[发明专利]用于运行燃料电池的方法和燃料电池系统

说明书

本发明涉及一种用于运行燃料电池(10)的方法(100)，该燃料电池包括带有膜片(14)和催化剂(141,142)的至少一个单个电池(11)，其中，主动影响(107,111)燃料电池内的湿度(F)取决于燃料电池(10)的电压(U)来实现，并且该方法还包括：‑在运行点相关的第一电压(U1)情况下预设(106)第一湿度(F1)，以及‑在高于运行点相关的第一电压(U1)的运行点相关的第二电压(U2)的情况下预设(110)第二湿度(F2)，该第二湿度低于第一湿度(F1)。此外，本发明涉及一种燃料电池系统(1)，其设置成用于执行根据本发明的方法(100)。

技术领域

本发明涉及用于运行燃料电池的方法和设置成用于执行该方法的燃料电池系统。

背景技术

燃料电池使用燃料与氧气变成水的化学转换，用以产生电能。为此，燃料电池包含所谓的膜片电极组件(MEA表示membrane electrode assembly)作为核心构件，该膜片电极组件是由导离子的(在大多数情况下导质子的)膜片和相应在膜片两侧处布置的催化的电极(阳极和阴极)构成的组构(Gefüge)。后者包括在大多数情况下被承载的贵金属、尤其是铂。此外，气体扩散层(GDL)可以在膜片电极组件的两侧布置在电极的背离膜片的这侧处。通常，燃料电池通过大量以堆叠(燃料电池堆叠)布置的MEA来形成，其电功率叠加。在各个膜片电极组件之间通常布置有双极板(也称为流场或分隔板)，该双极板保证以运行介质、也就是说反应物对单个电池的供给，并且通常也用于冷却。此外，双极板负责与膜片电极组件的有导电能力的接触。

在燃料电池的运行中，燃料(阳极运行介质)、尤其氢气H₂或含氢气的气体混合物经由双极板的阳极侧的敞开的流场供应给阳极，在该处在给出电子的情况下发生H₂变成质子H⁺的电化学的氧化(H₂→2H⁺+2e^–)。经由电解质或将反应空间气密地相互分开且电绝缘的膜片使得(结合水的或无水的)质子能够从阳极空间运输到阴极空间中。在阳极处提供的电子经由电线路传导给阴极。阴极经由双极板的阴极侧的敞开的流场供应氧气或含氧气的气体混合物(例如空气)作为阴极运行介质，从而在接纳电子的情况下发生O₂变成O^2-的还原(½O₂+2e^–→O^2-)。同时，在阴极空间中，氧负离子与经由膜片运输的质子发生反应(O^2-+2H⁺→H₂O)(在形成水的情况下)。

燃料电池的所谓的退化(经常也称为电压或功率退化)表示如下现象，该现象使燃料电池的电压或功率在其使用寿命上减小。阴极侧的催化剂的退化是燃料电池在使用寿命上的功率损失的首要理由。已知的效应中的一个的原因在于催化剂和/或催化剂的载体的腐蚀。此外，对于燃料电池而言消极的效应另外基于催化剂颗粒的颗粒生长，该颗粒生长引起比催化剂表面积(spezifischen Katalysatoroberfläche)的损失。

针对该问题的已知的解决方案在于提高催化剂装载，也就是说附加地预保持的催化剂材料，然而这引起燃料电池变得昂贵。另外的可行方案在于，使在燃料电池空载运转时的最大电压最小，然而这在车辆中运行的情况下不总是可行的。此外，可以使所谓的空气-空气-起动最小，在该空气-空气-起动的情况下，在燃料电池起动之前，不仅在阳极侧上而且在阴极侧上存在有空气。然而，为此需要成本高的阀和复杂的起动顺序(起动策略)。

发明内容

本发明现在基于如下任务，即提出一种用于运行燃料电池系统的方法，该方法促使燃料电池有改善的耐久性。

该任务通过用于运行燃料电池的方法来解决，该燃料电池包括带有膜片和催化剂的至少一个单个电池，其中，主动影响燃料电池内的湿度取决于燃料电池的电压来实现，该方法还包括：

- 在运行点相关的第一电压情况下预设第一湿度，以及