DE102022211235A1

DE102022211235A1 - Plattenförmige komponente für einen brennstoffzellenstapel, verfahren zum positionieren derselben und brennstoffzellenstapel

Info

Publication number: DE102022211235A1
Application number: DE102022211235.0A
Authority: DE
Inventors: Wayne Dang; Philipp Hausmann; Tobias Sänger
Original assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Current assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Priority date: 2022-10-24
Filing date: 2022-10-24
Publication date: 2024-04-25
Also published as: WO2024088950A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine plattenförmige Komponente, insbesondere Separatorplatte, Kathodenendplatte, Anodenendplatte, Halbschale einer Separator-, Kathodenend-, oder Anodenendplatte oder Rahmen zum Halten einer Membranelektrodenanordnung, für einen Brennstoffzellenstapel, wobei
eine Oberfläche der plattenförmigen Komponente zumindest drei aneinandergrenzende Bereiche aufweist, welche zumindest Teile einer Positionsmarkierung bilden, und
jeweilige benachbarte der zumindest drei aneinandergrenzenden Bereiche derart ausgebildet sind, dass bei einer Betrachtung der Oberfläche entlang einer vorgegebenen Richtung die jeweiligen benachbarten Bereiche unterschiedliche mittlere Reflektivitäten zumindest im sichtbaren Bereich aufweisen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine plattenförmige Komponente für einen Brennstoffzellenstapel, welche zumindest eine Positionsmarkierung zur Ausrichtung der plattenförmigen Komponenten beim Aufstapeln des Brennstoffzellenstapels aufweist. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Positionieren und/oder Ermitteln einer Position und/oder Orientierung von zumindest einer plattenförmigen Komponente, insbesondere zum Aufstapeln mehrerer plattenförmiger Komponenten zu einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel, sowie einen Brennstoffzellenstapel mit mehreren erfindungsgemäßen plattenförmigen Komponenten.
Bei der Herstellung von Brennstoffzellenstapeln werden typischerweise plattenförmige Komponenten aufgestapelt. Diese plattenförmigen Komponenten umfassen zumindest zwei Endplatten, insbesondere Kathoden- und Anodenendplatten, durch welche die beiden Enden des Stapels gebildet sind, und dazwischen angeordnete Separatorplatten und Membranelektrodenanordnungen. Häufig sind die Membranelektrodenanordnungen bereits mit den Separatorplatten verklebt, beispielsweise mit einem die Membranelektrodenanordnungen umgebenden Rahmen. Primär geht es beim Aufstapeln der plattenförmigen Komponenten also um das Stapeln eben dieser Separatorplatten. Diese müssen exakt zueinander positioniert werden, um so sicherzustellen, dass Durchbrüche in den Separatorplatten, welche später in Stapelrichtung verlaufende Kanäle für Edukte, Produkte und Kühlmedium ausbilden, sauber zueinander positioniert sind, dass die Strömungsfelder zuverlässig ausgerichtet sind, und dass Dichtungen im Bereich der dafür vorgesehenen Flächen für eine zuverlässige Abdichtung der plattenförmigen Komponenten untereinander in dem Brennstoffzellenstapel sorgen.
In der Praxis werden die plattenförmigen Komponenten dabei häufig gegen entsprechende Anschläge aufgestapelt. Dies ist bei metallischen Separatorplatten relativ einfach möglich. Bei Separatorplatten, welche aus einer mit Graphit gefüllten Kunststoffmatrix ausgebildet sind, ist dies schwieriger. Derartige Separatorplatten werden typischerweise in Formen bzw. Gesenken geformt und in diesen ganz oder zumindest teilweise ausgehärtet. Um die hergestellten Elemente verlässlich entformen zu können, ist es dabei notwendig, dass diese an ihren Stirnseiten sogenannte Entformungsschrägen aufweisen. Dies führt dazu, dass im Falle eines Stapelns gegen einen Anschlag lediglich eine der flächigen Seiten im Bereich ihrer Stirnseite an dem Anschlag anliegt. Dort ist das Material dann entsprechend dünn und gegebenenfalls aufgrund der geringen Materialstärke brüchig oder es haben sich in diesem Bereich, in welchem typischerweise die Trennfuge der Form bzw. des Gesenks liegt, minimale Grate ausgebildet. Dies führt beim Stapeln zu einer Beschädigung der Kanten, welche zwar für die Funktion der Separatorplatte an sich unkritisch ist, welche allerdings die Ausrichtung der einzelnen Separatorplatten zueinander über solche seitlichen Anschläge massiv erschwert. Außerdem können abgebrochene Materialpartikel zwischen die Platten gelangen. Damit ist ein dichtes Stapeln der plattenförmigen Komponenten dann kaum noch möglich.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine plattenförmige Komponente für einen Brennstoffzellenstapel, mit welcher das Aufstapeln der plattenförmigen Komponenten verbessert werden kann, ein verbessertes Verfahren zum Positionieren und/oder Ermitteln einer Position und/oder Orientierung zumindest einer plattenförmigen Komponente sowie einen verbesserten Brennstoffzellenstapel bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den hiervon abhängigen Ansprüchen.
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine plattenförmige Komponente, bei einigen Ausführungen eine Separatorplatte oder eine Kathodenendplatte oder eine Anodenendplatte oder eine Zwischenplatte oder eine Halbschale einer Separator-, Kathodenend-, oder Anodenendplatte, oder ein Rahmen zum Halten einer Membranelektrodenanordnung, für einen Brennstoffzellenstapel gemäß einer Ausführung, wobei
eine Oberfläche der plattenförmigen Komponente zumindest drei aneinandergrenzende Bereiche aufweist, welche zumindest Teile einer Positionsmarkierung bilden, und
jeweilige benachbarte der zumindest drei aneinandergrenzenden Bereiche derart ausgebildet sind, dass bei einer Betrachtung der Oberfläche entlang einer vorgegebenen Richtung die jeweiligen benachbarten Bereiche unterschiedliche mittlere Reflektivitäten zumindest im sichtbaren Bereich, in einer Ausführung zumindest im sichtbaren Wellenlängenbereich, in einer Ausführung bei einer Wellenlänge von 500 nm, aufweisen.
Hierdurch kann in einer Ausführung die Positionsmarkierung bzw. ein Bild davon mittels eines optischen Sensors wie etwa einer Kamera erfasst werden, und anhand der erfassten Positionsmarkierung bzw. des Bildes davon eine Position und/oder Orientierung der plattenförmigen Komponente im Raum bestimmt werden, welche zur Ausrichtung der plattenförmigen Komponenten beim Aufstapeln der plattenförmigen Komponenten zu dem Brennstoffzellenstapel genutzt werden kann. Auf diese Weise kann eine anschlagfreie Ausrichtung beim Aufstapeln erfolgen, wodurch das Aufstapeln der plattenförmigen Komponenten erleichtert, die Beschädigung der Kanten der plattenförmigen Komponenten weitestgehend verhindert und die Gefahr, dass abgebrochene Materialpartikel zwischen die plattenförmigen Komponenten gelangen, verringert werden kann.
Weiterhin kann dadurch, dass jeweilige benachbarte der zumindest drei aneinandergrenzenden Bereiche derart ausgebildet sind, dass bei einer Betrachtung der Oberfläche entlang einer vorgegebenen Richtung die jeweiligen benachbarten Bereiche unterschiedliche mittlere Reflektivitäten zumindest im sichtbaren Bereich aufweisen, ein mittels des optischen Sensors erfasstes Bild der Positionsmarkierung einen hohen Kontrast aufweisen, wodurch die Genauigkeit bei der Bestimmung der (räumlichen) Position und Orientierung der plattenförmigen Komponente verbessert werden kann.
Hierbei kann bei einigen Ausführungen bei der Erfassung des Bildes der Positionsmarkierung mittels des optischen Sensors insbesondere der Abschnitt der plattenförmigen Komponente, in dem die Positionsmarkierung gebildet ist, mit einem Licht einer vorgegebenen Lichtwellenlänge oder mit Licht innerhalb eines vorgegebenen Lichtwelllenlängenbereichs bestrahlt werden, wodurch die Genauigkeit bei der Bestimmung der (räumlichen) Position und Orientierung der plattenförmigen Komponente verbessert werden kann.
Hierbei können wenigstens zwei der Positionsmarkierungen in die Oberfläche der plattenförmigen Komponente derart integriert sein, dass diese voneinander beabstandet sind. Insbesondere reicht es aus, auf einer der beiden Hauptflächen der plattenförmigen Komponente die Positionsmarkierung(en) vorzusehen, um so über den optischen Sensor die Positionierung der einzelnen plattenförmigen Komponente beim Aufstapeln steuern zu können. Um eine exakte Positionierung der plattenförmigen Komponente zu erzielen, sind entweder relativ große Positionsmarkierungen notwendig. Viel besser geht es mit zwei Positionsmarkierungen, welche beabstandet voneinander angeordnet sind. Für diesen Aufbau können beispielsweise kleine Positionsmarkierungen verwendet werden, welche an zwei gegenüberliegenden Seiten der plattenförmigen Komponente, insbesondere im Bereich der beiden weiter voneinander beabstandeten Seiten, zwischen den Seitenkanten der entsprechenden plattenförmigen Komponente und einer Funktionsfläche wie beispielsweise einem Durchbruch, einem Flowfield oder dergleichen, angeordnet sind. Durch den relativ großen Abstand ist so eine einfache und exakte Ausrichtung der plattenförmigen Komponente beispielsweise über eine Kamera, welche die Positionsmarkierung(en) erfasst und eine automatisierte Ablegeeinrichtung steuert, einfach möglich.
Die bevorzugte Anordnung der Positionsmarkierung außerhalb der Funktionsfläche stellt sicher, dass diese unabhängig von der Funktion der Separatorplatte oder der anderen plattenförmigen Komponenten realisiert werden kann. Sie kann beispielsweise zwischen der äußeren Kante und entsprechenden Durchbrüchen bzw. Ports für die Zufuhr und Abfuhr von Edukten, Produkten und Kühlmedium angeordnet sein.
Bei einigen Ausführungen weisen die Oberflächen der jeweiligen benachbarten der zumindest drei aneinandergrenzenden Bereiche unterschiedliche mittlere Rauigkeiten auf.
Hierbei ist unter „mittlere Rauigkeit“ eine makroskopische mittlere Rauigkeit zu verstehen. Dabei kann eine mittlere Rautiefe Rz eines der beiden Bereiche, welcher einfallendes Licht weniger stark reflektiert, 6,3 µm betragen, während die mittlere Rautiefe Rz des anderen der beiden Bereiche 2,5 µm betragen kann.
Hierdurch kann auf einfache Weise, beispielsweise indem einzelne Oberflächen der jeweiligen benachbarten der zumindest drei aneinandergrenzenden Bereiche derart behandelt/nicht behandelt werden, dass sie unterschiedliche mittlere Rauigkeiten bzw. Rautiefen aufweisen, erreicht werden, dass mittels des optischen Sensors ein kontrastreiches Bild der Positionsmarkierung erfasst werden kann.
Hierbei können die Oberflächen in einer Ausführung im Wesentlichen ebene, in einer Ausführung koplanare, Oberflächen sein. Die koplanaren Oberflächen können in einer Ausführung parallel zu den Hauptflächen der plattenförmigen Komponente sein.
Bei einigen Ausführungen weisen jeweilige Tangenten auf jeweilige Abschnitte der Oberflächen der jeweiligen benachbarten der zumindest drei aneinandergrenzenden Bereiche jeweilige unterschiedliche Neigungen relativ zu einer Normalen auf eine mittlere Plattenebene, die einem gemittelten Höhenprofil der plattenförmigen Komponente entspricht, auf. Die Abschnitte der Oberflächen der jeweiligen benachbarten Bereiche weisen dabei insbesondere unterschiedliche Neigungen zu der Hauptfläche der plattenförmigen Komponente auf.
Hierdurch können bei einigen Ausführungen die einzelnen Bereiche der Positionsmarkierung anhand des mittels des optischen Sensors erfassten Bildes besser voneinander unterschieden werden, wodurch die Bestimmung der Position der plattenförmigen Komponente verbessert werden kann.
Hierbei kann zumindest einer der zumindest drei aneinandergrenzenden Bereiche durch eine Vertiefung oder zumindest als ein Teil einer Vertiefung in der plattenförmigen Komponente, in einer Ausführung in der Hauptfläche davon, ausgebildet sein. Hierbei kann die Tiefe der Vertiefung im Bereich von 0,15 mm bis 0,25 mm liegen, in einer Ausführung 0,22 mm betragen. Eine solche Vertiefung als Teil der Positionsmarkierung ermöglicht einen einfachen und effizienten Aufbau, bei welchem über die Hauptfläche der plattenförmigen Komponente nichts übersteht, was gegebenenfalls negativen Einfluss auf die Abdichtung zwischen den einzelnen plattenförmigen Komponenten beim Aufstapeln zu dem Brennstoffzellenstapel haben könnte.
Im Falle, dass zumindest einer der zumindest drei aneinandergrenzenden Bereiche durch eine Vertiefung oder zumindest als ein Teil einer Vertiefung in der plattenförmigen Komponente gebildet ist, ist vorzugsweise ein Übergang von diesem Bereich zu einem angrenzenden Bereich der zumindest drei aneinandergrenzenden Bereiche derart auszuführen, dass ein (im Querschnitt der plattenförmigen Komponente, insbesondere im Querschnitt der plattenförmigen Komponente senkrecht zu der Hauptfläche gesehener) Radius des Übergangsbereichs im Bereich von 0,1 mm bis 0,2 mm liegt, in einer Ausführung 0,15 mm beträgt.
Die in die Hauptfläche eingebrachte Vertiefung ist in einer Ausführung derart gebildet, dass ihre Tiefe, welche im Bereich von 0,2 mm bis 0,25 mm liegen kann, in einer Ausführung 0,22 mm beträgt, kleiner als die Dicke der plattenförmigen Komponente ist. Die Vertiefung bildet also keinen Durchbruch durch die plattenförmige Komponente, welcher ebenfalls mit einer Beeinträchtigung der Dichtheit des Aufbaus einhergehen könnte. Vielmehr ist der entsprechende Abschnitt der Positionsmarkierung lediglich in das Material der plattenförmigen Komponente eingebracht und kann insbesondere Teil einer Form bzw. eines Gesenks sein, in welcher die entsprechende plattenförmige Komponente hergestellt wird. Hierbei kann die Positionsmarkierung vorzugsweise werkzeugfallend primär unbehandelt gebildet werden, wobei jedoch darauf zu achten ist, dass Kanten der Vertiefung gratfrei sind, und eventuell auftretende Grate entfernt werden.
Bei metallischen plattenförmigen Komponenten wie beispielsweise metallischen Separatorplatten oder Endplatten, welche vorzugsweise mit Separatorplatten auf der Basis von Kohlenstoffmaterial verbaut werden, kann der zumindest als Teil einer Vertiefung ausgebildete Bereich der Positionsmarkierung auch anderweitig ausgebildet sein, beispielsweise als Lasergravur, als Prägung, als strukturelles Element oder dergleichen.
Die plattenförmigen Komponenten können dabei wie bereits erwähnt Separatorplatten oder Teile von Separatorplatten, vorzugsweise bereits mit einer MEA (MembranElektrodenAnordnung) verbundene Separatorplatten oder Teile, insbesondere Halbschalen, von Separatorplatten sein. Außerdem umfassen die plattenförmigen Komponenten die entsprechenden Endplatten des Brennstoffzellenstapels. Auch weitere Zwischenplatten zum Abdichten einzelner Bereiche und/oder zum Umlenken bzw. Verteilen von Medien sind natürlich denkbar. Diese plattenförmigen Komponenten werden dann aufeinandergestapelt und über die Positionsmarkierung(en) entsprechend ausgerichtet, um so einfach, effizient und mit einer guten Eignung für den Großserieneinsatz eine zuverlässige Stapelung zu erreichen. Dies ist dabei unabhängig von der geometrischen Ausgestaltung der äußeren Kanten, insbesondere ihren Toleranzen sowie eventuellen Graten, welche bei der Herstellung entstehen können.
Insbesondere können die Separatorplatten oder Teile von Separatorplatten dabei aus einem kohlenstoffaufweisenden Material und einem Matrixmaterial bestehen, also beispielsweise aus einem mit Kohlenstoff gemischten Harz oder dergleichen. Dieses Material kann in einer Form bzw. einem Gesenk geformt und/oder ausgehärtet sein. Die Form beinhaltet dabei die gesamte Geometrie für die Separatorplatten, wie einerseits die funktionalen Flächen und andererseits die Positionsmarkierung(en), welche also durch ein inverses Abbild in der Form abgebildet wird und damit außerordentlich genau in Bezug auf die anderen funktionalen Teile der plattenförmigen Komponenten platziert werden kann. Dies schafft eine hohe Präzision, welche bei einer Nutzung der Positionsmarkierung zum Ausrichten der einzelnen plattenförmigen Komponente beim Aufstapeln einfach und effizient zu qualitativ hochwertigen Brennstoffzellenstapeln führt.
Bei einigen Ausführungen können jeweilige Tangenten auf die jeweiligen Abschnitte der Oberflächen von zwei der zumindest drei aneinandergrenzenden Bereiche, welche durch einen anderen Bereich der zumindest drei aneinandergrenzenden Bereiche getrennt sind, jeweilige unterschiedliche Neigungen relativ zu der Normalen auf die mittlere Plattenebene aufweisen.
Hierdurch kann in einer Ausführung die Bestimmung der Position der plattenförmigen Komponente weiter verbessert werden.
Bei einigen Ausführungen weisen zwei der zumindest drei aneinandergrenzenden Bereiche, welche durch zumindest einen anderen der zumindest drei aneinandergrenzenden Bereiche getrennt sind, koplanare Oberflächen auf.
Hierdurch kann erreicht werden, dass, gleiche Rauigkeit vorausgesetzt, die mittlere Reflektivität der beiden Bereiche mit den koplanaren Oberflächen gleich ist.
Bei einigen Ausführungen ist zumindest ein Bereich der drei aneinandergrenzenden Bereiche ein ringförmiger Bereich.
Ein solchermaßen ausgebildeter ringförmiger Bereich kann eine exakte Erfassung und relativ exakte Ausrichtung des Aufbaus ermöglichen, da eine Steuerung zum fluchtenden übereinander Anordnen von Positionsmarkierungen mit zumindest einem ringförmigen Bereich relativ einfach, effizient und mit hoher Genauigkeit realisiert werden kann.
Bei einigen Ausführungen weist zumindest einer der drei aneinandergrenzenden Bereiche, in einer Ausführung in einem Querschnitt der plattenförmigen Komponente, insbesondere im Querschnitt der plattenförmigen Komponente senkrecht zu der Hauptfläche, gesehen, einen konvexen Abschnitt oder einen konkaven Abschnitt auf.
Hierdurch kann in einer Ausführung in dem Brennpunkt des konvexen oder konkaven Abschnitts ein Lichtring gebildet werden, wodurch der Kontrast des mittels des optischen Sensors erfassten Bildes der Positionsmarkierung weiter verbessert werden kann.
Bei einigen Ausführungen sind die zumindest drei aneinandergrenzenden Bereiche konzentrische Bereiche.
Hierdurch kann in einer Ausführung die Bestimmung der Position der plattenförmigen Komponente weiter verbessert werden, da anhand der konzentrischen Bereiche das Zentrum der Positionsmarkierung einfacher bestimmbar sein kann.
In einer Ausführung, in der die zumindest drei aneinandergrenzenden Bereiche fünf aneinandergrenzende kreis- bzw. ringförmige konzentrische Bereiche sind, kann ein Durchmesser eines innersten (kreisförmigen) der fünf Bereiche im Bereich von 2 mm bis 2,5 mm liegen, in einer Ausführung 2,25 mm betragen, während ein Durchmesser eines von einem Zentrum der Positionsmarkierung radial nach außen gesehenen vierten der fünf Bereiche im Bereich von 4,5 mm bis 5,5 mm liegen, in einer Ausführung 5 mm betragen kann.
Weiterhin kann bei dieser Ausführung ein jeweiliger Neigungswinkel der jeweiligen Tangente auf einen jeweiligen Abschnitt des innersten Bereichs, des dritten Bereichs und des fünften Bereichs im Bereich von 0° bis 5° liegen, in einer Ausführung 0° betragen, der Neigungswinkel der Tangente auf den Abschnitt des zweiten Bereichs im Bereich von 10° bis 60° liegen, in einer Ausführung 20° betragen, und der Neigungswinkel der Tangente auf den Abschnitt des vierten Bereichs im Bereich von 70° bis 85° liegen.
Ferner kann bei dieser Ausführung eine Breite bzw. eine Länge des dritten Bereichs der zumindest drei aneinandergrenzenden Bereiche im Bereich von 0,4 mm bis 0,45 mm liegen, in einer Ausführung 0,429 mm betragen.
Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Positionieren und/oder Ermitteln einer Position und/oder Orientierung zumindest einer im vorhergehenden beschriebenen plattenförmigen Komponente, insbesondere zum Aufstapeln mehrerer plattenförmiger Komponenten zu einem Brennstoffzellenstapel, wobei
mittels eines optischen Sensors die Positionsmarkierung auf der plattenförmigen Komponente erfasst und die Position und/oder Orientierung der plattenförmigen Komponente basierend auf der erfassten Positionsmarkierung ermittelt wird.
Hierbei kann bei einigen Ausführungen die plattenförmige Komponente basierend auf der ermittelten Position und/oder Orientierung der plattenförmigen Komponente positioniert werden.
Weiterhin können hierbei bei einigen Ausführungen mehrere der plattenförmigen Komponenten zu einem Brennstoffzellenstapel aufgestapelt werden, wobei die Ausrichtung der plattenförmigen Komponenten mittels einer automatisierten Ablageeinrichtung basierend auf den ermittelten Positionen und/oder Orientierungen der plattenförmigen Komponenten erfolgen kann.
Die Positionsmarkierung ist dabei auf allen plattenförmigen Komponenten dieselbe Markierung an derselben Position, so dass diese sehr einfach als Basis zum Ausrichten der plattenförmigen Komponenten zueinander nutzbar ist.
Ein dritter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel, welcher mehrere übereinandergestapelte im vorhergehenden beschriebene plattenförmige Komponenten aufweist.
Ein vierter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein computerimplementiertes Verfahren zum Ausrichten von zumindest zwei im vorhergehenden beschriebenen plattenförmigen Komponente aufeinander, welches die folgenden Schritte aufweist:

Empfangen von Daten, die mittels eines optischen Sensors erfasste Bilddaten zumindest einer Positionsmarkierung einer ersten der zumindest zwei plattenförmigen Komponenten aufweisen,
Auswerten der erfassten Bilddaten der zumindest einen Positionsmarkierung der ersten plattenförmigen Komponente, um eine Position und/oder Orientierung der ersten plattenförmigen Komponente zu ermitteln,
Empfangen von Daten, die mittels des optischen Sensors erfasste Bilddaten zumindest einer Positionsmarkierung einer zweiten der zumindest zwei plattenförmigen Komponenten aufweisen,
Auswerten der erfassten Bilddaten der zumindest einen Positionsmarkierung der zweiten plattenförmigen Komponente, um eine Position und/oder Orientierung der zweiten plattenförmigen Komponente zu ermitteln,
Vergleichen der ermittelten Positionen und/oder Orientierungen der ersten und der zweiten plattenförmigen Komponenten, und
Ausgeben eines Signals an eine automatisierte Ablegeeinrichtung, um die automatisierte Ablegeeinrichtung dazu zu veranlassen, die Position und/oder Orientierung der zweiten plattenförmigen Komponente derart zu verändern, dass die erste und die zweite plattenförmige Komponente derart übereinandergestapelt sind, dass ihre Positionen und/oder Ausrichtungen aufeinander ausgerichtet sind.

Die in Bezug auf den ersten Aspekt der Erfindung und dessen vorteilhafte Ausgestaltung beschriebenen Merkmale und Vorteile gelten, zumindest wo technisch sinnvoll, auch für den zweiten Aspekt, den dritten Aspekt und den vierten Aspekt der Erfindung und deren vorteilhafte Ausgestaltung sowie umgekehrt.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren, in denen durchgängig dieselben Bezugszeichen für dieselben oder einander entsprechende Elemente der Erfindung verwendet werden. Es zeigen, wenigstens teilweise schematisch:

1: eine schematische Ansicht einer Anlage zur Durchführung des Verfahrens zum Aufstapeln von plattenförmigen Komponenten zu einem Brennstoffzellenstapel,
2 eine Draufsicht auf eine plattenförmige Komponente für einen Brennstoffzellenstapel gemäß einer Ausführung,
3 eine Querschnittsansicht durch eine in 2 veranschaulichte plattenförmige Komponente gemäß einer Ausführung entlang einer in 2 gezeigten Schnittlinie A-A,
4 eine Querschnittsansicht durch eine in 2 veranschaulichte plattenförmige Komponente gemäß einer anderen Ausführung entlang der in 2 gezeigten Schnittlinie A-A, und
5 eine schematische Ansicht eines von der in 4 veranschaulichten Positionsmarkierung mittels eines optischen Sensors erfassten Bildes.

1 zeigt eine schematische Ansicht einer Anlage zur Durchführung eines Verfahrens zum Aufstapeln von plattenförmigen Komponenten zu einem Brennstoffzellenstapel gemäß einer Ausführung.
Der Brennstoffzellenstapel 100 weist an seinem unteren Ende eine Endplatte 20, insbesondere Kathodenendplatte oder Anodenendplatte, auf, auf welche, gegebenenfalls nach der Anordnung einer hier nicht dargestellten Zwischenplatte, Separatorplatten 10, in einer Ausführung mit einer eingebrachten Membranelektrodenanordnung, aufgestapelt werden. Bei einer anderen Ausführungsform kann die Membranelektrodenanordnung bei dem Verfahren auch auf eine bereits positionierte Separatorplatte 10 aufgebracht werden, und dann die nächste Separatorplatte 10 darauf angeordnet bzw. gestapelt werden.
Die Anlage zur automatisierten Durchführung des Verfahrens ist als eine automatisierte Ablegeeinrichtung 30 beispielsweise in Form eines Roboters ausgebildet, welche einen Greifarm 31 aufweist und mit einem optischen Sensor 40, welcher beispielsweise eine Kamera aufweisen kann, über eine Kommunikationsverbindung verbunden ist. In dem in 1 dargestellten Zustand wurde von dem Greifarm 31 bereits eine Separatorplatte 10` von einer nicht gezeigten Lagervorrichtung für plattenförmige Komponenten 10, 20 aufgenommen, wobei die Separatorplatte 10` derart auf den bereits aufgestapelten Teil des Brennstoffzellenstapels 100 gestapelt werden soll, dass die plattenförmigen Komponenten 10, 20 an- bzw. aufeinander ausgerichtet sind.
Zur positionsgenauen Ausrichtung der plattenförmigen Komponenten 10, 20 weisen diese eine oder mehrere, in einer Ausführung zwei, in 2 veranschaulichte Positionsmarkierungen 11 auf. Die Anlage ist dazu eingerichtet, mittels des optischen Sensors 40 ein Bild dieser Positionsmarkierung(en) 11 zu erfassen, basierend auf dem erfassten Bild die (räumliche) Position und Ausrichtung der plattenförmigen Komponenten 10, 20 im Raum zu bestimmen, und eine Bewegung des Greifarms 31 derart zu steuern, dass die plattenförmige Komponente 10, 20 positionsgenau auf dem bereits aufgestapelten Teil des Brennstoffzellenstapels 100 positioniert wird.
In der in 2 dargestellten Ausführung ist die plattenförmige Komponente als Separatplatte 10 ausgebildet. Bei anderen, nicht in 2 gezeigten Ausführungen, kann die plattenförmige Komponente auch als Kathodenendplatte 20, Anodenendplatte 20, Zwischenplatte, Halbschale einer Separator-, Kathodenend-, oder Anodenendplatte, oder Rahmen zum Halten einer Membranelektrodenanordnung ausgebildet sein.
Die Positionsmarkierungen 11 sind innerhalb einer äußeren Kante 13 der plattenförmigen Komponente 10, 20 derart angeordnet, dass ihre Position relativ zu den funktionalen Elementen der plattenförmigen Komponente 10, 20, welche beispielsweise Durchbrüche 12 zur Zufuhr und Abfuhr von Edukten, Produkten und Kühlmedium sowie ein in der Mitte befindliches Strömungsfeld 14 aufweisen, unabhängig von eventuellen Toleranzen und/oder mechanischen Beeinträchtigungen dieser Kanten 13 ist.
3 zeigt eine Querschnittsansicht durch die in 2 veranschaulichte plattenförmige Komponente gemäß einer Ausführung entlang einer in 2 gezeigten Schnittlinie A-A, insbesondere entlang einer auf der plattenförmigen Komponente ausgebildeten Positionsmarkierung.
Die Positionsmarkierung 11 bzw. ein Teil davon weist eine Vertiefung auf, die in eine Hauptfläche 15 der plattenförmigen Komponente 10, 20 eingebracht ist. Hierbei weist die Oberfläche der plattenförmigen Komponente 10, 20 drei aneinandergrenzende kreis- bzw. ringförmige konzentrische Bereiche b1, ..., b3 auf, welche Teile der Positionsmarkierung 11 sind bzw. bilden. Dabei sind jeweilige benachbarte der drei aneinandergrenzenden Bereiche b1, ..., b3 derart ausgebildet, dass bei einer Betrachtung der Oberfläche entlang einer vorgegebenen Richtung, insbesondere relativ zu der Hauptfläche 15, die jeweiligen benachbarten Bereiche b1, ..., b3 unterschiedliche mittlere Reflektivitäten zumindest im sichtbaren Bereich aufweisen.
Dies wird in der in 3 veranschaulichten Ausführung insbesondere dadurch erreicht, dass jeweilige Tangenten t1, t2, t3 auf jeweilige Abschnitte der Oberflächen jeweiliger benachbarter Bereiche b1 und b2 bzw. b2 und b3 jeweilige unterschiedliche Neigungen relativ zu einer Normalen auf eine mittlere Plattenebene der plattenförmigen Komponente 10, 20, die einem gemittelten Höhenprofil der plattenförmigen Komponente 10, 20 entspricht, und in einer Ausführung parallel zu der Hauptfläche 15 der plattenförmigen Komponente 10, 20 verläuft, aufweisen.
Hierbei weisen die Bereiche b1 und b3, die durch den Bereich b2 getrennt sind, koplanare Oberflächen auf, wobei ein Neigungswinkel der Tangenten t1 und t3 0° relativ zu der Normalen auf die mittlere Plattenebene beträgt, und der Neigungswinkel der Tangente t2 relativ zu der Normalen auf die mittlere Plattenebene etwa 45° beträgt. Des Weiteren weist der Bereich b2 einen in Querschnittsrichtung gesehenen konvexen Bereich auf.
4 zeigt eine Querschnittsansicht durch die in 2 veranschaulichte plattenförmige Komponente gemäß einer anderen Ausführung entlang der in 2 gezeigten Schnittlinie A-A, insbesondere entlang der auf der plattenförmigen Komponente ausgebildeten Positionsmarkierung.
Die Positionsmarkierung 11 bzw. ein Teil davon weist mehrere Vertiefungen auf, die in die Hauptfläche 15 der plattenförmigen Komponente 10, 20 eingebracht sind und eine kleinere Tiefe d, welche im Bereich von 0,2 mm bis 0,25 mm liegen kann, in einer Ausführung 0,22 mm beträgt, als eine Dicke D der plattenförmigen Komponente 10, 20 aufweisen.
Hierbei weist die Oberfläche der plattenförmigen Komponente 10, 20 fünf aneinandergrenzende kreis- bzw. ringförmige konzentrische Bereiche b11, ..., b15 auf, welche Teile der Positionsmarkierung 11 sind bzw. bilden. Ein Durchmesser d1 des kreisförmigen innersten Bereichs b11 kann im Bereich von 2 mm bis 2,5 mm liegen, in einer Ausführung 2,25 mm betragen, ein äußerer Durchmesser d2 des ringförmigen Bereichs b14 kann im Bereich 4,5 mm bis 5,5 mm liegen, in einer Ausführung 5 mm betragen, und eine Breite des von dem Zentrum der Positionsmarkierung 11 radial nach außen gesehenen dritten ringförmigen Bereichs b13 kann im Bereich von 0,4 mm bis 0,45 mm liegen, in einer Ausführung 0,429 mm betragen. Des Weiteren sind die Übergänge zwischen benachbarten der Bereiche b11, ..., b15 derart ausgeführt, dass ein jeweiliger Übergangsbereich (im Querschnitt der plattenförmigen Komponente 10, 20, insbesondere im Querschnitt der plattenförmigen Komponente 10, 20 senkrecht zu der Hauptfläche 15, gesehen) einen Radius im Bereich von 0,1 mm bis 0,2 mm aufweist, in einer Ausführung 0,15 mm beträgt.
Jeweilige benachbarte der fünf aneinandergrenzenden Bereiche b11, ..., b15 sind derart ausgebildet, dass bei einer Betrachtung der Oberfläche entlang einer vorgegebenen Richtung die jeweiligen benachbarten Bereiche b11, ..., b15 unterschiedliche mittlere Reflektivitäten zumindest im sichtbaren Bereich aufweisen.
Dies wird in der in 4 veranschaulichten Ausführung insbesondere dadurch erreicht, dass jeweilige Tangenten t11, ..., t15 auf jeweilige Abschnitte der Oberflächen jeweiliger benachbarter Bereiche b11, ..., b15 jeweilige unterschiedliche Neigungen relativ zu einer Normalen auf eine mittlere Plattenebene, die einem gemittelten Höhenprofil der plattenförmigen Komponente 10, 20 entspricht, und parallel zu der Hauptfläche 15 verläuft, aufweisen.
Hierbei weisen die Bereiche b11, b13 und b15, die durch die Bereich b12 bzw. b14 getrennt sind, koplanare Oberflächen auf, wobei ein Neigungswinkel der Tangenten t11, t13 und t15 0° beträgt, der Neigungswinkel der Tangente t12 im Bereich von 10° bis 60° liegt, in einer bevorzugten Ausführung 20° beträgt, und der Neigungswinkel der Tangente t14 im Bereich von 70° bis 85° liegt. Des Weiteren weisen die Bereiche b12 und b14 einen in Querschnittsrichtung gesehenen konvexen Bereich, und die Bereiche b13 weisen einen in Querschnittsrichtung gesehenen konkaven Bereich auf.
5 zeigt eine schematische Ansicht eines von der in 4 veranschaulichten Positionsmarkierung mittels eines optischen Sensors erfassten Bildes.
Das Bild 60 der Positionsmarkierung 11, welches mittels eines entlang der vorgegebenen Richtung, insbesondere senkrecht zur Hauptfläche 15, ausgerichteten optischen Sensors 40 erfasst wurde, weist entsprechend den Bereichen b11, ..., b15 der Oberfläche der plattenförmigen Komponente 10, 20 ausgebildete Bereiche 61, ..., 65 auf, wobei jeweilige benachbarte der Bereiche 61, ..., 65 unterschiedliche Helligkeiten aufweisen, sodass die unterschiedlichen Bereiche b11, ..., b15 der Oberfläche der plattenförmigen Komponente 10, 20 klar unterscheidbar sind.
Bei einem Verfahren zum Positionieren und/oder Ermitteln einer Position und/oder Orientierung zumindest einer plattenförmigen Komponente 10, 20 gemäß einer Ausführung, insbesondere zum Aufstapeln mehrerer plattenförmiger Komponenten 10, 20 zu einem Brennstoffzellenstapel 100, wird mittels des optischen Sensors 40 die Positionsmarkierung 11 der plattenförmigen Komponente 10, 20 erfasst und die Position und/oder Orientierung der plattenförmigen Komponente 10, 20 basierend auf der erfassten Positionsmarkierung 11 ermittelt.
Hierbei kann die plattenförmige Komponente 10, 20 basierend auf der ermittelten Position und/oder Orientierung der plattenförmigen Komponente 10, 20 positioniert werden.
Weiterhin können hierbei mehrere der plattenförmigen Komponenten 10, 20 zu einem Brennstoffzellenstapel 100 aufgestapelt werden, wobei die Ausrichtung der plattenförmigen Komponenten 10, 20 mittels der automatisierten Ablageeinrichtung 30 basierend auf den ermittelten Positionen und/oder Orientierungen der plattenförmigen Komponenten 10, 20 erfolgen kann.
Bei einem computerimplementierten Verfahren zum Ausrichten von zumindest zwei plattenförmigen Komponente 10, 20 werden:

Daten empfangen, die mittels des optischen Sensors 40 erfasste Bilddaten zumindest einer Positionsmarkierung 11 einer ersten der zumindest zwei plattenförmigen Komponente 10, 20 aufweisen,
die erfassten Bilddaten der zumindest einen Positionsmarkierung 11 der ersten plattenförmigen Komponente 10, 20 ausgewertet, um eine Position und/oder Orientierung der ersten plattenförmigen Komponente 10, 20 zu ermitteln,

Daten empfangen, die mittels des optischen Sensors 40 erfasste Bilddaten zumindest einer Positionsmarkierung 11 einer zweiten der zumindest zwei plattenförmigen Komponenten 10, 20 aufweisen,
die erfassten Bilddaten der zumindest einen Positionsmarkierung 11 der zweiten plattenförmigen Komponente 10, 20 ausgewertet, um eine Position und/oder Orientierung der zweiten plattenförmigen Komponente 10, 20 zu ermitteln,
die ermittelten Positionen und/oder Orientierungen der ersten und der zweiten plattenförmigen Komponenten 10, 20 verglichen, und
ein Signal an die automatisierte Ablegeeinrichtung 30 ausgegeben, um die automatisierte Ablegeeinrichtung 30 dazu zu veranlassen, die Position und/oder Orientierung der zweiten plattenförmigen Komponente 10, 20 derart zu verändern, dass die erste und die zweite plattenförmige Komponente 10, 20 derart übereinandergestapelt sind, dass ihre Positionen und/oder Ausrichtungen aufeinander ausgerichtet sind.
Bezugszeichenliste

10: Separatorplatte
11: Positionsmarkierung
12: Durchbruch
13: äußere Kante
14: Strömungsfeld
15: Hauptfläche der plattenförmigen Komponente
20: Endplatte
30: automatisierte Ablegeeinrichtung
31: Greifarm
40: optischer Sensor
60: Bild der Positionsmarkierung
61, ..., 65: Bereiche des Bildes der Positionsmarkierung
b1, ..., b3; b11, ..., b15: Bereiche der Oberfläche der plattenförmigen Komponente
t1, ..., t3; t11, ..., t15: Tangenten auf Bereiche der Oberfläche der plattenförmigen Komponente
d1, d2: Durchmesser kreis- bzw. ringförmiger Bereiche der Oberfläche der plattenförmigen Komponente
d: Tiefe der Vertiefung
D: Dicke der plattenförmigen Komponente

Claims

Plattenförmige Komponente (10, 20), insbesondere Separatorplatte, Kathodenendplatte, Anodenendplatte, Halbschale einer Separator-, Kathodenend-, oder Anodenendplatte, oder Rahmen zum Halten einer Membranelektrodenanordnung, für einen Brennstoffzellenstapel (100), wobei eine Oberfläche der plattenförmigen Komponente (10, 20) zumindest drei aneinandergrenzende Bereiche (b1, ..., b3; b11, ..., b15) aufweist, welche zumindest Teile einer Positionsmarkierung (11) bilden, und jeweilige benachbarte der zumindest drei aneinandergrenzenden Bereiche (b1, ..., b3; b11, ..., b15) derart ausgebildet sind, dass bei einer Betrachtung der Oberfläche entlang einer vorgegebenen Richtung die jeweiligen benachbarten Bereiche (b1, ..., b3; b11, ..., b15) unterschiedliche mittlere Reflektivitäten zumindest im sichtbaren Bereich aufweisen.
Plattenförmige Komponente (10, 20) nach Anspruch 1, wobei die Oberflächen der jeweiligen benachbarten der zumindest drei aneinandergrenzenden Bereiche (b1, ..., b3; b11, ..., b15) unterschiedliche mittlere Rauigkeiten aufweisen.
Plattenförmige Komponente (10, 20) nach Anspruch 1 oder 2, wobei jeweilige Tangenten (t1, ..., t3; t11, ..., t15) auf jeweilige Abschnitte der Oberflächen der jeweiligen benachbarten der zumindest drei aneinandergrenzenden Bereiche (b1, ..., b3; b11, ..., b15) jeweilige unterschiedliche Neigungen relativ zu einer Normalen auf eine mittlere Plattenebene, die einem gemittelten Höhenprofil der plattenförmigen Komponente (10, 20) entspricht, aufweisen.
Plattenförmige Komponente (10, 20) nach Anspruch 3, wobei jeweilige Tangenten (t1, ..., t3; t11, ..., t15) auf die jeweiligen Abschnitte der Oberflächen von zwei der zumindest drei aneinandergrenzenden Bereiche (b1, ..., b3; b11, ..., b15), welche durch einen anderen Bereich der zumindest drei aneinandergrenzenden Bereiche (b1, ..., b3; b11, ..., b15) getrennt sind, jeweilige unterschiedliche Neigungen relativ zu der Normalen auf die mittlere Plattenebene aufweisen.
Plattenförmige Komponente (10, 20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwei der zumindest drei aneinandergrenzenden Bereiche (b1, ..., b3; b11, ..., b15), welche durch zumindest einen anderen der zumindest drei aneinandergrenzenden Bereiche (b1, ..., b3; b11, ..., b15) getrennt sind, koplanare Oberflächen aufweisen.
Plattenförmige Komponente (10, 20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Bereich der drei aneinandergrenzenden Bereiche (10, 20) ein ringförmiger Bereich ist.
Plattenförmige Komponente (10, 20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest einer der drei aneinandergrenzenden Bereiche (b1, ..., b3; b11, ..., b15) einen konvexen Abschnitt oder einen konkaven Abschnitt aufweist.
Plattenförmige Komponente (10, 20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest drei aneinandergrenzenden Bereiche (b1, ..., b3; b11, ..., b15) konzentrische Bereiche sind.
Verfahren zum Positionieren und/oder Ermitteln einer Position und/oder Orientierung zumindest einer plattenförmigen Komponente (10, 20) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere zum Aufstapeln mehrerer plattenförmiger Komponenten (10, 20) zu einem Brennstoffzellenstapel (100), wobei mittels eines optischen Sensors (40) die Positionsmarkierung (11) der plattenförmigen Komponente (10, 20) erfasst und die Position und/oder Orientierung der plattenförmigen Komponente (10, 20) basierend auf der erfassten Positionsmarkierung (11) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die plattenförmige Komponente (10, 20) basierend auf der ermittelten Position und/oder Orientierung der plattenförmigen Komponente (10, 20) positioniert wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei mehrere der plattenförmigen Komponenten (10, 20) zu einem Brennstoffzellenstapel (100) aufgestapelt werden, und die Ausrichtung der plattenförmigen Komponenten (10, 20) mittels einer automatisierten Ablageeinrichtung (30) basierend auf den ermittelten Positionen und/oder Orientierungen der plattenförmigen Komponenten (10, 20) erfolgt.
Brennstoffzellenstapel (100), aufweisend mehrere übereinandergestapelte plattenförmige Komponenten nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Computerimplementiertes Verfahren zum Ausrichten von zumindest zwei plattenförmigen Komponenten (10, 20) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 aufeinander, aufweisend die Schritte: Empfangen von Daten, die mittels eines optischen Sensors (40) erfasste Bilddaten zumindest einer Positionsmarkierung (11) einer ersten der zumindest zwei plattenförmigen Komponente (10, 20) aufweisen, Auswerten der erfassten Bilddaten der zumindest einen Positionsmarkierung (11) der ersten plattenförmigen Komponente (10, 20), um eine Position und/oder Orientierung der ersten plattenförmigen Komponente (10, 20) zu ermitteln, Empfangen von Daten, die mittels des optischen Sensors (40) erfasste Bilddaten zumindest einer Positionsmarkierung (11) einer zweiten der zumindest zwei plattenförmigen Komponenten (10, 20) aufweisen, Auswerten der erfassten Bilddaten der zumindest einen Positionsmarkierung (11) der zweiten plattenförmigen Komponente (10, 20), um eine Position und/oder Orientierung der zweiten plattenförmigen Komponente (10, 20) zu ermitteln, Vergleichen der ermittelten Positionen und/oder Orientierungen der ersten und der zweiten plattenförmigen Komponenten (10, 20), und Ausgeben eines Signals an eine automatisierte Ablegeeinrichtung (30), um die automatisierte Ablegeeinrichtung (30) dazu zu veranlassen, die Position und/oder Orientierung der zweiten plattenförmigen Komponente (10, 20) derart zu verändern, dass die erste und die zweite plattenförmige Komponente (10, 20) derart übereinandergestapelt sind, dass ihre Positionen und/oder Ausrichtungen aufeinander ausgerichtet sind.