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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Gerät und ein
Verfahren zum Auftragen einer Paste, die eine wasserabweisende Substanz
mit einem Glasübergangspunkt enthält, und auf
ein Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle.
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2. Beschreibung des zugehörigen
Stands der Technik
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Es
gibt wasserabweisende bzw. hydrophobe Materialien, die Wasser abweisen
(die einen großen Benetzungswinkel haben) und hydrophile
Materialien, die eine Affinität für Wasser haben
(die einen kleinen Benetzungswinkel haben), wobei diese Materialien
in Übereinstimmung mit dem Anwendungsgebiet wahlweise verwendet
werden. Um einem Element, das keine in sich tragende wasserabweisende Eigenschaft
hat, eine wasserabweisende Eigenschaft zu geben, wird auf die Oberfläche
des Elements ein Material aufgetragen, das eine wasserabweisende
Eigenschaft aufzeigt. Beispielsweise wird bei einer Elektrolytmembran,
die in einer Brennstoffzelle der Festelektrolytbauweise vorgesehen
ist, zum Zwecke der Verhinderung des Problems des Flutens durch
Ansammeln von Wasser an der Elektrodenfläche, der Oberfläche
der Elektrode eine wasserabweisende Eigenschaft gegeben, indem die
Oberfläche mit einer wasserabweisenden Substanz beschichtet wird.
Das Geben der wasserabweisenden Eigenschaft auf diese Weise wird
im Allgemeinen durchgeführt, indem beispielsweise eine
Paste, die aus einem wasserabweisenden Pulver oder einer Emulsion gemacht
ist, zur Vorbereitung formuliert und ein zu beschichtendes Element
damit beschichtet oder imprägniert wird, welches ein kohlebasiertes
Papier oder eine Katalysatorschicht ist, die als das Elektrodenelement
der Brennstoffzelle dient. Eine Art einer wasserabweisenden Substanz
hat einen Glasübergangspunkt. Insbesondere wird für
Brennstoffzellen häufig Polytetrafluorethylen (im Weiteren
als „PTFE") verwendet, da dieses eine gute wasserabweisende Eigenschaft
bzw. Hydrophobie aufweist. Die Japanischen Patentanmeldungsschriften
Nr.
JP-A-2002-367617 und
Nr.
JP-A-2001-6699 offenbaren
Verfahren zum Herstellen einer solchen PTFE enthaltenden Elektrode.
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Jedoch
tritt dabei ein solches Problem auf, dass dann, wenn eine solche
Paste wie die vorhergenannten Pasten, die eine wasserabweisende
Substanz mit einem Glasübergangspunkt enthalten, zu einer
Auftragungseinrichtung, beispielsweise einer Auftragungspistole
mittels eines Druckfördergeräts unter Druck gefördert
wird, diese Paste Fasern bilden könnte, wodurch die Auftragung
erschwert wird. Wenn eine wasserabweisende Substanz mit einem Glasübergangspunkt
Fasern bildet, dann wird die Paste tonartig, wodurch nicht nur eine
gleichmäßige Auftragung verhindert wird, sondern
zudem der Antrieb des Druckfördergeräts oder dergleichen
behindert wird.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Gerät und ein Verfahren
zum Auftragen einer Paste, die eine wasserabweisende Substanz mit
einem Glasübergangspunkt enthält, sowie ein Verfahren
zum Herstellen einer Brennstoffzelle.
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Ein
Gerät gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden
Erfindung, das eine Paste aufträgt, die eine wasserabweisende
Substanz mit einem Glasübergangspunkt aufweist, hat eine
Auftragungsvorrichtung, die die Paste auf ein zu beschichtendes
Element aufträgt; eine Druckfördervorrichtung,
die die Paste unter Druck zu der Auftragungsvorrichtung fördert,
und eine Temperaturregelungsvorrichtung, die die Pastentemperatur
auf eine Temperatur regelt, die unterhalb des Glasübergangspunkts
der wasserabweisenden Substanz liegt.
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Das
vorstehend erwähnte Auftragungsgerät führt
die die wasserabweisende Substanz enthaltende Paste durch die Druckfördervorrichtung
und führt deren Auftragung (einschließlich einer
Imprägnierung) in einem Zustand durch, in dem die Temperatur so
geregelt ist, dass sie bei einer Temperatur gehalten wird, die unterhalb
des Glasübergangspunkts der wasserabweisenden Substanz
liegt, wodurch Probleme infolge von Faserbildung verhindert werden,
und zwar selbst dann, wenn die Paste von der Druckfördervorrichtung
eine Scherkraft oder dergleichen erhält. Es ist daher möglich,
eine bessere Wirkung beim Durchführen eines gleichmäßigen
und stabilen Auftragens einer Paste zu erhalten, die eine wasserabweisende
Substanz enthält. Die Temperaturregelungsvorrichtung kann
ungeachtet des Kühlungsverfahrens verwendet werden. Es
ist beispielsweise möglich, ungeachtet deren Arbeitsprinzipien
verschiedene Wärmetauscher unter Verwendung von Kühlmitteln,
etwa Wasser und Chlorfluorkohlenstoffen (CFCs) oder Halbleiterkühlvorrichtungen
zu verwenden, die von dem Peltier-Effekt Gebrauch machen.
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In
dem vorstehend erwähnten Auftragungsgerät kann
als die wasserabweisende Substanz PTFE verwendet werden. Während
PTFE häufig als wasserabweisende Substanz, beispielsweise
als ein Elektrodenmaterial in Brennstoffzellen verwendet wird, hat
PTFE einen Glasübergangspunkt von circa 21°C und
neigt zur Faserbildung und verursacht Probleme wegen der von der
Druckförderrichtung bei Temperaturen, die höher
als die des Glasübergangspunkts liegen, auferlegten Scherkräfte.
Jedoch ist es durch Druckfördern und Auftragen der Paste
mittels einer Druckfördervorrichtung bei einer Temperatur, die
niedriger als circa 21°C liegt, möglich, ein gleichmäßiges,
stabiles Auftragen der Paste durchzuführen, während
die Faserbildung verhindert wird.
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Die
Temperaturregelungsvorrichtung des vorstehend erwähnten
Auftragungsgeräts kann zumindest an der stromaufwärtigen
Seite des Einlasses der Druckfördervorrichtung vorgesehen sein.
Da eine Paste, die eine wasserabweisende Substanz mit einem Glasübergangspunkt
enthält, einer Faserbildung durch externe Kräfte,
etwa durch die Scherkräfte der Druckfördervorrichtung,
unterliegt, ist es zum Unterdrücken der Faserbildung ausreichend,
dass die Temperatur der Paste zu dem Zeitpunkt, zu dem sie die Druckfördervorrichtung
passiert, unterhalb des Glasübergangspunkts der wasserabweisenden Substanz
liegt. Somit ist durch Vorsehen der Temperaturregelungsvorrichtung
an der stromaufwärtigen Seite des Einlasses der Druckfördervorrichtung
eine effiziente Temperaturregelung bei lediglich minimal erforderlichen
Temperaturregelungsstellen möglich. Ferner kann zum Minimieren
des Wärmeverlusts und zum Regulieren der Temperatur mit
Effizienz unter Berücksichtigung der Wärmeerzeugung
in der Druckfördervorrichtung die Temperaturregelungsvorrichtung
an dem Außenumfang der Druckfördervorrichtung
und an einem Teil eines Rohrs stromaufwärts des Einlasses
der Druckfördervorrichtung vorgesehen sein.
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Auf
die gleiche Weise kann die Temperaturregelungsvorrichtung entweder
im Inneren oder an dem Außenumfang einer Formulierungs-
und/oder Vorhaltevorrichtung vorgesehen sein, die die Paste formuliert
und/oder vorhält. In diesem Fall wird die ausreichende
Temperaturregelung an der Pastenformulierungs- oder Vorhaltevorrichtung
durchgeführt, die sich von der Druckfördervorrichtung
weiter stromaufwärts befindet, wodurch eine Temperaturregelung der
Paste auf eine Temperatur unterhalb des Glasübergangspunkts
der wasserabweisenden Substanz ermöglicht wird, und zwar
nicht nur in der Pastenformulierungs- und/oder Vorhaltevorrichtung,
sondern auch zu dem Zeitpunkt, zu dem die Paste die Druckfördervorrichtung
passiert, wodurch die Faserbildung unterdrückt wird. Außerdem
ist es selbst dann möglich, die Faserbildung der Paste
zu unterdrücken, wenn für die Formulierung oder
zum Gleichmäßigmachen der Paste im Inneren eines
Tanks der Pastenformulierungs- und/oder Vorhaltevorrichtung eine Rührvorrichtung
erforderlich ist.
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Außerdem
ist es möglich, die Temperaturregelungsvorrichtung sowohl
an der Druckfördervorrichtung als auch an einem Teil eines
Rohrs an der stromaufwärtigen Seite des Einlasses der Druckfördervorrichtung
und an der Innenseite oder an dem Außenumfang der Pastenformulierungs-
und/oder Vorhaltevorrichtung vorzusehen. In diesem Fall wird die
Paste zuerst bei der an der Pastenformulierungs- und/oder Vorhaltevorrichtung
vorgesehenen Temperaturregelungsvorrichtung bei einer Temperatur
gehalten, die unterhalb des Glasübergangspunkts der wasserabweisenden
Substanz liegt, um die Faserbildung der Paste zu unterdrücken,
die das Rühren zum Formulieren oder Gleichmäßigmachen
der Paste im Inneren des Tanks begleitet. Dann wird bei der an der Druckfördervorrichtung
und an einem Teil eines Rohrs an der stromaufwärtigen Seite
der Druckfördervorrichtung vorgesehene Temperaturregelungsvorrichtung
ein Kühlvorgang durchgeführt, der proportional
zu dem Temperaturanstieg der Paste ist, der den Wärmeverlust
in dem Rohr beim Transportieren der Paste zu der Druckfördervorrichtung
und die Wärmeerzeugung in der Druckfördervorrichtung
begleitet, wodurch die Faserbildung der Paste in der Druckfördervorrichtung
unterdrückt wird. Indem der Kühlvorgang auf diese
Weise in zwei Stufen durchgeführt wird, ist es möglich,
eine effiziente Temperaturregelung über den gesamten Prozess
hinweg durchzuführen.
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Das
vorstehend erwähnte Auftragungsgerät ist selbst
beim Auftragen einer Paste auf ein Elektrodenelement einer Brennstoffzelle
wirkungsvoll, welche eine wasserabweisende Substanz mit einem Glasübergangspunkt,
etwa PTFE, aufweist.
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Ein
Verfahren zum Auftragen einer Paste gemäß einem
Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Auftragen
einer Paste, die eine wasserabweisende Substanz mit einem Glasübergangspunkt
enthält, welches die Pastentemperatur auf eine Temperatur
unterhalb des Glasübergangspunkts der wasserabweisenden
Substanz reguliert und die temperaturgeregelte Paste durch Druckfördern
mittels einer Druckfördervorrichtung auf das zu beschichtende
Element aufträgt.
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Gemäß dem
vorstehend erwähnten Pastenauftragungsverfahren wird eine
Paste, die eine wasserabweisende Substanz mit einem Glasübergangspunkt
enthält, dazu gebracht, in einem Zustand, in dem die Temperatur
auf eine Temperatur geregelt ist, die niedriger als die des Glasübergangspunkts
der wasserabweisenden Substanz ist, durch einen Prozessschritt,
etwa eine Druckfördervorrichtung zu passieren, bei der
ein Risiko einer durch deren Scherkraft hervorgerufenen Faserbildung
besteht. Das Ergebnis daraus ist, dass selbst dann möglich
ist, die Faserbildung der wasserabweisenden Substanz zu unterdrücken,
wenn der Paste eine Scherkraft auferlegt wird, wodurch eine bessere
Wirkung beim Durchführen eines gleichmäßigen
und stabilen Auftragens der Paste erzielt wird.
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In
dem vorstehend erwähnten Auftragungsverfahren kann als
die wasserabweisende Substanz PTFE verwendet werden. Das PTFE hat
einen Glasübergangspunkt von circa 21°C und neigt
zur Faserbildung und verursacht Probleme wegen der beispielsweise
von der Druckfördervorrichtung bei höheren Temperaturen
als jener des Glasübergangspunkts aufgenommenen Scherkraft.
Daher ist es möglich, ein gleichmäßiges,
stabiles Auftragen der Paste bei gleichzeitiger Verhinderung der
Faserbildung durchzuführen, indem die Paste eine Vorrichtung,
etwa eine Druckfördervorrichtung, bei der sie eine Scherkraft
aufnimmt, bei einer Temperatur, die niedriger als circa 21°C
ist, passiert und durch diese aufgetragen wird.
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Ein
Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle gemäß einem
Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen
einer Brennstoffzelle, das einen Schritt des Regelns einer Temperatur
einer Paste, die eine wasserabweisende Substanz mit einem Glasübergangspunkt
enthält, auf eine Temperatur unterhalb des Glasübergangspunkts
der wasserabweisenden Substanz, einen Schritt des Auftragens der
Paste auf ein Elektrodenelement und des Ausbildens einer Elektrode
und einen Schritt des Zusammenbauens der Brennstoffzelle unter Verwendung
der ausgebildeten Elektrode aufweist.
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Gemäß dem
vorstehend erwähnten Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle
wird eine Paste, die eine wasserabweisende Substanz mit einem Glasübergangspunkt
enthält, dazu gebracht, einen Prozessschritt, etwa eine
Druckfördervorrichtung, bei der ein Risiko einer durch
deren Scherkräfte verursachten Faserbildung besteht, in
einem Zustand zu passieren, in dem die Temperatur auf eine Temperatur
geregelt ist, die niedriger als die des Glasübergangspunkts
der wasserabweisenden Substanz ist. Als ein Ergebnis ist es selbst
dann möglich, die Faserbildung der wasserabweisenden Substanz zu
unterdrücken, wenn der Paste eine Scherkraft auferlegt
wird, wodurch in dem Herstellungsprozess ein kontinuierliches, stabiles
Ausbilden ermöglicht wird.
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Bei
dem vorstehend erwähnten Verfahren zum Herstellen einer
Brennstoffzelle kann als wasserabweisende Substanz PTFE verwendet
werden. PTFE hat einen Glasübergangspunkt von circa 21°C und
neigt zur Faserbildung und verursacht Probleme wegen der beispielsweise
von einer Druckfördervorrichtung bei Temperaturen, die
höher als diese Temperatur sind, auferlegten Scherkräfte.
Daher ist es durch Passierenlassen und Auftragen der Paste mittels
einer Vorrichtung, etwa einer Druckfördervorrichtung, bei
der eine Scherkräfte auferlegt wird, bei einer Temperatur,
die niedriger als circa 21°C ist, möglich, ein
gleichmäßiges, stabiles Auftragen der Paste durchzuführen,
während die Faserbildung verhindert wird.
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Da
das Pastenauftragungsverfahren gemäß einem Gesichtspunkt
der vorliegenden Erfindung die Paste, die eine wasserabweisende
Substanz enthält, auf ein Elektrodenelement für
eine Brennstoffzelle aufträgt, während die Faserbildung
unterdrückt wird, bringt das Elektrodenelement für
eine Brennstoffzelle eine zufriedenstellende wasserabweisende Eigenschaft
bzw. Hydrophobie hervor, die sowohl zufriedenstellend als auch gleichmäßig
ist.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorgenannten und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung
werden aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter
Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen ersichtlich, wobei gleiche
Bezugszeichen zur Bezeichnung gleicher Elemente verwendet werden
und wobei:
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1 eine
Zeichnung ist, die die Konfiguration einer Pastenauftragungsvorrichtung
gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung beschreibt;
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2 eine
Zeichnung ist, die die Konfiguration einer Pastenauftragungsvorrichtung
gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt; und
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3 ein
Prozessablaufdiagramm ist, das ein Verfahren zum Herstellen einer
Brennstoffzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Nachstehend
werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung
beschrieben. 1 zeigt die Konfiguration eines
Auftragungs- bzw. Auftragungsgeräts 110 gemäß dem
ersten Ausführungsbeispiel, welches eine Paste, die eine
wasserabweisende Substanz mit einem Glasübergangspunkt
enthält, auf ein Elektrodenelement einer Brennstoffzelle aufträgt.
Wie in 1 gezeigt ist, hat das Auftragungsgerät 110 einen
Vorhaltetank 20, der eine Paste vorhält, eine
Druckfördervorrichtung 22, die die Paste unter
Druck fördert, eine Auftragungspistole 24, die
die druckgeförderte Paste ausstößt und
dünn aufträgt, und eine Temperaturregelungsvorrichtung 128,
die die Druckfördervorrichtung 22 und dergleichen
kühlt. Der Vorhaltetank 20 und die Druckfördervorrichtung 22 sind
durch ein Rohr 26 miteinander verbunden und die Druckfördervorrichtung 22 und die
Auftragungspistole 24 sind durch ein Rohr 27 miteinander
verbunden. Die Druckfördervorrichtung 22 und ein
Teil des Rohrs 26 stromaufwärts der Druckfördervorrichtung
sind von der Temperaturregelungsvorrichtung 128 bedeckt.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel wird als die wasserabweisende
Substanz PTFE verwendet, welches im Vorfeld in die Form einer Paste
gebracht wurde und in dem Vorhaltetank 20 vorgehalten wird.
Diese Paste wird beispielsweise durch Emulgieren und Polymerisieren
von PTFE in eine Lösung und durch Mischen des Ergebnisses
mit einem Viskositätseinstellungsmittel und einem schwarzen
Kohlenstoffpulver im Vorfeld gefertigt. Auch wenn dies nicht dargestellt
ist, ist im Inneren des Vorhaltetanks 20 eine Rührvorrichtung
vorgesehen, um die Paste PA im Inneren des Vorhaltetanks 20 beim
Durchführen des Auftragens umzurühren. Der Vorhaltetank 20 kann zudem
als eine Formulierungsvorrichtung dienen, die das PTFE emulgiert
und die das Viskositätseinstellungsmittel und dergleichen
daruntermischt.
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Da
der Vorhaltetank 20 über das Rohr 26 mit der
Druckfördervorrichtung 22 verbunden ist, wird
die in dem Vorhaltetank 20 vorgehaltene Paste PA dann, wenn
die Druckfördervorrichtung 22 betrieben wird, über
das Rohr 26 zu der Druckfördervorrichtung 22 transportiert,
und wird ferner von der Druckfördervorrichtung 22 zu
der Auftragungspistole 24 unter Druck gefördert.
Dieses Ausführungsbeispiel verwendet als die Druckfördervorrichtung 22 eine
Kolbenpumpe. Unter Berücksichtigung der Eigenschaften des
in der Paste PA enthaltenen PTFEs kann eine Druckfördervorrichtung
von einer Bauweise mit einer kleinen Scherkraft verwendet werden
und es ist möglich, in Übereinstimmung mit der
Viskosität der Paste PA eine Zahnradpumpe oder eine Schraubenpumpe oder
dergleichen auszuwählen. Die in diesem Ausführungsbeispiel
verwendete Auftragungspistole 24 ist eine Pistole der Düsenbauweise,
die in der Lage ist, die Paste PA gleichmäßig
von einem Spalt auszulassen, der an ihrem Ende bzgl. Der Breitenrichtung vorgesehen
ist. Die auf die Querrichtung bezogene Breite der Auftragungspistole 24 stimmt
im Wesentlichen mit der Breite des Elektrodenblatts ST überein, das
das Element ist, das beschichtet wird, und eine geeignete Menge
der Paste PA wird von dem Spalt in deren Ende in Zeitabgleich mit
dem Transport des Elektrodenblatts ST durch die Drehung einer Walze 31 abgegeben.
Als ein Ergebnis wird an der Oberfläche des Elektrodenblatts
ST, das durch die Drehung der Walze 31 transportiert wird,
ein dünner, gleichmäßiger Auftragungsfilm
einer wasserabweisenden Substanz ausgebildet. Nachdem das Lösungsmittel verdampft
ist, wird an der Oberfläche des Elektrodenblatts ST ein
aus schwarzem Kohlenstoff, der elektrisch leitfähige ist,
und PTFE, welches die wasserabweisende Eigenschaft bzw. die Hydrophobie
hervorbringt, gefertigter Auftragungsfilm ausgebildet. Die Auftragungseinrichtung
kann aus einer Vielzahl von Arten ausgewählt werden, die
eine Art aufweisen, bei der die Beschichtung durch die sich oberhalb
eines stationären Elektrodenblatts ST bewegenden Auftragungspistole 24 durchgeführt
wird, oder die eine Art aufweist, bei der anstelle einer Düse
eher eine aus einem porösen Körper gefertigte
Walze verwendet wird, um die Paste PA abzugeben. Die Breite der
Auftragungspistole 24 und des Spalts der Düse
und dergleichen können auf geeignete Weise bezüglich
der Form des Elektrodenelements, auf die die Paste PA aufgetragen
werden soll, der Dicke der wasserabweisenden Oberflächenschicht
und der Form nach der Beschichtung (beispielsweise der Ausbildung
eines Abdeckfilms und einer Imprägnierung) ausgewählt werden.
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Nun
wird die Temperaturregelungsvorrichtung 128 beschrieben.
Die Temperaturregelungsvorrichtung 128 ist eine Wärmepumpe,
die durch Austausch eines Kühlmittels zwischen einem Kompressor
und einem Radiator (nicht dargestellt) die Druckfördervorrichtung 22 und
den Teil des Rohrs 26 kühlt, die darin aufgenommen
sind. Ein (nicht dargestellter) Thermostat ist im Inneren der Temperaturregelungsvorrichtung 128 vorgesehen,
deren Inneres auf weniger als circa 21°C und in diesem
Ausführungsbeispiel auf circa 15°C gekühlt
wird. Als ein Ergebnis wird durch indirekten Wärmeaustausch über
die Druckfördervorrichtung 22 und das Rohr 26 die
Temperatur der die Druckfördervorrichtung 22 passierenden
Paste PA auf unterhalb des Glasübergangspunkts (circa 21°C)
des PTFE gehalten, welches die in diesem Ausführungsbeispiel
verwendete wasserabweisende Substanz ist. Der Kühlvorgang
durch die Temperaturregelungsvorrichtung 128 kann so gestaltet
sein, dass eine Temperatur unterhalb des Glasübergangspunkts
der Paste PA vor dem Start der Druckförderung der die Druckförderpumpe 22 passierenden Paste
PA beibehalten wird. Das Kühlen der Paste PA kann, wie
in diesem Ausführungsbeispiel, indirekt durch Kühlen
des Inneren der Temperaturregelungsvorrichtung durchgeführt
werden und kann alternativ durch Anschließen eines Wärmerohrs
oder dergleichen an dem Gehäuse, dem Getriebe oder dem
Kolben der Druckfördervorrichtung zum direkten Kühlen beispielsweise
der Druckfördervorrichtung 22 oder des Rohrs 26 durchgeführt
werden. In dem Rohr 26 kann stromaufwärts von
der Druckfördervorrichtung 22 eine Peltier-Effekt-Kühlvorrichtung
zum direkten Kühlen der Paste PA vorgesehen sein.
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Die
Paste PA, die durch die Temperaturregelungsvorrichtung 128 gekühlt
wird, wenn sie die Druckfördervorrichtung 22 passiert,
passiert das Rohr 27 und wird von der Auftragungspistole 24 auf das
Elektrodenblatt ST aufgetragen, welches das Elektrodenelement der
Brennstoffzelle werden wird. In dem hier beschriebenen Auftragungsgerät 110 wird
dem PTFE, das die in der Paste PA enthaltene wasserabweisende Substanz
ist, in dem Temperaturbereich oberhalb deren Glasübergangspunkts
keine Scherkraft beispielsweise durch die Druckfördervorrichtung 22 auferlegt.
Daher kann die Paste PA gleichmäßig und stabil
auf das Elektrodenelement aufgetragen werden, ohne dass in dem Prozess
der Druckförderung durch die Druckfördervorrichtung 22 eine
Faserbildung auftritt. Als ein Ergebnis kann das Auftragungsgerät 110 in
einen Prozess zum Herstellen einer Brennstoffzelle zum kontinuierlichen
Ausbilden eines Elektrodenblatts ST eingegliedert werden. Wenn bei
einem Gerät aus dem Stand der Technik eine Druckfördervorrichtung
zum Auftragen einer vorgeschriebenen Menge der Paste PA betrieben wird,
tritt in der von der Auftragungspistole 24 abgegebenen
Paste PA eine Faserbildung auf und es ist nicht möglich,
das gleichmäßige Beschichten mit der Paste PA über
eine lange Zeitspanne durchzuführen. Im Gegensatz dazu
kann das Auftragungsgerät 110 dieses Ausführungsbeispiels
selbst dann, wenn es kontinuierlich betrieben wird, ein Elektrodenblatt
ST mit einem Auftragungsfilm einer gewünschten Dicke auf
geeignete Weise ausbilden, ohne dass Klumpen (von ausgehärteten
Fasern) an dem Elektrodenblatt ST auftreten.
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Da
die Paste PA gemäß diesem Ausführungsbeispiel
durch die Temperaturregelungsvorrichtung 128 auf eine Temperatur
unterhalb des Glasübergangspunkts des in der Paste PA enthaltenen PTFE
abgekühlt wird, um die Faserbildung durch die Scherkraft
von der Druckfördervorrichtung zu vermeiden, ist es möglich,
anstelle der Druckfördervorrichtung aus dem Stand der Technik,
die eine kleine Scherkraft hervorbringt, eine Druckfördervorrichtung mit
einer relativ großen Scherkraft zu verwenden. Somit wird
der Auswahlbereich der Druckfördervorrichtung 22 vergrößert,
wodurch der Vorteil einer einfachen Gestaltung und eines einfachen
Betriebs des Auftragungsgeräts 110 bereitgestellt
wird.
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Nun
wird das zweite Ausführungsbeispiel beschrieben. 2 ist
eine Zeichnung, die die Konfiguration eines Auftragungsgeräts 210 zeigt,
das eine Paste, die eine wasserabweisende Substanz mit einem Glasübergangspunkt
enthält, auf ein Elektrodenelement einer Brennstoffzelle
aufträgt. Der Unterschied zwischen dem zweiten Ausführungsbeispiel und
dem ersten Ausführungsbeispiel liegt darin, dass die Temperaturregelungsvorrichtung 228 an
dem Außenumfang des Vorhaltetanks 20 vorgesehen
ist, wobei die übrigen Elemente gleich wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel
sind. In dem zweiten Ausführungsbeispiel passiert die Paste
PA die Druckfördervorrichtung beim Durchführen
eines zufriedenstellenden Kühlens in dem stromaufwärts
der Druckfördervorrichtung 22 angeordneten Vorhaltetank 20 bei
einer Temperatur, die niedriger als die des Glasübergangspunkts
des PTFE ist, wodurch die Faserbildung verhindert wird, und wodurch
zudem die Faserbildung der Paste PA in dem Fall unterdrückt
wird, in dem es erforderlich ist, die Paste PA in dem Vorhaltetank 20 zu
rühren, um die Paste PA gleichmäßig zu machen
und einzustellen. Obwohl die Temperaturregelungsvorrichtung 228 in
diesem Ausführungsbeispiel an dem Außenumfang
des Vorhaltetanks 20 vorgesehen ist, kann die Temperaturregelungsvorrichtung 228 an
dem Innenumfang oder der Innenseite des Vorhaltetanks 20 oder
an einer anderen Stelle vorgesehen sein, an der es möglich
ist, die in dem Vorhaltetank 20 vorgehaltene Paste PA zu
kühlen.
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Es
ist ferner möglich, einen Aufbau zu verwenden, der eine
Kombination des ersten und des zweiten Ausführungsbeispiels
darstellt. Das heißt, es ist möglich, die Temperaturregelungsvorrichtung
an dem Außenumfang des Vorhaltetanks 20 und zudem an
der Druckfördervorrichtung 22 und einem Teil des stromaufwärtigen
Rohrs 26 vorzusehen. In diesem Fall ist es möglich,
die Faserbildung der Paste PA, die das Einstellen und Rühren
der Paste PA zum Einstellen und zur Vergleichmäßigung
begleitet, zu unterdrücken, indem zuerst die Paste PA in
dem Vorhaltetank 20 bei einer Temperatur beibehalten wird,
die unter dem Glasübergangspunkt des PTFE liegt. Ferner
wird bei der Druckfördervorrichtung 22 und einem Teil
des Rohrs 26 stromaufwärts des Einlasses der Druckfördervorrichtung 22 die
Faserbildung der Paste PA in der Druckfördervorrichtung 22 unterdrückt, indem
der Kühlvorgang proportional zu dem Anstieg der Temperatur
der Paste PA durchgeführt wird, der den Wärmeverlust
in dem Rohr 26 beim Druckfördern zur Druckfördervorrichtung 22 und
die Wärmeerzeugung in der Druckfördervorrichtung 22 begleitet.
Indem der Kühlvorgang auf diese Weise in zwei Stufen durchgeführt
wird, ist es möglich, ein effizientes Kühlen über
den gesamten Prozess hinweg durchzuführen.
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Ein
drittes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle. Ein
Herstellungsverfahren, bei dem eine Paste, die eine wasserabweisende Substanz
mit einem Glasübergangspunkt enthält, auf ein
Elektrodenelement aufgetragen wird, um ein Brennstoffzellenelektrodenelement
und eine Brennstoffzelle herzustellen, wird nun im Allgemeinen beschrieben. 3 zeigt
den Vorgang des Beschichtens eines Elektrodenelements einer Brennstoffzelle mit
einer Paste, die eine wasserabweisende Substanz mit einem Glasübergangspunkt
enthält, um das Elektrodenelement herzustellen, und zeigt
zudem den Herstellungsprozess einer Brennstoffzelle. In diesem Ausführungsbeispiel
wird als die wasserabweisende Substanz PTFE verwendet. Wie dies
in 3 gezeigt ist, wird die Brennstoffzelle durch
die folgenden Schritte hergestellt. Bei Schritt S1 wird PTFE in
eine Lösung emulgiert und polymerisiert und eine Paste
PA, in die ein Viskositätseinstellungsmittel und ein schwarzes
Kohlenstoffpulver gemischt sind, wird auf unterhalb einer Temperatur
von 21°C gekühlt, welches der Glasübergangspunkt
von PTFE ist (in diesem Ausführungsbeispiel auf 15°C).
Bei Schritt S2 wird die gekühlte, PTFE enthaltende Paste
PA auf das Elektrodenblatt ST aufgetragen, das zu dem Elektrodenelement
der Brennstoffzelle werden wird, um auf der Oberfläche
des Elektrodenblatts ST einen Auftragungsfilm auszubilden. Obwohl
die Beschichtung in diesem Ausführungsbeispiel mit dem
Abgabedruck der Auftragungspistole von 3 kPa durchgeführt
wird, kann der Druck in Übereinstimmung mit der Form des
Elektrodenelements und der erforderlichen Filmdicke auf geeignete
Weise ausgewählt werden. Bei Schritt S3 wird das Elektrodenblatt
ST, auf das die Paste PA aufgetragen wird, getrocknet, sodass das
Wasser und das Lösungsmittel verdampfen, es wird ein Auftragungsfilm
ausgebildet, aus der elektrisch leitfähigem schwarzem Kohlenstoff
sowie aus PTFE, das eine wasserabweisende Eigenschaft aufweist,
gefertigt ist, wodurch das Elektrodenblatt ST vollendet wird. Bei
Schritt S4 wird das hergestellte Elektrodenblatt ST zusammen mit
getrennt davon vorbereiteten Elektrolytmembranen und Separatoren und
dergleichen als eine Elektrode verwendet, um so eine Brennstoffzelle
zusammenzubauen.
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Auch
wenn das vorstehend erwähnte Verfahren zum Herstellen einer
Brennstoffzelle auf einen kontinuierlich durchgeführten
Herstellungsprozess angewendet wird, ist es möglich, eine
PTFE enthaltende Paste PA auf das Elektrodenblatt ST aufzutragen,
ohne dass eine Faserbildung eintritt, um ein Elektrodenblatt ST
herzustellen, das eine zufriedenstellende wasserabweisende Eigenschaft
bzw. Hydrophobie hervorbringt, die zum Gebrauch in einer Brennstoffzelle
geeignet ist.
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Auch
wenn die vorliegende Erfindung vorstehend mittels Ausführungsbeispielen
beschrieben wurde, ist dies so zu verstehen, dass die vorliegende Erfindung
nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt
ist, sondern dass sie die Form verschiedener Ausführungsbeispiele
innerhalb des Umfangs und des Wesens der vorliegenden Erfindung
annehmen kann. Variationen beinhalten eine solche Variation, bei
der eine Temperaturregelungsvorrichtung, die den Wärmeaustausch
mit der Paste PA über das Rohr 26 durchführt,
lediglich in dem Rohr 26 stromaufwärts der Druckfördervorrichtung 22 vorgesehen ist,
und eine solche Variante, bei der eine Temperaturregelungsvorrichtung,
die den direkten Wärmeaustausch mit der Paste PA durchführt,
auf halbem Weg in dem Rohr 26 vorgesehen ist.
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Zusammenfassung
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Es
wird von dem Merkmal Gebrauch gemacht, dass ein Hochpolymer schwierig
Fasern bildet, wenn es unter dem Glasübergangspunkt verwendet
wird, wobei eine Druckfördervorrichtung (22) und
ein Teil eines stromaufwärtigen Rohrs (26) von einer
Temperaturregelungsvorrichtung (128) bedeckt sind und der
Wärmeaustausch in der Temperaturregelungsvorrichtung (128)
die Temperatur einer Paste (PA), die eine wasserabweisende Substanz
mit einem Glasübergangspunkt aufweist und die die Druckfördervorrichtung
(22) passiert, auf unterhalb des Glasübergangspunkts
der wasserabweisenden Substanz beibehält, während
die Paste (PA) von einer Auftragungsvorrichtung (24) aufgetragen
wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2002-367617
A [0002]
- - JP 2001-6699 A [0002]