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Foto: Schmalz
Um die Kosten in der Serienproduktion von Brennstoffzellen zu senken, adaptiert Schmalz seine Handhabungssysteme an die sich ständig verändernden Anforderungen.

Handhabungstechnik

Greifer für Brennstoffzellen

Brennstoffzellen gehören zu Zero-Emission-Strategien in der Mobilität. Doch für eine automatisierte Fertigung braucht es angepasste Handhabungssysteme.

Neue Prozessschritte, Oberflächen und Werkstoffe heißen die Herausforderungen für Greifer in der Fertigung von Brennstoffzellen. „Die Brennstoffzelle ist derzeit ein hochdynamisches Thema“, sagt Matthias Müller, Leiter Verkauf International und Internationales Branchen- und Key Account Management bei Schmalz. Für eine wirtschaftliche Serienproduktion von Brennstoffzellen ist – wie so oft – der Automatisierungsgrad entscheidend. Obwohl Schmalz mit seinem Greifer-Portfolio gut aufgestellt ist, hat die Entwicklungsabteilung viel zu tun. Denn: „Die Dynamik der Branche spiegelt sich in den Anforderungen an unsere Konstrukteure und Entwickler wider. Sie müssen die Greifsysteme permanent an veränderte Produktionsschritte, Werkstücke und -stoffe sowie neue Oberflächenstrukturen anpassen“, so Müller.

Griff ins Herz der Brennstoffzelle

Um zu verstehen, was Müller meint, hilft der Blick in eine Brennstoffzelle: Eine Elektrolytschicht trennt Anode und Kathode und sorgt für den Ionentransport. Diese Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) ist das Herz einer jeden Brennstoffzelle. Nach außen hin folgt je eine Gasdiffusionslage, an die sich wiederum Bipolarplatten schmiegen.

 Die Systeme, die in der Fertigung der MEAs zugreifen, müssen besonders sanft zu den empfindlichen Oberflächen sein und idealerweise alle Komponenten handhaben. Daher kombiniert Schmalz mehrere Vakuumkreisläufe und Greiftechniken, um die katalysatorbeschichtete Membrane, Gasdiffusionslage sowie Dichtrahmen sequenziell aufzunehmen. Ein hoher Volumenstrom und die verschleiß- und energieeffiziente, pneumatische Vakuum-Erzeugung durch die Kompaktejektoren SCPM verhindern Partikelrückstände auf den Werkstücken. „Damit kann unser System auch in Reinräumen eingesetzt werden“, erklärt Müller.

Vor der Deformation der dünnen Folien schützt das vollflächige Greifprinzip des Flächengreifers, der großflächigen Kontakt mit einem geringen Vakuumlevel und einem hohen Volumenstrom vereint. Wie auch in der Batterieproduktion muss der Vakuum-Experte permanent für eine sichere elektrostatische Entladung sorgen – mithilfe von ESD-konformen Kontaktflächen.

Von der Bipolarplatte zum Stack

Bipolarplatten (BPP) aus Metall oder Grafit-Werkstoffen rahmen die MEAs ein. Ihre Aufgabe: den Wasserstoff zur Anode und den Sauerstoff zur Kathode leiten sowie die Abfuhr des Reaktionswassers und die Abgabe der thermischen und elektrischen Energie. Die Gestaltung ihrer Oberflächen beeinflusst den Wirkungsgrad der späteren Brennstoffzelle. Entsprechend dynamisch sind Forschung und Entwicklung. „Unsere Entwicklung muss mit diesem Tempo mithalten und unsere Greifer an die sich verändernden Formate und Strukturen adaptieren“, verdeutlicht Müller.

 Prinzipiell nutzt Schmalz Flächengreifer für die sichere Handhabung der strukturierten Flussfelder. Zusätzlich integrierte Sauggreifer erhöhen die zulässige Querkraft – so bleibt die BPP trotz hoher Beschleunigung an Ort und Stelle. Der Kunststoff der Saugplatten sowie das HT1-Material der Sauggreifer schützen die beschichteten Oberflächen vor Beschädigungen sowie chemischen Rückständen. Konvex oder konkav gebogene BPP-Hälften saugt der Schwebesauger SBS sicher an und zieht sie mit seinen hohen Haltekräften eben. Integrierte Sensoren erkennen zudem die Bauteile eindeutig. Diese sind auch bei der Stapelfertigung, also dem Zusammenführen der MEAs, der Gasdiffusionslagen und der Bipolarplatten wichtig.

 Entsprechend der verschiedenen Komponenten ist das gesamte Spektrum der Spezialgreifer in diesem Produktionsschritt zu finden: Flächengreifer FLGR, Strömungsgreifer SCG, Schwebesauger SBS und konventionelle Vakuum-Sauggreifer.  Ihre unterschiedlichen Eigenschaften – sei es vollflächiges oder berührungsarmes Greifen – halten die Flächenpressung gering und die Oberflächen frei von Kontamination. Gleichzeitig halten sie Schritt mit der Dynamik im Produktionsprozess. „Die Ansprüche bei der Brennstoffzellenproduktion sind ähnlich der Batteriefertigung – handhaben wir hier doch vergleichbare Materialien. Sie sind dünn, beschichtet und damit extrem empfindlich“, resümiert Müller.

Eine Brennsotffzelle ist ähnlich aufgebaut wie eine Lithium-Ionen-Batterie. Doch es gibt verschiedene Arten von Brennstoffzellen. Der hier abgebildete Aufbau entspricht dem einer Polyelektrolyt-Brennstoffzellen oder auch PEFC(Polymer Electrolyte Fuel Cell).
Greifer zur schonenden Handhabung von Gasdiffusionslagen (GDL)
Faltenfreie Handhabung von Folien und Membranen (CCM)
Handhabung von stark strukturierten Werkstücken mit  Durchbrüchen
Handhabung von Bipolarplatten (BPP)
Flächengreifer FLGR mit hohem Volumenstrom zum vollflächigen Greifen von sensiblen Werkstücken wie Membran-Elektroden-Anordnungen (MEA) und Bipolarplatten (BPP)
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