Entwicklung von automatisierten Produktionsprozessen

Kostensenkung, Reproduzierbarkeit und prozessorientiertes Qualitätsmanagement ermöglichen eine zügige Markteinführung von Brennstoffzellen und Elektrolyseuren.

Nicola Kimiaie, Gründerin und Inhaberin von E3 Energy & Environmental Engineering hat während ihrer Tätigkeit am Forschungszentrum Jülich maßgeblich zur Entwicklung von automatisierten Prozessen zur Fertigung von Membran-Elektroden-Einheiten (MEA- membrane electrode assembly), sowie automatisierter Fertigungs- und Montageverfahren für Brennstoffzellen- und Elektrolyseurkomponenten und Stacks beigetragen.

Voraussetzung für eine breite industrielle Nutzung von Produkten ist die Automatisierung der Herstellung der Komponenten als auch die automatisierte Montage der Einzelkomponenten zu einem Produkt. Brennstoffzellen und Elektrolyseure auf Basis von polymeren protonenleitenden Membranen (PEM- polymer electrolyte membrane) verfügen über eine Vielzahl an im wesentlichen planaren Bauteilen wie Dichtungen, Bipolarplatten und Membran-Elektroden-Einheiten (MEAs). Diese planare Bauweise eröffnet prinzipiell ein hohes Potential zur automatisierten Assemblierung, welche im Hinblick auf Qualität und Kosten Voraussetzung für die kommerzielle Produktion von Brennstoffzellen und Elektrolyseuren ist.

Besondere Herausforderung hinsichtlich einer automatisierten Herstellung und Montage bereitet die Membran-Elektroden-Einheit (MEA), deren Kernkomponente eine dünne, quellfähige Membran ist. Dieses Bauteil weist geringe Steifigkeiten auf, ist daher nur im geringen Umfang dimensionsstabil und kann sich darüber hinaus bei der Lagerung z.B. durch Wechsel der Luftfeuchtigkeit verziehen. Je nach Ausführung der MEA kann die Membran Katalysatorschichten (CCM- catalyst coated membrane) oder auch beidseitig aufgepresste Diffusionsschichten (GDL- gas diffusion layer) aufweisen. Diese Zusatzschichten verändern die mechanischen Eigenschaften der MEA in nicht immer vorausberechenbarer Weise.

Eine besondere Bedeutung hat bei der Entwicklung von automatisierten Produktionsprozessen das Greifersystem, welches die Schnittstelle zwischen Robotersystem und Zellbauteilen darstellt. Das Greifersystem soll ohne aufwendige Zusatzmaßnahmen die unterschiedlichen MEA, Zell- und Stackbauteile (verschiedenste Werkstoffe, z.B. Textilien, Folien, Kunststoff) assemblieren und trotz der unterschiedlichen Materialeigenschaften der Zellbauteile (biegeschlaff, luftdurchlässig, mechanisch empfindlich, quellfähig, etc.) zuverlässig arbeiten.

Für die reproduzierbare Fertigung von Brennstoffzellen und Elektrolyseuren, sowie deren Komponenten sind automatisierte Produktionsprozesse entwickelt und demonstriert worden. Dadurch sind die Voraussetzungen für die kommerzielle Produktion von Brennstoffzellen und Elektrolyseuren geschaffen worden. Durch eine Serienfertigung lassen sich die Kosten senken, die Zuverlässigkeit erhöhen und die Lebensdauer steigern.

> Mehr Informationen finden Sie auf den Webseiten des Forschungszentrum Jülich

 

Publikationen:

Glüsen, A. ; Müller, M. ; Kimiaie, N. ; Konradi, I. ; Mergel, J. ; Stolten, D.
Manufacturing Technologies for Direct Methanol Fuel Cells (DMFCs)
Schriften des Forschungszentrum Jülich (2010,), ISBN: 978-3-89336-658-4, p.219-226

Kimiaie, N.
Prozessorientiertes Qualitätsmanagement bei der Herstellung von DMFC-Brennstoffzellenstacks
Master Thesis (2006)