Laserverfahren zur Reinigung von Brennstoffzellenmembranen für die Rückgewinnung der Edelmetalle

Abstract

Brennstoffzellen leisten einen wichtigen Beitrag zur Dekarbonisierung in Mobilität, Heiztechnik und netzferner Stromversorgung. Mit ihrem zunehmenden Einsatz steigt die Notwendigkeit effizienter Recyclingverfahren, da bislang kein industriell umsetzbares Verfahren existiert. Neben ökologischen Aspekten sind wirtschaftliche Gründe entscheidend: Laut einer Fraunhofer-Studie wird für Zukunftstechnologien das 1,65-Fache der heutigen Weltjahresproduktion an Platin benötigt. Bereits heute wird der Bedarf an Edelmetallen maßgeblich durch Recycling gedeckt – etwa die Hälfte des in Autoabgaskatalysatoren eingesetzten Platins stammt aus Rückgewinnung.

Brennstoffzellen bestehen aus komplex verbundenen Materialien wie Edelmetallen (Pt, Ru), Cobalt, Graphit, Polymeren und Metallen. Für ein hochwertiges Recycling ist eine sortenreine Trennung erforderlich, um die Wiederverwendung in neuen Brennstoffzellen zu ermöglichen. Die größte Herausforderung liegt im zerstörungsfreien Separieren dieser Materialien.

Besonders problematisch sind katalysatorbeschichtete Membranen (CCM). Die derzeit übliche Pyrometallurgie birgt erhebliche Risiken: Beim Ausschmelzen der Edelmetalle entsteht aus dem Membrankunststoff Fluorwasserstoff (HF), der Mensch und Umwelt gefährdet und die Anlagentechnik belastet. Zudem wird die Membran zerstört, und ein Großteil des Materials fällt als Schlacke an, was zusätzliche Nachbehandlung erfordert. Angesichts der strategischen Bedeutung von Edelmetallen und Cobalt sind Rückgewinnungsquoten von über 98 % anzustreben – bei minimalem nicht verwertbarem Abfall.

Für Kabel, Elektronikschrott und Gehäusematerialien existieren etablierte Verfahren. Die übrigen Komponenten des Brennstoffzellen-Stacks sollen so aufbereitet werden, dass sie für die Herstellung neuer Brennstoffzellen genutzt werden können.

Die Clean-Lasersysteme GmbH entwickelte im Rahmen des Teilvorhabens ein Laserverfahren zur Ablösung der Katalysatorschicht von Kunststoffmembranen. Das Ziel war es, das edelmetallhaltige Katalysatorpulver zu separieren und für die weitere Aufbereitung bereitzustellen. Hierfür wurden Parameterstudien durchgeführt sowie notwendige Anpassungen an der Anlagentechnik vorgenommen. Abschließend wurde ein Konzept zur wirtschaftlichen Umsetzung des Verfahrens skizziert.