Innovatieve technologie voor de kwaliteitscontrole van brandstofcellen

© Campus Zwarte Woud

Waterstof geproduceerd met behulp van regeneratieve energie is een belangrijke energiedrager voor de mobiliteit van de toekomst. De vraag naar brandstofcellen-assemblages die waterstof omzetten in elektrische energie zal de komende jaren dan ook snel toenemen. Onderzoekers van het Fraunhofer IPA en het Campus Schwarzwald ontwikkelen nu samen met meerdere industriële partners een innovatieve kwaliteitscontrole die tijd en geld bespaart bij de productie.

»De automatisering bij de productie van brandstofcellen staat nog in de kinderschoenen. Tot nu toe heeft de productie meer een ambachtelijk karakter«, vertelt Dr. Friedrich-Wilhelm Speckmann, groepsleider waterstoftechnologie bij het Fraunhofer IPA. »Als de energietransitie succesvol moet zijn en vooral in het zwaartransport groene waterstof als energiedrager gebruikt moet worden, dan hebben we zo snel mogelijk efficiënte productielijnen nodig, evenals snelle en kosteneffectieve kwaliteitscontroles voor brandstofcellen-assemblages.«

Maar juist de kwaliteitscontrole is tot nu toe de bottleneck in de productie. Robots kunnen brandstofcellen wel snel en nauwkeurig stapelen, maar daarna moet elke stapel, de zogenoemde stack, worden aangesloten op verschillende meetapparaten en gecontroleerd. In het project FastPeM – de afkorting staat voor »Versneld testproces voor massaproductie van brandstofcellen-assemblages« – wil Speckmann samen met onderzoekers van het Campus Schwarzwald en industriële partners nu een testbank-demonstrator ontwikkelen, waarmee de elektrochemische eigenschappen van een stack snel en efficiënt kunnen worden vastgesteld met behulp van innovatieve technologieën.

»Het Campus Schwarzwald is de ideale locatie voor dit project, omdat hier momenteel een volledig geautomatiseerde stapelinstallatie wordt opgebouwd«, benadrukt de onderzoeker. En Stefan Bogenrieder, algemeen directeur van het Campus Schwarzwald, voegt toe: »Het onderzoekscentrum voor intelligente waterstofkringloopwirtschaft in Noord-Schwarzwald zal regionale en supraregionale bedrijven en gemeenten voordelen en expertise bieden op het gebied van massale productie van brandstofcellen.« Hij is blij dat ook het deelproject FastPEM nu van start is gegaan.

Versneld eindproductietestproces

In de pilotinstallatie stapelt een robotarm de lagen op elkaar: elke brandstofcel bestaat uit twee dunne elektroden met een membraan daartussen en een bipolair plaat, door de later waterstof en zuurstof worden toegevoerd. Binnen 15 minuten ontstaat zo een pakket van ongeveer 400 cellen, dat kan worden samengeperst en gespannen. »Omdat in deze demonstrator elke productiestap digitaal wordt gedocumenteerd, hebben we een uitgebreide databank tot onze beschikking die we kunnen gebruiken voor de kwaliteitsborging«, zegt Speckmann.

De controle van een voltooide stack is tot nu toe relatief tijdrovend: eerst moet worden getest of de stapel dicht is of dat gas dat onder druk in de cellen stroomt, ontsnapt. Vervolgens moet de prestatiecurve worden bepaald, waaruit blijkt bij welke spanningen welke stroomdichtheid optreedt. »In het FastPeM-project willen we nu onderzoeken hoe deze processen kunnen worden geoptimaliseerd door bijvoorbeeld beide stappen samen te voegen«, legt de ingenieur uit.

Met digitale tweelingen tijd besparen

Een sleutelrol moeten virtuele technieken spelen: de productielijn en testinrichting worden uitgerust met meetapparatuur die sensordata in realtime in een simulatiemodel invoert. De digitale tweeling die zo ontstaat, vormt niet alleen de processen, maar ook elk onderdeel gedetailleerd af. Op basis van deze uitgebreide dataset kunnen de elektrochemische eigenschappen van individuele cellen en volledige stacks worden voorspeld. »De virtueel berekende prestatiekenlijnen hoeven alleen nog door gerichte metingen te worden gecontroleerd. Lange meetreeksen kunnen op deze manier worden voorkomen; vermoedelijk volstaat het om enkele metingen uit te voeren. Als deze overeenkomen met de voorspellingen, zijn geen verdere tests meer nodig«, legt Speckmann uit. De tijdsinspanning kan bij succesvolle uitvoering aanzienlijk worden verminderd.

Voor bedrijven die brandstofcellen produceren, zou deze tijdswinst een echte winst betekenen. Het zal echter nog enige tijd duren voordat de resultaten beschikbaar zijn: het FastPeM-project, dat op 1 juni is begonnen, loopt tot 2027. Daarna moet ook de testbank voor de massaproductie van brandstofcellen-assemblages gereed zijn.

Kenmerken

H2BlackForest met in totaal ongeveer 7,2 miljoen euro gefinancierd

Voor de uitbreiding van de regionale innovatiekracht en ter bevordering van een duurzame stads- en regionale ontwikkeling stelt het Europees Fonds voor Regionale Ontwikkeling (EFRE) in het kader van de wedstrijd »RegioWIN 2030« in totaal 80 miljoen euro beschikbaar. Het onderzoekscentrum voor intelligente waterstofkringloopwirtschaft »H2BlackForest« van het Fraunhofer IPA, het IFF van de Universiteit Stuttgart en het Campus Schwarzwald is daarin erkend als een vlaggenschipproject van de regio Noord-Schwarzwald. In totaal is 4,8 miljoen euro toegekend voor de subsidieperiode 2021–2027. Daarnaast wordt nog eens 2,4 miljoen euro aangevuld uit staatsmiddelen. Samen met de eigen bijdragen van de betrokken partners komt de totale onderzoeksomvang op 12 miljoen euro. De bestuursautoriteit van de wedstrijd is het ministerie voor Voedselvoorziening, Landbouw en Consumentenbescherming (MLR).