13 Minuten bis zum fertigen Brennstoffzellenstack

Für die industrielle Massenproduktion von Brennstoffzellenstacks soll das Forschungsprojekt H2 Fast Cell die Grundlage schaffen. Beteiligt sind das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, das Centrum für Digitalisierung, Führung und Nachhaltigkeit Schwarzwald (Campus Schwarzwald) sowie ein Industriekonsortium. 

Nach Überzeugung der Partner kann die wirtschaftliche Herstellung von Brennstoffzellen nur durch Skalierungseffekte erreicht werden. Effiziente Taktzeiten und absolute Präzision seien maßgeblich. Auch das Design der Bauteile müsse mit Blick auf eine automatisierungsgerechte Konstruktion optimiert werden. Zusammen arbeiten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Rahmen des Projektes an einer Roboterzelle, die die einzelnen Schichten einer Brennstoffzelle in Sekundenschnelle und mit absoluter Präzision montiert. Letztere ist von entscheidender Bedeutung für die Leistungsfähigkeit des Stacks.

Zum Hintergrund: 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 etwa einen LKW 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.

Mit bloßem Auge schwer nachvollziehbar

Der anvisierte Montageroboter soll hierzu die einzelnen Schichten scannen, während er sie greift. Er stapelt parallel mehrere Stacks und kann spontan eine Schicht dem Stack zuordnen, auf den die Abmessungen am besten passen. "Leistungsminderungen werden dadurch vermieden, bevor sie entstehen", betonen die Forschenden. 

Für den Menschen sollen diese Montageschritte mit bloßem Auge nur schwer verfolgbar sein. Eine Sekunde pro Schicht geben die Partner an. Ein Stack, der aus 400 einzelnen Brennstoffzellen zusammengesetzt ist, wäre also schon nach etwa 13 Minuten gestapelt. "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", erklärt Friedrich-Wilhelm Speckmann vom Zentrum für digitalisierte Batteriezellenproduktion am Fraunhofer IPA. Zusammen mit Erwin Groß von der Abteilung Unternehmensstrategie und -entwicklung am Fraunhofer IPA leitet er das Forschungsprojekt H2 Fast Cell.

Demonstrator-Stackinganlage am Campus Schwarzwald

Bis zum Sommer 2023 wollen die Forschungspartner auf dem Campus Schwarzwald in Freudenstadt (Baden-Württemberg) eine Demonstrator-Stackinganlage für die automatisierte Brennstoffzellenmontage auf die Beine gestellt haben. Sie soll Unternehmen für weitere Versuche, Machbarkeitsstudien und Validierungen zur Verfügung stehen. Stefan Bogenrieder, Geschäftsführer des Campus Schwarzwald: "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."

Das Forschungsprojekt 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 baden-württembergische Wirtschaftsministerium fördert H2 Fast Cell mit rund 2,3 Mio. Euro.