Circulaire economie brandstofcel: één leven is niet genoeg

Veel componenten in brandstofcellen zijn herbruikbaar of recyclebaar – mits de brandstofcel daarvoor is ontworpen en geautomatiseerde demontageprocessen beschikbaar zijn. © Fraunhofer IWU

De H2GO-verbindingsstack2P (Stack to Piece) onderzoekt welke machines, installaties en processen nodig zijn om brandstofcelsystemen geautomatiseerd te assembleren en aan het einde van hun levenscyclus destructievrij te kunnen demonteren. Projectpartners zijn de Fraunhofer-instituten IST, IWU, IKTS en IFAM. © Fraunhofer IWU

Hoe moeten stacks van brandstofcellen (stapels) in voertuigen worden ontworpen, zodat de gebruikte materialen aan het einde van de levensduur van het product in geautomatiseerde processen gedemonteerd, gerecycled of bij voorkeur zelfs hergebruikt kunnen worden? Deze vraag onderzoeken vier Fraunhofer-instituten in het verband Stack to Piece (Stack2P) van het Nationale Actieplan Brandstofcellenproductie (H2GO). Het doel: het productontwerp van stacks al vóór de start van de industriële grootschalige productie zodanig beïnvloeden dat een niet-destructieve demontage wordt vergemakkelijkt. Want slim productontwerp en efficiënte demontageprocessen zijn essentiële voorwaarden om zoveel mogelijk onderdelen uit afgedankte stacks een tweede leven te geven. De wereldwijd eerste onderzoeksinstallatie voor de volledig geautomatiseerde ontmanteling van stacks wordt nu in het kader van Stack2P operationeel in de onderzoekscampus Open Hybrid LabFactory in Wolfsburg.

Het Fraunhofer IWU coördineert in H2GO in totaal 19 Fraunhofer-instituten om de basis te leggen voor een efficiënte grootschalige productie van brandstofcelsystemen. De focus ligt hierbij op de lastmobiliteit, dat wil zeggen op brandstofcellen die aan boord van een bedrijfsvoertuig waterstof omzetten in elektriciteit.

Een belangrijk onderdeel van dit actieplan is het verband Stack2P (Stack to Piece), dat de circulaire geschiktheid van deze productconcepten moet waarborgen. De Fraunhofer-instituten IWU (op locatie Wolfsburg), IFAM en IKTS bundelen onder leiding van het Fraunhofer IST hun krachten. Het projectdoel is het ontwikkelen van een uitgebreid concept voor hergebruik (Reuse), herverwerking (Refurbishment), reparatie (Repair) of – waar onvermijdelijk – recycling van alle onderdelen en componenten van de stack. Een voorbeeld: behuizingen moeten zo worden ontworpen dat ze meerdere keren kunnen worden gebruikt. Zelfs afdichtingen zullen in de toekomst grotendeels recyclebaar zijn.

Veeleisende mechanische scheiding van de componenten

Demontageprocessen moeten rekening houden met de complexe opbouw van brandstofcelsystemen. Als hart van een brandstofcel fungeert de membraan-elektroden-eenheid (MEA) met de protonenuitwisselingsmembraan, waarin de omzetting van chemische naar elektrische energie plaatsvindt. De MEA wordt omgeven door twee bipolarplaten. Meerdere in serie geschakelde brandstofcellen vormen een stack (stapel). Bij het niet-destructief uit elkaar halen van een stack moeten talloze verbindingsstukken worden losgemaakt, terwijl de maximaal 0,10 mm dikke bipolarplaten niet worden beschadigd.

Huidige ontmantelingsprocessen zijn grotendeels handmatig en niet geschikt voor een efficiënte terugwinning van onderdelen en componenten op industriële schaal in de toekomst. In Stack2P wordt daarom de volledige procesketen bekeken, van gegevensverzameling (type van de stack) via het ontstapelen (verwijderen) en geautomatiseerd scheiden van alle componenten tot het verwijderen van de MEA. Het Fraunhofer IKTS controleert in Stack2P de toestand van de brandstofcellen aan het einde van hun gebruik; het Fraunhofer IST ontwikkelt in ST2P een recyclinglijn en duurzame recyclingconcepten voor PEM-brandstofcellen. Een focus ligt op chemische processen voor de ontleding van de MEA, om het dure edelmetaal platina terug te winnen.

De werkgebieden voor het Fraunhofer IWU zijn methoden voor de mechanische scheiding van de componenten, dus geautomatiseerde demontageprocessen inclusief het herkennen en losmaken van verbindingsstukken en niet in de laatste plaats de ontwikkeling van richtlijnen en processen voor product en productie. In Wolfsburg bouwt het Fraunhofer IWU samen met de industriële partner Aumann Limbach-Oberfrohnau GmbH een onderzoeksinstallatie voor de volledig geautomatiseerde ontmanteling van brandstofcelsystemen; tegelijkertijd bouwt het Fraunhofer IFAM in Bremen een module voor het ontstapelen, om inzichten te verkrijgen in kleefverbindingen.

Seriebaan voor industriële schaal afgeleid van onderzoeksinstallatie

Dankzij de door het Fraunhofer IWU en Aumann ontworpen, wereldwijd unieke onderzoeksinstallatie wordt het na afloop van het project mogelijk om seriebaan te ontwikkelen voor de sortenreine scheiding van alle onderdelen van een brandstofcelsysteem op industriële schaal. Voor latere schaalvergroting van de installatie zijn vooral inzichten nodig over cyclustijden. In de pilotfase begint het met een cyclus van 10 seconden bij het ontstapelen; voor de latere industriële serieproductie wordt gestreefd naar een vermindering tot ongeveer 1 seconde. Het onderzoeksteam onder leiding van Dennis Weintraut M. Sc. waardeert echter minstens zo hoog wat het in het project kan leren over een geoptimaliseerde inrichting van brandstofcelsystemen in hun eerste productlevensduur – zodat veel meer productlevens kunnen volgen: »Met de in het project ontwikkelde pilotinstallatie kunnen we voor het eerst brandstofcelsystemen geautomatiseerd demonteren. We willen belangrijke grondstoffen in de kringloop houden, om hulpbronnen te sparen en de afhankelijkheid van import te verminderen.«