Problemstellung
Wasserstofftechnologien sind zentrale Bausteine der Energiewende, doch die hohe Ressourcennutzung und der energieintensive Recyclingprozess stellen aktuell Herausforderungen dar. Bestehende Recyclingmethoden wie das Schreddern von Stacks führen zu geringen Materialrückgewinnungsquoten und einer negativen CO2-Bilanz. Gleichzeitig erreichen Brennstoffzellensysteme oft nicht die geforderten Lebensdauerwerte, die für wirtschaftliche Anwendungen erforderlich sind. Um die von der Bundesregierung gesetzten Klimaziele zu erreichen, bedarf es einer Weiterentwicklung der Systeme, die sowohl die Lebensdauer verlängert als auch eine nachhaltige Nutzung der wertvollen Materialien sicherstellt.
Darüber hinaus fehlt es an effizienten und flexiblen Demontageprozessen, die eine sortenreine Trennung der Materialien ermöglichen. Analog zur Batterietechnologie wird erwartet, dass in den kommenden Jahren eine steigende Anzahl an Brennstoffzellenstacks recycelt werden muss.
Darüber hinaus fehlt es an effizienten und flexiblen Demontageprozessen, die eine sortenreine Trennung der Materialien ermöglichen. Analog zur Batterietechnologie wird erwartet, dass in den kommenden Jahren eine steigende Anzahl an Brennstoffzellenstacks recycelt werden muss.
Zielsetzung
Das Projekt zielt darauf ab die Lebensdauer und Nachhaltigkeit von
PEM-Brennstoffzellensystemen maßgeblich zu verbessern. Hierzu wird ein Brennstoffzellensystem mit einer Leistung von 5-10 kW entwickelt und in das innerbetriebliche Stromnetz integriert. Dieses System dient als realitätsnahe Test- und Demonstrationsumgebung, in der flexible Lastkurven eingesteuert werden können, um unterschiedliche Anwendungsszenarien wie Mobilitätslösungen (z. B. PKW, LKW, Züge) und Off-Grid-Anwendungen zu simulieren.
Im Rahmen des Projekts werden gezielte Belastungstests durchgeführt, um Betriebsdaten wie Betriebszeiten, Lastprofile, Temperaturen und Wasserstoffverbrauch zu erheben. Diese Daten bilden die Grundlage für die Entwicklung von Vorhersagemodellen und intelligenten Betriebsstrategien, die die Lebensdauer der Systeme verlängern und einen effizienten Austausch der Brennstoffzellenstacks ermöglichen. Dazu wird ein innovatives Konzept für den zeit- und ressourcenschonenden Stackaustausch entwickelt, das minimale Betriebsunterbrechungen sicherstellt und die Wartbarkeit der Systeme optimiert.
Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der zerstörungsfreien Demontage der Stacks nach deren Alterung. Hierzu wird ein flexibler Demontageprozess entwickelt, der eine sortenreine Trennung der Komponenten ermöglicht. Dies schafft die Grundlage für ein ressourcenschonendes Recycling mit höherem Materialrückgewinnungsgrad und reduziertem Energieaufwand. Nach der Demontage werden die einzelnen Komponenten auf Materialdegradation untersucht, um ihre Wiederverwendbarkeit zu prüfen und Second-Life-Strategien zu entwickeln.
Darüber hinaus wird eine umfassende Nachhaltigkeitsbewertung aller Prozesse durchgeführt, um die gesamte Lebenszykluskette – von der Herstellung über die Nutzung bis hin zum Recycling – so klimafreundlich wie möglich zu gestalten. Das Projekt leistet damit einen wichtigen Beitrag zur ressourcenschonenden Nutzung und Weiterentwicklung von Brennstoffzellensystemen, um deren Wirtschaftlichkeit und ökologische Nachhaltigkeit langfristig zu erhöhen.
PEM-Brennstoffzellensystemen maßgeblich zu verbessern. Hierzu wird ein Brennstoffzellensystem mit einer Leistung von 5-10 kW entwickelt und in das innerbetriebliche Stromnetz integriert. Dieses System dient als realitätsnahe Test- und Demonstrationsumgebung, in der flexible Lastkurven eingesteuert werden können, um unterschiedliche Anwendungsszenarien wie Mobilitätslösungen (z. B. PKW, LKW, Züge) und Off-Grid-Anwendungen zu simulieren.
Im Rahmen des Projekts werden gezielte Belastungstests durchgeführt, um Betriebsdaten wie Betriebszeiten, Lastprofile, Temperaturen und Wasserstoffverbrauch zu erheben. Diese Daten bilden die Grundlage für die Entwicklung von Vorhersagemodellen und intelligenten Betriebsstrategien, die die Lebensdauer der Systeme verlängern und einen effizienten Austausch der Brennstoffzellenstacks ermöglichen. Dazu wird ein innovatives Konzept für den zeit- und ressourcenschonenden Stackaustausch entwickelt, das minimale Betriebsunterbrechungen sicherstellt und die Wartbarkeit der Systeme optimiert.
Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der zerstörungsfreien Demontage der Stacks nach deren Alterung. Hierzu wird ein flexibler Demontageprozess entwickelt, der eine sortenreine Trennung der Komponenten ermöglicht. Dies schafft die Grundlage für ein ressourcenschonendes Recycling mit höherem Materialrückgewinnungsgrad und reduziertem Energieaufwand. Nach der Demontage werden die einzelnen Komponenten auf Materialdegradation untersucht, um ihre Wiederverwendbarkeit zu prüfen und Second-Life-Strategien zu entwickeln.
Darüber hinaus wird eine umfassende Nachhaltigkeitsbewertung aller Prozesse durchgeführt, um die gesamte Lebenszykluskette – von der Herstellung über die Nutzung bis hin zum Recycling – so klimafreundlich wie möglich zu gestalten. Das Projekt leistet damit einen wichtigen Beitrag zur ressourcenschonenden Nutzung und Weiterentwicklung von Brennstoffzellensystemen, um deren Wirtschaftlichkeit und ökologische Nachhaltigkeit langfristig zu erhöhen.
Vorgehen
Ein zentraler Bestandteil des Projekts ist die Einrichtung eines Demonstrators, der den gezielten Verschleiß von Brennstoffzellenstacks unter realen Betriebsbedingungen ermöglicht. Das System wird mit unterschiedlichen Lastprofilen betrieben, um Einsatzbedingungen von Anwendungen wie PKW, LKW, Off-Highway-Fahrzeugen oder Notstromaggregaten zu simulieren. Während des Betriebs werden Betriebsdaten wie Temperatur, Last, Wasserstoffqualität und -verbrauch aufgezeichnet. Diese Daten fließen in die Entwicklung intelligenter Vorhersagemodelle ein, die Betriebsstrategien optimieren und eine wirtschaftliche Nutzung der Stacks gewährleisten.
Nach der beschleunigten Alterung werden die Stacks möglichst zerstörungsfrei demontiert. Dieser Prozess ermöglicht eine detaillierte Analyse der Komponenten wie Membran-Elektroden-Einheiten (MEA) und Bipolarplatten (BPP). Die Erkenntnisse über Materialmigration, Adhäsion und mechanische Veränderungen werden genutzt, um Materialien und Designs weiter zu optimieren. Gleichzeitig wird ein flexibles Recyclingverfahren entwickelt, das eine sortenreine Trennung ermöglicht und den Energieaufwand reduziert.
Im Fokus stehen zudem Strategien zur Wiederverwendung von Komponenten mit geringer Degradation. Diese können in „Second-Life“-Anwendungen integriert werden, um die Nutzungsdauer der Materialien zu maximieren.
Das Projekt umfasst folgende zentrale Arbeitspakete:
1. Betriebsstrategien: Entwicklung von Vorhersagemodellen und Strategien zur Lebensdaueroptimierung.
2. Demontageprozesse: Konzeption und Umsetzung einer Prozessstation zur zerstörungsfreien Demontage von Brennstoffzellenstacks.
3. Recycling und Wiederverwendung: Erarbeitung von Prozessen zur sortenreinen Trennung und zur Maximierung der Materialrückgewinnung.
4. Materialanalysen: Untersuchung von Degradationsmechanismen, Materialwechselwirkungen und Optimierung von Grenzflächen.
5. Systemintegration: Aufbau eines realitätsnahen Demonstrators zur Simulation unterschiedlicher Lastprofile und Testbedingungen.
Nach der beschleunigten Alterung werden die Stacks möglichst zerstörungsfrei demontiert. Dieser Prozess ermöglicht eine detaillierte Analyse der Komponenten wie Membran-Elektroden-Einheiten (MEA) und Bipolarplatten (BPP). Die Erkenntnisse über Materialmigration, Adhäsion und mechanische Veränderungen werden genutzt, um Materialien und Designs weiter zu optimieren. Gleichzeitig wird ein flexibles Recyclingverfahren entwickelt, das eine sortenreine Trennung ermöglicht und den Energieaufwand reduziert.
Im Fokus stehen zudem Strategien zur Wiederverwendung von Komponenten mit geringer Degradation. Diese können in „Second-Life“-Anwendungen integriert werden, um die Nutzungsdauer der Materialien zu maximieren.
Das Projekt umfasst folgende zentrale Arbeitspakete:
1. Betriebsstrategien: Entwicklung von Vorhersagemodellen und Strategien zur Lebensdaueroptimierung.
2. Demontageprozesse: Konzeption und Umsetzung einer Prozessstation zur zerstörungsfreien Demontage von Brennstoffzellenstacks.
3. Recycling und Wiederverwendung: Erarbeitung von Prozessen zur sortenreinen Trennung und zur Maximierung der Materialrückgewinnung.
4. Materialanalysen: Untersuchung von Degradationsmechanismen, Materialwechselwirkungen und Optimierung von Grenzflächen.
5. Systemintegration: Aufbau eines realitätsnahen Demonstrators zur Simulation unterschiedlicher Lastprofile und Testbedingungen.
Ergebnisse / Projektstand
Das Projekt startete im Mai 2024 und läuft über 3,5 Jahre. Aktuell wird die Station zum künstlichen Betrieb und kontrollierten Alterung von den Industriepartnern entwickelt. Parallel finden erste Vorversuche zur Prozessstation zur automatisierten Demontage und den damit einhergehenden technischen Herausforderungen statt.
Verwertungskonzept
Die Projektergebnisse werden unmittelbar in neue Produkte und Verfahren einfließen. Die entwickelten Recycling- und Demontagekonzepte können an die steigende Anzahl von Brennstoffzellenstacks angepasst und auf ähnliche Technologien wie Elektrolysestacks übertragen werden. Langfristig trägt das Projekt zur Etablierung nachhaltiger Brennstoffzellensysteme bei und unterstützt die Industrie bei der Umsetzung der Klimaziele.
Kontakt:
