(Stuttgart / Deutschland) – Forscher des Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) haben im Rahmen des „H2FastCell“ genannten Projekts ein Robotersystem entwickelt, das Brennstoffzellen vollautomatisiert und in Sekundenschnelle produziert.
In eine Brennstoffzelle werden über Bipolarplatten Wasserstoff und Sauerstoff eingeleitet. Die beiden chemischen Elemente reagieren in der Membran-Elektrodeneinheit miteinander. Weil dabei nur eine Spannung von maximal einem Volt entsteht, müssen für einen Brennstoffzellenmotor, der beispielsweise einen Lastwagen antreiben soll, ungefähr 400 Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstack gestapelt werden, erklären die Wissenschaftler.
Zwei Roboter produzieren automatisiert und sekundenschnell Brennstoffzellen und Stacks. © Fraunhofer IPA / Rainer Bez
Bei der jetzt vorgestellten Konstruktion befördere ein Fließband Bipolarplatten in das Sichtfeld eines Roboters. Seine Bildverarbeitungssoftware erkenne das Bauteil, ein Sauggreifer nehme die Bipolarplatte auf und halte sie kurz in eine weitere Kamera. Diese erfasse die genauen Abmessungen und die Beschaffenheit der Strukturen auf der Unterseite. Dann lege der Roboter die Bipolarplatte auf einem Stapel ab. Der gesamte Arbeitsablauf dauere zwei Sekunden. Zeitversetzt um eine weitere Sekunde erkenne, greife und lege ein zweiter Roboter dann Membran-Elektrodeneinheiten ab.
Roboter-Duo baut Stacks in 13 Minuten
Bislang werden Brennstoffzellenstacks mit viel Handarbeit und entsprechend zeitaufwendig gefertigt. Das Roboter-Duo hingegen setze einen Stack innerhalb von etwa 13 Minuten zusammen. „Wenn Brennstoffzellen im Schwerlastverkehr den Verbrenner ablösen sollen, müssen sie in industrieller Massenproduktion, weitgehend automatisiert und entsprechend kostengünstig hergestellt werden“, sagt Erwin Groß von der Abteilung Unternehmensstrategie und -entwicklung am Fraunhofer IPA. Damit sei „eine wesentliche Voraussetzung dafür erfüllt, dass die Preise für Brennstoffzellensysteme fallen“.
Ausschuss automatisch reduzieren
Ein weiteres Kriterium für die industrielle Massenproduktion von Brennstoffzellenstacks sei Präzision. „Jede Abweichung – und sei es im Mikrometerbereich – kann die Leistung des Brennstoffzellensystems mindern.“ Deshalb schichteten die beiden Roboter parallel zwei Brennstoffzellenstacks auf.
Registrierten ihre Kameras bei der Qualitätskontrolle winzige Abweichungen bei Form und Größe, ordneten sie die Bipolarplatte oder Membran-Elektrodeneinheit dem jeweils passenden Stack zu, erklären die Wissenschaftler. „Mit diesem Best-Fit-Ansatz reduzieren wir den Ausschuss, den Hersteller bisher beklagen“, sagt Friedrich-Wilhelm Speckmann vom Zentrum für Digitalisierte Batteriezellenproduktion am Fraunhofer IPA. Er hat das Forschungsprojekt H2FastCell zusammen mit Erwin Groß geleitet.
Prüfstand für KMU
Die robotergesteuerte Produktion befinde sich in Freudenstadt auf einem Versuchsfeld des Centrums für Digitalisierung, Führung und Nachhaltigkeit Schwarzwald (Campus Schwarzwald). Es soll künftig vor allem kleinen und mittelständischen Unternehmen (KMU) als Prüfstand dienen. „Damit haben wir den Grundstein für unser zukünftiges Forschungszentrum für biointelligente Wasserstoff-Kreislaufwirtschaft im Schwarzwald gelegt“, sagt Campus-Geschäftsführer Stefan Bogenrieder. „Wir wollen so die Wasserstofftechnologie gemeinsam mit Unternehmen in Baden-Württemberg für die mobile und stationäre Nutzung als Energieträger nutzbar machen.“
Am Forschungsprojekt H2FastCell waren das Fraunhofer IPA, Campus Schwarzwald und fünf Unternehmen aus Baden-Württemberg beteiligt. Das Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Tourismus gab Fördermittel in Höhe von rund 2,3 Millionen Euro.
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Die „Roboterzelle“ steht auf einem Versuchsfeld des Campus Schwarzwald in Freudenstadt und soll Unternehmen als Prüfstand für deren Produkte dienen. © Fraunhofer IPA / Rainer Bez
