Wie müssen Stapel aus Brennstoffzellen (Stacks) in Fahrzeugen beschaffen
sein, damit die eingesetzten Materialien am Ende des Produktlebens in
automatisierten Prozessen demontiert, wiederverwertet oder am besten sogar
wiederverwendet werden können? Dieser Frage gehen vier Fraunhofer-
Institute im Verbund Stack to Piece (Stack2P) des Nationalen Aktionsplans
Brennstoffzellen-Produktion (H2GO) nach. Das Ziel: bereits vor Beginn der
industriellen Großserienproduktion von Stacks deren Produktdesign so zu
beeinflussen, dass eine zerstörungsfreie Demontage erleichtert wird. Damit
es möglichst viele Bauteile aus ausgedienten Stacks in ein zweites
Produktleben schaffen.
Das Fraunhofer IWU koordiniert in H2GO insgesamt 19 Fraunhofer-Institute,
um die Grundlagen für eine effiziente Großserienfertigung von
Brennstoffzellensystemen zu legen. 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. 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.
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 nun zusammen mit dem Industriepartner
Aumann Limbach-Oberfrohnau GmbH eine Forschungs-Anlage zur
vollautomatisierten Zerlegung von Brennstoffzellen-Stacks auf; das
Fraunhofer IFAM errichtet gleichzeitig am Standort Bremen ein Entstapel-
Modul, um Erkenntnisse zu Klebeverbindungen zu gewinnen.
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. Als mindestens genauso wichtig
schätzt das Forscherteam um Dennis Weintraut M. Sc. jedoch ein, was es im
Projekt für eine optimierte Auslegung von Brennstoffzellen-Systemen in
ihrem ersten Produktleben lernen kann – damit viele weitere Produktleben
folgen können: »Mit der im Projekt entwickelten Pilotanlage können wir
erstmals Brennstoffzellensysteme automatisiert demontieren. Wir wollen
wichtige Rohstoffe im Kreislauf halten, damit Ressourcen schonen und die
Abhängigkeit von Importen reduzieren.«
Stack2P
Wie müssen Stapel aus Brennstoffzellen (Stacks) in Fahrzeugen beschaffen
sein, damit die eingesetzten Materialien am Ende des Produktlebens in
automatisierten Prozessen demontiert, wiederverwertet oder am besten sogar
wiederverwendet werden können? Dieser Frage gehen vier Fraunhofer-
Institute im Verbund Stack to Piece (Stack2P) des Nationalen Aktionsplans
Brennstoffzellen-Produktion (H2GO) nach.
Beteiligte Fraunhofer-Institute
• 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
