Brennstoffzellen-Stapelmontage

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Wie werden Brennstoffzellen-Stacks hergestellt?

Nur wenige Hersteller von PEM-Brennstoffzellen-Stacks verwenden derzeit vollautomatische Montagesysteme für die Produktion. Hier sind oft noch manuelle oder halbautomatische Prozesse etabliert. Angesichts der wachsenden Nachfrage nach BZ stehen Hersteller, die ihre Produktion noch nicht automatisiert haben, nun vor der Herausforderung, ihre Produkte für die Automatisierung geeignet zu machen. Prozesse, die früher manuell durchgeführt wurden, müssen nun von Robotern ausgeführt werden. Dies ist auf einer 1:1-Basis nicht immer möglich oder praktisch. Im Wesentlichen geht es dabei um Überlegungen zur Toleranzkette, die bei der Stack-Konstruktion für die manuelle Brennstoffzellen-Stack-Montage oft keine große Rolle gespielt haben. Auch wenn ein Roboter präziser und wiederholbarer ist, kann er nicht einfach „sehen“, wenn zwei Teile in einem Brennstoffzellenstapelsystem nicht zusammenpassen. In diesem Fall folgt der Roboter, sofern ein menschlicher Bediener nicht noch etwas korrigieren kann, seiner festgelegten Reihenfolge, was in diesen Fällen häufig zur Produktion von Ausschusseinheiten führt.

Welche Komponenten des Brennstoffzellenstapels müssen zusammengebaut werden?

Neben den Endplatten – über die die Medien verbunden und verteilt werden – besteht die Hauptstruktur des Brennstoffzellen-stacks im Wesentlichen aus mehreren Sätzen von MEA (Membrane Electrode Assembly) und BPP (Bi Polar Plate), die in abwechselnder Reihenfolge gestapelt werden.

Welches sind die verschiedenen Schritte beim Zusammenbau eines Brennstoffzellen-stacks?

Die einzelnen Komponenten werden in der Regel in Magazinen angeboten. Je nach Art der Verkettung in der Produktion kann auch eine direkte Zuführung der Brennstoffzellenstapel-Komponenten auf einem Fördersystem oder WT realisiert werden. Ein oder mehrere Handhabungsgeräte – in der Regel 4- oder 6-Achs-Roboter – greifen das jeweilige Bauteil. Anschließend wird er geometrisch vermessen, um die genaue Position der Ablagerung im Stapel zu berechnen. Die Komponente wird auf den Stapel gelegt. Dieser Vorgang wird je nach Anzahl der Zellen wiederholt.

Wie groß ist der Druckbereich, der beim Pressen des Brennstoffzellenstapels angewendet wird?

Die erforderliche Presskraft hängt hauptsächlich von der Größe der wirksamen Fläche ab und wird auch durch die Konstruktion der Dichtung beeinflusst. Infolgedessen können die Anforderungen dennoch sehr unterschiedlich sein. Je nach Ausführung können unsere Servopressen eine Presskraft von bis zu 100kN aufbringen.

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Welches sind die wichtigsten Leistungskriterien der Brennstoffzellenstapelung?

Der Engpass bei der Montage von PEM-Brennstoffzellenstapeln ist eindeutig der Stapelprozess. Selbst bei überschaubaren Produktionszahlen von 100.000 Stapeln/Jahr muss eine Stapelgeschwindigkeit von weniger als 1 Hz erreicht werden. Konventionelle Pick-and-Place-Verfahren stoßen hier bereits an ihre Grenzen. Es sind also neue Konzepte erforderlich, um dieses Hindernis zu überwinden. Parallel dazu müssen die Konstruktion und der Aufbau der Brennstoffzelle optimiert werden. Bestenfalls können Vormontageverfahren die Anzahl der zu stapelnden Bauteile reduzieren. Produktentwickler und Automatisierungsingenieure müssen in diesem Bereich eng zusammenarbeiten.

Wie viele Stapel können pro Tag auf einer Brennstoffzellen-Stapelmontagepresse hergestellt werden?

Der eigentliche Pressvorgang kann je nach Kundenwunsch gesteuert werden. Hier ist alles möglich – vom einfachen kraft-/weggesteuerten Zusammendrücken der Presse bis zum Erreichen der Zielkraft/des Zielweges bis hin zum intermittierenden Pressen über einen längeren Zeitraum. Es ist daher schwierig, eine pauschale Aussage zu treffen.

Welche Schritte werden unternommen, um eine hohe Qualität der Stapel zu gewährleisten?

Die Positioniergenauigkeit beim Stapeln muss beibehalten werden. Natürlich müssen die Bauteile auch maßhaltig gefertigt werden. Aufgrund der großen Anzahl von Komponenten im Stapel (bis zu 800 Teile) können sich Abweichungen von den Nennmaßen schnell summieren, was dazu führen kann, dass die Zellen nicht abdichten.

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Was ist der Hauptunterschied bei der Herstellung eines Stapels mit metallischen Bipolarplatten im Vergleich zu einem Stapel mit Kohlenstoffplatten?

Der größte Unterschied zwischen diesen beiden Typen von PEM-Brennstoffzellen-Stapelanlagen ist das unterschiedliche Verhalten der BPP. Metallische Bipolarplatten bestehen in der Regel aus 2 Halbschalen mit einer Blechdicke von <100µm. Diese sind miteinander verschweißt. Der Wärmeeintrag beim Schweißen kann schnell zu einem Verzug der Teile führen, was die Handhabung und präzise Positionierung erheblich erschwert. Außerdem liegen die verzogenen Teile nicht wie gewünscht im unverpressten Stapel übereinander, was das Stapeln mit zunehmender Zellenzahl erschwert. Die graphitischen BPP sind formstabiler und daher leichter zu handhaben.

InhaltlicheBeiträge der ruhlamat GmbH

Ruhlamat produziert Maschinenlösungen nach den Anforderungen und Wünschen seiner Kunden. Ob Montageanlagen für die Automobilindustrie, Elektronikindustrie und Medizintechnik oder Maschinenlösungen für die Herstellung und Personalisierung von Karten und Pässen, ruhlamat überzeugt durch seine jahrzehntelange Erfahrung als Maschinenbauunternehmen. Darüber hinaus produzieren wir als OEM-Hersteller Originalgeräte ausschließlich für den Kunden. Wir verfügen über eigene Niederlassungen in der ganzen Welt, um die spezifischen Anforderungen unserer Kunden in jeder Region erfüllen zu können. Bei der Herstellung von Brennstoffzellen kommt es auf effiziente Zykluszeiten und absolute Präzision an. Unsere Systeme decken alle Prozessschritte von der Stackmontage bis zum fertigen Brennstoffzellensystem ab. Der modulare, skalierbare Aufbau der Anlagen ermöglicht eine individuelle Anpassung an die vom Kunden angestrebte Produktionskapazität.

Letzte Aktualisierung: 15.1.2023

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