Industriële massaproductie van brandstofcellen

In het onderzoeksproject “H2FastCell” werkt een onderzoeksteam van Fraunhofer IPA en Campus Schwarzwald samen met een industrieel consortium aan de ontwikkeling van een robotcel voor de geautomatiseerde hogesnelheidsassemblage van brandstofcelstapels. Daarmee leggen zij de basis voor de industriële massaproductie van deze emissievrije technologie.

Waterstof zal een belangrijke rol spelen als energiedrager. Het kan CO2-neutraal worden geproduceerd uit hernieuwbare energiebronnen in elektrolysers en vervolgens worden omgezet in elektrische energie in brandstofcellen. Vooral in het vrachtvervoer kunnen brandstofcellen hun voordelen ten opzichte van batterij-elektrische voertuigen uitspelen. Maar er zijn ook veel toekomstige toepassingsgebieden voor brandstofcellen in de stationaire sector. Bij de productie van brandstofcellen zijn efficiënte cyclustijden en absolute precisie van cruciaal belang.

Het grote doel is de fabricagekosten te verlagen om het gebruik van deze technologie rendabeler te maken. Dit kan echter alleen worden bereikt door schaalvergroting, waarvoor volledig geautomatiseerde installaties met overeenkomstige hoge capaciteiten nodig zijn. Momenteel is dit type productie-installatie nog niet op de markt beschikbaar en ook het ontwerp van de onderdelen moet verder worden geoptimaliseerd met het oog op een constructie die geschikt is voor automatisering. Daarom is het zinvol nu al te gaan zoeken naar manieren om ze op een geautomatiseerde manier te produceren die geschikt is voor massaproductie. Dit is precies wat een onderzoeksteam van het Fraunhofer-instituut voor fabricagetechniek en automatisering IPA en het centrum voor digitalisering, leiderschap en duurzaamheid Schwarzwald (Campus Schwarzwald) zich hebben voorgenomen in het “H2FastCell”-project. Samen met teams van vijf bedrijven willen de wetenschappers tegen 2023 een robotcel ontwikkelen die de afzonderlijke lagen van een brandstofcel in enkele seconden en met absolute precisie in elkaar zet.

Dertien minuten

Een brandstofcelstapel bestaat uit gestapelde lagen van bipolaire platen, waardoor waterstof en zuurstof worden ingevoerd, en membraanelektrode-eenheden, waarin de twee chemische elementen met elkaar reageren. Omdat deze reactie slechts een spanning van maximaal één volt oplevert, moeten er ongeveer 400 brandstofcellen op elkaar worden gestapeld om een brandstofcelmotor in staat te stellen bijvoorbeeld een vrachtwagen aan te drijven. Precisie is hier vereist. Want elke afwijking – zelfs in het micrometergebied – kan de prestaties van het brandstofcelsysteem verminderen.

De assemblagerobot die in het H2FastCell-onderzoeksproject het stapelen, d.w.z. het afwisselend stapelen van bipolaire platen en membraanelektrode-eenheden, voor zijn rekening zal nemen, zal daarom de afzonderlijke lagen scannen terwijl hij ze vastgrijpt. Aangezien hij verschillende stapels parallel opstapelt, kan hij spontaan een laag toewijzen aan de stapel waarop de afmetingen het best passen. Prestatieverminderingen worden dus vermeden voordat zij zich voordoen. Dit alles zou zo snel moeten gaan dat het voor mensen moeilijk zal zijn om de afzonderlijke assemblagestappen met het blote oog te volgen: één seconde per laag. Een stapel die uit 400 afzonderlijke brandstofcellen bestaat, zou dus al na ongeveer dertien minuten klaar zijn. Handmatig zou die tijd vele malen nodig zijn.

‘Als de doorvoercapaciteit van de stapels op deze manier wordt verhoogd, zal dit de basis leggen voor de industriële massaproductie van brandstofcellen. De prijzen zouden dalen en het gebruik van brandstofcellen in mobiele zware toepassingen zou eindelijk concurrerend worden,’ zegt Friedrich-Wilhelm Speckmann van het centrum voor gedigitaliseerde batterijcelproductie van Fraunhofer IPA en leider van het onderzoeksproject.

Demonstratiemodel

Het onderzoeksteam streeft ernaar tegen de zomer van 2023 een demonstratie-installatie voor de geautomatiseerde assemblage van brandstofcellen te hebben opgezet op de Campus Schwarzwald in Freudenstadt. Deze faciliteit zal beschikbaar zijn voor bedrijven voor verdere proeven, haalbaarheidsstudies en validaties. ‘Met dit eerste project leggen wij de basis voor ons toekomstige onderzoekscentrum voor bio-intelligent waterstofcyclusbeheer in het Zwarte Woud. Hiermee willen we samen met bedrijven in Baden-Württemberg de waterstoftechnologie bruikbaar maken voor mobiel en stationair gebruik als energiedrager’, aldus Stefan Bogenrieder, directeur van Campus Schwarzwald.

Het H2FastCell-onderzoeksproject is op 26 juli 2021 van start gegaan en heeft een looptijd van twee jaar. Naast de Fraunhofer IPA en de Campus Schwarzwald zijn er vijf bedrijven uit Baden-Württemberg bij betrokken: de softwareontwikkelaar ISG Industrielle Steuerungstechnik GmbH uit Stuttgart, de vacuümtechnologiefabrikant J. Schmalz GmbH uit Glatten in het noordelijke Zwarte Woud, de sensorenproducent i-mation GmbH uit Rottweil, de machine- en installatiebouwer teamtechnik Maschinen und Anlagen GmbH uit Freiberg am Neckar en de automatiseringsingenieur WEISS GmbH uit Buchen in het Odenwald. Het Invest BW-financieringsprogramma van het Baden-Württembergse ministerie van Economie, Arbeid en Toerisme steunt H2FastCell met ongeveer 2,3 miljoen euro.