Hallo Wasserstoff! Forscher ermöglichen automatische Massenfertigung von Brennstoffzellen

Ein Forschungsteam vom Fraunhofer-IPA und vom Campus Schwarzwald hat eine Roboterzelle aufgebaut, die Brennstoffzellen in Sekunden und vollkommen automatisiert steckt.

Wenn Brennstoffzellen im Schwerlastverkehr den Verbrenner ablösen sollen, müssen sie in industrieller Massenproduktion, weitgehend automatisiert und entsprechend günstig herstellbar sein. Und bisher werden Brennstoffzellen-Stacks manufakturartig gefertigt, also mit viel Handarbeit und entsprechend zeitaufwendig. Doch endlich steht der Massenproduktion von Brennstoffzellen, die Strom aus grünem Wasserstoff und Sauerstoff herstellen können weniger im Weg. Denn Spezialisten vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) nebst Partnern haben eine Roboterzelle entwickelt, die das quasi in die mechanische Hand nimmt. Ein Fließband befördert dabei die Bipolarplatten ins Sichtfeld eines Roboters. Dessen Bildverarbeitungssoftware erkennt das Bauteil. Mit seinem Sauggreifer nimmt der Roboter die Bipolarplatte auf und hält sie kurz in eine weitere Kamera. Diese scannt die Bipolarplatte von unten ab, erfasst die genauen Abmessungen und erkennt die Beschaffenheit der feinen Strukturen auf der Unterseite – ein wichtiges Qualitätsmerkmal. Passt alles, legt der Roboter die Bipolarplatte auf einem Stapel ab. Zwei Sekunden dauert der gesamte Arbeitsablauf, wie die Wissenschaftler betonen.

Roboterduo macht beim Brennstoffzellen-Bau Tempo

Um eine Sekunde zeitversetzt erkennt, greift und legt ein zweiter Roboter sogenannte Membranelektrodeneinheiten ab. Aus Bipolarplatte und Membranelektrodeneinheiten besteht eine Brennstoffzelle, wie die Beteiligten anmerken. Über die Bipolarplatte werden Wasserstoff und Sauerstoff eingeleitet. Die beiden chemischen Elemente reagieren in der Membranelektrodeneinheit miteinander. Weil dabei nur eine Spannung von maximal einem Volt aufgebaut werde, müssten für einen Brennstoffzellenmotor, der beispielsweise einen Lastwagen antreiben soll, ungefähr 400 Brennstoffzellen zu einem sogenannten Brennstoffzellen-Stack gestapelt werden. Pro Sekunde legt das Roboterduo eine Bipolarplatte oder Membranelektrodeneinheit auf dem Brennstoffzellen-Stack ab. Ein Stack, der aus 400 einzelnen Brennstoffzellen zusammengesetzt ist, ist also schon nach etwa 13 Minuten fertig. Die manuelle Produktion würde dafür ein Vielfaches an Zeit benötigen.

Autarke Sprachsteuerung

Roboter reagieren aufs Wort – auch wenn`s laut wird

Robotische Arbeitsgemeinschaft vermeidet Ausschuss

Ein weiteres Kriterium für die industrielle Massenproduktion von Brennstoffzellenstacks heißt Präzision. Denn jede Abweichung – und sei es auch nur im Mikrometerbereich – könne die Leistung des Brennstoffzellensystems mindern. Deshalb schichten die beiden Roboter parallel zwei Brennstoffzellen-Stacks auf. Registrieren ihre Kameras bei der Qualitätskontrolle nur winzige Abweichungen in Sachen Form und Größe, ordnen sie die Bipolarplatte oder Membranelektrodeneinheit dem jeweils passenden Stack zu, erklären die Projektpartner. Mit diesem „Best fit“-Ansatz reduzieren sie also den Ausschuss, den die Hersteller bisher beklagen. Das Ganze geschieht im Rahmen des Projekts „H2FastCell“.

Digitaler Zwilling überwacht Highspeed-Montage der Brennstoffzellen

Geschwindigkeit und Präzision stellen aber auch besondere Anforderungen an die Hardware der beiden Roboter und den Aufbau der gesamten Zelle, heißt es weiter. So bestehen die eigens für das Forschungsprojekt entwickelten Sauggreifer aus carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK), damit die zu beschleunigende und zu verzögernde Masse möglichst gering ist. Um zu verhindern, dass die Roboter oder die Komponenten der Einhausung durch die schnellen Bewegungen in Schwingungen versetzt werden, welche die Präzision beeinträchtigen können, stabilisiert eine schwere Bodenplatte die Roboterzelle. Denn jede Schwingung beeinträchtigt die Bildgebung und erschwert so das präzise Greifen und Ablegen der Brennstoffzellen-Komponenten. Deshalb sind die Kameras separat befestigt und nicht mit der Einhausung verbunden. Ein digitaler Zwilling – also ein virtuelles Abbild der Produktion – dokumentiert die Hochgeschwindigkeitsmontage der Brennstoffzellenstacks dabei in Echtzeit. Mithilfe der so ermittelten Daten ließe sich einerseits simulieren, wie sich die fertigen Stacks später in der Realtität verhielten. Anderseits könne mit den Daten eine Simulation durchgeführt werden, die bei der Qualitätskontrolle der Bipolarplatten und Membranelektrodeneinheiten unterstützen könne.

Digitaler Zwilling

Erstellung von Verwaltungsschalen in der Praxis

Die Brennstoffzellen-Bau-Roboterduo steht als Prüfstand parat ...

Die fertige Roboterzelle befindet sich derzeit auf einem Versuchsfeld des Campus Schwarzwald in Freudenstadt und soll künftig vor allem kleinen und mittelständischen Unternehmen als Prüfstand dienen, damit sie ihre Produkte testen können, wie die Beteiligten informieren. Damit habe man auch den Grundstein für ein zukünftiges Forschungszentrum für biointelligente Wasserstoff-Kreislaufwirtschaft im Schwarzwald gelegt. Die Experten wollen so die Wasserstofftechnologie gemeinsam mit Unternehmen in Baden-Württemberg für die mobile und stationäre Nutzung als Energieträger nutzbar machen.

Am Forschungsprojekt „H2FastCell“, das nun beendet wurde, waren außer dem Fraunhofer-IPA und dem Campus Schwarzwald noch weitere fünf Unternehmen aus Baden-Württemberg mitgearbeitet. Darunter der Softwareentwickler ISG Industrielle Steuerungstechnik GmbH aus Stuttgart, der Vakuumtechnikhersteller J. Schmalz GmbH aus Glatten im Nordschwarzwald, der Sensorproduzent I-mation GmbH aus Rottweil, der Maschinen- und Anlagenbauer Teamtechnik Maschinen und Anlagen GmbH aus Freiberg am Neckar und der Automatisierungstechniker Weiss GmbH aus Buchen im Odenwald. Das Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Tourismus Baden-Württemberg förderte das Vorhaben mit rund 2,3 Millionen Euro.

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