專利名稱：用于車輛的可分離燃料電池電源單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池，特別地涉及燃料電池在車輛中的使用。
技術(shù)背景在使用燃料電池作為用于各種機(jī)動(dòng)車輛的替代能源方面，存在著不斷 增長(zhǎng)的興趣。燃料電池從氫和氧到水的電化學(xué)轉(zhuǎn)化提供電能輸出，因此其 使用能夠充分地減少空氣污染，從而提供顯著的益處。而且，燃料電池可 從直接儲(chǔ)存的氫供給(例如以壓縮形式瓶裝)或從間接的氫供給(例如從含有 氫的燃料，從所述燃料氫可被相關(guān)的燃料處理器釋放出來(lái))而操作。然而，在應(yīng)用燃料電池技術(shù)到機(jī)動(dòng)車輛運(yùn)用中，存在許多相關(guān)問(wèn)題有待解決。這些問(wèn)題包括(i)對(duì)于給定尺寸和質(zhì)量的適合車輛的燃料電池， 提供足夠的能量輸出，同時(shí)在根據(jù)不同的操作條件對(duì)電池的要求方面維持 足夠的限制；(ii)降低再次充電或燃料加注時(shí)間至可接受水平，該水平能與 現(xiàn)有的由內(nèi)燃機(jī)提供能源的車輛相當(dāng)；(iii)連接燃料電池至車輛的驅(qū)動(dòng)和控 制系統(tǒng)；和(iv)提供燃料電池電源單元于一適合車輛的包裝體中。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一通用的解決方案，提供用于車輛的基于燃料電 池的電源單元，其中上述的一些或所有問(wèn)題都被減輕或解決。根據(jù)一方面，本發(fā)明提供用于車輛的燃料電池電源單元，燃料電池電 源單元包括單一殼體，其包含儲(chǔ)存燃料的燃料箱；至少 一個(gè)從液體燃料釋放電能的電化學(xué)燃料電池堆； 殼體外表面中的燃料加注口 ；和通過(guò)在至少 一個(gè)燃料電池堆中的陰極元件，在殼體外表面上的第 一入 口和殼體外表面上的第 一 出口之間延伸的氣流通路。


現(xiàn)將通過(guò)例子并參照附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例。圖1示出適于車輛例如自行車或摩托車使用以及適于與車輛離體使用的燃料電池電源單元的示意性透視圖；圖2示出側(cè)面被部分去除以顯示內(nèi)部細(xì)節(jié)的圖1的燃料電池電源單元 的示意性透視圖；圖3示出側(cè)面被部分去除以顯示內(nèi)部細(xì)節(jié)的圖1的燃料電池電源單元 的示意性透視圖；圖4示出側(cè)面被部分去除以顯示內(nèi)部細(xì)節(jié)的圖1的燃料電池電源單元 的背面的示意性透視圖；圖5示出圖1的燃料電池電源單元的底面的示意性透視圖；圖6示出完全安裝在機(jī)動(dòng)自行車或摩托車中的圖1的燃料電池電源單 元的示意性側(cè)視圖；圖7示出在機(jī)動(dòng)自行車或摩托車上部分彈出位置的圖1的燃料電池電 源單元的示意性側(cè)視圖；圖8示出在機(jī)動(dòng)自行車或摩托車上完全彈出位置并準(zhǔn)備好移出的圖1 的燃料電池電源單元的示意性側(cè)-見(jiàn)圖。圖9示出在機(jī)動(dòng)自行車或摩托車上完全彈出并部分移出位置的圖1的 燃料電池電源單元的示意性側(cè)視圖；圖IO示出從機(jī)動(dòng)自行車或摩托車完全移出的圖l的燃料電池電源單元 的示意性側(cè)視圖；具體實(shí)施方式
參照?qǐng)D1,示出用于車輛的優(yōu)選的緊湊型燃料電池電源單元10。電源 單元IO尤其適于可從車輛移出，所以其可用于作為其它應(yīng)用的替代電源。 這些其它應(yīng)用的例子可包括提供永久住處或臨時(shí)住處的家庭電源、應(yīng)急電 源、移動(dòng)辦公室電源、戶外照明或一般移動(dòng)便攜應(yīng)用例如便攜計(jì)算機(jī)等。 通過(guò)使得電源單元能夠進(jìn)行交換或在多輛車輛中使用相同的電源單元，電 源單元IO的可移出性同樣使得容易維護(hù)。用充滿電的單元替換已放電的電 源單元IO或加注已放電的單元，消除了與電池供電的電動(dòng)車輛相關(guān)的長(zhǎng)時(shí) 間的充電時(shí)間。 電源單元IO也尤其適于集成到車輛，其中，其安裝使得使用容易性、通用性和效率都最為優(yōu)化。單一殼體11包括側(cè)板lla, llb、尾邊板llc、 上表面lld、前邊板lle(見(jiàn)圖4)和下表面llf(見(jiàn)圖4)。尾邊板llc包括隱藏 式手柄12，該手柄也作為第一空氣入口 。前邊板lle也包括隱藏式手柄14， 該手柄也作為第二空氣入口 。上表面lld也包括隱藏式手柄13，該手柄也 可作為另一空氣入口。 一個(gè)或優(yōu)選兩個(gè)側(cè)板lla, llb都包括空氣出口 15。 空氣入口和出口的精確布置可根據(jù)不同設(shè)計(jì)而變化，并且一些或全部入口 / 出口都可作為隱藏式手柄。上表面lld優(yōu)選地也包括燃料加注口 16以當(dāng)電 源單元被安裝在車輛中或當(dāng)其從車輛中移出時(shí)容易接近。參照?qǐng)D2和圖3,燃料電池電源單元10的內(nèi)部部件包括一對(duì)燃料電池 堆20, 21和燃料供給箱22。在優(yōu)選的布置中，燃料供給箱22是一圓筒以 儲(chǔ)存壓縮氣態(tài)氫。在其它實(shí)施例中，可使用間接氫源燃料類型，例如曱醇、 乙醇和硼氫化鈉，其包含在適當(dāng)?shù)娜萜鲀?nèi)。當(dāng)使用這些間接氫源時(shí)，燃料 電池堆20， 21可特別地適配使用這些燃料的燃料電池(包括直接曱醇燃料電 池、固體氧化物燃料電池、直接硼氫化物燃料電池等)，或傳統(tǒng)的帶有適當(dāng) 的燃料處理器(未示出)以產(chǎn)生輸送到那的氫的氬燃料質(zhì)子交換隔膜電池。燃 料箱22通過(guò)適當(dāng)?shù)墓艿?0和閥系統(tǒng)31凈皮連接至燃料加注口 16。燃料通過(guò) 高壓氣體調(diào)整器32和燃料輸送管道33以及低壓氣體調(diào)整器34被輸送到各 個(gè)燃津+電池堆20, 21。冷卻和氧化空氣從隱藏式手柄12， 14中的空氣入口被輸送到燃料電池 堆20， 21。優(yōu)選地，燃料電池20， 21為開(kāi)放陰極類型，因?yàn)榄h(huán)境壓力下的 空氣流過(guò)燃料電池陰極板作為(i)氧化劑供給、(ii)排氣載體流和(iii)冷卻劑。 為此，電源單元提供在燃料電池堆20, 21周圍的入口 12和/或入口4之間 延伸以及在燃料電池板之間延伸的通過(guò)過(guò)濾器35， 36的氣流通路。取決于 燃料電池20， 21的性能要求，可通過(guò)風(fēng)扇40， 41提供強(qiáng)行通風(fēng)以增加燃 料電池板之間的氣流，如圖4所特別示出?？諝馔ㄟ^(guò)空氣出口 15從電源單 元10排出。在一個(gè)或兩個(gè)側(cè)面lla， llb上可以有出口(同樣見(jiàn)圖5)。在優(yōu)選的實(shí)施例中，在后面將會(huì)描述，燃料電池電源單元IO定位在車 輛之中以使得車輛的前向運(yùn)動(dòng)幫助通過(guò)氣流通路提供強(qiáng)迫空氣冷卻和氧化 劑供給至燃料電池。電源單元?dú)んw11的基座包括電力控制電路23以控制燃料電池操作并
與電源單元10所安裝在的車輛上的電源控制器連接。參照?qǐng)D5，電源單元?dú)んw11的基座llf包括凹槽50,其包含電接點(diǎn)51 以電耦合電源單元10至其所安裝在的車輛。優(yōu)選地，電接點(diǎn)51包括兩個(gè) 或更多分離的電源接點(diǎn)以及分離的控制接點(diǎn)，所述電源接點(diǎn)是為動(dòng)力電源 輸送高電流，所述控制接點(diǎn)是輸送控制信號(hào)。然而，將理解的是控制信號(hào) 可替代地或另外地在電源單元10和車輛之間傳輸，其可通過(guò)使用電源接點(diǎn) 上的調(diào)制信號(hào)或通過(guò)使用獨(dú)立無(wú)線連接。電源單元?dú)んw11的基座llf也包括鎖閉點(diǎn)52,其適于與其所安裝在的 車輛上的適合的保持和彈出器機(jī)構(gòu)耦合，這在此及后將詳細(xì)描述。圖6示出根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例完全安裝在自行車或摩托車60中的燃料電池 電源單元10的示意性側(cè)視圖。電源單元10被定位在位于手把位置61和鞍 座位置62之間的凹槽63中。在圖6的完全安裝位置中，將注意到的是空 氣入口 14被定位在電源單元的前邊，并通過(guò)自行車或摩托車整流板64在 車輛60的前向運(yùn)動(dòng)的輔助下接收向其引導(dǎo)來(lái)的空氣。第二空氣入口 12被 定位在電源單元10的后邊，其也可通過(guò)整流板64 —側(cè)或兩側(cè)的適當(dāng)?shù)膶?dǎo) 引而具有向其引導(dǎo)來(lái)的空氣。燃料加注口 16通過(guò)其在電源單元上的上部固定位置而可直接接近，所 述電源單元安裝在凹槽63中。這樣，燃料電池可在車輛60中的位置時(shí)或 從車輛上移出時(shí)用氫氣或其它燃料進(jìn)行再次加注。電源單元IO位于形成凹槽63的底部的支撐平臺(tái)65上。支撐平臺(tái)鉸接 在樞軸點(diǎn)66上，并可通過(guò)形成彈出器裝置的氣壓撐桿67關(guān)于樞軸點(diǎn)66移 動(dòng)。電源單元IO通過(guò)鎖閉點(diǎn)52與支撐平臺(tái)接合，所述鎖閉點(diǎn)耦合至支撐 平臺(tái)65中的鎖68。圖7示出從自行車或摩托車60部分彈出的燃料電池電源單元10的相 應(yīng)的示意性側(cè)視圖。在該部分彈出位置，氣壓撐桿67舉起支撐平臺(tái)65,從 而其關(guān)于樞軸點(diǎn)66順時(shí)針旋轉(zhuǎn)約15-20度，結(jié)果燃料電池電源單元部分地 從凹槽63脫出。在該情況下電源單元IO仍然鎖閉在支撐平臺(tái)65。圖8示出從自行車或摩托車60完全彈出的燃料電池電源單元10的示 意性側(cè)視圖。在該完全彈出位置，氣壓撐桿67完全伸出至舉起支撐平臺(tái)65 至上部位置，其中，其與自行車或摩托車60的鞍座位置62鄰邊的支撐軌 道80完全對(duì)齊。在該完全彈出位置，鎖68可從電源單元IO上的鎖閉點(diǎn)52 完全分離(見(jiàn)圖9，其示出鎖分離)，從而電源單元可沿著支撐平臺(tái)65和支撐 軌道80被向后取出。分離鎖可在其變得可接近時(shí)(見(jiàn)圖8)手工進(jìn)行，或者更 加優(yōu)選地，分離可在當(dāng)支撐平臺(tái)達(dá)到完全彈出位置時(shí)自動(dòng)發(fā)生。電源單元10可通過(guò)使用后邊手柄12方便地從圖8的完全彈出位置拉 回至圖9的部分移出位置。在這點(diǎn)上，前邊手柄14同樣變得可接近，電源 單元IO可從自行車或摩托車完全提出。將注意到的是電源單元IO從圖8的完全彈出位置和圖9的部分移出位 置的滑動(dòng)動(dòng)作也導(dǎo)致電源單元10上的電接點(diǎn)51從自行車或摩托車上相應(yīng) 電接點(diǎn)90分離，所述電接點(diǎn)90與支撐平臺(tái)65集成在一起。圖10示出燃料電池電源單元10完全移出的自行車或摩托車60。將理解的是類似的保持和彈出機(jī)構(gòu)可被提供在其它車輛類型中，例如 任何兩個(gè)或多輪運(yùn)輸車。對(duì)于較大的車輛，可給幾個(gè)電源單元提供分別的 凹槽63以提高車輛的電源輸出和/或范圍。優(yōu)選的所述設(shè)計(jì)尤其適合提供與 車輛快易連接和解開(kāi)。在此所述的優(yōu)選電源單元10的重要方面是它們的與大多數(shù)不同車輛類 型的連接能力，及其作為其它運(yùn)輸?shù)莫?dú)立電源的能力。例如，電源單元10 可在需要時(shí)從車輛移出以為露營(yíng)活動(dòng)或家庭電力所需提供電源。電源單元 10可設(shè)有具有不同電壓和/或連接類型(未示出)的分體電源出口，或者可設(shè) 有拖線插座(可能具有集成至上的電壓轉(zhuǎn)換器)，其能兼容的與電接點(diǎn)51物 理接合。為了確保電源單元10能被用于大多數(shù)車輛類型和大多數(shù)不同環(huán)境，燃的電源控制器連接。電力控制電路23進(jìn)行很多與燃料電池正確維護(hù)相關(guān)的 功能，例如確保正確的燃料/氧化劑比率、陽(yáng)極板和陰極板所需的濕度以及 取決于燃料電池溫度和其它操作條件的電流輸出限制。然而，電力控制電 路也與車輛自身的電源控制器相互作用以確定車輛自身的操作條件，從而 確保燃料電池的最佳操作條件。例如，當(dāng)在起動(dòng)條件下操作，在需要最大電源之前，燃料電池需要一 段時(shí)間的預(yù)熱以確保電極適當(dāng)?shù)嘏c水化合。這樣，通過(guò)電力控制電路23, 車輛的電源控制器被指令在燃料電池的當(dāng)前操作條件下可允許的最大功率 或加速度。在優(yōu)選的實(shí)施例中，車輛將被提供有輔助電力供給，例如傳統(tǒng)
的鉛-酸電池，其能在當(dāng)燃料電池暫時(shí)不能提供例如加速時(shí)所需的電力期間 提供峰值需求。電力控制電路2 3指示車輛的電源控制器在燃料電池的當(dāng)前操作條件下從燃料電池電源單元IO可獲得的功率，以使得車輛電源控制器能確定必須從其輔助供給獲得的功率的比例(或如果輔助供給不可獲得或超 過(guò)其負(fù)載時(shí)限制車輛需求)。類似地，對(duì)于瞬間高功率負(fù)載例如短暫的加速，車輛電源控制器能確 定哪些額外的能量必須從其輔助供給中獲得，以確保其保持在燃料電池電 源單元的允許限制之內(nèi)。這樣，在總的方面，電源單元10中的電力控制電路23提供給車輛在 給定時(shí)間內(nèi)瞬時(shí)或半-瞬時(shí)可從燃料電池獲得的最大功率顯示，也就是，操 作的當(dāng)前允許限制。該當(dāng)前允許限制在連續(xù)基礎(chǔ)上變化，其取決于一系列 因素，例如(i)電池溫度、(ii)可獲得的氧化和/或冷卻氣流、(iii)歷史需求以 及(iv)燃料電池的任何其它工作需要。例如，在一些燃料電池中，期望執(zhí)行 燃料和氧化氣體的常規(guī)排放(purge)以維持電源在峰值狀態(tài)，其由電池電 壓的變化確定。常規(guī)排放能通過(guò)接入或切斷燃料電池系統(tǒng)中的選定堆而進(jìn) 行，以使得凈功率輸出只有相對(duì)少量的短暫減小。當(dāng)車輛電源控制器確定車輛電源需要小于當(dāng)前燃料電池電源單元的允 許操作限制時(shí)，其可操作以給車輛的輔助電源(例如鉛-酸電池或其它電化學(xué) 電池類型)充電。燃料電池在車輛中的定位可根據(jù)很多不同設(shè)計(jì)參數(shù)而變化。然而，將 注意到的是在帶有側(cè)面通風(fēng)的圖6-10中的自行車或摩托車60上的中心固定 位置能有利地用于維持騎車者周圍更加暖和的空氣流。在其它車輛類型中， 燃料電池所排出的空氣氣流可用于空間加熱目的。其它實(shí)施例在所述權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于車輛的燃料電池電源單元，燃料電池電源單元包括單一殼體，其包含儲(chǔ)存燃料的燃料箱；至少一個(gè)從液體燃料釋放電能的電化學(xué)燃料電池堆；殼體外表面中的燃料加注口；和通過(guò)在至少一個(gè)燃料電池堆中的陰極元件，在殼體外表面上的第一入口和殼體外表面上的第一出口之間延伸的氣流通路。
2. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池電源單元，其還包括在所述殼體外表 面的第二入口，所述第二入口也耦合至氣流通路。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的燃料電池電源單元，其中，至少所述入口 和/或出口之一包括用于提舉所述電源單元的隱藏式手柄。
4. 如權(quán)利要求3所述的燃料電池電源單元，其中，在所述電源單元的 前邊上的第一入口和在所述電源單元的后邊上的第二入口包括隱藏式手 柄。
5. 如權(quán)利要求4所述的燃料電池電源單元，其中，所述燃料加注口位 于電源單元的上表面。
6. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池電源單元，其還包括與車輛上的電源 控制器連接的電力控制電路，所述電源單元可被附于車輛上，當(dāng)所述電源條件。 ' ；、 '
7. 如權(quán)利要求6所述的燃料電池電源單元，其中，所述確定的操作條 件包括最大速度、最大加速度和根據(jù)當(dāng)前條件的最大電力負(fù)載的之一或多個(gè)。
8. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池電源單元，其還包括所述殼體的下表 面上的鎖閉點(diǎn)。
9. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池電源單元，其還包括一組在所述殼體 下表面中的隱藏式接點(diǎn)。
10. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池電源單元，其還包括至少一個(gè)輔助電 源出口 。
11. 一種電動(dòng)車輛，其包括一可移出地接收根據(jù)任何前述權(quán)利要求的燃 料電池電源的凹槽。
12. 如權(quán)利要求11所述的車輛，其中，所述凹槽包括用于將所述電源 單元提舉出凹槽的可鎖閉的彈出器機(jī)構(gòu)。
13. 如權(quán)利要求12所述的車輛，其中，所述可鎖閉的彈出器機(jī)構(gòu)包括鎖閉點(diǎn)接合的接合機(jī)構(gòu)。
14. 如權(quán)利要求11所述的車輛，其中，所述凹槽包括至少一個(gè)為從車 輛的前部至所述凹槽的氣流提供管道的空氣導(dǎo)管，所述空氣導(dǎo)管定位在與 所述電源單元的殼體的外表面上的入口對(duì)齊。
15. 如權(quán)利要求11所述的車輛，根據(jù)權(quán)利要6,所述車輛包括與燃料 電池電源單元中的電力控制電路連接的電源控制器，所述電源控制器基于 燃料電池電源單元的電力控制電路所確定的可允許的限度可確定車輛的操 作條件。
16. 如權(quán)利要求11至15之一所述的車輛，其中所述車輛為自行車或摩 托車。
17. 在此所述的裝置，其實(shí)質(zhì)上參照附圖。
全文摘要
一種用于車輛的可分離便攜燃料電池電源單元(10)，其具有單一殼體(11)，所述殼體包含儲(chǔ)存燃料的燃料池(22)；至少一個(gè)從液體燃料輸送電能的電化學(xué)燃料電池堆(20，21)；殼體外表面中的燃料加注口(16)；和通過(guò)在至少一個(gè)燃料電池堆(20，21)中的陰極元件，在殼體(11)外表面上的第一入口(12，14)和第一出口(15)之間延伸的氣流通路。所述單元包括與車輛上的電源控制器連接的控制電路(23)，以當(dāng)電源單元(10)耦合至車輛上時(shí)確定車輛允許的操作條件。
文檔編號(hào)H01M8/06GK101151752SQ200680009971
公開(kāi)日2008年3月26日 申請(qǐng)日期2006年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月1日
發(fā)明者喬納森·M·穆?tīng)? 尼古拉斯·C·塔爾博特, 布魯克·F·波特, 本杰明·N·皮斯, 達(dá)米安·戴維斯 申請(qǐng)人:智慧能量有限公司