JP5629772B2 - 車両における燃料電池システムの作動方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前提部分に定義されている種類の、車両における燃料電池システムの作動方法に関する。

一般的な従来技術から、車両のストップ・スタートシステムが周知である。特に、どのような駆動方法の自動車の場合でも、エネルギーを節約しと騒音を軽減するために、例えば、交差点、赤信号又は車両の惰走時など、出力を必要としない短いフェーズにおいて、エネルギーを節約するために駆動ユニットを停止させることがこのところ一般的になっている。この場合、通常は駆動ユニット自体以外に、例えばポンプ、コンプレッサなどの補機類も一緒に停止されるか、又は少なくとも出力低下状態にされる。これによって、必要なエネルギーも、有害物質及び騒音の排出も、顕著に低下させることができる。

この種のシステムは、必要な駆動力を発生させるための燃料電池システムが装備されている車両においても知られている。例えば特許文献１は、車両が停止している間、燃料電池を一時的にストップモードにする方法を開示している。燃料電池システムをストップモードに切り替える車両要求から始まり、まず、燃料電池システムがこの要求に応じることができるかどうかチェックされる。このシステムがストップモードに切り替えられる場合は、燃料供給も、燃料電池の空気供給も、完全に停止する。

これにより、必要なエネルギーと排気ガスとが制限される。しかしながら、ここで説明されている方法は、作動と停止が繰り返し行われていることから、燃料電池の劣化が比較的早く生じ、完全な停止状態からの再発進時における水素供給にも、空気供給にも、比較的長い時間を要することとなり、この間は、車両が再スタートするにあたって、燃料電池は駆動力を生成することができない。

米国特許第６４８４０７５Ｂ２号明細書

従って、本発明の課題は、ストップ・スタートモードにおいてより適切な機能性を確保すると同時に、燃料電池の寿命を延ばすことができるように、車両燃料電池システムの作動方法をさらに改善することである。

本発明に基づき、この課題は、請求項１の特徴部分に記載されている特徴によって解決される。本発明に基づく方法のその他の有利な実施形態及び発展形態は、従属請求項に示されている。

本発明に基づく方法では、ストップモードへの切替えに伴って燃料電池の電気的接続が維持されることにより、引き続き電流が燃料電池から引き出されるため、燃料電池の部分に残っている媒体、ここでは特に残留酸素を除去することができる。これにより、ストップモードの間、セルの寿命を悪化させるおそれのある、燃料電池の個々のセルに有害な電圧が回避される。この除去に十分な量の燃料ガス、特に水素を使用するために、本発明に基づく方法では、燃料電池のアノード側への燃料ガスの供給を中断するのではなく、低い圧力にまで下げるだけである。これによって、燃料電池のカソード側の空気供給が停止している又は最小になっている状態において、アノード領域とカソード領域間の差圧が過剰に大きくなることを防止することができる。特に好ましい発展形態に基づき、燃料電池がＰＥＭ燃料電池として形成されている場合、この差圧の低下により、燃料電池の膜が保護され、大き過ぎる差圧によって膜に負荷がかからないようになる。

本発明に基づく方法の極めて適切かつ有利な発展形態によれば、さらに、燃料電池システム内において、未使用の燃料ガスが、アノード後の部分から再循環フィード装置により、バルブ装置からくる新鮮な燃料ガスと一緒にアノードの燃料ガス供給へと供給されるようになっており、ストップモードへの切替えには、さらに、再循環フィード装置によって送られる流量が規定値まで引き下げられることも含まれている。従って、アノード再循環を備える燃料電池システムにおいて使用する場合、再循環フィード装置は、ストップモードの間も引き続き作動している。この装置は、非常に有利な発展形態に従って、電動駆動の再循環ブロワとして形成することができる。この場合、再循環ブロワを、簡単かつ効率的な形で、通常モードの回転数よりも顕著に低い規定回転数にすることができる。本発明に基づく方法により、低い圧力が維持され、それによって僅かな水素の供給が行われることにより、アノード領域及び再循環ラインにあるガスが再循環フィード装置によって引き続き移動するという構造が生じるため、燃料電池のカソードに入り込む酸素を、燃料電池の通電により適切に除去することができる。

本発明に基づく方法の非常に有利な実施形態によれば、さらに、燃料電池の電力を低下させるエレクトロニックユニットと燃料電池とが電気的に接続され、このユニットにより、燃料電池の余分な電力がエネルギー貯蔵装置に貯蔵されるように設定されており、ストップモードへ切り替えられた後、このエレクトロニックユニットによって、規定電圧に達するまで電流が燃料電池から引き出され、その後、一定の電圧を保つように燃料電池が制御される。本発明に基づく方法の非常に有利なこの実施形態は、エネルギー貯蔵装置、例えばバッテリなどと一緒に用いられる極めて一般的な燃料電池に使用することを考慮している。燃料電池の余分な電力が使用可能な状況において、又は発電モードにおいて車両が電気モータによって制動される状況においては、システム内で発生した、直接必要でない電力を一時的に蓄電することができる。従って、この構造には、ストップモードの開始に伴って、まず、電流がエレクトロニックユニットによって燃料電池から取り出されるという重要な利点がある。この電流は、電圧が適切に低い状態に保たれ、燃料電池の個別セルの部分に腐食が生じないという作用をもつ。電圧の有利な限界値は、この場合、それぞれの個別セルで約０．８５ボルトである。この電流により、さらに、カソード領域に残っている残留酸素が除去されるが、それは、酸素が燃料ガスと反応できるからであり、本発明に基づいて燃料ガス供給が常に低レベルで継続しているからである。残留ガスがなくなると、引き続き動作準備を維持するため、電圧はエレクトロニックユニットによって規定された低いレベルに保たれる。さらに、通常は燃料電池システムの高電圧バス全体に印加されるこの低い電圧レベルにより、信頼性の高い作動が可能となり、それは、この作動が例えば再循環フィード装置の駆動にも関係しているからである。この場合、燃料電池内に負電流が流れるのは十分起こり得ることであり、このために必要な電力はエネルギー貯蔵装置から取り出すことができ、一般的には極めて少ない。

本発明に基づく方法の有利な発展形態においては、この場合、ストップモードへの切替え時に、空気供給装置が完全に停止するようになっている。この構造は、特に、容積型コンプレッサなどを使用すれば、コンプレッサが極めて早く始動し、最大エア流量が提供可能なることから、極めて簡単に実施することができ、騒音及びエネルギー要求に関して非常に有利である。

カソード領域の酸素供給がそれ以上行われないことにより、個別セルの電圧はさらに下がり、発散することができる。このようなケースにおいても、燃料電池の個別セルの腐食を確実に回避するため、本発明に基づく方法の非常に有利な発展形態に従って、ストップモードが規定時間継続した後で、空気流の流量が一時的に増加され、流量が規定値に達すると、再びストップモードに切り替わるようにすることができる。この短時間の空気供給装置の作動により、燃料電池のカソード領域に空気流が一時的に生じる。いわゆるこのリフレッシュでは、再び燃料電池部分の電圧の上昇が生じ、それによって、冒頭に述べたメカニズムが再度働くため、腐食の危険が少なくなる。空気流の流量だけが一時的に増加し、その他の過程及びコンポーネントは、ストップモードの状態のままであることから、このリフレッシュは、比較的僅かなエネルギー要求と騒音だけしか伴わない。それでも、このリフレッシュにより、腐食及びそれに伴う燃料電池の寿命に関して大きな利点が生じる。

本発明に基づく方法のもう１つの非常に有利な実施形態では、空気供給装置としてフローコンプレッサが使用され、これは、ストップモードの間も、規定された低回転数で継続して作動するようになっている。ブロワなどによって燃料電池のために空気流を供給するフローコンプレッサは、燃料電池システムの一般的な従来技術から知られており、容積型コンプレッサと比べ相応のメリットがある。しかし、このフローコンプレッサは、供給する空気流を用意するために、比較的高い回転数を必要とする。従って、ストップモードにおいては、この種のフローコンプレッサを完全に停止するのではなく、本発明に基づき、低回転数で継続して作動させる。これには、システムの再スタートの際、フローコンプレッサがほんの僅かだけ加速すればよいという利点があり、このことは、エネルギー要求と燃料電池システムの再スタートまでの時間に関して重要なメリットを有している。空気供給装置としてのフローコンプレッサを低回転数で継続作動するもう１つの態様は、少量の空気流が引き続き燃料電池に供給されるため、本発明に基づく方法のこの実施形態では、通常、上述のリフレッシュを停止できる点にある。

本発明に基づく方法の非常に適切かつ有利な発展形態では、さらに、ストップモードへの切替えの際、空気供給装置後の燃料電池への空気流と燃料電池システムからの排気ガス流とを接続するフロー接続部が開かれるようになっている。システム・バイパス・バルブとも呼ぶことができるこの種のフロー接続部は、空気供給装置後の部分から排気ガス部分へのフロー接続も行う。燃料電池のカソード領域を閉鎖するには、非常に複雑かつ経費のかかるバルブ装置が必要になると考えられ、さらにこのバルブ装置は故障しやすく、重量があり、広い取付けスペースが必要であるため、燃料電池のカソード領域を閉鎖しないことにより、非常に単純な唯一のバルブを用いて、場合によってはさらに供給される空気流のために、又は車両の下り坂走行時などで動圧により流量が上昇する空気流のために、圧力損失の極めて少ない経路を使用することが可能となり、空気流の大部分は、燃料電池を通過することなく、この経路を介して直接燃料電池システムから再び排出されるようにすることが可能となる。これにより、燃料電池又はそのカソード領域に入力される酸素の量が適切に削減される。それでも、空気供給装置がフローコンプレッサとして形成されており、低回転数で継続して作動している場合、この量は、リフレッシュなしでも上述の腐食に関する問題を回避するのに十分である。

本発明に基づく方法のその他の有利な実施形態及び発展形態は、残りの従属請求項に示されており、以下に図を用いて詳しく説明される方法によって明らかになる。

燃料電池システムを備えた車両の概略図を示す。 第１の実施形態における燃料電池システムを示す。 第２の実施形態における燃料電池システムを示す。

図１には車両１の極めて概略化された図が示され、この車両は、この図では２つ示されているホイール３を駆動する電気駆動モータ２によって動かすことができる。車両１は、モータ２及び最終的に車両１を駆動するための電気駆動エネルギーを供給する燃料電池システム４を備えている。図１では、このことが電気配線によって示されており、これらの配線は、燃料電池システム４と駆動モータ２とを、エレクトロニックユニット５を介して相互に接続している。両方の破線矢印によって示されているように、エレクトロニックユニット５は燃料電池システム４と通信し、例えば、この燃料電池システム４の圧力、温度などをモニタする燃料電池システム内のセンサ値を問い合わせることができる。さらに、エレクトニックユニット５は、周知の方法で車両を制御するために設けられている車両コントロールユニット６と通信できるように接続されている。この車両コントロールユニット６は、この図には示されていないセンサとアクチュエータとによって車両１と接続されており、例えば加速値、アクセルペダルポジションなどを、運転者が希望する出力要求などに対する参照値として評価することができる。

図１の車両には、いわゆるストップ・スタートシステムが装備されている。このようなストップ・スタートシステムは、車両１の駆動ユニット、ここでは燃料電池システム４への出力要求が一時的にない場合、この燃料電池システム４が常にスタンバイ状態又はストップモードに切り替わるように働く。このケースは、例えば、赤信号での停止中、走行中の車両１の惰走時又は下り坂走行時に当てはまる。燃料電池システム４が、エネルギーをほとんど必要とせず、有害物質の排出及び騒音の発生も少ないストップモードに切り替わることによって、このようなストップ・スタートシステムにより、車両１はエネルギーをより多く節約し、快適になる。この場合、これらの利点をもつこの種のストップ・スタートシステムは、燃料電池システム搭載車でも、内燃エンジン搭載車でも一般的な従来技術から周知である。

図２では、燃料電池システム４の例がより詳細に示されている。この場合、燃料電池システム４の核を形成しているのは燃料電池７であり、この図では燃料電池７がＰＥＭ燃料電池スタックとして形成されているものとする。この構造に沿って、燃料電池７は、カソード領域８とアノード領域９とを有し、これらの領域はプロトン伝導性膜１０によって互いに分離されている。カソード領域８には、この図では容量型コンプレッサ、例えばスクリュコンプレッサ又はルーツ式コンプレッサとして形成されている空気供給装置１１によって、供給ライン１２を介して空気流が供給される。次に、この空気流に含まれる酸素は、少なくとも部分的に燃料電池７の部分において、燃料電池７のアノード領域９に供給される燃料ガス流と反応する。この燃料ガス流は、この図に示されている実施例では水素流であるものとする。この水素流は、貯蔵装置１３からバルブ装置１４を介して、制御可能に規定されている圧力レベルで燃料電池７のアノード領域９に供給される。この貯蔵装置１３は、この場合、特に高圧リザーバとして形成されており、この中で水素は、例えば３５０又は７００ｂａｒの高圧下で貯蔵されている。圧力下で貯蔵される水素を使用する代わりに、ガス生成装置を貯蔵装置１３の代わりに使用することももちろん考えられ、このガス生成装置では、例えば炭化水素含有の基本材料から水素を生成することができるであろう。

燃料電池７の部分では、空気流中の酸素と水素が互いに反応して電力が発生し、次に、この電力は図１に示されているエレクトロニックユニット５によって引き続き利用される。さらに、燃料電池７の部分、この図では特に燃料電池７のカソード領域８の部分において生成水が生じ、この生成水は、排気ガス流と一緒に排気ガスライン１５を介してカソード領域８から排出される。

燃料電池７のアノード領域９では、通常、水素は完全に変換されない。なぜなら、アノードの領域全体に均等に水素を供給するため、単独で、余剰の水素がバルブ装置１４を介してアノード領域９に配合されるからである。従って、使用されなかった水素は、再循環ライン１６と再循環フィード装置１７とを介して戻され、貯蔵装置１３からくる新鮮な水素と共にアノード領域９に戻る。再循環フィード装置１７は、この図に示されている実施例では水素循環ブロワ１７として形成されているものとし、これは電気的に駆動される。

やがて、このアノード再循環の領域では不活性ガスが増加し、この不活性ガスは、膜１０を通り抜けてカソード領域８の部分からアノード領域９に放散される。さらに、生成水の一部はアノード領域９で発生する。この水と不活性ガスとを徐々にアノード再循環から排出できるようにするため、この図に示されている燃料電池システム４の実施例では、バルブ１８が設けられており、このバルブを介して、時折、非継続的に水及び／又はガスをアノード再循環の部分から排出することができる。いわゆるドレン（水の排出）とパージ（ガスの排出）のための複合バルブとして用いられるバルブ１８の代わりに、２つのバルブを用いることも当然考えられるであろう。これらのバルブは、一方で水を排出するために設けられ、他方ではガスを排出するために設けられている。しかし、好ましいバリエーションでは、これらの両方の機能をバルブ１８に統一することができ、そのために、このバルブ１８は、この図には示されていない水分離器の中に好ましい方法で配置される。バルブ１８によって排出される水及び／又はガスは、次に、供給ライン１２の部分に達し、空気供給装置１１によって供給される空気と一緒にカソード領域８に送られる。カソード領域８では、バルブ１８によって送り出されたガスの中に時折残っている残留水素が、その中の電解触媒で空気中の酸素と共に変換されるため、燃料電池システム４から水素が排出されることは全くない。流入した水は、空気供給装置１１後の乾燥した高温の空気の中で気化し、この空気を湿られる。余剰の水は、生成水と一緒に、排気ガスライン１５を介して運び出される。

図２には、さらにオプションの加湿器１９が示されている。このような加湿器１９には、例えば、水蒸気は通すが、空気及び排気ガスは通さない膜を配置することができる。膜の一方の側では、供給ライン１２内を空気流が流れ、膜の他方の側では、排気ガスライン１５内を、生成水を含んだ湿気のある排気ガス流が流れる。これにより、個々の流れの間で湿気が調整されるため、空気供給装置１１後の、通常では乾燥した高温の空気が、排気ガス流に含まれる生成水によって湿気を与えられる。冷却され、加湿された空気は、加湿されない空気よりも、膜１０にとってはるかに好ましい。膜素材の使用と温度レベルに応じて、この図ではオプションとして示されている加湿器１９は、省略することもできる。

すでに言及したように、車両１は、特定の状況において駆動力を必要としない。これらの状況においては、車両のコントロールユニット６によって、ストップモードへの切替え要求が行われる。例えば、エレクトロニックユニット５の一部であり得る制御装置により、現在の作動状態、温度及び圧力が、そのようなストップモードへの切替えに応じられるかどうかについて燃料電池システム４がチェックされる。このことが該当しない場合、そのような切替えに応じられる適切な作動条件になるまで、燃料電池システムは当面の間作動を続ける。

通常、そのような切り替えが行われるのは、燃料電池システム４がストップモードに切り替わる準備ができている場合が極めて多い。燃料電池システム４は、そのようなストップモードの間、車両１のためのエネルギーを送らないが、燃料電池システム４及び車両１の最終的な停止とは異なり、非常に短い時間、特に１秒よりも明らかに短い時間で再スタートが可能なモードに留まっている。燃料電池７はエレクトロニックユニット５と通信状態にあり、このエレクトロニックユニットも電気的にオフにはならない。図２による燃料電池システムにおいては、空気供給装置１１が停止すると、水素のあるアノード領域９の圧力供給が、低い圧力レベルまで下げられる。再循環供給装置１７は引き続き作動するが、流量は非常に少ない。通常、このことは、本実施例において水素再循環ブロワとして形成されている再循環フィード装置１７の回転数を低下させることによって行うことができる。さらに、供給ライン１２を通る空気流がないため、バルブ１８はどのような場合にも、特にストップモードの間、たとえ時間制御などの理由からこのバルブが水及び／又はガスのドレン及び／又はパージのために開くことになっている場合も、ストップモードの間は閉じていなければならない。ここではストップモードのための制御を優先しなければならないため、ストップモードが続行されている間は、どのような場合もバルブ１８は閉じたままになっている。ストップモードの間は、燃料電池７から最低限の電流しか引き出されないか、又は全く電流が引き出されないため、アノード領域９での水素圧力の上昇は起こり得ない。この圧力は適切にモニタされ、規定の圧力窓又は規定の低い圧力レベルに調整されなければならない。このような圧力レベルは、例えば最低水素圧力を０．０３ｂａｒ、及び最大水素圧力を０．６ｂａｒとすることができる。カソード領域８の空気供給がないことから、ここには圧力が全くないか、又は最低圧力しかないため、膜１０に過剰な負荷がかからないように、水素圧力を制限する必要がある。

ストップモードの開始時には、まだカソード領域８に残留酸素がある。従って、僅かな電流が生じる。この電流が流れ、カソード領域８で残留酸素が消費される間、燃料電池７の電圧は相応に低下する。このことによりカソード領域８の残留酸素が消費され、この電流は、例えば燃料電池７のエンドプレートヒータ又は補機類で使用することができる。さらに、膜１０を通る水素の透過又は僅かな漏れにより、水素がカソード領域８に入り込み、酸素と反応する。

これに続くストップモードのフェーズでは、燃料電池システム４の高圧バスに電圧が供給されるように、一定の電圧が維持されるが、この電圧は、高圧バスの機能が引き続き保証され、例えば再循環供給装置１７を駆動するために必要である。さらに、例えばそれぞれの個別セルにつき最大０．８５ボルトのレベルで電圧が一定に維持されることにより、燃料電池７の腐食しやすさが軽減される。この場合、電圧は、ＤＣ／ＤＣコンバータなどを含むエレクトロニックユニット５によって、この一定レベルを維持することができる。カソード領域８の酸素が完全に消費された後、この最低電圧を維持するためには、燃料電池７に僅かに電流が流されることが必要である。このために必要な電力は、通常は車両１に装備されているエネルギー貯蔵装置から提供されることができる。例えばバッテリ又は高出力コンデンサ、又はこれらの構成部品の組合せであり得るそのようなエネルギー貯蔵装置は、いずれにせよ電気駆動車両１に取り付けられているのが一般的である。燃料電池システム４の部分で電力余剰が生じた場合、その余分な電力を、このエネルギー貯蔵装置に一時的に保存することができる。車両１の制動時にも、ブレーキトルクの大部分が摩擦ブレーキではなく駆動モータ２の発電モードによって加えられることにより、電力を得ることができる。そのようにして得られた電気エネルギーは、同様にエネルギー貯蔵装置に保存され、例えば再発進のために利用することができる。

また、このエネルギー貯蔵装置は、そのような車両１において、燃料電池システム４を作動させることなく、又は燃料電池システム４がアクティブに電力を送り出すことなく、少なくとも僅かな量の電力を供給することができる。この電力は、燃料電池スタック７の部分の電圧を一定に保つために十分足りる。その際注意しなければならないのは、燃料電池７の個別セルが、その性能と寿命に悪影響を及ぼすことなく僅かな負電流を許容することである。

ストップモードがより長く続く場合は、燃料電池７の個別セルの電圧が発散を始めるようにすることができる。通常は、燃料電池７の個別セルスタックの全電圧だけが調整されるため、個々のセルが、これらの個別セルに腐食の危険がある電圧を有するおそれがある。従って、ここでは例えば約７〜１５分、好ましくは約１０分の規定時間を過ぎた場合、いわゆる燃料電池システム４のリフレッシュが行われるように設定することができる。このようなリフレッシュは、例えば約２５ｋｇ／時の規定の流量の空気流が達成されるまで、空気供給装置１１の出力が増加するように思われる。この流量が達成されると、燃料電池システム４は再びストップモードに切り替わるが、その他の条件は引き続きストップモードに固定されていることから、結局のところ、このことは、空供給装置１１が再び停止することだけを意味している。ここで再びカソード領域８にある酸素により、規定された低いレベルまで電圧がもう一度低下するまで、電流は再度燃料電池７から引き出されることができ、電圧は、エレクトロニックユニット５によって適切に調整されてこのレベルに維持される。これにより、セルの電圧が再び発散し、個々のセルが危険な状態になるまで、時間の経過が新たに開始される。ストップモードが２つの継続時間よりも長くかかるような場合、新たな継続時間が経過した後、第２のリフレッシュが行われる。ストップモードがさらに維持される場合、理論的には第３のリフレッシュも行われ得るが、通常はストップモード規定時間が経過すると、燃料電池システム４は最終的な停止モードに切り替えられる。この場合、このような規定時間は、通常、リフレッシュまで２〜３つの継続時間の範囲にすることができる。

図３には、図２に示されている燃料電池システム４と実質的に比較可能に形成されている代替の燃料電池システム４が示されている。この図に示されている燃料電池システム４の実施例においては、空気供給装置１１だけがフローコンプレッサとして形成されている。この場合、空気供給装置１１は、いわゆるエレクトリックターボチャージャ２０の一部であり、このエレクトリックターボチャージャは、フローコンプレッサ１１の他にタービン２１と電気機械２２とを有している。エレクトリックターボチャージャ（ＥＴＣ）２０の構造は、この場合、原理的には従来技術から知られている。ここでは、燃料電池７への空気供給がフローコンプレッサ１１によって行われ、このフローコンプレッサは、電気機械２２の要求に応じて駆動される。さらに、タービン２１によって、カソード領域８から排気ガスライン１５を介して流れる排気ガスが膨張するため、排気ガス流から得られるエネルギーも、同様にフローコンプレッサ１１のために提供することができる。燃料電池システム４の特殊な状況及び作動状態において、このフローコンプレッサ１１に非常に僅かなエネルギー要求が生じた場合は、このフローコンプレッサ１１が必要とするよりも多くの出力がタービン２１で提供される。このケースでは、電気機械２２をジェネレータとして駆動し、すでに上述したエネルギー貯蔵装置にこの電力を貯蔵することができる。

図３に示されている燃料電池システム４におけるストップモードへの切り替えは、図２においてすでに言及した燃料電池システム４の場合と実質的に同様に機能する。エレクトリックターボチャージャが、ノーマルモードにおいては通常５０，０００ｒｐｍをはるかに超える高い回転数で回転するという事実により、エレクトリックターボチャージャを回転数ゼロまで制動することと、静止状態から再始動することとは比較的大きな労力を伴い、とりわけ非常に多くの時間を必要とする。この理由から、ストップモードへの切替えの際、エレクトリックターボチャージャ又はフローコンプレッサ１１が空気供給装置として使用される限り、これを完全に停止するのではなく、１０〜１２，０００ｒｐｍの範囲にある適切に規定された最低回転数で引き続き回転する。これにより、僅かな流量の空気流がストップモードにおいてもカソード領域８に供給される。この空気流があるために、燃料電池７から僅かな電流を常に引き出して電圧を適切に制限する必要が生じる。しかし、この電流は、例えば再循環供給装置１７の駆動に用いることができるため、利用されない電気エネルギーが発生することはない。さらに、アノード領域に僅かな空気が常に供給されることにより、この図に示されている燃料電池４では、上述したリフレッシュを省略することができる。

それでもなお、カソード領域８に到達する空気量をできるだけ少なく保つため、さらに、供給ライン１２及び排気ガスライン１５が、空気供給装置１１の後に流体技術的に接続されるように設定することもできる。図３の燃料電池システム４では、このためにシステム・バイパス・バルブ２３が働き、このバルブは、供給される空気流に対し、圧力損失が非常に少ない接続先を提供している。複雑かつ高コストのバルブ装置によってカソード領域８を閉鎖する必要なく、僅かな回転数による空気供給装置の作動によって引き起こされる最大の空気流量を、システム・バイバス・バルブ２３を介して再び周辺に排出することができるようになり、圧縮のために投入されるエネルギーの一部は、タービン２１によって取り戻すことができる。流量の極めて少ない部分だけが、いくらか高い圧力損失の経路をたどり、カソード領域８を通って流れる。しかしながら、この部分は、リフレッシュなしに、また長時間にわたって、燃料電池７の動作準備を保証するのに十分であり、このことによって、燃料電池７の寿命に関して不利が生じることを危惧する必要はない。

エレクトリックターボチャージャ２０を使用しなくても、フローコンプレッサ又は容量型コンプレッサを使用する場合も、空気供給装置を使用する場合も、システム・バイパス・バルブ２３を設けることができる。アクティブに供給される空気流がカソード領域８を通らずにこのシステムを迂回できるばかりでなく、例えば車両１が下り坂を走行する場合に、動圧などによって供給ライン１２に入り込む空気流もまた適切にシステムを迂回することができる。

従って、燃料電池システム４を備える車両１のストップ・スタートモードを実現するための本発明に基づく方法により、燃料電池７の寿命に関して不必要に負荷をかけることなく、スタート・ストップモードの利点を達成することが可能となる。継続して残る燃料電池７の電気接続と僅かに維持される水素の圧力とによる適切なスタンバイ状態により、再循環フィード装置１７が引き続き作動し、フローコンプレッサの場合には、このフローコンプレッサ１１が僅かな回転数で作動すれば、１００ｍｓ未満の範囲における極めて素早い燃料電池システムの再スタートが可能となる。従って、この構造は、スタート・ストップモードが頻繁に行われても、安全で信頼性のある極めて快適な作動をユーザーに提供しなければならない車両１に、最適に適用することができる。

１ 車両
２ 電気駆動モータ
３ ホイール
４ 燃料電池システム
５ エレクトロニックユニット
６ 車両コントロールユニット
７ 燃料電池
８ カソード領域
９ アノード領域
１０ プロトン伝導性膜
１１ 空気供給装置、フローコンプレッサ
１２ 供給ライン
１３ 貯蔵装置
１４ バルブ装置
１５ 排気ガスライン
１６ 再循環ライン
１７ 再循環フィード装置
１８ バルブ
１９ 加湿器
２０ レクトリックターボチャージャ
２１ タービン
２２ 電気機械
２３ システム・バイパス・バルブ

Claims (11)

1. 車両における燃料電池システムの作動方法であって、該燃料電池システムが、必要に応じて一時的なストップモードに切り替えられ、該ストップモードから再びスタートされ、前記燃料電池システムが少なくとも１つの燃料電池を含み、該燃料電池はカソード側では空気供給装置によって空気流を供給され、アノード側では燃料ガス供給装置によって燃料ガス流を供給され、特定の走行状況にある車両から前記ストップモードへの切替えが要求され、前記燃料電池システムの現在の作動条件が前記ストップモードへの切替えに応じられるどうかがチェックされ、前記切替えが許可された場合は前記ストップモードに切り替えられ、前記燃料電池システムの再スタートが前記車両から要求された場合、前記ストップモードの設定が解除される、燃料電池システムの作動方法であって、
   前記ストップモードへの前記切替えにおいて、前記燃料電池（７）の電気的接続が維持されており、前記空気供給装置（１１）が停止され、前記空気供給装置（１１）によって供給される前記空気流が停止され、供給される前記燃料ガスの圧力が規定値まで下げられること、および
   前記燃料電池（７）の出力を低下させるエレクトロニックユニット（５）と前記燃料電池（７）とが電気的に接続されており、前記ユニットにより、前記燃料電池（７）の余分な出力がエネルギー貯蔵装置に貯蔵され、前記ストップモードへ切り替えられた後、前記エレクトロニックユニット（５）によって、規定電圧に達するまで電流が前記燃料電池（７）から引き出され、その後、前記燃料電池の動作準備を維持するため前記エネルギー貯蔵装置により前記規定電圧で一定の電圧を保つように前記燃料電池（７）が制御されることを特徴とする方法。
2. 前記燃料電池システム（４）内において、未使用の燃料ガスが、前記アノード（９）後の部分から再循環フィード装置（１７）により、バルブ装置（１４）からくる新鮮な燃料ガスと一緒に前記アノード（９）の前記燃料ガス供給へと新たに供給されるようになっており、前記ストップモードへの切替えにおいて、さらに、前記再循環フィード装置（１７）によって送られる流量が規定値まで引き下げられることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記再循環フィード装置（１７）が電気駆動ブロワとして形成されており、該ブロワは、前記ストップモードの間も規定された低回転数で引き続き作動していることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 前記燃料ガスの前記圧力が、規定された値の範囲で制御されることを特徴とする、請求項１、２又は３に記載の方法。
5. 前記ストップモードが規定の時間継続した後、前記空気流の流量が一時的に増加され、前記流量が規定値に達すると、再び前記ストップモードに切り替えられることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記継続時間が、７〜１５分の範囲で規定されることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 前記空気供給装置（１１）としてフローコンプレッサが使用されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記フローコンプレッサとして、エレクトリックターボチャージャ（２０）が使用されることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
9. 前記ストップモードへの前記切替えの際、さらに、前記空気供給装置（１１）後の前記燃料電池（７）への前記空気流と前記燃料電池システム（４）からの排気ガス流とのフロー接続部が開かれることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
10. 水及び／又はガスを前記アノード側で使用されなかった燃料ガスを戻すための再循環ライン（１６）におけるアノード再循環部分から非継続的に排出するための、バルブ（１８）を備える少なくとも１つのラインが、前記アノード再循環部分から、前記燃料電池（７）へ流れる前記空気流の部分に通っており、前記ストップモードの間は、少なくとも１つの前記バルブ（１８）が閉められたままであることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記燃料電池（７）が、ＰＥＭ燃料電池として形成されており、燃料ガスとして水素を用いて作動することを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。

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