DE112004002237B4

DE112004002237B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE112004002237B4
Application number: DE112004002237T
Authority: DE
Inventors: Akira Yokohama Fujiki; Yukihiro Yokohama Maekawa; Takeharu Yokohama Kuramochi; Masahiko Ayase Katsu; Takayuki Yokohama Hirao; Takeshi Shimizu; Masanori Yokohama Iwamoto; Sadao Kawasaki Miki; Haruhiko Zama Suzuki; Yoshiki Zama Muto; Kaoru Eguchi; Masahiro Yokohama Omata; Hiroshi Yokohama Saitou
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-11-20
Filing date: 2004-10-28
Publication date: 2010-03-11
Anticipated expiration: 2024-10-29
Also published as: KR100772770B1; WO2005050771A1; US7981572B2; US8247137B2; DE112004002237T5; KR20060108667A; US20070271770A1; US20110236801A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle mit einer Elektrolytmembrane (105), die zwischen einem Paar von Separator/GDL-Zusammenbauten (102) gehalten wird, in denen mit Katalysatorschichten versehene Elektroden gebildet sind, gekennzeichnet durch:
einen ersten Vorgang zum Anordnen eines Paars von Separator/GDL-Zusammenbauten (102), so dass sie einander mit einem vorgegebenen Spalt dazwischen gegenüberliegen; und
einen zweiten Vorgang, der bewirkt, dass die Elektrolytmembran (105) durch das Anwenden eines Förderluftstroms auf beide Seiten der Elektrolytmembran (105) in den vorgegebenen Spalt eintritt.

Description

ANWENDUNGSGEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle und die Herstellung eines Brennstoffzellenstapels.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
JP 2001-057226 A , veröffentlicht durch das japanische Patentamt in 2001, offenbart eine Brennstoffzelle und ein Brennstoffzellenstapel-Herstellungsverfahren, das ein zylindrisches Zwischenanpassungsstück verwendet. In diesem Verfahren werden in Membranenelektrodenaufbauten (MEA) und Separatoren Durchgangsöffnungen gebildet, und die Membranelektrodenaufbauten (MEA) und die Separatoren sind abwechselnd gestapelt, während das zylindrische Zwischenanpassungsstück durch die Durchgangsöffnungen hindurchgeführt wird, wodurch eine Brennstoffzelle erlangt wird. Ferner kann, nach der Herstellung von vielfachen Brennstoffzellen, ein Schaft durch die Zwischenanpassungsstücke hindurchgeführt werden, um dadurch den Brennstoffzellenstapel, in dem die vielfachen Brennstoffzellen gestapelt sind, zu erlangen.
JP 2001-236971 A , veröffentlicht durch das japanische Patentamt in 2001, offenbart ein Verfahren, in dem, während der MEA als eine Folie/Lage gebildet ist, ein erster Separator und ein zweiter Separator mit einem vorgegebenen Abstand auf der Folie/Lage angeordnet werden, und die Brennstoffzellen sukzessive hergestellt werden, während diese Lagen ausgegeben werden. In diesem Produktionsverfahren wird jede der Lagen so ausgegeben, dass der MEA und der erste Separator, und der MEA und der zweite Separator jeweils gestapelt werden, und diese Lagen werden in einer vorgegebenen Position von außen thermisch zusammengedrückt. Als Ergebnis werden der erste Separator und der zweite Separator durch Druck an dem MEA angebracht, um dadurch nacheinander die Brennstoffzellen zu erlangen.
JP 2003-163011 A , veröffentlicht durch das japanische Patentamt in 2003, offenbart ein MEA-Herstellungsverfahren in dem, während eine filmähnliche Elektrolytmembrane ausgegeben wird, Elektrodenmaterialpulver in dem Zwischenraum von einer Trommel an die Elektrolytmembrane übertragen wird, wodurch der MEA hergestellt wird.
JP 2003 086 230 AA beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels, bei dem die Stapelmaterialien in vorgegebener Reihenfolge in einem Führungskasten gestapelt und laminiert werden. Hierbei werden die Stapelmaterialien mit Hilfe eines Hydraulikstempels zusammengedrückt und zu einem Stapel integriert.
EP 1 341 252 A1 beschreibt ein Verfahren zur Isolierung, Komprimierung und zum Erhalt einer Struktur einer Brennstoffzellenanordnung.
JP 08007915 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer kleinen Brennstoffzelle mit einfacher Konstruktion, die sehr leicht eingebaut werden kann.
JP 2001 236971 A beschreibt ein Verfahren zum Herstellen einer Polymer-Brennstoffzelle. Diese Schrift lehrt eine Adhäsionsschicht auf einer Oberfläche eines Separators zu bilden, um eine Separatoranordung zu bilden. Ferner wird beschrieben, dass eine Membranelektrodenanordnung mit einer Gasdiffusionsschicht durch ein Paar von Separatoranordnungen befestigt wird, durch heißes Pressen auf der Außenseite der Separatoranordnungen.
GB 2 023 063 A beschreibt ein Verfahren, bei dem flache Bauteile mittels eines Paares von Förderdüsen gefördert werden. Mittels des Verfahrens sollen gefaltete Tüten oder Taschen über ein Paar von Förderdüsen unter Einwirkung eines Förderluftstromes befördert werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In dem Produktionsverfahren gemäß JP 2001-057226 A ist es notwendig, die Durchgangsöffnungen in den MEAs im Voraus zu bilden, und der Vorgang des Bildens der Durchgangsöffnungen bringt hohe Kosten mit sich. Ferner ist ein wirksames Gebiet der Brennstoffzellen durch die Durchgangsöffnungen verringert.
Die Herstellungsverfahren von JP 2001-236971 A und JP 2003-163011 A sind nur für die Herstellung von Brennstoffzelleneinheiten ausgelegt, und nicht auf die Herstellung von Brennstoffzellenstapeln anwendbar. Ferner wird zusätzlich zum Ausgeben der Elektrolytmembrane eine Anzahl von Rollen, die synchron miteinander rotieren, in diesen Verfahren verwendet, mit dem Ergebnis, dass eine Rotationssteuervorrichtung für diese Rollen hohe Kosten mit sich bringt. Ferner gibt es, wenn die Elektrolytmembrane durch die Verwendung der Rollen zugeführt wird, eine Befürchtung, dass die Oberfläche der Elektrolytmembrane fehlerhaft oder mit Fremdstoffen behaftet wird.
Es ist daher eine Aufgabe dieser Erfindung, eine Brennstoffzelle zu niedrigen Kosten herzustellen.
Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es, die Erzeugung eines Defektes oder das Anhaften von Fremdstoffen zu verhindern, wenn eine Elektrolytmembrane in Form eines Films oder einer Lage/Folie zugeführt wird.
Um die oben genannten Aufgaben zu erfüllen, ist ein Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels, der mannigfaltige Stapelmaterialien enthält, die in einer vorgegebenen Reihenfolge gestapelt sind, vorgesehen. Beschrieben wird ein Vorgang zum Stapeln der Stapelmaterialien in der vorgegebenen Reihenfolge in einem Führungskasten durch das Zwischenfügen eines Klebstoffes, der durch Erwärmen verfestigt wird, und einen Vorgang zur Integration der Stapelmaterialien durch Erwärmen und Zusammenpressen der in dem Führungskasten gestapelten Materialien.
Ferner beschrieben wird eine Vorrichtung zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels, der vielfältige Stapelmaterialien umfasst, die in einer vorgegebenen Reihenfolge gestapelt sind. Die Vorrichtung umfasst einen Führungskasten, der die Stapelmaterialien in einer vorgegebenen Reihenfolge in dem Führungskasten durch Zwischenfügen eines Klebstoffes, der durch Erwärmen verfestigt wird, stapelt, und einen Mechanismus zum Erwärmen und Zusammendrücken der in dem Führungskasten gestapelten Stapelmaterialien.
Die Erfindung sieht ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle vor, die eine Elektrolytmembrane aufweist, die zwischen einem Paar von Separatoren gehalten wird. Das Herstellungsverfahren umfasst einen Separatoranordnungsvorgang, der bewirkt, dass das Paar von Separatoren sich mit einem vorgegebenen Spalt dazwischen gegenüberliegt, und einen Elektrolytmembraneneindringvorgang, der bewirkt, dass die Elektrolytmembrane in den Spalt eintritt, indem ein Förderluftstrom auf beide Seiten der Elektrolytmembrane aufgebracht wird.
Weiterhin sieht diese Erfindung eine Vorrichtung zur Herstellung einer Brennstoffzelle vor, die eine Elektrolytmembrane aufweist, die zwischen einem Paar von Separatoren gehalten ist. Das Herstellungsverfahren umfasst ein Separatorfördermittel, das bewirkt, dass das Paar von Separatoren sich mit einem vorgegebenen Spalte dazwischen gegenüberliegt, und ein Paar von Förderdüsen, die bewirken, dass die Elektrolytmembrane durch das Aufbringen eines Förderluftstroms auf beide Seiten der Elektrolytmembrane in den Spalt eintritt.
Die Details, wie auch andere Merkmale und Vorteile dieser Erfindung, werden im Weiteren dieser Spezifikation ausgeführt und werden in der begleitenden Zeichnung gezeigt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Längsquerschnittansicht einer Brennstoffzellenstapel herstellenden Vorrichtung.
2 ist eine schematische Rückansicht der Brennstoffzellenstapel herstellenden Vorrichtung.
3 ist eine schematische Seitenansicht der Brennstoffzellenstapel herstellenden Vorrichtung.
4 ist eine Längsquerschnittansicht eines Hauptbereichs eines Brennstoffzellenstapels, der von der Brennstoffzellenstapel herstellenden Vorrichtung hergestellt ist.
5 ist eine schematische Längsquerschnittansicht der Brennstoffzellenstapel herstellenden Vorrichtung, die einen Endseparator-Stapelbetrieb veranschaulicht.
6 ist eine schematische Längsquerschnittansicht der Brennstoffzellenstapel herstellenden Vorrichtung, die einen MEA-Stapelbetrieb veranschaulicht.
7 ist eine schematische Längsquerschnittansicht der Brennstoffzellenstapel herstellenden Vorrichtung, die einen Zwischenseparator-Stapelbetrieb veranschaulicht.
8 ist eine schematische Längsquerschnittansicht der Brennstoffzellenstapel herstellenden Vorrichtung, die eine Heisspresse veranschaulicht.
9 ist eine schematische Längsquerschnittansicht einer Brennstoffzelle herstellenden Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung.
10 ist eine vergrößerte Ansicht eines Hauptbereichs von 9.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Bezugnehmend auf 4 der Zeichnung wird ein Brennstoffzellenstapel 1, der von einer Brennstoffzellenstapel herstellenden Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel hergestellt ist, beschrieben.
Der Brennstoffzellenstapel 1 ist mit Membranelektrodenaufbauten (MEA) 2 versehen, von denen jeder durch das Beschichten beider Seiten einer festen Polymerelektrolytmembrane 3 mit Katalysatorschichten 13, die eine Anode und eine Kathode ausmachen, und durch das Bedecken der Katalysatorschichten 13 mit Gasdiffusionsschichten (GDL) 4 gebildet ist.
Die feste Polymerelektrolytmembrane 3 wird durch einen Perfluor-Ethylen-Sulfonat-Harzfilm gebildet. Die Katalysatorschichten 13 sind hauptsächlich aus Platin gebildet und werden dazu verwendet, zentrale Gebiete der festen Polymerelektrolytmembrane 3 zu beschichten.
Die GDLs 4 werden aus einem Kohlenstofftuch oder einem Kohlenstoffpapier, das einer Wasserabweisungsbehandlung unterzogen worden ist, gebildet, und werden auf den inneren Seiten der Rahmen 4B angebracht. Die GDLs 4 werden fest an der festen Polymerelektrolytmembrane 3 angebracht, sodass sie die Katalysatorschichten 13 durch einen Befestigungseffekt, der durch eine Elektrolytlösung oder durch eine partielle thermische Adhäsion durch einen aushärtbaren Klebstoff erzielt wird, bedecken. In der folgenden Beschreibung wird auf die die Anode bedeckende GDL 4 als die Anodenseite-GDL 4, und die die Kathode bedeckende GDL 4 als die Kathodenseite-GDL 4 Bezug genommen.
Die MEAs 2 sind abwechselnd mit den Separatoren 5A, 5B oder 6 gestapelt.
Die Separatoren 6 sind Zwischenseparatoren, die zwischen den MEAs 2 bestehen, und die Separatoren 5A und 5B sind Endseparatoren, die jeweils an beiden Enden des Brennstoffzellenstapels 1 angeordnet sind.
Jeder Zwischenseparator 6 hat einen nutenähnlichen Anodengaspfad 10A, der der Anodenseite-GDL 4 der MEA 2 gegenüberliegt, und einen nutenähnlichen Kathodengaspfad 10B, der der Kathodenseite-GDL 4 des angrenzenden MEA 2 gegenüberliegt. Der Endseparator 5A hat nur den Kathodengaspfad 10A, und der Endseparator 5B hat nur den Kathodengaspfad 10B. Die Separatoren 5A, 5B und 6 werden durch Formpressen einer Mischung von Graphitpulver und Kunststoffpulver durch Warmpressen unter Verwendung einer Form, oder durch Druckformen einer Ausdehnungsgraphitfolie gebildet. Es ist auch möglich, die Separatoren 5A, 5B und 6 aus einem Metallmaterial zu bilden. Durch die Verwendung eines Metallmaterials ist es möglich, wünschenswerte Effekte der Reduzierung des elektrischen Widerstands, der Verringerung der Gaspermeabilität, der Verbesserung der mechanischen Festigkeit und der Reduzierung der Dicke zu erzielen. Da jedoch die Separatoren sowohl einer oxidierenden Atmosphäre wie einer reduzierenden Atmosphäre ausgesetzt sind, ist es notwendig, die Korrosionsbeständigkeit durch die Verwendung eines korrosionsbeständigen Metalls oder durch eine Oberflächenbehandlung, wie galvanischen Metallüberzug, sicherzustellen. Die Separatoren 5A, 5B und 6 sind an den GDLs 4 mittels Verwendung eines Klebstoffes 7 angebracht. Der Klebstoff 7 enthält als eine Hauptkomponente ein wärmeaushärtbares Harz vom Phenoltyp oder Epoxidtyp, und das Anhaften der Separatoren 5A, 5B und 6 an die GDLs 4 wird durch Heisspressen bewirkt.
Ein wasserstoffreiches Gas wird dem Anodengaspfad 10A der Separatoren 5A und 6 zugeführt. Luft wird dem Kathodengaspfad 10B der Separatoren 5B und 6 zugeführt. Dichtungsnuten 15 sind in der äußeren Peripherie der Separatoren 5A, 5B und 6 gebildet. Dichtungselemente verzeihen sind in den Dichtungsnuten 15 angeordnet. Die Dichtungselemente 14 sind mit den Rahmen 4B der GDLs 4 in Kontakt, wodurch Gasleckage aus dem Anodengaspfad 10A und dem Kathodengaspfad 10B verhindert wird.
Auf diese Weise wird der Brennstoffzellenstapel 1 durch abwechselndes Stapeln einer vorgegebenen Anzahl von MEAs 2 und Zwischenseparatoren 6 zwischen den Separatoren 5A und 5B gebildet. Ferner werden diese gestapelten Komponenten in der Stapelrichtung durch Bolzen und Muttern über die Endplatten zusammengeschraubt.
Als nächstes wird eine Vorrichtung zur Herstellung des obigen Brennstoffzellenstapels 1 beschrieben.
Bezugnehmend auf 1, ist die Brennstoffzellen herstellende Vorrichtung aus einer in einem Kasten 25 gebildeten Stapelmaterialversorgungseinheit 20 und einer Stapelbildungseinheit 24, die sich außerhalb des Kastens 25 befindet, zusammengesetzt.
Die Stapelmaterialversorgungseinheit 20 ist mit einer Zwischenseparatorversorgungseinheit 21, einer Endseparatorversorgungseinheit 22 und einer MEA-Versorgungseinheit 23 ausgerüstet.
Die Zwischenseparatorversorgungseinheit 21 ist mit einer Kassette 21A ausgerüstet, die Zwischenseparatoren 6 speichert. Die Kassette 21A wird in den Kasten 25 über eine Gleitschiene durch eine Öffnung, die in der rückwärtigen Oberfläche des Kastens 25, wie in 2 gezeigt, gebildet ist, eingebracht. Ein Griff 21B zum Einsetzen und Herausnehmen ist an der Kassette 21A angebracht. Die Kassette 21A hat an ihrem Boden einen Träger 21D, der durch eine Feder 21C nach oben getrieben wird. Die Zwischenseparatoren 6 werden auf dem Träger 21 einer auf den anderen gelegt, und der oberste Zwischenseparator ist mit einem Anschlag 21E, der an dem oberen Bereich der Kassette 21A angebracht ist, in Kontakt. Die Zwischenseparatorversorgungseinheit 21 ist mit einer Ausgabewalze 21F zum Ausgeben des obersten Zwischenseparators 6 ausgerüstet. Die Kassette 21A hat eine Öffnung zum Ausgeben des obersten Zwischenseparators 6 aus der Kassette 21A, wenn die Ausgabewalze 21F rotiert.
Die Zwischenseparatorversorgungseinheit 21 hat vor der Öffnung der Kassette 21A ein Paar von Ladungswalzen 30A und ein Paar von lichtempfindlichen Trommeln 31A.
Die Ladungswalze 30A überträgt auf den durch die Ausgabewalze 21F ausgegebenen Zwischenseparator 6 über Koronaentladung entsprechend eines von außen gelieferten Hochspannungsstroms positive Ladung. Das Paar lichtempfindlicher Trommeln 31A sind Harztrommeln, deren Oberflächen mit amorphem Selen oder Zinkoxid beschichtet sind, und die jeweils mit den Ladungswalzen 32A in Kontakt sind. Die Ladungswalzen 32A übertragen negative Ladung über Koronaentladung auf die lichtempfindlichen Trommeln 31A entsprechend eines von außen gelieferten Hochspannungsstroms.
Die Zwischenseparatorversorgungseinheit 21 ist mit einem Paar von Laseroszillatoren 35A, die den lichtempfindlichen Trommeln 31A gegenüberliegen, ausgerüstet. Die Laseroszillatoren 35A führen mit Laserstrahlen, die durch optische Linsen hindurchgeführt sind, in den Richtungen der Rotationsachsen der lichtempfindlichen Trommeln 31A ein Scannen aus. Wenn, während das Scannen mit den Laserstrahlen durchgeführt wird, die lichtempfindlichen Trommeln 31A rotiert werden, geht die Ladung auf der Oberfläche der lichtempfindlichen Trommeln 31A, die dem Scannen unterzogen worden sind, verloren. Ferner ist es durch Blitzsteuerung der Laserstrahlen möglich, ladungsfreie Bereiche in einem willkürlichen Muster auf den Oberflächen der lichtempfindlichen Trommeln 31A zu bilden.
Diese Kombination der Laseroszillatoren 35 und der lichtempfindlichen Trommeln 31A ist als Laserscannereinheit wohlbekannt. In der Brennstoffzellenstapel herstellenden Vorrichtung werden ladungsfreie Bereiche in Positionen gebildet, wo der Klebstoff 7 anhaftet, mit Ausnahme des Anodengaspfades 10A und des Kathodengaspfades 10B.
Die Zwischenseparatorversorgungseinheit 21 ist mit Pulverwalzen 33A, die mit den lichtempfindlichen Trommeln 31A in Kontakt gehalten werden, ausgestattet. Die Pulverwalzen 33A sind mit Pulverbehältern 34A, die negativ geladenes aushärtbares Klebstoffpulver speichern, versehen, und bewirken, dass aushärtbares Klebstoffpulver an den ladungsfreien Bereichen der lichtempfindlichen Trommeln 31A anhaftet, während diese rotieren. Die übrigen Bereiche der Oberflächen der lichtempfindlichen Trommeln 31A sind negativ geladen, sodass kein aushärtbares Klebstoffpulver, das auch negativ geladen ist, daran anhaftet.
Wenn die lichtempfindlichen Trommeln 31A, an deren ladungsfreien Bereichen aushärtbares Klebstoffpulver anhaftet, mit dem Zwischenseparator 6, der positiv geladen ist, in Kontakt kommen, haftet das negativ geladene aushärtbare Klebstoffpulver an der Oberfläche des Zwischenseparators 6. Auf diese Weise haftet aushärtbares Klebstoffpulver an der Oberfläche des Zwischenseparators 6 in einem vorgegebenen Muster. Wie in 3 gezeigt, sind für die Versorgung der Pulverbehälter 34A mit aushärtbarem Klebstoffpulver in einer Seitenfläche des Kastens 25 Klebstoffpulverversorgungsöffnungen 38 gebildet, die geschlossen werden können.
Die Zwischenseparatorversorgungseinheit 21 befördert den Zwischenseparator 6 mit darauf anhaftenden aushärtbaren Klebstoffpulver mittels eines Förderbandes 36A, und gibt ihn durch einen Spalt zwischen einem Paar von Entladungswalzen 37A, die in einer Öffnung des Gehäuses 35 gegenüber der Stapelbildungseinheit 24 eingebaut sind, an die Stapelbildungseinheit 24 aus.
Die MEA-Versorgungseinheit 23 liegt direkt unterhalb der Zwischenseparatorversorgungseinheit 21. Die MEA-Versorgungseinheit 23 ist mit einer Kassette 23A, die die MEAs 2 speichert, ausgerüstet. Die Kassette 23A ist im wesentlichen von derselben Bauart wie die Kassette 21A, und ist mit einem Griff 23B, einer Feder 23C, einem Träger 23D, einem Anschlag 23E und einer Ausgabewalze 23F ausgerüstet. Die Kassette 23A ist ferner mit einem Befeuchter 26 ausgerüstet. Der Befeuchter 26 verdampft Wasser, das von einer in der rückseitigen Oberfläche des Kastens 25 vorgesehenen Wassereinlassöffnung 26A, in 2 gezeigt, geliefert wird, und liefert Dampf an den MEA 2, der in der obersten Position in der Kassette 23A liegt, wodurch der MEA 2 in einen wünschenswerten befeuchteten Zustand versetzt ist.
Die MEA-Versorgungseinheit 23 gibt den durch den Befeuchter 26 befeuchteten MEA 2 durch die Ausgabewalze 23F an die Aussenumgebung der Kassette 23A aus. Die MEA-Versorgungseinheit 23 hat vor der Kassette 23A ein Paar von Ausgabewalzen 27 und ein Förderband 28, das um die Ausgabewalze 27 herumgewickelt ist. Der durch die Ausgabewalze 27 und das Förderband 28 beförderte MEA 2 wird durch einen Spalt zwischen den Ausgabewalzen 37A und 37B, die in der Öffnung des Kastens 25 gegenüber der Stapelbildungseinheit 24 eingebaut sind, an die Stapelbildungseinheit 24 ausgegeben.
Die Endseparatorversorgungseinheit 22 liegt direkt unterhalb der MEA-Versorgungseinheit 23. Die Bauweise der Endseparatorversorgungseinheit 22 ist die gleiche wie die der Zwischenseparatorversorgungseinheit 21. Somit hat sie eine Kassette 22A, die mit einem Griff 22A, einer Feder 22C, einem Träger 22D, einem Anschlag 22E und einer Ausgabewalze 22F ausgerüstet ist. Die Endseparatoren 5A und 5B sind abwechselnd in der Kassette 22A gespeichert. Ferner ist die Endseparatorversorgungseinheit 22, damit aushärtbares Klebstoffpulver an den Oberflächen der Endseparatoren 5A und 5B in einem vorgegebenen Muster anhaften kann, mit einem Paar von Ladungswalzen 30B, einem Paar von lichtempfindlichen Trommeln 31B, einem Paar von Ladungswalzen 32B, einem Paar von Laserstrahlern 35B und einem Paar von Pulverwalzen 33B, die mit Pulverbehältern 34B ausgerüstet sind, ausgerüstet. Von diesen in Paaren angeordneten Komponenten, werden die auf der oberen Seite liegenden für die Endseparatoren 5B verwendet, und die auf der unteren Seite liegenden werden für die Endseparatoren 5A verwendet.
Die Endseparatorversorgungseinheit 22 ist mit einem Förderband 36B zum Ausgeben von Endseparatoren 5A und 5B mit darauf anhaftendem aushärtbarem Klebstoffpulver ausgerüstet.
Der durch das Förderband 36B beförderte Endseparator 5A oder 5B wird an die Stapelbildungseinheit 24 durch einen Spalt zwischen einem Paar von Entladungswalzen 37B, die in der Öffnung des Kastens 25 gegenüber der Stapelbildungseinheit 24 eingebaut sind, ausgegeben. In der folgenden Beschreibung wird auf den Zwischenseparator 6, den MEA 2 und die Endseparatoren 5A und 5B, die von der Öffnung des Gehäuses 25 ausgegeben werden, im Allgemeinen als auf die Stapelmaterialien Bezug genommen.
Die Stapelbildungseinheit 24 ist mit einem Führungskasten 40, in dem die aus dem Gehäuse 25 in einer vorgegebenen Reihenfolge ausgegebenen Stapelmaterialien in der dargelegten Reihenfolge gestapelt sind, einem Hebe/Senk-Tisch 41, der durch eine Hebe/Senk-Vorrichtung 42, die am Boden des Führungskastens 40 vorgesehen ist, veranlasst wird, angehoben und gesenkt zu werden, und einer Presse 43, die, wenn der Betrag von Stapelmaterialien in dem Führungskasten 40 einen vorgegebenen Betrag erreicht, mit dem Hebe/Senk-Tisch 41 zusammenwirkt, um auf die Stapelmaterialien eine zusammendrückende Kraft auszuüben, ausgerüstet.
Der Führungskasten 40 ist aus einem Positionierungsvorsprung 40A, der ausgelegt ist, die vordere Kante eines von dem Gehäuse 25 ausgegeben Stapelmaterials anstoßen zu lassen, um daran die Positionierung zu bewirken, einem Kastenbereich 40B mit einem rechtwinkligen horizontalen Profil, auf dessen einer Seite sich der Positionierungsvorsprung 40A befindet, und Heizern 40C, die in dem Kastenbereich 40B vorgesehen sind, zusammengesetzt. Die Stapelmaterialien, deren vordere Kanten an den Positionierungsvorsprung 40A anstoßen, sind sequenziell in dem Kastenbereich 40B gestapelt, und werden durch die Presse 43 zusammengedrückt während sie durch die Heizer 40C erwärmt werden, um sie so zu einer Einheit zu machen.
In dem anfänglichen Stadium des Stapelvorgangs ist der Hebe/Senk-Tisch 41 in der angehobenen Position und, während das Stapeln der Stapelmaterialien voranschreitet, wird er jedes Mal um einen zu steuernden Weg entsprechend der Dicke eines Stapelmaterials abgesenkt, um so das obere Ende der gestapelten Stapelmaterialien konstant auf derselben Höhe zu halten. Die Hebe/Senk-Vorrichtung ist aus einer Hebe/Senk-Stange 42B, die den Hebe/Senk-Tisch 41 abstützt, einem mit der Hebe/Senk-Stange 42B integrierten Ständer 42A, einem Ritzel 42C, das mit dem Ständer 42A im Eingriff ist, und einem elektrischen Motor 42D, der ausgelegt ist das Ritzel 42C zu rotieren und an einem Gestell 42E angebracht ist, zusammengesetzt. Wenn der elektrische Motor 42D das Ritzel 42C rotiert, macht das mit den Ritzel 42C in Eingriff stehende Gestell 42A eine relative Verlagerung in einer vertikalen Richtung zusammen mit der Hebe/Senk-Stange 42B bezüglich des Ständers 42E, mit dem Ergebnis, dass der Hebe/Senk-Tisch 41 sich anhebt oder sich absenkt. Es ist auch möglich als Hebe/Senk-Vorrichtung 42 einen schraubenartigen Hebe/Senk-Mechanismus oder einen Hebe/Senk-Mechanismus, der einen linearen Zylinder verwendet, zu verwenden.
Die Presse 43 ist mit einem Pressenkopf 43B, der ausgelegt ist, sich anzuheben und sich abzusenken, wenn ein Luftzylinder 43 ausfährt und sich zusammenzieht, ausgerüstet. Der Pressenkopf 43B ist mit einer rechtwinkligen Pressfläche, die in das Innere des Führungskastens 40 einzupassen ist, ausgerüstet.
Der Brennstoffzellenstapel 1, dessen Stapelung durch den Pressenkopf 43B und die Heizer 43C abgeschlossen worden ist, wird durch den Hebebetrieb des Hebe/Senk-Tisches 41 aus dem Führungskasten 40 herausgeholt. In diesem Vorgang wird, damit der angehobene Brennstoffzellenstapel 1 und der Pressenkopf 43B sich nicht gegenseitig stören, die Hebeposition des Pressenkopfes 43B so eingestellt, und ferner der Hubweg so eingestellt, dass die zusammengedrückte Position des gestapelten Körpers berücksichtigt wird.
Als nächstes wird, mit Bezug auf 5 bis 8, ein Brennstoffzellenstapel-Herstellungsvorgang durch die Brennstoffzellenstapel herstellende Vorrichtung beschrieben. Vor dem Herstellungsvorgang werden Zwischenseparatoren 6, MEAs 2 und Endseparatoren 5A und 5B vorher in den Kassetten 21A bis 23A gespeichert, und die Ladungswalzen 30A, 30B, 32A und 32B und das aushärtbare Klebstoffpulver werden vorher positiv oder negativ geladen. In der Stapelbildungseinheit 24 werden der Hebe/Senk-Tisch 41 und der Pressenkopf 43B beide in der angehobenen Position gehalten. Die Dichtungselemente 14 werden vorher in die Dichtungsnuten 15 der jeweiligen Stapelmaterialien eingepasst. In der MEA-Versorgungseinheit 23 wird der MEA 2 durch die Befeuchter 26 angemessen befeuchtet.
Bezugnehmend auf 5 betätigt die Brennstoffzellenstapel herstellende Vorrichtung zuerst die Endseparatorversorgungseinheit 22, und betätigt die Ausgabewalze 22F, um den Endseparator 5B in die Position zwischen dem Paar von Ladungswalzen 30B auszugeben, wobei die Oberfläche des Endseparators 6B durch die Ladungswalze 30B positiv geladen wird. Auf der anderen Seite wird an den lichtempfindlichen Trommeln 31B bewirkt, dass aushärtbares Klebstoffpulver durch die Ladungswalzen 32B, die Lasersender 35B und die Pulverwalzen 33B an den Oberflächen der Trommeln in einem vorgegebenen Muster anhaftet.
Hier ist es, wie in 4 gezeigt, nur die obere Oberfläche des Endseparators 5B, die mit dem MEA 2 verbunden wird. Somit betätigt, bezüglich des Endseparators 5B, die Endseparatorversorgungseinheit 22 von den Ladungswalzen 30B und 32B, den lichtempfindlichen Trommeln 31B, den Pulverwalzen 33B und den Lasersendern 35B, die in Paaren vorgesehen sind, nur die auf der oberen Seite gelegenen, wodurch bewirkt wird, dass das aushärtbare Klebstoffpulver nur auf der oberen Oberfläche des Endseparators 55 anhaftet. Hier wird bewirkt, dass das aushärtbare Klebstoffpulver an einem durch die Dichtungsnute 15 umgebenen vorgegebenen Gebiet der oberen Oberfläche des Endseparators 5B, mit Ausnahme des Kathodengaspfades 10B, anhaftet.
Nachdem bewirkt worden ist, dass das aushärtbare Klebstoffpulver an den vorgegebenen Bereichen deren oberer Oberfläche und unterer Oberfläche anhaftet, wird der zwischen dem Paar von lichtempfindlichen Trommeln 31B ausgegebene Endseparator 5B durch ein Förderband 36B übertragen und an eine Position über dem Hebe/Senk-Tisch 41 in dem Führungskasten 40 der Stapelbildungseinheit 24 durch den Spalt zwischen dem in der Öffnung des Gehäuses 25 eingebauten Paar von Entladungswalzen 37B ausgegeben. In diesem Zustand stößt der Positionierungsvorsprung 40B an das vordere Ende des Endseparators 5B an, womit die Positionierung des Endseparators 5B bewirkt wird.
Wenn der Endseparator 5B auf den Hebe/Senk-Tisch 41 gesetzt ist, senkt die Hebe/Senk-Vorrichtung 42 den Hebe/Senk-Tisch 41 um einen Weg entsprechend der Dicke des Endseparators 55. Als Ergebnis wird die obere Oberfläche des Endseparators 5B in derselben Höhe abgestützt wie die obere Oberfläche des in der Figur gezeigten Hebe/Senk-Tisches 41.
Bezugnehmend auf 6 betätigt die Brennstoffzellenstapel herstellende Vorrichtung dann die MEA-Versorgungseinheit 23, und betätigt die Ausgabewalze 23F, um den obersten MEA 2 in der Kassette 23A an die äußere Umgebung der Kassette 23A auszugeben. Ferner werden das Paar von Ausgabewalzen 27 und das Förderband 28 betätigt, um den MEA 2 in eine Position über dem Endseparator 5B in dem Führungskasten 40 durch den Spalt zwischen den in der Öffnung des Gehäuses 25 eingebauten Entladungswalzen 37A und 37B auszugeben. In diesem Zustand stößt der Positionierungsvorsprung 40A an das vordere Ende der MEA 2 an, um die Positionierung des MEA 2 zu bewirken.
Wenn der MEA 2 auf den Endseparator 5B gesetzt ist, senkt die Hebe/Senk-Vorrichtung den Hebe/Senk-Tisch 41 um einen Weg entsprechend der Dicke des MEA 2. Als Ergebnis wird die obere Oberfläche des MEA 2 in derselben Höhe abgestützt wie die obere Oberfläche des in der Figur gezeigten Endseparators 5B.
Bezugnehmend auf 7, betätigt die Brennstoffzellenstapel herstellende Vorrichtung dann die Zwischenseparatorversorgungseinheit 21, und betätigt die Ausgabewalze 21F, um den obersten Zwischenseparator 6 in der Kassette 21B in die Position zwischen dem Paar von Ladungswalzen 30A auszugeben, wobei die Oberfläche des Zwischenseparators 6 durch die Ladungswalze 30A positiv geladen wird. Andererseits wird an den lichtempfindlichen Trommeln 31A bewirkt, dass durch die Ladungswalzen 32A, die Lasersender 35A und die Pulverwalzen 33A aushärtbares Klebstoffpulver an den Oberflächen der Trommeln in einem vorgegebenen Muster anhaftet. Wie in 4 gezeigt, sind sowohl die obere Oberfläche wie die unterer Oberfläche des Zwischenseparators 6 mit MEAs 2 verbunden. Somit sind sowohl die obere Oberfläche wie auch die unter Oberfläche des Zwischenseparators 6 positiv geladen und das aushärtbare Klebstoffpulver kann an beiden lichtempfindlichen Trommeln 31A des Paares anhaften.
Als Ergebnis wird, bezüglich des Zwischenseparators 6, der von dem Paar von lichtempfindlichen Trommeln 31A ausgegeben wird, bewirkt, dass aushärtbares Klebstoffpulver an einem vorgegebenen durch die Dichtungsnute 15 umgebenen Gebiet der oberen Oberfläche, mit Ausnahme des Kathodengaspfades 10B, und an einem durch eine Dichtungsnute 15 umgebenen vorgegebenen Gebiet der unteren Oberfläche, mit Ausnahme des Anodengaspfades 10A, anhaftet.
Nachdem derart bewirkt worden ist, dass aushärtbares Klebstoffpulver an den vorgegebenen Bereichen der oberen Oberfläche und der unteren Oberfläche davon anhaftet, wird der Zwischenseparator 6, der von einer Position zwischen dem Paar von lichtempfindlichen Trommeln 31A ausgegeben ist, von dem Förderband 36A befördert, und an eine Position oberhalb des MEA 2 in dem Führungskasten 40 der Stapelbildungseinheit 24 durch den Spalt zwischen dem Paar von Entladungswalzen 37A, die in der Öffnung des Gehäuses 25 eingebaut sind, ausgegeben. In diesem Stadium stößt der Positionierungsvorsprung 40A an das vordere Ende des Zwischenseparators 6 an, um die Positionierung des Zwischenseparators 6 zu bewirken.
Wenn der Zwischenseparator 6 auf den MEA 2 gestellt ist, senkt die Hebe/Senk-Vorrichtung 42 den Hebe/Senk-Tisch 41 um einen Weg ab, der der Dicke des Zwischenseparators 6 entspricht. Als Ergebnis wird die obere Oberfläche des Zwischenseparators 6 in derselben Höhe unterstützt wie die obere Oberfläche des in der Figur gezeigten MEA 2.
Danach führt die Brennstoffzellenstapel produzierende Vorrichtung abwechselnd den Betrieb der in 6 gezeigten MEA-Versorgungsvorrichtung 23 und den Betrieb der in 7 gezeigten Zwischenseparatorversorgungseinheit 21 eine vorgegebene Anzahl von Malen durch, um abwechselnd MEAs 2 und Zwischenseparatoren 6 in dem Führungskasten 40 zu schichten. Jedes Mal wenn eines dieser Stapelmaterialien gestapelt ist, senkt die Hebe/Senk-Vorrichtung 42 den Hebe/Senk-Tisch 41 um einen Weg entsprechend der Dicke des Stapelmaterials ab.
Wenn das Stapeln der MEAs 2 und der Zwischenseparatoren 6, nachdem es eine Anzahl von Malen ausgeführt ist, abgeschlossen ist, betätigt die Brennstoffzellenstapel herstellende Vorrichtung wieder die Endseparatorversorgungseinheit 22. Zu diesem Zeitpunkt ist der Endseparator 5A in der Kassette 22A in der obersten Position untergebracht. Die Brennstoffzellenstapel herstellende Vorrichtung betätigt die Ausgabewalze 22F und gibt den Endseparator 5A an die Position zwischen dem Paar von Ladungswalzen 30B aus, die die Oberfläche des Endseparators 5A durch die Ladungswalzen 30B positiv laden.
An den lichtempfindlichen Trommeln 31B arbeiten die Ladungswalzen 32B, die Lasersender 35B und die Pulverwalzen 33B zusammen, um zu bewirken, dass das aushärtbare Klebstoffpulver an den Oberflächen der Trommel in einem vorgegebenen Muster anhaftet. Wie in 4 gezeigt ist nur die untere Oberfläche die Oberfläche des Endseparators 5A, die mit einem MEA 2 verbunden ist. Somit betätigt, bezüglich des Endseparators 5B, die Endseparatorversorgungseinheit 22 von den Ladungswalzen 30B und 32B, den lichtempfindlichen Trommeln 31B, den Pulverwalzen 33B und den Lasersendern 35B, die in Paaren angeordnet sind, nur die auf der unteren Seite gelegenen Vorrichtungen, wodurch bewirkt wird, dass aushärtbares Klebstoffpulver nur an der unteren Oberfläche des Endseparators 5A anhaftet. Hier wird bewirkt, dass das aushärtbare Klebstoffpulver an einem von der Dichtungsnute 15 umgebenen vorgegebenen Gebiet der unteren Oberfläche des Endseparators 5A, mit Ausnahme des Anodengaspfades 10A, anhaftet.
Der Endseparator 5A mit aushärtbarem Klebstoffpulver, das derart an einem vorgegebenen Bereich der unteren Oberfläche davon anhaftet, wird durch den Spalt zwischen dem Paar von lichtempfindlichen Trommeln 31B ausgegeben, und durch das Förderband 36B befördert, bevor er durch den Spalt zwischen dem Paar von Entladungswalzen 37B an eine Position oberhalb des MEA 2 in dem Führungskasten 40 ausgegeben wird.
Bezugnehmend auf 8, schaltet, wenn alle Stapelmaterialien gestapelt worden sind, die Brennstoffzellenstapel herstellende Vorrichtung die Heizer 40C ein, um die Stapelmaterialien in dem Führungskasten 40 zu erwärmen. Wenn die Stapelmaterialien eine vorgegebene Temperatur erreicht haben, wird der Luftzylinder 43A ausgefahren, und der Pressenkopf 43B wird abgesenkt, um den gestapelten Körper zusammenzudrücken.
Als Ergebnis dieses thermischen Zusammendrückens wird das aushärtbare Klebstoffpulver, das zwischen den gestapelten Körpern gestapelt ist, ausgehärtet und verbindet die gestapelten Körper miteinander, wodurch ein zu einer Einheit gemachter Brennstoffzellenstapel 1 gebildet wird.
Danach zieht die Brennstoffzellenstapel herstellende Vorrichtung den Luftzylinder 43A zusammen, um den Pressenkopf 43B in die angehobene Position zurückzubringen, und treibt gleichzeitig die Hebe/Senk-Vorrichtung 42 an, um den Hebe/Senk-Tisch 41 auf eine Position oberhalb des Führungskastens 40 anzuheben. Der auf die Position oberhalb des Führungskastens 40 angehobene Brennstoffzellenstapel 1 wird von der Stapelbildungseinheit 24 entfernt, und wird in der Stapelrichtung in einer Vorrichtung, die als weitere Einheit bereitgestellt ist, unter Verwendung von Endplatten, Bolzen und Muttern zusammengeschraubt.
Die Brennstoffzellenstapel herstellende Vorrichtung führt den obigen Betrieb wiederholt aus, wodurch nacheinander Brennstoffzellenstapel 1 bereitgestellt werden.
Während das obige Ausführungsbeispiel aushärtbares Klebstoffpulver für das Verbinden der Stapelmaterialien miteinander verwendet, ist es auch möglich einen thermoplastischen Klebstoff an Stelle des aushärtbaren Klebstoffpulvers zu verwenden.
Um die Adsorptionskraft der lichtempfindlichen Trommeln 31 zu verbessern, ist es auch möglich, magnetische Teilchen, Trägersubstanzen/Carrier genannt, in das aushärtbare Klebstoffpulver zu mischen. Abhängig von dem Material der Endseparatoren 5A, 5B und 6 ist es jedoch möglich, dass die magnetischen Teilchen elektrische Erosion erzeugen. Daher hängt es von dem Material der Separatoren 5A, 5B und 6 ab, ob magnetische Teilchen eingemischt werden sollen oder nicht.
Anstatt in der Kassette 23A einen MEA 2 zu speichern, in den eine feste Polymerelektrolytmembrane 3 und eine GDL 4 vorher integriert sind, ist es auch möglich, diese Komponenten einzeln von verschiedenen Kassetten an den Führungskasten 40 zu liefern, um sie durch thermisches Zusammendrücken in der Stapelbildungseinheit 24 zu integrieren.
Obwohl in den Separatoren 5A, 5B und 6 nur die Anodengaspfade 10A und/oder die Kathodengas Pfade 10B gebildet sind, ist es auch möglich Separatoren zu verwenden, in denen Kühlpfade und befeuchtende Wasserpfade gebildet sind.
Gemäß dieser Brennstoffzellenstapel herstellenden Vorrichtung ist es möglich, den Brennstoffzellenstapel 1 zu geringen Kosten herzustellen, während die Positionierung der Stapelmaterialien in dem Führungskasten 40 sorgfältig ausgeführt wird.
Als nächstes wird die Erfindung beschrieben.
Bezugnehmend auf 9, baut eine Brennstoffzellen herstellende Vorrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine Brennstoffzelle zusammen, indem eine Elektrolytmembrane 105, ein Paar von Separatoren 120 und ein Paar von Gasdiffusionsschichten (GDL) 121, die mit Katalysatorschichten beschichtet sind, miteinander integriert werden.
Die Brennstoffzellen herstellende Vorrichtung ist mit einem Paar von Untermontagelinien 101A und 101B zur Integration von Separatoren 120 und GDLs 121 zu Separator/GDL-Zusammenbauten 102, einer Elektrolytmembranenversorgungseinheit 104 zur Anlieferung einer Elektrolytmembrane 105 zwischen dem Paar von Separator/GDL-Zusammenbauten 102 und einer Integrationseinheit 103 zum Halten der Elektrolytmembrane 105 zwischen dem Paar von Separator/GDL-Zusammenbauten 102 und zu deren Integration miteinander, ausgerüstet.
Eine der Anordnungs-Unterlinien 101A und 101B baut den anodenseitigen Separator/GDL-Zusammenbau einer Brennstoffzelle zusammen, und die andere Unterlinie baut den kathodenseitigen Separator/GDL-Zusammenbau 102 der Brennstoffzelle zusammen.
Die Anordnungs-Unterlinien 101A und 101B sind jeweils mit Separatorfördermitteln 118 ausgerüstet. Durch das Ausführen von Verarbeitung an den durch die Separatorfördermittel 118 beförderten Separatoren 120 an GDL-Verbindungsabschnitten 116 und Dichtungseinbauabschnitten 117, werden die Separator/GDL-Zusammenbauten 102 hergestellt. Ferner befördern die Separatorfördermittel 118 die fertig gestellten Separator/GDL-Zusammenbauten 102 zu der Integrationseinheit 103. Separatoren 120 werden mit festgelegten Intervallen an die Separatorfördermittel 118 geliefert.
Die Separatorfördermittel 118 sind mit einer Rückhaltestruktur zum Zurückhalten der Separatoren 120 in vorgegebenen Positionen ausgerüstet. In einer möglichen Rückhaltestruktur sind in den vorderseitigen und rückseitigen Oberflächen der Separatoren 120 Nuten gebildet, und Klammern, die dazu ausgelegt sind, mit diesen Nuten in Eingriff zu kommen, sind auf dem Separatorfördermittel 118 angeordnet. In diesem Fall wird die Lieferung der Separatoren 120 an die Separatorfördermittel 118 ausgeführt, indem die Separatoren 120 von den Seiten in Richtung der Mitte der Separatorfördermittel 118 geschoben werden, während die Klammern der Separatorfördermittel 118 in die Nuten der Separatoren 120 eintreten können. Das Entfernen der fertig gestellten Brennstoffzelle von den Separatorfördermitteln wird ausgeführt, indem die Separatoren 120 in Richtung der Seiten der Separatorfördermittel 118 geschoben werden.
Es sollte angemerkt sein, dass 9 eine abstrakte Darstellung der Brennstoffzellen herstellenden Vorrichtung ist und nicht die körperlichen Dimensionen deren Komponenten zeigt. Zum Beispiel ist der Radius der gekrümmten Bereiche der Separatorfördermittel 118 viel größer als der in der Zeichnung dargestellte. Ferner ist der Krümmungswinkel nicht auf 180 Grad beschränkt.
Die Anordnungs-Unterlinien 101A und 101B sind jeweils mit Spannvorrichtungen 122 an den GDL-Verbindungsabschnitten 116 und den Dichtungseinbauabschnitten 117 ausgerüstet. Die Spannvorrichtungen 122 der GDL-Verbindungsabschnitte 116 ergreifen die GDLs 121, und verbinden die GDLs 121 mit den Separatoren 120, die mit den Separatorfördermitteln 118 befördert werden. Klebstoff wird vorher auf die mit den GDLs 121 zu verbindenden Oberflächen der Separatoren 120 aufgebracht, und, als Ergebnis dieses Betriebes, sind die Separatoren 120 und die GDLs 121 integriert. Andererseits werden die Oberflächen der GDLs 121, die den Spannvorrichtungen 122 gegenüberliegen im Voraus durch Aufbringen eines Elektrolyten, der einen Katalysator enthält, der die Anoden oder Kathoden ausmacht, beschichtet.
Die Spannvorrichtungen 122 der Dichtungseinbauabschnitte 117 ergreifen die Dichtungselemente 123. Klebstoff ist auf die Dichtungselemente 123 im Voraus aufgebracht. Die Spannvorrichtungen 122, die an der äußeren Seite der GDLs 121 liegen, verbinden die Dichtungselemente 123 mit den Separatoren 120, die durch die Separatorfördermitteln 118 befördert werden.
Die Separatorfördermitteln 118 befördern ein Paar von Separator/GDL-Zusammenbauten 102, die derart in den Anordnungs-Unterlinien 101A und 101B zusammengebaut sind, zu der Integrationseinheit 103 in einem sich gegenüberliegenden Zustand.
Andererseits ist die Elektrolytmembranenversorgungseinheit 104 mit einer Rolle 107 einer Elektrolytmembrane 105, einem Paar von Förderdüsen 109A zum Ausgeben der Elektrolytmembrane 105 aus der Rolle 107 an die Integrationseinheit 103, einem Paar von Richtplatten 109B, einer Saugvorrichtung 110 und einer Trenndüse 108 ausgestattet. Die Rolle 107 wird durch einen Servomotor rotiert.
Die Elektrolytmembrane 105 ist aus einer festen Polymerelektrolytmembrane gebildet und wird als die Rolle 107 an die Brennstoffzellen produzierende Vorrichtung geliefert, wobei ihre Oberfläche durch einen Schutzfilm 106 geschützt ist. Der Schutzfilm 106 verhindert das Auftreten von Problemen durch das gegenseitige Berühren von Bereichen der Elektrolytmembrane 105 miteinander, wenn die Elektrolytmembrane 105 in einer Rollenform aufgerollt ist, und dient dazu, eine Verschlechterung der Elektrolytmembrane 105 während des Beförderns oder der Lagerung durch Feuchtigkeit zu verhindern.
Das Paar von Förderdüsen 109A bläst gegen beide Oberflächen der aus der Rolle 107 heraus gezogenen Elektrolytmembrane 105 Förderluftströme zum Führen der Elektrolytmembrane 105 in Richtung der Integrationseinheit 103. Das Paar von Richtplatten 109B richtet die Förderluftströme in Richtung der Integrationseinheit 103. Die Saugvorrichtung 110 saugt die Förderluftströme, die durch die Integrationseinheit 103 durchgegangen sind, zusammen mit der Elektrolytmembrane 105 an. Als Ergebnis wird die Elektrolytmembrane 105 unter einer angemessenen Spannung gezogen, um die Förderfunktion für die Elektrolytmembrane 105 zu verbessern, und es wird verhindert, dass die Elektrolytmembrane 105 Falten erzeugt, wodurch die Elektrolytmembrane 105 in einer wünschenswerten planen Konfiguration bleibt.
Durch sorgfältiges Steuern der Feuchtigkeit der aus der Förderdüsen 109A geblasenen Förderluftströme ist es möglich, die Elektrolytmembrane 105 an die Integrationseinheit 103 zu liefern während ihr ein wünschenswerter Feuchtigkeitsgehalt erhalten wird.
Die Trenndüse 108 stößt einen Beseitigungsluftstrom in Richtung der Schnittstelle zwischen der Elektrolytmembrane 105 und dem Schutzfilm 106 aus, die von der Rolle 107 durch Rotation des Servomotors und die Luftströme von den Förderdüsen 109A ausgegeben werden, und trennt den Schutzfilm 106 von der Elektrolytmembrane 105. Um das Einführen des Schutzfilm-Beseitigungsluftstroms in die Schnittstelle zwischen der Elektrolytmembrane 105 und dem Schutzfilm 106 zu erleichtern, ist das vordere Ende der Trenndüse 108 so eingestellt, dass sie auf den gekrümmten Bereich der Rolle 107 ausgerichtet ist. Vorzugsweise wird eine geeignete Feuchtigkeitssteuerung auf den Schutzfilm-Beseitigungsluftstrom ausgeübt, um eine Elektrolytmembrane 105 von hoher Qualität an die Integrationseinheit 103 zu liefern.
Wie in der Zeichnung gezeigt, befindet sich der von der Trenndüse 108 ausgestoßene Schutzfilm-Beseitigungsluftstroms in einer Richtung entgegengesetzt zu der Richtung, in welcher die Elektrolytmembrane 105 ausgegeben wird. Somit verleiht der Schutzfilm-Beseitigungsluftstrom der Elektrolytmembrane 105, die an die Integrationseinheit 103 ausgegeben wird, eine angemessene Spannung, wodurch die Erzeugung von Lose verhindert wird.
In der oben beschriebenen Bauart führt die Elektrolytmembranenversorgungseinheit 104 die Elektrolytmembrane 105 nach und nach von der Rolle 107 in Richtung der Integrationseinheit 103 zu. Während der Tätigkeit der Integrationseinheit 103 führt die Elektrolytmembranenversorgungseinheit 104 die Elektrolytmembrane 105 nicht zu. Somit wird das Zuführen der Elektrolytmembrane 105 in Übereinstimmung mit der Tätigkeit der Integrationseinheit 103 intermittierend ausgeführt. Auch in Bezug auf das Paar von Separatorfördermitteln 118, wird das Befördern der Separatoren 120 während der Tätigkeiten der GDL-Verbindungsabschnitte 116, der Dichtungseinbauabschnitte 117 und der Integrationseinheit 103 nicht durchgeführt. In Anbetracht dessen werden die Tätigkeiten der GDL-Verbindungsabschnitte 116, der Dichtungseinbauabschnitte 117 und der Integrationseinheit 103 zueinander synchron ausgeführt.
Die Integrationseinheit 103 verbindet die durch das Paar von Separatorfördermitteln 118 beförderten Separator/GDL- Zusammenbauten zu vorgegebenen Positionen der Elektrolytmembrane 105, die dazwischen befördert wird. Zu diesem Zweck ist die Integrationseinheit 103 mit einer Druckbefestigung-Spannvorrichtung zur Druckbefestigung der Separator/GDL-Zusammenbauten an der Elektrolytmembrane 105 und einem Schneidwerkzeug zum Durchschneiden der Elektrolytmembrane 105 ausgestattet.
Nachdem bewirkt worden ist, dass die Elektrolytmembrane 105 in den Spalt zwischen dem Paar von Separator/GDL-Aufbauten 102 mittels der Elektrolytmembranenversorgungseinheit 104 eintritt, treibt die Integrationseinheit 103 die Druckbefestigung-Spannvorrichtung an, um das Paar von Separtor/GDL-Zusammenbauten 102 an der Elektrolytmembrane 105 über Druck zu befestigen. Ferner wird das Schneidwerkzeug angetrieben, um die Elektrolytmembrane 105 zwischen den Richtplatten 109B und der Integrationseinheit 103 zu zerschneiden. Die Oberflächen der GDLs 121 sind mit Elektrolyt beschichtet, und der Elektrolyt wird durch die Druckkraft der Druckbefestigung-Spannvorrichtung in engen Kontakt mit den Verbindungsoberflächen der GDL 121 und der Elektrolytmembrane 105 gebracht ohne jeglichen Spalt zu lassen, wodurch die Separator/GDL-Zusammenbauten 102 mit der Elektrolytmembrane 105 integriert werden. Es ist auch wünschenswert, zusammen mit der Druckbefestigung-Spannvorrichtung eine Heizvorrichtung vorzusehen.
In dieser Brennstoffzellen herstellenden Vorrichtung wird ein Paar von Separator/GDL-Zusammenbauten 102 in den Anordnungs-Unterlinien 101A und 101B synchron hergestellt, und wird von den Separatorfördermitteln 118 synchron zu der Integrationseinheit 103 befördert. Das Zuführen der Elektrolytmembrane 105 durch die Elektrolytmembranenversorgungseinheit 104 wird im Gleichlauf mit dem Fördern der Separator/GDL-Zusammenbauten 102 durch die Separatorfördermittel 118 ausgeführt. Somit wiederholt die Elektrolytmembranenversorgungseinheit 104 abwechselnd das Zuführen der Elektrolytmembrane 105 für eine Spanne und die Wartestellung während der Verarbeitung an den GDL-Verbindungsabschnitten 116, den Dichtungseinbauabschnitten 117 und der Integrationseinheit 103.
Die Elektrolytmembranenversorgungseinheit 104 stoppt bei Wartestellung den Servomotor, der die Rolle 107 antreibt, und hält die Elektrolytmembrane 105 zurück, wobei ihr vorderes Ende durch die Förderluftströme, die aus den Förderdüsen 109A heraus geblasen werden, leicht aus den Richtplatten 109B in Richtung der Integrationseinheit 103 herausragt. Die Rolle 107 wird durch den Servomotor rotiert, wenn sie die Elektrolytmembrane 105 zuführt. Dann wird die Elektrolytmembrane 105 der Integrationseinheit 103 zugeführt, während sie durch die Förderdüsen 109A und die Saugvorrichtung 110 eine vorgegebene Spannung beibehält. Vorzugsweise wird die Elektrolytmembrane 105 für eine Spanne nicht auf einmal zugeführt, sondern wird intermittierend zwischen die Separator/GDL-Zusammenbauten 102 zugeführt. Die zwischen die Separator/GDL-Zusammenbauten 102 zugeführte Elektrolytmembrane 105 wird bezüglich der Separator/GDL-Zusammenbauten 102 auf beiden Seiten durch die aus den Förderdüsen 109A geblasenen Förderluftströme in einem Nicht-Kontakt-Zustand gehalten, bis die Spannvorrichtung die Separator/GDL-Zusammenbauten 102 durch Druck befestigt.
Nach der vollständigen Einführung der Elektrolytmembrane 105 in den Spalt zwischen den Separator/GDL-Zusammenbauten 102, wie in 10 gezeigt, befestigt die Spannvorrichtung die Separator/GDL-Zusammenbauten 102 an der Elektrolytmembrane 105.
Durch Wiederholung des obigen Vorgangs werden die Brennstoffzellen nacheinander fertig gestellt. Die fertig gestellten Brennstoffzellen werden nacheinander an einen Platz zum Lagern befördert.
Während in diesem Ausführungsbeispiel die Elektrolytmembrane 105 zwischen den Separator/GDL-Zusammenbauten 102 gehalten wird, ist diese Erfindung auch anwendbar auf einem Fall, in dem die Elektrolytmembrane 105 nur zwischen dem Paar von GDLs 121 gehalten wird, wobei die Separatoren 120 ausgeschlossen sind.
Wie oben beschriebenen, wird in dieser Brennstoffzellen herstellenden Vorrichtung die Elektrolytmembrane 105 durch die Förderluftströme, die von den Förderdüsen 109A ausgestoßen werden, zugeführt, sodass es möglich ist, die Erzeugung eines Defektes auf der Elektrolytmembrane 105 und das Anhaften von Fremdstoffen darauf zu verhindern. Ferner verleihen die Förderluftströme der zugeführten Elektrolytmembrane 105 eine angemessene Spannung, um die Erzeugung von Falten in der Elektrolytmembrane 105 zu verhindern. Damit ist es möglich, die Elektrolytmembrane 105 an die Integrationseinheit 103 in einem wünschenswerten Zustand zu liefern.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle mit einer Elektrolytmembrane (105), die zwischen einem Paar von Separator/GDL-Zusammenbauten (102) gehalten wird, in denen mit Katalysatorschichten versehene Elektroden gebildet sind, gekennzeichnet durch: einen ersten Vorgang zum Anordnen eines Paars von Separator/GDL-Zusammenbauten (102), so dass sie einander mit einem vorgegebenen Spalt dazwischen gegenüberliegen; und einen zweiten Vorgang, der bewirkt, dass die Elektrolytmembran (105) durch das Anwenden eines Förderluftstroms auf beide Seiten der Elektrolytmembran (105) in den vorgegebenen Spalt eintritt.
Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch Befestigung einer Gasdiffusionsschicht (121) an einen Separator (120) um jede der Separator/GDL-Zusammenbauten (102) zu bilden.
Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Ansaugen der Elektrolytmembrane (105), die in den Spalt zwischen dem Paar von Separator/GDL-Zusammenbauten (102) eingetreten ist, zusammen mit dem Förderluftstrom.
Herstellungsverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch Korrigieren des Förderluftstroms.
Herstellungsverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet dass der zweite Vorgang umfasst, dass die Elektrolytmembrane (105) intermittierend in den Spalt eintritt.
Herstellungsverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch Einstellen des Förderluftstroms auf eine vorgegebene Feuchtigkeit.
Herstellungsverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolytmembrane (105) mit einem Schutzfilm (106) bedeckt ist, und wobei der zweite Vorgang ein Trennen des Schutzfilms (106) von der Elektrolytmembrane (105) durch Verwendung eines Luftstroms umfasst.
Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolytmembrane (105) als eine Rolle (107) bereitgestellt ist, und der zweite Vorgang ein Herausziehen der Elektrolytmembrane aus der Rolle (107) umfasst, während die Rolle (107) rotiert wird.
Vorrichtung zur Herstellung einer Brennstoffzelle, die eine Elektrolytmembrane (105) aufweist, die zwischen einem Paar von Separator/GDL-Zusammenbauten (102) gehalten ist, in denen mit Katalysatorschichten versehene Elektroden gebildet sind, gekennzeichnet durch: ein Separatorfördermittel (118), das bewirkt, dass das Paar von Separator/GDL-Zusammenbauten (102) einander mit einem vorgegebenen Spalt dazwischen gegenüberliegend angeordnet ist; und ein Paar von Förderdüsen (109A), das bewirkt, dass die Elektrolytmembrane (105) durch Anwendung eines Förderluftstroms auf beide Seiten der Elektrolytmembrane (105) in den vorgegebenen Spalt eintritt.