Automatisiert und mit Highspeed: Um Brennstoffzellen konkurrenzfähig und breit anwendbar zu machen, muss ihre Produktion schneller und wirtschaftlicher werden. Dafür entwickeln Forscher zurzeit eine Roboterzelle für die automatisierte Hochgeschwindigkeits-Montage von Brennstoffzellen-Stacks – denn erst solche Stapel von Zellen produzieren ausreichend Energie um beispielsweise einen Lastwagen anzutreiben.
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 viele Vorteile.
Industrielle Fertigung noch zu langsam
Um jedoch die nötigen Leistungen zu erreichen, müssen Brennstoffzellen zu Stapeln kombiniert werden. Für den Brennstoffzell-Motor eines Lastwages, ist beispielsweise ein Stack von ungefähr 400 aufeinandergestapelten Lagen von Bipolarplatten und Membran-Elektrodeneinheiten nötig. Bei der Produktion solcher Stacks ist jedoch höchste Präzision gefragt. Denn jede Abweichung kann die Leistung des Brennstoffzellensystems mindern.
Doch genau da liegt das Problem: Bisher ist die Produktion der Brennstoffzellen-Stacks kaum automatisiert und daher vergleichsweise teuer. Im die Fertigungskosten zu reduzieren und den Einsatz dieser Technologie wirtschaftlicher zu machen, müsste die Produktion auf vollautomatisierte Anlagen mit hohem Durchsatz umgestellt werden -bisher fehlt dafür aber die Technik.
Montageroboter für die Stacks
Genau dies will nun ein Forschungsteam vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA und vom Centrum für Digitalisierung, Führung und Nachhaltigkeit Schwarzwald (Campus Schwarzwald) ändern. Im Projekt „H2FastCell“ wollen sie bis 2023 eine Roboterzelle entwickelen, die die automatisierte Hochgeschwindigkeits-Montage von Brennstoffzellen-Stacks übernimmt. Sie soll die Grundlage für die industrielle Massenproduktion der Stacks legen.
Konkret besteht die Roboterzelle aus einem Montageroboter, der mehrere Stacks aus Bipolarplatten und Membran-Elektrodeneinheiten im Wechsel gleichzeitig stapeln kann. Dafür scannt er die einzelnen Schichten, während er sie greift. Da er mehrere Stacks parallel produziert, kann er eine Schicht spontan dem Stack zuordnen, auf den die Abmessungen am besten passen. Leistungsminderungen werden dadurch vermieden bevor sie entstehen.
Eine Sekunde pro Schicht
Ziel ist es, das Produktionstempo so weit zu erhöhen, dass der Roboter nur eine Sekunde pro Schicht benötigt. Ein Stack aus 400 einzelnen Brennstoffzellen wäre daher schon nach etwa 13 Minuten fertig gestapelt. Der Roboter arbeitet dabei so schnell, dass seine einzelnen Schritte mit bloßem Auge schon kaum mehr erkennbar sind.
„Wenn der Durchsatz der Stacks derart erhöht wird, ist damit die Grundlage für die industrielle Massenproduktion von Brennstoffzellen gelegt“, sagt Friedrich-Wilhelm Speckmann vom Fraunhofer IPA. „Die Preise würden fallen und der Einsatz von Brennstoffzellen in mobilen Schwerlastanwendungen wäre endgültig wettbewerbsfähig.“ Bis Sommer 2023 will das Forschungsteam in Freudenstadt eine Demonstrator-Stackinganlage für die automatisierte Brennstoffzellenmontage aufgebaut haben.
Quelle: Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA
