DE69221888T3 - Nachladungsvorrichtung für ein von batterie angetriebenes, elektrisches fahrzeug - Google Patents

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Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft das Gebiet der Fahrzeugantriebssysteme im allgemeinen und hat insbesondere eine an Bord befindliche Vorrichtung zum Nachladen eines durch Batterie angetriebenen, elektrischen Fahrzeugs zum Gegenstand.
  • Nachdem hinsichtlich der traditionellen Energiequellen weiterhin Bedenken bestehen, kommt der Untersuchung al-ternativer Energieformen eine immer größere Bedeutung zu. Dabei können vor allem den Umweltschutz betreffende und politische Bedenken in Verbindung mit auf Verbren nung basierenden Energiesystemen nicht ignoriert werden. In dem Bemühen um eine Verringerung der Abhängigkeit von diesen Arten der Energieversorgung und Methoden dürfte somit der Schwerpunkt bei Vorrichtungen liegen, die in der Lage sind, durch den Verbrauch im Übermaß vorhandener oder erneuerbarer Brennstoffvorräte Strom zu erzeugen, ohne daß eine Verbrennung erforderlich ist.
  • Neben ihrer Verwendung zur Stromerzeugung jedoch werden zur Verbrennung bestimmte Brennstoffe am häufigsten zum Antrieb von Kraftfahrzeugen eingesetzt. Und in der Tat zählen Kraftfahrzeuge zu den Hauptverbrauchern von zur Verbrennung bestimmten Brennstoffen und somit zu den Hauptverursachern von mit derartigen Brennstoffen verbundenen Luftverschmutzungsproblemen. Während also alternative Energiequellen wie zum Beispiel Kern- und Wasserkraftanlagen für große Stromerzeuger durchaus in Betracht kommen können, stellen sie aus naheliegenden Gründen keine ideale Lösung für die Probleme dar, die mit dem Leistungsbedarf von Kraftfahrzeugen verbunden sind.
  • Zu den Alternativen zu durch Verbrennungsmotoren angetriebenen Kraftfahrzeugen gehören verschiedene Arten von durch Batterie angetriebenen, elektrischen Fahrzeugen. Ein mit den meisten bekannten batteriebetriebenen Fahrzeugen verbundenes Problem besteht jedoch darin, daß sie ständig nachgeladen werden müssen, was eine Außerbetriebsetzung des Fahrzeugs erforderlich macht.
  • Daher sind Versuche mit Brennstoffzellen als Möglichkeit der Energieversorgung von elektrischen Fahrzeugen und zur Einschränkung der Notwendigkeit eines Nachladens des Fahrzeugs durch nicht an Bord befindliche Energiequellen unternommen worden. Brennstoffzellen dienen der elektrochemischen Umwandlung von Kohlenwasserstoffen und Wasserstoff in elektrische Energie. Eine Verbrennungsreaktion ist hierbei nicht erforderlich. Da sie vom Aufbau her kompakt und leistungsstark sind und nur eine geringe Schadstoffemission haben, bieten Brennstoffzellen beim Einsatz in Fahrzeugen mehrere Vorteile. Dementsprechend erscheinen sie für einen Einsatz in Kraftfahrzeugen gut geeignet.
  • Ein Nachteil bei bekannten Brennstoffzellensystemen ist jedoch der, daß sie bei Einsätzen, in denen die Nennleistung der Brennstoffzelle antriebstechnischen Anforderungen genügen muß, wirtschaftlich nicht zu vertreten sind. Bei einem Einsatz in Kraftfahrzeugen zum Beispiel wäre ein Brennstoffzellensystem mit einer ausreichenden Leistung zum Betrieb des Fahrzeugs im Teillastbetrieb, ohne auch nur an einen Höchstleistungsbetrieb zu denken, unerschwinglich teuer. Obwohl mit verschiedenen bekannten Systemen Versuche unternommen worden sind, um die Vorteile der Entwicklung einer Stoßstrombatterie für die bei Kraftfahrzeugen erforderlichen Spitzenleistungen zu nutzen, konnten bei keinem dieser Versuche die Probleme der Wirtschaftlichkeit gelöst werden.
  • Demgemäß ist eine Zielsetzung der Erfindung die Schaffung eines Systems zur Energieversorgung von Kraftfahrzeugen, bei dem keine Verbrennungsreaktion erforderlich ist. Außerdem hat die Erfindung die Schaffung eines solchen Systems zum Gegenstand, bei dem der Lei stungsbereich mit dem herkömmlicher Verbrennungsmaschinen vergleichbar ist, ohne daß Betriebsunterbrechungen zum Nachladen durch nicht an Bord befindliche Quellen erforderlich sind. Eine noch weitere Zielsetzung der Erfindung ist die Schaffung eines wirtschaftlich vertretbaren Systems zur Energieversorgung eines Kraftfahrzeugs, das für die bei Kraftfahrzeugen üblichen Spitzenleistungen und Reichweiten geeignet ist.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Diese und weitere Zielsetzungen werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung realisiert, die gemäß einem Merkmal ein Stromversorgungssystem für die Energieversorgung eines Elektromotors in einem elektrischen Fahrzeug zum Gegenstand hat. Das System umfaßt eine wiederaufladbare Batterie zur Energieversorgung des Motors. Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, daß das System darüberhinaus eine mit der wiederaufladbaren Batterie verbundene Brennstoffzellenanordnung zum Nachladen der Batterie umfaßt. Vorrichtungen sind vorgesehen, um der Brennstoffzelle Brennstoff zuzuführen, wo dieser auf elektrochemischem Wege in elektrische Energie zum Nachladen der Batterie umgewandelt wird. Durch die Integration einer an Bord befindlichen Energieversorgung mit ständiger Leistungsabgabe in einem elektrischen Fahrzeug wird erfindungsgemäß die Abhängigkeit derartiger Fahrzeuge von nicht an Bord befindlichen Nachladequellen deutlich eingeschränkt oder sogar ausgeschaltet.
  • Verschiedene Arten von Brennstoffzellen sind zum Einsatz für die erfindungsgemäßen Zwecke geeignet. So sind zum Beispiel neben festen Oxidbrennstoffzellen auch Brennstoffzellen mit geschmolzenem Carbonat, Phosphorsäure-Brennstoffzellen, Alkali-Brennstoffzellen und Protonen-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen einsetzbar. Weitere Arten von Brennstoffzellen liegen für den Fachmann auf der Hand.
  • Nach einem weiteren Merkmal weist die Erfindung eine Anordnung von Brennstoffzellen zur Umwandlung von Brennstoff in elektrische Energie zum Nachladen einer Batterie auf. Eine solche erfindungsgemäße Ausführungsform umfaßt einen Zylinderkopfkühlmantel, der eine Brennstoffzellenkammer bildet, und einen Brennstoffzellensatz, der innerhalb der Brennstoffzellenkammer angeordnet ist. Ein Wärmesteuerzylinder ist innerhalb der Brennstoffzellenkammer zwischen einer auseinandergezogenen Position, in der er axial mit dem Brennstoffzellensatz ausgerichtet ist, und einer zusammengeschobenen Position bewegbar, in der er axial vom Brennstoffzellensatz abgesetzt ist. Wiederum sind Vorrichtungen vorgesehen, um dem Brennstoffzellensatz Brennstoff und Luft zuzuführen.
  • Nach einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung mit diesem Merkmal bildet der Zylinderkopfkühlmantel eine StartVorheizöffnung zur Zuführung von heißen Gasen zur Brennstoffzellenkammer. Hierdurch ist es möglich, daß erhitzte Gase der Brennstoffzellenkammer während der Einleitung der elektrochemischen Umwandlung zugeführt werden.
  • Der erfindungsgemäße Wärmesteuerzylinder reguliert die Temperatur des Brennstoffzellensatzes unabhängig von der Leistungsabgabe auf einem konstanten Wert. In der zusammengeschobenen Position des Zylinders ist der thermische Widerstand gering, um eine maximale Abhitzeableitung durch den Kühlmantel sicherzustellen, wenn der Brennstoffzellensatz mit voller Leistung arbeitet, um die Batterie nachzuladen. In der auseinandergezogenen Position ist ein hoher thermischer Widerstand vorhanden, um den Brennstoffzellensatz zu isolieren, um Wärmeverluste auf ein Minimum zu beschränken, wenn der Brennstoffzellensatz mit geringer Leistung arbeitet, wenn zum Beispiel ein Nachladen der Batterie nicht erforderlich ist und sich die Brennstoffzelle im Bereitschaftszustand befindet.
  • Eine weitere Ausführungsform mit diesem erfindungsgemäßen Merkmal ist durch eine interdigitierte Anordnung von Konverterelementen und Kühlelementen gekennzeichnet. Innerhalb der Konverterelemente ist ein Brennstoffzellensatz angeordnet. Durch selektive Festlegung des Durchsatzes von Kühlfluid durch die Wärmeübertragungselemente kann die Wärmeübertragungsleistung von den Konverterelementen zu den Kühlelementen gesteuert werden. Somit kann wie bei der vorstehend erläuterten Ausführungsform der Erfindung die Temperatur der Brennstoffzellenanordnung unabhängig von der Leistungsabgabe geregelt werden.
  • Diese und weitere Merkmale der Erfindung werden mit Bezug auf die nachfolgende Beschreibung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung besser verständlich.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnung
  • 1 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Stromversorgungssystems für ein elektrisches Fahrzeug.
  • Die 2A, 2B und 2C zeigen verschiedene Ansichten einer festen Oxidbrennstoffzelle in Hochleistungsausführung zum Einsatz in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Stromversorgungssystem.
  • 3 ist eine schematische Darstellung einer zum Einsatz in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Stromversorgungssystem geeigneten Brennstoffzellenanordnung mit einem Wärmesteuerzylinder, der in auseinandergezogener Position zu sehen ist.
  • 4 zeigt eine schematische Darstellung der Anordnung nach 3, wobei der Wärmesteuerzylinder in zusammengeschobener Position zu sehen ist.
  • Und 5 ist eine Perspektivansicht einer anderen Ausführungsform einer Brennstoffzellenanordnung, die zum Einsdatz in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Stromversorgungssystem geeignet ist.
  • Ausführliche Beschreibung der dargestellten Ausführungsformen
  • Im weitesten Sinne betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellen umfassendes Stromversorgungssystem, bei dem eine Regelung der Leistung möglich ist. Dieses System eignet sich zur Energieversorung eines Elektromotors in einem elektrischen Fahrzeug. Erfindungsgemäß ist eine Brennstoffzellenanordnung vorgesehen, um kontinuierlich Strom zum Nachladen einer Batterie zu liefern, die den Motor mit Energie versorgt. In diesem Sinne fungiert die Brennstoffzellenanordnung als Erhaltungsladegerät für die Batterie. Das System hat den Vorteil, daß angesichts der Tatsache, daß die Brennstoffzellenanordnung den Antriebsstrang des Fahrzeugs nicht direkt mit Energie versorgt, die Nennleistung der Brennstoffzellenanordnung verringert wird. Die konstante Leistungsabgabe der Brennstoffzellenanordnung wird durch die Energieabgabe an der Batterie bestimmt. In einigen Fällen kann die Brennstoffzellenanordnung zur Erzeugung von mehr Elektrizität als für den Betrieb des Fahrzeugs erforderlich eingesetzt werden. Dieser Stromüberschuß kann auf verschiedene Weise außerhalb des Fahrzeugs selbst wie zum Beispiel im Haushalt bzw. für gewerbliche Zwecke genutzt werden.
  • Elektrische Fahrzeuge an sich sind dem Fachmann gut bekannt. So kann zum Beispiel bei typischen elektrischen Fahrzeugen die Eneergieversorgung durch Nickel-Cadmium-Batterien erfolgen, um Elektromotoren mit einer Leistung von 14.92 kW bis 74.6 kW anzutreiben. Die Batterien sind im allgemeinen durch Gleichstromversorgungssysteme nachladbar. Ein Problem besteht bei bekannten Systemen jedoch darin, daß sie zwischen den erforderlichen Nachladestopps nur eine begrenzte Reichweite haben. Andererseits sind nachladbare Solarsysteme wie sie zum Beispiel bei dem von Solectria aus Arlington, Massachusetts, angebotenen elektrischen Fahrzeug zur Verfügung stehen, entwickelt worden, um die Notwendigkeit häufiger Nachladungen durch nicht an Bord des Fahrzeugs befindlichen Quellen zu verringern. Zu den Nachteilen bei der Erzeugung von Solarstrom ist jedoch die Tatsache zu zählen, daß der Einsatz dieser Systeme auf schönes Wetter und die Tagesstunden beschränkt bleibt.
  • Demgemäß zeigt die 1 ein Blockschaltbild eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs V mit dem erfindungsgemäß verbesserten Stromversorgungssystem. Das System umfaßt eine Brennstoffzellenanordnung 10, die elektrisch mit einer nachladbaren Batterie 12 verbunden ist. Die Batterie 12 ist an einen Elektromotor 16 angeschlossen, der den Antriebsstrang T eines Kraftfahrzeugs antreibt. Der Brennstoffzellenanordnung 10 wird Brennstoff wie zum Beispiel Methan von einem Brennstofftank 18 aus zugeführt und auf elektrochemischem Wege in einer nachstehend noch ausführlicher zu beschreibenden Weise umgewandelt, um die Batterie 12 nachzuladen. Zwischen der Brennstoffzellenanordnung 10 und der Batterie 12 befindet sich ein Spannungsregler 14. Diese Schaltkreisanordnung ist dem Fachmann von Kraftfahrzeugen allgemein und von elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen insbesondere gut bekannt.
  • Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Brennstoffzellenanordnung 10 den Elektromotor 16 nicht direkt mit Energie versorgt. Vielmehr werden die Brennstoffzellenanordnung 10, die Batterie 12 und der Elektromotor 16 der Reihe nach wirksam. Die ständig in Betrieb befindliche Brennstoffzellenanordnung 10 dient in erster Linie zum Nachladen an Bord. Elektrische Plus- und Minuszuleitungen des zur Brennstoffzellenanordnung 10 gehörigen Brennstoffzellensatzes sind mit entsprechenden Zuleitungen an der Batterie 12 verbunden, um die Nachladeenergie nach Bedarf von der Brennstoffzellenanordnung 10 zur Batterie 12 zu übertragen.
  • Nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform umfaßt die Brennstoffzellenanordnung 10 eine feste Oxidbrennstoffzelle. Eine feste Oxidbrennstoffzelle ist ein elektrochemischer Konverter, der mit festen Oxidelektrolyten arbeitet. Derartige Konverter sind für hohe Wirkungsgrade ausgelegt, die allein von dem Verhältnis zwischen der freien Energie und der Enthalpie der elektrochemischen Reaktion abhängig sind. Feste Oxidbrennstoffzellen sind für einen Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 2000°C geeignet. Ein Beispiel einer festen Oxidbrennstoffzelle ist in der USA-Patentschrift Nr. 4 614 628 (30. September 1986 an Hsu et al.) beschrieben, auf deren Lehren hierin inhaltlich Bezug genommen ist.
  • Der Grundbrennstoffzellensatz C ist in den 2A, 2B und 2C dargestellt und umfaßt eine einzelne Elektrolytplatte 1 und eine einzelne Leiterplatte 2. Die Elektrolytplatte 1 umfaßt ein aus stabilisiertem Zirkon ZrO2, (Y2O3), bestehendes Teil 3, auf dem die poröse Oxidationsmittelelektrode 4 und die poröse Brennstoffelektrode 5 als Schicht aufgebracht sind. Bevorzugte Materialien für die Oxidationsmittelelektroden sind Perowskiten wie beispielsweise LaMnO2(Sr). Bevorzugte Materialien für die Brennstoffelektroden sind Cermets wie zum Beispiel ZrO2/Ni. Die Leiterplatten dienen als: elektrische Anschlüsse zwischen benachbarten Elektrolytplatten 1; Gastrennwände; und Wärmeleitpfade zwischen Elektrodenoberflächen 4, 5 und den Kanten der Platten 1, 2.
  • Brennstoff wie zum Beispiel Methan kann den Zellensätzen durch den (relativ zum Zellensatz) axial angeordneten und mit Löchern 33 versehenen Verteiler 37 zugeführt werden, während die Reaktionsprodukte (hauptsächlich Wasser und CO2) durch den mit Löchern 34 versehenen Verteiler 38 abgeführt werden. Der Brennstoff wird über die Oberfläche der Brennstoffelektroden durch ein in der Ebene liegendes und in der Oberseite der Leiterplatte 2 ausgebildetes Nutennetzwerk 6 verteilt. In den Stegen 7 vorgesehene Einkerbungen 8 bilden Öffnungen, welche die Verteiler 37, 38 durch die Löcher 33, 34 verbinden, um der Elektrode 5 Brennstoff zuzuführen. Oxidationsmittel wird der Zellensatzanordnung durch den mit Löchern 35 versehenen Verteiler 39 zugeführt, wobei das Produkt durch den mit Löchern 36 versehenen Verteiler 30 abgeführt wird. Das Oxidationsmittel wird über die Oberfläche 4 der Oxidationsmittelelektrode durch ein in der Ebene liegendes und in der Unterseite der Leiterplatte 2 der benachbarten Zelleneinheit ausgebildetes Nutennetzwerk 9 verteilt. Einkerbungen ähnlich den Einkerbungen 8 und Stege ähnlich den Stegen 7 bilden Öffnungen, welche die Verteiler 37, 38 über Löcher 33, 34 mit der Oxidationsmittelelektrode 4 verbinden.
  • Die Stege 7, welche die Seitenwandungen der Nutennetzwerke 6 und 9 auf den Leiterplatten 2 bilden, werden mit den Elektrolytplatten 1 in der Zellensatzanordnung in Kontakt gebracht. Die Stege 7 werden zur Herstellung des elektrischen Kontakts gegen die poröse Elektrode 5 bzw. die Elektrode 4 der benachbarten Zelleneinheit gedrückt. Die Stege an der äußeren Kante der Leiterplatten 2, die Stege entlang der Kante der Schraubenlöcher 32, die Stege entlang der Kante der Oberseite der Leiterplatten 2 im Bereich der Löcher 35, 36 und die Stege an der Unterseite der Leiterplatten 2 im Bereich der Löcher 33, 34 werden mit der Oberflächenbeschichtung in Kontakt gebracht, deren Struktur mit der der Elektrodenbeschichtungen identisch ist. Diese am Umfang befindlichen Stege, die keine Einkerbungen aufweisen, werden bei der Montage gegen die poröse Beschichtung 4, 5 gedrückt, um Gasdichtungen zu bilden. Zugstäbe (nicht dargestellt), die in Schraubenlöcher 32 eingelassen sind, dienen zur Beaufschlagung der Montagekraft. Der Begriff Konverterelemente in Verbindung mit der Position 5 entspricht dem Begriff Brennstoffzellensatz in Verbindung mit der Position 4. Der Brennstoffzellensatz mit einer Leistung von 1 kW kann aus ungefähr 50 bis 100 Leiter- und Elektrolytplattenpaaren bestehen.
  • Zur Herstellung von erfindungsgemäß einsetzbaren Brennstoffzellen können verschiedene andere Techniken herangezogen werden. Alternative Ausführungen von aus festem Oxid bestehenden elektrochemischen Brennstoffzellen sind zum Beispiel in der am 26. Januar 1988 an Hsu erteilten USA-Patentschrift 4 721 556 und der am 1. August 1989 ebenfalls an Hsu erteilten USA-Patentschrift 4 853 100 beschrieben, auf deren Lehren hierin inhaltlich Bezug genommen ist. Darüberhinaus können ebenfalls andere Arten von Brennstoffzellen wie zum Beispiel Brennstoffzellen aus geschmolzenem Carbonat, Phosphorsäure-Brennstoffzellen, Alkali-Brennstoffzellen, Protonen-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen und feste Oxidbrennstoffzellen mit einem anderen Elektrolyt als Zirkon verwendet werden.
  • Zur Veranschaulichung ist ein Brennstoffzellenkopf 10', der als Gruppe normalerweise das Brennstoffzellenstromversorgungssystem bildet, in den 3 und 4 einschließlich eines Brennstoffzellensatzes C dargestellt. Der Kopf 10' umfaßt einen Kühlmantel 20, der eine Brennstoffzellenkammer 22 begrenzt. Der Brennstoffzellensatz C ist innerhalb der Brennstoffzellenkammer 22 angeordnet, wo er über Verteiler 24 mit Brennstoff und Luft versorgt wird. Die Anordnung umfaßt darüberhinaus einen Wärmesteuerzylinder 26, der zwischen einer auseinandergezogenen Position, wie in 3 dargestellt, in der er axial zum Brennstoffzellensatz C ausgerichtet ist, und einer zusammengeschobenen Position, wie in 4 gezeigt, in der er axial vom Brennstoffzellensatz C abgesetzt ist, bewegt werden kann. Der Wärmesteuerzylinder 26 kann außerdem in verschiedenen Stellungen zwischen der auseinandergezogenen und der zusammengeschobenen Position angeordnet werden.
  • Ein typischer Brennstoffzellensatz arbeitet mit einem Energiewirkungsgrad von zwischen 40% und 50%, wobei die verlorengehende Energie in Form von Wärme abgegeben wird. Somit muß bei Betrieb mit voller Leistung eine große Menge abgeführt werden. Dementsprechend ist im Leerlauf zustand die Abhitzemenge minimal.
  • Um demgemäß die Brennstoffzellenanordnung sowohl bei Betrieb mit voller Leistung als auch im Leerlauf zustand auf einer konstanten Temperatur zu halten, muß zwischen der Wärmequelle, dem Brennstoffzellensatz C und dem Kühlmantel 20 als Wärmesenke für einen variablen ther mischen Widerstand gesorgt werden. Der Wärmesteuerzylinder 26, dessen Konstruktion der eines handelsüblichen Thermostats ähnelt, kann diese Funktion übernehmen.
  • So wird zum Beispiel während des Leerlaufs des Motors 16 der Wärmesteuerzylinder 26 in die in 3 dargestellte auseinandergezogene Position bewegt, um zwischen dem Brennstoffzellensatz C und dem Kühlmantel 20 einen hohen thermischen Widerstand zu erreichen. Demgemäß ergibt sich eine relativ geeringe Abhitzeableitung vom Brennstoffzellensatz C, wobei die Temperatur des Satzes wie gewünscht auf einem entsprechenden Wert gehalten wird. Andererseits wird bei Betrieb des Motors 16 mit voller Leistung und somit bei voller Leistung des Brennstoffzellensatzes C der Wärmesteuerzylinder 26 in die zusammengeschobene Position gebracht, um zwischen dem Brennstoffzellensatz C und dem Kühlmantel 20 einen geringen thermischen Widerstand zu gewährleisten. Demgemäß muß eine große Abhitzemenge vom Brennstoffzellensatz abgeführt werden, um zu verhindern, daß die Tempratur des Brennstoffzellensatzes C einen gefährlich hohen Wert erreicht.
  • Die Positionierung des Wärmesteuerzylinders kann über ein mechanisches Gestänge (nicht dargestellt) erreicht werden, wie es dem Fachmann allgemein bekannt ist. Die Steuerung des Gestänges kann durch einen Wärmefühler wie zum Beispiel verschiedene handelsübliche Thermostaten erfolgen. Im Kühlmantel 20 als Wärmesenke gesammelte wärme wird durch einen Radiator (nicht dargestellt) zur Ableitung ins Freie umgewälzt.
  • Bei verschiedenen erfindungsgemäßen Ausführungsformen bildet der Kühlmantel 20 eine Start-Vorheizöffnung 28, um die Zuführung erwärmter Gase zur Brennstoffzellenkammer 22 zu ermöglichen. Hierdurch werden die Vorwärmung und die elektrochemische Umwandlung durch den Brennstoffzellensatz C erleichtert und somit ein schneller Start nach Stillsetzung des Systems gewährleistet.
  • Nach einer weiteren Ausführungsform umfaßt die Erfindung ein Brennstoffzellensystem 50 der in 5 gezeigten Art. Das System 50 ist in der Regel innerhalb eines äußeren festen Isolierungsmantels wie zum Beispiel des Wärmesteuerzylinders 26 oder sonstiger Wärmeisolierungsbehälter angeordnet. Das System 50 umfaßt eine Brennstoffzellenanordnung 60 und eine Kühlanordnung 70. Die Brennstoffzellenanordnung 60 besteht aus Konverterelementen 61, die durch U-förmige Anschlußstücke 62 miteinander verbunden sind. Elektrolytplatten 1 und Leiterplatten 2 der in den 2A, 2B und 2C gezeigten Art sind abwechselnd in den Konverterelementen 61 angeordnet. Wie im Vorstehenden bereits ausführlich erläutert, bilden Löcher in den Platten 1 und 2 die Durchgänge für Brennstoff und Oxidationsmittelgase. Nuten in den Leiterplatten 2 erleichtern das Verteilen und Sammeln der Gase.
  • Die Kühlanordnung 70 erleichtert den Abzug der Wärmeenergie wie zum Beispiel der vorerwähnten Abhitze von den Konverterelementen 61. Die weitgehende Integration von Konverterelementen 61 und Kühlelementen 71 wird durch abwechselnde Anordnung der Elemente 61 und 71 nach einem interdigitierten Muster erreicht, wie dies die Figur zeigt. Die Wärmeübertragung von den Konver terelementen 61 zu den Kühlelementen 71 erfolgt in der Hauptsache durch Wärmestrahlung. Die Strahlungswärmekupplung ist für einen hohen Wärmefluß ausgelegt. Sie gestattet eine mechanische Entkopplung und beseitigt somit Einschränkungen im Hinblick auf Konstruktion und Werkstoffauswahl für die Kühlelemente 71. Außerdem bietet die Anordnung mit einer weitgehenden Integration die Gewähr für eine einheitlichere Temperatur zwischen den Konverterelementen 61 und somit für eine optimale Systemleistung.
  • Das in den Kühlelementen 71 verwendete Kühlmittel kann in flüssiger Form unter Druck ähnlich der herkömmlichen Kühlkreisfunktion bei Kraftfahrzeugen vorgehalten werden. Thermostate können eingesetzt werden, um den Kühlmitteldurchfluß zu regulieren und somit eine konstante Temperaturregelung der Brennstoffzellenelemente 61 über den Betriebsbereich hinweg sicherzustellen. In der Wärmeübertragungsanordnung gesammelte Wärme wird durch einen Radiator zur Ableitung ins Freie umgewälzt.
  • Somit wird bei dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform die Temperatur der Brennstoffzellenanordnung 50 unabhängig von der Leistungsabgabe auf einem bestimmten konstanten Wert gehalten, indem der Durchsatz des Kühlmittels durch die Kühlelemente 71 geregelt wird. Erfolgt zum Beispiel die Batterieaufladung mit voller Leistung, so wird ein hoher Kühlmitteldurchsatz gewählt, um eine maximale Wärmeableitung von den Konverterelementen 61 zu erreichen. Ist demgegenüber die Batterie voll aufgeladen und arbeitet der Motor im Leerlauf, so daß die Brennstoffzellenanordnung 50 nur eine geringe oder überhaupt keine Leistung abzugeben braucht, so erfolgt ein geringer Kühlmitteldurchsatz durch die Kühlelemente 71, um die Wärmeableitung von den Konverterelementen 61 auf ein Minimum zu beschränken. Auf diese Weise wird die Temperatur der Konverterelemente 61 auf einem ausreichend hohen Wert gehalten, um die Einleitung des elektrochemischen Umwandlungszyklus zu erleichtern, wenn ein höherer Leistungsbedarf ansteht.
  • Alternativ kann beim Wiederanfahren nach einer Stillsetzung des Systems die Erwärmung des Brennstoffzellensystems 50 auf der Basis der Wärmeübertragung von den Kühlelementen 71 zu den Brennstoffzellenelementen 61 erfolgen, indem ein erwärmtes Fluid durch die Kühlelemente 71 geleitet wird. Auch in diesem Fall kann die Wärmeübertragung mittels des Durchsatzes durch die Wärmeübertragungselemente 71 gesteuert werden.

Claims (18)

  1. Stromversorgungssystem für die Energieversorgung eines elektrischen Motors in einem elektrischen Fahrzeug, wobei das System folgendes umfaßt: eine wiederaufladbare Batterie (12) mit einer elektrischen Energiespeicherkapazität und elektrischen Zuführungen für die Verbindung mit dem Motor, um elektrische Energie an den Motor (16) abzugeben, ein Brennstoffzellensystem (10), das mit der Batterie (12) verbunden ist, um kontinuierlich Energie zuzuführen, um die Batterie (12) mit einer Rate, die zu dem Energieabfluß der Batterie (12) in einer Beziehung steht, wiederaufzuladen und Vorrichtungen (37, 39), die für das Brennstoffzellensystem eine Brennstoffzufuhr und eine Oxidationseinrichtung liefern, wobei das Brennstoftzellensystem der Umwandlung des Brennstoffes in Elektrizität angepaßt ist, und entweder a) bei dem das Brennstoffzellensystem (10') wenigstens einen Brennstoffzellenkopf umfaßt, der einen Kühl mantel (20) aufweist, der eine Brennstoffzellenkammer (22) begrenzt, einen Brennstoffzellensatz (C), der innerhalb der Brennstoffzellenkammer (22) angeordnet ist, und einen Wärmesteuerzylinder (26) umfaßt, der innerhalb der Brennstoffzellenkammer (22) zwischen einer auseinandergezogenen Position, in der dieser Zylinder (26) dem Brennstoffzellensatz (C) einen hohen thermischen Widerstand bietet, und einer zusammengeschobenen Position, in der der Zylinder (26) dem Brennstoffzellensatz (C) einen niedrigen thermischen Widerstand bietet, bewegbar ist, oder b) bei dem das Brennstoftzellensystem aufweist: wenigstens eine Brennstoffzellenanordnung, die eine interdigitierte Anordnung aus säulenförmigen Brennstoffzellenelementen (61) und säulenartigen Kühlelementen (67) und einen Brennstoffzellensatz, der innerhalb jedes dieser Brennstoffzellenelemente (61) angeordnet ist, und eine Einrichtung zum variablen Einstellen eines Stromes aus Wärmeübertragungsfluid durch die Kühlelemente (67) einschließt, um einen variablen thermischen Widerstand für die Brennstoffzellenelemente (61) zu bieten.
  2. Ein Stromversorgungssystem nach Anspruch 1 mit dem Merkmal a), bei dem eine Vorrichtung zum Positionieren des Wärmesteuerzylinders (26) vorhanden ist.
  3. Ein Stromversorgungssystem nach Anspruch 2, bei dem der Kühlmantel (20) weiterhin eine Start-Vorheizöffnung (28) zur Abgabe von erhitztem Gas an die Brennstoffzellenkammer (10') bildet.
  4. Ein Stromversorgungssystem nach Anspruch 1 mit dem Merkmal a), bei dem wenigstens ein Brennstoffzellenkopf Elektrizität zum Wiederladen der Batterie (12) erzeugt.
  5. Ein Stromversorgungssystem nach Anspruch 1 mit dem Merkmal b), bei dem die Kühlelemente (67) ausgelegt sind, um Strömung sowohl vom Kühlfluid als auch vom Heizfluid aufzunehmen, um so zu ermöglichen, daß das besagte Kühlelement (67) selektiv Wärme von den Brennstoffzellenelementen (61) in Abhängigkeit von der Last abführt oder den Brennstoffzellenelementen (61) in Abhängigkeit von der Last Wärme zuführt.
  6. Ein Stromversorgungssystem nach Anspruch 1, bei dem die wiederaufladbare Batterie (12) zur Stromversorgung eines elektrischen Motors (16) in einem elektrischen Fahrzeug verwendet wird.
  7. Ein Stromversorgungssystem nach Anspruch 1, das weiterhin eine Spannungsregeleinrichtung (14) zum Regeln der der wiederaufladbaren Batterie (12) zugeführten Leistung umfaßt.
  8. Ein Stromversorgungssystem nach Anspruch 1, bei dem das Brennstoffzellensystem (10) ausgelegt ist, um Strom selektiv direkt dem elektrischen Motor (16) zuzuführen.
  9. Ein Stromversorgungssystem nach Anspruch 1, bei dem das Brennstoffzellensystem (10) ausgelegt ist, um selektiv außerbords von dem Fahrzeug Strom zu liefern.
  10. Ein Stromversorgungssystem nach Anspruch 1, bei dem das Brennstoffzellensystem (10) a) einen Satz (C) fester Oxidbrennstoffzellen mit einer Arbeitstemperatur, die von Raumtemperatur bis zu 2000°C reicht; oder b) einen Satz (C) Brennstoffzellen, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Brennstoffzellen mit geschmolzenem Carbonat, Phosphorsäure-Brennstoffzellen, Alkali-Brennstoffzellen und Protonen-Elektrolyt-Membran-Brennstoftzellen besteht, umfaßt.
  11. Ein Stromversorgungssystem nach Anspruch 1, bei dem die wiederaufladbare Batterie (12) eine Hochtemperaturbatterie ist, die zwischen 50 und 500°C arbeitet.
  12. Ein Stromversorgungssystem nach Anspruch 1, das weiterhin a) eine Einrichtung, die eine Brennstoffvorbereitungseinrichtung zum Umwandeln von Brennstoff in Elektrizität durch thermische Dissozüerung eines kohlenstoffhaltigen Brennstoffs in ein Gemisch, das Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthält, bildet; oder b) eine Einrichtung, die eine Brennstoffvorbereitungsreformierungseinrichtung zum Umwandeln von Brennstoff in Elektrizität durch Anwendung von chemischem Zusatzstoff bzw. chemischen Zusatzstoffen bildet, um einen kohlenstoffhaltigen Brennstoff zu einem Gemisch zu modifizieren, das Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthält, umfaßt.
  13. Ein System nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Liefern von Strom außerbords von einem elektrischen Fahrzeug, das eine Einrichtung zum selektiven Liefern überschüssiger Energie außerbords des Fahrzeugs umfaßt.
  14. Das System nach Anspruch 13, das weiterhin einen Motor (16) umfaßt, der mit der wiederaufladbaren Batterie (12) verbunden ist, wobei diese Batterie (12) mit einer Rate lädt, die dem Energieabfluß dieser Batterie (12) entspricht, wie er durch den Energiebedarf des Motors (16) bestimmt wird, und wobei die überschüssige Energie die Differenz zwischen der besagten ausgewählten Energiespeicherkapazltät der Batterie (12) und den Energieanforderungen des Fahrzeugs während des Betriebs ist; und wobei wahlweise weiterhin eine Spannungsregeleinrichtung (14) vorhanden ist, die zwischen dem Brennstoffzellensystem (10) und der Batterie (12) angeordnet ist.
  15. Das System nach Anspruch 13, bei dem das Brennstoffzellensystem (10) einen Satz (C) abwechselnder Schichten von Elektrolytplatten (1) und Leiterplatten (2) enthält, und wobei wahlweise die Leiterplatten (2) auf wenigstens einer Seite ein in der Ebene liegendes Nutennetzwerk ausgebildet haben, um Reaktionsbestandteile zu verteilen.
  16. Das System nach Anspruch 13, bei dem das Brennstoffzellensystem eine Brennstoffzellenanordnung, die eine Vielzahl von Konverterelementen (61) enthält, wobei in jedem dieser Elemente ein Brennstoffzellensatz (C) angeordnet ist, und eine Kühlanordnung einschließt, die eine Vielzahl von Kühlelementen (67) umfaßt, die interdigitiert mit dieser Brennstoffzellenanordnung ist, wobei die Kühlelemente (67) ausgelegt sind, um ein Arbeitsmedium zu leiten, und wobei wahlweise weiterhin Regeleinrichtungen vorgesehen sind, zum Regeln der Strömung von Arbeitsmedium durch die Kühlelemente (61).
  17. Das System nach einem der Ansprüche 13, 15 und 16, das außerdem einen Kühlmantel (20) mit einer Kammer (22) für die Aufnahme des Brennstoffzellensystems und einen Wärmesteuerzylinder (26), der dem Brennstoffzellensystem zugeordnet ist, umfaßt und wobei wahlweise Positionierungseinrichtungen zum Bewegen des Wärmesteuerzylinders (26) zwischen einer auseinandergezogenen Position, in der er axial mit dem Brennstoffzellensystem ausgerichtet ist, und einer zusammengeschobenen Position, in der er axial gegen das Brennstoffzellensystem versetzt ist, vorhanden sind, und wobei das System weiterhin wahlweise einen Wärmefühler umfaßt, der die Positionierungseinrichtungen steuert.
  18. Ein Stromversorgungssystem nach Anspruch 1, wobei das Brennstoffzellensystem (10) als eine Primärenergiequelle zum Wiederaufladen der Batterie (12) ausgebildet ist.
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