Wie lassen sich Brennstoffzellen recyceln? Lösungen sucht jetzt das Projekt "BReCycle", indem es ein Kreislaufwirtschaftskonzept speziell für PEM-Brennstoffzellen erarbeiten will.
Beispiel eines Brennstoffzellenstacks
Proton Motor Fuell Cell GmbH
Bislang ist ein für Brennstoffzellen maßgeschneiderter Recyclingprozess industriell nicht verfügbar. Ein Konsortium unter Leitung der Fraunhofer-Einrichtung für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategie IWKS will das nun ändern. Im Rahmen des Projekts "BReCycle" erarbeiten fünf Forschungs- und Industriepartner ein Kreislaufwirtschaftskonzept speziell für Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen (PEMFC). Das Konsortium besteht aus dem Fraunhofer IWKS, Proton Motor Fuel Cell, MAIREC Edelmetallgesellschaft, Electrocycling und Klein Anlagenbau.
Ziel des Vorhabens ist es, ein nachhaltiges Verfahren zur Aufbereitung von Brennstoffzellen zu entwickeln, mit dem hochwertige Materialfraktionen insbesondere aus der Elektrodenbeschichtung generiert und die Polymermembran abgetrennt werden können. Für den Recyclingmarkt von Brennstoffzellen sind vor allem die wertvollen Edelmetalle wie Platin und Ruthenium von Bedeutung.
Umweltverträglichkeit und Wirtschaftlichkeit im Fokus
Platin und Ruthenium, sowie weitere wertvolle und seltene Metalle, werden in pyrometallurgischen Metallrecyclingprozessen zurückgewonnen. Jedoch entstehen beim pyrometallurgischen Recycling von Brennstoffzellen hochgiftige Fluorverbindungen aus der fluorierten Nafion-Membran. Bislang existieren laut den Forschern aber keine industriell effizient einsetzbaren Recyclingprozesse, welche vor der Schmelzaufbereitung die Polymermembranen ausreichend separieren und damit die Gefahr der Entstehung von Fluorwasserstoff im Schmelzprozess unterbinden. Zudem gehen unedlere Metalle wie Stahl oder Aluminium im Prozess größtenteils verloren.
Im Projekt BReCycle soll ein neuer Ansatz entwickelt werden, der einen hohen Rückgewinnungsgrad der eingesetzten Rohstoffe sicherstellt und hinsichtlich Umweltverträglichkeit (insbesondere Energiebilanz) und Wirtschaftlichkeit überlegen ist. Gleichzeitig sollen Aspekte des kreislaufgerechten Produktdesigns untersucht und umgesetzt werden.
Für komplette Module und einzelne Komponenten geeignet
Das Recyclingverfahren selbst soll sowohl für komplette Brennstoffzellenmodule als auch für einzelne Komponenten ausgelegt sein. Dazu wird zunächst ein Prozess zur Vorzerlegung entwickelt, um Bauteile wie elektrische Anschlüsse oder Kabel zu entnehmen. Zur weiteren selektiven Zerkleinerung kommt die elektrohydraulische Zerkleinerung (EHZ) zum Einsatz. Dabei werden die vorzerkleinerten Baugruppen in einen mit Wasser gefüllten Reaktor gegeben und mittels Schockwellen (durch elektrische Entladung erzeugte Druckwellen) materialselektiv zerkleinert. Insbesondere soll hier die platinhaltige, katalytisch aktive Schicht auf den Elektroden vom Kunststoff abgetrennt werden.
Die so zerkleinerten Materialien können anschließend über einfache physikalische Trennverfahren wie Sieben und Filtern in die Materialfraktionen Katalysatorpulver und Graphite sowie Polymer und Metalle aufgetrennt werden. Für die Trennung der Polymermembran von der Metallfracht wird eine Identifizierung mittels IR-Sensorik und entsprechender bauteilselektiver Ausschleusung im Verfahren getestet. Die erhaltenen Metallfraktionen können anschließend über etablierte metallurgische Aufbereitungsverfahren effizient aufbereitet werden.
Durch die angestrebte starke Aufkonzentration der verschiedenen Wertstoffe wie Platin, Ruthenium und andere Metalle aus der katalytisch aktiven Schicht wird beispielsweise bei einer nachgeschalteten nasschemischen Aufbereitung ein deutlich effizienterer Einsatz an Chemikalien benötigt.
Erkenntnisse sollen in Verarbeitungsprozesse einfließen
Nach Abschluss des Projekts sollen die gewonnenen Erkenntnisse sukzessive bei den beteiligten Industriepartnern in die Verarbeitungsprozesse für PEM-Brennstoffzellen einfließen. Die Ergebnisse aus der Verfahrensentwicklung sollen außerdem als Basis für weitere Forschungsarbeiten dienen, um eine Rücknahme- und Recyclinglösung einschließlich der Realisierung spezifischer neuer Anlagenmodule etablieren zu können.
Gefördert wird das Vorhaben innerhalb des 7. Energieforschungsprogramms "Innovationen für die Energiewende" des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie.