Wasserstoff wird als Energietr\u00e4ger zuk\u00fcnftig eine wichtige Rolle spielen. Er kann aus erneuerbaren Energien in Elektrolyseuren CO2-neutral hergestellt und dann in Brennstoffzellen in elektrische Energie umgewandelt werden. Gerade im G\u00fcterverkehr k\u00f6nnen Brennstoffzellen ihre Vorteile gegen\u00fcber batterieelektrischen Fahrzeugen ausspielen. Aber auch im station\u00e4ren Bereich gibt es viele zuk\u00fcnftige Einsatzgebiete f\u00fcr Brennstoffzellen. Bei der Herstellung von Brennstoffzellen sind effiziente Taktzeiten und absolute Pr\u00e4zision ma\u00dfgeblich.<\/p>\n
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Das gro\u00dfe Ziel ist es, die Fertigungskosten zu reduzieren, um den Einsatz dieser Technologie wirtschaftlicher zu machen. Das kann allerdings nur durch Skalierungseffekte erreicht werden, die vollautomatisierte Anlagen mit entsprechend hohen Kapazit\u00e4ten erfordern. Momentan ist diese Art von Produktionsanlagen auf dem Markt noch nicht verf\u00fcgbar und auch das Design der Bauteile muss hinsichtlich einer automatisierungsgerechten Konstruktion weiterhin optimiert werden. Deshalb ist es sinnvoll, bereits jetzt nach Wegen zu suchen, wie sie automatisiert und massentauglich hergestellt werden k\u00f6nnen. Genau das hat sich ein Forschungsteam vom Fraunhofer-Institut f\u00fcr Produktionstechnik und Automatisierung IPA sowie vom Centrum f\u00fcr Digitalisierung, F\u00fchrung und Nachhaltigkeit Schwarzwald (Campus Schwarzwald) im Projekt \u00bbH2FastCell\u00ab vorgenommen. Gemeinsam mit Teams aus f\u00fcnf Unternehmen wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler bis 2023 eine Roboterzelle entwickeln, die die einzelnen Schichten einer Brennstoffzelle in Sekundenschnelle und mit absoluter Pr\u00e4zision montiert.<\/p>\n
Ein Brennstoffzellenstack besteht aus aufeinandergestapelten Lagen von Bipolarplatten, \u00fcber den 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, m\u00fcssen f\u00fcr einen Brennstoffzellenmotor, der z.B. einen Lastwagen antreiben soll, ungef\u00e4hr 400 Brennstoffzellen aufeinandergestapelt werden. Dabei ist Pr\u00e4zision gefragt. Denn jede Abweichung \u2013 und sei es im Mikrometerbereich \u2013 kann die Leistung des Brennstoffzellensystems mindern.<\/p>\n
Der Montageroboter, der im Forschungsprojekt H2FastCell das Stacking, also das Aufeinanderstapeln von Bipolarplatten und Membran-Elektrodeneinheiten im Wechsel, \u00fcbernehmen soll, wird daher die einzelnen Schichten scannen, w\u00e4hrend er sie greift. Da er mehrere Stacks parallel stapelt, kann er eine Schicht spontan dem Stack zuordnen, auf den die Abmessungen am besten passen. Leistungsminderungen werden dadurch vermieden bevor sie entstehen. Das alles soll so schnell geschehen, dass es f\u00fcr Menschen schwer sein wird, die einzelnen Montageschritte mit blo\u00dfem Auge mitzuverfolgen: eine Sekunde pro Schicht. Ein Stack, der aus 400 einzelnen Brennstoffzellen zusammengesetzt ist, w\u00e4re also schon nach etwa 13 Minuten fertig gestapelt. Manuell w\u00fcrde ein Vielfaches der Zeit ben\u00f6tigt werden.<\/p>\n
\u00bbWenn der Durchsatz der Stacks derart erh\u00f6ht wird, ist damit die Grundlage f\u00fcr die industrielle Massenproduktion von Brennstoffzellen gelegt. Die Preise w\u00fcrden fallen und der Einsatz von Brennstoffzellen in mobilen Schwerlastanwendungen w\u00e4re endg\u00fcltig wettbewerbsf\u00e4hig\u00ab, sagt Friedrich-Wilhelm Speckmann vom Zentrum f\u00fcr digitalisierte Batteriezellenproduktion am Fraunhofer IPA. Er und Erwin Gro\u00df von der Abteilung Unternehmensstrategie und -entwicklung am Fraunhofer IPA leiten das Forschungsprojekt H2FastCell.<\/p>\n
Bis Sommer 2023 will das Forschungsteam am Campus Schwarzwald in Freudenstadt eine Demonstrator-Stackinganlage f\u00fcr die automatisierte Brennstoffzellenmontage aufgebaut haben. Diese Anlage wird Unternehmen f\u00fcr weitere Versuche, Machbarkeitsstudien und Validierungen zur Verf\u00fcgung stehen. \u00bbWir legen mit diesem ersten Projekt den Grundstein f\u00fcr unser zuk\u00fcnftiges Forschungszentrum f\u00fcr biointelligente Wasserstoff-Kreislaufwirtschaft im Schwarzwald. Damit wollen wir die Wasserstofftechnologie gemeinsam mit Unternehmen in Baden-W\u00fcrttemberg f\u00fcr die mobile und station\u00e4re Nutzung als Energietr\u00e4ger nutzbar machen\u00ab, sagt Stefan Bogenrieder, Gesch\u00e4ftsf\u00fchrer des Campus Schwarzwald.<\/p>\n
Das Forschungsprojekt H2FastCell ist am 26. Juli 2021 angelaufen und auf zwei Jahre angelegt. Beteiligt sind neben dem Fraunhofer IPA und dem Campus Schwarzwald f\u00fcnf Unternehmen aus Baden-W\u00fcrttemberg: 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 f\u00fcr Wirtschaft, Arbeit und Tourismus Baden-W\u00fcrttemberg f\u00f6rdert H2FastCell mit rund 2,3 Millionen Euro.<\/p>\n
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