Oběhové hospodářství palivové články: jeden život nestačí

Mnoho komponentů palivových článků je znovu použitelné nebo recyklovatelné – pokud je palivový článek navržen tak, aby to umožňoval, a jsou k dispozici automatizované procesy demontáže. © Fraunhofer IWU

H2GO-Verbund Stack2P (Stack to Piece) zkoumá, jaké stroje, zařízení a procesy jsou potřeba k automatizované montáži palivových článkových systémů a jejich bezporušenému demontáži na konci jejich životnosti. Partnery projektu jsou Fraunhoferovy ústavy IST, IWU, IKTS a IFAM. © Fraunhofer IWU

Jak by měly být vrstvy z palivových článků (stacky) v vozidlech konstruovány, aby bylo možné na konci životnosti produktu v automatizovaných procesech demontovat, recyklovat nebo dokonce znovu použít použité materiály? Tuto otázku zkoumají čtyři Fraunhoferovy ústavy v rámci sítě Stack to Piece (Stack2P) Národního akčního plánu výroby palivových článků (H2GO). Cílem je již před zahájením průmyslové sériové výroby stacků ovlivnit jejich návrh tak, aby byla usnadněna demontáž bez poškození. Protože inteligentní návrh produktu a efektivní procesy demontáže jsou klíčové pro to, aby co nejvíce dílů z vyřazených stacků mohlo získat druhý život v jiném produktu. Světově první výzkumná zařízení pro plně automatizovanou rozebírání stacků nyní v rámci projektu Stack2P zahájí provoz v výzkumném kampusu Open Hybrid LabFactory ve Wolfsburgu.

Fraunhofer IWU koordinuje v rámci H2GO celkem 19 Fraunhoferových ústavů, aby položily základy pro efektivní velkosériovou výrobu systémů palivových článků. Hlavní zaměření je na nákladní mobilitu, tedy na palivové články, které na palubě užitkového vozidla přeměňují vodík na elektřinu.

Jednou z důležitých částí tohoto akčního plánu je síť Stack2P (Stack to Piece), která má zajistit cirkulační schopnosti těchto výrobních konceptů. Fraunhoferovy ústavy IWU (v Wolfsburgu), IFAM a IKTS sdružují své síly pod vedením Fraunhofer IST. Cílem projektu je vyvinout komplexní koncept opětovného použití (Reuse), obnovy (Refurbishment), opravy (Repair) nebo – tam, kde je to nezbytné – recyklace všech dílů a komponentů stacku. Příklad: kryty by měly být navrženy tak, aby je bylo možné opakovaně používat. I těsnění budou v budoucnu do značné míry recyklovatelná.

Náročné mechanické oddělení komponent

Procesy demontáže musí zohledňovat složitou konstrukci systémů palivových článků. Srdcem palivového článku je membránově-elektrodová jednotka (MEA) s protonovou výměnnou membránou, kde dochází k přeměně chemické energie na elektrickou. MEA je obklopena dvěma bipolárními deskami. Několik sériově zapojených palivových článků tvoří stack (svazek). Při bezporuchové demontáži stacku je třeba uvolnit řadu spojů a přitom nepoškodit nejméně 0,10 mm silné bipolární desky.

Současné procesy rozebírání jsou z velké části manuální a nejsou vhodné pro budoucí efektivní zpětné získávání dílů a komponent na průmyslové úrovni. V rámci Stack2P je proto zohledněn celý procesní řetězec, od sběru dat (typ stacku) přes odstraňování a automatické oddělení všech komponent až po odebrání MEA. Fraunhofer IKTS v projektu Stack2P kontroluje stav palivových článků na konci jejich životnosti; Fraunhofer IST vyvíjí v rámci ST2P recyklační linku a udržitelná recyklační řešení pro PEM palivové články. Jedním z hlavních cílů jsou chemické procesy rozkladu MEA, aby bylo možné znovu získat drahé kovy, například platinu.

Hlavní pracovní zaměření pro Fraunhofer IWU jsou metody mechanického oddělování komponent, tedy automatizované procesy demontáže včetně rozpoznávání a uvolňování spojů a nakonec vývoj směrnic a procesů pro produkt a výrobu. Ve Wolfsburgu nyní Fraunhofer IWU spolu s průmyslovým partnerem Aumann Limbach-Oberfrohnau GmbH buduje výzkumné zařízení pro plně automatizované rozebírání palivových článků; zároveň Fraunhofer IFAM v Bremenu zakládá modul pro odstraňování stacků, aby získal poznatky o lepení.

Sériové zařízení pro průmyslovou výrobu odvozenou od výzkumné

Díky výzkumnému zařízení, které navrhli Fraunhofer IWU a Aumann a je jedinečné na světě, bude po dokončení projektu možné vyvíjet sériová zařízení pro čisté oddělení všech složek systému palivových článků na průmyslové úrovni. K dosažení pozdější škálovatelnosti zařízení jsou důležité zejména poznatky o taktových časech. V pilotním provozu začíná s taktovým časem 10 sekund při odstraňování stacků; pro pozdější průmyslový sériový provoz je plánováno snížení na přibližně 1 sekundu. Stejně důležité však tým vědců kolem Dennis Weintraut M. Sc. považuje to, co se může naučit v projektu o optimalizaci návrhu systémů palivových článků v jejich prvním životě produktu – aby mohlo následovat mnoho dalších životů produktu: »S pilotní linkou vyvinutou v rámci projektu můžeme poprvé automatizovaně demontovat systémy palivových článků. Chceme udržet důležité suroviny v cyklu, šetřit zdroje a snižovat závislost na dovozu.«