Produktionslösungen
für die Brennstoffzelle
In mit Wasserstoff betriebenen Fahrzeugen oder als dezentraler Energielieferant setzen sie das Leben unter Strom: Brennstoffzellen überzeugen durch hohe Effizienz und weisen den Weg in eine nachhaltige Technologiewelt. Als Elektrolyseure ermöglichen sie zudem die Erzeugung von grünem Wasserstoff.
Ihre Herstellung erfordert umfassendes Prozess-Know-how. Genau hier liegt unsere Stärke: die Integration einzelner Fertigungsschritte zu einem durchgängigen, leistungsfähigen Gesamtkonzept – von der Membranverarbeitung bis zum fertigen Stack.
Effiziente Material-Logistik sorgt für stabile Abläufe, präzise Druckprozesse ermöglichen die Verarbeitung empfindlicher Substrate, und Lasertechnologien unterstützen zentrale Schritte wie Schweißen oder Schneiden. Für die Montage komplexer Baugruppen realisieren wir mit INVENTUS maßgeschneiderte Automationslösungen inklusive integrierter Qualitätskontrolle.
So entsteht ein ganzheitlicher Ansatz für die Brennstoffzellenproduktion – von der Einzelanlage bis zur schlüsselfertigen Linie.
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Brennstoffzellen
Eine Brennstoffzelle besteht in der Regel aus einer Membran-Elektroden-Einheit (MEA), die von zwei metallischen Polplatten (Bipolarplatten) umschlossen wird. Durch die Polplatten werden die Anoden- und Kathodengase Wasserstoff und Sauerstoff zur MEA transportiert. Dort findet die eigentliche elektrochemische Reaktion zur Stromgewinnung statt. Eine grobe Unterscheidung der Brennstoffzellen erfolgt über die Betriebstemperatur. Während „Niedertemperatur“ Brennstoffzellen meist sogenannte PEM-Zellen in Bereichen <100°C arbeiten, liegt die Betriebstemperatur einer „Hochtemperatur“ Brennstoffzelle im Bereich von 700°-1000°C. Hochtemperatur Zellen basieren aktuell meist auf keramischen Membranmaterialien (SOFC) oder metallischen Membranmaterialien (MSC).
ASYS Group Prozessschritte
Bipolarplatte
Polymer-Elektrolyt-Membran Fuel Cell (PEMFC)
Niedertemperatur Brennstoffzelle
Die in das Linienkonzept integrierte Laserschweißanlage wird mit Stapeln gestanzter Bleche für Anoden- und Kathodenseite beladen. Sie werden automatisiert mit Hilfe eines optischen Systems zueinander ausgerichtet, übereinandergelegt, fixiert und verschweißt. Optional kann das Ergebnis inline auf Dichtheit überprüft werden. Eventuell schadhafte Bipolarplatten werden direkt aussortiert und nur Gutteile in einem Stapel zwischengelagert.
Verschiedenste Elastomere oder Silikone, die als Dichtmaterial geeignet sind, lassen sich im Siebdruckverfahren aufbringen. Abhängig vom Material können gleichmäßige Schichtdicken mit +/- 5 µm Toleranz erreicht werden. Die Taktzeit spielt in diesem Prozessschritt eine entscheidende Rolle für die Kosteneffizienz, daher werden in der Drucklinie zwei Bipolarplatten parallel verarbeitet. Innerhalb von 3 Sekunden werden sie mit Greifern auf dem Drucktisch platziert, dabei mechanisch ausgerichtet und bedruckt. Während die bedruckten Platten über Transportbänder ausgeschleust werden, können bereits die nächsten Teile aufgelegt werden. Nach dem Durchlauf durch den Trockenofen werden sie gewendet und als Stapel zwischengelagert oder direkt in einen zweiten Drucker zum Rückseitendruck weitergegeben.
Um den elektrischen Kontakt zur MEA zu verbessern, werden Bipolarplatten beschichtet. Hierbei handelt es sich um Kontaktdrucke (Bipolarplatte zu MEA) mit spezieller Beschichtungsmethode und anschliessender Inspektion.
Transport der Materialien von der Fertigungsstation zu einem automatisierten Zwischenlager. Dieser kann manuell oder vollautomatisch durchgeführt werden. Die Zwischenlagerung kann in einem ASYS Material Warehouse erfolgen. Die Kommunikation erfolgt über ein Leitrechnersystem.
Um die gewünschte Leistung der Brennstoffzelleneinheiten zu erzielen, werden MEAS mit beidseitigen Bipolarplatten gestapelt. Gleichzeitig wird der Stapel mit den Anschlussplatten verbunden, sowie verschraubt oder geklemmt. Für die Automatisierung werden auf die Taktzeit abgestimmte Lösungen entwickeln und realisiert.
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ASYS Group Prozessschritte
Membran-Elektroden-Einheit
Solid-Oxid Fuel Cells (SOFC)
Hochtemperatur Brennstoffzelle
Je nach Technologie bieten wir Lösungen zum Druck der Layer auf die noch nicht gesinterte oder bereits gesinterte Membran an. Die Drucke können sowohl im Einzelsheetverfahren als auch direkt von der Rolle (RtR) erfolgen.
Das beschneiden der gesinterten Membran erfolgt mittels eines Lasers. Die Membran kann in diesem Schritt auch eine eindeutige Kennzeichnung ( z.B. DMC-Code) erhalten.
Die gebrannten und zugeschnittenen Keramik-Halbzellen können weiter mit mehreren Layern bedruckt werden. Hier kann auf etablierte Maschinenkonzepte aus dem Solar-Bereich zurückgegriffen werden. Dadurch sind ein materialschonender Transport (Substrathandling) bei geringster Taktzeiten und homogenen Schichtstärken gewährkleistet.
Um die gewünschte Leistung der Brennstoffzelleneinheiten zu erzielen, werden MEAS mit beidseitigen Bipolarplatten gestapelt. Gleichzeitig wird der Stapel mit den Anschlussplatten verbunden, sowie verschraubt oder geklemmt. Für die Automatisierung werden auf die Taktzeit abgestimmte Lösungen entwickeln und realisiert.
Für die Produktnachverfolgung und die Kommunikation der Maschinen bieten wir unterschiedliche Schnittstellen und Softwarelösungen. Alle ASYS Produktionskonzepte können somit individuell an verschiedene Datenbanksysteme angebunden werden. Darüber hinaus unterstützt die umfassende Software-Plattform SynapticaOS, den Bediener in der Produktion.
Das sintern der Membran bei Temperaturen von rund 900°C erfolgt in Stand-Alone oder Inlinesystemen. Diese werden in die Automatisierungslösung integriert. Je nach Konzept, werden die gesinterten Substrate für eine Weiterverarbeitung im Schneidlaser in Magazinen zwischengelagert.
Die Druckkontrolle wird in vollautomatisierten Linien über eine Gewichtskontrolle oder über integrierte Inspektionssysteme (3D-Inspektion) durchgeführt.
Die Substrate oder die Bipolarplatte werden von der Fertigungsstation zu einem automatisierten Zwischenlager transportiert. Dieser kann manuell oder vollautomatisch durchgeführt werden. Die Zwischenlagerung kann in einem ASYS Material Warehouse erfolgen. Die Kommunikation erfolgt über ein Leitrechnersystem.
Aufgrund der hohen Betriebstemperaturen in Festoxid-Brennstoffzellen müssen die Dichtmaterialien sehr temperaturstabil sein. Daher kommen für den Dichtungsdruck häufig Pasten auf Basis von Glas, Glaskeramiken oder Metallen zum Einsatz. Die Pasten sind dadurch sehr abrasiv und erfordern eine sorgfältige Einstellung der Druckprozesse um übermäßigen Materialverschleiß zu vermeiden.
Stack Aufbau von Bipolarplatten
Highspeed Drucklinie zur Bedruckung der Membran
Lasermarkiersystem
Plasmareinigung
