A kutatók utat nyitnak az üzemanyagcellák tömeggyártásához

Teljesen automatizált és másodpercek alatt két Deltarobot egy üzemanyagcellát helyez el. © Fraunhofer IPA/Kép: Rainer Bez

A kész robotcella a Freudenstadt-i Schwarzwald Campus kísérleti területén található, és a jövőben elsősorban kis- és középvállalkozások számára fog tesztállomásként szolgálni termékeik kipróbálására. © Fraunhofer IPA/Fotó: Rainer Bez

Ein kutatócsoport a Fraunhofer IPA-tól és a Schwarzwald Campus-tól egy robotcellát épített, amely másodpercek alatt és teljesen automatikusan szereli be az üzemanyagcellákat. Ez alapvető feltétele annak, hogy az üzemanyagcellás rendszerek ára csökkenjen, és a nehéz teherautókban leváltsák a belső égésű motorokat.

egy futószalag szállít bipolar lapokat egy robot látóterébe. A képalkotó szoftvere felismeri az alkatrészt, amelyet üzemanyagcellákba építenek. A robot szívókarmával felveszi a bipolar lapot, majd röviden egy másik kamerába helyezi. Ez a kamera alulról pásztázza a bipolar lapot, rögzíti a pontos méreteket és felismeri a finom szerkezetek felületét – ez egy fontos minőségi jellemző. Ezután a robot a bipolar lapot egy rakásra helyezi. Az egész munkafolyamat két másodpercig tart.

Az egy másodperces időeltolódással egy második robot veszi és helyezi el a membrán-elektróda egységeket. A bipolar lap és a membrán-elektróda egységek – ezekből a rétegekből áll egy üzemanyagcellás egység. A bipolar lapon keresztül vezetjük be a hidrogént és az oxigént. A két kémiai elem reakcióba lép egymással a membrán-elektróda egységben. Mivel eközben csak legfeljebb egy volt feszültség keletkezik, egy például teherautót működtető üzemanyagcellás motorhoz körülbelül 400 üzemanyagcellát kell egymásra rakni egy úgynevezett üzemanyagcellás stack-ben.

Robotpár másodpercek alatt rakja egymásra az üzemanyagcellákat

Eddig az üzemanyagcellás stack-ek gyártására nagy kézi munkaerővel és időigényesen készültek. „Amikor az üzemanyagcelláknak a nehéz teherforgalomban való kiváltására van szükség, akkor azokat ipari tömegtermelésben, nagyrészt automatizálva és költséghatékonyan kell gyártani” – mondja Erwin Groß a Fraunhofer IPA Vállalati Stratégia és Fejlesztés Osztályáról.

Ez pontosan sikerült a Fraunhofer IPA és a Schwarzwald Digitalizációs, Vezetési és Fenntarthatósági Központ (Campus Schwarzwald) kutatócsoportjának a „H2FastCell” projektben. A robotpár másodpercenként egy bipolar lapot vagy membrán-elektróda egységet helyez el az üzemanyagcellás stack-re. Egy 400 egyedi üzemanyagcellából álló stack így már kb. 13 perc alatt kész. A manuális gyártás ennél sokszor hosszabb időt venne igénybe.

Az ipari tömegtermelés egyik másik kritériuma a precizitás. Mert minden eltérés – még mikrométeres szinten is – csökkentheti az üzemanyagcellás rendszer teljesítményét. Ezért a két robot párhuzamosan rakja egymásra a két stack-et. A minőségellenőrzés során kameráik apró eltéréseket észlelnek a formában és méretben, és a bipolar lapot vagy a membrán-elektróda egységet a megfelelő stack-hez rendelik. „Ezzel a legjobb illesztés módszerrel csökkentjük a selejtet, amit eddig a gyártók tapasztaltak” – mondja Friedrich-Wilhelm Speckmann a Fraunhofer IPA Digitális Akkumulátorcellagyártási Központjától. Ő és Erwin Groß vezették a H2FastCell kutatási projektet.

Digitális iker dokumentálja a gyors ütemű összeszerelést valós időben

Gyorsaság és precizitás különleges követelményeket támaszt a két robot hardverével és az egész cella felépítésével szemben. Az erre a kutatási projektre kifejlesztett szívókarmok szénszál-erősített műanyagból készültek, hogy a gyorsuló és fékező tömeg minél kisebb legyen. Annak érdekében, hogy a robotok vagy a burkolat ne rezegjen a gyors mozgások miatt, egy nehéz padlólemez stabilizálja a robotcellát. Mert minden rezgés befolyásolja a képalkotást, és megnehezíti a precíz fogást és helyezést. Ezért a kamerák külön vannak rögzítve, és nem kapcsolódnak a burkolathoz.

Az ún. digitális iker, azaz a gyártás virtuális mása valós időben dokumentálja a gyors ütemű összeszerelést az üzemanyagcellás stack-ekben. Ezek az adatok lehetővé teszik egyrészt, hogy szimulálják, hogyan viselkednek majd a kész stack-ek később. Másrészt pedig ezek az adatok felhasználhatók a minőségellenőrzéshez, például a bipolar lapok és membrán-elektróda egységek vizsgálatára.

Robotcellák szolgálhatnak a vállalatok tesztállomásaként

A kész robotcellát a Schwarzwald Campus kísérleti területén, Freudenstadtban helyezték el, és a jövőben elsősorban kis- és középvállalkozások tesztállomásaként fog működni, hogy tesztelhessék termékeiket. „Ezzel megalapoztuk jövőbeli biointelligens vízenergia-körforgás gazdaság kutatóközpontunkat a Schwarzwaldban” – mondja Stefan Bogenrieder, a Schwarzwald Campus ügyvezető igazgatója. „Célunk, hogy a vízenergia-technológiát közösen a Baden-Württemberg-i vállalatokkal a mobil és állandó energiaátalakítóként hasznosítsuk.”

A H2FastCell kutatásban, amely most zárult, részt vett a Fraunhofer IPA és a Schwarzwald Campus mellett öt Baden-Württemberg-i vállalat: az Stuttgart-i ISG Industrielle Steuerungstechnik GmbH szoftverfejlesztő, a Glatten-i J. Schmalz GmbH vákuumtechnikai gyártó, az Rottweil-i i-mation GmbH érzékelőgyártó, a Freiberg am Neckar-i teamtechnik Maschinen und Anlagen GmbH gép- és berendezésgyártó, valamint a Buchen-i Weiss GmbH automatizálási technikus. Baden-Württemberg Gazdasági, Munkaügyi és Turisztikai Minisztériuma mintegy 2,3 millió euróval támogatta a H2FastCell projektet.