EP3042414A1 - Fuel cell system, motor vehicle containing a fuel cell system, and method for operating a fuel cell system - Google Patents

Fuel cell system, motor vehicle containing a fuel cell system, and method for operating a fuel cell system

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EP3042414A1
EP3042414A1 EP14758585.5A EP14758585A EP3042414A1 EP 3042414 A1 EP3042414 A1 EP 3042414A1 EP 14758585 A EP14758585 A EP 14758585A EP 3042414 A1 EP3042414 A1 EP 3042414A1
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EP
European Patent Office
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fuel cell
cell system
electrochemical storage
storage system
redox
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP14758585.5A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Sylvester Burckhardt
Stefan Haase
Stefan Kreitmeier
Johannes Schmid
Robert Longman
Andrew Martin Creeth
Nicholas DE BRISSAC BAYNES
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bayerische Motoren Werke AG
University of Chester
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
Acal Energy Ltd
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • Fuel cell system motor vehicle containing a fuel cell system and method for operating a fuel cell system
  • the present invention relates to a fuel cell system and a motor vehicle containing such a fuel cell system as well as a method for operating a fuel cell system.
  • Fuel cell systems are known in many designs. All fuel cell systems have in common that they have only limited dynamics, which is usually limited by a limited controllability of the Oxid michsfiuideauteil contained in the fuel cell system.
  • a fuel cell system in a motor vehicle is thus, just to provide sufficient energy in an acceleration process (positive load step), or even to recuperate in case of a negative load jump energy, a high degree of hybridization of fuel cell and high-voltage storage, and thus a high-voltage storage (Battery) with high power, necessary.
  • Battery high-performance batteries are also characterized by a high weight and a large structural volume, which is particularly disadvantageous for use in lightweight construction.
  • there are still performance deficits in particular during the acceleration process of a motor vehicle, due to slow start-up times or reaction times of the Oxidationsfiuideautechnik and thus a poor fuel cell system dynamics.
  • the object is achieved in a fuel cell system according to the invention in that the fuel cell system comprises a plurality of fuel cells combined into a fuel cell stack, wherein
  • At least one fuel cell is a redox flow fuel cell with an electrode assembly, with a proton-permeable
  • Separator for example, an electrolyte membrane, which is arranged between an anode region and a cathode region, wherein
  • the redox flow fuel cell has a spatially separated from the electrode assembly regenerator and a water-forming reaction of the redox flow fuel cell takes place in the regenerator, wherein
  • the redox flow fuel cell further at least one
  • Oxidizing fluid delivery unit for supplying oxidizing fluid to the regenerator for carrying out the water-forming reaction in the regenerator
  • Regenerator of the redox flow fuel cell comprising, wherein
  • the redox flow fuel cell further comprises a pump circuit with a pump device and a pump line, for transporting an electrochemical storage system through the cathode region or the anode region of the redox flow fuel cell and the regenerator, and the electrochemical storage system contains active redox molecules and is adapted to receive electrons and leave.
  • the fuel cell system according to the invention comprises, as a further component essential to the invention, a control device which is designed to adapt an available electrical and / or thermal power of the fuel cell system by changing a redox state of the electrochemical storage system.
  • the redox flow fuel cell differs from "normal" fuel cells in that the water-forming reaction, ie the formation of water from protons, electrons and oxygen, spatially outsourced, and thus not adjacent to the separator and the anode region opposite cathode area, but in One of these, spatially separate, but connected via a corresponding transport system with the other components of the fuel cell system, so-called regenerator takes place.
  • the regenerator are the transport generated in the anode region and passed through the proton permeable separator in the cathode region protons, and generated and usually
  • the circuit for transporting the protons may be identical to the pumping circuit for conducting the electrochemical storage system through the cathode region of the redox flow fuel cell but also represent a separate cycle.
  • the oxidation fluid required for the water-forming reaction ie generally an oxidizing agent, for example air or an oxidizing gas, such as oxygen, or a corresponding liquid (collectively referred to as "oxidizing fluid" is fed to the regenerator via at least one oxidizing fluid delivery unit, eg a compressor ,
  • An electrochemical storage system contains chemical, redox-active molecules or active redox molecules, which may be present both in reduced form and in oxidized form, both forms forming a redox couple and wherein the electrochemical storage system one and / or more electrons per redoxzinem molecule can record or submit.
  • the electrochemical storage system is located preferably as a solution of the redox-active molecules and serves to store and transport electrons.
  • the active redox molecule itself or a solvent contained in the electrochemical storage system transports protons.
  • the electrochemical storage system exhibits a low electrical conductivity. Further preferably, the electrochemical storage system does not discharge itself or only very slowly.
  • the fuel cell system according to the invention may comprise one or more control devices.
  • a control device is designed so that it can initiate a change in the redox state of the electrochemical storage system and thus adapt the electrical and / or thermal performance of the fuel cell system.
  • the information about the electrical state of the electrochemical storage system and other parameters such as liquid level, temperatures, pressures, pH, conductivity, etc., are provided to the control unit via sensors and / or model calculations available.
  • the electrochemical storage system is transferred from the oxidized state to the reduced state. This is done by promoting the anode reaction of the redox flow fuel cell. The electrons released thereby are taken up by the electrochemical storage system after passing through a load in the cathode region. In other words, a ratio of the reduced form of the electrochemical storage system and the oxidized form of the electrochemical storage system is adjusted in favor of the reduced form. If, for example, the ratio of the reduced form and the oxidized form approaches infinity, then from this point on only so many electrons can be taken up as are released again in the regenerator. This corresponds to a maximum continuous power of the fuel cell system.
  • recuperation negative load case
  • a ratio of the reduced form of the electrochemical storage system and the oxidized form of the electrochemical storage system is adjusted in favor of the oxidized form.
  • the control device is thus arranged to control the anode reaction (release of electrons) independently of the water-forming reaction (consumption of electrons) by altering the redox state of the electrochemical storage system and thus to adapt the redox state of the electrochemical storage system to the power requirements of the fuel cell system.
  • the electrochemical storage system serves as a so-called “buffer” for electrons.
  • the control unit can regulate the concentration of the redox-active molecules or active redox molecules, the solvent balance (eg water) and a level of the electrochemical storage molecule in the pumping circuit, for example Temperatures and / or efficiency of an optional solvent recovery unit (condenser).
  • a positive load case that is, when power is requested by an external load or a load, now in addition to the "normal" fuel cell reaction with conventional generation of water through Combination of the cathode reaction and anode reaction, and thus production of energy, electrons are taken up by the electrochemical storage system or cached until they are dissipated at lower loads on the water-forming reaction.
  • the electrochemical storage system changes from the oxidized state to the reduced state. The performance of the redox flow fuel cell is thus temporarily increased compared to a conventional fuel cell.
  • control device By the property of the control device to change the redox state of the electrochemical storage system and to adapt the power requirements to the fuel cell system, a fuel cell system with dynamic power adjustment is thus obtained, which can also serve very high power requests in the short term. Also, thus energy can be tapped significantly faster when starting the fuel cell system.
  • control device is designed to adjust the electrical power of the fuel cell system by changing the redox state of at least 10% of the redox-active molecules (or active redox molecules) of the electrochemical storage system. This improves the dynamic power adjustment of the fuel cell system.
  • control device is designed to increase the electrical power of the fuel cell system over the maximum, predetermined by the Oxidationsfluideautechnik power by initiating a reduction of the electrochemical storage system. As a result, a particularly large electrical power can be queried.
  • control device is designed to control the electrical power of the fuel cell system without activating the oxidation fluid delivery unit by initiating a reduction of the to provide electrochemical storage system. Especially with short, positive load jumps, an energy release can take place without a time delay. In addition, this protects the inert oxidation fluid delivery units.
  • control device is designed to bring about regeneration of the electrochemical storage system by feeding recuperation energy. This is done, for example, by activation of the oxidation fluid delivery unit or by electrochemical charging of the electrochemical storage system.
  • the regeneration of the electrochemical storage system advantageously takes place by feeding recuperation energy into the oxidation fluid delivery unit.
  • control device is designed to regulate the pumping device in stages and / or continuously as a function of a molar amount of the active redox molecules of the electrochemical storage system. This allows operation adapted to the fuel cell with the highest possible efficiency.
  • the amount of the active redox molecules of the electrochemical storage system is large when the concentration of the electrochemical storage system at a constant volume is large.
  • control device is formed, provided that the molar amount of the active redox molecules of the electrochemical storage system is small, so for example at a volume of the electrochemical storage system of 8 or less L / 100kW fuel cell system performance, in the case of a positive load jump to activate the Oxidationsfluideauiser immediately and electrical power through Initiate a reduction of the electrochemical storage system.
  • power deficits are minimized when starting the Oxidationsfluid worseaji and promoted faster response of the fuel cell system.
  • the controller is advantageously designed to provide electrical power in the event of a positive load jump by initiating a reduction of the electrochemical storage system and the oxidizing fluid delivery unit a delay of several seconds, in particular from 0 to 20 seconds, preferably from 1 to 10 seconds and more preferably from 2 to 4 seconds to activate.
  • a sufficiently high performance can be obtained from the fuel cell system and at the same time the inert oxidizing fluid delivery unit can be switched on, whereby the energy-consuming Oxidationsfluideauieri can be switched later and thus just at the start of the fuel cell system, the full performance of the fuel cell system (power of the fuel cell stack plus power from the electrochemical storage system the redox flow fuel cell) is ready.
  • a means or a circuit for smooth start of the Oxidationsfluid cruvik be provided (see Fig .. 3).
  • Such soft starting means are means which avoid or reduce the high starting currents occurring in direct drive. These include, for example, frequency inverters or soft starters. Thus, the starting currents and ultimately the starting power can be reduced.
  • the maximum electric power required for the operation of the oxidizing fluid delivery unit can be reduced, and a corresponding motor for this can be provided at a lower power.
  • control device is designed, in the case of a negative load jump, to supply an accumulated recuperation energy to the oxidation fluid delivery unit for its activation or operation. This saves energy when re-starting the Oxidationsfluideau in the event of a subsequent positive load jump, without the dynamics of the fuel cell system is adversely affected.
  • Fuel cell system at least one battery.
  • the battery and the storage system provide the required power.
  • the battery since the electrochemical storage system is also capable of storing energy, the battery may have a lower capacity.
  • the battery is spared by the buffering effect of the electrochemical storage system, especially at high power jumps, which extends the life of the battery.
  • control device is designed to supply in the case of a negative load jump, the accumulated Rekuperationsenergie the Oxidationsfluideautechnik and / or the battery.
  • control device is preferably designed to reduce a pumping power of the pumping device during startup of the fuel cell system or during cold start or frost start in order to bring the fuel cell system up to operating temperature.
  • the present invention also relates to a motor vehicle comprising a fuel cell system as described above.
  • the fuel cell system according to the invention is particularly well suited for use in a motor vehicle due to its high dynamics and thus provides a high driving dynamics and great ride comfort.
  • a method for operating a fuel cell system with a plurality of combined into a fuel cell stack fuel cell wherein - At least one fuel cell is a redox flow fuel cell, with an electrode assembly, with a proton-permeable separator, in particular an electrolyte membrane, between a
  • Anode region and a cathode region is arranged, wherein
  • the redox flow fuel cell has a spatially separated from the electrode assembly regenerator and a water-forming reaction of the redox flow fuel cell takes place in the spatially separated from the electrode assembly regenerator, wherein
  • the redox flow fuel cell further at least one
  • Oxidizing fluid delivery unit for supplying oxidizing fluid to the regenerator for carrying out the water-forming reaction in the regenerator
  • Regenerator of the redox flow fuel cell comprising, wherein
  • the redox flow fuel cell further comprises a pump circuit with a pump device and a pump line, for transporting an electrochemical storage system through the cathode region or the anode region of the redox flow fuel cell and the regenerator, and the electrochemical storage system contains active redox molecules and is adapted to receive electrons and leave.
  • the method according to the invention comprises the step of adapting an available electrical and / or thermal power of the fuel cell system by changing a redox state of the electrochemical storage system.
  • This step is initiated by a controller.
  • a fuel cell system can be controlled simply and with high power dynamics according to the performance requirements of the fuel cell system by the method of the present invention.
  • the method provides for increasing the electrical power of the fuel cell system beyond the maximum power given by the oxidizing fluid delivery unit by initiating a reduction of the electrochemical storage system.
  • the method comprises the step of regenerating the electrochemical storage system by feeding recuperation energy.
  • an at least partial, preferably complete, oxidation of the electrochemical storage system is obtained, so that the complete, electrical power of the fuel cell system can then be provided in a renewed positive load case by initiating a reduction of the electrochemical storage system.
  • the inventive method further provides advantageous that, if the molar amount of the active redox molecules of the electrochemical storage system is small, in the case of a positive load jump, the Oxidationsfiuideauoeuvre activated immediately and power is provided by initiating a reduction of the electrochemical storage system. As a result, power deficits are minimized when starting the Oxidifugfiuideautechnik and promoted faster response of the fuel cell system.
  • the method according to the invention provides, in the case of a positive load jump, to provide power by initiating a reduction of the electrochemical storage system and the oxidizer feed unit with a delay of several seconds, in particular from 0 to 20 Seconds, preferably from 1 to 10 seconds, and more preferably from 2 to 4 seconds.
  • a sufficiently high electric power can be obtained from the fuel cell system and at the same time the slow Oxidationsfiuid bridgeillon be spared.
  • a means or a circuit for smooth start of the Oxidungsfiuid dressaku be provided (see Fig. 3).
  • Such soft starting means are means which avoid or reduce the high starting currents occurring in direct drive. These include, for example, frequency inverters or soft starters. Thus, the starting currents and ultimately the starting power can be reduced. In addition, the maximum electric power required for the operation of the oxidizing fluid conveying unit can be reduced, and a corresponding motor for this can be provided at a lower power.
  • the fuel cell system comprises at least one battery, in which case the method is developed in such a way that in the case of a negative load jump, the accumulated recuperation energy of the Oxidationsfluideautechnik and / or the battery is supplied. As a result, the battery is spared in case of strong performance jumps, which extends the life of the battery.
  • the method is preferably developed such that when starting the fuel cell system, cold start or frost start, a pumping power of the pump device is reduced to bring the fuel cell system to operating temperature.
  • the fuel cell system may provide increased performance beyond the "normal" performance of a conventional fuel cell system.
  • recuperation energy in the electrochemical storage system energy can be optimally saved and regenerated.
  • Any intended high-voltage storage such as batteries, can be operated more gently and are characterized by a long service life.
  • a motor vehicle with high ride comfort and high power dynamics is provided.
  • Figure 2 is a schematic of a control topology of an inventive
  • Figure 3 is a schematic representation of the performance curves of a
  • FIG. 4 shows a schematic representation of performance curves of a fuel cell system according to a second advantageous development of the invention
  • Figure 5 is a schematic representation of power curves
  • Figure 6 is a schematic representation of current density cell voltage curves for a cold start / frost start.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a redox fuel cell 10, which comprises an electrode arrangement with an anode region 1 and a cathode region 2, which are separated from one another by a proton-permeable separator S.
  • the redox fuel fuel cell 10 further includes a regenerator R which is spatially separated from the electrode assembly and communicates with each other through a pump circuit 3.
  • the regenerator R the water-forming reaction of the Redoxfiow fuel cell takes place.
  • an electrochemical storage system is transported via the pumping circuit 3 and circulated between the cathode region 2 and the regenerator R by means of a conveying device 4, for example a pumping device.
  • the electrochemical storage system stores and transports electrons that it receives after passing through a load in the cathode region 2, and supplies them to the regenerator R, where they react with protons and oxygen to form water.
  • the electrochemical reaction in the anode region 1 releases electrons which, after passing through a load, are absorbed by the electrochemical storage system in the cathode region 2 become, which thus goes into a reduced state.
  • the electrochemical storage system is then transported via the pumping circuit 3 to the regenerator R. If the regenerator R is also supplied with oxidizing fluid and protons, the electrochemical storage system transfers to the oxidized state with the release of electrons. Based on the targeted control of the change in the redox state of the electrochemical storage system according to the invention, the electrical power of a fuel cell system containing this Redoxfiow fuel cell 10 can be adjusted.
  • FIG. 2 shows a diagram of the control topology of the control device 5 according to the invention.
  • the control device 5 is provided here for controlling an electrical load, ie an electrical load 6, an oxidation fluid delivery unit 7, a delivery device for the electrochemical storage system 4 and data for a temperature sensor for the electrochemical storage system 8 to get.
  • the controller may also control a coolant pump and receive data of an oxidation state sensor that provides information about the oxidation state of the electrochemical storage system.
  • Figure 3 shows a schematic representation of the relevant performance curves of a fuel cell system according to a first advantageous embodiment of the invention.
  • the power or the power requirement of the individual components of the fuel cell system is plotted against the time in seconds.
  • the fuel cell system here comprises a plurality of fuel cells stacked to form a fuel cell stack, at least one fuel cell being a redox fuel cell.
  • the fuel cell system does not need to include high-voltage storage.
  • the fuel cell system has a large amount of active substance redox molecules.
  • a Oxidungsfiuid bridgeiser with time delay for example 0 to 20 seconds, preferably 1 to 10 seconds and more preferably 2 to 4 seconds
  • time delay for example 0 to 20 seconds, preferably 1 to 10 seconds and more preferably 2 to 4 seconds
  • the power consumed by the oxidation fluid delivery unit and missing from the overall performance of the system is shown in curve C. It can clearly be seen that a gentle start of the oxidation-fluid delivery unit is provided here.
  • Curve A shows the electric power of the entire fuel cell stack, for example, from "normal" fuel cells and redox flow fuel cells.
  • the oxidation fluid delivery unit draws power from the overall system (see curve C), which is evident in the drop in the power curve B of the fuel cell system when a maximum is exceeded.
  • the resulting shaded area D is the energy available to a consumer, such as a motor vehicle, by delaying the delivery of the oxidizing fluid delivery unit.
  • Figure 4 shows a schematic representation of the relevant performance curves of a fuel cell system according to a second advantageous embodiment of the invention.
  • the fuel cell system from FIG. 4 further comprises a high-voltage accumulator, for example a battery.
  • Curve E shows the contribution to power provided by the high-voltage storage. It can be seen that the high-voltage storage, as well as conventional fuel cells also, is not able to provide power at start-up of the fuel cell system without a time delay. This manifests itself in a slow increase in the curve E, the power curve of the high-voltage accumulator. This power deficit is in turn balanced by the electrochemical storage system, causing an immediate increase in overall performance (curve F) from fuel cell system performance (curve B) and high-voltage memory (curve E) performance to a maximum. The maximum total output (curve F) is greater than that of FIG. 3 due to the cooperation of the high-voltage accumulator (curve E).
  • the power curve of the fuel cell system (curve B) is analogous to that of FIG. 3 and shows a drop in the power curve of the fuel cell system (curve B) after exceeding a maximum, which is due to a delayed activation of an oxidation fluid delivery unit as an electrical consumer.
  • FIG. 4 further comprises curve I, which shows the performance of a high-voltage accumulator according to a conventional fuel cell system. It can be seen that the power of the high-voltage memory has to be raised very high in order to obtain the corresponding overall power (curve F). This is indicated by the hatched area H. The conventional control of a fuel cell system thus leads to the degradation of the high-voltage storage.
  • Figure 5 shows a schematic representation of the relevant performance curves of a fuel cell system according to a third advantageous embodiment of the invention.
  • the performance of each Components of the fuel cell system plotted against time in seconds.
  • the fuel cell system comprises a plurality of fuel cells stacked to form a fuel cell stack, wherein at least one fuel cell is a redox flow fuel cell.
  • the fuel cell system may include a high-voltage storage.
  • the fuel cell system has a small amount of active substance in redox molecules.
  • the Oxidationsfluidiereü is switched on without delay, so that just at the start of the fuel cell system quickly sufficient power of the fuel cell system can be provided.
  • a time delay of the initiation of the oxidation fluid delivery unit would be disadvantageous here, since due to the small amount of active substance redox molecules electrochemical storage system electrochemical performance can be retrieved only for a short period of time.
  • the performance of the fuel cell stack increases immediately, due to the performance of the fuel cell stack, for example, the combination of "normal" fuel cells and redox flow fuel cells, but now that the oxidation fluid delivery unit is shut down without any time delay This is manifested in a plateau G of the curve B.
  • a higher amount of power is required in comparison to permanently maintaining the operation of the oxidation fluid delivery unit, which results in a throughput of the oxidation fluid delivery unit Maximum is seen in the curve C. Consequently, the performance of the fuel cell system (curve B) is reduced compared to the power of the fuel cell stack (curve A), for example, at a rated power of a fuel cell stack (curve A). from about 100kW one 25 kW and with a maximum starting power of approx. 30 kW in direct operation without the use of means for soft starting such as converters, soft starters, etc.
  • Figure 6 is a schematic representation of current density cell voltage curves.
  • the cell voltage U [V] is plotted against the current density j in [A / cm 2 ].
  • the lower curve shows a polarization curve at low educt concentration.
  • the upper curve shows a polarization curve at high educt concentration.
  • the drawn points X and Y are operating points with the same electric power potential.
  • the activation overvoltage and the concentration overvoltage of the reaction increase at the same current density (according to the Butler-Volmer equation). This will produce more heat and less electrical power. This leads to a lower electrical efficiency of the system. In addition, this effect is enhanced at low temperatures.

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Abstract

The invention relates to a fuel cell system, comprising a plurality of fuel cells combined to form a fuel cell stack. The fuel cell system is characterized in that at least one fuel cell is a redox flow fuel cell having an electrode assembly, which electrode assembly has a proton-permeable separator, which separator is arranged between an anode region and a cathode region. The redox flow fuel cell has a regenerator spatially separated from the electrode assembly, and a water-forming reaction of the redox flow fuel cell occurs in the regenerator. The redox flow fuel cell also comprises at least one oxidation-fluid conveying unit for feeding oxidation fluid into the regenerator in order to perform the water-forming reaction in the regenerator of the redox flow fuel cell. The redox flow fuel cell also comprises a pumping circuit, comprising a pumping device and a pumping line, for transporting an electrochemical storage system through the cathode region or the anode region of the redox flow fuel cell and through the regenerator. The electrochemical storage system contains active redox molecules and is designed to receive and release electrons. The fuel cell system also comprises a control device, which is designed to adjust an available electrical and/or thermal power of the fuel cell system by changing a redox state of the electrochemical storage system.

Description

Brennstoffzellensystem, Kraftfahrzeug enthaltend ein Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems  Fuel cell system, motor vehicle containing a fuel cell system and method for operating a fuel cell system
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem sowie ein Kraftfahrzeug, das ein solches Brennstoffzellensystem enthält als auch ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems. The present invention relates to a fuel cell system and a motor vehicle containing such a fuel cell system as well as a method for operating a fuel cell system.
Brennstoffzellensysteme sind in vielfältigen Ausführungen bekannt. Allen Brennstoffzellensystemen ist gemein, dass sie nur eine begrenzte Dynamik aufweisen, die zumeist durch eine eingeschränkte Steuerbarkeit der im Brennstoffzellensystem enthaltenen Oxidationsfiuidfördereinheit limitiert ist. Beim Einsatz eines Brennstoffzellensystems in einem Kraftfahrzeug wird somit, gerade um in einem Beschleunigungsvorgang (positiver Lastsprung) ausreichend Energie bereitzustellen, oder aber auch um im Falle eines negativen Lastsprunges Energie zu rekuperieren, ein hoher Grad an Hybridisierung von Brennstoffzelle und Hochvoltspeicher, und damit ein Hochvoltspeicher (Batterie) mit hoher Leistung, notwendig. Diese sind jedoch anfällig gegenüber Degradation. Hochleistungsfähige Batterien zeichnen sich ferner durch ein hohes Gewicht und ein großes bautechnisches Volumen aus, was insbesondere für den Einsatz in Leichtbauweise nachteilig ist. Zudem ergeben sich dennoch Leistungsdefizite, insbesondere beim Beschleunigungsvorgang eines Kraftfahrzeugs, aufgrund von langsamen Anfahrzeiten bzw. Reaktionszeiten der Oxidationsfiuidfördereinheit und damit einer schlechten Brennstoffzellensystemdynamik. Fuel cell systems are known in many designs. All fuel cell systems have in common that they have only limited dynamics, which is usually limited by a limited controllability of the Oxidierungsfiuidfördereinheit contained in the fuel cell system. When using a fuel cell system in a motor vehicle is thus, just to provide sufficient energy in an acceleration process (positive load step), or even to recuperate in case of a negative load jump energy, a high degree of hybridization of fuel cell and high-voltage storage, and thus a high-voltage storage (Battery) with high power, necessary. These are, however, vulnerable to degradation. High-performance batteries are also characterized by a high weight and a large structural volume, which is particularly disadvantageous for use in lightweight construction. In addition, there are still performance deficits, in particular during the acceleration process of a motor vehicle, due to slow start-up times or reaction times of the Oxidationsfiuidfördereinheit and thus a poor fuel cell system dynamics.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem anzugeben, das über eine hohe Dynamik verfügt, sehr leistungsfähig ist und eingerichtet ist, Energie bei Bedarf schnell zu speichern oder freizusetzen. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Brennstoffzellensystem betriebenes Kraftfahrzeug bereitzustellen, das sich durch eine hohe Fahrdynamik und sehr guten Fahrkomfort auszeichnet. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems anzugeben, das es ermöglicht, das Brennstoffzellensystem einfach und mit einer hohen Variabilität und damit einer dynamischen Leistungsanpassung zu steuern. Based on this prior art, it is therefore an object of the present invention to provide a fuel cell system, which has a high dynamics, is very powerful and is set up to store energy quickly when needed or release. Furthermore, it is the task of Invention to provide a fuel cell powered vehicle, which is characterized by a high driving dynamics and very good ride comfort. Another object of the present invention is to provide a method of operating a fuel cell system that makes it possible to control the fuel cell system easily and with high variability and thus dynamic power adjustment.
Die Aufgabe wird bei einem Brennstoffzellensystem erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Brennstoffzellensystem mehrere, zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasste Brennstoffzellen umfasst, wobei The object is achieved in a fuel cell system according to the invention in that the fuel cell system comprises a plurality of fuel cells combined into a fuel cell stack, wherein
- mindestens eine Brennstoffzelle eine Redoxflow-Brennstoffzelle mit einer Elektrodenanordnung ist, mit einem protonenpermeablen - At least one fuel cell is a redox flow fuel cell with an electrode assembly, with a proton-permeable
Separator, beispielsweise einer Elektrolytmembran, der zwischen einem Anodenbereich und einem Kathodenbereich angeordnet ist, wobei  Separator, for example, an electrolyte membrane, which is arranged between an anode region and a cathode region, wherein
- die Redoxflow-Brennstoffzelle einen von der Elektrodenanordnung räumlich getrennten Regenerator aufweist und eine wasserbildende Reaktion der Redoxflow-Brennstoffzelle in dem Regenerator erfolgt, wobei  - The redox flow fuel cell has a spatially separated from the electrode assembly regenerator and a water-forming reaction of the redox flow fuel cell takes place in the regenerator, wherein
- die Redoxflow-Brennstoffzelle ferner mindestens eine  - The redox flow fuel cell further at least one
Oxidationsfluidfördereinheit zum Zuführen von Oxidationsfluid in den Regenerator zum Ausführen der wasserbildenden Reaktion im  Oxidizing fluid delivery unit for supplying oxidizing fluid to the regenerator for carrying out the water-forming reaction in the regenerator
Regenerator der Redoxflow-Brennstoffzelle, umfasst, wobei  Regenerator of the redox flow fuel cell, comprising, wherein
- die Redoxflow-Brennstoffzelle ferner einen Pumpkreislauf mit einer Pumpvorrichtung und einer Pumpleitung, umfasst, zum Transport eines elektrochemischen Speichersystems durch den Kathodenbereich oder den Anodenbereich der Redoxflow-Brennstoffzelle sowie den Regenerator, und das elektrochemische Speichersystem aktive Redoxmoleküle enthält und ausgebildet ist, Elektronen aufzunehmen und abzugeben. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem umfasst als weiteren erfindungswesentlichen Bestandteil eine Steuervorrichtung, die ausgebildet ist, eine verfügbare elektrische und/oder thermische Leistung des Brennstoffzellensystems durch Veränderung eines Redoxzustandes des elektrochemischen Speichersystems anzupassen. the redox flow fuel cell further comprises a pump circuit with a pump device and a pump line, for transporting an electrochemical storage system through the cathode region or the anode region of the redox flow fuel cell and the regenerator, and the electrochemical storage system contains active redox molecules and is adapted to receive electrons and leave. The fuel cell system according to the invention comprises, as a further component essential to the invention, a control device which is designed to adapt an available electrical and / or thermal power of the fuel cell system by changing a redox state of the electrochemical storage system.
Die Redoxflow-Brennstoffzelle unterscheidet sich von „normalen" Brennstoffzellen dadurch, dass die wasserbildende Reaktion, also die Bildung von Wasser aus Protonen, Elektronen und Sauerstoff, räumlich ausgelagert wird, und somit nicht an dem am Separator angrenzenden und dem Anodenbereich gegenüberliegenden Kathodenbereich, sondern in einem davon räumlich getrennten, aber über ein entsprechendes Transportsystem mit den übrigen Komponenten des Brennstoffzellensystems verbundenen, so genannten Regenerator, stattfindet. Dem Regenerator werden über einen Transportkreislauf die im Anodenbereich erzeugten und durch den protonenpermeablen Separator in den Kathodenbereich gelangten Protonen, und die erzeugten und üblicherweise über einen externen Verbraucher fließenden Elektronen zugeführt. Der Kreislauf zum Transport der Protonen kann mit dem Pumpkreislauf zum Leiten des elektrochemischen Speichersystems durch den Kathodenbereich der Redoxflow-Brennstoffzelle identisch sein, kann aber auch einen separaten Kreislauf darstellen. Das für die wasserbildende Reaktion erforderliche Oxidationsfluid, also allgemein ein Oxidationsmittel, beispielsweise Luft bzw. ein Oxidationsgas, wie Sauerstoff, oder eine entsprechende Flüssigkeit (zusammengefasst unter dem Begriff „Oxidationsfluid"), wird über mindestens eine Oxidationsfluidfördereinheit, z.B. einen Kompressor, dem Regenerator zugeführt. The redox flow fuel cell differs from "normal" fuel cells in that the water-forming reaction, ie the formation of water from protons, electrons and oxygen, spatially outsourced, and thus not adjacent to the separator and the anode region opposite cathode area, but in One of these, spatially separate, but connected via a corresponding transport system with the other components of the fuel cell system, so-called regenerator takes place.The regenerator are the transport generated in the anode region and passed through the proton permeable separator in the cathode region protons, and generated and usually The circuit for transporting the protons may be identical to the pumping circuit for conducting the electrochemical storage system through the cathode region of the redox flow fuel cell but also represent a separate cycle. The oxidation fluid required for the water-forming reaction, ie generally an oxidizing agent, for example air or an oxidizing gas, such as oxygen, or a corresponding liquid (collectively referred to as "oxidizing fluid") is fed to the regenerator via at least one oxidizing fluid delivery unit, eg a compressor ,
Ein elektrochemisches Speichersystem im Sinne der Erfindung enthält chemische, redoxaktive Moleküle bzw. aktive Redoxmoleküle, die sowohl in reduzierter Form als auch in oxidierter Form vorliegen können, wobei beide Formen ein Redoxpaar bilden und wobei das elektrochemische Speichersystem ein und/oder mehrere Elektronen pro redoxaktivem Molekül aufnehmen bzw. abgeben kann. Das elektrochemische Speichersystem liegt vorzugsweise als Lösung der redoxaktiven Moleküle vor und dient der Speicherung und dem Transport von Elektronen. An electrochemical storage system according to the invention contains chemical, redox-active molecules or active redox molecules, which may be present both in reduced form and in oxidized form, both forms forming a redox couple and wherein the electrochemical storage system one and / or more electrons per redoxaktivem molecule can record or submit. The electrochemical storage system is located preferably as a solution of the redox-active molecules and serves to store and transport electrons.
Vorzugsweise transportiert das aktive Redoxmolekül selbst oder ein im elektrochemischen Speichersystem enthaltenes Lösungsmittel Protonen. Ferner vorzugsweise zeigt das elektrochemische Speichersystem eine geringe elektrische Leitfähigkeit. Weiter vorzugsweise entlädt sich das elektrochemische Speichersystem nicht oder nur sehr langsam selbst. Preferably, the active redox molecule itself or a solvent contained in the electrochemical storage system transports protons. Further, preferably, the electrochemical storage system exhibits a low electrical conductivity. Further preferably, the electrochemical storage system does not discharge itself or only very slowly.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem kann eine oder mehrere Steuervorrichtungen umfassen. Eine Steuervorrichtung ist dabei so ausgebildet, dass sie eine Veränderung des Redoxzustandes des elektrochemischen Speichersystems initiieren und damit die elektrische und/oder thermische Leistung des Brennstoffzellensystems anpassen kann. Die Information über den elektrischen Zustand des elektrochemischen Speichersystems und weitere Parameter wie Flüssigkeitsstand, Temperaturen, Drücke, pH-Wert, Leitfähigkeit etc., werden der Steuereinheit über Sensoren und/oder Modellrechnungen zur Verfügung gestellt. The fuel cell system according to the invention may comprise one or more control devices. A control device is designed so that it can initiate a change in the redox state of the electrochemical storage system and thus adapt the electrical and / or thermal performance of the fuel cell system. The information about the electrical state of the electrochemical storage system and other parameters such as liquid level, temperatures, pressures, pH, conductivity, etc., are provided to the control unit via sensors and / or model calculations available.
Soll elektrische Leistung vom Brennstoffzellensystem abgerufen werden (positiver Lastfall), wird das elektrochemische Speichersystem vom oxidierten Zustand zum reduzierten Zustand überführt. Dies erfolgt über die Förderung der Anodenreaktion der Redoxflow-Brennstoffzelle. Die dadurch freigesetzten Elektronen werden vom elektrochemischen Speichersystem nach Durchlaufen einer Last im Kathodenbereich aufgenommen. Mit anderen Worten wird ein Verhältnis der reduzierten Form des elektrochemischen Speichersystems und der oxidierten Form des elektrochemischen Speichersystems zugunsten der reduzierten Form angepasst. Geht beispielsweise das Verhältnis der reduzierten Form und der oxidierten Form gegen Unendlich, können ab diesem Zeitpunkt nur noch so viele Elektronen aufgenommen werden, wie im Regenerator wieder abgegeben werden. Dies entspricht einer maximalen Dauerleistung des Brennstoffzellensystems. Im Rekuperationsfall (negativer Lastfall) bestehen die Möglichkeiten eine elektrische Leistung entweder zur Aktivierung bzw. zum Betreiben der Oxidationsfluidfördereinheit dieser zuzuführen und/oder, sofern das Brennstoffzellensystem einen Hochvoltspeicher aufweist, diesen zu laden. Hierbei wird ein Verhältnis der reduzierten Form des elektrochemischen Speichersystems und der oxidierten Form des elektrochemischen Speichersystems zugunsten der oxidierten Form angepasst. If electrical power from the fuel cell system to be retrieved (positive load case), the electrochemical storage system is transferred from the oxidized state to the reduced state. This is done by promoting the anode reaction of the redox flow fuel cell. The electrons released thereby are taken up by the electrochemical storage system after passing through a load in the cathode region. In other words, a ratio of the reduced form of the electrochemical storage system and the oxidized form of the electrochemical storage system is adjusted in favor of the reduced form. If, for example, the ratio of the reduced form and the oxidized form approaches infinity, then from this point on only so many electrons can be taken up as are released again in the regenerator. This corresponds to a maximum continuous power of the fuel cell system. In the case of recuperation (negative load case) there are the possibilities of supplying an electric power either for activating or for operating the oxidation fluid delivery unit and / or, if the fuel cell system has a high-voltage accumulator, to charge it. Here, a ratio of the reduced form of the electrochemical storage system and the oxidized form of the electrochemical storage system is adjusted in favor of the oxidized form.
Die Steuervorrichtung ist also eingerichtet, durch Veränderung des Redoxzustandes des elektrochemischen Speichersystems die Anodenreaktion (Freisetzen von Elektronen) unabhängig von der wasserbildenden Reaktion (Verbrauchen von Elektronen) zu steuern und damit den Redoxzustand des elektrochemischen Speichersystems den Leistungsanforderungen an das Brennstoffzellensystem anzupassen. Dies wird dadurch möglich, dass das elektrochemische Speichersystem als sogenannter „Puffer" für Elektronen dient. Ferner kann die Steuereinheit die Konzentration der redoxaktiven Moleküle bzw. aktiven Redoxmoleküle, den Lösungsmittelhaushalt (z.B. Wasser) und einen Füllstand des elektrochemischen Speichermoleküls im Pumpkreislauf regulieren, beispielsweise über Temperaturen und/oder eine Effizienz einer optional eingerichteten Lösungsmittelrückgewinnungsanlage (Kondensor). The control device is thus arranged to control the anode reaction (release of electrons) independently of the water-forming reaction (consumption of electrons) by altering the redox state of the electrochemical storage system and thus to adapt the redox state of the electrochemical storage system to the power requirements of the fuel cell system. This is made possible by the fact that the electrochemical storage system serves as a so-called "buffer" for electrons.Furthermore, the control unit can regulate the concentration of the redox-active molecules or active redox molecules, the solvent balance (eg water) and a level of the electrochemical storage molecule in the pumping circuit, for example Temperatures and / or efficiency of an optional solvent recovery unit (condenser).
Während bei einer herkömmlichen Brennstoffzelle die wasserbildende Kathodenreaktion die Anodenreaktion bedingt (und umgekehrt), und damit die Leistung der Brennstoffzelle im Wesentlichen durch die Zuführgeschwindigkeit der Brennfluide und Oxidationsfluide zum jeweiligen Reaktionsbereich beschränkt ist, kann bei der erfindungswesentlichen Redoxflow- Brennstoffzelle durch Aufnahme und Speicherung von Elektronen durch das elektrochemische Speichersystem die Anodenreaktion von der Kathodenreaktion entkoppelt und das elektrochemische Speichersystem in den vorgesehenen Redoxzustand überführt werden. Bei einem positiven Lastfall, also wenn Leistung von einem externen Verbraucher oder einer Last nachgefragt wird, können nun zusätzlich zu der „normalen" Brennstoffzellenreaktion unter herkömmlicher Erzeugung von Wasser durch Kombination der Kathodenreaktion und Anodenreaktion, und damit Produktion von Energie, Elektronen durch das elektrochemische Speichersystem aufgenommen bzw. zwischengespeichert werden, bis sie bei niedrigeren Lasten über die wasserbildende Reaktion abgeführt werden. Das elektrochemische Speichersystem geht dabei vom oxidierten Zustand in den reduzierten Zustand über. Die Leistung der Redoxflow-Brennstoffzelle ist damit gegenüber einer herkömmlichen Brennstoffzelle temporär erhöht. While in a conventional fuel cell, the water-forming cathode reaction due to the anode reaction (and vice versa), and thus the performance of the fuel cell is essentially limited by the feed rate of the combustion fluids and oxidizing fluids to the respective reaction region, can in the inventive redox flow fuel cell by receiving and storing electrons the anode reaction is decoupled from the cathode reaction by the electrochemical storage system and the electrochemical storage system is converted into the intended redox state. In a positive load case, that is, when power is requested by an external load or a load, now in addition to the "normal" fuel cell reaction with conventional generation of water through Combination of the cathode reaction and anode reaction, and thus production of energy, electrons are taken up by the electrochemical storage system or cached until they are dissipated at lower loads on the water-forming reaction. The electrochemical storage system changes from the oxidized state to the reduced state. The performance of the redox flow fuel cell is thus temporarily increased compared to a conventional fuel cell.
Durch die Eigenschaft der Steuervorrichtung den Redoxzustand des elektrochemischen Speichersystems zu verändern und den Leistungsanforderungen an das Brennstoffzellensystem anzupassen, wird somit ein Brennstoffzellensystem mit dynamischer Leistungsanpassung erhalten, das auch kurzfristig sehr hohe Leistungsanfragen bedienen kann. Auch kann somit Energie beim Anfahren des Brennstoffzellensystems signifikant schneller abgegriffen werden. By the property of the control device to change the redox state of the electrochemical storage system and to adapt the power requirements to the fuel cell system, a fuel cell system with dynamic power adjustment is thus obtained, which can also serve very high power requests in the short term. Also, thus energy can be tapped significantly faster when starting the fuel cell system.
Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung. The dependent claims contain advantageous developments and refinements of the invention.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Brennstoffzellensystems ist die Steuervorrichtung ausgebildet, die elektrische Leistung des Brennstoffzellensystems durch eine Änderung des Redoxzustandes von mindestens 10% der redoxaktiven Moleküle (bzw. aktiven Redoxmoleküle) des elektrochemischen Speichersystems anzupassen. Dies verbessert die dynamische Leistungsanpassung des Brennstoffzellensystems. According to an advantageous development of the fuel cell system, the control device is designed to adjust the electrical power of the fuel cell system by changing the redox state of at least 10% of the redox-active molecules (or active redox molecules) of the electrochemical storage system. This improves the dynamic power adjustment of the fuel cell system.
Weiter vorteilhaft ist die Steuervorrichtung ausgebildet, die elektrische Leistung des Brennstoffzellensystems über die maximale, durch die Oxidationsfluidfördereinheit vorgegebene Leistung, durch Einleiten einer Reduktion des elektrochemischen Speichersystems zu steigern. Hierdurch kann eine besonders große elektrische Leistung abgefragt werden. Further advantageously, the control device is designed to increase the electrical power of the fuel cell system over the maximum, predetermined by the Oxidationsfluidfördereinheit power by initiating a reduction of the electrochemical storage system. As a result, a particularly large electrical power can be queried.
Ebenfalls vorteilhaft ist die Steuervorrichtung ausgebildet, die elektrische Leistung des Brennstoffzellensystems ohne Aktivierung der Oxidationsfluidfördereinheit durch Einleiten einer Reduktion des elektrochemischen Speichersystems bereitzustellen. Gerade bei kurzen, positiven Lastsprüngen kann eine Energiefreisetzung ohne zeitliche Verzögerung erfolgen. Zudem werden dadurch die trägen Oxidationsfluidfördereinheiten geschont. Likewise advantageously, the control device is designed to control the electrical power of the fuel cell system without activating the oxidation fluid delivery unit by initiating a reduction of the to provide electrochemical storage system. Especially with short, positive load jumps, an energy release can take place without a time delay. In addition, this protects the inert oxidation fluid delivery units.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Steuervorrichtung ausgebildet ist, durch Einspeisung von Rekuperationsenergie eine Regeneration des elektrochemischen Speichersystems herbeizuführen. Dies erfolgt beispielsweise durch Aktivierung der Oxidationsfluidfördereinheit oder durch elektrochemische Aufladung des elektrochemischen Speichersystems. A further advantageous embodiment provides that the control device is designed to bring about regeneration of the electrochemical storage system by feeding recuperation energy. This is done, for example, by activation of the oxidation fluid delivery unit or by electrochemical charging of the electrochemical storage system.
Vorteilhaft erfolgt die Regeneration des elektrochemischen Speichersystems durch Einspeisung von Rekuperationsenergie in die Oxidationsfluidfördereinheit. The regeneration of the electrochemical storage system advantageously takes place by feeding recuperation energy into the oxidation fluid delivery unit.
Ferner vorteilhaft ist die Steuervorrichtung ausgebildet, die Pumpvorrichtung in Abhängigkeit einer Stoffmenge der aktiven Redoxmoleküle des elektrochemischen Speichersystems stufenweise und/oder stufenlos zu regulieren. Dies ermöglicht einen an die Brennstoffzelle angepassten Betrieb bei höchstmöglicher Effizienz. Die Stoffmenge der aktiven Redoxmoleküle des elektrochemischen Speichersystems ist groß, wenn die Konzentration des elektrochemischen Speichersystems bei konstantem Volumen groß ist. Further advantageously, the control device is designed to regulate the pumping device in stages and / or continuously as a function of a molar amount of the active redox molecules of the electrochemical storage system. This allows operation adapted to the fuel cell with the highest possible efficiency. The amount of the active redox molecules of the electrochemical storage system is large when the concentration of the electrochemical storage system at a constant volume is large.
Weiter vorteilhaft ist die Steuervorrichtung ausgebildet, sofern die Stoffmenge der aktiven Redoxmoleküle des elektrochemischen Speichersystems klein ist, also beispielsweise bei einem Volumen des elektrochemischen Speichersystems von 8 oder weniger L/100kW Brennstoffzellensystemleistung, im Fall eines positiven Lastsprungs die Oxidationsfluidfördereinheit sofort zu aktivieren sowie elektrische Leistung durch Einleiten einer Reduktion des elektrochemischen Speichersystems bereitzustellen. Hierdurch werden Leistungsdefizite beim Anfahren der Oxidationsfluidfördereinheit minimiert und ein schnelleres Ansprechverhalten des Brennstoffzellensystems gefördert. Sofern die Stoffmenge des elektrochemischen Speichersystems groß ist, beispielsweise bei einem Volumen des elektrochemischen Speichersystems von mehr als 8 L/100kW Brennstoffzellensystemleistung, ist die Steuervorrichtung vorteilhafterweise ausgebildet, im Fall eines positiven Lastsprungs elektrische Leistung durch Einleiten einer Reduktion des elektrochemischen Speichersystems bereitzustellen und die Oxidationsfluidfördereinheit mit einer Verzögerung von mehreren Sekunden, insbesondere von 0 bis 20 Sekunden, vorzugsweise von 1 bis 10 Sekunden und besonders bevorzugt von 2 bis 4 Sekunden, zu aktivieren. Somit kann bei Bedarf eine ausreichend hohe Leistung vom Brennstoffzellensystem abgerufen und gleichzeitig die träge Oxidationsfluidfördereinheit geschont werden, wobei die Energie verbrauchende Oxidationsfluidfördereinheit später zugeschaltet werden kann und somit gerade beim Start des Brennstoffzellensystems die volle Leistung des Brennstoffzellensystems (Leistung des Brennstoffzellenstapels plus Leistung aus dem elektrochemischen Speichersystem der Redoxflow-Brennstoffzelle) bereitsteht. Alternativ oder zusätzlich kann ein Mittel oder eine Schaltung zum sanften Anlauf der Oxidationsfluidfördereinheit vorgesehen sein (vgl. Fig. 3). Solche Mittel zum sanften Anlauf sind Mittel, die die bei Direktantrieb auftretenden hohen Anlaufströme vermeiden bzw. reduzieren. Hierzu zählen beispielsweise Frequenzumrichter oder Sanftstarter. Somit können die Anlaufströme und letztendlich die Anlaufleistung verringert werden. Zudem kann die für den Betrieb der Oxidationsfluidfördereinheit erforderliche maximale elektrische Leistung gesenkt werden und ein entsprechender Motor hierfür mit niedrigerer Leistung vorgesehen werden. Further advantageously, the control device is formed, provided that the molar amount of the active redox molecules of the electrochemical storage system is small, so for example at a volume of the electrochemical storage system of 8 or less L / 100kW fuel cell system performance, in the case of a positive load jump to activate the Oxidationsfluidfördereinheit immediately and electrical power through Initiate a reduction of the electrochemical storage system. As a result, power deficits are minimized when starting the Oxidationsfluidfördereinheit and promoted faster response of the fuel cell system. If the molar amount of the electrochemical storage system is large, for example, in a volume of the electrochemical storage system of more than 8 L / 100kW fuel cell system power, the controller is advantageously designed to provide electrical power in the event of a positive load jump by initiating a reduction of the electrochemical storage system and the oxidizing fluid delivery unit a delay of several seconds, in particular from 0 to 20 seconds, preferably from 1 to 10 seconds and more preferably from 2 to 4 seconds to activate. Thus, if required, a sufficiently high performance can be obtained from the fuel cell system and at the same time the inert oxidizing fluid delivery unit can be switched on, whereby the energy-consuming Oxidationsfluidfördereinheit can be switched later and thus just at the start of the fuel cell system, the full performance of the fuel cell system (power of the fuel cell stack plus power from the electrochemical storage system the redox flow fuel cell) is ready. Alternatively or additionally, a means or a circuit for smooth start of the Oxidationsfluidfördereinheit be provided (see Fig .. 3). Such soft starting means are means which avoid or reduce the high starting currents occurring in direct drive. These include, for example, frequency inverters or soft starters. Thus, the starting currents and ultimately the starting power can be reduced. In addition, the maximum electric power required for the operation of the oxidizing fluid delivery unit can be reduced, and a corresponding motor for this can be provided at a lower power.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Steuervorrichtung ausgebildet, im Fall eines negativen Lastsprungs eine anfallende Rekuperationsenergie der Oxidationsfluidfördereinheit zu deren Aktivierung bzw. Betrieb zuzuleiten. Dies spart Energie beim erneuten Anfahren der Oxidationsfluidfördereinheit im Fall eines folgenden positiven Lastsprungs, ohne dass die Dynamik des Brennstoffzellensystems nachteilig beeinträchtigt wird. Zur Verbesserung der dynamischen Leistungsanpassung des Brennstoffzellensystems umfasst das erfindungsgemäßeAccording to an advantageous development, the control device is designed, in the case of a negative load jump, to supply an accumulated recuperation energy to the oxidation fluid delivery unit for its activation or operation. This saves energy when re-starting the Oxidationsfluidfördereinheit in the event of a subsequent positive load jump, without the dynamics of the fuel cell system is adversely affected. To improve the dynamic power adjustment of the fuel cell system, the inventive
Brennstoffzellensystem mindestens eine Batterie. Bevorzugt stellen die Batterie und das Speichersystem die benötigte Leistung bereit. Da das elektrochemische Speichersystem ebenfalls geeignet ist, Energie zu speichern, kann in diesem Falle die Batterie eine niedrigere Kapazität bzw. Leistung aufweisen. Zudem wird die Batterie durch die Pufferwirkung des elektrochemischen Speichersystems gerade bei starken Leistungssprüngen geschont, was die Lebensdauer der Batterie verlängert. Fuel cell system at least one battery. Preferably, the battery and the storage system provide the required power. In this case, since the electrochemical storage system is also capable of storing energy, the battery may have a lower capacity. In addition, the battery is spared by the buffering effect of the electrochemical storage system, especially at high power jumps, which extends the life of the battery.
Weiter vorteilhaft ist die Steuervorrichtung ausgebildet, im Fall eines negativen Lastsprungs die anfallende Rekuperationsenergie der Oxidationsfluidfördereinheit und/oder der Batterie zuzuleiten. Further advantageously, the control device is designed to supply in the case of a negative load jump, the accumulated Rekuperationsenergie the Oxidationsfluidfördereinheit and / or the battery.
Zur schnelleren Bereitstellung der Leistung des Brennstoffzellensystems ist die Steuervorrichtung vorzugsweise ausgebildet, beim Anfahren des Brennstoffzellensystems bzw. beim Kaltstart oder Froststart eine Pumpleistung der Pumpvorrichtung zu reduzieren, um das Brennstoffzellensystem auf Betriebstemperatur zu bringen. For faster provision of the power of the fuel cell system, the control device is preferably designed to reduce a pumping power of the pumping device during startup of the fuel cell system or during cold start or frost start in order to bring the fuel cell system up to operating temperature.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug, das ein wie vorstehend beschriebenes Brennstoffzellensystem umfasst. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem ist aufgrund seiner hohen Dynamik besonders gut für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug geeignet und stellt somit eine hohe Fahrdynamik und großen Fahrkomfort bereit. The present invention also relates to a motor vehicle comprising a fuel cell system as described above. The fuel cell system according to the invention is particularly well suited for use in a motor vehicle due to its high dynamics and thus provides a high driving dynamics and great ride comfort.
Die für das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem beschriebenen Weiterbildungen, Vorteile und Effekte, finden auch Anwendung auf das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug. The developments, advantages and effects described for the fuel cell system according to the invention are also applicable to the motor vehicle according to the invention.
Ebenfalls erfindungsgemäß wird auch ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit mehreren, zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefassten Brennstoffzellen beschrieben, wobei - mindestens eine Brennstoffzelle eine Redoxflow-Brennstoffzelle ist, mit einer Elektrodenanordnung, mit einem protonenpermeablen Separator, insbesondere einer Elektrolytmembran, der zwischen einem Also according to the invention, a method for operating a fuel cell system with a plurality of combined into a fuel cell stack fuel cell is described, wherein - At least one fuel cell is a redox flow fuel cell, with an electrode assembly, with a proton-permeable separator, in particular an electrolyte membrane, between a
Anodenbereich und einem Kathodenbereich angeordnet ist, wobei Anode region and a cathode region is arranged, wherein
- die Redoxflow-Brennstoffzelle einen von der Elektrodenanordnung räumlich getrennten Regenerator aufweist und eine wasserbildende Reaktion der Redoxflow-Brennstoffzelle in dem räumlich von der Elektrodenanordnung getrennten Regenerator erfolgt, wobei - The redox flow fuel cell has a spatially separated from the electrode assembly regenerator and a water-forming reaction of the redox flow fuel cell takes place in the spatially separated from the electrode assembly regenerator, wherein
- die Redoxflow-Brennstoffzelle ferner mindestens eine  - The redox flow fuel cell further at least one
Oxidationsfluidfördereinheit zum Zuführen von Oxidationsfluid in den Regenerator zum Ausführen der wasserbildenden Reaktion im  Oxidizing fluid delivery unit for supplying oxidizing fluid to the regenerator for carrying out the water-forming reaction in the regenerator
Regenerator der Redoxflow-Brennstoffzelle, umfasst, wobei  Regenerator of the redox flow fuel cell, comprising, wherein
- die Redoxflow-Brennstoffzelle ferner einen Pumpkreislauf mit einer Pumpvorrichtung und einer Pumpleitung, umfasst, zum Transport eines elektrochemischen Speichersystems durch den Kathodenbereich oder den Anodenbereich der Redoxflow-Brennstoffzelle sowie den Regenerator, und das elektrochemische Speichersystem aktive Redoxmoleküle enthält und ausgebildet ist, Elektronen aufzunehmen und abzugeben.  the redox flow fuel cell further comprises a pump circuit with a pump device and a pump line, for transporting an electrochemical storage system through the cathode region or the anode region of the redox flow fuel cell and the regenerator, and the electrochemical storage system contains active redox molecules and is adapted to receive electrons and leave.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst dabei den Schritt des Anpassens einer verfügbaren elektrischen und/oder thermischen Leistung des Brennstoffzellensystems durch Verändern eines Redoxzustandes des elektrochemischen Speichersystems. Dieser Schritt wird, wie oben dargelegt, durch eine Steuervorrichtung initiiert. Aus den vorstehend genannten Gründen, und die bereits beschriebenen Effekte und Vorteile, einbeziehend, kann durch das erfindungsgemäße Verfahren ein Brennstoffzellensystem einfach und mit einer hohen Leistungsdynamik gemäß den Leistungsanforderungen an das Brennstoffzellensystem gesteuert werden. In this case, the method according to the invention comprises the step of adapting an available electrical and / or thermal power of the fuel cell system by changing a redox state of the electrochemical storage system. This step, as stated above, is initiated by a controller. For the reasons mentioned above, and incorporating the effects and advantages already described, a fuel cell system can be controlled simply and with high power dynamics according to the performance requirements of the fuel cell system by the method of the present invention.
Die für das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem sowie das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug beschriebenen Weiterbildungen, Vorteile und Effekte, finden auch Anwendung auf das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dieses durch den Schritt des Anpassens der elektrischen Leistung des Brennstoffzellensystems durch Änderung des Redoxzustandes von mindestens 10% der redoxaktiven Moleküle des elektrochemischen Speichersystems gekennzeichnet. Dies verbessert die Dynamik der Leistungsbereitstellung des Brennstoffzellensystems. The refinements, advantages and effects described for the fuel cell system according to the invention and the motor vehicle according to the invention are also applicable to the method according to the invention for operating a fuel cell system. According to an advantageous development of the method according to the invention, this is characterized by the step of adjusting the electrical power of the fuel cell system by changing the redox state of at least 10% of the redox-active molecules of the electrochemical storage system. This improves the dynamics of power delivery of the fuel cell system.
Zur Bereitstellung einer besonders großen Leistung, die über die„normale" Leistung eines Brennstoffzellensystems hinausgeht, sieht das Verfahren ein Steigern der elektrischen Leistung des Brennstoffzellensystems über die maximale, durch die Oxidationsfluidfördereinheit vorgegebene Leistung, durch Einleiten einer Reduktion des elektrochemischen Speichersystems vor. To provide extra power beyond the "normal" performance of a fuel cell system, the method provides for increasing the electrical power of the fuel cell system beyond the maximum power given by the oxidizing fluid delivery unit by initiating a reduction of the electrochemical storage system.
Durch den gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung vorgesehenen Schritt eines Bereitstellens der elektrischen Leistung des Brennstoffzellensystems ohne Aktivieren der Oxidationsfluidfördereinheit, durch Einleiten einer Reduktion des elektrochemischen Speichersystems, kann gerade bei kurzen, positiven Lastsprüngen ein Freisetzen von Energie ohne zeitliche Verzögerung erfolgen. Zudem werden dadurch die trägen Oxidationsfluidfördereinheiten geschont. By provided according to an advantageous development step of providing the electrical power of the fuel cell system without activating the Oxidationsfluidfördereinheit, by initiating a reduction of the electrochemical storage system, especially in short, positive load jumps, a release of energy without delay. In addition, this protects the inert oxidation fluid delivery units.
Weiter vorteilhaft umfasst das Verfahren den Schritt des Regenerierens des elektrochemischen Speichersystems durch Einspeisen von Rekuperationsenergie. Dadurch wird eine mindestens teilweise, vorzugsweise vollständige Oxidation des elektrochemischen Speichersystems erhalten, so dass dann im erneuten positiven Lastfall die vollständige, elektrische Leistung des Brennstoffzellensystems durch Einleiten einer Reduktion des elektrochemischen Speichersystems bereitstellbar ist. Further advantageously, the method comprises the step of regenerating the electrochemical storage system by feeding recuperation energy. As a result, an at least partial, preferably complete, oxidation of the electrochemical storage system is obtained, so that the complete, electrical power of the fuel cell system can then be provided in a renewed positive load case by initiating a reduction of the electrochemical storage system.
Durch ein stufenweises und/oder stufenloses Regulieren der Pumpvorrichtung in Abhängigkeit einer Stoffmenge der aktiven Redoxmoleküle des elektrochemischen Speichersystems wird eine präzisere und schnellere Bereitstellung der benötigten Energie ermöglicht. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht weiter vorteilhaft vor, dass sofern die Stoffmenge der aktiven Redoxmoleküle des elektrochemischen Speichersystems klein ist, im Fall eines positiven Lastsprungs die Oxidationsfiuidfördereinheit sofort aktiviert und Leistung durch Einleiten einer Reduktion des elektrochemischen Speichersystems bereitgestellt wird. Hierdurch werden Leistungsdefizite beim Anfahren der Oxidationsfiuidfördereinheit minimiert und ein schnelleres Ansprechverhalten des Brennstoffzellensystems gefördert. By stepwise and / or continuous regulation of the pumping device as a function of a molar amount of the active redox molecules of the electrochemical storage system, a more precise and faster provision of the required energy is made possible. The inventive method further provides advantageous that, if the molar amount of the active redox molecules of the electrochemical storage system is small, in the case of a positive load jump, the Oxidationsfiuidfördereinheit activated immediately and power is provided by initiating a reduction of the electrochemical storage system. As a result, power deficits are minimized when starting the Oxidifugfiuidfördereinheit and promoted faster response of the fuel cell system.
Sofern die Stoffmenge der aktiven Redoxmoleküle des elektrochemischen Speichersystems groß ist, sieht das erfindungsgemäße Verfahren gemäß einer Weiterbildung vor, im Fall eines positiven Lastsprungs Leistung durch Einleiten einer Reduktion des elektrochemischen Speichersystems bereitzustellen und die Oxidationsfiuidfördereinheit mit einer Verzögerung von mehreren Sekunden, insbesondere von 0 bis 20 Sekunden, vorzugsweise von 1 bis 10 Sekunden und weiter vorzugsweise von 2 bis 4 Sekunden, zu aktivieren. Somit kann bei Bedarf eine ausreichend hohe elektrische Leistung vom Brennstoffzellensystem abgerufen und gleichzeitig die träge Oxidationsfiuidfördereinheit geschont werden. Alternativ oder zusätzlich kann ein Mittel oder eine Schaltung zum sanften Anlauf der Oxidationsfiuidfördereinheit vorgesehen sein (vgl. Fig. 3). Solche Mittel zum sanften Anlauf sind Mittel, die die bei Direktantrieb auftretenden hohen Anlaufströme vermeiden bzw. reduzieren. Hierzu zählen beispielsweise Frequenzumrichter oder Sanftstarter. Somit können die Anlaufströme und letztendlich die Anlaufleistung verringert werden. Zudem kann die für den Betrieb der Oxidationsfiuidfördereinheit erforderliche maximale elektrische Leistung gesenkt werden und ein entsprechender Motor hierfür mit niedrigerer Leistung vorgesehen werden. If the molar mass of the active redox molecules of the electrochemical storage system is large, the method according to the invention provides, in the case of a positive load jump, to provide power by initiating a reduction of the electrochemical storage system and the oxidizer feed unit with a delay of several seconds, in particular from 0 to 20 Seconds, preferably from 1 to 10 seconds, and more preferably from 2 to 4 seconds. Thus, if necessary, a sufficiently high electric power can be obtained from the fuel cell system and at the same time the slow Oxidationsfiuidfördereinheit be spared. Alternatively or additionally, a means or a circuit for smooth start of the Oxidungsfiuidfördereinheit be provided (see Fig. 3). Such soft starting means are means which avoid or reduce the high starting currents occurring in direct drive. These include, for example, frequency inverters or soft starters. Thus, the starting currents and ultimately the starting power can be reduced. In addition, the maximum electric power required for the operation of the oxidizing fluid conveying unit can be reduced, and a corresponding motor for this can be provided at a lower power.
Zum Einsparen von Energie beim erneuten Anfahren der Oxidationsfiuidfördereinheit im Fall eines auf einen negativen Lastfall folgenden positiven Lastfall, ohne dass die Dynamik des Brennstoffzellensystems nachteilig beeinträchtigt wird, ist gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens vorgesehen, dass im Fall eines negativen Lastsprungs die anfallende Rekuperationsenergie der Oxidationsfluidfördereinheit zu deren Aktivierung oder deren Betrieb zugeleitet wird. To save energy when restarting the Oxidungsfiuidfördereinheit in the case of a positive load case following a negative load case, without the dynamics of the fuel cell system is adversely affected, is provided according to a development of the method that in the case of a negative Load jump, the accumulated Rekuperationsenergie the oxidizing fluid delivery unit for their activation or operation is fed.
Zur Optimierung der dynamischen Anpassung der Leistung des Brennstoffzellensystems umfasst das Brennstoffzellensystem mindestens eine Batterie, wobei hierbei das Verfahren derart weitergebildet ist, dass im Fall eines negativen Lastsprungs die anfallende Rekuperationsenergie der Oxidationsfluidfördereinheit und/oder der Batterie zugeleitet wird. Hierdurch wird die Batterie bei starken Leistungssprüngen geschont, was die Lebensdauer der Batterie verlängert. To optimize the dynamic adaptation of the performance of the fuel cell system, the fuel cell system comprises at least one battery, in which case the method is developed in such a way that in the case of a negative load jump, the accumulated recuperation energy of the Oxidationsfluidfördereinheit and / or the battery is supplied. As a result, the battery is spared in case of strong performance jumps, which extends the life of the battery.
Zur schnelleren Bereitstellung der Leistung des Brennstoffzellensystems ist das Verfahren vorzugsweise derart weitergebildet, dass beim Anfahren des Brennstoffzellensystems, beim Kaltstart oder beim Froststart, eine Pumpleistung der Pumpvorrichtung reduziert wird, um das Brennstoffzellensystem auf Betriebstemperatur zu bringen. For faster provision of the power of the fuel cell system, the method is preferably developed such that when starting the fuel cell system, cold start or frost start, a pumping power of the pump device is reduced to bring the fuel cell system to operating temperature.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Lösungen sowie deren Weiterbildungen ergeben sich folgende Vorteile: Due to the solutions according to the invention and their developments, the following advantages result:
- Es wird ein hoch dynamisches, leistungsstarkes und schnell ansprechendes Brennstoffzellensystem bereitgestellt. It provides a highly dynamic, powerful and responsive fuel cell system.
- Das Brennstoffzellensystem kann eine über die „normale" Leistung eines herkömmlichen Brennstoffzellensystems gesteigerte Leistung bereitstellen. The fuel cell system may provide increased performance beyond the "normal" performance of a conventional fuel cell system.
- Leistungsdefizite, insbesondere beim Anfahren des Brennstoffzellensystems, werden optimal überbrückt. - Performance deficits, especially when starting the fuel cell system, are optimally bridged.
- Die Steuerung des Oxidationsfluidbedarfs vereinfacht sich durch die Optionen der Nachregelung des Oxidationsfluidflusses. - Überproportionaler Energieverbrauch durch Anfahren der Oxidationsfluidfördereinheit, insbesondere bei hohen Lastanforderungen, wird vermieden. - The control of the oxidation fluid requirement is simplified by the options of the adjustment of the oxidation fluid flow. - Disproportionate energy consumption by starting the Oxidationsfluidfördereinheit, especially at high load requirements is avoided.
- Rekuperationsenergie kann für die Förderung des Oxidationsfluids verwendet werden. - Rekuperationsenergie can be used for the promotion of the oxidation fluid.
- Durch Speicherung von Rekuperationsenergie im elektrochemischen Speichersystem kann Energie optimal eingespart und regeneriert werden. - By storing recuperation energy in the electrochemical storage system energy can be optimally saved and regenerated.
- Etwaig vorgesehene Hochvoltspeicher, wie Batterien, können schonender betrieben werden und zeichnen sich durch eine hohe Lebensdauer aus. - Any intended high-voltage storage, such as batteries, can be operated more gently and are characterized by a long service life.
- Die Anforderungen an eine Kapazität oder Leistung eines Hochvoltspeichers sind geringer. - The requirements for a capacity or performance of a high-voltage storage are lower.
- Es wird ein Kraftfahrzeug mit hohem Fahrkomfort und großer Leistungsdynamik bereitgestellt. A motor vehicle with high ride comfort and high power dynamics is provided.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Es zeigen: Further details, features and advantages of the invention will become apparent from the following description and the figures. Show it:
Figur 1 ein allgemeines Schema einer Redoxflow-Brennstoffzelle, 1 shows a general scheme of a redox flow fuel cell,
Figur 2 ein Schema einer Steuertopologie einer erfindungsgemäßen Figure 2 is a schematic of a control topology of an inventive
Steuervorrichtung,  Control device
Figur 3 eine schematische Darstellung der Leistungskurven eines Figure 3 is a schematic representation of the performance curves of a
Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung, Figur 4 eine schematische Darstellung Leistungskurven eines Brennstoffzellensystems gemäß einer zweiten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung, Fuel cell system according to a first advantageous embodiment of the invention, FIG. 4 shows a schematic representation of performance curves of a fuel cell system according to a second advantageous development of the invention,
Figur 5 eine schematische Darstellung Leistungskurven Figure 5 is a schematic representation of power curves
Brennstoffzellensystems gemäß einer dritten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung und  Fuel cell system according to a third advantageous embodiment of the invention and
Figur 6 eine schematische Darstellung von Stromdichte- Zellspannungskurven für einen Kaltstart/Froststart. Figure 6 is a schematic representation of current density cell voltage curves for a cold start / frost start.
In den Figuren sind nur die hier interessierenden Aspekte der vorliegenden Erfindung dargestellt, alle übrigen Aspekte sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen. In the figures, only the aspects of the present invention of interest are shown, all other aspects are omitted for clarity.
Figur 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Redoxfiow-Brennstoffzelle 10, die eine Elektrodenanordnung mit einem Anodenbereich 1 und einem Kathodenbereich 2 umfasst, die durch einen protonenpermeablen Separator S voneinander getrennt sind. Die Redoxfiow-Brennstoffzelle 10 umfasst ferner einen Regenerator R der von der Elektrodenanordnung räumlich getrennt ist und über einen Pumpkreislauf 3 miteinander dieser in Verbindung steht. In dem Regenerator R findet die wasserbildende Reaktion der Redoxfiow- Brennstoffzelle statt. Hierzu wird über den Pumpkreislauf 3 ein elektrochemisches Speichersystem transportiert und mittels einer Fördereinrichtung 4, beispielsweise einer Pumpvorrichtung, zwischen dem Kathodenbereich 2 und dem Regenerator R zirkuliert. Das elektrochemische Speichersystem speichert und transportiert Elektronen, die es nach Durchlaufen einer Last im Kathodenbereich 2 aufnimmt, und leitet diese dem Regenerator R zu, wo sie mit Protonen und Sauerstoff zu Wasser reagieren. FIG. 1 shows a schematic view of a redox fuel cell 10, which comprises an electrode arrangement with an anode region 1 and a cathode region 2, which are separated from one another by a proton-permeable separator S. The redox fuel fuel cell 10 further includes a regenerator R which is spatially separated from the electrode assembly and communicates with each other through a pump circuit 3. In the regenerator R, the water-forming reaction of the Redoxfiow fuel cell takes place. For this purpose, an electrochemical storage system is transported via the pumping circuit 3 and circulated between the cathode region 2 and the regenerator R by means of a conveying device 4, for example a pumping device. The electrochemical storage system stores and transports electrons that it receives after passing through a load in the cathode region 2, and supplies them to the regenerator R, where they react with protons and oxygen to form water.
Mit anderen Worten werden durch die elektrochemische Reaktion im Anodenbereich 1 Elektronen freigesetzt, die nach Passieren einer Last vom elektrochemischen Speichersystem im Kathodenbereich 2 aufgenommen werden, das somit in einen reduzierten Zustand übergeht. Das elektrochemische Speichersystem wird dann über den Pumpkreislauf 3 zum Regenerator R transportiert. Hier geht, sofern dem Regenerator R auch Oxidationsfluid und Protonen zugeleitet werden, das elektrochemische Speichersystem unter Abgabe von Elektronen in den oxidierten Zustand über. Basierend auf der gezielten Steuerung der Veränderung des Redoxzustandes des elektrochemischen Speichersystems kann erfindungsgemäß die elektrische Leistung eines diese Redoxfiow-Brennstoffzelle 10 enthaltenden Brennstoffzellensystems angepasst werden. In other words, the electrochemical reaction in the anode region 1 releases electrons which, after passing through a load, are absorbed by the electrochemical storage system in the cathode region 2 become, which thus goes into a reduced state. The electrochemical storage system is then transported via the pumping circuit 3 to the regenerator R. If the regenerator R is also supplied with oxidizing fluid and protons, the electrochemical storage system transfers to the oxidized state with the release of electrons. Based on the targeted control of the change in the redox state of the electrochemical storage system according to the invention, the electrical power of a fuel cell system containing this Redoxfiow fuel cell 10 can be adjusted.
Figur 2 zeigt ein Schema der Steuertopologie der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung 5. Die Steuervorrichtung 5 ist hier vorgesehen, eine elektrische Last, also einen elektrischen Verbraucher 6, eine Oxidationsfluidfördereinheit 7, eine Fördereinrichtung für das elektrochemische Speichersystem 4 zu steuern sowie Daten eines Temperatursensors für das elektrochemische Speichersystem 8 zu erhalten. Optional kann die Steuervorrichtung auch eine Kühlmittelpumpe steuern und Daten eines Oxidationszustandssensors empfangen, der Aufschluss über den Oxidationszustand des elektrochemischen Speichersystems gibt. FIG. 2 shows a diagram of the control topology of the control device 5 according to the invention. The control device 5 is provided here for controlling an electrical load, ie an electrical load 6, an oxidation fluid delivery unit 7, a delivery device for the electrochemical storage system 4 and data for a temperature sensor for the electrochemical storage system 8 to get. Optionally, the controller may also control a coolant pump and receive data of an oxidation state sensor that provides information about the oxidation state of the electrochemical storage system.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung der relevanten Leistungskurven eines Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung. Im Detail ist die Leistung bzw. der Leistungsbedarf der einzelnen Komponenten des Brennstoffzellensystems gegen die Zeit in Sekunden aufgetragen. Figure 3 shows a schematic representation of the relevant performance curves of a fuel cell system according to a first advantageous embodiment of the invention. In detail, the power or the power requirement of the individual components of the fuel cell system is plotted against the time in seconds.
Das Brennstoffzellensystem umfasst hier mehrere zu einem Brennstoffzellenstapel gestapelte Brennstoffzellen, wobei mindestens eine Brennstoffzelle eine Redoxfiow-Brennstoffzelle ist. Das Brennstoffzellensystem muss keinen Hochvoltspeicher umfassen. Ferner weist das Brennstoffzellensystem eine große Stoffmenge an aktiven Redoxmolekülen auf. In Folge der großen Stoffmenge an aktiven Redoxmolekülen des elektrochemischen Speichersystems kann eine Oxidationsfiuidfördereinheit mit zeitlicher Verzögerung (beispielsweise 0 bis 20 Sekunden, vorzugsweise 1 bis 10 Sekunden und weiter vorzugsweise 2 bis 4 Sekunden) zugeschaltet werden, so dass gerade beim Start des Brennstoffzellensystems keine Energie auf die Inbetriebnahme der Oxidationsfiuidfördereinheit aufgewandt werden muss, die die Gesamtleistung des Brennstoffzellensystems schwächt. Die von der Oxidationsfiuidfördereinheit aufgenommene und der Gesamtleistung des Systems fehlende Leistung ist in Kurve C dargestellt. Es ist deutlich zu sehen, dass hier ein sanfter Anlauf der Oxidationsfiuidfördereinheit vorgesehen ist. The fuel cell system here comprises a plurality of fuel cells stacked to form a fuel cell stack, at least one fuel cell being a redox fuel cell. The fuel cell system does not need to include high-voltage storage. Furthermore, the fuel cell system has a large amount of active substance redox molecules. As a result of the large amount of active substance redox molecules of the electrochemical storage system, a Oxidungsfiuidfördereinheit with time delay (for example 0 to 20 seconds, preferably 1 to 10 seconds and more preferably 2 to 4 seconds) are switched on, so just at the start of the fuel cell system no energy the commissioning of the Oxidungsfiuidfördereinheit must be expended, which weakens the overall performance of the fuel cell system. The power consumed by the oxidation fluid delivery unit and missing from the overall performance of the system is shown in curve C. It can clearly be seen that a gentle start of the oxidation-fluid delivery unit is provided here.
Kurve A zeigt die elektrische Leistung des gesamten Brennstoffzellenstapels beispielsweise aus „normalen" Brennstoffzellen und Redoxflow- Brennstoffzellen. Nach einer minimalen Anfahrzeit, die gegenüber einer Anfahrzeit eines herkömmlichen Brennstoffzellensystems, das ausschließlich „normale" Brennstoffzellen enthält, wird eine konstante Leistung erbracht, die sich aus den Elektrodenreaktionen ergibt. Die sehr kurze Anfahrzeit wird dadurch erhalten, dass beim Anfahren des Brennstoffzellensystems zusätzlich im elektrochemischen Speichersystem gespeicherte elektrochemische Energie freigesetzt wird. Andernfalls wäre auch hier mit einer größeren zeitlichen Verzögerung des Leistungsanstiegs des Brennstoffzellenstapels zu rechnen. Für eine Konstanz der Leistung des Brennstoffzellenstapels ist u.a. eine Zuschaltung der Oxidationsfiuidfördereinheit notwendig, damit der Regenerator mit Oxidationsfluid bedient wird. Als elektrischer Verbraucher entzieht die Oxidationsfiuidfördereinheit dem Gesamtsystem Leistung (siehe Kurve C), was in dem Abfall der Leistungskurve B des Brennstoffzellensystems nach Überschreiten eines Maximums ersichtlich ist. Der sich daraus ergebende schraffierte Bereich D ist die Energie, die durch verzögertes Zuschalten der Oxidationsfiuidfördereinheit einem Verbraucher, beispielsweise einem Kraftfahrzeug, zur Verfügung steht. Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung der relevanten Leistungskurven eines Brennstoffzellensystems gemäß einer zweiten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung. Curve A shows the electric power of the entire fuel cell stack, for example, from "normal" fuel cells and redox flow fuel cells After a minimum start-up time compared to a start-up time of a conventional fuel cell system containing only "normal" fuel cells, a constant performance is provided gives the electrode reactions. The very short startup time is obtained by additionally releasing electrochemical energy stored in the electrochemical storage system when the fuel cell system starts up. Otherwise, a longer time delay of the increase in fuel cell stack performance would also have to be expected. Inter alia, a connection of the Oxidationsfiuidfördereinheit is necessary for a constancy of the performance of the fuel cell stack, so that the regenerator is operated with oxidizing fluid. As an electrical consumer, the oxidation fluid delivery unit draws power from the overall system (see curve C), which is evident in the drop in the power curve B of the fuel cell system when a maximum is exceeded. The resulting shaded area D is the energy available to a consumer, such as a motor vehicle, by delaying the delivery of the oxidizing fluid delivery unit. Figure 4 shows a schematic representation of the relevant performance curves of a fuel cell system according to a second advantageous embodiment of the invention.
Im Unterschied zu dem Brennstoffzellensystem aus Figur 3 umfasst das Brennstoffzellensystem aus Figur 4 ferner einen Hochvoltspeicher, beispielsweise eine Batterie. In contrast to the fuel cell system from FIG. 3, the fuel cell system from FIG. 4 further comprises a high-voltage accumulator, for example a battery.
Kurve E zeigt den Beitrag an Leistung, der durch den Hochvoltspeicher erbracht wird. Zu sehen ist, dass der Hochvoltspeicher, so wie herkömmliche Brennstoffzellen auch, nicht in der Lage ist, beim Anfahren des Brennstoffzellensystems Leistung ohne zeitliche Verzögerung bereitzustellen. Dies äußert sich in einem langsamen Anstieg der Kurve E, der Leistungskurve des Hochvoltspeichers. Dieses Leistungsdefizit wird wiederum durch das elektrochemische Speichersystem ausgeglichen, was einen sofortigen Anstieg der Gesamtleistung (Kurve F) aus Leistung des Brennstoffzellensystems (Kurve B) und Leistung des Hochvoltspeichers (Kurve E) auf ein Maximum bewirkt. Die maximal erreichte Gesamtleistung (Kurve F) ist durch das Mitwirken des Hochvoltspeichers (Kurve E) größer als diejenige aus Figur 3. Die Leistungskurve des Brennstoffzellensystems (Kurve B) ist analog zu derjenigen aus Figur 3 und zeigt einen Abfall der Leistungskurve des Brennstoffzellensystems (Kurve B) nach Überschreiten eines Maximums, was auf ein zeitlich verzögertes Zuschalten einer Oxidationsfluidfördereinheit als elektrischem Verbraucher zurückzuführen ist. Figur 4 umfasst ferner Kurve I, die die Leistung eines Hochvoltspeichers gemäß eines herkömmlichen Brennstoffzellensystems zeigt. Zu sehen ist, dass die Leistung des Hochvoltspeichers sehr stark hochgefahren werden muss um die entsprechende Gesamtleistung (Kurve F) zu erhalten. Dies ist durch den schraffierten Bereich H angezeigt. Die herkömmliche Steuerung eines Brennstoffzellensystems führt damit zur Degradation des Hochvoltspeichers. Curve E shows the contribution to power provided by the high-voltage storage. It can be seen that the high-voltage storage, as well as conventional fuel cells also, is not able to provide power at start-up of the fuel cell system without a time delay. This manifests itself in a slow increase in the curve E, the power curve of the high-voltage accumulator. This power deficit is in turn balanced by the electrochemical storage system, causing an immediate increase in overall performance (curve F) from fuel cell system performance (curve B) and high-voltage memory (curve E) performance to a maximum. The maximum total output (curve F) is greater than that of FIG. 3 due to the cooperation of the high-voltage accumulator (curve E). The power curve of the fuel cell system (curve B) is analogous to that of FIG. 3 and shows a drop in the power curve of the fuel cell system (curve B) after exceeding a maximum, which is due to a delayed activation of an oxidation fluid delivery unit as an electrical consumer. FIG. 4 further comprises curve I, which shows the performance of a high-voltage accumulator according to a conventional fuel cell system. It can be seen that the power of the high-voltage memory has to be raised very high in order to obtain the corresponding overall power (curve F). This is indicated by the hatched area H. The conventional control of a fuel cell system thus leads to the degradation of the high-voltage storage.
Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung der relevanten Leistungskurven eines Brennstoffzellensystems gemäß einer dritten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung. Im Detail ist wiederum die Leistung der einzelnen Komponenten des Brennstoffzellensystems gegen die Zeit in Sekunden aufgetragen. Figure 5 shows a schematic representation of the relevant performance curves of a fuel cell system according to a third advantageous embodiment of the invention. In detail, in turn, is the performance of each Components of the fuel cell system plotted against time in seconds.
Das Brennstoffzellensystem umfasst wie dasjenige aus Figur 3 mehrere zu einem Brennstoffzellenstapel gestapelte Brennstoffzellen, wobei mindestens eine Brennstoffzelle eine Redoxflow-Brennstoffzelle ist. Das Brennstoffzellensystem kann einen Hochvoltspeicher umfassen. Ferner weist das Brennstoffzellensystem im Unterschied zu den Brennstoffzellensystemen aus Figuren 3 und 4 eine kleine Stoffmenge an aktiven Redoxmolekülen auf. Like the one from FIG. 3, the fuel cell system comprises a plurality of fuel cells stacked to form a fuel cell stack, wherein at least one fuel cell is a redox flow fuel cell. The fuel cell system may include a high-voltage storage. Furthermore, in contrast to the fuel cell systems from FIGS. 3 and 4, the fuel cell system has a small amount of active substance in redox molecules.
In Folge der kleinen Stoffmenge an aktiven Redoxmolekülen des elektrochemischen Speichersystems wird die Oxidationsfluidfördereinheit ohne zeitliche Verzögerung zugeschaltet, so dass gerade beim Start des Brennstoffzellensystems schnell eine ausreichende Leistung des Brennstoffzellensystems bereitgestellt werden kann. Eine zeitliche Verzögerung der Initiation der Oxidationsfluidfördereinheit wäre hier nachteilig, da aufgrund der kleinen Stoffmenge an aktiven Redoxmolekülen elektrochemischem Speichersystem nur für eine kurze befristete Zeit elektrochemische Leistung hieraus abgerufen werden kann. As a result of the small amount of active substance redox molecules of the electrochemical storage system, the Oxidationsfluidfördereinheit is switched on without delay, so that just at the start of the fuel cell system quickly sufficient power of the fuel cell system can be provided. A time delay of the initiation of the oxidation fluid delivery unit would be disadvantageous here, since due to the small amount of active substance redox molecules electrochemical storage system electrochemical performance can be retrieved only for a short period of time.
Wie in Figur 3 steigt die Leistung des Brennstoffzellenstapels (Kurve A) sofort an, was auf die Leistung des Brennstoffzellenstapels, beispielsweise der Kombination aus„normalen" Brennstoffzellen und Redoxflow-Brennstoffzellen zurückzuführen ist. Da nun aber die Oxidationsfluidfördereinheit ohne zeitliche Verzögerung zugefahren wird, wird nach kleiner Anlaufzeit der Oxidationsfluidfördereinheit des Brennstoffzellensystems (Kurve B) schneller Leistung entzogen. Dies äußert sich in einem Plateau G der Kurve B. Zum Anfahren der Oxidationsfluidfördereinheit wird im Vergleich zum dauerhaften Aufrechterhalten des Betriebs der Oxidationsfluidfördereinheit ein höherer Leistungsbetrag abverlangt, was in einem Durchlaufen eines Maximums in der Kurve C ersichtlich ist. Folglich ist die Leistung des Brennstoffzellensystems (Kurve B) gegenüber der Leistung des Brennstoffzellenstapels (Kurve A) reduziert. Beispielsweise kann bei einer Nennleistung eines Brennstoffzellenstapels (Kurve A) von ca. 100kW eine Oxidationsfluidfördereinheit mit einer Nennleistung von ca. 25kW und mit einer maximalen Anlaufleistung von ca. 30kW bei Direktbetrieb ohne Verwendung von Mittel zum sanften Anlauf wie Umrichter, Sanftstarter etc. erforderlich sein. As in Figure 3, the performance of the fuel cell stack (curve A) increases immediately, due to the performance of the fuel cell stack, for example, the combination of "normal" fuel cells and redox flow fuel cells, but now that the oxidation fluid delivery unit is shut down without any time delay This is manifested in a plateau G of the curve B. In order to start the oxidation fluid delivery unit, a higher amount of power is required in comparison to permanently maintaining the operation of the oxidation fluid delivery unit, which results in a throughput of the oxidation fluid delivery unit Maximum is seen in the curve C. Consequently, the performance of the fuel cell system (curve B) is reduced compared to the power of the fuel cell stack (curve A), for example, at a rated power of a fuel cell stack (curve A). from about 100kW one 25 kW and with a maximum starting power of approx. 30 kW in direct operation without the use of means for soft starting such as converters, soft starters, etc.
Figur 6 ist eine schematische Darstellung von Stromdichte- Zellspannungskurven. Aufgetragen ist die Zellspannung U[V] gegen die Stromdichte j in [A/cm2]. Die untere Kurve zeigt eine Polarisationskurve bei niedriger Eduktkonzentration. Die obere Kurve zeigt eine Polarisationskurve bei hoher Eduktkonzentration. Die eingezeichneten Punkte X und Y sind Betriebspunkte mit gleichem elektrischem Leistungspotential. Bei Verringerung der Eduktkonzentration erhöht sich bei gleicher Stromdichte die Aktivierungsüberspannung und Konzentrationsüberspannung der Reaktion (gemäß Butler-Volmer-Gleichung). Dadurch wird mehr Wärme produziert und weniger elektrische Leistung. Dies führt zu einer geringeren elektrischen Effizienz des Systems. Zusätzlich wird dieser Effekt bei niedrigen Temperaturen verstärkt. Figure 6 is a schematic representation of current density cell voltage curves. The cell voltage U [V] is plotted against the current density j in [A / cm 2 ]. The lower curve shows a polarization curve at low educt concentration. The upper curve shows a polarization curve at high educt concentration. The drawn points X and Y are operating points with the same electric power potential. When the educt concentration is reduced, the activation overvoltage and the concentration overvoltage of the reaction increase at the same current density (according to the Butler-Volmer equation). This will produce more heat and less electrical power. This leads to a lower electrical efficiency of the system. In addition, this effect is enhanced at low temperatures.
Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen. The foregoing description of the present invention is for illustrative purposes only, and not for the purpose of limiting the invention. Various changes and modifications are possible within the scope of the invention without departing from the scope of the invention and its equivalents.
Bezugszeichenliste: LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Anodenbereich 1 anode area
2 Kathodenbereich  2 cathode area
3 Pumpkreislauf  3 pumping circuit
4 Fördereinrichtung  4 conveyor
5 Steuervorrichtung  5 control device
6 elektrische Last  6 electrical load
7 Oxidationsfluidfördereinheit  7 Oxidation fluid delivery unit
8 Temperatursensor für ein elektrochemisches Speichersystem 8 Temperature sensor for an electrochemical storage system
10 Redoxf I ow- B re n n stoffze I le 10 redox white pigments
R Regenerator  R regenerator
S protonenpermeabler Separator  S proton permeable separator

Claims

Patentansprüche: Patent claims:
1. Brennstoffzellensystem mit mehreren, zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefassten Brennstoffzellen, dadurch gekennzeichnet, dass1. Fuel cell system with several fuel cells combined to form a fuel cell stack, characterized in that
- mindestens eine Brennstoffzelle eine Redoxfiow-Brennstoffzelle (10) mit einer Elektrodenanordnung ist, umfassend einen - At least one fuel cell is a redox fiow fuel cell (10) with an electrode arrangement, comprising a
protonenpermeablen Separator (S), der zwischen einem proton-permeable separator (S), which is between a
Anodenbereich (1) und einem Kathodenbereich (2) angeordnet ist, wobei Anode region (1) and a cathode region (2) is arranged, wherein
- die Redoxfiow-Brennstoffzelle (10) einen von der Elektrodenanordnung räumlich getrennten Regenerator (R) aufweist und eine - The redox fiow fuel cell (10) has a regenerator (R) that is spatially separated from the electrode arrangement and a
wasserbildende Reaktion der Redoxfiow-Brennstoffzelle (10) in dem Regenerator (R) erfolgt, wobei water-forming reaction of the redox fiow fuel cell (10) takes place in the regenerator (R), whereby
- die Redoxfiow-Brennstoffzelle (10) ferner mindestens eine - The redoxfiow fuel cell (10) also has at least one
Oxidationsfluidfördereinheit (7) zum Zuführen von Oxidationsfluid in den Regenerator (R) zum Ausführen der wasserbildenden Reaktion im Regenerator (R) der Redoxfiow-Brennstoffzelle (10) umfasst, wobei Oxidation fluid delivery unit (7) for supplying oxidation fluid into the regenerator (R) for carrying out the water-forming reaction in the regenerator (R) of the redox fuel cell (10), wherein
- die Redoxfiow-Brennstoffzelle (10) ferner einen Pumpkreislauf (3) mit einer Pumpvorrichtung und einer Pumpleitung umfasst, zum Transport eines elektrochemischen Speichersystems durch den Kathodenbereich (2) oder den Anodenbereich (1 ) der Redoxfiow-Brennstoffzelle (10) sowie den Regenerator (R), und das elektrochemische - the redoxfiow fuel cell (10) further comprises a pump circuit (3) with a pump device and a pump line for transporting an electrochemical storage system through the cathode region (2) or the anode region (1) of the redoxfiow fuel cell (10) and the regenerator ( R), and the electrochemical
Speichersystem aktive Redoxmoleküle enthält und ausgebildet ist, Elektronen aufzunehmen und abzugeben, Storage system contains active redox molecules and is designed to absorb and release electrons,
und wobei das Brennstoffzellensystem ferner eine Steuervorrichtung (5) umfasst, die ausgebildet ist, eine verfügbare elektrische und/oder thermische Leistung des Brennstoffzellensystems durch Veränderung eines Redoxzustandes des elektrochemischen Speichersystems anzupassen. and wherein the fuel cell system further comprises a control device (5) which is designed to adapt an available electrical and/or thermal power of the fuel cell system by changing a redox state of the electrochemical storage system.
2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet dass die Steuervorrichtung (5) ausgebildet ist, die elektrische Leistung des Brennstoffzellensystems durch eine Änderung des Redoxzustandes von mindestens 10% der redoxaktiven Moleküle des elektrochemischen Speichersystems anzupassen. 2. Fuel cell system according to claim 1, characterized in that the control device (5) is designed to adapt the electrical power of the fuel cell system by changing the redox state of at least 10% of the redox-active molecules of the electrochemical storage system.
3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch 3. Fuel cell system according to claim 1 or 2, characterized
gekennzeichnet dass die Steuervorrichtung (5) ausgebildet ist, die elektrische Leistung des Brennstoffzellensystems über die maximale, durch die Oxidationsfluidfördereinheit (7) vorgegebene Leistung, durch Einleiten einer Reduktion des elektrochemischen Speichersystems, zu steigern. characterized in that the control device (5) is designed to increase the electrical power of the fuel cell system above the maximum power specified by the oxidation fluid delivery unit (7) by initiating a reduction in the electrochemical storage system.
4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch 4. Fuel cell system according to claim 1, 2 or 3, thereby
gekennzeichnet dass die Steuervorrichtung (5) ausgebildet ist, die elektrische Leistung des Brennstoffzellensystems ohne Aktivierung der Oxidationsfluidfördereinheit (7) durch Einleiten einer Reduktion des elektrochemischen Speichersystems bereitzustellen. characterized in that the control device (5) is designed to provide the electrical power of the fuel cell system without activating the oxidation fluid delivery unit (7) by initiating a reduction of the electrochemical storage system.
5. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (5) ausgebildet ist, durch Einspeisung von Rekuperationsenergie eine Regeneration des elektrochemischen Speichersystems herbeizuführen. 5. Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the control device (5) is designed to bring about a regeneration of the electrochemical storage system by feeding in recuperation energy.
6. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeneration des elektrochemischen Speichersystems durch Einspeisung von Rekuperationsenergie in die 6. Fuel cell system according to claim 5, characterized in that the regeneration of the electrochemical storage system is carried out by feeding recuperation energy into the
Oxidationsfluidfördereinheit (7) erfolgt. Oxidation fluid delivery unit (7) takes place.
7. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (5) ausgebildet ist, die Pumpvorrichtung in Abhängigkeit einer Stoffmenge der aktiven Redoxmoleküle des elektrochemischen Speichersystems stufenweise und/oder stufenlos zu regulieren. 7. Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the control device (5) is designed to regulate the pump device gradually and / or continuously depending on a quantity of the active redox molecules of the electrochemical storage system.
8. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (5) ausgebildet ist, sofern die Stoffmenge der aktiven Redoxmoleküle des 8. Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the control device (5) is designed if the amount of active redox molecules of the
elektrochemischen Speichersystems klein ist, im Fall eines positiven Lastsprungs die Oxidationsfluidfördereinheit (7) sofort zu aktivieren sowie Leistung durch Einleiten einer Reduktion des elektrochemischen Speichersystems bereitzustellen, und/oder dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (5) ausgebildet ist, sofern die Stoffmenge der aktiven Redoxmoleküle des electrochemical storage system is small, in the case of a positive load jump, the oxidation fluid delivery unit (7) is activated immediately and power is provided by initiating a reduction of the electrochemical storage system, and / or characterized in that the control device (5) is designed if the amount of active redox molecules of
elektrochemischen Speichersystems groß ist, im Fall eines positiven Lastsprungs Leistung durch Einleiten einer Reduktion des electrochemical storage system is large, in the case of a positive load jump power by initiating a reduction of the
elektrochemischen Speichersystems bereitzustellen und die to provide an electrochemical storage system and the
Oxidationsfluidfördereinheit (7) mit einer Verzögerung von mehreren Sekunden zu aktivieren. To activate the oxidation fluid delivery unit (7) with a delay of several seconds.
9. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (5) ausgebildet ist, im Fall eines negativen Lastsprungs eine anfallende 9. Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the control device (5) is designed to occur in the event of a negative load jump
Rekuperationsenergie der Oxidationsfluidfördereinheit (7) zu deren Aktivierung zuzuleiten. To supply recuperation energy to the oxidation fluid delivery unit (7) for its activation.
10. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das System ein Mittel und/oder eine Schaltung zum sanften Anlauf der Oxidationsfluidfördereinheit aufweist. 10. Fuel cell system according to one of the preceding claims, wherein the system has a means and / or a circuit for soft starting of the oxidation fluid delivery unit.
1 1. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (5) ausgebildet ist, im Fall eines negativen Lastsprungs eine anfallende 1 1. Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the control device (5) is designed to occur in the event of a negative load jump
Rekuperationsenergie der Oxidationsfluidfördereinheit (7) und/oder einer Batterie zuzuleiten. To supply recuperation energy to the oxidation fluid delivery unit (7) and/or a battery.
12. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (5) ausgebildet ist, beim Anfahren des Brennstoffzellensystems eine Pumpleistung der Pumpvorrichtung zu reduzieren, um das Brennstoffzellensystem auf Betriebstemperatur zu bringen. 12. Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the control device (5) is designed when starting up the fuel cell system, to reduce a pump power of the pump device in order to bring the fuel cell system to operating temperature.
13. Kraftfahrzeug umfassend ein Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche. 13. Motor vehicle comprising a fuel cell system according to one of the preceding claims.
14. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystem mit mehreren, zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefassten Brennstoffzellen, wobei 14. Method for operating a fuel cell system with multiple fuel cells combined to form a fuel cell stack, wherein
- mindestens eine Brennstoffzelle eine Redoxflow-Brennstoffzelle (10) ist, mit einer Elektrodenanordnung, umfassend einen - At least one fuel cell is a redox flow fuel cell (10), with an electrode arrangement comprising a
protonenpermeablen Separator (S), der zwischen einem proton-permeable separator (S), which is between a
Anodenbereich (1 ) und einem Kathodenbereich (2) angeordnet ist, wobei Anode region (1) and a cathode region (2) is arranged, wherein
- die Redoxflow-Brennstoffzelle (10) einen von der Elektrodenanordnung räumlich getrennten Regenerator (R) aufweist und eine - The redox flow fuel cell (10) has a regenerator (R) that is spatially separated from the electrode arrangement and a
wasserbildende Reaktion der Redoxflow-Brennstoffzelle (10) in dem Regenerator (R) erfolgt, wobei water-forming reaction of the redox flow fuel cell (10) takes place in the regenerator (R), whereby
- die Redoxflow-Brennstoffzelle ( 0) ferner mindestens eine - The redox flow fuel cell (0) also at least one
Oxidationsfluidfördereinheit (7) zum Zuführen von Oxidationsfluid in den Regenerator (R) zum Ausführen der wasserbildenden Reaktion im Regenerator (R) der Redoxflow-Brennstoffzelle (10), umfasst, wobei Oxidation fluid delivery unit (7) for supplying oxidation fluid into the regenerator (R) for carrying out the water-forming reaction in the regenerator (R) of the redox flow fuel cell (10), wherein
- die Redoxflow-Brennstoffzelle (10) ferner einen Pumpkreislauf (3) mit einer Pumpvorrichtung und einer Pumpleitung, umfasst, zum Transport eines elektrochemischen Speichersystems durch den Kathodenbereich (2) oder den Anodenbereich (1 ) der Redoxflow-Brennstoffzelle (10) sowie den Regenerator (R), und das elektrochemische - The redox flow fuel cell (10) further comprises a pump circuit (3) with a pump device and a pump line for transporting an electrochemical storage system through the cathode region (2) or the anode region (1) of the redox flow fuel cell (10) and the regenerator (R), and the electrochemical
Speichersystem aktive Redoxmoleküle enthält und ausgebildet ist, Elektronen aufzunehmen und abzugeben, wobei Storage system contains active redox molecules and is designed to accept and release electrons, whereby
das Verfahren den Schritt des Anpassens einer verfügbaren elektrischen und/oder thermischen Leistung des Brennstoffzellensystems durch Verändern eines Redoxzustandes des elektrochemischen the method includes the step of adjusting an available electrical and/or thermal power of the fuel cell system by changing a redox state of the electrochemical
Speichersystems umfasst. Storage system includes.
15. Verfahren nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch den Schritt des Anpassens der elektrischen Leistung des Brennstoffzellensystems durch Änderung des Redoxzustandes von mindestens 10% der redoxaktiven Moleküle des elektrochemischen Speichersystems. 15. The method according to claim 14, characterized by the step of adjusting the electrical power of the fuel cell system by changing the redox state of at least 10% of the redox-active molecules of the electrochemical storage system.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, gekennzeichnet durch den Schritt des Steigerns der elektrischen Leistung des Brennstoffzellensystems über die maximale, durch die Oxidationsfluidfördereinheit (7) 16. The method according to claim 14 or 15, characterized by the step of increasing the electrical power of the fuel cell system above the maximum through the oxidation fluid delivery unit (7).
vorgegebene Leistung, durch Einleiten einer Reduktion des specified power, by initiating a reduction of the
elektrochemischen Speichersystems. electrochemical storage system.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14, 15 oder 16, gekennzeichnet durch den Schritt des Bereitstellens der elektrischen Leistung des Brennstoffzellensystems ohne Aktivieren der Oxidationsfluidfördereinheit (7) durch Einleiten einer Reduktion des elektrochemischen 17. The method according to any one of claims 14, 15 or 16, characterized by the step of providing the electrical power of the fuel cell system without activating the oxidation fluid delivery unit (7) by initiating a reduction of the electrochemical
Speichersystems. storage system.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, gekennzeichnet durch den Schritt des Regenerierens des elektrochemischen Speichersystems durch Einspeisen von Rekuperationsenergie. 18. The method according to any one of claims 14 to 17, characterized by the step of regenerating the electrochemical storage system by feeding in recuperation energy.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Regenerierens des elektrochemischen Speichersystems durch Einspeisen von Rekuperationsenergie in die Oxidationsfluidfördereinheit (7) erfolgt. 19. The method according to claim 18, characterized in that the step of regenerating the electrochemical storage system takes place by feeding recuperation energy into the oxidation fluid delivery unit (7).
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, gekennzeichnet durch den Schritt des stufenweisen und/oder stufenlosen Regulierens der Pumpvorrichtung in Abhängigkeit einer Stoffmenge der aktiven 20. The method according to one of claims 14 to 19, characterized by the step of gradually and / or continuously regulating the pump device depending on a quantity of active substance
Redoxmoleküle des elektrochemischen Speichersystems. Redox molecules of the electrochemical storage system.
21 Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch 21 Method according to one of claims 14 to 20, thereby
gekennzeichnet, dass sofern die Stoffmenge der aktiven Redoxmoleküle des elektrochemischen Speichersystems klein ist, im Fall eines positiven Lastsprungs die Oxidationsfluidfördereinheit (7) sofort aktiviert und elektrische Leistung durch Einleiten einer Reduktion des characterized in that the amount of active redox molecules of the electrochemical storage system is small, in the event of a positive load jump, the oxidation fluid delivery unit (7) is activated immediately and electrical power is generated by initiating a reduction in the
elektrochemischen Speichersystems bereitgestellt wird und/oder dadurch gekennzeichnet, dass sofern die Stoffmenge der aktiven Redoxmoleküle des elektrochemischen Speichersystems groß ist, im Fall eines positiven Lastsprungs elektrische Leistung durch Einleiten einer Reduktion des elektrochemischen Speichersystems bereitgestellt und die Oxidationsfluidfördereinheit (7) mit einer Verzögerung von mehreren Sekunden aktiviert wird. electrochemical storage system is provided and / or characterized in that if the amount of active redox molecules of the electrochemical storage system is large, in the case of a positive load jump, electrical power is provided by initiating a reduction of the electrochemical storage system and the oxidation fluid delivery unit (7) with a delay of several seconds is activated.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 21 , dadurch 22. Method according to one of claims 14 to 21, thereby
gekennzeichnet, dass im Fall eines negativen Lastsprungs eine anfallende Rekuperationsenergie der Oxidationsfluidfördereinheit (7) zu deren Aktivierung zugeleitet wird. characterized in that in the case of a negative load jump, the resulting recuperation energy is fed to the oxidation fluid delivery unit (7) to activate it.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 22, dadurch 23. Method according to one of claims 14 to 22, characterized
gekennzeichnet, dass das System ein Mittel und/oder eine Schaltung zum sanften Anlauf der Oxidationsfluidfördereinheit aufweist. characterized in that the system has a means and/or a circuit for gently starting the oxidation fluid delivery unit.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 23, dadurch 24. The method according to any one of claims 14 to 23, characterized
gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem mindestens eine Batterie umfasst und dass im Fall eines negativen Lastsprungs eine anfallende Rekuperationsenergie der Oxidationsfluidfördereinheit (7) und/oder der Batterie zugeleitet wird. characterized in that the fuel cell system comprises at least one battery and that in the event of a negative load jump, recuperation energy is supplied to the oxidation fluid delivery unit (7) and/or the battery.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 24, dadurch 25. The method according to one of claims 14 to 24, characterized
gekennzeichnet, dass beim Anfahren des Brennstoffzellensystems eine Pumpleistung der Pumpvorrichtung reduziert wird, um das characterized in that when starting up the fuel cell system, a pumping power of the pumping device is reduced by this
Brennstoffzellensystem auf Betriebstemperatur zu bringen. Bring the fuel cell system to operating temperature.
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