DE102017219299A1

DE102017219299A1 - Vorrichtung und verfahren zum verbinden eines brennstoffzellenteils

Info

Publication number: DE102017219299A1
Application number: DE102017219299.2A
Authority: DE
Inventors: Young Gun Kim; Sun Ho Lee
Original assignee: Hyundai Motor Co; Kia Motors Corp
Current assignee: Hyundai Motor Co; Kia Corp
Priority date: 2016-12-14
Filing date: 2017-10-27
Publication date: 2018-06-14
Also published as: US20180166701A1; KR20180068793A; US10418642B2; KR102487170B1

Abstract

Eine Vorrichtung zum Verbinden von Brennstoffzellenteilen kann Folgendes enthalten: ein Gesenk, das Vakuum-Saugöffnungen ausbildet, eine untere Heißpresse, die jeweils auf beiden Kanten eines Untergesenks installiert ist, um in eine Vertikalrichtung beweglich zu sein, ein Obergesenk, das installiert ist, um in eine Vertikalrichtung von der Oberseite des Untergesenks beweglich zu sein, ein Vakuum-Befestigungselement, das die gleiche Ebene mit der unteren Oberfläche des Obergesenks bildet, Vakuum-Saugöffnungen auf der unteren Oberfläche ausbildet und auf dem Obergesenk installiert ist, um in eine Vertikalrichtung beweglich zu sein, während dasselbe der oberen Oberfläche des Untergesenks zwischen der unteren Heißpresse entspricht, und eine obere Heißpresse, die jeweils zwischen beiden Kanten des Obergesenks installiert ist, um in eine Vertikalrichtung beweglich zu sein, während dieselbe der unteren Heißpresse entspricht und die gleiche Ebene mit der unteren Oberfläche des Obergesenks bildet.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der am 14. Dezember 2016 eingereichten koreanischen Patentanmeldung Nr. 10-2016-0170791 , deren gesamte Inhalte für alle Zwecke durch diesen Verweis hierin aufgenommen sind.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zum Herstellen von Brennstoffzellenteilen. Genauer betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Verbinden von Brennstoffzellenteilen, die eine Gasdiffusionsschicht (GDL; engl. gas diffusion layer) mit beiden Seiten einer Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) verbindet, und ein Verfahren derselben.
Beschreibung der verwandten Technik
Wie bekannt ist, erzeugt eine Brennstoffzelle Elektrizität durch eine elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff. Solch eine Brennstoffzelle ist dadurch gekennzeichnet, dass eine kontinuierliche Erzeugung durch die Zufuhr chemischer Reaktanten bzw. chemischer Reaktionspartner von der Außenseite ohne einen zusätzlichen Beschickungsprozess möglich ist.
Eine Brennstoffzelle kann durch Anordnen eines Separators (eine Trennplatte oder Bipolarplatte) auf beiden Seiten einer Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) durch Platzieren der MEA zwischen denselben gebildet werden. Solch eine Brennstoffzelle kann kontinuierlich in einer Vielzahl angeordnet und in einem Brennstoffzellenstapel gebildet werden.
Die Membran-Elektroden-Anordnung, die das Herzstück einer Brennstoffzelle nach einer Ausführungsform ist, bildet eine Anodenschicht (eine Katalysatorschicht) auf einer Oberfläche einer Elektrolytmembran, wobei die Elektrolytmembran dazwischen platziert ist, und bildet eine Kathodenschicht (eine Katalysatorschicht) auf der anderen Oberfläche. Gasdiffusionsschichten (GDLs), die jeweils ein Reaktionsgas aus Wasserstoff und Sauerstoff diffundieren, werden in einen integrierten Körper in jeder Elektrodenschicht der Membran-Elektroden-Anordnung verbunden.
Die Brennstoffzellenteile, die solch eine Membran-Elektroden-Anordnung und eine Gasdiffusionsschicht enthalten, können durch Verbinden der Gasdiffusionsschicht mit der gesamten Oberfläche beider Oberflächen der Elektrodenschicht der Membran-Elektroden-Anordnung (nachstehend zu Zwecken der Einfachheit „MEA-Matrix“) in einen integrierten Körper vorbereitet werden.
Als ein Verfahren zum Verbinden der Gasdiffusionsschicht mit einer MEA-Matrix wird beispielsweise eine Heißpressvorrichtung verwendet, die eine MEA-Matrix und eine Gasdiffusionsschicht in einen integrierten Körper durch Zusammendrücken bzw. Verpressen derselben bei einer hohen Temperatur und unter einem hohen Druck in einem Zustand verbindet, in dem die Gasdiffusionsschichten auf beiden Oberflächenseiten der MEA-Matrix angeordnet sind.
Der Prozess zum Verbinden der Gasdiffusionsschichten mit beiden Oberflächen der MEA-Matrix unter Verwendung einer Heißpressvorrichtung enthält das Laden der Unterseite der Gasdiffusionsschicht auf das Untergesenk der Heißpressvorrichtung, Laden der MEA-Matrix auf die Unterseite der Gasdiffusionsschicht, Laden der Oberseite der Gasdiffusionsschicht auf die MEA-Matrix und dann das Zusammendrücken bzw. Pressen des Obergesenks mit dem bzw. auf das Untergesenk und Verbinden der MEA-Matrix und der Oberseite der Gasdiffusionsschicht bei hoher Temperatur/hohem Druck.
Bei der herkömmlichen Technik kann jedoch in einem Fall, in dem die Oberseite der Gasdiffusionsschicht eingerollt ist, wenn das Obergesenk einer Heißpresse die Unterseite der Gasdiffusionsschicht zusammendrückt, während das Obergesenk gesenkt wird, die Verbindungsposition der Oberseite der Gasdiffusionsschicht in Bezug auf die Reaktionsfläche der MEA-Matrix verzerrt bzw. verzogen werden, wobei dadurch ein Verbindungsfehler verursacht wird.
Bei der herkömmlichen Technik verdampft zudem das in der MEA-Matrix enthaltene Wasser durch die an die gesamte Oberfläche der MEA-Matrix abgegebene Wärme, wenn vor der Verbindung zwischen der MEA-Matrix und der Gasdiffusionsschicht eine MEA-Matrix mit dem heißen Bereich der Heißpressvorrichtung in Kontakt gerät und die MEA-Matrix und Gasdiffusionsschicht bei hoher Temperatur und unter hohem Druck durch die Heißpressvorrichtung verbunden werden, und dadurch zieht sich die MEA-Matrix zusammen und kann in eine knittrige Form modifiziert werden. Solch eine Faltenbildung in der MEA-Matrix kann als Ursachen für die Verschlechterung der Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels während der Herstellung eines Brennstoffzellenstapels agieren, wie beispielsweise das Induzieren eines Lecks eines Reaktionsgases etc. Des Weiteren kann bei der herkömmlichen Technik die Verdampfung von Wasser in der MEA-Matrix durch die Wärme von der Heißpressvorrichtung die Leistungsfähigkeit der Ionenleitung der MEA-Matrix verschlechtern.
Die in diesem Abschnitt Hintergrund der Erfindung offenbarten Informationen dienen lediglich zur Verbesserung des Verständnisses des allgemeinen Hintergrunds der Erfindung und sind nicht als Anerkenntnis oder jegliche Form von Vorschlag zu nehmen, dass diese Informationen den Stand der Technik bilden, der jemandem mit Fähigkeiten in der Technik bereits bekannt ist.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG
Verschiedene Aspekte der vorliegenden Erfindung sind auf das Bereitstellen einer Vorrichtung zum Verbinden von Brennstoffzellenteilen und ein Verfahren derselben gerichtet, die ein freies Laden der Oberseite der Gasdiffusionsschicht enthalten und die Lade-Ausgangsstellungen der Oberseite der Gasdiffusionsschicht und der Unterseite der Gasdiffusionsschicht in Bezug auf die MEA-Matrix beibehalten können.
Zudem sind verschiedene Aspekte der vorliegenden Erfindung auf das Bereitstellen einer Vorrichtung zum Verbinden von Brennstoffzellenteilen und ein Verfahren derselben gerichtet, die eine Schrumpfverformung aufgrund der Verdampfung des Wassers in der MEA-Matrix und Verschlechterung der Leistungsfähigkeit der Ionenleitung gemäß der Verbindung zwischen der MEA-Matrix und einer Gasdiffusionsschicht durch thermisches Verpressen verhindern können.
Eine Vorrichtung zum Verbinden von Brennstoffzellenteilen nach einer beispielhaften Ausführungsform, die zum Verbinden der Oberseite der Gasdiffusionsschicht mit der oberen Oberfläche einer MEA-Matrix und Verbinden der Unterseite der Gasdiffusionsschicht mit einer unteren Oberfläche der MEA-Matrix dient, kann Folgendes enthalten: i) ein Gesenk, das Vakuum-Saugöffnungen auf einer oberen Oberfläche desselben ausbildet, ii) eine untere Heißpresse, die jeweils auf beiden Kantenabschnitten eines Untergesenks angeordnet ist, um in eine Vertikalrichtung derselben beweglich zu sein, und die gleiche Ebene mit der oberen Oberfläche des Untergesenks bildet, iii) ein Obergesenk, das angeordnet ist, um in eine Vertikalrichtung desselben von der Oberseite des Untergesenks beweglich zu sein, iv) ein Vakuum-Befestigungselement, das die gleiche Ebene mit der unteren Oberfläche des Obergesenks bildet, Vakuum-Saugöffnungen auf der unteren Oberfläche ausbildet und auf dem Obergesenk angeordnet ist, um in eine Vertikalrichtung desselben beweglich zu sein, während dasselbe der oberen Oberfläche des Untergesenks zwischen der unteren Heißpresse entspricht, und v) eine obere Heißpresse, die jeweils zwischen beiden Kantenabschnitten des Obergesenks angeordnet ist, um in eine Vertikalrichtung derselben beweglich zu sein, während dieselbe der unteren Heißpresse entspricht und die gleiche Ebene mit der unteren Oberfläche des Obergesenks bildet.
Die obere Phase des Untergesenks und die obere Phase der unteren Heißpresse können in eine untere Formoberfläche ausgebildet werden, während dieselben die gleiche Ebene bilden.
Die untere Oberfläche des Obergesenks, die untere Oberfläche des Vakuum-Befestigungselements und die obere Heißpresse können in eine obere Formoberfläche ausgebildet werden, während dieselben die gleiche Ebene bilden.
In Bezug auf die untere Formoberfläche können der obere Oberflächenbereich des Untergesenks zwischen den oberen Oberflächen der unteren Heißpresse und die Kantenbereiche der oberen Oberfläche der unteren Heißpresse, die einander in Bezug auf den oberen Oberflächenbereich entsprechen, der zwischen denselben platziert ist, in einen Ladebereich der Oberseite der Gasdiffusionsschicht unterteilt bzw. untergliedert werden.
Das Vakuum-Befestigungselement kann sich durch ein Vakuum an der Oberseite der Gasdiffusionsschicht durch die Vakuum-Saugöffnungen befestigen bzw. festsaugen.
Das Untergesenk kann sich durch ein Vakuum an der Oberseite der Gasdiffusionsschicht und der Unterseite der Gasdiffusionsschicht durch die Vakuum-Saugöffnungen festsaugen.
Die untere Heißpresse kann ein erstes Heizelement enthalten, das in den Kantenbereichen der oberen Oberfläche angeordnet ist, die einander in Bezug auf den oberen Oberflächenbereich des Untergesenks entsprechen, der zwischen denselben platziert ist.
Das Vakuum-Befestigungselement kann in dem unteren Oberflächenbereich des Obergesenks zwischen den unteren Oberflächen der oberen Heißpresse angeordnet werden, um in der Montagenut angeordnet zu werden, die in einem Bereich der unteren Oberfläche desselben vorgesehen ist.
Die untere Heißpresse kann auf einer Führungsnut montiert werden, die auf beiden Kantenabschnitten des Untergesenks ausgebildet ist.
Die obere Heißpresse kann auf einer Führungsnut montiert werden, die auf beiden Kantenabschnitten des Obergesenks ausgebildet ist.
Das Obergesenk kann angeordnet sein, um in eine Vertikalrichtung desselben durch eine Antriebsquelle beweglich zu sein, die einen Servomotor enthält.
Das Vakuum-Befestigungselement kann angeordnet sein, um in eine Vertikalrichtung desselben durch eine Antriebsquelle beweglich zu sein, die einen in dem Obergesenk vorgesehenen Betätigungszylinder enthält.
Die untere Heißpresse kann angeordnet sein, um in eine Vertikalrichtung derselben durch eine Antriebsquelle beweglich zu sein, die einen im Untergesenk vorgesehenen Betätigungszylinder enthält.
Die obere Heißpresse kann angeordnet sein, um in eine Vertikalrichtung derselben durch eine Antriebsquelle beweglich zu sein, die einen in dem Obergesenk vorgesehenen Betätigungszylinder enthält.
Ein Verfahren zum Verbinden von Brennstoffzellenteilen nach einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, das das Verbinden der Oberseite der Gasdiffusionsschicht mit der oberen Oberfläche einer MEA-Matrix und Verbinden der Unterseite der Gasdiffusionsschicht mit der unteren Oberfläche der MEA-Matrix unter Verwendung der Vorrichtung zum Verbinden, die oben beschrieben wurde, enthält, kann Folgendes enthalten: (a) einen Prozess zum Laden der Oberseite der Gasdiffusionsschicht auf den Ladebereich des Untergesenks in einem Zustand, in dem das Obergesenk in Bezug auf das Untergesenk nach oben bewegt ist; (b) einen Prozess zum Anbringen der Oberseite der Gasdiffusionsschicht durch ein Vakuum-Befestigungselement, während das Vakuum-Befestigungselement des Obergesenks gesenkt wird, und Anheben des Vakuum-Befestigungselements; (c) einen Prozess zum Laden einer MEA-Matrix auf die Unterseite der Gasdiffusionsschicht, während die Unterseite der Gasdiffusionsschicht auf den Ladebereich des Untergesenks geladen wird und die Unterseite der Gasdiffusionsschicht durch ein Vakuum angebracht wird; (d) einen Prozess zum Laden der Oberseite der Gasdiffusionsschicht auf die MEA, während das Vakuum-Befestigungselement gesenkt wird; (e) einen Prozess zum Anheben des Vakuum-Befestigungselements, während das Obergesenk in Richtung des Untergesenks gesenkt wird; und (f) einen Prozess zum Verpressen der MEA und beider Kantenabschnitte der oberen und unteren Gasdiffusionsschichten bei hoher Temperatur und unter hohem Druck durch die untere Heißpresse und die obere Heißpresse, während die untere Heißpresse und die obere Heißpresse angehoben werden.
Im Schritt (a) kann ein Vakuum-Saugdruck an die Vakuum-Saugöffnungen des Untergesenks angelegt werden.
Im Schritt (b) können die Vakuum-Saugöffnungen des Untergesenks hinsichtlich des Vakuum-Saugdrucks gesperrt werden.
Im Schritt (c) können die Unterseite der Gasdiffusionsschicht und eine MEA-Matrix durch ein Vakuum angebracht werden, während ein Vakuum-Saugdruck an die Vakuum-Saugöffnungen des Untergesenks angelegt wird.
Im Schritt (d) kann ein Vakuum-Saugdruck an die Vakuum-Saugöffnungen des Vakuum-Saugelements angelegt werden.
Im Schritt (e) können die Vakuum-Saugöffnungen des Vakuum-Befestigungselements hinsichtlich des Vakuum-Saugdrucks gesperrt werden.
Im Schritt (f) können die Vakuum-Saugöffnungen des Untergesenks hinsichtlich des Vakuum-Saugdrucks gesperrt werden.
In den Schritten (a) und (e) kann das Obergesenk durch einen Servomotor angehoben und gesenkt werden.
Der Ladebereich des Untergesenks kann den oberen Oberflächenbereich des Untergesenks zwischen den oberen Oberflächen der untere Heißpresse und die Kantenbereiche der oberen Oberfläche der unteren Heißpresse enthalten, die einander in Bezug auf den oberen Oberflächenbereich entsprechen, der zwischen denselben platziert ist.
Die Verfahren und Einrichtungen der vorliegenden Erfindung weisen andere Merkmale und Vorteile auf, die anhand der beiliegenden Zeichnungen, die hierin aufgenommen sind, und der folgenden detaillierten Beschreibung offensichtlich sein werden oder in denselben detaillierter dargelegt sind, die zusammen zum Erläutern bestimmter Prinzipien der vorliegenden Erfindung dienen.
Figurenliste

1 ist eine Zeichnung, die Brennstoffzellenteile nach einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch veranschaulicht.
2 ist eine Zeichnung, die eine Vorrichtung zum Verbinden von Brennstoffzellenteilen nach einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch veranschaulicht.
3 ist eine Perspektivansicht, die einen Bereich des Untergesenks veranschaulicht, der auf eine Vorrichtung zum Verbinden von Brennstoffzellenteilen nach einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angewandt wird.
4 ist eine Draufsicht von oben eines Bereichs des Untergesenks, der auf eine Vorrichtung zum Verbinden von Brennstoffzellenteilen nach einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angewandt wird.
5 ist eine Perspektivansicht, die einen Bereich des Obergesenks veranschaulicht, der auf eine Vorrichtung zum Verbinden von Brennstoffzellenteilen nach einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angewandt wird.
6 ist eine Draufsicht von oben eines Bereiches des Obergesenks, der auf eine Vorrichtung zum Verbinden von Brennstoffzellenteilen nach einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angewandt wird.

Die 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 und 15 sind Zeichnungen, die Verfahren zum Verbinden von Brennstoffzellenteilen nach beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
Es sollte klar sein, dass die beiliegenden Zeichnungen nicht unbedingt maßstabsgetreu sind und eine etwas vereinfachte Darstellung verschiedener Merkmale aufzeigen, die für die grundlegenden Prinzipien der Erfindung veranschaulichend sind. Die spezifischen Ausgestaltungsmerkmale der vorliegenden Erfindung, die hierin offenbart sind und beispielsweise bestimmte Maße, Orientierungen, Plätze und Formen enthalten, werden zum Teil durch die bestimmte vorgesehene Anwendung und Einsatzumgebung bestimmt werden.
In den Figuren beziehen sich die Bezugsnummern überall in den verschiedenen Figuren der Zeichnung auf gleiche oder äquivalente Teile der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Nun wird auf verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung(en) detailliert Bezug genommen werden, deren Beispiele in den beiliegenden Zeichnungen veranschaulicht und unten beschrieben sind. Zwar wird (werden) die Erfindung(en) in Verbindung mit beispielhaften Ausführungsformen beschrieben werden, aber es wird klar sein, dass die vorliegende Beschreibung die Erfindung(en) nicht auf diese beispielhaften Ausführungsformen beschränken soll. Im Gegenteil soll(en) die Erfindung(en) nicht nur die beispielhaften Ausführungsformen, sondern auch verschiedene Alternativen, Modifikationen, Äquivalente und andere Ausführungsformen decken, die innerhalb des Wesens und Bereiches der Erfindung enthalten sein können, die durch die beiliegenden Ansprüche definiert sind.
1 ist eine Zeichnung, die Brennstoffzellenteile nach einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch veranschaulicht, und 2 ist eine Zeichnung, die eine Vorrichtung zum Verbinden von Brennstoffzellenteilen nach einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch veranschaulicht.
In Bezug auf die 1 und 2 kann eine Vorrichtung 100 zum Verbinden von Brennstoffzellenteilen nach einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf ein System zur automatischen, fortlaufenden Herstellung von Teilen der Brennstoffzellen der Vorrichtung, die einen Brennstoffzellenstapel bilden, angewandt werden.
Der Brennstoffzellenteil 1 ist beispielsweise ein Herzstück einer Brennstoffzelle und kann als ein Teil definiert werden, in dem eine Membran-Elektroden-Anordnung (3, MEA) (nachstehend zu Zwecken der Einfachheit „MEA-Matrix“) mit beiden Seiten einer Gasdiffusionsschicht (5, 7, GDL) verbunden wird.
Nachstehend ist in Bezug auf die Zeichnungen die Gasdiffusionsschicht 5, die mit einer Oberfläche einer MEA-Matrix 3 zu verbinden ist, als eine Oberseite einer Gasdiffusionsschicht definiert und die Gasdiffusionsschicht 7, die mit der anderen Oberfläche der MEA-Matrix 3 zu verbinden ist, als eine Unterseite einer Gasdiffusionsschicht definiert.
Die MEA-Matrix 3 bildet eine Anodenschicht auf einer Oberfläche einer Elektrolytmembran und eine Kathodenschicht auf der anderen Oberfläche der Elektrolytmembran. Ein Subgasket bzw. eine Unterdichtung (nicht in der Zeichnung gezeigt) aus einem Polyester-Polymermaterial zum Schützen jeder Elektrodenschicht und Elektrolytmembran und Sicherstellen der Montageeigenschaft einer Brennstoffzelle kann mit der MEA-Matrix 3 verbunden werden.
Hier werden die Oberseite der Gasdiffusionsschicht 5 und die Unterseite der Gasdiffusionsschicht 7 mit der Anodenschicht bzw. der Kathodenschicht der MEA-Matrix 3 verbunden. Des Weiteren werden beide Kantenteile der Oberseite der Gasdiffusionsschicht 5 und der Unterseite der Gasdiffusionsschicht 7 in Bezug auf die zwischen denselben platzierte MEA-Matrix 3 mit der MEA-Matrix 3 verbunden.
Die Vorrichtung 100 zum Verbinden von Teilen der Brennstoffzelle nach einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dient zum Verbinden der Oberseite der Gasdiffusionsschicht 5 und der Unterseite der Gasdiffusionsschicht 7 mit der oberen und unteren Oberfläche der MEA-Matrix 3 durch thermisches Verpressen.
Die Vorrichtung 100 zum Verbinden von Teilen der Brennstoffzelle nach einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird aus einer Struktur ausgebildet, die die Lade-Ausgangsstellung der Oberseite der Gasdiffusionsschicht 5 und der Unterseite der Gasdiffusionsschicht 7 in Bezug auf eine Reaktionsfläche der MEA-Matrix 3 beibehalten kann.
Zudem ist bei einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung 100 zum Verbinden von Teilen der Brennstoffzelle geliefert, die die Schrumpfverformung aufgrund der Verdampfung von Wasser in der MEA-Matrix 3 und Verschlechterung der Leistungsfähigkeit der Ionenleitung gemäß der Verbindung zwischen der MEA-Matrix 3 und der Gasdiffusionsschichten 5 und 7 durch thermische Verpressung verhindern kann.
Zu diesem Zweck enthält die Vorrichtung 100 zum Verbinden von Teilen der Brennstoffzelle nach einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Wesentlichen ein Untergesenk 10, eine untere Heißpresse 30, ein Obergesenk 50, ein Vakuum-Befestigungselement 70 und eine obere Heißpresse 90. Im Vorstehenden können das Untergesenk 10 und das Obergesenk 50 jeweils in einem einfach oder zweifach oder mehrfach untergliederten Rahmen (nicht in der Zeichnung gezeigt) gebildet werden.
3 ist eine Perspektivansicht, die einen Bereich des Untergesenks veranschaulicht, der auf eine Vorrichtung zum Verbinden von Brennstoffzellenteilen nach einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angewandt wird.
In Bezug auf die 1, 2 und 3 bildet das Untergesenk 10 bei einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Vakuum-Saugöffnungen 11 zur Anbringung durch Vakuum bzw. Vakuum-Anbringung der Oberseite der Gasdiffusionsschicht 5 und der Unterseite der Gasdiffusionsschicht 7 durch einen Vakuum-Saugdruck auf der oberen Oberfläche aus. Hier kann das Untergesenk 10 mit Zubehörelementen versehen werden, die verschiedene Träger, Auflager- bzw. Lagerblöcke, Platten, ein Gehäuse, eine Abdeckung, eine Last etc. enthalten.
Der Vakuum-Saugdruck kann an die Vakuum-Saugöffnungen 11 durch Antreiben einer Vakuumpumpe, die in der Zeichnung nicht gezeigt ist, angelegt werden und der Vakuum-Saugdruck kann durch ein herkömmliches Ventil gesperrt werden.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dient die untere Heißpresse 30 zum Verbinden der Unterseite der Gasdiffusionsschicht 7 mit beiden Kantenabschnitten der unteren Oberfläche der MEA-Matrix 3 zusammen mit der oberen Heißpresse 90, die später detailliert erläutert werden wird, durch thermisches Verpressen.
Die untere Heißpresse 30 ist jeweils auf den Kantenabschnitten beider Seiten des Untergesenks 10 angeordnet, um in eine Vertikalrichtung derselben hin und her bewegbar zu sein. Hier beziehen sich die Kantenabschnitte beider Seiten des Untergesenks 10 auf die Kantenabschnitte beider Seiten in Richtung nach vorne und hinten anstatt der Richtung nach links und rechts in Bezug auf die Zeichnung.
Die untere Heißpresse 30 enthält einen unteren Pressblock 31, der in eine Vertikalrichtung desselben hin und her bewegbar ist, während die obere Oberfläche derselben die gleiche Ebene mit einer oberen Oberfläche des Untergesenks 10 bildet. Der untere Pressblock 31 ist auf einer ersten Führungsnut 33 angeordnet, die jeweils auf beiden Kantenabschnitten des Untergesenks 10 ausgebildet ist, um in eine Vertikalrichtung desselben auf verschiebbare Weise beweglich zu sein.
Der untere Pressblock 31 kann sich in einem Zustand, in dem eine obere Oberfläche desselben die gleiche Ebene mit einer oberen Oberfläche des Untergesenks 10 bildet, in Richtung der Oberseite entlang der ersten Führungsnut 33 bewegen und wieder in die Ausgangsposition zurückkehren.
Solch eine untere Heißpresse 30 bewegt sich in Vertikalrichtung derselben durch eine in dem Untergesenk 10 vorgesehene erste Antriebsquelle 35 hin und her. Beispielsweise enthält die erste Antriebsquelle 35 einen ersten Betätigungszylinder 37, der durch Pneumatikdruck oder Hydraulikdruck wirkt. Die Betriebslast 39 des ersten Betätigungszylinders 37 ist mit dem unteren Pressblock 31 verbunden.
Hier bilden sich die obere Oberfläche des Untergesenks 10 und die obere Oberfläche des unteren Pressblocks 31 in eine untere Formoberfläche 41 aus, während dieselben die gleiche Ebene bilden, wie in 4 gezeigt. Solch eine untere Formoberfläche 41 unterteilt bzw. untergliedert den oberen Oberflächenbereich 43 des Untergesenks 10 zwischen den oberen Oberflächen des unteren Pressblocks 31 und die Kantenabschnitte 45 der oberen Oberfläche des unteren Pressblocks 31, die einander in Bezug auf den oberen Oberflächenbereich 43 entsprechen, der zwischen denselben platziert ist, in einen Ladebereich 47 der Oberseite der Gasdiffusionsschicht 5.
Das heißt, die Oberseite der Gasdiffusionsschicht 5 und die Unterseite der Gasdiffusionsschicht 7 werden in den Ladebereich 47 der unteren Formoberfläche 41 geladen. Der obere Oberflächenbereich 43 des Untergesenks 10 zwischen den oberen Oberflächen des unteren Pressblocks 31 und die Kantenbereiche 45 der oberen Oberfläche des unteren Pressblocks 31, die einander in Bezug auf den oberen Oberflächenbereich 43 entsprechen, der zwischen denselben platziert ist, lagern die Oberseite der Gasdiffusionsschicht 5 und die Unterseite der Gasdiffusionsschicht 7. Des Weiteren können sowohl die linken als auch rechten Teile der MEA-Matrix 3, die zwischen der Oberseite der Gasdiffusionsschicht 5 und der Unterseite der Gasdiffusionsschicht 7 angeordnet werden, durch ein Vakuum durch die Vakuum-Saugöffnungen 11 des Untergesenks 10 angebracht werden.
Indessen enthält die untere Heißpresse 30 nach einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das erste Heizelement 49, das in dem Bereich 45 des Kantenabschnitts der oberen Oberfläche des unteren Pressblocks 31 angeordnet ist, der oben erwähnt wurde.
Das erste Heizelement 49 wird nicht in dem gesamten Bereich der oberen Oberfläche des unteren Pressblocks 31 angeordnet, sondern nur in dem Kantenbereich 45 der oberen Oberfläche angeordnet. Das erste Heizelement 49 wird in dem Kantenbereich 45 der oberen Oberfläche des unteren Pressblocks 31 entlang der Richtung der Kante desselben angeordnet, um in vorbestimmten Abständen entlang der Kantenrichtung getrennt zu sein. Das erste Heizelement 49 kann beispielsweise einen Heizstab oder eine Heizspule enthalten, der/die Wärme durch einen elektrischen Widerstand erzeugt, wenn eine Leistungsquelle an denselben/dieselbe angelegt ist.
5 ist eine Perspektivansicht, die einen Bereich des Obergesenks veranschaulicht, der auf eine Vorrichtung zum Verbinden von Brennstoffzellenteilen nach einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angewandt wird.
In Bezug auf 5 nebst den oben enthaltenen Zeichnungen ist bei einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das Obergesenk 50, das zu der oberen Oberfläche des Untergesenks 10 gepresst wird, angeordnet, um in eine Vertikalrichtung desselben von der Oberseite des Untergesenks 10 hin und her bewegbar zu sein. Das Obergesenk 50 wird an einem feststehenden Rahmen 53 angeordnet, der in der Oberseite desselben vorgesehen ist, um in eine Vertikalrichtung desselben beweglich zu sein. Das Obergesenk 50 kann mit Zubehörelementen versehen werden, die verschiedene Träger, Lagerblöcke, Platten, ein Gehäuse, eine Abdeckung, eine Last etc. enthalten.
Das Obergesenk 50 wird gebildet, um in eine Vertikalrichtung von der Oberseite des Untergesenks 10 durch eine zweite Antriebsquelle 51 hin und her bewegbar zu sein. Die zweite Antriebsquelle 51 enthält einen Servomotor 55, der in dem feststehenden Rahmen 53 anzuordnen ist.
Die zweite Antriebsquelle 51 enthält eine Leistungsumwandlungsvorrichtung (nicht in der Zeichnung gezeigt), die die Drehbewegung des Servomotors 55 in eine lineare, hin- und hergehende Bewegung umwandelt. Die Leistungsumwandlungsvorrichtung kann beispielsweise eine Führungsstruktur einer bekannten Technologie enthalten, die mit einer Gewindespindel (oder Kugelumlaufspindel), einer Führungsschiene etc. versehen ist, die die Drehbewegung des Servomotors 55 in eine lineare, hin- und hergehende Bewegung umwandelt.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dient das Vakuum-Befestigungselement 70 zum Anbringen der Oberseite der Diffusionsschicht 5, die auf den Ladebereich 47 auf dem Untergesenk 10 geladen ist, durch einen Vakuum-Saugdruck.
Das Vakuum-Befestigungselement 70 wird angeordnet, um in eine Vertikalrichtung von der Unterseite des Obergesenks 50 hin und her bewegbar zu sein, während dasselbe der oberen Oberfläche des Untergesenks 10 zwischen der unteren Heißpresse 30 entspricht. Das heißt, das Vakuum-Befestigungselement 70 wird an der zentralen Seite der unteren Oberfläche des Obergesenks 50 angeordnet, die der oberen Oberfläche des Untergesenks 10 zwischen der unteren Heißpresse 30 entspricht, und angeordnet, um in eine Vertikalrichtung desselben hin und her bewegbar zu sein.
Das Vakuum-Befestigungselement 70 wird, während die untere Oberfläche desselben die gleiche Ebene mit der unteren Oberfläche des Obergesenks 50 bildet, an der zentralen Seite der unteren Oberfläche des Obergesenks 50 angeordnet. Das Vakuum-Befestigungselement 70 wird an der Montagenut 71 montiert, die an der zentralen Seite der unteren Oberfläche des Obergesenks 50 vorgesehen ist. Das heißt, das Vakuum-Befestigungselement 70 wird, während die untere Oberfläche desselben die gleiche Ebene mit der unteren Oberfläche des Obergesenks 50 bildet, auf der Montagenut 71 angeordnet und kann in eine Vertikalrichtung desselben hin und her bewegbar sein.
Das Vakuum-Befestigungselement 70 bildet auf einer unteren Oberfläche desselben Vakuum-Saugöffnungen 73 zum Anbringen der Oberseite der Gasdiffusionsschicht 5 durch einen Vakuum-Saugdruck aus. Der angelegte Vakuum-Saugdruck kann an die Vakuum-Saugöffnungen 73 durch Antreiben einer in der Zeichnung nicht gezeigten Vakuumpumpe angelegt werden und der Vakuum-Saugdruck kann durch ein herkömmliches Ventil gesperrt werden.
Das Vakuum-Befestigungselement 70 kann sich in einem Zustand, in dem in der Montagenut 71 des Obergesenks 50 eine obere Oberfläche desselben und eine untere Oberfläche des Obergesenks 50 die gleiche Ebene ausbilden, in Richtung der Unterseite bewegen und wieder in die Ausgangsstellung zurückkehren.
Zu diesem Zweck wird das Vakuum-Befestigungselement 70 angeordnet, um in eine Vertikalrichtung desselben durch eine in dem Obergesenk 50 vorgesehene dritte Antriebsquelle 75 hin und her bewegbar zu sein. Beispielsweise enthält die dritte Antriebsquelle 75 einen zweiten Betätigungszylinder 77, der durch Pneumatikdruck oder Hydraulikdruck betätigt wird. Die Betriebslast 79 des zweiten Betätigungszylinders 77 ist mit dem Vakuum-Befestigungselement 70 verbunden.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dient die obere Heißpresse 90 zum Verbinden der Oberseite der Gasdiffusionsschicht 5 mit beiden Kantenabschnitten der oberen Oberfläche der MEA-Matrix 3 zusammen mit der unteren Heißpresse 30 durch thermisches Verpressen.
Die obere Heißpresse 90 ist jeweils auf beiden Kantenabschnitten des Obergesenks 50 angeordnet, um in eine Vertikalrichtung derselben hin und her bewegbar zu sein, während dieselbe der unteren Heißpresse 30 entspricht.
Hier beziehen sich die beiden Kantenabschnitte des Obergesenks 50 auf beide Kantenteile in Richtung nach vorne und hinten anstatt der Richtung nach links und rechts in Bezug auf die Zeichnung.
Die obere Heißpresse 90 enthält einen oberen Pressblock 91, der in eine Vertikalrichtung desselben hin und her bewegbar ist, während die untere Oberfläche derselben die gleiche Ebene mit der unteren Oberfläche des Obergesenks 50 und der unteren Oberfläche des Vakuum-Befestigungselements 70 bildet. Der obere Pressblock 91 wird auf beiden Kanten des Obergesenks 50 in Bezug auf das zwischen denselben platzierte Vakuum-Befestigungselement 70 angeordnet. Das heißt, das Vakuum-Befestigungselement 70 wird an dem unteren Oberflächenbereich des Obergesenks 50 zwischen der unteren Oberfläche des oberen Pressblocks 91 angeordnet.
Der obere Pressblock 91 wird auf der zweiten Führungsnut 93 angeordnet, die jeweils auf beiden Kantenabschnitten des Obergesenks 50 ausgebildet ist, um in eine Vertikalrichtung desselben auf verschiebbare Weise beweglich zu sein. Der obere Pressblock 91 kann sich in einem Zustand, in dem eine untere Oberfläche desselben die gleiche Ebene mit der unteren Oberfläche des Vakuum-Befestigungselements 70 bildet, in Richtung der Unterseite entlang der zweiten Führungsnut 93 bewegen und wieder in die Ausgangsposition desselben zurückkehren.
Solch eine obere Heißpresse 90 bewegt sich in eine Vertikalrichtung derselben durch eine vierte Antriebsquelle 95, die in dem Obergesenk 50 vorgesehen ist. Die vierte Antriebsquelle 95 enthält beispielsweise einen dritten Betätigungszylinder 97, der durch Pneumatikdruck oder Hydraulikdruck betätigt wird. Eine Betriebslast 99 des dritten Betätigungszylinders 97 ist mit dem oberen Pressblock 91 verbunden.
Hier bilden eine untere Oberfläche 83 des Obergesenks 50, eine untere Oberfläche 84 des Vakuum-Befestigungselements 70 und eine untere Oberfläche 85 der oberen Heißpresse 90 die gleiche Ebene, wie in 6 gezeigt, und werden in eine obere Formoberfläche 81 ausgebildet. Die obere Formoberfläche 81 lagert die Oberseite der Gasdiffusionsschicht 5 und die Unterseite der Gasdiffusionsschicht 7, die auf das Untergesenk 10 geladen sind, und die zwischen dieselben geladene MEA-Matrix 3 und verpresst dieselben.
Indessen enthält die obere Heißpresse 90 nach einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein zweites Heizelement 94, das in Bezug auf das dazwischen platzierte Vakuum-Befestigungselement 70 in dem Kantenbereich 92 der unteren Oberfläche des oberen Pressblocks 91 in einer oberen Formoberfläche 81 angeordnet ist.
Das zweite Heizelement 94 wird nicht in dem gesamten Bereich der unteren Oberfläche des oberen Pressblocks 91 angeordnet, sondern nur in dem Kantenbereich 92 der unteren Oberfläche angeordnet. Das zweite Heizelement 94 wird in dem Kantenbereich 92 der unteren Oberfläche des oberen Pressblocks 91 entlang der Kantenrichtung desselben angeordnet, um in vorbestimmten Abständen getrennt zu sein. Beispielsweise kann das zweite Heizelement 94 einen Heizstab oder eine Heizspule enthalten, der/die Wärme durch einen elektrischen Widerstand erzeugt, wenn eine Leistungsquelle an denselben/dieselbe angelegt ist.
Nachstehend werden die Vorrichtung 100 zum Verbinden von Brennstoffzellenteilen, die wie oben beschrieben gebildet ist, nach einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und das Verfahren zum Verbinden von Brennstoffzellenteilen unter Verwendung der Betätigung der Vorrichtung 100 zum Verbinden der Brennstoffzellenteile in Bezug auf die oben enthaltenen Zeichnungen und die beiliegenden Zeichnung detailliert erläutert werden.
Die 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 und 15 sind Zeichnungen, die Verfahren zum Verbinden von Brennstoffzellenteilen nach beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
In Bezug auf 7 befindet sich zunächst in dem Untergesenk 10 der untere Pressblock 31 der unteren Heißpresse 30 durch den Rückwärtsbetrieb des ersten Betätigungszylinders 37 in einem abgesenkten bzw. niedergefahrenen Zustand. Hier bilden die obere Oberfläche des Untergesenks 10 und die obere Oberfläche des unteren Pressblocks 31 die gleiche Ebene und eine untere Formoberfläche 41 aus und ein Vakuum-Saugdruck wirkt auf die Vakuum-Saugöffnungen 11 des Untergesenks 10 durch eine Vakuumpumpe (nicht in der Zeichnung gezeigt).
Das Obergesenk 50 befindet sich in einem aufgefahrenen Zustand in Bezug auf das Untergesenk 10 durch den Betrieb des Servomotors 55 und in dem Obergesenk 50 befindet sich das Vakuum-Befestigungselement 70 in einem aufgefahrenen Zustand durch einen Rückwärtsbetrieb des zweiten Betätigungszylinders 77. Zudem befindet sich in dem Obergesenk 50 der obere Pressblock 91 der oberen Heißpresse 90 in einem aufgefahrenen Zustand durch einen Rückwärtsbetrieb des dritten Betätigungszylinders 97. In dem vorliegenden Fall bilden die untere Oberfläche 83 des Obergesenks, die untere Oberfläche 84 des Vakuum-Befestigungselements 70 und die untere Oberfläche 85 der oberen Heißpresse 90 eine obere Formoberfläche 81, während dieselben die gleiche Ebene bilden, und was die Vakuum-Saugöffnungen 73 des Vakuum-Befestigungselements 70 anbetrifft, so werden dieselben hinsichtlich des Vakuum-Saugdrucks gesperrt.
In solch einem Zustand wird nach einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Oberseite der Gasdiffusionsschicht 5 auf die untere Formoberfläche 41 geladen und die Oberseite der Gasdiffusionsschicht 5 auf den Ladebereich 47 der unteren Formoberfläche 41 geladen. Hier kann das Laden der Oberseite der Gasdiffusionsschicht 5 durch einen Robotergreifer durchgeführt werden. Die Oberseite der Gasdiffusionsschicht 5 wird an dem Ladebereich 47 durch einen Vakuum-Saugdruck angebracht, der auf die Vakuum-Saugöffnungen 11 des Untergesenks 10 wirkt, und daher wird die Ausgangsstellung beibehalten.
Dann wird bei einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie in 8 gezeigt, das Vakuum-Befestigungselement 70 in Richtung der Unterseite durch einen Vorwärtsbetrieb des zweiten Betätigungszylinders 77 gesenkt und steuert (controls) die Oberseite der Gasdiffusionsschicht 5 auf dem Untergesenk 10 durch das Vakuum-Befestigungselement 70.
Dann wird bei einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Vakuum-Saugdruck an die Vakuum-Saugöffnungen 73 des Vakuum-Befestigungselements 70 angelegt, während gleichzeitig der Vakuum-Saugdruck gesperrt wird, der auf die Vakuum-Saugöffnungen 11 des Untergesenks 10 wirkt.
Dann wird bei einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie in 9 gezeigt, das Vakuum-Befestigungselement 70 durch einen Rückwärtsbetrieb des zweiten Betätigungszylinders 77 angehoben. Bei einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann hier, wie in der Zeichnung gezeigt, das Vakuum-Befestigungselement 70 auf eine vorbestimmte Höhe zwischen dem Untergesenk 10 und dem Obergesenk 50 angehoben werden oder derart angehoben werden, dass die untere Oberfläche des Vakuum-Befestigungselements 70 die gleiche Ebene mit der unteren Oberfläche des Obergesenks 50 und der unteren Oberfläche der oberen Heißpresse 90 bilden kann.
Anschließend wird bei einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie in 10 gezeigt, die Unterseite der Gasdiffusionsschicht 7 in den Ladebereich 47 der unteren Formoberfläche 41 in einem Zustand geladen, in dem der Vakuum-Saugdruck an die Vakuum-Saugöffnungen 11 des Untergesenks 10 angelegt wird. Hier kann das Laden der Unterseite der Gasdiffusionsschicht 7 durch einen Robotergreifer durchgeführt werden. Dann wird die Unterseite der Gasdiffusionsschicht 7 an dem Ladebereich 47 durch einen Vakuum-Saugdruck angebracht, der auf die Vakuum-Saugöffnungen 11 des Untergesenks 10 wirkt, und daher die Ausgangsstellung beibehalten.
Dann wird bei einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie in 11 gezeigt, die MEA-Matrix 3 auf die Unterseite der Gasdiffusionsschicht 7 in einem Zustand geladen, in dem das Vakuum-Befestigungselement 70 zu der Oberseite bewegt ist, während dasselbe durch ein Vakuum an der Oberseite der Gasdiffusionsschicht 5 angebracht wird. Hier kann das Laden der MEA-Matrix 3 durch einen Robotergreifer durchgeführt werden.
Da der Vakuum-Saugdruck auf die Vakuum-Saugöffnungen 11 des Untergesenks 10 während dieses Prozesses wirkt, saugen sich dieselben durch ein Vakuum an sowohl der linken als auch rechten Seite der MEA-Matrix 3 sowie an der Unterseite der Gasdiffusionsschicht 7 durch den Vakuum-Saugdruck fest. Folglich behält die MEA-Matrix 3 die Ausgangsposition auf der Unterseite der Gasdiffusionsschicht 7 bei.
Dann wird bei einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie in 12 gezeigt, die Oberseite der Gasdiffusionsschicht 5 auf die MEA-Matrix 3 durch das Vakuum-Befestigungselement 70 geladen, während das Vakuum-Saugelement 70 durch einen Vorwärtsbetrieb des zweiten Betätigungszylinders 77 gesenkt wird.
Hier lädt das Vakuum-Befestigungselement 70 die Oberseite der Gasdiffusionsschicht 5 in einem Zustand auf die MEA-Matrix 3, in dem die Oberseite der Gasdiffusionsschicht 5 durch das Vakuum durch den Vakuum-Saugdruck, der auf die Vakuum-Saugöffnungen 73 wirkt, angebracht ist. Hier bezieht sich das Laden der Oberseite der Gasdiffusionsschicht 5 auf das Platzieren der Oberseite der Gasdiffusionsschicht 5 auf die MEA-Matrix 3 während des Zusammendrückens der MEA-Matrix 3 durch das Vakuum-Befestigungselement 70.
Dann wird bei einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie in 13 gezeigt, das Vakuum-Befestigungselement 70 durch einen Rückwärtsbetrieb des zweiten Betätigungszylinders 77 angehoben, während gleichzeitig das Obergesenk 50 in Richtung des Untergesenks 10 durch Antreiben des Servomotors 55 gesenkt wird. Hier wird in Bezug auf die Vakuum-Saugöffnungen 73 des Vakuum-Befestigungselements 70 der Vakuum-Saugdruck gesperrt.
Hier bedeutet das Anheben des Vakuum-Befestigungselements 70 durch den Rückwärtsbetrieb des zweiten Betätigungszylinders 77 nicht, dass sich die untere Oberfläche des Vakuum-Befestigungselements 70 erhebt, während sich dieselbe von der Oberseite der Gasdiffusionsschicht 5 entfernt, sondern bezieht sich auf einen Zustand, in dem der zweite Betätigungszylinder 77 rückwärts wirkt, während gleichzeitig das Obergesenk 50 in einem Zustand gesenkt wird, in dem die untere Oberfläche des Vakuum-Befestigungselements 70 mit der Oberseite der Gasdiffusionsschicht 5 in Kontakt steht.
Folglich werden bei einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie in 14 gezeigt, die Oberseite der Gasdiffusionsschicht 5 und die Unterseite der Gasdiffusionsschicht 7, die sich jeweils an Ober- und Unterseiten derselben in Bezug auf die zwischen denselben platzierte MEA-Matrix 3 auf der unteren Formoberfläche 41 des Untergesenks 10 befinden, in Richtung der unteren Formoberfläche 41 des Untergesenks 10 und der oberen Formoberfläche 81 des Obergesenks 50 zusammengedrückt.
Dann wird bei einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einem Zustand, in dem der Vakuum-Saugdruck in Bezug auf die Vakuum-Saugöffnungen 11 des Untergesenks 10 gesperrt ist, der untere Pressblock 31 der unteren Heißpresse 30 durch einen Vorwärtsbetrieb des ersten Betätigungszylinders 37 angehoben und gleichzeitig der obere Pressblock 91 der oberen Heißpresse 90 durch einen Vorwärtsbetrieb des dritten Betätigungszylinders 97 gesenkt.
Hier befinden sich das erste Heizelement 49 der unteren Heißpresse 30 und das zweite Heizelement 94 der oberen Heißpresse 90 in einem Zustand, um Wärme durch einen elektrischen Widerstand zu erzeugen, während eine Leistungsquelle an dieselben angelegt ist. Folglich geben der Kantenbereich 45 der oberen Oberfläche des unteren Pressblocks 31 und der Kantenbereich 92 der unteren Oberfläche des oberen Pressblocks 91 Wärme ab.
Folglich werden bei einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Oberseite der Gasdiffusionsschicht 5 und die Unterseite der Gasdiffusionsschicht 7, die auf Ober- und Unterseiten derselben in Bezug auf die zwischen denselben platzierte MEA-Matrix 3 angeordnet sind, durch den unteren Pressblock 31 und die obere Heißpresse 90 verpresst.
Folglich werden bei einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die MEA-Matrix 3 und beide Kantenabschnitte der oberen und unteren Gasdiffusionsschichten 5 und 7 unter einem hohen Druck verpresst und angebracht und zwar durch den Kantenbereich 45 der oberen Oberfläche des unteren Pressblocks 31 und den Kantenbereich 92 der unteren Oberfläche des oberen Pressblocks 91.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann dann, wie in 15 gezeigt, ein Brennstoffzellenteil 1 hergestellt sein, bei dem die Oberseite der Gasdiffusionsschicht 5 und die Unterseite der Gasdiffusionsschicht 7 mit beiden Kantenabschnitten der oberen und unteren Oberfläche der MEA-Matrix 3 verbunden sind, wenn die untere Heißpresse 30 und die obere Heißpresse 90 in die Ausgangspositionen derselben zurückgebracht werden und das Obergesenk 50 angehoben wird.
Nach der Vorrichtung 100 zum Verbinden der Brennstoffzellenteile und einem Verfahren unter Verwendung der Vorrichtung nach beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die oben beschrieben wurden, kann das Laden in der Ausgangsstellung bzw. Ausgangsstellungs-Laden der Oberseite der Gasdiffusionsschicht 5 und der Unterseite der Gasdiffusionsschicht 7 basierend auf der Reaktionsfläche der MEA-Matrix 3 durch Adaptieren des Verfahrens zum freien Laden der Oberseite der Gasdiffusionsschicht 5 durch das Vakuum-Befestigungselement 70 verkörpert werden.
Folglich kann bei einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das Ereignis, dass die Oberseite der Gasdiffusionsschicht 5 eingerollt und an der MEA-Matrix 3 in einem verzogenen Zustand angebracht ist, verhindert werden und folglich kann die schlechte Befestigung zwischen der MEA-Matrix 3 und den Gasdiffusionsschichten 5 und 7 minimiert werden.
Zudem kann bei einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die an die MEA-Matrix 3 abgegebene Wärme durch Bilden der Kantenbereiche der unteren Heißpresse 30 und der oberen Heißpresse 90 als heiße Bereiche minimiert werden, wobei die Schrumpfverformung aufgrund der Verdampfung von Wasser in der MEA-Matrix 3 und eine Verschlechterung der Leistungsfähigkeit der Ionenleitung der MEA-Matrix verhindert werden.
Des Weiteren wird bei einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Servomotor 55 als Antriebsquelle zum Anheben und Senken des Obergesenks 50 verwendet und folglich kann die Zykluszeit des gesamten Verbindungsprozesses durch die Auf- und Abbewegung mit hoher Geschwindigkeit des Obergesenks 50 verkürzt werden.
Zur Einfachheit der Erläuterung und akkuraten Definition in den beiliegenden Ansprüchen werden die Ausdrücke „oberer/obere/oberes“, „unterer/untere/unteres“, „innerer/innere/inneres“, „äußerer/äußere/äußeres“, „oben“, „unten“, „Ober-“, „Unter-“, „nach oben“, „nach unten“, „vorderer/vordere/vorderes“, „hinterer/hintere/hinteres“, „Hinter- bzw. Rück-“, „innen“, „außen“, „nach innen“, „nach außen“, „interner/interne/internes“, „externer/externe/externes“, „Innen-“, „Außen-“, „nach vorne“ und „nach hinten“ zum Beschreiben von Merkmalen der beispielhaften Ausführungsformen in Bezug auf die Positionen solcher Merkmale verwendet, die in den Figuren gezeigt sind.
Die vorangehenden Beschreibungen der spezifischen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurden zu Zwecken der Veranschaulichung und Beschreibung aufgezeigt. Dieselben sollen jedoch nicht erschöpfend sein oder die Erfindung auf die offenbarten präzisen Formen beschränken und offensichtlich sind viele Modifikationen und Variationen angesichts der obigen Lehren möglich. Die beispielhaften Ausführungsformen wurden ausgewählt und beschrieben, um bestimmte Prinzipien der Erfindung und die praktische Anwendung derselben zu erläutern, um anderen mit Fähigkeiten in der Technik zu ermöglichen, verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sowie verschiedene Alternativen und Modifikationen derselben zu erstellen und zu nutzen. Es ist vorgesehen, dass der Bereich der Erfindung durch die hieran beigefügten Ansprüche und Äquivalente derselben definiert sei.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

KR 1020160170791 [0001]

Claims

Vorrichtung zum Verbinden von Brennstoffzellenteilen zum Verbinden einer Oberseite einer Gasdiffusionsschicht auf einer oberen Oberfläche einer Membran-Elektroden-Anordnungs-Matrix (MEA-Matrix) und Verbinden einer Unterseite der Gasdiffusionsschicht auf einer unteren Oberfläche der MEA-Matrix, aufweisend: ein Untergesenkt, das Vakuum-Saugöffnungen auf einer oberen Oberfläche desselben ausbildet; eine untere Heißpresse, die jeweils auf ersten und zweiten Kantenabschnitten des Untergesenks angeordnet ist, um in eine Vertikalrichtung derselben beweglich zu sein, und eine gleiche Ebene mit der oberen Oberfläche des Untergesenks ausbildet; ein Obergesenk, das angeordnet ist, um in eine Vertikalrichtung desselben von einer Oberseite des Untergesenks beweglich zu sein; ein Vakuum-Befestigungselement, das eine gleiche Ebene mit der unteren Oberfläche des Obergesenks ausbildet, Vakuum-Saugöffnungen auf der unteren Oberfläche ausbildet und auf dem Obergesenk angeordnet ist, um in eine Vertikalrichtung desselben beweglich zu sein, während dasselbe der oberen Oberfläche des Untergesenks zwischen der unteren Heißpresse entspricht; und eine obere Heißpresse, die jeweils zwischen dem ersten und zweiten Kantenabschnitt des Obergesenks angeordnet ist, um in eine Vertikalrichtung derselben beweglich zu sein, und eine gleiche Ebene mit der unteren Oberfläche des Obergesenks bildet, während dieselbe der unteren Heißpresse entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die obere Oberfläche des Untergesenks und die obere Oberfläche der unteren Heißpresse in eine untere Formoberfläche ausgebildet sind, während dieselben eine gleiche Ebene bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die untere Oberfläche des Obergesenks, die untere Oberfläche des Vakuum-Befestigungselements und die untere Oberfläche der oberen Heißpresse in eine obere Formoberfläche ausgebildet sind, während dieselben eine gleiche Ebene bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei ein oberer Oberflächenbereich des Untergesenks zwischen den oberen Oberflächen der unteren Heißpresse und Kantenbereiche der oberen Oberfläche der unteren Heißpresse, die einander in Bezug auf den oberen Oberflächenbereich entsprechen, der zwischen denselben angeordnet ist, in einen Ladebereich einer Oberseite der Gasdiffusionsschicht untergliedert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei sich das Vakuum-Befestigungselement durch ein Vakuum an der Oberseite der Gasdiffusionsschicht durch die Vakuum-Saugöffnungen befestigt bzw. festsaugt und sich das Untergesenk durch ein Vakuum an der Oberseite der Gasdiffusionsschicht und der Unterseite der Gasdiffusionsschicht durch die Vakuum-Saugöffnungen festsaugt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die untere Heißpresse Folgendes enthält: ein erstes Heizelement, das in den Kantenbereichen der oberen Oberfläche angeordnet ist, die einander in Bezug auf den oberen Oberflächenbereich des Untergesenks entsprechen, der zwischen denselben angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die obere Heißpresse Folgendes enthält: ein zweites Heizelement, das in den Kantenbereichen der unteren Oberfläche angeordnet ist, die einander in Bezug auf das zwischen denselben angeordnete Vakuum-Befestigungselement entsprechen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Vakuum-Befestigungselement in einem unteren Oberflächenbereich des Obergesenks zwischen den unteren Oberflächen der oberen Heißpresse angeordnet ist, um in der Montagenut angeordnet zu werden, die in einem Bereich der unteren Oberfläche desselben vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die untere Heißpresse an einer Führungsnut montiert ist, die auf dem ersten Kantenbereich und dem zweiten Kantenbereich des Untergesenks ausgebildet ist, und die obere Heißpresse an einer Führungsnut montiert ist, die auf dem ersten Kantenbereich und dem zweiten Kantenbereich des Obergesenks ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Obergesenk angeordnet ist, um in eine Vertikalrichtung desselben durch eine Antriebsquelle beweglich zu sein, die einen Servomotor enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Vakuum-Befestigungselement angeordnet ist, um in eine Vertikalrichtung desselben durch eine Antriebsquelle beweglich zu sein, die einen in dem Obergesenk vorgesehenen Betätigungszylinder enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die untere Heißpresse angeordnet ist, um in eine Vertikalrichtung derselben durch eine Antriebsquelle beweglich zu sein, die einen in dem Untergesenk vorgesehenen Betätigungszylinder enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die obere Heißpresse angeordnet ist, um in eine Vertikalrichtung derselben durch eine Antriebsquelle beweglich zu sein, die einen in dem Obergesenk vorgesehenen Betätigungszylinder enthält.
Verfahren zum Verbinden von Brennstoffzellenteilen, das das Verbinden einer Oberseite der Gasdiffusionsschicht mit einer oberen Oberfläche einer Membran-Elektroden-Anordnungs-Matrix (MEA-Matrix) und Verbinden einer Unterseite der Gasdiffusionsschicht mit einer unteren Oberfläche der MEA-Matrix unter Verwendung der Vorrichtung zum Verbinden nach Anspruch 1 enthält, wobei das Verfahren Folgendes enthält: (a) einen Prozess zum Laden der Oberseite der Gasdiffusionsschicht auf einen Ladebereich des Untergesenks in einem Zustand, in dem das Obergesenk in Richtung nach oben in Bezug auf das Untergesenk bewegt ist; (b) einen Prozess zum Anbringen der Oberseite der Gasdiffusionsschicht durch ein Vakuum-Befestigungselement, während das Vakuum-Befestigungselement des Obergesenks gesenkt wird, und Anheben des Vakuum-Befestigungselements; (c) einen Prozess zum Laden der MEA-Matrix auf die Unterseite der Gasdiffusionsschicht, während die Unterseite der Gasdiffusionsschicht auf den Ladebereich des Untergesenks geladen wird und die Unterseite der Gasdiffusionsschicht durch ein Vakuum angebracht wird; (d) einen Prozess zum Laden der Oberseite der Gasdiffusionsschicht auf die MEA, während das Vakuum-Befestigungselement gesenkt wird; (e) einen Prozess zum Anheben des Vakuum-Befestigungselements, während das Obergesenk in Richtung des Untergesenks gesenkt wird; und (f) einen Prozess zum Verpressen der MEA und der ersten und zweiten Kantenabschnitte der oberen und unteren Gasdiffusionsschichten bei hoher Temperatur und unter hohem Druck durch die untere Heißpresse und die obere Heißpresse, während die untere Heißpresse und die obere Heißpresse angehoben werden.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei ein Vakuum-Saugdruck an Vakuum-Saugöffnungen des Untergesenks im Schritt (a) angelegt wird und die Vakuum-Saugöffnungen des Untergesenks hinsichtlich des Vakuum-Saugdrucks im Schritt (b) gesperrt werden.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei im Schritt (c) die Unterseite der Gasdiffusionsschicht und die MEA-Matrix durch ein Vakuum angebracht werden, während ein Vakuum-Saugdruck an die Vakuum-Saugöffnungen des Untergesenks angelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei ein Vakuum-Saugdruck an Vakuum-Saugöffnungen des Vakuum-Saugelements im Schritt (d) angelegt wird und die Vakuum-Saugöffnungen des Vakuum-Befestigungselements hinsichtlich des Vakuum-Saugdrucks im Schritt (e) gesperrt werden.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei im Schritt (f) die Vakuum-Saugöffnungen des Untergesenks hinsichtlich des Vakuum-Saugdrucks gesperrt werden.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei in den Schritten (a) und (e) das Obergesenk durch einen Servomotor angehoben und gesenkt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Ladebereich des Untergesenks Folgendes enthält: einen oberen Oberflächenbereich des Untergesenks zwischen den oberen Oberflächen der unteren Heißpresse und Kantenbereiche der oberen Oberfläche der unteren Heißpresse, die einander in Bezug auf den oberen Oberflächenbereich entsprechen, der zwischen denselben angeordnet ist.