Alzenau, le 7 avril 2020 - Des technologies de conversion d'énergie plus durables, efficaces et respectueuses de l'environnement telles que les piles à combustible joueront un rôle de plus en plus important au cours de la transition énergétique et de la mobilité. Les piles à combustible, en particulier les Pile à combustible à membrane d'échange de protons, sont déjà utilisées dans les automobiles à hydrogène. Avec la diffusion croissante de cette technologie, une plus grande quantité de ce type de pile à combustible aura atteint la fin de sa vie en 2030 au plus tard. En raison de la proportion élevée de métaux de technologie précieuse et de considérations écologiques, un recyclage efficace des matériaux contenus dans les piles à combustible PEM est nécessaire. Cependant, un procédé de recyclage sur mesure pour les piles à combustible n'est pas encore disponible à l'échelle industrielle.
Ce défi est désormais relevé par un consortium dirigé par l'Institut de recherche Fraunhofer pour le recyclage des matériaux et les stratégies de ressources IWKS. Dans le cadre du projet "BReCycle", le consortium, composé des cinq partenaires de recherche et industriels Fraunhofer IWKS, Proton Motor Fuel Cell GmbH, MAIREC Edelmetallgesellschaft mbH, Electro cycling GmbH et KLEIN Anlagenbau AG, développe spécifiquement un concept de recyclage en boucle fermée pour les piles à combustible PEM. Le projet est financé dans le cadre du 7e programme de recherche énergétique "Innovations pour la transition énergétique" du ministère fédéral des Affaires économiques et de l'Énergie.
L'objectif du projet est de développer un processus durable pour le traitement des piles à combustible, avec lequel des fractions de matériaux de haute qualité peuvent être générées, en particulier à partir du revêtement d'électrode, et la membrane polymère peut être séparée. Les précieux métaux précieux tels que le platine et le ruthénium sont particulièrement importants pour le marché du recyclage des piles à combustible. Des procédés généraux de recyclage des métaux précieux actuellement utilisés sont également conçus pour ces métaux, dans lesquels les piles à combustible à membrane d'électrolyte polymère sont actuellement largement traitées. Le platine et le ruthénium, ainsi que d'autres métaux précieux et rares, sont récupérés dans des procédés de recyclage des métaux pyrométallurgiques. Cependant, le recyclage pyrométallurgique des piles à combustible produit des composés fluorés hautement toxiques à partir de la membrane de nafion fluorée, ce qui signifie qu'une conversion de grand format nécessite une purification très complexe des gaz résiduaires. Jusqu'à présent, aucun processus de recyclage ne peut être utilisé efficacement à l'échelle industrielle pour séparer suffisamment les membranes polymères avant la préparation à l'état fondu, éliminant ainsi le risque de formation de fluorure d'hydrogène dans le processus de fusion. De plus, les métaux de base tels que l'acier ou l'aluminium sont largement perdus au cours du processus.
Le projet BReCycle vise à développer une nouvelle approche qui assure un haut degré de récupération des matières premières utilisées et est supérieure en termes de compatibilité environnementale (notamment bilan énergétique) et d'efficacité économique. Parallèlement, des aspects de la conception des produits (Design for Recycling et Design for Circularity) doivent être étudiés et mis en œuvre afin d'augmenter la recyclabilité des piles à combustible et de promouvoir l'utilisation de matériaux secondaires dans le sens de la protection des ressources et de développer de nouveaux modèles commerciaux sur cette base.
Le processus de recyclage lui-même sera conçu pour les modules de pile a combustible complets ainsi que pour les composants individuels. À cette fin, un processus de pré-démontage sera d'abord développé pour retirer les composants tels que les connexions électriques ou les câbles. La fragmentation électrohydraulique (EHF) sera utilisée pour une plus grande fragmentation sélective. Ici, les ensembles pré-démontés sont placés dans un réacteur rempli d'eau et de matériaux fragmentés sélectivement au moyen d'ondes de choc (ondes de pression générées par décharge électrique). En particulier, la couche contenant du platine, catalytiquement active sur les électrodes doit être séparée du plastique.
Les matériaux ainsi fragmentés peuvent ensuite être séparés en fractions de matériau poudre de catalyseur et graphite ainsi qu'en polymère et métaux par de simples procédés de séparation physique tels que tamisage et filtration. Pour la séparation de la membrane polymère du fret métallique, une identification au moyen de la technologie de capteur IR et une décharge sélective des composants correspondante est testée dans le processus. Les fractions métalliques obtenues peuvent ensuite être traitées efficacement en utilisant des méthodes de traitement métallurgique établies.
En raison de la concentration élevée souhaitée des divers matériaux recyclables tels que le platine, le ruthénium et d'autres métaux de la couche catalytiquement active, une utilisation beaucoup plus efficace des produits chimiques est nécessaire, par exemple, dans un traitement chimique humide en aval. L'économie des étapes du procédé grâce au traitement spécifique des matières recyclables préalablement séparées se traduit par un avantage écologique et surtout économique important par rapport aux autres procédés.
L'approche du projet vise une grande pureté de toutes les fractions générées par une digestion sélective du produit permettant une séparation plus efficace des fractions. La fraction cible est le métal précieux concentré, qui peut ensuite être recyclé.
Après l'achèvement du projet, les connaissances acquises seront successivement intégrées dans les procédures de traitement des piles à combustible PEM chez les partenaires industriels participants. Les résultats du développement du procédé servent également de base à de nouveaux travaux de recherche afin de pouvoir mettre en place une solution de reprise et de recyclage comprenant la réalisation de nouveaux modules d'usine spécifiques. Parallèlement à cela, des modèles d'entreprise innovants en économie circulaire doivent être concrétisés davantage avec tous les partenaires du projet en fonction des connaissances acquises et de la situation du marché.
Source : Fraunhofer IWKS
À voir également : Les piles à combustible en Italie : un partenariat entre Bloom Energy et Cefla
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| Exemple de pile à combustible. © Proton Motor Fuell Cell GmbH |
Ce défi est désormais relevé par un consortium dirigé par l'Institut de recherche Fraunhofer pour le recyclage des matériaux et les stratégies de ressources IWKS. Dans le cadre du projet "BReCycle", le consortium, composé des cinq partenaires de recherche et industriels Fraunhofer IWKS, Proton Motor Fuel Cell GmbH, MAIREC Edelmetallgesellschaft mbH, Electro cycling GmbH et KLEIN Anlagenbau AG, développe spécifiquement un concept de recyclage en boucle fermée pour les piles à combustible PEM. Le projet est financé dans le cadre du 7e programme de recherche énergétique "Innovations pour la transition énergétique" du ministère fédéral des Affaires économiques et de l'Énergie.
L'objectif du projet est de développer un processus durable pour le traitement des piles à combustible, avec lequel des fractions de matériaux de haute qualité peuvent être générées, en particulier à partir du revêtement d'électrode, et la membrane polymère peut être séparée. Les précieux métaux précieux tels que le platine et le ruthénium sont particulièrement importants pour le marché du recyclage des piles à combustible. Des procédés généraux de recyclage des métaux précieux actuellement utilisés sont également conçus pour ces métaux, dans lesquels les piles à combustible à membrane d'électrolyte polymère sont actuellement largement traitées. Le platine et le ruthénium, ainsi que d'autres métaux précieux et rares, sont récupérés dans des procédés de recyclage des métaux pyrométallurgiques. Cependant, le recyclage pyrométallurgique des piles à combustible produit des composés fluorés hautement toxiques à partir de la membrane de nafion fluorée, ce qui signifie qu'une conversion de grand format nécessite une purification très complexe des gaz résiduaires. Jusqu'à présent, aucun processus de recyclage ne peut être utilisé efficacement à l'échelle industrielle pour séparer suffisamment les membranes polymères avant la préparation à l'état fondu, éliminant ainsi le risque de formation de fluorure d'hydrogène dans le processus de fusion. De plus, les métaux de base tels que l'acier ou l'aluminium sont largement perdus au cours du processus.
Le projet BReCycle vise à développer une nouvelle approche qui assure un haut degré de récupération des matières premières utilisées et est supérieure en termes de compatibilité environnementale (notamment bilan énergétique) et d'efficacité économique. Parallèlement, des aspects de la conception des produits (Design for Recycling et Design for Circularity) doivent être étudiés et mis en œuvre afin d'augmenter la recyclabilité des piles à combustible et de promouvoir l'utilisation de matériaux secondaires dans le sens de la protection des ressources et de développer de nouveaux modèles commerciaux sur cette base.
Le processus de recyclage lui-même sera conçu pour les modules de pile a combustible complets ainsi que pour les composants individuels. À cette fin, un processus de pré-démontage sera d'abord développé pour retirer les composants tels que les connexions électriques ou les câbles. La fragmentation électrohydraulique (EHF) sera utilisée pour une plus grande fragmentation sélective. Ici, les ensembles pré-démontés sont placés dans un réacteur rempli d'eau et de matériaux fragmentés sélectivement au moyen d'ondes de choc (ondes de pression générées par décharge électrique). En particulier, la couche contenant du platine, catalytiquement active sur les électrodes doit être séparée du plastique.
Les matériaux ainsi fragmentés peuvent ensuite être séparés en fractions de matériau poudre de catalyseur et graphite ainsi qu'en polymère et métaux par de simples procédés de séparation physique tels que tamisage et filtration. Pour la séparation de la membrane polymère du fret métallique, une identification au moyen de la technologie de capteur IR et une décharge sélective des composants correspondante est testée dans le processus. Les fractions métalliques obtenues peuvent ensuite être traitées efficacement en utilisant des méthodes de traitement métallurgique établies.
En raison de la concentration élevée souhaitée des divers matériaux recyclables tels que le platine, le ruthénium et d'autres métaux de la couche catalytiquement active, une utilisation beaucoup plus efficace des produits chimiques est nécessaire, par exemple, dans un traitement chimique humide en aval. L'économie des étapes du procédé grâce au traitement spécifique des matières recyclables préalablement séparées se traduit par un avantage écologique et surtout économique important par rapport aux autres procédés.
L'approche du projet vise une grande pureté de toutes les fractions générées par une digestion sélective du produit permettant une séparation plus efficace des fractions. La fraction cible est le métal précieux concentré, qui peut ensuite être recyclé.
Après l'achèvement du projet, les connaissances acquises seront successivement intégrées dans les procédures de traitement des piles à combustible PEM chez les partenaires industriels participants. Les résultats du développement du procédé servent également de base à de nouveaux travaux de recherche afin de pouvoir mettre en place une solution de reprise et de recyclage comprenant la réalisation de nouveaux modules d'usine spécifiques. Parallèlement à cela, des modèles d'entreprise innovants en économie circulaire doivent être concrétisés davantage avec tous les partenaires du projet en fonction des connaissances acquises et de la situation du marché.
Source : Fraunhofer IWKS
À voir également : Les piles à combustible en Italie : un partenariat entre Bloom Energy et Cefla
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