Beschreibung

Kurzfassung

Im Rahmen des Projektes „KontiMEA“ soll ein Anlagenkonzept basierend auf dem am wbk bereits erarbeiteten Anlagenkonzept „Coil2Stack“ für die Batteriezellenfertigung auf die Brennstoffzellenfertigung adaptiert und weiterentwickelt werden. Mit der neuen Prozess- und Anlagentechnik sollen alle Komponenten einer 7-Lagen Membranelektrodeneinheit (MEA) in einem einzigen kontinuierlichen Rolle-zu-Rolle-Fertigungsprozess assembliert werden können, um eine Verringerung der Gesamtprozesszeit der MEA-Herstellung im Vergleich zum Stand der Technik zu ermöglichen. Zugleich wird die Nutzung von Kernmaterialien erhöht und die Kosten für den Herstellungsprozess reduziert.

Herausforderung:

Die derzeitige Entwicklung der Produktionsabläufe in der Brennstoffzellenindustrie ist darauf ausgerichtet, den Markt mit geringen bis mittleren Stückzahlen zu versorgen. Mit der zu erwartenden Marktexpansion müssen die Hersteller und ihre Zulieferer jedoch innovative Prozesse und Methoden einführen, die eine Stückzahlskalierung ermöglichen. Um die spezifischen Anforderungen an Kostenreduktion und Taktzeiterhöhung gleichzeitig zu erfüllen, eignet sich ein Rolle-zu-Rolle-Prozess aufgrund seiner hohen Prozessgeschwindigkeit und Verarbeitbarkeit dünnerer Materialien insbesondere für den kontinuierlichen MEA-Herstellungsprozess. Bedingt durch sehr hohe Materialkosten werden die MEA für eine effiziente Materialnutzung ausgelegt, was oft mit einer hohen kontinuierlichen Prozessauslegung im Konflikt steht.

Projektziel:

Das vorliegende Forschungsvorhaben zielt auf die systematische Entwicklung von kontinuierlichen Herstellungsprozessen in der MEA-Produktion zur Minimierung der Kosten, zur Steigerung von Qualität und Durchsatz und zur Verbesserung des ökologischen Fußabdrucks gegenüber dem aktuellen Stand der Technik.

Vorgehensweise:

Das am wbk etablierten Anlagenkonzept „Coil2Stack“ wurde für den Anwendungsfall der Vereinzelung und Stapelbildung in der Batteriezellfertigung entwickelt. Das Kernstück des Anlagenkonzepts ist das innovative Handhabungselement, welches mehrere Funktionen inkl. Greifen, Vereinzelung, Bahnführung und Ablegen integriert. Aufbauend auf dem Coil2Stack-Konzept untersucht das wbk im Hinblick auf die Prozess- und Anlagenentwicklung ein kontinuierliches, ressourceneffizientes, funktionsintegriertes Verfahren, welches die kontinuierliche MEA-Herstellung inklusiv des Schneid- und Klebevorgangs ermöglicht. Dabei werden zunächst geeignete Schneid- und Fügetechnologien materialspezifisch für den MEA-Herstellungsprozess analysiert und geeignete Technologien für die spätere Umsetzung ausgewählt. Die durch das MEA-Design bedingte spezielle Anforderung an die Synchronisierung der Maschinenelemente werden ebenfalls betrachtet. Zum Schluss wird ein Funktionsdemonstrator zur Validierung des Prozess- und Anlagenkonzeptes aufgebaut.

Verwertung:

Mit diesem neuen Anlagenkonzept kann der nach dem Stand der Technik in einer separaten Anlage stattfindende Schneidprozess in den MEA-Assemblierungsprozess integriert werden, wodurch nicht nur die Prozessgeschwindigkeit beschleunigt, sondern auch Intralogistik- und Platzbedarf für die Schneidanlage eingespart werden kann. Ferner bieten die bewegbaren Handhabungselemente den Vorteil, Prototypen mit häufigen Produktanpassungen bzgl. des Formats in einem frühen Entwicklungsstadium seriennah anzufertigen.