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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Montage eines Brennstoffzellenstapels gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
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Aus dem Stand der Technik ist, wie in
DE 10 2014 015 219 A1 beschrieben, ein Verfahren zum Ausrichten einer Mehrzahl von Bipolarplatten während des Zusammenbaus eines Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapels bekannt. Hierbei umfasst der Brennstoffzellenstapel eine Mehrzahl von Membran-Elektroden-Anordnungen und eine Mehrzahl von Bipolarplatten, welche die Membran-Elektroden-Anordnungen voneinander trennen, wobei jede Bipolarplatte eine Anodenseite und eine Kathodenseite umfasst. Das Verfahren umfasst dabei das Einbringen einer gemeinsamen Bezugsöffnung in jede Bipolarplatte derart, dass die gemeinsamen Bezugsöffnungen alle miteinander fluchten. Weiterhin umfasst das Verfahren das Einbringen einer Mehrzahl von Ausrichtungsbestandteilen in die gemeinsamen Bezugsöffnungen sowie das Stapeln der Membran-Elektroden-Anordnungen und der Bipolarplatten derart, dass jeder Ausrichtungsbestandteil in die gemeinsame Bezugsöffnung der Anodenseite einer Bipolarplatte und in die gemeinsame Bezugsöffnung der Kathodenseite einer benachbarten Biopolarplatte eingreift.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Montage eines Brennstoffzellenstapels sowie eine geeignete Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens anzugeben.
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Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß mit den in Anspruch 4 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei einem Verfahren zur Montage eines Brennstoffzellenstapels, welcher eine Mehrzahl von Membran-Elektroden-Einheiten und eine Mehrzahl von Bipolarplatten mit jeweils mindestens einem Strömungsfeld an einer Oberflächenseite der Bipolarplatte umfasst, wobei das Strömungsfeld aus einer Vielzahl von Strömungskanälen gebildet ist, werden die Membran-Elektroden-Einheiten und die Bipolarplatten abwechselnd mittels einer Greifvorrichtung automatisch übereinander oder nebeneinander gestapelt. Dabei werden die Bipolarplatten derart zueinander ausgerichtet, dass zumindest Strömungskanäle in einem vorgebbaren Abtastbereich zueinander fluchten.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zur fluchtgenauen Ausrichtung jeweils die Oberflächen der Bipolarplatten mittels einer Zeilenkamera optisch abgetastet werden und anhand erfasster Abtastdaten oberflächenseitige Merkmale der jeweiligen Bipolarplatte erkannt werden. Aus den erkannten oberflächenseitigen Merkmalen der jeweiligen Bipolarplatte resultierend wird eine Lage und eine Orientierung der Strömungskanäle im Abtastbereich relativ zur Greifvorrichtung ermittelt und anhand der ermittelten relativen Lage und Orientierung der Strömungskanäle wird eine Lagekorrektur der jeweiligen Bipolarplatte vorgenommen. Unter einer relativen Lage und Orientierung der Strömungskanäle sind insbesondere Koordinaten der Strömungskanäle in einem Greifvorrichtungskoordinatensystem zu verstehen.
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Das Verfahren ermöglicht eine optimale Ausrichtung der Bipolarplatten zueinander, so dass ein Mediendurchfluss innerhalb des Brennstoffzellenstapels und damit eine Leistungsabgabe des Brennstoffzellenstapels gegenüber dem Stand der Technik verbessert sind. Zudem können die Bipolarplatten auch unter Berücksichtigung von Fertigungstoleranzen optimal zueinander ausgerichtet werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 schematisch ein Explosionsdarstellung eines vereinfachten Ausführungsbeispiels eines Brennstoffzellenstapels,
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2 schematisch eine Bipolarplatte in Draufsicht mit einem Abtastbereich,
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3 schematisch ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Montage eines Brennstoffzellenstapels mit einer Greifvorrichtung, einer Zeilenkamera und einer Datenverarbeitungseinheit,
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4 schematisch eine perspektivische Ansicht einer Greifvorrichtung und einer Zeilenkamera und
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5 schematisch eine Bipolarplatte in Draufsicht mit einem Abtastbereich und Messbohrungen.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein stark vereinfachtes Ausführungsbeispiel eines Brennstoffzellenstapels 1 in Explosionsdarstellung.
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Der Brennstoffzellenstapel 1 umfasst eine Mehrzahl von Bipolarplatten 1.1 und eine Mehrzahl von Membran-Elektroden-Einheiten 1.2, welche abwechselnd in eine Längsrichtung des Brennstoffzellenstapels 1 nebeneinander angeordnet sind. Stirnseitig wird der Brennstoffzellenstapel 1 von zwei Endplatten 1.3 abgeschlossen.
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Die Membran-Elektroden-Einheiten 1.2 sind jeweils in Form einer mit einem Katalysator beschichteten Membran bereitgestellt und beispielsweise gerahmt. Auf gegenüberliegenden Seiten der Membran-Elektroden-Einheiten 1.2 sind jeweils Gasdiffusionslagen, insbesondere eine anodische Gasdiffusionslage und eine kathodische Gasdiffusionslage, vorhanden (nicht näher dargestellt).
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An jede Gasdiffusionslage grenzt eine Bipolarplatte 1.1 an, die eine Anodenplatte und eine Kathodenplatte (nicht näher dargestellt) umfasst.
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2 zeigt beispielhaft eine Bipolarplatte 1.1 in Draufsicht.
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Die Bipolarplatte 1.1 umfasst in einem mittleren Bereich an der Oberflächenseite ein Strömungsfeld S, welches aus einer Vielzahl parallel zueinander verlaufender Strömungskanäle 1.1.1 gebildet ist, wobei die Strömungskanäle 1.1.1 jeweils in eine Längsausdehnung der Bipolarplatte 1.1 verlaufen.
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Des Weiteren umfasst die Bipolarplatte 1.1 mehrere Strömungsöffnungen 1.1.2, welche auf einer Seite Einlassöffnungen, insbesondere für einen Brennstoff, ein Kühlmittel und ein Oxidationsmittel, und auf der anderen Seite Auslassöffnungen darstellen.
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Zur Montage des Brennstoffzellenstapels 1 werden die Bipolarplatten 1.1 und die Membran-Elektroden-Einheiten 1.2 mittels einer beispielhaft in 4 gezeigten Greifvorrichtung 2.1 abwechselnd gestapelt. Die Enden des Brennstoffzellenstapels 1 werden mit den Endplatten 1.3 abgeschlossen. Abschließend werden die Komponenten des Brennstoffzellenstapels 1 miteinander verpresst und gegebenenfalls kraft- und/oder form- und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden.
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Für eine hohe Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels 1 im zusammengesetzten Zustand ist eine optimale Ausrichtung der Bipolarplatten 1.1 zueinander von großer Bedeutung. Dazu wird ein erfindungsgemäßes Verfahren vorgeschlagen, bei welchem zur optimalen Ausrichtung der Bipolarplatten 1.1 jeweils eine Oberfläche der Bipolarplatten 1.1 abgetastet wird. Dies ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel mittels eines Abtastbereichs A dargestellt, welcher von einer gestrichelten Linie begrenzt wird und welcher Strömungskanäle 1.1.1 eines mittleren Bereichs des Strömungsfelds S umfasst.
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3 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung 2 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, umfassend eine Greifvorrichtung 2.1, eine Zeilenkamera 2.2 und eine Datenverarbeitungseinheit 2.3. 4 zeigt beispielhaft eine perspektivische Darstellung einer Greifvorrichtung 2.1 und einer Zeilenkamera 2.2.
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Mittels der Vorrichtung 2 sollen die Bipolarplatten 1.1 derart zueinander ausgerichtet werden, dass insbesondere deren mittlere Strömungskanäle 1.1.1 zueinander fluchten, da diese eine höchste Genauigkeit aufweisen. Dies ermöglicht eine besonders hohe Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels 1 im zusammengesetzten Zustand.
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Zur fluchtgenauen Ausrichtung der mittleren Strömungskanäle 1.1.1 werden die Oberflächen der Bipolarplatten 1.1 mittels der Zeilenkamera 2.2 mit einem Abtastbereich A gemäß 2 optisch abgetastet, wobei die Abtastung in eine Längsrichtung erfolgt, die gemäß einer Betrachtungsrichtung von 2 von oben nach unten oder umgekehrt führt.
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Die Zeilenkamera 2.2 ist dazu längsverschieblich an der Greifvorrichtung 2.1 angeordnet, z. B. in Form eines Führungsschlittens, wobei die Zeilenkamera 2.2 zu einer in der Greifvorrichtung 2.1 eingebrachten Aussparung ausgerichtet ist, die von einer Greiferfläche 2.1.1 begrenzt wird. In der Aussparung wird die Bipolarplatte 1.1 angeordnet und abgetastet.
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Die von der Zeilenkamera 2.2 erfassten Abtastdaten werden der Datenverarbeitungseinheit 2.3 übermittelt, welche nach einer Analyse der Abtastdaten oberflächenseitige Merkmale der jeweiligen Bipolarplatte 1.1 erkennt.
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Anhand der erkannten oberflächenseitigen Merkmale der jeweiligen Bipolarplatte 1.1 kann nun eine Lage und eine Orientierung der mittleren Strömungskanäle 1.1.1 relativ zur Greifvorrichtung 2.1 ermittelt werden. Hierbei werden mittels der Datenverarbeitungseinheit 2.3 insbesondere Raumkoordinaten der Bipolarplatte 1.1 im Abtastbereich A in einem Greifvorrichtungskoordinatensystem ermittelt. Anhand der ermittelten relativen Lage und Orientierung der Strömungskanäle 1.1.1 wird mittels eines in der Datenverarbeitungseinheit 2.3 implementieren Algorithmus eine Lagekorrektur der jeweiligen Bipolarplatte 1.1 ermittelt und an die Greifvorrichtung 2.1 übermittelt, welche die Lagekorrektur anschließend vornimmt, so dass die Strömungskanäle 1.1.1 in einem zuvor ermittelten Ablagesystem optimal positioniert werden.
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Das Verfahren kann zusätzlich auf eine Ausrichtung der Membran-Elektroden-Einheiten
1.2 erweitert werden, die ebenfalls oberflächenseitig abgetastet werden, bei denen jedoch andere oberflächenseitige Merkmale erkannt werden. Eine mechanische Stabilisierung des derart montierten Brennstoffzellenstapels
1 kann mittels Führungselementen erfolgen, wie sie beispielhaft als Ausrichtungsbestandteile in der eingangs genannten
DE 10 2014 015 219 A1 beschrieben werden.
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5 zeigt schematisch eine Bipolarplatte 1.1 mit einer Greiferfläche 2.1.1 der Greifvorrichtung 2.1 in Draufsicht.
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Die Greiferfläche 2.1.1 ist mit einer Mehrzahl von Messbohrungen 2.1.2 versehen, die zur Kalibrierung der Vorrichtung 2, insbesondere zur Kalibrierung der Greifvorrichtung 2.1 und der Zeilenkamera 2.2, in die Greiferfläche 2.1.1 eingebracht sind. Die Abstände der Messbohrungen 2.1.2 sind mittels einer hochgenauen Messmaschine erfasst und können mittels der Zeilenkamera 2.2 optisch erfasst werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014015219 A1 [0002, 0032]
