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Dokumentenidentifikation DE102004040123B4 31.05.2007
Titel Dosiervorrichtung für pulverförmiges Material und Pressvorrichtung
Anmelder Sartorius AG, 37075 Göttingen, DE
Erfinder Gottlöber, Manfred, 37574 Einbeck, DE;
Haufe, Stefan, Dr., 37083 Göttingen, DE;
Käsehagen, Rainer, 37434 Rüdershausen, DE;
Kiel, Suzanna, Dr., 37073 Göttingen, DE;
Mähr, Ulrich, Dr., 14052 Berlin, DE;
Melzner, Dieter, Dr., 37075 Göttingen, DE;
Reiche, Annette, Dr., 37079 Göttingen, DE;
Rohmund, Micha, 37269 Eschwege, DE
Vertreter Fiedler, Ostermann & Schneider, 37073 Göttingen
DE-Anmeldedatum 18.08.2004
DE-Aktenzeichen 102004040123
Offenlegungstag 09.03.2006
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 31.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 31.05.2007
IPC-Hauptklasse B05C 19/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01M 8/02(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   H01M 4/94(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   C25B 11/04(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf eine Dosiervorrichtung für pulverförmiges Material mit einer hohlzylindrischen Trommel zur Aufnahme des Pulvermaterials, die motorisch in eine Rotationsbewegung um ihre Trommelachse versetzbar ist und im Bereich ihres Trommelmantels Perforationen aufweist, durch die Teilchen des Pulvermaterials nach außerhalb der Trommel dringen können, wobei im Inneren der Trommel eine sich parallel der Trommelachse erstreckende, um ihre Erstreckungsachse rotierbare Bürsteinrichtung mit radial ausgerichteten Bürstelementen vorgesehen ist, sodass bei relativer Rotation von Trommel und Bürsteinrichtung Teilchen des Pulvermaterials durch die Perforationen des Siebes bürstbar sind.

Die Erfindung bezieht sich weiter auf eine Pressvorrichtung zur Erzeugung einer flächigen Schicht durch Verdichten eines pulverförmigen Materials, umfassend zwei gegensinnig rotierbare Walzen zur Ausübung eines Drucks auf das in eine Walzenspalt zwischen ihnen hindurchgeführte Pulvermaterial und eine oberhalb der Walzen angeordnete Auftragungsvorrichtung zur Einbringung des Pulvermaterials in den Walzenspalt.

Eine derartige, gattungsgemäße Pressvorrichtung ist aus DE 195 09 749 C2 bekannt. Dort wird eine Vorrichtung offenbart, die insbesondere zur Herstellung eines Membran-Elektroden-Moduls (MEA: Membrane Electrode Assembly) für eine Polymermembranelektrolyt-Brennstoffzelle geeignet ist. Bei der bekannten Vorrichtung wird aus der Auftragungsvorrichtung ein katalytisches Pulver in den Walzenspalt gerieselt. Gleichzeitig wird eine blatt- oder bandartige Trägerschicht durch den Walzenspalt geführt. Durch den von den Walzen auf das Trägermaterial und das Pulvermaterial ausgeübten Druck wird das Pulvermaterial zu einer Schicht verdichtet und mit dem Trägermaterial haltbar zu einem Verbundmaterial verpresst. Als Auftragungseinrichtung dient ein einfacher, im Querschnitt trichterförmiger Vorratsbehälter mit einem unmittelbar über dem Walzenspalt angeordneten Austragungsschlitz, der parallel zu dem Walzenspalt ausgerichtet ist. Die je Zeiteinheit in den Walzenspalt gerieselte Menge des Pulvermaterials hängt von der Beziehung zwischen Öffnungsbreite des Austragungsschlitzes und Korngröße des Pulvers ab und ist allein schwerkraftgetrieben.

Nachteilig bei dieser bekannten Pressvorrichtung ist die unbefriedigende Möglichkeit einer genauen Dosierung des in den Walzenspalt gerieselten Pulvermaterials. Insbesondere können Verklumpungen und Clusterbildungen zu Inhomogenitäten der Rieselmenge über die zeit und/oder die Länge des Austragungsschlitzes bzw. die Länge des Walzenspaltes, d.h. im Ergebnis über die Breite der erzeugten Schicht, führen. Zudem kann eine Verstopfung des Austragungsschlitzes nur verhindert werden, wenn dieser relativ zur Teilchengröße des Pulvers eine gewisse Mindestöffnungsbreite aufweist. Dies führt jedoch zu einer nicht unterschreitbaren Rieselmenge pro Zeiteinheit und damit zu einer ggf. unerwünschten Mindestdicke der erzeugten Schicht. Gerade bei der Herstellung von MEAs sind jedoch besonders dünne Elektroden- bzw. katalytische Schichten erwünscht.

Aus der DE 195 48 421 A1 ist eine weitere Vorrichtung zur kontinuierlichen MEA-Herstellung bekannt, bei der jedoch das katalytische Material zunächst in Lösung gebracht und dann auf das Trägermaterial aufgerakelt und heißverpresst wird. Dieses Verfahren ist auf Grund der erforderlichen Lösungs- und Trocknungsschritte aufwendig und damit kostspielig. Die direkte Verwendung trockenen Pulvermaterials ist dagegen zu bevorzugen.

Aus der DE 102 43 100 A1 ist eine weitere Beschichtungs- und Pressvorrichtung für MEAs bekannt, bei der Beschichtungspulver in einem trichterförmigen Vorratsbehälter vorgehalten und über eine Walze, die die untere Trichteröffnung verschließt, einer Presswalze zugeführt wird. Bei dieser Vorrichtung, bei der die Dosierung nur über die Spaltbreite zwischen Walze und Trichteröffnung eingestellt werden kann, hängt die Gleichmäßigkeit der Beschichtung stark von der Körnigkeit des Pulvers ab. Variationen, wie etwa clusterbildung, die sich z.B. aus unterschiedlichen Lagerbedingungen, Feuchtigkeiten, Druck etc. ergeben können, führen unmittelbar zu Variationen der Beschichtungsdicke.

Aus der DE 24 62 342 A1 ist eine gattungsgemäße Dosiervorrichtung zur Farbpulverdosierung beim Textil-, insbesondere Teppichdruck bekannt, bei der im Inneren der Trommel ein Rakelgehäuse mit einem Vorratsbehälter für pulverförmigen Farbstoff angeordnet ist. Das Rakelgehäuse weist in seinem Boden, der in unmittelbarer Nähe zur Innenseite der Trommel liegt, eine spaltförmige Öffnung auf.

Im Inneren des Rakelgehäuses ist eine Bürstenwalze angeordnet, die um ihre parallel zur Trommelachse gelegene Erstreckungsachse rotierbar ist. Die Länge der Bürstenfasern ist so bemessen, dass von oben aus dem Vorratsbehälter auf die Bürstenwalze rieselndes Pulver zu der Spaltöffnung transportiert und durch diese sowie die Perforationen im Trommelmantel hindurchgebürstet wird. Die Bürstenfasern sind so steif gestaltet, dass sie, nachdem sie durch Auflaufen auf einen Vorsprung umbiegen und hochschnellen, um überschüssiges Pulver zurück in den Vorratsbehälter zu katapultieren. Eine solche Dosiereinrichtung ist zwar geeignet für die Bedruckung von Teppichen mit vergleichsweise groben Mustern, d.h. mit relativ großen und relativ wenigen Perforationen der Trommelwand im Vergleich zu deren geschlossener Fläche. Für die Herstellung von MEAs, bei denen es auf eine besonders feine und gleichmäßige Auftragung des katalytischen Pulvers ankommt, ist sie jedoch nicht verwendbar. Dafür muss die lichte Fläche maximiert, die Größe der einzelnen Öffnungen jedoch in Anpassung an die verwendete Korngröße relativ klein gehalten werden, typischer Weise einige 100 &mgr;m. Bürstenwalzen mit Borsten oder Bürstenfasern, wie aus DE 24 62 342 A1 bekannt, haben den Nachteil, dass die Einzelborsten entweder so dick sind, dass sie einzelne Öffnungen verstopfen oder so dünn, dass keine ausreichende Steifigkeit gegeben ist, um die Pulverkörner aktiv durch die Trommelöffnungen zu bürsten. In jedem Fall kann keine zuverlässig gleichmäßige Verteilung des Pulvers gewährleistet werden.

Aus einem noch anderen technischen Gebiet, nämlich der Dosierung pulverförmiger Futterzusätze zu einer Futtermenge, ist durch die DE 93 09 114 U1 eine weitere Dosiervorrichtung bekannt. Da beim Einrieseln von Futterzusätzen in eine Futtermenge eine zeitlich sowie über die Breite der Dosiertrommel homogene Verteilung der Rieselmenge nicht von Bedeutung ist, sind bei der offenbarten Dosiervorrichtung keine entsprechenden Maßnahmen getroffen. Sie ist daher nicht zum Einsatz in Fällen geeignet, in denen die Homogenität der Rieselmenge von ausschlaggebender Bedeutung ist, wie dies etwa bei der Herstellung von MEAs der Fall ist, wo die Gleichmäßigkeit einer sehr dünnen Elektroden- und/oder katalytischen Schicht wesentlich für den Wirkungsgrad der resultierenden Brennstoffzelle ist.

Einem ähnlichen Prinzip folgt eine in der EP 0 398 034 A2 offenbarte Vorrichtung zur Pulverbeschichtung mit einem rotierenden, an der Mantelfläche Öffnungen aufweisenden Zylinder. Der Zylinder wird von einer als Förderschnecke ausgebildeten Eintragsvorrichtung durchsetzt, mit der Pulver in dem Zylinder grob verteilt wird. Das Pulver rieselt durch die Rotation des Zylinders in Zusammenwirkung mit der Schwerkraft aus dem Zylinder auf die zu beschichtende Oberfläche.

Dieselbe Druckschrift zitiert auch eine Vorrichtung mit zwei Walzen, nämlich einer geriffelten Dosierwalze und einer Bürstenwalze, die Pulver aus den Rillen der Dosierwalze herausbürstet und auf die zu beschichtende Oberfläche schleudert.

Schließlich ist aus der DE 25 22 304 A1 eine Dosiervorrichtung bekannt, bei der Pulver über einen Trichter mit speziell ausgebildeten, abfallenden Wänden zugeführt wird.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gattungsgemäße Dosiervorrichtung derart weiter zu bilden, dass ein zeitlich sowie über die Breite der Dosiertrommel homogener Austrag des Pulvermaterials erreicht wird.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass der Trommelmantel als nahtloses Sieb ausgebildet und die Bürstenelemente als parallel zu der oder helikal um die Rotationsachse erstreckte Lamellen ausgestaltet sind.

Diesem Aspekt der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die bekannten Borsten der Bürsteinrichtung durch Lamellen zu ersetzen, die mit allen Trommelperforationen gleichermaßen wechselwirken ohne einzelne Öffnungen zu verstopfen oder an ihnen vorbei zu streichen. Die Kraft, die auf die Pulverteilchen wirkt und im Wesentlichen durch die Steifigkeit der Bürstelemente definiert ist, ist aufgrund der Erfindung über die gesamte Trommelbreite homogen. Die gewünschte oder erforderliche Steifigkeit ist durch Wahl des Materials bzw. der Lamellendicke nahezu beliebig realisierbar. Die Nahtfreiheit des Siebs ist erforderlich, um eine Homogenität der Verteilung der Perforation über den Umfang des Trommelmantels zu gewährleisten. Dazu können beispielsweise galvanisch hergestellte Siebe verwendet werden.

Der Fachmann wird erkennen, dass selbstverständlich die Größe der Sieböffnungen auf die Teilchengröße abgestimmt sein muss. Insbesondere dürfen die Sieböffnungen nicht so groß sein, dass der allein schwerkraftgetriebene Austrag in der Größenordnung des durch die Bürsteinrichtung erzwungenen Austrags liegt. Die Austragsmenge ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch die Wahl der Größe der Sieböffnungen sowie die Rotationsgeschwindigkeit der Bürsteinrichtung und/oder der Dosiertrommel wählbar.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung eine gattungsgemäße Pressvorrichtung derart weiter zu bilden, dass die Homogenität der erzeugten Schicht verbessert wird.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen von Anspruch 11 dadurch gelöst, dass als Auftragungsvorrichtung eine Dosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 vorgesehen ist.

Diesem Aspekt der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Homogenität der erzeugten Schicht insbesondere von der Homogenität der Austragsmenge aus der Auftragsvorrichtung in den Walzenspalt abhängt, wobei eine Homogenität über die Länge des Walzenspaltes entscheidend für die Homogenität über die Breite der erzeugten Schicht ist, wohingegen die zeitliche Homogenität des Pulveraustrags Auswirkung auf die Homogenität über die Länge der erzeugten Schicht hat. Anders als beim Stand der Technik ist es bei zeitlicher und räumlicher Homogenität der Austragsmenge des Pulvers ausreichend, die Größe des Walzenspaltes, d.h. den Abstand der beiden Walzen, geeignet einzustellen. Schichtdicke und Schichtdichte sind dann lediglich von der Austragsmenge abhängig, die ihrerseits durch geeignete Wahl der Sieböffnungen und der Bürst- und/oder Trommelgeschwindigkeiten einstellbar ist. Bei herkömmlichen Pressvorrichtungen ist hingegen üblicherweise eine Steuerung des Walzenspaltes in Form einer Spaltbreitensteuerung oder einer Drucksteuerung vorgesehen. Bei inhomogenem Pulvereintrag in den Walzenspalt führt jedoch eine druckgesteuerte Walzenregelung zu Dicken-Inhomogenitäten und eine spaltbreitengesteuerte Walzenregelung zu Dichte-Inhomogenitäten der erzeugten Schicht. Selbstverständlich schließt die vorliegende Erfindung eine derartige Walzensteuerung jedoch nicht aus. Ihre Bedeutung für die Ausbildung der Schicht wird lediglich in vorteilhafter Weise reduziert.

Besonders vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung und der erfindungsgemäßen Pressvorrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Wie bereits erwähnt sind die Rotationsgeschwindigkeiten der Trommel und/oder der Bürsteinrichtung der erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung für die resultierende Austragsmenge von wesentlicher Bedeutung. Um eine besonders einfache Einstellbarkeit dieser Größen zu erreichen, ist bei einer besonderes vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen, dass die Rotationsgeschwindigkeit der Trommel und/oder der Bürsteinrichtung steuerbar sind. Dies kann durch manuelle Eingabe von Steuerwerten, durch Einlesen der Steuerwerte aus Datenspeichern und/oder durch automatische Berechnung der Steuerwerte, insbesondere im Rahmen geschlossener Regelkreise, erfolgen. Bei steuerbarer Trommel und Bürsteinrichtung können diese gemeinsam oder separat ansteuerbar sein.

Günstigerweise sind die Rotationsrichtungen von Trommel- und Bürsteinrichtungen einander entgegen gerichtet. Ein ähnlicher Effekt ist jedoch erzeugbar, indem Trommel- und Bürsteinrichtung mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten rotieren gelassen werden, so dass sich eine resultierende Relativgeschwindigkeit einstellt.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass im Inneren der Trommel eine sich parallel der Trommelachse erstreckende Fördereinrichtung zur Verteilung des Pulvermaterials über die Breite der Trommel angeordnet ist. Eine solche Fördervorrichtung stellt sicher, dass zu jedem Zeitpunkt während des Betriebs an jeder Stelle über die Breite der Trommel ein Überschuss an Pulvermaterial vorliegt, welches mittels der Bürsteinrichtung durch die Sieböffnungen gebürstet werden kann. Somit wird die Austragsmenge im Wesentlichen durch die Wechselwirkung zwischen Bürsteinrichtung, Sieb und Pulverteilchen bestimmt.

Um ein Nachfüllen der Trommel während des laufenden Betriebes zu gewährleisten, ist bei einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Fördervorrichtung als Förderschnecke ausgebildet ist, die in einem über seine Länge offenen oder öffenbaren Gehäuse angeordnet ist, welches mit einem Vorratsbehälter für das Pulvermaterial in Verbindung steht. Durch die Förderschnecke kann kontinuierlich oder chargenweise Pulver aus dem Vorratsbehälter in das Schneckengehäuse transportiert werden. Ist in dem Schneckengehäuse eine dauerhafte z.B. schlitzförmige Öffnung vorgesehen, erfolgt das Nachfüllen der Trommel kontinuierlich. Alternativ kann vorgesehen sein, zunächst das Schneckengehäuse zu füllen und dann zu öffnen, so dass es sich chargenweise in die Dosiertrommel entleert.

Alternativ zur Förderschnecke kann bei einer anderen Ausbildung der Erfindung vorgesehen sein, dass die Fördereinrichtung ein außerhalb oder von außerhalb der Trommel mit dem Pulvermaterial befüllbarer Hohlstab ist, der im Inneren der Trommel kontinuierlich oder chargenweise entleerbar ist. Der Hohlstab entspricht in seiner Funktion im Wesentlichen dem oben erwähnten Schneckengehäuse, wobei seine Befüllung jedoch auf andere Weise erfolgt. Beispielsweise kann Pulvermaterial in den Hohlstab eingeblasen werden. Alternativ kann der Hohlstab auch außerhalb der Trommel und separiert von ihr befüllt werden und seitlich in die Trommel eingeführt und dort entleert werden. Derartige Hohlstäbe können auch als vorzugsweise versiegelte und unmittelbar vor Gebrauch zu öffnende Vorrats- und Transportbehältnisse für das sehr teure Pulvermaterial dienen, z.B. im Fall eines katalytischen Pulvers zur MEA-Herstellung.

Unabhängig von der speziellen Ausgestaltung ist die Fördervorrichtung günstigerweise oberhalb der Bürsteinrichtung angeordnet.

Günstigerweise ist oberhalb der Bürsteinrichtung und besonders bevorzugt zwischen Bürsteinrichtung und Fördervorrichtung ein Abstreifelement zur Reinigung der Bürstelemente von anhaftenden Materialteilchen angeordnet. Das Abstreifelement kann beispielsweise die Form eines Abstreifblechs haben, Hierdurch wird ein stets gleichbleibender Zustand der Bürstelemente bei jeder Umdrehung der Bürsteinrichtung gewährleistet. Zudem kann das Abstreifelement gleichzeitig als Leitelement für das aus der Fördereinrichtung eingebrachte Pulvermaterial dienen.

Vorteilhafterweise ist unterhalb der Trommel eine im Querschnitt trichterartige Pulverleitvorrichtung mit einem sich parallel der Trommelachse erstreckenden Austragungsschlitz vorgesehen. Eine derartige Leitvorrichtung unterscheidet sich wesentlich von dem trichterförmigen Vorratsbehälter gemäß dem Stand der Technik nach DE 195 09 749 C2. Für die Dosierung des Pulvermaterials ist sie irrelevant. Ihre Aufgabe besteht allein darin, die wohldosierte Pulvermenge einem langgestreckten Ziel, beispielsweise dem Walzenspalt zwischen zwei Presswalzen, zuzuführen und vorzugsweise dabei Einflüsse der Luftströme abzuschotten.

Bei einer günstigen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Pressvorrichtung ist vorgesehen, dass wenigstens eine der Walzen temperierbar, insbesondere heizbar ist. Hierdurch wird es möglich, das in den Walzenspalt eingebrachte Pulver nicht nur zu verdichten sondern auch gegebenenfalls aufzuschmelzen und heiß zu verpressen.

Obgleich die erfindungsgemäße Vorrichtung grundsätzlich geeignet ist, das in den Walzenspalt eingebrachte Pulvermaterial zu einer selbsttragenden Schicht zu verpressen, kann bei einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, dass zusammen mit dem Pulvermaterial ein flächiges Trägermaterial durch den Walzenspalt hindurchführbar ist, um mit dem Pulvermaterial beschichtet zu werden. Während die erstgenannte Variante beispielsweise zum Erzeugen einer eigenständigen Elektroden- und/oder katalytischen Schicht für eine MEA einer Brennstoffzelle verwendet werden kann, bietet sich die zweite Variante beispielsweise zur Beschichtung einer Polymermembran mit einer Elektroden- und/oder katalytischen Schicht zur Erzeugung einer MEA für eine Brennstoffzelle in einem Arbeitsgang an. Im Fall, dass eine separate Elektrode, bestehend aus einer katalytischen Schicht auf einer Gasdiffusionslage, hergestellt werden soll, kann als flächiges Trägermaterial eine solche Gasdiffusionslage, vorzugsweise aus einem faserartigen Material in Form eines Vlieses, Gewebes, Gewirkes, Gitters oder Papiers verwendet werden.

Wird ein Trägermaterial verwendet, kann die Auftragsvorrichtung oberhalb des Walzenspaltes seitlich derart von dem Walzenspalt versetzt angeordnet sein, dass das Pulvermaterial auf das Trägermaterial fällt und zusammen mit diesem den Walzenspalt durchläuft. Dabei kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass das Trägermaterial mit einem Haftmittel präpariert ist, um das auf das Trägermaterial fallende Pulvermaterial wenigstens bis zum Eintritt in den Walzenspalt zu binden. Mit anderen Worten wird bei dieser Variante zunächst das Trägermaterial mit dem Pulvermaterial berieselt, wonach die beiden Materialien miteinander zu einem Verbundmaterial verpresst werden. Als Haftmittel kann beispielsweise ein geeignetes Klebemittel wirken oder auch Lösungsmittel, welches die Oberfläche des Trägermaterials anlöst und für das Pulvermaterial haftend macht. Materialabhängig kann Ähnliches auch durch Heizen des Trägermaterials erreicht werden. Alternativ kann das Trägermaterial in geeigneter Weise oberflächenbehandelt sein, beispielsweise durch Coronaentladung oder Plasmabehandlung. Dadurch wird erreicht, dass die Oberfläche des Trägermaterials so verändert ist, dass ein besserer Verbund zwischen Trägermaterial und Pulvermaterial erreichbar ist.

Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Auffangvorrichtung seitlich derart von dem Walzenspalt angeordnet ist, dass das Pulvermaterial auf eine erste der Walzen fällt und zusammen mit dem Trägermaterial, welches über eine zweite der Walzen umgelenkt wird, den Walzenspalt durchläuft. Trägermaterial und Pulvermaterial werden bei dieser Ausführungsform über zwei unterschiedliche Walzen herangeführt und im Walzenspalt vereinigt.

Eine weitere Alternative besteht darin, die Auftragsvorrichtung über dem Walzenspalt, d.h. oberhalb und nicht seitlich versetzt, anzuordnen. Das Pulvermaterial wird bei dieser Variante unmittelbar in den Walzenspalt eingerieselt.

Bei einer komplexeren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Pressvorrichtung, bei der mehrere Dosiervorrichtungen zum Einsatz kommen, kann eine Zuführung des Pulvermaterials oder verschiedener Pulvermaterialien in den Walzenspalt beidseitig des Trägermaterials erfolgen. Dabei können die vorgenannten Anordnungsalternativen der Dosiervorrichtungen relativ zum Walzenspalt je nach Erfordernis unterschiedlich kombiniert werden.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, speziellen Beschreibung sowie den Zeichnungen, in denen

1: schematisch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Pressvorrichtung darstellt;

2 und 3: weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Pressvorrichtung darstellen;

4: eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Pressvorrichtung darstellt;

5: eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Pressvorrichtung darstellt.

1 stellt eine erfindungsgemäße Pressvorrichtung dar. Mittels einer Dosiervorrichtung 10 wird ein Pulvermaterial 20 dosiert und zusammen mit einem Trägermaterial 30 durch den Walzenspalt eines gegenläufig rotierenden Walzenpaares 40 geführt, wobei das Pulvermaterial 20 verdichtet und auf das Trägermaterial 30 auf gepresst wird, so dass ein mehrschichtiges Verbundmaterial 50 entsteht.

Die Dosiervorrichtung 10 umfasst eine rotierbare Siebtrommel 11, deren Trommelmantel aus einem nahtlosen, vorzugsweise galvanisch hergestellten Sieb besteht. Form und Größe der Sieböffnungen sind dabei an Form und Größe der Teilchen des Pulvermaterials 20 anzupassen. Beispielsweise können quadratische Öffnungen mit ca. 410 &mgr;m Seitenlänge verwendet werden, die von Stegen mit ca. 185 &mgr;m Dicke umgeben sind. Zur Vergrößerung der offenen Gesamtfläche des Siebes kann auch beispielsweise ein Gitter mit wabenartig angeordneten, hexagonalen Öffnungen von ca. 450 &mgr;m bis 500 &mgr;m Weite verwendet werden, die durch Stege in der Größenordnung von 190 &mgr;m getrennt sind. Diese Größe stellen beispielhafte Werte dar, die sich in einem Fall der Herstellung einer Elektrodenschicht für eine MEA bewährt haben. Je nach Einsatzbereich können auch andersartig geformte Öffnungen und Stege anderer Größen verwendet werden. Wesentlich ist jedoch die Gleichförmigkeit des Gitters um den gesamten Umfang, um die zeitliche Homogenität des Pulveraustrags zu gewährleisten.

Das Pulvermaterial 20 wird der Siebtrommel 11 bei der gezeigten Ausführungsform über eine Fördereinrichtung 12 zugeführt, die eine in einem Gehäuse 121 angeordnete Förderschnecke 122 umfasst. Das Gehäuse 121 steht mit einem in 1 nicht dargestellten Vorratsbehälter in Verbindung, von dem die Förderschnecke 122 Pulvermaterial in das Gehäuse 121 transportiert. Durch eine schlitzartige Öffnung 123 in dem Gehäuse 121 fällt das Pulvermaterial 20 in die Siebtrommel 11, wobei bereits eine weitgehend gleichmäßige Verteilung über die Breite der Siebtrommel erfolgt.

Bei der gezeigten Ausführungsform fällt das Pulvermaterial 20 auf ein Leitblech 13 und füllt die Siebtrommel 11 bis zu einem erwünschten Füllstand. Im unteren Bereich der Siebtrommel 11 ist eine rotierende Bürste 14 angeordnet, deren radial ausgerichtete, über den Umfang verteilte Bürstelemente 141 beispielsweise als Borsten oder Lamellen ausgeführt sein können. Die Rotationsrichtungen und -geschwindigkeiten der Siebtrommel 11 und der Bürste 14 sind so aufeinander abgestimmt, dass sich im unteren Bereich eine Relativgeschwindigkeit ergibt. Auf diese Weise bürsten die Bürstelemente 141 das Pulvermaterial 20 durch die Öffnungen der Siebtrommel 11. Bei geeigneter Abstimmung von Teilchengröße des Pulvermaterials 20 und Größe der Sieböffnungen erfolgt der Austrag des Pulvermaterials 20 im Wesentlichen aufgrund der Bürstwirkung, wohingegen der Auslass aufgrund reiner Schwerkraft vorzugsweise vernachlässigbar ist. Auf diese Weise ergibt sich ein zeitlich und über die Breite der Siebtrommel 11 homogener Teilchenstrom, der aus der Siebtrommel 11 austritt.

Bei der gezeigten Ausführungsform ist unterhalb der Siebtrommel 11 eine trichterartige Leitvorrichtung 15 angeordnet, die einen parallel zur Achse der Siebtrommel 11 ausgerichteten Auslassschlitz 151 aufweist. Die Leitvorrichtung 15 kann zur Konzentration des Teilchenstrahls sowie zur Umlenkung auf ein bestimmtes Ziel hin verwendet werden.

Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform ist das Leitblech 13 so angeordnet, dass es von den Bürstelementen 141 bei deren Rotation gestreift wird. Das Leitblech 13 dient somit als Abstreifelement zur Reinigung der Bürstelemente 141 von anhaftenden Pulverteilchen. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Bürstelemente, welche im unteren Bereich der Siebtrommel 11 Pulverteilchen durch die Sieböffnungen bürsten, stets den gleichen Zustand haben und sich nicht etwa im Laufe der Zeit durch anhaftende Pulverteilchen effektiv verbreitern oder verlängern. Zudem wird auf diese Weise einer Verklumpung und Clusterbildung der Teilchen entgegengewirkt.

Obgleich bei der in 1 dargestellten Ausführungsform die Pressvorrichtung zur Beschichtung eines Trägermaterials 30 mit dem Pulvermaterial 20 verwendet wird, ist es jedoch auch möglich, das Pulvermaterial 20 ohne Trägermaterial zu verdichten (und ggf. mittels eines heizbaren Walzenpaares 40 aufzuschmelzen), um eine freitragende Schicht aus dem Pulvermaterial 20 zu erzeugen.

In den 2 bis 4 sind alternative Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Pressvorrichtung dargestellt, wobei die mit dem Bezugzeichen 10 versehene Dosiervorrichtung derjenigen aus der 1 entspricht, jedoch nur stark vereinfacht skizziert ist.

In dem Ausführungsbeispiel von 2 wird das Pulvermaterial 20, anders als in 1, nicht unmittelbar in den Walzenspalt zwischen den Walzen des Walzenpaares 40eingerieselt. Vielmehr wird das Pulvermaterial 20 auf das Trägermaterial 30 aufgerieselt und mit diesem zum Walzenspalt hin gefördert. Bei dieser Ausführungsform kann es vorteilhaft sein, das Trägermaterial 30 mit einer Haftschicht für das Pulvermaterial 20 zu versehen.

3 zeigt ebenfalls eine Ausführungsform bei der das Pulvermaterial 20 nicht unmittelbar in den Walzenspalt eingerieselt wird. Bei der in 3 gezeigten Ausführungsform wird das Pulvermaterial 20 vielmehr auf diejenige Walze 40a aufgerieselt, welche nicht das Trägermaterial 30 umlenkt (Walze 40b). Diese Variante kann günstig sein, wenn das Pulvermaterial 20 vor dem Verpressen im Walzenspalt aufgeheizt werden soll. In diesem Fall wäre zumindest die entsprechende Walze 40a heizbar zu gestalten. Bei einer Ausführungsform mit nur einer heizbaren Walze 40a kann auch ein Trägermaterial 30 verwendet werden, das weniger hitzebeständig ist, da es bei nicht geheizter oder gar gekühlter Umlenkwalze 40b nur sehr kurzfristig im Bereich des Walzenspaltes durch die geheizte Walze 40a aufgeheizt wird.

4 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Pressvorrichtung, wobei eine doppelseitige Beschichtung eines Trägermaterials 30 mit Pulvermaterial 20a und 20b aus unterschiedlichen Dosiervorrichtungen 10a und 10b erfolgt. Die Pulvermaterialien 20a und 20b können unterschiedlich sein. Abgesehen von den Umlenkwalzen 41 entspricht die Ausführungsform von 4 einer Kombination zweier Vorrichtungen gemäß 2 und 3 mit gemeinsamem Presswalzenpaar 40. Zur Erläuterung wird auf die Beschreibung dieser Figuren verwiesen.

In allen Fällen gilt, wie bereits erwähnt, dass außer der Beschichtung eines Trägermaterials auch die Herstellung einer freitragenden Schicht aus dem Pulvermaterial möglich ist. Bezüglich der Kombination verschiedener einzelner Dosiervorrichtungen zum Aufbau einer komplexen Pressvorrichtung sind dem Fachmann grundsätzlich keine Grenzen gesetzt. Je nach Anforderung sind die einzelnen Elemente der vorliegenden Erfindung frei kombinierbar.

5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Beschichtungsvorrichtung, die zur kontinuierlichen Herstellung von MEAs geeignet ist. Von einer Rolle 42 wird ein Polymermembran-Material einer ersten Pressvorrichtung, bestehend aus einer Dosiervorrichtung 10 und einem Walzenpaar 40, zugeführt. Das Polymermembran-Material 30 wird einseitig mit einem ersten Pulvermaterial 20 zur Ausbildung einer ersten katalytischen Schicht beschichtet. In einer weiteren Pressvorrichtung, bestehend aus einer Dosiervorrichtung 10' und einem Walzenpaar 40' wird die noch unbeschichtete andere Seite des Polymermembran-Materials mit einem zweiten Pulvermaterial 20' zur Ausbildung einer zweiten katalytischen Schicht beschichtet. Das nunmehr beidseitig beschichtete Material 50 wird einem dritten Walzenpaar 44 zugeführt, mit Hilfe dessen von Rollen 43a und 43b zugeführtes, flächiges Material zur Ausbildung jeweils einer Gasdiffusionslage beidseitig auflaminiert wird. Das sich ergebende Material 51 kann als MEA in einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle eingesetzt werden, wobei das Polymermembran-Material 30 beidseitig mit Elektroden, jeweils bestehend aus einer Gasdiffusionslage und einer katalytischen Schicht beschichtet ist.

Natürlich sind die in Figuren dargestellten und in der speziellen Beschreibung erläuterten Ausführungsformen lediglich illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung. Insbesondere hinsichtlich der Abstimmung von Siebgröße, Teilchengröße des Pulvermaterials sowie der Rotationsgeschwindigkeiten von Siebtrommel und Bürsteinrichtung kann der Fachmann je nach Anforderungen des Einzelfalls angemessen variieren und die Vorrichtung insbesondere bezüglich verschiedener Parameter steuerbar gestalten.


Anspruch[de]
Dosiervorrichtung (10) für pulverförmiges Material (20) mit einer hohlzylindrischen Trommel (11) zur Aufnahme des Pulvermaterials (20), die motorisch in eine Rotationsbewegung um ihre Trommelachse versetzbar ist und im Bereich ihres Trommelmantels Perforationen aufweist, durch die Teilchen des Pulvermaterials (20) nach außerhalb der Trommel (11) dringen können, wobei im Inneren der Trommel (11) eine sich parallel der Trommelachse erstreckende, um ihre Erstreckungsachse rotierbare Bürsteinrichtung (14) mit radial ausgerichteten Bürstelementen (141) vorgesehen ist, sodass bei relativer Rotation von Trommel (11) und Bürsteinrichtung (14) Teilchen des Pulvermaterials (20) durch die Perforationen des Siebes bürstbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Trommelmantel als nahtloses Sieb ausgebildet und die Bürstenelemente (141) als parallel zu der oder helikal um die Rotationsachse erstreckte Lamellen ausgestaltet sind. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsgeschwindigkeit der Trommel (11) und/oder der Bürsteinrichtung (14) steuerbar ist. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsrichtungen von Trommel (11) und Bürsteinrichtung (14) einander entgegengerichtet sind. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren der Trommel (11) eine sich parallel der Trommelachse erstreckende Fördereinrichtung (12) zur Verteilung des Pulvermaterials (20) über die Breite der Trommel (11) vorgesehen ist. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördervorrichtung (12) als eine Förderschnecke (122) ausgebildet ist, die in einem über seine Länge offenen oder öffenbaren Gehäuse (121) angeordnet ist, welches mit einem Vorratsbehälter für das Pulvermaterial (20) in Verbindung steht. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördervorrichtung ein außerhalb oder von außerhalb der Trommel mit dem Pulvermaterial befüllbarer Hohlstab ist, der im Inneren der Trommel kontinuierlich oder chargenweise entleerbar ist. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördervorrichtung (12) oberhalb der Bürsteinrichtung (14) angeordnet ist. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb der Bürsteinrichtung (14) ein sich längs der Trommelachse erstreckendes Abstreifelement (13) zur Reinigung der Bürstelemente (141) von anhaftenden Materialteilchen angeordnet ist. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb der Trommel (11) eine trichterartige Pulverleitvorrichtung (15) mit einem sich parallel der Trommelachse erstreckenden Austragungsschlitz (151) vorgesehen ist. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sieb ein galvanisch hergestelltes Sieb ist. Pressvorrichtung zur Erzeugung einer flächigen Schicht durch Verdichten eines pulverförmigen Materials (20), umfassend zwei gegensinnig rotierbare Walzen (40; 40a, 40b) zur Ausübung eines Drucks auf das in einem Walzenspalt zwischen ihnen hindurchgeführte Pulvermaterial (20) und eine oberhalb der Walzen (40; 40a, 40b) angeordnete Auftragungsvorrichtung zum Einbringen des Pulvermaterials (20) in den Walzenspalt, dadurch gekennzeichnet, dass als Auftragungsvorrichtung eine Dosiervorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 vorgesehen ist. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Walzen (40; 40a, 40b) temperierbar ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass zusammen mit dem Pulvermaterial (20) ein flächiges Trägermaterial (30) durch den Walzenspalt hindurchführbar ist, um mit dem Pulvermaterial (20) beschichtet zu werden. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftragungsvorrichtung (10) seitlich derart versetzt von dem Walzenspalt angeordnet ist, dass das Pulvermaterial (20) auf das Trägermaterial (30) fällt und zusammen mit diesem den Walzenspalt durchläuft. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (30) mit einem Haftmittel präpariert ist, um das auf das Trägermaterial (30) gefallene Pulvermaterial (20) wenigstens bis zum Eintritt in den Walzenspalt zu binden. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftragungsvorrichtung (10) seitlich derart versetzt von dem Walzenspalt angeordnet ist, dass das Pulvermaterial (20) auf eine erste (40a) der Walzen (40) fällt und zusammen mit dem Trägermaterial (30), welches über eine zweiten (40b) der Walzen (40) umgelenkt wird, den Walzenspalt durchläuft. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftragungsvorrichtung (10) über dem Walzenspalt angeordnet ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (30) eine zum Aufbau eines Membran-Elektroden-Moduls einer Brennstoffzelle geeignete Polymermembran ist oder umfasst. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial eine Gasdiffusionslage ist oder umfasst. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionslage aus einem faserartigen Material in Form eines Vlieses, Gewebes, Gewirkes, Gitters oder Papiers besteht. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulvermaterial (20) eine zum Aufbau einer katalytischen Schicht und/oder einer Gasdiffusionsschicht einer Elektrode eines Membran-Elektroden-Moduls einer Brennstoffzelle geeignete Kohlenstoffpräparation umfasst.






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