用於汽車的燃料電池裝置的製作方法

2023-04-23 01:00:41

專利名稱：用於汽車的燃料電池裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於汽車的燃料電池裝置，其具有至少一個燃料電池模塊。
背景技術：
按照汽車技術中新的驅動概念，將燃料電池裝置用於提供能量是公知的。例如在EP 0677412 B1中具體描述了，應將用於驅動裝置中的燃料電池安裝在汽車地板下的適當位置，以使得敏感的燃料電池模塊最好地被保護免受機械的影響。其它燃料電池裝置的安裝例如也可以在車頂，特別是對客車或貨車來說。
DE 19629084 A1中公開了另外一種電動車，其驅動電池包括一個具有冷卻系統(必要時為輔助的)的燃料電池裝置，在冷卻系統中流通氣體形式的冷卻劑，其中，燃料電池裝置是這樣安裝的，即(必要時輔助地)將冷卻劑完全或部分地通過行駛氣流的動壓頭輸入到冷卻系統。這裡，燃料電池裝置應該這樣的安裝在車上，使得單個燃料電池的有效平面的平面法線與行駛方向垂直。
氫氣的存儲和氫氣的加注公知地存在問題。PEM燃料電池裝置，尤其是具有HT-PEM燃料電池的裝置使用氫氣作為燃料，它通常由汽油、甲醇或其它高碳氫化合物在車上的一個重整器中產生。作為氧化劑這裡是空氣中的氧氣，因此在行駛的車輛中將環境空氣、特別是行駛氣流引入到燃料電池中。為此，必須具備相應的裝置，其中，在現有技術中將空氣強制引入。

發明內容
因此，本發明的目的在於，給出一種用於汽車的燃料電池裝置，其對上述裝置進行了簡化。
按照本發明，上述目的是通過權利要求1的特徵解決的。本發明的進一步的擴展由各從屬權利要求給出。
按照本發明，通過在車內或車上適當地安裝燃料電池裝置實現了使燃料電池儘可能自主換氣地工作。這裡「自主換氣」理解為，在燃料電池裝置中總是有充足的環境空氣中的氧氣作為氧化劑可供使用，使得燃料電池的反應得以實現。這樣，就不必對燃料電池陰極強行引導換氣用空氣。
因此，在本發明中燃料電池模塊儘可能地通過行駛氣流的能量供氣。優選地，在使用燃料電池的情況下對於低車速和/或高負載的情況可以配備一個輔助風扇。但是，這裡重要的是，對於空氣供氣，即為燃料電池提供氧化劑不需要強制引導。
如果在汽車中將整個燃料電池裝置或至少單個燃料電池模塊安裝在車地板的下面，則優選地設置偏轉板和/或噴嘴裝置來引導行駛氣流。對這些裝置的設置、控制和/或調節也可以由電可控閥擔當。
只要對應於DE 19629084 A1還將行駛氣流和/或風扇空氣用於冷卻燃料電池，則一方面為提供空氣提供了交叉氣流運行，另一方面提供了冷卻空氣。
在本發明中，燃料電池裝置按照所謂的PEM燃料電池工作，特別是在高溫下，即優選地有HT-PEM燃料電池。通過適當地採用機械裝置，即通過偏轉板和/或噴嘴裝置可以這樣利用行駛氣流，使得能夠保證燃料電池的優化使用。這裡，燃料電池模塊可以平坦地構成且其高度受限制。特別是還保證，汽車的空氣動力學特性，如cw值等不受影響。


本發明的其它細節和優點通過以下結合權利要求對附圖所示實施方式的附圖描述給出。附圖中圖1示出了具有一體化燃料電池裝置的汽車，圖2示出了自主換氣運行的燃料電池模塊，和圖3和圖4以截面圖示出了與圖2不同的安裝。
具體實施例方式
在圖1中用1表示一輛汽車(KFZ)，它的在圖中沒有詳細示出的電機驅動3由一個燃料電池裝置供電。該燃料電池裝置主要由燃料電池模塊10和在圖1中沒有詳細示出的相應的附件組成。燃料電池模塊10至少這樣定位在KFZ 1中或其上，使得可以適當的方式為它提供空氣。具體地說，就是燃料電池模塊10的縱軸沿車的縱軸5延伸。一個噴嘴類的機械裝置從KFZ 1的車頭開孔將行駛氣流這樣引到燃料電池模塊10，即經過轉向空氣從上面流入。作為補充一個風扇在需要時提供附加的環境空氣。
對於所述燃料電池裝置使用了以固定電解質工作並被稱為聚合物電解質隔板(Polymer Elektrolyte Membrane)燃料電池的燃料電池。這種燃料電池的工作溫度在現有技術中公知為大約60℃，其中，對於移動應用這種燃料電池優選地運行在比迄今描述的更高的溫度下。對於HT-PEM燃料電池採用介於80℃至300℃之間、但尤其是120℃至200℃之間的工作溫度。
具有HT-PEM燃料電池11、11′，...的燃料電池模塊10可以平坦地構成。具體地說，是將多個PEM燃料電池堆放，所以在這種情況下被稱為平坦堆棧。這種平坦堆棧優選地放置在汽車地板下，或者如果不是轎車的話，也可放置在汽車的頂上。由此保證了，行駛氣流以適當的方式藉助於機械裝置20到達燃料電池。
在圖2中示出了這樣的燃料電池模塊10，其由單個HT-PEM燃料電池11，11′，...組成。通過機械裝置20的部件，例如通過一個傾斜設置的鐵片21或者空氣偏轉板實現了以噴嘴方式引入並偏轉行駛氣流，使其直接到達HT-PEM燃料電池模塊10的單個電池11，11′，...。為此，在車內燃料電池模塊10的前面設置了一個具有旋轉風擋40和40′的噴嘴22，通過該噴嘴流入的空氣有目的地到達燃料電池。也可以採用具有所屬控制裝置的電氣操縱的閥門。
如果由於速度過低不能產生足夠的行駛氣流或者由於很高的負載對空氣有更多的需要，則輔助風扇6投入使用。通過由旋轉風擋40和40』組成的可以電氣操縱的閥門裝置，可以通過一種適當的、未示出的控制裝置將對行駛氣流和/或風扇空氣的空氣導引與不同的需要匹配。
為了避免由於進入的冷空氣對燃料電池的損害，必須在空氣進入燃料電池11，11′，...之前將其進行預熱。在圖2中示出的對燃料電池模塊10空氣提供可以以理想的方式與空氣預熱結合起來。
在圖3中示意性示出了如何通過風扇6和熱交換器30將空氣引入並經過轉向到達燃料電池模塊10的燃料電池11，11′，...。相應地在圖4中實現了更緊湊的形式。在兩種情況下都將一種流體介質，例如油，作為冷卻劑由燃料電池11，11′，...帶到熱交換器30。燃料電池11，11′，...的長度和高度與熱交換器30的長度和高度相互匹配，從而實現了所希望的、儘可能緊湊的結構形式。
利用按照圖2所示安裝在汽車上的燃料電池模塊使得可以簡便地用交叉氣流工作。也就是說，在這種情況下，燃料電池11，11′，...運行所必需的空氣按垂直線通過燃料電池模塊10到達，與此同時冷的空氣在轉向後分別以與之垂直的方向流入燃料電池模塊10。通過這種設置可以特別地這樣限定空氣量，使得可以預先給定一個適當的λ值。實踐表明應該保持一個至少為2的λ值。
按照圖2尤其可以表明，在所示的設置中實現了一種空氣引導的雙重功能。一方面將空氣中的氧氣作為氧化劑使用，而另一方面將空氣用於冷卻。這裡，可以實現根據燃料電池模塊10的溫度調節氧化劑或者空氣的流量。
已經表明，特別是對於應用HT-PEM燃料電池，可以將運行溫度保持在80℃至200℃之間。其中，理想運行溫度位於大約160℃。在這種情況下，在汽車中引入燃料電池裝置的空氣不僅用於提供氧化劑，還用於冷卻燃料電池模塊。
權利要求
1.一種用於汽車的燃料電池裝置，其具有至少一個燃料電池模塊，其特徵在於，所述燃料電池模塊(10)這樣安裝在汽車(1)上，使得在車輛運動時該燃料電池模塊(10)儘可能自主換氣地工作。
2.根據權利要求1所述的燃料電池裝置，其特徵在於，為使所述燃料電池模塊(10)自主換氣，儘可能利用汽車(1)的行駛氣流能量為該燃料電池模塊(10)提供空氣。
3.根據權利要求2所述的燃料電池裝置，其特徵在於，其具有一個在低車速和/或高負載情況下使用的輔助風扇(6)。
4.根據權利要求1所述的燃料電池裝置，其特徵在於，所述燃料電池模塊(10)包含PEM燃料電池。
5.根據權利要求1所述的燃料電池裝置，其特徵在於，所述燃料電池模塊(10)包含HT-PEM燃料電池。
6.根據權利要求3所述的燃料電池裝置，其特徵在於，其具有用於將行駛氣流引入所述燃料電池模塊(10)的偏轉板(21)和/或噴嘴裝置(22)。
7.根據權利要求3所述的燃料電池裝置，其特徵在於，其具有用於控制和調節空氣引入的、可以電操縱的閥門(30)。
8.根據權利要求3所述的燃料電池裝置，其特徵在於，所述風扇(6)用於控制和調節空氣量。
9.根據權利要求3所述的燃料電池裝置，其特徵在於，所述燃料電池模塊(10)平坦地構成，其高度最大為200mm，優選為約100mm。
10.根據上述權利要求中任一項所述的燃料電池裝置，其特徵在於，這樣限定空氣量，使其保持至少為2的λ值。
11.根據上述權利要求中任一項所述的燃料電池裝置，其特徵在於，所述空氣還用於冷卻。
12.根據上述權利要求中任一項所述的燃料電池裝置，其特徵在於，交叉氣流中的冷空氣用於交換空氣。
13.根據上述權利要求中任一項所述的燃料電池裝置，其特徵在於，根據燃料電池模塊(10)的溫度來調節氧化劑/空氣的流量，使得在PEM燃料電池中運行溫度介於60℃至300℃之間，並優選地介於60℃至80℃之間，而在HT-PEM燃料電池中介於120℃至200℃之間。
全文摘要
本發明涉及一種用於汽車的燃料電池裝置，它具有至少一個安裝在車輛上的燃料電池模塊。按照本發明，該燃料電池模塊這樣安裝在汽車上或汽車內，使得在車輛運動時該燃料電池模塊儘可能自主換氣地工作。這意味著，行駛氣流的空氣足以為燃料電池供氧。
文檔編號B60K11/08GK1484587SQ01821642
公開日2004年3月24日 申請日期2001年12月21日 優先權日2000年12月29日
發明者曼弗雷德·波平格, 曼弗雷德 波平格, 格羅斯, 喬基姆·格羅斯, 布魯克, 羅爾夫·布魯克, 米克·賴齊格, 賴齊格 申請人:西門子公司, 伊密泰克放射技術有限責任公司