Innovatív technológia a tüzelőanyag-cellák minőségellenőrzéséhez

© Campus Schwarzwald

Regeneratív energiával előállított vízgőz egy fontos energiatároló a jövő mobilitásához. A víz- és gáztárolók, amelyek a hidrogént elektromos energiává alakítják, ezért az elkövetkező években gyorsan növekedni fognak. A Fraunhofer IPA és a Schwarzwald Campus kutatói most több ipari partnerrel együttműködve fejlesztenek egy innovatív minőségellenőrzést, amely időt és pénzt takarít meg a gyártás során.

„A hidrogén-üzemű cellák gyártásának automatizálása még gyerekcipőben jár. A gyártás eddig inkább manufaktúra-jellegű volt,” mondja Dr. Friedrich-Wilhelm Speckmann, a Fraunhofer IPA víztechnológiai csoportvezetője. „Ha sikerül az energiaátállás, és különösen a nehéz teherszállításban a zöld hidrogént energiaforrásként használni, akkor minél hamarabb hatékony gyártósorokra és gyors, költséghatékony minőségellenőrzésekre van szükség a cellák, azaz a stackek gyártásában.”

Azonban a minőségellenőrzés eddig a gyártás egyik legnagyobb kihívása volt. A robotok gyorsan és precízen egymásra rakhatják a cellákat, de minden stacket külön mérőeszközökhöz kell csatlakoztatni és ellenőrizni. A FastPeM projektben – amelynek rövidítése „Gyorsított vizsgálati eljárás a tömeggyártáshoz a hidrogén-üzemű cellák esetében” – Speckmann és a Schwarzwald Campus kutatói, valamint ipari partnerek most egy tesztállomás-demonstrátort fejlesztenek, amellyel gyorsan és hatékonyan mérhetők a cellák elektrokémiai tulajdonságai innovatív technológiák segítségével.

„A Schwarzwald Campus ideális helyszín ehhez a projekthez, mert itt éppen egy teljesen automatikus stack-előállító berendezés épül,” hangsúlyozza a kutató. Stefan Bogenrieder, a Schwarzwald Campus ügyvezető igazgatója pedig hozzáteszi: „A Nordschwarzwaldban található intelligens vízgőz-körforgás gazdaság kutatóközpontja előnyöket és szakértelmet fog nyújtani a tömegesen gyártott cellák és stackek terén a régióban és azon túl is.” Örömmel nyugtázza, hogy a FastPEM alprojekt is elindult.

Gyorsított végellenőrzés

A pilotberendezésben egy robotkar rakja egymásra a rétegeket: minden cella két vékony elektródából áll, amelyek között egy membrán található, valamint egy bipoláris tábla, amelyen keresztül később hidrogén és levegő oxigén kerül bevezetésre. Így kb. 15 perc alatt egy kb. 400 cellából álló csomagot lehet összenyomni és összeszorítani. „Mivel ebben a demonstrátorban minden gyártási lépést digitálisan dokumentálunk, rendelkezésünkre áll egy gazdag adatbázis, amit a minőségbiztosításban fel tudunk használni,” mondja Speckmann.

A kész stack ellenőrzése eddig időigényes volt: először meg kell vizsgálni, hogy a rakás szivárgásmentes-e, vagyis nem szivárog-e a nyomás alatt lévő gáz a cellákból. Ezután meg kell határozni a teljesítménygörbét, amelyből kiderül, hogy mely feszültségeknél milyen áramerősség alakul ki. „A FastPeM projektben most azt kutatjuk, hogyan lehet ezeket a folyamatokat optimalizálni, például azzal, hogy összevonjuk a két lépést,” magyarázza a mérnök.

Digitális ikrek segítségével időt takarítunk meg

Ebben kulcsszerepet játszanak a virtuális technikák: a gyártási berendezés és a vizsgálóberendezés érzékelőkkel vannak felszerelve, amelyek valós idejű adatokat szolgáltatnak egy szimulációs modellhez. Ez a Digitális Ikertest, amely így jön létre, nemcsak a folyamatokat, hanem minden alkatrészt részletesen modellezi. Ennek az adathalmaznak az alapján megjósolhatók az egyes cellák és teljes stackek elektrokémiai tulajdonságai. „A virtuálisan számított teljesítményfüggvényeket csak pontszerű mérésekkel kell ellenőrizni. Hosszú mérési sorozatokat így el lehet kerülni, valószínűleg elegendő egyedi méréseket végezni. Ha ezek megfelelnek az előrejelzéseknek, akkor nincs szükség további tesztekre,” magyarázza Speckmann. A sikeres kivitelezés esetén ez jelentősen csökkentheti az időráfordítást.

Azoknak a vállalatoknak, amelyek cellákat gyártanak, ez az időmegtakarítás valódi nyereség lehet. Az eredmények azonban még váratnak magukra: a FastPeM projekt, amely június 1-jén kezdődött, 2027-ig tart. Akkorra kész lesz a tömeggyártásra szánt cella-ellenőrző állomás is.

Rövid összefoglaló

H2BlackForest összesen kb. 7,2 millió euró támogatással

A regionális innovációs képesség fejlesztése és a fenntartható városi és regionális fejlődés támogatása érdekében az Európai Unió regionális politikája összesen 80 millió eurót különített el az Európai Regionális Fejlesztési Alapból (ERFA) a „RegioWIN 2030” verseny keretében. A „H2BlackForest” nevű kutatóközpont, amely a Fraunhofer IPA, a Stuttgarti Egyetem IFF intézete és a Schwarzwald Campus közös projektje, a Nordschwarzwald régió egyik zászlóshajó projektjeként lett elismerve. A projekt támogatási összege 4,8 millió euró a 2021–2027 közötti időszakra. További 2,4 millió euró áll rendelkezésre állami forrásból. A részt vevő partnerek saját hozzájárulásával a teljes kutatási összeg 12 millió eurót tesz ki. A verseny adminisztratív szerve a Mezőgazdasági, Élelmiszer- és Fogyasztóvédelmi Minisztérium (MLR).