Wertstoffe Recycling von Brennstoffzellen: Fraunhofer startet Projekt „BReCycle“

Elektromobilität mit der Brennstoffzelle kann ökologisch sinnvoll sein – vor allem, wenn sich die eingesetzten Rohstoffe recyceln lassen. Ein Team aus Industrie und Wissenschaft entwickelt jetzt ein entsprechendes Verfahren.

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„Wasserstoff wird aus meiner Sicht ein Schlüsselrohstoff werden, der unverzichtbar für die erfolgreiche Dekarbonisierung unserer wie auch vieler anderer Volkswirtschaften sein wird“, sagte Bundeswirtschaftsminister Peter Altmaier Anfang Oktober 2019. Im Verkehrssektor kommt vor allem die Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen zum Einsatz, mit steigender Tendenz: „Spätestens im Jahr 2030 wird eine größere Menge dieses Brennstoffzellentyps sein Lebensende erreicht haben“, beschreiben es Forscher der Fraunhofer-Einrichtung für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategie IWKS. Aber: „Derzeit ist industriell kein für Brennstoffzellen maßgeschneiderter Recyclingprozess verfügbar.“

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Brennstoffzellen recyceln

Im Projekt „BReCycle“ entsteht deshalb seit Anfang März ein nachhaltiges Verfahren zum Aufbereiten von Brennstoffzellen. Interessant sind dabei vor allem die Edelmetalle, Platin oder Ruthenium. Bislang verwendete Recycling-Prozesse – mit denen Brennstoffzellen derzeit überwiegend verarbeitet werden – basieren auf dem sogenannten pyrometallurgischen Metallrecycling. Bei diesem Schmelzprozess entstehen jedoch hochgiftige Fluorverbindungen aus der fluorierten Nafion-Membran – der Prozess würde im großen Stil eine sehr aufwendige Abgasreinigung erfordern.

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Um dies zu verhindern, müssen die Polymermembranen vor der Schmelzaufbereitung ausreichend separiert werden – effizient industriell einsetzbare Recyclingprozesse dafür existieren bislang aber nicht. Zudem gehen unedlere Metalle wie Stahl oder Aluminium im Prozess größtenteils verloren.

Das neue Verfahren soll dies ändern, den Grad der Rückgewinnung erhöhen und vor allem hinsichtlich seiner Umweltverträglichkeit, insbesondere der Energiebilanz, und Wirtschaftlichkeit deutlich besser sein.

Das Recyclingverfahren

Das Recyclingverfahren selbst soll für komplette Brennstoffzellenmodule und für einzelne Komponenten ausgelegt sein und besteht aus drei Schritten:

• Das Vorzerlegen: Hier werden Bauteile wie elektrische Anschlüsse oder Kabel entnommen.

• Die elektrohydraulische Zerkleinerung: Dabei werden die zerlegten Baugruppen in einen mit Wasser gefüllten Reaktor gegeben und mittels Schockwellen – durch elektrische Entladung erzeugte Druckwellen – materialselektiv zerkleinert. Vor allem soll hier die platinhaltige, katalytisch aktive Schicht auf den Elektroden vom Kunststoff getrennt werden.

• Sieben oder Filtern: Mittels einfacher physikalischer Trennverfahren lassen sich die zerkleinerten Materialien in die Materialfraktionen Katalysatorpulver und Graphite sowie Polymer und Metalle trennen. Um die Polymermembran von der Metallfracht zu trennen, testen die Forscher das Identifizieren mittels IR-Sensorik und bauteilselektives Ausschleusen im Verfahren. Die so erhaltenen Metallfraktionen lassen sich anschließend mit etablierten metallurgischen Verfahren aufbereiten.

Effizientere Folgeprozesse

Die angestrebte starke Konzentration der Wertstoffe aus der katalytisch aktiven Schicht soll im Anschluss vor allem die nasschemische Aufbereitung vereinfachen: Zum Beispiel würden deutlich weniger Chemikalien benötigt. Zudem spare das spezifische Aufbereiten zuvor separierter Wertstoffe Prozessschritte.

Ein wichtiger Punkt im Projekt ist es zudem, dass alle generierten Fraktionen besonders rein sind – ermöglicht vom materialselektiven Aufschluss und somit effektiverer Separation. Die Zielfraktion ist das konzentrierte Edelmetall, das dann erneut der Edelmetallverwertung zugeführt werden kann.

Technik erklärt

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Die Ergebnisse aus dem Projekt sollen nach dessen Abschluss im Februar 2023 bei den beteiligten Industriepartnern in die Verarbeitungsprozesse für PEM-Brennstoffzellen einfließen. Die Erkenntnisse aus der Verfahrensentwicklung dienen außerdem als Basis für weitere Forschungsarbeiten, zum Beispiel für eine Rücknahme- und Recyclinglösung einschließlich spezifischer neuer Anlagenmodule. Das Projekt wird gefördert innerhalb des 7. Energieforschungsprogramms „Innovationen für die Energiewende“ des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie.

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