EP4684441A1 - Vorrichtung und verfahren zur montage eines zellenstapels - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur montage eines zellenstapels

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EP4684441A1
EP4684441A1 EP24708969.1A EP24708969A EP4684441A1 EP 4684441 A1 EP4684441 A1 EP 4684441A1 EP 24708969 A EP24708969 A EP 24708969A EP 4684441 A1 EP4684441 A1 EP 4684441A1
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EP
European Patent Office
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cell stack
plate
stack
bipolar
designed
Prior art date
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Pending
Application number
EP24708969.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Lukas HERMANN
Benedikt Morgenstern
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Schaeffler Technologies AG and Co KG
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG and Co KG
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Publication date
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Publication of EP4684441A1 publication Critical patent/EP4684441A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • 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

  • three or more fixing elements arranged one above the other, each intended for contacting a bipolar plate, are mounted in an individually spring-loaded manner in a common, horizontally and vertically adjustable holder.
  • a single clamping device can be assigned to the adjustable holder, which is designed to simultaneously clamp or release all of the fixing elements located in the holder as required.
  • MEA retention device which can be used to press a membrane electrode assembly (MEA) located at the top of the partially completed cell stack onto the membrane electrode assembly. electrode assembly). If a bipolar plate is placed on the MEA, the MEA retention is deactivated.
  • MEA membrane electrode assembly
  • the side assemblies of the fixing device each have an angled gripper against which the cell stack strikes both laterally and upwards.
  • this results in a significantly simplified structure of the assembly device. This structure is particularly suitable in cases in which the bipolar plates are bent during assembly, as will be explained in more detail below.
  • the lifting device intended to hold the cell stack can have three plates arranged parallel to one another, namely a base plate, a middle plate and an upper plate intended to support the cell stack.
  • a pressure measuring system can exist between the base plate and the middle plate, while the upper plate is mounted on the middle plate so that it can be moved vertically with the help of springs.
  • the two lower plates can be perforated in any way, provided that the intended supporting function is provided.
  • a distance measuring device designed to measure the distance between the upper plate and the middle plate is available. If the properties of the springs mentioned are known, the distance measuring device can also be used to measure pressure, so that together with the pressure measuring system located below on the base plate, there is redundancy in the force measurement.
  • the process for assembling a cell stack is characterized by the fact that the cell stack being constructed, which comprises bipolar plates arranged parallel to one another in a horizontal alignment and membrane electrode arrangements, is subjected to pressure during its construction. This is done by applying a pressure force - in addition to the weight - after each additional bipolar plate is placed on top of the cell stack. of the cell components - downward pressure is exerted on the cell stack, which is still unfinished at this stage of production. This pressure pushes the cell stack downwards as a whole, compressing springs located underneath the cell stack that support it, which is known as overpressing. After the overpressing that takes place during assembly of the cell stack, the vertically downward pressure is reduced so that the cell stack is raised again slightly by the springs. Finally, in the state then assumed with at least partially expanded springs, at least the upper bipolar plate is fixed in the vertical and lateral direction while maintaining a partial amount of the downward pressure.
  • the springs which are compressed during the overpressure, can be arranged in particular in the manner described between height-adjustable plates and are designed, for example, as helical springs or leaf springs. Pneumatic support is also possible.
  • a lifting system which enables the height of the plates to be adjusted, can use force measurements, length measurements or a combination of force measurements and geometric measurements for readjustment.
  • a first process variant provides that the bipolar plates as well as the membrane electrode arrangements are placed alternately on the cell stack in a completely flat state.
  • the bipolar plates are placed on the cell stack in a curved state while exerting a vertically downward force, wherein first the central region of the bipolar plate is pressed onto the cell stack and then, while maintaining pressure, the entire bipolar plate is brought into contact with the cell stack while being converted into its original flat shape.
  • One advantage of the invention is in particular that the cell stack is continuously compressed during its creation. This advantage applies regardless of the type of cell, for example fuel cells or electrolysis cells. Tilting the stack during assembly is not necessary under any circumstances.
  • the stack components can be aligned not only on their external geometry, but also on structures further inside, for example an active field.
  • Assembling the stack components in their final alignment is particularly advantageous in cases where subsequent displacement of components for the purpose of adjustment would no longer be possible without further ado.
  • Such a restriction on subsequent adjustability can arise, for example, due to seals, such as silicone seals, which are located in the cell stack.
  • Fig. 1 shows a first embodiment of a device for assembling a stack of electrochemical cells
  • Fig. 2 shows a schematic section of a second embodiment of a device for assembling a cell stack in a first operating state
  • Fig. 3 shows the mounting device according to Fig. 2 in a second operating state.
  • a production system is designed as a device for assembling a cell stack 7, namely a fuel cell stack.
  • the production system 1, i.e. assembly device comprises a handling device 2 for lifting and positioning flat fuel cell components to be assembled.
  • the handling device 2 includes supporting elements 3 and movable elements 4, wherein the movable elements 4 can be arms of an articulated arm robot (not shown in more detail). In a manner not shown, the handling device 2 can also comprise movable elements 4 that are only linearly movable.
  • the elements 3, 4 carry a gripper 6 of a known design in principle, which is, for example, a vacuum gripper.
  • the gripper 6 can use other physical principles, such as adhesion or magnetism.
  • stationary position detection devices can be present in addition to the position detection system 5 shown in Fig. 1.
  • a fuel cell stack 7 is built, which is also referred to as a stack for short.
  • Flat components of the stack 7 are bipolar plates 8 and membrane electrode arrangements 9.
  • the fuel cell stack 7, which is being built, is already kept under pressure during its construction.
  • a positioning and pressure system designated as a whole by 10 is provided.
  • the positioning and pressure system 10 includes a lifting device 11 on which the partially finished stack 7 is located.
  • the positioning and pressure system 10 also has a lateral fixing device, designated as a whole by 12, which in the present case comprises exactly two assemblies 13, 14, that is to say a first assembly 13 and a second assembly 14, wherein the assemblies 13, 14 are designed to be mirror-symmetrical to one another.
  • the first assembly 13 is referred to as left assembly and the second assembly 14 is referred to as the right assembly of the fixing device 12.
  • the stack 7 is constructed vertically, which means that the various components 8, 9 of the stack 7 are always aligned horizontally when it is created.
  • the height of the stack 7 can be adjusted using a lifting system 15, which is part of the lifting device 11.
  • the lifting system 15 is designed to vary the height setting of a base plate 16, which is located below a middle plate 18.
  • a pressure measuring system 17 i.e. a measuring system in the form of a scale.
  • springs 19 designed as compression springs, which carry an upper plate 21, which is also referred to as a receiving device and carries the stack 7 to be assembled.
  • a distance measuring device 20 acting between the middle plate 18 and the upper plate 21 can be used as an additional force measuring device - if the properties of the springs 19 are known.
  • a linear guide 22 is provided to enable a defined linear displacement between the center plate 18 and the receiving device 21. If the receiving device 21 is lifted to the maximum from the center plate 18 and thus also from the base plate 16, an end stop 35 comes into operation.
  • the layout of the receiving device 21 is matched to the dimensions of the components 8, 9 of the fuel cell stack 7.
  • the aforementioned fixing device 12 and an MEA retainer 23 are provided.
  • the MEA retainer 23 is intended exclusively for contacting the membrane electrode arrangement 9 located at the top of the stack 7. As soon as this membrane electrode arrangement 9 is covered by a bipolar plate 8, the MEA retainer 23 is out of the question.
  • An actuating mechanism of the MEA retention 23, i.e. a device for retaining a membrane electrode arrangement 9, is designated by 24.
  • each assembly 13, 14 of the fixing device 12 has several, in the present case three, movable fixing elements 25.
  • a spring 26 acts on each of the fixing elements 25 designed as a slider, which pushes the relevant fixing element 25 in the direction of the stack 7.
  • the entirety of the fixing elements 25 and springs 26 of each assembly 13, 14 is arranged in a receptacle 27.
  • a guide device for horizontally moving the receptacle 27 is designated 28.
  • the guide device 28 can be actuated with the aid of an actuating device 29.
  • a clamping device 30 is provided, which comprises a clamping plate 31.
  • a spring 32 acts on the clamping plate 31 in a vertical, clamping direction.
  • a pulling element 33 acts in the opposite direction and can be actuated by means of an actuating device 34.
  • the embodiment according to Fig. 2 and 3 differs from the embodiment according to Fig. 1 in that the assemblies 13, 14 of the lateral fixing device 12 are designed to be significantly simpler.
  • the function of the assemblies 13, 14 is taken over by a gripper 36, which both represents a lateral stop against the components 8, 9 of the fuel cell stack 7 and also compresses the stack 7 as a whole.
  • the bipolar plates 8 are initially picked up by the vacuum gripper 6 in a completely horizontal orientation, as outlined in Fig. 2.
  • a plurality of vacuum grippers 6 are present.
  • the method illustrated in Figs. 2 and 3 has a special feature compared to the method using the production plant 1 according to Fig. 1.
  • the bipolar plate 8 which is lifted with the grippers 6, for example vacuum grippers, is bent before it is placed on the stack 7, so that the edges of the bipolar plate 8 are bent up.
  • the bipolar plate 8 is returned to its original flat shape with increasing force F.
  • the two grippers 36 grip the stack 7 so that it remains in its compressed form.
  • the grippers 36 are then temporarily removed from the stack 7 to enable the next initially curved component 8, 9 to be placed on the fuel cell stack 7.
  • the bipolar plates 8 are not deformed during the construction of the stack 7. If a bipolar plate 8 is to be placed on the stack 7, the MEA retainer 23 is first opened. The correct placement position of the bipolar plate 8 is monitored with the aid of the position detection system 5. After the bipolar plate 8 has been placed, it initially remains fixed to the gripper 6. The handling device 2 then presses the bipolar plate 8 onto the stack 7 in such a way that it is pressed against the springs 19. Compared to the deformation of the springs 19, the stack 7 itself is deformed at most insignificantly. The overpressure in the vertical direction, expressed in mm, corresponds to the sum of the thickness of the bipolar plate 8 and a defined additional path, which is significantly less than the thickness of the bipolar plate 8.

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Abstract

Eine Vorrichtung zur Montage eines Zellenstapels (7), insbesondere Brennstoffzellenstapels, umfasst eine Handhabungsvorrichtung (2) einschließlich eines Greifers (6) sowie ein Positionier- und Andrucksystem (10), welches zur Komprimierung eines teilfertigen Zellenstapels (7) ausgebildet ist. Das Positionier- und Andrucksystem (10) umfasst eine zur Aufnahme des in einem beliebigen Fertigungsstadium befindlichen Zellenstapels (7) vorgesehene Anhebevorrichtung (11) sowie eine oberhalb der Anhebevorrichtung (11) befindliche seitliche Fixiervorrichtung (12), welche aus mehreren Baugruppen (13, 14) aufgebaut ist, wobei die genannten Baugruppen (13, 14) zur Anlage des Zellenstapels (7) in vertikaler und horizontaler Richtung vorgesehen und in beiden genannten Richtungen verstellbar und feststellbar sind.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Montage eines Zellenstapels
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Montage eines Zellenstapels, insbesondere eines Stapels elektrochemischer Zellen, beispielsweise eines Brennstoffzellenstapels. Ferner betrifft die Erfindung eine zur Durchführung eines solchen Montageverfahrens geeignete Vorrichtung.
Die DE 10 2016220 173 A1 offenbart eine Montagevorrichtung für das Aufstapeln eines Brennstoffzellenstapels. Mit Hilfe dieser Montagevorrichtung wird ein aus Memb- ran-Elektroden-Einheiten und Bipolarplatten abwechselnd aufgebauter Brennstoffzellenstapel in vertikaler Richtung aufgestapelt. Die bekannte Montagevorrichtung weist einen im Wesentlichen quaderförmigen Montageraum auf, welcher von einer Mehrzahl vertikal orientierter Anlageleisten begrenzt ist. Die Anlageleisten, welche die Aufgabe haben, die Membran-Elektroden-Einheiten und Bipolarplatten während des Aufstapelns gegeneinander zu positionieren, sind in horizontaler Richtung verfahrbar.
Aus der DE 10 2017 100 362 A1 ist ein System zur Montage und Kompression von Brennstoffzellenstapeln bekannt. Dieses System umfasst ein Brennstoffzellenstapelgehäuse sowie eine Presse mit einer Vielzahl von Pressstangen, die eine Kompression des Brennstoffzellenstapels bewirken, welcher durch Aufeinanderstapeln der Brennstoffzellenkomponenten in das Brennstoffzellenstapelgehäuse erzeugt wurde.
Eine in der DE 102015 220 399 A1 beschriebene Vorrichtung zum automatischen Stapeln eines Brennstoffzellenstapels umfasst ein Druckelement, welches zur Druckbeaufschlagung der aufgestapelten Brennstoffzellen vorgesehen und zusätzlich drehbar ist. Die automatische Stapelvorrichtung soll ferner die Möglichkeit bieten, Defektteile zu erkennen sowie einen Stapelkörper auf Luftdichtigkeit zu prüfen. Verschiedene Kompressionssysteme für Brennstoffzellenstapel sind in den Dokumenten DE 10 2020 127 917 A1 und DE 10 2021 112 699 A1 beschrieben. Zur Kompression von Brennstoffzellenstapeln sind in diesen Fällen Spannbänder beziehungsweise leistenförmige Rückhaltemittel, welche mit Endplatten eines Zellenstapels verbunden sind, vorgesehen.
Die DE 10 2018 119 633 A1 schlägt zur Montage eines Brennstoffzellen-Stapels eine Einkapselung vor, welche eine Brennstoffzellen-Anordnung in einer Stapelrichtung der Brennstoffzelle vorspannt und versiegelt.
Eine in der DE 20 2020 105 427 U1 beschriebene Brennstoffzellenstapelmontagevorrichtung umfasst ein Magnetanlageteil, der sich senkrecht zu einem Sockel der Montagevorrichtung erstreckt und mehrere Brennstoffzelleneinheiten anzieht. Hierbei greift der Magnetanlageteil in Kerben oder Aussparungen von Brennstoffzellenelementen ein.
Eine in der US 2020/0091542 A1 beschriebene Vorrichtung nutzt zur Handhabung von Batterieplatten einen Roboter. Die Orientierung von Batteriekomponenten soll hierbei mit Hilfe eines Sensors detektierbar sein.
Weitere Vorrichtungen und Verfahren zur Handhabung von Komponenten elektrochemischer Systeme sind aus den Dokumenten CN 207265167 U, CN 107706438 A, sowie CN 113036200 A bekannt. Im letztgenannten Fall sind Bindeelemente zum Zusammenhalten eines komprimierten Zellenstapels vorgesehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Fortschritte bei der Herstellung von Zellenstapeln, insbesondere Brennstoffzellenstapeln, gegenüber dem genannten Stand der Technik zu erzielen, wobei ein besonders günstiges Verhältnis zwischen Montageaufwand und Prozesssicherheit angestrebt wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine zur Montage eines Zellenstapels, insbesondere eines Stapels elektrochemischer Zellen, geeignete Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 . Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Montage eines Zellenstapels, insbesondere Brennstoffzellenstapels, gemäß Anspruch 8. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Montageverfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Montagevorrichtung und umgekehrt.
Die zur Montage eines Zellenstapels vorgesehene Vorrichtung umfasst eine Handhabungsvorrichtung einschließlich eines zum Anheben flächiger Gegenstände geeigneten Greifers, beispielsweise in Form eines Vakuumgreifers, oder einer Mehrzahl solcher Greifer sowie mit ein mit dem Greifer beziehungsweise den Greifern zusammenwirkendes Positionier- und Andrucksystem, welches zur Komprimierung eines teilfertigen Zellenstapels ausgebildet ist. Der Begriff Komprimierung bedeutet hierbei nicht zwangsläufig, dass es zu irgendeinem Zeitpunkt zu einer starken Verringerung der vertikalen Abmessung des Zellenstapels kommt. In jedem Fall ist der aufzubauende Zellenstapel vertikal ausgerichtet, was mit einer horizontalen Ausrichtung der aufeinander zu stapelnden flächigen Komponenten des Zellenstapels gleichbedeutend ist. Die waagrechte Lage der Zellenkomponenten erleichtert einen Aufbau des Stapels in hoher Geschwindigkeit.
Das Positionier- und Andrucksystem umfasst eine zur Aufnahme des in einem beliebigen Fertigungsstadium befindlichen Zellenstapels vorgesehene Anhebevorrichtung sowie eine oberhalb der Anhebevorrichtung befindliche seitliche Fixiervorrichtung, welche zur Anlage des Zellenstapels in vertikaler und horizontaler Richtung vorgesehen und in den genannten Richtungen in vielfältiger Weise verstellbar sowie bedarfsweise feststellbar ist. Die Fixiervorrichtung umfasst mehrere Baugruppen, welche an verschiedenen Stellen des Zellenstapels angreifen.
Beispielsweise sind zwei derartige Baugruppen vorhanden, wobei eine erste Baugruppe und eine zweite Baugruppe spiegelsymmetrisch zueinander neben dem Zellenstapel angeordnet sind, das heißt den Zellenstapel beidseitig flankieren. Ebenso sind Ausgestaltungen realisierbar, in welchen die Fixiervorrichtung aus drei, vier oder mehr gleichartigen oder verschiedenartigen Baugruppen aufgebaut ist. Die mindestens zwei Baugruppen, welche insbesondere in einer symmetrischen Anordnung platziert sind, können simultan oder auch unabhängig voneinander verstellt werden.
Der Zellenstapel wird mit Hilfe der aus mehreren Baugruppen gebildeten Fixiervorrichtung nicht erst nach seiner Fertigstellung, sondern bereits während seiner Entstehung unter Ausübung eines Drucks in Form gehalten, was zusammen mit der waagrechten Ausrichtung der Zellenkomponenten nicht nur eine Montage mit hoher Taktung, sondern auch eine hohe geometrische Präzision begünstigt. Insbesondere beugt die während des Montagevorgangs erfolgende Kompression des Zellenstapels einem Verrutschen von Zellenkomponenten innerhalb des Stapels vor.
Gemäß einer ersten möglichen Gruppe an Ausgestaltungen umfasst jede der zwei o- der mehr Baugruppen der gesamten, mehrteiligen Fixiervorrichtung der Montagevorrichtung mehrere in horizontaler Richtung verschiebbare Fixierelemente, welche zur Abstützung übereinander angeordneter, im Zellenstapel enthaltener Bipolarplatten sowohl in seitlicher als auch in vertikaler Richtung vorgesehen sind. Die Abstützung in vertikaler Richtung impliziert hierbei die Einleitung einer in vertikaler Richtung wirkenden Kraft in den Zellenstapel.
Beispielsweise sind drei oder mehr übereinander angeordnete, jeweils zur Kontaktierung einer Bipolarplatte vorgesehene Fixierelemente in einzeln angefederter Weise in einer gemeinsamen, horizontal sowie vertikal verstellbaren Aufnahme gelagert. Der verstellbaren Aufnahme kann eine einzige Klemmvorrichtung zugeordnet sein, welche bedarfsweise zum gleichzeitigen Klemmen beziehungsweise Freigeben sämtlicher in der Aufnahme befindlicher Fixierelemente ausgebildet ist.
Optional existiert zusätzlich zu den in horizontaler Richtung verschiebbaren Fixierelementen eine zuschaltbare MEA-Rückhaltung, welche zum Andrücken einer im teilfertigen Zellenstapel oben liegenden Membran-Elektroden-Anordnung (MEA, membrane electrode assembly) ausgebildet ist. Wird auf die MEA eine Bipolarplatte aufgelegt, so wird die MEA-Rückhaltung außer Funktion gesetzt.
Gemäß einer zweiten möglichen Gruppe an Ausgestaltungen weisen die seitlichen Baugruppen der Fixiervorrichtung jeweils einen winkelförmigen Umgreifer auf, an welchen der Zellenstapel seitlich und zugleich nach oben anschlägt. Im Vergleich zur ersten möglichen Gruppe an Ausgestaltungen ergibt sich damit ein deutlich vereinfachter Aufbau der Montagevorrichtung. Dieser Aufbau kommt insbesondere in Fällen in Betracht, in denen die Bipolarplatten bei der Montage gebogen werden, wie im Folgenden noch näher erläutert werden wird.
In jeder der beiden möglichen Gruppe an Ausgestaltungen kann die zur Aufnahme des Zellenstapels vorgesehene Anhebevorrichtung drei parallel zueinander angeordnete Platten, nämlich eine Basisplatte, eine Mittelplatte und eine obere, zur Auflage des Zellenstapels bestimmte Platte aufweisen. Hierbei kann ein zwischen der Basisplatte und der mittleren Platte wirksames Druckmesssystem existieren, während die obere Platte mit Hilfe von Federn vertikal verschiebbar auf der Mittelplatte gelagert ist. Insbesondere die beiden unteren Platten können, soweit die vorgesehene, abstützende Funktion gegeben ist, in beliebiger Weise durchbrochen sein.
Optional ist eine zur Messung des Abstandes zwischen der oberen Platte und der Mittelplatte ausgebildete Abstandsmessvorrichtung vorhanden. Bei Kenntnis der Eigenschaften der genannten Federn ist die Abstandsmessvorrichtung auch zur Druckmessung nutzbar, so dass zusammen mit dem unten liegenden, auf der Basisplatte angeordneten Druckmesssystem eine Redundanz der Kraftmessung gegeben ist.
Das Verfahren zur Montage eines Zellenstapels zeichnet sich dadurch aus, dass der im Aufbau befindliche, parallel zueinander in horizontaler Ausrichtung angeordnete Bipolarplatten sowie Membran-Elektroden-Anordnungen umfassende Zellenstapel bereits während seiner Entstehung einem Druck ausgesetzt wird. Dies geschieht, indem nach dem Auflegen jeder zusätzlichen Bipolarplatte ein - zusätzlich zur Gewichtskraft der Zellenkomponenten - nach unten wirkender Druck auf den in diesem Fertigungsstadium noch unfertigen Zellenstapel ausgeübt wird. Durch diesen Druck wird der Zellenstapel als Ganzes nach unten gedrückt, wobei unterhalb des Zellenstapels befindliche, diesen abstützende Federn komprimiert werden, was als Überdrücken bezeichnet wird. Nach dem im Zuge der Montage des Zellenstapels erfolgenden Überdrücken wird der vertikal nach unten wirkende Druck reduziert, so dass der Zellenstapel durch die Federn wieder etwas angehoben wird. Schließlich wird in dem dann eingenommenen Zustand mit zumindest teilweise expandierten Federn zumindest die oben liegende Bipolarplatte in vertikaler und seitlicher Richtung unter Aufrechterhaltung eines Teilbetrags des nach unten wirkenden Drucks fixiert.
Die Federn, welche während des Überdrückens komprimiert werden, können insbesondere in der beschriebenen Weise zwischen höhenverstellbaren Platten angeordnet sein und sind beispielsweise als Schraubenfedern oder Blattfedern ausgebildet. Ebenso kommt eine pneumatische Abstützung in Betracht. In allen Fällen kann ein Hubsystem, welches die Höhenverstellung der Platten ermöglicht, zum Nachregeln Kraftmesswerte, Längenmesswerte oder eine Kombination von Kraftmesswerten und geometrischen Messwerten nutzen.
Eine erste Verfahrensvariante sieht vor, dass die Bipolarplatten ebenso wie die Membran-Elektroden-Anordnungen jeweils in komplett flachem Zustand abwechselnd auf den Zellenstapel aufgelegt werden.
Gemäß einer alternativen Verfahrensvariante werden zumindest die Bipolarplatten in gekrümmtem Zustand unter Ausübung einer vertikal nach unten gerichteten Kraft auf den Zellenstapel aufgelegt, wobei zunächst der mittlere Bereich der Bipolarplatte auf den Zellenstapel aufgedrückt wird und unter Aufrechterhaltung von Druck anschließend die gesamte Bipolarplatte unter Überführung in ihre ursprüngliche flache Form in Kontakt mit dem Zellenstapel gebracht wird. Ein Vorteil der Erfindung liegt insbesondere darin, dass der Zellenstapel, das heißt Stack, bereits während dessen Entstehung durchgängig komprimiert wird. Dieser Vorteil ist unabhängig davon gegeben, um welche Art von Zellen, beispielsweise Brennstoffzellen oder Elektrolysezellen, es sich handelt. Ein Kippen des Stacks während der Montage ist in keinem Fall erforderlich. Je nach Ausgestaltung des Positionier- und Andrucksystems, welches ein Verrutschen von Stack-Komponenten während der Montage verhindert, können die Stack-Komponenten nicht nur auf deren Außengeometrie, sondern auch auf weiter innen liegende Strukturen, zum Beispiel ein Aktivfeld, ausgerichtet werden. Die Montage der Stack-Komponenten in deren endgültiger Ausrichtung ist besonders in Fällen von Vorteil, in denen ein nachträgliches Verschieben von Komponenten zum Zweck der Justage nicht mehr ohne weiteres möglich wäre. Eine solche Einschränkung der nachträglichen Justierbarkeit kann zum Beispiel aufgrund von Dichtungen, beispielsweise Silikondichtungen, welche sich im Zellenstapel befinden, gegeben sein.
Nachfolgend werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen, teilweise grob schematisiert:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Montage eines Stapels elektrochemischer Zeller,
Fig. 2 in einem schematisierten Ausschnitt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Montage eines Zellenstapels in einem ersten Betriebszustand,
Fig. 3 die Montagevorrichtung nach Fig. 2 in einem zweiten Betriebszustand.
Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf beide Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit dem gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnete Fertigungsanlage ist als Vorrichtung zur Montage eines Zellenstapels 7, nämlich Brennstoffzellenstapels, ausgebildet. Die Fertigungsanlage 1 , das heißt Montagevorrichtung, umfasst eine Handhabungsvorrichtung 2 zum Anheben und Positionieren flächiger, zu montierender Brennstoffzellenkomponenten. Der Handhabungsvorrichtung 2 sind tragende Elemente 3 und bewegliche Elemente 4 zuzurechnen, wobei die beweglichen Elemente 4 Arme eines nicht weiter dargestellten Knickarmroboters sein können. In nicht dargestellter Weise kann die Handhabungsvorrichtung 2 auch bewegliche Elemente 4 umfassen, die ausschließlich linear beweglich sind.
Die Elemente 3, 4 tragen einen Greifer 6 prinzipiell bekannter Bauart, bei welchem es sich zum Beispiel um einen Vakuumgreifer handelt. Alternativ kann der Greifer 6 sonstige physikalische Prinzipien, wie Adhäsion oder Magnetismus, nutzen. Ein lediglich in Fig. 1 angedeutetes, jedoch ebenso beim Ausführungsbeispiel nach den Fig. 2 und 3 vorhandenes Positionserkennungssystem 5 ist in den vorliegenden Fällen dazu ausgebildet, die Positionierung eines Gegenstandes relativ zum Vakuumgreifer 6 zu de- tektieren. In nicht dargestellter Weise können zusätzlich zu dem in Fig. 1 eingezeichneten Positionserkennungssystem 5 ortsfest installierte Positionserkennungsvorrichtungen vorhanden sein.
Mit Hilfe der Handhabungsvorrichtung 2 wird ein Brennstoffzellenstapel 7 aufgebaut, der kurz auch als Stack bezeichnet wird. Flächige Komponenten des Stacks 7 sind Bipolarplatten 8 sowie Membran-Elektroden-Anordnungen 9. Der in der Entstehung befindliche Brennstoffzellenstapel 7 wird bereits während seines Aufbaus unter Druck gehalten. Hierzu ist ein insgesamt mit 10 bezeichnetes Positionier- und Andrucksystem vorgesehen. Dem Positionier- und Andrucksystem 10 ist eine Anhebevorrichtung 11 zuzurechnen, auf welcher sich der teilfertige Stack 7 befindet. Ferner weist das Positionier- und Andrucksystem 10 eine insgesamt mit 12 bezeichnete seitliche Fixiervorrichtung auf, welche in den vorliegenden Fällen genau zwei Baugruppen 13, 14, das heißt eine erste Baugruppe 13 und eine zweite Baugruppe 14, umfasst, wobei die Baugruppen 13, 14 spiegelsymmetrisch zueinander ausgebildet sind. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird in den vorliegenden Fällen die erste Baugruppe 13 als linke Baugruppe und die zweite Baugruppe 14 als rechte Baugruppe der Fixiervorrichtung 12 bezeichnet. In abgewandelten Ausführungsformen existieren beispielsweise vier Baugruppen 13, 14, welche sich auf allen vier Seiten des in der Draufsicht rechteckigen Stacks 7 befinden.
Der Stack 7 wird senkrecht aufgebaut, was gleichbedeutend damit ist, dass die verschiedenen Komponenten 8, 9 des Stacks 7 bei dessen Entstehung stets horizontal ausgerichtet sind. Die Höhenlage des Stacks 7 ist mit Hilfe eines Hubsystems 15 verstellbar, welches Teil der Anhebevorrichtung 11 ist. Das Hubsystem 15 ist dazu eingerichtet, die Höheneinstellung einer Basisplatte 16, welche sich unterhalb einer Mittelplatte 18 befindet, zu variieren. Zwischen den genannten Platten 16, 18 befindet sich ein Druckmesssystem 17, das heißt ein Messsystem in der Art einer Waage. Auf der Mittelplatte 18 wiederrum befinden sich mehrere als Druckfedern ausgebildete Federn 19, welche eine obere Platte 21 tragen, die auch als Aufnahmeeinrichtung bezeichnet wird und den zu montierenden Stack 7 trägt. Eine zwischen der Mittelplatte 18 und der oberen Platte 21 wirksame Abstandsmessvorrichtung 20 ist - bei bekannten Eigenschaften der Federn 19 - als weitere Kraftmessvorrichtung nutzbar.
Zur Ermöglichung einer definierten linearen Verschiebung zwischen der Mittelplatte 18 und der Aufnahmeeinrichtung 21 ist eine Linearführung 22 vorgesehen. Ist die Aufnahmeeinrichtung 21 maximal von der Mittelplatte 18 und damit auch von der Basisplatte 16 abgehoben, so tritt ein Endanschlag 35 in Funktion. Der Grundriss der Aufnahmeeinrichtung 21 ist auf die Abmessungen der Komponenten 8, 9 des Brennstoffzellenstapels 7 abgestimmt.
Um die verschiedenen Komponenten 8, 9 des Brennstoffzellenstapels 7 während dessen Entstehung in ihrer vorgesehenen Position zu halten und hierbei eine Kraft F in vertikaler Richtung auf den Stack 7 auszuüben, ist zum einen die erwähnte Fixiervorrichtung 12 und zum anderen eine MEA-Rückhaltung 23 vorgesehen. Die MEA-Rück- haltung 23 ist ausschließlich zur Kontaktierung der im Stack 7 oben liegenden Memb- ran-Elektroden-Anordnung 9 vorgesehen. Sobald diese Membran-Elektroden-Anord- nung 9 von einer Bipolarplatte 8 bedeckt ist, ist die MEA-Rückhaltung 23 außer Funktion. Ein Betätigungsmechanismus der MEA-Rückhaltung 23, das heißt Vorrichtung zur Rückhaltung einer Membran-Elektroden-Anordnung 9, ist mit 24 bezeichnet.
Jede Baugruppe 13, 14 der Fixiervorrichtung 12 weist im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 mehrere, im vorliegenden Fall drei Stück, verschiebbare Fixierelemente 25 auf. Auf jedes der als Schieber ausgebildeten Fixierelemente 25 wirkt eine Feder 26, welche das betreffende Fixierelement 25 in Richtung zum Stack 7 schiebt. Die Gesamtheit der Fixierelemente 25 und Federn 26 einer jeden Baugruppe 13, 14 ist in einer Aufnahme 27 angeordnet. Eine Führungsvorrichtung zur Horizontalverschiebung der Aufnahme 27 ist mit 28 bezeichnet. Die Führungsvorrichtung 28 ist mit Hilfe einer Betätigungsvorrichtung 29 betätigbar. Zur Blockierung der Fixierelemente 25 in der Aufnahme 27 ist eine Klemmvorrichtung 30 vorgesehen, die eine Klemmplatte 31 umfasst. Auf die Klemmplatte 31 wirkt eine Feder 32 in vertikaler, klemmender Richtung. In die Gegenrichtung wirkt ein Zugelement 33, welches mittels einer Betätigungsvorrichtung 34 betätigbar ist.
Das Ausführungsbeispiel nach den Fig. 2 und 3 unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 dadurch, dass die Baugruppen 13, 14 der seitlichen Fixiervorrichtung 12 wesentlich einfacher gestaltet sind. Im Fall der Fig. 2 und 3 wird die Funktion der Baugruppen 13, 14 jeweils durch einen Umgreifer 36 übernommen, der sowohl einen seitlichen Anschlag gegenüber den Komponenten 8, 9 des Brennstoffzellenstapels 7 darstellt, als auch den Stack 7 als Ganzes komprimiert. Die Bipolarplatten 8 werden, wie in Fig. 2 skizziert, zunächst in komplett horizontaler Ausrichtung durch den Vakuumgreifer 6 aufgenommen. Entsprechendes gilt für die Aufnahme der Membran-Elektroden-Anordnungen 9 durch die Handhabungsvorrichtung 2. Insofern besteht noch kein Unterschied zwischen dem mit der Vorrichtung nach den Fig. 2 und 3 durchführbaren Verfahren und dem Verfahren, welches mit der Vorrichtung nach Fig. 1 durchgeführt wird. Statt eines einzigen Vakuumgreifers 6 ist im Fall von Fig. 2 und 3 eine Mehrzahl an Vakuumgreifern 6 vorhanden.
Im Anschluss an das Anheben der Bipolarplatte 8 weist das Verfahren, welches in den Fig. 2 und 3 veranschaulicht ist, eine Besonderheit gegenüber dem Verfahren, das mit der Fertigungsanlage 1 nach Fig. 1 durchgeführt wird, auf. Wie in Fig. 3 erkennbar ist, wird die mit den Greifern 6, beispielsweise Vakuumgreifern, angehobene Bipolarplatte 8, bevor sie auf den Stack 7 aufgesetzt wird, gebogen, so dass die Ränder der Bipolarplatte 8 hochgebogen sind. In diesem Zustand wird zunächst der mittlere Bereich der Bipolarplatte 8 auf den Stack 7 aufgesetzt. Anschließend wird mit zunehmender Kraft F die Bipolarplatte 8 wieder in ihre ursprüngliche ebene Form überführt. Ist dieser Vorgang abgeschlossen, so greifen die beiden Umgreifer 36 den Stack 7, so dass dieser in seiner komprimierten Form verbleibt. Die Umgreifer 36 werden dann vorübergehend vom Stack 7 entfernt, um das Auflegen der nächsten zunächst gekrümmten Komponente 8, 9 auf den Brennstoffzellenstapel 7 zu ermöglichen.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 werden, wie bereits erwähnt, die Bipolarplatten 8 im Zuge des Aufbaus des Stacks 7 nicht verformt. Ist eine Bipolarplatte 8 auf den Stack 7 aufzulegen, so wird zunächst die MEA-Rückhaltung 23 geöffnet. Die korrekte Ablageposition der Bipolarplatte 8 wird mit Hilfe des Positionserkennungssystems 5 überwacht. Nach der Ablage der Bipolarplatte 8 bleibt diese zunächst am Greifer 6 fixiert. Anschließend presst die Handhabungsvorrichtung 2 die Bipolarplatte 8 derart auf den Stack 7, dass dieser gegen die Federn 19 überdrückt wird. Im Vergleich zur Verformung der Federn 19 wird der Stack 7 selbst hierbei höchstens unwesentlich verformt. Die in mm ausgedrückte Überdrückung in vertikaler Richtung entspricht der Summe aus der Dicke der Bipolarplatte 8 und einem definierten Zusatzweg, welcher wesentlich geringer als die Dicke der Bipolarplatte 8 ist.
Wird durch die Überdrückung der Betrag des Zusatzweges erreicht, so liegt keine Kompressionskraft an den seitlichen Fixierelementen 25 mehr an. Die seitlichen, verschiebbaren Fixierelemente 25 sind, wie aus Fig. 1 hervorgeht, derart gestaltet, dass sie sowohl eine seitliche als auch eine vertikale Abstützung der Bipolarplatten 8 ermöglichen. In dem Zustand, in welchem keine Vertikalkraft mehr auf die Fixierelemente 25 wirkt, werden diese mit Hilfe der Führungsvorrichtung 28 und Betätigungsvorrichtung 29 seitlich vom Stack 7 weggefahren. Anschließend wird der Stack 7 mittels der Handhabungsvorrichtung 2 weiter nach unten gedrückt, bis der Maximalbetrag der Überdrückung erreicht ist. In diesem Zustand werden die Fixierelemente 25 bei geöffneter Klemmvorrichtung 30 wieder in Kontakt mit den Bipolarplatten 8, jedoch um genau eine Bipolarplatte 8 versetzt, gebracht. Jetzt kann die Klemmvorrichtung 30 wieder geschlossen werden. Die Einstellung der Anhebevorrichtung 11 wird bei dem beschriebenen Vorgang nachgeführt, wobei durch die verschiedenen Messvorrichtun- gen 17, 20 eine messtechnische Redundanz gegeben ist. Wird auf den im Aufbau befindlichen Brennstoffzellenstapel 7 eine Membran-Elektroden-Anordnung 9 aufgelegt, so findet die beschriebene Überdrückung nicht statt.
Bezuqszeichenliste
Fertigungsanlage
Handhabungsvorrichtung tragendes Element bewegliches Element
Positionserkennungssystem
Greifer, Vakuumgreifer
Brennstoffzellenstapel, Stack
Bipolarplatte
Membran-Elektroden-Anordnung, MEA
Positionier- und Andrucksystem
Anhebevorrichtung seitliche Fixiervorrichtung erste Baugruppe der Fixiervorrichtung zweite Baugruppe der Fixiervorrichtung
Hubsystem
Basisplatte
Druckmesssystem
Mittelplatte
Feder
Abstandsmessvorrichtung obere Platte, Aufnahmeeinrichtung
Linearführung
MEA-Rückhaltung
Betätigungsmechanismus der MEA-Rückhaltung seitliches, verschiebbares Fixierelement
Feder, auf Fixierelement 25 wirkend
Aufnahme für die Fixierelemente
Führungsvorrichtung zur Horizontalverschiebung der Aufnahme 27
Betätigungsvorrichtung für die Führungsvorrichtung 28
Klemmvorrichtung
Klemmplatte 32 Feder, auf die Klemmplatte 31 wirkend
33 Zugelement, gegen die Klemmkraft wirkend
34 Betätigungsvorrichtung zur Betätigung des Zugelementes
35 Endanschlag
36 Umgreifer
F Kraft

Claims

Patentansprüche
1 . Vorrichtung zur Montage eines Zellenstapels (7), mit einer Handhabungsvorrichtung (2), welche einen zum Anheben flächiger Gegenstände ausgebildeten Greifer (6) aufweist, sowie mit einem Positionier- und Andrucksystem (10), welches zur Komprimierung eines teilfertigen Zellenstapels (7) ausgebildet ist und eine zur Aufnahme des in einem beliebigen Fertigungsstadium befindlichen Zellenstapels (7) vorgesehene Anhebevorrichtung (11 ) sowie eine oberhalb der Anhebevorrichtung (11 ) befindliche seitliche Fixiervorrichtung (12), welche aus mehreren Baugruppen (13, 14) aufgebaut ist, umfasst, wobei die genannten Baugruppen (13, 14) zur Anlage des Zellenstapels (7) in vertikaler und horizontaler Richtung vorgesehen und in beiden genannten Richtungen verstellbar und feststellbar sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass jede der genannten Baugruppen (13, 14) der Fixiervorrichtung (12) mehrere in horizontaler Richtung verschiebbare Fixierelemente (25) umfasst, welche zur Abstützung übereinander angeordneter Bipolarplatten (8) sowohl in seitlicher als auch in vertikaler Richtung vorgesehen sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei übereinander angeordnete, jeweils zur Kontaktierung einer Bipolarplatte (8) vorgesehene Fixierelemente (25) in einzeln angefederter Weise in einer gemeinsamen, horizontal sowie vertikal verstellbaren Aufnahme (27) angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahme (27) eine einzige Klemmvorrichtung (30) zugeordnet ist, welche zum gleichzeitigen Klemmen sämtlicher in der Aufnahme (27) befindlicher Fixierelemente (25) ausgebildet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu den in horizontaler Richtung verschiebbaren Fixierelementen (25) eine zuschaltbare MEA-Rückhaltung (23) existiert, welche zum Andrücken einer im teilfertigen Zellenstapel (7) oben liegenden Membran-Elektroden- Anordnung (9) ausgebildet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die beiden seitlichen Baugruppen (13, 14) der Fixiervorrichtung (12) jeweils einen winkelförmigen Umgreifer (36) aufweisen, an welchen der Zellenstapel (7) seitlich und zugleich nach oben anschlägt.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anhebevorrichtung (11 ) drei parallel zueinander angeordnete Platten (16, 18, 21 ), nämlich eine Basisplatte (16), eine Mittelplatte (18) und eine obere, zur Aufnahme des Zellenstapels (7) vorgesehene Platte (21 ) aufweist, wobei ein zwischen der Basisplatte (16) und der Mittelplatte (18) wirksames Druckmesssystem (17) existiert und die obere Platte (21 ) mit Hilfe von Federn (19) vertikal verschiebbar auf der Mittelplatte (18) gelagert ist, und wobei eine zur Messung des Abstands zwischen der oberen Platte (21 ) und der Mittelplatte (18) ausgebildete Abstandsmessvorrichtung (20) vorgesehen ist.
8. Verfahren zur Montage eines Zellenstapels (7), wobei der im Aufbau befindliche, parallel zueinander in horizontaler Ausrichtung angeordnete Bipolarplatten (8) sowie Membran-Elektroden-Anordnungen (9) umfassende Zellenstapel (7) bereits während seiner Entstehung einem Druck ausgesetzt wird, indem nach dem Auflegen jeder zusätzlichen Bipolarplatte (8) ein vertikal nach unten wirkender Druck auf den Zellenstapel (7) ausgeübt wird, wodurch der Zellenstapel (7) als Ganzes nach unten gedrückt wird, was einen Übergang in einen überdrückten Zustand darstellt, in welchem unterhalb des Zellenstapels (7) befindliche, diesen abstützende Federn (19) komprimiert sind, und wobei nach dem Überdrücken der vertikal nach unten wirkende Druck reduziert wird, so dass der Zellenstapel (7) durch die Federn (19) wieder angehoben wird, und im dann gegebenen, expandierten Zustand der Federn (19) zumindest die oben liegende Bipolarplatte (8) in vertikaler und seitlicher Richtung unter Aufrechterhaltung eines Teilbetrags des nach unten wirkenden Drucks fixiert wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatten (8) sowie Membran-Elektroden-Anordnungen (9) jeweils in komplett flachem Zustand abwechselnd auf den Zellenstapel (7) aufgelegt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Bipolarplatten (8) in gekrümmtem Zustand auf den Zellenstapel (7) aufgelegt werden, wobei zunächst der mittlere Bereich der Bipolarplatte (8) auf den Zellenstapel (7) aufgedrückt wird und unter Aufrechterhaltung von Druck anschließend die gesamte Bipolarplatte (8) unter Überführung in ihre flache Form in Kontakt mit dem Zellenstapel (7) gebracht wird.
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