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.