EP4241324A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung einer membran-elektroden-anordnung - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur herstellung einer membran-elektroden-anordnung

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EP4241324A1
EP4241324A1 EP21807009.2A EP21807009A EP4241324A1 EP 4241324 A1 EP4241324 A1 EP 4241324A1 EP 21807009 A EP21807009 A EP 21807009A EP 4241324 A1 EP4241324 A1 EP 4241324A1
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EP
European Patent Office
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adhesive
membrane
electrode
applicator nozzle
support frame
Prior art date
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Pending
Application number
EP21807009.2A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Sven Hochmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MB Automation GmbH and Co KG
Original Assignee
Muehlbauer GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Muehlbauer GmbH and Co KG filed Critical Muehlbauer GmbH and Co KG
Publication of EP4241324A1 publication Critical patent/EP4241324A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H01M8/1004—Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
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    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
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    • B05B13/0221—Means for supporting work; Arrangement or mounting of spray heads; Adaptation or arrangement of means for feeding work characterised by the means for moving or conveying the objects or other work, e.g. conveyor belts
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • a method and a device for producing a membrane electrode assembly for example a membrane electrode assembly for a fuel cell, are described here.
  • a known method for producing a membrane-electrode assembly for a fuel cell is the pick-and-place method.
  • robots or grippers arranged on rails can be used, which can execute movements in different spatial directions in order to place the different components of the respective membrane-electrode assembly with the required accuracy.
  • Such a pick-and-place method for producing membrane-electrode assemblies and fuel cells in large series is demanding with regard to the material costs and also because of the required handling of the filigree and dirt-sensitive components.
  • a carrier for a membrane and/or an electrode as part of a continuous web of material.
  • the web of material can pass through a plurality of processing stations, with a second component of the membrane-electrode arrangement being connected to the carrier.
  • Such a method is disclosed, for example, by the document DE 10 2015 010 440 A1.
  • a disadvantage of known production methods for membrane electrode assemblies with at least initially continuous webs of material is that an adhesive or bonding agent, which connects the components to one another, cannot be applied continuously to the webs of material.
  • a layer of adhesive or adhesive is applied to one of the webs of material, usually a backing, by a stencil or flatbed screen printing process.
  • the adhesive or bonding agent can also be applied to a continuously moving carrier layer using a plurality of dispensing nozzles.
  • the carrier layer for producing a membrane-electrode assembly must always have at least one recess, which is to be bordered by the adhesive or adhesive to be applied, however, several dispensing nozzles are required to produce an adhesive frame, which are each individually controlled and cyclically activated and deactivated must in order to produce an adhesive frame surrounding the recess on the continuously conveyed carrier layer.
  • the plurality of dispensing nozzles In order to ensure a uniform thickness or thickness of the adhesive on the carrier layer, the plurality of dispensing nozzles must also be connected to different feed devices, which supply an amount of adhesive or adhesive corresponding to the intended dispensing quantity of the individual nozzles.
  • a method for producing a membrane electrode assembly comprises the steps:
  • an adhesive coating to the carrier frame while the carrier frame is being conveyed along the conveying path, the adhesive coating applied to the carrier frame at least partially encompassing/enclosing/forming the first recess and the adhesive coating by an uninterrupted/uninterrupted release of adhesive from an applicator nozzle of a Application device on the support frame is applied, the applicator nozzle having a passage surface whose geometry is changed during the uninterrupted dispensing of the adhesive;
  • the adhesive can be, for example, an adhesive that is suitable for fixing a membrane or electrode on the support frame.
  • the membrane within the meaning of this method can in particular be a catalyst-coated membrane (CCM) for a membrane-electrode assembly, in particular for a membrane-electrode assembly for a fuel cell.
  • CCM catalyst-coated membrane
  • the electrode can be either an anode or a cathode, in particular an anode or a cathode in the form of a gas diffusion layer, GDL.
  • the at least one carrier frame can optionally be provided as a section of a carrier substrate, in particular a quasi-endless carrier substrate.
  • the carrier substrate can be provided as a roll of material that can be unrolled from a roll.
  • the membrane, in particular the catalyst-coated membrane, and/or the electrode can also be provided as sections of a membrane or electrode web material, in particular a quasi-endless one.
  • the membrane or electrode web material can also optionally be provided as roll material that can be unrolled from a roll.
  • the first recess in the carrier frame can be produced, for example, with a stamping process or with a milling process, just like any other recesses in the carrier frame.
  • the manufacturing method can include at least one of the following steps: - arranging a catalyst-coated membrane on the first electrode; and or
  • the catalyst coated membrane may be at least partially enclosed by the electrode and support frame and/or by the adhesive pad by placing the electrode on the adhesive pad.
  • a device for producing a membrane electrode assembly includes a carrier supply device, which is set up to provide at least one carrier frame for a membrane electrode assembly and a conveyor device, which is set up to continuously convey the at least one carrier frame along a conveying path.
  • An application device with an applicator nozzle is set up to apply an adhesive coating, which at least partially forms, encompasses or surrounds a first recess in the carrier frame, to the continuously conveyed carrier frame, with the application device also being set up to apply the adhesive coating by means of an uninterrupted/uninterrupted release of adhesive from the Apply applicator nozzle.
  • the applicator nozzle has a passage surface that is variable in its geometry during the uninterrupted dispensing of adhesive.
  • the applicator nozzle can be a slit nozzle.
  • the application device can have an outlet mask, for example, which is set up to at least temporarily close at least part of an outlet opening of the applicator nozzle during the dispensing of the adhesive and/or to change, in particular to reduce, the geometry of the passage area of the applicator nozzle.
  • a partial closing of the outlet opening of the applicator nozzle with the outlet mask causes, for example, a reduction in the passage area of the applicator nozzle.
  • the applicator nozzle can be used to apply adhesive to a continuously conveyed carrier frame without interruption.
  • the outlet mask which temporarily closes and/or opens again part of the outlet opening of the applicator nozzle during the dispensing of the adhesive and/or changes the geometry of the passage surface of the applicator nozzle, makes it possible to create a recess in the adhesive coating.
  • an adhesive coating can be produced/applied that at least partially or completely reshapes/surrounds/encloses the carrier frame without the continuous conveyance of the carrier frame having to be interrupted for this purpose.
  • Enclosing the recess with the adhesive coating means that the adhesive coating on the surface of the carrier frame has at least one recess which at least partially surrounds/borders/forms the recess in the carrier frame. If the recess in the adhesive coating is completely surrounded, surrounded or surrounded by the adhesive coating, so that the recess in the carrier frame is also completely surrounded or bordered by the adhesive coating on the carrier frame, the adhesive coating on the carrier frame completely encompasses the recess in the carrier frame.
  • the thickness, height and/or thickness of the respective adhesive coating can be influenced by controlling and/or regulating the supply of adhesive to the applicator nozzle and, in particular, can be made constant and/or uniform.
  • the supply of adhesive to the applicator nozzle can be reduced, for example for the duration of the temporary closure of part of the applicator nozzle by the outlet mask and/or for the duration of a temporary change in geometry of the passage area.
  • an adhesive layer applied through a partially closed applicator nozzle can have the same thickness/thickness/height as part of the adhesive layer that was applied by a completely unclosed applicator nozzle with an unchanged geometry of the passage area.
  • a first placement device is configured to place a first membrane and/or a first electrode on the adhesive pad.
  • the membrane can in particular be a catalyst-coated membrane (CCM) for a membrane-electrode assembly, in particular for a membrane-electrode assembly for a fuel cell.
  • CCM catalyst-coated membrane
  • the electrode can be either an anode or a cathode, in particular an anode or a cathode in the form of a gas diffusion layer, GDL.
  • the device can further comprise a punching device and/or a milling device, which is set up to cut the first recess in the support frame through a
  • the device can also have a second arrangement device which is set up to arrange a catalyst-coated membrane on the first electrode.
  • the first placement device may further be configured to place the first electrode with the catalyst coated membrane placed thereon on the adhesive backing.
  • the catalyst-coated membrane can be partially or completely arranged in the first recess of the support frame.
  • the first arrangement device can also be set up for this be to place the electrode on the adhesive pad such that the catalyst coated membrane is at least partially enclosed/enclosed by the electrode and the support frame and/or the adhesive pad.
  • the first placement device may be configured to place the electrode on the adhesive pad such that the catalyst-coated membrane is placed between the first electrode and the support frame.
  • a catalyst-coated membrane can be arranged on the first electrode and that, in a second production step, the first electrode together with the membrane arranged thereon can be placed on the carrier frame and/or the membrane applied to the carrier frame Adhesive coating can be arranged.
  • Adhesive coating can be arranged. This makes it easier to manufacture the membrane electrode assembly and at the same time increases manufacturing accuracy. Furthermore, compared to a sequential arrangement of the membrane and the first electrode, this can reduce the length of a production line for a membrane-electrode assembly.
  • the electrode and/or the membrane can each be provided as electrode or membrane sections or as a continuous sheet material and/or arranged as electrode or membrane sections or as a continuous sheet material on one another and/or on the adhesive coating.
  • the first and/or the second arrangement device can each have one or more vacuum drums, which are set up in particular for non-slip handling of the conveyed carrier frames and/or membranes and/or electrodes.
  • the device can also include an inflow controller which is set up to influence the amount of adhesive supplied to the application device and thereby to determine the thickness or thickness of the adhesive coating. Furthermore, the inflow controller can also be set up to determine a beginning and/or an end of the dispensing of the adhesive by the application device.
  • the inflow regulator can in particular be set up to influence/regulate the amount of adhesive supplied to the application device in such a way that the adhesive coating applied with the applicator nozzle always has the same thickness or depth.
  • the inflow regulator can be set up to influence/regulate the quantity of adhesive supplied to the application device in such a way that a partial closure at times and/or complete opening of the applicator nozzle at times by the outlet mask or a change in the Geometry of the passage area of the applicator nozzle, the thickness or the thickness of the adhesive coating applied with the applicator nozzle does not change or is not influenced.
  • a control of the outlet mask which controls a temporary partial closing and/or a temporary complete release of the applicator nozzle through the outlet mask, can be coupled to the inflow controller.
  • the inflow regulator can reduce the amount of adhesive supplied to the application device with the applicator nozzle when the outlet mask closes at least part of the exit opening of the applicator nozzle during the dispensing of the adhesive.
  • the inflow regulator can increase the amount of adhesive supplied to the application device with the applicator nozzle if the outlet mask does not close the outlet opening of the applicator nozzle during the dispensing of the adhesive.
  • An advantage here is that the thickness or thickness of the coating of adhesive applied with the applicator nozzle can be made constant on the carrier frame without the need to control, move, change or influence the applicator nozzle as such. Furthermore, on the one hand, complex geometries can be realized for the adhesive coating and, on the other hand, the construction of the application device can be simplified and designed to be particularly error-free.
  • an adhesive coating with a flat contact surface for the membrane and/or Electrode are produced, which in particular has no depressions between individual adhesive or adhesive beads. The occurrence of unintentional air inclusions between the carrier frame and the membrane and/or electrode when the same are arranged on one another can thus be avoided.
  • the production device can also have a first additional application device and/or a second additional application device, which are each constructed and set up to correspond to the application device, with the first additional application device and/or the second additional application device being arranged to apply an adhesive coating to one Membrane and / or to be arranged on an anode.
  • the device can also have a pressing device that is arranged and designed to press the carrier frame against the membrane and/or the electrode, and/or an adhesive curing device that is arranged and designed to cure the adhesive coating.
  • the curing device can in particular be an oven.
  • the device can also include a combined pressing and curing device that is set up to both the carrier frame to press the membrane and/or the electrode as well as to heat it, for example with heated pressure plates.
  • the device can have a separating device which is arranged and designed to separate a plurality of carrier frames that are continuously conveyed along a conveying path, for example a plurality of carrier frames provided as continuous web material, from one another.
  • an inspection device can be arranged and designed to determine a property error and/or an arrangement error of the membrane and/or electrode arranged on the adhesive coating.
  • the inspection device can in particular have at least one optically detecting sensor, for example a camera sensor, which is arranged and designed to determine a positional and/or property error of the membrane and/or electrode arranged on the adhesive coating.
  • a conveyed carrier frame with a membrane arranged thereon and/or with an electrode arranged thereon can be conveyed into a reject receptacle or into a storage device.
  • the first and/or the second arrangement device can each have at least one vacuum drum.
  • FIG. 1 shows an example of a support frame and a membrane-electrode assembly.
  • FIG. 2 shows an example of a device for producing a membrane electrode assembly.
  • FIG. 3 shows an example of a support frame with an adhesive coating.
  • 4-6 show an example of an application device with a slit-shaped applicator nozzle.
  • FIG. 1 shows a carrier frame 20 for a membrane electrode assembly 1.
  • the carrier frame 20 has a first recess 22 and several further recesses 24.
  • FIG. In the example shown, the carrier frame 20 has already been separated from a web material comprising a plurality of carrier frames. However, this is not absolutely necessary for the production of a membrane-electrode arrangement. Rather, as an alternative, a plurality of membrane-electrode assemblies can also be produced on a continuous carrier web material with a plurality of carrier frames and then separated from one another.
  • the membrane-electrode assembly 1 also shows schematically the structure of a membrane-electrode assembly 1 to be manufactured.
  • the membrane-electrode assembly 1 comprises the support frame 20 with the first recess 22.
  • the first recess 22 is hereby formed by an adhesive coating 26 which is Support frame 20 is applied.
  • a catalyst-coated membrane 30 and a cathode 40 are arranged on the support frame 20 with the adhesive coating 26 .
  • a further adhesive coating 26 and an anode 10 are arranged on the surface of the carrier frame 20 facing away from the cathode 40 .
  • the cathode 40 and the anode 10 are each formed as layer electrodes.
  • the catalyst coated membrane 30 may be disposed on a surface of the cathode 40 with both the cathode 40 and the membrane 30 being disposed on the support frame 20 with the adhesive coating 26 applied thereto.
  • both at least part of the membrane 30 and part of the cathode 40 can be arranged directly on the adhesive coating 26 .
  • Figure 2 shows an example of a device 1000 for the production of membrane electrode assemblies 1.
  • a plurality of support frames 20 as a continuous quasi-infinite
  • the manufacturing stations each carry out processing steps for the production of a membrane-electrode assembly and/or provide manufacturing components for this.
  • a punching device 200 introduces the first recess 22 and the further recesses 24 into the carrier frame 20 .
  • the carrier frame 20 can be conveyed further continuously in the conveying direction.
  • the first recesses 22 and the further recesses 24 can be made in the support frame by the same or by different devices.
  • the carrier frames 20 can also be provided with cutouts 22, 24 already made, so that the punching device 200 for the production of membrane-electrode assemblies can also be dispensed with.
  • a frame-like adhesive layer 26 is applied to the carrier frame 20 , which reshapes the first recess 22 of the carrier frame 20 .
  • the device 1000 includes the application device 300, which is explained in more detail below.
  • the continuous conveyance of the carrier frames 20 by the conveying device 100 is not interrupted during the application of the adhesive layer 26 .
  • the device 1000 shown has a first arrangement device 400, which arranges a catalyst-coated membrane 30 and a cathode 40 on the carrier frame 20 with the adhesive coatings 26 in each case.
  • the first arrangement device 400 comprises, for example, a vacuum drum, which enables slip-free handling of the device components and arranges both the membranes 30 and the cathodes 40 on the continuously conveyed support frame 20 .
  • a second arrangement device 500 which also comprises a vacuum drum, and are thus provided in each case as a membrane-cathode combination.
  • the first arrangement device 400 is set up to arrange a first electrode on the carrier frame 20 with the adhesive coatings 26, with a catalyst-coated membrane 30 being arranged on a surface of the electrodes that faces the carrier frame 20 during the arrangement , So that the membranes 30 after arranging each between are arranged in the carrier frame 20 and the electrodes and/or are arranged in the first recess of the carrier frame 20.
  • the device shown also has a further arrangement device 600 , which also includes a vacuum drum and is set up to arrange an anode 10 on a side of the carrier frame 20 facing away from the cathode 40 .
  • a further coating of adhesive can be arranged beforehand either on the anode 10 or on the side of the carrier frame 20 facing away from the cathode 40 .
  • the membranes 30, the cathodes 40 and/or the anodes 10 can each be provided individually or as a continuous, quasi-infinite web material which is separated from one another before, during or after the manufacture of the membrane-electrode assemblies.
  • the membranes 30 can be adhesively disposed on the continuous quasi-endless sheet material from which the cathodes 40 or anodes 10 are singulated.
  • the production device 1000 shown has a pressing device 700 and an adhesive curing device 750 .
  • the pressing device 700 is arranged and designed to press the electrodes 10, 40 onto the membrane 30 and/or onto the carrier frame 10.
  • the adhesive curing device 750 is arranged and designed to heat the membrane electrode assembly 1 and thereby cure it.
  • manufacturing device 1000 can also have a first additional application device 310 and/or a second additional application device 321, which are each constructed and set up to correspond to application device 300, with the first additional application device 310 and/or the second additional application device 321 being arranged for this purpose to arrange an adhesive coating on the membranes 30 and/or on the anodes 10 in each case.
  • the individual carrier frames 20 or manufactured membrane electrode assemblies 1 can be separated from one another using a separating device 800 .
  • the carrier frames 20 need not be separated from one another at this point.
  • the membrane-electrode assemblies can also be manufactured with individual carrier frames, which have already been separated from one another before or during the assembly of the membrane 30 and/or the electrodes 10, 40.
  • FIG. 2 also shows the inspection device 900, which includes at least one camera sensor and is set up to determine positional and/or property errors in the manufactured membrane electrode assemblies 1 on the transport device 100.
  • the membrane electrode assemblies 1 can be conveyed by the transport device 100 either into a reject receptacle or into a storage device.
  • FIG. 3 shows an example of a carrier frame 20 with a first recess 22 and an adhesive coating 26 applied to the carrier frame 20 and completely forming the first recess 22 .
  • the support frame shown can also have further recesses, which, however, are not shown in FIG. 3 for reasons of clarity.
  • the adhesive coating 26 can be applied to the carrier frame 20 using the application device 300 .
  • the application device 300 shown in FIG. 4 has a slit nozzle 320 from which the adhesive 26 is applied to the carrier device.
  • the adhesive is supplied to the application device 300 by an adhesive supply device (not shown).
  • a planar adhesive coating 26 with a constant thickness can be applied to the carrier frame 20 with the slot nozzle 320 .
  • part of the slot nozzle 320 can be temporarily closed by an outlet mask 340, while the carrier frame 20 is continuously conveyed in the conveying direction F by the conveying device 100 will.
  • adhesive is dispensed only through the unsealed sections of the slot nozzle 320 or an adhesive coating 26 is arranged on the carrier frame 20 which surrounds/surrounds the first recess 22 in the carrier frame 20 .
  • the geometry of the passage surface of the slit nozzle 320 is changed at least temporarily by the outlet mask 340 . More precisely, the passage area of the slit nozzle 320 through the outlet mask 340 is reduced/reduced at least at times.
  • an inflow regulator (not shown) can reduce the amount of adhesive supplied to the application device 300 for the duration of the partial closure of the slot nozzle 320 by the outlet mask 340 .
  • a regulation or control of the application device 300, in particular the outlet mask 340, can be coupled to the inflow controller for this purpose.
  • the outlet mask 340 can release the slit nozzle 320 again completely or partially after a predetermined period of time or after a certain progress in conveying the carrier frame 20 .
  • a predetermined period of time or after a specific conveying progress of the carrier frame 20 an original geometry of the passage surface of the slotted nozzle 320 can be restored.
  • an adhesive coating 26 partially or completely surrounding the first recess 22 can be applied to the carrier frame 20 without the continuous conveyance of the carrier frame 20 having to be interrupted for this purpose.
  • the inflow control can again increase the quantity of adhesive supplied to the application device 300 in order to ensure a constant thickness or thickness of the adhesive coating 26.

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Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung umfasst die Schritte: - Bereitstellen zumindest eines Trägerrahmens mit zumindest einer ersten Ausnehmung; - Kontinuierliches Fördern des Trägerrahmens entlang eines Förderwegs; - Auftragen eines Haftmittelbelags auf den Trägerrahmen, während der Trägerrahmen entlang des Förderwegs gefördert wird, wobei der auf den Trägerrahmen aufgetragene Haftmittelbelag die erste Ausnehmung zumindest teilweise umgreift und wobei der Haftmittelbelag durch eine ununterbrochene Abgabe von Haftmittel aus einer Applikatordüse einer Applikationsvorrichtung auf den Trägerrahmen aufgetragen wird, wobei die Applikatordüse eine Durchtrittsfläche aufweist, deren Geometrie während der ununterbrochenen Abgabe des Haftmittels verändert wird; - Anordnen einer Membran und/oder einer ersten Elektrode auf den Haftmittelauftrag.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung
Hintergrund
Hier werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer Membran-Elektroden- Anordnung, zum Beispiel einer Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle, beschrieben.
Stand der Technik
Ein bekanntes Verfahren zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle ist das Pick-and-Place-Verfahren. Hierbei können Roboter oder auf Schienen angeordnete Greifer zum Einsatz kommen, welche Bewegungen in unterschiedlichen Raumrichtungen ausführen können, um die unterschiedlichen Komponenten der jeweiligen Membran-Elektroden-Anordnung mit der erforderlichen Genauigkeit zu platzieren. Ein solches Pick-and-Place-Verfahren zum Herstellen von Membran-Elektroden-Anordnungen und Brennstoffzellen in der Großserie ist im Hinblick auf die Materialkosten und auch aufgrund der erforderlichen Handhabung der filigranen und schmutzempfindlichen Komponenten anspruchsvoll.
Weiter ist es bekannt, einen Träger für eine Membran und/oder eine Elektrode als Teil einer durchgängigen Materialbahn bereitzustellen. Die Materialbahn kann hierbei eine Mehrzahl von Bearbeitungsstationen durchlaufen, wobei eine zweite Komponente der Membran- Elektroden-Anordnung mit dem Träger verbunden wird. Ein solches Verfahren wird zum Beispiel durch das Dokument DE 10 2015 010 440 Al offenbart.
Weitere Membran-Elektroden-Anordnungen sowie zugehörige Fertigungsverfahren sind aus den Dokumenten DE 10 2010 049 548 Al und DE 10 2011 105 180 Al bekannt. Ferner offenbaren die Dokumente US 2016/ 0 351 800 Al, WO 2010 / 146998 Al technologischen Hintergrund für Druckverfahren mit Applikatordüsen.
Ein Nachteil bekannter Fertigungsverfahren für Membran-Elektroden-Anordnungen mit zumindest zunächst durchgängigen Materialbahnen ist es, dass ein Kleb- oder Haftmittel, welches die Komponenten miteinander verbindet, nicht kontinuierlich auf die Materialbahnen aufgetragen werden kann. Typischerweise wird eine Kleb- oder Haftmittelschicht auf eine der Materialbahnen, meist auf eine Trägerschicht, mit einem Schablonen- oder Flachbettsiebdruckverfahren aufgetragen. Dieses erfordert jedoch zumindest ein kurzeitiges Anhalten der geförderten Materialbahnen für das Aufträgen der Kleb- oder Haftmittelschicht. Alternativ kann das Kleb- oder Haftmittel auch mit mehreren Abgabedüsen auf eine kontinuierlich bewegte Trägerschicht aufgetragen werden. Da die Trägerschicht zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung stets zumindest eine Ausnehmung aufweisen muss, welche durch den aufzutragenden Haft- oder Klebstoff zu umranden ist, sind zur Herstellung eines Haftmittelrahmens jedoch mehrere Abgabedüsen erforderlich, welche jeweils einzeln angesteuert und taktweise aktiviert sowie deaktiviert werden müssen, um einen die Ausnehmung umgebenden Haftmittelrahmen auf der kontinuierlich geförderten Trägerschicht herzustellen. Um eine gleichmäßige Dicke bzw. Mächtigkeit des Haftmittels auf der Trägerschicht sicherzustellen, müssen die mehreren Abgabedüsen hierbei ferner mit unterschiedlichen Zuführungsvorrichtungen verbunden sein, die eine jeweils der vorgesehenen Abgabemenge der einzelnen Düsen entsprechende Haft- oder Klebstoffmenge zuführen. Dieses erfordert jedoch einerseits einen sehr hohen Konstruktionsaufwand und stellt anderseits keinen durchgehenden und die Ausnehmung umschließenden Haft- oder Klebstoffrahmen her, da der Haft- oder Klebstoffbelag nur längs zu einer kontinuierlichen Bewegung der Trägerschicht und nicht quer zu einer kontinuierlichen Bewegung der Trägerschicht aufgetragen werden kann.
Zu lösende Aufgabe
Es besteht somit ein Bedarf an einem verbesserten Fertigungsverfahren und einer verbesserten Herstellungsvorrichtung zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung, die insbesondere das Aufträgen eines eine Ausnehmung umformenden Haftmittelbelags auf einen kontinuierlich geförderten Trägerrahmen ermöglicht.
Lösung
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach dem Anspruch 1 sowie durch eine Vorrichtung nach dem unabhängigen Vorrichtungsanspruch gelöst. Ausgestaltungen dieser Lösung werden durch die auf diese Ansprüche zurückbezogenen Ansprüche definiert.
Ein Verfahren zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung umfasst die Schritte:
- Bereitstellen zumindest eines Trägerrahmens mit zumindest einer ersten Ausnehmung;
- Kontinuierliches Fördern des Trägerrahmens entlang eines Förderwegs;
- Aufträgen eines Haftmittelbelags auf den Trägerrahmen, während der Trägerrahmen entlang des Förderwegs gefördert wird, wobei der auf den Trägerrahmen aufgetragene Haftmittelbelag die erste Ausnehmung zumindest teilweise umgreift/umschließt/umformt und wobei der Haftmittelbelag durch eine ununterbrochene/unterbrechungsfreie Abgabe von Haftmittel aus einer Applikatordüse einer Applikationsvorrichtung auf den Trägerrahmen aufgetragen wird, wobei die Applikatordüse eine Durchtrittsfläche aufweist, deren Geometrie während der ununterbrochenen Abgabe des Haftmittels verändert wird;
- Anordnen einer Membran und/oder einer ersten Elektrode auf den Haftmittelauftrag. Das Haftmittel kann zum Beispiel ein Klebstoff sein, der zur Fixierung einer Membran oder Elektrode auf dem Trägerrahmen geeignet ist.
Die Membran im Sinne dieses Verfahrens kann insbesondere eine katalysatorbeschichtete Membran (Catalyst Coated Membrane, CCM) für eine Membran-Elektroden-Anordnung, insbesondere für eine Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle, sein.
Die Elektrode kann entweder eine Anode oder eine Kathode, insbesondere eine Anode oder eine Kathode in Form eines Gas Diffusion Layer, GDL, sein. Optional kann der zumindest eine Trägerrahmen als Abschnitt eines, insbesondere quasi endlosen, Trägersubstrats bereitgestellt werden. Zum Beispiel kann das Trägersubstrat als ein von einer Rolle abrollbares Rollenmaterial bereitgestellt werden.
Ferner können auch die, insbesondere katalysatorbeschichtete, Membran und/oder die Elektrode als Abschnitte eines, insbesondere quasi endlosen, Membran- oder Elektrodenbahnmaterial bereitgestellt werden. Auch das Membran- oder Elektrodenbahnmaterial kann optional als von einer Rolle abrollbares Rollenmaterial bereitgestellt werden. Die erste Ausnehmung des Trägerrahmens kann ebenso wie beliebige weitere Ausnehmungen des Trägerrahmens zum Beispiel mit einem Stanzverfahren oder mit einem Fräsverfahren hergestellt werden.
Ferner kann das Fertigungsverfahren zumindest einen der folgenden Schritte umfassen: - Anordnen einer katalysatorbeschichteten Membran auf der ersten Elektrode; und/oder
- Anordnen der katalysatorbeschichteten Membran in der ersten Ausnehmung des Trägerrahmens; und/oder
- Aufträgen eines Haftmittelbelags auf die Membran und/oder eine der Elektroden, insbesondere auf die erste Elektrode, wobei der aufgetragene Haftmittelbelag einen ersten Bereich der Elektrode und/oder der Membran zumindest teilweise umgreift, und der Haftmittelbelag durch eine ununterbrochene Abgabe von Haftmittel aus einer Applikatordüse einer weiteren Applikationsvorrichtung auf die Elektrode und/oder die Membran aufgetragen wird und die Applikatordüse eine Durchtrittsfläche aufweist, deren Geometrie während der ununterbrochenen Abgabe des Haftmittels zumindest zeitweise verändert wird.
Die katalysatorbeschichtete Membran kann durch das Anordnen der Elektrode auf dem Haftmittelbelag zumindest teilweise durch die Elektrode und den Trägerrahmen und/oder durch den Haftmittelbelag umschlossen werden.
Eine Vorrichtung zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung umfasst eine Trägerbereitstellungsvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, zumindest einen Trägerrahmen für eine Membran-Elektroden-Anordnung bereitzustellen und eine Fördervorrichtung, die dazu eingerichtet ist, den zumindest einen Trägerrahmen kontinuierlich entlang eines Förderwegs zu fördern.
Eine Applikationsvorrichtung mit einer Applikatordüse ist dazu eingerichtet, einen eine erste Ausnehmung des Trägerrahmens zumindest teilweise umformenden, umgreifenden oder umgebenden Haftmittelbelag auf die kontinuierlich geförderten Trägerrahmen aufzubringen, wobei die Applikationsvorrichtung ferner dazu eingerichtet ist, den Haftmittelbelag durch eine unterbrechungsfreie/ununterbrochene Abgabe von Haftmittel aus der Applikatordüse aufzubringen. Die Applikatordüse weist hierzu eine in ihrer Geometrie während der ununterbrochene Abgabe von Haftmittel veränderliche Durchtrittsfläche auf. Optional kann die Applikatordüse eine Schlitzdüse sein.
Die Applikationsvorrichtung kann zum Beispiel eine Auslassmaske aufweisen, die dazu eingerichtet ist, zumindest einen Teil einer Austrittsöffnung der Applikatordüse während der Abgabe des Haftmittels zumindest zeitweise zu verschließen und/oder die Geometrie der Durchtrittsfläche der Applikatordüse zu verändern, insbesondere zu verkleinern. Ein teilweises Verschließen der Austrittsöffnung der Applikatordüse mit der Auslassmaske verursacht zum Beispiel eine Verkleinerung der Durchtrittsfläche der Applikatordüse.
Ein Vorteil dieser Vorrichtung ist, dass mit der Applikatordüse eine unterbrechungsfreie Abgabe von Haftmittel auf einen kontinuierlich geförderten Trägerrahmen aufgetragen werden kann. Die Auslassmaske, welche einen Teil der Austrittsöffnung der Applikatordüse während der Abgabe des Haftmittels zeitweise verschließt und/oder wieder freigibt und/oder die Geometrie der Durchtrittsfläche der Applikatordüse verändert, ermöglicht es, eine Ausnehmung in dem Haftmittelbelag herzustellen. Im Ergebnis kann so ein Haftmittelbelag hergestellt/aufgetragen werden, der den Trägerrahmen zumindest teilweise oder vollständig umformt/umgibt/umgreift, ohne dass die kontinuierliche Förderung des Trägerrahmens hierfür unterbrochen werden muss. Ein Umgreifen der Ausnehmung durch den Haftmittelbelag bedeutet, dass der Haftmittelbelag auf der Oberfläche des Trägerrahmens zumindest eine Ausnehmung aufweist, welche die Ausnehmung in dem Trägerrahmen zumindest teilweise umgibt/umrandet/umformt. Ist die Ausnehmung im Haftmittelbelag vollständig vom Haftmittelbelag umgeben, umringt oder umschlossen, sodass auch die Ausnehmung in dem Trägerrahmen vollständig vom Haftmittelbelag auf dem Trägerrahmen umgeben oder umrandet ist, umgreift der Haftmittelbelag auf dem Trägerahmen die Ausnehmung in dem Trägerrahmen vollständig. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Dicke, Höhe und/oder Mächtigkeit des jeweiligen Haftmittelbelags durch eine Steuerung und/oder Regelung einer Haftmittelzufuhr an die Applikatordüse beeinflusst und insbesondere konstant und/oder gleichmäßig hergestellt werden kann. Um einen konstanten/gleichmäßigen Haftmittel belag herzustellen, kann die Haftmittelzufuhr an die Applikatordüse zum Beispiel für die Dauer des zeitweisen Verschlusses eines Teils der Applikatordüse durch die Auslassmaske und/oder für die Dauer einer zeitweisen Geometrieveränderung der Durchtrittsfläche reduziert werden. Hierdurch kann ein durch eine teilweise verschlossene Applikatordüse aufgetragener Haftmittelbelag die gleiche Dicke/Mächtigkeit/Höhe aufweisen, wie ein Teil des Haftmittelbelags, der von einer vollständig unverschlossenen Applikatordüse mit unveränderter Geometrie der Durchtrittsfläche aufgetragen wurde.
Eine erste Anordnungsvorrichtung ist dazu eingerichtet, eine erste Membran und/oder eine erste Elektrode auf den Haftmittelbelag anzuordnen. Die Membran kann insbesondere eine katalysatorbeschichtete Membran (Catalyst Coated Membrane, CCM) für eine Membran- Elektroden-Anordnung, insbesondere für eine Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle, sein. Die Elektrode kann entweder eine Anode oder eine Kathode, insbesondere eine Anode oder eine Kathode in Form eines Gas Diffusion Layer, GDL, sein.
Optional kann die Vorrichtung weiter eine Stanzvorrichtung und/oder eine Fräsvorrichtung umfassen, die dazu eingerichtet ist, die erste Ausnehmung in den Trägerrahmen durch ein
Stanzverfahren und/oder ein Fräsverfahren einzubringen.
Ferner kann die Vorrichtung in einer Variante auch eine zweite Anordnungsvorrichtung aufweisen, die dazu eingerichtet ist, eine katalysatorbeschichtete Membran auf der ersten Elektrode anzuordnen. Die erste Anordnungsvorrichtung kann ferner dazu eingerichtet sein, die erste Elektrode mit der darauf angeordneten katalysatorbeschichteten Membran auf dem Haftmittelbelag anzuordnen. Die katalysatorbeschichtete Membran kann hierbei teilweise oder vollständig in der ersten Ausnehmung des Trägerrahmens angeordnet werden.
Alternativ oder ergänzend kann die erste Anordnungsvorrichtung zudem dazu eingerichtet sein, die Elektrode derart auf dem Haftmittelbelag anzuordnen, dass die katalysatorbeschichtete Membran zumindest teilweise durch die Elektrode und den Trägerrahmen und/oder den Haftmittelbelag umschlossen/eingeschlossen ist. Mit anderen Worten kann die erste Anordnungsvorrichtung dazu eingerichtet sein, die Elektrode derart auf dem Haftmittelbelag anzuordnen, dass die katalysatorbeschichtete Membran zwischen der ersten Elektrode und dem Trägerrahmen angeordnet ist.
Ein Vorteil hierbei ist, dass, in einem ersten Fertigungsschritt, eine katalysatorbeschichtete Membran auf der ersten Elektrode angeordnet werden kann und dass, in einem zweiten Fertigungsschritt, die erste Elektrode gemeinsam mit der darauf angeordneten Membran auf dem Trägerrahmen und/oder dem auf dem Trägerrahmen aufgetragenen Haftmittelbelag angeordnet werden kann. Hierdurch kann die Fertigung der Membran-Elektroden-Anordnung erleichtert und gleichzeitig eine Fertigungsgenauigkeit erhöht werden. Ferner kann hierdurch, gegenüber einem sequentiellen Anordnen der Membran und der ersten Elektrode, eine Länge einer Fertigungsstraße für eine Membran-Elektroden-Anordnung reduziert werden. Die Elektrode und/oder die Membran können jeweils als Elektroden- bzw. Membranabschnitte oder als fortlaufendes Bahnmaterial bereitgestellt werden und/oder als Elektroden- bzw. Membranabschnitte oder als fortlaufendes Bahnmaterial aneinander und/oder auf dem Haftmittelbelag angeordnet werden.
Die erste und/oder die zweite Anordnungsvorrichtung können jeweils eine oder mehrere Vakuumtrommeln aufweisen, welche insbesondere zur schlupffreien Handhabung der geförderten Trägerrahmen und/oder Membranen und/oder Elektroden eingerichtet sind.
In einer Weiterbildung kann die Vorrichtung ferner einen Zuflussregler umfassen, der dazu eingerichtet ist, eine Menge des der Applikationsvorrichtung zugeführten Haftmittels zu beeinflussen und hierdurch die Dicke oder die Mächtigkeit des Haftmittelbelags zu bestimmen. Ferner kann der Zuflussregler auch dazu eingerichtet sein, einen Beginn und/oder ein Ende der Abgabe des Haftmittels durch die Applikationsvorrichtung zu bestimmen.
Der Zuflussregler kann insbesondere dazu eingerichtet sein, die Menge des der Applikationsvorrichtung zugeführten Haftmittels so zu beeinflussen/zu regeln, dass der mit der Applikatordüse aufgetragene Haftmittel belag stets die gleiche Dicke oder Mächtigkeit hat. Mit anderen Worten kann beschrieben werden, dass der Zuflussregler dazu eingerichtet sein kann, die Menge des der Applikationsvorrichtung zugeführten Haftmittels so zu beeinflussen/zu regeln, dass ein zeitweises teilweises Verschließen und/oder ein zeitweises vollständiges Freigeben der Applikatordüse durch die Auslassmaske oder eine Veränderung der Geometrie der Durchtrittsfläche der Applikatordüse die Dicke oder die Mächtigkeit des mit der Applikatordüse aufgetragenen Haftmittelbelags nicht ändert oder nicht beeinflusst. Hierzu kann eine Steuerung der Auslassmaske, welche ein zeitweises teilweises Verschließen und/oder ein zeitweises vollständiges Freigeben der Applikatordüse durch die Auslassmaske steuert, mit dem Zuflussregler gekoppelt sein. Der Zuflussregler kann die Menge des der Applikationsvorrichtung mit der Applikatordüse zugeführten Haftmittels reduzieren, wenn die Auslassmaske zumindest einen Teil der Austrittsöffnung der Applikatordüse während der Abgabe des Haftmittels verschließt. Alternativ oder ergänzend kann der Zuflussregler die Menge des der Applikationsvorrichtung mit der Applikatordüse zugeführten Haftmittels erhöhen, wenn die Auslassmaske die Austrittsöffnung der Applikatordüse während der Abgabe des Haftmittels nicht verschließt.
Ein Vorteil hierbei ist, dass die Dicke bzw. die Mächtigkeit des mit der Applikatordüse aufgetragenen Haftmittelbelags auf dem Trägerrahmen konstant hergestellt werden kann, ohne dass hierzu eine Steuerung, Bewegung, Änderung oder Beeinflussung der Applikatordüse als solche notwendig ist. Ferner können hierdurch, einerseits, komplexe Geometrien für den Haftmittelbelag realisiert werden und, andererseits, die Konstruktion der Applikationsvorrichtung vereinfacht und besonders fehlerunanfällig gestaltet werden. Anders als bei mehreren, zum Beispiel nebeneinander positionierten, Applikatordüsen zum Aufträgen mehrerer paralleler Haftmittel- bzw. Klebstoffraupen auf einen kontinuierlich bewegten Trägerrahmen, kann, zum Beispiel durch die Verwendung einer Schlitzdüse als Applikatordüse, so ein Haftmittelbelag mit ebener Kontaktoberfläche für die Membran und/oder Elektrode hergestellt werden, welcher insbesondere keine Vertiefungen zwischen einzelnen Haftmittel- bzw. Klebstoffraupen aufweist. Das Auftreten unbeabsichtigter Lufteinschlüsse zwischen dem Trägerrahmen und der Membran und/oder Elektrode beim Anordnen derselben aneinander kann so vermieden werden.
In einer Variante kann die Fertigungsvorrichtung ferner erste weitere Applikationsvorrichtung und/oder eine zweite weitere Applikationsvorrichtung aufweisen, welche jeweils korrespondierend zur Applikationsvorrichtung aufgebaut und eingerichtet sind, wobei die erste weitere Applikationsvorrichtung und/oder die zweite weitere Applikationsvorrichtung dazu angeordnet sind, jeweils einen Haftmittelbelag auf eine Membran und/oder auf eine Anode anzuordnen.
In einer Variante kann die Vorrichtung zudem eine Anpressvorrichtung, die dazu angeordnet und ausgebildet ist, den Trägerrahmen an die Membran und/oder die Elektrode anzupressen, und/oder eine Haftmittelaushärtungsvorrichtung, die dazu angeordnet und ausgebildet ist, den Haftmittelbelag auszuhärten, aufweisen. Die Härtungsvorrichtung kann insbesondere ein Ofen sein. In einer Weiterbildung kann die Vorrichtung auch eine kombinierte Anpress- und Aushärtungsvorrichtung umfassen, die dazu eingerichtet ist, sowohl den Trägerrahmen an die Membran und/oder die Elektrode anzupressen als auch, zum Beispiel mit beheizten Anpressplatten, zu erwärmen.
Ferner kann die Vorrichtung eine Trennvorrichtung aufweisen, die dazu angeordnet und ausgebildet ist, mehrere kontinuierlich entlang eines Förderwegs geförderte Trägerrahmen, zum Beispiel mehrere als fortlaufendes Bahnmaterial bereitgestellte Trägerrahmen, voneinander zu trennen.
Optional kann eine Inspektionsvorrichtung dazu angeordnet und ausgebildet sein, einen Eigenschaftsfehler und/oder einen Anordnungsfehler der auf dem Haftmittelbelag angeordneten Membran und/oder Elektrode zu ermitteln.
Die Inspektionsvorrichtung kann hierzu insbesondere zumindest einen optisch erfassenden Sensor, zum Beispiel einen Kamerasensor, aufweisen, der dazu angeordnet und ausgebildet ist, einen Lage- und/oder Eigenschaftsfehler der auf dem Haftmittelbelag angeordneten Membran und/oder Elektrode zu ermitteln. Abhängig von diesem Ermitteln kann ein geförderter Trägerrahmen mit einer darauf angeordneten Membran und/oder mit einer darauf angeordneten Elektrode in eine Ausschussaufnahme oder in eine Ablageeinrichtung gefördert werden.
Die erste und/oder die zweite Anordnungsvorrichtung können jeweils zumindest eine Vakuumtrommel aufweisen.
Weitere Merkmale, Eigenschaften, Vorteile und mögliche Abwandlungen werden für einen Fachmann anhand der nachstehenden Beschreibung deutlich, in der auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen ist. Dabei zeigen die Figuren schematisch jeweils Beispiele für eine Membran-Elektroden-Anordnung und eine Fertigungsvorrichtung für eine Membran- Elektroden-Anordnung.
Fig. 1 zeigt ein Beispiel für einen Trägerrahmen und für eine Membran-Elektroden- Anordnung.
Fig. 2 zeigt ein Beispiel für eine Vorrichtung zur Herstellung einer Membran-Elektroden- Anordnung.
Fig. 3 zeigt ein Beispiel für einen Trägerrahmen mit einem Haftmittelbelag. Fig. 4 - 6 zeigen ein Beispiel für eine Applikationsvorrichtung mit einer schlitzförmigen Applikatordüse.
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Sofern nicht explizit anders angegeben sind übereinstimmende oder in ihrer Funktion vergleichbare Vorrichtungen und Vorrichtungsbestandteile in den schematischen Figuren 1 bis 6 mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen.
Figur 1 zeigt einen Trägerrahmen 20 für eine Membran-Elektroden-Anordnung 1. Der Trägerrahmen 20 weist eine erste Ausnehmung 22 und mehrere weitere Ausnehmungen 24 auf. Im gezeigten Beispiel ist der Trägerrahmen 20 bereits von einem mehrere Trägerrahmen umfassenden Bahnmaterial separiert. Dieses ist zur Fertigung einer Membran- Elektroden-Anordnung jedoch nicht zwingend notwendig. Vielmehr können alternativ auch mehrere Membran-Elektroden-Anordnungen auf einem fortlaufenden Träger-Bahnmaterial mit mehreren Trägerrahmen gefertigt werden und anschließend voneinander separiert werden.
Ferner zeigt die Figur 1 schematisch den Aufbau einer zu fertigenden Membran-Elektroden- Anordnung 1. Die Membran-Elektroden-Anordnung 1 umfasst den Trägerrahmen 20 mit der ersten Ausnehmung 22. Die erste Ausnehmung 22 ist hierbei von einem Haftmittelbelag 26 umformt, der auf den Trägerrahmen 20 aufgetragen ist. Auf dem Trägerrahmen 20 mit dem Haftmittelbelag 26 sind eine katalysatorbeschichtete Membran 30 sowie eine Kathode 40 angeordnet. Auf der der Kathode 40 abgewandten Oberfläche des Trägerrahmens 20 sind ein weiterer Haftmittelbelag 26 sowie eine Anode 10 angeordnet. Die Kathode 40 und die Anode 10 sind im gezeigten Beispiel jeweils als Schichtelektrode ausgebildet.
Wie in der Figur 1 gezeigt, kann die katalysatorbeschichtete Membran 30 auf einer Oberfläche der Kathode 40 angeordnet sein, wobei sowohl die Kathode 40 als auch die Membran 30 auf dem Trägerrahmen 20 mit dem darauf aufgetragenen Haftmittelbelag 26 angeordnet sind. Optional kann hierbei sowohl zumindest ein Teil der Membran 30 als auch ein Teil der Kathode 40 unmittelbar auf dem Haftmittelbelag 26 angeordnet sein.
Die Figur 2 zeigt ein Beispiel für eine Vorrichtung 1000 zur Fertigung von Membran- Elektroden-Anordnungen 1.
Im gezeigten Beispiel werden mehrere Trägerrahmen 20 als fortlaufendes quasi-unendliches
Rollenmaterial bereitgestellt und durch eine Fördervorrichtung 100 kontinuierlich in der Förderrichtung F an verschiedenen Fertigungsstationen vorbei gefördert. Die Fertigungsstationen nehmen hierbei jeweils Verarbeitungsschritte zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung vor und/oder stellen Fertigungskomponenten für diese bereit.
In einem ersten beispielhaften Bearbeitungsschritt bringt eine Stanzvorrichtung 200 die erste Ausnehmung 22 sowie die weiteren Ausnehmungen 24 in den Trägerrahmen 20 ein. Während des Einbringens der ersten Ausnehmung 22 und/oder der weiteren Ausnehmungen 24 kann der Trägerrahmen 20 weiter kontinuierlich in Förderrichtung gefördert werden. Je nach Ausführungsform können die erste Ausnehmungen 22 sowie die weiteren Ausnehmungen 24 von derselben oder von unterschiedlichen Vorrichtungen in den Trägerrahmen eingebracht werden. In alternativen Ausführungsformen der Fertigungsvorrichtung 1000 können die Trägerrahmen 20 auch mit bereits eingebrachten Ausnehmungen 22, 24 bereitgestellt werden, sodass auf die Stanzvorrichtung 200 zur Herstellung von Membran-Elektroden-Anordnungen auch verzichtet werden kann.
Anschließend wird im gezeigten Beispiel ein rahmenartiger Haftmittelbelag 26 auf den Trägerrahmen 20 aufgetragenen, welcher die erste Ausnehmung 22 des Trägerrahmens 20 umformt. Hierzu umfasst die Vorrichtung 1000 die Applikationsvorrichtung 300, die nachfolgend noch genauer erläutert wird. Die kontinuierliche Förderung der Trägerrahmen 20 durch die Fördervorrichtung 100 wird während des Auftragens des Haftmittelbelags 26 nicht unterbrochen.
Ferner weist die gezeigte Vorrichtung 1000 eine erste Anordnungsvorrichtung 400 auf, die jeweils eine katalysatorbeschichtete Membran 30 sowie eine Kathode 40 auf den Trägerrahmen 20 mit den Haftmittelaufträgen 26 anordnet. Die erste Anordnungsvorrichtung 400 umfasst beispielsweise eine Vakuumtrommel, welche die schlupffreie Handhabung der Vorrichtungskomponenten ermöglicht und ordnet sowohl die Membranen 30 als auch die Kathoden 40 auf den kontinuierlich geförderten Trägerrahmen 20 an. Dieses wird dadurch ermöglicht, dass die bereitgestellten Membranen 30 sowie die bereitgestellten Kathoden 40 bereits zuvor durch eine zweite Anordnungsvorrichtung 500, welche ebenfalls eine Vakuumtrommel umfasst, aneinander angeordnet bzw. miteinander verbunden werden und so jeweils als Membran-Kathoden-Kombination bereitgestellt werden.
Mit anderen Worten kann beschrieben werden, dass die erste Anordnungsvorrichtung 400 dazu eingerichtet ist, jeweils eine erste Elektrode auf den Trägerrahmen 20 mit den Haftmittelaufträgen 26 anzuordnen, wobei auf einer den Trägerrahmen 20 während des Anordnens zugewandten Oberfläche der Elektroden jeweils eine katalysatorbeschichtete Membran 30 angeordnet ist, sodass die Membranen 30 nach dem Anordnen jeweils zwischen den Trägerrahmen 20 und den Elektroden angeordnet sind und/oder in der ersten Ausnehmung der Trägerrahmen 20 angeordnet sind.
Weiter weist die gezeigte Vorrichtung eine weitere Anordnungsvorrichtung 600 auf, die ebenfalls eine Vakuumtrommel umfasst und dazu eingerichtet ist, jeweils eine Anode 10 auf einer der Kathode 40 abgewandten Seite der Trägerrahmen 20 anzuordnen. Hierzu kann zuvor entweder auf die Anode 10 oder auf die der Kathode 40 abgewandte Seite der Trägerrahmen 20 ein weiterer Haftmittelbelag angeordnet werden.
Analog zu den Trägerrahmen 20 können auch die Membranen 30, die Kathoden 40 und/oder die Anoden 10 jeweils einzeln oder als fortlaufendes quasi-unendliches Bahnmaterial bereitgestellt werden, welches vor, während oder nach der Herstellung der Membran- Elektroden-Anordnungen voneinander getrennt wird.
Beispielsweise können die Membranen 30 nach dem Vereinzeln aus dem fortlaufenden quasiunendlichen Bahnmaterial auf dem fortlaufenden quasi-unendlichen Bahnmaterial, aus welchem die Kathoden 40 oder Anoden 10 vereinzelt werden, klebend angeordnet werden. Ferner weißt die gezeigte Fertigungsvorrichtung 1000 eine Anpressvorrichtung 700 und eine Haftmittelaushärtungsvorrichtung 750 auf. Die Anpressvorrichtung 700 ist dazu angeordnet und ausgebildet, die Elektroden 10, 40 an die Membran 30 und/oder an den Trägerrahmen 10 anzupressen. Die Haftmittelaushärtungsvorrichtung 750 ist dazu angeordnet und ausgebildet die Membran-Elektroden-Anordnung 1 zu erwärmen und hierdurch auszuhärten.
In einer Variante kann die Fertigungsvorrichtung 1000 ferner erste weitere Applikationsvorrichtung 310 und/oder eine zweite weitere Applikationsvorrichtung 321 aufweisen, welche jeweils korrespondierend zur Applikationsvorrichtung 300 aufgebaut und eingerichtet sind, wobei die erste weitere Applikationsvorrichtung 310 und/oder die zweite weitere Applikationsvorrichtung 321 dazu angeordnet sind, jeweils einen Haftmittelbelag auf die Membranen 30 und/oder auf die Anoden 10 anzuordnen.
Nach dem Aushärten des Haftmittelbelags können die einzelnen Trägerrahmen 20 bzw. gefertigten Membran-Elektroden-Anordnungen 1 mit einer Trennvorrichtung 800 voneinander getrennt werden. Wie bereits zur Figur 1 ausgeführt, muss das Trennen der Trägerrahmen 20 voneinander jedoch nicht an dieser Stelle geschehen. Alternativ können die Membran-Elektroden-Anordnungen auch mit einzelnen Trägerrahmen gefertigt werden, welche bereits vor oder während der Anordnung der Membran 30 und/oder der Elektroden 10, 40 voneinander getrennt wurden. Weiter zeigt die Figur 2 die Inspektionsvorrichtung 900, die zumindest einen Kamerasensor umfasst und dazu eingerichtet ist, Lage- und/oder Eigenschaftsfehler der gefertigten Membran-Elektroden-Anordnungen 1 auf der Transportvorrichtung 100 zu ermitteln.
Abhängig von diesem Ermitteln können die Membran-Elektroden-Anordnungen 1 von der Transportvorrichtung 100 entweder in eine Ausschussaufnahme oder in eine Ablagevorrichtung gefördert werden.
Die Figur 3 zeigt ein Beispiel für einen Trägerrahmen 20 mit einer ersten Ausnehmung 22 und einem auf den Trägerrahmen 20 aufgetragenen Haftmittelbelag 26, der die erste Ausnehmung 22 vollständig umformt. Optional kann der gezeigte Trägerrahmen auch weitere Ausnehmungen aufweisen, die in der Figur 3 aus Übersichtsgründen jedoch nicht gezeigt sind.
Wie in der Figur 4 gezeigt, kann der Haftmittel belag 26 mit der Applikationsvorrichtung 300 auf den Trägerrahmen 20 aufgetragen werden. Die in der Figur 4 gezeigte Applikationsvorrichtung 300 hat hierzu eine Schlitzdüse 320, aus der das Haftmittel 26 auf die Trägervorrichtung aufgetragen wird. Das Haftmittel wird der Applikationsvorrichtung 300 hierzu von einer nicht gezeigten Haftmittelversorgungsvorrichtung zugeführt. Wie in der Figur 4 schematisch gezeigt, kann mit der Schlitzdüse 320 ein flächiger Haftmittelbelag 26 mit einer konstanten Dicke bzw. Mächtigkeit auf den Trägerrahmen 20 aufgetragen werden.
Um, wie in der Figur 5 gezeigt, einen die erste Ausnehmung 22 umgebenden bzw. umformenden Haftmittelbelag 26 herzustellen, kann ein Teil der Schlitzdüse 320 zeitweise von einer Auslassmaske 340 verschlossen werden, während der Trägerrahmen 20 von der Fördervorrichtung 100 kontinuierlich in der Förderrichtung F gefördert wird. Hierdurch wird lediglich durch die unverschlossenen Abschnitte der Schlitzdüse 320 Haftmittel abgegeben bzw. ein Haftmittelbelag 26 auf dem Trägerrahmen 20 angeordnet, welcher die erste Ausnehmung 22 in dem Trägerrahmen 20 umgibt/umringt.
Mit anderen Worten kann beschrieben werden, dass die Geometrie der Durchtrittsfläche der Schlitzdüse 320 durch die Auslassmaske 340 zumindest zeitweise verändert wird. Genauer wird die Durchtrittsfläche der Schlitzdüse 320 durch die Auslassmaske 340 zumindest zeitweise verkleinert/verringert.
Um die Dicke oder Mächtigkeit des auf den Trägerrahmen 20 aufgetragenen Haftmittelbelags 26 konstant zu halten, kann ein nicht gezeigter Zuflussregler die Menge des der Applikationsvorrichtung 300 zugeführten Haftmittels für die Dauer des teilweisen Verschlusses der Schlitzdüse 320 durch die Auslassmaske 340 reduzieren. Eine Regelung bzw. Steuerung der Applikationsvorrichtung 300, insbesondere der Auslassmaske 340, kann hierzu mit dem Zuflussregler gekoppelt sein.
Wie in der Figur 6 gezeigt, kann die Auslassmaske 340 nach einer vorbestimmten Zeitdauer oder nach einem bestimmten Förderfortschritt des Trägerrahmens 20 die Schlitzdüse 320 wieder vollständig oder teilweise freigeben. Mit anderen Worten kann nach einer vorbestimmten Zeitdauer oder nach einem bestimmten Förderfortschritt des Trägerrahmens 20 eine ursprüngliche Geometrie der Durchtrittsfläche der Schlitzdüse 320 wiederhergestellt werden. Hierdurch kann ein die erste Ausnehmung 22 teilweise oder vollständig umgebender Haftmittelbelag 26 auf den Trägerrahmen 20 aufgetragen werden, ohne dass die kontinuierliche Förderung des Trägerrahmens 20 hierfür unterbrochen werden müsste. Die Zuflussregelung kann nach der vollständigen oder teilweisen Freigabe der Schlitzdüse 320 durch die Auslassmaske 340 die Menge des der Applikationsvorrichtung 300 zugeführten Haftmittels wieder erhöhen, um eine konstante Dicke bzw. Mächtigkeit des Haftmittelbelags 26 zu gewährleisten.

Claims

Patentansprüche
1. Ein Verfahren zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung (1) umfasst die Schritte:
- Bereitstellen zumindest eines Trägerrahmens (20) mit zumindest einer ersten Ausnehmung (22);
- Kontinuierliches Fördern des Trägerrahmens entlang eines Förderwegs;
- Aufträgen eines Haftmittelbelags (26) auf den Trägerrahmen, während der Trägerrahmen entlang des Förderwegs gefördert wird, wobei der auf den Trägerrahmen aufgetragene Haftmittelbelag die erste Ausnehmung zumindest teilweise umgreift, und der Haftmittelbelag durch eine ununterbrochene Abgabe von Haftmittel aus einer Applikatordüse einer Applikationsvorrichtung (300) auf den Trägerrahmen aufgetragen wird, und die Applikatordüse eine Durchtrittsfläche aufweist, deren Geometrie während der ununterbrochenen Abgabe des Haftmittels zumindest zeitweise verändert wird;
- Anordnen einer Membran (30) und/oder einer ersten Elektrode (40) auf den Haftmittelauftrag.
2. Verfahren nach dem Anspruch 1, wobei der zumindest eine Trägerrahmen als Abschnitt eines Trägersubstrats bereitgestellt wird, und/oder die erste Ausnehmung des Trägerahmens mit einem Stanz- oder Fräsverfahren hergestellt wird.
3. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, weiter umfassend zumindest einen der Schritte:
- Anordnen einer katalysatorbeschichteten Membran auf der ersten Elektrode; und/oder
- Anordnen der katalysatorbeschichteten Membran in der ersten Ausnehmung des Trägerrahmens.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Anordnen der katalysatorbeschichteten Membran auf der ersten Elektrode zeitlich vor dem Anordnen der ersten Elektrode auf dem Haftmittelauftrag erfolgt.
5. Verfahren nach dem Anspruch 3 oder 4, wobei die katalysatorbeschichtete Membran durch das Anordnen der Elektrode auf dem Haftmittelbelag zumindest teilweise durch die Elektrode und den Trägerrahmen und/oder den Haftmittelbelag umschlossen wird.
6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Applikatordüse eine Schlitzdüse (320) ist, und/oder die Geometrie der Durchtrittsfläche der Applikatordüse mit einer Auslassmaske (340) zumindest zeitweise verändert wird, und/oder die Durchtrittsfläche der Applikatordüse durch die Auslassmaske zumindest zeitweise verkleinert wird, und/oder die Applikatordüse durch die Auslassmaske zumindest zeitweise teilweise verschlossen wird.
7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei ein Zuflussregler eine Menge des der Applikationsvorrichtung zugeführten Haftmittels beeinflusst und hierdurch eine Dicke des Haftmittelbelags bestimmt, und/oder der Zuflussregler einen Beginn und/oder ein Ende der Abgabe des Haftmittels durch die Applikationsvorrichtung bestimmt.
8. Eine Vorrichtung (1000) zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung (1) umfasst:
- eine Trägerbereitstellungsvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, zumindest einen Trägerrahmen (20) für eine Membran-Elektroden-Anordnung bereitzustellen;
- eine Fördervorrichtung (100), die dazu eingerichtet ist, den zumindest einen Trägerrahmen kontinuierlich entlang eines Förderwegs (F) zu fördern;
- eine Applikationsvorrichtung (300), die dazu eingerichtet ist, einen eine erste Ausnehmung (22) des Trägerrahmens zumindest teilweise umgreifenden Haftmittelbelag (26) auf den kontinuierlich geförderten Trägerrahmen aufzubringen, wobei die Applikationsvorrichtung eine Applikatordüse aufweist, dazu eingerichtet ist, den Haftmittelbelag durch eine ununterbrochene Abgabe von Haftmittel aufzutragen, und die Applikatordüse eine in ihrer Geometrie während der ununterbrochene Abgabe von Haftmittel veränderliche Durchtrittsfläche aufweist,
- eine erste Anordnungsvorrichtung (400), die dazu eingerichtet ist, eine erste Membran (30) und/oder eine erste Elektrode (40) auf den Haftmittelbelag anzuordnen.
9. Vorrichtung (1000) nach dem Anspruch 8, weiter umfassend
- eine Stanz- und/oder Fräsvorrichtung (200), die dazu eingerichtet ist, die erste Ausnehmung in den Trägerrahmen durch ein Stanz- oder Fräsverfahren einzubringen. 16
10. Vorrichtung (1000) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, weiter umfassend
- eine zweite Anordnungsvorrichtung (500), die dazu eingerichtet ist, eine katalysatorbeschichtete Membran auf der ersten Elektrode und/oder in der ersten Ausnehmung des Trägerrahmens anzuordnen.
11. Vorrichtung (1000) nach dem Anspruch 10, wobei die erste Anordnungsvorrichtung ferner dazu eingerichtet ist, die Elektrode derart auf dem Haftmittelbelag anzuordnen, dass die katalysatorbeschichtete Membran zumindest teilweise durch die Elektrode und den Trägerrahmen und/oder den Haftmittelbelag umschlossen ist.
12. Vorrichtung (1000) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, weiter umfassend eine Auslassmaske (340), die dazu eingerichtet ist, die Geometrie der Durchtrittsfläche der Applikatordüse mit einer Auslassmaske zumindest zeitweise zu verändern, und/oder wobei die Applikatordüse eine Schlitzdüse (320) ist, und/oder die Auslassmaske dazu eingerichtet ist, die Durchtrittsfläche der Applikatordüse zumindest zeitweise zu verkleinern, und/oder die Auslassmaske dazu eingerichtet ist, die Applikatordüse zumindest zeitweise teilweise zu verschließen.
13. Vorrichtung (1000) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, weiter umfassend einen Zuflussregler, der dazu eingerichtet ist, eine Menge des der Applikationsvorrichtung zugeführten Haftmittels zu beeinflussen und hierdurch eine Dicke des Haftmittelbelags zu bestimmen, und/oder einen Beginn und/oder ein Ende der Abgabe des Haftmittels durch die Applikationsvorrichtung zu bestimmen.
14. Vorrichtung (1000) nach einem der Ansprüche 8 bis 13, weiter umfassend eine Anpressvorrichtung (700), die dazu angeordnet und ausgebildet ist, den Trägerrahmen an die Membran und/oder die Elektrode anzupressen, eine Haftmittelaushärtungsvorrichtung (750), die dazu angeordnet und ausgebildet ist, den Haftmittelbelag auszuhärten, und/oder eine Trennvorrichtung (800), die dazu angeordnet und ausgebildet ist, mehrere kontinuierlich entlang eines Förderwegs geförderte Trägerrahmen voneinander zu trennen, und/oder eine Inspektionsvorrichtung (900), die dazu angeordnet und ausgebildet ist, einen Eigenschaftsfehler und/oder einen Anordnungsfehler der auf dem Haftmittelbelag angeordneten Membran und/oder Elektrode zu ermitteln.
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