-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laminieren mehrerer Komponenten zu einem Bauteil, wobei die Komponenten mittels mehrerer Heizflächen erhitzt werden.
-
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zum Laminieren mehrerer Komponenten zu einem Bauteil, umfassend mehrere Heizflächen, mittels welcher die Komponenten erhitzbar sind.
-
Aus der
US 2007/0289707 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung bekannt, welche eine Ionenaustauschmembran, zumindest eine Gasdiffusionsschicht und zumindest eine Katalysatorschicht umfasst, wobei die Katalysatorschicht auf der Gasdiffusionsschicht und/oder der Ionenaustauschmembran angeordnet ist. Weiterhin umfasst die Membran-Elektroden-Anordnung ein Schutzschichtmaterial. Die Ionenaustauschmembran, die Gasdiffusionsschicht, die Katalysatorschicht und das Schutzschichtmaterial werden als Komponenten der Membran-Elektroden-Anordnung in einem Laminierverfahren schichtenweise miteinander verklebt, wobei die einzelnen Komponenten zunächst mittels zwei sich gegenüberliegenden Heizplatten erhitzt werden und anschließend unter Einbringen einer Laminierkraft mit einer Rollenanordnung laminiert und anschließend mittels zwei sich gegenüberliegenden Kühlplatten gekühlt werden. Die Komponenten werden dabei zwischen den Heizplatten und anschließend zwischen den Kühlplatten hindurchgeführt. Das Schutzschichtmaterial wird als Rahmen der Membran-Elektroden-Anordnung erzeugt, wobei ein erstes Rahmenelement auf eine Unterseite der Membran-Elektroden-Anordnung und ein zweites Rahmenelement auf eine Oberseite der Membran-Elektroden-Anordnung aufgebracht wird.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren und eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Vorrichtung zum Laminieren mehrerer Komponenten zu einem Bauteil anzugeben.
-
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale und hinsichtlich der Vorrichtung durch die im Anspruch 4 angegebenen Merkmale gelöst.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
In einem Verfahren zum Laminieren mehrerer Komponenten zu einem Bauteil werden die Komponenten mittels mehrerer Heizflächen erhitzt. Erfindungsgemäß wird eine Laminierkraft mittels der Heizflächen auf die Komponenten übertragen und das Laminieren wird in zumindest zwei aufeinander folgenden Schritten durchgeführt, wobei in einem ersten Schritt ein einen inneren Bereich vollständig umgebender erster Randbereich rahmenförmig laminiert wird und anschließend in einem zweiten Schritt den ersten Randbereich zumindest teilweise umgebende zweite Randbereiche laminiert werden.
-
Der im ersten Schritt laminierte erste Randbereich ist sehr schmal ausgebildet und dient zur Kapselung des inneren Bereichs und/oder zur Fixierung der Komponenten. Aufgrund der geringen Laminierbreite wird die Bildung von Gaseinschlüssen, insbesondere Lufteinschlüssen, innerhalb des laminierten ersten Randbereichs vermieden. Aufgrund der im darauffolgenden Schritt stattfindenden Laminierung der den ersten Randbereich zumindest teilweise umgebenden zweiten Randbereiche werden auch in den zweiten Randbereichen Gaseinschlüsse vermieden, da eventuell zwischen den Komponenten befindliche Gase entweichen können. Dies resultiert daraus, dass die zu laminierenden Querschnittsflächen aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens klein gehalten werden. Auch wird durch die Fixierung der Komponenten im ersten Schritt ein Verrutschen und Verziehen der Komponenten beim Laminieren im zweiten Schritt vermieden. Insbesondere bei der Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle, bei welcher die Komponenten flächig laminiert werden, kann durch Vermeidung des Einschlusses von Gaseinschlüssen die Zerstörung von Kapselungen in der Membran-Elektroden-Anordnung vermieden werden, so dass die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Membran-Elektroden-Anordnung und somit der Brennstoffzelle erhöht werden.
-
Weiterhin sind durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens kontinuierliche Produktionsschritte realisierbar, unterschiedliche Applikationstechniken und/oder Applikationspositionen miteinander kombinierbar, die Handhabung der Komponenten und des Bauteils während der Herstellung und somit die Herstellbarkeit des Bauteils vereinfacht. Weiterhin ist eine konstant hohe Produktqualität erzielbar.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
-
Dabei zeigen:
-
1 schematisch eine Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle nach dem Stand der Technik,
-
2 schematisch eine in einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Membran-Elektroden-Anordnung in einer Draufsicht,
-
3 schematisch eine erste Heizfläche einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
-
4 schematisch die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Laminieren in einer Seitenansicht vor der Laminierung und
-
5 schematisch die Vorrichtung gemäß 4 in einer Seitenansicht während der Laminierung.
-
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
-
In 1 ist ein mehrschichtiges laminiertes Bauteil B nach dem Stand der Technik dargestellt. Das Bauteil B ist eine fertig zugeschnittene Membran-Elektroden-Anordnung für eine nicht gezeigte Brennstoffzelle, wobei zur Herstellung der Membran-Elektroden-Anordnung in nicht dargestellter Weise eine Ionenaustauschmembran, die Gasdiffusionsschicht und die Katalysatorschicht schichtenartig und flächig übereinander laminiert werden.
-
Während des Laminierens werden die Materialien mittels Druck und Wärme flächig miteinander verbunden, wobei nach dem Stand der Technik hergestellte Membran-Elektroden-Anordnungen bei großflächiger Laminierung mittels parallel schließenden und unflexiblen Heizplatten Lufteinschlüsse L1 bis L4 aufweisen können, da im laminierten Bereich A1 eingeschlossene Luft während des Laminierens nicht entweichen kann. Die im laminierten Bereich A1 vorhandenen Lufteinschlüsse L1 bis L4 können bei mechanischer Belastung der Membran-Elektroden-Anordnung ihre Form und Position verändern, woraus die Gefahr resultiert, dass eine durch die Laminierung entstandene Kapselung eines von dem laminierten Bereich A1 rahmenförmig umgebenden mittleren Bereichs A2 beschädigt und somit undicht wird. Der mittlere Bereich A2 bildet den aktiven Bereich der Membran-Elektroden-Anordnung, wobei eine Beschädigung der Kapselung dieses Bereichs A2 zur Zerstörung der Membran-Elektroden-Anordnung führt.
-
2 zeigt ein als Membran-Elektroden-Anordnung ausgebildetes Bauteil B, welches in dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde. Ein Endzuschnitt Membran-Elektroden-Anordnung ist gestrichelt dargestellt. 3 zeigt eine erste Heizfläche der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, wobei in den 4 und 5 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 und das darin befindliche Bauteil B vor dem Laminieren und während des Laminierens in einer Seitenansicht dargestellt sind.
-
Bei dem Bauteil B kann es sich in alternativen Ausführungsbeispielen auch um andere durch schichtenartig übereinander angeordnete und laminierte Komponenten gebildete Bauteile handeln.
-
Zum Laminieren des Bauteils B werden Komponenten K1, K2 zwischen mehreren Heizflächen 1.1, 1.5 und zumindest einer diesen gegenüberliegenden Gegenfläche 1.2 angeordnet und erhitzt. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist die Gegenfläche 1.2 ebenfalls eine Heizfläche. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind zur Wahrung der Übersichtlichkeit lediglich zwei Komponenten K1, K2 dargestellt. In nicht gezeigten weiteren Ausführungsbeispielen ist mittels der Vorrichtung 1 eine abweichende Anzahl von Komponenten K1, K2 laminierbar.
-
Um die Gefahr von Lufteinschlüssen L1 bis L4 zu verringern, welche insbesondere daraus resultiert, dass die zu laminierende Fläche des Bauteils B verhältnismäßig groß ist, wird die Laminierung der Komponenten K1, K2 zu dem Bauteil B in zwei oder mehrere aufeinanderfolgende Schritte aufgeteilt und somit die jeweils zu laminierende Fläche klein gehalten.
-
In einem ersten Schritt wird ein den inneren Bereich A2 vollständig umgebender erster Randbereich R rahmenförmig laminiert. Dieser erste Randbereich R ist sehr schmal, beispielsweise 5 mm, und zeichnet sich durch eine kleine Oberfläche aus und umgibt den aktiven Bereich, das heißt den inneren Bereich A2 vollständig, so dass dieser gekapselt ist und die Komponenten K1, K2 in ihrer Position relativ zueinander fixiert und miteinander verbunden sind. Dabei wird aufgrund der schmalen Ausbildung des ersten Randbereichs R verhindert, dass sich Lufteinschlüsse L1 bis L4 zwischen den Komponenten K1, K2 bilden. Zur Laminierung des ersten Randbereichs R ist eine erste Heizfläche 1.1 vorgesehen, welche die Form des zu erzeugenden ersten Randbereichs R aufweist, d. h. rahmenförmig, ausgebildet ist. Alternativ sind mehrere Heizflächen 1.1 vorgesehen, mittels welcher die Laminierung des ersten Randbereichs R in mehreren Abschnitten durchgeführt wird.
-
Anschließend werden in einem zweiten Schritt vier zweite Randbereiche S1 bis S4 laminiert, die den ersten Randbereich R zumindest teilweise umgeben. Die zweiten Randbereiche S1 bis S4 werden dabei kontinuierlich vom rahmenförmigen ersten Randbereich R ausgehend nach außen führend laminiert. Somit wird eventuell zwischen den Komponenten K1, K2 befindliche Luft nach außen geführt und die Bildung von Lufteinschlüssen L1 bis L4 wird vermieden.
-
Diese kontinuierliche Laminierung vom ersten Randbereich R ausgehend nach außen erfolgt mittels vier kippend gelagerter Heizflächen 1.5, wobei die 3 und 4 jeweils nur eine der vier Heizflächen 1.5 zeigen. Zur Führung der Heizflächen 1.5 an einer Krafterzeugungseinheit 1.3 ist jeweils eine Druckfeder 1.4 vorgesehen. Mittels der Krafterzeugungseinheit 1.3 ist eine Laminierkraft F erzeugbar, wobei hierzu die Krafterzeugungseinheit 1.3 in Richtung der Gegenfläche 1.2 abgesenkt wird. Dabei wird die Druckfeder 1.4 komprimiert und eine Schrägstellung der Heizflächen 1.5 wird abgebaut. Gleichzeitig wird die Laminierkraft F von den Heizflächen 1.5 auf die Komponenten K1, K2 übertragen und aufgrund des Kippens kontinuierlich vom ersten Randbereich R ausgehend nach außen erhöht. Eine Schrägstellung der Heizflächen 1.5 ist vorzugsweise gering ausgebildet, um eine Verschiebung der Komponenten K1, K2 zueinander und in der Vorrichtung 1 zu vermeiden oder zumindest zu verringern.
-
Alternativ oder zusätzlich ist auch eine andere Art der Führung der Heizflächen 1.5, wie zum Beispiel ein paralleles Absenken, Schwenken und/oder andere Führungen, möglich.
-
Falls mittels der vier kippend gelagerten Heizflächen 1.5 der jeweils zu laminierende zweite Randbereich S1 bis S4 nicht vollständig abdeckbar ist, werden im ersten Schritt über den rahmenförmigen ersten Randbereich R hinaus geführte und in ihrer Längsausdehnung verlängerte Rahmenseiten als Rahmenfortsätze RF1 bis RF4 laminiert, welche zur Überdeckung der zu laminierenden zweiten Randbereiche S1 bis S4 dienen.
-
Abweichend von den dargestellten Formen, Geometrien und Anordnungen sind andere Formen, Geometrien und/oder Anordnungen der Heizflächen 1.1, 1.5 und der Laminierzonen, das heißt der zweiten Randbereiche S1 bis S4 und/oder des ersten Randbereichs R, möglich.
-
In nicht näher dargestellten Ausführungsbeispielen der Vorrichtung 1 weist diese weitere Heizflächen 1.1, 1.5 und/oder zusätzlich Kühlflächen auf, wobei die Kühlflächen passiv oder aktiv gekühlt sind.
-
Für alle Bestandteile der Vorrichtung 1 ist es zusätzlich möglich, dass diese mit einer Gleitschicht versehen sind. Insbesondere an den Heizflächen 1.1, 1.5 und an der Gegenseite 1.2 wird dadurch ein verbessertes Gleiten des Bauteils B erzielt oder Anhaftungen des Bauteils B werden vermieden.
-
Ein für die Gleitschichten verwendeter Gleitwerkstoff zeichnet sich vollständig oder teilweise durch eine gute Wärmeleitung aus. Alternativ ist der Gleitwerkstoff wärmeisolierend ausgebildet.
-
Der dargestellte Laminierprozess erfolgt mittels einer Laminiermaschine oder mehrerer Laminiermaschinen.
-
Bei der Verwendung einer Laminiermaschine werden die Komponenten K1, K2 zunächst beispielsweise mittels einer Vakuumtransportvorrichtung oder anderer Transportvorrichtungen übereinander angeordnet.
-
Nachdem alle Komponenten in die Laminiermaschine eingelegt und schichtenartig übereinander angeordnet sind, erfolgt der erste Laminierschritt, bei welchem insbesondere der ungefähr 5 mm breite erste Randbereich R mittels der ersten Heizfläche 1.1 laminiert wird. Dadurch werden die Komponenten K1, K2 aufeinander fixiert.
-
Kurzzeitig nach dem Beginn des ersten Laminierschrittes wird der zweite Laminierschritt mit der beweglichen, beispielsweise kippbaren Heizflächen 1.5 gestartet. Auf diese Weise ist es möglich, den Laminierprozess mittels einer Maschine durchzuführen.
-
Die Heizflächen 1.5 können alternativ oder zusätzlich auch so gestaltet sein, dass Relativbewegungen entstehen, damit zwischen den Laminierbereichen, d. h. dem ersten Randbereich R und/oder den zweiten Randbereichen S1 bis S4 keine Laminierlücke entsteht und/oder Aufwertungen aufgrund eines Zusammenschiebens des Materials der Komponenten K1, K2 vermieden werden.
-
Alternativ werden die Laminierschritte nacheinander an der einen Laminiermaschine durchgeführt oder auf zwei oder mehr Laminiermaschinen verteilt.
-
Bei der Durchführung der Laminierschritte mittels zweier Laminiermaschinen werden die Komponenten K1, K2 ebenfalls mittels einer Vakuumtransportvorrichtung oder anderer Transportvorrichtungen übereinander angeordnet.
-
Nachdem alle Komponenten in eine erste Laminiermaschine eingelegt und schichtenartig übereinander angeordnet sind, erfolgt der erste Laminierschritt mittels der ersten Heizfläche 1.1, bei welchem insbesondere der ungefähr 5 mm breite erste Randbereich R laminiert wird. Dadurch werden die Komponenten K1, K2 aufeinander fixiert.
-
Nach Beendigung des ersten Laminierschrittes wird das vorlaminierte Bauteil B, insbesondere die vorlaminierte Membran-Elektroden-Anordnung, zur zweiten Laminiermaschine transportiert. Dieser Transport erfolgt beispielsweise mittels einer Vakuumtransportvorrichtung oder anderer Transportvorrichtungen. Mittels der zweiten Laminiermaschine wird nun der zweite Laminierschritt mit den beweglichen, beispielsweise kippbaren Heizflächen 1.5 durchgeführt. Der Vorteil hierbei ist, dass die beiden Laminierbereiche des ersten und zweiten Laminierschritts, d. h. insbesondere der erste Randbereich R und die zweiten Randbereiche S1 bis S4 überlappen können und somit keine Laminierlücke entsteht.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Vorrichtung
- 1.1
- erste Heizfläche
- 1.2
- Gegenfläche
- 1.3
- Krafterzeugungseinheit
- 1.4
- Druckfeder
- 1.5
- zweite Heizfläche
- A1
- Bereich
- A2
- Bereich
- B
- Bauteil
- F
- Laminierkraft
- K1
- Komponente
- K2
- Komponente
- L1 bis L4
- Lufteinschluss
- R
- erster Randbereich
- RF1 bis RF4
- Rahmenfortsatz
- S1 bis S4
- zweiter Randbereich
-
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
-
- US 2007/0289707 A1 [0003]
