Stack2P: Automatisierte Demontage von PEM-Brennstoffzellenstacks für die Kreislaufwirtschaft

Im Projekt Stack2P entwickelte und erprobte das Fraunhofer IWU Verfahren für die automatisierte und sortenreine Demontage von PEM-Brennstoffzellenstacks. Untersucht wurde, wie sich Gehäuse, Verspannung und Zellkomponenten gezielt demontieren sowie Bipolarplatten und Membran-Elektroden-Einheiten (MEA) voneinander trennen lassen.

Die MEA enthalten unter anderem Platin als Katalysatormaterial. Ihre getrennte Bereitstellung schafft eine technische Voraussetzung für nachgelagerte Aufbereitungs- und Recyclingprozesse. Stack2P verbindet damit automatisierte Demontagetechnik mit Erkenntnissen für demontage- und recyclingorientierte Stackdesigns.

PEM-Brennstoffzellenstacks bestehen aus zahlreichen eng miteinander verbundenen Einzelzellen. Unterschiedliche Bauformen, Materialien und Fügeverbindungen erschweren eine automatisierte Demontage.

Zu den zentralen Zellkomponenten gehören Bipolarplatten und Membran-Elektroden-Einheiten (MEA). Bipolarplatten können beispielsweise aus metallischen oder graphitischen Werkstoffen bestehen. MEA enthalten unter anderem Platin als Katalysatormaterial.

Im Projekt Stack2P wurden marktverfügbare Stacks, ihre Komponenten und Fügeverbindungen hinsichtlich ihrer Demontierbarkeit untersucht. Daraus entstanden:

• ein Klassifizierungsschlüssel zur Bewertung des Demontagepotenzials,
• Demontagekonzepte für Gehäuse, Verspannung und Zellkomponenten sowie
• Erkenntnisse für demontage- und recyclingorientierte Stackdesigns.
  

Gemeinsam mit einem Anlagenhersteller entwickelte das Fraunhofer IWU eine modulare Forschungsanlage, die in der Open Hybrid LabFactory in Wolfsburg aufgebaut wurde.

Die Demontage erfolgt in zwei robotergestützten Stationen:

• Station 1: Gehäuse öffnen und Stack entspannen
  Zunächst wird das Gehäuse gelöst. Danach wird der Brennstoffzellenstack in einer Presse kontrolliert entspannt und für die weitere Demontage vorbereitet.
• Station 2: Bipolarplatten und MEA kamerageführt trennen
  In der zweiten Station werden die Zellkomponenten kamerageführt erkannt und vereinzelt. Bipolarplatten und Membran-Elektroden-Einheiten werden getrennt und als definierte Komponentenfraktionen bereitgestellt.

Die getrennten Komponenten können anschließend gezielt für weitere Prüf-, Aufbereitungs- oder Recyclingprozesse bereitgestellt werden.

Für unterschiedliche Bipolarplattenmaterialien wurden angepasste Demontageverfahren entwickelt und im Forschungsbetrieb erprobt.

Die getrennte Bereitstellung von Bipolarplatten und MEA schafft eine technische Voraussetzung für materialspezifische Folgeprozesse.

Da die MEA unter anderem Platin als Katalysatormaterial enthalten, können getrennte MEA gezielt nachgelagerten Verfahren zur Rohstoffrückgewinnung zugeführt werden. Die eigentliche Rückgewinnung des Platins ist dabei ein nachgelagerter Prozess und nicht Bestandteil des Demontageergebnisses.

Je nach Material und Zustand können demontierte Komponenten anschließend beispielsweise auf mögliche Wiederverwendung, Aufarbeitung oder materialspezifische Recyclingverfahren geprüft werden.

Stack2P betrachtet nicht nur die Demontage bestehender Brennstoffzellenstacks. Aus der Analyse von Stackaufbauten und Fügeverbindungen werden auch Erkenntnisse für demontage- und recyclingorientierte Konstruktionen abgeleitet.

Der entwickelte Klassifizierungsschlüssel unterstützt dabei, das Demontagepotenzial neuer Stackdesigns systematisch einzuschätzen. Für die Produktentwicklung sind unter anderem folgende Fragen relevant:

• Wie gut sind einzelne Komponenten zugänglich?
• Welche Fügeverbindungen müssen bei der Demontage gelöst werden?
• Lassen sich Komponenten automatisiert erkennen und handhaben?
• Können Bipolarplatten und MEA getrennt werden, ohne sie unnötig zu beschädigen?
• Welche konstruktiven Merkmale erleichtern automatisierte Demontageprozesse?

Damit verbindet Stack2P die Entwicklung automatisierter Demontagetechnik mit Erkenntnissen für die Gestaltung zukünftiger Stackgenerationen.

PEM-Brennstoffzellen und PEM-Elektrolyseure weisen teilweise verwandte Stack- und Komponentenstrukturen auf. Die in Stack2P entwickelten Methoden zur Klassifizierung, Handhabung und Demontage können deshalb als Ausgangspunkt für Untersuchungen an PEM-Elektrolyseuren dienen. Welche Verfahren konkret übertragbar sind, muss für die jeweiligen Komponenten, Materialien und Stackdesigns geprüft werden.

• Automatisierte Demontage von PEM-Brennstoffzellenstacks
• Gezielte Trennung von Bipolarplatten und platinhaltigen MEA
• Materialangepasste Verfahren für metallische und graphitische Bipolarplatten
• Klassifizierung von Stackdesigns nach ihrem Demontagepotenzial
• Erkenntnisse für demontage- und recyclingorientierte Konstruktionen
• Getrennte Komponenten als Grundlage für nachgelagerte Prüf-, Aufbereitungs- und Recyclingprozesse
• Methodische Ansätze für weiterführende Untersuchungen an PEM-Elektrolyseuren

Projektpartner

• Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST (Projektleitung)
  
• Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM
• Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS
• Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU