Vědci připravují cestu pro masovou výrobu palivových článků

Plně automatizované a během několika sekund vloží dva roboty Deltarobota palivovou buňku. © Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez

Hotová robotická buňka se nachází na zkušebním poli na kampusu Schwarzwald ve Freudenstadtu a má sloužit především malým a středním podnikům jako zkušební stanice pro testování jejich produktů. © Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez

Výzkumný tým z Fraunhofer IPA a z kampusu Schwarzwald postavil robotickou buňku, která během několika sekund a plně automaticky instaluje palivové články. Tím je splněna klíčová podmínka pro snížení cen palivových článkových systémů a jejich nahrazení spalovacích motorů v těžké dopravě.

Pásový dopravník přenáší bipolární desky do zorného pole robota. Jeho softwarový systém rozpoznávání obrazu identifikuje díl, který je určen pro použití v palivových článcích. S pomocí sacího úchytu robot zvedne bipolární desku a krátce ji drží před dalším kamerovým systémem. Tento skenuje bipolární desku ze spodní strany, zaznamenává přesné rozměry a rozpoznává strukturu jemných vzorů na spodní straně – což je důležitý ukazatel kvality. Poté robot položí bipolární desku na hromadu. Celý pracovní cyklus trvá dvě sekundy.

Pro zpoždění jedno sekundy rozpozná, uchopí a položí druhý robot membránové elektrody. Bipolární deska a membránové elektrody – z těchto dvou vrstev sestává palivový článek. Přes bipolární desku jsou vedeny vodík a kyslík. Tyto chemické prvky reagují v membránové elektrody. Protože při této reakci vzniká pouze napětí maximálně jednoho volt, je třeba pro motor palivového článku, například pohánějící nákladní vůz, složit zhruba 400 palivových článků do takzvané palivové článkové sestavy.

Robotické duo skládá palivové články během několika sekund

Dosud jsou palivové článkové sestavy vyráběny ve výrobních linkách, tedy ručně a časově náročně. „Pokud mají palivové články nahradit spalovací motory v těžké dopravě, musí být vyráběny v průmyslové hromadné výrobě, plně automatizovaně a za přijatelnou cenu,“ říká Erwin Groß z oddělení strategie a rozvoje podniku v institutu Fraunhofer IPA.

To se právě podařilo výzkumnému týmu z Fraunhofer IPA a z Centra pro digitalizaci, řízení a udržitelnost Schwarzwald (Campus Schwarzwald) v projektu „H2FastCell“. Robotické duo během jedné sekundy položí bipolární desku nebo membránovou elektrodu na palivové článkové sestavy. Sestava složená z 400 jednotlivých palivových článků je tak hotova již za asi 13 minut. Manuální výroba by na to potřebovala mnohonásobně více času.

Dalším kritériem pro průmyslovou hromadnou výrobu palivových článkových sestav je přesnost. Každá odchylka – ať už v mikrometrech – může snížit výkon celého systému. Proto oba roboti paralelně skládají dvě palivové článkové sestavy. Pokud jejich kamery při kontrole kvality zaznamenají drobné odchylky v tvaru a velikosti, přiřadí bipolární desku nebo membránovou elektrodu ke správné sestavě. „Tento přístup s nejlepším možným zápasem snižuje odpad, který výrobci dosud hlásili,“ říká Friedrich-Wilhelm Speckmann z Centra pro digitalizovanou výrobu bateriových článků v Fraunhofer IPA. Ten vedl výzkumný projekt H2FastCell spolu s Erwinem Großem.

Digitální dvojče dokumentuje vysokorychlostní montáž v reálném čase

Rychlost a přesnost kladou zvláštní nároky na hardware obou robotů a na konstrukci celé buňky. Sací úchyty, které byly speciálně vyvinuty pro tento výzkumný projekt, jsou vyrobeny z uhlíkových vláken vyztuženého plastu, aby hmotnost, kterou je třeba urychlit a zpomalit, byla co nejnižší. Aby se zabránilo vibracím robotů nebo krytu způsobeným rychlými pohyby, stabilizuje těžká podložka konstrukci robotické buňky. Každá vibrace totiž narušuje zobrazování a ztěžuje přesné uchopení a položení. Z tohoto důvodu jsou kamery upevněny samostatně a nejsou spojeny s krytem.

Digitální dvojče, tedy virtuální kopie výroby, dokumentuje vysokorychlostní montáž palivových článkových sestav v reálném čase. S těmito daty lze na jedné straně simulovat, jak se budou chovat hotové sestavy později. Na druhé straně lze s těmito daty provést simulaci, která se používá při kontrole kvality bipolárních desek a membránových elektrod.

Robotická buňka má sloužit firmám jako zkušební stanice

Hotová robotická buňka se nachází na zkušebním poli na kampusu Schwarzwald ve Freudenstadtu a má v budoucnu sloužit především malým a středním podnikům jako zkušební stanice pro testování jejich produktů. „Tím jsme položili základ pro naše budoucí výzkumné centrum pro biointeligentní vodíkovou cirkulaci v Schwarzwaldu,“ říká Stefan Bogenrieder, ředitel kampusu Schwarzwald. „Chceme tak společně s firmami v Bádensku-Württembersku využít vodíkovou technologii pro mobilní i stacionární využití jako zdroj energie.“

Na výzkumném projektu H2FastCell, který právě skončil, se kromě Fraunhofer IPA a kampusu Schwarzwald podílelo pět firem z Bádenska-Württemberska: softwarový vývojář ISG Industrielle Steuerungstechnik GmbH ze Stuttgartu, výrobce vakuové techniky J. Schmalz GmbH z Glatten v severním Schwarzwaldu, výrobce senzorů i-mation GmbH z Rottweil, strojírenský a zařízení výrobce teamtechnik Maschinen und Anlagen GmbH z Freibergu am Neckar a automatizační technik Weiss GmbH z Buchen v Odenwaldu. Ministerstvo hospodářství, práce a turistiky Bádenska-Württemberska podpořilo projekt H2FastCell částkou přibližně 2,3 milionu eur.