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EP-4490792-B1 - PROCESS AND APPARATUS FOR MANUFACTURING A MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY

EP4490792B1EP 4490792 B1EP4490792 B1EP 4490792B1EP-4490792-B1

Inventors

  • HOCHMANN, SVEN

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20230310

Claims (15)

  1. An apparatus (1000, 2000, 3000, 4000, 5000) for manufacturing a membrane electrode assembly, MEA, comprises: a first transport apparatus (110) in the form of a first vacuum conveyor belt or a vacuum drum, which is set up to convey at least a first carrier frame (20a) at a first conveying speed, and a first arranging apparatus (430) in the form of a vacuum drum which is set up to arrange at least one membrane (30) on the at least one first carrier frame (20a) while the latter is being conveyed by the first transport apparatus (110), and a second arranging apparatus (460) in the form of a vacuum drum, which is set up to arrange at least one second carrier frame (20b) on the membrane (30) while the latter is conveyed together with the first carrier frame (20a) by the first transport apparatus (110).
  2. An apparatus (1000, 2000, 4000, 5000) according to claim 1, wherein the first transport apparatus (110) is a vacuum conveyor belt and is set up to convey the first carrier frame (20a) continuously at a first conveying speed, and/or the first vacuum conveyor belt is set up to convey the at least one first carrier frame (20a) together with a first MEA component (10), wherein the at least first carrier frame (20a) is set up on the first MEA component (10).
  3. An apparatus (2000) according to claim 2, further comprising a third arranging apparatus (400), in particular a third arranging apparatus in the form of a vacuum drum, which is set up to arrange the at least one first carrier frame (20a) on the MEA component (10) conveyed by the first vacuum conveyor belt (110), so that the first vacuum conveyor belt (110) conveys the at least one first carrier frame (20a) together with a first MEA component (10).
  4. An apparatus (3000, 4000, 5000) according to claim 1, wherein the first transport apparatus (110) is a vacuum drum and is set up to convey the first carrier frame (20a) continuously at a first conveying speed.
  5. An apparatus (3000, 4000, 5000) according to claim 4, further comprising a fourth arranging apparatus (700), in particular a fourth arranging apparatus in the form of a vacuum drum, which is set up to arrange the at least one first carrier frame (20a) together with the membrane (30) and together with the at least one second carrier frame (20b) on a first MEA component (10).
  6. An apparatus (1000, 2000, 3000, 4000, 5000) according to any of the preceding claims 2, 3 or 5, further comprising a fifth arranging apparatus (480), in particular a fifth arranging apparatus in the form of a vacuum drum, which is set up to arrange a second MEA component (40) on a surface of the arrangement comprising the first MEA component (10), the at least one first support frame (20a), the membrane (30) and the at least one second support frame (20b) facing away from the first MEA component (10).
  7. An apparatus (1000, 2000, 3000, 4000, 5000) according to any one of the preceding claims, further comprising a first and/or a second punching apparatus (420, 470), in particular a first and/or a second rotary punch, wherein the first punching apparatus (420) is set up to make one or more recesses (20, 24) in the at least one first carrier frame (20a), in particular while the latter is being conveyed by a vacuum drum (400) or by the first transport apparatus (110), and/or the second punching apparatus (470) is set up to make one or more recesses (20, 24) in the at least one second carrier frame (20b), in particular while the latter is being conveyed by the second arranging apparatus (460).
  8. An apparatus (3000, 4000, 5000) according to any of the preceding claims 4, 5, 6 or 7 further comprising at least one supply apparatus (400) for the at least one first carrier frame in the form of a vacuum drum and/or a first rotary punching press (420) which is set up to co-operate with the supply apparatus (400), and/or a further vacuum drum (450) and/or a second rotary punching press (470), which is set up to co-operate with the second arranging apparatus (460) and/or to co-operate with the further vacuum drum (450), and/or a common rotation drive, wherein the common rotation drive is set up to rotate the vacuum drums and/or rotary punching presses simultaneously, in particular at the same circumferential speed in each case.
  9. An apparatus (1000, 2000, 3000, 4000, 5000) according to any one of claims 2, 3, 5, 6, 7 or 8 wherein the first MEA component comprises a gas diffusion layer (10), GDL, in particular an anode or a cathode in the form of a GDL, and/or the second MEA component comprises a gas diffusion layer (20), GDL, in particular an anode or a cathode in the form of a GDL, and/or the membrane is a catalyst-coated membrane (30), CCM.
  10. An apparatus (4000, 5000) according to any one of the preceding claims, further comprising a second transport apparatus (120), which is in particular a vacuum conveyor belt, wherein the second transport apparatus (120) is set up and designed to convey the first MEA component (10) at a second conveying speed, and/or the second transport apparatus (120) is set up and designed to convey the first MEA component (10) continuously or cyclically at the second conveying speed, and/or the second transport apparatus (120) is set up to convey a first MEA component (10) in the form of a web material or in the form of a plurality of MEA component sections of the first MEA component (10).
  11. An apparatus (4000, 5000) according to the preceding claim, further comprising a transfer apparatus which is set up to move MEA component sections from the second transport apparatus (120) to the first transport apparatus (130) or to a third transport apparatus.
  12. An apparatus (1000, 2000, 3000, 4000, 5000) according to any one of the preceding claims, further comprising a first provision apparatus, in particular in the form of a carrier web roller, which is set up to provide the at least one first carrier frame (20a) together with a first carrier layer (20c), and/or a second provisioning apparatus, in particular in the form of a carrier web roller, which is set up to provide the at least one second carrier frame (20b) together with a second carrier layer (20d), and/or a first carrier layer receiving apparatus, in particular in the form of a carrier layer roller, which is set up to receive the first carrier layer (20c) after at least a part of the at least one first carrier frame (20a) has been detached therefrom, and/or a second carrier layer receiving apparatus, in particular in the form of a carrier layer roller, which is set up to receive the second carrier layer (20b) after at least a part of the at least one second carrier frame (20d) has been detached from it; wherein in particular the at least one first carrier frame (20a) provided by the first supply apparatus is fixed to the first carrier layer (20d) with an adhesive application, in particular over the entire surface and/or heat-soluble adhesive application, and/or the at least one second carrier frame (20c) provided by the second provision apparatus is fixed to the second carrier layer (20d) with an adhesive application, in particular a full-surface and/or heat-soluble adhesive application.
  13. A method of manufacturing a membrane electrode assembly, MEA, comprises at least the steps of: - conveying, with a first transport apparatus (110) in the form of a first vacuum conveyor belt or a vacuum drum, at least a first carrier frame (20a) with a first conveying speed; and - arranging, with a first arranging apparatus (430) in the form of a vacuum drum, at least one membrane (30) on the at least one carrier frame (20a) while it is being conveyed by the first transport apparatus (110); and - arranging, with a second arranging apparatus (460) in the form of a vacuum drum, of at least a second carrier frame (20b) on the membrane (30), while the latter is conveyed together with the first carrier frame (20) by the first transport apparatus (110).
  14. A method according to the preceding claim, wherein the at least one first carrier frame (20a) is provided together with a first carrier layer (20c), wherein the at least one first carrier frame (20a) is fixed to the first carrier layer (20c) with an adhesive application, in particular a full-surface and/or heat-soluble adhesive application, and/or the at least one second carrier frame (20b) is provided together with a second carrier layer (20d), the at least one second carrier frame (20d) being fixed to the second carrier layer (20a) with an adhesive application, in particular over the entire surface and/or heat-soluble adhesive application, and/or at least one first recess (22) is made in the first carrier frame (20a) while the latter is fixed on the first carrier layer (20c), and/or at least one first recess (22) is made in the second carrier frame (20b) while the latter is fixed on the second carrier layer (20d).
  15. A method according to the preceding claim, further comprising at least one of the steps of: - detaching the at least one first carrier frame (20a) from the first carrier layer (20c); - detaching the at least one second carrier frame (20b) from the second carrier layer (20d); - heating the first and/or the second carrier frame (20a, 20b) and a full-surface and/or heat-soluble adhesive application set up on the first and/or second carrier frame (20a, 20b); - arranging a first MEA component (10), in particular a gas diffusion layer, GDL, on the first or the second carrier frame (20a, 20b) and/or arranging a second MEA component (40), in particular a GDL, on the first or the second carrier frame (20a, 20b); - introducing of further recesses (24) into the first carrier frame and/or into the second carrier frame (20a, 20b), in particular with a rotary punching press (420, 470), the further recesses (24) being set up in particular adjacent to one or more outer edges of the first recess (22).

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. Details hierzu sind in den Ansprüchen definiert; aber auch die Beschreibung enthält relevante Angaben zur Struktur und zur Funktionsweise sowie zu Varianten. Stand der Technik Ein bekanntes Verfahren zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle ist das sogenannte Pick-and-Place-Verfahren. Hierbei kommen Handhabungsmaschinen, Roboter oder auf Schienen angeordnete Greifer zum Einsatz, 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 empfindlichen Komponenten anspruchsvoll. Weiter ist bekannt, einen Träger für eine Membran und/oder eine Elektrode als Teil einer durchgängigen Materialbahn bereitzustellen. Alternativ kann auch eine Membran und/oder eine Elektrode als Materialbahn bereitgestellt werden. Die Materialbahn kann hierbei eine Mehrzahl von Bearbeitungsstationen durchlaufen, wobei zumindest eine zweite Komponente der Membran-Elektroden-Anordnung mit der Materialbahn verbunden wird. Ein solches Verfahren offenbart zum Beispiel die DE 10 2015 010 440 A1. Weiter offenbart auch das Dokument DE 10 2015 214 361 A1 ein Verfahren, bei dem Komponenten einer Membran-Elektroden-Anordnung als durchgängige Materialbahnen bereitgestellt werden können. Die Komponenten der Membran-Elektroden-Anordnung durchlaufen während der Fertigung der Membran-Elektroden-Anordnung mehrere Fertigungsstationen und werden hierbei jeweils zwischen verschiedenen Transportvorrichtungen ausgetauscht. Weitere Membran-Elektroden-Anordnungen sowie zugehörige Fertigungsverfahren sind aus den Dokumenten US 2011/151350 A1, DE 10 2010 049 548 A1, DE 10 2010 054 199 A1und DE 10 2011 105 180 A1 bekannt. Soll eine Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle hergestellt werden, die zumindest zwei mit Ausnehmungen versehene Träger und eine zwischen den Trägern angeordnete Membran aufweisen soll, ist es notwendig, die Träger mit den Ausnehmungen jeweils passgenau übereinander anzuordnen. Werden die Träger als fortlaufende Materialbahn bereitgestellt und gefördert, besteht das Problem, dass die zwischen den Trägern anzuordnende Membran die Ausnehmungen in den jeweiligen Trägern zumindest teilweise abdeckt. Dies erschwert die passgenaue Anordnung der Träger übereinander, da die als Materialbahn bereitgestellten und miteinander verbundenen Träger keine Schnittkanten in der Förderrichtung aufweisen, welche als Referenzen für die Positionierung der Träger dienen könnten. Gleichzeitig kann bereits ein geringer Schlupf bei der Förderung der übereinander anzuordnenden Träger dazu führen, dass ein Positionierungsfehler der als Bahnmaterial bereitgestellten Träger im Verlauf eines Fertigungsprozesses stetig zunimmt, sodass jede vorgegebene Fertigungstoleranz für die Membran-Elektroden-Anordnung im Verlauf eines Fertigungsprozesses irgendwann verletzt wird. Zu lösende Aufgabe Es besteht somit ein Bedarf an einem verbesserten Fertigungsverfahren und einer verbesserten Herstellungsvorrichtung zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung, die insbesondere eine Präzision der Übereinanderanordnung von zwei jeweils als quasi-unendliches Bahnmaterial bereitgestellten Trägerrahmen verbessert. Lösung Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach dem unabhängigen Vorrichtungsanspruch 1 sowie durch ein Verfahren nach dem unabhängigen Verfahrensanspruch 13 gelöst. Ausgestaltungen dieser Lösung werden durch die abhängigen Ansprüche definiert. Eine Vorrichtung zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung, MEA, umfasst eine erste Transportvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, zumindest einen ersten Trägerrahmen mit einer ersten Fördergeschwindigkeit zu fördern. Eine erste Anordnungsvorrichtung, zum Beispiel in Form einer Vakuumtrommel, ist dazu eingerichtet, zumindest eine Membran auf dem zumindest einen Trägerrahmen anzuordnen, während dieser durch die erste Transportvorrichtung gefördert wird. Eine zweite Anordnungsvorrichtung, zum Beispiel in Form einer Vakuumtrommel, ist dazu eingerichtet, zumindest einen zweiten Trägerrahmen auf der Membran anzuordnen, während diese gemeinsam mit dem ersten Trägerrahmen durch die erste Transportvorrichtung gefördert wird. Die Trägerrahmen, insbesondere der erste Trägerrahmen und/oder der zweite Trägerrahmen, werden in einer Variante jeweils als quasi-unendliches und/oder fortlaufendes Bahnmaterial bereitgestellt, zum Beispiel von einer Trägerbahnrolle. Bei einem quasi-unendlichen und/oder fortlaufenden Bahnmateri