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Dokumentenidentifikation DE112004000776T5 26.06.2008
Titel Herstellungsverfahren und -System für Brennstoffzellen
Anmelder Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha, Toyota, Aichi, JP
Erfinder Itoh, Yuichi, Toyota, Aichi, JP;
Abe, Nobuhira, Toyota, Aichi, JP;
Ohnuma, Satoshi, Toyota, Aichi, JP
Vertreter TBK-Patent, 80336 München
DE-Aktenzeichen 112004000776
Vertragsstaaten AE, AG, AL, AM, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BR, BW, BY, BZ, CA, CH, CN, CO, CR, CU, CZ, DE, DK, DM, DZ, EC, EE, EG, ES, FI, GB, GD, GE, GH, GM, EP, HR, HU, ID, IL, IN, IS, KE, KG, KP, KR, KZ, LC, LK, LR, LS, LT, LU, LV, MA, MD, MG, MK, MN, MW, MX, MZ, NA, NI, NO, NZ, OM, PG, PH, PL, PT, RO, RU, SC, SD, SE, SG, SK, SL, SY, TJ, TM, TN, TR, TT, TZ, UA, UG, US, UZ, VC, VN, YU, ZA, ZM, ZW, BW, GH, GM, KE, LS, MW, MZ, NA, SD, SL, SZ, TZ, UG, ZM, ZW, AM, AZ, BY, KG, KZ, MD, RU, TJ, TM, AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, HU, IE, IS, IT, LT, LU, MC, NL, PL, PT, RO, SE, SI, SK, TR, BF, BJ, CF, CG, CI, CM, GA, GN, GQ, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG, BF, BJ, CF, CG, CI, CM, GA, GN, GQ, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG
WO-Anmeldetag 21.12.2004
PCT-Aktenzeichen PCT/IB2004/004236
WO-Veröffentlichungsnummer 2005067085
WO-Veröffentlichungsdatum 21.07.2005
Date of publication of WO application in German translation 26.06.2008
Veröffentlichungstag im Patentblatt 26.06.2008
IPC-Hauptklasse H01M 8/02(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01M 8/24(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für Brennstoffzellen und ein Herstellungssystem, das direkt bei der Durchführung des Herstellungsverfahrens verwendet wird.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Eine einzelne Brennstoffzelle (Einzelzelle) wird durch das Einfügen einer Membranelektrodenbaugruppe (MEA) zwischen Separatoren ausgebildet. Ein Modul wird durch das Zusammenfügen von zumindest zwei einzelnen Zellen in einen Stapel ausgebildet, und eine gestapelte Brennstoffzelle wird durch das Stapeln einer Vielzahl von Modulen aufeinander ausgebildet (die Richtung, in der diese gestapelt sind, ist beliebig).

Die veröffentlichte japanische Patentanmeldung Nr. JP-A-2001-236971 offenbart ein fortlaufendes Produktionsverfahren für ein Modul. Obwohl es als „fortlaufend" beschrieben wird, ist es nichts weiter als ein Beispiel eines gut bekannten Produktionsverfahrens und ist deswegen im Wesentlichen ein Stapelprozess. Es ist nicht ein Verfahren zum Herstellen eines Separators und eines Moduls durch das Fördern eines fortlaufenden Streifens aus Blattmaterial, wie es zum Beispiel das Verfahren gemäß dieser Erfindung ist.

Jedoch weist das Produktionsverfahren für ein Brennstoffzellenmodul die folgenden Probleme auf.

  • 1) Um einen Raum zu reduzieren und den Bereich der Elektrode wirkungsvoll zu verwenden, müssen die zwei Separatoren und die MEA im allgemeinen genau positioniert sein, wenn sie zusammengebaut werden, was kostenaufwendig ist. Ebenfalls verzieht sich der Separator wegen der Tatsache deutlich, dass er ein ausgesprochen dünnes Blatt ist. Deswegen wird in einer bekannten, automatisierten Stapelbaugruppe eine relativ lange Zeit benötigt, um eine „Verzugskorrektur" und ein „Positionieren" durchzuführen, ohne das Produkt zu beschädigen, was einen Engpass erzeugt, der den Zusammenbau verlangsamt.
  • 2) Wenn der Zusammenbau unter Verwendung einer festen Spannvorrichtung zum genauen Positionieren oder Korrigieren des voranstehend beschriebenen Verzugs aus 1) durchgeführt wird, während die Fertigungslinie angehalten ist, erhöht sich die Förderzeit, und erzeugt somit einen Engpass, der den Zusammenbau verlangsamt. Ein Zusammenbau ohne Anhalten ist ebenfalls wünschenswert, zum Beispiel ein Verfahren, in dem die Spannvorrichtung und das gesamte Gerät zum Zusammenbau mobil sind, und der Zusammenbau durchgeführt wird, während der Separator befördert wird, wonach die Spannvorrichtung und das gesamte Zusammenbausystem dann mit hoher Geschwindigkeit zurückkehren, oder ein Verfahren, bei dem ein Vielzahl von Geräten zirkulieren. Diese Verfahren weisen jedoch Probleme bezüglich Kosten und Raum auf.
  • 3) Da der Separator und die MEA in dünnen Blättern ausgebildet sind und keine Führung vorhanden ist, und insbesondere da eine Führung nicht verwendet werden kann, da die MEA ein Teil ist, das eine geringe Biegesteifigkeit aufweist, ist es dann während des Zusammenbaus erforderlich, die Teile mit einem Gerät zu halten, bis zwischen diesen eine ausreichende Berührung besteht. Da das Zusammenbauwerkzeug auf einer Spannvorrichtung (das Produkt) für eine relativ lange Zeit während des Zusammenbaus positioniert ist, ist der Zusammenbau derart, dass die Förderlinie dazu tendiert anzuhalten, gerade wie es in 2) oben beschrieben wurde, so dass die relativ lange Förderzeit ein Engpass wird, der den Zusammenbau verlangsamt.

Das Problem, das diese Erfindung zu lösen versucht, ist die Tatsache, dass es eine lange Zeit benötigt, gemäß dem bekannten Herstellungsverfahren für Brennstoffzellenmodulen Separatoren mit Bezug auf andere Separatoren und Separatoren mit Bezug auf MEAs zu positionieren.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Unter Betrachtung der voranstehenden Probleme stellt diese Erfindung somit ein Herstellungsverfahren für Brennstoffzellen bereit, das in der Lage ist, Separatoren mit Bezug auf andere Separatoren und MEAs mit Bezug auf Separatoren schnell zu positionieren und zu fördern, und ein System, das direkt bei diesem Herstellungsverfahren verwendet wird.

Ein erster Gesichtspunkt der Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für Brennstoffzellen, durch das ein unzerbrochener Streifen aus Blattmaterial geformt wird, mit MEAs zusammengebaut wird, modularisiert wird, und in einzelne Module getrennt wird, was einen Formprozess vom nachfolgenden Formen von Separatoren auf dem Streifen aus Blattmaterial und das Herstellen eines Separatorstreifens beinhaltet, in dem die Separatoren durch Läufer miteinander verbunden sind, die äußere Rahmen der Separatoren bilden; einen Zusammenbau/Modularisierungsprozess eines nachfolgenden Zusammenbauens der MEAs auf dem Separatorstreifen, in dem eine Serie der Separatoren durch die Läufer miteinander verbunden werden, und Herstellen eines Modulstreifens, in dem eine Serie der Module miteinander durch die Läufer verbunden wird; und einen Trennprozess die Serie von Modulen durch Schneiden und Entfernen der Läufer von dem Modulstreifen in die einzelnen Module zu trennen.

Gemäß dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung schreitet die Serie der Separatoren mit den Läufern noch immer in dem geformten Zustand (d. h. in dem Zustand des Separatorsteifens) auf dem Streifen aus Blattmaterial und immer noch durch die Läufer verbunden voran. Darüber hinaus wird durch das Schneiden und Entfernen der Läufer ein Stapeln durchgeführt, nachdem der Zusammenbau aller Teile vollendet ist. Deswegen ist das Positionsverhältnis von jedem Separator fixiert, während die Separatoren gefördert werden, so dass das Positionsverhältnis der einzelnen Separatoren während des Zusammenbaus von Teilen wie zum Beispiel der MEAs fest ist. Als Ergebnis ist es nicht länger notwendig, die Förderlinie während des Zusammenbaus von Teilen zum Positionieren der Separatoren vorübergehend anzuhalten, was die Produktion der Brennstoffzellenmodule beschleunigt.

In dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung können in dem Formprozess die Separatoren auf dem Streifen aus Blattmaterial geformt werden, und die Läufer auf beiden Seitenkanten in der seitlichen Richtung der Streifen aus Blattmaterial belassen werden, und der Streifen aus Blattmaterial kann stromabwärts von dem Formprozess gefördert werden, während ein Verzug in dem Streifen aus Blattmaterial durch das Pressen von beiden Seitenkanten in der seitlichen Richtung der Läufer unter Verwendung einer Rolle korrigiert wird. Gemäß dieser Struktur kann der Verzug des Streifens aus Blattmaterial korrigiert werden, ohne dass die Separatoren beschädigt werden, da diese fortfahren die Linie hinuntergefördert zu werden, da beide Seitenkanten der Läufer durch die Rolle gedrückt werden.

In dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung können in dem Formprozess die Separatoren geformt werden, und die Läufer auf beiden Seiten in der seitlichen Richtung des Streifens aus Blattmaterial belassen werden, und Förder-/Positionierungslöcher können in der seitlichen Richtung in genauen Positionen mit Bezug auf die Separatoren in beide Seitenkanten der Läufer eingearbeitet werden, und die Positionen der Separatoren stromabwärts des Formprozesses durch das Fördern des Streifens aus Blattmaterial unter Verwendung der Förder-/Positionierungslöcher in beiden Seitenkanten in der seitlichen Richtung der Läufer bestimmt werden. Gemäß dieser Struktur ist es möglich, eine Beschädigung der Separatoren besser zu verhindern, als auch eine breitere Variation von Separatoren handzuhaben, verglichen damit, wenn verteilte Löcher in den Separatoren direkt zum Fördern der Separatoren verwendet werden, da die Förder-/Positionierungslöcher in genauen Positionen mit Bezug auf die Separatoren auf beiden Seitenkanten des Streifens aus Blattmaterial in die Läufer eingearbeitet sind, und diese Förder-/Positionierungslöcher in beiden Seitenkanten der Läufer verwendet werden, um den Streifen aus Blattmaterial stromabwärts von dem Formprozess zu fördern.

In dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung sind aus einem isolierenden Material hergestellte Rahmen auf den äußeren Seitenkanten von Elektrolytmembranen der MEAs bereitgestellt, bevor die MEAs mit dem Separatorstreifen zusammengebaut werden; und in dem Zusammenbau-/Modularisierungsprozess werden die Rahmen verwendet, um die MEAs für den Zusammenbau mit dem Separatorstreifen zu positionieren. Gemäß dieser Struktur können diese Rahmen verwendet werden, die MEAs während des Zusammenbaus auf dem Separatorstreifen zu positionieren, da die Rahmen aus einem isolierenden Material auf den äußeren Seitenabschnitten der Elektrolytmembranen der MEAs bereitgestellt sind.

In einer Abänderung des ersten Gesichtspunkts der Erfindung können in dem Formprozess Zusammenbauführungen auf dem Streifen aus Blattmaterial geformt sein und in dem Zusammenbau-/Modularisierungsprozess können die MEAs mit den Rahmen zusammengebaut werden, nachdem sie automatisch in vorbestimmten Positionen auf den Separatoren auf dem Streifen aus Blattmaterial positioniert wurden, indem die äußeren Kanten der Rahmen durch die Zusammenbauführungen geführt werden. Gemäß dieser Struktur können die MEAs mit den Rahmen automatisch bei den Separatorabschnitten des Streifens aus Blattmaterial positioniert werden, indem die äußeren Kanten der Rahmen unter Verwendung der Zusammenbauführungen bei den MEA-Zusammenbau- und Modularisierungsprozess geführt werden, da die Zusammenbauführungen durch das Schneiden von Klappen aus dem Streifen aus Blattmaterial und Aufbiegen von diesen hergestellt sind. Sobald die Rahmen in den Zusammenbauführungen eingepasst sind, werden die MEAs nicht in der Zellenebene versetzt werden. Als Ergebnis besteht keine Notwendigkeit, den Streifen aus Blattmaterial anzuhalten, da er während des MEA-Zusammenbaus gefördert wird.

In dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung können die Läufer in dem Formprozess zwischen angrenzenden Separatoren auf dem Streifen aus Blattmaterial bereitgestellt sein, und ein Separatorabstand der Läufer kann unter Verwendung eines Abschnitts zum Einstellen des Abstands eingestellt werden, der so bereitgestellt ist, dass die Läufer miteinander verbunden sind. Gemäß dieser Struktur kann jeder Separator noch immer positioniert und modularisiert werden, sogar falls eine leichte Variation des Separatorabstands auftritt, da die Läufer zwischen angrenzenden Separatoren auf dem Streifen aus Blattmaterial hergestellt sind, und die Abschnitte zum Einstellen des Abstands zum Einstellen des Separatorabstands auf den Läufern zwischen den Separatoren bereitgestellt sind.

Gemäß einer Modifikation des ersten Gesichtspunkts der Erfindung können Biegeführungsabschnitte auf den Läufern bereitgestellt sein, die eine geringere Biegesteifigkeit aufweisen als andere Abschnitte der Läufer, und die Biegeführungsabschnitte können als Abschnitte zum Einstellen des Abstands verwendet werden. Gemäß dieser Struktur können diese Biegeführungsabschnitte als Abschnitte zum Einstellen der Abstände verwendet werden, da die Biegeführungsabschnitte, die weniger steif als die anderen Abschnitte sind, auf den Läufern zwischen den Separatoren auf dem Streifen aus Blattmaterial bereitgestellt sind.

Gemäß einer Modifikation des ersten Gesichtspunkts der Erfindung können die Biegeführungsabschnitte dünner ausgebildet werden als die Läufer oder mit geschlitzten Abschnitten derart bereitgestellt sein, dass die Biegeführungsabschnitte sich durch einen 360°-Bereich von +180° bis –180° biegen. Gemäß dieser Struktur kann der Modulstreifen leicht wie ein Akkordeon gefaltet werden, da die Biegeführungsabschnitte derart ausgebildet sind, dass sie sich durch einen Bereich von 360° von +180° bis –180° biegen können.

In dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung können die Läufer in dem ersten Formprozess außerdem auf dem Streifen aus Blattmaterial zwischen angrenzenden Separatoren als auch an beiden Seitenkanten in der Seitenrichtung des Streifens aus Blattmaterial bereitgestellt sein, und eine Rippe kann um den gesamten Umfang von jedem der Separatoren auf dem Läufer geformt sein. Gemäß dieser Struktur können die Separatoren (insbesondere die Verteilerabschnitte, die eine geringe Biegesteifigkeit aufweisen) geschützt werden, während der Modularisierung und des Faltens derart gebogen zu werden, dass ein Verzug reduziert werden kann, da die Rippe auf dem Läufer um den gesamten Umfang von jedem der Separatoren in dem Formprozess auf dem Streifen aus Blattmaterial geformt ist.

In dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung kann in dem Formprozess das gesamte Formen in einem einzelnen Kunststoffformprozess unter Verwendung einer Form durchgeführt werden. Gemäß dieser Struktur wird die Produktionszeit für das Brennstoffzellenmodul nicht erhöht, sogar falls die Zusammenbauführungen, Zusammenbauführungsaufnahmeeinrichtungen und Rippen geformt werden.

In dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung können in dem Formprozess die Läufer auf dem Streifen aus Blattmaterial geformt werden, und zumindest eines aus Positionierungslöchern, Abschnitten zum Einstellen des Abstands, Biegeführungsabschnitte und Rippen können konzentriert um die Läufer bereitgestellt sein, und in dem Stapelprozess können die Läufer von dem Modul entfernt werden. Gemäß dieser Struktur sind die Formen der Strömungswegnuten der Separatoren nicht durch die Positionierungslöcher, die Biegeführungsabschnitte oder die Rippen zum Steuern des Verzugs beschränkt, da die Positionierungslöcher, die Biegeführungsabschnitte und die Rippen zum Steuern des Verzugs konzentriert um die Läufer in dem Formprozess geformt werden, und in dem Trennprozess die Läufer von den Modulen in dem Stapelprozess entfernt werden. Ebenfalls ist es nicht insbesondere notwendig, die Form der bekannten Separatoren zu ändern, falls das Verfahren dieser Erfindung verwendet wird.

In dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung können zwei Streifen aus Blattmaterial zu dem Formprozess zugeführt werden; in dem Formprozess können die Zusammenbauführungen auf einem der Streifen aus Blattmaterial geformt werden, während Zusammenbauführungsaufnahmeeinrichtungen, die als Löcher oder Ausschnitte ausgebildet sind, in den anderen Streifen aus Blattmaterial geformt werden können, und Förder-/Positionierungslöcher können in beide Seitenkanten in der seitlichen Richtung der Läufer von beiden Streifen aus Blattmaterial eingearbeitet werden; und in dem Zusammenbau-/Modularisierungsprozess können die Zusammenbauführungen des einen Streifens aus Blattmaterial in die Zusammenbauaufnahmeführung des anderen Streifens aus Blattmaterial derart eingefügt werden, dass die Zusammenbauführungen abgehalten werden, mit dem anderen Streifen aus Blattmaterial zusammenzustoßen, und beide Streifen aus Blattmaterial können einander gegenüberliegend mit den entsprechenden Förder-/Positionierungslöchern der Läufer von jedem Streifen aus Blattmaterial derart ausgerichtet zusammengebaut werden, dass die Modularisierung fortlaufend durchgeführt werden kann, ohne die zwei Streifen aus Blattmaterial anhalten zu müssen, die gefördert werden. Gemäß dieser Struktur können die Zusammenbauführungen in die Zusammenbauführungsaufnahmeeinrichtungen eingefügt werden, wenn die zwei Streifen aus Blattmaterial einander gegenüberliegend unter Verwendung der Förder-/Positionierungslöcher in den Läufern derart zusammengebaut werden, dass die Modularisierung fortlaufend durchgeführt werden kann, ohne die zwei Streifen aus Blattmaterial anhalten zu müssen, die gefördert werden, da die Zusammenbauführungen auf einen der Streifen aus Blattmaterial geformt sind, während die Zusammenbauaufnahmeführungen, die als Löcher oder Ausschnitte ausgebildet sind, in dem anderen Streifen aus Blattmaterial geformt sind.

In dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung kann ein Streifen aus Blattmaterial zu dem Formprozess zugeführt werden; in dem Formprozess können ein anodenseitiger Separator und ein katodenseitiger Separator abwechselnd auf dem einzelnen Streifen aus Blattmaterial geformt werden; und in dem Zusammenbau-/Modularisierungsprozess können die MEAs folgend mit dem Separatorstreifen zusammengebaut werden, und der Modulstreifen, in den die Module gestapelt werden, während sie durch die Läufer verbunden sind, kann durch das Falten des Separatorstreifens wie ein Akkordeon produziert werden. Gemäß dieser Struktur kann der Modulstreifen fortlaufend produziert und gefaltet werden.

Gemäß einer Abänderung des ersten Gesichtspunktes der Erfindung kann der Modulstreifen bei den Läufern gefaltet werden und die Läufer zwischen den Modulen von allen der Module können alle ausgeschnitten und in dem Trennprozess gemeinsam entfernt werden. Gemäß dieser Struktur ist es möglich, die Läufer wirkungsvoll zu entfernen.

In dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung kann der Trennprozess einen Stapelprozess haben, in dem die Läufer zusammengesammelt und getrennt werden.

Ein zweiter Gesichtspunkt der Erfindung betrifft ein Herstellungssystem für Brennstoffzellen, das mit folgendem in der Reihenfolge der Richtung, in der ein Streifen aus Blattmaterial in einer Förderlinie des Streifens aus Blattmaterial gefördert wird, bereitgestellt ist: einer Formstation, der Zusammenbau-/Modularisierungsstation, und einer Trennstation, die eine bei der Formstation bereitgestellte Form hat, die folgend Separatoren auf den Streifen aus Blattmaterial formt, und Läufer belässt, die äußere Rahmen der Separatoren ausbilden; eine Zusammenbauvorrichtung für MEAs, die bei der Zusammenbau-/Modularisierungsstation bereitgestellt ist, die folgend MEAs mit einem Separatorstreifen zusammenbaut, in dem eine Serie der Separatoren durch Läufer verbunden ist; und einer Schneidvorrichtung, die bei der Trennstation bereitgestellt ist, ddie die Läufer von einem Modulstreifen schneidet und entfernt, und die MEAs werden folgend mit dem Separatorstreifen zusammengebaut.

Gemäß einem zweiten Gesichtspunkt der Erfindung ist das Positionsverhältnis von jedem Separator fixiert während die Separatoren befördert werden, so dass es nicht notwendig ist, jeden einzelnen Separator während des Zusammenbaus von Teilen zu positionieren und deswegen ebenfalls nicht länger notwendig ist, die Förderlinie vorübergehend während des Zusammenbaus der Teile anzuhalten, wodurch die Produktion der Brennstoffzellenmodule beschleunigt wird, da eine Formstation, eine Zusammenbau-/Modularisierungsstation, und eine Trennstation in der Reihenfolge der Richtung angeordnet sind, in der ein Streifen aus Blattmaterial in einer Förderlinie des Streifens aus Blattmaterial befördert wird, und der Streifen aus Blattmaterial zwischen Stationen mit verbundenen Separatoren befördert wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1A ist ein schematisches Diagramm eines Systems, das das Herstellungsverfahren für Brennstoffzellen gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung einsetzt, und 1B ist eine Blockansicht des Prozesses;

2 ist eine perspektivische Ansicht eines Separatorstreifens;

3 ist perspektivische Ansicht des Separatorstreifens von einem MEA-Zusammenbauprozess zu einem Stapelprozess;

4 ist eine vergrößerte Ansicht des Separatorstreifens aus 3;

5 ist eine perspektivische Ansicht einer Biegeführung und eines Separatorstreifens mit Rippen;

6 ist eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts des Separatorstreifens aus 5;

7A ist eine schematische Ansicht eines Systems, das ein Herstellungsverfahren für Brennstoffzellen gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung einsetzt;

8 ist ein schematisches Diagramm eines Systems, das das Herstellungsverfahren für Brennstoffzellen gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung einsetzt;

9 ist eine Seitenansicht der üblichen Brennstoffzelle; und

10 ist eine vergrößere Schnittansicht eines Abschnitts einer üblichen Brennstoffzelle.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Das Herstellungsverfahren für Brennstoffzellen und das Brennstoffzellenherstellungssystem zum direkten Einsetzen des Herstellungsverfahrens gemäß der Erfindung wird mit Bezug auf 1 bis 10 beschrieben.

1 bis 6 zeigen das Herstellungsverfahren für Brennstoffzellen und das System gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. 7 zeigt ein Herstellungsverfahren für Brennstoffzellen und das System gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. 8 zeigt ein Herstellungsverfahren für Brennstoffzellen und das System gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. 9 und 10 zeigen die Struktur einer üblichen Brennstoffzelle, auf die jede beliebige der beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung angewendet werden kann.

Gleiche oder ähnliche Teile der ersten bis dritten beispielhaften Ausführungsformen werden durch die erste bis zur dritten beispielhaften Ausführungsform mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Zuerst werden gleiche oder ähnliche Teile in den ersten bis dritten beispielhaften Ausführungsformen zum Beispiel mit Bezug auf 1 bis 6, 9 und 10 beschrieben.

Eine durch das Herstellungsverfahren und das System dieser Erfindung hergestellte Brennstoffzelle ist eine gestapelte Brennstoffzelle wie zum Beispiel eine gestapelte Protonen-Austauschmembranbrennstoffzelle 10. Diese Brennstoffzelle 10 kann zum Beispiel in einem Brennstoffzellenfahrzeug montiert werden, ist aber nicht darauf beschränkt, in einem solchen Fahrzeug verwendet zu werden.

Die Protonen-Austauschmembranbrennstoffzelle 10 ist aus einem Stapel von Membranelektrodenbaugruppen oder MEAs und Separatoren 18 hergestellt, wie aus 9 und 10 ersichtlich ist. Die Richtung, in welche diese gestapelt sind, ist beliebig und nicht darauf beschränkt vertikal zu sein.

Jede Membran-Elektrodenbaugruppe hat eine Elektrolytmembran 11, die aus Ionenaustauschmembranen ausgebildet ist, eine Elektrode (Anode, Brennstoffelektrode) 14, die aus einer katalytischen Schicht ausgebildet ist, die auf einer Oberfläche der Elektrolytmembran 11 angeordnet ist, und eine Elektrode (Kathode, Luftelektrode) 17, die aus einer katalytischen Schicht ausgebildet ist, die auf der anderen Seite der Elektrolytmembran 11 angeordnet ist. Eine Diffusionszone ist sowohl auf der Anodenseite als auch der Kathodenseite zwischen der Membran-Elektrodenbaugruppe und dem Separator 18 bereitgestellt.

In dem Separator 18 gibt es Reaktionsgrasströmungswege 27 und 28 (Brennstoffgasströmungsweg 27 und Oxidationsgasströmungsweg 28) zum Zuführen eines Brennstoffgases (Wasserstoff) und eines Oxidationsgases (Sauerstoff, normalerweise Luft) zu der Anode 14 und der Kathode 17, und einen Kühlmediumströmungsweg 26, der ein Kühlmedium (normalerweise ein Kühlmittel) zu der Rückseite des Separators 18 führt. In dem Separator 18 gibt es ebenfalls einen Brennstoffgasverteiler 30 zum Zuführen und Abgeben des Brennstoffgases zu und von dem Brennstoffgasströmungsweg 27, einen Oxidationsgasverteiler 31 zum Zuführen und Abgeben des Oxidationsgases zu und von dem Oxidationsgasströmungsweg 28, und einen Kühlmediumverteiler 29 zum Zuführen und Abgeben des Kühlmediums zu und von dem Kühlmediumströmungsweg 26.

Die Membran-Elektrodenbaugruppe und der Separator 18 sind gestapelt, um eine einzelne Brennstoffzelle (ebenfalls als „Einzelzelle" bezeichnet) 19 auszubilden. Ein Modul ist aus zumindest einer dieser Zellen ausgebildet (10 zeigt einen Fall, in dem ein Modul aus einer dieser Zellen derart ausgebildet ist, dass die Zelle 19 äquivalent zu dem Modul ist, und so ist das Modul in diesem Fall ebenfalls durch das Bezugszeichen 19 bezeichnet). Wenn zwei oder mehr dieser Module 19 zusammen gestapelt sind, bilden sie einen Zellenstapel. Auf beiden Enden dieses Zellenstapels sind Anschlüsse 29, Isolatoren 21 und Endplatten 22 in der Stapelrichtung angeordnet. Der Zellenstapel wird dann in der Stapelrichtung befestigt und mit einem Befestigungsteil (zum Beispiel einer Spannungsplatte 24) befestigt, die sich um das Äußere des Zellenstapels in der Stapelrichtung erstreckt, und Muttern und Schrauben 25, um so einen Brennstoffzellenstapel 23 auszubilden. Eine Reaktion findet auf der Anodenseite 14 von jeder Zelle 19 statt, die den Wasserstoff in Wasserstoffionen (Protonen) und Elektronen spaltet. Die Wasserstoffionen bewegen sich durch die Elektrolytmembran 11 zu der Seite der Kathoden 17, wo sie sich mit Sauerstoff und Elektronen kombinieren (die Elektronen, die durch die Anode des angrenzenden MEAs produziert werden, werden durch den Separator 18 geleitet oder die Elektronen, die durch die Anode der Zelle auf einem Ende in der Zellenstapelrichtung produziert werden, werden durch einen äußeren Kreislauf zu der Kathode der Zelle auf dem anderen Ende bewegt), um Wasser auszubilden. Diese Reaktion erzeugt Elektrizität. Anodenseite: H2 → 2H+ + 2e Kathodenseite: 2H+ + 2e + (1/2)O2 → H 2

Der Separator 18 ist ein biegbarer, leitender Separator wie zum Beispiel ein Metallseparator oder ein biegbares Blatt eines mit Kohlenstoff gemischten Harzes. Der Separator 18 kann ebenfalls zusammen mit einem Hartharzrahmen verwendet werden.

Eine gasseitige Dichtung 33 und eine kühlmediumseitige Dichtung 32 werden zwischen angrenzenden Separatoren 18 bereitgestellt, um die Fluidströmungswege 26, 27, 28, 29, 30 und 31 abzudichten. In den in den Zeichnungen gezeigten Beispielen ist die gasseitige Dichtung als Adhäsiv und die kühlmediumseitige Dichtung 32 als Gummidichtung gezeigt, aber jede von diesen kann ein Adhäsiv oder eine Gummidichtung sein.

Das Herstellungssystem für Brennstoffzellen dieser Erfindung ist ein fortlaufendes Herstellungssystem für das Brennstoffzellenmodul 19. Wie aus 1 ersichtlich ist, hat das Herstellungssystem für Brennstoffzellen dieser Erfindung in der Reihenfolge der Richtung, in der der Streifen aus Blattmaterial 50 in der Förderlinie für den Streifen aus Blattmaterial 50 gefördert wird (das heißt das Material des Separators 18), eine Formstation 51, eine MEA-Zusammenbaustation 55 und eine Modularisierungsstation 57, und eine Stapel(trenn)Station 59.

Insbesondere hat das Herstellungssystem für Brennstoffzellen dieser Erfindung außerdem in der Reihenfolge der Richtung, in der der Streifen aus Blattmaterial 50 in der Förderlinie für den Streifen aus Blattmaterial 50 gefördert wird, die Formstation 51, eine Oberflächenbehandlungsstation 52 für den Streifen aus Blattmaterial 50, eine Fügestation 53 zum Fügen einer Dichtung 32 mit dem Streifen aus Blattmaterial 50, eine Anwendungsstation 54 zum Anwenden eines Adhäsivs 33 auf den Streifen aus Blattmaterial 50, die MEA-Zusammenbaustation zum folgenden Zusammenbau der MEAs in vorbestimmten Positionen auf dem Streifen aus Blattmaterial 50, eine Adhäsivanwendungsstation 56 zum Anwenden des Adhäsivs 33 auf dem Streifen aus Blattmaterial 50, mit dem die MEAs zusammengebaut wurden, eine Modularisierungsstation 57, eine Adhäsivwärmeaushärtungsstation 58, und eine Stapelstation 59 zum Trennen der verbundenen Module 19 durch das Entfernen der Läufer 60.

Die Formstation 51 hat eine Form 81 die folgend die Separatoren 18 auf dem Streifen aus Blattmaterial 50 formt, und die Läufer 60 belässt, die andere Materialabschnitte sind als Separatoren 18, wie aus 2 ersichtlich ist. Den Separatoren 18 entsprechende Abschnitte und den Läufern 60 entsprechende Abschnitte, die angrenzend an die Separatoren 18 liegen, werden nämlich durch die Form 81 auf dem Streifen aus Blattmaterial 50 geformt.

Die MEA-Zusammenbaustation 55 hat eine MEA-Zusammenbauvorrichtung 82, die folgend die MEAs auf einem Separatorstreifen 50A zusammenbaut (auf Streifen aus Blattmaterial 50 nachdem der Separator und ähnliches verarbeitet wurden), in dem eine Serie von Separatoren 18 durch die Läufer 60 verbunden ist.

Die Stapelstation 59 hat einen Schneider 83, der die Läufer 60 von dem Modulstreifen 50B schneidet und entfernt, mit den MEAs folgend zusammengebaut auf dem Separatorstreifen 50A (das heißt von dem Streifen aus Blattmaterial 50, in dem die Module 19 immer noch nach dem MEA-Zusammenbau verbunden sind).

Gemäß dem Herstellungsverfahren für Brennstoffzellen dieser Erfindung schreitet der Streifen aus Blattmaterial 50 dann unzerbrochen zu dem Formprozess 101, dem MEA-Zusammenbauprozess 105 und dem Modularisierungsprozess 107, nachdem er in dem Stapelprozess 109 in einzelne Module 19 getrennt wird.

Das Herstellungsverfahren für Brennstoffzellen dieser Erfindung hat in der Reihenfolge der Ausführung, da der Streifen aus Blattmaterial 50 (mit dem Separatorstreifen 50A und dem Modulstreifen 50B) gefördert wird, den Formprozess 101 der Separatoren 18 und ähnliches auf dem Streifen aus Blattmaterial 50; den Oberflächenbehandlungsprozess 102 des Streifens aus Blattmaterial 50; den Fügeprozess 103 zum Fügen der Dichtung 32 mit dem Streifen aus Blattmaterial 50; den Beschichtungsprozess 104 zum Beschichten des Streifens aus Blattmaterial 50 mit dem Adhäsiv 33; den MEA-Zusammenbauprozess 105 zum folgenden Zusammenbau der MEAs auf vorbestimmten Abschnitten der Streifen aus Blattmaterial 50; den Adhäsivbeschichtungsprozess 106 zum Beschichten des Streifens aus Blattmaterial 50, mit dem die MEAs mit dem Adhäsiv 33 zusammengebaut wurden; den Modularisierungsprozess 107; den Wärmeaushärteprozess 108 des Adhäsivs und den Stapelprozess 109 zum Trennen der verbundenen Module 19 durch das Entfernen der Läufer 60 in einzelne Module 19.

In dem Formprozess 101 werden die Separatoren 18 folgend auf dem Streifen aus Blattmaterial 50 geformt, und der Separatorstreifen 50A, in dem die vorgeformten Separatoren 18 durch die Läufer 60 verbunden sind, die andere Materialabschnitte als die Separatoren 18 sind, wird hergestellt.

In dem MEA-Zusammenbau- und Modularisierungsprozessen 105 und 107 werden die MEAs folgend mit dem Separatorstreifen 50A zusammengebaut, in dem eine Serie der Separatoren 18 miteinander durch die Läufer 60 verbunden ist, und der Modulstreifen 50B, in dem die Serien von Modulen 19 miteinander durch die Läufer 60 verbunden sind, wird hergestellt.

In dem Stapelprozess 109 werden die Läufer 60 von dem Modulstreifen 50B weggeschnitten, und dabei die einzelnen Module 19 getrennt.

In dem Formprozess 101 werden die Separatoren 18 auf dem Streifen aus Blattmaterial 50 geformt, und die Läufer 60 auf beiden Seiten in der seitlichen Richtung des Streifens aus Blattmaterial 50 gelassen. Der Streifen aus Blattmaterial 50 wird stromabwärts von dem Formprozess 101 gefördert, während jeglicher Verzug in dem Streifen aus Blattmaterial 50 durch das Pressen von beiden Seitenkanten in der seitlichen Richtung der Läufer 60 unter Verwendung einer Rolle 80 korrigiert wird.

In dem Formprozess 101 werden Separatoren 18 geformt und dabei die Läufer 60, die andere Abschnitte als die Separatoren 18sind, auf beiden Seiten in der seitlichen Richtung des Streifens aus Blattmaterial 50 belassen. Zur selben Zeit werden Förder-/Positionierungslöcher 61 in beide Seitenkanten in der seitlichen Richtung der Läufer 60 in genaue Positionen mit Bezug auf die Separatoren 18 gearbeitet. Die Positionen der Separatoren 18 stromabwärts des Formprozesses können dann durch das Fördern des Streifens aus Blattmaterial 50 unter Verwendung der Förder-/Positonierungslöcher 61 in beiden Seitenkanten in der seitlichen Richtung der Läufer 60 bestimmt werden.

Aus einem Isoliermaterial hergestellte Rahmen 62 sind auf den äußeren Kantenabschnitten der Elektrolytmembranen der MEAs bereitgestellt, bevor die MEAs mit dem Separatorstreifen 50A zusammengebaut werden. Die Rahmen 62 werden verwendet, um die MEAs für den Zusammenbau mit dem Separatorstreifen 50A in den MEA-Zusammenbau- und Modularisierungsprozessen 105 und 107 zu positionieren.

In dem Formprozess 101 werden Zusammenbauführungen 63 auf dem Streifen aus Blattmaterial 50 aus dem Streifen aus Blattmaterial 50 geformt. In den MEA-Zusammenbau- und Modularisierungsprozessen 105 und 107 werden die MEAs mit den Rahmen 62 zusammengebaut, nachdem sie automatisch in vorbestimmten Positionen auf dem Streifen aus Blattmaterial 50 positioniert wurden, wo die Separatoren 18 durch das Führen der äußeren Kanten der Rahmen 62 durch die Zusammenbauführungen 63 bereitgestellt sind. Die Zusammenbauführungen 63 können durch das Schneiden von Klappen aus dem Streifen aus Blattmaterial 50 und Aufbiegen von diesen hergestellt sein, oder durch das Ausbilden von Führungsbolzen durch Stanzen oder ähnliches.

In dem Formprozess 101 sind die Läufer, die andere Abschnitte als die Separatoren 18 sind, zwischen angrenzenden Separatoren 18 auf dem Streifen aus Blattmaterial 50 bereitgestellt. Abschnitte 64 zum Einstellen von Abständen zum Einstellen des Separatorabstands sind auf den Läufern 60 zwischen den Separatoren 18 bereitgestellt. Zum Beispiel sind die durch das Bezugszeichen 64 in 6 bezeichneten Abschnitte Abstände zum Einstellen von Abständen. Die Abschnitte, wo die Streifen aus Blattmaterial 50 in 1 lose sind, sind lose Abschnitte 65 des Streifens aus Blattmaterial 50, und nicht die Abschnitte zum Einstellen von Abständen.

Biegeführungsabschnitte, die weniger steif sind als andere Abschnitte, sind auf den Läufern 60 zwischen den Separatoren 18 des Streifens aus Blattmaterial 50 bereitgestellt. Diese Biegeführungsabschnitte werden als Abschnitte 64 zum Einstellen des Abstands verwendet.

Die Biegeführungsabschnitte sind dünn genug oder weisen einen geschlitzten Abschnitt auf, so dass sie durch einen Bereich von 360° von +180° bis –180° gebogen werden können. Zum Beispiel sind die in 6 gezeigten Abschnitte 64 zum Einstellen des Abstands aus gebogenen Abschnitten hergestellt, die in die Richtungen gegenüber der Biegung vorspringen. Jedoch biegt diese Art von gebogenem Abschnitt sich nicht leicht in die gegenüberliegende Richtung, nachdem sie in eine Richtung gebogen wurde. Deswegen kann eine alternative Struktur verwendet werden, in der zum Beispiel ein lokalisierter Abschnitt des Abschnitts 64 zum Einstellen des Abstands dünn ist, oder stichartige Schlitze in den Abschnitten 64 zum Einstellen des Abstands gemacht werden, die es diesen ermöglichen, sich durch den 360°-Bereich von +180° bis –180° zu biegen.

In dem Formprozess 101 sind die Läufer 60 auf dem Streifen aus Blattmaterial 50 zwischen angrenzenden Separatoren 18 bereitgestellt, die andere Abschnitte als der Separatur 18 sind, als auch auf beiden Seitenkanten in der seitlichen Richtung des Streifens aus Blattmaterial 50. Eine erhöhte steife Rippe 66 kann ebenfalls auf dem Läufer 60 um den gesamten Umfang von jedem der Separatoren 18 geformt sein.

In dem Formprozess 101 bevorzugt jedes Formen von bearbeiteten Abschnitten, wie zum Beispiel Strömungswegnuten der Separatoren 18, Verteilungslöcher, Positionierungslöcher 61, Zusammenbauführungen 63, Abschnitte 64 zum Einstellen der Abstände, und Rippe 66 in einem einzelnen Kunststoffformprozess unter Verwendung der Form 81 geformt, es ist aber ebenfalls möglich, diese getrennt unter Verwendung verschiedener Formen zu formen. Zum Beispiel können die Strömungswegnuten und die Verteilungslöcher mit einer Form geformt werden, die Positionierungslöcher 61 und die Zusammenbauführungen 63 können mit einer anderen Form geformt werden, und die Abschnitte 64 zum Einstellen des Abstands und die Rippen 66 können mit noch einer anderen geformt werden.

Ebenfalls ist es in dem Formprozess 101 bevorzugt, dass i) die Läufer 60, die andere Abschnitte als die Separatoren 18 sind, auf dem Streifen aus Blattmaterial 50 geformt werden, ii) mindestens eines aus Positionierungslöchern 61, Biegeführungsabschnitten 64 zur Einstellung des Abstands, und die Rippen 66 zum Steuern des Verzugs konzentriert um die Läufer 60 bereitgestellt werden, und dass die Läufer 60 in dem Stapelprozess 109 von dem Modulstreifen 50B entfernt werden.

Der Betrieb und Auswirkungen der Abschnitte, die jedem Herstellungsverfahren für Brennstoffzellen und -system dieser Erfindung gemeinsam sind, sind wie folgt.

In dem Herstellungsverfahren für Brennstoffzellen und in dem System gemäß der Erfindung schreitet die Serie von Separatoren 18 mit den Läufern 60 noch immer auf dem Streifen aus Blattmaterial 50 in dem geformten Zustand (das heißt in dem Zustand des Separatorstreifens 50A) und immer noch durch die Läufer 60 verbunden voran. Darüber hinaus wird das Stapeln (die einzelne Modularisierung) durch das Schneiden und Entfernen der Läufer 60 durchgeführt, nachdem der Zusammenbau aller Teile vollendet ist. Deswegen ist das Positionsverhältnis von jedem Separator 18 fest, während die Separatoren 18 befördert werden, und so ist das Positionsverhältnis der einzelnen Separatoren während des Zusammenbaus von Teilen wie der MEAs fest. Als Ergebnis ist es nicht länger notwendig, die Förderlinie während des Zusammenbaus von Teilen vorübergehend anzuhalten, um den Separator 18 zu positionieren. Darüber hinaus werden die Positionierungszeit und Förderzeit ebenfalls reduziert, was die Produktion der Brennstoffzellenmodule beschleunigt.

In dem Herstellungsverfahren für Brennstoffzellen dieser beispielhaften Ausführungsform werden beide Seitenkanten der Läufer 60 durch die Rolle 80 gedrückt, und so kann ein Verzug des Streifens aus Blattmaterial 50 korrigiert werden, ohne dass die Separatoren 18 beschädigt werden, wenn damit fortgefahren wird, sie die Linie hinunter zu befördern. Das Korrigieren eines Verzugs, der in dem Streifen aus Blattmaterial 50 aufgetreten sein könnte, ermöglicht es, jeden Separator 18 genau zu positionieren.

Förder-/Positionierungslöcher können ebenfalls in den Läufern 60 um die Separatoren 18 in dem Streifen aus Blattmaterial 50 ausgebildet sein. Durch das Bearbeiten dieser Förder-/Positionierungslöcher 61 in den Läufern 60 auf beiden Seitenkanten des Streifens aus Blattmaterial 50 in genauen Positionen mit Bezug auf die Separatoren 18 und Verwenden dieser Förder-/Positionierungslöcher 61 in beiden Seitenkanten der Läufer 60, um die Streifen aus Blattmaterial 50 stromabwärts von dem Formprozess 101 zu fördern, ist es möglich, eine Beschädigung der Separatoren besser zu verhindern, als auch eine größere Variation von Separatoren handzuhaben, verglichen damit, wenn die Verteilungslöcher in den Separatoren 18 direkt zum Fördern der Separatoren 18 verwendet werden. Dies deswegen, da unterschiedliche Separatoren 18 unterschiedliche Verteilungslöcher unterschiedlicher Formen und in unterschiedlichen Positionen aufweisen, während die Förder-/Positionierungslöcher 61 andererseits in der Lage sind, unabhängig von der Form und Position der Verteilungslöcher gearbeitet zu werden.

Wenn Rahmen 62 (wie zum Beispiel Harzrahmen) aus einem isolierenden Material auf den äußeren Kantenabschnitten der Elektrolytmembranen der MEAs bereitgestellt sind, können diese Rahmen 62 ebenfalls verwendet werden, um während des Zusammenbaus die MEAs auf dem Separatorstreifen 50A zu verwenden.

Wenn die Zusammenbauführungen 63 durch das Schneiden von Klappen aus dem Streifen aus Blattmaterial 50 und durch Aufbiegen von diesen hergestellt werden, können die MEAs mit dem Rahmen 62 automatisch auf Abschnitten des Streifens aus Blattmaterial 50 positioniert werden, auf dem die Separatoren 18 durch das Führen der äußeren Kanten der Rahmen 62 unter Verwendung der Zusammenbauführungen 63 in den MEA-Zusammenbau- und Modularisierungsprozessen 105 und 107 bereitgestellt sind. Sobald die Rahmen 62 in den Zusammenbauführungen 63 eingepasst sind, werden die MEAs in der Zellenebene nicht versetzt werden. Als Ergebnis können die MEAs genau mit den Separatoren 18 zusammengebaut werden, was die Notwendigkeit den Streifen aus Blattmaterial 50 anzuhalten vermeidet, da er gefördert wird, um die MEAs während des Zusammenbaus zu positionieren. Dies beschleunigt im Gegenzug die Produktion der Brennstoffzellenmodule.

Abschnitte 64 zum Einstellen von Abständen können ebenfalls auf dem Streifen aus Blattmaterial 50 bereitgestellt sein, um angrenzende Läufer 60 miteinander zu verbinden. Durch das Bereitstellen der Läufer 60 zwischen angrenzenden Separatoren 18 auf dem Streifen aus Blattmaterial 50 und Bereitstellen der Abschnitte 64 zum Einstellen der Abstände, um die Separatorabstände auf den Läufern 60 zwischen den Separatoren 18 einzustellen, ist jeder Separator immer noch in der Lage einzeln positioniert und genau modularisiert zu werden, sogar falls eine geringfügige Variation des Separatorabstands vorliegt.

Wenn Biegeführungsabschnitte, die weniger steif sind als andere Abschnitte, auf den Läufern 60 zwischen den Separatoren 18 des Streifens aus Blattmaterial 50 bereitgestellt sind, können diese Biegeführungsabschnitte 64 als Abschnitte zum Einstellen von Abständen verwendet werden, wie aus 6 ersichtlich ist.

Wenn die Biegeführungsabschnitte so ausgebildet sind, dass sie sich durch einen Bereich von 360° von +180° bis –180° biegen können, kann der Modulstreifen 50B leicht wie ein Akkordeon gefaltet werden.

Rippen 66 können ebenfalls auf dem Streifen aus Blattmaterial 50 geformt werden, die sich um die Umfänge der Separatoren 18 erstrecken. In dem Formprozess 101 können nämlich die Separatoren 18 (insbesondere die Verteilerabschnitte, die eine geringe Biegesteifigkeit aufweisen) davor geschützt werden, während der Modularisierung und Faltung gebogen zu werden, so dass ein Verzug reduziert werden kann, wenn die Rippen 66 auf den Läufern 60 um die gesamten Umfänge der Separatoren 18 des Streifens aus Blattmaterial 50 geformt sind.

Ebenfalls ist es in dem Formprozess 101 durch das Durchführen von allen Formvorgängen in einem einzelnen Plastikformprozess unter Verwendung der Form 81 möglich, die Zusammenbauführungen 63, Zusammenbauaufnahmeeinrichtungen, und die Rippen 66 in dem gleichen Prozess zu formen, in dem die Strömungswegnuten der Separatoren 18 geformt werden, was verhindert, dass die Zeit zum Herstellen des Brennstoffzellenmoduls lange wird.

Außerdem sind die Formen der Strömungswegnuten der Separatoren 18 nicht durch die Positionierungslöcher 61, die Biegeführungsabschnitte 64 oder die Rippen 66 zum Steuern des Verzugs beschränkt, da in dem Formprozess 101 die Positionierungslöcher 61, die Biegeführungsabschnitte 64 und die Rippen 66 zum Steuern des Verzugs konzentriert um die Läufer 60 geformt werden und die Läufer 60 in dem Stapelprozess 109 von den Modulen 19 entfernt werden.

Als nächstes werden die besonderen technischen Gesichtspunkte jeder beispielhaften Ausführungsform des Herstellungsverfahren für Brennstoffzellen gemäß der Erfindung beschrieben.

[Erste beispielhafte Ausführungsform]

In dem Herstellungsverfahren für Brennstoffzellen gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsformen werden zwei Streifen aus Blattmaterial 50 von einer Rolle von Material zu dem Formprozess 101 zugeführt, wie aus 1 bis 6 ersichtlich ist.

In dem Formprozess 101 werden die Zusammenbauführungen 63 auf einem der Streifen aus Blattmaterial 50 geformt, während Zusammenbauführungsaufnahmeeinrichtungen 167, die Löcher oder Ausschnitte sind, in dem anderen Streifen aus Blattmaterial 50 geformt werden. In dem Formprozess 101 werden die Förder-/Positionierungslöcher 61 ebenfalls in beide Seitenkanten der seitlichen Richtung der Läufer 60 von beiden Streifen aus Blattmaterial 50 eingearbeitet.

Ebenfalls werden in den MEA-Zusammenbau- und Modularisierungsprozessen 105 und 107 die Zusammenbauführungen 63 von dem einen Streifen aus Blattmaterial 50 in die Zusammenbauführungsaufnahmeeinrichtung 67 in dem anderen Streifen aus Blattmaterial 50 eingefügt. Als Ergebnis können die Zusammenbauführungen 63 davon abgehalten werden, mit dem anderen Streifen aus Blattmaterial 50 zusammenzustoßen.

Außerdem werden beide Streifen aus Blattmaterial 50 einander gegenüberliegend in den entsprechenden Förder-/Positionierungslöchern 61 der Läufer 60 von jedem Streifen aus Blattmaterial 50 ausgerichtet zusammengebaut (zum Beispiel eine Vielzahl von vorspringenden Zähnen ist auf den Rollen 80 bereitgestellt, die in die ausgerichteten Förder-/Positionierungslöcher 61 von beiden Seiten aus Blattmaterial 50 eingefügt werden). Als Ergebnis kann die Modularisierung fortlaufend durchgeführt werden, ohne dass es notwendig ist, die zwei Streifen aus Blattmaterial 50 anzuhalten, die gefördert werden.

[Zweite beispielhafte Ausführungsform]

In dem Herstellungsverfahren für Brennstoffzellen gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform wird ein Streifen aus Blattmaterial 50 von einer Rolle aus Material zu dem Formprozess 101 zugeführt, wie aus 7 ersichtlich ist.

In dem Formprozess 101 werden der anodenseitige Separator 18 und der kathodenseitige Separator 18 abwechselnd auf einem einzelnen Streifen aus Blattmaterial 50 geformt.

In dem MEA-Zusammenbau- und Modularisierungsprozessen 105 und 107 werden die MEAs folgend mit dem Separatorstreifen 50A in dem MEA-Zusammenbauprozess 105 zusammengebaut, und der Modulstreifen 50B, in dem die Module 19 gestapelt sind, während sie durch die Läufer 60 verbunden sind, wird in dem Modularisierungsprozess 107 durch das Falten des Separatorstreifens 50A wie ein Akkordeon hergestellt.

Entsprechend kann der Modulstreifen 50B fortlaufend produziert und gefaltet werden, so dass die Module 19 gestapelt werden können.

Dann wird der Modulstreifen 50B bei den Läufern 60 gefaltet, und die Läufer 60 zwischen den Modulen 19 von allen der Module 19 werden weggeschnitten und in dem Stapelprozess 109 zusammen entfernt.

Als Ergebnis ist es möglich, die Läufer 60 wirkungsvoll zu entfernen und somit die Module 19 wirkungsvoll herzustellen.

[Dritte beispielhafte Ausführungsform]

Das Herstellungsverfahren für Brennstoffzellen gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist im wesentlichen das gleiche wie das Herstellungsverfahren für Brennstoffzellen gemäß der zweiten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung, unterscheidet sich von diesem aber darin, dass in der dritten beispielhaften Ausführungsform der Modulstreifen 50B zur Seite gestapelt wird, und die Läufer 60 von der Seite weggeschnitten werden (das heißt seitlich).

Im dem Herstellungsverfahren für Brennstoffzellen gemäß der dritten beispielhaften Ausführungsform wird ein einzelner Streifen aus Blattmaterial 50 von einer Rolle aus Material zu dem Formprozess 101 zugeführt, wie aus 8 ersichtlich ist.

In dem Formprozess 101 werden der anodenseitige Separator 18 und der kathodenseitige Separator 18 abwechselnd auf dem einzelnen Streifen aus Blattmaterial 50 geformt. Das Formen wird gezeigt und unter Verwendung von unterschiedlichen Pressformen 81 durchgeführt, um die Strömungswegnuten zu formen und die Verteilungslöcher auszustanzen.

In dem Oberflächenbehandlungsvorgang 102 wird der Streifen aus Blattmaterial 50 mit den Separatoren 18 gereinigt und dann mit Cr, Au plattiert und mit Kohlenstoff beschichtet, und getrocknet.

In dem Dichtungsfügeprozess 103 wird die Gummidichtung 32 (Wulst) wärmeverdichtet.

In dem Adhäsivbeschichtungsprozess 104 wird die Dichtung mit dem Adhäsiv 33 beschichtet.

In den MEA-Zusammenbau- und Modularisierungsprozessen 105 und 107 wird der Streifen aus Blattmaterial 50 durch eine Pressbearbeitung in eine Akkordeonform gebogen, und die MEA wird mit der MEA-Zusammenbauvorrichtung 82 zusammengebaut. Der akkordeonförmige Streifen aus Blattmaterial 50 wird dann verdichtet und in dem Abschnitt des Adhäsivs 22 wärmeverdichtet, und zuletzt modularisiert. Das akkordeonförmige Modul 50B wird dann auf seiner Seite angeordnet und die oberen und unter Läufer 60 werden durch den Schneider 83 abgeschnitten. Die Betätigung und Auswirkungen der dritten beispielhaften Ausführungsform sind die gleichen wie bei der zweiten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.

Ein Herstellungsverfahren für Brennstoffzellen ist bereitgestellt, bei dem ein unzerbrochener Streifen aus Blattmaterial (50) durch einen Formprozess (101), einen MEA-Zusammenbauprozess (105) und einen Modularisierungsprozess (107) geschickt wird, und in einem Stapelprozess (109) in einzelne Module (19) getrennt wird. In dem Formprozess (101) werden Separatoren (18) folgend auf den Streifen aus Blattmaterial (50) geformt, und ein Separatorstreifen (50A) wird produziert, in dem die Separatoren (18) durch Läufer (60) einander verbunden sind. In dem MEA-Zusammenbauprozess (105) und dem Modularisierungsprozess (107), werden MEAs (11, 14, 17) folgend auf dem Separatorstreifen (50A) zusammengebaut), in dem eine Serie der Separatoren (18) durch die Läufer (60) miteinander verbunden sind, und ein Modulstreifen (50B) wird produziert, in dem eine Serie von Modulen (19) durch die Läufer (60) miteinander verbunden sind. In dem Stapelprozess wird die Serie der Module (19) durch Schneiden und Entfernen der Läufer (60) aus dem Modulstreifen (50B) in die einzelnen Module (19) getrennt.

ZUSAMMENFASSUNG

Ein Herstellungsverfahren für Brennstoffzellen ist bereitgestellt, bei dem ein unzerbrochener Streifen aus Blattmaterial (50) durch einen Formprozess (101), einen MEA-Zusammenbauprozess (105) und einen Modularisierungsprozess (107) geschickt wird, und in einem Stapelprozess (109) in einzelne Module (19) getrennt wird. In dem Formprozess (101) werden Separatoren (18) folgend auf den Streifen aus Blattmaterial (50) geformt, und ein Separatorstreifen (50A) wird produziert, in dem die Separatoren (18) durch Läufer (60) einander verbunden sind. In dem MEA-Zusammenbauprozess (105) und dem Modularisierungsprozess (107), werden Membranelektrodenbaugruppen (11, 14, 17) folgend auf dem Separatorstreifen (50A) zusammengebaut), in dem eine Serie der Separatoren (18) durch die Läufer (60) miteinander verbunden sind, und ein Modulstreifen (50B) wird produziert, in dem eine Serie von Modulen (19) durch die Läufer (60) miteinander verbunden sind. In dem Stapelprozess wird die Serie der Module (19) durch Schneiden und Entfernen der Läufer (60) aus dem Modulstreifen (50B) in die einzelnen Module (19) getrennt.


Anspruch[de]
Herstellungsverfahren für Brennstoffzellen, bei dem ein nicht zerbrochener Streifen aus Blattmaterial geformt wird, mit Membranelektrodenbaugruppen zusammengebaut wird, modularisiert wird, und in einzelne Module getrennt wird, gekennzeichnet durch das Umfassen von:

einem Formprozess eines aufeinanderfolgenden Formen von Separatoren auf dem Streifen aus Blattmaterial und Erzeugen eines Separatorstreifens, in dem die Separatoren miteinander durch Läufer verbunden sind, die äußere Rahmen der Separatoren ausbilden;

einem Zusammenbau-/Modularisierungsprozess eines aufeinanderfolgenden Zusammenbauen der Membranelektrodenbaugruppen auf dem Separatorstreifen, auf dem eine Serie der Separatoren durch die Läufer miteinander verbunden sind, und Erzeugen eines Modulstreifens, in dem eine Serie der Module durch die Läufer miteinander verbunden sind; und

einem Trennprozess, die Serie der Module durch Schneiden und Entfernen der Läufer von dem Modulstreifen in die einzelnen Module zu trennen.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Formprozess die Separatoren auf dem Streifen aus Blattmaterial geformt werden, wobei die Läufer in der seitlichen Richtung des Streifens aus Blattmaterial auf beiden Seitenkanten belassen werden, und der Streifen aus Blattmaterial stromabwärts vom dem Formprozess gefördert wird, während eine Versetzung des Streifens aus Blattmaterial durch das Drücken von beiden Seitenkanten in der seitlichen Richtung der Läufer unter Verwendung einer Rolle korrigiert wird. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Formprozess die Separatoren unter dem Belassen der Läufer auf beiden Seiten in der seitlichen Richtung des Streifens aus Blattmaterial geformt werden, während Förder-/Positionierungslöcher in beiden Seitenkanten in der seitlichen Richtung der Läufer in genauen Positionen mit Bezug auf die Separatoren eingearbeitet werden, und die Positionen der Separatoren stromabwärts von dem Formprozess durch das Fördern des Streifens aus Blattmaterial unter Verwendung der Förder-/Positionierungslöchern in beiden Seitenkanten in der seitlichen Richtung der Läufer bestimmbar sind. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem isolierenden Material hergestellte Rahmen auf äußeren Kantenabschnitten von Elektrolytmembranen der Membranelektrodenbaugruppen bereitgestellt sind, bevor die Membranelektrodenbaugruppen mit dem Separatorstreifen zusammengebaut werden; und in dem Zusammenbau-/Modularisierungsprozess die Rahmen verwendet werden, um die Membranelektrodenbaugruppen für den Zusammenbau mit dem Separatorstreifen zu positionieren. Herstellungsverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Formprozess Zusammenbauführungen auf dem Streifen aus Blattmaterial geformt werden, und in dem Zusammenbau-/Modularisierungsprozess die Membranelektrodenbaugruppen mit den Rahmen zusammengebaut werden, nachdem sie automatisch in vorbestimmten Positionen auf den Separatoren auf dem Streifen aus Blattmaterial durch das Führen der äußeren Kanten der Rahmen durch die Zusammenbauführungen positioniert wurden. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Formprozess die Läufer zwischen angrenzenden Separatoren auf dem Streifen aus Blattmaterial bereitgestellt sind, und ein Separatorabstand der Läufer unter Einstellung von Abschnitten zum Einstellen des Abstandes eingestellt wird, die so bereitgestellt sind, dass die Läufer miteinander verbunden sind. Herstellungsverfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Biegeführungsabschnitte, die eine geringere Biegesteifigkeit aufweisen als andere Abschnitte der Läufer, auf den Läufern bereitgestellt sind, und die Biegeführungsabschnitte als Abschnitte zum Einstellen des Abstands verwendet werden. Herstellungsverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegeführungsabschnitte dünner ausgebildet sind als die Läufer oder mit Schlitzabschnitten derart bereitgestellt sind, dass die Biegeführungsabschnitte sich durch einen 360° Bereich von +180° bis –180° biegen. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Formprozess die Läufer außerdem sowohl auf dem Streifen aus Blattmaterial zwischen angrenzenden Separatoren als auch in der seitlichen Richtung auf beiden Seitenkanten des Streifens aus Blattmaterial bereitgestellt sind, und eine Rippe um den gesamten Umfangs von jedem der Separatoren auf dem Läufer geformt wird. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Formprozess das gesamte Formen in einem einzelnen Kunststoffformprozess unter Verwendung einer Form durchgeführt wird. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

in dem Formprozess die Läufer auf dem Streifen aus Blattmaterial geformt werden, und zumindest eines aus Positionierungslöchern, Abschnitten zum Einstellen der Abstände, Biegeführungsabschnitte oder Rippen um die Läufer herum konzentriert bereitgestellt sind; und

in dem Stapelprozess die Läufer von dem Modul entfernt werden.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

zwei Streifen aus Blattmaterial bei dem Formprozess zugeführt werden; in dem Formprozess die Zusammenbauführungen auf einem der Streifen aus Blattmaterial geformt werden, während Zusammenbauführungsaufnahmeeinrichtungen, die Löcher oder Ausschnitte sind, in den anderen Streifen aus Blattmaterial geformt werden, und Förder-/Positionierungslöcher in beiden Seitenkanten in der seitlichen Richtung der Läufer aus beiden Streifen aus Blattmaterial eingearbeitet werden; und

in dem Zusammenbau-/Modularisierungsprozess die Zusammenbauführungen des einen Streifens aus Blattmaterial in der Zusammenbauführungsaufnahmeeinrichtungen des anderen Streifens aus Blattmaterial derart eingefügt werden, dass die Zusammenbauführungen davon abgehalten werden, mit dem anderen Streifen aus Blattmaterial zusammenzustoßen, und beide Streifen aus Blattmaterial einander gegenüberliegend mit den entsprechenden Förder-/Positionierungslöchern der Läufer auf jedem Streifen aus Blattmaterial ausgerichtet derart zusammengebaut werden, dass eine Modularisierung fortlaufend durchführbar ist, ohne das Fördern der zwei Streifen aus Blattmaterial anzuhalten.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

ein Streifen aus Blattmaterial zu dem Formprozess zugeführt wird; in dem Formprozess ein anodenseitiger Separator und ein kathodenseitiger Separator abwechselnd auf dem einzelnen Streifen aus Blattmaterial geformt werden; und

in dem Zusammenbau-/Modularisierungsprozess die Membranelektrodenbaugruppen folgend mit dem Separatorstreifen zusammengebaut werden, und der Modulstreifen, in dem die Module gestapelt sind, während sie durch die Läufer verbunden sind, durch das Falten des Separatorstreifens auf eine akkordeonartige Weise erzeugt wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Modulstreifen bei den Läufern gefaltet wird und die Läufer zwischen den Modulen von allen Modulen abgeschnitten werden und in dem Stapelprozess zusammen entfernt werden. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Trennprozess einen Stapelprozess hat, in dem die Läufer zusammengesammelt und getrennt werden. Herstellungssystem für Brennstoffzellen mit: in der Reihenfolge, in der ein Streifen aus Blattmaterial in einer Förderlinie des Streifens aus Blattmaterial gefördert wird, angeordnet:

einer Formstation, einer Zusammenbau-/Modularisierungsstation, und einer Läufertrennstation, gekennzeichnet durch Umfassen von:

eine bei der Formstation bereitgestellten Form, die folgend Separatoren auf dem Streifen aus Blattmaterial formt, wobei sie Läufer beibelässt, die äußere Rahmen der Separatoren ausbilden;

einer Zusammenbauvorrichtung für Membranelektrodenbaugruppen, die bei der Zusammenbau-/Modularisierungsstation bereitgestellt ist, die die Membranelektrodenbaugruppen folgend mit einem Separatorstreifen zusammenbaut, in dem eine Serie der Separatoren durch die Läufer verbunden ist; und

einer Schneidvorrichtung, die bei der Trennstation bereitgestellt ist, die die Läufer schneidet und von einem Modulstreifen entfernt, mit dem die Membranelektrodenbaugruppen aufeinanderfolgend mit dem Separatorstreifen zusammengebaut sind.






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