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Automated mass-manufacturing and quality assurance of Solid Oxide Fuel Cell stacks

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Automatisierung treibt günstigere Brennstoffzellentechnologie voran

Die teuerste Einzelkomponente eines Systems aus Festoxidbrennstoffzellen (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC) ist der Brennstoffzellenstack. EU-Forschende haben einen neuen Massenfertigungsprozess für Stacks entwickelt, der die Qualitätskontrolle verbessert und die Kosten senkt.

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Energie

Festoxidbrennstoffzellen (SOFCs) gehören zu den vielversprechendsten erneuerbaren Energietechnologien, um den Ausstoß von Kohlendioxid, Schwefeldioxid und Stickstoffoxiden zu reduzieren. Allerdings erzeugt eine einzelne Zelle nur einige zehn Watt Strom. Die Lösung besteht darin, die Zellen in einem Stack, also einem Stapel, anzuordnen, um eine höhere Leistung zu erzielen – vergleichbar mit Batterien in einem Akkupack. In Bezug auf die Massenproduktion befindet sich die Brennstoffzellentechnologie in einem relativ frühen Stadium. Erst jetzt sind einige Brennstoffzellen-Technologien so weit ausgereift, dass mit einer ernsthaften Produktion begonnen werden kann. Doch trotz signifikanter Fortschritte in der SOFC-Technologie in den letzten zehn Jahren bleiben die Kosten das größte Hemmnis für eine breitere Akzeptanz. Die derzeitigen Investitionen in moderne SOFC-Systeme konzentrieren sich auf die Kostenreduzierung und Qualitätsverbesserung bei den SOFC-Stacks. Dies könnte erreicht werden, wenn manuelle Arbeit in allen Schlüsselbereichen der Stack-Fertigung und Qualitätssicherung durch automatisierte Verfahren ersetzt würden.

Qualitätsprüfung ist der Schlüssel

Das EU-finanzierte Projekt qSOFC hat sich dieser Herausforderung angenommen und eine Automatisierung und Qualitätssicherung für die Fertigung von SOFC-Stacks entwickelt. „Dies wird zu deutlich günstigeren SOFC-Stacks mit höherer Qualität führen und damit die Marktdurchdringung der Technologie fördern“, sagt Projektkoordinator Markus Rautanen. Die Forschenden optimierten wichtige Schritte der Zellfertigung und Qualitätssicherung, indem sie ein Hochgeschwindigkeits-Zellfertigungsverfahren entwickelten und testeten. „Dazu gehörte auch ein automatisiertes, auf maschinelles Sehen gestütztes 3D-Inspektionssystem zur Erkennung von Mängeln bei der Zellfertigung“, erklärt Rautanen. Die Projektpartner entwarfen und bauten ein neuartiges Bildverarbeitungsprüfsystem, das in der Lage ist, eine Brennstoffzelle innerhalb von 10 Sekunden vollständig zu überprüfen und Mängel mit einer Größe von nur 10 μm aufzudecken. „Außerdem entwickelten wir die Testmatrix für die Anwendung eines fortschrittlichen Analysewerkzeugs, das als Distribution of Relaxation Times (DRT, Relaxationszeitverteilung) bezeichnet wird, zur Bewertung und Quantifizierung der Leistung von Zellen, Stacks und Stackkomponenten“, merkt Rautanen an.

Weltweit führend

DRT ist ein Analysewerkzeug zur Interpretation von Daten aus der elektrochemischen Impedanzspektroskopie. Es ist in der Lage, jedes elektrochemische Verfahren von einem anderen zu unterscheiden und es zu qualifizieren. Dazu Rautanen: „DRT kann die Qualität und Homogenität einer bestimmten Zellcharge untersuchen und etwaige Anomalien oder den Bedarf an spezifischen Verbesserungen schneller und umfassender identifizieren als herkömmliche Methoden.“ Dies ermöglicht Zellherstellern, eine Qualitätskontrolle von Zellchargen durchzuführen, um die Konsistenz der elektrochemischen Reaktion zu bewerten und einen statistisch relevanten qualitätsbezogenen Kontrolldatensatz zu erzeugen. Der Datensatz wird zum Benchmarking der Auswirkungen verwendet, die auf Modifikationen am Fertigungsverfahren zurückzuführen sind. Dazu gehören Änderungen hinsichtlich der Rohstoffquelle und -typologie sowie Verbesserungen der Zellarchitektur, wie sie beispielsweise in anderen Bereichen der Massenfertigung bereits etabliert sind. Durch die Entwicklung von Fertigungs- und Qualitätssicherungsverfahren, die für die Massenproduktion von Stacks und Stackkomponenten, wie z. B. Einzelbrennstoffzellen, geeignet sind, stärkt qSOFC Europas Position als Vorreiter in der Brennstoffzellen- und Wasserstofftechnologie. „Diese versprechen eine nachhaltigere Zukunft und neue Geschäftsmöglichkeiten für Unternehmen in der gesamten EU. Zudem erhöhen sie die Wettbewerbsfähigkeit der europäischen Brennstoffzellenindustrie, wovon auch die Gesellschaft als Ganzes profitiert“, schließt Rautanen.

Schlüsselbegriffe

qSOFC, Stack, Fertigung, SOFC, Qualitätssicherung für SOFC, DRT, Festoxid-Brennstoffzelle, Bildverarbeitungsprüfsystem, Relaxationszeitenverteilung

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