(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システム（１００，１）であって、カソード室を備えるカソード（２３０）と、前記カソード室から隔膜により分断されたアノード（２１０）のアノード室とを備えた燃料電池（２００）を有しており、前記カソード室は第１の流体工学的な接続部（２４０）を介してカソードガス源と接続され、前記アノード室は第２の流体工学的な接続部を介してアノードガス源と接続され、および、前記アノード（２１０）と前記カソード（２３０）をエネルギーシステム（４００）と電気接続するＤＣ／ＤＣコンバータ（４５０）との第１の電気接続部（３）を有しており、前記燃料電池システム（１００，１）のスイッチオフ段階のときに前記燃料電池（２００）に存在する残留エネルギーを運び出し可能である燃料電池システムにおいて、
前記アノード（２１０）は第２の電気接続部（２）を介して前記エネルギーシステム（４００）および／または前記カソード（２３０）と接続されており、前記第２の電気接続部（２）は前記ＤＣ／ＤＣコンバータ（４５０）に対するバイパス接続部であり、および／または前記第２の電気接続部（２）は前記燃料電池（２００）と並列のバイパス接続部であり、前記第２の電気接続部（２）を介して少なくとも残留エネルギーを運び出し可能であり、前記第２の電気接続部（２）は抵抗（６）を含んでいて、
前記燃料電池（２００）は、前記燃料電池システム（１００，１）のスイッチオフ段階の時に、前記燃料電池システム（１００，１）の通常動作での電圧に比べ高い電圧であるアイドリング電圧を発生し、
前記第２の電気接続部に配置される前記抵抗（６）は電圧依存的な抵抗であり、前記アイドリング電圧が印加された場合の前記抵抗（６）の抵抗値は、前記燃料電池システム（１００，１）の前記通常動作での電圧が印加された場合の前記抵抗（６）の抵抗値より低い
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記第２の電気接続部に配置される前記抵抗（６）は温度依存的な抵抗である
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記第２の電気接続部（２）はスイッチフリーである
ことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム（１）。
【請求項４】
前記ＤＣ／ＤＣコンバータ（４５０）に対する前記バイパス接続部である前記第２の電気接続部（２）はスイッチ（５）を有しており、前記スイッチ（５）は閉止位置にあるときに前記アノード（２１０）を前記第２の電気接続部（２）を介して前記エネルギーシステム（４００）と接続し、および／または開放位置にあるときに前記アノード（２１０）を前記エネルギーシステム（４００）から切断する
ことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム（１）。
【請求項５】
前記スイッチがリレーである
ことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム（１）。
【請求項６】
前記第２の電気接続部（２）は、前記抵抗（６）に後置され、前記残留エネルギーを前記エネルギーシステム（４００）の方向へのみ導通するダイオード（７）を有している
ことを特徴とする請求項１〜５のうちいずれか１に記載の燃料電池システム（１）。
【請求項７】
前記第２の電気接続部（２）を介して前記残留エネルギーを前記ＤＣ／ＤＣコンバータ（４５０）のそばを通過するように前記エネルギーシステム（４００）へと運び出し可能であり、および／または前記抵抗（６）が前記運び出された残留エネルギーを変換する
ことを特徴とする請求項１〜６のうちいずれか１に記載の燃料電池システム（１）。
【請求項８】
前記カソード室をカソードガス源と接続する前記第１の流体工学的な前記接続部（２４０）および／または排気を前記カソード室から運び出し可能である第３の流体工学的な接続部（２５０）は逆止め弁がない
ことを特徴とする請求項１〜７のうちいずれか１に記載の燃料電池システム（１）。
【請求項９】
前記第２の電気接続部（２）は前記燃料電池（２００）および／または燃料電池スタックのエンドプレートに統合されたブリードダウン回路として構成される
ことを特徴とする請求項１〜８のうちいずれか１に記載の燃料電池システム（１）。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか１に記載の前記燃料電池システム（１）であって、前記燃料電池システム（１）のスイッチオフ段階の時に、前記燃料電池システム（１）の通常動作での電圧に比べ高い電圧であるアイドリング電圧を発生する燃料電池（２００）を有する前記燃料電池システム（１）を停止させる方法において、
第１のステップでスイッチオフ段階が開始され、
前記燃料電池（２００）に存在する前記残留エネルギーがスイッチオフ段階の開始時に前記エネルギーシステム（４００）へと運び出され、および前記運び出されたエネルギーが、前記アイドリング電圧が印加された場合の抵抗値が前記燃料電池システム（１）の前記通常動作での電圧が印加された場合の抵抗値より低いという特性を有する抵抗（６）を介して変換され、
第２のステップで、および／または第１のステップと並行するステップで、
前記アノードと前記アノードガス源との間の前記流体工学的な接続部、および前記カソ
ードと前記カソードガス源との間の前記流体工学的な接続部（２４０）が閉じられ、
第３のステップで、
前記流体工学的な接続部の閉止後に前記燃料電池システム（１）が停止される方法。
【請求項１１】
前記第３のステップの前に前記燃料電池（２００）と前記エネルギーシステム（４００）との間の前記第１の電気接続部（３）にある絶縁コンタクタ（５３０，５４０）が開かれる
ことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は請求項１の前提項に記載されている燃料電池システムに関し、ならびに、請求項９の前提項に記載されている燃料電池システムを停止させる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
当分野を形成する燃料電池システムは、典型的には、たとえば車両や特に自動車などの移動用の用途で適用される。そのとき燃料電池ないし燃料電池システムに含まれる燃料電池スタックでは、酸素との結合によって水素の低温燃焼が起こり、この酸素は通常は周囲空気に由来する。水素ないし酸素は流体工学的な接続部を介して、燃料電池のアノードのアノード室ないしカソードのカソード室へと供給され、アノード室とカソード室は隔膜を介して互いに分断されている。電気エネルギーのほか、酸素との結合によって水素が燃焼されると排水と排熱が生成され、排熱は典型的にはサーマル回路を通じて車両冷却器へと運び出される。
【０００３】
図１には、従来技術に基づく典型的な燃料電池システムが示されている。燃料電池スタックの左側に電気回路が示されており、これを介して、燃料電池システムから供給される電気エネルギーが自動車の高電圧・車内電力網へと運び出される。高電圧・車内電力網の手前には、電気回路においてブリードダウン回路が高電圧・車内電力網に前置されている。ブリードダウン回路の機能は、燃料電池システムが停止するときに、燃料電池スタックのエネルギーをコントロールしながら低減させていくことにある。ブリードダウンスイッチのほか、ブリードダウン回路は抵抗を含んでいる。燃料電池システムが停止するときに燃料電池スタックの電気エネルギーを低減させるために、水素供給ないし酸素供給の停止後にブリードダウンスイッチが閉じられ、それにより、カソードにまだ含まれている残りの酸素が、アノードにまだ存在している水素と消散反応する。エネルギーのコントロールされた低減は、電池の電圧が低減され、それにより燃料電池スタックにとって有害なアイドリング電圧（ＯＣＶ＝Open Circuit Voltage）が回避されるという帰結につながる。
【０００４】
従来技術のブリードダウン回路の１つの動作ストラテジーが図２に示されている。ここに見られるとおり、ブリードダウンスイッチが時間ベースで閉じられ、それにより酸素の十分な消費を惹起する。このときブリードダウン時間は可変であってよく、それは、燃料電池スタック電圧が測定されて、下閾値に達したときにブリードダウン回路が、すなわち手順が打ち切られることによる。ブリードダウンスイッチないしブリードダウン抵抗をＤＣ／ＤＣコンバータに組み込み、これが燃料電池スタックに由来する電気エネルギーを変圧し、トラクションアキュムレータ、低電圧バッテリ、ないしインバータへ供給して、それによりたとえば自動車の電動モータを駆動することも知られている。燃料電池スタックの電圧は電気負荷に伴って部分的に大きく変動するので、燃料電池スタックに後置されたＤＣ／ＤＣコンバータは、自動車の車内電力網の電圧の安定化についても担当する。
【０００５】
それに応じて、燃料電池システムが無通電に切り換えられた後に、燃料電池スタックが安全絶縁されることが知られている。その際にカソードでの空気の拡散によって燃料電池スタック電圧が生成され、有害なアイドリング電圧（ＯＣＶ）に達して、場合によりこれが数時間にわたって維持される。このときアイドリング電圧は燃料電池スタックの損傷につながる。これに基づき、ブリードダウンスイッチによって燃料電池スタックの電圧を下げ、アイドリング電圧が低下した後で初めて燃料電池スタックを安全絶縁することが知られている。周知のとおり、ブリードダウンスイッチは安全上の理由によりＮＯスイッチ（常時開）として施工されており、それは、たとえばスイッチでの電圧降下やケーブル破断が起きたときに燃料電池スタックの意図されない短絡を回避し、あるいは、エネルギー損失につながりかねない通常動作時のスイッチの連続通電を回避するためである。これに加えて、公知のシステムではカソード室への循環空気供給部は気密な遮蔽部によって、たとえば逆止め弁によって構成される。それにより、ある程度の時間帯にわたって、すなわち数時間にわたって、逆止め弁やカソード排出区間の施工形態に依存して、燃料電池スタック電圧が再び生成されるのを防止することができる。このような施工形態における欠点は、逆止め弁が燃料電池システムの作動時に高い温度変化と圧力変化に暴露されるので恒常的には密閉されないことにある。それに応じて、燃料電池システムの長期間の耐用期間後に、逆止め弁の非密閉性により有害なアイドリング電圧（ＯＣＶ）が再び発生することが排除されない。カソードの気密な遮蔽のためにカソード経路に配置されなければならない追加のコンポーネントのほか、いっそう高い圧力損失がカソード経路で追加的に発生し、このことはエアコンプレッサの設計やコストにマイナスの影響を及ぼし、いっそう高いシステムコストをもたらす。そのうえ氷点下の動作温度では逆止め弁での凝結水の凍結によって、逆止め弁が固着して機能を失うことがある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって本発明の課題は、従来技術から知られている欠点を少なくとも部分的に取り除くことにある。燃料電池システムにおけるいっそう高いシステムコストを防ぐために、および、有害なアイドリング電圧による燃料電池スタックの損傷を回避するために、特に本発明の課題は、特に上に挙げたアイドリング時の問題点を高い信頼度で解決する、簡素であるにもかかわらず安全な燃料電池システムの構造を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前述した課題は請求項１の構成要件を備える燃料電池システムによって解決され、ならびに、請求項９の構成要件を備える方法によって解決される。本発明のその他の利点、構成要件やディテールは、従属請求項、発明の詳細な説明、および図面から明らかとなる。このとき、本発明に基づく燃料電池システムとの関連で記載される構成要件やディテールは、当然ながら、燃料電池システムを停止させる本発明に基づく方法との関連でも有効であり、したがって、個々の発明態様についての開示に関しては常に相互に参照がなされ、ないしは参照をすることができる。
【０００８】
本発明によると燃料電池システムは、カソード室を備えるカソードと、カソード室から隔膜により分断されたアノードのアノード室とを備えた少なくとも１つの燃料電池を有しており、カソード室は少なくとも１つの第１の流体工学的な接続部を介してカソードガス源と接続され、アノード室は少なくとも１つの第２の流体工学的な接続部を介してアノードガス源と接続され、および、アノードとカソードをエネルギーシステムと電気接続するＤＣ／ＤＣコンバータとの第１の電気接続部を有しており、燃料電池システムのスイッチオフ段階のときに燃料電池に存在する残留エネルギーを運び出し可能である。このとき本発明によると、アノードは少なくとも１つの第２の電気接続部を介してエネルギーシステムおよび／またはカソードと接続されており、第２の電気接続部はＤＣ／ＤＣコンバータに対するバイパス接続部であり、および／または第２の電気接続部は燃料電池と並列のバイパス接続部であり、第２の電気接続部を介して少なくとも残留エネルギーを運び出し可能であり、少なくとも燃料電池と並列のバイパス接続部は抵抗を含んでいることが意図される。
【０００９】
ＤＣ／ＤＣコンバータをバイパスし、そのようにして常にエネルギーを電気回路へ、すなわち特に電気的な車内電力網へ運び出す、本発明による燃料電池システムの第１の選択肢に準ずる第２の電気接続部の構成では、燃料電池スタックはスイッチオフ段階全体にわたって車内電力網と接続され、それにより安全かつ高い信頼度でアイドリング電圧を低減するために、たとえば車内電力網に配置されるアキュムレータへエネルギーが常時放電されるという利点がある。第２の電気接続部が、抵抗を有する燃料電池に対するバイパス接続部として構成され、これを介して燃料電池の残留エネルギーが運び出される、上に挙げた課題を解決するための本発明によるシステムの第２の選択肢は、残留エネルギーがすぐにバッテリへ放電されるのではなく、抵抗によって確実かつ安全に変換されるという利点を有する。すなわち、好ましくは高抵抗の抵抗である抵抗により、燃料電池システムのスイッチオフ段階の開始時に、ないしは燃料電池の停止時に発生する残留エネルギーの運び出しもアキュムレータまたはバッテリに関わりなく行うことができるので、電気システムでＳＯＣ（State of Charge）＝１００％のバッテリも保証できるという利点がある。さらに、本発明による解決法の第２の選択肢では、すなわち、アノードとカソードに対して並列な抵抗を有する第２の電気接続部の構成では、第２の電気接続部が電気システムから、特に（たとえばバッテリを有する、もしくはバッテリを有さない）ドライブトレーンから、全面的に独立しているという利点がある。したがって、燃料電池と並列な抵抗を有する第２の電気接続部は、１２０Ｖを超える、たとえば４００Ｖであり得る電気システムないしドライブトレーンの電圧状況からも独立して採用することができる。それによりブリードダウン回路および特に本発明の意味においてブリードダウン抵抗と呼ぶ抵抗の設計も、残りの電気システムから独立して行われるという利点がある。電気システムから独立したブリードダウン回路の、すなわちここでは第２の電気接続部の設計により、第２の電気回線および特にブリードダウン抵抗の配置を、燃料電池または燃料電池スタックでサブシステムとして行うことができるという利点がある。第２の電気接続部とブリードダウン抵抗とは、燃料電池または燃料電池スタックと統合されて施工されていてよいのが好ましい。このとき第２の電気接続部および特にブリードダウン抵抗の統合は、燃料電池または燃料電池スタックのエンドプレートで行うことができるのが有利であり、第２の電気接続部および特にブリードダウン抵抗は、燃料電池および／または燃料電池スタックに熱的に結合されるのが好ましい。
【００１０】
有害なアイドリング電圧を低減するための残留エネルギーの運び出しは、流体工学的な接続部が閉じられる前から、燃料電池システムのスイッチオフ段階ないし停止段階の開始時にすでに行われるのが有利である。その意味において本発明の燃料電池システムにより、すでにスイッチオフ段階の開始時に、およびスイッチオフ段階全体を通して、燃料電池により生成される残留エネルギーを第２の電気接続部を介して運び出すことができる。このことは、停止段階の短縮およびさらには本発明による燃料電池システムの耐用寿命の延長をもたらすという利点がある。有害なアイドリング電圧がすでにスイッチオフ段階の開始時に低減され、そのようにして、有害なアイドリング電圧の電圧ピークを回避することができるからである。
【００１１】
第２の電気接続部に配置される抵抗は、電圧依存的な抵抗および／または温度依存的な抵抗であるのが有利である。たとえば第２の電気接続部が燃料電池スタックに対するバイパス接続として構成されているとき、スイッチオフ段階の開始時ないしスイッチオフ段階中に燃料電池によって生成される残留エネルギーは、第２の電気接続部に配置された抵抗の寄生出力をもたらす。このときバイパス接続部で抵抗を通る寄生出力は、カソードへの酸素の潜行する拡散が、常時流れる低電流によって埋め合わされる程度に大きくなければならない。たとえば燃料電池スタックが最大１２０Ｖのスタック電圧を有しているとき、バイパス抵抗の１．２Ｗの寄生出力があれば足りる。これは次のように算出される：１２０Ｖ／１２ｋΩ＝１０ｍＡは、寄生出力損失＝１２０Ｖ×１０ｍＡ＝１．２Ｗをもたらす。燃料電池システムの通常動作のときのバイパス損失を減らすために、ここでは特に電圧依存的な抵抗（ＶＤＲ＝Voltage depending resistor）が適しており、これは通常動作での電圧のときに高い抵抗値を有し、このことは通常動作のときの少ないバイパス損失をもたらし、アイドリング電圧（ＯＣＶ電圧）が印加されるときには低い抵抗値を有し、それによって有害なアイドリング電圧を防止する。１２０Ｖの最大の燃料電池スタック電圧では、電圧依存的な抵抗を使用する場合、たとえば８０Ｖの損失出力での通常動作のときに寄生エネルギー損失＝８０Ｖ×０．１ｍＡ＝０．００８Ｗが得られる。１２０Ｖの損失出力では、たとえば寄生エネルギー損失＝１２０Ｖ×１０ｍＡ＝１．２Ｗが得られる。したがってこのような寄生エネルギー損失は、カソードへの酸素の潜行する拡散を常時流れる低電流によって埋め合わせるために十分である。
【００１２】
別の有利な変形例は、温度依存的な抵抗としての、ここでは特にＰＴＣ抵抗（ＰＴＣ＝Positive Temperature Coefficient）としての抵抗の実施形態であり、このとき抵抗は、負荷が増すときの抵抗値の上昇によってバイパス接続部の本来の動作を可能にするという利点があり、このときバイパスの断線が防止され、そのようにして、全体として本発明による燃料電池システムの安全性が高められるという利点がある。
【００１３】
燃料電池システムにおいて、車内電力網からの燃料電池スタックの分断のためのコンタクタが存在しないとき、たとえば６０Ｖ未満または１２０Ｖ未満の燃料電池スタック電圧のとき、燃料電池スタックは通常はＤＣ／ＤＣコンバータを介して車内電力網と接続される。このケースでは、ＤＣ／ＤＣコンバータに対するバイパス接続部は、燃料電池ないし燃料電池スタックのスイッチオフ段階のときに発生する、および停止の後に発生する残留エネルギーを、ＤＣ／ＤＣコンバータに対するバイパス接続部を介して運ぶ役目を果たすという利点がある。このときＤＣ／ＤＣコンバータに対するバイパス接続部にはスイッチ、特にリレーが配置されるのが有利であり、このスイッチは閉止位置にあるときにアノードを第２の電気接続部を介してエネルギーシステムと接続し、ないしは開放位置にあるときにアノードをエネルギーシステムから切断する。このスイッチは、スイッチオフ段階全体を通じて燃料電池スタックを車内電力網と接続するための役目を果たすＮＣリレー（Normally Closed）として施工されるのが好ましい。それにより燃料電池スタックはスイッチオフ段階全体を通じて、そのエネルギーをアキュムレータへ常時放電することが保証される。
【００１４】
エネルギーの運び出しが燃料電池スタックから車内電力網に向かってのみ、すなわちエネルギーシステムに向かってのみ行われるようにするために、第２の電気接続部には好ましくは抵抗に後置されるダイオードが配置されるのが有利であり、このダイオードは残留エネルギーをエネルギーシステムの方向へのみ導通する。それに応じて第２の電気接続部のダイオードは、電流が燃料電池スタックからエネルギーシステムないし車内電力網へのみ運び出されるように、ないしは電流の流れる方向が逆転しないように作用する。たとえば車内電力網の電圧が燃料電池スタック電圧よりも高くなっているとき、第２の電気接続部に配置されたダイオードは、車内電力網から燃料電池スタックへと向かう電流の流れる方向が阻止されるように作用する。このとき好ましくはダイオードに前置される抵抗は、電流を制限する役目を果たす。抵抗とダイオードとを有する第２の電気接続部の構成は、ブリードダウンストラテジーを簡素化するという利点がある。公知のシステムやストラテジーとは異なり、ブリードダウン時間を遵守しなくてよいからである。それにより、燃料電池システムの全体的なスイッチオフ段階が短縮されるという利点がある。
【００１５】
ブリードダウン回路をさらに簡素化することができるのが好ましく、すなわちそれは、スイッチのない（スイッチフリー）ないしリレーのない（リレーフリー）第２の電気接続部の構成による。少なくとも抵抗を有するスイッチフリーの第２の電気接続部を構成するために、抵抗は高抵抗に設計されるのが好ましい。このとき抵抗値は３ｋΩから６ｋΩの範囲内にあるのがよい。抵抗は４ｋΩの抵抗値を有するのが好ましい。４ｋΩに合わせて設計された抵抗は、燃料電池システムの通常動作時に第２の電気接続部で流れる電流を最低限に制限するために十分であるという利点がある。抵抗を介して運び出される電流、すなわち運び出されるエネルギーは、燃料電池システムの通常動作のとき、無視できる０．４Ｗ未満の寄生出力をもたらす。たとえば燃料電池スタック電圧が最大１２０Ｖの値を有していて、バッテリ電圧が８０Ｖであるとき、（１２０Ｖ−８０Ｖ）／４ｋΩの計算により１０ｍＡの電流が得られる。そこから寄生損失出力Ｐ＝４０Ｖ×１０ｍＡ＝０．４Ｗが得られる。このような０．４Ｗの寄生出力は、カソードへの酸素の潜行する拡散を常時の低電流によって埋め合わせるために十分である。スイッチ、好ましくはＮＣリレーを有するように施工されたＤＣ／ＤＣコンバータに対するバイパス接続部とは異なり、抵抗だけを有するスイッチフリーの第２の電気接続部によって、ブリードダウンストラテジーが大幅に簡素化される。
【００１６】
当分野を形成する燃料電池システムについて述べたように、通常の方式では、カソードガス源からカソード室への第１の流体工学的な接続部に、燃料電池システムがスイッチオフされたとき引き続き酸素がカソード室へ誘導されるのを防止するべき逆止め弁が配置される。通常の方式では、排気配管として構成され、カソード室と接続される第３の流体工学的な接続部も、排気配管を介してカソードガスがカソード室へと案内されるのを防止するために逆止め弁を有している。しかし本発明では、ＤＣ／ＤＣコンバータに対するバイパス接続部であるか、または燃料電池と並列のバイパス接続部として構成される第２の電気接続部を介して、カソードへの酸素の潜行する拡散を埋め合わせるのに十分なエネルギーが燃料電池ないし燃料電池スタックから常時運び出されるので、第１および、または第３の流体工学的な接続部が逆止め弁なしに構成されていてよいという利点がある。それにより、氷点下の動作温度のときにバルブに蓄積される凝結水による逆止め弁の固着を防止できるという利点がもたらされる。さらに、カソード経路の流体工学的な接続部の逆止め弁のない施工形態によって圧力損失が最低限に抑えられることが可能で、それにより、第１の流体工学的な接続部でカソード室に前置されたエアコンプレッサを低い出力で設計することができ、それにより、全体としてシステムコストを引き下げることができる。
【００１７】
燃料電池システムを、特に本発明の燃料電池システムをスイッチオフする本発明の方法は、第１のステップでスイッチオフ段階の開始を意図しており、燃料電池に存在する残留エネルギーがスイッチオフ段階の開始時にエネルギーシステムへと運び出され、および／または運び出されたエネルギーが抵抗を介して変換される。第２のステップで、および／または第１のステップと並行するステップで、本発明による方法は、アノードとアノードガス源との間の、およびカソードとカソードガス源との間の流体工学的な接続部を閉じることを意図しており、第３のステップで本発明による方法は、流体工学的な接続部の閉止後に燃料電池システムを停止させることを意図する。ＤＣ／ＤＣコンバータに対する第２の電気接続部で好ましくは常時閉リレーとして構成されるスイッチを通じて、ないしは、有利に燃料電池と並列のバイパスとして構成される第２の電気接続部の抵抗の高抵抗の設計を通じて、すでにスイッチオフ段階の開始時に燃料電池に存在する残留エネルギーがエネルギーシステムへと運び出され、ないしは運び出されたエネルギーが抵抗を介して変換されるという利点があるので、第２のステップで、または第１のステップと並行するステップで、アノードとアノードガス源との間の、およびカソードとカソードガス源との間の流体工学的な接続部を閉じることができ、その際に、運び出されなかった残留エネルギーによって燃料電池ないし燃料電池スタックが有害なアイドリング電圧により損傷する危険が生じることがない。その意味で、流体工学的な接続部の閉止後に燃料電池システムをただちに停止させることができ、このことは全体としてスイッチオフ段階ないし停止段階を簡略化し、さらにはこれを時間的に短縮する。
【００１８】
第２の電気接続部が、燃料電池と並列のバイパス接続部として構成されているとき、燃料電池ないし燃料電池スタックと、これと並列に施工された第２の電気接続部とは絶縁コンタクタを介してエネルギーシステムないし車内電力網から分断されるのが有利であり、それは、たとえばＳＯＣ＝１００％のバッテリの場合にも、放電およびＯＣＶフリーの燃料電池スタックを保証するためである。さらに、燃料電池スタックの分断、ないし燃料電池スタックと並列に構成された第２の電気接続部の切断を通じて、（たとえばバッテリを有する、またはバッテリを有さない）ドライブトレーンのトポロジーを、回路のトポロジーに関わりなく構成することができる。それに応じて燃料電池スタックと車内電力網ないしエネルギーシステムとの間に絶縁コンタクタが構成されているとき、第３のステップの前に、すなわち好ましくは流体工学的な接続部の閉止後に、燃料電池とエネルギーシステムとの間の電気接続部で絶縁コンタクタが開かれる。そして絶縁コンタクタの開放後に、燃料電池システムを停止させることができる。カソード室とアノード室にまだ存在する残留ガスの消散反応によって発生する残留エネルギーが、燃料電池と並列にバイパス接続部として構成される第２の電気接続部を介して運び出され、第２の電気接続部に配置された抵抗を介して変換されるからである。このとき抵抗の有利な高抵抗の設計により、カソード室への酸素の潜行する拡散が常時の低電流によって埋め合わされることを保証することができる。
【００１９】
ここでは本発明による方法のその他の利点に関する、起こり得る繰り返しを避けるために、本発明による燃料電池システムの有利な実施形態の説明を参照指示して、これを全面的に援用する。
【００２０】
本発明を改良する上記以外の方策は、図面を参照した本発明の好ましい実施例の説明によって以下に詳しく記述する。このとき特許請求の範囲、および発明の詳細な説明に言及されている各構成要件はそれぞれ単独でも、または任意の組合せの形でも発明の要部となり得る。その際に留意すべきは、図面は説明をする性格を有しているにすぎず、本発明の何らかの形で限定するために想定されてはいないことである。図面は次のものを示す：
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】ブリードダウン回路を備える、当分野に属する燃料電池システムの１つの実施形態を示す模式的な略図である。
【図２】当分野を形成する図１の燃料電池システムのブリードダウンのための動作ストラテジーのフローチャートである。
【図３】カソード経路に逆止め弁を備える、当分野に属する燃料電池システムの１つの実施形態を示す模式的な略図である。
【図４】ＤＣ／ＤＣコンバータに対するバイパス接続部として構成された第２の電気接続部を有する、本発明による燃料電池システムの１つの実施形態を示す模式的な略図である。
【図５】図４の本発明による燃料電池システムのブリードダウンのための動作ストラテジーのフローチャートである。
【図６】ＤＣ／ＤＣコンバータに対するスイッチフリーのバイパス接続部を有する、本発明による燃料電池システムの１つの実施形態を示す模式的な略図である。
【図７】図６の燃料電池システムのブリードダウンのための動作ストラテジーのフローチャートである。
【図８】燃料電池と並列のバイパス接続部として構成された第２の電気接続部を有する、本発明による燃料電池システムの１つの実施形態を示す模式的な略図である。
【図９】図８の本発明による燃料電池システムのブリードダウンのための動作ストラテジーのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
異なる図面において、同じ部品には常に同一の符号が付されており、したがってこれらについては通常１回だけ説明する。
【００２３】
図１は、移動用の用途のために構成されるのが有利な、当分野に属する燃料電池システム１００の１つの実施形態を模式的な略図で示している。燃料電池２００ないし燃料電池スタックで、通常は周囲空気に由来する酸素との結合によって水素の低温燃焼が起こる。燃料電池２００ないし燃料電池スタックのアノード２１０は、燃料タンク２２０から燃料の供給を受ける。この燃料は通常の方式では、高圧水素タンクとして構成される燃料タンクの中に高圧下で収蔵される水素である。燃料電池２００のカソード２３０ないしカソード室は、流体工学的な接続部２４０を介して周囲空気から空気の供給を受ける。別の流体工学的な接続部２５０を介して、排出空気がカソード２３０ないしカソード室から運び出される。この低温燃焼時に電気エネルギーや排気とともに生成される排熱は、熱回路３００によって車両冷却器３１０へと導出される。燃料電池２００の左側に、図１ではエネルギーシステム４００すなわち電気回路が図示されている。このエネルギーシステム４００は通常は車両の車内電力網であり、特に、自動車の車内電力網である。電気エネルギーシステム４００と並列に、かつ燃料電池２００ないし燃料電池スタックと並列に、ブリードダウン回路５００が構成されている。ブリードダウン回路５００は抵抗５１０とスイッチ５２０とを含んでいる。ブリードダウン回路５００の主機能は、燃料電池システム１００の停止時に、燃料電池２００のエネルギーをコントロールしながら低減させることにある。そのためにスイッチ５２０がスイッチオフ手順中に、燃料供給と空気供給のスイッチオフ後に閉じられ、それにより、好ましくは酸素である、カソード２３０にまだ含まれている残りのカソードガスが、好ましくは水素である、アノード２１０にまだ存在している燃料と消散反応する。このことは、アノード２１０とカソード２３０に残っている残留ガスの燃焼により発生する電池電圧が低減されるという帰結をもたらし、その結果、燃料電池２００ないし燃料電池スタックにとって有害なアイドリング電圧（ＯＣＶ＝Open Circuit Voltage）がもはや存在しなくなる。電気システム４００には、図１に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータが前置されていて、これが燃料電池２００ないし燃料電池スタックから送られる電気エネルギーを変換して、このエネルギーを、たとえば自動車のモータ４４０を駆動するトラクションアキュムレータ４１０、低電圧バッテリ４２０、ないしインバータ４３０へと供給する。燃料電池２００ないし燃料電池スタックの電圧は電気的な負荷に伴って部分的に大きく変動するため、燃料電池２００に後置されたＤＣ／ＤＣコンバータ４５０は車内電力網の電圧の安定化について責任を負う。ブリードダウン回路５００は短絡回路として構成されており、スイッチ５２０は短絡スイッチである。それに加えてブリードダウン回路５００は、絶縁コンタクタ５３０および５４０を介してＤＣ／ＤＣコンバータ４５０と接続されている。ブリードダウン回路５００に基づき、燃料電池２００ないし燃料電池スタックがＤＣ／ＤＣコンバータ４５０およびそれに伴ってエネルギーシステム４００と初めて接続されるのは、燃料電池２００の電圧が十分に低くなる程度に燃料電池２００での電流需���が高くなったときである。そして切換のための準備は、好ましくは、短絡スイッチとして構成されたスイッチ５２０ならびに絶縁コンタクタ５３０および５４０によって行われる。
【００２４】
図２には、当分野を形成する図１の燃料電池システム１００のブリードダウンのための動作ストラテジーのフローチャートが示されている。第１のステップで、燃料電池システム１００の停止段階（ブロック６００）の開始が行われ、その際には、燃料電池２００からエネルギーシステム４００への電流供給が行われないものと想定される。停止段階（ブロック６００）の開始後、ガス供給の停止（ブロック６１０）が行われ、すなわちカソードガスないしアノードガスの供給の停止が行われる。次いで燃料電池２００が短絡され（ブロック６２０）、それは、短絡スイッチとして構成されたスイッチ５２０がブリードダウン回路５００を閉じることによる（６３５）。このとき、スイッチ５２０を介してのブリードダウン回路５００の閉止（６３５）は時間ベースで行われる。それにより、カソードガスの十分な消費量が惹起されることが意図される。このときブリードダウン時間は可変であってよく、燃料電池電圧が計測され（ブロック６２０）、ブリードダウンスイッチ５２０が再び開かれるためには下閾値に達しなければならない（ブロック６３０）。下閾値に達しないと、ブリードダウンスイッチは閉じたままに保たれる。しかし下閾値に達すると、ブリードダウンスイッチ５２０が開かれて、システムが停止される（ブロック６４０）。
【００２５】
図３は、流体工学的な接続部２４０および２５０を含むカソード経路を有する、現在の従来技術に基づく当分野を形成する燃料電池システム１００の１つの実施形態の模式的な略図を示しており、カソード経路には逆止め弁２６０および２７０が構成されている。燃料電池システム１００が無通電に切り換えられた後、燃料電池２００ないし燃料電池スタックが安全絶縁される。カソード２３０での空気の拡散によって燃料電池電圧が生成され、ＯＣＶに達して、場合によりこれが数時間にわたって維持され、このことは基本的に燃料電池２００ないし燃料電池スタックの損傷につながる。したがってブリードダウンスイッチ５２０が閉じられ、その際にブリードダウン回路５００の短絡によって燃料電池２００の電圧が低減され、その後で初めて、燃料電池２００ないし燃料電池スタックが安全絶縁される。ブリードダウンスイッチ５２０は、安全上の理由により、通常の方式ではＮＯスイッチ（常時開）として施工される。このような施工形態は、スイッチ５２０での電圧降下やケーブル破断が起きたときに、燃料電池２００ないし燃料電池スタックの意図されない短絡を回避するとともに、通常動作時のエネルギー損失につながることになるスイッチ５２０の連続通電を減少させる。図１に示す燃料電池システム１００に加えて、現在の燃料電池システム１００ではカソード２３０の気密な遮蔽が行われる。このことは好ましくは、図３に示すように、カソード経路でカソード２３０へと通じる、ないしはカソードから出ていく、流体工学的な接続部２４０および２５０への逆止め弁２６０および２７０の配置によって行われる。カソード経路に逆止め弁２６０および２７０を配置することで、ある程度の時間帯にわたって、たとえば数時間にわたって、逆止め弁２６０および２７０やカソード排出区間すなわち流体力学的な接続部２５０の施工形態に依存して、燃料電池電圧が再び生成されるのを防止することができる。しかし逆止め弁２６０および２７０は、特にカソード経路で温度変化や圧力変化が生じたときに、恒常的には密閉されない。したがって、たとえば燃料電池システム１００の長期間の耐用期間の際に、有害なアイドリング電圧すなわちＯＣＶが再び発生することが排除され得ない。しかも追加の逆止め弁２６０および２７０はシステムコストの面で欠点をもたらす。カソード経路でいっそう高い圧力損失が予想されるからであり、このことは、通常の方式では流体工学的な接続部２６０でカソード２３０のカソード室に前置されるエアコンプレッサの設計やコストにマイナスの影響を及ぼす。そのうえ氷点下の動作温度では固着により、逆止め弁２６０および２７０の機能が損なわれることがある。
【００２６】
図４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４５０に対するバイパス接続部として構成される第２の電気接続部２を有する、本発明による燃料電池システム１の１つの実施形態の模式的な略図を示している。すでに図１および３に示した当分野を形成する燃料電池システム１００についてと同様に、燃料電池２００ないし燃料電池スタックは、ＤＣ／ＤＣコンバータ４５０を介して、たとえば車両の車内電力網や好ましくは自動車の車内電力網であってよいエネルギーシステム４００と接続されている。アノード２１０とカソード２３０は、本例では、ＤＣ／ＤＣコンバータ４５０に配置された第１の電気接続部３を介して、エネルギーシステム４００と電気接続されている。本発明によると、アノード２１０は少なくとも第２の電気接続部２を介してエネルギーシステム４００と接続される。第２の電気接続部２は、上述したように、ＤＣ／ＤＣコンバータ４５０に対するバイパス接続部として構成される。第１の電気接続部３と第２の電気接続部２の間には、好ましくはＮＣリレーであるスイッチ５が構成されている。スイッチ５は、燃料電池２００ないし燃料電池スタックを停止段階全体を通じてエネルギーシステム４００と接続する役目を果たす。さらに第２の電気接続部２にはスイッチ５の後に、燃料電池２００から運び出される電流を制限する役目を果たす抵抗６が配置されている。スイッチ５は好ましくはＮＣリレーとして構成されるので、燃料電池２００ないし燃料電池スタックは停止段階ないしスイッチオフ段階の全体を通じてそのエネルギーを、たとえばエネルギーシステム４００に配置されたバッテリ４２０へと放電する。本例では、エネルギーシステム４００への第２の電気接続部２で抵抗６に後置されるダイオード７は、流れる方向が燃料電池２００からエネルギーシステム４００の方向である電流が逆転することがあり得ないように作用する。たとえばエネルギーシステム４００の電圧が燃料電池電圧よりも高くなると、ダイオード７が電流の阻止のために作用する。このような本発明による燃料電池システム１の構成により、図５に示すように、ブリードダウンのための動作ストラテジーが簡素化される。
【００２７】
図４の本発明による燃料電池システム１のブリードダウンのための動作ストラテジーの図５のフローチャートに示されているように、ブリードダウン時間を遵守しなくてよく、それにより、本発明の燃料電池システム１については全体として停止段階が短縮される。このとき停止段階の開始（ブロック６００）の後、およびガス供給の停止（ブロック６１０）の後、燃料電池電圧を測定することなく（図２のブロック６２０参照）、ガス供給の停止（ブロック６１０）の直後に、第２の電気接続部２にあるブリードダウンスイッチ５が閉じられる（ブロック６３５）。その後、当分野を形成する燃料電池システム１００の動作ストラテジーについての図２にも示すとおり、システムの停止が行われる（ブロック６４０）。
【００２８】
図６は、図４の燃料電池システム１の１つの変形例を模式的な略図で示している。図６に示す変形例では、ＤＣ／ＤＣコンバータ４５０に対するバイパス接続部として構成される第２の電気接続部２はスイッチフリーである。このようなスイッチのないブリードダウン回路の簡素化された構成は、抵抗６が十分に高抵抗に設計され、それにより、燃料電池システム１の通常動作時のバイパス電流が最低限に制限されることを必要とする。抵抗６がたとえば４ｋΩに設計されているとき、１２０Ｖの燃料電池電圧と８０Ｖのバッテリ電圧で＜０．４Ｗの寄生損失出力が計算される。しかし約０．４Ｗの抵抗６の出力は、カソード２３０への酸素の潜行する拡散を常時の低電流によって埋め合わせるのに十分である。それに応じて燃料電池システム１は、図６に示すとおり、およびこれに加えて燃料電池システム１も、図４に示すとおり、カソード経路の逆止め弁なしに構成することができ、それによって全体としてシステムコストを削減することができる。
【００２９】
図７は、図６に示す本発明の燃料電池システム１の変形例の動作ストラテジーのフローチャートを示している。抵抗６を含む第２の電気接続部２のスイッチフリーの施工形態により、ブリードダウンストラテジーが次のように簡素化される。図４の本発明による燃料電池システム１のブリードダウンのための動作ストラテジーの図５のフローチャートにも示されているように、図６の燃料電池システム１についての動作ストラテジーにおいてもブリードダウン時間を遵守しなくてよい。さらに、図５に示すブロック６３５、すなわち第２の電気接続部２のブリードダウンスイッチ５の閉止は不要となる。それに応じて、ブリードダウン回路のスイッチフリーの構成により、すなわちここでは好ましくは第２の電気接続部２のスイッチフリーの構成により、停止段階を全体としていっそう短縮することができる。したがって、停止段階の開始（ブロック６００）およびこれに続くガス供給の停止（ブロック６１０）の後、燃料電池システム１がそのまま停止される（ブロック６４０）。
【００３０】
図８は、燃料電池２００ないし燃料電池スタックと並列のバイパス接続部として配置される第２の電気接続部２を有する、本発明による燃料電池システム１の別の変形例の模式的な略図を示している。本発明による燃料電池システム１の実施形態のこの変形例は、電流がエネルギーシステム４００のバッテリ４２０に放電されるのではないという利点を有する。燃料電池２００と並列に案内される第２の電気接続部２によって、ＳＯＣ＝１００％のバッテリのときでも、放電およびＯＣＶフリーの燃料電池２を保証することができる。さらに、このブリードダウン回路はエネルギーシステム４００のトポロジーに全面的に関わりなく適用可能であり、そのうえ、エネルギーシステム４００の電圧状況にも左右されない。カソード２３０への酸素の潜行する拡散を常時の低電流によって埋め合わせるために、第２の電気接続部２には抵抗６がバイパス抵抗として配置されており、バイパス抵抗６を介して案内される電流は好ましくは＜１．２Ｗの寄生出力をもたらす。しかしこの出力は、カソード２３０への酸素の潜行する拡散を常時の低電流によって埋め合わせるのに十分である。ただし、燃料電池システム１の通常動作のときのバイパス損失は、図６に示す本発明の燃料電池システム１の変形例で生じるバイパス損失よりも大きくなる。しかし通常動作のときの損失は、抵抗６が電圧依存的な抵抗６として施工されることによって減らすことができる。１つの別の変形例は、温度依存的な抵抗６（ＰＴＣ抵抗）としての抵抗６の施工形態である。この場合、負荷が増したときにＰＴＣ抵抗６の抵抗値が上昇することで、ブリードダウン回路すなわちバイパス接続として構成された第２の電気接続部２の本質安全動作を保証できるという利点がある。第１の電気接続部３と燃料電池２を接続ないし切断する役目を果たす絶縁コンタクタ５３０および５４０は任意選択であるとみなされ、このとき第１の電気接続部３は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４５０を介してエネルギーシステム４００へと通じる。このことは、第１の電気接続部３が絶縁コンタクタ５３０および５４０なしで構成されていてもよいことを意味する。
【００３１】
図９は、図８に示す本発明の燃料電池システム１の変形例のブリードダウンについての動作ストラテジーをフローチャートとして示している。図９に示す動作ストラテジーは、ガス供給の停止（ブロック６１０）の後に絶縁コンタクタ５３０および５４０が開かれる（ブロック６２５）ことによってのみ、図７に示す動作ストラテジーと相違する。上述したように、図８に示す変形例に基づく本発明の燃料電池システム１において、任意選択として絶縁コンタクタ５３０および５４０が省略されるときは、絶縁コンタクタを開くステップ（ブロック６２５）が不要となる。その場合、図８に示す本発明の燃料電池システム１のための動作ストラテジーであるが、絶縁コンタクタ５３０および５４０がないものは、図７に示す動作ストラテジーと同様になる。
【符号の説明】
【００３２】
１，１００  燃料電池システム
２  第２の電気接続部
３  第１の電気接続部
６  抵抗
７  ダイオード
２００  燃料電池
２１０  アノード
２３０  カソード
２４０  第１の流体工学的な接続部
４００  エネルギーシステム
４５０  ＤＣ／ＤＣコンバータ
５３０，５４０  絶縁コンタクタ
【図１】
0006468692.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0006468692.tif 000008
【図８】
0006468692.tif 000009
【図９】
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