CN113594527B - 一种多套并联燃料电池系统及其车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多套并联燃料电池系统及其车辆，包括系统总控制器、供氢系统、空气供应系统、冷却系统和多套燃料电池核心单元，其中：每一套燃料电池核心单元包括一燃料电池电堆模组、燃料电池控制器和DC‑DC变换器，系统总控制器与每套燃料电池核心单元的燃料电池控制器连接，系统总控制器向燃料电池控制器发送控制指令；多套燃料电池核心单元的DC‑DC变换器的输出端并联后形成一个总的输出端为负载供电。该结构通过并联多套小功率燃料电池系统组成大功率系统，并优化布置，将各个子系统进行合理分类整合、模块化布置，方便燃料电池系统的安装以及今后使用的维护保养，布置紧凑，节约材料成本和人力成本。

Description

一种多套并联燃料电池系统及其车辆
技术领域：
本发明涉及一种多套并联燃料电池系统及其车辆。
背景技术：
随着技术的逐步成熟，燃料电池在汽车领域的应用也越来越广泛，从乘用车到商用车，从几吨的小型车到几十吨甚至上百吨的重卡或矿车。车辆的吨位越大，燃料电池系统的功率需求就越大，体积必然也越大。但是整车的布置空间是有限的，例如一辆重卡因其整备质量大，需要匹配几百千瓦的大功率的燃料电池系统才能驱动整车的正常运行，但是就目前的技术水平而言，一台几百千瓦燃料电池系统体积是非常大的，无法独立的安装到整车上。另外，燃料电池系统功率越大，体积越大，重量也越重，吊装、拆卸、维护保养都非常的不方便。
在专利CN202021120916.8中公开了一种双燃料电池系统的安装结构及双燃料电池系统，通过采用2个集成框架将两个燃料电池系统夹于中间，并整体安装于整车车架上。但是此方案在整体系统安装时需要大量工装定位，并且整体系统安装到整车上后，如果需要维护保养的时候，就必须整体拆卸，不能单独拆装其中一台燃料电池系统或者其它零部件。因此，此方案安装维护很不方便，增加人力和时间成本。
发明内容：
本发明的目的是提供一种多套并联燃料电池系统，能解决现有技术中大功率的燃料电池因其体积太大而无法整体布置安装在整车上，安装维护很不方便，成本大的技术问题。
本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的。
本发明的目的是提供一种多套并联燃料电池系统，其特征在于：包括系统总控制器、供氢系统、空气供应系统、冷却系统和多套燃料电池核心单元，其中：
每一套燃料电池核心单元包括一燃料电池电堆模组、燃料电池控制器和DC-DC变换器，燃料电池控制器控制燃料电池电堆模组工作，燃料电池电堆模组在氢气和氧气反应下产生电能输出，燃料电池电堆模组的输出端连接到DC-DC变换器的输入端；
供氢系统、空气供应系统分别为多套燃料电池核心单元的燃料电池电堆模组提供氢气和空气，冷却系统为多套燃料电池核心单元的燃料电池电堆模组进行冷却；
系统总控制器与每套燃料电池核心单元的燃料电池控制器连接，系统总控制器向燃料电池控制器发送控制指令；
多套燃料电池核心单元的DC-DC变换器的输出端并联后形成一个总的输出端为负载供电。
上述所述的空气供应系统包括空气过滤器、多个空气流量计和多个空压机，每个燃料电池电堆模组都配备一个空气流量计和一个空压机以控制空气进气量。
上述所述的空气过滤器只有一个，空气经过空气过滤器后分别流经多个空气流量计和多个空压机，然后进入多个燃料电池电堆模组，每个空压机都配置独立的空压机控制器。
上述所述的供氢系统包括氢气瓶和进氢阀门组件，氢气瓶的高压氢气输出到进氢阀门组件后分别流入到各个燃料电池电堆模组的进氢口。
上述所述的冷却系统包括散热组件、管道过滤器、去离子器和水箱，在散热组件散热后的冷却液分别流经水箱和管道过滤器，流经管道过滤器的冷却液分为两支路输出，一支路输入到各燃料电池电堆模组的入水口，另一支路输入到去离子器，将冷却液中的游离离子去除后进入水箱，流经水箱的冷却液分别流入到各个燃料电池电堆模组的回流口。
上述所述的冷却系统还包括余热回收器，在各个燃料电池电堆模组内部进行热交换后的冷却液分别从各个燃料电池电堆模组的出水口输出，各个燃料电池电堆模组的出水口并联输入至余热回收器中，经过余热回收器热交换后的冷却液再输送到散热组件。
上述所述的各个燃料电池电堆模组共用一个尾排口，供氢系统和空气供应系统分别将氢气和空气输入到各个燃料电池电堆模组内进行反应，各个燃料电池电堆模组将未完全反应的少量氢气和水从各个燃料电池电堆模组的吹扫口排出，各个燃料电池电堆模组的吹扫口并联后汇集到一个尾排口排出。
上述所述的多套燃料电池核心单元的DC-DC变换器的输出端并联输出至一分线盒上，由分线盒与负载连接进行高压供电。
上述所述的每套燃料电池核心单元的DC-DC变换器还可以经过一个降压DC-DC和一个保险盒后形成一个独立输出端为负载进行低压供电。
上述所述的系统总控制器、供氢系统、空气供应系统、冷却系统和多套燃料电池核心单元集成安装在一个主体框架上。
上述所述的主体框架包括模组安装区和附件安装区，附件安装区位于模组安装区的一侧，模组安装区从下到上纵向分为多层，每层对应放置一燃料电池电堆模组，主体框架上的模组安装区的另一侧安装每套燃料电池核心单元的保险盒，主体框架上的模组安装区的底部安装每套燃料电池核心单元的降压DC-DC和空气供应系统的空压机控制器。
上述所述的多套燃料电池核心单元设有两套，两套燃料电池核心单元的燃料电池电堆模组上下并排安装在模组安装区中。
上述所述的附件安装区内安装冷却系统的余热回收器，附件安装区的顶部和底部分别设有上支架和下支架；系统总控制器、每套燃料电池核心单元的燃料电池控制器和空气供应系统的空气过滤器安装在上支架上；空气供应系统的多个空压机分布在附件安装区和下支架上；每套燃料电池核心单元的DC-DC变换器布置在上支架和下支架上，尾排口布置在下支架上。
上述所述的主体框架由多条横向杆和多条竖向杆固接而成的框架结构，其中两条横向杆上设有若干安装脚。
一种车辆，包括车架和安装在车架上的燃料电池系统，其特征在于：所述的燃料电池系统是上述所述的多套并联燃料电池系统。
本发明与现有技术相比，具有如下效果：
1)一种多套并联燃料电池系统，其特征在于：包括系统总控制器、供氢系统、空气供应系统、冷却系统和多套燃料电池核心单元，其中：每一套燃料电池核心单元包括一燃料电池电堆模组、燃料电池控制器和DC-DC变换器，燃料电池控制器控制燃料电池电堆模组工作，燃料电池电堆模组在氢气和氧气反应下产生电能输出，燃料电池电堆模组的输出端连接到DC-DC变换器的输入端；供氢系统、空气供应系统分别为多套燃料电池核心单元的燃料电池电堆模组提供氢气和空气，冷却系统为多套燃料电池核心单元的燃料电池电堆模组进行冷却；系统总控制器与每套燃料电池核心单元的燃料电池控制器连接，系统总控制器向燃料电池控制器发送控制指令；多套燃料电池核心单元的DC-DC变换器的输出端并联后形成一个总的输出端为负载供电，该结构通过并联多套小功率燃料电池系统组成大功率系统，并优化布置，将各个子系统进行合理分类整合、模块化布置，方便燃料电池系统的安装以及今后使用的维护保养，布置紧凑，节约材料成本和人力成本。
2)本发明的其它优点在实施例部分展开详细描述。
附图说明：
图1是本发明实施例一提供的电气原理图；
图2是本发明实施例一提供的空气供应系统原理图；
图3是本发明实施例一提供的供氢系统原理图；
图4是本发明实施例一提供的冷却系统原理图；
图5是本发明实施例一提供的立体图；
图6是本发明实施例一提供的另一角度立体图；
图7是本发明实施例一提供的结构示意图；
图8是本发明实施例一提供的另一角度结构示意图；
图9是本发明实施例一提供的主体框架结构示意图。
具体实施方式：
下面通过具体实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。
实施例一：
如图1至图9所示，本实施例提供的是一种多套并联燃料电池系统，其特征在于：包括系统总控制器1、供氢系统2、空气供应系统3、冷却系统4和多套燃料电池核心单元5，其中：每一套燃料电池核心单元5包括一燃料电池电堆模组51、燃料电池控制器52和DC-DC变换器53，燃料电池控制器52控制燃料电池电堆模组51工作，燃料电池电堆模组51在氢气和氧气反应下产生电能输出，燃料电池电堆模组51的输出端连接到DC-DC变换器53的输入端；供氢系统2、空气供应系统3分别为多套燃料电池核心单元5的燃料电池电堆模组51提供氢气和空气，冷却系统4为多套燃料电池核心单元5的燃料电池电堆模组51进行冷却；系统总控制器1与每套燃料电池核心单元5的燃料电池控制器52连接，系统总控制器1向燃料电池控制器52发送控制指令；多套燃料电池核心单元5的DC-DC变换器53的输出端并联后形成一个总的输出端为负载供电。该结构通过并联多套小功率燃料电池系统组成大功率系统，并优化布置，将各个子系统进行合理分类整合、模块化布置，方便燃料电池系统的安装以及今后使用的维护保养，布置紧凑，节约材料成本和人力成本。
如图2所示，上述的空气供应系统3包括空气过滤器31、多个空气流量计32和多个空压机33，每个燃料电池电堆模组51都配备一个空气流量计32和一个空压机33以控制空气进气量，该结构布置紧奏。
上述的空气过滤器31只有一个，空气经过空气过滤器31后分别流经多个空气流量计32和多个空压机33，然后进入多个燃料电池电堆模组51，每个空压机33都配置独立的空压机控制器34，多套并联燃料电池系统使用一个空气过滤器31，节约材料成本，结构布置合理、紧奏。
上述的空气供应系统3的工作原理：空气经过空气过滤器31进入后分为多条支路输出，每条支路的空气经过空气流量计32进入空压机33，空压机控制器34控制空压机33将进入的空气压缩后吹入燃料电池电堆模组51内进行反应，各个燃料电池电堆模组51将未完全反应的少量氢气和水从各个燃料电池电堆模组51的吹扫口排出，各个燃料电池电堆模组51的吹扫口并联后汇集到一个尾排口54排出。
如图3所示，上述的供氢系统2包括氢气瓶21和进氢阀门组件22，氢气瓶21的高压氢气输出到进氢阀门组件22后分别流入到各个燃料电池电堆模组51的进氢口，多套并联燃料电池系统使用一个氢气瓶21和进氢阀门组件22供氢，节约材料成本，结构布置合理、紧奏。
上述的供氢系统2的工作原理：氢气瓶21的高压氢气输出到进氢阀门组件22进入后分为多条支路输出，每条支路的氢气从燃料电池电堆模组51的进氢口进入到燃料电池电堆模组51内进行反应，各个燃料电池电堆模组51将未完全反应的少量氢气和水从各个燃料电池电堆模组51的吹扫口排出，各个燃料电池电堆模组51的吹扫口并联后汇集到一个尾排口54排出。
如图4所示，上述的冷却系统4包括散热组件41、管道过滤器42、去离子器43和水箱44，在散热组件41散热后的冷却液分别流经水箱44和管道过滤器42，流经管道过滤器42的冷却液分为两支路输出，一支路输入到各燃料电池电堆模组51的入水口，另一支路输入到去离子器43，将冷却液中的游离离子去除后进入水箱44，流经水箱44的冷却液分别流入到各个燃料电池电堆模组51的回流口，结构布置合理，通过一个冷却系统实现多套燃料电池电堆模组51的冷却，节约材料成本。
上述的冷却系统4还包括余热回收器45，在各个燃料电池电堆模组51内部进行热交换后的冷却液分别从各个燃料电池电堆模组51的出水口输出，各个燃料电池电堆模组51的出水口并联输入至余热回收器45中，经过余热回收器45热交换后的冷却液再输送到散热组件41，形成一个冷却循环系统。
上述的各个燃料电池电堆模组51共用一个尾排口54，供氢系统2和空气供应系统3分别将氢气和空气输入到各个燃料电池电堆模组51内进行反应，各个燃料电池电堆模组51将未完全反应的少量氢气和水从各个燃料电池电堆模组51的吹扫口排出，各个燃料电池电堆模组51的吹扫口并联后汇集到一个尾排口54排出，多套并联燃料电池系统使用一个尾排口54，有效减少管道使用，布局合理，节约材料成本。
上述的多套燃料电池核心单元5的DC-DC变换器53的输出端并联输出至一分线盒55上，由分线盒55与负载连接进行高压供电，多套燃料电池核心单元5可以合理布置高压，提升性能和可靠性。
上述的每套燃料电池核心单元5的DC-DC变换器53还可以经过一个降压DC-DC56和一个保险盒57后形成一个独立输出端为负载进行低压供电，多套燃料电池核心单元5可以合理布置低压线束，提升性能和可靠性。
上述的系统总控制器1、供氢系统2、空气供应系统3、冷却系统4和多套燃料电池核心单元5集成安装在一个主体框架6上，该结构模块化整合、布置紧奏，整体体积小，便于安装在负载上，维护方便。
上述的主体框架6包括模组安装区61和附件安装区62，附件安装区62位于模组安装区61的一侧，模组安装区61从下到上纵向分为多层，每层对应放置一燃料电池电堆模组51，主体框架6上的模组安装区61的另一侧安装每套燃料电池核心单元5的保险盒57，主体框架6上的模组安装区61的底部安装每套燃料电池核心单元5的降压DC-DC56和空气供应系统3的空压机控制器34，结构布置合理、紧奏。
上述的多套燃料电池核心单元5设有两套，两套燃料电池核心单元5的燃料电池电堆模组51上下并排安装在模组安装区61中，结构布置合理、紧奏，便于安装和拆卸。
上述的附件安装区62内安装冷却系统4的余热回收器45，附件安装区62的顶部和底部分别设有上支架621和下支架622；系统总控制器1、每套燃料电池核心单元5的燃料电池控制器52和空气供应系统3的空气过滤器31安装在上支架621上；空气供应系统3的多个空压机33分布在附件安装区62和下支架622上；每套燃料电池核心单元5的DC-DC变换器53布置在上支架621和下支架622上，尾排口54布置在下支架622上，将各个子系统进行合理分类整合、模块化整合、布置紧凑。
上述的主体框架6由多条横向杆63和多条竖向杆64固接而成的框架结构，其中两条横向杆63上设有若干安装脚65，结构简单、布置合理。
实施例二：
一种车辆，包括车架和安装在车架上的燃料电池系统，其特征在于：所述的燃料电池系统是上述实施例一所述的多套并联燃料电池系统。
以上实施例为本发明的较佳实施方式，但本发明的实施方式不限于此，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种多套并联燃料电池系统，其特征在于：包括系统总控制器(1)、供氢系统(2)、空气供应系统(3)、冷却系统(4)和多套燃料电池核心单元(5)，其中：
每一套燃料电池核心单元(5)包括一燃料电池电堆模组(51)、燃料电池控制器(52)和DC-DC变换器(53)，燃料电池控制器(52)控制燃料电池电堆模组(51)工作，燃料电池电堆模组(51)在氢气和氧气反应下产生电能输出，燃料电池电堆模组(51)的输出端连接到DC-DC变换器(53)的输入端；
供氢系统(2)、空气供应系统(3)分别为多套燃料电池核心单元(5)的燃料电池电堆模组(51)提供氢气和空气，冷却系统(4)为多套燃料电池核心单元(5)的燃料电池电堆模组(51)进行冷却；
系统总控制器(1)与每套燃料电池核心单元(5)的燃料电池控制器(52)连接，系统总控制器(1)向燃料电池控制器(52)发送控制指令；
多套燃料电池核心单元(5)的DC-DC变换器(53)的输出端并联后形成一个总的高压输出端为负载供电；
空气供应系统(3)包括空气过滤器(31)、多个空气流量计(32)和多个空压机(33)，每个燃料电池电堆模组(51)都配备一个空气流量计(32)和一个空压机(33)以控制空气进气量；
空气过滤器(31)只有一个，空气经过空气过滤器(31)后分别流经多个空气流量计(32)和多个空压机(33)，然后进入多个燃料电池电堆模组(51)，每个空压机(33)都配置独立的空压机控制器(34)；
每套燃料电池核心单元(5)的DC-DC变换器(53)还经过一个降压DC-DC(56)和一个保险盒(57)后形成一个独立输出端为负载进行低压供电。
2.根据权利要求1所述的一种多套并联燃料电池系统，其特征在于：供氢系统(2)包括氢气瓶(21)和进氢阀门组件(22)，氢气瓶(21)的高压氢气输出到进氢阀门组件(22)后分别流入到各个燃料电池电堆模组(51)的进氢口。
3.根据权利要求1或2所述的一种多套并联燃料电池系统，其特征在于：冷却系统(4)包括散热组件(41)、管道过滤器(42)、去离子器(43)和水箱(44)，在散热组件(41)散热后的冷却液分别流经水箱(44)和管道过滤器(42)，流经管道过滤器(42)的冷却液分为两支路输出，一支路输入到各燃料电池电堆模组(51)的入水口，另一支路输入到去离子器(43)，将冷却液中的游离离子去除后进入水箱(44)，流经水箱(44)的冷却液分别流入到各个燃料电池电堆模组(51)的回流口。
4.根据权利要求3所述的一种多套并联燃料电池系统，其特征在于：冷却系统(4)还包括余热回收器(45)，在各个燃料电池电堆模组(51)内部进行热交换后的冷却液分别从各个燃料电池电堆模组(51)的出水口输出，各个燃料电池电堆模组(51)的出水口并联输入至余热回收器(45)中，经过余热回收器(45)热交换后的冷却液再输送到散热组件(41)。
5.根据权利要求4所述的一种多套并联燃料电池系统，其特征在于：各个燃料电池电堆模组(51)共用一个尾排口(54)，供氢系统(2)和空气供应系统(3)分别将氢气和空气输入到各个燃料电池电堆模组(51)内进行反应，各个燃料电池电堆模组(51)将未完全反应的少量氢气和水从各个燃料电池电堆模组(51)的吹扫口排出，各个燃料电池电堆模组(51)的吹扫口并联后汇集到一个尾排口(54)排出。
6.根据权利要求5所述的一种多套并联燃料电池系统，其特征在于：多套燃料电池核心单元(5)的DC-DC变换器(53)的输出端并联输出至一分线盒(55)上，由分线盒(55)与负载连接进行高压供电。
7.根据权利要求6所述的一种多套并联燃料电池系统，其特征在于：系统总控制器(1)、供氢系统(2)、空气供应系统(3)、冷却系统(4)和多套燃料电池核心单元(5)集成安装在一个主体框架(6)上。
8.根据权利要求7所述的一种多套并联燃料电池系统，其特征在于：主体框架(6)包括模组安装区(61)和附件安装区(62)，附件安装区(62)位于模组安装区(61)的一侧，模组安装区(61)从下到上纵向分为多层，每层对应放置一燃料电池电堆模组(51)，主体框架(6)上的模组安装区(61)的另一侧安装每套燃料电池核心单元(5)的保险盒(57)，主体框架(6)上的模组安装区(61)的底部安装每套燃料电池核心单元(5)的降压DC-DC(56)和空气供应系统(3)的空压机控制器(34)。
9.根据权利要求8所述的一种多套并联燃料电池系统，其特征在于：多套燃料电池核心单元(5)设有两套，两套燃料电池核心单元(5)的燃料电池电堆模组(51)上下并排安装在模组安装区(61)中。
10.根据权利要求9所述的一种多套并联燃料电池系统，其特征在于：附件安装区(62)内安装冷却系统(4)的余热回收器(45)，附件安装区(62)的顶部和底部分别设有上支架(621)和下支架(622)；系统总控制器(1)、每套燃料电池核心单元(5)的燃料电池控制器(52)和空气供应系统(3)的空气过滤器(31)安装在上支架(621)上；空气供应系统(3)的多个空压机(33)分布在附件安装区(62)和下支架(622)上；每套燃料电池核心单元(5)的DC-DC变换器(53)布置在上支架(621)和下支架(622)上，尾排口(54)布置在下支架(622)上。
11.根据权利要求10所述的一种多套并联燃料电池系统，其特征在于：主体框架(6)由多条横向杆(63)和多条竖向杆(64)固接而成的框架结构，其中两条横向杆(63)上设有若干安装脚(65)。
12.一种车辆，包括车架和安装在车架上的燃料电池系统，其特征在于：所述的燃料电池系统是上述权利要求1至权利要求11任意一项所述的多套并联燃料电池系统。
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