Verbund Stack2P: Kreislaufwirtschaft Brennstoffzelle

Das Fraunhofer IWU koordiniert den Nationalen Aktionsplan Brennstoffzellen-Produktion (H2GO), in dem 19 Fraunhofer-Institute die Grundlagen für eine effiziente Großserienfertigung von Brennstoffzellensystemen schaffen wollen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Lastenmobilität, also auf Brennstoffzellen, die an Bord eines Nutzfahrzeugs Wasserstoff in Strom umwandeln. Ein wichtiger Teil dieses Aktionsplans ist der Verbund Stack2P (Stack to Piece), der die Kreislauffähigkeit dieser Produktionskonzepte sicherstellen soll. Die Fraunhofer-Institute IWU (am Standort Wolfsburg), IFAM und IKTS bündeln dazu unter Leitung des Fraunhofer IST ihre Kräfte. Das Projektziel lautet, ein umfassendes Konzept der Wiederverwendung (Reuse), Wiederaufbereitung (Refurbishment), Reparatur (Repair) oder – wo unumgänglich – des Recyclings für sämtliche Teile und Komponenten des Stacks zu entwickeln. Ein Beispiel: Gehäuse sollten so konzipiert sein, dass sie mehrfach verwendbar sind. Selbst Dichtungen werden künftig weitgehend recycelbar sein.

Anspruchsvolle mechanische Trennung der Komponenten

Demontageprozesse müssen den komplexen Aufbau von Brennstoffzellensystemen berücksichtigen. Als Herzstück einer Brennstoffzelle fungiert die Membran-Elektroden-Einheit (MEA) mit der Protonenaustauschmembran, in der die Umwandlung von chemischer in elektrische Energie stattfindet. Die MEA wird durch zwei Bipolarplatten umschlossen. Mehrere in Serie geschaltete Brennstoffzellen bilden ein Stack (Stapel). Beim zerstörungsfreien Zerlegen eines Stacks gilt es, zahlreiche Fügeverbindungen zu lösen und dabei die höchstens 0,10 mm dünnen Bipolarplatten nicht zu beschädigen.

Heutige Zerlegungsprozesse sind weitgehend manuell und für eine künftige effiziente Wiedergewinnung von Bauteilen und Komponenten im industriellen Maßstab nicht geeignet. In Stack2P wird daher die gesamte Prozesskette betrachtet, von der Datenerfassung (Typ des Stacks) über das Entstapeln (Abnehmen) und automatisierte Trennen aller Komponenten bis zur Entnahme der MEA. 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. In Wolfsburg baut das Fraunhofer IWU zusammen mit dem Industriepartner Aumann Limbach-Oberfrohna GmbH eine Forschungs-Anlage zur vollautomatisierten Zerlegung von Brennstoffzellen-Stacks auf.

Serienanlage für industriellen Maßstab aus Forschungsanlage ableitbar

Dank der vom Fraunhofer IWU und Aumann konzipierten, weltweit einmaligen Forschungsanlage wird es nach Projektabschluss möglich sein, Serienanlagen für die sortenreine Trennung aller Bestandteile eines Brennstoffzellensystems im industriellen Maßstab zu entwickeln. Zur späteren Skalierbarkeit der Anlage gehören insbesondere Erkenntnisse für Taktzeiten. Im Pilot-Betrieb geht es mit einem 10-Sekunden-Takt beim Entstapeln los; für den späteren industriellen Serienbetrieb wird eine Reduzierung auf rund 1 Sekunde angestrebt. Mit der im Projekt entwickelten Pilotanlage ist es erstmals möglich, Brennstoffzellensysteme automatisiert zu demontieren. Dabei sollen wichtige Rohstoffe im Kreislauf erhalten bleiben und damit Ressourcen schonen und die Abhängigkeit von Importen reduzieren.