Titel

Zelllagentrennvorrichtung zum gleichzeitigen Trennen von Zelllagen eines Zellstapels einer Brennstoffzelle

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Zelllagentrennvorrichtung und die Verwendung einer derartigen Zelllagentrennvorrichtung zum gleichzeitigen Trennen einer Vielzahl von aneinanderhaftenden Zelllagen eines, insbesondere einer elektrochemischen Zelle, sowie ein Verfahren zum gleichzeitigen Trennen einer Vielzahl von aneinanderhaftenden Zelllagen eines Zellstapels, insbesondere einer elektrochemischen Zelle.

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 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 ca. 350 bis 450 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 in der Regel ausgeschlossen. Des Weiteren birgt ein Undefinierter Zerlegeprozess für das Recycling die Gefahr hoher Verluste werthaltiger Materialien.

Sollte im heutigen Stack-Musterbau (mit sehr geringen Produktionszahlen) Nacharbeit erforderlich werden, so wird händisch mit einer Art Messer oder einem Spatel zwischen zwei Zelllagen gefahren und die klebende Dichtung vorsichtig gelöst. Dieses manuelle Verfahren ist sehr ineffizient, da es zum einen nur sehr lokal wirkt, da das Werkzeug feinfühlig um den gesamten Stackumfang herumgeführt werden muss (grob 0,75-1 m Strecke) und zum anderen immer nur eine Zelllage auf einmal abgetrennt wird.

Offenbarung der Erfindung

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Zelllagentrennvorrichtung zum gleichzeitigen Trennen einer Vielzahl von aneinanderhaftenden Zelllagen eines Zellstapels, insbesondere einer elektrochemischen Zelle, mit einer Halteeinheit aufweisend eine Vielzahl von entlang einer Anordnungsrichtung zueinander beabstandet angeordneten Trenneinheiten zum jeweils gleichzeitigen Einführen zwischen die zu trennenden aneinanderhaftenden Zelllagen entlang einer quer zu der Anordnungsrichtung weisenden bestimmungsgemäßen Einführrichtung, um die Vielzahl von aneinanderhaftenden Zelllagen des Zellstapels gleichzeitig voneinander zu trennen.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner eine Verwendung einer Zelllagentrennvorrichtung der vorangehend beschriebenen Art zum gleichzeitigen Trennen einer Vielzahl von aneinanderhaftenden Zelllagen eines Zellstapels, insbesondere einer elektrochemischen Zelle.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist außerdem ein Verfahren zum gleichzeitigen Trennen einer Vielzahl von aneinanderhaftenden Zelllagen eines Zellstapel, insbesondere einer elektrochemischen Zelle, mit den Schritten: - Bereitstellen einer Zelllagentrennvorrichtung der vorangehend beschriebenen Art; und

- Gleichzeitiges Einführen der Vielzahl von Trenneinheiten der Zelllagentrennvorrichtung zwischen die zu trennenden aneinanderhaftenden Zelllagen entlang der bestimmungsgemäßen Einführrichtung, um die Vielzahl von aneinanderhaftenden Zelllagen voneinander zu trennen.

Vor diesem Hintergrund wird erfindungsgemäß eine Zelllagentrennvorrichtung vorgeschlagen, welche ein gleichzeitiges Trennen einer Vielzahl von aneinanderhaftenden Zelllagen eines Zellstapels einer elektrochemischen Zelle, wie bspw. einer Brennstoffzelle und/oder eines Elektrolyseurs ermöglicht, wodurch die Demontage für ein Recycling bzw. Remanufacturing wesentlich einfacher, schneller und damit effizienter durchführbar wird.

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 Zelllagentrennvorrichtung soll ich Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung verstanden werden, welche ausgebildet und entsprechend dimensioniert ist, um eine Vielzahl von aneinanderhaftenden Zelllagen eines Zellstapels einer elektrochemischen Zelle, wie bspw. einer Brennstoffzelle und/oder eines Elektrolyseurs gleichzeitig voneinander zu trennen.

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 MEAs aufweisen.

Die Halteeinheit kann je nach Ausführungsform stabförmig, plattenförmig oder rahmenförmig ausgebildet sein. An der Halteeinheit ist eine Vielzahl von Trenneinheiten angeordnet, welche zueinander beabstandet entlang einer Anordnungsrichtung verteilt sind. Die Anordnungsrichtung verläuft bevorzugt quer bzw. senkrecht zu der Ebene der zu trennenden Zelllagen. Die Anzahl der Trenneinheiten und/oder der Abstand zwischen den Trenneinheiten ist/sind an den Zellstapel und ggf. die jeweiligen Fertigungstoleranzen und geometrischen Bauteiltoleranzen angepasst. Die Anzahl der Trenneinheiten kann bspw. in einem Bereich von größer oder gleich 5 bis kleiner oder gleich 30 Trenneinheiten liegen. Ist bspw. die Dicke der BBPs und der Abstand zwischen den BBP recht präzise, so kann die Anzahl der Trenneinheiten im oberen Bereich gewählt werden. Der Abstand zwischen den Trenneinheiten liegt bevorzugt in einem Bereich von größer oder gleich 0,3 mm bis kleiner oder gleich 0,8 mm, weiter bevorzugt in einem Bereich von größer oder gleich 0,4 mm bis kleiner oder gleich 0,6 mm.

Der Abstand zwischen den Trenneinheiten kann fixiert und unveränderbar sein. Es ist jedoch vorteilhaft, wenn der Abstand zwischen den Trenneinheiten einstellbar ist. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn zum Einstellen des Abstands die Trenneinheiten an der Halteeinheit entlang der Anordnungsrichtung linear bewegbar, insbesondere schwimmend oder federnd gelagert sind, und/oder drehbar um eine, insbesondere quer zu der Anordnungsrichtung und der bestimmungsgemäßen Einführrichtung weisenden Drehrichtung federnd gelagert sind. Durch diese Maßnahme kann die Zelllagentrennvorrichtung auf sehr einfache Art und Weise an den Zellstapel angepasst sowie Fertigungstoleranzen und geometrischen Bauteiltoleranzen angepasst werden. Dies führt wiederum dazu, dass zum einen die Anzahl der Trenneinheiten maximiert werden kann, sodass mehr Zelllagen oder idealerweise alle Zelllagen des Zellstapels in einem einzigen Arbeitsschritt, d.h. durch einen einzigen Schritt des Einführens der Trenneinheiten voneinander getrennt werden können, was die Zerlegedauer bzw. Demontagedauer des Zellstapels entsprechend weiter verkürzt. Zum anderen kann die Trennung bzw. Demontage der Zelllagen sehr schonend und weitestgehend beschädigungsfrei durchgeführt werden, wodurch die Verluste werthaltiger Elemente minimiert und die Wiederverwertbarkeit der MEAs und BPPs erhöht werden.

Die Trenneinheiten sind ausgebildet und dimensioniert, um gleichzeitig zwischen die zu trennenden aneinanderhaftenden Zelllagen entlang einer quer zu der Anordnungsrichtung weisenden bestimmungsgemäßen Einführrichtung einführbar zu sein. Die bestimmungsgemäße Einführrichtung verläuft bevorzugt im Wesentlichen parallel zu der Ebene der zu trennenden Zelllagen. Die Trenneinheiten können entlang der bestimmungsgemäßen Einführrichtung zueinander versetzt angeordnet sein, insbesondere kann ein Teil der Trenneinheiten in der bestimmungsgemäßen Einführrichtung vorne und der restliche Teil der Trenneinheiten nach hinten versetzt angeordnet sein. Bevorzugt sind alle Trenneinheiten der Zelllagentrennvorrichtung gleich ausgebildet.

Hierbei sind die Trenneinheiten zum Trennen der Zelllagen bevorzugt keilförmig und/oder spitzförmig und in der bestimmungsgemäßen Einführrichtung spitz zulaufend ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich sind die Trenneinheiten zum Trennen der Zelllagen bevorzugt entlang einer Spreizrichtung spreizbar ausgebildet und weisen insbesondere jeweils einen entlang der Spreizrichtung spreizbaren Trennschenkel auf. D.h., mit anderen Worten, dass jede Trenneinheit zwei Trennschenkel aufweisen kann, wobei ein Trennschenkel fixiert und der andere Trennschenkel von diesem wegbewegbar und damit spreizbar ausgebildet ist. Die Spreizrichtung verläuft bevorzugt quer bzw. senkrecht zu der Ebene der zu trennenden Zelllagen.

Für diese Ausführungsformen sind bevorzugt im Schritt des Bereitstellens zumindest zwei Zelllagentrennvorrichtungen vorgesehen, deren Trenneinheiten dann an jeweils unterschiedlichen, insbesondere gegenüberliegenden Seiten des Zellstapels gleichzeitig bis zu einer definierten Einführtiefe eingeführt werden. Bei den Seiten kann es sich bevorzugt um die Längsseiten des Zellstapels handeln. Durch diese Maßnahme kann die Trennung bzw. Demontage der Zelllagen weiter optimiert werden.

Alternativ ist es vorteilhaft, wenn die Trenneinheiten zum Trennen der Zelllagen drahtförmig oder faserförmig ausgebildet sind und insbesondere als entlang der Anordnungsrichtung parallel zueinander angeordnete Drähte oder Fäden/Schnüre/Garne ausgebildet sind. Hierbei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die Halteinheit derart ausgebildet und die Trenneinheiten derart angeordnet und ausgebildet sind, dass die Zelllagentrennvorrichtung zum Trennen der Zelllagen in der Einführrichtung von einer Seite des Zellstapels bis zu einer gegenüberliegenden Seite des Zellstapels führbar ist. D.h., mit anderen Worten, dass bspw. eine Vielzahl parallel gespannter Drähte oder Fäden als Trenneinheiten in einer rahmenförmigen Halteeinheit angeordnet sein können, welche sich beim Einführen in den Zellstapel in die Zwischenräume der zu trennenden Zelllagen einfädeln. Dabei ist es für die Funktion auch unschädlich, dass sich mehrere dieser Drähte in einen Zwischenraum einfädeln.

Für diese Ausführungsformen ist bevorzugt im Schritt des Bereitstellens eine einzelne Zelllagentrennvorrichtung vorgesehen, deren Trenneinheiten im Schritt des gleichzeitigen Einführens von einer Seite des Zellstapels bis zu einer gegenüberliegenden Seite des Zellstapels durch den Zellstapel geführt werden. Bei den Seiten kann es sich bevorzugt um die Längsseiten des Zellstapels handeln. Diese Maßnahme bietet den Vorteil, dass die Trenneinheiten einmal quer durch den Zellstapel geführt und dadurch die Zelllagen sehr gut, schnell und schonend voneinander getrennt werden können.

Es ist vorteilhaft, wenn eine Sensoreinheit vorgesehen ist, welche ausgebildet ist, zumindest eine, insbesondere zwei oder drei der folgenden Größen zu erfassen: Kraft entlang und/oder entgegen der bestimmungsgemäßen Einführrichtung, Weg entlang der bestimmungsgemäßen Einführrichtung, Spreizkraft entlang und/oder entgegen der Spreizrichtung der spreizbar ausgebildeten Trenneinheiten, Drahtspannung der drahtförmig ausgebildeten Trenneinheiten, Faserspannung der faserförmig ausgebildeten Trenneinheiten.

Die Gegenkraft kann unmittelbar an den Trenneinheiten selbst und/oder der Halteinheit und/oder einer Antriebseinheit der Trenneinheiten erfasst werden. Die Gegenkraft kann jedoch auch mittelbar an dem Zellstapel erfasst werden, wobei bspw. aufgrund einer Verbiegung und damit bei bekannter Geometrie und bekanntem Material des verbogenen/belasteten Teils Rückschlüsse auf die Gegenkraft gezogen werden können. Die Erfassung der Verbiegung kann mittels kompakter Dehnungsmessstreifen (DMS) erfolgen.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Zelllagentrennvorrichtung mit keilförmigen Trenneinheiten;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Zelllagentrennvorrichtung mit spreizbaren Trennschenkeln;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Zelllagentrennvorrichtung mit Drähten;

Fig. 4 eine schematische Draufsicht einer Anordnung eines Zellstapels mit zwei eingeführten Zelllagentrennvorrichtungen; und

Fig. 5 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum gleichzeitigen

Trennen einer Vielzahl von aneinanderhaftenden Zelllagen eines Zellstapels einer Brennstoffzelle und/oder eines Elektrolyseurs

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 bis Fig. 3 zeigen vorteilhafte Ausführungsbeispiele von Zelllagentrennvorrichtungen, welche in ihrer Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10; 10‘; 10“ versehen sind.

Die Zelllagentrennvorrichtungen 10; 10‘; 10“ sind ausgebildet, eine Vielzahl von aneinanderhaftenden Zelllagen 12, 14 eines Zellstapels 16 einer (nicht dargestellten) Brennstoffzelle gleichzeitig voneinander zu trennen. Hierbei umfasst jede zu trennende Zelllage 12 eine Bipolarplatte 12 und jede Zelllage 14 eine Membran-Elektroden-Einheit 14. Die Membran- Elektroden- Einheiten 14 umfassen jeweils Gasdiffusionslagen (GDL) 18 und einen Dichtungsrahmen 20.

Die Zelllagentrennvorrichtungen 10; 10‘; 10“ weisen jeweils eine Halteeinheit 22; 22‘; 22“ auf. An der jeweiligen Halteeinheit 22; 22‘; 22“ ist jeweils eine Vielzahl Trenneinheiten 24; 24‘; 24“ vorgesehen, welche entlang einer Anordnungsrichtung 26 zueinander beabstandet angeordnet sind. Die Anordnungsrichtung 26 verläuft hierbei im Wesentlichen senkrecht zu der Ebene der zu trennenden Zelllagen 12, 14. Die Trenneinheiten 24; 24‘; 24“ sind ausgebildet und dimensioniert, um gleichzeitig zwischen die zu trennenden aneinanderhaftenden Zelllagen 12, 14 entlang einer quer zu der Anordnungsrichtung 26 weisenden bestimmungsgemäßen Einführrichtung 28 einführbar zu sein. Die bestimmungsgemäße Einführrichtung 28 verläuft hierbei im Wesentlichen parallel zu der Ebene der zu trennenden Zelllagen 12, 14.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Zelllagentrennvorrichtung 10, wobei die Trenneinheiten 24 zum Trennen der Zelllagen 12, 14 keilförmig und in der bestimmungsgemäßen Einführrichtung 28 spitz zulaufend ausgebildet sind.

Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Zelllagentrennvorrichtung 10‘, wobei die Trenneinheiten 24‘ zum Trennen der Zelllagen 12, 14 entlang einer Spreizrichtung 30 spreizbar ausgebildet sind. Hierbei weisen die Trenneinheiten 24‘ jeweils einen entlang der Spreizrichtung 30 spreizbaren Trennschenkel 32 und einen fixierten Trennschenkel 34 auf.

Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Zelllagentrennvorrichtung 10“, wobei die Trenneinheiten 24“ zum Trennen der Zelllagen 12, 14 als entlang der Anordnungsrichtung 26 parallel zueinander angeordnete Drähte 24“ ausgebildet sind. Hierbei sind Halteinheit 22“ derart ausgebildet und die Drähte 24“ derart angeordnet und ausgebildet, dass die Zelllagentrennvorrichtung 10“ zum Trennen der Zelllagen 12, 14 in der Einführrichtung 28 von einer Seite des Zellstapels 16 bis zu einer gegenüberliegenden Seite des Zellstapels 16 führbar ist.

In Fig. 4 ist eine schematische Draufsicht einer Anordnung eines Zellstapels 16 mit zwei eingeführten Zelllagentrennvorrichtungen 10; 10‘ dargestellt. Hierbei wurden die Trenneinheiten 24; 24‘ der Zelllagentrennvorrichtungen 10; 10‘ an jeweils gegenüberliegenden Längsseiten des Zellstapels 16 gleichzeitig bis zu einer definierten Einführtiefe eingeführt, um den Trennvorgang zu optimieren.

Fig. 5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 100 zum gleichzeitigen

Trennen einer Vielzahl von aneinanderhaftenden Zelllagen 12, 14 eines Zellstapels 16, insbesondere einer elektrochemischen Zelle. Das Verfahren 100 umfasst einen Schritt des Bereitstellens 102 einer Zelllagentrennvorrichtung 10; 10’; 10” der vorangehend beschriebenen Art. Das Verfahren 100 umfasst ferner einen Schritt des gleichzeitigen Einführens 104 der Vielzahl von Trenneinheiten 24; 24’; 24” der Zelllagentrennvorrichtung 10; 10’; 10” zwischen die zu trennenden aneinanderhaftenden Zelllagen 12, 14 entlang der bestimmungsgemäßen Einführrichtung 28, um die Vielzahl von aneinanderhaftenden Zelllagen 12, 14 voneinander zu trennen. 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.