Die Brennstoffzelle boomt – und Schmalz greift zu

Handhabung von Bipolarplatten (BPP) (Bild: J. Schmalz GmbH)

Flächengreifer FLGR mit hohem Volumenstrom zum vollflächigen Greifen von sensiblen Werkstücken wie Membran-Elektroden-Anordnungen (MEA) und Bipolarplatten (BPP) (Bild: J. Schmalz GmbH)

Greifer zur schonenden Handhabung von Gasdiffusionslagen (GDL)(Bild: J. Schmalz GmbH)

Handhabung von stark strukturierten Werkstücken mit Durchbrüchen (Bild: J. Schmalz GmbH)

Faltenfreie Handhabung von Folien und Membranen (CCM) (Bild: J. Schmalz GmbH)

Die Brennstoffzelle ist eine ernstzunehmende Lösung für die emissionsfreie Mobilität. War sie lange von der Bildfläche verschwunden, etabliert sie sich mittlerweile als ein gangbarer Weg für Zero-Emission-Strategien. Entsprechend dynamisch ist die Entwicklung der Hardware und der automatisierten Fertigung. Hier greift Schmalz zu und adaptiert seine Handhabungssysteme an die sich ständig verändernden Anforderungen – neue Prozessschritte, Oberflächen und Werkstoffe.

Ab 2001 wurde es unruhig unter den Verbrennern. Auf den IAAs Anfang des 21. Jahrhunderts lenkten immer mehr Automobilhersteller die Aufmerksamkeit auf ihre „blaue“ Vision der Mobilität der Zukunft: Fahrzeuge mit Brennstoffzellenantrieb. Auch deutsche Autobauer schickten Testflotten auf die Straßen – leise, sauber und unter Beachtung einiger Sicherheitsmaßnahmen ebenso einfach in der Handhabung wie Benziner oder Diesel. Dann entzog sich die Brennstoffzelle der öffentlichen Aufmerksamkeit. Nach Jahren der Förderung der Elektromobilität mit Batterien als Energiespeicher treten nun erneut die Wasserstoffnutzer ins Rampenlicht. In einer Studie definiert der VDE im April 2021 das „Antriebsportfolio der Zukunft“ als bedarfsorientierten Mix: Batterie für Pkw, Batterie oder Brennstoffzelle für Lkw und E-Fuels für Bestandsfahrzeuge, den Motorsport und Oldtimer. Der Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e. V. befragte dafür Politikerinnen und Politiker sowie Führungskräfte aus der Wirtschaft. Fakt ist: Die Brennstoffzelle etabliert sich und ist eine Chance für das emissionsfreie Fahren und die Wirtschaft in Deutschland. Für eine effiziente Produktion braucht es auch automatisierte Greifsysteme, die die unterschiedlichen Komponenten und Baugruppen sanft und sicher handhaben.

„Die Brennstoffzelle ist derzeit ein hochdynamisches Thema. Vor allem in Deutschland und Europa sowie in einzelnen Ländern Asiens lassen Förderprogramme neue Player hochkommen und die großen Bekannten sich weiter etablieren“, sagt Matthias Müller, Leiter Verkauf International und Internationales Branchen- und Key Account Management bei der J. Schmalz GmbH. Die Herausforderung für ihn und sein Team ist, an allen Projekten dran zu sein und den hohen Innovationsgrad bedienen zu können. „Wir schaffen das ohne Probleme – dank unseres Branchenmanagements. Das ist unser Dreh- und Angelpunkt, der relevante Kontakte aufdeckt und Kunden fachgerecht betreut. Hinter dem Erfolg steht die sehr enge Zusammenarbeit mit unseren Vertriebsorganisationen. Mit hoch innovativen Lösungen und starken Entwicklungsabteilung können wir der Dynamik im Markt folgen“, erläutert Müller. Entsprechend stark vernetzt ist das Schwarzwälder Unternehmen:  Schmalz arbeitet schon seit Jahrzehnten mit Automobilherstellern zusammen und beteiligt sich an nationalen Forschungsprojekten. Das Ziel: Die wirtschaftliche Serienproduktion von Brennstoffzellen. „Hier ist die Automatisierung entscheidend, und damit kommen wir ins Spiel“, ergänzt Müller. Schmalz ist mit seinem umfassenden Greifer-Portfolio für diese Rolle gut aufgestellt. Und dennoch gibt es in der Entwicklungsabteilung in Glatten einiges zu tun. „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.“

Griff ins Herz der Brennstoffzelle

Um zu verstehen, was Matthias Müller meint, hilft der Blick in eine Brennstoffzelle, deren Aufbau im Prinzip an eine Batterie erinnert: 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 Greiftechnologien, 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 BPP 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 von Schmalz in diesem Produktionsschritt zu finden: Flächengreifer FLGR, Strömungsgreifer SCG, Schwebesauger SBS und konventionelle Vakuum-Sauggreifer.  Ihre unterschiedlichen Technologien – 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. Und wir halten Schritt mit der Entwicklungsdynamik – sowohl in Forschungsprojekten als auch in der Serienproduktion“, resümiert Matthias Müller. Nach dem Gespräch mit dem Leiter des internationalen Branchenmanagements ist klar: Egal ob es um die „blaue“ Vision der Autobauer oder den „grünen“ Plan der Politik geht – das Schmalzblau wird in der automatisierten Produktion von Brennstoffzellen immer wieder durchblitzen.