-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von Bauteilen einer Brennstoffzelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zum Verbinden von Bauteilen einer Brennstoffzelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 4.
-
Aus dem Stand der Technik sind Verfahren und Vorrichtungen zum Verbinden von Bauteilen einer Brennstoffzelle bekannt. Beispielsweise sind in der
DE 101 08 381 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Voraktivierung kationisch polymerisierender Massen beschrieben, wobei eine Bestrahlungsquelle mit einer aus LEDs aufgebauten Abstrahlfläche verwendet wird, die in geringem Abstand von der zu bestrahlenden Masse angeordnet wird. Die Bestrahlung wird dabei derart durchgeführt, dass die Erwärmung der Masse unter 50°C bleibt und eine für die Verabreichung ausreichend Offenzeit der Masse erzielt wird.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zum Verbinden von Bauteilen anzugeben.
-
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß mit den in Anspruch 4 angegebenen Merkmalen gelöst.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
In einem Verfahren zum Verbinden von Bauteilen einer Brennstoffzelle wird ein chemisch härtbarer Klebstoff zumindest bereichsweise auf zumindest ein Bauteil der Brennstoffzelle aufgebracht, wobei eine Aushärtung des chemisch härtbaren Klebstoffs mittels einer von einer Bestrahlungsanordnung emittierten Strahlung aktiviert wird.
-
Erfindungsgemäß wird von der Bestrahlungsanordnung eine von einer Mehrzahl von einzeln und/oder in Gruppen ansteuerbaren Leuchtdioden erzeugte Lichtstrahlung oder eine Laserstrahlung emittiert, wobei der chemisch härtbare Klebstoff mittels der von der Bestrahlungsanordnung emittierten Lichtstrahlung oder Laserstrahlung derart selektiv bestrahlt wird, dass der chemisch härtbare Klebstoff in wenigstens zwei Bereichen des zumindest einen Bauteils unterschiedlich stark aktiviert wird. Die Aktivierung des Klebstoffs wird auch als Vorvernetzen des Klebstoffs bezeichnet.
-
Aufgrund der selektiven Bestrahlung des Klebstoffs mittels Leuchtdioden oder Laser kann gegenüber dem Stand der Technik Energie eingespart werden. Zudem werden auf diese Weise Bauteile oder Bereiche der Bauteile, die nicht bestrahlt werden müssen, keiner oder zumindest nur einer signifikant geringen Strahlungsbelastung ausgesetzt. Die aus der selektiven Bestrahlung resultierende selektive Aktivierung des Klebstoffs ermöglicht zudem eine flexible Ausgestaltung einer Klebstofffläche beim Auftragen des Klebstoffs. Beispielsweise kann eine Schichtdicke einer aufzubringenden Klebefläche bereichsweise variieren, z. B. die Schichtdicke der Klebefläche in Form einer Treppenfunktion. Somit können auch Klebstoffauftragsoperationen eingespart werden.
-
Im Vergleich zu einer vollflächigen Bestrahlung des Klebstoffs können mittels der selektiven Bestrahlung rheologische Eigenschaften des Klebstoffs gezielt eingestellt werden. D. h., je nach Bedarf kann für einzelne Bauteilbereiche der Klebstoff mehr oder weniger stark aktiviert werden. So ist es beispielsweise möglich, den Klebstoff in einem Bauteilbereich zur Ausbildung einer Klebeverbindung und in einem anderen Bauteilbereich zur Ausbildung einer Dichtung zu aktivieren.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
-
Dabei zeigen:
-
1 schematisch ein Verfahrensablauf eines bekannten Verfahrens zum Verbinden von Bauteilen und
-
2 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Verbinden von Bauteilen.
-
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
-
1 zeigt schematisch einen Ablauf eines bekannten Verfahrens zum Verbinden von Bauteilen 1 bis 4 einer hier nicht näher dargestellten Brennstoffzelle. Der Verfahrensablauf ist hierbei insbesondere anhand eines Beispiels schematisch dargestellt, wobei mittels des Verfahrens eine Membran-Elektroden-Anordnung MEA der Brennstoffzelle ausgebildet wird. Dazu sind Bauteile 1 bis 4 miteinander zu verbinden.
-
Ein erstes Bauteil 1 ist als ein Rahmenelement der Membran-Elektroden-Anordnung MEA ausgebildet, wobei das erste Bauteil 1 als Rollware bereitgestellt wird. Ein zweites Bauteil 2 ist als katalysatorbeschichtete Membran der Membran-Elektroden-Anordnung MEA ausgebildet und wird ebenfalls als Rollware bereitgestellt. Ein drittes Bauteil 3 ist als eine kathodenseitige Gasdiffusionsschicht der Membran-Elektroden-Anordnung MEA und ein viertes Bauteil 4 ist als eine anodenseitige Gasdiffusionsschicht der Membran-Elektroden-Anordnung MEA ausgebildet. Das dritte und vierte Bauteil 3, 4 werden analog zum ersten und zweiten Bauteil 1, 2 als Rollware bereitgestellt.
-
Zur Ausbildung der Membran-Elektroden-Anordnung MEA erfolgen in einem ersten Verfahrensschritt S1 eine Oberflächenbehandlung OB und eine Schneidoperation SO des als Rollware bereitgestellten ersten Bauteils 1, d. h. des Rahmenelements, und anschließend eine Klebstoffaufbringoperation KO, bei welcher der chemisch härtbare Klebstoff in flüssiger Form zumindest bereichsweise auf das als Rollware bereitgestellte erste Bauteil 1 aufgebracht wird. Insbesondere wird der Klebstoff auf eine Oberflächenseite des ersten Bauteils 1 aufgebracht. Dies erfolgt mittels einer Aufbringeinheit 5 (dargestellt in 2), die beispielsweise als eine Siebdruckeinheit ausgebildet ist. Im Anschluss an die Klebstoffaufbringoperation KO erfolgt eine Aushärteoperation AO, wobei der Klebstoff chemisch vorgehärtet wird. D. h., eine Bestrahlung mit Licht einer oder mehrerer vorgegebener Wellenlängen löst in dem Klebstoff eine chemische Reaktion aus, welche einen sukzessiven Härteprozess bzw. ein Vernetzen des Klebstoffs aktiviert.
-
In einem zweiten Verfahrensschritt S2 wird das als Rollware bereitgestellte zweite Bauteil 2, d. h. die katalysatorbeschichtete Membran, abgerollt und es erfolgt eine Schneidoperation SO sowie eine Fügeoperation FO. D. h., das zweite Bauteil 2 wird auf dem mit dem Klebstoff versehenen ersten Bauteil 1, d. h. dem Rahmenelement, angeordnet und mit diesem gefügt. Die Reihenfolge der Verfahrensschritte S1 und S2 kann dabei auch vertauscht werden, so dass das Bauteil 2 vor dem Bauteil 1 gefügt wird. Dabei wird das zweite Bauteil 2 vor der Fügeoperation FO mit vorgegebenen Abmessungen versehen. Insbesondere wird das zweite Bauteil 2 mit den gewünschten Abmessungen aus dem Rollmaterial gestanzt oder geschnitten. Eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem ersten Bauteil 1 und dem zweiten Bauteil 2 erfolgt nach einem vollständigen Aushärten des Klebstoffs, wobei dieser in Abhängigkeit der Eigenschaften des Klebstoffs nach einem bestimmten Zeitraum vollständig aushärtet.
-
Anschließend wird auf das zweite Bauteil 2 ebenfalls Klebstoff in flüssiger Form aufgebracht und dieser vorgehärtet. Dies erfolgt auf die gleiche Weise wie es bereits im ersten Verfahrensschritt S1 beschrieben ist.
-
Nach der Vorhärtung des Klebstoffs wird in einem dritten Verfahrensschritt S3 das als Rollware bereitgestellte dritte Bauteil 3, d. h. die kathodenseitige Gasdiffusionsschicht, abgerollt und es erfolgt eine Schneidoperation SO sowie eine Fügeoperation FO. D. h., das dritte Bauteil 3 wird auf dem mit dem Klebstoff versehenen zweiten Bauteil 2, d. h. auf der katalysatorbeschichteten Membran, angeordnet und mit diesem gefügt. Auch hierbei wird das dritte Bauteil 3 nach der Fügeoperation FO mit vorgegebenen Abmessungen versehen. Insbesondere wird das dritte Bauteil 3 mit den gewünschten Abmessungen aus dem Rollmaterial gestanzt oder geschnitten (nicht genauer dargestellt). Eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem zweiten Bauteil 2 und dem dritten Bauteil 3 erfolgt ebenfalls nach einem vollständigen Aushärten des Klebstoffs.
-
Anschließend wird auf eine gegenüberliegende Oberflächenseite des ersten Bauteils 1 der chemisch härtbare Klebstoff in flüssiger Form aufgebracht und im Anschluss daran vorgehärtet. Dies erfolgt auf die gleiche Weise wie es bereits im ersten Verfahrensschritt S1 und im zweiten Verfahrensschritt S2 beschrieben ist.
-
In einem vierten Verfahrensschritt S4 wird das als Rollware bereitgestellte vierte Bauteil 4, d. h. die anodenseitige Gasdiffusionsschicht, abgerollt und auf dem mit dem Klebstoff versehenen ersten Bauteil 1, d. h. dem Rahmenelement, angeordnet und mit diesem gefügt. Dabei wird das vierte Bauteil 4 vor der Fügeoperation FO mit vorgegebenen Abmessungen versehen. Insbesondere wird das vierte Bauteil 4 mit den gewünschten Abmessungen aus dem Rollmaterial gestanzt oder geschnitten (nicht genauer dargestellt). Eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem ersten Bauteil 1 und dem vierten Bauteil 4 erfolgt nach einem vollständigen Aushärten des Klebstoffs. Wie oben beschrieben, können die Bauteile 1, 2, 3 und 4 auch in einer anderen als der oben exemplarisch beschriebenen Reihenfolge gefügt werden.
-
In einem fünften Verfahrensschritt S5 wird zur Ausbildung der Membran-Elektroden-Anordnung MEA der Bauteilverbund mit gewünschten Abmessungen versehen, wobei das erste Bauteil 1, d. h. das Rahmenelement, aus dem Rollmaterial gestanzt oder geschnitten wird. Ein Verschnitt des ersten Bauteils 1 wird wieder aufgerollt.
-
Das hier gezeigte, bekannte Verfahren ist beispielhaft beschrieben. Die Reihenfolge der Gasdiffusionsschichten kann somit variieren. D. h., das dritte Bauteil 3 kann alternativ auch die anodenseitige Gasdiffusionsschicht darstellen bzw. kann das vierte Bauteil 4 alternativ die kathodenseitige Gasdiffusionsschicht darstellen. Des Weiteren ist anhand des beschriebenen Verfahrens erkennbar, dass für jedes zu verbindende Bauteil 1 bis 4 ein Klebstoffauftrag, eine Vorhärteoperation und ein Fügevorgang erforderlich sind, wobei diese Vorgänge in einem zeitlich definierten Abstand erfolgen müssen. Variiert eine Schichtdicke des aufgebrachten Klebstoffs, so härtet dieser unterschiedlich schnell aus.
-
Zur Einsparung von Energie sowie zur Verringerung einer Strahlenbelastung der Bauteile 1 bis 4 wird ein erfindungsgemäßes Verfahren vorgeschlagen, bei welchem der Klebstoff selektiv bestrahlt wird. Dies erfolgt mittels einer Bestrahlungsanordnung 6 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung V, die in 2 als Blockschaltbild dargestellt ist.
-
Die Vorrichtung V umfasst die bereits erwähnte Aufbringeinheit 5, die analog zum Stand der Technik als eine Siebdruckeinheit ausgebildet sein kann. Die Vorrichtung V kann auch mehrere Aufbringeinheiten 5 umfassen.
-
Des Weiteren umfasst die Vorrichtung V die Bestrahlungsanordnung 6, die mindestens eine Strahlungsquelle 6.1 umfasst.
-
In einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung weist die mindestens eine Strahlungsquelle 6.1 eine Mehrzahl von Licht emittierenden Leuchtdioden auf, die beispielsweise in einem Array zueinander angeordnet sind. Beispielsweise emittieren die Leuchtdioden UV-Strahlung oder Infrarotstrahlung. Die Leuchtdioden sind dabei einzeln und/oder in Gruppen ansteuerbar. Die Ansteuerung einzelner Leuchtdioden und/oder einer Gruppe von Leuchtdioden erfolgt mittels einer Steuereinheit 6.2 in Abhängigkeit davon, welche Eigenschaften der Klebstoff in unterschiedlichen Bauteilbereichen erwirken soll. D. h. welche Leuchtdiode und wie viele Leuchtdioden angesteuert werden, wird anhand einer gewünschten Wirkung des Klebstoffs, beispielsweise ob dieser eine Klebewirkung oder Dichtwirkung erzielen soll, entschieden. Dies ist durch eine auf den Klebstoff in den unterschiedlichen Bauteilbereichen mit einer unterschiedlichen Bestrahlungsintensität der einwirkenden Strahlung zu realisieren. Mit anderen Worten: Der Klebstoff wird nicht auf dem gesamten Bauteil 1 bis 4 gleich stark aktiviert, sondern entweder nur an definierten Stellen aktiviert oder in unterschiedlichen Bauteilbereichen unterschiedlich stark aktiviert.
-
Die Bestrahlungsanordnung 6 kann hierbei derart ausgebildet sein, dass sich die Strahlungsquelle 6.1 über der gesamten, zu bestrahlenden Klebstofffläche erstreckt oder es sind mehrere Strahlungsquellen 6.1 vorhanden. Denkbar ist auch, dass die Strahlungsquelle 6.1 relativ zur Klebstofffläche, insbesondere über die Klebstofffläche, bewegt wird. Bei der Ansteuerung der Leuchtdioden wird entweder eine bestimmte Gruppe von Leuchtdioden über den gesamten Bestrahlungsvorgang aktiviert oder es werden zu bestimmten Zeitabschnitten verschiedene Leuchtdioden aktiviert. Die Leuchtdioden sind somit vorzugsweise einzeln ansteuerbar und zeitlich taktbar, so dass nicht mit Klebstoff versehene Bauteilbereiche vorzugsweise nicht mit Strahlung beaufschlagt werden.
-
Des Weiteren sind optische Elemente 6.3, z. B. Glas, Linsen usw., vorteilhaft, die der Strahlungsquelle 6.1 in Richtung der zu bestrahlenden Klebstofffläche nachgeordnet sind. Beispielsweise ist der Strahlungsquelle 6.1 ein Glas, welches eine lichtbrechende Fläche zur Ablenkung der Lichtstrahlung darstellt, nachgeordnet. Damit kann eine diffuse Lichtstreuung für eine gleichmäßige Bestrahlung des definiert zu bestrahlenden Bauteilbereichs erreicht werden.
-
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung weist die Strahlungsquelle 6.1 eine oder mehrere Lasereinheiten auf, mittels der eine Laserstrahlung emittierbar ist. Die Lasereinheit kann hierbei derart ausgebildet sein, dass sich diese über der gesamten, zu bestrahlenden Klebstofffläche erstreckt, wobei die Laserstrahlung mittels optischer Elemente auf die zu bestrahlenden Klebstoffflächen abgelenkt wird. Denkbar ist auch, dass die Lasereinheit selbst relativ zur Klebstofffläche, insbesondere über die Klebstofffläche, bewegt wird. Mittels der Laserstrahlung kann mit einer sehr hohen Intensität eine sehr kleine, insbesondere punktförmige, Klebstofffläche bestrahlt werden. Dies ist gegenüber herkömmlichen Mitteldruckstrahlern oder Hochdruckstrahlern vorteilhaft, da diese ähnlich wie Leuchtstoffröhren über ihre Breite ein relativ konstantes Spektrum und eine relativ konstante Intensität aussenden. Des Weiteren ist eine zeitliche Regelung sowie eine kurzfristige Aktivierung bei herkömmlichen Mitteldruckstrahlern oder Hochdruckstrahlern nicht oder kaum möglich.
-
Bei einer als Lasereinheit ausgebildeten Strahlungsquelle 6.1 ist eine Halterung dieser und/oder eine Halterung eines optischen Elements 6.3, z. B. ein Spiegel zur Ablenkung der Laserstrahlung, vorteilhaft, wobei die Halterung oder Halterungen mit der Steuereinheit 6.2 gekoppelt werden müssen. Damit kann eine gezielte Laserstrahlung entlang einer Klebstofffläche ermöglicht werden. Eine Wellenlänge der Laserstrahlung oder der von den Leuchtdioden emittierten Lichtstrahlung befindet sich beispielsweise in einem Bereich von 360 nm bis 410 nm, insbesondere in einem Bereich von 380 nm bis 400 nm.
-
Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung V eine Fügeeinheit 7, welche die Bauteile 1 bis 4 zusammenfügt. Beispielsweise ist die Fügeeinheit 7 als eine Aufsetzeinheit ausgebildet, welche die Bauteile 1 bis 4 zueinander ausrichtet. Zweckmäßigerweise ist eine Mehrzahl von Fügeeinheiten 7 vorgesehen. Zur Ausführung der Schneidoperationen SO ist eine Schneideinheit 8, z. B. ein Trennwerkzeug, vorgesehen.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
