Los investigadores allanan el camino para la producción masiva de celdas de combustible

Totalmente automatizado y en segundos, dos robots Delta colocan una celda de combustible. © Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez

La celda robotizada terminada se encuentra en un campo de pruebas en el Campus Schwarzwald en Freudenstadt y en el futuro servirá principalmente a pequeñas y medianas empresas como banco de pruebas para probar sus productos. © Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez

Un equipo de investigación del Fraunhofer IPA y del Campus Schwarzwald ha construido una célula robótica que inserta celdas de combustible en segundos y de forma completamente automatizada. Esto cumple con un requisito fundamental para que los precios de los sistemas de celdas de combustible caigan y puedan reemplazar a los motores de combustión en el transporte de carga pesada.

Una cinta transportadora lleva placas bipolares al campo visual de un robot. Su software de visión artificial reconoce la pieza que se instala en las celdas de combustible. Con su agarrador de ventosa, el robot recoge la placa bipolar y la mantiene brevemente frente a otra cámara. Esta escanea la placa bipolar desde abajo, registra las dimensiones exactas y detecta la estructura fina en la parte inferior, un importante criterio de calidad. Luego, el robot coloca la placa bipolar en una pila. Todo el proceso de trabajo dura dos segundos.

Para detectar, agarrar y colocar las unidades de electrodo de membrana con un segundo robot, en un tiempo retrasado de una segundo, se realiza una operación paralela. La placa bipolar y las unidades de electrodo de membrana —de estas dos capas se compone una celda de combustible— se introducen a través de la placa bipolar. Se suministra hidrógeno y oxígeno a través de la placa bipolar. Los dos elementos químicos reaccionan en la unidad de electrodo de membrana. Debido a que solo se genera un voltaje máximo de un voltio, para un motor de celda de combustible que, por ejemplo, impulse un camión, se apilan aproximadamente 400 celdas de combustible en una pila de celdas de combustible conocida como stack.

Dúo de robots apila celdas de combustible en segundos

Hasta ahora, los stacks de celdas de combustible se fabrican de forma artesanal, con mucho trabajo manual y un proceso que requiere mucho tiempo. «Cuando las celdas de combustible deben reemplazar a los motores de combustión en el transporte de carga pesada, deben fabricarse en producción industrial en masa, de manera automatizada y a costos adecuados», dice Erwin Groß, del departamento de Estrategia y Desarrollo Empresarial en el Instituto Fraunhofer para la Tecnología de Producción y Automatización IPA.

Precisamente eso ha logrado un equipo de investigación del Fraunhofer IPA y del Centro para la Digitalización, Liderazgo y Sostenibilidad Schwarzwald (Campus Schwarzwald) en el proyecto «H2FastCell». En un segundo, el dúo de robots coloca una placa bipolar o una unidad de electrodo de membrana en el stack de celdas de combustible. Un stack, compuesto por 400 celdas individuales, está listo en aproximadamente 13 minutos. La producción manual requeriría varias veces más tiempo.

Otro criterio para la producción en masa industrial de stacks de celdas de combustible es la precisión. Porque cualquier desviación —incluso en micrómetros— puede reducir el rendimiento del sistema de celdas de combustible. Por eso, los dos robots apilan paralelamente dos stacks de celdas de combustible. Cuando sus cámaras detectan pequeñas desviaciones en forma y tamaño durante el control de calidad, asignan la placa bipolar o la unidad de electrodo de membrana al stack correspondiente. «Con este enfoque de ajuste perfecto, reducimos los desechos que los fabricantes han estado reportando», dice Friedrich-Wilhelm Speckmann, del Centro de Producción Digitalizada de Baterías en el Fraunhofer IPA. Él dirigió el proyecto de investigación H2FastCell junto con Erwin Groß.

Gemelo digital documenta el montaje de alta velocidad en tiempo real

La velocidad y precisión exigen requisitos especiales para el hardware de ambos robots y la estructura de toda la célula. Así, los agarradores de ventosa desarrollados específicamente para el proyecto de investigación están hechos de plástico reforzado con fibra de carbono, para que la masa que debe acelerarse y frenarse sea lo menor posible. Para evitar que los robots o la carcasa vibren por los movimientos rápidos, una pesada placa base estabiliza la célula robótica. Porque cada vibración afecta la captura de imágenes y dificulta el agarre y la colocación precisos. Por eso, las cámaras están sujetas por separado y no están conectadas a la carcasa.

Un gemelo digital, es decir, una réplica virtual de la producción, documenta en tiempo real el montaje de alta velocidad de los stacks de celdas de combustible. Con estos datos, por un lado, se puede simular cómo se comportarán los stacks terminados en el futuro. Por otro lado, se puede realizar una simulación que se utilice en el control de calidad de las placas bipolares y las unidades de electrodo de membrana.

La célula robótica servirá como banco de pruebas para las empresas

La célula robótica terminada se encuentra en un campo de pruebas del Campus Schwarzwald en Freudenstadt y en el futuro servirá principalmente como banco de pruebas para pequeñas y medianas empresas, para que puedan probar sus productos. «Con esto, hemos sentado las bases para nuestro futuro centro de investigación en economía circular de hidrógeno biointeligente en el Schwarzwald», dice Stefan Bogenrieder, director del Campus Schwarzwald. «Queremos hacer que la tecnología del hidrógeno sea útil para su uso móvil y estacionario en colaboración con las empresas de Baden-Württemberg.»

En el proyecto de investigación H2FastCell, que ya ha finalizado, participaron además del Fraunhofer IPA y del Campus Schwarzwald, cinco empresas de Baden-Württemberg: el desarrollador de software ISG Industrielle Steuerungstechnik GmbH de Stuttgart, el fabricante de tecnología de vacío J. Schmalz GmbH de Glatten en la región del Norte de Schwarzwald, el productor de sensores i-mation GmbH de Rottweil, el fabricante de maquinaria y equipos de producción teamtechnik Maschinen y Anlagen GmbH de Freiberg am Neckar y el técnico en automatización Weiss GmbH de Buchen en Odenwald. El Ministerio de Economía, Trabajo y Turismo de Baden-Württemberg financió H2FastCell con aproximadamente 2,3 millones de euros.