DE102021118976A1

DE102021118976A1 - Verfahren zur Herstellung eines Stapels aus einer Mehrzahl von elektrochemischen Zellen und Vorrichtung zur Herstellung eines derartigen Stapels

Info

Publication number: DE102021118976A1
Application number: DE102021118976.4A
Authority: DE
Inventors: Uwe Bauch; Jan Richnow; Rene Scheimer
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2021-07-22
Filing date: 2021-07-22
Publication date: 2023-01-26
Also published as: WO2023001861A1; EP4352806A1; CN117642892A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Stapels (2) aus einer Mehrzahl von elektrochemischen Zellen, die jeweils aus mindestens einer Membrankomponente (10) und einer Bipolarplatte (3) als den konstituierenden Komponenten gebildet sind, umfassend die Schritte:a) Aufrichten der Komponenten auf ihre Kante (11),b) Zuführen der auf ihre Kante (11) aufgerichteten Komponenten zu einem Rüttelausleger (6) zu deren Ausrichtung,c) Bildung des Stapels (2) aus den ausgerichteten Komponenten.Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung (19) zur Herstellung eines derartigen Stapels (2).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Stapels aus einer Mehrzahl von elektrochemischen Zellen, die jeweils aus mindestens einer Membrankomponente und einer Bipolarplatte als den konstituierenden Komponenten gebildet sind, umfassend die Schritte:

a) Aufrichten der Komponenten auf ihre Kante,
b) Zuführen der auf ihre Kante aufgerichteten Komponenten zu einem Rüttelausleger zu deren Ausrichtung,
c) Bildung des Stapels aus den ausgerichteten Komponenten.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Herstellung eines derartigen Stapels.
Brennstoffzellen dienen zur Bereitstellung elektrischer Energie durch eine elektrochemische Reaktion, wobei zur Erhöhung der nutzbaren Leistung mehrere Brennstoffzellen in Reihe geschaltet zu einem Stapel zusammengefasst werden können. Bei Elektrolyseur-Zellen erfolgt eine Nutzung elektrischer Energie zur Elektrolyse, wobei zur Erhöhung der Leistung gleichfalls ein Stapel gebildet werden kann. Eine Membrankomponente, insbesondere eine Membran-Elektrodenanordnung als eine der Komponenten des Stapels umfasst eine Anode, eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende protonenleitfähige Membran. Des Weiteren sind in einem Stapel als weitere Komponente beidseits jeder Membran Bipolarplatten bereitgestellt zur Zuleitung der Reaktanten und gegebenenfalls eines Kühlmittels.
Bei der Bildung des Stapels, also bei dessen Herstellung, sind Lagegenauigkeit und Geschwindigkeit wichtig für die Qualität und die Kosten, wobei hohe Lagegenauigkeit und hohe Geschwindigkeit einen Zielkonflikt bilden und in der Regel ein Ziel nur auf Kosten des komplementären Ziels verbessert werden kann.
Elektrochemische Zellen werden häufig unter Nutzung von Greifern in „Pick- and-Place“-Verfahren zu Stapeln zusammengeführt, wobei die Komponenten mittels statischer Referenzpunkte, zum Beispiel in Form eines Werkstückträgers, positioniert werden. Eine Verbesserung der Lagegenauigkeit lässt sich auch erreichen, indem die Komponenten Membran-Elektrodenanordnung und Bipolarplatte zum Beispiel mittels eines Lasers zu einer Einheitszellen verbunden werden, die dann für die Bildung des Stapels weiter gestapelt werden. Die „Pick-and-Place“-Verfahren sowie das mechanische Verbinden sind kostenintensiv und erreichen nicht die erforderliche Geschwindigkeit für eine Großserienfertigung, wobei auch die Lagegenauigkeit unzureichend ist.
In der DE 10 2018 116 057 A1 ist eine Montageanlage für die Montage eines Brennstoffzellenstapels beschrieben, bei der die alternierend auf einem Förderband angeordneten Komponenten des Brennstoffzellenstapels von dem Förderband über eine Rutsche auf eine höhenverstellbare Stapelaufnahme geführt werden, wobei zur Erzeugung eines Gaspolsters im Bereich der Rutsche eine Gaszufuhreinrichtung vorhanden ist. Die Rutsche kann durch angetriebene Förderriemen gebildet sein. Die Stapelaufnahme weist für eine sichere und exaktere Ausrichtung eine Rüttelfunktion auf. Rütteleinrichtungen bei Stapeleinrichtungen für Druckmaschinen zum Stapeln von Papierblättern sind aus der DE 29 42 855 A1 und der DE 10 2019 206 610 B3 bekannt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem die Investitionskosten und Fertigungskosten für die Herstellung eines Stapels gesenkt werden können. Aufgabe ist weiterhin, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereit zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ergibt sich der Vorteil, dass die einzelnen Komponenten auf ihre Kanten aufgestellt sind und so nur eine Linienberührung nach unten vorliegt, also kein flächiger Kontakt mit erhöhter Reibung die Positionierung und Ausrichtung erschwert. Anders als im Stand der Technik wird der Stapel nicht nach oben geschichtet mit stetig zunehmender Masse, die die Kraft auf die Kontaktfläche erhöht. Vielmehr liegen für jede Komponente beim Ausrichten durch den Rüttelausleger die gleichen Verhältnisse vor unabhängig von der Lage der Komponente innerhalb des Stapels. Daher kann die Stapelbildung viel schneller ablaufen und ein Greifer ist verzichtbar, so dass die Kosten für den Stapel sinken.
Für die richtige Bildung des Stapels können die Komponenten mit ihrer Flachseite auf dem oberen Trumm eines Förderbandes platziert werden, wobei insbesondere die Komponenten alternierend auf dem ersten Förderband angeordnet werden können. Alternativ besteht aber auch die Möglichkeit, dass
aus einer ersten Beschickstation eine der Komponenten auf dem ersten Förderband platziert wird, und dass aus einer zweiten Beschickstation die andere der Komponenten auf die auf dem ersten Förderband platzierte Komponente geschichtet wird, wodurch die aufeinander geschichteten erste Komponente und zweite Komponente eine unverbundene Einheitszelle bilden.
Ohne weiteren apparativen Aufwand besteht die Möglichkeit der Aufrichtung der Komponenten, indem die ersten Komponenten und die zweiten Komponenten, gegebenenfalls als Einheitszelle zusammengefasst, beim Passieren einer Umlenkrolle des ersten Förderbandes aufgerichtet werden, so dass diese in einfacher Weise lediglich durch fortgesetzten Transport auf dem ersten Förderband aus ihrer liegenden Position mit flächiger Auflage in eine vertikale Orientierung überführt werden, bei der die Kante als Auflagelinie nach unten zeigt. Aufgrund der Abstützung auf der Kante kann in einfacher Weise mit geringem Widerstand die gewünschte Lage in dem Rüttelausleger herbeigeführt werden, wobei dann die Komponenten aus dem Rüttelausleger an ein zweites Förderband übergeben werden.
Bevorzugt ist dabei, wenn der Rüttelausleger im Umfangsrichtung der Komponenten an ihren Seitenkanten und der Oberkante an mehreren Rüttelpunkten rüttelt, und wenn die aufgerichtete Komponente auf mindestens zwei Auflagepunkten der Kante gelagert ist. Die Lagerung auf den Auflagepunkten statt auf der gesamten Kante erleichtert dabei nochmals die Einstellung der Lage mit der gewünschten Lagegenauigkeit.
Eine vorteilhaft Vorrichtung zur Herstellung eines Stapels aus einer Mehrzahl von elektrochemischen Zellen, die jeweils aus einer Membran-Elektrodenanordnung und einer Bipolarplatte als den konstituierenden Komponenten gebildet sind, ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Rüttelausleger zur Aufnahme der auf ihre Kante aufgerichteten Komponenten vorgesehen ist, und dass dem Rüttelausleger nachgeordnet ein zweites Förderband zum Transport des aus den aufgerichteten Komponenten zu bildenden Stapels angeordnet ist, wobei ein erstes Förderband vorgesehen ist, auf dessen oberen Trumm Komponenten der elektrochemischen Zellen mit ihrer Flachseite platzierbar sind und der Rüttelausleger zwischen der stromab gelegenen Umlenkrolle des ersten Förderbandes und der stromauf gelegenen Umlenkrolle des zweiten Förderbandes angeordnet ist.
Die vorstehend genannten Vorteile insbesondere hinsichtlich der Kosten wirken auch bei einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einem nach den vorstehend genannten Verfahren hergestellten Stapel sowie einem Kraftfahrzeug mit einer derartigen Brennstoffzellenvorrichtung, so dass die Elektromobilität kostengünstiger bereit gestellt werden kann.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Herstellung eines Stapels 2 aus elektrochemischen Zellen,
2 eine schematische Darstellung der Wirkung des Rütteln der auf die Kanten 11 aufgestellten Komponenten, und
3 eine aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung zur Herstellung eines Stapels 2 aus elektrochemischen Zellen mit einem Greifer 4 zur Durchführung eines „Pick-and-Place“-Verfahrens.

Zur Erläuterung der Erfindung wird nachstehend beispielhaft auf Brennstoffzellen 1 und einen daraus gebildeten Brennstoffzellenstapel verwiesen, wobei dies sinngemäß aber auch für andere elektrochemische Zellen und deren Zusammenfassung zu einem Stapel 2 für eine Leistungssteigerung gilt. Beispielhaft für eine andere elektrochemische Zelle kann auf einen Elektrolyseur verwiesen werden.
Ein Stapel 2 aus Brennstoffzellen 1 besteht aus einer Mehrzahl in Reihe geschalteter und zwischen zwei Endplatten angeordneter Brennstoffzellen 1, wobei jede der Brennstoffzellen 1 eine Anode und eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende protonenleitfähige Membran aufweist. Die Membran ist aus einem lonomer. Den Anoden und/oder den Kathoden kann zusätzlich ein Katalysator beigemischt sein, wobei die Membranen vorzugsweise auf ihrer ersten Seite und/oder auf ihrer zweiten Seite mit einer Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder aus Gemischen umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet sind, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle 1 dienen. Anode und Kathode sowie die Membran bilden eine Membran-Elektrodenanordnung 10. In jeder Brennstoffzelle kann auch eine Mehrzahl von Membrankomponenten angeordnet sein.
Über Polarplatten, die im Inneren des Stapels 2 auch als Bipolarplatten 3 ausgeführt sein können, wird den Anoden Brennstoff (zum Beispiel Wasserstoff) und den Kathoden Kathodengas (zum Beispiel Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt, wobei Gasdiffusionslagen für eine Gleichverteilung der Reaktanten genutzt werden. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die Membran lässt die Protonen (zum Beispiel H⁺) hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen (e-). An der Anode erfolgt dabei die folgende Reaktion: 2H₂ → 4H⁺ + 4e- (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die Membran zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet. Kathodenseitig findet die folgende Reaktion statt: O₂ + 4H⁺ + 4e- → 2H₂O (Reduktion/Elektronenaufnahme).
In der 1 ist eine Vorrichtung 19 zur Herstellung eines Stapels 2 aus einer Mehrzahl von elektrochemischen Zellen gezeigt, die anders als die in der 3 gezeigte, aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung ohne einen Greifer 4 für ein „Pick-and-Place“-Verfahren und ohne eine Station für einen Laser 20 auskommt, der den Stapel 2 vertikal aufbaut. Bei dieser Vorrichtung ist auch die Fixierung der Bipolarplatten 3 und der Membran-Elektrodenanordnung 10 mittels eines Lasers 20 in einer nachgelagerten Station erforderlich.
Die Vorrichtung 19 gemäß 1 umfasst in dem gezeigten Ausführungsbeispiel ein erstes Förderband 5, einen Rüttelausleger 6 sowie ein zweites Förderband 7, wobei der Rüttelausleger 6 zwischen der stromab gelegenen Umlenkrolle 9 des ersten Förderbandes 5 und der stromauf gelegenen Umlenkrolle 9 des zweiten Förderbandes 7 angeordnet ist. Mit dieser Vorrichtung 19 ist es möglich, einen Stapel 2 aus einer Mehrzahl von elektrochemischen Zellen, die jeweils aus mindestens einer Membrankomponente 10 und einer Bipolarplatte 3 als den konstituierenden Komponenten gebildet sind, gemäß einem Verfahren herzustellen, das die Schritte umfasst:

a) Aufrichten der Komponenten auf ihre Kante 11,
b) Zuführen der auf ihre Kante 11 aufgerichteten Komponenten zu dem Rüttelausleger 6 zu deren Ausrichtung,
c) Bildung des Stapels 2 aus den ausgerichteten Komponenten.

Dabei können die Komponenten, nämlich die Membran-Elektrodenanordnungen 10 und die Bipolarplatte 3 mit ihrer Flachseite auf dem oberen Trumm des ersten Förderbandes 5 platziert werden und insbesondere alternierend auf dem ersten Förderband 5 angeordnet werden. Es ist jedoch auch möglich, dass die Zuführung zu dem Rüttelausleger 6 alternativ erfolgen kann, solange sichergestellt ist, dass die Komponenten aufgerichtet sind. Die Komponenten können beispielsweise mit einem Saugkopf, einem Beschickschacht, einem Greifer an den Rüttelausleger 6 übergeben werden. Gezeigt in 1 ist eine Ausführungsform, bei der aus einer ersten Beschickstation 12 eine der Komponenten auf dem ersten Förderband 5 platziert und aus einer zweiten Beschickstation 13 die andere der Komponenten auf die auf dem ersten Förderband 5 platzierte Komponente geschichtet wird. Dadurch werden Einheitszellen 14 gebildet, bei denen die Komponenten nicht verbunden sein müssen, was aber auch nicht ausgeschlossen ist. Die aufeinander geschichteten erste Komponente und zweite Komponente bilden also eine unverbundene Einheitszelle 14, aus denen dann der Stapel 2 aufgebaut wird durch Zuführung der Einheitszellen 14 zu dem Rüttelausleger 6.
Es besteht die einfache Möglichkeit, dass die ersten Komponenten und die zweiten Komponenten, einzeln oder gegebenenfalls als Einheitszelle 14, beim Passieren der Umlenkrolle 9 des ersten Förderbandes 5 aufgerichtet werden. Dazu können dem ersten Förderband 5 Saugöffnungen zugeordnet sein für die Lagesicherung der Komponenten oder alternativ oder auch ergänzend Führungsstäbe. Auch besteht die Möglichkeit, dass das zweite Förderband 7, insbesondere um die Breite der Komponenten versetzt, tiefer als das erste Förderband 5 liegt, um die beim Passieren der Umlenkrolle 9 aufgerichteten Komponenten beziehungsweise Einheitszellen 14 auf ihren Kanten 11 an den Rüttelausleger 6 und auf das zweite Förderband 7 übergeben zu können.
Die 2 verweist darauf, dass der Rüttelausleger 6 im Umfangsrichtung der Komponenten an ihren Seitenkanten 15 und der Oberkante 16 an mehreren Rüttelpunkten 17 rüttelt, während die aufgerichtete Komponenten auf mindestens zwei Auflagepunkten 18 der Kante 11 gelagert ist.
Auf diese Weise wird sukzessive auf dem zweiten Förderband 7 der Stapel 2 aufgebaut, bei dem die Einheitszellen 14 beziehungsweise die Komponenten lagerichtig orientiert sind. Mit dem zweiten Förderband 7 kann der fertige Stapel 2 dann abtransportiert werden.
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzelle
2: Stapel
3: Bipolarplatte
4: Greifer
5: erstes Förderband
6: Rüttelausleger
7: zweites Förderband
9: Umlenkrolle
10: Membrankomponente / Membran-Elektrodenanordnung
11: Kante
12: erste Beschickstation
13: zweiter Beschickstation
14: Einheitszellen
15: Seitenkante
16: Oberkante
17: Rüttelpunkte
18: Auflagepunkte
19: Vorrichtung
20: Laser

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102018116057 A1 [0006]
DE 2942855 A1 [0006]
DE 102019206610 B3 [0006]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Stapels (2) aus einer Mehrzahl von elektrochemischen Zellen, die jeweils aus mindestens einer Membrankomponente (10) und einer Bipolarplatte (3) als den konstituierenden Komponenten gebildet sind, umfassend die Schritte: a) Aufrichten der Komponenten auf ihre Kante (11), b) Zuführen der auf ihre Kante (11) aufgerichteten Komponenten zu einem Rüttelausleger (6) zu deren Ausrichtung, c) Bildung des Stapels (2) aus den ausgerichteten Komponenten.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten mit ihrer Flachseite auf dem oberen Trumm eines ersten Förderbandes (5) platziert werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus einer ersten Beschickstation (12) eine der Komponenten auf dem ersten Förderband (5) platziert wird, und dass aus einer zweiten Beschickstation (13) die andere der Komponenten auf die eine auf dem ersten Förderband (5) platzierte Komponente geschichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die aufeinander geschichteten Komponenten und zweite Komponente eine unverbundene Einheitszelle (14) bilden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten beim Passieren einer Umlenkrolle (9) des ersten Förderbandes (5) aufgerichtet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten aus dem Rüttelausleger (6) an ein zweites Förderband (7) übergeben werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Rüttelausleger (6) im Umfangsrichtung der Komponenten an ihren Seitenkanten (15) und der Oberkante (16) an mehreren Rüttelpunkten (17) rüttelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgerichtete Komponente auf mindestens zwei Auflagepunkten (18) der Kante (11) gelagert ist.
Vorrichtung (19) zur Herstellung eines Stapels (2) aus einer Mehrzahl von elektrochemischen Zellen, die jeweils aus mindestens einer Membrankomponente (10) und einer Bipolarplatte (3) als den konstituierenden Komponenten gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rüttelausleger (17) zur Aufnahme der auf ihre Kante (11) aufgerichteten Komponenten vorgesehen ist, und dass dem Rüttelausleger (6) nachgeordnet ein zweites Förderband (7) zum Transport des aus den aufgerichteten Komponenten zu bildenden Stapels (2) angeordnet ist.
Vorrichtung (19) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Förderband (5) vorgesehen ist, auf dessen oberen Trumm Komponenten der elektrochemischen Zellen mit ihrer Flachseite platzierbar sind und der Rüttelausleger (6) zwischen der stromab gelegenen Umlenkrolle (9) des ersten Förderbandes (5) und der stromauf gelegenen Umlenkrolle (9) des zweiten Förderbandes (7) angeordnet ist.