CN112259772A - 一种车载燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃料电池领域，公开了一种车载燃料电池系统，包括：燃料电池电堆；供氧模块，包括：空压机、空压机控制器、空压机沿着空气流路定位在所述中冷器上游并且定位在供氧模块组装区域内部，空压机控制器定位在空压机下游，空压机和空压机控制器均位于燃料电池电堆下方；电气电控系统，包括：第二电子控制单元，第二电子控制单元用于连接燃料电池电堆的液位传感器和氢气浓度传感器；框架，包括：集成框架板、悬架，燃料电池电堆固定连接于集成框架板的上侧，空压机和空压机控制器固定连接于悬架上，安装于集成框架板的下侧。本发明优化空间布局；实现供电的自给自足；框架采用铝合金代替原来的Q235钢结构，缩小体积，重量下降。

Description

一种车载燃料电池系统

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，特别涉及一种车载燃料电池系统。

背景技术

燃料电池是一种将燃料和氧化剂的化学能通过化学反应，转化为电能的电池，该电池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。由于在车体中空间条件的限制，空压机和空压机控制器在物理位置分布上未能与供氧系统有机整合，降低了系统的集成性，致使整个发动机系统比较分散。此外，整体框架结构采用Q235方钢结构，方钢占用空间体积较大，不利于其余零部件摆放和集成。Q235材质框架质量大，不符合轻量化设计，成本较高，美观度较差。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。

因此，本领域迫切需要开发一种空间布置更为优化、占用体积更小、系统重量更低、且综合性能优异的车载燃料电池系统。

发明内容

为了解决上述问题，本发明目的就是提供一款空间布置更为优化、占用体积更小、系统重量更低、且综合性能优异的车载燃料电池系统。

本发明提供一种车载燃料电池系统，其特征在于，包括：

-燃料电池电堆；

-供氧模块，包括：

空气流路，包括过滤器、空气流量计、空压机、空压机控制器、中冷器以及增湿器；所述空压机沿着所述空气流路定位在所述中冷器上游并且定位在所述供氧模块组装区域内部；所述空压机控制器定位在空压机下游；所述空压机和所述空压机控制器均位于燃料电池电堆下方；所述空气流路用于将外界空气经过压缩、冷却以及加湿后传递到燃料电池电堆，并且用于将燃料电池电堆内工作的湿冷空气排出；

-冷却模块，包括：

燃料电池电堆冷却回路，包括去离子仪、水箱、加热器、第一泵、节温器以及散热器，所述燃料电池电堆冷却回路构造成使外部水进入，并且与燃料电池电堆内的循环水一同参与反应；

-电气电控系统，包括：

第一电子控制单元，所述第一电子控制单元用于控制燃料电池的发电；

第二电子控制单元，所述第二电子控制单元用于连接燃料电池电堆的液位传感器和氢气浓度传感器；

-框架，包括：集成框架板、悬架，悬架与集成框架板可拆卸连接；

其中，所述燃料电池电堆固定连接于所述集成框架板的上侧，所述空压机和所述空压机控制器固定连接于悬架上，安装于所述集成框架板的下侧。

进一步地，所述集成框架板上设置有悬架，用于将所述燃料电池系统悬置安装于汽车车体上。

进一步地，所述框架由铝合金材质制成。

进一步地，所述框架上的所述集成框架板和所述悬架上设置有避震垫圈。

进一步地，所述第二电子控制单元与液位传感器和氢气浓度传感器电气连接。

进一步地，还包括：DC/DC模块，所述DC/DC模块与所述第二电子控制单元电连接。

进一步地，所述第二电子控制单元设置有水冷却系统。

进一步地，还包括：

-供氢模块，所述供氢模块将外部的氢气源连接至所述燃料电池电堆的氢气进气口，并且将所述燃料电池电堆反应后残余的氢气通过混合排放口排出。

进一步地，所述电气电控系统还包括：保险丝盒和高低压插件，其中，所述保险丝盒固定连接于所述燃料电池电堆侧部，而所述高低压插件固定连接于所述框架上。

进一步地，所述供氧模块、冷却模块、电气电控系统、供氢模块连接于所述框架，并且在连接位置与所述框架之间通过绝缘件隔离。

应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。

由此获得以下有益效果：

1.将空压机和空压机控制器集成到系统底部，优化空间布局，使得燃料电池系统结构紧凑、占用体积减小，符合目前行业主流趋势，提升了体积功率比和质量功率比；

2.增加了1个ECU，基于以上硬件的集成，可实现本系统供电的自给自足；

3.框架采用T6061铝合金代替原来的Q235结构，避免了结构钢本体占用系统空间的问题，由此缩小的体积占原体积30％，且由于铝合金密度(2.75g/cm³)相比于Q235(7.85g/cm³)减小较多,整体结构重量下降50％以上。

4.T6061板材和钣金件重量远低于Q235材质重量，便于车辆的轻量化设计和整体美观度的提升，并且减轻成本。

5.此系统为模块化设计，可应用于客车，物流车，牵引车等，应用场景较之前更加广泛。

6.本发明的车载燃料电池系统在实现优异的体积功率比和质量功率比提升的同时，系统的振动可靠性和性能稳定性也有很大提高。

附图说明

图1是根据本发明车载燃料电池系统的轴测图；

图2是根据本发明车载燃料电池系统的仰视图；

图3是根据本发明车载燃料电池系统的后视图；

图4是根据本发明车载燃料电池系统的电路连接图。

附图简要说明：

1-燃料电池系统

100-燃料电池电堆

101-DC/DC模块

102-第二控制单元

103-第一控制单元

104-保险丝盒

105-温控阀

106-空压机控制器

107-换热器

108-水泵

109-中冷器

110-增湿器

111-节气门

112-空压机

12-框架

121-集成框架板

122-悬架

具体实施方式

本发明人经过广泛而深入的研究，首次开发了一种结构新颖独特的车载燃料电池系统，本发明的系统将空压机和空压机控制器集成在系统底部，从而优化空间布置，缩小占用体积；此外，采用铝合金材质框架，整个系统重量降低50％以上；通过各个模块的集成设计，实现体积功率比和质量功率比提升的同时，系统的振动可靠性和性能稳定性也有很大提高。在此基础上完成了本发明。

在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本发明而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本发明所要求保护的技术方案。

术语

空压机

空压机作为燃料电池阴极供气系统的核心部件，通过对进入燃料电池的空气进行增压，以增加燃料电池中的空气的进气量和压力，为燃料电池电堆提供具有一定的温度、压力和流量的压缩空气，进而提高燃料电池的功率密度和效率。

空压机控制器

空压机控制器配备标准型分控单元和变频分控单元，根据空压机群配置信息，在保障最低供气压力的前提下，通过联网及变频控制的参与控制，将先进的预测控制、时段学习、专家系统等写入控制算法，实现优化控制，把系统输出压力控制在最小波动范围内，使空压机群、干燥机群运行能耗最小化。空压机控制器具有以下控制功能：配备标准型空压机分控单元，与空压机通讯并进行远程控制；根据空压机产气效率高低等可设置每台空压机的加载或卸载优先权，让高效压缩机多工作，提高站房整体产气效率；采用先进的用气量预测技术提前加卸载空压机；根据空压机的运行时间均衡各空压机的运行，使各台设备劳逸均衡；操作员可在主控制器上远程操作任意一台联网设备的启动、停止、加载、卸载等；也可在空压机面板上直接操作。

电子电控单元(Electronic Control Unit,以下简称ECU)

ECU由微处理器(MCU)、存储器(ROM、RAM)、输入/输出接口(I/O)、模数转换器(A/D)以及整形、驱动等大规模集成电路组成。用一句简单的话来形容就是“ECU就是车的大脑”。ECU的核心部分CPU具有运算与控制的功能，发动机在运行时，它采集各传感器的信号，进行运算，并将运算的结果转变为控制信号，控制被控对象的工作。它还实行对存储器(ROM/FLASH/EEPROM、RAM)、输入/输出接口(I/O)和其它外部电路的控制；存储器ROM中存放的程序是经过精确计算和大量实验取得的数据为基础编写出来的，这个固有程序在发动机工作时，不断地与采集来的各传感器的信号进行比较和计算。把比较和计算的结果用来对发动机的点火、空燃比、怠速、废气再循环等多项参数的控制。

DC/DC模块

DC-DC变换器是将一种直流电转换成另一种固定的或者可调的直流电压，也称为直流---直流变换器。

本发明的车载燃料电池系统

本发明提供了一种结构独特、集成度更高、空间布置优化、占用体积更小、系统重量更低、且综合性能优异的车载燃料电池系统。

如图1至图3所示，典型地，本发明的车载燃料电池系统包括：燃料电池电堆100、供氧模块、供氢模块(图中未示出)、冷却模块(图中未示出)、电子电控系统以及框架12。

燃料电池电堆100高电压端包括与PCU电性连接的正负端接口，低电压端包括与供氧模块中压力和温度传感器相连的电性接口、与冷却模块中压力和温度传感器相连的电性接口、与供氢模块出口处压力和温度传感器相连的电性接口。这些低电压线束分散到各传感器接口处。燃料电池电堆100重量较大，因此固定在集成框架板上侧的中心位置处较为稳定。

供氧模块布置于集成框架板121的下侧。供氧模块包括空气流路，外部空气经由空气流路进入系统。空气在空气流路依次通过的部件包括：过滤器、空气流量计、空压机112、中冷器109、增湿器110，进入燃料电池电堆100。

优选地，空压机112与中冷器109靠近过滤器布置。如图2，增湿器110有四个接口，两个接口与燃料电池电堆100相连，另外两个接口，一个与中冷器109相连，另一个与空气混排相连。增湿器110位于燃料电池电堆100竖直方向上的下侧，以防止积水倒灌至电堆。综合这些因素，将增湿器110布置在整个燃料电池系统的左侧下部。空压机112定位在供氧模块组装区域内部，沿着所述空气流路定位在空气流量计下游，通过食品级硅胶管进行管路连接；空压机112定位在中冷器上游，通过食品级硅胶管进行管路连接。并且，空压机控制器定位在空压机下游。空压机控制器106的输入端连接高压配电电路，输出端连接空压机112，空压机控制器106与空压机以高压线相连，为与空压机112相邻，空压机控制器106竖直方向上的下方，即供氧模块的底部，以缩短高压线的长度。空压机控制器106布置在中冷器109右侧下部位置比较合理，并且由悬架122承载，悬架122通过紧固螺栓连接与集成框架板121上。本例中它也在增湿器305的右侧错开空压机109固定于框架12。由此，空压机控制器106设置于燃料电池电堆100的下侧且固定于框架12。这样，空压机112和中冷器109、增湿器110布置在燃料电池电堆100的集成框架板121的下部区域，形成合理的供氧模块。

空气流路的进口更靠近燃料电池系统1的通风口，另一方面使得供养模块中的高压接口更靠近燃料电池系统1右侧的高压接口。

在本发明中，冷却模块也位于燃料电池电堆1的下方。冷却回路包括去离子仪、水箱、加热器、第一泵108、节温器以及散热器。第一泵108位于空压机控制器106的前端，并位于燃料电池电堆100的下方；第一泵108连接燃料电池电堆100，用于将燃料电池电堆100中的冷却水泵出。水箱与第一泵相连，用于使得外部水与燃料电池电堆内的循环水一同参与反应。

供氢模块，所述供氢模块将外部的氢气源连接至所述燃料电池电堆的氢气进气高压组件，供氢模块具有压力传感器，反馈信息控制氢气进气量。通过氢气换热组件，进入氢系统的氢气经过水热换热器进行体温换热，通过氢气分水组件、氢气回流组件，分水和回流后的氢气进行充分缓冲和混合进堆。电堆阴极设置有氢气出气口，反应后的氢气进入氢气缓冲组件和氢气混排组件，其中氢气缓冲组件包括有氢气缓冲腔、氢气回流组和氢气进气管，氢气系统包括的高压组件包含有高压输出口。反应后残余的氢气通过混合排放口排出。

图4示出电子电控系统E的配置图式。电子电控系统包括电子控制单元(ECU)，即，ECU1、ECU2。ECU1与ECU2以低压线连接。

ECU1与检测以下压力和温度的传感器电气连接，接受压力和温度监测信息：电堆氢气入口压力P1、冷却入口压力P2、空压机出口压力P3、空气入口压力P4、电堆氢气出口压力P6等压力参数；电堆空气出口温度T1、冷却入口温度T2、冷却出口温度T3、增湿器入口温度T4等温度参数。

此外，ECU1还与空气计量计电气连接，接收空气计量信息。

此外，ECU1还与水箱水位开关电气连接，以控制水箱水位开关。

ECU2连接有液位传感器和氢气浓度传感器。ECU2控制的氢气浓度传感器用于监测获取燃料电池电堆内部的氢气浓度，且将需要以位于燃料电池电堆的阴极反应中的氢气浓度的各种请求和命令发布到ECU1。

在燃料电池阳极反应生成的水将被循环进入增湿器或者经由混排排出系统，ECU2还控制燃料电池电堆内部的水位。

在本发明中，ECU1和ECU2基于接受的信息(包括来自各传感器的信息，以及ECU1和ECU2之间交换的信息)并结合车载燃料电池系统的工作状况和整车的状态(包括(但并不限于)：速度、加速度等)，控制相关部件或模块的工作状况(包括是否开启以及调节开度大小等)。

典型地，在本发明中，ECU1主要控制以下部件或模块的工作：紧急排气阀、节气门、电堆排气阀1、喷嘴阀1、空气路泄压阀、一个或多个散热风机。

典型地，在本发明中，ECU2主要控制以下部件或模块的工作：紧急排气阀、排水阀、一个或多个散热风机。

在本发明中，燃料电池系统采用集成的框架形式，在汽车车体中采用悬挂式连接；燃料电池系统的零部件及电气件采用IP67防护处理；供氧模块与系统框架可拆卸设计，实现模块化设计，便于与其他型号供氧模块匹配；框架上的集成框架板和悬架上都连接有避震垫圈，且供氧模块、冷却模块、电器电控系统、供氢模块所述框架时，在连接位置的框架之间通过设置有橡胶制件隔离。采用冷却模块在燃料电池系统底部集成，有利于系统温度保护，防止与外界接触面积大，热量散失快；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；供氧模块及辅助散热系统与主路循环二次隔离，降低冷却模块绝缘对整机绝缘的影响。

在本发明中，当采用图1～4所示的新颖结构时，可将空压机和空压机控制器集成在系统底部，从而优化空间布置，缩小占用体积。由于采用铝合金材质框架，整个系统重量降低50％以上；通过各个模块的集成设计和优化，在实现体积功率比和质量功率比提升的同时，系统的振动可靠性和性能稳定性也有很大提高。

本发明提及的所有文献都在本发明中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本发明所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种车载燃料电池系统，其特征在于，包括：

-燃料电池电堆；

-供氧模块，包括：

空气流路，包括过滤器、空气流量计、空压机、空压机控制器、中冷器以及增湿器；所述空压机沿着所述空气流路定位在所述中冷器上游并且定位在所述供氧模块组装区域内部；所述空压机控制器定位在空压机下游；所述空压机和所述空压机控制器均位于燃料电池电堆下方；所述空气流路用于将外界空气经过压缩、冷却以及加湿后传递到燃料电池电堆，并且用于将燃料电池电堆内工作的湿冷空气排出；

-冷却模块，包括：

燃料电池电堆冷却回路，包括去离子仪、水箱、加热器、第一泵、节温器以及散热器，所述燃料电池电堆冷却回路构造成使外部水进入，并且与燃料电池电堆内的循环水一同参与反应；

-电气电控系统，包括：

第一电子控制单元，所述第一电子控制单元用于控制燃料电池的发电；

第二电子控制单元，所述第二电子控制单元用于连接燃料电池电堆的液位传感器和氢气浓度传感器；

-框架，包括：集成框架板、悬架，悬架与集成框架板可拆卸连接；

其中，所述燃料电池电堆固定连接于所述集成框架板的上侧，所述空压机和所述空压机控制器固定连接于悬架上，安装于所述集成框架板的下侧。

2.如权利要求1所述的车载燃料电池系统，其特征在于，所述集成框架板上设置有悬架，用于将所述燃料电池系统悬置安装于汽车车体上。

3.如权利要求1所述的车载燃料电池系统，其特征在于，所述框架由铝合金材质制成。

4.如权利要求1所述的车载燃料电池系统，其特征在于，所述框架上的所述集成框架板和所述悬架上设置有避震垫圈。

5.如权利要求1所述的车载燃料电池系统，其特征在于，所述第二电子控制单元与液位传感器和氢气浓度传感器电气连接。

6.如权利要求1所述的车载燃料电池系统，其特征在于，还包括：DC/DC模块，所述DC/DC模块与所述第二电子控制单元电连接。

7.如权利要求6所述的车载燃料电池系统，其特征在于，所述第二电子控制单元设置有水冷却系统。

8.如权利要求1所述的车载燃料电池系统，其特征在于，还包括：

-供氢模块，所述供氢模块将外部的氢气源连接至所述燃料电池电堆的氢气进气口，并且将所述燃料电池电堆反应后残余的氢气通过混合排放口排出。

9.如权利要求1所述的车载燃料电池系统，其特征在于，所述电气电控系统还包括：保险丝盒和高低压插件，其中，所述保险丝盒固定连接于所述燃料电池电堆侧部，而所述高低压插件固定连接于所述框架上。

10.如权利要求1所述的车载燃料电池系统，其特征在于，所述供氧模块、冷却模块、电气电控系统、供氢模块连接于所述框架，并且在连接位置与所述框架之间通过绝缘件隔离。

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