Im Projekt Stack to Piece (Stack2P) gehen vier Fraunhofer-Institute der Frage nach, wie Brennstoffzellen-Stacks in Fahrzeugen beschaffen sein müssen, damit die eingesetzten Materialien am Ende des Produktlebens in automatisierten Prozessen demontiert und wiederverwertet werden können.
Stack2P ist ein Verbundprojekt im Rahmen des Nationalen Aktionsplans Brennstoffzellen-Produktion (H2GO). Das Ziel ist, bereits vor Beginn der industriellen Großserienproduktion von Stacks deren Produktdesign so zu beeinflussen, dass eine zerstörungsfreie Demontage erleichtert wird. Ein intelligentes Produktdesign und effiziente Demontageprozesse seien entscheidende Voraussetzungen, damit es möglichst viele Bauteile aus ausgedienten Stacks in ein zweites Produktleben schaffen, heißt es in einer Mitteilung des Fraunhofer-Instituts für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU).
Im Rahmen von H2GO sollen die Grundlagen für eine effiziente Großserienfertigung von Brennstoffzellensystemen gelegt werden, das Fraunhofer IWU koordiniert hierfür Aktivitäten von insgesamt 19 Fraunhofer-Instituten. Mit Stack2P wird von Anfang an auch die Demontage und Zweitverwertung mit untersucht. Hier soll ein umfassendes Konzept der Wiederverwendung (Reuse), Wiederaufbereitung (Refurbishment), Reparatur (Repair) oder – wo unumgänglich – des Recyclings für sämtliche Teile und Komponenten des Stacks entwickelt werden. So soll zum Beispiel das Gehäuse so ausgelegt werden, dass es mehrfach verwendet werden kann. Das soll künftig auch mit den Dichtungen möglich sein.
Demontageprozesse müssen den komplexen Aufbau von Brennstoffzellensystemen berücksichtigen. Das Herzstück einer Brennstoffzelle ist die Membran-Elektroden-Einheit (MEA) mit der Protonenaustauschmembran, in der die Umwandlung von chemischer in elektrische Energie stattfindet. Die MEA wird durch zwei Bipolarplatten umschlossen. Mehrere in Serie geschaltete Brennstoffzellen bilden einen Stack (Stapel). Beim zerstörungsfreien Zerlegen eines Stacks gilt es laut den Forschern, zahlreiche Fügeverbindungen zu lösen und dabei die höchstens 0,10 mm dünnen Bipolarplatten nicht zu beschädigen.
Die weltweit erste Forschungsanlage für die vollautomatisierte Zerlegung von Stacks nimmt im Rahmen von Stack2P nun im Forschungscampus Open Hybrid LabFactory (OHLF) in Wolfsburg ihren Betrieb auf. Arbeitsschwerpunkte für das Fraunhofer IWU sind Verfahren zur mechanischen Trennung der Komponenten, also automatisierte Demontage-Prozesse einschließlich Erkennen und Lösen von Fügeverbindungen, und die Entwicklung von Richtlinien und Prozessen für Produkt und Produktion. Das Fraunhofer IFAM errichtet gleichzeitig am Standort Bremen ein Entstapel-Modul, um Erkenntnisse zu Klebeverbindungen zu gewinnen.
Das Fraunhofer IKTS prüft in Stack2P den Zustand der Brennstoffzellen am Ende ihrer Nutzung. Das Fraunhofer IST entwickelt in ST2P eine Recyclinglinie und nachhaltige Recyclingkonzepte für PEM-Brennstoffzellen. Ein Fokus sind chemische Prozesse zur Zerlegung der MEA, um das teure Edelmetall Platin wiederzugewinnen.
Von der Pilotanlage in Wolfsburg, die zusammen mit dem Industriepartner Aumann Limbach-Oberfrohnau entwickelt wurde, erhoffen sich die Forschenden Erkenntnisse zur späteren Skalierbarkeit und den Taktzeiten. Im Pilot-Betrieb geht es mit einem 10-Sekunden-Takt beim Entstapeln los. Für den späteren industriellen Serienbetrieb wird eine Reduzierung auf rund eine Sekunde angestrebt.