Inovativní technologie pro kontrolu kvality palivových článků

© Campus Schwarzwald

Voda vyrobená pomocí obnovitelné energie je důležitým nosičem energie pro mobilitu budoucnosti. Poptávka po palivových článkových stackech, které přeměňují vodík na elektrickou energii, proto v následujících letech rychle poroste. Výzkumníci z Fraunhofer IPA a z kampusu Schwarzwald nyní ve spolupráci s několika partnery z průmyslu vyvíjejí inovativní systém kontroly kvality, který šetří čas a peníze při výrobě.

»Automatizace ve výrobě palivových článků je stále ve svých začátcích. Doteraz má výroba spíše charakter manufaktury«, uvádí Dr. Friedrich-Wilhelm Speckmann, vedoucí skupiny pro vodíkovou technologii na Fraunhofer IPA. »Pokud má být energetická transformace úspěšná a pokud má být zelený vodík využíván jako nosič energie především v těžkém nákladním dopravě, potřebujeme co nejdříve efektivní výrobní linky a rychlé a levné kontroly kvality palivových článkových stacků.«

Ovšem právě kontrola kvality je zatím úzkým hrdlem výroby. Roboti sice dokážou rychle a přesně skládat palivové články na sebe, ale každý z těchto svazků, nazývaný stack, musí být připojen k různým měřicím přístrojům a zkontrolován. V projektu FastPeM – zkratka znamená „Zrychlený testovací proces pro hromadnou výrobu palivových článkových stacků“ – chce Speckmann spolu s vědci z kampusu Schwarzwald a průmyslovými partnery nyní vyvinout demonstrační testovací stanici, která umožní rychle a efektivně určit elektrochemické vlastnosti stacku pomocí inovativních technologií.

»Kampus Schwarzwald je pro tento projekt ideálním místem, protože zde právě vzniká plně automatizovaná linka na skládání«, zdůrazňuje vědec. A Stefan Bogenrieder, ředitel kampusu Schwarzwald, doplňuje: »Výzkumné centrum pro inteligentní cirkulaci vodíku v severním Schwarzwaldsku přinese regionálním i nadregionálním podnikům a obcím výhody a odborné znalosti v oblasti masové výroby palivových článků.« Těší se, že nyní byl také spuštěn dílčí projekt FastPEM.

Zrychlené testování na konci výroby

V pilotní zařízení robot skládá vrstvy na sebe: každý palivový článek se skládá ze dvou tenkých elektrod s membránou uprostřed a bipolární desky, kterou později prochází vodík a vzdušný kyslík. Během 15 minut vznikne balíček asi 400 buněk, který lze stlačit a napnout. »Vzhledem k tomu, že v tomto demonstračním zařízení je každý výrobní krok digitálně zdokumentován, máme k dispozici rozsáhlou databázi dat, kterou můžeme využít ke kontrole kvality«, říká Speckmann.

Testování hotového stacku je zatím poměrně časově náročné: nejprve je třeba ověřit, zda je svazek těsný nebo uniká plyn, který je pod tlakem zaváděn do buněk. Poté je nutné určit výkonovou křivku, z níž vyplývá, při jakém napětí dochází k jaké proudové hustotě. »V projektu FastPeM chceme nyní zkoumat, jak lze tyto procesy optimalizovat například jejich spojení«, vysvětluje inženýr.

Úspora času pomocí digitálních dvojčat

Klíčovou roli by měly hrát virtuální technologie: výrobní zařízení a testovací zařízení budou vybavena měřicí technikou, která bude v reálném čase přenášet data do simulačního modelu. Digitální dvojče, které tak vznikne, bude detailně zobrazovat nejen procesy, ale i každý jednotlivý díl. Na základě těchto rozsáhlých dat lze předpovědět elektrochemické vlastnosti jednotlivých buněk a celých stacků. »Virtuálně vypočtené výkonové charakteristiky pak stačí pouze ověřit pomocí bodových měření. Dlouhé měřicí řady lze tímto způsobem eliminovat, pravděpodobně postačí provést jednotlivá měření. Pokud se shodují s předpověďmi, nejsou potřeba žádné další testy«, vysvětluje Speckmann. Časová náročnost se při úspěšném provedení výrazně sníží.

Pro firmy, které vyrábějí palivové články, by tato úspora času znamenala skutečný přínos. Ovšem než budou výsledky k dispozici, ještě to nějakou dobu potrvá: projekt FastPeM, který začal 1. června, potrvá do roku 2027. Poté by měla být také hotová testovací stanice pro hromadnou výrobu palivových článkových stacků.

Profil

H2BlackForest celkově financován přibližně 7,2 miliony eur

Pro rozšíření regionální inovační síly a podporu udržitelného rozvoje měst a regionů poskytuje evropská regionální politika celkem 80 milionů eur z Evropského fondu pro regionální rozvoj (EFRR) v rámci soutěže »RegioWIN 2030«. Výzkumné centrum pro inteligentní cirkulaci vodíku »H2BlackForest« Fraunhofer IPA, IFF Univerzity Stuttgartu a kampus Schwarzwald bylo v této soutěži oceněno jako vlajkový projekt regionu Severní Schwarzwald. Celkem bylo schváleno 4,8 milionu eur na období podpory 2021–2027. Dalších 2,4 milionu eur je doplněno z národních prostředků. Celkový výzkumný rozsah, včetně vlastních příspěvků zapojených partnerů, činí 12 milionů eur. Správní orgán soutěže je Ministerstvo výživy, venkova a ochrany spotřebitele (MLR).