Controllo delicato e con basse vibrazioni

Controllo della qualità delle piastre bipolari per le pile a combustibile

Le pile a combustibile sono fonte di speranza per la generazione sostenibile di corrente e hanno un vastissimo campo d'applicazione. In un nuovo impianto per il controllo della qualità delle piastre bipolari, i cilindri elettrici di tipo EPCO aiutano ad evitare le vibrazioni, consentendo il controllo continuativo con cicli brevi.

Più efficienza, meno emissioni e assenza di usura meccanica: le pile a combustibile sono fonti di energia sostenibili. Sono adatte per la propulsione dei veicoli, per l'alimentazione dei dispositivi mobili, per le centrali elettriche stazionarie e per molto altro ancora. Uno dei loro componenti più importanti sono le cosiddette piastre bipolari. Le piastre degli elettrodi in metallo, plastica o nanotubi di carbonio sono rivestite con un catalizzatore, ad esempio in platino o palladio. Separano i gas di reazione dai liquidi refrigeranti e li distribuiscono nelle rispettive aree di reazione delle pile a combustibile. Per essere buoni conduttori elettrici e termici e resistere agli influssi chimici e alle elevate pressioni meccaniche, le piastre bipolari devono essere di altissima qualità. Un nuovo impianto di controllo di P+K Maschinen- und Anlagenbau GmbH controlla le caratteristiche della superficie delle piastre bipolari e ne misura lo spessore. Al trasporto senza vibrazioni delle piastre bipolari nell'impianto di controllo provvedono i cilindri elettrici EPCO con il motore passo-passo EMMS-ST e il controllore motore CMMO-ST di Festo. Il sistema è stato sviluppato come parte di un progetto di cooperazione ZIM tra il Center for Fuel Cell Technology ZBT GmbH, Duisburg, la Society for the Promotion of Applied Computer Science eV GFaI Berlin e divis intelligent solutions GmbH, Dortmund.

Energia diretta

Lo sviluppo delle pile a combustibile, scoperte oltre 170 anni fa, per anni è stato eclissato dai motori a combustione. Sebbene già negli anni Sessanta abbiano contribuito all'atterraggio sulla Luna fornendo energia priva di gas di scarico, il loro potenziale è divenuto noto all'opinione pubblica grazie alla discussione sui cambiamenti climatici. Diversamente dalle macchine termiche, le pile a carburante producono direttamente energia elettrica dall'energia chimica. Non hanno bisogno di processi termici e interventi meccanici. Le pile a combustibile, senza la dispendiosa trasformazione in calore e in potenza, diventano molto efficaci. Alcune celle sono composte da due elettrodi e da una membrana semitrasparente, detta anche piastra bipolare. L'energia elettrica nasce dallo scambio di elettroni e protoni di acqua e di ossigeno tra due elettrodi.

Richiesto: energie rinnovabili

L'esperto di Festo Michael Karcher in conversazione con la rivista per i clienti "Trends in Automation".

trends in automation: In che modo Festo contribuisce allo sviluppo di energie rigenerative?

Michael Karcher, direttore della divisione industriale DE ELA e Solar, Festo: Fin dal 2006 a Festo effettuiamo ricerche nell'ambito delle tecniche di produzione dell'energia rigenerativa. Individuiamo i processi delle nuove tecnologie e sviluppiamo tecniche praticabili, tra cui, ad esempio, la progettazione di nuovi utensili per afferrare e manipolare gli oggetti che non incidono sulle caratteristiche della superficie dei prodotti sensibili.

trends in automation: Che vantaggi comporta tutto ciò nell'ambito delle pile a carburante?

Michael Karcher: Nella produzione di pile a carburante, la manipolazione con poche scosse e vibrazioni può migliorare i tempi di ciclo e contribuire quindi all'efficienza della produzione. Se i costi di produzione diminuiscono, aumentano le probabilità che le energie rigenerative, come le pile a carburante, si impongano sul mercato.

Manipolazione senza contatto

L'innovativo impianto di controllo di P+K viene impiegato a fini di ricerca e serve a sviluppare nuove tecniche di produzione delle pile a combustibile per l'industria complementare. Il processo di controllo viene eseguito in 12 stazioni singole in totale. Sulle e tra le stazioni, i cilindri elettrici EPCO riducono le vibrazioni durante il trasporto. Nella prima stazione una pinza Bernoulli afferra le piastre bipolari da un nastro trasportatore e le appoggia su un portapezzo. Per appoggiare le piastre degli elettrodi sul portapezzi, viene aperto un angolo con il sistema pneumatico, la piastra bipolare viene inserita nel portapezzi e questo viene chiuso pneumaticamente dal meccanismo a molla.

Posatura delicata

In una fase successiva del processo, il lato freddo delle piastre bipolari viene ispezionato visivamente mediante una potente telecamera industriale che illumina il campo chiaro e il campo scuro. Il rapporto di luce alternante permette di identificare gli errori in superficie di vario tipo. Nella stazione successiva per inversione pezzo a 180° viene ispezionata la superficie inferiore, detta anche "lato di flowfield". La stazione di controllo successiva determina lo spessore delle piastre bipolari in nove punti in totale. Il monitor sopra la stazione mostra l'immagine corrente della piastra bipolare e consente l'accesso con visualizzazione intuitiva ai dati sulla misura dello spessore. Dal confronto con i dati dell'immagine, si capisce se le piastre bipolari sono di qualità sufficiente. I pezzi difettosi vengono esclusi da ulteriori processi, mentre quelli buoni vengono trasportati in una stazione di espulsione. Qui la manipolazione elettrica dell'asse Z li deposita in un magazzino. I cilindri elettrici EPCO fanno in modo che vengano posati con delicatezza. Grazie all'ammortizzazione a fine corsa collaudata tecnicamente, la vite a ricircolo di sfere e l'asta antirotativa evitano che le piastre bipolari subiscano anche i minimi danni in magazzino.

Trasporto continuo

La rotazione continua dei 16 portapezzi totali nell'impianto garantisce il movimento armonioso mediante il cilindro elettrico EPCO. Solo così si ottengono tempi di ciclo brevi, pari a circa quattro secondi. Non c'è tempo, quindi, per arrestare l'impianto e scattare foto nella stazione di misurazione. Contestualmente alle misurazioni vengono eseguite operazioni di posizionamento che, se si usassero ancora i precedenti cilindri, causerebbero scosse e vibrazioni, compromettendo i risultati di misurazione delle telecamere. Con i cilindri elettrici EPCO invece questo problema non si verifica. I cilindri offrono, inoltre, il vantaggio di un teach-in estremamente semplice e riducono i costi di messa in funzione e di trasformazione del prodotto.

Un IO-Link funge da sistema bus per tutto l'impianto, dal master fino a tutti i sensori e gli attuatori. In questo modo, è stato possibile collegare l'intera periferia dell'impianto in modo semplice e rapido e il tempo di programmazione si è sensibilmente ridotto. Il nuovo impianto di controllo di P+K dimostra che lo sviluppo continuo dei componenti dell'automazione dei processi può contribuire molto al progresso della tecnologia con pochi piccoli passi.

Rotazione P+K con attuatore oscillante DRQDR

La rotazione delle piastre di 90 o 180° è azionata da un attuatore oscillante DRQD pneumatico applicato sull'asse Z all'interno del portale nella stazione 1.

Sistema di comando P+K con unità di valvole VTUG

Un'unità di valvole VTUG controlla tutti gli attuatori pneumatici dell'impianto, collegati tramite IO-Link all'unità di comando master.

P+K Maschinen- und Anlagenbau GmbH

Schlagbaumer Straße 92a
42653 Solingen
Germania

www.p-plus-k.de

Campo di attività: progettazione, sviluppo e produzione in ambito meccanico ed elettrico, costruzione di macchinari speciali, mezzi di produzione, costruzione di meccanismi, tecnica di montaggio, stazioni di controllo e dispositivi per il controllo della densità.

  1. Questo articolo è apparso nella rivista per i clienti Festo trends in Automation 1.2014
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