專利名稱：用于機動車輛的燃料電池驅動系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于機動車輛、尤其是商用車輛的燃料電池驅動系統。
背景技術：
DE 10 2004 037 901 A1中提出一種燃料電池設備，所述燃料電池設備具有用于 產生電流和/或熱(量)的燃料電池單元以及用于冷卻燃料電池單元的冷卻裝置。在此，冷 卻裝置至少具有一用于產生第一冷卻流體、尤其是冷卻水的流動的第一流動發生器以及一 用于產生第二冷卻流體、尤其是冷卻空氣的流動的第二流動發生器。冷卻裝置旨在對燃料 電池單元進行有效的溫度控制。為此設有將第一流動發生器的第一運行參數或第一運行參 數的變化與第二流動發生器的第二運行參數或第二運行參數的變化進行比較的控制單元。 在此，流動發生器的運行參數優選是功率或者轉速和/或冷卻流體流量。借助于對兩個流 動發生器的運行參數或運行參數的變化的比較來選擇流動發生器，該流動發生器與其他流 動發生器相比更高效地根據運行狀況或運行狀況的變化而工作或者更高效地散出來自燃 料電池單元的冷卻回路的廢熱。由此目的是，最高效的流動發生器借助于控制單元控制燃 料電池單元的溫度。在此，控制單元被構造用于優選根據燃料電池單元的至少一個參數或 者參數的變化來檢驗兩個流動發生器的第一和/或第二參數。燃料電池單元的參數或參數 變化例如是負載或電功率輸出和/或散熱(量)。
發明內容
本發明的目的在于，給出一種用于機動車輛、尤其是商用車輛的燃料電池驅動系 統，所述機動車輛的燃料電池可根據負載來冷卻，從而可在盡可能恒定的、可預先給定的溫 度水平上運行這些燃料電池。根據本發明，所述目的通過具有權利要求1的特征的布置結構來實現。本發明的有利設計方案是從屬權利要求的主題。本發明提供了一種用于機動車輛、尤其是商用車輛的燃料電池驅動系統，所述燃 料電池驅動系統具有作為能量源的燃料電池設備和用于可根據負載進行調節地冷卻所述 燃料電池設備的燃料電池冷卻設備。在此，燃料電池設備包括至少兩個可被相互獨立地驅 控的、分別具有多個串聯的燃料電池的燃料電池單元，燃料電池冷卻設備為燃料電池單元 中的每一個具有一各自的燃料電池冷卻單元，借助于所述燃料電池冷卻單元可根據至少一 個控制參數來冷卻相應的燃料電池單元的燃料電池。合適的控制參數尤其是相應的燃料電 池冷卻單元和/或燃料電池單元的至少一個溫度。尤其是對于商用車輛、例如公共汽車的驅動而言，應用根據本發明的燃料電池驅 動系統是有利的。通過應用分別具有自己的可調節的燃料電池冷卻單元的至少兩個可被相 互獨立地驅控的燃料電池單元，燃料電池設備的驅動功率和冷卻可以靈活地并且成本有利 地匹配于機動車輛和瞬時的行駛狀況。例如，商用車輛在從靜止狀態開始的加速階段期間 以及在爬坡期間需要很高的驅動功率，該驅動功率僅借助當前可用的燃料電池單元不能獲得或不能成本經濟地獲得。相反，在正常運行中在以很大程度上恒定的、相對較低的速度行 駛時需要低得多的驅動功率。根據本發明的燃料電池驅動系統具有至少兩個可被獨立驅控的燃料電池單元，所 述燃料電池單元分別具有各自的燃料電池冷卻單元，所述燃料電池驅動系統能夠分別在匹 配的冷卻功率下既滿足高的功率需求也滿足低的功率需求。這尤其是允許以匹配于瞬時 功率需求的數量的燃料電池單元來運行機動車輛。由此也提高了車輛驅動系統的故障安全 性，因為在燃料電池單元中的一個發生故障時能夠以剩余的燃料電池單元驅動機動車輛。此外，通過冷卻方案的可變性可以節省風機電功率，這提高了系統效率。此外，由于價格降低的零件數量效果，應用至少兩個燃料電池單元在制造成本方 面也是有利的。具體地，燃料電池冷卻單元優選分別包括各自的冷卻劑回路，所述冷卻劑回路具 有至少一個循環泵、至少一個熱交換器和至少一個用于每個熱交換器的風機。在此，可根據 至少一個控制參數控制所述至少一個循環泵的泵功率和/或每個風機的轉速。由此可相互獨立地控制用于各燃料電池單元的各燃料電池冷卻單元，從而可相互 獨立地并且根據負載地冷卻相應配設的燃料電池單元。此外，本發明還規定可借助與燃料電池冷卻設備無關的低溫冷卻設備來冷卻除 燃料電池外的所有運行燃料電池設備所需的、待冷卻的部件，例如變換器、空氣壓縮機和電 控單元。由此，一方面減輕燃料電池冷卻設備的負擔，另一方面可以優化總體冷卻設備的功 率和成本，因為低溫冷卻設備匹配于有待由所述低溫冷卻設備進行冷卻的部件的、比燃料 電池冷卻設備低的冷卻功率需求。根據本發明的燃料電池驅動系統的一種有利方案規定燃料電池冷卻設備的廢熱 可被提供給機動車輛的加熱回路。由此可利用所述廢熱并提高燃料電池驅動系統的總效率 和機動車輛的加熱回路的總效率。根據本發明的燃料電池驅動系統的另一有利方案規定也可借助于燃料電池冷卻 設備或低溫冷卻設備來冷卻用于機動車輛的制動的多個制動電阻，例如設置用于消耗由機 動車輛的持續制動和/或再生制動提供的能量的多個制動電阻。這提高了由車輛驅動系統 和制動系統組成的系統的效率，因為燃料電池冷卻設備或低溫冷卻設備在制動過程期間、 進而在燃料電池驅動系統不被需要時可被用于冷卻制動電阻。
以下根據實施例參考附圖描述本發明的其他優點、特征和細節。附圖是示意圖并 且示出圖1 具有兩個燃料電池單元的用于公共汽車的燃料電池設備，和具有兩個燃料 電池冷卻單元的燃料電池冷卻設備，所述燃料電池冷卻單元與公共汽車的加熱回路和制動 電阻相聯接，圖2 燃料電池單元和分別具有四個可獨立接入的熱交換器和風機的燃料電池冷 卻單元，以及圖3 燃料電池單元和燃料電池冷卻單元，該燃料電池冷卻單元具有一個熱交換 器和四個可獨立接入的風機。
在所有附圖中，相應的部件用相同的附圖標記來表示。
具體實施例方式圖1示出根據本發明的、用于公共汽車的燃料電池驅動系統的第一實施例，所述 燃料電池驅動系統具有燃料電池設備1和燃料電池冷卻設備2，其中，燃料電池冷卻設備2 與加熱回路10以及公共汽車的制動電阻16. 1,16. 2相聯接。在此實施例中，燃料電池設備1包括兩個可相互獨立地驅控的燃料電池單元3. 1 和3. 2，所述燃料電池單元3. 1和3. 2分別具有多個串聯成所謂的燃料電池電堆的燃料電 池。燃料電池冷卻設備2為燃料電池單元3. 1和3. 2中的每一個包括一各自的燃料電 池冷卻單元4. 1或4. 2，燃料電池冷卻單元4. 1或4. 2用于冷卻各所屬的燃料電池單元3. 1、 3. 2的燃料電池。為此，每個燃料電池冷卻單元4. 1,4. 2包括一冷卻劑回路5. 1,5. 2，各所 屬的燃料電池單元3. 1和3. 2位于所述冷卻劑回路5. 1,5. 2中。第一燃料電池冷卻單元4. 1的冷卻劑回路5. 1可由第一循環泵6. 1驅動并且還包 括兩個可并行地由冷卻劑流過的熱交換器7. 1和7. 2。為了實現熱交換器7. 1和7. 2的可 并行通流性，冷卻劑回路5. 1在熱交換器7. 1和7. 2之前被分為兩個支路，并且這兩個支路 在熱交換器7. 1和7. 2之后重新匯集在一起。每個熱交換器7. 1和7. 2配備有自己的風機8. 1或8. 2。可借助于風機8. 1或8. 2 排出由相應的熱交換器7. 1和7. 2加熱的空氣。這在公共汽車的行駛速度較低時、例如在 具有約20km/h的典型平均速度的城市公共汽車的情形中是有利的，因為在行駛速度較低 時所產生的行車風對所需的熱交換器7. 1和7. 2的廢熱散出而言是不夠的。與第一燃料電池冷卻單元4. 1的冷卻劑回路5. 1相同地設計第二燃料電池冷卻單 元4. 2的冷卻劑回路5. 2。相應地，第二燃料電池冷卻單元4. 2的冷卻劑回路5. 2包括第二 循環泵6. 2和兩個可并行地由冷卻劑流過的熱交換器7. 3和7. 4，所述熱交換器7. 3和7. 4 分別具有自己的風機8. 3或8. 4。冷卻劑回路5. 1和5. 2與一共同的、用于冷卻劑的補償容器17相連接，借助于所 述補償容器17可補償冷卻劑回路5. 1和5. 2中冷卻劑體積的與溫度有關的變化并可調節 冷卻劑回路5. 1和5. 2中的壓力。燃料電池冷卻單元4. 1或4. 2被構造成可相互獨立地對燃料電池單元3. 1和3. 2 的冷卻進行控制。為此，可分別相互獨立地調節循環泵6. 1和6. 2的泵功率和風機8. 1至 8. 4的轉速。在此實施例中，將相應的冷卻劑回路5. 1,5. 2內部的分別三個位置處的冷卻劑 溫度設為用于燃料電池單元3. 1和3. 2中的每一個的冷卻的控制參數。為此，在第一冷卻 劑回路5. 1中由第一熱交換器7. 1的輸出端后面的第一溫度傳感器9. 1、第二熱交換器7. 2 的輸出端后面的第二溫度傳感器9. 2和第一燃料電池單元3. 1前面的第三溫度傳感器9. 3 來檢測冷卻劑的溫度。可根據所測得的冷卻劑瞬時溫度來調節第一循環泵6. 1的泵功率和/或第一、第 二風機8. 1和8. 2的轉速，從而使冷卻劑溫度在進入第一燃料電池單元3. 1時和/或在第 一、第二熱交換器7. 1和7. 2的輸出端處保持在一恒定的、可預先給定的水平上。例如，對 于這些溫度中的每一個，可借助于控制單元分別通過一下閾值和一上閾值預先給定一溫度間隔并如此調節第一循環泵6. 1的泵功率和/或第一、第二風機8. 1和8. 2的轉速，使得冷 卻劑的溫度保持在相應的溫度間隔內。同樣地，可借助于三個相應地設置在第二冷卻劑回路5. 2中的溫度傳感器9. 4至 9. 6對第二燃料電池單元3. 2的冷卻進行控制。作為由溫度傳感器9. 1至9. 6測得的冷卻劑溫度的替代或補充，可使用另外的控 制參數以控制燃料電池單元3. 1和3. 2的冷卻。這種用于第一燃料電池單元3. 1的、適合 的控制參數例如是燃料電池3. 1本身的溫度，和/或在冷卻劑回路5. 1內部的另一或其他 位置處的冷卻劑溫度、例如燃料電池單元3. 1與熱交換器7. 1,7. 2之間的一位置處的冷卻 劑溫度。另外的或其他的相應控制參數適合于第二冷卻劑回路5. 2。此外，本實施例在冷 卻劑回路5. 1和5. 2的每一個中還設有一旁路18. 1,18. 2，借助于所述旁路18. 1、18. 2可 引導流動的冷卻劑經過相應的燃料電池單元3. 1、3.2。為了使冷卻劑改道通過相應的旁路 18. 1、18. 2，在冷卻劑回路5. 1和5. 2中分別設有一可調節的旁路閥19. 1、19.2，借助于所述 旁路閥19. 1、19. 2可根據旁路閥的位置阻斷冷卻劑流過相應的燃料電池單元3. 1、3. 2或流 過相應的旁路18. 1、18.2。由此，如果相應的燃料電池單元3. 1、3. 2的冷卻是不需要或者不 期望的，則可相互獨立地禁止燃料電池單元3. 1,3. 2中的每一個的冷卻。后者例如在公共 汽車冷啟動時是有利的，以便使燃料電池設備快速地達到最佳的運行溫度。燃料電池冷卻設備2通過換熱器11. 1和11. 2連接在公共汽車的加熱回路10上， 借助于所述換熱器11. 1和11. 2可分別向加熱回路10提供來自冷卻劑回路5. 1和5. 2的 熱。為此，在第一冷卻劑回路5. 1中第一換熱器11. 1設置在第一燃料電池單元3. 1與熱交 換器7. 1、7. 2之間，而在第二冷卻劑回路5. 2中第二換熱器11. 2設置在第二燃料電池單元 3. 2與熱交換器7. 3,7. 4之間。此外，換熱器11. 1和11. 2還可通過加熱回路旁路閥15串 接到公共汽車的加熱回路10上。此外，公共汽車的加熱回路10 還包括公共汽車車內加熱 裝置12、加熱循環泵13和加熱器14。在此實施例中，借助燃料電池冷卻設備2也可冷卻用于公共汽車制動的、例如用 于電動的持續制動和/或再生制動的制動電阻16. 1和16. 2。對此，第一制動電阻16. 1集 成到第一冷卻劑回路5. 1中而第二制動電阻16. 2集成到第二冷卻劑回路5. 2中。圖2示出燃料電池單元3. 1的替代實施方式，所述燃料電池單元3. 1具有各自的、 根據本發明的燃料電池驅動系統的燃料電池冷卻單元4. 1。燃料電池冷卻單元4. 1包括冷 卻劑回路5. 1，燃料電池單元3. 1位于所述冷卻劑回路5. 1中并且所述冷卻劑回路5. 1可由 循環泵6. 1驅動。四個熱交換器7. 1至7. 4可被相互獨立地接入冷卻劑回路5. 1。為此，冷卻劑回路5. 1在循環泵6. 1之后被分為兩個冷卻劑循環支路20. 1和 20. 2。第一冷卻劑循環支路20. 1可通過第一可調節三通閥21. 1與前兩個熱交換器7. 1和 7. 2相連接。在此，根據第一三通閥21. 1的位置，或者兩個熱交換器7. 1和7. 2均可與第一 冷卻劑循環支路20. 1連接，或者僅第一熱交換器7. 1或僅第二熱交換器7. 2可與第一冷卻 劑循環支路20. 1連接，或者甚至兩個熱交換器7. 1和7. 2中任一個都不與第一冷卻劑循環 支路20. 1連接。相應地，第二冷卻劑循環支路20. 2可通過第二可調節三通閥21. 2根據第二三通 閥21. 2的位置或者同時與第三熱交換器7. 3和第四熱交換器7. 4連接，或者僅與第三熱交 換器7. 3或僅與第四熱交換器7. 4連接，或者甚至與兩個熱交換器7. 3和7. 4中任一個都不連接。熱交換器7. 1至7. 4的輸出端通過一共同的輸入管路與燃料電池單元3. 1連接， 在所述輸入管路中設有用于檢測冷卻劑溫度的溫度傳感器9. 1。由此，根據三通閥21. 1和21. 2的位置，冷卻劑回路5. 1可由熱交換器7. 1至7. 4 的任意組合構成并且冷卻劑可分布在所述任意組合上。此外，為熱交換器7. 1至7. 4中的 每一個設置一各自的風機8. 1至8. 4，其中可相互獨立地驅控風機8. 1至8. 4。可根據由溫度傳感器9. 1檢測到的冷卻劑溫度通過接入冷卻劑回路5. 1的熱交換 器7. 1至7. 4的數量、所屬風機8. 1至8. 4的相應轉速和/或循環泵6. 1的泵功率來控制 燃料電池單元3.1的冷卻。圖3示出燃料電池單元3. 1的第三替代實施方式，所述燃料電池單元3. 1具有各 自的、根據本發明的燃料電池驅動系統的燃料電池冷卻單元4. 1。在此實施例中，燃料電池 單元3. 1位于燃料電池冷卻單元4. 1的冷卻劑回路5. 1中，所述燃料電池冷卻單元4. 1具 有循環泵6. 1和單個的、與上述實施例相比較大的熱交換器7. 1。在此實施例中，為熱交換 器7. 1設置四個可獨立驅控的風機8. 1至8. 4。此外，在冷卻劑回路5. 1中在熱交換器7. 1 后面還設有用于檢測冷卻劑溫度的溫度傳感器9. 1。在此實施例中，例如如此確定熱交換器7. 1的尺寸，使得在低負載運行中通過熱 交換器7. 1的借助行車風的換氣已可充分地冷卻燃料電池單元3. 1。在燃料電池單元3. 1的負載較高時，可通過一個或多個風機8. 1至8. 4給熱交換 器7. 1換氣。在此，如在上述實施例中那樣，可根據由溫度傳感器9. 1檢測到的冷卻劑的溫 度通過所接入的風機8. 1至8. 4的數量、所接入風機的相應轉速和/或循環泵6. 1的泵功 率來控制燃料電池單元3. 1的冷卻。在如圖2和圖3所示的實施例中，為了控制燃料電池單元3. 1，作為由溫度傳感器 9. 1檢測到的冷卻劑溫度的替代或補充，可使用另外的或其他的控制參數，例如燃料電池單 元3. 1自身的溫度和/或冷卻劑回路5. 1內另外或其他位置處的冷卻劑溫度。
權利要求
一種燃料電池驅動系統，用于機動車輛、尤其是商用車輛，所述燃料電池驅動系統具有作為能量源的燃料電池設備(1)和用于以能根據負載進行調節的方式冷卻所述燃料電池設備(1)的燃料電池冷卻設備(2)，其特征在于，所述燃料電池設備(1)包括至少兩個能被相互獨立地驅控的燃料電池單元(3.1，3.2)，所述燃料電池單元分別具有多個串聯的燃料電池，所述燃料電池冷卻設備(2)為所述燃料電池單元(3.1，3.2)中的每一個包括有一各自的燃料電池冷卻單元(4.1，4.2)，借助于所述燃料電池冷卻單元(4.1，4.2)能根據至少一個控制參數來冷卻相應的燃料電池單元(3.1，3.2)的燃料電池。
2.根據權利要求1或2所述的燃料電池驅動系統，其特征在于，所述燃料電池冷卻單元 (4. 1,4. 2)中的每一個都包括一冷卻劑回路(5. 1，5. 2)，所述冷卻劑回路具有至少一個循 環泵(6. 1,6. 2)、至少一個熱交換器(7. 1-7. 4)和分別為每個熱交換器(7. 1-7. 4)設置的至 少一個風機(8. 1-8. 4)，能根據所述至少一個控制參數來控制所述至少一個循環泵(6. 1， 6. 2)的泵功率和/或每個風機(8. 1-8. 4)的轉速。
3.根據權利要求1所述的燃料電池驅動系統，其特征在于，用于對所述燃料電池單元 (3. 1,3. 2)中的每一個的燃料電池進行冷卻的所述至少一個控制參數是相應的冷卻劑回路 (5. 1,5. 2)的至少一個冷卻劑溫度和/或相應的燃料電池單元(3. 1,3. 2)的至少一個溫度。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的燃料電池驅動系統，其特征在于，能借助與所述 燃料電池冷卻設備(2)無關的低溫冷卻設備來冷卻除所述燃料電池外的所有運行所述燃 料電池設備(1)所需的、待冷卻的部件。
5.根據權利要求1至4中任一項所述的燃料電池驅動系統，其特征在于，所述燃料電池 冷卻設備⑵的廢熱能被提供給所述機動車輛的加熱回路(10)。
6.根據權利要求1至5中任一項所述的燃料電池驅動系統，其特征在于，也能借助于所 述燃料電池冷卻設備(2)或所述低溫冷卻設備來冷卻用于制動所述機動車輛的多個制動 電阻(16. 1,16. 2)。
7.根據權利要求1至6中任一項所述的燃料電池驅動系統，其特征在于，所述燃料電池 冷卻單元(4. 1,4. 2)中的每一個都包括多個能并行地由冷卻劑流過的熱交換器(7. 1-7. 4) 和各自用于所述熱交換器(7. 1-7. 4)中的每一個的、能被單獨驅控的風機(8. 1-8. 4)。
8.根據權利要求7所述的燃料電池驅動系統，其特征在于，所述燃料電池冷卻單元 (4. 1,4. 2)中的每一個的熱交換器(7. 1-7.4)能被單獨地、相互獨立地接入相應的冷卻劑 回路(5. 1，5.2)。
9.根據權利要求8所述的燃料電池驅動系統，其特征在于，所述熱交換器(7.1-7. 4)中 的每一個能通過可調節的三通閥(21. 1,21. 2)接入冷卻劑回路(5. 1,5. 2)。
10.根據權利要求1至6中任一項所述的燃料電池驅動系統，其特征在于，所述燃料電 池冷卻單元(4. 1,4. 2)中的每一個包括恰好一個熱交換器(7. 1-7.4)和多個能被單獨地、 相互獨立地驅控的風機(8. 1，8. 4)。
全文摘要
本發明涉及一種用于機動車輛、尤其是商用車輛的燃料電池驅動系統，所述燃料電池驅動系統具有作為能量源的燃料電池設備(1)和用于可根據負載進行調節地冷卻所述燃料電池設備(1)的燃料電池冷卻設備(2)。所述燃料電池設備(1)包括至少兩個可被相互獨立地驅控的、分別具有多個串聯的燃料電池的燃料電池單元(3.1，3.2)。所述燃料電池冷卻設備(2)為所述燃料電池單元(3.1，3.2)中的每一個包括一各自的燃料電池冷卻單元(4.1，4.2)，借助于所述燃料電池冷卻單元(4.1，4.2)可根據至少一個控制參數冷卻相應的燃料電池單元(3.1，3.2)的燃料電池。
文檔編號H01M8/04GK101855764SQ200880115586
公開日2010年10月6日 申請日期2008年10月28日 優先權日2007年11月14日
發明者G·欣森坎普, N·維謝烏, T·索齊卡-古特 申請人:戴姆勒股份公司