Onderzoekers banen de weg voor massaproductie van brandstofcellen

Volledig geautomatiseerd en in enkele seconden plaatsen twee Deltarobots een brandstofcel. © Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez

De voltooide robotcel bevindt zich op een proefveld van de Schwarzwald-campus in Freudenstadt en zal in de toekomst vooral dienen als testbank voor kleine en middelgrote ondernemingen om hun producten te testen. © Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez

Een onderzoeksteam van het Fraunhofer IPA en van de Schwarzwald Campus heeft een robotcel opgebouwd die brandstofcellen in seconden en volledig geautomatiseerd plaatst. Daarmee is een belangrijke voorwaarde vervuld voor het dalen van de prijzen van brandstofcelsystemen en het vervangen van verbrandingsmotoren in het zwaartransport.

Een lopende band transporteert bipolair platen in het gezichtsveld van een robot. Zijn beeldverwerkingssoftware herkent het onderdeel dat in brandstofcellen wordt verwerkt. Met zijn zuignap neemt de robot de bipolair plaat op en houdt deze kort onder een andere camera. Deze scant de bipolair plaat van onderen, registreert de exacte afmetingen en herkent de structuur van de fijne patronen op de onderzijde – een belangrijk kwaliteitskenmerk. Vervolgens legt de robot de bipolair plaat op een stapel. De gehele werkcyclus duurt twee seconden.

Om een seconde later herkent, grijpt en legt een tweede robot membranen-elektrodeenheden neer. Bipolair plaat en membranen-elektrodeenheden – uit deze twee lagen bestaat een brandstofcel. Via de bipolair plaat worden waterstof en zuurstof toegevoerd. De twee chemische elementen reageren in de membranen-elektrodeenheid. Omdat hierbij slechts een spanning van maximaal één volt ontstaat, moeten voor een brandstofcelsysteem dat bijvoorbeeld een vrachtwagen aandrijft, ongeveer 400 brandstofcellen gestapeld worden tot een zogenaamde brandstofcellenstack.

Robotduo stapelt brandstofcellen in seconden

Tot nu toe worden brandstofcellenstacks op fabrieksmatige wijze vervaardigd, dus met veel handwerk en daarmee tijdrovend. "Als brandstofcellen in het zwaartransport de verbrandingsmotor willen vervangen, moeten ze in industriële massaproductie, grotendeels geautomatiseerd en kosteneffectief worden geproduceerd," zegt Erwin Groß van de afdeling Bedrijfsstrategie en -ontwikkeling van het Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA.

Precies dat is nu gelukt met een onderzoeksteam van het Fraunhofer IPA en het Centrum für Digitalisierung, Führung und Nachhaltigkeit Schwarzwald (Campus Schwarzwald) in het project »H2FastCell«. Per seconde legt het robotduo een bipolair plaat of membranen-elektrodeenheid op de brandstofcellenstack. Een stack, samengesteld uit 400 afzonderlijke brandstofcellen, is dus al na ongeveer 13 minuten voltooid. Handmatige productie zou hiervoor een veelvoud van die tijd vergen.

Een ander criterium voor de industriële massaproductie van brandstofcellenstacks is precisie. Want elke afwijking – zelfs in het micrometerbereik – kan de prestaties van het brandstofcelsysteem verminderen. Daarom stapelen de twee robots parallel twee brandstofcellenstacks op. Registreren hun camera's bij de kwaliteitscontrole kleine afwijkingen in vorm en grootte, dan wijzen ze de bipolair plaat of membranen-elektrodeenheid toe aan de juiste stack. "Met deze best-fit aanpak verminderen we de afvalproductie, waar fabrikanten tot nu toe over klaagden," zegt Friedrich-Wilhelm Speckmann van het Zentrum für Digitalisierte Batteriezellenproduktion van het Fraunhofer IPA. Hij heeft het onderzoeksproject H2FastCell samen met Erwin Groß geleid.

Digitale tweeling documenteert hoogsnelheidsmontage in realtime

Snelheid en precisie stellen bijzondere eisen aan de hardware van de twee robots en de opbouw van de gehele cel. Zo bestaan de speciaal voor het onderzoeksproject ontwikkelde zuignappen uit koolstofvezelversterkt kunststof, zodat de massa die versneld en afgeremd moet worden, zo gering mogelijk is. Om te voorkomen dat de robots of de behuizing door de snelle bewegingen in trilling worden gebracht, stabiliseert een zware onderplaat de robotcel. Elke trilling beïnvloedt namelijk de beeldvorming en bemoeilijkt het precieze grijpen en neerleggen. Om die reden zijn de camera's apart bevestigd en niet met de behuizing verbonden.

Een digitale tweeling, dus een virtueel beeld van de productie, documenteert de hoogsnelheidsmontage van de brandstofcellenstacks in realtime. Met deze gegevens kan men enerzijds simuleren hoe de voltooide stacks later zullen presteren. Anderzijds kunnen met de gegevens simulaties worden uitgevoerd die bij de kwaliteitscontrole van de bipolair platen en membranen-elektrodeenheden worden ingezet.

Robotcel moet bedrijven dienen als testopstelling

De voltooide robotcel bevindt zich op een proefveld van de Schwarzwald Campus in Freudenstadt en moet in de toekomst vooral kleine en middelgrote ondernemingen dienen als testopstelling om hun producten te testen. "Hiermee hebben we de fundering gelegd voor ons toekomstige onderzoekscentrum voor bio-intelligente waterstofkringloop in het Schwarzwald," zegt Stefan Bogenrieder, directeur van de Schwarzwald Campus. "We willen zo de waterstoftechnologie samen met bedrijven in Baden-Württemberg geschikt maken voor mobiele en stationaire toepassingen als energiedrager."

Aan het onderzoeksproject H2FastCell, dat nu is afgerond, waren naast het Fraunhofer IPA en de Schwarzwald Campus vijf bedrijven uit Baden-Württemberg betrokken: de softwareontwikkelaar ISG Industrielle Steuerungstechnik GmbH uit Stuttgart, de vacuümtechniekfabrikant J. Schmalz GmbH uit Glatten in Noord-Schwarzwald, de sensorfabrikant i-mation GmbH uit Rottweil, de machine- en installatiebouwer teamtechnik Maschinen und Anlagen GmbH uit Freiberg am Neckar en de automatiseringstechnicus Weiss GmbH uit Buchen in de Odenwald. Het Ministerie van Economie, Arbeid en Toerisme Baden-Württemberg heeft H2FastCell gefinancierd met ongeveer 2,3 miljoen euro.