Wasserstoff Brennstoffzellenstacks in Serie fertigen

Autor: Thomas Günnel

Brennstoffzellen herzustellen ist teuer, vor allem die Produktion der Stacks ist aufwendig. Das Fraunhofer IPA forscht mit sechs weiteren Unternehmen an einer schnellen, automatisierten Fertigung der Komponenten.

Firmen zum Thema

Die dünne Kunststofffolie in der Mitte ist die „Protonen-Austausch-Membran“. Die Membran ist beidseitig beschichtet mit einer Katalysatorschicht und einer gasdurchlässigen Elektrode. Umgeben ist die Membran von zwei so genannten Bipolarplatten, in die Gaskanäle eingefräst sind. Durch die Gaskanäle strömt auf der einen Seite Wasserstoff und auf der anderen Seite Sauerstoff. Viele dieser einzelnen hintereinander geschalteten Brennstoffzellen ergeben einen Brennstoffzellen-Stapel (Stack).
Die dünne Kunststofffolie in der Mitte ist die „Protonen-Austausch-Membran“. Die Membran ist beidseitig beschichtet mit einer Katalysatorschicht und einer gasdurchlässigen Elektrode. Umgeben ist die Membran von zwei so genannten Bipolarplatten, in die Gaskanäle eingefräst sind. Durch die Gaskanäle strömt auf der einen Seite Wasserstoff und auf der anderen Seite Sauerstoff. Viele dieser einzelnen hintereinander geschalteten Brennstoffzellen ergeben einen Brennstoffzellen-Stapel (Stack).
(Bild: Daimler)

Das Fraunhofer IPA, der Campus Schwarzwald und fünf Industrieunternehmen entwickeln eine Roboterzelle für die automatisierte Fertigung von Brennstoffzellenstacks. Das heißt konkret: Teams aus insgesamt sieben Unternehmen wollen bis 2023 eine Roboterzelle entwickeln, die die einzelnen Schichten einer Brennstoffzelle „in Sekundenschnelle und mit absoluter Präzision montiert“, teilt das Fraunhofer IPA mit. Die einzelnen Schichten sind: Bipolarplatten, über die Wasserstoff und Sauerstoff eingeleitet werden; und die Membran-Elektrodeneinheiten, in denen die beiden chemischen Elemente miteinander reagieren.

Weil bei dieser Reaktion nur maximal ein Volt Spannung entsteht, müssen für den Antrieb eines Elektromotors ungefähr 400 Brennstoffzellen exakt aufeinandergestapelt werden.

Rund 13 Minuten für eine Brennstoffzelle

Der Montageroboter, der im Forschungsprojekt „H2FastCell“ das sogenannte Stacking , das Aufeinanderstapeln, übernehmen soll, wird laut Fraunhofer die einzelnen Schichten scannen, während er sie greift. Da er mehrere Stacks parallel stapelt, kann er eine Schicht spontan dem Stack zuordnen, auf den die Abmessungen am besten passen. Das vermeidet Leistungsminderungen der Brennstoffzelle, die bereits bei einer Abweichung im Mikrometerbereich auftreten können.

Das alles soll so schnell geschehen, „dass es für Menschen schwer sein wird, die einzelnen Montageschritte mit bloßem Auge mitzuverfolgen“: Eine Sekunde pro Schicht planen die Projektpartner. Ein Stack, der aus 400 einzelnen Brennstoffzellen zusammengesetzt ist, wäre dann nach etwa 13 Minuten fertig gestapelt.

Demonstrator-Anlage im Schwarzwald

Bis zum Sommer 2023 will das Forschungsteam am Campus Schwarzwald in Freudenstadt eine Demonstrator-Stackinganlage für die automatisierte Brennstoffzellenmontage aufgebaut haben. Diese Anlage soll Unternehmen für Versuche, Machbarkeitsstudien und Validierungen dienen. Und: „Wir legen mit diesem ersten Projekt den Grundstein für unser künftiges Forschungszentrum für biointelligente Wasserstoff-Kreislaufwirtschaft im Schwarzwald“, beschreibt Stefan Bogenrieder, Geschäftsführer des Campus Schwarzwald. Der Campus Schwarzwald ist das regionale Zentrum für Lehre, Forschung und Technologietransfer der Maschinenbau- und produzierenden Industrie.

Preise für Brennstoffzellen reduzieren

Gelingt das Projekt, könnten die Herstellkosten für Brennstoffzellen sinken; und somit die Preise für die Brennstoffzellen selbst. „Wenn der Durchsatz der Stacks derart erhöht wird, ist damit die Grundlage für die industrielle Massenproduktion von Brennstoffzellen gelegt. Die Preise würden fallen und der Einsatz von Brennstoffzellen in mobilen Schwerlastanwendungen wäre endgültig wettbewerbsfähig“, sagt Friedrich-Wilhelm Speckmann vom Zentrum für digitalisierte Batteriezellenproduktion am Fraunhofer IPA. Er leitet gemeinsam mit Erwin Groß, Unternehmensstrategie und -entwicklung am Fraunhofer IPA, das Forschungsprojekt.

Start für das Forschungsprojekt war Ende Juli 2021, es läuft zwei Jahre. Beteiligt sind neben dem Fraunhoferr-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA und dem Campus Schwarzwald fünf Unternehmen aus Baden-Württemberg:

  • der Softwareentwickler ISG Industrielle Steuerungstechnik aus Stuttgart
  • der Vakuumtechnikhersteller J. Schmalz aus Glatten im Nordschwarzwald
  • der Sensorproduzent I-Mation aus Rottweil
  • der Maschinen- und Anlagenbauer Teamtechnik Maschinen und Anlagen aus Freiberg am Neckar
  • und der Automatisierungstechniker Weiss aus Buchen im Odenwald

Neben der Hardware soll ein digitaler Zwilling im Montageprozess entstehen. Weitere Projektziele sind das Identifizieren und Erfassen von Qualitätsmerkmalen und Prozess-Einflussgrößen vor der Montage. Außerdem soll für die Qualitässicherung eine Stack-Performance-Testeinheit für die montierten Stacks entstehen, die ein elektrochemisches Qualitätsmodell für die Prozessvalidierung beinhaltet. „Die Art von Produktionsanlagen die im Projekt entstehen soll ist derzeit nicht auf dem Markt verfügbar. Das bedeutet, dass auch das Design der Bauteile für eine automatisierungsgerechte Konstruktion optimiert werden muss“, beschreibt das Institut.

Smart Factory Day

Der Smart Factory Day bringt die Produktionsexperten zusammen – dieses Jahr wieder persönlich! Die Legendenhalle in Stuttgart und die Factory 56 von Daimler bilden den passenden Rahmen für den Experten-Austausch: zu Digitalisierung und Effizienzsteigerung in der Automobilindustrie, höherer Flexibilität, Auslastung und Qualität und neuen Arbeitswelten. Diskutieren Sie mit!

Alle Informationen zur Veranstaltung

Das Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Tourismus Baden-Württemberg fördert das Projekt mit rund 2,3 Millionen Euro; das gesamte Projektvolumen beläuft sich auf rund drei Millionen Euro. Für die „Gegenseite“, das Erzeugen von Wasserstoff, forschen seit dem Frühjahr 2021 mehrere Fraunhofer-Institute an einer Referenzfabrik für die Serienfertigung von Elektrolyseuren.

(ID:47615251)

Über den Autor

 Thomas Günnel

Thomas Günnel

Fachjournalist, Redaktion AUTOMOBIL INDUSTRIE