DE102020202480B4

DE102020202480B4 - Method and device for aligning thin-film elements

Info

Publication number: DE102020202480B4
Application number: DE102020202480.4A
Authority: DE
Inventors: Andreas Walter; Joachim Benkenstein; Holger Stanik
Original assignee: Thyssenkrupp Automation Eng GmbH; Thyssenkrupp Automation Engineering GmbH; ThyssenKrupp AG
Current assignee: Thyssenkrupp Automation Engineering De GmbH; ThyssenKrupp AG
Priority date: 2020-02-26
Filing date: 2020-02-26
Publication date: 2023-10-26
Anticipated expiration: 2040-02-27
Also published as: EP4111519A1; DE102020202480A1; WO2021170732A1

Abstract

Verfahren zum positionsgenauen und gegenseitigen Ausrichten von zwei Dünnschichtelementen (2, 4), insbesondere von Brennstoffzellenstapelelementen, bei demzwei in ihrer Beschaffenheit unterschiedliche Dünnschichtelemente (2, 4) vertikal übereinander gestapelt werden,das mit einer größeren Biegesteifigkeit als das zweite Dünnschichtelement (4) ausgestattete erste Dünnschichtelement (2) über ein vorrichtungsseitig bereitgestelltes Ansaugelement (20) in eine Ausgangsposition gebracht wird,das zweite Dünnschichtelement (4) über eine vorrichtungsseitig bereitgestellte Anblasvorrichtung (30) gegenüber dem ersten Dünnschichtelement (2) in einer Schwebeposition gehalten wird,das erste und das zweite Dünnschichtelement (2, 4) über vorrichtungsseitig bereitgestellte Positionierelemente (40) zueinander in eine Referenzposition gebracht werden unddas erste und das zweite Dünnschichtelement (2, 4) in der Referenzposition miteinander adhäsiv verbunden werden.Method for the precise positioning and mutual alignment of two thin-film elements (2, 4), in particular fuel cell stack elements, in which two thin-film elements (2, 4) with different properties are stacked vertically one on top of the other, the first being equipped with a greater bending stiffness than the second thin-film element (4). Thin-film element (2) is brought into a starting position via a suction element (20) provided on the device side, the second thin-film element (4) is held in a floating position relative to the first thin-film element (2) via a blowing device (30) provided on the device side, the first and the second Thin-film element (2, 4) are brought into a reference position relative to one another via positioning elements (40) provided on the device side and the first and second thin-film elements (2, 4) are adhesively connected to one another in the reference position.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum positionsgenauen und gegenseitigen Ausrichten von zwei Dünnschichtelementen, insbesondere von Brennstoffzellenstapelelementen, mit einer Bauteilaufnahme zur vertikal übereinander gestapelten Aufnahme von zwei in ihrer Beschaffenheit unterschiedlichen Dünnschichtelementen und eine Vorrichtung.The invention relates to a method for the precise positioning and mutual alignment of two thin-film elements, in particular fuel cell stack elements, with a component holder for the vertically stacked reception of two thin-film elements that have different properties and a device.

Ein Brennstoffzellenstapel besteht vereinfacht beschrieben aus mehreren, aufeinander gestapelten einzelnen Brennstoffzellen, einer oberen Deckplatte und einer unteren Deckplatte. Ein Brennstoffzellenstapel wird im Englischen mit dem Begriff „stack“ bezeichnet. Zwischen der oberen und unteren Deckplatte werden abwechselnd Membran-Elektroden-Einheiten - abgekürzt MEA - und Bipolarplatten - abgekürzt BPP - aufgestapelt. Der Prozess des Aufstapelns erfolgt zweckmäßigerweise in vertikaler Richtung; denkbar ist aber auch ein waagerechtes Nebeneinandersetzen von BPP und MEA. Die Anzahl der gestapelten Brennstoffzellen ist abhängig von der zu erbringenden Leistung des „Stacks“ und kann in einer Größenordnung von 600 Teilen, bei etwa einer Bauhöhe von 680 mm, betragen. Die MEA und die BPP sind in ihrer Art unterschiedlich beschaffen, was sich insbesondere darin äußert, dass die MEA sehr biegeweich bzw. flexibel ist und demgegenüber die BPP eine weitaus höhere Biegesteifigkeit aufweist, was darin begründet ist, dass die BPP aus einem metallischen Werkstoff besteht und in der Regel dicker ist, als die MEA. Alternativ kann eine BPP auch aus einem graphitartigen Material und die MEA aus einem silikonartigen Material ausgeführt sein. Zu erwähnen ist in diesem Zusammenhang die DE 10 2009 059 765 A1 , die ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte beschreibt. Die DE 10 2012 104 624 A1 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Stapeln von Anoden- und Kathodenblättern.In simple terms, a fuel cell stack consists of several individual fuel cells stacked on top of each other, an upper cover plate and a lower cover plate. A fuel cell stack is referred to in English with the term “stack”. Membrane electrode units - MEA for short - and bipolar plates - BPP for short - are stacked alternately between the upper and lower cover plates. The stacking process is expediently carried out in a vertical direction; However, it is also conceivable to place BPP and MEA horizontally next to each other. The number of stacked fuel cells depends on the performance to be provided by the “stack” and can be in the order of 600 parts, with a height of approximately 680 mm. The MEA and the BPP are different in nature, which is particularly evident in the fact that the MEA is very flexible or flexible and, in contrast, the BPP has a much higher bending stiffness, which is due to the fact that the BPP is made of a metallic material and is usually thicker than the MEA. Alternatively, a BPP can also be made of a graphite-like material and the MEA can be made of a silicone-like material. Worth mentioning in this context is the DE 10 2009 059 765 A1 , which describes a process for producing a bipolar plate. The DE 10 2012 104 624 A1 describes an apparatus and method for stacking anode and cathode sheets.

Die Herstellung von Brennstoffzellenstapeln kann herkömmlich über zwei unterschiedliche Prozesse erfolgen. So kann zum einen in einer Vorrichtung ein Aufstapeln, ein Pressen und eine abschließende Zugelementemontage erfolgen. Anschließend wird der Brennstoffzellenstapel aus der Vorrichtung entnommen und zur Restmontage transportiert. Zum anderen können die Brennstoffzellenstapel in einer Vorrichtung aufgestapelt werden. Anschließend werden die Brennstoffzellenstapel an eine Presse übergeben, die an einem Handhabungsgerät, wie beispielsweise einem Roboter, befestigt ist. Anschließend werden die Stapel einschließlich der Presse einer Vorrichtung für die Zugelementemontage übergeben. Hiernach erfolgt der Transport in die Restmontage. Bei beiden Prozessen erfolgt ein abwechselndes Aufstapeln der BPP und der MEA bis die erforderliche „Stack“-Höhe erreicht ist. Hierbei ist es erforderlich, bei jeder Handhabung der MEA deren geringe Eigenstabilität zu beachten, um sie nicht zu beschädigen. Zudem gilt es beim Aufstapeln der MEA auf die BPP, oder wahlweise auch umgekehrt, beide in eine Referenzposition zueinander zu bringen. Sowohl die MEA als auch die BPP sind ebenflächig ausgeführt. Das Breiten- und Längenmaß der MEA ist jeweils größer, als das entsprechende Breiten- und Längenmaß der BPP. Die Referenzposition vom MEA zu BPP ist dann erreicht, wenn die MEA in einer definierten Position gegenüber der Fläche der BPP positioniert ist. In der Regel gibt es bei BPP und MEA eine gemeinsame Referenzkante, die aneinandergelegt werden, so dass BPP und MEA an dieser Referenzkante paarweise ausgerichtet werden. Zusammenfassend betrachtet, erfordert das Aufstapeln von MEA und BPP zu dem „Stack“ und das gleichzeitige Ausrichten der MEA und der BPP in Referenzposition zueinander einen vergleichsweise hohen apparativen und prozesstechnischen Aufwand, der den übergeordneten Zielen einer Erhöhung der Stückzahlen bei gleichzeitig reduzierter Taktzeit zuwiderläuft. Vor diesem Hintergrund wäre es wünschenswert, den herkömmlicherweise zwar integrierten aber technisch aufwändigen Aufstapelprozess zu vereinfachen und in einzelne Teilprozesse zu unterteilen, um dann jeden Einzelprozess mit vereinfachten Mitteln durchführen zu können.The production of fuel cell stacks can conventionally be carried out using two different processes. On the one hand, stacking, pressing and final tension element assembly can take place in one device. The fuel cell stack is then removed from the device and transported to the remaining assembly. On the other hand, the fuel cell stacks can be stacked in a device. The fuel cell stacks are then transferred to a press that is attached to a handling device, such as a robot. The stacks, including the press, are then handed over to a device for tension element assembly. Afterwards it is transported to the remaining assembly. In both processes, the BPP and the MEA are alternately stacked until the required “stack” height is reached. It is necessary to take into account its low inherent stability every time you handle the MEA in order not to damage it. In addition, when stacking the MEA on the BPP, or vice versa, it is important to bring both into a reference position relative to each other. Both the MEA and the BPP are designed to be flat. The width and length of the MEA is larger than the corresponding width and length of the BPP. The reference position from the MEA to the BPP is reached when the MEA is positioned in a defined position relative to the surface of the BPP. As a rule, there is a common reference edge for BPP and MEA, which are placed next to each other, so that BPP and MEA are aligned in pairs on this reference edge. In summary, stacking MEA and BPP to form the “stack” and simultaneously aligning the MEA and BPP in the reference position to one another requires a comparatively high level of equipment and process engineering effort, which runs counter to the overarching goals of increasing the number of units while simultaneously reducing cycle times. Against this background, it would be desirable to simplify the traditionally integrated but technically complex stacking process and to divide it into individual sub-processes in order to then be able to carry out each individual process with simplified means.

Ausgehend hiervon besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, im Sinne des oben Beschriebenen einen vereinfachten Teilprozess für das Ausrichten von MEA zu BPP in die Referenzposition zueinander bereitzustellen.Proceeding from this, the object of the present invention is to provide a simplified sub-process for aligning MEA to BPP in the reference position to one another in the sense of what has been described above.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum positionsgenauen und gegenseitigen Ausrichten von zwei Dünnschichtelementen, insbesondere von Brennstoffzellenstapelelementen, bei dem zwei in ihrer Beschaffenheit unterschiedliche Dünnschichtelemente vertikal übereinander gestapelt werden, das mit einer größeren Biegesteifigkeit als das zweite Dünnschichtelement ausgestattete erste Dünnschichtelement über ein vorrichtungsseitig bereitgestelltes Ansaugelement in eine Ausgangsposition gebracht wird, das zweite Dünnschichtelement über eine vorrichtungsseitig bereitgestellte Anblasvorrichtung gegenüber dem ersten Dünnschichtelement in einer Schwebeposition gehalten wird, das erste und das zweite Dünnschichtelement über vorrichtungsseitig bereitgestellte Positionierelemente zueinander in eine Referenzposition gebracht werden und das erste und das zweite Dünnschichtelement in der Referenzposition miteinander adhäsiv verbunden werden.The object is achieved by a method for the precise positioning and mutual alignment of two thin-film elements, in particular fuel cell stack elements, in which two thin-film elements with different properties are stacked vertically one above the other, the first thin-film element equipped with a greater bending stiffness than the second thin-film element via a suction element provided on the device side is brought into a starting position, the second thin-film element is held in a floating position relative to the first thin-film element via a blowing device provided on the device side, the first and the second thin-film element are brought into a reference position relative to one another via positioning elements provided on the device side, and the first and the second thin-film element are in the reference position be bonded together adhesively.

Der Grundgedanke des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass zunächst vom Hauptprozess des Aufstapelns der Teileprozess des positionsgenauen und gegenseitigen Ausrichtens von zwei Dünnschichtelementen, beziehungsweise der Stapelelemente MEA und BPP, abgetrennt wird, und dann das Ausrichten als separater und autarker Prozess durchgeführt wird. Hierbei kann dann dieser Ausrichtprozess innerhalb der erforderlichen Toleranzen und Qualitätsanforderungen erfolgen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die MEA und die BPP, nachdem sie in die Referenzposition zueinander gebracht wurden, zumindest für den Zeitraum adhäsiv miteinander verbunden werden, bis beide als verbundene Einheit in dem Hauptprozess aufgestapelt werden. Eine zeitlich darüber hinausgehende Verbindung ist in der Regel nicht zwingend erforderlich, kann aber durchaus vorgesehen sein. Indem die MEA in diesem erfindungsgemäßen und separaten Prozess mit der BPP verbunden wird, spielt die geringe Biegesteifigkeit und Flexibilität der MEA in dem darauffolgenden Aufstapelprozess keine Rolle mehr, und dieser kann lediglich auf ein Greifen bzw. ein Handhaben der BPP beschränkt werden, was einen deutlich reduzierten Aufwand erlaubt. Dies vereinfacht den Aufstapelprozess. Eine BPP hat fertigungsbedingt eine minimale Krümmung, die in dem späteren „Stack“ hinderlich wäre, so dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erreicht wird, dass das Dünnschichtelement mit der größeren Biegesteifigkeit, also vorliegend die BPP, in der Ausgangsposition derart über das Ansaugelement gehalten wird, dass die initiale Krümmung egalisiert wird.The basic idea of the method according to the invention is that the partial process of the posi is first separated from the main process of stacking precise and mutual alignment of two thin-film elements, or the stacking elements MEA and BPP, is separated, and then the alignment is carried out as a separate and self-sufficient process. This alignment process can then take place within the required tolerances and quality requirements. According to the invention, it is provided that the MEA and the BPP, after they have been brought into the reference position relative to one another, are adhesively connected to one another at least for the period until both are stacked as a connected unit in the main process. A connection lasting longer than this is usually not absolutely necessary, but can certainly be provided for. By connecting the MEA to the BPP in this separate process according to the invention, the low flexural rigidity and flexibility of the MEA no longer plays a role in the subsequent stacking process, and this can only be limited to gripping or handling the BPP, which is clear reduced effort allowed. This simplifies the stacking process. Due to the manufacturing process, a BPP has a minimal curvature, which would be a hindrance in the later "stack", so that with the method according to the invention it is achieved that the thin-film element with the greater bending stiffness, i.e. in the present case the BPP, is held in the starting position via the suction element in such a way that that the initial curvature is equalized.

Eine vorteilhafte Verfahrensausgestaltung sieht vor, dass das erste und das zweite Dünnschichtelement über ein wechselseitiges Ausrichten durch die Positionierelemente in die Referenzposition gebracht werden. Hierdurch wird gewährleistet, dass die jeweilige Bewegung jedes einzelnen Dünnschichtelements kleiner ausfallen kann, so dass die Gefahr einer Beschädigung reduziert wird. In konkreter Verfahrensausgestaltung werden das erste und das zweite Dünnschichtelement über ein wechselseitiges Ausrichten durch die Positionierelemente in die Referenzposition gebracht.An advantageous embodiment of the method provides that the first and second thin-film elements are brought into the reference position via mutual alignment by the positioning elements. This ensures that the respective movement of each individual thin-film element can be smaller, so that the risk of damage is reduced. In a specific method embodiment, the first and second thin-film elements are brought into the reference position via mutual alignment by the positioning elements.

Eine vorteilhafte Verfahrensausgestaltung sieht vor, dass nach Auflösen der Schwebeposition des zweiten Dünnschichtelements das erste und das zweite Dünnschichtelement in der Referenzposition miteinander adhäsiv verbunden werden. Hierbei kann entweder vorgesehen sein, dass der Schwebezustand über die gesamte Fläche des zweiten Dünnschichtelements aufgelöst wird, was bevorzugt durch ein Beenden der Funktion der Anblasvorrichtung erreicht wird, oder die Schwebeposition durch ein entgegengesetztes, punktuelles Gegeneinanderdrücken der beiden Dünnschichtelemente aufgelöst wird.An advantageous embodiment of the method provides that after the floating position of the second thin-film element has been released, the first and second thin-film elements are adhesively connected to one another in the reference position. It can either be provided that the floating state is resolved over the entire surface of the second thin-film element, which is preferably achieved by terminating the function of the blowing device, or the floating position is resolved by opposing, selective pressing of the two thin-film elements against each other.

Die Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Vorrichtung zum positionsgenauen und gegenseitigen Ausrichten von zwei Dünnschichtelementen, insbesondere von Brennstoffzellenstapelelementen, mit einer Bauteilaufnahme zur vertikal übereinander gestapelten Aufnahme von zwei in ihrer Beschaffenheit unterschiedlichen Dünnschichtelementen, einem Ansaugelement zum Bewirken eines angesaugten Luftstroms in einer im Wesentlichen vertikalen Richtung im Bereich der Bauteilaufnahme, zum Ausüben einer Vertikalkraft auf eines der Dünnschichtelemente über den angesaugten Luftstrom, einer Anblasvorrichtung zum Bewirken eines abgeblasenen Luftstroms im Bereich der Bauteilaufnahme, zum Ausüben einer Vertikalkraft des anderen der Dünnschichtelemente mittels des abgeblasenen Luftstroms, Positionierelementen, die zwischen einer Ausgangsposition und einer in horizontaler Richtung gegeneinander zugestellten Position beweglich sind, um in der zugestellten Position mit den beiden Dünnschichtelementen in einer Wirkverbindung zu stehen und die beiden Dünnschichtelemente in einer Referenzposition zueinander zu halten, und einer Adhäsionsvorrichtung zum adhäsiven Verbinden des in der Referenzposition zueinander befindlichen ersten und zweiten Dünnschichtelements.The object is further achieved by a device for the precise positioning and mutual alignment of two thin-film elements, in particular fuel cell stack elements, with a component holder for receiving two thin-film elements stacked vertically one on top of the other, a suction element for effecting a sucked-in air flow in a substantially vertical direction in the area of the component holder, for exerting a vertical force on one of the thin-film elements via the sucked-in air stream, a blowing device for effecting a blown-off air stream in the area of the component holder, for exerting a vertical force on the other of the thin-film elements by means of the blown-off air stream, positioning elements which are between a starting position and are movable in a horizontally advanced position relative to one another in order to be in an operative connection with the two thin-film elements in the advanced position and to hold the two thin-film elements in a reference position to one another, and an adhesion device for adhesively connecting the first and second elements located in the reference position to one another Thin film element.

Die erfindungsgemäße Grundidee der Vorrichtung besteht darin, die beiden Dünnschichtelemente zunächst in einer gestapelten Weise zueinander aufzunehmen bzw. zu halten, anschließend in eine Position zu überführen, in der ein nahezu kraftloses Verschieben im Raum möglich ist, um anschließend eine solche Verschiebung in die Referenzposition vorzunehmen. Durch das Verbinden von MEA und BPP werden diese Elemente jeweils als Einheit für das spätere Aufstapeln vorbereitet, so dass hierdurch die Taktzeit für das eigentliche Aufstapeln reduziert werden kann. Eine Halbierung der Taktzeit ist möglich. Die weichere, biegeschlaffere MEA ist mit der BPP verbunden, so dass das eigentliche Aufstapeln lediglich durch eine Handhabung der BPP erfolgen kann. Durch die Vorrichtung kann der Ausrichtprozess dezidiert ohne weitere Randbedingungen durchgeführt werden, so dass die Ausrichtgenauigkeit zwischen BPP und MEA gegenüber dem herkömmlichen integrierten Stapelprozess gesteigert werden kann.The basic idea of the device according to the invention is to first hold or hold the two thin-film elements in a stacked manner relative to one another, then to transfer them into a position in which an almost forceless displacement in space is possible, in order to then carry out such a displacement into the reference position . By connecting MEA and BPP, these elements are each prepared as a unit for later stacking, so that the cycle time for the actual stacking can be reduced. It is possible to halve the cycle time. The softer, more flexible MEA is connected to the BPP, so that the actual stacking can only be done by handling the BPP. The device allows the alignment process to be carried out specifically without any additional boundary conditions, so that the alignment accuracy between BPP and MEA can be increased compared to the conventional integrated stacking process.

In bevorzugter Ausgestaltung weist die Adhäsionsvorrichtung zumindest eine Laserschweißeinheit auf. Über die Laserschweißeinheiten lassen sich über den Umfang von BPP und MEA bedarfsweise und positionsgenau mehrere Verbindungspunkte setzten, die BPP und MEA gegeneinander halten. Hierbei kann es ausreichend sein, wenn diese Verbindungspunkte lediglich eine vorübergehende Verbindung zwischen BPP und MEA bilden, die zumindest solange Bestand hat, bis BPP und MEA in dem Aufstapelprozess verarbeitet werden. Bei der Verbindung zwischen BPP und MEA handelt es sich folglich bevorzugterweise um eine Adhäsion zwischen beiden Elementen und nicht um eine stoffschlüssige Verbindung, welche selbstverständlich für bestimmte Anwendungsbereiche ebenfalls vorgesehen sein kann. Denkbar ist auch, die Adhäsion zwischen BPP und MEA über Wasser oder ein wasserlösliches Medium herzustellen.In a preferred embodiment, the adhesion device has at least one laser welding unit. Using the laser welding units, several connection points can be set across the circumference of BPP and MEA as needed and in precise positions, which hold BPP and MEA against each other. It may be sufficient if these connection points only form a temporary connection between BPP and MEA, which lasts at least until BPP and MEA are processed in the stacking process. The connection between BPP and MEA acts It is therefore preferably an adhesion between the two elements and not a cohesive connection, which can of course also be intended for certain areas of application. It is also conceivable to produce the adhesion between BPP and MEA via water or a water-soluble medium.

In bevorzugter Ausgestaltung sind mehrere Laserschweißeinheiten entlang eines Umfangs im Bereich der Bauteilaufnahme angeordnet. Somit ist es möglich, alle Verbindungspunkte zwischen MEA und BPP synchron herzustellen.In a preferred embodiment, several laser welding units are arranged along a circumference in the area of the component holder. This makes it possible to establish all connection points between MEA and BPP synchronously.

In bevorzugter Ausgestaltung ist eine beaufschlagte Andruckeinheit vorgesehen, um eine vertikal gerichtete Andrückkraft auf die beiden Dünnschichtelemente gegen die Bauteilaufnahme zu bewirken. Hierdurch ist es möglich, die BPP und die MEA unmittelbar ausgehend von dem Schwebezustand der MEA diese gegen die BPP zu beaufschlagen, um dann die Adhäsion vorzunehmen.In a preferred embodiment, a pressurized pressure unit is provided in order to bring about a vertically directed pressing force on the two thin-film elements against the component holder. This makes it possible to press the BPP and the MEA directly from the floating state of the MEA against the BPP in order to then carry out the adhesion.

In bevorzugter Ausgestaltung ist die Bauteilaufnahme gegenüber einem Rahmenelement der Vorrichtung schwimmend gelagert. Hierbei kann vorgesehen sein, dass eine Ausrichteinheit der Vorrichtung stempelartig gegenüber der Bauteilaufnahme zustellbar ist.In a preferred embodiment, the component holder is mounted floating relative to a frame element of the device. It can be provided here that an alignment unit of the device can be positioned in a stamp-like manner relative to the component holder.

Bezüglich der Anblasvorrichtung sind zwei Ausgestaltungen denkbar. Bei der ersten Ausgestaltung weist die Anblasvorrichtung zwei auf gleicher Vertikalposition angeordnete Blasdüsen auf, wobei die Blasdüsen im Wesentlichen im Betrieb aus entgegengesetzten Richtungen horizontal in den Bereich der Bauteilaufnahme abblasen. Bei der zweiten Ausgestaltung ist die Anblasvorrichtung derart in die Bauteilaufnahme integriert, dass ein Bodenbereich zur Aufnahme der Dünnschichtelemente luftdurchlässig ausgeführt ist, um mit dem durch die Anblasvorrichtung erzeugten und durch den Bodenbereich hindurchgetretenen Luftstrom das jeweilige Dünnschichtelement anzublasen.Two configurations are conceivable with regard to the blowing device. In the first embodiment, the blowing device has two blowing nozzles arranged in the same vertical position, with the blowing nozzles essentially blowing horizontally into the area of the component holder from opposite directions during operation. In the second embodiment, the blowing device is integrated into the component holder in such a way that a bottom area for receiving the thin-film elements is designed to be air-permeable in order to blow on the respective thin-film element with the air flow generated by the blowing device and passing through the bottom area.

Die Erfindung wird nachfolgend mit weiteren Merkmalen, Einzelheiten und Vorteilen anhand der beigefügten Figuren erläutert. Die Figuren illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung. Hierin zeigen

1 eine erfindungsgemäße Ausrichtvorrichtung in einer Ausgangsposition;
2 bis 4 die Ausrichtvorrichtung gemäß 1 in weiteren Positionen und
5 eine Detaillierung der Ausrichtvorrichtung gemäß 1.

The invention is explained below with further features, details and advantages using the attached figures. The figures merely illustrate exemplary embodiments of the invention. Show here

1 an alignment device according to the invention in a starting position;
2 until 4 the alignment device according to 1 in other positions and
5 a detailing of the alignment device according to 1 .

Die 1 zeigt eine mögliche Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zum positionsgenauen und gegenseitigen Ausrichten von zwei Brennstoffzellenstapelelementen, welche beispielsweise als MEA und als BPP ausgebildet sein können. Die Vorrichtung soll vorliegend nicht in ihrer Gesamtheit und mit allen Einzelheiten beschrieben werden. Vielmehr sollen nur wesentliche Komponenten und ihr Zusammenwirken beschrieben werden.The 1 shows a possible embodiment of a device 10 according to the invention for the precise positioning and mutual alignment of two fuel cell stack elements, which can be designed, for example, as an MEA and as a BPP. The device is not intended to be described in its entirety or in all details here. Rather, only essential components and their interaction should be described.

Die Vorrichtung 10 weist zunächst ein Rahmenelement 44 auf, das auch als Grundplatte bezeichnet werden kann, und u.a. die Adhäsionsvorrichtung 50 mit mehreren Laserschweißeinheiten 52 trägt. An dem Rahmenelement 44 ist unterhalb ein Niederhalterrahmen 46 angeordnet, der in geeigneter Weise gegenüber bzw. an dem Rahmenelement 44 vertikal verfahren werden kann. Der Niederhalterrahmen 46 umfasst eine Andrückeinheit 42, die ihrerseits mehrere federnd gelagerte Andrückstempel 48 ausbildet. An dem Rahmenelement 44 ist unterhalb ein Ausrichtrahmenelement 54 angeordnet, welches ebenfalls in geeigneter Weise gegenüber bzw. an dem Rahmenelement 44 vertikal verfahren werden kann und damit auch eine Relativbewegung bezüglich des Niederhalterahmens 46 ausführen kann. Das Ausrichtrahmenelement 54 umfasst Positionierelemente 40 und eine pneumatische Einheit, welche vorliegend ein Ansaugelement 20 und eine Anblasvorrichtung 30 umfasst.The device 10 initially has a frame element 44, which can also be referred to as a base plate, and, among other things, carries the adhesion device 50 with several laser welding units 52. A hold-down frame 46 is arranged underneath the frame element 44 and can be moved vertically in a suitable manner relative to or on the frame element 44. The hold-down frame 46 includes a pressing unit 42, which in turn forms several resiliently mounted pressing stamps 48. An alignment frame element 54 is arranged underneath the frame element 44, which can also be moved vertically in a suitable manner relative to or on the frame element 44 and can therefore also carry out a relative movement with respect to the hold-down frame 46. The alignment frame element 54 includes positioning elements 40 and a pneumatic unit, which in the present case includes a suction element 20 and a blowing device 30.

Als unterste Komponente weist die Vorrichtung eine Bauteilaufnahme 12 auf, die dazu ausgelegt ist die Brennstoffzellenstapelelemente, also die BPP und die MEA, gestapelt aufzunehmen. Die Bauteilaufnahme 12 ist zweiteilig ausgeführt und umfasst einen schwimmend gelagerten Abschnitt. Die Bauteilaufnahme 12 kann schubladenartig gegenüber den anderen Komponenten der Vorrichtung 10 ausgeführt sein, so dass sie in einer horizontalen Ebene herausgefahren werden kann. Die Bauteilaufnahme 12 weist ferner Gegenhalterelemente 56 als Pendants für die Andrückstempel 48 des Niederhalterrahmens 46 auf.As the lowest component, the device has a component holder 12, which is designed to accommodate the fuel cell stack elements, i.e. the BPP and the MEA, in a stacked manner. The component holder 12 is designed in two parts and includes a floating section. The component holder 12 can be designed like a drawer compared to the other components of the device 10, so that it can be moved out in a horizontal plane. The component holder 12 also has counter-holder elements 56 as counterparts for the pressure stamps 48 of the hold-down frame 46.

Die 1 zeigt die Vorrichtung 10 in einer Grundstellung, in der sich der Niederhalterahmen 46 und das Ausrichtrahmenelement 54 in der vertikal oberen Position befinden. In dieser Position kann die Bauteilaufnahme 12 gleich einer Schublade seitlich herausfahren und wieder einfahren. Die herausgefahrene Position ist dazu vorgesehen, in dieser Position die Bauteilaufnahme mit Brennstoffzellenstapelelementen, also der BPP und der MEA, zu bestücken. In der Grundstellung sind die Positionierelemente 40 in einer Ausgangsposition, in der sie in einer horizontalen Richtung auseinandergefahren sind. Ist der schwimmend gelagerte Abschnitt der Bauteilaufnahme 12 mit der BPP und der MEA bestückt, dann sind BPP und MEA zwischen seitlichen und stirnseitig angeordneten Begrenzungen derart vorausgerichtet, dass die Positionierelemente 40 beim späteren Ausrichten in eigens dafür vorgesehene Nuten der BPP und der MEA eingreifen können.The 1 shows the device 10 in a basic position in which the hold-down frame 46 and the alignment frame element 54 are in the vertically upper position. In this position, the component holder 12 can move out to the side like a drawer and retract again. The extended position is intended to equip the component holder with fuel cell stack elements, i.e. the BPP and the MEA. In the basic position, the positioning elements 40 are in a starting position in which they have moved apart in a horizontal direction. If the floating section of the component holder 12 is equipped with the BPP and the MEA, then the BPP and MEA are pre-aligned between the side and front boundaries in such a way that the positioning elements 40 can engage in specially designed grooves in the BPP and MEA during later alignment.

Die 2 zeigt eine Stellung der Vorrichtung 10, in der der Niederhalterahmen 46 und das Ausrichtrahmenelement 54 über einen geeignet ausgeführten Antrieb des Rahmenelements 44 vertikal nach unten gefahren wurden. Während der vertikalen Bewegung nach unten trifft das Ausrichtrahmenelement 54 auf einen Anschlag, so dass dieses in vertikaler Richtung gegenüber der Bauteilaufnahme 12 ausgerichtet wird. Durch Ausrichtdorne auf dem Ausrichtrahmenelement 54 wird die Bauteilaufnahme 12 zusammen mit den federnden Andrückstempeln 48 beim Absenken gegenüber dem Rahmenelement 44 ausgerichtet. In dieser Position, die als Ablageposition bezeichnet werden kann, sind die Positionierelemente 40, das Ansaugelement 20 und die Anblasvorrichtung 30 in die erforderliche Stellung zugestellt. Hierbei kann vorgesehen sein, dass das Ansaugelement 20 und die Anblasvorrichtung 30 bei Erreichen der Ablageposition funktionsbereit gestellt werden.The 2 shows a position of the device 10 in which the hold-down frame 46 and the alignment frame element 54 have been moved vertically downwards via a suitably designed drive of the frame element 44. During the vertical downward movement, the alignment frame element 54 hits a stop so that it is aligned in the vertical direction relative to the component holder 12. By means of alignment mandrels on the alignment frame element 54, the component holder 12 is aligned together with the resilient pressure stamps 48 when lowered relative to the frame element 44. In this position, which can be referred to as the storage position, the positioning elements 40, the suction element 20 and the blowing device 30 are moved into the required position. It can be provided here that the suction element 20 and the blowing device 30 are made ready for operation when the storage position is reached.

Die 3 zeigt eine Stellung der Vorrichtung 10, in der das Niederhalterahmenelement 46 in vertikaler Richtung weiter nach unten gefahren wurde. In dieser Stellung kann das eigentliche Ausrichten der BPP und der MEA zueinander erfolgen. Hierzu wird über das Ansaugelement 20 die BPP gegriffen bzw. in einer angesaugten Stellung gehalten und in vertikaler Richtung nach oben gegen die Gegenhalterelemente 56 gezogen. Hierdurch wird eine konstruktivbedingte eventuelle Durchbiegung der BPP gerade gezogen, und ein kleiner Spalt entsteht zwischen der angehobenen BPP und der Bauteilaufnahme 12. Die Saugkraft des Ansaugelements 20 ist dabei derart gering, dass die BPP dennoch in der Horizontalebene der Bauteilaufnahme 12, also in X- und Y- Richtung, während des späteren Ausrichtvorgangs verschoben werden kann. Innerhalb dieses Spalts zwischen BPP und Bauteilaufnahme 12 geht nun die MEA infolge des Abblasens der Anblasvorrichtung 30 in einen Schwebezustand bzw. eine Schwebeposition über, so dass ein Teilspalt zwischen BPP und MEA und ein Teilspalt zwischen MEA und Bauteilaufnahme 12 entsteht. Ist dieser Zustand der angesaugten BPP und der in der Schwebeposition gehaltenen MEA erreicht, werden die Positionierelemente 40 über eine geeignete Aktuatorik betätigt, so dass hierüber die BPP und die MEA in die Referenzposition zueinander ausgerichtet werden.The 3 shows a position of the device 10 in which the hold-down frame element 46 has been moved further downward in the vertical direction. In this position the actual alignment of the BPP and the MEA can take place. For this purpose, the BPP is gripped via the suction element 20 or held in a suctioned position and pulled upwards in the vertical direction against the counter-holder elements 56. As a result, any design-related deflection of the BPP is straightened, and a small gap is created between the raised BPP and the component holder 12. The suction force of the suction element 20 is so low that the BPP is still in the horizontal plane of the component holder 12, i.e. in and Y direction, can be moved during the later alignment process. Within this gap between BPP and component holder 12, the MEA now goes into a floating state or a floating position as a result of the blowing off of the blowing device 30, so that a partial gap between BPP and MEA and a partial gap between MEA and component holder 12 is created. If this state of the sucked BPP and the MEA held in the floating position is reached, the positioning elements 40 are actuated via a suitable actuator so that the BPP and the MEA are aligned with one another in the reference position.

Die 4 zeigt eine Stellung der Vorrichtung 10, in der die Positionierelemente 40 in einer horizontalen Richtung gegeneinander zugestellt wurden, so dass sich die BPP und die MEA in der Referenzposition zueinander befinden und gegenüber der Bauteilaufnahme 12 eine definierte Lage einnehmen. In diesem Zustand kommen die federnden Andrückstempel 48 in Kontakt zu der BPP, und die BPP und die MEA werden zumindest im Bereich der Kontaktbereiche spaltfrei gegen die Gegenhalterelement 56 der Bauteilaufnahme 12 gedrückt. Nach Erreichen dieser Kontaktierungsposition sind alle Elemente zueinander ausgerichtet und haben einen spaltfreien Kontakt und die BPP kann mit der MEA adhäsiv verbunden werden, was vorliegend über die Laserschweißeinheiten 52 erfolgt.The 4 shows a position of the device 10 in which the positioning elements 40 have been moved towards one another in a horizontal direction, so that the BPP and the MEA are in the reference position to one another and assume a defined position relative to the component holder 12. In this state, the resilient pressure stamps 48 come into contact with the BPP, and the BPP and the MEA are pressed against the counter-holder element 56 of the component holder 12 without a gap, at least in the area of the contact areas. After reaching this contacting position, all elements are aligned with one another and have gap-free contact and the BPP can be adhesively connected to the MEA, which in the present case is done via the laser welding units 52.

Die 5 zeigt eine Detailansicht der Bauteilaufnahme 12 und einen Ausschnitt des Ausrichtrahmenelements 54 mit dem Ansaugelement 20 und der Anblasvorrichtung 30 der pneumatischen Einheit. Zu erkennen sind die BPP und die MEA, die auf der Bauteilaufnahme 12 positioniert sind und, wie oben beschrieben, infolge der Funktion des Ansaugelements 20 und der Anblasvorrichtung 30 Luftspalte zueinander bilden. Mit dem Bezugszeichen 32 ist der durch die Anblasvorrichtung 30 abgeblasene Luftstrom symbolisiert. Die Anblasvorrichtung 30 weist hierzu zwei auf gleicher Vertikalposition angeordnete Blasdüsen 34 auf, wobei die Blasdüsen 34 im Betrieb aus entgegengesetzten Richtungen horizontal in den Bereich der Bauteilaufnahme 12 abblasen. Durch die beiden gegenüberliegenden Blasdüsen 34 wird die MEA in vertikaler Richtung in einen Schwebezustand versetzt. In diesem Schwebezustand kann die MEA mit einem äußerst geringen Kraftaufwand, d.h. reibungsfrei, in der Horizontalebene bewegt bzw. positioniert werden. Auch die BPP kann in ihrem durch das Ansaugelement 20 angesaugten Zustand mit nur geringem Kraftaufwand in der Horizontalebene bewegt bzw. positioniert werden. Nach dem Erreichen der jeweiligen korrekten Position der MEA und der BPP in der Horizontalebene befinden sich BPP und MEA in der Referenzposition zueinander und werden mit der Andrückeinheit 42 und deren Andrückstempel 48 und den Gegenhalterelementen 56 in einen spaltfreien Kontakt zueinander gebracht. Anschließen können BPP und MEA mit den Laserschweißeinheiten 52 miteinander verbunden werden.The 5 shows a detailed view of the component holder 12 and a section of the alignment frame element 54 with the suction element 20 and the blowing device 30 of the pneumatic unit. The BPP and the MEA can be seen, which are positioned on the component holder 12 and, as described above, form air gaps with one another as a result of the function of the suction element 20 and the blowing device 30. The reference number 32 symbolizes the air flow blown off by the blowing device 30. For this purpose, the blowing device 30 has two blowing nozzles 34 arranged in the same vertical position, with the blowing nozzles 34 blowing horizontally into the area of the component holder 12 from opposite directions during operation. The two opposite blowing nozzles 34 put the MEA in a floating state in the vertical direction. In this floating state, the MEA can be moved or positioned in the horizontal plane with extremely little effort, ie without friction. The BPP can also be moved or positioned in the horizontal plane in its state sucked in by the suction element 20 with only little effort. After reaching the respective correct position of the MEA and the BPP in the horizontal plane, the BPP and MEA are in the reference position to one another and are brought into gap-free contact with one another with the pressing unit 42 and its pressing stamp 48 and the counter-holder elements 56. BPP and MEA can then be connected to one another using the laser welding units 52.

BezugszeichenlisteReference symbol list

22: DünnschichtelementThin film element
44: DünnschichtelementThin film element
1010: AusrichtvorrichtungAlignment device
1212: BauteilaufnahmeComponent recording
2020: AnsaugelementSuction element
3030: AnblasvorrichtungBlowing device
3232: LuftstromAirflow
3434: Blasdüsenblowing nozzles
4040: PositionierelementPositioning element
4242: AndrückeinheitPressing unit
4444: RahmenelementFrame element
4646: NiederhalterahmenHold-down frame
4848: Andrückstempelpressure stamp
5050: AdhäsionsvorrichtungAdhesion device
5252: LaserschweißeinheitLaser welding unit
5454: AusrichtrahmenelementAlignment frame element
5656: GegenhalterelementCounterholder element

Claims

Method for the precise positioning and mutual alignment of two thin-film elements (2, 4), in particular fuel cell stack elements, in which two thin-film elements (2, 4) that have different properties are stacked vertically one on top of the other, the first thin-film element (2), which has a greater bending stiffness than the second thin-film element (4), is brought into a starting position via a suction element (20) provided on the device side, the second thin-film element (4) is held in a floating position relative to the first thin-film element (2) via a blowing device (30) provided on the device side, the first and second thin-film elements (2, 4) are brought into a reference position relative to one another via positioning elements (40) provided on the device side and the first and second thin-film elements (2, 4) are adhesively connected to one another in the reference position.

Procedure according to Claim 1 , in which the first and second thin-film elements (2, 4) are brought into the reference position via mutual alignment by the positioning elements (40).

Procedure according to Claim 1 or 2 , in which, after releasing the floating position of the second thin-film element (4), the first and second thin-film elements (2, 4) are adhesively connected to one another in the reference position.

Procedure according to Claim 3 , in which the floating position is resolved by pressing the two thin-film elements (2, 4) against each other in opposite points.

Device (10) for the precise positioning and mutual alignment of two thin-film elements (2, 4), in particular fuel cell stack elements a component holder (12) for holding two thin-film elements (2, 4) stacked vertically one above the other in terms of their properties, a suction element (20) for causing a sucked-in air flow in a substantially vertical direction in the area of the component holder (12), for exerting a vertical force on one of the thin-film elements (2, 4) via the sucked-in air flow, a blowing device (30) for causing a blown-off air flow in the area of the component holder (12), for exerting a vertical force on the other of the thin-film elements (2, 4) by means of the blown-off air flow, Positioning elements (40), which are movable between a starting position and a position that is advanced towards one another in the horizontal direction, in order to be in an operative connection with the two thin-film elements (2, 4) in the advanced position and the two thin-film elements (2, 4) in one to maintain reference position to each other and an adhesion device (50) for adhesively connecting the first and second thin-film elements (2, 4) located in the reference position to one another.

Device (10) after Claim 5 , characterized in that the adhesion device (50) comprises at least one laser welding unit (52).

Device (10) after Claim 6 , characterized in that a plurality of laser welding units (52) are arranged along a circumference in the area of the component holder (12).

Device (10) according to one of the Claims 5 until 7 , characterized in that a pressurized pressing unit (42) is provided in order to bring about a vertically directed pressing force on the two thin-film elements (2,4) against the component holder (12).

Device (10) according to one of the Claims 5 until 8th , characterized in that the component holder (12) is mounted floating relative to a frame element (44) of the device (10).

Device (10) according to one of the Claims 5 until 9 , characterized in that an alignment unit is provided which can be adjusted like a stamp relative to the component holder (12).

Device (10) according to one of the Claims 5 until 10 , characterized in that the blowing device (30) has two blowing nozzles (34) arranged in the same vertical position, the blowing nozzles (34) being essentially off during operation Blow horizontally into the area of the component holder (12) in opposite directions.

Device (10) according to one of the Claims 5 until 10 , characterized in that the blowing device (30) is integrated into the component holder (12) in such a way that a bottom area of the component holder (12) for receiving the thin-film elements (2, 4) is designed to be air-permeable in order to communicate with the blowing device (30) The air flow generated and passed through the floor area is blown onto the respective thin-film element (2, 4).