Spätestens 2030 wird eine größere Menge von insbesondere Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen (PEMFC) in wasserstoffbetriebenen Automobilen das Lebensende erreicht haben.
Der hohe Anteil an wertvollen Technologiemetallen erfordert einen maßgeschneiderten Recyclingprozess, der zurzeit industriell nicht verfügbar ist. Dieser Herausforderung stellt sich nun ein Konsortium unter Leitung der Fraunhofer-Einrichtung für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategie IWKS im „BReCycle“-Projekt.
Hochwertige Materialfraktionen rückgewinnen
Die fünf Forschungs- und Industriepartner wollen ein nachhaltiges Verfahren zur Aufbereitung von Brennstoffzellen entwickeln, mit dem hochwertige Materialfraktionen insbesondere aus der Elektrodenbeschichtung rückgewonnen und die Polymermembran abgetrennt werden können. Bislang konzentrieren sich die dafür eingesetzten Recyclingprozesse für PEMFC vor allem auf die wertvollen Edelmetalle wie Platin und Ruthenium. Diese und weitere wertvolle sowie seltene Metalle werden in pyrometallurgischen Metallrecyclingprozessen zurückgewonnen.
Jedoch entstehen beim pyrometallurgischen Recycling von Brennstoffzellen hochgiftige Fluorverbindungen aus der fluorierten Nafion-Membran, die eine sehr aufwändige Abgasreinigung voraussetzen. Noch existieren keine industriell effizient verwendbaren Recyclingverfahren, um die Polymermembranen vor der Schmelzaufbereitung ausreichend zu separieren und damit die Gefahr der Entstehung von Fluorwasserstoff im Schmelzprozess zu unterbinden. Zudem gehen unedlere Metalle wie Stahl oder Aluminium im Prozess größtenteils verloren.
Ein neuer Ansatz
Das Projekt BReCycle will einen neuen Ansatz entwickeln, der einen hohen Rückgewinnungsgrad der eingesetzten Rohstoffe sicherstellt und hinsichtlich Umweltverträglichkeit (insbesondere Energiebilanz) und Wirtschaftlichkeit den bisherigen überlegen ist. Gleichzeitig sollen Aspekte des kreislaufgerechten Produktdesigns (Design for Recycling bzw. Design for Circularity) untersucht und umgesetzt werden – um die Recyclingfähigkeit von Brennstoffzellen zu erhöhen, den Einsatz von Sekundärwerkstoffen im Sinne des Ressourcenschutzes zu forcieren und darauf basierend neue Geschäftsmodelle zu entwickeln.
Materialselektive Zerkleinerung
Das neue Recyclingverfahren zielt sowohl auf komplette Brennstoffzellenmodule als auch auf einzelne Komponenten ab. Dazu wird zunächst ein Prozess zur Vorzerlegung entwickelt, um Bauteile wie elektrische Anschlüsse oder Kabel zu entnehmen. Die weitere selektive Zerkleinerung erfolgt elektrohydraulisch. Dabei werden die vorzerkleinerten Baugruppen in einen mit Wasser gefüllten Reaktor gegeben und mittels elektrischer Entladung erzeugten Schockwellen materialselektiv zerkleinert. Insbesondere soll hier die platinhaltige, katalytisch aktive Schicht auf den Elektroden vom Kunststoff abgetrennt werden.
Die so zerkleinerten Materialien können anschließend durch einfaches Sieben und Filtern in die Materialfraktionen Katalysatorpulver und Graphite sowie Polymer und Metalle aufgetrennt werden. Für die Separierung der Polymermembran von der Metallfracht wird eine Identifizierung mittels IR-Sensorik und entsprechender bauteilselektiver Ausschleusung im Verfahren getestet. Die erhaltenen Metallfraktionen können anschließend über etablierte metallurgische Verfahren effizient aufbereitet werden.
Ziel: aufkonzentriertes Edelmetall
Das neue Verfahren strebt eine starke Aufkonzentration der verschiedenen Wertstoffe wie Platin, Ruthenium und anderer Metalle aus der katalytisch aktiven Schicht an. Dadurch wird beispielsweise bei einer nachgeschalteten nasschemischen Aufbereitung ein deutlich effizienterer Einsatz an Chemikalien erzielt.
Die Einsparung von Prozessschritten durch die spezifische Aufbereitung zuvor separierter Wertstoffe bewirkt nach Ansicht der Forscher einen signifikanten ökologischen und insbesondere ökonomischen Vorteil gegenüber anderen Prozessen. Die hohe Reinheit aller generierten Fraktionen durch den materialselektiven Aufschluss ermöglicht die effektivere Trennung der Fraktionen. Die Zielfraktion besteht in aufkonzentriertem Edelmetall, das dann erneut der Edelmetallverwertung zugeführt werden kann.
Geschäftsmodelle konkretisieren
Nach Abschluss des Projekts sollen die gewonnenen Erkenntnisse sukzessive bei den beteiligten Industriepartnern in die Verarbeitungsprozesse für Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen einfließen. Die Ergebnisse aus der Verfahrensentwicklung dienen außerdem als Basis für weitere Forschungsarbeiten, um eine Rücknahme- und Recyclinglösung einschließlich der Realisierung spezifischer neuer Anlagenmodule etablieren zu können. Zudem ist beabsichtigt, parallel in diesem Zeitraum innovative Circular-Economy-Geschäftsmodelle gemeinsam mit allen Projektpartnern entsprechend der gewonnenen Erkenntnisse und der Marktsituation weiter zu konkretisieren.
Das Konsortium zum „BReCycle“-Projekt besteht aus den fünf Forschungs- und Industriepartnern Fraunhofer-Einrichtung für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategie IWKS (Alzenau & Hanau), Proton Motor Fuel Cell GmbH (Puchheim), Mairec Edelmetallgesellschaft mbH (Alzenau), Electrocycling GmbH (Goslar) und Klein Anlagenbau AG (Freudenberg). Gefördert wird das Vorhaben innerhalb des 7. Energieforschungsprogramms „Innovationen für die Energiewende“ des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie.
(EU-Recycling 06/2020, Seite 32, Foto: Proton Motor Fuell Cell GmbH)