DE102020206609A1

DE102020206609A1 - Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Anordnung

Info

Publication number: DE102020206609A1
Application number: DE102020206609.4A
Authority: DE
Inventors: Woo Jin Lee; Ki Sub Lee
Original assignee: Hyundai Motor Co; Kia Motors Corp
Current assignee: Hyundai Motor Co; Kia Corp
Priority date: 2019-12-31
Filing date: 2020-05-27
Publication date: 2021-07-01
Also published as: CN113130919A; US20210202970A1; KR20210085623A; US11264629B2

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) bereitgestellt. Insbesondere werden eine erste und eine zweite Teildichtungsfolie kontinuierlich zugeführt und eine Elektrodenmembranfolie mit darin ausgebildeten Zwischenräumen, sodass die Menge einer verwendeten Elektrolytmembran reduziert ist, wird diskontinuierlich zugeführt. Auf diese Weise ragt die minimale Länge der Elektrolytmembran zwischen den Teildichtungen hervor und die Elektrolytmembran wird zusammen mit den Elektrodenkatalysatorschichten mit den Teildichtungen verklebt.

Description

HINTERGRUND
Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Anordnung und insbesondere ein Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Anordnung, welches den Einsatz einer Polymer-Elektrolyt-Membran reduziert.
Stand der Technik
Eine Brennstoffzelle erzeugt Elektrizität durch elektrochemische Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff. Eine solche Brennstoffzelle kann ohne separaten Ladevorgang chemische Reaktionspartner von außen aufnehmen und so kontinuierlich Strom erzeugen. Die Brennstoffzelle kann so eingerichtet sein, dass Separatoren (oder Bipolarplatten) auf beiden Seiten einer Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) angeordnet sind. Diese Brennstoffzellen sind kontinuierlich angeordnet und bilden dadurch einen Brennstoffzell enstapel.
1 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch ein Beispiel für eine allgemeine Membran-Elektroden-Anordnung gemäß dem Stand der Technik darstellt. Unter Bezugnahme auf 1 umfasst eine exemplarische Membran-Elektroden-Anordnung 1, die einem Hauptelement einer Brennstoffzelle entspricht, Elektroden-Katalysatorschichten 5, die an beiden Oberflächen einer Elektrolytmembran 3 angeordnet sind, zu der Protonen bewegt werden, um eine Anode und eine Kathode zu bilden. Zudem umfasst die Membran-Elektroden-Anordnung 1 Teildichtungen 7, welche die Elektroden-Katalysatorschichten 5 und die Elektrolytmembran 3 schützen und die Montierbarkeit der Brennstoffzelle gewährleisten.
Bei dem Herstellungsverfahren der oben genannten Membran-Elektroden-Anordnung 1 wird zunächst eine Elektrodenmembranfolie 6 mit Hilfe eines Abziehverfahrens hergestellt, bei dem die zu einer Rolle aufgewickelte Elektrolytmembran 3 abgewickelt wird und die Elektroden-Katalysatorschichten 5 kontinuierlich auf beide Oberflächen der Elektrolytmembran 3 übertragen werden, so dass diese in einem vorbestimmten Abstand zueinander beabstandet sind.
Danach wird als Nachbehandlung ein Membran-Elektroden-Anordnungsfolie unter Verwendung eines Rolle-zu-Rolle-Verfahrens hergestellt, bei dem die zu einer Rolle aufgewickelte Elektrodenmembranfolie 6 abgewickelt und gefördert wird, die zu Rollen aufgewickelten Teildichtungen 7 abgewickelt und an beiden Oberflächen der Elektrodenmembranfolie 6 angeordnet werden, und dann die Elektrodenmembranfolie 6 mit den an beiden Oberflächen vorgesehenen Teildichtungen 7 zwischen heißen Walzen hindurchgeführt wird, um die Teildichtungen 7 mit beiden Oberflächen der Elektrodenmembranfolie 6 zu verkleben.
Insbesondere können die Teildichtungen 7 in einem Zustand, in dem Elektrodenfenster zum Öffnen der Elektroden-Katalysatorschichten 5 und Verteilerfenster durch Schneiden ausgebildet werden, auf beide Oberflächen der Elektrodenmembranfolie 6 zugeführt und dann mit den Oberflächen der Elektrodenmembranfolie 6 verklebt werden. Nach einem solchen Verfahren kann durch Abwickeln der zu einer Rolle aufgewickelten Membran-Elektroden-Anordnungsfolie und anschließendes Schneiden der Membran-Elektroden-Anordnungsfolie in Einheiten mit den Elektroden-Katalysatorschichten 5 die in 1 gezeigte Membran-Elektroden-Anordnung 1 hergestellt werden.
Bei der herkömmlichen Membran-Elektroden-Anordnung 1, die gemäß dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt wird, wird die Elektrolytmembranfolie 6, bei der die Elektroden-Katalysatorschichten 5 kontinuierlich auf beiden Oberflächen der Elektrolytmembran 3 ausgebildet werden, vorbereitet und die Teildichtungen 7 mit beiden Oberflächen der Elektrodenmembranfolie 6 verklebt, während die Elektrolytmembran 3 in allen Bereichen zwischen den Teildichtungen 7 angeordnet ist.
Die Entwicklung der Teildichtungen 7, die in der Membran-Elektroden-Anordnung 1 verwendet werden, hat lediglich die Tendenz, das Austreten von Reaktionsgas zu verhindern oder betrifft die Leistung der Zelle, die Auswirkungen der mechanischen Beständigkeit der Membran-Elektroden-Anordnung 1 und der Elektrolytmembran 3 sind noch nicht bekannt. Bei der konventionellen Membran-Elektroden-Anordnung 1 sind daher die Teildichtungen 7 mit den äußeren, nicht Elektrizität erzeugenden Bereichen der Elektroden-Katalysatorschichten 5, d.h. den nicht Elektrizität erzeugenden Bereichen, mit der dazwischen angeordneten Elektrolytmembran 3 verbunden, so dass die Elektrolytmembran 3 in den nicht Elektrizität erzeugenden Bereichen vorgesehen ist.
Dementsprechend ist die Elektrolytmembran 3, die lediglich die Teildichtungen 7 trägt, in den nicht Elektrizität erzeugenden Bereichen der konventionellen Membran-Elektroden-Anordnung 1 vorgesehen, wodurch ein vergleichsweise teures Elektrolytmembran-Material verschwendet wird und die Herstellungskosten der Membran-Elektroden-Anordnung 1 steigen.
Die obige Beschreibung wurde zum besseren Verständnis des Hintergrunds der vorliegenden Offenbarung vorgesehen und sollte nicht als konventionelle Technologie interpretiert werden, die dem Fachmann bekannt ist.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Offenbarung stellt ein Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Anordnung zur Verfügung, bei dem erste und zweite Teildichtungsfolien kontinuierlich zugeführt werden (unter Verwendung eines Rolle-zu-Rolle-Verfahrens) und eine Elektrodenmembranfolie mit darin ausgebildeten Zwischenräumen zur Verringerung der Menge einer verwendeten Elektrolytmembran diskontinuierlich zugeführt wird (unter Verwendung eines Stop-Go-Verfahrens), wodurch die Verwendung der Elektrolytmembran reduziert wird.
In einem Aspekt stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) bereit, welches das Abwickeln und Zuführen erster und zweiter zu Rollen gewickelter Teildichtungsfolien, das kontinuierliche Ausbilden von Elektrodenfenstern in den zugeführten ersten und zweiten Teildichtungsfolien unter Verwendung erster und zweiter Teildichtungs-Schneidvorrichtungen, um die Elektrodenfenster in einem vorbestimmten Intervall zueinander zu beabstanden, kontinuierliches Zuführen der ersten und zweiten Teildichtungsfolien, die mit den darin kontinuierlich ausgebildeten Elektrodenfenstern vorgesehen sind, zu einer ersten und zweiten Teildichtungsfolien-Klebewalze, Abwickeln und Zuführen einer zu einer Rolle aufgewickelten Elektrodenmembranfolie, kontinuierliches Ausbilden von Zwischenräumen in der zugeführten Elektrodenmembranfolie unter Verwendung einer Elektrodenmembran-Schneidvorrichtung, um die Zwischenräume in einem vorbestimmten Intervall zueinander zu beabstanden, und Zuführen der mit den darin ausgebildeten Zwischenräumen versehenen Elektrodenmembranfolie zu einer Elektrodenmembranfolien-Klebewalze umfassen kann.
Zusätzlich kann das Verfahren ein primäres Verkleben der zugeführten ersten Teildichtungsfolie und der zugeführten Elektrodenmembranfolie umfassen, indem zugelassen wird die erste Teildichtungsfolie und die Elektrodenmembranfolie zwischen der ersten Teildichtungsfolien-Klebewalze und der Elektrodenmembranfolien-Klebewalze passieren zu lassen, und ein sekundäres Verkleben einer zweiten Anordnung, die nach dem primären Verkleben von der ersten Teildichtungsfolien-Klebewalze zugeführt wird, und die zweite Teildichtungsfolie, die von der zweiten Teildichtungsfolien-Klebewalze zugeführt wird, indem die zweite Anordnung und die zweite Teildichtungsfolie zwischen der ersten Teildichtungsfolien-Klebewalze und der zweiten Teildichtungsfolien-Klebewalze hindurchgeführt wird.
In einer exemplarischen Ausführung kann das Verfahren ferner ein drittes Verkleben einer zweiten Anordnung umfassen, die nach dem sekundären Verkleben von der ersten und der zweiten Teildichtungsfolien-Klebewalze zugeführt wird, indem die zweite Anordnung zwischen den stufenverhindernden verstärkten Klebewalzen hindurchgeführt wird. Darüber hinaus kann die Elektrodenmembranfolie eine Elektrolytmembran, Elektrodenkatalysatorschichten, die auf zentralen Abschnitten einer Oberfläche und einer verbleibenden Oberfläche der Elektrolytmembran ausgebildet sind, und einen Schutzfilm, der auf einer Außenfläche einer der Elektrodenkatalysatorschichten angeordnet ist, umfassen.
Der Schutzfilm kann nach dem primären Verkleben entfernt werden. Das kontinuierliche Ausbilden der Zwischenräume kann das Abtrennen einiger Abschnitte der Elektrolytmembran der Elektrodenmembranfolie umfassen, um die Zwischenräume auszubilden, indem ein Stanzverfahren unter Verwendung von in der Elektrodenmembran-Schneidvorrichtung vorgesehenen Stanzwalzen, durchgeführt wird, die abgetrennten Abschnitte der Elektrolytmembran entfernt werden und die entfernten Abschnitte der Elektrolytmembran gesammelt werden.
Außerdem kann eine Stanzplatte, die in den Stanzwalzen vorgesehen ist, eine Tiefe von etwa 15 - 250 µm haben, und die Zwischenräume können eine Größe von etwa 2 - 34 mm haben. Die mit den darin ausgebildeten Zwischenräumen versehene Elektrodenmembranfolie kann vor dem primären Verkleben über ein Paar Pufferwalzen der Elektrodenmembranfolien-Klebewalze zugeführt werden.
In einer exemplarischen Ausführung kann bei dem Zuführen der Elektrodenmembranfolie zur Elektrodenmembranfolien-Klebewalze die Elektrodenmembranfolie nur dann diskontinuierlich der Elektrodenmembranfolien-Klebewalze zugeführt werden, wenn das primäre Verkleben in einem Zustand durchgeführt wird, in dem die Elektrodenmembranfolie das Elektrodenfenster der ersten Teildichtungsfolie berührt. Die Elektrodenmembranfolien-Klebewalze kann so betrieben werden, dass die Elektrodenmembranfolien-Klebewalze eine Drehbewegung an einem Kontaktpunkt ausführt, an dem die Elektrodenmembranfolie die erste Teildichtungsfolien-Klebewalze berührt, und dann eine lineare Bewegung an einem Punkt ausführt, an dem die Elektrodenmembranfolie die erste Teildichtungsfolien-Klebewalze nicht berührt.
Zudem können die Elektrodenmembranfolien-Klebewalze und die erste Teildichtungsfolien-Klebewalze an solchen Positionen angeordnet sein, dass ein Winkel, der durch eine gerade Linie, die den Kontaktpunkt umfasst, an dem die Drehbewegung ausgeführt wird, und eine gerade Linie auf einem Weg der linearen Bewegung gebildet ist, kleiner als etwa 90° ist. Das Gewicht der Elektrodenmembranfolien-Klebewalze kann geringer sein als ein Gewicht der ersten Teildichtungsfolien-Klebewalze.
Figurenliste
Das Vorstehende und weitere Merkmale der vorliegenden Offenbarung werden nun ausführlich beschrieben, wobei auf bestimmte exemplarische Ausführungsformen davon Bezug genommen wird, die in den begleitenden Zeichnungen dagestellt sind, die nur zur Veranschaulichung dargestellt sind und daher nicht beschränkend für die vorliegende Offenbarung sind, und wobei

1 eine Querschnittsansicht ist, die schematisch ein Beispiel einer allgemeinen Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) gemäß dem Stand der Technik zeigt;
2 eine schematische Ansicht ist, welche den Aufbau einer Herstellungsvorrichtung einer Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) zeigt, die für ein Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) gemäß einer exemplarischen Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung verwendet wird;
3A bis 3F Querschnittsansichten sind, die schematisch den Aufbau in den Abschnitten A bis F in Förderrichtung eines Verfahrens zum Herstellen der Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) gemäß einer exemplarischen Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung zeigt;
4A eine Querschnittsansicht ist, die schematisch eine Elektrodenmembran-Schneidvorrichtung zeigt, die in der Herstellungsvorrichtung für die Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) gemäß einer exemplarischen Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung vorgesehen ist;
4B eine Querschnittsansicht ist, die schematisch eine Stanzplatte zeigt, die in Stanzwalzen vorgesehen ist, die in der Elektrodenmembran-Schneidvorrichtung vorgesehen sind, gemäß einer exemplarischen Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung;
5A bis 5D vergrößerte Ansichten des Aufbaus sind, die einen ersten Klebevorgang zeigen, bei dem eine Elektrodenmembranfolie, die von einer Elektrodenmembranfolien-Klebewalze zugeführt wird, und eine erste Teildichtungsfolie, die von einer ersten Teildichtungsfolien-Klebewalze zugeführt wird, gemäß einer exemplarischen Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung verklebt werden;
6 eine vergrößerte Ansicht des Aufbaus ist, die eine Klebeposition zwischen der Elektrodenmembranfolien-Klebewalze und der ersten Teildichtungsfolien-Klebewalze gemäß einer exemplarischen Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung zeigt;
7A eine Querschnittsansicht ist, welche die erste Teildichtungsfolien-Klebewalze und eine zweite Teildichtungsfolien-Klebewalze gemäß einer exemplarischen Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung zeigt;
7B eine Ansicht von vorne einer zweiten Anordnung gemäß einer exemplarischen Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung ist;
7C eine Querschnittsansicht ist, die stufenverhindernde, verstärkte Klebewalzen zeigt, die gestufte Abschnitte in der zweiten Anordnung pressen und ausgebildet sind, weil die Elektrodenmembranfolie kürzer als die Teildichtungsfolie ist, gemäß einer exemplarischen Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung;
7D eine Ansicht von vorne der Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) ist, die in Abschnitt G gemäß einer exemplarischen Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung vorgesehen ist;
8A und 8B Ansichten des Aufbaus sind, die Pufferwalzen schematisch darstellen, die zusätzlich in der Herstellungsvorrichtung vorgesehen sind, die in dem Verfahren zum Herstellen der Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) gemäß einer exemplarischen Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung verwendet wird;
9 eine Ansicht des Aufbaus ist, die einen Vakuumförderer schematisch darstellt, der zusätzlich in der Herstellungsvorrichtung vorgesehen ist, die in dem Verfahren zum Herstellen der Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) gemäß einer exemplarischen Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung verwendet wird;
10 ein Diagramm ist, das die Ergebnisse der Leistungs- (Haltbarkeits-) Bewertung einer MEA, die in einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde, und einer MEA, die in einem Vergleichsbeispiel unter einer variablen Druckbedingung hergestellt wurde, darstellt; und
11 ein Diagramm ist, das die Ergebnisse der Leistungs- (Haltbarkeits-) Bewertung der MEA, die in dem Beispiel der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde, und der MEA, die in dem Vergleichsbeispiel unter normalen Bedingungen hergestellt wurde, darstellt.

Es ist zu verstehen, dass die beigefügten Zeichnungen nicht unbedingt maßstabsgerecht sind und eine etwas vereinfachte Darstellung verschiedener Merkmale darstellen, die die Grundprinzipien der Offenbarung veranschaulichen. Die spezifischen Konstruktionsmerkmale der vorliegenden Offenbarung, wie diese hierin offenbart sind, einschließlich z.B. spezifische Abmessungen, Ausrichtungen, Orte und Formen, werden teilweise durch die besondere beabsichtigte Anwendung und Verwendungsumgebung bestimmt. In den Figuren beziehen sich Bezugszahlen auf die gleichen oder äquivalente Teile in den verschiedenen Figuren der Zeichnungen der vorliegenden Offenbarung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Es wird davon ausgegangen, daß der Begriff „Fahrzeug“ oder „fahrzeugartig“ oder ein anderer ähnlicher Begriff, wie hierin verwendet, Kraftfahrzeuge im Allgemeinen umfasst, wie Personenkraftwagen einschließlich Sport Utility Vehicles (SUV), Busse, Lastkraftwagen, verschiedene Nutzfahrzeuge, Wasserfahrzeuge einschließlich verschiedener Boote und Schiffe, Flugzeuge und dergleichen, und umfasst Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Verbrenner, Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeuge, wasserstoffbetriebene Fahrzeuge und andere Fahrzeuge mit alternativen Kraftstoffen (z.B. Kraftstoffe, die aus anderen Ressourcen als Erdöl gewonnen werden).
Obwohl eine exemplarische Ausgestaltung als die Verwendung einer Vielzahl von Einheiten zur Durchführung des exemplarischen Prozesses beschrieben wird, versteht es sich, dass die exemplarischen Prozesse auch von einem oder mehreren Modulen durchgeführt werden können. Darüber hinaus wird davon ausgegangen, dass sich der Begriff Steuerung/Steuereinheit auf eine Hardwarevorrichtung bezieht, die einen Speicher und einen Prozessor umfasst. Der Speicher ist eingerichtet, die Module zu speichern, und der Prozessor ist speziell eingerichtet, die genannten Module auszuführen, um einen oder mehrere Prozesse auszuführen, die nachfolgend näher beschrieben werden.
Die hierin verwendete Terminologie dient nur der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen und soll keine Beschränkung der Erfindung darstellen. Wie hierin verwendet, sollen die Singularformen „ein“, „eine“ und „der, die, das“ auch die Pluralformen umfassen, sofern der Kontext nichts anderes angibt. Es ist zudem zu verstehen, dass die Begriffe „umfasst“ und/oder „umfassend“, wenn diese in dieser Beschreibung verwendet werden, das Vorhandensein von angegebenen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen und/oder Komponenten spezifizieren, aber das Vorhandensein oder Hinzufügen eines oder mehrerer anderer Merkmale, ganzen Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente, Komponenten und/oder Gruppen davon nicht ausschließen. Wie hierin verwendet, umfasst der Begriff „und/oder“ jede und alle Kombinationen von einem oder mehreren der zugehörigen aufgeführten Elemente.
Sofern nicht ausdrücklich angegeben oder aus dem Kontext ersichtlich, wird der hierin verwendete Begriff „etwa“ als innerhalb eines Bereiches der normalen Toleranz der Technik verstanden, zum Beispiel innerhalb von 2 Standardabweichungen des Mittelwerts. „Etwa“ kann als innerhalb von 10%, 9%, 8%, 7%, 6%, 5%, 5%, 4%, 3%, 2%, 1%, 0,5%, 0,1%, 0,05% oder 0,01% des angegebenen Wertes verstanden werden. Sofern aus dem Kontext nichts anderes hervorgeht, werden alle hierin enthaltenen Zahlenwerte durch den Begriff „etwa“ modifiziert.
Im Folgenden wird im Einzelnen auf verschiedene exemplarische Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung Bezug genommen, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt und im Folgenden beschrieben werden. Die Offenbarung wird zwar in Verbindung mit exemplarischen Ausführungsformen beschrieben, es ist jedoch zu verstehen, dass die vorliegende Beschreibung nicht dazu dient, die Offenbarung auf die exemplarischen Ausführungsformen zu beschränken. Im Gegenteil, die Offenbarung soll nicht nur die exemplarischen Ausführungsformen, sondern auch verschiedene Alternativen, Modifikationen, Äquivalente und weitere exemplarische Ausführungsformen innerhalb des Gedankens und Umfangs der Offenbarung, wie durch die beigefügten Ansprüche definiert, abdecken.
In der nachfolgenden Beschreibung der exemplarischen Ausführungsformen werden die gleichen Elemente durch die gleichen Bezugszahlen bezeichnet, auch wenn diese in verschiedenen Zeichnungen dargestellt sind. In den Zeichnungen sind die Abmessungen von Strukturen im Vergleich zu ihren tatsächlichen Abmessungen zur Verdeutlichung der Beschreibung übertrieben dargestellt. In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen können Begriffe wie „erste“, „zweite“ usw. verwendet werden, um verschiedene Elemente zu beschreiben, ohne die Elemente zu beschränken. Diese Begriffe werden nur verwendet, um ein Element von anderen Elementen zu unterscheiden. Beispielsweise kann ein erstes Element als ein zweites Element bezeichnet werden, und ebenso kann ein zweites Element im Sinn und Umfang der Offenbarung als ein erstes Element bezeichnet werden. Singuläre Ausdrücke können auch plurale Ausdrücke umfassen, es sei denn, diese haben eindeutig unterschiedliche kontextuelle Bedeutungen.
In der nachfolgenden Beschreibung der exemplarischen Ausführungsformen wird davon ausgegangen, dass, wenn ein Teil, wie z.B. eine Schicht, ein Film, eine Region oder eine Platte, sich „auf“ einem anderen Teil befinden soll, sich das Teil „direkt auf” dem anderen Teil befinden kann oder andere Teile zwischen den beiden Teile eingefügt sein können. In gleicher Weise wird davon ausgegangen, dass, wenn ein Teil, wie z.B. eine Schicht, ein Film, eine Region oder eine Platte, sich „unter“ einem anderen Teil befinden soll, das Teil „direkt unter“ dem anderen Teil angeordnet sein kann oder andere Teile zwischen den beiden Teilen eingefügt sein können.
In der nachfolgenden Beschreibung der exemplarischen Ausführungsformen wird davon ausgegangen, dass, wenn der Bereich einer Variablen angegeben wird, die Variable alle Werte innerhalb des angegebenen Bereichs einschließlich der angegebenen Endpunkte des Bereichs umfasst. Zum Beispiel wird davon ausgegangen, dass ein Bereich von „5 bis 10“ nicht nur Werte von 5, 6, 7, 8, 9 und 10 umfasst, sondern auch beliebige Unterbereiche, wie z.B. einen Unterbereich von 6 bis 10, einen Unterbereich von 7 bis 10, einen Unterbereich von 6 bis 9, einen Unterbereich von 7 bis 9 usw. und beliebige Werte zwischen ganzen Zahlen, die innerhalb des angegebenen Bereichs zulässg sind, wie z.B. 5.5, 6.5, 7.5, 5.5 bis 8.5, 6.5 bis 9 usw. Weiter ist beispielsweise zu verstehen, dass ein Bereich von „10% bis 30%“ nicht nur alle ganzen Zahlen einschließlich der Werte von 10%, 11%, 12%, 13%, ... 30% umfasst, sondern auch beliebige Unterbereiche, wie z.B. einen Unterbereich von 10% bis 15%, einen Unterbereich von 12% bis 18%, einen Unterbereich von 20% bis 30%, usw., und beliebige Werte zwischen ganzen Zahlen, die innerhalb des angegebenen Bereichs zulässig sind, wie z.B. 10,5%, 15,5%, 25,5%, usw.
2 ist eine schematische Darstellung, welche den Aufbau einer Vorrichtung zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) darstellt, die in einem Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) gemäß einer exemplarischen Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung verwendet wird. Insbesondere kann das Herstellungsverfahren durch eine Steuerung ausgeführt werden, die verschiedene robotergestützte Merkmale der Vorrichtung steuert. Bezugnehmend auf 2 kann eine Herstellungsvorrichtung 100, die in dem Verfahren zum Herstellen der Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) verwendet wird, eine erste Teildichtungsfolien-Abwickelvorrichtung 110a, eine zweite Teildichtungsfolien-Abwickelvorrichtung 110b, eine erste Teildichtungsfolien-Schneidvorrichtung 120a, eine zweite Teildichtungsfolien-Schneidvorrichtung 120b, eine Elektrodenmembranfolien-Abwickelvorrichtung 130, eine Elektrodenmembran-Schneidvorrichtung 140, eine Elektrodenmembranfolien-Klebewalze 150, eine erste Teildichtungsfolien-Klebewalze 160a, eine zweite Teildichtungsfolien-Klebewalze 160b und verstärkte stufenverhindernde Klebewalzen 170 umfassen.
Die erste Teildichtungsfolien-Abwickelvorrichtung 110a, die zweite Teildichtungsfolien-Abwickelvorrichtung 110b, die erste Teildichtungsfolien-Schneidvorrichtung 120a und die zweite Teildichtungsfolien-Schneidvorrichtung 120b können mit der gleichen Geschwindigkeit betrieben werden, um einen Prozess kontinuierlich durchzuführen. Eine erste Teildichtungsfolie 10a kann durch Anbringen einer ersten Teildichtung 11a an der Oberfläche einer Schutzfolie 12a ausgebildet werden. Der detaillierte Aufbau der ersten Teildichtungsfolie 10a in Abschnitt A ist in 3A dargestellt. Die erste Teildichtungsfolie 10a kann auf der ersten Teildichtungsfolien-Abwickelvorrichtung 110a zu einer Rolle gewickelt sein, und die erste Teildichtungsfolien-Abwickelvorrichtung 110a kann eingerichtet sein, dass die erste Teildichtungsfolie 10a abgewickelt und kontinuierlich in Förderrichtung des Prozesses zugeführt wird.
Die erste Teildichtungsfolien-Schneidvorrichtung 120a kann an einer Seite der ersten Teildichtungsfolien-Abwickelvorrichtung 110a in der Förderrichtung des Prozesses angeordnet sein und kontinuierlich Elektrodenfenster 13a in der ersten Teildichtungsfolie 10a ausbilden, um die Elektrodenfenster 13b in einem vorbestimmten Intervall voneinander zu beabstanden. Insbesondere unter Bezugnahme auf 2 kann die in der ersten Teildichtungsfolie 10a vorgesehen Schutzfolie 12a durch die erste Teildichtungsfolien-Schneidvorrichtung 120a entfernt werden. Die erste Teildichtungsfolie 10a, in der die Elektrodenfenster 13a kontinuierlich ausgebildet werden, kann der ersten Teildichtungsfolien-Klebewalze 160a zugeführt werden. Die erste Teildichtungsfolie 10a, die der ersten Teildichtungsfolien-Klebewalze 160a in Abschnitt B zugeführt wird, ist in 3B dargestellt.
Eine zweite Teildichtungsfolie 10b kann durch Anbringen einer zweiten Teildichtung 11b auf der Oberfläche einer Schutzfolie 12b ausgebildet werden. Die detaillierte Struktur der zweiten Teildichtungsfolie 10b in Abschnitt A ist in 3A dargestellt. Die zweite Teildichtungsfolie 10b kann auf der zweiten Teildichtungsfolien-Abwickelvorrichtung 110b zu einer Rolle aufgewickelt sein, und die zweite Teildichtungsfolien-Abwickelvorrichtung 110b kann eingerichtet sein, die zweite Teildichtungsfolie 10b abzuwickeln und kontinuierlich in Förderrichtung des Prozesses zuzuführen.
Die zweite Teildichtungsfolien-Schneidvorrichtung 120b kann an einer Seite der zweiten Teildichtungsfolien-Abwickelvorrichtung 110b in der Förderrichtung des Prozesses angeordnet sein und kontinuierlich Elektrodenfenster 13b in der zweiten Teildichtungsfolie 10b ausbilden, um die Elektrodenfenster 13b in einem vorbestimmten Intervall voneinander zu beabstanden. Insbesondere kann unter Bezugnahme auf 2 die in der zweiten Teildichtungsfolie 10b vorgesehen Schutzfolie 12b durch die zweite Teildichtungsfolien-Schneidvorrichtung 120b entfernt werden. Die zweite Teildichtungsfolie 10b, in der die Elektrodenfenster 13b kontinuierlich ausgebildet sind, kann der zweiten Teildichtungsfolien-Klebewalze 160b zugeführt werden. Die zweite Teildichtungsfolie 10b, die der zweiten Teildichtungsfolien-Klebewalze 160b in Abschnitt B zugeführt wird, ist in 3B dargestellt.
Eine Elektrodenmembranfolie 20 kann eine Elektrolytmembran 21, Elektrodenkatalysatorschichten 22, die auf zentralen Abschnitten einer ersten Oberfläche der Elektrolytmembran 21 und einer zweiten Oberfläche der Elektrolytmembran 21 ausgebildet sind, und einen Schutzfilm 23, der auf der äußeren Oberfläche einer der Elektrodenkatalysatorschichten 22 angeordnet ist, umfassen. Der detaillierte Aufbau der Elektrodenmembranfolie 20 in Abschnitt C ist in 3C dargestellt. Die Elektrodenmembranfolie 20 kann auf der Elektrodenmembranfolien-Abwickelvorrichtung 130 zu einer Rolle aufgewickelt sein und die Elektrodenmembranfolien-Abwickelvorrichtung 130 kann eingerichtet sein, die Elektrodenmembranfolie 20 abzurollen und diskontinuierlich (unter Verwendung der Stop-Go-Methode) in Förderrichtung des Prozesses zuzuführen. Die Elektrodenmembran-Schneidvorrichtung 140 kann an einer Seite der Elektrodenmembranfolien-Abwickelvorrichtung 130 in Förderrichtung des Prozesses angeordnet und eingerichtet sein, kontinuierlich Zwischenräume 24 in der Elektrodenmembranfolie 20 auszubilden, um die Zwischenräume 24 in einem vorbestimmten Intervall zueinander zu beabstanden.
4A ist eine Querschnittsansicht, die schematisch einen detaillierten Prozess veranschaulicht, bei dem die Elektrodenmembran-Schneidvorrichtung 140, die in der Herstellungsvorrichtung für die Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) gemäß einer exemplarischen Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung vorgesehen ist, kontinuierlich die Zwischenräume 24 ausbildet. Unter Bezugnahme auf 4A kann die Elektrodenmembran-Schneidvorrichtung 140 Stanzwalzen 141 umfassen, welche die Elektrodenmembranfolie 20 berühren, ein unter den Stanzwalzen 141 ausgebildetes Gebläse 142 und einen unter den Stanzwalzen 141 außerhalb des Gebläses 142 angeordneten Sammler 143.
Insbesondere kann das Ausbilden der Zwischenräume 24 das Abtrennen einiger Abschnitte der Elektrolytmembran 21 durch Absaugen umfassen, um die Zwischenräume 24 auszubilden, indem ein Stanzvorgang durch die in der Elektrodenmembran-Schneidvorrichtung 140 vorgesehenen Stanzwalzen 141 durchgeführt wird, die abgetrennten Abschnitte der Elektrolytmembran 21 durch das Gebläse 142 entfernt werden und die entfernten Abschnitte der Elektrolytmembran 21 im Sammler 143 gesammelt werden.
4B ist eine Querschnittsansicht, die schematisch die in den Stanzwalzen 141 vorgesehene Stanzplatte 141a zeigt. Bezugnehmend auf 4B kann die in den Stanzwalzen 141 vorgesehen Stanzplatte 141a eine beliebige Tiefe aufweisen, die der Dicke entspricht, bis zu der die Elektrolytmembran 21 gestanzt werden kann, ohne darauf beschränkt zu sein, und die Stanzplatte 141a kann bevorzugt eine Tiefe im Bereich der Dicke der Elektrolytmembran 21 bis zur Summe der Dicke der Elektrolytmembran 21 und der Dicke des Schutzfilms 23 haben, und besonders bevorzugt eine Mindesttiefe, die der Dicke der Elektrolytmembran 21 + 3 µm entspricht, um die Stabilität beim Stanzen zu gewährleisten, und eine Maximaltiefe, die der Summe der Dicke der Elektrolytmembran 21 und der Dicke des Schutzfilms 23 - 3 µm entspricht, um die Stabilität beim Übertragen zu gewährleisten und ein Schneiden zu verhindern. Insbesondere darf die Dicke der Elektrolytmembran 21 etwa 5 - 50 µm sein. Wenn die Dicke der Elektrolytmembran 21 weniger als etwa 5 µm ist, kann die Haltbarkeit schlecht oder verschlechtert sein, und wenn die Dicke der Elektrolytmembran 21 etwa 50 µm überschreitet, kann die Leistung der Elektrolytmembran 21 unzureichend sein.
Zudem kann die Dicke des Schutzfilms 23 etwa 10 - 200 µm sein. Wenn die Dicke des Schutzfilms 23 weniger als etwa 10 µm ist, können Nachteile bei der Verarbeitung durch das Ziehen des Schutzfilms 23 aufgrund von Zug- und Stanztoleranzen des Schutzfilms 23 durch Spannungen verursacht werden, und wenn die Dicke des Schutzfilms 23 etwa 200 µm überschreitet, kann die Haltbarkeit und Verarbeitbarkeit der Einrichtung aufgrund des höheren Gewichts des zu wickelnden Schutzfilms 23 verringert sein. Folglich kann die Tiefe der Stanzplatte 141a, die in den Stanzwalzen 141 vorgesehen ist, etwa 15 - 250 µm, insbesondere etwa 18 - 247 µm sein. Wenn die Tiefe der Stanzplatte 141a weniger als etwa 15 µm ist, kann die Verarbeitbarkeit und die Haltbarkeit des Produkts verringert sein, und wenn die Tiefe der Stanzplatte 141a etwa 250 µm überschreitet, kann die Verarbeitbarkeit verschlechtert und ein Material der Stanzplatte 141a überbeansprucht sein.
Die Elektrodenmembranfolien-Klebewalze 150 kann auf einer Seite der Elektrodenmembran-Schneidvorrichtung 140 in Förderrichtung des Prozesses angeordnet sein, und die Elektrodenmembranfolie 20 mit den darin ausgebildeten Zwischenräumen 24 kann kontinuierlich oder diskontinuierlich von der Elektrodenmembran-Schneidvorrichtung 140 zur Elektrodenmembranfolien-Klebewalze 150 zugeführt werden. Insbesondere kann die Elektrodenmembranfolie 20 diskontinuierlich der Elektrodenmembranfolien-Klebewalze 150 zugeführt werden, basierend auf einem ersten Klebevorgang, der im Folgenden beschrieben wird.
Insbesondere kann die Elektrodenmembranfolie 20 nur dann diskontinuierlich der Elektrodenmembranfolien-Klebewalze 150 zugeführt werden, wenn der erste Klebevorgang in einem Zustand durchgeführt wird, in dem die Elektrodenmembranfolie 20 und die erste Teildichtungsfolie 10a zwischen der ersten Teildichtungsfolien-Klebewalze 160a und der Elektrodenmembranfolien-Klebewalze 150 hindurchgeführt ist, während die Elektrodenmembranfolie 20 das Elektrodenfenster 13a der ersten Teildichtungsfolie 10a berührt. Um die Elektrodenmembranfolie 20 diskontinuierlich zuzuführen und die Menge der dadurch verwendeten Elektrolytmembran 21 zu reduzieren, kann die Elektrodenmembranfolien-Klebewalze 150 die Position innerhalb eines bestimmten Bereichs fließend verändern.
Dementsprechend kann durch diskontinuierliches Zuführen der Elektrodenmembranfolie 20 mit den darin ausgebildeten Zwischenräumen 24, so dass die Menge der verwendeten Elektrolytmembran 21 verringert ist, während die erste Teildichtungsfolie 10a und die zweite Teildichtungsfolie 10b kontinuierlich zugeführt werden, eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) hergestellt werden, bei der die Mindestlänge der Elektrolytmembran 21 zwischen den Teildichtungen hervorsteht und die Elektrolytmembran 21 zusammen mit den Elektroden-Katalysatorschichten 22 mit den Teildichtungen verklebt ist.
3D ist eine detaillierte Querschnittsansicht der Elektrodenmembranfolie 20, die der Elektrodenmembranfolien-Klebewalze 150 zugeführt wird. Unter Bezugnahme auf 3D umfasst die Elektrodenmembranfolie 20 in Abschnitt D die darin ausgebildeten Zwischenräume 24. Der Zwischenraum 24 kann ein Raum zwischen einem Ende der Elektrolytmembran 21, die in der Elektrodenmembranfolie 20 vorgesehen ist und durch den Stanzvorgang ausgebildet ist, und einem entsprechenden Ende der benachbarten Elektrolytmembran 21 sein. Die Zwischenräume 24 können etwa 2 - 34 mm sein.
Wenn die Zwischenräume 24 weniger als etwa 2 mm sind, sind gestanzte Bereiche während des Stanzprozesses nicht gewährleistet, und wenn die Zwischenräume 24 etwa 34 mm überschreiten, wird eine größere Menge der Elektrolytmembran 21 verbraucht als benötigt und die eingesparte Menge der Elektrolytmembran ist reduziert. Die erste Teildichtungsfolien-Klebewalze 160a kann an einer Seite der ersten Teildichtungs-Schneidevorrichtung 120a in Förderrichtung des Prozesses angeordnet sein, und vorzugsweise können die erste Teildichtungsfolien-Klebewalze 160a und die Elektrodenmembranfolien-Klebewalze 150 so angeordnet sein, dass diese sich gegenseitig berühren.
5A bis 5D sind vergrößerte Ansichten des Aufbaus, die einen ersten Klebevorgang veranschaulichen, bei dem die von der Elektrodenmembranfolien-Klebewalze zugeführte Elektrodenmembranfolie und die erste Teildichtungsfolie, die kontinuierlich von der ersten Teildichtungsfolien-Klebewalze zugeführt wird, verklebt werden. Gemäß 5A kann zuerst der Betrieb der Elektrodenmembranfolien-Klebewalze 150, die eingerichtet ist, die Elektrodenmembranfolie 20 zuzuführen, gestoppt werden, wenn die Elektrodenmembranfolie 20 mit der ersten Teildichtung 11a, die in der ersten Teildichtungsfolie 10a vorgesehen ist, in Kontakt kommt.
Gemäß 5B kann, wenn die Elektrodenmembranfolie 20 das Elektrodenfenster 13a, das in der ersten Teildichtungsfolie 10a, die kontinuierlich von der ersten Teildichtungsfolien-Klebewalze 160a zugeführt wird, berührt, die Elektrodenmembranfolien-Klebewalze 150 beginnen zusammen mit der ersten Teildichtungsfolien-Klebewalze 160a, die kontinuierlich betrieben wird, betrieben zu werden, und somit kann der erste Klebevorgang, bei dem die Elektrodenmembranfolie 20 und die erste Teildichtungsfolie 10a verklebt werden, begonnen werden. Mit anderen Worten, die Elektrodenmembranfolien-Klebewalze 150 kann nur dann diskontinuierlich betrieben werden, wenn die Elektrodenmembranfolie 20 das Elektrodenfenster 13a berührt.
Die Elektrodenmembranfolien-Klebewalze 150 und die erste Teildichtungsfolien-Klebewalze 160a können heiße Walzen sein. Daher kann unter Bezugnahme auf 5C der erste Klebevorgang, bei dem die Thermokompressionsverklebung zwischen der Elektrodenmembranfolie 20 und der ersten Teildichtungsfolie 11a durch die Elektrodenmembranfolien-Klebewalze 150 und die erste Teildichtungsfolien-Klebewalze 160a durchgeführt wird, ausgeführt werden. Insbesondere kann die Thermokompressions-Klebetemperatur etwa 10 - 200°C, insbesondere 100°C oder weniger, sein. Wenn die Thermokompressions-Klebetemperatur etwa 100°C übersteigt, ist die Verarbeitbarkeit aufgrund der Thermoplastizität der Elektrolytmembran 21 vermindert, und wenn die Thermokompressions-Klebetemperatur etwa 200°C übersteigt, wird die Leistung der Elektrolytmembran 21 verschlechtert.
Danach kann der erste Klebevorgang durchgeführt werden, bis ein Kontaktbereich zwischen der Elektrodenmembranfolie 20 und dem Elektrodenfenster 13a der ersten Teildichtungsfolie 10a ausgebildet ist. Bezugnehmend auf 5D, wenn der Kontaktbereich zwischen der Elektrodenmembranfolie 20 und dem Elektrodenfenster 13a der ersten Teildichtungsfolie 10a ausgebildet ist, kann die Elektrodenmembranfolie 20 mit der ersten Teildichtung 11a, die in der ersten Teildichtungsfolie 10a vorgesehen ist, in Kontakt kommen, so dass die Elektrodenmembranfolien-Klebewalze 150 in deren ursprüngliche Position zurückgeführt und der Betrieb der Elektrodenmembranfolien-Klebewalze 150 gestoppt werden kann. Insbesondere kann der in der Elektrodenmembranfolie 20 vorgesehen Schutzfilm 23 von der Elektrodenmembranfolie 20 entfernt werden. Ferner kann die erste Teildichtungsfolien-Klebewalze 160a eingerichtet sein, eine erste Anordnung 30, die nach dem ersten Klebevorgang hergestellt wurde, kontinuierlich der zweiten Teildichtungsfolien-Klebewalze 160b zuzuführen. 3E ist eine Querschnittsansicht der ersten Anordnung 30 in Abschnitt E.
6 ist eine vergrößerte Ansicht des Aufbaus, die eine Klebeposition zwischen der Elektrodenmembranfolien-Klebewalze und der ersten Teildichtungsfolien-Klebewalze gemäß einer exemplarischen Ausführung der vorliegenden Offenbarung zeigt. Gemäß dieser Abbildung kann die Elektrodenmembranfolien-Klebewalze 150 betrieben werden, dass, wenn der erste Klebevorgang durch Kontakt zwischen der Elektrodenmembranfolie 20 und dem Elektrodenfenster 13a, das in der ersten Teildichtungsfolie 10a vorgesehen ist, durchgeführt wird, die Elektrodenmembranfolien-Klebewalze 150 eingerichtet sein kann, eine Drehbewegung an einem Kontaktpunkt 151 auszuführen, an dem die Elektrodenmembranfolie 20 die erste Teildichtungsfolien-Klebewalze 160a berührt, und dann eine lineare Bewegung an einem Punkt auszuführen, an dem die Elektrodenmembranfolie 20 die erste Teildichtungsfolien-Klebewalze 160a nicht berührt.
Die Elektrodenmembranfolien-Klebewalze 150 und die erste Teildichtungsfolien-Klebewalze 160a können an Positionen angeordnet sein, so dass ein Winkel θ, der durch eine gerade Linie 153, die den Kontaktpunkt 151 umfasst, an dem die Elektrodenmembranfolien-Klebewalze 150 die Drehbewegung ausführt, und eine gerade Linie 152 auf einem Weg der linearen Bewegung gebildet ist, 0 - 90° ist, insbesondere, um eine Druckänderung eines zweiten Klebevorgangs zu minimieren, der zwischen der ersten Teildichtungsfolien-Klebewalze 160a und der zweiten Teildichtungsfolien-Klebewalze 160b gleichzeitig mit dem ersten Klebevorgang ausgeführt wird. Der gleichzeitige Betrieb kann durch Aufbringen einer physikalischen Kraft auf die erste Teildichtungsfolien-Klebewalze 160a aufgrund einer Toleranz der linearen Bewegung ausgeführt werden, wenn die Elektrodenmembranfolien-Klebewalze 150 die erste Teildichtungsfolien-Klebewalze 160a berührt. Der Winkel θ zwischen der geraden Linie 153, die den Kontaktpunkt 151 umfasst, an dem die Elektrodenmembranfolien-Klebewalze 150 die Drehbewegung ausführt, und der Geraden 152, die den Punkt umfasst, an dem die Elektrodenmembranfolien-Klebewalze 150 die Drehbewegung ausführt, kann 0° sein.
Zudem kann das Gewicht der Elektrodenmembranfolien-Klebewalze 150 kleiner oder größer sein als das Gewicht der ersten Teildichtungsfolien-Klebewalze 160a, und insbesondere zur Minimierung der Druckänderung des zweiten Klebevorgangs, der gleichzeitig mit dem ersten Klebevorgang zwischen der ersten Teildichtungsfolien-Klebewalze 160a und der zweiten Teildichtungsfolien-Klebewalze 160b ausgeführt wird, indem auf die erste Teildichtungsfolien-Klebewalze 160a aufgrund der Toleranz der Linearbewegung eine physikalische Kraft ausgeübt wird, wenn die Elektrodenmembranfolien-Klebewalze 150 die erste Teildichtungsfolien-Klebewalze 160a berührt, kann das Gewicht der Elektrodenmembranfolien-Klebewalze 150 geringer sein als das der ersten Teildichtungsfolien-Klebewalze 160a. Die zweite Teildichtungsfolien-Klebewalze 160b kann über der ersten Teildichtungsfolien-Klebewalze 160a angeordnet sein, und insbesondere kann die zweite Teildichtungsfolien-Klebewalze 160b über der ersten Teildichtungsfolien-Klebewalze 160a angeordnet sein, um miteinander in Kontakt zu stehen.
Die erste Anordnung, die nach dem ersten Klebevorgang kontinuierlich von der ersten Teildichtungsfolien-Klebewalze 160a zugeführt wird, und die zweite Teildichtungsfolie 10b, die kontinuierlich von der zweiten Teildichtungsfolien-Klebewalze 160b zugeführt wird, können zwischen der ersten Teildichtungsfolien-Klebewalze 160a und der zweiten Teildichtungsfolien-Klebewalze 160b hindurchgeführt werden und somit sekundär verklebt werden, wodurch eine zweite Anordnung vorbereitet werden kann. Die erste Teildichtungsfolien-Klebewalze 160a und die zweite Teildichtungsfolien-Klebewalze 160b können Heißwalzen sein. Dadurch kann der zweite Klebevorgang, bei dem eine Thermokompressionsverklebung zwischen der ersten Teildichtungsfolie 10a und der zweiten Teildichtungsfolie 10b durch die erste Teildichtungsfolien-Klebewalze 160a und die zweite Teildichtungsfolien-Klebewalze 160b durchgeführt wird, ausgeführt werden.
Insbesondere kann die Thermokompressions-Klebetemperatur etwa 10 - 200°C, insbesondere 100°C oder weniger sein. Wenn die Thermokompressions-Klebetemperatur etwa 100°C übersteigt, wird die Verarbeitbarkeit aufgrund der Thermoplastizität der Elektrolytmembran 21 reduziert, und wenn die Thermokompressions-Klebetemperatur etwa 200°C übersteigt, wird die Leistung der Elektrolytmembran 21 verschlechtert. Danach kann für den zweiten Klebevorgang ein Klebeverfahren verwendet werden, das im Allgemeinen im Stand der Technik, auf den sich die vorliegende Offenbarung bezieht, verwendet wird, insbesondere ein vollflächiges Klebeverfahren. 3F ist eine Querschnittsansicht der zweiten Anordnung, die in Abschnitt F vorgesehen ist.
Gemäß 2 können nach dem zweiten Klebevorgang die stufenverhindernden, verstärkten Klebewalzen 170 an jeweils einer Seite der ersten Teildichtungsfolien-Klebewalze 160a und der zweiten Teildichtungsfolien-Klebewalze 160b in Förderrichtung des Prozesses angeordnet sein. Die zweite Anordnung, die nach dem zweiten Klebevorgang kontinuierlich von der ersten und der zweiten Teildichtungsfolien-Klebewalze 160a und 160b zugeführt wird, kann zwischen den stufenverhindernden, verstärkten Klebewalzen 170 hindurchgeführt und dadurch ein drittes Mal verklebt werden, wodurch eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) hergestellt werden kann. Ein solcher dritter Klebevorgang kann ein Klebeverfahren verwenden, das allgemein im Stand der Technik, auf den sich die vorliegende Offenbarung bezieht, verwendet wird, insbesondere ein verstärktes Klebeverfahren.
7C ist eine Querschnittsansicht, die die stufenverhindernden, verstärkten Klebewalzen veranschaulicht, und 7D ist eine Ansicht von vorne der Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) nach dem verstärkten Klebevorgang. Bezogen auf diese Abbildungen können in der zweiten Anordnung aufgrund eines Materialunterschieds in den jeweiligen Positionen aufgrund der Reduzierung der Menge der verwendeten Elektrolytmembran 21 abgestufte Abschnitte ausgebildet werden. Um das Ausbilden der abgestuften Abschnitte in der zweiten Anordnung zu verhindern, können die stufenverhindernden, verstärkten Klebewalzen 170 daher an äußeren Bereichen in Querrichtung relativ zur Förderrichtung der zweiten Anordnung während des dritten Klebevorgangs angeordnet sein.
8A und 8B sind Ansichten des Aufbaus, die Pufferwalzen schematisch darstellen, die zusätzlich in der Herstellungsvorrichtung, die im Verfahren zum Herstellen der Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) verwendet wird, gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung vorgesehen sind. Gemäß dieser Abbildungen kann die Herstellungsvorrichtung 100, die im Verfahren zum Herstellen der Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) verwendet wird, zusätzlich Pufferwalzen 180 umfassen, und die Pufferwalzen 180 können eine Bewegung ausführen, welche die Bahnabweichung der linearen Bewegung ausgleicht.
Die Pufferwalzen 180 können zwischen der Elektrodenmembran-Schneidvorrichtung 140 und der Elektrodenmembranfolien-Klebewalze 150 angeordnet sein. Die Elektrodenmembranfolien-Klebewalze 150 kann eingerichtet sein, die lineare Bewegung an dem Punkt auszuführen, an dem die Elektrodenmembranfolie 20 die Teildichtungsfolien-Klebewalze 160a nicht berührt. Insbesondere kann die Elektrodenmembranfolien-Klebewalze 150 ihre Position innerhalb des bestimmten Bereichs fließend ändern, und die Elektrodenmembranfolie 20 kann eingerichtet sein, eine lineare Bewegung zwischen der Elektrodenmembranfolien-Klebewalze 150, deren Position geändert wird, und der Elektrodenmembran-Schneidvorrichtung 140 auszuführen.
Mit anderen Worten, bei der linearen Bewegung der Elektrodenmembranfolie 20 kann es zwischen der Elektrodenmembranfolien-Klebewalze 150 und der Elektrodenmembran-Schneidvorrichtung 140 zu einer Bahnabweichung kommen. Wenn der Prozess in dem Zustand ausgeführt wird, in dem die Pufferwalzen 180 zwischen der Elektrodenmembranfolien-Klebewalze 150 und der Elektrodenmembran-Schneidvorrichtung 140 angeordnet sind, wie in den 8A und 8B dargestellt, können die Pufferwalzen 180 eingerichtet sein, eine Bewegung auszuführen, die die Bahnabweichung in der linearen Bewegung ausgleicht. Dementsprechend kann die Wahrscheinlichkeit von Ziehverformungen der Elektrolytmembran 21 und fehlerhaften Produkten aufgrund einer Bahnabweichung verringert werden.
Die für das Verfahren zum Hertsellen der Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) gemäß einer exemplarischen Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung verwendete Herstellungsvorrichtung kann jede Herstellungsvorrichtung sein, die zum Durchführen des Verfahrens verwendet werden kann, ohne darauf beschränkt zu sein. Zum Beispiel kann die Herstellungsvorrichtung einen Aufbau aufweisen, bei dem die Elektrodenmembranfolien-Klebewalze 150, die erste Teildichtungsfolien-Klebewalze 160a und die zweite Teildichtungsfolien-Klebewalze 160b nebeneinanderliegend miteinander verbunden sind, wie in 2 gezeigt, oder eingerichtet sein, die erste Teildichtungsfolie 10a, die von der ersten Teildichtungsfolien-Klebewalze 160a zugeführt wird, auf ein Vakuumförderband zu überführen und primär mit der Elektrodenmembranfolie 20, die von der Elektrodenmembranfolien-Klebewalze 150 zugeführt wird, zu verkleben, um eine erste Anordnung vorzubereiten. Die erste Anordnung kann in der Förderrichtung des Vakuumförderbandes, auf das Wärme aufgebracht wird, transportiert und thermisch komprimiert werden und kann dann sekundär mit der zweiten Teildichtungsfolie 10b, die von der zweiten Teildichtungsfolien-Klebewalze 160b zugeführt wird, verklebt werden, um eine zweite Anordnung vorzubereiten. Danach können die nachfolgenden Arbeitsschritte gleich oder verschieden von dem zuvor beschriebenen Verfahren sein.
Im Nachfolgenden wird die vorliegende Offenbarung anhand der folgenden Beispiele ausführlicher beschrieben. Die Beispiele veranschaulichen jedoch lediglich die Offenbarung und sind nicht dazu gedacht, den Umfang der Offenbarung zu beschränken.
BEISPIEL - Herstellen von MEA durch das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung
Wie in 8A und 8B gezeigt, kann die Herstellungsvorrichtung zusätzlich zur Herstellungsvorrichtung, die bei dem Verfahren zum Herstellen der Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) gemäß einer exemplarischen Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung verwendet wird, zudem die Pufferwalzen 180 umfassen.
Es wurden folgende Materialien und Spezifikationen verwendet. Ein handelsübliches Folienmaterial, wie PI, PET, PEN usw., und ein Klebstoff auf Epoxidbasis wurden zur Herstellung einer ersten Teildichtungsfolie 10a und einer zweiten Teildichtungsfolie 10b verwendet. Zum Herstellen der Elektrodenkatalysatorschichten 22 und einer Elektrolytmembran 21 wurden Spezifikationen gemäß NEXO der Hyundai Motor Company verwendet. Außerdem betrug die Tiefe der Stanzplatte 141a, die in den Stanzwalzen 141 vorgesehen war, 20 µm. Darüber hinaus betrugen die Zwischenräume in einer durch die Stanzwalzen 141 hergestellten Elektrodenmembranfolie 20 20 mm.
Zudem betrug die Thermokompressions-Klebetemperatur zwischen der Elektrodenmembranfolie 20 und der ersten Teildichtungsfolie 10a durch die Elektrodenmembranfolien-Klebewalze 150 und die erste Teildichtungsfolien-Klebewalze 160a 60 - 110°C, und die Thermokompressions-Klebetemperatur zwischen der ersten Teildichtungsfolie 10a und der zweiten Teildichtungsfolie 10b durch die erste Teildichtungsfolien-Klebewalze 160a und die zweite Teildichtungsfolien-Klebewalze 160b betrug 60 - 110°C. Dementsprechend wurde eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) hergestellt, bei der die Menge der verwendeten Elektrolytmembran 21 reduziert ist.
VERGLEICHSBEISPIEL - Herstellen einer MEA
Ein handelsübliches Folienmaterial, wie PI, PET, PEN usw., und ein Klebstoff auf Epoxidbasis wurden zum Herstellen einer ersten Teildichtungsfolie 10a und einer zweiten Teildichtungsfolie 10b verwendet. Zum Herstellen der Elektrodenkatalysatorschichten 22 und einer Elektrolytmembran 21 wurden Spezifikationen gemäß NEXO der Hyundai Motor Company verwendet. Zum Vergleich wurde die Elektrolytmembran 21 zusätzlich zu den Abschnitten um die Elektroden herum auf die Gesamtheit der Teildichtungen aufgebracht.
TESTBEISPIEL - Verifizieren der Luftdichtheit und Leistung der MEA
Die im Beispiel und im Vergleichsbeispiel hergestellte Membran-Elektroden-Anordnungen (MEAs) wurden mit den folgenden Methoden evaluiert; die Evaluierungsergebnisse sind in Tabelle 1 und den 10 und 11 aufgeführt.
Evalui erungsmethoden

1. Überprüfung der Luftdichtheit: Nach Anwendung eines Drucks, der auf den von den anwesenden Erfindern festgelegten Kriterien basierte, wurde eine Abnahme des Drucks für eine bestimmte Zeit gemessen.
2. Verifizierung der Leistung: Unter der Bedingung, dass konstante Mengen an Luft/Wasserstoff auf der Grundlage der von den anwesenden Erfindern festgelegten Kriterien zugeführt wurden, wurde die Spannung bei einer bestimmten Stromdichte gemessen.

Aufteilung			Ergebnisse
Überprüfung der Luftdichtheit (mmbar)	Allgemein	Raumtemp.	Reaktionsoberfläche: -16 / gekühlte Oberfläche: -6
	Allgemein	Niedrige Temp.	Reaktionsoberfläche: -6 / gekühlte Oberfläche: -3
	Temperatur Zyklus	Raumtemp.	Reaktionsoberfläche: -31 / gekühlte Oberfläche: -14
	Temperatur Zyklus	Niedrige Temp.	Reaktionsoberfläche: -10 / gekühlte Oberfläche: -5
Leistung (Haltbarkeit)	Variable Druckbedingung		Gleich (Vergleich mit Vergleichsbeispiel, -1 mV)
	Zustand des atmosphärischen Drucks		Gleich (Vergleich mit Vergleichsbeispiel, -0 mV)
	Niedrige Temperaturbedingung		Gleich (Vergleich mit Vergleichsbeispiel, -0 mV)
	Hohe Temperaturbedingung		Gleich (Vergleich mit Vergleichsbeispiel, +3 mV)
	Raumtemperatur Bedingung		Bestanden (keine Anomalie der Haftfläche)

Unter Bezugnahme auf Tabelle 1, als Ergebnisse der Luftdichtheitsprüfung, weist die im Beispiel der vorliegenden Offenbarung hergestellte MEA ein Luftdichtheitsniveau auf, das der im Vergleichsbeispiel hergestellten MEA entspricht.
Zudem kann als Ergebnis der Leistungsüberprüfung bestätigt werden, dass die im Beispiel der vorliegenden Offenbarung hergestellte MEA unter einer variablen Druckbedingung und einer atmosphärischen Druckbedingung eine Leistung (Haltbarkeit) aufweist, die der im Vergleichsbeispiel hergestellten MEA entspricht, wie in Tabelle 1 und den 10 und 11 dargestellt. Zusätzlich kann bestätigt werden, dass die im Beispiel der vorliegenden Offenbarung hergestellte MEA eine Leistung (Haltbarkeit) aufweist, die der im Vergleichsbeispiel hergestellten MEA unter einer Niedrigtemperaturbedingung und einer Hochtemperaturbedingung entspricht, und dass die im Beispiel der vorliegenden Offenbarung hergestellte MEA unter einer Raumtemperaturbedingung keine Anomalie der Verbindungsfläche verursacht.
Daher ragt bei der Membran-Elektroden-Anordnung (MEA), die gemäß der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde, die minimale Länge der Elektrolytmembran zwischen den Teildichtungen hervor, und die Elektrolytmembran ist zusammen mit den Elektrodenkatalysatorschichten mit den Teildichtungen verklebt, und dadurch kann die Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) die Elektrolytmembran, die in nicht Elektrizität erzeugenden Bereichen vorhanden ist, minimieren und eine Leistung aufweisen, die einer herkömmlichen Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) entspricht.
Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, können bei einem Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Anordnung (MEA), bei dem ein Rolle-zu-Rolle-Verfahren und ein Stop-go-Verfahren kombiniert werden, erste und zweite Teildichtungsfolien kontinuierlich zugeführt werden und eine Elektrodenmembranfolie mit darin ausgebildeten Zwischenräumen, so dass die Menge einer verwendeten Elektrolytmembran reduziert wird, kann diskontinuierlich zugeführt werden, und dadurch steht die minimale Länge der Elektrolytmembran zwischen den Teildichtungen hervor und die Elektrolytmembran kann zusammen mit den Elektrodenkatalysatorschichten an die Teildichtungen geklebt werden, wodurch die Menge der Elektrolytmembran, die in nicht stromerzeugenden Bereichen verwendet wird, um etwa 50 % reduziert werden kann. Des Weiteren kann verhindert werden, dass die Elektrolytmembran gegenüber dem Rand der MEA freigesetzt ist und somit das Austreten von erzeugtem Wasser aus der MEA nach außen verhindert werden kann.
Die Offenbarung wurde mit Bezug auf exemplarische Ausführungsbeispiele ausführlich beschrieben. Es ist jedoch vom Fachmann zu würdigen, dass an diesen exemplarischen Ausführungsformen Änderungen vorgenommen werden können, ohne von den Prinzipien und dem Gedanken der Offenbarung abzuweichen, deren Umfang in den beigefügten Ansprüchen und ihren Äquivalenten definiert ist.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Anordnung (MEA), umfassend: Abwickeln und Bereitstellen einer ersten Teildichtungsfolie und einer zweiten Teildichtungsfolie, die zu Rollen gewickelt sind; kontinuierliches Ausbilden von Elektrodenfenstern in der zugeführten ersten Teildichtungsfolie und zweiten Teildichtungsfolie unter Verwendung einer ersten Teildichtungs-Schneidvorrichtung und einer zweiten Teildichtungs-Schneidvorrichtung, um die Elektrodenfenster in einem vorbestimmten Intervall zueinander zu beabstanden; kontinuierliches Zuführen der ersten Teildichtungsfolie und der zweiten Teildichtungsfolie mit den darin kontinuierlich ausgebildeten Elektrodenfenstern, zu einer ersten Teildichtungsfolien-Klebewalze und einer zweiten Teildichtungsfolien-Klebewalze; Abwickeln und Zuführen einer Elektrodenmembranfolie, die zu einer Rolle gewickelt ist; kontinuierliches Ausbilden von Zwischenräumen in der zugeführten Elektrodenmembranfolie unter Verwendung einer Elektrodenmembran-Schneidvorrichtung, um die Zwischenräumen in einem vorbestimmten Intervall zueinander zu beabstanden; Zuführen der mit den darin ausgebildeten Zwischenräumen versehenen Elektrodenmembranfolie zu einer Elektrodenmembranfolien-Klebewalze; primäres Verkleben der zugeführten ersten Teildichtungsfolie und der zugeführten Elektrodenmembranfolie, indem die erste Teildichtungsfolie und die Elektrodenmembranfolie zwischen der ersten Teildichtungsfolien-Klebewalze und der Elektrodenmembranfolien-Klebewalze hindurchgeführt wird; und sekundäres Verkleben einer zweiten Anordnung, die nach dem primären Verkleben von der ersten Teildichtungsfolien-Klebewalze zugeführt wird, und der zweiten Teildichtungsfolie, die von der zweiten Teildichtungsfolien-Klebewalze zugeführt wird, indem die zweite Anordnung und die zweite Teildichtungsfolie zwischen der ersten Teildichtungsfolien-Klebewalze und der zweiten Teildichtungsfolien-Klebewalze hindurchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: drittes Verkleben einer zweiten Anordnung, die von der ersten Teildichtungsfolien-Klebewalze und der zweiten Teildichtungsfolien-Klebewalze nach dem sekundären Verkleben zugeführt wird, indem ermöglicht wird die zweite Anordnung zwischen stufenverhindernden, verstärkten Klebewalzen passieren zu lassen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Elektrodenmembranfolie umfasst: eine Elektrolytmembran; Elektrodenkatalysatorschichten, die auf zentralen Abschnitten einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche der Elektrolytmembran ausgebildet sind; und einen Schutzfilm, der auf einer äußeren Oberfläche von einer der Elektrodenkatalysatorschichten angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Schutzfilm nach dem primären Verkleben entfernt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das kontinuierliche Ausbilden der Zwischenräume umfasst: Trennen einiger Abschnitte der Elektrolytmembran der Elektrodenmembranfolie, um die Zwischenräume auszubilden, indem ein Stanzverfahren unter Verwendung von in der Elektrodenmembran-Schneidvorrichtung vorgesehenen Stanzwalzen durchgeführt wird; Entfernen der abgetrennten Abschnitte der Elektrolytmembran; und Sammeln der entfernten Abschnitte der Elektrolytmembran.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei eine in den Stanzwalzen vorgesehene Stanzplatte eine Tiefe von etwa 15 - 250 µm aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zwischenräume eine Größe von etwa 2 - 34 mm aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mit den darin ausgebildeten Zwischenräumen versehene Elektrodenmembranfolie vor dem primären Verkleben über ein Paar Pufferwalzen der Elektrodenmembranfolien-Klebewalze zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim Zuführen der Elektrodenmembranfolie zu der Elektrodenmembranfolien-Klebewalze die Elektrodenmembranfolie diskontinuierlich der Elektrodenmembranfolien-Klebewalze zugeführt wird, wenn das primäre Verkleben in einem Zustand durchgeführt wird, in dem die Elektrodenmembranfolie das Elektrodenfenster der ersten Teildichtungsfolie berührt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektrodenmembranfolien-Klebewalze betrieben wird, dass die Elektrodenmembranfolien-Klebewalze eine Drehbewegung an einem Kontaktpunkt ausführt, an dem die Elektrodenmembranfolie die erste Teildichtungsfolien-Klebewalze berührt, und dann eine lineare Bewegung an einem Punkt ausführt, an dem die Elektrodenmembranfolie die erste Teildichtungsfolien-Klebewalze nicht berührt.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Elektrodenmembranfolien-Klebewalze und die erste Teildichtungsfolien-Klebewalze an Positionen angeordnet sind, dass ein Winkel, der durch eine gerade Linie, die den Kontaktpunkt umfasst, an dem die Drehbewegung ausgeführt wird, und eine gerade Linie auf einem Weg der linearen Bewegung gebildet ist, kleiner als etwa 90° ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Gewicht der Elektrodenmembranfolien-Klebewalze geringer ist als ein Gewicht der ersten Teildichtungsfolien-Klebewalze.