DE102020130578A1

DE102020130578A1 - Verfahren zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung sowie eine Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102020130578A1
Application number: DE102020130578.8A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Kiener; Stefan Kiener
Original assignee: LACOM GmbH
Current assignee: AUMANN LAUCHHEIM GMBH, DE
Priority date: 2020-11-19
Filing date: 2020-11-19
Publication date: 2022-05-19
Also published as: EP4248510A1; WO2022106235A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Membran-Elektroden-Anordnung (25) für eine Brennstoffzelle, mit einer ersten und zweiten Stützfolie (26, 27), die jeweils Ausschnitte (29) aufweisen, mit einem Membranfolienzuschnitt (31), der eine Elektrolytmembran (14) als Trägerschicht umfasst, auf welcher beidseitig eine Katalysatorschicht vorgesehen ist, wobei gegenüber den Katalysatorschichten (16, 17) ein umlaufender Rand (32) der Elektrolytmembran (14) ausgebildet ist, wobei jeweils eine Außenseite des umlaufend hervorstehenden Randes (32) des Membranfolienzuschnittes (31) mit der zum Rand (32) weisenden Seite der Stützfolie (26, 27) fest verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle, welche mehrschichtig aufgebaut ist sowie eine solche Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle.
Aus der US 2010/0151350 A sind ein Aufbau einer Membran-Elektroden-Anordnung sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung bekannt. Bei dieser Membran-Elektroden-Anordnung wird eine Trägerschicht mit einer darauf aufgebrachten Stützfolie einem Rotationsstanzwalzenpaar zugeführt, um einen Ausschnitt in die Stützfolie einzubringen. Nachfolgend wird die Trägerschicht mit dem geschnittenen Ausschnitt abgezogen und die Stützfolie einer Bearbeitungsstation zugeführt, in welcher Zuschnitte einer Elektrolytmembran auf die Stützfolie aufgebracht werden. Diese Zuschnitte der Elektrolytmembran werden aus einer sogenannten CCM-Membran gewonnen. Diese Elektrolytmembran wird zum Ausschnitt in der ersten Stützfolie ausgerichtet. Der Reststreifen, aus welchem die Elektrolytmembran ausgeschnitten wurde, wird abgeführt.
Darauffolgend wird an der gegenüberliegenden Seite der ersten Stützfolie eine zweite Stützfolie mit Ausschnitten aufgebracht, wobei dessen Ausschnitte zu jenen der ersten Stützfolie ausgerichtet sind. Die Elektrolytmembran ist dazwischenliegend angeordnet. Anschließend wird eine weitere Trägerschicht mit Katalysatorschichten in einem Rotationsstanzwalzenpaar geschnitten. Danach wird die Trägerschicht mit den geschnittenen Katalysatorschichten auf jede Seite der Elektrolytmembran aufgebracht. Darauffolgend wird die jeweilige Trägerschicht abgezogen, sodass die Katalysatorschicht auf der Elektrolytmembran verbleibt. Des Weiteren ist die zweite Stützfolie durch eine Klebeschicht mit der ersten Stützfolie verklebt, wobei in einem Bereich, in welchem die Elektrolytmem-bran zwischen der ersten und zweiten Stützfolie angeordnet ist, die Elektrolytmembran nicht mit der ersten und zweiten Stützfolie verklebt ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung sowie eine Membran-Elektroden-Anordnung vorzuschlagen, bei welcher die Herstellkosten reduziert werden, um eine bessere Marktdurchdringung für die Brennstoffzellentechnologie zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle, gelöst,

- bei dem eine erste Stützfolie als Bahnmaterial bereitgestellt wird,
- bei dem in die erste Stützfolie aufeinanderfolgend und mit Abstand zueinander Ausschnitte eingebracht werden,
- bei dem die mit Ausschnitten versehene Stützfolie einer Bearbeitungsstation zugeführt wird,
- bei dem eine Membranfolie der Bearbeitungsstation zugeführt wird, welche eine bahnförmige Elektrolytmembran umfasst, auf welcher beidseitig in einem Format Katalysatorschichten aufgebracht sind,
- bei dem die Membranfolien in der Bearbeitungsstation in Membranfolienzuschnitte zugeschnitten werden, sodass ein umlaufender Rand der Elektrolytmembran gegenüber dem Format der Katalysatorschichten verbleibt,
- bei dem die Membranfolienzuschnitte zu den Ausschnitten in der ersten Stützfolie ausgerichtet und aufgebracht werden,
- bei dem eine zweite Stützfolie als Bahnmaterial bereitgestellt wird,
- bei dem in die zweite Stützfolie aufeinanderfolgend mit Abstand zueinander ausgerichtete Abschnitte eingebracht werden,
- bei dem die zweite Stützfolie mit den Ausschnitten zu den der ersten Stützfolie gegenüberliegenden Katalysatorschichten der Membranfolienzuschnitte auf der ersten Stützfolie ausgerichtet und aufgebracht wird, und
- bei dem die erste und zweite Stützfolie mit den dazwischen angeordneten Membranfolienzuschnitten fest zu einem Folienverbund miteinander verbunden werden.

Dieses Verfahren weist den Vorteil auf, dass die Herstellung der Membran-Elektroden-Anordnung in einem automatisierten Prozess ermöglicht ist und somit hohe Verarbeitungsgeschwindigkeiten und Stückzahlen erzielt werden können.
Bevorzugt werden die erste und/oder die zweite Stützfolie trägerschichtfrei bereitgestellt. Dies ermöglicht eine weitere Prozessoptimierung.
Vorteilhafterweise wird die erste und/oder zweite Stützfolie mit einer einseitigen Klebebeschichtung bereitgestellt. Dadurch können die einzelnen nachfolgenden Schichten unmittelbar darauf aufgebracht und vorfixiert werden. Alternativ kann in einer Klebestation einseitig auf die erste und/oder zweite Stützfolie eine Klebemittelschicht aufgebracht werden.
In einem weiteren Herstellungsschritt werden bevorzugt in die erste Stützfolie vor dem Zuführen in die Bearbeitungsstation die Ausschnitte durch Stanzen oder Laserschneiden eingebracht. Beide Herstellungsmöglichkeiten können bei einem kontinuierlichen Prozess eingesetzt werden.
In die zweite Stützfolie können vor dem Zuführen auf die mit der ersten Stützfolie bestückten Membranfolienzuschnitte die Ausschnitte durch Stanzen oder Laserschneiden eingebracht werden. Durch die Redundanz der Arbeitsstationen kann wiederum eine Kostenreduzierung des Herstellungsprozesses ermöglicht sein.
In der Bearbeitungsstation werden bevorzugt die Membranzuschnitte mit einem gegenüber den beidseitig auf die Elektrolytmembran aufgebrachten Katalysatorschichten umlaufenden Rand geschnitten, sodass der umlaufende Rand gegenüber allen Seitenkanten des Formats der Katalysatorschichten mit einem Überstand mit gleicher Breite ausgebildet ist. Dadurch kann eine sichere Aufnahme der Membranfolienzuschnitte zwischen den beiden Stützfolien ermöglicht sein. Zudem kann dadurch eine hohe Dichtheit geschaffen werden, welche beim Einsatz von mehreren übereinander angeordneten Membran-Elektroden-Anordnungen zu einer Brennstoffzelle von Vorteil ist.
Die Katalysatorschichten können in einem quadratischen oder rechteckförmigen Format auf der Elektrolytmembran aufgebracht sein, und die Ausschnitte in der ersten und zweiten Stützfolie werden bevorzugt an das quadratische oder rechteckförmige Format der Katalysatorschichten angepasst. Vorteilhafterweise ist die Größe der Ausschnitte, welche in die erste und zweite Stützfolie eingebracht werden, gleich oder geringfügig kleiner als das Format der Katalysatorschichten ausgebildet. Dadurch können geforderte Toleranzen gut eingehalten werden. Beispielsweise können die Katalysatorschichten mit einer Toleranz +/- 0,1 mm zwischen den Rändern der Ausschnitte in den Stützfolien eingebracht sein. Diese Präzision beim Einbringen der Katalysatorschichten der Membranfolienzuschnitte in die Ausschnitte der Stützfolien ist ein maßgeblicher Faktor für eine Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle. Dadurch können höhere Packungsdichten und somit eine reduzierte Größe der Brennstoffzelle ermöglicht sein.
Des Weiteren wird bevorzugt der gegenüber dem Format der Katalysatorschichten überstehende Rand des Membranfolienzuschnittes zwischen der ersten und zweiten Stützfolie beidseitig verklebt. Dadurch kann eine hohe Dichtigkeit einer solchen Membran-Elektroden-Anordnung sichergestellt werden.
Vorteilhafterweise wird auf jeder Seite der Membranfolienzuschnitte des hergestellten Folienverbundes gleichzeitig oder aufeinanderfolgend zumindest eine Gasdiffusionslage auf die jeweilige Katalysatorschicht aufgebracht.
Vor dem Aufbringen der Gasdiffusionslage wird bevorzugt auf die jeweilige Katalysatorschicht des Membranfolienzuschnittes eine Klebeschicht, insbesondere in einer Klebebeschichtungsstation, aufgebracht. Dies ermöglicht des Weiteren einen kontinuierlichen Herstellungsprozess.
Insbesondere wird die Gasdiffusionslage in einer weiteren Bearbeitungsstation zugeschnitten und auf die jeweilige Katalysatorschicht der Membranfolienzuschnitte aufgebracht sowie mit diesen verklebt. In dieser weiteren Bearbeitungsstation können beispielsweise die Gasdiffusionslagen durch ein Rotationsstanzwalzenpaar zugeschnitten und darauffolgend aufgebracht werden.
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform zur Herstellung der Membranfolienzuschnitte wird die Bearbeitungsstation durch ein Vakuum-Stanzwalzenpaar hergestellt, wobei die Membranfolienzuschnitte mit einer Rotationsstanze zugeschnitten und darauffolgend mit einer Vakuum-Stanzgegenwalze auf die erste Stützfolie aufgebracht beziehungsweise in dem Ausschnitt der ersten Stützfolie positioniert wird.
Alternativ kann die Bearbeitungsstation durch ein Rotations-Stanzwalzenpaar geschnitten werden, wobei Haltestege zwischen dem Membranfolienzuschnitt und dem verbleibenden Bahnmaterial ausgebildet werden sowie mit einer in Förderrichtung dem Rotations-Stanzwalzenpaar nachfolgend angeordneten Ausdrück- und Laminierwalze die Membranfolienzuschnitte ausgedrückt und in den Ausschnitten der ersten Stützfolie positioniert und auf die Stützfolie aufgebracht werden.
Des Weiteren werden bevorzugt die einander gegenüberliegenden Längskanten des hergestellten Folienverbundes auf eine konstante Breite geschnitten, vorzugsweise mittels eines Lasers. Dadurch werden die Ränder der übereinanderliegenden Stützfolien gleichzeitig geschnitten, sodass deren Ränder deckungsgleich sind.
Vorteilhafterweise kann der hergestellte Folienverbund, insbesondere nach dem Beschneiden des Folienverbundes auf eine konstante Breite, in Membran-Elektroden-Anordnungen vereinzelt werden. Beispielsweise kann die Vereinzelung durch Stanzen oder mittels eines Lasers durch Querschneiden ermöglicht sein.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass die erste Stützfolie, die zweite Stützfolie und die Membranfolie als Halbzeuge auf einer Rolle bereitgestellt und zugeführt werden. Dies ermöglicht einen kontinuierlichen Herstellungsprozess, der darüber hinaus eine hohe Präzisierung in der Ausrichtung der einzelnen Schichten beziehungsweise der Ausschnitte der Stützfolien zu den Katalysatorschichten der Membranfolie ermöglicht.
Das Aufbringen der Membranfolienzuschnitte auf die erste Stützfolie und das Zuführen der zweiten Stützfolie auf die erste Stützfolie wird vorteilhafterweise mit einer kontinuierlichen Bahngeschwindigkeit angesteuert. Dadurch kann eine hohe Stückzahl gefertigt und somit die Herstellkosten reduziert werden.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird des Weiteren durch eine Membran-Elektroden-Anordnung gelöst, bei der eine erste und zweite Stützfolie jeweils einen Ausschnitt sowie einen Membranfolienzuschnitt aufweist, der eine Elektrolytmembran umfasst, auf welcher beidseitig eine Katalysatorschicht vorgesehen ist und gegenüber den beidseitig aufgebrachten Katalysatorschichten hervorstehend ein umlaufender Rand aus der Elektrolytmembran ausgebildet ist, wobei der umlaufend hervorstehende Rand des Membranfolienzuschnittes jeweils mit der zum umlaufenden Rand weisenden Seite der Stützfolie fest verbunden ist. Dadurch kann eine hohe Dichtheit dieser Membran-Elektroden-Anordnung erzielt werden. Vorteilhafterweise ist der umlaufende Rand beidseitig zur jeweiligen Stützfolie verklebt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind der Ausschnitt der ersten Stützfolie und der Ausschnitt der zweiten Stützfolie deckungsgleich zueinander ausgerichtet. Dadurch kann ein gleichbleibend dimensionierter Überlappungsbereich zwischen den jeweiligen Stützfolien und dem außen umlaufenden Rand des Membranfolienzuschnitts ermöglicht sein.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen derselben werden im Folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Beispiele näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmenden Merkmale können einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination erfindungsgemäß angewandt werden. Es zeigen:

1 einen grundsätzlichen Aufbau einer bekannten Brennstoffzelle,
2 eine schematische Schnittansicht eines Folienverbundes für eine Membran-Elektroden-Anordnung,
3 eine schematische Ansicht auf den Folienverbund gemäß 2,
4 eine schematische Seitenansicht einer Anlage zur Herstellung der Membran-Elektroden-Anordnung,
5 eine schematische Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform zu 4,
6 eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Membran-Elektroden-Anordnung,
7 eine schematische Ansicht von oben auf die alternative Ausführungsform gemäß 6, und
8 eine schematische Teilansicht der Anlage zur Herstellung der alternativen Ausführungsform der Membran-Elektroden-Anordnung gemäß 6.

In 1 ist eine Brennstoffzelle 11 bezüglich deren Grundkomponenten schematisch dargestellt. Beidseitig zu einer Elektrolytmembran 14 sind Katalysatorschichten 16, 17 vorgesehen, wobei an der Katalysatorschicht 16 (Anode) der Wasserstoff in Wasserstoffionen H⁺ und in Elektronen e^-aufgetrennt wird. Die Elektrolytmembran 14 ermöglicht nur einen Durchgang für Wasserstoffionen oder Protonen sowie Wasser, um zur weiteren Katalysatorschicht 17, der Kathode, zu gelangen. Bevorzugt wandern die Elektroden durch einen elektrischen Schaltkreis in Form eines elektrischen Stroms. Dieser kann an eine Batterie, insbesondere eine wiederaufladbare Batterie, übergeführt werden. Beidseitig zu den Katalysatorschichten 16, 17 sind Gasdiffusionslagen (GDL) 18, 19 vorgesehen. Jeweils außerhalb dieser Gasdiffusionslagen 18, 19 sind eine erste Platte und eine zweite Platte 21, 22 vorgesehen. Die erste Platte 21 ist mit Wasserstoff durchströmbar. Die zweite Platte 22 ist mit Sauerstoff durchströmbar, wobei an der Oberfläche der Katalysatorschicht 17 Wasser und Wärme gebildet und über diese zweite Platte 22 abgeführt wird.
Diese Brennstoffzelle 11 kann mit einer Vielzahl von weiteren Brennstoffzellen 11 kombiniert und gestapelt werden. Die Anzahl der gestapelten Brennstoffzellen 11 bestimmt die Gesamtspannung beziehungsweise Netzspannung, wobei die Oberfläche der einzelnen Brennstoffzellen den gesamten Strom bestimmt. Die gesamte elektrische Leistung, die durch einen solchen Stapel von Brennstoffzellen 11 erzeugt wird, kann durch das Produkt aus Spannung und Strom ermittelt werden.
In 2 ist eine schematische Schnittansicht eines Folienverbundes 35 zur Herstellung von Membran-Elektroden-Anordnungen 25 (MEA) dargestellt. Durch das Einbringen von Trennschnitten 36 wird der Folienverbund 35 in Membran-Elektroden-Anordnungen 25 vereinzelt. Die Membran-Elektroden-Anordnungen 25 umfassen zumindest die Elektrolytmembran 14 und die Katalysatorschichten 16, 17 als auch eine erste und zweite Stützfolie 26, 27. Die erste und zweite Stützfolie 26, 27 wurden der Einfachheit halber in 1 nicht dargestellt.
Üblicherweise wird diese erste Stützfolie 26 als Subgasket 1 und die zweite Stützfolie 27 als Subgasket 2 bezeichnet. Diese haben die Aufgabe, die Elektrolytmembran 14 mechanisch und/oder statisch zu stützen, ohne dass dadurch ein Einfluss auf die ablaufenden elektrochemischen Prozesse der Brennstoffzelle 11 genommen wird. Diese Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) 25 ist folgendermaßen aufgebaut:
Die erste Stützfolie 26 sowie die zweite Stützfolie 27 weisen jeweils Ausschnitte 29 auf. Zwischen der ersten und zweiten Stützfolie 26, 27 ist ein Membranfolienzuschnitt 31 vorgesehen. Dieser Membranfolienzuschnitt 31 besteht aus einer Elektrolytmembran 14, welche vorzugsweise als eine Polymerelektrolytmembran ausgebildet ist. Beidseitig zur Elektrolytmembran 14 sind die Katalysatorschichten 16, 17 vorgesehen. Die Katalysatorschicht 16 bildet die Anode. Die Katalysatorschicht 17 bildet die Kathode. Diese Katalysatorschichten 16, 17 sind vorzugsweise deckungsgleich übereinanderliegend und mit demselben Format ausgebildet. Beispielsweise ist ein rechteckförmiges Format vorgesehen, alternativ kann auch ein quadratisches Format ausgebildet sein. Der Membranfolienzuschnitt 31 umfasst einen umlaufenden Rand 32, der aus der Elektrolytmembran 14 besteht. Dieser umlaufende Rand 32 erstreckt sich vollständig umlaufend zu den Katalysatorschichten 16, 17. Bevorzugt ist die Breite des Randes 32 entlang jeder Längsseite des Formates der Katalysatorschichten 16, 17 in der Größe gleich ausgebildet. Der Membranfolienzuschnitt 31 ist mit der Katalysatorschicht 16, 17 in dem jeweiligen Ausschnitt 29 der ersten und zweiten Stützfolie 26, 27 angeordnet. Der umlaufende Rand 32 erstreckt sich über die Ausschnitte 29 zwischen der ersten Stützfolie 26 und der zweiten Stützfolie 27 hinaus. Dadurch ist ein Überlappungsbereich 33 zwischen dem umlaufenden Rand 32 und jeder dem umlaufenden Rand 32 zugeordneten Seite der ersten und zweiten Stützfolie 26, 27 ausgebildet. In diesem Überlappungsbereich 33 ist der umlaufende Rand 32 mit der ersten und zweiten Stützfolie 26, 27 fest verbunden. Vorzugsweise ist eine Klebeverbindung vorgesehen. Des Weiteren sind außerhalb des umlaufenden Randes 32 die erste und zweite Stützfolie 26, 27 direkt miteinander fest verbunden, insbesondere verklebt.
Die Ausschnitte 29 in der ersten und zweiten Stützfolie 26, 27 sind in der Größe beziehungsweise dem Format gleich wie die flächige Erstreckung der Katalysatorschichten 16, 17. Auch können die Ausschnitte 29 nur geringfügig kleiner als das Format der Katalysatorschichten 16, 17 ausgebildet sein, sodass die Ränder der Katalysatorschichten 16, 17 direkt an die Ränder der Ausschnitte 29 angrenzen.
In 4 ist eine schematische Seitenansicht einer Anlage 41 zur Herstellung der Membran-Elektroden-Anordnung 25 aus einem Folienverbund 35 gemäß den 2 und 3 dargestellt. Die erste Stützfolie 26 wird bevorzugt auf einer Rolle 42 bereitgestellt. Diese erste Stützfolie 26 ist bevorzugt trägerschichtfrei. Diese erste Stützfolie 26 ist als Bahnmaterial mit einer vorbestimmten Breite auf der Rolle 42 bevorratet. Dieses Bahnmaterial wird einer Klebestation 44 zugeführt. In dieser Klebestation 44 wird einseitig auf die Stützfolie 26 eine Klebemittelschicht aufgebracht. Alternativ kann auf der Rolle 42 bereits eine erste Stützfolie 26 mit einer Klebemittelschicht bevorratet und abgezogen werden.
In einem nachfolgenden Bearbeitungsschritt werden aufeinanderfolgend und in einem vorbestimmten Abstand zueinander die Ausschnitte 29 eingebracht. Beispielsweise ist eine Laserschneidstation 46 dargestellt. Alternativ kann auch eine Stanzbearbeitungsstation zur Herstellung der Ausschnitte 29 vorgesehen sein. Des Weiteren können alternativ die Klebestation 44 und die Station 46 zum Ausstanzen der Ausschnitte 29 auch in der Reihenfolge vertauscht sein.
In einer nachfolgenden Bearbeitungsstation 48 wird eine Membranfolie 49 verarbeitet. Diese Membranfolie 49 wird wiederum bevorzugt auf einer Rolle 50 bereitgestellt. Diese Membranfolie 49 besteht aus der Elektrolytmembran 14, auf welcher beidseitig die Katalysatorschichten 16, 17 in vorbestimmten Abständen und deckungsgleich einander gegenüberliegend aufgebracht sind. Diese Membranfolie 49 wird einem Vakuum-Stanzwalzenpaar zugeführt. Mittels einer Rotationsstanzwalze 51 wird aus der Membranfolie 41 ein Membranfolienzuschnitt 31 ausgestanzt. Dabei erfolgt die Stanzung derart, dass außerhalb der Katalysatorschichten 16, 17 der umlaufende Rand 32 ausgebildet ist. Die sich daraus ergebende ausgestanzte Membranfolie 49 wird zu einer weiteren Rolle 53 aufgewickelt. Die durch die Rotationsstanzwalze 51 ausgestanzten Membranfolienzuschnitte 31 werden an eine gegenläufig dazu angetriebene Vakuum-Stanzgegenwalze 52 übergeben, welche daraufhin passgenau die zur ersten Stützfolie 26 weisende Katalysatorschicht 16, 17 in dem Ausschnitt 29 positioniert und einsetzt. Gleichzeitig stützt sich der umlaufende Rand 32 des Membranfolienzuschnitts 31 auf der ersten Stützfolie 26 an den Ausschnitt 29 angrenzend ab. Aufgrund des Aufbringens der Klebemittelschicht kann ein erstes Anhaften des umlaufenden Randes 32 des Membranfolienzuschnitts 31 auf der ersten Stützfolie 26 gegeben sein.
Dieser Bearbeitungsstation 48 nachgeschalten ist eine Zuführung der zweiten Stützfolie 27 vorgesehen. Diese zweite Stützfolie 27 wird wiederum von einer Rolle 57 als Bahnmaterial bereitgestellt und abgezogen. Diese zweite Stützfolie 27 ist ebenfalls bevorzugt trägerschichtfrei auf der Rolle 57 bereitgestellt. Die zweite Stützrolle 27 kann einer Klebestation 44 zugeführt werden, sofern die zweite Stützrolle 27 nicht bereits mit einer Klebemittelschicht versehen ist. Darauffolgend werden aufeinanderfolgend die Ausschnitte 29 in die zweite Stützfolie 27 beispielsweise mit der Laser-Schneidstation 46 eingebracht. Anschließend wird über Umlenkrollen 59 die zweite Stützfolie 27 der ersten Stützfolie 26 zugeführt. Die Zuführung der zweiten Stützfolie 27 ist derart angesteuert und ausgerichtet, dass die jeweiligen Ausschnitte 29 in der zweiten Stützfolie 27 zu den nach oben weisenden Katalysatorschichten 16, 17 ausgerichtet sind, sodass diese Katalysatorschichten 16, 17 in dem Ausschnitt 29 der zweiten Stützfolie 27 positioniert werden.
In einer nachfolgenden Station 61 können die Stützfolien 26, 27 und der dazwischen angeordnete Membranfolienzuschnitt 31, insbesondere der umlaufende Rand 32, fest miteinander verbunden werden. Bevorzugt erfolgt in dieser Station 61 eine Wärmeeinwirkung oder eine UV-Vernetzung des Klebemittels, um die erste und zweite Stanzfolie 26, 27 sowie den dazwischen angeordneten Rand 32 des Membranfolienzuschnittes 31 zu verkleben. Dieser fertiggestellte Folienverbund 35 ist beispielsweise fünflagig ausgebildet.
Im Anschluss daran kann in einer weiteren Bearbeitungsstation 63 ein Beschneiden der Längsränder der ersten und zweiten Stützfolie 26, 27 erfolgen, sodass diese Membran-Elektroden-Anordnung 25 über deren Länge eine konstante Breite aufweist.
Nachfolgend kann in einer Bearbeitungsstation 65 ein Vereinzeln der Membran-Elektroden-Anordnungen 25 erfolgen, die bis zu diesem Zeitpunkt als ein bahnförmiger Mehrschichtfolienverbund ausgebildet sind. Diese einzelnen Membran-Elektroden-Anordnungen 25 können einem Magazin zugeführt oder in weitere nachgeschaltete Bearbeitungsstationen übergeführt werden.
In 5 ist eine alternative Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung 25 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist die Bearbeitungsstation 48 zum Zuführen der Membranfolienzuschnitte 31 auf die Ausschnitte 29 in die erste Stützfolie 26 abweichend. Im Übrigen kann auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen Bezug genommen werden. Diese Bearbeitungsstation 48 umfasst ein Rotationsstanzrollenpaar mit einer Rotationsstanzwalze 67 und einer Stanzgegenwalze 68, zwischen denen die zugeführte Membranfolie 49 bearbeitet wird. Dabei wird der Membranfolienzuschnitt 31 in die Membranfolie 49 geschnitten, wobei einzelne Stege oder Haltestege verbleiben, sodass der Membranfolienzuschnitt 31 noch innerhalb der Membranfolie 49 gehalten ist. Diese Stege sind dünn ausgebildet, sodass diese ein einfaches Herauslösen der Membranfolienzuschnitte 31 auf der Membranfolie 49 durch Abreißen ermöglichen. Dieses Herauslösen erfolgt durch eine dem Rotationsstanzrollenpaar nachgeschaltene Ausdrück- und Laminierwalze 69, durch welche der Membranfolienzuschnitt 31 in den Ausschnitt 29 der ersten Stanzfolie 26 überführt wird, wobei der Membranfolienzuschnitt 31 durch Abreißen der Haltestege aus der Membranfolie 49 gelöst wird.
Der in den 2 und 3 dargestellte Folienverbund 35 liegt nach der Station 61 oder nach der Bearbeitungsstation 63 und vor der Vereinzelung durch die Bearbeitungsstation 65 vor. Die Abstände der Ausschnitte 29 in der ersten und zweiten Stützfolie 26, 27 in Längsrichtung gesehen und somit die Positionierung der Membranfolienzuschnitte 31 zwischen den Stanzfolien 26, 27 sind derart ausgebildet, dass bevorzugt ein mittig zwischen zwei Ausschnitten 29 positionierter Trennschnitt 36 (2 und 3) beziehungsweise Querschnitt zum Vereinzeln der Membran-Elektroden-Anordnungen 25 bereits ein Endformat für die Weiterverarbeitung aufweist.
In 6 ist eine schematische Schnittansicht der Membran-Elektroden-Anordnung 25 gemäß 2 nach einem weiteren Bearbeitungsschritt dargestellt. 7 zeigt eine Ansicht auf die Schnittansicht gemäß 6. Bei dieser Membran-Elektroden-Anordnung 25 ist beidseitig auf die Katalysatorschichten 16, 17 jeweils eine Gasdiffusionslage 18, 19 aufgebracht. Diese Gasdiffusionslagen 18, 19 haben die Aufgabe, die von den Platten 21, 22 zugeführten Gase, und zwar Wasserstoff und Sauerstoff, gleichmäßig über die Oberfläche zu verteilen. Diese Gasdiffusionslagen 18, 19 können beispielsweise aus geschnittenen Kohlenstofffasern bestehen, welche in einem Binderpolymer zu einer Suspension verarbeitet, darauffolgend getrocknet und imprägniert werden, wie beispielsweise mit einem duroplastischen Harz. Anschließend kann noch eine Graffitierung des aufgebrachten Harzes zur Erhöhung der Beständigkeit erfolgen. Auf den Katalysatorschichten 16, 17 ist jeweils eine Klebebeschichtung, insbesondere in Form von Kleberaupen, aufgebracht, um die Gasdiffusionslagen 18, 19 mit den Katalysatorschichten 16, 17 zu einem gemeinsamen Folienverbund 35 zu verbinden. Diese Gasdiffusionslagen 18, 19 entsprechen in der Größe beziehungsweise dem Format den Katalysatorschichten 16, 17.
In 8 ist eine schematische Ansicht der Anlage gemäß 4 oder 5 dargestellt, wobei nach der Station 61 zur Herstellung des Folienverbundes 35 und vor der Bearbeitungsstation 65 zum Vereinzeln der Membran-Elektroden-Anordnungen 25 eine Bearbeitungsstation 74 zum Aufbringen der Gasdiffusionslagen 18, 19 dargestellt ist.
In einem ersten Schritt sind beidseitig zum Folienverbund 35 Klebemittelauftragsvorrichtungen 76 vorgesehen, durch welche auf die Katalysatorschichten 16, 17, vorzugsweise vollflächig, Klebemittel aufgebracht wird. Darauffolgend kann wiederum beidseitig zum Folienverbund 75 die Bearbeitungsstation 74 mit einem Vakuum-Rotationsstanzwalzenpaar vorgesehen sein. Die Gasdiffusionslagen 18, 19 werden als Bahnware auf einer Rolle 78 bereitgestellt. Die Gasdiffusionslagen 18, 19 werden dem Vakuum-Rotationsstanzwalzenpaar zugeführt, sodass die Gasdiffusionslagen 18, 19 im Format der Katalysatorschichten 16, 17 beziehungsweise Ausschnitte 29 durch die Rotationsstanzwalze 51 zugeschnitten werden. Anschließend wird über die Vakuumwalze 52 ein Zuschnitt der Gasdiffusionslagen 18, 19 auf die Katalysatorschichten 16, 17 aufgebracht und mit dieser verklebt. Dies erfolgt aufeinanderfolgend oder beidseitig durch einander gegenüberliegende Vakuum-Rotationsstanzwalzenpaare. Dadurch wird eine Membran-Elektroden-Anordnung 25 hergestellt, welche siebenlagig beziehungsweise mit sieben Schichten ausgebildet ist. Danach erfolgt über die Bearbeitungsstation 63 durch Querschneiden eine Vereinzelung der Membran-Elektroden-Anordnung 25.
Die vorliegend beschriebenen Verfahren weisen den Vorteil auf, dass die Schichten oder Lagen zur Herstellung der Membran-Elektroden-Anordnung 25 alle als Rollenware bereitgestellt werden. Dadurch können eine kontinuierliche Bearbeitung der einzelnen Schichten und das Zusammenführen der Schichten passgenau zueinander für die Herstellung der Membran-Elektroden-Anordnung 25 erfolgen. Insbesondere wird durch dieses Verfahren eine Katalysatorschicht 16, 17 des Membranfolienzuschnittes 31 passgenau zum Ausschnitt 29 der ersten Stützfolie 26 ausgerichtet und positioniert sowie darauffolgend ein Ausschnitt 29 der zweiten Stützfolie 27 passgenau zur zweiten Katalysatorschicht 17, 16 des Membranfolienzuschnittes 31 ausgerichtet und positioniert. Die erste und zweite Stützfolie 21, 22 sind mit deren Ausschnitte 29 deckungsgleich zueinander ausgerichtet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2010/0151350 A [0002]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung (25) für eine Brennstoffzelle (11), - bei dem eine erste Stützfolie (26) als Bahnmaterial bereitgestellt wird, - bei dem in die erste Stützfolie (26) aufeinanderfolgend und mit Abstand zueinander Ausschnitte (29) eingebracht werden, - bei dem die mit Ausschnitten (29) versehene erste Stützfolie (26) einer Bearbeitungsstation (48) zugeführt wird, - bei dem eine Membranfolie (49) der Bearbeitungsstation (48) zugeführt wird, welche eine bahnförmige Elektrolytmembran (14) umfasst, auf welcher beidseitig in einem Format Katalysatorschichten (16, 17) aufgebracht sind, - bei dem die Membranfolie (49) in der Bearbeitungsstation (48) in Membranfolienzuschnitte (31) zugeschnitten wird, sodass ein umlaufender Rand (32) der Elektrolytmembran (14) zu den Katalysatorschichten (16, 17) gebildet wird, - bei dem die jeweiligen Membranfolienzuschnitte (31) mit einer der beiden Katalysatorschichten (16, 17) zu dem jeweiligen Ausschnitt (29) in der ersten Stützfolie (21) ausgerichtet und auf die erste Stützfolie (26) aufgebracht werden, - bei dem eine zweite Stützfolie (27) als Bahnmaterial bereitgestellt wird, - bei dem in die zweite Stützfolie (27) aufeinanderfolgend und mit Abstand zueinander Ausschnitte (29) eingebracht werden, - bei dem die zweite Stützfolie (27) mit den jeweiligen Ausschnitten (29) zu den der ersten Stützfolie (26) gegenüberliegenden Katalysatorschichten (17, 16) der Membranfolienzuschnitte (31) auf der ersten Stützfolie (26) ausgerichtet und aufgebracht wird, und - bei dem die erste und zweite Stützfolie (26, 27) und die dazwischen angeordneten Membranfolienzuschnitte (31) fest miteinander zu einem Folienverbund (35) verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder zweite Stützfolie (26, 27) trägerschichtfrei bereitgestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder zweite Stützfolie (26, 27) mit einer einseitig aufgebrachten Klebemittelschicht bereitgestellt oder in einer Klebestation (44) einseitig mit einer Klebemittelschicht beschichtet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die erste Stützfolie (26) vor dem Zuführen zur Bearbeitungsstation (48) aufeinanderfolgend die Ausschnitte (29) durch Stanzen oder Laserschneiden eingebracht werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die zweite Stützfolie (27) vor dem Zuführen auf die mit der ersten Stützfolie (26) bestückten Membranfolienzuschnitte (31) die aufeinanderfolgenden Ausschnitte (29) durch Stanzen oder Laserschneiden eingebracht werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Bearbeitungsstation (48) die Membranfolienzuschnitte (31) mit einem gegenüber der beidseitig aufgebrachten Katalysatorschichten (16, 17) umlaufenden Rand (32) geschnitten werden, sodass der umlaufende Rand (32) gegenüber allen Seitenkanten der Katalysatorschichten (16, 17), welche vorzugsweise deckungsgleich zur Elektrolytmembran (14) ausgerichtet sind, einen Überstand mit einer gleichen Breite aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatorschichten (16, 17) auf der Elektrolytmembran (14) in einem quadratischen oder rechteckförmigen Format aufgebracht sind und die Ausschnitte (29) in der ersten und zweiten Stützfolie (26, 27) an das quadratische oder rechteckförmige Format der Katalysatorschichten (16, 17) angepasst werden, wobei die Größe der Ausschnitte (29) in der ersten und zweiten Stützfolie (26, 27) gleich oder kleiner als das Format der Katalysatorschichten (16, 17) ausgeschnitten wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der gegenüber dem Format der Katalysatorschichten (16, 17) überstehende Rand (32) der Elektrolytmembran (14) im Überlappungsbereich (33) jeweils mit der ersten und zweiten Stützfolie (26, 27) verklebt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf jeder Seite der Membranfolienzuschnitte (31) des hergestellten Folienverbundes (35) gleichzeitig oder aufeinanderfolgend eine Gasdiffusionslage (18, 19) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen der Gasdiffusionslage (18, 19) auf die Katalysatorschichten (16, 17) des Membranfolienzuschnittes (31) eine Klebemittelschicht aufgebracht oder dass die Gasdiffusionslage (18, 19) mit einer daran vorgesehenen Klebemittelschicht zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionslagen (18, 19) in einer weiteren Bearbeitungsstation (74) zugeschnitten und auf die Katalysatorschichten (16, 17) des Folienverbundes (35) aufgebracht und verklebt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranfolie (49) in der Bearbeitungsstation (48) durch ein Vakuum-Stanzwalzenpaar mit einer Rotationsstanzwalze (51) in Membranfolienzuschnitte (31) geschnitten und durch eine Vakuum-Stanzgegenwalze (52) die Membranfolienzuschnitte (31) aufeinanderfolgend auf die erste Stützfolie (26) aufgebracht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranfolie (49) in der Bearbeitungsstation (48) durch ein Rotationsstanzwalzenpaar (67, 68) in Membranfolienzuschnitte (31) mit Haltestegen geschnitten und mit einer in Förderrichtung dem Rotationsstanzwalzenpaar (67, 68) nachfolgend angeordneten Ausdrück- und Laminierwalze (69) auf die Ausschnitte (29) der ersten Stützfolie (26) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einander gegenüberliegende Längskanten des hergestellten Folienverbundes (35) auf eine konstante Breite, vorzugsweise durch Laserschneiden, geschnitten werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Folienverbund (35) in einer Bearbeitungsstation (65) in Membran-Elektroden-Anordnungen (25) vereinzelt wird, insbesondere nach dem Schneiden des Folienverbundes (35) auf dessen Breite, und vorzugsweise die Membran-Elektroden-Anordnungen (25) durch Querschneiden, vorzugsweise mittels Laserschneiden, vereinzelt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stützfolie (26), die zweite Stützfolie (27) und die Membranfolie (49) als Halbzeuge auf einer Rolle (42, 50, 57) bereitgestellt und zugeführt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der Membranfolienzuschnitte (31) auf die erste Stützfolie (26) und das Zuführen der zweiten Stützfolie (27) auf die erste Stützfolie (26) mit einer kontinuierlichen Bahngeschwindigkeit angesteuert wird.
Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle (11), - mit einer ersten und zweiten Stützfolie (26, 27), die jeweils Ausschnitte (29) aufweisen, - mit einem Membranfolienzuschnitt (31), der eine Elektrolytmembran (14) als Trägerschicht umfasst, auf welcher beidseitig eine Katalysatorschicht (16, 17) vorgesehen ist, wobei gegenüber den Katalysatorschichten (16, 17) hervorstehend ein umlaufender Rand (32) der Elektrolytmembran (14) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, - dass jeweils eine Außenseite des umlaufend hervorstehenden Randes (32) des Membranfolienzuschnittes (31) mit der zum Rand (32) weisenden Seite der Stützfolien (26, 27) fest verbunden ist.
Membran-Elektroden-Anordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der umlaufende Rand (32) des Membranfolienzuschnittes (31) jeweils im Überlappungsbereich (33) zur ersten und zweiten Stützfolie (26, 27) verklebt ist.
Membran-Elektroden-Anordnung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausschnitt (29) in der ersten und der zweiten Stützfolie (26, 27) dasselbe Format aufweist und deckungsgleich zueinander ausgerichtet ist.