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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Stapeln eines PEM-Brennstoffzellenstapels nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Die Verwendung von sogenannten Brennstoffzellenstapeln oder Brennstoffzellenstacks ist beim Einsatz von Brennstoffzellen allgemein bekannt und üblich. Die Stapel bestehen aus Einzelzellen, welche mit dazwischen angeordneten Platten, beispielsweise Bipolarplatten, welche für die Zufuhr und Abfuhr der Medien und gegebenenfalls die Kühlung sorgen, aufgestapelt sind. Eine entsprechend große Anzahl von Einzelzellen, beispielsweise in der Größenordnung von 100 bis 200 Stück, ergibt dann den Brennstoffzellenstapel mit seiner durch die Anzahl der Einzelzellen definierten Nennspannung. Dabei ist es so, dass die Einzelzellen und die dazwischen angeordneten Platten unabhängig voneinander hergestellt werden. Bei der Komplettierung des Brennstoffzellenstapels werden diese dann typischerweise aufgestapelt, und zwar indem sie gegen geeignete Anschläge gelegt werden, beispielsweise einen winkelförmigen Anschlag oder insbesondere zwei Anschläge auf einer der langen Seiten und ein Anschlag auf einer der senkrecht dazu stehenden kurzen Seiten. Hierdurch ist ein zuverlässiges Stapeln prinzipiell möglich, wobei die an den Anschlägen liegenden Kanten dann zuverlässig fluchten.
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Sowohl bei der Fertigung als auch beim Stapeln müssen dabei gewisse Toleranzen eingehalten werden. Wie immer bei der industriellen Fertigung ist es so, dass größere Toleranzen typischerweise mit weniger Aufwand und damit geringeren Kosten einhergehen. Die typischen Toleranzen sowohl bei der Herstellung der Einzelzellen und der Zwischenplatten als auch beim Stapeln liegen bei den angesprochenen Anwendungen in der Größenordnung von einigen zehntel Millimetern. In der Praxis bedeutet dies, dass im schlimmsten Fall, wenn die Toleranzen der Herstellung und des Stapelns sich in einer Richtung addieren, Abweichungen von einem Millimeter oder mehr auftreten können. Dies ist in der Praxis relativ unkritisch, da typischerweise die entsprechenden durchströmbaren Querschnitte in dem Brennstoffzellenstapel, welche durch das Aufstapeln der Bauteile und das fluchtende Positionieren von Durchbrüchen in den Bauteilen erzielt werden, ausreichend groß dimensioniert sind, und da typischerweise die sogenannten Membranelektrodeneinheiten bzw. die darin befindliche katalytisch beschichtete Membran mit ausreichender Größe in die Membranelektrodeneinheit eingebaut wird, um die zulässigen Toleranzen auch im ungünstigsten Fall der Addition tolerieren zu können.
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Da nun insbesondere die katalytisch beschichtete Membran, welche auch als CCM (Catalyst Coated Membrane) bezeichnet wird, das kostentreibende Bauteil in dem Brennstoffzellenstapel ist, wäre es wünschenswert, die Toleranzen hier weiter einzuschränken, insbesondere ohne die Kosten im Fertigungsprozess bei der Herstellung der Einzelzellen zu erhöhen.
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Zum allgemeinen Stand der Technik in diesem Zusammenhang kann auf die
DE 11 2004 002 350 T5 hingewiesen werden. Dort ist ein Herstellungsverfahren für eine Membranelektrodeneinheit MEA beschrieben, bei welcher die einzelnen Schichten jeweils über Transportwalzen mit entsprechenden Vorsprüngen zugeführt werden, welche in geeignete Transportlöcher, welche beispielsweise als seitliche Lochstreifen ausgebildet sind, der Materialien eingreifen. Um mehrere Lagen beispielsweise der CCM und einer Gasdiffusionslage (GDL) positionsgenau übereinander zu bringen, können dabei optische Markierungen auf der Membran beachtet werden, welche dann die Transportgeschwindigkeit bzw. Zufuhrgeschwindigkeit wenigstens eines weiteren Materials so anpassen, dass die MEA möglichst passgenau aus den einzelnen Schichten laminiert werden kann. Über die Weiterverarbeitung der MEA zu einem Brennstoffzellenstapel schweigt sich die genannte Schrift dabei aus.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren zum Stapeln eines PEM-Brennstoffzellenstapels aus Bauteilen, welche zumindest MEAs oder CCMs und dazwischen Platten zur Zufuhr und Abfuhr von Gasen umfassen, weiter zu verbessern.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Verfahrens ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es so, dass die Lage von charakteristischen Merkmalen, wie beispielsweise von Durchbrüchen zur Zufuhr und Abfuhr von Gasen, durch einen Rahmen der MEA oder die Lage der CCM in der MEA bzw. einem Rahmen der MEA in ihrer Fläche quer zur Stapelrichtung bei deren Herstellung erfasst werden. Die erfassten Daten werden dann für das jeweilige Bauteil in Bezug auf einen Referenzpunkt oder auch mehrere Referenzpunkte in einer Datenbank gespeichert. Die Daten werden also dem jeweiligen Bauteil zuordenbar gespeichert. Beim späteren Stapeln werden diese Daten wiederum zur Verfügung gestellt, sodass in der Stapelanlage bekannt ist, um welches Maß die charakteristischen Merkmale des Bauteils gegenüber den Referenzpunkten abweichen. So kann beispielsweise ein Ausschnitt für die aktive Fläche der Einzelzelle in einem Rahmen um die MEA innerhalb einer Toleranz von 0,7 mm entsprechend abweichen, beispielsweise in x-Richtung um 0,4 und in y-Richtung um 0,5 mm. Die diagonale Abweichung liegt dann bei 0,64mm und damit unter 0,7mm. Das Bauteil liegt also noch innerhalb der Toleranz und ist entsprechend der Spezifikation „in Ordnung“. Die Abweichung in der soeben beispielhaft genannten Größenordnung kann nun beim Stapeln des Bauteils berücksichtigt werden, indem dieses so abgelegt wird, dass die Maßabweichungen zum wenigstens einen Referenzpunkt durch eine veränderte Ablageposition ausgeglichen werden. Im eben genannten Fall wird die Ablage also in x-Richtung um -0,4 und in y-Richtung um -0,5 verschoben, sodass die in der Fertigung noch tolerierten aber vorhandenen Abweichungen ausgeglichen werden.
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Dies führt letztlich dazu, dass die Bauteile beim Stapeln sehr viel exakter übereinander positioniert werden, als dies beim Verfahren gemäß dem Stand der Technik möglich ist. Die Positionierung erfolgt dabei nicht anhand der für die Funktion relativ unrelevanten Außenkante der Bauteile, sondern so, dass die jeweiligen charakteristischen Elemente wie beispielsweise die Durchbrüche für die Medienzu- und -abfuhr bzw. die Durchbrüche für die aktive Zellfläche möglichst exakt zueinander positioniert sind.
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Letzen Endes erlaubt dies den Einsatz von MEAs bzw. CCMs mit geringeren Abmessungen, da trotz der in der Herstellung bestehenden Toleranzen nun eine die tatsächlich aufgetretenen Maßabweichungen innerhalb der Toleranzbänder ausgleichende Ablage erfolgt. Damit ist letztlich eine Verringerung der aktiven Fläche um die vorgegebenen Toleranzwerte möglich, sodass insgesamt je nach Toleranzwerten und Flächen Material eingespart werden kann. Eine Einsparung von beispielsweise 0,5 bis 1% ist dabei bei dem sehr teuren Material der CCM durchaus erheblich, sodass durch das erfindungsgemäße Verfahren ein deutlicher wirtschaftlicher Vorteil erzielt werden kann.
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Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Idee ist es so, dass die Erfassung der Lage der charakteristischen Merkmale optisch erfolgt. Eine solche optische Erfassung ist besonders einfach und effizient und kann beispielsweise im Rahmen der Qualitätskontrolle nach der Herstellung erfolgen. Dazu kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee die optische Erfassung mittels einer Kamera realisiert werden, welche geeignete Bilder von der entsprechenden Fläche der Bauteile quer zur Stapelrichtung aufnimmt.
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Die charakteristischen Merkmale der Bauteile sind dabei insbesondere die Durchbrüche zur Medienversorgung, also zur Zufuhr und Abfuhr von Edukten und Produkten sowie zur Zufuhr und Abfuhr von Kühlmedium. Diese befinden sich dabei sowohl in der MEA, typischerweise in einem Rahmen der MEA, und in den dazwischen angeordneten Platten, welche insbesondere als Bipolarplatten realisiert sein können. Im Falle der Einzelzelle kann als charakteristisches Merkmal auch die Lage der CCM oder der MEA selbst, welche typischerweise innerhalb eines Rahmens in einem Ausschnitt für die aktive Fläche positioniert ist, als charakteristisches Merkmal genutzt werden.
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Das Verfahren lässt sich dabei für alle Bauteile beim Stapeln des Brennstoffzellenstapels verwenden. Beim exakten Positionieren der Einzelzellen mit der die teure CCM aufweisenden MEA lässt sich jedoch ein besonderer wirtschaftlicher Vorteil erzielen. Es ist jedoch auch bei der Verwendung der Durchbrüche als charakteristische Merkmale ein entsprechender Vorteil zu erzielen. Werden diese möglichst passgenau und ohne nennenswerte Abweichungen in ihrer Position übereinander gestapelt, dann erlaubt dies einen relativ kompakten Aufbau des Brennstoffzellenstapels quer zur Stapelrichtung, da die Durchbrüche relativ klein dimensioniert werden können und dennoch durch ihre exakte Ausrichtung zueinander einen ausreichend großen durchströmbaren Querschnitt mit relativ homogenen Seitenwänden erlauben.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Idee ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher dargestellt ist.
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Dabei zeigen:
- 1 eine beispielhafte Einzelzelle in einer Vorrichtung zum Stapeln eines PEM-Brennstoffzellenstapels in einer Ausführung gemäß dem Stand der Technik;
- 2 ein Ablaufdiagramm zur Herstellung einer Einzelzelle; und
- 3 ein Ablaufdiagramm zum Aufstapeln des Brennstoffzellenstapels.
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Ein Brennstoffzellenstapel oder Brennstoffzellenstack besteht im Allgemeinen aus sogenannten Einzelzellen, welche über eine Membranelektrodenanordnung (MEA) verfügen, welche eine katalytisch beschichtete Membran (CCM) aufweist. Die MEA mit der CCM wird dann typischerweise in einem Rahmen 1 positioniert, wie er in der Darstellung der 1 schematisch zu erkennen ist. Dieser Rahmen weist einen Ausschnitt 2 für die aktive Zellfläche sowie sechs Durchbrüche 3 zur Zufuhr und Abfuhr von Medien auf. Diese in der Darstellung der 1 gezeigte und dort mit 100 bezeichnete Einzelzelle wird nun abwechselnd mit dazwischenliegenden Bipolarplatten 200 zu dem Brennstoffzellenstapel aufgestapelt. Eine entsprechende Bipolarplatte 200 ist dabei in der Darstellung der 1 ebenfalls zu erkennen. Die Bipolarplatte weist auf ihrer einen Seite ein sogenanntes Strömungsfeld 4 auf, welches beispielsweise die eine Seite der Einzelzelle 100 mit Wasserstoff und im Falle der nächsten Bipolarplatte 200 die andere Seite der Einzelzelle mit Sauerstoff versorgt. In der in 1 dargestellten Bipolarplatte 200 ist dafür der linke obere Durchbruch über das Strömungsfeld 4 mit dem rechten unteren Durchbruch entsprechend verbunden. Auf der Rückseite der Bipolarplatte sind dann dementsprechend der rechte obere und der linke untere Durchbruch über das dort befindliche, hier nicht erkennbare, Strömungsfeld miteinander verbunden. Die beiden Durchbrüche 3 in der Mitte dienen zur Zufuhr und Abfuhr von Kühlmedium, welches zwischen den beiden Lagen der Bipolarplatte 200 in an sich bekannter Art und Weise strömt. Die Bipolarplatte 200, welche in der Darstellung der 1 neben der Einzelzelle 100 gezeigt ist, wird nun abwechselnd mit Einzelzellen 100 gestapelt, wie es durch die Pfeile angedeutet ist. Hierfür dienen Anschläge C und B, in diesem Fall zwei Anschläge B1 und B2 auf der einen Seite des späteren Stapels und ein Anschlag C1 auf der anderen Seite des Stapels senkrecht zur ersten Seite. Die Einzelzellen 100 und Bipolarplatten 200 werden nun abwechselnd gegen diese Anschläge B,C gestapelt und der fertige Stapel wird dann in an sich bekannter Art und Weise entsprechend verspannt. In der Praxis ist es nun so, dass durch die Fertigung der Bipolarplatten 200 und der Einzelzellen 100 die Position der Durchbrüche 3 und des Ausschnitts 2 mit entsprechenden Toleranzen in der Herstellung versehen sind. Die Toleranzen können beispielsweise 0,7 mm betragen, sodass also für den jeweiligen Durchbruch 3 und den Ausschnitt 2 eine Abweichung von 0,4 bis 0,5 mm in der x-Richtung und in der y-Richtung möglich sind. Auch das Stapeln selbst hat eine gewisse Toleranz, welche beispielsweise in derselben Größenordnung liegen kann, sodass auch durch die Ungenauigkeit beim Stapeln, aufgrund der Toleranz der Außenkante des jeweiligen Bauteils, also der Bipolarplatte 200 oder der Einzelzelle 100, weitere Toleranzen mit auftreten können. Um nun insbesondere einen ausreichenden durchströmbaren Querschnitt der Durchbrüche 3 über den gesamten Stapel hinweg, insbesondere aber eine ausreichend große aktive Fläche der Einzelzellen 100 gewährleisten zu können, müssen die Durchbrüche 3 und der Ausschnitt 2 entsprechend groß dimensioniert werden. Dies führt in der Praxis dazu, dass auch die MEA, welche in dem Ausschnitt positioniert ist, entsprechend groß dimensioniert werden muss. Letztlich muss deshalb auch die CCM entsprechend groß dimensioniert werden, was bei den auf die Fläche bezogenen sehr hohen Kosten der CCM ein entscheidender Nachteil ist.
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In der 2 ist daher ein Ablaufdiagramm angedeutet, welches bei der Herstellung beispielsweise der Einzelzelle 100 eingehalten wird. Durch den mit 10 bezeichneten Pfeil wird die Herstellung des Rahmens mit den Durchbrüchen 3 und dem Ausschnitt 2 sowie das Einbringen der MEA entsprechend beschrieben. Der entscheidende Punkt passiert nun in dem mit 20 bezeichneten Pfeil. In dieser Station kommt es zu einer optischen Vermessung bzw. Erfassung des fertigen Rahmens. Eine Bewertung der einzelnen Maße des Ausschnitts 2 und der Durchbrüche 3 im Hinblick auf einen oder insbesondere mehrere Referenzpunkte lässt sich anhand des beispielsweise über eine Kamera erfassten optischen Bildes auswerten. Die Maßabweichungen von den Sollmaßen der einzelnen charakteristischen Merkmale in Form der Durchbrüche 3 und des Ausschnitts 2 gegenüber den Referenzpunkten werden dann in einer Datenbank 30 entsprechend abgelegt, und zwar so, dass sie dem jeweils hergestellten Bauteil zugeordnet werden können. In dem mit 40 bezeichneten Pfeil wird die Einzelzelle dann voll fertiggestellt, oder bei der entsprechenden Herstellung der MEA, welche nach dem gleichen Ablauf erfolgen kann, wird diese entsprechend fertiggestellt, nachdem die exakte Position der CCM optisch erfasst und in der Datenbank 30 gespeichert worden ist. In der Darstellung der 3 ist nun der Ablauf beim Stapeln des Brennstoffzellenstapels beschrieben. Auf die Anschläge C und B wie im Stand der Technik kann hier verzichtet werden. Vielmehr werden im Pfeil 50 die Einzelzelle 100 entsprechend gegriffen und zu dem Stapel gebracht. Gleichzeitig oder kurzzeitig danach erfolgt wie durch den Pfeil 60 angedeutet eine Korrektur der Werte, wozu auf die Datenbank 30 erneut zugegriffen wird. Bei bekannter Einzelzelle lassen sich über die Datenbank 30 nun also die entsprechenden Maßabweichungen, welche bei ihrer Herstellung optisch erfasst worden sind, auslesen. Es kann nun eine Korrektur erfolgen, um die Abweichung des charakteristischen Merkmals, beispielsweise des Ausschnitts 2, gegenüber den Referenzpunkten auszugleichen. Im letzten Schritt 70 erfolgt dann.ein Positionieren und Ablegen des Bauteils, hier der Einzelzelle 100 auf dem vorhergehenden Bauteil, so dass die in der Herstellung tatsächlich aufgetretenen innerhalb der Toleranzwerte liegenden Maßabweichungen ausgeglichen werden.
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Dies funktioniert selbstverständlich genauso bei den Bipolarplatten 200, wobei hier dann insbesondere die Durchbrüche 3 als charakteristische Merkmale Verwendung finden. Der Stapel aus Einzelzellen 100 und Bipolarplatten 200 lässt sich somit mit sehr hoher Präzision stapeln. Hierdurch können letzten Endes die notwendigen Maße für die MEA bzw. die CCM reduziert werden, sodass teures Material eingespart werden kann, ohne die in der Fertigung zulässigen Toleranzen zu verringern, was nur mit entsprechendem Aufwand und dementsprechenden wirtschaftlichen Einbußen möglich wäre. Beim Ablegen der Einzelzelle 100 bzw. der Bipolarplatte 200 liegt das Bauteil damit hinsichtlich seines charakteristischen Merkmals nicht nur innerhalb der Toleranz, sondern kann aufgrund des in der Datenbank zu dem jeweiligen Bauteil gespeicherten Korrekturwerts genau so abgelegt werden, dass die eigentlich wichtige Position beispielsweise der CCM, also letztlich des Ausschnitts 2 oder der Durchbrüche 3, an der exakt richtigen Stelle liegt. Bei diesem Ausgleichsprozess ist dabei nur noch eine relativ geringe Ablagetoleranz des einzelnen Bauteils zu berücksichtigen und der Ausgleichsprozess kann in der restlichen Toleranzkette entsprechend berücksichtigt werden, sodass eine effiziente Einsparung erfolgen kann, ohne dass die in der Fertigung tatsächlich einzuhaltenden Toleranzen reduziert werden müssen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 112004002350 T5 [0005]
