(57)【要約】  本発明は、１つの燃料電池スタックへとまとめられた複数の燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。この燃料電池システムは、少なくとも１つの燃料電池が、アノード領域とカソード領域の間に配置されたプロトン透過性のセパレータを備えた電極構成を有するレドックスフロー燃料電池であり、このレドックスフロー燃料電池が、電極構成から空間的に隔てられた再生器を備えており、かつレドックスフロー燃料電池の水生成反応が再生器内で行われ、このレドックスフロー燃料電池がさらに、レドックスフロー燃料電池の再生器内で水生成反応を実施するために再生器内に酸化流体を送るための少なくとも１つの酸化流体搬送ユニットを含んでおり、このレドックスフロー燃料電池がさらに、電気化学的貯蔵系をレドックスフロー燃料電池のカソード領域またはアノード領域および再生器を通って輸送するため、ポンプ装置およびポンプ配管によるポンプ循環を含んでおり、この電気化学的貯蔵系が、活性レドックス分子を含有しており、かつ電子を受け取るおよび放出するように形成されていることを特徴とする。この燃料電池システムはさらに制御装置を含んでおり、この制御装置が、燃料電池システムの提供可能な電力および／または熱出力を、電気化学的貯蔵系のレドックス状態の変化によって適合させるように形成されている。
2016529679.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つの燃料電池スタックへとまとめられた複数の燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
少なくとも１つの燃料電池が、アノード領域（１）とカソード領域（２）の間に配置されたプロトン透過性のセパレータ（Ｓ）を含む電極構成を有するレドックスフロー燃料電池（１０）であり、
前記レドックスフロー燃料電池（１０）が、前記電極構成から空間的に隔てられた再生器（Ｒ）を備えており、かつ前記レドックスフロー燃料電池（１０）の水生成反応が前記再生器（Ｒ）内で行われ、
前記レドックスフロー燃料電池（１０）がさらに、前記レドックスフロー燃料電池（１０）の前記再生器（Ｒ）内で前記水生成反応を実施するために前記再生器（Ｒ）内に酸化流体を送るための少なくとも１つの酸化流体搬送ユニット（７）を含んでおり、
前記レドックスフロー燃料電池（１０）がさらに、電気化学的貯蔵系を前記レドックスフロー燃料電池（１０）の前記カソード領域（２）または前記アノード領域（１）および前記再生器（Ｒ）を通って輸送するため、ポンプ装置およびポンプ配管によるポンプ循環（３）を含んでおり、前記電気化学的貯蔵系が、活性レドックス分子を含有しており、かつ電子を受け取るおよび放出するように形成されており、
かつその際、前記燃料電池システムがさらに制御装置（５）を含んでおり、前記制御装置が、前記燃料電池システムの提供可能な電力および／または熱出力を、前記電気化学的貯蔵系のレドックス状態の変化によって適合させるように形成されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御装置（５）が、前記電気化学的貯蔵系の前記レドックス活性分子の少なくとも１０％のレドックス状態を変化させることにより、前記燃料電池システムの前記電力を適合させるように形成されてい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】
前記制御装置（５）が、前記電気化学的貯蔵系の還元を導入することにより、前記燃料電池システムの前記電力を、前記酸化流体搬送ユニット（７）によって規定された前記最大出力より上昇させるように形成されてい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。
【請求項４】
前記制御装置（５）が、前記電気化学的貯蔵系の還元を導入することにより、前記酸化流体搬送ユニット（７）の活性化なしで前記燃料電池システムの前記電力を提供するように形成されていることを特徴とする請求項１、２、または３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御装置（５）が、回生エネルギーの供給により前記電気化学的貯蔵系を再生させるように形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記電気化学的貯蔵系の前記再生が、回生エネルギーを前記酸化流体搬送ユニット（７）に供給することによって行われることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記制御装置（５）が、前記電気化学的貯蔵系の前記活性レドックス分子の物質量に応じて前記ポンプ装置を段階的におよび／または無段階で調節するように形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記制御装置（５）が、前記電気化学的貯蔵系の前記活性レドックス分子の前記物質量が小さい場合には、正の負荷ジャンプの際、前記酸化流体搬送ユニット（７）を即座に活性化し、かつ前記電気化学的貯蔵系の還元を導入することにより出力を提供するように形成されていること、および／または
前記制御装置（５）が、前記電気化学的貯蔵系の前記活性レドックス分子の前記物質量が大きい場合には、正の負荷ジャンプの際、前記電気化学的貯蔵系の還元を導入することにより出力を提供し、かつ前記酸化流体搬送ユニット（７）を数秒遅らせて活性化するように形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記制御装置（５）が、負の負荷ジャンプの際、生じる回生エネルギーを前記酸化流体搬送ユニット（７）にその活性化のために導くように形成されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記システムが、前記酸化流体搬送ユニットを緩やかに始動させるための手段および／または回路を備えている、請求項１〜９のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記制御装置（５）が、負の負荷ジャンプの際、生じる回生エネルギーを前記酸化流体搬送ユニット（７）および／またはバッテリーに導くように形成されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記制御装置（５）が、前記燃料電池システムの起動の際に、前記燃料電池システムを動作温度にもっていくため、前記ポンプ装置のポンプ出力を低下させるように形成されていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか一つに記載の燃料電池システムを含む自動車。
【請求項１４】
１つの燃料電池スタックへとまとめられた複数の燃料電池を備えた燃料電池システムの動作方法において、
少なくとも１つの燃料電池が、アノード領域（１）とカソード領域（２）の間に配置されたプロトン透過性のセパレータ（Ｓ）を含む電極構成を有するレドックスフロー燃料電池（１０）であり、
前記レドックスフロー燃料電池（１０）が、前記電極構成から空間的に隔てられた再生器（Ｒ）を備えており、かつ前記レドックスフロー燃料電池（１０）の水生成反応が、前記再生器（Ｒ）内で行われ、
前記レドックスフロー燃料電池（１０）がさらに、前記レドックスフロー燃料電池（１０）の前記再生器（Ｒ）内で前記水生成反応を実施するために前記再生器（Ｒ）内に酸化流体を送るための少なくとも１つの酸化流体搬送ユニット（７）を含んでおり、
前記レドックスフロー燃料電池（１０）がさらに、電気化学的貯蔵系を前記レドックスフロー燃料電池（１０）の前記カソード領域（２）または前記アノード領域（１）および前記再生器（Ｒ）を通って輸送するため、ポンプ装置およびポンプ配管によるポンプ循環（３）を含んでおり、前記電気化学的貯蔵系が、活性レドックス分子を含有しており、かつ電子を受け取るおよび放出するように形成されており、その際、
前記方法が、前記燃料電池システムの提供可能な電力および／または熱出力を、前記電気化学的貯蔵系のレドックス状態の変化によって適合させるステップを含んでいる方法。
【請求項１５】
前記電気化学的貯蔵系の前記レドックス活性分子の少なくとも１０％の前記レドックス状態を変化させることにより、前記燃料電池システムの前記電力を適合させるステップを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記電気化学的貯蔵系の還元を導入することにより、前記燃料電池システムの前記電力を、前記酸化流体搬送ユニット（７）によって規定された前記最大出力より上昇させるステップを特徴とする請求項１４または１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記電気化学的貯蔵系の還元を導入することにより、前記酸化流体搬送ユニット（７）の活性化なしで前記燃料電池システムの前記電力を提供するステップを特徴とする請求項１４、１５、または１６に記載の方法。
【請求項１８】
回生エネルギーの供給により前記電気化学的貯蔵系を再生させるステップを特徴とする請求項１４〜１７のいずれか一つに記載の方法。
【請求項１９】
回生エネルギーの前記酸化流体搬送ユニット（７）への供給により、前記電気化学的貯蔵系を再生させるステップが行われることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記電気化学的貯蔵系の前記活性レドックス分子の物質量に応じて前記ポンプ装置を段階的におよび／または無段階で調節するステップを特徴とする請求項１４〜１９のいずれか一つに記載の方法。
【請求項２１】
前記電気化学的貯蔵系の前記活性レドックス分子の前記物質量が小さい場合には、正の負荷ジャンプの際、前記酸化流体搬送ユニット（７）を即座に活性化し、かつ前記電気化学的貯蔵系の還元を導入することにより電力を提供すること、および／または前記電気化学的貯蔵系の前記活性レドックス分子の前記物質量が大きい場合には、正の負荷ジャンプの際、前記電気化学的貯蔵系の還元を導入することにより電力を提供し、かつ前記酸化流体搬送ユニット（７）を数秒遅らせて活性することを特徴とする請求項１４〜２０のいずれか一つに記載の方法。
【請求項２２】
負の負荷ジャンプの際、生じる回生エネルギーが前記酸化流体搬送ユニット（７）にその活性化のために導かれることを特徴とする請求項１４〜２１のいずれか一つに記載の方法。
【請求項２３】
前記システムが、前記酸化流体搬送ユニットを緩やかに始動させるための手段および／または回路を備えていることを特徴とする請求項１４〜２２のいずれか一つに記載の方法。
【請求項２４】
前記燃料電池システムが少なくとも１つのバッテリーを含んでいること、ならびに負の負荷ジャンプの際、生じる回生エネルギーが前記酸化流体搬送ユニット（７）および／または前記バッテリーに導かれることを特徴とする請求項１４〜２３のいずれか一つに記載の方法。
【請求項２５】
前記燃料電池システムの起動の際に、前記燃料電池システムを動作温度にもっていくため、前記ポンプ装置のポンプ出力を低下させることを特徴とする請求項１４〜２４のいずれか一つに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムおよびそのような燃料電池システムを内包する自動車および燃料電池システムの動作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、多種多様な実施形態で知られている。すべての燃料電池システムに共通するのは、燃料電池システムに内包された酸化流体搬送ユニットの制御の可能性が限られていることによりたいていは制限されている１つの限定的なダイナミクスしか有していないということである。したがって自動車で燃料電池システムを使用する場合には、まさに、加速工程（正の負荷ジャンプ）で十分にエネルギーを提供するために、あるいは負の負荷ジャンプの際にエネルギーを回生するためにも、燃料電池と高電圧貯蔵器を高度にハイブリッド化する必要があり、したがって高出力の高電圧貯蔵器（バッテリー）が必要になる。しかしながらバッテリーは劣化しやすい。さらに、高出力可能なバッテリーは重量が重く、かつ組立技術的な体積が大きいことを特色とし、これはとりわけ軽量構造方式における使用には不利である。それにもかかわらずこれに加えて酸化流体搬送ユニットの起動時間または反応時間が遅いこと、したがって燃料電池システムのダイナミクスが小さいことにより、とりわけ自動車の加速工程の際に出力不足が生じる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
それゆえ本発明の課題は、この従来技術を出発点として、大きなダイナミクスを有しており、高出力可能で、かつ必要なときにエネルギーを迅速に貯蔵または放出するよう構成されている燃料電池システムを提示することである。さらに本発明の課題は、高いドライビングダイナミクスおよび非常に良好な乗り心地を特色としており、燃料電池システムを動作させる自動車を提供することである。本発明のもう１つの課題は、燃料電池システムを、簡単に、かつ高い可変性、したがって動的な出力適合の下で制御することを可能にする燃料電池システムの動作方法を提示することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この課題は、燃料電池システムに関しては本発明に従い燃料電池システムが、１つの燃料電池スタックへとまとめられた（組み合わせられる）複数の燃料電池を含んでおり、その際、
−  少なくとも１つの燃料電池が、アノード領域とカソード領域の間に配置されたプロトン透過性のセパレータ、例えば電解質膜を備えた電極構成を有するレドックスフロー燃料電池であり、
−  このレドックスフロー燃料電池が、電極構成から空間的に隔てられた再生器を備えており、かつレドックスフロー燃料電池の水生成反応が再生器内で行われ、
−  このレドックスフロー燃料電池がさらに、レドックスフロー燃料電池の再生器内で水生成反応を実施するために再生器内に酸化流体を送るための少なくとも１つの酸化流体搬送ユニットを含んでおり、
−  このレドックスフロー燃料電池がさらに、電気化学的貯蔵系をレドックスフロー燃料電池のカソード領域またはアノード領域および再生器を通って輸送するため、ポンプ装置およびポンプ配管によるポンプ循環を含んでおり、この電気化学的貯蔵系が、活性レドックス分子を含有しており、かつ電子を受け取るおよび放出するように形成されていることによって解決される。
【０００５】
本発明による燃料電池システムは、本発明の本質を成すさらなる構成要素として制御装置を含んでおり、この制御装置は、燃料電池システムの提供可能な電力および／または熱出力を、電気化学的貯蔵系のレドックス状態の変化によって適合させるように形成されている。
【０００６】
レドックスフロー燃料電池は、水生成反応が、つまりプロトン、電子、および酸素からの水生成が空間的に外に出されており、したがって、セパレータに隣接してアノード領域と向かい合っているカソード領域の縁でではなく、そこから空間的に隔てられているが相応の輸送システムを介して燃料電池システムのその他のコンポーネントと連結されているいわゆる再生器内で起こることにより、「標準的な」燃料電池とは異なっている。再生器には、アノード領域で発生してプロトン透過性のセパレータを通ってカソード領域に達したプロトンと、発生して通常は外部の消費体を経て流れる電子とが、輸送循環により送られる。プロトンを輸送するための循環は、レドックスフロー燃料電池のカソード領域を通って電気化学的貯蔵系を導くためのポンプ循環と同一であってよいが、別々の循環であってもよい。水生成反応に必要な酸化流体、つまり一般的には酸化剤、例えば空気もしくは酸素のような酸化ガスまたは相応の液体（概念「酸化流体」にまとめられている）は、少なくとも１つの酸化流体搬送ユニット、例えばコンプレッサーにより再生器に送られる。
【０００７】
本発明の意味における電気化学的貯蔵系は、化学的なレドックス活性分子または活性レドックス分子を含有しており、これらの分子は還元された形態でも酸化された形態でも存在することができ、この両方の形態がレドックス対を形成し、これに関し電気化学的貯蔵系は、レドックス活性分子につき１つおよび／または複数の電子を受け取るまたは放出することができる。電気化学的貯蔵系は、レドックス活性分子の溶液として存在し、電子を貯蔵および輸送する働きをすることが好ましい。
【０００８】
活性レドックス分子自体または電気化学的貯蔵系に含有された溶剤がプロトンを輸送することが好ましい。さらに好ましいのは、電気化学的貯蔵系が低い電気伝導性を示すことである。さらに好ましいのは、電気化学的貯蔵系が自らは放電しないかまたは非常にゆっくりとしか放電しないことである。
【０００９】
本発明による燃料電池システムは、１つまたは複数の制御装置を含むことができる。この制御装置は、電気化学的貯蔵系のレドックス状態の変化を開始させ得るように、したがって燃料電池システムの電力および／または熱出力を適合させ得るように形成されている。電気化学的貯蔵系の電気的状態およびさらなるパラメータ、例えば液位、温度、圧力、ｐＨ値、伝導性などについての情報は、センサーおよび／またはモデル計算を介して制御ユニットに提供される。
【００１０】
電力が燃料電池システムから取り出される場合（正の負荷状態）、電気化学的貯蔵系は酸化状態から還元状態に移される。これは、レドックスフロー燃料電池のアノード反応を促進することによって行われる。これにより放出された電子は、負荷を通過した後、カソード領域で電気化学的貯蔵系によって受け取られる。言い換えると、電気化学的貯蔵系の還元された形態と電気化学的貯蔵系の酸化された形態の比が、還元された形態に有利なように適合される。例えば還元された形態と酸化された形態の比が無限大になると、この時点からはもはや再生器内で再び放出されるのと同数の電子が受け取られ得るにすぎない。これは、燃料電池システムの最大連続出力に相当する。
【００１１】
回生の場合には（負の負荷状態）、酸化流体搬送ユニットの活性化もしくは動作のいずれかのために、酸化流体搬送ユニットに電力を送るという可能性、および／または燃料電池システムが高電圧貯蔵器を備えている場合には、高電圧貯蔵器を充電するという可能性が存在する。この場合、電気化学的貯蔵系の還元された形態と電気化学的貯蔵系の酸化された形態の比が、酸化された形態に有利なように適合される。
【００１２】
つまり制御装置は、水生成反応（電子の消費）に関係なく、電気化学的貯蔵系のレドックス状態の変化によりアノード反応（電子の放出）を制御するように、したがって燃料電池システムへの出力要求に電気化学的貯蔵系のレドックス状態を適合させるように構成されている。これは、電気化学的貯蔵系が電子のためのいわゆる「バッファー」として働くことによって可能となる。さらに制御ユニットは、例えば温度および／または任意選択で設けられる溶剤回収設備（コンデンサー）の効率により、ポンプ循環におけるレドックス活性分子または活性レドックス分子の濃度、溶剤収支（例えば水）、および電気化学的貯蔵分子の充填レベルを調節することができる。
【００１３】
従来の燃料電池では、水を生成するカソード反応がアノード反応を前提としており（およびその逆）、したがって燃料電池の出力は、それぞれの反応領域に燃料流体および酸化流体を送る速度によって実質的に制限されているのに対し、本発明の本質を成すレドックスフロー燃料電池では、電気化学的貯蔵系による電子の受取りおよび貯蔵により、アノード反応をカソード反応から切り離すことができ、かつ電気化学的貯蔵系を意図したレドックス状態に移すことができる。この場合、正の負荷状態の際、つまり外部の消費体または負荷の出力が要求されると、従来どおりカソード反応とアノード反応の組合せによって水を生成、したがってエネルギーを生産する「標準的な」燃料電池反応に加えて、電気化学的貯蔵系により、負荷がより低いときに水生成反応を介して排出されるまで電子を受け取るかまたは中間貯蔵することができる。その際、電気化学的貯蔵系は酸化状態から還元状態へと移行する。したがって、レドックスフロー燃料電池の出力は、従来の燃料電池に比べて一時的に上昇する。
【００１４】
つまり、制御装置の特性により電気化学的貯蔵系のレドックス状態を変化させること、および燃料電池システムへの出力要求に適合させることで、動的な出力適合を有する燃料電池システムが得られ、この燃料電池システムは、非常に高い出力要求に短い時間で対応することもできる。したがって燃料電池システムの起動時に、有意により迅速にエネルギーを取り出すこともできる。
【００１５】
従属請求項は、本発明の有利な変形形態および様態を含んでいる。
【００１６】
燃料電池システムの有利な一変形形態によれば、制御装置は、電気化学的貯蔵系のレドックス活性分子（または活性レドックス分子）の少なくとも１０％のレドックス状態を変化させることにより、燃料電池システムの電力を適合させるように形成されている。これは、燃料電池システムの動的な出力適合を改善する。
【００１７】
さらに有利なのは、制御装置が、電気化学的貯蔵系の還元を導入することにより、燃料電池システムの電力を、酸化流体搬送ユニットによって規定された最大出力より上昇させるように形成されていることである。これにより、特に大きな電力を産出することができる。
【００１８】
同様に有利なのは、制御装置が、電気化学的貯蔵系の還元を導入することにより、酸化流体搬送ユニットの活性化なしで燃料電池システムの電力を提供するように形成されていることである。まさに短い正の負荷ジャンプの際に、時間的に遅れることなくエネルギー放出を行うことができる。加えてこれにより、緩慢な酸化流体搬送ユニットに無理をさせることがない。
【００１９】
さらなる有利な一変形形態では、制御装置が、回生エネルギーの供給により電気化学的貯蔵系を再生させるように形成されている。これは、例えば酸化流体搬送ユニットの活性化または電気化学的貯蔵系の電気化学的充電によって行われる。
【００２０】
電気化学的貯蔵系の再生は、回生エネルギーを酸化流体搬送ユニットに供給することによって行われるのが有利である。
【００２１】
さらに有利なのは、制御装置が、電気化学的貯蔵系の活性レドックス分子の物質量に応じてポンプ装置を段階的におよび／または無段階で調節するように形成されていることである。これは、燃料電池に適合させる動作を最大限可能な効率で可能にする。体積が一定の場合、電気化学的貯蔵系の濃度が高ければ、電気化学的貯蔵系の活性レドックス分子の物質量は大きい。
【００２２】
さらに有利なのは、制御装置が、電気化学的貯蔵系の活性レドックス分子の物質量が小さい場合には、つまり例えば電気化学的貯蔵系の体積８Ｌ以下／燃料電池システム出力１００ｋＷの場合には、正の負荷ジャンプの際、酸化流体搬送ユニットを即座に活性化し、かつ電気化学的貯蔵系の還元を導入することにより電力を提供するように形成されていることである。これにより、酸化流体搬送ユニットの起動時の出力不足が最小限に抑えられ、かつ燃料電池システムのより迅速な応答挙動が促進される。
【００２３】
制御装置は、電気化学的貯蔵系の物質量が大きい場合には、例えば電気化学的貯蔵系の体積８Ｌ超／燃料電池システム出力１００ｋＷの場合には、正の負荷ジャンプの際、電気化学的貯蔵系の還元を導入することにより電力を提供し、かつ酸化流体搬送ユニットを数秒、とりわけ０〜２０秒、好ましくは１〜１０秒、特に好ましくは２〜４秒遅らせて活性化するように形成されているのが有利である。これにより、必要なときに十分に高い出力を燃料電池システムから取り出すことができ、  かつ同時に緩慢な酸化流体搬送ユニットに無理をさせなくてすみ、この場合、エネルギーを消費する酸化流体搬送ユニットを後から接続することができ、したがって、まさに燃料電池システムのスタート時に、燃料電池システムのフル出力（燃料電池スタックの出力＋レドックスフロー燃料電池の電気化学的貯蔵系からの出力）が提供される。その代わりにまたはそれに加えて、酸化流体搬送ユニットを緩やかに始動させるための手段または回路を設けることができる（図３を参照）。緩やかに始動させるためのこのような手段は、直接駆動の際に発生する高い始動電流を回避するかまたは低減させる手段である。これには例えば周波数変換器またはソフトスタータが含まれる。したがって始動電流およびつまりは始動出力を低下させることができる。これに加え、酸化流体搬送ユニットの動作に必要な最大電力を下げることができ、このためより低い出力の対応するモータを設けることができる。
【００２４】
有利な一変形形態によれば、制御装置は、負の負荷ジャンプの際、生じる回生エネルギーを酸化流体搬送ユニットにその活性化または動作のために導くように形成されている。これは、次の正の負荷ジャンプのときに酸化流体搬送ユニットを新たに起動する際のエネルギーを、燃料電池システムのダイナミクスを不利に妨げることなく節減する。
【００２５】
燃料電池システムの動的な出力適合を改善するため、本発明による燃料電池システムは少なくとも１つのバッテリーを含んでいる。必要な出力をバッテリーと貯蔵系が提供することが好ましい。電気化学的貯蔵系もエネルギーを貯蔵するのに適しているので、この場合はバッテリーの容量または出力は比較的低くてよい。加えてバッテリーは、電気化学的貯蔵系のバッファー作用により、まさに強い出力ジャンプの際に無理をさせられることがなく、これがバッテリーの耐用期間を引き延ばす。
【００２６】
さらに有利なのは、制御装置が、負の負荷ジャンプ際、生じる回生エネルギーを酸化流体搬送ユニットおよび／またはバッテリーに導くように形成されていることである。
【００２７】
燃料電池システムの出力をより迅速に提供するため、制御装置は、燃料電池システムの起動の際または寒冷時始動もしくは凍結時始動の際に、燃料電池システムを動作温度にもっていくため、ポンプ装置のポンプ出力を低下させるように形成されているのが好ましい。
【００２８】
本発明は、上述のような燃料電池システムを含む自動車にも関する。本発明による燃料電池システムは、その大きなダイナミクスに基づき、自動車での使用に特に良く適しており、すなわち高いドライビングダイナミクスおよび良好な乗り心地を提供する。
【００２９】
本発明による燃料電池システムに関して説明した変形形態、利点、および効果は、本発明に基づく自動車にも適用される。
【００３０】
同様に本発明により、１つの燃料電池スタックへとまとめられた複数の燃料電池を備えた燃料電池システムの動作方法も説明されており、その際、
−  少なくとも１つの燃料電池が、アノード領域とカソード領域の間に配置されたプロトン透過性のセパレータ、とりわけ電解質膜を備えた電極構成を有するレドックスフロー燃料電池であり、
−  このレドックスフロー燃料電池が、電極構成から空間的に隔てられた再生器を備えており、かつレドックスフロー燃料電池の水生成反応が、電極構成から空間的に隔てられた再生器内で行われ、
−  このレドックスフロー燃料電池がさらに、レドックスフロー燃料電池の再生器内で水生成反応を実施するために再生器内に酸化流体を送るための少なくとも１つの酸化流体搬送ユニットを含んでおり、
−  このレドックスフロー燃料電池がさらに、電気化学的貯蔵系をレドックスフロー燃料電池のカソード領域またはアノード領域および再生器を通って輸送するため、ポンプ装置およびポンプ配管によるポンプ循環を含んでおり、この電気化学的貯蔵系が、活性レドックス分子を含有しており、かつ電子を受け取るおよび放出するように形成されている。
【００３１】
これに関し本発明による方法は、燃料電池システムの提供可能な電力および／または熱出力を、電気化学的貯蔵系のレドックス状態の変化によって適合させるステップを含んでいる。このステップは上で説明したように制御装置によって開始される。上述の理由から、ならびに既に説明した効果および利点を考慮して、本発明に基づく方法により、燃料電池システムへの出力要求に基づいて燃料電池システムを簡単に、かつ大きな出力ダイナミクスの下で制御することができる。
【００３２】
本発明による燃料電池システムおよび本発明による自動車に関して説明した変形形態、利点、および効果は、燃料電池システムの本発明に基づく動作方法にも適用される。
【００３３】
本発明による方法の有利な一変形形態によれば、この方法は、電気化学的貯蔵系のレドックス活性分子の少なくとも１０％のレドックス状態を変化させることにより、燃料電池システムの電力を適合させるステップを特徴とする。これは、燃料電池システムの出力提供のダイナミクスを改善する。
【００３４】
燃料電池システムの「標準的な」出力を超える特に大きな出力を提供するため、この方法は、電気化学的貯蔵系の還元を導入することにより、燃料電池システムの電力を、酸化流体搬送ユニットによって規定された最大出力より上昇させる。
【００３５】
有利な一変形形態が意図する、電気化学的貯蔵系の還元を導入することにより、酸化流体搬送ユニットの活性化なしで燃料電池システムの電力を提供するステップにより、まさに短い正の負荷ジャンプの際に、時間的に遅れることなくエネルギーの放出を行うことができる。加えてこれにより、緩慢な酸化流体搬送ユニットに無理をさせることがない。
【００３６】
さらに有利なのは、この方法が、回生エネルギーの供給により電気化学的貯蔵系を再生させるステップを含むことである。これにより、電気化学的貯蔵系の少なくとも部分的な、好ましくは全体的な酸化が得られ、したがってこの場合、新たな正の負荷状態では、電気化学的貯蔵系の還元を導入することによって燃料電池システムの全電力を提供することができる。
【００３７】
電気化学的貯蔵系の活性レドックス分子の物質量に応じてポンプ装置を段階的におよび／または無段階で調節することにより、必要なエネルギーをより精密でより迅速に提供することが可能になる。
【００３８】
本発明による方法は、電気化学的貯蔵系の活性レドックス分子の物質量が小さい場合には、正の負荷ジャンプの際、酸化流体搬送ユニットを即座に活性化し、かつ電気化学的貯蔵系の還元を導入することにより出力を提供するのがさらに有利である。これにより、酸化流体搬送ユニットの起動時の出力不足が最小限に抑えられ、かつ燃料電池システムのより迅速な応答挙動が促進される。
【００３９】
電気化学的貯蔵系の活性レドックス分子の物質量が大きい場合には、本発明による方法は一変形形態によれば、正の負荷ジャンプの際、電気化学的貯蔵系の還元を導入することにより出力を提供し、かつ酸化流体搬送ユニットを数秒、とりわけ０〜２０秒、好ましくは１〜１０秒、さらに好ましくは２〜４秒遅らせて活性化する。これにより、必要なときに十分に高い電力を燃料電池システムから取り出すことができ、かつ同時に緩慢な酸化流体搬送ユニットに無理をさせなくてすむ。その代わりにまたはそれに加えて、酸化流体搬送ユニットを緩やかに始動させるための手段または回路を設けることができる（図３を参照）。緩やかに始動させるためのこのような手段は、直接駆動の際に発生する高い始動電流を回避するかまたは低減させる手段である。これには例えば周波数変換器またはソフトスタータが含まれる。したがって始動電流およびつまりは始動出力を低下させることができる。これに加え、酸化流体搬送ユニットの動作に必要な最大電力を下げることができ、このためより低い出力の対応するモータを設けることができる。
【００４０】
負の負荷状態の次にくる正の負荷状態のときに酸化流体搬送ユニットを新たに起動する際のエネルギーを、燃料電池システムのダイナミクスを不利に妨げることなく節減するために、この方法の一変形形態によれば、負の負荷ジャンプの際、生じる回生エネルギーを酸化流体搬送ユニットにその活性化またはその動作のために導く。
【００４１】
燃料電池システムの出力の動的な適合を最適化するため、燃料電池システムは少なくとも１つのバッテリーを含んでおり、この場合この方法は、負の負荷ジャンプの際、生じる回生エネルギーを酸化流体搬送ユニットおよび／またはバッテリーに導くようにさらに発展している。これによりバッテリーは、強い出力ジャンプの際に無理をさせられることがなく、これがバッテリーの耐用期間を引き延ばす。
【００４２】
燃料電池システムの出力をより迅速に提供するため、この方法は、燃料電池システムの起動の際、寒冷時始動の際、または凍結時始動の際に、燃料電池システムを動作温度にもっていくため、ポンプ装置のポンプ出力を低下させるようにさらに発展していることが好ましい。
【発明の効果】
【００４３】
本発明による解決策およびその変形形態に基づき、以下の利点が生じる。
−  非常に動的で、出力が強く、かつ迅速に応答する燃料電池システムが提供される。
−  燃料電池システムが、従来の燃料電池システムの「標準的な」出力より上昇した出力を提供することができる。
−  とりわけ燃料電池システムの起動時の出力不足が最適に克服される。
−  必要な酸化流体量の制御が、酸化流体流量の再調節のオプションにより簡略化される。
−  とりわけ負荷要求が高い場合に、酸化流体搬送ユニットの起動による不釣り合いに大きなエネルギー消費が回避される。
−  回生エネルギーを酸化流体の搬送のために使用することができる。
−  回生エネルギーを電気化学的貯蔵系に貯蔵することにより、エネルギーを最適に節減および再生することができる。
−  場合によっては設けられているバッテリーのような高電圧貯蔵器をより無理なく動作させることができ、この高電圧貯蔵器は高い耐用期間を特色とする。
−  高電圧貯蔵器の容量または出力への要求が比較的低い。
−  良好な乗り心地および大きな出力ダイナミクスを有する自動車が提供される。
【００４４】
本発明のさらなる詳細、特徴、および利点は、以下の説明および図から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】レドックスフロー燃料電池の大まかな図である。
【図２】本発明による制御装置の制御トポロジーを示す図である。
【図３】本発明の第１の有利な変形形態に基づく燃料電池システムの出力曲線の概略図である。
【図４】本発明の第２の有利な変形形態に基づく燃料電池システムの出力曲線の概略図である。
【図５】本発明の第３の有利な変形形態に基づく燃料電池システムの出力曲線の概略図である。
【図６】寒冷時始動／凍結時始動に関する電流密度−セル電圧曲線の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００４６】
図では、本発明のここで関心が向けられている態様だけを示しており、ほかのすべての態様は見やすくするために省略されている。
【００４７】
図１はレドックスフロー燃料電池１０の概略図を示しており、このレドックスフロー燃料電池は、プロトン透過性のセパレータＳによって互いに隔てられたアノード領域１およびカソード領域２を有する電極構成を含んでいる。レドックスフロー燃料電池１０はさらに、電極構成から空間的に隔てられており、かつポンプ循環３を介して電極構成と相互に連結している再生器Ｒを含んでいる。この再生器Ｒ内では、レドックスフロー燃料電池の水生成反応が起こる。このために電気化学的貯蔵系が、ポンプ循環３を介して輸送されており、かつ搬送機構４、例えばポンプ装置によりカソード領域２と再生器Ｒの間を循環している。電気化学的貯蔵系は電子を貯蔵および輸送し、電気化学的貯蔵系は電子を負荷の通過後にカソード領域２内で受け取り、その電子を再生器Ｒに導き、そこで電子がプロトンおよび酸素と共に水へと反応する。
【００４８】
言い換えると、アノード領域１内で電気化学的反応により電子が放出され、この電子が負荷を通過した後にカソード領域２内で電気化学的貯蔵系により受け取られ、電気化学的貯蔵系はそれにより還元状態に移行する。その後、電気化学的貯蔵系はポンプ循環３を介して再生器Ｒに輸送される。ここでは、酸化流体およびプロトンも再生器Ｒに導かれる場合に限り、電気化学的貯蔵系が電子を放出して酸化状態に移行する。本発明によれば、電気化学的貯蔵系のレドックス状態の変化を的確に制御することを基礎として、このレドックスフロー燃料電池１０を内包する燃料電池システムの電力を適合させることができる。
【００４９】
図２は、本発明による制御装置５の制御トポロジーの図を示している。制御装置５はここでは、電気負荷、つまり電気消費体６、酸化流体搬送ユニット７、電気化学的貯蔵系のための搬送機構４を制御し、かつ電気化学的貯蔵系のための温度センサー８のデータを取得する。任意選択で、制御装置は冷却剤ポンプも制御することができ、かつ電気化学的貯蔵系の酸化状態についての情報をもたらす酸化状態センサーのデータを受信することができる。
【００５０】
図３は、本発明の第１の有利な変形形態に基づく燃料電池システムの重要な出力曲線の概略図を示している。詳しくは、燃料電池システムの個々のコンポーネントの出力または出力需要を、秒単位の時間に対して示している。
【００５１】
ここでは燃料電池システムは、１つの燃料電池スタックへと積層された複数の燃料電池を含んでおり、少なくとも１つの燃料電池がレドックスフロー燃料電池である。この燃料電池システムは高電圧貯蔵器を含まなくてよい。さらにこの燃料電池システムは、活性レドックス分子の物質量が大きい。
【００５２】
電気化学的貯蔵系の活性レドックス分子の物質量が大きいことにより、酸化流体搬送ユニットを時間的に遅らせて（例えば０〜２０秒、好ましくは１〜１０秒、さらに好ましくは２〜４秒）接続することができ、これによりまさに燃料電池システムのスタート時に、燃料電池システムの総出力を弱める酸化流体搬送ユニットの運転開始のためにエネルギーを費やさなくてよい。酸化流体搬送ユニットによって受け取られ、かつシステムの総出力には含まれない出力を、曲線Ｃに示している。ここでは、酸化流体搬送ユニットが緩やかに始動していることがはっきりと分かる。
【００５３】
曲線Ａは、例えば「標準的な」燃料電池とレドックスフロー燃料電池から成る燃料電池スタック全体の電力を示している。「標準的な」燃料電池だけを内包する従来の燃料電池システムの起動時間に比べてごくわずかな起動時間の後、電極反応から生じる一定の出力がもたらされている。この非常に短い起動時間は、燃料電池システムの起動時に、電気化学的貯蔵系に貯蔵されていた電気化学的エネルギーが追加的に放出されることによって得られる。そうでなければここでも燃料電池スタックの出力上昇は、時間的により遅くなることを覚悟しなければならないであろう。燃料電池スタックの出力を一定にするには、なかでも、再生器に酸化流体を提供するために酸化流体搬送ユニットを接続する必要がある。酸化流体搬送ユニットは、電気消費体としてシステム全体から出力を奪い（曲線Ｃを参照）、これは、極大値を越えた後の燃料電池システムの出力曲線Ｂの降下において明らかである。出力曲線Ｂから生じているハッチング領域Ｄは、酸化流体搬送ユニットの接続を遅らせたことにより、消費体、例えば自動車に提供されるエネルギーである。
【００５４】
図４は、本発明の第２の有利な変形形態に基づく燃料電池システムの重要な出力曲線の概略図を示している。
【００５５】
図３に基づく燃料電池システムとは異なり、図４に基づく燃料電池システムは、高電圧貯蔵器、例えばバッテリーをさらに含んでいる。
【００５６】
曲線Ｅは、高電圧貯蔵器によってもたらされる出力寄与を示している。高電圧貯蔵器も従来の燃料電池のように、燃料電池システムの起動時に時間的に遅れずに出力を提供することはできないことが分かる。これは、曲線Ｅの高電圧貯蔵器の出力曲線がゆっくり上昇していることに現れている。この出力不足は、ここでも電気化学的貯蔵系によって補われており、これが、燃料電池システムの出力（曲線Ｂ）および高電圧貯蔵器の出力（曲線Ｅ）から成る総出力（曲線Ｆ）を極大値へと即座に上昇させている。極大値に達した総出力（曲線Ｆ）は、高電圧貯蔵器（曲線Ｅ）が共に作用していることで図３からの総出力より大きい。燃料電池システムの出力曲線（曲線Ｂ）は、図３からの曲線Ｂに似ており、極大値を越えた後に燃料電池システムの出力曲線（曲線Ｂ）の降下を示しており、これは、電気消費体としての酸化流体搬送ユニットが時間的に遅れて接続されたことに起因すると考えられる。図４はさらに、従来の燃料電池システムに基づく高電圧貯蔵器の出力を示す曲線Ｉを含んでいる。対応する総出力（曲線Ｆ）を得るためには、高電圧貯蔵器の出力を非常に強く上昇させなければならないことが分かる。これは、ハッチング領域Ｈによって表さている。つまり、燃料電池システムの従来の制御は高電圧貯蔵器を劣化させる。
【００５７】
図５は、本発明の第３の有利な変形形態に基づく燃料電池システムの重要な出力曲線の概略図を示している。詳しくは、ここでも燃料電池システムの個々のコンポーネントの出力を、秒単位の時間に対して示している。
【００５８】
この燃料電池システムは、図３に基づく燃料電池システムのように、１つの燃料電池スタックへと積層された複数の燃料電池を含んでおり、少なくとも１つの燃料電池がレドックスフロー燃料電池である。この燃料電池システムは高電圧貯蔵器を含むことができる。さらにこの燃料電池システムは、図３および図４に基づく燃料電池システムとは異なり、活性レドックス分子の物質量が小さい。
【００５９】
電気化学的貯蔵系の活性レドックス分子の物質量が小さいことにより、酸化流体搬送ユニットが時間的に遅れずに接続され、これによりまさに燃料電池システムのスタート時に、燃料電池システムの十分な出力を迅速に提供することができる。活性レドックス分子の物質量が小さいことで、電気化学的貯蔵系からは短い限られた時間しか電気化学的出力を取り出せないので、酸化流体搬送ユニットの始動を時間的に遅らせることは、ここでは不利であろう。
【００６０】
図３におけるように燃料電池スタックの出力（曲線Ａ）は即座に上昇しており、これは、燃料電池スタック、例えば「標準的な」燃料電池とレドックスフロー燃料電池から成る組合せの出力に起因すると考えられる。しかしこの場合は酸化流体搬送ユニットが時間的に遅れずに接続されているので、燃料電池システム（曲線Ｂ）の酸化流体搬送ユニットの短い始動時間の後、より迅速に出力が奪われている。これは、曲線Ｂの平坦部Ｇに現れている。酸化流体搬送ユニットの起動には、酸化流体搬送ユニットの動作を持続的に維持するより高い出力量が必要であり、これは、曲線Ｃで極大値を通過することにおいて明らかである。したがって燃料電池システムの出力（曲線Ｂ）は、燃料電池スタックの出力（曲線Ａ）に比べて低下している。例えば、燃料電池スタック（曲線Ａ）の定格出力が約１００ｋＷの場合、酸化流体搬送ユニットは、定格出力が約２５ｋＷで、変換器、ソフトスタータなどのような緩やかに始動させるための手段を使用しない直接駆動の際の最大始動出力が約３０ｋＷである必要があり得る。
【００６１】
図６は、電流密度−セル電圧曲線の概略図である。電流密度ｊ［Ａ／ｃｍ２］に対するセル電圧Ｕ［Ｖ］を示している。下側の曲線は、反応物濃度が低い場合の分極曲線を示している。上側の曲線は、反応物濃度が高い場合の分極曲線を示している。記入した点Ｘおよび点Ｙは、同じ電力ポテンシャルでの動作点である。電流密度が同じ場合、反応物濃度が減少すると反応の活性化過電圧および濃度過電圧が上昇する（Ｂｕｔｌｅｒ−Ｖｏｌｍｅｒ式に基づく）。これにより、熱がより多く生産され、電力はより少なく生産される。これは、システムの電気効率をより低くする。加えてこの効果は温度が低いと強化される。
【００６２】
本発明の前述の説明は、具体的に図解するために用いられているだけであり、本発明を制限する働きはない。本発明においては、本発明および本発明と同等のものの範囲を逸脱しない様々な変更および修正が可能である。
【符号の説明】
【００６３】
１  アノード領域
２  カソード領域
３  ポンプ循環
４  搬送機構
５  制御装置
６  電気負荷
７  酸化流体搬送ユニット
８  電気化学的貯蔵系のための温度センサー
１０  レドックスフロー燃料電池
Ｒ  再生器
Ｓ  プロトン透過性のセパレータ
【図１】
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【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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【国際調査報告】
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