Economía circular de la pila de combustible: una vida no es suficiente

Muchas componentes en las pilas de combustible son reutilizables o reciclables — cuando la pila de combustible ha sido diseñada para ello y existen procesos de desmontaje automatizados disponibles. © Fraunhofer IWU

El conjunto H2GO-Verbund Stack2P (Stack to Piece) investiga qué máquinas, instalaciones y procesos son necesarios para montar sistemas de celdas de combustible de forma automatizada y, al final de su vida útil, desmontarlos sin destruirlos. Los socios del proyecto son los institutos Fraunhofer IST, IWU, IKTS y IFAM. © Fraunhofer IWU

¿Cómo deben estar diseñados los conjuntos de celdas de combustible (Stacks) en los vehículos para que los materiales utilizados al final de la vida útil del producto puedan ser desmontados, reciclados o incluso reutilizados en procesos automatizados? Cuatro institutos Fraunhofer están investigando esta cuestión en la red Stack to Piece (Stack2P) del Plan de Acción Nacional para la Producción de Celdas de Combustible (H2GO). El objetivo: influir en el diseño del producto incluso antes del inicio de la producción en serie industrial de los stacks, para facilitar un desmontaje sin destrucción. Porque un diseño inteligente del producto y procesos de desmontaje eficientes son requisitos clave para que la mayor cantidad posible de componentes de stacks en desuso puedan tener una segunda vida útil en otros productos. La primera planta de investigación en el mundo para el desmontaje totalmente automatizado de stacks entra en funcionamiento en el marco de Stack2P en el Campus de Investigación Open Hybrid LabFactory en Wolfsburg.

El Fraunhofer IWU coordina en H2GO un total de 19 institutos Fraunhofer para sentar las bases de una fabricación en serie eficiente de sistemas de celdas de combustible. La atención se centra en la movilidad con carga, es decir, en celdas de combustible que convierten hidrógeno en electricidad a bordo de un vehículo de transporte de mercancías.

Una parte importante de este plan de acción es la red Stack2P (Stack to Piece), que busca garantizar la circularidad de estos conceptos de producción. Los institutos Fraunhofer IWU (en Wolfsburg), IFAM y IKTS unen sus fuerzas bajo la dirección del Fraunhofer IST. El objetivo del proyecto es desarrollar un concepto integral de reutilización (Reuse), reacondicionamiento (Refurbishment), reparación (Repair) o, cuando sea imprescindible, reciclaje de todas las partes y componentes del stack. Un ejemplo: las carcasas deberían diseñarse de manera que puedan reutilizarse varias veces. Incluso las juntas serán en el futuro en gran medida reciclables.

Desafiante separación mecánica de los componentes

Los procesos de desmontaje deben tener en cuenta la estructura compleja de los sistemas de celdas de combustible. Como componente central de una celda de combustible, se encuentra la unidad membrana-electrodo (MEA), que contiene la membrana de intercambio de protones, donde se produce la conversión de energía química en eléctrica. La MEA está rodeada por dos placas bipolares. Varias celdas de combustible conectadas en serie forman un stack. Para desmantelar un stack sin dañarlo, es necesario liberar numerosas conexiones de unión y, al mismo tiempo, no dañar las placas bipolares, que tienen un grosor máximo de 0,10 mm.

Los procesos actuales de desmontaje son en gran medida manuales y no adecuados para una recuperación eficiente de componentes a escala industrial en el futuro. Por ello, en Stack2P se contempla toda la cadena de procesos, desde la recopilación de datos (tipo de stack) hasta la separación automática de todos los componentes y la extracción de la MEA. El Fraunhofer IKTS evalúa en Stack2P el estado de las celdas de combustible al final de su vida útil; el Fraunhofer IST desarrolla en ST2P una línea de reciclaje y conceptos sostenibles para el reciclaje de celdas PEM. Un enfoque importante son los procesos químicos para descomponer la MEA y recuperar el costoso metal precioso platino.

Las áreas de trabajo principales para el Fraunhofer IWU son los procedimientos para la separación mecánica de los componentes, es decir, procesos de desmontaje automatizados que incluyen el reconocimiento y la liberación de conexiones de unión, y, por último, el desarrollo de directrices y procesos para el producto y la producción. En Wolfsburg, el Fraunhofer IWU está construyendo junto con el socio industrial Aumann Limbach-Oberfrohnau GmbH una planta de investigación para el desmontaje totalmente automatizado de stacks de celdas de combustible; al mismo tiempo, el Fraunhofer IFAM está estableciendo en Bremen un módulo de desmontaje para obtener conocimientos sobre las uniones adhesivas.

Planta de producción en serie para escala industrial basada en una planta de investigación

Gracias a la planta de investigación diseñada por el Fraunhofer IWU y Aumann, que es única en el mundo, al finalizar el proyecto será posible desarrollar plantas de producción en serie para la separación selectiva de todos los componentes de un sistema de celdas de combustible a escala industrial. La escalabilidad futura de la planta incluye, en particular, conocimientos sobre los tiempos de ciclo. En modo piloto, se empieza con un ciclo de 10 segundos para el desmontaje; para la producción en serie industrial futura, se aspira a reducirlo a aproximadamente 1 segundo. Sin embargo, el equipo de investigación liderado por Dennis Weintraut M. Sc. valora igualmente que lo que puedan aprender en el proyecto sobre el diseño optimizado de los sistemas de celdas de combustible en su primera vida útil, permitirá que muchos otros productos tengan segundas vidas: "Con la planta piloto desarrollada en el proyecto, podemos desmontar sistemas de celdas de combustible de forma automatizada por primera vez. Queremos mantener en circulación las materias primas importantes, para ahorrar recursos y reducir la dependencia de las importaciones."