Digitaler Zwilling in der Schlüsselrolle Neue Technik für die Qualitätsprüfung von Brennstoffzellen

„Die Automatisierung bei der Produktion von Brennstoffzellen steckt noch in den Kinderschuhen. Bisher hat die Fertigung eher Manufaktur-Charakter“, berichtet Dr. Friedrich-Wilhelm Speckmann, Gruppenleiter Wasserstofftechnologie am Fraunhofer IPA. „Wenn die Energiewende gelingen und vor allem im Schwerlastverkehr grüner Wasserstoff als Energieträger genutzt werden soll, dann brauchen wir so bald wie möglich effiziente Fertigungslinien sowie schnelle und kostengünstige Qualitätsprüfungen für Brennstoffzellen-Stacks.“

Doch gerade die Qualitätskontrolle ist bisher das Nadelöhr in der Produktion. Roboter können Brennstoffzellen zwar schnell und präzise aufeinanderstapeln, doch dann muss jeder dieser Stapel, Stack genannt, an verschiedene Messgeräte angeschlossen und durchgecheckt werden. Im Projekt FastPeM – die Abkürzung steht für „Beschleunigtes Prüfverfahren für eine Massenproduktion von Brennstoffzellen-Stacks“ – will Speckmann zusammen mit Forscherinnen und Forschern vom Campus Schwarzwald und Industriepartnern jetzt einen Prüfstand-Demonstrator entwickeln, mit dem sich die elektrochemischen Eigenschaften eines Stacks mithilfe neuartiger Technologien schnell und effizient ermitteln lassen.

„Der Campus Schwarzwald ist für dieses Projekt der ideale Standort, denn hier wird gerade eine vollautomatische Stacking-Anlage aufgebaut“, betont der Forscher. Und Stefan Bogenrieder, Geschäftsführer Campus Schwarzwald, ergänzt: „Das Forschungszentrum für intelligente Wasserstoff-Kreislaufwirtschaft im Nordschwarzwald wird den regionalen und überregionalen Unternehmen und Kommunen Vorteile sowie Expertise in Sachen massentaugliche Brennstoffzellenfertigung liefern.“ Bogenrieder freut sich, dass nun auch das Teilprojekt FastPEM an den Start gegangen ist.

Beschleunigtes End-of-Line-Testing

In der Pilotanlage stapelt ein Roboterarm die Schichten aufeinander: Jede Brennstoffzelle besteht aus zwei dünnen Elektroden mit einer Membran dazwischen sowie einer Bipolarplatte, durch die später Wasserstoff und Luftsauerstoff zugeführt werden. Innerhalb von 15 Minuten entsteht so ein Paket aus etwa 400 Zellen, das sich zusammenpressen und verspannen lässt. „Da in diesem Demonstrator jeder Fertigungsschritt digital dokumentiert wird, steht uns ein umfangreicher Datenschatz zur Verfügung, den wir für die Qualitätssicherung nutzen können“, so Speckmann.

Die Prüfung eines fertigen Stacks ist bisher vergleichsweise zeitaufwändig: Zunächst muss getestet werden, ob der Stapel dicht ist oder ob Gas, das unter Druck in die Zellen einströmt, entweicht. Anschließend gilt es die Leistungskurve zu bestimmen, aus der hervorgeht, bei welchen Spannungen welche Stromdichte auftritt. „Im FastPeMProjekt wollen wir jetzt erforschen, wie sich diese Prozesse optimieren lassen, indem man beispielsweise beide Schritte zusammenfasst“, erläutert der Ingenieur.

Mit Digitalen Zwillingen Zeit sparen

Eine Schlüsselrolle sollen dabei virtuelle Techniken spielen: die Produktionsanlage und Prüfeinrichtung werden mit Messtechnik ausgestattet, die Sensordaten in Echtzeit in ein Simulationsmodell einspeist. Der Digitale Zwilling, der so entsteht, bildet nicht nur die Prozesse, sondern auch jedes Bauteil detailliert ab. Auf Basis dieses umfangreichen Datensatzes lassen sich die elektrochemischen Eigenschaften einzelner Zellen und kompletter Stacks prognostizieren. „Die virtuell berechneten Leistungskennlinien müssen dann nur noch durch punktuelle Messungen überprüft werden. Lange Messreihen lassen sich auf diese Weise vermeiden, vermutlich genügt es, Einzelmessungen durchzuführen. Stimmen diese mit den Vorhersagen überein, sind keine weiteren Tests erforderlich“, erklärt Speckmann. Der Zeitaufwand lasse sich bei erfolgreicher Durchführung deutlich reduzieren.

Für Unternehmen, die Brennstoffzellen fertigen, wäre diese Zeitersparnis ein echter Gewinn. Bis Ergebnisse vorliegen, wird es freilich noch etwas dauern: Das Projekt FastPeM, das am 1. Juni begonnen hat, läuft bis 2027. Dann soll auch der Prüfstand für die Massenproduktion von Brennstoffzellen-Stacks fertig sein.