Fraunhofer IWKS entwickelt Recycling für PEM-Brennstoffzellen

Brennstoffzellen, insbesondere Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEMFC), werden bereits in wasserstoffbetriebenen Automobilen eingesetzt. Mit der zunehmenden Verbreitung dieser Technologie wird eine größere Menge dieses Brennstoffzellentyps spätestens 2030 das Ende ihrer Lebensdauer erreicht haben. Aufgrund des hohen Anteils wertvoller technologischer Metalle und ökologischer Überlegungen ist ein effizientes Recycling von in PEM-Brennstoffzellen enthaltenen Materialien erforderlich. Ein auf Brennstoffzellen zugeschnittenes Recycling für PEM-Brennstoffzellen ist im industriellen Maßstab jedoch noch nicht verfügbar.

Diese Herausforderung nimmt ein Konsortium unter der Leitung des Fraunhofer-Forschungsinstituts für Materialrecycling und Ressourcenstrategien IWKS an. Im Rahmen des Projekts „BReCy-cle“ entwickelt das Konsortium ein geschlossenes Recycling für PEM-Brennstoffzellen. Das Projekt wird im Rahmen des 7. Energieforschungsprogramms „Innovationen für die Energiewende“ des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie gefördert.

Trennung der Metalle von der Polymermembran

Ziel des Projektes ist es, ein nachhaltiges Verfahren zur Verarbeitung von Brennstoffzellen zu entwickeln, mit dem aus der Elektrodenbeschichtung hochwertige Materialfraktionen erzeugt und die Polymermembran abgetrennt werden können. Die wertvollen Edelmetalle wie Platin und Ruthenium sind besonders wichtig für den Recyclingmarkt von Brennstoffzellen. Platin und Ruthenium sowie andere wertvolle und seltene Metalle werden bisher in pyrometallurgischen Metallrecyclingprozessen gewonnen. Das pyrometallurgische Recycling von Brennstoffzellen erzeugt jedoch hochtoxische Fluorverbindungen aus der fluorierten Nafionmembran, was bedeutet, dass eine großformatige Umwandlung eine sehr komplexe Abgasreinigung erfordert. Bisher gibt es keine Recyclingverfahren, die im industriellen Maßstab effizient eingesetzt werden können, um die Polymermembranen vor der Schmelzherstellung ausreichend zu trennen, wodurch das Risiko der Bildung von Fluorwasserstoff im Schmelzprozess beseitigt wird. Darüber hinaus gehen dabei unedle Metalle wie Stahl oder Aluminium weitgehend verloren.

Hohe Umweltverträglichkeit und Wirtschaftlickeit angestrebt

Das BReCycle-Projekt zielt darauf ab, einen neuen Ansatz zu entwickeln, der ein hohes Maß an Rückgewinnung der verwendeten Rohstoffe gewährleistet. Dabei soll das Recycling für PEM-Brennstoffzellen eine hohe Umweltverträglichkeit, insbesondere bei der Energiebilanz, und bei der Wirtschaftlichkeit aufweisen. Gleichzeitig sollen Aspekte des Produktdesigns (Design for Recycling und Design for Circularity) untersucht und umgesetzt werden, um die Recyclingfähigkeit von Brennstoffzellen zu verbessern und die Verwendung von Sekundärmaterialien im Sinne des Ressourcenschutzes zu fördern und zu entwickeln neue Geschäftsmodelle auf dieser Basis.

Der Recyclingprozess selbst wird sowohl für komplette Brennstoffzellenmodule als auch für einzelne Komponenten ausgelegt. Zu diesem Zweck wird zunächst ein Vorabbauprozess entwickelt, um Komponenten wie elektrische Verbindungen oder Kabel zu entfernen. Die elektrohydraulische Fragmentierung (EHF) wird zur weiteren selektiven Zerkleinerung verwendet. Hier werden die vorab zerlegten Baugruppen mittels Stoßwellen (Druckwellen, die durch elektrische Entladung erzeugt werden) in einen mit Wasser gefüllten Reaktor gegeben und materialselektiv fragmentiert. Insbesondere ist die platinhaltige, katalytisch aktive Schicht auf den Elektroden vom Kunststoff zu trennen.

Physikalische Trennverfahren wie Sieben und Filtern können dann die auf diese Weise fragmentierten Materialien in die Materialfraktionen Katalysatorpulver und Graphit sowie Polymer und Metalle trennne. IR-Sensortechnologie und entsprechend komponentenselektive Entladung prüft die Trennung der Polymermembran von der Metallfracht. Etablierte metallurgische Behandlungsmethoden können die erhaltenen Metallfraktionen dann effizient weiterverarbeiten.

8.4.2020 | Quelle: Fraunhofer IWKS | solarserver.de © EEM Energy & Environment Media GmbH