CN110994001A - 一种节省空间的氢燃料电池、发动机及汽车 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种节省空间的氢燃料电池、发动机及汽车。上述的节省空间的氢燃料电池包括：氢气供气系统、空气供气系统、第一冷却系统及箱体，所述箱体内设有多个电堆；所述氢气供气系统设于所述箱体的第一侧，所述空气供气系统设于所述箱体的第二侧，所述第一冷却系统设于所述箱体的第三侧。本发明的氢燃料电池结构紧凑，使通常氢燃料电池中存在的部件分布错综复杂、管路交叉分布的情况有所改善，一定程度上能够减小氢燃料电池的体积，从而节省空间。

Description

一种节省空间的氢燃料电池、发动机及汽车

技术领域

本发明涉及氢燃料电池领域，尤其是涉及一种节省空间的氢燃料电池、发动机及汽车。

背景技术

燃料电池是一种把燃料所具有的化学能转换成电能的装置，又称电化学发电器，它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。由于燃料电池是通过电化学反应把燃料化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能，不受卡诺循环效应的限制，因此能量转化效率较高。而氢燃料电池用氢气和氧气作为原料，无机械传动部件，故没有噪声污染，且排出的为水、空气和少量氢气，对环境无污染。因此，氢燃料电池在能源安全及环境污染方面受到了越来越多的重视，应用也越来越广泛。在氢燃料电池中，需要通过空气系统供应空气，通过氢气系统供应氢气，并通过冷却系统供应冷却水。由于上述的三个系统均部件繁多，在目前的很多氢燃料电池中，并未对上述众多部件所在的位置进行规划，使得整个电池中部件分布错综复杂，众多管路交叉，从而使整个电池的体积较大，占用空间较大。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种节省空间的氢燃料电池，该氢燃料电池结构紧凑，使通常氢燃料电池中存在的部件分布错综复杂、管路交叉分布的情况有所改善，一定程度上能够减小氢燃料电池的体积，从而节省空间。

本发明还提出一种发动机，该发动机中的燃料电池占用空间较小，使得该发动机占用空间也较小。

本发明还提出一种汽车，该汽车中的发动机占用空间较小，使得该汽车中用于放置发动机的空间能够缩小。

第一方面，本发明的一个实施例提供了节省空间的氢燃料电池，包括：

氢气供气系统、空气供气系统、第一冷却系统及箱体，所述箱体内设有多个电堆；

所述氢气供气系统设于所述箱体的第一侧，所述空气供气系统设于所述箱体的第二侧，所述第一冷却系统设于所述箱体的第三侧。

本发明实施例的节省空间的氢燃料电池至少具有如下有益效果：将氢气供气系统、空气供气系统、第一冷却系统及分配歧管分别设置于箱体的四侧，使得部件排列更整齐，降低了各部分管路交叉分布的可能，一定程度上能够减小氢燃料电池的体积，从而节省空间，且在对其中一部分进行检修时较为方便，不易受到其他部分的干扰。

根据本发明的另一些实施例的节省空间的氢燃料电池，还包括分配歧管部，所述分配歧管部设于所述箱体的第四侧，所述分配歧管部与所述电堆连通，所述氢气供气系统、所述空气供气系统及所述第一冷却系统均与所述分配歧管部连通。

根据本发明的另一些实施例的节省空间的氢燃料电池，还包括第一分配歧管与第二分配歧管，所述氢气供气系统包括第一氢气管、第二氢气管、第三氢气管、第四氢气管、第五氢气管、第一氢气循环泵、气液分离部及氢源部，所述第一氢气循环泵与所述气液分离部均位于所述第二氢气管上，所述第一氢气管的两端分别与所述氢源部、所述第一分配歧管连通，所述第二氢气管的两端分别与所述第二分配歧管、所述第一氢气管连通，所述第三氢气管的两端均与所述第二氢气管连通，且所述第三氢气管内的氢气仅能单向流入所述气液分离部，所述第四氢气管与所述气液分离部连通，所述第五氢气管的两端分别与所述第二氢气管、所述第四氢气管连通。

根据本发明的另一些实施例的节省空间的氢燃料电池，所述第三氢气管位于所述第二氢气管的下方，所述气液分离部位于所述第三氢气管的下方。

根据本发明的另一些实施例的节省空间的氢燃料电池，所述氢气供气系统还包括第六氢气管与第二氢气循环泵，所述第二氢气循环泵设于所述第六氢气管上，所述第六氢气管的两端均与所述第二氢气管连通。

根据本发明的另一些实施例的节省空间的氢燃料电池，还包括第一分配歧管与第二分配歧管，所述空气供气系统包括第一空气管、第二空气管、第三空气管、空压机、中冷器及加湿器，所述第一空气管的两端分别与所述空压机、所述第一分配歧管连通，且所述中冷器与所述加湿器均位于所述第一空气管上，所述第二空气管的两端分别与所述第二分配歧管、所述加湿器连通，所述第三空气管与所述加湿器连通。

根据本发明的另一些实施例的节省空间的氢燃料电池，所述空气供气系统还包括第四空气管与第五空气管，所述第四空气管的两端分别与所述第二空气管、所述第三空气管连通，所述第五空气管的两端分别与所述第三空气管、所述第一空气管连通，且所述第五空气管与所述第一空气管的连通处设有空气阀。

根据本发明的另一些实施例的节省空间的氢燃料电池，所述第一冷却系统包括第一冷却管、第二冷却管、第三冷却管、水泵与节温器，所述第一冷却管的两端分别与所述水泵、所述第二分配歧管连通，所述第二冷却管的两端分别与所述第一冷却管、所述中冷器连通，所述第三冷却管的两端分别与所述第一分配歧管、所述节温器连通，所述第二冷却管上还设有放水阀，所述第三冷却管上还设有冷却管排气阀。

根据本发明的另一些实施例的节省空间的氢燃料电池，所述第一冷却系统还包括第四冷却管、第五冷却管、第六冷却管、第七冷却管、第八冷却管、去离子器、水箱、加热器及散热器，所述去离子器设于所述第二冷却管上，所述加热器设于所述第七冷却管上，所述第四冷却管的两端分别与所述中冷器、所述第三冷却管连通，所述第五冷却管的两端分别与所述散热器、所述节温器连通，所述第六冷却管的两端分别与所述水泵、所述散热器连通，所述第七冷却管的两端分别与所述节温器、所述第六冷却管连通，所述第八冷却管的两端分别与所述水箱、所述第六冷却管连通。

第二方面，本发明的一个实施例提供了发动机，包括上述的节省空间的氢燃料电池。

本发明实施例的发动机至少具有如下有益效果：由于将氢气供气系统、空气供气系统、第一冷却系统及分配歧管分别设置于箱体的四侧，使得部件排列更整齐，降低了各部分管路交叉分布的可能，一定程度上能够减小氢燃料电池的体积，从而使得包含该氢燃料电池的发动机的体积也较小。

第三方面，本发明的一个实施例提供了汽车，包括上述的发动机。

本发明实施例的汽车至少具有如下有益效果：由于包含上述氢燃料电池的发动机的体积较小，使得该汽车中用于放置发动机的空间能够缩小。

附图说明

图1是第一实施例中氢燃料电池的整体结构示意图；

图2是第一实施例中氢气供气系统的原理示意图；

图3是第一实施例中氢气供气系统的结构示意图；

图4是第一实施例中空气供气系统的原理示意图；

图5是第一实施例中空气供气系统的结构示意图；

图6是第一实施例中第一冷却供气系统的原理示意图；

图7是第一实施例中第二冷却供气系统的原理示意图；

图8是第一实施例中第一冷却供气系统的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。

在本发明实施例的描述中，如果涉及到方位描述，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”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装置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。

在本发明实施例的描述中，如果某一特征被称为“设置”、“固定”、“连接”、“安装”在另一个特征，它可以直接设置、固定、连接在另一个特征上，也可以间接地设置、固定、连接、安装在另一个特征上。在本发明实施例的描述中，如果涉及到“若干”，其含义是一个以上，如果涉及到“多个”，其含义是两个以上，如果涉及到“大于”、“小于”、“超过”，均应理解为不包括本数，如果涉及到“以上”、“以下”、“以内”，均应理解为包括本数。如果涉及到“第一”、“第二”，应当理解为用于区分技术特征，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或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

参照图1，本实施例中的氢燃料电池包括箱体100、氢气供气系统200、空气供气系统300、第一冷却系统400、第二冷却系统500及分配歧管部600，箱体100内设有多个电堆，本实施例中，设有两个电堆。分配歧管部600包括第一分配歧管610与第二分配歧管620。氢气供气系统200设于箱体100的第一侧，空气供气系统300设于箱体100的第二侧，第一冷却系统400设于箱体100的第三侧，分配歧管部600设于箱体100的第四侧。氢气供气系统200用于向2个电堆供氢气，空气供气系统300用于向2个电堆供空气，第一冷却系统400用于向2个电堆及中冷器供冷却水。第二冷却系统500用于向空压机与空压机控制器提供冷却水。第一分配歧管610用于将氢气与空气分配成两份分别流入两个电堆中，并将两个电堆中流出的冷却水汇集后流出。第二分配歧管620用于将两个电堆中流出的氢气与空气分别汇集后流出，并将冷却水分配成两份分别流入两个电堆中。

参照图2与图3，本实施例中的氢气供气系统200包括第一氢气管210、第二氢气管220、第三氢气管230、第四氢气管240、第五氢气管250、第六氢气管260、第一氢气循环泵271、第二氢气循环泵272、气液分离部280及氢源部290。第一氢气循环泵271与气液分离部280均位于第二氢气管220上，第二氢气循环泵272设于第六氢气管260上。第一氢气管210的两端分别与氢源部290、第一分配歧管610连通，氢源部290为氢气罐。在第一氢气管210上靠近氢源部290的位置还设有压力传感器、氢气过滤器、开关电磁阀及比例电磁阀等，该部分为现有技术，故不再赘述。第二氢气管220的两端分别与第二分配歧管620、第一氢气管210连通，第三氢气管230的两端均与第二氢气管220连通，第四氢气管240与气液分离部280连通，第五氢气管250的两端分别与第二氢气管220、第四氢气管240连通，第六氢气管260的两端均与第二氢气管220连通。在第一氢气管210与第二氢气管220上靠近电堆处均设有传感器，分别用于监测流入与流出电堆的氢气的压力与温度等参数。

氢源部290中的氢气经第一氢气管210流入第一分配歧管610，并经第一分配歧管610分配后分别流入两个电堆中进行反应。从两个电堆中流出的多余氢气经第二分配歧管620汇集后流入第二氢气管220。反应后流出的氢气中可能残余有部分水分，气液分离部280可将这部分水分分离。本实施例中，气液分离部280为分水器，分水器上还设有液位传感器，当分水器中的水位超过设定值时，可及时提醒工作人员将其中的水分通过第四氢气管240排出。分离掉水分后干燥的氢气在第一氢气循环泵271的抽吸力下经第二氢气管220回流到第一氢气管210，再次流入电堆进行反应，以提高氢气利用率。优选的，本实施例中设有两个并联的氢气循环部(分别为第一氢气循环泵271与第二氢气循环泵272)，以增大抽吸量。

第三氢气管230位于第二氢气管220的下方，气液分离部280位于第三氢气管230的下方。因此，在重力作用下，第二氢气管220中残留的水分将朝下流经第三氢气管230进入气液分离部280中，以免第二氢气管220中造成积液。该处设有单向阀，仅能使第三氢气管230中的氢气流入气液分离部280中。另外，反应结束后，氢气中可能会混杂有部分氮气，为了避免回流到电堆中的氢气中氮气过多，在一段时间后，可打开第五氢气管250上的阀门，使第二氢气管220中的一部分氢气经第五氢气管250流入第四氢气管240并排出。

参照图4与图5，本实施例中的空气供气系统300包括第一空气管310、第二空气管320、第三空气管330、第四空气管340、第五空气管350、空气过滤器360、空压机370、中冷器380、加湿器390、消声器3100、空压机控制器3110及吹扫管3120。第一空气管310的两端分别与空压机370、第一分配歧管610连通，第二空气管320的两端分别与第二分配歧管620、加湿器390连通，第三空气管330与加湿器390连通，第四空气管340的两端分别与第二空气管320、第三空气管330连通，第五空气管350的两端分别与第三空气管330、第一空气管310连通。第五空气管350与第一空气管310的连通处设有空气阀。中冷器380与加湿器390均位于第一空气管310上。

优选的，空压机370中的空气经过空气过滤器360过滤后流入，以提高空气质量。流入空压机370中的空压被压缩后，经中冷器380降温，并经加湿器390加湿后，流入第一分配歧管610中。在第一分配歧管610中，空气被分为两部分，分别流入两个电堆中进行反应。从两个电堆中流出的多余空气经第二分配歧管620汇集后流入第二空气管320。可打开第三空气管330，以调节加湿器390中的空气的量及压力，从而调节进入电堆的空气的量及压力。由于空气向外界排放时是通过第三空气管330，故在第三空气管330的末端设有消声器3100，以减小噪音。由于流出的空气中会夹杂有水分，这部分流出的空气再次进入加湿器390，以对进入加湿器390的新鲜空气进一步加湿，以提高加湿效率。若流出的空气中湿度过大，则可将第四空气管340打开，使流出的空气不再流回加湿器390，而是直接经第三空气管330排出。第四排气管340管径较小，优选的，其直径范围为6mm-25mm。另外，若流入的空气过多压力过大时，可将第五空气管350打开，使部分空气经第五空气管350排出至第三空气管330，以免进入气体过多，压力过大时，系统出现较大振动。另外，还设有吹扫管3120，吹扫管3120的入口与第一空气管310连通，在反应结束后，可打开吹扫管3120，使空气从吹扫管3120流经各个管路及电堆以去除其中残留的气体。

参照图6与图8，本实施例中的第一冷却系统400包括第一冷却管410、第二冷却管420、第三冷却管430、第四冷却管440、第五冷却管450、第六冷却管460、第七冷却管470、第八冷却管480、去离子器490、水箱4100、节温器4110、水泵4120、加热器4130及散热器4140。去离子器490设于第二冷却管420上，加热器4130设于第七冷却管470上。第一冷却管410的两端分别与水泵4120、第二分配歧管620连通，第二冷却管420的两端分别与第一冷却管410、中冷器380连通，第三冷却管430的两端分别与第一分配歧管610、节温器4110连通，第四冷却管440的两端分别与中冷器380、第三冷却管430连通，第五冷却管450的两端分别与散热器4140、节温器4110连通，第六冷却管460的两端分别与水泵4120、散热器4140连通，第七冷却管470的两端分别与节温器4110、第六冷却管460连通，第八冷却管480的两端分别与水箱4100、第六冷却管460连通。

冷却水经水泵4120抽入第一冷却管410，其中一部分流入第二分配歧管620中，在第二分配歧管620中分配成两份后，分别流入两个电堆中进行冷却。另一部分经第二冷却管420流入中冷器380，对中冷器380进行冷却。第二冷却管420上的去离子器490能够去除进入中冷器380的冷却水中的有害离子。从两个电堆中流出的冷却水流入第一分配歧管610进行汇集，汇集后流入第三冷却管430。从中冷器380流出的冷却水也汇集到第三冷却管430，两股冷却水汇合后，到达节温器4110，根据温度不同，流入不同的支路。节温器4110处设置有三通阀，若冷却水温度低于设定温度，则冷却水流入第七冷却管470，通过加热器4130对其进行加热，加热后的冷却水将再次经水泵4120抽吸流入第一冷却管410。若冷却水温度高于设定温度，则冷却水经第五冷却管450流入散热器4140，通过散热器4140对其进行降温，降温后的冷却水将再次经水泵4120抽吸流入第一冷却管410。上述的冷却水流动为闭环流动，但不可避免的，某些位置存在缝隙，冷却水在使用一段时间后可能会蒸发而减少，此时，即可打开第八冷却管480，通过水箱4100补充冷却水。另外，在第二冷却管420还设有放水阀421，打开放水阀421，即可排出去离子废水。在第三冷却管430还设有冷却管排气阀431，打开该阀门，即可将第三冷却管430中滞留的空气排出。

由于空压机、空压机控制器的冷却要求温度与中冷器的冷却要求温度不同，因此，使用了两套冷却系统进行冷却。参照图7，为本实施例中的第二冷却系统500，其结构与原理与第一冷却系统400相似。第二冷却系统500包括第九冷却管510、第十冷却管520、第十一冷却管530、第十二冷却管540、第十三冷却管550、第二水泵560、第二散热器570及第二水箱580等部件。冷却水的流向与第一冷却系统类似，故不再赘述。

氢气、空气及冷却水的原理图中已将分配歧管部600省略，以氢气流入第一分配歧管610为例对其进行说明。第一分配歧管610上设有两个氢气流入分流道与一个氢气流入主流道，两个氢气流入分流道均与氢气流入主流道连通。氢气流入主流道与第一氢气管210的末端连通，两个氢气流入分流道分别与两个电堆连通。氢源部290中的氢气流经第一氢气管210，从氢气流入主流道流入第一分配歧管610中，并经两个氢气流入分流道分别进入两个电堆中，从而完成氢气的分配。在第二分配歧管620上设有氢气流出的流道，其结构与第一分配歧管610相同，区别仅在于氢气流向相反，故不再赘述。空气与冷却水的流入及流出与氢气类似，故不再赘述。

本实施例中还提供了一种发动机，包括上述的氢燃料电池。还提供了一种汽车，包括上述的发动机。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (11)

1.一种节省空间的氢燃料电池，其特征在于，包括：

氢气供气系统、空气供气系统、第一冷却系统及箱体，所述箱体内设有多个电堆；

所述氢气供气系统设于所述箱体的第一侧，所述空气供气系统设于所述箱体的第二侧，所述第一冷却系统设于所述箱体的第三侧。

2.根据权利要求1所述的节省空间的氢燃料电池，其特征在于，还包括分配歧管部，所述分配歧管部设于所述箱体的第四侧，所述分配歧管部与所述电堆连通，所述氢气供气系统、所述空气供气系统及所述第一冷却系统均与所述分配歧管部连通。

3.根据权利要求1所述的节省空间的氢燃料电池，其特征在于，还包括第一分配歧管与第二分配歧管，所述氢气供气系统包括第一氢气管、第二氢气管、第三氢气管、第四氢气管、第五氢气管、第一氢气循环泵、气液分离部及氢源部，所述第一氢气循环泵与所述气液分离部均位于所述第二氢气管上，所述第一氢气管的两端分别与所述氢源部、所述第一分配歧管连通，所述第二氢气管的两端分别与所述第二分配歧管、所述第一氢气管连通，所述第三氢气管的两端均与所述第二氢气管连通，且所述第三氢气管内的氢气仅能单向流入所述气液分离部，所述第四氢气管与所述气液分离部连通，所述第五氢气管的两端分别与所述第二氢气管、所述第四氢气管连通。

4.根据权利要求3所述的节省空间的氢燃料电池，其特征在于，所述第三氢气管位于所述第二氢气管的下方，所述气液分离部位于所述第三氢气管的下方。

5.根据权利要求3所述的节省空间的氢燃料电池，其特征在于，所述氢气供气系统还包括第六氢气管与第二氢气循环泵，所述第二氢气循环泵设于所述第六氢气管上，所述第六氢气管的两端均与所述第二氢气管连通。

6.根据权利要求1所述的节省空间的氢燃料电池，其特征在于，还包括第一分配歧管与第二分配歧管，所述空气供气系统包括第一空气管、第二空气管、第三空气管、空压机、中冷器及加湿器，所述第一空气管的两端分别与所述空压机、所述第一分配歧管连通，且所述中冷器与所述加湿器均位于所述第一空气管上，所述第二空气管的两端分别与所述第二分配歧管、所述加湿器连通，所述第三空气管与所述加湿器连通。

7.根据权利要求6所述的节省空间的氢燃料电池，其特征在于，所述空气供气系统还包括第四空气管与第五空气管，所述第四空气管的两端分别与所述第二空气管、所述第三空气管连通，所述第五空气管的两端分别与所述第三空气管、所述第一空气管连通，且所述第五空气管与所述第一空气管的连通处设有空气阀。

8.根据权利要求6所述的节省空间的氢燃料电池，其特征在于，所述第一冷却系统包括第一冷却管、第二冷却管、第三冷却管、水泵与节温器，所述第一冷却管的两端分别与所述水泵、所述第二分配歧管连通，所述第二冷却管的两端分别与所述第一冷却管、所述中冷器连通，所述第三冷却管的两端分别与所述第一分配歧管、所述节温器连通，所述第二冷却管上还设有放水阀，所述第三冷却管上还设有冷却管排气阀。

9.根据权利要求8所述的节省空间的氢燃料电池，其特征在于，所述第一冷却系统还包括第四冷却管、第五冷却管、第六冷却管、第七冷却管、第八冷却管、去离子器、水箱、加热器及散热器，所述去离子器设于所述第二冷却管上，所述加热器设于所述第七冷却管上，所述第四冷却管的两端分别与所述中冷器、所述第三冷却管连通，所述第五冷却管的两端分别与所述散热器、所述节温器连通，所述第六冷却管的两端分别与所述水泵、所述散热器连通，所述第七冷却管的两端分别与所述节温器、所述第六冷却管连通，所述第八冷却管的两端分别与所述水箱、所述第六冷却管连通。

10.一种发动机，其特征在于，包括权利要求1至9中任一项所述的节省空间的氢燃料电池。

11.一种汽车，其特征在于，包括权利要求10所述的发动机。

Images