CN110085896B - 一种高集成性燃料电池发动机系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及发动机技术领域，尤其涉及一种高集成性燃料电池发动机系统,解决了现有技术中的燃料电池由于受到各种定型化的成品件制约，导致发动机系统集成性很差的问题，包括发动机集成框架壳体，和安装在发动机集成框架壳体内的空气系统、氢气系统、水热循环系统、电气系统、电堆及流体分配歧管，空气系统包括有空气进气滤清器组件、空压机组件、中冷器组件、空气增湿组件、进气及排气控制阀组件和空气尾排组件，燃料电池发动机系统集成设计可靠性高、稳定性好、系统结构紧凑，功率密度比高，零部件空间利用率高，便于发动机系统与不同车型的匹配，能够满足多款型号的整车空间布局，有利于整车的空间分配,为零部件的更换及维护保养带来好处。

Description

一种高集成性燃料电池发动机系统
技术领域
本发明涉及发动机技术领域，尤其涉及一种高集成性燃料电池发动机系统。
背景技术
燃料电池发动机是一种将燃料和氧化剂的化学能通过化学反应，转化为电能的过程，该过程涉及的能量转换效率高，转化过程中的唯一产物是水，属于环境友好型动力装置，该装置被称为二十一世纪的终极能源。车用燃料电池发动机系统具有效能高、噪声低、振动幅度小等优点。近几年来随着燃料电池技术的不断发展再系统集成方面有了明显的提高，致使发动机的功率密度比可以和传统燃油发动机相比，部分集成性较高的燃料电池发动机功率密度比已经远远超越传动燃油发动机。
目前燃料电池由于受到各种定型化的成品件制约，导致发动机系统集成性很差，为了满足发动机的性能输出而降低了系统的集成性，致使发动机系统比较分散，在装车布局过程中占据空间较大，同时系统运行维护管理较难，整个零部件的利用率低下，导致系统零部件数量多，加工成本居高不下。
针对该类问题，本专利提出一款新型的燃料电池发动机系统集成方案，该方案通过各个模块的集成设计，实现很高的功率密度比。同时系统的振动可靠性和性能稳定性也有很大提高，该技术已经通过新能源发动机的各项性能验证及装车验证。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的燃料电池由于受到各种定型化的成品件制约，导致发动机系统集成性很差的缺点，而提出的一种高集成性燃料电池发动机系统。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种高集成性燃料电池发动机系统，包括发动机集成框架壳体，和安装在所述发动机集成框架壳体内的空气系统、氢气系统、水热循环系统、电气系统、电堆及流体分配歧管，所述空气系统包括有空气进气滤清器组件、空压机组件、中冷器组件、空气增湿组件、进气及排气控制阀组件和空气尾排组件，所述氢气系统包括有氢气进气高压组件、氢气换热组件、氢气分水组件、氢气回流组件、氢气进气缓冲组件和氢气尾排组件，所述水热循环系统包括有水泵组件、水系统辅助加热组件、水系统散热组件和水循环辅助部件，所述电气系统包括有高低压继电器、高低压控制器和辅助电气部件；
所述发动机集成框架壳体的上部安装设置有空压机控制器和电气箱，所述发动机集成框架壳体靠近所述空压机控制器的上部还安装有空压机泵头，且空压机泵头的一端连接设置有空气进气口，所述发动机集成框架壳体的下部安装设置有空气增湿组件，且空气增湿组件的前端通过空气食品级硅橡胶管连接有空气尾排口；
所述发动机集成框架壳体靠近所述空压机控制器的一端设置有空气进气模块绝缘减震组件，且空气进气模块绝缘减震组件的下部还设置有发动机绝缘减震组件。
优选的，所述空压机组件包括有空压机泵头和空压机控制器。
优选的，所述中冷器组件包括有中冷器和中冷器换热水管。
优选的，所述进气及排气控制阀组件和空气尾排组件包括有空气尾排阀、空气进中冷器管、空气进气动力总成、空气进气口和空气尾排口。
优选的，所述氢气系统包括的高压组件包含有高压输出口。
优选的，所述氢气系统包括的氢气缓冲组件包含有氢气缓冲腔、氢气回流组件和氢气进气管。
优选的，所述水系统散热组件包括有水循环控制节温器、散热器出水口和散热器进水口、水热循环系统和水循环离子罐。
优选的，所述发动机集成框架壳体上还设置有两对悬置点，且悬置点对称分布在所述发动机集成框架壳体的两侧。
本发明的有益效果是：
1、本发明中燃料电池发动机系统集成设计可靠性高、稳定性好、系统结构紧凑，功率密度比高，零部件空间利用率高，便于发动机系统与不同车型的匹配，能够满足多款型号的整车空间布局，有利于整车的空间分配,为零部件的更换及维护保养带来好处。
2、本发明，针对于一些空间狭小功能较多的专用车辆，具有明显优势，同等空间下的系统效能明显提高，空间利用率提高。
3、本发明，新能源发动机的出现，大大改善传统燃料对环境的污染问题，改善生活环境，且新能源发动机的出现也对人类赖以生存的化石燃料需求减少现实依赖，利用可再生资源实现新能源汽车的稳定可靠运行。
附图说明
图1为本发明提出的一种高集成性燃料电池发动机系统的空气尾排阀连接结构的轴测结构示意图；
图2为本发明提出的一种高集成性燃料电池发动机系统的正负极输出端连接结构的轴测结构示意图；
图3为本发明提出的一种高集成性燃料电池发动机系统的仰视结构示意图；
图4为本发明提出的一种高集成性燃料电池发动机系统的俯视结构示意图；
图5为本发明提出的一种高集成性燃料电池发动机系统的后视结构示意图；
图6为本发明提出的一种高集成性燃料电池发动机系统的左视结构示意图。
图中：1发动机集成框架壳体、101悬置点、2空气进气滤清器组件、3电气箱、4空压机泵头、5空压机控制器、6空气进气口、7水循环控制节温器、8高压输出口、9空气食品级硅橡胶管、10空气尾排阀、11空气进气模块绝缘减震组件、12发动机绝缘减震组件、13高低压控制器、14空气进气动力总成、15 氢气进气管口、16散热器出水口、17散热器进水口、18水泵组件、19空气进中冷器管、20氢气缓冲腔、21水热循环系统、22水循环离子罐、23空气尾排口、 24氢气回流组件、25空气增湿组件、26中冷器、27中冷器换热水管。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例：参照图1-图6，一种高集成性燃料电池发动机系统，包括发动机集成框架壳体1，和安装在发动机集成框架壳体1内的空气系统、氢气系统、水热循环系统21、电气系统、电堆及流体分配歧管，发动机集成框架壳体1上还设置有两对悬置点101，且悬置点101对称分布在发动机集成框架壳体1的两侧，电堆为燃料电池发动机的核心部件，为了实现该部件的各种防护要求，实现电堆内部核心部件IP67封装，将电堆、流体分配歧管、及关键高低压核心电器件统一进行封装；
其中，空气系统包括有空气进气滤清器组件2、空压机组件、中冷器26组件、空气增湿组件25、进气及排气控制阀组件和空气尾排组件，空压机组件包括有空压机泵头4和空压机控制器5，中冷器26组件包括有中冷器26和中冷器换热水管27，进气及排气控制阀组件和空气尾排组件包括有空气尾排阀10、空气进中冷器26管19、空气进气动力总成14、空气进气口6和空气尾排口23，发动机集成框架壳体1靠近空压机控制器5的上部还安装有空压机泵头4，且空压机泵头4的一端连接设置有空气进气口6，发动机集成框架壳体1的下部安装设置有空气增湿组件25，且空气增湿组件25的前端通过空气食品级硅橡胶管9 连接有空气尾排口23。
具体的，空气系统为发动机电堆提供发动机所需的增压空气，增压后的空气经过系统中冷器26，中冷器26内部增加系统辅助循环水，与进堆空气进行冷热交换对流，将进气温度控制在65℃，进而达到进堆温度要求，干空气通过增湿器与堆内排出水汽在增湿器内实现对流，达到空气进气增湿的目的，最终气体进入电堆内部。
其中，氢气系统包括有氢气进气高压组件、氢气换热组件、氢气分水组件、氢气回流组件24、氢气缓冲组件和氢气尾排组件，其中氢气缓冲组件包括有氢气缓冲腔20、氢气回流组件24和氢气进气管，氢气系统包括的高压组件包含有高压输出口8。
具体的，氢气系统通过控制减压阀及比例调节阀，压力传感器反馈信息控制氢气进气量，进入氢系统的氢气经过水热换热器进行体温换热，与前端分水和回流后的氢气进行充分缓冲和混合进堆。
其中，水热循环系统21包括有水泵组件18、水系统辅助加热组件、水系统散热组件和水循环辅助部件，水系统散热组件包括有水循环控制节温器7、散热器出水口16和散热器进水口17、水热循环系统21和水循环离子罐22，电气系统包括有高低压继电器、高低压控制器13和辅助电气部件，且发动机集成框架壳体1的上部安装设置有空压机控制器5和电气箱3，发动机集成框架壳体1靠近空压机控制箱的一端设置有空气进气模块绝缘减震组件11，且空气进气模块绝缘减震组件11的下部还设置有发动机绝缘减震组件12。
具体的，水热循环系统21通过大小循环实现燃料电池发动机系统的冷热流体交换，小循环内部系统通过辅助加热装置快速提高系统内部温度，循环体系内水容量小，需求热量少，该循环主要针对低温环境下的系统启动，实现低温环境下的发电机系统的迅速提温，进而实现-25℃的环境下系统低温启动能力；针对高温环境下，发动机系统通过水循环控制节温器7来控制大循环的开启，系统大循环经过散热风扇组件，实现系统在8℃左右的温度控制，系统散热风扇才通过 CAN通讯，实现闭环自动温控，保证系统出电堆温度为68℃，系统进堆温度58℃；
进一步的，空气系统及水路系统部件之间采用食品级硅橡胶管进行中间环节连接实现内部流体互通，氢气系统考虑系统的泄露安全问题及装配便捷性，采用成品不锈钢卡套进行连接，减压后的氢气压力达到可控范围内后，局部管路采用食品级硅橡胶管，实现局部系统连接，为了保证系统运行的可靠性和稳定性，氢气循环系统设计管路简短，保证系统热量损失在最小范围，有利于降低氢气循环热量散失，提高氢气循环系统的工作效率；为了便于系统装车后的安装及关键件的维护保养，设计流体接口及电气接口统一，便于零部件的连接及更换任务；各子系统的模块儿化设计，大大提高系统的集成性和可靠性，同时各子系统具有一定的继承性。
燃料电池发动机系统部件通过CAN2.0B波特率为250Kpbs实现各子系统部件控制及信号的反馈。发动控制系统通过上位机软件界面进行监控，上位机软件可以实现手动工况的运行和自动工况的运行。发动机系统通过氢气高压储氢气瓶实现氢气的存储及供应，高压氢气瓶内部压力为35Mpa，经过瓶口阀和二级减压器，实现供氢系统的氢气压力在1.5Mpa运行，供应到发动机系统内部。发动机进气前端有泄压阀及氢气浓度检测装置，来控制氢气安全方面的问题。发动机运行仓内部顶棚各处均安装有氢气浓度检测装置，当氢系统出现故障问题时，传感器第一时间发送报警信号，整车控制器给出关瓶阀信号，切断氢气进气，确保氢系统的安全问题。
燃料电池发动机系统辅助部件实现空气增压系统泵头及控制器的散热任务，通过外置热交换器及散热风扇，实现辅助系统的热交换功能，同时辅助系统也为进堆空气的热交换器提供冷却水。为了改善发动机系统内部循环水的电导率高的问题，系统优先考虑将主循环水路与辅助部件水路分离，为辅助路单独循环冷却水，进而达到降低主路系统的零部件电导离子析出问题。燃料电池发动机系统主框架内部封装关键零部件实现IP67，外部上侧和下侧悬挂BOP部件，四周布局与整车悬置相连接，充分发挥系统主框架的布局优势，进而实现发动机系统的整体高集成度和可模块化分解，便于不同车型的匹配。同时系统外轮廓紧凑，结构布局合理，系统结构强度可靠，已经通过新能源发动机的抗震性能测试，车载环境下的性能可以稳定输出。通过系统分析结构件的刚度及结构强度，实现主框架的轻量化设计，为系统质量功率密度和体积功率密度提高贡献巨大。为了控制系统整体体积，关键部件布局分层布置，管路合理分配，大大提高了体积功率密度参数。
综上所述，发电机系统集成框架形式，系统外部组件模块化设计，与主体连接采用外挂悬挂式；发电机系统关键零部件及电气件IP67防护处理，封装于系统外壳内部；空气进气总成与主系统框架可拆卸设计，实现系统的模块化设计，便于与其他型号空气系统匹配；水热循环系统21发动机底部集成，有利于系统温度保护，防止与外界接触面积大，热量散失快；氢气循环装置进行辅助加热，提高氢气系统低温启动性能，有效改善发动机系统的低温启动能力；系统过渡连接件实现其主体与辅助部件及整车的连接，零部件利用率高；空气进气系统及辅助散热系统与主路循环二次隔离，降低散热系统绝缘对整机绝缘的影响。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高集成性燃料电池发动机系统，包括发动机集成框架壳体(1)，和安装在所述发动机集成框架壳体(1)上的空气系统、氢气系统、水热循环系统(21)、电气系统、电堆及流体分配歧管，其特征在于，所述空气系统包括有空气进气滤清器组件(2)、空压机组件、中冷器(26)组件、空气增湿组件(25)、进气及排气控制阀组件和空气尾排组件，所述空压机组件包括有空压机泵头(4)和空压机控制器(5)，所述进气及排气控制阀组件和空气尾排组件包括有空气尾排阀(10)、空气进中冷器(26)管(19)、空气进气动力总成(14)、空气进气口(6)和空气尾排口(23)，所述氢气系统包括有氢气进气高压组件、氢气换热组件、氢气分水组件、氢气回流组件(24)、氢气进气缓冲组件和氢气尾排组件，所述水热循环系统(21)包括有水泵组件(18)、水系统辅助加热组件、水系统散热组件和水循环辅助部件，所述电气系统包括有高低压继电器、高低压控制器(13)和辅助电气部件；所述发动机集成框架壳体(1)的上部安装设置有空压机控制器(5)和电气箱(3)，所述发动机集成框架壳体(1)靠近所述空压机控制器(5)的上部还安装有空压机泵头(4)，且空压机泵头(4)的一端连接设置有空气进气口(6)，所述发动机集成框架壳体(1)的下部安装设置有空气增湿组件(25)，且空气增湿组件(25)的前端通过空气食品级硅橡胶管(9)连接有空气尾排口(23)；所述发动机集成框架壳体(1)靠近所述空压机控制器(5)的一端设置有空气进气模块绝缘减震组件(11)，且空气进气模块绝缘减震组件(11)的下部还设置有发动机绝缘减震组件(12)。
2.根据权利要求1所述的一种高集成性燃料电池发动机系统，其特征在于，所述中冷器(26)组件包括有中冷器(26)和中冷器换热水管(27)。
3.根据权利要求1所述的一种高集成性燃料电池发动机系统，其特征在于，所述氢气系统包括的氢气进气高压组件包含有高压输出口(8)。
4.根据权利要求1所述的一种高集成性燃料电池发动机系统，其特征在于，所述氢气系统包括的氢气进气缓冲组件包含有氢气缓冲腔(20)和氢气进气管。
5.根据权利要求1所述的一种高集成性燃料电池发动机系统，其特征在于，所述水系统散热组件包括有水循环控制节温器(7)、散热器出水口(16)、散热器进水口(17)和水循环离子罐(22)。
6.根据权利要求1所述的一种高集成性燃料电池发动机系统，其特征在于，所述发动机集成框架壳体(1)上还设置有两对悬置点(101)，且两对的悬置点(101)均对称分布在所述发动机集成框架壳体(1)的两侧。
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