I ricercatori aprono la strada alla produzione di massa di celle a combustibile

Completamente automatizzato e in pochi secondi, due robot Deltarobot installano una cella a combustibile. © Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez

La cella robotica finita si trova in un campo di prova del Campus Schwarzwald a Freudenstadt e dovrebbe in futuro servire principalmente alle piccole e medie imprese come banco di prova, per testare i loro prodotti. © Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez

Un team di ricerca dell'Istituto Fraunhofer IPA e del Campus Schwarzwald ha realizzato una cella a combustibile che inserisce le celle a combustibile in pochi secondi e in modo completamente automatizzato. Questo rappresenta una condizione essenziale affinché i prezzi dei sistemi a celle a combustibile diminuiscano e possano sostituire i motori a combustione nel trasporto pesante.

Una linea di produzione trasporta le piastre bipolari nel campo visivo di un robot. Il suo software di elaborazione delle immagini riconosce il componente installato nelle celle a combustibile. Con il suo presa a ventosa, il robot prende la piastra bipolare e la tiene brevemente davanti a un'altra telecamera. Questa scansiona la piastra bipolare dall'alto, rileva le dimensioni esatte e riconosce le caratteristiche delle strutture fini sul lato inferiore – un importante elemento di qualità. Successivamente, il robot posiziona la piastra bipolare su un mucchio. L'intero processo richiede due secondi.

Per un secondo di ritardo, un secondo robot riconosce, afferra e posiziona le unità di elettrodi a membrana. La piastra bipolare e le unità di elettrodi a membrana – di questi due strati è composta una cella a combustibile. Attraverso la piastra bipolare vengono introdotti idrogeno e ossigeno. I due elementi chimici reagiscono tra loro nell'unità di elettrodi a membrana. Poiché si genera solo una tensione massima di un volt, per un motore a celle a combustibile, ad esempio per un camion, sono necessari circa 400 celle a combustibile impilate in un cosiddetto stack di celle a combustibile.

Duetto di robot impila celle a combustibile in pochi secondi

Finora, gli stack di celle a combustibile sono prodotti in modo artigianale, con molta manodopera e tempi lunghi. «Se le celle a combustibile devono sostituire i motori a combustione nel trasporto pesante, devono essere prodotte in serie industriale, in modo largamente automatizzato e a costi contenuti», afferma Erwin Groß del dipartimento di Strategia e Sviluppo Aziendale dell'Istituto Fraunhofer per la Tecnologia di Produzione e Automazione IPA.

Proprio questo è stato possibile grazie a un team di ricerca dell'Istituto Fraunhofer IPA e del Centro per la Digitalizzazione, la Leadership e la Sostenibilità Schwarzwald (Campus Schwarzwald) nel progetto «H2FastCell». Il duo di robot posiziona una piastra bipolare o un'unità di elettrodi a membrana sullo stack di celle a combustibile in un secondo. Uno stack, composto da 400 singole celle a combustibile, è quindi pronto in circa 13 minuti. La produzione manuale richiederebbe molte volte più tempo.

Un altro criterio per la produzione di massa industriale di stack di celle a combustibile è la precisione. Ogni deviazione – anche di pochi micrometri – può ridurre le prestazioni del sistema a celle a combustibile. Per questo motivo, i due robot impilano in parallelo due stack di celle a combustibile. Se le loro telecamere rilevano deviazioni minime nella forma e nelle dimensioni durante il controllo di qualità, associano la piastra bipolare o l'unità di elettrodi a membrana allo stack corrispondente. «Con questo approccio di adattamento ottimale, riduciamo lo scarto che finora lamentavano i produttori», afferma Friedrich-Wilhelm Speckmann del Centro per la Produzione di Batterie Digitalizzate dell'Istituto Fraunhofer IPA. Ha guidato il progetto di ricerca H2FastCell insieme a Erwin Groß.

Gemello digitale documenta il montaggio ad alta velocità in tempo reale

Velocità e precisione pongono requisiti particolari all'hardware dei due robot e alla struttura dell'intera cella. Le pinze a ventosa sviluppate appositamente per il progetto di ricerca sono realizzate in plastica rinforzata con fibra di carbonio, per ridurre al minimo la massa da accelerare e frenare. Per evitare che i robot o la cabina vibrino a causa dei rapidi movimenti, una pesante piastra di base stabilizza la cella robotica. Ogni vibrazione compromette l'imaging e rende più difficile afferrare e posizionare con precisione. Per questo motivo, le telecamere sono fissate separatamente e non sono collegate alla cabina.

Un gemello digitale, cioè una rappresentazione virtuale della produzione, documenta in tempo reale il montaggio ad alta velocità degli stack di celle a combustibile. Con questi dati, si può simulare come si comporteranno gli stack finiti in futuro. Inoltre, i dati consentono di eseguire simulazioni utilizzate nel controllo qualità delle piastre bipolari e delle unità di elettrodi a membrana.

La cella robotizzata dovrebbe servire come banco di prova per le aziende

La cella robotizzata finita si trova in un campo di prova del Campus Schwarzwald a Freudenstadt e dovrebbe in futuro servire principalmente alle piccole e medie imprese come banco di prova per testare i loro prodotti. «Abbiamo posto le basi per il nostro futuro centro di ricerca sulla circolazione dell'idrogeno biointelligente nel Schwarzwald», afferma Stefan Bogenrieder, amministratore delegato del Campus Schwarzwald. «Vogliamo rendere possibile, insieme alle aziende, l'utilizzo della tecnologia dell'idrogeno per usi mobili e stazionari come vettore energetico.»

Il progetto di ricerca H2FastCell, ormai concluso, ha coinvolto oltre all'Istituto Fraunhofer IPA e al Campus Schwarzwald cinque aziende della Baden-Württemberg: lo sviluppatore di software ISG Industrielle Steuerungstechnik GmbH di Stoccarda, il produttore di tecnologia a vuoto J. Schmalz GmbH di Glatten nel Nord Schwarzwald, il produttore di sensori i-mation GmbH di Rottweil, il costruttore di macchine e impianti teamtechnik Maschinen und Anlagen GmbH di Freiberg am Neckar e l'automazione Weiss GmbH di Buchen nell'Odenwald. Il Ministero dell'Economia, del Lavoro e del Turismo della Baden-Württemberg ha finanziato H2FastCell con circa 2,3 milioni di euro.