CN115832384B - 一种大功率紧凑型集成式车用燃料电池系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于氢燃料电池技术领域，公开了一种大功率紧凑型集成式车用燃料电池系统，包括DC‑DC变换器、系统控制器、电堆、保险盒、空压机、氢气控制模块、空气供气模块、温度控制模块，本发明省略了框架结构，DC‑DC变换器和系统控制器布置在电堆的上部，保险盒布置在电堆的前端，氢泵控制器布置在电堆的后端，其余部分均匀布置在电堆下平面的左右两侧，并直接挂载在电堆的下平面上，氢气入口、氢气出口、空气入口、空气出口、循环液入口和循环液出口均在电堆的正下方。本发明节省了燃料电池长度及宽度方向上的尺寸，使得燃料电池系统的空间适应性增加，增加了可以适用的车型；便于大规模量产，以及装车后各模块整体更换、维护维修。
Description
技术领域
本发明属于氢燃料电池技术领域，具体涉及一种大功率紧凑型集成式车用燃料电池系统。
背景技术
在新能源领域里，氢燃料电池系统有着能量密度高，使用寿命长，环境适应性好，低碳环保等诸多优点，在物流卡车、工程专用车辆、公交巴士等商用车，以及移动式发电机组等方向上有着广大的应用前景。
以上所举应用领域，都需要氢燃料电池系统满足持续稳定的大功率输出、高功率体积比、模块化组合等新的要求。但是普通的氢燃料电池存在结构复杂，体积大的特点，在进行整车布置时会占用大量空间，增加整车重量和布置难度。
发明内容
针对上述不足，本发明采用紧凑型集成式结构，如图3-4所示，所采用的电堆上的氢气入口与氢气出口，空气入口与空气出口，冷却用的循环液入口与循环液出口，均在电堆的正下方，因此本燃料电池系统中除DC-DC变换器、系统控制器、保险盒和氢泵控制器直接挂载在电堆侧面以外，其余的功能件均直接挂载在电堆外壳的下板上，无市面上现有燃料电池系统常用的金属过度板或整体框架承载结构等大型金属结构件，使得该燃料电池系统的横向及纵向尺寸可以大幅压缩，该燃料电池系统的整体尺寸基本上与电堆的外壳的尺寸相当，大大的减轻了燃料电池系统的整体重量及空间尺寸，为整车的布置增加了更大的发挥空间，并且可以适应更多的车型的布置尺寸。
本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：
一种大功率紧凑型集成式车用燃料电池系统，包括DC-DC变换器、系统控制器、电堆、保险盒、空压机、氢气控制模块、空气供气模块、温度控制模块，省略了框架结构，DC-DC变换器和系统控制器布置在电堆的上部，保险盒布置在电堆的前端，氢泵控制器布置在电堆的后端，其余部分均匀布置在电堆下平面的左右两侧，并直接挂载在电堆的下平面上，氢气入口、氢气出口、空气入口、空气出口、循环液入口和循环液出口均在电堆的正下方。
进一步的，所述空压机与中冷器、增湿器依次通过硅胶软管连接，再经过节气门A通过电堆的空气入口进入电堆，电堆的空气出口与节气门B、增湿器通过硅胶软管连接。
进一步的，所述电堆的氢气出口与气液分离器、氢气循环泵通过硅胶软管连接。
进一步的，所述电堆的氢气入口与外部高压氢气连接的硅胶软管上设有比例阀和高压电磁阀。
进一步的，所述电堆的循环液出口与水泵、电子节温器通过硅胶软管连接，电堆的循环液入口与环液出口分别再通过分支硅胶软管与去离子器和加热器形成支路。
进一步的，所述中冷器通过硅胶软管与辅助冷却水路的进出口相连。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
现有的氢燃料电池系统基本采用在电堆的前后端面设计氢气、空气及水路进出口的结构模式，此模式使得燃料电池系统的长度方向上的尺寸强行增加，并且需要在功能件与电堆之间设计连接结构或者端板来固定功能件，大大增加了燃料电池系统的重量。
与现有的燃料电池电堆系统相比，本发明将燃料电池功能件直接均匀布置并固定到燃料电池电堆底部，节省了燃料电池长度及宽度方向上的尺寸，使得燃料电池系统的空间适应性增加，增加了可以适用的车型。
本发明采用了模块化的设计理念，明确划分了系统内部的功能区域，氢气控制模块、空气控制模块、温度控制模块等独立安装布置，便于大规模量产，以及装车后各模块整体更换、维护维修。
同时，本发明各个对外接口集中布置在系统一侧，便于与车载的各个配套系统直接清晰对接，适应整车布置的技术要求。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明燃料电池系统左轴测图；
图2是本发明燃料电池系统右轴测图；
图3是本发明燃料电池系统底视图；
图4是本发明燃料电池系统电堆底视图；
图5是本发明燃料电池系统布局示意图；
图6是本发明燃料电池系统接口图。
图中：1.DC-DC变换器；2.系统控制器；3.电堆；4.保险盒；5.空压机；6.中冷器；7.增湿器；8.水泵；9.加热器；10.电子节温器；11.高压电磁阀；12.比例阀；13.氢空截止阀；14.吹扫出截止阀；15.去离子器；16.氢泵控制器；17.氢气循环泵；18.排水电磁阀；19.气液分离器；20.节气门A；21.截止阀；22.减震垫；23.背压阀；24.节气门B；25.旁通阀3；26.排水阀；27.氢浓度传感器；28.手动排水阀；29.空气入口；30.氢气出口；31.循环液入口；32.循环液出口；33.空气出口；34.氢气入口。
具体实施方式
下面通过具体实施例详述本发明，但不限制本发明的保护范围。如无特殊说明，本发明所采用的实验方法均为常规方法，所用实验器材、材料、试剂等均可从商业途径获得。
本发明中的电池电堆可根据使用环境的要求，更换为其他功率的燃料电池电堆，进而实现燃料电池电堆车用系统更多类型的功率输出。
本发明可依据此模式更改系统功能件，进而实现各种功率的输出。
实施例1
本发明主要应用于物流卡车等重型卡车，如图6所示，系统的对外接口，如冷却水路接口、供氢接口、空气过滤系统接口、气体尾排接口等均在同侧，使得整车与系统连接时的管路走向集中清晰，不会产生整车布置时因接口位置的问题产生的系统外管路需要强行转向或管路与线束交错的布置混乱情况。
本发明的DC-DC变换器1布置在电堆3的上部，系统控制器2也布置在电堆3上部，并由防雨罩遮挡，可以有效的防水防尘。保险盒4布置在电堆3的前端，氢泵控制器16布置在电堆3的后端。
电堆3的空气路进出口，氢气路进出口及水路进出口全部布置在电堆3的下端，所有的功能件全部均匀的布置在电堆3下平面的左右两侧，并直接挂载在电堆3的下平面上，普通燃料电池需要在系统与电堆之间设计厚重的过渡板或者采用整体框架式等大型结构，用来固定和承载功能件与电堆，本发明则采用新的设计思路，直接取消了常用电堆与功能件直接之间的大型过度结构件，直接将功能件挂载到电堆底面上。
燃料电池系统空气入口通过外部空滤器及空气流量计经过硅胶软管连接到空压机5的空气入口处，空压机5与中冷器6、增湿器7依次通过硅胶软管连接，再经过节气门A20通过电堆空气入口29进入电堆3，电堆3空气出口33与节气门B24、增湿器7通过硅胶软管连接。
高压氢气经过供氢阀组上的高压电磁阀11、比例阀12之后与电堆3的氢气入口34通过硅胶软管连接，电堆3的氢气出口30与气液分离器19、氢气循环泵17也通过硅胶软管连接。
冷却循环水经过进水管路进入电堆3，电堆3循环液出口32与水泵8、电子节温器10也通过硅胶软管连接。电堆3循环液入口31与循环液出口32分别再通过分支硅胶软管与去离子器15和加热器9形成支路。辅助冷却水路的进出口则通过硅胶软管与中冷器6相连，冷却水路接口及辅助冷却水路接口均与空气路的出入口在同侧，有助于整车的管路布置。
整个燃料电池系统通过减震垫22与整车相连，可有效防止车载运行对系统的震动影响，延长系统的寿命。
工作原理如下：
空气由车载空气过滤系统过滤，经空压机5压缩后进入系统，经过中冷器6进行降温，并由增湿器7与电堆3排出的湿热的空气进行湿度和热交换，进而增加湿度温度，以确保满足氢燃料电池电堆内的电化学反应条件。增压增湿后的空气通过节气门A20进入电堆3内部，空气中的氧气与氢气进行电化学反应并产生电流以及水。电堆3内部反应后的剩余空气从空气出口33排出，经过节气门B24，并再次经过增湿器7，与首次进入增湿器7的干燥空气形成对流增湿，并经背压阀23进入到系统气体尾排管路中排出系统。其中节气门A20可通过调节气体流量来控制系统内部所需空气压力。
高压氢气经供氢接口进入系统氢气管路，首先经过高压电磁阀11、比例阀12降压后再进入到电堆3内部，并与空气中的氧气进行电化学反应，产生电流并生成水。反应后的剩余氢气从电堆的氢气出口30进入气液分离器19，再经由氢气循环泵17增压，经过氢回流管路重新进入燃料电池电堆，以提高氢气利用率。反应后的剩余氢气会含有大量的水分，湿度会很大，为避免氢气中的水分对氢气循环泵17产生影响，气液分离器19会将反应后氢气中的水及水气从气体中分离出来，通过连接到系统气体尾排管路将分离出的水排出系统外。
在温度控制模块中，冷却循环水进水管路与冷却循环水出水管路分别与车载散热器模块的进出口对接。冷却水经过散热器模块后，首先经过粗过滤器进入电堆3，出堆后经过水泵8进行加压形成循环动力，再经过电子节温器10连接到冷却循环水出水管路。与其并联的去离子器15及加热器9，通过电子节温器10控制切换与外部散热模块回路，形成系统内小循环，使得系统在启动时的水温能达到系统设计要求。
空气供气模块与氢气控制模块中的温度及压力传感器可监测系统中空气和氢气温度及压力的变化情况。空气管路中的压力信号值反馈至系统控制器2，并通过系统控制器2调节空压机5的转速以及节气门A20、节气门B24的开度来确保空气模块稳定的运行压力。温度信号值反馈至系统控制器2，并通过系统控制器调节中冷器6的冷却温度，进而调节空气进入氢燃料电池电堆的温度。水路的温度及压力传感器通过将压力及温度信号值反馈至系统控制器2，通过调节水泵8的转速，进而调节冷却水的流速，使得整体散热效率达到系统的设计要求。
氢气管路中的压力信号值反馈至系统控制器，并通过系统控制器调节氢气高压电磁阀11，比例阀12的压力值的开启频率、氢气循环泵16的转速等来调节氢气模块稳定的运行压力。
空气供气模块与氢气控制模块附近设置有氢浓度传感器27，当氢气出现泄露时，氢浓度传感器27会向系统控制器传输报警信号，系统控制器2控制关闭氢气电磁阀，氢气停止进入系统，确保系统运行安全。
以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，而并非本发明可行实施的全部实施例。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下对其所作出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (2)
1.一种大功率紧凑型集成式车用燃料电池系统，包括DC-DC变换器(1)、系统控制器(2)、电堆(3)、保险盒(4)、空压机(5)、氢气控制模块、空气供气模块、温度控制模块，其特征是，省略了框架结构，DC-DC变换器(1)和系统控制器(2)布置在电堆(3)的上部，保险盒(4)布置在电堆(3)的前端，氢泵控制器(16)布置在电堆(3)的后端，其余部分均匀布置在电堆(3)下平面的左右两侧，并直接挂载在电堆(3)的下平面上，氢气入口(34)、氢气出口(30)、空气入口(29)、空气出口(33)、循环液入口(31)和循环液出口(32)均在电堆(3)的正下方；
所述空压机(5)与中冷器(6)、增湿器(7)依次通过硅胶软管连接，再经过节气门A(20)通过电堆(3)的空气入口(29)进入电堆(3)，电堆(3)的空气出口(33)与节气门B(24)、增湿器(7)通过硅胶软管连接；
所述电堆(3)的氢气出口(30)与气液分离器(19)、氢气循环泵(17)通过硅胶软管连接；
所述电堆(3)的循环液出口(32)与水泵(8)、电子节温器(10)通过硅胶软管连接，电堆(3)的循环液入口(31)与环液出口(32)分别再通过分支硅胶软管与去离子器(15)和加热器(9)形成支路；
所述中冷器(6)通过硅胶软管与辅助冷却水路的进出口相连。
2.如权利要求1所述的一种大功率紧凑型集成式车用燃料电池系统，其特征是，所述电堆(3)的氢气入口(34)与外部高压氢气连接的硅胶软管上设有比例阀(12)和高压电磁阀(11)。
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