DE102018116057A1

DE102018116057A1 - Montageanlage für die Montage eines Brennstoffzellenstapels

Info

Publication number: DE102018116057A1
Application number: DE102018116057.7A
Authority: DE
Inventors: Andreas Lemke
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2018-07-03
Filing date: 2018-07-03
Publication date: 2020-01-09

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Montageanlage (10) für die Montage eines Brennstoffzellenstapels (1), der sich aus alternierend gestapelten Brennstoffzellen-Komponenten umfassend Membran-Elektroden-Anordnungen (2) und Bipolarplatten (3) zusammensetzt. Die Montageanlage (10) umfasst eine an einem Förderende (21) einer Fördereinrichtung (20) angeordnete Rutsche (30); eine in Förderrichtung (F) nach der Rutsche (30) angeordnete höhenverstellbare Stapelaufnahme (40) zur abwechselnden Aufnahme und Stapelung der Membran-Elektroden-Anordnungen (2) und Bipolarplatten (3) und eine Gaszufuhreinrichtung (50) zur Erzeugung eines Gaspolsters (51) unterhalb der Brennstoffzellen-Komponenten (2, 3) im Bereich eines Förderendes (31) der Rutsche (30) und/oder auf einer Oberseite (32) der Rutsche (30).
Die Montageanlage (10) ermöglicht ein exaktes alternierendes Schichten der beiden Brennstoffzellen-Komponenten (2, 3) zu einem Brennstoffzellenstapel (1) bei hohem zeitlichen Durchsatz und geringen Investitionskosten.

Description

Die Erfindung betrifft eine Montageanlage für die Montage eines Brennstoffzellenstapels, der sich aus alternierend gestapelten Membran-Elektroden-Anordnungen und Bipolarplatten (nachfolgend auch Brennstoffzellen-Komponenten genannt) zusammensetzt. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Montageanlage für die alternierende Stapelung (Schichtung) der Brennstoffzellen-Komponenten zu einem Brennstoffzellenstapel.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Anordnung (MEA für membrane electrode assembly), die ein Gefüge aus einer ionenleitenden (meist protonenleitenden) Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten katalytischen Elektrode (Anode und Kathode) ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Anordnung an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Anordnungen sind in der Regel Bipolarplatten (auch Flussfeld- oder Separatorplatten genannt) angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch der Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Anordnungen.
Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff (Anodenbetriebsmedium), insbesondere Wasserstoff H₂ oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, über ein anodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu Protonen H⁺ unter Abgabe von Elektronen stattfindet (H₂ → 2 H⁺ + 2 e^-). Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird über ein kathodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch (zum Beispiel Luft) als Kathodenbetriebsmedium zugeführt, sodass eine Reduktion von O₂ zu O^2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet (½ O₂ + 2 e^- → O^2-). Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (O^2- + 2 H⁺ → H₂O).
Die Versorgung des Brennstoffzellenstapels mit seinen Betriebsmedien, also dem Anodenbetriebsgas (zum Beispiel Wasserstoff), dem Kathodenbetriebsgas (zum Beispiel Luft) und dem Kühlmittel, erfolgt über Hauptversorgungskanäle, die den Stapel in seiner gesamten Stapelrichtung durchsetzen und von denen die Betriebsmedien über die Bipolarplatten den Einzelzellen zugeführt werden. Für jedes Betriebsmedium sind mindestens zwei solcher Hauptversorgungskanäle vorhanden, nämlich einer zur Zuführung und einer zur Abführung des jeweiligen Betriebsmediums. Die Hauptversorgungskanäle werden durch entsprechende Versorgungsöffnungen gebildet, die deckungsgleich in den Membran-Elektroden-Anordnungen und Bipolarplatten vorgesehen sind und im Stapel miteinander fluchten.
Das Stapeln der Membran-Elektroden-Anordnungen und Bipolarplatten zur Herstellung des Brennstoffzellenstapels ist langsam, teuer und uneffektiv. Insbesondere müssen die beiden Brennstoffzellen-Komponenten mit hoher Genauigkeit aufeinander ausgerichtet werden, damit die in den Komponenten vorgesehenen Versorgungsöffnungen sowie auch die aktiven Bereiche exakt aufeinanderliegen. Zur Stapelung der Komponenten werden die Membran-Elektroden-Anordnungen und Bipolarplatten in der Regel durch entsprechende Handhabungsgeräte wie Roboter oder Portale angesaugt, angehoben und abgelegt. Die Taktzeiten für diesen Vorgang sind verhältnismäßig lang und der Investitionsaufwand für eine solche Stapelanlage ist sehr hoch.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Montageanlage zu schaffen, welche die alternierende Stapelung der Brennstoffzellen-Komponenten bei hohem Automatisierungsgrad mit geringen Taktzeiten und Investitionsaufwand ermöglicht.
Diese Aufgabe wird ganz oder zumindest in Teilaspekten durch eine Montageanlage mit den Merkmalen des vorliegenden Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die erfindungsgemäße Montageanlage umfasst eine Fördereinrichtung zur Förderung der Membran-Elektroden-Anordnungen und Bipolarplatten in alternierender Reihenfolge in einer Förderrichtung; eine an einem Förderende der Fördereinrichtung angeordnete Rutsche; eine in Fördereinrichtung nach der Rutsche angeordnete höhenverstellbare Stapelaufnahme zur abwechselnden Aufnahme und Stapelung der Membran-Elektroden-Anordnungen und Bipolarplatten und eine Gaszufuhreinrichtung zur Erzeugung eines Gaspolsters unterhalb der Brennstoffzellen-Komponenten im Bereich eines Förderendes der Rutsche und/oder auf einer Oberseite der Rutsche.
Das durch die Gaszufuhreinrichtung erzeugte Gaspolster, bei dem es sich bevorzugt um ein Luftpolster handeln kann, ermöglicht eine reibungsarme gleitende Beförderung der Brennstoffzellen-Komponenten von der Fördereinrichtung über die Rutsch zur Stapelaufnahme. Somit gleiten die Membran-Elektroden-Anordnungen und Bipolarplatten abwechselnd über das Gaspolster auf die Stapelaufnahme, wo die beiden Komponenten abwechselnd aufeinander geschichtet werden. Kostenintensive Roboter oder dergleichen zur Anhebung und Ablegung dieser Komponenten werden somit in der erfindungsgemäßen Montageanlage nicht benötigt. Gleichzeitig hat sich die über das Gaspolster erfolgende Ablage der Brennstoffzellen-Komponenten als überaus schonend für diese erwiesen. Insbesondere die Membran-Elektroden-Anordnung, die zumeist nur eine sehr geringe Biegesteifigkeit aufweist, kann über das Gaspolster mit geringsten mechanischen Belastungen beschädigungsfrei transportiert und geschichtet werden.
In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung weist die Gaszufuhreinrichtung eine schlitzförmige Düse auf, die unterhalb der Rutsche mit einer in Förderrichtung ausgerichteten Auslassrichtung angeordnet ist. Durch die schlitzförmige Düse wird ein Gaspolster am und hinter dem Förderende der Rutsche ausgebildet. Auf diese Weise gleiten die Brennstoffzellen-Komponenten schwebend über die endseitige Kante der Rutsche in die Stapelaufnahme.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführung weist die Rutsche eine perforierte Platte auf, beispielsweise ein Lochblech, wobei die Gaszufuhreinrichtung das Gas so durch die Perforation zuführt, dass das Gaspolster oberhalb der perforierten Platte ausgebildet wird. Vorteil dieser Ausführung ist, dass praktisch über die gesamte Rutsche ein Gaspolster zwischen der Rutsche und der Brennstoffzellen-Komponente ausgebildet wird, sodass mit geringstem Reibungswiderstand die Komponenten über die Rutsche gleiten.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführung weist die Rutsche einen quer zur Förderrichtung verlaufenden Gasaustrittsschlitz auf, wobei die Gaszufuhreinrichtung das Gas so durch den Gasaustrittsschlitz zuführt, dass das Gaspolster auf der Rutsche ausgebildet wird.
Auch in dieser Ausführung wird praktisch oberhalb der gesamten Rutschenfläche ein Gaspolster zwischen der Brennstoffzellen-Komponente und Rutsche ausgebildet, sodass die Beförderung der Brennstoffzellen-Komponenten mit geringstem Reibungswiderstand erfolgt.
In noch einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Rutsche aus einer Mehrzahl von zumindest zwei, insbesondere zumindest drei, parallel in Förderrichtung angeordneten Förderriemen ausgebildet. In dieser Ausführung dringt das zugeführte Gas somit zwischen den lateralen Zwischenräumen der Förderriemen bis zur Unterseite der Brennstoffzellen-Komponente und trägt diese. Zudem können die Förderriemen selbst angetrieben sein, um so die Beförderung der Brennstoffzellen-Komponenten weiter zu unterstützen.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Stapelaufnahme einen Boden auf, der gegenüber der Horizontalen mit einem Neigungswinkel gekippt angeordnet ist. Durch diese Anordnung wird erreicht, dass sich die Brennstoffzellen-Komponenten bedingt durch ihre Schwerkraft eigenständig in der Stapelaufnahme ausrichten. Dabei beträgt der Neigungswinkel insbesondere 2 bis 15°, vorzugsweise 5 bis 10°, gegenüber der Horizontalen. Insbesondere ist die Neigungsrichtung so gewählt, dass der tiefste Punkt oder die tiefste Seite des Bodens der Stapelaufnahme in Förderrichtung hinten liegt.
In bevorzugter Ausführung der Erfindung weist die Stapelaufnahme zumindest zwei Anschlagelemente auf, welche die Brennstoffzellen-Komponenten an zumindest zwei ihrer Seiten abstützen, vorzugsweise an zwei rechtwinklig aneinander angeordneten Seiten der Brennstoffzellen-Komponenten. In besonders bevorzugter Ausführung sind drei Anschlagelemente an zwei Seiten der Stapelaufnahme vorgesehen, wobei zwei Anschlagelemente die Brennstoffzellen-Komponenten an einer langen Seite abstützen und ein Anschlagelement an der kurzen Seiten. Durch die Anschlagelemente wird eine definierte Position und somit eine exakte Ausrichtung der in die Stapelaufnahme gleitenden Brennstoffzellen-Komponenten unterstützt. Sofern die Stapelaufnahme geneigt ist, handelt es sich bei einer der durch die Anschlagelemente abgestützten Seiten um die zutiefst angeordnete Seite.
Gemäß einer Weiterentwicklung der Erfindung umfasst die Montageanlage ferner zumindest eine Ausrichteinheit, welche mit einer einstellbaren Kraft an einer Seite der Brennstoffzellen-Komponente anliegt, welche der durch ein Anschlagelement abgestützten Seite gegenüberliegt. Hierdurch wird die Präzision der Ausrichtung der Komponenten noch weiter erhöht. Vorzugsweise sind zumindest zwei, besonders bevorzugt drei Ausrichteinheiten vorgesehen, welche an zwei Seiten der Stapelaufnahme vorgesehen sind, wobei zwei Ausrichteinheiten an die Brennstoffzellen-Komponenten auf eine lange Seite einwirken und eine Ausrichteinheiten auf der kurzen Seiten der Komponente. In vorteilhafter Ausführung liegen jeweils ein Anschlagelement und eine Ausrichteinheit bezogen auf eine Spiegelsymmetrieebene der Brennstoffzellen-Komponente einander gegenüber. Die Ausrichteinheit kann insbesondere so federnd gelagert sein, dass sie über die Federkraft an der entsprechenden Seite der Brennstoffzellen-Komponente anliegt. Ferner kann die Ausrichteinheit über einen einstellbaren Hubweg bezüglich eines Abstands zu der entsprechenden Seite der Brennstoffzellen-Komponente verfahrbar angeordnet sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführung weist die Montageanlage eine Rüttelfunktion auf, welche die Stapelaufnahme und/oder die Ausrichteinheit in Vibration versetzt. Auf diese Weise wird eine noch sichere und exaktere Ausrichtung der Komponenten zueinander unterstützt.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 Schnittansicht eines Brennstoffzellenstapels;
2 Bipolarplatte in Aufsicht (A) und Schnittansicht (B) und Membran-Elektroden-Anordnung in Aufsicht (C) und Schnittansicht (D);
3 erfindungsgemäße Montageanlage zur Montage eines Brennstoffzellenstapels in Seitenschnittansicht (A) und Aufsicht (B);
4 erfindungsgemäße Montageanlage während der Montage eines Brennstoffzellenstapels in Seitenschnittansicht (A) und Aufsicht (B);
5 Fertigungsanlage zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung;
6 Fertigungsanlage zur Herstellung einer Bipolarplatte;
7 Gesamtfertigungsanlage, umfassend die Fertigungsanlagen nach 5 und 6;
8 eine Variante einer Rutsche einer erfindungsgemäßen Montageanlage mit perforierter Platte in Seitenschnittansicht (A) und Aufsicht (B);
9 eine weitere Variante einer Rutsche einer erfindungsgemäßen Montageanlage mit Gasaustrittsschlitz in Seitenschnittansicht (A) und Aufsicht (B);
10 eine weitere Variante einer Rutsche einer erfindungsgemäßen Montageanlage mit Förderriemen in Seitenschnittansicht (A) und Aufsicht (B); und
11 eine weitere Variante einer Rutsche einer erfindungsgemäßen Montageanlage in Gestalt eines Messerkantenförderbandes in Seitenschnittansicht (A) und Aufsicht (B).

1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines insgesamt mit 1 bezeichneten Brennstoffzellenstapels. Der Brennstoffzellenstapel 1 setzt sich im Wesentlichen aus alternierend aufeinander gestapelten (geschichteten Membran-Elektroden-Anordnungen (MEA) 2 und Bipolarplatten 3 zusammen, welche in 2 in Aufsicht (2A, 2C) und in Schnittansicht (2B, 2D) gesondert gezeigt sind.
Die Bipolarplatte 3 ist üblicherweise aus zwei aufeinander angeordneten und miteinander verbundenen (beispielsweise verschweißten oder verklebten) Halbplatten 31 aus einem elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise einem Metall oder einer Carbonverbindung zusammengesetzt. Auf beiden Plattenseiten weist die Bipolarplatte 3 in einem zentralen aktiven Bereich jeweils ein Strömungsfeld 32 auf, das beispielsweise durch eine Vielzahl von Strömungskanälen ausgebildet ist. Auf einer ihrer Strömungsfelder 32 wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, zugeführt und auf der anderen Seite ein Oxidationsmittel wie Sauerstoff oder Luft. Zwischen den beiden Halbplatten 31 ist ferner üblicherweise ein internes Kühlmittelfeld zur Durchleitung eines Kühlmittels ausgebildet. Die Zuführung und Abführung der drei Betriebsmedien erfolgt über Versorgungsöffnungen 33, die seitlich des Strömungsfeldes 32 angeordnet sind. Die Abdichtung der Versorgungsöffnungen 33 sowie des Strömungsfelds 32 erfolgt über Dichtungen 34, die auf einer der beiden Halbplatten 31 aufgebracht sind. Aus Gründen, die nachfolgend noch genauer erläutert werden, weist die Bipolarplatte an jeder ihrer Seiten zumindest eine Aussparung 35 auf. Im vorliegenden Beispiel sind an den beiden Längsseiten der Bipolarplatten sogar jeweils zwei Aussparungen 35 vorgesehen. Es ist jedoch nicht zwingend erforderlich, dass Aussparungen 35 an jeder der vier Seiten der Bipolarplatte 3 vorgesehen sind.
Die Membran-Elektroden-Anordnung 2 weist eine Polymerelektrolytmembran 21 auf, auf deren beiden Hauptflächen jeweils eine katalytische Elektrode (Anode und Kathode) in Kontakt zur Membran 21 angeordnet sind. Ferner ist auf den katalytischen Elektroden üblicherweise jeweils eine Gasdiffusionslage (BDL) 22 angeordnet. Die katalytischen Elektroden können beispielsweise als beidseitige Beschichtungen auf der Polymerelektrolytmembran 21 oder auf der GDL 22 aufgebracht sein. Der durch die katalytische Elektrode abgedeckte Bereich stellt den aktiven Bereich dar, in dem die Brennstoffzellenreaktionen stattfinden, und entspricht in seiner Lage und Größe dem Strömungsfeld 32 der Bipolarplatte 3. Der Randbereich der MEA 2 kann gegebenenfalls durch ein Trägermaterial verstärkt sein. Deckungsgleich mit den Versorgungsöffnungen 33 der Bipolarplatte 3 weist auch die MEA 2 entsprechende Versorgungsöffnungen 23 auf. Die Versorgungsöffnungen 23 sowie auch der aktive Bereich sind auf einer Seite der MEA 2 durch entsprechende Dichtungen 24 abgedichtet. Der Zuschnitt der MEA 3 entspricht in Aufsicht dem Zuschnitt der Bipolarplatte 3 (s. 2A und 2C). Somit ist auch die MEA 2 mit entsprechenden Aussparungen 25 an ihren Seiten versehen.
Im Brennstoffzellenstapel 1 sind die Membran-Elektroden-Anordnungen 2 und die Bipolarplatten 3 abwechselnd so angeordnet, dass sie möglichst exakt aufeinander ausgerichtet sind. Insbesondere die Versorgungsöffnungen 23 und 33 sowie Dichtungen 24, und 34 sollten exakt fluchtend aufeinander angeordnet sein, um die den Stapel in Stapelrichtung durchsetzenden Hauptversorgungskanäle auszubilden und abzudichten. Aber auch die aktiven Bereiche (katalytische Elektroden 22 und Strömungsfelder 32) sollten deckungsgleich aufeinander ausgerichtet sein, um den Kontakt zwischen den über die Bipolarplatte 3 zugeführten Betriebsmedien und den aktiven Zentren der katalytischen Elektrode herzustellen und den aktiven Bereich zu maximieren.
Eine stark vereinfachte Darstellung einer erfindungsgemäßen Montageanlage zur Montage eines Brennstoffzellenstapels 1 ist als seitliche Schnittansicht sowie als Draufsicht in den 3A beziehungsweise 3B dargestellt. Die insgesamt mit 10 bezeichnete Montageanlage umfasst als wesentliche Komponenten eine Fördereinrichtung 20 zur Förderung der Brennstoffzellen-Komponenten in einer Förderrichtung F, eine an einem Förderende 21 der Fördereinrichtung 20 angeordnete Rutsche 30, eine in Förderrichtung F nach der Rutsche 30 angeordnete höhenverstellbare Stapelaufnahme 40 zur abwechselnden und geschichteten Aufnahme der beiden Brennstoffzellen-Komponenten und eine Gaszufuhreinrichtung 50 zur Erzeugung eines Gaspolsters im Bereich eines Förderendes 31 der Rutsche 30 und/oder auf einer Oberseite 32 der Rutsche 30.
Die Fördereinrichtung 20 dient dem aktiven Transport der Brennstoffzellen-Komponenten (Membran-Elektroden-Anordnungen 2 und Bipolarplatten 3) in abwechselnder Reihenfolge. Zu diesem Zweck weist sie beispielsweise ein Gurtband 22 auf, das über Rollen 23 durch einen nicht dargestellten Elektromotor angetrieben wird. Dabei kann die Fördergeschwindigkeit stufenlos steuerbar sein.
Mit Rutsche wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldung eine Komponente verstanden, welche den Übergang zwischen Fördereinrichtung 20 und Stapelaufnahme 40 herstellt und - unterstützt durch das Gaspolster - erleichtert. Die Rutsche 30 umfasst in ihrer einfachsten Ausführung eine Platte, die in Förderrichtung F hinter dem Förderende 21 der Fördereinrichtung 20 angeordnet ist. Vorzugsweise ist die Rutsche gegenüber der Horizontalen geneigt angeordnet. Dabei kann der Neigungswinkel zwischen 0° und 45°, vorzugsweise zwischen 10° und 40° betragen. Optional kann die Rutsche 30 in ihrem Neigungswinkel verstellbar ausgeführt sein. Vorzugsweise weist die Oberfläche der Rutsche 30 einen möglichst geringen Reibungskoeffizienten gegenüber den Brennstoffzellen-Komponenten 2 und 3 auf, sodass diese mit geringem Widerstand über die Rutsche gleiten können.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Gaszufuhreinrichtung 50 eine unterhalb der Rutsche 30 angeordnete schlitzförmige Düse 52 auf. Dabei ist die Auslassrichtung der Düse 52 so ausgerichtet, dass sie im Wesentlichen in Förderrichtung F weist, sodass sich unter und nach dem Rutschenende 31 ein Gaspolster 51 ausbildet, das den Transport der Brennstoffzellen-Komponenten 2, 3 über das Rutschenende 31 in die Stapelaufnahme 40 erleichtert. Insbesondere wird als Gas Luft verwendet. Eine Breite der Düse 52, das heißt eine Länge ihres Düsenschlitzes ist vorzugsweise so gewählt, dass das Gaspolster/Luftpolster 51 im Wesentlichen über die gesamte Breite der zu befördernden Brennstoffzellen-Komponenten 2, 3 ausgebildet wird (siehe auch 4B). Ein Volumenstrom des zugeführten Gases ist vorzugsweise einstellbar.
Die Stapelaufnahme 40 weist einen höhenverstellbaren Stapeltisch 41 auf, der entlang einer ortsfesten Montagewand 44 höhenverstellbar montiert ist. Dabei kann der Hub 600 mm oder mehr betragen bei einem Hubinkrement von 0,05 mm. Der Stapeltisch 41 wird aus einem Stapelboden 42 gebildet, an dem im vorliegenden Beispiel zwei Seitenwangen 43 rechtwinklig angeordnet sind, nämlich eine rückseitige und eine seitliche Seitenwange 43. Die Stapelaufnahme 40 umfasst im dargestellten Beispiel ferner Anschlagelemente 45, die an den Seitenwangen 43 des Stapeltisches 41 ortsfest angeordnet sind (siehe 3B). Die Stapelaufnahme 40, umfassend die Montagewand 44 und den Stapeltisch 41, ist um einem Neigungswinkel α gekippt angeordnet. Dabei ist der Neigungswinkel α bezüglich einer Neigung des Stapelbodens 42 gegenüber der Horizontalen vorzugsweise so gewählt, dass er 2 bis 15°, bevorzugt 5 bis 10° beträgt. Die geneigte Anordnung bewirkt, dass ein auf dem Boden 42 beziehungsweise auf einem darauf anwachsenden Brennstoffzellenstapel abgelegtes Brennstoffzellenelement 2, 3 bedingt durch seine Schwerkraft in Richtung der rückseitigen Seitenwange 43 beziehungsweise der Anschlagelemente 45 rutscht und an diesen zur Anlage kommt. Ferner umfasst die Stapelaufnahme 40 im dargestellten Beispiel drei Ausrichteinheiten 46, die in Bezug auf den Stapeltisch 41 und den darauf abgelegten Brennstoffzellen-Komponenten 2, 3 verfahrbar angeordnet sind, wie in 3B durch die Doppelpfeile angedeutet ist. Die Ausrichteinheiten 46 sind bevorzugt federnd gelagert, wobei in besonders bevorzugter Ausführung die Kraft, mit welcher sie an eine Seite der Brennstoffzellen-Komponente 2. 3 anliegen, einstellbar ist. Die ortsfesten Anschlagelemente 45 sind so angeordnet, dass sie die jeweilige Brennstoffzellen-Komponente 2, 3 an jeweils zwei ihrer rechtwinklig zueinander angeordneten Seiten abstützen. Die verstellbaren Ausrichteinheiten 46 sind so angeordnet, dass sie an denjenigen Seiten der Brennstoffzellen-Komponenten 2, 3 anliegen, welche den durch die Anschlagelemente 45 abgestützten Seiten gegenüberliegen. Mit anderen Worten wird im dargestellten Beispiel jede der vier Seiten einer Brennstoffzellen-Komponente 2, 3 durch zumindest ein Anschlagelement 45 oder eine Ausrichteinheit 46 kontaktiert.
Die Funktion der erfindungsgemäßen Montageanlage 10, insbesondere das Zusammenwirken von Stapelaufnahme 40 und den darin abgelegten Brennstoffzellen-Komponenten 2, 3, ist in den 4A und 4B erkennbar. Insbesondere ist aus 4B ersichtlich, wie die ortsfesten Anschlagelemente 45 sowie die verstellbaren Ausrichteinheiten 46 in die korrespondierenden Aussparungen 35 einer auf dem Stapeltisch abgelegten Brennstoffzellen-Komponente 3 eingreifen. Im dargestellten Beispiel haben die Anschlagelemente 45 und Ausrichteinheiten 46 eine im Querschnitt rechtwinklige Gestalt, korrespondierend mit den Aussparungen 35 der Bipolarplatte 3 beziehungsweise 25 der MEA 2. Abweichend hiervon können aber auch beliebige andere Geometrien zum Einsatz kommen, beispielsweise halbkreisförmige, dreieckige, trapezförmige Geometrien oder Mischungen von diesen.
Die Brennstoffzellen-Komponenten 2 und 3 werden vorzugsweise so über die Fördereinrichtung 20 und die Rutsche 30 transportiert, dass ihre Dichtungen 24, 34 oben liegen. Hierdurch wird ein möglichst reibungsarmer Transport, insbesondere reibungsarmes Gleiten über die Rutsche gewährleistet. Auch das Gleiten über den entstehenden Stapel 1 bis zum Anliegen an die Anschlagelemente 45 wir hierdurch erleichtert.
In weiterer bevorzugter Ausführung ist die Stapelaufnahme 40 mit einer Rüttlerfunktion ausgestattet, welche den Stapeltisch 41 und/oder die Ausrichteinheit 46 in Vibration versetzt. Besonders einfach realisieren lässt sich diese Rüttlerfunktion in der Ausrichteinheit 46 aufgrund ihrer Federlagerung. Durch die Rüttlerfunktion wird das Anordnen der Brennstoffzellen-Komponenten 2, 3 auf dem Stapeltisch 41 und ihr Anliegen an den Anschlagelementen 45 unterstützt.
In 5 ist schematisch eine Fertigungsanlage 60 zur Herstellung einer MEA 2 dargestellt. Hier wird in einer zentralen Laminierstation 61 über Endlosrollenprozesse eine katalytisch beschichtete Membran 63 mit einem stabilisierenden Trägermaterial 62 randverstärkt und beidseitig mit jeweils einer Gasdiffusionsschicht 64 laminiert. Gegebenenfalls kann ein Klebstoff 65 zur Verbindung der Membran mit dem Träger zugeführt werden. Über ein Förderband 66 wird das so erzeugte Produkt einer Dichtmittelstation 67 zugeführt, in welcher die Dichtungen 24 auf die Membran beziehungsweise den Träger aufgebracht werden. Sodann wird die MEA 2 einer Qualitätskontrollstation 68 zugeführt, in der das Produkt, insbesondere Lage und Dichtigkeit der Dichtungen 24, in einem optischen Kontrollverfahren geprüft wird. Sofern die MEA 2 die Kontrolle besteht, wird sie einem drehbaren Stapeltisch 80 zugeführt, der zwei Aufnahmen 81 aufweist. Der Stapeltisch ist um 180° drehbar. Die Bestückung und Entnahme des Stapeltischs 80 kann beispielsweise über einen automatischen Pressgreifer (nicht dargestellt) erfolgen. Nach Entnahme vom Stapeltisch 80 wird die MEA 2 der erfindungsgemäßen Montagestation 10, insbesondere ihrer Fördereinrichtung 20, zugeführt.
In 6 ist eine Fertigungsanlage 70 zur Herstellung der Bipolarplatten 3 schematisch dargestellt. In einer zentralen Umform- und Fügestation 71 erfolgt einerseits ein Umformen eines zugeführten Plattenmaterials 72 für die Bipolarplatte 3, beispielsweise Stahl, um so die Profilierung des Strömungsfeldes 32 zu erzeugen. Das Zusammenfügen zweier Halbplatten der Bipolarplatte kann über einen zugeführten Klebstoff 73 erfolgen oder durch Laserschweißen. Das so hergestellte Produkt wird mittels eines Förderbands 74 einer Dichtmittelstation 75 zugeführt, in welcher die Dichtungen 34 auf die Platten aufgebracht werden. Die so erzeugte Bipolarplatte 3 wird einer Qualitätskontrollstation 76 zugeführt, in welcher eine Qualitätskontrolle der Bipolarplatte 3, insbesondere der Dichtigkeit und Lage der Dichtung 34, in einem optischen Kontrollverfahren erfolgt. Sofern die Bipolarplatte 3 die Qualitätskontrolle besteht, wird sie dem zuvor beschriebenen drehbaren Stapeltisch 80 zugeführt, von wo sie der erfindungsgemäßen Montagestation 10, insbesondere ihrer Fördereinrichtung 20, zugeführt wird.
7 zeigt ein Beispiel für eine Gesamtfertigungsanlage, umfassend die Fertigungsanlage 60 für die MEA 2 aus 5 sowie die Fertigungsanlage 70 für die Bipolarplatten 3 aus 6. Beispielsweise produziert die Fertigungsanlage 60 die MEA mit einer Taktzeit von 1,6 s und einem Abstand zwischen zwei MEA von 200 mm bei einer Vorschubgeschwindigkeit 15 M/min. Die gleichen Daten gelten für die Fertigung der Bipolarplatten in der Fertigungsanlage 70. Nach Zusammenführung der Förderbänder 66 und 74 werden die beiden Komponenten 2 und 3 auf einem gemeinsamen Förderbandabschnitt 82 mit einer Taktzeit von 0,8 s und einem Abstand zwischen den Komponenten 2 und 3 von 400 mm bei einer Vorschubgeschwindigkeit von 40 m/min befördert. Am Ende werden die abwechselnd ankommenden Komponenten 2, 3 von einem nicht dargestellten Greifer von dem Förderbandabschnitt 82 entnommen und einer Aufnahme 83 des Stapeltischs 80 zugeführt. Sodann wird der Stapeltisch 80 um 180° gedreht und ein zweiter nicht dargestellter Greifer entnimmt die Komponenten 2, 3 und platziert sie auf die in den 3 und 4 dargestellten Fördereinrichtung 20, um die Komponenten 2, 3 wie oben ausgeführt zu einem Brennstoffzellenstapel 1 zu schichten.
In der beschriebenen Ausführung lässt sich die Taktzeit gegenüber derzeitigen Einrichtungen, die im Wesentlichen mit Linearportalen und Robotern arbeiten, um zirka 80% reduzieren und das Investitionsvolumen um zirka 25%.
In den nachfolgenden 8 bis 11 werden verschiedene Varianten der Ausführung der Rutsche der Montageanlage 10 aus den 3 und 4 erläutert, wobei in A jeweils eine seitliche Schnittansicht und in B jeweils eine Draufsicht gezeigt ist
Gemäß 8 ist die Rutsche 30 doppelwandig ausgebildet, wobei ihre Oberseite als eine perforierte Platte 33, insbesondere Lochblech, ausgeführt ist. Über einen Gaseintritt 53 wird das Gas, insbesondere Luft, durch die nicht dargestellte Gaszufuhreinrichtung dem Hohlraum der Rutsche 30 zugeführt. Von dort strömt das Gas durch die perforierte Platte 33 zur Oberseite der Rutsche 30, sodass es zur Ausbildung des Luftpolsters 51 zwischen Rutsche 30 und Brennstoffzellen-Komponente 3 kommt.
Gemäß dem in 9 dargestellten Beispiel weist die Rutsche 30 ein integriertes und quer zur Förderrichtung F verlaufendes Rohr 34 auf, wobei das Rohr einen ebenfalls quer zur Förderrichtung F verlaufenden Gasaustrittsschlitz 35 aufweist, der auf der Oberseite der Rutsche 30 angeordnet ist. Hier erfolgt eine Zuführung des Gases (Luft) mittels der nicht dargestellten Gaszufuhreinrichtung so in das Rohr 34, dass das zugeführte Gas durch den Gasaustrittsschlitz 35 auf die Oberseite der Rutsche 30 ausströmt und so ein Gaspolster 51 zwischen Rutsche 30 und Brennstoffzellen-Komponente 3 ausbildet.
Gemäß 10 ist die Rutsche 30 aus hier drei parallel in Förderrichtung F verlaufenden Förderriemen 36 ausgebildet. Dabei ist, wie bereits in den 3 und 4, dargestellt die Düse 52 der Gaszufuhreinrichtung 50 unterhalb der Rutsche 30 angeordnet. Auf diese Weise kann das zugeführte Gas zwischen den Freiräumen zwischen den Förderriemen 30 durchtreten und so ein Gaspolster 51 zwischen der Rutsche 30 und der Brennstoffzellen-Komponente 3 ausbilden.
Schließlich zeigt 11 eine Ausführung, bei der ein Endabschnitt der Fördereinrichtung 20 in Form eines Messerkantentriebs 24 ausgebildet ist. Hier ist die Rutsche 30 somit als Bestandteil der Fördereinrichtung 20 ausgebildet. Durch die unterhalb der Messerkante 24 angeordnete Düse 52 wird im Bereich der Messerkante 24 ein Gaskissen 51 ausgebildet, welches die Komponente 3 trägt.
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzellenstapel
2: Membran-Elektroden-Anordnung / Brennstoffzellen-Komponente
21: Polymerelektrolytmembran
22: katalytische Elektrode + Gasdiffusionslage
23: Versorgungsöffnung
24: Dichtung
25: Aussparung
3: Bipolarplatte / Brennstoffzellen-Komponente
31: Halbplatte
32: Strömungsfeld
33: Versorgungsöffnung
34: Dichtung
35: Aussparung
10: Montageanlage
20: Fördereinrichtung
21: Förderende
22: Gurtband
23: Rolle
24: Messerkantentrieb
30: Rutsche
31: Rutschenende
32: Oberseite
33: perforierte Platte, Lochblech
34: Rohr
35: Gasaustrittsschlitz
36: Förderriemen
40: Stapelaufnahme
41: Stapeltisch
42: Boden
43: Seitenwange
44: Montagewand
45: Anschlagelement
46: Ausrichteinheit
50: Gaszufuhreinrichtung
51: Gaspolster, Lustpolster
52: Düse, Schlitzdüse
53: Gaseintritt
60: Fertigungsanlage für Membran-Elektroden-Anordnung
61: Laminierstation
62: Träger
63: Katalytisch beschichtete Membran (CCM)
64: Gasdiffusionslage (GDL)
65: Klebstoff
66: Förderband
67: Dichtmittelstation
68: Qualitätskontrollstation
70: Fertigungsanlage für Bipolarplatte
71: Umform- und Fügestation
72: Plattenmaterial
73: Klebstoff
74: Förderband
67: Dichtmittelstation
68: Qualitätskontrollstation
80: drehbarer Stapeltisch
81: Aufnahme
82: gemeinsamer Förderbandabschnitt

Claims

Montageanlage (10) für die Montage eines Brennstoffzellenstapels (1), der sich aus alternierend gestapelten Brennstoffzellen-Komponenten umfassend Membran-Elektroden-Anordnungen (2) und Bipolarplatten (3) zusammensetzt, wobei die Montageanlage (10) umfasst: eine Fördereinrichtung (20) zur Förderung der Membran-Elektroden-Anordnungen (2) und Bipolarplatten (3) in alternierender Reihenfolge in einer Förderrichtung (F); eine an einem Förderende (21) der Fördereinrichtung (20) angeordnete Rutsche (30); eine in Förderrichtung (F) nach der Rutsche (30) angeordnete höhenverstellbare Stapelaufnahme (40) zur abwechselnden Aufnahme und Stapelung der Membran-Elektroden-Anordnungen (2) und Bipolarplatten (3) und eine Gaszufuhreinrichtung (50) zur Erzeugung eines Gaspolsters (51) unterhalb der Brennstoffzellen-Komponenten (2, 3) im Bereich eines Förderendes (31) der Rutsche (30) und/oder auf einer Oberseite (32) der Rutsche (30).
Montageanlage (10) nach Anspruch 1, wobei die Gaszufuhreinrichtung (50) eine schlitzförmige Düse (52) aufweist, die unterhalb der Rutsche (30) mit in Förderrichtung (F) ausgerichteter Auslassrichtung angeordnet ist.
Montageanlage (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Rutsche (30) eine perforierte Platte (33) aufweist, wobei die Gaszufuhreinrichtung (50) das Gas so durch die Perforation zuführt, dass das Gaspolster (51) auf der perforierten Platte (33) ausgebildet wird.
Montageanlage (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Rutsche (30) einen quer zur Förderrichtung verlaufenden Gasaustrittsschlitz (35) aufweist und die Gaszufuhreinrichtung (50) das Gas so durch den Gasaustrittsschlitz (35) zuführt, dass das Gaspolster (51) auf der Rutsche (30) ausgebildet wird.
Montageanlage (50) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Rutsche (30) aus einer Mehrzahl von zumindest zwei parallel in Förderrichtung (F) angeordneten Förderriemen (36) gebildet ist.
Montageanlage (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein Boden (42) der Stapelaufnahme (40) mit einem Neigungswinkel (α) gegenüber der Horizontalen gekippt angeordnet ist, wobei der Neigungswinkel (α) vorzugsweise im Bereich von 2° bis 15° liegt.
Montageanlage (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Stapelaufnahme (40) zumindest zwei Anschlagelemente (45) aufweist, welche die Brennstoffzellen-Komponenten (2, 3) an zwei ihrer Seiten abstützen, vorzugsweise an zwei rechtwinklig aneinander angeordnete Seiten der Brennstoffzellen-Komponenten (2, 3).
Montageanlage (10) nach Anspruch 7, wobei die Montageanlage (10) zumindest eine Ausrichteinheit (46) umfasst, welche mit einer einstellbaren Kraft an einer Seite der Brennstoffzellen-Komponenten (2, 3) anliegt, die der durch ein Anschlagelement (45) abgestützten Seite gegenüberliegt.
Montageanlage (10) nach Anspruch 7, wobei die zumindest eine Ausrichteinheit (46) in Bezug auf einen Abstand zur Brennstoffzellen-Komponente (2, 3) verfahrbar ist.
Montageanlage (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Stapelaufnahme (40) eine Rüttelfunktion aufweist, welche den Stapeltisch (41) und/oder die Ausrichteinheit (46) in Vibration versetzt.