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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bedrucken eines Substrats mit einem Dicht- und/oder Klebstoff. Bei dem Substrat kann es sich insbesondere um eine Schicht oder eine Lage einer elektrochemischen Zelle handeln, beispielsweise um eine Mono- oder Bipolarplatte, eine Separatorplatte und/oder eine Membran-Elektroden-Anordnung. Das Bedrucken des Substrats mit dem Dicht- und/oder Klebstoff dient insbesondere der Herstellung einer Dichtung. Die Erfindung betrifft daher ferner eine elektrochemische Zelle mit einer gedruckten Dichtung.
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Stand der Technik
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Elektrochemische Zellen, wie beispielsweise Brennstoffzellen, Elektrolysezellen oder Batteriezellen, weisen einen mehrschichtigen bzw. mehrlagigen Aufbau auf. Dieser Aufbau erfordert zwischenliegende Dichtungen, um die im Betrieb einer Zelle zugeführten Medien voneinander zu trennen. Zur Ausbildung der Dichtungen wird ein Dicht- und/oder Klebstoff auf eine Schicht oder Lage der Zelle appliziert. Hierbei gelangen insbesondere Dispens- oder Druckverfahren zum Einsatz.
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Die Massenproduktion elektrochemischer Zellen erfordert eine hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit, das heißt kurze Taktzeiten, sowie eine hohe Prozessstabilität. Diesen Anforderungen wird insbesondere der Schablonendruck gerecht. Der Druckprozess beim Schablonendruck gliedert sich dabei prinzipiell in die folgenden drei Teilprozesse:
- 1. Applizieren des Dicht- und/oder Klebstoffs auf der Schablone, die zuvor auf das zu bedruckende Substrat aufgelegt wurde,
- 2. Befüllen der Schablonenausnehmung oder Schablonenausnehmungen mit dem Dicht- und/oder Klebstoff in einem Rakelprozess,
- 3. Auslösen des Dicht- und/oder Klebstoffs aus der Schablonenausnehmung bzw. den Schablonenausnehmungen durch Trennen der Schablone vom Substrat.
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Die Schablonendicke bestimmt dabei die Schichthöhe der applizierten Struktur, wobei übliche Schichthöhen im Bereich von 300 µm bis 500 µm liegen. Für Dichtungen elektrochemischer Zellen werden jedoch Schichthöhen von bis zu 1500 µm gefordert, um einen Toleranzausgleich zu erzielen und möglichst frei im Design der aufzubringenden Strukturen zu sein. Denn - abhängig vom jeweiligen Dichtungskonzept - können die aufzubringenden Strukturen groß und/oder komplex sein.
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Um die für Dichtungen elektrochemischer Zellen geforderten Schichthöhen beim Schablonendruck zu erzielen, müssen demnach dickere Schablonen eingesetzt werden. Dies erhöht jedoch die Gefahr, dass während des Rakelprozesses zum Befüllen der Schablonenausnehmung bzw. Schablonenausnehmungen mit dem applizierten Dicht- und/oder Klebstoff Luftblasen mit eingearbeitet werden, die anschließend zu Fehlstellen führen. Denn mit der Schablonendicke vergrößert sich auch das mit dem Dicht- und/oder Klebstoff zu füllende Volumen der Schablonenausnehmung bzw. Schablonenausnehmungen.
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Diese Problematik wird nachfolgend anhand der 1a) und 1b) erläutert, welche eine auf einem Substrat 1 aufliegende Schablone 3 mit einer Ausnehmung 4 zeigen, die es mit einem Dicht- und/oder Klebstoff 2 zu befüllen gilt. Hierzu wird eine Rakel 7 über die Oberseite 3.1 der Schablone 3 gezogen. In Rakelrichtung 8 zum Ende der Ausnehmung 4 hin kann nicht alle Luft aus der Ausnehmung 4 verdrängt werden, so dass sich in der Ausnehmung 4 eine Luftblase 13 ausbildet, die ein vollständiges Befüllen der Ausnehmung 4 verhindert. Das Druckbild ist in diesem Fall lückenhaft bzw. weist Fehlstellen auf. Die Gefahr einer eingeschlossenen Luftblase 13 steigt mit der Dicke d der Schablone 3.
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Die vorliegende Erfindung ist mit der Aufgabe befasst, die Gefahr von Luftblasen und damit Fehlstellen beim Bedrucken eines Substrats mit einem Dicht- und/oder Klebstoff zu verringern.
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Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie die elektrochemische Zelle mit den Merkmalen des Anspruchs 8 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Bedrucken eines Substrats mit einem Dicht- und/oder Klebstoff unter Verwendung einer Schablone, die eine Oberseite, eine Unterseite sowie mindestens eine sich von der Oberseite bis zur Unterseite ersteckende Ausnehmung aufweist. Das Verfahren umfasst die Schritte:
- - Bereitstellen eines Substrats, das eine zu bedruckenden Fläche mit mindestens einer lokalen Anhebung aufweist,
- - Auflegen der Schablone auf die mindestens eine lokale Anhebung, so dass ein Spalt zwischen der Unterseite der Schablone und der zu bedruckenden Fläche verbleibt,
- - Applizieren des Dicht- und/oder Klebstoffs auf der Oberseite der Schablone,
- - Befüllen der mindestens einen Ausnehmung der Schablone mit dem Dicht- und/oder Klebstoff mit Hilfe einer Rakel, die in einer vorgegebenen Rakelrichtung über die Oberseite der Schablone gezogen wird, wobei in der Ausnehmung vorhandene Luft über den Spalt aus der Ausnehmung verdrängt wird.
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Über den Spalt kann die Ausnehmung der Schablone beim Befüllen mit dem Dicht- und/oder Klebstoff entlüftet werden, so dass die Gefahr der Luftblasenbildung deutlich verringert ist. Die Entlüftung über den Spalt hilft somit Fehlstellen in der gedruckten Struktur zu vermeiden, was insbesondere von Bedeutung ist, wenn das Verfahren der Herstellung einer Dichtung dient, beispielsweise einer Dichtung auf einer Schicht oder Lage einer elektrochemischen Zelle.
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Zur vollständigen Entlüftung der Ausnehmung ist es nicht erforderlich, dass der Spalt zwischen der Unterseite der Schablone und der zu bedruckenden Fläche umlaufend ausgebildet ist und die Schablone über ihre gesamte Fläche gegenüber der zu bedruckenden Fläche angehoben ist. Die Schablone kann auch bereichsweise auf der zu bedruckenden Fläche aufliegen. In diesem Fall ist die Lage des Spalts durch die Rakelrichtung vorgegeben, da idealerweise der Spalt in Rakelrichtung hinter der Ausnehmung liegt. Das heißt, dass die Ausnehmung im Bereich des Spalts als letztes mit dem Dicht- und/oder Klebstoff befüllt wird. Sofern der Spalt umlaufend ausgebildet ist, kann die Rakelrichtung beliebig gewählt werden.
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Da die Gefahr der Luftblasenbildung bei dem vorgeschlagenen Verfahren deutlich verringert ist, kann die Schablonendicke erhöht werden, so dass auch Schichthöhen erzielbar sind, die deutlich über 300 µm liegen, beispielsweise bei 1500 µm, wie sie für Dichtungen elektrochemischer Zellen gefordert werden. Bei nicht umlaufendem Luftspalt kann die Schichthöhe geringfügig variieren, da die Schablone gegenüber der zu bedruckenden Fläche leicht geneigt ist.
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Die mindestens eine lokale Anhebung zur Ausbildung des Spalts wird bevorzugt in einem vorhergehenden Verfahrensschritt ein- bzw. aufgebracht.
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Zum Beispiel kann vor dem Bereitstellen des Substrats die mindestens eine lokale Anhebung in einem Umformvorgang, beispielsweise in einem Prägevorgang, in das Substrat eingebracht werden. Sofern es sich bei dem Substrat um eine Schicht oder Lage einer elektrochemischen Zelle handelt, insbesondere eine Monopolar-, eine Bipolar- oder eine Separatorplatte, die aus einem Metallblech gefertigt ist, kann die mindestens eine lokale Anhebung gleich bei der Herstellung der Platte mit eingebracht werden.
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Alternativ kann vor dem Bereitstellen des Substrats die mindestens eine lokale Anhebung durch Applizieren eines Plättchens auf das Substrat aufgebracht, insbesondere aufgeschweißt oder aufgeklebt, werden. Das Aufbringen des Plättchens zur Ausbildung der mindestens einen lokalen Anhebung kann dann unmittelbar vor dem eigentlichen Druckvorgang erfolgen. Das Plättchen muss nicht aus dem gleichen Material wie die Schablone gefertigt sein. Als Material eignet sich insbesondere Metall, insbesondere Aluminium, oder Kunststoff. Die Form des Plättchens ist weitgehend beliebig. Beispielsweise kann das Plättchen in der Draufsicht eine eckige oder runde Form aufweisen. Ferner kann mehr als nur ein Plättchen auf der zu bedruckenden Fläche des Substrats appliziert werden. Vorzugsweise bildet jedes applizierte Plättchen eine eigenständige lokale Anhebung aus. Sofern mehrere Plättchen aufgebracht werden, erfolgt vorzugsweise die Anordnung jeweils in einem Abstand zueinander.
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Die Höhe der mindestens einen lokalen Anhebung definiert zugleich die Höhe des Spalts im Bereich dieser Anhebung. Sofern die Schablone bereichsweise auf der zu bedruckenden Fläche aufliegt, variiert die Höhe des Spalts. Die maximale Spalthöhe wird lediglich im Bereich der mindestens einen lokalen Anhebung erreicht. Außerhalb dieses Bereichs nimmt die Spalthöhe kontinuierlich bis zu dem Bereich ab, in dem die Schablone auf der zu bedruckenden Fläche aufliegt.
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Bevorzugt wird durch Auflegen der Schablone auf die mindestens eine lokale Anhebung ein Spalt zwischen der Unterseite der Schablone und der zu bedruckenden Fläche geschaffen, der zumindest im Bereich der lokalen Anhebung eine Höhe von 10-200 µm aufweist. Das heißt, dass die mindestens eine vorab ein- bzw. aufzubringende lokale Anhebung ebenfalls eine Höhe von 10-200 µm aufweist. Die Spalthöhe ist demnach vergleichsweise gering, insbesondere im Vergleich zur Höhe der zu druckenden Struktur, wenn es sich bei dieser Struktur um eine Dichtung einer elektrochemischen Zelle handelt. Durch die geringe Spalthöhe wird das Eindringen von Dicht- und/oder Klebstoff verhindert, so dass es auf der zu bedruckenden Oberfläche nicht zu Verschmierungen kommt. Die Höhe des Spalts ist zugleich ausreichend groß, um die geforderte Entlüftung der Ausnehmung beim Befüllen mit dem Dicht- und/oder Klebstoff zu gewährleisten.
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Des Weiteren kann die Schablone beim Auflegen auf die mindestens eine lokale Anhebung bereichsweise in Kontakt mit der zu bedruckenden Fläche gebracht werden. Die Schablone ist in diesem Fall lediglich bereichsweise gegenüber der zu bedruckenden Fläche angehoben. Der angehobene Bereich ist dann in Bezug auf die Rakelrichtung derart zu positionieren, dass sich der angehobene Bereich bzw. der Spalt in Rakelrichtung möglichst am Ende der Ausnehmung befindet.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass beim Auflegen der Schablone auf die mindestens eine lokale Anhebung ein Abstand zwischen der mindestens einen Ausnehmung und der mindestens einen lokalen Anhebung eingehalten wird. Der Abstand gewährleistet eine sichere Entlüftung der Ausnehmung, da bei aufliegender Schablone die lokale Anhebung von der Luft leichter umströmt werden kann. Der Abstand beträgt vorzugsweise 1-10 mm.
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Sofern die mindestens eine lokale Anhebung durch ein appliziertes Plättchen ausgebildet wird, kann sie nach dem Bedrucken des Substrats wieder entfernt werden. Die Funktion des bedruckten Substrats wird demnach durch die mindestens eine lokale Anhebung nicht beeinträchtigt. Unter Umständen kann das Plättchen sogar wiederverwendet werden.
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Das Plättchen kann beispielsweise nach Art eines Etiketts auf die zu bedruckende Fläche des Substrats aufgeklebt sein. Zum Aufbringen des Plättchens kann dann eine Etikettiermaschine verwendet werden.
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Die darüber hinaus vorgeschlagene elektrochemische Zelle weist mindestens eine Schicht oder Lage auf, die zur Ausbildung einer Dichtung mit einem Dicht- und/oder Klebstoff bedruckt ist. In einem Abstand zur Dichtung ist dabei mindestens ein Plättchen zur Ausbildung einer lokalen Anhebung aufgebracht, insbesondere aufgeschweißt oder aufgeklebt. Der Abstand des Plättchens zur Dichtung beträgt vorzugsweise 1-10 mm.
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Zur Herstellung der vorgeschlagenen elektrochemischen Zelle kann insbesondere das zuvor beschriebene erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt werden. In diesem Fall ist von einer Dichtung ohne Fehlstellen auszugehen, da bei dem vorgeschlagenen Verfahren die Gefahr der Luftblasenbildung minimiert ist.
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Bevorzugt weist die Dichtung eine Höhe H1 auf, die größer als eine Höhe H2 des mindestens einen Plättchens ist. Denn bei Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens setzt sich die Höhe H1 der gedruckten Dichtung aus der Höhe H2 des Plättchens und der Dicke der Schablone zusammen. Die Höhe H2 des Plättchens beträgt vorzugsweise 10-200 µm. Die Dichtung kann beispielsweise eine Höhe H1 von 1500 µm aufweisen.
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Die mit dem Dicht- und/oder Klebstoff bedruckte Schicht oder Lage der elektrochemischen Zelle ist vorzugsweise eine Mono- oder Bipolarplatte, eine Separatorplatte und/oder eine Membran-Elektroden-Anordnung. Da zwischen diesen Schichten bzw. Lagen verschiedene Medien geführt werden, kann mit Hilfe der gedruckten Dichtung die notwendige Medientrennung bewirkt werden.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 a) und b) jeweils einen Längsschnitt durch eine herkömmliche Vorrichtung zum Bedrucken eines Substrats während des Abziehens mit Hilfe einer Rakel,
- 2 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Bedrucken eines Substrats mit einem Dicht- und/oder Klebstoff,
- 3 eine Draufsicht auf ein bedrucktes Substrat, insbesondere eine Schicht oder Lage einer elektrochemischen Zelle, mit einer gedruckten Dichtung,
- 4 einen Längsschnitt durch das Substrat der 3,
- 5 einen vergrößerten Ausschnitt der 4 im Bereich einer lokalen Anhebung des Substrats,
- 6 einen vergrößerten Ausschnitt der 3 im Bereich der lokalen Anhebung,
- 7 bis 11 jeweils eine Draufsicht auf ein bedrucktes Substrat, insbesondere eine Schicht oder Lage einer elektrochemischen Zelle, mit einer gedruckten Dichtung.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Anhand der 1a) und 1b) wurde bereits in der Beschreibungseinleitung die Problematik der Luftblasenbildung beim Schablonendruck beschrieben, so dass in Bezug auf die 1a) und 1b) auf die Beschreibungseinleitung verwiesen wird.
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Die Erfindung und ihre Vorteile werden nachfolgend anhand der 2 bis 11 näher beschrieben.
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2 zeigt ein Substrat 1, bei dem es sich um eine Schicht oder Lage 10 einer elektrochemischen Zelle, beispielsweise um eine Bipolarplatte, handelt. Das Substrat 1 weist eine zu bedruckende Fläche 1.1 auf, die zur Ausbildung einer Dichtung mit einem Dicht- und/oder Klebstoff 2 bedruckt werden soll. Hierbei findet das erfindungsgemäße Verfahren Einsatz.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird auf die zu bedruckende Fläche 1.1 des Substrats 1 zunächst ein Plättchen 9 appliziert, beispielsweise aufgeklebt, so dass das Plättchen 9 eine lokale Anhebung 6 ausbildet. Alternativ kann die lokale Anhebung 6 auch bereits in das Substrat 1 eingeformt sein, so dass das Applizieren des Plättchens 9 entfällt. Anschließend wird eine Schablone 3 mit einer Ausnehmung 4, die sich von einer Oberseite 3.1 bis zu einer Unterseite 3.2 der Schablone 3 erstreckt, auf die lokale Anhebung 6 aufgelegt, so dass die Schablone 3 bereichsweise auf der lokalen Anhebung 6 sowie bereichsweise auf der zu bedruckenden Fläche 1.1 aufliegt. Zwischen der Unterseite 3.2 der Schablone 3 und der zu bedruckenden Fläche 1.1 bildet sich somit im Bereich der lokalen Anhebung 6 ein Spalt 5 aus. In der 2 ist der Spalt 5 links von der Ausnehmung 4 der Schablone 3 angeordnet. Die Lage des Spalts 5 in Bezug auf die Ausnehmung 4 gibt eine Rakelrichtung 8 vor. Die Rakelrichtung 8 ist die Richtung, in der eine Rakel 7 über die Oberseite 3.1 der Schablone 3 gezogen wird, um die Ausnehmung 4 mit dem Dicht- und/oder Klebstoff 2 zu füllen, der zuvor auf die Oberseite 3.1 der Schablone 3 aufgebracht wurde. In der 2 ist die Rakelrichtung 8 durch einen Pfeil angegeben. Das heißt, dass die Rakel 7 über die Ausnehmung 4 in Richtung des Spalts 5 gezogen wird. Der Spalt 5 ermöglicht so eine vollständige Entlüftung der Ausnehmung 4, so dass diese vollständig mit dem Dicht- und/oder Klebstoff 2 befüllt werden kann. Die Gefahr einer Luftblasenbildung besteht dank der über den Spalt 5 bewirkten Entlüftung nicht mehr.
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Über die Rakel 7 wird beim Abziehen des Dicht- und/oder Klebstoffs 2 eine Druckkraft auf die Schablone 3 aufgebracht, die dazu führen kann, dass sich die Schablone 3 verformt. Selbst bei einer Verformung der Schablone 3 stellt die lokale Anhebung 6 die Ausbildung des Spalts 5 sicher, so dass die Ausnehmung 4 hierüber entlüftbar ist. Zur Unterstützung der Schablone 3 kann - wie beispielhaft in der 2 dargestellt - ein Stützelement 12 vorgesehen sein, das ein zusätzliches Auflager für einen über das Substrat 1 überstehenden Bereich der Schablone 3 bildet.
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Das in den 3 bis 6 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt ein bereits bedrucktes Substrat 1. Bei dem Substrat 1 handelt es sich wiederum um eine Schicht oder Lage 10 einer elektrochemischen Zelle, beispielsweise um eine Bipolarplatte. Das Substrat 1 weist an seinen beiden Enden jeweils drei Öffnungen auf, die Ports 14 ausbilden und der Medienversorgung sowie der Medienentsorgung dienen. Die erforderliche Medientrennung wird mit Hilfe einer Dichtung 11 bewirkt, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren auf das Substrat 1 aufgedruckt worden ist.
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Erkennbar ist dies an einem Plättchen 9, das zur Ausbildung einer lokalen Anhebung 6 auf der bedruckten Fläche 1.1 des Substrats 1 angeordnet ist.
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Das hierbei das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt wurde, ist an der lokalen Anhebung 6 in Form eines applizierten Plättchens 9 erkennbar. Das Plättchen 9 ist in einem Abstand a zur Dichtung (siehe 5) im Bereich einer Außenecke der Dichtung 11 angeordnet (siehe 6). Der Abstand a gewährleistet, dass die gewünschte Entlüftung durch das Plättchen 9 nicht beeinträchtigt wird. Die Positionierung im Bereich der Außenecke ermöglicht eine Entlüftung in einem üblicherweise schwer zu entlüftenden Bereich.
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Das Plättchen 9 weist eine Höhe H2 auf, die deutlich geringer als die zu erreichende Höhe H1 der Dichtung 11 ist. Da sich im Bereich der lokalen Anhebung 6 die Höhe H2 des Plättchens 9 zur Höhe H1 der Dichtung 11 addiert, variiert die Höhe H1 der Dichtung 11 nur geringfügig.
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Anstelle des einen im Bereich einer Außenecke der Dichtung 11 angeordneten Plättchens 9 können auch mehrere Plättchen 9 vorgesehen sein. Wie beispielhaft in der 7 dargestellt, können weitere Plättchen 9 im Bereich einer weiteren Außenecke sowie einer Innenecke angeordnet sein, die in der Regel ebenfalls schwer zu entlüften ist. Die Lage der Plättchen 9 jeweils links von der Dichtung 11 zeigt, dass bei der Positionierung der Plättchen 9 die Rakelrichtung 8 berücksichtigt worden ist. Dies schließt nicht aus, dass weitere Plättchen 9 zur Ausbildung lokaler Anhebungen 6 vorgesehen werden, die sich über Eck erstrecken (siehe 8).
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Im Ausführungsbeispiel der 9 ist wiederum nur ein Plättchen 9 vorgesehen, und zwar im Bereich einer Außenecke der Dichtung 11. Das Plättchen 9 weist im Unterschied zur Ausführungsform der 3 in der Draufsicht eine kreisrunde Form auf.
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Analog den 7 und 8 können auch mehrere Plättchen 9 mit kreisrunder Form vorgesehen werden (siehe 10).
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Unabhängig von der Form können auch umlaufend um die Dichtung 11 herum Plättchen 9 in regelmäßigen Abständen zueinander angeordnet werden, so dass beim Bedrucken des Substrats 1 zur Ausbildung der Dichtung 11 die Schablone 3 vollständig gegenüber der zu bedruckenden Fläche 1.1 angehoben ist. In diesem Fall ist die Rakelrichtung 8 unbeachtlich, da der Spalt 5 ebenfalls umlaufend ausgebildet wird.
