DE60318629T2

DE60318629T2 - Vorrichtung und Verfahren zur Überführung einer Bahn aus einer Brennstoffzellenmembran in präzise positionierte Abschnitte dieser Membran

Info

Publication number: DE60318629T2
Application number: DE60318629T
Authority: DE
Inventors: Gary W. St.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: 2009-01-08
Anticipated expiration: 2023-02-12
Also published as: CN100342567C; US6740131B2; US7569081B2; EP1624510A1; ATE327576T1; KR20040111461A; US20030190521A1; CA2481122A1; EP1493198B1; DE60305469T2; DE60305469D1; EP1624510B1; US20040168305A1; JP2005522010A; CN1692514A; JP4584590B2; AU2003209134A1; WO2003085759A1; DE60318629D1; EP1493198A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen die automatische Brennstoffzellenherstellung und insbesondere eine Vorrichtung zum Überführen einer Bahn einer Brennstoffzellenmembran in getrennte Membranlagen, sowie das genaue Positionieren der getrennten Membranlagen für das nachfolgende Verarbeiten.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Verschiedene Vorrichtungen sind entwickelt worden, um eine Bahn eines vorgegebenen Materials in einzelne Lagen zu überführen. Das Überführen von extrem dünnen Bahnstrukturen in der Größenordnung von einem Tausendstel Inch in der Dicke macht herkömmliche Überführungsprozesse im Allgemeinen unverwendbar für solche Anwendungen. Eine besondere Struktur von Interesse in der Konstruktion von Brennstoffzellen ist die dünne Membran der Brennstoffzelle. Eine Vorrichtung zum Überführen einer Membranbahn muss fähig sein, sehr dünne, zweiseitige Membranbahnen zu handhaben und zu schneiden und, sobald geschnitten, die Membranlagen für nachfolgendes Verarbeiten genau auszurichten. Das Stören des Positionierens der Membranlagen an einer bestimmten Verarbeitungsstation kann zu einer Beschädigung der Membranlagen oder der Brennstoffzellenstrukturen, die solche Membranlagen aufnehmen, führen. Das Stören der Membranlagenausrichtung führt außerdem sehr wahrscheinlich zu einem reduzierten Produktdurchsatz, was die Produktivität der automatischen Brennstoffzellen-Fertigungslinie negativ beeinflusst.
Es ist oftmals wünschenswert eine Anzahl von Arbeitsvorgängen zur Bahnüberführung entweder teilweise oder vollständig zu automatisieren. Viele herkömmliche Vorrichtungen zur Bahnüberführung, im Besonderen für Überführungsprozesse, die enge Anforderungen an Positionstoleranzen aufweisen, sind für einen hohen Automatisierungsgrad nicht gut geeignet.
Es besteht ein Bedarf für verbesserte Vorrichtungen zur Bahnübertragung. Es besteht ein weiterer Bedarf für solche Vorrichtungen, die sicher und präzise eine Bahn von sehr dünnen Bahnstrukturen in einer automatisierten Fertigungsumgebung, wie etwa in einer automatisierten Brennstoffzellen-Fertigungsanlage, in einzelne Lagen überführen kann. Die vorliegende Erfindung erfüllt diese und andere Bedürfnisse.
US-A-5,989,747 beschreibt eine Zellenelektrode mit einer rechteckigen Streifenform, die mindestens eine die Elektrode depolarisierende Mischungsschicht auf einem Stromabnehmer aufweist. Die Dicken von zwei Endabschnitten der die Elektrode depolarisierenden Gemischschicht sind um 2 bis 25% dicker als eine Durchschnittsdicke der die Elektrode depolarisierenden Gemischschicht.
JP-A-11 297314 stellt eine Schneidvorrichtung zur Batterieherstellung mit einer vorgeschriebenen Form eines Messers und eines Auflageblocks, die angeordnet sind, um eine Elektrode einzuklemmen, einen Messerhalter, um das Messer zu befestigen, ein Pressteil mit leichter Presskraft, das entlang einer Form des Messers in der Nähe des Messers bereitgestellt ist, und ein Förderband zum Fördern der Elektrode bereit. Der Auflageblock ist ortsfest oder in der Position verstellbar, um die Elektrode in eine vorgeschriebene Form zu schneiden.
JP-A-11 273663 stellt eine Schneidposition-Erkennungsvorrichtung mit einem Messmechanismus, eine Steuerung und einen Fördermechanismus bereit. Der Messmechanismus weist einen Farbunterscheidungssensor auf, der ein EIN- Signal bei einem lackierten Teil und AUS-Signale bei einem metallischen Band und einem unlackierten Teil erhält und weist eine Zählschaltung auf, die die Länge des lackierten Teils gemäß dem EIN-Signal von dem Farbunterscheidungssensor misst. Die Steuerung bestimmt, ob die Länge des gemessenen Teils der Länge des lackierten Teils zwischen den metallischen Bändern oder der Länge des lackierten Teils unmittelbar vor dem unlackierten Teil entspricht.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung erfüllt die obengenannten Aufgaben durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs und richtet sich auf eine Vorrichtung zum automatischen Überführen einer Bahn einer dünnen gemusterten, katalysatorbeschichteten Membran in getrennte Membranlagen für die Brennstoffzellenherstellung. Eine erste Seite der Membranbahn ist mit einem Anodenkatalysator beschichtet und eine zweite Seite der Membranbahn ist mit einem Katodenkatalysator beschichtet. Die Dicke der Membran beträgt normalerweise weniger als ungefähr zwei Tausendstel von einem Inch und weist normalerweise eine Dicke von ungefähr einem Tausendstel von einem Inch auf.
Ein automatisiertes Bahnüberführungsverfahren, welches nicht Bestandteil der Erfindung darstellt, umfasst das Transportieren eines Endabschnitts der Membranbahn mit Hilfe eines beweglichen Vakuums von einer ersten Stellung zu einer zweiten Stellung. Mit Hilfe des ersten und zweiten Vakuums an der ersten und zweiten Stellung und nach Entfernen des beweglichen Vakuums wird der Endabschnitt der Membranbahn lösbar an der ersten und zweiten Stellung festgehalten. Die Membranbahn wird innerhalb eines Abstands geschnitten, der zwischen einem einzelnen Katalysatormuster des Membranbahn-Endabschnitts und einem benachbarten Katalysatormuster definiert wird, um eine Membranlage zu produ zieren. Die Membranlage wird präzise in einer gewünschten Ausrichtung positioniert, um das nachfolgende Verarbeiten zu ermöglichen.
Eine Vorrichtung zum automatischen Überführen einer Bahn einer dünnen gemusterten, katalysatorbeschichteten Membran in getrennte Membranlagen für die Brennstoffzellenherstellung weist eine Bereitstellungsstation auf, die ein erstes Vakuum und einen Abstandsdetektor aufweist. Der Abstandsdetektor detektiert einen Abstand zwischen den Katalysatormustern der Membranbahn. Die Bereitstellungsstation nimmt den Endabschnitt der Membranbahn auf. Eine Positionierstation weist einen Positioniertisch und ein zweites Vakuum auf. Der Positioniertisch ist steuerbar, um sich axial und drehend zu bewegen. Ein optisches Erkennungssystem ist an der Positionierstation bereitgestellt. Das optische Erkennungssystem detektiert eine Ausrichtung einer von der Membranbahn mit Hilfe einer Schneideinrichtung abgeschnittenen Membranlage. Ein Roboter, der eine Ansaugaufspannung aufweist, ist zwischen mindestens der Bereitstellungsstation und der Positionierstation bewegbar.
Eine Steuerung ist programmiert, um den Roboter zu veranlassen, mit Hilfe eines Vakuums an der Ansaugaufspannung den Endabschnitt der Membranbahn von der Bereitstellungsstation zu dem Positioniertisch zu transportieren, um wahlweise das erste und zweite Vakuum und das Ansaugaufspannungsvakuum zu betätigen und zu deaktivieren, wenn die Schneideinrichtung veranlasst wird, die Membranbahn innerhalb des Abstands zwischen den Katalysatormustern abzuschneiden, und um die Bewegung des Positioniertisches derart zu steuern, dass die Membranlage in eine gewünschte Ausrichtung bewegt wird, um das nachfolgende Verarbeiten der Membranlage zu ermöglichen.
Die oben stehende Kurzdarstellung der vorliegenden Erfindung ist nicht dazu bestimmt jede Ausführungsform oder jede Anwendung der vorliegenden Erfindung zu beschreiben. Vorteile und Errungenschaften, zusammen mit einem vollständigeren Verständnis der Erfindung, werden deutlich und verstanden werden durch Bezug auf die folgende ausführliche Beschreibung und die Ansprüche in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Darstellung einer Brennstoffzelle und ihrer zugehörigen Schichten;
2 ist eine Abbildung einer Vorrichtung zum Überführen einer Bahn einer Brennstoffzellenmembran in einzelne Membranlagen gemäß der vorliegenden Erfindung;
3 ist eine Ausführungsform einer Vorrichtung zum Überführen einer Bahn einer Brennstoffzellenmembran in einzelne Membranlagen gemäß der vorliegenden Erfindung;
4 stellt einen Abschnitt der Vorrichtung in 3 dar, der gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Bahn einer Brennstoffzellenmembran zu einer Bereitstellungsstation transportiert;
5 stellt einen Abschnitt der Vorrichtung in 3 dar, der gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Brennstoffzellen-Membranlagen aus einer Bahn einer Brennstoffzellenmembran erzeugt; und
6 stellt einen Abschnitt der Vorrichtung in 3 dar, der gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung präzise einzelne Brennstoffzellen-Membranlagen für die nachfolgende Verarbeitung positioniert.
Obwohl die Erfindung für verschiedene Änderungen und alternative Formen offen ist, werden Besonderheiten davon beispielhaft in den Zeichnungen gezeigt und werden ausführlich beschrieben werden. Es versteht sich allerdings, dass es Absicht ist, die Erfindung nicht auf die beschriebenen besonderen Ausführungsformen zu beschränken. Es ist im Gegenteil die Absicht, alle Abänderungen, Äquivalente und Alternativen abzudecken, die in den Schutzumfang der Erfindung fallen, wie durch die angehängten Ansprüche definiert.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON VERSCHIEDENEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
In der folgenden Beschreibung der dargestellten Ausführungsformen wird Bezug genommen auf die begleitenden Zeichnungen, die einen Teil hiervon ausmachen und in denen durch Darstellung verschiedene Ausführungsformen gezeigt werden, in denen die Erfindung ausgeführt werden kann. Es versteht sich, dass die Ausführungsformen benutzt werden können und strukturelle Änderungen gemacht werden können, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Eine Vorrichtung zum Überführen einer Bahn einer Brennstoffzellenmembran in einzelne Membranlagen gemäß der vorliegenden Erfindung stellt eine wichtige Vorrichtung dar, die benutzt wird, um einen Brennstoffzellen-Fertigungsprozess zu automatisieren. Eine Vorrichtung zur Bahnüberführung der vorliegenden Erfindung sieht das ununterbrochene Überführen einer dünnen Brennstoffzellen-Membranbahn in einzelne Membranlagen, wie sie von den nachgeschalteten Verarbeitungsstationen benötigt werden, vor. Eine Vorrichtung zur Bahnüberführung der vorliegenden Erfindung ist besonders zweckmäßig für das Überführen von Bahnen mit dünnen gemusterten Bereichen (z. B. Brennstoffzellenmembranen), wo die gemusterten Bereiche normalerweise in der Dicke weniger als ungefähr 76,2 μm (ungefähr drei Tausendstel von einem Inch) und normalerweise in der Dicke ungefähr 25,4 μm (ungefähr ein Tausendstel von einem Inch) betragen.
Der Fachmann wird leicht die Schwierigkeit des Überführens von Bahnstrukturen in der Größenordnung von 25,4 μm (ein Tausendstel von einem Inch) Dicke in getrennte Lagen solcher Strukturen verstehen. Eine besondere Struktur von Interesse in der Konstruktion von Brennstoffzellen ist die Membran der Brennstoffzelle. Wie ausführlicher nachfolgend beschrieben wird, ist die Membran einer Brennstoffzelle normalerweise eine dreischichtige Struktur. Eine typische Brennstoffzelle weist eine Protonenaustauschmembran auf. Ein Anodenkatalysator ist auf einer Seite der Protonenaustauschmembran beschichtet und ein Kathodenkatalysator ist auf der anderen Seite der Protonenaustauschmembran beschichtet. Die dreischichtige Struktur beträgt in der Dicke normalerweise ungefähr ein Tausendstel von einem Inch.
Um eine automatisierte Fertigung von Brennstoffzellen zu ermöglichen, muss der Überführungsprozess der Membranbahn fähig sein, die dünnen zweiseitigen Membranstrukturen der Bahn zu handhaben und zu schneiden und, sobald geschnitten, die Membranlagen präzise derart zu positionieren, dass sich die Lagen in richtiger Ausrichtung befinden, wenn sie für nachfolgendes Verarbeiten zu einer nachgeschalteten Verarbeitungsstation transportiert werden. Es ist verständlich, dass das Beibehalten einer vorbestimmten Ausrichtung der Membranlagen an jeder Verarbeitungsstation einer automatisierten Brennstoffzellen-Fertigungslinie wesentlich ist, wenn das Verarbeiten der Membranlagen und der Brennstoffzellenstrukturen, die solche Membranlagen aufnehmen, mit hoher Effizienz und Genauigkeit erreicht werden muss. Ein Stören des Positionierens der Membranlagen an einer bestimmten Verarbeitungsstation kann zu einer Beschädigung der Membranlagen oder der Brennstoffzellenstrukturen, die solche Membranlagen aufnehmen, führen. Außerdem wird der Durchsatz an einer bestimmten nachgeschalteten Verarbeitungsstation wahr scheinlich reduziert, was die Produktivität der automatisierten Brennstoffzellen-Fertigungslinie negativ beeinflusst.
Eine katalysatorbeschichtete Membranbahn (CCM) ist eine dünne, empfindliche, ununterbrochene Polymerlage. Der Katalysator wird in einem bestimmten Muster mit einer sich wiederholenden Teilung aufgetragen. Der Fachmann wird verstehen, dass sehr dünne Brennstoffzellen-Membranstrukturen, wie CCM, eine geringe strukturelle Festigkeit aufweisen. Dieser Mangel an struktureller Festigkeit erschwert die Handhabung der Bahn sowie Verarbeitungsüberlegungen für eine automatisierte Brennstoffzellenfertigung beträchtlich. Zum Beispiel sind übliche Verfahren zum Fixieren von festen Rändern der Gegenstandstrukturen nicht durchführbar. Herkömmliche Vorgehensweisen, die die Verwendung von Erfassungslöchern vorsehen, sind als weiteres Beispiel ebenfalls nicht durchführbar. Eine Vorrichtung zur Bahnüberführung der vorliegenden Erfindung stellt eine sicheres Handhaben, Schneiden und Positionieren von Brennstoffzellen-Membranlagen, die von einer ununterbrochenen Membranbahn überführt werden, bereit.
Eine Vorrichtung zur Bahnüberführung der vorliegenden Erfindung kann benutzt werden, um Membranbahnen für eine Vielzahl von Brennstoffzellentechnologien zu verarbeiten. Eine typische Brennstoffzelle ist in 1 abgebildet. Die in 1 gezeigte Brennstoffzelle 10 weist eine erste zu einer Anode 14 benachbarten Fluidtransportschicht 12 auf. Benachbart zu der Anode 14 ist eine Elektrolytmembran 16. Eine Kathode 18 befindet sich benachbart zu der Elektrolytmembran 16 und eine zweite Fluidtransportschicht 19 befindet sich benachbart zur Kathode 18. Im Betrieb wird Wasserstoffbrennstoff in den Anodenabschnitt der Brennstoffzelle 10 eingeführt, indem er sich durch die erste Fluidtransportschicht 12 und über die Anode 14 hinweg bewegt. An der Anode 14 wird der Wasserstoffbrennstoff in Wasserstoffionen (H⁺) und Elektronen (e^–) getrennt.
Die Elektrolytmembran 16 erlaubt nur den Wasserstoffionen oder Protonen sich durch die Elektrolytmembran 16 zu dem Kathodenabschnitt der Brennstoffzelle 10 zu bewegen. Die Elektronen können sich nicht durch die Elektrolytmembran 16 bewegen und fließen stattdessen in Form von elektrischem Strom durch einen externen elektrischen Kreislauf. Dieser Strom kann einen elektrischen Verbraucher 17 antreiben, wie etwa einen Elektromotor, oder kann einer Energiespeichereinrichtung zugeführt werden, wie etwa einer wiederaufladbaren Batterie.
Sauerstoff fließt über die zweite Fluidtransportschicht 19 in die Kathodenseite der Brennstoffzelle 10. Während der Sauerstoff sich über die Kathode 18 bewegt, verbinden sich Sauerstoff, Protonen und Elektronen, um Wasser und Wärme zu erzeugen.
Einzelne Brennstoffzellen, wie die in 1 gezeigten, können mit einer Anzahl von anderen Brennstoffzellen verbunden werden, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden. Die Anzahl von Brennstoffzellen innerhalb eines Stapels bestimmt die Gesamtspannung des Stapels und die Fläche von jeder der Brennstoffzellen bestimmt den Gesamtstrom. Die gesamte durch einen bestimmten Brennstoffzellenstapel erzeugte elektrische Leistung kann durch Multiplizieren der gesamten Stapelspannung mit dem Gesamtstrom bestimmt werden.
Eine Vorrichtung zur Bahnüberführung der vorliegenden Erfindung kann eingesetzt werden, um automatisches Überführen von Membranbahnen für Brennstoffzellen von verschiedenen Technologien zu ermöglichen. Protonenaustauschmembran-(PEM)Brennstoffzellen arbeiten beispielsweise bei relativ niedrigen Temperaturen (ungefähr 80°C oder 175 Grad Fahrenheit), weisen eine hohe Leistungsdichte auf, können ihre Ausbringung schnell ändern, um Verschiebungen im Leistungsbedarf zu entsprechen und sind gut geeignet für Anwendungen, bei denen ein schnelles Anlaufen erforderlich ist, wie beispielsweise in Automobilen.
Die in einer PEM-Brennstoffzelle benutzte Protonenaustauschmembran ist eine dünne Kunststofflage, die Wasserstoffionen erlaubt, sich durch sie hindurchzubewegen. Die Membran ist auf beiden Seiten mit fein zerstäubtem Metall oder Metalllegierungsteilchen (z. B. Platin oder Platin/Ruthenium), welche aktive Katalysatoren sind, beschichtet. Der benutzte Elektrolyt ist normalerweise ein festes organisches Polyperfluorsulfonsäure-Polymer. Die Benutzung eines festen Elektrolyts ist vorteilhaft, da er Korrosions- und Handhabungsprobleme reduziert.
Wasserstoff wird der Anodenseite der Brennstoffzelle zugeführt, wo der Katalysator die Wasserstoffionen dabei unterstützt, Elektronen freizugeben und zu Wasserstoffionen (Protonen) werden zu lassen. Die Elektronen bewegen sich in der Form eines elektrischen Stroms, der genutzt werden kann bevor er zur Kathodenseite der Brennstoffzelle, wo Sauerstoff eingeführt wurde, zurückkehrt. Zur selben Zeit diffundieren die Protonen durch die Membran zu der Kathode, wo sich die Wasserstoffionen wieder verbunden und mit Sauerstoff reagiert haben, um Wasser zu produzieren.
Gemäß einer PEM-Brennstoffzellenkonstruktion ist eine PEM-Schicht zwischen einem Paar von Fluidtransportschichten (FTL), wie beispielsweise diffuse Stromabnehmer oder Gasdiffusionsschichten, eingeklemmt. 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 Anordnung ist eine PEM-Schicht hergestellt, um eine Anodenkatalysatorbeschichtung auf der einen Fläche und eine Kathodenkatalysatorbeschichtung auf der anderen Fläche aufzuweisen. Gemäß einer anderen Anordnung sind die erste und die zweite FTL hergestellt, um eine Anoden-, beziehungsweise eine Kathodenkatalysatorbeschichtung aufzuweisen. In noch einer weiteren Anordnung kann eine Anodenkatalysatorbeschichtung teilweise auf der ersten FTL und teilweise auf einer Fläche der PEM aufgetragen sein und eine Kathodenkatalysatorbeschichtung kann teilweise auf der zweiten FTL und teilweise auf der anderen Fläche der PEM aufgetragen sein. Die fünfschichtige Konstruktion, die durch die erste FTL/Anode/PEM/Kathode/zweite FTL definiert ist, wird als Membranelektrodenaufbau (MEA) bezeichnet.
Die FTL werden normalerweise aus einem Kohlefaserpapier oder Vliesmaterial hergestellt. Abhängig von der Produktkonstruktion können die FTL auf einer Seite Kohlenstoffteilchenbeschichtungen aufweisen. Die FTL, wie obenstehend erläutert, können hergestellt werden, um eine Katalysatorbeschichtung aufzuweisen oder auszuschließen. Die FTL gemäß dieser Produktkonstruktion sind sowohl porös als auch spröde.
Direkte Methanolbrennstoffzellen (DMFC) sind den PEM-Zellen ähnlich, da beide eine Polymermembran als Elektrolyt benutzen. In einer DMFC allerdings bezieht der Anodenkatalysator selbst den Wasserstoff aus flüssigem Methanolbrennstoff und eliminiert die Notwendigkeit eines Brennstoffreformers. DMFC arbeiten normalerweise bei einer Temperatur zwischen 49 bis 88°C (120 bis 190 Grad Fahrenheit).
Schmelz-Karbonatbrennstoffzellen (MCFC) benutzen eine in einer Matrix eingesogene flüssige Lösung aus Lithium, Natrium und/oder Kalium als Elektrolyt. MCFC arbeiten bei ungefähr 649°C (ungefähr 1.200 Grad Fahrenheit). Die hohe Betriebstemperatur ist notwendig, um eine ausreichende Leitfähigkeit des Elektrolyts zu erreichen. Aufgrund dieser hohen Temperatur sind Edelmetallkatalysatoren für die elektrochemischen Oxi dations- und Reduktionsprozesse nicht erforderlich. MCFC werden normalerweise mit Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Erdgas, Propangas, Deponiegas, Dieselöl und künstlichen Kohlevergasungsprodukten betrieben.
Eine feste Sauerstoffbrennstoffzelle (SOFC) setzt normalerweise anstelle eines flüssigen Elektrolyts ein hartes keramisches Material aus festem Zirkoniumoxid und eine kleine Menge von Yttrium ein, das Betriebstemperaturen bis zu 982°C (1.800 Grad Fahrenheit) erlaubt.
In regenerativen Brennstoffzellen wird Wasser durch einen solarbetriebenen Elektrolyseur in Wasserstoff und Sauerstoff getrennt. Der Wasserstoff und der Sauerstoff werden in die regenerative Brennstoffzelle geleitet, welche Elektrizität, Wärme und Wasser erzeugt. Das Wasser wird dann zu dem solarbetriebenen Elektrolyseur zurück geleitet und der Prozess wird wiederholt.
Eine protonische Keramikbrennstoffzelle (PCFC) setzt ein keramisches Elektrolytmaterial ein, das hohe protonische Leitfähigkeit bei erhöhten Temperaturen zeigt. PCFC arbeiten bei ungefähr 704°C (ungefähr 1.300 Grad Fahrenheit). PCFC können bei hohen Temperaturen arbeiten und oxidieren elektrochemisch fossile Brennstoffe direkt zu der Anode. Gasförmige Moleküle des Kohlenwasserstoff-Brennstoffs werden auf der Oberfläche der Anode in Anwesenheit von Wasserdampf absorbiert und Wasserstoffionen werden effizient abgestreift, um in dem Elektrolyt absorbiert zu werden, wobei Kohlendioxid das hauptsächliche Reaktionsprodukt ist. Diese und andere Brennstoffzellentechnologien können mit Hilfe einer Vorrichtung zur Bahnüberführung der vorliegenden Erfindung erschaffen werden.
Der 2 zugewandt ist eine Ausführungsform einer Vorrichtung 30 zur Bahnüberführung, um eine Bahn einer Brennstoffzellenmembran in einzelne Brennstoffzellen- Membranlagen zu überfuhren und diese Membranlagen für das Verarbeiten an einer nachfolgenden Verarbeitungsstation in einer vorbestimmten Ausrichtung zu positionieren, abgebildet. Die Vorrichtung 30 zur Bahnüberführung ist besonders gut geeignet für das Überführen einer Bahn 32 einer gemusterten katalysatorbeschichteten Membran 33 in getrennte Membranlagen während der automatisierten Brennstoffzellenfertigung. Gemäß dieser nicht einschränkenden Nutzung ist eine erste Seite der Membranbahn 32 mit einem Anodenkatalysator beschichtet und eine zweite Seite der Membranbahn 32 ist mit einem Kathodenkatalysator beschichtet. Ein Bahnhandhabungsmodul (nicht in 2 sondern in 3 gezeigt) übergibt einen Endabschnitt der Membranbahn 32 an die Vorrichtung 30 zur Bahnüberführung.
Die in 2 gezeigte Vorrichtung 30 zur Bahnüberführung weist eine Bereitstellungsstation 50 auf, welche eine erste Vakuumbaugruppe (nicht gezeigt) aufweist, die fließend an einer Vakuumverteilungsplatte 52 der Bereitstellungsstation 50 angekuppelt ist. Die oberste Fläche der Bereitstellungsstation 50 ist vorzugsweise horizontal gelocht (d. h. entlang der x-Achse in 2), um die Vakuumverteilungsplatte 52 zu definieren. Die Vakuumbaugruppe wird während des Bahnverarbeitungsprozesses wahlweise durch eine Steuerung 90 betätigt. Die Steuerung 90 ist eine programmierbare Einrichtung, wie etwa ein Prozessor, die Programmanweisungen ausführt, um die Tätigkeiten von verschiedenen Elementen der Vorrichtung 30 zur Bahnüberführung zu koordinieren. Die Steuerung 90 wird als maschinenseitige Einrichtung gezeigt, kann jedoch von der Vorrichtung 30 zur Bahnüberführung entfernt liegend angeordnet sein. Wenn sie entfernt liegend angeordnet ist, ist die Steuerung 90 an die Vorrichtung 30 zur Bahnüberführung angekuppelt, indem eine geeignete verdrahtete oder drahtlose Verbindung benutzt wird.
In der Nähe der Bereitstellungsstation 50 befindet sich ein Abstandsdetektor 74. Der Abstandsdetektor 74 kann an oder oberhalb der Bereitstellungsstation 50 montiert sein. Der Abstandsdetektor 74 ist derart angeordnet, dass er fähig ist, den zwischen benachbarten Membranmustern 33 der Bahn 32 vorgesehenen Abstand 34 zu detektieren. Gemäß einer Anordnung weist der Abstandsdetektor 74 einen optischen Detektor auf, der optisch ein Vorrücken eines einzelnen Katalysatormusters 33 der Membranbahn 32 über die Bereitstellungsstation 50 hinweg detektiert. In einer besonderen Anordnung weist der Abstandsdetektor 34 eine Fotozelle auf, die das Vorrücken eines einzelnen Katalysatormusters 33 der Membranbahn 32 über die Bereitstellungsstation 50 hinweg detektiert.
Eine Schneideinrichtung 73 befindet sich in der Nähe der Bereitstellungsstation 50 und normalerweise oberhalb der Bereitstellungseinheit 50. Die Schneideinrichtung 73 ist vorzugsweise parallel zu einem Raum angeordnet, der zwischen der Bereitstellungsstation 50 und der Positionierstation 60 bereitgestellt ist. Die Schneideinrichtung 73 ist vorzugsweise für eine Bewegung quer zu der Bewegung der Bahn 32 montiert. Die Schneideinrichtung 73 ist entlang der in 2 abgebildeten y-Achse axial verschiebbar. In dieser Anordnung bewegt sich die Schneideinrichtung 73 in Querrichtung, um innerhalb des zwischen benachbarten Membranmustern 33 bereitgestellten Abstands 34 durch die Bahn 32 zu schneiden. Die Bewegung der Schneideinrichtung 73 wird durch die Steuerung 90 gesteuert.
Die Positionierstation 60, die benachbart zu der Bereitstellungsstation 50 angeordnet gezeigt wird, weist einen Positioniertisch 61 und eine zweite Vakuumbaugruppe (nicht gezeigt) auf, die fließend an eine Vakuumverteilungsplatte 62 der Positionierstation 60 angekuppelt ist. Die oberste Fläche der Positionierstation 60 ist vorzugsweise horizontal gelocht, um die Vakuumverteilungsplatte 62 zu definieren. Die Vakuum baugruppe der Positionierstation 60 wird während des Verarbeitungsprozesses wahlweise durch die Steuerung 90 betätigt.
Der Positioniertisch 61 ist für eine Bewegung mit mehreren Freiheitsgraden montiert. Insbesondere kann der Positioniertisch 61 axial in Bezug auf eine x-Achse und eine y-Achse und drehend um eine z-Achse bewegt werden. Die Bewegung des Positioniertisches 61 wird präzise durch die Steuerung 90 gesteuert. In einer Anordnung wird ein Servomotor-Antriebssystem 64 eingesetzt, um den Positioniertisch 61 axial in Bezug auf die x-Achse und die y-Achse und drehend um die z-Achse zu bewegen.
Der Positioniertisch 61, unter Kontrolle der Steuerung 90, arbeitet mit einem optischen Erkennungssystem 70 zusammen, das oberhalb des Positioniertisches 61 angeordnet ist, um die Position einer einzelnen Membranlage zu ändern, nachdem die Membranlage von der Membranbahn 32 abgeschnitten wurde. In einer bevorzugten Ausführungsform werden zwei solcher Kameras in dem optischen Erkennungssystem 70 eingesetzt.
Gemäß einer anderen Anordnung weist das optische Erkennungssystem 70 einen optischen Erkennungsprozessor auf, der die Ausrichtung einer abgeschnittenen Membranlage in Bezug auf die x-, y- und z-Achse bestimmt, indem die von einer oder mehreren Kameras erzeugten Bilddaten benutzt werden. Der optische Erkennungsprozessor ist kommunikativ an die Steuerung 90 der Vorrichtung 30 zur Bahnüberführung angekuppelt. In dieser Anordnung arbeiten die Kamera(s) des optischen Erkennungssystems 70, der optische Erkennungsprozessor und die Steuerung 90 der Vorrichtung 30 zur Bahnüberführung zusammen, um die Bewegung des Positioniertisches 61 derart zu steuern, dass eine von der Membranbahn 32 abgeschnittene Membranlage präzise in die gewünschte Ausrichtung bewegt wird.
Die Vorrichtung 30 zur Bahnüberführung weist einen Roboter 40 auf. Der Roboter 40 ist steuerbar zwischen mindestens der Bereitstellungsstation 50 und der Positionierstation 60 über einen Transportrahmen 44 bewegbar und ist vorzugsweise fähig, sich auf dem Transportrahmen 44 zu Verarbeitungsstellungen außerhalb der Positionierstation 60 zu bewegen. Der Roboter 40 ist gemäß einer Anordnung ein dreiachsiger (x, y, z) servo- und pneumatisch angetriebener Mechanismus, der gesteuert ist, um die Membranbahn 32 zu der Bereitstellungsstation 50 und der Positionierstation 60 zu ziehen und einzelne Membranlagen von der Positionierstation 60 zu einer nachgeschalteten Verarbeitungsstellung weiterzuleiten. Die präzise Ausrichtung der durch den Positioniertisch 60 in die richtige Position bewegten einzelnen Membranlage wird beibehalten während der Roboter 40 einzelne Membranlagen von der Positionsstation 60 zu der nachgeschalteten Verarbeitungsstellung transportiert.
Der Roboter 40 ist für eine Bewegung mit mehreren Freiheitsgraden montiert und weist einen Aufnahmekopf auf, der eine Ansaugaufspannung 42 aufweist. Die Ansaugaufspannung 42 des Roboters 40 kann axial in Bezug auf eine x-Achse und eine y-Achse und eine z-Achse bewegt werden. Die Bewegung des Roboters 40 wird durch die Steuerung 90 gesteuert. In einer Anordnung wird ein Servomotor-Antriebssystem eingesetzt, um die Ansaugaufspannung 42 des Roboters 40 axial in Bezug auf die x-, y- und z-Achse zu bewegen. Gemäß einer anderen Anordnung wird ein pneumatischer Motor oder Antrieb des Antriebssystems des Roboters eingesetzt, um die Ansaugaufspannung 42 des Roboters 40 axial in Bezug auf die y-Achse zu bewegen. Ein erster Servomotor des Antriebssystems des Roboters wird eingesetzt, um die Ansaugaufspannung 42 des Roboters 40 axial in Bezug auf die x-Achse zu bewegen. Ein zweiter Servomotor des Antriebssystems wird eingesetzt, um die Ansaugaufspannung 42 des Roboters 40 axial in Bezug auf die z-Achse zu bewegen.
Die Vorrichtung 30 zur Bahnüberführung kann ferner eine Prüfeinrichtung 72 zum Prüfen der Membranbahn 32 aufweisen, um Defekte in den Membranmustern 33 zu detektieren. Die Prüfeinrichtung 72 ist vorzugsweise eine optische Prüfeinrichtung. In einer Anordnung wird eine Kamera 72 zum Prüfen der Membranbahn 32 eingesetzt, um die Vollständigkeit der Katalysatormuster 33 der Bahn 32 zu detektieren.
Eine Prüfeinrichtung 72 der Vorrichtung 30 zur Bahnüberführung kann außerdem eine Einrichtung zum Prüfen von entweder einer Größe oder einer Qualität der Katalysatormuster 33 der Bahn 32 oder von Beidem aufweisen. Eine Prüfkamera kann beispielsweise eingesetzt werden, um entweder eine Größe oder eine Qualität der Katalysatormuster 33 der Bahn 32 oder Beides zu prüfen.
Mit weiterer Bezugnahme auf 2 und mit Bezugnahme auf die 3 bis 6 werden nun zusätzliche Merkmale der Bahnüberführung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Wie obenstehend erläutert wurde und gemäß einer Ausführungsform der Verarbeitung wird die Steuerung 90 programmiert, um die Steuerung von verschiedenen Vorrichtungen zur Bahnüberführung als Teil eines automatisierten Brennstoffzellen-Fertigungsbetriebs zu koordinieren. Die Steuerung 90 wird programmiert, um den Roboter 40 zu veranlassen, mit Hilfe eines an der Ansaugaufspannung 42 erzeugten Vakuums einen Endabschnitt der Membranbahn 32 von der Bereitstellungsstation 50 zum Positioniertisch 61 zu transportieren. Die Steuerung 90 betätigt und deaktiviert wahlweise das erste und das zweite Vakuum 52, 62 und das Ansaugaufspannungsvakuum, wenn die Schneideinrichtung 73 veranlasst wird, die Membranbahn 32 innerhalb des Abstands 34 zwischen den Katalysatormustern 33 abzuschneiden. Die Steuerung 90 steuert außerdem die Bewegung des Positioniertisches 61 derart, dass die von der Membranbahn 32 abgeschnittene Membranlage in eine gewünschte Ausrichtung bewegt wird, um das nachfolgende Verarbeiten der Membranlage zu ermöglichen. Die Steuerung 90 wird programmiert, um automatisch auf einer Wiederholbasis die Membranbahn 32 in getrennte Membranlagen zu überführen.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Verarbeitung wird die Steuerung 90 programmiert, um eine Anzahl von automatisierten Prozessen zum Überführen einer Bahn einer Brennstoffzellenmembran in einzelne Membranlagen zu koordinieren, wobei die folgenden Prozesse aufgewiesen werden. Mit Hilfe der Ansaugaufspannung 42 des Roboters 40 wird der Endabschnitt der Membranbahn 32 zu der Bereitstellungsstation 50 gezogen. Mit Hilfe des ersten Vakuums 52, wird der Endabschnitt der Membranbahn 32 an der Bereitstellungsstation 50 festgehalten. Wenn die Membranbahn 32 von der Bereitstellungsstation 50 zu der zweiten Station 60 bewegt wird, ist die Ansaugaufspannung 42 betätigt, um die Membranbahn 32 festzuhalten und das erste Vakuum ist deaktiviert. Mit Hilfe der Ansaugaufspannung 42 wird ein Endabschnitt der Membranbahn 32 von der Bereitstellungsstation 50 zu der Positionierstation 60 derart transportiert, dass mindestens ein Membranmuster 33 auf dem Positioniertisch 61 verbleibt.
Wie am Besten aus den 4 bis 6 zu ersehen ist, wird mit Hilfe des entsprechenden ersten und zweiten Vakuums 52, 62 an der Bereitstellungsstation 50 und der Positionierstation 60 nach Entfernen des Vakuums an der Ansaugaufspannung 42 der Endabschnitt der Membranbahn 32 an der Bereitstellungs- und Positionierstation 50, 60 festgehalten. Während sie derart festgehalten wird, wird die Membranbahn 32 durch Benutzung der Schneideinrichtung 73 innerhalb eines zwischen einem einzelnen Katalysatormuster 33A des Membranbahn-Endabschnitts und einem benachbarten Katalysatormuster 33B definierten Abstands 34 abgeschnitten, um eine Membranlage 33A zu erzeugen. Die Membranlage 33A ist in einer gewünschten Ausrichtung positioniert, um ein nachfolgendes Verarbeiten der Membranlage 33A zu ermöglichen.
Während das Katalysatormuster 33 unter einer Fotozelle 74 durchläuft, wird die Position des Katalysatormusters 33 durch die Steuerung 90 bestimmt, welche die x-axiale Bewegung des Roboters 40 steuert, um solange fortzufahren, bis ein vollständiges Katalysatormuster 33 in eine Position oberhalb des Positioniertisches 61 zugeführt wird. Der Roboter 40 bewegt sich dann derart nach unten, dass sich die Membranbahn 32 in nächster Nähe, wenn nicht in Berührung, mit dem Positioniertisch 61 befindet. Das Vakuum an der Ansaugaufspannung 42 wird deaktiviert während das erste und das zweite Vakuum 52, 62 betätigt sind und dadurch die Membranbahn 32 an der Bereitstellungs- und Positionierstation 50, 60 festhalten. Der Roboter 40 zieht sich dann zurück und lässt das anführende Katalysatormuster 33A auf dem Positioniertisch 61 zurück.
Während die Membranbahn 32 auf der Bereitstellungs- und Positionsstation 50, 60 festgehalten wird, veranlasst die Steuerung 90 die Schneideinrichtung 73 die Membranbahn 32 innerhalb des Abstands 34 zwischen dem anführenden Katalysatormuster 33A und dem benachbarten Katalysatormuster 33B abzuschneiden. Nach Abschluss des Schneidablaufs wird ein einzelnes getrenntes Katalysatormuster 33A über ein Vakuum auf dem Positioniertisch 61 festgehalten. Der verbleibende Abschnitt der Membranbahn 32 bleibt mit dem neuen anführenden Katalysatormuster 33B in der „Bereitposition", die an der Bereitstellungsstation 50 unter Vakuum gehalten wird.
Die Steuerung 90, das optische Erkennungssystem 70 und das Positioniertisch-Antriebssystem 64 arbeiten zusammen, um den Positioniertisch 61 zu einer vorbe stimmten Position zu bewegen, wie am besten in 5 zu sehen ist. In diesem Arbeitsgang ist die getrennte Katalysatorlage 33A genau positioniert für ein Verarbeiten an einer nachfolgenden Verarbeitungsstation. Der Roboter 40 bewegt sich oberhalb der getrennten Katalysatorlage 33A (jetzt neu positioniert in ihrer vorbestimmten Ausrichtung) in Position, greift die getrennte Katalysatorlage 33A über die Ansaugaufspannung 42 und bewegt die getrennte Katalysatorlage 33A zu einer nachfolgenden Verarbeitungsstation und behält währenddessen die vorbestimmte Ausrichtung der getrennten Katalysatorlage 33A bei.
Es ist möglich dass die Membranbahn 32 fehlerhafte Bereiche aufweisen kann, wo der Katalysator nicht richtig aufgetragen ist oder wo einige andere Defekte auf der Membranbahn 32 vorhanden sind. Die Fotozelle 74, die vorzugsweise oberhalb der Bereitstellungsstation 50 montiert ist, kann benutzt werden, um Defekte innerhalb ihres Sichtfelds zu detektieren. Das Ausschussmaterial wird von der Membranbahn 32 abgeschnitten und einem nachgeschalteten Abfallbehälter zugeführt. Es wird vermerkt, dass eine dritte Prüfeinrichtung 72, wie etwa eine optische Einrichtung, wie etwa eine Kamera, geeignet positioniert werden kann, um die Katalysatormuster 33 auf Größe und Qualität zu prüfen. Die Steuerung oder eine getrennte Verarbeitungseinrichtung führt Bildprüfalgorithmen durch, um zu bestimmen, ob das Katalysatormuster 33 die vorbestimmte Größe und die Qualitätsanforderungen erfüllt. Ausschuss von dieser Prüfung kann wie obenstehend erläutert entsorgt werden.
Die vorangehende Beschreibung der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurde zum Zwecke der Darstellung und Beschreibung vorgestellt. Es ist nicht beabsichtigt, vollständig zu sein oder die Erfindung auf die offenbarte präzise Form zu beschränken. Viele Abänderungen und Varianten sind angesichts der obenstehenden Lehren möglich. Es ist beabsichtigt, dass der Schutzumfang der Erfindung nicht durch diese ausführliche Beschreibung beschränkt wird, sondern vielmehr durch die hieran angefügten Ansprüche.

Claims

Vorrichtung zum automatischen Überführen einer Bahn (32) einer dünnen gemusterten, katalysatorbeschichteten Membran (33) in getrennte Membranlagen für die Brennstoffzellenherstellung, eine erste mit einem Anodenkatalysator beschichtete Seite der Membranbahn (32) und eine zweite mit einem Kathodenkatalysator beschichtete Seite der Membranbahn (32), eine Handhabungsbaugruppe für die Bahn, die einen Endabschnitt der Membranbahn (32) übergibt, wobei die Vorrichtung (30) aufweist: eine Bereitstellungsstation (50), die ein erstes Vakuum und einen Abstandsdetektor (74) aufweist, wobei der Abstandsdetektor (74) einen Abstand (34) zwischen den Katalysatormustern der Membranbahn (32) detektiert, und wobei die Bereitstellungsstation (50) den Endabschnitt der Membranbahn (32) aufnimmt; eine Positionierstation (60), die einen Positioniertisch (61) und ein zweites Vakuum aufweist, wobei der Positioniertisch (61) steuerbar ist, um sich axial und drehend zu bewegen; eine Schneideinrichtung (73); ein an der Positionierstation (60) bereitgestelltes optisches Erkennungssystem (70), wobei das optische Erkennungssystem (70) eine Ausrichtung einer von der Membranbahn (32) abgeschnittenen Membranlage detektiert; einen Roboter (40), der eine Ansaugaufspannung (42) aufweist, wobei der Roboter (40) mindestens zwischen der Bereitstellungsstation (50) und der Positionierstation (60) bewegbar ist; und eine Steuerung (90), wobei die Steuerung (90) programmiert ist, um den Roboter (40) zu veranlassen, mit Hilfe eines Vakuums an der Ansaugaufspannung (42), den Endabschnitt der Membranbahn (32) von der Bereitstellungsstation (50) zu dem Positioniertisch (61) zu transportieren, um wahlweise das erste und zweite Vakuum und das Ansaugaufspannungsvakuum zu betätigen und deaktivieren, wenn die Schneideinrichtung (73) veranlasst wird, die Membranbahn (32) innerhalb des Abstands (34) zwischen den Katalysatormustern abzuschneiden, und um die Bewegung des Positioniertisches (61) derart zu steuern, dass die Membranlage in eine gewünschte Ausrichtung bewegt wird, um das nachfolgende Verarbeiten der Membranlage zu ermöglichen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Dicke der Membran (33) weniger als ungefähr 50,8 μm beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuerung (90) programmiert ist, die Membranbahn (32) automatisch in mehrere der getrennten Membranlagen zu überführen.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Steuerung (90) das erste Vakuum betätigt, um den Endabschnitt der Membranbahn (32) an der Bereitstellungsstation (50) festzuhalten, den Roboter (40) veranlasst, sich zu der Bereitstellungsstation (50) zu bewegen, und die Ansaugaufspannung (42) betätigt und das erste Vakuum abschaltet, um den Transport des Endabschnitts der Membranbahn (32) von der Bereitstellungsstation (50) zu dem Positioniertisch (61) durch Benutzung der Ansaugaufspannung (42) zu erleichtern.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Steuerung (90) in Erwiderung auf den Abstandsdetektor (74), der die Beförderung eines einzelnen Katalysatormusters der Membranbahn (32) zu dem Positioniertisch (61) detektiert, das erste und zweite Vakuum betätigt und das Ansaugen der Ansaugaufspannung abschaltet, um die Membranbahn (32) zu stabilisieren und die Schneideinrichtung (73) zu veranlassen, die Membranbahn (32) innerhalb des Abstands (34) zwischen dem einzelnen Katalysatormuster und einem benachbarten Katalysatormuster abzuschneiden, um eine Membranlage zu erzeugen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Roboter (40) aufweist: einen ersten Servomotor, um den Roboter (40) axial in Bezug auf eine x-Achse zu bewegen einen zweiten Servomotor, um den Roboter (40) axial in Bezug auf eine z-Achse zu bewegen; und einen pneumatischen Antrieb, um den Roboter (40) axial in Bezug auf eine y-Achse zu bewegen.