DE102020006845A1

DE102020006845A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung

Info

Publication number: DE102020006845A1
Application number: DE102020006845.6A
Authority: DE
Inventors: Sven Hochmann
Original assignee: Muehlbauer GmbH and Co KG
Current assignee: Mb Automation & Co Kg De GmbH
Priority date: 2020-11-06
Filing date: 2020-11-06
Publication date: 2022-05-12
Also published as: US20230420716A1; WO2022096552A1; EP4241324A1

Abstract

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

Description

Hintergrund
Hier werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung, zum Beispiel einer Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle, beschrieben.
Stand der Technik
Ein bekanntes Verfahren zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle ist das Pick-and-Place-Verfahren. Hierbei können Roboter oder auf Schienen angeordnete Greifer zum Einsatz kommen, welche Bewegungen in unterschiedlichen Raumrichtungen ausführen können, um die unterschiedlichen Komponenten der jeweiligen Membran-Elektroden-Anordnung mit der erforderlichen Genauigkeit zu platzieren. Ein solches Pick-and-Place-Verfahren zum Herstellen von Membran-Elektroden-Anordnungen und Brennstoffzellen in der Großserie ist im Hinblick auf die Materialkosten und auch aufgrund der erforderlichen Handhabung der filigranen und schmutzempfindlichen Komponenten anspruchsvoll.
Weiter ist es bekannt, einen Träger für eine Membran und/oder eine Elektrode als Teil einer durchgängigen Materialbahn bereitzustellen. Die Materialbahn kann hierbei eine Mehrzahl von Bearbeitungsstationen durchlaufen, wobei eine zweite Komponente der Membran-Elektroden-Anordnung mit dem Träger verbunden wird. Ein solches Verfahren wird zum Beispiel durch das Dokument DE 10 2015 010 440 A1 offenbart.
Weitere Membran-Elektroden-Anordnungen sowie zugehörige Fertigungsverfahren sind aus den Dokumenten DE 10 2010 049 548 A1 und DE 10 2011 105 180 A1 bekannt.
Ein Nachteil bekannter Fertigungsverfahren für Membran-Elektroden-Anordnungen mit zumindest zunächst durchgängigen Materialbahnen ist es, dass ein Kleb- oder Haftmittel, welches die Komponenten miteinander verbindet, nicht kontinuierlich auf die Materialbahnen aufgetragen werden kann. Typischerweise wird eine Kleb- oder Haftmittelschicht auf eine der Materialbahnen, meist auf eine Trägerschicht, mit einem Schablonen- oder Flachbettsiebdruckverfahren aufgetragen. Dieses erfordert jedoch zumindest ein kurzeitiges Anhalten der geförderten Materialbahnen für das Auftragen der Kleb- oder Haftmittelschicht.
Alternativ kann das Kleb- oder Haftmittel auch mit mehreren Abgabedüsen auf eine kontinuierlich bewegte Trägerschicht aufgetragen werden. Da die Trägerschicht zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung stets zumindest eine Ausnehmung aufweisen muss, welche durch den aufzutragenden Haft- oder Klebstoff zu umranden ist, sind zur Herstellung eines Haftmittelrahmens jedoch mehrere Abgabedüsen erforderlich, welche jeweils einzeln angesteuert und taktweise aktiviert sowie deaktiviert werden müssen, um einen die Ausnehmung umgebenden Haftmittelrahmen auf der kontinuierlich geförderten Trägerschicht herzustellen. Um eine gleichmäßige Dicke bzw. Mächtigkeit des Haftmittels auf der Trägerschicht sicherzustellen, müssen die mehreren Abgabedüsen hierbei ferner mit unterschiedlichen Zuführungsvorrichtungen verbunden sein, die eine jeweils der vorgesehenen Abgabemenge der einzelnen Düsen entsprechende Haft- oder Klebstoffmenge zuführen. Dieses erfordert jedoch einerseits einen sehr hohen Konstruktionsaufwand und stellt anderseits keinen durchgehenden und die Ausnehmung umschließenden Haft- oder Klebstoffrahmen her, da der Haft- oder Klebstoffbelag nur längs zu einer kontinuierlichen Bewegung der Trägerschicht und nicht quer zu einer kontinuierlichen Bewegung der Trägerschicht aufgetragen werden kann.
Zu lösende Aufgabe
Es besteht somit ein Bedarf an einem verbesserten Fertigungsverfahren und einer verbesserten Herstellungsvorrichtung zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung, die insbesondere das Auftragen eines eine Ausnehmung umformenden Haftmittelbelags auf einen kontinuierlich geförderten Trägerrahmen ermöglicht.
Lösung
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach dem Anspruch 1 sowie durch eine Vorrichtung nach dem unabhängigen Vorrichtungsanspruch gelöst. Ausgestaltungen dieser Lösung werden durch die auf diese Ansprüche zurückbezogenen Ansprüche definiert.
Ein Verfahren zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung umfasst die Schritte:

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

Das Haftmittel kann zum Beispiel ein Klebstoff sein, der zur Fixierung einer Membran oder Elektrode auf dem Trägerrahmen geeignet ist.
Die Membran im Sinne dieses Verfahrens kann insbesondere eine katalysatorbeschichtete Membran (Catalyst Coated Membrane, CCM) für eine Membran-Elektroden-Anordnung, insbesondere für eine Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle, sein.
Die Elektrode kann entweder eine Anode oder eine Kathode, insbesondere eine Anode oder eine Kathode in Form eines Gas Diffusion Layer, GDL, sein.
Optional kann der zumindest eine Trägerrahmen als Abschnitt eines, insbesondere quasi endlosen, Trägersubstrats bereitgestellt werden. Zum Beispiel kann das Trägersubstrat als ein von einer Rolle abrollbares Rollenmaterial bereitgestellt werden.
Ferner können auch die, insbesondere katalysatorbeschichtete, Membran und/oder die Elektrode als Abschnitte eines, insbesondere quasi endlosen, Membran- oder Elektrodenbahnmaterial bereitgestellt werden. Auch das Membran- oder Elektrodenbahnmaterial kann optional als von einer Rolle abrollbares Rollenmaterial bereitgestellt werden.
Die erste Ausnehmung des Trägerrahmens kann ebenso wie beliebige weitere Ausnehmungen des Trägerrahmens zum Beispiel mit einem Stanzverfahren oder mit einem Fräsverfahren hergestellt werden.
Ferner kann das Fertigungsverfahren zumindest einen der folgenden Schritte umfassen:

- Anordnen einer katalysatorbeschichteten Membran auf der ersten Elektrode; und/oder
- Anordnen der katalysatorbeschichteten Membran in der ersten Ausnehmung des Trägerrahmens; und/oder
- Auftragen eines Haftmittelbelags auf die Membran und/oder eine der Elektroden, insbesondere auf die erste Elektrode, wobei der aufgetragene Haftmittelbelag einen ersten Bereich der Elektrode und/oder der Membran zumindest teilweise umgreift, und der Haftmittelbelag durch eine ununterbrochene Abgabe von Haftmittel aus einer Applikatordüse einer weiteren Applikationsvorrichtung auf die Elektrode und/oder die Membran aufgetragen wird und die Applikatordüse eine Durchtrittsfläche aufweist, deren Geometrie während der ununterbrochenen Abgabe des Haftmittels zumindest zeitweise verändert wird.

Die katalysatorbeschichtete Membran kann durch das Anordnen der Elektrode auf dem Haftmittelbelag zumindest teilweise durch die Elektrode und den Trägerrahmen und/oder durch den Haftmittelbelag umschlossen werden.
Eine Vorrichtung zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung umfasst eine Trägerbereitstellungsvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, zumindest einen Trägerrahmen für eine Membran-Elektroden-Anordnung bereitzustellen und eine Fördervorrichtung, die dazu eingerichtet ist, den zumindest einen Trägerrahmen kontinuierlich entlang eines Förderwegs zu fördern.
Eine Applikationsvorrichtung mit einer Applikatordüse ist dazu eingerichtet, einen eine erste Ausnehmung des Trägerrahmens zumindest teilweise umformenden, umgreifenden oder umgebenden Haftmittelbelag auf die kontinuierlich geförderten Trägerrahmen aufzubringen, wobei die Applikationsvorrichtung ferner dazu eingerichtet ist, den Haftmittelbelag durch eine unterbrechungsfreie/ununterbrochene Abgabe von Haftmittel aus der Applikatordüse aufzubringen. Die Applikatordüse weist hierzu eine in ihrer Geometrie während der ununterbrochene Abgabe von Haftmittel veränderliche Durchtrittsfläche auf. Optional kann die Applikatordüse eine Schlitzdüse sein.
Die Applikationsvorrichtung kann zum Beispiel eine Auslassmaske aufweisen, die dazu eingerichtet ist, zumindest einen Teil einer Austrittsöffnung der Applikatordüse während der Abgabe des Haftmittels zumindest zeitweise zu verschließen und/oder die Geometrie der Durchtrittsfläche der Applikatordüse zu verändern, insbesondere zu verkleinern. Ein teilweises Verschließen der Austrittsöffnung der Applikatordüse mit der Auslassmaske verursacht zum Beispiel eine Verkleinerung der Durchtrittsfläche der Applikatordüse.
Ein Vorteil dieser Vorrichtung ist, dass mit der Applikatordüse eine unterbrechungsfreie Abgabe von Haftmittel auf einen kontinuierlich geförderten Trägerrahmen aufgetragen werden kann. Die Auslassmaske, welche einen Teil der Austrittsöffnung der Applikatordüse während der Abgabe des Haftmittels zeitweise verschließt und/oder wieder freigibt und/oder die Geometrie der Durchtrittsfläche der Applikatordüse verändert, ermöglicht es, eine Ausnehmung in dem Haftmittelbelag herzustellen. Im Ergebnis kann so ein Haftmittelbelag hergestellt/aufgetragen werden, der den Trägerrahmen zumindest teilweise oder vollständig umformt/umgibt/umgreift, ohne dass die kontinuierliche Förderung des Trägerrahmens hierfür unterbrochen werden muss.
Ein Umgreifen der Ausnehmung durch den Haftmittelbelag bedeutet, dass der Haftmittelbelag auf der Oberfläche des Trägerrahmens zumindest eine Ausnehmung aufweist, welche die Ausnehmung in dem Trägerrahmen zumindest teilweise umgibt/umrandet/umformt. Ist die Ausnehmung im Haftmittelbelag vollständig vom Haftmittelbelag umgeben, umringt oder umschlossen, sodass auch die Ausnehmung in dem Trägerrahmen vollständig vom Haftmittelbelag auf dem Trägerrahmen umgeben oder umrandet ist, umgreift der Haftmittelbelag auf dem Trägerahmen die Ausnehmung in dem Trägerrahmen vollständig.
Ein weiterer Vorteil ist, dass die Dicke, Höhe und/oder Mächtigkeit des jeweiligen Haftmittelbelags durch eine Steuerung und/oder Regelung einer Haftmittelzufuhr an die Applikatordüse beeinflusst und insbesondere konstant und/oder gleichmäßig hergestellt werden kann. Um einen konstanten/gleichmäßigen Haftmittelbelag herzustellen, kann die Haftmittelzufuhr an die Applikatordüse zum Beispiel für die Dauer des zeitweisen Verschlusses eines Teils der Applikatordüse durch die Auslassmaske und/oder für die Dauer einer zeitweisen Geometrieveränderung der Durchtrittsfläche reduziert werden. Hierdurch kann ein durch eine teilweise verschlossene Applikatordüse aufgetragener Haftmittelbelag die gleiche Dicke/Mächtigkeit/Höhe aufweisen, wie ein Teil des Haftmittelbelags, der von einer vollständig unverschlossenen Applikatordüse mit unveränderter Geometrie der Durchtrittsfläche aufgetragen wurde.
Eine erste Anordnungsvorrichtung ist dazu eingerichtet, eine erste Membran und/oder eine erste Elektrode auf den Haftmittelbelag anzuordnen. Die Membran kann insbesondere eine katalysatorbeschichtete Membran (Catalyst Coated Membrane, CCM) für eine Membran-Elektroden-Anordnung, insbesondere für eine Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle, sein. Die Elektrode kann entweder eine Anode oder eine Kathode, insbesondere eine Anode oder eine Kathode in Form eines Gas Diffusion Layer, GDL, sein.
Optional kann die Vorrichtung weiter eine Stanzvorrichtung und/oder eine Fräsvorrichtung umfassen, die dazu eingerichtet ist, die erste Ausnehmung in den Trägerrahmen durch ein Stanzverfahren und/oder ein Fräsverfahren einzubringen.
Ferner kann die Vorrichtung in einer Variante auch eine zweite Anordnungsvorrichtung aufweisen, die dazu eingerichtet ist, eine katalysatorbeschichtete Membran auf der ersten Elektrode anzuordnen. Die erste Anordnungsvorrichtung kann ferner dazu eingerichtet sein, die erste Elektrode mit der darauf angeordneten katalysatorbeschichteten Membran auf dem Haftmittelbelag anzuordnen. Die katalysatorbeschichtete Membran kann hierbei teilweise oder vollständig in der ersten Ausnehmung des Trägerrahmens angeordnet werden. Alternativ oder ergänzend kann die erste Anordnungsvorrichtung zudem dazu eingerichtet sein, die Elektrode derart auf dem Haftmittelbelag anzuordnen, dass die katalysatorbeschichtete Membran zumindest teilweise durch die Elektrode und den Trägerrahmen und/oder den Haftmittelbelag umschlossen/eingeschlossen ist. Mit anderen Worten kann die erste Anordnungsvorrichtung dazu eingerichtet sein, die Elektrode derart auf dem Haftmittelbelag anzuordnen, dass die katalysatorbeschichtete Membran zwischen der ersten Elektrode und dem Trägerrahmen angeordnet ist.
Ein Vorteil hierbei ist, dass, in einem ersten Fertigungsschritt, eine katalysatorbeschichtete Membran auf der ersten Elektrode angeordnet werden kann und dass, in einem zweiten Fertigungsschritt, die erste Elektrode gemeinsam mit der darauf angeordneten Membran auf dem Trägerrahmen und/oder dem auf dem Trägerrahmen aufgetragenen Haftmittelbelag angeordnet werden kann. Hierdurch kann die Fertigung der Membran-Elektroden-Anordnung erleichtert und gleichzeitig eine Fertigungsgenauigkeit erhöht werden. Ferner kann hierdurch, gegenüber einem sequentiellen Anordnen der Membran und der ersten Elektrode, eine Länge einer Fertigungsstraße für eine Membran-Elektroden-Anordnung reduziert werden. Die Elektrode und/oder die Membran können jeweils als Elektroden- bzw. Membranabschnitte oder als fortlaufendes Bahnmaterial bereitgestellt werden und/oder als Elektroden- bzw. Membranabschnitte oder als fortlaufendes Bahnmaterial aneinander und/oder auf dem Haftmittelbelag angeordnet werden.
Die erste und/oder die zweite Anordnungsvorrichtung können jeweils eine oder mehrere Vakuumtrommeln aufweisen, welche insbesondere zur schlupffreien Handhabung der geförderten Trägerrahmen und/oder Membranen und/oder Elektroden eingerichtet sind.
In einer Weiterbildung kann die Vorrichtung ferner einen Zuflussregler umfassen, der dazu eingerichtet ist, eine Menge des der Applikationsvorrichtung zugeführten Haftmittels zu beeinflussen und hierdurch die Dicke oder die Mächtigkeit des Haftmittelbelags zu bestimmen. Ferner kann der Zuflussregler auch dazu eingerichtet sein, einen Beginn und/oder ein Ende der Abgabe des Haftmittels durch die Applikationsvorrichtung zu bestimmen.
Der Zuflussregler kann insbesondere dazu eingerichtet sein, die Menge des der Applikationsvorrichtung zugeführten Haftmittels so zu beeinflussen/zu regeln, dass der mit der Applikatordüse aufgetragene Haftmittelbelag stets die gleiche Dicke oder Mächtigkeit hat. Mit anderen Worten kann beschrieben werden, dass der Zuflussregler dazu eingerichtet sein kann, die Menge des der Applikationsvorrichtung zugeführten Haftmittels so zu beeinflussen/zu regeln, dass ein zeitweises teilweises Verschließen und/oder ein zeitweises vollständiges Freigeben der Applikatordüse durch die Auslassmaske oder eine Veränderung der Geometrie der Durchtrittsfläche der Applikatordüse die Dicke oder die Mächtigkeit des mit der Applikatordüse aufgetragenen Haftmittelbelags nicht ändert oder nicht beeinflusst. Hierzu kann eine Steuerung der Auslassmaske, welche ein zeitweises teilweises Verschließen und/oder ein zeitweises vollständiges Freigeben der Applikatordüse durch die Auslassmaske steuert, mit dem Zuflussregler gekoppelt sein. Der Zuflussregler kann die Menge des der Applikationsvorrichtung mit der Applikatordüse zugeführten Haftmittels reduzieren, wenn die Auslassmaske zumindest einen Teil der Austrittsöffnung der Applikatordüse während der Abgabe des Haftmittels verschließt. Alternativ oder ergänzend kann der Zuflussregler die Menge des der Applikationsvorrichtung mit der Applikatordüse zugeführten Haftmittels erhöhen, wenn die Auslassmaske die Austrittsöffnung der Applikatordüse während der Abgabe des Haftmittels nicht verschließt.
Ein Vorteil hierbei ist, dass die Dicke bzw. die Mächtigkeit des mit der Applikatordüse aufgetragenen Haftmittelbelags auf dem Trägerrahmen konstant hergestellt werden kann, ohne dass hierzu eine Steuerung, Bewegung, Änderung oder Beeinflussung der Applikatordüse als solche notwendig ist. Ferner können hierdurch, einerseits, komplexe Geometrien für den Haftmittelbelag realisiert werden und, andererseits, die Konstruktion der Applikationsvorrichtung vereinfacht und besonders fehlerunanfällig gestaltet werden. Anders als bei mehreren, zum Beispiel nebeneinander positionierten, Applikatordüsen zum Auftragen mehrerer paralleler Haftmittel- bzw. Klebstoffraupen auf einen kontinuierlich bewegten Trägerrahmen, kann, zum Beispiel durch die Verwendung einer Schlitzdüse als Applikatordüse, so ein Haftmittelbelag mit ebener Kontaktoberfläche für die Membran und/oder Elektrode hergestellt werden, welcher insbesondere keine Vertiefungen zwischen einzelnen Haftmittel- bzw. Klebstoffraupen aufweist. Das Auftreten unbeabsichtigter Lufteinschlüsse zwischen dem Trägerrahmen und der Membran und/oder Elektrode beim Anordnen derselben aneinander kann so vermieden werden.
In einer Variante kann die Fertigungsvorrichtung ferner erste weitere Applikationsvorrichtung und/oder eine zweite weitere Applikationsvorrichtung aufweisen, welche jeweils korrespondierend zur Applikationsvorrichtung aufgebaut und eingerichtet sind, wobei die erste weitere Applikationsvorrichtung und/oder die zweite weitere Applikationsvorrichtung dazu angeordnet sind, jeweils einen Haftmittelbelag auf eine Membran und/oder auf eine Anode anzuordnen.
In einer Variante kann die Vorrichtung zudem eine Anpressvorrichtung, die dazu angeordnet und ausgebildet ist, den Trägerrahmen an die Membran und/oder die Elektrode anzupressen, und/oder eine Haftmittelaushärtungsvorrichtung, die dazu angeordnet und ausgebildet ist, den Haftmittelbelag auszuhärten, aufweisen. Die Härtungsvorrichtung kann insbesondere ein Ofen sein. In einer Weiterbildung kann die Vorrichtung auch eine kombinierte Anpress- und Aushärtungsvorrichtung umfassen, die dazu eingerichtet ist, sowohl den Trägerrahmen an die Membran und/oder die Elektrode anzupressen als auch, zum Beispiel mit beheizten Anpressplatten, zu erwärmen.
Ferner kann die Vorrichtung eine Trennvorrichtung aufweisen, die dazu angeordnet und ausgebildet ist, mehrere kontinuierlich entlang eines Förderwegs geförderte Trägerrahmen, zum Beispiel mehrere als fortlaufendes Bahnmaterial bereitgestellte Trägerrahmen, voneinander zu trennen.
Optional kann eine Inspektionsvorrichtung dazu angeordnet und ausgebildet sein, einen Eigenschaftsfehler und/oder einen Anordnungsfehler der auf dem Haftmittelbelag angeordneten Membran und/oder Elektrode zu ermitteln.
Die Inspektionsvorrichtung kann hierzu insbesondere zumindest einen optisch erfassenden Sensor, zum Beispiel einen Kamerasensor, aufweisen, der dazu angeordnet und ausgebildet ist, einen Lage- und/oder Eigenschaftsfehler der auf dem Haftmittelbelag angeordneten Membran und/oder Elektrode zu ermitteln. Abhängig von diesem Ermitteln kann ein geförderter Trägerrahmen mit einer darauf angeordneten Membran und/oder mit einer darauf angeordneten Elektrode in eine Ausschussaufnahme oder in eine Ablageeinrichtung gefördert werden.
Die erste und/oder die zweite Anordnungsvorrichtung können jeweils zumindest eine Vakuumtrommel aufweisen.
Figurenliste
Weitere Merkmale, Eigenschaften, Vorteile und mögliche Abwandlungen werden für einen Fachmann anhand der nachstehenden Beschreibung deutlich, in der auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen ist. Dabei zeigen die Figuren schematisch jeweils Beispiele für eine Membran-Elektroden-Anordnung und eine Fertigungsvorrichtung für eine Membran-Elektroden-Anordnung.

1 zeigt ein Beispiel für einen Trägerrahmen und für eine Membran-Elektroden-Anordnung.
2 zeigt ein Beispiel für eine Vorrichtung zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung.
3 zeigt ein Beispiel für einen Trägerrahmen mit einem Haftmittelbelag.
4 - 6 zeigen ein Beispiel für eine Applikationsvorrichtung mit einer schlitzförmigen Applikatordüse.

Detaillierte Beschreibung der Figuren
Sofern nicht explizit anders angegeben sind übereinstimmende oder in ihrer Funktion vergleichbare Vorrichtungen und Vorrichtungsbestandteile in den schematischen 1 bis 6 mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen.
1 zeigt einen Trägerrahmen 20 für eine Membran-Elektroden-Anordnung 1. Der Trägerrahmen 20 weist eine erste Ausnehmung 22 und mehrere weitere Ausnehmungen 24 auf. Im gezeigten Beispiel ist der Trägerrahmen 20 bereits von einem mehrere Trägerrahmen umfassenden Bahnmaterial separiert. Dieses ist zur Fertigung einer Membran-Elektroden-Anordnung jedoch nicht zwingend notwendig. Vielmehr können alternativ auch mehrere Membran-Elektroden-Anordnungen auf einem fortlaufenden Träger-Bahnmaterial mit mehreren Trägerrahmen gefertigt werden und anschließend voneinander separiert werden.
Ferner zeigt die 1 schematisch den Aufbau einer zu fertigenden Membran-Elektroden-Anordnung 1. Die Membran-Elektroden-Anordnung 1 umfasst den Trägerrahmen 20 mit der ersten Ausnehmung 22. Die erste Ausnehmung 22 ist hierbei von einem Haftmittelbelag 26 umformt, der auf den Trägerrahmen 20 aufgetragen ist. Auf dem Trägerrahmen 20 mit dem Haftmittelbelag 26 sind eine katalysatorbeschichtete Membran 30 sowie eine Kathode 40 angeordnet. Auf der der Kathode 40 abgewandten Oberfläche des Trägerrahmens 20 sind ein weiterer Haftmittelbelag 26 sowie eine Anode 10 angeordnet. Die Kathode 40 und die Anode 10 sind im gezeigten Beispiel jeweils als Schichtelektrode ausgebildet.
Wie in der 1 gezeigt, kann die katalysatorbeschichtete Membran 30 auf einer Oberfläche der Kathode 40 angeordnet sein, wobei sowohl die Kathode 40 als auch die Membran 30 auf dem Trägerrahmen 20 mit dem darauf aufgetragenen Haftmittelbelag 26 angeordnet sind. Optional kann hierbei sowohl zumindest ein Teil der Membran 30 als auch ein Teil der Kathode 40 unmittelbar auf dem Haftmittelbelag 26 angeordnet sein.
Die 2 zeigt ein Beispiel für eine Vorrichtung 1000 zur Fertigung von Membran-Elektroden-Anordnungen 1.
Im gezeigten Beispiel werden mehrere Trägerrahmen 20 als fortlaufendes quasi-unendliches Rollenmaterial bereitgestellt und durch eine Fördervorrichtung 100 kontinuierlich in der Förderrichtung F an verschiedenen Fertigungsstationen vorbei gefördert. Die Fertigungsstationen nehmen hierbei jeweils Verarbeitungsschritte zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung vor und/oder stellen Fertigungskomponenten für diese bereit.
In einem ersten beispielhaften Bearbeitungsschritt bringt eine Stanzvorrichtung 200 die erste Ausnehmung 22 sowie die weiteren Ausnehmungen 24 in den Trägerrahmen 20 ein. Während des Einbringens der ersten Ausnehmung 22 und/oder der weiteren Ausnehmungen 24 kann der Trägerrahmen 20 weiter kontinuierlich in Förderrichtung gefördert werden. Je nach Ausführungsform können die erste Ausnehmungen 22 sowie die weiteren Ausnehmungen 24 von derselben oder von unterschiedlichen Vorrichtungen in den Trägerrahmen eingebracht werden. In alternativen Ausführungsformen der Fertigungsvorrichtung 1000 können die Trägerrahmen 20 auch mit bereits eingebrachten Ausnehmungen 22, 24 bereitgestellt werden, sodass auf die Stanzvorrichtung 200 zur Herstellung von Membran-Elektroden-Anordnungen auch verzichtet werden kann.
Anschließend wird im gezeigten Beispiel ein rahmenartiger Haftmittelbelag 26 auf den Trägerrahmen 20 aufgetragenen, welcher die erste Ausnehmung 22 des Trägerrahmens 20 umformt. Hierzu umfasst die Vorrichtung 1000 die Applikationsvorrichtung 300, die nachfolgend noch genauer erläutert wird. Die kontinuierliche Förderung der Trägerrahmen 20 durch die Fördervorrichtung 100 wird während des Auftragens des Haftmittelbelags 26 nicht unterbrochen.
Ferner weist die gezeigte Vorrichtung 1000 eine erste Anordnungsvorrichtung 400 auf, die jeweils eine katalysatorbeschichtete Membran 30 sowie eine Kathode 40 auf den Trägerrahmen 20 mit den Haftmittelaufträgen 26 anordnet. Die erste Anordnungsvorrichtung 400 umfasst beispielsweise eine Vakuumtrommel, welche die schlupffreie Handhabung der Vorrichtungskomponenten ermöglicht und ordnet sowohl die Membranen 30 als auch die Kathoden 40 auf den kontinuierlich geförderten Trägerrahmen 20 an. Dieses wird dadurch ermöglicht, dass die bereitgestellten Membranen 30 sowie die bereitgestellten Kathoden 40 bereits zuvor durch eine zweite Anordnungsvorrichtung 500, welche ebenfalls eine Vakuumtrommel umfasst, aneinander angeordnet bzw. miteinander verbunden werden und so jeweils als Membran-Kathoden-Kombination bereitgestellt werden.
Mit anderen Worten kann beschrieben werden, dass die erste Anordnungsvorrichtung 400 dazu eingerichtet ist, jeweils eine erste Elektrode auf den Trägerrahmen 20 mit den Haftmittelaufträgen 26 anzuordnen, wobei auf einer den Trägerrahmen 20 während des Anordnens zugewandten Oberfläche der Elektroden jeweils eine katalysatorbeschichtete Membran 30 angeordnet ist, sodass die Membranen 30 nach dem Anordnen jeweils zwischen den Trägerrahmen 20 und den Elektroden angeordnet sind und/oder in der ersten Ausnehmung der Trägerrahmen 20 angeordnet sind.
Weiter weist die gezeigte Vorrichtung eine weitere Anordnungsvorrichtung 600 auf, die ebenfalls eine Vakuumtrommel umfasst und dazu eingerichtet ist, jeweils eine Anode 10 auf einer der Kathode 40 abgewandten Seite der Trägerrahmen 20 anzuordnen. Hierzu kann zuvor entweder auf die Anode 10 oder auf die der Kathode 40 abgewandte Seite der Trägerrahmen 20 ein weiterer Haftmittelbelag angeordnet werden.
Analog zu den Trägerrahmen 20 können auch die Membranen 30, die Kathoden 40 und/oder die Anoden 50 jeweils einzeln oder als fortlaufendes quasi-unendliches Bahnmaterial bereitgestellt werden, welches vor, während oder nach der Herstellung der Membran-Elektroden-Anordnungen voneinander getrennt wird.
Beispielsweise können die Membranen 30 nach dem Vereinzeln aus dem fortlaufenden quasi-unendlichen Bahnmaterial auf dem fortlaufenden quasi-unendlichen Bahnmaterial, aus welchem die Kathoden 40 oder Anoden 50 vereinzelt werden, klebend angeordnet werden. Ferner weißt die gezeigte Fertigungsvorrichtung 1000 eine Anpressvorrichtung 700 und eine Haftmittelaushärtungsvorrichtung 750 auf. Die Anpressvorrichtung 700 ist dazu angeordnet und ausgebildet, die Elektroden 10, 40 an die Membran 30 und/oder an den Trägerrahmen 10 anzupressen. Die Haftmittelaushärtungsvorrichtung 750 ist dazu angeordnet und ausgebildet die Membran-Elektroden-Anordnung 1 zu erwärmen und hierdurch auszuhärten.
In einer Variante kann die Fertigungsvorrichtung 1000 ferner erste weitere Applikationsvorrichtung 310 und/oder eine zweite weitere Applikationsvorrichtung 320 aufweisen, welche jeweils korrespondierend zur Applikationsvorrichtung 300 aufgebaut und eingerichtet sind, wobei die erste weitere Applikationsvorrichtung 310 und/oder die zweite weitere Applikationsvorrichtung 320 dazu angeordnet sind, jeweils einen Haftmittelbelag auf die Membranen 30 und/oder auf die Anoden 50 anzuordnen.
Nach dem Aushärten des Haftmittelbelags können die einzelnen Trägerrahmen 20 bzw. gefertigten Membran-Elektroden-Anordnungen 1 mit einer Trennvorrichtung 800 voneinander getrennt werden. Wie bereits zur 1 ausgeführt, muss das Trennen der Trägerrahmen 20 voneinander jedoch nicht an dieser Stelle geschehen. Alternativ können die Membran-Elektroden-Anordnungen auch mit einzelnen Trägerrahmen gefertigt werden, welche bereits vor oder während der Anordnung der Membran 30 und/oder der Elektroden 10, 40 voneinander getrennt wurden.
Weiter zeigt die 2 die Inspektionsvorrichtung 900, die zumindest einen Kamerasensor umfasst und dazu eingerichtet ist, Lage- und/oder Eigenschaftsfehler der gefertigten Membran-Elektroden-Anordnungen 1 auf der Transportvorrichtung 100 zu ermitteln. Abhängig von diesem Ermitteln können die Membran-Elektroden-Anordnungen 1 von der Transportvorrichtung 100 entweder in eine Ausschussaufnahme oder in eine Ablagevorrichtung gefördert werden.
Die 3 zeigt ein Beispiel für einen Trägerrahmen 20 mit einer ersten Ausnehmung 22 und einem auf den Trägerrahmen 20 aufgetragenen Haftmittelbelag 26, der die erste Ausnehmung 22 vollständig umformt. Optional kann der gezeigte Trägerrahmen auch weitere Ausnehmungen aufweisen, die in der 3 aus Übersichtsgründen jedoch nicht gezeigt sind.
Wie in der 4 gezeigt, kann der Haftmittelbelag 26 mit der Applikationsvorrichtung 300 auf den Trägerrahmen 20 aufgetragen werden. Die in der 4 gezeigte Applikationsvorrichtung 300 hat hierzu eine Schlitzdüse 320, aus der das Haftmittel 26 auf die Trägervorrichtung aufgetragen wird. Das Haftmittel wird der Applikationsvorrichtung 300 hierzu von einer nicht gezeigten Haftmittelversorgungsvorrichtung zugeführt. Wie in der 4 schematisch gezeigt, kann mit der Schlitzdüse 320 ein flächiger Haftmittelbelag 26 mit einer konstanten Dicke bzw. Mächtigkeit auf den Trägerrahmen 20 aufgetragen werden.
Um, wie in der 5 gezeigt, einen die erste Ausnehmung 22 umgebenden bzw. umformenden Haftmittelbelag 26 herzustellen, kann ein Teil der Schlitzdüse 320 zeitweise von einer Auslassmaske 340 verschlossen werden, während der Trägerrahmen 20 von der Fördervorrichtung 100 kontinuierlich in der Förderrichtung F gefördert wird. Hierdurch wird lediglich durch die unverschlossenen Abschnitte der Schlitzdüse 320 Haftmittel abgegeben bzw. ein Haftmittelbelag 26 auf dem Trägerrahmen 20 angeordnet, welcher die erste Ausnehmung 22 in dem Trägerrahmen 20 umgibt/umringt.
Mit anderen Worten kann beschrieben werden, dass die Geometrie der Durchtrittsfläche der Schlitzdüse 320 durch die Auslassmaske 340 zumindest zeitweise verändert wird. Genauer wird die Durchtrittsfläche der Schlitzdüse 320 durch die Auslassmaske 340 zumindest zeitweise verkleinert/verringert.
Um die Dicke oder Mächtigkeit des auf den Trägerrahmen 20 aufgetragenen Haftmittelbelags 26 konstant zu halten, kann ein nicht gezeigter Zuflussregler die Menge des der Applikationsvorrichtung 300 zugeführten Haftmittels für die Dauer des teilweisen Verschlusses der Schlitzdüse 320 durch die Auslassmaske 340 reduzieren. Eine Regelung bzw. Steuerung der Applikationsvorrichtung 300, insbesondere der Auslassmaske 340, kann hierzu mit dem Zuflussregler gekoppelt sein.
Wie in der 6 gezeigt, kann die Auslassmaske 340 nach einer vorbestimmten Zeitdauer oder nach einem bestimmten Förderfortschritt des Trägerrahmens 20 die Schlitzdüse 320 wieder vollständig oder teilweise freigeben. Mit anderen Worten kann nach einer vorbestimmten Zeitdauer oder nach einem bestimmten Förderfortschritt des Trägerrahmens 20 eine ursprüngliche Geometrie der Durchtrittsfläche der Schlitzdüse 320 wiederhergestellt werden. Hierdurch kann ein die erste Ausnehmung 22 teilweise oder vollständig umgebender Haftmittelbelag 26 auf den Trägerrahmen 20 aufgetragen werden, ohne dass die kontinuierliche Förderung des Trägerrahmens 20 hierfür unterbrochen werden müsste. Die Zuflussregelung kann nach der vollständigen oder teilweisen Freigabe der Schlitzdüse 320 durch die Auslassmaske 340 die Menge des der Applikationsvorrichtung 300 zugeführten Haftmittels wieder erhöhen, um eine konstante Dicke bzw. Mächtigkeit des Haftmittelbelags 26 zu gewährleisten.
Die vorangehend beschriebenen Varianten des Produkts sowie deren Struktur und Betriebsweise dienen lediglich dem besseren Verständnis der Struktur, der Funktionsweise und der Eigenschaften; sie schränken die Offenbarung nicht etwa auf die Ausführungsbeispiele ein. Die Figuren sind teilweise schematisch, wobei wesentliche Eigenschaften und Effekte zum Teil deutlich vergrößert dargestellt sind, um die Funktionen, Wirkprinzipien, technischen Ausgestaltungen und Merkmale zu verdeutlichen. Dabei können jede Funktionsweise, jedes Prinzip, jede technische Ausgestaltung und jedes Merkmal, welches/welche in den Figuren oder im Text offenbart ist/sind, mit allen Ansprüchen, jedem Merkmal im Text und in den anderen Fig., anderen Funktionsweisen, Prinzipien, technischen Ausgestaltungen und Merkmalen, die in dieser Offenbarung enthalten sind oder sich daraus ergeben, frei und beliebig kombiniert werden, so dass alle denkbaren Kombinationen der beschriebenen Vorgehensweise zuzuordnen sind. Dabei sind auch Kombinationen zwischen allen einzelnen Ausführungen im Text, das heißt in jedem Abschnitt der Beschreibung, in den Ansprüchen und auch Kombinationen zwischen verschiedenen Varianten im Text, in den Ansprüchen und in den Figuren umfasst. Auch die Ansprüche limitieren nicht die Offenbarung und damit die Kombinationsmöglichkeiten aller aufgezeigten Merkmale untereinander. Alle offenbarten Merkmale sind explizit auch einzeln und in Kombination mit allen anderen Merkmalen hier offenbart.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015010440 A1 [0003]
DE 102010049548 A1 [0004]
DE 102011105180 A1 [0004]

Claims

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