DE10251775A1

DE10251775A1 - Verfahren zum Fügen von Plattenelementen einer Brennstoffzelleneinheit

Info

Publication number: DE10251775A1
Application number: DE10251775A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dipl.-Ing. Bindel; Stefan Dr. Lotz; Hubert Dipl.-Ing. Ryssel (FH); Matthias Strosack
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2002-11-07
Filing date: 2002-11-07
Publication date: 2004-05-19

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Fügen von mindestens zwei Plattenelementen einer Brennstoffzelleneinheit. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird ein strahlungsaktivierbares Klebemittel auf mindestens eines der mindestens zwei Plattenelemente aufgebracht, das Klebemittel während einer vorbestimmten Zeitdauer bestrahlt und die mindestens zwei Plattenelemente in der gewünschten Fügeposition angeordnet und unter Druck- und/oder Wärmeeinwirkung gefügt. DOLLAR A Verwendung z. B. bei der Herstellung von Brennstoffzellenstapeln.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Fügen von mindestens zwei Plattenelementen, insbesondere Bipolarplatten, einer Brennstoffzelleneinheit.

Verfahren zum Fügen von Plattenelementen einer Brennstoffzelleneinheit sind bekannt. Die Plattenelemente, beispielsweise zwei aus Graphitmaterial bestehende Bipolarplatten, werden üblicherweise mit wärmehärtenden, zweikomponentigen Epoxydharz-Klebstoffen verbunden bzw. gefügt. Die Zeitdauer, bis die gefügten Plattenelemente bei diesem Klebedicht-Prozess für einen Weiterverarbeitungsschritt handhabbar sind, beträgt mindestens zwei Minuten. Sollen derartige Plattenelemente unter Großserienbedingungen mit einem derartigen Klebedicht-Prozess gefügt werden, sind solche Zeitdauern schon aus Kostengründen unvorteilhaft.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines Verfahrens zugrunde, mit dem ein Fügeprozess von Plattenelementen, insbesondere Bipolarplatten, einer Brennstoffzelleneinheit in einer Zeitdauer bewerkstelligt werden kann, die eine wirtschaftliche Fertigung unter Großserienbedingungen erleichtert.

Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung eines Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein strahlungsaktivierbares, insbesondere lichtaktivierbares, Klebemittel auf mindestens eines der mindestens zwei Plattenelemente aufgebracht, das Klebemittel während einer vorbestimmten Zeitdauer bestrahlt und die mindestens zwei Plattenelemente in der gewünschten Fügeposition angeordnet und unter Druck- und/oder Wärmeeinwirkung gefügt.

Das strahlungsaktivierbare Klebemittel, beispielsweise ein durch UV-Licht aktivierbarer Einkomponenten-Klebstoff, der innerhalb von Sekunden durch Bestrahlung durch UV-Licht aktiviert werden kann, wird auf mindestens eines der mindestens zwei Plattenelemente aufgebracht. Durch Bestrahlen des Klebstoffes während einer vorbestimmten Zeitdauer mit energiereicher Strahlung wird der Klebstoff aktiviert, d.h. sein Aushärteprozess beginnt. Diese Zeitdauer kann sehr kurz, beispielsweise in einem Bereich von 2 bis 8 Sekunden, gewählt werden. Die Plattenelemente werden dann innerhalb einer bestimmbaren Zeitdauer, beispielsweise innerhalb eines Bereichs von 2 bis 15 Sekunden, nach der Aktivierung in der gewünschten Fügeposition angeordnet und unter Druck- und/oder Wärmeeinwirkung gefügt. Es entsteht eine kraftschlüssige, dichtende Klebedichtverbindung zwischen den Plattenelementen. Mit Hilfe des Verfahrens kann innerhalb weniger Sekunden, beispielsweise weniger als 6 Sekunden, eine Handlingfestigkeit der Plattenelemente erreicht werden, die es erlaubt, die gefügten Plattenelemente ohne Schädigung der Klebedichtverbin dung zur Weiterverarbeitung in nachfolgende Prozessschritte weiterzutransportieren. Dies ermöglicht bezüglich eines Fügeschritts in einer Prozesskette zur Herstellung einer Brennstoffzelle eine kostengünstige Großserienproduktion.

In einer Weiterbildung des Verfahrens nach Anspruch 2 wird das Klebemittel in einem Siebdruckverfahren aufgebracht. Dies ermöglicht präzises, konturgenaues und kostengünstiges Auftragen des Klebemittels auf das Plattenelement.

In einer Weiterbildung des Verfahrens nach Anspruch 3 weist das Klebemittel Lumineszenz, insbesondere Fluoreszenz, auf und die Genauigkeit, insbesondere die Konturgenauigkeit, des Aufbringens des Klebemittels wird überprüft, indem das aufgrund der Lumineszenz abgestrahlte Licht erfasst und mit Hilfe eines Bildverarbeitungssystems verarbeitet wird. Mit Hilfe des Bildverarbeitungssystems kann die Genauigkeit der Konturen des aufgebrachten, lumineszenten Klebemittels, der sogenannten Klebstoffraupe, automatisch und mit hoher Genauigkeit reproduzierbar überprüft werden. Dies führt zu hoher Prozesssicherheit und reduzierter Fehlerrate.

In einer Weiterbildung des Verfahrens nach Anspruch 4 wird mindestens eines der mindestens zwei Plattenelemente vor dem Anordnen in der gewünschten Fügeposition vorgewärmt. Dies führt zu einem beschleunigten Aushärten der Klebedichtverbindung, d.h. die Zeitdauer bis zum Erreichen der Handlingfestigkeit wird reduziert.

In einer Weiterbildung des Verfahrens nach Anspruch 5 weisen die Plattenelemente eine unterschiedliche äußere Struktur auf. Dies ermöglicht beispielsweise das Fügen komplementärer Bipolarplatten von Brennstoffzellensystemen.

In einer Weiterbildung des Verfahrens nach Anspruch 6 werden die gefügten Plattenelemente während einer vorbestimmten Zeit, insbesondere durch erhitzte Luft und/oder Infrarot-Strahlung, wärmebehandelt. Die Wärmebehandlung beschleunigt das Nachhärten der Klebedichtverbindung. Dadurch kann innerhalb kurzer Zeit eine möglichst vollständige Aushärtung der Klebedichtverbindung erreicht werden.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.

Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte einer _ Ausführungsform der Erfindung.
Die Figur zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte einer Ausführungsform der Erfindung. In einem ersten Verfahrensschritt wird auf eine von zwei zu verbindenden Bipolarplatten eines Brennstoffzellensystems, die beispielsweise aus Graphit bestehen, ein Klebemittel in einem Siebdruckverfahren mit Hilfe eines automatischen Siebdrucksystems aufgebracht. Bei dem Klebemittel handelt es sich um einen Ein-Komponenten-Epoxyd-Klebstoff, der mittels UV-Licht aktivierbar ist und fluoreszierende Zusätze enthält. Die Höhe und die Breite der aufgebrachten Klebstoffraupe kann variiert werden, um eine optimale Klebedichtverbindung zu erzielen. Nach dem Aufbringen des Klebemittels wird die Bipolarplatte, beispielsweise mit einem Förderband, zu einem Ort transportiert, an dem ein nachfolgender Prozessschritt durchgeführt wird.
In einem zweiten Verfahrensschritt wird die Genauigkeit des Aufbringens des Klebemittels mit Hilfe eines Bildverarbeitungssystems überprüft. Hierzu wird das aufgrund der Lumineszenz des Klebemittels von diesem abgestrahlte Licht erfaßt und mit Hilfe des Bildverarbeitungssystems verarbeitet. Das Bildverarbeitungssystem vergleicht die gewünschte Kontur und Breite der aufgebrachten Klebemittelraupe mit der tatsächlichen Kontur und Breite. Wird eine signifikante Abweichung des gewünschten vom tatsächlichen Zustand durch das Bildverarbeitungssystem erkannt, wird die entsprechende Bipolarplatte aus dem Prozessschritt entfernt, gereinigt und dem ersten Prozessschritt erneut zugeführt. Bei nur unerheblicher Abweichung des gewünschten vom tatsächlichen Zustand wird die Bipolarplatte zu einem Ort transportiert, an dem der nachfolgende Prozessschritt durchgeführt wird.
In einem dritten Verfahrensschritt wird das Klebemittel mit Hilfe von energiereicher UV-Strahlung aktiviert, d. h. ein Aushärteprozess wird eingeleitet. Prozessparameter für diesen Verfahrensschritt können unter anderem sein: der verwendete Wellenlängenbereich der Strahlung, die Intensität der Strahlung, der Abstand des Klebemittels von der Strahlungsquelle und die Bestrahlungsdauer. Die Bestrahlungsdauer liegt typischerweise im Bereich von 2 bis 8 Sekunden. Im Anschluss an die Aktivierung des Klebemittels wird die Bipolarplatte zum nächsten Prozessschritt weitertransportiert.
In einem vierten Verfahrensschritt erfolgt das Fügen der ersten Bipolarplatte mit einer zweiten Bipolarplatte, die eine gegenüber der ersten Biporplatte unterschiedliche äußere Struktur aufweist. Die Zeitdauer zwischen Schritt 3, der Aktivierung des Klebemittels, und dem eigentlichen Fügen der Bipolarplatten ist so zu wählen, dass keinesfalls ein Gelatinieren bzw. Aushärten des Klebemittels auftritt. Die zweite Bipolarplatte wird vor dem Fügen auf eine einstellbare Temperatur vorgewärmt. Die Bipolarplatten werden unter Druck und Wärmeeinwirkung in die gewünschte Fügeposition gefügt. Die Wärmeeinwirkung und das Vorwärmen der zweiten Bipolarplatte reduziert die Aushärte zeit. Prozessparameter für diesen Schritt sind beispielsweise die Vorwärmtemperatur der zweiten Bipolarplatte, der Anpreßdruck, die Anpreßdauer und die Temperatur eines Pressenstempels, der an der zweiten Bipolarplatte anliegt. Anschließend werden die gefügten Bipolarplatten, die nun eine Handling-Festigkeit aufweisen, zu einem letzten Prozessschritt 6 weitertransportiert. Der Weitertransport kann beispielsweise mit Hilfe eines Roboters durchgeführt werden.
In einem fünften Verfahrensschritt werden die gefügten Plattenelemente während einer vorbestimmten Zeit durch erhitzte Luft und Infrarotstrahlung wärmebehandelt. Die Wärmebehandlung beschleunigt das Nachhärten der Klebedichtverbindung.
Mit Hilfe dieser Ausführungsform der Erfindung ist es möglich, die zum Fügen der beiden Bipolarplatten bei Verwendung herkömmlicher Zweikomponenten-Klebstoffe benötigte Zeitdauer von ca. 2 Minuten unter Beibehaltung der Klebedicht-Eigenschaften auf ca. 5 Sekunden zu re duzieren. Dies ermöglicht eine kostengünstige Großserienproduktion.

Claims

Verfahren zum Fügen von mindestens zwei Plattenelementen, insbesondere Bipolarplatten, einer Brennstoffzelleneinheit, gekennzeichnet durch die Schritte: – Aufbringen eines strahlungsaktivierbaren, insbesondere lichtaktivierbaren, Klebemittels auf mindestens eines der mindestens zwei Plattenelemente, – Bestrahlung des Klebemittels während einer vorbestimmten Zeitdauer und – Anordnen der mindestens zwei Plattenelemente in der gewünschten Fügeposition und Fügen derselben unter Druck- und/oder Wärmeeinwirkung.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Klebemittel in einem Siebdruckverfahren aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Klebemittel Lumineszenz, insbesondere Fluoreszenz, aufweist und die Genauigkeit, insbesondere die Konturgenauigkeit, des Aufbringens des Klebemittels überprüft wird, indem das aufgrund der Lumineszenz abgestrahlte Licht erfasst und mit Hilfe eines Bildverarbeitungssystems verarbeitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der mindestens zwei Plattenelemente vor dem Anordnen in der gewünschten Fügeposition vorgewärmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Plattenelemente eine unterschiedliche äußere Struktur aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gefügten Plattenelemente während einer vorbestimmten Zeit, insbesondere durch erhitzte Luft und/oder Infrarot-Strahlung, wärmebehandelt werden.