DE10251775A1 - Fuel cell joining process for joining two bipolar plates in a fuel cell unit applies a photoactivated/curing adhesive to one of two bipolar plates to be irradiated over a preset time span - Google Patents

Fuel cell joining process for joining two bipolar plates in a fuel cell unit applies a photoactivated/curing adhesive to one of two bipolar plates to be irradiated over a preset time span Download PDF

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Abstract

A photoactivated/curing adhesive is applied to one of two bipolar plates and then irradiated over a preset time span. The two bipolar plates are arranged in a desired position ready to be joined and the they are joined by applying pressure and/or heat. One of the bipolar plates is preheated before being arranged in the desired joining position.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Fügen von mindestens zwei Plattenelementen, insbesondere Bipolarplatten, einer Brennstoffzelleneinheit.The invention relates to a Method of joining at least two plate elements, in particular bipolar plates, a fuel cell unit.

Verfahren zum Fügen von Plattenelementen einer Brennstoffzelleneinheit sind bekannt. Die Plattenelemente, beispielsweise zwei aus Graphitmaterial bestehende Bipolarplatten, werden üblicherweise mit wärmehärtenden, zweikomponentigen Epoxydharz-Klebstoffen verbunden bzw. gefügt. Die Zeitdauer, bis die gefügten Plattenelemente bei diesem Klebedicht-Prozess für einen Weiterverarbeitungsschritt handhabbar sind, beträgt mindestens zwei Minuten. Sollen derartige Plattenelemente unter Großserienbedingungen mit einem derartigen Klebedicht-Prozess gefügt werden, sind solche Zeitdauern schon aus Kostengründen unvorteilhaft.Method for joining plate elements of a Fuel cell unit are known. The plate elements, for example two bipolar plates made of graphite material, are usually with thermosetting, two-component epoxy resin adhesives joined or joined. The Duration until the joined Plate elements in this adhesive layer process for a further processing step are manageable amounts at least two minutes. Should such plate elements under High-volume conditions are added with such an adhesive layer process, such periods are already for cost reasons unfavorable.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines Verfahrens zugrunde, mit dem ein Fügeprozess von Plattenelementen, insbesondere Bipolarplatten, einer Brennstoffzelleneinheit in einer Zeitdauer bewerkstelligt werden kann, die eine wirtschaftliche Fertigung unter Großserienbedingungen erleichtert.The invention is technical Problem underlying the provision of a method by which a joining process of plate elements, in particular bipolar plates, of a fuel cell unit in a period of time that can be economically viable Production under high volume conditions facilitated.

Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung eines Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 1.The invention solves this problem by providing a method having the features of claim 1.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein strahlungsaktivierbares, insbesondere lichtaktivierbares, Klebemittel auf mindestens eines der mindestens zwei Plattenelemente aufgebracht, das Klebemittel während einer vorbestimmten Zeitdauer bestrahlt und die mindestens zwei Plattenelemente in der gewünschten Fügeposition angeordnet und unter Druck- und/oder Wärmeeinwirkung gefügt.In the method according to the invention becomes a radiation-activatable, especially light-activatable, Adhesive on at least one of the at least two plate elements applied the adhesive during irradiated for a predetermined period of time and the at least two Plate elements in the desired joining position arranged and joined under pressure and / or heat.

Das strahlungsaktivierbare Klebemittel, beispielsweise ein durch UV-Licht aktivierbarer Einkomponenten-Klebstoff, der innerhalb von Sekunden durch Bestrahlung durch UV-Licht aktiviert werden kann, wird auf mindestens eines der mindestens zwei Plattenelemente aufgebracht. Durch Bestrahlen des Klebstoffes während einer vorbestimmten Zeitdauer mit energiereicher Strahlung wird der Klebstoff aktiviert, d.h. sein Aushärteprozess beginnt. Diese Zeitdauer kann sehr kurz, beispielsweise in einem Bereich von 2 bis 8 Sekunden, gewählt werden. Die Plattenelemente werden dann innerhalb einer bestimmbaren Zeitdauer, beispielsweise innerhalb eines Bereichs von 2 bis 15 Sekunden, nach der Aktivierung in der gewünschten Fügeposition angeordnet und unter Druck- und/oder Wärmeeinwirkung gefügt. Es entsteht eine kraftschlüssige, dichtende Klebedichtverbindung zwischen den Plattenelementen. Mit Hilfe des Verfahrens kann innerhalb weniger Sekunden, beispielsweise weniger als 6 Sekunden, eine Handlingfestigkeit der Plattenelemente erreicht werden, die es erlaubt, die gefügten Plattenelemente ohne Schädigung der Klebedichtverbin dung zur Weiterverarbeitung in nachfolgende Prozessschritte weiterzutransportieren. Dies ermöglicht bezüglich eines Fügeschritts in einer Prozesskette zur Herstellung einer Brennstoffzelle eine kostengünstige Großserienproduktion.The radiation activatable adhesive, For example, a activatable by UV light one-component adhesive within seconds can be activated by irradiation with UV light, is applied to at least one of the at least two plate elements. By irradiating the adhesive for a predetermined period of time with high energy radiation, the adhesive is activated, i. his curing starts. This period can be very short, for example in one Range of 2 to 8 seconds, to be selected. The plate elements are then within a determinable period of time, for example within a range of 2 to 15 seconds, after activation in the desired joining position arranged and joined under pressure and / or heat. It arises a non-positive, sealing adhesive seal between the plate elements. With help of the method can within a few seconds, for example less than 6 seconds, achieved a handling strength of the plate elements that are allowed to be joined Plate elements without damage the Klebedichtverbin tion for further processing in subsequent Transport process steps further. This allows for a joining step in a process chain for producing a fuel cell a inexpensive Large-scale production.

In einer Weiterbildung des Verfahrens nach Anspruch 2 wird das Klebemittel in einem Siebdruckverfahren aufgebracht. Dies ermöglicht präzises, konturgenaues und kostengünstiges Auftragen des Klebemittels auf das Plattenelement.In a further development of the method according to claim 2, the adhesive is in a screen printing process applied. this makes possible precise, precise contour and inexpensive Apply the adhesive to the plate element.

In einer Weiterbildung des Verfahrens nach Anspruch 3 weist das Klebemittel Lumineszenz, insbesondere Fluoreszenz, auf und die Genauigkeit, insbesondere die Konturgenauigkeit, des Aufbringens des Klebemittels wird überprüft, indem das aufgrund der Lumineszenz abgestrahlte Licht erfasst und mit Hilfe eines Bildverarbeitungssystems verarbeitet wird. Mit Hilfe des Bildverarbeitungssystems kann die Genauigkeit der Konturen des aufgebrachten, lumineszenten Klebemittels, der sogenannten Klebstoffraupe, automatisch und mit hoher Genauigkeit reproduzierbar überprüft werden. Dies führt zu hoher Prozesssicherheit und reduzierter Fehlerrate.In a further development of the method according to claim 3, the adhesive luminescence, in particular Fluorescence, on and the accuracy, in particular the contour accuracy, the application of the adhesive is checked by the Luminescence emitted light is detected and using an image processing system is processed. With the help of the image processing system, the Accuracy of the contours of the applied, luminescent adhesive, the so-called adhesive bead, automatically and with high accuracy be checked reproducibly. this leads to too high process reliability and reduced error rate.

In einer Weiterbildung des Verfahrens nach Anspruch 4 wird mindestens eines der mindestens zwei Plattenelemente vor dem Anordnen in der gewünschten Fügeposition vorgewärmt. Dies führt zu einem beschleunigten Aushärten der Klebedichtverbindung, d.h. die Zeitdauer bis zum Erreichen der Handlingfestigkeit wird reduziert.In a further development of the method according to claim 4, at least one of the at least two plate elements before arranging in the desired joining position preheated. this leads to to accelerated hardening the adhesive seal compound, i. the time until reaching the handling strength is reduced.

In einer Weiterbildung des Verfahrens nach Anspruch 5 weisen die Plattenelemente eine unterschiedliche äußere Struktur auf. Dies ermöglicht beispielsweise das Fügen komplementärer Bipolarplatten von Brennstoffzellensystemen.In a further development of the method according to claim 5, the plate elements have a different outer structure on. this makes possible for example, joining complementary Bipolar plates of fuel cell systems.

In einer Weiterbildung des Verfahrens nach Anspruch 6 werden die gefügten Plattenelemente während einer vorbestimmten Zeit, insbesondere durch erhitzte Luft und/oder Infrarot-Strahlung, wärmebehandelt. Die Wärmebehandlung beschleunigt das Nachhärten der Klebedichtverbindung. Dadurch kann innerhalb kurzer Zeit eine möglichst vollständige Aushärtung der Klebedichtverbindung erreicht werden.In a further development of the method according to claim 6, the joined Plate elements during a predetermined time, in particular by heated air and / or Infrared radiation, heat treated. The heat treatment accelerates postcuring the adhesive seal. This can be done within a short time preferably full curing the adhesive seal connection can be achieved.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.An advantageous embodiment The invention is illustrated in the drawing and will be described below described.

Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte einer _ Ausführungsform der Erfindung.The single figure shows a schematic representation the process steps according to the invention an embodiment the invention.

Die Figur zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte einer Ausführungsform der Erfindung. In einem ersten Verfahrensschritt wird auf eine von zwei zu verbindenden Bipolarplatten eines Brennstoffzellensystems, die beispielsweise aus Graphit bestehen, ein Klebemittel in einem Siebdruckverfahren mit Hilfe eines automatischen Siebdrucksystems aufgebracht. Bei dem Klebemittel handelt es sich um einen Ein-Komponenten-Epoxyd-Klebstoff, der mittels UV-Licht aktivierbar ist und fluoreszierende Zusätze enthält. Die Höhe und die Breite der aufgebrachten Klebstoffraupe kann variiert werden, um eine optimale Klebedichtverbindung zu erzielen. Nach dem Aufbringen des Klebemittels wird die Bipolarplatte, beispielsweise mit einem Förderband, zu einem Ort transportiert, an dem ein nachfolgender Prozessschritt durchgeführt wird.The figure shows a schematic representation ment the process steps of an embodiment of the invention. In a first method step, an adhesive is applied to one of two bipolar plates of a fuel cell system, which consist for example of graphite, in a screen printing process with the aid of an automatic screen printing system. The adhesive is a one-component epoxy adhesive that is activatable by UV light and contains fluorescent additives. The height and width of the applied adhesive bead may be varied to achieve an optimal adhesive seal. After application of the adhesive, the bipolar plate is transported, for example with a conveyor belt, to a location where a subsequent process step is performed.

In einem zweiten Verfahrensschritt wird die Genauigkeit des Aufbringens des Klebemittels mit Hilfe eines Bildverarbeitungssystems überprüft. Hierzu wird das aufgrund der Lumineszenz des Klebemittels von diesem abgestrahlte Licht erfaßt und mit Hilfe des Bildverarbeitungssystems verarbeitet. Das Bildverarbeitungssystem vergleicht die gewünschte Kontur und Breite der aufgebrachten Klebemittelraupe mit der tatsächlichen Kontur und Breite. Wird eine signifikante Abweichung des gewünschten vom tatsächlichen Zustand durch das Bildverarbeitungssystem erkannt, wird die entsprechende Bipolarplatte aus dem Prozessschritt entfernt, gereinigt und dem ersten Prozessschritt erneut zugeführt. Bei nur unerheblicher Abweichung des gewünschten vom tatsächlichen Zustand wird die Bipolarplatte zu einem Ort transportiert, an dem der nachfolgende Prozessschritt durchgeführt wird.In a second process step the accuracy of applying the adhesive with the help of an image processing system. For this this is due to the luminescence of the adhesive emitted by this Light detected and processed using the image processing system. The image processing system compares the desired contour and width of the applied adhesive bead with the actual Contour and width. Will be a significant deviation of the desired from the actual State detected by the image processing system, the corresponding Bipolar plate removed from the process step, cleaned and the first Process step supplied again. With only insignificant deviation of the desired from the actual Condition, the bipolar plate is transported to a place where the subsequent process step is performed.

In einem dritten Verfahrensschritt wird das Klebemittel mit Hilfe von energiereicher UV-Strahlung aktiviert, d. h. ein Aushärteprozess wird eingeleitet. Prozessparameter für diesen Verfahrensschritt können unter anderem sein: der verwendete Wellenlängenbereich der Strahlung, die Intensität der Strahlung, der Abstand des Klebemittels von der Strahlungsquelle und die Bestrahlungsdauer. Die Bestrahlungsdauer liegt typischerweise im Bereich von 2 bis 8 Sekunden. Im Anschluss an die Aktivierung des Klebemittels wird die Bipolarplatte zum nächsten Prozessschritt weitertransportiert.In a third process step if the adhesive is activated by means of high-energy UV radiation, d. H. a curing process Is initiated. Process parameters for this process step can under other: the wavelength range of radiation used, the intensity the radiation, the distance of the adhesive from the radiation source and the irradiation time. The irradiation time is typically in the range of 2 to 8 seconds. Following the activation of the adhesive, the bipolar plate is transported on to the next process step.

In einem vierten Verfahrensschritt erfolgt das Fügen der ersten Bipolarplatte mit einer zweiten Bipolarplatte, die eine gegenüber der ersten Biporplatte unterschiedliche äußere Struktur aufweist. Die Zeitdauer zwischen Schritt 3, der Aktivierung des Klebemittels, und dem eigentlichen Fügen der Bipolarplatten ist so zu wählen, dass keinesfalls ein Gelatinieren bzw. Aushärten des Klebemittels auftritt. Die zweite Bipolarplatte wird vor dem Fügen auf eine einstellbare Temperatur vorgewärmt. Die Bipolarplatten werden unter Druck und Wärmeeinwirkung in die gewünschte Fügeposition gefügt. Die Wärmeeinwirkung und das Vorwärmen der zweiten Bipolarplatte reduziert die Aushärte zeit. Prozessparameter für diesen Schritt sind beispielsweise die Vorwärmtemperatur der zweiten Bipolarplatte, der Anpreßdruck, die Anpreßdauer und die Temperatur eines Pressenstempels, der an der zweiten Bipolarplatte anliegt. Anschließend werden die gefügten Bipolarplatten, die nun eine Handling-Festigkeit aufweisen, zu einem letzten Prozessschritt 6 weitertransportiert. Der Weitertransport kann beispielsweise mit Hilfe eines Roboters durchgeführt werden.In a fourth process step the joining takes place the first bipolar plate with a second bipolar plate, the one across from the first bipolar plate has different outer structure. The Time between step 3, the activation of the adhesive, and the actual joining the bipolar plates should be so chosen that gelatinizing or curing of the adhesive does not occur under any circumstances. The second bipolar plate is set to an adjustable temperature prior to joining preheated. The bipolar plates are under pressure and heat in the desired joining position together. The heat effect and the preheating the second bipolar plate reduces the curing time. process parameters For this Step are, for example, the preheating temperature of the second bipolar plate, the contact pressure, the duration of pressure and the temperature of a press die attached to the second bipolar plate is applied. Subsequently become the joined Bipolar plates, which now have a handling strength, to a last process step 6 further transported. The onward transport can be done for example with the help of a robot.

In einem fünften Verfahrensschritt werden die gefügten Plattenelemente während einer vorbestimmten Zeit durch erhitzte Luft und Infrarotstrahlung wärmebehandelt. Die Wärmebehandlung beschleunigt das Nachhärten der Klebedichtverbindung.In a fifth method step, the joined Plate elements during a predetermined time by heated air and infrared radiation heat treated. The heat treatment accelerates postcuring the adhesive seal.

Mit Hilfe dieser Ausführungsform der Erfindung ist es möglich, die zum Fügen der beiden Bipolarplatten bei Verwendung herkömmlicher Zweikomponenten-Klebstoffe benötigte Zeitdauer von ca. 2 Minuten unter Beibehaltung der Klebedicht-Eigenschaften auf ca. 5 Sekunden zu re duzieren. Dies ermöglicht eine kostengünstige Großserienproduktion.With the help of this embodiment the invention it is possible those for joining the two bipolar plates using conventional two-component adhesives needed Duration of about 2 minutes while maintaining the adhesive properties to reduce to about 5 seconds. This allows a cost-effective mass production.

Claims (6)

Verfahren zum Fügen von mindestens zwei Plattenelementen, insbesondere Bipolarplatten, einer Brennstoffzelleneinheit, gekennzeichnet durch die Schritte: – Aufbringen eines strahlungsaktivierbaren, insbesondere lichtaktivierbaren, Klebemittels auf mindestens eines der mindestens zwei Plattenelemente, – Bestrahlung des Klebemittels während einer vorbestimmten Zeitdauer und – Anordnen der mindestens zwei Plattenelemente in der gewünschten Fügeposition und Fügen derselben unter Druck- und/oder Wärmeeinwirkung.Method for joining at least two plate elements, in particular bipolar plates, a fuel cell unit, marked through the steps: - Apply a radiation-activatable, in particular light-activatable, Adhesive on at least one of the at least two plate elements, - Irradiation of the adhesive during a predetermined period of time and - Arrange the at least two Plate elements in the desired joining position and joining the same under pressure and / or heat. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Klebemittel in einem Siebdruckverfahren aufgebracht wird.Method according to claim 1, characterized in that that the adhesive is applied in a screen printing process. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Klebemittel Lumineszenz, insbesondere Fluoreszenz, aufweist und die Genauigkeit, insbesondere die Konturgenauigkeit, des Aufbringens des Klebemittels überprüft wird, indem das aufgrund der Lumineszenz abgestrahlte Licht erfasst und mit Hilfe eines Bildverarbeitungssystems verarbeitet wird.Method according to claim 1 or 2, characterized the adhesive has luminescence, in particular fluorescence and the accuracy, in particular the contour accuracy, of the application the adhesive is checked, by detecting the light emitted due to the luminescence and is processed using an image processing system. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der mindestens zwei Plattenelemente vor dem Anordnen in der gewünschten Fügeposition vorgewärmt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that at least one of the at least two plate elements before arranging in the desired joining position preheated becomes. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Plattenelemente eine unterschiedliche äußere Struktur aufweisen.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the plat tenelemente have a different outer structure. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gefügten Plattenelemente während einer vorbestimmten Zeit, insbesondere durch erhitzte Luft und/oder Infrarot-Strahlung, wärmebehandelt werden.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the joined Plate elements during a predetermined time, in particular by heated air and / or infrared radiation, heat treated become.
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