用于装配电化学电池堆的设备和方法与流程

用于装配电化学电池堆的设备和方法


背景技术：

1.基于电化学电池堆的电化学装置可以包括用于将电能转换成化学能或将化学能转换成电能的电化学电池。电化学装置的示例包括聚合物电解质膜片(pem)燃料电池、固体氧化物燃料电池(sofc)燃料电池，通常是高温或低温燃料电池，以及电解器或氧化还原流电池。
2.作为电化学装置的示例的燃料电池或电池通常用作用于向电动机或机器或固定的分布式能量系统供电的电力源。在此，电驱动装置越来越多地是用于电动自行车、电动汽车、混合动力车辆和其他车辆的车辆驱动装置的组成部分。这种系统保证有效的供能并具有环境保护的优点。
3.燃料电池将化学反应物(即燃料和氧化剂)以电极反应转化成反应产物，其中提供了电能。燃料电池通常使用布置在两个电极(即阴极和阳极)之间的电解质。催化剂通常在电极处促进或提供期望的电化学反应。
4.电化学电池可以包括质子交换膜片(pem)，该质子交换膜片是膜片电极组件(mea)的基础。这种膜片电极组件由布置在一对气体扩散层之间的双面催化剂涂覆的膜片形成。
5.因为单个燃料电池不产生太多能量并且仅产生小的电压(例如大约0.7-0.9伏)，所以多个燃料电池或电化学电池可以共同布置在堆叠中，以便例如产生足够的电能用于运行机动车或产生足够的燃料。
6.这种堆叠的构建引起巨大数量的重复堆叠部件，用于制造这种由例如双极板和膜片电极单元构成的整个堆叠。堆叠部件的尺寸公差可能累积地导致不规则成形的堆叠。
7.尤其是当相继的堆叠部件，例如其间布置有膜片电极单元的双极板，没有足够好地定向时，会产生这种不规则成形的电池堆。通常，外部的校准元件试图校准不同的堆叠部件，例如双极板和膜片电极组件。由于双极板的显著的制造公差，尤其是由于柔性和不稳定的膜片电极组件，布置在这种电池堆的外侧上的这种校准元件必须与堆叠部件具有足够的间距，以便不会卡住。
8.这种大的间距导致，如果堆叠部件的尺寸由于制造公差很小并且彼此施加在外部的定向元件上，那么堆叠部件尤其占据不利的位置。
9.附加地要注意的是，为了相邻的双极板的电绝缘，不稳定的膜片电极单元必须以双极板的边缘结束或具有凸出部，由此单个堆叠部件的现有制造公差可能产生更大的影响。


技术实现要素：

10.本发明的方面涉及根据独立权利要求的特征的用于装配电化学电池堆的方法、用于装配堆叠部件的设备和该设备的应用。有利的构型是从属权利要求以及以下说明的主题。
11.本发明基于这样的认识：至少一个校准装置在堆叠部件的相应的校准开口中的补充调整改善了堆叠部件的局部校准的相叠装配的精确度，尤其是当校准装置设置为总是仅
将堆叠部件的上部定位时。
12.应当指出的是，在以下说明书中单独列出的特征和措施可以以任何技术上可行的方式彼此结合并且揭示本发明的进一步的实施例。说明书尤其是结合附图来附加地表征和详细说明本发明。
13.根据一个方面，提出一种用于装配电化学电池堆的方法。在该方法的第一步骤中，具有第一校准开口的第一堆叠部件借助于第一校准开口与第一校准装置的共同作用装配到电化学部分堆叠上。在另一步骤中，沿电化学子电池堆的构建方向补充调整第一校准装置，以便局部校准地装配第二堆叠部件，其中，第二堆叠部件具有相应的第一校准开口，用于局部校准地装配。
14.这种电化学电池堆可以用于将电能转换为化学能，或者将化学能转换为电能。这种转化的示例是燃料电池、氧化还原流电池或电解电池。
15.堆叠的并列布置的电化学电池可以在其阴极板与阳极板之间具有膜片电极组件，在该膜片电极组件上进行实际的电化学反应。
16.借助于这种电化学电池堆例如可以构建燃料电池堆(也被称为燃料电池堆栈)。多个层状并排布置的电化学电池可以包括少量电池，例如两个或三个电池，多个也可以包括100个电池，或者更大数量的电化学电池可以并排堆叠布置，以便形成例如燃料电池堆栈。
17.在装配或排列堆叠部件时，这些堆叠部件可以共同作用，使得(例如由制造或装配膜片电极单元或双极板造成的并且常常不可避免的)不规则性积累。在此，沿构建方向补充调整第一校准装置意味着，在电化学部分堆叠的高度逐渐增大时，通过装配另外的第二堆叠部件可以分别将第一校准装置设置成使得可以借助于第一校准装置分别最佳校准地实施第二堆叠部件的装配。
18.堆叠部件可以包括例如电化学电池或电化学电池的部件，诸如双极板或膜片电极单元或电化学电池的另外的部件或电化学电池的预装配部件。
19.有利地由此得出，在通过该方法装配双极板作为第二堆叠部件之前，首先装配膜片电极单元作为堆叠部件。这两个堆叠部件的相互校准使得能够通过装配随后的双极板在无需大的力耗费的情况下将膜片电极单元的可能的波度整平。
20.因此，利用这种方法，即使在电化学电池堆高度增加时，也能进行堆叠部件的、尤其是沿水平方向校准的装配，这是因为校准装置被补充调整。
21.这种校准开口可以完全位于堆叠部件内部或者也可以部分地朝向堆叠部件的边缘敞开。在此，在局部校准的装配中，第二堆叠部件基本上相对于位于其下方的第一堆叠部件被校准。
22.术语“电化学电池堆”应当被广义地解释，其不仅包括电化学部分堆叠，而且包括已装配有第一堆叠部件和/或第二堆叠部件的电化学部分堆叠。
23.当随着堆叠高度增加为了第二堆叠部件的校准的装配而改进校准装置的校准区域时，可以进行第一和/或第二校准装置的补充调整。
24.通过将具有第一校准开口的第一堆叠部件局部校准地装配到第一校准装置，可以防止双极板和另一双极板的气体通道的错位，所述双极板和另一双极板可以分别是第一堆叠部件。这种错位应避免，因为在所产生的双极板的相应气体通道错位过大时，在装配之后压紧电化学电池堆时，布置在双极板之间的气体扩散层被压入双极板的气体通道中，由此
可能导致不均匀的气体分布。这在逐个电化学电池之间不同并且由此电化学特性(例如功率密度)在逐个电化学电池之间不同的情况下尤其关键。
25.分别包容膜片的副衬垫应该与邻接的双极板齐平地结束或者超出，以便避免由于电位差在电池堆的边缘上的可能的短路。利用在此所说明的方法的精确的校准可以避免：由于制造公差，相应的尺寸必须选择成使得相应的副衬垫(尤其在设置为用于输入和输出过程气体的端口内部)能承受由此产生的气体流动在端口中的不期望节流。
26.在此，膜片电极单元要较宽地设计并且不仅包含膜片电极单元本身而且包括被副衬垫包容或框围的或具有副衬垫的膜片电极单元。
27.此外，通过这种方法可以自动化地利用机器或机器人来装配电化学电池堆，因为所累积的电池堆定向的偏差可以通过这种校准被减小，使得相应的校准装置连同相应的校准开口的定向作用足以使这种装配自动化。
28.因为根据当前的现有技术，经常借助于固定轴承将堆叠端部保持在一个位置中并且由于电池堆在堆叠时可能的错位而以浮动轴承来支撑堆叠端部，因为电池堆的端部为了电化学电池堆的功能不允许由于外力变形。由此，随着电池堆端部的定位公差，必须为每个电化学电池堆提供附加的安装空间。此外，在装配时，浮动轴承必须在较宽的范围内移动并且匹配于实际的位置。
29.通过在这里所提出的方法中补充调整用于装配第二堆叠部件的第一校准装置，可以将第一校准装置设置为，即使电化学部分堆叠已经达到了例如大于50mm或大于50个电化学电池的一定高度，也仅校准电化学部分堆叠中的堆叠部件的一部分，尤其是局部地校准，而在完全装配电池堆之后不损坏薄的双极板或膜片电极单元的不稳定的副衬垫，尽管第一校准装置与第一校准开口之间的间隙配合的尺寸以小的间隙设计。换句话说，利用该方法，电化学电池堆的有效定向相应于局部校准被限制为确定的高度范围。
30.根据一个方面提出，多个堆叠部件布置在第一和第二堆叠部件之间。
31.根据一个方面提出，第一校准开口和/或第二校准开口完全布置在第一和/或第二堆叠部件内部。
32.根据一个方面提出，第一堆叠部件和第二堆叠部件分别具有相应的第二校准开口并且借助于第二校准装置局部校准地装配在电化学部分堆叠上，其中，沿电化学部分堆叠的构建方向补充调整第二校准装置，用于装配第二堆叠部件。
33.尤其是，第一校准装置和第二校准装置可以同步地被补充调整，用于第二堆叠部件的装配。
34.在此，相应的堆叠部件的相应的彼此配属的校准开口与相应的校准装置共同作用，从而由于相应的校准开口和相应的校准装置的共同作用的尺寸和共同作用的造型而实现用于堆叠部件的装配的校准作用。
35.根据一个方面提出，借助于布置在电化学部分堆叠外部的总校准装置装配第一和/或第二堆叠部件。
36.因为布置在电化学部分堆叠外部的这种总校准装置可以在电化学电池堆的整个高度上机械刚性地实施，所以可以以这种方式和方法进行电化学电池堆的总校准，所述总校准支持如通过第一或第二校准装置引起的局部校准。
37.根据一个方面提出，第一堆叠部件和/或第二堆叠部件在装配时以第一校准开口
定位并且以第二校准开口定向。
38.通过使堆叠部件中的每一个具有第一和第二校准开口，所述第一和第二校准开口与第一和第二校准装置共同作用用于校准，第一校准开口可以与第一校准装置共同作用，以便定位堆叠部件，并且第二校准开口可以设置为与第二校准装置共同作用，使得堆叠部件因此被定向。
39.通过所提出的方法可以将逐个电化学电池之间或逐个双极板之间的定位偏差保持得小。例如，第一校准开口可以实施为旋转对称的孔，并且第二校准开口可以实施为缝隙，该缝隙朝着旋转对称的孔的方向定向。
40.由此，第一校准装置例如可以实施为圆形的销，该圆形的销与第一校准开口共同作用，从而实现第一堆叠部件的尽可能准确的定位。借助于缝隙形式的第二校准开口，可以使相应的堆叠部件围绕该确定的位置通过旋转来定向。因此，利用该方法也可以补偿堆叠部件尺寸中的公差，并且尽管如此仍然实现堆叠部件相互间的精确校准。
41.根据一个方面提出，在装配第一和/或第二堆叠部件时，相应的校准装置和相应的校准开口以第一间隙配合确定尺寸。
42.根据一个方面提出，在装配第一和/或第二堆叠部件时，在相应的校准装置与电化学部分堆叠的在第一堆叠部件下方的多个堆叠部件的相应校准开口之间存在第二间隙配合，并且第一间隙配合的尺寸比第二间隙配合更窄。
43.尤其是通过小的第一间隙配合可以实现，在装配堆叠部件时进行堆叠部件彼此间特别好的校准。这尤其适用于叠置的堆叠部件，这些堆叠部件在某一时刻或第一或第二校准装置的某一位态与相应的堆叠部件的第一或第二校准开口共同作用。
44.根据一个方面提出，通过定位装置和/或通过电化学部分堆叠的多个相叠装配的堆叠部件的相应校准开口来定位第一和/或第二校准装置，用于校准。这种定位装置例如可以通过基板来提供，如果电化学部分堆叠在堆叠部件的装配开始时具有较小的高度，则第一和/或第二校准装置定位在该基板中。当电化学部分堆叠的高度增加时，第一和/或第二校准装置可以设置为仅与电化学部分堆叠的堆叠部件的一部分共同作用，使得相应的校准装置通过相应的堆叠部件中的第一或第二校准开口定位。
45.由此实现了，相应的校准装置在电化学部分堆叠的一定上部区域中可以校准分别新装配的堆叠部件，并且相应的校准装置可以沿电化学部分堆叠的构建方向被补充调整，或者可以从电化学部分堆叠中被移除，而不会损坏其它在部分堆叠中更靠下放置的堆叠部件。
46.在此，第一和/或第二校准装置可以具有第一区域，在该第一区域中相应的校准装置借助于第一间隙配合与相应的校准开口共同作用，以便在该区域中实现堆叠部件的校准。可以如此选择校准装置的该第一区域的长度，使得对于在堆叠中更靠下布置的堆叠部件而言，堆叠部件彼此间的摩擦以及重量由于重力足以使得对于所有其他靠下的堆叠部件而言不需要定向或校准的附加固定。在第一和/或第二校准装置的相应的第二区域中，第一和/或第二校准装置与堆叠部件的相对应的校准开口之间的间隙配合可以用较大的尺寸实现，从而第一和/或第二校准装置在电化学电池堆的装配结束之后可以在不损坏堆叠部件的情况下，尤其是沿电化学电池堆的构建方向被移除。换句话说，这意味着第一和/或第二校准装置设置为仅在第一和/或第二校准装置的第一区域中通过相应的紧密间隙配合与相
应的校准开口共同作用，从而可以实现相应堆叠部件的校准。
47.根据一个方面提出，在装配第一或第二堆叠部件之后，沿电化学部分堆叠的构建方向将第一和/或第二校准装置从电化学部分堆叠中移除。
48.通过将第一和/或第二校准装置设置成可以从电化学部分堆叠中沿构建方向移除，不会有位于更下方的堆叠部件由于移除校准装置而受到损坏，因为相应的校准装置设置为仅与电化学部分堆叠的堆叠部件的一部分共同作用，用于局部校准。
49.根据一个方面提出，第一和/或第二校准装置在沿部分堆叠的装配方向多次装配多个堆叠部件之后被补充调整。
50.这种多次装配可以包括少量的装配，例如一次、两次或三次装配，多次也可以包括10次或甚至更多次，以便优化堆叠部件的装配。例如，补充调整总是当子部件由装配多个不同的堆叠部件组成时才进行。
51.根据一个方面提出，第一和第二堆叠部件是不同类型。
52.因为利用该方法可以特别精确地相互局部校准电化学电池堆的相应的堆叠部件，所以堆叠部件不仅可以是单个的电化学电池，而且也可以是电化学电池的子单元，例如膜片电极单元或双极板。换句话说，不必在将电化学电池堆装配成电池堆之前事先将电化学电池的子单元彼此连接。
53.提出了一种电化学电池堆，其堆叠部件根据上述方法之一来装配。
54.如此装配的电化学电池堆、例如燃料电池堆在其装配中由于局部校准而具有特别小的变化，并且通过利用该方法的精确校准，整个电化学电池堆直线定向地装配并且因此需要较少的安装空间。
55.提出一种用于将堆叠部件装配在电化学部分堆叠上的设备，其中，堆叠部件具有第一校准开口和第二校准开口。在此，所述设备具有用于构建电化学部分堆叠的基板、第一校准装置和第二校准装置，其中，第一和第二校准装置设置在基板的两个位置上，用于与堆叠组件的相应的校准开口共同作用，用于装配。在此，第一校准装置和第二校准装置设置为沿电化学部分堆叠的构建方向被补充调整，以便校准电化学部分堆叠上的堆叠部件。
56.通过设置第一和/或第二校准装置被补充调整，用于装配堆叠部件的设备可以逐渐接收堆叠部件，而不会由于电化学部分堆叠的高度升高而损害借助于校准装置进行的校准的质量。
57.利用如此设置的设备，第一和/或第二校准装置可以与相应的校准开口共同作用，使得在装配堆叠部件时实现堆叠部件的彼此间的定向的尤其是局部的校准。
58.在此，这种第一和/或第二校准装置可以长形地延伸并且设置为在校准开口处穿过堆叠部件的电化学部分堆叠。在相应的校准装置的下端部上可以设置一个装置，该装置补充调整校准装置。
59.相应的校准装置的材料可以是金属，尤其是不锈钢，或者也可以是塑料，例如peek或者特氟龙。
60.为了用于接收相应的堆叠部件可靠地校准，相应的校准装置的前端部例如可以具有圆锥形、抛物线形、尖锥形、半圆形或椭圆形的形状。由此有利地得出，利用在相应的校准装置的前端部或上端部上的大的导入斜面，前端部可以承担穿引辅助装置的功能或校准支持。
61.通过使堆叠部件中的每一个具有第一和第二校准开口，所述第一和第二校准开口与用于装配堆叠部件的设备的第一和第二校准装置共同作用用于校准，第一校准开口可以与第一校准装置共同作用，以便定位堆叠部件，并且第二校准开口可以设置为与第二校准装置共同作用，使得堆叠部件因此被定向。
62.通过所提出的方法可以将逐个电化学电池之间或逐个双极板之间的定位偏差保持得小，其方式是，第一校准开口可以实施为旋转对称的孔，并且第二校准开口可以实施为缝隙，该缝隙朝着旋转对称的孔的方向定向，如已经在上面在所述方法中实施的那样。
63.第一校准装置例如可以实施为圆形的销，该圆形的销与旋转对称的第一校准开口共同作用，从而实现第一堆叠部件的尽可能准确的定位。借助于缝隙形式的第二校准开口，可以使相应的堆叠部件围绕该确定的位置通过旋转来定向。在此，第二校准装置可以具有旋转对称的形状或者也可以具有匹配于缝隙的形状。因此，利用该方法也可以补偿堆叠部件尺寸中的公差，并且尽管如此仍然实现堆叠部件相互间的精确校准。
64.根据一个方面提出，不仅第一堆叠部件的而且电化学部分堆叠的多个上部堆叠部件的第一校准开口和第二校准开口都与第一和/或第二校准装置借助于第一间隙配合共同作用，以便局部地校准电化学部分堆叠上的堆叠部件。此外，第一校准装置和第二校准装置借助于第二间隙配合与电化学部分堆叠的其他堆叠部件的第一校准开口和第二校准开口共同作用，其中，第一间隙配合的尺寸比第二间隙配合的尺寸更窄。
65.尤其是通过小的第一间隙配合可以实现在装配堆叠部件时可以实现堆叠部件彼此间特别好的校准。这尤其适用于叠置的堆叠部件，这些堆叠部件在某一时刻或第一或第二校准装置的某一位态与相应的堆叠部件的第一或第二校准开口共同作用。
66.换句话说，相应的校准装置可以在校准区域下方具有缩细部，使得第一间隙配合仅在校准区域中作用在相应的校准装置与相对应的校准开口之间，并且在下部的缩细区域中存在相应的校准装置与相应的校准开口之间的第二间隙配合。由此实现了相应的堆叠部件仅在校准区域内部的局部校准，并且由于校准装置的下部区域中的缩细，校准装置可以在电化学电池堆的装配结束之后在不损坏堆叠部件的情况下从电化学电池堆中取出。这种校准装置例如可以在校准区域中具有8mm的直径并且在下部区域中具有6mm的直径。
67.根据一个方面提出，第一和/或第二校准装置设置为沿电化学部分堆叠的构建方向从电化学部分堆叠中被移除。
68.这尤其可以通过以下方式实现：第一和/或第二校准装置在第一区域、校准区域中具有比在相应的校准装置的第二区域中更大的直径，在该第一区域中，第一和/或第二校准装置与堆叠部件的用于装配的第一或第二校准开口例如通过相应的第一间隙配合共同作用，用于局部校准，该第二区域穿过电化学部分堆叠的位于其下方的堆叠部件的相应校准开口。
69.由此可以实现，在移除相应的校准装置时，电化学部分堆叠的位于其下方的堆叠部件在移除相应的校准装置时不会被损坏。
70.根据一个方面提出，第一和/或第二校准装置借助于电驱动的进给装置设置为沿电化学部分堆叠的构建方向被补充调整。
71.通过相应的校准装置的电驱动装置，可以使堆叠部件在相应的电化学部分堆叠上的装配自动化。
72.根据一个方面提出，所述设备具有布置在电化学部分堆叠外部的总校准装置，以便装配第一和/或第二堆叠部件。
73.如上面已经阐述的那样，可以通过布置在电化学部分堆叠外部的总校准装置实现整个电化学电池叠层的稳定定向，因为在电化学部分堆叠外部不存在关于这种总校准装置的尺寸的限制。因此，可以利用第一和第二校准装置分别局部地校准堆叠部件，并且利用总校准装置可以校准和定向整个电化学部分堆叠。
74.提出了一种如上所述的用于构建电化学电池堆的设备的应用。
75.在使用上述设备将堆叠部件装配在电化学部分堆叠上的情况下，可以获得针对该方法和设备所述的上述优点。
76.补充调整地要指出的是，“包括”不排除其他元件并且“一个”不排除多个。此外，应当指出，参照上述示例性实施例中的一个描述的特征还可以与上述其它示例性实施例的其它特征结合使用。权利要求中的附图标记不应视为限制。
附图说明
77.本发明的实施例参照图1至2示出并且详细阐述，并且用于更好地理解本发明。
78.附图示出：
79.图1用于装配电化学部分堆叠的堆叠部件的设备的简图；和
80.图2用于装配电化学部分堆叠的堆叠部件的设备的简略横截面。
81.在附图中，相同或相似的部件用相同或相似的附图标记表示，其中，在单个情况下省略了对这些部件的重复描述。
具体实施方式
82.图1示意性地示出了用于将堆叠部件140装配在电化学部分堆叠上的设备100，其中，堆叠部件140具有第一校准开口115和第二校准开口125。电化学部分堆叠被堆叠在用于构建电化学部分堆叠的基板145上，并且在装配在电化学部分堆叠上时，堆叠部件140可以借助于第一校准装置110和第二校准装置120被校准。在此，第一校准装置110和第二校准装置120设置在基板145的两个位置上，用于在装配时与堆叠部件140的相应的校准开口115、125共同作用，用于局部校准。第一校准装置110和第二校准装置120在此设置为沿电化学部分堆叠的构建方向被补充调整，以便校准电化学部分堆叠上的堆叠部件140。
83.在此，不仅第一和第二堆叠部件140的而且电化学部分堆叠的多个上部堆叠部件的第一校准开口115和第二校准开口125与第一和/或第二校准装置110、120借助于第一间隙配合共同作用，以便局部地校准电化学部分堆叠上的堆叠部件140。
84.第一校准装置110和第二校准装置120借助于第二间隙配合与电化学部分堆叠的位于第一堆叠部件140下方的其它堆叠部件140的第一校准开口115和第二校准开口125共同作用。在此，第一间隙配合的尺寸比第二间隙配合的尺寸更窄。换句话说，第一和/或第二校准装置110、120具有直径不同的两个区域，其中，相应的校准装置110、120在其沿构建方向的上端部111、校准区域中具有比在下部112中更大的直径，从而仅相应的校准装置110、120的上部111与相应的校准开口115、125局部地共同作用，以便校准相应的堆叠部件140。
85.在图2中示意性地示出了穿过根据图1的用于装配堆叠部件140、用于校准装置
110、120的设备100的横截面200。在此，除了设备100的上述元件之外，还可以看到设备100、200的基板145内部的定位装置240，所述基板在其内直径和相应的校准装置110、120的较宽部分111的外直径之间具有合适的配合部，使得校准装置110被定位在校准装置110的较宽部分111与定位装置240的开口接合的位置。
86.可以看出，校准装置110仅与布置在电化学部分堆叠的上部中的多个堆叠部件共同作用，以便局部地校准这些堆叠部件，并且校准装置110的第二部分112具有较小的直径，从而在该区域112中的间隙配合是松的，使得不进行堆叠部件140的有效的局部校准。
87.此外可以看出第一校准装置110如何可以设置为沿电化学部分堆叠的构建方向被补充调整，其方式是，例如电驱动的进给装置使耦合元件250在所示箭头方向上运动。此外可以看到，耦合元件250如何设置为与校准装置110的一部分共同作用，使得校准装置110可以沿电化学部分堆叠的构建方向从电化学部分堆叠中被移除，其方式是，该校准装置以机械方式沿构建方向从耦合装置250中被取出。