Économie circulaire pile à combustible : une vie ne suffit pas

De nombreuses composants des piles à combustible sont réutilisables ou recyclables – si la pile à combustible a été conçue en ce sens et si des processus de démontage automatisés sont disponibles. © Fraunhofer IWU

Le système de pile H2GO Stack2P (Stack to Piece) étudie quelles machines, installations et processus sont nécessaires pour assembler automatiquement des systèmes de piles à combustible et pouvoir les démonter sans dommage à la fin de leur cycle de vie. Les partenaires du projet sont les instituts Fraunhofer IST, IWU, IKTS et IFAM. © Fraunhofer IWU

Comment doivent être conçus les piles à combustible (piles) dans les véhicules afin que les matériaux utilisés puissent être démontés, recyclés ou, de préférence, réutilisés à la fin de leur cycle de vie dans des processus automatisés ? Quatre instituts Fraunhofer explorent cette question dans le cadre du réseau Stack to Piece (Stack2P) du Plan d'action national pour la production de piles à combustible (H2GO). L'objectif : influencer la conception du produit avant même le début de la production en série industrielle des piles, afin de faciliter un démontage sans destruction. En effet, une conception intelligente du produit et des processus de démontage efficaces sont des conditions essentielles pour pouvoir donner une seconde vie à un maximum de composants issus de piles usagées. La première installation de recherche au monde pour le démontage entièrement automatisé des piles commence désormais ses opérations dans le cadre de Stack2P, sur le campus de recherche Open Hybrid LabFactory à Wolfsburg.

Le Fraunhofer IWU coordonne dans H2GO un total de 19 instituts Fraunhofer afin de poser les bases d'une fabrication en série efficace de systèmes à piles à combustible. L'accent est mis sur la mobilité lourde, c'est-à-dire sur les piles à combustible qui convertissent l'hydrogène en électricité à bord d'un véhicule utilitaire.

Une partie importante de ce plan d'action est le réseau Stack2P (Stack to Piece), qui doit garantir la circularité de ces concepts de production. Les instituts Fraunhofer IWU (sur le site de Wolfsburg), IFAM et IKTS unissent leurs forces sous la direction du Fraunhofer IST. L'objectif du projet est de développer un concept global de réutilisation (Reuse), de remise à neuf (Refurbishment), de réparation (Repair) ou – lorsque cela est inévitable – de recyclage pour toutes les pièces et composants de la pile. Un exemple : les boîtiers doivent être conçus de manière à pouvoir être réutilisés plusieurs fois. Même les joints seront à l'avenir largement recyclables.

Trennung mécanique complexe des composants

Les processus de démontage doivent prendre en compte la structure complexe des systèmes à piles à combustible. Au cœur d'une pile à combustible se trouve l'unité membrane-électrode (MEA) avec la membrane échangeuse de protons, où se produit la conversion de l'énergie chimique en énergie électrique. La MEA est entourée de deux plaques bipolaires. Plusieurs piles à combustible connectées en série forment une pile (stack). Lors du démontage sans destruction d'une pile, il faut dissoudre de nombreuses connexions de fixation tout en évitant d'endommager les plaques bipolaires, qui ne doivent pas dépasser 0,10 mm d'épaisseur.

Les processus de démontage actuels sont en grande partie manuels et ne conviennent pas pour une récupération efficace des pièces et composants à l'échelle industrielle à l'avenir. Dans Stack2P, toute la chaîne de processus est donc prise en compte, de la collecte de données (type de pile) au désempilage (démontage) et au tri automatisé de tous les composants, jusqu'à l'extraction de la MEA. Le Fraunhofer IKTS vérifie dans Stack2P l'état des piles à la fin de leur utilisation ; le Fraunhofer IST développe dans ST2P une ligne de recyclage et des concepts de recyclage durables pour les piles PEM. Un focus est mis sur les processus chimiques de décomposition de la MEA afin de récupérer le précieux métal précieux, le platine.

Les axes de travail pour le Fraunhofer IWU sont les méthodes de séparation mécanique des composants, c'est-à-dire les processus de démontage automatisés comprenant la reconnaissance et la dissolution des connexions de fixation, ainsi que le développement de directives et de processus pour le produit et la production. À Wolfsburg, le Fraunhofer IWU construit actuellement, en collaboration avec le partenaire industriel Aumann Limbach-Oberfrohnau GmbH, une installation de recherche pour le démontage entièrement automatisé des piles à combustible ; en même temps, le Fraunhofer IFAM construit à Bremen un module de désempilage pour acquérir des connaissances sur les adhésifs.

Installation de série pouvant être dérivée d'une installation de recherche à l'échelle industrielle

Grâce à l'installation de recherche unique au monde conçue par le Fraunhofer IWU et Aumann, il sera possible, après la fin du projet, de développer des installations en série pour la séparation triée de toutes les parties d'un système à pile à combustible à l'échelle industrielle. La scalabilité ultérieure de l'installation repose notamment sur des connaissances concernant les cycles de production. En phase pilote, le processus commence avec un cycle de 10 secondes pour le désempilage ; pour la production en série industrielle ultérieure, une réduction à environ 1 seconde est envisagée. Cependant, l'équipe de recherche menée par Dennis Weintraut M. Sc. considère tout aussi important ce qu'elle peut apprendre dans le cadre du projet pour une conception optimisée des systèmes à piles à combustible dans leur première vie de produit – afin que de nombreuses autres vies de produit puissent suivre : « Avec l'installation pilote développée dans le cadre du projet, nous pouvons démonter de manière automatisée des systèmes à piles à combustible pour la première fois. Nous voulons maintenir en circuit fermé les matières premières importantes, afin de préserver les ressources et de réduire la dépendance aux importations. »