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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von Bipolarplatten gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Bipolarplatten werden bei Brennstoffzellen verwendet. Eine Brennstoffzelle besitzt als stromliefernde Einheit eine elektrochemische Zelle, die aus einer Anode, einer Membran und einer Kathode aufgebaut ist. An der Anode reagiert Wasserstoff unter Abgabe von Elektronen. Die entstehenden Protonen wandern von der Anode zu der Kathode. An der Kathode reagieren die Protonen mit Sauerstoff unter Aufnahme von Elektronen. Als Reaktionsprodukt entsteht Wasser. Um die Spannung einer Brennstoffzelle zu erhöhen, schaltet man mehrere elektrochemische Zellen hintereinander. Das bedeutet, sie werden elektrisch in Serie miteinander verschaltet. Zwischen den einzelnen Zellen sind dabei Bipolarplatten angeordnet. Sie weisen auf der einen Seite eine Anode und auf der anderen Seite eine Kathode auf. Sie trennen die einzelnen Zellen ab und leiten den erzeugten Strom nach Außen. In den Bipolarplatten sind Kanäle eingeprägt, durch die Reaktionsmedien zugeführt werden. Einer Anode wird dabei Wasserstoff oder ein wasserstoffhaltiges Trägermedium zugeführt. Einer Kathode wird Sauerstoff bzw. ein sauerstoffhaltiges Trägermedium zugeführt. Das entstehende Reaktionswasser wird ebenfalls durch in den Bipolarplatten vorhandene Kanäle abgeführt.
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Aus der
DE 10 2009 059 765 A1 ist eine entsprechende Vorrichtung zur Herstellung von Bipolarplatten bekannt. Als Ausgangsmaterial werden ebene, bandförmige Bleche verwendet, in die durch Umformen Strukturen, d.h. Kanäle eingebracht werden. Nach dem Umformen werden die einzelnen Platten von den Bändern abgetrennt und einem Reinigungsschritt unterzogen. Nach der Reinigung werden die einzelnen Platten dann übereinander gestapelt und in einem Laserschweißprozess miteinander zu einer Bipolarplatte verbunden. Anschließend werden die gefügten Platten erneut gereinigt und zu einer Beschichtungsanlage verbracht. In einer Beschichtungsanlage wird über ein PVD-Verfahren im Vakuum ein Katalysator aufgedampft. Diese Beschichtung bildet eine Reaktivschicht aus, die zum einen einen Schutz für die Platte bildet und zum anderen die Reaktionsfähigkeit an der Oberfläche verbessert. Nach der Beschichtung erfolgt erneut ein Reinigungsvorgang der Platte. Anschließend werden mehrere Bipolarplatten zu einem Brennstoffzellenstapel bzw. Brennstoffzellenstack verbunden. Nachteilig an diesem bekannten Verfahren ist, dass aufgrund der Vielzahl von Bearbeitungsschritten mehrere Maschinen und entsprechend eine große Fläche für die Herstellung der Bipolarplatten benötigt wird. Zwischen den Bearbeitungsmaschinen ist ein entsprechendes Handling der Platten erforderlich. Zudem ist die Herstellung aufgrund der abwechselnden chemischen und mechanischen Bearbeitungsschritte aufwendig und fordert viele manuelle Eingriffe.
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Aus der
DE 10 2004 050 921 A1 ist ein weiteres Verfahren zur Herstellung von Bipolarplatten bekannt. Dort sind mehrere getrennte Arbeitsstationen vorgesehen. In einer ersten Arbeitsstation wird über einen Stanzvorgang ein Blechstreifen in einzelne Platten aufgeteilt. Die Platten bleiben weiterhin zu einem Blechstreifen verbunden, indem die einzelnen Platten kleine Stege aufweisen, die diese mit dem Randbereich des Blechstreifens verbinden. Von der Bearbeitungsstation 1 wird der Blechstreifen motorisch zu einer zweiten Arbeitsstation transportiert, in der ein Prägevorgang durchgeführt wird, um durch Formgebung den Platten Strömungskanäle bzw. Verbindungskanäle einzuprägen. Anschließen werden die zusammenhängenden Blechteile in eine dritte Station geführt, in der diese von den Blechstreifen getrennt werden. Anschließend an die dritte Station erfolgt ein Transport der Platten zu einer Beschichtungsanlage. In der Beschichtungsanlage werden die einzelnen Platten über ein Sputterverfahren mit einer Beschichtung versehen. Auch dieses Verfahren erfordert mehrere hintereinander angeordnete chemische und mechanische Bearbeitungsschritte, die in einer Vielzahl von einzelnen Arbeitsstationen durchgeführt werden müssen. Das Handling der einzelnen Platten bzw. die erforderliche Reinigung zwischen den Arbeitsstationen macht diesen Herstellungsprozess relativ aufwändig und erfordert einen hohen Platzbedarf.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung von Bipolarplatten zu schaffen, welches eine kostengünstige Herstellung ermöglicht und möglichst wenig Platzbedarf aufweist. Insbesondere soll das Verfahren weitestgehend automatisiert ablaufen und die notwendigen manuellen Arbeitsschritte reduziert werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur Herstellung von Bipolarplatten für Brennstoffzellen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Herstellung von Bipolarplatten für Brennstoffzellen mit den Merkmalen des Anspruchs 11 und durch ein Verfahren zur Herstellung von Bipolarplatten für Brennstoffzellen mit den Merkmalen des Anspruchs 27 gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt werden.
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Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung zur Herstellung von Bipolarplatten eine Fördervorrichtung um einzelne Platten automatisch angetrieben in einer Transportrichtung zu transportieren, wobei die Fördervorrichtung einen Transportbalken mit zumindest einem Werkstückgreifer zum Greifen von Substratplatten und/oder Anodenplatten und/oder Kathodenplatten aufweist, wobei sich der Transportbalken von der Umformeinrichtung bis hin zu der Fügeeinrichtung erstreckt und eine Förderantriebsvorrichtung mit dem Transportbalken verbunden ist, um den Werkstückgreifer und/oder den Transportbalken in oder entgegen der Transportrichtung automatisch angetrieben zu bewegen, und den Werkstückgreifer und/oder den Transportbalken in einer Hubrichtung und/oder in einer Klemmrichtung automatisch angetrieben zu bewegen. Die Fördervorrichtung ermöglicht einen automatisierten Transport sowohl von Substratplatten wie auch von Anodenplatten und Kathodenplatten über mehrere Arbeitsstationen hinweg. Durch den automatischen Antrieb des Transportbalkens in zumindest zwei, vorzugsweise drei Richtungen, wird ein automatisches Handling der Substratplatten ermöglicht, ohne dass manuelle Eingriffe erforderlich sind. Dadurch ist es möglich, mehrere Arbeitsschritte unmittelbar hintereinander auszuführen, ohne dass dazwischen manuelle Eingriffe erforderlich sind. Dadurch wird es ermöglicht, einerseits kompakte Herstellvorrichtungen aufzubauen, die einen geringen Platzbedarf aufweisen sowie die Bipolarplatten voll automatisiert, und insbesondere in einer hohen Geschwindigkeit zu fertigen.
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Es ist in einer Ausgestaltung vorgesehen, dass die Vorrichtung zur Herstellung von Bipolarplatten für Brennstoffzellen eine Fördervorrichtung, eine Umformeinrichtung und eine Fügeeinrichtung umfasst, wobei die Fördervorrichtung entweder Substratmaterial, vorzugsweise bandförmiges Substratmaterial, oder einzelne Substratplatten oder mehrere untereinander verbundene Substratplatten, vorzugsweise zu einem Band verbundene Substratplatten, automatisch angetrieben in einer Transportrichtung erst zu der Umformeinrichtung und danach zu der Fügeeinrichtung transportiert, wobei die Umformeinrichtung mittels wenigstens einem Prägewerkzeug oder wenigstens einem Umformwerkzeug in die Substratplatten Strukturen einprägt und dadurch eine Substratplatte in eine Anodenplatte oder eine Kathodenplatte umformt. Vorzugsweise kann zusammen mit der Umformung der Platten auch ein Abtrennen einer Substratplatte oder ein teilweises Abtrennen einer Substratplatte erfolgen. Anschließend fügt die Fügeeinrichtung eine Anodenplatte und eine Kathodenplatte zu einer Bipolarplatte.
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Vorzugsweise weist die Fördervorrichtung einen oder mehrere gesteuerte Elektromotoren auf, die mit einer Steuerungseinrichtung verbunden sind, um eine präzise und automatische Förderung einzelner Substratplatten zu ermöglichen.
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Als Substratplatten oder als Substratmaterial können flache, ebene Substrate verwendet werden, die beispielsweise als Rollenmaterial auf einem Wickel bzw. als Bandmaterial angeliefert werden. Insbesondere bezeichnet Substratmaterial ein beschichtetes Trägermaterial. Dieses Substratmaterial kann als Band aufgewickelt auf Rollen oder Haspeln verwendet werden. Einzelne Substratplatten können von dem Substratmaterial, welches beispielsweise ein Rollenmaterial bzw. Bandmaterial sein kann, abgetrennt werden. Als Rollenmaterial oder Bandmaterial können beispielsweise ebene, bandförmige Bleche, vorzugsweise Edelstahlbleche oder leitfähige, insbesondere karbonisierte Kunststoffe verwendet werden. Vorzugsweise ist auf dem als Substrat dienenden Rollenmaterial oder Bandmaterial eine Beschichtung angebracht.
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Zum Abtrennen einer Substratplatte kann in einem Übergabebereich zwischen Substratband und der Fördervorrichtung eine Trennvorrichtung vorgesehen sein, die von dem Substratband einzelne Substratplatten abtrennt. Als Trennvorrichtung kann beispielsweise eine Schere oder eine Laserschneideinrichtung oder Wasserstrahlschneideinrichtung oder Stanzvorrichtung dienen.
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Die Substratplatten können dabei in einer Ausgestaltung von der Trennvorrichtung vollständig von dem Substratband getrennt und individuell weitertransportiert werden. In einer anderen Ausgestaltung können die Substratplatten von der Trennvorrichtung derart getrennt werden, dass die Substratplatten mittels Reststegen weiter mit dem Substratband verbunden sind und als zusammenhängendes Band weiter transportiert werden. Vorzugsweise kann die Trennvorrichtung entweder separat ausgebildet sein, oder in einem Umformwerkzeug, beispielsweise dem Anodenwerkzeug oder Kathodenwerkzeug intergiert ausgebildet sein. Insbesondere kann das Umformen einer Substratplatte zu einer Anodenplatte oder Kathodenplatte in einem Arbeitsschritt zugleich mit dem vollständigen oder teilweisen Abtrennen einer Platte von dem Substratmaterial erfolgen.
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Die Fördervorrichtung kann zum Transport von Substratmaterial wie bspw. Rollenmaterial oder Bandmaterial eine Walzentransportvorrichtung oder eine Wirbelstromtransportvorrichtung aufweisen. Zudem kann die Fördervorrichtung zum Transport von Substratplatten und/oder Anodenplatten und/oder Kathodenplatten eine Walzentransportvorrichtung oder eine Wirbelstromtransportvorrichtung aufweisen.
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Eine Walzentransportvorrichtung weist eine angetriebene Walze auf, die mit dem zu transportierenden Bandmaterial oder der zu transportierenden Platte (Substratplatte und/oder Anodenplatte und/oder Kathodenplatte) zusammenwirkt um diese zu transportieren. Es können auch zwei Walzen vorgesehen sein, zwischen denen das zu transportierende Substratmaterial oder die zu transportierenden Platten geführt werden.
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Eine Wirbelstromtransportvorrichtung kommt insbesondere bei relativ dünnem Bandmaterial oder bei dünnen Platten zum Einsatz. Über das Zusammenwirken von in das Substratmaterial oder in die Platten (Substratplatte und/oder Anodenplatte und/oder Kathodenplatte)indizierten Wirbelströmen und einem Magnetfeld erfolgt der Transport des Substratmaterials oder der Platten.
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Die in die Substratplatten mittels der Umformeinrichtung eingeprägten Strukturen bilden in der Bipolarplatte Kanäle und/oder Durchbrüche aus, durch die Reaktionsmedien, d.h. wasserstofftragende Medien oder sauerstofftragende Medien, geleitet werden können. Weiter können die Strukturen Kanäle ausbilden, die es ermöglichen, das entstehende Reaktionsprodukt, insbesondere Wasser aus der Bipolarplatte abzuführen. Weiter können die Strukturen Kanäle umfassen, um ein Kühlmedium oder Heizmedium durch die Bipolarplatte zu leiten. Dadurch wird es ermöglicht, die fertige Brennstoffzelle auf einer bestimmten Betriebstemperatur zu halten. Beispielsweise kann das Umformen und/oder das Prägen der Substratplatten in einer Pressenvorrichtung oder einer Walzenvorrichtung durchgeführt werden.
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In einer vorzugsweisen Ausgestaltung kann der Transportbalken der Fördervorrichtung aus einem Profilmaterial, wie beispielsweise einem ablängbaren Metallprofil, ausgebildet sein. Der Transportbalken kann auch als Transportschiene dienen. Er besitzt eine tragende Funktion und transportiert die über die Werkstückgreifer gehaltenen einzelnen Platten, d.h. eine Substratplatte und/oder eine Anodenplatte und/oder eine Kathodenplatte. Die Werkstückgreifer sind als steuerbare Greifer für die einzelnen Platten ausgebildet. D.h. die Werkstückgreifer sind dazu ausgebildet, sowohl eine Substratplatte als auch eine Anodenplatte als auch eine Kathodenplatte zu greifen. Beispielsweise können die Werkstückgreifer die einzelnen Platten mechanisch, vorzugsweise über gesteuerte Krallen aufnehmen. Alternativ ist es auch möglich, dass die Werkstückgreifer einzelne Platten mittels Unterdruck aufnehmen, d.h. festhalten. Es ist auch denkbar, dass die Werkstückgreifer die einzelnen Platten magnetisch, insbesondere über einen gesteuerten Elektromagneten aufnehmen bzw. halten.
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In einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Umformeinrichtung ein oder mehrere Prägewerkzeuge aufweist. Als ein erstes Prägewerkzeug oder Umformwerkzeug kann die Umformeinrichtung ein Anodenwerkzeug oder mehrere Anodenwerkzeuge zum Ausformen von Anodenplatten aufweisen. In Transportrichtung dazu beabstandet kann die Umformeinrichtung als ein weiteres Prägewerkzeug oder Umformwerkzeug ein Kathodenwerkzeug oder mehrere Kathodenwerkzeuge zum Ausformen von Kathodenplatten aufweisen. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die mehreren Anodenwerkzeuge unmittelbar hintereinander angeordnet sind. Dementsprechend sind vorzugsweise auch mehrere Kathodenwerkzeuge unmittelbar hintereinander angeordnet. Diese Anordnung ermöglicht auch bei einem mehrstufigen Umformprozess kurze Wege und damit kurze Transportzeiten der Platten zwischen den einzelnen Umformstationen, da die Bearbeitung einer Anodenplatte in unmittelbar hintereinander angeordneten Werkzeugen erfolgt und auch die Bearbeitung einer Kathodenplatte in unmittelbar hintereinander angeordneten Werkzeugen erfolgt. Die Fügevorrichtung ist zwischen einem Anodenwerkzeug und einem Kathodenwerkzeug angeordnet, also sozusagen mittig angeordnet.
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Die Fördervorrichtung fördert die Anodenplatten und Kathodenplatten in Transportrichtung gesehen gegenläufig zueinander und transportiert jeweils eine Anodenplatte und eine Kathodenplatte zu der Fügevorrichtung hin. Durch die Anordnung der Fügevorrichtung zwischen einem Anodenwerkzeug und einem Kathodenwerkzeug ergibt sich eine vorteilhafte Reduktion des benötigten Bauraums, da diese Produktionslinie sozusagen von beiden Enden mit Rohmaterial, d.h. mit Substratplatten beschickbar ist.
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Ein vorteilhafter Grundgedanke der Erfindung ist, dass bei der Herstellung von Bipolarplatten für Brennstoffzellen eine Bipolarplatte durch Fügen einer Anodenplatte mit einer Kathodenplatte gebildet wird und vor dem Fügen eine Anodenplatte und eine Kathodenplatte aus einer Substratplatte durch Umformen oder Einprägen von Strukturen ausgebildet wird. Dabei ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass als Substratplatte eine bereits mit einer Reaktivbeschichtung und/oder Katalysatorbeschichtung versehene Platte verwendet wird. Dadurch wird ermöglicht, die Bipolarplatten herzustellen, ohne dass abwechselnd mechanische Bearbeitungsschritte und chemische Bearbeitungsschritte durchgeführt werden müssen. Die Anzahl der notwendigen Bearbeitungsschritte wird deutlich reduziert und aufwendige Reinigungsprozesse zwischen den einzelnen Arbeitsschritten können entfallen.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Umformen und/oder das Prägen der Substratplatten in einer Pressenvorrichtung oder einer Walzenvorrichtung durchgeführt wird. Die Pressenvorrichtung kann als eine Vertikalpresse oder als eine Horizontalpresse ausgebildet sein. Insbesondere kann die Umformeinrichtung als Teil einer Presseneinrichtung ausgebildet sein.
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In einer beispielhaften Ausgestaltung kann die Presseneinrichtung vertikale Pressenständer und einen Pressentisch aufweisen und der Transportbalken parallel zu einer Längsseite des Pressentisches verlaufen. Beispielsweise kann dabei vorgesehen sein, dass die Umformeinrichtung als Teil einer Presseneinrichtung ausgebildet ist, wobei die Presseneinrichtung vertikale Pressenständer und einen zwischen den Pressenständern angeordneten Pressentisch aufweist und der Transportbalken parallel zu einer Längsseite des Pressentisches verläuft. Um eine kompakte Bauform zu erreichen, können die Pressenständer beispielsweise durch ein Pressenjoch untereinander verbunden sein. An dem Pressenjoch sind beispielsweise Pressenstempel sowie die Antriebe für die Pressenstempel angeordnet.
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In einer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Presseneinrichtung einen ersten Pressenstempel aufweist, der mit einem Anodenwerkzeug zusammenwirkt und einen zweiten Pressenstempel aufweist, der mit einem Kathodenwerkzeug zusammenwirkt. Beispielsweise kann das Anodenwerkzeug zweiteilig ausgebildet sein, wobei ein erstes Teil des Anodenwerkzeugs auf dem Pressentisch angeordnet ist und das zweite Teil des Anodenwerkzeugs mit einem Pressenstempel verbunden ist. Eine Substratplatte wird durch die Fördervorrichtung zwischen den beiden Werkzeugteilen angeordnet und über den Pressenstempel werden die beiden Werkzeugteile zusammengepresst und dadurch die Substratplatte umgeformt. Das Kathodenwerkzeug ist analog dazu aufgebaut. Das Anodenwerkzeug kann getrennt von dem Kathodenwerkzeug ausgebildet sein. D.h. die Presse weist zwei unterschiedliche Pressenstempel auf, wobei ein Pressenstempel mit dem Anodenwerkzeug und ein anderer Pressenstempel mit dem Kathodenwerkzeug verbunden ist.
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In einer alternativen Ausgestaltung kann ein Pressenstempel sowohl mit einem Anodenwerkzeug als auch mit einem Kathodenwerkzeug verbunden sein, sodass mit einem einzigen Umformschritt zwei Substratplatten bearbeitet werden und somit zeitgleich eine Anodenplatte und einer Kathodenplatte umgeformt werden.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass nach dem Umformen oder Prägen eine Anodenplatte und eine Kathodenplatte automatisch angetrieben zu einer Fügevorrichtung transportiert und dort zu einer Bipolarplatte gefügt werden. Dabei kann vorgesehen sein, dass zum Fügen der Bipolarplatte mittels der Fördervorrichtung im Bereich der Fügevorrichtung eine Kathodenplatte auf eine Anodenplatte gelegt wird oder eine Anodenplatte auf eine Kathodenplatte gelegt wird, indem von der Fördervorrichtung zuerst eine Kathodenplatte oder eine Anodenplatte in eine Halterung der Fügevorrichtung eingelegt wird und anschließend die Fördervorrichtung eine Anodenplatte oder eine Kathodenplatte diese zumindest teilweise in Überdeckung mit der eingelegten Kathodenplatte oder Anodenplatte verfährt und anschließend auf der eingelegten Kathodenplatte oder Anodenplatte ablegt.
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Von Vorteil ist dabei, dass insbesondere nach dem Arbeitsschritt Umformen oder Prägen keine Beschichtung der Anodenplatte und/oder der Kathodenplatte mit einer Reaktivbeschichtung oder einer Katalysatorbeschichtung erfolgt. Vorzugsweise ist auch nach dem Schritt Fügen einer Anodenplatte mit einer Kathodenplatte zu einer Bipolarplatte keine Beschichtung der Bipolarplatte mit einer Reaktivbeschichtung oder einer Katalysatorbeschichtung notwendig. Dies wird dadurch erreicht, dass ein bereits beschichtetes Substratmaterial verwendet wird. Eine geeignete Beschichtung weist eine hohe Korrosionsbeständigkeit und/oder eine hohe elektrische Leitfähigkeit auf. Die Beschichtung kann beispielsweise einen oder mehrere der folgenden Werkstoffe enthalten: Gold, Platin, Silber, Titancarbide oder Totannitride, Ti3SiC2,Chrom, Kohlenstoff oder Nickel.
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Alternativ kann auch ein Substratmaterial verwendet werden, welches keine Beschichtung benötigt.
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In einer Ausgestaltung kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Fördervorrichtung wenigstens zwei in Transportrichtung parallel zueinander verlaufende Transportbalken aufweist, wobei jeder Transportbalken zumindest einen Werkstückgreifer zum Greifen von Substratplatten und/oder Anodenplatten und/oder Kathodenplatten aufweist. Sofern die Fördervorrichtung einen einzigen in Transportrichtung verlaufenden Transportbalken oder Transportschiene aufweist, können mit diesem in einer Reihe Substratplatten und/oder Anodenplatten und/oder Kathodenplatten transportiert werden. Sofern die Platten größere Abmessungen aufweisen, kann es von Vorteil sein, wenn die Fördervorrichtung zwei parallel zueinander verlaufende Transportbalken oder Transportschienen aufweist. Über die Werkstückgreifer dieser beiden Transportbalken können die Platten dann von beiden Seiten gegriffen werden, um zu verhindern, dass sich diese während des Transports verformen. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass jeder der Transportbalken oder Transportschienen eine separate Platte greift, um zwei parallele Fertigungslinien mit einer einzigen Fördervorrichtung auszubilden.
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In einer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass der Transportbalken an oder auf einem Schließkasten gelagert ist, wobei der Schließkasten einen Hubantrieb aufweist, um den Transportbalken in einer Hubrichtung anzutreiben und/oder einen Klemmantrieb aufweist, um den Transportbalken in einer Klemmrichtung anzutreiben und/oder einen Längsantrieb aufweist, um den Transportbalken in Transportrichtung anzutreiben. Der Schließkasten kann beispielsweise einen tragenden Rahmen aufweisen, an dem ein Hubantrieb und/oder ein Klemmantrieb gehalten ist. Der Hubantrieb und/oder der Klemmantrieb kann einen Servomotor und/oder Schrittmotor umfassen, oder mehrere Servomotoren und/oder Schrittmotoren umfassen, um den Transportbalken anzutreiben. Hubrichtung bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der Transportbalken in vertikaler Richtung, d.h. nach oben und/oder nach unten angetrieben wird. Transportrichtung bedeutet, dass der Transportbalken in Transportrichtung oder auch entgegen der Transportrichtung angetrieben bewegt wird. Die Transportrichtung verläuft im Wesentlichen in einer horizontalen Richtung. Klemmrichtung bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der Transportbalken in horizontaler Richtung quer zu der Transportrichtung angetrieben wird. Die Klemmrichtung umfasst dabei beide Richtungen. Im Falle von zwei parallelen Transportbalken bedeutet ein Transport in Klemmrichtung, dass die beiden Transportbalken aufeinander zu bewegt werden. Entgegen der Klemmrichtung bedeutet, dass die beiden Transportbalken voneinander entfernt werden.
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In einer alternativen Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Fördervorrichtung zum Antrieb der Transportbalken in Hub- und/oder Klemmrichtung derart ausgebildet ist, dass der Transportbalken im Bereich seiner Enden über einen von einem Hubantrieb in vertikaler Richtung verschiebbar angetriebenen Hubschlitten an einem vertikalen Pressenständer gelagert ist und der Hubschlitten ein Ende einer Schwinge drehbar lagert, deren anderes Ende mit dem Tragbalken verbunden ist. Dabei ist vorgesehen, dass eine Hubbewegung der Transportbalken erfolgt, indem die Hubschlitten über Hubantriebe in den Pressenständern in vertikaler Richtung verfahren werden. Eine Klemmbewegung der Transportbalken kann erfolgen, indem die Hubschlitten die Schwinge mittels eines Drehantriebs ansteuern und gleichzeitig der Hubantrieb und der Drehantrieb derart angesteuert werden, dass der Transportbalken durch den Drehantrieb in horizontaler Richtung bewegt wird und gleichzeitig die durch die Drehbewegung verursachte vertikale Bewegung des Transportbalkens durch den Hubantrieb kompensiert wird. So wird ermöglicht, dass eine Klemmbewegung ausgeführt werden kann, ohne dass dabei der Transportbalken vertikal bewegt wird.
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Für einen flexiblen Aufbau und/oder eine einfache Wartung kann vorgesehen sein, dass die Werkstückgreifer an dem Transportbalken oder einem Schlitten des Transportbalkens abnehmbar gehaltert sind.
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Um eine flexible Steuerung zu ermöglichen, kann in einer Ausgestaltung vorgesehen sein, dass an einem Transportbalken wenigstens zwei verfahrbare Transportschlitten gelagert sind, wobei jeder dieser zwei Transportschlitten einen Werkstückgreifer haltert und eine eigene Antriebseinrichtung aufweist, um diesen Transportschlitten unabhängig von anderen Transportschlitten entlang des Transportbalkens zu verfahren. Über die individuell angetriebenen Transportschlitten können die Platten an dem Transportbalken sowohl in Transportrichtung als auch gegen der Transportrichtung transportiert werden. Das bedeutet, dass die Platten unabhängig eines Längsantriebs des Transportbalkens in bzw. entgegen der Transportrichtung transportiert werden können. Dies ermöglicht, dass in einer Ausgestaltung ein Antrieb des Transportbalkens in Transportrichtung entfallen kann, um beispielsweise die Vorrichtung kotengünstiger auszugestalten. In alternativer Ausführung kann sowohl der Transportbalken in Transportrichtung angetrieben sein als auch die auf dem Transportbalken verfahrbar gelagerten Transportschlitten. Dies ermöglicht eine deutlich gesteigerte Geschwindigkeit beim Transport der einzelnen Platten sowie eine höhere Flexibilität bei deren Steuerung.
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Durch die individuelle Ansteuerung einzelner Transportschlitten können mit der Transportvorrichtung zur gleichen Zeit einzelne Platten mit einem jeweils eigenen Bewegungsprofil transportiert werden. Ein Bewegungsprofil kann unterschiedliche Parameter, wie beispielsweise Geschwindigkeiten und/oder Beschleunigungen und/oder zeitabhängige Geschwindigkeitsänderungen und/oder Zeiten bzw. Transportzeiten und/oder Verweilzeiten und/oder Hublängen und/oder Transportstrecken umfassen. Dadurch ist es möglich, dass mit ein und derselben Fördervorrichtung auf ein und demselben Transportbalken gleichzeitig Substratplatten und Anodenplatten und Kathodenplatten durch verschiedene Arbeitsstationen transportiert werden. Durch die individuelle Steuerung ist es möglich, mit ein und demselben Transportbalken die individuellen Erfordernisse der einzelnen Arbeitsstationen an die Bearbeitungsschritte zu ermöglichen. So kann sowohl die Verweildauer in der Umformeinrichtung individuell gesteuert werden als auch die Verweildauer in der Fügeeinrichtung. Das ermöglicht, dass beispielsweise eine Anodenplatte in dem Anodenwerkzeug stillsteht, während eine Substratplatte bereits in Richtung auf das Anodenwerkzeug zu transportiert wird. Zudem ermöglicht die individuelle Ansteuerung einzelner Transportschlitten, dass beispielsweise eine Anodenplatte und eine Kathodenplatte in entgegengesetzter Richtung aufeinander zu transportiert werden.
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In einer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass ein Werkstückgreifer an einem Transportschlitten in Hubrichtung angetrieben verfahrbar gelagert ist, indem der Transportschlitten einen Vertikalantrieb zum Anheben und/oder Absenken des Werkstückgreifers aufweist. Der Transportschlitten weist einen Vertikalantrieb auf, der einen Servermotor und/oder einen Schrittmotor und/oder einen Linearantrieb umfassen kann, um den Werkstückgreifer anzuheben oder abzusenken. Dieser Antrieb des Werkstückgreifers kann ergänzend zu einem Hubantrieb des Transportschlittens erfolgen. Das bietet den Vorteil, dass an ein und demselben Transportbalken die Platten mit unterschiedlichen vertikalen Höhen, d.h. in mehreren Ebenen mit horizontalem Abstand zueinander transportiert werden können. So wird beispielsweise ermöglicht, dass in der Fügeeinrichtung eine Anodenplatte und eine Kathodenplatte übereinander stapelbar sind.
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Beispielsweise kann in einer Ausgestaltung vorgesehen sein, dass die Fördersteuerungseinrichtung die Fördervorrichtung mit einem solchen Bewegungsprofil ansteuert, dass die Fördervorrichtung im Bereich der Fügevorrichtung eine Kathodenplatte auf eine Anodenplatte legt oder eine Anodenplatte auf eine Kathodenplatte legt, indem sie den Transportbalken und/oder einen Werkstückgreifer derart ansteuert, dass dieser zuerst eine Kathodenplatte oder eine Anodenplatte in eine Halterung der Fügevorrichtung einlegt und anschließend durch den Transportbalken und/oder einen weiteren Werkstückgreifer eine Anodenplatte oder eine Kathodenplatte in Hubrichtung angehoben, zumindest teilweise in Überdeckung mit der eingelegten Kathodenplatte oder Anodenplatte verfahren und durch Absenken des Transportbalkens und/oder des weiteren Werkstückgreifers auf der eingelegten Kathodenplatte oder Anodenplatte positioniert wird.
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Um eine flexible Steuerung der Fördervorrichtung vorzusehen, kann die Fördervorrichtung eine Fördersteuerungseinrichtung aufweisen oder mit einer Fördersteuerungseinrichtung verbunden sein, wobei die Fördersteuerungseinrichtung den Transportbalken und/oder einen Werkstückgreifer steuert, insbesondere kann die Fördersteuerungseinrichtung ein Bewegungsprofil des Transportbalkens und/oder eines Werkstückgreifers festlegen. Die Fördersteuerungseinrichtung kann beispielsweise in eine Pressensteuerung integriert sein oder als separate Fördersteuerungseinrichtung ausgebildet sein. Insbesondere kann die Fördersteuerungseinrichtung von einem zentralen Maschinenplatz aus die Fördervorrichtung steuern, indem zwischen der Fördersteuerungseinrichtung und der Fördervorrichtung ein digitales Bussystem, insbesondere ein CAN-Bus oder ein Feldbus vorgesehen ist.
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Weiter kann vorgesehen sein, dass die Antriebseinrichtung der Transportschlitten mit einer Schlittensteuerungseinrichtung verbunden ist und die Schlittensteuerungseinrichtung zum Ansteuern eines einzelnen Transportschlittens und/oder eines einzelnen Werkstückgreifers ausgebildet ist, vorzugsweise dass die Schlittensteuerungseinrichtung mit der Fördersteuerungseinrichtung verbunden oder in diese integriert ausgebildet ist.
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Um in einer Ausgestaltung einen gegenläufigen Transport der Platten zu ermöglichen, kann vorgesehen sein, dass die Fördervorrichtung zwei Transportbänder aufweist, die jeweils über zwei Umlenkrollen geführt und gegenläufig angetrieben sind, wobei eines der Transportbänder die Anodenplatten und das andere der Transportbänder die Kathodenplatten transportiert.
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In einer alternativen Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass ein gegenläufiger Transport der Platten realisiert wird, indem die Fördervorrichtung einen Transportbalken mit zumindest einem Werkzeuggreifer zum Greifen von Substratplatten und/oder Anodenplatten und/oder Kathodenplatten aufweist, wobei sich der Transportbalken von dem Anodenwerkzeug bis hin zu dem Kathodenwerkzeug erstreckt und einen Förderantrieb aufweist, um den Transportbalken und/oder den Werkstückgreifer in oder entgegen der Transportrichtung automatisch angetrieben zu bewegen, und den Werkstückgreifer und/oder den Transportbalken in einer Hubrichtung und/oder in einer Klemmrichtung automatisch angetrieben zu bewegen. Ein gegenläufiger Transport mit nur einem angetriebenen Werkzeuggreifer oder nur einem angetriebenen Transportbalken kann realisiert werden, indem nacheinander zuerst eine Platte in Transportrichtung transportiert wird und danach eine zweite Platte entgegen der Transportrichtung transportiert wird.
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Das Fügen der Anodenplatte mit der Kathodenplatte kann erfolgen, indem vorgesehen ist, dass die Fügevorrichtung eine Schweißeinrichtung, insbesondere eine Laserschweißeinrichtung oder eine Elektrodenschweißeinrichtung oder eine Plasmaschweißeinrichtung ist. Auch ein mechanisches Fügen bsp. durch Falzen kann vorgesehen sein.
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Das Fügen von Anodenplatte mit Kathodenplatte kann als vollständiges Fügen erfolgen. D. h. dass die Fügevorrichtung alle notwendigen Verbindungen zwischen Anodenplatte und Kathodenplatte herstellt. Alternativ kann die Fügevorrichtung nur einen Teil der notwendigen Verbindungen zwischen Anodenplatte und Kathodenplatte herstellen, also die Platten teilweise fügen. Die restlichen Verbindungen können dann in einem späteren Arbeitsschritt, beispielsweise zusammen mit dem Stapeln der Bipolarplatten erfolgen.
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Um aus den gefertigten einzelnen Bipolarplatten Bipolarstapel bzw. Bipolarstacks zu bilden, kann vorgesehen sein, dass die Fügevorrichtung eine Bipolarplatte an eine Weitertransporteinrichtung übergibt, welche die Bipolarplatte quer zu der Transportrichtung fördert und einer Stapelvorrichtung zuführt. Der Stapelvorrichtung werden ein Bodenteil sowie ein Deckelteil sowie Membranen und Bipolarplatten zugeführt. Die Stapelvorrichtung versieht einen Brennstoffzellenstapel zunächst mit einem Bodenteil und stapelt auf diesem abwechselnd Bipolarplatten und Membranen. Zum Abschluss versieht die Stapelvorrichtung den Bipolarplattenstapel mit einem Deckenteil und verschraubt diesen mit der Bodenplatte. Anschließend kann der Stapelvorrichtung der fertige Bipolarplattenstapel der Stapelvorrichtung entnommen werden. Von besonderem Vorteil ist, dass bei dem erfindungsgemäßen Herstellverfahren bzw. bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung, zwischen dem Zuführen des Substratmaterials und der Entnahme des fertigen Bipolarplattenstapels kein manueller Handlingschritt erfolgen muss, sondern dass das Handling der Bipolarplatten ausgehend von dem Substratmaterial bis hin zu dem Bipolarplattenstapel voll automatisiert verläuft.
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In einer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass der Weitertransport der Bipolarplatten zu der Fügevorrichtung erfolgt, indem vorgesehen ist, dass die Weitertransportvorrichtung ein Quertransportband aufweist, welches über zwei Umlenkrollen umlaufend geführt ist. Alternativ dazu kann auch vorgesehen sein, dass die Weitertransportvorrichtung einen angetriebenen Förderarm mit einem Werkstückgreifer aufweist. Beispielsweise kann der Förderarm als Roboterarm mit mehreren angetriebenen Achsen ausgebildet sein.
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Um den Durchsatz der Fertigung zu erhöhen, kann in einer Ausgestaltung vorgesehen sein, dass die Stapelvorrichtung abwechselnd eine Bipolarplatte und eine Membran auf einen Brennstoffzellenstapel stapelt und gleichzeitig zwei Brennstoffzellenstapel bildet, indem die Stapelvorrichtung eine Weiche aufweist, um eine Bipolarplatte entweder einem ersten Brennstoffzellenstapel oder einem zweiten Brennstoffzellenstapel zuzuführen. Dabei kann die Stapelvorrichtung die Brennstoffzellenstapel nacheinander bilden, indem zuerst der eine Stapel mit Bipolarplatten befüllt wird, bevor dann anschließend der zweite Stapel mit Bipolarplatten befüllt wird. Dies ermöglicht, dass ein fertiger Stapel entnommen werden kann und ein neuer Stapel durch Einlegen einer Bodenplatte vorbereitet werden kann während der andere Stapel aufgebaut wird. Alternativ kann die Stapelvorrichtung beide Stapel synchron mit Bipolarplatten befüllen.
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Es hat sich gezeigt, dass der erforderliche Platzbedarf reduziert werden kann, indem die Weiche seitlich neben der Fördervorrichtung auf Höhe der Fügevorrichtung angeordnet ist.
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Die Weiche kann beispielsweise ein Förderband umfassen, dessen Transportrichtung steuerbar ist. Beispielsweise kann, um eine Bipolarplatte dem ersten Bipolarplattenstapel zuzuführen, eine erste Transportrichtung des Förderbands eingeschaltet werden. Um eine Bipolarplatte dem zweiten Bipolarplattenstapel zuzuführen, kann die zweite entgegengesetzte Transportrichtung des Förderbands eingeschaltet werden.
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In einer alternativen Ausgestaltung kann die Weiche auch einen Linearschlitten aufweisen. Der Linearschlitten greift über einen entsprechenden Greifer eine Bipolarplatte, hebt diese an und transportiert diese in eine erste Richtung, um diese dem ersten Bipolarplattenstapel zuzuführen und dort abzulegen. Um eine Bipolarplatte dem zweiten Bipolarplattenstapel zuzuführen transportiert der Linearschlitten die Bipolarplatte in die entgegengesetzte zweite Richtung und legt die Bipolarplatte auf dem zweiten Stapel ab.
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Eine weiter verbesserte Bauraumausnutzung ergibt sich, indem in einer Ausgestaltung vorgesehen ist, dass der erste Brennstoffzellenstapel seitlich neben der Fördervorrichtung auf Höhe des Anodenwerkzeugs und der zweite Brennstoffzellenstapel seitlich neben der Fördervorrichtung auf Höhe des Kathodenwerkzeugs angeordnet ist.
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Eine Steigerung der Produktivität kann weiter erreicht werden, indem in einer Ausgestaltung vorgesehen ist, dass in Transportrichtung vor und hinter der Fördervorrichtung zwei Rollmagazine mit Substratrollen angeordnet sind, wobei das erste Rollmagazin Substratband in Transportrichtung zu der Fördervorrichtung hin liefert und das zweite Rollmagazin Substratband entgegen der Transportrichtung zu der Fördervorrichtung hin liefert. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Substratbänder als Metallbänder ausgebildet sind, die eine Reaktivbeschichtung und/oder eine Katalysatorbeschichtung aufweisen.
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Eine Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist insbesondere bei der Herstellung von Brennstoffzellen für die Automobilindustrie vorgesehen. Vorteilhafterweise kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch bei der Herstellung von Brennstoffzellen für Blockheizkraftwerke, wie sie bei der Versorgung von einzelnen Gebäuden benötigt werden, Verwendung finden. Insbesondere ist vorgesehen, dass das erfindungsgemäße Verfahren unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt wird.
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In den Figuren sowie der nachfolgenden Figurenbeschreibung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Dabei zeigen:
- 1: ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit beidseitiger Substratzufuhr;
- 2: ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer einseitigen Substratzufuhr;
- 3: ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung mit beidseitiger Substratzufuhr;
- 4: ein Beispiel einer Umformeinrichtung für die Herstellung von Bipolarplatten;
- 5: eine Detailvergrößerung aus 4 im Bereich eines Pressenständers;
- 6: ein Ausführungsbeispiel eines Substratmagazins;
- 7: ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung mit beidseitiger Substratzufuhr.
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Die 1 bis 7 zeigen unterschiedliche Ausführungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung von Bipolarplatten für Brennstoffzellen. Im Wesentlichen stimmen die Ausführungen der einzelnen Ausgestaltungen überein. Auf Unterschiede zwischen den einzelnen Ausgestaltungen wird in der Figurenbeschreibung speziell hingewiesen. Gleiche Komponenten sind jeweils mit gleichen Referenzzeichen versehen.
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In der 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Herstellung von Bipolarplatten dargestellt. Die Vorrichtung 1 weist eine Fördervorrichtung 2, eine Umformeinrichtung 3 sowie eine Fügeeinrichtung 4 auf. Die Fördervorrichtung 2 fördert Substratplatten 98 automatisch angetrieben in bzw. entgegen der durch Pfeile dargestellten Transportrichtung. Die Substratplatten 98 werden von einem Substratband 94 mittels einer Trenneinrichtung 41 abgetrennt. Das Substratband 97 wird in Form von Rollmagazinen oder Haspeln 96 angeliefert und der Vorrichtung 1 zur Herstellung von Bipolarplatten beidseitig zugeführt.
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Eine Presseneinrichtung 5 ist ein zentral angeordnetes Element der Vorrichtung 1 zur Herstellung von Bipolarplatten für Brennstoffzellen. An der Presseneinrichtung 5 sind sowohl die Fügeeinrichtung 4 als auch die Fördervorrichtung 2 und die Umformeinrichtung 3 gehaltert. Optional ist auch die Trenneinrichtung 41 zum Abtrennen von einzelnen Substratplatte 98 von Substratbändern 97 an der Presseneinrichtung 5 angeordnet. Die Presseneinrichtung 5 weist einen Pressentisch 51 auf, der seitlich von vier vertikal angeordneten Pressenständern 52a, 52b, 52c, 52d begrenzt ist. Die vertikalen Pressenständer 52a-d stehen bodenseitig auf einem Pressensockel und sind an ihrem oberen Bereich durch ein Pressenjoch miteinander verbunden. Das Pressenjoch trägt die Pressenstempel der Presseneinrichtung 5.
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Die Umformeinrichtung 3 weist Prägewerkzeuge 31, insbesondere ein Anodenwerkzeug 31a und ein Kathodenwerkzeug 31b auf. Sowohl das Anodenwerkzeug 31a als auch das Kathodenwerkzeug 31b ist jeweils mit einem Pressenstempel verbunden. Die Werkzeuge sind zweigeteilt, wobei ein erstes Teil jeweils mit dem Pressenstempel verbunden ist und ein zweites Teil des Prägewerkzeugs auf dem Pressentisch angeordnet ist. Zum Umformen einer Substratplatte in eine Anodenplatte wird diese von der Fördervorrichtung 2 zu dem Anodenwerkzeug transportiert. Anschließend erfolgt mittels der Presseneinrichtung 5 bzw. des Anodenwerkzeugs 31a ein Umformvorgang, um die Substratplatte 98 in eine Anodenplatte 91 umzuformen. Bei diesem Umformvorgang werden der Platte Strukturen eingeprägt, die zum einen Kanäle für die Zuführung bzw. Abführung von Reaktionsmedien dienen als auch die mechanische Festigkeit der Anodenplatte erhöhen. Das Anodenwerkzeug 31a ist auf der in 1 oberen Seite der Presseneinrichtung angeordnet. Das Kathodenwerkzeug 31b ist im Bereich der in 1 dargestellten Pressenanlage an der Unterseite angeordnet. Entsprechend erfolgt die Umformung der Substratplatte 98 in eine Kathodenplatte 92 über das Kathodenwerkzeug 31b.
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Der Umformvorgang einer Substratplatte 98 in eine Anodenplatte 91 oder eine Kathodenplatte 92 kann, wie oben beschrieben, in einem Schritt erfolgen. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass der Umformvorgang mehrstufig, insbesondere dreistufig erfolgt. Die Fördervorrichtung 2 fördert dabei die Platten 98 von einem Umformschritt zu dem darauffolgenden Unformschritt. In einem ersten Schritt kann die Substratplatte 98 von einem Substratband 97 abgeschnitten werden. Gleichzeitig mit dem Abschneiden können in die Substratplatte Durchgänge oder Löcher gestanzt werden. In einem zweiten Schritt kann die Substratplatte vorgeformt werden, indem beispielsweise erste Strukturen oder Kanäle in die Substratplatte 98 eingeprägt werden. In einem dritten Unformvorgang kann die Oberfläche der Substratplatte 98 kalibriert werden, so dass die endgültige Anodenplatte 91 oder Kathodenplatte 92 entsteht. Es ist dabei vorgesehen, dass das jeweilige Umformwerkzeug entsprechend der Anzahl an Stufen mehrteilig ausgebildet ist. So kann das Anodenwerkzeug 31a und/oder Kathodenwerkzeug 31b dreigeteilt sein entsprechend den drei aufeinanderfolgenden Umformschritten.
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Die umgeformten Substratplatten, d.h. die Anodenplatte 91 und die Kathodenplatte 92 werden von der Fördereinrichtung 2 gegenläufig zueinander transportiert. In der 1 sind die Transportwege der einzelnen Platten mittels geschwungener Linien dargestellt.
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Etwa im mittleren Bereich der Presseneinrichtung ist die Fügeeinrichtung 4 angeordnet. Die von einer Seite gelieferte Anodenplatte wird von der Fördereinrichtung 2 in den Bereich der Fügeeinrichtung 4 transportiert. Ebenso wird die gegensinnig, d.h. von der anderen Seite der Presseneinrichtung von der Fördervorrichtung transportierte Kathodenplatte 92 in den Bereich der Fügeeinrichtung 4 transportiert und dort in Überlappung mit der Anodenplatte 91 gebracht. Die Fügeeinrichtung 4 verschweißt die Anodenplatte 91 mit der Kathodenplatte 92 zu einer Bipolarplatte 93.
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Die fertig gefügte Bipolarplatte 93 wird seitlich aus der Presseneinrichtung 5 ausgeschleust (wie in 1 durch Pfeil dargestellt) und zu einer Weiche 61 transportiert. Die Weiche 61 ist als Quertransportband 62 ausgebildet und transportiert die Bipolarplatte 93 entweder zu der in 1 dargestellten oberen Stapelvorrichtung 6 oder zu der unteren Stapelvorrichtung 6. Die Stapelvorrichtung 6 umfasst jeweils eine Zuführeinrichtung für eine Deckelplatte 95d sowie eine Zuführeinrichtung für eine Bodenplatte 95b und eine Zuführeinrichtung für eine Membran 94.
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In der Stapelvorrichtung 6 wird ein Brennstoffzellenstapel 95 wie folgt gebildet: Als erstes wird eine Bodenplatte 95b als Basis für den Brennstoffzellenstack verwendet. Darauf werden abwechselnd Bipolarplatten 93 und Membranen 94 gestapelt. Zum Abschluss stapelt die Stapelvorrichtung 6 auf den Stack eine Deckelplatte 95d auf und verbindet die Bodenplatte 95b beispielsweise mittels Schrauben mit der Deckelplatte 95d. Der fertige Brennstoffzellenstack 95 wird von der Stapelvorrichtung 6 in Pfeilrichtung abtransportiert und kann an der Entnahmestation als fertiger Brennstoffzellenstapel 95 entnommen werden.
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Die Stapelvorrichtung 6 ist seitlich unmittelbar angrenzend an die Pressenvorrichtung 5 angeordnet. Dies ermöglich einen räumlich kompakten Aufbau der Vorrichtung 1 zur Herstellung von Bipolarplatten für Brennstoffzellen. Von Vorteil ist auch, wenn die Zuführeinrichtungen der Stapelvorrichtung 6 in Längsrichtung hintereinander angeordnet sind, um, wie in der 1 dargestellt ist, sich der Längserstreckung der Presseneinrichtung 5 anzupassen. Um den Ausstoß der Vorrichtung 1 zur Herstellung von Bipolarplatten zu erhöhen, ist, wie in 1 gezeigt, vorgesehen, dass eine Presseneinrichtung 5 zwei Stapelvorrichtungen beliefert. Über die Weiche 61 werden die fertigen Bipolarplatten 93 abwechselnd der ersten Stapelvorrichtung und der zweiten Stapelvorrichtung 6 zugeführt.
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Die Fördervorrichtung 2 umfasst einen ersten Transportbalken 21 und einen zweiten Transportbalken 22. Die Transportbalken verlaufen in Transportrichtung parallel und mit Abstand zueinander. Sie sind innerhalb der Presseneinrichtung 5 angeordnet und erstrecken sich in Längsrichtung im Wesentlichen über die gesamte Längserstreckung der Presseneinrichtung 5. D.h. sowohl der erste Transportbalken 21 als auch der zweite Transportbalken 22 erstreckt sich im Wesentlichen von dem durch die vertikalen Pressenständer 52a und 52b gebildeten Eingangstor der Presseneinrichtung 5 bis hin zu dem durch die vertikalen Pressenständer 52c und 52d gebildeten Ausgangstor der Pressenständer 5. Die Transportbalken 21 bzw. 22 sind im Bereich ihrer beidseitigen Enden jeweils auf einem Schließkasten 53 gelagert. Der Schließkasten 53 weist einen Hubantrieb auf, um die Transportbalken 21 und 22 in vertikaler Richtung anheben bzw. absenken zu können. Weiter weist der Schließkasten 53 einen Klemmantrieb auf, um die Transportbalken 21 und 22 in Klemmrichtung, d.h. in horizontaler Richtung aufeinander zu bzw. voneinander weg zu bewegen. Ebenso kann der Schließkasten 53 einen Längsantrieb aufweisen, um einen Transportbalken 21 oder beide Transportbalken 21 und 22 in Transportrichtung zu bewegen. An jedem der Transportbalken 21 und 22 sind mehrere Werkstückgreifer 23 angeordnet. Die Werkstückgreifer 23 dienen dazu, die Platten, d.h. sowohl die Substratplatten 98 als auch die Anodenplatten 91 und die Kathodenplatten 92 und die Bipolarplatten 93 zu greifen und festzuhalten. Die Werkstückgreifer 93 sind einzeln ansteuerbar, d.h. über eine Steuereinrichtung kann gesteuert werden, ob ein bestimmter Werkstückgreifer eine Platte greift oder ablegt.
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Die Werkstückgreifer 23 sind über Transportschlitten 24 (wie beispielsweise in 4 dargestellt) an den Transportbalken 21 und 22 abnehmbar gehaltert. D.h. die Werkstückgreifer 23 können ausgetauscht werden, beispielsweise im Rahmen einer Wartung oder einer Umrüstung der Vorrichtung 1 zur Herstellung von Bipolarplatten.
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Über eine Steuereinrichtung ist jeder Transportschlitten mit dem daran befestigten Werkstückgreifer 23 individuell ansteuerbar. D.h. ein Transportschlitten 24 weist einen Antrieb auf, um den Transportschlitten in Transportrichtung oder entgegen der Transportrichtung entlang des Transportbalkens 21 bzw. 22 zu bewegen. Durch die individuelle Ansteuerung jedes Transportschlittens ist es möglich, jede einzelne Platte, die sich in der Presseneinrichtung 5 befindet, nach einem individuellen Bewegungsprofil zu transportieren. Dieses Bewegungsprofil umfasst dabei beispielsweise Geschwindigkeiten und/oder Beschleunigungen und/oder Verweilzeiten und/oder Bearbeitungszeiten.
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In der 2 ist eine Variante der Vorrichtung 1 zur Herstellung von Bipolarplatten für Brennstoffzellen dargestellt. Im Gegensatz zu der in 1 dargestellten Vorrichtung 1 ist in der 2 die Presseneinrichtung 5 nur von einer Seite her mit Substratband 97 bestückt. D.h. die Presseneinrichtung 5 weist lediglich ein Rollmagazin 96 mit Substratrollen auf, um Substratplatten 98 zu liefern. Die Presseneinrichtung 5 weist in Transportrichtung hintereinander angeordnet einer Trenneinrichtung 41 zum Abtrennen einzelner Substratplatten 98 von dem Substratband 97 und Prägewerkzeuge auf. Als Prägewerkzeug schließt sich an die Trenneinrichtung 41 das Anodenwerkzeug 31a an. In Transportrichtung nach dem Anodenwerkzeug folgt das Kathodenwerkzeug 31b. Im Endbereich der Presseneinrichtung 5 ist die Fügeeinrichtung 4 angeordnet, um eine Anodenplatte 91 mit einer Kathodenplatte 92 zu verschweißen. Die Fügeeinrichtung 4 kann eine Laserschweißeinrichtung und/oder eine Widerstandsschweißeinrichtung umfassen. Die gefügten Bipolarplatten 93 werden in Transportrichtung aus der Presseneinrichtung ausgeschleust und analog, wie in 1, einer Stapelvorrichtung zugeführt.
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Im Unterschied zu der in 1 dargestellten Vorrichtung 1 erfolgt hier der Transport von Anodenplatten und Kathodenplatten gleichzeitig in Transportrichtung. Dabei sind abwechselnd Anodenplatten 91 und Kathodenplatten 92 in einer Reihe hintereinander angeordnet. Um eine Anodenplatte 91 mit einer Kathodenplatte 92 zu fügen, fördert die Fördereinrichtung 2 abwechselnd eine Anodenplatte 91 und eine Kathodenplatte 92 zu der Fügeeinrichtung 4, wie aus der Darstellung der Transportlinien in 2 entnommen werden kann.
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In der 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 1 zur Herstellung von Bipolarplatten gezeigt. Im Unterschied zu den vorher dargestellten Ausführungen umfasst die Fördervorrichtung 2 in diesem Ausführungsbeispiel zwei gegenläufig angetriebene Transportbänder 96a und 96b, die den Transport der Platten, d.h. der Substratplatten 98 und auch der Anodenplatten 91 und Kathodenplatten 92 bewerkstelligen. Wie in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird auch hier die Pressenanlage 5 von beiden Seiten mittels zwei Rollmagazinen 96 mit Substratmaterial 97 beschickt. Das in 3 im oberen Bereich dargestellte Transportband 96a transportiert Substratplatten 98 bzw. Anodenplatten 91 in Transportrichtung zu der Fügeeinrichtung 3. Das in 3 im unteren Bereich dargestellte Transportband 96b transportiert Substratplatten 98 und Kathodenplatten 92 entgegen der Transportrichtung zu der Fügeeinrichtung 4. Die Fügeeinrichtung 4 verbindet wieder eine Anodenplatte 91 mit einer Kathodenplatte 92 zu einer Bipolarplatte 93. Die Bipolarplatte 93 wird seitlich, wie in der 3 durch Pfeilrichtung dargestellt, zu einer Weiche 61 transportiert, welche zwei Stapelvorrichtungen 6 bedient. Die Stapelvorrichtungen sind gleich aufgebaut und angeordnet wie bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel.
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In der 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 1 zur Herstellung von Bipolarplatten gezeigt. Auch hier wird das Substratmaterial 97 beidseitig, also von entgegengesetzten Seiten zugeführt. Auch die Anodenplatten 91 und Kathodenplatten 92 werden gegenläufig gefördert. Diese Ausgestaltung stimmt in weiten Teilen mit den vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen überein. Im Unterschied zu den vorher dargestellten Ausführungen weist die Fördervorrichtung 2 eine Walzentransportvorrichtung auf, um das Substratband 97 zu fördern. Das Substratband wird zwischen zwei Walzen der Fördervorrichtung 2 geführt und durch Drehen der Walzen gefördert. Die Umformwerkzeuge, also das Anodenwerkzeug 31a und das Kathodenwerkzeug 31b weisen eine integrierte Trenneinrichtung 41 auf. Das heißt aus dem geförderten Substratband werden in einem Arbeitsschritt mittels des Anodenwerkzeugs 31a Anodenplatten 91 bzw. mittels des Kathodenwerkzeugs 31b Kathodenplatten 92 geformt und gleichzeitig bis auf Reststege von dem Substratband 97 abgetrennt. Durch diese Reststege verbleiben die Anodenplatten 91 bzw. die Kathodenplatten 92 noch mit dem Substratband 97 verbunden. Dadurch ist es möglich durch den Vorschub des Substratbandes 97 über die Fördervorrichtung 2 mehrere der zusammenhängenden Anodenplatten 91 gemeinsam zu fördern, bzw. mehrere der zusammenhängenden Kathodenplatten 92 zu fördern. In der Fügeeinrichtung 4 werden die Reststege durchtrennt, d. h. die Anodenplatten 91 bzw. Kathodenplatten 92 werden von dem Substratband 97 vollständig abgetrennt und anschließend miteinander zu einer Bipolarplatte 93 gefügt. Die Bipolarplatte 93 wird dann aus der Fügevorrichtung 4 abtransportiert und in gleicher Weise wie bei den vorstehenden Ausführungen beschrieben mittels der Stapelvorrichtung 6 zu einem Bipolarplattenstapel 95 weiterverarbeitet.
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In der 6 ist ein Ausführungsbeispiel eines Substratmagazins 96 gezeigt, welches zum Zustellen von Substratband 97 dient. Das Substratmagazin umfasst eine Halterung zum Haltern einer Spule 961 mit Substratblech. Das Substratblech 97 wird von der Spule 961 abgewickelt und über einen Puffer 963 einer Richtvorrichtung zugeführt. Die Richtvorrichtung 962 umfasst eine Transporteinrichtung zum Transport des Substratbandes 97 und eine Schere. Die Transporteinrichtung transportiert das Transportband zu der Fördervorrichtung 2 hin. In der Darstellung der 6 ist die Fördereinrichtung 2 nicht gezeigt, sie schließt sich auf der linken Seite an das Substratmagazin 96 an. Die Schere dient dazu, Kanten des Substratbandes zu 97 säubern. Das als Coil bzw. Spule 961 angelieferte Substratband 97 weist im Kantenbereich oftmals Transportschäden auf. Über die Schere werden diese Kanten abgetrennt bzw. gesäubert.
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Der Puffer 963 dient als Materialpuffer, um den unregelmäßigen Vorschub der Transporteinrichtung auszugleichen. Das Substratband wird von der Spule 961 kontinuierlich abgewickelt. Die Transporteinrichtung übergibt das Substratband jedoch nicht kontinuierlich, sondern zyklisch an die Fördereinrichtung 2, entsprechend deren Takt. Um dennoch eine kontinuierliche Bandabwicklung zu ermöglichen, ist der Puffer 963 vorgesehen. Das Substratband 97 hängt in diesem Bereich mehr oder weniger durch und bildet einen Substratbandvorrat aus, der die Bandspannung des Substratbandes 97 ausgleicht.
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Wesentlich bei den gezeigten Ausführungsbeispielen ist, dass als Substratmaterial 97 bereits beschichtete Substratbänder verwendet werden. D.h. bei allen gezeigten Ausführungen ist keine nachträgliche Beschichtung der umgeformten Substratplatten notwendig. Das bedeutet, es kann auf die aufwendigen Beschichtungsverfahren, wie aus dem Stand der Technik bekannt und notwendig, verzichtet werden.
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Um etwaige Verunreinigungen von den Platten zwischen den einzelnen Bearbeitungsstationen zu entfernen, kann vorgesehen sein, dass die Presseneinrichtung 5 Reinigungsmittel, beispielsweise in Form von Pressluftdüsen oder Bürsten aufweist, um die Platten, d.h. die Substratplatten 98 und/oder die Anodenplatten 91 und/oder die Kathodenplatten 92 und/oder die Bipolarplatten 93 zu reinigen. Das Reinigen kann durch abblasen mit Druckluft oder Abbürsten erfolgen. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Druckluftdüsen bzw. die Bürsten stationär an der Presseneinrichtung 5 gehaltert sind und die Reinigung während des Transports der Platten mittels der Fördervorrichtung erfolgt, indem die Fördervorrichtung 2 die Platten 98, 91, 92, 93 an einer Druckluftdüse bzw. an einer Bürste vorbeifördert.
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Die 4 zeigt eine vergrößerte Darstellung der Presseneinrichtung 5 mit einer Fördervorrichtung 2. Die Fördervorrichtung 2 weist zwei Transportbalken 21 bzw. 22 auf. Jeder Transportbalken 21 bzw. 22 ist im Bereich seines Endes mittels einer Schwinge 28 und einem Hubschlitten 27 an einem vertikalen Pressenständer 52a, 52b, 52c, 52d gelagert. Der Hubschlitten 27 weist einen Vertikalantrieb auf, um den Transportbalken 21 bzw. 22 in Hubrichtung zu verfahren.
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An jedem Transportbalken 21 bzw. 22 sind mehrere Transportschlitten 24 angeordnet. Die Transportschlitten 24 sind relativ zu den Tragbalken 21 bzw. 22 verfahrbar. Dazu weisen die Transportschlitten 24 jeweils eine Antriebseinrichtung mit einem eigenen Antriebsmotor auf. Der Antriebsmotor kann als elektrischer Linearmotor ausgebildet sein und den Transportschlitten mittels magnetischer Wechselwirkung mit einem Stator des Tragbalkens 21 bzw. 22 bewegen. Alternativ kann der Antriebsmotor auch als Servermotor ausgebildet sein, der mittels Zahnrad und Zahnstangeneingriff den Transportschlitten 24 bewegt. Über eine Steuerungsvorrichtung ist jeder Transportschlitten unabhängig ansteuerbar. An jedem Transportschlitten 24 ist jeweils ein Werkzeuggreifer 23 abnehmbar gehaltert. Die Steuerungseinrichtung ist ebenfalls mit jedem Werkzeuggreifer 23 verbunden, um diesen individuell ansteuern zu können mit dem Ziel, einzelne Platten 98, 91, 92, 93 selektiv aufnehmen oder ablegen zu können.
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An jedem Hubschlitten 27 ist eine Schwinge 25 drehbar gelagert. Die Schwinge weist an ihrem mit dem Hubschlitten 27 verbundenen Ende einen Drehantrieb 28 auf, mittels dem die Schwinge 25 gedreht werden kann. An ihrem anderen Ende weist die Schwinge 25 ein Drehlager auf, welches beispielsweise über ein Parallelogrammgestänge oder einen weiteren Drehantrieb verfügt, um bei einer Drehung der Schwinge 25 die Vertikal- bzw. Horizontalausrichtung des angeschlossenen Transportbalkens 21, 22 gleich zu belassen (5). Eine Klemmbewegung, d.h. eine Bewegung quer zu der Werkstücktransportrichtung kann durch eine kombinierte Ansteuerung des Drehantriebs 28 und des Hubantriebs des Hubschlittens 27 erfolgen. Über den Drehantrieb 28 wird die Schwinge 25 gedreht. Durch die Drehbewegung erfährt der Tragbalken 21 bzw. 22 eine erste Bewegungskomponente quer zu der Transportrichtung, d.h. in oder entgegen der gewünschten Klemmrichtung, und eine zweite Bewegungskomponente in vertikaler Richtung. Die Bewegungskomponente in vertikaler Richtung wird durch gegenläufige Ansteuerung des Hubschlittens 27 kompensiert, sodass die Höhe des Tragbalkens 21 bzw. 22 unverändert bleibt. Auf diese Art und Weise ist es möglich, mit den über die Schwinge 25 drehbar gelagerten Tragschienen 21 bzw. 22 eine lineare Horizontalbewegung in oder entgegen der Klemmrichtung auszuführen, ohne dass dabei eine Höhenabweichung erfolgt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung zur Herstellung von Bipolarplatten
- 2
- Fördervorrichtung
- 21
- erster Transportbalken
- 22
- zweiter Transportbalken
- 23
- Werkstückgreifer
- 24
- Transportschlitten
- 25
- Schwinge
- 26a
- erstes Transportband
- 26b
- zweites Transportband
- 27
- Hubschlitten
- 28
- Drehantrieb
- 3
- Umformeinrichtung
- 31
- Prägewerkzeug
- 31a
- Anodenwerkzeug
- 31b
- Kathodenwerkzeug
- 4
- Fügeeinrichtung
- 41
- Trenneinrichtung
- 5
- Presseneinrichtung
- 51
- Pressentisch
- 52a
- vertikaler Pressenständer
- 52b
- vertikaler Pressenständer
- 52c
- vertikaler Pressenständer
- 52d
- vertikaler Pressenständer
- 53
- Schließkasten
- 6
- Stapelvorrichtung
- 61
- Weiche
- 62
- Quertransportband
- 91
- Anodenplatte
- 92
- Kathodenplatte
- 93
- Bipolarplatte
- 94
- Membran
- 95
- Stack / Bipolarplattenstapel
- 95d
- Deckelplatte
- 95b
- Bodenplatte
- 96
- Substratmagazin
- 961
- Spule / Coil
- 962
- Richtvorrichtung
- 963
- Bandpuffer
- 97
- Substratband
- 98
- Substratplatte
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009059765 A1 [0003]
- DE 102004050921 A1 [0004]
