Antrieb der Zukunft: Eine neu entwickelte Roboterzelle ermöglicht die automatisierte und schnelle Massenproduktion von Brennstoffzellen-Stapeln – beispielsweise für LKW und anderen Schwerlastverkehr. Ein Roboter-Duo steckt in diesem System die Grundeinheiten der Zellen in Sekundenschnelle und mit der nötigen Präzision zusammen. Damit erfüllt die Roboterzelle eine wesentliche Voraussetzung dafür, dass Brennstoffzellensysteme preisgünstiger werden.
Wasserstoff gilt als einer der Energieträger der Zukunft. Er könnte nicht nur zur stationären Erzeugung von Strom und Wärme genutzt werden, sondern in Form von Brennstoffzellen auch Flugzeuge und Fahrzeuge antreiben. Gerade im Güterverkehr haben Brennstoffzellen gegenüber der batteriebetriebenen Elektromobilität Vorteile. Doch um die nötigen Leistungen zu erreichen, müssen Brennstoffzellen zu Stapeln kombiniert werden. Für einen LKW ist beispielsweise ein Stack von ungefähr 400 aufeinandergestapelten Lagen von Bipolarplatten und Membran-Elektrodeneinheiten nötig.
Roboter-Duo statt Handmontage
Bislang werden diese Brennstoffzellen-Stacks manufakturartig gefertigt, also mit viel Handarbeit und entsprechend zeitaufwendig. „Wenn Brennstoffzellen im Schwerlastverkehr den Verbrenner ablösen sollen, müssen sie in industrieller Massenproduktion, weitgehend automatisiert und entsprechend kostengünstig hergestellt werden“, sagt Erwin Groß vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA.
Genau das ist den Forschenden nun im Projekt „H2FastCell“ gelungen. Sie haben eine Roboterzelle entwickelt, die Brennstoffzellen in Sekundenschnelle und vollkommen automatisiert steckt. Ein Stapel aus 400 einzelnen Brennstoffzellen ist dank dieser automatisierten Produktion schon nach etwa 13 Minuten fertig. Dafür sind in der Fertigungseinheit zwei Roboter mit Sauggreifern aus carbonfaserverstärktem Kunststoff im Einsatz, deren geringes Gewicht ihnen besonders schnelle, präzise Bewegungen ermöglichen.
Stapeln und Stecken im Sekundentakt
Für das Zusammenbauen der Brennstoffzellen-Stacks befördert ein Fließband die Bipolarplatten ins Sichtfeld des ersten Roboters. Seine Bildverarbeitungssoftware erkennt das Bauteil und der Roboter nimmt daraufhin die Bipolarplatte mit seinem Sauggreifer auf. Er hält sie kurz in eine weitere Kamera, die die genauen Abmessungen der Platte und die Beschaffenheit der feinen Strukturen auf der Unterseite erkennt – ein wichtiges Qualitätsmerkmal. Dann legt der Roboter die Bipolarplatte auf einem Stapel ab. Zwei Sekunden dauert der gesamte Arbeitsablauf.
Im zweiten Schritt erfolgt die Kombination der Bipolarplatte mit den Membran-Elektrodeneinheiten – beide Schichten zusammen bilden eine Brennstoffzelle. Über die Bipolarplatte werden Wasserstoff und Sauerstoff eingeleitet. Diese reagieren in der Membran-Elektrodeneinheit miteinander.
Doppelte Kontrolle für die Präzision
Das Entscheidende für die industrielle Massenproduktion von Brennstoffzellen-Stacks ist jedoch nicht nur die Schnelligkeit, sondern auch die Präzision. Jede Abweichung – selbst im Mikrometerbereich – kann die Leistung des Brennstoffzellensystems mindern. Entsprechend genau müssen die beiden Roboter arbeiten. Um dies zu ermöglichen, schichtet das Duo zwei Brennstoffzellen-Stacks parallel auf. Registrieren dann ihre Kameras bei der Qualitätskontrolle winzige Abweichungen bei Form und Größe der beiden Stapel, passen sie die Zuordnung der Platten zu den Stapeln und Ausrichtung der Bauteile entsprechend an.
Für maximale Präzision sorgt auch die Bauweise der Roboterzelle: Um zu verhindern, dass die Roboter oder die Einhausung durch die schnellen Bewegungen in Schwingungen versetzt werden, stabilisiert eine schwere Bodenplatte die Roboterzelle. Denn jede Schwingung beeinträchtigt die Bildgebung und erschwert das präzise Greifen und Ablegen. Aus diesem Grund sind die Kameras separat befestigt und nicht mit der Einhausung verbunden.
Ein Digitaler Zwilling, also ein virtuelles Abbild der Produktion, dokumentiert die Hochgeschwindigkeitsmontage der Brennstoffzellen-Stacks in Echtzeit. Mit diesen Daten lässt sich einerseits simulieren, wie sich die fertigen Stacks später verhalten. Anderseits kann mit den Daten eine Simulation durchgeführt werden, die bei der Qualitätskontrolle der Bipolarplatten und Membran-Elektrodeneinheiten zum Einsatz kommt.
Massenproduktion macht Antriebe günstiger
Nach Ansicht der Forschenden liefert diese automatisierte Fertigung der Brennstoffzellen-Stapel nun die Chance, diese Antriebstechnologie schnell, automatisiert und mit hoher Qualität auch im industriellen Maßstab zu fertigen. Dies könnte Brennstoffzellen günstiger machen und sie damit im Schwerlastverkehr konkurrenzfähig. Noch steht die fertige Roboterzelle auf einem Versuchsfeld des Campus Schwarzwald in Freudenstadt. Künftig soll sie jedoch vor allem kleinen und mittelständischen Unternehmen als Prüfstand dienen, um ihre Produkte zu testen.
„Wir wollen so die Wasserstofftechnologie gemeinsam mit Unternehmen in Baden-Württemberg für die mobile und stationäre Nutzung als Energieträger nutzbar machen“, erklärt Stefan Bogenrieder vom Fraunhofer IPA
Quelle: Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA
