Montage in Hochgeschwindigkeit - Kommt jetzt die Massenproduktion von Brennstoffzellen?

© Fraunhofer IPA, Rainer Bez

Stuttgart – Die Nutzung und der Einsatz von Brennstoffzellen ist in vielen Anwendungssektoren im Aufwind. Um das große Kostensenkungspotenzial zu nutzen, ist eine industrielle Fertigung mit einem hohen Automatisierungsgrad notwendig. Forschende in Deutschland haben nun eine Grundlage für die industrielle Massenproduktion gelegt.

Ein Forschungsteam vom Fraunhofer IPA und vom Campus Schwarzwald entwickelt gemeinsam mit einem Industriekonsortium eine Roboterzelle für die automatisierte Hochgeschwindigkeitsmontage von Brennstoffzellenstacks. Die Preise für Brennstoffzellen könnten daher schon bald fallen.

Herstellung von Brennstoffzellen erfordert effiziente Taktzeiten und absolute Präzision
Das große Ziel in der Herstellung von Brennstoffzellen ist es, die Fertigungskosten zu reduzieren, um den Einsatz dieser Technologie wirtschaftlicher zu machen. Das kann allerdings nur durch Skalierungseffekte erreicht werden und bedeutet vollautomatisierte Anlagen mit entsprechend hohen Kapazitäten. Momentan ist diese Art von Produktionsanlagen auf dem Markt noch nicht verfügbar und auch das Design der Bauteile muss für eine automatisierungsgerechte Konstruktion noch optimiert werden.
Forschende vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA sowie vom Centrum für Digitalisierung, Führung und Nachhaltigkeit Schwarzwald (Campus Schwarzwald) wollen diese Herausforderung im Projekt „H2FastCell“ lösen.

Stacking: Fertiger Brennstoffzellen-Stack in 13 Minuten
Ein Brennstoffzellenstack besteht aus aufeinandergestapelten Lagen von Bipolarplatten und Membran-Elektrodeneinheiten. Weil der chemischen Reaktion nur eine Spannung von maximal einem Volt entsteht, müssen für einen Brennstoffzellenmotor, der beispielsweise einen Lastwagen antreiben soll, ungefähr 400 Brennstoffzellen aufeinandergestapelt werden. Dabei ist Präzision gefragt, denn jede Abweichung – und sei es im Mikrometerbereich – kann die Leistung des Brennstoffzellensystems mindern.

Als Stacking wird das Aufeinanderstapeln von Bipolarplatten und Membran-Elektrodeneinheiten im Wechsel bezeichnet. Der Montageroboter, der im Forschungsprojekt H2FastCell eingesetzt wird, kann eine Schicht scannen und spontan einem Stack zuordnen, der von den Abmessungen am besten passt. Leistungsminderungen werden dadurch vermieden bevor sie entstehen. Der Montageroboter schafft eine Schicht pro Sekunde. Ein Stack, der aus 400 einzelnen Brennstoffzellen zusammengesetzt ist, wäre also schon nach etwa 13 Minuten fertig gestapelt.

Preise für Brennstoffzellen könnten fallen
„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 H2FastCell.

Bis Sommer 2023 will das Forschungsteam am Campus Schwarzwald in Freudenstadt eine Demonstrator-Stackinganlage für die automatisierte Brennstoffzellenmontage aufgebaut haben. Diese Anlage wird Unternehmen für weitere Versuche, Machbarkeitsstudien und Validierungen zur Verfügung stehen.

Über das Forschungsprojekt H2FastCell
Das Forschungsprojekt H2FastCell ist am 26. 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 Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Tourismus Baden-Württemberg fördert H2FastCell mit rund 2,3 Millionen Euro.