POLYMERELEKTROLYTBRENNSTOFFZELLE - VON DER FERTI- GUNG BIS ZUR WIEDERVERWENDUNG
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FC³ Fuel Cell Conference Chemnitz, 23.11. – 24.11.2021
POLYMERELEKTROLYTBRENNSTOFFZELLE – VON DER FERTI-
GUNG BIS ZUR WIEDERVERWENDUNG
Patrick Alexander Schmidt https://orcid.org/0000-0001-7713-1701, Marvin Bießmann
Abstract: Arial 9 pt., max. 145 Worte
Für Brennstoffzellen wird in den kommenden Jahren ein erhebliches Marktwachstum prognostiziert. Aktuell
besteht die Notwendigkeit die technischen und wirtschaftlichen Herausforderungen für einen Markthochlauf zu
realisieren. Hierzu müssen neue hochratenfähige Fertigungstechnologien entwickelt werden, um die Produkti-
ons- und Stückkosten zu senken. Für das Stapeln von Brennstoffzellen-Stacks sollen zukünftig mehrere ent-
wickelte Konzepte für das „Stacking im Fließverfahren“ betrachtet und hinsichtlich ihrer Machbarkeit und Wirt-
schaftlichkeit überprüft werden. Zusätzlich müssen hochratenfähige Prüfverfahren entwickelt werden, um eine
Null-Fehler-Produktion der kostenintensiven Komponenten und Systeme zu gewährleisten. Hierbei sollen u.a.
KI-basierte Technologien genutzt werden. Die Abhandlung zeigt den aktuellen Stand der Technik auf dem
Gebiet des Stapelns und stellt innovative und zugleich wirtschaftliche technische Lösungsansätze vor, wie die
Fertigungsprozesse zukünftig gestaltet werden können und welche technologischen Neuerungen dafür not-
wendig sein werden. Weiterhin steht die Demontage der Brennstoffzellen unter dem Aspekt einer optimalen
Verwertung (Recycling) sowie insbesondere der Nachnutzung (ReUse) im Fokus der Betrachtungen.
KEYWORDS: Demontage, End of Life, Polymerelektrolytbrennstoffzelle, PEMFC, Recycling,
Remanufacturing, Stacking, Wasserstoff
1 Einleitung
Mit dem Pariser Klimaabkommen setzten sich 194 Länder der Welt und die Europäische Union
zum Ziel, die Erwärmung der Erde in Folge von ansteigenden Treibhausgasemissionen auf
weit unter 2°C und idealerweise auf unter 1,5°C zu beschränken [United Nations, 2015].
Deutschland war 2019 für 1,9% der globalen CO2 Emissionen verantwortlich [Global Carbon
Project, 2020]. Der CO2 Ausstoß in Deutschland 2019 wurde zu 39% bei der Stromerzeugung,
zu 23,5% durch die Industrie, zu 21,5% durch den Verkehr und zu 16% durch den Gebäude-
sektor (enthält nur die Wärmeproduktion, weitere Quellen sind dem Stromverbrauch zugeord-
net) verursacht [Roland Berger GmbH, 2020]. Um der Klimakrise entgegen zu wirken benötigt
es eine Transformation in den genannten Bereichen. Eine mögliche Technologie zur Reduk-
tion der CO2-Emissionen in den Bereichen Verkehr, Industrie und Gebäude stellt der Einsatz
von Polymerelektrolytbrennstoffzellen (PEMFC) in Kombination mit grünem Wasserstoff dar.
Die Verwendung von PEMFC kann den Einsatz fossiler Energieträger als Kraftstoff im Verkehr
ersetzen und in Gebäuden eingebaut als Blockheizkraftwerke Strom erzeugen und gleichzeitig
Abwärme effizient nutzen.
Aufgrund der noch eingeschränkten Verbreitung ist die momentane jährliche Produktions-
menge von PEMFC noch sehr gering. Es gibt jedoch Signale aus der Politik, wie etwa in Form
der Nationalen Wasserstoffstrategie [BMWi, 2020], und der Wirtschaft, die auf einen stark
ansteigenden Absatzmarkt für PEMFC hinweisen. Der Hydrogen Council prognostiziert eine
weltweite Betreibung von 10 bis 15 Mio. PKW und 500.000 LKW mit Brennstoffzellentechno-
logie im Jahr 2030 sowie 400 Mio. PKW und 15 bis 20 Mio. LKW im Jahr 2050 [Hydrogen
Council, 2017]. Der japanische Automobilhersteller Toyota gibt an seine Produktion von Brenn-
stoffzellen-PKW in 2021 von bisher 3.000 Fahrzeugen pro Jahr zu verzehnfachen [Toyota
Europe, 2018]. Optimistische Prognosen sehen für Deutschland ein Wachstum auf bis zu 1,8
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Mio. Wasserstofffahrzeuge im Jahr 2030. Neben der Verwendung in PKW lässt sich die Tech-
nologie auch auf den öffentlichen Nahverkehr in Form von Regionalzügen ausweiten [Hebling
et al., 2019].
Damit die antizipierte Nachfrage an Brennstoffzellen befriedigt werden kann, bedarf es einer
Hochratenfertigung (Erläuterung in Abschnitt 3.2). Darüber hinaus ist eine ganzheitliche Be-
trachtung des Lebenszyklus der PEMFC notwendig, damit das Nachhaltigkeitspotenzial voll-
ständig genutzt wird. Daher ist es neben der Fertigung notwendig, die Aspekte der Demontage
und des Recyclings der PEMFC zu untersuchen. Ziel dieses Papers ist es eine Übersicht der
bestehenden Verfahren zur Montage, zur Hochratenfertigung, zur Demontage und zu den End
of Life Optionen (EOL) der PEMFC zu geben und noch notwendige Entwicklungen abzuleiten.
Im Folgenden wird zunächst auf die Funktionsweise, die Bestandteile und Anwendungsgebiete
der PEMFC eingegangen. Anschließend werden bestehende Stackingkonzepte für die
PEMFC, Möglichkeiten einer Hochratenfertigung und Auswirkungen auf die Fertigungskosten
beleuchtet. Abschließend werden Möglichkeiten und Hindernisse im Demontage- und Recyc-
lingprozess dargestellt.
2 Funktionsweise der PEMFC
In Brennstoffzellen wird chemische Energie von Gasen oder Flüssigkeiten unter der Abgabe
von Wärme in elektrische Energie umgewandelt [Lipman et al., 2019]. In der PEMFC geschieht
dieser Vorgang durch die Oxidation des Brennstoffs Wasserstoff und die Reduktion des Oxi-
dationsmittels Luftsauerstoff [Jörissen et al., 2017]. Der Wasserstoff- und der Sauerstoffstrom
sind durch eine Membran-Elektroden-Einheit (MEA) voneinander getrennt. Die MEA besteht
aus einer semipermeablen Trennwand, welche einen Elektrolyten und zwei Elektroden mit
Katalysatorschicht trägt [Kurzweil, 2013]. Die Trennwand ist nur durchlässig für die Wasser-
stoffprotonen, die bei der Oxidation auf der Anodenseite des Katalysators entstehen, nicht
aber für die Elektronen. Es ist daher von einer Protonenaustauschmembran (PEM) die Rede.
Der Elektronenstrom nimmt einen Umweg über einen äußeren Stromkreis zur Kathode und
erzeugt dabei Strom. Die Elektronen werden anschließend von dem an der Kathode befindli-
chen Luftsauerstoff, unter der Bildung von Wasser, aufgenommen.
Neben der PEMFC gibt es noch weitere Typen von Brennstoffzellen. Diese unterscheiden sich
in den verwendeten Elektrolyten, dem Brennstoff für die Anode, in der Höhe der Leistung, der
Betriebstemperatur und dem elektrischen Wirkungsgrad, wodurch unterschiedliche Anwen-
dungsgebiete vorliegen [Jörissen et al., 2017].
Die Anwendungsgebiete der PEMFC können in die Bereiche stationäre-, portable und mobile
Anwendungen unterteilt werden. Zu Anwendungen im portablen Bereich zählt die Stromver-
sorgung für kleine Verbraucher. Die stationäre Stromerzeugung bis in den Megawatt-Bereich
und die Verwendung zur Kraft-Wärme-Kopplung sind weitere Anwendungsgebiete [Badenhop
et al., 2017]. Im mobilen Bereich kommt die PEMFC als Antrieb von Flurförderzeugen, Freizeit-
und U-Booten, PKW, LKW und Omnibussen zum Einsatz [Jörissen et al., 2017]. Für den mo-
bilen Bereich eignet sich die PEMFC sehr gut, da die abgegebene Leistung dynamisch gere-
gelt werden kann [TÜV Süd, 2021]. Aufgrund der Verwendung der PEMFC in den genannten
Anwendungsgebieten, steht diese Art der Brennstoffzelle im Mittelpunkt der Untersuchung die-
ser Arbeit.
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3 Montage
Stackingkonzepte
Je nach gewünschter Leistung werden mehrere Einzelzellen, bestehend aus abwechselnd
aufeinandergestapelter Bipolarplatte (BPP) und MEA, zu einem so genannten Stack kombi-
niert. Dieser Vorgang kann manuell, aber auch automatisiert stattfinden. Unabhängig vom Fer-
tigungsverfahren müssen die einzelnen Komponenten und Baugruppen in vorherigen Arbeits-
schritten dafür vorbereitet werden [Ahlfs et al., 2020].
Die MEA ist der wichtigste Bestandteil der Brennstoffeinzelzelle und besteht aus zwei Kompo-
nenten. Dies ist zum einen die katalysatorbeschichtete Membran (CCM) und zum anderen die
Gasdiffusionsschicht (GDL). Die Herstellung der CCM ist u.a. mittels Decal-Verfahren möglich
[Kampker et al., 2020]. Dabei wird das Katalysatormaterial (eine Mischung aus Kohlenstoffsub-
strat und Platin) zuerst auf ein Trägermedium (Decal) aufgebracht und in einem weiteren
Schritt durch Heißpressen auf die Polymermembran übertragen. Hierbei handelt es sich um
einen indirekten Prozess, eine direkte Aufbringung ist mit anderen Verfahren auch möglich.
Für die Herstellung der GDL, wird Karbonpapier bzw. –gewebe aus geschnittenen Kohlenstoff-
fasern gefertigt und nachfolgend imprägniert und graphitiert. Um den Wasserhaushalt der
Elektrode besser ausgleichen zu können, wird nachfolgend eine mikroporöse Schicht (MPL)
aufgebracht. Die fertige GDL wird dann durch Heißpressen beidseitig auf die CCM geklebt und
als MEA in Form geschnitten. Zur Komplettierung der Einzelzelle fehlen noch die BPP. Diese
können aus beschichtetem Metall oder aus einem Graphit-Komposit-Material hergestellt wer-
den. Während die Komposit-Platte bereits nach dem Fertigungsprozess mit einer Dichtung
versehen werden kann, sind bei der Variante aus Metall vorher noch weitere Arbeitsschritte
notwendig. So müssen die Halbplatten erst, meist mittels Laser, ausgeschnitten und nachfol-
gend zwei Halbplatten übereinander zu einer kompletten BPP verschweißt werden (ebenfalls
mittels Laser). Nach einer Dichtheitsprüfung der kombinierten Platte wird dann eine Dichtung
aufgetragen, welche als Isolierung zwischen BPP und MEA dient.
Anschließend kann der eigentliche Prozess der Brennstoffzellenfertigung, das sog. Stacking,
starten. Beginnend mit der unteren Endplatte und dem unteren Stromkollektor werden nach-
folgend immer eine BPP mit Dichtung, eine MEA und darauf wieder eine BPP usw. abgelegt.
Dieser Vorgang wird so lang wiederholt, bis die gewünschte Anzahl an Brennstoffzellen er-
reicht ist. Dann folgen der (obere) Stromkollektor und die obere Endplatte, in der sich auch die
Medienzuführungen befinden. Wichtig ist, dass die einzelnen Komponenten so genau wie
möglich übereinanderliegen, weshalb diese über Führungen ausgerichtet werden. Im nächs-
ten Schritt wird der komplette Stack zusammengepresst, um so alles dicht zu verbinden und
die Widerstände der Kontaktflächen zu minimieren. Bei diesem Vorgang ist vor allem darauf
zu achten, dass die Presskraft überall gleichmäßig aufgebracht wird. Ist dies nicht der Fall,
können deutliche Verminderungen in Bezug auf die Leistung und die Lebensdauer nicht aus-
geschlossen werden. Aus diesem Grund muss der komprimierte Zustand auch dauerhaft ge-
währleistet sein, weshalb entweder Spannbänder um den Stack gelegt oder dieser über Zug-
stangen und Muttern an den Endplatten zusammen gehalten werden. Nachfolgend findet ein
erster Dichtheitstest in Form von Druckabfall- und Durchflussprüfung statt. Bevor der Stapel in
einem Gehäuse untergebracht und durch die Verteilerplatte abgedeckt wird, sind finale Ar-
beitsschritte wie das Anbringen der Kontakte und Stromsammelschienen sowie die CVM-Ein-
heit (cell voltage monitoring) als Überwachungsmodul der Zellenspannung nötig. Es folgt das
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so genannte Einfahren auf dem Prüfstand, hier werden zum ersten Mal alle Medien (Wasser-
stoff und Sauerstoff) angeschlossen. Durch diesen Vorgang kann die Leistungsfähigkeit des
Stacks ermittelt werden. Abschließend kann u. U. ein erneuter Dichtheitstest durchgeführt wer-
den, danach wird die Brennstoffzelle mit weiteren Systemkomponenten verbaut und ist ein-
satzbereit [Kampker et al., 2020].
Hochratenfertigung
Der im vorherigen Abschnitt beschriebene Stapelvorgang kann in unterschiedlichen Weisen
erfolgen. Werden die Stacks teilweise immer noch per Hand gestapelt, sind mittlerweile auch
teil- bzw. vollautomatisierte Prozesse entwickelt worden. Dies erfolgt bspw. über Karussellvor-
richtungen oder Bahn- und Zuführsysteme, wobei teilweise immer noch manuelle Arbeits-
schritte notwendig sind. Durch Pick-and-Place Roboter können diese Abläufe automatisiert
werden [Kampker et al., 2020]. Ein Roboter befördert die Bauteile in eine Bauteilaufnahme,
ein zweiter stapelt sie anschließend. Dieses Verfahren wird u. a. bereits bei der Fertigung von
Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC) verwendet und könnte so auch im Bereich der PEMFC an-
gewendet werden. Damit wäre ein erster Schritt in Richtung Hochratenfertigung gemacht, wel-
cher vor allem in Bezug auf die zukünftig benötigten Kapazitäten unumgänglich ist [Porstmann
et al., 2019]. Der Begriff der Hochratenfertigung in Bezug auf die Brennstoffzelle bedeutet im
Kontext dieses Papers eine Annäherung an die Produktionszahlen aus der Automobilindustrie.
Dort beträgt die Taktzeit im Durchschnitt 60 Sekunden für ein Fahrzeug. Um die Produktion
von Brennstoffzellenstacks daran anzupassen, müssen, ausgehend von einem Stack mit 400
bis 600 Zellen, in einer Sekunde zehn dieser Zellen gestapelt werden. Dennoch reichen die
Taktzeiten für den avisierten Bedarf noch nicht aus, weshalb zumindest eine Parallelisierung
notwendig ist. Unabhängig davon müssen auch anhand der zukünftig geplanten Absatzmen-
gen von Fuel Cell Electric Vehicles (FCEV) die Produktionsmengen erhöht und damit einher-
gehend neue und schnellere Fertigungsmöglichkeiten gefunden werden. Daran sind auch ei-
nige Voraussetzungen gebunden, welche bereits bei der Planung der Anlagen berücksichtigt
werden sollten. Sowohl die Qualität als auch die Sicherheit der Brennstoffzelle dürfen durch
eine schnellere Produktion nicht vermindert werden. Präzision und Wiederholgenauigkeit sind
wichtig, ebenso muss die Handhabung empfindlicher Bauteile auch bei der automatisierten
Fertigung qualitätsgerecht gewährleistet sein. Da gleiche Komponenten von verschiedenen
Zulieferern Unterschiede in Form, Größe und Toleranzen aufweisen können, müssen Maschi-
nen darauf abstimmbar sein. Gleiches gilt auch für die herzustellenden Stacks, welche leis-
tungsabhängig ebenfalls unterschiedliche Dimensionen haben. Infolgedessen ist es vorteil-
haft, wenn Anlagen bereits eine hohe Anpassungsmöglichkeit aufweisen, wodurch lange Um-
bauzeiten oder u. U. auch Ausfälle vorgebeugt werden. Für einen reibungslosen Produktions-
ablauf müssen Engpässe bei den Bauteilen vorher berücksichtigt und einkalkuliert werden und
nachfolgend Zyklus- bzw. Durchlaufzeiten anpassbar sein [Porstmann et al., 2019].
Prinzipiell muss aber nicht nur der Ablauf des Stapelns schneller, sondern auch die Herstellung
der einzelnen Komponenten effizienter gestaltet werden. Großes Potenzial liegt hier vor allem
bei der Herstellung von BPPs und MEAs sowie der Verbindung der beiden Bauteile, welche
zukünftig im Rolle-zu-Rolle-Verfahren produziert werden könnten. Dabei wird das Material von
einer Rolle abgewickelt, bearbeitet und anschließend wieder aufgerollt, was die Weiterverar-
beitung beschleunigt. Damit ist es möglich, in kurzer Zeit komplette Einzelzellen zu produzie-
ren und auch unmittelbar zu vereinzeln, welche nachfolgend direkt für die Produktion von
Stacks zur Verfügung stehen [Huya-Kouadio et al., 2018]. Doch auch bei Änderungen der
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Einzelteile ist die Beachtung einiger Kriterien notwendig, damit die Brennstoffzelle alle Anfor-
derungen erfüllt. Diese Ansprüche liegen hauptsächlich im Bereich der Leistung von Brenn-
stoffzellenstack und -system, worin u. a. thermische und elektrische Widerstände zu minimie-
ren sind, die Leitfähigkeiten aber gleichermaßen maximal sein sollen. Auch müssen die Me-
dien wie Wasserstoff und Sauerstoff leckagefrei zu- und abgeführt werden, vor allem bei wech-
selnden Umgebungstemperaturen. Des Weiteren sind geringe Massen und Dimensionen von
Vorteil. Neben diesen Aspekten sind auch Fertigungseigenschaften und Umwelteinflüsse von
Relevanz, in deren Zusammenhang Materialauswahl, Fertigungsverfahren, aber auch Recyc-
lingmöglichkeiten zu nennen sind [Cooper, 2004]. In Abschnitt 4 werden diese Kriterien wei-
terführend beschrieben.
Aktuell sind auf dem Weg zur vollautomatisierten Fertigung noch einige Hürden zu überwin-
den. Wird die MEA aktuell häufig im Decal-Verfahren (s. 3.1.) hergestellt, welches mehrere
Arbeitsschritte benötigt, so sind neue Verfahren mit direkter Beschichtung der Elektrode auf
die Membran oder GDL nötig. In Form eines kontinuierlichen Laminierungsprozesses kann
hier die Fertigungszeit deutlich verringert werden. Auch für die BPP, unabhängig vom Material,
müssen schnellere und vor allem fehlerfreie Produktionsmethoden geplant werden. Im Allge-
meinen spielt der Faktor Qualität sowohl bei den Bauteilen als auch den Endprodukten eine
wichtige Rolle, weshalb auch die Endkontrollen bzw. die Methoden zur Überprüfung beider
verbessert und beschleunigt werden müssen [U.S. Department of Energy, 2015].
Kostenfaktoren
Auch wenn die Kosten für PEMFC-Systeme in den letzten 15 Jahren um ca. 50% gesunken
sind, sind diese immer noch zu hoch, um neben batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen als
Alternative auf dem Fahrzeugmarkt einen Durchbruch zu erlangen. Dies soll sich zukünftig
durch den erhöhten Bedarf und die damit einhergehenden höheren Produktionsmengen än-
dern [James et al., 2016].
Der Preis eines Brennstoffzellensystem setzt sich prinzipiell zu ca. 44% aus dem Stack und
zu ca. 56% aus den Systemkomponenten (Luftverdichter, Wasserabscheider, Wasserstofffilter
etc.) zusammen. Das Hauptaugenmerk liegt in dieser Arbeit auf dem Stack und dessen Kom-
ponenten liegen, da in diesem Bereich mehr Bauteile einen Einfluss auf die Kosten haben,
insbesondere in Abhängigkeit von der absoluten Produktionszahl. Bei kleinen Stückzahlen
(1.000 Stacks/Jahr) sind vier Komponenten für 80% der Kosten verantwortlich. Werden die
prognostizierten Produktionszahlen von 500.000 Stacks/Jahr erreicht, sind es nur noch zwei
Komponenten (BPP und Katalysator) für 70% der Kosten. Dadurch wird deutlich, dass in die-
sem Bereich durch Einsparungen auch der Gesamtpreis am effektivsten reduziert werden
kann [Porstmann et al., 2019]. Nach einem Report des U.S. Department of Energy (DOE) von
2016 soll der Preis eines Brennstoffzellensystems je Kilowatt Nettoleistung (kW net) zukünftig
auf $30 verringert werden (beruhend auf einer 80 kW net – PEMFC und Produktionsmengen
von 500.000 Stacks/Jahr). Als Überblick sind die Kosten der einzelnen Komponenten, abhän-
gig von der jährlichen Produktionsmenge, in Tabelle 1 dargestellt.
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Tabelle 1: Einfluss der Produktionsmenge auf die Kosten von Komponenten und den gesamten Stack [James et
al., 2016]
Jährliche Produktionsrate 1.000 stacks 10.000 stacks 100.000 stacks 500.000 stacks
Bipolarplatten 1.985$ 772$ 658$ 653$
MEAs 9.538$ 3.245$ 1.661$ 1.389$
Weitere Komponenten 732$ 242$ 173$ 157$
Stackkosten insgesamt 12.255 $ 4.259$ 2.493$ 2.199$
Stackkosten insgesamt 153,19$ 53,23$ 31,17$ 27,49$
(pro kWnet)
Allein durch die Kapazitätserhöhung lassen sich diese Preise jedoch nicht erreichen, weshalb
nicht nur die Produktionsmethoden, sondern auch die verwendeten Werkstoffe verändert wer-
den müssen [Huya-Kouadio et al., 2018]. Für die BPP wurden verschiedene Materialien und
dafür notwendige Fertigungsvarianten hinsichtlich der benötigten Produktionszahlen und Kos-
ten untersucht. Bei der Nutzung von Edelstahl ist Hydroforming (Innenhochdruckumformen)
bei großen Produktionsmengen kostengünstiger als progressives Stanzen. Werden gleichzei-
tig mehrere Platten gefertigt, sind weniger Montagelinien nötigt, was sich direkt auf die Kosten
und die Bearbeitungszeit ausübt. Die Nutzung einer alternativen Edelstahllegierung bewirkt
eine Kostenreduktion von $0,13 bis $0,21 pro kWnet, während bei der Nutzung keine Nachteile
entstehen. Auch durch ein anderes Beschichtungsverfahren sind weitere Einsparungen mög-
lich. Auch wenn durch die Verringerung des Platingehalts und der Erhöhung der Leistungs-
dichte Kostensenkungen möglich sind, hängen die Preise immer noch von den Materialkosten
ab [Thompson et al., 2018]. Dies ist vor allem bei Edelmetallen wie Platin der Fall, wobei auch
bei hohen Produktionszahlen keine Beeinflussung möglich ist. Aus diesem Grund müssen
Schwankungen immer einkalkuliert werden, ggf. sollte auch die Nutzung anderer Werkstoffe
in Erwägung gezogen werden.
4 Demontage
Nach einem Defekt, durch etwa Verunreinigungen in der MEA verursacht, ist die Demontage
der PEMFC die Voraussetzung für eine Wieder- oder Weiterverwendung. Der Vorgang findet
prinzipiell in umgekehrter Reihenfolge zur Montage statt, sodass zuerst periphere Komponen-
ten am Stack entfernt werden (z.B. CVM-Einheit, Kühlerlüfter, etc.). Im nächsten Schritt wird
die Verspannung in Form von Schrauben oder Gurten gelöst. Dann können die Endplatten
sowie die Stromkollektoren demontiert werden, um die Einzelzellen zu erreichen. Diese wer-
den nacheinander abgehoben und können anschließend wieder in ihre Bauteile (BPP, Dich-
tung, GDL und MEA) zerlegt werden [Schiemann et al., 2007]. Beim Trennen der empfindli-
chen Teile besteht jedoch die Gefahr, dass diese zerstört und damit unbrauchbar werden.
Ebenso ist ein Austausch einzelner Zellen kaum möglich und kann, ausgehend von unge-
nauen Kontaktflächen durch andere Oberflächenparameter, ggf. zu deutlichen Leistungseibu-
ßen führen. Aus diesem Grund wurde die Einbringung einer leitfähigen Zwischenschicht zwi-
schen den BPP erwogen, wodurch sich diese auch leichter voneinander lösen lassen. Dafür
kann bspw. flexibles Graphit verwendet werden, was durch seine Verformbarkeit auch eine
schlechtere Oberflächengüte der Platten ausgleicht, somit Produktionskosten senken kann
und für eine bessere Stromübertragung sorgt. Gleichzeitig können unterschiedliche Belastun-
gen besser kompensiert werden, was sich positiv auf die Lebensdauer des gesamten Stacks
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auswirkt [Ruge et al., 2003]. Ein ähnliches Patent der Firma Toyota beinhaltet die Nutzung
einer klebenden, durch Hitze lösbaren Zwischenschicht aus Fluorkunststoff oder Silikonharz,
die gleichzeitig auch als Dichtung dient. Dieses Verfahren ist auch für andere Brennstoffzellen-
Arten nutzbar und soll ebenfalls den Demontageprozess erleichtern. Dafür wird auf die Kleb-
schicht Wärme aufgebracht und mit Hilfe eines Keils auseinander gedrückt, wodurch die
Wärme besser zugeführt werden kann. Um Rückstände des Klebers besser entfernen zu kön-
nen und den Trennungsprozess zu beschleunigen, wird ein Wärmeabführmittel entlang der
Klebschicht angebracht, wodurch sich der gelöste Kleber wieder zusammenzieht [Suzuki et
al., 2005].
Mit Hilfe dieser Ideen ist eine Reduktion der Demontagezeit möglich, was sich vor allem bei
zukünftigen steigenden Zahlen von FCEV als wichtig erweist. Es wird deutlich, dass bereits
bei der Planung des Stacks, vor der Montage, diese Aspekte berücksichtigt werden müssen.
Aufgrund dessen müssen neue Designrichtlinien beachtet und genutzt werden. „Design for
disassembly“ (DfD) ist ein Ansatz, bei dem der Demontageprozess sowohl vereinfacht als
auch beschleunigt und kostengünstiger gestaltet werden soll und möglichst alle Materialien
und Komponenten wiederverwertet werden können. Die richtige Auswahl von Werkstoffen und
Verbindungselementen sowie der Aufbau des Produkts sind grundlegende Schritte in der Ent-
wicklung. Dafür ist viel Wissen, sowohl über den Aufbau und die Verwendungsweise des zu
entwickelnden Objektes als auch die physikalischen und technischen Grenzen des Demonta-
geprozesses notwendig [Abuzied et al., 2020]. Ein weiterer Ansatz ist das sog. Design for
Remanufacturing (DfRem), wobei mehrere Gestaltungsrichtlinien für Produkte beachtet wer-
den, um die EOL-Phase zu erleichtern [Nasr et al., 2006, Freiberger, 2005, Hesselbach et al.,
2011]. Zu diesen Richtlinien gehören u. a. die Ermöglichung einer leichten, nicht destruktiven
Demontage durch Erreichbarkeit, Modularität, einfache Reinigung und Handhabung, das De-
sign für mehrere Lebenszyklen, Resistenz gegenüber Abnutzung und die Berücksichtigung
der EOL Phase bereits während des Produktentwicklungsprozesses [Abuzied et al., 2020,
VDI, 2002, Nasr et al., 2006, Kurilova-Palisaitiene et al., 2014]. Anhand des Namens wird
deutlich, dass mit Hilfe dieser Methode vor allem die Möglichkeiten zur Kreislauffähigkeit ver-
bessert werden, was im nächsten Kapitel genauer definiert wird.
5 End of life Optionen
Remanufacturing von PEMFC
Damit die PEMFC berechtigterweise als nachhaltige Technologie in der Mobilität bezeichnet
werden kann ist es notwendig, ebenfalls das Ende des Produktlebenszyklus zu betrachten.
Eine tatsächlich nachhaltige Verwendung erfolgt nur, wenn neben dem Gebrauch von grünem
Wasserstoff eine Kreislaufwirtschaft erfolgt. Nachdem die Demontage als Voraussetzung für
das Recycling der PEMFC im letzten Kapitel im Fokus stand, wird im Folgenden auf verschie-
dene EOL-Optionen, d. h. Möglichkeiten die PEMFC am Ende ihres Lebenszyklus dem Pro-
duktkreislauf erneut zuzuführen, eingegangen.
Die verschiedenen EOL-Optionen unterscheiden sich in mehreren Aspekten. Es wird unter-
schieden, ob ein Produkt in der gleichen Anwendung wiederverwendet oder mit einem anderen
Verwendungszweck weiterverwendet wird [VDI, 2002, Steinhilper, 1999]. Des Weiteren be-
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steht ein Unterschied darin, an welcher Stelle das Produkt wieder in den Lebenszyklus einge-
fügt wird [Lange, 2018]. Daran ist auch der Verlust an bereits eingesetzten Materialien und
Energie gekoppelt [Sundin, 2004]. EOL Optionen mit aufsteigendem Verlust an bereits einge-
setzten Materialien und Energie sind: Wiederverwendung / Reparatur, Remanufacturing (Pro-
duktrecycling), Recycling (Materialrecycling), energetische Verwertung und die Lagerung in
einer Deponie. Angesichts des Cradle-to-Cradle Ansatzes, nachdem keinerlei Abfall entstehen
soll, sind die zuerst genannten Möglichkeiten zu präferieren und die späteren zu vermeiden.
Zunächst wird näher auf das Remanufacturing als mögliche EOL Option der PEMFC einge-
gangen.
Remanufacturing oder auch Produktrecycling ist die Aufarbeitung eines Produkts nach dessen
Nutzungsphase auf das Qualitätsniveau eines Neuprodukts [Nasr et al., 2006]. Die genauen
Prozessschritte des Remanufacturing sind je nach Anwendungsfall variabel, können aber mit
den Schritten: Altteilbeschaffung, Testen/Sortieren, Reinigung, Aufarbeitung, Remontage und
einem abschließenden Test beschrieben werden [Sundin, 2004, Freiberger, 2005, Lange,
2018]. Aus verschiedenen Untersuchungen von Anwendungsfällen geht hervor, dass Rema-
nufacturing einen positiven Einfluss auf Kosten sowie insbesondere auf Umweltauswirkungen
im Vergleich zur Neuproduktion hat [Lange, 2018, Butzer et al., 2017]. Des Weiteren entsteht
durch Remanufacturing eine geringere Abhängigkeit von kritischen Rohstoffen, Vorteile für
den Nutzer durch geringere Preise und strategische Vorteile für den Hersteller [Lange, 2018].
Als Anwendungsbeispiele des Remanufacturing im Automobilbereich können z. B. Motoren,
Getriebe, Anlasser oder Turbolader genannt werden [Lange, 2018]. Aus dem Bereich der Wirt-
schaftsmathematik gibt es eine Vielzahl an Veröffentlichungen über Remanufacturing
[Sitcharangsie et al., 2019, Liu et al., 2019]. Es fehlt jedoch an einer tieferen Betrachtung des
Remanufacturing für PEMFC aus Sicht der Produktionstechnik. Bei dieser Betrachtung ist es
wichtig, einen ganzheitlichen Ansatz zu verfolgen, bei dem wirtschaftliche, ökologische und
technologische Faktoren gleichzeitig betrachtet werden, um den optimalen Prozess zu entwi-
ckeln. Es existieren viele Hindernisse, die dem Remanufacturingprozess seine Komplexität
verleihen. Dazu zählen geringe Stückzahlen, Unsicherheit über Anzahl und Zustand der Alt-
teile, steigende Produktkomplexität und die Demontage als Kostentreiber durch manuelle Pro-
zesse und geringes Produkt-Know-how [Butzer et al., 2017, Kurilova-Palisaitiene et al., 2014,
Golinska et al., 2011, Freiberger, 2007, Lange, 2018].
Recycling einzelner Komponenten
Während das Produktrecycling für die PEMFC bisher kaum praktiziert wird, gibt es für das
Recycling auf Materialebene bereits etablierte Prozesse, mit denen unterschiedliche Materia-
lien der PEMFC wiedergewonnen werden können. Dafür muss der Stack in seine Komponen-
ten zerlegt werden. Peripheriekomponenten, wie z. B. die Steuerelektronik, können über den
konventionellen Elektroschrott recycelt werden [Ahlfs et al., 2020]. Rein metallische Kompo-
nenten wie Ankerstäbe, Stromabnehmerplatten und Endplatten werden über den Metallschrott
weiterverarbeitet [Simons et al., 2015]. Für die Einzelkomponenten der Brennstoffzelle existie-
ren weitere bestimmte Verfahren, auf die im Folgenden näher eingegangen wird.
Auf dem Recycling der MEA liegt ein starker Fokus [Ahlfs et al., 2020]. Das liegt zum einen
daran, dass der Defekt einer Brennstoffzelle oft auf die MEA zurückzuführen ist. Die enthaltene
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Membran wird während der Nutzung durch Porenbildung oder durch Ansammlung von Verun-
reinigungen aus dem Brennstoff beschädigt [Simons et al., 2015]. Zum anderen sind pro Stack
in etwa 42g Platin verbaut, weshalb die Rückgewinnung der Materialien einen hohen finanzi-
ellen Anreiz besitzt [Wittstock et al., 2016]. Des Weiteren sorgt die Verbreitung der FCEV zu
einer starken Erhöhung des Platinverbrauchs, da die Menge an verwendeten Platin 10 mal so
hoch ist wie die in Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor [Wittstock et al., 2016].
Verfahren zur Rückgewinnung der Edelmetalle aus Fahrzeugkatalysatoren von Verbren-
nungsmotoren können für die PEMFC nicht verwendet werden, da bei der Verbrennung der
Elektrode giftige Fluorwasserstoffe entstehen [Simons et al., 2015]. Daher wird der Katalysator
durch chemische Extraktion zurückgewonnen [Xu et al., 2010]. Im Vergleich zum Katalysator
stand die Rückgewinnung der Membran bisher nicht im Fokus, gewinnt aber angesichts stei-
gender Produktionszahlen deutlich an Relevanz. Die Rückgewinnung der Membran wird
dadurch erschwert, dass diese sich während des Betriebs der PEMFC mit GDL und der Kata-
lysatorschicht verbindet, weshalb der wirtschaftliche Nutzen der Rückgewinnung noch genau
geprüft werden muss [Ahlfs et al., 2020].
Das Recycling der BPP hängt vom verwendeten Material ab. Metallische BPP können über
den normalen Metallschrott recycelt werden [Ahlfs et al., 2020, Simons et al., 2015]. Graphi-
tische BPP aus Thermoplasten können gereinigt und zu Granulat verarbeitet erneut zur Her-
stellung von BPP durch Spritzgussverfahren verwendet werden. Handelt es sich um BPP aus
Duroplasten, ist ein erneutes Aufschmelzen nicht möglich, sodass lediglich eine weitere Ver-
wendung als z. B. Füllmaterial in Frage kommt [Ahlfs et al., 2020].
6 Fazit
Es wird mit wachsenden Produktionszahlen von PEMFC gerechnet, da diese in mehreren An-
wendungsgebieten eine nachhaltige Alternative für bestehende Technologien darstellen. Da-
mit die Verbreitung zukünftig gelingt, sind verschiedene Entwicklungen noch notwendig.
Die momentane Fertigungsrate von PEMFC reicht nicht aus, um den zukünftigen Bedarf de-
cken zu können. Schritte in Richtung Hochratenfertigung wurden durch die Verwendung von
Pick-and-Place Robotern, Karussellvorrichtungen, Bahn- und Zuführsysteme und die direkte
Beschichtung der Elektrode durch das Rolle-zu-Rolle Verfahren bereits unternommen, sind
aber noch nicht ausreichend. Bei der Herstellung der Einzelkomponenten und bei den notwen-
digen Funktionstest besteht noch Optimierungspotenzial. Des Weiteren müssen die Produkti-
onskosten zukünftig gesenkt werden, u. a. auch, da die Kosten der Brennstoffzelle einen zu
großen Anteil an FCEV ausmachen. Mit zunehmenden Produktionszahlen können u. a. kos-
tengünstigere Herstellungsverfahren angewandt werden. Die vorhandenen EOL Optionen und
die Demontageprozesse müssen ebenfalls verbessert werden, damit die Kreislauffähigkeit der
PEMFC erhöht wird. Remanufacturing wird durch unzureichende Demontageprozesse er-
schwert. Diese stellen aufgrund von hauptsächlich nicht einheitlichen und manuellen Prozes-
sen einen großen Kostenfaktor am Remanufacturing dar. Durch die Berücksichtigung der De-
montage in früheren Lebenszyklusphasen, z. B. durch DfD und DfRem, kann diese vereinfacht
werden. Durch eine erhöhte Kreislauffähigkeit sinken Umweltbelastungen und die Abhängig-
keit von kritischen Rohstoffen.
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Eigene Forschungsbestrebungen des Fraunhofer IWU werden sich zukünftig mit mehreren der
genannten Problemstellungen beschäftigen. So gibt es bereits eigene Konzepte sowohl in Be-
zug auf das Bauteildesign von Einzelkomponenten als auch hinsichtlich hochratenfähiger
Technologien und Fertigungsprozesse für die Herstellung dieser Komponenten. Mit dem Ein-
satz roboterbasierter Fertigungsprozesse lässt sich der Automatisierungsgrad erhöhen, in Be-
zug auf die forcierten Taktzeiten von mehreren Einzelzellen pro Sekunde sind jedoch alterna-
tive Technologien erforderlich. Diesbezüglich gibt es bereits erste industrienahe Lösungen,
welche mittels kontinuierlicher Fließprozesse, wie man sie bspw. aus der Verpackungsindust-
rie kennt, derartige Fertigungsraten ermöglichen. Für die Weiterqualifizierung dieser Prozesse
gilt es entsprechende Versuchsanlagen umzusetzen, um qualitätsrelevante und taktzeitspezi-
fische Optimierungen in direkter Verwendung der anspruchsvollen Komponenten der Brenn-
stoffzellen durchzuführen. Weitere innovative Konzepte hinsichtlich des Brennstoffzellende-
sign mit adaptiven Montageelementen sollen die Effizienz der Brennstoffzelle im Betrieb vor
allem bei schwankenden Umgebungstemperaturen erhöhen. Diese gilt es ebenfalls hinsicht-
lich einer automatisierten und hochratenfähigen Fertigung weiter zu qualifizieren. Des Weite-
ren werden die wirtschaftlichen Vorteile des Remanufacturings der PEMFC als EOL Option
untersucht. Darüber hinaus wird analysiert, welche Schritte notwendig sind, um die EOL Pro-
zesse und Kreislauffähigkeit der PEMFC zu verbessern. Ein weiteres Forschungsthema ist die
Standardisierung und Automatisierung der Demontage der PEMFC.
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