WO2022128953A1 - Stapelvorrichtung, stapelstation, herstellvorrichtung, stapelverfahren und herstellverfahren für einen brennstoffzellenschichtaufbau - Google Patents

Stapelvorrichtung, stapelstation, herstellvorrichtung, stapelverfahren und herstellverfahren für einen brennstoffzellenschichtaufbau Download PDF

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WO2022128953A1
WO2022128953A1 PCT/EP2021/085550 EP2021085550W WO2022128953A1 WO 2022128953 A1 WO2022128953 A1 WO 2022128953A1 EP 2021085550 W EP2021085550 W EP 2021085550W WO 2022128953 A1 WO2022128953 A1 WO 2022128953A1
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WO
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stacking
stacking device
components
base plate
station
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PCT/EP2021/085550
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Tim Janusch
Christoph Weber
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Grob-Werke Gmbh & Co. Kg
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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
    • 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
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the invention relates to a stacking device for accommodating, positioning and fixing the cell components of a fuel cell layer structure in the course of its production.
  • the invention further relates to a stacking station comprising such a stacking device.
  • the invention further relates to a production device for producing a fuel cell layer structure with alternately arranged plate-like or membrane-like first and second cell components, comprising such a stacking device or such a stacking station.
  • the invention further relates to a stacking method for receiving, positioning and fixing the cell components of a fuel cell layer structure.
  • the invention further relates to a production method for producing a fuel cell layer structure with alternately arranged plate-shaped or membrane-shaped first and second cell components.
  • the invention relates to a computer program product for loading into a controller of an aforementioned stacking device or manufacturing device.
  • the invention has set itself the task of creating devices and methods to be used in the production of fuel cells which are improved with regard to the reliability of the layer structure.
  • the invention provides the methods and devices according to the independent claims.
  • the invention creates a stacking device for receiving, positioning and fixing the cell components of a fuel cell layered structure in the course of its production, comprising: a vertically movable base plate on which a lower edge component of the fuel cell layered structure is to be placed, and a guide system with at least one guide element, which moves in the direction of movement of the Base plate extends for lateral contact of the cell components and is designed to a) to move with the base plate in the vertical direction and/or b) to be positioned laterally over this when the edge component is placed in order to contact the further cell components to be placed on it.
  • a fixing member for fixing an upper edge component is provided.
  • the fixing element and the base plate are movable relative to one another, with the stacking device being designed to exert and maintain a pressing force on the fuel cell layer structure by means of the fixing element and the base plate.
  • the at least guide element can comprise an alignment bar, for example.
  • the guide member is sufficiently flexible to conform to the edge of the cell components.
  • the at least one guide element has a comb structure with teeth adjustable in position and/or spacing.
  • the at least one guide element is designed as a band or belt.
  • At least one or both ends of the strap or strap is movably attached to the base plate between first and second positions.
  • at least a first end of the strap is movable relative to the base plate with at least one directional component horizontally between the first and second positions.
  • the first and second positions are provided at horizontally offset positions on the base plate.
  • an upper deflection element and/or a lower deflection element are provided for each band or belt.
  • the distance between the deflection elements can be changed in an adjustable manner.
  • the distance between deflection elements is elastically variable.
  • the distance between deflection elements is variable in a detectable manner.
  • the stacking device preferably further comprises a base frame on which a plurality of (the) guide elements are movably attached.
  • At least one guide element is arranged on each side of a receiving space of the base frame.
  • the base frame is designed for the selectable arrangement of the guide elements at different locations in order to adapt the location of the contact to an individual cell stack.
  • the base frame includes a base plate, a frame member, and spacers between the base plate and the frame member.
  • the spacers are formed as posts, columns and/or walls.
  • the fixing member is attached to the frame member.
  • the spacing of the spacers is variable in order to move the fixing element relative to the base element.
  • the spacers each comprise a first spacer element and a second spacer element which are movable relative to each other to adjust the spacing.
  • the stacking device preferably comprises at least one actuator for adjusting the spacing of the spacers. It is preferred that the columns are telescopic columns, the length of which is adjustable by means of a fluid medium.
  • the stacking device comprises a connecting piece for the removable connection of a fluid medium source, which is designed to supply fluid medium at an adjustable pressure, and a locking device for locking the telescopic columns.
  • the stacking device includes a lifting mechanism for raising and lowering the base plate.
  • the stacking device includes a locking mechanism.
  • the locking mechanism is preferably designed to be opened to place the lower edge component on the base plate and to be closed to fix the lower edge component on the base plate.
  • the locking mechanism is preferably designed such that the locking mechanism can be used to move the at least one guide element into an open position for inserting the edge component and/or removing the cell stack and into a closed position for contacting the repeating components.
  • the invention creates a stacking station, comprising a stacking device according to one of the above configurations and an electronic control unit which is designed to control the stacking device for carrying out the following steps: depositing and fixing the lower edge component of the fuel cell layer structure on the vertically movable base plate , Stacking further cell components on the lower edge component while lowering the base plate and laterally guiding the cell components with the at least one guide element.
  • the cell components are preferably guided by the at least one guide element that moves with the base plate.
  • the guide element or one or all of several guide elements can also be formed by an alignment strip, for example, which is positioned laterally on the cell components and is then held stationary in this position for guiding.
  • the invention provides a production device for producing a fuel cell layer structure with alternately arranged plate-like or membrane-like first and second cell components, comprising: a stacking station according to one of the above configurations or a stacking station with at least one stacking device according to one of the above configurations for stacking the first and second cell components alternately on top of each other, a vertical stacker that can be moved between at least one filling station and the stacking station for receiving a plurality of first cell components in a vertical arrangement with an up and down movement device for moving the first cell components up and down and for stacking individual first cell components in vertical direction to the stacking device, and a feeding system for feeding isolated second cell components to the stacking device.
  • the manufacturing device comprises a plurality of stacking devices, which are circulated between the stacking station and at least one further processing station Further processing of the stacked in the stacking device fuel cell layer structure are movable.
  • the production device preferably includes a placement station for placing edge components of the cell layer structure.
  • the manufacturing device preferably includes a removal station for removing the fuel cell layered structure from the stacking device.
  • the production device preferably comprises at least one pressing station with a press for pressing the fuel cell layer structure.
  • the manufacturing device preferably comprises an electronic control unit which is designed to control the manufacturing device for carrying out the following steps: 1 .a depositing and fixing a lower edge component of the fuel cell layer structure on a vertically movable base plate of the stacking device at the stacking station, 1 .b piling up further cell components on the lower edge component while lowering the base plate and 1 .c lateral guiding of the cell components with the at least one guiding element.
  • the manufacturing device comprises an electronic control unit (this can be the previously mentioned control unit or an additional control unit) which is designed to control the manufacturing device for carrying out the following steps: 2.a providing the stacking device at a stacking station, 2.b alternating vertical unstacking of a first cell component and supplying a second cell component on the stacking device, 2.c transport of the stacking device with the cell layer structure thus formed for further processing and removal of the cell layer structure, 2.d return transport of the stacking device to the stacking station.
  • an electronic control unit this can be the previously mentioned control unit or an additional control unit
  • the invention provides a stacking method for picking up, positioning and fixing the cell components of a fuel cell layered structure, comprising: depositing and fixing a lower edge component of the fuel cell layered structure on a vertically movable base plate, piling up further cell components on the lower edge component while lowering the base plate and guiding it laterally the cell components with at least one guide element, wherein the at least one guide element a) is moved along with the base plate in the vertical direction and/or b) when the edge component is placed, it is positioned laterally over it for contacting the further cell components to be placed on it.
  • the stacking method preferably comprises using a stacking device according to one of the above configurations.
  • the invention provides a production method for producing a fuel cell layered structure with alternately arranged plate-shaped or membrane-shaped first and second cell components, comprising: providing a stacking device according to one of the above configurations at a stacking station, alternating vertical stacking of a first cell component and supplying a second cell component on the stacker,
  • the invention provides a computer program comprising machine-readable control instructions which, when loaded into a controller for controlling a stacking device according to one of the above configurations, cause this to carry out the stacking method according to one of the configurations explained above or when loaded into a controller of a manufacturing device loaded according to one of the above configurations, cause them to carry out the production method according to the configuration explained above.
  • Preferred embodiments of the invention relate to a stacking device for the production of a fuel cell stack.
  • cell stacks of fuel cells are produced, for example, which are formed from first and second cell components stacked alternately on top of one another.
  • the cell components are bipolar plates, BPP for short, and membrane electrode assemblies, MEA for short.
  • Preferred exemplary embodiments of the invention involve a stacking device for receiving, positioning and fixing all components of a PEMFC stack during the manufacturing process.
  • the cell components are supplied individually to the stacking device, in particular with feed systems, in which the cell components are then preferably stacked on top of one another.
  • the stacking device preferably compensates for the height in order to keep the placement position of the repeated components constant throughout the stacking process.
  • Edge components of a fuel cell layer structure generally have a greater extent than the repeated components, so that the edge components protrude beyond the repeated components on all sides with their edges. Therefore, in previous solutions, lateral guides act on the protruding edges of the edge components when the stack is being built up. This makes it difficult to accurately lay down repeat components.
  • the alternating repetition components BPP and MEA are picked up and positioned either by rigidly mounted, immovable guide elements or by moveable or deliverable, movable guide elements in the plane of a base plate of a stacking device.
  • the selection for the respective form of the guide system has hitherto always had to be matched to the contour of the lower edge components in order, for example, to be able to carry out an insertion at all.
  • the guide systems used in current approaches to a solution geometrically encompass or protrude beyond the lower edge components in order to be able to subject them to height compensation as the stack height increases.
  • both the lower and the upper edge components usually have geometrically larger dimensions than the repeating components, these consequently define the limiting area of the guidance system. Accordingly, in previous approaches, the repeating components can only be positioned within the tolerance field of the external dimensions of the edge components if height compensation is to be carried out at the same time.
  • This geometric overhang primarily serves to protect the repeated components (mechanical/electrical).
  • a sufficiently large gap between the fuse elements and the repeating components is required for the attachment of the fuse system in order not to damage them mechanically or to make electrical contact through the attachment of the fuse elements (short circuit).
  • the offset from the edge components to the repeating components could be compensated for by means of a correspondingly designed guide, which means that height compensation can then no longer be implemented—the edge component is encompassed in the stacking direction.
  • edge components can be eliminated as the limiting geometry (if height compensation is present/required).
  • preferred embodiments of the invention enable the components to be aligned on the lower edge component, regardless of their geometric dimensions.
  • the tolerance field for storing the repeated components can be freely adapted to the respective requirement.
  • a free geometry can also be implemented with preferred configurations of the invention. In this way, e.g. lead-in bevels can be created, etc.
  • insertion bevels can be implemented to support the depositing process.
  • a damping effect can be generated with particularly preferred configurations for the weakening of pulses that occur, caused by the introduction of the repeating components (BPP and MEA).
  • This improvement in terms of the transport properties creates the possibility of decoupling all processes that follow the stacking process, such as the pressing and securing process, which means that it is possible to react variably to the respective customer request.
  • Lead-in bevels can be created etc.
  • Particularly preferred refinements of the invention create a system for compensating for a geometric overhang of edge components in relation to repeating components.
  • a particular advantage of preferred configurations lies in the fact that the stacking device compensates for the geometric overhang of the edge components, primarily the lower edge components, without structural adjustments, thereby enabling the repeated components to be laid down more precisely within a smaller tolerance field.
  • this is done using a belt system as a guidance system, which is able to be tracked from above in the direction of the growing PEMFC stack with the aid of a roller system designed specifically for the respective application.
  • the so-called alignments the design of guide elements (geometry/length) designed in particular as guide belts and the associated guide system designed in particular as a belt system takes place.
  • Mechanical contact between the repeated components (BPP and MEA) and the individual guide belts of the stacking device therefore only takes place in the alignment area during the stacking process.
  • These alignments are individual workpiece features that are different in the case of individual fuel cell stacks that are not subject to any standardization. The alignment of BPP and MEA occurs exclusively through this contact.
  • a sloping insertion area for inserting the repeat components can be created by adjusting the belt or pulley system.
  • the compensation of the geometric overhang between the lower edge components and the repeating components is preferably effected by a locking system.
  • This locking system fixes the inserted lower edge component and also serves as a basis for anchoring one of the two belt ends or for anchoring another corresponding guide element.
  • the lower edge components are preferably positioned on the base plate, similar to the alignments of the repeated components, by corresponding manufacturer-specific or individually specific component features.
  • manufacturer-specific/individual-specific component characteristics include, but are not limited to:
  • the closure system is preferably located on the base plate for accommodating the lower edge components and is therefore subject to height adjustment to the same extent.
  • the height compensation for the compensation of the deposited layer thicknesses of the repeating components takes place by a linear axis on the underside of the base plate.
  • the second end of the strap is also anchored to the underside of this base plate.
  • a length compensation element e.g.
  • the present invention is not limited to the use of a belt system with regard to the positioning or alignment of the repeating components.
  • An advantage of preferred embodiments of the invention is that, in contrast to the known solutions with rigid guidance systems, the edge components are eliminated as limiting geometries with regard to the storage area of the repeated components and at the same time a height adjustment is carried out to realize a constant storage position without geometric adjustments of the edge components to the repeated components can.
  • a further advantage of the preferred embodiment of the stacking device is that, due to the flexibility of the guide belts, different geometries of the stacking device can be generated and therefore only require adjustment or displacement of individual deflection rollers of the guide system. Due to the compact and modular design of the individual roller systems, the stacking device according to the preferred embodiment can be adapted both to the number and to the position of the alignment areas according to the respective fuel cell-specific requirement. In addition, the entire system can be adapted to a wide variety of alignment geometries by exchanging the guide belts.
  • Another advantage is that the system can easily be scaled to the most diverse variations with regard to the number of individual cells in the PEMFC stack.
  • Some preferred configurations of the invention relate to a "blockable" stacking device and its application.
  • a stacking device with the option of blocking makes it possible to transport the unpressed stack, which enables safe transport processes between individual process stations.
  • a particularly preferred embodiment of the stacking device allows direct pressing and securing of the PEMFC stack within the stacking device.
  • deformation and displacement effects of the individual Components under pressing force can be detected without damaging the components resting on the guide belts. It is then possible to implement customer-specific correction strategies without replacing components, which has a positive effect on the manufacturing costs of the P EM FC stacks.
  • This flexibility of the guide belts is preferably freely adjustable by an integrated tensioning roller system and can also be used to generate a damping effect to weaken the impulse that occurs when the repeating components are introduced, which is beneficial to a reduced risk of damage to the components and to a Reduction of the shelf duration affects.
  • defined areas or the entire device can be designed to vibrate in order to improve the depositing behavior of the repeated components.
  • Embodiments of the invention relate in particular to a stacking device for the production of a fuel cell stack and stacking methods that can be carried out therewith.
  • a further aspect of the invention relates to a manufacturing device and a manufacturing method for manufacturing a fuel cell stack, in which one or more of the stacking devices are used.
  • Fig. 1 is a schematic flow chart of an embodiment of a manufacturing method for manufacturing a fuel cell layered structure with alternately arranged plate or membranous first and second cell components;
  • FIG. 2 shows a schematic side view of an exemplary embodiment of a production device for producing the fuel cell layer structure
  • FIG. 3 shows a schematic side view of an embodiment of a filling station with an embodiment of a cell stack stacking device for use in the production method of FIG. 1 ;
  • FIG. 4 shows a schematic top view of an exemplary embodiment of the production device to show a possible combined station for producing the fuel cell layered structure
  • FIG. 5 shows a perspective view of a concrete exemplary embodiment of the production device
  • FIG. 6 shows a schematic side view of the production device to clarify the principle of the supply of a first cell component
  • FIGS. 1 to 6 shows a perspective representation—overall representation—of a first embodiment of a stacking device for use in the production device according to FIGS. 1 to 6 in the empty state;
  • Fig. 8 is a front view of the stacker of Fig. 7;
  • Fig. 9 is a sectional view taken along the line A-A of Fig. 8 seen from above;
  • FIG. 10 is a view similar to FIG. 7, with the stacking device being shown in a completely filled state;
  • Fig. 11 is a sectional view of the stacker taken along line B-B of Fig. 8 showing the stacker in a filled condition;
  • FIG. 12 is a side view, partly in section and partly cut away, of the stacking device in a position for removal of a completely stacked layer structure, with locking mechanisms being shown in an open position;
  • Fig. 13 shows a detailed representation of detail XIII of Fig. 12;
  • FIG. 14 shows a perspective view of the stacking device according to the first embodiment in the filled state together with an exemplary lifting device
  • FIG. 15 is a perspective view - overall representation - of a second embodiment of a stacking device for use in the production device according to FIGS. 1 to 6, the stacking device being shown in the completely filled state;
  • Figure 16 is a partially sectioned view through a coupling portion for coupling two moveable spacer elements for use in the spacer of Figure 15;
  • Fig. 17 shows a sectional view of another possible variant of the coupling area for use in the spacer of Fig. 15;
  • Figure 18 is a sectional view of yet another possible variant of the coupling portion for use in the spacer of Figure 15;
  • 19 is a plan view of an arrangement of fixing members, which may be provided in the first and second embodiments of the stacking device for fixing an upper edge component of the laminated structure, in an opened state together with an upper edge component of a fuel cell laminated structure stacked in the stacking device;
  • FIG. 20 shows a view comparable to FIG. 19, with the fixing elements being in a closed state
  • 21 shows a side view of one of the fixing elements according to a concrete possible Configuration and its connection when used in the stacking device;
  • FIG. 22 shows a side view of the fixing element according to FIG. 21 in a closed position in which it grips the upper edge component
  • FIG. 23 shows a plan view of the fixing element according to FIGS. 21 and 22 with a locking device in the open position
  • FIG. 24 shows the top view of the fixing element from FIG. 23 with the locking device in the closed position
  • FIG. 25 shows a schematic side view of a further embodiment of the fixing element together with an actuating device for actuating the fixing element in a first position
  • Figure 26 is a view as in Figure 25 in a second position
  • Figure 27 is a view, partly in side elevation and partly in perspective, of a fixture and actuator assembly in the first position for insertion of the upper edge component;
  • FIG. 28 is a view of the arrangement of FIG. 27 in the second position for fixing the upper edge component
  • FIGS. 27 and 28 shows a view of the arrangement of FIGS. 27 and 28 in a third position during the pressing of the layer structure
  • FIGS. 30 and 31 are schematic side views showing a variant of the second embodiment of the stacking device capable of maintaining a pressing force for holding the laminated structure together by clamping for transportation or the like, upon pressing and in a clamping state for maintaining the pressing force;
  • FIGS. 30 and 31 shows a schematic block diagram of a hydraulic circuit of the variant of the stacking device of FIGS. 30 and 31;
  • 33 and 34 are schematic side views of a second variant of the second embodiment of the stacking device capable of applying and maintaining a pressing force, in a pressing force applying position and in a clamping position;
  • 35 and 36 are schematic side views of a third variant of the second embodiment of the stacking device capable of applying and maintaining a pressing force, in a pressing force applying position and in a clamping position;
  • Figures 37 and 38 are schematic side views of a fourth variant of the second embodiment of the stacking device with which a pressing force can be applied and maintained, in a position for applying the pressing force and in a clamping position
  • FIGS. 2 and 4 to 6 show exemplary embodiments of a manufacturing device 10 for carrying out the manufacturing method.
  • the manufacturing device 10 has at least one stacking station 12 shown in FIGS. 2 and 4 to 6, at which the fuel cell layer structure 14 is built up alternately at least from first cell components 16 and second cell components 18 - hereinafter collectively also referred to as repeating components.
  • Preferred configurations of production device 10 also include at least one filling station 20 shown in Fig. 3.
  • Fig. 3 also shows an exemplary embodiment of a cell component stacking device 22 for use in the production method, which is designed to stack first cell components 16 at stacking station 12 of production device 10 to provide.
  • the other figures show different details and units of a stacking device 32 of the production device 10, in which the cell components 16, 18 of the fuel cell layer structure 18 are received, positioned and fixed in the course of its production.
  • the cell component stacking device 22 is designed for the vertical stacking of separated first cell components 16 at the stacking station 12 of the production device 10 in the course of the production of the fuel cell layer structure 14 .
  • the cell component stacking device 22 is also designed to form a stack of first cell components 16 from which the first cell components 16 are stacked individually at the stacking station 12 .
  • the cell component stacking device 22 has at least one vertical stacker 24 and a delivery device 26 .
  • the vertical destacker 20 of which FIG. 6 shows a schematic diagram together with the manufacturing device 10, has a vertical magazine 28 for receiving a plurality of the first cell components 16 in a vertical arrangement and an up and down movement device 30 for moving the first up and down Cell components 16 in the vertical magazine 28 and for stacking isolated first cell components 16 in the vertical direction.
  • the up and down movement device 30 has at least one conveying means 48 .
  • the delivery device 26 is arranged at the filling station 20 and serves to deliver isolated first cell components 16 to the vertical stacker 24 at the filling station 20.
  • the at least one vertical stacker 24 is designed to fill the vertical magazine 28 at the filling station 20 by picking up the first cell components 16 individually and moving them by means of the up and down movement device 30 .
  • the vertical stacker 24 is further configured to be moved between the filling station 20 and the stacking station 12 and to deliver the first cell components 16 individually at the stacking station 12 by moving downwards in the vertical direction.
  • the production device 10 has at least one stacking device 32 for stacking the first cell component 16 and the second cell component 18 alternately on top of one another.
  • the stacking device 32 is designed to be positioned at the stacking station 12 in a stacking position.
  • a plurality of stacking devices 32 are provided to form a circuit.
  • the production device 10 has a plurality of stacking devices 32 which can be moved in the circuit between the stacking station 20 and at least one further processing station for further processing of the fuel cell layer structure 14 stacked in the stacking device 32 .
  • the manufacturing device 10 also includes the at least one vertical destacker 24, which can be moved between the filling station 20 and the stacking station 12, for destacking isolated first cell components 14 in the vertical direction to the stacking device 32.
  • Several vertical destackers 24 are preferably provided to form a circuit.
  • a preferred embodiment of the production device 10 has a plurality of vertical stackers 24 which can be moved in a circuit between a receiving unit 50 at the stacking station 12 and at least one receiving unit 52 at the filling station 20 .
  • the production device 10 also includes a side feed system 34 for laterally feeding separated second cell components 18 to the stacking device 32.
  • cell stacks of fuel cells are produced, which are formed from alternately stacked first and second cell components 16, 18.
  • first cell components 16 are bipolar plates, abbreviated BPP 17, and examples of the second cell components 18 are membrane electrode assemblies, abbreviated MEA 19, see references [1] to [4] for further details.
  • a BPP supply system 36 for supplying bipolar plates is shown as a preferred exemplary embodiment for the cell component stacking device 22 .
  • This has at the filling station 20 as an example of the delivery device 26 a BPP feed belt 38 and the movable between the filling station 20 and the stacking station 12 at least one vertical stacker 24, here e.g. in the form of a belt stacker 40 for BPPs 17.
  • the cell component stacking device 22 is, for example, a device for introducing BPP 17 into the stacking process of a PEMFC.
  • An advantageous embodiment of the overall process according to FIGS. 1 to 6 is a production method for producing a fuel cell layer structure in the form of a polymer electrolyte membrane fuel cell stack, PEMFC stack for short.
  • fuel cell layer structures and their components are known, for example, from references [1] to [4], so that reference can be made thereto for details.
  • the devices and methods described here can also be used with other possible cell layer structures made from changing cell components. For example, more than two repeat components 16, 18 can also be stacked.
  • the production method is explained below merely as an example for a PEMFC stack based on the illustration in FIGS. 1 to 6.
  • the bottom/lower edge component/components are/are first placed in the stacking device 32 (S01).
  • the stacking device 32 is a system that accommodates the alternating components BPP 17 and MEA 19 (examples for first and second cell components 16, 18) that are introduced alternately, aligns them and keeps them stationary for the further subsequent processes within the specified position tolerances.
  • a guide system 42 is applied (S03) and the stacking device 32 is transported (S04) to the stacking position of a stacking station (example for stacking station 12).
  • the edge component / edge components are in the starting position (top stop in the stacking device 32) - S05.
  • a filled vertical stacker 24 of the BPP feed system 36 was transported (P01) directly from the loading station or filling station 20 or from a buffer station (not shown) into the stacking station 12 (stacking station) (P01) and aligned and fixed over the stacking position (N01).
  • the supply magazine 68 of a friction feeder 66 (feeder - example for side feed system 34) was filled with MEA components (example for second cell component 18) during the preparation process of the stacking device 32 (P02, N02).
  • MEA components example for second cell component 18
  • MEA components - second cell components 18 - are alternately fed by the friction feeder 66 from the side (S07) and BPP components - first cell components 16 - by the vertical stacker 24 of the BPP feed system 36 vertically from above (S08) introduced into the stacker 32.
  • the total cycle time for storing an individual cell consisting of BPP 17 and MEA 19, can thus be distributed proportionally to the respective component (N04) due to the structure of the individual systems.
  • N04 the respective component
  • the placement process can optionally be supported by vibration in the placement area (P03), which simplifies the alignment of the components placed last.
  • a vibration device 44 is provided on the guide system 42 of the stacking device 32 .
  • Reference [7] is referred to for further details on the alignment of cell components 16, 18 by vibration. It described the use of vibration to align components, both in the manufacture of lithium-ion battery cells and in the manufacture of fuel cell stacks (PEMFC stacks). Exemplary embodiments of the stacking device 32 are described and shown in detail below.
  • the stacking device 32 adjusts the height in order to keep the placement position of the repeating components—first and second cell components 16, 18—constant throughout the stacking process (P04).
  • the manufacturing device 10 has a lifting actuator 70 with a push rod 72 that can be moved up and down, by means of which a base plate 74 of the stacking device 32 positioned at the stacking station 12 can be moved in the vertical direction.
  • the lifting actuator 70 is, for example, a stepper motor with a threaded nut which engages with a thread of the push rod 72 designed as a threaded rod.
  • a subsequent alignment of the repeated components 16, 18 (BPP 17 and MEA 19) after the end of the stacking process (S10) is not provided due to the acting weight and the resulting adhesion of the individual layers to one another due to the potential risk of damage.
  • further follow-up processes are provided for completing the PEMFC stack after the end of the stacking process.
  • These subsequent processes are carried out at different positions, for which purpose the stacking device 32 is transported away (N05) from the stacking position. This removal or onward transport of the stacking device 32 takes place until the end of the manufacturing process and the removal of the PEMFC stack.
  • the stacking device 32 is then transported back to the start of the process and again prepared for the creation of another PEMFC stack.
  • the stacking device 32 is thus located within a closed circuit system (S12) in the manufacturing process of a PEMFC stack.
  • S12 closed circuit system
  • H main process the steps of the main process are shown in boxes with solid borders
  • N/P ancillary/parallel process steps of an ancillary/parallel process running in parallel during the main process are shown in boxes with dotted outlines
  • H main process the steps of the main process are shown in boxes with solid borders
  • N/P ancillary/parallel process steps of an ancillary/parallel process running in parallel during the main process are shown in boxes with dotted outlines
  • P02 Parallel process Insertion of the MEAs in a storage magazine of the feeder;
  • P03 Parallel process if necessary, support of the alignment process through vibration;
  • P04 parallel process height adjustment of the stacking device for a constant storage position; N01 vertical destacker aligned above the stacking position, fixed and ready for singulation; N02 MEA storage magazine filled in a defined manner, MEAs positioned and ready for separation;
  • the manufacturing device 10 has an (electronic) controller 76 indicated in FIGS. 3 and 6, which controls the manufacturing device 10, more precisely its actuators, drives, couplings, transport systems, etc., to carry out the manufacturing method illustrated in FIG.
  • the controller 76 has a first (electronic) control unit 78, which controls the cell component stacking device 22, more precisely its actuators 80, drives, couplings 82, transport systems, etc., for carrying out the cell component stacking process to be carried out in the course of the manufacturing process (comprising filling of the vertical stacker 24 and Stacking the first cell components 16 at the stacking station 12) controls.
  • a first (electronic) control unit 78 which controls the cell component stacking device 22, more precisely its actuators 80, drives, couplings 82, transport systems, etc.
  • the controller 76 has a second (electronic) control unit 84, which uses the stacking station 12 and/or the stacking device 32 to carry out a stacking process (comprises steps S01 to S10 and P03 and P04 in the exemplary embodiment of the production method according to FIG. 1) for the exact Positioning of the cell components 16, 18 controls during stacking.
  • the controller 76 is designed in particular as a computing unit into which a computer program with the appropriate control instructions is loaded.
  • the respective control unit 78, 84 can also be implemented by software.
  • the respective hardware of the control units 78, 82 can be provided separately and connected to a master control unit of the controller 76 by a communication system.
  • FIGS. 2 to 6 show exemplary embodiments of devices and devices for carrying out the entire manufacturing process of a PEMFC stack shown in FIG. 1 and explained above schematically, and these will now be described in more detail.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the overall system—example of the manufacturing device 10.
  • FIG. 2 shows a schematic diagram of the overall system for manufacturing a PEMFC stack (except for the filling station 20).
  • Fig. 3 shows a schematic representation of an embodiment of the filling station 20.
  • Fig. 3 shows a schematic representation of a BPP filling station for loading a vertical stacker 24 of the BPP feed system 36.
  • Fig. 4 shows a plan view of an embodiment of the entire system - example of the manufacturing device 10 (except for the filling station 20).
  • FIG. 4 shows a plan view of a possible combination station for producing a PEMFC stack.
  • Fig. 5 shows a perspective view of some units of the combination station in a more detailed embodiment.
  • 6 shows a schematic representation of the stacking process.
  • FIG. 6 shows the clarification of the principle of the BPP feed into the stacking device 32, in particular by means of toothed belts 46 equipped with drivers (example of conveyor means 48) of the BPP feed system 36 (more precisely of the belt stacker 40).
  • the embodiment of the production device 10 shown here has at least the filling station 20 shown in FIG. 3 and the stacking station 12 shown in FIGS.
  • the manufacturing device 10 can have a support station 54 for placing edge components of the cell layer structure on the stacking device 32.
  • FIG. According to the embodiment shown in FIGS. 4 and 5, the manufacturing device 10 can also have a removal station 56 for removing the fuel cell layered structure from the stacking device 32 .
  • the loading station 54 and the removal station 56 are at the one shown in Fig. 4 illustrated configurations are provided combined as a support and removal station 54, 56, but can also be provided individually.
  • the production device 10 can have at least one pressing station 58 with at least one press 60 for pressing the fuel cell layered structure 14 .
  • a first and a second press 60a, 60b are provided, which can be moved by means of associated transport systems 62a, 62b.
  • the pressing station 58 is an example of a station for performing a subsequent process.
  • the placing of an upper edge component (or several upper edge components) on the stack of first and second cell components 16, 18 at the support station 54 is an example of a subsequent process. Further possible follow-up processes can easily be derived from references [1] to [4] for the person skilled in the art,
  • the manufacturing apparatus 10 may further include the stacker transport system 64 for transporting the stackers 32 between the support station 54, the stacker station 56, and the press station 58. As shown in FIG.
  • the pick-up unit 50 of the stacking station 12 for positioned pick-up of the vertical stacker 24 in the appropriate position above the stacking position.
  • the receiving unit 50 has at least one or more actuators or drives (e.g. stepper motors) 80 for driving the up and down movement device 30 and a clutch 82 for coupling to a transmission (explained in more detail below) of the up and down movement device 30 of the vertical stacker 24.
  • actuators or drives e.g. stepper motors
  • the filling station 20 shown in FIG. 3 has the delivery device 26, which also has at least one receiving unit 52, 52a-52d for receiving the vertical stacker 24 in a position.
  • This receiving unit 52, 52a-52d also has at least one or more actuators or drives (e.g. stepping motors) 76 for driving the up and down movement device 30 and a clutch 78 for coupling to a transmission (explained in more detail below) of the up and down movement device 30 of the vertical stacker 24.
  • actuators or drives e.g. stepping motors
  • FIGS. 7 to 14 show different views of a first embodiment of the stacking device 32, with FIGS. 7 to 9 showing the stacking device 32 in the empty state and FIGS. 8 to 14 showing the stacking device 32 after the stacking process in the filled state or in the state for Show dispensing the fuel cell laminate.
  • 15 to 38 show different views of a second embodiment of the stacking device 32 and of possible configurations of parts and variants thereof.
  • the stacking device 32 is designed to hold, position and fix the cell components 16, 18 of the fuel cell layered structure 14 in the course of its manufacture and includes a vertically movable base plate 86 on which a lower edge component 88 of the fuel cell layered structure 14 is to be deposited, and a guide system 42 with at least one guide element 92 which extends in the direction of movement of the base plate 86 for the lateral contact of the cell components 16, 18.
  • the at least one guide element 92 is designed to move with the base plate 86 in the vertical direction. In the preferred configurations of the stacking device 32 shown, the at least one guide element 92 is designed to be positioned laterally over the lower edge component 88 when the lower edge component 88 is placed in order to contact the further cell components 16, 18 to be placed thereon.
  • At least some embodiments of the stacking device 32 also have at least one fixing element 94 for fixing an upper edge component 96 of the fuel cell layered structure 14 .
  • the at least one fixing element 94 and the base plate 86 are movable relative to one another, and according to some of the embodiments shown, the stacking device 32 is designed to exert and maintain a pressing force on the fuel cell layered structure 14 by means of the at least one fixing element 94 and the base plate 86. This is explained in more detail below with reference to FIGS. 14 and 26 to 38.
  • FIG. 14 and 26 to 38 This is explained in more detail below with reference to FIGS. 14 and 26 to 38.
  • the at least one guide element 92 is designed as a band or belt—also called guide belt 98 below.
  • the band or belt 98 is movably guided by means of deflection rollers 100 and tensioning rollers, so that when the base plate 86 is moved in the course of adjusting the storage location of the next cell component 14, 16 in each case, the band or belt 98 moves with the one already on the base plate 86 formed layer structure can move.
  • the at least one guide element 92 can also be designed as an alignment bar and/or can have a comb structure with teeth whose position and/or spacing can be adjusted.
  • a first end of the at least one guide element 92 assigned to the base plate 86 can be moved—in particular by means of a locking mechanism 120—between a first position—“open”, release position—and a second position—“closed”, locking position.
  • the at least one guide element 92 is arranged further outwards, so that the larger lower edge component 88 can be placed on the base plate 86 past the at least one guide element 92 .
  • the at least one guide element 92 is arranged further inwards, so that it extends over the edge of the lower edge component 88 and can thus grip and guide the smaller cell components 16, 18 laterally.
  • the repeating components 16, 18 are thus secured against lateral displacement by the guide system 42 and thus fixed laterally when stacked--whereby a vertical movement is permitted together with the base plate.
  • a vertical movement is permitted together with the base plate.
  • relative movements of guide element 92 and the stack can be avoided during the vertical movement.
  • each strap or strap 98 is movably attached to the base plate 86 between the first and second positions.
  • the lower locking mechanism 120 is provided for this purpose, which is described in more detail below.
  • the guidance system 42 has a plurality of straps or straps 98 .
  • at least one band or strap 98 is provided on each side.
  • Several straps or straps 98 can also be provided on each side, for example two straps or straps 98 are provided on the longer sides in the configurations shown.
  • the multiple guide elements 92 are arranged on a base frame 106 of the stacking device 32 .
  • the base frame 106 includes a lower base plate 74 , a frame member 110 , and a plurality of, eg, four, spacers 114 between the frame member 110 and the base plate 74 .
  • At least one guide element 92 is thus arranged on each side of a receiving space 116 formed between these elements of the base frame 106 .
  • Upper deflection mechanisms 112 with the deflection rollers 100 are arranged on the frame element 110 . If present, the fixing elements 94 are also arranged on the frame element 110 or alternatively on the upper ends of the spacers 114 (projecting beyond the frame element 110).
  • the spacers 114 are designed as posts or columns 118 or, in embodiments that are not shown in detail, also as walls.
  • the upper deflection elements can each be moved between the first and the second position and can be fixed there.
  • the first end of the guide strap 92 is movable between the first and second positions by attachment to the locking mechanism 120 .
  • the cell components 16 , 18 are grasped and guided by the first strand of the guide belt 98 which is arranged between this first end and the upper deflection mechanism 112 and is arranged on the receiving space 116 .
  • the guide strap 98 extends on the outside of the upper idler mechanism 112 down to the lower idler member and from there to the base plate 86 where the second end is attached.
  • an endless belt can also be provided as a guide element 92 (not shown).
  • the distance between the upper and lower deflection elements can be changed in an adjustable, elastically variable and/or lockable manner.
  • the spacers 114 are variable for this purpose: in the second embodiment, each spacer 114 has at least two spacer elements 124, 126 which are movably coupled to one another at a coupling region 122. In the second embodiment, the spacers 114 are designed as telescopic columns 118 for this purpose.
  • the spacer elements 124, 126 can be moved relative to each other, e.g. via a press ram 128 of the press 60, 60a, 60b, alternatively or additionally, as shown in FIGS. 34 and 35, an actuator 130 can also be provided for introducing a compressive force.
  • the base frame 106 is designed in such a way that the deflection elements can be arranged at different locations on the base frame 106 in order to optimally adapt the locations of the guide elements 92 depending on the individual cell stack. Appropriate fasteners such as screws or clamps are provided for this purpose; In addition, an assortment of base plates 106 with differently arranged openings 140 can be provided for exchange in order to adapt to different mounting locations of the guide elements 92.
  • FIG. 7 shows an overall perspective view of the empty stacking device 32.
  • FIG. 8 shows the overall view of the empty stacking device 32 in front view.
  • the stacking device 32 comprises the base frame 106, a lifting device 132, the base plate 86 and the guide system 42 with the lower locking mechanism 120, a pivoting mechanism 134, the guide elements 92 in the form of bands or guide belts 98, the (upper) Deflection mechanism 112 and a tensioning device 136, in particular with tensioning roller units 138.
  • FIG. 9 shows the overall view of the empty stacker 32 in section view A-A of FIG. 8 with the base plate 74 having openings 140 for the guide straps 98 and an opening 142 for the elevator 132 to be provided.
  • the stacking device 32 accordingly comprises the main assemblies: base frame 106, lifting device 132 with base plate 86 and guide system 42.
  • the base frame 106 serves to accommodate the upper deflection mechanism 112 of the guide system 42 and to store it, taking into account all adjustment options for the realization of corresponding geometries and auxiliary systems.
  • the base plate 86 is geometrically adapted to the specific lower end plate (example for lower edge component 88) and accommodates this for the manufacturing process of the PEMFC stack (positioning by manufacturer-specific/customer-specific component features).
  • the lower closure system with the closure mechanisms 120 of the guide system 42 is attached directly to this base plate 86 .
  • this lower closure system is in the initial position of the stacking device 32, see also Fig. 12.
  • Fig. 12 shows the stacking device 32 in the position for removing the finished fuel cell layer structure 14 at the combined receiving and removal station 54, 56 of the Manufacturing device 10 shown in FIG. 4.
  • the initial situation results from the illustration in FIG. 12 when the fuel cell layer structure 14 shown there has been removed.
  • the stacker 32 is then completely emptied; the base plate 86 is at the upper starting position of the elevator 132, and the respective lower locking mechanism 120 is in an open state.
  • the lower closure system uses, for example, a pivoting mechanism 134 to switch between the two switching states “open” (first position - inserting and removing the lower edge component 88) and "closed” (second position - To be able to implement fixation of the lower edge component 88 during the stacking process).
  • the actuation of the pivoting mechanism 134 is designed as a preferably purely mechanical system and therefore does not require an independent media connection.
  • the actuating mechanism of the pivoting mechanism 134 can be constructed differently and is therefore not shown in detail.
  • actuation can take place by means of a cam during transport from the pick-up and removal station 54, 56 to the stacking station 12 and vice versa, or by an actuator arranged at the pick-up and removal station 54, 56, for example.
  • the anchoring of the guide belt 98 is also implemented within the lower locking mechanism 120 illustrated in FIGS. 7 to 14 .
  • the anchoring mechanism can also be constructed differently and is therefore also not shown in detail.
  • the separation of the guide belt 98 is advantageous in order to not create a radius of the guide belt 98 in the transition area to the lower edge component 88 when the lower locking mechanism 120 is closed, at the same time a narrow installation space for the implementation of any alignment geometry to ensure and exact management of all filed repetition components - to generate - first and second cell component 16, 18.
  • the height is compensated by the lifting device 132 in order to achieve the correct storage position for the subsequent stacking process of the repeated components 16, 18.
  • This vertical compensatory movement releases the pivoting mechanism 134 of the lower locking mechanism 120, as a result of which the “closed” switching state is established.
  • the locking mechanism 120 has a recess 121 which encompasses an upper corner edge of the lower edge component 88 in the “closed” switching state.
  • the lower edge component 88 is thus completely secured in all degrees of freedom in the “closed” switching state.
  • the distance from the lower closure mechanism 120 to the overlying upper deflection mechanism 112 can be varied depending on the material properties of the repeating components 16, 18. The same applies to the geometry of the insertion area of the repeating components 16, 18 and the possibility of supporting an improvement in the insertion behavior, for example by vibrating the insertion area.
  • the tension roller unit 138 within the guide system 42 is used to compensate for fluctuations in the individual belt tensions that occur during the various processes, such as the closing of the lower locking mechanism 120 .
  • the structure of the tension roller unit 138 can vary and is therefore not shown in more detail here.
  • MEA components 19 are introduced into the stacking device 32 alternately from the side by the friction feeder and BPP components 17 are introduced vertically from above by the BPP feed system 36 .
  • These repeating components 17, 19 have so-called alignment areas in which the BPP 19 and MEA 19 are congruent. The geometry of these alignment areas is reproduced as a negative profile by the guide belts 98, as a result of which an exact component guide is implemented.
  • the height is compensated by the lifting device 130 in order to compensate for the material thickness of the corresponding component 17, 19 and to ensure a constant deposit position.
  • a direct coupling is established. In the course of this, precisely the belt length required on the upper side of the base plate 86 is always provided by the height adjustment of the lifting device 130 during the stacking process.
  • the stacker 32 may be provided with or connected to a device for generating vibration (not shown).
  • a device for generating vibration (not shown).
  • the use of vibration to align components, both in the production of lithium-ion battery cells and for the production of fuel cell stacks (PEMFC stacks) has already been described by WO 2020/216758 A1 (device for stacking laminated or .glued cell stacks). Reference is made to this publication for further details on the use of vibration.
  • FIG. 10 shows a perspective view of the stacking device in the “filled” state.
  • the upper deflection mechanism 112 In order to be able to implement the upper deflection mechanism 112 without a linear compensation mechanism, it is advantageous to press the PEMFC stack, which is still unsecured at this point in time, from the bottom to the top. After completion of the pressing process, it is advantageous to secure the PEMFC stack under pressing force. After the backup process completes, the now stable PEMFC stack is pushed up. In order to be able to remove the PEMFC stack without a collision between the lower edge component 88 and the upper deflection mechanism 112, the upper deflection mechanism 112 is preferably pivoted. The actuation for opening the upper deflection mechanism 112 is preferably carried out purely mechanically by the lower closure mechanism 120. For example, coupling rods (not shown) are provided, or the mechanisms 112, 120 are connected to one another in a drive-type manner. This means that a separate media supply can once again be dispensed with.
  • FIG. 11 shows an illustration of the pivoting process of the lower closure mechanism 120.
  • FIG. 12 shows an illustration of the "open" switching state on the lower locking mechanism 120 and on the pivoting mechanism 134
  • Fig. 13 shows the view of detail XIII from Fig. 12.
  • FIG. 14 shows a schematic structure of the stacking device including the lifting device 130.
  • the schematic structure including an exemplary linear unit is shown in FIG. 14 to illustrate the lifting process.
  • the demands on the linear unit in terms of hubs and mechanical stress from the growing PEMFC stack vary depending on the manufacturing plant and are taken into account accordingly in the design.
  • the lifting device 132 has the lifting actuator 70 with push rod 72 explained above for the overall process.
  • the upper frame element 110 and the base plate 74 of the base frame 106 are connected by rigid spacers 114, e.g. in the form of rigid columns or posts, so that the distance between the Base plate 74 and the frame element 110, on which the deflection mechanism 112 for the guide elements 92 engages, is fixed.
  • a rigid base frame 106 is provided. The columns of the base frame 106 ensure a constant distance between the upper and lower swivel mechanism 134.
  • the fixing elements 94 can also be provided in the first embodiment. Together with the lifting device 120, pressing from bottom to top is possible.
  • a second embodiment of the stacking device 32 with different variants is explained in more detail below with reference to the representation in FIGS.
  • the second embodiment of the stacking device 32 creates a system for increasing transport safety and/or improving the transport properties between the individual process stations by stabilizing the assembled stack using a defined securing or pressing force and maintaining it by blocking/locking the stacking device 32 .
  • the stacking device 32 has a movable base frame 106 or fixing elements 94 at least in the vertical axis - see Fig. 15.
  • the mobility of the base frame 106 and/or the upper fixing elements 94 means in this application that the base frame of the stacking device or the fixing elements can be "pushed together", i.e. compressed.
  • This "compressible" basic structure of the stacking device 32 is provided in order to allow a height offset due to the pressing path.
  • a possible constructive implementation variant provides for telescoping columns 118 within the base frame 106 of the stacking device 32 .
  • This structure based on the principle of a shock absorber (see Fig. 16, 17 and 19) also has the advantage that the system can be blocked by intervening in valves 158, 160 (mechanical, electrical, electromagnetic, etc.) (" similarity to the holeshot device”).
  • the medium e.g. oil 151
  • the medium can be prevented from flowing back into the respective medium space 152 by a valve intervention, as a result of which an extension of a dip tube 146 can be prevented.
  • the upper edge component 96 is locked and fixed by the stacking device 32 in order to be able to maintain the securing or pressing force (springback of the stack).
  • the stack can be pressed from top to bottom and, on the other hand, the entire system can be held in the appropriate position/in the appropriate state by an integrated locking device 170 .
  • the excess belt material/belt material produced by the compression of the stacking device 32 is compensated for by the respective tension roller units 138 .
  • every condition can be handled steplessly from a low securing force (defined, sufficient force on the stack for safe transport without component movement) to the full pressing force of the stack.
  • FIG. 15 shows an overview of a possible structure of the second embodiment of the stacking device 32 in a perspective view in the filled state.
  • the second embodiment corresponds to the first embodiment with the exception of the modifications described in more detail below, so that the above description can be referred to and the description of the basic structure is not repeated.
  • the spacer 15 thus shows a further embodiment of the stacking device 32, with which pressing from top to bottom is also made possible.
  • no rigid spacers are provided, but rather spacers 114 with which the distance between the frame element 110 and the base plate 74 is variable.
  • the spacers 114 each have the first spacer element 124 and the second spacer element 126 which are movably coupled to the coupling area 122 .
  • the spacers 114 are in the form of telescopic columns 118 , the first spacer element 124 being in the form of a standpipe 144 and the second spacer element being in the form of a dip tube 146 .
  • the spacers 114 can preferably be locked in at least two positions.
  • 19 to 38 show different representations to clarify different variants of the fixing elements 94 and the stacking device 32 provided with variable spacers 114.
  • the spacers 118 are biased by a biasing device 148 to a greater distance and are elastically compressible.
  • a flexible base frame 106 is provided in the stacking device 32 according to the second embodiment.
  • the spacers 114 which can be designed here in particular as columns 118, but in other versions that are not shown also as wall elements, profile elements or the like, allow a displacement of the upper and lower pivoting mechanism 134.
  • four spacers 114, one per Corner area of the base frame 106 provided.
  • telescopic rods are provided as columns 118, which work according to the principle of a mountain bike or motocross suspension fork - see Figs. 15 to 18.
  • the telescopic columns 118 can work according to the shock absorber principle, as shown in Figs. 16 to 18 is indicated.
  • the working piston 150 is movably arranged in a medium space 152 filled with a medium such as oil 151 , so that an upper chamber 154 is formed above the working piston 150 and a lower chamber 156 is formed below the working piston 150 .
  • the working piston 150 is provided with a valve for the compression stage 158 and a valve for the rebound stage 160 . At least one of the valves 158, 160, for example that of the rebound stage, can be switched in order to lock the spacer 114 in place.
  • a spring 162 is provided in the media space 152 in FIG. 16, which is indicated in FIG. 16 by an arrow for the spring force and is used to return the spacer 114 to the expanded position.
  • a separating piston 164 can be provided, which separates the media space 152 from a gas space 168 filled with gas 166 .
  • the prestressing device 148 can comprise a mechanical spring 162 and/or a gas spring (gas space 168). In Fig. 16 and Fig.
  • the coupling area 122 can also be designed according to the design principle of a two-tube telescopic damper.
  • a clamping system with a large stroke is preferably provided in the second embodiment of the stacking device 32 .
  • the belt tension/belt tension can preferably be adapted to the pressing path.
  • a tensioning roller system formed, for example, by the tensioning roller unit 138 is provided, by means of which the belt/belt 98 can be pulled out during pressing.
  • a relative movement between the guide belt 98 and the repeating components 16, 18 is preferably made possible.
  • an automatic tensioning system is implemented.
  • the extending spacers 114 e.g. designed with immersion tubes 146 or as telescopic elements, tension the guide belt after the pressing process is complete.
  • This modification according to the second embodiment enables the stack to be pressed from top to bottom, which brings great advantages for the plant layout.
  • a locking device 170 for locking the spacers 114, in particular the immersion tubes 146/the telescopic column 118, is preferably provided. Locking preferably takes place when the end position is reached during pressing.
  • the locking device 170 can be implemented in a manner similar to a fork lock in MTB bicycles or in holeshot device systems in the MX sector.
  • the fixing elements 94 can be arranged on the frame element 110 .
  • Figure 19 shows an arrangement of the locating members 94 together with a respective locating member actuator 172 with the upper edge component 96 in an open position and Figure 20 shows this arrangement in the closed position.
  • FIG. 21 shows the attachment of the fixing element 94 to the frame element 110 or to an upper end of an associated spacer 114, with FIG.
  • the end plate 173 can be, for example, the upper edge component 96 or a last cell component 16, 18 before the upper edge component 96 is placed on.
  • 23 and 24 show a locking of the fixing element 94 in the open and the closed position.
  • FIG. 25 show a side view of an arrangement of fixing element 94 and associated fixing element actuating device 172 in the opened position position
  • Fig. 26 shows this arrangement in the closed position
  • Fig. 27 shows an arrangement of locator 94, a variant of locator actuator 172 and the top edge component in the first position (open)
  • Fig. 28 shows the arrangement of Fig. 27 in the second position (closed)
  • Fig. 29 shows the arrangement of FIG. 27 in a third position, in which the fixing element actuating device 172 additionally exerts a downward pressing force via the fixing element 94 on the upper edge component 96 .
  • a plurality of fixing elements 94 are distributed, for example a first to fourth fixing element 94 here.
  • the pivot mechanism 176 is rotatably mounted on a non-rotatable pin 178 - this may be attached to the frame member 110, but as noted above the pin 178 may be formed by the top of a column 118.
  • the swivel mechanism 176 is connected to the immersion tube 146, as a result of which the pressing force can be transferred to the telescopic column system.
  • the respective pivoting mechanism 176 can be switched between the open and closed switch positions by a corresponding bearing 179, preferably by a 90° rotation.
  • a locking unit 180 is provided for locking the swivel mechanism in the respective position.
  • the locking unit 180 has latching elements 182 such as, for example, spring-loaded ball pressure pieces which latch into a depression 184, 186 - e.g. locking bore - for each corresponding position on the pin 178.
  • Figures 19, 23, 27 show the first state: all pivot mechanisms 176 are open; the end plate 173 can be inserted.
  • Figures 20, 22, 24, 26 and 28 show the second state: all pivot mechanisms 176 are closed; the end plate 173 is locked and fixed, a pressing force can be maintained. 22 shows the contact of the pivoting mechanism 176 with the end plate 173.
  • 25 to 29 show possible configurations of the fixing element actuating device 172.
  • This has a cam element 188 which is movably connected to a pressing head or the pressing ram 128, and a gripping element 190 of the pivoting mechanism 176 travels along the cam.
  • the control cam is designed in such a way that when the press ram 128 moves toward the stacking device 32, the pivoting mechanism 176 pivots from the open position into the closed position.
  • 25 and 27 show the state in which the pivoting lever 174 is not actuated.
  • the pivoted lever 174 can be biased into the open position, e.g. by a corresponding biasing element (not shown here), so that it assumes the open position in the non-actuated state.
  • the actuating mechanism is designed for a 90° pivoting movement.
  • 26 and 28 show the actuated state, the pivoting lever 174 is pivoted into the closed position.
  • the gripping element 190 can then move along the vertical side of the control cam element adjoining the control cam when the press ram 128 moves further down from the position shown in FIGS. 26 and 29 for pressing emotional.
  • a driver or stop 192 is provided on the press ram 128 which presses on the pivoted lever 174 and thus transmits the pressing force via the pivoted lever 174 to the end plate 173 .
  • one of the spacers 114 designed as telescopic columns 118 is shown in section with the standpipe 144 and the immersion tube 146 as well as the pivoting lever 174 connected to the immersion tube 146 together with the finished, stacked fuel cell layer structure 14 with edge components 88, 96 and repeated components 16, 18 arranged in between .
  • the second embodiment of the stacking device 32 can therefore be designed as a passive system, in which the variable spacers 114 are moved (alone) by external forces, in particular by means of the ram 128, or as an active system with actuators 130 for the spacers 114.
  • FIG. 30 and 31 show a first design principle as a passive system at the beginning of the pressing process and after the pressing process while maintaining the pressing force by means of the fixing elements 94.
  • FIG. 32 shows a circuit diagram for the hydraulic circuit used in this variant of the stacking device 32. The variant essentially corresponds to the variant shown in FIGS. There is a closed hydraulic system 194 with a compensating tank 196, an optional pressure relief valve 198, a switching valve 200 and a check valve 202.
  • the pressing force F is used as a pressure source.
  • the pressure points formed on the fixing elements 94 can be used both as pressure points and as locking points. Accordingly, a force F/4 is applied to each of the four fixing elements 94 .
  • the switching of the switching valve 200 blocks the spacer 114, and the pressing force is maintained even after the pressing ram 128 has been removed.
  • the stacking device 32 has a fluid connection 204 to a corresponding fluid system, in particular a hydraulic system, of the production device 10 .
  • a quick-action coupling is provided for this purpose at the pressing station for actuating clamping and at the removal station 56 a quick-action coupling for actuating a release of the fixing elements 94 .
  • the dip tube 146 is rotatable and axially movable. Also provided on the immersion tube 146 is a cam 206 for generating the pivoting movement of the pivoting mechanism 176 of the fixing element 94 when it is lowered. A swing clamp is thus formed.
  • FIG. 33 shows the pressing process and FIG. 34 shows the tensioning by means of the fixing elements 94 for maintaining the pressing force.
  • FIGS. 35 and 36 A third design principle is shown in FIGS. 35 and 36, with FIG the pivoted lever 174 in the closed position--corresponding to FIG. 29--shows.
  • a linear clamping takes place.
  • the standpipe 144 is also pressed axially here.
  • Locking between the immersion tube 146 and the standpipe 144 takes place with the mechanically or pneumatically acting locking device 170 (available on the market as a purchase part) here by linear clamping. Release is spring-controlled.
  • 37 and 38 show a fourth construction principle, which uses radial pneumatic clamping by means of a ball screw (commercially available) to lock the spacers 114 in place.
  • a passively driven threaded spindle 208 with pneumatic clamping is provided on the standpipe 144 .
  • the release is again spring-controlled.
  • This principle is similar to the principle shown in FIGS. 35 and 36, but an axial to rotary force conversion is provided.
  • the leveler/elevator 132 is in the up position.
  • the locking mechanism 120 for the lower edge component 88 (e.g. lower endplate) is open.
  • the lower edge component 88 (e.g. lower endplate) is inserted.
  • closure mechanisms 120 for the lower edge component 88 (stationary fixation of the lower edge component 88) and for the guide elements 92 of the cell components 16, 18 within the position tolerances (upper closure mechanisms/deflection mechanisms 112) are closed - the closed state is shown in particular in Fig. 7 , 8, 10 and 15.
  • the actuation unit of the locking mechanism 120/112 is not part of the stacking device 32, since this is designed to be media-free for possible decoupling/transport processes.
  • the upper edge component 96 - e.g. upper end plate - is inserted, locked and fixed.
  • the stack can be pressed or "preloaded" with a securing force. In the first embodiment, this is done by pressing from the bottom up and without blocking, see alternative a below. In the second embodiment, pressing is from top to bottom with interlocking, see alternative b below.
  • the pressing force cannot be maintained by "jamming" the stacker 32 .
  • a securing process therefore takes place directly in the press 60.
  • the pressed stack is secured by tie rods or straps or the like.
  • the secured stack is then pushed out while the locking mechanisms are opened, as shown in FIGS. 12 and 13.
  • the pressing force can be maintained by “locking up” the stacking device 32 .
  • the securing process does not have to take place directly in the press 60, but cannot be carried out locally in another station of the production device 10.
  • a “compressible” basic structure of the stacking device 32 is movable in the vertical axis Fixing elements 94 are provided, which allow the height offset due to the pressing path.
  • a possible constructive implementation variant of this "compressibility" provides for the telescoping columns 118 within the base frame 106 of the stacking device 32 .
  • This design based on the principle of a shock absorber also has the advantage that an intervention in the valves 158, 160 (mechanical, electrical, electromagnetic, etc.) can block the system ("similarity to the holeshot device").
  • the medium e.g. oil
  • the medium can be prevented from flowing back into the respective medium chamber 152 by a valve intervention, as a result of which the immersion tube 146 can be prevented from extending.
  • the upper end plate 130 is locked by the stacking device 32 in order to maintain the securing or pressing force (springback of the stack).
  • the pressed stack is then secured.
  • a stacking device (32) for receiving, positioning and fixing the cell components (16, 18) of a fuel cell layered structure (14) in the course of its production has been proposed to improve the reliability of the layered structure of a fuel cell in industrial mass production, comprising a vertically movable base plate (86 ) on which a lower edge component (88) of the fuel cell layer structure (14) is to be placed, and a guide system (42) with at least one guide element (92) which moves in the direction of movement of the base plate (86) for lateral contact of the cell components (16, 18 ) and is designed to a) move with the base plate (86) in the vertical direction and/or b) when the edge component (88) is placed, to be positioned laterally over it for contacting the further cell components (16, 18) to be placed on it .
  • Coupling second control unit (stacking station/stacking device)
  • N/P ancillary/parallel process steps of an ancillary/parallel process running in parallel during the main process are shown in boxes with dotted outlines);
  • P04 parallel process height adjustment of the stacking device for a constant storage position

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Abstract

Zur Verbesserung der Zuverlässigkeit beim Schichtaufbau einer Brennstoffzelle in einer industriellen Großserienfertigung schafft die Erfindung eine Stapelvorrichtung (32) zur Aufnahme, Positionierung und Fixierung der Zellkomponenten (16, 18) eines Brennstoffzellenschichtaufbaus (14) im Zuge dessen Herstellens, umfassend eine vertikal bewegbare Basisplatte (86), auf der eine untere Randkomponente (88) des Brennstoffzellenschichtaufbaus (14) abzulegen ist, und ein Führungssystem (42) mit wenigstens einem Führungselement (92), das sich in Bewegungsrichtung der Basisplatte (86) zum seitlichen Kontakt der Zellkomponenten (16, 18) erstreckt und dazu ausgebildet ist, a) sich mit der Basisplatte (86) in vertikaler Richtung mitzubewegen und/oder b) bei aufgelegter Randkomponente (88) über diese hinweg seitlich zum Kontaktieren der darauf aufzulegenden weiteren Zellkomponenten (16, 18) positioniert zu werden. Außerdem werden ein entsprechendes Stapelverfahren und Vorrichtungen und Verfahren zum Herstellen des Brennstoffzellenschichtaufbaus (14) unter Verwendung der Stapelvorrichtung (32) vorgeschlagen.

Description

Stapelvorrichtung, Stapelstation, Herstellvorrichtung, Stapelverfahren und Herstellverfahren für einen Brennstoffzellenschichtaufbau
Die Erfindung betrifft eine Stapelvorrichtung zur Aufnahme, Positionierung und Fixierung der Zellkomponenten eines Brennstoffzellenschichtaufbaus im Zuge dessen Herstellens. Weiter betrifft die Erfindung eine Stapelstation umfassend eine solche Stapelvorrichtung. Weiter betrifft die Erfindung eine Herstellvorrichtung zum Herstellen eines Brennstoffzellenschichtaufbaus mit wechselweise angeordneten platten- oder membranförmig ausgebildeten ersten und zweiten Zellkomponenten, umfassend eine derartige Stapelvorrichtung oder eine derartige Stapelstation. Weiter betrifft die Erfindung ein Stapelverfahren zum Aufnehmen, Positionieren und Fixieren der Zellkomponenten eines Brennstoffzellenschichtaufbaus. Weiter betrifft die Erfindung ein Herstellverfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellenschichtaufbaus mit wechselweise angeordneten platten- oder membranförmig ausgebildeten ersten und zweiten Zellkomponenten. Schließlich betrifft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt zum Laden in eine Steuerung einer vorgenannten Stapelvorrichtung oder Herstellvorrichtung.
Zum technologischen Hintergrund und zur Begriffsklärung wird auf folgende Literaturstellen verwiesen:
[1] Brennstoffzelle - Wikipedia, heruntergeladen am 16.11 .2020 unter dem Internetlink https://de.wikipedia.org/wiki/Brennstoffzelle
[2] Polymerelektrolytbrennstoffzelle - Wikipedia, heruntergeladen am 13.11 .2020 unter dem Internetlink https://de.wikipedia.org/wiki/Polymerelektrolytbrennstoffzelle
[3] Proton-exchange membrane fuel cell - Wikipedia, heruntergeladen am 13.11 .2020 unter dem Internetlink https://en.wikipedia.org/wiki/Proton-exchange_membrane_fuel_cell
[4] Membrane electrode assembly - Wikipedia, heruntergeladen am 13.11 .2020 unter dem Internetlink https://en.wikipedia.org/wiki/Membrane_electrode_assembly
[5] US 2008/0138185 A1
[6] EP 3 913 713 A1
[7] WO 2020/216758 A1
Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, bei der Herstellung von Brennstoffzellen zu verwendenden Vorrichtungen und Verfahren zu schaffen, die hinsichtlich Zuverlässigkeit beim Schichtaufbau verbessert sind.
Zum Lösen dieser Aufgabe schafft die Erfindung die Verfahren und Vorrichtungen gemäß den unabhängigen Ansprüchen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung schafft eine Stapelvorrichtung zur Aufnahme, Positionierung und Fixierung der Zellkomponenten eines Brennstoffzellenschichtaufbaus im Zuge dessen Herstellens, umfassend: eine vertikal bewegbare Basisplatte, auf der eine untere Randkomponente des Brennstoffzellenschichtaufbaus abzulegen ist, und ein Führungssystem mit wenigstens einem Führungselement, das sich in Bewegungsrichtung der Basisplatte zum seitlichen Kontakt der Zellkomponenten erstreckt und dazu ausgebildet ist, a) sich mit der Basisplatte in vertikaler Richtung mitzubewegen und/oder b) bei aufgelegter Randkomponente über diese hinweg seitlich zum Kontaktieren der darauf aufzulegenden weiteren Zellkomponenten positioniert zu werden.
Es ist bevorzugt, dass ein Fixierelement zum Fixieren einer oberen Randkomponente vorgesehen ist.
Es ist bevorzugt, dass das Fixierelement und die Basisplatte relativ zueinander beweglich sind, wobei die Stapelvorrichtung dazu ausgebildet ist, mittels des Fixierelements und der Basisplatte eine Presskraft auf den Brennstoffzellenschichtaufbau auszuüben und aufrecht zu erhalten.
Das wenigstens Führungselement kann beispielsweise eine Alignmentleiste umfassen. Vorzugsweise ist das Führungselement ausreichend flexibel, um sich an den Rand der Zellkomponenten anzupassen.
Es ist bevorzugt, dass das wenigstens eine Führungselement eine Kammstruktur mit in der Lage und/oder im Abstand einstellbaren Zähnen aufweist.
Es ist bevorzugt, dass das wenigstens eine Führungselement als Band oder Gurt ausgebildet ist.
Es ist bevorzugt, dass wenigstens eines oder beide Enden des Bandes oder des Gurtes zwischen einer ersten und einer zweiten Stellung bewegbar an der Basisplatte befestigt ist. Insbesondere ist wenigstens ein erstes Ende des Bandes relativ zu der Basisplatte mit wenigstens einer Richtungskomponente horizontal zwischen der ersten und zweiten Stellung bewegbar. Vorzugsweise sind somit die erste und die zweite Stellung an horizontal versetzten Positionen an der Basisplatte vorgesehen.
Es ist bevorzugt, dass ein oberes Umlenkelement und/oder ein unteres Umlenkelement für jedes Band oder jeden Gurt vorgesehen sind.
Es ist bevorzugt, dass der Abstand zwischen Umlenkelementen einstellbar veränderbar ist.
Es ist bevorzugt, dass der Abstand zwischen Umlenkelementen elastisch variabel ist.
Es ist bevorzugt, dass der Abstand zwischen Umlenkelementen feststellbar variabel ist.
Vorzugsweise umfasst die Stapelvorrichtung weiter einen Grundrahmen, an dem mehrere (der) Führungselemente beweglich angebracht sind.
Es ist bevorzugt, dass an jeder Seite eines Aufnahmeraums des Grundrahmens wenigstens ein Führungselement angeordnet ist.
Es ist bevorzugt, dass der Grundrahmen zur wählbaren Anordnung der Führungselemente an unterschiedlichen Orten ausgebildet ist, um den Ort des Kontaktes an einen individuellen Zellstapel anzupassen.
Es ist bevorzugt, dass der Grundrahmen eine Grundplatte, ein Rahmenelement und Abstandshalter zwischen der Grundplatte und dem Rahmenelement aufweist.
Es ist bevorzugt, dass die Abstandshalter als Pfosten, Säulen und/oder Wände ausgebildet sind.
Es ist bevorzugt, dass das Fixierelement an dem Rahmenelement angebracht ist.
Es ist bevorzugt, dass der Abstand der Abstandshalter variabel ist, um das Fixierelement relativ zu dem Basiselement zu bewegen.
Es ist bevorzugt, dass die Abstandshalter jeweils ein erstes Abstandshalterelement und ein zweites Abstandshalterelement aufweisen, die relativ zueinander beweglich sind, um den Abstand einzustellen.
Vorzugsweise umfasst die Stapelvorrichtung wenigstens einen Aktor zum Einstellen des Abstands der Abstandshalter. Es ist bevorzugt, dass die Säulen Teleskopsäulen sind, deren Länge mittels eines Fluidmediums einstellbar ist.
Vorzugsweise umfasst die Stapelvorrichtung einen Anschlussstutzen zum entfernbaren Anschließen einer Fluidmediumsquelle, die zur Versorgung mit Fluidmedium mit einstellbarem Druck ausgebildet ist, sowie eine Arretiereinrichtung zum Arretieren der Teleskopsäulen.
Vorzugsweise umfasst die Stapelvorrichtung einen Hubmechanismus zum Heben und Senken der Basisplatte.
Vorzugsweise umfasst die Stapelvorrichtung einen Verschlussmechanismus.
Vorzugsweise ist der Verschlussmechanismus dazu ausgebildet, zum Ablegen der unteren Randkomponente auf der Basisplatte geöffnet und zum Fixieren der unteren Randkomponente auf der Basisplatte geschlossen zu werden.
Vorzugsweise ist der Verschlussmechanismus derart ausgebildet, dass mittels des Verschlussmechanismus das wenigstens eine Führungselement in eine Offenstellung zum Einlegen der Randkomponente und/oder Entnehmen des Zellstapels und in eine Geschlossenstellung zum Kontaktieren der Wiederholkomponenten bewegbar ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung eine Stapelstation, umfassend eine Stapelvorrichtung nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen und eine elektronische Steuereinheit, die dazu ausgebildet ist, die Stapelvorrichtung zum Durchführen der folgenden Schritte anzusteuern: Ablegen und Fixieren der unteren Randkomponente des Brennstoffzellenschichtaufbaus auf der vertikal beweglichen Basisplatte, Aufschichten weiterer Zellkomponenten auf der unteren Randkomponente unter Absenken der Basisplatte und seitliches Führen der Zellkomponenten mit dem wenigstens einem Führungselement.
Vorzugsweise werden die Zellkomponenten dabei durch das sich mit der Basisplatte mitbewegenden wenigstens eine Führungselement geführt. Das Führungselement oder eines oder alle von mehreren Führungselementen kann aber z.B. auch durch eine Alignmentleiste ausgebildet sein, die seitlich an den Zellkomponenten positioniert wird und danach in dieser Position zum Führen stationär gehalten wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung eine Herstellvorrichtung zum Herstellen eines Brennstoffzellenschichtaufbaus mit wechselweise angeordneten platten- oder membranförmig ausgebildeten ersten und zweiten Zellkomponenten, umfassend: eine Stapelstation gemäß einer der voranstehenden Ausgestaltungen oder eine Stapelstation mit wenigstens einer Stapelvorrichtung nach einem der voranstehenden Ausgestaltungen zum Aufeinanderstapeln der ersten und der zweite Zellkomponente abwechselnd aufeinander, einen zwischen wenigstens einer Befüllstation und der Stapelstation bewegbaren Vertikalabstapler zum Aufnehmen einer Mehrzahl von ersten Zellkomponenten in einer vertikalen Anordnung mit einer Auf- und Abbewegungseinrichtung zum Auf- und Abbewegen der ersten Zellkomponenten und zum Abstapeln vereinzelter erster Zellkomponenten in vertikaler Richtung zu der Stapelvorrichtung, und ein Zuführsystem zum Zuführen vereinzelter zweiter Zellkomponenten zu der Stapelvorrichtung.
Vorzugsweise umfasst die Herstellvorrichtung eine Mehrzahl von Stapelvorrichtungen, die im Kreislauf zwischen der Stapelstation und wenigstens einer weiteren Bearbeitungsstation zum Weiterbearbeiten der in der Stapelvorrichtung gestapelten Brennstoffzellenschichtaufbaus bewegbar sind.
Vorzugsweise umfasst die Herstellvorrichtung eine Auflagestation zum Auflegen von Randkomponenten des Zellschichtaufbaus.
Vorzugsweise umfasst die Herstellvorrichtung eine Entnahmestation zum Entnehmen des Brennstoffzellenschichtaufbaus aus der Stapelvorrichtung.
Vorzugsweise umfasst die Herstellvorrichtung wenigstens eine Pressstation mit einer Presse zum Pressen des Brennstoffzellenschichtaufbaus.
Vorzugsweise umfasst die Herstellvorrichtung eine elektronische Steuereinheit, die dazu ausgebildet ist, die Herstellvorrichtung zum Durchführen der folgenden Schritte anzusteuern: 1 .a Ablegen und Fixieren einer unteren Randkomponente des Brennstoffzellenschichtaufbaus auf einer vertikal beweglichen Basisplatte der Stapelvorrichtung an der Stapelstation, 1 .b Aufschichten weiterer Zellkomponenten auf der unteren Randkomponente unter Absenken der Basisplatte und 1 .c seitliches Führen der Zellkomponenten mit dem wenigstens einem Führungselement.
Vorzugsweise umfasst die Herstellvorrichtung eine elektronische Steuereinheit, (dies kann die zuvor erwähnte Steuereinheit oder eine zusätzliche Steuereinheit sein), die dazu ausgebildet ist, die Herstellvorrichtung zum Durchführen der folgenden Schritte anzusteuern: 2. a Bereitstellen der Stapelvorrichtung an einer Stapelstation, 2.b Abwechselndes vertikales Abstapeln einer ersten Zellkomponente und Zuführen einer zweiten Zellkomponente auf der Stapelvorrichtung, 2.c Transport der Stapelvorrichtung mit dem so gebildeten Zellschichtaufbaus zur Weiterverarbeitung und Entnahme des Zellschichtaufbaus, 2.d Rücktransport der Stapelvorrichtung zu der Stapelstation.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung ein Stapelverfahren zum Aufnehmen, Positionieren und Fixieren der Zellkomponenten eines Brennstoffzellenschichtaufbaus, umfassend: Ablegen und Fixieren einer unteren Randkomponente des Brennstoffzellenschichtaufbaus auf einer vertikal beweglichen Basisplatte, Aufschichten weiterer Zellkomponenten auf der unteren Randkomponente unter Absenken der Basisplatte und seitliches Führen der Zellkomponenten mit wenigstens einem Führungselement, wobei das wenigstens eine Führungselement a) mit der Basisplatte in vertikaler Richtung mitbewegt wird und/oder b) bei aufgelegter Randkomponente über diese hinweg seitlich zum Kontaktieren der darauf aufzulegenden weiteren Zellkomponenten positioniert wird.
Vorzugsweise umfasst das Stapelverfahren Verwenden einer Stapelvorrichtung nach einem der voranstehenden Ausgestaltungen.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung ein Herstellverfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellenschichtaufbaus mit wechselweise angeordneten platten- oder membranförmig ausgebildeten ersten und zweiten Zellkomponenten, umfassend: Bereitstellen einer Stapelvorrichtung nach einer voranstehenden Ausgestaltungen an einer Stapelstation, Abwechselndes vertikales Abstapeln einer ersten Zellkomponente und Zuführen einer zweiten Zellkomponente auf der Stapelvorrichtung,
Transport der Stapelvorrichtung mit dem so gebildeten Zellschichtaufbau zur Weiterverarbeitung und Entnahme des Zellschichtaufbaus, Rücktransport der Stapelvorrichtung zu der Stapelstation.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung ein Computerprogramm, umfassend maschinenlesbare Steueranweisungen, die, wenn in eine Steuerung zum Ansteuern einer Stapelvorrichtung nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen geladen, diese veranlassen, das Stapelverfahren gemäß einer der zuvor erläuterten Ausgestaltungen durchzuführen oder wenn in eine Steuerung einer Herstellvorrichtung nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen geladen, diese veranlassen, das Herstellverfahren gemäß der zuvor erläuterten Ausgestaltung durchzuführen.
Einige besondere technische Effekte, Vorteile und Einsatzmöglichkeiten bevorzugter Ausführungsbeispiele werden im Folgenden näher erläutert.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung betreffen eine Stapelvorrichtung für die Herstellung eines Brennstoffzellen-Stacks.
Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung werden beispielsweise Zellstapel von Brennstoffzellen, die wechselweise aufeinandergestapelten ersten und zweiten Zellkomponenten gebildet sind, hergestellt. Beispiele für die Zellkomponenten sind Bipolarplatten, kurz BPP, und Membranelektrodenanordnungen, kurz MEA.
Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung geht es um eine Stapelvorrichtung zur Aufnahme, Positionierung und Fixierung aller Komponenten eines PEMFC-Stacks während des Herstellprozesses.
Beispielsweise werden die Zellkomponenten insbesondere mit Zuführsystemen vereinzelt zu der Stapelvorrichtung geliefert, worin dann vorzugsweise das Aufeinanderstapeln der Zellkomponenten erfolgt. Vorzugsweise erfolgt mit Anwachsen des Stapels durch die Stapelvorrichtung ein Höhenausgleich, um die Ablageposition der Wiederholkomponenten während des gesamten Stapelprozesses konstant zu halten.
Randkomponenten einer Brennstoffzellenschichtaufbaus haben in der Regel eine größere Ausdehnung als die Wiederholkomponenten, so dass die Randkomponenten an allen Seiten mit ihrem Rand über die Wiederholkomponenten überstehen. Daher greifen bei bisherigen Lösungen seitliche Führungen beim Aufbau des Stapels an den überstehenden Rändern der Randkomponenten an. Dies macht es schwierig, Wiederholkomponenten exakt abzulegen.
Vorteile bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand des Beispiels einer Stapelvorrichtung zur Aufnahme, Positionierung und Fixierung aller Komponenten eines PEMFC-Stacks während des Herstellungsprozesses näher beschrieben.
Beim Aufbau eines PEMFC-Stacks wird bisher zwischen dem Einlegen der unteren Randkomponenten, dem alternierenden Einbringen der Wiederholkomponenten BPP und MEA und dem abschließenden Einlegen der oberen Randkomponenten unterschieden werden.
Ein besonderes Augenmerk liegt dabei auf dem alternierenden Einbringen der Wiederholkomponenten BPP und MEA, da dies den Hauptanteil des Gesamtprozesses „Stacking“ einnimmt. Gemäß bisherigen internen Lösungsansätzen erfolgt die Aufnahme und Positionierung der alternierenden Wiederholkomponenten BPP und MEA entweder durch starr montierte, unbewegliche Führungselemente oder durch in der Ebene einer Grundplatte einer Stapelvorrichtung verschiebbare bzw. zustellbare, bewegliche Führungselemente. Die Auswahl für die jeweilige Form des Führungssystems muss dabei bisher immer auf die Kontur der unteren Randkomponenten abgestimmt werden, um beispielsweise ein Einlegen überhaupt durchführen zu können.
Die bei derzeitigen Lösungsansätzen verwendeten Führungssysteme umfassen bzw. überragen die unteren Randkomponenten geometrisch, um diese mit wachsender Stapelhöhe einem Höhenausgleich unterziehen zu können.
Dies ist bei bisherigen Lösungsansätzen erforderlich, um für den Stapelprozess der Wiederholkomponenten über eine konstante Ablageposition verfügen zu können, was sich vorteilhaft auf die Prozesssicherheit auswirkt.
Da sowohl die unteren, als auch die oberen Randkomponenten in der Regel geometrisch größere Abmaße als die Wiederholkomponenten besitzen, geben diese infolgedessen den limitierenden Bereich des Führungssystems vor. Die Wiederholkomponenten können dementsprechend bei bisherigen Lösungsansätzen nur im Toleranzfeld der Außenabmaße der Randkomponenten positioniert werden, wenn gleichzeitig ein Höhenausgleich durchgeführt werden soll.
Dieser geometrische Überstand dient vorrangig zum Schutz der Wiederholkomponenten (mechanisch/elektrisch). Zudem ist für das Anlegen des Sicherungssystems ein ausreichend großer Spalt zwischen den Sicherungselementen und den Wiederholkomponenten erforderlich, um diese mechanisch nicht zu beschädigen bzw. durch das Anlegen der Sicherungselemente elektrisch zu kontaktieren (Kurzschluss).
Bei bisherigen Lösungsansätzen könnte zwar durch eine entsprechend gestaltete Führung der Versatz von den Randkomponenten zu den Wiederholkomponenten ausgeglichen werden, wodurch dann aber ein Höhenausgleich nicht mehr umsetzbar ist - die Randkomponente wird in Stapelrichtung umfasst.
Die einzige Möglichkeit, mit einem derzeit verwendeten starren Führungssystem sowohl einen Höhenausgleich als auch ein die geometrischen Abmaßen der Wiederholkomponenten zu generieren, wäre es, deckungsgleiche Bereiche von Randkomponenten und Wiederholkomponenten zu schaffen. Dieses Prinzip hat jedoch einen fehlenden Bauteilschutz in diesen deckungsgleichen Bereichen sowie einen erhöhten fertigungstechnischen Aufwand zur Folge.
Aufgrund der kontinuierlich steigenden Nachfrage von Brennstoffzellen und der erforderlichen Anzahl an Einzelzellen zur Generierung entsprechender elektrischer Leistungen sind heutzutage immer größere Anzahlen an Einzelkomponenten erforderlich, welche präzise und mit hoher Prozessgeschwindigkeit übereinander zu PEMFC-Stacks gestapelt werden müssen.
Um neben der elektrischen Leistung auch Betriebssicherheit zu garantieren, sind während der Assemblierung des PEMFC-Stacks bei immer geringer werdenden Taktzeiten immer präzisere Lagetoleranzen der einzelnen Wiederholkomponenten einzuhalten. Da mit den bisherigen Systemen lediglich die Außenkontur der Randkomponente als limitierende Geometrie genutzt werden kann, insofern gleichzeitig ein Höhenausgleich für eine konstante Ablageposition realisiert werden soll, ergeben sich entsprechend große Toleranzfelder.
Ein bisheriger interner Lösungsansatz zu dem oben beschriebenen Nachteil/Mangel sieht vor, dass durch eine Anpassung der unteren bzw. oberen Randkomponenten deckungsgleiche Bereiche zu den Wiederholkomponenten geschaffen werden. Dies bedeutet jedoch konstruktiven und fertigungstechnischen Aufwand, der im Hinblick auf eine zukünftige Reduzierung der Herstellungs- bzw. Fertigungskosten jedoch möglichst vermieden werden sollte.
Mit bevorzugten Ausgestaltungen der Stapelvorrichtung lassen sich Randkomponenten als limitierende Geometrie eliminieren (wenn Höhenausgleich vorhanden/gefordert).
Insbesondere ermöglichen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung die Ausrichtung der Komponenten auf der unteren Randkomponente, unabhängig von deren geometrischen Abmaße.
Somit kann das Toleranzfeld für die Ablage der Wiederholkomponenten frei auf die jeweilige Anforderung angepasst werden.
Parallel bleibt die Möglichkeit eines Höhenausgleichs zur Sicherstellung einer konstanten Ablageposition der Wiederholkomponenten erhalten.
Weiter werden deckungsgleiche Bereiche zwischen den Randkomponenten und den Wiederholkomponenten für eine präzise Ausrichtung nicht mehr benötigt.
Mit bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung ist ferner eine freie Geometrie umsetzbar. Somit können z.B. Einführschrägen erzeugt werden, etc.
Da gegenwärtig die Art der Zuführung der Wiederholkomponenten (BPP und MEA) variieren, ermöglichen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung die Anpassung auf verschiedenste Systeme.
Zudem können Zusatzelemente wie Einführschrägen zur Unterstützung des Ablagevorgangs umgesetzt werden.
Mit bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung sind ferner Hilfssysteme umsetzbar.
Beispielsweise ist es mit Ausgestaltungen der Erfindung möglich, den Vorgang der Komponenten- Positionierung bzw. Komponenten-Ausrichtung durch Vibration zu unterstützen.
Zudem kann mit besonders bevorzugten Ausgestaltungen für die Abschwächung auftretender Impulse, hervorgerufen durch das Einbringen der Wiederholkomponenten (BPP und MEA), ein Dämpfungseffekt generiert werden.
Dadurch wird die Beschädigungsgefahr für die einzelnen Wiederholkomponenten reduziert und die Ablagedauer der Komponenten verringert, was sich positiv Seitens der Prozesssicherheit und Prozesstaktzeit auswirkt.
Ferner ist bei besonders bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung eine Entkopplung von Stapelvorgang, Pressvorgang und Sicherungsvorgang erreichbar.
Insbesondere ist es mit bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung möglich, die Wiederholkomponenten nach dem Abschluss des Stapelvorgangs - alle Wiederholkomponenten samt Randkomponenten befinden sich gestapelt in der Stapelvorrichtung - unter einer Sicherungs- bzw. Presskraft stehend zu verblocken.
Der Hintergrund für das sogenannte Verblocken der Stapelvorrichtung liegt darin, dass der lose gestapelte PEMFC-Stack hinsichtlich seiner Transporteigenschaften stark eingeschränkt ist.
Da die Komponenten nur mit der eigenen Gewichtskraft aufeinanderliegen, können diese durch den Transport von der Stapelstation zu den nachfolgenden Prozessstationen sehr schnell gegeneinander verschoben werden.
Somit besteht die Möglichkeit, dass die definierten Lagetoleranzen nicht eingehalten werden können und dass es durch die Relativbewegung der Komponenten untereinander zu Beschädigungen kommt. Zur Stabilisierung des Stacks und somit zur Verbesserung der Transporteigenschaften zwischen den einzelnen Prozessstationen ist es hilfreich, die herstellerspezifische Presskraft bzw. ein Teil dieser Presskraft auf die Komponenten auszuüben um dadurch die Haftreibung zwischen den einzelnen Komponenten zu erhöhen und somit eine Relativbewegung zu verhindern.
Durch diese Verbesserung hinsichtlich der Transporteigenschaften wird die Möglichkeit geschaffen, sämtliche Prozesse die dem Stapelvorgang nachgestellt sind, wie beispielsweise der Press- und Sicherungsvorgang voneinander zu entkoppeln, wodurch variabel auf die jeweilige Kundenanfrage reagiert werden kann.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung haben insbesondere einen oder mehrere der folgenden Vorteile oder Effekte:
• Ausgleich des geometrischen Überstands der Randkomponenten gegenüber den Wiederholkomponenten ohne deckungsgleiche Bereiche in den Randkomponenten
Daraus resultiert eine Erhöhung der Ablagegenauigkeit
• Vereinfachung der Stapelvorrichtung hinsichtlich Komponentenpositionierung
• Freie Führungsgeometrie umsetzbar
Einführschrägen können erzeugt werden etc.
• Einfache Umsetzung von Zusatz-ZHilfssystemen bzw. Hilfsfunktionen
Vibration für die Komponentenausrichtung/Komponentenpositionierung
Dämpfungssysteme zur Unterstützung des Ablageprozesses der Wiederholkomponenten
• Entwicklung einer Stapelvorrichtung mit hohem Taktzeitpotenzial
• Erhöhung des Bauteilschutzes bei der Ablage während der PEMFC-Stackbildung
Erhöhung der Prozesssicherheit
Reduzierung der Ausschussmenge
Reduzierung der Herstellkosten eines PEMFC-Stacks
• Ermöglichen einer vollkommen medienfreien und transportfähigen Stapelvorrichtung
Möglichkeit zum Transport der Stapelvorrichtung zwischen den einzelnen Teilstationen des Gesamten Fertigungsprozesses (“Entkopplung“)
Erhöhung der T ransportsicherheit/Verbesserung der T ransporteigenschaften zwischen den einzelnen Prozessstationen durch die Stabilisierung des assemblierten Stacks unter dem Einsatz einer definierten Sicherungs- oder Presskraft sowie deren Aufrechterhaltung durch das Verblocken/Verriegeln der Stapelvorrichtung
• Daraus Resultiert eine Erhöhung der Flexibilität hinsichtlich Kundenanfragen
Flexibilität hinsichtlich der Gesamtausbringung
Flexibilität hinsichtlich der Komponenten
Flexibilität hinsichtlich der Taktzeiten der verschiedenen Teilprozesse
Umsetzung eines modularen Anlagenkonzepts (“Gamechanger“) -Derzeit werden nahezu ausschließlich “starre“ Stapelvorrichtungen auf starren Verkettungssystemen eingesetzt
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Keine Entkopplung einzelner Prozesse bzw. Prozesstaktzeiten möglich, was meist zu einer Parallelisierung der Gesamtanlage führt
Besonders bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung schaffen ein System zum Ausgleich eines geometrischen Überstands von Randkomponenten in Bezug auf Wiederholkomponenten. Ein besonderer Vorteil bevorzugter Ausgestaltungen liegt darin, dass die Stapelvorrichtung den geometrischen Überstand der Randkomponenten, vorrangig der unteren Randkomponenten, ohne konstruktive Anpassungen ausgleicht und dadurch ein präziseres Ablegen der Wiederholkomponenten innerhalb eines kleineren Toleranzfeldes ermöglicht.
Gleichzeitig wird die Möglichkeit eines Höhenausgleichs für die Realisierung einer konstanten Ablageposition für die Wiederholkomponenten aufrechterhalten.
Bei besonders bevorzugten Ausgestaltungen erfolgt dies unter Einsatz eines Gurtsystems als Führungssystem, welches in der Lage ist, mit Hilfe eines spezifisch für den jeweiligen Anwendungsfall ausgelegten Rollensystems von oben, in Richtung des wachsenden PEMFC-Stacks nachgeführt zu werden.
Bei einigen Ausführungsformen erfolgt je nach Form und Anzahl von deckungsgleichen Bereichen zwischen BPP und MEA, den sogenannten Alignments, die Auslegung von insbesondere als Führungsgurte ausgebildeten Führungselementen (Geometrie/Länge) sowie des zugehörigen insbesondere als Gurtsystem ausgeführten Führungssystems. Ein mechanischer Kontakt zwischen den Wiederholkomponenten (BPP und MEA) und den einzelnen Führungsgurten der Stapelvorrichtung findet während des Stapelvorgangs somit nur im Alignment-Bereich statt. Bei diesen Alignments handelt es sich um jeweils bei individuellen herzustellenden Brennstoffzellstacks unterschiedliche individuelle Werkstückmerkmale, welche keinerlei Normungen unterliegen. Die Ausrichtung von BPP und MEA erfolgt ausschließlich durch diesen Kontakt.
Aufgrund der Flexibilität der Gurte (oder auch Bänder) kann durch Anpassungen des Gurt- bzw. Rollensystems ein abgeschrägter Einführbereich für das Einlegen der Wiederholkomponenten geschaffen werden.
Durch Variation des Gurtmaterials sowie deren Vorspannung kann ohne Systemwechsel Einfluss auf verschiedene Systemeigenschaften wie z.B. Gleitverhalten der Komponenten im Alignment-Bereich, Komponentendämpfung etc. genommen werden.
Der Ausgleich des geometrischen Überstands zwischen den unteren Randkomponenten und den Wiederholkomponenten erfolgt vorzugsweise durch ein Verschlusssystem. Dieses Verschlusssystem fixiert die eingelegte untere Randkomponente und dient zusätzlich als Basis für die Verankerung eines der beiden Gurtenden oder der Verankerung eines entsprechend anderen Führungselements.
Die Positionierung der unteren Randkomponenten auf der Basisplatte erfolgt dabei vorzugsweise, ähnlich zu den Alignments der Wiederholkomponenten, durch entsprechende herstellerspezifische bzw. individuell spezifische Komponentenmerkmale.
Beispiele für entsprechend herstellerspezifische/ individuell spezifische Komponentenmerkmale sind unter anderem:
• Definierte Kontaktflächen
• Definierte Außenkanten
• Indexbohrungen
• etc.
Das Verschlusssystem befindet sich dabei vorzugsweise auf der Basisplatte für die Aufnahme der unteren Randkomponenten und ist somit im gleichen Maße dem Höhenausgleich unterzogen. Der Höhenausgleich für die Kompensation der abgelegten Schichtdicken der Wiederholkomponenten erfolgt durch eine Linearachse auf der Unterseite der Basisplatte. Das zweite Gurtende wird ebenfalls auf der Unterseite dieser Basisplatte verankert.
Mit der Befestigung beider Gurtenden auf der Basisplatte wird bei bevorzugten Ausgestaltungen eine direkte Kopplung hergestellt. Dementsprechend wird sichergestellt, dass während des Höhenausgleichs und dem damit verbundenen Absenken der Basisplatte automatisch so viel Gurtmaterial bereitgestellt wird wie auf der Oberseite für die Nachführung benötigt wird.
Den Längenausgleich für den geöffneten und geschlossenen Zustand des Gurtsystems sowie den Ausgleich sämtlicher Unregelmäßigkeiten übernimmt vorzugsweise jeweils ein Längenausgleichselement, z.B. in Form einer Spannrolle.
Die vorliegende Erfindung beschränkt sich hinsichtlich der Positionierung bzw. der Ausrichtung der Wiederholkomponenten nicht auf die Verwendung eines Gurtsystems.
Andere Systeme welche sich hinsichtlich ihrer Länge entsprechend variabel gestalten lassen, beispielsweise ein Kammsystem oder Ähnliches, können ebenfalls eingesetzt werden. Dadurch kann auch in Bezug auf die zu verarbeitenden Komponenten und deren Eigenschafen angesichts des Ablageprozesses (Dämpfung, Verschleißbeständigkeit, etc.) reagiert werden.
Ein Vorteil bevorzugter Ausgestaltungen der Erfindung liegt darin, dass im Gegensatz zu den bekannten Lösungen mit starren Führungssystemen die Randkomponenten als limitierende Geometrien hinsichtlich des Ablagebereichs der Wiederholkomponenten eliminiert werden und gleichzeitig ein Höhenausgleich zur Realisierung einer gleichbleibenden Ablageposition ohne geometrische Anpassungen der Randkomponenten an die Wiederholkomponenten durchgeführt werden kann.
Ein weiterer Vorteil der bevorzugten Ausführungsform der Stapelvorrichtung ist, dass durch die Flexibilität von Führungsgurten verschiedene Geometrien der Stapelvorrichtung generiert werden können und somit nur eine Anpassung bzw. Verschiebung einzelner Umlenkrollen des Führungssystems erfordern. Durch den kompakten und modularen Aufbau der einzelnen Rollensysteme kann die Stapelvorrichtung gemäß der bevorzugten Ausführungsform sowohl auf die Anzahl, als auch die Position der Alignment-Bereiche gemäß der jeweiligen Brennstoffzellen-spezifischen Anforderung adaptiert werden. Zudem kann das Gesamtsystem durch einen Austausch der Führungsgurte auf verschiedenste Alignment-Geometrien angepasst werden.
Vorteilhaft ist ebenfalls, dass das System einfach auf die verschiedensten Variationen im Hinblick auf die Einzelzellzahlen des PEMFC-Stacks skaliert werden kann.
Um nach dem Abschluss des Stapelvorgangs und dem Auflegen der oberen Endplatte ein Verrutschen der einzelnen Komponenten zu verhindern, ist es vorteilhaft, wenn von einer Entnahme und einem Transportvorgang des ungesicherten PEMFC-Stacks zu einer Press- und Sicherungsstation abgesehen wird.
Einige bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung betreffen eine “verblockbare“ Stapelvorrichtung sowie deren Anwendung. Durch eine Stapelvorrichtung mit der Möglichkeit einer Verblockung wird die Transportfähigkeit des unverpressten Stacks hergestellt, wodurch sichere Transportvorgänge zwischen einzelnen Prozessstationen ermöglicht werden.
Mittels einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Stapelvorrichtung ist ein direktes Pressen und Sichern des PEMFC-Stacks innerhalb der Stapelvorrichtung umsetzbar. Zudem können bei bevorzugten Ausgestaltungen, z.B. durch die Nachgiebigkeit der Führungsgurte während des Pressvorgangs des PEMFC-Stacks, Verformungs- und Verschiebungseffekte der einzelnen Komponenten unter Presskraft, ohne Beschädigung der an den Führungsgurte anliegenden Komponenten, detektiert werden. Ein Umsetzen jeweiliger kundenspezifischer Korrekturstrategien ist dann ohne den Austausch von Komponenten möglich, was sich positiv auf die Herstellungskosten der P EM FC-Stacks auswirkt.
Diese bei bevorzugten Ausgestaltungen vorgesehene Nachgiebigkeit der Führungsgurte ist weiter vorzugsweise durch ein integriertes Spannrollensystem frei einstellbar und kann ergänzend dazu genutzt werden, um einen Dämpfungseffekt zur Abschwächung des auftretenden Impulses beim Einbringen der Wiederholkomponenten zu generieren, was sich zu Gunsten einer verringerten Beschädigungsgefahr der Komponenten sowie einer Verringerung der Ablagedauer auswirkt.
Zur Verbesserung des Ablageverhaltens der Wiederholkomponenten können bei bevorzugten Ausgestaltungen der Stapelvorrichtung definierte Bereiche bzw. die gesamte Vorrichtung vibrierend gestaltet werden.
Somit lassen sich mit bevorzugten Ausgestaltungen der Stapelvorrichtung folgende Vorteile zu bestehenden Lösungsansätzen erreichen:
• Ausgleich des geometrischen Überstands Randkomponenten/Wiederholkomponenten
• Keine deckungsgleiche Bereiche Randkomponenten/Wiederholkomponenten o Daraus resultiert eine Erhöhung der Ablagegenauigkeit
• Vereinfachung der Stapelvorrichtung hinsichtlich Komponentenpositionierung
• Freie Führungsgeometrie umsetzbar o Einführschrägen können erzeugt werden etc.
• Einfache Umsetzung von Zusatz-ZHilfssystemen bzw. Hilfsfunktionen o Vibration für die Komponentenausrichtung/Komponentenpositionierung o Impulsdämpfung zur Unterstützung des Ablageprozesses
• Erhöhung des Bauteilschutzes bei der Ablage während der PEMFC-Stackbildung o Erhöhung der Prozesssicherheit o Reduzierung der Ausschussmenge o Reduzierung der Herstellkosten eines PEMFC-Stacks
• Entwicklung einer Stapelvorrichtung mit hohem Taktzeitpotenzial
Ausführungsbeispiele der Erfindung betreffen insbesondere eine Stapelvorrichtung für die Herstellung eines Brennstoffzellen-Stacks sowie damit durchführbare Stapelverfahren. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Herstellvorrichtung und ein Herstellverfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellen-Stacks, bei denen einen oder mehrere der Stapelvorrichtungen Verwendung finden.
Die im Nachfolgenden beschriebene Ausführungsformen der Erfindung befinden sich auf dem Gebiet der Herstellung eines Brennstoffzellen-Stacks (Typ: PEMFC).
Dabei handelt es sich um ein System für die Aufnahme, Positionierung und Fixierung aller für den Aufbau bzw. der Herstellung eines PEMFC-Stacks erforderlichen Komponenten, im Hinblick auf eine Großserienanlage zur Brennstoffzellenfertigung.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:
Fig. 1 ein schematisches Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Herstellverfahrens zum Herstellen eines Brennstoffzellenschichtaufbaus mit wechselweise angeordneten platten- oder membranförmig ausgebildeten ersten und zweiten Zellkomponenten;
Fig. 2 eine schematische Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels einer Herstellvorrichtung zum Herstellen des Brennstoffzellenschichtaufbaus;
Fig. 3 eine schematische Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels einer Befüllstation mit einem Ausführungsbeispiel einer Zellstapelabstapeleinrichtung zur Verwendung in dem Herstellverfahren von Fig. 1 ;
Fig. 4 eine schematische Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel der Herstellvorrichtung zur Darstellung einer möglichen Kombi-Station zum Herstellen des Brennstoffzellenschichtaufbaus;
Fig. 5 eine perspektivische Darstellung einer konkreten beispielhaften Ausgestaltung der Herstellvorrichtung;
Fig. 6 eine seitliche Prinzipdarstellung der Herstellvorrichtung zur Verdeutlichung des Prinzips der Zuführung einer ersten Zellkomponente;
Fig. 7 eine perspektivische Darstellung - Gesamtdarstellung - einer ersten Ausführungsform einer Stapelvorrichtung zur Verwendung in der Herstellvorrichtung gemäß den Fig. 1 bis 6 im leeren Zustand;
Fig. 8 eine Vorderansicht der Stapelvorrichtung von Fig. 7;
Fig. 9 eine Schnittansicht entlang der Linie A-A von Fig. 8 von oben gesehen;
Fig. 10 eine Ansicht vergleichbar der Fig. 7, wobei die Stapelvorrichtung in vollständig gefülltem Zustand dargestellt ist;
Fig. 11 eine Schnittdarstellung der Stapelvorrichtung entlang der Linie B-B von Fig. 8, wobei die Stapelvorrichtung in gefülltem Zustand dargestellt ist;
Fig. 12 eine teils geschnittene, teils weggeschnittene Seitenansicht der Stapelvorrichtung in einer Stellung zum Entnehmen eines fertig gestapelten Schichtaufbaus, wobei Verschlussmechanismen in einer geöffneten Stellung dargestellt sind;
Fig. 13 eine Detaildarstellung des Details XIII von Fig. 12;
Fig. 14 eine perspektivische Ansicht der Stapelvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform im gefüllten Zustand zusammen mit einer beispielhaften Hubvorrichtung;
Fig. 15 eine perspektivische Ansicht - Gesamtdarstellung - einer zweiten Ausführungsform einer Stapelvorrichtung zur Verwendung in der Herstellvorrichtung gemäß den Fig. 1 bis 6, wobei die Stapelvorrichtung in vollständig gefülltem Zustand dargestellt ist;
Fig. 16 eine teilweise geschnittene Darstellung durch einen Kopplungsbereich zum Koppeln zweier beweglicher Abstandshalterelemente zur Verwendung bei dem Abstandshalter von Fig. 15;
Fig. 17 eine Schnittdarstellung einerweiteren möglichen Variante des Kopplungsbereichs zur Verwendung bei dem Abstandshalter von Fig. 15;
Fig. 18 eine Schnittdarstellung noch einerweiteren möglichen Variante des Kopplungsbereichs zur Verwendung bei dem Abstandshalter von Fig. 15;
Fig. 19 eine Draufsicht auf eine Anordnung von Fixierelementen, die bei der ersten und zweiten Ausführungsform der Stapelvorrichtung zum Fixieren einer oberen Randkomponente des Schichtaufbaus vorgesehen sein können, in einem geöffneten Zustand zusammen mit einer oberen Randkomponente eines in der Stapelvorrichtung gestapelten Brennstoffzellenschichtaufbaus;
Fig. 20 eine Ansicht vergleichbar der Fig. 19, wobei sich die Fixierelemente in einem geschlossenen Zustand befinden;
Fig. 21 eine Seitenansicht auf eines der Fixierelemente gemäß einer konkreten möglichen Ausgestaltung und dessen Anbindung bei Verwendung in der Stapelvorrichtung;
Fig. 22 eine Seitenansicht auf das Fixierelement gemäß Fig. 21 in einer geschlossenen Stellung, in der es die obere Randkomponente erfasst;
Fig. 23 eine Draufsicht auf das Fixierelement gemäß den Fig. 21 und 22 mit einer Arretiereinrichtung, in der geöffneten Stellung
Fig. 24 die Draufsicht auf das Fixierelement von Fig. 23 mit der Arretiereinrichtung, in der geschlossenen Stellung;
Fig. 25 eine schematische Seitenansicht auf eine weitere Ausgestaltung des Fixierelements zusammen mit einer Betätigungseinrichtung zur Betätigung des Fixierelements in einer ersten Stellung; Fig. 26 eine Ansicht wie in Fig. 25 in einer zweiten Stellung;
Fig. 27 eine Ansicht, teils von der Seite teils perspektivisch dargestellt, einer Anordnung aus Fixierelement mit Betätigungseinrichtung in der ersten Stellung zum Einführen der oberen Randkomponente;
Fig. 28 eine Ansicht der Anordnung von Fig. 27 in der zweiten Stellung zum Fixieren der oberen Randkomponente;
Fig. 29 eine Ansicht der Anordnung von Fig. 27 und 28 in einer dritten Stellung beim Pressen des Schichtaufbaus;
Fig. 30 und 31 schematische Seitenansichten einer Variante der zweiten Ausführungsform der Stapelvorrichtung, mit der eine Presskraft zum Zusammenhalten des Schichtaufbau zum Transport oder dergleichen durch Klemmen aufrecht erhalten werden kann, beim Pressen und in einem Klemmzustand zum Aufrechterhaltung der Presskraft;
Fig. 32 ein schematisches Blockschaltbild eines Hydraulikkreises der Variante der Stapelvorrichtung der Fig. 30 und 31 ;
Fig. 33 und 34 schematische Seitenansichten einer zweiten Variante der zweiten Ausführungsform der Stapelvorrichtung, mit der eine Presskraft auferlegt und aufrechterhalten werden kann, in einer Stellung zum Auferlegen der Presskraft und in einer Klemmstellung;
Fig. 35 und 36 schematische Seitenansichten einer dritten Variante der zweiten Ausführungsform der Stapelvorrichtung, mit der eine Presskraft auferlegt und aufrechterhalten werden kann, in einer Stellung zum Auferlegen der Presskraft und in einer Klemmstellung; und
Fig. 37 und 38 schematische Seitenansichten einer vierten Variante der zweiten Ausführungsform der Stapelvorrichtung, mit der eine Presskraft auferlegt und aufrechterhalten werden kann, in einer Stellung zum Auferlegen der Presskraft und in einer Klemmstellung
In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel für ein Herstellverfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellenschichtaufbaus als Flussdiagramm dargestellt. Die Fig. 2 bis 6 zeigen Ausführungsbeispiele einer Herstellvorrichtung 10 zum Durchführen des Herstellverfahrens. Die Herstellvorrichtung 10 hat wenigstens eine in Fig. 2 und 4 bis 6 dargestellte Stapelstation 12, an der der Brennstoffzellenschichtaufbau 14 wenigstens aus ersten Zellkomponenten 16 und zweiten Zellkomponenten 18 - im Folgenden gemeinsam auch als Wiederholkomponenten bezeichnet - wechselweise aufgebaut wird. Bevorzugte Ausgestaltungen der Herstellvorrichtung 10 umfassen weiter wenigstens eine in Fig. 3 dargestellte Befüllstation 20. In Fig. 3 ist auch ein Ausführungsbeispiel einer Zellkomponentenabstapeleinrichtung 22 zur Verwendung bei dem Herstellverfahren dargestellt, die dazu ausgebildet ist, erste Zellkomponenten 16 an der Stapelstation 12 der Herstellvorrichtung 10 bereitzustellen. Die übrigen Figuren zeigen unterschiedliche Details und Einheiten einer Stapelvorrichtung 32 der Herstellvorrichtung 10, in der die Zellkomponenten 16, 18 des Brennstoffzellenschichtaufbaus 18 im Zuge dessen Herstellens aufgenommen, positioniert und fixiert werden.
Die Zellkomponentenabstapeleinrichtung 22 ist zum vertikalen Abstapeln vereinzelter erster Zellkomponenten 16 an der Stapelstation 12 der Herstellvorrichtung 10 im Zuge des Herstellens des Brennstoffzellenschichtaufbaus 14 ausgebildet. Hierzu ist die Zellkomponentenabstapeleinrichtung 22 auch zum Bilden eines Stapels erster Zellkomponenten 16 ausgebildet, von dem die ersten Zellkomponenten 16 an der Stapelstation 12 vereinzelt abgestapelt werden.
Die Zellkomponentenabstapeleinrichtung 22 weist wenigstens einen Vertikalabstapler 24 und eine Anlieferungseinrichtung 26 auf.
Der Vertikalabstapler 20, von dem in Fig. 6 eine Prinzipdarstellung zusammen mit der Herstellvorrichtung 10 gezeigt ist, hat ein Vertikalmagazin 28 zum Aufnehmen einer Mehrzahl der ersten Zellkomponenten 16 in einer vertikalen Anordnung und eine Auf- und Abbewegungseinrichtung 30 zum Auf- und Abbewegen der ersten Zellkomponenten 16 in dem Vertikalmagazin 28 und zum Abstapeln vereinzelter erster Zellkomponenten 16 in vertikaler Richtung. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Auf- und Abbewegungseinrichtung 30 wenigstens ein Fördermittel 48 auf.
Die Anlieferungseinrichtung 26 ist an der Befüllstation 20 angeordnet und dient zum Anliefern vereinzelter erster Zellkomponenten 16 zu dem Vertikalabstapler 24 an der Befüllstation 20.
Der wenigstens eine Vertikalabstabler 24 ist dazu ausgebildet, an der Befüllstation 20 das Vertikalmagazin 28 durch einzelnes Aufnehmen der ersten Zellkomponenten 16 und Bewegen mittels der Auf- und Abbewegungseinrichtung 30 zu befüllen.
Der Vertikalabstapler 24 ist weiter dazu ausgebildet, zwischen der Befüllstation 20 und der Stapelstation 12 bewegt zu werden und an der Stapelstation 12 die ersten Zellkomponenten 16 einzeln durch Abwärtsbewegen in vertikaler Richtung abzugeben.
Wie aus den Fig. 2 und 4 bis 6 ersichtlich, hat die Herstellvorrichtung 10 wenigstens eine Stapelvorrichtung 32 zum Aufeinanderstapeln der ersten Zellkomponente 16 und der zweiten Zellkomponente 18 abwechselnd aufeinander. Die Stapelvorrichtung 32 ist dazu ausgebildet, an der Stapelstation 12 in einer Stapelposition positioniert zu werden. Bei bevorzugten Ausgestaltungen der Herstellvorrichtung 10 sind mehrere Stapelvorrichtungen 32 zum Bilden eines Kreislaufs vorgesehen. In besonders bevorzugter Ausgestaltung hat die Herstellvorrichtung 10 eine Mehrzahl von Stapelvorrichtungen 32, die im Kreislauf zwischen der Stapelstation 20 und wenigstens einerweiteren Bearbeitungsstation zum Weiterbearbeiten des in der Stapelvorrichtung 32 gestapelten Brennstoffzellenschichtaufbaus 14 bewegbar sind.
Weiter umfasst die Herstellvorrichtung 10 den wenigstens einen zwischen der Befüllstation 20 und der Stapelstation 12 bewegbaren Vertikalabstapler 24 zum Abstapeln vereinzelter erster Zellkomponenten 14 in vertikaler Richtung zu der Stapelvorrichtung 32. Vorzugsweise sind mehrere Vertikalabstapler 24 zum Bilden eines Kreislaufs vorgesehen. Eine bevorzugte Ausgestaltung der Herstellvorrichtung 10 hat eine Mehrzahl von Vertikalabstaplern 24, die im Kreislauf zwischen einer Aufnahmeeinheit 50 an der Stapelstation 12 und wenigstens einer Aufnahmeeinheit 52 an der Befüllstation 20 bewegbar sind. Weiter umfasst die Herstellvorrichtung 10 ein Seitenzuführsystem 34 zum seitlichen Zuführen vereinzelter zweiter Zellkomponenten 18 zu der Stapelvorrichtung 32.
Mit den bevorzugten Ausgestaltungen des Herstellverfahrens sowie der Herstellvorrichtung 10 werden beispielsweise Zellstapel von Brennstoffzellen („Stack“) hergestellt, die aus wechselweise aufeinandergestapelten ersten und zweiten Zellkomponenten 16, 18 gebildet sind. Beispiele für die ersten Zellkomponenten 16 sind Bipolarplatten, kurz BPP 17, und Beispiele für die zweiten Zellkomponenten 18 sind Membranelektrodenanordnungen, kurz MEA 19, siehe die Literaturstellen [1] bis [4] für weitere Einzelheiten.
Als bevorzugtes Ausführungsbeispiel für die Zellkomponentenabstapeleinrichtung 22 ist ein BPP- Zuführsystem 36 zum Zuführen von Bipolarplatten gezeigt. Dieses weist an der Befüllstation 20 als Beispiel für die Anlieferungseinrichtung 26 ein BPP-Zuführband 38 und den zwischen Befüllstation 20 und Stapelstation 12 bewegbaren wenigstens einen Vertikalabstapler 24, hier z.B. in Form eines Riemen- Abstaplers 40 für BPPs 17, auf.
Die Zellkomponentenabstapeleinrichtung 22 ist beispielsweise eine Vorrichtung zur Einbringung von BPP 17 in den Stackingprozess einer PEMFC.
Für nähere Einzelheiten zu vorteilhaften Ausgestaltungen von Vorrichtungen und Verfahren zur Zuführung der BPP in den Herstellungs- bzw. Stapelprozess eines PEMFC-Stacks (Beispiel für Zellschichtaufbau bzw. Brennstoffzellenschichtaufbau) wird auf die noch nicht veröffentlichte europäische Patentanmeldung mit der Anmeldenummer EP 21 159 734.9 vom 26.02.2021 verwiesen, die hiermit durch Bezugnahme inkorporiert wird. Diese Vorrichtungen und Verfahren werden bevorzugt zum Zuführen der BPP zu der im Folgenden näher erläuterten Stapelvorrichtung verwendet bzw. bei den hier beschriebenen Herstellvorrichtungen und -verfahren verwendet.
Im Folgenden wird zunächst anhand der Darstellung in den Fig. 1 bis 6 ein Gesamtprozess zur Herstellung des Brennstoffzellenschichtaufbaus14 beschrieben, bevor unter Bezug auf die weiteren Figuren bevorzugte Ausgestaltungen der Stapelvorrichtung 32 und eines damit durchführbaren Stapelverfahrens erläutert werden.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Gesamtprozesses gemäß den Fig. 1 bis 6 handelt es sich um ein Herstellverfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellenschichtaufbaus in Form eines Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen-Stacks, kurz PEMFC-Stack. Derartige Brennstoffzellenschichtaufbauten sowie dessen Komponenten sind beispielsweise aus den Literaturstellen [1] bis [4] bekannt, so dass für Einzelheiten darauf verwiesen werden kann. Selbstverständlich sind aber die hier beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren auch bei anderen möglichen Zellschichtaufbauten aus wechselnden Zellkomponenten einsetzbar. Z.B. können auch mehr als zwei Wiederholkomponenten 16, 18 gestapelt werden. Das Herstellverfahren wird im Folgenden lediglich beispielhaft für einen PEMFC-Stack anhand der Darstellung in den Fig. 1 bis 6 erläutert.
Bei dem Herstellungsprozess des PEMFC-Stacks wird/werden zunächst die untere/unteren Randkomponente/Randkomponenten in die Stapelvorrichtung 32 eingelegt (S01). Bei der Stapelvorrichtung 32 handelt es sich um ein System, welches die abwechselnd eingebrachten Wiederholkomponenten BPP 17 und MEA 19 (Beispiele für erste und zweite Zellkomponenten 16, 18) aufnimmt, ausrichtet und für die weiteren Folgeprozesse ortsfest, innerhalb der vorgegebenen Positionstoleranzen führt. Nachdem die Randkomponente/Randkomponenten positioniert und fixiert wurde/wurden (S02), erfolgt das Anlegen eines Führungssystems 42 (S03) und der Transport (S04) der Stapelvorrichtung 32 an die Stapelposition einer Stackingstation (Beispiel für Stapelstation 12). Die Randkomponente/Randkomponenten befinden sich in der Startposition (oberer Anschlag in der Stapelvorrichtung 32) - S05.
Während des Vorbereitungsprozesses der Stapelvorrichtung 32 wurde parallel ein gefüllter Vertikalabstapler 24 des BPP-Zuführsystems 36 direkt von der Bestückungsstation oder Befüllstation 20 oder von einer (nicht dargestellten) Pufferstation in die Stapelstation 12 (Stackingstation) transportiert (P01) und über der Stapelposition ausgerichtet und fixiert (N01).
In Analogie zur BPP 17 wurde das Vorhaltemagazin 68 eines Friktionsanlegers 66 (Feeder - Beispiel für Seitenzuführsystem 34) während des Vorbereitungsprozesses der Stapelvorrichtung 32 mit MEA-Komponenten (Beispiel für zweite Zellkomponente 18) gefüllt (P02, N02). Die Vorbereitung des Gesamtprozesses ist somit abgeschlossen, und der PEMFC-Stack kann aufgebaut werden (S06-S11 und Fig. 6).
Wie in Fig. 1 und Fig. 6 dargestellt werden dabei abwechselnd MEA-Komponenten - zweite Zellkomponenten 18 - durch den Friktionsanleger 66 seitlich (S07) und BPP-Komponenten - erste Zellkomponenten 16 - durch den Vertikalabstapler 24 des BPP-Zuführsystems 36 lotrecht von oben (S08) in die Stapelvorrichtung 32 eingebracht. Eine Ausrichtung, vor allem der MEA-Komponenten durch die seitliche Einbringung und die damit verbundene Änderung der Bewegungsrichtung von horizontal zu vertikal, erfolgt durch das Führungssystem 42 der Stapelvorrichtung 32 (S10). Durch die bei der bevorzugten Ausgestaltung vorgesehene ausschließlich vertikale Ablagebewegung der BPP 17 ist im Vergleich zur MEA 19 nur ein sehr geringer Aufwand zur Ausrichtung/Positionierung erforderlich. Die Gesamttaktzeit für die Ablage einer Einzelzelle, bestehend aus BPP 17 und MEA 19 kann durch den Aufbau der einzelnen Systeme somit anteilig auf die jeweilige Komponente verteilt werden (N04). Je nach Bedarf ist es dadurch möglich, beispielsweise der Ablage der MEA anteilig mehr Taktzeit zuzuordnen, wenn dieser Prozess mehr Zeit erfordert.
Zudem kann der Ablageprozess, wenn erforderlich, optional durch Vibration im Ablagebereich unterstützt werden (P03), wodurch das Ausrichten der zuletzt abgelegten Komponenten vereinfacht wird. Hierzu ist - wie in Fig. 2 und 6 dargestellt - an dem Führungssystem 42 der Stapelvorrichtung 32 eine Vibrationseinrichtung 44 vorgesehen. Für nähere Einzelheiten zum Ausrichten von Zellkomponenten 16, 18 durch Vibration wird auf die Literaturstelle [7] verwiesen. Darin wurde die Verwendung von Vibration zur Ausrichtung von Komponenten, sowohl bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Batteriezellen, als auch für die Herstellung von Brennstoffzellen-Stacks (PEMFC-Stacks) beschrieben. Ausführungsbeispiele für die Stapelvorrichtung 32 werden hiernach noch im Detail beschrieben und gezeigt.
Mit wachsendem Fortschritt des PEMFC-Stacks erfolgt durch die Stapelvorrichtung 32 ein Höhenausgleich um die Ablageposition der Wiederholkomponenten - erste und zweite Zellkomponenten 16, 18 - während des gesamten Stapelprozesses konstant zu halten (P04). Hierzu weist die Herstellvorrichtung 10 gemäß den Fig. 2 und 6 einen Hubaktor 70 mit auf und ab bewegbarer Schubstange 72 auf, mittels dem eine Grundplatte 74 der an der Stapelstation 12 positionierten Stapelvorrichtung 32 in vertikaler Richtung bewegbar ist. Der Hubaktor 70 ist beispielsweise ein Schrittmotor mit Gewindenuss, die mit einem Gewinde der als Gewindestange ausgebildeten Schubstange 72 in Eingriff ist. Ein nachträgliches Ausrichten der Wiederholkomponenten 16, 18 (BPP 17 und MEA 19) nach dem Abschluss des Stapelprozesses (S10) ist infolge der wirkenden Gewichtskraft und der daraus resultierenden Haftung der einzelnen Lagen untereinander aufgrund der potenziellen Beschädigungsgefahr nicht vorgesehen.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind nach dem Abschluss des Stapelprozesses weitere Folgeprozesse (S11) für die Fertigstellung des PEMFC-Stacks vorgesehen. Diese Folgeprozesse werden an unterschiedlichen Positionen durchgeführt, wozu ein Abtransport (N05) der Stapelvorrichtung 32 aus der Stapelposition vorgesehen wird. Dieser Ab- bzw. Weitertransport der Stapelvorrichtung 32 erfolgt bis zum Abschluss des Herstellverfahrens und der Entnahme des PEMFC-Stacks. Die Stapelvorrichtung 32 wird dann anschließend zurück an den Prozessbeginn transportiert und neuerlich für die Erstellung eines weiteren PEMFC-Stacks vorbereitet. Die Stapelvorrichtung 32 befindet sich somit innerhalb eines geschlossenen Kreislaufsystems (S12) im Herstellverfahrens eines PEMFC-Stacks. Die im Folgenden noch näher dargestellten Ausführungsformen der Stapelvorrichtung 32 sind für diese Aufgaben optimiert ausgebildet.
In Fig. 1 ist ein Flussdiagramm für ein Ausführungsbeispiel des oben beschriebenen Herstellverfahrens eines PEMFC-Stacks (Beispiel für einen Brennstoffzellenschichtaufbau) dargestellt. Die darin wiedergegebenen Beschriftungen bedeuten: H Hauptvorgang (die Schritte des Hauptvorganges werden in Kästchen mit durchgehender Umrandung dargestellt); N/P Nebenvorgang/Parallelprozess (parallel während des Hauptvorganges ablaufende Schritte eines Nebenvorgangs/Parallelprozesses werden in Kästchen mit gepunkteter Umrandung dargestellt);
501 untere Randkomponente in die Stapelvorrichtung einlegen;
502 untere Randkomponente in der Stapelvorrichtung fixieren;
503 Führungssystem für die Wiederholkomponenten anlegen;
504 Stapelvorrichtung an die Stapelposition transportieren;
505 untere Randkomponente in Startposition;
506 START STAPELVORGANG;
507 seitliche Einbringung der MEA durch Feeder;
508 lotrechte Einbringung der BPP durch BPP-Zuführsystem;
509 Ausrichtung der MEA und BPP am Führungssystem;
510 STOP STAPELVORGANG;
511 FOLGEPROZESSE;
512 Kreislauf der Stapelvorrichtungen;
P01 Parallelprozess: Einbringung des gefüllten Vertikalabstaplers des BPP-Zuführsystems in die
Stapelstation; P02 Parallelprozess: Einbringung der MEAs in ein Vorhaltemagazin des Feeders; P03 Parallelprozess: gegebenenfalls Unterstützung des Ausrichtvorgangs durch Vibration; P04 Parallelprozess: Höhenausgleich der Stapelvorrichtung für konstante Ablageposition; N01 Vertikalabstapler über der Stapelposition ausgerichtet, fixiert und für die Vereinzelung bereit; N02 MEA-Vorhaltemagazin definiert gefüllt, MEAs positioniert und für die Vereinzelung bereit;
N03 Alternierende Einbringung von BPP und MEA bis zum Erreichen der geforderten Zellzahl;
N04 Taktzeitvariation zwischen MEA-Einbringung und BPP-Einbringung möglich; N05 Abtransport der Stapelvorrichtung aus der Stapelstation, Weitertransport der Stapelvorrichtung zu den Folgeprozessen.
Die Herstellvorrichtung 10 weist eine in Fig. 3 und 6 angedeutete (elektronische) Steuerung 76 auf, die die Herstellvorrichtung 10, genauer deren Aktoren, Antriebe, Kupplungen, Transportsysteme usw., zum Durchführen des in Fig. 1 dargestellten Herstellverfahrens steuert.
Die Steuerung 76 weist eine erste (elektronische) Steuereinheit 78 auf, die dabei die Zellkomponentenabstapeleinrichtung 22, genauer deren Aktoren 80, Antriebe, Kupplungen 82, Transportsysteme, usw., zum Durchführen des im Zuge des Herstellverfahrens durchzuführenden Zellkomponentenabstapelverfahrens (umfasst Befüllen des Vertikalabstaplers 24 und Abstapeln der ersten Zellkomponenten 16 an der Stapelstation 12) steuert.
Die Steuerung 76 weist eine zweite (elektronische) Steuereinheit 84 auf, die die Stapelstation 12 und/oder die Stapelvorrichtung 32 zum Durchführen eines Stapelverfahrens (umfasst bei dem Ausführungsbeispiel des Herstellverfahrens nach Fig. 1 die Schritte S01 bis S10 sowie P03 und P04) zur exakten Positionierung der Zellkomponenten 16, 18 während des Stapelns steuert.
Die Steuerung 76 ist insbesondere als Recheneinheit ausgebildet, in die ein Computerprogramm mit den entsprechenden Steueranweisungen geladen ist. Die jeweilige Steuereinheit 78, 84 kann ebenfalls durch Software implementiert sein. Bei anderen, nicht dargestellten Ausführungsformen kann die jeweilige Hardware der Steuereinheiten 78, 82 gesondert vorgesehen sein und durch ein Kommunikationssystem mit einer Mastersteuereinheit der Steuerung 76 verbunden sein.
In den Fig. 2 bis 6 sind Ausführungsbeispiele für Vorrichtungen und Einrichtungen zur Durchführung des in Fig. 1 aufgeführten und oben schematisch erläuterten gesamten Herstellungsprozesses eines PEMFC-Stacks gezeigt, und diese werden nun mehr detailliert beschrieben. Fig. 2 zeigt eine Prinzipdarstellung der Gesamtanlage - Ausführungsbeispiel für Herstellvorrichtung 10. Insbesondere zeigt Fig. 2 eine Prinzipdarstellung der Gesamtanlage zur Herstellung eines PEMFC- Stacks (außer der Befüllstation 20). Fig. 3 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Ausführungsbeispiels der Befüllstation 20. Insbesondere zeigt Fig. 3 eine Prinzipdarstellung einer BPP-Befüllstation zur Bestückung eines Vertikalabstaplers 24 des BPP-Zuführsystems 36. Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf eine Ausgestaltung der Gesamtanlage - Beispiel der Herstellvorrichtung 10 (außer der Befüllstation 20). Insbesondere zeigt Fig. 4 eine Draufsicht auf eine mögliche Kombi-Station zur Herstellung eines PEMFC- Stacks. Fig. 5 zeigt eine perspektivische Darstellung einiger Einheiten der Kombi-Station in einem mehr detaillierten Ausführungsbeispiel. Fig. 6 zeigt eine Prinzipdarstellung des Stapelprozesses. Insbesondere zeigt Fig. 6 die Verdeutlichung des Prinzips der BPP-Zuführung in die Stapelvorrichtung 32, insbesondere durch mitnehmerbestückte Zahnriemen 46 (Beispiel für Fördermittel 48) des BPP-Zuführsystems 36 (genauer des Riemen-Abstaplers 40).
Gemäß Fig. 2 bis 6 weist die hier dargestellte Ausführungsform der Herstellvorrichtung 10 wenigstens die in Fig. 3 dargestellte Befüllstation 20 und die in den Fig. 2 und 4 und 5 dargestellte Stapelstation 12 auf.
Gemäß der in Fig. 4 und 5 dargestellten Ausgestaltung kann die Herstellvorrichtung 10 eine Auflagestation 54 zum Auflegen von Randkomponenten des Zellschichtaufbaus an der Stapelvorrichtung 32 aufweisen. Gemäß der in den Fig. 4 und 5 dargestellten Ausgestaltung kann die Herstellvorrichtung 10 auch eine Entnahmestation 56 zum Entnehmen des Brennstoffzellenschichtaufbaus aus der Stapelvorrichtung 32 aufweisen. Die Auflagestation 54 und die Entnahmestation 56 sind bei der in Fig. 4 dargestellten Ausgestaltungen kombiniert als Auflage- und Entnahmestation 54, 56 vorgesehen, können aber auch einzeln vorgesehen sein. Gemäß der in Fig. 4 und 5 dargestellten Ausgestaltung kann die Herstellvorrichtung 10 wenigstens eine Pressstation 58 mit wenigstens einer Presse 60 zum Pressen des Brennstoffzellenschichtaufbaus 14 aufweisen. Bei der dargestellten Ausgestaltung sind eine erste und eine zweite Presse 60a, 60b vorgesehen, die mittels zugeordneter Transportsysteme 62a, 62b bewegbar sind. Die Pressstation 58 ist ein Beispiel für eine Station zur Durchführung eines Folgeprozesses. Auch das Auflegen einer oberen Randkomponente (oder von mehreren oberen Randkomponenten) auf den Stapel erster und zweiter Zellkomponenten 16, 18 an der Auflagestation 54 ist ein Beispiel für einen Folgeprozess. Weitere möglichen Folgeprozesse ergeben sich für den Fachmann leicht aus den Literaturstellen [1] bis [4],
Wie in Fig. 5 und 6 gezeigt, kann die Herstellvorrichtung 10 weiter das Stapelvorrichtung- Transportsystem 64 zum Transportieren der Stapelvorrichtungen 32 zwischen der Auflagestation 54, der Stapelstation 56 und der Pressstation 58 aufweisen.
In den Fig. 2, 4 und 5 ist auch die Aufnahmeeinheit 50 der Stapelstation 12 zur positionierten Aufnahme des Vertikalabstaplers 24 in der passenden Position oberhalb der Stapelposition gezeigt. Die Aufnahmeeinheit 50 weist wenigstens einen oder mehrere Aktoren oder Antriebe (z.B. Schrittmotoren) 80 zum Antreiben der Auf- und Abbewegungseinrichtung 30 und eine Kupplung 82 zum Ankuppeln an ein Getriebe (hiernach noch näher erläutert) der Auf- und Abbewegungseinrichtung 30 des Vertikalabstaplers 24 auf.
Die in Fig. 3 dargestellte Befüllstation 20 weist die Anlieferungseinrichtung 26 auf, die ebenfalls wenigstens eine Aufnahmeeinheit 52, 52a-52d zur positionierten Aufnahme des Vertikalabstaplers 24 aufweist. Auch diese Aufnahmeeinheit 52, 52a-52d weist wenigstens einen oder mehrere Aktoren oder Antriebe (z.B. Schrittmotoren) 76 zum Antreiben der Auf- und Abbewegungseinrichtung 30 und eine Kupplung 78 zum Ankuppeln an ein Getriebe (hiernach noch näher erläutert) der Auf- und Abbewegungseinrichtung 30 des Vertikalabstaplers 24 auf.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausgestaltungen der Stapelvorrichtung 32 sowie eines damit insbesondere an der Stapelstation 12 durchführbaren Stapelverfahrens unter Bezug auf die Fig. 7 bis 38 näher erläutert. Dabei zeigen die Fig. 7 bis 14 unterschiedliche Ansichten einer ersten Ausführungsform der Stapelvorrichtung 32, wobei Fig. 7 bis 9 die Stapelvorrichtung 32 im leeren Zustand und die Fig. 8 bis 14 die Stapelvorrichtung 32 nach dem Stapelvorgang im befüllten Zustand bzw. im Zustand zum Abgeben des Brennstoffzellenschichtaufbaus zeigen. Die Fig. 15 bis 38 zeigen unterschiedliche Ansichten einer zweiten Ausführungsform der Stapelvorrichtung 32 sowie von möglichen Ausgestaltungen von Teilen und Varianten derselben.
Wie aus den Fig. 7 bis 38 ersichtlich, ist die Stapelvorrichtung 32 zur Aufnahme, Positionierung und Fixierung der Zellkomponenten 16, 18 des Brennstoffzellenschichtaufbaus 14 im Zuge dessen Herstellens ausgebildet und umfasst eine vertikal bewegbare Basisplatte 86, auf der eine untere Randkomponente 88 des Brennstoffzellenschichtaufbaus 14 abzulegen ist, und ein Führungssystem 42 mit wenigstens einem Führungselement 92, das sich in Bewegungsrichtung der Basisplatte 86 zum seitlichen Kontakt der Zellkomponenten 16, 18 erstreckt.
Bei den gezeigten bevorzugten Ausgestaltungen der Stapelvorrichtung 32 ist das wenigstens eine Führungselement 92 ausgebildet, sich mit der Basisplatte 86 in vertikaler Richtung mitzubewegen. Bei den gezeigten bevorzugten Ausgestaltungen der Stapelvorrichtung 32 ist das wenigstens eine Führungselement 92 dazu ausgebildet, bei aufgelegter unterer Randkomponente 88 über diese hinweg seitlich zum Kontaktieren der darauf aufzulegenden weiteren Zellkomponenten 16, 18 positioniert zu werden.
Wie man insbesondere den Fig. 15 und 20 bis 38 entnehmen kann, weisen zumindest einige Ausführungsformen der Stapelvorrichtung 32 weiter wenigstens ein Fixierelement 94 zum Fixieren einer oberen Randkomponente 96 des Brennstoffzellenschichtaufbaus 14 auf.
Das wenigstens eine Fixierelement 94 und die Basisplatte 86 sind relativ zueinander beweglich, und die Stapelvorrichtung 32 ist gemäß einigen der gezeigten Ausführungsformen dazu ausgebildet, mittels des wenigstens einen Fixierelements 94 und der Basisplatte 86 eine Presskraft auf den Brennstoffzellenschichtaufbau 14 auszuüben und aufrecht zu erhalten. Dies wird hiernach noch näher unter Bezug auf die Fig. 14 und 26 bis 38 erläutert.
Bei den in den Figuren gezeigten Ausführungsformen ist das wenigstens eine Führungselement 92 als Band oder Gurt - im Folgenden auch Führungsgurt 98 genannt - ausgebildet. Das Band bzw. der Gurt 98 ist mittels Umlenkrollen 100 und Spannrollen beweglich geführt, so dass das Band oder der Gurt 98 sich bei Bewegen der Basisplatte 86 im Zuge der Anpassung der Ablagestelle der jeweils nächsten Zellkomponente 14, 16 mit dem bereits auf der Basisplatte 86 gebildeten Schichtaufbau mitbewegen kann.
Bei alternativen, hier nicht näher dargestellten Ausführungsformen kann das wenigstens eine Führungselement 92 auch als Alignmentleiste ausgebildet sein und/oder kann eine Kammstruktur mit in der Lage und/oder im Abstand einstellbaren Zähnen aufweisen.
Ein erstes der Basisplatte 86 zugeordnetes Ende des wenigstens einen Führungselements 92 ist - insbesondere mittels eines Verschlussmechanismus 120 - zwischen einer ersten Stellung - „geöffnet“, Freigabestellung - und einer zweiten Stellung - „geschlossen“, Verriegelungsstellung - bewegbar. In der ersten Stellung ist das wenigstens eine Führungselement 92 weiter nach außen angeordnet, so dass die größere untere Randkomponente 88 an dem wenigstens einen Führungselement 92 vorbei auf der Basisplatte 86 abgelegt werden kann. In der zweiten Stellung ist das wenigstens eine Führungselement 92 weiter nach innen angeordnet, so dass es über den Rand der unteren Randkomponente 88 reicht und somit die kleineren Zellkomponenten 16, 18 seitlich erfassen und führen kann. Durch das Führungssystem 42 werden somit die Wiederholkomponenten 16, 18 gegen eine seitliche Verlagerung gesichert und somit beim Stapeln in seitlich fixiert - wobei eine Vertikalbewegung zusammen mit der Basisplatte zugelassen wird. Bei der Ausführung mit sich mitbewegenden Führungselementen 92 lassen sich bei der Vertikalbewegung Relativbewegungen von Führungselement 92 und Stack vermeiden.
Bei den gezeigten Ausführungsformen sind wenigstens eines oder beide Enden des jeweiligen Bandes oder Gurtes 98 zwischen der ersten und der zweiten Stellung bewegbar an der Basisplatte 86 befestigt. Hierzu ist insbesondere der untere Verschlussmechanismus 120 vorgesehen, der hiernach noch näher beschrieben wird.
Bei den gezeigten Ausführungsformen weist das Führungssystem 42 mehrere Bänder bzw. Gurte 98 auf. Beispielsweise ist auf jeder Seite wenigstens ein Band oder ein Gurt 98 vorgesehen. Es können pro Seite auch mehrere Bänder oder Gurte 98 vorgesehen sein, so sind z.B. bei den gezeigten Ausgestaltungen an den längeren Seiten jeweils zwei Bänder oder Gurte 98 vorgesehen. Die mehreren Führungselemente 92 sind an einem Grundrahmen 106 der Stapelvorrichtung 32 angeordnet. Der Grundrahmen 106 weist eine untere Grundplatte 74, ein Rahmenelement 110 und mehrere, z.B. vier, Abstandshalter 114 zwischen dem Rahmenelement 110 und der Grundplatte 74 auf. An jeder Seite eines zwischen diesen Elementen des Grundrahmens 106 gebildeten Aufnahmeraums 116 ist so wenigstens ein Führungselement 92 angeordnet.
An dem Rahmenelement 110 sind obere Umlenkmechanismen 112 mit den Umlenkrollen 100 angeordnet. Auch die Fixierelemente 94 sind, falls vorhanden, an dem Rahmenelement 110 oder alternativ an (über das Rahmenelement 110 ragenden) oberen Enden der Abstandshalter 114 angeordnet.
Die Abstandshalter 114 sind wie dargestellt als Pfosten oder Säulen 118 oder in nicht näher dargestellten Ausführungen auch als Wände ausgebildet.
Für jedes Band bzw. jeden Gurt 98 sind wenigstens ein oberes Umlenkelement - z.B. in Form des oberen Umlenkmechanismus 112 mit der oberen Umlenkrolle 100 - und wenigstens ein unteres Umlenkelement - z.B. in Form einer in oder an der Grundplatte 74 gelagerten, nicht dargestellten unteren Umlenkrolle - vorgesehen. Die oberen Umlenkelemente sind jeweils zwischen der ersten und der zweiten Stellung beweglich und dort feststellbar. Das erste Ende des Führungsgurtes 92 ist durch Befestigung an dem Verschlussmechanismus 120 zwischen der ersten und der zweiten Stellung beweglich. Mit dem zwischen diesem ersten Ende und dem oberen Umlenkmechanismus 112 angeordneten, am Aufnahmeraum 116 angeordneten ersten Trum des Führungsgurts 98 werden die Zellkomponenten 16, 18 erfasst und geführt. Der Führungsgurt 98 verläuft auf der Außenseite von dem oberen Umlenkmechanismus 112 nach unten bis zum unteren Umlenkelement und von dort zu der Basisplatte 86, wo das zweite Ende befestigt ist. Alternativ kann auch ein Endlosband als Führungselement 92 vorgesehen sein (nicht dargestellt).
Zumindest bei der in den Fig. 15 bis 38 gezeigten zweiten Ausführungsform der Stapelvorrichtung 32 ist der Abstand zwischen den oberen und unteren Umlenkelementen einstellbar veränderbar, elastisch variabel und/oder feststellbar variabel. Insbesondere sind hierzu die Abstandshalter 114 variabel: Jeder Abstandshalter 114 weist bei der zweiten Ausführungsform wenigstens zwei an einem Kopplungsbereich 122 beweglich aneinander gekoppelte Abstandhalterelemente 124, 126 auf. Bei der zweiten Ausführungsform sind die Abstandshalter 114 hierzu als Teleskopsäulen 118 ausgebildet. Eine Bewegung der Abstandshalterelemente 124, 126 zueinander kann z.B. über einen Pressstempel 128 der Presse 60, 60a, 60b erfolgen, alternativ oder zusätzlich kann auch, wie in den Fig. 34 und 35 gezeigt, ein Aktor 130 zum Einleiten einer Druckkraft vorgesehen sein.
Der Grundrahmen 106 ist derart ausgebildet, dass die Umlenkelemente an unterschiedlichen Orten wählbar an dem Grundrahmen 106 angeordnet werden, um die Orte der Führungselemente 92 je nach individuellem Zellstapel optimal anzupassen. Hierzu sind entsprechend Befestigungsmittel, wie z.B. Schrauben oder Klemmen vorgesehen; außerdem kann ein Sortiment von Grundplatten 106 mit unterschiedlich angeordneten Öffnungen 140 zum Austausch zwecks Anpassung an unterschiedliche Montageorte der Führungselemente 92 vorgesehen sein.
Im Folgenden werden gemeinsame Merkmale bevorzugter Ausführungsformen der Stapelvorrichtung 32 sowie des damit durchführbaren Stapelverfahrens anhand der Darstellung des ersten Ausführungsbeispiels in den Fig. 7 bis 14 näher erläutert. In Fig. 7 bis 9 ist das erste Ausführungsbeispiel für die Stapelvorrichtung 32 im Ausgangszustand (vollständig geleert) in verschiedenen Ansichten dargestellt.
Fig. 7 zeigt eine perspektivische Gesamtdarstellung der leeren Stapelvorrichtung 32. Fig. 8 zeigt die Gesamtdarstellung der leeren Stapelvorrichtung 32 in Vorderansicht. Wie aus diesen Fig. ersichtlich umfasst die Stapelvorrichtung 32 den Grundrahmen 106, eine Hubvorrichtung 132, die Basisplatte 86 und das Führungssystem 42 mit dem unteren Verschlussmechanismus 120, einem Schwenkmechanismus 134, den Führungselementen 92 in Form von Bändern oder Führungsgurten 98, dem (oberen) Umlenkmechanismus 112 und einer Spanneinrichtung 136, insbesondere mit Spannrolleneinheiten 138.
Fig. 9 zeigt die Gesamtdarstellung der leeren Stapelvorrichtung 32 in der Schnittansicht A-A von Fig. 8 mit der Grundplatte 74, in der Öffnungen 140 für die Führungsgurte 98 und eine Öffnung 142 für die Hubvorrichtung 132 vorgesehen sind.
Gemäß den Fig. 7 bis 9 umfasst die Stapelvorrichtung 32 demnach die Hauptbaugruppen Grundrahmen 106, Hubvorrichtung 132 mit Basisplatte 86 und Führungssystem 42.
Im Nachfolgenden werden diese Hauptbaugruppen in deren Aufbau und Funktion erläutert.
Der Grundrahmen 106 dient dazu, den oberen Umlenkmechanismus 112 des Führungssystems 42 aufzunehmen und unter Berücksichtigung aller Justiermöglichkeiten zur Realisierung entsprechender Geometrien und Hilfssystemen zu lagern.
Die Basisplatte 86 ist geometrisch auf die jeweils spezifische untere Endplatte (Beispiel für untere Randkomponente 88) angepasst und nimmt diese für den Fertigungsprozess des PEMFC-Stacks auf (Positionierung durch herstellerspezifische/kundenspezifische Komponentenmerkmale). Direkt auf dieser Basisplatte 86 ist das untere Verschlusssystem mit den Verschlussmechanismen 120 des Führungssystems 42 angebracht.
Zum Beginn des Stapelns befindet sich dieses untere Verschlusssystem in der Ausgangssituation der Stapelvorrichtung 32, siehe hierzu auch Fig. 12. Fig. 12 zeigt die Stapelvorrichtung 32 in der Stellung zum Entnehmen des fertigen Brennstoffzellenschichtaufbaus 14 an der kombinierten Aufnahme- und Entnahmestation 54, 56 der in Fig. 4 dargestellten Herstellvorrichtung 10. Die Ausgangssituation ergibt sich aus der Darstellung der Fig. 12, wenn der dort abgebildete Brennstoffzellenschichtaufbau 14 entfernt ist. Die Stapelvorrichtung 32 ist dann vollständig geleert; die Basisplatte 86 ist an der oberen Startposition der Hubvorrichtung 132, und der jeweilige untere Verschlussmechanismus 120 ist in einem geöffneten Zustand. Das untere Verschlusssystem greift dabei, wie man den Fig. 7 bis 13 entnehmen kann, z.B. auf einen Schwenkmechanismus 134 zurück, um die beiden Schaltzustände “geöffnet“ (erste Stellung - Einlegen und Entnehmen der unteren Randkomponente 88) und “geschlossen“ (zweite Stellung - Fixierung der unteren Randkomponente 88 während des Stapelvorgangs) umsetzen zu können. Die Betätigung des Schwenkmechanismus 134 ist als vorzugsweise rein mechanisches System konstruiert und benötigt dadurch keinen eigenständigen Medienanschluss.
Der Betätigungsmechanismus des Schwenkmechanismus 134 kann dabei unterschiedlich aufgebaut sein und ist daher nicht im Detail dargestellt. Beispielsweise kann eine Betätigung durch eine Steuerkurve im Verlauf des Transports von der Aufnahme- und Entnahmestation 54, 56 zu der Stapelstation 12 und umgekehrt erfolgen oder durch einen z.B. an der Aufnahme- und Entnahmestation 54, 56 angeordneten Aktor. Innerhalb des in den Fig. 7 bis 14 dargestellten unteren Verschlussmechanismus 120 wird zudem die Verankerung des Führungsgurts 98 umgesetzt. Auch der Verankerungsmechanismus kann unterschiedlich aufgebaut sein und ist daher ebenfalls im Detail nicht dargestellt.
Die Auftrennung des Führungsgurts 98 (d.h. kein Endlosband, kein geschlossener Gurtverlauf) ist vorteilhaft, um im geschlossenen Zustand des unteren Verschlussmechanismus 120 keinen Radius des Führungsgurts 98 im Übergangsbereich zur unteren Randkomponente 88 zu erzeugen, gleichzeitig einen schmalen Bauraum für die Umsetzung jeglicher Alignment-Geometrie sicherzustellen und eine exakte Führung aller abgelegten Wiederholkomponenten - erste und zweite Zellkomponente 16, 18 - zu generieren.
Nach dem Einlegen und der Positionierung der unteren Randkomponente 88 auf der Basisplatte 86 erfolgt ein Höhenausgleich durch die Hubvorrichtung 132, um für den nachfolgenden Stapelprozess der Wiederholkomponenten 16, 18 die korrekte Ablageposition zu erreichen. Durch diese vertikale Ausgleichsbewegung wird die Freigabe des Schwenkmechanismus 134 des unteren Verschlussmechanismus 120 erzeugt, wodurch der Schaltzustand “geschlossen“ hergestellt wird.
Der Verschlussmechanismus 120 weist eine Ausnehmung 121 auf, die im Schaltzustand „geschlossen“ eine obere Eckkante der unteren Randkomponente 88 umgreift.
Die untere Randkomponente 88 ist somit im Schaltzustand „geschlossen“ vollständig in allen Freiheitsgraden gesichert. Der Abstand des unteren Verschlussmechanismus 120 zu dem darüber liegenden oberen Umlenkmechanismus 112 kann je nach Materialeigenschaften der Wiederholkomponenten 16, 18 variiert werden. Gleiches gilt für die Geometrie des Einführbereichs der Wiederholkomponenten 16, 18 sowie der Unterstützungsmöglichkeit für eine Verbesserung des Einführungsverhaltens beispielsweise durch Vibration des Einführbereichs.
Dadurch kann sichergestellt werden, dass die geforderte Prozessqualität in der vorgeschriebenen Prozesstaktzeit erreicht wird. Für den Ausgleich von auftretenden Schwankungen der einzelnen Gurtspannungen bei den verschiedenen Vorgängen wie beispielsweise dem Schließen des unteren Verschlussmechanismus 120 wird die Spannrolleneinheit 138 innerhalb des Führungssystems 42 eingesetzt. Der Aufbau der Spannrolleneinheit 138 kann unterschiedlich sein und wird daher hier nicht näher dargestellt.
Nachdem die untere Randkomponente 88 auf der Basisplatte 86 positioniert, fixiert und die korrekte Position für den Einführbereich angefahren wurde, startet der Stapelvorgang der Wiederholkomponenten - erste und zweite Zellkomponente 16, 18.
Dabei werden abwechselnd, wie oben zum Gesamtprozess bereits beschrieben, MEA- Komponenten 19 durch den Friktionsanleger seitlich und BPP-Komponenten 17 durch das BPP- Zuführsystem 36 lotrecht von oben in die Stapelvorrichtung 32 eingebracht. Diese Wiederholkomponenten 17, 19 besitzen sogenannte Alignment-Bereiche, an denen die BPP 19 und MEA 19 Deckungsgleichheit aufweisen. Die Geometrie dieser Alignment-Bereiche wird durch die Führungsgurte 98 als Negativprofil nachgebildet, wodurch eine exakte Komponentenführung umgesetzt wird. Mit jeder abgelegten Komponente 17, 19 erfolgt ein Höhenausgleich durch die Hubvorrichtung 130, um die Materialdicke der entsprechenden Komponente 17, 19 auszugleichen und eine konstante Ablageposition sicherzustellen. Durch eine Befestigung beider Gurtenden an der Basisplatte 86 wird eine direkte Kopplung hergestellt. Im Zuge dessen wird durch den Höhenausgleich der Hubvorrichtung 130 während des Stapelvorgangs immer genau die auf der Oberseite der Basisplatte 86 benötigte Gurtlänge bereitgestellt.
Dieser alternierende Ablageprozess der Wiederholkomponenten 16, 18 sowie der Vorgang des Höhenausgleichs wiederholen sich bis zum Erreichen der geforderten Zellzahl des PEMFC-Stacks. Abschließend wird die obere Randkomponente 96 auf den lose aufgestapelten und geführten PEMFC- Stack aufgelegt - siehe Fig. 10.
Weiter kann die Stapelvorrichtung 32 mit einer Einrichtung zum Erzeugen einer Vibration (nicht dargestellt) versehen sein oder damit verbunden sein. Die Verwendung von Vibration zur Ausrichtung von Komponenten, sowohl bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Batteriezellen, als auch für die Herstellung von Brennstoffzellen-Stacks (PEMFC-Stacks) wurde bereits durch die WO 2020/216758 A1 (Vorrichtung zur Stapelung von laminierten bzw. geklebten Zellstacks) beschrieben. Es wird für weitere Einzelheiten zur Anwendung von Vibration auf diese Druckschrift verwiesen.
Fig. 10 zeigt eine perspektivische Darstellung der Stapelvorrichtung im Zustand „gefüllt“.
Um den oberen Umlenkmechanismus 112 ohne einen linearen Ausgleichsmechanismus ausführen zu können, ist ein Verpressen des zu diesem Zeitpunkt noch ungesicherten PEMFC-Stacks von unten nach oben vorteilhaft. Nach Abschluss des Pressvorgangs ist eine Sicherung des unter Presskraft stehenden PEMFC-Stacks vorteilhaft. Nach dem Abschluss des Sicherungsvorgangs wird der nun stabile PEMFC-Stack nach oben ausgeschoben. Um den PEMFC-Stack ohne Kollision zwischen der unteren Randkomponente 88 und dem oberen Umlenkmechanismus 112 entnehmen zu können, erfolgt vorzugsweise ein Schwenkvorgang an dem oberen Umlenkmechanismus 112. Dieser Schwenkvorgang wird, analog zum Schwenkvorgang des unteren Verschlussmechanismus 120, mechanisch ausgeführt. Die Betätigung zum Öffnen des oberen Umlenkmechanismus 112 erfolgt dabei vorzugsweise rein mechanisch durch den unteren Verschlussmechanismus 120. Beispielsweise sind (nicht dargestellte) Koppelstangen vorgesehen, oder die Mechanismen 112, 120 sind auf andere Weise getrieblich miteinander verbunden. Somit kann erneut auf eine separate Medienversorgung verzichtet werden.
Der Schwenkvorgang des unteren Verschlussmechanismus 120 ist in Fig. 11 beispielhaft dargestellt (Schaltzustand “geöffnet“; Freigabe der unteren Randkomponente 88). Fig. 11 zeigt somit eine Darstellung des Schwenkvorgangs des unteren Verschlussmechanismus 120.
Wie oben beschrieben ist es für die Bestückung der Stapelvorrichtung 32 mit der unteren Randkomponente 88 vorteilhaft, sowohl den unteren Verschlussmechanismus 120 als auch den oberen Schwenkmechanismus 112 in den Schaltzustand “geöffnet“ zu versetzen.
Dieser Zustand ist vereinfacht in Fig. 12 exemplarisch und in Fig. 13 als Detailansicht für die Entnahme eines vollständig gestapelten PEMFC-Stacks dargestellt (Die Entnahme des Stacks und Bestückung der Stapelvorrichtung 32 mit der unteren Randkomponente 88 verlangen den identischen Schaltzustand der Verschluss- bzw. Schwenksysteme). Fig. 12 zeigt eine Darstellung des Schaltzustands “geöffnet“ am unteren Verschlussmechanismus 120 und am Schwenkmechanismus 134 und Fig. 13 zeigt die Ansicht des Details XIII aus Fig. 12.
Der Schwenkmechanismus 134 sowie der obere Umlenkmechanismus 112 sind dabei lediglich auf der linken Seite der Stapelvorrichtung 32 dargestellt. Für eine Realisierung des Systems ist dieser in der Detailansicht XIII dargestellte Aufbau umlaufend an allen Alignment-Bereichen vorgesehen. Fig. 14 zeigt einen schematischen Aufbau der Stapelvorrichtung samt Hubvorrichtung 130. Für die Verdeutlichung des Hubvorgangs ist in Fig. 14 der schematische Aufbau samt exemplarischer Lineareinheit dargestellt. Die Anforderungen an die Lineareinheit seitens Hubs und mechanischer Belastung durch den wachsenden PEMFC-Stack variiert je nach Herstellanlage und wird entsprechend bei der Auslegung berücksichtigt.
Bei den dargestellten Ausführungsformen weist die Hubvorrichtung 132 den zu dem Gesamtprozess oben erläuterten Hubaktor 70 mit Schubstange 72 auf.
Bei der bisher anhand der Fig. 6 bis 14 erläuterten ersten Ausführungsform der Stapelvorrichtung 32 sind das obere Rahmenelement 110 und die Grundplatte 74 des Grundrahmens 106 durch starre Abstandshalter 114, z.B. in Form von starren Säulen oder Pfosten, verbunden, so dass der Abstand zwischen der Grundplatte 74 und dem Rahmenelement 110, an dem der Umlenkmechanismus 112 für die Führungselemente 92 angreift, fest ist. Es ist ein starrer Grundrahmen 106 vorgesehen. Die Säulen des Grundrahmens 106 sorgen für einen gleichbleibenden Abstand von oberem und unterem Schwenkmechanismus 134.
Wenngleich in den Fig. 7 bis 14 nicht dargestellt, können die Fixierelemente 94, wie sie beispielhaft und in unterschiedlichen Varianten in den Fig. 15 und 19 bis 29 dargestellt sind, auch bei der ersten Ausführungsform vorgesehen sein. Zusammen mit der Hubvorrichtung 120 ist damit ein Verpressen von unten nach oben möglich.
Im Folgenden wird anhand der Darstellung in den Fig. 15 bis 38 noch eine zweite Ausführungsform der Stapelvorrichtung 32 mit unterschiedlichen Varianten näher erläutert.
Die zweite Ausführungsform der Stapelvorrichtung 32 schafft ein System zur Erhöhung der Transportsicherheit und/oder zur Verbesserung der Transporteigenschaften zwischen den einzelnen Prozessstationen durch die Stabilisierung des assemblierten Stacks unter dem Einsatz einer definierten Sicherungs- oder Presskraft sowie deren Aufrechterhaltung durch ein Verblocken/Verriegeln der Stapelvorrichtung 32.
Gemäß der zweiten Ausführungsform weist die Stapelvorrichtung 32 einen beweglichen Grundrahmen 106 oder zumindest in der Hochachse Fixierelemente 94 aufweist - siehe Fig. 15. Die Beweglichkeit des Grundrahmens 106 und/oder der oberen Fixierelemente 94 bedeutet in diesem Anwendungsfall, dass der Grundrahmen der Stapelvorrichtung bzw. die Fixierelemente “zusammengeschoben“ sprich komprimiert werden können. Dieser “komprimierbare“ Grundaufbau der Stapelvorrichtung 32 ist vorgesehen, um einen Höhenversatz aufgrund des Presswegs zu ermöglichen.
Eine mögliche konstruktive Umsetzungsvariante sieht teleskopierbar Säulen 118 innerhalb des Grundrahmens 106 der Stapelvorrichtung 32 vor. Dieser Aufbau nach dem Prinzip eines Stoßdämpfers (siehe Fig. 16, 17 und 19) hat zudem den Vorteil, dass durch einen Eingriff in Ventile 158, 160 (mechanisch, elektrisch, elektromagnetisch, etc.) eine Verblockung des Systems erzeugt werden kann (“Ähnlichkeit zum Holeshot-Device“).
Beispielsweise kann das Medium (z.B. Öl 151) durch einen Ventileingriff an einer Rückströmung in den jeweiligen Medienraum 152 gehindert werden, wodurch ein Ausfahren eines Tauchrohrs 146 unterbunden werden kann.
Die obere Randkomponente 96 wird dabei von der Stapelvorrichtung 32 arretiert und fixiert, um die Sicherungs- bzw. Presskraft aufrecht erhalten zu können (Rückfederung des Stacks) Dadurch kann der Stack zum einen von oben nach unten gepresst werden und zum anderen kann das Gesamtsystem durch eine integrierte Verriegelungseinrichtung 170 in der entsprechenden Position/ in dem entsprechenden Zustand gehalten werden. Den durch die Kompression der Stapelvorrichtung 32 entstehenden Überschuss an Riemenmaterial/Gurtmaterial wird durch die jeweiligen Spannrolleneinheiten 138 ausgeglichen. Dadurch kann stufenlos von einer geringen Sicherungskraft (definierte, ausreichende Kraft auf den Stack für einen sicheren Transport ohne Komponentenbewegung) bis zur vollständigen Presskraft des Stacks jeder Zustand gehandhabt werden.
Dadurch wird die Möglichkeit geschaffen, den Sicherungsvorgang nicht direkt in der Presse durchzuführen. D.h. alle dem Stapelvorgang nachfolgenden Prozesse können ohne feste Ortsbindung in entkoppelten Stationen durchgeführt werden.
Fig. 15 zeigt eine Übersichtsdarstellung eines möglichen Aufbaus der zweiten Ausführungsform der Stapelvorrichtung 32 in perspektivischer Darstellung im gefüllten Zustand. Die zweite Ausführungsform entspricht mit Ausnahme der im Folgenden näher dargestellten Modifikationen der ersten Ausführungsform, so dass auf die obige Beschreibung verwiesen werden kann und die Beschreibung des Grundaufbaus nicht wiederholt wird.
Fig. 15 zeigt somit eine weitere Ausführungsform der Stapelvorrichtung 32, mit der auch ein Verpressen von oben nach unten ermöglicht wird. Hierzu sind keine starren Abstandshalter, sondern Abstandshalter 114 vorgesehen, mit denen der Abstand zwischen Rahmenelement 110 und Grundplatte 74 variabel ist. Hierzu weisen die Abstandshalter 114 jeweils das erste Abstandshalterelement 124 und das zweite Abstandshalterelement 126 auf, die an dem Kopplungsbereich 122 beweglich gekoppelt sind. Die Abstandshalter 114 sind bei den gezeigten Ausführungsformen als Teleskopsäulen 118 ausgebildet, wobei das erste Abstandshalterelement 124 als Standrohr 144 und das zweite Abstandshalterelement als Tauchrohr 146 ausgebildet ist.
Die Fig. 16 bis 18 zeigen schematische Schnittdarstellungen durch den Kopplungsbereich 22 zur Erläuterung möglicher Konstruktionsprinzipien hierfür. Vorzugsweise sind die Abstandshalter 114 in wenigstens zwei Stellungen arretierbar.
Die Fig. 19 bis 38 zeigen unterschiedliche Darstellungen zur Verdeutlichung verschiedener Varianten der Fixierelemente 94 sowie der damit versehenen Stapelvorrichtung 32 mit variablen Abstandshaltern 114.
Bei einigen Varianten der zweiten Ausführungsform, wie sie beispielsweise in den Fig. 15, 16 und 35 bis 38 gezeigt sind, sind die Abstandhalter 118 mittels einer Vorspanneinrichtung 148 auf einen größeren Abstand vorgespannt und elastisch zusammendrückbar.
Wie man den Fig. 15, 16 bis 18 und 30 bis 38 entnehmen kann, ist bei der Stapelvorrichtung 32 gemäß der zweiten Ausführungsform ein flexibler Grundrahmen 106 vorgesehen. Zum Beispiel erlauben die Abstandshalter 114, die hier insbesondere als Säulen 118, bei anderen nicht dargestellten Ausführungen aber auch als Wandelemente, Profilelemente oder dergleichen ausgebildet sein können, eine Verschiebung des oberen und unteren Schwenkmechanismus 134. Bei einer Ausgestaltung sind vier Abstandshalter 114, einer pro Eckbereich des Grundrahmens 106, vorgesehen.
Zum Beispiel sind Teleskopstangen als Säulen 118 vorgesehen, die nach dem Prinzip einer Mountainbike- oder Motocross-Federgabel arbeiten - siehe hierzu die Fig. 15 bis 18. Die teleskopierbaren Säulen 118 können nach dem Stoßdämpferprinzip arbeiten, wie es in den Fig. 16 bis 18 angedeutet ist. Es ist dabei der Kopplungsbereich 122 mit Tauchrohr 146 und Standrohr 144 und einem an dem Tauchrohr 146 befestigten Arbeitskolben 150 dargestellt. Der Arbeitskolben 150 ist in einem mit Medium wie z.B. Öl 151 gefülltem Mediumraum 152 beweglich angeordnet, so dass eine obere Kammer 154 oberhalb des Arbeitskolbens 150 und eine untere Kammer 156 unterhalb des Arbeitskolbens 150 gebildet ist. Der Arbeitskolben 150 ist mit einem Ventil für die Druckstufe 158 und einem Ventil für die Zugstufe 160 versehen. Wenigstens eines der Ventile 158, 160, z.B. das der Zugstufe, ist schaltbar, um den Abstandshalter 114 zu arretieren. In dem Medienraum 152 ist bei Fig. 16 eine Feder 162 vorgesehen, die in Fig. 16 durch einen Pfeil für die Federkraft angedeutet ist und für die Rückstellung des Abstandshalters 114 in die expandierte Stellung dient. Zusätzlich kann ein Trennkolben 164 vorgesehen sein, der den Medienraum 152 von einem mit Gas 166 gefüllten Gasraum 168 trennt. Somit kann die Vorspanneinrichtung 148 eine mechanische Feder 162 und/oder eine Gasfeder (Gasraum 168) umfassen. In Fig. 16 und Fig. 17 ist eine Konstruktion des Kopplungsbereichs 122 nach dem Konstruktionsprinzip eines Einrohr-Teleskopdämpfers gezeigt. Wie Fig. 18 entnehmbar, kann der Kopplungsbereich 122 auch nach dem Konstruktionsprinzip eines Zweirohr-Teleskopdämpfers konstruiert sein.
Vorzugsweise ist bei der zweiten Ausführungsform der Stapelvorrichtung 32 ein Spannsystem mit großem Hub vorgesehen. Vorzugsweise kann die Gurtspannung/Riemenspannung an den Pressweg angepasst werden. Hierzu ist beispielsweise ein beispielsweise durch die Spannrolleneinheit 138 gebildetes Spannrollensystem vorgesehen, mittels dem ein Auszug des Riemens/Gurts 98 beim Pressen ermöglicht wird. Vorzugsweise wird dabei eine Relativbewegung zwischen Führungsgurt 98 und Wiederholkomponenten 16, 18 ermöglicht.
Bei einer Ausgestaltung wird ein automatisches Spannsystem realisiert. Die ausfahrenden Abstandshalter 114, z.B. ausgebildet mit Tauchrohren 146 oder als Teleskopelemente, spannen den Führungsgurt nach Abschluss des Pressvorganges.
Diese Modifizierung gemäß der zweiten Ausführungsform ermöglicht das Verpressen des Stacks von oben nach unten, was große Vorteile für das Anlagenlayout mit sich bringt.
Vorzugsweise ist eine Verriegelungseinrichtung 170 zum Verriegeln der Abstandshalter 114, insbesondere der Tauchrohre 146/der Teleskopsäule 118 vorgesehen. Eine Verriegelung erfolgt vorzugsweise beim Erreichen der Endposition während des Pressens.
Die Verriegelungseinrichtung 170 kann gemäß Fig. 16 und 17 ähnlich wie eine Gabel- Verblockung bei MTB-Fahrrädern oder bei Holeshot-Device-Systemen im MX-Bereich ausgeführt werden.
Im Folgenden wird ein möglicher Aufbau der Fixierelemente 94 anhand der Darstellungen in den Fig. 15 und 19 bis 38 näher erläutert.
Wie in Fig. 15 gezeigt, können die Fixierelemente 94 am Rahmenelement 110 angeordnet sein. Fig. 19 zeigt eine Anordnung der Fixierelemente 94 zusammen einer jeweiligen Fixierelement- Betätigungseinrichtung 172 mit der oberen Randkomponente 96 in einer geöffneten Stellung und Fig. 20 zeigt diese Anordnung in der geschlossenen Stellung. Fig. 21 zeigt die Anbindung des Fixierelements 94 an dem Rahmenelement 110 oder an einem oberen Ende eines zugeordneten Abstandshalters 114, wobei Fig. 22 dabei den Angriff des Fixierelements 94 an einer Endplatte 173 darstellt. Die Endplatte 173 kann z.B. die obere Randkomponente 96 oder aber eine letzte Zellkomponente 16, 18 vor dem Auflegen der oberen Randkomponente 96 sein. Die Fig. 23 und 24 zeigen eine Arretierung des Fixierelements 94 in der geöffneten und der geschlossenen Stellung. Fig. 25 zeigen eine Seitenansicht einer Anordnung aus Fixierelement 94 und zugeordneter Fixierelement-Betätigungseinrichtung 172 in der geöffneten Stellung, und Fig. 26 zeigen diese Anordnung in der geschlossenen Stellung. Fig. 27 zeigt eine Anordnung aus Fixierelement 94, einer Variante der Fixierelement-Betätigungseinrichtung 172 und der oberen Randkomponente in der ersten Stellung (geöffnet), Fig. 28 zeigt die Anordnung von Fig. 27 in der zweiten Stellung (geschlossen) und Fig. 29 zeigt die Anordnung von Fig. 27 in einer dritten Stellung, in der die Fixierelement-Betätigungseinrichtung 172 zusätzlich eine nach unten gerichtete Presskraft über das Fixierelement 94 auf die obere Randkomponente 96 ausübt.
Wie man diesen Figuren 15 und 19 bis 29 entnehmen kann, sind mehrere Fixierelemente 94 verteilt vorgesehen, hier beispielsweise ein erstes bis viertes Fixierelement 94. Die Fixierelemente 94 sind als Schwenkmechanismus 176 mit einem Ausleger oder Schwenkhebel 174 ausgebildet. Der Schwenkmechanismus 176 ist drehbar auf einem drehfesten Stift 178 gelagert - dieser kann an dem Rahmenelement 110 angebracht sein, wie oben bereits erwähnt kann der Stift 178 auch durch das obere Ende einer Säule 118 gebildet sein. Gemäß den bevorzugten Varianten ist der Schwenkmechanismus 176 jeweils an dem Tauchrohr 146 angebunden, wodurch die Presskraft auf das Teleskopsäulen-System übertragen werden kann. Der jeweilige Schwenkmechanismus 176 ist durch eine entsprechendes Lagerung 179 zwischen den Schaltpositionen geöffnet und geschlossen geschaltet werden, vorzugsweise durch eine 90°-Drehung. Bei einigen Varianten ist eine Arretiereinheit 180 zur Arretierung des Schwenkmechanismus in der jeweiligen Position vorgesehen. Die Arretiereinheit 180 weist Rastelemente 182 wie beispielsweise gefederte Kugeldruckstücke auf, die in eine Vertiefung 184, 186 - z.B. Arretierungsbohrung - pro entsprechende Position an dem Stift 178 einrasten. Die Fig. 19, 23, 27 zeigen den ersten Zustand: alle Schwenkmechanismen 176 sind geöffnet; die Endplatte 173 kann eingelegt werden. Die Fig. 20, 22, 24, 26 und 28 zeigen den zweiten Zustand: Alle Schwenkmechanismen 176 sind geschlossen; die Endplatte 173 ist arretiert und fixiert, eine Presskraft kann aufrecht erhalten werden. Fig. 22 zeigt dabei den Kontakt des Schwenkmechanismus 176 zur Endplatte 173.
Die Fig. 25 bis 29 zeigen mögliche Ausgestaltungen der Fixierelement-Betätigungseinrichtung 172. Diese weist einen an einem Presskopf oder dem Pressstempel 128 damit mit beweglich angebundenes Steuerkurvenelement 188 auf, an dessen Steuerkurve ein Abgreifelement 190 des Schwenkmechanismus 176 entlangfährt. Die Steuerkurve ist derart ausgebildet, dass bei Bewegung des Pressstempels 128 auf die Stapelvorrichtung 32 zu ein Verschwenken des Schwenkmechanismus 176 aus der geöffneten Stellung in die geschlossene Stellung erfolgt. Fig. 25 und 27 zeigen dabei den Zustand, in dem der Schwenkhebel 174 unbetätigt ist. Der Schwenkhebel 174 kann z.B. durch ein entsprechendes Vorspannelement (hier nicht dargestellt) in die geöffnete Stellung vorgespannt sein, so dass er in dem unbetätigten Zustand die geöffnete Stellung einnimmt. Der Betätigungsmechanismus ist in dieser Darstellung auf eine 90°-Schwenkbewegung ausgelegt. Fig. 26 und 28 zeigen den betätigten Zustand, der Schwenkhebel 174 ist in die geschlossene Stellung verschwenkt. Wie man der Darstellung von Fig. 29 entnehmen kann, kann dann das Abgreifelement 190 an der sich an die Steuerkurve anschließende vertikalen Seite des Steuerkurvenelement entlang bewegen, wenn der Pressstempel 128 von der in den Fig. 26 und 29 gezeigten Stellung zum Pressen weiter nach unten bewegt. An dem Pressstempel 128 ist ein Mitnehmer oder Anschlag 192 vorgesehen, der auf den Schwenkhebel 174 drückt und somit die Presskraft über den Schwenkhebel 174 auf die Endplatte 173 überträgt.
Im Folgenden werden anhand der Darstellung der Fig. 30 bis 38 unterschiedliche Varianten der Konstruktion der Stapelvorrichtung 32 hinsichtlich der variablen Abstandshalter 114 und der Fixierelemente 94 erläutert. Darin ist jeweils einer der als Teleskopsäulen 118 ausgebildeten Abstandshalter 114 im Schnitt mit dem Standrohr 144 und dem Tauchrohr 146 sowie dem an dem Tauchrohr 146 angebundenen Schwenkhebel 174 zusammen mit dem fertig gestapelten Brennstoffzellenschichtaufbau 14 mit Randkomponenten 88, 96 und dazwischen angeordneten Wiederholkomponenten 16, 18 dargestellt.
Die zweite Ausführungsform der Stapelvorrichtung 32 kann demnach als passives System ausgebildet werden, bei dem die variablen Abstandshalter 114 (allein) durch äußere Kräfte, insbesondere mittels des Pressstempels 128, bewegt werden, oder auch als aktives System mit Aktoren 130 für die Abstandshalter 114.
Fig. 30 und 31 zeigen ein erstes Konstruktionsprinzip als passives System zu Beginn des Pressvorgangs und nach dem Pressvorgang unter Aufrechterhaltung der Presskraft mittels der Fixierelemente 94. Fig. 32 zeigt ein Schaltschema für den in dieser Variante der Stapelvorrichtung 32 eingesetzten Hydraulikkreis. Die Variante entspricht im Wesentlichen der in Fig. 16 und 17 dargestellten Variante. Es liegt ein geschlossenes Hydrauliksystem 194 mit Ausgleichsbehälter 196, optionalem Überdruckventil 198, Schaltventil 200 und Rückschlagventil 202 vor. Es wird die Presskraft F als Druckquelle genutzt. Die an den Fixierelemente 94 gebildeten Druckpunkte können sowohl als Presspunkte als auch als Verblockungspunkte hergenommen werden. Entsprechend liegt an jedem der vier Fixierelemente 94 eine Kraft F/4 an. Durch die Schaltung des Schaltventils 200 wird der Abstandshalter 114 blockiert, die Presskraft wird auch nach Entfernen des Pressstempels 128 weiter aufrecht erhalten.
Die Fig. 33 und 34 zeigen ein zweites Konstruktionsprinzip als aktives System mit Fluidantrieb, wie beispielsweise pneumatischem oder insbesondere wie dargestellt hydraulischem Antrieb. Die Stapelvorrichtung 32 weist einen Fluidanschluss 204 zu einem entsprechenden Fluidsystem, insbesondere Hydrauliksystem der Herstellvorrichtung 10 auf. Insbesondere ist hierzu an der Pressstation eine Schnellkupplung zur Spannbetätigung und an der Entnahmestation 56 eine Schnellkupplung zum Betätigen eines Lösens der Fixierelemente 94 vorgesehen. Das Tauchrohr 146 ist drehbar und axial beweglich. Weiter ist an dem Tauchrohr 146 eine Steuerkurve 206 zum Erzeugen der Schwenkbewegung des Schwenkmechanismus 176 des Fixierelements 94 beim Absenken vorgesehen. Somit ist ein Schwenkspanner gebildet. Das Hereinschwenken und der Spannhub erfolgt mittels einer Betätigung. Das Pressen wird zusätzlich den Pressstempel 128 durchgeführt. Da hier Presspunkte und Spannpunkte nicht gleich sind, ist bei der Konstruktion darauf zu achten, dass Kollisionen zwischen Pressstempel 128 und Schwenkhebeln 174 vermieden werden. Fig. 33 zeigt den Pressvorgang und Fig. 34 zeigt das Spannen mittels der Fixierelemente 94 zur Aufrechterhaltung der Presskraft.
In den Fig. 35 und 36 ist ein drittes Konstruktionsprinzip gezeigt, wobei Fig. 35 den Beginn der Bewegung des Pressstempel mit dem Schwenkhebel 174 noch in der geöffneten Stellung - entsprechend Fig. 25 und 27 - und Fig. 36 den Beginn des eigentlichen Pressens mit dem Schwenkhebel 174 in der geschlossenen Stellung - entsprechend Fig. 29 - zeigt. Es erfolgt eine lineare Klemmung. Erst wird der Schwenkhebel 174 betätigt und anschließend wird gepresst. Hier wird auch das Standrohr 144 axial mit gepresst. Eine Arretierung zwischen Tauchrohr 146 und Standrohr 144 erfolgt mit der hier durch linear Klemmung mechanisch oder pneumatisch wirkenden Verriegelungseinrichtung 170 (auf dem Markt als Kaufteil erhältlich). Ein Lösen erfolgt federgesteuert. Fig. 37 und 38 zeigen ein viertes Konstruktionsprinzip, welches zum Arretieren der Abstandshalter 114 eine radiale pneumatische Klemmung mittels eines Kugelgewindetriebes (auf dem Markt erhältlich) einsetzt. Hierzu ist an dem Standrohr 144 eine passiv angetriebene Gewindespindel 208 mit pneumatischer Klemmung vorgesehen. Das Lösen erfolgt wiederum federgesteuert. Dieses Prinzip ähnelt dem in den Fig. 35 und 36 gezeigten Prinzip, jedoch ist eine Kraftumwandlung axial in rotatorisch vorgesehen.
Im Folgenden werden das Funktionsprinzip der Stapelvorrichtung 32 gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform und somit das mit der Stapelvorrichtung durchführbare Stapelverfahren anhand eines Ablaufplans für die Assemblierung eines PEMFC-Stacks erläutert.
Zyklusbeginn (siehe Fig. 12 und 13):
1 . Der Höhenausgleich/ die Hubvorrichtung 132 befindet sich in der oberen Position.
2. Der Verriegelungsmechanismus 120 für die untere Randkomponente 88 (z.B. untere Endplatte) ist geöffnet.
3. Die untere Randkomponente 88 (z.B. untere Endplatte) wird eingelegt.
4. Die Verschlussmechanismen 120 für die untere Randkomponente 88 (ortsfeste Fixierung der unteren Randkomponente 88) und für die Führungselemente 92 der Zellkomponenten 16, 18 innerhalb der Positionstoleranzen (obere Verschlussmechanismen/Umlenkmechanismen 112) werden geschlossen - der Schließzustand ist insbesondere in den Fig. 7, 8, 10 und 15 dargestellt. Die Betätigungseinheit des Verriegelungsmechanismus 120/112 ist bei bevorzugten Ausgestaltungen kein Teil der Stapelvorrichtung 32, da diese für mögliche Entkopplungen/Transportvorgänge medienfrei gestaltet wird.
5. Nun erfolgt der Stapelprozess der Wiederholkomponenten 16, 18 - BPP 17 und MEA 19 - bis zum Erreichen der gewünschten Zellzahl.
6. Dabei erfolgt nach jeder abgelegten Zellkomponente 16, 18 ein Höhenausgleich um die Ablageposition der Wiederholkomponenten - BPP 17 und MEA 19 - konstant zu halten.
7. Nachdem die gewünschte Zellzahl erreicht wurde, stoppt der Stapelprozess.
8. Nach Abschluss des Stapelprozesses wird die obere Randkomponente 96 - z.B. obere Endplatte - eingelegt, arretiert und fixiert.
9. Nun kann der Stack gepresst bzw. mit einer Sicherungskraft “vorgespannt“ werden. Dies erfolgt bei der ersten Ausführungsform durch ein Pressen von unten nach oben und ohne Verblocken, siehe Alternative a im Folgenden. Bei der zweiten Ausführungsform erfolgt ein Pressen von oben nach unten mit Verblocken, siehe Alternative b im Folgenden.
9a. Erste Ausführungsform (Pressen von unten ohne Verblocken):
Bei der ersten Ausführungsform kann die Presskraft nicht durch ein “Verblocken“ der Stapelvorrichtung 32 aufrecht erhalten werden. Daher erfolgt ein Sicherungsvorgang direkt in der Presse 60. Beispielsweise erfolgt ein Sichern des gepressten Stacks durch Zuganker oder Bänder oder dergleichen. Anschließend erfolgt ein Ausschieben des gesicherten Stacks unter Öffnen der Verschlussmechanismen, wie in Fig. 12 und 13 dargestellt.
9b. Zweite Ausführungsform (Pressen von oben mit Verblocken):
Bei der zweiten Ausführungsform kann die Presskraft durch ein “verblocken“ der Stapelvorrichtung 32 aufrecht erhalten werden. Der Sicherungsvorgang muss nicht direkt in der Presse 60 erfolgen, sondern kann nicht ortsgebunden in einer anderen Station der Herstellvorrichtung 10 durchgeführt werden. Dafür sind ein “komprimierbarer“ Grundaufbau der Stapelvorrichtung 32 bzw. in der Hochachse bewegliche Fixierelemente 94 vorgesehen, welche den Höhenversatz aufgrund des Presswegs ermöglichen. Eine mögliche konstruktive Umsetzungsvariante dieser “Komprimierbarkeit“ sieht die teleskopierbaren Säulen 118 innerhalb des Grundrahmens 106 der Stapelvorrichtung 32 vor. Dieser Aufbau nach dem Prinzip eines Stoßdämpfers hat zudem den Vorteil, dass durch einen Eingriff in die Ventile 158, 160 (mechanisch, elektrisch, elektromagnetisch, etc.) eine Verblockung des Systems erzeugt werden kann (“Ähnlichkeit zum Holeshot-Device“).
Beispielsweise kann das Medium (z.B. Öl) durch einen Ventileingriff an einer Rückströmung in den jeweiligen Medienraum 152 gehindert werden, wodurch ein Ausfahren des Tauchrohrs 146 unterbunden werden kann.
Die obere Endplatte 130 wird dabei von der Stapelvorrichtung 32 arretiert, um die Sicherungs- bzw. Presskraft aufrecht zu erhalten (Rückfederung des Stacks).
Anschließend erfolgt ein Sichern des gepressten Stacks.
Anschließend erfolgt - wie in Fig. 12 und 13 dargestellt - ein Ausschieben des gesicherten Stacks unter Öffnen der Verschlussmechanismen 120.
Zur Verbesserung der Zuverlässigkeit beim Schichtaufbau einer Brennstoffzelle in einer industriellen Großserienfertigung ist eine Stapelvorrichtung (32) zur Aufnahme, Positionierung und Fixierung der Zellkomponenten (16, 18) eines Brennstoffzellenschichtaufbaus (14) im Zuge dessen Herstellens vorgeschlagen worden, umfassend eine vertikal bewegbare Basisplatte (86), auf der eine untere Randkomponente (88) des Brennstoffzellenschichtaufbaus (14) abzulegen ist, und ein Führungssystem (42) mit wenigstens einem Führungselement (92), das sich in Bewegungsrichtung der Basisplatte (86) zum seitlichen Kontakt der Zellkomponenten (16, 18) erstreckt und dazu ausgebildet ist, a) sich mit der Basisplatte (86) in vertikaler Richtung mitzubewegen und/oder b) bei aufgelegter Randkomponente (88) über diese hinweg seitlich zum Kontaktieren der darauf aufzulegenden weiteren Zellkomponenten (16, 18) positioniert zu werden.
Außerdem wurden ein entsprechendes Stapelverfahren und Vorrichtungen und Verfahren zum Herstellen des Brennstoffzellenschichtaufbaus (14) unter Verwendung der Stapelvorrichtung (32) vorgeschlagen.
Bezugszeichenliste:
10 Herstellvornchtung
12 Stapelstation
14 Brennstoffzellenschichtaufbau
16 erste Zellkomponente
17 BPP
18 zweite Zellkomponente
19 MEA
20 Befüllstation
22 Zellkomponentenabstapeleinrichtung
24 Vertikalabstapler
26 Anlieferungseinrichtung
28 Vertikalmagazin
30 Auf- und Abbewegungseinrichtung
32 Stapelvorrichtung
34 Seitenzuführsystem
36 BPP-Zuführsystem (Beispiel für Zellkomponentenabstapeleinrichtung)
38 BPP-Zuführband (Beispiel für Anlieferungseinrichtung)
40 Riemen-Abstapler (Beispiel für Vertikalabstapler)
42 Führungssystem (Stapelstation)
44 Vibrationseinrichtung
46 Zahnriemen
46a erster Zahnriemen
46b zweiter Zahnriemen
48 Fördermittel
48a erstes Fördermittel
48b zweites Fördermittel
50 Aufnahmeeinheit (Stapelstation)
52 Aufnahmeeinheit (Befüllstation)
54 Auflagestation
56 Entnahmestation
58 Pressstation
60 Presse
60a erste Presse
60b zweite Presse
62a Transportsystem erste Presse
62b Transportsystem zweite Presse
64 Stapelvorrichtung-Transportsystem
66 Friktionsanleger
68 Vorhaltemagazin
70 Hubaktor
72 Schubstange Grundplatte (Stapelvomchtung)
Steuerung erste Steuereinheit (Zellkomponentenabstapeleinrichtung)
Aktor
Kupplung zweite Steuereinheit (Stapelstation/Stapelvorrichtung)
Basisplatte untere Randkomponente
Führungselement
Fixierelement obere Randkomponente
Gurt
Umlenkrolle
Grundrahmen
Rahmenelement obere Umlenkmechanismus
Abstandshalter
Aufnahmeraum
(Teleskop-)Säule
Verschlussmechanismus
Ausnehmung
Kopplungsbereich erstes Abstandshalterelement zweites Abstandshalterelement
Presstempel
Aktor für Abstandshalter
Hubvorrichtung
Schwenkmechanismus
Spanneinrichtung
Spannrolleneinheit
Öffnung (Führungsgurt)
Öffnung (Hubvorrichtung)
Standrohr
Tauchrohr
Vorspanneinrichtung
Arbeitskolben
Öl
Mediumraum obere Kammer untere Kammer
Ventil Druckstufe
Ventil Zugstufe 162 Feder/Federkraft
164 Trennkolben
166 Gas
168 Gasraum
170 Verriegelungseinrichtung (Abstandshalter)
172 Fixierelement-Betätigungseinrichtung
173 Endplatte
174 Schwenkhebel
176 Schwenkmechanismus
178 Stift
179 Lagerung
180 Arretiereinheit
182 Rastelement
184 Vertiefung (geöffnet)
186 Vertiefung (geschlossen)
188 Steuerkurvenelement
190 Abgreifelement
192 Anschlag
194 Hydrauliksystem
196 Ausgleichbehälter
198 Überdruckventil
200 Schaltventil
202 Rückschlagventil
204 Fluidanschluss
206 Steuerkurve (Tauchrohr)
208 Gewindespindel
H Hauptvorgang (die Schritte des Hauptvorganges werden in Kästchen mit durchgehender
Umrandung dargestellt);
N/P Nebenvorgang/Parallelprozess (parallel während des Hauptvorganges ablaufende Schritte eines Nebenvorgangs/Parallelprozesses werden in Kästchen mit gepunkteter Umrandung dargestellt);
501 untere Randkomponente in die Stapelvorrichtung einlegen;
502 untere Randkomponente in der Stapelvorrichtung fixieren;
503 Führungssystem für die Wiederholkomponenten anlegen;
504 Stapelvorrichtung an die Stapelposition transportieren;
505 untere Randkomponente in Startposition;
506 START STAPELVORGANG;
507 seitliche Einbringung der MEA durch Feeder;
508 lotrechte Einbringung der BPP durch BPP-Zuführsystem;
509 Ausrichtung der MEA und BPP am Führungssystem;
510 STOP STAPELVORGANG;
511 FOLGEPROZESSE;
512 Kreislauf der Stapelvorrichtungen; P01 Parallelprozess: Einbringung des gefüllten Vertikalabstaplers des BPP-Zuführsystems in die Stapelstation;
P02 Parallelprozess: Einbringung der MEAs in ein Vorhaltemagazin des Feeders;
P03 Parallelprozess: gegebenenfalls Unterstützung des Ausrichtvorgangs durch Vibration;
P04 Parallelprozess: Höhenausgleich der Stapelvorrichtung für konstante Ablageposition;
N01 Vertikalabstapler über der Stapelposition ausgerichtet, fixiert und für die Vereinzelung bereit;
N02 MEA-Vorhaltemagazin definiert gefüllt, MEAs positioniert und für die Vereinzelung bereit;
N03 Alternierende Einbringung von BPP und MEA bis zum Erreichen der geforderten Zellzahl;
N04 Taktzeitvariation zwischen MEA-Einbringung und BPP-Einbringung möglich;
N05 Abtransport der Stapelvorrichtung aus der Stapelstation, Weitertransport der Stapelvorrichtung zu den Folgeprozessen

Claims

Ansprüche:
1. Stapelvorrichtung (32) zur Aufnahme, Positionierung und Fixierung der Zellkomponenten (16, 18) eines Brennstoffzellenschichtaufbaus (14) im Zuge dessen Herstellens, umfassend eine vertikal bewegbare Basisplatte (86), auf der eine untere Randkomponente (88) des Brennstoffzellenschichtaufbaus (14) abzulegen ist, und ein Führungssystem (42) mit wenigstens einem Führungselement (92), das sich in Bewegungsrichtung der Basisplatte (86) zum seitlichen Kontakt der Zellkomponenten (16, 18) erstreckt und dazu ausgebildet ist, a) sich mit der Basisplatte (86) in vertikaler Richtung mitzubewegen und/oder b) bei aufgelegter Randkomponente (88) über diese hinweg seitlich zum Kontaktieren der darauf aufzulegenden weiteren Zellkomponenten (16, 18) positioniert zu werden.
2. Stapelvorrichtung (32) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Fixierelement (94) zum Fixieren einer oberen Randkomponente (96) vorgesehen ist.
3. Stapelvorrichtung (32) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Fixierelement (94) und die Basisplatte (86) relativ zueinander beweglich sind, wobei die Stapelvorrichtung (32) dazu ausgebildet ist, mittels des Fixierelements (94) und der Basisplatte (86) eine Presskraft auf den Brennstoffzellenschichtaufbau (14) auszuüben und aufrecht zu erhalten.
4. Stapelvorrichtung (32) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Führungselement (92) als Band oder Gurt (98) ausgebildet ist und/oder eine Kammstruktur mit in der Lage und/oder im Abstand einstellbaren Zähnen aufweist.
5. Stapelvorrichtung (32) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines oder beide Enden des Bandes oder des Gurtes (98) zwischen einer ersten und einer zweiten Stellung bewegbar an der Basisplatte (86) befestigt ist.
6. Stapelvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein oberes Umlenkelement (112) und/oder ein unteres Umlenkelement für jedes Band oder jeden Gurt (98) vorgesehen sind.
7. Stapelvorrichtung (32) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen Umlenkelementen
7.1 einstellbar veränderbar ist,
7.2 elastisch variabel ist, und/oder
7.3 feststellbar variabel ist.
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8. Stapelvorrichtung (32) nach einem der voranstehenden Ansprüche, umfassend einen Grundrahmen (106), an dem mehrere Führungselemente (92) beweglich angebracht sind.
9. Stapelvorrichtung (32) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass an jeder Seite eines Aufnahmeraums (116) des Grundrahmens (106) wenigstens ein Führungselement (92) angeordnet ist.
10. Stapelvorrichtung (32) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundrahmen (106) zur wählbaren Anordnung der Führungselemente (92) an unterschiedlichen Orten ausgebildet ist, um den Ort des Kontaktes an einen individuellen Zellstapel anzupassen.
11 . Stapelvorrichtung (32) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundrahmen (106) eine Grundplatte (74), ein Rahmenelement (110) und Abstandshalter (114) zwischen der Grundplatte (74) und dem Rahmenelement (110) aufweist.
12. Stapelvorrichtung (32) nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandshalter (114) als Pfosten, Säulen (118) und/oder Wände ausgebildet sind.
13. Stapelvorrichtung (32) nach einem der Ansprüche 11 oder 12 und nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Fixierelement (94) an dem Rahmenelement (110) oder dem Abstandshalter (114) angebracht ist.
14. Stapelvorrichtung (32) nach einem der Ansprüche 11 bis 13 und nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Abstandshalter (114) variabel ist, um das Fixierelement (94) relativ zu der Basisplatte (86) zu bewegen.
15. Stapelvorrichtung (32) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandshalter (114) jeweils ein erstes Abstandshalterelement (124) und ein zweites Abstandshalterelement (126) aufweisen, die relativ zueinander beweglich sind, um den Abstand einzustellen.
16. Stapelvorrichtung (32) nach Anspruch 14 oder Anspruch 15, gekennzeichnet durch wenigstens einen Aktor (130) zum Einstellen des Abstands der Abstandshalter (114).
17. Stapelvorrichtung (32) nach Anspruch 12 und nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Säulen Teleskopsäulen (118) sind, deren Länge mittels eines Fluidmediums (151 , 166) einstellbar ist.
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18. Stapelvorrichtung (32) nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch einen Anschlussstutzen (204) zum entfernbaren Anschließen einer Fluidmediumsquelle, die zur Versorgung mit Fluidmedium mit einstellbarem Druck ausgebildet ist, sowie eine Verriegelungseinrichtung (170) zum Arretieren der Teleskopsäulen.
19. Stapelvorrichtung (32) nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Hubvorrichtung (132) zum Heben und Senken der Basisplatte (86).
20. Stapelvorrichtung (32) nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Verschlussmechanismus (120),
20.1 der zum Ablegen der unteren Randkomponente (88) auf der Basisplatte (86) geöffnet und zum Fixieren der unteren Randkomponente (88) auf der Basisplatte (86) geschlossen werden kann und/oder
20.2 mittels dem das wenigstens eine Führungselement (92) in eine Offenstellung zum Einlegen der Randkomponente (88, 96) und/oder Entnehmen des Zellstapels (14) und in eine Geschlossenstellung zum Kontaktieren der Wiederholkomponenten (16, 18) bewegbar ist.
21. Stapelstation (12), umfassend eine Stapelvorrichtung (32) nach einem der voranstehenden Ansprüche und eine elektronische Steuereinheit (84), die dazu ausgebildet ist, die Stapelvorrichtung (32) zum Durchführen der folgenden Schritte anzusteuern:
Ablegen und Fixieren der unteren Randkomponente (88) des Brennstoffzellenschichtaufbaus (14) auf der vertikal beweglichen Basisplatte (86),
Aufschichten weiterer Zellkomponenten (16, 18) auf der unteren Randkomponente (88) unter Absenken der Basisplatte (86) und seitliches Führen der Zellkomponenten (16, 18) mit dem wenigstens einem Führungselement (92).
22. Herstellvorrichtung (10) zum Herstellen eines Brennstoffzellenschichtaufbaus (14) mit wechselweise angeordneten platten- oder membranförmig ausgebildeten ersten und zweiten Zellkomponenten (16, 18), umfassend: eine Stapelstation (12) nach Anspruch 21 oder eine Stapelstation (12) mit wenigstens einer Stapelvorrichtung (32) nach einem der Ansprüche 1 bis 20 zum Aufeinanderstapeln der ersten und der zweite Zellkomponente (16, 18) abwechselnd aufeinander, einen zwischen wenigstens einer Befüllstation (20) und der Stapelstation (12) bewegbaren Vertikalabstapler (24) zum Aufnehmen einer Mehrzahl von ersten Zellkomponenten (16) in einer vertikalen Anordnung mit einer Auf- und Abbewegungseinrichtung (30) zum Auf- und Abbewegen der ersten Zellkomponenten (16) und zum Abstapeln vereinzelter erster Zellkomponenten (16) in vertikaler Richtung zu der Stapelvorrichtung (32), und ein Zuführsystem (34) zum Zuführen vereinzelter zweiter Zellkomponenten (18) zu der Stapelvorrichtung (32).
23. Herstellvorrichtung (10) nach Anspruch 22, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Stapelvorrichtungen (32), die im Kreislauf zwischen der Stapelstation (12) und wenigstens einer weiteren Bearbeitungsstation (54, 56, 58) zum Weiterbearbeiten der in der Stapelvorrichtung (32) gestapelten Brennstoffzellenschichtaufbaus (14) bewegbar sind.
24. Herstellvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 22 oder 23, gekennzeichnet durch wenigstens eine oder mehrere der folgenden Stationen:
24.1 eine Auflagestation (54) zum Auflegen von Randkomponenten (88, 96) des Brennstoffzellenschichtaufbaus (14),
24.2 eine Entnahmestation (56) zum Entnehmen des Brennstoffzellenschichtaufbaus (14) aus der Stapelvorrichtung (32),
24.3 wenigstens eine Pressstation (58) mit einer Presse (60) zum Pressen des Brennstoffzellenschichtaufbaus (14).
25. Herstellvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 22 bis 24, umfassend eine elektronische Steuerung (76), die dazu ausgebildet ist,
25.1 die Herstellvorrichtung (10) zum Durchführen der folgenden Schritte anzusteuern:
25.1 .a Ablegen und Fixieren einer unteren Randkomponente (88) des
Brennstoffzellenschichtaufbaus (14) auf einer vertikal beweglichen Basisplatte (86) der Stapelvorrichtung (32) an der Stapelstation (12),
25.1.b Aufschichten weiterer Zellkomponenten (16, 18) auf der unteren Randkomponente
(88) unter Absenken der Basisplatte (86) und
25.1.C seitliches Führen der Zellkomponenten (16, 18) mit dem wenigstens einem
Führungselement (92); und/oder
25.2 die Herstellvorrichtung (10) zum Durchführen der folgenden Schritte anzusteuern:
25.2. a Bereitstellen der Stapelvorrichtung (32) an einer Stapelstation (12),
25.2.bAbwechselndes vertikales Abstapeln einer ersten Zellkomponente (16) und Zuführen einer zweiten Zellkomponente (18) auf der Stapelvorrichtung (32),
25.2. c Transport der Stapelvorrichtung (32) mit dem so gebildeten Zellschichtaufbau (14) zur Weiterverarbeitung und Entnahme des Zellschichtaufbaus (14),
25.2. d Rücktransport der Stapelvorrichtung (32) zu der Stapelstation (12).
26. Stapelverfahren zum Aufnehmen, Positionieren und Fixieren der Zellkomponenten (16, 18) eines Brennstoffzellenschichtaufbaus (14), umfassend:
Ablegen und Fixieren einer unteren Randkomponente (88) des Brennstoffzellenschichtaufbaus (14) auf einer vertikal beweglichen Basisplatte (86),
Aufschichten weiterer Zellkomponenten (16, 18) auf der unteren Randkomponente (88) unter Absenken der Basisplatte und seitliches Führen der Zellkomponenten (16, 18) mit wenigstens einem Führungselement (92), wobei das wenigstens eine Führungselement (92) a) mit der Basisplatte (86) in vertikaler Richtung mitbewegt wird und/oder b) bei aufgelegter Randkomponente (88) über diese hinweg seitlich zum Kontaktieren der darauf aufzulegenden weiteren Zellkomponenten (16, 18) positioniert wird.
27. Stapelverfahren nach Anspruch 26, gekennzeichnet durch Verwenden einer Stapelvorrichtung (32) nach einem der Ansprüche 1 bis 20.
28. Herstellverfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellenschichtaufbaus (14) mit wechselweise angeordneten platten- oder membranförmig ausgebildeten ersten und zweiten Zellkomponenten (16, 18), umfassend:
Bereitstellen einer Stapelvorrichtung (32) nach einem der Ansprüche 1 bis 20 an einer Stapelstation (12), Abwechselndes vertikales Abstapeln einer ersten Zellkomponente (16) und Zuführen einer zweiten Zellkomponente (18) auf der Stapelvorrichtung (32),
Transport der Stapelvorrichtung (32) mit dem so gebildeten Zellschichtaufbau (14) zur Weiterverarbeitung und Entnahme des Zellschichtaufbaus (14),
Rücktransport der Stapelvorrichtung (32) zu der Stapelstation (12).
29. Computerprogramm, umfassend maschinenlesbare Steueranweisungen, die,
29.1 wenn in eine Steuerung (76, 84) zum Ansteuern einer Stapelvorrichtung (32) nach einem der Ansprüche 1 bis 20 geladen, diese veranlassen, das Stapelverfahren nach Anspruch 26 durchzuführen oder
29.2 wenn in eine Steuerung (76) einer Herstellvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 22 bis 25 geladen, diese veranlassen, das Herstellverfahren nach Anspruch 28 durchzuführen.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115241510A (zh) * 2022-08-18 2022-10-25 佛山市天劲新能源科技有限公司 一种电芯堆叠处理装置及其操作方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE112004002237B4 (de) * 2003-11-20 2010-03-11 Nissan Motor Co., Ltd., Yokohama-shi Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer Brennstoffzelle
US20170207477A1 (en) * 2016-01-19 2017-07-20 GM Global Technology Operations LLC Fuel cell stack assembly-compression system
CN109768311A (zh) * 2018-12-26 2019-05-17 武汉喜玛拉雅光电科技股份有限公司 一种燃料电池电堆的装配设备
WO2020216758A1 (de) 2019-04-23 2020-10-29 Grob-Werke Gmbh & Co. Kg Vorrichtung und verfahren zum herstellen eines zellstapels

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE112004002237B4 (de) * 2003-11-20 2010-03-11 Nissan Motor Co., Ltd., Yokohama-shi Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer Brennstoffzelle
US20170207477A1 (en) * 2016-01-19 2017-07-20 GM Global Technology Operations LLC Fuel cell stack assembly-compression system
CN109768311A (zh) * 2018-12-26 2019-05-17 武汉喜玛拉雅光电科技股份有限公司 一种燃料电池电堆的装配设备
WO2020216758A1 (de) 2019-04-23 2020-10-29 Grob-Werke Gmbh & Co. Kg Vorrichtung und verfahren zum herstellen eines zellstapels

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"Brennstoffzelle", WIKIPEDIA, 16 November 2020 (2020-11-16), Retrieved from the Internet <URL:https://de.wikipedia.org/wiki/Brennstoffzelle>
"Membrane electrode assembly", WIKIPEDIA, 13 November 2020 (2020-11-13), Retrieved from the Internet <URL:https://en.wikipedia.org/wiki/Membrane_electrode_assembly>
"Polymerelektrolytbrennstoffzelle", WIKIPEDIA, 13 November 2020 (2020-11-13), Retrieved from the Internet <URL:https://de.wikipedia.org/wiki/Polymerelektrolytbrennstoffzelle>
"Proton-exchange membrane fuel cell", WIKIPEDIA, 13 November 2020 (2020-11-13), Retrieved from the Internet <URL:https://en.wikipedia.org/wiki/Proton-exchange_membrane_fue1-ce11>

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115241510A (zh) * 2022-08-18 2022-10-25 佛山市天劲新能源科技有限公司 一种电芯堆叠处理装置及其操作方法

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