Bezahlbare Alternative Spezialisten machen Massenfertigung von Brennstoffzellen möglich

Forschende aus Stuttgart und Freudenstadt wollen bis zum Sommer 2023 eine Demo-Stackinganlage für die roboterunterstützte Brennstoffzellenfertigung in Serie auf die Beine stellen.

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Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA

Wasserstoff, so glauben die Experten des Fraunhofer-IPA aus Stuttgart und des Campus Schwarzwald in Freudenstadt, wird als alternativer Energieträger eine wichtige Rolle spielen. Denn kann aus erneuerbaren Energien in Elektrolyseuren CO₂-neutral hergestellt werden. In Brennstoffzellen wird aus dem Gas dann elektrische Energie, erklären die am Projekt „H2FastCell“ beteiligten. Speziell im Güterverkehr könnten Brennstoffzellen einige Vorteile im Vergleich zu batterieelektrischen Fahrzeugen ausspielen. Aber auch für die Stationäre Stromversorgung gibt es Einsatzgebiete für Brennstoffzellen. Im Rahmen des Vorhabens soll nun eine Roboterzelle für die automatisierte High-Speed-Montage von Brennstoffzellen-Stacks entwickelt und in Freudenstadt aufgebaut werden. Diese Demonstrator-Anlage wird Unternehmen dann für weitere Versuche, Machbarkeitsstudien und Validierungen zur Verfügung stehen. Man lege so den Grundstein für unser zukünftiges Forschungszentrum für biointelligente Wasserstoff-Kreislaufwirtschaft im Schwarzwald.

Produktiverer Brennstoffzellen-Fertigung braucht Anpassungen

Auch bei der Herstellung von Brennstoffzellen sind kurze Taktzeiten und absolute Präzision unabdingbar. Das große Ziel ist es also, die Fertigungskosten zu reduzieren, um den Einsatz des Energieträgers Wasserstoff per Brennstoffzelle wirtschaftlicher zu machen. Das könne aber nur über Skalierungseffekte erreicht werden, die automatisierte Anlagen mit entsprechend hohen Kapazitäten erforderten. Momentan ist diese Art von Produktionsanlagen noch nicht verfügbar, merken die Forschenden an. Auch das Design der Bauteile müsse hinsichtlich einer automatisierungsgerechten Konstruktion optimiert werden. Deshalb ist es sinnvoll, nun nach Wegen zu suchen, wie Brennstoffzellen automatisiert und damit im Großserienmaßstab günstiger hergestellt werden können als bisher.

Genau das hat sich ein Forschungsteam vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA sowie vom Centrum für Digitalisierung, Führung und Nachhaltigkeit Schwarzwald (Campus Schwarzwald) im Projekt „H2FastCell“ zum Ziel gesetzt. Mit Spezialisten aus fünf Unternehmen wollen sie nun bis 2023 eine Roboterzelle entwickeln, die die einzelnen Schichten einer Brennstoffzelle in Sekundenschnelle und absolut präzise montieren kann. So könnte die Brennstoffzelle für diverse Anwendungen wettbewerbsfähig werden.

High-Speed! Alle 13 Minuten liegt ein fertiger Stack vor

Ein Brennstoffzellen-Stack besteht aus aufeinandergestapelten Lagen von sogenannten Bipolarplatten, über die Wasserstoff und Sauerstoff eingeleitet werden. Hinzu kommen Membran-Elektrodeneinheiten, in denen die beiden Gase miteinander reagieren, wobei Wasser und Strom entstehen. Weil bei dieser Reaktion nur eine Spannung von höchstens einem Volt aufgebaut wird, müssen für einen Brennstoffzellen-Motor, der etwa einen Lastwagen antreiben soll, ungefähr 400 Brennstoffzellen aufeinandergestapelt werden. Dabei ist Präzision gefragt, betonen die Forschenden, denn die kleinste Abweichung kann die Leistung des Brennstoffzellensystems schmälern.

Der Montageroboter, der zur Debatte steht, soll das Stacking übernehmen – also das wechselweise Aufeinanderstapeln der Bipolarplatten und Membran-Elektrodeneinheiten. Er wird auch die einzelnen Schichten scannen, während er sie greift, heißt es weiter. Weil er mehrere Stacks parallel stapeln soll, könne er eine Schicht spontan dem Stack zuordnen, auf den die Abmessungen am besten passten. Leistungsminderungen werden dadurch sicher verhindert, so die Forschenden. Das alles soll so schnell ablaufen, dass es für Menschen schwer sein wird, die einzelnen Montageschritte mit bloßem Auge mitzuverfolgen. Denn eine Sekunde pro Schicht ist veranschlagt. Ein Stack, der aus 400 einzelnen Brennstoffzellen zusammengesetzt ist, wäre also schon nach etwa 13 Minuten fertig gestapelt. Manuell ist das niemals drin.

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