WO2024008332A1 - Positioniervorrichtung, stapelvorrichtung und stapelverfahren für wiederholkomponenten eines zellstapels für batterie- oder brennstoffzellen - Google Patents

Positioniervorrichtung, stapelvorrichtung und stapelverfahren für wiederholkomponenten eines zellstapels für batterie- oder brennstoffzellen Download PDF

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WO2024008332A1
WO2024008332A1 PCT/EP2023/025310 EP2023025310W WO2024008332A1 WO 2024008332 A1 WO2024008332 A1 WO 2024008332A1 EP 2023025310 W EP2023025310 W EP 2023025310W WO 2024008332 A1 WO2024008332 A1 WO 2024008332A1
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positioning
repeating
components
stacking
positioning device
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PCT/EP2023/025310
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Inventor
Tim Janusch
Original Assignee
Grob-Werke Gmbh & Co. Kg
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2404—Processes or apparatus for grouping fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/04—Construction or manufacture in general
    • H01M10/0404—Machines for assembling batteries

Definitions

  • the invention relates to a positioning device for positioning repeat components of a cell stack for battery or fuel cells that are to be placed one on top of the other.
  • the invention further relates to a stacking device for forming a cell stack for a battery cell or fuel cell from repeat components to be placed one on top of the other, with at least one such positioning device.
  • the invention relates to a stacking method using such a stacking device.
  • a pick-and-place process is primarily used to produce a fuel cell stack.
  • the principle of the pick-and-place method is to stack repeating units, which include bipolar plates and/or membrane electrode units, alternately or alternately, until a correspondingly required number of cells is reached, by gripping, transporting, positioning and depositing them on one another or layering them on edge components .
  • End plates are referred to as edge components, which form the end of the series-connected repeat units or the resulting individual cell layers.
  • Additional components can be integrated into these end plates, which may be necessary for the function of the fuel cell stack.
  • the further components can be current collectors and/or unipolar plates and/or pressure distribution plates.
  • pick-and-place systems ensure permanent guidance of the repeating components via grippers, they are not suitable for the production of large series in view of the requirements for reducing cycle times.
  • Alternative systems for stack formation without grippers require devices for defined alignment and positioning of the cell components.
  • the device for aligning the components consists of a vibrating jaw that can be set in vibration by means of a vibration generator and a rigid positioning jaw arranged underneath. The vibrating jaws and positioning jaws each have contact surfaces for contact with an edge of the repeat component to be placed.
  • the vibrating jaw which can be set in vibration, serves to center the repeating component to be deposited by shaking, while the at least one positioning jaw holds the components in their position in the ongoing stacking process.
  • the disadvantage here is that the vibrating and positioning jaws are rigid and therefore, due to the rigidity of the jaws, damage to the components when they hit the contact surfaces of the jaws cannot be completely ruled out.
  • the vibrating jaws with vibration generators require a lot of space in the stacking area and when adapting, for example to a different format or material of the repeating components, a lot of effort is required to convert the jaws and the vibration elements.
  • the invention is therefore based on the object of providing a device and a method in which the disadvantages mentioned are overcome by adapting the positioning device and method to the properties of the repeating components and ensuring both an even more damage-free alignment of the components and a simplified one Enable adaptation to component changes.
  • the invention creates a positioning device for positioning repeat components of a cell stack for battery or fuel cells that are to be placed one on top of the other. This is the case with fuel cell production in particular membrane electrode arrangements (also referred to as MEA) or bipolar plates (BPP). Battery cell production particularly involves electrodes (anode or cathode) and separators.
  • the individual repeating components can also consist of a composite of these components; for battery cell production, a repeating component can, for example, also consist of a prefabricated stack of electrodes and separators.
  • the repeating components are introduced into the positioning device, aligned by it and held in position and orientation within a stacking device.
  • the components can be introduced into the positioning device, for example, transversely to the plane of the repeat components that are already in the stack.
  • the positioning device comprises at least one elastic element, which brakes a repeating component introduced into the positioning device if, when it is introduced transversely to the plane of the repeating components into the positioning device, an edge of the inserted repeating component hits the at least one elastic element.
  • the elastic element is elastically deformable in such a way that damage to the edge of the inserted repeat component can be avoided.
  • the material and geometry of the elastic element are designed such that it is flexible and absorbs the impact of the repeating component on the element. The kinetic energy of the repeated component introduced is reduced, thereby preventing damage to the component.
  • the positioning device has at least one positioning element, which can be set into vibration by vibration generators in such a way that the at least one edge of the repeated component introduced is aligned with the corresponding edges of the repeat components that have already been introduced.
  • the invention provides a stacking device for forming a cell stack for a battery cell or fuel cell from one another Repeat components to be placed, comprising at least one positioning device according to the above embodiment and a receptacle with a support device movable in the height direction for supporting and adjusting the height of the cell stack during stacking.
  • the invention creates a stacking method for forming a cell stack for a battery cell or fuel cell from a plurality of repeating components to be placed one on top of the other, comprising a) providing a stacking device according to the above embodiment, b) depositing a repeating component, c) centering the repeating component by means of swinging the vibrating jaw to bring them into contact with the positioning jaw contact surface, e) repeating steps a) to c) with further repeat components in order to form the cell stack.
  • the stacking method preferably includes the step to be carried out after step c): d) moving the support device downwards, with steps a) to d) being repeated in step e) with the further repeating components.
  • the at least one positioning element is designed and/or the vibration generator can be controlled in such a way that the at least one positioning element does not swing into the envelope of the stacking device at maximum deflection.
  • the positioning elements In order not to impede the supply of the repeating components introduced perpendicular to the stack into the stacking device, the positioning elements must not come into contact with them, even in the swinging state.
  • the positioning element is therefore designed by geometry and material in such a way that when vibration is excited, it does not come into the trajectory of the vertically inserted repeating components.
  • the vibration generator can also be controlled in such a way that the maximum deflection of the positioning element generated does not cause it to swing into the feed path of the repeating component.
  • each positioning element can be set into vibration by a vibration generator, the vibration generators being individually controllable in order to generate different vibration frequencies from the other vibration generators.
  • the repeating components can be aligned at several edge areas by the positioning elements and the different frequencies enable flexible adjustment of the positioning to the properties of the repeating component.
  • the at least one positioning element and the at least one vibration generator are attached to a base plate which is positioned above the stacking device in the height direction, the base plate being designed to be detachable from the stacking device.
  • the positioning elements and vibration generators are not connected to the stacking device, but are fixed on a base plate that can be arranged above the stacking device.
  • the stacking device can be removed from the stacking position in order to be able to carry out further process steps in cell stack formation, such as pressing the stack, or to use the stacking device in the further process to be able to use it as a workpiece carrier for the cell stack.
  • a protective element to prevent tilting of repeat components is arranged in a gap between the stacking device and the base plate. This means that the repeating component cannot get into the gap between the base plate and the stacking device.
  • Several protective elements can also be arranged, for example next to a positioning element or an elastic element.
  • Fig. 2 An embodiment of the positioning device for arrangement above the stacking device
  • Fig. 3 An embodiment of the base plate for arrangement above the stacking device in which positioning elements are simultaneously designed as an elastic element.
  • Figure 1 shows a manufacturing device 1 according to the invention in a schematic representation in a side view.
  • First repeat components 2 in the present example membrane-electrode arrangements of a fuel cell, are arranged in a stack 10 in a magazine-shaped repeat component supply device 3.
  • Second repeating components 4 in the present example bipolar plates for a fuel cell, are provided in a stacking device 5 (a gravity magazine in the embodiment shown).
  • the first repeat components 2 are separated and transported to a stacking device 7 by means of a conveyor device 6, here a negative-pressure overhead conveyor belt, and introduced laterally into it.
  • the second repeating components 4 are fed individually from above to the stacking device 7 from the stacking device 5.
  • the first and second repeating components 2, 4 are alternately placed one on top of the other in the stacking device 7 and thus stacked to form a fuel cell stack.
  • the stacking table 8 of the stacking device 7 is designed to be vertically movable and moves successively downwards during the stacking process.
  • the stack 11 is removed from the stacking device 7 and further manufacturing steps are carried out to produce a fuel cell stack.
  • the device shown can also be used for the production of battery cells, with separators and electrodes being alternately stacked on top of one another instead of membrane electrode arrangements and bipolar plates. It is also possible to stack prefabricated stacks, for example consisting of electrodes and separators, which together form a repeat component.
  • the repeating components are aligned for storage in the stacking device in a positioning device 9.
  • the positioning device 9 is arranged above the stacking device 7.
  • the first repeating components 2 transported from the conveyor device to the stacking device are braked and aligned with the stack 11.
  • Fig. 2 shows a possible embodiment of the positioning device 9.
  • a base plate 12 for arrangement above the stacking device 7 has a recess 13 which is positioned above the stacking device 7 and the dimensions of which are adapted to the size of the repeating components 2, 4 in order to be able to pass through of repeat components 2.4.
  • Elastic elements 14 are attached to the base plate 12, which in the present exemplary embodiment are designed as lamellar, curved dampers made of a material with elastic properties; for example, materials such as rubber or thermoplastic polyamide elastomers (TPA) can be used.
  • TPA thermoplastic polyamide elastomers
  • positioning elements 15 are attached to the base plate, which are designed here as thin sheets.
  • Vibration generators 16 (FIG. 3) are attached to the positioning elements 15, which cause the positioning elements 15 to vibrate. If the repeating component 2 touches one or more of the positioning elements 15, it is guided to the recess 13 in the base plate by their vibration. Due to the continuous arrangement of the positioning elements 15 The repeating component 2 is centered around the recess 13 by the positioning elements 15 and placed on the stack 11.
  • Fig. 3 shows a further possible embodiment of the positioning device 9, in which the positioning elements 15 simultaneously form the elastic elements 14.
  • the positioning elements 15 are attached to the base plate 12 and are designed as thin sheets in the present exemplary embodiment.
  • the thin sheets are flexible and are therefore suitable for braking the repeating components 2. If the repeating component 2 is introduced from the conveyor device 6 laterally into the positioning device 9, its edge hits at least one of the positioning elements/elastic elements 15, which the repeating component 2 is due to of their springy properties without damaging them.
  • each positioning element 15 is equipped with a vibration generator 16, which can be controlled in such a way that it can cause the positioning element 15 to vibrate.
  • the repeating component is aligned and placed on the stack 11 by the vibration of the positioning elements 15.
  • the positioning elements 15 also have protective elements 17, which are located in a gap between the stacking device 7 and the base plate 12 and prevent the repeating components 2, 4 from tilting in the gap.

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Abstract

Es wird eine Positioniervorrichtung und eine Stapelvorrichtung zum Positionieren aufeinander zu legender Wiederholkomponenten eines Zellstapels für Batterie- oder Brennstoffzellen sowie ein Stapelverfahren zum Bilden eines Zellstapels für eine Batteriezelle oder Brennstoffzelle aus mehreren aufeinander zu legenden Wiederholkomponenten beschrieben. Diese Vorrichtung und dieses Verfahren sollen auf die Eigenschaften der Wiederholkomponenten angepasst sein und sowohl eine in noch höherem Maße beschädigungsfreie Ausrichtung der Komponenten als auch eine vereinfachte Anpassung auf Bauteiländerungen ermöglichen. Zur Lösung dieser Aufgabe wird das Vorsehen mindestens ein elastisches Elements vorgeschlagen, welches derart gestaltet ist, dass es eine in die Positioniervorrichtung eingebrachte Wiederholkomponente abbremst, wenn diese bei einem Einbringen quer zur Ebene der Wiederholkomponenten in die Positioniervorrichtung mit einem Rand der eingebrachten Wiederholkomponente auf das mindestens eine elastische Element trifft, sowie mindestens eines Positionierelements, das durch Vibrationserzeuger so in Schwingung versetzbar ist, dass der wenigstens eine Rand der eingebrachten Wiederholkomponente zu den entsprechenden Rändern der bereits eingebrachten Wiederholkomponenten ausgerichtet wird.

Description

Positioniervorrichtung, Stapelvorrichtung und Stapelverfahren für Wiederholkomponenten eines Zellstapels für Batterie- oder Brennstoffzellen
Die Erfindung betrifft eine Positioniervorrichtung zum Positionieren aufeinander zu legender Wiederholkomponenten eines Zellstapels für Batterie- oder Brennstoffzellen. Weiter betrifft die Erfindung eine Stapelvorrichtung zum Bilden eines Zellstapels für eine Batteriezelle oder Brennstoffzelle aus aufeinander zu legenden Wiederholkomponenten mit wenigstens einer solchen Positioniervorrichtung. Schließlich betrifft die Erfindung ein Stapelverfahren unter Verwendung einer solchen Stapelvorrichtung.
Im Bereich der automatisierten Herstellung von Brennstoffzellen, der sogenannten Stack-Assemblierung, wird vorrangig auf ein Pick-and-Place Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellen-Stacks zurückgegriffen. Das Prinzip des Pick-and- Place Verfahrens besteht darin, Wiederholeinheiten, welche Bipolarplatten und/oder Membran-Elektrodeneinheiten umfassen, im Wechsel oder abwechselnd, bis zum Erreichen einer entsprechend geforderten Zellanzahl, durch Greifen, Transportieren, Positionieren und Ablegen aufeinanderzustapeln oder auf Randkomponenten aufzuschichten. Als Randkomponenten werden dabei Endplatten bezeichnet, die den Abschluss der in Reihe geschalteten Wiederholeinheiten oder der dadurch entstandenen Einzelzellschichten bilden. In diesen Endplatten können weitere Komponenten integriert sein, welche für die Funktion des Brennstoffzellen- Stacks erforderlich sein können. Beispielsweise kann es sich bei den weiteren Komponenten um Stromabnehmer und/oder Unipolarplatten und/oder Druckverteilerplatten handeln.
Während Pick-And-Place Systeme zwar eine permanente Führung der Wiederholkomponenten über Greifer gewährleisten, sind sie für die Produktion von Großserien im Hinblick auf die Anforderungen an eine Verringerung der Taktzeit nicht geeignet. Alternative Systeme zur Stapelbildung ohne Greifer benötigen Vorrichtungen zur definierten Ausrichtung und Positionierung der Zellkomponenten. Aus der EP21197541 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Positionieren von aufeinander zu legenden Wiederholkomponenten für einen Batterie- oder Brennstoffzellstapel bekannt. Hierbei besteht die Vorrichtung zur Ausrichtung der Komponenten aus einer mittels eines Vibrationserzeugers in Schwingung versetzbaren Rüttelbacke und einer darunter angeordneten starren Positionierbacke. Die Rüttelbacken und Positionierbacken weisen jeweils Anlageflächen zur Anlage an einen Rand der zu legenden Wiederholkomponente auf. Die in Schwingung versetzbare Rüttelbacke dient dazu, die abzulegende Wiederholkomponente rüttelnd zu zentrieren, während die mindestens eine Positionierbacke die Komponenten im fortlaufenden Stapelprozess in ihrer Position hält. Nachteilig ist dabei, dass die Rüttel- und Positionierbacken starr sind und daher aufgrund der Unnachgiebigkeit der Backen Beschädigungen an den Komponenten beim Auftreffen dieser auf die Anlageflächen der Backen nicht gänzlich auszuschließen sind. Hinzu kommt, dass die Rüttelbacken mit Schwingungserzeugern einen hohen Platzbedarf am Stapelplatz haben und bei einer Anpassung, beispielsweise auf ein anderes Format oder Material der Wiederholkomponenten, ein großer Umbauaufwand entsteht, um die Backen und die Vibrationselemente anzupassen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, bei denen die genannten Nachteile überwunden werden, indem Positioniervorrichtung und -verfahren auf die Eigenschaften der Wiederholkomponenten angepasst sind und sowohl eine in noch höherem Maße beschädigungsfreie Ausrichtung der Komponenten als auch eine vereinfachte Anpassung auf Bauteiländerungen ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch eine Positioniervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Stapelvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 sowie ein dazugehöriges Stapelverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung schafft eine Positioniervorrichtung zum Positionieren aufeinander zu legender Wiederholkomponenten eines Zellstapels für Batterie- oder Brennstoffzellen. Bei der Brennstoffzellen-Fertigung handelt es sich hierbei insbesondere um Membran-Elektroden-Anordnungen (auch als MEA bezeichnet) bzw. Bipolarplatten (BPP). Bei der Batteriezellenfertigung handelt es sich insbesondere um Elektroden (Anode bzw. Kathode) und Separatoren. Die einzelnen Wiederholkomponenten können auch aus einem Verbund dieser Komponenten bestehen, für die Batteriezellfertigung kann eine Wiederholkomponente beispielsweise auch aus einem vorgefertigten Stapel aus Elektroden und Separatoren bestehen. Um einen Stapel aus diesen Komponenten zu bilden, werden die Wiederholkomponenten in die Positioniervorrichtung eingebracht, durch diese ausgerichtet und innerhalb einer Stapelvorrichtung in ihrer Position und Orientierung gehalten. Das Einbringen der Komponenten in die Positioniervorrichtung kann beispielsweise quer zur Ebene der Wiederholkomponenten, die bereits im Stapel liegen, erfolgen.
Die erfindungsgemäße Positioniervorrichtung umfasst mindestens ein elastisches Element, welches eine in die Positioniervorrichtung eingebrachte Wiederholkomponente abbremst, wenn diese bei einem Einbringen quer zur Ebene der Wiederholkomponenten in die Positioniervorrichtung mit einem Rand der eingebrachten Wiederholkomponente auf das mindestens eine elastische Element trifft. Das elastische Element ist dabei derart elastisch verformbar, dass eine Beschädigung des Randes der eingebrachten Wiederholkomponente vermieden werden kann. Material und Geometrie des elastischen Elements sind derart ausgeführt, dass es nachgiebig ist und den Aufprall der Wiederholkomponente auf das Element abdämpft. Die kinetische Energie der eingebrachten Wiederholkomponente wird abgebaut, wodurch Beschädigungen an der Komponente verhindert werden.
Des Weiteren verfügt die Positioniervorrichtung über mindestens ein Positionierelement, welches durch Vibrationserzeuger so in Schwingung versetzbar ist, dass der wenigstens eine Rand der eingebrachten Wiederholkomponente zu den entsprechenden Rändern der bereits eingebrachten Wiederholkomponenten ausgerichtet wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung eine Stapelvorrichtung zum Bilden eines Zellstapels für eine Batteriezelle oder Brennstoffzelle aus aufeinander zu legenden Wiederholkomponenten, umfassend wenigstens eine Positioniervorrichtung nach der voranstehenden Ausgestaltung und eine Aufnahme mit einer sich in Höhenrichtung bewegbaren Stützeinrichtung zum Abstützen und zur Höhenanpassung des Zellstapels beim Stapeln.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung ein Stapelverfahren zum Bilden eines Zellstapels für eine Batteriezelle oder Brennstoffzelle aus mehreren aufeinander zu legenden Wiederholkomponenten umfassend a) Vorsehen einer Stapelvorrichtung gemäß der voranstehenden Ausgestaltung, b) Ablegen einer Wiederholkomponente, c) Zentrieren der Wiederholkomponente mittels Schwingen der Rüttelbacke, um sie in Anlage an die Positionierbacken-Anlagefläche zu bringen, e) Wiederholen der Schritte a) bis c) mit weiteren Wiederholkomponenten, um so den Zellstapel zu bilden.
Vorzugsweise umfasst das Stapelverfahren den nach Schritt c) durchzuführenden Schritt: d) Abwärtsbewegen der Stützeinrichtung, wobei in Schritt e) die Schritte a) bis d) mit den weiteren Wiederholkomponenten wiederholt werden.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Positioniervorrichtung ist das mindestens eine Positionierelement gleichzeitig als das mindestens eine elastische Element ausgestaltet. Das Positionierelement ist durch eine Vibrationseinheit ansteuerbar, die das Positionierelement in Schwingung versetzt, durch die die eingebrachte Wiederholkomponente zu den Rändern der bereits eingebrachten Wiederholkomponenten ausgerichtet wird. Gleichzeitig ist das Positionierelement elastisch ausgeführt, sodass der Impuls der eingebrachten Wiederholkomponente reduziert werden kann. Dadurch können Ausrichtung der Wiederholkomponenten mittels Vibration und Impulsreduktion durch eine einzige Komponente der Vorrichtung umgesetzt werden. Die Positioniervorrichtung kann somit sowohl für einen Betrieb mit einer Ausrichtung der Wiederholkomponenten mittels durch eine Vibrationseinheit erzeugten Schwingungen, als auch für einen Betrieb für eine Ausrichtung lediglich durch die Nachgiebigkeit der elastischen Elemente verwendet werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Positioniervorrichtung ist das wenigstens eine Positionierelement so gestaltet und/oder der Vibrationserzeuger so ansteuerbar, dass das wenigstens eine Positionierelement bei maximaler Auslenkung nicht in die Hüllkurve der Stapelvorrichtung schwingt. Um die Zufuhr der senkrecht zum Stapel eingebrachten Wiederholkomponenten in die Stapelvorrichtung nicht zu behindern, dürfen die Positionierelemente auch im schwingenden Zustand nicht mit diesen in Berührung kommen. Das Positionierelement ist daher durch Geometrie und Werkstoff so gestaltet, dass es bei Anregung zur Schwingung nicht in die Flugbahn der senkrecht eingeführten Wiederholkomponenten gelangt. Alternativ kann auch der Vibrationserzeuger derart ansteuerbar sein, dass die erzeugte maximale Auslenkung des Positionierelements nicht dazu führt, dass es in die Zuführbahn der Wiederholkomponente schwingt.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Positioniervorrichtung können mehrere Positionierelemente vorgesehen sein. Jedes Positionierelement ist jeweils durch einen Vibrationserzeuger in Schwingung versetzbar, wobei die Vibrationserzeuger einzeln ansteuerbar sind, um von den anderen Vibrationserzeugern unterschiedliche Schwingungsfrequenzen zu erzeugen. Hierdurch können die Wiederholkomponenten an mehreren Randbereichen durch die Positionierelemente ausgerichtet werden und durch die unterschiedlichen Frequenzen ist eine flexible Anpassung der Positionierung auf die Eigenschaften der Wiederholkomponente möglich.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Positioniervorrichtung können mehrere elastische Elemente und/oder mehrere Positionierelemente vorgesehen sein, wobei wenigstens ein elastisches Element und/oder ein Positionierelement eine von anderen elastischen Elementen oder Positionierelementen unterschiedliche Geometrie aufweist. Dadurch kann der Impuls der eingebrachten Wiederholkomponente an mehreren Stellen verringert werden und zudem können verschiedene Geometrien für verschiedene Randbereiche der Wiederholkomponente verwendet werden, um flexibel auf die Eigenschaften der Wiederholkomponente eingehen zu können. Hierdurch kann stets die optimale Nachgiebigkeit der elastischen Elemente für den jeweiligen Bereich der Wiederholkomponente eingesetzt werden. Eine Anpassung auf eine Wiederholkomponente mit geänderten Eigenschaften kann kostengünstig durch den Austausch der Positionierelemente oder der elastischen Elemente durch entsprechende Elemente mit angepasster Geometrie oder Werkstoff erfolgen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Positioniervorrichtung ist das wenigstens eine Positionierelement und der wenigstens eine Vibrationserzeuger auf einer Grundplatte befestigt, die in Höhenrichtung oberhalb der Stapelvorrichtung positioniert ist, wobei die Grundplatte von der Stapelvorrichtung lösbar gestaltet ist. Die Positionierelemente und Vibrationserzeuger sind nicht mit der Stapelvorrichtung verbunden, sondern auf einer Grundplatte fixiert, die oberhalb der Stapelvorrichtung angeordnet werden kann.
Durch die Möglichkeit, die Grundplatte mit den Positionierelementen und Vibrationserzeugern von der Stapelvorrichtung zu lösen, kann die Stapelvorrichtung von der Stapelposition entfernt werden, um weitere Verfahrensschritte in der Zellstapelbildung, wie beispielsweise das Verpressen des Stapels, durchführen zu können oder um die Stapelvorrichtung im weiteren Prozess als Werkstückträger für den Zellstapel verwenden zu können.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Positioniervorrichtung ist ein Schutzelement zur Vermeidung eines Verkantens von Wiederholkomponenten in einem Spalt zwischen Stapelvorrichtung und Grundplatte angeordnet. Dadurch kann die Wiederholkomponente nicht in den Spalt zwischen Grundplatte und Stapelvorrichtung gelangen. Es können auch mehrere Schutzelemente, beispielsweise jeweils neben einem Positionierelement oder einem elastischen Element, angeordnet sein.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Positioniervorrichtung kann das wenigstens eine Positionierelement durch Vibrationserzeuger so in Schwingung versetzt werden, dass es in seiner Eigenfrequenz schwingt. Dadurch können vergleichsweise große Schwingungsamplituden mit einem kleinen Schwingungserzeuger erzeugt werden, sodass der Bauraumbedarf des Vibrationsmechanismus gering ist.
Einige Ausführungsbeispiele werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:
Fig. 1 : Eine erfindungsgemäße Stapelvorrichtung in schematischer Darstellung in Seitenansicht
Fig. 2: Eine Ausgestaltung der Positioniervorrichtung zur Anordnung oberhalb der Stapelvorrichtung
Fig. 3: Eine Ausgestaltung der Grundplatte zur Anordnung oberhalb der Stapelvorrichtung bei der Positionierelemente gleichzeitig als elastisches Element ausgeführt sind.
Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Herstellungsvorrichtung 1 in schematischer Darstellung in Seitenansicht. Erste Wiederholkomponenten 2, im vorliegenden Beispiel Membran-Elektroden-Anordnungen einer Brennstoffzelle, sind in einer magazinförmigen Wiederholkomponenten-Bereitstellvorrichtung 3 in einem Stapel 10 angeordnet. Zweite Wiederholkomponenten 4, im vorliegenden Beispiel Bipolarplatten für eine Brennstoffzelle, werden in einer Abstapelvorrichtung 5 (in der dargestellten Ausführung ein Schwerkraftmagazin) bereitgestellt. Die ersten Wiederholkomponenten 2 werden vereinzelt und mittels einer Fördervorrichtung 6, hier ein Unterdruck-Überkopftransportband, zu einer Stapelvorrichtung 7 transportiert und seitlich in diese eingebracht. Von oben werden aus der Abstapelvorrichtung 5 die zweiten Wiederholkomponenten 4 einzeln zu der Stapelvorrichtung 7 zugeführt. Die ersten und die zweiten Wiederholkomponenten 2,4 werden in der Stapelvorrichtung 7 abwechselnd übereinandergelegt und damit zu einem Brennstoffzellen-Stack gestapelt. Hierfür ist der Stapeltisch 8 der Stapelvorrichtung 7 vertikal verfahrbar gestaltet und verfährt während des Stapelvorgangs sukzessive nach unten. Am Ende des Stapelvorgangs wird der Stapel 11 aus der Stapelvorrichtung 7 entnommen und es werden weitere Fertigungsschritte zur Herstellung eines Brennstoffzellen-Stacks durchgeführt. Grundsätzlich ist die gezeigte Vorrichtung auch zur Herstellung von Batteriezellen verwendbar, wobei statt Membran-Elektroden-Anordnungen und Bipolarplatten Separatoren und Elektroden im Wechsel übereinandergestapelt werden. Es ist auch möglich, vorgefertigte Stapel, beispielsweise bestehend aus Elektroden und Separatoren, die zusammen eine Wiederholkomponente bilden, zu stapeln.
Die Ausrichtung der Wiederholkomponenten zur Ablage in der Stapelvorrichtung erfolgt in einer Positioniervorrichtung 9. Die Positioniervorrichtung 9 ist oberhalb der Stapelvorrichtung 7 angeordnet. In der Positioniervorrichtung 9 werden die aus der Fördervorrichtung zur Stapelvorrichtung transportierten ersten Wiederholkomponenten 2 abgebremst und zum Stapel 11 ausgerichtet.
Fig. 2 zeigt eine mögliche Ausgestaltung der Positioniereinrichtung 9. Eine Grundplatte 12 zur Anordnung oberhalb der Stapelvorrichtung 7 weist eine Aussparung 13 auf, die oberhalb der Stapelvorrichtung 7 positioniert ist und deren Abmaße auf die Größe der Wiederholkomponenten 2,4 angepasst ist, um ein Hindurchführen der Wiederholkomponenten 2,4 zu ermöglichen. An der Grundplatte 12 sind elastische Elemente 14 befestigt, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel als lamellenförmige, gebogene Dämpfer aus einem Material mit elastischen Eigenschaften ausgeführt sind; beispielsweise können Materialien wie Gummi oder thermoplastische Polyamidelastomere (TPA) verwendet werden. Wird die Wiederholkomponente 2 aus der Fördervorrichtung 6 seitlich in die Positioniervorrichtung 9 eingebracht, trifft sie mit einer Kante auf mindestens eins der elastischen Elemente 14, welche die Wiederholkomponente 2 aufgrund ihrer nachgiebigen Eigenschaften abbremsen, ohne diese zu beschädigen. Beim Auftreffen der Wiederholkomponente 2 werden die elastischen Lamellen der elastischen Elemente 14 eingedrückt und dämpfen damit den Aufprall der Wiederholkomponente 2 ab.
Des Weiteren sind auf der Grundplatte 12 Positionierelemente 15 befestigt, die hier als dünne Bleche ausgeführt sind. An den Positionierelementen 15 sind Vibrationserzeuger 16 (Fig. 3) angebracht, die die Positionierelemente 15 in Schwingung versetzen. Berührt die Wiederholkomponente 2 eines oder mehrere der Positionierelemente 15, wird sie durch deren Schwingung zur Aussparung 13 in der Grundplatte geführt. Durch die um laufende Anordnung der Positionierelemente 15 um die Aussparung 13 wird die Wiederholkomponente 2 durch die Positionierelemente 15 zentriert und auf dem Stapel 11 abgelegt.
Fig. 3 zeigt eine weitere mögliche Ausgestaltung der Positioniervorrichtung 9, bei der die Positionierelemente 15 gleichzeitig die elastischen Elemente 14 bilden. Die Positionierelemente 15 sind an der Grundplatte 12 befestigt und sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel als dünne Bleche ausgeführt. Die dünnen Bleche sind nachgiebig und eignen sich daher zum Abbremsen der Wiederholkomponenten 2. Wird die Wiederholkomponente 2 aus der Fördervorrichtung 6 seitlich in die Positioniervorrichtung 9 eingebracht, trifft sie mit einer Kante auf mindestens eins der Positionierelemente/elastischen Elemente 15, welche die Wiederholkomponente 2 aufgrund ihrer federnden Eigenschaften abbremsen, ohne diese zu beschädigen. Des Weiteren ist in diesem Ausführungsbeispiel jedes Positionierelement 15 mit einem Vibrationserzeuger 16 ausgestattet, der derartig ansteuerbar ist, dass er das Positionierelement 15 in Schwingung versetzen kann. Durch die Schwingung der Positionierelemente 15 wird die Wiederholkomponente ausgerichtet und auf dem Stapel 11 platziert.
Die Positionierelemente 15 weisen zudem Schutzelemente 17 auf, welche sich in einem Spalt zwischen Stapelvorrichtung 7 und Grundplatte 12 befinden und verhindern, dass sich die Wiederholkomponenten 2, 4 in dem Spalt verkanten.

Claims

Patentansprüche
1. Positioniervorrichtung zum Positionieren aufeinander zu legender Wiederholkomponenten eines Zellstapels für Batterie- oder Brennstoffzellen, umfassend mindestens ein elastisches Element, welches derart gestaltet ist, dass es eine in die Positioniervorrichtung eingebrachte Wiederholkomponente abbremst, wenn diese bei einem Einbringen quer zur Ebene der Wiederholkomponenten in die Positioniervorrichtung mit einem Rand der eingebrachten Wiederholkomponente auf das mindestens eine elastische Element trifft, wobei das mindestens eine elastische Element des Weiteren so gestaltet ist, dass es dabei derart elastisch verformbar ist, dass eine Beschädigung des Randes der eingebrachten Wiederholkomponente vermieden werden kann, und wobei die Vorrichtung des Weiteren mindestens ein Positionierelement aufweist, wobei das wenigstens eine Positionierelement durch Vibrationserzeuger so in Schwingung versetzbar ist, dass der wenigstens eine Rand der eingebrachten Wiederholkomponente zu den entsprechenden Rändern der bereits eingebrachten Wiederholkomponenten ausgerichtet wird.
2. Positioniervorrichtung nach Anspruch 1 , wobei das mindestens eine Positionierelement gleichzeitig als das mindestens eine elastische Element ausgestaltet ist.
3. Positioniervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Positionierelement so gestaltet ist und/oder der Vibrationserzeuger so ansteuerbar ist, dass das wenigstens eine Positionierelement bei maximaler Auslenkung nicht in die Hüllkurve der Stapelvorrichtung nach Anspruch 9 schwingt.
4. Positioniervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Positionierelemente vorgesehen sind, die jeweils durch einen Vibrationserzeuger in Schwingung versetzt werden können, wobei die Vibrationserzeuger einzeln ansteuerbar sind, um von den anderen Vibrationserzeugern unterschiedliche Schwingungsfrequenzen zu erzeugen.
5. Positioniervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere elastische Elemente und/oder mehrere Positionierelemente vorgesehen sind, wobei wenigstens ein elastisches Element und/oder ein Positionierelement eine von anderen elastischen Elementen oder Positionierelementen unterschiedliche Geometrie aufweist.
6. Positioniervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Positionierelement und der wenigstens eine Vibrationserzeuger auf einer Grundplatte befestigt sind, die in Höhenrichtung oberhalb der Stapelvorrichtung nach Anspruch 9 positioniert ist, wobei die Grundplatte von der Stapelvorrichtung lösbar gestaltet ist.
7. Positioniervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schutzelement zur Vermeidung eines Verkantens von Wiederholkomponenten in einem Spalt zwischen Stapelvorrichtung und Grundplatte angeordnet ist.
8. Positioniervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Positionierelement durch Vibrationserzeuger so in Schwingung versetzt wird, dass es in seiner Eigenfrequenz schwingt.
9. Stapelvorrichtung zum Bilden eines Zellstapels für eine Batteriezelle oder Brennstoffzelle aus aufeinander zu legenden Wiederholkomponenten, umfassend wenigstens eine Positioniervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche und eine Aufnahme mit einer sich in Höhenrichtung bewegbaren Stützeinrichtung zum Abstützen und zur Höhenanpassung des Zellstapels beim Stapeln.
10. Stapelverfahren zum Bilden eines Zellstapels für eine Batteriezelle oder Brennstoffzelle aus mehreren aufeinander zu legenden Wiederholkomponenten umfassend a) Vorsehen einer Stapelvorrichtung nach Anspruch 9, b) Ablegen einer Wiederholkomponente, c) Zentrieren der Wiederholkomponente mittels Schwingen des wenigstens einen Positionierelements, um sie zu den Rändern der bereits gelegten Wiederholkomponenten auszurichten, e) Wiederholen der Schritte a) bis c) mit weiteren Wiederholkomponenten, um so den Zellstapel zu bilden.
11 . Stapelverfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch den nach Schritt c) durchzuführenden Schritt: d) Abwärtsbewegen der Stützeinrichtung, wobei in Schritt e) die Schritte a) bis d) mit den weiteren Wiederholkomponenten wiederholt werden.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20220140379A1 (en) * 2020-08-06 2022-05-05 Honda Motor Co., Ltd. Method and apparatus for manufacturing power generating cell stack body
EP4152452A1 (de) * 2021-09-17 2023-03-22 Grob-Werke GmbH & Co. KG Positioniervorrichtung, stapelvorrichtung und stapelverfahren für wiederholkomponenten eines zellstapels für batterie- oder brennstoffzellen

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