[发明专利]具有燃料电池的机动车辆

说明书

一种机动车辆的燃料电池系统，具有包括阳极侧和阴极侧的燃料电池(20)、与马达M(36)可旋转地连接并通过供给管线连接到燃料电池(20)的阴极侧的压缩机(34)和通过排气管线连接到阴极侧并且还旋转地仅连接到发电机G(52)的涡轮机(46)，所述发电机G(52)在输出端侧连接到第二逆变器(54)和低电压电池(56)。

技术领域

本发明总体涉及一种具有燃料电池的机动车辆。

背景技术

在燃料电池中，尤其是用于机动车辆的燃料电池中，用作氧化剂的空气以相对高的压力并且每次大量地供给到燃料电池。燃料电池中的压力下降后，仍有相当大动能的一部分空气从燃料电池中流出。该排气流被带入排气涡轮机。涡轮机连接到发电机。这个排气流的动能由此被用于产生电能。

为了获得燃料电池的非常高的输出功率(这相当于产生大电流强度的电流)需要高的阴极压力。在现有技术的装置中，用空气压缩机的升高的质量流量工作；出口管线中的节流阀或跨越燃料电池的调节旁通阀将燃料电池的阴极压力调节到期望值。

为了满足燃料电池的单个电池单元中的化学计量，在较低的输出功率下工作也需要相对较高的阴极压力。当使用跨越燃料电池的旁通阀时，可以通过关闭旁通阀从而总空气质量仅供给到燃料电池，和/或通过增加压缩机的转速来实现最大阴极压力。然而，由此得到的阴极压力的值受到引起压降的燃料电池技术特征的设计的限制。当燃料电池被压缩机供以相对较高的空气流量时，燃料电池的效率会降低。

在JP 2005310429A中，为产生的电力提供调节器54，该调节器显然构成AC/DC转换器。AC/DC转换器连接到电池。图中显示了从该电池到压缩机/空气供应单元的电气连接。电池只能通过发电机供电。电池的功率不足以满足压缩机的高功率需求(如果后者是电动的)。只有该电池进一步由高压电路充电，则此架构才在技术上有意义。

在JP 2006286559A中提出了类似的架构，基本上示出了两种电气架构变型。在变型1中，电动压缩机单元和排气涡轮机经由控制器4连接到高压电路。在变型2中，压缩机单元和排气涡轮机经由控制器8连接到常见的能量存储器7(电池、电容器组等)。此外，只有能量存储器7由高压电路充电，则该架构才在技术上有意义。

如果希望优化燃料电池特别是氢燃料电池的效率，则需要对输入系统的电能给予很大的关注，该电能必须尽可能低。根据现有技术，在输入侧使用具有电力驱动的涡轮增压器和具有叶轮的径向压缩机来供应空气。在输出侧，使用由流出的空气驱动的径流式涡轮机。径流式涡轮机被机械连接从而随着叶轮的轴旋转。这种布置的缺点是，不管压缩机的范围如何，涡轮机在最佳范围内工作的自由度较低。这样做的一个结果是，在机动车辆的驱动马达对燃料电池的轻微功率需求和相对低的空气流量的情况下，回收的动能的测量值相对较低。此外，如几个现有技术的应用所示的那样，除了通过使用诸如燃料电池的空气出口处的控制阀或系统旁路或可变的涡轮机几何结构之类的附加部件之外，不可能采用对空气背压的控制。这些解决方案中的每一个都具有用于控制阴极压力或实现更高效率的有限程度的自由机会。

由此开始，本发明的目的是进一步开发一种燃料电池，该燃料电池适用于驱动机动车辆，使得在高负载和较低负载下效率都获得提高，并且使得对燃料电池的操作的更优控制是可能的。

发明内容

该目的通过本申请所述的燃料电池和本申请所述的方法解决。

使用具有叶轮的径流式涡轮机，其特别根据现有技术设计并且仅与发电机连接。这样，空气的阴极压力可以由压缩机独立控制；这尤其是通过借助于单独的调节值调节压缩机的转速和/或涡轮机的转数以及使用阴极压力来完成，因为由传感器检测的用于阴极压力的值是与作为由发电机转矩的控制系统调节的变量的调节值或表格值相比较。

不需要额外的装置例如跨越燃料电池的调节旁通阀来控制压力。以这种方式实现的一个好处是，与发电机连接的涡轮机的能量回收随着阴极反压的增加而增加，这导致燃料电池对于所有低输出功率和高输出功率的更高的效率。