Technologie

Aus ausgebrannt mach neu

14.04.2020 - Projekt zum Recycling von Brennstoffzellen soll Wiederverwertung wertvoller Rohstoffe deutlich steigern.

Nachhaltigere, effizientere und umweltfreundlichere Technologien zur Energie­wandlung wie Brennstoff­zellen werden im Zuge der Energie- und Mobilitäts­wende eine immer größere Rolle spielen. Schon heute kommen Brennstoffzellen, vor allem Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen (PEMFC) in wasser­stoff­betriebenen Automobilen zum Einsatz. Mit der steigenden Verbreitung dieser Technologie wird spätestens 2030 eine größere Menge dieses Brennstoffzellentyps ihr Lebensende erreicht haben. Aufgrund des hohen Anteils an wertvollen Technologie­metallen und ökologischen Betrachtungen ist ein effizientes Recycling von in PEM-Brennstoffzellen enthaltenen Materialien notwendig. Jedoch ist ein für Brennstoffzellen maßgeschneiderter Recycling­prozess derzeit industriell nicht verfügbar.
 

Dieser Herausforderung stellt sich nun ein Konsortium unter Leitung der Fraunhofer-Einrichtung für Wertstoff­kreisläufe und Ressourcen­strategie IWKS. Im Rahmen des Projekts „BReCycle“ erarbeitet das Konsortium, bestehend aus den fünf Forschungs- und Industrie­partnern Fraunhofer IWKS, Proton Motor Fuel Cell GmbH, Mairec Edelmetallgesellschaft mbH, Electrocycling GmbH und Klein Anlagenbau AG, ein Kreislaufwirtschaftskonzept speziell für PEM-Brennstoffzellen. Gefördert wird das Vorhaben innerhalb des 7. Energie­forschungs­programms „Innovationen für die Energiewende“ des Bundes­ministeriums für Wirtschaft und Energie. 

Ziel des Vorhabens ist es, ein nachhaltiges Verfahren zur Aufbereitung von Brennstoffzellen zu entwickeln, mit dem sich hochwertige Material­fraktionen insbesondere aus der Elektroden­beschichtung generiert und die Polymer­membran abtrennen lassen. Für den Recyclingmarkt von Brennstoff­zellen sind vor allem die wertvollen Edelmetalle wie Platin und Ruthenium von Bedeutung. Auf diese Metalle sind auch derzeit verwendete allgemeine Recyclingprozesse für Edelmetalle ausgelegt, in denen Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen derzeit größtenteils verarbeitet werden. 

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, wodurch eine großformatige Umsetzung eine sehr aufwendige Abgasreinigung voraussetzt. Bislang existieren 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 (Design for Recycling bzw. Design for Circularity) untersucht und umgesetzt werden, um die Recyclingfähigkeit von Brennstoffzellen zu erhöhen sowie den Einsatz von Sekundär­werkstoffen im Sinne des Ressourcenschutzes zu forcieren und darauf basierend neue Geschäftsmodelle zu entwickeln. 

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. Die Einsparung von Prozessschritten durch die spezifische Aufbereitung zuvor separierter Wertstoffe bewirkt einen signifikanten ökologischen und insbesondere ökonomischen Vorteil gegenüber anderen Prozessen.

Der Projektansatz zielt auf eine hohe Reinheit aller generierten Fraktionen ab, indem der materialselektive Aufschluss des Produkts eine effektivere Separation der Fraktionen ermöglicht. Die Zielfraktion ist das aufkonzentrierte Edelmetall, welches dann erneut der Edelmetallverwertung zugeführt werden kann. 

Nach Abschluss des Projekts werden die gewonnenen Erkenntnisse sukzessive bei den beteiligten Industrie­partnern in die Verarbeitungsprozesse für PEM-Brennstoffzellen einfließen. Die Ergebnisse aus der Verfahrens­entwicklung dienen außerdem als Basis für weitere Forschungs­arbeiten, um eine Rücknahme- und Recycling­lösung einschließlich der Realisierung spezifischer neuer Anlagenmodule etablieren zu können. Parallel sind in diesem Zeitraum innovative Circular-Economy-Geschäftsmodelle gemeinsam mit allen Projekt­partnern entsprechend der gewonnenen Erkenntnisse und der Marktsitua-tion weiter zu konkretisieren.

Fh.-IWKS / DE
 

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