EP4399754A1 - Verfahren zur herstellung von membranelektrodenanordnungen in form einer kontinuierlichen bahn - Google Patents

Verfahren zur herstellung von membranelektrodenanordnungen in form einer kontinuierlichen bahn

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EP4399754A1
EP4399754A1 EP22772923.3A EP22772923A EP4399754A1 EP 4399754 A1 EP4399754 A1 EP 4399754A1 EP 22772923 A EP22772923 A EP 22772923A EP 4399754 A1 EP4399754 A1 EP 4399754A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
membrane electrode
frame
electrode assemblies
arrangements
partial seals
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Pending
Application number
EP22772923.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Sarayut Leeratanaphanit
Dieter Bangel
Jens-Peter SUCHSLAND
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.)
Greenerity GmbH
Original Assignee
Greenerity GmbH
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
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Publication of EP4399754A1 publication Critical patent/EP4399754A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/0286—Processes for forming seals
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
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    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/0276—Sealing means characterised by their form
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    • H01M8/0297—Arrangements for joining electrodes, reservoir layers, heat exchange units or bipolar separators to each other
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    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1004—Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
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    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes

Definitions

  • the invention relates to first and second methods for efficiently, automated, accurately, and inexpensively manufacturing a multi-layer, continuous web of membrane electrode assemblies suitable for use in fuel cells, water electrolysis cells, electrochemical compressors, and electrochemical sensors.
  • EP 1 629 559 B1 describes a method for producing a membrane coated with a catalyst, a so-called CCM (catalyst coated membrane).
  • the CCM has a peripheral edge made of edge material, which serves as a seal so that reaction gases do not escape from the reaction area into the environment when the CCM is used.
  • a disadvantage of the method described is that the catalyst-coated membrane is used as a continuous web, with a large part of the membrane area being covered by the edge material. In other words, an overlapping area between the membrane and the edge material is very large, so that a large part of the active area of the membrane cannot be used and the membrane utilization is consequently very low, which is associated with high costs.
  • the invention is achieved by a method, which will be described in detail below, in which membrane electrode assemblies are produced in the form of a continuous web.
  • the membrane electrode assemblies each include a layer assembly a membrane positioned between an anode and a cathode.
  • there is a frame-shaped seal which surrounds at least the outer edges of the layered arrangement, so that an inner region of the layered arrangement surrounded by the frame-shaped seal is exposed.
  • membrane electrode assemblies are described in which a membrane placed between an anode and a cathode form a layered assembly surrounded by a seal in the form of a window frame such that an exposed window-like section of the layered assembly is surrounded by the frame-like seal.
  • the method initially comprises a step of providing a first sealing material for producing the frame-shaped or frame-like seals as rolled goods.
  • the sealing material is therefore not initially in the form of sealing sections, but rather as a continuous material that is rolled up.
  • the first sealing material is arranged on a first protective film, which is also present in the rolled goods.
  • a second sealing material is also provided as rolled goods. Like the first sealing material, the second sealing material is also arranged on a protective film, namely on a second protective film.
  • the first sealing material and the second sealing material can be the same or different, with the same or different being able to relate to the chemical composition and/or to geometric factors. It is essential to the invention that the sealing frame produced from the first and second sealing materials prevents reaction gases or reaction liquids or gases or liquids formed during the reaction using the membrane electrode arrangements from escaping undesirably.
  • second frame-shaped partial seals are also produced from the second sealing material.
  • the second frame-shaped partial seals are produced in such a way that the second protective film is not damaged and consequently the second partial seals also remain on the second protective film here.
  • partial seals according to the invention without also cutting through the respective protective film is advantageous since the partial seals thus have to be processed further continuously and do not have to be stored, stored or transported separately.
  • a first carrier foil is then arranged on the first partial seals.
  • the carrier foil can advantageously be provided with a cover foil which is removed before the first carrier foil is placed on the first partial seals.
  • the first frame-shaped partial seals produced are then fed to a first transport medium and placed thereon, specifically with the first protective film being removed.
  • the first transport medium is not restricted in detail, but can preferably be designed in the form of a vacuum transport belt, whereby the first partial seals can be transported effectively, easily, quickly and reliably and slipping can be prevented.
  • the transport medium can be provided accordingly where transport of components is required.
  • the layer arrangement material made up of anode, cathode and membrane lying between them is provided as rolled goods.
  • the anode, the cathode and the membrane are not yet tailored to their intended geometric dimensions for the application, but a rolled product is used in which there are continuous layers of anode, cathode and intermediate membrane in the form of a layered arrangement .
  • MEA membrane electrode assemblies
  • the layer arrangement material can in particular be arranged on a transport medium, such as for example a further carrier film, as a result of which damage can be effectively prevented.
  • the carrier film may be provided with an adhesion layer for better transport of the layer assembly material.
  • Layer arrangements are then cut from the layer arrangement material and placed on the first frame-shaped partial seals located on the transport material.
  • the trimming can be done by conventional devices such as a cutter, punch or the like.
  • the second frame-shaped partial seals are fed in and laid down on the layer arrangements arranged on the first frame-shaped partial seals, i.e. on an exposed upper side of the layer arrangements, with the second protective film being removed here too.
  • the first frame-shaped partial seals and the second frame-shaped partial seals thus surround the layer arrangements in the form of sealing frames, the layer arrangements being exposed on the inside.
  • become window-like Sections of the first frame-shaped partial seals and window-like sections of the second frame-shaped partial seals are arranged congruently, with layer arrangements located in between in each case.
  • so-called arrangements are produced, with an arrangement comprising a first partial seal, a layer arrangement and a second partial seal in the following order.
  • the orientation of the anode or the cathode in relation to the first or second partial seal can vary, depending on how the layered arrangement of anode, cathode and membrane lying in between is arranged on the first partial seal.
  • an adhesive material is arranged on the first sealing material and/or on the second sealing material or a radiation-curable material is arranged on the first sealing material and/or on the second sealing material in such a way that after the arranging of the first partial seals, the layer arrangements and the second partial seals, the adhesive material or the radiation-curable material is arranged between the first and second partial seals arranged one above the other.
  • the sealing effect of the frame-shaped seal resulting from the first and second partial seals is then carried out by thermally activating the adhesive material or radiation curing the radiation-curable material, during which step the assemblies are additionally compressed in order to connect the first and second partial seals to the layer assemblies bring to.
  • membrane electrode arrangements with frame-shaped seals are obtained as continuous rolled goods on the first carrier material, which are arranged on the web-like transport material and can also be further processed in a continuous process or transported for storage.
  • a method for producing a continuous web of membrane electrode assemblies which has advantages over the prior art in terms of an effective, automated, technically and logistically easy-to-handle production of membrane electrode assemblies, with continuous and therefore time-efficient component management at all times - and processing are guaranteed.
  • membrane electrode arrangements are produced in which catalyst-coated membranes are present, which are to be regarded as a composite of an anode, a cathode and a particularly proton-conductive membrane located between the anode and the cathode.
  • the catalyst coated membranes are in the form of a continuous web, in other words a roll (after the continuous web has been rolled up).
  • the membrane assemblies are surrounded by a specially designed sealing frame, the sealing frame being designed to surround the cathode, the anode and the membrane at their edges. This means that after the connection of the first and second partial seals, the cathode, the anode and the membrane of a respective membrane arrangement are surrounded on all sides by a frame-shaped seal at their outer edges.
  • a frame-shaped seal or a sealing frame is understood to mean a sealing structure that is designed like a picture frame or window frame and has a free inner area inside the membrane electrode assemblies between the respective inner edges of the sealing frame, which is shaped like a picture-like or window-like cutout. In this inner area, at least partial areas of the cathode, the anode and the membrane lying one on top of the other are exposed and consequently are not covered by the sealing frame.
  • the sealing frame can only be connected to the edges of the cathode, the anode and the membrane, or it can partially overlap the cathode, the anode and/or the membrane in the layer thickness direction of the MEA, i.e. in the arrangement direction of the layers of the MEA.
  • the layer thickness direction also corresponds to the stacking direction of the MEA, that is, the arrangement direction of the anode, the membrane and the cathode.
  • the sealing frame is formed from the first partial seal and the second partial seal, which are connected to one another by means of an adhesive or by radiation curing of an applied radiation-curable material and compressing the arrangements, in particular cohesively and thus mechanically stable.
  • the membrane electrode assemblies produced according to the invention can find application in, for example, fuel cells, water electrolysis cells, electrochemical compressors and electrochemical sensors.
  • the first and second frame-shaped partial seals are produced by rotary stamping, flat stamping or laser cutting of window-like cutouts from the first sealing material and from the second sealing material.
  • the methods mentioned above have very low losses and are characterized by high precision.
  • first sealing material and the second sealing material are guided in opposite directions. This has the advantage of a space-saving processing method.
  • the first and second partial seals are connected to one another particularly efficiently in that the first partial seals and the second partial seals are applied prior to thermal activation of the adhesive material or radiation curing of the radiation-curable material are prefixed by being guided through a pair of rollers, of which at least a first roller is designed with an elastic material.
  • the elastic material can encourage the partial seals to be pressed against one another, so that air pockets between the first and second partial seals are effectively prevented.
  • thermally activating or radiation curing and compression is preferably accomplished by passing the assemblies through a fixture where thermal energy and pressure or radiation and pressure are applied to the assemblies. This leads to reduced rejects of membrane electrode assemblies.
  • the fixing device is preferably heated to a temperature of 80° C. to 160° C., preferably from 100° C. to 140° C., with the thermal energy being distributed symmetrically or can be applied asymmetrically.
  • radiation in the wavelength range from 450 nm to 100 nm, preferably from 420 nm to 365 nm is preferably selected and applied to an exposed upper side and an exposed lower side of the product to be produced, i.e. the not yet cured arrangements .
  • the exposed side is understood to be that side of the arrangements which is not on the transport material.
  • the radiation is fed in from an exposed upper side of the second partial seals, since the radiation can thus penetrate through the arrangements unhindered.
  • the pressure applied to the assemblies by the fixing device is 0.05 MPa to 10 MPa, preferably 0.15 MPa to 5 MPa and more preferably 0.25 MPa to 3 MPa.
  • pressure ranges up to 10 MPa the first partial seal and the second partial seal can be compressed together to form a sealing frame without air pockets, with the lower the pressure, any damage to the sealing material and possibly to components of the arrangement can be effectively avoided.
  • a pressure application of 0.25 MPa to 3 MPa is particularly well suited in light of the above advantages.
  • the compression is carried out for 0.006 s to 60 s, preferably for 0.2 s to 120 s, and more preferably for 0.25 s to 5 s.
  • the cutting of layer arrangements from the layer arrangement material is carried out in such a way that an area of the surface to be surrounded by the frame-shaped first and second partial seals Layer arrangements is larger than the window-like sections of the first and second partial seals.
  • partial areas of the layer arrangements overlap with the partial seals, as a result of which a particularly good layer bond is created and leakage points between the layer arrangements and the sealing frame are effectively prevented.
  • the cut layer arrangements are preferably transferred to a transfer medium before being placed on the first frame-shaped partial seals and transferred from the first transfer medium to a second transfer medium, so that the individual layer arrangements are spaced apart from one another. Spacing is advantageous in order to improve a precisely fitting arrangement of the layer arrangements on the first partial seals, so that the maximum possible interior area of the layer arrangements can be used when the membrane electrode arrangements are later used for the catalytic reactions.
  • the layered assembly material comprises a layered assembly carrier film, so that the layered assembly material can be conveyed effectively and without distortion.
  • layer arrangements are cut to size in such a way that the layer arrangement carrier film is not severed, which promotes continuous processing of the layer arrangements.
  • the layer arrangement carrier film is removed from the layer arrangements at an angle of more than 90°, preferably more than 105° and more preferably more than 120° before the layer arrangements are deposited on the first frame-shaped partial seals. Removing the layer arrangement carrier film at an angle of more than 90° C. prevents deformations or (partial) delamination of components of the layer arrangements particularly well and is therefore particularly gentle. The larger the angle, the easier and more efficiently the laminate support film can be removed.
  • a reference mark is also advantageously produced during the production of the first frame-shaped partial seals in the first sealing material in order to align the first partial seals, the layer arrangements and the second partial seals with one another in the machine direction.
  • the reference marks are provided in such a way that they allow an exact determination of the position of the window-like cutouts in the partial seals and thus an overlapping area between membrane and partial seals is minimized.
  • the provision of reference marks also makes it easier to position layer arrangements (catalyst-coated membranes) on the first partial seals isolated and individual layer arrangements are spaced apart from one another by a suitable process control.
  • the method also includes a step of adjusting the width of the first transport medium to the width of the first carrier film.
  • the guidance of the components (first partial seals) on the transport medium is locally limited as a result.
  • the width of the vacuum applied to it can be specially tailored to the components to be transported, which prevents air from bypassing it, so that no air leakage is generated and the vacuum can be made particularly stable , so that the position of the first frame-shaped partial seals is particularly well stabilized against slipping.
  • a web speed of the first transport medium is in particular between 0.1 m/min and 100 m/min, preferably between 0.5 m/min and 50 m/min and more preferably between 1 m /min and 40m/min.
  • the membrane electrode arrangements are cooled after the compression.
  • a first protective film is preferably provided on an exposed side of the first sealing material and/or a second protective film is provided on an exposed side of the second sealing material, with the first protective film and/or the second protective film being removed during removal the frame-shaped partial seals are guided in a precise position by the frame-shaped partial seals.
  • a removal of the first and/or second protective foil is preferably carried out after the creation of the first and/or second partial seals.
  • the protective film has the advantage of preventing contamination of the sealing material.
  • the membrane electrode assemblies can be cut with a final contour.
  • the membrane electrode arrangements remain with or without a final contour cut on a carrier film or are individualized as piece goods, separated from the carrier film and stacked.
  • each membrane electrode arrangement is uniquely identified or marked, and the identification is checked for consistency and recognition quality.
  • the quality of the membrane electrode assemblies obtained can advantageously be checked by means of an inspection system and a defective part can be marked with a defect, preferably on the label, so that defective parts can be identified and sorted out in subsequent further processing.
  • the membrane electrode assemblies are obtained in the form of a continuous web with a layered assembly that includes a membrane between an anode and a cathode, and also has a frame-shaped seal and gas diffusion layers, the frame-shaped seal surrounding at least the outer edges of the layered assembly, so that an inner region of the layer arrangement surrounded by the frame-shaped seal is exposed.
  • the method provides a step of providing membrane electrode arrangements in the form of rolled goods with a cathode, an anode and a membrane lying in between, as well as a sealing frame surrounding at least the outer edges of the membrane electrode arrangements.
  • the membrane electrode arrangements can be produced according to the first method according to the invention described above and would then be arranged on the first carrier film. Accordingly, the respective advantageous developments, advantages and effects of the first method according to the invention also apply to the second method according to the invention.
  • the second method according to the invention comprises arranging first gas diffusion layers on first sides of the membrane electrode arrangements and/or second gas diffusion layers on second sides of the membrane electrode arrangements. In particular, before the first gas diffusion layer or the second gas diffusion layer is arranged, the first carrier film, if present, can be removed.
  • Membrane electrode assemblies are continued on a second carrier film, which is arranged, for example, with the first gas diffusion layer. This improves the continuous process with membrane electrode assemblies as rolled goods.
  • the second method according to the invention is also distinguished by the fact that it is fast, reliable and economical and can be carried out largely automatically.
  • the membrane electrode arrangements can comprise gas diffusion layers as respective outer layers on each side, ie on the anode side and on the cathode side.
  • the gas diffusion layers can be provided as piece goods in a storage unit or, before the gas diffusion layers are used, gas diffusion layers can be separated from a gas diffusion layer roll provided as roll goods to form piece goods.
  • the gas diffusion layers are preferably arranged on a second carrier film, at least after the separation.
  • the method comprises arranging first gas diffusion layers on first sides of the membrane electrode assemblies and/or second gas diffusion layers on second sides of the membrane electrode assemblies.
  • the first side can be the anode side, for example, so that the second side is consequently the cathode side.
  • the first side can also be the cathode side, with the result that the second side is the anode side.
  • the gas diffusion layers serve to distribute the reaction gases on the respective side of the membrane electrode assemblies.
  • an adhesive, an adhesion promoter or a film that is adhesive on both sides is applied in edge areas of the first sides of the membrane electrode arrangements and/or in edge areas of the second sides of the membrane electrode arrangements, which improves adhesion of the gas diffusion layers becomes.
  • the frame-shaped seals can also be softened for this purpose become.
  • the adhesive can be selected, for example, from air-curing, heat-activatable or light- or UV-activatable adhesives or from two-component adhesives, with an adhesive quantity of 0.1 to 10 mg cm -1 advantageously being used or one layer thickness of the adhesive layer to be applied is 1 to 30 ⁇ m.
  • the wavelength of the activating UV light is advantageously in the range from 100 nm to 440 nm, preferably from 300 nm to 400 nm and more preferably from 350 nm to 420 nm and is in particular 395 nm.
  • the UV intensity is advantageously in the range of 1 to 30 W/cm, and the exposure time can be about 0.003 s to 60 s depending on a width of the adhesive film, an exposure width being advantageously adjusted to the width of the applied adhesive.
  • Gas diffusion layers can be applied gently with this embodiment of the method according to the invention, so that bending of the gas diffusion layers and thus damage to the gas diffusion layers are avoided and precise positioning of the gas diffusion layers is still made possible.
  • the method advantageously includes fixing the first and/or second gas diffusion layers on the first and/or second sides of the membrane electrode assemblies, in particular using a temperature of 100 to 200° C., preferably from 140 to 180° C. and also advantageously with application of a pressure of 0.5 to 5 MPa and preferably 1.0 to 5.0 MPa.
  • positions of window-like cutouts of the frame-shaped seals or reference marks of the membrane electrode assemblies are recorded and a positioning of the first gas diffusion layers on the second transport medium or a position of the window-like cutouts, or a position of the reference mark of the first sides of the membrane-electrode assemblies in the machine direction (this corresponds to the conveying direction of the membrane-electrode assemblies) and in the cross-machine direction (this corresponds to a direction perpendicular to the machine direction in the areal extension direction of the membrane-electrode assemblies).
  • a transport direction of the membrane electrode arrangements and a transport direction of the first gas diffusion layers are selected such that they run in opposite directions before the gas diffusion layers and the membrane electrode arrangements are brought together and/or run horizontally.
  • the method can in particular also include a test for gas tightness, the membrane electrode assemblies provided with first and second gas diffusion layers being arranged in a sealing fixing unit and the respective gas tightness of the membrane electrode assemblies being determined using a test gas. This test for gas tightness can be integrated into the continuous conveying process of the membrane electrode assemblies and thus improves the simple and time-saving production of highly functional membrane electrode assemblies.
  • the membrane electrode assemblies can be cut with a final contour after compressing the assemblies or after arranging and fixing the first gas diffusion layers on the first sides of the membrane electrode assemblies and/or the second gas diffusion layers on the second sides of the membrane electrode assemblies.
  • the membrane electrode assemblies remain with or without a final contour cut on a (second) carrier film or are individualized as piece goods, separated from the carrier film and stacked.
  • each membrane electrode assembly is uniquely identified or marked and the identification is checked for consistency and recognition quality.
  • each membrane electrode arrangement is uniquely identified or marked, and the identification is checked for consistency and recognition quality.
  • the quality of the membrane electrode assemblies obtained can advantageously be checked by means of an inspection system and a defective part can be marked with a defect, preferably on the label, so that defective parts can be identified and sorted out in subsequent further processing.
  • FIG. 1 shows a schematic representation to illustrate method steps of a method for producing three-layer membrane electrode arrangements according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows a schematic representation to illustrate method steps of a method for producing five-layer membrane electrode arrangements according to a second embodiment of the invention.
  • Figure 1 uses a schematic device to show process steps for the production of three-layer membrane electrode assemblies in the form of a three-layer, continuous web for use in fuel cells, water electrolysis cells, electrochemical compressors and electrochemical sensors, the membrane electrode assemblies having a first and second partial seal and a sealing frame comprising a catalyst-coated Membrane (CCM) include.
  • the process steps are divided into modules 1 to 4. The method is fast, reliable and inexpensive and can be carried out largely automatically.
  • a first sealing material 1 is provided as rolled goods from a first roll 20.
  • the first sealing material 1 comprises a first protective film 3 on its upper side.
  • the first sealing material 1 is first conditioned, ie wrinkle-free in relation to the cross-machine direction Q and positioned centrically in relation to the width of the device.
  • the first sealing material 1 arranged with the first protective film 3 is then fed to a cutting device 23, comprising a third roller 23a and a rotating blade 23b (alternatively also a flat punch or a laser cutter).
  • a first carrier film 2 with a cover film 2a is then provided from a second roll 21 and, after removing the cover film 2a and rolling it up on another roll 21a, the first sealing material 1 is placed on the first carrier film 2 by guiding the first sealing material 1 and the first Carrier film 2 arranged over guide rollers 22 (pair of rollers). Then, removing the protective film 3 including the sealing material waste of the sealing material 1 via delamination roller 23c from the first sealing material 1, first partial seals 6 are formed, which are present with a frame-like or window-frame-like shape and thus have window-like cutouts within the Inner edges of the first partial seals 6 have. The first protective film 3 with the sealing material waste is rolled up on the fourth roll 24 .
  • the first partial seals 6 are first marked with a reference mark by means of a marking device 25 and the marking created is checked by means of a marking checking device 25a.
  • the reference mark can be applied by stamping, cutting or lasering, for example.
  • a reference mark is additionally produced in the first partial seals 6 by the same tool in the same method step when the window-like cutouts are being produced.
  • the reference marks can be detected in the subsequent process steps via sensors or camera systems and serve as a clock for aligning all other components, i.e. for the layer arrangements 7 and second partial seals 8a and thus for aligning the layer arrangements 7 and the second partial seals 8a in the machine direction M in relation to the first partial seals 6. In this way, a very stable process control with regard to the alignment of the subsequent components, i.e. the layer arrangements 7 and the second partial seals 8a, is realized.
  • the reference marks can be recognized by cameras and/or sensors, as a result of which a signal for synchronizing and clocking the layer arrangements 7 and the second partial seals 8a is generated.
  • the feeding speed of the layer arrangements 7 and the second partial seals 8a can be regulated in such a way that an exact positioning of the layer arrangements 7 and second partial seals 8a in relation to the first partial seals 6 is obtained.
  • the position of the layer arrangements 7 is determined in particular by camera systems that detect the edge of the layer arrangements 7 in the machine direction M and convert them into signals that can be synchronized with the signals of the reference marks of the first partial seals 6 .
  • a layer arrangement material 4 consisting of anode, cathode and membrane lying between them, is provided in the form of rolled goods from a fifth roll 26. Positioning of the layer assembly material 4 in the cross-machine direction Q is centered with respect to a width of the device. The exact positioning of the layer arrangement material 4 in the cross-machine direction Q can be finely adjusted by using additional guide rollers 22 .
  • the layer arrangement material 4 is provided on a layer arrangement carrier film 5, by means of which the layer arrangement material 4 a cutting device 27, comprising a sixth roller 27a and a rotating cutter 27b, is fed, in which layer arrangements 7 are produced from the layer arrangement material 4, the format of which is adapted to the window-like cutouts of the first partial seals 6.
  • the format of the layer arrangements 7 is in particular selected to be larger than that of the window-like cutouts of the first partial seals 6, so that an overlapping area arises in the periphery of the layer arrangements 7 with the first partial seals 6.
  • the overlapping area is selected in particular so large that a gas-tight arrangement of layer arrangements 7 and frame-shaped seals to be formed is made possible, and so small that the loss of active surface of the layer arrangements 7 is minimized.
  • the overlapping area is preferably in the range of 0.5 mm to 6 mm and more preferably between 1 mm and 3 mm.
  • the layer arrangements 7 By guiding the layer arrangements 7, which are still arranged on the layer arrangement carrier film 5, through guide rollers 22, the layer arrangements 7 are arranged on the first part seals 6, removing the layer arrangement carrier film 5, which is then rolled up onto a seventh roller 28.
  • the layer arrangements 7 can be precisely positioned in the frame-shaped first partial seals 6 by aligning the layer arrangements 7 in relation to the reference marks attached to the first partial seals 6 .
  • module 3 there are thus first partial seals 6 on the first carrier film, on the upper side of which layer arrangements 7 are arranged.
  • a second sealing material 8 on a second protective film 9 is provided by an eighth roll 28a.
  • the first sealing material 1 and the second sealing material 8 are guided in opposite directions, as a result of which a particularly compact construction and design of the device is achieved.
  • the second sealing material 8 is now fed to a cutting device 29, comprising a ninth roller 29a and a rotating cutting edge 29b, so that the second protective film 9 is removed from the second sealing material 8 in the cutting device 29 and second partial seals 8a are produced, which are then deflected are arranged on the layer arrangements 7 by means of a further guide roller 22 in such a way that the window-like cutouts of the first partial seals 6 come to lie over the window-like cutouts of the second partial seals 8a produced in the cutting device 29.
  • the layer arrangements are located inside the window-like cutouts, so that the largest possible area of the membrane is exposed inside the frame-shaped partial seals 6, 8a.
  • the second protective film 9 is rolled up onto a tenth roll 29c.
  • the second partial seals 8a can also be provided with reference marks in order to facilitate better positioning of the second partial seals 8a on the first partial seals 6.
  • the first and second partial seals 6, 8a are fixed with the layer arrangements 7 in a fixing device 30, in particular after checking the previously produced layer arrangements 7 by means of sensor D.
  • an adhesive material is arranged on the first sealing material 1 and/or on the second sealing material 8 such that after the stacking of the first partial seals 6, the layer arrangements 7 and the second partial seals 8a, the adhesive material is arranged between the stacked first and second partial seals 6, 8a.
  • the fixing device 30 which can be designed as a heated pair of press jaws, for example, the adhesive material is then thermally activated and the arrangements 10 are compressed, with the result that membrane electrode arrangements 11 with frame-shaped seals are obtained as continuous roll goods on the carrier film 2. obtain a mechanically stable and gas-tight composite of layer arrangements 7 and sealing frames.
  • the pressing jaws of the pair of pressing jaws for fixing the partial seals and creating a sealing frame or any rollers of a pair of rollers for fixing can be made of different materials and the materials are selected in particular from the group of metal, rubber, rubberized metal or coated metal. The material is further selected to avoid sticking of the continuous web assemblies 10 to the dies or rollers.
  • the material of the pressing jaws or the rollers is designed in such a way that the pressure is distributed homogeneously during the fixation and differences in thickness in the overlapping area of partial seals and layer arrangements are compensated. Coatings are selected for example from the group of Viton or PTFE.
  • the temperature of the upper and lower press jaws of the pair of press jaws or the temperature of the upper and lower rollers of the pair of rollers can be different.
  • the temperature of the respective lower element is between 40° C. and 160° C., preferably between 50° C. and 140° C.
  • the temperature of the respective upper element is between 80° C. and 200° C., preferably between 100° C. and 180°C
  • the pair of pressing jaws or the pair of rollers generate in particular a pressure of between 0.05 MPa and 10 MPa, preferably between 0.15 MPa and 5 MPa and more preferably between 0.25 MPa and 3 MPa. A sufficient activation of the adhering adhesive material is thus achieved and a materially bonded and bubble-free connection is achieved between layer arrangements and the first and second partial seals.
  • the pair of pressing jaws is arranged to be movable on a rail. Continuous process management is thus facilitated, since the sealing step of the two partial seals follows the movement of the continuous web in the machine direction M.
  • the continuous process control is particularly efficient and further increases the precision of the process, since interruptions in the web movement in the sense of periodic stopping and starting of the web are avoided.
  • the composite of layer arrangements and first and second partial seals is cooled after being fixed between the pair of pressing jaws or the pair of rollers on a cooled conveyor belt.
  • This process step serves to harden the adhesive material, which improves the ability of the partial seals to be cut.
  • the membrane electrode arrangements 11 with frame-shaped seals obtained as continuous rolled goods can then be rolled up on an eleventh roll 29d. This is particularly possible because the membrane electrode arrangements 11 are still present on the first carrier film 2 .
  • a data matrix code can be applied and checked in devices A, B, C, E, F and G provided by way of example.
  • a data matrix code can be applied in device A; a data matrix code check can be carried out in device B; in device C, a QC-CCM - i.e. a quality control of the membrane electrode assemblies 7 (CCM) can be carried out by means of an optical inspection system; A QC-3-L - i.e. a quality control of the 3-layer MEA (on both sides) can be carried out in device E, e.g. by means of an optical inspection system, which enables the quality of the composite of layer arrangements and first and second partial seals and/or a gas leak test .
  • a device F for defect marking can also be provided and/or a defect marking verification can be carried out in device G.
  • the process results in the manufacture of a continuous web of three layer membrane electrode assemblies (membrane with anode and cathode), and shows Compared to conventional methods, it has advantages in terms of efficiency, automation and logistics in process management, with continuous and therefore time-efficient component management and processing being guaranteed at all times.
  • the three-layer membrane electrode arrangements 11 produced have catalyst-coated membranes which are to be regarded as a composite of an anode, a cathode and a membrane located between the anode and the cathode, in particular a proton-conductive membrane.
  • the catalyst-coated membranes are in the form of a continuous web, in other words a roll (after the continuous web has been rolled up), and are surrounded by a specially designed sealing frame.
  • FIG. 2 uses a schematic device to show process steps for producing five-layer membrane electrode assemblies 45 in the form of a five-layer, continuous web for use in fuel cells, water electrolysis cells, electrochemical compressors and electrochemical sensors, the membrane electrode assemblies 45 having a sealing frame comprising a first and a second partial seal and a catalyst coated membrane (CCM) and gas diffusion layers.
  • the process steps are divided into modules 5 to 8. The method is fast, reliable and inexpensive and can be carried out largely automatically.
  • the three-layer membrane electrode arrangements 11 can be used, which were produced according to the first method shown schematically and the device from FIG. It is essential here that the membrane electrode arrangements to be used have a membrane, anode and cathode, which flank the membrane on opposite sides of the membrane and a sealing frame which surrounds the membrane, and are available as rolled goods, carried on a first carrier film 2 .
  • membrane electrode assemblies 11 obtained as continuous roll goods which are present on a first carrier film 2 on an eleventh roll 29d, are unrolled from the eleventh roll 29d, their arrangement checked by a sensor H and fed to a first adhesive application device 31, so that an exposed upper side of the membrane electrode assemblies 11 is provided with adhesive which covers at least partial areas of the frame-shaped seals and is then cured in a curing device 32 for the adhesive.
  • the vertical line between the adhesive application device 31 and the curing device 32 represents a protective device 32a which protects the adhesive from premature solidification.
  • the adhesive is selected from the group of air-curing, thermally activated or light- or UV-activated adhesives or two-component adhesives.
  • the adhesive can be applied to the periphery of the window-like cutouts of the frame-shaped seals by a single application system or by two application systems, each applying an L-shaped adhesive pattern, or by multiple application systems, each applying a linear adhesive pattern.
  • Systems that are known to the person skilled in the art and can be understood as a system of pumps and nozzles that is suitable for the application of adhesive around the periphery of the window-like cutouts can serve as the application system.
  • a second carrier film 48 is unrolled from a 13th roll 46, which is provided with a cover film 49 for protection.
  • the cover film 49 is removed as it is guided through a pair of rollers 22 and rolled up on a 14th roller 47 .
  • prepared and conditioned gas diffusion layers 12 are transferred from a magazine 33 to the second carrier film 48 and fed to a gas diffusion layer application device 34, in which gas diffusion layers 12 are fed to the upper sides of the membrane electrode arrangements 11 provided with adhesive and pressed with the pressing device 38. After passing through the pressing device 38, the first carrier film 2 is removed and rolled up on a twelfth roll 29e.
  • the membrane electrode assemblies are then fed to a second adhesive application device 35 in module 6b, adhesive being applied to a now exposed second upper side of the membrane electrode assemblies.
  • Further gas diffusion layers 12 are then fed from a magazine 36 to the second upper side of the membrane electrode arrangements provided with adhesive.
  • the gas diffusion layers 12 are then pressed against the membrane electrode assemblies 11 by a 15th roller 38.
  • the membrane electrode assembly 11 and the gas diffusion layers 12 are held on the first upper side by means of a vacuum conveyor belt 37, so that the membrane electrode assemblies 11 with the gas diffusion layers 12 are held during further transport , so that the bottom of the membrane electrode assembly
  • the position of the window-like sections of the partial seals is detected by sensors H and the positioning of the first gas diffusion layer
  • the membrane electrode assemblies provided with gas diffusion layers 12 are finally contour cut by cutting device 39 in such a way that the carrier foil 1 is not damaged, and consequently the membrane electrode assemblies provided with gas diffusion layers 12 are still arranged on the first carrier foil 1.
  • the membrane electrode arrangements can be separated from one another by the cutting device 39 and thus prepared for individualization or not separated and thus continue to be available as rolled goods.
  • quality control is carried out by a camera system 40.
  • the camera system 40 includes a camera that checks the cutting quality and the dimensions of the window-like cutouts and thus ensures plausibility, ie the use of the correct tool.
  • the membrane electrode assemblies 45 provided with gas diffusion layers 12 are transported and conveyed on a transport medium 41, with the second carrier film 48 being removed from the membrane electrode assemblies by being rolled up on a 16th roller 42 and the finished membrane electrode assemblies 45 after final quality control in module 8 by camera system 43 either if their quality is not sufficient, separated out or, if the quality is sufficient, stored in storage containers 44 for further processing or storage.
  • the further camera system 43 can also be attached above and below the continuous web and checks the alignment of the layer arrangements and the first partial seals as well as the alignment of the layer arrangements and the second partial seals. This ensures that the window-like cutouts of the first and second partial seals are arranged congruently.
  • this camera system can check the quality of the edge foil pre-fixing with regard to freedom from creases and bubbles.
  • additional cameras QC camera
  • QC camera can check the quality of the sealed composite of layer arrangements and first and second partial seals with regard to the absence of bubbles and wrinkles.
  • the method leads to the production of a continuous web of membrane electrode arrangements, which now have five layers (membrane with anode, cathode and two gas diffusion layers), and compared to conventional methods Advantages in terms of efficiency, automation and logistics in process management, with continuous and therefore time-efficient component management and processing being guaranteed at all times.
  • the five-layer membrane electrode assemblies produced there are catalyst-coated membranes and gas-diffusion layers that are attached in precise positions.
  • the five-layer membrane electrode assemblies can be in the form of a continuous web on a roll, or they can be cut to size for further processing.
  • the device shown in FIG. 2 can also be used to provide three-layer membrane electrode arrangements that have a final, contouring cut. In this case, no gas diffusion layers are then conveyed from the magazines 33 and 36 .

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein erstes und ein zweites Verfahren zur effizienten, automatisierten, genauen und kostengünstigen Herstellung von mehrlagigen, kontinuierlichen Bahnen von Membranelektrodenanordnungen (11, 45), die für die Anwendung in Brennstoffzellen, Wasserelektrolysezellen, elektrochemischen Kompressoren und elektrochemischen Sensoren geeignet sind.

Description

Verfahren zur Herstellung von Membranelektrodenanordnungen in Form einer kontinuierlichen Bahn
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein erstes und ein zweites Verfahren zur effizienten, automatisierten, genauen und kostengünstigen Herstellung einer mehrlagigen, kontinuierlichen Bahn von Membranelektrodenanordnungen, die für die Anwendung in Brennstoffzellen, Wasserelektrolysezellen, elektrochemischen Kompressoren und elektrochemischen Sensoren geeignet sind.
Verfahren zur Herstellung von Membranelektrodenanordnungen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Zum Beispiel beschreibt EP 1 629 559 B1 ein Verfahren zum Herstellen einer mit Katalysator beschichteten Membran, einer sogenannten CCM (catalyst coated membrane). Die CCM weist dabei einen umlaufenden Rand aus Randmaterial auf, der als Dichtung dient, damit Reaktionsgase bei Anwendung der CCM nicht aus dem Reaktionsbereich in die Umgebung austreten. Ein Nachteil des beschriebenen Verfahrens ist, dass die katalysatorbeschichtete Membran als kontinuierliche Bahn eingesetzt wird, wobei ein großer Teil der Membranfläche durch das Randmaterial abgedeckt wird. Mit anderen Worten ist ein Überlappungsbereich zwischen Membran und Randmaterial sehr groß, so dass ein großer Teil des aktiven Bereichs der Membran nicht genutzt werden kann und die Membranausnutzung folglich sehr gering ist, was mit hohen Kosten verbunden ist.
Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung effiziente, automatisierte, genaue und dabei kostengünstige Verfahren zur Herstellung von mehrlagigen Membranelektrodenanordnungen in Form einer kontinuierlichen Bahn anzugeben, die zudem einfach und ohne hohen technischen Aufwand umsetzbar sind.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die unabhängigen Ansprüche. Die abhängigen Ansprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung zum Inhalt.
Folglich wird die Erfindung durch ein Verfahren gelöst, das nachfolgend im Detail beschrieben wird, in dem Membranelektrodenanordnungen in Form einer kontinuierlichen Bahn erzeugt werden. Die Membranelektrodenanordnungen umfassen jeweils eine Schichtanordnung mit einer Membran, die zwischen einer Anode und einer Kathode angeordnet ist. Zudem ist eine rahmenförmige Dichtung vorhanden, die zumindest die Außenränder der Schichtanordnung umgibt, so dass ein von der rahmenförmigen Dichtung umgebener Innenbereich der Schichtanordnung freiliegt. Mit anderen Worten werden Membranelektrodenanordnungen beschrieben, in denen eine zwischen einer Anode und einer Kathode eingebrachte Membran eine Schichtanordnung bilden, die von einer Dichtung in Form eines Fensterrahmens derart umgeben ist, dass ein freiliegender fensterartiger Ausschnitt der Schichtanordnung von der rahmenartigen Dichtung umgeben ist.
Das Verfahren umfasst zunächst einen Schritt des Bereitstellens eines ersten Dichtungsmaterials zur Erzeugung der rahmenförmigen oder rahmenartigen Dichtungen als Rollenware. Das Dichtungsmaterial liegt also zunächst nicht als Dichtungsabschnitte vor, sondern als kontinuierliches Material, aufgerollt. Dabei ist das erste Dichtungsmaterial auf einer ersten Schutzfolie angeordnet, die ebenfalls mit in der Rollenware vorhanden ist.
Ebenso wird auch ein zweites Dichtungsmaterial als Rollenware bereitgestellt. So wie das erste Dichtungsmaterial, ist auch das zweite Dichtungsmaterial auf einer Schutzfolie, nämlich auf einer zweiten Schutzfolie, angeordnet. Das erste Dichtungsmaterial und das zweite Dichtungsmaterial können dabei gleich oder unterschiedlich sein, wobei sich die Gleichheit oder Unterschiedlichkeit auf die chemische Zusammensetzung und/oder auf geometrische Faktoren beziehen kann. Erfindungswesentlich ist, dass der aus den ersten und zweiten Dichtungsmaterialien erzeugte Dichtungsrahmen ein unerwünschtes Austreten von Reaktionsgasen oder Reaktionsflüssigkeiten oder von bei der Reaktion unter Verwendung der Membranelektrodenanordnungen entstehenden Gasen oder Flüssigkeiten verhindert.
Sodann erfolgt ein Schritt des Erzeugens von ersten rahmenförmigen Teildichtungen von dem ersten Dichtungsmaterial, und zwar so, dass die erste Schutzfolie nicht beschädigt wird, und folglich die erzeugten ersten rahmenförmigen Teildichtungen nach wie vor auf der ersten Schutzfolie angeordnet sind.
Genauso erfolgt auch ein Erzeugen von zweiten rahmenförmigen Teildichtungen von dem zweiten Dichtungsmaterial. Auch hier erfolgt das Erzeugen der zweiten rahmenförmigen Teildichtungen so, dass die zweite Schutzfolie nicht beschädigt wird und folglich auch hier die zweiten Teildichtungen auf der zweiten Schutzfolie verbleiben.
Das erfindungsgemäße Erzeugen von Teildichtungen, ohne die jeweilige Schutzfolie mit zu durchtrennen, ist vorteilhaft, da somit die Teildichtungen kontinuierlich weiterverarbeitet und nicht separat zwischengelagert, bevorratet oder transportiert werden müssen. Sodann wird eine erste Trägerfolie auf den ersten Teildichtungen angeordnet. Die Trägerfolie kann vorteilhafterweise mit einer Abdeckfolie bereitgestellt sein, die vor dem Anordnen der ersten Trägerfolie auf den ersten Teildichtungen entfernt wird.
Die erzeugten ersten rahmenförmigen Teildichtungen werden sodann einem ersten Transportmedium zugeführt und darauf abgelegt, und zwar unter Entfernen der ersten Schutzfolie. Das erste Transportmedium ist dabei im Einzelnen nicht beschränkt, kann aber vorzugsweise in Form eines Vakuumtransportbands ausgebildet sein, wodurch die ersten Teildichtungen effektiv, einfach, schnell und zuverlässig transportiert werden können und ein Verrutschen verhindert werden kann. Das Transportmedium kann dort, wo Transport von Komponenten erforderlich ist, entsprechend vorgesehen sein.
In einem weiteren Verfahrensschritt erfolgt ein Bereitstellen von Schichtanordnungsmaterial aus Anode, Kathode und dazwischenliegender Membran als Rollenware. Dies bedeutet, dass die Anode, die Kathode und die Membran noch nicht im Hinblick auf ihre für die Anwendung vorgesehenen geometrischen Ausdehnungen hin zugeschnitten sind, sondern eine Rollenware verwendet wird, in der in Form einer Schichtanordnung kontinuierliche Lagen von Anode, Kathode und dazwischenliegender Membran vorliegen. Dies fördert die kontinuierliche Erzeugung von Membranelektrodenanordnungen (im Folgenden auch: MEA). Das Schichtanordnungsmaterial kann insbesondere auf einem Transportmedium, wie beispielsweise einer weiteren Trägerfolie, angeordnet sein, wodurch Beschädigungen effektiv verhindert werden können. Die Trägerfolie kann zum besseren Transportieren des Schichtanordnungsmaterials mit einer Anhaftungsschicht versehen sein.
Sodann werden aus dem Schichtanordnungsmaterial Schichtanordnungen zugeschnitten und diese auf den auf dem Transportmaterial befindlichen ersten rahmenförmigen Teildichtungen abgelegt. Das Zuschneiden kann mittels herkömmlicher Vorrichtungen, wie z.B. einem Schneidwerkzeug, einer Stanze oder Ähnlichem erfolgen. Nach dem Ablegen der zugeschnittenen Schichtanordnungen auf den ersten rahmenförmigen Teildichtungen erfolgt ein Zuführen und Ablegen der zweiten rahmenförmigen Teildichtungen auf den auf den ersten rahmenförmigen Teildichtungen angeordneten Schichtanordnungen, also auf einer freiliegenden Oberseite der Schichtanordnungen, wobei auch hier die zweite Schutzfolie entfernt wird.
Die ersten rahmenförmigen Teildichtungen und die zweiten rahmenförmigen Teildichtungen umgeben somit umlaufend die Schichtanordnungen in Form von Dichtungsrahmen, wobei die Schichtanordnungen im Inneren freiliegen. Mit anderen Worten werden fensterartige Ausschnitte der ersten rahmenförmigen Teildichtungen und fensterartige Ausschnitte der zweiten rahmenförmigen Teildichtungen deckungsgleich angeordnet, wobei sich jeweils dazwischenliegend Schichtanordnungen befinden. Es werden dabei so genannte Anordnungen erzeugt, wobei eine Anordnung in folgender Reihenfolge eine erste Teildichtung, eine Schichtanordnung und eine zweite Teildichtung umfasst. Die Ausrichtung der Anode bzw. der Kathode in Bezug auf die erste bzw. zweite Teildichtung kann dabei variieren, je nachdem wie die Schichtanordnung aus Anode, Kathode und dazwischenliegender Membran auf der ersten Teildichtung angeordnet wird.
Um eine gut abdichtende Wirkung zu erzielen, ist auf dem ersten Dichtungsmaterial und/oder auf dem zweiten Dichtungsmaterial ein adhäsives Material derart angeordnet oder wird auf dem ersten Dichtungsmaterial und/oder auf dem zweiten Dichtungsmaterial ein strahlungshärtbares Material angeordnet, so dass nach dem übereinander Anordnen der ersten Teildichtungen, der Schichtanordnungen und der zweiten Teildichtungen das adhäsive Material bzw. das strahlungshärtbare Material zwischen den übereinander angeordneten ersten und zweiten Teildichtungen angeordnet ist.
Die abdichtende Wirkung der aus den ersten und zweiten Teildichtungen entstehenden rahmenförmigen Dichtung wird sodann durch thermisches Aktivieren des adhäsiven Materials oder Strahlungshärten des strahlungshärtbaren Materials ausgeführt, wobei während dieses Schrittes zusätzlich ein Komprimieren der Anordnungen erfolgt, um die ersten und zweiten Teildichtungen mit den Schichtanordnungen in Verbindung zu bringen. Hierdurch werden Membranelektrodenanordnungen mit rahmenförmigen Dichtungen als kontinuierliche Rollenware auf dem ersten Trägermaterial erhalten, die auf dem bahnförmigen Transportmaterial angeordnet und weiterhin in einem kontinuierlichen Prozess weiterverarbeitet oder zur Bevorratung transportiert werden können.
Erfindungsgemäß wird also ein Verfahren zur Herstellung einer kontinuierlichen Bahn von Membranelektrodenanordnungen bereitgestellt, das gegenüber dem Stand der Technik Vorteile in Bezug auf eine effektive, automatisierte, technisch und logistisch einfach zu handhabende Erzeugung von Membranelektrodenanordnungen zeigt, wobei zu jedem Zeitpunkt eine kontinuierliche und damit zeiteffiziente Komponentenführung- und Verarbeitung gewährleistet sind.
Erfindungsgemäß werden Membranelektrodenanordnungen erzeugt, in denen katalysatorbeschichtete Membranen vorliegen, die als ein Verbund aus einer Anode, einer Kathode sowie einer zwischen Anode und Kathode befindlichen, insbesondere protonenleitfähigen Membran anzusehen sind. Die katalysatorbeschichteten Membranen liegen in Form einer kontinuierlichen Bahn, in anderen Worten als Rolle (nach Aufrollen der kontinuierlichen Bahn), vor. Die Membrananordnungen sind von einem spezifisch ausgebildeten Dichtungsrahmen umgeben, wobei der Dichtungsrahmen so ausgebildet ist, dass er die Kathode, die Anode und die Membran an ihren Rändern umgibt. Dies bedeutet, dass nach dem Verbinden der ersten und zweiten Teildichtungen, die Kathode, die Anode und die Membran einer jeweiligen Membrananordnung an ihren Außenrändern allseitig von einer rahmenförmigen Dichtung umgeben sind. Unter einer rahmenförmigen Dichtung bzw. unter einem Dichtungsrahmen wird dabei eine Dichtungsstruktur verstanden, die wie ein Bilderrahmen oder Fensterrahmen ausgebildet ist und einen freien Innenbereich im Innern der Membranelektrodenanordnungen zwischen den jeweiligen Innenkanten des Dichtungsrahmens aufweist, der wie ein bildartiger oder fensterartiger Ausschnitt geformt ist. In diesem Innenbereich liegen mindestens übereinanderliegende Teilbereiche der Kathode, der Anode und der Membran frei und sind folglich nicht vom Dichtungsrahmen bedeckt. Hierbei kann der Dichtungsrahmen lediglich mit den Kanten der Kathode, der Anode und der Membran in Verbindung stehen, oder aber die Kathode, die Anode und/oder die Membran in Schichtdickenrichtung der MEA, also in Anordnungsrichtung der Schichten der MEA, teilweise überlappen. Die Schichtdickenrichtung entspricht auch der Stapelrichtung der MEA, also der Anordnungsrichtung der Anode, der Membran und der Kathode. Der Dichtungsrahmen ist aus der ersten Teildichtung und der zweiten Teildichtung gebildet, die mittels eines Adhäsivs oder durch Strahlungshärten eines aufgebrachten strahlungshärtbaren Materials und Komprimieren der Anordnungen miteinander, insbesondere stoffschlüssig und damit mechanisch stabil, verbunden sind.
Die erfindungsgemäß erzeugten Membranelektrodenanordnungen können z.B. zur Anwendung in Brennstoffzellen, Wasserelektrolysezellen, elektrochemischen Kompressoren und elektrochemischen Sensoren gelangen.
Gemäß einer im Lichte der kontinuierlichen und zeiteffizienten Verfahrensführung vorteilhaften Weiterbildung, erfolgt das Erzeugen von ersten und zweiten rahmenförmigen Teildichtungen durch rotatives Stanzen, Flachstanzen oder Laserschneiden von fensterartigen Ausschnitten aus dem ersten Dichtungsmaterial und aus dem zweiten Dichtungsmaterial. Die vorstehend genannten Verfahren sind sehr verlustarm und zeichnen sich durch eine hohe Präzision aus.
Weiter vorteilhaft werden das erste Dichtungsmaterial und das zweite Dichtungsmaterial gegenläufig geführt. Dies birgt den Vorteil einer platzsparenden Verarbeitungsweise.
Besonders effizient werden die ersten und zweiten Teildichtungen dadurch miteinander verbunden, dass die ersten Teildichtungen und die zweiten Teildichtungen vor dem thermischen Aktivieren des adhäsiven Materials oder Strahlungshärten des strahlungshärtbaren Materials durch Führen durch ein Walzenpaar vorfixiert werden, wovon mindestens eine erste Walze mit einem elastischen Material ausgeführt ist. Durch das elastische Material kann ein Andrücken der Teildichtungen aneinander gefördert werden, so dass Lufteinschlüsse zwischen den ersten und zweiten Teildichtungen effektiv verhindert werden.
Um einem Verrutschen der Einzelkomponenten der miteinander zu verbindenden Komponenten der Anordnungen zu verhindern, wird das thermische Aktivieren oder Strahlungshärten und Komprimieren vorzugsweise durch Führen der Anordnungen durch eine Fixiervorrichtung ausgeführt, in der thermische Energie und Druck oder Strahlung und Druck auf die Anordnungen aufgebracht werden. Dies führt zu einem verringerten Ausschuss an Membranelektrodenanordnungen.
Um das thermische Aktivieren besonders effizient zu gestalten und dabei Schäden an den Anordnungen zu verhindern, wird die Fixiervorrichtung vorzugsweise auf eine Temperatur von 80 °C bis 160 °C, vorzugsweise von 100 °C bis 140 °C aufgeheizt, wobei die thermische Energie symmetrisch oder asymmetrisch aufgebracht werden kann. Im Falle der Verwendung eines strahlungshärtbaren Materials wird vorzugsweise eine Strahlung im Wellenlängenbereich von 450 nm bis 100 nm, vorzugsweise von 420 nm bis 365 nm gewählt und auf eine freiliegende obere und eine freiliegende untere Seite des herzustellenden Produktes, also der noch nicht gehärteten Anordnungen, aufgebracht. Als freiliegende Seite wird dabei diejenige Seite der Anordnungen verstanden, die nicht auf dem Transportmaterial liegt. Im einfachsten Fall wird dabei die Strahlung von einer freiliegenden Oberseite der zweiten Teildichtungen zugeführt, da somit die Strahlung ungehindert durch die Anordnungen dringen kann.
Besonders vorteilhaft im Lichte von guten Dichtungseigenschaften ist es, wenn der durch die Fixiervorrichtung auf die Anordnungen aufgebrachte Druck 0,05 MPa bis 10 MPa, bevorzugt 0,15 MPa bis 5 MPa und weiter bevorzugt 0,25 MPa bis 3 MPa beträgt. In Druckbereichen bis 10 MPa können die erste Teildichtung und die zweite Teildichtung ohne Lufteinschlüsse miteinander zu einem Dichtungsrahmen verdichtet werden, wobei, je geringer der Druck ist, etwaige Schädigungen am Dichtungsmaterial und eventuell an Komponenten der Anordnung effektiv vermieden werden können. Eine Druckaufbringung von 0,25 MPa bis 3 MPa ist im Lichte der vorstehenden Vorteile besonders gut geeignet.
Ebenfalls ist es hierbei von Vorteil, wenn das Komprimieren für 0,006 s bis 60 s, vorzugsweise für 0,2 s bis 120 s, und weiter bevorzugt für 0,25 s bis 5 s ausgeführt wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird das Zuschneiden von Schichtanordnungen aus dem Schichtanordnungsmaterial so ausgeführt, dass eine von den rahmenförmigen ersten und zweiten Teildichtungen zu umgebende Fläche der Schichtanordnungen größer ist als die fensterartigen Ausschnitte der ersten und zweiten Teildichtungen. Dies führt dazu, dass Teilbereiche der Schichtanordnungen mit den Teildichtungen überlappen, wodurch ein besonders guter Schichtverbund entsteht und Leckagestellen zwischen Schichtanordnungen und Dichtungsrahmen effektiv verhindert werden.
Vorzugsweise werden die geschnittenen Schichtanordnungen vor dem Ablegen auf den ersten rahmenförmigen Teildichtungen auf ein Übergabemedium übertragen und von dem ersten Übergabemedium auf ein zweites Übergabemedium übertragen, so dass die einzelnen Schichtanordnungen voneinander beabstandet werden. Ein Beabstanden ist vorteilhaft, um eine passgenaue Anordnung der Schichtanordnungen auf den ersten Teildichtungen zu verbessern, so dass ein maximal großer Innenbereich der Schichtanordnungen bei späterer Verwendung der Membranelektrodenanordnungen für die katalytischen Reaktionen verwendet werden kann.
Ferner vorteilhaft umfasst das Schichtanordnungsmaterial eine Schichtanordnungsträgerfolie, so dass das Schichtanordnungsmaterial effektiv und ohne Verzug befördert werden kann. Hierbei erfolgt das Zuschneiden von Schichtanordnungen so, dass die Schichtanordnungsträgerfolie nicht durchtrennt wird, was ein kontinuierliches Verarbeiten der Schichtanordnungen fördert.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird die Schichtanordnungsträgerfolie vor dem Ablegen der Schichtanordnungen auf den ersten rahmenförmigen Teildichtungen in einem Winkel von mehr als 90 °, vorzugsweise von mehr als 105 ° und weiter bevorzugt von mehr als 120 ° von den Schichtanordnungen entfernt. Ein Entfernen der Schichtanordnungsträgerfolie in einem Winkel von mehr als 90 °C verhindert besonders gut Deformationen oder (partielle) Delaminierung von Komponenten der Schichtanordnungen und ist somit besonders schonend. Je größer der Winkel ist, desto einfacher und effizienter kann die Schichtanordnungsträgerfolie entfernt werden.
Weiter vorteilhaft wird während des Erzeugens der ersten rahmenförmigen Teildichtungen im ersten Dichtungsmaterial zusätzlich eine Referenzmarke erzeugt, um die ersten Teildichtungen, die Schichtanordnungen und die zweiten Teildichtungen zueinander in Maschinenrichtung auszurichten. Die Referenzmarken sind dabei so vorgesehen, dass sie eine genaue Bestimmung der Position der fensterartigen Ausschnitte in den Teildichtungen erlauben und somit ein Überlappungsbereich zwischen Membran und Teildichtungen minimiert wird. Durch das Vorsehen von Referenzmarken können ferner auf den ersten Teildichtungen zu positionierende Schichtanordnungen (katalysatorbeschichtete Membranen) einfacher vereinzelt und durch eine geeignete Prozessführung einzelne Schichtanordnungen zueinander beabstandet werden.
Um eine Positionierung der zueinander anzuordnenden Komponenten der Anordnungen zu erleichtern, umfasst das Verfahren ferner einen Schritt des Einstellens der Breite des ersten Transportmediums auf die Breite der ersten Trägerfolie. Dies bedeutet, dass hierdurch eine Führung der Komponenten (erste Teildichtungen) auf dem Transportmedium örtlich begrenzt wird. Beispielsweise kann, im Fall der Verwendung eines Vakuumtransportbands als Transportmedium, das hieran angelegte Vakuum in seiner Breite speziell auf die zu transportierenden Komponenten abgestimmt werden, wodurch ein Bypass für Luft verhindert wird, so dass keine Leckageluft erzeugt wird und das Vakuum besonders stabil ausgebildet werden kann, so dass die Position der ersten rahmenförmigen Teildichtungen besonders gut an einem Verrutschen stabilisiert wird.
Um bei gleichzeitig zeitsparender Verarbeitungsweise einen verrutschungssicheren Transport zu gewährleisten, beträgt eine Bahngeschwindigkeit des ersten Transportmediums insbesondere zwischen 0,1 m/min und 100 m/min, vorzugsweise zwischen 0,5 m/min und 50 m/min und weiter bevorzugt zwischen 1 m/min und 40 m/min.
Um ferner etwaigen Folgeschäden durch Temperatureinwirkung auf die Membranelektrodenanordnungen besonders effektiv vorzubeugen, ist weiter vorteilhaft vorgesehen, dass die Membranelektrodenanordnungen nach dem Komprimieren gekühlt werden.
Zum Schutz des ersten und/oder zweiten Teildichtungsmaterials, ist vorzugsweise auf einer freiliegenden Seite des ersten Dichtungsmaterials eine erste Schutzfolie und/oder auf einer freiliegenden Seite des zweiten Dichtungsmaterials eine zweite Schutzfolie vorgesehen, wobei während eines Entfernens der ersten Schutzfolie und/oder der zweiten Schutzfolie von den rahmenförmigen Teildichtungen die rahmenförmigen Teildichtungen positionsgenau geführt werden. Ein Entfernen der ersten und/oder zweiten Schutzfolie wird vorzugsweise nach dem Erzeugen der ersten und/oder zweiten Teildichtungen ausgeführt. Die Schutzfolie hat den Vorteil, eine Kontaminierung des Dichtungsmaterials zu verhindern.
Weiter vorteilhaft können nach dem Komprimieren der Anordnungen die Membranelektrodenanordnungen mit einer finalen Kontur geschnitten werden.
Je nachdem, wie die Weiterverarbeitung der Membranelektrodenanordnungen vorgesehen ist, verbleiben die Membranelektrodenanordnungen mit oder ohne finalen Konturschnitt weiterhin auf einer Trägerfolie oder werden als Stückware vereinzelt, von der Trägerfolie getrennt und gestapelt. Zur Verbesserung der Qualität der erzeugten Membranelektrodenanordnungen ist es vorteilhaft, wenn jede Membranelektrodenanordnung eindeutig gekennzeichnet bzw. markiert und die Kennzeichnung auf Konsistenz und Erkennungsqualität geprüft wird.
Weiterhin ist es vorteilhaft im Lichte einer Verbesserung der Qualität, dass nach jeder Prozesssequenz die Qualität der erhaltenen Membranelektrodenanordnungen mittels eines Inspektionssystems geprüft wird und bei einem fehlerhaften Teil eine Defektmarkierung aufgebracht wird, vorzugsweise auf eine Kennzeichnung, wie beispielsweise einen DataMatrix- /QR-Code, so dass fehlerhafte Teil in den nachfolgenden Weiterverarbeitungen erkannt und aussortiert werden können.
Ferner vorteilhaft wird jede Membranelektrodenanordnung eindeutig gekennzeichnet bzw. markiert und die Kennzeichnung auf Konsistenz und Erkennungsqualität geprüft.
Des Weiteren vorteilhaft kann nach jeder Prozesssequenz die Qualität der erhaltenen Membranelektrodenanordnungen mittels eines Inspektionssystems geprüft und bei einem fehlerhaften Teil eine Defektmarkierung aufgebracht werden, vorzugsweise auf die Kennzeichnung, so dass fehlerhafte Teile in den nachfolgenden Weiterverarbeitungen erkannt und aussortiert werden können.
Des Weiteren erfindungsgemäß wird auch ein zweites Verfahren zur Herstellung von Membranelektrodenanordnungen beschrieben. Auch im zweiten erfindungsgemäßen Verfahren werden die Membranelektrodenanordnungen in Form einer kontinuierlichen Bahn erhalten mit einer Schichtanordnung, die eine Membran zwischen einer Anode und einer Kathode umfasst, und zudem eine rahmenförmige Dichtung sowie Gasdiffusionslagen aufweist, wobei die rahmenförmige Dichtung zumindest die Außenränder der Schichtanordnung umgibt, so dass ein von der rahmenförmigen Dichtung umgebener Innenbereich der Schichtanordnung freiliegt.
Das Verfahren sieht dabei einen Schritt des Bereitstellens von Membranelektrodenanordnungen in Form einer Rollenware mit einer Kathode, einer Anode und einer dazwischenliegenden Membran sowie einem zumindest die Außenränder der Membranelektrodenanordnungen umgebenden Dichtungsrahmen vor. Die Membranelektrodenanordnungen können nach dem vorstehend beschriebenen ersten erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt sein und wären dann auf der ersten Trägerfolie angeordnet. Demnach finden auch die jeweils vorteilhaften Weiterbildungen, Vorteile und Effekte des ersten erfindungsgemäßen Verfahrens Anwendung auf das zweite erfindungsgemäße Verfahren. Zudem umfasst das zweite erfindungsgemäße Verfahren ein Anordnen von ersten Gasdiffusionslagen auf ersten Seiten der Membranelektrodenanordnungen und/oder von zweiten Gasdiffusionslagen auf zweiten Seiten der Membranelektrodenanordnungen. Insbesondere vor dem Anordnen der ersten Gasdiffusionslage oder der zweiten Gasdiffusionslage kann, falls vorhanden, die erste Trägerfolie entfernt werden.
Vorteilhafterweise können die mit Gasdiffusionslagen versehenen
Membranelektrodenanordnungen auf einer zweiten Trägerfolie weitergeführt werden, die beispielsweise mit der ersten Gasdiffusionslage angeordnet wird. Hierdurch wird der kontinuierliche Prozess mit Membranelektrodenanordnungen als Rollenware verbessert.
Durch die Verwendung von Membranelektrodenanordnungen als Rollenware und die Weiterverarbeitung als Rollenware in dem zweiten erfindungsgemäßen Verfahren, zeichnet sich auch das zweite erfindungsgemäße Verfahren dadurch aus, dass es schnell, zuverlässig und kostengünstig ist und weitestgehend automatisiert ausgeführt werden kann.
Insbesondere können die Membranelektrodenanordnungen auf jeder Seite, also auf der Anodenseite und auf der Kathodenseite, als jeweilige äußere Schichten Gasdiffusionslagen umfassen. Die Gasdiffusionslagen können als Stückware in einer Bevorratungseinheit bereitgestellt werden oder es können vor Verwendung der Gasdiffusionslagen von einer als Rollenware bereitgestellten Gasdiffusionslagenrolle Gasdiffusionslagen zu Stückware vereinzelt werden. In diesem Fall sind die Gasdiffusionslagen zumindest nach dem Vereinzeln vorzugsweise auf einer zweiten Trägerfolie angeordnet. Um die Gasdiffusionslagen vorzusehen, umfasst das Verfahren gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ein Anordnen von ersten Gasdiffusionslagen auf ersten Seiten der Membranelektrodenanordnungen und/oder von zweiten Gasdiffusionslagen auf zweiten Seiten der Membranelektrodenanordnungen. Bei der ersten Seite kann es sich beispielsweise um die Anodenseite handeln, so dass es sich bei der zweiten Seite folglich um die Kathodenseite handelt. Alternativ dazu kann es sich bei der ersten Seite auch um die Kathodenseite handeln, so dass es sich bei der zweiten Seite folglich um die Anodenseite handelt. Die Gasdiffusionslagen dienen der Verteilung der Reaktionsgase auf der jeweiligen Seite der Membranelektrodenanordnungen.
Vorteilhafterweise wird hierbei vor dem Anordnen der ersten Gasdiffusionslagen und/oder der zweiten Gasdiffusionslagen in Randbereichen der ersten Seiten der Membranelektrodenanordnungen und/oder in Randbereichen der zweiten Seiten der Membranelektrodenanordnungen ein Klebstoff, ein Haftvermittler oder ein beidseitig klebender Film aufgebracht, wodurch ein Anhaften der Gasdiffusionslagen verbessert wird. Gemäß einer alternativen Ausgestaltung können hierzu auch die rahmenförmigen Dichtungen aufgeweicht werden. Sofern ein klebender Film verwendet wird, kann der Klebstoff beispielsweise ausgewählt sein aus lufthärtenden, thermisch aktivierbaren oder licht- oder UV-aktivierbaren Klebstoffen oder aus Zweikomponentenklebstoffen, wobei vorteilhafterweise eine Klebstoffmenge von 0,1 bis 10 mg cm-1 eingesetzt wird bzw. eine Schichtdicke der aufzubringenden Klebstoffschicht 1 bis 30 pm beträgt. Sofern der Klebstoff ein UV-aktivierbarer Klebstoff ist, ist die Wellenlänge des aktivierenden UV-Lichts vorteilhafterweise im Bereich von 100 nm bis 440 nm, vorzugsweise von 300 nm bis 400 nm und weiter bevorzugt von 350 nm bis 420 nm und beträgt insbesondere 395 nm. Die UV-Intensität liegt ferner vorteilhaft im Bereich von 1 bis 30 W/cm, und die Belichtungsdauer kann in Abhängigkeit einer Breite des klebenden Films etwa 0,003 s bis 60 s betragen, wobei eine Belichtungsbreite vorteilhafterweise auf die Breite des aufgebrachten Klebstoffs angepasst wird. Mit dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens können Gasdiffusionslagen schonend aufgebracht werden, so dass eine Biegung der Gasdiffusionslagen und somit eine Beschädigung der Gasdiffusionslagen vermieden und dennoch weiterhin eine genaue Positionierung der Gasdiffusionslagen ermöglicht werden.
Um ein dauerhaftes Positionieren der Gasdiffusionslagen zu verbessern, um anschließend ein positionsgenaues Fixieren der Gasdiffusionslagen zu ermöglichen, umfasst das Verfahren vorteilhafterweise ein Fixieren der ersten und/oder zweiten Gasdiffusionslagen auf den ersten und/oder zweiten Seiten der Membranelektrodenanordnungen, insbesondere unter Anwenden einer Temperatur von 100 bis 200 °C, vorzugweise von 140 bis 180 °C und ferner vorteilhaft unter Aufbringen eines Drucks von 0,5 bis 5 MPa und vorzugweise von 1 ,0 bis 5,0 MPa.
Um die Gasdiffusionslagen passgenau und ortsgenau zu platzieren ist ferner vorteilhaft vorgesehen, dass Positionen von fensterartigen Ausschnitten der rahmenförmigen Dichtungen oder Referenzmarken der Membranelektrodenanordnungen erfasst werden und eine Positionierung der ersten Gasdiffusionslagen auf dem zweiten Transportmedium oder eine Position der fensterartigen Ausschnitte, oder eine Position der Referenzmarke der ersten Seiten der Membranelektrodenanordnungen in Maschinenrichtung (diese entspricht der Förderrichtung der Membranelektrodenanordnungen) und in Quermaschinenrichtung (diese entspricht einer Richtung senkrecht zur Maschinenrichtung in Flächenausdehnungsrichtung der Membranelektrodenanordnungen) angepasst wird.
Zur weiteren Erleichterung des Verfahrens, insbesondere auch zur räumlichen Kompaktierung desselben, sind gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung eine Transportrichtung der Membranelektrodenanordnungen und eine Transportrichtung der ersten Gasdiffusionslagen so gewählt, dass sie vor dem Zusammenführen der Gasdiffusionslagen und der Membranelektrodenanordnungen gegenläufig sind und/oder horizontal verlaufen. Zur Verbesserung der Qualität der final erzeugten Membranelektrodenanordnungen kann das Verfahren insbesondere auch eine Prüfung auf Gasdichtigkeit umfassen, wobei die mit ersten und zweiten Gasdiffusionslagen versehenen Membranelektrodenanordnungen in einer dichtenden Fixiereinheit angeordnet und die jeweilige Gasdichtigkeit der Membranelektrodenanordnungen unter Verwendung eines Prüfgases ermittelt wird. Diese Prüfung auf Gasdichtigkeit kann in den kontinuierlichen Förderprozess der Membranelektrodenanordnungen integriert werden und verbessert somit die einfache und zeitsparende Erzeugung von hoch funktionalen Membranelektrodenanordnungen.
Weiter vorteilhaft können nach dem Komprimieren der Anordnungen oder nach dem Anordnen und Fixieren der ersten Gasdiffusionslagen auf den ersten Seiten der Membranelektrodenanordnungen und/oder der zweiten Gasdiffusionslagen auf den zweiten Seiten der Membranelektrodenanordnungen die Membranelektrodenanordnungen mit einer finalen Kontur geschnitten werden.
Je nachdem, wie die Weiterverarbeitung der Membranelektrodenanordnungen vorgesehen ist, verbleiben die Membranelektrodenanordnungen mit oder ohne finalen Konturschnitt weiterhin auf einer (zweiten) Trägerfolie oder werden als Stückware vereinzelt, von der Trägerfolie getrennt und gestapelt.
Zur Verbesserung der Qualität der erzeugten Membranelektrodenanordnungen ist es vorteilhaft, wenn jede Membranelektrodenanordnung eindeutig gekennzeichnet bzw. markiert und die Kennzeichnung auf Konsistenz und Erkennungsqualität geprüft wird.
Weiterhin ist es vorteilhaft im Lichte einer Verbesserung der Qualität, dass nach jeder Prozesssequenz die Qualität der erhaltenen Membranelektrodenanordnungen mittels eines Inspektionssystems geprüft wird und bei einem fehlerhaften Teil eine Defektmarkierung aufgebracht wird, vorzugsweise auf eine Kennzeichnung, wie beispielsweise einen DataMatrix- /QR-Code, so dass fehlerhafte Teil in den nachfolgenden Weiterverarbeitungen erkannt und aussortiert werden können.
Ferner vorteilhaft wird jede Membranelektrodenanordnung eindeutig gekennzeichnet bzw. markiert und die Kennzeichnung auf Konsistenz und Erkennungsqualität geprüft.
Des Weiteren vorteilhaft kann nach jeder Prozesssequenz die Qualität der erhaltenen Membranelektrodenanordnungen mittels eines Inspektionssystems geprüft und bei einem fehlerhaften Teil eine Defektmarkierung aufgebracht werden, vorzugsweise auf die Kennzeichnung, so dass fehlerhafte Teile in den nachfolgenden Weiterverarbeitungen erkannt und aussortiert werden können. Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung von Verfahrensschritten eines Verfahrens zur Herstellung von dreilagigen Membranelektrodenanordnungen gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung und
Fig. 2 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung von Verfahrensschritten eines Verfahrens zur Herstellung von fünflagigen Membranelektrodenanordnungen gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
In den Figuren sind nur die wesentlichen Aspekte und Komponenten der Erfindung dargestellt. Alle übrigen Aspekte sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen. Ferner beziffern gleiche Bezugszeichen gleiche Vorrichtungsbauteile/Komponenten.
Im Detail zeigt Figur 1 anhand einer schematisierten Vorrichtung Verfahrensschritte zur Herstellung von dreilagigen Membranelektrodenanordnungen in Form einer dreilagigen, kontinuierlichen Bahn zur Anwendung in Brennstoffzellen, Wasserelektrolysezellen, elektrochemischen Kompressoren und elektrochemischen Sensoren, wobei die Membranelektrodenanordnungen einen eine erste und eine zweite Teildichtung umfassenden Dichtungsrahmen sowie eine katalysatorbeschichtete Membran (CCM) umfassen. Die Verfahrensschritte sind in Module 1 bis 4 aufgeteilt. Das Verfahren ist schnell, zuverlässig und kostengünstig und kann weitestgehend automatisiert ausgeführt werden.
In Modul 1 wird von einer ersten Rolle 20 ein erstes Dichtungsmaterial 1 als Rollenware bereitgestellt. Das erste Dichtungsmaterial 1 umfasst auf seiner Oberseite eine erste Schutzfolie 3. Das erste Dichtungsmaterial 1 wird zunächst konditioniert, also faltenfrei in Bezug auf die Quermaschinenrichtung Q und zentrisch in Bezug auf die Breite der Vorrichtung positioniert. Das mit der ersten Schutzfolie 3 angeordnete erste Dichtungsmaterial 1 wird sodann einer Schneidevorrichtung 23, umfassend eine dritte Rolle 23a und eine rotierende Schneide 23b (alternativ auch einer Flachstanze oder einem Laserschneider) zugeführt. Sodann wird von einer zweiten Rolle 21 eine erste Trägerfolie 2 mit einer Abdeckfolie 2a bereitgestellt und, nach Entfernen der Abdeckfolie 2a und Aufrollen derselben auf einer weiteren Rolle 21a, das erste Dichtungsmaterial 1 auf der ersten Trägerfolie 2 durch Führen des ersten Dichtungsmaterials 1 und der ersten Trägerfolie 2 über Führungsrollen 22 (Walzenpaar) angeordnet. Anschließend werden unter Entfernen der Schutzfolie 3 inklusive Dichtungsmaterialverschnitt des Dichtungsmaterials 1 über Delaminationsrolle 23c aus dem ersten Dichtungsmaterial 1 , erste Teildichtungen 6 gebildet, die mit einer rahmenförmigen oder fensterrahmenartigen Form vorliegen und somit über fensterartige Ausschnitte innerhalb der Innenkanten der ersten Teildichtungen 6 verfügen. Die erste Schutzfolie 3 mit dem Dichtungsmaterialverschnitt wird auf der vierten Rolle 24 aufgerollt.
In Modul 2 erfolgt zunächst ein Markieren der ersten Teildichtungen 6 mit einer Referenzmarken mittels einer Markierungsvorrichtung 25 und ein Überprüfen der erstellten Markierung mittels einer Markierungsüberprüfungsvorrichtung 25a. Die Referenzmarke kann z.B. durch Stanzen, Schneiden oder Lasern aufgebracht werden. In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird bereits beim Erzeugen der fensterartigen Ausschnitte zusätzlich durch das gleiche Werkzeug im gleichen Verfahrensschritt eine Referenzmarke in den ersten Teildichtungen 6 erzeugt. Durch das gleichzeitige Erzeugen der fensterartigen Ausschnitte im ersten Dichtungsmaterial 1 und der Referenzmarken in einem Prozessschritt, insbesondere durch Verwenden des gleichen Werkzeugs in einem rotativen Schneideprozess, wird eine exakte Positionierung der Referenzmarken in Bezug auf die fensterartigen Ausschnitte erhalten. Die exakte Position der Referenzmarken und damit der fensterartigen Ausschnitte wird vorzugsweise über ein Kamerasystem erfasst. Die Referenzmarken können in den nachfolgenden Prozessschritten über Sensoren oder Kamerasysteme erfasst werden und dienen als Taktgeber zur Ausrichtung sämtlicher weiterer Komponenten, d.h. für die Schichtanordnungen 7 und zweite Teildichtungen 8a und damit zur Ausrichtung der Schichtanordnungen 7 und den zweiten Teildichtungen 8a in Maschinenrichtung M in Bezug auf die ersten Teildichtungen 6. Somit wird eine sehr stabile Prozessführung in Bezug auf die Ausrichtung der nachfolgenden Komponenten, d.h. der Schichtanordnungen 7 und der zweiten Teildichtungen 8a, realisiert. Die Referenzmarken können dabei von Kameras und/oder Sensoren erkannt werden, wodurch ein Signal zur Synchronisation und Taktung der Schichtanordnungen 7 und der zweiten Teildichtungen 8a erzeugt wird. Weiterhin ist die Zuführgeschwindigkeit der Schichtanordnungen 7 und der zweiten Teildichtungen 8a so regelbar, dass eine exakte Positionierung der Schichtanordnungen 7 und zweiten Teildichtungen 8a in Bezug zu den ersten Teildichtungen 6 erhalten wird. Die Position der Schichtanordnungen 7 wird dabei insbesondere über Kamerasysteme bestimmt, die die Kante der Schichtanordnungen 7 in Maschinenrichtung M erkennt und in Signale umwandeln, die mit den Signalen der Referenzmarken der ersten Teildichtungen 6 synchronisiert werden können.
Ferner wird von einer fünften Rolle 26 ein Schichtanordnungsmaterial 4, bestehend aus Anode, Kathode und dazwischenliegender Membran in Form einer Rollenware bereitgestellt. Eine Positionierung des Schichtanordnungsmaterials 4 in Quermaschinenrichtung Q erfolgt zentrisch in Bezug auf eine Breite der Vorrichtung. Die exakte Positionierung des Schichtanordnungsmaterials 4 in Quermaschinenrichtung Q kann über den Einsatz weiterer Führungsrollen 22 feinjustiert werden. Das Schichtanordnungsmaterial 4 wird auf einer Schichtanordnungsträgerfolie 5 bereitgestellt, mittels der das Schichtanordnungsmaterial 4 einer Schneidevorrichtung 27, umfassend eine sechste Rolle 27a und eine rotierende Schneide 27b, zugeführt wird, in der aus dem Schichtanordnungsmaterial 4 Schichtanordnungen 7 erzeugt werden, deren Format an die fensterartigen Ausschnitte der ersten Teildichtungen 6 angepasst ist. Das Format der Schichtanordnungen 7 wird insbesondere größer als das der fensterartigen Ausschnitte der ersten Teildichtungen 6 gewählt, sodass ein Überlappungsbereich in der Peripherie der Schichtanordnungen 7 mit den ersten Teildichtungen 6 entsteht. Der Überlappungsbereich wird dabei insbesondere so groß gewählt, dass eine gasdichte Anordnung von Schichtanordnungen 7 und zu bildenden rahmenförmigen Dichtungen ermöglicht wird, und so klein, dass der Verlust an aktiver Fläche der Schichtanordnungen 7 minimiert wird. Der Überlappungsbereich liegt vorzugsweise im Bereich von 0,5 mm bis 6 mm und weiter bevorzugt zwischen 1 mm und 3 mm.
Durch das Führen der Schichtanordnungen 7, die noch auf der Schichtanordnungsträgerfolie 5 angeordnet sind, durch Führungsrollen 22, werden die Schichtanordnungen 7 unter Entfernen der Schichtanordnungsträgerfolie 5, die sodann auf einer siebten Rolle 28 aufgerollt wird, auf den ersten Teildichtungen 6 angeordnet. Eine genaue Positionierung der Schichtanordnungen 7 in den rahmenförmigen ersten Teildichtungen 6 gelingt durch Ausrichten der Schichtanordnungen 7 in Bezug auf die auf an den ersten Teildichtungen 6 angebrachten Referenzmarken.
In Modul 3 befinden sich somit auf der ersten Trägerfolie erste Teildichtungen 6, auf deren Oberseite Schichtanordnungen 7 angeordnet sind.
In Modul 3 werden von einer achten Rolle 28a ein zweites Dichtungsmaterial 8 auf einer zweiten Schutzfolie 9 bereitgestellt. Wie aus einem Vergleich von Modul 1 und Modul 3 zu erkennen ist, werden das erste Dichtungsmaterial 1 und das zweite Dichtungsmaterial 8 gegenläufig geführt, wodurch eine besonders kompakte Bauweise und Auslegung der Vorrichtung erreicht wird. Das zweite Dichtungsmaterial 8 wird nun so einer Schneidvorrichtung 29, umfassend eine neunte Rolle 29a und eine rotierende Schneide 29b, zugeführt, dass unter Entfernen der zweiten Schutzfolie 9 aus dem zweiten Dichtungsmaterial 8 in der Schneidvorrichtung 29 zweite Teildichtungen 8a erzeugt werden, die sodann durch Umlenkung mittels einer weiteren Führungsrolle 22 auf den Schichtanordnungen 7 angeordnet werden, und zwar so, dass die fensterartigen Ausschnitte der ersten Teildichtungen 6 über den in der Schneidvorrichtung 29 erzeugten fensterartigen Ausschnitten der zweiten Teildichtungen 8a zu liegen kommen. Im Inneren der fensterartigen Ausschnitte befinden sich die Schichtanordnungen, so dass eine möglichst große Fläche der Membran im Inneren der rahmenförmigen Teildichtungen 6, 8a frei liegt. Die zweite Schutzfolie 9 wird dabei nach dem Entfernen auf einer zehnten Rolle 29c aufgerollt. Wie schon für die ersten Teildichtungen 6 beschrieben, können auch die zweiten Teildichtungen 8a mit Referenzmarken versehen werden, um eine bessere Positionierung der zweiten Teildichtungen 8a auf den ersten Teildichtungen 6 zu erleichtern.
Die ersten Teildichtungen 6, die Schichtanordnungen 7 und die zweiten Teildichtungen 8a, die in dieser Reihenfolge übereinander in B-Richtung gestapelt sind, bilden Anordnungen 10 im Sinne der Erfindung.
In Modul 4 erfolgt ein Fixieren der ersten und zweiten Teildichtungen 6, 8a mit den Schichtanordnungen 7 in einer Fixiervorrichtung 30, insbesondere nach Überprüfen der bis dato hergestellten Schichtanordnungen 7 mittels Sensor D. Hierzu ist auf dem ersten Dichtungsmaterial 1 und/oder auf dem zweiten Dichtungsmaterial 8 ein adhäsives Material derart angeordnet, dass nach dem übereinander Anordnen der ersten Teildichtungen 6, der Schichtanordnungen 7 und der zweiten Teildichtungen 8a das adhäsive Material zwischen den übereinander angeordneten ersten und zweiten Teildichtungen 6, 8a angeordnet ist. In der Fixiervorrichtung 30, die beispielsweise als beheiztes Pressbackenpaar ausgebildet sein kann, erfolgt sodann ein thermisches Aktivieren des adhäsiven Materials und Komprimieren der Anordnungen 10 unter Erhalt von Membranelektrodenanordnungen 11 mit rahmenförmigen Dichtungen als kontinuierliche Rollenware auf Trägerfolie 2. Über das adhäsive Material wird ein stoffschlüssiger, mechanisch stabiler und gasdichter Verbund aus Schichtanordnungen 7 und Dichtungsrahmen erhalten.
Die Pressbacken des Pressbackenpaars zur Fixierung der Teildichtungen und Erzeugung eines Dichtungsrahmens oder etwaige Walzen eines Walzenpaars zur Fixierung, können dabei aus unterschiedlichen Materialien ausgeführt sein und die Materialien sind insbesondere ausgewählt aus der Gruppe von Metall, Gummi, gummiertem Metall oder beschichtetem Metall. Das Material ist weiterhin so ausgewählt, dass eine Anhaftung der kontinuierlichen Bahn Anordnungen 10 an den Pressbacken oder Walzen vermieden wird. Das Material der Pressbacken oder der Walzen ist dabei so ausgeführt, dass eine homogene Verteilung des Drucks während der Fixierung auftritt und Dickenunterschiede im Überlappbereich von Teildichtungen und Schichtanordnungen ausgeglichen werden. Beschichtungen sind beispielhaft aus der Gruppe von Viton oder PTFE ausgewählt.
Weiterhin kann die Temperatur der oberen und unteren Pressbacken des Pressbackenpaares oder die Temperatur der oberen und unteren Walzen des Walzenpaares unterschiedlich sein. Insbesondere beträgt die Temperatur des jeweils unteren Elements zwischen 40 °C und 160 °C, bevorzugt zwischen 50 °C und 140 °C, und die Temperatur des jeweils oberen Elements beträgt zwischen 80 °C und 200 °C, bevorzugt zwischen 100 °C und 180 °C. Weiterhin erzeugen das Pressbackenpaar oder das Walzenpaar insbesondere einen Druck zwischen 0,05 MPa und 10 MPa, bevorzugt zwischen 0,15 MPa und 5 MPa und weiter bevorzugt zwischen 0,25 MPa und 3 MPa. Somit wird eine ausreichende Aktivierung des anhaftenden adhäsiven Materials erreicht und eine stoffschlüssige und blasenfrei Verbindung zwischen Schichtanordnungen und ersten und zweiten Teildichtungen erreicht.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens ist das Pressbackenpaar verfahrbar auf einer Schiene angeordnet. Somit wird eine kontinuierliche Prozessführung erleichtert, da der Versiegelungsschritt der beiden Teildichtungen der Bewegung der kontinuierlichen Bahn in der Maschinenrichtung M folgt. Die kontinuierliche Prozessführung ist besonders effizient und erhöht weiterhin die Präzision des Prozesses, da Unterbrechungen der Bahnbewegung im Sinn von periodischen Anhalten und Anfahren der Bahn vermieden werden.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird der Verbund aus Schichtanordnungen und ersten und zweiten Teildichtungen, die so genannten Anordnungen, nach der Fixierung zwischen dem Pressbackenpaar oder dem Walzenpaar auf einem gekühlten Transportband gekühlt. Dieser Prozessschritt dient zum Aushärten des adhäsiven Materials, wodurch die Schneidfähigkeit der Teildichtungen verbessert wird.
Die als kontinuierliche Rollenware erhaltenen Membranelektrodenanordnungen 11 mit rahmenförmigen Dichtungen können anschließend auf einer elften Rolle 29d aufgerollt werden. Dies ist besonders gut dadurch möglich, da die Membranelektrodenanordnungen 11 immer noch auf der ersten Trägerfolie 2 vorliegen.
Vorteilhafterweise kann in beispielhaft vorgesehenen Vorrichtungen A, B, C, E, F und G eine Applikation eines DataMatrixCodes erfolgen und kontrolliert werden. Hierzu kann beispielsweise in Vorrichtung A ein DataMatrixCode aufgebracht werden; in Vorrichtung B kann ein DataMatrixCode Check erfolgen; in Vorrichtung C kann eine QC-CCM - d.h. eine Qualitätskontrolle der Membranelektrodenanordnungen 7 (CCM) mittels eines optischen Inspektionssystems erfolgen; in Vorrichtung E kann eine QC-3-L - d.h. eine Qualitätskontrolle der 3-Lagen MEA (beidseitig) erfolgen, z.B. mittels einem optischen Inspektionssystem, welches die Qualität des Verbundes aus Schichtanordnungen und ersten und zweiten Teildichtungen und/oder eine Gas-Dichtigkeitsprüfung ermöglicht. Ferner kann auch eine Vorrichtung F zur Defektmarkierung vorgesehen sein und/oder in Vorrichtung G eine Defektmarkierungsverifikation vorgenommen werden.
Wie in Figur 1 dargestellt, führt das Verfahren zur Herstellung einer kontinuierlichen Bahn von dreilagigen Membranelektrodenanordnungen (Membran mit Anode und Kathode), und zeigt gegenüber herkömmlichen Verfahren Vorteile in Bezug auf die Effizienz, Automatisierung und Logistik in der Verfahrensführung, wobei zu jedem Zeitpunkt eine kontinuierliche und damit zeiteffiziente Komponentenführung- und Verarbeitung gewährleistet sind.
In den erzeugten dreilagigen Membranelektrodenanordnungen 11 liegen katalysatorbeschichtete Membranen vor, die als ein Verbund aus einer Anode, einer Kathode sowie einer zwischen Anode und Kathode befindlichen, insbesondere protonenleitfähigen Membran anzusehen sind. Die katalysatorbeschichteten Membranen liegen in Form einer kontinuierlichen Bahn, also mit anderen Worten als Rolle (nach Aufrollen der kontinuierlichen Bahn), vor und sind von einem spezifisch ausgebildeten Dichtungsrahmen umgeben.
Im Detail zeigt Figur 2 anhand einer schematisierten Vorrichtung Verfahrensschritte zur Herstellung von fünflagigen Membranelektrodenanordnungen 45 in Form einer fünflagigen, kontinuierlichen Bahn zur Anwendung in Brennstoffzellen, Wasserelektrolysezellen, elektrochemischen Kompressoren und elektrochemischen Sensoren, wobei die Membranelektrodenanordnungen 45 einen eine erste und eine zweite Teildichtung umfassenden Dichtungsrahmen sowie eine katalysatorbeschichtete Membran (CCM) sowie Gasdiffusionsschichten umfassen. Die Verfahrensschritte sind in Module 5 bis 8 aufgeteilt. Das Verfahren ist schnell, zuverlässig und kostengünstig und kann weitestgehend automatisiert ausgeführt werden.
In dem in Figur 2 gezeigten Verfahren können die dreilagigen Membranelektrodenanordnungen 11 verwendet werden, die gemäß dem schematisiert dargestellten ersten Verfahren und der Vorrichtung aus Figur 1 hergestellt wurden. Wesentlich ist hierbei, dass die zu verwendenden Membranelektrodenanordnungen eine Membran, Anode und Kathode, die die Membran auf gegenüberliegenden Seiten der Membran flankieren und einen Dichtungsrahmen aufweisen, der die Membran umgibt, und als Rollenware, geträgert auf einer ersten Trägerfolie 2 vorliegen.
In Modul 5 werden als kontinuierliche Rollenware erhaltenen Membranelektrodenanordnungen 11 , die auf einer ersten Trägerfolie 2 auf einer elften Rolle 29d vorliegen, von der elften Rolle 29d abgerollt, ihre Anordnung durch einen Sensor H überprüft und einer ersten Klebstoffapplikationsvorrichtung 31 zugeführt, so dass eine freiliegende Oberseite der Membranelektrodenanordnungen 11 mit Klebstoff versehen wird, der mindestens Teilbereiche der rahmenförmigen Dichtungen bedeckt und anschließend in einer Härtungsvorrichtung 32 für den Klebstoff gehärtet wird. Der senkrechte Strich zwischen der Klebstoffapplikationsvorrichtung 31 und der Härtungsvorrichtung 32 stellt eine Schutzvorrichtung 32a dar, die den Klebstoff vor verfrühter Verfestigung schützt. Der Klebstoff ist insbesondere ausgewählt aus der Gruppe von lufthärtenden, thermisch aktivierten oder licht- oder UV-aktivierten Klebstoffen oder Zweikomponentenklebstoffen. Die Auftragung des Klebstoffs auf die Peripherie der fensterartigen Ausschnitte der rahmenförmigen Dichtungen kann dabei durch ein einzelnes Auftragungssystem erfolgen oder auch durch zwei Auftragungssysteme, die jeweils ein L-förmiges Klebstoffmuster auftragen oder auch durch mehrere Auftragungssysteme, die jeweils ein lineares Klebstoffmuster auftragen. Als Auftragungssystem können dabei Systeme dienen, die dem Fachmann bekannt sind, und als ein System aus Pumpen und Düsen verstanden werden, das zur Auftragung von Klebstoff um die Peripherie der fensterartigen Ausschnitte geeignet ist.
Sodann wird in Modul 6a von einer 13. Rolle 46 eine zweite Trägerfolie 48 abgerollt, die zum Schutz mit einer Abdeckfolie 49 versehen ist. Die Abdeckfolie 49 wird beim Führen durch ein Walzenpaar 22 entfernt und auf einer 14. Rolle 47 aufgerollt.
Zudem werden in Modul 6a aus einem Magazin 33 vorbereitete und konditionierte Gasdiffusionslagen 12 auf die zweite Trägerfolie 48 übertragen und einer Gasdiffusionslagenapplikationsvorrichtung 34 zugeführt, in der den mit Klebstoff versehenen Oberseiten der Membranelektrodenanordnungen 11 Gasdiffusionslagen 12 zugeführt und mit der Presseinrichtung 38 verpresst werden. Nach dem Durchlaufen der Pressvorrichtung 38 wird die erste Trägerfolie 2 entfernt und auf einer zwölften Rolle 29e aufgerollt.
Sodann werden die Membranelektrodenanordnungen in Modul 6b einer zweiten Klebstoffapplikationsvorrichtung 35 zugeführt, wobei auf eine nun freiliegende zweite Oberseite der Membranelektrodenanordnungen Klebstoff appliziert wird. Es folgt ein Zuführen von weiteren Gasdiffusionslagen 12 aus einem Magazin 36 an die mit Klebstoff versehene zweite Oberseite der Membranelektrodenanordnungen. Anschließend erfolgt ein Andrücken der Gasdiffusionslagen 12 an den Membranelektrodenanordnungen 11 durch eine 15. Rolle 38. Mittels eines Vakuumtransportbands 37 werden die Membranelektrodenanordnung 11 und die Gasdiffusionslagen 12 an der ersten Oberseite gehalten, so dass die Membranelektrodenanordnungen 11 mit den Gasdiffusionslagen 12 während dem Weitertransport gehalten werden, so dass die Unterseite der Membranelektrodenanordnung
11 und die untere Gasdiffusionslagen 12 frei liegen.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Position der fensterartigen Ausschnitte der Teildichtungen durch Sensoren H erfasst und die Positionierung der ersten Gasdiffusionslage
12 auf dem Vakuumtransportband 37 der Position der fensterartigen oder rahmenförmigen Ausschnitte in Maschinenrichtung M und Quermaschinenrichtung Q angepasst wird. Somit wird eine passgenaue Positionierung der ersten Gasdiffusionslage 12 in Bezug auf die fensterartigen Ausschnitte ermöglicht, wodurch ein Komposit mit hoher Leistungsdichte und langer Lebensdauer erhalten wird.
In Modul 7 erfolgt ein finaler Konturzuschnitt der mit Gasdiffusionslagen 12 versehenen Membranelektrodenanordnungen durch Schneidvorrichtung 39 und zwar so, dass die Trägerfolie 1 nicht beschädigt wird, und folglich die mit Gasdiffusionslagen 12 versehenen Membranelektrodenanordnungen nach wie vor auf der ersten Trägerfolie 1 angeordnet sind. Dabei können die Membranelektrodenanordnungen durch die Schneidvorrichtung 39 voneinander getrennt werden und so zur Vereinzelung vorbereitet werden oder nicht getrennt werden, und so weiterhin als Rollenware vorliegen. Weiterhin erfolgt eine Qualitätskontrolle durch ein Kamerasystem 40. Das Kamerasystem 40 umfasst eine Kamera, die die Schneidqualität sowie die Dimension der fensterartigen Ausschnitte prüft und somit die Plausibilität, also die Verwendung des richtigen Werkzeugs sicherstellt.
Die mit Gasdiffusionslagen 12 versehenen Membranelektrodenanordnungen 45 werden auf einem Transportmedium 41 transportiert und gefördert, wobei die zweite Trägerfolie 48 durch Aufrollen auf einer 16. Rolle 42 von den Membranelektrodenanordnungen entfernt wird und die fertigen Membranelektrodenanordnungen 45 nach finaler Qualitätskontrolle in Modul 8 durch Kamerasystem 43 entweder, sofern ihre Qualität nicht zureichend ist, ausgesondert oder, sofern die Qualität ausreichend ist, zur weiteren Verarbeitung oder Lagerung in Vorratsbehälter 44 bevorratet werden. Das weitere Kamerasystem 43 kann zudem oberhalb und unterhalb der kontinuierlichen Bahn angebracht sein und überprüft dabei die Ausrichtung der Schichtanordnungen und der ersten Teildichtungen sowie die Ausrichtung der Schichtanordnungen und der zweiten Teildichtungen. Dadurch wird sichergestellt, dass die fensterartigen Ausschnitte der ersten und zweiten Teildichtungen deckungsgleich angeordnet sind. Weiterhin kann dieses Kamerasystem die Qualität der Randfolienvorfixierung in Bezug auf Falten- und Blasenfreiheit überprüfen. Weiterhin können zusätzliche Kameras (QC Camera) die Qualität des versiegelten Verbunds aus Schichtanordnungen und ersten und zweiten Teildichtungen in Bezug auf Blasenfreiheit und Faltenfreiheit überprüfen.
Auch gemäß dem in Figur 2 dargestellten Verfahren bzw. der schematisierten Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, führt das Verfahren zur Herstellung einer kontinuierlichen Bahn von Membranelektrodenanordnungen, die nun jedoch fünflagig sind (Membran mit Anode, Kathode und zwei Gasdiffusionslagen), und zeigt gegenüber herkömmlichen Verfahren Vorteile in Bezug auf die Effizienz, Automatisierung und Logistik in der Verfahrensführung, wobei zu jedem Zeitpunkt eine kontinuierliche und damit zeiteffiziente Komponentenführung- und Verarbeitung gewährleistet sind. In den erzeugten fünflagigen Membranelektrodenanordnungen liegen katalysatorbeschichtete Membranen und Gasdiffusionslagen vor, die positionsgenau angebracht sind. Die fünflagigen Membranelektrodenanordnungen können in Form einer kontinuierlichen Bahn auf einer Rolle vorliegen, oder aber final zur Weiterverarbeitung zugeschnitten sein.
Die in Figur 2 dargestellte Vorrichtung kann alternativ auch zur Bereitstellung von dreilagigen Membranelektrodenanordnungen verwendet werden, die einen finalen, konturgebenden Schnitt aufweisen. Hierbei werden dann aus den Magazinen 33 und 36 keine Gasdiffusionslagen gefördert.
Neben der vorstehenden schriftlichen Beschreibung der Erfindung wird zu deren ergänzender Offenbarung hiermit explizit auf die zeichnerische Darstellung der Erfindung in den Fig. 1 und 2 Bezug genommen.
Bezugszeichenliste
1 erstes Dichtungsmaterial
2 erste Trägerfolie
2a Abdeckfolie
3 erste Schutzfolie
4 Schichtanordnungsmaterial
5 Schichtanordnungsträgerfolie
6 erste Teildichtungen
7 Schichtanordnungen
8 zweites Dichtungsmaterial
8a zweite Teildichtungen
9 zweite Schutzfolie
10 Anordnungen
11 Membranelektrodenanordnungen
12 Gasdiffusionslagen
20 erste Rolle
21 zweite Rolle
21a weitere Rolle
22 Führungsrollen
23 Schneidvorrichtung
23a dritte Rolle
23b rotierende Schneide
23c Delaminationsrolle
24 vierte Rolle
25 Markierungsvorrichtung
26 fünfte Rolle
27 Schneidvorrichtung
27a sechste Rolle
27b rotierende Schneide
28 siebte Rolle
28a achte Rolle
29 Schneidvorrichtung
29a neunte Rolle
29b rotierende Schneide
29c zehnte Rolle
29d elfte Rolle
29e zwölfte Rolle
30 Fixiervorrichtung 31 erste Klebstoffapplikationsvorrichtung
32 Härtungsvorrichtung
32a Schutzvorrichtung
33 Magazin
34 Gasdiffusionslagenapplikationsvorrichtung
35 zweite Klebstoffapplikationsvorrichtung
36 Magazin
37 Vakuumtransportband
38 15. Rolle
39 Schneidvorrichtung
40 Kamerasystem
41 Transportmedium
42 16. Rolle
43 Kamerasystem
44 Vorratsbehälter
45 Membranelektrodenanordnungen mit Gasdiffusionslagen
46 13. Rolle
47 14. Rolle
48 zweite Trägerfolie
49 Abdeckfolie
A Vorrichtung zum Aufbringen eines DataMatrixCode
B Vorrichtung zum Überprüfen des DataMatrixCode
C Vorrichtung zur Qualitätskontrolle der Membranelektrodenanordnungen
D Sensor
E Vorrichtung zur Qualitätskontrolle der dreilagigen Membranelektrodenanordnungen
F Vorrichtung zur Defektmarkierung
G Vorrichtung zur Defektmarkierungsverifikation
H Sensor

Claims

24 Ansprüche
1 . Verfahren zur Herstellung von Membranelektrodenanordnungen (11) in Form einer kontinuierlichen Bahn, wobei die Membranelektrodenanordnungen (11) jeweils eine Schichtanordnung (7) mit einer Membran, die zwischen einer Anode und einer Kathode angeordnet ist, sowie eine rahmenförmige Dichtung umfassen, die zumindest die Außenränder der Schichtanordnung (7) umgibt, so dass ein von der rahmenförmigen Dichtung umgebener Innenbereich der Schichtanordnung (7) freiliegt, das Verfahren umfassend die Schritte:
Bereitstellen eines ersten Dichtungsmaterials (1) als Rollenware, wobei das erste Dichtungsmaterial (1) auf einer ersten Schutzfolie (3) angeordnet ist,
Bereitstellen eines zweiten Dichtungsmaterials (8) als Rollenware, wobei das zweite Dichtungsmaterial (8) auf einer zweiten Schutzfolie (9) angeordnet ist, Erzeugen von ersten rahmenförmigen Teildichtungen (6) von dem ersten Dichtungsmaterial (1), so dass die erste Schutzfolie (3) nicht beschädigt wird, Anordnen einer ersten Trägerfolie (2) auf den ersten Teildichtungen (6), Erzeugen von zweiten rahmenförmigen Teildichtungen (8a) von dem zweiten Dichtungsmaterial (8), so dass die zweite Schutzfolie (9) nicht beschädigt wird, Zuführen und Ablegen der ersten rahmenförmigen Teildichtungen (6) auf einem auf einem ersten Transportmedium angeordneten bahnförmigen Transportmaterial unter Entfernen der ersten Schutzfolie (3),
Bereitstellen von Schichtanordnungsmaterial (4) aus Anode, Kathode und dazwischenliegender Membran als Rollenware,
Zuschneiden von Schichtanordnungen (7) aus dem Schichtanordnungsmaterial (4), Ablegen der Schichtanordnungen (7) auf den auf dem Transportmaterial befindlichen ersten rahmenförmigen Teildichtungen (6),
Zuführen und Ablegen der zweiten rahmenförmigen Teildichtungen (8a) auf den auf den ersten rahmenförmigen Teildichtungen (6) angeordneten Schichtanordnungen (7) unter Entfernen der zweiten Trägerfolie (9), so dass fensterartige Ausschnitte der ersten rahmenförmigen Teildichtungen (6) und fensterartige Ausschnitte der zweiten rahmenförmigen Teildichtungen (8a) deckungsgleich angeordnet werden und Anordnungen (10) erhalten werden, wobei auf dem ersten Dichtungsmaterial (1) und/oder auf dem zweiten Dichtungsmaterial (8) ein adhäsives Material derart angeordnet ist oder ein strahlungshärtbares Material angeordnet wird, dass nach dem übereinander Anordnen der ersten Teildichtungen (6), der Schichtanordnungen (7) und der zweiten Teildichtungen (8a) das adhäsive Material bzw. das strahlungshärtbare Material zwischen den übereinander angeordneten ersten und zweiten Teildichtungen (6, 8a) angeordnet ist, thermisches Aktivieren des adhäsiven Materials oder Strahlungshärten des strahlungshärtbaren Materials und
Komprimieren der Anordnungen (10) unter Erhalt von Membranelektrodenanordnungen (11) mit rahmenförmigen Dichtungen als kontinuierliche Rollenware, angeordnet auf dem bahnförmigen Transportmaterial.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erzeugen von ersten und zweiten rahmenförmigen Teildichtungen (6, 8a) durch rotatives Stanzen, Flachstanzen oder Laserschneiden von fensterartigen Ausschnitten aus dem ersten Dichtungsmaterial (1) und aus dem zweiten Dichtungsmaterial (8) ausgeführt wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Dichtungsmaterial (1) und das zweite Dichtungsmaterial (8) gegenläufig geführt werden und/oder wobei die ersten Teildichtungen (6) und die zweiten Teildichtungen (8a) vor dem thermischen Aktivieren des adhäsiven Materials oder Strahlungshärten des strahlungshärtbaren Materials durch Führen durch ein Walzenpaar, wovon mindestens eine erste Walze mit einem elastischen Material ausgeführt ist, vorfixiert werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das thermische Aktivieren oder Strahlungshärten und Komprimieren durch Führen der Anordnungen (10) durch eine Fixiervorrichtung (30) erfolgt, in der thermische Energie und Druck oder Strahlung und Druck auf die Anordnungen (10) aufgebracht werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Fixiervorrichtung (30) auf eine Temperatur von 80 °C bis 160 °C, vorzugsweise von 100 °C bis 140 °C aufgeheizt wird, wobei die thermische Energie symmetrisch oder asymmetrisch aufgebracht wird, oder eine Strahlung im Wellenlängenbereich von 450 nm bis 100 nm, vorzugsweise von 420 nm bis 365 nm auf eine freiliegende obere und eine freiliegende untere Seite der Anordnungen (10) aufgebracht wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei der durch die Fixiervorrichtung (30) auf die Anordnungen (10) aufgebrachte Druck 0,05 MPa bis 10 MPa, bevorzugt 0,15 MPa bis 5 MPa und weiter bevorzugt 0,25 MPa bis 3 MPa beträgt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Komprimieren für 0,006 s bis 60 s, vorzugsweise für 0,2 s bis 120 s, und weiter bevorzugt für 0,25 s bis 5 s ausgeführt wird und/oder wobei das Zuschneiden von Schichtanordnungen (7) aus dem Schichtanordnungsmaterial (4) so ausgeführt wird, dass eine von den rahmenförmigen ersten und zweiten Teildichtungen zu umgebende Fläche der Schichtanordnungen (7) größer ist als die fensterartigen Ausschnitte der ersten und zweiten Teildichtungen (6, 8a) und/oder wobei die geschnittenen Schichtanordnungen (7) vor dem Ablegen auf den ersten rahmenförmigen Teildichtungen (6) auf ein Übergabemedium übertragen und von dem ersten Übergabemedium auf ein zweites Übergabemedium übertragen werden, so dass die einzelnen Schichtanordnungen (7) voneinander beabstandet werden.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Schichtanordnungsmaterial (4) ferner eine Schichtanordnungsträgerfolie (5) umfasst und das Zuschneiden von Schichtanordnungen (7) so erfolgt, dass die Schichtanordnungsträgerfolie (5) nicht durchtrennt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Schichtanordnungsträgerfolie (5) vor dem Ablegen der Schichtanordnungen (7) auf den ersten rahmenförmigen Teildichtungen (6) in einem Winkel von mehr als 90 °, vorzugsweise von mehr als 105 ° und weiter bevorzugt von mehr als 120 ° von den Schichtanordnungen (7) entfernt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei während des Erzeugens der ersten rahmenförmigen Teildichtungen (6) im ersten Dichtungsmaterial (1) zusätzlich eine Referenzmarke erzeugt wird, um die ersten Teildichtungen (6), die Schichtanordnungen (7) und die zweiten Teildichtungen (8a) zueinander in Maschinenrichtung (M) auszurichten und/oder das Verfahren einen Schritt des Einstellens der Breite des ersten Transportmediums auf die Breite der ersten Trägerfolie (2) umfasst und/oder wobei eine Bahngeschwindigkeit des ersten Transportmediums zwischen 0,1 m/min und 100 m/min, vorzugsweise zwischen 0,5 m/min und 50 m/min und weiter bevorzugt zwischen 1 m/min und 40 m/min beträgt und/oder wobei die Membranelektrodenanordnungen (11) nach dem Komprimieren gekühlt werden und/oder wobei auf einer freiligenden Seite des ersten Dichtungsmaterials (1) die erste Schutzfolie (3) und/oder auf einer freiliegenden Seite des zweiten Dichtungsmaterials (8) die zweite Schutzfolie (9) vorgesehen ist und wobei während eines Entfernens der ersten Schutzfolie (3) und/oder der zweiten Schutzfolie (9) von den ersten oder zweiten rahmenförmigen 27
Teildichtungen (6, 8a) die rahmenförmigen Teildichtungen (6, 8a) positionsgenau geführt werden und/oder wobei nach dem Komprimieren der Anordnungen (10) die Membranelektrodenanordnungen
(11) mit einer finalen Kontur geschnitten werden und/oder wobei die Membranelektrodenanordnungen (11) mit oder ohne finalen Konturschnitt weiterhin auf der ersten Trägerfolie (2) verbleiben oder als Stückware vereinzelt, von der ersten Trägerfolie (2) getrennt und gestapelt werden und/oder wobei jede Membranelektrodenanordnung (11) eindeutig gekennzeichnet bzw. markiert und die Kennzeichnung auf Konsistenz und Erkennungsqualität geprüft wird und/oder wobei nach jeder Prozesssequenz die Qualität der erhaltenen Membranelektrodenanordnungen (11) mittels eines Inspektionssystems geprüft wird und bei einem fehlerhaften Teil eine Defektmarkierung aufgebracht wird, vorzugsweise auf die Kennzeichnung, so dass fehlerhafte Membranelektrodenanordnungen (11) in den nachfolgenden Weiterverarbeitungen erkannt und aussortiert werden können.
11. Verfahren zur Herstellung von Membranelektrodenanordnungen (45) in Form einer kontinuierlichen Bahn, wobei die Membranelektrodenanordnungen (45) jeweils eine Schichtanordnung (7) mit einer Membran, die zwischen einer Anode und einer Kathode angeordnet ist, eine rahmenförmige Dichtung sowie Gasdiffusionslagen (12) umfassen, wobei die rahmenförmige Dichtung zumindest die Außenränder der Schichtanordnung (7) umgibt, so dass ein von der rahmenförmigen Dichtung umgebener Innenbereich der Schichtanordnung (7) freiliegt, das Verfahren umfassend die Schritte:
Bereitstellen von Membranelektrodenanordnungen (11) in Form einer Rollenware mit einer Kathode, einer Anode und einer dazwischenliegenden Membran sowie einem zumindest die Außenränder der Membranelektrodenanordnungen (11) umgebenden Dichtungsrahmen und
Anordnen von ersten Gasdiffusionslagen (12) auf ersten Seiten der Membranelektrodenanordnungen (11) und/oder von zweiten Gasdiffusionslagen (12) auf zweiten Seiten der Membranelektrodenanordnungen (11).
12. Verfahren nach Anspruch 11 , wobei vor dem Anordnen der ersten Gasdiffusionslagen
(12) und/oder der zweiten Gasdiffusionslagen (12) in Randbereichen der ersten Seiten der Membranelektrodenanordnungen (11) und/oder in Randbereichen der zweiten Seiten der 28
Membranelektrodenanordnungen (11) ein Klebstoff, ein Haftvermittler oder ein beidseitig klebender Film aufgebracht wird oder die rahmenförmigen Dichtungen aufgeweicht werden.
13. Verfahren nach Anspruch 12, umfassend ein Fixieren der ersten und/oder zweiten Gasdiffusionslagen (12) auf den ersten und/oder zweiten Seiten der Membranelektrodenanordnungen (11), insbesondere unter Anwenden einer Temperatur von 100 bis 200 °C, vorzugweise von 140 bis 180 °C und Aufbringen eines Drucks von 0,5 bis 5 MPa, vorzugweise von 1 ,0 bis 5,0 MPa. 25. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24, wobei eine Transportrichtung der Membranelektrodenanordnungen (11) und eine Transportrichtung der ersten Gasdiffusionslagen (12) gegenläufig sind und/oder horizontal verlaufen.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die mit ersten und zweiten Gasdiffusionslagen (12) versehenen Membranelektrodenanordnungen (45) in einer dichtenden Fixiereinheit angeordnet und die jeweilige Gasdichtigkeit der Membranelektrodenanordnungen (45) unter Verwendung eines Prüfgases ermittelt wird und/oder wobei nach dem Komprimieren der Anordnungen (10) oder nach dem Anordnen und Fixieren der ersten Gasdiffusionslagen (12) auf den ersten Seiten der Membranelektrodenanordnungen (11) und/oder der zweiten Gasdiffusionslagen (12) auf den zweiten Seiten der Membranelektrodenanordnungen (11) die Membranelektrodenanordnungen (11) mit einer finalen Kontur geschnitten werden und/oder wobei die Membranelektrodenanordnungen (11 , 45) mit oder ohne finalen Konturschnitt auf einer zweiten Trägerfolie (48) verbleiben oder als Stückware vereinzelt, von der zweiten Trägerfolie (48) getrennt und gestapelt werden und/oder wobei jede Membranelektrodenanordnung (45) eindeutig gekennzeichnet bzw. markiert und die Kennzeichnung auf Konsistenz und Erkennungsqualität geprüft wird und/oder wobei nach jeder Prozesssequenz die Qualität der erhaltenen Membranelektrodenanordnungen (45) mittels eines Inspektionssystems (40, 43) geprüft wird und bei einem fehlerhaften Teil eine Defektmarkierung aufgebracht wird, vorzugsweise auf die Kennzeichnung, so dass fehlerhafte Teile in den nachfolgenden Weiterverarbeitungen erkannt und aussortiert werden können.
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