Fraunhofer-Institute erforschen Recycling von Brennstoffzellen-Stacks

In dem Verbundprojekt Stack to Piece (Stack2P) gehen vier Fraunhofer-Institute der Frage nach, wie Brennstoffzellen-Stacks in Fahrzeugen beschaffen sein müssen, damit die eingesetzten Materialien am Ende des Produktlebens in automatisierten Prozessen demontiert und wiederverwertet werden können.

Stack2P ist ein Verbundprojekt im Rahmen des Nationalen Aktionsplans Brennstoffzellen-Produktion (H2GO). Das erklärte Ziel der Forschenden ist, bereits vor Beginn der industriellen Großserienproduktion von Stacks deren Produktdesign so zu beeinflussen, dass eine zerstörungsfreie Demontage erleichtert wird. Ein intelligentes Produktdesign und effiziente Demontageprozesse seien entscheidende Voraussetzungen, damit es möglichst viele Bauteile aus ausgedienten Stacks in ein zweites Produktleben schaffen, wie es in einer Mitteilung des Fraunhofer-Instituts für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) heißt.

Im Rahmen von H2GO sollen die Grundlagen für eine effiziente Großserienfertigung von Brennstoffzellensystemen gelegt werden, das Fraunhofer IWU koordiniert hierfür Aktivitäten von insgesamt 19 Fraunhofer-Instituten. Im Falle von Stack2P wird aber von Anfang an auch die Demontage und Zweitverwertung mit untersucht. Hier soll ein umfassendes Konzept der Wiederverwendung (Reuse), Wiederaufbereitung (Refurbishment), Reparatur (Repair) oder – wo unumgänglich – des Recyclings für sämtliche Teile und Komponenten des Stacks entwickelt werden.

Ein Punkt betrifft etwa direkt die Konstruktion: So soll zum Beispiel das Gehäuse so ausgelegt werden, dass es mehrfach verwendet werden kann. Das soll künftig auch mit den Dichtungen möglich sein. Aber: Zugleich müssen die Gehäuse natürlich den Anforderungen der Fahrzeughersteller entsprechen, damit sie auch genutzt werden.

Der zweite Punkt betrifft die Demontage an sich, was heute noch ein weitgehend manueller Vorgang ist – und somit kaum skalierbar ist. Das Herzstück einer Brennstoffzelle ist bekanntlich die Membran-Elektroden-Einheit (MEA) mit der Protonenaustauschmembran. Die MEA wird von zwei sogenannten Bipolarplatten umschlossen. Von diesen Brennstoffzellen werden mehrere zu einem Stack gestapelt und in Serie geschaltet. Die Herausforderung beim zerstörungsfreien Zerlegen eines Stacks: Zahlreiche Fügeverbindungen müssen gelöst werden, ohne die nur 0,1 Millimeter dicken Bipolarplatten zu beschädigen – sie sollen ja nach Möglichkeit wiederverwendet werden.

Die weltweit erste Forschungsanlage für die vollautomatisierte Zerlegung von Stacks nimmt im Rahmen von Stack2P nun im Forschungscampus Open Hybrid LabFactory (OHLF) in Wolfsburg ihren Betrieb auf. Arbeitsschwerpunkte für das Fraunhofer IWU sind Verfahren zur mechanischen Trennung der Komponenten, also automatisierte Demontage-Prozesse einschließlich Erkennen und Lösen von Fügeverbindungen und nicht zuletzt die Entwicklung von Richtlinien und Prozessen für Produkt und Produktion. Das Fraunhofer IFAM errichtet gleichzeitig am Standort Bremen ein Entstapel-Modul, um Erkenntnisse zu Klebeverbindungen zu gewinnen.

Das Fraunhofer IKTS prüft in Stack2P den Zustand der Brennstoffzellen am Ende ihrer Nutzung; das Fraunhofer IST entwickelt in ST2P eine Recyclinglinie und nachhaltige Recyclingkonzepte für PEM-Brennstoffzellen. Ein Fokus sind chemische Prozesse zur Zerlegung der MEA, um das teure Edelmetall Platin wiederzugewinnen.

Von der Pilotanlage in Wolfsburg, die zusammen mit dem Industriepartner Aumann Limbach-Oberfrohnau entwickelt wurde, erhoffen sich die Forschenden Erkenntnisse zur späteren Skalierbarkeit und den Taktzeiten. Im Pilot-Betrieb geht es mit einem 10-Sekunden-Takt beim Entstapeln los; für den späteren industriellen Serienbetrieb wird eine Reduzierung auf rund eine Sekunde angestrebt.
fraunhofer.de