[发明专利]用于12V混合动力燃料电池车辆的设备

说明书

技术领域

本发明总体上涉及一种燃料电池系统，该燃料电池系统除了燃料电池堆以外不采用高压功率源，例如电池；更具体地，本发明涉及用于车辆的燃料电池系统，该用于车辆的燃料电池系统除了燃料电池堆以外不采用高压功率源，例如电池，而是采用与燃料电池堆结合的大容量12伏特电池和小容量12伏特电池。

背景技术

氢是非常有吸引力的燃料，因为氢是清洁的且能够用于在燃料电池中有效地产生电力。氢燃料电池是电化学装置，包括阳极和阴极，电解质在阳极和阴极之间。阳极接收氢气且阴极接收氧或空气。氢气在阳极中分解以产生自由氢质子和电子。氢质子穿过电解质到达阴极。氢质子与阴极中的氧和电子反应产生水。来自于阳极的电子不能穿过电解质，且因而被引导通过载荷，以在输送至阴极之前做功。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是车辆的普遍燃料电池。PEMFC通常包括固体聚合物电解质质子传导膜，如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括细分的催化剂颗粒，通常是铂（Pt），所述催化剂颗粒支承在碳颗粒上且与离聚物混合。催化剂混合物沉积在膜的相对侧上。阳极催化剂混合物、阴极催化剂混合物和膜的组合限定了膜电极组件（MEA）。MEA的制造相对昂贵且需要某些条件以有效操作。

多个燃料电池通常组合成燃料电池堆以产生期望功率。例如，车辆的典型燃料电池堆可以具有两百或更多堆叠的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入气体，通常是由压缩机强制通过燃料电池堆的空气流。不是所有的氧都由燃料电池堆消耗，且一些空气作为阴极排气输出，所述阴极排气可以包括作为燃料电池堆的副产物的水。燃料电池堆也接收流入燃料电池堆的阳极侧的阳极氢输入气体。

燃料电池堆包括位于燃料电池堆中多个MEA之间的一系列双极板，其中，双极板和MEA设置在两个端板之间。双极板包括用于燃料电池堆中的相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流动通道设置在双极板的阳极侧上，且允许阳极反应气体流向相应MEA。阴极气体流动通道设置在双极板的阴极侧上，且允许阴极反应气体流向相应MEA。一个端板包括阳极气体流动通道，另一个端板包括阴极气体流动通道。双极板和端板由导电材料制成，如不锈钢或导电复合物。端板将燃料电池产生的电传导到燃料电池堆之外。双极板也包括冷却流体流经的流动通道。

大多数燃料电池车辆是混合动力车辆，除了燃料电池堆之外，采用可再充电补充高压功率源，如DC电池或超电容器。功率源给各种车辆辅助载荷提供补充功率，用于系统启动且在高功率需求期间在燃料电池堆不能提供期望功率时。更具体地，燃料电池堆通过DC电压总线线路将功率提供给牵引马达和其他车辆系统，以用于车辆操作。电池在需要超过燃料电池堆所能够提供的附加功率时的时间期间（例如，在急加速期间）给电压总线线路提供补充功率。例如，燃料电池堆可产生70kW的功率。然而，车辆加速可能需要100kW或更大的功率。在燃料电池堆能够满足系统功率需求时，燃料电池堆用于给电池再次充电。从牵引马达可用的发电机功率能够提供再生制动，其还能够用于通过DC总线线路给电池再次充电。

在一些采用高压电池的燃料电池系统设计中，高压部件（包括电牵引马达）电联接到高压总线。高压总线直接连接到电池并以电池电压操作，其中DC/DC燃料电池增压电路提供在燃料电池堆和高压总线之间以允许燃料电池堆电压独立于DC总线电压而变化。替代地，该系统的高压部件电联接到直接联接到燃料电池堆的高压总线，使得所述部件以堆电压操作，其中DC/DC增压电路提供在高压总线和电池之间以允许电池电压独立于总线电压而变化。

发明内容

根据本发明的教导，公开了一种燃料电池系统，其不包括与燃料电池堆结合的高压电池。燃料电池堆和双向功率模块电联接到高压总线。第一较大容量12伏特电池电联接到与高压总线相对的功率模块，并且第二较小容量12伏特电池电联接到第一12伏特电池，其中二极管电联接在第一12伏特电池和第二12伏特电池之间，并且仅允许电流从第一12伏特电池流到第二12伏特电池。12伏特电池载荷电联接到第二12伏特电池。

本发明的附加特征将从以下说明和所附权利要求书结合附图显而易见。

本发明还提供了以下方案：

1. 一种燃料电池系统，包括：

高压总线；

电联接到所述高压总线的燃料电池堆；

电联接到所述高压总线的双向功率匹配模块；

电联接到与所述高压总线相对的功率模块的第一12伏特电池；

电联接到所述第一12伏特电池的第二12伏特电池，所述第二12伏特电池是比所述第一12伏特电池容量小的电池；