DE-102017215887-B4 - Wärmebehandlungsverfahren für eine Membranelektrodenbaugruppe für eine Brennstoffzelle

Abstract

Wärmebehandlungsverfahren für eine Membranelektrodenbaugruppe (MEA) einer Brennstoffzelle, wobei das Wärmebehandlungsverfahren aufweist: Platzieren einer Stromplatte auf einer Oberfläche der MEA oder auf einer Oberfläche einer Baugruppe aus einer MEA und einer Gasdiffusionsschicht (GDL) (104); und Durchführen einer Wärmebehandlung auf einer Oberfläche oder im Innern der Stromplatte durch Anlegen einer Spannung an die Stromplatte, wobei die Stromplatte einen in der Mitte der Stromplatte angeordneten ersten leitfähigen Abschnitt (P1), ein an beiden Seiten des ersten leitfähigen Abschnitts (P1) angeordnetes Paar Isolierabschnitte und einen an einer Außenseite des Paars Isolierabschnitte angeordneten zweiten leitfähigen Abschnitt (P2) aufweist, und wobei der erste leitfähige Abschnitt (P1) und der zweite leitfähige Abschnitt (P2) so konfiguriert sind, dass sie unterschiedliche Spannungsarten anlegen, um eine Wärmebehandlung an verschiedenen Positionen durchzuführen.

Inventors

• Woo Jin Lee
• Yong Min Kim
• Min Kyung Kim
• Ki Sub Lee
• Min Jin Kim

Assignees

• HYUNDAI MOTOR COMPANY
• KIA MOTORS CORPORATION

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20170908

Priority Date

20161220

Claims (16)

1. Wärmebehandlungsverfahren für eine Membranelektrodenbaugruppe (MEA) einer Brennstoffzelle, wobei das Wärmebehandlungsverfahren aufweist: Platzieren einer Stromplatte auf einer Oberfläche der MEA oder auf einer Oberfläche einer Baugruppe aus einer MEA und einer Gasdiffusionsschicht (GDL) (104); und Durchführen einer Wärmebehandlung auf einer Oberfläche oder im Innern der Stromplatte durch Anlegen einer Spannung an die Stromplatte, wobei die Stromplatte einen in der Mitte der Stromplatte angeordneten ersten leitfähigen Abschnitt (P1), ein an beiden Seiten des ersten leitfähigen Abschnitts (P1) angeordnetes Paar Isolierabschnitte und einen an einer Außenseite des Paars Isolierabschnitte angeordneten zweiten leitfähigen Abschnitt (P2) aufweist, und wobei der erste leitfähige Abschnitt (P1) und der zweite leitfähige Abschnitt (P2) so konfiguriert sind, dass sie unterschiedliche Spannungsarten anlegen, um eine Wärmebehandlung an verschiedenen Positionen durchzuführen.
2. Wärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 1 , wobei die Stromplatte auf der MEA angeordnet wird und die Wärmebehandlung an einem Elektrodenabschnitt (102) der MEA durch Anlegen einer Gleichspannung (DC) oder eines DC-Impulses an die MEA durchgeführt wird.
3. Wärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 1 , wobei die Stromplatte auf der MEA angeordnet wird und die Wärmebehandlung auf einer Elektrolytmembran (101) der MEA durch Anlegen einer Wechselspannung (AC) an die MEA durchgeführt wird.
4. Wärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 1 , wobei die Stromplatte auf der Baugruppe aus der MEA und der GDL (104) angeordnet wird und die Wärmebehandlung auf einer Grenzfläche zwischen der MEA und der GDL (104) durch Anlegen eines Wechselspannungsimpulses (AC) an die Baugruppe aus der MEA und der GDL durchgeführt wird.
5. Wärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 1 , wobei die Stromplatte zur Ausführung einer Pressoperation dient und die Spannung an die Oberfläche der MEA oder die Baugruppe aus der MEA und der GDL (104) legt, während sie die Oberfläche presst.
6. Wärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 1 , wobei die Wärmebehandlung an einem Elektrodenabschnitt (102) der MEA, einer Elektrolytmembran (101) und einer Grenzfläche zwischen der GDL (104) und der MEA mittels der durch den ersten leitfähigen Abschnitt (P1) angelegten Spannung durchgeführt wird, und wobei die Wärmebehandlung an dem Elektrodenabschnitt (102), der Elektrolytmembran (101) und der Grenzfläche mittels der durch den zweiten leitfähigen Abschnitt (P2) angelegten Spannung durchgeführt wird, mit Ausnahme der Komponente, bei der die Wärmebehandlung mittels der an den ersten leitfähigen Abschnitt (P1) angelegten Spannung ausgeführt wird.
7. Wärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 3 , wobei die Frequenz der Wechselspannung gleich der Resonanzfrequenz der Elektrolytmembran (101) eingestellt wird.
8. Wärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 4 , wobei eine von einem Impuls gelieferte elektrische Ladung des anlegten AC-Impulses niedriger oder gleich der Kapazität der MEA eingestellt wird.
9. Wärmebehandlungsvorrichtung für eine Membranelektrodenbaugruppe (MEA) für eine Brennstoffzelle, wobei die Wärmebehandlungsvorrichtung aufweist: eine erste elektrisch leitende Presse (206) zum Pressen der MEA oder einer Baugruppe aus der MEA und einer Gasdiffusionsschicht (GDL) (104); eine Zuführeinrichtung, die zum Zuführen der MEA oder der Baugruppe aus der MEA und der GDL (104) zur ersten elektrisch leitenden Presse (206) konfiguriert ist; und eine Spannungsversorgung (205), die zum Anlegen einer Spannung an die erste elektrisch leitende Presse (206) konfiguriert ist, wobei die Wärmebehandlung auf einer Oberfläche oder im Innern der MEA oder auf der Baugruppe aus der MEA und der GDL (104) durchgeführt wird, indem die Spannung an die MEA oder die Baugruppe aus der MEA und der GDL (104) angelegt wird, wobei die Stromplatte einen in der Mitte der Stromplatte angeordneten ersten leitfähigen Abschnitt (P1), ein an beiden Seiten des ersten leitfähigen Abschnitts (P1) angeordnetes Paar Isolierabschnitte und einen an einer Außenseite des Paars Isolierabschnitte angeordneten zweiten leitfähigen Abschnitt (P2) aufweist, und wobei der erste leitfähige Abschnitt (P1) und der zweite leitfähige Abschnitt (P2) so konfiguriert sind, dass sie unterschiedliche Spannungsarten anlegen, um eine Wärmebehandlung an verschiedenen Positionen durchzuführen.
10. Wärmebehandlungsvorrichtung nach Anspruch 9 , wobei die erste elektrisch leitende Presse (206) eine Stromplatte für die Pressoperation aufweist, wobei die Stromplatte mit einem zu pressenden Objekt in Kontakt steht, und wobei die Stromplatte die von der Spannungsversorgung (205) bereitgestellte Spannung an die Oberfläche der MEA oder an die Baugruppe aus der MEA und der GDL (104) legt, während die Oberfläche gepresst wird.
11. Wärmebehandlungsvorrichtung nach Anspruch 9 , wobei die Zuführeinrichtung eine Rolle-zu-Rolle-Zuführeinrichtung ist und eine Zuführwalze und eine Aufwickelwalze (202) aufweist.
12. Wärmebehandlungsvorrichtung nach Anspruch 11 , wobei die Zuführeinrichtung ferner eine oder mehrere bewegliche Pufferwalzen (203, 204) aufweist, um die Spannung in der Zuführeinrichtung aufrechtzuerhalten.
13. Wärmebehandlungsvorrichtung nach Anspruch 11 , ferner aufweisend: ein Schneidegerät, das zum Abschneiden der MEA oder der Baugruppe aus der MEA und der GDL (104) auf eine vorgegebene Größe konfiguriert ist, die von der ersten elektrisch leitenden Presse (206) wärmebehandelt wurde.
14. Wärmebehandlungsvorrichtung nach Anspruch 13 , ferner aufweisend: eine Transporteinheit, die zum Transportieren der vom Schneidegerät geschnittenen MEA oder der Baugruppe aus der MEA und GDL (104) konfiguriert ist.
15. Wärmebehandlungsvorrichtung nach Anspruch 14 , ferner aufweisend: eine zweite elektrisch leitende Presse (304), die zum Pressen der von der Transporteinheit transportierten MEA oder der Baugruppe aus der MEA und der GDL (104) konfiguriert ist; und eine zweite Spannungsversorgung (303), die zum Anlegen einer Spannung an die zweite elektrisch leitende Presse (304) konfiguriert ist, wobei die Wärmebehandlung an der MEA oder der Baugruppe aus der MEA und der GDL (104) durch Anlegen der Spannung an die zweite elektrisch leitende Presse (304) durchgeführt wird.
16. Wärmebehandlungsvorrichtung nach Anspruch 9 , wobei die Zuführeinrichtung einen Transport-Roboterarm (301, 302) aufweist.

Description

TECHNISCHES GEBIET Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Wärmebehandlungsverfahren und eine Vorrichtung für ein Wärmebehandlungsverfahren für eine Membranelektrodenbaugruppe für eine Brennstoffzelle, und insbesondere ein Wärmebehandlungsverfahren für eine Membranelektrodenbaugruppe zur Verbesserung der Dauerhaftigkeit der Membranelektrodenbaugruppe und eine Wärmebehandlungsvorrichtung zur Durchführung desselben. HINTERGRUND Brennstoffzellen sind Energieerzeugungssysteme, die die chemische Energie eines Brennstoffs ohne Umwandlung der chemischen Energie durch Verbrennung in Wärme durch eine elektrochemische Reaktion in einem Stapel in elektrische Energie wandeln. Eine solche Brennstoffzelle kann nicht nur elektrische Energie für industrielle und häusliche Anwendungen sowie zum Antrieb von Fahrzeugen bereitstellen, sondern auch als Spannungsquelle für kleine elektrische/elektronische Produkte, insbesondere mobile Geräte eingesetzt werden. Derzeit wird eine Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEMFC), die auch als Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle bezeichnet wird, als eine Energiequelle zum Antrieb eines Fahrzeugs verwendet. Die PEMFC hat eine niedrigere Betriebstemperatur, einen höheren Wirkungsgrad, eine höhere Stromdichte und eine höhere Leistungsdichte, eine kürzere Anlaufzeit und spricht schneller auf Laständerungen an als andere Brennstoffzellentypen und ist deshalb in breitem Umfang als eine Spannungsquelle für mobile Geräte zweckdienlich. Die PEMFC enthält eine Membranelektrodenbaugruppe (MEA), die durch Aufbringen von Katalysatorelektrodenschichten, auf denen eine elektrochemische Reaktion stattfindet, auf beide Seiten der Polymerelektrolytmembran gebildet wird, durch die sich Wasserstoffionen bewegen, eine Gasdiffusionsschicht (GDL), die zur gleichmäßigen Verteilung der Reaktionsgase und zur Übertragung der erzeugten elektrischen Energie dient, eine Dichtung und einen Befestigungsmechanismus, um die Reaktionsgase und das Kühlwasser abzudichten und den vorschriftsmäßigen Befestigungsdruck zu halten, und eine Bipolarplatte zum Transportieren der Reaktionsgase und des Kühlwassers. Ferner enthält ein in einem Brennstoffzellenfahrzeug eingesetztes Brennstoffzellensystem einen Brennstoffzellenstapel zum Erzeugen elektrischer Energie mittels einer elektrochemischen Reaktion der Reaktionsgase (Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff als Oxidans), eine Wasserstoffzuführeinrichtung zum Zuführen von Wasserstoff als Brennstoff zum Brennstoffzellenstapel, eine Luftzuführeinrichtung zum Zuführen sauerstoffhaltiger Luft zum Brennstoffzellenstapel, ein Wärme- und Wasser-Managementsystem zum Steuern der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels und zur Ausführung einer Wassermanagementfunktion, und eine Brennstoffzellensteuerung zum Steuern des Gesamtbetriebs des Brennstoffzellensystems. Bei einem typischen Brennstoffzellensystem enthält die Wasserstoffzuführeinrichtung einen Wasserstoffspeicher (Wasserstofftank), einen Regler, ein Wasserstoffdruckregelventil und eine Wasserstoff-Rückführungseinrichtung, und die Luftzuführeinrichtung enthält ein Luftgebläse und einen Befeuchter. Das Wärme- und Wasser-Managementsystem enthält eine Kühlmittelpumpe, einen Wasserbehälter und einen Kühler. 1 zeigt eine Vorgehensweise zur Herstellung einer typischen GDL-MEA-Baugruppe. Wie in 1 dargestellt wird eine Membranelektrodenbaugruppe (MEA) durch Ausbilden von Elektroden (Katode, Anode) auf beiden Oberflächen einer Elektrolytmembran und durch anschließendes Aufbringen von Zwischendichtfilmen hergestellt. Die auf diese Weise hergestellte MEA wird einer Wärmebehandlung durch Thermokompression unterzogen, um die Dauerhaftigkeit zu verbessern. Die wärmebehandelte MEA hat eine hohe Dauerhaftigkeit, aber weist aufgrund ihrer Zustandsverschlechterung eine verringerte Leistung auf. Wie in 1 dargestellt werden die Gasdiffusionsschichten (GDL) mit beiden Seiten der fertigen MEA verklebt. Der durch Verkleben wie in 1 gezeigt erhaltene Körper wird als eine GDL-MEA-Baugruppe bezeichnet. Klebeverfahren für GDL-MEA umfassen Thermokompression und die Verwendung eines Klebstoffs. Jedoch kann das Verkleben durch Thermokompression ja nach Material oder Verarbeitung der MEA nicht anwendbar sein. Bei Verwendung eines Klebstoffs ist die Produktausbeute problematisch. Aus der DE 10 2008 025 928 A1 und der DE 10 2010 035 949 A1 sind bereits Wärmebehandlungsverfahren für eine Membranelektrodenbaugruppe (MEA) einer Brennstoffzelle bekannt, das Wärmebehandlungsverfahren jeweils aufweisend: Platzieren einer Stromplatte auf einer Oberfläche der MEA oder auf einer Oberfläche einer Baugruppe aus einer MEA und einer Gasdiffusionsschicht (GDL); und Durchführen einer Wärmebehandlung auf einer Oberfläche oder im Innern der Stromplatte durch Anlegen einer Spannung an die Stromplatte. ÜBERBLICK ÜBER DIE OFFENBARUNG Die vorliegende Offenbarung ist in dem Bestreben erarbeitet worden, die oben beschriebenen Probleme der verwandten Technik zu lösen, u