Titel

Zellstapelfixiervorrichtung zum Fixieren eines Zellstapels einer Brennstoffzelle und/oder eines Elektrolyseurs während eines Trennvorgangs

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Zellstapelfixiervorrichtung zum Fixieren eines Zellstapels, insbesondere einer elektrochemischen Zelle, während eines Trennvorgangs aneinanderhaftender Zelllagen des Zellstapels und ein Zellstapelfixiersystem mit einer derartigen Zellstapelfixiervorrichtung und einem Trennelement sowie eine Verwendung einer derartigen Zellstapelfixiervorrichtung und/oder eines derartigen Zellstapelfixiersystems zum Fixieren eines Zellstapels und ein Verfahren zum Fixieren eines Zellstapels.

Beim Recycling von unterschiedlichsten Produkten wie bspw. Verpackungen, Elektroschrott, etc. werden die Produkte typischerweise „Undefiniert“ zerkleinert, d.h. geschreddert oder gemahlen. Danach werden die werthaltigen von den weniger werthaltigen Fraktionen getrennt und weiterverarbeitet.

Brennstoffzellenstacks bzw. Brennstoffzellenstapel bestehen aus Membran- Elektroden- Einheiten (MEA), welche Membranen, Gasdiffusionslagen (GDL) und Dichtungsrahmen umfassen, sowie Bipolarplatten (BPP), welche in der Regel aus Stahlblech oder gefrästen Graphitplatten bestehen. Diese beiden Bauteile - MEA und BPP - werden abwechselnd übereinandergestapelt. Ein typischer Brennstoffzellenstack im Automotive- Bereich mit ca. 100 kW Leistung besteht aus 350 bis 400 BPPs und ebenso vielen MEAs. Je nach Produktdesign sind die Bauteile durch die Dichtungen oder die GDL mit zunehmender Laufleistung auch zunehmend stark miteinander verklebt.

Beim Recycling von Brennstoffzellenstacks wird gemäß dem einleitend beschriebenen Verfahren vorgegangen, welches gleich mehrere Nachteile mit sich bringt. Zunächst sind die MEA von den BPP zwecks Recycling bzw. Remanufacturing aufgrund der zunehmenden Verklebung/Korrosion schwer voneinander zu trennen. Dies führt dazu, dass sehr werthaltige, weil Platinhaltige, Partikel oder Stäube an den Bipolarplatten- Fragmenten haften bleiben, somit mit ihnen aussortiert werden und damit unwiederbringbar verloren gehen. Ein Remanufacturing z.B. von Bipolarplatten ist aufgrund der zerstörenden Zerkleinerung ausgeschlossen. Des Weiteren birgt ein Undefinierter Zerlegeprozess für das Recycling die Gefahr hoher Verluste werthaltiger Materialien.

Ein Trennvorgang aneinanderhaftender Zelllagen des Zellstapels kann derart durchgeführt werden, dass ein Trennelement/Trennwerkzeug, bspw. in Form eines Drahts oder eines Fadens zwischen den aneinanderhaftenden Zelllagen des Zellstapels durch den, insbesondere gesamten Zellstapel hindurchgeführt wird. Hierbei kann es jedoch je nach Trennelement problematisch werden, wenn

- der Zellstapel lose auf der Arbeitsplatte liegt und damit als Ganzes oder ein in sich herauslösender Teilzellstapel verschiebbar ist oder wird, und/oder

- die oberste, bereits teilweise abgelöste Zelllage sich Undefiniert verschiebt, solange das Trennelement unter ihr noch bewegt wird, und/oder

- eine Durchbiegung des Zellstapels in eine oder mehrere Richtungen vorliegt, da großflächiger wirkende Trennelemente wie bspw. ein Draht oder eine Schnur, welcher über die gesamte Länge oder Breite des Zellstapels eingefädelt werden müssen, nicht mehr einsetzbar ist, sodass der Trennvorgang nicht reibungslos oder gar nicht durchführbar ist.

Offenbarung der Erfindung

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Zellstapelfixiervorrichtung zum Fixieren eines Zellstapels, insbesondere einer elektrochemischen Zelle, während eines Trennvorgangs aneinanderhaftender Zelllagen des Zellstapels, bei dem ein Trennelement zwischen den aneinanderhaftenden Zelllagen des Zellstapels durch den, insbesondere gesamten Zellstapel hindurchgeführt wird, mit einer Zellstapelaufnahmeeinheit zum Aufnehmen des Zellstapels und einer Fixiereinheit, welche ausgebildet ist, den aufgenommenen Zellstapel in Abhängigkeit von einer Relativposition des Trennelements zu dem aufgenommenen Zellstapel an jeweils unterschiedlichen Fixierbereichen in Stapelrichtung gegen die Zellstapelaufnahmeeinheit zu drücken, um den aufgenommenen Zellstapel während des, insbesondere gesamten Hindurchführens des Trennelements fixiert zu halten.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Zellstapelfixiersystem mit einer vorangehend beschriebenen Zellstapelfixiervorrichtung und einem, insbesondere translatorisch bewegbar gelagerten Trennelement zur Durchführung des Trennvorgangs.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist außerdem eine Verwendung einer vorangehend beschriebenen Zellstapelfixiervorrichtung und/oder eines vorangehend beschriebenen Zellstapelfixiersystems zum Fixieren eines Zellstapels, insbesondere einer elektrochemischen Zelle, während eines Trennvorgangs aneinanderhaftender Zelllagen des Zellstapels, bei dem ein Trennelement zwischen den aneinanderhaftenden Zelllagen des Zellstapels durch den, insbesondere gesamten Zellstapel hindurchgeführt wird.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist des Weiteren ein Verfahren zum Fixieren eines Zellstapels, insbesondere einer elektrochemischen Zelle, während eines Trennvorgangs aneinanderhaftender Zelllagen des Zellstapels, bei dem ein Trennelement zwischen den aneinanderhaftenden Zelllagen des Zellstapels durch den, insbesondere gesamten Zellstapel hindurchgeführt wird, wobei eine Fixiereinheit den in einer Zellstapelaufnahmeeinheit aufgenommenen Zellstapel in Abhängigkeit von einer Relativposition des Trennelements zu dem aufgenommenen Zellstapel an jeweils unterschiedlichen Fixierbereichen in Stapelrichtung gegen die Zellstapelaufnahmeeinheit drückt, um den aufgenommenen Zellstapel während des, insbesondere gesamten Hindurchführens des Trennelements fixiert zu halten.

Da der Zellstapel vorzugsweise von oben nach unten lagenweise demontiert wird, kommt eine fixe Verspannung, welche den Zellstapel flächig nach unten drückt, nicht in Frage. Daher wird erfindungsgemäß eine Zellstapelfixiervorrichtung vorgeschlagen, bei der eine Fixiereinheit den Zellstapel in Abhängigkeit von einer Relativposition des Trennelements zu dem aufgenommenen Zellstapel an jeweils unterschiedlichen Fixierbereichen in Stapelrichtung drückt, um diesen während des, insbesondere gesamten Hindurchführens des Trennelements fixiert zu halten. D.h., mit anderen Worten, dass die Fixierbereiche, also die Punkte, an denen die Fixiereinheit den Zellstapel drückt, in Abhängigkeit von der Relativposition des Trennwerkzeugs wechseln bzw. wandern.

Hierdurch wird eine „dynamische“ bzw. bewegliche Fixierung bereitgestellt, welche einerseits den Zellstapel ausreichend gegen ein Verschieben sichert und eine ggf. vorhandene Krümmung des Zellstapels verhindert sowie andererseits den Einsatz bzw. die Durchführung des Trennelements/Trennwerkzeugs nicht behindert. Dies wird dadurch erzielt, dass die Fixiereinheit abhängig von der Relativposition des Trennelements derart drückt, dass bzw. nur dort drückt wo das Trennelement beim Hindurchführen nicht behindert wird. Dabei ist es unerheblich, ob das Trennelement händisch geführt oder automatisch bewegt wird. Somit ist die Demontage einfach, schnell und reibungslos mittels des entsprechenden Trennelements sowohl händisch als auch automatisiert durchführbar.

Unter einem Hindurchführen ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere ein durchgängiges Durchführen des Trennelements von einer Seite des Zellstapels bis zu einer gegenüberliegenden Seite des Zellstapels gemeint.

Eine elektrochemische Zelle umfasst im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere eine Brennstoffzelle und/oder eine Elektrolysezelle und/oder eine Batteriezelle. Hierbei sei angemerkt, dass der Zellstapel auch der eines Kühlers oder Wärmetauschers sein kann, ohne dabei den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Unter einer Zellstapelfixiervorrichtung soll ich Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung verstanden werden, welche ausgebildet und entsprechend dimensioniert ist, um einen Zellstapel, insbesondere einer elektrochemischen Zelle, während eines Trennvorgangs aneinanderhaftender Zelllagen des Zellstapels, bei dem ein Trennelement zwischen den aneinanderhaftenden Zelllagen des Zellstapels durch den, insbesondere gesamten Zellstapel hindurchgeführt wird, zu fixieren.

Eine Zelllage des Zellstapels kann eine Membran- Elektroden- Einheit (MEA) oder eine Bipolarplatte (BPP) umfassen oder daraus bestehen. Demnach kann der Zellstapel bspw. 700 bis 1000 Zelllagen umfassend 350 bis 500 BPPs und 350 bis 500 ME As aufweisen.

Die Zellstapelaufnahmeeinheit kann bspw. als Arbeitstisch oder Arbeitsplatte ausgebildet sein. Die Zellstapelaufnahmeeinheit kann höhenverstellbar ausgebildet sein.

Die Fixiereinheit ist ausgebildet, den aufgenommenen Zellstapel in Abhängigkeit von einer Relativposition des Trennelements zu dem aufgenommenen Zellstapel an jeweils unterschiedlichen Fixierbereichen in Stapelrichtung gegen die Zellstapelaufnahmeeinheit zu drücken. Hierbei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die Fixiereinheit derart ausgebildet ist, dass sie in Abhängigkeit von der Relativposition des Trennelements zu dem aufgenommenen Zellstapel nur an Fixierbereichen drückt, unter denen das Trennelement abwesend ist. Ferner ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die Fixiereinheit derart ausgebildet ist, dass sie während des gesamten Hindurchführens des Trennelements immer mindestens an einem Fixierbereich gegen den Zellstapel drückt, um diesen während des gesamten Hindurchführens des Trennelements fixiert zu halten.

Unter einer Relativposition soll im Rahmen der vorliegenden Erfindung die relative Position, insbesondere lineare Position des Trennelements quer zur Stapelrichtung, d.h. in der Zelllagenebene verstanden werden.

Unter einem Fixierbereich soll im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Wirkbereich bzw. Druckbereich der Fixiereinheit an dem Zellstapel verstanden werden, wobei verständlicherweise nicht nur der Druckpunkt an sich, sondern auch der umliegende betroffene Bereich umfasst ist.

Es ist vorteilhaft, wenn die Fixiereinheit zum Drücken des Zellstapels gegen die Zellstapelaufnahmeeinheit zumindest ein relativ zu der Zellstapelaufnahmeeinheit translatorisch/linear bewegbar gelagertes Fixierelement aufweist.

Hierbei kann in einem Ausführungsbeispiel das zumindest eine Fixierelement als zumindest eine Andrückrolle ausgebildet sein, welche auf dem Zellstapel rollbar ist, um diesen an jeweils unterschiedlichen Fixierbereichen gegen die Zellstapelaufnahmeeinheit zu drücken. Die zumindest eine Andrückrolle kann zur Druckausübung gefedert oder aktiv gesteuert sein. Vorteilhafterweise kann die Fixiereinheit einen translatorisch/linear bewegbar gelagerten bzw. einen schienengeführten Träger aufweisen, an dem die zumindest eine Andrückrolle und ein Trennelementaufnahmeeinheit zur Aufnahme des Trennelements angeordnet sind. Der Träger kann höhenverstellbar ausgebildet sein.

Dabei ist es weiter vorteilhaft, wenn die zumindest eine Andrückrolle in einer bestimmungsgemäßen Bewegungsrichtung des Trennelements vor dem Trennelement angeordnet ist. Hierdurch kann auf sehr einfache Art und Weise eine Fixiereinheit bereitgestellt werden, bei der sich eine Andrückrolle in einem konstanten Abstand zu dem Trennelement mitbewegt und immer den Zellstapels vor dem Trennelement in Stapelrichtung gegen die Zellstapelaufnahmeeinheit drückt.

Zusätzlich ist es vorteilhaft, wenn ferner zumindest eine weitere Andrückrolle in der bestimmungsgemäßen Bewegungsrichtung des Trennelements hinter dem Trennelement angeordnet ist. Durch diese Maßnahme kann sichergestellt werden, dass der Zellstapel während des gesamten Hindurchführens des Trennelements, also auch nachdem die vordere Andrückrolle den Zellstapel verlassen hat, fixiert bleibt.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Fixiereinheit zumindest zwei Fixierelemente aufweisen, welche als ausfahrbare Stößel ausgebildet sind, wobei die zumindest zwei Stößel in Stapelrichtung des Zellstapels gegen den Zellstapel ausfahrbar sind, um diesen an jeweils unterschiedlichen Fixierbereichen gegen die Zellstapelaufnahmeeinheit zu drücken. Der Stößel kann hierbei als Stempel oder Stift ausgebildet sein. Vorteilhafterweise kann die Fixiereinheit eine Vielzahl von ausfahrbaren Stößeln aufweisen, welche über eine Zellstapelfläche des Zellstapels, insbesondere entlang einer Linie oder eines zweidimensionalen Musters zueinander beabstandet angeordnet sind.

Dabei ist es weiter vorteilhaft, wenn die ausfahrbaren Stößel in Abhängigkeit von der Relativposition des Trennelements zu dem aufgenommenen Zellstapel derart ansteuerbar sind, dass nur Stößel gegen den Zellstapel drücken, unter denen das Trennelement abwesend ist, und/oder während des gesamten Hindurchführens des Trennelements immer mindestens ein Stößel gegen den Zellstapel drückt, um diesen während des gesamten Hindurchführens des Trennelements fixiert zu halten.

Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn eine, insbesondere optische Sensoreinheit zur Ermittlung der Relativposition des Trennelements zu dem aufgenommenen Zellstapel vorgesehen ist. Die Sensoreinheit kann bspw. als Kontaktsensor oder als Kamera ausgebildet sein. Hierbei ist es ferner vorteilhaft, wenn eine Steuereinheit zur Ansteuerung der Fixiereinheit und/oder Fixierelemente in Abhängigkeit von der ermittelten Relativposition vorgesehen ist.

Demnach ist auch denkbar, dass ein manueller Demontageprozess durch bspw. eine oder mehrere optische Sensoreinheiten, insbesondere Kameras überwacht und die Relativposition des bewegten Trennelements kontinuierlich ermittelt wird. Somit ist auch im händischen Zerlegeprozess eine dynamische Fixierung des Zellstapels möglich und der Werker kann sich rein auf das Demontieren konzentrieren.

Das Trennelement ist bevorzugt translatorisch/linear bewegbar gelagert bzw. schienengeführt ausgebildet. Das Trennelement kann an einem, insbesondere höhenverstellbaren Träger angeordnet sein.

Das Trennelement umfasst vorteilhafterweise zumindest einen Draht und/oder Faden, insbesondere eine Vielzahl von parallel zueinander angeordneten Drähten und/oder Fäden bzw. Schnüre/Garne. D.h., mit anderen Worten, dass bspw. eine Vielzahl parallel gespannter Drähte oder Fäden als Trennelemente in einer rahmenförmigen Trennelementaufnahmeeinheit angeordnet sein können, welche sich beim Einführen in den Zellstapel in die Zwischenräume der zu trennenden Zelllagen einfädeln. Hierbei können die Drähte und/oder Fäden zueinander beabstandet entlang einer Stapelrichtung angeordnet sein. Die Anzahl der Drähte und/oder Fäden und/oder der Abstand zwischen diesen ist/sind an den Zellstapel und ggf. die jeweiligen Fertigungstoleranzen und geometrischen Bauteiltoleranzen angepasst. Der Abstand kann fixiert und unveränderbar sein. Es ist jedoch vorteilhaft, wenn der Abstand einstellbar ist.

Zeichnungen Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Zellstapelfixiersystems mit einer Ausführungsform einer Zellstapelfixiervorrichtung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Zellstapelfixiersystems mit einer weiteren Ausführungsform einer Zellstapelfixiervorrichtung; und

Fig. 3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Fixieren eines

Zellstapels, insbesondere einer elektrochemischen Zelle, während eines Trennvorgangs aneinanderhaftender Zelllagen des Zellstapels.

In der nachfolgenden Beschreibung vorteilhafter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.

Fig. 1 und Fig. 2 zeigen vorteilhafte Ausführungsformen eines Zellstapelfixiersystems, welche in ihrer Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 und 10‘ versehen sind.

Das Zellstapelfixiersystem 10 aus Fig. 1 weist eine Ausführungsform einer Zellstapelfixiervorrichtung 12 und Trennelemente 14 auf.

Die Zellstapelfixiervorrichtung 12 ist ausgebildet, um einen Zellstapel 16, insbesondere einer (nicht gezeigten) Brennstoffzelle, während eines Trennvorgangs aneinanderhaftender Zelllagen des Zellstapels 16, bei dem die Trennelemente 14 zwischen den aneinanderhaftenden Zelllagen des Zellstapels 16 durch den gesamten Zellstapel 16 hindurchgeführt werden, zu fixieren. Hierfür weist die Zellstapelfixiervorrichtungen 12 eine als Arbeitstisch 18 ausgebildete Zellstapelaufnahmeeinheit 18 zum Aufnehmen des Zellstapels 16 und eine Fixiereinheit 20 auf. Die Fixiereinheit 20 ist ausgebildet, den aufgenommenen Zellstapel 16 in Abhängigkeit von einer Relativposition der Trennelement 14 zu dem aufgenommenen Zellstapel 16an jeweils unterschiedlichen Fixierbereichen 22 in Stapelrichtung 24 gegen die Zellstapelaufnahmeeinheit 18 zu drücken, um den aufgenommenen Zellstapel 16 während des, insbesondere gesamten Hindurchführens der Trennelement 14 fixiert zu halten. Hierbei ist die Fixiereinheit 20 ferner derart ausgebildet, dass sie in Abhängigkeit von der Relativposition der Trennelement 14 zu dem aufgenommenen Zellstapel 16 nur an Fixierbereichen 22 drückt, unter denen die Trennelement 14 abwesend sind.

Zum Drücken des Zellstapels 16 gegen die Zellstapelaufnahmeeinheit 18 weist die Fixiereinheit 20 einen translatorisch bewegbar gelagerten Träger 26 auf, an dem zwei als Andrückrollen 28 ausgebildete Fixierelemente 28 und eine rahmenförmige Trennelementaufnahmeeinheit 30 zur Aufnahme der Trennelemente 14 angeordnet sind.

Die Andrückrollen 28 sind auf dem Zellstapel 16 rollbar, um diesen an jeweils unterschiedlichen Fixierbereichen 22 gegen die Zellstapelaufnahmeeinheit 18 zu drücken. Hierbei ist eine der Andrückrollen 28 in einer bestimmungsgemäßen Bewegungsrichtung 32 der Trennelemente 14 vor den Trennelementen 14 und die andere Andrückrolle 28 in der bestimmungsgemäßen Bewegungsrichtung 32 der Trennelemente 14 hinter den Trennelementen 14 angeordnet, sodass während des gesamten Hindurchführens des Trennelements immer mindestens eine der Andrückrollen 28 an einem Fixierbereich 22 gegen den Zellstapel 16 drückt.

Die Trennelemente 14 umfassen hierbei eine Vielzahl parallel gespannter Drähte 14, welche in der rahmenförmigen Trennelementaufnahmeeinheit 30 angeordnet sind und sich beim Einführen in den Zellstapel 16 in die Zwischenräume der zu trennenden Zelllagen einfädeln. Die Drähte 14 sind gleichmäßig zueinander beabstandet entlang der Stapelrichtung 24 angeordnet.

Das Zellstapelfixiersystem 10‘ aus Fig. 2 weist eine weitere Ausführungsform einer Zellstapelfixiervorrichtung 12‘ und Trennelemente 14 auf. Im Vergleich zu der Ausführungsform aus Fig. 1 weist die Zellstapelfixiervorrichtung 12‘ eine Fixiereinheit 20‘ mit drei Fixierelementen 28‘ auf, welche als ausfahrbare Stößel 28‘ ausgebildet sind. Die ausfahrbaren Stößel 28‘ sind über eine Zellstapelfläche des Zellstapels 16 entlang einer Linie zueinander beabstandet angeordnet.

Die ausfahrbaren Stößel 28‘ sind in Stapelrichtung 24 des Zellstapels 16 gegen den Zellstapel 16 ausfahrbar, um diesen in Abhängigkeit von der Relativposition der Trennelemente 14 zu dem Zellstapel 16 an jeweils unterschiedlichen Fixierpunkten 22 gegen die Zellstapelaufnahmeeinheit 18 zu drücken. Hierbei sind die Stößel 28‘ in Abhängigkeit von der Relativposition der Trennelemente 14 zu dem aufgenommenen Zellstapel 16 derart ansteuerbar, dass nur Stößel 28‘ gegen den Zellstapel 16 drücken, unter denen die Trennelemente 14 abwesend ist und während des gesamten Hindurchführens der Trennelement 14 immer mindestens ein Stößel 28‘ gegen den Zellstapel 16 drückt, um diesen während des gesamten Hindurchführens der Trennelemente 14 fixiert zu halten.

Die Relativposition der Trennelemente 14 wird hierbei mittels einer (nicht gezeigten) Sensoreinheit ermittelt, wobei eine (nicht gezeigte) Steuereinheit die Stößel 28‘ in Abhängigkeit von der ermittelten Relativposition ansteuert.

Fig. 3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 100 zum Fixieren eines Zellstapels 16, insbesondere einer elektrochemischen Zelle, während eines Trennvorgangs aneinanderhaftender Zelllagen des Zellstapels 16, bei dem ein Trennelement 14 zwischen den aneinanderhaftenden Zelllagen des Zellstapels 16 durch den gesamten Zellstapel 16 hindurchgeführt wird. Das Verfahren 100 umfasst einen Schritt des Aufnehmens 102 des Zellstapels 16 in einer Zellstapelaufnahmeeinheit 18. Das Verfahren 100 umfasst ferner einen Schritt des Drückens 104 des aufgenommenen Zellstapels 16 in Abhängigkeit von einer Relativposition des Trennelements 14 zu dem aufgenommenen Zellstapel 16 an jeweils unterschiedlichen Fixierbereichen 22 in Stapelrichtung 24 gegen die Zellstapelaufnahmeeinheit 18 mittels einer Fixiereinheit 20, 20‘, um den aufgenommenen Zellstapel 16 während des, insbesondere gesamten Hindurchführens des Trennelements 14 fixiert zu halten. Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.