De waterstofcel bloeit – en Schmalz grijpt toe

Gebruik van bipolar platen (BPP) (Afbeelding: J. Schmalz GmbH)

Vlakgreifer FLGR met hoge volumestroom voor volledig vlak grijpen van gevoelige werkstukken zoals membraan-elektroden-assemblages (MEA) en bipolarplaten (BPP) (Afbeelding: J. Schmalz GmbH)

Kraanhaak voor het zachte hanteren van gasdiffusielaag (GDL) (Afbeelding: J. Schmalz GmbH)

Omgaan met sterk gestructureerde werkstukken met doorbraken (Afbeelding: J. Schmalz GmbH)

Vlekvrije verwerking van folies en membranen (CCM) (Afbeelding: J. Schmalz GmbH)

De brandstofcel is een serieuze oplossing voor emissievrij vervoer. Was hij lange tijd uit beeld verdwenen, vestigt hij zich inmiddels als een haalbare weg voor zero-emissiestrategieën. De ontwikkeling van hardware en geautomatiseerde productie is dan ook zeer dynamisch. Hier grijpt Schmalz in en past zijn handling systemen aan de voortdurend veranderende eisen aan – nieuwe processtappen, oppervlakken en materialen.

Vanaf 2001 werd het onrustig onder de verbrandingsmotoren. Op de IAA's aan het begin van de 21e eeuw richtten steeds meer autofabrikanten hun aandacht op hun 'blauwe' visie van mobiliteit van de toekomst: voertuigen met brandstofcelsystemen. Ook Duitse autofabrikanten stuurden testvloten de weg op – stil, schoon en met inachtneming van enkele veiligheidsmaatregelen net zo eenvoudig in gebruik als benzine- of dieselauto's. Vervolgens verdween de brandstofcel uit de publieke belangstelling. Na jaren van stimulering van elektromobiliteit met batterijen als energieopslag, komen nu opnieuw waterstofgebruikers in de schijnwerpers te staan. In een studie definieert de VDE in april 2021 het 'aandrijvingsportfolio van de toekomst' als een vraaggestuurd mix: batterij voor personenauto's, batterij of brandstofcel voor vrachtwagens en E-fuels voor bestaande voertuigen, motorsport en oldtimers. De vereniging voor Elektrotechniek, Elektronica en Informatietechniek (VDE) ondervroeg daarvoor politici en leidinggevenden uit het bedrijfsleven. Feit is: de brandstofcel vestigt zich en biedt kansen voor emissievrij rijden en de economie in Duitsland. Voor een efficiënte productie zijn ook geautomatiseerde grijpsystemen nodig die de verschillende componenten en modules zacht en veilig hanteren.

“De brandstofcel is momenteel een zeer dynamisch thema. Vooral in Duitsland en Europa, evenals in enkele landen in Azië, zorgen stimuleringsprogramma's voor nieuwe spelers en blijven grote namen zich verder vestigen,” zegt Matthias Müller, hoofd verkoop internationaal en internationaal branche- en key accountmanagement bij J. Schmalz GmbH. De uitdaging voor hem en zijn team is om bij alle projecten betrokken te blijven en het hoge innovatieniveau te kunnen bedienen. “Dat lukt ons probleemloos – dankzij ons branchemanagement. Dit is ons draaipunt dat relevante contacten ontsluit en klanten vakkundig begeleidt. Achter het succes staat de zeer nauwe samenwerking met onze verkooporganisaties. Met hoog innovatieve oplossingen en een sterke ontwikkelingsafdeling kunnen wij de dynamiek op de markt volgen,” legt Müller uit. Het Schwarzwalder bedrijf is dan ook sterk verbonden: Schmalz werkt al decennia samen met autofabrikanten en neemt deel aan nationale onderzoeksprojecten. Het doel: de economische serieproductie van brandstofcellen. “Hier is automatisering cruciaal, en daarmee komen wij in beeld,” voegt Müller toe. Schmalz is met zijn uitgebreide grijperportfolio goed voorbereid op deze rol. En toch is er in de ontwikkelingsafdeling in Glatten nog het nodige te doen. “De dynamiek in de branche weerspiegelt zich in de eisen aan onze ontwerpers en ontwikkelaars: zij moeten de grijpsystemen voortdurend aanpassen aan veranderende productieformaten, werkstukken en -materialen, evenals nieuwe oppervlakkenstructuren.”

In het hart van de brandstofcel

Om te begrijpen wat Matthias Müller bedoelt, helpt een blik in een brandstofcel, waarvan de opbouw in principe lijkt op die van een batterij: Een elektrolytlaag scheidt anode en kathode en zorgt voor het ionentransport. Deze membraan-elektroden-assemblage (MEA) is het hart van elke brandstofcel. Aan de buitenkant bevinden zich telkens een gasdiffusielaag, waartussen zich bipolaire platen schikken.

De systemen die in de fabricage van de MEA's worden gebruikt, moeten bijzonder zacht zijn voor de gevoelige oppervlakken en idealiter alle componenten kunnen hanteren. Daarom combineert Schmalz meerdere vacuümcircuits en grijptechnologieën om de katalysatorbedekte membraan, gasdiffusielaag en afdichtingskader sequentieel op te nemen. Een hoog volumestroom en de slijtage- en energie-efficiënte pneumatische vacuümproductie door de compacte ejectoren SCPM voorkomeneltjes op de werkstukken. “Hiermee kan ons systeem ook in cleanrooms worden ingezet,” legt Müller uit. Voor de vervorming van de dunne folies beschermt het volledige contactprincipe van de vlakke grijper, dat grote oppervlakken contact maakt met een laag vacuumniveau en een hoge volumestroom. Zoals ook in de batterijproductie moet de vacuümexpert voortdurend zorgen voor een veilige elektrostatische ontlading – met behulp van ESD-conforme contactvlakken.

Van BPP tot stapel

Bipolaire platen (BPP) van metaal of grafietmaterialen omlijsten de MEA's. Hun taak: waterstof naar de anode en zuurstof naar de kathode leiden, evenals het afvoeren van het reactiewater en het afgeven van thermische en elektrische energie. De vormgeving van hun oppervlakken beïnvloedt de efficiëntie van de latere brandstofcel. De onderzoeks- en ontwikkelingsactiviteiten zijn dan ook zeer dynamisch. “Onze ontwikkeling moet met dit tempo meegaan en onze grijpers aanpassen aan de veranderende formaten en structuren,” benadrukt Müller.

In principe gebruikt Schmalz vlakke grijpers voor de veilige handling van de gestructureerde flowvelden. Daarnaast verhoogt geïntegreerde zuiggrijpers de toelaatbare dwarskracht – zo blijft de BPP ondanks hoge versnelling op zijn plek. Het kunststof van de zuigplaten en het HT1-materiaal van de zuiggrijpers beschermen de bedekte oppervlakken tegen beschadigingen en chemische resten. Convex of concave gebogen BPP-behuizingen worden veilig aangezogen door de Schwebesauger SBS en met zijn hoge grijpkrachten gelijkmatig getrokken. Ingebouwde sensoren herkennen bovendien de onderdelen eenduidig. Deze zijn ook belangrijk bij de stapelproductie, dus het samenbrengen van de MEA's, gasdiffusielaag en bipolaire platen.

Afhankelijk van de verschillende componenten is het volledige spectrum van speciale grijpers van Schmalz in deze productiestap te vinden: vlakke grijper FLGR, stromingsgrijper SCG, Schwebesauger SBS en conventionele vacuümzuiggrijpers. Hun verschillende technologieën – of het nu volledige of contactloze grijpen betreft – zorgen voor lage oppervlaktedruk en een oppervlak vrij van contaminaties. Tegelijkertijd blijven ze gelijke tred houden met de dynamiek in het productieproces.

“De eisen bij de productie van brandstofcellen zijn vergelijkbaar met die in de batterijproductie – we hanteren hier immers vergelijkbare materialen. Ze zijn dun, gecoat en daardoor uiterst gevoelig. En wij blijven gelijke tred houden met de ontwikkelingsdynamiek – zowel in onderzoeksprojecten als in de serieproductie,” vat Müller samen. Na het gesprek met de leiding van het internationale branchemanagement is duidelijk: of het nu gaat om de 'blauwe' visie van autofabrikanten of het 'groene' plan van de politiek – het Schmalzblauw zal in de geautomatiseerde productie van brandstofcellen steeds weer oplichten.