EP4352806A1 - Method for manufacturing a stack of a plurality of electrochemical cells, and apparatus for manufacturing such a stack - Google Patents

Method for manufacturing a stack of a plurality of electrochemical cells, and apparatus for manufacturing such a stack

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EP4352806A1
EP4352806A1 EP22755082.9A EP22755082A EP4352806A1 EP 4352806 A1 EP4352806 A1 EP 4352806A1 EP 22755082 A EP22755082 A EP 22755082A EP 4352806 A1 EP4352806 A1 EP 4352806A1
Authority
EP
European Patent Office
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components
stack
conveyor belt
edge
erected
Prior art date
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Pending
Application number
EP22755082.9A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Uwe Bauch
Jan Richnow
Rene SCHEIMER
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.)
Audi AG
Original Assignee
Audi AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Audi AG filed Critical Audi AG
Publication of EP4352806A1 publication Critical patent/EP4352806A1/en
Pending legal-status Critical Current

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    • 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 producing a stack of a plurality of electrochemical cells, each of which is formed from at least one membrane component and a bipolar plate as the constituent components, comprising the steps of: a) erecting the components on their edge, b) feeding the their edge erected components to a vibrating boom to align them, c) forming the stack from the aligned components.
  • the invention also relates to a device for producing such a stack.
  • Fuel cells are used to provide electrical energy through an electrochemical reaction, with several fuel cells connected in series being able to be combined in a stack to increase the usable power.
  • electrical energy is used for electrolysis, and a stack can also be formed to increase the output.
  • a membrane component in particular a membrane-electrode arrangement as one of the components of the stack, comprises an anode, a cathode and a proton-conductive membrane separating the anode from the cathode.
  • bipolar plates are provided in a stack as a further component on both sides of each membrane for supplying the reactants and, if appropriate, a coolant.
  • registration and speed are important for quality and cost, with high registration and high speed being a trade-off and usually one goal can only be improved at the expense of the complementary goal.
  • Electrochemical cells are often assembled into stacks using grippers in a “pick and place” process, with the components being positioned using static reference points, for example in the form of a workpiece carrier.
  • An improvement in the positional accuracy can also be achieved by connecting the membrane electrode assembly and bipolar plate components, for example by means of a laser, to form a unit cell which is then stacked further to form the stack.
  • the "pick-and-place" methods and the mechanical connection are expensive and do not achieve the required speed for large-scale production, while the positional accuracy is also insufficient.
  • DE 102018116057 A1 describes an assembly system for assembling a fuel cell stack, in which the components of the fuel cell stack, which are arranged alternately on a conveyor belt, are guided from the conveyor belt via a chute onto a height-adjustable stack holder, with a gas supply device generating a gas cushion in the area of the chute is available.
  • the chute can be formed by driven conveyor belts.
  • the stacking fixture has a vibrating function for safer and more accurate alignment. Vibration devices in stacking devices for printing presses for stacking sheets of paper are known from DE 2942855 A1 and DE 10 2019206 610 B3.
  • Object of the present invention is to provide a method with which the investment costs and manufacturing costs for the production of a Stack can be lowered.
  • the task is also to provide a device for carrying out the method.
  • the method according to the invention has the advantage that the individual components are placed on their edges and there is only linear contact downwards, ie no surface contact with increased friction makes positioning and alignment more difficult.
  • the stack is not stratified upwards with steadily increasing mass increasing the force on the contact area. Rather, the same conditions are present for each component when it is aligned by the vibrating boom, regardless of the position of the component within the stack. Therefore, the stacking can be much faster and a gripper is not necessary, so that the cost of the stack decreases.
  • the components can be placed with their flat side on the upper run of a conveyor belt, in particular the components can be arranged alternately on the first conveyor belt.
  • the components can be placed on the first conveyor belt from a first loading station, and that the other of the components is layered on top of the component placed on the first conveyor belt from a second loading station, whereby the first component and second component form an unconnected unit cell.
  • the components can be erected without any additional expenditure on equipment, in that the first components and the second components, possibly combined as a unit cell, are erected when they pass a deflection roller of the first conveyor belt, so that they are converted in a simple manner from their lying position with flat contact to a vertical orientation, in which the edge as the contact line points downwards, simply by continued transport on the first conveyor belt. Due to the support on the edge, the desired position in the can easily with little resistance
  • Vibrating boom are brought about, in which case the components are transferred from the vibrating boom to a second conveyor belt.
  • the vibrating boom vibrates the components at their side edges and the upper edge at a number of vibrating points in the circumferential direction, and if the erected component is mounted on at least two support points of the edge.
  • the storage on the support points instead of on the entire edge makes it even easier to set the position with the desired positional accuracy.
  • An advantageous device for producing a stack of a plurality of electrochemical cells, each of which is formed from a membrane-electrode assembly and a bipolar plate as the constituent components, is characterized in that a vibrating cantilever for receiving the erected on its edge
  • the vibrating boom is followed by a second conveyor belt for transporting the stack to be formed from the erected components, with a first conveyor belt being provided on the upper run of which components of the electrochemical cells can be placed with their flat side and the vibrating boom between the downstream idler pulley of the first conveyor belt and upstream idler pulley of the second conveyor belt.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a device for
  • Fig. 2 shows a schematic representation of the effect of shaking the components placed on the edges 11, and
  • FIG 3 shows a device known from the prior art for producing a stack 2 of electrochemical cells with a gripper 4 for carrying out a “pick and place” method.
  • a stack 2 of fuel cells 1 consists of a plurality of fuel cells 1 connected in series and arranged between two end plates, each of the fuel cells 1 having an anode and a cathode and a proton conductive membrane separating the anode from the cathode.
  • the membrane is made of an ionomer.
  • a catalyst can also be added to the anodes and/or the cathodes, the membranes preferably being coated on their first side and/or on their second side with a catalyst layer made of a noble metal or mixtures comprising noble metals such as platinum, palladium, ruthenium or the like , which serve as a reaction accelerator in the reaction of the respective fuel cell 1.
  • Anode and cathode as well as the membrane form a membrane-electrode assembly 10.
  • a plurality of membrane components can also be arranged in each fuel cell.
  • Fuel e.g. hydrogen
  • cathode gas e.g. oxygen or air containing oxygen
  • polar plates which can also be designed as bipolar plates 3 inside the stack 2, with gas diffusion layers being used for an even distribution of the reactants .
  • PEM fuel cell polymer electrolyte membrane fuel cell
  • fuel or fuel molecules are split into protons and electrons at the anode.
  • the membrane lets the protons (e.g. H + ) through, but is impermeable to the electrons (e-).
  • the following reaction takes place at the anode: 2H2 -> 4H + + 4e _ (oxidation/donation of electrons). While the protons pass through the membrane to the cathode, the electrons are conducted to the cathode or an energy storage device via an external circuit.
  • the following reaction takes place on the cathode side:
  • FIG. 1 shows a device 19 for producing a stack 2 from a plurality of electrochemical cells, which, unlike the device known from the prior art shown in FIG. 3, does not have a gripper 4 for a “pick-and-place “Procedure and without a station for a laser 20 that builds the stack 2 vertically.
  • a gripper 4 for a “pick-and-place “Procedure and without a station for a laser 20 that builds the stack 2 vertically.
  • this Device is also the fixation of the bipolar plates 3 and the membrane electrode assembly 10 by means of a laser 20 in a downstream station required.
  • the device 19 comprises a first conveyor belt 5, a vibrating boom 6 and a second conveyor belt 7, with the vibrating boom 6 being arranged between the deflection roller 9 of the first conveyor belt 5 located downstream and the deflection roller 9 of the second conveyor belt 7 located upstream is.
  • this device 19 it is possible to produce a stack 2 of a plurality of electrochemical cells, each formed of at least one membrane component 10 and one bipolar plate 3 as the constituent components, according to a method comprising the steps of: a) erecting the components on their edge 11, b) feeding the components erected on their edge 11 to the vibrating boom 6 for their alignment, c) forming the stack 2 from the aligned components.
  • the components namely the membrane-electrode arrangements 10 and the bipolar plate 3, can be placed with their flat side on the upper run of the first conveyor belt 5 and, in particular, arranged alternately on the first conveyor belt 5.
  • the components can, for example, be transferred to the vibrating boom 6 with a suction head, a loading chute, or a gripper.
  • FIG. 1 shows an embodiment in which one of the components is placed on the first conveyor belt 5 from a first loading station 12 and the other of the components is layered onto the component placed on the first conveyor belt 5 from a second loading station 13 .
  • the first component and second component layered on top of one another thus form an unconnected unit cell 14, from which the stack 2 is then built up by supplying the unit cells 14 to the shaking boom 6.
  • the first conveyor belt 5 can be assigned suction openings for securing the position of the components or, alternatively or additionally, guide rods.
  • the second conveyor belt 7, in particular offset by the width of the components is lower than the first conveyor belt 5 in order to attach the components or unit cells 14 erected when passing the deflection roller 9 on their edges 11 to the vibrating boom 6 and to the second conveyor belt 7 to be able to pass.
  • FIG. 2 indicates that the vibrating cantilever 6 vibrates the components at their side edges 15 and the upper edge 16 at a plurality of vibrating points 17 in the circumferential direction, while the erected component is mounted on at least two support points 18 of the edge 11 .
  • the stack 2 is successively built up on the second conveyor belt 7, in which the unit cells 14 or the components are oriented in the correct position.
  • the finished stack 2 can then be transported away with the second conveyor belt 7 .

Abstract

The invention relates to a method for manufacturing a stack (2) of a plurality of electrochemical cells that are each formed from at least one membrane component (10) and one bipolar plate (3) as the constituent components, said method comprising the steps of: a) erecting the components on their edge (11); b) feeding the components erected on their edge (11) to a shaking delivery unit (6) in order to align said components; c) forming the stack (2) from the aligned components. The invention also relates to an apparatus (19) for manufacturing such a stack (2).

Description

Verfahren zur Herstellung eines Stapels aus einer Mehrzahl von elektrochemischen Zellen und Vorrichtung zur Herstellung eines derartigen Stapels BESCHREIBUNG: Method for producing a stack of a plurality of electrochemical cells and device for producing such a stack 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. The invention relates to a method for producing a stack of a plurality of electrochemical cells, each of which is formed from at least one membrane component and a bipolar plate as the constituent components, comprising the steps of: a) erecting the components on their edge, b) feeding the their edge erected components to a vibrating boom to align them, c) forming the stack from the aligned components. The invention also relates to a device for producing such a stack.
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. Fuel cells are used to provide electrical energy through an electrochemical reaction, with several fuel cells connected in series being able to be combined in a stack to increase the usable power. In the case of electrolyzer cells, electrical energy is used for electrolysis, and a stack can also be formed to increase the output. A membrane component, in particular a membrane-electrode arrangement as one of the components of the stack, comprises an anode, a cathode and a proton-conductive membrane separating the anode from the cathode. Furthermore, bipolar plates are provided in a stack as a further component on both sides of each membrane for supplying the reactants and, if appropriate, a coolant. In the formation of the stack, i.e. in its manufacture, registration and speed are important for quality and cost, with high registration and high speed being a trade-off and usually one goal can only be improved at the expense of the complementary goal.
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. Electrochemical cells are often assembled into stacks using grippers in a “pick and place” process, with the components being positioned using static reference points, for example in the form of a workpiece carrier. An improvement in the positional accuracy can also be achieved by connecting the membrane electrode assembly and bipolar plate components, for example by means of a laser, to form a unit cell which is then stacked further to form the stack. The "pick-and-place" methods and the mechanical connection are expensive and do not achieve the required speed for large-scale production, while the positional accuracy is also insufficient.
In der DE 102018116057 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 2942855 A1 und der DE 10 2019206 610 B3 bekannt. DE 102018116057 A1 describes an assembly system for assembling a fuel cell stack, in which the components of the fuel cell stack, which are arranged alternately on a conveyor belt, are guided from the conveyor belt via a chute onto a height-adjustable stack holder, with a gas supply device generating a gas cushion in the area of the chute is available. The chute can be formed by driven conveyor belts. The stacking fixture has a vibrating function for safer and more accurate alignment. Vibration devices in stacking devices for printing presses for stacking sheets of paper are known from DE 2942855 A1 and DE 10 2019206 610 B3.
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. Object of the present invention is to provide a method with which the investment costs and manufacturing costs for the production of a Stack can be lowered. The task is also to provide a device for carrying out the method.
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. This object is achieved by a method having the features of claim 1 and by a device having the features of claim 9. Advantageous configurations with expedient developments of the invention are specified in the dependent claims.
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. The method according to the invention has the advantage that the individual components are placed on their edges and there is only linear contact downwards, ie no surface contact with increased friction makes positioning and alignment more difficult. Unlike the prior art, the stack is not stratified upwards with steadily increasing mass increasing the force on the contact area. Rather, the same conditions are present for each component when it is aligned by the vibrating boom, regardless of the position of the component within the stack. Therefore, the stacking can be much faster and a gripper is not necessary, so that the cost of the stack decreases.
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. For the correct formation of the stack, the components can be placed with their flat side on the upper run of a conveyor belt, in particular the components can be arranged alternately on the first conveyor belt. Alternatively, however, there is also the possibility that one of the components is placed on the first conveyor belt from a first loading station, and that the other of the components is layered on top of the component placed on the first conveyor belt from a second loading station, whereby the first component and second component form an unconnected unit cell.
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 demThe components can be erected without any additional expenditure on equipment, in that the first components and the second components, possibly combined as a unit cell, are erected when they pass a deflection roller of the first conveyor belt, so that they are converted in a simple manner from their lying position with flat contact to a vertical orientation, in which the edge as the contact line points downwards, simply by continued transport on the first conveyor belt. Due to the support on the edge, the desired position in the can easily with little resistance
Rüttelausleger herbeigeführt werden, wobei dann die Komponenten aus dem Rüttelausleger an ein zweites Förderband übergeben werden. Vibrating boom are brought about, in which case the components are transferred from the vibrating boom to a second conveyor belt.
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. It is preferred if the vibrating boom vibrates the components at their side edges and the upper edge at a number of vibrating points in the circumferential direction, and if the erected component is mounted on at least two support points of the edge. The storage on the support points instead of on the entire edge makes it even easier to set the position with the desired positional accuracy.
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 aufgerichtetenAn advantageous device for producing a stack of a plurality of electrochemical cells, each of which is formed from a membrane-electrode assembly and a bipolar plate as the constituent components, is characterized in that a vibrating cantilever for receiving the erected on its edge
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. components is provided, and that the vibrating boom is followed by a second conveyor belt for transporting the stack to be formed from the erected components, with a first conveyor belt being provided on the upper run of which components of the electrochemical cells can be placed with their flat side and the vibrating boom between the downstream idler pulley of the first conveyor belt and upstream idler pulley of the second conveyor belt. The advantages mentioned above, particularly with regard to the costs, also have an effect in a fuel cell device with a stack produced according to the method mentioned above and in a motor vehicle with such a fuel cell device, so that electromobility can be provided more cost-effectively. The features and combinations of features mentioned above in the description and the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and/or shown alone in the figures can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own, without going beyond the scope of the leave invention. Embodiments are therefore also to be regarded as included and disclosed by the invention which are not explicitly shown or explained in the figures, but which result from the explained embodiments and can be generated by means of separate combinations of features.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen: Further advantages, features and details of the invention result from the claims, the following description of preferred embodiments and with reference to the drawings. show:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zurFig. 1 is a schematic representation of a device for
Herstellung eines Stapels 2 aus elektrochemischen Zellen, Production of a stack 2 of electrochemical cells,
Fig. 2 eine schematische Darstellung der Wirkung des Rütteln der auf die Kanten 11 aufgestellten Komponenten, und Fig. 2 shows a schematic representation of the effect of shaking the components placed on the edges 11, and
Fig. 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. 3 shows a device known from the prior art for producing a stack 2 of electrochemical cells with a gripper 4 for carrying out a “pick and place” method.
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 eineTo explain the invention, reference is made below to fuel cells 1 and a fuel cell stack formed from them as an example, but this also applies mutatis mutandis to other electrochemical cells and their combination into a stack 2 for one
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. Increase in performance applies. An example of another electrochemical cell may be referenced to an electrolyzer. A stack 2 of fuel cells 1 consists of a plurality of fuel cells 1 connected in series and arranged between two end plates, each of the fuel cells 1 having an anode and a cathode and a proton conductive membrane separating the anode from the cathode. The membrane is made of an ionomer. A catalyst can also be added to the anodes and/or the cathodes, the membranes preferably being coated on their first side and/or on their second side with a catalyst layer made of a noble metal or mixtures comprising noble metals such as platinum, palladium, ruthenium or the like , which serve as a reaction accelerator in the reaction of the respective fuel cell 1. Anode and cathode as well as the membrane form a membrane-electrode assembly 10. A plurality of membrane components can also be arranged in each fuel cell.
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:Fuel (e.g. hydrogen) is supplied to the anodes and cathode gas (e.g. oxygen or air containing oxygen) to the cathodes via polar plates, which can also be designed as bipolar plates 3 inside the stack 2, with gas diffusion layers being used for an even distribution of the reactants . In a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEM fuel cell), fuel or fuel molecules are split into protons and electrons at the anode. The membrane lets the protons (e.g. H + ) through, but is impermeable to the electrons (e-). The following reaction takes place at the anode: 2H2 -> 4H + + 4e _ (oxidation/donation of electrons). While the protons pass through the membrane to the cathode, the electrons are conducted to the cathode or an energy storage device via an external circuit. The following reaction takes place on the cathode side:
O2 + 4H+ + 4e_ -> 2H2O (Reduktion/Elektronenaufnahme). O2 + 4H + + 4e _ -> 2H2O (reduction/electron acceptance).
In der Figur 1 ist eine Vorrichtung 19 zur Herstellung eines Stapels 2 aus einer Mehrzahl von elektrochemischen Zellen gezeigt, die anders als die in der Figur 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. FIG. 1 shows a device 19 for producing a stack 2 from a plurality of electrochemical cells, which, unlike the device known from the prior art shown in FIG. 3, does not have a gripper 4 for a “pick-and-place “Procedure and without a station for a laser 20 that builds the stack 2 vertically. At this Device is also the fixation of the bipolar plates 3 and the membrane electrode assembly 10 by means of a laser 20 in a downstream station required.
Die Vorrichtung 19 gemäß Figur 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. In the exemplary embodiment shown, the device 19 according to Figure 1 comprises a first conveyor belt 5, a vibrating boom 6 and a second conveyor belt 7, with the vibrating boom 6 being arranged between the deflection roller 9 of the first conveyor belt 5 located downstream and the deflection roller 9 of the second conveyor belt 7 located upstream is. With this device 19 it is possible to produce a stack 2 of a plurality of electrochemical cells, each formed of at least one membrane component 10 and one bipolar plate 3 as the constituent components, according to a method comprising the steps of: a) erecting the components on their edge 11, b) feeding the components erected on their edge 11 to the vibrating boom 6 for their alignment, c) forming the stack 2 from the aligned components.
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 Figur 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. The components, namely the membrane-electrode arrangements 10 and the bipolar plate 3, can be placed with their flat side on the upper run of the first conveyor belt 5 and, in particular, arranged alternately on the first conveyor belt 5. However, it is also possible that the feeding to the vibrating boom 6 can take place alternatively, as long as it is ensured that the components are erected. The components can, for example, be transferred to the vibrating boom 6 with a suction head, a loading chute, or a gripper. FIG. 1 shows an embodiment in which one of the components is placed on the first conveyor belt 5 from a first loading station 12 and the other of the components is layered onto the component placed on the first conveyor belt 5 from a second loading station 13 . This forms unit cells 14 in which the components need not be connected, but they are is not excluded. The first component and second component layered on top of one another thus form an unconnected unit cell 14, from which the stack 2 is then built up by supplying the unit cells 14 to the shaking boom 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 Säugöffnungen 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. There is the simple possibility that the first components and the second components, individually or possibly as a unit cell 14, are erected when passing the deflection roller 9 of the first conveyor belt 5. For this purpose, the first conveyor belt 5 can be assigned suction openings for securing the position of the components or, alternatively or additionally, guide rods. There is also the possibility that the second conveyor belt 7, in particular offset by the width of the components, is lower than the first conveyor belt 5 in order to attach the components or unit cells 14 erected when passing the deflection roller 9 on their edges 11 to the vibrating boom 6 and to the second conveyor belt 7 to be able to pass.
Die Figur 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. FIG. 2 indicates that the vibrating cantilever 6 vibrates the components at their side edges 15 and the upper edge 16 at a plurality of vibrating points 17 in the circumferential direction, while the erected component is mounted on at least two support points 18 of the edge 11 .
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. In this way, the stack 2 is successively built up on the second conveyor belt 7, in which the unit cells 14 or the components are oriented in the correct position. The finished stack 2 can then be transported away with the second conveyor belt 7 .
BEZUGSZEICHENLISTE: REFERENCE LIST:
1 Brennstoffzelle 1 fuel cell
2 Stapel 3 Bipolarplatte 2 stack 3 bipolar plate
4 Greifer 4 grippers
5 erstes Förderband 5 first conveyor belt
6 Rüttelausleger 6 vibrating boom
7 zweites Förderband 9 Umlenkrolle 7 second conveyor belt 9 idler pulley
10 Membrankomponente / Membran-Elektrodenanordnung10 membrane component / membrane electrode assembly
11 Kante 11 edge
12 erste Beschickstation 12 first loading station
13 zweiter Beschickstation 14 Einheitszellen 13 second loading station 14 unit cells
15 Seitenkante 15 side edge
16 Oberkante 16 top edge
17 Rüttelpunkte 17 shaking points
18 Auflagepunkte 19 Vorrichtung 18 support points 19 fixture
20 Laser 20 lasers

Claims

ANSPRÜCHE: EXPECTATIONS:
1. Verfahren zur Herstellung eines Stapels (2) aus einer Mehrzahl von elektrochemischen Zellen, die jeweils aus mindestens einer1. A method for producing a stack (2) from a plurality of electrochemical cells, each of at least one
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. Membrane component (10) and a bipolar plate (3) are formed as the constituent components, comprising the steps: a) erecting the components on their edge (11), b) feeding the components erected on their edge (11) to a vibrating boom (6 ) for their alignment, c) formation of the stack (2) from the aligned components.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten mit ihrer Flachseite auf dem oberen Trumm eines ersten Förderbandes (5) platziert werden. 2. The method according to claim 1, characterized in that the components are placed with their flat side on the upper run of a first conveyor belt (5).
3. 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. 3. The method according to claim 2, characterized in that from a first loading station (12) one of the components is placed on the first conveyor belt (5), and that from a second loading station (13) the other of the components onto the one on the first Conveyor belt (5) placed component is layered.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die aufeinander geschichteten Komponenten und zweite Komponente eine unverbundene Einheitszelle (14) bilden. 4. The method according to claim 3, characterized in that the layered components and second component form an unconnected unit cell (14).
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten beim Passieren einer Umlenkrolle (9) des ersten Förderbandes (5) aufgerichtet werden. 5. The method according to any one of claims 2 to 4, characterized in that the components are erected when passing a deflection roller (9) of the first conveyor belt (5).
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten aus dem Rüttelausleger (6) an ein zweites Förderband (7) übergeben werden. 6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the components from the vibrating boom (6) are transferred to a second conveyor belt (7).
7. 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. 7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the vibrating boom (6) in the circumferential direction of the components vibrates its side edges (15) and the upper edge (16) at several vibrating points (17).
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgerichtete Komponente auf mindestens zwei8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the erected component on at least two
Auflagepunkten (18) der Kante (11) gelagert ist. Support points (18) of the edge (11) is mounted.
9. 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 bildenden9. Device (19) for producing a stack (2) from a plurality of electrochemical cells, which are each formed from at least one membrane component (10) and a bipolar plate (3) as the constituent components, characterized in that a vibrating cantilever (17 ) is provided for receiving the components erected on their edge (11), and that the vibrating boom (6) is followed by a second conveyor belt (7) for transporting the components to be formed from the erected components
Stapels (2) angeordnet ist. Stack (2) is arranged.
10. 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. 10. Device (19) according to claim 9, characterized in that a first conveyor belt (5) is provided, on whose upper run components of the electrochemical cells can be placed with their flat side and the vibrating boom (6) between the deflection roller (9) located downstream of the first conveyor belt (5) and the upstream deflection roller (9) of the second conveyor belt (7).
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