阅读说明：本技术 用于制造燃料电池堆的方法 (Method for manufacturing fuel cell stack ) 是由 P·多林格尔 T·施梅尔 C·希尔德布朗 L·霍格 M·格雷泽尔 H·赖斯 N·克鲁伊 于 2018-05-29 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于制造包括多个层元件(24)的燃料电池堆(22)的方法,其中,层元件(24)彼此上下叠置地布置,每个层元件(24)具有能弹性变形的燃料电池层(26),该燃料电池层被密封条(28)围边,每个层元件(24)的燃料电池层(26)由于重力作用相对于密封条(28)弯曲,其中,最底层的层元件(24)布置在能弯曲的基板(30)上,该基板逆着重力弯曲,由此燃料电池堆(22)的最顶层的层元件(24)的燃料电池层(26)基于由基板(30)产生的力而逆着重力弯曲以及基本上被展平。(The invention relates to a method for producing a fuel cell stack (22) comprising a plurality of layer elements (24), wherein the layer elements (24) are arranged one above the other, each layer element (24) having an elastically deformable fuel cell layer (26) which is bordered by a sealing strip (28), the fuel cell layer (26) of each layer element (24) being bent by gravity relative to the sealing strip (28), wherein the bottommost layer element (24) is arranged on a bendable base plate (30) which is bent against gravity, whereby the fuel cell layer (26) of the topmost layer element (24) of the fuel cell stack (22) is bent against gravity and substantially flattened on the basis of a force generated by the base plate (30).)

用于制造燃料电池堆的方法

技术领域

本发明涉及一种用于制造燃料电池堆的方法和一种用于制造燃料电池堆的系统。

背景技术

当堆叠燃料电池堆或燃料电池组时，多达数百个燃料电池层彼此依次堆叠。这些燃料电池层可以由柔软可弯的材料组成。通常，燃料电池层彼此松散地放置。一旦将预设数量的燃料电池层上下叠置地堆叠在了一起，这些燃料电池层就会被压紧在一起。在每两个燃料电池层之间存在间隙，该间隙在燃料电池堆运行时被介质流过，因此每个燃料电池层在其边缘处被密封。为了密封，使用可变形的材料，该材料由于力的作用在两个燃料电池层之间产生封闭的接触面。此外，每个燃料电池层与围边的材料形成层元件。

从中得出，为密封使用的材料在无外部压力的情况下具有比被该材料围边的相应的燃料电池层更大的高度。由于为密封而提供的材料，在层元件的由密封材料形成的边缘区域中产生比由一个燃料电池层构成的中间区域大的层高度。由于燃料电池层是柔软可弯的，因此该燃料电池层会向其中心弯曲，从而在堆叠过程中尤其改变了最顶层的燃料电池层的几何形状。

为了能够满足上下叠置地堆放的燃料电池层的精度要求，例如可以使用可动态变形并因此可以调整燃料电池层的弯曲的夹持器结构。由此，然而增加了用于堆叠层元件的成本，并且降低了将层元件上下叠置地堆叠的速度。

从文献DE 10 2010 052 843A1中已知一种用于制造电化学能量存储电池的方法。

在文献DE 10 2006 059 640A1中描述了一种用于燃料电池的膜电极组件的制造方法。

发明内容

在这个背景下，本发明的目的是确保燃料电池堆不变形。

该目的通过具有独立专利权利要求的特征的方法和系统来实现。该方法和系统的实施方式由从属权利要求和说明书中得到。

根据本发明的方法设置用于制造包括多个层元件的燃料电池堆，其中，层元件在堆叠过程期间一个又一个地上下叠置地堆叠并进而布置。每个层元件都具有柔软可弯的、可弹性变形的燃料电池层，该燃料电池层被密封条/密封凸缘围边。在此，每个层元件的燃料电池层由于重力作用相对于密封条在重力方向上例如凹下地弯曲。为了实施该方法，将最底层/最下面的层元件或者说第一层元件布置在可弯曲的、可弹性变形的基板/底板上，该基板克服重力而向上弯曲，从而由于该基板所产生的力使最顶层/最上面的层元件或者说已经堆叠的最后一个层元件的燃料电池层克服重力向上弯曲和/或抬起，并在很大程度上被展平或变平。

在实施方式中，已经布置在基板上方的所有层元件的燃料电池层由于由基板产生的力也克服重力向上弯曲，其中，基板的力通过位于基板与最顶层的或已经堆叠的最后一个层元件之间的所有层元件的燃料电池层传递到最顶层的或已经堆叠的最后一个层元件的燃料电池层上。

该方法可以在层元件的堆叠过程开始时就已经执行，其中提出，在堆叠过程开始时，布置在基板上的最底层层元件首先是唯一的层元件，并因此也是最后一个或最顶层的层元件。在此可以使该唯一的层元件的燃料电池层随着基板一起克服重力而向上弯曲，进而被展平。如果燃料电池堆已经具有多个彼此上下叠置地层叠或堆叠的层元件，则不管燃料电池堆在其制造过程期间当前所具有的已经堆叠的层元件的当前数量如何，基板的力以及因此基板的作用都间接传递到当前最顶层的层元件上。

还可行的是，在两个层元件之间布置另一个扁平的、通常是可弹性变形的模块，该模块也由于由基板产生的力而克服重力向上弯曲。在实施方式中，该模块被设计为柔软可弯的且因此可弹性变形的双极板，该双极板也由于基板产生的力而可以弯曲，并且在该方法付诸实施时被展平。

最顶层层元件的燃料电池层的凹下的弯曲的程度被确定，例如通过光学和/或机械传感器来检测。基于该弯曲程度设定要由基板产生的力的值。另选或附加地，根据已经堆叠的层元件的数量来设定力的值，其中，为此考虑在层元件的数量和力的值之间的函数关系。在此，在设计方案中，力的值和/或最顶层的层元件的燃料电池层的弯曲程度根据已经堆叠的层元件的数量来计算和/或推导。

在堆叠过程期间，将附加的层元件布置在已经堆叠的最顶层的层元件上，该已经堆叠的最顶层的层元件的燃料电池层当前很大程度上被基板展平。

根据本发明的系统被设计用于通过执行堆叠过程而由多个层元件制造燃料电池堆，该系统具有堆叠模块和可弹性变形的基板。堆叠模块被设计成，将分别一个层元件布置在待制造的燃料电池堆的最顶层的或最后一个层元件上，并且因此将层元件一个又一个地上下叠置地堆叠或布置。每个层元件都具有可弹性变形的燃料电池层，该燃料电池层被密封条围边。在这种情况下，由于重力作用，每个层元件的燃料电池层相对于密封条凹下地弯曲。利用堆叠模块首先在可弯曲的基板上布置最底层的层元件或第一层元件。此外，使基板抵抗重力向上弯曲并被设计用于，使最顶层的或已经堆叠的最后一个层元件的燃料电池层基于由基板产生的力而克服重力向上弯曲和/或被提升以及很大程度上被展平或变平。

该系统具有弯曲驱动器，该弯曲驱动器具有至少一个销并且布置在基板下方。至少一个销被设计用于，对基板施加反向于重力的作用并使基板向上弯曲。

至少一个销还被设计成，在如下位置处对可弯曲的、可弹性变形的基板施加作用，该位置位于要布置在该基板上方的至少一个层元件的燃料电池层的中心下方。为此，至少一个销布置在设定的位置上。

堆叠模块还被设计用于将各个层元件彼此上下完全重合地布置。

还可行的是，该系统视定义而定具有至少一个传感器和控制器作为附加部件。在此，传感器被设计成，通常光学地检测当前位于最顶层的层元件的燃料电池层的弯曲程度。控制器还被设计为，在考虑所确定的弯曲程度的情况下计算如下力的值，基板应以该力压在燃料电池层上，以便消除燃料电池堆的最顶层的层元件的燃料电池层的弯曲并因此使其展平。在考虑所确定的弯曲程度的情况下，控制器还被设计为用于计算弯曲驱动器的至少一个销在相应设定的位置处要对基板施加的力。

因此，利用该方法可以在堆叠过程期间以可弹性变形的基板补偿燃料电池层的由重量造成的弯曲，并因此至少使最顶层的或最后一个层元件的燃料电池层在很大程度上展平。

在该方法的一种可行的实施方式中，通过系统的一种实施方式来补偿要制造的燃料电池堆的燃料电池层的弯曲。由此使最顶层的或最后一个层元件的燃料电池层的几何形状保持不变，这是因为现在通过该系统使该燃料电池层很大程度上展平或变平。在此，在可弹性变形或可弯曲的基板上进行堆叠过程。在此可行的是，在需要时从要制造的燃料电池堆的第一层元件开始便已使基板克服重力向上弯曲。在设计方案中，在堆叠过程的情况下已经上下叠置地布置的燃料电池层的质心布置在位于基板底侧上的弯曲设备的至少一个销的上方，该基板底侧背离最底层的层元件或第一层元件。此外，该至少一个销尤其朝向堆叠过程的方向运动，并因此逆着重力方向运动，由此对基板和布置在基板上的燃料电池层施加作用并使其克服重力向上弯曲。

通过至少一个销的逆着重力方向的逐步运动，可以补偿待制造的燃料电池堆的燃料电池层的由于燃料电池层的自重引起的弯曲。因此，最顶层的或最后一个层元件的燃料电池层在施加另一或附加的层元件之前很大程度上被展平或是平面。因此，可以对于作为最后一个层元件布置在到目前为止制成的燃料电池堆上的各个层元件的每个单个的燃料电池层相同地实施层叠过程。当前布置在上次布置在燃料电池堆上的最后一个层元件上的层元件的燃料电池层现在布置在先前堆放的层元件的在很大程度上平的或展平的燃料电池层上。

例如，由于现在可以将燃料电池层布置在平坦的平面上，通常布置在先前的平坦的燃料电池层上，因此不再需要使用必须动态地调整燃料电池堆的当前状态的夹持器。相比之下，利用该方法可以为每个层元件并且因此为每个燃料电池层提供相同的工艺条件，而与燃料电池堆的相应当前高度无关。由于现在可以省去夹持器，因此还减少了用于堆叠燃料电池堆的设备的复杂性和待执行的工作。此外，还可以在执行堆叠过程期间提高可靠性，进而也加速堆叠过程。

因此，利用该方法可以将多个分别具有一个燃料电池层的面状层元件堆叠成燃料电池堆。在这种情况下，除了燃料电池层之外，每个层元件还包括例如弹性密封条，该密封条环绕或包围层元件的燃料电池层。在该方法的范围中，通常由堆叠模块分别抓取当前要布置在到目前为止已堆叠的燃料电池堆上的相应层元件，并且例如从为此而设的储存器中取出该层元件。利用所述堆叠模块将各个层元件上下叠合地堆放，其中由这些层元件形成共同的燃料电池堆。相应的最顶层层元件的燃料电池层的由重力造成的、通常凹下的弯曲通过力以及进而布置在该最顶层层元件下方的层元件的燃料电池层的凸形弯曲来克服。在此，由基板产生的力以及进而由此造成的凸形弯曲通过所有的已经上下叠置地布置的燃料电池层传递到最顶层的燃料电池层上。

通过可驱控的弯曲驱动器的至少一个销使布置在待制造的燃料电池堆下方的、可弯曲的基板克服重力而凸形地向上弯曲。结果，相应的最顶层的层元件的燃料电池层至少近似于或很大程度上是平面的，并因此是平的。

堆叠模块或相应的操纵器被设计成，分别抓取当前要放置在燃料电池堆上的层元件，并将其放置在目前为止的最后一个布置在燃料电池堆上的层元件上。在这种堆放期间，受到弯曲驱动器加载的可凸形弯曲的基板的力作用在紧接着之前堆放在燃料电池堆上的层元件的燃料电池层上。该控制器被设计成，驱控弯曲驱动器并为其规定对基板所施加的力的值，这进而导致，相应的最顶层的层元件的燃料电池层至少近似是平的。例如，基于最后堆放的层元件的燃料电池层的当前弯曲程度来确定该力的值，其中通过传感器来检测该燃料电池层的弯曲。弯曲驱动器的至少一个销例如布置在基板的中心下方，该中心又布置在所有燃料电池层的中心下方。可由所述弯曲设备以机动方式使所述至少一个销逆着重力朝向所述基板的底侧的方向运动。

可以理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下，上述的特征和下面将要说明的特征不仅可以以分别给出的组合使用，还可以以其他组合或单独使用。

附图说明

根据在附图中的实施方式示出本发明并参照附图示意性并详述本发明。

图1在示意图中示出从现有技术中已知的燃料电池堆的示例。

图2在示意图中示出根据本发明的系统的实施方式。

具体实施方式

图1中示意性示出的燃料电池堆2是现有技术已知的，并且包括多个上下叠置地堆叠的层元件4，其中，每个这样的层元件4具有柔软可弯的燃料电池层6和给燃料电池层6围边的密封条8。此处示出的燃料电池堆2布置在平的底座10上。如图1所示，层元件4的燃料电池层6由于重力的作用和其自重而变形，并向下凹地弯曲。

在图2中示意性示出的根据本发明的系统20的实施方式被设计成用于制造燃料电池堆22。处于制造过程中的燃料电池堆22包括多个上下叠置地层叠或堆叠的层元件24，其中，每个层元件24具有柔软可弯的燃料电池层26和密封条28，该密封条给柔软可弯的燃料电池层26围边并因此对于该燃料电池层26形成框架。在此要注意的是，密封条28比燃料电池层26厚。

根据本发明的系统20包括以下作为部件：可弯曲的基板30；弯曲设备32，其又包括可动的销34；控制器36，其用于控制执行用于制造燃料电池堆22的堆叠过程的方法的实施方式；传感器38；以及堆叠模块40。

在堆叠过程开始时，利用堆叠模块40将第一层元件24布置在基板30上。然后利用堆叠模块40依次将多个这样的层元件24上下叠置地堆叠。在这种情况下，可以早在从第一或者说最底层的层元件24开始就利用传感器38光学地检测该最底层的层元件24的燃料电池层26的可能出现的弯曲，该传感器例如设计成摄像机。

限定地或可限定地执行堆叠过程的条件是，当前要布置在已经形成的或到目前为止形成的燃料电池堆22上的层元件24的燃料电池层26被堆放在上次堆放在燃料电池堆22上的层元件24的尽可能平的或平面的燃料电池层上，因此避免了，最顶层的层元件24的燃料电池层26不会如在现有技术中那样在重力方向上通常凹下地向下弯曲。

传感器模块38检测最顶层的层元件24的燃料电池层26的弯曲程度，并将其转发给控制器36。控制器36被设计成，基于所确定的或检测到的弯曲程度来计算力的值，弯曲设备32的销34以该力压向可弯曲的基板30的底侧。由此得到，所有已经堆叠的层元件24的所有燃料电池层26都克服重力而向上凸地弯曲。待设置的力的值根据弯曲程度来确定，由此得到，最顶层的层元件24的燃料电池层26被展平或变平，其中至少最顶层的层元件24的燃料电池层26的弯曲被补偿。

通过使用所示的用于执行堆叠过程的系统20，为堆叠过程的连续执行创造了可能的前提条件，这是因为，当前要堆放在待制造的燃料电池堆22上的层元件24的燃料电池层26可以堆放在最后堆放的层元件24的平面的或平的燃料电池层26上。

在通过系统20执行该方法时，可平行于重力方向运动的销被压向可弯曲的基板30的底侧，其中该基板向上凸地弯曲。结果，布置在基板上的各燃料电池层26由于销34的和基板30的作用以及由于各燃料电池层26彼此间的作用而变形并向上弯曲，由此补偿了燃料电池层26由于其自重而引起的可能的变形。在系统20的所示实施方式中，销34设置在燃料电池堆22的质心的下方。在此可行的是，销经由基板30从下方压到燃料电池堆22的燃料电池层26上的力相当于燃料电池堆22的重力。由基板30和/或销34产生的力与重力相反取向。