WO2018069461A1 - Montagevorrichtung für das aufstapeln eines brennstoffzellenstapels - Google Patents

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WO2018069461A1
WO2018069461A1 PCT/EP2017/076096 EP2017076096W WO2018069461A1 WO 2018069461 A1 WO2018069461 A1 WO 2018069461A1 EP 2017076096 W EP2017076096 W EP 2017076096W WO 2018069461 A1 WO2018069461 A1 WO 2018069461A1
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mounting device
fuel cell
strips
cell stack
cover plate
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PCT/EP2017/076096
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Inventor
Andreas Walter
Original Assignee
Thyssenkrupp System Engineering Gmbh
Thyssenkrupp Ag
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    • 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
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1004—Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2404—Processes or apparatus for grouping fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a mounting device for stacking in a vertical direction of a fuel cell stack alternately constructed of membrane-electrode assemblies and bipolar plates.
  • a fuel cell stack which is also referred to by the term "stack" consists in simple terms of a plurality of stacked fuel cells, an upper cover plate and a lower cover plate, between the upper and lower cover plate are alternately membrane-electrode units - abbreviated MEA - and The number of stacked fuel cells depends on the performance of the "stack” and can be on the order of 600 parts, with an overall height of 680 mm.
  • Devices for mounting fuel cell stacks for example, DE 10 2016 213 266 AI and DE 10 2015 223 193 AI.
  • the production of fuel cell stacks can conventionally take place via two different processes.
  • a device stacking pressing and a final Switzerlandianomontage done.
  • the fuel cell stack is removed from the device and transported to the residual assembly.
  • the fuel cell stacks can be stacked in a device.
  • the fuel cell stacks are transferred to a press, which is attached to a handling device such as a robot.
  • the stacks, including the press are transferred to a device for tension element mounting. After that, the transport takes place in the remainder of the assembly.
  • the assembly aid must keep the fuel cell stacks, which are very unstable due to the structural height and the different materials of the individual parts, throughout the process in a defined shape and location. To make matters worse at this point, that the upper and lower cover plate are laterally beyond the fuel cells, so that special Structural precautions must be taken to provide lateral contact surfaces for the layers of the fuel cell, which are not hindered by the cover plate. Finally, it must be ensured that after pressing and before the Switzerlandianomontage insulating elements are mounted around the fuel cell stack. Subsequently, the tension elements must be mountable. Finally, it would be advantageous if the manufacturing process to be performed with the assembly aid is feasible both in a robot cell and in a conventional transport system.
  • the object of the present invention is to provide an assembly aid that meets the requirements outlined above.
  • a mounting device for stacking in a vertical direction of a membrane electrode units and bipolar plates alternately constructed fuel cell stack, with a base plate, a cover plate and at least one arranged on each of the two end sides web, wherein a substantially cuboid Mounting space is limited within the mounting device of a plurality of vertically oriented contact strips to position the membrane electrode assemblies and bipolar plates against each other during the Aufstapeins over the contact strips.
  • an assembly aid is provided, which passes through all the steps of the manufacturing process, while the individual stacked components remain in the mounting device. That is, first, the required component, u.a. the MEA, the BPP, the lower and the upper cover plate stacked in the mounting device, then transported the stacked components together with the mounting device to the press to be pressed there and provided with the insulating elements and the tension elements, and finally the pressed fuel cell stack from the Removed mounting device and fed to the remainder.
  • the now empty assembly device can now again be made available to a production process.
  • the abutment bars ensure that the stacked components remain in place during the stack-up, as the abutment bars remain permanently in contact with the MEA and BPP layers.
  • An advantageous embodiment of the invention provides that a drive is provided for the synchronous method of the system strips. This advantageously ensures that the mounting space can be varied in its dimensions and adapted to different geometries of the fuel cell stack to be created.
  • the abutment strips are movable in a horizontal direction. This is advantageous since the lower cover plate of the fuel cell stack to be produced is circumferentially larger than the fuel cells to be stacked on the lower cover plate from MEA and BPP - and by a method of plant strips first the space is released to insert the lower cover plate in the mounting device can.
  • the abutment strips are moved back into a position in which the horizontal distance between the abutment strips corresponds exactly to the dimensions of the fuel cells to be stacked up. This ensures that during the process of Aufstapeins the individual fuel cells, the components - MEA, BPP, seals, etc. - are at all times in contact with the system strips and thereby safely positioned and held.
  • the drive comprises each arranged in the webs transfer mechanisms on the investment strips. This is advantageous because sufficient space is provided in the webs to accommodate the transfer mechanisms there. It can also be provided that the transmission mechanisms extend into the base plate and into the cover plate of the mounting device.
  • An advantageous embodiment of the invention provides that the drive has an interface via which a mechanical, electrical, hydraulic or pneumatic drive energy can be controlled. This is advantageous because in a production or workshop environment regularly one of these drive energy forms is available in the immediate range.
  • An advantageous embodiment of the invention provides that the abutment strips each have a fixed in the vertical direction first strip portion and a movable in the vertical direction second strip portion. This ensures that the different borrowed components of the fuel cell stack depending on the vertical arrangement with respect to the first and second strip portion can perform a vertical relative movement when pressing the B renn fabric cell stack.
  • the alignment function of the mounting device during pressing can be ensured hereby.
  • An advantageous embodiment of the invention provides that the movable strip sections are arranged in an upper region of the contact strip. This is advantageous in that the fuel cells are stacked from the bottom to the top and are pressed from top to bottom, so that the upper portion of the fuel cell stack, which makes a larger path during pressing, makes no relative movement with respect to the strip portions, but with the movable upper groin sections moved down.
  • An advantageous embodiment of the invention provides that the movable strip portions are acted upon by spring means in a vertically upper basic position with respect to the fixed strip portion.
  • the movable strip sections unloaded always take a defined position.
  • the vertical height of the two strips corresponds to sections, when the movable strip portions are in the home position, substantially the maximum réellestapdenden height of a fuel cell stack.
  • An advantageous embodiment of the invention provides that the contact strips are arranged to extend respectively on the webs and between the base plate and the cover plate. This ensures that the installation strips surround the stacked fuel cell stack as evenly as possible, so that the alignment function of the mounting device is ensured.
  • An advantageous embodiment of the invention provides that at each of the webs a contact strip is arranged and between the base plate and the cover plate at each of the webs connecting edge of the mounting device two contact strips are arranged.
  • the embodiment is advantageous if the webs are arranged on the narrow side and the flanks on the long side of the mounting device. As a result, sufficient alignment of the fuel cells during Aufstapeins is guaranteed on all sides.
  • An advantageous embodiment of the invention provides that a vertically adjustable component receptacle for receiving a fuel cell stack is arranged on the base plate.
  • the vertically adjustable component mounting ensures that fuel cell stacks of different heights can be produced in the mounting device.
  • An advantageous embodiment of the invention provides that a contact plate is provided, via which a handling device, in particular a robot, for transporting the mounting device can be coupled. This ensures that the mounting device can go through all the steps of the assembly process, that is stacking, pressing, mounting the insulating and tension elements and remnant assembly.
  • Figure 1 shows an embodiment of a mounting device according to the invention
  • FIG. 2 shows a further illustration of the mounting device according to FIG. 1;
  • FIG. 3 shows a further illustration of the mounting device according to FIG. 1 with a fuel cell stack
  • FIG. 4 shows a further embodiment of a mounting device according to the invention
  • FIG. 5 shows a further illustration of the mounting device according to FIG. 1 with a fuel cell stack in the removal position.
  • FIG. 1 shows a mounting device 10 according to the invention, which represents an assembly aid for the production of fuel cell stacks.
  • the mounting device 10 consists of a base plate 12, a cover plate 14 and on both sides between base plate 12 and cover plate 14 extending webs 16i and I62.
  • the base plate 12 comprises a component receptacle 24, on which the fuel cell stack to be stacked up is received.
  • the component receptacle 24 is vertically adjustable in height within the mounting device 10.
  • At least one of the webs 161, 16 2 may have a contact plate 26, via which the mounting device 10 by a handling device, not shown, for example, a robot, held and moved.
  • a handling device not shown, for example, a robot
  • FIG. 1 for the purpose of a description of direction, a coordinate system with an x-direction, a y-direction and a z-direction is shown. Starting from this, the z-direction is referred to as vertical direction and the x-direction and the y-direction as horizontal directions.
  • the mounting device 10 forms in its interior a substantially cuboid mounting space 18 for the production of a fuel cell stack.
  • the mounting space 18 may also have other shapes.
  • the mounting space 18 is circumferentially bounded by a plurality of vertically extending contact strips 40.
  • a total of six contact strips 40i to 40 ⁇ are provided, whereby a different number of contact strips is also conceivable.
  • the six contact strips 40i to 40 5 are two contact strips 40i, 4Ü2 on the respective inner side of the webs I61, 16 2 arranged and two attachment strips 40 3 , 40 4 and 40 5 , 40 5 at each of the webs I61, 162 connecting edge of Mounting device 10.
  • This first embodiment is based on a variant in which no so-called mounting grooves are provided in the upper cover plate and the lower cover plate of the fuel cell stack.
  • a variant with mounting grooves in the upper cover plate and the lower cover plate of the fuel cell stack is provided, wherein a mounting groove is a mounted on the circumference of the cover plate indentation.
  • a mounting groove of the lower cover plate is aligned vertically with a mounting groove of the upper cover plate.
  • Several mounting grooves can be provided over the circumference, for example, their number can correspond to the number of contact strips of the mounting device.
  • each of the contact strips 40i to 40 6 comprises a vertically fixed lower strip portion 42 and a vertically movable upper strip portion 44.
  • the movable upper strip portion 44 is connected via spring means 46, which are supported on a base body of the respective contact strip 40, acted upon in a vertically upper basic position.
  • the upper strip portions 44 can be moved vertically downward against the spring force of the spring means 46.
  • the contact strips 40i to 40 6 are movable in a horizontal direction.
  • a drive 20 is provided, which comprises in the webs 16i, 16 2 arranged transfer mechanisms 22 and the edge side in the region of the base plate 12 and cover plate 14 arranged adjusting rails 28i to 28 4 .
  • the contact strips 40 3 to 40 5 are held on the base plate 12 or on the cover plate 14 via the adjusting rails 28 i to 28 4 and can be moved in the y direction via the transmission mechanisms 22.
  • the web-side contact rails 40i, 40 2 can be moved, for example, directly via the transmission mechanisms 22 in the x-direction.
  • FIG. 4 A completely stacked fuel cell stack 32 in a mounting device 10 according to the invention is shown in FIG. 4.
  • a further embodiment of the mounting device 10 may be used, in which the described horizontal method of the contact strips 40i to 40 6 is omitted.
  • the mounting device 10 can also be dispensed with the movable upper strip portions 44 of the contact strips 40i to 40 5 . If the stacking in the upper position of the component receiver 24 has begun, it will be successively lowered during the stacking of the BPP and MEA layers.
  • FIG. 4 shows a further embodiment of the mounting device 10, in which the webs 16 ⁇ I62 is executed horizontally divided into two, wherein the respective upper part is telescopic relative to the respective lower part. Furthermore, a finished pressed fuel cell stack 24 is received in the mounting device. About this telescoping the function of the movable upper bar sections 44 can be mapped so that they are not necessary here. This facilitates access to the mounting of further elements after pressing. In this respect, the height adjustment of the component receptacle 24 can be dispensed with. In order to allow a relative movement between the contact strips 40i to 40 6 and the base plate 12 or the cover plate 14, the contact strips 40i to 40 6 may be passed through the base plate 12 through openings 30, for example.
  • the fixture 10 may be carried from one station to another using a robot or conventional transport system.
  • the contact plate 26 is provided for transport with a robot.
  • a hold-down device for stabilizing the fuel cell stack stacked in the mounting device 10 is provided on the robot.
  • a separate workpiece carrier can be used to transport the mounting device 10 with a transport system.
  • a hold-down device for stabilizing the fuel cell stack stacked in the mounting device 10 must be provided.
  • the assembly aid can also be transported directly on a transport system.
  • appropriate elements must be provided on the mounting device (running rails and the like) for the transport system.
  • For manual transport corresponding attachment points may be provided on the mounting device.
  • a pressing tool comes into contact with the cover plate 14 of the mounting device 10 and presses the stacked fuel cell stack in the vertical direction to the final dimension.
  • the stroke of the upper strip sections 44 corresponds to the pressing stroke.
  • the BPP and MEA layers on the contact strips 40i to 40 5, and relative to the lower ledge portions 42 can slide along in the vertical direction during the pressing process. Since the cover plate 14 of the fuel cell stack is circumferentially larger than the BPP and MEA layers and no mounting grooves are provided, the cover plate 14 comes to rest on the upper edge of the contact strips 40i to 40 6 .
  • the mounting device 10 gives sufficient clearance.
  • the assembly device 10 After mounting the tension elements, the assembly device 10 is removed from the press with the finished fuel cell stack. The removal can take place on the contact plate 26 for the robot or on separate attachment points. In order to remove the fuel cell stack from the mounting device 10, the contact strips 40i to 40 6 are moved back and lifted the component holder 24 by means of an external lifting unit in the removal position, as shown in Figure 5.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Montagevorrichtung für das Aufstapeln in einer vertikalen Richtung eines aus Membran-Elektroden-Einheiten und Bipolarplatten abwechselnd aufgebauten Brenn- stoffzellenstapels.

Description

Montagevorrichtung für das Aufstapeln eines Brennstoffzellenstapels
Die Erfindung betrifft eine Montagevorrichtung für das Aufstapeln in einer vertikalen Richtung eines aus Membran-Elektroden-Einheiten und Bipolarplatten abwechselnd aufgebauten Brenn- Stoffzellenstapels.
Ein Brennstoffzellenstapel, der auch mit dem englischen Begriff „Stack" bezeichnet wird, besteht vereinfacht beschrieben aus mehreren aufeinander gestapelten Brennstoffzellen, einer oberen Deckplatte und einer unteren Deckplatte. Zwischen der oberen und unteren Deckplatte werden abwechselnd Membran-Elektroden-Einheiten - abgekürzt MEA - und Bipolarplatten - abgekürzt BPP - aufgestapelt. Die Anzahl der gestapelten Brennstoffzellen ist abhängig von der zu erbringenden Leistung des„Stacks" und kann in einer Größenordnung von 600 Teilen, bei etwa einer Bauhöhe von 680mm betragen. Vorrichtungen zur Montage von Brennstoffzellenstapeln zeigen beispielsweise die DE 10 2016 213 266 AI und die DE 10 2015 223 193 AI.
Die Herstellung von Brennstoffzellenstapeln kann herkömmlich über zwei unterschiedliche Pro- zesse erfolgen. So kann zum einen in einer Vorrichtung ein Aufstapeln, ein Pressen und eine abschließende Zugelementemontage erfolgen. Anschließend wird der Brennstoffzellenstapel aus der Vorrichtung entnommen und zur Restmontage transportiert. Zum anderen können die Brennstoffzellenstapel in einer Vorrichtung aufgestapelt werden. Anschließend werden die Brennstoffzellenstapel an eine Presse übergeben, die an einem Handhabungsgerät wie beispielsweise ei- nem Roboter befestigt ist. Anschließend werden die Stapel einschließlich der Presse einer Vorrichtung für die Zugelementemontage übergeben. Hiernach erfolgt der Transport in die Restmontage. Beiden Prozessen ist gemeinsam, dass Vorkehrung dafür getroffen werden müssen, die einzelnen Lagen des Brennstoffzellenstapels während des Aufstapeins in Form und Lage zu halten, was insbesondere vor dem Hintergrund zu gewährleisten ist, dass das die MEA abdichtende Material aus einem hochelastischen Material besteht, das nur eine äußerst geringen Eigenstabilität aufweist. Insgesamt sind die skizzierten Prozesse nicht integriert gestaltet, sondern es müssen die verschiedenen Fertigungsstationen über einen erheblichen logistischen Zusatzaufwand miteinander verbunden werden. Dies führt zu eher langen Taktzeiten.
Ausgehend hiervon wäre es wünschenswert für die Herstellung von Brennstoffzellenstapeln eine Montagehilfe bereitstellen zu können, die eine Taktzeitreduzierung erlaubt. Weiterhin muss die Montaghilfe die Brennstoffzellenstapel, die aufgrund der baulichen Höhe und der unterschiedlichen Materialien der Einzelteile sehr instabil sind, während des gesamten Prozesses in einer definierten Form und Lage halten können. Erschwerend kommt an dieser Stelle hinzu, dass die obere und die untere Deckplatte seitlich über die Brennstoffzellen hinaus stehen, so dass spezielle bauliche Vorkehrungen getroffen sein müssen, seitliche Anlageflächen für die Lagen der Brennstoffzellen bereitzustellen, die nicht durch die Deckplatte behindert werden. Schließlich muss gewährleistet sein, dass nach dem Pressen und vor der Zugelementemontage Isolierelemente um den Brennstoffzellenstapel montierbar sind. Anschließend müssen die Zugelemente montierbar sein. Schließlich wäre es vorteilhaft, wenn der Herstellungsprozess, der mit der Montagehilfe durchzuführen ist, sowohl in einer Roboterzelle als auch in einem herkömmlichen Transportsystem durchführbar ist.
Ausgehend hiervon besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Montagehilfe bereitzustellen, die die oben dargestellten Anforderungen erfüllt.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Montagevorrichtung für das Aufstapeln in einer vertikalen Richtung eines aus Membran-Elektroden-Einheiten und Bipolarplatten abwechselnd aufgebauten Brennstoffzellenstapels, mit einer Grundplatte, einer Deckplatte und zumindest jeweils einem an jeder der beiden Stirnseiten angeordneten Steg, wobei ein im Wesentlichen quaderförmiger Montageraum innerhalb der Montagevorrichtung von einer Mehrzahl vertikal orientierter Anlageleisten begrenzt wird, um über die Anlageleisten die Membran-Elektroden-Einheiten und Bipolarplatten während des Aufstapeins gegeneinander zu positionieren.
Mit der erfindungsgemäßen Montagevorrichtung wird eine Montagehilfe bereitgestellt, die alle Schritte des Herstellungsprozesses durchläuft, während die einzelnen aufgestapelten Bauteile in der Montagevorrichtung verbleiben. Das heißt, zunächst werden die erforderlichen Bauteil, u.a. die MEA, die BPP, die untere und die obere Deckplatte in der Montagevorrichtung aufgestapelt, anschließend die gestapelten Bauteile mit samt der Montagevorrichtung zur Presse transportiert, um dort gepresst und mit den Isolierelementen und den Zugelementen versehen zu werden, und schließlich der gepresste Brennstoffzellenstapel aus der Montagevorrichtung entnommen und der Restmontage zugeführt. Die nun leere Montagevorrichtung kann nun erneut einem Herstel- lungsprozess zur Verfügung gestellt werden. In vorteilhafter Weise gewährleisten die Anlageleisten, dass die aufgestapelten Bauteile während des Aufstapeins in Position bleiben, da die Anlageleisten permanent mit den MEA- und den BPP-Schichten in Kontakt bleiben.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass ein Antrieb zum synchronen Verfahren der Anlageleisten vorgesehen ist. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise gewährleistet, dass der Montageraum in seinen Abmessungen variiert werden kann und an unterschiedliche Geometrien des zu erstellenden Brennstoffzellenstapels angepasst werden kann. In konkreter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Anlageleisten in einer horizontalen Richtung verfahrbar sind. Dies ist vorteilhaft, da die untere Deckplatte des herzustellenden Brennstoffzellenstapels umfänglich größer ist als die auf der unteren Deckplatte aufzustapelnden Brennstoffzellen - bestehend aus MEA und BPP - und durch ein Verfahren der Anlageleisten zunächst der Raum freigegeben wird, um die untere Deckplatte in die Montagevorrichtung einlegen zu können. Hiernach werden die Anlageleisten wieder zurückverfahren und zwar in eine Position, in der der horizontale Abstand zwischen den Anlageleisten genau den Maßen der aufzustapelnden Brennstoffzellen ent- spricht. Dies gewährleistet, dass während des Vorgangs des Aufstapeins der einzelnen Brennstoffzellen die Bauteile - MEA, BPP, Dichtungen etc. - jederzeit in Anlage zu den Anlageleisten sind und hierdurch sicher positioniert und gehalten werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Antrieb jeweils in den Stegen angeordnete Übertragungsmechanismen auf die Anlageleisten umfasst. Dies ist vorteilhaft, da in den Stegen ausreichend Platz vorgesehen ist, um die Übertragungsmechanismen dort unterzubringen. Auch kann vorgesehen sein, dass sich die Übertragungsmechanismen bis in die Grundplatte und in die Deckplatte der Montagevorrichtung erstrecken.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Antrieb über eine Schnittstelle verfügt, über die eine mechanische, elektrische, hydraulische oder pneumatische Antriebsener- gie einsteuerbar ist. Dies ist vorteilhaft, da in einer Produktions- oder Werkstattumgebung regelmäßig eines dieser Antriebsenergieformen in unmittelbarer Reichweite verfügbar ist.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Anlageleisten jeweils einen in vertikaler Richtung feststehenden ersten Leistenabschnitt und einen in vertikaler Richtung beweglichen zweiten Leistenabschnitt aufweisen. Hierdurch ist gewährleistet, dass die unterschied- liehen Bauteile des Brennstoffzellenstapels je nach vertikaler Anordnung bezüglich des ersten und zweiten Leistenabschnitts eine vertikaler Relativbewegung beim Pressen des B renn Stoff zel- lenstapels ausführen können. In vorteilhafter Weise kann hierüber die Ausrichtfunktion der Montagevorrichtung während des Pressens sichergestellt werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die beweglichen Leistenabschnitte in einem oberen Bereich der Anlageleiste angeordnet sind. Dies ist insofern vorteilhaft, da die Brennstoffzellen von unten nach oben aufgestapelt werden und anschließen von oben nach unten gepresst werden, so dass der obere Bereich des Brennstoffzellenstapels, der beim Pressen einen größeren Weg macht, keine Relativbewegung bezüglich der Leistenabschnitte macht, sondern sich mit den beweglichen oberen Leistenabschnitten nach unten bewegt.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die beweglichen Leistenabschnitte über Federmittel in eine vertikal obere Grundstellung bezüglich des feststehenden Leistenabschnitts beaufschlagt werden. Hierdurch nehmen die beweglichen Leistenabschnitte unbelastet immer eine definierte Stellung. Vorteilhaft entspricht die vertikale Höhe der beiden Leistenab- schnitte, wenn die beweglichen Leistenabschnitte in der Grundstellung sind, im Wesentlichen der maximal aufzustapelnden Höhe eines Brennstoffzellenstapels.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Anlageleisten jeweils an den Stegen und zwischen der Grundplatte und der Deckplatte verlaufend angeordnet sind. Hiermit ist sichergestellt, dass die Anlageleisten den aufzustapelnden Brennstoffzellenstapel möglichst gleichmäßig umgeben, so dass die Ausrichtfunktion der Montagevorrichtung gewährleistet ist.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass an jedem der Stege eine Anlageleiste angeordnet ist und zwischen der Grundplatte und der Deckplatte an jeder die Stege verbindenden Flanke der Montagevorrichtung zwei Anlageleisten angeordnet sind. Die Ausgestaltung ist dann vorteilhaft, wenn die Stege an der schmalen Seite und die Flanken an der langen Seite der Montagevorrichtung angeordnet sind. Hierdurch ist eine ausreichende Ausrichtung der Brennstoffzellen während des Aufstapeins zu allen Seiten gewährleistet.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass auf der Grundplatte eine vertikal verstellbare Bauteilaufnahme zur Aufnahme eines Brennstoffzellenstapels angeordnet ist. Die vertikal verstellbare Bauteilaufnahme gewährleistet, dass Brennstoffzellenstapel unterschiedlicher Höhe in der Montagevorrichtung hergestellt werden können.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass eine Kontaktplatte vorgesehen ist, über die ein Handhabungsgerät, insbesondere ein Roboter, zum Transport der Montagevorrichtung ankoppelbar ist. Hierdurch ist gewährleistet, dass die Montagevorrichtung alle Schritte des Montageprozesses durchlaufen kann, das heißt Aufstapeln, Pressen, Montieren der Isolier- und Zugelemente und Restmontage.
Die Erfindung wird nachfolgend mit weiteren Merkmalen, Einzelheiten und Vorteilen anhand der beigefügten Figuren erläutert. Die Figuren illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung. Hierin zeigen
Figur 1 eine Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Montagevorrichtung;
Figur 2 eine weitere Darstellung der Montagevorrichtung gemäß Figur 1;
Figur 3 eine weitere Darstellung der Montagevorrichtung gemäß Figur 1 mit einem Brennstoffzellenstapel;
Figur 4 eine weitere Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Montagevorrichtung und Figur 5 eine weitere Darstellung der Montagevorrichtung gemäß Figur 1 mit einem Brennstoffzellenstapel in Entnahmeposition. Die Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Montagevorrichtung 10, die eine Montagehilfe für die Herstellung von Brennstoffzellenstapeln darstellt. Die Montagevorrichtung 10 besteht aus einer Grundplatte 12, einer Deckplatte 14 und zu beiden Seiten zwischen Grundplatte 12 und Deckplatte 14 verlaufenden Stegen 16i und I62. Die Grundplatte 12 umfasst eine Bauteilaufnahme 24, auf dem der aufzustapelnde Brennstoffzellenstapel aufgenommen ist. Die Bauteilaufnahme 24 ist vertikal in ihrer Höhe innerhalb der Montagevorrichtung 10 verstellbar. Zumindest einer der Stege I61, 162 kann eine Kontaktplatte 26 aufweisen, über die die Montagevorrichtung 10 von einem nicht dargestellten Handhabungsgerät, beispielsweise einem Roboter, gehalten und bewegt werden kann. In der Figur 1 ist zwecks einer Beschreibung von Richtung ein Koordinatenkreuz mit einer x-Richtung, einer y-Richtung und einer z-Richtung eingezeichnet. Ausgehend hiervon wird die z-Richtung als vertikale Richtung und die x-Richtung und die y-Richtung als horizontale Richtungen bezeichnet.
Die Montagevorrichtung 10 bildet in ihrem Inneren einen im Wesentlichen quaderförmigen Montageraum 18 für die Herstellung eines Brennstoffzellenstapels aus. Der Montageraum 18 kann auch andere Formen aufweisen. Der Montageraum 18 wird von mehreren vertikal verlaufenden Anlageleisten 40 umfänglich begrenzt. Vorliegend sind insgesamt sechs Anlageleisten 40i bis 40β vorgesehen, wobei auch eine hiervon abweichende Anzahl Anlageleisten denkbar ist. Von den sechs Anlageleisten 40i bis 405 sind zwei Anlageleisten 40i, 4Ü2 an der jeweiligen Innenseite der Stege I61, 162 angeordnet und jeweils zwei Anlageleisten 403, 404 und 405, 405 an jeder die Stege I61 , 162 verbindenden Flanke der Montagevorrichtung 10.
Unter zusätzlicher Bezugnahme auf die Figur 2 werden im Folgenden die Anlageleisten 40i bis 40β und ihre Funktion in einer ersten möglichen Ausgestaltung erläutert. Diese erste Ausgestaltung geht von einer Variante aus, bei der in der oberen Deckplatte und der unteren Deckplatte des Brennstoffzellenstapels keine sogenannten Montagenuten vorgesehen sind. Im Gegensatz hierzu ist eine Variante mit Montagenuten in der oberen Deckplatte und der unteren Deckplatte des Brennstoffzellenstapels versehen, wobei eine Montagenut eine am Umfang der Deckplatte angebrachte Einbuchtung darstellt. Hierbei fluchtet eine Montagenut der unteren Deckplatte vertikal mit einer Montagenut der oberen Deckplatte. Über den Umfang können mehrere Montagenute vorgesehen sein, beispielsweise kann deren Anzahl mit der Anzahl der Anlageleisten der Montagevorrichtung korrespondieren.
Bei der ersten Ausgestaltung der Montagevorrichtung 10 für die Variante eines Brennstoffzellenstapels ohne Montagenuten umfasst jede der Anlageleisten 40i bis 406 einen in vertikaler Richtung feststehenden unteren Leistenabschnitt 42 und einen in vertikaler Richtung beweglichen oberen Leistenabschnitt 44. Der bewegliche obere Leistenabschnitt 44 wird über Federmittel 46, die sich an einem Grundkörper der jeweiligen Anlageleiste 40 abstützen, in eine vertikal obere Grundstellung beaufschlagt. Die oberen Leistenabschnitte 44 können gegen die Federkraft der Federmittel 46 vertikal nach unten bewegt werden.
Weiterhin sind die Anlageleisten 40i bis 406 in einer horizontalen Richtung verfahrbar. Insbeson- dere ist vorgesehen, dass die stegseitigen Anlageleisten 40i, 402 in x-Richtung und die flanken- seitigen Anlageleisten 403 bis 406 in y-Richtung verfahrbar sind. Zum Verfahren der Anlageleisten 40i bis 40β ist ein Antrieb 20 vorgesehen, der in den Stegen 16i, 162 angeordneten Übertragungsmechanismen 22 und flankenseitig im Bereich der Grundplatte 12 und Deckplatte 14 angeordnete Stellschienen 28i bis 284 umfasst. Die Anlageleisten 403 bis 405 sind über die Stell- schienen 28i bis 284 an der Grundplatte 12 beziehungsweise an der Deckplatte 14 gehalten und können über die Übertragungsmechanismen 22 in y-Richtung verfahren werden. Die stegseitigen Anlageschienen 40i, 402 können beispielsweise unmittelbar über die Übertragungsmechanismen 22 in x-Richtung verfahren werden.
Um das Aufstapeln eines Brennstoffzellenstapels zu beginnen, werden zunächst die Anlageleis- ten 40i bis 405 in ihrer jeweiligen horizontalen Richtung bezogen auf den Montageraum 18 nach Außen verfahren, das heißt der Montageraum 18 wird vergrößert. Dann wird die untere Deckplatte eines aufzustapelnden Brennstoffzellenstapels auf die Bauteilaufnahme 24 in die Montagevorrichtung 10 eingelegt. Die Bauteilaufnahme 24 befindet sich hierzu in der unteren vertikalen Position. Anschließend werden die Anlageleisten 40i bis 406 wieder horizontal nach Innen verfah- ren, bis sie die eingelegte untere Deckplatte des aufzustapelnden Brennstoffzellenstapels seitlich berühren. Anschließend wird der Brennstoffzellenstapel durch abwechselndes Aufstapeln von BPP- und MEA-Schichten aufgestapelt. Diese aufgestapelten BPP- und MEA-Schichten kommen während des Aufstapeins nach und nach in Berührung mit dem in vertikaler Richtung feststehenden unteren Leistenabschnitte 42 der Anlageleisten 40i bis 405 und im weiteren Verlauf mit den oberen vertikal beweglichen Leistenabschnitten 44. Die BPP- und MEA-Schichten werden hierüber gleichmäßig positioniert und im weiteren Verlauf in dieser Position gehalten. Der letzte Schritt des Aufstapelprozesses besteht darin, dass die obere Deckplatte des Brennstoffzellenstapels aufgelegt wird. Hierbei kommt die obere Deckplatte des Brennstoffzellenstapels mit den beweglichen oberen Leistenabschnitten 44 der Anlageleisten 40i bis 406 in Berührung. Wie wei- ter unten noch beschrieben wird, sorgt dieser Kontakt zwischen der oberen Deckplatte des Brennstoffzellenstapels dafür, dass beim späteren Pressen des Brennstoffzellenstapels, die beweglichen oberen Leistenabschnitt 44 über den gesamten Presshub entgegen der Federkraftbeaufschlagung nach unten verschoben werden und die Ausrichtfunktion der oberen Leistenab- schnitte 44 und der unteren Leistenabschnitte 42 erhalten bleibt. Einen fertig aufgestapelten Brennstoffzellenstapel 32 in einer erfindungsgemäßen Montagevorrichtung 10 zeigt die Figur 4.
Bei der Variante eines Brennstoffzellenstapels mit Montagenuten kann eine weitere Ausgestaltung der Montagevorrichtung 10 zum Einsatz kommen, bei der auf das beschriebene horizontale Verfahren der Anlageleisten 40i bis 406 verzichtet wird. In diesem Fall ist es möglich, das Aufstapeln der BPP- und MEA-Schichten sowohl in der unteren Position der Bauteilaufnahme 24 als auch in deren oberer Position zu beginnen. Bei dieser Ausgestaltung der Montagevorrichtung 10 kann auch auf die beweglichen oberen Leistenabschnitte 44 der Anlageleisten 40i bis 405 verzichtet werden. Wenn das Aufstapeln in der oberen Position der Bauteilaufnahme 24 begonnen wurde, wird diese während des Aufstapeins der BPP- und MEA-Schichten sukzessive abgesenkt. Die Figur 4 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Montagevorrichtung 10, bei der die Stege 16^ I62 horizontal zweigeteilt ausgeführt ist, wobei der jeweils obere Teil gegenüber dem jeweils unteren Teil teleskopierbar ist. Weiterhin ist ein fertig gepresster Brennstoffzellenstapel 24 in der Montagevorrichtung aufgenommen. Über diese Teleskopierbarkeit lässt sich die Funktion der beweglichen oberen Leistenabschnitte 44 abbilden, so dass diese hier nicht notwendig sind. Dadurch wird nach dem Pressen der Zugang zum Montieren weiterer Elemente erleichtert. Insofern kann auf die Höhenverstellbarkeit der Bauteilaufnahme 24 verzichtet werden. Um eine Relativbewegung zwischen den Anlageleisten 40i bis 406 und der Grundplatte 12 oder der Deckplatte 14 zu ermöglichen, können die Anlageleisten 40i bis 406 beispielsweise durch die Grundplatte 12 durch Durchbrüche 30 hindurchgeführt sein.
Die Montagevorrichtung 10 kann mit Hilfe eines Roboters oder eines herkömmlichen Transportsystems von einen Station zur nächsten befördert werden. Für den Transport mit einem Roboter ist die Kontaktplatte 26 vorgesehen. An dem Roboter ist ein Niederhalter zur Stabilisierung des in der Montagevorrichtung 10 einsitzenden Brennstoffzellenstapels Stacks vorgesehen. Um die Montagevorrichtung 10 mit einem Transportsystem zu befördern kann ein separater Werkstückträger genutzt werden. Auch hier muss ein Niederhalter zur Stabilisierung des in der Montagevorrichtung 10 einsitzenden Brennstoffzellenstapels Stacks vorgesehen sein. Falls kein separater Werkstückträger vorgesehen ist, kann die Montagehilfe auch direkt auf einem Transportsystem befördert werden. Dafür müssen für das Transportsystem entsprechende Elemente an der Mon- tagevorrichtung (Laufleisten und ähnliches) vorgesehen sein. Zum manuellen Transport können entsprechende Anschlagpunkte an der Montagevorrichtung vorgesehen sein.
Beim Pressen kommt ein Presswerkzeug mit der Deckplatte 14 der Montagevorrichtung 10 in Kontakt und presst den fertig aufgestapelten Brennstoffzellenstapel in vertikaler Richtung auf das endgültige Maß. Hierbei gewährleisten die Anlageleisten 40i bis 405, die während des gesamten Pressvorgangs mit den BPP- und MEA-Schichten in einem Kontakt bleiben, dass die BPP- und MEA-Schichten sicher positioniert bleiben. Dabei entspricht der Hub der oberen Leistenabschnitte 44 dem Presshub. Während des Pressvorgangs können die BPP- und MEA-Schichten an den Anlageleisten 40i bis 405 und relativ zu den unteren Leistenabschnitten 42 in vertikaler Richtung entlanggleiten. Da die Deckplatte 14 des Brennstoffzellenstapels umfänglich größer ist als die BPP- und MEA-Schichten und keine Montagenuten vorgesehen sind, kommt die Deckplatte 14 auf der oberen Kante der Anlageleisten 40i bis 406 zur Auflage. Da diese verfahrbar ist, kann sich der obere Leistenabschnitt nach unten bewegen ohne die Führung der BPP- und MEA- Schichten zu verlieren. Nach dem Pressvorgang wird die Position durch die Presse gehalten und es kann die Isolierung um die BPP- und MEA-Schichten montiert werden. Danach werden die Zugelemente und eventuell weitere Komponenten montiert. Für beide Vorgänge gibt die erfindungsgemäße Montagevorrichtung 10 genügend Freiraum.
Nach Montage der Zugelemente wird die Montagevorrichtung 10 mit dem fertigen B renn Stoff zel- lenstapel aus der Presse entnommen. Die Entnahme kann an der Kontaktplatte 26 für den Robo- ter erfolgen oder an separaten Anschlagpunkten. Um den Brennstoffzellenstapel aus der Montagevorrichtung 10 zu entnehmen werden die Anlageleisten 40i bis 406 zurückgefahren und die Bauteilaufnahme 24 mittels einer externen Hubeinheit in Entnahmeposition angehoben, wie dies in der Figur 5 dargestellt ist.
Bezugszeichenliste
10 Montagevorrichtung
12 Grundplatte
14 Deckplatte
16 Steg
18 Montageraum
20 Antrieb
22 Übertragungsmechanismen
24 Bauteilaufnahme
26 Kontaktplatte
28 Stellschienen
30 Durchbruch
32 Brennstoffzellenstapel
40 Anlageleisten
42 Leistenabschnitt
44 Leistenabschnitt
46 Federmittel

Claims

Patentansprüche
1. Montagevorrichtung (10) für das Aufstapeln in einer vertikalen Richtung eines aus Membran-Elektroden-Einheiten und Bipolarplatten abwechselnd aufgebauten Brennstoffzellenstapels, mit
einer Grundplatte (12), einer Deckplatte (14) und zumindest jeweils einem an jeder der beiden Stirnseiten angeordneten Steg (16), wobei
ein im Wesentlichen quaderförmiger Montageraum (18) innerhalb der Montagevorrichtung (10) von einer Mehrzahl vertikal orientierter und in einer horizontalen Richtung verstellbarer Anlageleisten (40) begrenzt wird, um über die Anlageleisten (40) die Membran- Elektroden-Einheiten und Bipolarplatten während des Aufstapeins gegeneinander zu positionieren.
2. Montagevorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Antrieb (20) zum synchronen Verfahren der Anlageleisten (40) vorgesehen ist.
3. Montagevorrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (20) jeweils in den Stegen (40), der Grundplatte (12) und der Deckplatte (14) angeordnete Übertragungsmechanismen (22) auf die Anlageleisten (40) umfasst.
4. Montagevorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (20) über eine Schnittstelle verfügt, über die eine mechanische, elektrische, hydraulische oder pneumatische Antriebsenergie einsteuerbar ist.
5. Montagevorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlageleisten (40) jeweils einen in vertikaler Richtung feststehenden ersten Leistenabschnitt (42) und einen in vertikaler Richtung beweglichen zweiten Leistenabschnitt (44) aufweisen.
6. Montagevorrichtung (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beweglichen Leistenabschnitte (44) in einem oberen Bereich der Anlageleiste (40) angeordnet sind.
7. Montagevorrichtung (10) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die beweglichen Leistenabschnitte (44) über Federmittel (46) in eine vertikal obere Grundstellung bezüglich des feststehenden Leistenabschnitts (42) beaufschlagt werden.
8. Montagevorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlageleisten (40) jeweils an den Stegen (16) und zwischen der Grundplatte (12) und der Deckplatte (14) verlaufend angeordnet sind.
9. Montagevorrichtung (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass an jedem der Stege (16) eine Anlageleiste (30) angeordnet ist und zwischen der Grundplatte (12) und der Deckplatte (14) an jeder die Stege (16) verbindenden Flanke der Montagevorrichtung (10) zwei Anlageleisten (40) angeordnet sind.
10. Montagevorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Grundplatte (12) eine vertikal verstellbare Bauteilaufnahme (24) zur Aufnahme eines Brennstoffzellenstapels angeordnet ist.
11. Montagevorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kontaktplatte (26) vorgesehen ist, über die ein Handhabungsgerät, insbesondere ein Roboter, zum Transport der Montagevorrichtung (10) ankoppelbar ist.
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