Innowacyjna technika do kontroli jakości ogniw paliwowych

© Campus Schwarzwald

Wodór wyprodukowany z odnawialnych źródeł energii jest ważnym nośnikiem energii dla przyszłej mobilności. Zapotrzebowanie na stosy ogniw paliwowych, które zamieniają wodór na energię elektryczną, będzie więc gwałtownie rosnąć w najbliższych latach. Naukowcy z Fraunhofer IPA i Kampusu Schwarzwald obecnie wspólnie z wieloma partnerami przemysłowymi opracowują innowacyjną metodę kontroli jakości, która oszczędza czas i pieniądze podczas produkcji.

„Automatyzacja w produkcji stosów ogniw paliwowych nadal jest w fazie rozwoju. Dotychczasowa produkcja ma raczej charakter manufaktury”, relacjonuje dr Friedrich-Wilhelm Speckmann, kierownik grupy ds. technologii wodoru w Fraunhofer IPA. „Jeśli ma się powieść transformacja energetyczna i zwłaszcza w transporcie ciężarowym wodór ma być wykorzystywany jako nośnik energii, potrzebujemy jak najszybciej wydajnych linii produkcyjnych oraz szybkich i tanich metod kontroli jakości stosów ogniw paliwowych.”

Ale właśnie kontrola jakości jest dotychczas wąskim gardłem w produkcji. Roboty mogą szybko i precyzyjnie układać stosy ogniw, ale każdy z nich, zwany stosami, musi być podłączony do różnych urządzeń pomiarowych i sprawdzony. W projekcie FastPeM – skrót od „Przyspieszonego procesu testowania dla masowej produkcji stosów ogniw paliwowych” – Speckmann wraz z badaczami z Kampusu Schwarzwald i partnerami przemysłowymi chce teraz opracować demonstrator stanowiska testowego, który umożliwi szybkie i efektywne określenie właściwości elektrochemicznych stosu za pomocą innowacyjnych technologii.

„Kampus Schwarzwald jest dla tego projektu idealnym miejscem, ponieważ właśnie tu powstaje w pełni automatyczna linia do układania stosów”, podkreśla naukowiec. Stefan Bogenrieder, dyrektor Kampusu Schwarzwald, dodaje: „Centrum badawcze dla inteligentnej gospodarki wodorem w Nordschwarzwald zapewni przedsiębiorstwom i gminom regionu oraz ponadregionalnym korzyści i wiedzę w zakresie masowej produkcji ogniw paliwowych.” Cieszy się, że właśnie ruszyło także podprojekt FastPEM.

Przyspieszone testy końcowe na linii produkcyjnej

W pilotażowej instalacji robot układa warstwy jedna na drugiej: każde ogniwo paliwowe składa się z dwóch cienkich elektrod z membraną pomiędzy nimi oraz z płytki bipolarną, przez którą później podawany jest wodór i tlen z powietrza. W ciągu 15 minut powstaje pakiet z około 400 ogniw, który można zgnieść i napiąć. „Ponieważ w tym demonstratorze każdy etap produkcji jest dokumentowany cyfrowo, mamy dostęp do obszernego zbioru danych, który możemy wykorzystać do zapewnienia jakości”, wyjaśnia Speckmann.

Dotychczasowa kontrola gotowego stosu jest stosunkowo czasochłonna: najpierw trzeba sprawdzić, czy stos jest szczelny lub czy gaz, który jest pod ciśnieniem wprowadzany do ogniw, nie ucieka. Następnie należy określić krzywą wydajności, z której wynika, przy jakim napięciu występuje jaka gęstość prądu. „W projekcie FastPeM chcemy teraz zbadać, jak można zoptymalizować te procesy, na przykład łącząc oba kroki”, wyjaśnia inżynier.

Oszczędność czasu dzięki cyfrowym bliźniakom

Kluczową rolę mają odegrać techniki wirtualne: linia produkcyjna i urządzenie testowe będą wyposażone w czujniki, które będą przesyłać dane pomiarowe w czasie rzeczywistym do modelu symulacyjnego. Cyfrowy bliźniak, który powstanie, będzie szczegółowo odwzorowywał nie tylko procesy, ale także każdy element. Na podstawie tych obszerne danych można będzie prognozować właściwości elektrochemiczne poszczególnych ogniw i całych stosów. „Wirtualnie wyliczone charakterystyki wydajności będą następnie weryfikowane jedynie przez punktowe pomiary. Długie serie pomiarów można w ten sposób uniknąć, wystarczy prawdopodobnie wykonać pojedyncze pomiary. Jeśli będą zgodne z przewidywaniami, nie będzie konieczne wykonywanie dalszych testów”, wyjaśnia Speckmann. Czas można znacznie skrócić przy udanej realizacji.

Dla firm produkujących ogniwa paliwowe ta oszczędność czasu byłaby ogromnym zyskiem. Jednakże uzyskanie wyników jeszcze trochę potrwa: projekt FastPeM, który rozpoczął się 1 czerwca, będzie trwał do 2027 roku. Wtedy ma być gotowa także linia testowa do masowej produkcji stosów ogniw paliwowych.

Profil projektu

H2BlackForest dofinansowany w sumie kwotą około 7,2 miliona euro

W celu rozbudowy regionalnej innowacyjności i wspierania zrównoważonego rozwoju miast i regionów, polityka regionalna Unii Europejskiej przeznaczyła łącznie 80 milionów euro z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego (EFRR) w ramach konkursu „RegioWIN 2030”. Centrum badawcze dla inteligentnej gospodarki wodorem „H2BlackForest” z Fraunhofer IPA, IFF Uniwersytetu w Stuttgarcie i Kampusu Schwarzwald zostało wyróżnione jako projekt flagowy regionu Nordschwarzwald. Na ten cel przeznaczono łącznie 4,8 miliona euro na okres finansowania 2021–2027. Dodatkowe 2,4 miliona euro pochodzi z funduszy krajowych. W sumie, wraz z wkładem własnym partnerów, całkowity zakres badań wynosi 12 milionów euro. Organem administracyjnym konkursu jest Ministerstwo ds. Żywności, Obszarów Wiejskich i Ochrony Konsumentów (MLR).