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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Dichtung für eine Verteilungsstruktur einer Brennstoffzelle nach dem Oberbegriff des unabhängigen Verfahrensanspruches sowie eine Verteilungsstruktur einer Brennstoffzelle mit einer entsprechenden Dichtung nach dem unabhängigen Vorrichtungsanspruch.
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Stand der Technik
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Dichtungen für Brennstoffzellen sind grundsätzlich bekannt. Die bekannten Dichtungen werden in der Regel auf die abzudichtenden Verteilungsstrukturen der Brennstoffzellen, wie z. B. Bipolarplatten oder Membranen-Elektroden-Einheiten, angespritzt. Dabei wird zumeist flüssige Dichtmasse verwendet, die anschließend ausgehärtet wird. Als Dichtmasse werden oft lichthärtende Klebstoffe verwendet, die relativ schnell aushärten und somit relativ kurze Prozesszeiten erlauben.
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Beim Aushärten solcher Dichtmassen werden aus Monomeren Polymerketten gebildet, welche am Ende der Kette oft ein ungepaartes Elektron (bzw. freies Radikal) besitzen. Beim Aushärten werden stetig neue Monomere an die Kette angelagert, sodass diese wächst. Eine lange Kette wird hierbei bevorzugt, da diese unter anderem, verglichen mit kurzen Ketten, relativ schlecht löslich ist.
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An der Oberfläche der Dichtungen reagieren die ungepaarten Elektronen mit Sauerstoff. Das Kettenwachstum wird unterbrochen. Es werden daher an der Oberfläche der Dichtungen Polymere mit kürzeren Kettenlängen gebildet, welche eine Löslichkeit im Wasser zeigen können. Werden die Polymerketten vom Wasser gelöst, können diese in die Brennstoffzelle eindringen und dort mit z.B. den Elektrodenmaterialien (z.B. Katalysator) wechselwirken, was sich negativ auf die Zellperformance auswirken kann. Des Weiteren wird die Dichtung zum Teil abgebaut, was eine Gefahr einer Leckage bzw. Eindringen von Fremdsubstanzen in die Brennstoffzelle mit sich bringt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung sieht gemäß einem ersten Aspekt ein Verfahren zum Herstellen einer Dichtung für eine Verteilungsstruktur einer Brennstoffzelle mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruches vor. Gemäß einem zweiten Aspekt sieht die Erfindung eine Verteilungsstruktur einer Brennstoffzelle mit einer entsprechenden Dichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruches vor. Weitere Vorteile, Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit unterschiedlichen Aspekten der Erfindung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit anderen Aspekten und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Die vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren zum Herstellen einer Dichtung für eine Verteilungsstruktur einer Brennstoffzelle, aufweisend folgende Schritte:
- 1) Auftragen einer Dichtmasse auf eine Trägerstruktur,
- 2) Aushärten der aufgetragenen Dichtmasse auf der Trägerstruktur. Erfindungsgemäß wird im Schritt 2) ein Aushärten der Dichtmasse auf der Trägerstruktur unter Sauerstoff-Ausschluss durchgeführt.
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Als Dichtmasse kann bspw. ein Klebstoff auf Polymerbasis, insbesondere auf Acrylatbasis, verwendet werden. Die Dichtmasse kann im Schritt 1) bspw. flüssig aufgetragen werden. Ein Aushärten der Dichtmasse im Schritt 2) kann bspw. unter Bestrahlung mit UV-Licht erfolgen.
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Im Rahmen der Erfindung kann als Trägerstruktur direkt die Verteilungsstruktur der Brennstoffzelle dienen, sodass nach dem Auftragen und Aushärten der Dichtmasse eine fertige Verteilungsstruktur mit der angebrachten Dichtung bereitgestellt wird.
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Zudem ist es im Rahmen der Erfindung denkbar, dass die Trägerstruktur nach dem Auftragen und Aushärten der Dichtmasse entfernt wird und die fertige Dichtung an einer separaten Verteilungsstruktur der Brennstoffzelle angebracht wird.
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Vorteilhafterweise wird mithilfe der Erfindung erreicht, dass an der Oberfläche der Dichtung relativ lange Polymerketten gebildet werden, wodurch die Dichtung mit verbesserten Eigeschafften geschaffen wird. Dabei wird die Wasserbeständigkeit der Dichtung erheblich verbessert. Somit wird ein Eindringen von gelösten Polymerketten in die Brennstoffzelle verhindert und die Lebensdauer von Elektrodenmaterialien (z.B. Katalysator) sowie der Brennstoffzelle selbst verlängert. Insgesamt lässt sich dadurch die Zellperformance erhöhen. Auch wird somit die Gefahr einer Leckage bzw. Eindringen von Fremdsubstanzen in die Brennstoffzelle wesentlich reduziert.
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Ferner kann die Erfindung vorsehen, dass im Schritt 2) ein Aushärten der auf der Trägerstruktur aufgetragenen Dichtmasse mithilfe von elektromagnetischen Wellen, insbesondere vom UV-Licht und/oder vom sichtbaren Licht, oder mithilfe von Elektronenstrahlung durchgeführt wird. Die Dichtmasse wird im Schritt 1) zumeist im flüssigen Zustand aufgetragen. Durch Bestrahlen der aufgetragenen Dichtmasse im Schritt 2) mithilfe von elektromagnetischen Wellen oder mithilfe von Elektronenstrahlung wird der Härtungsprozess beschleunigt und Prozesszeiten reduziert. UV-Licht kann vorteilhaft sein, um den Härtungsprozess besonders effektiv durchzuführen. Sichtbares Licht kann vorteilhaft sein, um die Systemkosten zu reduzieren. Eine Elektronenbestrahlung kann vorteilhaft sein, wenn die Dichtmasse zum Härten Elektronen erfordert.
Weiterhin kann die Erfindung vorsehen, dass im Schritt 2) ein Aushärten der auf der Trägerstruktur aufgetragenen Dichtmasse im Vakuum, in einer Argon-Atmosphäre, in einer Stickstoff-Atmosphäre oder in einer Kohlenstoffdioxid-Atmosphäre durchgeführt wird. Somit kann auf eine einfache und vielfältige Weise ein Sauerstoff-Ausschuss für den Schritt 2) ermöglicht werden.
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Des Weiteren kann die Erfindung vorsehen, dass im Schritt 1) ein Auftragen der Dichtmasse auf die Trägerstruktur mithilfe eines der folgenden Verfahren durchgeführt wird:
- - Anspritzen,
- - Stempeln,
- - Drucken,
- - 3D-Drucken,
- - Offsetdrucken,
- - Tiefdrucken,
- - Flexodrucken, oder
- - Siebdrucken.
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Ein Anspritzen, bspw. mithilfe eines Dispensers, kann vorteilhaft sein, um bestimmte Geometrien der Dichtung herzustellen, die bspw. eine Membranen-Elektroden-Einheit umranden und/oder die Öffnungen zum Zuführen oder Abführen von Reaktanten und/oder Kühlmittel definieren kann. Grundsätzlich ist es aber auch denkbar, dass die Dichtmasse flächig aufgetragen wird und die bestimmten Geometrien der Dichtung anschließend durch Ausstanzen ausgeschnitten werden. Ein Stempeln kann vorteilhaft sein, um die Produktionszeiten zu reduzieren und die Herstellung zu automatisieren. Ein Drucken kann vorteilhaft sein, um die Dichtmasse mit wenig Ausschuss und mit hoher Präzision aufzutragen. Vorteile eines 3D-Druckes sind hohe Automatisierungsgrade sowie die Möglichkeit der Herstellung 3-dimensionaler, komplexer Dichtungen. Vorteile eines Offsetdruckes, eines Tiefdruckes und des Flexodruckes sind ebenfalls hohe Automatisierungsgrade und die Möglichkeit einer Fließbandherstellung von Dichtungen. Ein Siebdruck kann ebenfalls vorteilhaft sein, um den Herstellungsprozess zu automatisieren und bspw. eine Verwendung eines Paternosters zum Automatisieren des Herstellungsprozesses.
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Zudem kann die Erfindung vorsehen, dass im Schritt 2) ein Aushärten der auf der Trägerstruktur aufgetragenen Dichtmasse in einem Tauchbehälter durchgeführt wird, der dazu dient, einen Sauerstoff-Ausschluss bereitzustellen. Ein Verwenden von einem Tauchbehälter kann vorteilhaft sein, um den Sauerstoff-Ausschuss einfacher und schneller herzustellen. So kann in einem Tauchbehälter ein Gas eingeführt werden, welches schwerer als Sauerstoff ist, um den Sauerstoff einfach aus dem Tauchbehälter zu verdrängen. Mithilfe eines, vorzugsweise abgeschlossenen, Tauchbehälters kann eine gewünschte Atmosphäre und sogar Vakuum zum Aushärten der Dichtmasse hergestellt werden.
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Außerdem kann die Erfindung vorsehen, dass im Schritt 2) der Tauchbehälter mit einem Deckel verwendet wird, wobei der Deckel zum Aufnehmen der zu härtenden Dichtmasse geöffnet und zum Ausbringen der ausgehärteten Dichtmasse geschlossen wird. Mithilfe eines Deckels kann auf eine einfache Art und Weise ein abgeschlossener Tauchbehälter bereitgestellt werden, welcher bei Bedarf, bspw. automatisiert, geöffnet und/oder geschlossen werden kann.
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Ferner kann die Erfindung vorsehen, dass im Schritt 2) ein Aushärten der auf der Trägerstruktur aufgetragenen Dichtmasse unter Sauerstoff-Ausschluss für eine Dauer von 10 Sekunden bis 10 Minuten, insbesondere 30 Sekunden bis 5 Minuten, vorzugsweise 2 Minuten, durchgeführt wird. Mit diesen Prozesszeiten kann eine zuverlässige Aushärtung sichergestellt werden, die nicht zu lange dauert, um den Herstellungsprozess möglichst schnell durchführen zu können.
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Weiterhin kann die Erfindung vorsehen, dass die Schritte 1) und 2) auf einer Fließbahn durchgeführt werden. Auf diese Weise kann der Herstellungsprozess beschleunigt werden und die Herstellung von Dichtungen und ggf. von fertigen Verteilungsstrukturen mit den angebrachten Dichtungen in großer Stückzahl ermöglicht werden.
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Des Weiteren kann die Erfindung vorsehen, dass das Verfahren mindestens einen weiteren von den folgenden Schritten aufweist:
- 3) Zuschneiden der ausgehärteten Dichtmasse auf der Trägerstruktur, um der Dichtung eine Form und/oder Geometrie zu verleihen, die entsprechend an die Form und/oder Geometrie der Verteilungsstruktur der Brennstoffzelle angepasst sind/ist,
- 4) Lösen der ausgehärteten Dichtmasse von der Trägerstruktur, um die Dichtung zu erhalten,
- 5) Anbringen der im Schritt 4) erhaltenen Dichtung auf die Verteilungsstruktur der Brennstoffzelle.
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Somit kann die Dichtung unabhängig von der Verteilungsstruktur der Brennstoffzelle hergestellt werden. Als Trägerstruktur ist dabei eine Folie denkbar, die vorzugsweise an der Fließbahn bearbeitet und/oder bedruckt werden kann. Unter einem Zuschneiden kann dabei ein Zuschneiden in Form, d. h. der Länge nach, und/oder ein Zuschneiden einer bestimmten Geometrie für die Dichtung verstanden werden, wobei die Geometrie bspw. eine Membranen-Elektroden-Einheit umranden und/oder die Öffnungen zum Zuführen oder Abführen von Reaktanten und/oder Kühlmittel definieren kann.
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Zudem kann die Erfindung vorsehen, dass in den Schritten 1) und 2) die Verteilungsstruktur der Brennstoffzelle als die Trägerstruktur verwendet wird. Somit kann die Verteilungsstruktur unmittelbar mit einer Dichtung versehen werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt sieht die Erfindung eine Verteilungsstruktur für eine Brennstoffzelle vor, die mit einer Dichtung ausgeführt ist, die wie oben beschrieben hergestellt werden kann. Die Dichtung, die wie oben beschrieben hergestellt werden kann, ist besonders beständig, insbesondere gegenüber von Wasser. Eine solche Dichtung weist dabei besonders lange Polymerkette an Ihrer Oberfläche auf, ist robust und langlebendig.
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Figurenliste
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Die Erfindung und deren Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
- 1 einen beispielhaften Ablauf eines herkömmlichen Verfahrens zum Herstellen einer Dichtung,
- 2 einen beispielhaften Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Dichtung, und
- 3 einen beispielhaften Ablauf eines weiteren möglichen erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Dichtung.
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Die 1 zeigt lediglich beispielhaft, wie beim Herstellen einer Dichtung 100 für eine Verteilungsstruktur 101 einer Brennstoffzelle im ersten Schritt 1) eine Dichtmasse 20 auf einer Trägerstruktur 10, die unmittelbar die Verteilungsstruktur 101 sein kann, aufgetragen, bspw. angespritzt, und im zweiten Schritt 2) gehärtet wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird im Nachfolgenden mithilfe der 2 und 3 erklärt.
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Die 2 und 3 zeigen, dass das Verfahren zum Herstellen einer Dichtung 100 für eine Verteilungsstruktur 101 einer Brennstoffzelle, grundsätzlich zwei Schritte aufweist:
- 1) Auftragen einer, vorzugsweise flüssigen, Dichtmasse 20 auf eine Trägerstruktur 10, bspw. mithilfe eines Dispensers 21,
- 2) Aushärten der aufgetragenen Dichtmasse 20 auf der Trägerstruktur 10, bspw. mithilfe von elektromagnetischen Wellen, insbesondere vom UV-Licht und/oder vom sichtbaren Licht, oder mithilfe von Elektronenstrahlung.
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Die Brennstoffzelle im Ganzen ist aus Einfachheitsgründen in den 1 und 2 nicht dargestellt.
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Erfindungsgemäß wird im Schritt 2) ein Aushärten der Dichtmasse 20 auf der Trägerstruktur 10 unter Sauerstoff-Ausschluss, vorzugsweise in einem Tauchbehälter 30, durchgeführt, wobei der Tauchbehälter 30 abschließbar ausgeführt sein kann. Auf die Einzelheiten der Erfindung wird nachfolgend im Detail eingegangen.
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Im Rahmen der Erfindung kann als Trägerstruktur 10 direkt die Verteilungsstruktur 101 der Brennstoffzelle verwendet werden. Somit kann ermöglicht werden, dass nach dem Auftragen und Aushärten der Dichtmasse 20 eine fertige Verteilungsstruktur 101 mit der angebrachten Dichtung 100 bereitgestellt wird.
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Alternativ ist es denkbar, dass die Trägerstruktur 10 nach dem Auftragen und Aushärten der Dichtmasse 20 entfernt und dass anschließend die fertige Dichtung 100 an einer separaten Verteilungsstruktur 101 der Brennstoffzelle angebracht werden kann.
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Mithilfe eines Sauerstoff-Ausschlusses im Schritt 2) wird verhindert, dass freie Elektronen an der Oberfläche der Dichtung mit Sauerstoff reagieren und die Bildung von Polymerketten unterbrochen wird. Somit kann vorteilhafterweise sichergestellt werden, dass an der Oberfläche der Dichtung 100 relativ lange Polymerketten gebildet werden, wodurch die Dichtung 100 mit einer verbesserten Wasserbeständigkeit und Langlebendigkeit bereitgestellt werden kann, die außerdem robust und zugleich gut dehnbar ist. Somit kann insgesamt die Zellperformance erhöht und die Betriebsdauer der Brennstoffzelle verlängert werden.
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Zum Auftragen der Dichtmasse 20 auf die Trägerstruktur 10 im Schritt 1) kann eines der folgenden Verfahren verwendet werden:
- - Anspritzen,
- - Stempeln,
- - Drucken,
- - 3D-Drucken,
- - Offsetdrucken,
- - Tiefdrucken,
- - Flexodrucken, oder
- - Siebdrucken.
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Der Sauerstoff-Ausschluss im Schritt 2) zum Aushärten der auf der Trägerstruktur 10 aufgetragenen Dichtmasse 20 kann durch ein Vakuum, eine Argon-Atmosphäre, eine Stickstoff-Atmosphäre oder eine Kohlenstoffdioxid-Atmosphäre ermöglicht werden.
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Zum Herstellen eines Sauerstoff-Ausschlusses kann ein Tauchbehälter 30 verwendet werden. Der Tauchbehälter 30 kann mit einem Deckel 31 verwendet werden, welcher schematisch in der 3 angedeutet ist. Der Deckel 31 kann zum Aufnehmen der zu härtenden Dichtmasse 20 geöffnet und zum Ausbringen der ausgehärteten Dichtmasse 20 geschlossen werden.
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Der Schritt 2) kann im Rahmen der Erfindung für eine Dauer von 10 Sekunden bis 10 Minuten, insbesondere 30 Sekunden bis 5 Minuten, vorzugsweise 2 Minuten, durchgeführt werden.
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Wie es die 3 des Weiteren andeutet, können die Schritte 1) und 2) auf einer Fließbahn B durchgeführt werden. Auf diese Weise kann der Herstellungsprozess automatisiert und beschleunigt werden.
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Über dies kann ein Verfahren im Sinne der Erfindung mindestens einen weiteren von den folgenden Schritten aufweisen:
- 3) Zuschneiden der ausgehärteten Dichtmasse 20 auf der Trägerstruktur 10, um der Dichtung 100 eine Form (bzw. Umriss) und/oder Geometrie (mit allen Öffnungen) zu verleihen, die entsprechend an die Form und/oder Geometrie der Verteilungsstruktur 101 der Brennstoffzelle angepasst sind/ist,
- 4) Lösen der ausgehärteten Dichtmasse 20 von der Trägerstruktur 10, um die Dichtung 100 zu erhalten,
- 5) Anbringen der im Schritt 4) erhaltenen Dichtung 100 auf die Verteilungsstruktur 101 der Brennstoffzelle.
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Somit kann die Dichtung 100 in großer Stückzahl hergestellt werden.
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Gemäß den 2 und 3 ist aber möglich, dass in den Schritten 1) und 2) die Verteilungsstruktur 101 der Brennstoffzelle als die Trägerstruktur 10 verwendet wird, die Verteilungsstruktur 101 unmittelbar mit einer Dichtung 100 zu versehen.
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Die voranstehende Beschreibung der Figuren beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern es technisch sinnvoll ist, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
