Einen Roboter, der Brennstoffzellen vollkommen automatisiert innerhalb von Sekunden stecken kann, haben Forschende vom Fraunhofer IPA und vom Campus Schwarzwald im Projekt „H2FastCell“ entwickelt. Dem Team zufolge ist diese Entwicklung wesentlich dafür, dass die Preise für Brennstoffzellen fallen und diese im Schwerlastverkehr den Verbrenner ablösen können. Bislang werden Brennstoffzellenstacks manufakturartig gefertigt, also mit viel Handarbeit und entsprechend zeit- und kostenaufwändig.
Zur Funktionsweise der neuen Technik: Ein Fließband befördert Bipolarplatten ins Sichtfeld eines Roboters, dessen Bildverarbeitungssoftware das Bauteil erkennt. Mit seinem Sauggreifer nimmt der Roboter die Bipolarplatte auf und hält sie kurz in eine weitere Kamera. Diese scannt die Bipolarplatte von unten ab, erfasst die genauen Abmessungen und erkennt die Beschaffenheit der feinen Strukturen auf der Unterseite – ein wichtiges Qualitätsmerkmal. Dann legt der Roboter die Bipolarplatte auf einem Stapel ab. Zwei Sekunden dauert dieser Arbeitsablauf.
Um eine Sekunde zeitversetzt erkennt, greift und legt ein zweiter Roboter Membran-Elektrodeneinheiten ab – die zweite Schicht, aus der eine Brennstoffzelle besteht. Über die Bipolarplatte werden Wasserstoff und Sauerstoff eingeleitet, in der Membran-Elektrodeneinheit reagieren die beiden chemischen Elemente miteinander. Weil dabei nur eine Spannung von maximal einem Volt entsteht, müssen für einen Brennstoffzellenmotor, der beispielsweise einen Lastwagen antreiben soll, ungefähr 400 Brennstoffzellen zu einem sogenannten Brennstoffzellenstack gestapelt werden. Pro Sekunde legt das Roboter-Duo eine Bipolarplatte oder Membran-Elektrodeneinheit auf dem Brennstoffzellenstack ab. Ein Stack, der aus 400 einzelnen Brennstoffzellen zusammengesetzt ist, ist also schon nach etwa 13 Minuten fertig. Die manuelle Produktion würde dafür ein Vielfaches der Zeit benötigen.
Ein weiteres Kriterium für die industrielle Massenproduktion von Brennstoffzellenstacks ist Präzision. Denn jede Abweichung – und sei es im Mikrometerbereich – kann die Leistung des Brennstoffzellensystems mindern. Deshalb schichten die beiden Roboter parallel zwei Brennstoffzellenstacks auf. Registrieren ihre Kameras bei der Qualitätskontrolle winzige Abweichungen bei Form und Größe, ordnen sie die Bipolarplatte oder Membran- Elektrodeneinheit dem jeweils passenden Stack zu.
Ein digitaler Zwilling dokumentiert die Hochgeschwindigkeitsmontage in Echtzeit. Mit diesen Daten lässt sich simulieren, wie sich die fertigen Stacks später verhalten. Zudem kann mit den Daten eine Simulation durchgeführt werden, die bei der Qualitätskontrolle der Bipolarplatten und Membran-Elektrodeneinheiten zum Einsatz kommt.