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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung einer Brennstoffzelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung einer Brennstoffzelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 3.
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Aus dem Stand der Technik sind Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung einer Brennstoffzelle bekannt. Beispielsweise ist in der
DE 11 2005 002 974 T5 ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle beschrieben, bei der ein elektrisch leitendes Element mit einer Elektrode und einer Umfangsfläche des ionenleitenden Elements mit Klebstoff verbunden wird. Des Weiteren ist eine Vorbehandlung einer Oberfläche der Elektrode, des ionenleitenden Elements und/oder des elektrisch leitenden Elements zur Aktivierung der Oberfläche vorgesehen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung einer Brennstoffzelle anzugeben.
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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 3 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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In einem Verfahren zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung einer Brennstoffzelle wird eine katalysatorbeschichtete Membran mit mindestens einem Rahmenelement stoffschlüssig verbunden. Dazu wird ein Klebstoff zumindest bereichsweise auf das mindestens eine Rahmenelement und die katalysatorbeschichtete Membran aufgebracht, das mindestens eine Rahmenelement und die katalysatorbeschichtete Membran werden zusammengefügt und der Klebstoff wird ausgehärtet.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass eine Oberfläche des Rahmenelements, auf welche der Klebstoff aufgebracht wird, vor dem Aufbringen des Klebstoffs mittels einer Plasmabehandlung vorbehandelt wird.
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Diese Vorbehandlung der Oberfläche des Rahmenelements, welches üblicherweise aus Kunststoff gefertigt ist, erhöht die Oberflächenenergie des Rahmenelements und somit eine Adhäsionskraft zwischen dem Rahmenelement und der katalysatorbeschichteten Membran. Dies ist vorteilhaft, da aus Kunststoff gefertigte Materialien üblicherweise eine niedrige Oberflächenenergie aufweisen und eine Benetzung durch Klebstoff nicht oder nicht vollständig möglich ist. Dabei wird mittels der Plasmabehandlung ein molekularer Aufbau der Oberfläche des Rahmenelements verändert, wobei in Abhängigkeit eines verwendeten Prozessgases Moleküle, z. B. Sauerstoff- oder Stickstoffmoleküle, an der Oberfläche angelagert werden, die eine Verbindung mit dem Klebstoff eingehen. Die Verbindung zwischen dem Klebstoff und der behandelten Oberfläche ist damit gegenüber dem Stand der Technik weniger gasdurchlässig, was in einer erhöhten Dichtungswirkung der Membran-Elektroden-Anordnung resultiert. Zudem wird aufgrund der verbesserten Adhäsionskraft zwischen der katalysatorbeschichteten Membran und dem Rahmenelement eine robuste Membran-Elektroden-Anordnung ausgebildet, welche gegenüber dem Stand der Technik eine erhöhte Beständigkeit gegenüber mechanischen und chemischen Beanspruchungen aufweist.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung einer Brennstoffzelle und
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2 bis 5 schematisch ausschnittsweise Darstellungen eines Rahmenmaterials jeweils mit einer Vorbehandlungseinheit einer Vorrichtung zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung einer Brennstoffzelle in verschiedenen Ausführungsbeispielen.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung V zur Herstellung einer nicht näher dargestellten Membran-Elektroden-Anordnung einer Brennstoffzelle.
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Die Vorrichtung V umfasst eine Aufbringeinheit 1, die beispielsweise als eine Siebdruckeinheit ausgebildet ist. Die Vorrichtung V kann auch mehrere Aufbringeinheiten 1 umfassen.
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Die Aufbringeinheit 1 ist dabei dafür vorgesehen, einen chemisch härtbaren Klebstoff, z. B. einen UV-Acrylatklebstoff, in flüssiger Form zumindest bereichsweise auf eine Oberfläche mindestens eines Rahmenelements R (dargestellt in den 2 bis 5) und auf eine Oberfläche einer nicht dargestellten katalysatorbeschichteten Membran aufzubringen.
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Des Weiteren umfasst die Vorrichtung V eine Bestrahlungsanordnung 2 zur Bestrahlung des chemisch härtbaren Klebstoffs, wodurch eine Aushärtung des chemisch härtbaren Klebstoffs initiiert wird. Die Aushärtung des Klebstoffs kann alternativ auch durch Wärme gestartet werden, weiterhin könnte ein 2-Komponenten-Klebstoff verwendet werden. Mittels der Aushärtung des chemisch härtbaren Klebstoffs wird eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Rahmenelement R und der katalysatorbeschichteten Membran hergestellt. Die Bestrahlungsanordnung 2 umfasst dazu beispielsweise eine Mehrzahl von Licht emittierenden Leuchtdioden, die beispielsweise in einem Array zueinander angeordnet sind. Die Leuchtdioden emittieren z. B. eine UV-Strahlung oder eine Infrarotstrahlung. Die Leuchtdioden sind dabei einzeln und/oder in Gruppen ansteuerbar.
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Des Weiteren umfasst die Vorrichtung V eine Fügeeinheit 3, welche das Rahmenelement R und die katalysatorbeschichtete Membran zur Ausbildung der Membran-Elektroden-Anordnung zusammenfügt. Beispielsweise ist die Fügeeinheit 3 als eine Aufsetzeinheit ausgebildet, welche das Rahmenelement R und die katalysatorbeschichtete Membran zueinander ausrichtet.
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Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung V erfindungsgemäß eine Vorbehandlungseinheit 4, die zur Vorbehandlung einer Oberfläche des Rahmenelements R vorgesehen ist. Insbesondere erfolgt die Vorbehandlung der Oberfläche des Rahmenelements R, auf welcher der chemisch härtbare Klebstoff mittels der Aufbringeinheit 1 aufgebracht wird, mittels einer Plasmabehandlung vor dem Aufbringen des chemisch härtbaren Klebstoffs.
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Die Vorbehandlung der Oberfläche des Rahmenelements R dient der Erhöhung einer Oberflächenenergie, da das Rahmenelement R üblicherweise aus einem elektrisch isolierenden Material, insbesondere aus Kunststoff, gefertigt ist. Kunststoff weist bekanntermaßen eine niedrige Oberflächenenergie auf, wodurch eine Benetzung mit dem chemisch härtbaren Klebstoff nicht oder nicht vollständig möglich ist. Daraus resultierend ist eine Klebewirkung zwischen dem Rahmenelement R und der katalysatorbeschichteten Membran nicht optimal. Mittels der Vorbehandlung der Oberfläche des Rahmenelements R kann eine Klebewirkung zwischen dem Rahmenelement R und der katalysatorbeschichteten Membran optimiert werden.
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Die Vorbehandlungseinheit 4 wird in den nachfolgenden 2 bis 5 näher beschrieben.
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Dazu zeigen die 2 bis 5 schematisch ausschnittsweise Darstellungen eines als Rollenware bereitgestellten Rahmenelements R mit einer Vorbehandlungseinheit 4 in verschiedenen Ausführungsbeispielen.
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Die Vorbehandlungseinheit 4 weist gemäß dem Ausführungsbeispiel in 2 mehrere Paare von Elektroden 4.1, 4.2 auf, die jeweils in einem bestimmten Abstand relativ zur Oberfläche des Rahmenelements R ausgerichtet sind. Dabei ist jeweils eine äußere Elektrode 4.1 eines Elektrodenpaares potentialfrei und eine innere Elektrode 4.2 eines Elektrodenpaares weist ein Potential auf.
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Die Elektroden 4.1, 4.2 innerhalb eines Elektrodenpaares sind in einem bestimmten Abstand zueinander ausgerichtet, welcher hinreichend klein zur Erzeugung einer Plasmaentladung ist. Dabei ist die innere Elektrode 4.1 mit einer Hochspannungsquelle 4.3 zur Erzeugung einer Hochspannungsdifferenz zwischen den Elektroden 4.1, 4.2 gekoppelt, wobei dies im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus Gründen der Übersichtlichkeit anhand nur eines Elektrodenpaares dargestellt ist. Die Hochspannungsquelle 4.3 ist beispielsweise ein Hochspannungsgenerator.
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Wird mittels der Hochspannungsquelle 4.3 eine Hochspannungsdifferenz zwischen den Elektroden 4.1, 4.2 erzeugt, erfolgt eine Funkenentladung zwischen den Elektroden 4.1, 4.2, insbesondere an einer Austrittsöffnung des Elektronenpaares in Richtung des Rahmenelements R. Ein dabei erzeugter Plasmastrahl P wird senkrecht auf die Oberfläche des Rahmenelements R appliziert. Der Plasmastrahl P bewirkt ein Aufbrechen geschlossener Molekülketten der Oberfläche, wobei sich beispielsweise aktivierte Sauerstoffmoleküle S (siehe 4) auf der Oberfläche des Rahmenelements R anlagern. D. h., auf der zuvor unpolaren Oberfläche des Rahmenelements R werden polare Moleküle erzeugt, mit denen sich der chemisch härtbare Klebstoff verbinden kann. Im gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt die Oberflächenbehandlung des Rahmenelements R mittels direkten Plasmas (auch als Corona bezeichnet).
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Eine alternative Ausführung dazu ist in 3 gezeigt. Hierbei sind sich zwei Elektronenpaare derart gegenüberliegend angeordnet, dass der Plasmastrahl P weitestgehend parallel zur Oberfläche des Rahmenelements R erzeugt wird. Hier befindet sich auf der einen Seite die spannungsgebende Elektrode, auf der anderen der Nullleiter. Die aufeinander zulaufenden Plasmastrahlen P werden mittels eines senkrecht von oben einwirkenden Druckluftstrahls L senkrecht zur Oberfläche des Rahmenelements R gelenkt. Hierbei ist ein nicht dargestellter Druckluftanschluss vorgesehen und es erfolgt eine Oberflächenbehandlung des Rahmenelements R mittels indirekten Plasmas. Dabei werden ebenfalls geschlossene Molekülketten der Oberfläche aufgebrochen und es können sich beispielsweise aktivierte Sauerstoffmoleküle S auf der Oberfläche des Rahmenelements R anlagern.
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4 zeigt eine ausschnittsweise Darstellung des Rahmenelements R, welches in Pfeilrichtung relativ zur Vorbehandlungseinheit 4 bewegt wird. Dabei ist gezeigt, wie sich nach der Vorbehandlung der Oberfläche des Rahmenelements R mittels direkten Plasmas Sauerstoffmoleküle S auf der Oberfläche des Rahmenelements R anlagern.
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5 zeigt ebenfalls eine ausschnittsweise Darstellung des Rahmenelements R, welches in Pfeilrichtung relativ zur Vorbehandlungseinheit 4 bewegt wird. Das Rahmenelement R und die Vorbehandlungseinheit 4 sind in einer Kapselung K angeordnet, mittels welcher das Rahmenelement R und die Vorbehandlungseinheit 4 von einer äußeren Umgebung abgeschirmt werden. Dies ist erforderlich, da hier als ein Prozessgas mit Stickstoff angereicherte Luft verwendet wird. An der Oberfläche des Rahmenelements R lagern sich dabei mittels direkten Plasmas Stickstoffmoleküle N ab.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 112005002974 T5 [0002]
