RUBIN-DuSwaP Projekt

Entwicklung eines dualen Stackingkonzeptes und wasserstofffreier Prüfszenarien als Grundlage der Bereitstellung zukünftig erforderlicher Stückzahlen an BZ-Stacks

Über RUBIN-DuSwaP

Über RUBIN-DuSwaP

Abgeleitet von den erforderlichen Stückzahlen an Brennstoffzellenstacks für die Automobilproduktion der mittelfristigen Zukunft, wird ein duales Stackingkonzept sowie ein KI-basiertes Prüfsystem entwickelt. Beide Ansätze schließen bereits heute absehbare Lücken in den betreffenden Produktionszyklen und EndOfLine-Prüfungen. Die hierfür notwendigen Verfahrens- und Anlagenkonzepte werden parallel in drei Verbünden entwickelt.

Bei Erreichung der gestellten Ziele ermöglicht DuSwaP eine immense Zeit- und Kostenersparnis bei der Herstellung der BZ-Stacks. Die generelle Verfügbarkeit der Anlagen und des Produktes steigt, Investitionskosten und -risiken sinken. Das Bündnis trägt somit nicht nur dazu bei, die Akzeptanz der neuen Technologie weiter zu erhöhen, sondern ermöglicht mittelfristig kostengünstigere Produkte, eine weitere zentrale Forderung der OEM. Das Vorhaben trägt somit unmittelbar zu den Zielen der Bundesregierung bei.

angestrebte Ergebnisse DuSwaP

Das Bündnis nutzt dabei gezielt die traditionell vorhandenen Stärken des klassischen sächsischen Maschinenbaus und kombiniert diese mit innovativen digitalen Ansätzen jüngerer Firmen und verschmilzt somit in einem neuartigen Produktportfolio. Die Durchdringung der gestellten Ziele ist auf Grund des komplexen Charakters nur gemeinsam im Verbund erreichbar, erhöht aber gerade auch dadurch die Chancen, gemeinsam entwickelte innovative Produkte und Prozesse am Markt effektiver zu platzieren und diesen durch mehrere Alleinstellungsmerkmale aktiv (mit) zu gestalten.

Wissenschaftliche und/oder technische Arbeitsziele

  • Duales Stackingkonzept

    Die Entwicklung eines neuartigen zweigeteilten Stackingkonzeptes wird die Nachteile des bisherigen Prozesses eliminieren, bei dem das komplette Stack (bei 100 kW ca. 400 Brennstoffzellen) an einer Stelle vollständig, hardwarebedingt langsam und ohne Zwischenprüfungsmöglichkeit aufgebaut wurde. Auftretende Fehler (Prozess oder Bauteil) führten zur Verschrottung des kompletten bereits verbauten BZ-Stacks oder wurden erst bei finaler Prüfung erkannt. Das Konzept selbst stellt Entwicklungsanforderungen u. a. an Handling, Zusammenbau, Transport, zusätzliche Verspannung, Dichtheit, Zwischenprüfungen und generell optimierte Auslegung des Stacks.

  • Ministack

    Die Fertigung der Ministacks in sehr hohen Prozessraten ermöglicht prinzipiell die Erreichung zukünftiger hoher Stückzahlen. Wird heute eine BZ, bestehend aus Bipolarplatte und MEA in ca. 3 s gestapelt, sollen durch das Fließverfahren perspektivisch bis zu 10 Brennstoffzellen pro Sekunde (= 1 Ministack) ermöglicht werden. Die daraus resultierenden hohen Geschwindigkeiten für Bauteile und Anlagen stellen primäre Entwicklungs-aufgaben an den Prozess und die Anlagentechnik sowie an Sensorik, dynamische Robustheit und Reaktionsfähigkeit der Anlagen und der Steuerungsarchitektur.

  • Roboter-Stacking

    Die Stapelung der sehr filigranen Einzelschichten zu einem Ministack werden dem eigentlichen BZ-Stacking und Verspannen vorangestellt. Ferner besitzen diese Ministacks eine deutlich höhere Eigensteifigkeit und eine reduzierte Anforderung hinsichtlich des Reinheitsgrades der Umgebung. Dadurch kann ein taktzeiterfüllendes Stacking, d. h. 40 Ministacks in weniger als 2 Minuten mittels Robotersystemen auch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten gelingen. Die Herausforderungen hierbei liegen in der Realisierung einer entsprechend hohen Geschwindigkeit und der erforderlichen Genauigkeit, die insbesondere beim Aufnehmen der Ministacks aus einem Behälter und dem Ablegen in eine entsprechende Verspanneinrichtung entscheidend sind. Es sind entsprechende Handhabesysteme zu realisieren, die neue physikalische Effekte, wie druckluftfreies Greifen, zu realisieren, die jedoch nicht die Oberflächen beeinträchtigen.

  • Wasserstofffreie Prüfung

    Die Prüfung von BZ stellt mit den heute üblichen Prüfverfahren und perspektivischen Stückzahlen räumliche und zeitliche Anforderungen, die nicht oder nur unter hohen Investitions- und Materialkosten (Wasserstoff) zu stemmen sind. Der neue Ansatz kombiniert die durchzuführenden Tests mit ML/KI-Methoden und einem H2-Ersatzgas. Hierdurch sollen Leckage-Tests ermöglicht werden, bei denen parallel elektrochemische Analysen die potenzielle Funktionsfähigkeit der Brennstoffzelle interpretieren. Im Endeffekt soll so, neben dem kostenintensiven Wasserstoff, auch periphere Sicherheitstechnik entfallen. Weiterhin werden dynamische Kennwerte für Luft- und Körperschall gemittelt und Systemmängel aufgrund von Bauteil- und Montagefehlern detektiert. Der heute 4-12 Stunden benötigende End-Of-Line-Test wird so perspektivisch auf wenige Minuten reduziert. Entwickelt werden müssen die Ersatz-Prüfverfahren inkl. der notwendigen Sensorik und Auswertemethoden.

  • Schutzzaunlose Fertigung

    Der Robotereinsatz in automatisierten Prozessrouten ist effektiv und industrieller Standard, durch Sicherheitskonzepte aber auch platzintensiv, da durch Schutzzäune der Wirkbereich des Roboters abgegrenzt wird. Im Rahmen des Bündnisses sollen intelligente roboterbasierte Prüfstationen mit kognitiven und kollaborativen Fähigkeiten entwickelt werden. Dynamische Sicherheitsbereiche ersetzen damit die bisherigen starren Konzepte. Dieser Ansatz verspricht ein enormes Potenzial zum kosteneffizienten Einsatz industrieller Roboter in Umgebungen ohne konventionelle trennende Schutzeinrichtungen (Zäune, Tore etc.). Ers-te Versuchsanwendungen konnten Flächeneinsparung von über 50 % nachweisen, gleichbedeutend mit Einsparungen an Investitionskosten von > 50 T€ pro Roboterstation. Durch die damit einhergehende Flexibilität, ergeben sich weitere Potenziale bei der Effektivität des Prozesses selbst, da ein notwendiger Eingriff des Menschen in den Prozess zeitsparend automatisch erkannt wird und sichere Bewegungsroutinen aktiviert werden.

  • Reparatur- und Re-Use-Konzept für bereits eingesetzte Brennstoffzellenstacks

    Ein wichtiges Kriterium für eine optimale Funktion des BZ-Stacks ist das sich bei dem Verspann-Vorgang einstellende unikate Regime aus Flächenpressung und Dichtheit in jeder einzelnen BZ-Paarung. Aktuell nachteilig ist, dass einmal verspannte Stacks nicht mehr gelöst und anschließend wieder montiert werden können, da die relativen Positionierungen nicht mehr reproduzierbar sind. Damit können die optimalen Parameter nicht mehr erreicht werden. Die parallele Entwicklung von separat verspannten Ministacks löst dieses Problemfeld und ermöglicht sowohl Reparatur-, als auch Re-Use Konzepte durch die potenzielle Austauschmöglichkeit einzelner defekter Ministacks, während der gesamte Rest der Brennstoffzellen in Lage und damit funktionsfähig bleibt. Zur Umsetzung dieser Ziele sind zusätzlich intuitiv fähigkeitsbasierte Roboter-Programmiermethoden zu entwickeln, die mit entsprechenden Anlagenkonzepten eine Wiederinbetriebnahme überhaupt erst ermöglichen und dadurch mind. 50 % Zeit-, Ressourcen- und Kosteneinsparung, verglichen mit einem neuen Stack, bedeuten.

Gefördert durch

  • Regionale unternehmerische Bündnisse für Innovation

    Regionale unternehmerische Bündnisse für Innovation

    „RUBIN – Regionale unternehmerische Bündnisse für Innovation“ soll die Innovations- und Wettbewerbsfähigkeit insbesondere kleiner und mittlerer Unternehmen (KMU) stärken. Gleichzeitig unterstützt das Förderprogramm Hochschulen und Forschungseinrichtungen dabei, sich noch stärker für die Verwertung ihrer Forschungsergebnisse und daraus entstehende Innovationen zu engagieren.

  • Bundesministerium für Bildung und Forschung

    Bundesministerium für Bildung und Forschung

    Mit RUBIN will das Bundesministerium für Bildung und Forschung in strukturschwachen Regionen Prozesse anstoßen, die langfristig zu einer wettbewerbsfähigen Profilbildung der Region führen. Diese Entwicklungen sollen regionale Wertschöpfungsketten, innovative Produkte und Dienstleistungen sowie den Zugang zu neuen Märkten ermöglichen.

  • Projektträger Jülich

    Projektträger Jülich

    Als einer der führenden Projektträger Deutschlands ist das PTJ Partner der öffentlichen Hand in Wissenschaft, Wirtschaft und Politik. Mit seiner Expertise im Forschungs- und Innovationsmanagement unterstütz der Projektträger seine Auftraggeber in Bund und Ländern sowie die Europäische Kommission bei der Realisierung ihrer förderpolitischen Zielsetzungen. Für die Auftraggeber setzt er Forschungs- und Innovationsförderprogramme um, die zielgenau auf deren Anforderungen und den gesellschaftspolitischen Bedarf ausgerichtet sind. Dabei werden nationale und europäische Förderung integriert – für einen wettbewerbsfähigen Forschungs- und Innovationsstandort Deutschland in einem gemeinsamen europäischen Forschungsraum.

Kontakt

Die RUBIN Konzeptphase wird gemeinsam durch die Bündnispartner


Texulting GmbH (Bündniskoordinator)

Gewerbering 3, 09337 Hohenstein-Ernstthal Ansprechpartner: Prof. Markus Michael info@texulting.com


Fiber-Tech Management GmbH

Tuchschererstraße 15, 09116 Chemnitz Ansprechpartnerin: Franziska Pfalz info@fiber-tech.de


Fraunhofer IWU

Reichenhainer Str. 88, 09126 Chemnitz Ansprechpartner: Sören Scheffler soeren.scheffler@iwu.fraunhofer.de


koordiniert.