DE102017215887A1

DE102017215887A1 - Wärmebehandlungsverfahren für eine Membranelektrodenbaugruppe für eine Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102017215887A1
Application number: DE102017215887.5A
Authority: DE
Inventors: Woo Jin Lee; Yong Min Kim; Min Kyung Kim; Ki Sub Lee; Min Jin Kim
Original assignee: Hyundai Motor Co; Kia Motors Corp
Current assignee: Hyundai Motor Co; Kia Corp
Priority date: 2016-12-20
Filing date: 2017-09-08
Publication date: 2018-06-21
Also published as: KR20180071550A; KR102406167B1; US20180175407A1; US10601056B2

Abstract

Ein Wärmebehandlungsverfahren für eine Membranelektrodenbaugruppe (MEA) einer Brennstoffzelle enthält: Platzieren einer Stromplatte auf einer Oberfläche der MEA oder auf einer Oberfläche einer Baugruppe aus der MEA und einer Gasdiffusionsschicht (GDL); und Durchführen einer Wärmebehandlung auf einer Oberfläche oder im Innern der Stromplatte durch Anlegen einer Spannung an die Stromplatte.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Wärmebehandlungsverfahren und eine Vorrichtung für ein Wärmebehandlungsverfahren für eine Membranelektrodenbaugruppe für eine Brennstoffzelle, und insbesondere ein Wärmebehandlungsverfahren für eine Membranelektrodenbaugruppe zur Verbesserung der Dauerhaftigkeit der Membranelektrodenbaugruppe und eine Wärmebehandlungsvorrichtung zur Durchführung desselben.
HINTERGRUND
Brennstoffzellen sind Energieerzeugungssysteme, die die chemische Energie eines Brennstoffs ohne Umwandlung der chemischen Energie durch Verbrennung in Wärme durch eine elektrochemische Reaktion in einem Stapel in elektrische Energie wandeln.
Eine solche Brennstoffzelle kann nicht nur elektrische Energie für industrielle und häusliche Anwendungen sowie zum Antrieb von Fahrzeugen bereitstellen, sondern auch als Spannungsquelle für kleine elektrische/elektronische Produkte, insbesondere mobile Geräte eingesetzt werden.
Derzeit wird eine Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEMFC), die auch als Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle bezeichnet wird, als eine Energiequelle zum Antrieb eines Fahrzeugs verwendet.
Die PEMFC hat eine niedrigere Betriebstemperatur, einen höheren Wirkungsgrad, eine höhere Stromdichte und eine höhere Leistungsdichte, eine kürzere Anlaufzeit und spricht schneller auf Laständerungen an als andere Brennstoffzellentypen und ist deshalb in breitem Umfang als eine Spannungsquelle für mobile Geräte zweckdienlich.
Die PEMFC enthält eine Membranelektrodenbaugruppe (MEA), die durch Aufbringen von Katalysatorelektrodenschichten, auf denen eine elektrochemische Reaktion stattfindet, auf beide Seiten der Polymerelektrolytmembran gebildet wird, durch die sich Wasserstoffionen bewegen, eine Gasdiffusionsschicht (GDL), die zur gleichmäßigen Verteilung der Reaktionsgase und zur Übertragung der erzeugten elektrischen Energie dient, eine Dichtung und einen Befestigungsmechanismus, um die Reaktionsgase und das Kühlwasser abzudichten und den vorschriftsmäßigen Befestigungsdruck zu halten, und eine Bipolarplatte zum Transportieren der Reaktionsgase und des Kühlwassers.
Ferner enthält ein in einem Brennstoffzellenfahrzeug eingesetztes Brennstoffzellensystem einen Brennstoffzellenstapel zum Erzeugen elektrischer Energie mittels einer elektrochemischen Reaktion der Reaktionsgase (Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff als Oxidans), eine Wasserstoffzuführeinrichtung zum Zuführen von Wasserstoff als Brennstoff zum Brennstoffzellenstapel, eine Luftzuführeinrichtung zum Zuführen sauerstoffhaltiger Luft zum Brennstoffzellenstapel, ein Wärme- und Wasser-Managementsystem zum Steuern der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels und zur Ausführung einer Wassermanagementfunktion, und eine Brennstoffzellensteuerung zum Steuern des Gesamtbetriebs des Brennstoffzellensystems.
Bei einem typischen Brennstoffzellensystem enthält die Wasserstoffzuführeinrichtung einen Wasserstoffspeicher (Wasserstofftank), einen Regler, ein Wasserstoffdruckregelventil und eine Wasserstoff-Rückführungseinrichtung, und die Luftzuführeinrichtung enthält ein Luftgebläse und einen Befeuchter. Das Wärme- und Wasser-Managementsystem enthält eine Kühlmittelpumpe, einen Wasserbehälter und einen Kühler.
1 zeigt eine Vorgehensweise zur Herstellung einer typischen GDL-MEA--Baugruppe. Wie in 1 dargestellt wird eine Membranelektrodenbaugruppe (MEA) durch Ausbilden von Elektroden (Katode, Anode) auf beiden Oberflächen einer Elektrolytmembran und durch anschließendes Aufbringen von Zwischendichtfilmen hergestellt.
Die auf diese Weise hergestellte MEA wird einer Wärmebehandlung durch Thermokompression unterzogen, um die Dauerhaftigkeit zu verbessern. Die wärmebehandelte MEA hat eine hohe Dauerhaftigkeit, aber weist aufgrund ihrer Zustandsverschlechterung eine verringerte Leistung auf.
Wie in 1 dargestellt werden die Gasdiffusionsschichten (GDL) mit beiden Seiten der fertigen MEA verklebt. Der durch Verkleben wie in 1 gezeigt erhaltene Körper wird als eine GDL-MEA-Baugruppe bezeichnet. Klebeverfahren für GDL-MEA umfassen Thermokompression und die Verwendung eines Klebstoffs. Jedoch kann das Verkleben durch Thermokompression ja nach Material oder Verarbeitung der MEA nicht anwendbar sein. Bei Verwendung eines Klebstoffs ist die Produktausbeute problematisch.
ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
Die vorliegende Offenbarung ist in dem Bestreben erarbeitet worden, die oben beschriebenen Probleme der verwandten Technik zu lösen, und als Ergebnis stellt die vorliegende Offenbarung ein Wärmebehandlungsverfahren und eine Vorrichtung für eine Membranelektrodenbaugruppe bereit, die die Dauerhaftigkeit der Membranelektrodenbaugruppe gewährleisten und eine Leistungsverschlechterung aufgrund einer Zustandsverschlechterung verhindern können, indem eine Wärmebehandlung der Membranelektrodenbaugruppe unter verschiedenen Bedingungen in Abhängigkeit von den physikalischen Eigenschaften der jeweiligen Komponenten der Membranelektrodenbaugruppe ausgeführt wird.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung enthält ein Wärmebehandlungsverfahren für eine Membranelektrodenbaugruppe (MEA) für eine Brennstoffzelle das Platzieren einer Stromplatte auf einer Oberfläche einer MEA oder auf einer Oberfläche einer Baugruppe der MEA und einer Gasdiffusionsschicht (GDL) und der Ausführung einer Wärmebehandlung auf der Oberfläche oder im Innern der Stromplatte durch Anlegen einer Spannung an die Stromplatte.
Die Stromplatte kann auf der MEA angeordnet werden, und die Wärmebehandlung kann auf einem Elektrodenabschnitt der MEA ausgeführt werden, indem eine Gleichspannung (DC) oder ein Gleichspannungsimpuls an die MEA gelegt wird.
Die Stromplatte kann auf der MEA angeordnet werden, und die Wärmebehandlung wird auf einer Elektrolytmembran der MEA ausgeführt, indem eine Wechselspannung (AC) an die MEA gelegt wird.
Die Stromplatte kann auf der Baugruppe der MEA und der GDL angeordnet werden, und die Wärmebehandlung kann auf einer Grenzfläche zwischen der MEA und der GDL ausgeführt werden, indem ein Wechselspannungs- (AC) Impuls an die MEA-GDL-Baugruppe gelegt wird.
Die Stromplatte kann eine Stromplatte für eine Pressoperation sein und die Oberfläche der MEA oder der Baugruppe aus MEA und GDL mit Spannung beaufschlagen, während sie auf die Oberfläche gepresst wird.
Die Stromplatte enthält einen in der Mitte angeordneten ersten leitfähigen Abschnitt, ein Paar an beiden Seiten des ersten leitfähigen Abschnitts angeordnete Isolierabschnitte und einen zweiten leitfähigen Abschnitt, der an der Außenseite des Isolierabschnittpaares angeordnet ist, enthalten, wobei der erste leitfähige Abschnitt und der zweite leitfähige Abschnitt so konfiguriert sein können, dass sie unterschiedliche Spannungsarten zur Ausführung der Wärmebehandlung an verschiedenen Positionen anlegen.
Die Wärmebehandlung kann entweder auf dem Elektrodenabschnitt der MEA, auf einer Elektrolytmembran oder einer Grenzfläche zwischen der GDL und der MEA mittels der durch den ersten leitfähigen Abschnitt angelegten Spannung durchgeführt werden, wobei die Wärmebehandlung entweder auf dem Elektrodenabschnitt, der Elektrolytmembran oder der Grenzfläche mittels der durch den zweiten leitfähigen Abschnitt angelegten Spannung ausgeführt werden kann, mit Ausnahme der Komponente, bei der die Wärmebehandlung mittels der an den ersten leitfähigen Abschnitt angelegten Spannung ausgeführt wird.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung enthält eine Wärmebehandlungsvorrichtung für eine Membranelektrodenbaugruppe (MEA) für eine Brennstoffzelle eine erste elektrisch leitende Presse zum Pressen der MEA oder einer Baugruppe aus der MEA und der Gasdiffusionsschicht (GDL), eine Zuführeinrichtung, die zum Zuführen der MEA oder der Baugruppe aus der MEA und der GDL zur ersten elektrisch leitenden Presse konfiguriert ist, und eine Spannungsversorgung, die zum Anlegen einer Spannung an die erste elektrisch leitende Presse konfiguriert ist, wobei die Wärmebehandlung auf einer Oberfläche oder im Innern der MEA oder der Baugruppe aus der MEA und der GDL ausgeführt wird, indem Spannung an die MEA oder die Baugruppe aus der MEA und der GDL gelegt wird.
Die erste elektrisch leitende Presse kann eine Stromplatte für eine Pressoperation enthalten, wobei die Stromplatte so konfiguriert ist, dass sie sich in Kontakt mit einem zu pressenden Objekt befindet, wobei die Stromplatte die von der Spannungsversorgung zugeführte Spannung an die Oberfläche der MEA oder die Baugruppe aus der MEA und der GDL legt, während sie Druck auf die Oberfläche ausgeübt wird.
Die Stromplatte kann einen in der Mitte angeordneten ersten leitfähigen Abschnitt, ein Paar an beiden Seiten des ersten leitfähigen Abschnitts angeordnete Isolierabschnitte und einen zweiten leitfähigen Abschnitt, der an der Außenseite des Isolierabschnittpaares angeordnet ist enthalten, wobei der erste leitfähige Abschnitt und der zweite leitfähige Abschnitt so konfiguriert sein können, dass sie unterschiedliche Spannungsarten zur Ausführung der Wärmebehandlung an verschiedenen Positionen anlegen.
Die Zuführeinrichtung kann eine Zuführeinrichtung des Rolle-zu-Rolle-Typs sein und eine Zuführwalze sowie eine Aufwickelwalze enthalten.
Die Zuführeinrichtung kann ferner eine oder mehr bewegliche Pufferwalzen zur Konstanthaltung der Spannung enthalten.
Die Wärmebehandlungsvorrichtung kann ferner ein Schneidegerät zum Abschneiden der MEA oder der Baugruppe aus der MEA und der GDL, die von der ersten elektrisch leitenden Presse wärmebehandelt wurde, auf eine vorgegebene Größe.
Die Wärmebehandlungsvorrichtung kann ferner eine Transporteinheit zum Transportieren der vom Schneidegerät abgeschnittenen MEA oder der MEA-GDL--Baugruppe aus der enthalten.
Die Wärmebehandlungsvorrichtung kann ferner eine zweite elektrisch leitende Presse enthalten, die zum Pressen der von der Transporteinheit zugeführten MEA oder MEA-GDL-Baugruppe konfiguriert ist, und eine zweite Spannungsversorgung, die zum Anlegen einer Spannung an die zweite elektrisch leitende Presse konfiguriert ist, wobei eine Wärmebehandlung an der MEA oder der MEA-GDL-Baugruppe durch Anlegen der Spannung an die zweite elektrisch leitende Presse durchgeführt wird.
Die Zuführeinrichtung kann einen Transportroboterarm enthalten.
Andere Aspekte und Ausführungsformen der Offenbarung werden nachstehend erläutert.
Es versteht sich, dass der Begriff „Fahrzeug“ oder „fahrzeugtechnisch“ oder andere ähnliche hierin verwendete Begriffe allgemein Kraftfahrzeuge betreffen, wie Personenkraftwagen, einschließlich Komfort-Geländewagen (sports utility vehicles; SUV), Busse, Lastkraftwagen, verschiedene Nutzfahrzeuge, Wassermotorfahrzeuge einschließlich verschiedene Boote und Schiffe, Luftfahrzeuge und dgl. und auch Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeuge (an der Steckdose aufladbar), Fahrzeuge mit Wasserstoffantrieb und andere Fahrzeuge für alternative Kraftstoffe (z. B. Kraftstoffe, die aus anderen Ressourcen als Erdöl gewonnen werden) umfasst. Wie hierin verwendet ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug mit zwei oder mehr Antriebsquellen, z. B. Fahrzeuge sowohl mit Benzin- als auch Elektroantrieb.
Die obigen und andere Merkmale der Erfindung werden nachstehend erläutert.
Figurenliste
Die obigen und andere Merkmale der vorliegenden Offenbarung werden nun ausführlich unter Bezugnahme auf bestimme Ausführungsbeispiele beschrieben, die in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind und nur als Beispiel dienen und die vorliegende Offenbarung nicht einschränken sollen; es zeigen:

1 eine Vorgehensweise zur Herstellung einer typischen GDL-MEA--Baugruppe;
2a eine perspektivische Ansicht der Struktur einer MEA für eine Brennstoffzelle;
2b eine Schnittansicht entlang der Linie A-A' in 2a;
3a eine perspektivische Ansicht der Struktur einer GDL-MEA für eine Brennstoffzelle;
3b eine Schnittansicht entlang der Linie B-B' in 2a;
4 ein Konzeptdiagramm der Wärmebehandlung der Außenseite (Elektrodenabschnitt) einer MEA;
5 den während der Wärmebehandlung der Außenseite (Elektrodenabschnitt) einer MEA angelegten Gleichspannungs- (DC) Impuls;
6 ein Konzeptdiagramm der Wärmebehandlung des Innern (Elektrolytmembran) einer MEA;
7 die während der Wärmebehandlung des Innern (Elektrolytmembran) einer MEA angelegte Wechselspannung (AC);
8 ein Konzeptdiagramm der Wärmebehandlung der Grenzfläche der GDL-MEA;
9 den während der Wärmebehandlung der Grenzfläche der GDL-MEA angelegten Wechselspannungs- (AC) Impuls;
10 eine Herstellungsvorrichtung des Rolle-zu-Rolle-Typs gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung;
11 eine Herstellungsvorrichtung des Plattentyps gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung; und
12a und 12b eine Struktur einer Press-Stromplatte gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung, wobei 12a eine Draufsicht und 12b eine Schnittansicht entlang der Linie C-C' ist.

Es versteht sich, dass die beiliegenden Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind, da sie eine etwas vereinfachte Darstellung der verschiedenen bevorzugten Merkmale zeigen, die die der Erfindung zugrunde liegenden Prinzipien veranschaulichen. Die spezifischen Konstruktionsmerkmale wie hierin offenbart, die z. B. spezifische Abmessungen, Ausrichtungen, Orte und Formen enthalten, werden zum Teil durch die besondere vorgesehene Anwendung und die Einsatzumgebung bestimmt.
In den Figuren kennzeichnen identische Bezugszeichen gleiche oder äquivalente Teile der vorliegenden Offenbarung in den verschiedenen Figuren der Zeichnung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Im Folgenden werden die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert beschrieben, damit der Fachmann die vorliegende Offenbarung problemlos verwirklichen kann.
Die Vorteile und Merkmale der vorliegenden Offenbarung sowie die Verfahren zum Erzielen derselben erschließen sich anhand der detaillierten Beschreibung von Ausführungsformen in Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen.
Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht auf die hierin offenbarten Ausführungsformen beschränkt, sondern kann in unterschiedlichen Formen implementiert werden. Die Ausführungsformen sind nur Beispiele, und die vorliegende Offenbarung sollte durch den Schutzumfang der Ansprüche definiert werden.
Außerdem wird in der Beschreibung der vorliegenden Offenbarung auf eine ausführliche Erläuterung zugehöriger Technologien und dgl. verzichtet, wenn davon auszugehen ist, dass sonst der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung unklar würde.
Die vorliegende Offenbarung stellt eine Technologie zur effektiven Durchführung einer Wärmebehandlung zwischen den jeweiligen Komponenten bei der Herstellung einer in einer Brennstoffzelle eingesetzten Membranelektrodenbaugruppe (MEA) und einer GDL-MEA bereit, die durch Verkleben der MEA mit einer Gasdiffusionsschicht (GDL) gebildet wird.
Insbesondere werden bei der vorliegenden Offenbarung unterschiedliche Wärmebehandlungsbedingungen je nach den Objekten innerhalb und außerhalb der MEA, die der Wärmebehandlung zu unterziehen sind, bei der Wärmebehandlung jedes Bestandelements der GDL-MEA angewendet. Außerdem kommen die unterschiedlichen Wärmebehandlungsbedingungen zur Vereinfachung in einem einzigen Prozess zur Anwendungen, sofern möglich. Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird die Membranelektrodenbaugruppe auch als eine MEA bezeichnet. In dieser Beschreibung wird die Gasdiffusionsschicht auch als eine GDL bezeichnet, und folglich kann die Baugruppe aus der Membranelektrodenbaugruppe und der Gasdiffusionsschicht als eine GDL-MEA oder GDL-MEA-Baugruppe bezeichnet werden, wobei diese Begriffe gleichbedeutend sind.
Im Folgenden werden ein Wärmebehandlungsverfahren und eine Vorrichtung für eine Membranelektrodenbaugruppe für einen Brennstoffzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung anhand der beiliegenden Zeichnungen ausführlich beschrieben.
2a ist eine perspektivische Ansicht der Struktur einer MEA für eine Brennstoffzelle, und 2b ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A' in 2a.
2a zeigt eine Membranelektrodenbaugruppe (MEA) vor dem Verkleben mit den Gasdiffusionsschichten (GDLs) in 1. Wie in 2b dargestellt hat eine MEA eine Elektrolytmembran 101 als ein Dielektrikum und einen Elektrodenabschnitt 102 mit einem Dielektrikum und einem Leiter sowie eine Zwischendichtung 103, die ein Dielektrikum ist und am Rand positioniert ist wie in den 2a und 2b dargestellt.
Die 3a und 3b zeigen die Struktur einer GDL-MEA-Baugruppe, die durch Verkleben einer GDL und einer MEA gebildet wird.
Die Struktur der 3a und 3b wird durch Verkleben der GDL 104 auf der MEA von 2a gebildet. Deshalb ist der Querschnitt der Struktur wie in 3b dargestellt eine Stapelstruktur, die sich durch Stapeln der GDL 104, die ein Leiter ist, auf dem Elektrodenabschnitt 102 ergibt.
Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung ist eine Stromplatte P auf der Oberfläche der MEA mit der Querschnittsstruktur wie in 2a dargestellt oder auf der GDL-MEA mit der Querschnittsstruktur wie in 3b dargestellt angeordnet, und Spannung wird an die Stromplatte P zur Durchführung der Wärmebehandlung auf der Oberfläche oder im Innern der Platte gelegt.
Jedoch können zur Verbesserung der Dauerhaftigkeit und um eine Zustandsverschlechterung zu vermeiden, unterschiedliche Wärmebehandlungsbedingungen je nach dem der Wärmebehandlung zu unterziehendem Abschnitt angewendet werden. Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung wird demnach die Wärmebehandlung auf eine unterschiedliche Weise in Abhängigkeit von der Position, an der die Wärmebehandlung auszuführen ist, durchgeführt.
Speziell bei dieser Ausführungsform werden die einer Wärmebehandlung zu unterziehenden Abschnitte in den Elektrodenabschnitt 102 der MEA, die Elektrolytmembran der MEA und die Grenzfläche zwischen der GDL 103 und der MEA unterteilt, und für jeden Abschnitt wird ein anderes Wärmebehandlungsverfahren vorgeschrieben.
Im Folgenden wird das Wärmebehandlungsverfahren für jeden Abschnitt beschrieben.
4 ist ein Konzeptdiagramm der Wärmebehandlung der Außenseite (Elektrodenabschnitt) der MEA und 5 zeigt den Gleichspannungs- (DC) Impuls, der während der Wärmebehandlung der Außenseite (Elektrodenabschnitt) der MEA angelegt wird. Hierin bedeutet MEA den Elektrodenabschnitt 102, sofern nicht anderweitig angegeben, und das Innere der Membranelektrodenbaugruppe bezeichnet die Elektrolytmembran 101, sofern nicht anderweitig angegeben.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung wird bei der Durchführung der Wärmebehandlung des Elektrodenabschnitts 102 eine Gleichspannung oder ein Gleichspannungsimpuls zum Sintern des Elektrodenabschnitts verwendet. Die Wärmeerzeugung durch einen Leiter, durch den ein konstanter Strom fließt, wird als Joulesche Erwärmung bezeichnet, und der Wärmewert (Q) der Jouleschen Erwärmung ergibt sich aus der folgenden Gleichung.
Q = I²Rt (Q: Wärmewert, I: Stromstärke, R: Widerstand, t: Zeit)
Bei Verwendung eines Gleichstroms erfolgt die Wärmebehandlung der Elektrode durch die Joulesche Erwärmung. Wenn dagegen ein DC-Impuls angelegt wird, entsteht ein zusätzlicher Sintereffekt durch Funken an der Grenzfläche zwischen Elektrodenpartikeln wie in 4 dargestellt. 5 zeigt die Spannung der DC--Impulsquelle. Die Wärmebehandlungsbedingungen können je nach den Spezifikationen der Membranelektrodenbaugruppe unterschiedlich eingestellt werden und durch Einstellen des Tastverhältnisses, der Spannungsstärke und dgl. geändert werden. Im Gegensatz zu 5 kann eine Gleichspannung angelegt werden.
Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung wird die aus einem Leiter bestehende Stromplatte P auf der MEA positioniert, um Spannung an die MEA anzulegen. Die Stromplatte P wird mit einer DC-Quelle oder einer DC-Impulsquelle verbunden, um die Wärmebehandlung des Elektrodenabschnitts 102 der MEA auszuführen.
6 ist ein Konzeptdiagramm der Wärmebehandlung des Innern (Elektrolytmembran) der MEA, und 7 zeigt die während der Wärmebehandlung des Innern (Elektrolytmembran) der MEA angelegte Wechselspannung.
Zur Durchführung der Wärmebehandlung im Innern der MEA, d. h. der Elektrolytmembran 101, schlägt die vorliegende Offenbarung ein Wärmebehandlungsverfahren vor, bei dem eine AC-Quelle verwendet wird. Wenn eine Wechselspannung an ein Dielektrikum gelegt wird, vibriert das dielektrische Material entsprechend dem elektrischen Feld und die Vibrationen werden in Wärme gewandelt. Das heißt, wenn die Wechselspannung mit einer Frequenz entsprechend der Resonanzfrequenz der Elektrolytmembran an beide Oberflächen der Elektrolytmembran gelegt wird, wird die Elektrolytmembran erwärmt. Als Ergebnis konzentriert sich die Wärmebehandlung auf die Elektrolytmembran und die Grenzfläche zwischen Elektrolytmembran und Elektrode.
Die Stromplatte P ist auf der MEA angeordnet wie in 6 dargestellt, und die Elektrolytmembran 101 wird durch Anlegen einer Wechselspannung an die MEA wie in 7 dargestellt wärmebehandelt.
Dabei können die Bedingungen des Anlegens der Spannung gemäß den Spezifikationen der MEA geändert werden. Außerdem wird die Frequenz (1/Periode) der Wechselspannung auf die Resonanzfrequenz der Elektrolytmembran 101 eingestellt, um die Elektrolytmembran 101 wie oben beschrieben zu erwärmen.
8 ist ein Konzeptdiagramm der Wärmebehandlung der Grenzfläche der GDL-MEA, und 9 zeigt einen AC-Impuls, der während der Wärmebehandlung der Grenzfläche der GDL-MEA angelegt wird.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung wird ein AC-Impuls zum Verkleben der GDL-MEA-Grenzfläche verwendet. Eine Spannung eines AC-Impulses höher oder gleich einer Durchbruchspannung wird zwischen der GDL und dem MEA-Elektrodenabschnitt angelegt. Als Ergebnis erfolgt ein lokales Verkleben, da ein Funke an der Grenzfläche zwischen der GDL und der MEA-Elektrode entsteht. Dabei wird die von einem Impuls gelieferte Ladung von der Kapazität der Elektrode bestimmt. Die von einem Impuls gelieferte Ladung wird niedriger oder gleich der Kapazität der MEA eingestellt.
Wie in 8 dargestellt wird zur Durchführung der Wärmebehandlung der GDL-MEA-Grenzfläche ein AC-Impuls von der Stromplatte P, die auf der Baugruppe aus der MEA und der GDL 103 angeordnet ist, an die Baugruppe aus der MEA und der GDL 103 gelegt.
Da dabei eine Wechselspannung, die höher oder gleich ist einer Durchbruchspannung wie in 9 gezeigt angelegt wird, erfolgt das Verkleben durch einen Funken, der in einem Teil der Grenzfläche wie in 8 dargestellt erzeugt wird.
Ein anderes Merkmal der vorliegenden Offenbarung ist, dass zumindest ein Teil der oben beschriebenen unterschiedlichen Wärmebehandlungsprozesse gleichzeitig ausgeführt wird.
Die Fertigungsvorrichtung für dieses Verfahren ist in den 10 bis 12 dargestellt.
10 zeigt insbesondere eine Fertigungsvorrichtung eines Rolle-zu-Rolle--Typs gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung, FIG. zeigt eine Rolle-zu-Rolle-Fertigungsvorrichtung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung und 12 zeigt eine Struktur einer Press-Stromplatte gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung.
Die Fertigungsvorrichtung des Rolle-zu-Rolle-Typs von 10 und die Fertigungsvorrichtung des Plattentyps von 11 können getrennt eingesetzt werden, oder die beiden Vorrichtungen können in Reihe installiert sein.
Zum Beispiel kann eine in der Fertigungsvorrichtung des Rolle-zu-Rolle-Typs von 10 hergestellte MEA zur Fertigungsvorrichtung des Plattentyps von 11 transportiert werden, und dann kann ein anschließender Prozess durch die Vorrichtung von 11 ausgeführt werden.
Beim Rolle-zu-Rolle-Verfahren ist ein Rohmaterial in Rollenform gewickelt und wird entlang einem spezifischen Weg zugeführt, und das verarbeitete Produkt wird zu einer Rolle aufgewickelt und gelagert. Wie in 10 dargestellt wird die in Filmform gerollte MEA von der Zuführseite zugeführt. Die zugeführte MEA passiert eine in der Mitte angeordnete elektrisch leitende Presse 206. Wenn der Positionssensor bestätigt, dass die MEA korrekt positioniert ist, presst die elektrisch leitende Presse beide Seiten der MEA. Während der Bearbeitung durch die elektrisch leitende Presse wird der Transport des Materials angehalten und die auf das Material wirkende Spannung wird während der Zeitspanne zwischen dem Stopp und dem Neustart des Transports konstant gehalten. Das verarbeitete Produkt wird erneut entlang dem Weg bewegt, aufgewickelt und gelagert.
Da insbesondere die MEA mittels eines Rolle-zu-Rolle-Verfahrens hergestellt wird, enthält die Vorrichtung von 10 eine Zuführeinrichtung mit einer Zuführwalze 201 an der Zuführseite zum Zuführen einer Ausgangs-MEA und eine Aufwickelwalze 202 zum Aufwickeln der MEA, bei der die Wärmebehandlung abgeschlossen ist.
Außerdem ist eine elektrisch leitende Presse 206 zur Wärmebehandlung zwischen der Zuführwalze 201 und der Aufwickelwalze 202 vorgesehen. Die elektrisch leitende Presse 206 dient zum Pressen der MEA oder der Baugruppe aus der MEA und der GDL. Außerdem enthält die Fertigungsvorrichtung des Rolle-zu-Rolle-Typs gemäß dieser Ausführungsform eine Spannungsversorgung 205 zur Spannungsversorgung der elektrisch leitenden Presse 206.
Die Spannungsversorgung 205 liefert Spannung an die MEA, die auf der elektrisch leitenden Presse 206 angeordnet ist, oder an die Baugruppe aus der MEA und der GDL. Durch die Spannungsversorgung 205 wird eine Wärmebehandlung auf der Oberfläche der MEA, im Innern der MEA oder auf der Grenzfläche von GDL-MEA ausgeführt.
Die elektrisch leitende Presse 206 enthält eine Stromplatte P zum Presskontakt mit einem zu pressenden Objekt, und die Stromplatte P zum Pressen legt eine Spannung an die Oberfläche der MEA oder an die Baugruppe aus der MEA und der GDL, während sie die Oberfläche presst.
Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung ist eine Stromplatte für die Pressoperation mit einer Struktur wie in den 12a und 12b dargestellt bereitgestellt, so dass unterschiedliche Wärmebehandlungsprozesse gleichzeitig ausgeführt werden können.
Insbesondere enthält die Stromplatte für die Pressoperation einen in der Mitte angeordneten ersten leitfähigen Abschnitt P₁, ein an beiden Seiten des ersten leitfähigen Abschnitts P₁ angeordnetes Paar Isolierabschnitte und einen zweiten leitfähigen Abschnitt P₂, der an der Außenseite des Paars Isolierabschnitte angeordnet ist.
Das heißt, dass wie in 12a dargestellt ist, ein Paar Isolierabschnitte in der Nähe beider Seitenränder der Stromplatte für die Pressoperation ausgebildet ist, so dass die Oberfläche der Stromplatte für die Pressoperation von den Isolierabschnitten in drei Teile unterteilt ist. Die Positionen der Isolierabschnitte können entsprechend dem Typ der einer Wärmebehandlung zu unterziehenden MEA oder GDL-MEA geeignet geändert werden. Die Positionen der Isolierabschnitte sind auf die Position des einer Wärmebehandlung zu unterziehenden Objekts beschränkt.
Bei dieser Struktur werden die obere und die untere Seite in 12a, d. h. die zweiten leitfähigen Abschnitte P₂ in der Nähe der beiden Seitenränder des von den Isolierabschnitten definierten Abschnitten zur Wärmebehandlung des Elektrodenabschnitts 102 verwendet wie in 4 dargestellt. Das heißt, da wie in 4 dargestellt die bei Stromfluss zum Leiter des Elektrodenabschnitts während der Wärmebehandlung des Elektrodenabschnitts erzeugte Wärme verwendet wird, die Stromplatten an beiden Seiten als die (+)- und (-)-Elektrode konfiguriert sind.
Andererseits kann der in der Mitte angeordnete und durch die Isolierabschnitte definierte erste leitfähigen Abschnitt P₁ einer Wärmebehandlung unterzogen werden, die durch Anlegen einer Spannung an den gesamten zentralen Abschnitt durchgeführt wird, wie in 6 oder 8 dargestellt ist.
Da die Stromplatte für die Pressoperation wie oben beschrieben konfiguriert ist, werden deshalb verschiedene Spannungen durch den ersten leitfähigen Abschnitt P₁ und den zweiten leitfähigen Abschnitt P₂ angelegt. Deshalb können verschiedene Abschnitte der MEA oder GDL-MEA wärmebehandelt werden.
Die Fertigungsvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform enthält ferner eine oder mehrere bewegliche Pufferwalzen 203, 204, um die Spannung in der Zuführeinrichtung während der Pressoperation aufrechtzuerhalten. Das heißt, die Pufferwalzen 203 und 204 rotieren selbst während der Pressoperation. Die Pufferwalzen 203 und 204 bewegen sich also, um eine Bewegung der Membranelektrodenbaugruppe oder dgl. während der Pressoperation zu verhindern, damit die Spannung in der Zuführeinrichtung konstant gehalten wird.
Außerdem kann ein Schneidegerät zum Abschneiden der MEA oder der Baugruppe aus der MEA und der GDL nach der Wärmebehandlung durch die elektrisch leitende Presse 206 auf eine vorgegebene Größe zusätzlich bereitgestellt werden. Das Schneidegerät kann anstelle der Aufwickelwalze 202 von 10 installiert werden und kann eine MEA in einer geschnittenen Form ähnlich dem Endprodukt anstelle des rollenförmigen MEA-Zwischenmaterials bereitstellen.
Eine Transporteinheit zum Transport der vom Schneidegerät geschnittenen MEA oder der geschnittenen Baugruppe aus der MEA und GDL kann bereitgestellt werden. Die Transporteinheit kann ein Roboterarm wie in 11 dargestellt sein und dient vorzugsweise zum Transport der vom Schneidegerät geschnittenen MEA zur Vorrichtung von 11.
Die Vorrichtung von 11 kann mit der Vorrichtung von 10 in Reihe geschaltet oder unabhängig verwendet werden und kann die gleiche elektrisch leitende Presse 304 und Spannungsversorgung 303 zum Anlegen einer Spannung an die Stromplatte P wie in 10 enthalten. Das heißt, die Fertigungsvorrichtung des Plattentyps gemäß 11 kann unabhängig installiert werden, um die Wärmebehandlung der MEA oder der GDL-MEA durchzuführen und in kann in manchen Fällen mit der Vorrichtung von 10 kombiniert werden.
Die Fertigungsvorrichtung des Plattentyps von 11 kann einen zuführseitigen Transport-Roboterarm 301 zum Zuführen der MEA oder der GDL-MEA zur elektrisch leitenden Presse 304 und einen anderen Transport-Roboterarm 302 zur Aufnahme der wärmebehandelten MEA oder GDL-MEA enthalten. Der Transport--Roboterarm 301, 302 kann einen Saughalter zum Halten der zu transportierenden wie die MEA durch Saugwirkung enthalten.
Zum Beispiel wird wie in 11 dargestellt ein einer Wärmebehandlung zu unterziehendes Objekt, d. h. ein Objekt, das der elektrisch leitenden Presse 304 zuzuführen ist, durch den Transport-Roboterarm an der Zuführseite der elektrisch leitenden Presse 206 bewegt und dann durch die elektrisch leitende Presse 304 wärmebehandelt. Danach wird das wärmebehandelte Objekt vom anderen Transport-Roboterarm zur Aufnahme der wärmebehandelten MEA oder GDL-MEA transportiert.
Wie aus der obigen Beschreibung ersichtlich wird, kann die Dauerhaftigkeit der Membranelektrodenbaugruppe verbessert und eine Leistungsverschlechterung, die durch eine mögliche Zustandsverschlechterung während der Wärmebehandlung verursacht werden kann, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung verhindert werden, die die Wärmebehandlung an jedem der internen Bestandelemente einer Membranelektrodenbaugruppe unter Wärmebehandlungsbedingungen, die entsprechend den internen Bestandelementen der Membranelektrodenbaugruppe eingestellt werden.
Da gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung die Wärmebehandlungsprozesse mit unterschiedlichen Bedingungen im Pressprozess gleichzeitig durchgeführt werden können, können die Produktionsdauer und -kosten der Membranelektrodenbaugruppe verringert und damit die Produktivität verbessert werden.
Die Erfindung ist anhand der Ausführungsformen ausführlich beschrieben worden. Für den Fachmann versteht es sich jedoch, dass Änderungen dieser Ausführungsformen möglich sind, ohne von den Prinzipien und dem Geist der Erfindung abzuweichen, deren Gültigkeitsbereich in den beigefügten Ansprüchen und deren Äquivalenten definiert ist.

Claims

Wärmebehandlungsverfahren für eine Membranelektrodenbaugruppe (MEA) einer Brennstoffzelle, wobei das Wärmebehandlungsverfahren aufweist: Platzieren einer Stromplatte auf einer Oberfläche der MEA oder auf einer Oberfläche einer Baugruppe aus einer MEA und einer Gasdiffusionsschicht (GDL); und Durchführen einer Wärmebehandlung auf einer Oberfläche oder im Innern der Stromplatte durch Anlegen einer Spannung an die Stromplatte.
Wärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 1, wobei die Stromplatte auf der MEA angeordnet wird und die Wärmebehandlung an einem Elektrodenabschnitt der MEA durch Anlegen einer Gleichspannung (DC) oder eines DC-Impulses an die MEA durchgeführt wird.
Wärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 1, wobei die Stromplatte auf der MEA angeordnet wird und die Wärmebehandlung auf einer Elektrolytmembran der MEA durch Anlegen einer Wechselspannung (AC) an die MEA durchgeführt wird.
Wärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 1, wobei die Stromplatte auf der Baugruppe aus der MEA und der GDL angeordnet wird und die Wärmebehandlung auf einer Grenzfläche zwischen der MEA und der GDL durch Anlegen eines Wechselspannungsimpulses (AC) an die Baugruppe aus der MEA und der GDL durchgeführt wird.
Wärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 1, wobei die Stromplatte zur Ausführung einer Pressoperation dient und die Spannung an die Oberfläche der MEA oder die Baugruppe aus der MEA und der GDL legt, während sie die Oberfläche presst.
Wärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 1, wobei die Stromplatte einen in der Mitte der Stromplatte angeordneten ersten leitfähigen Abschnitt, ein an beiden Seiten des ersten leitfähigen Abschnitts angeordnetes Paar Isolierabschnitte und einen an einer Außenseite des Paars Isolierabschnitte angeordneten zweiten leitfähigen Abschnitt aufweist, und wobei der erste leitfähige Abschnitt und der zweite leitfähige Abschnitt so konfiguriert sind, dass sie unterschiedliche Spannungsarten anlegen, um eine Wärmebehandlung an verschiedenen Positionen durchzuführen.
Wärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 6, wobei die Wärmebehandlung an einem Elektrodenabschnitt der MEA, einer Elektrolytmembran und einer Grenzfläche zwischen der GDL und der MEA mittels der durch den ersten leitfähigen Abschnitt angelegten Spannung durchgeführt wird, und wobei die Wärmebehandlung an einem Elektrodenabschnitt, der Elektrolytmembran und der Grenzfläche mittels der durch den zweiten leitfähigen Abschnitt angelegten Spannung durchgeführt wird, mit Ausnahme der Komponente, bei der die Wärmebehandlung mittels der an den ersten leitfähigen Abschnitt angelegten Spannung ausgeführt wird.
Wärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 3, wobei die Frequenz der Wechselspannung gleich der Resonanzfrequenz der Elektrolytmembran eingestellt wird.
Wärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 4, wobei eine von einem Impuls gelieferte elektrische Ladung des anlegten AC-Impulses niedriger oder gleich der Kapazität der MEA eingestellt wird.
Wärmebehandlungsvorrichtung für eine Membranelektrodenbaugruppe (MEA) für eine Brennstoffzelle, wobei die Wärmebehandlungsvorrichtung aufweist: eine erste elektrisch leitende Presse zum Pressen der MEA oder einer Baugruppe aus der MEA und einer Gasdiffusionsschicht (GDL); eine Zuführeinrichtung, die zum Zuführen der MEA oder der Baugruppe aus der MEA und der GDL zur ersten elektrisch leitenden Presse konfiguriert ist; und eine Spannungsversorgung, die zum Anlegen einer Spannung an die erste elektrisch leitende Presse konfiguriert ist, wobei die Wärmebehandlung auf einer Oberfläche oder im Innern der MEA oder auf der Baugruppe aus der MEA und der GDL durchgeführt wird, indem die Spannung an die MEA oder die Baugruppe aus der MEA und der GDL angelegt wird.
Wärmebehandlungsvorrichtung nach Anspruch 10, wobei die erste elektrisch leitende Presse eine Stromplatte für die Pressoperation aufweist, wobei die Stromplatte mit einem zu pressenden Objekt in Kontakt steht, und wobei die Stromplatte die von der Spannungsversorgung bereitgestellte Spannung an die Oberfläche der MEA oder an die Baugruppe aus der MEA und der GDL legt, während die Oberfläche gepresst wird.
Wärmebehandlungsvorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Stromplatte einen in der Mitte der Stromplatte angeordneten ersten leitfähigen Abschnitt, ein an beiden Seiten des ersten leitfähigen Abschnitts angeordnetes Paar Isolierabschnitte und einen an einer Außenseite des Paars Isolierabschnitte angeordneten zweiten leitfähigen Abschnitt aufweist, und wobei der erste leitfähige Abschnitt und der zweite leitfähige Abschnitt so konfiguriert sind, dass sie unterschiedliche Spannungsarten anlegen, um eine Wärmebehandlung an verschiedenen Positionen durchzuführen.
Wärmebehandlungsvorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Zuführeinrichtung eine Rolle-zu-Rolle-Zuführeinrichtung ist und eine Zuführwalze und eine Aufwickelwalze aufweist.
Wärmebehandlungsvorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Zuführeinrichtung ferner eine oder mehrere bewegliche Pufferwalzen aufweist, um die Spannung in der Zuführeinrichtung aufrechtzuerhalten.
Wärmebehandlungsvorrichtung nach Anspruch 13, ferner aufweisend: ein Schneidegerät, das zum Abschneiden der MEA oder der Baugruppe aus der MEA und der GDL auf eine vorgegebene Größe konfiguriert ist, die von der ersten elektrisch leitenden Presse wärmebehandelt wurde.
Wärmebehandlungsvorrichtung nach Anspruch 15, ferner aufweisend: eine Transporteinheit, die zum Transportieren der vom Schneidegerät geschnittenen MEA oder der Baugruppe aus der MEA und GDL konfiguriert ist.
Wärmebehandlungsvorrichtung nach Anspruch 16, ferner aufweisend: eine zweite elektrisch leitende Presse, die zum Pressen der von der Transporteinheit transportierten MEA oder der Baugruppe aus der MEA und der GDL konfiguriert ist; und eine zweite Spannungsversorgung, die zum Anlegen einer Spannung an die zweite elektrisch leitende Presse konfiguriert ist, wobei die Wärmebehandlung an der MEA oder der Baugruppe aus der MEA und der GDL durch Anlegen der Spannung an die zweite elektrisch leitende Presse durchgeführt wird.
Wärmebehandlungsvorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Zuführeinrichtung einen Transport-Roboterarm aufweist.