(57)【要約】【課題】  燃料電池システム及び燃料電池システムの操作方法を提供する。【解決手段】  本発明は、燃料電池ユニット（１０）内に、少なくとも１つの作動媒体の流れの方向を逆にするための、少なくとも１つの切換手段（１６、１７、１８）を備え、この燃料電池ユニット（１０）がハウジング（２６）内に、カソード（１１）と、アノード（１２）と、冷却水装置（１３）とを含む燃料電池システムに関する。構成部品の複雑さのより少ない、より信頼できる操作が、切換手段（１６、１７、１８）がハウジング（２６）の外側に配置されることによって可能となることが好ましい。さらに、本発明は、燃料電池システムの操作方法に関する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池ユニット（１０）内に少なくとも１つの作動媒体の流れの方向を逆にするための少なくとも１つの切換手段（１６、１７、１８）を備え、前記燃料電池ユニット（１０）がハウジング（２６）内に、カソード（１１）と、アノード（１２）と、冷却水装置（１３）とを含む燃料電池システムであって、
前記切換手段（１６、１７、１８）が、前記ハウジング（２６）の外側に配置される燃料電池システム。
【請求項２】
冷却水の流れの方向を逆にするための前記切換手段（１６）が、前記ハウジング（２６）の外側に配置される請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
酸化作動媒体の流れの方向を逆にするための前記切換手段（１７）が、前記ハウジング（２６）の外側に配置される請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
還元作動媒体の流れの方向を逆にするための前記切換手段（１８）が、前記ハウジング（２６）の外側に配置される請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
作動媒体の流れの方向を逆にするための前記切換手段のすべて（１６、１７、１８）が、前記ハウジング（２６）の外側に配置される請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
燃料電池ユニット（１０）のための作動媒体の流れ方向を逆にする切換手段（１６、１７、１８）を備え、前記燃料電池ユニット（１０）がハウジング（２６）内に、カソード（１１）と、アノード（１２）と、冷却水装置（１３）とを含む燃料電池システムの操作方法であって、
少なくとも１つの作動媒体の流れの方向が逆にされた場合に発生する、前記燃料電池ユニット（１０）の電圧の一時的減少が緩和される方法。
【請求項７】
前記減少が、追加電力を提供する電気蓄積手段によって緩和される請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記減少が、前記燃料電池ユニット（１０）に対する電力要求の減少を伴う動作段階で、前記流れ方向が逆にされることによって緩和される請求項６または７に記載の方法。
【請求項９】
前記減少が、前記燃料電池ユニット（１０）に対する電力要求の増加を伴う動作段階で、前記電力が制限されることによって緩和される請求項６〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
請求項６〜９のいずれか一項に記載の方法を用いて操作される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池システムを備えた車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、独立請求項の前文に記載の、燃料電池システム及び燃料電池システムの操作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池ユニットを通って流れる、冷却水、水素に富む媒体、及び酸素に富む媒体などの作動媒体の方向が、燃料電池システム内で、時々逆にされることが知られている。その方向が逆にされることにより、燃料電池ユニットのより均一な負荷、及びより均質な動作条件が可能となる。このため、通常、リンク機構によって操作され得る滑動部などが、燃料電池ユニット内に設けられる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、作動媒体の流れの方向を逆にするための機械的な複雑さが殆どない、より信頼できる操作が可能な、燃料電池システム及びその操作方法を規定する目的に基づくものである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明によれば、上記目的は、独立請求項の特徴によって達成される。
【０００５】
本発明によれば、燃料電池ユニットを通って流れる少なくとも１つの作動媒体の流れの方向を逆にするための少なくとも１つの切換手段を備え、前記燃料電池ユニットがハウジング内に、カソードと、アノードと、冷却水装置とを含む、燃料電池システムにおいて、切換手段がハウジングの外側に配置されることが提案される。燃料電池ユニットは、通常、２つ以上のセルスタックから形成され、この媒体の供給は、並列及び／又は直列で接続され得る。本発明による配置により、ハウジング内に滑動部を備える必要がないので、セルスタックの形態は簡単なものとなる。セルスタックはかなりの長さを有することがあるので、滑動部の機械操作のために、従来の燃料電池ユニット内には、対応する軸方向の長さを有するリンク機構が必要となり、これは、欠陥になりやすいものである。この問題は、本発明による配置によって回避される。さらに、切換手段に欠陥がある場合にも、より容易に手が届き、また燃料電池ユニットを壊さずに修理する又は取り替えることができる。本発明は、様々な種類の燃料電池ユニットのために使用され得る。切換手段のための構成部品の複雑さが減少する。関連する作動媒体用の切換弁が、切換手段として設けられることが好ましい。
【０００６】
本発明の好ましい改良形態及び利点が、以下の記述及びさらなる請求項に見出され得る。
【０００７】
本発明の１つの好ましい発展形態においては、冷却水の流れの方向を逆にするための切換手段は、ハウジングの外側に配置される。代替形態として又は追加形態として、酸化作動媒体の流れの方向を逆にするための切換手段も同様に、ハウジングの外側に配置され得る、及び／又は還元作動媒体の流れの方向を逆にするための切換手段が、ハウジングの外側に配置される。切換手段のすべてが、ハウジングの外側に配置されることが好ましい。１つの利点は、このことにより、その動作時間を通じて燃料電池ユニットの均一な加湿が可能となり、同時に、切換手段のための構成部品の複雑さを減少することができることである。
【０００８】
本発明によれば、燃料電池ユニットのための作動媒体の流れを逆にする切換手段を備え、前記燃料電池ユニットがハウジング内に、カソードと、アノードと、冷却水装置とを含む、燃料電池システムの操作のための方法において、作動媒体の流れの方向が逆にされた時に発生する燃料電池ユニットの電圧の一時的減少が緩和されることが提案される。したがって、このことは、ユーザ、例えば燃料電池車両の運転者による、燃料電池システムの操作に対して、事実上悪影響を及ぼさない。
【０００９】
この減少は、追加電力を提供する電気蓄積手段によって緩和されることが好ましい。したがって、好ましい燃料電池車両における１つの例示的適用形態においては、燃料電池システムから供給される牽引駆動力は、中断されない、又は乱れに気づきうる短時間の電力低下を受けないことを確実にすることができる。このような蓄積手段は、コンデンサ、適度に高い電圧を有するバッテリ、及び／又はいわゆるスーパーキャップ（ｓｕｐｅｒｃａｐ）であり得る。
【００１０】
この減少は、燃料電池ユニットに対する電力要求の減少を伴う動作段階で前記流れ方向が逆にされることによって緩和され得る。例えば、前記燃料電池車両の運転者が、ガスの供給を減少させる又は車両にブレーキをかけると、１つ又は複数の作動媒体の方向が、この段階で逆にされることが好ましい。燃料電池ユニット内の電力の降下は、運転者によって知覚されない。
【００１１】
この減少はまた、燃料電池ユニットに対する電力要求の増加を伴う動作段階で前記電力が制限されることよって緩和され得る。前記燃料電池車両の運転者がより多くのガスを投入すると、１つ又は複数の作動媒体の方向が逆にされ得るが、このことは、一時的に加速度が低くなることによってのみ分かる。
【００１２】
本発明の１つの好ましい発展形態においては、燃料電池ユニットの電圧の減少を緩和するための様々な方法はまた、個々に使用される場合もあれば、全部互いに組み合わせられることもあれば、必要に応じて使用されることもある。
【００１３】
車両は、本発明に従って操作される、本発明による燃料電池システムを備えることが好ましい。燃料電池システムは、牽引用に、又は燃料電池駆動装置又は内燃機関を備えた車両内の構成部品用の電源として使用されることがある。
【００１４】
以下、図面に表されている例示的実施形態を参照しながら、本発明についてより詳細に説明する。図面、以下の記述、及び請求項には、組み合わせられた数々の特徴が含まれており、当業者は、これらを個々にかつ組み合わせて、さらなる実用的な組合せを形成するよう考慮することが好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
この場合、１つの図は、例えば好ましい燃料電池車両内で使用されることがある、本発明による燃料電池システムの、１つの好ましい改良形態を概略的に示している。ガスの供給、ガス生成システムなどの燃料電池システムの詳細が示されていないが、当業者はこれらについて精通していることであろう。
【００１６】
同図から分かるように、好ましい燃料電池システムは、燃料電池ユニット１０に供給され、かつ燃料電池ユニット１０のハウジング２６の外側に配置された、作動媒体の流れの方向を逆にするための切換弁の形態の切換手段１６、１７、１８を備える。したがって、燃料電池ユニット１０のための作動媒体用の入力部及び出力部がそれぞれ入れ替わる。
【００１７】
セルスタック内に配置され、かつ燃料電池ユニット１０を形成する、個々の燃料電池のアノード空間及びカソード空間と、それらの冷却水空間とが、１つのカソード１１、アノード１２、及び冷却水装置１３として、簡単な形で示されている。
【００１８】
冷却水が、ハウジング２６の外側に配置された切換手段１６を介して、その入力部を通って冷却水装置１３内に送られ、再び、その出力部を通ってかつ切換手段１６を通って運び去られる。切換手段１６が逆にされている間、作動媒体の流れに関して、入力部と出力部とが入れ替わる。
【００１９】
酸化作動媒体２２、特に空気の、流れ方向を逆にするための切換手段１７が、ハウジング２６の外側に配置される。空気が、周囲領域から吸い込まれ、吸湿器２０を介して加湿され、液体の水が、凝縮分離器１９内で分離される。加湿された酸化体（オキシダント）は、その入力部を通ってカソード１１に入り、ここで、燃料電池反応の生産水を運び、その出力部を通ってカソード１１を出て、カソード排ガスとしてこれを凝縮分離器２３に運び、その後、カソード排ガスは排気２５として処分される。ポンプ２４が、排ガス列内の凝縮分離器２３から下流に配置される。切換手段１７が逆にされている間、作動媒体の流れに関して、入力部と出力部とが入れ替わる。
【００２０】
作動媒体は、還元作動媒体、特に水素ガス又は水素に富む改質物の流れ方向を逆にするために、タンク（図示せず）から又はガス生成システム（図示せず）から、ハウジング２６の外側に配置された切換手段１８に供給され得る。作動媒体内に余分の湿度含有量があれば、それは、還元剤がその入力部を通ってアノード１２に入る前に、凝縮分離器１４内で分離され得る。アノード排ガスは、凝縮分離器１５内の出力側で除湿され、例えばバーナ（図示せず）などに供給されることによって処分される。切換手段１８が逆にされている時には、作動媒体の流れに関して、入力部と出力部とが入れ替わる。
【００２１】
本発明によれば、作動媒体の流れの方向を逆にすると発生する、燃料電池ユニット１０の電圧の一時的減少は、追加電力を提供する電気蓄積手段（図示せず）により、及び／又は電力要求が減少している動作段階で燃料電池ユニット１０に切り換えることにより、及び／又は燃料電池ユニット１０に対する電力要求の増加を伴う動作段階で切り換えるための電力を制限することによって緩和される。例えば、電力を制限する場合には、燃料電池ユニット１０が負荷され得る最大電流を制限することができ、この最大電流は、前記流れ方向を切り換えている間の一時的な電圧の減少が、やや長い加速度段階においてのみ分かるような大きさであり、それは事実上、運転者には知覚不可能である。
【００２２】
好適なコントローラ（図示せず）が、例えば動作時間帯及び／又は消費電力などに応じて、流れ方向を切り換えるのが必要な時を検査するために使用され、上述した動作段階の１つが発生した場合には、次に好適な切換時間が選択され、又は燃料電池ユニット１０からの電圧の減少を電気的に補う能力を有する、好適な蓄積手段（図示せず）が利用可能な場合には、直ちに切換えが行われることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明による燃料電池システムの、１つの好ましい改良形態を概略的に示す図である。
【符号の説明】
【００２４】
１０  燃料電池ユニット
１１  カソード
１２  アノード
１３  冷却水装置
１４  凝縮分離器
１５  凝縮分離器
１６  切換手段
１７  切換手段
１８  切換手段
１９  凝縮分離器
２０  吸湿器
２１  ポンプ
２２  酸化作動媒体
２３  凝縮分離器
２４  ポンプ
２５  排気
２６  ハウジング
【図１】
2006054184.tif 000003