Naukowcy torują drogę do masowej produkcji ogniw paliwowych

Kompletnie zautomatyzowane i w ciągu sekund dwa roboty Deltarobota wkładają ogniwo paliwowe. © Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez

Gotowa komórka robotyczna znajduje się na polu testowym kampusu Schwarzwald w Freudenstadt i ma służyć przede wszystkim małym i średnim przedsiębiorstwom jako stanowisko testowe do sprawdzania ich produktów. © Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez

Zespół badawczy z Fraunhofer IPA i z Kampusu Schwarzwald zbudował komórkę robotyczną, która w ciągu sekund i w pełni automatycznie montuje ogniwa paliwowe. Tym samym spełnione zostały kluczowe warunki dla obniżenia cen systemów ogniw paliwowych i ich zastąpienia silników spalinowych w transporcie ciężkim.

Taśma produkcyjna transportuje bipolarowe płyty w pole widzenia robota. Jego oprogramowanie do przetwarzania obrazów rozpoznaje element, który jest montowany w ogniwach paliwowych. Za pomocą chwytaka ssącego robot podnosi bipolarową płytę i na chwilę zatrzymuje ją przed kolejną kamerą. Ta skanuje płytę od dołu, rejestruje dokładne wymiary i rozpoznaje strukturę drobnych elementów na spodniej stronie – co jest istotnym kryterium jakości. Następnie robot kładzie bipolarową płytę na stosie. Cały cykl pracy trwa dwie sekundy.

Aby w czasie jednej sekundy drugi robot rozpoznawał, chwytał i odkładał jednostki membranowo-elektrodowe, stosując opóźnienie czasowe. Bipolarowa płyta i jednostki membranowo-elektrodowe – z tych dwóch warstw składa się ogniwo paliwowe. Przez bipolarową płytę wprowadza się wodór i tlen. Dwa chemiczne składniki reagują ze sobą w jednostce membranowo-elektrodowej. Ponieważ podczas tego procesu powstaje tylko napięcie maksymalnie jednego volta, do zasilania silnika ogniwa paliwowego, na przykład napędzającego ciężarówkę, konieczne jest ułożenie około 400 ogniw w tzw. stos ogniw paliwowych.

Roboty układają ogniwa paliwowe w sekundę

Dotychczas stosowano ręczną produkcję stosów ogniw paliwowych, co jest czasochłonne i wymaga dużej pracy ręcznej. „Jeśli ogniwa paliwowe mają zastąpić silniki spalinowe w transporcie ciężkim, muszą być produkowane na skalę przemysłową, w dużej mierze zautomatyzowane i kosztowo efektywne”, mówi Erwin Groß z działu Strategii i Rozwoju Korporacyjnego w Instytucie Fraunhofer IPA.

Dokładnie to udało się zespołowi badawczemu z Fraunhofer IPA i Centrum Digitalizacji, Przywództwa i Zrównoważonego Rozwoju Schwarzwald (Campus Schwarzwald) w ramach projektu „H2FastCell”. Roboty układają w ciągu sekundy bipolarową płytę lub jednostkę membranowo-elektrodową na stosie ogniw paliwowych. Stos złożony z 400 pojedynczych ogniw jest gotowy już po około 13 minutach. Produkcja ręczna zajęłaby na to wielokrotnie więcej czasu.

Kolejnym kryterium dla przemysłowej masowej produkcji stosów ogniw paliwowych jest precyzja. Każde odchylenie – nawet w mikrometrach – może obniżyć wydajność systemu ogniw paliwowych. Dlatego oba roboty równocześnie układają dwa stosy ogniw paliwowych. Kamery podczas kontroli jakości wykrywają drobne odchylenia w kształcie i rozmiarze, przyporządkowując bipolarową płytę lub jednostkę membranowo-elektrodową do odpowiedniego stosu. „Dzięki temu podejściu typu ‚best-fit’ zmniejszamy odpad, na który narzekają producenci”, mówi Friedrich-Wilhelm Speckmann z Centrum Zdigitalizowanej Produkcji Akumulatorów w Fraunhofer IPA. Kierował on projektem badawczym H2FastCell razem z Erwinem Großem.

Cyfrowy bliźniak dokumentuje montaż w wysokiej prędkości w czasie rzeczywistym

Szybkość i precyzja stawiają szczególne wymagania wobec sprzętu obu robotów i konstrukcji całej komórki. Chwytaki ssące specjalnie opracowane na potrzeby projektu badawczego wykonano z tworzywa wzmocnionego włóknem węglowym, aby masa przyspieszania i hamowania była jak najmniejsza. Aby zapobiec drganiom robotów lub osłony spowodowanym szybkim ruchami, stabilizuje je ciężka płyta podłogowa. Każde drganie zakłóca obrazowanie i utrudnia precyzyjne chwytanie i odkładanie. Dlatego kamery są zamocowane oddzielnie i nie są połączone z osłoną.

Cyfrowy bliźniak, czyli wirtualny obraz produkcji, dokumentuje montaż stosów ogniw paliwowych z dużą prędkością w czasie rzeczywistym. Dane te pozwalają z jednej strony symulować, jak będą się zachowywać gotowe stosy w przyszłości. Z drugiej strony, na podstawie tych danych można przeprowadzić symulację, która wspiera kontrolę jakości bipolarowych płyt i jednostek membranowo-elektrodowych.

Komórka robotyczna ma służyć firmom jako stanowisko testowe

Gotowa komórka robotyczna znajduje się na polu doświadczalnym Kampusu Schwarzwald w Freudenstadt i ma w przyszłości służyć głównie małym i średnim przedsiębiorstwom jako stanowisko testowe do sprawdzania ich produktów. „Położyliśmy tym fundament pod nasze przyszłe Centrum Badawcze dla biointeligentnej gospodarki wodorem w Schwarzwaldzie”, mówi Stefan Bogenrieder, dyrektor zarządzający Kampusu Schwarzwald. „Chcemy wspólnie z firmami z Badenii-Wirtembergii uczynić technologię wodoru użyteczną zarówno w transporcie mobilnym, jak i stacjonarnym jako nośnik energii.”

W projekcie badawczym H2FastCell, który właśnie się zakończył, oprócz Fraunhofer IPA i Kampusu Schwarzwald uczestniczyło pięć firm z Badenii-Wirtembergii: deweloper oprogramowania ISG Industrielle Steuerungstechnik GmbH z Stuttgartu, producent techniki próżniowej J. Schmalz GmbH z Glatten w północnym Schwarzwaldzie, producent czujników i-mation GmbH z Rottweil, producent maszyn i urządzeń teamtechnik Maschinen und Anlagen GmbH z Freibergu nad Neckarem oraz technik automatyzacji Weiss GmbH z Buchen w Odenwaldzie. Ministerstwo Gospodarki, Pracy i Turystyki Badenii-Wirtembergii dofinansowało projekt H2FastCell kwotą około 2,3 miliona euro.