專利名稱：一種燃料電池電動車的驅(qū)動裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池，尤其涉及一種燃料電池電動車的驅(qū)動裝置。
背景技術(shù)：
電化學(xué)燃料電池是一種能夠?qū)浼把趸瘎┺D(zhuǎn)化成電能及反應(yīng)產(chǎn)物的裝置。該裝置的內(nèi)部核心部件是膜電極(Membrane Electrode Assembly，簡稱MEA)，膜電極(MEA)由一張質(zhì)子交換膜、膜兩面夾兩張多孔性的可導(dǎo)電的材料，如碳紙組成。在膜與碳紙的兩邊界面上含有均勻細(xì)小分散的引發(fā)電化學(xué)反應(yīng)的催化劑，如金屬鉑催化劑。膜電極兩邊可用導(dǎo)電物體將發(fā)生電化學(xué)發(fā)應(yīng)過程中生成的電子，通過外電路引出，構(gòu)成電流回路。
在膜電極的陽極端，燃料可以通過滲透穿過多孔性擴(kuò)散材料(碳紙)，并在催化劑表面上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，失去電子，形成正離子，正離子可通過遷移穿過質(zhì)子交換膜，到達(dá)膜電極的另一端陰極端。在膜電極的陰極端，含有氧化劑(如氧氣)的氣體，如空氣，通過滲透穿過多孔性擴(kuò)散材料(碳紙)，并在催化劑表面上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)得到電子，形成負(fù)離子。在陰極端形成的陰離子與陽極端遷移過來的正離子發(fā)生反應(yīng)，形成反應(yīng)產(chǎn)物。
在采用氫氣為燃料，含有氧氣的空氣為氧化劑(或純氧為氧化劑)的質(zhì)子交換膜燃料電池中，燃料氫氣在陽極區(qū)的催化電化學(xué)反應(yīng)就產(chǎn)生了氫正離子(或叫質(zhì)子)。質(zhì)子交換膜幫助氫正離子從陽極區(qū)遷移到陰極區(qū)。除此之外，質(zhì)子交換膜將含氫氣燃料的氣流與含氧的氣流分隔開來，使它們不會相互混合而產(chǎn)生爆發(fā)式反應(yīng)。
在陰極區(qū)，氧氣在催化劑表面上得到電子，形成負(fù)離子，并與陽極區(qū)遷移過來的氫正離子反應(yīng)，生成反應(yīng)產(chǎn)物水。在采用氫氣、空氣(氧氣)的質(zhì)子交換膜燃料電池中，陽極反應(yīng)與陰極反應(yīng)可以用以下方程式表達(dá)陽極反應(yīng)
陰極反應(yīng)在典型的質(zhì)子交換膜燃料電池中，膜電極(MEA)一般均放在兩塊導(dǎo)電的極板中間，每塊導(dǎo)流極板與膜電極接觸的表面通過壓鑄、沖壓或機(jī)械銑刻，形成至少一條以上的導(dǎo)流槽。這些導(dǎo)流極板可以上金屬材料的極板，也可以是石墨材料的極板。這些導(dǎo)流極板上的流體孔道與導(dǎo)流槽分別將燃料和氧化劑導(dǎo)入膜電極兩邊的陽極區(qū)與陰極區(qū)。在一個質(zhì)子交換膜燃料電池單電池的構(gòu)造中，只存在一個膜電極，膜電極兩邊分別是陽極燃料的導(dǎo)流板與陰極氧化劑的導(dǎo)流板。這些導(dǎo)流板既作為電流集流板，也作為膜電極兩邊的機(jī)械支撐，導(dǎo)流板上的導(dǎo)流槽又作為燃料與氧化劑進(jìn)入陽極、陰極表面的通道，并作為帶走燃料電池運行過程中生成的水的通道。
為了增大整個質(zhì)子交換膜燃料電池的總功率，兩個或兩個以上的單電池通常可通過直疊的方式串聯(lián)成電池組或通過平鋪的方式聯(lián)成電池組。在直疊、串聯(lián)式的電池組中，一塊極板的兩面都可以有導(dǎo)流槽，其中一面可以作為一個膜電極的陽極導(dǎo)流面，而另一面又可作為另一個相鄰膜電極的陰極導(dǎo)流面，這種極板叫做雙極板。一連串的單電池通過一定方式連在一起而組成一個電池組。電池組通常通過前端板、后端板及拉桿緊固在一起成為一體。
一個典型電池組通常包括(1)燃料及氧化劑氣體的導(dǎo)流進(jìn)口和導(dǎo)流通道，將燃料(如氫氣、甲醇或甲醇、天然氣、汽油經(jīng)重整后得到的富氫氣體)和氧化劑(主要是氧氣或空氣)均勻地分布到各個陽極、陰極面的導(dǎo)流槽中；(2)冷卻流體(如水)的進(jìn)出口與導(dǎo)流通道，將冷卻流體均勻分布到各個電池組內(nèi)冷卻通道中，將燃料電池內(nèi)氫、氧電化學(xué)放熱反應(yīng)生成的熱吸收并帶出電池組進(jìn)行散熱；(3)燃料與氧化劑氣體的出口與相應(yīng)的導(dǎo)流通道，燃料氣體與氧化劑氣體在排出時，可攜帶出燃料電池中生成的液、汽態(tài)的水。通常，將所有燃料、氧化劑、冷卻流體的進(jìn)出口都開在燃料電池組的一個端板上或兩個端板上。
質(zhì)子交換膜燃料電池可用作車、船等運載工具的動力系統(tǒng)，又可用作移動式、固定式的發(fā)電裝置。
質(zhì)子交換膜燃料電池可用作車、船動力系統(tǒng)或移動式和固定式發(fā)電站時，必須包括電池堆、燃料氫氣供應(yīng)系統(tǒng)、空氣供應(yīng)子系統(tǒng)、冷卻散熱子系統(tǒng)、自動控制及電能輸出各個部分。
例如，圖1是一種典型的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，在圖1中1為燃料電池堆，2為儲氫瓶或其他儲氫裝置，3為減壓閥，4為空氣過濾裝置，5為空氣壓縮供應(yīng)裝置，6’、6為水-汽分離器，7為水箱，8為冷卻流體循環(huán)泵，9為散熱器，10為氫循環(huán)泵，11、12為氫氣、空氣增濕裝置。
燃料電池發(fā)電原理實際上是燃料電池中氫燃料與向燃料電池供應(yīng)空氣中的氧氣化合生成水，這一化學(xué)反應(yīng)過程是大部分化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的過程。所以燃料電池發(fā)電的速度受到許多因素的影響1.向燃料電池供應(yīng)氫燃料、空氣的速度與充分性；2.氫氣、空氣中的氧氣向燃料電池中的電極擴(kuò)散的速度；3.氫氣、空氣中的氧氣在電極中的催化反應(yīng)速度；上述三點與燃料電池本身的發(fā)電能力設(shè)計有關(guān)。
一般來說，當(dāng)出現(xiàn)燃料電池電動車起動、加速等變功況情況，或燃料電池發(fā)電站供應(yīng)的用戶變加載等情況時，要求燃料電池輸出功率的響應(yīng)也隨之變化。
雖然燃料電池額定輸出功率的設(shè)計即本身的發(fā)電能力一般都會滿足作為車載動力源，或發(fā)電站最大功率需求的要求，但是燃料電池在輸出功率變化時，由于燃料電池本身的上述三種極化效應(yīng)，導(dǎo)致輸出電壓也發(fā)生較大的變化。一般來說，燃料電池功率輸出隨著電流輸出的增大而增大。典型的一種是10KW燃料電池伏-安-功率輸出曲線，如圖2所示。一種10KW燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的典型伏-安-功率輸出曲線圖，由此可見，燃料電池發(fā)電系統(tǒng)作為一種車載動力源的電源，當(dāng)功率輸出發(fā)生變化時，其輸出的電壓變化是較大的。
所以，目前將燃料電池發(fā)電系統(tǒng)作為車載動力源的電源使用時，其驅(qū)動系統(tǒng)往往需要一種直流-直流變換穩(wěn)壓裝置，圖3為以一般的燃料電池為動力電源的電動車驅(qū)動系統(tǒng)原理圖。圖3中，100為燃料電池發(fā)電系統(tǒng)(電流、電壓由正負(fù)極輸出)，20為第一個直流-直流變換穩(wěn)壓裝置，30為電動車驅(qū)動馬達(dá)的車速控制器，40為電動車驅(qū)動馬達(dá)，50為腳踏板。
上述電動車驅(qū)動系統(tǒng)主要由動力電源——燃料電池發(fā)電系統(tǒng)100輸出功率，由于燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的輸出電壓隨電流的增加變化很大，先經(jīng)過第一個直流-直流變換裝置20(DC/DC)降壓或升壓穩(wěn)壓，并通過駕駛員對腳踏板50的功率需求控制電動車驅(qū)動馬達(dá)的車速，控制器驅(qū)動電動車驅(qū)動馬達(dá)40運行。
上述電動車驅(qū)動系統(tǒng)有以下技術(shù)缺陷1.20、30都是一種電壓調(diào)節(jié)器，每一個都有較大的功率損耗，從而使整個驅(qū)動系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率降低；2.20、30每個器件都昂貴，且占據(jù)了較大的空間、重量；3.20、30每個器件的可靠性、穩(wěn)定性都有限。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種功耗小、體積小、可靠性高的燃料電池電動車的驅(qū)動裝置。
本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)一種燃料電池電動車的驅(qū)動裝置，包括燃料電池、直流-直流變換裝置，驅(qū)動馬達(dá)、腳踏板，其特征在于，還包括車速控制器、電流傳感器，所述的燃料電池輸出的電壓與電流經(jīng)直流-直流變換裝置穩(wěn)壓穩(wěn)流后直接驅(qū)動驅(qū)動馬達(dá)。
所述的腳踏板接收駕駛指令并通過車速控制器將弱電信號傳輸給直流-直流變換裝置，并控制其電壓與電流輸出直接驅(qū)動驅(qū)動馬達(dá)。
所述的弱電信號包括來自電流傳感器與腳踏板的傳感信號。
所述的燃料電池的輸出電壓為100V～60V，電流為0A～165A。
所述的直流-直流變換裝置的輸入電壓為100V～60V，輸出電壓為0V～60V。
本發(fā)明的工作原理如圖4所示，該電動驅(qū)動系統(tǒng)主要由動力電源燃料電池發(fā)電系統(tǒng)100輸出功率，由于燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的輸出電壓隨電流的增加變化很大，采用一種可以完全適應(yīng)在燃料電池輸出最高電壓(最小電流時)與最低電壓(最大電流時)范圍之間的直流-直流變換裝置(DC-DC)來直接驅(qū)動電動車驅(qū)動馬達(dá)40。駕駛員通過腳踏板50將駕駛指令通過車速控制器將弱電信號(來自電流傳感器與腳踏板的傳感信號)傳輸并控制20的電壓輸出，并直接驅(qū)動主電機(jī)馬達(dá)40。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明技術(shù)方案有以下優(yōu)點1.新的電動車驅(qū)動系統(tǒng)主電路減少了一個電壓變換器件，減少了功率自損耗；2.驅(qū)動系統(tǒng)的主電路減少了一個體積和重量較大的功率器件，取而代之的是一個體積、重量較小且價格不貴的弱電信號轉(zhuǎn)換的車速控制器4；3.驅(qū)動系統(tǒng)主電路(強電電路)減少了一個功率器件，增加了可靠性。在弱電電路采用了一個信號轉(zhuǎn)換器件——車速控制器，使電動車整體的可靠性增加。
4.車速控制器向U2(功率器件)控制輸出功率大小的同時可以受腳踏板、電流傳感器信號同時或交叉控制。有時腳踏板踩得太猛，車速控制器就會受電流傳感器的控制，這樣可以較平穩(wěn)地控制燃料電池發(fā)電系統(tǒng)輸出的功率。


圖1為現(xiàn)有燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為現(xiàn)有10KW燃料電池伏-安-功率輸出曲線圖；圖3為現(xiàn)有以燃料電池為動力源的電動車驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
實施例如圖4并結(jié)合圖3所示，一種燃料電池電動車的驅(qū)動裝置，包括燃料電池100、直流-直流變換裝置20，驅(qū)動馬達(dá)40、腳踏板50、車速控制器60、電流傳感器70，所述的燃料電池100輸出的電壓與電流經(jīng)直流-直流變換裝置20穩(wěn)壓穩(wěn)流后直接驅(qū)動驅(qū)動馬達(dá)40。所述的腳踏板50接收駕駛指令并通過車速控制器60將弱電信號傳輸給直流-直流變換裝置20，并控制其電壓與電流輸出直接驅(qū)動驅(qū)動馬達(dá)40。所述的弱電信號包括來自電流傳感器70與腳踏板50的傳感信號。
具體地說，本實施例為一種由100個單電池組成地燃料電池堆及其支持運行系統(tǒng)構(gòu)成的10KW燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，用作以燃料電池為動力的電動游覽車。該電動車的驅(qū)動系統(tǒng)如圖4所示。
燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的輸出電壓范圍為100V～60V，電流范圍為0V～165A，主驅(qū)動電路上有一種輸入電壓范圍為100V～60V，輸出電壓范圍為0V～60V的直流-直流電壓變換器件20，并直接驅(qū)動驅(qū)動電機(jī)主馬達(dá)40。
驅(qū)動裝置中的弱電控制部分由腳踏板5傳達(dá)駕駛員指令，并由一個電流傳感器70監(jiān)視燃料電池發(fā)電系統(tǒng)100輸出電流的大小，這二種傳感器可分別轉(zhuǎn)化為驅(qū)動信號，控制車速控制器60，車速控制器60將在正確的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)輸出電流允許增加速率以及大小范圍的前提下，將驅(qū)動信號轉(zhuǎn)換成對功率器件20的控制電壓輸出信號，并達(dá)到對20的電壓(60V～0V直流)輸出進(jìn)行控制，同時控制驅(qū)動馬達(dá)40的轉(zhuǎn)速或扭轉(zhuǎn)矩的目的。
驅(qū)動馬達(dá)是一種額定電壓60V的直流串激電機(jī)，額定功率為5KW，峰值功率為10KW。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池電動車的驅(qū)動裝置，包括燃料電池、直流-直流變換裝置，驅(qū)動馬達(dá)、腳踏板，其特征在于，還包括車速控制器、電流傳感器，所述的燃料電池輸出的電壓與電流經(jīng)直流-直流變換裝置穩(wěn)壓穩(wěn)流后直接驅(qū)動驅(qū)動馬達(dá)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池電動車的驅(qū)動裝置，其特征在于，所述的腳踏板接收駕駛指令并通過車速控制器將弱電信號傳輸給直流-直流變換裝置，并控制其電壓與電流輸出直接驅(qū)動驅(qū)動馬達(dá)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池電動車的驅(qū)動裝置，其特征在于，所述的弱電信號包括來自電流傳感器與腳踏板的傳感信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池電動車的驅(qū)動裝置，其特征在于，所述的燃料電池的輸出電壓為100V～60V，電流為0A～165A。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池電動車的驅(qū)動裝置，其特征在于，所述的直流-直流變換裝置的輸入電壓為100V～60V，輸出電壓為0V～60V。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種燃料電池電動車的驅(qū)動裝置，包括燃料電池、直流－直流變換裝置，驅(qū)動馬達(dá)、腳踏板、車速控制器、電流傳感器，所述的燃料電池輸出的電壓與電流經(jīng)直流－直流變換裝置穩(wěn)壓穩(wěn)流后直接驅(qū)動驅(qū)動馬達(dá)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有功耗小、體積小、可靠性高等特點。
文檔編號B60L11/18GK1769094SQ200410067709
公開日2006年5月10日 申請日期2004年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月2日
發(fā)明者付明竹, 胡里清 申請人:上海神力科技有限公司