Les chercheurs ouvrent la voie à la production de masse de piles à combustible

Complètement automatisé et en quelques secondes, deux robots Deltarobots installent une pile à combustible. © Fraunhofer IPA/Photo : Rainer Bez

La cellule robotique prête se trouve sur un terrain d'essai du campus Schwarzwald à Freudenstadt et doit principalement servir de banc d'essai pour les petites et moyennes entreprises afin de tester leurs produits. © Fraunhofer IPA/Photo : Rainer Bez

Une équipe de recherche du Fraunhofer IPA et du Campus Schwarzwald a mis en place une cellule robotisée qui insère des piles à combustible en quelques secondes, de manière totalement automatisée. Cela constitue une étape essentielle pour faire baisser les prix des systèmes de piles à combustible et pour qu'elles remplacent les moteurs à combustion dans le transport lourd.

Une ligne de production transporte des plaques bipolaires dans le champ de vision d’un robot. Son logiciel de vision par ordinateur reconnaît la pièce, qui est intégrée dans des piles à combustible. Avec son préhenseur à ventouse, le robot saisit la plaque bipolaire et la maintient brièvement devant une autre caméra. Celle-ci scanne la plaque bipolaire par le bas, enregistre ses dimensions précises et détecte la nature des structures fines à l’arrière – une caractéristique de qualité importante. Ensuite, le robot dépose la plaque bipolaire sur une pile. L’ensemble du processus dure deux secondes.

Pour qu’un second robot reconnaisse, saisisse et dépose avec une seconde de décalage temporel des unités électrodes à membrane, la pile à combustible est constituée de deux couches : la plaque bipolaire et l’unité électrode-membrane. La plaque bipolaire permet d’introduire l’hydrogène et l’oxygène. Ces deux éléments chimiques réagissent dans l’unité électrode-membrane. Étant donné que cette réaction ne génère qu’une tension maximale d’un volt, il faut empiler environ 400 piles à combustible pour constituer un « stack » destiné à faire fonctionner un moteur à pile à combustible, par exemple pour un camion.

Du duo de robots à la pile à combustible en quelques secondes

Jusqu’à présent, les stacks de piles à combustible étaient fabriqués de manière artisanale, avec beaucoup de travail manuel et un processus très long. « Lorsqu’on veut que les piles à combustible remplacent les moteurs à combustion dans le transport lourd, elles doivent être produites en grande série, de manière largement automatisée et à un coût réduit », explique Erwin Groß, du département Stratégie et Développement d’Entreprise du Fraunhofer Institut pour la Production Technique et l’Automatisation IPA.

C’est précisément ce que l’équipe de recherche du Fraunhofer IPA et du Centre pour la Digitalisation, la Direction et la Durabilité Schwarzwald (Campus Schwarzwald) a réussi dans le cadre du projet « H2FastCell ». En une seconde, le duo de robots dépose une plaque bipolaire ou une unité électrode-membrane sur le stack. Un stack, composé de 400 piles individuelles, est donc prêt en environ 13 minutes. La production manuelle nécessiterait plusieurs fois plus de temps.

Un autre critère pour la production de masse industrielle des stacks de piles à combustible est la précision. En effet, toute déviation – même au niveau du micromètre – peut réduire la performance du système. C’est pourquoi les deux robots superposent parallèlement deux stacks. Lors du contrôle qualité, si leurs caméras détectent de minuscules écarts de forme ou de taille, elles attribuent la plaque bipolaire ou l’unité électrode-membrane au stack correspondant. « Avec cette approche du meilleur ajustement, nous réduisons le taux de rebuts, ce que les fabricants déploraient jusqu’à présent », explique Friedrich-Wilhelm Speckmann du Centre de production de batteries digitalisées du Fraunhofer IPA. Il a co-dirigé le projet de recherche H2FastCell avec Erwin Groß.

Un jumeau numérique documente l’assemblage à grande vitesse en temps réel

La vitesse et la précision imposent des exigences particulières au matériel des deux robots et à la configuration de toute la cellule. Ainsi, les préhenseurs à ventouse conçus spécifiquement pour le projet de recherche sont fabriqués en plastique renforcé de fibres de carbone, afin de minimiser la masse à accélérer et à freiner. Pour éviter que les robots ou le caisson ne vibrent lors de mouvements rapides, une plaque de sol lourde stabilise la cellule robotique. En effet, chaque vibration perturbe la capture d’image et complique la préhension et le dépôt précis. C’est pourquoi les caméras sont fixées séparément et non reliées au caisson.

Un jumeau numérique, c’est-à-dire une représentation virtuelle de la production, documente l’assemblage à grande vitesse des stacks de piles à combustible en temps réel. Ces données permettent d’une part de simuler le comportement futur des stacks finis, et d’autre part de réaliser une simulation utilisée lors du contrôle qualité des plaques bipolaires et des unités électrode-membrane.

Une cellule robotisée doit servir de banc d’essai aux entreprises

La cellule robotisée finie se trouve sur un terrain d’essai du Campus Schwarzwald à Freudenstadt, et doit à l’avenir principalement servir de banc d’essai pour les petites et moyennes entreprises afin de tester leurs produits. « Nous avons ainsi posé la première pierre de notre futur centre de recherche pour une économie circulaire de l’hydrogène bio-intelligente dans le Schwarzwald », déclare Stefan Bogenrieder, directeur du Campus Schwarzwald. « Nous voulons ainsi rendre la technologie de l’hydrogène accessible pour une utilisation mobile et stationnaire en tant que vecteur d’énergie, en collaboration avec les entreprises de Bade-Wurtemberg. »

Le projet de recherche H2FastCell, qui vient de se terminer, a impliqué, aux côtés du Fraunhofer IPA et du Campus Schwarzwald, cinq entreprises de Bade-Wurtemberg : le développeur de logiciels ISG Industrielle Steuerungstechnik GmbH de Stuttgart, le fabricant de techniques de vide J. Schmalz GmbH de Glatten dans le Nord-Schwarzwald, le producteur de capteurs i-mation GmbH de Rottweil, le constructeur de machines et d’installations teamtechnik Maschinen und Anlagen GmbH de Freiberg am Neckar, et l’automaticien Weiss GmbH de Buchen dans l’Odenwald. Le ministère de l’Économie, du Travail et du Tourisme de Bade-Wurtemberg a financé H2FastCell à hauteur d’environ 2,3 millions d’euros.