fachmann auf dem Gebiet erkennen würde, können die beschriebenen Ausführungsformen auf verschiedene Art und Weise geändert werden, und zwar ohne von der Lehre oder dem Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
Ein für die Beschreibung irrelevanter Teil wird weggelassen, um die vorliegende Offenbarung klar zu beschreiben, und die gleichen Elemente werden durchgängig durch die gleichen Bezugszeichen in der Beschreibung bezeichnet.
Die Größe und Dicke von jeder in den Zeichnungen dargestellten Anordnung/Konfiguration sind für das Verständnis und die Vereinfachung der Beschreibung willkürlich dargestellt, aber die vorliegende Offenbarung ist nicht darauf beschränkt, und die Dicke von Schichten, Folien, Platten, Bereichen, etc. sind zu Verdeutlichung übertrieben dargestellt.
In der folgenden Beschreibung werden die Benennungen von Bestandteilen, die in der gleichen Beziehung stehen, in ”der/die/das erste”, ”der/die/das zweite” und dergleichen unterteilt, aber die vorliegende Offenbarung ist nicht auf diese Reigenfolge in der folgenden Beschreibung beschränkt.
In der Beschreibung, wenn nicht ausdrücklich das Gegenteil beschrieben ist, werden das Wort ”aufweisen” und Variationen wie ”aufweist” oder ”aufweisend” derart verstanden, dass dies die Einbeziehung der genannten Elemente aber nicht der Ausschluss von irgendwelchen anderen Elementen bedeutet.
1 zeigt ein Diagramm, das schematisch eine Vorrichtung zum Herstellen von Brennstoffzellenstapelkomponenten gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung darstellt.
Unter Bezugnahme auf 1 kann eine Vorrichtung 100 zum Herstellen von Brennstoffzellenstapelkomponenten gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung bei automatisierten Anlagen eine Anwendung finden, die Komponenten einer einen Brennstoffzellenstapel bildenden Brennstoffzelleneinheit herstellen.
Zum Beispiel können die Komponenten der Brennstoffzelleneinheit eine Membran-Elektroden-Anordnung 1 (nachstehend der Einfachheit halber als eine ”MEA” bezeichnet) und mit beiden Oberflächen der MEA 1 verbundene Gasdiffusionsschichten 3 (nachstehend der Einfachheit halber als eine ”GDL” bezeichnet) umfassen.
Die MEA 1 ist aus einer Anodenelektrodenschicht auf einer Oberfläche einer Elektrolytmembran und einer Kathodenelektrodenschicht auf der anderen Oberfläche der Elektrolytmembran gebildet. Die GDL 3 kann jeweils mit der Anodenelektrodenschicht und der Kathodenelektrodenschicht der MEA 1 verbunden (verklebt) werden.
Aus Polyesterpolymeren gebildete Sub-Dichtungen 5 zum Schutz der Elektrodenschicht und der Elektrolytmembran und zum Sicherstellen einer Montageeigenschaft der Brennstoffzelle sind mit der MEA 1 verbunden. Ferner kann die GDL 3 einstückig/integral mit dem Teile der Sub-Dichtung 5 und der gesamten Oberfläche der Elektrodenschicht verbunden werden.
Nachfolgend wird ein durch Verbinden der Sub-Dichtungen 5 mit der MEA 1 erhaltenes Teil als ein ”MEA-Grundmaterial 7” definiert und ein durch einstückiges/integrales Verbinden der GDL 3 mit dem MEA-Grundmaterial 7 wird als eine verbundene Komponente definiert.
Die Vorrichtung 100 zum Herstellen der Brennstoffzellenstapelkomponenten gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung kann bei einem Herstellungsprozess der verbundenen Komponente durch thermisches Komprimieren der GDLs 3 auf beide Oberflächen des MEA-Grundmaterials 7 eine Anwendung finden.
Die Vorrichtung 100 zum Herstellen der Brennstoffzellenstapelkomponenten gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung kann Dampf an die MEA 1 mit den Sub-Dichtungen 5 und den GDLs 3 beim thermischen Komprimieren der MEA 1 und der GDLs 3 zuführen, um eine Qualität der verbundenen Komponente, die die MEA 1, die Sub-Dichtungen 5 und die GDLs 3 umfasst, sicherzustellen.
Die Vorrichtung 100 zum Herstellen der Brennstoffzellenstapelkomponenten gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung umfasst grundsätzlich einen Rahmen 10, eine obere Pressform 20, eine untere Pressform 30, und Dampfinjektoren 50.
Der Rahmen 10 lagert verschiedene Bestandteile und kann angebrachte Elemente wie verschiedene Halterungen, einen Stützbock, eine Platte, ein Gehäuse, eine Abdeckung, einen Kragen und eine Stange umfassen.
Jedoch sind die angebrachten Elemente zu dem Zweck zum Anbringen der jeweiligen Bestandteile an dem Rahmen 10 vorgesehen und in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung werden die angebrachten Elemente mit Ausnahme eines Ausnahmefalls kollektiv als der Rahmen 10 bezeichnet.
Die an dem Rahmen 10 angeordnete obere Pressform 20 kann in einer vertikalen Richtung verfahrbar/verschiebbar sein. Hierbei kann die obere Pressform 20 an dem Rahmen 10 derart angeordnet werden, um in der vertikalen Richtung durch eine Antriebseinheit 99 verfahrbar zu sein.
Die obere Pressform 20 bewegt sich in vertikaler Richtung durch eine an dem Rahmen 10 vorgesehene Führungsstange (in der Zeichnung nicht dargestellt) und kann sich in der vertikalen Richtung durch eine Antriebskraft von der Antriebseinheit 99 bewegen.
Die Antriebseinheit 99 stellt eine Antriebsvorrichtung der oberen Pressform von einer Presseinrichtung dar, die auf diesem Gebiet bekannt ist, und kann zum Beispiel eine Stellvorrichtung wie einen Hydraulik-/Druckluftzylinder und einen Servomotor umfassen.
Die untere Pressform 30 lagert das MEA-Grundmaterial 7 und die GDL 3, die einstückig/integral damit verbunden sind, und ist an einer unteren Seite der oberen Pressform 20 angeordnet und ist an dem Rahmen 10 angebracht.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung dienen die Bonder 40 zu dem Zweck zum Verbinden der GDLs 3 mit beiden Oberflächen des MEA-Grundmaterials 7. Das MEA-Grundmaterial 7 und die GDLs 3 sind an der unteren Pressform 30 mit einem Anpressdruck der oberen Pressform 20 angeordnet und bewegen sich durch die Antriebseinheit 99 bei einer hohen Temperatur und einem hohen Druck nach unten. Die Bonder 40 sind jeweils an der oberen Pressform 20 und der unteren Pressform 30 angeordnet.
Die Bonder 40 umfassen Heizplatten 41, die die GDLs 3 auf beide Oberflächen des MEA-Grundmaterials 7 komprimieren. Die Heizplatte kann zum Beispiel eine Heizplatte sein, die Wärme mit einem elektrischen Widerstand erzeugt.
Die Heizplatten 41 sind in separaten Gehäusen angeordnet, die in der oberen Pressform 20 beziehungsweise der unteren Pressform 30 vorgesehen sind, und zu komprimierende Flächen des MEA-Grundmaterials 7 und der GDLs 3 sind zu der Außenseite des Gehäuses 43 freigelegt und können angeordnet werden, während sie einander gegenüberliegen.
Da die oben erwähnte Heizplatte 41 einen Aufbau einer Heißpressvorrichtung einer öffentlich bekannten Technik aufweist, die in dem Geschäftsfeld weitbekannt ist, wird eine detailliertere Beschreibung ihres Aufbaus in der vorliegenden Beschreibung weggelassen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung injiziert der Dampfinjektor 50 von den Heizplatten 41 erzeugten Dampf zu dem MEA-Grundmaterial 7 und den GDLs 3 in einem Kompressionsprozess des MEA-Grundmaterials 7 und der GDLs 3 durch die Heizplatten 41 der oberen Pressform 20 und der unteren Pressform 30, während sich die obere Pressform 20 in Richtung der unteren Pressform 30 nach unten bewegt. Ein Betrieb zum Erzeugen von Dampf durch die Heizplatten 41 wird im Folgenden ausführlicher beschrieben.
Der Dampfinjektor 50 umfasst eine Mehrzahl von in den Heizplatten 41 der oberen Pressform 20 und der unteren Pressform 30 gebildeten Dampfdüsenbohrungen 51, wie dies in 2 dargestellt ist.
Die Dampfdüsenbohrungen 51 können aus einer Mehrzahl von durch die Heizplatte 41 durchgehenden Bohrungen gebildet werden, können den gleichen Durchmesser in einer Breitenrichtung der Heizplatte aufweisen und können auch in einem Durchmesser gebildet werden, der von einer Seite zu der anderen Seite schrittweise abnimmt.
Ferner können die Dampfdüsenbohrungen 51 in der Heizplatte 41 gebildet werden, mit Ausnahme eines Bereichs, der einem Verbindungsabschnitt der Sub-Dichtung 5 und der GDL 3 (Bereich ”A” in 2) entspricht. Da die GDL 3 mit einem Teil der Sub-Dichtung 5 verbunden wird, sind die Dampfdüsenbohrungen 51 nicht an dem Bereich gebildet, der dem Verbindungsabschnitt der Sub-Dichtung 5 und der GDL 3 entspricht, um zu verhindern, dass sich dort dazwischen die Verbindungskraft verschlechtert.
Die Vorrichtung 100 zum Herstellen der Brennstoffzellenstapelkomponenten gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung umfasst einen Reinstwassertank 60 zum Bevorraten von Wasser, beispielsweise Reinstwasser, und zum Zuführen des Reinstwassers an die Heizplatten 41 als ein Dampferzeugungsmittel zum Erzeugen von Dampf durch die Heizplatten 41.
Das heißt, in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung, wenn das Reinstwasser an die Heizplatte 41 von dem Reinstwassertank 60 zugeführt wird, kann der Dampf, der während des Verdampfens des Reinstwassers durch Wärme der Heizplatte 41 erzeugt wird, zu dem MEA-Grundmaterial 7 und der GDL 3 durch die Dampfdüsenbohrungen 51 der Heizplatte injiziert werden.
Hierbei kann der Reinstwassertank 60 mit den Gehäusen 43 durch eine Reinstwasserversorgungsleitung 61 verbunden werden, um die Heizplatte 41 mit dem Reinstwasser zu versorgen. Das innerhalb des Reinstwassertanks 60 bevorratete Reinstwasser kann an die Heizplatte 41 durch eine Pumpe (hier nicht gezeigt) zugeführt werden und kann ebenfalls an die Heizplatte durch einen Druckunterschied zugeführt werden.
Ein Öffnungs-/Schließventil 63 wird durch ein von einer Steuerung 90 zugeführtes elektrisches Signal betätigt und ist in der Reinstwasserversorgungsleitung 61 angebracht. Das Öffnungs-/Schließventil 63 kann die Reinstwasserversorgungsleitung 61 durch die Steuerung öffnen, wenn das MEA-Grundmaterial 7 und die GDLs 3 durch die Heizplatten 41 der oberen Pressform 20 und der unteren Pressform 30 komprimiert werden, während sich die obere Pressform 20 in Richtung der unteren Pressform 30 nach unten bewegt.
Ferner kann das Öffnungs-/Schließventil 63 die Reinstwasserversorgungsleitung 61 durch die Steuerung 90 schließen, wenn das MEA-Grundmaterial 7 und die GDLs 3 bei einer hohen Temperatur durch die Heizplatten 41 vollständig komprimiert werden, und dann bewegt sich die obere Pressform 20 nach oben.
Nachstehend wird ein Betrieb der Vorrichtung 100 zum Herstellen der Brennstoffzellenstapelkomponenten gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung, die wie oben beschrieben eingerichtet ist, unter Bezugnahme auf die zuvor offenbarten Zeichnungen und die beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben.
3 zeigt ein Diagramm zum Beschreiben eines Betriebs einer Vorrichtung zum Herstellen von Brennstoffzellenstapelkomponenten gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung.
Unter Bezugnahme auf 1 befindet sich in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung die obere Pressform 20 in einem Zustand einer Bewegung in einer Richtung nach oben durch die Antriebseinheit 99.
Hierbei befindet sich die Reinstwasserversorgungsleitung 61, die den Reinstwassertank 60 und das Gehäuse 43 der Heizplatte 41 verbindet, durch das Öffnungs-/Schließventil 63, das durch Empfangen des elektrischen Signals von der Steuerung 90 betätigt wird, in einem geschlossenen Zustand.
In dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung werden in diesem Zustand die GDL 3, das MEA-Grundmaterial 7 und die andere GDL 3 aufgenommen und sequenziell auf die Heizplatte der unteren Pressform 30 durch ein separates Übertragungsmittel wie einen Roboter geladen.
Nachdem der vorstehend erwähnte Prozess durchgeführt ist, wird in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung die obere Pressform 20 in Richtung der unteren Pressform 30 durch die Antriebseinheit 99 wie in 3 dargestellt bewegt. In diesem Fall befinden sich die Heizplatten 41 der oberen Pressform 20 und der unteren Pressform 30 in einem vorgeheizten Zustand bei einer vorgegebenen Temperatur.
Wenn sich die obere Pressform 20 in Richtung der unteren Pressform 30 durch die Antriebseinheit 99 nach unten bewegt, werden die auf der unteren Pressform 30 aufeinander gestapelten GDLs 3 und das MEA-Grundmaterial 7 bei einer hohen Temperatur durch die Heizplatten der oberen Pressform 20 und der unteren Pressform 30 durch den Anpressdruck der oberen Pressform 20 komprimiert.
In diesem Prozess wird in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung die Reinstwasserversorgungsleitung 61 durch Betätigen des Öffnungs-/Schließventils 63 durch Anlegen eines elektrischen Signals an dem Öffnungs-/Schließventil 63 durch die Steuerung 90 geöffnet.
Dann wird das in dem Reinstwassertank 60 bevorratete Reinstwasser an die Gehäuse 43 der Heizplatten durch die Reinstwasserversorgungsleitung 61 zugeführt und durch Wärme der Heizplatten innerhalb der Gehäuse 43 verdampft.
Der Dampf des von den Heizplatten der oberen Pressform 20 und der unteren Pressform 30 verdampften Reinstwassers wird an das MEA-Grundmaterial 7 und die GDLs 3 durch die Dampfdüsenbohrungen 51 der Heizplatten 41 injiziert.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung ist es möglich, Dampf an die GDLs 3 und das MEA-Grundmaterial 7, die miteinander verbunden werden, beim Komprimieren der GDLs 3 und des MEA-Grundmaterials 7, die auf der der unteren Pressform 30 aufeinander gestapelt sind, bei der hohen Temperatur durch die Heizplatten 41 der oberen Pressform 20 und der unteren Pressform 30 mit dem Anpressdruck der oberen Pressform 20 zuzuführen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung ist es möglich, Feuchtigkeit an die MEA 1, die einen Platinkatalysator und eine Ionen-leitende Polymerfolie wie Nafion umfasst, zuzuführen, wenn die MEA 1 und die GDLs 3 durch die Heizplatten 41 thermisch komprimiert werden, wodurch eine Zeit und Kosten für einen zusätzlichen Aktivierungsprozess aufgrund der Verdampfung und des Verlusts der Feuchtigkeit der MEA 1 in dem bestehenden Thermokompressionsprozess in hohem Maße verringert werden. Das heißt, der an die MEA 1 zugeführte Dampf, wenn sie hergestellt wird, erhöht den Prozentsatz des Wassergehaltes der MEA 1 bis auf etwa das Vierfache verglichen mit dem in 4 gezeigten Stand der Technik.
Der Dampf der Feuchtigkeit wird gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung an die Oberflächen der Sub-Dichtungen 5 der MEA 1 zugeführt, wenn die MEA 1 und die GDLs 3 Heizplatten thermisch komprimiert werden, wodurch verhindert wird, dass die Oberflächen der Sub-Dichtungen 5 in einer Faltenform während eines Zusammenziehens verformt werden.
Da die Falten auf den Oberflächen der Sub-Dichtungen 5 in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung verhindert werden können, kann eine Leckerzeugungsrate von reagiertem Gas aufgrund des Faltenabschnitts beträchtlich verringert werden, und somit eine Leistungsstabilität des Brennstoffzellenstapels erhöht werden.
5 zeigt ein Diagramm, das schematisch eine Vorrichtung zum Herstellen von Brennstoffzellenstapelkomponenten gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung darstellt. In 4 bezeichnen die gleichen Bezugszeichen, wie jene des zuvor genannten Ausführungsbeispiels, die gleichen Elemente.
Unter Bezugnahme auf 5 kann eine Vorrichtung 200 zum Herstellen von Brennstoffzellenstapelkomponenten gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung den gleichen Aufbau des zuvor genannten Ausführungsbeispiels umfassen und kann einen Dampferzeuger 70 umfassen, der Dampf durch Erwärmen von Reinstwasser und Zuführen der erzeugten Dampfes an die Dampfdüsenbohrungen 51 von Heizplatten 41 erzeugt, wenn GDLs 3 und das MEA-Grundmaterial 7 durch die Heizplatten 41 komprimiert werden.
Das heißt, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung ist der Dampferzeuger 70 dazu in der Lage, das Reinstwasser separat zu verdampfen und den verdampften Dampf an die Dampfdüsenbohrungen 51 der Heizplatten zuzuführen.
Der Dampferzeuger 70 umfasst einen Vorratsbehälter 60 zum Bevorraten von Reinstwasser, ein Heizelement zum Erzeugen von Dampf durch Aufnehmen/Empfangen des in dem Vorratsbehälter 60 bevorrateten Reinstwassers und eine Dampfzufuhrleitung 73, die den durch das Heizelement 71 erzeugten Dampf an die Dampfdüsenbohrungen 51 der Heizplatten 41 zuführt.
Hierbei sind der Vorratsbehälter und das Heizelement durch die Reinstwasserversorgungsleitung 61 verbunden und das Heizelement 71 kann eine Heizvorrichtung mit einer Kesselstruktur sein, die das Reinstwasser von dem Vorratsbehälter 60 durch die Reinstwasserversorgungsleitung 61 erhält und das Reinstwasser verdampft.
Die Dampfzufuhrleitung 73 verbindet eine Dampfauslassseite des Heizelements und die Gehäuse 43 der Heizplatten 41. Ferner ist ein Öffnungs-/Schließventil 63, das durch ein von einer Steuerung 90 zugeführtes elektrisches Signal betätigt wird, in der Dampfzufuhrleitung 73 angebracht.
Das Öffnungs-/Schließventil 63 kann die Dampfzufuhrleitung 73 durch die Steuerung 90 öffnen, wenn das MEA-Grundmaterial 7 und die GDLs 3 durch die Heizplatten 41 von oberen und unteren Pressformen 20 und 30 komprimiert werden, während sich die obere Pressform 20 in Richtung der unteren Pressform 30 nach unten bewegt.
Ferner kann das Öffnungs-/Schließventil 63 die Dampfzufuhrleitung 73 durch die Steuerung 90 schließen, wenn das MEA-Grundmaterial 7 und die GDLs 3 bei einer hohen Temperatur durch die Heizplatten 41 vollständig komprimiert werden, und dann bewegt sich die oberen Pressform 20 nach oben.
Gemäß der Vorrichtung 200 zum Herstellen der Brennstoffzellenstapelkomponenten gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung, die wie oben beschrieben eingerichtet ist, schließt das Öffnungs-/Schließventil 63 die Dampfzufuhrleitung 73 durch Empfangen des elektrischen Signals von der Steuerung 90 in einem Zustand, wo sich die obere Pressform 20 in einer Richtung nach oben bewegt.
Ferner öffnet das Öffnungs-/Schließventil 63 die Dampfzufuhrleitung 73 durch Empfangen des elektrischen Signals von der Steuerung 90 beim Komprimieren des MEA-Grundmaterials 7 und der GDLs 3 durch die Heizplatten 41, während sich die obere Pressform 20 in Richtung der unteren Pressform 30 durch die Antriebseinheit 99 nach unten bewegt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung ist es möglich, den Dampf zu den GDLs 3 und dem MEA-Grundmaterial 7 durch die Dampfdüsenbohrungen 51 zu injizieren, indem der Dampf zu den Dampfdüsenbohrungen 51 der Heizplatten 41 von dem Heizelement 71 durch die Dampfzufuhrleitung 73 beim Komprimieren der GDLs 3 und des MEA-Grundmaterials 7 mit den Heizplatten 41 der oberen Pressform 20 und der unteren Pressform 30 bei einer hohen Temperatur zugeführt wird.
Da die übrigen Anordnungen/Aufbauten und betrieblichen Wirkungen der Vorrichtung 200 zum Herstellen der Brennstoffzellenstapelkomponenten gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung die gleichen wie jene des zuvor genannten Ausführungsbeispiels sind, wird eine ausführlichere Beschreibung davon weggelassen.
Während diese Erfindung in Verbindung mit dem beschrieben worden ist, was gegenwärtig als praktische Ausführungsbeispiele erachtet werden, versteht es sich, dass die Offenbarung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern im Gegensatz dazu vorgesehen ist, um verschiedene Abänderungen und äquivalente Anordnungen abzudecken, die innerhalb der Lehre und des Umfangs der beigefügten Ansprüche umfasst sind.

Claims

Vorrichtung zum Herstellen von Brennstoffzellenkomponenten zum einstückigen/integralen Verbinden von Gasdiffusionsschichten mit beiden Oberflächen eines Membran-Elektroden Anordnung(MEA)-Grundmaterials, wobei das MEA-Grundmaterial eine MEA und Sub-Dichtungen aufweist, die Vorrichtung aufweisend: einen Rahmen; eine obere Pressform, die an dem Rahmen angeordnet ist, um in einer vertikalen Richtung verfahrbar zu sein; eine untere Pressform, die an dem Rahmen angeordnet und eingerichtet ist, um das MEA-Grundmaterial und die Gasdiffusionsschichten an einer unteren Seite der oberen Pressform aufzunehmen; Bonder, die jeweils an der oberen Pressform und der unteren Pressform angeordnet und eingerichtet sind, um das MEA-Grundmaterial und die Gasdiffusionsschichten bei einer hohen Temperatur und einem hohen Druck zu komprimieren; Dampfinjektoren, die in den Bondern angeordnet und eingerichtet sind, um Dampf zu dem MEA-Grundmaterial und den Gasdiffusionsschichten zu injizieren; und einen Reinstwassertank, der eingerichtet ist, um Reinstwasser zum Erzeugen von Dampf an die Bonder zu bevorraten, und um das Reinstwasser an die Bonder zuzuführen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Reinstwassertank das Reinstwasser an einen Hochtemperaturabschnitt von jedem der Bonder zuführt und die Dampfinjektoren den von dem Hochtemperaturabschnitt verdampften Dampf injizieren.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Bonder Heizplatten umfassen, um die Gasdiffusionsschichten auf beide Oberflächen des MEA-Grundmaterials zu komprimieren.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Dampfinjektoren eine Mehrzahl von in den Heizplatten gebildeten Dampfdüsenbohrungen umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der Reinstwassertank das Reinstwasser an die Heizplatten durch eine Reinstwasserversorgungsleitung zuführt und der Dampfinjektor den von den Heizplatten verdampften Dampf durch die Dampfdüsenbohrungen injiziert.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei ein durch ein elektrisches Signal betätigtes Öffnungs-/Schließventil in der Reinstwasserversorgungsleitung angebracht ist.
Vorrichtung zum Herstellen von Brennstoffzellenkomponenten zum einstückigen/integralen Verbinden von Gasdiffusionsschichten mit beiden Oberflächen eines Membran-Elektroden-Anordnung(MEA)-Grundmaterials mit einer MEA und Sub-Dichtungen, die Vorrichtung aufweisend: einen Rahmen; eine obere Pressform, die an dem Rahmen angeordnet ist, um in einer vertikalen Richtung verfahrbar zu sein; eine untere Pressform, die an dem Rahmen angeordnet ist, und die eingerichtet ist, um das MEA-Grundmaterial und die Gasdiffusionsschichten an einer unteren Seite der oberen Pressform aufzunehmen; Bonder, die jeweils an der oberen Pressform und der unteren Pressform angeordnet sind, und die eingerichtet sind, um das MEA-Grundmaterial und die Gasdiffusionsschichten bei einer hohen Temperatur und einem hohen Druck zu komprimieren; Dampfinjektoren, die in den Bondern angeordnet sind, und die eingerichtet sind, um Dampf zu dem MEA-Grundmaterial und den Gasdiffusionsschichten zu injizieren; und einen Dampferzeuger, der mit den Dampfinjektoren verbunden ist, und eingerichtet ist, um Dampf durch Erwärmen von Reinstwasser zu erzeugen und um den erzeugten Dampf an die Dampfinjektoren zuzuführen.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Bonder Heizplatten umfassen, um die Gasdiffusionsschichten auf beide Oberflächen des MEA-Grundmaterials zu komprimieren, und der Dampfinjektor eine Mehrzahl von in einer Heizplatte gebildeten Dampfdüsenbohrungen umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Dampferzeuger umfasst: einen Vorratsbehälter zum Bevorraten von Reinstwasser; ein Heizelement zum Erzeugen von Dampf durch Aufnehmen des in dem Vorratsbehälter bevorrateten Reinstwassers; und eine Dampfversorgungsleitung zum zuführen des durch das Heizelement erzeugten Dampfes an die Dampfdüsenbohrungen der Heizplatten.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei ein durch ein elektrisches Signal betätigtes Öffnungs-/Schließventil in der Reinstwasserversorgungsleitung angebracht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Dampfdüsenbohrungen an Bereichen der Heizplatten gebildet sind, mit Ausnahme eines Bereichs, der einem Verbindungsabschnitt der Sub-Dichtungen und der Gasdiffusionsschichten entspricht.