DE69905908T2

DE69905908T2 - Laserschneiden und -verbinden einer membran aus fluoriertem polymer zu einem polymerrahmen

Info

Publication number: DE69905908T2
Application number: DE69905908T
Authority: DE
Inventors: Guy Clark; Thomas A. Mitchell; Paul Edward Williams
Original assignee: Regenesys Technologies Ltd
Current assignee: Regenesys Technologies Ltd
Priority date: 1998-07-28
Filing date: 1999-07-20
Publication date: 2003-12-04
Anticipated expiration: 2019-07-21
Also published as: GB2340064B; ATE234513T1; IL140841A0; GB9917034D0; ZA200100450B; TW461136B; NZ509677A; ES2192390T3; BR9912445A; PL345690A1; GB9816422D0; DK1105930T3; EP1105930B1; WO2000007254A1; JP2002521250A; CA2338208A1; PT1105930E; IL140842A0; HUP0102999A3; EP1105930A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schneiden einer fluorierten Polymer-Membran und zu deren gleichzeitigem Verbinden mit einem Polyolefin-Polymer- Trägerrahmen. Ein solches Verfahren kann in Prozessen zur Herstellung von Filtern, Wärmeaustauschern und elektrochemischen Vorrichtungen von Nutzen sein. Im letzteren Fall kann der Trägerrahmen weiterhin eine Elektrode umfassen, so dass die sich ergebende Rahmen/Elektroden/Membran-Kombination eine Baugruppe bildet, die dann mit anderen identischen Baugruppen zur Bildung einer Anordnung elektrochemischer Zellen angeordnet werden kann, wobei jede Zelle somit zwei bipolare Elektroden mit einer dazwischen angeordneten Membran umfasst, so dass innerhalb jeder Zelle getrennte Anolyt- bzw. Anodenflüssigkeit enthaltende und Katholyt- bzw. Kathodenflüssigkeit enthaltende Kammern definiert werden. Derartige Anordnungen sind dem Fachmann auf dem Gebiet wohl bekannt und können als Brennstoffzellen, Elektrolyseure und Akkumulator-Batterien verwendet werden.
Die Anbringung einer Polymer-Membran auf einen Trägerrahmen muss mehreren Anforderungen entsprechen. Zunächst muss die Membran so auf die geeignete Form genau zugeschnitten werden, dass sie zur Form des Trägerrahmens passt. Zweitens muss die Membran genau auf dem Trägerrahmen positioniert werden und ihre Position muss vor ihrer Befestigung am Trägerrahmen als richtig verifiziert werden. Dieses zweite Erfordernis wird insbesondere dann schwer zu erreichen sein, wenn die Größe der Membran und des Rahmens zunimmt. Die Membranen sind oftmals sehr dünn, was es schwierig macht, diese handzuhaben. Vorzugsweise werden das erste und zweite Erfordernis gleichzeitig durch Schneiden der Membran in situ erfüllt. Drittens muss die Membran an den Trägerrahmen mit ausreichender Festigkeit befestigt werden, um die Behandlung der vollständigen Baugruppe, beispielsweise während des Stapelns zur Bildung einer Anordnung elektrochemischer Zellen, zu gewährleisten.
Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Befestigung einer fluorierten Polymerionenaustauschmembran auf einem Polymerträgerrahmen. Der Trägerrahmen ist vorzugsweise aus einem einzigen Polyolefin-Polymer hergestellt. Dies ergibt bezüglich der Erfordernisse, die oben dargestellt sind, besondere Probleme. Bezüglich des dritten Erfordernisses sind die physikalischen und chemischen Eigenschaften der fluorierten Polymerionenaustauschmembranen von denjenigen der Kohlenwasserstoff-Polymere sehr verschieden, wodurch es schwierig wird, die beiden aneinander zu befestigen. Fluorierte Polymerionenaustauschmembranen sind im Gegensatz zu einfachen Kohlenwasserstoff-Polymeren nicht-thermoplastische Polymere. Sie sind auch hydrophil, wohingegen Kohlenwasserstoff-Polymere hydrophob sind. Diese Typen von Membranen können auch gegenüber Feuchtigkeit empfindlich sein, was zusätzliche Zwänge hinsichtlich des Schneidens und der Ausrichtungs-Erfordernisse des Verfahrens ergibt, d. h., diese Erfordernisse müssen schnell unter nur minimaler Handhabung der Membran erfüllt werden. Ein weiteres Problem entsteht, wenn die Baugruppe eine fluorierte Polymerionenaustauschmembran umfassen soll. Die chemischen und physikalischen Eigenschaften dieser Membranen erlauben chemischen Spezies, durch Dochtwirkung durch die Dicke zu den Kanten hin zu wandern, wo sie in unerwünschten Bereichen der Baugruppe hinein auslaufen können, was sowohl einen Elektrolytverlust als auch eine sich ergebende Kontamination der Umgebungen der Zelle verursachen kann. Somit sollten die Kanten der Membran vorzugsweise auf eine gewisse Weise defunktionalisiert werden, um diese Dochtwirkung zu vermeiden.
Bekannte Verfahren zum Zuschneiden der Membran auf die erforderliche Form umfassen die Verwendung eines Stanzwerkzeuges, das zur erforderlichen Form ausgebildet wurde, oder die Verwendung von Schneidmessern verschiedener Art. Jedoch sind diese Verfahren oftmals zum gleichzeitigen Ausrichten der Schneidmembran auf dem Rahmen, d. h. zum in situ-Schneiden nicht geeignet, insbesondere wenn die Größe zunimmt. Demgemäß erfordern sie eine weitere Behandlung der Membran, um diese vor der Befestigung an dem Rahmen zu positionieren. Weiterhin erfolgt bei ihnen eine körperliche Berührung zwischen Schneidkanten und der Membran, was zu einer schlechten Ausrichtung oder Beschädigung der Membran führen kann.
Bekannte Verfahren zur Überwachung der korrekten Ausrichtung der Schneidmembran auf dem Trägerrahmen umfassen die Verwendung eines Laser-Triangulationssystems, dies ist jedoch eine kostspielige und schwerfällige bzw. sperrige Technik. Es wäre wie oben erwähnt zu bevorzugen, ein Verfahren anzuwenden, das das Schneiden der Membran in situ ermöglicht. Dies würde den Bedarf nach zusätzlichen Schritten zur Ausrichtung der Membran am Rahmen und dann zur Überprüfung, dass die Ausrichtung richtig ist, umgehen.
Es sind mehrere Verfahren zum Befestigen bzw. Binden einer fluorierten Polymer- Membran an einem Polymer-Rahmen bekannt. Es können Kunststoffnieten verwendet werden, um eine dauerhafte mechanische Verbindung mit dem Rahmen zu erzeugen.
Jedoch leidet dieses Verfahren unter den Nachteilen, dass es einen zusätzlichen Schritt des Ausstanzens von Löchern in der Membran einschließt und es weiterhin nur eine lokale Befestigung zur Folge hat. Klebstoffe, wie beispielsweise solche auf Grundlage von Silan-Verbindungen können ebenfalls verwendet werden. Jedoch bedeuten die unterschiedlichen chemischen Eigenschaften der fluorierten Polymer-Membranen und Rahmen-Polymere, auf die die vorliegende Erfindung besonders gerichtet ist, dass die Auswahl eines Klebstoffs, der mit beiden Materialien kompatibel ist, sehr schwer ist. Wenn weiterhin das Verfahren der vorliegenden Erfindung auf die Herstellung von Baugruppen zur Bildung elektrochemischer Zellen gerichtet ist, wird bevorzugt, dass der ausgewählte Klebstoff in den aggressiven chemischen Umgebungen stabil ist, die üblicherweise in solchen elektrochemischen Zellen zu finden sind. Ein Verschweißen der beiden Polymere, indem sie in Nachbarschaft des erwünschten Befestigungspunktes verschmolzen werden, ist ebenfalls bekannt, ist jedoch wiederum für die fluorierte Polymerionenaustauschmembran und die Rahmen-Polymere, auf die die vorliegende Erfindung besonders gerichtet ist, wegen ihres unterschiedlichen termischen Verhaltens nicht geeignet.
Das Dochtbildungsproblem, das mit der Verwendung von Polymerionenaustauschmembranen verbunden ist, kann durch Aufbringung fluorierter Schmiermittel auf die Ränder der Membran überwunden werden, jedoch ist dies eine unordentliche und unzuverlässige Lösung.
Es wäre vorteilhaft, ein Verfahren zur Bindung einer fluorierten Polymembran an einen Polyolefin-Polymerträgerrahmen zu erreichen, das alle oben beschriebene Erfordernisse gleichzeitig erfüllt.
Demgemäß stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Schneiden einer fluorierten Polymer-Membran und zu deren gleichzeitigem Binden an einen Polyolefin-Polymer-Rahmen bereit, wobei das Verfahren die Schritte umfasst,
(i) eine fluorierte Polymer-Membran mit einem Polyolefin-Polymer-Rahmen an dem Punkt in Berührung zu bringen, an dem ein Schnitt und eine Verbindung erwünscht ist, und
(ii) zumindest einen Laserstrahl auf den Berührungspunkt zwischen der Membran und dem Rahmen zu richten, so dass die Membran geschnitten und eine Verbindung mit dem Rahmen bewirkt wird.
Das vorliegende Verfahren erlaubt das Schneiden der Membran in situ, wodurch die Notwendigkeit des anschließenden Ausrichtens der geschnittenen Membran am Rahmen vor dem Verbinden vermieden wird. Darüber hinaus hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass die Verwendung eines Lasers zum Schneiden der Membran gleichzeitig eine Verbindung zwischen der Kante der Membran und dem Rahmen bewirkt. Die Verbindung erwies sich als ausreichend fest und dauerhaft, um eine anschließende Handhabung der Membran/Rahmen-Baugruppe zu ermöglichen.
Beispiele fluorierter Polymere, deren Membranen geschnitten und gleichzeitig an ein Polymer dieses Verfahrens gebunden werden können, sind Polytetrafluorethylen, Polyhexafluorpropylen, Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen-Copolymer, Tetrafluorethylen-Propylen-Copolymer, Tetrafluorethylen-Ethylen-Copolymer, Hexafluorpropylen- Propylen-Copolymer, Hexafluorpropylen-Ethylen-Copolymer, Polyvinylidenfluorid, Vinylidenfluoridtetrafluorethylen-Copolymer, Vinylidenfluoridhexafluorpropylen-Copolymer, Polyvinylfluorid, Tetrafluorethylenperfluoralkylvinylether-Copolymer, Polyvinyliden-Hexafluorpropylen-Copolymer, Chlortrifluorethylen-Ethylen-Copolymer, Chlortrifluorethylen-Propylen-Copolymer oder Perfluoralkoxy-Copolymer.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Verbindung ist die fluorierte Polymer-Membran eine fluorierte Polymerionenaustauschmembran und besonders bevorzugt ist die fluorierte Polymer-Membran eine fluorierte Kationenaustauschmembran. Fluorierte Polymerionenaustauschmembranen können aus irgendeinem der oben beschriebenen fluorierten Polymere mit in geeigneter Weise funktionalisierten Monomereinheiten gebildet werden, die darauf aufgepfropft sind. Geeignete funktionalisierte Monomereinheiten sind dem Fachmann auf dem Gebiet wohl bekannt und ihre Strukturen sind variabel, sie umfassen jedoch im Wesentlichen eine ungesättigte funktionelle Gruppe wie beispielsweise eine Vinylgruppe und eine Ionenaustauschgruppe wie beispielsweise eine Sulfonat- oder Carboxylat-Gruppe. Vorzugsweise ist die Membran ein hydrolysiertes Copolymer aus Tetrafluorethylen und einem Perfluor-Vinylethermonomer, das eine Kationenaustauschgruppe umfasst. Beispiele bevorzugter Kationenaustauschmembranen schließen Copolymere aus Tetrafluorethylen und einen sulfonierten oder carboxylierten Perfluor-Vinylether wie beispielsweise solche ein, die unter der Marke bzw. dem Handelsnamen NafionTM (DuPont), FlemionTM (Asahi Glass) und AciplexTM (Asahi Chemical) vertrieben werden.
Die Dicke der Membran liegt vorzugsweise im Bereich von 25 um bis 300 um, besonders bevorzugt von 30 bis 200 um, noch mehr bevorzugt von 50 bis 150 um.
Es ist möglich, dass die Membran, die an dem Rahmen befestigt werden soll, weiterhin eine Elektrode umfasst, die daran befestigt ist. Derartige Membran/Elektroden-Anordnungen sind dem Fachmann wohl bekannt und alle Bezugnahmen auf eine Membran in dieser Beschreibung sollen solche Anordnungen einschließen.
Es ist klar erkennbar, dass der Polyolefin-Polymer-Rahmen aus einem breiten Bereich von Polymeren oder Copolymeren gebildet sein kann. Geeignete Polymere schließen solche ein, die aus Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol und Copolymer-Gemischen von zwei oder mehreren von Polyethylen, Polypropylen und Polystyrol und vielen anderen gebildet sind. Die Auswahl eines hydrierten Polymer-Rahmenmaterials ist besonders vorteilhaft. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Pyrolyse von perfluorierten Polymeren die Möglichkeit der Bildung von Perfluorisobuten (PFIB) mit sich bringt, das hoch toxisch ist. Es wurde herausgefunden, dass eine Copyrolyse mit hydriertem Material wenig oder kein PFIB erzeugt. Es wird angenommen, dass dies auf den schnellen Zusatz bzw. Addition von Wasserstoff-Radikalen zu Fluorkohlenstoff Radikal-Zwischenprodukten zurückzuführen ist, die durch Fluorkohlenstoff-Abbau gebildet werden, wodurch eine Neukombination von Fluorkohlenstoff-Radikalen zur Gewinnung von PFIB vermieden wird.
Wenn die fluorierte Polymer-Membran eine Ionenaustauschmembran ist, schneidet das vorliegende Verfahren nicht nur die Membran und verbindet sie gleichzeitig mit dem Rahmen, sondern es hat sich auch überraschenderweise herausgestellt, dass dadurch eine Defunktionalisierung der Schneidkante bzw. Schnittkante der Membran bewirkt wird. Der Begriff "Defunktionalisierung" soll bedeuten, dass die Natur der Ionenaustauschmembran auf einem gewissen Weg verändert wird, so dass sie nicht mehr länger dieselben Eigenschaften zeigt. Er bedeutet insbesondere, dass chemische Spezies nicht mehr länger dazu in der Lage sind, durch Dochtwirkung durch die Dicke der Membran zu wandern oder zu diffundieren. Die Defunktionalisierung der Membran kann durch Färben der Membran mit Methylen-Blau, das ein kationischer Farbstoff ist, bestätigt werden. Der defunktionalisierte Bereich wird nicht durch den Farbstoff gefärbt, wohingegen der unbehandelte Bereich in einer tiefblauen Farbe gefärbt wird. Somit wird auch das Problem der Diffusion, die mit der Verwendung derartiger Membranen verbunden ist, durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung behoben.
Es versteht sich, dass die Laserquelle aus mehreren unterschiedlichen Arten von Lasern ausgewählt werden kann und dass der Laserstrahl entweder gepulst oder kontinuierlich sein kann. Vorzugsweise jedoch ist der verwendete Laser ein gepulster CO&sub2;-Laser, weil die von diesem Laser erzeugte Lichtwellenlänge zum Schneiden der bevorzugten Polymer-Membranen, die oben erwähnt wurden, besonders geeignet ist.
Es versteht sich ferner, dass die Stärke bzw. Energie des Laserstrahls, der verwendet werden soll, und die Schneidgeschwindigkeit, die erreichbar ist, miteinander in Beziehung stehen und auch von anderen Parametern abhängen, insbesondere von der chemischen Struktur und Dicke der Membran. Jedoch ist für die Zwecke des Schneidens der bevorzugten Polymer-Membranen, oben erwähnt, die eine Dicke im Bereich von 25 um bis 300 um aufweisen, die Leistung des Laserstrahls vorzugsweise im Bereich von 10 W bis 150 W und die Schneidgeschwindigkeit liegt vorzugsweise im Bereich von 10 min/s bis 1000 min/s, besonders bevorzugt von 20 mm/s bis 500 min/s, noch mehr bevorzugt von 50 mm/s bis 200 mm/s und am meisten bevorzugt von 100 mm/s bis 200 mm/s.
Der Fokus bzw. Brennpunkt des Laserstrahls kann ebenfalls verändert werden, abhängig von den anderen Einstellungsparametern, um eine breitere oder schmalere Breite der Bestrahlung der Membran entlang der Schneid-/Verbindungslinie bereitzustellen. Die Breite des Strahls, wie er auf der Membran auftrifft, liegt vorzugsweise im Bereich von 50 um bis 450 um, besonders bevorzugt von 250 um bis 400 um. Abhängig von der Identität der Materialien, die verwendet werden, stellt sich manchmal heraus, dass für eine vorgegebene Strahlleistung ein schmalerer, d. h. fokussierterer Strahl, eine schnellere Schneidgeschwindigkeit, jedoch eine schwächere Verbindung bereitstellen wird, wohingegen ein breiterer, d. h. diffuserer Strahl eine stärkerere Verbindung, jedoch in einer langsameren Schneidgeschwindigkeit bereitstellen wird. Ein breiter Strahl unterstützt ebenfalls die physische Trennung der funktionellen Membran von der Restmembran. Ein schmaler Strahl ermöglicht eine schnellere Schneidgeschwindigkeit, jedoch wird dem die Leichtigkeit der physischen Trennung der funktionalisierten Membran von der Restmembran geopfert. Die vorliegende Erfindung ist nicht notwendigerweise auf die Verwendung eines einzelnen Laserstrahls beschränkt und es ist für den Fachmann nachvollziehbar, dass andere Strahlanordnungen, wie beispielsweise Doppelstrahlen oder vielfache konzentrische Strahlen ebenfalls verwendet werden können. Insbesondere kann das Doppelstrahlverfahren eine Strahlart zur Bereitstellung eines schnellen Schnittes zusammen mit einer anderen Strahlart zur Bereitstellung einer stärkeren Verbindung umfassen.
Das Schneidverfahren, wie es vom Verfahren der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird, erzeugt oftmals Abfälle, die, wenn sie nicht kontrolliert werden, die Membran und/oder Rahmenoberflächen verunreinigen können. Demgemäß schließt in einer bevorzugten Ausführungsform das Verfahren der vorliegenden Erfindung eine Schutzvorrichtung ein, die sich zum Berührungspunkt des Laserstrahls mit der Membran benachbart befindet, und die sich synchron mit dem Laserstrahl bewegt, wenn er sich entlang der Schnittlinie bzw. Schneidlinie bewegt. Die Schutzvorrichtung verhindert somit, dass Bruchstücke die Areale um die Schnittlinie herum verunreinigen.
Damit das oben beschriebene Verfahren eine Verbindung zwischen der fluorierten Polymer-Membran und dem Polymer-Rahmen bewirken kann, ist es essentiell, dass am Schnittpunkt ein Kontakt zwischen der Membran und dem Rahmen existiert. Die Berührung zwischen der Membran und dem Rahmen kann durch Andrückmittel erreicht werden, die die Membran mit dem Rahmen am Schnittpunkt in Berührung bringen. Geeignete Andrückmittel können eine Platte von im wesentlichen gleicher Umfangsgröße und Form wie die Membran umfassen. Die Platte kann gegen die Membran gepresst werden, um eine Berührung bzw. Kontakt zwischen der Membran und dem Rahmen am Schnittpunkt sicherzustellen. Eine solche Platte kann auch in vorteilhafter Weise in Kombination mit anderen Arten von Andrückmitteln verwendet werden, weil sie den zusätzlichen Vorteil bereitstellt, den zentralen Hauptabschnitt der Membran vor Bruchstücken, die durch das Schneiden der Membran erzeugt werden, zu schützen. Geeignete Andrückmittel können alternativ eine Walze umfassen, die in einer zum Laserstrahl benachbarten Position auf die Membran auftrifft, oder kann aus einem oder mehreren Luftstrahlen bestehen, die einen positiven Gasdruck auf die Membran an einer zum Laserstrahl benachbarten Position ausüben oder kann alternativ ein Mittel zum Bereitstellen eines Vakuums zwischen der Membran und dem Rahmen an oder benachbart dem Punkt umfassen, an dem der Laserstrahl auf die Membran auftrifft.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann ein geeignetes Andrückmittel durch Aufbringen eines positiven Luftdruckes, wie beispielsweise eines Luftstrahles, auf einen Punkt bereitgestellt werden, der dem Punkt benachbart ist, an dem der Laserstrahl auf die Membran auftrifft, so dass die Membran und das Substrat-Polymer in physischen Kontakt gebracht werden. Der Laserstrahl und der positive Gasdruck werden vorzugsweise in einem Winkel von 110-120 Grad zur Ebene der Membran, in eine Richtung weg vom Zentrum der Membran weisend, gerichtet. Die Verwendung eines positiven Gasdruckes stellt nicht nur ein geeignetes Andrückmittel bereit, um die Membran und das Substrat-Polymer in physische Berührung zu bringen. Der positive Gasdruck dient ebenso dazu, die Abfallmembran anzuheben, während die Entfernungswirkungen auf den funktionellen Teil der Membran minimiert werden. Er unterstützt ebenfalls die Entfernung des durch das Verfahren erzeugten Rauches aus der Umgebung der Membran und des Rahmens.
Die vorliegende Erfindung umfasst ebenfalls in ihrem Umfang eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung, wobei die Vorrichtung ein Strahlabgabesystem, das ein Mittel zur Erzeugung und Führung von ein oder mehreren Laserstrahlen auf die Membran und Mittel zur Erzeugung und Führung eines positiven Gasdruckes auf einen Punkt am oder benachbart dem Punkt umfasst, an dem der eine oder die mehreren Laserstrahlen auf die Membran auftreffen.
Der Laservorgang kann große Volumina an Rauch erzeugen und deswegen umfasst bei einer bevorzugten Ausführungsform die Vorrichtung eine Schutzkappe, die die Laserstrahlabgabevorrichtung und eine Extraktionsvorrichtung zur Wegbeförderung von Rauch vom Punkt des Schneidens und Verbindens umfasst. Die Schutzkappe ist vorzugsweise derart ausgeformt, dass das exzentrische Profil die "abgeprallte" Flugbahn des positiven Luftdrucks einfängt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Mittel zur Erzeugung und Führung des einen oder der mehreren Laserstrahlen und das Mittel zur Erzeugung und Führung eines positiven Gasdruckes so konstruiert, dass ein Laserstrahl und ein Gasstrahl erzeugt werden, die zueinander im Wesentlichen parallel sind.
Wenn das Schneid- und Verbindungsverfahren einem Weg folgt, der nicht linear ist, muss sich die Ausrichtung des Laserstrahlabgabesystems bezüglich der Membran während des Schneid- und Verbindungsverfahrens verändern. Deswegen muss, falls vorhanden, die Ausrichtung der Schutzkappe sich ebenfalls ändern, um einen gleichförmigen Leerraum zwischen der Schutzkappe und der Membran zu erhalten, so dass die Dynamik der Rauchübertragung nicht drastisch verändert wird. Somit sind bei einer bevorzugten Ausführungsform die Extraktionsvorrichtung und das Strahlabgabesystem an einem zentralen Vorsprung bzw. Ansatz befestigt (durch den Rauch entfernt werden kann), wobei der Vorsprung in einem Kugellager untergebracht ist, auf dem der Hauptkörper der Schutzkappe befestigt werden kann. Der Drehabschnitt der Schutzkappe ist vorzugsweise ausbalanciert, so dass die Schutzkappe bezüglich der Membran ohne Rücksicht auf die Position des Vorsprungs durchspülbar bleibt.
Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin eine Baugruppe, die einen Polyolefin-Polymerrahmen und eine fluorierte Polymer-Membran umfasst, die durch das oben beschriebene Verfahren geschnitten und daran befestigt wurde, und schließt ebenfalls einen Stapel bzw. eine Vielzahl von ein oder mehreren solcher Baugruppen ein, die so angeordnet sind, dass sie eine Anordnung elektrochemischer Zellen zur Verwendung als Brennstoffzelle, Elektrolyseur oder Akkumulatorbatterie bilden.
Die vorliegende Erfindung wird nunmehr unter Bezugnahme auf Fig. 1 näher beschrieben werden, die eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung repräsentiert.
Bezüglich Fig. 1 umfasst die Vorrichtung ein Strahlabgabesystem (1), das wiederum Mittel zur Erzeugung und Führung eines oder mehrerer Laserstrahlen und Mittel zur Erzeugung und Führung eines positiven Gasdruckes umfasst. Die gestrichelte Linie (2) zeigt die Richtung des Laserstrahls und des Gasstrahls an, der durch das Strahlabgabesystem erzeugt wurde. Das Strahlabgabesystem ist auf einem zentralen Vorsprung (3) befestigt, der in einem Gehäuse (4) untergebracht ist. Eine Schutzkappe (5) ist an dem Gehäuse (4) befestigt. Ebenfalls am zentralen Vorsprung (3) befestigt ist eine Verbindung (6) mit einer Extraktionsvorrichtung, die Rauch von innerhalb der Schutzkappe (5) abzieht und diese zu einem Luftreinigungssystem (nicht dargestellt) entfernt.
Die vorliegende Erfindung wird nunmehr unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Beispiele beschrieben:

BEISPIEL 1

Laserschneiden und Verbinden von Membranen mit einem Polyethylensubstrat wurde mit den nachfolgenden Membranmaterialien durchgeführt:
Flemion SH80TM (80 um dick, nicht eingespannt getrocknet)
Flemion SH80TM (80 um dick, eingespannt getrocknet)
Nation 115TM (125 um dick)
Der verwendete Laser war ein gepulster Coherent Diamond 64 CO&sub2; Industrielaser (Leistungsbereich 10-150 W, optimale Brennweite 5 mm), befestigt an einem Kranbewegungssystem. Die nachfolgenden Parameter wurden zum Schneiden verwendet.
Pulsdauer 25 us
maximale Pulsleistung 10%
minimale Pulsleistung 5%
Laser-Membranabstand 5 mm
Schneidgeschwindigkeit 50 min/s
Jede Membran wurde über ein flaches Polyethylen-Substrat gelegt und in gerader Linie in Richtungen geschnitten, die sowohl parallel als auch orthogonal zu den Materialachsen waren. Die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle zusammengefasst:
Die Membranen wurden auch, mit identischen Ergebnissen, längs gekrümmter Linien geschnitten.

BEISPIEL 2

Ein weiterer Test unter Verwendung des Verfahrens von Beispiel 1 wurde mit Flemion SH80TM Material unter Verwendung der folgenden Lasereinstellungsparameter durchgeführt:
Pulsdauer 25 us
maximale Pulsleistung 100%
minimale Pulsleistung 80%
Laser-Membranabstand 5 mm
Schneidgeschwindigkeit 1000 mm/s
Die Membran wurde erfolgreich geschnitten und gebunden.

BEISPIEL 3

Ein weiterer Test unter Verwendung des Verfahrens von Beispiel 1 wurde mit Flemion SH80TM Material unter Verwendung der folgenden Lasereinstellungsparameter durchgeführt:
Pulsdauer 25 us
maximale Pulsleistung 10%
minimale Pulsleistung 10%
Laser-Membranabstand 25 mm
Schneidgeschwindigkeit 35 mm/s
Die Membran wurde erfolgreich geschnitten und gebunden.

BEISPIEL 4

Das Laserschneiden und Binden von Membranen an ein Polyethylen-Substrat wurde mit den folgenden Membranmaterialien durchgeführt:
Fluorierte Ethylen-Propylen-Copolymer(FEP)-Folie (100 um dick, 100 mm breit) Nation 115TM (120 um dick, 100 mm breit)
Der verwendete Laser war ein kontinuierlicher Synrad sealed CO&sub2; Laser. Die Versuche wurden mit einem 100 mm Teststück auf einer Polyethylen-Tafel durch ein Galvanometerstrahl-Abgabesystem durchgeführt. Der verwendete Laser war eine 50 W-Einheit, mit einem abgeschalteten Stabelement, so dass er effektiv wie eine Standard 25 W-Einheit arbeitete. Die tatsächliche Strahlleistung wurde unter Verwendung eines geeichten Laser-Intensitätsmessgerätes (die maximale Laserleistung stellte sich als 30 W heraus) gemessen. Die Ergebnisse der Schneidversuche sind nachstehend angegeben:

BEISPIEL 5

Ein Laserschneiden und -verbinden eines rechtwinkligen Abschnitts einer Membran mit vier gekrümmten Ecken wurde unter Verwendung eines gepulsten Lasers mit den nachfolgenden Materialien und Laser-Parametern durchgeführt.
Membran = NafionTM 115 und FEP
Rahmenmaterial = Polyethylen mit hoher Dichte
Laserleistung = 60 W für gerade Kanten, 4 W für Ecken
Schneidgeschwindigkeit = 100 mm/s für gerade Kanten, 40 mm/s für Ecken.

Claims

1. Verfahren zum Schneiden einer fluorierten Polymermembran und zu deren gleichzeitigem Binden an einen Polyolefinpolymer-Rahmen, wobei das Verfahren die Schritte umfasst,

(i) in Berührung bringen einer fluorierten Polymermembran mit einem Polyolefmpolymer-Rahmen an dem Punkt, an dem ein Schnitt und eine Bindung erwünscht ist, und

(ii) richten zumindest eineS Laserstrahls auf den Berührungspunkt zwischen der Membran und dem Rahmen, so dass die Membran geschnitten und eine Bindung an den Rahmen bewirkt wird.

2. Verfahren nach. Anspruch 1, wobei die fluorierte Polymermembran aus einem fluorierten Polymer hergestellt ist, das aus Polytetrafluorethylen, Polyhexafluorpropylen, Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen-Copolymer, Tetrafluorethylen-Propylen-Copolymer, Tetrafluorethylen-Ethylen-Copolymer, Hexafluorpropylen-Propylen-Copolymer, Hexafluorpropylen-Ethylen-Copolymer, Polyvinylidenfluorid, Vinylidenfluoridtetrafluorethylen-Copolymer, Vinylidenfluoridhexafluorpropylen-Copolymer, Polyvinylfluorid, Tetrafluorethylenperfluoralkylvinylether-Copolymer, Polyvinyliden-Hexafluorpropylen-Copolymer, Chlortrifluorethylen-Ethylen-Copolymer, Chlortrifluorethylen- Propylen-Copolymer oder Perfluoralkoxy-Copolymer ausgewählt ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die fluorierte Polymermembran eine fluorierte Polymer-Ionenaustauschmembran ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die fluorierte Polymer-Ionenaustauschmembran aus einem fluorierten Polymer hergestellt ist, das aus Polytetrafluorethylen, Polyhexafluorpropylen, Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen-Copolymer, Tetrafluorethylen- Propylen-Copolymer; Tetrafluorethylen-Ethylen-Copolymer, Hexafluorpropylen-Propylen-Copolymer, Hexafluorpropylen-Ethylen-Copolymer, Polyvinylidenfluorid, Vinylidenfluoridtetrafluorethylen-Copolymer, Vinylidenfluoridhexafluorpropylen-Copolymer, Polyvinylfluorid, Tetrafluorethylenperfluoralkylvinylether-Copolymer, Polyvinyliden-Hexafluorpropylen-Copolymer, Chlortrifluorethylen-Ethylen-Copolymer, Chlortrifluorethylen-Propylen-Copolymer oder Perfluoralkoxy-Copolymer ausgewählt ist, wobei in geeigneter Weise funktionalisierte Monomereinheiten darauf aufgepropft sind.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei die fluorierte Polymer-Ionenaustauschmembran eine fluorierte Polymer-Kationenaustauschmembran ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die fluorierte Polymer-Kationenaustauschmembran ein hydrolysiertes Copolymer aus Tetrafluorethylen und einem Perfluorvinylether-Monomer ist, das eine Kationenaustauschgruppe umfasst.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei die fluorierte Polymer-Ionenaustauschmembran in der Umgebung der Schnittkante defunktionalisiert ist, so dass die Dochtwirkung der Schnittkante für Flüssigkeit reduziert wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dicke der Membran im Bereich von 25 um bis 300 jim liegt.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Rahmen aus einem Polyolefinpolymer hergestellt ist, das aus Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol oder einem Copolymergemisch aus zwei oder mehreren von Polyethylen, Polypropylen und Polystyrol ausgewählt ist.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Laserstrahl entweder gepulst oder kontinuierlich ist.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leistung des Laserstrahls im Bereich von 10 bis 150 W liegt.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wandergeschwindigkeit des Laserstrahls entlang der Schnitt- und Bindungslinie im Bereich von 10 mm/s bis 1.000 mm/s liegt.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Breite des Strahls an dem Punkt, an dem er auf die Membran auftrifft, im Bereich von 50 um bis 450 um liegt.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der verwendete Laser ein gepulster CO&sub2; Laser ist.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Schutzvorrichtung vorgesehen ist, die sich zum Berührungspunkt des Laserstrahles mit der Membran benachbart befindet und die sich synchron mit dem Laserstrahl bewegt, wenn er sich entlang der Schnittlinie bewegt.

16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Berührung zwischen der fluorierten Polymermembran und dem Kohlenwasserstoffpolymerrahmen durch Andruckmittel erreicht wird, die die Membran mit dem Rahmen in Berührung bringen.

17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Andruckmittel eine Platte umfasst, die von im wesentlichen gleiche Umfangsgröße und Form wie die Membran hat, und die gegen die Membran gepresst werden kann, um eine Berührung zwischen der Membran und dem Rahmen am Schnittpunkt sicherzustellen.

18. Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Druckmittel eine Walze umfasst, die in einer zum Laserstrahl benachbarten Position auf die Membran auftrifft.

19. Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Druckmittel ein oder mehrere Gasstrahlen umfasst, die einen positiven Luftdruck auf die Membran an einer zum Laserstrahl benachbarten Position ausüben.

20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei der Laserstrahl und der Gasstrahl in einem Winkel von 110 bis 120 Grad zur Ebene der Membran, in eine Richtung weg vom Zentrum der Membran weisend, gerichtet sind.

21. Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Andruckmittel Mittel zur Bereitstellung eines Vakuums zwischen der Membran und dem Rahmen an oder benachbart dem Punkt umfasst, an dem der Laserstrahl auf die Membran auftrifft.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 und 18 bis 21, das zusätzlich eine Platte verwendet von im wesentlichen derselben Größe und Form wie die Membran, und die darauf auftrifft und als Schutz dient, um Bruchstücke vom Schneidvorgang daran zu hindern, den zentralen Hauptabschnitt der Membran zu kontaminieren.

23. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Laserstrahl in Form eines einzelnen Strahls, eines Doppelstrahls oder vielfacher konzentrischer Strahlen vorliegt.

24. Verfahren nach einem der vorhergehenden Anspruche, wobei an der Membran eine Elektrode befestigt ist.

25. Vorrichtung zum Schneiden einer fluorierten Polymermembran und zum gleichzeitigen Binden derselben an einen Polyolefinpolymerrahmen, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst:

(i) ein Strahlabgabesystem, das ein Mittel zur Erzeugung und Führung von ein oder mehreren Laserstrahlen auf die Membran in einem Winkel von 110 bis 120 Grad gegenüber der Ebene der Membran, in eine Richtung weg vom Zentrum der Membran weisend, und Mittel zur Erzeugung und Führung eines positiven Luftdruckes auf einen Punkt an oder benachbart dem Punkt umfasst, an dem der eine oder mehrere Laserstrahlen auf die Membran auftreffen,

(ii) eine Schutzkappe, die den Laserstrahlabgabebereich umfasst und

(iii) eine Pumpe zum Wegbefördern von Rauch vom Schneid- und Bindungspunkt;

wobei die Mittel zur Erzeugung und Führung des einen oder mehrerer Laserstrahlen und die Mittel zur Erzeugung und Führung eines positiven Gasdruckes so konstruiert sind, dass sie einen Laserstrahl und einen Gasstrahl bereitstellen, die zueinander im wesentlichen parallel sind.

26. Baugruppe, mit einem Polyolefinpolymerrahmen und eine fluorierte Polymermembran, die nach dem in einem der Ansprüche 1 bis 24 beanspruchten Verfahren geschnitten und verbunden wurden.

27. Elektrochemische Vorrichtung, die aus einer Vielzahl von Baugruppen nach Anspruch 26 gebildet ist.