Forschung zu Montageroboter für BZ-Stacks

Im Projekt „H2FastCell“ entwickelt ein Team vom Fraunhofer IPA und vom Campus Schwarzwald gemeinsam mit einem Industriekonsortium einen Roboter für die automatisierte Hochgeschwindigkeitsmontage von Brennstoffzellenstacks. Das Ziel: ein Stack in etwa 13 Minuten stapeln.

Bis 2023 wollen die Wissenschaftler gemeinsam mit Teams aus fünf Unternehmen eine Roboterzelle entwickeln, die die einzelnen Schichten einer Brennstoffzelle in Sekundenschnelle und mit absoluter Präzision montiert. Konkret soll der Roboter die einzelnen Schichten scannen, während er sie greift. Da er mehrere Stacks parallel stapele, könne er eine Schicht spontan dem Stack zuordnen, auf den die Abmessungen am besten passen, teilt das Fraunhofer IPA (Institut für Produktionstechnik und Automatisierung) mit. „Leistungsminderungen werden dadurch vermieden bevor sie entstehen.“ Der Roboter soll in die Lage versetzt werden, pro Schicht nicht mehr als eine Sekunde zu brauchen. Ein Stack, der aus 400 einzelnen Brennstoffzellen zusammengesetzt ist, wäre also „schon nach etwa 13 Minuten fertig gestapelt“. Manuell würde ein Vielfaches der Zeit benötigt werden.

Kurz zur Einordnung: Ein Brennstoffzellenstack besteht aus aufeinandergestapelten Lagen von Bipolarplatten, über die Wasserstoff und Sauerstoff eingeleitet werden, und Membran-Elektrodeneinheiten, in denen die beiden chemischen Elemente miteinander reagieren. Weil bei dieser Reaktion nur eine Spannung von maximal einem Volt entsteht, müssen für einen Brennstoffzellenmotor, der beispielsweise einen Lastwagen antreiben soll, ungefähr besagte 400 Brennstoffzellen aufeinandergestapelt werden. Dabei ist Präzision gefragt. Denn jede Abweichung – und sei es im Mikrometerbereich – kann die Leistung des Brennstoffzellensystems mindern.

„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 und Erwin Groß von der Abteilung Unternehmensstrategie und -entwicklung am Fraunhofer IPA leiten das Forschungsprojekt.

Bis Sommer 2023 will das Forschungsteam am Campus Schwarzwald in Freudenstadt eine Demonstrator-Stackinganlage aufbauen. Diese Anlage soll Unternehmen für weitere Versuche, Machbarkeitsstudien und Validierungen zur Verfügung gestellt werden. „Wir legen mit diesem ersten Projekt den Grundstein für unser zukünftiges Forschungszentrum für biointelligente Wasserstoff-Kreislaufwirtschaft im Schwarzwald. Damit wollen wir die Wasserstofftechnologie gemeinsam mit Unternehmen in Baden-Württemberg für die mobile und stationäre Nutzung als Energieträger nutzbar machen“, sagt Stefan Bogenrieder, Geschäftsführer des Campus Schwarzwald.

H2FastCell ist Ende Juli 2021 angelaufen und auf zwei Jahre angelegt. Beteiligt sind neben dem Fraunhofer IPA und dem Campus Schwarzwald fünf Unternehmen aus Baden-Württemberg: der Softwareentwickler ISG Industrielle Steuerungstechnik GmbH aus Stuttgart, der Vakuumtechnikhersteller J. Schmalz GmbH aus Glatten im Nordschwarzwald, der Sensorproduzent i-mation GmbH aus Rottweil, der Maschinen- und Anlagenbauer teamtechnik Maschinen und Anlagen GmbH aus Freiberg am Neckar und der Automatisierungstechniker WEISS GmbH aus Buchen im Odenwald. Das Wirtschaftministerium Baden-Württembergs fördert das Projekt mit rund 2,3 Millionen Euro.
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