[發明專利]具有燃料電池的機動車輛

有效

• 申請號: 201810320709.8
• 申請日: 2018-04-11
• 公開（公告）號: CN109256571B
• 公開（公告）日: 2023-03-31
• 發明（設計）人: 胡里奧·奧羅斯科;阿努爾夫·斯龐海默
• 申請（專利權）人: 福特全球技術公司
• 主分類號: H01M8/04298
• 分類號: H01M8/04298;H01M8/04313;H01M8/04537;B60L53/54
• 代理公司: 北京連和連知識產權代理有限公司 11278
• 代理人: 張濤

一種機動車輛的燃料電池系統，具有包括陽極側和陰極側的燃料電池(20)、與馬達M(36)可旋轉地連接并通過供給管線連接到燃料電池(20)的陰極側的壓縮機(34)和通過排氣管線連接到陰極側并且還旋轉地僅連接到發電機G(52)的渦輪機(46)，所述發電機G(52)在輸出端側連接到第二逆變器(54)和低電壓電池(56)。

技術領域

本發明總體涉及一種具有燃料電池的機動車輛。

背景技術

在燃料電池中，尤其是用于機動車輛的燃料電池中，用作氧化劑的空氣以相對高的壓力并且每次大量地供給到燃料電池。燃料電池中的壓力下降后，仍有相當大動能的一部分空氣從燃料電池中流出。該排氣流被帶入排氣渦輪機。渦輪機連接到發電機。這個排氣流的動能由此被用于產生電能。

為了獲得燃料電池的非常高的輸出功率(這相當于產生大電流強度的電流)需要高的陰極壓力。在現有技術的裝置中，用空氣壓縮機的升高的質量流量工作；出口管線中的節流閥或跨越燃料電池的調節旁通閥將燃料電池的陰極壓力調節到期望值。

為了滿足燃料電池的單個電池單元中的化學計量，在較低的輸出功率下工作也需要相對較高的陰極壓力。當使用跨越燃料電池的旁通閥時，可以通過關閉旁通閥從而總空氣質量僅供給到燃料電池，和/或通過增加壓縮機的轉速來實現最大陰極壓力。然而，由此得到的陰極壓力的值受到引起壓降的燃料電池技術特征的設計的限制。當燃料電池被壓縮機供以相對較高的空氣流量時，燃料電池的效率會降低。

在JP 2005310429A中，為產生的電力提供調節器54，該調節器顯然構成AC/DC轉換器。AC/DC轉換器連接到電池。圖中顯示了從該電池到壓縮機/空氣供應單元的電氣連接。電池只能通過發電機供電。電池的功率不足以滿足壓縮機的高功率需求(如果后者是電動的)。只有該電池進一步由高壓電路充電，則此架構才在技術上有意義。

在JP 2006286559A中提出了類似的架構，基本上示出了兩種電氣架構變型。在變型1中，電動壓縮機單元和排氣渦輪機經由控制器4連接到高壓電路。在變型2中，壓縮機單元和排氣渦輪機經由控制器8連接到常見的能量存儲器7(電池、電容器組等)。此外，只有能量存儲器7由高壓電路充電，則該架構才在技術上有意義。

如果希望優化燃料電池特別是氫燃料電池的效率，則需要對輸入系統的電能給予很大的關注，該電能必須盡可能低。根據現有技術，在輸入側使用具有電力驅動的渦輪增壓器和具有葉輪的徑向壓縮機來供應空氣。在輸出側，使用由流出的空氣驅動的徑流式渦輪機。徑流式渦輪機被機械連接從而隨著葉輪的軸旋轉。這種布置的缺點是，不管壓縮機的范圍如何，渦輪機在最佳范圍內工作的自由度較低。這樣做的一個結果是，在機動車輛的驅動馬達對燃料電池的輕微功率需求和相對低的空氣流量的情況下，回收的動能的測量值相對較低。此外，如幾個現有技術的應用所示的那樣，除了通過使用諸如燃料電池的空氣出口處的控制閥或系統旁路或可變的渦輪機幾何結構之類的附加部件之外，不可能采用對空氣背壓的控制。這些解決方案中的每一個都具有用于控制陰極壓力或實現更高效率的有限程度的自由機會。

由此開始，本發明的目的是進一步開發一種燃料電池，該燃料電池適用于驅動機動車輛，使得在高負載和較低負載下效率都獲得提高，并且使得對燃料電池的操作的更優控制是可能的。

發明內容

該目的通過本申請所述的燃料電池和本申請所述的方法解決。

使用具有葉輪的徑流式渦輪機，其特別根據現有技術設計并且僅與發電機連接。這樣，空氣的陰極壓力可以由壓縮機獨立控制；這尤其是通過借助于單獨的調節值調節壓縮機的轉速和/或渦輪機的轉數以及使用陰極壓力來完成，因為由傳感器檢測的用于陰極壓力的值是與作為由發電機轉矩的控制系統調節的變量的調節值或表格值相比較。

不需要額外的裝置例如跨越燃料電池的調節旁通閥來控制壓力。以這種方式實現的一個好處是，與發電機連接的渦輪機的能量回收隨著陰極反壓的增加而增加，這導致燃料電池對于所有低輸出功率和高輸出功率的更高的效率。