Výroba palivových článků zažívá boom – a Schmalz se do toho pouští

Obsluha bipolárních desek (BPP) (Obrázek: J. Schmalz GmbH)

Plochý gripper FLGR s vysokým průtokem pro úplné uchopení citlivých dílů, jako jsou membránové elektrody (MEA) a bipolární desky (BPP) (Obrázek: J. Schmalz GmbH)

Grabbing zařízení pro šetrné zacházení s plynovými difuzními vrstvami (GDL) (Obrázek: J. Schmalz GmbH)

Manipulace s velmi strukturovanými díly s průchody (Obrázek: J. Schmalz GmbH)

Fehlerfreie Handhabung von Folien und Membranen (CCM) (Bild: J. Schmalz GmbH)

Palivové články jsou vážnou možností pro bezemisní mobilitu. Pokud byly dlouhou dobu ztraceny z povědomí veřejnosti, nyní si již vydobývají místo jako průchodná cesta pro strategie nulových emisí. Vývoj hardwaru a automatizované výroby je proto velmi dynamický. Zde zasahuje Schmalz a přizpůsobuje své manipulační systémy neustále se měnícím požadavkům – nové procesní kroky, povrchy a materiály.

Od roku 2001 se začalo v oblasti spalovacích motorů dít něco neklidného. Na veletrhu IAA na začátku 21. století stále více automobilek zaměřovalo pozornost na jejich „modrou“ vizi budoucí mobility: vozidla s pohonem na palivové články. Němečtí výrobci automobilů také vyslali testovací flotily na silnice – tiché, čisté a s několika bezpečnostními opatřeními stejně snadné na obsluhu jako benzinové nebo naftové vozy. Poté se palivové články od veřejnosti odklonily. Po letech podpory elektromobility s bateriemi jako energetickými uložišti se nyní opět dostávají do centra pozornosti uživatelé vodíku. Studie VDE z dubna 2021 definuje „portfolium pohonů budoucnosti“ jako potřeby orientovaný mix: baterie pro osobní vozy, baterie nebo palivové články pro nákladní vozy a E-paliva pro stávající vozy, motorsport a veterány. Tato data shromáždila organizace Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e. V. a oslovila politiky i vedoucí pracovníky z průmyslu. Fakt je: palivové články se etablují a představují šanci pro bezemisnou jízdu a ekonomiku v Německu. Pro efektivní výrobu je třeba také automatizovaných systémů uchopování, které jemně a bezpečně manipulují s různými komponenty a sestavami.

„Palivové články jsou momentálně velmi dynamickým tématem. Především v Německu a Evropě, stejně jako v některých asijských zemích, podporovací programy umožňují vznik nových hráčů a stávající se dále etablovat,“ říká Matthias Müller, vedoucí mezinárodního prodeje a mezinárodního odvětvového a klíčového account managementu ve společnosti J. Schmalz GmbH. Výzvou pro něj a jeho tým je být u všech projektů a zvládnout vysokou míru inovací. „To zvládneme bez problémů – díky našemu odvětvovému managementu. To je naše klíčová pozice, která odhalí relevantní kontakty a profesionálně obsluhuje zákazníky. Za úspěchem stojí velmi úzká spolupráce s našimi prodejními organizacemi. S vysoce inovativními řešeními a silným vývojovým oddělením dokážeme držet krok s dynamikou trhu,“ vysvětluje Müller. Tato síťová propojenost je v regionu Schwarzwald velmi silná: Schmalz již desetiletí spolupracuje s automobilkami a podílí se na národních výzkumných projektech. Cílem je ekonomická sériová výroba palivových článků. „Tady je klíčová automatizace, a právě proto jsme tu my,“ doplňuje Müller. Společnost Schmalz je s širokým portfoliem uchopovačů dobře připravena na tuto roli. Přesto je v oddělení vývoje v Glattenu ještě co zlepšovat. „Dynamika odvětví se odráží v požadavcích na naše konstruktéry a vývojáře: musí neustále přizpůsobovat manipulační systémy měnícím se procesním krokům, dílům a materiálům, stejně jako novým povrchovým strukturám.“

V srdci palivového článku

Pro pochopení toho, co Matthias Müller myslí, pomůže pohled do palivového článku, jehož konstrukce připomíná v zásadě baterii: Elektrolytická vrstva odděluje anodu a katodu a zajišťuje iontový transport. Tato membránová elektroda (MEA) je srdcem každého palivového článku. Navenek je za ní umístěna jedna vrstva pro difuzi plynu, za kterou se zase přimykají bipolární desky.

Systémy, které při výrobě MEA zasahují, musí být obzvlášť jemné k citlivým povrchům a ideálně manipulovat se všemi komponenty. Proto Schmalz kombinuje několik vakuových okruhů a technologií uchopování, aby sekvenčně zachytil katalyticky potaženou membránu, plynové difuzní vrstvy a těsnící rámy. Vysoký objemový průtok a odolná, energeticky úsporná pneumatická vakuová generace pomocí kompaktních jeřábů SCPM zabraňuje zbytkům částic na dílech. „Tímto systémem lze pracovat i v čistých prostorách,“ vysvětluje Müller. Před deformací tenkých fólií chrání plně ploché uchopovací principy, které spojují velký kontakt s povrchem s nízkou úrovní vakua a vysokým objemovým průtokem. Stejně jako při výrobě baterií musí být vakuový expert neustále zajišťovat bezpečné elektrostatické vybíjení – pomocí ESD-kompatibilních kontaktních ploch.

Od BPP po stack

Bipolární desky (BPP) z kovu nebo grafitových materiálů rámují MEA. Jejich úkolem je vést vodík k anodě a kyslík ke katodě, stejně jako odvádět reakční vodu a předávat tepelnou a elektrickou energii. Tvar jejich povrchů ovlivňuje účinnost pozdějšího palivového článku. Výzkum a vývoj jsou proto velmi dynamické. „Naše vývojové týmy musí držet krok s tímto tempem a přizpůsobovat naše uchopovače měnícím se formátům a strukturám,“ zdůrazňuje Müller.

Obecně Schmalz využívá ploché uchopovače pro bezpečné zachycení strukturovaných tokových polí. Dále integrované sací uchopovače zvyšují únosnou příčnou sílu – takže i při vysokém zrychlení zůstává BPP na místě. Plastové části sacích desek a HT1 materiál sacích uchopovačů chrání povrchy před poškozením a chemickými zbytky. Konvexní nebo konkávní tvarované poloviny BPP jsou bezpečně přisávány pomocí bezkontaktního vysavače SBS a díky vysoké síle uchopení jsou pevně drženy. Integrované senzory také jednoznačně identifikují díly. Ty jsou důležité i při sestavování, tedy při spojování MEA, plynových difuzních vrstev a bipolárních desek.

V závislosti na různých komponentách je v tomto výrobním kroku využíváno celé spektrum speciálních uchopovačů od Schmalz: ploché uchopovače FLGR, proudové uchopovače SCG, bezkontaktní vysavače SBS a konvenční vakuové sací uchopovače. Jejich odlišné technologie – ať už ploché nebo bezkontaktní uchopení – udržují nízký tlak na povrchu a povrchy jsou bez kontaminace. Současně drží krok s dynamikou výrobního procesu.

„Požadavky na výrobu palivových článků jsou podobné jako u výroby baterií – pracujeme s podobnými materiály. Jsou tenké, potažené a velmi citlivé. A držíme krok s dynamikou vývoje – jak ve výzkumných projektech, tak v sériové výrobě,“ shrnuje Matthias Müller. Po rozhovoru s vedoucím mezinárodního odvětvového managementu je jasné: ať už jde o „modrou“ vizi automobilek nebo „zelený“ plán politiky – Schmalz modrá bude v automatizované výrobě palivových článků stále zářit.