DE102015225761A1

DE102015225761A1 - Verfahren und System zur Herstellung einer Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102015225761A1
Application number: DE102015225761.4A
Authority: DE
Inventors: Andreas Lemke; Klaus Stefan Klimek
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2015-12-17
Filing date: 2015-12-17
Publication date: 2017-06-22

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle, die in Schichten angeordnete Elemente aufweist. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein System zur Herstellung einer Brennstoffzelle und zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das erfindungsgemäße Verfahren wird mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wie folgt durchgeführt: Es werden eine Aufnahmeeinrichtung (10) zur Aufnahme mehrerer gestapelter Schichten (2) einer Brennstoffzelle (100) sowie eine Presseinrichtung (50) zur Ausübung einer Presskraft (F) auf die gestapelten Schichten (2) mittels Ausführung einer definierten Pressbewegung (54) zur Verfügung gestellt. Dann werden mehrere Schichten (2) in der Aufnahmeeinrichtung (10) gestapelt. Nach dem Stapeln erfolgt eine Relativbewegung (40) zwischen dem in der Aufnahmeeinrichtung (10) erzeugten Stapel (6) und der Presseinrichtung (50), so dass die Presseinrichtung (50) in Wirkverbindung mit dem Stapel (6) bringbar ist, wobei die Relativbewegung (40) eine andere Bewegung ist als die definierte Pressbewegung (54). Dann wird ein Pressen des Stapels (6) mittels der Presseinrichtung (50) durchgeführt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle, die in Schichten angeordnete Elemente aufweist. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein System zur Herstellung einer Brennstoffzelle und zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Zwecks Verringerung von Umweltbelastungen ist es in vielen technischen Bereichen erforderlich, umweltschädigende Emissionen zu reduzieren oder sogar zu verhindern. Dies betrifft auch den Kraftfahrzeugsektor, für den immer engere Restriktionen hinsichtlich der zulässigen Verbrauchs- und Abgaswerte definiert werden. Eine Alternative zur Erfüllung dieser Bedingungen besteht in der Ausstattung der Kraftfahrzeuge mit elektrischen Antrieben. Neben der Ausstattung eines Kraftfahrzeugs mit einer elektrochemischen Batterie, die die notwendige Antriebsenergie liefert, verspricht auch die Nutzung der Brennstoffzelle, ein umweltfreundliches Fahrzeug zu einem relativ kostengünstigen Preis zur Verfügung zu stellen.
Brennstoffzellen, die Bipolarplatten sowie Membran-Elektroden-Einheiten in Schichten aufweisen, sind jedoch derzeitig nur mit einem relativ hohen Aufwand an Personal und/oder Fertigungsmitteln zu produzieren, da sämtliche Montageschritte einen sehr hohen Aufwand hinsichtlich der Reinhaltung der einzelnen Brennstoffzellen-Elemente sowie auch der Fertigungsmittel und auch ein hohes Maß an Positionsgenauigkeit erfordern. Dieser hohe Aufwand ist insbesondere zur Verhinderung der Ausbildung von Undichtigkeiten, die sich ggf. bei einem Verrutschen der Dichtungselemente im sogenannten „Stack“ der Brennstoffzelle ergeben, erforderlich. Da der Herstellungsprozess einer Brennstoffzelle die Fertigungsschritte des Stapelns der einzelnen Elemente sowie des danach erfolgenden Pressens dieser Elemente umfasst, hat sich ein Herstellungsverfahren etabliert, bei dem die einzelnen Brennstoffzellen-Elemente in einer stationären Presse gestapelt werden. Dies ermöglicht die Durchführung des Pressvorganges am hergestellten Stapel unmittelbar nach dessen Vollendung, ohne den Stapel bewegen zu müssen, sodass dadurch die Gefahr des Verrutschens einzelner Brennstoffzellen-Elemente und/oder der Verschmutzung gemindert ist.
Herstellungsverfahren, bei denen ein Stapelvorgang und eine anschließende Pressung des erzeugten Stapels vorgenommen werden, sind auch aus anderen Bereichen, wie z. B. der Herstellung von Batterien bekannt. So offenbart die WO 2012/000679A1 ein Verfahren zum Stapeln von Blättern, insbesondere zur Fertigung einer Lithium-Ionen-Batterie. Der gemäß der Lehre dieses Dokuments erzeugte Stapel von Blättern, der zur Ausbildung eines Teils einer Lithium-Ionen-Batterie dient, wird einer Presskraft ausgesetzt, die von einer Niederhaltereinrichtung erzeugt wird. Diese Presskraft dient jedoch lediglich zu Fixierung der gestapelten Schichten und nicht, wie es bei der Herstellung von Brennstoffzellen erforderlich ist, zur Ausübung eines derartigen Pressdrucks, dass der hergestellte Stapel entlang der Wirkrichtung der Presskraft in seiner Ausdehnung verringert wird und dadurch eine Dichtungswirkung erzielt wird. Zudem erfolgt hier der Pressvorgang beim Stapelprozess, nämlich nach der jeweiligen Aufbringung einer Schicht.
Zur Herstellung einer Brennstoffzelle offenbaren u. a. die Dokumente US 8,247,137 B2 und DE 10 2013 225 034 A1 unterschiedliche Lehren. Das US-Patent 8,247,137 B2 lehrt, dass in einer Aufnahmeeinrichtung ein Stapelvorgang erfolgt und sodann bei erhöhter Temperatur ein Pressvorgang durchgeführt wird. Dadurch gelingen die einzelnen Schichten der Brennstoffzelle aneinander dauerhaft zu fixieren. Die Presseinrichtung ist hier dauerhaft der Aufnahmeeinrichtung zugeordnet.
Aus der DE 10 2013 225 034 A1 ist eine Vorrichtung zum Herstellen von Brennstoffzellenkomponenten bekannt, die es ermöglicht, nach Durchführung eines Stapelprozesses die zum Stapel geschichteten Elemente zu verpressen und die einzelnen Schichten unter Druck zu verbinden. Der Stapelvorgang erfolgt dabei in der Presse selbst.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren sowie ein System zur Herstellung einer Brennstoffzelle zu Verfügung zu stellen, mit denen in einfacher, zuverlässiger, qualitätssicherer und kostengünstiger Weise Brennstoffzellen oder zumindest Module davon gefertigt werden können.
Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle nach Anspruch 1 sowie durch das erfindungsgemäße System zur Herstellung einer Brennstoffzelle unter Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Brennstoffzelle nach Anspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 bis 6 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Systems sind in den Unteransprüchen 8 bis 10 angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Herstellung einer Brennstoffzelle, die in Schichten angeordnete Elemente aufweist. Das Verfahren wird mit den folgenden Schritten durchgeführt:

1. es wird eine Aufnahmeeinrichtung zur Aufnahme mehrerer gestapelter Schichten einer Brennstoffzelle sowie eine Presseinrichtung zur Ausübung eines Pressdrucks auf die gestapelten Schichten mittels Ausführung einer definierten Pressbewegung zur Verfügung gestellt,
2. es werden mehrere Schichten in der Aufnahmeeinrichtung gestapelt,
3. nach dem Stapeln wird eine Relativbewegung zwischen dem in der Aufnahmeeinrichtung erzeugten Stapel und der Presseinrichtung durchgeführt, so dass die Presseinrichtung in Wirkverbindung mit dem Stapel bringbar ist, wobei die Relativbewegung eine andere Bewegung ist als die definierte Pressbewegung,
4. es wird ein Pressen des Stapels mittels der Presseinrichtung durchgeführt.

Die erfindungsgemäß zu stapelnden Elemente, die die Schichten ausbilden, sind z.B. Bipolarplatten und Membran-Elektroden-Einheiten.
Während des Stapelns der Schichten ist die Presseinrichtung nicht im Einsatz an diesen gestapelten oder zu stapelnden Schichten, sondern während dieser Phase ist die Presseinrichtung zum Pressen eines anderen Stapels eingesetzt oder einsetzbar. Vorzugsweise erfolgt der Stapelprozess nicht in oder an der Presseinrichtung, die für die Ausübung des Pressdrucks auf die gestapelten Schichten vorgesehen ist, sondern in einer extra dafür, insbesondere separat von der Presseinrichtung aufgestellten Aufnahmeeinrichtung bzw. sogenannten Stapelzelle, in der die Schichten der Brennstoffzelle vorzugsweise übereinander gestapelt werden. Diesen Stapelvorgang kann ein Roboter übernehmen.
Die definierte Pressbewegung ist dabei durch einen Beginn bei Kontaktierung des Stapels durch Krafteinleitungselemente der Presseinrichtung an Krafteinleitungsstellen sowie durch ein Ende bei Erreichung eines definierten Stapelmaßes parallel zur Wirkungslinie der Presskraft gekennzeichnet.
Eine erfindungsgemäß hinsichtlich ihrer Position im Wesentlichen unabhängige Presseinrichtung oder auch ein hinsichtlich seiner Position im Wesentlichen unabhängiger Stapel ermöglicht es, außerhalb des Wirkbereiches der Aufnahmeeinrichtungen die Presseinrichtung in Wirkverbindung mit den Stapeln zu bringen.
Demzufolge kann eine Vielzahl von Stapelvorgängen gleichzeitig und ohne räumliche Restriktionen durchgeführt werden können, wobei weit weniger Presseinrichtungen als Aufnahmeeinrichtungen vorzuhalten sind, um alle Verfahrensschritte nacheinander durchführen zu können, da eine Presseinrichtung nacheinander mehrere in unterschiedlichen Aufnahmeeinrichtungen gestapelte Stapel pressen kann.
In einer Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass nach erfolgter Stapelung von Schichten der dadurch erzeugte Stapel aus der Aufnahmeeinrichtung herausgenommen wird und einer Presseinrichtung zugeführt wird. Das heißt, dass hier die Relativbewegung derart ausgeführt wird, dass sich der Stapel zur Presseinrichtung bewegt.
In einer anderen Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass nach erfolgter Stapelung der Schichten der erzeugte Stapel aus der Aufnahmeeinrichtung herausgenommen wird und eine Presseinrichtung dem Stapel zugeführt wird. Das heißt, dass hier die Relativbewegung derart ausgeführt wird, dass die Presseinrichtung zum Stapel bewegt wird.
Das bedeutet, dass nach erfolgtem Stapelprozess in der Aufnahmeeinrichtung dieser von der Aufnahmeeinrichtung entkoppelt wird und von einer Presseinrichtung gepresst wird, wobei hier als Relativbewegung entweder der Stapel der Presseinrichtung zugeführt wird oder auch als Relativbewegung die Presseinrichtung dem Stapel zugeführt wird.
In weiterer alternativer Ausführung des Verfahrens ist die Aufnahmeeinrichtung durch eine Greifeinrichtung ausgebildet, die an eine Presseinrichtung anschließbar ist, wobei von der Presseinrichtung Energie auf die Greifeinrichtung zwecks Greifen und/ oder Pressen des Stapels übertragbar ist. Es wird der Stapelvorgang somit in der Greifeinrichtung ausgeführt.
Der Vorteil der genannten Ausgestaltungen liegt insbesondere darin, dass während der relativ langen Zeitdauer des Stapelns Presseinrichtungen, die zur Pressung des hergestellten Stapels notwendig sind, anderweitig zur Verfügung stehen und nicht blockiert sind. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, an oder in mehreren Aufnahmeeinrichtungen den Stapelprozess vorzunehmen und sie nacheinander (sequenziell) einer oder mehreren Presseinrichtungen zuzuführen, wobei deutlich mehr Stapelvorgänge in oder an Aufnahmeeinrichtungen vorgenommen werden können als Presseinrichtungen zum Einsatz kommen. Dadurch lassen sich in erheblicher Weise Fertigungsmittelinvestitionen reduzieren.
In einer besonderen Ausführungsform des Verfahrens wird während des Pressvorganges mittels der Presseinrichtung der Stapel zumindest zeitabschnittsweise transportiert. Das bedeutet, dass bei Ausgestaltung der Presseinrichtung mit einer Transporteinrichtung oder auch mechanischer Kopplung der Presseinrichtung mit einer Transporteinrichtung der in oder an der Transporteinrichtung aufgenommene Stapel gleichzeitig gepresst und dabei transportiert werden kann. Dies kann z. B. durch einen geeigneten Greifer realisiert werden, der einen entsprechenden Pressdruck auf den Stapel ausüben kann und der in mechanischer Weise mit einem Roboter gekoppelt ist, der zur Aufbringung der Presskraft und der benötigten Transportenergie ausgestaltet ist. Dadurch lässt sich weitere Fertigungszeit einsparen. Der Transportvorgang kann insbesondere zu einem Arbeitsplatz erfolgen, an denen der Stapel mit Bändern versehen wird, die zumindest ein geometrisches Maß des Stapels nach durchgeführtem Pressvorgang fixieren.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann dadurch vorteilhaft ausgestaltet sein, dass vor und/ oder bei einer Bewegung der Presseinrichtung mit darin oder daran aufgenommenem Stapel vor Ausübung einer Pressung zur Realisierung eines definierten Maßes des gepressten Stapels entlang der Pressrichtung, welches dem Endmaß des Stapels oder auch ein die weitere Montage, wie z. B. eine Bebänderung, ermöglichendes Maß entspricht, eine Vorpressung des Stapels erfolgt, wobei die bei der Vorpressung aufgebrachte Kraft Fv zu der zur Realisierung des Endmaßes aufzubringenden Kraft Fe in einem Verhältnis von Fv/Fe = 0,1...0,3 steht.
Diese Vorpressung wird durchgeführt, um vor Realisierung des eigentlichen Pressvorganges, bei dem der Stapel auf sein Endmaß oder auch auf das zur Ausführung der weiteren Batteriezellenmontage notwendige Maß gebracht wird und insbesondere beim Transportprozess und den transportbedingt wirkenden Trägheitskräften, ein Ausknicken des Stapels zu verhindern.
Zusätzlich zu den genannten Schritten kann das Verfahren derart durchgeführt werden, dass während des Pressvorganges oder nach dem Pressvorgang der Stapel in seinem Maß entlang der Presskraft-Wirkungslinie fixiert wird, insbesondere mittels Umschlingung des Stapels mit wenigstens einem Band und vorzugsweise mehreren Bändern. Das genannte Maß ist hierbei das Maß, welches entlang der Achse zu messen ist, die senkrecht zu den Schichten des Stapels verläuft. Durch die Bebänderung wird erreicht, dass die durch den Pressvorgang erzeugte Form und Größe des Stapels im Wesentlichen und vorzugsweise vollständig beibehalten bleibt und ein Verrutschen der verpressten Einheiten nicht möglich ist. Die Enden der Bänder werden zur Erzeugung von Schlaufen verschweißt, insbesondere lasergeschweißt. Dieser Vorgang kann gegebenenfalls auch in der Greifeinrichtung stattfinden.
Zur Lösung der Aufgabe wird außerdem ein System zur Herstellung einer Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt, welches eine Aufnahmeeinrichtung zur Aufnahme mehrerer gestapelter Schichten einer Brennstoffzelle sowie eine Presseinrichtung zur Ausübung eines Pressdrucks auf die gestapelten Schichten mittels Ausführung einer definierten Pressbewegung umfassend. Die Aufnahmeeinrichtung und die Presseinrichtung sind derart ausgestaltet, dass mehrere Schichten in der Aufnahmeeinrichtung stapelbar sind und nach Ausführung eines Stapelvorganges eine Relativbewegung zwischen der Aufnahmeeinrichtung und der Presseinrichtung ausführbar ist, so dass die Presseinrichtung in Wirkverbindung mit dem Stapel bringbar ist, wobei die Relativbewegung eine andere Bewegung ist als die definierte Pressbewegung, und ein Pressen des Stapels mittels der Presseinrichtung ausführbar ist.
Das System ist somit zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgestaltet. Insofern sich der erzeugte Stapel bei Ausführung der Relativbewegung noch in der Aufnahmeeinrichtung befindet, wird demzufolge die Relativbewegung zwischen der Aufnahmeeinrichtung und der Presseinrichtung durchgeführt, wobei sich die Presseinrichtung zum Stapel bzw. zu der Aufnahmeeinrichtung bewegen kann oder auch umgekehrt der Stapel bzw. die Aufnahmeeinrichtung zur Presseinrichtung bewegen kann.
Das heißt, dass die Presseinrichtung des erfindungsgemäßen Systems zur Herstellung einer Brennstoffzelle während des Stapelvorganges gleichzeitig einen Pressvorgang an anderen als in der genannten Aufnahmeeinrichtung angeordneten Schichten vornehmen kann.
Die Presseinrichtung kann eine Greifeinrichtung aufweisen, die mindestens zwei Greifelemente umfasst, mit denen im Wesentlichen einander entgegen gerichtete Kräfte auf gestapelte Schichten einer Brennstoffzelle zwecks Ausübung eines Pressdruckes auf diese Schichten aufbringbar sind.
Diese Greifeinrichtung ist bevorzugt derart ausgestaltet, an eine Transporteinrichtung, wie z. B. an einem Schwenkroboter, mechanisch angeschlossen zu werden und somit von diesem, ggf. unter Ausführung des Pressvorganges, geschwenkt bzw. transportiert zu werden. Die Greifeinrichtung kann außerdem dazu ausgebildet sein, dass sie es ermöglicht, dass in ihr der Stapelvorgang stattfindet. In diesem Fall dient sie als Aufnahmeeinrichtung.
Die Greifeinrichtung oder auch die Presseinrichtung können eine Kraftmesseinrichtung, eine Wegmesseinrichtung sowie eine Steuer- und/ oder Regelungseinheit aufweisen, mit denen der Pressvorgang Kraft- und/ oder Weg-steuerbar ist, um derart ein optimales Pressen des Stapels zu gewährleisten.
Wenigstens ein Greifelement der Greifeinrichtung kann dabei mehrere Zinken aufweisen, in deren Zwischenraum bzw. Zwischenräumen Bänder zur Bebänderung des erzeugten Stapels positionierbar sind.
Ein derartiges Greifelement kann in so genannter Kammgreifer sein, der Zinken aufweist, die zwischen sich Freiräume ausbilden, in denen Bänder zur Bebänderung der Brennstoffzelle positionierbar sind.
Weiterhin kann das erfindungsgemäße System eine Transporteinrichtung umfassen, mit der der erzeugte Stapel bewegbar ist. Vorzugsweise sollte die Transporteinrichtung derart ausgestaltet sein, dass sie gleichzeitig die Presseinrichtung ausbildet oder aber auch mit dieser mechanisch verbunden ist, so dass der mit der Presseinrichtung gepresste Stapel gleichzeitig transportiert werden kann.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.
Es zeigen
1: ein erfindungsgemäßes System zur Herstellung einer Brennstoffzelle,
2: ein hergestellter Stapel vor dem Verpressen,
3: ein hergestellter Stapel nach dem Verpressen,
4a: eine Greifeinrichtung in Ansicht von der Seite,
4b: die in 4a dargestellte Greifeinrichtung in Ansicht von vorn,
4c: die Ansicht A-A aus 4b in Draufsicht, die ein zweites Greifelement der Greifeinrichtung zeigt,
5: einen verpressten Stapel vor der Bebänderung,
6: einen verpressten Stapel nach der Bebänderung.
Zunächst wird auf das in 1 dargestellte System zur Herstellung einer Brennstoffzelle eingegangen, um mit Erläuterung dessen Komponenten auch das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle zu erklären. Dieses System umfasst mehrere Aufnahmeeinrichtungen 10, in denen manuell oder auch automatisiert einzelne Elemente der herzustellen Brennstoffzelle stapelbar sind. Somit entsteht an oder in einer jeden dargestellten Aufnahmeeinrichtung 10 ein schichtweiser Stapel. Das erfindungsgemäße System umfasst des Weiteren eine Presseinrichtung 50, die in der hier dargestellten Ausführungsform auch einen Transportroboter 41 aufweist. Dieser Transportroboter 41 ist derart ausgestaltet, dass eine an ihm angeordnete Greifeinrichtung 60 bewegbar ist, nämlich in den Relativbewegungen 40 von und zu den Aufnahmeeinrichtungen 10. In der hier dargestellten Ausführungsvariante umfasst somit die Presseinrichtung 50 eine zur form- und/oder kraftschlüssigen Greifung eines in einer Aufnahmeeinrichtung 10 hergestellten Stapels konzipierten Greifeinrichtung 60 sowie einen Transportroboter 41, mit der die Greifeinrichtung 60 mit dem darin aufgenommenen Stapel bewegbar ist, nämlich zumindest in den Relativbewegungen 40 von und zu den Aufnahmeeinrichtungen 10. Das erfindungsgemäße Verfahren kann daher derart ausgeführt werden, dass an oder in den Aufnahmeeinrichtungen 10 Stapel der Elemente der herzustellenden Brennstoffzellen erzeugt werden und dann mittels des Transportroboters 41 die Greifeinrichtung 60 derart in Eingriff mit einem jeweiligen Stapel 6 gebracht wird, dass dieser Stapel 6 von der Greifeinrichtung 60 gegriffen und gepresst wird.
Das heißt, dass nach dem Stapeln der erzeugte Stapel 6 direkt mit der Greifeinrichtung 60 aufgenommen, fixiert und verpresst wird, sodass ein transportbedingtes Verrutschen von Dichtungen bzw. einzelnen Elementen 1 des Stapels 6 oder auch das Eindringen von Fremdpartikeln sowie damit verbundene Undichtigkeiten vermieden werden können.
Nach der Durchführung des Pressvorgangs oder auch zeitgleich mit der Durchführung des Pressvorgangs kann der in der Greifeinrichtung 60 aufgenommene Stapel 6 mittels dem Transportroboter 41 bewegt bzw. transportiert werden, wie z. B. zu einem der dargestellten Arbeitsplätze 11, insbesondere zum Laserschweißen 17, bei dem Enden von um den gepressten Stapel gelegten Bändern miteinander verschweißt werden, um somit den Druck dauerhaft auf die geschichteten Elemente auszuüben und hierdurch eine Fixierung der Elemente aneinander sowie die gewünschte Dichtigkeit zwischen den Elementen zu erzeugen.
Das bedeutet, dass hier abweichend von den bisher üblichen Verfahren der Stapelvorgang und der Pressvorgang nicht in einer Vorrichtung, wie z. B. in der Aufnahmeeinrichtung, erfolgen, sondern der Pressvorgang vom Stapelvorgang separiert durchgeführt wird, wobei zur Einsparung von Fertigungszeiten der Pressvorgang zumindest teilweise zeitgleich mit dem Transportvorgang des erzeugten Stapels von einer Aufnahmeeinrichtung 10 zu einem der weiteren Arbeitsplätze 11 kombiniert werden kann.
Dies ermöglicht das gleichzeitige Stapeln in mehreren Aufnahmeeinrichtungen 10 sowie das serielle Pressen und ggf. Transportieren der erzeugten Stapel mittels der Presseinrichtung 50, sodass für eine Vielzahl von Aufnahmeeinrichtungen 10 nur noch eine geringe Anzahl von Presseinrichtungen 50 vorzuhalten ist, wobei angesichts der üblicherweise langen Zeitdauer zur Durchführung des Stapelprozesses und der nur relativ kurzen benötigten Presszeit sogar eine einzige Presseinrichtung 50 zur Bedienung von mehreren Aufnahmeeinrichtungen 10 ausreichend ist.
Alternativ zu der in 1 beschriebenen Vorgehensweise kann der Stapelvorgang in einer Greifeinrichtung erfolgen, die jedoch von einer Transporteinrichtung entkoppelt bzw. entkoppelbar ist. Das heißt, dass in dieser Ausgestaltung des Verfahrens die Greifeinrichtung eine Aufnahmeeinrichtung ausbildet bzw. einen Teil von dieser darstellt. Nach Durchführung des Stapelvorgangs kann die Greifeinrichtung mit der eigentlichen Presseinrichtung gekoppelt werden, die die zur Durchführung des Pressvorganges benötigte Kraft bzw. Energie auf die Greifeinrichtung überträgt. Gegebenenfalls kann dabei wie bereits beschrieben zumindest teilweise zeitgleich zum Pressvorgang auch ein Transportvorgang des Stapels in der Greifeinrichtung erfolgen. Das erfindungsgemäße Verfahren wird auch hier dadurch umgesetzt, dass lediglich eine Presseinrichtung zur seriellen Pressung von Stapeln eingesetzt wird, wobei hier die Stapel nicht in lediglich der Aufnahme der Elemente dienenden Aufnahmeeinrichtungen erzeugt werden, sondern in mehreren Greifeinrichtungen, die dann wiederum nacheinander mit einer Presseinrichtung in Wirkverbindung gebracht werden.
Der Transportroboter 41 kann als eine flexible Transporteinrichtung derart ausgebildet sein, dass er auch den Materialfluss zu und von den anderen Arbeitsplätzen 11 realisiert. So z. B. kann er die einzelnen Elemente, die später in den Aufnahmeeinrichtungen 10 zu stapeln sind, dem Arbeitsplatz 11 der Vormontage zuführen und von dieser Vormontage 12 den Aufnahmeeinrichtungen 10 zuführen. Nach Durchführung des Stapelprozesses in den Aufnahmeeinrichtungen 10 lässt sich der dort erzeugte Stapel in beschriebener Weise dem Arbeitsplatz 11 zuführen, in dem das Laserschweißen 17 der Bänderenden durchgeführt wird. Von dort kann die hergestellte Brennstoffzelle wiederum dem Arbeitsplatz 11 zugeführt werden, in dem eine Dichtheitsprüfung 14 sowie eine Elektronikmontage 15 und eine Elektronik-Prüfung 16 erfolgt. Von diesem Arbeitsplatz kann die Brennstoffzelle wiederum dem Arbeitsplatz 11 der Endmontage 13 zugeführt werden. An den genannten Arbeitsplätzen 11 können dargestellte Bedienpersonen 20 die jeweiligen Operationen vornehmen, und/oder es können hier nicht dargestellte automatisierte Fertigungsanlagen die jeweiligen Vorgänge ausführen oder auch die Bedienpersonen 20 dabei unterstützen.
So kann zur Laserschweißung 17 der dargestellte Schweißroboter 30 eingesetzt werden, der, wie noch unter Bezugnahme auf die 5 und 6 erläutert werden wird, die Enden von die Brennstoffzelle umschlingenden Bändern miteinander verschweißt.
In den 2 und 3 ist die Durchführung des eigentlichen Pressvorganges dargestellt. 2 zeigt dabei einen hergestellten Stapel 6 vor dem Verpressen. Es ist ersichtlich, dass dieser Stapel 6 mehrere Elemente 1 aufweist, die im Wesentlichen waagerecht ausgerichtet sind und die jeweils einzelne Schichten 2 ausbilden. Parallel zu diesen Schichten 2 und endseitig des dadurch ausgebildeten Stapels 6 sind Endplatten 3 angeordnet.
Nach dem Stapelprozess und vor dem Pressvorgang weist der erzeugte Stapel 6 ein senkrecht zu den Schichten definiertes Ausgangsmaß 4 auf. Nach Aufbringung einer Presskraft F verringert sich dieses Maß, wie es aus 3 ersichtlich ist. Die einzelnen Schichten 2 des Stapels 6 werden dabei derart aneinander gepresst, dass sich ein definiertes Stapelmaß 5 ausbildet, welches im Wesentlichen dem Endmaß in dieser Richtung der Brennstoffzelle entspricht.
Die Wirkungslinie 51 der Presskraft F verläuft dabei im Wesentlichen senkrecht zu den einzelnen Schichten 2 und wird zur vereinfachten Darstellung an den Kraftanleitungsstellen 53 über hier nicht dargestellte Krafteinleitungselemente einer Greifeinrichtung eingeleitet. Selbstverständlich kann statt der hier dargestellten, von der Presskraft F realisierten Punktlast auch eine Strecken- oder Flächenlast auf die Endplatten 3 ausgeübt werden. Die Krafteinleitungselemente 52 sind vorzugsweise mit einer sehr geringen Parallelitätstoleranz behaftet, um die einzelnen Schichten des herzustellenden Stapels sehr gleichmäßig mit dem Pressdruck zu beaufschlagen.
Zum Greifen und auch zur Durchführung des beschriebenen Pressvorganges wird die in den 4a und 4b dargestellte Greifeinrichtung 60 zur Verfügung gestellt. Diese umfasst in der hier dargestellten Ausführungsform eine Basisplatte 63 sowie ein daran über eine oder mehrere Linearführungen 68 verschiebbar angeordnetes erstes Greifelement 64 sowie ein fixiertes zweites Greifelement 65. Das erste Greifelement 64 und das zweite Greifelement 65 umfassen jeweils Krafteinleitungselemente 52, die im Wesentlichen planparallel zueinander ausgerichtet sind und dazu eingerichtet sind, die in den 2 und 3 dargestellte Presskraft F auf den Stapel 6 auszuüben. Zu diesem Zweck umfasst die Greifeinrichtung 60 eine vorzugsweise elektrisch ausgeführte Antriebseinrichtung 61, die vorteilhafterweise ein Weg-Mess-System 69 und/oder ein Kraft-Mess-System (hier nicht dargestellt) umfasst. Mit dieser Antriebseinrichtung lässt sich das erste Greifelement 64 in einer Pressbewegung 54 in Richtung auf das zweite Greifelement 65 verfahren, sodass ein hier nicht dargestellter Stapel zwischen dem ersten Greifelement 64 und dem zweiten Greifelement 65 in der zu den 2 und 3 beschriebenen Weise mit der Presskraft beaufschlagbar ist.
Die Greifeinrichtung 60 weist eine Anschlusseinrichtung 62 auf, die es ermöglicht, die Greifeinrichtung 60 an die in 1 dargestellte Transporteinrichtung 41 in Form des dort dargestellten Transportroboters anzuschließen, um somit von diesem Transportroboter 41 bewegt bzw. transportiert werden zu können, insbesondere wenn ein Stapel von der Greifeinrichtung 60 aufgenommen ist.
Das hier im unteren Bereich der Greifeinrichtung 60 angeordnete zweite Greifelement 65 weist mehrere Zinken 66, wie es insbesondere aus 4c ersichtlich ist, in der die Ansicht A-A aus 4b dargestellt ist. Zwischen den Zinken 66 sind Zwischenräume 67 ausgebildet, die es in einfacher Weise ermöglichen, zwischen den Zinken 66 Bänder zu positionieren, die zur dauerhaften Aufbringung eines Pressdrucks auf die schichtweise angeordneten Elemente 1 des Stapels 6 benötigt werden.
Zwecks Herumführung von derartigen Bändern um einen in der Greifeinrichtung 60 aufgenommenen Stapel kann auch die Basisplatte 63 hier nicht dargestellte Freiräume aufweisen, in denen oder durch die Bänder geführt werden können; oder aber es können hier nicht dargestellte Abstandselemente angeordnet sein, die gewährleisten, dass ein in der Greifeinrichtung 60 aufgenommener Stapel einen ausreichenden Abstand zur Basisplatte 63 aufweist, sodass auch hier Bänder positioniert werden können. Des Weiteren kann auch das erste Greifelement 64 mit derartigen Zinken 66 und Zwischenräumen 67 ausgestaltet sein, um auch hier die Positionierung von Bändern zu erleichtern.
Vorzugsweise umfasst ein Tisch bzw. eine Auflage einer in 1 dargestellten Aufnahmeeinrichtung 10, auf der ein jeweils erstellter Stapel ruht, Schlitze bzw. Ausnehmungen, in die die Zinken 66 des zweiten Greifelements 65 einfahren können, sodass der erzeugte Stapel in einfacher Weise vom zweiten Greifelement 65 bzw. dessen Zinken 66 unterfahren und gegriffen werden kann, ohne die Gefahr einer Verschiebung einzelner Elemente des Stapels zu bewirken.
Der Vorgang der Anordnung der Bänder sowie deren Verschweißung ist aus den 5 und 6 ersichtlich. Wie 5 entnehmbar ist, werden einzelne Bänder 70 vorzugsweise unter Beibehaltung der Presswirkung einer hier nicht dargestellten Presseinrichtung 50 auf den Stapel um diesen herumgeführt, wobei der Stapel durch Anlageelemente 80 definiert positioniert ist.
Nach Zusammenführung der Enden der Bänder 70 werden diese mittels Schweißung 90, wie in 6 angedeutet, miteinander verbunden, sodass sie den Stapel 60 umklammern und demzufolge den elastischen Rückstellkräften der einzelnen Schichten dieses Stapel entgegenwirken und somit eine konstante Presskraft bzw. Pressdruck auf den Stapel bzw. die einzelnen Schichten ausüben. Dadurch wird die Brennstoffzelle 100 mit ihren wesentlichen Komponenten bereitgestellt, wobei die Brennstoffzelle 100 ggf. noch mit elektronischen Komponenten zu vervollständigen ist und einer Qualitätsprüfung zuzuführen ist.
Bezugszeichenliste

1: Element
2: Schicht
3: Endplatte
4: Ausgangsmaß
5: definiertes Stapelmaß
6: Stapel
10: Aufnahmeeinrichtung
11: Arbeitsplatz
12: Vormontage
13: Endmontage
14: Dichtheitsprüfung
15: Elektronik-Montage
16: Elektronik-Prüfung
17: Laserschweißen
20: Bedienperson
30: Schweißroboter
40: Relativbewegung
41: Transportroboter
50: Presseinrichtung
F: Presskraft
51: Wirkungslinie
52: Krafteinleitungselement
53: Krafteinleitungsstelle
54: Pressbewegung
60: Greifeinrichtung
61: Antriebseinrichtung
62: Anschlusseinrichtung
63: Basisplatte (an Greifeinrichtung)
64: Erstes Greifelement
65: Zweites Greifelement
66: Zinke
67: Zwischenraum
68: Linearführung
69: Weg-Mess-System
70: Band
80: Anlageelement
90: Schweißung
100: Brennstoffzelle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2012/000679 A1 [0004]
US 8247137 B2 [0005, 0005]
DE 102013225034 A1 [0005, 0006]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle (100), die in Schichten (2) angeordnete Elemente (1) aufweist, bei dem i. eine Aufnahmeeinrichtung (10) zur Aufnahme mehrerer gestapelter Schichten (2) einer Brennstoffzelle (100) sowie eine Presseinrichtung (50) zur Ausübung einer Presskraft (F) auf die gestapelten Schichten (2) mittels Ausführung einer definierten Pressbewegung (54) zur Verfügung gestellt werden, ii. mehrere Schichten (2) in der Aufnahmeeinrichtung (10) gestapelt werden, iii. nach dem Stapeln eine Relativbewegung (40) zwischen dem in der Aufnahmeeinrichtung (10) erzeugten Stapel (6) und der Presseinrichtung (50) durchgeführt wird, so dass die Presseinrichtung (50) in Wirkverbindung mit dem Stapel (6) bringbar ist, wobei die Relativbewegung (40) eine andere Bewegung ist als die definierte Pressbewegung (54), iv. ein Pressen des Stapels (6) mittels der Presseinrichtung (50) durchgeführt wird.
Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach erfolgter Stapelung von Schichten (2) der dadurch erzeugte Stapel (6) aus der Aufnahmeeinrichtung (10) herausgenommen wird und einer Presseinrichtung (50) zugeführt wird.
Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach erfolgter Stapelung der Schichten (2) der erzeugte Stapel (6) aus der Aufnahmeeinrichtung (10) herausgenommen wird und eine Presseinrichtung (50) dem Stapel (6) zugeführt wird.
Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Pressvorganges mittels der Presseinrichtung (50) der Stapel (6) zumindest zeitabschnittsweise transportiert wird.
Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor und/ oder bei einer Bewegung der Presseinrichtung (50) mit darin oder daran aufgenommenem Stapel (6) vor Ausübung einer Pressung zur Realisierung eines definierten Maßes (5) des gepressten Stapels (6) entlang der Pressrichtung, welches dem Endmaß des Stapels (6) oder auch ein die weitere Montage, wie z. B. eine Bebänderung, ermöglichendes Maß entspricht, eine Vorpressung des Stapels (6) erfolgt, wobei die bei der Vorpressung aufgebrachte Kraft Fv zu der zur Realisierung des Endmaßes aufzubringenden Kraft Fe in einem Verhältnis von Fv/Fe = 0,1...0,3 steht.
Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Pressvorganges oder nach dem Pressvorgang der Stapel (6) in seinem Maß entlang der Presskraft-Wirkungslinie (51) fixiert wird, insbesondere mittels Umschlingung des Stapels (6) mit wenigstens einem Band (70) und vorzugsweise mehreren Bändern (70).
System zur Herstellung einer Brennstoffzelle, umfassend eine Aufnahmeeinrichtung (10) zur Aufnahme mehrerer gestapelter Schichten (2) einer Brennstoffzelle (100) sowie eine Presseinrichtung (50) zur Ausübung einer Presskraft (F) auf die gestapelten Schichten (2) mittels Ausführung einer definierten Pressbewegung (54), wobei die Aufnahmeeinrichtung (10) und die Presseinrichtung (50) derart ausgestaltet sind, dass mehrere Schichten (2) in der Aufnahmeeinrichtung (10) stapelbar sind und nach Ausführung eines Stapelvorganges eine Relativbewegung (40) zwischen der Aufnahmeeinrichtung (10) und der Presseinrichtung (50) ausführbar ist, so dass die Presseinrichtung (50) in Wirkverbindung mit dem Stapel (6) bringbar ist, wobei die Relativbewegung (40) eine andere Bewegung ist als die definierte Pressbewegung, und ein Pressen des Stapels (6) mittels der Presseinrichtung (50) ausführbar ist.
System zur Herstellung einer Brennstoffzelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Presseinrichtung (50) eine Greifeinrichtung (60) aufweist, die mindestens zwei Greifelemente (64, 65) umfasst, mit denen im Wesentlichen einander entgegen gerichtete Kräfte (F) auf gestapelte Schichten (2) einer Brennstoffzelle (100) zwecks Ausübung eines Pressdruckes auf diese Schichten (2) aufbringbar sind.
System zur Herstellung einer Brennstoffzelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Greifelement (64, 65) der Greifeinrichtung (60) mehrere Zinken (66) aufweist, in deren Zwischenraum (67) bzw. Zwischenräumen (67) Bänder (70) zur Bebänderung des erzeugten Stapels (6) positionierbar sind.
System zur Herstellung einer Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass das System eine Transporteinrichtung (41) umfasst, mit der der erzeugte Stapel (6) bewegbar ist.