Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA
Industrialisierte Herstellung von Flachmembranbefeuchtern – Fertigungssystemplanung für die Großserienfertigung neuartiger Wasserstofftechnologien FLAMMI
In Kürze
Der Flachmembranbefeuchter soll den Wirkungsgrad und die Lebensdauer von Wasserstoff-Brennstoffzellen verbessern. Im Projekt FLAMMI untersucht und entwickelt das Fraunhofer IPA gemeinsam mit MAHLE und Schnaithmann ein kosteneffizientes Fertigungskonzept für Flachmembranbefeuchter. Ziel des Projektes ist der Aufbau und der Betrieb einer vollautomatischen Pilotanlage auf Basis eines einsatzfähigen, kosteneffizienten und skalierbaren Fertigungskonzeptes für die Automobilindustrie.
Im Detail
Der Wasserhaushalt einer Brennstoffzelle hat großen Einfluss auf deren Wirkungsgrad und die Lebensdauer. Ein Austrocknen der Membran für die Wasserstoff-Elektrolyse führt zu einem Gasdurchbruch, ein Überschuss an Wasser bedingt einen ungewünschten freien Zutritt der Gase zum Katalysator. Deswegen muss die der Brennstoffzelle zugeführte Außenluft nicht nur gefiltert, sondern auch deren Feuchtigkeit präzise geregelt werden. Der Flachmembranbefeuchter sorgt für eine zuverlässige Befeuchtung der zugeführten Luft, indem Feuchtigkeit aus der Abluft der Brennstoffzelle der Zuluft zugeführt wird. So werden die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der Brennstoffzelle verbessert.
Um in Zukunft Nutzfahrzeuge mit Brennstoffzellenantrieb in Großserien herstellen zu können, bedarf es auch der Industrialisierung neuer Fertigungs- und Handhabungsprozesse in der Montage von Flachmembranbefeuchter-Modulen. Hierzu untersucht und entwickelt das Fraunhofer IPA im vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderten Projekt FLAMMI (Industrialisierung FLAchMembranbefeuchterModul) gemeinsam mit MAHLE Filtersysteme GmbH und Schnaithmann Maschinenbau GmbH ein kosteneffizientes Fertigungskonzept von Flachmembranbefeuchtern. Ziel des Projektes ist der Aufbau und der Betrieb einer vollautomatischen Pilotanlage, die als Basis für eine spätere Serienanlage dient.
Für das Anlagenkonzept sind dabei explizit die Einzelprozessschritte Richten, Trennen, Fügen und Stapeln zu betrachten. Beim Richten wird die ungewünschte radiale Formgebung des Materials aufgrund der Anlieferung der Rohmaterialien als Rollenware betrachtet. Das Rollenmaterial wird sowohl in Quer- als auch in Längsrichtung auf definiertes Maß getrennt. Durch das selektive Fügen einzelner Lagen von Membrane und Spacer entsteht ein Kreuzstrom innerhalb des Flachmembranbefeuchter-Moduls, der den Wasseraustausch ermöglicht. Das Stapeln der einzelnen Membrane und Spacer automatisiert den Handhabungsprozess der Herstellung der Flachmembranbefeuchter-Module.
Im Rahmen des Projektes wird nach einer strukturieren Anforderungsanalyse eine Technologiestudie zu den unterschiedlichen Prozessschritten durchgeführt. Bei aussichtsreichen Fertigungstechnologien führen die Expertinnen und Experten der Gruppen Fertigungssystemplanung und Sägetechnologie des Fraunhofer IPA zur Validierung Machbarkeitsuntersuchungen am Fraunhofer-Institut vor Ort oder bei einem der Technologiepartner des Projektes durch. Bei allen Untersuchungen werden Änderungen am Produktdesign zur Vereinfachung einer Automatisierungslösung (Design for Manufacturing & Design for Automation) mitberücksichtigt.
Das Fertigungskonzept mit dem höchsten Potenzial wird in einem einheitlichen Fertigungssystem umgesetzt, mit dem Ziel, eine Ausbringung von zwanzigtausend bis vierzigtausend Stück pro Jahr zu erreichen. Parallel erfassen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer IPA während des Betriebes der Pilotanlage kontinuierlich relevante Prozess- und Qualitätsdaten. Durch diese Ansätze zur datengetriebenen Optimierung wird die Gesamtanlageneffektivität verbessert, indem Optimierungspotenziale sowohl in Bezug auf die Verfügbarkeit, Taktzeiten als auch in Bezug auf die Produktqualität erhoben werden.
Die entwickelte Pilotanlage soll als Blaupause für die Serienfertigung in der Automobilindustrie dienen.
Einblicke ins Projekt
MAHLE Filtersysteme GmbH
»Weltweit steigt die Anzahl von Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb an. MAHLE unterstützt die Entwicklung großserientauglicher Fahrzeuge mit Brennstoffzellenantrieb durch seine gesamtsystemische Kompetenz in den Bereichen Thermo- und Luftmanagement, Leistungselektronik und Filtration. Im Fokus stehen dabei geringere Systemkosten bei höherer Betriebssicherheit. Das Fraunhofer IPA unterstützt uns dabei im Projekt FLAMMI mit seiner Expertise in der Optimierung von Fertigungssystemen, sodass wir eine Verringerung der Herstellungskosten in der Serienfertigung von Flachmembranbefeuchtern im Luftmanagementsystem der Brennstoffzelle erreichen.«
Michael Baumann, FLAMMI Verbundkoordinator & Head of Product Development Fuel Cells Peripherals MAHLE Filtersysteme GmbH
»Für uns als mittelständiges Unternehmen ist FLAMMI ein spannendes Projekt und eine Ehre, dass wir mit unserem langjährigen Partner MAHLE und dem Fraunhofer IPA an dieser zukunftsträchtigen Entwicklung mitarbeiten können.
Da das partnerschaftliche Zusammenarbeiten eines unserer Grundprinzipien ist, können im Rahmen dieses Verbundpartnerprojekts neue Kontakte geknüpft und der Grundstein für langfristige Partnerschaften gelegt werden.
Weiter kommt hinzu, dass wir durch die Erforschung neuer Technologien und Methoden eine große Chance generieren, die umweltlichen und wirtschaftlichen Aspekte sinnvoll zu verknüpfen und für alle, im Rahmen des herausfordernden Wandels, neue Möglichkeiten zu schaffen.«
Thilo Hottmann, Geschäftsführer Schnaithmann Maschinenbau GmbH
Förderung
Das Projekt FLAMMI wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz gefördert und vom Projektträger Forschungszentrum Jülich GmbH betreut.
Förderkennzeichen: 03EN5008C
