Automatisierte Brennstoffzellenproduktion mit Stäubli-Robotern

Im neuen Werk von Palcan werden unter Reinraumbedingungen die Stacks von Brennstoffzellen produziert.

Wird die Brennstoffzelle die Energiequelle der Zukunft sein – in stationären und mobilen Anwendungen? Für viele Experten ist die Antwort eindeutig „Ja“, zumal der aktuelle Auf- und Ausbau einer Wasserstoffinfrastruktur die Implementierung dieser umweltfreundlichen, kompakten und bewährten Technologie erleichtern wird. Die Palcan Group treibt diesen Trend voran. Das 1998 in Kanada gegründete Unternehmen fusionierte 2016 mit der Boyuan Fuel Cell (Shanghai) Co., Ltd. Seitdem hat Palcan am Standort China in drei moderne Produktions- und F&E-Standorte investiert: Suzhou (Forschung und Entwicklung), Changzhou (Produktservice) und Cixi (Produktion).

Ziel ist es, die gesamte Wertschöpfungskette mit modernsten und in hohem Maße skalierbaren Technologien abzudecken, angefangen bei der Forschung und Entwicklung über Prototyping und Pilottests bis zur Massenproduktion mit integrierter Prüftechnik.

Scara- und Sechsachsroboter kooperieren und können das auch in hochgradig säurehaltiger Atmosphäre.

Liu Zhikang
Leiter der Produktionslinie bei Palcan Group

„Wir betreiben die ersten automatischen Produktionslinien sowohl für Membranelektroden als auch für die Stacks von Hochtemperatur-Brennstoffzellen. Diese Anlagen haben sich in der Branche schnell zu einer Referenz entwickelt. “

Kernkompetenzen der Zellenproduktion in einer Hand

Palcan hat bereits eine Vielzahl von Methanol-Reforming-Wasserstoff-Brennstoffzellensystemen mit unterschiedlichen Leistungen für verschiedene Märkte entwickelt. Dabei ist es ein großer Vorteil, dass der Herstellungsprozess der Kernkomponenten wie Stacks, Bipolarplatten und Reformer sowohl für die MR-Wasserstoffproduktion (Methanol-Reforming) als auch für Hochtemperatur-PEM-Brennstoffzellen (Proton-Exchange Membrane) im eigenen Haus erfolgt.

Die Produktion dieser Komponenten in großem Maßstab stellt eine echte Herausforderung dar. Denn jeder „Stack“ – so bezeichnet man die Brennstoffzellenstapel – besteht aus einer großen Anzahl von dünnen und wertvollen Materialien mit empfindlichen Oberflächen, die aufeinander gestapelt werden. Um diese Aufgabe effizient zu erfüllen, hat Palcan in Cixi eine Anlage für den Bau von Methanol-Reforming-Brennstoffzellen (MRFC) gebaut, die Anfang 2021 den Betrieb aufgenommen hat. Das Werk erstreckt sich über eine Fläche von 33 Hektar und verfügt über vollautomatische Produktionslinien für Bipolarplatten (BPP) und Membranelektroden (MEA) sowie für deren Montage zu Stapeln und weiter zu Hochtemperatur-Brennstoffzellensystemen.

Ein renommierter Systemintegrator entwickelte für Palcan eine im hohen Maße skalierbare Brennstoffzellenfertigung – mit Stäubli-Robotern.

Handhabung unter aggressiven Umgebungsbedingungen

Bei der Membranelektrodenmontage (MEA) spielen Stäubli-Roboter eine wichtige Rolle. Liu Zhikang, Leiter der Produktionslinie, erklärt: „Carbonfolien sind ein wichtiger Bestand der MEA. Nachdem sie formatiert, d. h. geschnitten, beschichtet und gesintert worden sind, transportiert ein Stäubli-Sechsachsroboter vom Typ TX2-90 die Bögen schnell und präzise zu der definierten Montageposition.“

Eine weitere Komponente der Stacks, die PBI (Polybenzimidazol)-Folien, müssen in einer stark sauren Umgebung (pH >2) getränkt werden, ohne dass es zu Korrosion oder Beschädigung der Handhabungsgeräte kommt. Hier sorgt ein Stäubli-Scara-Roboter TS2-80 HE für das Handling der Folien. HE steht dabei für Humid Environment (feuchte Umgebung). Das Gehäuse dieser Roboter ist so sorgfältig abgedichtet, dass ihr Innenleben vor dem Eindringen von Wasser oder Chemikalien geschützt ist. Zugleich bieten sie ein hohes Maß an Korrosionsbeständigkeit. Nach dem Stapeln der dünnen und ebenfalls beschichteten Bleche und Folien bewegt ein zweiter TX2-90 Sechsachser die MEA-Einheit in eine Laserschneidanlage. Dank seiner hohen Performance erledigt der Roboter diese Aufgabe nicht nur präzise, sondern auch mit beeindruckender Dynamik.

Das Endprodukt der robotergestützten Produktionslinie: der Stack einer Brennstoffzelle.

Infos zum Anwender

Palcan ist ein kanadisches Hightech-Unternehmen, das die Mission verfolgt, die „Wasserstoff“-Wirtschaft voranzutreiben. Das Unternehmen produziert zuverlässige sowie erschwingliche
Energiesysteme für die Transportindustrie, die mit „Wasserstoff“ betrieben werden. Palcan ist dabei nach eigenen Angaben das erste Unternehmen in China, das die Genehmigung seiner selbst entwickelten methanolreformierten Brennstoffzelle (MRFC) erhalten hat, die seit 2020 in Flottenfahrzeuge in ganz China integriert werden.

Stapeln der Zellen: schnell und präzise

Bei der anschließenden Montage der Stapel zu Zellen übernehmen zwei Stäubli TS2-80 mit einer Traglast von je 2,4 kg das Handling. Auch hier setzen die Stäubli-Roboter Maßstäbe in Sachen Tempo und Präzision: Die Zykluszeit liegt bei nur 0,8 Sekunden und die Positioniergenauigkeit beträgt +/- 0,01 mm. Liu Zhikang führt aus: „Dank dieser Kombination aus Geschwindigkeit und Präzision können wir einen kompletten Stapel in einer Stunde montieren: In Anbetracht der hohen Anzahl an Komponenten ist das extrem schnell.“

Projektiert wurde diese Linie von einem weltweit bekannten Systemintegrator. Dieser entwickelt und baut nicht nur komplexe Produktionslinien, sondern auch schlüsselfertige Fertigungsanlagen für Brennstoffzellen und Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge. Mit diesen robotergestützten Linien ist ein kontinuierlicher Ramp-up möglich – mit dem Ziel von 50.000 Einheiten pro Jahr. Dies wird erreicht, indem die Produktionslinie kontinuierlich aufgerüstet und erweitert wird.

Eine Produktionslinie, die weltweit Maßstäbe setzt

Die Produktionslinie von Palcan in Cixi ist eine Weltneuheit, wie Liu Zhikang erklärt: „Wir betreiben hier die ersten automatischen Produktionslinien sowohl für Membranelektroden als auch für die Stacks von Hochtemperatur-Brennstoffzellen. Diese Anlagen haben sich in der Branche schnell zu einer Referenz entwickelt. Die Roboter arbeiten in einer stark säurehaltigen Umgebung, mit hoher Geschwindigkeit und Präzision sowie mit hoher Verfügbarkeit und Skalierbarkeit.“

Die positiven Erfahrungen mit dieser Lösung haben bereits zu Folgeprojekten geführt. Derzeit bereitet die Palcan Group ihr Projekt in Guangxi Nanning vor, das auf die Produktion von Komponenten für die Wasserstoffindustrie mit einer Jahresleistung von 12 GW abzielt. Das Projekt soll eine Gesamtfläche von mehr als 214 Hektar umfassen, und auch hier werden Stäubli-Roboter zum Einsatz kommen. Insgesamt rechnen die Anlagenbauer von Palcan mit einem größeren Bedarf an Stäubli-Scara- und Sechsachsrobotern für die weitere Automatisierung bestehender Produktionslinien an mehreren Standorten und auch für komplett neue Produktionslinien.

Yu Yiwen, Brand and Supply Chain Director der Palcan Group, betont: „Die Stäubli-Roboter gewährleisten Genauigkeit und Stabilität in unserer Produktion. Sie reduzieren die Bruchrate der empfindlichen Komponenten erheblich und senken die Produktionskosten. Außerdem hat uns das Stäubli-Team während unserer ersten Zusammenarbeit viele professionelle Vorschläge und Lösungen unterbreitet. In der Zukunft wird es definitiv einen breiteren Raum für die Zusammenarbeit geben.“