CN1413368A - 作为车辆驱动单元的燃料电池设备 - Google Patents

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乔基姆·格罗斯
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Abstract

本发明涉及一种燃料电池设备的系统动力，它为车辆的驱动单元提供能量。在停止工作长达3周后，所述设备会在少于5分钟的时间内提供一半的最大功率。

Description

作为车辆驱动单元的燃料电池设备
本发明涉及一种燃料电池设备的系统动力，它给车辆驱动单元提供能量。
在Keith B.Prater发表在杂志Journal of Power Sources 1992年第37期第181-188页上的名称为“Solid polymer fuel cell developments at Ballard”的文章中，已知将PEM技术用于车辆驱动。其中描述了一辆利用系统动力的公共汽车，它为了启动要从另外的如电池类储能器中获取能量，并在完成起动之后要在20秒内平稳地从0kmh加速到50kmh(参照第186页)。
本发明所要解决的技术问题是提供一种作为车辆驱动单元的燃料电池设备，它有一个吸引人的系统动力和/或便于用户维修保养用的维修间隔期。
本发明所保护的对象是一个作为车辆驱动单元的燃料电池设备，它保证在车辆已停止工作8至24小时以后，能在少于一分钟的时间内达到其最大功率的一半和/或在车辆已停止工作达3周时能在最高5分钟的时间内达到其最大功率的一半。
所述设备优选用聚合物(polymer)-电解质(Elektrolyt)-膜(Membran)-PEM燃料电池单元来工作，尤其优选用PEM燃料电池单元的高温变型HT-PEM燃料电池单元来工作。
所述燃料电池设备优选能更快地提供超过其最大功率一半的功率，也就是说在停止工作达24小时之后，在大约40秒的时间之后提供一半的最大功率，并尤其优选在大约20秒的时间之后能提供该功率。
在3周停止工作之后，优选在大约4分钟后且尤其优选在大约3分钟后能提供一半的最大功率。
在此，上面所给出的时间仅表明系统动力的数量级，更小的波动，例如在1分钟2秒内达到最大功率的48％仍然落在本发明的保护范围内，因为动力的数量级相同。
作好运行准备的燃料电池设备在约5秒，优选在3秒且特别优选在2秒内加速将功率提高到最大功率的90％。
燃料电池的寿命优选和25万公里内的汽车驾驶性能匹配。
下面借助附图所示实施形式对本发明的细节和优点予以详细说明，附图中：
图1是具有电动驱动机构和用于供电的一燃料电池设备的一辆汽车的示意图；
图2a和图2b是两个分别表示图1所示燃料电池设备的特性的图表；
图3示出为汽车提供电能的燃料电池设备实现其按图2所示起动性能的技术手段。
在图1中，附图标记1表示一辆汽车(KFZ)，它例如具有一个作为驱动装置的电动机3和一个向该驱动装置供电的燃料电池设备10。所述燃料电池设备比较有利地可以是一个所谓的PEM(Proton Exchange Membran：质子交换膜)燃料电池单元，尤其是可在相对于正常温度更高的100至300℃温度范围内工作的HT燃料电池单元。PEM燃料电池单元利用氢气或富含氢气的气体和作为氧化剂的氧气，尤其是大气中的氧气来工作。其中，富含氢气的气体可通过对醇、例如甲醇或汽油的重整处理来获得。
为视图完整起见，图1中示出了一根排气管8。当汽车用纯氢气作燃料时，燃烧生成的水可通过该排气管8排出，但在采用富含氢气的气体作燃料时，还会有废气排出。
在图2的两个图表中分别以时间作横坐标，以所达到的功率作纵坐标，并且都示出了最终达到100％功率时平行于横坐标的特性直线。
在图2a中以附图标记21来表示特性曲线，而在图2b中则以附图标记22来表示特性曲线，这两条特性曲线表示出本发明的特征。特性曲线21表示图1所示燃料电池设备10的起动曲线，在这之前该燃料电池设备已有较长的时间、例如14天没有运行了。从特性曲线21可看出，在中断工作长达3周(21天)时，燃料电池设备在起动后的5分钟内就达到了一半的最大功率Wmax输出。该最大功率Wmax以均匀的增加速度(相对于时间有不变的增长斜率)来达到。
当燃料电池设备在经过持续运行或间歇运行之后，例如在晚上要中断工作例如10或12小时，且随后又重新起动时，最大功率Wmax将在一个明显更短的时间段内、亦即在一分钟内达到。这在燃料电池设备停止工作达1天亦即24小时时也同样适合。
图2b以一个相应扩大的横坐标轴示例性地示出一辆车中的燃料电池设备间歇运行时，例如当其在日常工作时所出现的情况。特性曲线22表明在一分钟内就能达到最大功率的一半。
当带有燃料电池设备10的汽车1终止正常行驶状态停下来后，然后又热车重新起动时，它在5秒之后会达到其最大功率Wmax的大约90％。这分别在图2a和2b中的右半部分中示出。
就本发明的主要内容而言，就是燃料电池设备在车辆的实际运行过程中能在起动之后的适当时间内提供车辆所需的功率。在停止工作期间的环境温度对起动之后的功率提升不会有实质性的影响。同时还必须保证燃料电池设备有足够长的持续运行能力。在正常情况下按小时计的持续运行时间必须与车辆的行车效率相匹配，以使燃料电池设备的使用寿命能与车辆大约25万公里的行驶里程相符合。
为了在起动时，尤其是在冷起动和较长时间地停止工作后起动时，使燃料电池设备快速地加速运行，可以为燃料电池设备比较有利地配置用于起动，尤其是快速起动的器件。这些器件首先保证燃料电池单元相对于外界能足够地绝热，由此保证燃料电池单元在小时量级的时间段内处于待用准备状态。
在较长的待用服务期间和低的环境温度下，作为附加措施可以采用潜热存储器和用于直接或间接加热至少燃料电池单元堆叠的器件。这样一种加热装置可以是一个由舰船蓄电池来驱动的燃烧器。
为了实现上述措施，按照图3比较有利地对一个处理器30，例如一个本身已存在的用于电动机管理的微处理器进行编程，使该微处理器30在某些时刻受一个定时器31的触发能自动地执行某些操作措施。在此，把通过一个传感器32测得的环境温度TU以及通过可能多个传感器32’测得的部件温度TBT考虑进去。在处理器30中按照预定的程序对所测得的值进行处理，以确定适当的措施，使燃料电池设备达到所期望的运行准备状态。
为了保证按照预先规定的那样使燃料电池设备10进入完全的准备状态，引发上述措施并在需要时例如采用一个在图3中示出的潜热存储器33或激发一个加热装置。作为这样一个加热装置的补充还可采用一个燃烧器35来辅助加热。
在电动机起动时，首先将冷却设备短接，以便使所产生的发动机废热直接用于加热燃料电池设备。通过使用上述这样一些器件可使燃料电池单元在一分钟内将燃料电池单元加热到适当的运行温度。为了将燃料电池设备保持在运行前预热状态在一般情况下无需其它措施。在负载变化和/或重新起动时在大约5秒的时间内计算出超过大于90％的最大功率，并提供它用。
尤其在使用(在相对于PEM燃料电池单元的正常工作温度更高的高达300℃温度下工作的HT-PEM-燃料电池单元时，所述器件用于直接或间接加热燃料电池设备。这一点在当HT燃料电池设备内的电解质中含有磷酸，由此使电解质可能在一定浓度时在40℃的温度会凝固，因而首先必须予以液化时，显得特别重要。这种液化可通过所述加热来进行，但也可通过稀释并由此降低磷酸的熔点来进行。
也可采用其它器件来实现PEM燃料电池设备，尤其是具有在80至300℃温度范围内工作的HT燃料电池单元的PEM燃料电池设备的起动性能。

Claims (11)

1.一种作为车辆驱动单元的燃料电池设备，其中，设有一些用于起动的器件(30-36)，所述设备在经过长达24小时的停止工作期后利用这些器件能在一分钟内达到其最大功率的一半和/或在已停止工作长达3周时最多在5分钟后就能达到其最大功率的一半。
2.如权利要求1所述的燃料电池设备，其特征在于，所述用于起动的器件(30-36)将部件温度(TBT)和停止工作期间的环境温度(TU)变化曲线考虑进去。
3.如权利要求1所述的燃料电池设备，其特征在于，所述用于起动的器件包括至少一个温度传感器和一个用于精确地接通各个装置(33-35)的定时器(31)，其中，至少有三个转换级。
4.如权利要求1所述的燃料电池设备，其特征在于，有一个能充分绝热的装置。
5.如权利要求4所述的燃料电池设备，其特征在于，所述绝热装置是一个真空绝热装置。
6.如权利要求1所述的燃料电池设备，其特征在于，所述用于起动的器件包括一个潜热存储器(33)。
7.如权利要求1所述的燃料电池设备，其特征在于，所述用于起动的器件包括一个直接或间接加热装置(35)。
8.如权利要求1所述的燃料电池设备，其特征在于，有用于起动一燃烧器的器件。
9.如上述任一项权利要求所述的燃料电池设备，其特征在于，该设备在预热状态中经过5秒后提供90％的最大功率。
10.如上述任一项权利要求所述的燃料电池设备，其特征在于有一个高温-聚合物-电解质-(HTM)-燃料电池单元，它带有一种能传导离子的电解质。
11.如上述任一项权利要求所述的燃料电池设备，它尤其采用HT-PEM-燃料电池单元，其特征在于，该设备的寿命能使汽车达到25万公里的里程。
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