DE60305469T2

DE60305469T2 - Vorrichtung und verfahren zur überführung einer bahn aus einer brennstoffzellenmembran in präzis positionierte abschnitte dieser membran

Info

Publication number: DE60305469T2
Application number: DE60305469T
Authority: DE
Inventors: Gary W. Saint Paul SCHUKAR; John R. Saint Paul MLINAR; Mark H. Saint Paul SMITH; Steven M. Saint Paul SPICER
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 2002-04-03
Filing date: 2003-02-11
Publication date: 2007-05-03
Anticipated expiration: 2023-02-12
Also published as: CA2481122A1; DE60318629T2; CN100342567C; ATE383664T1; US20030190521A1; EP1624510A1; DE60305469D1; ATE327576T1; JP2005522010A; DE60318629D1; WO2003085759A1; EP1624510B1; KR20040111461A; US20040168305A1; EP1493198B1; JP4584590B2; AU2003209134A1; CN1692514A; US6740131B2; US7569081B2

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die automatisierte Brennstoffzellenherstellung und insbesondere ein Verfahren zum Umwandeln einer Bahn einer Brennstoffzellenmembran in getrennte Membranblätter und zum exakten Positionieren der getrennten Membranblätter für die Weiterverarbeitung.
Allgemeiner Stand der Technik
Es sind schon verschiedene Vorrichtungen entwickelt worden, um eine Bahn eines bestimmten Materials in einzelne Blätter umzuwandeln. Für das Umwandeln extrem dünner Bahnstrukturen mit einer Dicke in der Größenordnung von einem Tausendstel Inch sind herkömmliche Umwandlungsprozesse hier im Allgemeinen ungeeignet. Eine konkrete Struktur, die für den Bau von Brennstoffzellen von Interesse ist, ist die dünne Membran der Brennstoffzelle. Eine Vorrichtung zum Umwandeln einer Membranenbahn muss in der Lage sein, sehr dünne, zweiseitige Membranstrukturen der Bahn zu handhaben und zu schneiden und nach dem Schneiden die Membranblätter zur Weiterverarbeitung richtig auszurichten. Das Verändern der Positionierung der Membranblätter an einer bestimmten Verarbeitungsstation kann zu einer Beschädigung der Membranblätter oder der Brennstoffzellenstrukturen, die solche Membranblätter beinhalten, führen. Beim Verändern der Ausrichtung des Membranblattes besteht auch die Wahrscheinlichkeit eines verringerten Produktdurchsatzes, was die Produktivität der automatisierten Brennstoffzellenmontagestrecke beeinträchtigt.
Es ist oft wünschenswert, eine Anzahl von Bahnumwandlungsprozessen entweder ganz oder teilweise zu automatisieren. Viele herkömmliche Bahnumwandlungsvorrichtungen und -verfahren eignen sich schlecht für einen hohen Automatisierungsgrad, insbesondere Umwandlungsprozesse, bei denen strenge Anforderungen an die Positionstoleranzen gestellt werden.
US-A-5,989,747 offenbart eine Zellenelektrode von einer Rechteckstreifenform mit wenigstens einer als Elektrode dienenden Entpolarisierungsmischschicht auf einem Stromkollektor. Die Dicken der beiden Endabschnitte der als Elektrode dienenden Entpolarisierungsmischschicht sind um 2 bis 25% dicker als eine durchschnittliche Dicke der als Elektrode dienenden Entpolarisierungsmischschicht. US-A-5,989,747 offenbart außerdem ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Zellenelektrode.
JP 11297314 A betrifft eine Schneidvorrichtung für die Batterieherstellung, die mit einem Schneidmesser von einer vorgeschriebenen Form und einem Amboss versehen ist, die dafür geeignet sind, eine Elektrode in Scheiben zu schneiden. Die Schneidvorrichtung zielt darauf ab, über einen langen Zeitraum hinweg mit hoher Maßhaltigkeit und Arbeitseffizienz, ohne ein Elektrodenmaterial zu zertrennen, in einer Vorrichtung zum Herstellen einer Sekundärbatterie vom Flachplattenelektrodentyp zu schneiden.
JP 11273663 A betrifft eine Schneidpositionserkennungsvorrichtung, die darauf abzielt, einfach und zuverlässig die Position der Grenze zwischen einem gestrichenen Abschnitt und einem nicht-gestrichenen Abschnitt zu erkennen, ohne durch ein angebondetes Element beeinflusst zu werden, das an dem gestrichenen Abschnitt angeordnet ist.
Es besteht Bedarf an verbesserten Bahnumwandlungsvorrichtungen und -methodologien. Es besteht des Weiteren Bedarf an Vorrichtungen und Methodologien, die eine Bahn mit sehr dünnen Bahnstrukturen in einer automatisierten Montageumgebung, wie beispielsweise einer automatisierten Brennstoffzellenmontageanlage, zuverlässig und präzise in einzelne Blätter umwandeln. Die vorliegende Erfindung erfüllt diese und weitere Erfordernisse.
Kurzdarstellung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum automatischen Umwandeln einer Bahn einer dünnen strukturierten katalysatorbeschichteten Membran in separate Membranblätter für den Bau von Brennstoffzellen und ist durch die Merkmale der Ansprüche gekennzeichnet. Eine erste Seite der Membranenbahn ist mit einem Anodenkatalysator beschichtet, und eine zweite Seite der Membranenbahn ist mit einem Kathodenkatalysator beschichtet. Die Membran ist in der Regel weniger als zwei Tausendstel Inch, d. h. weniger als 50 μm, dick und hat in der Regel eine Dicke von etwa einem Tausendstel Inch, d. h. etwa 25 μm.
Ein automatisiertes Bahnumwandlungsverfahren beinhaltet das Transportieren eines Endabschnitts der Membranenbahn mit Hilfe eines beweglichen Vakuums von einer ersten Stelle zu einer zweiten Stelle. Mit Hilfe eines ersten und eines zweiten Vakuums an der ersten und der zweiten Stelle, und nach dem Entfernen des beweglichen Vakuums, wird der Endabschnitt der Membranenbahn lösbar an der ersten und der zweiten Stelle befestigt. Die Membranenbahn wird innerhalb einer Lücke durchtrennt, die zwischen einer einzelnen Katalysatorstruktur des Endabschnitts der Membranenbahn und einer benachbarten Katalysatorstruktur definiert wird, so dass ein Membranblatt entsteht. Das Membranblatt wird präzise in eine gewünschte Richtung ausgerichtet, um die Weiterverarbeitung des Membranenblatts zu erleichtern.
Die Vorteile und Nutzeffekte sowie ein besseres Verständnis der Erfindung gehen aus dem Studium der folgenden detaillierten Beschreibung und Ansprüche in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen hervor.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Veranschaulichung einer Brennstoffzelle und ihrer einzelnen Schichten.
2 ist eine Darstellung einer Vorrichtung zum Umwandeln einer Bahn einer Brennstoffzellenmembran in einzelne Membranblätter.
3 ist eine Ausführungsform einer Vorrichtung zum Umwandeln einer Bahn einer Brennstoffzellenmembran in einzelne Membranblätter.
4 veranschaulicht eine Sektion der Vorrichtung von 3, die eine Bahn einer Brennstoffzellenmembran zu einer Zwischenlagerstation transportiert.
5 veranschaulicht eine Sektion der Vorrichtung von 3, die Brennstoffzellenmembranblätter aus einer Bahn einer Brennstoffzellenmembran herstellt.
6 veranschaulicht eine Sektion der Vorrichtung von 3, die einzelne Brennstoffzellenmembranblätter präzise für die Weiterverarbeitung positioniert.
Obgleich sich die Erfindung für verschiedene Modifikationen und alternative Formen eignet, werden konkrete Merkmale dieser Erfindung beispielhaft gezeigt und im Detail beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass nicht die Absicht besteht, die Erfindung auf die konkreten beschriebenen Ausführungsformen zu beschränken. Im Gegenteil: Es ist vorgesehen, sämtliche Modifikationen, Äquivalente und Alternativen zu erfassen, die in den Geltungsbereich der Erfindung, wie er in den angehängten Ansprüchen definiert ist, fallen.
Detaillierte Beschreibung verschiedener Ausführungsformen
Eine Vorrichtung zum Umwandeln einer Bahn einer Brennstoffzellenmembran in separate Membranblätter mittels eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung stellt eine wichtige Vorrichtung dar, die zum Automatisieren eines Brennstoffzellenmontageprozesses verwendet wird. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung ermöglicht das kontinuierliche Umwandeln einer dünnen Brennstoffzellenmembranenbahn in einzelne Membranblätter und eine präzise Positionierung einzelner Membranblätter, so wie es für nachgeordnete Verarbeitungsstationen benötigt wird. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung eignet sich insbesondere zum Umwandeln von Bahnen mit sehr dünnen strukturierten Regionen (beispielsweise Brennstoffzellenmembranen), wo die strukturierten Regionen in der Regel weniger als etwa 76,2 μm (etwa drei Tausendstel Inch) dick sind und in der Regel etwa 25,4 μm (etwa ein Tausendstel Inch) dick sind.
Der Fachmann versteht sofort die Schwierigkeit des Umwandelns von Bahnstrukturen mit einer Dicke in der Größenordnung von etwa 25,4 μm (eines Tausendstel Inch) in separate Blätter solcher Strukturen. Eine konkrete Struktur, die für den Bau von Brennstoffzellen von Interesse ist, ist die Membran der Brennstoffzelle. Wie weiter unten noch näher beschrieben wird, handelt es sich bei der Membran einer Brennstoffzelle, gemäß bestimmten Technologien, in der Regel um eine Dreischichtstruktur. Eine typische Brennstoffzellenmembran enthält eine Protonenaustauschmembran. Auf einer Seite der Protonenaustauschmembran ist ein Anodenkatalysator aufbeschichtet, und auf der anderen Seite der Protonenaustauschmembran ist ein Kathodenkatalysator aufbeschichtet. Die Dreischichtstruktur ist in der Regel etwa ein Tausendstel Inch dick.
Um einen automatisierten Zusammenbau von Brennstoffzellen zu ermöglichen, muss der Membranenbahnumwandlungsprozess in der Lage sein, die dünnen, zweiseitigen Membranstrukturen der Bahn zu handhaben und zu schneiden und nach dem Schneiden die Membranblätter exakt so zu positionieren, dass die Blätter richtig ausgerichtet sind, wenn sie für die Weiterverarbeitung zu einer nachgeordneten Verarbeitungsstation transportiert werden. Es ist klar, dass das Beibehalten einer vorgegebenen Ausrichtung der Membranblätter an jeder Verarbeitungsstation einer automatisierten Brennstoffzellenmontagestrecke von maßgeblicher Bedeutung ist, wenn die Verarbeitung der Membranblätter und der Brennstoffzellenstrukturen, die diese Membranblätter enthalten, mit hoher Effizienz und Genauigkeit vonstatten gehen soll. Das Verändern der Positionierung der Membranblätter an einer bestimmten Verarbeitungsstation kann zu einer Beschädigung der Membranblätter oder der Brennstoffzellenstrukturen, die diese Membranblätter enthalten, führen. Des Weiteren wird wahrscheinlich auch der Durchsatz an einer bestimmten nachgeordneten Verarbeitungsstation verringert, was die Produktivität der automatisierten Brennstoffzellenmontagestrecke beeinträchtigt.
Eine Bahn aus katalysatorbeschichteten Membranen (Catalyst-Coated Membranes – CCM) ist eine dünne, empfindliche kontinuierliche Polymerbahn. Der Katalysator wird in einem bestimmten Muster in einem sich wiederholenden Abstand aufgebracht. Dem Fachmann ist klar, dass sehr dünne Brennstoffzellenmembranenstrukturen, wie beispielsweise CCMs, eine sehr geringe strukturelle Integrität aufweisen. Dieser Mangel an struktureller Integrität verkompliziert die Bahnhandhabungs- und -verarbeitungsüberlegungen für eine automatisierte Brennstoffzellenmontage erheblich. Beispielsweise sind herkömmliche Verfahren zum Auffinden von starren Kanten der betreffenden Strukturen nicht anwendbar. Herkömmliche Lösungsansätze, bei denen – als ein weiteres Beispiel – Registrierungslöcher verwendet werden, funktionieren ebenfalls nicht. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung ermöglicht das sichere Handhaben, Schneiden und Positionieren von Brennstoffzellenmembranblättern, die aus einer kontinuierlichen Membranenbahn umgewandelt werden.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann zur Verarbeitung von Membranenbahnen für eine Vielzahl verschiedener Brennstoffzellentechnologien verwendet werden. Eine typische Brennstoffzelle ist in 1 gezeigt. Die in 1 gezeigte Brennstoffzelle 10 enthält eine erste Fluidtransportschicht 12 neben einer Anode 14. Neben der Anode 14 befindet sich eine Elektrolytmembran 16. Eine Kathode 18 befindet sich neben der Elektrolytmembran 16, und eine zweite Fluidtransportschicht 19 befindet sich neben der Kathode 18. Während des Betriebes wird Wasserstoffbrennstoff in den Anodenabschnitt der Brennstoffzelle 10 eingeleitet, der durch die erste Fluidtransportschicht 12 und über die Anode 14 strömt. An der Anode 14 wird der Wasserstoffbrennstoff in Wasserstoffionen (H⁺) und Elektronen (e^–) getrennt.
Die Elektrolytmembran 16 gestattet nur den Wasserstoffionen oder Protonen den Durchtritt durch die Elektrolytmembran 16 zum Kathodeabschnitt der Brennstoffzelle 10. Die Elektronen können die Elektrolytmembran 16 nicht passieren und bewegen sich statt dessen durch einen externen elektrischen Kreis in Form von elektrischem Strom. Dieser Strom kann einen elektrischen Abnehmer 17, wie beispielsweise einen Elektromotor, antreiben oder einer Energiespeichervorrichtung, wie beispielsweise einer wiederaufladbaren Batterie, zugeleitet werden.
Sauerstoff strömt über die zweite Fluidtransportschicht 19 in die Kathodeseite der Brennstoffzelle 10. Während der Sauerstoff über die Kathode 18 strömt, verbinden sich Sauerstoff, Protonen und Elektronen, und dabei entstehen Wasser und Wärme.
Einzelne Brennstoffzellen, wie beispielsweise jene, die in 1 gezeigt sind, können mit einer Anzahl weiterer Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellestapel kombiniert werden. Die Anzahl der Brennstoffzellen in dem Stapel bestimmt die Gesamtspannung des Stapels, und die Oberfläche jeder einzelnen Zelle bestimmt den Gesamtstrom. Die elektrische Gesamtleistung, die durch einen bestimmten Brennstoffzellenstapel erzeugt wird, kann ermittelt werden, indem man Gesamtspannung des Stapels mit dem Gesamtstrom multipliziert.
Eine Bahnumwandlungsvorrichtung kann dafür verwendet werden, das automatisierte Umwandeln von Membranenbahnen für Brennstoffzellen verschiedener Technologien zu unterstützen. Brennstoffzellen mit Protonenaustauschmembran (Proton Exchange Membrane – PEM) beispielsweise arbeiten mit relativ geringen Temperaturen (etwa 80°C oder 175 Grad F), haben eine höhere Leistungsdichte, können ihre Ausgangsleistung rasch verändern, um sich an einen veränderten Leistungsbedarf anzupassen, und eignen sich gut für Anwendungen, wo es auf ein schnelles Starten ankommt, wie beispielsweise in Automobilen.
Die Protonenaustauschmembran, die in einer PEM-Brennstoffzelle verwendet wird, ist eine dünne Kunststoffbahn, durch die Wasserstoffionen hindurchtreten können. Die Membran ist beidseitig mit hoch-dispergierten Metall- oder Metalllegierungspartikeln (beispielsweise Platin oder Platin/Ruthenium) beschichtet, die aktive Katalysatoren sind. Bei dem verwendeten Elektrolyten handelt es sich in der Regel um eine Substanz aus einem festen organischen Polymer und einer Polyperfluorsulfonsäure. Die Verwendung eines festen Elektrolyten ist von Vorteil, weil er Korrosions- und Handhabungsprobleme verringert.
Wasserstoff wird der Anodenseite der Brennstoffzelle zugeleitet, wo der Katalysator die Wasserstoffionen veranlasst, Elektronen freizusetzen und zu Wasserstoffionen (Protonen) zu werden. Die Elektronen bewegen sich in Form eines elektrischen Stroms, der genutzt werden kann, bevor er zur Kathodeseite der Brennstoffzelle zurückkehrt, wo Sauerstoff eingeleitet wurde. Gleichzeitig diffundieren die Protonen durch die Membran zur Kathode, wo die Wasserstoffionen rekombiniert werden und mit Sauerstoff zu Wasser reagieren.
Gemäß einer PEM-Brennstoffzellenkonstruktion befindet sich eine PEM-Schicht zwischen einem Paar Fluidtransportschichten (Fluid Transport Layers – FTLs), wie beispielsweise Diffusionsstromkollektoren oder Gasdiffusionsschichten. Eine Anode befindet sich zwischen einer ersten FTL und der Membran, und eine Kathode befindet sich zwischen der Membran und einer zweiten FTL. In einer Konfiguration ist eine PEM-Schicht so hergestellt, dass sie eine Anodenkatalysatorbeschichtung auf eine Oberfläche und eine Kathodenkatalysatorbeschichtung auf der anderen Oberfläche enthält. Gemäß einer weiteren Konfiguration sind die erste und die zweite FTL so hergestellt, dass sie eine Anoden- bzw. eine Kathodenkatalysatorbeschichtung enthalten. In einer weiteren Konfiguration kann eine Anodenkatalysatorbeschichtung teilweise auf der ersten FTL und teilweise auf einer Oberfläche der PEM aufgebracht sein, und eine Kathodenkatalysatorbeschichtung kann teilweise auf der zweiten FTL und teilweise auf der anderen Oberfläche der PEM aufgebracht sein. Das Fünfschichtkonstrukt, das durch die erste FTL/Anode/PEM/Kathode/zweite FTL gebildet wird, wird als eine Membranelektrodenbaugruppe (Membrane Electrode Assembly – MEA) bezeichnet.
Die FTLs werden in der Regel aus einem Kohlenstofffaserpapier oder Vliesmaterial hergestellt. Je nach Produktaufbau können die FTLs auf einer Seite Kohlenstoffteilchenbeschichtungen aufweisen. Die FTLs, wie oben besprochen, können so hergestellt werden, dass sie gegebenenfalls eine Katalysatorbeschichtung enthalten. Die FTLs, gemäß diesem Produktaufbau, sind sowohl porös als auch spröde.
Direktmethanolbrennstoffzellen (Direct Methanol Fuel Cells – DMFC) ähneln PEM-Zellen insofern, als sie beide eine Polymermembran als Elektrolyten verwenden. Bei einem DMFC zieht jedoch der Anodenkatalysator selbst den Wasserstoff aus flüssigem Methanolbrennstoff, wodurch kein Brennstoffreformer mehr benötigt wird. DMFCs arbeiten in der Regel bei einer Temperatur zwischen 49 und 88°C (120–190 Grad F).
Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen (Molten Carbonate Fuel Cells – MCFC) arbeiten mit einer flüssigen Lösung aus Lithium-, Natrium- und/oder Kaliumcarbonaten, womit eine Matrix für einen Elektrolyten durchtränkt ist. MCFCs arbeiten mit etwa 649°C (1.200 Grad F). Die hohe Betriebstemperatur ist erforderlich, um eine ausreichende Leitfähigkeit des Elektrolyten zu erreichen. Aufgrund dieser hohen Temperatur werden für die elektrochemischen Oxidations- und Reduktionsprozesse keine Edelmetallkatalysatoren benötigt. MCFCs werden in der Regel mit Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Erdgas, Propan, Mülldeponiegas, Schiffsdiesel und simulierten Kohlevergasungsprodukten betrieben.
Eine Festoxidbrennstoffzelle (Solid Oxide Fuel Cell – SOFC) arbeitet in der Regel mit einem Hartkeramikmaterial aus festem Zirconiumdioxid und einer geringen Menge Yttriumoxid anstelle eines flüssigen Elektrolyten, wodurch Betriebstemperaturen bis 982°C (1.800 Grad F) möglich sind.
In regenerativen Brennstoffzellen wird Wasser durch einen solarbetriebenen Elektrolysator in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Der Wasserstoff und der Sauerstoff werden in die regenerative Brennstoffzelle eingespeist, wodurch Elektrizität, Wärme und Wasser entstehen. Das Wasser wird dann in den solarbetriebenen Elektrolysator rezirkuliert, und der Prozess wird wiederholt.
Eine Protonenkeramikbrennstoffzelle (Protonic Ceramic Fuel Cell – PCFC) arbeitet mit einem keramischen Elektrolytmaterial, das eine hohe protonische Leitfähigkeit bei erhöhten Temperaturen aufweist. PCFCs arbeiten mit etwa 704°C (1.300 Grad F). PCFCs können bei hohen Temperaturen arbeiten und fossile Brennstoffe elektrochemisch direkt zur Anode oxidieren. Gasmoleküle des Kohlenwasserstoffbrennstoffs werden auf der Oberfläche der Anode in Gegenwart von Wasserdampf absorbiert, und es werden Wasserstoffionen effizient desorbiert, um in dem Elektrolyten absorbiert zu werden, wobei Kohlendioxid das primäre Reaktionsprodukt ist. Diese und andere Brennstoffzellentechnologien können unter Verwendung einer Bahnumwandlungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung hergestellt werden.
Wenden wir uns nun 2 zu, wo eine Bahnumwandlungsvorrichtung 30 zum Umwandeln einer Bahn einer Brennstoffzellenmembran in einzelne Brennstoffzellenmembranblätter und zum Positionieren dieser Membranblätter in einer vorgegebenen Ausrichtung zur Verarbeitung in einer nachfolgenden Verarbeitungsstation gezeigt ist. Die Bahnumwandlungsvorrichtung 30 eignet sich besonders gut zum Umwandeln einer Bahn 32 einer strukturierten katalysatorbeschichteten Membran 33 in separate Membranblätter während der automatisierten Brennstoffzellenmontage. Gemäß dieser nicht-einschränkenden Verwendung ist eine erste Seite der Membranenbahn 32 mit einem Anodenkatalysator beschichtet, und eine zweite Seite der Membranenbahn 32 ist mit einem Kathodenkatalysator beschichtet. Ein Bahnhandhabungsmodul (in 2 nicht gezeigt, aber in 3 zu sehen) übergibt einen Endabschnitt der Membranenbahn 32 zur Bahnumwandlungsvorrichtung 30.
Die in 2 gezeigte Bahnumwandlungsvorrichtung 30 enthält eine Zwischenlagerstation 50, die eine (nicht gezeigte) erste Vakuumvorrichtung enthält, die mit einer Vakuumverteilungsplatte 52 der Zwischenlagerstation 50 in strömungsmäßiger Verbindung steht. Die Oberseite der Zwischenlagerstation 50 ist vorzugsweise horizontal mit Durchbrüchen versehen (d. h. entlang der x-Achse von 2) „ um die Vakuumverteilungsplatte 52 zu definieren. Die Vakuumvorrichtung wird während der Bahnverarbeitung selektiv durch eine Steuerung 90 betätigt. Die Steuerung 90 ist eine programmierbare Vorrichtung, wie beispielsweise ein Prozessor, der Programmbefehle ausführt, um die Aktivitäten verschiedener Elemente der Bahnumwandlungsvorrichtung 30 zu koordinieren. Die Steuerung 90 ist als eine integrierte Vorrichtung gezeigt, doch sie kann sich auch von der Bahnumwandlungsvorrichtung 30 entfernt befinden. Wenn sie entfernt angeordnet ist, so ist die Steuerung 90 mit der Bahnumwandlungsvorrichtung 30 über eine geeignete festverdrahtete oder drahtlose Verbindung verbunden.
Nahe einer Zwischenlagerstation 50 befindet sich ein Lückendetektor 74. Der Lückendetektor 74 kann auf oder über der Zwischenlagerstation 50 montiert sein. Der Lückendetektor 74 ist so angeordnet, dass er die Lücke 34 erkennen kann, die zwischen benachbarten Membranstrukturen 33 der Bahn 32 vorhanden ist. Gemäß einer Konfiguration weist der Lückendetektor 74 einen optischen Detektor auf, der den Vorschub einer einzelnen Katalysatorstruktur 33 der Membranenbahn 32 an der Zwischenlagerstation 50 optisch erkennt. In einer konkreten Konfiguration weist der Lückendetektor 34 ein Fotoauge auf, das den Vorschub einer einzelnen Katalysatorstruktur 33 der Membranenbahn 32 an der Zwischenlagerstation 50 optisch erkennt.
Nahe der Zwischenlagerstation 50, und in der Regel über der Zwischenlagerstation 50, befindet sich eine Schneideinrichtung 73. Die Schneideinrichtung 73 ist vorzugsweise parallel zu einem Spalt angeordnet, der sich zwischen der Zwischenlagerstation 50 und der Positionierungsstation 60 befindet. Die Schneideinrichtung 73 ist vorzugsweise so montiert, dass sie sich quer zur Bewegung der Bahn 32 bewegen kann. Die Schneideinrichtung 73 kann axial entlang der y-Achse, die in 2 dargestellt ist, verschoben werden. In dieser Konfiguration bewegt sich die Schneideinrichtung 73 quer, um die Bahn 32 innerhalb der Lücke 34, die zwischen benachbarten Membranstrukturen 33 vorhanden ist, zu durchtrennen. Die Bewegung der Schneideinrichtung 73 wird durch die Steuerung 90 gesteuert.
Die Positionierungsstation 60, die sich in der Darstellung neben der Zwischenlagerstation 50 befindet, enthält einen Positionierungstisch 61 und eine zweite (nicht gezeigte) Vakuumvorrichtung, die strömungsmäßig mit einer Vakuumverteilungsplatte 62 der Positionierungsstation 60 verbunden ist. Die Oberseite der Positionierungsstation 60 ist vorzugsweise horizontal mit Durchbrüchen versehen, um die Vakuumverteilungsplatte 62 zu definieren. Die Vakuumvorrichtung der Positionierungsstation 60 wird während der Bahnverarbeitung selektiv durch die Steuerung 90 betätigt.
Der Positionierungstisch 61 ist so montiert, dass er sich mit mehreren Freiheitsgraden bewegen kann. Genauer gesagt, kann der Positionierungstisch 61 axial relativ zu einer x-Achse und einer y-Achse und rotational um eine z-Achse herum bewegt werden. Die Bewegung des Positionierungstischs 61 wird exakt durch die Steuerung 90 gesteuert. In einer Konfiguration dient ein Servomotorantriebssystem 64 zum Bewegen des Positionierungstisches 61 axial relativ zur x-Achse und y-Achse und rotational um eine z-Achse herum.
Der Positionierungstisch 61 wirkt unter der Kontrolle der Steuerung 90 mit einem Videosystem 70 zusammen, das sich über dem Positionierungstisch 61 befindet, um die Position eines einzelnen Membranblattes zu verändern, nachdem das Membranblatt von der Membranenbahn 32 abgeschnitten wurde. In einer Konfiguration enthält das Videosystem 70 eine oder mehrere Kameras zum Erkennen der Ausrichtung eines Membranblattes, das von der Membranenbahn 32 abgeschnitten wurde. Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden zwei solcher Kameras in dem Videosystem 70 verwendet.
Gemäß einer weiteren Konfiguration weist das Videosystem 70 einen Videoprozessor auf, der die Ausrichtung eines abgeschnittenen Membranblattes relativ zur x-, y- und z-Achse ermittelt, wofür Bilddaten verwendet werden, die von einer oder mehreren Kameras erzeugt werden. Der Videoprozessor steht mit der Steuerung 90 der Bahnumwandlungsvorrichtung 30 im Datenaustausch. In dieser Konfiguration wirken die eine oder die mehreren Kameras des Videosystems 70, der Videoprozessor und die Steuerung 90 der Bahnumwandlungsvorrichtung 30 zusammen, um die Bewegung des Positionierungstisches 61 so zu steuern, dass ein Membranblatt, das von der Membranenbahn 32 abgeschnitten wurde, exakt in die gewünschte Ausrichtung bewegt wird.
Die Bahnumwandlungsvorrichtung 30 enthält des Weiteren einen Roboter 40. Der Roboter 40 kann kontrollierbar über den Transportrahmen 44 zwischen wenigstens der Zwischenlagerstation 50 und der Positionierungsstation 60 bewegt werden und ist vorzugsweise in der Lage, sich auf dem Transportrahmen 44 zu Verarbeitungsorten zu bewegen, die jenseits der Positionierungsstation 60 liegen. Der Roboter 40 ist gemäß einer Konfiguration ein dreiachsiger (x, y, z) servo- und druckluftbetriebener Mechanismus, der so gesteuert wird, dass er die Membranenbahn 32 zur Zwischenlagerstation 50 und zur Positionierungsstation 60 zieht und einzelne Membranblätter von der Positionierungsstation 60 zu einem nachgeordneten Verarbeitungsort verbringt. Die genaue Ausrichtung des einzelnen Membranblattes, das durch den Positionierungstisch 60 in die richtige Position bewegt wird, wird beibehalten, während der Roboter 40 einzelne Membranblätter von der Positionierungsstation 60 zum nachgeordneten Verarbeitungsort transportiert.
Der Roboter 40 ist so montiert, dass er sich mit mehreren Freiheitsgraden bewegen kann, und enthält einen Aufnahmekopf, der eine Vakuumeingriffnahmevorrichtung 42 aufweist. Die Vakuumeingriffnahmevorrichtung 42 des Roboters 40 kann axial relativ zu einer x-Achse und einer y-Achse und einer z-Achse bewegt werden. Die Bewegung des Roboters 40 wird durch die Steuerung 90 gesteuert. In einer Konfiguration wird ein Servomotorantriebssystem zum Bewegen der Vakuumeingriffnahmevorrichtung 42 des Roboters 40 axial relativ zur x-, y- und z-Achse verwendet. Gemäß einer weiteren Konfiguration wird ein Druckluftmotor oder -beweger des Antriebssystems des Roboters verwendet, um die Vakuumeingriffnahmevorrichtung 42 des Roboters 40 axial relativ zur y-Achse zu bewegen. Ein erster Servomotor des Antriebssystems des Roboters dient zum Bewegen der Vakuumeingriffnahmevorrichtung 42 des Roboters 40 axial relativ zur x-Achse. Ein zweiter Servomotor des Antriebssystems des Roboters dient zum Bewegen der Vakuumeingriffnahmevorrichtung 42 des Roboters 40 axial relativ zur z-Achse.
Die Bahnumwandlungsvorrichtung 30 kann des Weiteren eine Inspektionsvorrichtung 72 zum Inspizieren der Membranenbahn 32 enthalten, um Defekte in den Membranstrukturen 33 zu erkennen. Die Inspektionsvorrichtung 72 ist vorzugsweise eine optische Inspektionsvorrichtung. In einer Konfiguration wird eine Inspektionskamera 72 zum Inspizieren der Membranenbahn 32 verwendet, um die Vollständigkeit der Katalysatorstrukturen 33 der Bahn 32 festzustellen.
Eine Inspektionsvorrichtung 72 der Bahnumwandlungsvorrichtung 30 kann des Weiteren eine Vorrichtung zum Inspizieren einer Größe und/oder einer Qualität der Katalysatorstrukturen 33 der Bahn 32 enthalten. Beispielsweise kann eine Inspektionskamera zum Inspizieren einer Größe und/oder einer Qualität der Katalysatorstrukturen 33 der Bahn 32 verwendet werden.
Weiterhin anhand von 2, und unter Bezug auf die 3–6, werden nun weitere Merkmale der Bahnumwandlung beschrieben. Wie oben besprochen wurde, und gemäß einer Verarbeitungsausführungsform, ist die Steuerung 90 dafür programmiert, die Steuerung von verschiedenen Bahnumwandlungsvorrichtungen als Teil einer automatisierten Brennstoffzellenmontageoperation zu koordinieren. Die Steuerung 90 ist dafür programmiert, den Roboter 40 zu veranlassen, mit Hilfe eines Vakuums, das an der Vakuumeingriffnahmevorrichtung 42 erzeugt wird, einen Endabschnitt der Membranenbahn 32 von der Zwischenlagerstation 50 zum Positionierungstisch 61 zu transportieren. Die Steuerung 90 aktiviert und deaktiviert selektiv das erste und das zweite Vakuums 52, 62 und das Vakuum der Vakuumeingriffnahmevorrichtung, wenn die Schneideinrichtung 73 veranlasst wird, die Membranenbahn 32 innerhalb der Lücke 34 zwischen den Katalysatorstrukturen 33 zu durchtrennen. Die Steuerung 90 steuert außerdem die Bewegung des Positionierungstisches 61 so, dass das Membranblatt, das von der Membranenbahn 32 abgeschnitten wurde, in eine gewünschte Ausrichtung bewegt wird, um die Weiterverarbeitung des Membranblattes zu unterstützen. Die Steuerung 90 ist dafür programmiert, wiederholt die Membranenbahn 32 automatisch in separate Membranblätter umzuwandeln.
Gemäß einer weiteren Verarbeitungsausführungsform ist die Steuerung 90 dafür programmiert, eine Anzahl von automatisierten Prozessen zum Umwandeln einer Bahn einer Brennstoffzellenmembran in einzelne Membranblätter zu koordinieren, einschließlich der folgenden Prozesse. Mit Hilfe der Vakuumeingriffnahmevorrichtung 42 des Roboters 40 wird der Endabschnitt der Membranenbahn 32 zu der Zwischenlagerstation 50 gezogen. Mit Hilfe des ersten Vakuums 52 wird der Endabschnitt der Membranenbahn 32 an der Zwischenlagerstation 50 festgehalten. Beim Bewegen der Membranenbahn 32 von der Zwischenlagerstation 50 zur zweiten Station 60 wird die Vakuumeingriffnahmevorrichtung 42 aktiviert, um die Membranenbahn 32 zu halten, und das erste Vakuum 52 wird deaktiviert. Mit Hilfe der Vakuumeingriffnahmevorrichtung 42 wird ein Endabschnitt der Membranenbahn 32 von der Zwischenlagerstation 50 zur Positionierungsstation 60 transportiert, dergestalt, dass wenigstens eine Membranstruktur 33 auf dem Positionierungstisch 61 aufliegt.
Wie am besten in den 4–6 zu sehen, wird mit Hilfe des ersten bzw. des zweiten Vakuums 52, 62 an der Zwischenlagerstation 50 und der Positionierungsstation 60, und nach dem Entfernen des Vakuums an der Vakuumeingriffnahmevorrichtung 42, der Endabschnitt der Membranenbahn 32 an der Zwischenlagerstation 50 und der Positionierungsstation 60 festgehalten. Während die Membranenbahn 32 so festgehalten wird, wird sie mittels der Schneideinrichtung 73 in einer Lücke 34, die zwischen einer einzelnen Katalysatorstruktur 33A des Membranenbahn-Endabschnitts und einer benachbarten Katalysatorstruktur 33B gebildet wird, durchtrennt, um ein Membranblatt 33A herzustellen. Das Membranblatt 33A wird in einer gewünschten Ausrichtung angeordnet, um die Weiterverarbeitung des Membranblattes 33A zu unterstützen.
Wenn sich die Katalysatorstruktur 33 unter einem Fotoauge 74 entlangbewegt, so wird die Position der Katalysatorstruktur 33 durch die Steuerung 90 ermittelt, welche die x-Achsenbewegung des Roboters 40 so steuert, dass diese fortgesetzt wird, bis eine vollständige Katalysatorstruktur 33 in eine Position über dem Positionierungstisch 61 vorangeschoben wurde. Der Roboter 40 bewegt sich dann nach unten, bis sich die Membranenbahn 32 in unmittelbarer Nähe, vielleicht sogar in direktem Kontakt, zum Positionierungstisch 61 befindet. Das Vakuum an der Vakuumeingriffnahmevorrichtung 42 wird deaktiviert, während das erste und das zweite Vakuum 52, 62 aktiviert werden, wodurch die Membranenbahn 32 an der Zwischenlagerstation 50 und der Positionierungsstation 60 festgehalten wird. Der Roboter 40 wird dann zurückgezogen und lässt die vordere Katalysatorstruktur 33A auf dem Positionierungstisch 61 zurück.
Während die Membranenbahn 32 an der Zwischenlagerstation 50 und der Positionierungsstation 60 festgehalten wird, veranlasst die Steuerung 90 die Schneideinrichtung 73, die Membranenbahn 32 innerhalb der Lücke 34 zwischen der vorderen Katalysatorstruktur 33A und der benachbarten Katalysatorstruktur 33B zu durchtrennen. Nach Vollendung des Schneidtaktes wird eine einzelne abgetrennte Katalysatorstruktur 33A mittels Vakuums an dem Positionierungstisch 61 festgehalten. Der übrige Abschnitt der Membranenbahn 32 verbleibt mit der neuen vorderen Katalysatorstruktur 33B in der "Bereitschaftsposition", die an der Zwischenlagerstation 50 unter Vakuum gehalten wird.
Die Steuerung 90, das Videosystem 70 und das Antriebssystem 64 des Positionierungstisches wirken zusammen, um den Positionierungstisch 61 in eine vorgegebene Position zu bewegen, wie am besten in 5 zu sehen ist. Auf dieser Stufe wird das abgetrennte Katalysatorblatt 33A präzise zur Verarbeitung an einer nachfolgenden Verarbeitungsstation positioniert. Der Roboter 40 bewegt sich in Position über dem abgetrennten Katalysatorblatt 33A (das sich nun in seiner vorgegebenen Ausrichtung befindet), ergreift das abgetrennte Katalysatorblatt 33A über die Vakuumeingriffnahmevorrichtung 42 und bewegt das abgetrennte Katalysatorblatt 33A zu einer nachfolgenden Verarbeitungsstation, während die ganze Zeit die vorgegebene Ausrichtung des abgetrennten Katalysatorblattes 33A beibehalten bleibt.
Es ist möglich, dass die Membranenbahn 32 Defektbereiche enthält, wo der Katalysator nicht richtig aufgebracht wurde oder wo ein anderer Defekt auf der Membranenbahn 32 vorliegt. Das Fotoauge 74, das vorzugsweise über der Zwischenlagerstation 50 montiert ist, kann dafür verwendet werden, Defekte innerhalb des Sichtfeldes zu erkennen. Das Ausschussmaterial wird von der Membranenbahn 32 abgeschnitten und stromabwärts in einen Abfallbehälter geleitet. Es ist anzumerken, dass eine dritte Inspektionsvorrichtung 72, wie beispielsweise eine optische Vorrichtung, wie beispielsweise eine Kamera, entsprechend sinnvoll positioniert werden kann, um die Katalysatorstrukturen 33 auf Größe und Qualität zu inspizieren. Die Steuerung oder eine separate Verarbeitungsvorrichtung führt Bildinspektionsalgorithmen aus, um festzustellen, ob die Katalysatorstrukturen 33 vorgegebene Größen- und Qualitätsanforderungen erfüllen. Ausschuss, der bei dieser Inspektion festgestellt wird, kann wie oben besprochen entsorgt werden.
Die obige Beschreibung der verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung dient dem Zweck der Veranschaulichung und Beschreibung. Sie soll weder erschöpfend sein, noch soll sie die Erfindung auf die konkret offenbarte Form beschränken. Vor dem Hintergrund der obigen Lehre sind viele Modifikationen und Variationen möglich. Der Geltungsbereich der Erfindung soll nicht durch diese detaillierte Beschreibung eingeschränkt werden, sondern vielmehr durch die hier angehängten Ansprüche.

Claims

Verfahren zum automatischen Überführen einer Bahn aus einer dünnen strukturierten katalysatorbeschichteten Membran in separate Membranblätter für den Bau von Brennstoffzellen, wobei eine erste Seite der Membranenbahn mit einem Anodenkatalysator beschichtet ist und eine zweite Seite der Membranenbahn mit einem Kathodenkatalysator beschichtet ist, wobei das Verfahren aufweist: Transportieren eines Endabschnitts der Membranenbahn mit Hilfe eines beweglichen Vakuums von einer ersten Stelle zu einer zweiten Stelle; lösbares Befestigen des Endabschnitts der Membranenbahn an der ersten und der zweiten Stelle mit Hilfe eines ersten bzw. eines zweiten Vakuums an der ersten und der zweiten Stelle und nach dem Entfernen des beweglichen Vakuums; Durchtrennen der Membranenbahn innerhalb einer Lücke, die zwischen einer einzelnen Katalysatorstruktur des Endabschnitts der Membranenbahn und einer benachbarten Katalysatorstruktur definiert wird, so dass ein Membranblatt entsteht; und Ausrichten des Membranblatts in eine gewünschte Richtung, um die Weiterverarbeitung des Membranenblatts zu erleichtern.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Membran dünner als 50,8 μm (zwei Tausendstel Inch) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner aufweist: Befestigen des Endabschnitts der Membranenbahn mit Hilfe des ersten Vakuums an der ersten Stelle; Bewegen des beweglichen Vakuums an die erste Stelle; und Aktivieren des beweglichen Vakuums und Entfernen des ersten Vakuums, um den Transport des Endabschnitts der Membranenbahn mittels des beweglichen Vakuums zu erleichtern.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner aufweist: Erkennen des Vorschubs der einzelnen Katalysatorstruktur zu der zweiten Stelle.