Körforgás gazdaság Üzemanyagcellák: egy élet nem elég

Sok komponens az üzemanyagcellákban újra felhasználható vagy újrahasznosítható – ha az üzemanyagcellát erre tervezték, és rendelkezésre állnak automatizált szétszerelési folyamatok. © Fraunhofer IWU

A H2GO-Verbund Stack2P (Stack to Piece) vizsgálja, hogy milyen gépekre, berendezésekre és folyamatokra van szükség ahhoz, hogy az üzemanyag-cellarendszereket automatizáltan össze lehessen szerelni, és a termék életciklusának végén sérülésmentesen szétszerelni lehessen őket. A projektpartnerek a Fraunhofer-Intézetek IST, IWU, IKTS és IFAM. © Fraunhofer IWU

Hogyan kellene a jövedelemcellás (stack) csomagokat kialakítani járművekben, hogy a felhasznált anyagokat a termék életciklusának végén automatizált folyamatok során szétszerelhessék, újrahasznosíthassák vagy akár újra felhasználhassák? Ezt a kérdést vizsgálják négy Fraunhofer-intézet a Stack to Piece (Stack2P) szövetségben, a Nemzeti Ügynöki Terv Hidrogéncellás Gyártás (H2GO) részeként. A cél: már a tömeggyártás megkezdése előtt befolyásolni a stackek terméktervezését úgy, hogy a destrukciómentes szétszerelés könnyebbé váljon. Mert az intelligens terméktervezés és a hatékony szétszerelési folyamatok alapvető feltételek ahhoz, hogy a kidobott stackekből minél több alkatrész egy második termékéletet élhessen meg. A világ első kutatási létesítménye a teljesen automatizált stack-összeállítási folyamatokra a Stack2P keretében most üzembe helyezik a Wolfsburgban található Open Hybrid LabFactory kutatási campuson.

A Fraunhofer IWU koordinálja a H2GO-ban összesen 19 Fraunhofer-intézetet, hogy megteremtsék a hidrogéncellás rendszerek hatékony tömeggyártásának alapjait. A hangsúly a teherközlekedésen van, vagyis azon hidrogéncellákon, amelyek a haszongépjárművek fedélzetén alakítják át a hidrogént elektromos energiává.

Ennek az akciótervnek egy fontos része a Stack2P szövetség, amely biztosítani kívánja ezeknek a gyártási koncepcióknak a körforgás-képességét. A Fraunhofer-intézetek, az IWU (Wolfsburgban), az IFAM és az IKTS az IST intézet vezetésével összefogva egyesítik erőiket. A projekt célja egy átfogó koncepció kidolgozása az összes rész és alkatrész újrahasználatára (Reuse), felújítására (Refurbishment), javítására (Repair), vagy ahol elkerülhetetlen, újrahasznosítására (Recycling). Egy példa: a házak úgy legyenek kialakítva, hogy többször is felhasználhatók legyenek. Még a tömítéseket is nagyrészt újra lehet majd hasznosítani a jövőben.

Kihívást jelentő mechanikus alkatrész-szétválasztás

A szétszerelési folyamatoknak figyelembe kell venniük a hidrogéncellás rendszerek összetett felépítését. A hidrogéncellák központi eleme a Membrán-Elektroda Egység (MEA), amelyben a protoncsere membránban történik a kémiai energia elektromos energiává alakítása. Az MEA két bipolaris lemez között helyezkedik el. Több sorba kapcsolt hidrogéncellák alkotnak egy stacket (csomagot). Egy stack destrukciómentes szétszerelése során számos összekötő elemet kell feloldani, miközben a legfeljebb 0,10 mm vastag bipolaris lemezeket nem szabad megrongálni.

A mai szétszerelési folyamatok nagyrészt manuálisak, és nem alkalmasak a jövőben hatékonyan végzett alkatrész- és komponens-visszanyerésre ipari méretekben. A Stack2P-ben ezért az egész folyamatláncot vizsgálják, az adatok gyűjtésétől (a stack típusának meghatározása) a csomagolás (levétel) és az összes alkatrész automatikus szétválasztásán át az MEA kivételéig. Az IKTS intézet a Stack2P-ben vizsgálja a hidrogéncellák állapotát a használat végén; az IST fejleszt egy újrahasznosító sort és fenntartható újrahasznosítási koncepciókat PEM hidrogéncellák számára. Egy fókuszpont a kémiai folyamatok a MEA szétválasztásában, hogy visszanyerjék a drága nemesfémet, a platint.

A Fraunhofer IWU fő feladatai közé tartoznak a mechanikus alkatrész-szétválasztási eljárások, vagyis az automatizált szétszerelési folyamatok, beleértve a kötőelemek felismerését és feloldását, valamint a termék és gyártási irányelvek és folyamatok kidolgozása. Wolfsburgban a Fraunhofer IWU együttműködve az Aumann Limbach-Oberfrohnau GmbH ipari partnerrel egy kutatási létesítményt épít a teljesen automatizált hidrogéncellás stackek szétszerelésére; ugyanakkor a Fraunhofer IFAM egy levételi modult épít Bremenben, hogy tapasztalatokat szerezzen a ragasztókapcsolatokról.

Sorozatgyártási létesítmény ipari méretekhez kutatási létesítményből

A Fraunhofer IWU és az Aumann által tervezett, világszinten egyedülálló kutatólétesítmény lehetővé teszi a projekt befejezése után, hogy sorozatgyártási berendezéseket fejlesszenek ki a hidrogéncellás rendszerek összes alkatrészének tiszta szétválasztására ipari méretekben. A létesítmény későbbi skálázhatóságához különösen fontosak a ciklusidőkre vonatkozó ismeretek. A pilot üzem során 10 másodperces ciklussal kezdik a levételt; a későbbi ipari sorozatgyártásban ez körülbelül 1 másodpercre kívánják csökkenteni. Ugyanolyan fontosnak tartja a kutatócsoport, Dennis Weintraut M. Sc. vezetésével, hogy megtanulják, hogyan lehet az első termékélet során optimalizálni a hidrogéncellás rendszerek kialakítását – hogy sok más termékélet is következhessen: »A projektben kifejlesztett pilotberendezéssel elsőként tudunk automatizáltan szétszerelni hidrogéncellás rendszereket. Szeretnénk megőrizni a fontos nyersanyagokat a körforgásban, így megkímélve az erőforrásokat és csökkentve az importtól való függőséget.«