DE102020106563A1 - Method for operating a motor vehicle with a fuel cell device and a motor vehicle - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeuges mit einer mindestens eine Brennstoffzelle (2) aufweisenden Brennstoffzellenvorrichtung (1), umfassend die Schritte des Erfassens und Auswertens der Daten mindestens eines einen Alterungszustand der Brennstoffzelle (2) überwachenden Sensors, und für den Fall der Feststellung des Erreichens des Lebensdauerendes der Brennstoffzelle (2) anhand der Daten des Sensors, Wechseln aus einem Normalmodus für den Betrieb der Brennstoffzelle (2) in einen Recyclingmodus, in dem die Brennstoffzelle (2) mit einem Brennstoff in einem unterstöchiometrischen Verhältnis versorgt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung (1).The invention relates to a method for operating a motor vehicle with a fuel cell device (1) having at least one fuel cell (2), comprising the steps of acquiring and evaluating the data of at least one sensor monitoring an aging condition of the fuel cell (2), and in the event of a determination reaching the end of the service life of the fuel cell (2) based on the data from the sensor, changing from a normal mode for operating the fuel cell (2) to a recycling mode in which the fuel cell (2) is supplied with a fuel in a sub-stoichiometric ratio. The invention also relates to a motor vehicle with a fuel cell device (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeuges mit einer mindestens eine Brennstoffzelle aufweisenden Brennstoffzellenvorrichtung, umfassend die Schritte des Erfassens und Auswertens der Daten mindestens eines einen Alterungszustand der Brennstoffzelle überwachenden Sensors, und für den Fall der Feststellung des Erreichens des Lebensdauerendes der Brennstoffzelle anhand der Daten des Sensors, Wechseln aus einem Normalmodus für den Betrieb der Brennstoffzelle in einen Recyclingmodus, in dem die Brennstoffzelle mit einem Brennstoff in einem unterstöchiometrischen Verhältnis versorgt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung.The invention relates to a method for operating a motor vehicle with a fuel cell device having at least one fuel cell, comprising the steps of acquiring and evaluating the data of at least one sensor monitoring an aging condition of the fuel cell, and in the event that the end of service life of the fuel cell is determined based on the data of the sensor, changing from a normal mode for operating the fuel cell to a recycling mode in which the fuel cell is supplied with a fuel in a sub-stoichiometric ratio. The invention also relates to a motor vehicle with a fuel cell device.

Brennstoffzellenvorrichtungen werden für die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser genutzt, um elektrische Energie zu erzeugen. Diese Energie kann zum Betreiben von Maschinen verwendet werden, daher sind Brennstoffzellenvorrichtungen besonders im Rahmen der E-Mobilität interessant. In Kraftfahrzeugen verbaute Brennstoffzellenvorrichtungen bieten eine Alternative zur konventionellen Nutzung endlicher Ressourcen zur Energiegewinnung. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membranelektrodeneinheit, die ein Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer, beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist.Fuel cell devices are used to chemically convert a fuel with oxygen into water to generate electrical energy. This energy can be used to operate machines, which is why fuel cell devices are particularly interesting in the context of e-mobility. Fuel cell devices installed in motor vehicles offer an alternative to the conventional use of finite resources for energy generation. For this purpose, fuel cells contain the so-called membrane electrode unit as a core component, which is a composite of a proton-conducting membrane and an electrode (anode and cathode) arranged on both sides of the membrane.

Im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Mehrzahl zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasster Brennstoffzellen wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff (H2) oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu H+ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein Transport der Protonen H+ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, so dass eine Reduktion von O2 zu O2-unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser.During operation of the fuel cell device with a plurality of fuel cells combined to form a fuel cell stack, the fuel, in particular hydrogen (H 2 ) or a hydrogen-containing gas mixture, is fed to the anode, where an electrochemical oxidation of H 2 to H + takes place with the release of electrons. The H + protons are transported from the anode compartment into the cathode compartment via the membrane, which separates the reaction spaces from one another in a gas-tight manner and insulates them electrically. The electrons provided at the anode are fed to the cathode via an electrical line. Oxygen or an oxygen-containing gas mixture is fed to the cathode, so that a reduction of O 2 to O 2- takes place while absorbing the electrons. At the same time, these oxygen anions react in the cathode compartment with the protons transported across the membrane to form water.

Für diese elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff und einem sauerstoffhaltigen Gas wird ein Katalysator benötigt, der in der Regel durch Edelmetalle wie Platin oder Palladium gebildet ist. Die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle hängt dabei von den verfügbaren Oberflächen-Plätzen des Trägermaterials für die Katalysatorpartikel ab. Das Trägermaterial basiert dabei in der Regel auf Kohlenstoff, in den die Katalysatorpartikeln eingebettet sind.For this electrochemical reaction between hydrogen and an oxygen-containing gas, a catalyst is required, which is usually formed by noble metals such as platinum or palladium. The efficiency of the fuel cell depends on the available surface space of the carrier material for the catalyst particles. The carrier material is usually based on carbon in which the catalyst particles are embedded.

Bei einem Platinpreis von 25€ pro Gramm und einem derzeit erforderlichen Bedarf von 30 g Platin für einen Brennstoffzellenstapel mit einer Leistung von 110 kW sind mit der Verwendung des Katalysators erhebliche Kosten verbunden, die die Nutzung in einer Serienfertigung für Kraftfahrzeuge behindern. Das Recycling von Platin ist daher ein wichtiges Thema in der Forschung und Entwicklung.At a platinum price of € 25 per gram and a currently required requirement of 30 g of platinum for a fuel cell stack with an output of 110 kW, the use of the catalytic converter is associated with considerable costs, which hinder its use in series production for motor vehicles. The recycling of platinum is therefore an important topic in research and development.

Grundsätzlich gibt es zwei Vorgehensweisen, um das Elektrodenmaterial aufzuarbeiten, nämlich eine pyrometallurgische und eine hydrometallurgische Aufarbeitung. Die pyrometallurgische Aufarbeitung benötigt dabei einen hohen Energieeinsatz zum Erreichen der hohen Temperaturen für den Einsatz von Schmelzaggregaten, wobei die Wiedergewinnung der unedlen Metalle und des Kohlenstoffs nur eingeschränkt möglich ist.There are basically two ways of working up the electrode material, namely a pyrometallurgical and a hydrometallurgical processing. The pyrometallurgical processing requires a high energy input to reach the high temperatures for the use of melting units, whereby the recovery of the base metals and the carbon is only possible to a limited extent.

Die hydrometallurgische Aufarbeitung erfolgt bei niedrigeren Temperaturen und bedingt daher einen geringeren Energieeinsatz, erfordert aber große Mengen an Chemikalien, um durch nasschemische Lösungs- und Fällungsschritte die in den Elektroden enthaltenen Metalle in Form von Metallverbindungen wieder zu gewinnen.The hydrometallurgical processing takes place at lower temperatures and therefore requires less energy, but requires large amounts of chemicals in order to recover the metals contained in the electrodes in the form of metal compounds through wet chemical solution and precipitation steps.

In der DE 10 2012 109 063 A1 werden zum Recycling der edelmetallhaltigen Katalysatorbestandteile die Elektrodenräume mit einem polaren Lösungsmittel geflutet und den Elektroden ein Strom aufgeprägt, so dass ein Strom von 0,8 A/cm2 bis 1,5 A/cm 2 durch die Brennstoffzelle fließt. Dabei erfolgt eine Degradation der Brennstoffzelle durch eine Oxidation des kohlenstoffhaltigen Katalysatorträger, so dass die katalysatorhaltigen Bestandteile von ihrem Träger gelöst und ausgeschwemmt werden können. Für die Rückgewinnung von Platin aus Brennstoffzellen wird in der WO 2006/073807 A1 vorgeschlagen, eine saure oxidierende Lösung durch einen Port in die Brennstoffzelle und wieder aus dieser heraus strömen zu lassen und nachfolgend das Platin aus der Lösung abzuscheiden. Die US 2006/0237034 A1 beschreibt das Recycling einer Membranelektrodenanordnung, indem diese in Kontakt mit einem Alkohol gebracht wird, um die Elektroden von der Membran zu separieren.In the DE 10 2012 109 063 A1 For recycling the precious metal-containing catalyst components, the electrode spaces are flooded with a polar solvent and a current is impressed on the electrodes so that a current of 0.8 A / cm 2 to 1.5 A / cm 2 flows through the fuel cell. The fuel cell is degraded by oxidation of the carbon-containing catalyst carrier, so that the catalyst-containing components can be detached from their carrier and flushed out. For the recovery of platinum from fuel cells, the WO 2006/073807 A1 proposed to allow an acidic oxidizing solution to flow through a port into the fuel cell and out of it again and subsequently to deposit the platinum from the solution. the US 2006/0237034 A1 describes the recycling of a membrane electrode assembly by bringing it into contact with an alcohol in order to separate the electrodes from the membrane.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren bereit zu stellen, mit dem die Rückgewinnung des Katalysators verbessert werden kann. Aufgabe ist weiterhin, ein verbessertes Kraftfahrzeug bereit zu stellen, dessen Energiebedarf einschließlich der Gestehung und Entsorgung verringert ist.The object of the present invention is to provide a method with which the recovery of the catalyst can be improved. A further object is to provide an improved motor vehicle whose energy requirement, including the production and disposal, is reduced.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a method with the features of claim 1 and by a motor vehicle with the features of claim 10. Advantageous configurations with expedient developments of the invention are specified in the dependent claims.

Das eingangs genannte Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass noch vor der Demontage des Kraftfahrzeuges oder der Brennstoffzelle beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels unter Ausnutzung der in dem Kraftfahrzeug gegebenen Infrastruktur ein besondere Recyclingmodus aktiviert wird, der eine ideale Vorbereitung vor nachfolgende pyrometallurgische oder hydrometallurgische Prozesse darstellt, in denen weniger Brennstoff beziehungsweise weniger Chemikalien benötigt werden, wobei diese Prozesse dann auch schneller ablaufen können. Dazu wird in der Brennstoffzellenvorrichtung ein eigentlich nachteiliger Vorgang der Degradation gezielt aktiviert und in sein Vorteil gekehrt, um durch eine Oxidation des Katalysatorträgers den Katalysator frei zu setzen.The method mentioned at the beginning is characterized in that a special recycling mode is activated before the dismantling of the motor vehicle or the fuel cell or the fuel cell stack using the infrastructure provided in the motor vehicle, which is an ideal preparation for subsequent pyrometallurgical or hydrometallurgical processes in which less fuel or fewer chemicals are required, whereby these processes can then also run faster. For this purpose, an actually disadvantageous process of degradation is specifically activated in the fuel cell device and turned into its advantage in order to set the catalyst free by oxidation of the catalyst carrier.

Bevorzugt ist dabei, wenn der mindestens eine Sensor ausgewählt ist aus einer Gruppe, die einen Betriebsstundenzähler, einen Sensor zum Erfassen der akkumulierten generierten Leistung, einen Spannungsmesser, ein Impedanzspektrometer umfasst. Diese Sensor erfassen unmittelbar die intrinsische Nutzung der Brennstoffzelle, so dass auf der Nutzungsdauer auf deren fortschreitenden Verschleiß geschlossen werden beziehungsweise dieser durch Messwerte erkannt werden kann.It is preferred if the at least one sensor is selected from a group that includes an operating hours counter, a sensor for detecting the accumulated generated power, a voltmeter, an impedance spectrometer. These sensors directly record the intrinsic use of the fuel cell, so that conclusions can be drawn about the progressive wear and tear over the service life or this can be recognized by measured values.

Alternativ oder auch ergänzend besteht die Möglichkeit, dass ein Massenstromzähler für die Bestimmung des Zuflusses des Brennstoffes und/oder ein Massenstromzähler für die Bestimmung des Zuflusses des Oxidationsmittels zu der Brennstoffzelle vorgesehen ist und zur Bestimmung des Alterungszustandes der Brennstoffzelle ausgewertet wird. Der Verbrauch der Reaktanten zeigt auch an, in welchem Masse die Brennstoffzelle genutzt und belastet wird, so dass dadurch ein Maß für deren Alterung zur Verfügung gesteht.Alternatively or in addition, there is the possibility that a mass flow meter is provided for determining the inflow of the fuel and / or a mass flow meter is provided for determining the inflow of the oxidizing agent to the fuel cell and is evaluated to determine the state of aging of the fuel cell. The consumption of the reactants also shows the extent to which the fuel cell is used and loaded, so that a measure of its aging is available.

Weiterhin alternativ oder auch ergänzend kann ein Massenstromzähler für die Bestimmung des Durchflusses eines Kühlmittels durch die Brennstoffzelle vorgesehen sein, der und zur Bestimmung des Alterungszustandes der Brennstoffzelle ausgewertet wird. Der Umsatz der eingesetzten Reaktanten ist mit der Generierung von Wärme korreliert, so dass auch der Bedarf an Kühlmittel beziehungsweise dessen Wärmebeladung ein Maß für die Alterung der Brennstoffzelle darstellt.Furthermore, as an alternative or in addition, a mass flow meter can be provided for determining the flow rate of a coolant through the fuel cell, which mass flow meter is evaluated and used to determine the state of aging of the fuel cell. The conversion of the reactants used is correlated with the generation of heat, so that the need for coolant or its heat load is also a measure of the aging of the fuel cell.

In diesem Zusammenhang kann auch ein Sensor zur Bestimmung der Ionenleitfähigkeit des Kühlmittels vorgesehen sein, der zur Bestimmung des Alterungszustandes der Brennstoffzelle ausgewertet wird.In this context, a sensor for determining the ionic conductivity of the coolant can also be provided, which sensor is evaluated for determining the state of aging of the fuel cell.

Während der Lebensdauer der Brennstoffzelle treten in deren Betrieb Degradationseffekte auf, wobei reversible und irreversible Degradationsmechanismen existieren. Die reversiblen Degradationsmechanismen werden bedarfsweise in einem Regenerationsmodus wieder beseitigt, in dem die Brennstoffzelle abweichend von ihren optimalen Bedingungen betrieben wird, was mit einer verschlechterten Leistungsbereitstellung und einem erhöhten Energiebedarf für den Regenerationsmodus verbunden ist. Dieser kann vermieden werden, wenn erkennbar ist, dass das Ende der Lebensdauer nahe bevor steht, so dass bei einem Überschreiten von mindestens 95 %, vorzugsweise von mindestens 98 % der Lebensdauer der Brennstoffzelle ein Wechsel in einen Regenerationsmodus zur Regeneration reversibler Alterungsprozesse unterdrückt wird.During the service life of the fuel cell, degradation effects occur in its operation, with reversible and irreversible degradation mechanisms in place. If necessary, the reversible degradation mechanisms are eliminated again in a regeneration mode in which the fuel cell is operated in a manner deviating from its optimal conditions, which is associated with a deteriorated provision of power and an increased energy requirement for the regeneration mode. This can be avoided if it can be seen that the end of the service life is imminent, so that if the service life of the fuel cell is exceeded by at least 95%, preferably at least 98%, a change to a regeneration mode for regenerating reversible aging processes is suppressed.

Vorteilhaft ist weiterhin, wenn ein nutzergeführter Wechsel in den Recyclingmodus ermöglicht ist, da so die Vorteile des Verfahrens genutzt werden können, wenn unabhängig von der Lebensdauer der Brennstoffzelle deren Nutzung beendet und die Recyclierung initiiert werden soll.It is also advantageous if a user-guided change to the recycling mode is enabled, since the advantages of the method can then be used if the fuel cell is to be stopped and recycling is to be initiated regardless of the service life of the fuel cell.

Die vorstehend genannten Wirkungen und Vorteile gelten sinngemäß auch für ein Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung und einem Steuergerät, das eingerichtet ist zur Durchführung eines der vorstehend genannten Verfahren.The aforementioned effects and advantages also apply mutatis mutandis to a motor vehicle with a fuel cell device and a control unit which is set up to carry out one of the aforementioned methods.

Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.The features and combinations of features mentioned above in the description as well as the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and / or shown alone in the figures can be used not only in the combination specified, but also in other combinations or on their own, without the scope of the Invention to leave. Thus, embodiments are also to be regarded as encompassed and disclosed by the invention, which are not explicitly shown or explained in the figures, but which emerge and can be generated from the explained embodiments by means of separate combinations of features.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigt:

  • 1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung.
Further advantages, features and details of the invention emerge from the claims, the following description of preferred embodiments and on the basis of the drawing. It shows:
  • 1 a schematic representation of a fuel cell device.

In 1 ist ein schematisch eine Brennstoffzellenvorrichtung 1 gezeigt. Die Brennstoffzellenvorrichtung 1 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 11, der eine Mehrzahl von in Reihe geschalteter Brennstoffzellen 2 aufweist. Die Reihenschaltung der Brennstoffzellen 2 ist in der 1 nur schematisch angedeutet. Die Brennstoffzellenvorrichtung 1 ist Teil eines nicht näher dargestellten Kraftfahrzeugs.In 1 Fig. 13 is a diagram of a fuel cell device 1 shown. the Fuel cell device 1 comprises a fuel cell stack 11 which has a plurality of fuel cells connected in series 2 having. The series connection of the fuel cells 2 is in the 1 only indicated schematically. The fuel cell device 1 is part of a motor vehicle not shown in detail.

Jede der Brennstoffzellen 2 umfasst eine Anode und eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende ionenleitfähige, insbesondere protonenleitfähige Membran. Die Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Tetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran als eine Hydrocarbon-Membran gebildet sein.Each of the fuel cells 2 comprises an anode and a cathode as well as an ion-conductive, in particular proton-conductive, membrane separating the anode from the cathode. The membrane is formed from an ionomer, preferably a sulfonated tetrafluoroethylene polymer (PTFE) or a polymer of perfluorinated sulfonic acid (PFSA). Alternatively, the membrane can be formed as a hydrocarbon membrane.

Den Anoden und/oder den Kathoden kann zusätzlich ein Katalysator beigemischt sein, wobei die Membranen auf ihrer ersten Seite und auf ihrer zweiten Seite mit einer Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder aus Gemischen umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet sind, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle 2 dienen.The anodes and / or the cathodes can additionally be admixed with a catalyst, the membranes being coated on their first side and on their second side with a catalyst layer made of a noble metal or of mixtures comprising noble metals such as platinum, palladium, ruthenium or the like, which as Reaction accelerator in the reaction of the respective fuel cell 2 to serve.

Zur Versorgung der Anoden mit Anodengas oder Brennstoff ist eine Anodenversorgung vorhanden. Über Anodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 3 wird den Anoden Brennstoff (z.B. Wasserstoff) zugeführt. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die Membran lässt die Protonen (z.B. H+) hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen (e-). An der Anode erfolgt dabei die folgende Reaktion: 2H2 → 4H+ + 4e- (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die Membran zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet.An anode supply is available to supply the anodes with anode gas or fuel. Via anode compartments within the fuel cell stack 3 fuel (e.g. hydrogen) is fed to the anodes. In a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEM fuel cell), fuel or fuel molecules are split into protons and electrons at the anode. The membrane lets the protons (eg H + ) through, but is impermeable to the electrons (e - ). The following reaction takes place at the anode: 2H 2 → 4H + + 4e - (oxidation / electron donation). While the protons pass through the membrane to the cathode, the electrons are conducted to the cathode or to an energy store via an external circuit.

Zur Versorgung der Kathoden mit Kathodengas ist eine Kathodenversorgung vorhanden. Über Kathodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 3 kann den Kathoden Kathodengas (z.B. Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (Reduktion/Elektronenaufnahme).A cathode supply is available to supply the cathodes with cathode gas. Via cathode compartments within the fuel cell stack 3 cathode gas (for example oxygen or air containing oxygen) can be fed to the cathodes so that the following reaction takes place on the cathode side: O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O (reduction / electron uptake).

Zur Vereinfachung der Recyclierung der teuren Katalysatorpartikel wird beim Erreichen des Endes der Lebensdauer (EOL: end of life) der Brennstoffzelle 2 noch vor der Demontage des Kraftfahrzeuges oder der Brennstoffzellenvorrichtung 1 selber ein Verfahren durchgeführt, das beim Betreiben des Kraftfahrzeuges vorsieht, dass ein Erfassen und Auswerten der Daten mindestens eines einen Alterungszustand der Brennstoffzelle 2 überwachenden Sensors erfolgt. Zur Verbesserung der Genauigkeit besteht dabei auch die Möglichkeit, mehrere Sensoren zu verwenden, nämlich zum einen einen Sensor oder mehrere Sensoren, die ausgewählt sind aus einer Gruppe, die einen Betriebsstundenzähler, einen Sensor zum Erfassen der akkumulierten generierten Leistung, einen Spannungsmesser, ein Impedanzspektrometer umfasst, also Sensoren, die unmittelbar den Zustand der Brennstoffzelle 2 beschreiben. Alternativ oder auch ergänzend können Sensoren verwendet werden, die den Betrieb der Brennstoffzelle 2 überwachen, nämlich ein Massenstromzähler für die Bestimmung des Zuflusses des Brennstoffes und/oder ein Massenstromzähler für die Bestimmung des Zuflusses des Oxidationsmittels, die zur Bestimmung des Alterungszustandes der Brennstoffzelle 2 ausgewertet werden, ergänzt gegebenenfalls durch einen Massenstromzähler für die Bestimmung des Durchflusses eines Kühlmittels durch die Brennstoffzelle 2 oder eines Sensors zur Bestimmung der Ionenleitfähigkeit des Kühlmittels, die zur Bestimmung des Alterungszustandes der Brennstoffzelle genutzt werden.To simplify the recycling of the expensive catalyst particles, when the end of life (EOL) of the fuel cell is reached 2 before the motor vehicle or the fuel cell device is dismantled 1 himself carried out a method which, when operating the motor vehicle, provides that a recording and evaluation of the data of at least one aging condition of the fuel cell 2 monitoring sensor takes place. To improve the accuracy, there is also the possibility of using several sensors, namely on the one hand a sensor or several sensors that are selected from a group that includes an operating hours counter, a sensor for detecting the accumulated generated power, a voltmeter, an impedance spectrometer , i.e. sensors that directly monitor the state of the fuel cell 2 describe. Alternatively or in addition, sensors can be used to control the operation of the fuel cell 2 monitor, namely a mass flow meter for determining the inflow of the fuel and / or a mass flow meter for determining the inflow of the oxidizing agent, which is used to determine the state of aging of the fuel cell 2 are evaluated, supplemented if necessary by a mass flow meter for determining the flow rate of a coolant through the fuel cell 2 or a sensor for determining the ionic conductivity of the coolant, which are used to determine the state of aging of the fuel cell.

Wird anhand der Sensordaten erkannt, dass der Fall mit der Feststellung des Erreichens des Lebensdauerendes der Brennstoffzelle 2 eintritt, erfolgt verfahrensgemäß ein Wechseln aus einem Normalmodus für den Betrieb der Brennstoffzelle 2 in einen Recyclingmodus, in dem die Brennstoffzelle 2 mit einem Brennstoff in einem unterstöchiometrischen Verhältnis versorgt wird. Bei der unterversorgten Brennstoffzelle 2 findet folgende Reaktion statt: H2O → 2 H+ + 2 e- + ½O2 bis das in der Brennstoffzelle 2 vorliegende Wasser verbraucht ist, so dass dann für die erforderliche Bereitstellung von Protonen und Elektronen der Kohlenstoff des Kohlenstoffträgers oxidiert wird und so die Katalysatorpartikel frei werden: C + 2 H2O → CO2 + 4 e- + 4 H+. If it is recognized on the basis of the sensor data that the case is determined when the end of the service life of the fuel cell has been reached 2 occurs, according to the method, there is a change from a normal mode for operating the fuel cell 2 into a recycling mode in which the fuel cell 2 is supplied with a fuel in a substoichiometric ratio. With the undersupplied fuel cell 2 the following reaction takes place: H 2 O → 2 H + + 2 e - + ½O 2 until that in the fuel cell 2 The present water is used up, so that the carbon of the carbon carrier is then oxidized for the necessary provision of protons and electrons and the catalyst particles are released: C + 2 H 2 O → CO 2 + 4 e - + 4 H + .

Für den Betrieb des Kraftfahrzeuges besteht weiterhin die Möglichkeit, das bei einem Überschreiten von mindestens 95 %, vorzugsweise von mindestens 98 % der Lebensdauer der Brennstoffzelle 2 ein Wechsel in einen Regenerationsmodus zur Regeneration reversibler Alterungsprozesse unterdrückt wird und dass ein nutzergeführter Wechsel in den Recyclingmodus ermöglicht ist, wenn unabhängig von der erreichten Lebensdauer eine Zerstörung der Brennstoffzelle 2 gewünscht ist, an die sich die Recyclierung anschließen kann.For the operation of the motor vehicle there is also the possibility of doing this when the service life of the fuel cell is exceeded by at least 95%, preferably at least 98% 2 a change to a regeneration mode for regenerating reversible aging processes is suppressed and a user-guided change to the recycling mode is enabled if the fuel cell is destroyed regardless of the service life achieved 2 is desired, which can be followed by recycling.

Das Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung 1 verfügt über ein Steuergerät, das eingerichtet ist zur Durchführung der vorstehend genannten Verfahren.The motor vehicle with a fuel cell device 1 has a control unit that is set up to carry out the above-mentioned procedures.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

1.1.
BrennstoffzellenvorrichtungFuel cell device
2.2.
BrennstoffzelleFuel cell
3.3rd
BrennstoffzellenstapelFuel cell stack
4.4th
BrennstofftankFuel tank
5.5.
BefeuchterHumidifier
6.6th
LadeluftkühlerIntercooler
7.7th
Verdichtercompressor
8.8th.
BrennstoffrezirkulierungsleitungFuel recirculation line

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

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Claims (8)

Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeuges mit einer mindestens eine Brennstoffzelle (2) aufweisenden Brennstoffzellenvorrichtung (1), umfassend die Schritte des Erfassens und Auswertens der Daten mindestens eines einen Alterungszustand der Brennstoffzelle (2) überwachenden Sensors, und für den Fall der Feststellung des Erreichens des Lebensdauerendes der Brennstoffzelle (2) anhand der Daten des Sensors, Wechseln aus einem Normalmodus für den Betrieb der Brennstoffzelle (2) in einen Recyclingmodus, in dem die Brennstoffzelle (2) mit einem Brennstoff in einem unterstöchiometrischen Verhältnis versorgt wird.Method for operating a motor vehicle with a fuel cell device (1) having at least one fuel cell (2), comprising the steps of acquiring and evaluating the data of at least one sensor monitoring an aging condition of the fuel cell (2), and in the event that the end of service life is determined the fuel cell (2) using the data from the sensor, changing from a normal mode for operating the fuel cell (2) to a recycling mode in which the fuel cell (2) is supplied with a fuel in a substoichiometric ratio. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sensor ausgewählt ist aus einer Gruppe, die einen Betriebsstundenzähler, einen Sensor zum Erfassen der akkumulierten generierten Leistung, einen Spannungsmesser, ein Impedanzspektrometer umfasst.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the at least one sensor is selected from a group comprising an operating hours counter, a sensor for detecting the accumulated generated power, a voltmeter, an impedance spectrometer. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Massenstromzähler für die Bestimmung des Zuflusses des Brennstoffes (2) und/oder ein Massenstromzähler für die Bestimmung des Zuflusses des Oxidationsmittels zu der Brennstoffzelle (2) vorgesehen ist und zur Bestimmung des Alterungszustandes der Brennstoffzelle (2) ausgewertet wird.Procedure according to Claim 1 or 2 , characterized in that a mass flow meter for determining the inflow of the fuel (2) and / or a mass flow meter for determining the inflow of the oxidizing agent to the fuel cell (2) is provided and is evaluated to determine the aging of the fuel cell (2). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Massenstromzähler für die Bestimmung des Durchflusses eines Kühlmittels durch die Brennstoffzelle (2) vorgesehen ist und zur Bestimmung des Alterungszustandes der Brennstoffzelle (2) ausgewertet wird.Method according to one of the Claims 1 until 3 , characterized in that a mass flow meter is provided for determining the flow rate of a coolant through the fuel cell (2) and is evaluated to determine the state of aging of the fuel cell (2). Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor zur Bestimmung der Ionenleitfähigkeit des Kühlmittels vorgesehen ist und zur Bestimmung des Alterungszustandes der Brennstoffzelle ausgewertet wird.Procedure according to Claim 4 , characterized in that a sensor is provided to determine the ion conductivity of the coolant and is evaluated to determine the state of aging of the fuel cell. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Überschreiten von mindestens 95 %, vorzugsweise von mindestens 98 % der Lebensdauer der Brennstoffzelle (2) ein Wechsel in einen Regenerationsmodus zur Regeneration reversibler Alterungsprozesse unterdrückt wird.Method according to one of the Claims 1 until 5 , characterized in that when at least 95%, preferably at least 98% of the service life of the fuel cell (2) is exceeded, a change to a regeneration mode for regenerating reversible aging processes is suppressed. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein nutzergeführter Wechsel in den Recyclingmodus ermöglicht ist.Method according to one of the Claims 1 until 6th , characterized in that a user-guided change to recycling mode is possible. Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) und einem Steuergerät, das eingerichtet ist zur Durchführung eines der Verfahren nach den Ansprüche 1 bis 7.Motor vehicle with a fuel cell device (1) and a control unit which is set up to carry out one of the methods according to the Claims 1 until 7th .
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