DE102016224852A1

DE102016224852A1 - Brennstoffzellenkomponente und Herstellvorrichtung derselben

Info

Publication number: DE102016224852A1
Application number: DE102016224852.9A
Authority: DE
Inventors: Young Gun Kim; Sun Ho Lee
Original assignee: Hyundai Motor Co
Current assignee: Hyundai Motor Co
Priority date: 2016-03-04
Filing date: 2016-12-13
Publication date: 2017-09-07
Also published as: US20170256808A1; US10741862B2; KR20170103566A; JP6885695B2; JP2017157547A; US20190267654A1

Abstract

Eine Vorrichtung zum Herstellen einer Brennstoffzellenkomponente ist vorgesehen. Die Vorrichtung umfasst eine Bewegungsvorrichtung, die eingerichtet ist, um eine Gasdiffusionsschicht aus einem Magazin, wenn die Gasdiffusionsschicht eingelegt ist, zu einem Einlass eines Förderbandes zu laden, und um die Gasdiffusionsschicht von einer Auslassseite des Förderbandes zu entladen. Eine Klebstoffschicht-Bildungsvorrichtung, die über dem Förderband angeordnet ist, bildet eine Klebstoffschicht in einem Randbereich der Gasdiffusionsschicht. Eine Trocknungsvorrichtung ist eingerichtet, um die in der Gasdiffusionsschicht gebildete Klebstoffschicht zu trocknen. Eine Sichtprüfung ist eingerichtet, um ein Bild der Gasdiffusionsschicht, auf der die Klebstoffschicht gebildet ist, zu erfassen. Zusätzlich steuert eine Steuerung die Bewegungsvorrichtung, die Klebstoffschicht-Bildungsvorrichtung und die Trocknungsvorrichtung und verwendet das Bild, um eine Form der in der Gasdiffusionsschicht gebildeten Klebstoffschicht zu bestimmen.

Description

HINTERGRUND
(a) Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenkomponente und eine Herstellvorrichtung und insbesondere, um einen Klebstoff auf einen Abschnitt/Teil einer Gasdiffusionsschicht aufzutragen und um den aufgetragenen Klebstoff an einer Membranelektrodenanordnung (MEA) und eine Zwischendichtung (Sub-Dichtung) anzubringen, um Kosten zu reduzieren und um die Position des Klebstoffs daran zu hindern, sich in Richtung einer Elektrode zu bewegen, um die Leistung zu verbessern.
(b) Beschreibung des Standes der Technik
Typischerweise ist in einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle eine Membranelektrodenanordnung (MEA) eine in der innersten Brennstoffzelle angeordnete Hauptkomponente. Insbesondere umfasst eine 3-Schicht-Membranelektrodenanordnung (MEA) eine Struktur, in der Katalysatorschichten für eine Brennstoffelektrode und eine Luftelektrode an/auf beiden Oberflächen der Elektrolytmembran angeordnet sind. Eine 5-Schicht-Membranelektrodenanordnung (MEA) umfasst eine Struktur, in der eine Gasdiffusionsschicht (gas diffusion layer – GDL) an/auf dem äußeren Abschnitt der Katalysatorschicht gestapelt ist.
Die MEA umfasst eine Polymerelektrolytmembran, die Katalysatorschicht (z.B. eine Elektrode), die an/auf beiden Seiten der Polymerelektrolytmembran angeordnet ist, und eine Zwischendichtung. Die Zwischendichtung weist eine Dicke auf, die größer als eine Dicke der Katalysatorschicht ist und die Handhabung der MEA erleichtert und mit beiden Seiten eines Randbereichs der Polymerelektrolytmembran verbunden ist, und ein inerter Polymerfilm, wie beispielsweise Polyethylen (PE), Polyethylennaphthalat (PEN) usw. ist. Eine einzelne Elementarzelle wird gebildet, wenn ein Separator, der ein darin gebildetes Strömungsfeld aufweist, um Brennstoff zuzuführen und um durch eine Reaktion erzeugtes Wasser auszutragen, an/auf der Außenseite der Gasdiffusionsschicht gestapelt wird. Ein Brennstoffzellenstapel einer gewünschten Größe wird gebildet, wenn die Elementarzellen gestapelt werden.
Ein Verfahren zum Herstellen der MEA umfasst ein Verfahren zum Herstellen der 5-Schicht-Membranelektrodenanordnung unter Verwendung eines auf eine GDL aufgetragenen Katalysators (catalyst coated on GDL – CCG). Ein Verfahren zum Herstellen der 3-Schicht-Membranelektrodenanordnung verwendet ein Verfahren mit einem auf einer Membran aufgetragenen Katalysator (catalyst coated on membrane – CCM). Das CCG-Verfahren trägt die Katalysatorschicht direkt auf die Gasdiffusionsschicht auf, um die aufgetragene Katalysatorschicht mit der Polymerelektrolytmembran zu verbinden. Das CCM-Verfahren trägt die Katalysatorschicht direkt auf die Polymerelektrolytmembran auf.
Gemäß dem CCG-Verfahren oder einem Verfahren mit einem auf einem Substrat aufgetragenen Katalysator (catalyst coated on substrate – CCS), das die Katalysatorschicht direkt auf die Gasdiffusionsschicht aufträgt, nachdem die Katalysatorschicht direkt auf die Gasdiffusionsschicht aufgetragen ist, wird eine Verbindung zwischen der Katalysatorschicht und der Polymerelektrolytmembran durch ein Wärmepressverfahren (z.B. ein Thermokompressions-Verbindungsverfahren) durchgeführt, um die 5-Schicht-Membranelektrodenanordnung herzustellen. Gemäß dem CCM-Verfahren, nachdem die Gasdiffusionsschicht auf der Katalysatorschicht gestapelt ist, ist ein separates Verfahren, das die gestapelte Gasdiffusionsschicht presst, erforderlich, um die gestapelte Gasdiffusionsschicht mit der Katalysatorschicht zu verbinden. Mit anderen Worten ist, wenn Elementarzellen einschließlich der 3-Schicht-Membranelektrodenanordnung in einem Stapelherstellungsprozess unter Verwendung einer automatischen Anlage gestapelt werden, nachdem die 3-Schicht-Membranelektrodenanordnung unter Verwendung des CCM-Verfahrens hergestellt ist, der Prozess, der die Gasdiffusionsschicht mit der Katalysatorschicht verbindet, erforderlich.
Das CCM-Verfahren weist eine begrenzte Produktivität für die Massenproduktion des Brennstoffzellenstapels auf. Wenn die Gasdiffusionsschicht mit der 3-Schicht-MEA durch das Thermokompressions-Verbindungsverfahren vorübergehend verbunden wird, wird eine Grenzfläche/Übergangsstelle, wo eine Brennstoffzellenreaktion stattfindet, zwischen der Katalysatorschicht und der Gasdiffusionsschicht gebildet und eine Grenzfläche/Übergangsstelle wird zwischen der Zwischendichtung und der Gasdiffusionsschicht gebildet. Jedoch ist die Bindungskraft zwischen der Katalysatorschicht und der Gasdiffusionsschicht oder der Zwischendichtung und der Gasdiffusionsschicht gering. Wenn die Aufbewahrungsdauer (Standby-Phase) für die Massenproduktion des Brennstoffzellenstapels erhöht wird, wird die Bindungskraft weiter geschwächt. Demzufolge kann die Katalysatorschicht von der Gasdiffusionsschicht getrennt werden. Ein Ansatz zum Erhöhen der Bindungskraft besteht darin, ein Ionomer, wie beispielsweise Nafion, auf die Gasdiffusionsschicht vor der Thermokompression derselben auf die Katalysatorschicht aufzutragen. Da jedoch die Grenzfläche der Gasdiffusionsschicht, die die Katalysatorschicht berührt, eine hydrophile Eigenschaft aufweist, wird die Bindungskraft nicht signifikant erhöht.
Die obigen Informationen, die in diesem Abschnitt offenbart werden, dienen nur der Verbesserung des Verständnisses des Hintergrunds der Erfindung und sie können demzufolge Informationen enthalten, die nicht den Stand der Technik bilden, der einem Durchschnittsfachmann in diesem Land bereits bekannt ist.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Erfindung stellt bereit eine Brennstoffzellenkomponente und eine Herstellvorrichtung derselben, die in der Lage sind, Klebstoffkosten durch Auftragen/Aufbringen eines Klebstoffs auf einen Bereich bzw. eine Fläche zwischen einer Zwischendichtung und einer Gasdiffusionsschicht zu verringern. Demzufolge ist es nicht erforderlich, dass ein Klebstoff auf die gesamte Zwischendichtung aufgebracht wird, und die Luftdichtheit wird aufrechterhalten und die Zellenleistung wird verbessert, indem verhindert wird, dass der Klebstoff in eine Reaktionsfläche, die einer Elektrode entspricht, fließt.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung stellt bereit die Brennstoffzellenkomponente, die umfassen kann eine Elektrolytmembran, eine Zwischendichtung, die Seiten der Elektrolytmembran und der Elektroden abdeckt und sich in einer Breitenrichtung oder einer Längsrichtung der Elektrolytmembran erstreckt, eine Gasdiffusionsschicht, die mit einer Fläche/Oberfläche der Zwischendichtung und einer Fläche/Oberfläche der Elektrode gekoppelt ist; und eine Klebstoffschicht, die zwischen der Zwischendichtung und der Gasdiffusionsschicht angeordnet ist.
Die Elektrode kann eine an/auf einer ersten Oberfläche der Elektrolytmembran gebildete Anodenelektrode und eine an/auf einer zweiten Oberfläche der Elektrolytmembran gebildet Kathodenelektrode umfassen. Die Gasdiffusionsschicht kann eine mit der Anodenelektrode gekoppelte obere Gasdiffusionsschicht und eine mit der Kathodenelektrode gekoppelte untere Gasdiffusionsschicht umfassen.
Die Klebstoffschicht kann in einem Randbereich der Gasdiffusionsschicht mit Ausnahme eines Abschnitts, der der Elektrode entspricht, gebildet sein. Die Klebstoffschicht kann in dem Randbereich der Gasdiffusionsschicht an/auf dem Innenbereich (z.B. nicht nach außen freigelegt/freiliegend) der Zwischendichtung und der Gasdiffusionsschicht gebildet sein. Die Klebstoffschicht kann kontinuierlich entlang des Randbereichs der Gasdiffusionsschicht gebildet sein. Die Klebstoffschicht kann mit einem Raum entlang des Randbereichs der Gasdiffusionsschicht gebildet sein. Die Elektrolytmembran kann einen Abstand von den Seiten der Elektroden vorstehen/vorspringen und die Zwischendichtung deckt die Seite der Elektrode und die Seite der Elektrolytmembran ab.
Ein Ausführungsbeispiel der Herstellvorrichtung der Brennstoffzellenkomponente kann umfassen eine Bewegungsvorrichtung, die eingerichtet ist, um eine Gasdiffusionsschicht von einem Magazin, das mit der Gasdiffusionsschicht bestückt ist, zu einem Einlass eines Förderbandes zu laden, und eingerichtet ist, um die Gasdiffusionsschicht von einer Auslassseite des Förderbandes zu entladen, eine Klebstoffschicht-Bildungsvorrichtung, die über dem Förderband angeordnet ist und eingerichtet ist, um eine Klebstoffschicht in einem Randbereich der Gasdiffusionsschicht zu bilden, eine Trocknungsvorrichtung, die eingerichtet ist, um die in der Gasdiffusionsschicht gebildete Klebstoffschicht zu trocknen, eine Sichtprüfung, die eingerichtet ist, um ein Bild der Gasdiffusionsschicht, auf der die Klebstoffschicht gebildet ist, zu erfassen, und eine Steuerung, die eingerichtet ist, um die Bewegungsvorrichtung, die Klebstoffschicht-Bildungsvorrichtung und die Trocknungsvorrichtung zu steuern/regeln, und eingerichtet ist, um das Bild zu verwenden, um eine Form der in der Gasdiffusionsschicht gebildeten Klebstoffschicht zu bestimmen.
Die Klebstoffschicht-Bildungsvorrichtung kann eingerichtet sein, um die Klebstoffschicht in einem Randbereich der Gasdiffusionsschicht zu bilden. Zusätzlich kann die Klebstoffschicht-Bildungsvorrichtung die Klebstoffschicht kontinuierlich entlang des Randbereichs der Gasdiffusionsschicht bilden. Die Klebstoffschicht-Bildungsvorrichtung kann die Klebstoffschicht mit einem Raum/Zwischenraum entlang des Randbereichs der Gasdiffusionsschicht bilden.
Die Trocknungsvorrichtung kann eingerichtet sein, um erwärmte/erhitzte Luft zu verwenden, um Wärme auf die Gasdiffusionsschicht und die Klebstoffschicht aufzubringen. Die Bewegungsvorrichtung kann eingerichtet sein, um ein an der Gasdiffusionsschicht angebrachtes Zwischenlagepapier/Trennblatt zu trennen und die Gasdiffusionsschicht, wenn das Trennblatt getrennt ist, zu einem Einlass des Förderbandes zu laden. Die Trocknungsvorrichtung kann eingerichtet sein, um Wärme auf die Gasdiffusionsschicht und die Klebstoffschicht unter Verwendung einer auf eine voreingestellte Temperatur erwärmte Heizplatte (z.B. Wärmeplatte) aufzubringen. Die Klebstoffschicht-Bildungsvorrichtung kann umfassen eine Sprühdüse, die eingerichtet ist, um einen Klebstoff aufzusprühen, um die Klebstoffschicht in einem Randbereich der Gasdiffusionsschicht zu bilden, und eine Abbildungsvorrichtung, die eingerichtet ist, um den von der Sprühdüse aufgesprühten Klebstoff und Bilddaten des aufgesprühten Klebstoffs zu erfassen.
Die Ausführungsbeispiele können Klebstoffkosten reduzieren, indem ein Klebstoff nur auf einen vorgegebenen Bereich bzw. eine vorgegebene Fläche zwischen der Zwischendichtung und der Gasdiffusionsschicht ohne Aufbringen des Klebstoffs auf die Reaktionsfläche, die der Elektrode in der Gasdiffusionsschicht entspricht, aufgetragen wird. Zusätzlich kann ein luftdichter Zustand beibehalten werden und die Zellenleistung kann verbessert werden, indem verhindert wird, dass der Klebstoff in die Reaktionsfläche fließt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen und weiteren Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen besser ersichtlich. In den Figuren zeigen:
1 eine beispielhafte perspektivische Explosionsdarstellung einer Brennstoffzellenkomponente gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 eine beispielhafte Schnittdarstellung der Brennstoffzellenkomponente gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 eine beispielhafte Ansicht, die eine Herstellvorrichtung der Brennstoffzellenkomponente gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschreibt;
4 eine beispielhafte Draufsicht der Brennstoffzellenkomponente gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
5 ein beispielhaftes Flussdiagramm, das ein Herstellungsverfahren der Brennstoffzellenkomponente gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Offenbarung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben, in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. Es versteht sich jedoch, dass die Offenbarung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern im Gegenteil verschiedene Modifikationen/Änderungen abdecken soll. Wie ein Fachmann erkennen würde, können die beschriebenen Ausführungsbeispiele auf verschiedene Weise modifiziert/verändert werden, ohne jeweils von der Lehre oder dem Umfang/Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Im Gegensatz dazu ist die Erfindung dazu vorgesehen, nicht nur die Ausführungsbeispiele, sondern ebenfalls verschiedene Alternativen, Modifikationen, Äquivalente und weitere Ausführungsformen abzudecken, die innerhalb der Lehre und des Umfangs/Schutzbereichs der Erfindung, wie durch die beigefügten Ansprüche beansprucht, umfasst sein können.
Die Größen und Dicken/Stärken der in den Zeichnungen dargestellten Konfigurationen/Anordnungen sind für die Zweckmäßigkeit der Beschreibung selektiv vorgesehen, so dass die vorliegende Erfindung nicht auf jene, die in den Zeichnungen dargestellt sind, beschränkt ist, und die Dicken/Stärken sind übertrieben dargestellt, um einige Teile und Bereiche zu verdeutlichen. Jedoch werden Teile, die mit der Beschreibung nicht in Zusammenhang stehen, für die klare Beschreibung des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung weggelassen, und gleiche Bezugszeichen beziehen sich in der gesamten Beschreibung auf gleiche oder ähnliche Elemente. In der folgenden Beschreibung dient ein Unterteilen der Bezeichnungen der Komponenten in erste, zweite und dergleichen dazu, um die Bezeichnungen zu unterteilen, weil die Bezeichnungen der Komponenten einander gleich sind, und deren Reihenfolge ist nicht speziell beschränkt.
Die hierin verwendete Terminologie ist zum Zwecke der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen vorgesehen und ist nicht dazu bestimmt, die Erfindung einzuschränken. Wie hierin verwendet, sind die Singularformen “ein“, “eine/einer“ und “der/die/das“ dazu vorgesehen, dass sie ebenso die Pluralformen umfassen, wenn aus dem Zusammenhang nicht eindeutig etwas anderes hervorgeht. Es versteht sich ferner, dass die Ausdrücke “aufweisen“ und/oder “aufweisend“, wenn sie in dieser Beschreibung verwendet werden, die Anwesenheit der angegebenen Merkmale, Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Komponenten beschreiben, aber nicht das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einen oder mehreren Merkmalen, Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon ausschließen. Wie hierin verwendet, umfasst der Ausdruck “und/oder“ jede und sämtliche Kombinationen von einem oder mehreren der zugeordneten aufgeführten Elemente. Zum Beispiel, um die Beschreibung der vorliegenden Erfindung zu verdeutlichen, sind Teile ohne Bezug/Beziehung nicht gezeigt, und Dicken/Stärken von Schichten und Bereichen sind der Klarheit wegen übertrieben dargestellt. Ferner, wenn es angegeben wird, dass sich eine Schicht “auf“ einer anderen Schicht oder einem Substrat befindet, kann sich die Schicht direkt auf einer anderen Schicht oder einem Substrat befinden oder eine dritte Schicht kann dort dazwischen angeordnet sein.
Sofern nicht ausdrücklich angegeben oder aus dem Kontext ersichtlich, wird der Begriff “ungefähr“, wie er hierin verwendet wird, derart verstanden, dass er innerhalb eines Bereichs mit normgemäßer Toleranz im Stand der Technik liegt, zum Beispiel innerhalb 2 Standardabweichungen der Mittelwerte. “Ungefähr“ kann derart verstanden werden, dass es innerhalb 10%, 9%, 8%, 7%, 6%, 5%, 4%, 3%, 2%, 1%, 0,5%, 0,1%, 0,05% oder 0,01% des angegebenen Werts liegt. Soweit es sich nicht anderweitig aus dem Kontext ergibt, werden alle hierin bereitgestellten numerischen Werte durch den Begriff “ungefähr“ verändert.
Ferner kann die Steuerlogik der vorliegenden Erfindung als nichtflüchtige computerlesbare Medien auf einem computerlesbaren Medium ausgeführt werden, das ablauffähige Programmbefehle umfasst, die durch einen Prozessor, eine Steuerung/Steuereinheit oder dergleichen ausgeführt werden. Beispiele von computerlesbaren Speichermedien umfassen in nicht einschränkender Weise ROM, RAM, Compact-Disc(CD)-ROMs, Magnetbänder, Floppydisks, Flash-Laufwerke, Smart Cards und optische Datenspeichervorrichtungen. Das computerlesbare Aufzeichnungsmedium kann ebenfalls in netzgekoppelten Computersystemen dezentral angeordnet sein, so dass das computerlesbare Medium in einer verteilten Art und Weise gespeichert und ausgeführt wird, z.B. durch einen Telematik-Server oder ein Controller Area Network (CAN).
Es versteht sich, dass der Ausdruck "Fahrzeug" oder "Fahrzeug-" oder andere gleichlautende Ausdrücke wie sie hierin verwendet werden, Kraftfahrzeuge im Allgemeinen wie z.B. Personenkraftwagen einschließlich Sports Utility Vehicles (SUV), Busse, Lastwägen, verschiedene Nutzungsfahrzeuge, Wasserfahrzeuge, einschließlich einer Vielfalt von Booten und Schiffen, Luftfahrzeugen und dergleichen einschließen, und Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-In-Hybridelektrofahrzeuge, wasserstoffgetriebene Fahrzeuge und andere Fahrzeuge mit alternativen Kraftstoff umfassen (beispielsweise Kraftstoff, der von anderen Quellen als Erdöl gewonnen wird).
1 zeigt eine beispielhafte perspektivische Explosionsdarstellung einer Brennstoffzellenkomponente gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Unter Bezugnahme auf 1 kann die Brennstoffzellenkomponente eine Membranelektrodenanordnung (MEA) 100, eine Zwischendichtung 120, eine obere Gasdiffusionsschicht 105a, eine untere Gasdiffusionsschicht 105b und eine Klebstoffschicht 115 umfassen.
Wie in 2 gezeigt, kann die MEA 100 eine Elektrolytmembran 204, eine auf einer ersten Oberfläche der Elektrolytmembran 204 gebildete Anodenelektrode 202 und eine auf einer zweiten Oberfläche der Elektrolytmembran gebildete Kathodenelektrode 200 umfassen. Die Zwischendichtung 120 kann Seitenflächen der MEA 100 abdecken und sich in Richtung der Außenseite der MEA erstrecken. Die obere Gasdiffusionsschicht 105a kann mit einer oberen Fläche/Oberseite der MEA 100 gekoppelt sein und die untere Gasdiffusionsschicht 105b kann mit einer unteren Fläche/Unterseite der MEA gekoppelt sein. Eine Randfläche/Randoberfläche der oberen Gasdiffusionsschicht kann mit der Zwischendichtung 120 gekoppelt sein und eine Randfläche/Randoberfläche der unteren Gasdiffusionsschicht kann mit der Zwischendichtung gekoppelt sein. Die Klebstoffschicht 115 kann in den Randflächen der oberen Gasdiffusionsschicht 105a und der unteren Gasdiffusionsschicht 105b gebildet sein. Die Randflächen können benachbart/angrenzend zu der Zwischendichtung 120 angeordnet sein. In dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung können die obere Gasdiffusionsschicht und die untere Gasdiffusionsschicht als eine Gasdiffusionsschicht 105 bezeichnet werden, wie in 3 und 4 gezeigt.
2 zeigt eine beispielhafte Schnittdarstellung der Brennstoffzellenkomponente gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Unter Bezugnahme auf 2 kann die Brennstoffzellenkomponente die Elektrolytmembran 204, die Anodenelektrode 202, die Kathodenelektrode 200, die Zwischendichtung 120 und die Klebstoffschicht 115 umfassen. Die Anodenelektrode 202 kann in einer ersten Oberfläche der Elektrolytmembran 204 gebildet sein und die Kathodenelektrode 200 kann in einer zweiten Oberfläche der Elektrolytmembran gebildet sein. Ein Randabschnitt der Elektrolytmembran 204 kann einen vorgegebenen Abstand von Seitenflächen der Anodenelektrode 202 und der Kathodenelektrode 200 hervorstehen (z.B. sich erstrecken). Die Zwischendichtung 120 kann Seiten der Anodenelektrode 202, der Kathodenelektrode 200 und der Elektrolytmembran 204 abdecken und kann sich in einer Richtung nach außen von den Seiten erstrecken. Die Zwischendichtung 120 kann eine Dicke aufweisen, die größer als eine Gesamtdicke der Anodenelektrode 202, der Elektrolytmembran 204 und der Kathodenelektrode 200 ist.
In dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann die obere Gasdiffusionsschicht 105a mit der Anodenelektrode 202 gekoppelt sein und die untere Gasdiffusionsschicht 105b kann mit der Kathodenelektrode 200 gekoppelt sein. Randflächen der oberen Gasdiffusionsschicht 105a und der unteren Gasdiffusionsschicht 105b können mit einer äußeren Fläche/Außenfläche der Zwischendichtung 120 gekoppelt sein. Die Klebstoffschicht 115 kann zwischen den Randflächen der oberen Gasdiffusionsschicht 105a und der Außenfläche der Zwischendichtung 120 und zwischen der Randfläche der unteren Gasdiffusionsschicht 105b und der Außenfläche der Zwischendichtung 120 gebildet sein. In dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung muss die Klebstoffschicht 115 nicht notwendigerweise in der gesamten Zwischendichtung gebildet sein und kann nur an/auf Kontaktflächen gebildet sein, die zwischen der oberen Gasdiffusionsschicht 105a und der Zwischendichtung 120 und zwischen der unteren Gasdiffusionsschicht 105b und der Zwischendichtung 120 angeordnet sind. Demzufolge kann verhindert werden, dass ein Klebstoff einer Klebstoffschicht 115 in die Anodenelektrode 202 und die Kathodenelektrode 200 fließt und die Leistung eines Brennstoffzellenstapels kann stabiler gehalten werden.
3 zeigt eine beispielhafte Ansicht, die eine Herstellvorrichtung der Brennstoffzellenkomponente gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschreibt. Unter Bezugnahme auf 3 kann die Herstellvorrichtung der Brennstoffzellenkomponente eine Bewegungsvorrichtung 300, ein Gasdiffusionsschicht-Magazin 305, ein Trennblatt-Magazin 310, ein Förderband 315, eine Klebstoffschicht-Bildungsvorrichtung 320 und eine Trocknungsvorrichtung 330, eine Sichtprüfung (z.B. eine Sichtprüfungsvorrichtung) 340 und eine Steuerung 333 umfassen. Insbesondere kann die Bewegungsvorrichtung 300 eingerichtet sein, um ein Trennblatt aus dem Gasdiffusionsschicht-Magazin 305 an das Trennblatt-Magazin 310 abzugeben/zu entladen und um die Gasdiffusionsschicht 105 anzusaugen, um die angesaugte Gasdiffusionsschicht an einen Einlass der Förderbandes 315 zu laden.
Die Gasdiffusionsschicht 105, mit der das Förderband 315 beladen ist, kann an die Klebstoffschicht-Bildungsvorrichtung 320 übergeben werden. Die Klebstoffschicht-Bildungsvorrichtung kann eingerichtet sein, um den Klebstoff auf einen vorgegebenen Bereich der Gasdiffusionsschicht aufzutragen, um die Klebstoffschicht 115 zu bilden. Die Klebstoffschicht-Bildungsvorrichtung 320 kann umfassen eine Sprühdüse 360, die eingerichtet ist, um den Klebstoff aufzusprühen, um die Klebstoffschicht zu bilden, und eine Abbildungsvorrichtung 365 (z.B. eine Kamera, Videokamera oder dergleichen), die den aufgesprühten Klebstoff als Bilddaten erfasst. Die Steuerung 333 kann die Bilddaten verwenden, um eine Menge des von der Sprühdüse aufgesprühten Klebstoffs und eine Bewegungsgeschwindigkeit der Sprühdüse einzustellen/anzupassen.
Die Trocknungsvorrichtung 330 kann eingerichtet sein, um heiße Luft bei etwa 100 °C zu verwenden, um die Gasdiffusionsschicht 105 und die Klebstoffschicht 115 zu trocknen. Alternativ kann eine Heizplatte verwendet werden, um die Gasdiffusionsschicht 105 und die Klebstoffschicht 115 zu trocknen. Die Sichtprüfung 340, wie beispielsweise eine Abbildungsvorrichtung, kann eine Form der in der Gasdiffusionsschicht 105 gebildeten Klebstoffschicht 115 erfassen (z.B. abtasten), um die erfassten Formdaten an die Steuerung 333 zu übertragen. Die Steuerung 333 kann eingerichtet sein, um die von der Sichtprüfung 340 übertragene Form der Klebstoffschicht 115 zu erfassen, um eine Dicke/Stärke, eine Breite und eine Position der Form zu berechnen, um zu bestimmen, ob die Form normal ist. Die Steuerung 333 kann eingerichtet sein, um die Bewegungsvorrichtung 300 einzustellen, um die Gasdiffusionsschicht 105 an das Förderband 315 zu laden oder um die Gasdiffusionsschicht 105 von dem Förderband 315 zu entladen, und kann eingerichtet sein, um die Klebstoffschicht-Bildungsvorrichtung 320 und die Trocknungsvorrichtung 330 einzustellen. Die Steuerung 333 kann einen oder mehrere Mikroprozessoren umfassen, der/die eingerichtet ist/sind, um durch ein vorgegebenes Programm betrieben zu werden. Das Programm kann einen Satz von Befehlen/Anweisungen zum Durchführen des Verfahrens gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfassen.
4 zeigt eine beispielhafte Draufsicht der Brennstoffzellenkomponente gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Unter Bezugnahme auf 4 kann die Klebstoffschicht 115 in einer Randfläche der Gasdiffusionsschicht 105 gebildet sein und kann entlang einer longitudinalen Richtung (z.B. eine Längsrichtung) der Gasdiffusionsschicht gebildet sein. Die Randfläche kann an einer Position in einer Breitenrichtung der Gasdiffusionsschicht 105 angeordnet sein. In dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann die Klebstoffschicht 115 in einer äußeren Seite einer Reaktionsgrenze 400, die der Anodenelektrode 202 und der Kathodenelektrode 200 entspricht, gebildet sein, und kann kontinuierlich in einem voreingestellten Bereich, der zwischen einer äußeren Seite der Gasdiffusionsschicht 105 und der Reaktionsgrenze angeordnet ist, gebildet sein. Die Klebstoffschicht 115 kann diskontinuierlich mit einem Zwischenraum (z.B. mit voreingestellten Intervallen/Abständen) in dem Bereich zwischen der äußeren Seite der Gasdiffusionsschicht 105 und der Reaktionsgrenze 400 gebildet sein.
5 zeigt ein beispielhaftes Flussdiagramm, das ein Herstellungsverfahren der Brennstoffzellenkomponente gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Unter Bezugnahme auf 5 kann in Schritt S500 die Steuerung 333 eingerichtet sein, um die Bewegungsvorrichtung 300 einzustellen, um die Gasdiffusionsschicht (gas diffusion layer – GDL) 105 anzusaugen und zu übergeben. Beispielsweise kann das an die Gasdiffusionsschicht 105 angebrachte Trennblatt an eine vorgegebene Position abgegeben werden.
In Schritt S510 kann die Bewegungsvorrichtung 300 eingerichtet sein, um die angesaugte Gasdiffusionsschicht 105 an einen Einlass des Förderbandes 315 zu laden. In Schritt S520 kann die Klebstoffschicht-Bildungsvorrichtung 320 eingerichtet sein, um die Klebstoffschicht 115 in einem vorgegebenen Bereich der Gasdiffusionsschicht 105 zu bilden. In Schritt S530 kann die Trocknungsvorrichtung 330 eingerichtet sein, um die Klebstoffschicht 115 unter Verwendung der heißen Luft zu trocknen.
Ferner kann in S540 die Sichtprüfung 340 eingerichtet sein, um die Gestalt (z.B. Form) der in der Gasdiffusionsschicht 105 gebildeten Klebstoffschicht 115 abzutasten, um die erfasste Form an die Steuerung 333 zu übertragen, und die Steuerung 333 kann eingerichtet sein, um zu bestimmen, wann die Form normal ist. In S550 kann die Bewegungsvorrichtung 300 eingerichtet sein, um die von einem Auslass des Förderbandes 315 abgegebene Gasdiffusionsschicht 105 zum Entladen von dem Auslass des Förderbandes 315 anzusaugen, und kann die entladene Gasdiffusionsschicht an einen vorgegebenen Platz laden/ablegen.
In dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann die Breite der Klebstoffschicht ungefähr 2 mm betragen, die Breite der getrockneten Klebstoffschicht kann ungefähr 3 mm betragen und die Temperatur der heißen Luft kann ungefähr 100 °C betragen. Die Steuerung kann eingerichtet sein, um die Gasdiffusionsschicht in eine normale Gasdiffusionsschicht und eine anormale Gasdiffusionsschicht auf der Grundlage der durch die Sichtprüfung erfassten Form aufzuteilen/zu trennen, wenn die Klebstoffschicht getrocknet ist. Die getrennten Schichten können an einen vorgegebenen Platz geladen/abgelegt werden. Um die Qualität der Klebstoffschicht zu verbessern, kann eine Umgebungstemperatur der Klebstoffschicht ungefähr 22 ± 1 °C betragen und eine Umgebungsfeuchte der Klebstoffschicht kann ungefähr 70 ± 10 % betragen. Die Sichtprüfung kann eingerichtet sein, um eine Dicke, eine Breite und eine Position bzw. einen Ort der Klebstoffschicht unter Verwendung eines Laserstrahls abzutasten/zu erfassen. Die Klebstoffschicht-Bildungsvorrichtung kann eingerichtet sein, um eine Zufuhr und eine Ausbringungsmenge des Klebstoffs in Echtzeit zu überwachen.
Während diese Erfindung in Verbindung mit dem beschrieben worden ist, was gegenwärtig als Ausführungsbeispiele erachtet werden, versteht es sich, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern im Gegensatz dazu vorgesehen ist, um verschiedene Abänderungen und äquivalente Anordnungen abzudecken, die innerhalb der Lehre und des Umfangs der beigefügten Ansprüche umfasst sind.
Bezugszeichenliste

100: MEA
105a: obere Gasdiffusionsschicht
105b: untere Gasdiffusionsschicht
115: Klebstoffschicht
120: Zwischendichtung
200: Kathodenelektrode
202: Anodenelektrode
204: Elektrolytmembran
300: Bewegungsvorrichtung
305: Gasdiffusionsschicht-Magazin
310: Trennblatt-Magazin
315: Förderband
320: Klebstoffschicht-Bildungsvorrichtung
330: Trocknungsvorrichtung
333: Steuerung
340: Sichtprüfung
400: Reaktionsgrenze

Claims

Brennstoffzellenkomponente, aufweisend: eine Elektrolytmembran; Elektroden, die auf einer ersten Fläche und einer zweiten Fläche der gebildet sind; eine Zwischendichtung, die Seiten der Elektrolytmembran und der Elektroden abdeckt und sich in einer Breitenrichtung oder einer Längsrichtung der Elektrolytmembran erstreckt; eine Gasdiffusionsschicht, die mit einer Fläche der Zwischendichtung und einer Fläche der Elektrode gekoppelt ist; und eine Klebstoffschicht, die zwischen der Zwischendichtung und der Gasdiffusionsschicht gebildet ist.
Brennstoffzellenkomponente nach Anspruch 1, wobei die Elektrode umfasst: eine auf einer ersten Oberfläche der Elektrolytmembran gebildete Anodenelektrode; und eine auf einer zweiten Oberfläche der Elektrolytmembran gebildet Kathodenelektrode.
Brennstoffzellenkomponente nach Anspruch 2, wobei die Gasdiffusionsschicht umfasst: eine mit der Anodenelektrode gekoppelte obere Gasdiffusionsschicht; und eine mit der Kathodenelektrode gekoppelte untere Gasdiffusionsschicht.
Brennstoffzellenkomponente nach Anspruch 1, wobei die Klebstoffschicht in einem Randbereich der Gasdiffusionsschicht mit Ausnahme eines Abschnitts, der der Elektrode entspricht, gebildet ist.
Brennstoffzellenkomponente nach Anspruch 4, wobei die Klebstoffschicht in dem Randbereich der Gasdiffusionsschicht gebildet ist, so dass sie nicht zu der Außenseite der Zwischendichtung und der Gasdiffusionsschicht freigelegt ist.
Brennstoffzellenkomponente nach Anspruch 4, wobei die Klebstoffschicht kontinuierlich entlang des Randbereichs der Gasdiffusionsschicht gebildet ist.
Brennstoffzellenkomponente nach Anspruch 4, wobei die Klebstoffschicht mit einem Zwischenraum entlang des Randbereichs der Gasdiffusionsschicht gebildet ist.
Brennstoffzellenkomponente nach Anspruch 1, wobei die Elektrolytmembran einen Abstand von den Seiten der Elektroden vorsteht und die Zwischendichtung die Seite der Elektrode und die Seite der Elektrolytmembran abdeckt.
Vorrichtung zum Herstellen einer Brennstoffzellenkomponente, aufweisend: eine Bewegungsvorrichtung, die eingerichtet ist, um eine Gasdiffusionsschicht von einem Magazin, in dem die Gasdiffusionsschicht eingelegt ist, zu einem Einlass eines Förderbandes zu laden, und eingerichtet ist, um die Gasdiffusionsschicht von einer Auslassseite des Förderbandes zu entladen; eine Klebstoffschicht-Bildungsvorrichtung, die über dem Förderband angeordnet ist und eingerichtet ist, um eine Klebstoffschicht in einem Randbereich der Gasdiffusionsschicht zu bilden; eine Trocknungsvorrichtung, die eingerichtet ist, um die in der Gasdiffusionsschicht gebildete Klebstoffschicht zu trocknen; eine Sichtprüfung, die eingerichtet ist, um ein Bild der Gasdiffusionsschicht, auf der die Klebstoffschicht gebildet ist, zu erfassen; und eine Steuerung, die eingerichtet ist, um die Bewegungsvorrichtung, die Klebstoffschicht-Bildungsvorrichtung und die Trocknungsvorrichtung zu steuern, und eingerichtet ist, um das Bild zu verwenden, um eine Form der in der Gasdiffusionsschicht gebildeten Klebstoffschicht zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die die Klebstoffschicht-Bildungsvorrichtung eingerichtet ist, um die Klebstoffschicht in einem Randbereich der Gasdiffusionsschicht zu bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Klebstoffschicht-Bildungsvorrichtung eingerichtet ist, um die Klebstoffschicht kontinuierlich entlang des Randbereichs der Gasdiffusionsschicht zu bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Klebstoffschicht-Bildungsvorrichtung eingerichtet ist, um die Klebstoffschicht mit einem Zwischenraum entlang des Randbereichs der Gasdiffusionsschicht zu bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Trocknungsvorrichtung eingerichtet ist, um erwärmte Luft auf die Gasdiffusionsschicht und die Klebstoffschicht aufzubringen.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Bewegungsvorrichtung eingerichtet ist, um ein an der Gasdiffusionsschicht angebrachtes Zwischenlagepapier/Trennblatt zu trennen und die Gasdiffusionsschicht, von der das Trennblatt abgetrennt ist, zu einem Einlass des Förderbandes zu laden.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Trocknungsvorrichtung eingerichtet ist, um eine Heizplate zu verwenden, um Wärme auf die Gasdiffusionsschicht und die Klebstoffschicht aufzubringen.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Klebstoffschicht-Bildungsvorrichtung umfasst: eine Sprühdüse, die eingerichtet ist, um einen Klebstoff aufzusprühen, um die Klebstoffschicht in einem Randbereich der Gasdiffusionsschicht zu bilden; und eine Abbildungsvorrichtung, die eingerichtet ist, um den von der Sprühdüse aufgesprühten Klebstoff und Bilddaten des aufgesprühten Klebstoffs zu erfassen.