CN105517835B - 燃料电池系统、包含燃料电池系统的机动车和用于运行燃料电池系统的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池系统，所述燃料电池系统具有多个综合成一个燃料电池组的燃料电池。燃料电池系统的特征在于，至少一个燃料电池是具有电极装置的氧化还原液流燃料电池，所述电极装置具有可渗透质子的分离器，所述分离器设置在阳极区域和阴极区域之间，其中，所述氧化还原液流燃料电池具有电极装置在空间上分开的再生器并且在所述再生器中进行形成氧化还原液流燃料电池的水的反应，其中，所述氧化还原液流燃料电池还包括至少一个氧化流体输送单元，其用于将氧化流体输送到再生器中，以用于在氧化还原液流燃料电池的再生器中实施形成水的反应，其中，所述氧化还原液流燃料电池还包括具有泵装置和泵导管的泵循环，以用于将电化学存储系统运送通过氧化还原液流燃料电池的阴极区域以及再生器，并且电化学存储系统包含活性的氧化还原分子并且构成为吸收和放出电子。燃料电池系统还包括控制装置，所述控制装置构成为通过改变电化学存储系统的氧化还原状态匹配燃料电池系统的可用的电和/或热功率。

Description

燃料电池系统、包含燃料电池系统的机动车和用于运行燃料 电池系统的方法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统以及一种包含这样的燃料电池系统的机动车以及一种用于运行燃料电池系统的方法。
背景技术
燃料电池系统以多样化的实施方式已知。所有燃料电池系统的共同之处在于，这些燃料电池系统仅具有有限的动态性，所述动态性最多通过包含在燃料电池系统中的氧化流体输送单元的受限制的可控性而被限制。因此，在机动车中使用燃料电池系统时，正好为了在加速过程(正的负载跳跃)中提供足够的能量，但或者也在负的负载跳跃的情况下回收能量，需要高度杂化(Hybridisierung)燃料电池和高压蓄能器和因此具有高功率的高压蓄能器(电池)。然而它们对于老化是敏感的。具有高功率能力的电池的特征还在于高的重量和大的结构技术上的体积，这特别是对于在轻型结构中使用是不利的。此外，还产生功率亏损、特别是在机动车的加速过程中由于漫长的起动时间或者氧化流体输送单元的反应时间和因此差的燃料电池系统动态性。
发明内容
因此，由上述现有技术出发本发明的任务在于给出一种燃料电池系统，所述燃料电池系统具有高的动态性、性能非常卓越并且设置用于在需要时快速地存储或释放。此外，本发明的任务在于，提供一种运行燃料电池系统的机动车，所述机动车的特征在于高的行驶动态性和非常良好的行驶舒适性。本发明的另一任务在于，给出一种用于运行燃料电池系统的方法，所述方法能实现简单地并且以高的变化性和因此动态的功率匹配来控制燃料电池系统。
按照本发明，所述任务在一种燃料电池系统中通过如下方式来解决，即，所述燃料电池系统包括多个综合成一个燃料电池组的燃料电池，其中，
-至少一个燃料电池是具有电极装置的氧化还原液流燃料电池，所述电极装置具有可渗透质子的分离器、例如电解质隔膜，所述分离器设置在阳极区域和阴极区域之间，其中，
-所述氧化还原液流燃料电池具有与电极装置在空间上分开的再生器并且在所述再生器中进行氧化还原液流燃料电池的形成水的反应，其中，
-所述氧化还原液流燃料电池还包括至少一个氧化流体输送单元，其用于将氧化流体输送到再生器中，以用于在氧化还原液流燃料电池的再生器中实施形成水的反应，其中，
-所述氧化还原液流燃料电池还包括具有泵装置和泵导管的泵循环，以用于将电化学存储系统输送通过氧化还原液流燃料电池的阴极区域以及再生器，并且所述电化学存储系统包含活性的氧化还原分子并且构成为吸收和放出电子。
按照本发明的燃料电池系统作为对发明重要的其他组成部分包括控制装置，所述控制装置构成为通过改变电化学存储系统的氧化还原状态来匹配燃料电池系统的可用的电和/或热功率。
氧化还原液流燃料电池与“正常的”燃料电池的区别在于，在空间上扩展(auslagern)形成水的反应(亦即由质子、电子和氢形成水)并且因此不是发生在邻接于分离器的并且与阳极区域对置的阴极区域上，而是发生在与此在空间上分开的、但通过相应的运送系统与燃料电池系统的其余部件连接的、所谓的再生器中。为再生器通过输送循环来输送在阳极区域中产生的并且通过可渗透质子的分离器到达阴极区域中的质子和所产生的并且通常流过外部的消耗器的电子。用于运送质子的循环可以与用于将电化学存储系统导通过氧化还原液流燃料电池的阴极区域的泵循环是一致的，但也可以构成一个单独的循环。为了形成水的反应而需要的氧化流体、亦即普遍地为氧化剂例如空气或者氧化气体如氧气或者相应的液体(综合为概念“氧化流体”)通过至少一个氧化流体输送单元、例如压缩机输送给再生器。
按本发明的意义，电化学存储系统包括化学的、氧化还原活性的分子或者活性的氧化还原分子，它们不仅以还原的形式而且以氧化的形式存在，其中，两个形式形成氧化还原对，并且电化学存储系统通过每个氧化还原活性的分子可以吸收或者放出一个和/或多个电子。电化学存储系统优选作为氧化还原活性的分子的溶液存在并且用于存储和运送电子。
优选地，活性的氧化还原分子本身或者包含在电化学存储系统中的溶剂运送质子。此外，优选地，电化学存储系统显示低的导电能力。此外，优选地，电化学存储系统不放电或者仅非常缓慢地放电。
按照本发明的燃料电池系统可以包括一个或多个控制装置。控制装置在此如此构成，使得所述控制装置可触发电化学存储系统的氧化还原状态的改变并且因此匹配燃料电池系统的电和/或热功率。关于电化学存储系统的电气状态的信息和其他参数、如流体状态、温度、压力、pH值、导电性等通过传感器和/或模型计算提供给控制单元。
如果燃料电池系统应该调用电功率(正的负载情况)，则电化学存储系统由氧化状态转化至还原的状态。这点通过提升氧化还原液流燃料电池的阳极反应而进行。由此释放的电子被电化学存储系统在经过负载之后吸收在阴极区域中。换言之，电化学存储系统的还原形式和电化学存储系统的氧化形式的比例有利于还原形式地被匹配。例如如果还原形式和氧化形式的比例趋于无穷大，则由该时间点开始仅还可以吸收这么多的电子，所述电子在再生器中重新被释放。这相当于燃料电池系统的最大的持续功率。
在能量回收(负的负载情况)的情况下，存在如下可能性，或者为了激活或者为了运行氧化流体输送单元而给该氧化流体输送单元输送电功率，和/或如果燃料电池系统具有高压蓄能器则给该高压蓄能器充电。在此，电化学存储系统的还原形式和电化学存储系统的氧化形式有利于氧化形式地被匹配。
因此，所述控制装置这样设置，通过改变电化学存储系统的氧化还原状态，与形成水的反应(消耗电子)无关地控制阳极反应(释放电子)，并且因此将电化学存储系统的氧化还原状态匹配于对燃料电池系统的功率要求。这点通过如下方式实现，电化学存储系统用作为用于电子的所谓的“缓冲器”。此外，控制单元可以调节氧化还原活性的分子或者活性的氧化还原分子、溶剂(例如水)的浓度和在泵循环中的电化学存储分子的液位、例如通过可选设置的溶剂回收设备(压缩机)的温度和/或效率。
在传统的燃料电池中，形成水的阴极反应决定阳极反应(并且反之亦然)，并且因此燃料电池的功率基本上由于燃烧流体和氧化流体的输送速度而限制于相应的反应区域，可以在对于本发明重要的氧化还原液流燃料电池中通过由电化学存储系统吸收和存储电子而将阳极反应与阴极反应解耦，并且可以将电化学存储系统转换到所规定的氧化还原状态中。在正的负载情况下、亦即当外部的消耗器或负载要求功率时，现在附加于在传统地通过组合阴极反应与阳极反应而产生水的“正常的”燃料电池反应的情况下并产生能量，电子被电化学存储系统吸收或者中间存储，直至这些电子在负载较低的情况下通过形成水的反应被运走。电化学存储系统在此从氧化的状态过渡到还原的状态中。氧化还原液流燃料电池的功率因此相对于传统的燃料电池暂时地提高。
通过控制装置的特性改变电化学存储系统的氧化还原状态并且将功率要求匹配于燃料电池系统，因此获得具有动态的功率匹配的燃料电池系统，所述燃料电池系统也可以短暂地服务于非常高的功率要求。因此，在开动燃料电池系统时也可以显著更快速地截取能量。
按照燃料电池系统的一种有利的进一步扩展方案，所述控制装置构成为通过改变电化学存储系统的氧化还原活性的分子(或者说活性的氧化还原分子)的至少10％的氧化还原状态来匹配燃料电池系统的电功率。这点改善燃料电池系统的动态的功率匹配。
进一步有利地，所述控制装置构成为通过使电化学存储系统开始还原而使燃料电池系统的电功率上升超过最大的由氧化流体输送单元预定的功率。由此可以要求特别大的电功率。
同样有利地，所述控制装置构成为，在没有激活氧化流体输送单元的情况下通过使电化学存储系统开始还原而提供燃料电池系统的电功率。正好在短的正的能量跳跃的情况下，能量释放可以没有时间延迟地进行。此外，由此保护惰性的氧化流体输送单元。
另一种有利的进一步扩展方案规定，所述控制装置构成为通过过馈入回收能量导致电化学存储系统的再生。这点例如通过激活氧化流体输送单元或者通过给电化学存储系统电化学充电而进行。
有利地，电化学存储系统的再生通过将回收能量馈入到氧化流体输送单元中进行。
此外有利地，所述控制装置构成为根据电化学存储系统的活性的氧化还原分子的物质量来分级地和/或无级地调节泵装置。这点能实现在效率尽可能最高的情况下匹配于燃料电池地运行。如果电化学存储系统在体积恒定的情况下是大的，则电化学存储系统的活性的氧化还原分子的物质量是大的。
此外有利地，所述控制装置构成为，电化学存储系统的活性的氧化还原分子的物质量是小的、亦即例如在电化学存储系统的体积为8L/100kW燃料电池系统功率或者更少的情况下，在正的负载跳跃的情况下立即激活氧化流体输送单元以及通过使电化学存储系统开始还原而提供电功率。由此使在开动氧化流体输送单元时功率亏损最小化并且促进燃料电池系统的较快速的响应特性。
如果电化学存储系统的物质量是大的，例如在电化学存储系统的体积大于8L/100kW燃料电池系统功率的情况下，所述控制装置以有利的方式构成为，在正的负载跳跃的情况下通过使电化学存储系统开始还原而提供电功率并且以数秒、特别是0至20秒、优选1至10秒并且特别优选2至4秒的延迟来激活氧化流体输送单元。因此在需要时可以调用燃料电池系统的足够高的功率并且同时保护惰性的氧化流体输送单元，其中，消耗能量的氧化流体输送单元可以稍后接通并且因此正好在启动燃料电池系统的情况下，准备好燃料电池系统的全部功率(燃料电池组的功率加上氧化还原液流燃料电池的电化学存储系统中的功率)。备选地或附加地可以设有用于柔和地起动氧化流体输送单元的器件或电路(参见图3)。这样的用于柔和地起动的器件是如下器件，所述器件避免或减少在直接驱动时出现的高的起动电流。其中例如包括变频器或者柔和启动器。因此，起动电流和最终起动功率可以减小。为此，为运行氧化流体输送单元所需的最大的电功率可以降低并且设有对此具有较低的功率的相应马达。
按照一种有利的进一步扩展方案，所述控制装置构成为，在负的负载跳跃的情况下将出现的回收能量引向氧化流体输送单元，以用于其激活或运行。这点节省在接着的正的负载跳跃的情况下重新开动氧化流体输送单元时的能量，而不会不利地妨碍燃料电池系统的动态性。
为了改善燃料电池系统的动态的功率匹配，按照本发明的燃料电池系统包括至少一个电池。优选地，电池和存储系统提供必需的功率。因为电化学存储系统同样适合于存储能量，所以在这种情况下电池可以具有较低的电容量或者功率。为此，电池通过电化学存储系统的缓冲作用正好在强烈的功率跳跃的情况下得到保护，这延长电池的寿命。
进一步有利地，所述控制装置构成为在负的负载跳跃的情况下将出现的回收能量引向氧化流体输送单元和/或电池。
为了较快速地提供燃料电池系统的功率，所述控制装置优选构成为，在开动燃料电池系统时或者在冷启动或者结冰启动时减少泵装置的泵功率，以便将燃料电池系统置于运行温度。
本发明也涉及一种机动车，所述机动车包括上面所描述的燃料电池系统。按照本发明的燃料电池系统由于其高的动态性特别良好地适合于使用在机动车中并且因此提供高的行驶动态性和高的行驶舒适性。
针对按照本发明的燃料电池系统描述的进一步扩展方案、优点和效果应用于按照本发明的机动车。
同样地，按照本发明也描述了一种用于运行燃料电池系统的方法，所述燃料电池系统具有多个综合成一个燃料电池组的燃料电池，其中，
-至少一个燃料电池是具有电极装置的氧化还原液流燃料电池，所述电极装置包括可渗透质子的分离器、特别是电解质隔膜，所述分离器设置在阳极区域和阴极区域之间，其中，
-所述氧化还原液流燃料电池具有与电极装置在空间上分开的再生器，并且在与电极装置在空间上分开的再生器中进行氧化还原液流燃料电池的形成水的反应，其中，
-所述氧化还原液流燃料电池还包括至少一个氧化流体输送单元，其用于将氧化流体输送到再生器中，以用于在氧化还原液流燃料电池的再生器中实施形成水的反应，其中，
-所述氧化还原液流燃料电池还包括具有泵装置和泵导管的泵循环，以用于将电化学存储系统运送通过氧化还原液流燃料电池的阴极区域以及再生器，并且电化学存储系统包含活性的氧化还原分子并且构成为吸收和释放电子。
在此，按照本发明的方法包括通过改变电化学存储系统的氧化还原状态匹配燃料电池系统的可用的电和/或热功率的步骤。该步骤如上面所示通过控制装置触发。由于上面提到的原因并且包括已经描述的效果和优点，通过按照本发明的方法可以简单地且以高的功率动态性按照对燃料电池系统的功率要求来控制燃料电池系统。
针对按照本发明的燃料电池系统以及按照本发明的机动车所描述的进一步扩展方案、优点和效果也应用于按照本发明的用于运行燃料电池系统的方法。
根据按照本发明的方法的一种有利的进一步扩展方案，所述方法的特征在于通过改变电化学存储系统的氧化还原活性的分子的至少10％的氧化还原状态来匹配燃料电池系统的电功率的步骤。这点改善燃料电池系统的功率提供的动态性。
为了提供特别大的(超过燃料电池系统的“正常的”功率的)功率，所述方法规定，通过使电化学存储系统开始还原而使燃料电池系统的电功率上升超过最大的由氧化流体输送单元预定的功率。
通过按照一种有利的进一步扩展方案规定的步骤、即在没有激活氧化流体输送单元的情况下通过使电化学存储系统开始还原而提供燃料电池系统的电功率的步骤，正好在短的正的能量跳跃的情况下，能量释放可以没有时间延迟地进行。此外，由此保护惰性的氧化流体输送单元。
进一步优选地，所述方法包括通过馈入回收能量使电化学存储系统再生的步骤。由此得到电化学存储系统至少部分地、优选全部地氧化，从而于是在重新的正的负载情况中通过使电化学存储系统开始还原而能提供燃料电池系统的全部的电功率。
通过根据电化学存储系统的活性的氧化还原分子的物质量分级地和/或无级地调节泵装置，能实现所必需的能量的较精确并且较快速的提供。
进一步有利地，按照本发明的方法规定，如果电化学存储系统的活性的氧化还原分子的物质量小，在正的负载跳跃的情况下立即激活氧化流体输送单元以及通过使电化学存储系统开始还原来提供功率。由此在开动氧化流体输送单元时的功率亏损最小化并且促进燃料电池系统的较快速的响应特性。
如果电化学存储系统的活性的氧化还原分子的物质量大，按照本发明的方法根据一种进一步扩展方案规定，在正的负载跳跃的情况下通过使电化学存储系统开始还原而提供功率并且以数秒、特别是0至20秒、优选1至10秒并且进一步优选2至4秒的延迟来激活氧化流体输送单元。因此在需要时可以调用燃料电池系统的足够高的电功率并且同时保护惰性的氧化流体输送单元。备选地或附加地可以规定用于柔和地起动氧化流体输送单元的器件或电路(参见图3)。这样的用于柔和起动的器件是如下的器件，所述器件避免或减少在直接驱动时出现的高的起动电流。其中例如包括变频器或者柔和启动器。因此，起动电流并且最终起动功率可以减小。此外，为运行氧化流体输送单元所需的最大的电功率可以降低并且设有对此具有较低的功率的相应马达。
为了节省在跟随于负的负载情况的正的负载情况下在重新开动氧化流体输送单元时的能量，而不会不利地妨碍燃料电池系统的动态性，按照所述方法的一种进一步扩展方案规定，在负的负载跳跃的情况下将出现的回收能量引向氧化流体输送单元，以用于其激活或其运行。
为了优化燃料电池系统的功率的动态匹配，所述燃料电池系统包括至少一个电池，其中，在此所述方法这样进一步扩展，即，在负的负载跳跃的情况下将出现的回收能量引向给氧化流体输送单元和/或电池。由此在强烈的功率跳跃时保护电池，这延长电池的寿命。
为了较快速地提供燃料电池系统的功率，所述方法优选这样进一步扩展，即，在开动燃料电池系统时、在冷启动或者在结冰启动时，减少泵装置的泵功率，以便使燃料电池系统置于运行温度。
由于按照本发明的解决方案及其进一步扩展方案而得出以下优点：
-提供高动态的、功率强且快速响应的燃料电池系统。
-燃料电池系统可以提供上升超过传统的燃料电池系统的“正常”功率的功率。
-功率亏损、特别是在开动燃料电池系统时的功率亏损被优化地抑制。
-氧化流体需要的控制通过氧化流体流的再调节的选项而简化。
-超比例的能量消耗通过开动氧化流体输送单元特别是在高的负载要求时被避免。
-回收能量可以用于输送氧化流体。
-通过将回收能量存储在电化学存储系统中，能量可以被优化地节省和再生。
-可能设有的高压蓄能器、如电池可以受保护地运行并且其特征在于高的寿命。
-对高压蓄能器的电容量或功率的要求较低。
-提供一种具有高的行驶舒适性和大的功率动态性的机动车。
附图说明
本发明的其他细节、特征和优点由以下说明和附图给出。图中：
图1示出氧化还原液流燃料电池的总示意图，
图2示出按照本发明的控制装置的控制拓扑的示意图，
图3示出按照本发明的有利的第一进一步扩展方案的燃料电池系统的功率曲线的示意性示图，
图4示出本发明的有利的第二进一步扩展方案的燃料电池系统的功率曲线的示意性示图，
图5示出本发明的有利的第三进一步扩展方案的燃料电池系统的功率曲线的示意性示图，以及
图6示出用于冷起动/结冰起动的电流密度-燃料电池电压曲线的示意性示图。
具体实施方式
在附图中仅示出本发明的这里感兴趣的方面，所有其余方面出于清楚性而被省去。
图1示出氧化还原液流燃料电池10的示意图，所述氧化还原液流燃料电池包括具有阳极区域1和阴极区域2的电极装置，电极装置通过可渗透质子的分离器相互分开。氧化还原液流燃料电池10还包括一个再生器R，所述再生器与电极装置在空间上分开并且通过泵循环3相互连接。在再生器R中发生氧化还原液流燃料电池的形成水的反应。为此，通过泵循环3运送电化学存储系统并且借助于输送装置4、例如泵装置在阴极区域2和再生器R之间循环。电化学存储系统存储和运送电子，电化学存储系统在流过负载之后在阴极区域2中吸收所述电子，并且将这些电子引向再生器R，在那里这些电子与质子和氢反应成水。
换言之，通过在阳极区域1中的电化学反应释放电子，所述电子在负载过流之后在阴极区域2中被电化学存储系统吸收，所述电化学存储系统因此过渡到还原的状态中。电化学存储系统于是通过泵循环3运送至再生器R。这里如果为再生器R也引导氧化流体和质子，则电化学存储系统在放出电子的情况下过渡到氧化的状态中。基于有针对性地控制电化学存储系统的氧化还原状态的改变，按照本发明可以匹配包含所述氧化还原液流燃料电池10的燃料电池系统的电功率。
图2示出按照本发明的控制装置5的控制拓扑的示意图。控制装置5在此规定，控制电气负载、亦即电气消耗器6、氧化流体输送单元7、用于电化学存储系统的输送装置4以及获取用于电化学存储系统的温度传感器8的数据。可选地，控制装置也可以控制冷却剂泵并且接收氧化状态传感器的数据，所述氧化状态传感器给出关于电化学存储系统的氧化状态的情况。
图3示出按照本发明的有利的第一进一步扩展方案的燃料电池系统的重要的功率曲线的示意性示图。详细地，相对于时间以秒为单位地绘出了燃料电池系统的各个部件的功率或者功率需求。
燃料电池系统这里包括多个堆叠成一个燃料电池组的燃料电池，其中，至少一个燃料电池是氧化还原液流燃料电池。燃料电池系统无须包括高压蓄能器。此外，燃料电池系统具有大物质量的活性的氧化还原分子。
由于电化学存储系统的活性的氧化还原分子的大的物质量，可以以时间上的延迟(例如0至20秒、优选1至10秒和进一步优选2至4秒)接通氧化流体输送单元，从而正好在启动燃料电池系统时无须能量花费到开始运行氧化流体输送单元上，所述能量削弱燃料电池系统的总功率。由氧化流体输送单元吸收的并且系统的总功率所缺少的功率在曲线C中示出。能清楚地看到，这里设有氧化流体输送单元的柔和的起动(Anlauf)。
曲线A示出整个燃料电池组的电功率、所述燃料电池组例如包括“正常的”燃料电池和氧化还原液流燃料电池。在最小的开动时间之后(该开动时间相对于仅包含“正常的”燃料电池的传统的燃料电池系统开动时间)，就提供恒定的由电极反应产生的功率。通过如下方式得到非常短的开动时间，在开动燃料电池系统时附加地释放存储在电化学存储系统中的电化学能量。否则也应以燃料电池组的功率上升的更大的时间延迟来计算。为了燃料电池组的功率的恒定性，此外必需接通氧化流体输送单元，以便使再生器利用氧化流体。作为电气消耗器，氧化流体输送单元抽取总系统功率(参见曲线C)，这在燃料电池系统的功率曲线B在超过最大值之后的下降中可见。由此产生的阴影区域D是如下能量，所述能量通过延迟地接通氧化流体输送单元提供给消耗器、例如机动车。
图4示出按照本发明的有利的第二进一步扩展方案的燃料电池系统的重要的功率曲线的示意性示图。
与图3中的燃料电池系统不同地，图4中的燃料电池系统还包括高压蓄能器、例如电池。
曲线E示出通过高压蓄能器引起的功率的值。能看到的是，高压蓄能器、如传统的燃料电池也不能在开动燃料电池系统时没有时间延迟地提供功率。这点以曲线E、高压蓄能器的功率曲线的缓慢上升来表现。该功率亏损又通过电化学存储系统来补偿，这引起包括燃料电池系统(曲线B)的功率和高压蓄能器(曲线E)的总功率(曲线F)立即上升到最大值。最大达到的总功率(曲线F)通过高压蓄能器(曲线E)的协作而大于图3中的总功率。燃料电池系统的功率曲线(曲线B)类似于图3中的曲线并且示出燃料电池系统的功率曲线(曲线B)在超过最大值之后下降，这归因于时间延迟地接通作为电气消耗器的氧化流体输送单元。图4还包括曲线I，该曲线示出按照传统的燃料电池系统的高压蓄能器的功率。能看到的是，高压蓄能器的功率必需非常强烈地不断提高，以便获得相应的总功率(曲线F)。这点通过阴影区域H示出。传统地控制燃料电池系统因此导致高压蓄能器的老化。
图5示出按照本发明的有利的第三进一步扩展方案的燃料电池系统的重要的功率曲线的示意性示图。详细地，再次相对于时间以秒为单位地绘出了燃料电池系统的各个部件的功率。
燃料电池系统包括如在图3中多个堆叠成一个燃料电池组的燃料电池，其中，至少一个燃料电池是氧化还原液流燃料电池。燃料电池系统可以包括高压蓄能器。此外，燃料电池系统与图3和4中的燃料电池系统不同地具有小的物质量的活性的氧化还原分子。
由于电化学存储系统的小物质量的活性的氧化还原分子，氧化流体输送单元在时间延迟的情况下接通，从而正好在启动燃料电池系统的情况下可以快速地提供燃料电池系统的足够的功率。氧化流体输送单元的触发的时间延迟这里是不利的，因为由于小的物质量的活性的氧化还原分子，电化学存储系统仅可以在期限短的时间从中调用电化学功率。
如在图3中燃料电池组(曲线A)的功率立即上升，这应归因于燃料电池组、例如包括“正常的”燃料电池和氧化还原液流燃料电池的组合的功率。但因为现在氧化流体输送单元在没有时间延迟的情况下运行(zufahren)，在燃料电池系统(曲线B)的氧化流体输送单元的小的起动时间之后较快速地抽取功率。这点表示为曲线B的平台B。为了起动氧化流体输送单元，相对于持久地保持氧化流体输送单元的运行而要求更高的功率值，这点能以经过曲线C中的最大值而看出。因此，燃料电池系统的功率(曲线B)相对于燃料电池组的功率(曲线A)减少。例如在燃料电池组的标称功率(曲线A)为约100kW的情况下，在不使用用于柔和起动的器件、如变频器、柔和启动器等而直接运行时需要标称功率为约25kW并且最大起动功率为约30kW的氧化流体输送单元。
图6示出电流密度-燃料电池电压曲线的示意图。相对于以[A/cm2]为单位的电流密度j绘出燃料电池电压U[V]。下面的曲线示出在反应物浓度低时的极化曲线。上面的曲线示出在反应物浓度高时的极化曲线。标出的点X和Y是具有相同电功率潜能的运行点。在反应物浓度减小的情况下，在电流密度相同时提高反应的活性超压和浓度超压(按照巴特勒-伏尔摩方程)。由此产生更多的热量和更少的电功率。这点导致系统的较小的电气效率。附加地，在温度低时增强所述效果。
本发明的上述说明仅出于示意性目的并且不出限制本发明的目的。在本发明的范围内能够不同地改变和改进而不离开本发明及其等效物的范围。
附图标记列表
1 阳极区域
2 阴极区域
3 泵循环
4 输送装置
5 控制装置
6 电气负载
7 氧化流体输送单元
8 用于电化学存储系统的温度传感器
10 氧化还原液流燃料电池
R 再生器
S 可渗透质子的分离器

Claims (23)

1.燃料电池系统，其具有多个综合成一个燃料电池组的燃料电池，其特征在于，
-至少一个燃料电池是具有电极装置的氧化还原液流燃料电池(10)，所述电极装置包括可渗透质子的分离器(S)，所述分离器设置在阳极区域(1)和阴极区域(2)之间，其中，
-所述氧化还原液流燃料电池(10)具有与电极装置在空间上分开的再生器(R)，并且在再生器(R)中进行氧化还原液流燃料电池(10)的形成水的反应，其中，
-所述氧化还原液流燃料电池(10)还包括至少一个氧化流体输送单元(7)，其用于将氧化流体输送到再生器(R)中，以用于在氧化还原液流燃料电池(10)的再生器(R)中实施形成水的反应，其中，
-所述氧化还原液流燃料电池(10)还包括具有泵装置和泵导管的泵循环(3)，以用于将电化学存储系统运送通过氧化还原液流燃料电池(10)的阴极区域(2)以及再生器(R)，并且电化学存储系统包含活性的氧化还原分子并且构成为吸收和释放电子，
并且所述燃料电池系统还包括控制装置(5)，所述控制装置构成为通过改变电化学存储系统的氧化还原状态匹配燃料电池系统的可用的电和/或热功率。
2.按照权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述控制装置(5)构成为通过改变电化学存储系统的氧化还原活性的分子的至少10％的氧化还原状态来匹配燃料电池系统的电功率。
3.按照权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述控制装置(5)构成为通过使电化学存储系统开始还原而使燃料电池系统的电功率上升超过最大的由氧化流体输送单元(7)预定的功率。
4.按照权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述控制装置(5)构成为在没有激活氧化流体输送单元(7)的情况下通过使电化学存储系统开始还原而提供燃料电池系统的电功率。
5.按照权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述控制装置(5)构成为通过馈入回收能量导致电化学存储系统的再生。
6.按照权利要求5所述的燃料电池系统，其特征在于，电化学存储系统的再生通过将回收能量馈入到氧化流体输送单元(7)中进行。
7.按照权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述控制装置(5)构成为根据电化学存储系统的活性的氧化还原分子的物质量而分级地和/或无级地调节泵装置。
8.按照权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述控制装置(5)构成为如果电化学存储系统的活性的氧化还原分子的物质量小，在正的负载跳跃的情况下立即激活氧化流体输送单元(7)以及通过使电化学存储系统开始还原来提供功率，和/或
其特征在于，所述控制装置(5)构成为，如果电化学存储系统的活性的氧化还原分子的物质量大，在正的负载跳跃的情况下通过使电化学存储系统开始还原而提供功率并且以数秒的延迟来激活氧化流体输送单元(7)。
9.按照权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述控制装置(5)构成为在负的负载跳跃的情况下将出现的回收能量引向氧化流体输送单元(7)，以用于其激活。
10.按照权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中，所述燃料电池系统具有用于柔和地起动氧化流体输送单元的器件和/或电路。
11.按照权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述控制装置(5)构成为在开动燃料电池系统时减少泵装置的泵功率，以便使燃料电池系统置于运行温度。
12.机动车，包括按照权利要求1至11之一所述的燃料电池系统。
13.用于运行燃料电池系统的方法，所述燃料电池系统具有多个综合成一个燃料电池组的燃料电池，其中，
-至少一个燃料电池是具有电极装置的氧化还原液流燃料电池(10)，所述电极装置包括可渗透质子的分离器(S)，所述分离器设置在阳极区域(1)和阴极区域(2)之间，其中，
-所述氧化还原液流燃料电池(10)具有与电极装置在空间上分开的再生器(R)，并且在再生器(R)中进行氧化还原液流燃料电池(10)的形成水的反应，其中，
-所述氧化还原液流燃料电池(10)还包括至少一个氧化流体输送单元(7)，其用于将氧化流体输送到再生器(R)中，以用于在氧化还原液流燃料电池(10)的再生器(R)中实施形成水的反应，其中，
-所述氧化还原液流燃料电池(10)还包括具有泵装置和泵导管的泵循环(3)，以用于将电化学存储系统运送通过氧化还原液流燃料电池(10)的阴极区域(2)以及再生器(R)，并且电化学存储系统包含活性的氧化还原分子并且构成为吸收和释放电子，
其中，所述方法包括通过改变电化学存储系统的氧化还原状态来匹配燃料电池系统的可用的电和/或热功率的步骤。
14.按照权利要求13所述的方法，其特征在于通过改变电化学存储系统的氧化还原活性的分子的至少10％的氧化还原状态来匹配燃料电池系统的电功率的步骤。
15.按照权利要求13或14所述的方法，其特征在于通过使电化学存储系统开始还原而使燃料电池系统的电功率上升超过最大的由氧化流体输送单元(7)预定的功率的步骤。
16.按照权利要求13或14所述的方法，其特征在于在没有激活氧化流体输送单元(7)的情况下通过使电化学存储系统开始还原而提供燃料电池系统的电功率的步骤。
17.按照权利要求13或14所述的方法，其特征在于通过馈入回收能量使电化学存储系统再生的步骤。
18.按照权利要求17所述的方法，其特征在于，使电化学存储系统再生的步骤通过将回收能量馈入到氧化流体输送单元(7)中而进行。
19.按照权利要求13或14所述的方法，其特征在于根据电化学存储系统的活性的氧化还原分子的物质量分级地和/或无级地调节泵装置的步骤。
20.按照权利要求13或14所述的方法，其特征在于，如果电化学存储系统的活性的氧化还原分子的物质量小，在正的负载跳跃的情况下立即激活氧化流体输送单元(7)以及通过使电化学存储系统开始还原来提供电功率，和/或
其特征在于，如果电化学存储系统的活性的氧化还原分子的物质量大，在正的负载跳跃的情况下通过使电化学存储系统开始还原而提供电功率并且以数秒的延迟来激活氧化流体输送单元(7)。
21.按照权利要求13或14所述的方法，其特征在于，在负的负载跳跃的情况下将出现的回收能量引向氧化流体输送单元(7)，以用于其激活。
22.按照权利要求13或14所述的方法，其特征在于，所述燃料电池系统具有用于柔和地起动氧化流体输送单元的器件和/或电路。
23.按照权利要求13或14所述的方法，其特征在于，在开动燃料电池系统时减少泵装置的泵功率，以便使燃料电池系统置于运行温度。
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