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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) für eine Brennstoffzelle gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Ein solches Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) für eine Brennstoffzelle, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, ist beispielsweise bereits der
DE 10 2015 117 077 A1 als bekannt zu entnehmen. Bei dem Verfahren wird eine beispielsweise mit einem Katalysator beschichtete Membran der Membran-Elektroden-Anordnung mittels eines UV-härtenden Klebstoffs mit einem Tragrahmen der Membran-Elektroden-Anordnung verklebt und dadurch stoffschlüssig mit dem Tragrahmen verbunden. Unter dem UV-härtenden Klebstoff ist ein Klebstoff zu verstehen, welcher mittels ultravioletten Lichts, das heißt mittels UV-Licht, gehärtet beziehungsweise ausgehärtet werden kann.
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Außerdem offenbart die
DE 10 2011 105 071 A1 eine Haltevorrichtung für eine Membran einer Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zu verbessern, ist erfindungsgemäß ein erster Schritt vorgesehen, bei welchem eine erste Schicht des UV-härtenden Klebstoffes auf zumindest einen ersten Teilbereich des Tragrahmens aufgebracht, insbesondere aufgedruckt, wird. Dies bedeutet, dass die erste Schicht des Klebstoffes aus dem UV-härtenden Klebstoff hergestellt wird beziehungsweise ist. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst einen zweiten Schritt, bei welchem die erste Schicht mit UV-Licht, das heißt mit ultraviolettem Licht beziehungsweise ultravioletter Strahlung beaufschlagt wird, um die erste Schicht mittels des UV-Lichts lediglich teilweise zu härten.
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Bei einem dritten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die beispielsweise mit einem Katalysator beschichtete Membran derart auf der ersten Schicht angeordnet, dass zumindest ein zweiter Teilbereich der Membran zumindest einen dritten Teilbereich der Schicht überdeckt und berührt. Somit überdeckt und berührt die erste Schicht zumindest den ersten Teilbereich des Tragrahmens, wobei zumindest der dritte Teilbereich der ersten Schicht zumindest den zweiten Teilbereich der Membran berührt.
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Bei einem vierten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine zweite Schicht des Klebstoffes derart auf den Tragrahmen und die Membran aufgebracht, insbesondere aufgedruckt, dass die zweite Schicht, welche aus dem UV-härtenden Klebstoff gebildet ist, zumindest den ersten Teilbereich, den zweiten Teilbereich, den dritten Teilbereich jeweils zumindest teilweise und einen sich an die erste Schicht anschließenden vierten Teilbereich des Tragrahmens überdeckt und zumindest den zweiten Teilbereich und den vierten Teilbereich berührt. Hierdurch wird die Membran besonders vorteilhaft eingekapselt und dabei gegen den Tragrahmen abgedichtet, so dass beispielsweise während eines Betriebs der Brennstoffzelle unerwünschte Leckageströme, insbesondere eines Brennstoffes, vermieden werden können.
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Bei einem fünften Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zumindest die zweite Schicht mit UV-Licht beaufschlagt, um dadurch die zweite Schicht zumindest teilweise, insbesondere zumindest überwiegend oder vollständig, zu härten.
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Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Membran besonders vorteilhaft an dem Tragrahmen befestigt und eingekapselt, das heißt gegen den Tragrahmen abgedichtet werden, um dadurch unerwünschte Übergangsströmungen, welche beispielsweise zu einer Oxidation des beispielsweise als Wasserstoff ausgebildeten Brennstoffs führen können, sowie unerwünschte Randreaktionen, welche zu einem vorzeitigen Ausfall der Brennstoffzelle führen könnten, vermieden werden können. Durch Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens können Presslaminierungen und Spritzgießverfahren zum Einkapseln der Membran vermieden werden, so dass die Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) besonders einfach und insbesondere kostengünstig hergestellt werden kann.
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Als der UV-härtenden Klebstoff wird vorzugsweise ein UV-härtender Klebstoff verwendet, welcher mittels UV-Licht insbesondere in einem Wellenlängenbereich von 365 Nanometern gehärtet werden kann. Das UV-Licht zum Härten des Klebstoffes wird beispielsweise von wenigstens einer lichtemittierenden Diode (LED) bereitgestellt. Insbesondere wird das UV-Licht beispielsweise von einer Lichtquelle bereitgestellt, welche eine Mehrzahl von lichtemittierenden Dioden (LED) aufweist. Ist der Klebstoff, insbesondere vollständig, gehärtet, so ist die beispielsweise mit einem Katalysator beschichtete Membran besonders fest an dem Tragrahmen gehalten, und der Klebstoff ist stabil in der Brennstoffzellenumgebung. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht dabei eine besonders robuste Einkapselung der Membran, welche mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders zeit- und somit kostengünstig eingekapselt werden kann.
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Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die jeweilige Schicht des Klebstoffes durch Drucken, insbesondere durch Siebdruck, aufgebracht wird. Hierdurch kann die jeweilige Schicht besonders präzise sowie zeit- und kostengünstig aufgebracht werden. Insbesondere kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens eine jeweilige Dicke der jeweiligen Schicht besonders bedarfsgerecht und präzise eingestellt werden, so dass eine besonders hohe Qualität der Einkapselung der Membran gewährleistet werden kann.
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Die Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) dient insbesondere dem Einsatz in einer sogenannten Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle. Der prinzipielle Aufbau einer Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle - kurz PEMFC - ist wie folgt: Die PEMFC enthält eine Membran-Elektroden-Anordnung - kurz MEA - die aus einer Anode, einer Kathode und einer dazwischen angeordneten und beispielsweise als Polymer-Elektrolyt-Membran (auch lonomer-Membran) ausgebildeten Membran - kurz PEM - aufgebaut ist. Die MEA ist ihrerseits wiederum zwischen zwei Separatorplatten angeordnet, wobei eine der Separatorplatten Kanäle für die Verteilung von Brennstoff aufweist, und die andere Separatorplatte weist Kanäle für die Verteilung von Oxidationsmittel auf, und wobei die Kanäle der MEA zugewandt sind. Die Kanäle bilden eine Kanalstruktur, ein sogenanntes Flowfield oder Strömungsfeld. Die Elektroden, Anode und Kathode, sind im Allgemeinen als Gasdiffusionselektroden - kurz GDE - ausgebildet. Diese haben die Funktion, den bei der elektrochemischen Reaktion (zum Beispiel 2 H2 + O2 > 2 H2O) erzeugten Strom abzuleiten und die Reaktionsstoffe, Edukte und Produkte, durchdiffundieren zu lassen.
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Eine GDE kann wenigstens eine Gasdiffusionsschicht beziehungsweise Gasdiffusionslage - kurz GDL - umfassen. Eine jeweilige Katalysatorschicht, welche der PEM zugewandt ist, kann ebenfalls durch die GDE bereitgestellt werden. An der Katalysatorschicht läuft die elektrochemische Reaktion ab. Die anodische Katalysatorschicht und die kathodische Katalysatorschicht können jedoch auch auf eine jeweilige Hauptoberfläche der PEM aufgebracht sein. In diesem Fall wird im Allgemeinen von einer Catalyst Coated Membrane - kurz CCM - gesprochen, also von einer mit einem Katalysator beschichteten Membran.
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Die GDE kann ferner noch eine Gasverteilungslage aufweisen, die sich der Gasdiffusionslage anschließt und die in der PEMFC einer Separatorplatte zugewandt ist. Gasdiffusionslage und Gasverteilungslage unterscheiden sich vor allem in ihren Porengrößen und damit in der Art des Transportmechanismus für einen Reaktionsstoff (Diffusion beziehungsweise Verteilung).
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Eine derartige Brennstoffzelle kann bei relativ geringen Betriebstemperaturen elektrischen Strom mit hoher Leistung erzeugen. Reale Brennstoffzellen sind meist zu sogenannten Brennstoffzellenstapeln - kurz Stacks - gestapelt, um eine hohe Leistungsabgabe zu erzielen, wobei anstelle der monopolaren Separatorplatten bipolare Separatorplatten, sogenannte Bipolarplatten, eingesetzt werden und monopolare Separatorplatten nur die beiden endständigen Abschlüsse des Stacks bilden. Sie werden zum Teil Endplatten genannt und können sich baulich erheblich von den Bipolarplatten unterscheiden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
- 1 eine schematische Darstellung von Schritten eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Anordnung;
- 2 eine schematische Darstellung von weiteren Schritten des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
- 3 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht der Membran-Elektroden-Anordnung.
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In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Im Folgenden wird anhand von 1 bis 3 ein Verfahren zum Herstellen einer in 3 schematisch und ausschnittsweise dargestellten Membran-Elektroden-Anordnung 10 (MEA) für eine Brennstoffzelle beschrieben. Die Brennstoffzelle kommt beispielsweise in einem Brennstoffzellenstapel, das heißt in einem sogenannten Stack zum Einsatz, wobei der Brennstoffzellenstapel wiederum in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs zum Einsatz kommt. Dabei ist das Kraftfahrzeug mittels des Antriebsstrangs und somit mittels der Brennstoffzelle, insbesondere elektrisch, antreibbar. Aus 3 ist erkennbar, dass die MEA wenigstens eine Membran 12 und wenigstens einen Tragrahmen 14 umfasst, welcher auch einfach als Rahmen bezeichnet wird. Dabei ist die Membran 12 mittels eines UV-härtenden Klebstoffs 16 mit dem Tragrahmen 14 verklebt und dadurch mit dem Tragrahmen 14 verbunden beziehungsweise an dem Tragrahmen 14 befestigt, so dass der Tragrahmen 14 im vollständig hergestellten Zustand der MEA die Membran 12 trägt. Dabei veranschaulicht in 1 und 3 ein Pfeil 18 eine im vollständig hergestellten Zustand der MEA aktive Zone der MEA, insbesondere der Membran 12.
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Die Membran 12 ist beispielsweise mit einem Katalysator beschichtet und somit als mit einem Katalysator beschichtete Membran ausgebildet, so dass die Membran 12 auch als CCM (Catalyst Coated Membrane) bezeichnet wird. Unter dem UV-härtenden Klebstoff 16 ist zu verstehen, dass der Klebstoff 16 mittels ultraviolettem Licht (UV-Licht), das heißt mittels ultravioletter Strahlung gehärtet beziehungsweise ausgehärtet werden kann, insbesondere nachdem er auf die Membran 12 und auf den Tragrahmen 14 aufgebracht wurde.
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Bei einem aus 1 erkennbaren ersten Schritt S1 des Verfahrens wird ein Abstützelement in Form eines Siebdrucktisches 20 bereitgestellt. Ferner wird ein zweites Abstützelement 22 bereitgestellt, welches sich an den Siebdrucktisch 20 anschließt und entlang einer in 1 durch einen Doppelpfeil 27 veranschaulichten Bewegungsrichtung relativ zu dem Siebdrucktisch 20 translatorisch bewegbar und dadurch höhenverfahrbar ist. Beispielsweise fällt die Bewegungsrichtung mit der vertikalen Richtung zusammen. Bei dem ersten Schritt S1 wird der Tragrahmen 14 zumindest teilweise auf dem Siebdrucktisch 20 angeordnet, so dass der Tragrahmen 14 - wie im Folgenden noch genauer erläutert wird - mittels des Siebdrucktisches 20 abgestützt werden kann. Dabei schließt sich das zweite Abstützelement 22 an den Siebdrucktisch 20 und an den Tragrahmen 14 an und ist entlang der Bewegungsrichtung relativ zu dem Tragrahmen 14 und relativ zu dem Siebdrucktisch 20 bewegbar beziehungsweise höhenverfahrbar. Ferner wird das zweite Abstützelement 22 zunächst bündig mit dem Tragrahmen 14, insbesondere mit einer Oberfläche 24 des Tragrahmens 14, angeordnet.
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Bei einem zweiten Schritt S2 des Verfahrens wird eine erste Schicht 26 des Klebstoffes 16 auf zumindest einen ersten Teilbereich 28 des Tragrahmens 14, insbesondere der Oberfläche 24, aufgebracht. Insbesondere wird die erste Schicht 26, welche aus dem Klebstoff 16 hergestellt ist beziehungsweise wird, mittels Siebdruck auf den Teilbereich 28 aufgebracht und somit aufgedruckt. Insbesondere wird die erste Schicht 26 in Umfangsrichtung des Tragrahmens 14 vollständig umlaufend auf einen Randbereich beziehungsweise auf einen Außenumfang des Tragrahmens 14 aufgebracht, so dass beispielsweise der erste Teilbereich 28 ein in Umfangsrichtung des Tragrahmens 14 vollständig umlaufender Randbereich beziehungsweise Außenumfang des Tragrahmens 14 ist. Dabei wird die erste Schicht 26 besonders nahe an einer Außenkante 30 des Tragrahmens 14 angeordnet, was insbesondere durch den Einsatz des zweiten Abstützelements 22 ermöglicht wird.
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Bei einem dritten Schritt S3 wird die erste Schicht 26 mit UV-Licht 32, das heißt mit ultravioletter Strahlung beaufschlagt, welches beziehungsweise welche von einer Lichtquelle bereitgestellt wird. Die Lichtquelle umfasst wenigstens eine oder mehrere lichtemittierende Dioden (LED), welche das UV-Licht 32 bereitstellen. Die erste Schicht 26 wird dabei mittels des UV-Lichts teilweise gehärtet, insbesondere bis eine der Oberfläche 24 des Tragrahmens 14 abgewandte Oberfläche 34 der ersten Schicht 26 klebrig ist. Da die erste Schicht 26 - wie im Folgenden noch genau erläutert wird - genutzt wird, um die Membran 12 einzukapseln und dabei gegen den Tragrahmen 14 abzudichten, kommt vorteilhafter Weise ein optisches Erfassungssystem 35 zum Einsatz, mittels welchem beispielsweise die Qualität der teilweise gehärteten Schicht 26 optisch erfasst und überprüft wird.
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Bei einem vierten Schritt S4 des Verfahrens wird das zweite Abstützelement 22 - wie in 1 durch Pfeile 36 veranschaulicht ist - entlang der Bewegungsrichtung nach oben derart relativ zu dem Tragrahmen 14 und relativ zu dem Siebdrucktisch 20 verfahren, dass das zweite Abstützelement 22 den Tragrahmen 14, insbesondere die Oberfläche 24, überragt, jedoch gegenüber der ersten Schicht 26, insbesondere gegenüber der Oberfläche 34, entlang der Bewegungsrichtung zurückversetzt ist. Da das zweite Abstützelement 22 relativ zu dem Tragrahmen 14 und relativ zu dem Siebdrucktisch 20 höhenverfahrbar ist, kann eine Höhe des Abstützelements 22 insbesondere relativ zum Siebdrucktisch 20 eingestellt werden. Im Vergleich zu den Schritten S1 bis S3 wird das zweite Abstützelement 22 bei dem vierten Schritt S4 angehoben, bis das zweite Abstützelement 22 ein Stück unter der gedruckten und teilweise gehärteten Schicht 26, insbesondere unter der Oberfläche 34 der Schicht 26, angeordnet ist.
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Zum Bereitstellen des UV-Lichts 32 werden lichtemittierende Dioden gegenüber anderen Arten von Lichtquellen bevorzugt, da lichtemittierende Dioden einen wesentlich geringeren Betrag an Wärmeenergie erzeugen, wobei Wärmeenergie dazu führen könnte, dass die Viskosität des Klebstoffes 16 abfällt. Dies könnte wiederum dazu führen, dass sich der Klebstoff 16 unerwünschterweise übermäßig verteilt, was die Einkapselung der Membran 12 beeinträchtigen könnte. Ferner kann durch den Einsatz von lichtemittierenden Dioden eine unerwünschte Faltenbildung der Membran 12 bei ihrer Verarbeitung, insbesondere bei ihrer Einkapselung, vermieden werden.
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Bei einem fünften Schritt S5 wird die Membran 12 derart auf der ersten Schicht 26 angeordnet, dass zumindest ein zweiter Teilbereich 38 der Membran 12 zumindest einen dritten Teilbereich 40 der ersten Schicht 26 überdeckt und berührt. Somit überdeckt und berührt die erste Schicht 26 zumindest den Teilbereich 28 des Tragrahmens 14, insbesondere der Oberfläche 24, wobei zumindest der Teilbereich 38 den Teilbereich 40 überdeckt und berührt. Bei dem fünften Schritt S5 wird beispielsweise ein Bewegungselement 42 verwendet, um die Membran 12 auf die beschriebene Weise auf der ersten Schicht 26 anzuordnen. Das Bewegungselement 42 ist beispielsweise ein Sauger, insbesondere ein Vakuum-Sauger, mittels welchem die Membran 12 angesaugt wird. Dies bedeutet, dass die Membran 12 durch einen mittels des Bewegungselements 42 bewirkten Unterdruck beziehungsweise durch ein mittels des Bewegungselements 42 bewirktes Vakuum an das Bewegungselement 42 gehalten wird. Hierdurch kann die Membran 12 mittels des Bewegungselements 42 relativ zu dem Tragrahmen 14 und relativ zu der ersten Schicht 26 bewegt werden. Dabei ist es vorteilhaft, wenn eine freie Kante 44 des Bewegungselements 42 nahe an einer freien Kante 46 der Membran 12 angeordnet ist, um sicher zu stellen, dass ein Bereich der Membran 12, der eingekapselt wird, flach auf der Schicht 26 zum Liegen kommt. Da - wie zuvor beschrieben - die erste Schicht 26 gehärtet wurde, bis die Oberfläche 34 klebrig ist, und da die Membran 12 mittels des Bewegungselements 42 in Kontakt mit der Oberfläche 34 bewegt wird, klebt die Membran 12 an der Oberfläche 34 und somit an der Schicht 26. Mit anderen Worten reicht die Klebrigkeit der zunächst nur teilweise gehärteten Schicht 26 aus, dass die Membran 12, insbesondere der Teilbereich 38, an der Schicht 26, insbesondere an dem Teilbereich 40, anhaftet.
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Bei einem sechsten Schritt S6 des Verfahrens wird eine zweite Schicht 48 des Klebstoffes 16 derart auf den Tragrahmen 14 und die Membran 12 aufgebracht, dass die zweite Schicht 48 zumindest den ersten Teilbereich 28 des Tragrahmens 14, den zweiten Teilbereich 38 der Membran 12, den dritten Teilbereich 40 der Schicht 26 jeweils zumindest teilweise, insbesondere zumindest überwiegend oder vollständig, sowie einen sich an die erste Schicht 26 anschließenden vierten Teilbereich 50 des Tragrahmens 14 überdeckt und zumindest den zweiten Teilbereich 38, insbesondere auf einer dem Tragrahmen 14 abgewandten Seite der Membran 12, und den vierten Teilbereich 50 berührt. Aus 1 ist erkennbar, dass die Membran 12 derart auf der Schicht 26 angeordnet wird, dass ein sich an den Teilbereich 40 anschließender fünfter Teilbereich 52 der Schicht 26 überdeckungsfrei zu der Membran 12 angeordnet ist. Dabei überdeckt die zweite Schicht 48 auch den Teilbereich 52 und berührt den Teilbereich 52. Durch das Verfahren wird die Membran 12 besonders vorteilhaft eingekapselt und dabei gegen den Tragrahmen 14 abgedichtet, so dass ein besonders vorteilhafter und insbesondere effektiver und effizienter Betrieb der Brennstoffzelle gewährleistet werden kann. Die zweite Schicht 48 überdeckt auch einen sich an den Teilbereich 38 anschließenden Teilbereich 54 der Membran 12, wobei zumindest ein Teil des Teilbereichs 54 überdeckungsfrei zu dem Tragrahmen 14 angeordnet ist. Hierdurch wird die Membran 12 besonders vorteilhaft eingekapselt.
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Ferner ist aus 1 besonders gut erkennbar, dass an dem zweiten Abstützelement 22 ein sich an den zweiten Teilbereich 38 anschließender sechster Teilbereich 56 der Membran 12 abgestützt wird, um dadurch eine unerwünschte Faltenbildung der Membran 12 zu vermeiden und somit die Membran 12 besonders vorteilhaft einkapseln zu können.
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Bei dem dritten Schritt S3 wird beispielsweise ein erster Siebdruckprozess durchgeführt, um die erste Schicht 26 durch Siebdruck auf den Tragrahmen 14 aufzubringen. Bei dem sechsten Schritt S6 wird beispielsweise ein zweiter Siebdruckprozess durchgeführt, um die zweite Schicht 48 auf die beschriebene Weise durch Siebdruck aufzubringen. Bei dem sechsten Schritt S6 werden die Membran 12 und der Tragrahmen 14 mit der Schicht 48 überdruckt, indem die Schicht 48 teilweise auf die Membran 12 und teilweise auf den Tragrahmen 14 direkt aufgedruckt wird. Unter diesem direkten Aufdrucken ist zu verstehen, dass die Schicht 48 sowohl die Membran 12 als auch den Tragrahmen 14 berührt, wodurch die Membran 12 besonders vorteilhaft eingekapselt und insbesondere gegen den Tragrahmen 14 abgedichtet werden kann. Insbesondere wird die zuvor genannte freie Kante 46 eingekapselt, wobei die Kante 46 beispielsweise in Umfangsrichtung der Membran 12 vollständig umläuft.
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Zum Durchführen des jeweiligen Siebdruckprozesses kommt beispielsweise eine Schablone beziehungsweise ein Sieb zum Einsatz. Zumindest bei dem in Schritt S6 durchgeführten Siebdruckprozess weist das Sieb zwei voneinander unterschiedliche Emulsionshöhlen h1 und h2 auf, um die Schicht 48 entsprechend ausgestalten zu können. Hierzu ist beispielsweise ein spezieller Herstellungsprozess vorgesehen. Bei einem siebten Schritt S7 des Verfahrens wird zumindest die zweite Schicht 48 mit UV-Licht 58 beaufschlagt, um dadurch zumindest die zweite Schicht 48 zumindest teilweise, insbesondere zumindest überwiegend oder vollständig, zu härten. Das UV-Licht 58 zum Härten der zweiten Schicht 48 wird beispielsweise von der zuvor genannten Lichtquelle oder aber von einer davon unterschiedlichen Lichtquelle bereitgestellt, welche beispielsweise ebenfalls wenigstens eine oder mehrere lichtemittierende Dioden (LED) umfassen kann, mittels welchen das UV-Licht 58 bereitgestellt wird.
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Bei dem siebten Schritt S7 kann ein sogenanntes Schattenhärten des Klebstoffes 16 erfolgen, wobei ein solches Schattenhärten wünschenswert ist. Unter dem Schattenhärten ist zu verstehen, dass zumindest ein Teil des Klebstoffes 16 ohne direkte Beaufschlagung mit UV-Licht aushärtet. Das beschriebene Überdrucken der Membran 12, des Tragrahmens 14 und der ersten Schicht 26 mit der zweiten Schicht 48 erhält die Integrität der Dicke des Klebstoffes 16. Ferner kann bei dem siebten Schritt S7 das optische Erfassungssystem 35 zum Einsatz kommen, mittels welchem beispielsweise die Qualität der zum Überdrucken zum Einsatz kommenden zweiten Schicht 48 erfasst beziehungsweise bestimmt und überwacht wird. In Kombination mit dem bei dem dritten Schritt S3 zum Einsatz kommenden optischen Erfassungssystem 35 und der bei dem dritten Schritt S3 erfolgenden Bestimmung der Qualität der Schicht 26 kann die gesamte Einkapselung der Membran 12, insbesondere über den gesamten Umfang beziehungsweise über die gesamte Erstreckung der Einkapselung, qualitativ und/oder quantitativ überprüft beziehungsweise bewertet werden.
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2 zeigt weitere, mögliche Schritte S8, S9 und S10 des Verfahrens. Bei dem achten Schritt S8 des Verfahrens werden Gasdiffusionsschichten 60 und 62 der MEA bereitgestellt, wobei die Gasdiffusionsschichten 60 und 62 auch als Gasdiffusionslagen (GDL) bezeichnet werden. Die jeweilige Gasdiffusionsschicht 60 beziehungsweise 62 umfasst wenigstens eine beispielsweise als Gasdiffusionselektrode (GDE) ausgebildete Elektrode, wobei die Elektrode der Gasdiffusionsschicht 60 als Kathode und die Elektrode der Gasdiffusionsschicht 62 als Anode ausgebildet ist. Bei dem achten Schritt S8 wird eine dritte Schicht 64 des Klebstoffes 16 auf die Gasdiffusionsschicht 60 aufgebracht, insbesondere aufgedruckt. Ferner wird eine vierte Schicht 66 des Klebstoffes 16 auf die Gasdiffusionsschicht 62 aufgebracht, insbesondere aufgedruckt. Beispielsweise wird die jeweilige Schicht 64 beziehungsweise 66 durch Siebdruck auf die jeweilige Gasdiffusionsschicht 60 beziehungsweise 62 aufgedruckt. Die jeweilige Schicht 64 beziehungsweise 66 sollte keinen oder nur geringen Einfluss auf die Einkapselung der Membran 12 haben.
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Bei dem neunten Schritt S9 des Verfahrens wird die jeweilige Gasdiffusionsschicht 60 beziehungsweise 62 an einer jeweiligen Platte 68 beziehungsweise 70 angeordnet, wobei die Platte 68 als Kathodenplatte und die Platte 70 als Anodenplatte ausgebildet ist. Bei dem neunten Schritt S9 sind die Platten 68 und 70 zunächst noch kalt. Durch die Schritte S1 bis S7 wird beispielsweise ein Verbund hergestellt, welcher den Tragrahmen 14 und die mit dem Tragrahmen 14 verklebte Membran 12 und dabei die Schichten 26 und 48 umfasst. Bei dem neunten Schritt S9 wird der genannte Verbund von den Abstützelementen (Siebdrucktisch 20 und Abstützelement 22) entnommen und beispielsweise auf der Platte 70 und der mit der Schicht 66 versehenen Gasdiffusionsschicht 62 derart angeordnet, dass - wie in 2 durch einen Pfeil 72 veranschaulicht ist - der Tragrahmen 14 auf der Platte 70 angeordnet wird und die Platte 70 berührt, und die Membran 12 zumindest auf der Schicht 66 angeordnet wird und dabei die Schicht 66 berührt. In der Folge wird beispielsweise die Membran 12 zumindest mittels der Schicht 66 mit der Gasdiffusionsschicht 62 verklebt. Ferner werden die Platte 68 und die Gasdiffusionsschicht 60 mit der Schicht 64 derart auf dem Verbund angeordnet, dass beispielsweise die Gasdiffusionsschicht 60 in Kontakt mit der Schicht 48 und die Schicht 64 in direkten Kontakt mit der Membran 12 kommt, wodurch die Gasdiffusionsschicht 60 beispielsweise über die Schichten 48 und 64 mit der Membran 12 verklebt wird. Der Schritt S9 wird beispielsweise mittels eines Laminators durchgeführt, mittels welchem ein Laminat hergestellt wird, das den genannten Verbund und die Platten 68 und 70 mit den Gasdiffusionsschichten 60 und 62 und den Schichten 64 und 66 umfasst. Dabei wird der genannte Verbund zwischen der Platte 68 mit der Gasdiffusionsschicht 60 und der Schicht 64 und der Platte 70 mit der Gasdiffusionsschicht 62 und der Schicht 66 angeordnet.
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Bei dem zehnten Schritt S10 werden die Platten 68 und 70 erwärmt, um dadurch beispielsweise den genannten Verbund und die Gasdiffusionsschichten 60 und 62 mit den Schichten 64 und 66 zu erwärmen. Hierbei kommt beispielsweise Impulsheizen zum Einsatz, wobei andere Arten von Laminierungsprozessen eingesetzt werden können. Bei dem zehnten Schritt S10 erfolgt die eigentliche Laminierung, indem die Platten 68 und 70 gegeneinander gepresst werden, was in 2 durch Pfeile 74 veranschaulicht ist. Durch dieses Gegeneinanderpressen der Platten 68 und 70, insbesondere im erwärmten Zustand der Platten 68 und 70, wird das Laminat verpresst, welches den genannten Verbund und die Gasdiffusionsschichten 60 und 62 mit den Schichten 64 und 66 umfasst. Insbesondere wird das Laminat durch einen Laminatdruck verpresst. Das Verpressen des Laminats beziehungsweise der Laminatdruck bewirkt zusammen mit dem Erwärmen der Platten 68 und 70, dass der Klebstoff, aus welchem die Schichten 64 und 66 gebildet sind, fließt und dabei insbesondere in gewünschte Bereiche fließt. Insbesondere der die Schicht 66 bildende Klebstoff fließt zwischen die Membran 12 und den Tragrahmen 14 und zwischen die Gasdiffusionsschicht 62 und den Tragrahmen 14, um dort jeweilige Lücken beziehungsweise Spalte zumindest teilweise, insbesondere zumindest überwiegend oder vollständig, zu füllen und zu schließen. Durch das Erwärmen der Platten 68 und 70 stellen diese Wärme bereit beziehungsweise strahlen Wärme ab, wobei die Wärme beispielsweise von den Platten 68 und 70 auf die Gasdiffusionsschichten 60 und 62 und/oder den Verbund und/oder die Schichten 64 und 66 übergeht. Mittels dieser Wärme können beispielsweise die Schichten 64 und 66 und/oder die Schichten 26 und 48 ausgehärtet werden. Da zuvor die Schichten 26 und 48 durch UV-Licht ausgehärtet wurden, erfolgen keine maßlichen Änderungen der Einkapselung der Membran 12.
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In 3 ist ein offener Bereich B des Klebstoffes 16 erkennbar, welcher weder kritisch noch erforderlich ist, jedoch genutzt werden kann, um die Qualität der MEA, insbesondere mittels des optischen Erfassungssystems 35, final zu überprüfen beziehungsweise zu erfassen, wobei insbesondere die Position der Membran 12 und deren Einkapselung überprüft werden können. Bei dem Verfahren werden zumindest die zwei Siebdruckprozesse zusammen mit der Härtung des Klebstoffes 16 durch UV-Licht genutzt, wodurch die Integrität der Dicke des Klebstoffes 16 überprüft werden kann. Dies stellt sicher, dass die Membran 12 vorteilhaft eingekapselt und dabei an dem Tragrahmen 14 befestigt ist, wodurch die Membran 12 gegen den Tragrahmen 14 abgedichtet ist und die MEA insgesamt besonders vorteilhaft dicht gestaltet werden kann. Ferner können dadurch unerwünschte Randreaktionen vermieden werden. Insbesondere mit Hilfe des optischen Erfassungssystems 35 kann die Qualität der Einkapselung quantifiziert werden, insbesondere während der Durchführung des Verfahrens. Die Dicke der jeweiligen Schicht 26 beziehungsweise 48 ist besonders dünn. Da dabei beispielsweise UV-Licht, welches insbesondere von LEDs bereitgestellt wird, genutzt wird, um die jeweilige Schicht 26 beziehungsweise 48 auszuhärten, kann die MEA in einer nur geringen Taktzeit hergestellt werden, ohne dabei die Stabilität der Membran 12 durch Hitze zu beeinträchtigen. Ferner wird der Tragrahmen 14 als einziges Einkapselungssubstrat genutzt, wodurch eine stabile und flache Druckoberfläche geschaffen werden, insbesondere im Vergleich zu einer von einer Gasdiffusionsschicht bereitgestellten Oberfläche. Das Verbinden der Gasdiffusionsschichten 60 und 62 beziehungsweise der genannten Elektroden mit dem genannten Verbund hat einen nur geringen oder gar keinen Effekt auf die Einkapselung der Membran 12, wodurch die Elektroden beziehungsweise die Gasdiffusionsschichten 60 und 62 besonders einfach und prozesssicher mit dem genannten Verbund verbunden werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015117077 A1 [0002]
- DE 102011105071 A1 [0003]
