Gospodarka obiegowa ogniwo paliwowe: jedno życie to za mało

Wiele komponentów w ogniwach paliwowych jest wielokrotnego użytku lub podlegających recyklingowi — jeśli ogniwo paliwowe zostało do tego zaprojektowane i dostępne są zautomatyzowane procesy demontażu. © Fraunhofer IWU

Der H2GO-Verbund Stack2P (Stack to Piece) untersucht, welche Maschinen, Anlagen und Prozesse benötigt werden, um Brennstoffzellensysteme automatisiert montieren und am Ende ihres Produktlebens zerstörungsfrei wieder demontieren zu können. Projektpartner sind die Fraunhofer-Institute IST, IWU, IKTS und IFAM. © Fraunhofer IWU

Jak powinny być skonstruowane stosy z ogniw paliwowych (stosy) w pojazdach, aby użyte materiały mogły być na końcu cyklu życia produktu w zautomatyzowanych procesach demontażu, ponownego przetwarzania lub najlepiej nawet ponownego użycia? Tego pytania podejmują cztery instytuty Fraunhofer w ramach konsorcjum Stack to Piece (Stack2P) w ramach Narodowego Planu Działań na rzecz Produkcji Ogniw Paliwowych (H2GO). Celem jest: już przed rozpoczęciem produkcji seryjnej stosów, wpływać na ich projekt produktu w taki sposób, aby ułatwić demontaż bez uszkodzeń. Ponieważ inteligentny projekt produktu i efektywne procesy demontażu są kluczowymi warunkami, aby jak najwięcej elementów ze zużytych stosów mogło znaleźć drugie życie w innym produkcie. W ramach projektu uruchomiono na światową skalę pierwszą w badaniach instalację do pełnosystemowego automatycznego rozbierania stosów, która zaczyna działać na kampusie badawczym Open Hybrid LabFactory w Wolfsburgu.

Fraunhofer IWU koordynuje w ramach H2GO łącznie 19 instytutów Fraunhofer, aby położyć fundamenty pod efektywną produkcję seryjną systemów ogniw paliwowych. Główny nacisk kładzie się na mobilność ciężarową, czyli na ogniwa paliwowe, które na pokładzie pojazdu użytkowego zamieniają wodór na energię elektryczną.

Ważną częścią tego planu działań jest konsorcjum Stack2P (Stack to Piece), które ma zapewnić zamknięty cykl tych koncepcji produkcyjnych. Instytuty Fraunhofer IWU (w Wolfsburgu), IFAM i IKTS łączą siły pod kierownictwem Fraunhofer IST. Celem projektu jest opracowanie kompleksowej koncepcji ponownego wykorzystania (Reuse), odnowy (Refurbishment), naprawy (Repair) lub – tam, gdzie jest to nieuniknione – recyklingu wszystkich części i komponentów stosu. Przykład: obudowy powinny być tak zaprojektowane, aby można je było wielokrotnie używać. Nawet uszczelki w przyszłości będą w dużej mierze podlegały recyklingowi.

Wymagające mechaniczne oddzielanie komponentów

Procesy demontażu muszą uwzględniać skomplikowaną budowę systemów ogniw paliwowych. Jądrem ogniwa paliwowego jest jednostka membranowo-elektrodowa (MEA) z wymiennikiem protonowym, w którym zachodzi przemiana energii chemicznej w elektryczną. MEA jest otoczona dwiema płytami bipolarnymi. Kilka ogniw paliwowych połączonych szeregowo tworzy stos (stack). Przy bezpiecznym rozbieraniu stosu należy rozwiązać liczne połączenia mocujące, nie uszkadzając przy tym bipolarnych płyt o grubości nie przekraczającej 0,10 mm.

Obecne procesy rozbiórki są w dużej mierze ręczne i nie nadają się do przyszłej efektywnej odzysku części i komponentów na skalę przemysłową. W Stack2P rozpatruje się więc cały łańcuch procesów, od zbierania danych (rodzaju stosu), przez jego rozbiór (zdjęcie warstw) i zautomatyzowane oddzielanie wszystkich komponentów, aż po wyjęcie MEA. Fraunhofer IKTS sprawdza w ramach Stack2P stan ogniw paliwowych na końcu ich użytkowania; Fraunhofer IST opracowuje w ramach ST2P linię recyklingową i zrównoważone koncepcje recyklingu dla ogniw PEM. Jednym z głównych obszarów jest chemiczne rozkładanie MEA w celu odzyskania cennego metalu szlachetnego platyny.

Główne obszary pracy dla Fraunhofer IWU to metody mechanicznego oddzielania komponentów, czyli zautomatyzowane procesy demontażu, w tym rozpoznawanie i rozwiązywanie połączeń mocujących, a także opracowywanie wytycznych i procesów dla produktu i produkcji. W Wolfsburgu Fraunhofer IWU wraz z partnerem przemysłowym Aumann Limbach-Oberfrohnau GmbH buduje instalację badawczą do pełnosystemowego automatycznego rozbierania stosów z ogniw paliwowych; jednocześnie Fraunhofer IFAM buduje w Bremie moduł do rozbiórki, aby zdobyć wiedzę na temat klejowych połączeń.

Linia seryjna do produkcji na skalę przemysłową wyprowadzona z instalacji badawczej

Dzięki unikalnej na skalę światową instalacji badawczej zaprojektowanej przez Fraunhofer IWU i Aumann, po zakończeniu projektu będzie możliwe opracowanie linii produkcyjnych do sortowania wszystkich elementów systemu ogniw paliwowych na skalę przemysłową. Kluczowe dla późniejszej skalowalności instalacji są szczególnie informacje o czasach cykli. W fazie pilotażowej rozpoczyna się od cyklu 10 sekund przy rozbiórce; dla późniejszej produkcji seryjnej planuje się skrócenie tego czasu do około 1 sekundy. Jednak równie ważne dla zespołu badawczego pod kierownictwem Dennisa Weintrauta M. Sc. jest to, czego można się nauczyć w ramach projektu na temat optymalnego projektowania systemów ogniw paliwowych w ich pierwszym życiu produktu – aby mogło się to później powielać w wielu kolejnych cyklach życia produktu: „Dzięki pilotażowej instalacji opracowanej w ramach projektu, po raz pierwszy będziemy mogli zautomatyzować demontaż systemów ogniw paliwowych. Chcemy utrzymać ważne surowce w obiegu, aby oszczędzać zasoby i zmniejszyć zależność od importu.”