Verfahren zur Herstellung von Membranelektrodenanordnungen in Form einer kontinuierlichen Bahn

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein erstes und ein zweites Verfahren zur effizienten, automatisierten, genauen und kostengünstigen Herstellung einer mehrlagigen, kontinuierlichen Bahn von Membranelektrodenanordnungen, die für die Anwendung in Brennstoffzellen, Wasserelektrolysezellen, elektrochemischen Kompressoren und elektrochemischen Sensoren geeignet sind.

Verfahren zur Herstellung von Membranelektrodenanordnungen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Zum Beispiel beschreibt EP 1 629 559 B1 ein Verfahren zum Herstellen einer mit Katalysator beschichteten Membran, einer sogenannten CCM (catalyst coated membrane). Die CCM weist dabei einen umlaufenden Rand aus Randmaterial auf, der als Dichtung dient, damit Reaktionsgase bei Anwendung der CCM nicht aus dem Reaktionsbereich in die Umgebung austreten. Ein Nachteil des beschriebenen Verfahrens ist, dass die katalysatorbeschichtete Membran als kontinuierliche Bahn eingesetzt wird, wobei ein großer Teil der Membranfläche durch das Randmaterial abgedeckt wird. Mit anderen Worten ist ein Überlappungsbereich zwischen Membran und Randmaterial sehr groß, so dass ein großer Teil des aktiven Bereichs der Membran nicht genutzt werden kann und die Membranausnutzung folglich sehr gering ist, was mit hohen Kosten verbunden ist.

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung effiziente, automatisierte, genaue und dabei kostengünstige Verfahren zur Herstellung von mehrlagigen Membranelektrodenanordnungen in Form einer kontinuierlichen Bahn anzugeben, die zudem einfach und ohne hohen technischen Aufwand umsetzbar sind.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die unabhängigen Ansprüche. Die abhängigen Ansprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung zum Inhalt.

Folglich wird die Erfindung durch ein Verfahren gelöst, das nachfolgend im Detail beschrieben wird, in dem Membranelektrodenanordnungen in Form einer kontinuierlichen Bahn erzeugt werden. Die Membranelektrodenanordnungen umfassen jeweils eine Schichtanordnung mit einer Membran, die zwischen einer Anode und einer Kathode angeordnet ist. Zudem ist eine rahmenförmige Dichtung vorhanden, die zumindest die Außenränder der Schichtanordnung umgibt, so dass ein von der rahmenförmigen Dichtung umgebener Innenbereich der Schichtanordnung freiliegt. Mit anderen Worten werden Membranelektrodenanordnungen beschrieben, in denen eine zwischen einer Anode und einer Kathode eingebrachte Membran eine Schichtanordnung bilden, die von einer Dichtung in Form eines Fensterrahmens derart umgeben ist, dass ein freiliegender fensterartiger Ausschnitt der Schichtanordnung von der rahmenartigen Dichtung umgeben ist.

Das Verfahren umfasst zunächst einen Schritt des Bereitstellens eines ersten Dichtungsmaterials zur Erzeugung der rahmenförmigen oder rahmenartigen Dichtungen als Rollenware. Das Dichtungsmaterial liegt also zunächst nicht als Dichtungsabschnitte vor, sondern als kontinuierliches Material, aufgerollt. Dabei ist das erste Dichtungsmaterial auf einer ersten Schutzfolie angeordnet, die ebenfalls mit in der Rollenware vorhanden ist.

Ebenso wird auch ein zweites Dichtungsmaterial als Rollenware bereitgestellt. So wie das erste Dichtungsmaterial, ist auch das zweite Dichtungsmaterial auf einer Schutzfolie, nämlich auf einer zweiten Schutzfolie, angeordnet. Das erste Dichtungsmaterial und das zweite Dichtungsmaterial können dabei gleich oder unterschiedlich sein, wobei sich die Gleichheit oder Unterschiedlichkeit auf die chemische Zusammensetzung und/oder auf geometrische Faktoren beziehen kann. Erfindungswesentlich ist, dass der aus den ersten und zweiten Dichtungsmaterialien erzeugte Dichtungsrahmen ein unerwünschtes Austreten von Reaktionsgasen oder Reaktionsflüssigkeiten oder von bei der Reaktion unter Verwendung der Membranelektrodenanordnungen entstehenden Gasen oder Flüssigkeiten verhindert.

Sodann erfolgt ein Schritt des Erzeugens von ersten rahmenförmigen Teildichtungen von dem ersten Dichtungsmaterial, und zwar so, dass die erste Schutzfolie nicht beschädigt wird, und folglich die erzeugten ersten rahmenförmigen Teildichtungen nach wie vor auf der ersten Schutzfolie angeordnet sind.

Genauso erfolgt auch ein Erzeugen von zweiten rahmenförmigen Teildichtungen von dem zweiten Dichtungsmaterial. Auch hier erfolgt das Erzeugen der zweiten rahmenförmigen Teildichtungen so, dass die zweite Schutzfolie nicht beschädigt wird und folglich auch hier die zweiten Teildichtungen auf der zweiten Schutzfolie verbleiben.

Das erfindungsgemäße Erzeugen von Teildichtungen, ohne die jeweilige Schutzfolie mit zu durchtrennen, ist vorteilhaft, da somit die Teildichtungen kontinuierlich weiterverarbeitet und nicht separat zwischengelagert, bevorratet oder transportiert werden müssen. Sodann wird eine erste Trägerfolie auf den ersten Teildichtungen angeordnet. Die Trägerfolie kann vorteilhafterweise mit einer Abdeckfolie bereitgestellt sein, die vor dem Anordnen der ersten Trägerfolie auf den ersten Teildichtungen entfernt wird.

Die erzeugten ersten rahmenförmigen Teildichtungen werden sodann einem ersten Transportmedium zugeführt und darauf abgelegt, und zwar unter Entfernen der ersten Schutzfolie. Das erste Transportmedium ist dabei im Einzelnen nicht beschränkt, kann aber vorzugsweise in Form eines Vakuumtransportbands ausgebildet sein, wodurch die ersten Teildichtungen effektiv, einfach, schnell und zuverlässig transportiert werden können und ein Verrutschen verhindert werden kann. Das Transportmedium kann dort, wo Transport von Komponenten erforderlich ist, entsprechend vorgesehen sein.

In einem weiteren Verfahrensschritt erfolgt ein Bereitstellen von Schichtanordnungsmaterial aus Anode, Kathode und dazwischenliegender Membran als Rollenware. Dies bedeutet, dass die Anode, die Kathode und die Membran noch nicht im Hinblick auf ihre für die Anwendung vorgesehenen geometrischen Ausdehnungen hin zugeschnitten sind, sondern eine Rollenware verwendet wird, in der in Form einer Schichtanordnung kontinuierliche Lagen von Anode, Kathode und dazwischenliegender Membran vorliegen. Dies fördert die kontinuierliche Erzeugung von Membranelektrodenanordnungen (im Folgenden auch: MEA). Das Schichtanordnungsmaterial kann insbesondere auf einem Transportmedium, wie beispielsweise einer weiteren Trägerfolie, angeordnet sein, wodurch Beschädigungen effektiv verhindert werden können. Die Trägerfolie kann zum besseren Transportieren des Schichtanordnungsmaterials mit einer Anhaftungsschicht versehen sein.

Sodann werden aus dem Schichtanordnungsmaterial Schichtanordnungen zugeschnitten und diese auf den auf dem Transportmaterial befindlichen ersten rahmenförmigen Teildichtungen abgelegt. Das Zuschneiden kann mittels herkömmlicher Vorrichtungen, wie z.B. einem Schneidwerkzeug, einer Stanze oder Ähnlichem erfolgen. Nach dem Ablegen der zugeschnittenen Schichtanordnungen auf den ersten rahmenförmigen Teildichtungen erfolgt ein Zuführen und Ablegen der zweiten rahmenförmigen Teildichtungen auf den auf den ersten rahmenförmigen Teildichtungen angeordneten Schichtanordnungen, also auf einer freiliegenden Oberseite der Schichtanordnungen, wobei auch hier die zweite Schutzfolie entfernt wird.

Die ersten rahmenförmigen Teildichtungen und die zweiten rahmenförmigen Teildichtungen umgeben somit umlaufend die Schichtanordnungen in Form von Dichtungsrahmen, wobei die Schichtanordnungen im Inneren freiliegen. Mit anderen Worten werden fensterartige Ausschnitte der ersten rahmenförmigen Teildichtungen und fensterartige Ausschnitte der zweiten rahmenförmigen Teildichtungen deckungsgleich angeordnet, wobei sich jeweils dazwischenliegend Schichtanordnungen befinden. Es werden dabei so genannte Anordnungen erzeugt, wobei eine Anordnung in folgender Reihenfolge eine erste Teildichtung, eine Schichtanordnung und eine zweite Teildichtung umfasst. Die Ausrichtung der Anode bzw. der Kathode in Bezug auf die erste bzw. zweite Teildichtung kann dabei variieren, je nachdem wie die Schichtanordnung aus Anode, Kathode und dazwischenliegender Membran auf der ersten Teildichtung angeordnet wird.

Um eine gut abdichtende Wirkung zu erzielen, ist auf dem ersten Dichtungsmaterial und/oder auf dem zweiten Dichtungsmaterial ein adhäsives Material derart angeordnet oder wird auf dem ersten Dichtungsmaterial und/oder auf dem zweiten Dichtungsmaterial ein strahlungshärtbares Material angeordnet, so dass nach dem übereinander Anordnen der ersten Teildichtungen, der Schichtanordnungen und der zweiten Teildichtungen das adhäsive Material bzw. das strahlungshärtbare Material zwischen den übereinander angeordneten ersten und zweiten Teildichtungen angeordnet ist.

Die abdichtende Wirkung der aus den ersten und zweiten Teildichtungen entstehenden rahmenförmigen Dichtung wird sodann durch thermisches Aktivieren des adhäsiven Materials oder Strahlungshärten des strahlungshärtbaren Materials ausgeführt, wobei während dieses Schrittes zusätzlich ein Komprimieren der Anordnungen erfolgt, um die ersten und zweiten Teildichtungen mit den Schichtanordnungen in Verbindung zu bringen. Hierdurch werden Membranelektrodenanordnungen mit rahmenförmigen Dichtungen als kontinuierliche Rollenware auf dem ersten Trägermaterial erhalten, die auf dem bahnförmigen Transportmaterial angeordnet und weiterhin in einem kontinuierlichen Prozess weiterverarbeitet oder zur Bevorratung transportiert werden können.

Erfindungsgemäß wird also ein Verfahren zur Herstellung einer kontinuierlichen Bahn von Membranelektrodenanordnungen bereitgestellt, das gegenüber dem Stand der Technik Vorteile in Bezug auf eine effektive, automatisierte, technisch und logistisch einfach zu handhabende Erzeugung von Membranelektrodenanordnungen zeigt, wobei zu jedem Zeitpunkt eine kontinuierliche und damit zeiteffiziente Komponentenführung- und Verarbeitung gewährleistet sind.

Erfindungsgemäß werden Membranelektrodenanordnungen erzeugt, in denen katalysatorbeschichtete Membranen vorliegen, die als ein Verbund aus einer Anode, einer Kathode sowie einer zwischen Anode und Kathode befindlichen, insbesondere protonenleitfähigen Membran anzusehen sind. Die katalysatorbeschichteten Membranen liegen in Form einer kontinuierlichen Bahn, in anderen Worten als Rolle (nach Aufrollen der kontinuierlichen Bahn), vor. Die Membrananordnungen sind von einem spezifisch ausgebildeten Dichtungsrahmen umgeben, wobei der Dichtungsrahmen so ausgebildet ist, dass er die Kathode, die Anode und die Membran an ihren Rändern umgibt. Dies bedeutet, dass nach dem Verbinden der ersten und zweiten Teildichtungen, die Kathode, die Anode und die Membran einer jeweiligen Membrananordnung an ihren Außenrändern allseitig von einer rahmenförmigen Dichtung umgeben sind. Unter einer rahmenförmigen Dichtung bzw. unter einem Dichtungsrahmen wird dabei eine Dichtungsstruktur verstanden, die wie ein Bilderrahmen oder Fensterrahmen ausgebildet ist und einen freien Innenbereich im Innern der Membranelektrodenanordnungen zwischen den jeweiligen Innenkanten des Dichtungsrahmens aufweist, der wie ein bildartiger oder fensterartiger Ausschnitt geformt ist. In diesem Innenbereich liegen mindestens übereinanderliegende Teilbereiche der Kathode, der Anode und der Membran frei und sind folglich nicht vom Dichtungsrahmen bedeckt. Hierbei kann der Dichtungsrahmen lediglich mit den Kanten der Kathode, der Anode und der Membran in Verbindung stehen, oder aber die Kathode, die Anode und/oder die Membran in Schichtdickenrichtung der MEA, also in Anordnungsrichtung der Schichten der MEA, teilweise überlappen. Die Schichtdickenrichtung entspricht auch der Stapelrichtung der MEA, also der Anordnungsrichtung der Anode, der Membran und der Kathode. Der Dichtungsrahmen ist aus der ersten Teildichtung und der zweiten Teildichtung gebildet, die mittels eines Adhäsivs oder durch Strahlungshärten eines aufgebrachten strahlungshärtbaren Materials und Komprimieren der Anordnungen miteinander, insbesondere stoffschlüssig und damit mechanisch stabil, verbunden sind.

Die erfindungsgemäß erzeugten Membranelektrodenanordnungen können z.B. zur Anwendung in Brennstoffzellen, Wasserelektrolysezellen, elektrochemischen Kompressoren und elektrochemischen Sensoren gelangen.

Gemäß einer im Lichte der kontinuierlichen und zeiteffizienten Verfahrensführung vorteilhaften Weiterbildung, erfolgt das Erzeugen von ersten und zweiten rahmenförmigen Teildichtungen durch rotatives Stanzen, Flachstanzen oder Laserschneiden von fensterartigen Ausschnitten aus dem ersten Dichtungsmaterial und aus dem zweiten Dichtungsmaterial. Die vorstehend genannten Verfahren sind sehr verlustarm und zeichnen sich durch eine hohe Präzision aus.

Weiter vorteilhaft werden das erste Dichtungsmaterial und das zweite Dichtungsmaterial gegenläufig geführt. Dies birgt den Vorteil einer platzsparenden Verarbeitungsweise.

Besonders effizient werden die ersten und zweiten Teildichtungen dadurch miteinander verbunden, dass die ersten Teildichtungen und die zweiten Teildichtungen vor dem thermischen Aktivieren des adhäsiven Materials oder Strahlungshärten des strahlungshärtbaren Materials durch Führen durch ein Walzenpaar vorfixiert werden, wovon mindestens eine erste Walze mit einem elastischen Material ausgeführt ist. Durch das elastische Material kann ein Andrücken der Teildichtungen aneinander gefördert werden, so dass Lufteinschlüsse zwischen den ersten und zweiten Teildichtungen effektiv verhindert werden.

Um einem Verrutschen der Einzelkomponenten der miteinander zu verbindenden Komponenten der Anordnungen zu verhindern, wird das thermische Aktivieren oder Strahlungshärten und Komprimieren vorzugsweise durch Führen der Anordnungen durch eine Fixiervorrichtung ausgeführt, in der thermische Energie und Druck oder Strahlung und Druck auf die Anordnungen aufgebracht werden. Dies führt zu einem verringerten Ausschuss an Membranelektrodenanordnungen.

Um das thermische Aktivieren besonders effizient zu gestalten und dabei Schäden an den Anordnungen zu verhindern, wird die Fixiervorrichtung vorzugsweise auf eine Temperatur von 80 °C bis 160 °C, vorzugsweise von 100 °C bis 140 °C aufgeheizt, wobei die thermische Energie symmetrisch oder asymmetrisch aufgebracht werden kann. Im Falle der Verwendung eines strahlungshärtbaren Materials wird vorzugsweise eine Strahlung im Wellenlängenbereich von 450 nm bis 100 nm, vorzugsweise von 420 nm bis 365 nm gewählt und auf eine freiliegende obere und eine freiliegende untere Seite des herzustellenden Produktes, also der noch nicht gehärteten Anordnungen, aufgebracht. Als freiliegende Seite wird dabei diejenige Seite der Anordnungen verstanden, die nicht auf dem Transportmaterial liegt. Im einfachsten Fall wird dabei die Strahlung von einer freiliegenden Oberseite der zweiten Teildichtungen zugeführt, da somit die Strahlung ungehindert durch die Anordnungen dringen kann.

Besonders vorteilhaft im Lichte von guten Dichtungseigenschaften ist es, wenn der durch die Fixiervorrichtung auf die Anordnungen aufgebrachte Druck 0,05 MPa bis 10 MPa, bevorzugt 0,15 MPa bis 5 MPa und weiter bevorzugt 0,25 MPa bis 3 MPa beträgt. In Druckbereichen bis 10 MPa können die erste Teildichtung und die zweite Teildichtung ohne Lufteinschlüsse miteinander zu einem Dichtungsrahmen verdichtet werden, wobei, je geringer der Druck ist, etwaige Schädigungen am Dichtungsmaterial und eventuell an Komponenten der Anordnung effektiv vermieden werden können. Eine Druckaufbringung von 0,25 MPa bis 3 MPa ist im Lichte der vorstehenden Vorteile besonders gut geeignet.

Ebenfalls ist es hierbei von Vorteil, wenn das Komprimieren für 0,006 s bis 60 s, vorzugsweise für 0,2 s bis 120 s, und weiter bevorzugt für 0,25 s bis 5 s ausgeführt wird.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird das Zuschneiden von Schichtanordnungen aus dem Schichtanordnungsmaterial so ausgeführt, dass eine von den rahmenförmigen ersten und zweiten Teildichtungen zu umgebende Fläche der Schichtanordnungen größer ist als die fensterartigen Ausschnitte der ersten und zweiten Teildichtungen. Dies führt dazu, dass Teilbereiche der Schichtanordnungen mit den Teildichtungen überlappen, wodurch ein besonders guter Schichtverbund entsteht und Leckagestellen zwischen Schichtanordnungen und Dichtungsrahmen effektiv verhindert werden.

Vorzugsweise werden die geschnittenen Schichtanordnungen vor dem Ablegen auf den ersten rahmenförmigen Teildichtungen auf ein Übergabemedium übertragen und von dem ersten Übergabemedium auf ein zweites Übergabemedium übertragen, so dass die einzelnen Schichtanordnungen voneinander beabstandet werden. Ein Beabstanden ist vorteilhaft, um eine passgenaue Anordnung der Schichtanordnungen auf den ersten Teildichtungen zu verbessern, so dass ein maximal großer Innenbereich der Schichtanordnungen bei späterer Verwendung der Membranelektrodenanordnungen für die katalytischen Reaktionen verwendet werden kann.

Ferner vorteilhaft umfasst das Schichtanordnungsmaterial eine Schichtanordnungsträgerfolie, so dass das Schichtanordnungsmaterial effektiv und ohne Verzug befördert werden kann. Hierbei erfolgt das Zuschneiden von Schichtanordnungen so, dass die Schichtanordnungsträgerfolie nicht durchtrennt wird, was ein kontinuierliches Verarbeiten der Schichtanordnungen fördert.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird die Schichtanordnungsträgerfolie vor dem Ablegen der Schichtanordnungen auf den ersten rahmenförmigen Teildichtungen in einem Winkel von mehr als 90 °, vorzugsweise von mehr als 105 ° und weiter bevorzugt von mehr als 120 ° von den Schichtanordnungen entfernt. Ein Entfernen der Schichtanordnungsträgerfolie in einem Winkel von mehr als 90 °C verhindert besonders gut Deformationen oder (partielle) Delaminierung von Komponenten der Schichtanordnungen und ist somit besonders schonend. Je größer der Winkel ist, desto einfacher und effizienter kann die Schichtanordnungsträgerfolie entfernt werden.

Weiter vorteilhaft wird während des Erzeugens der ersten rahmenförmigen Teildichtungen im ersten Dichtungsmaterial zusätzlich eine Referenzmarke erzeugt, um die ersten Teildichtungen, die Schichtanordnungen und die zweiten Teildichtungen zueinander in Maschinenrichtung auszurichten. Die Referenzmarken sind dabei so vorgesehen, dass sie eine genaue Bestimmung der Position der fensterartigen Ausschnitte in den Teildichtungen erlauben und somit ein Überlappungsbereich zwischen Membran und Teildichtungen minimiert wird. Durch das Vorsehen von Referenzmarken können ferner auf den ersten Teildichtungen zu positionierende Schichtanordnungen (katalysatorbeschichtete Membranen) einfacher vereinzelt und durch eine geeignete Prozessführung einzelne Schichtanordnungen zueinander beabstandet werden.

Um eine Positionierung der zueinander anzuordnenden Komponenten der Anordnungen zu erleichtern, umfasst das Verfahren ferner einen Schritt des Einstellens der Breite des ersten Transportmediums auf die Breite der ersten Trägerfolie. Dies bedeutet, dass hierdurch eine Führung der Komponenten (erste Teildichtungen) auf dem Transportmedium örtlich begrenzt wird. Beispielsweise kann, im Fall der Verwendung eines Vakuumtransportbands als Transportmedium, das hieran angelegte Vakuum in seiner Breite speziell auf die zu transportierenden Komponenten abgestimmt werden, wodurch ein Bypass für Luft verhindert wird, so dass keine Leckageluft erzeugt wird und das Vakuum besonders stabil ausgebildet werden kann, so dass die Position der ersten rahmenförmigen Teildichtungen besonders gut an einem Verrutschen stabilisiert wird.

Um bei gleichzeitig zeitsparender Verarbeitungsweise einen verrutschungssicheren Transport zu gewährleisten, beträgt eine Bahngeschwindigkeit des ersten Transportmediums insbesondere zwischen 0,1 m/min und 100 m/min, vorzugsweise zwischen 0,5 m/min und 50 m/min und weiter bevorzugt zwischen 1 m/min und 40 m/min.

Um ferner etwaigen Folgeschäden durch Temperatureinwirkung auf die Membranelektrodenanordnungen besonders effektiv vorzubeugen, ist weiter vorteilhaft vorgesehen, dass die Membranelektrodenanordnungen nach dem Komprimieren gekühlt werden.

Zum Schutz des ersten und/oder zweiten Teildichtungsmaterials, ist vorzugsweise auf einer freiliegenden Seite des ersten Dichtungsmaterials eine erste Schutzfolie und/oder auf einer freiliegenden Seite des zweiten Dichtungsmaterials eine zweite Schutzfolie vorgesehen, wobei während eines Entfernens der ersten Schutzfolie und/oder der zweiten Schutzfolie von den rahmenförmigen Teildichtungen die rahmenförmigen Teildichtungen positionsgenau geführt werden. Ein Entfernen der ersten und/oder zweiten Schutzfolie wird vorzugsweise nach dem Erzeugen der ersten und/oder zweiten Teildichtungen ausgeführt. Die Schutzfolie hat den Vorteil, eine Kontaminierung des Dichtungsmaterials zu verhindern.

Weiter vorteilhaft können nach dem Komprimieren der Anordnungen die Membranelektrodenanordnungen mit einer finalen Kontur geschnitten werden.

Je nachdem, wie die Weiterverarbeitung der Membranelektrodenanordnungen vorgesehen ist, verbleiben die Membranelektrodenanordnungen mit oder ohne finalen Konturschnitt weiterhin auf einer Trägerfolie oder werden als Stückware vereinzelt, von der Trägerfolie getrennt und gestapelt. Zur Verbesserung der Qualität der erzeugten Membranelektrodenanordnungen ist es vorteilhaft, wenn jede Membranelektrodenanordnung eindeutig gekennzeichnet bzw. markiert und die Kennzeichnung auf Konsistenz und Erkennungsqualität geprüft wird.

Weiterhin ist es vorteilhaft im Lichte einer Verbesserung der Qualität, dass nach jeder Prozesssequenz die Qualität der erhaltenen Membranelektrodenanordnungen mittels eines Inspektionssystems geprüft wird und bei einem fehlerhaften Teil eine Defektmarkierung aufgebracht wird, vorzugsweise auf eine Kennzeichnung, wie beispielsweise einen DataMatrix- /QR-Code, so dass fehlerhafte Teil in den nachfolgenden Weiterverarbeitungen erkannt und aussortiert werden können.

Ferner vorteilhaft wird jede Membranelektrodenanordnung eindeutig gekennzeichnet bzw. markiert und die Kennzeichnung auf Konsistenz und Erkennungsqualität geprüft.

Des Weiteren vorteilhaft kann nach jeder Prozesssequenz die Qualität der erhaltenen Membranelektrodenanordnungen mittels eines Inspektionssystems geprüft und bei einem fehlerhaften Teil eine Defektmarkierung aufgebracht werden, vorzugsweise auf die Kennzeichnung, so dass fehlerhafte Teile in den nachfolgenden Weiterverarbeitungen erkannt und aussortiert werden können.

Des Weiteren erfindungsgemäß wird auch ein zweites Verfahren zur Herstellung von Membranelektrodenanordnungen beschrieben. Auch im zweiten erfindungsgemäßen Verfahren werden die Membranelektrodenanordnungen in Form einer kontinuierlichen Bahn erhalten mit einer Schichtanordnung, die eine Membran zwischen einer Anode und einer Kathode umfasst, und zudem eine rahmenförmige Dichtung sowie Gasdiffusionslagen aufweist, wobei die rahmenförmige Dichtung zumindest die Außenränder der Schichtanordnung umgibt, so dass ein von der rahmenförmigen Dichtung umgebener Innenbereich der Schichtanordnung freiliegt.

Das Verfahren sieht dabei einen Schritt des Bereitstellens von Membranelektrodenanordnungen in Form einer Rollenware mit einer Kathode, einer Anode und einer dazwischenliegenden Membran sowie einem zumindest die Außenränder der Membranelektrodenanordnungen umgebenden Dichtungsrahmen vor. Die Membranelektrodenanordnungen können nach dem vorstehend beschriebenen ersten erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt sein und wären dann auf der ersten Trägerfolie angeordnet. Demnach finden auch die jeweils vorteilhaften Weiterbildungen, Vorteile und Effekte des ersten erfindungsgemäßen Verfahrens Anwendung auf das zweite erfindungsgemäße Verfahren. Zudem umfasst das zweite erfindungsgemäße Verfahren ein Anordnen von ersten Gasdiffusionslagen auf ersten Seiten der Membranelektrodenanordnungen und/oder von zweiten Gasdiffusionslagen auf zweiten Seiten der Membranelektrodenanordnungen. Insbesondere vor dem Anordnen der ersten Gasdiffusionslage oder der zweiten Gasdiffusionslage kann, falls vorhanden, die erste Trägerfolie entfernt werden.

Vorteilhafterweise können die mit Gasdiffusionslagen versehenen

Membranelektrodenanordnungen auf einer zweiten Trägerfolie weitergeführt werden, die beispielsweise mit der ersten Gasdiffusionslage angeordnet wird. Hierdurch wird der kontinuierliche Prozess mit Membranelektrodenanordnungen als Rollenware verbessert.

Durch die Verwendung von Membranelektrodenanordnungen als Rollenware und die Weiterverarbeitung als Rollenware in dem zweiten erfindungsgemäßen Verfahren, zeichnet sich auch das zweite erfindungsgemäße Verfahren dadurch aus, dass es schnell, zuverlässig und kostengünstig ist und weitestgehend automatisiert ausgeführt werden kann.

Insbesondere können die Membranelektrodenanordnungen auf jeder Seite, also auf der Anodenseite und auf der Kathodenseite, als jeweilige äußere Schichten Gasdiffusionslagen umfassen. Die Gasdiffusionslagen können als Stückware in einer Bevorratungseinheit bereitgestellt werden oder es können vor Verwendung der Gasdiffusionslagen von einer als Rollenware bereitgestellten Gasdiffusionslagenrolle Gasdiffusionslagen zu Stückware vereinzelt werden. In diesem Fall sind die Gasdiffusionslagen zumindest nach dem Vereinzeln vorzugsweise auf einer zweiten Trägerfolie angeordnet. Um die Gasdiffusionslagen vorzusehen, umfasst das Verfahren gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ein Anordnen von ersten Gasdiffusionslagen auf ersten Seiten der Membranelektrodenanordnungen und/oder von zweiten Gasdiffusionslagen auf zweiten Seiten der Membranelektrodenanordnungen. Bei der ersten Seite kann es sich beispielsweise um die Anodenseite handeln, so dass es sich bei der zweiten Seite folglich um die Kathodenseite handelt. Alternativ dazu kann es sich bei der ersten Seite auch um die Kathodenseite handeln, so dass es sich bei der zweiten Seite folglich um die Anodenseite handelt. Die Gasdiffusionslagen dienen der Verteilung der Reaktionsgase auf der jeweiligen Seite der Membranelektrodenanordnungen.

Vorteilhafterweise wird hierbei vor dem Anordnen der ersten Gasdiffusionslagen und/oder der zweiten Gasdiffusionslagen in Randbereichen der ersten Seiten der Membranelektrodenanordnungen und/oder in Randbereichen der zweiten Seiten der Membranelektrodenanordnungen ein Klebstoff, ein Haftvermittler oder ein beidseitig klebender Film aufgebracht, wodurch ein Anhaften der Gasdiffusionslagen verbessert wird. Gemäß einer alternativen Ausgestaltung können hierzu auch die rahmenförmigen Dichtungen aufgeweicht werden. Sofern ein klebender Film verwendet wird, kann der Klebstoff beispielsweise ausgewählt sein aus lufthärtenden, thermisch aktivierbaren oder licht- oder UV-aktivierbaren Klebstoffen oder aus Zweikomponentenklebstoffen, wobei vorteilhafterweise eine Klebstoffmenge von 0,1 bis 10 mg cm ^-1 eingesetzt wird bzw. eine Schichtdicke der aufzubringenden Klebstoffschicht 1 bis 30 pm beträgt. Sofern der Klebstoff ein UV-aktivierbarer Klebstoff ist, ist die Wellenlänge des aktivierenden UV-Lichts vorteilhafterweise im Bereich von 100 nm bis 440 nm, vorzugsweise von 300 nm bis 400 nm und weiter bevorzugt von 350 nm bis 420 nm und beträgt insbesondere 395 nm. Die UV-Intensität liegt ferner vorteilhaft im Bereich von 1 bis 30 W/cm, und die Belichtungsdauer kann in Abhängigkeit einer Breite des klebenden Films etwa 0,003 s bis 60 s betragen, wobei eine Belichtungsbreite vorteilhafterweise auf die Breite des aufgebrachten Klebstoffs angepasst wird. Mit dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens können Gasdiffusionslagen schonend aufgebracht werden, so dass eine Biegung der Gasdiffusionslagen und somit eine Beschädigung der Gasdiffusionslagen vermieden und dennoch weiterhin eine genaue Positionierung der Gasdiffusionslagen ermöglicht werden.

Um ein dauerhaftes Positionieren der Gasdiffusionslagen zu verbessern, um anschließend ein positionsgenaues Fixieren der Gasdiffusionslagen zu ermöglichen, umfasst das Verfahren vorteilhafterweise ein Fixieren der ersten und/oder zweiten Gasdiffusionslagen auf den ersten und/oder zweiten Seiten der Membranelektrodenanordnungen, insbesondere unter Anwenden einer Temperatur von 100 bis 200 °C, vorzugweise von 140 bis 180 °C und ferner vorteilhaft unter Aufbringen eines Drucks von 0,5 bis 5 MPa und vorzugweise von 1 ,0 bis 5,0 MPa.

Um die Gasdiffusionslagen passgenau und ortsgenau zu platzieren ist ferner vorteilhaft vorgesehen, dass Positionen von fensterartigen Ausschnitten der rahmenförmigen Dichtungen oder Referenzmarken der Membranelektrodenanordnungen erfasst werden und eine Positionierung der ersten Gasdiffusionslagen auf dem zweiten Transportmedium oder eine Position der fensterartigen Ausschnitte, oder eine Position der Referenzmarke der ersten Seiten der Membranelektrodenanordnungen in Maschinenrichtung (diese entspricht der Förderrichtung der Membranelektrodenanordnungen) und in Quermaschinenrichtung (diese entspricht einer Richtung senkrecht zur Maschinenrichtung in Flächenausdehnungsrichtung der Membranelektrodenanordnungen) angepasst wird.

Zur weiteren Erleichterung des Verfahrens, insbesondere auch zur räumlichen Kompaktierung desselben, sind gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung eine Transportrichtung der Membranelektrodenanordnungen und eine Transportrichtung der ersten Gasdiffusionslagen so gewählt, dass sie vor dem Zusammenführen der Gasdiffusionslagen und der Membranelektrodenanordnungen gegenläufig sind und/oder horizontal verlaufen. Zur Verbesserung der Qualität der final erzeugten Membranelektrodenanordnungen kann das Verfahren insbesondere auch eine Prüfung auf Gasdichtigkeit umfassen, wobei die mit ersten und zweiten Gasdiffusionslagen versehenen Membranelektrodenanordnungen in einer dichtenden Fixiereinheit angeordnet und die jeweilige Gasdichtigkeit der Membranelektrodenanordnungen unter Verwendung eines Prüfgases ermittelt wird. Diese Prüfung auf Gasdichtigkeit kann in den kontinuierlichen Förderprozess der Membranelektrodenanordnungen integriert werden und verbessert somit die einfache und zeitsparende Erzeugung von hoch funktionalen Membranelektrodenanordnungen.

Weiter vorteilhaft können nach dem Komprimieren der Anordnungen oder nach dem Anordnen und Fixieren der ersten Gasdiffusionslagen auf den ersten Seiten der Membranelektrodenanordnungen und/oder der zweiten Gasdiffusionslagen auf den zweiten Seiten der Membranelektrodenanordnungen die Membranelektrodenanordnungen mit einer finalen Kontur geschnitten werden.

Je nachdem, wie die Weiterverarbeitung der Membranelektrodenanordnungen vorgesehen ist, verbleiben die Membranelektrodenanordnungen mit oder ohne finalen Konturschnitt weiterhin auf einer (zweiten) Trägerfolie oder werden als Stückware vereinzelt, von der Trägerfolie getrennt und gestapelt.

Zur Verbesserung der Qualität der erzeugten Membranelektrodenanordnungen ist es vorteilhaft, wenn jede Membranelektrodenanordnung eindeutig gekennzeichnet bzw. markiert und die Kennzeichnung auf Konsistenz und Erkennungsqualität geprüft wird.

Weiterhin ist es vorteilhaft im Lichte einer Verbesserung der Qualität, dass nach jeder Prozesssequenz die Qualität der erhaltenen Membranelektrodenanordnungen mittels eines Inspektionssystems geprüft wird und bei einem fehlerhaften Teil eine Defektmarkierung aufgebracht wird, vorzugsweise auf eine Kennzeichnung, wie beispielsweise einen DataMatrix- /QR-Code, so dass fehlerhafte Teil in den nachfolgenden Weiterverarbeitungen erkannt und aussortiert werden können.

Ferner vorteilhaft wird jede Membranelektrodenanordnung eindeutig gekennzeichnet bzw. markiert und die Kennzeichnung auf Konsistenz und Erkennungsqualität geprüft.

Des Weiteren vorteilhaft kann nach jeder Prozesssequenz die Qualität der erhaltenen Membranelektrodenanordnungen mittels eines Inspektionssystems geprüft und bei einem fehlerhaften Teil eine Defektmarkierung aufgebracht werden, vorzugsweise auf die Kennzeichnung, so dass fehlerhafte Teile in den nachfolgenden Weiterverarbeitungen erkannt und aussortiert werden können. Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung von Verfahrensschritten eines Verfahrens zur Herstellung von dreilagigen Membranelektrodenanordnungen gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 2 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung von Verfahrensschritten eines Verfahrens zur Herstellung von fünflagigen Membranelektrodenanordnungen gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.

In den Figuren sind nur die wesentlichen Aspekte und Komponenten der Erfindung dargestellt. Alle übrigen Aspekte sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen. Ferner beziffern gleiche Bezugszeichen gleiche Vorrichtungsbauteile/Komponenten.

Im Detail zeigt Figur 1 anhand einer schematisierten Vorrichtung Verfahrensschritte zur Herstellung von dreilagigen Membranelektrodenanordnungen in Form einer dreilagigen, kontinuierlichen Bahn zur Anwendung in Brennstoffzellen, Wasserelektrolysezellen, elektrochemischen Kompressoren und elektrochemischen Sensoren, wobei die Membranelektrodenanordnungen einen eine erste und eine zweite Teildichtung umfassenden Dichtungsrahmen sowie eine katalysatorbeschichtete Membran (CCM) umfassen. Die Verfahrensschritte sind in Module 1 bis 4 aufgeteilt. Das Verfahren ist schnell, zuverlässig und kostengünstig und kann weitestgehend automatisiert ausgeführt werden.

In Modul 1 wird von einer ersten Rolle 20 ein erstes Dichtungsmaterial 1 als Rollenware bereitgestellt. Das erste Dichtungsmaterial 1 umfasst auf seiner Oberseite eine erste Schutzfolie 3. Das erste Dichtungsmaterial 1 wird zunächst konditioniert, also faltenfrei in Bezug auf die Quermaschinenrichtung Q und zentrisch in Bezug auf die Breite der Vorrichtung positioniert. Das mit der ersten Schutzfolie 3 angeordnete erste Dichtungsmaterial 1 wird sodann einer Schneidevorrichtung 23, umfassend eine dritte Rolle 23a und eine rotierende Schneide 23b (alternativ auch einer Flachstanze oder einem Laserschneider) zugeführt. Sodann wird von einer zweiten Rolle 21 eine erste Trägerfolie 2 mit einer Abdeckfolie 2a bereitgestellt und, nach Entfernen der Abdeckfolie 2a und Aufrollen derselben auf einer weiteren Rolle 21a, das erste Dichtungsmaterial 1 auf der ersten Trägerfolie 2 durch Führen des ersten Dichtungsmaterials 1 und der ersten Trägerfolie 2 über Führungsrollen 22 (Walzenpaar) angeordnet. Anschließend werden unter Entfernen der Schutzfolie 3 inklusive Dichtungsmaterialverschnitt des Dichtungsmaterials 1 über Delaminationsrolle 23c aus dem ersten Dichtungsmaterial 1 , erste Teildichtungen 6 gebildet, die mit einer rahmenförmigen oder fensterrahmenartigen Form vorliegen und somit über fensterartige Ausschnitte innerhalb der Innenkanten der ersten Teildichtungen 6 verfügen. Die erste Schutzfolie 3 mit dem Dichtungsmaterialverschnitt wird auf der vierten Rolle 24 aufgerollt.

In Modul 2 erfolgt zunächst ein Markieren der ersten Teildichtungen 6 mit einer Referenzmarken mittels einer Markierungsvorrichtung 25 und ein Überprüfen der erstellten Markierung mittels einer Markierungsüberprüfungsvorrichtung 25a. Die Referenzmarke kann z.B. durch Stanzen, Schneiden oder Lasern aufgebracht werden. In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird bereits beim Erzeugen der fensterartigen Ausschnitte zusätzlich durch das gleiche Werkzeug im gleichen Verfahrensschritt eine Referenzmarke in den ersten Teildichtungen 6 erzeugt. Durch das gleichzeitige Erzeugen der fensterartigen Ausschnitte im ersten Dichtungsmaterial 1 und der Referenzmarken in einem Prozessschritt, insbesondere durch Verwenden des gleichen Werkzeugs in einem rotativen Schneideprozess, wird eine exakte Positionierung der Referenzmarken in Bezug auf die fensterartigen Ausschnitte erhalten. Die exakte Position der Referenzmarken und damit der fensterartigen Ausschnitte wird vorzugsweise über ein Kamerasystem erfasst. Die Referenzmarken können in den nachfolgenden Prozessschritten über Sensoren oder Kamerasysteme erfasst werden und dienen als Taktgeber zur Ausrichtung sämtlicher weiterer Komponenten, d.h. für die Schichtanordnungen 7 und zweite Teildichtungen 8a und damit zur Ausrichtung der Schichtanordnungen 7 und den zweiten Teildichtungen 8a in Maschinenrichtung M in Bezug auf die ersten Teildichtungen 6. Somit wird eine sehr stabile Prozessführung in Bezug auf die Ausrichtung der nachfolgenden Komponenten, d.h. der Schichtanordnungen 7 und der zweiten Teildichtungen 8a, realisiert. Die Referenzmarken können dabei von Kameras und/oder Sensoren erkannt werden, wodurch ein Signal zur Synchronisation und Taktung der Schichtanordnungen 7 und der zweiten Teildichtungen 8a erzeugt wird. Weiterhin ist die Zuführgeschwindigkeit der Schichtanordnungen 7 und der zweiten Teildichtungen 8a so regelbar, dass eine exakte Positionierung der Schichtanordnungen 7 und zweiten Teildichtungen 8a in Bezug zu den ersten Teildichtungen 6 erhalten wird. Die Position der Schichtanordnungen 7 wird dabei insbesondere über Kamerasysteme bestimmt, die die Kante der Schichtanordnungen 7 in Maschinenrichtung M erkennt und in Signale umwandeln, die mit den Signalen der Referenzmarken der ersten Teildichtungen 6 synchronisiert werden können.

Ferner wird von einer fünften Rolle 26 ein Schichtanordnungsmaterial 4, bestehend aus Anode, Kathode und dazwischenliegender Membran in Form einer Rollenware bereitgestellt. Eine Positionierung des Schichtanordnungsmaterials 4 in Quermaschinenrichtung Q erfolgt zentrisch in Bezug auf eine Breite der Vorrichtung. Die exakte Positionierung des Schichtanordnungsmaterials 4 in Quermaschinenrichtung Q kann über den Einsatz weiterer Führungsrollen 22 feinjustiert werden. Das Schichtanordnungsmaterial 4 wird auf einer Schichtanordnungsträgerfolie 5 bereitgestellt, mittels der das Schichtanordnungsmaterial 4 einer Schneidevorrichtung 27, umfassend eine sechste Rolle 27a und eine rotierende Schneide 27b, zugeführt wird, in der aus dem Schichtanordnungsmaterial 4 Schichtanordnungen 7 erzeugt werden, deren Format an die fensterartigen Ausschnitte der ersten Teildichtungen 6 angepasst ist. Das Format der Schichtanordnungen 7 wird insbesondere größer als das der fensterartigen Ausschnitte der ersten Teildichtungen 6 gewählt, sodass ein Überlappungsbereich in der Peripherie der Schichtanordnungen 7 mit den ersten Teildichtungen 6 entsteht. Der Überlappungsbereich wird dabei insbesondere so groß gewählt, dass eine gasdichte Anordnung von Schichtanordnungen 7 und zu bildenden rahmenförmigen Dichtungen ermöglicht wird, und so klein, dass der Verlust an aktiver Fläche der Schichtanordnungen 7 minimiert wird. Der Überlappungsbereich liegt vorzugsweise im Bereich von 0,5 mm bis 6 mm und weiter bevorzugt zwischen 1 mm und 3 mm.

Durch das Führen der Schichtanordnungen 7, die noch auf der Schichtanordnungsträgerfolie 5 angeordnet sind, durch Führungsrollen 22, werden die Schichtanordnungen 7 unter Entfernen der Schichtanordnungsträgerfolie 5, die sodann auf einer siebten Rolle 28 aufgerollt wird, auf den ersten Teildichtungen 6 angeordnet. Eine genaue Positionierung der Schichtanordnungen 7 in den rahmenförmigen ersten Teildichtungen 6 gelingt durch Ausrichten der Schichtanordnungen 7 in Bezug auf die auf an den ersten Teildichtungen 6 angebrachten Referenzmarken.

In Modul 3 befinden sich somit auf der ersten Trägerfolie erste Teildichtungen 6, auf deren Oberseite Schichtanordnungen 7 angeordnet sind.

In Modul 3 werden von einer achten Rolle 28a ein zweites Dichtungsmaterial 8 auf einer zweiten Schutzfolie 9 bereitgestellt. Wie aus einem Vergleich von Modul 1 und Modul 3 zu erkennen ist, werden das erste Dichtungsmaterial 1 und das zweite Dichtungsmaterial 8 gegenläufig geführt, wodurch eine besonders kompakte Bauweise und Auslegung der Vorrichtung erreicht wird. Das zweite Dichtungsmaterial 8 wird nun so einer Schneidvorrichtung 29, umfassend eine neunte Rolle 29a und eine rotierende Schneide 29b, zugeführt, dass unter Entfernen der zweiten Schutzfolie 9 aus dem zweiten Dichtungsmaterial 8 in der Schneidvorrichtung 29 zweite Teildichtungen 8a erzeugt werden, die sodann durch Umlenkung mittels einer weiteren Führungsrolle 22 auf den Schichtanordnungen 7 angeordnet werden, und zwar so, dass die fensterartigen Ausschnitte der ersten Teildichtungen 6 über den in der Schneidvorrichtung 29 erzeugten fensterartigen Ausschnitten der zweiten Teildichtungen 8a zu liegen kommen. Im Inneren der fensterartigen Ausschnitte befinden sich die Schichtanordnungen, so dass eine möglichst große Fläche der Membran im Inneren der rahmenförmigen Teildichtungen 6, 8a frei liegt. Die zweite Schutzfolie 9 wird dabei nach dem Entfernen auf einer zehnten Rolle 29c aufgerollt. Wie schon für die ersten Teildichtungen 6 beschrieben, können auch die zweiten Teildichtungen 8a mit Referenzmarken versehen werden, um eine bessere Positionierung der zweiten Teildichtungen 8a auf den ersten Teildichtungen 6 zu erleichtern.

Die ersten Teildichtungen 6, die Schichtanordnungen 7 und die zweiten Teildichtungen 8a, die in dieser Reihenfolge übereinander in B-Richtung gestapelt sind, bilden Anordnungen 10 im Sinne der Erfindung.

In Modul 4 erfolgt ein Fixieren der ersten und zweiten Teildichtungen 6, 8a mit den Schichtanordnungen 7 in einer Fixiervorrichtung 30, insbesondere nach Überprüfen der bis dato hergestellten Schichtanordnungen 7 mittels Sensor D. Hierzu ist auf dem ersten Dichtungsmaterial 1 und/oder auf dem zweiten Dichtungsmaterial 8 ein adhäsives Material derart angeordnet, dass nach dem übereinander Anordnen der ersten Teildichtungen 6, der Schichtanordnungen 7 und der zweiten Teildichtungen 8a das adhäsive Material zwischen den übereinander angeordneten ersten und zweiten Teildichtungen 6, 8a angeordnet ist. In der Fixiervorrichtung 30, die beispielsweise als beheiztes Pressbackenpaar ausgebildet sein kann, erfolgt sodann ein thermisches Aktivieren des adhäsiven Materials und Komprimieren der Anordnungen 10 unter Erhalt von Membranelektrodenanordnungen 11 mit rahmenförmigen Dichtungen als kontinuierliche Rollenware auf Trägerfolie 2. Über das adhäsive Material wird ein stoffschlüssiger, mechanisch stabiler und gasdichter Verbund aus Schichtanordnungen 7 und Dichtungsrahmen erhalten.

Die Pressbacken des Pressbackenpaars zur Fixierung der Teildichtungen und Erzeugung eines Dichtungsrahmens oder etwaige Walzen eines Walzenpaars zur Fixierung, können dabei aus unterschiedlichen Materialien ausgeführt sein und die Materialien sind insbesondere ausgewählt aus der Gruppe von Metall, Gummi, gummiertem Metall oder beschichtetem Metall. Das Material ist weiterhin so ausgewählt, dass eine Anhaftung der kontinuierlichen Bahn Anordnungen 10 an den Pressbacken oder Walzen vermieden wird. Das Material der Pressbacken oder der Walzen ist dabei so ausgeführt, dass eine homogene Verteilung des Drucks während der Fixierung auftritt und Dickenunterschiede im Überlappbereich von Teildichtungen und Schichtanordnungen ausgeglichen werden. Beschichtungen sind beispielhaft aus der Gruppe von Viton oder PTFE ausgewählt.

Weiterhin kann die Temperatur der oberen und unteren Pressbacken des Pressbackenpaares oder die Temperatur der oberen und unteren Walzen des Walzenpaares unterschiedlich sein. Insbesondere beträgt die Temperatur des jeweils unteren Elements zwischen 40 °C und 160 °C, bevorzugt zwischen 50 °C und 140 °C, und die Temperatur des jeweils oberen Elements beträgt zwischen 80 °C und 200 °C, bevorzugt zwischen 100 °C und 180 °C. Weiterhin erzeugen das Pressbackenpaar oder das Walzenpaar insbesondere einen Druck zwischen 0,05 MPa und 10 MPa, bevorzugt zwischen 0,15 MPa und 5 MPa und weiter bevorzugt zwischen 0,25 MPa und 3 MPa. Somit wird eine ausreichende Aktivierung des anhaftenden adhäsiven Materials erreicht und eine stoffschlüssige und blasenfrei Verbindung zwischen Schichtanordnungen und ersten und zweiten Teildichtungen erreicht.

In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens ist das Pressbackenpaar verfahrbar auf einer Schiene angeordnet. Somit wird eine kontinuierliche Prozessführung erleichtert, da der Versiegelungsschritt der beiden Teildichtungen der Bewegung der kontinuierlichen Bahn in der Maschinenrichtung M folgt. Die kontinuierliche Prozessführung ist besonders effizient und erhöht weiterhin die Präzision des Prozesses, da Unterbrechungen der Bahnbewegung im Sinn von periodischen Anhalten und Anfahren der Bahn vermieden werden.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird der Verbund aus Schichtanordnungen und ersten und zweiten Teildichtungen, die so genannten Anordnungen, nach der Fixierung zwischen dem Pressbackenpaar oder dem Walzenpaar auf einem gekühlten Transportband gekühlt. Dieser Prozessschritt dient zum Aushärten des adhäsiven Materials, wodurch die Schneidfähigkeit der Teildichtungen verbessert wird.

Die als kontinuierliche Rollenware erhaltenen Membranelektrodenanordnungen 11 mit rahmenförmigen Dichtungen können anschließend auf einer elften Rolle 29d aufgerollt werden. Dies ist besonders gut dadurch möglich, da die Membranelektrodenanordnungen 11 immer noch auf der ersten Trägerfolie 2 vorliegen.

Vorteilhafterweise kann in beispielhaft vorgesehenen Vorrichtungen A, B, C, E, F und G eine Applikation eines DataMatrixCodes erfolgen und kontrolliert werden. Hierzu kann beispielsweise in Vorrichtung A ein DataMatrixCode aufgebracht werden; in Vorrichtung B kann ein DataMatrixCode Check erfolgen; in Vorrichtung C kann eine QC-CCM - d.h. eine Qualitätskontrolle der Membranelektrodenanordnungen 7 (CCM) mittels eines optischen Inspektionssystems erfolgen; in Vorrichtung E kann eine QC-3-L - d.h. eine Qualitätskontrolle der 3-Lagen MEA (beidseitig) erfolgen, z.B. mittels einem optischen Inspektionssystem, welches die Qualität des Verbundes aus Schichtanordnungen und ersten und zweiten Teildichtungen und/oder eine Gas-Dichtigkeitsprüfung ermöglicht. Ferner kann auch eine Vorrichtung F zur Defektmarkierung vorgesehen sein und/oder in Vorrichtung G eine Defektmarkierungsverifikation vorgenommen werden.

Wie in Figur 1 dargestellt, führt das Verfahren zur Herstellung einer kontinuierlichen Bahn von dreilagigen Membranelektrodenanordnungen (Membran mit Anode und Kathode), und zeigt gegenüber herkömmlichen Verfahren Vorteile in Bezug auf die Effizienz, Automatisierung und Logistik in der Verfahrensführung, wobei zu jedem Zeitpunkt eine kontinuierliche und damit zeiteffiziente Komponentenführung- und Verarbeitung gewährleistet sind.

In den erzeugten dreilagigen Membranelektrodenanordnungen 11 liegen katalysatorbeschichtete Membranen vor, die als ein Verbund aus einer Anode, einer Kathode sowie einer zwischen Anode und Kathode befindlichen, insbesondere protonenleitfähigen Membran anzusehen sind. Die katalysatorbeschichteten Membranen liegen in Form einer kontinuierlichen Bahn, also mit anderen Worten als Rolle (nach Aufrollen der kontinuierlichen Bahn), vor und sind von einem spezifisch ausgebildeten Dichtungsrahmen umgeben.

Im Detail zeigt Figur 2 anhand einer schematisierten Vorrichtung Verfahrensschritte zur Herstellung von fünflagigen Membranelektrodenanordnungen 45 in Form einer fünflagigen, kontinuierlichen Bahn zur Anwendung in Brennstoffzellen, Wasserelektrolysezellen, elektrochemischen Kompressoren und elektrochemischen Sensoren, wobei die Membranelektrodenanordnungen 45 einen eine erste und eine zweite Teildichtung umfassenden Dichtungsrahmen sowie eine katalysatorbeschichtete Membran (CCM) sowie Gasdiffusionsschichten umfassen. Die Verfahrensschritte sind in Module 5 bis 8 aufgeteilt. Das Verfahren ist schnell, zuverlässig und kostengünstig und kann weitestgehend automatisiert ausgeführt werden.

In dem in Figur 2 gezeigten Verfahren können die dreilagigen Membranelektrodenanordnungen 11 verwendet werden, die gemäß dem schematisiert dargestellten ersten Verfahren und der Vorrichtung aus Figur 1 hergestellt wurden. Wesentlich ist hierbei, dass die zu verwendenden Membranelektrodenanordnungen eine Membran, Anode und Kathode, die die Membran auf gegenüberliegenden Seiten der Membran flankieren und einen Dichtungsrahmen aufweisen, der die Membran umgibt, und als Rollenware, geträgert auf einer ersten Trägerfolie 2 vorliegen.

In Modul 5 werden als kontinuierliche Rollenware erhaltenen Membranelektrodenanordnungen 11 , die auf einer ersten Trägerfolie 2 auf einer elften Rolle 29d vorliegen, von der elften Rolle 29d abgerollt, ihre Anordnung durch einen Sensor H überprüft und einer ersten Klebstoffapplikationsvorrichtung 31 zugeführt, so dass eine freiliegende Oberseite der Membranelektrodenanordnungen 11 mit Klebstoff versehen wird, der mindestens Teilbereiche der rahmenförmigen Dichtungen bedeckt und anschließend in einer Härtungsvorrichtung 32 für den Klebstoff gehärtet wird. Der senkrechte Strich zwischen der Klebstoffapplikationsvorrichtung 31 und der Härtungsvorrichtung 32 stellt eine Schutzvorrichtung 32a dar, die den Klebstoff vor verfrühter Verfestigung schützt. Der Klebstoff ist insbesondere ausgewählt aus der Gruppe von lufthärtenden, thermisch aktivierten oder licht- oder UV-aktivierten Klebstoffen oder Zweikomponentenklebstoffen. Die Auftragung des Klebstoffs auf die Peripherie der fensterartigen Ausschnitte der rahmenförmigen Dichtungen kann dabei durch ein einzelnes Auftragungssystem erfolgen oder auch durch zwei Auftragungssysteme, die jeweils ein L-förmiges Klebstoffmuster auftragen oder auch durch mehrere Auftragungssysteme, die jeweils ein lineares Klebstoffmuster auftragen. Als Auftragungssystem können dabei Systeme dienen, die dem Fachmann bekannt sind, und als ein System aus Pumpen und Düsen verstanden werden, das zur Auftragung von Klebstoff um die Peripherie der fensterartigen Ausschnitte geeignet ist.

Sodann wird in Modul 6a von einer 13. Rolle 46 eine zweite Trägerfolie 48 abgerollt, die zum Schutz mit einer Abdeckfolie 49 versehen ist. Die Abdeckfolie 49 wird beim Führen durch ein Walzenpaar 22 entfernt und auf einer 14. Rolle 47 aufgerollt.

Zudem werden in Modul 6a aus einem Magazin 33 vorbereitete und konditionierte Gasdiffusionslagen 12 auf die zweite Trägerfolie 48 übertragen und einer Gasdiffusionslagenapplikationsvorrichtung 34 zugeführt, in der den mit Klebstoff versehenen Oberseiten der Membranelektrodenanordnungen 11 Gasdiffusionslagen 12 zugeführt und mit der Presseinrichtung 38 verpresst werden. Nach dem Durchlaufen der Pressvorrichtung 38 wird die erste Trägerfolie 2 entfernt und auf einer zwölften Rolle 29e aufgerollt.

Sodann werden die Membranelektrodenanordnungen in Modul 6b einer zweiten Klebstoffapplikationsvorrichtung 35 zugeführt, wobei auf eine nun freiliegende zweite Oberseite der Membranelektrodenanordnungen Klebstoff appliziert wird. Es folgt ein Zuführen von weiteren Gasdiffusionslagen 12 aus einem Magazin 36 an die mit Klebstoff versehene zweite Oberseite der Membranelektrodenanordnungen. Anschließend erfolgt ein Andrücken der Gasdiffusionslagen 12 an den Membranelektrodenanordnungen 11 durch eine 15. Rolle 38. Mittels eines Vakuumtransportbands 37 werden die Membranelektrodenanordnung 11 und die Gasdiffusionslagen 12 an der ersten Oberseite gehalten, so dass die Membranelektrodenanordnungen 11 mit den Gasdiffusionslagen 12 während dem Weitertransport gehalten werden, so dass die Unterseite der Membranelektrodenanordnung

11 und die untere Gasdiffusionslagen 12 frei liegen.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Position der fensterartigen Ausschnitte der Teildichtungen durch Sensoren H erfasst und die Positionierung der ersten Gasdiffusionslage

12 auf dem Vakuumtransportband 37 der Position der fensterartigen oder rahmenförmigen Ausschnitte in Maschinenrichtung M und Quermaschinenrichtung Q angepasst wird. Somit wird eine passgenaue Positionierung der ersten Gasdiffusionslage 12 in Bezug auf die fensterartigen Ausschnitte ermöglicht, wodurch ein Komposit mit hoher Leistungsdichte und langer Lebensdauer erhalten wird.

In Modul 7 erfolgt ein finaler Konturzuschnitt der mit Gasdiffusionslagen 12 versehenen Membranelektrodenanordnungen durch Schneidvorrichtung 39 und zwar so, dass die Trägerfolie 1 nicht beschädigt wird, und folglich die mit Gasdiffusionslagen 12 versehenen Membranelektrodenanordnungen nach wie vor auf der ersten Trägerfolie 1 angeordnet sind. Dabei können die Membranelektrodenanordnungen durch die Schneidvorrichtung 39 voneinander getrennt werden und so zur Vereinzelung vorbereitet werden oder nicht getrennt werden, und so weiterhin als Rollenware vorliegen. Weiterhin erfolgt eine Qualitätskontrolle durch ein Kamerasystem 40. Das Kamerasystem 40 umfasst eine Kamera, die die Schneidqualität sowie die Dimension der fensterartigen Ausschnitte prüft und somit die Plausibilität, also die Verwendung des richtigen Werkzeugs sicherstellt.

Die mit Gasdiffusionslagen 12 versehenen Membranelektrodenanordnungen 45 werden auf einem Transportmedium 41 transportiert und gefördert, wobei die zweite Trägerfolie 48 durch Aufrollen auf einer 16. Rolle 42 von den Membranelektrodenanordnungen entfernt wird und die fertigen Membranelektrodenanordnungen 45 nach finaler Qualitätskontrolle in Modul 8 durch Kamerasystem 43 entweder, sofern ihre Qualität nicht zureichend ist, ausgesondert oder, sofern die Qualität ausreichend ist, zur weiteren Verarbeitung oder Lagerung in Vorratsbehälter 44 bevorratet werden. Das weitere Kamerasystem 43 kann zudem oberhalb und unterhalb der kontinuierlichen Bahn angebracht sein und überprüft dabei die Ausrichtung der Schichtanordnungen und der ersten Teildichtungen sowie die Ausrichtung der Schichtanordnungen und der zweiten Teildichtungen. Dadurch wird sichergestellt, dass die fensterartigen Ausschnitte der ersten und zweiten Teildichtungen deckungsgleich angeordnet sind. Weiterhin kann dieses Kamerasystem die Qualität der Randfolienvorfixierung in Bezug auf Falten- und Blasenfreiheit überprüfen. Weiterhin können zusätzliche Kameras (QC Camera) die Qualität des versiegelten Verbunds aus Schichtanordnungen und ersten und zweiten Teildichtungen in Bezug auf Blasenfreiheit und Faltenfreiheit überprüfen.

Auch gemäß dem in Figur 2 dargestellten Verfahren bzw. der schematisierten Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, führt das Verfahren zur Herstellung einer kontinuierlichen Bahn von Membranelektrodenanordnungen, die nun jedoch fünflagig sind (Membran mit Anode, Kathode und zwei Gasdiffusionslagen), und zeigt gegenüber herkömmlichen Verfahren Vorteile in Bezug auf die Effizienz, Automatisierung und Logistik in der Verfahrensführung, wobei zu jedem Zeitpunkt eine kontinuierliche und damit zeiteffiziente Komponentenführung- und Verarbeitung gewährleistet sind. In den erzeugten fünflagigen Membranelektrodenanordnungen liegen katalysatorbeschichtete Membranen und Gasdiffusionslagen vor, die positionsgenau angebracht sind. Die fünflagigen Membranelektrodenanordnungen können in Form einer kontinuierlichen Bahn auf einer Rolle vorliegen, oder aber final zur Weiterverarbeitung zugeschnitten sein.

Die in Figur 2 dargestellte Vorrichtung kann alternativ auch zur Bereitstellung von dreilagigen Membranelektrodenanordnungen verwendet werden, die einen finalen, konturgebenden Schnitt aufweisen. Hierbei werden dann aus den Magazinen 33 und 36 keine Gasdiffusionslagen gefördert.

Neben der vorstehenden schriftlichen Beschreibung der Erfindung wird zu deren ergänzender Offenbarung hiermit explizit auf die zeichnerische Darstellung der Erfindung in den Fig. 1 und 2 Bezug genommen.

Bezugszeichenliste

1 erstes Dichtungsmaterial

2 erste Trägerfolie

2a Abdeckfolie

3 erste Schutzfolie

4 Schichtanordnungsmaterial

5 Schichtanordnungsträgerfolie

6 erste Teildichtungen

7 Schichtanordnungen

8 zweites Dichtungsmaterial

8a zweite Teildichtungen

9 zweite Schutzfolie

10 Anordnungen

11 Membranelektrodenanordnungen

12 Gasdiffusionslagen

20 erste Rolle

21 zweite Rolle

21a weitere Rolle

22 Führungsrollen

23 Schneidvorrichtung

23a dritte Rolle

23b rotierende Schneide

23c Delaminationsrolle

24 vierte Rolle

25 Markierungsvorrichtung

26 fünfte Rolle

27 Schneidvorrichtung

27a sechste Rolle

27b rotierende Schneide

28 siebte Rolle

28a achte Rolle

29 Schneidvorrichtung

29a neunte Rolle

29b rotierende Schneide

29c zehnte Rolle

29d elfte Rolle

29e zwölfte Rolle

30 Fixiervorrichtung 31 erste Klebstoffapplikationsvorrichtung

32 Härtungsvorrichtung

32a Schutzvorrichtung

33 Magazin

34 Gasdiffusionslagenapplikationsvorrichtung

35 zweite Klebstoffapplikationsvorrichtung

36 Magazin

37 Vakuumtransportband

38 15. Rolle

39 Schneidvorrichtung

40 Kamerasystem

41 Transportmedium

42 16. Rolle

43 Kamerasystem

44 Vorratsbehälter

45 Membranelektrodenanordnungen mit Gasdiffusionslagen

46 13. Rolle

47 14. Rolle

48 zweite Trägerfolie

49 Abdeckfolie

A Vorrichtung zum Aufbringen eines DataMatrixCode

B Vorrichtung zum Überprüfen des DataMatrixCode

C Vorrichtung zur Qualitätskontrolle der Membranelektrodenanordnungen

D Sensor

E Vorrichtung zur Qualitätskontrolle der dreilagigen Membranelektrodenanordnungen

F Vorrichtung zur Defektmarkierung

G Vorrichtung zur Defektmarkierungsverifikation

H Sensor