De tillverkar ”hjärtat” i bränsleceller – väntar sig en boom

2021-01-05 06:00  

Karlskogaföretaget Cell Impact tillverkar flödesplattor till bränsleceller, tio gånger snabbare än vid konventionell pressning. Nu gör de en ambitiös satsning för att skala upp produktionen – och de har bråttom.

Var fjärde sekund hörs en kort, metallisk smäll när slagcylindern träffar den så kallade slaghatten i en hastighet av fem meter per sekund. Slaghatten fortplantar rörelseenergin genom det rörliga precisionsverktyget ovanpå städet, medan slagcylindern omedelbart återvänder upp till utgångsläget.

Varje slag förvandlar ett 0,1 millimeter tjockt stycke rostfritt stål till en avancerat mönstrad flödesplatta – ”hjärtat” i en bränslecell.

– Och det behövs många flödesplattor i varje vätgasbil. Bara en liten serie på tusen bränslecellsfordon kan kräva tillverkning av en halv miljon plattor, säger Cell Impacts vd Pär Teike.

Erika Henriksson, utvecklingsingenjör, och Henrik Jackman, applikationsingenjör. Foto: Cell Impact

Tre steg tar 100 millisekunder

Vad vi ser är Cell Impacts patenterade metod för höghastighetsformning, och själva processen består av tre steg: positionering, acceleration (upp till tio meter per sekund), och hydraulisk retraktion av slagcylindern.

– De tre stegen tar sammanlagt under 100 millisekunder att utföra. Vi skulle kunna slå tio slag i sekunden om vi ville, men man måste ju hinna mata fram materialet också, säger företagets operative chef Tord Lätt.

Formingsenheten utför de tre stegen positionering, acceleration och retraktion på under 100 millisekunder. Foto: Cell Impact

Verktyget är i solitt stål med fräst geometri. Toleranserna är snäva: plus-minus fem mikrometer.

– Samtidigt ska det fram väldigt många plattor på kort tid. Vi löser det genom att det bara krävs ett slag, sedan är plattan färdigformad, säger applikationsingenjören Henrik Jackman.

Den höga hastigheten i anslaget gör att metallen momentant mjuknar, och på så sätt blir lättare att forma.

Testkör andra generationens formningsmaskin

– Eftersom slaghatten ligger dikt an mot verktyget, som i sin tur ligger mot flödesplattan, koncentreras energin och fördelas jämnt över plattan. Man får ett väldigt jämnt formningsdjup. Och eftersom cylindern dras upp och inte är med i själva formningen, så får man väldigt lite spänningar i materialet, säger Henrik Jackman.

Andra generationen av Cell Impacts egenutvecklade formningsenhet, mindre och energisnålare än den första. Foto: Cell Impact

Och det här är bara första generationen av Cell Impacts formningsenhet. Strax intill står en betydligt mindre, höj- och sänkbar maskin ur andra generationen, som vid Ny Tekniks besök precis börjat testköras.

– Vi slog första slagen med den i fredags, och ska snart börja köra ordentligt för att utvärdera den, säger Anders Öberg, teknisk chef på Cell Impact.

Traditionellt tillverkas flödesplattor med stora tunga servopressar.

– Och en sådan kräver fundament som kostar många miljoner, du måste ha en frigångshöjd på bortåt tio meter, och du måste ha traverser eller liknande för service och betjäning. Vår maskin väger 16 ton, tar upp tre kvadratmeter golvyta, kan stå på vanligt verkstadsgolv utan att det spricker, och är ekvivalent till en 1 500-tonspress, säger Anders Öberg.

Spar på energi och slitage

Förutom att deras metod är betydligt snabbare än konventionell pressning, framhåller Cell Impact energieffektiviteten:

– I en servopress är motoreffekten två gånger 500 kilowatt. Vår befintliga maskin har en 75-kilowatts hydraulenhet, och i generation två kommer det att räcka med 45, säger Anders Öberg.

Därtill har Cell Impacts formningsenhet betydligt färre rörliga delar än en servopress, vilket innebär minskat slitage, och plåten behöver ingen smörjning vilket betyder mindre tvättbehov.

– Vi har genomfört ett långtidstest med två miljoner slag, det motsvarar 200 kilometer plåt. Vi såg lite abrasiv nötning, men inget betydelsefullt slitage. Verktyget gick fortfarande att använda, säger Henrik Jackman.

Flödesplatta som bearbetas med laser. Foto: Cell Impact

Dock: vid konventionell pressning stansas hålen i flödesplattan ut samtidigt med formningen. Med Cell Impacts metod måste hålen skäras ut med laser, i en separat process, eftersom man slår så hårt att vibrationerna annars skulle skada redskapet.

– Men en fördel med att skära separat är att man kan ändra mönsterstorlek eller annat hos en komponent, utan att behöva tillverka ett nytt stansverktyg. Man bara ändrar programmet i skärmaskinen, säger Marcus Nilsson, Customer Program Coordinator på Cell Impact.

När man räknar samman verktygskostnader, energiförbrukning och verktygsväxlingskostnader, samt merarbete för skärning, blir den totala körkostnaden en tredjedel av den hos en servopress, enligt Cell Impacts kalkyler.

Produktionen dubblerad till en miljon plattor per år

Nyligen flyttade företaget in i nya lokaler på 3 500 kvadratmeter, betydligt större än deras tidigare anläggning, med ytterligare 2 500 kvadrat tillgängliga vid behov.

– Grovt räknat kan vi producera mer än en miljon plattor på årsbasis i dag, det är ungefär dubbelt så mycket som tidigare. Men kapaciteten ska öka i distinkta steg, och redan nästa år siktar vi på flera miljoner plattor genom den automationsresa vi påbörjat. Målet är att kunna producera upp till tjugo miljoner plattor om året här på anläggningen, säger Pär Teike.

Cell Impacts vd Pär Teike med en av företagets flödesplattor. Foto: Cell Impact

Flödet är i dag till stora delar manuellt. Efter höghastighetsformningen placeras plattorna för hand i skärmaskinerna, varefter de lasersvetsas ihop parvis, för att bilda så kallat bipolära flödesplattor.

– Anod- och katodplatta läggs på varandra i en elektromagnetisk process. Sedan kommer svetsen, som smälter ihop dem utan tillsatsmaterial, förklarar Tord Lätt.

Efter svetsning kommer sluttest med läckagedetektering, i en specialmaskin som leverantören skräddarsytt i dialog med Cell Impact. Enkelt uttryckt släpper maskinen på helium i en av plattans kretsar och skapar vakuum i en annan, varefter ett ”sniffer”-instrument gör en fysikalisk och kemisk analys för att kolla så att inget läcker igenom.

Nya robotlösningar

Nu står man inför omfattande automationssatsningar, parallellt med flera ambitiösa processutvecklingsprojekt, för att nå upp till de produktionsvolymer där Cell Impacts billiga, energisnåla teknik kommer till sin rätt.

– Vi ska bli bäst i världen på detta, sammanfattar Pär Teike.

I skrivande stund byggs en lasersvetsmaskin om till semi-automation, och man för samtal med en extern specialmaskintillverkare om en eventuell övergång från laserskärning till höghastighetsstansning.

Flödesplatta från Cell Impact. Foto: Cell Impact

Vid formningen ska robotar plocka och kvalitetskontrollera materialet, med cykeltider runt två sekunder som mål. Varje process ska automatiseras var för sig och kopplas ihop med AGV:er, och för spårbarhetens skull ska man lagra data i varje produktionssteg.

– Vi behöver också någon form av vision-system för att hantera materialet, och kör just nu en förstudie hos ett par svenska leverantörer. Men det är inte alldeles enkelt att få kameran att positionera sig rätt när det handlar om blanka plåtar, säger Tord Lätt.

Bråttom: Efterfrågan inom bränslecellsindustrin har ökat

Det uttalade målet är att bygga en av världens mest automatiserade och högpresterande anläggningar, samtidigt som man processutvecklar inom skärning, svetsning, materialtrimning med mera.

– Idealt hade vi kört färdigt processutvecklingen innan vi börjat automatisera, men vi anser oss inte riktigt ha tid till det, säger Tord Lätt.

För utvecklingen går snabbt i bränslecellssektorn, menar Pär Teike.

– Vi förbereder oss på en efterfrågan som är betydligt större än idag. Vi måste skapa så rationell produktion som möjligt, så fort som möjligt, om vi ska hinna växa i takt med efterfrågan, säger han.

Marcus Nilsson, customer program cooridnator på Cell Impact. Foto: Cell Impact.

Cell Impacts flödesplattor återfinns i dag främst i vätgasdrivna truckar i Nordamerika, Kina och Japan. Framåt ser man stor potential i fordonsindustrin.

I en enda bilapplikation sitter det 300-400 bipolära plattor i en bränslecellsstack. Och i en lastbil kan det sitta tre stackar. I Europa säljs drygt 300 000 lastbilar varje år. Så teoretiskt finns det utrymme för 360 miljoner plattor om året bara i den europeiska lastbilssektorn, säger Henrik Jackman.

Detta är förstås ett tankeexperiment.

– Men i fordonssektorn generellt kommer bränsleceller att ha en stor och given plats, om det inte händer något radikalt på batteriutvecklingens område, säger Pär Teike.

Vätgas kan få viktigare roll på många områden

Han pekar också på möjligheterna inom olika stationära applikationer.

– Där är 5g-utvecklingen en drivkraft. Med en explosion av data får man en explosion av datacentra, och redan i dag kompletterar man kraften från nätet med bränslecellsanläggningar i många fall. Därtill kommer överproduktionen av el, som ökar behovet av energilagring, och där har vätgasen också en given plats, säger Pär Teike.

Mot detta kan man invända, att bränslecellstekniken är dyr jämfört med batteridrift.

– Men kostnaden för en bränslecell har sjunkit minst 50 procent de senaste fem åren, och det beror ju inte på att alla tillverkare har blivit mycket smartare. Det är en ren volymfråga. Kostnaderna kommer fortsätta minska dramatiskt när man kommer upp i stordrift, säger Pär Teike.

Han räknar med att stordriften kommer, och kommer snart.

– De här teknikerna finns ju redan. Det är inget vi ska uppfinna, det är något vi ska skala upp, säger Pär Teike.

Vätgas i världen

Enligt Hydrogen Council, ett internationellt forum för energi- transport- och industriföretag, kan vätgasdrivna bränslecellsfordon utgöra upp till 20 procent av den globala fordonsflottan år 2050. Det innebär omkring 400 miljoner bilar, 15 till 20 miljoner lastbilar, och cirka fem miljoner bussar.

Därtill kommer potentialen inom energilagring och andra stationära applikationer. EU-kommissionen räknar med att vätgas år 2050 kan täcka 24 procent av världens totala efterfrågan på energi. Detta kan ge en årlig omsättning motsvarande 650 miljarder euro, och sysselsätta upp till en miljon personer bara inom EU.

I somras antogs EU:s vätgasstrategi, som omfattar att man fram till 2050 vill investera upp till 470 miljarder euro för att bygga ut den europeiska vätgasproduktionen. Ett förstahandsmål för vätgasstrategin är att stödja produktion av minst en miljon ton förnybar vätgas fram till 2024 och sedan tio miljoner ton till 2030.

Under 2020 offentliggjordes globalt 400 miljarder euro i gröna vätgassatsningar från företag och regeringar runt om i världen.

Detta är flödesplattor

Bipolära flödesplattor är en nyckelkomponent i bränsleceller, som omvandlar vätgas till elektricitet med värme och vattenånga som enda restprodukter.

Flödesplattans uppgifter är att fördela bränslet till den elektrokemiska reaktionen i cellen, leda den elektriska strömmen, och transportera ut vattnet som bildas i processen.

Plattan måste också vara tillräckligt mekaniskt stabil för att separera de individuella cellerna, och kunna hantera processens värmeutveckling.

Cell Impacts flödesplattor produceras med en metod som enligt tillverkarna gör det möjligt att i ett steg tillverka flödesplattor med mer avancerade mönster än med konventionella metoder, vilket möjliggör en billigare, mer kompakt och effektiv bränslecell. 

Detta är Cell Impact AB

Gör: Tillverkar flödesplattor för bränsleceller med en patenterad metod för höghastighetsformning (high-velocity forming).

Ort: Karlskoga.

Startår: 1999.

Anställda: Cirka 40 personer. Företaget räknar med att behöva nyanställa 20 till 30 personer de närmaste åren.

Nettoomsättning: 11,9 miljoner kronor (2019).

Ägare: Noterat på Nasdaq First North Growth Market. Institutionella ägare står för cirka 20 procent, resten utgörs av privata investerare.

Tommy Harnesk

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Debatt