EP4111519A1 - Verfahren zum ausrichten von dünnschichtelementen und vorrichtung - Google Patents

Verfahren zum ausrichten von dünnschichtelementen und vorrichtung

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Publication number
EP4111519A1
EP4111519A1 EP21708615.6A EP21708615A EP4111519A1 EP 4111519 A1 EP4111519 A1 EP 4111519A1 EP 21708615 A EP21708615 A EP 21708615A EP 4111519 A1 EP4111519 A1 EP 4111519A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
thin
elements
film
film elements
bpp
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP21708615.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Walter
Joachim Benkenstein
Holger Stanik
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ThyssenKrupp AG
ThyssenKrupp System Engineering GmbH
Original Assignee
ThyssenKrupp AG
ThyssenKrupp System Engineering GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ThyssenKrupp AG, ThyssenKrupp System Engineering GmbH filed Critical ThyssenKrupp AG
Publication of EP4111519A1 publication Critical patent/EP4111519A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2404—Processes or apparatus for grouping fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0297—Arrangements for joining electrodes, reservoir layers, heat exchange units or bipolar separators to each other
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a method for positionally accurate and mutual alignment of two thin-film elements, in particular fuel cell rod elements, with a construction part mount for vertically stacked mounting of two thin-film elements with different properties, and a device.
  • a fuel cell rod consists of several individual fuel cells stacked one on top of the other, an upper cover plate and a lower cover plate.
  • a fuel cell stick is referred to in English with the term “stack”.
  • Membrane-electrode units - abbreviated MEA - and bipolar plates - abbreviated BPP - are stacked alternately between the upper and lower cover plates. The process of stacking is expediently carried out in the vertical direction; A horizontal juxtaposition of BPP and MEA is also conceivable.
  • the number of stacked fuel cells depends on the output of the “stack” to be achieved and can be in the order of 600 parts with a height of around 680 mm.
  • the MEA and the BPP are of different types, which is expressed in particular in the fact that the MEA is very pliable or flexible and the BPP, in contrast, has a much higher flexural rigidity, which is due to the fact that the BPP is made of a metallic material exists and is usually thicker than the MEA.
  • a BPP can also be made from a graphite-like material and the MEA from a silicone-like material.
  • the production of fuel cell stacks can conventionally be carried out using two different processes.
  • stacking, pressing and subsequent 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.
  • the fuel cell stacks can be stacked in one 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 passed on to a device for the assembly of tension elements. Then the transport takes place in the remainder of the month.
  • the BPP and the MEA are stacked alternately until the required “stack” height is reached. Every time the MEA is handled, it is necessary to observe its low inherent stability in order not to damage it.
  • both of them when stacking the MEA on the BPP, or optionally vice versa, both of them must be brought into a reference position to one another. Both the MEA and the BPP are flat. The width and length of the MEA is greater than the corresponding width and length of the BPP. The reference position from MEA to BPP is reached when the MEA is in a defined th position is positioned opposite the face of the BPP. As a rule, BPP and MEA have a common reference edge that is placed next to one another so that BPP and this reference edge are aligned in pairs.
  • the stacking of MEA and BPP to form the “stack” and the simultaneous alignment of the MEA and the BPP in reference position to one another requires a comparatively high level of equipment and process engineering effort, which runs counter to the overriding goals of increasing the number of items with a simultaneous reduction in cycle times.
  • 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.
  • the object is achieved by a method for positionally accurate and mutual alignment of two thin-film elements, in particular fuel cell rod elements, in which two thin-film elements with different properties are stacked vertically on top of one another, the first thin-film element, which is provided with a greater flexural strength than the second thin-film element, via a device-side provided Ansaugele element is brought into a starting position, the second thin-film element is held in a floating position relative to the first thin-film element by means of a blowing device provided on the device side, the first and second thin-film elements are brought into a reference position relative to one another by positioning elements provided on the device side, and the first and the second second thin-film element are adhesively connected to one another in the reference position.
  • the basic idea of the method according to the invention is that first of all the main process of stacking is separated from the part process of precisely positioned and mutual alignment of two thin-film elements, or the stacking elements MEA and BPP, 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.
  • the MEA and the BPP after they have been brought into the reference position to one another, are adhesively connected to each other at least for the period of time until both are stacked as a connected unit in the plaupting process. A connection that extends beyond this time is usually not absolutely necessary, but it can certainly be provided.
  • the low flexural rigidity and flexibility of the MEA no longer plays a role in the subsequent stacking process, it can only be limited to gripping or handling the BPP, which allows significantly less effort. This simplifies the stacking process. Due to the manufacturing process, a BPP has a minimal curvature that would be a hindrance in the later “stack”, so that the method according to the invention achieves that the thin-film element with the greater flexural rigidity, i.e. the BPP in this case, is held in the starting position via the suction element that the initial curvature is equalized.
  • 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.
  • the first and second thin-film elements are brought into the reference position via mutual alignment by the positioning elements.
  • An advantageous embodiment of the method provides that after the floating position of the second thin-film element has been resolved, the first and the second thin-film element are adhesively connected to one another in the reference position. It can either be provided that the floating state is dissolved 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 released by opposing, punctiform pressing of the two thin-film elements against one another.
  • the basic idea of the device according to the invention is to initially receive or hold the two thin-film elements in a stacked manner, then to transfer them to a position in which almost forceless movement in space is possible, in order to then move into the reference position to undertake.
  • these elements are each prepared as a unit for later stacking, so that the cycle time for the actual stacking can be reduced. Halving the cycle time is possible.
  • the softer, more pliable MEA is connected to the BPP, so that the actual stacking can only take place by handling the BPP.
  • the device allows the alignment process to be carried out in a dedicated manner without further boundary conditions, so that the alignment accuracy between BPP and MEA can be increased compared to the conventional integrated stacking process.
  • the adhesion device has at least one laser welding unit.
  • several connection points can be set over the scope of the BPP and MEA as required and precisely positioned, which hold the BPP and MEA against each other. It can be sufficient here if these connection points only form a temporary connection between the BPP and MEA, which connection lasts at least until the BPP and MEA are processed in the stacking process.
  • the connection between BPP and MEA is therefore preferably an adhesion between the two elements and not a material connection, which of course can also be provided for certain areas of application. It is also conceivable to establish the adhesion between BPP and MEA via water or a water-soluble medium.
  • laser welding units are arranged along a circumference in the area of the component receptacle. It is thus possible to establish all connection points between MEA and BPP synchronously.
  • an acted upon pressure unit is provided in order to bring about a vertically directed pressure force on the two thin-film elements against the component receptacle. This makes it possible to act on the BPP and the MEA directly starting from the floating state of the MEA against the BPP in order to then undertake the adhesion.
  • the component receptacle is mounted in a floating manner with respect to a frame element of the device. It can be provided here that an alignment unit of the device can be advanced in a stamp-like manner with respect to the component receptacle.
  • the blowing device has two blowing nozzles arranged in the same vertical position, wherein the blower nozzles blow essentially horizontally into the region of the component receptacle from opposite directions during operation.
  • the blowing device is integrated into the component receptacle in such a way that a floor area for accommodating the thin-film elements is air-permeable in order to blow the respective thin-film element with the air flow generated by the blowing device and passed through the floor area.
  • FIG. 1 an alignment device according to the invention in a starting position
  • FIGS. 2 to 4 show the alignment device according to FIG. 1 in further positions and FIG. 5 shows a detail of the alignment device according to FIG. 1.
  • FIG. 1 shows a possible embodiment of a device 10 according to the invention for the precise positioning and mutual alignment of two fuel cell rod 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 and in all details. Rather, only essential components and their interaction are to be described.
  • the device initially has a frame element 44, which can also be referred to as a base plate, and which, among other things, carries the adhesion device 50 with a plurality of laser welding units 52.
  • a hold-down frame 46 is arranged below the frame element 44 and can be moved vertically opposite or on the frame element 44 in a suitable manner.
  • the hold-down frame 46 comprises a pressing unit 42, which in turn forms a plurality of resiliently mounted pressing rams 48.
  • a Ausrichtrah menelement 54 is arranged below, which can also be moved vertically opposite or on the frame element 44 in a suitable manner and thus also be able to perform a relative movement with respect to the hold-down frame 46.
  • the alignment frame element 54 comprises positioning elements 40 and a pneumatic unit, which in the present case comprises a suction element 20 and a blowing device 30.
  • the device has a component receptacle 12, which is designed to receive the fuel cell rod elements, that is to say the BPP and the MEA, in a stacked manner.
  • the component holder 12 is made in two parts and comprises a floating section.
  • the component receptacle 12 can be designed like a drawer in relation to the other components of the device, so that they can be moved out in a horizontal plane can.
  • the component receptacle 12 also has counter-holder elements 56 as counterparts for the pressure rams 48 of the hold-down frame 46.
  • FIG. 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 laterally like a drawer and then retract it again.
  • the extended position is intended to equip the component holder with fuel cell rod elements, that is to say the BPP and the MEA, in this position.
  • the positioning elements 40 are in a starting position in which they are moved apart in a horizontal direction.
  • the BPP and MEA are pre-aligned between the lateral and frontal boundaries in such a way that the positioning elements 40 can engage in specially provided grooves of the BPP and the MEA during later alignment nen.
  • FIG. 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.
  • the alignment frame element 54 hits a stop so that it is aligned in the vertical direction with respect to the component receptacle 12.
  • Alignment pins on the alignment frame element 54 align the component receptacle 12 together with the resilient pressure plungers 48 with respect to the frame element 44 when it is lowered.
  • this position which can be characterized as a storage position, the positioning elements 40, the suction element 20 and the blowing device 30 are delivered in 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.
  • FIG. 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.
  • the BPP is gripped via the suction element 20 or held in a sucked-in position and pulled upward in the vertical direction against the counter-holder elements 56.
  • any design-related bending of the BPP is pulled straight 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 nevertheless in the horizontal plane of the component holder 12, i.e. in X and Y direction, can be moved during the later alignment process.
  • 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-in BPP and the MEA held in the floating position is reached, the positioning elements 40 are actuated via suitable actuators, so that the BPP and the MEA are aligned with one another in the reference position.
  • FIG. 4 shows a position of the device 10 in which the positioning elements 40 have been advanced against 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 with respect to the component receptacle 12.
  • 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 receptacle 12 without a gap, at least in the area of the contact areas.
  • all elements are aligned with one another and have a gap-free contact and the BPP can be adhesively connected to the MEA, which in the present case takes place via the laser welding units 52.
  • FIG. 5 shows a detailed view of the component receptacle 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 receptacle 12 and, as described above, form air gaps to one another due to the function of the suction element 20 and the blowing device 30.
  • the air flow blown off by the blowing device 30 is symbolized by the reference numeral 32.
  • the blowing device 30 has two blowing nozzles 34 arranged in the same vertical position, the blowing nozzles 34 blowing horizontally into the region of the component holder 12 from opposite directions during operation.
  • the MEA is placed in a state of suspension in the vertical direction by the two opposite blowing nozzles 34. In this floating state, the MEA can be moved or positioned in the horizontal plane with an extremely low expenditure of force, ie without friction. In its state sucked in by the suction element 20, the BPP can also be moved or positioned in the horizontal plane with 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 each other and are brought into gap-free contact with the pressure unit 48 and its pressure stamp 48 and the counter-holder elements 56. The BP and MEA can then be connected to one another with the laser welding units 52. List of reference symbols

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum positionsgenauen und gegenseitigen Ausrichten von zwei Dünnschichtelementen, insbesondere von Brennstoffzellenstabelelementen, mit einer Bauteilaufnahme zur vertikal übereinander gestapelten Aufnahme von zwei in ihrer Beschaffenheit unterschiedlichen Dünnschichtelementen.

Description

Verfahren zum Ausrichten von Dünnschichtelementen und Vorrichtung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum positionsgenauen und gegenseitigen Ausrichten von zwei Dünnschichtelementen, insbesondere von Brennstoffzellenstabelelementen, mit einer Bau teilaufnahme zur vertikal übereinander gestapelten Aufnahme von zwei in ihrer Beschaffenheit unterschiedlichen Dünnschichtelementen und eine Vorrichtung.
Ein Brennstoffzellenstabel besteht vereinfacht beschrieben aus mehreren, aufeinander gestapel ten einzelnen Brennstoffzellen, einer oberen Deckplatte und einer unteren Deckplatte. Ein Brenn stoffzellenstabel 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 zweck mäßigerweise in vertikaler Richtung; denkbar ist aber auch ein waagerechtes Nebeneinanderset zen von BPP und MEA. Die Anzahl der gestapelten Brennstoffzellen ist abhängig von der zu er bringenden Leistung des „Stacks“ und kann in einer Größenordnung von 600 Teilen, bei etwa einer Bauhöhe von 680mm, betragen. Die MEA und die BPP sind in ihrer Art unterschiedlich be schaffen, 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.
Die Herstellung von Brennstoffzellenstapeln kann herkömmlich über zwei unterschiedliche Pro zesse erfolgen. So kann zum einen in einer Vorrichtung ein Aufstapeln, ein Pressen und eine ab schließende Zugelementemontage erfolgen. Anschließend wird der Brennstoffzellenstapel aus der Vorrichtung entnommen und zur Restmontage transportiert. Zum anderen können die Brenn stoffzellenstapel in einer Vorrichtung aufgestapelt werden. Anschließend werden die Brennstoff zellenstapel an eine Presse übergeben, die an einem Handhabungsgerät wie beispielsweise ei nem Roboter befestigt ist. Anschließend werden die Stapel einschließlich der Presse einer Vor richtung für die Zugelementemontage übergeben. Hiernach erfolgt der Transport in die Restmon tage. 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 Auf stapeln 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 Brei ten- 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 definier- ten Position gegenüber der Fläche der BPP positioniert ist. In der Regel gibt es bei BPP und MEA eine gemeinsame Referenzkante, die aneinander gelegt werden, so dass BPP und an dieser Re ferenzkante paarweise ausgerichtet werden. Zusammenfassend betrachtet erfordert das Aufsta peln 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 redu zierter Taktzeit zuwiderläuft. Vor diesem Hintergrund wäre es wünschenswert den herkömmli cherweise zwar integrierten aber technisch aufwändigen Aufstapelprozess zu vereinfachen und in einzelne Teilprozesse zu unterteilen, um dann jeden Einzelprozess mit vereinfachten Mittel durch führen zu können.
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 Refe renzposition zueinander bereitzustellen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum positionsgenauen und gegenseitigen Ausrich ten von zwei Dünnschichtelementen, insbesondere von Brennstoffzellenstabelelementen, 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 Ansaugele ment in eine Ausgangsposition gebracht wird, das zweite Dünnschichtelement über eine vorrich tungsseitig bereitgestellte Anblasvorrichtung gegenüber dem ersten Dünnschichtelement in einer Schwebeposition gehalten wird, das erste und das zweite Dünnschichtelement über vorrich tungsseitig bereitgestellte Positionierelemente zueinander in eine Referenzposition gebracht wer den und das erste und das zweite Dünnschichtelement in der Referenzposition miteinander ad häsiv verbunden werden.
Der Grundgedanke des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht drin, dass zunächst vom Haupt prozess 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 Qualitätsanforde rungen erfolgen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die MEA und die BPP, nachdem sie in die Referenzposition zueinander gebracht wurde, zumindest für den Zeitraum adhäsiv miteinan der verbunden werden, bis beide als verbundene Einheit in dem Plauptprozess aufgestapelt wer den. Eine zeitlich darüber hinausgehende Verbindung ist in der Regel nicht zwingend erforderlich, kann aber durchaus vorgesehen sein. Indem die MEA in diesem erfindungsgemäßen und sepa raten Prozess mit der BPP verbunden wird, spielt die geringe Biegesteifigkeit und Flexibilität der MEA in dem darauffolgenden Aufstapelprozess keine Rolle mehr, kann dieser lediglich auf ein Greifen bzw. ein Handhaben der BPP beschränkt werden, was einen deutlich reduzierten Auf wand erlaubt. Dies vereinfacht den Aufstapelprozess. Eine BPP hat fertigungsbedingt eine mini male Krümmung, die in dem späteren „Stack“ hinderlich wäre, so dass mit dem erfindungsge mäßen 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.
Eine vorteilhafte Verfahrensausgestaltung sieht vor, dass das erste und das zweite Dünnschich telement über ein wechselseitiges Ausrichten durch die Positionierelemente in die Referenzposi tion gebracht werden. Hierdurch wird gewährleistet, dass die jeweilige Bewegung jedes einzelnen Dünnschichtelements kleiner ausfallen kann, so dass die Gefahr eine Beschädigung reduziert wird. In konkreter Verfahrensausgestaltung werden das erste und das zweite Dünnschichtele ment über ein wechselseitiges Ausrichten durch die Positionierelemente in die Referenzposition gebracht.
Eine vorteilhafte Verfahrensausgestaltung sieht vor, dass nach Auflösen der Schwebeposition des zweiten Dünnschichtelements das erste und das zweite Dünnschichtelement in der Referenz position 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.
Die Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Vorrichtung zum positionsgenauen und gegenseitigen Ausrichten von zwei Dünnschichtelementen, insbesondere von Brennstoffzellenstabelelementen, mit einer Bauteilaufnahme zur vertikal übereinander gestapelten Aufnahme von zwei in ihrer Be schaffenheit unterschiedlichen Dünnschichtelementen, einem Ansaugelement zum Bewirken eines angesaugten Luftstroms in einer im wesentlichen vertikalen Richtung im Bereich der Bau teilaufnahme, zum Ausüben einer Vertikalkraft auf eines der Dünnschichtelemente über den an gesaugten Luftstrom, einer Anblasvorrichtung zum Bewirken eines abgeblasenen Luftstroms im Bereich der Bauteilaufnahme, zum Ausüben einer Vertikalkraft des anderen der Dünnschichtele mente mittels des abgeblasenen Luftstroms, Positionierelementen, die zwischen einer Aus gangsposition und einer in horizontaler Richtung gegeneinander zugestellte Position beweglich sind, um in der zugestellten Position mit den beiden Dünnschichtelementen in einer Wirkverbin dung 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. Die erfindungsgemäße Grundidee der Vorrichtung besteht darin, die beiden Dünnschichtelemen te zunächst in einer gestapelten Weise zueinander aufzunehmen bzw. zu halten, anschließend in eine Position zu überführen, in der eine nahezu kraftloses Verschieben im Raum möglich ist, um anschließend eine solche Verschiebung in die Referenzposition vorzunehmen. Durch das Verbin den von MEA und BPP werden diese Elemente jeweils als Einheit für das spätere Aufstapeln vor bereitet, so dass hierdurch die Taktzeit für das eigentliche Aufstapeln reduziert werden kann. Ein Halbierung der Taktzeit ist möglich. Die weichere, biegeschlaffere MEA ist mit der BPP verbun den, so dass das eigentliche Aufstapeln lediglich durch eine Handhabung der BPP erfolgen kann. Durch die Vorrichtung kann der Ausrichtprozess dezidiert ohne weitere Randbedingungen durch geführt werden, so dass die Ausrichtgenauigkeit zwischen BPP und MEA gegenüber dem her kömmlichen integrierten Stapelprozess gesteigert werden kann.
In bevorzugter Ausgestaltung weist die Adhäsionsvorrichtung zumindest eine Laserschweißein heit auf. Über die Laserschweißeinheiten lassen sich über den Umfang von BPP und MEA be darfsweise und positionsgenau mehrere Verbindungspunkte setzten, die BPP und MEA gegenei nander 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 Elemen ten und nicht um eine stoffschlüssige Verbindung, welche selbstverständlich für bestimmte An wendungsbereiche ebenfalls vorgesehen sein kann. Denkbar ist auch, die Adhäsion zwischen BPP und MEA über Wasser oder ein wasserlösliches Medium herzustellen.
In bevorzugter Ausgestaltung sind mehrere Laserschweißeinheiten entlang eines Umfangs im Bereich der Bauteilaufnahme angeordnet sind. Somit ist es möglich alle Verbindungspunkte zwi schen MEA und BPP synchron herzustellen.
In bevorzugter Ausgestaltung ist eine beaufschlagte Andruckeinheit vorgesehen ist, um eine ver tikal 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 vorzu nehmen.
In bevorzugter Ausgestaltung ist die Bauteilaufnahme gegenüber einem Rahmenelement der Vorrichtung schwimmend gelagert ist. Hierbei kann vorgesehen sein, dass eine Ausrichteinheit der Vorrichtung stempelartige gegenüber der Bauteilaufnahme zustellbar ist.
Bezüglich der Anblasvorrichtung sind zwei Ausgestaltungen denkbar. Bei der ersten Ausgestal tung 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 Anblasvorrich tung derart in die Bauteilaufnahme integriert, dass ein Bodenbereich zur Aufnahme der Dünn schichtelemente luftdurchlässig ausgeführt ist, um mit dem durch die Anblasvorrichtung erzeug te und durch den Bodenbereich hindurchgetretenen Luftstrom das jeweilige Dünnschichtelement anzublasen.
Die Erfindung wird nachfolgend mit weiteren Merkmalen, Einzelheiten und Vorteilen anhand der beigefügten Figuren erläutert. Die Figuren illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungs formen der Erfindung. Hierin zeigen
Figur 1 eine erfindungsgemäße Ausrichtvorrichtung in einer Ausgangsposition;
Figuren 2 bis 4 die Ausrichtvorrichtung gemäß Figur 1 in weiteren Positionen und Figur 5 eine Detaillierung der Aussrichtvorrichtung gemäß Figur 1.
Die Figur 1 zeigt eine mögliche Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zum positionsgenauen und gegenseitigen Ausrichten von zwei Brennstoffzellenstabelelementen, wel che 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 we sentliche Komponenten und ihr Zusammenwirken beschrieben werden.
Die Vorrichtung 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 ge lagerte Andrückstempel 48 ausbildet. An dem Rahmenelement 44 ist unterhalb ein Ausrichtrah menelement 54 angeordnet, welches ebenfalls der in geeigneter Weise gegenüber bzw. an dem Rahmenelement 44 vertikal verfahren werden kann und damit auch eine Relativbewegung be züglich 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.
Als unterste Komponente weist die Vorrichtung eine Bauteilaufnahme 12 auf, die dazu ausgelegt ist die Brennstoffzellenstabelelementen, also die BPP und die MEA, gestapelt aufzunehmen. Die Bauteilaufnahme 12 ist zweiteilig ausgeführt und umfasst einen schwimmend gelagerten Ab schnitt. Die Bauteilaufnahme 12 kann schubladenartig gegenüber den anderen Komponenten der Vorrichtung ausgeführt sein, so dass sie in einer horizontalen Ebene herausgefahren werden kann. Die Bauteilaufnahme 12 weist ferner Gegenhalterelemente 56 als Pendants für die An drückstempel 48 des Niederhalterrahmens 46 auf.
Die Figur 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 Brennstoffzellenstabelelementen, also der BPP und der MEA, zu bestücken. In der Grundstellung sind die Positionierelemente 40 in einer Ausgangsposition, in der sie in einer horizontalen Rich tung 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 stirnsei tig angeordneten Begrenzungen derart vorausgerichtet, dass die Positionierelemente 40 beim späteren Ausrichten in eigens dafür vorgesehene Nuten der BPP und der MEA eingreifen kön nen.
Die Figur 2 zeigt eine Stellung der Vorrichtung 10, in der der Niederhalterrahmen 46 und das Ausrichtrahmenelement 54 über einen geeignet ausgeführten Antrieb des Rahmenelements 44 vertikal nach unten gefahren wurde. Während der vertikalen Bewegung nach unten trifft das Aus richtrahmenelement 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 be zeichnet werden kann, sind die Positionierelemente 40, das Ansaugelement 20 und die Anblas vorrichtung 30 in die erforderliche Stellung zugestellt. Hierbei kann vorgesehen sein, dass das Ansaugelement 20 und die Anblasvorrichtung 30 bei Erreichen der Ablageposition funktionsbe reit gestellt werden.
Die Figur 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 even tuelle Durchbiegung der BPP gerade gezogen und ein kleiner Spalt entsteht zwischen der ange hobenen BPP und der Bauteilaufnahme 12. Die Saugkraft des Ansaugelements 20 ist dabei der art gering, dass die BPP dennoch in der Florizontalebene 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 An blasvorrichtung 30 in einen Schwebezustand bzw. eine Schwebeposition über, so dass sich ein Teilspalt zwischen BPP und MEA und ein Teilspalt zwischen MEA und Bauteilaufnahme 12 ent steht. 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.
Die Figur 4 zeigt eine Stellung der Vorrichtung 10, in der die Positionierelemente 40 in einer hori zontalen Richtung gegeneinander zugestellt wurde, so dass sich die BPP und die MEA in der Re ferenzposition 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 Kontaktie rungsposition sind alle Elemente zueinander ausgerichtet und haben einen spaltfreien Kontakt und die BPP kann mit der MEA adhäsiv verbunden werden, was vorliegend über die Laser schweißeinheiten 52 erfolgt.
Die Figur 5 zeigt eine Detailansicht der Bauteilaufnahme 12 und einen Ausschnitt des Ausricht rahmenelement 54 mit dem Ansaugelement 20 und der Anblasvorrichtung 30 der pneumati schen Einheit. Zu erkennen sind die BPP und die MEA, die auf der Bauteilaufnahme 12 positio niert sind und, wie oben beschrieben, infolge der Funktion des Ansaugelements 20 und der An blasvorrichtung 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 Rich tungen in einen Schwebezustand versetzt. In diesem Schwebezustand kann die MEA mit einem äußerst geringen Kraftaufwand, d.h. reibungsfrei, in der Horizontalebene bewegt bzw. positio niert werden. Auch die BPP kann in ihrem durch das Ansaugelement 20 angesaugten Zustand mit nur geringem Kraftaufwand in der Horizontalebene bewegt bzw. positioniert. Nachdem Errei chen 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 48 und deren Andrückstempel 48 und den Gegenhalterelementen 56 in einen spaltfreien Kontakt zuei nander gebracht. Anschließen können BP und MEA mit den Laserschweißeinheiten 52 miteinan der verbunden werden. Bezugszeichenliste
2 Dünnschichtelement
4 Dünnschichtelement
10 Ausrichtvorrichtung
12 Bauteilaufnahme
14 Bodenbereich
20 Ansaugelement
30 Anblasvorrichtung
32 Luftstrom
34 Blasdüsen
40 Positionierelement
42 Andrückeinheit
44 Rahmenelement
46 Niederhalterahmen
48 Andrückstempel
50 Adhäsionsvorrichtung
52 Laserschweißeinheit
54 Ausrichtrahmenelement
56 Gegenhalterelement

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum positionsgenauen und gegenseitigen Ausrichten von zwei Dünnschich telementen (2, 4), insbesondere von Brennstoffzellenstabelelementen, bei dem zwei in ihrer Beschaffenheit unterschiedliche Dünnschichtelemente (2, 4) vertikal überei nander gestapelt werden, das mit einer größeren Biegesteifigkeit als das zweite Dünnschichtelement (2, 4) ausge stattete erste Dünnschichtelement (2) über ein vorrichtungsseitig bereitgestelltes Ansau gelement (20) in eine Ausgangsposition gebracht wird, das zweite Dünnschichtelement (2) über eine vorrichtungsseitig bereitgestellte Anblas vorrichtung (2) gegenüber dem ersten Dünnschichtelement (4) in einer Schwebeposition gehalten wird, das erste und das zweite Dünnschichtelement (4) über vorrichtungsseitig bereitgestellte Positionierelemente (40) zueinander in eine Referenzposition gebracht werden und das erste und das zweite Dünnschichtelement (2, 4) in der Referenzposition miteinander adhäsiv verbunden werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das erste und das zweite Dünnschichtelement über ein wechselseitiges Ausrichten durch die Positionierelemente (40) in die Referenzposition gebracht werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem nach Auflösen der Schwebeposition des zweiten Dünnschichtelements (4) das erste und das zweite Dünnschichtelement (2, 4) in der Referenzposition miteinander adhäsiv verbunden werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Schwebeposition durch ein entgegengesetztes punktuellen Gegeneinanderdrücken der beiden Dünnschichtelemente (2, 4) aufgelöst wird.
5. Vorrichtung (10) zum positionsgenauen und gegenseitigen Ausrichten von zwei Dünn schichtelementen (2, 4), insbesondere von Brennstoffzellenstabelelementen, umfassend eine Bauteilaufnahme (12) zur vertikal übereinander gestapelten Aufnahme von zwei in ihrer Beschaffenheit unterschiedlichen Dünnschichtelementen (2, 4), ein Ansaugelement (20) zum Bewirken eines angesaugten Luftstroms in einer im wesent lichen vertikalen Richtung im Bereich der Bauteilaufnahme (12), zum Ausüben einer Ver tikalkraft auf eines der Dünnschichtelemente (2, 4) über den angesaugten Luftstrom, eine Anblasvorrichtung (30) zum Bewirken eines abgeblasenen Luftstroms im Bereich der Bauteilaufnahme (12), zum Ausüben einer Vertikalkraft des anderen der Dünnschich telemente (2, 4) mittels des abgeblasenen Luftstroms,
Positionierelemente (40), die zwischen einer Ausgangsposition und einer in horizontaler Richtung gegeneinander zugestellte Position beweglich sind, um in der zugestellten Posi tion mit den beiden Dünnschichtelementen (2, 4) in einer Wirkverbindung zu stehen und die beiden Dünnschichtelemente (2, 4) in einer Referenzposition zueinander zu halten und eine Adhäsionsvorrichtung (50), zum adhäsiven Verbinden des in der Referenzposition zueinander befindlichen ersten und zweiten Dünnschichtelements (2, 4).
6. Vorrichtung (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Adhäsionsvorrich tung (50) zumindest eine Laserschweißeinheit (52) umfasst.
7. Vorrichtung (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Laserschwei ßeinheiten (52) entlang eines Umfangs im Bereich der Bauteilaufnahme (12) angeordnet sind.
8. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine beaufschlagte Andrückeinheit (42) vorgesehen ist, um eine vertikal gerichtete Andrück kraft auf die beiden Dünnschichtelemente (2,4) gegen die Bauteilaufnahme (12) zu be wirken.
9. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteilaufnahme (12) gegenüber einem Rahmenelement (44) der Vorrichtung schwim mend gelagert ist.
10. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ausrichteinheit (46) vorgesehen ist, die stempelartige gegenüber der Bauteilaufnahme (12) zustellbar ist.
11. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anblasvorrichtung (30) zwei auf gleicher Vertikalposition angeordnete Blasdüsen (34) aufweist, wobei die Blasdüsen (34) im Wesentlichen im Betrieb aus entgegengesetzten Richtungen horizontal in den Bereich der Bauteilaufnahme (12) abblasen.
12. Vorrichtung (12) nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anblasvorrichtung (30) derart in die Bauteilaufnahme (12) integriert ist, dass ein Boden bereich (14) der Bauteilaufnahme (12) zur Aufnahme der Dünnschichtelemente (2, 4) luftdurchlässig ausgeführt ist, um mit dem durch die Anblasvorrichtung (30) erzeugte und durch den Bodenbereich (2, 4) hindurchgetretenen Luftstrom das jeweilige Dünn schichtelement (2, 4) anzublasen.
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