CN116231028A - 一种氢燃料电池发动机 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种氢燃料电池发动机，包括固定于支撑架的上表面的电堆，支撑架位于电堆的下端，电堆的第一端板和第二端板分别位于电堆的前端和后端。第一端板布置有歧管组件，第二端板布置有空压机控制器；电堆的上端布置有DC‑DC转换器，电堆的右端布置有氢气循环泵控制器和燃料电池控制器，支撑架的下表面布置有空压机、中冷器、增湿器、尾排集成管、冷却水进口四通集成块、水泵、电子节温器和PTC加热器。电堆的前端与上端的拐角处、与下端的拐角处和与右端的拐角处依次布置有氢气循环泵、汽水分离器和去离子器。本申请提供的氢燃料电池发动机通过合理的结构设计使得系统整体体积功率密度较高，且整车匹配性得以提升。

Description

一种氢燃料电池发动机
技术领域
本申请涉及发动机技术领域，特别是涉及一种氢燃料电池发动机。
背景技术
燃料电池是一种先进的清洁能源技术，燃料电池能够将化学能直接转换成电能，燃料电池发电是继水力、火力和核能发电之后的第四类发电技术。由于汽车是移动式交通工具，因此要求车用燃料电池具有较高的能量密度以及作为车辆所必需的快速起动和动力响应的能力，然而，目前的氢燃料电池发动机由于对空气供给系统、氢气供给系统、冷却系统等组成单元的部件缺乏合理的布局设计，导致整体体积偏大，影响体积功率密度，而且匹配不同车型的灵活性较差。
发明内容
有鉴于此，本申请提供了一种氢燃料电池发动机，通过合理的结构设计使得系统整体体积功率密度较高，且整车匹配性得以提升。
为了达到上述目的，本申请提供如下技术方案：
一种氢燃料电池发动机，包括固定于支撑架的上表面的电堆，所述支撑架位于所述电堆的下端，所述电堆的第一端板和第二端板分别位于所述电堆的前端和后端；
所述第一端板远离所述第二端板的一侧布置有歧管组件，所述歧管组件包括空气进堆配气歧管、空气出堆配气歧管、氢气进堆配气歧管、氢气出堆配气歧管、冷却水进堆配气歧管和冷却水出堆配气歧管；
所述第二端板远离所述第一端板的一侧布置有空压机控制器；
所述电堆的前端和上端的拐角处布置有氢气循环泵，所述电堆的上端靠近所述第二端板的位置布置有DC-DC转换器；
所述电堆的前端和下端的拐角处布置有汽水分离器，所述支撑架的下表面布置有空压机、中冷器、增湿器、尾排集成管、冷却水进口四通集成块、水泵、电子节温器和PTC加热器；
所述电堆的前端和右端的拐角处布置有去离子器，所述电堆的右端布置有氢气循环泵控制器和燃料电池控制器。
可选地，在上述氢燃料电池发动机中，包括主冷却水系统和副冷却水系统，所述主冷却水系统包括主冷却水进口、所述冷却水进口四通集成块、所述水泵、所述电子节温器、所述PTC加热器、所述中冷器、所述去离子器和主冷却水出口；
所述主冷却水进口连接于所述冷却水进口四通集成块的第一接口，所述冷却水进口四通集成块的第二接口通过硅胶管与所述冷却水进堆配气歧管连接；
所述冷却水出堆配气歧管通过硅胶管与所述水泵连接，所述水泵通过硅胶管与所述电子节温器的第一端连接，所述主冷却水出口连接于所述电子节温器的第二端，所述电子节温器的第三端通过硅胶管与所述PTC加热器连接，所述PTC加热器通过硅胶管与所述冷却水进口四通集成块的第三接口连接，所述冷却水进口四通集成块的第四接口通过硅胶管与所述中冷器连接，所述中冷器通过硅胶管与所述去离子器连接，所述去离子器通过硅胶管与所述冷却水出堆配气歧管和所述水泵之间的硅胶管连接；
所述副冷却水系统包括副冷却水进口和副冷却水出口，所述副冷却水进口分两路分别通过硅胶管与所述DC-DC转换器的进水口和所述空压机的进水口连接，所述空压机的出水口通过硅胶管与所述空压机控制器的进水口连接，所述副冷却水出口分两路分别通过硅胶管与所述DC-DC转换器的出水口和所述空压机控制器的出水口连接。
可选地，在上述氢燃料电池发动机中，所述空气进堆配气歧管上安装有三通阀、第一温度传感器和第一压力传感器；
所述空气出堆配气歧管上安装有第二温度传感器和第二压力传感器；
所述氢气进堆配气歧管上安装有比例阀、安全阀和第三压力传感器；
所述冷却水进堆配气歧管上安装有第三温度传感器和第四压力传感器；
所述冷却水出堆配气歧管上安装有第四温度传感器。
可选地，在上述氢燃料电池发动机中，氢气进口连接于所述氢气进堆配气歧管，所述安全阀通过硅胶管与所述尾排集成管连接；
所述汽水分离器通过螺栓固定于所述氢气出堆配气歧管，所述汽水分离器通过硅胶管与所述氢气循环泵连接，所述氢气循环泵通过硅胶管与所述氢气进堆配气歧管连接，所述汽水分离器通过硅胶管与所述尾排集成管连接。
可选地，在上述氢燃料电池发动机中，所述电堆设置有吹扫入口和吹扫出口，空气进口通过硅胶管连接于所述空压机，所述空压机通过硅胶管与所述中冷器的进气口连接，所述中冷器的出气口分两路分别通过硅胶管与所述吹扫入口和所述增湿器的干空气进气端连接，所述增湿器的干空气出气端通过硅胶管与所述空气进堆配气歧管连接；
所述空气出堆配气歧管通过硅胶管与所述增湿器的湿空气进气端连接，所述增湿器的湿空气出气端通过硅胶管与节气门连接，所述节气门通过法兰连接块与所述尾排集成管连接；
所述吹扫出口通过硅胶管与所述尾排集成管连接，所述空气进堆配气歧管的电磁阀排气口通过硅胶管与所述尾排集成管连接。
根据上述技术方案可知，本申请提供的氢燃料电池发动机中，电堆固定于支撑架的上表面的，支撑架位于电堆的下端，电堆的第一端板和第二端板分别位于电堆的前端和后端。第一端板布置有歧管组件，第二端板布置有空压机控制器；电堆的上端布置有DC-DC转换器，电堆的右端布置有氢气循环泵控制器和燃料电池控制器，支撑架的下表面布置有空压机、中冷器、增湿器、尾排集成管、冷却水进口四通集成块、水泵、电子节温器和PTC加热器。电堆的前端与上端的拐角处、与下端的拐角处和与右端的拐角处依次布置有氢气循环泵、汽水分离器和去离子器。通过以上这样的结构设计，能够对空气系统、氢气系统和冷却系统三个系统进行规整集成，避免部件布置散乱，节省连接管路长度及降低连接管路的杂乱程度，最终使得系统整体体积较小并获得较高的体积功率密度，而且，由于与同功率的系统相比，本申请的氢燃料电池发动机体积更小，所以其整车匹配性更高。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例提供的氢燃料电池发动机的第一视角的轴测图(前端、下端和左端)；
图2是本申请实施例提供的氢燃料电池发动机的第二视角的轴测图(后端、下端和右端)；
图3是本申请实施例提供的氢燃料电池发动机的仰视图(下端)。
图中标记为：
1、空气进堆配气歧管；2、空气出堆配气歧管；3、氢气进堆配气歧管；4、氢气出堆配气歧管；5、冷却水进堆配气歧管；6、冷却水出堆配气歧管；7、空气进口；8、空气出口；9、氢气进口；10、主冷却水进口；11、主冷却水出口；12、副冷却水进口；13、副冷却水出口；14、空压机；15、中冷器；16、增湿器；17、节气门；18、尾排集成管；19、比例阀；20、安全阀；21、汽水分离器；22、氢气循环泵；23、冷却水进口四通集成块；24、水泵；25、电子节温器；26、PTC加热器；27、去离子器；28、空压机控制器；29、DC-DC转换器；30、氢气循环泵控制器；31、燃料电池控制器。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
参见图1～图3，本申请实施例提供了一种氢燃料电池发动机，包括固定于支撑架的上表面的电堆，此支撑架在整车装配时与车身连接，主要为电堆提供稳定支撑，电堆横卧在支撑架上，即，支撑架位于电堆的下端，电堆的第一端板和第二端板分别位于电堆的前端和后端。在第一端板的外侧面，即第一端板远离第二端板的一侧，布置有歧管组件，此歧管组件包括空气进堆配气歧管1、空气出堆配气歧管2、氢气进堆配气歧管3、氢气出堆配气歧管4、冷却水进堆配气歧管5和冷却水出堆配气歧管6。在第二端板的外侧面，即第二端板远离第一端板的一侧，布置有空压机控制器28。电堆的前端和上端的拐角处布置有氢气循环泵22，电堆的上端靠近第二端板的位置布置有DC-DC转换器29。电堆的前端和下端的拐角处布置有汽水分离器21，支撑架的下表面布置有空压机14、中冷器15、增湿器16、尾排集成管18、冷却水进口四通集成块23、水泵24、电子节温器25和PTC加热器26。电堆的前端和右端的拐角处布置有去离子器27，电堆的右端布置有氢气循环泵控制器30和燃料电池控制器31。其中，电堆是氢气和氧气的化学能转换成电能的场所；空压机14、中冷器15、增湿器16、尾排集成管18(末端设置空气出口8)、空气进堆配气歧管1和空气出堆配气歧管2属于空气系统，主要用于给电堆提供空气；氢气循环泵22、汽水分离器21、氢气进堆配气歧管3和氢气出堆配气歧管4属于氢气系统，主要用于给电堆提供氢气；水泵24、电子节温器25、PTC加热器26、去离子器27、冷却水进堆配气歧管5和冷却水出堆配气歧管6属于冷却系统，主要用于给电堆及其他辅助部件散热。空气进堆配气歧管1与设置在第一端板上的空气进气口连接，空气出堆配气歧管2设置在第一端板上的空气出气口连接，氢气进堆配气歧管3与设置在第一端板上的氢气进气口通过连接，氢气出堆配气歧管4与设置在第一端板上的氢气出气口连接，冷却水进堆配气歧管5与设置在第一端板上的冷却水进口连接，冷却水出堆配气歧管6与设置在第一端板上的冷却水出口连接。由此可见，本申请的氢燃料电池发动机将电堆布置在系统的中心位置，氢气系统的主要部件布置在前端，空气系统和冷却系统的主要部件布置在下端，氢气系统的控制部件及燃料电池控制器31布置在右端，空气系统的控制部件布置在后端，例如DC-DC转换器29等电器部件布置在上端，通过以上这样的结构设计，能够对空气系统、氢气系统和冷却系统三个系统进行规整集成，避免部件布置散乱，节省连接管路长度及降低连接管路的杂乱程度，最终使得系统整体体积较小并获得较高的体积功率密度，而且，由于与同功率的系统相比，本申请的氢燃料电池发动机体积更小，所以其整车匹配性更高。需要说明的是，前文电堆的前端和后端是以电堆设置端板的位置而言的，在整车装配时，电堆的前端与车身的前向，即驾驶时的前进方向，既可以是相一致的，也可以是不一致的，可以根据需要灵活设置。
为了更好地对氢燃料电池发动机进行散热，本实施例中，冷却系统包括主冷却水系统和副冷却水系统，其中，主冷却水系统用于给电堆散热及加热，调节电堆温度，包括主冷却水进口10、冷却水进口四通集成块23、水泵24、电子节温器25、PTC加热器26、中冷器15、去离子器27和主冷却水出口11，主冷却水进口10连接于冷却水进口四通集成块23的第一接口，冷却水进口四通集成块23的第二接口通过硅胶管与冷却水进堆配气歧管5连接，冷却水出堆配气歧管6通过硅胶管与水泵24连接，水泵24通过硅胶管与电子节温器25的第一端连接，主冷却水出口11连接于电子节温器25的第二端，电子节温器25的第三端通过硅胶管与PTC加热器26连接，PTC加热器26通过硅胶管与冷却水进口四通集成块23的第三接口连接，冷却水进口四通集成块23的第四接口通过硅胶管与中冷器15连接，中冷器15通过硅胶管与去离子器27连接，去离子器27通过硅胶管与冷却水出堆配气歧管6和水泵24之间的硅胶管连接。主冷却水进口10和主冷却水出口11均用于外接其他管路，PTC加热器26能够在低温冷启动时给冷却系统升温，水泵24是氢燃料电池热管理系统中的“心脏”，它对系统冷却液做功，驱动冷却液在冷却系统管路中循环，从而达到给电堆降温和冷启动升温的作用。电子节温器25用来控制冷却系统的大小循环的切换，其中，小循环是指来自水泵24的冷却液经电子节温器25和PTC加热器26去往冷却水进口四通集成块23，大循环是指来自水泵24的冷却液经电子节温器25和主冷却水出口11去往氢燃料电池发动机的电堆子系统以外的其他需要散热的部件。去离子器27通过吸收热管理系统管路中的阴、阳离子，降低冷却液的电导率，使热管理系统可以保持较高的绝缘水平。中冷器15是冷却液和空气进行热交换的场所，通过热交换冷却来自空压机14的高温高压空气，以保证电堆的空气入口温度在合适的温度区间内。
副冷却水系统用于给空压机14、空压机控制器28和DC-DC转换器29散热，包括副冷却水进口12和副冷却水出口13，副冷却水进口12分两路分别通过硅胶管与DC-DC转换器29的进水口和空压机14的进水口连接，空压机14的出水口通过硅胶管与空压机控制器28的进水口连接，副冷却水出口13分两路分别通过硅胶管与DC-DC转换器29的出水口和空压机控制器28的出水口连接。空压机14的作用是对空气进行增压，根据电堆的输出功率，为燃料电池提供足够压力和流量的空气，满足燃料电池对氧气的需求。
燃料电池控制器31是氢燃料电池发动机的“大脑”，主要实现对燃料电池系统的在线检测、实时控制及故障诊断，确保系统稳定可靠工作，燃料电池控制器31的功能包括气路管理，水热管理，电气管理，通信功能和故障诊断等。为了更好地使燃料电池控制器31发挥功能，本实施例中，空气进堆配气歧管1上安装有三通阀、第一温度传感器和第一压力传感器，空气出堆配气歧管2上安装有第二温度传感器和第二压力传感器，氢气进堆配气歧管3上安装有比例阀19、安全阀20和第三压力传感器，冷却水进堆配气歧管5上安装有第三温度传感器和第四压力传感器，冷却水出堆配气歧管6上安装有第四温度传感器。以上这些温度传感器、压力传感器、比例阀19和安全阀20均与燃料电池控制器31电连接。
在一具体实施例中，氢气进口9连接于氢气进堆配气歧管3，安全阀20通过硅胶管与尾排集成管18连接，汽水分离器21通过螺栓固定于氢气出堆配气歧管4，汽水分离器21通过硅胶管与氢气循环泵22连接，氢气循环泵22通过硅胶管与氢气进堆配气歧管3连接，汽水分离器21通过硅胶管与尾排集成管18连接。汽水分离器21用于保持系统内部合理的水管理，使电堆的质子交换膜内水含量处于合理范围，防止电堆零部件内的液态水阻碍反应气体的扩散。
在一具体的实施例中，电堆设置有吹扫入口和吹扫出口，空气进口7通过硅胶管连接于空压机14，空压机14通过硅胶管与中冷器15的进气口连接，中冷器15的出气口分两路分别通过硅胶管与吹扫入口和增湿器16的干空气进气端连接，增湿器16的干空气出气端通过硅胶管与空气进堆配气歧管1连接。空气出堆配气歧管2通过硅胶管与增湿器16的湿空气进气端连接，增湿器16的湿空气出气端通过硅胶管与节气门17连接，节气门17通过法兰连接块与尾排集成管18连接。吹扫出口通过硅胶管与尾排集成管18连接，空气进堆配气歧管1的电磁阀排气口通过硅胶管与尾排集成管18连接。增湿器16能够对干燥空气进行加湿，使电堆内的质子交换膜处于良好的水润状态，减小氢离子的传输助力，增强燃料电池的输出性能。节气门17主要用于控制调节气路压力。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种氢燃料电池发动机，其特征在于，包括固定于支撑架的上表面的电堆，所述支撑架位于所述电堆的下端，所述电堆的第一端板和第二端板分别位于所述电堆的前端和后端；
所述第一端板远离所述第二端板的一侧布置有歧管组件，所述歧管组件包括空气进堆配气歧管、空气出堆配气歧管、氢气进堆配气歧管、氢气出堆配气歧管、冷却水进堆配气歧管和冷却水出堆配气歧管；
所述第二端板远离所述第一端板的一侧布置有空压机控制器；
所述电堆的前端和上端的拐角处布置有氢气循环泵，所述电堆的上端靠近所述第二端板的位置布置有DC-DC转换器；
所述电堆的前端和下端的拐角处布置有汽水分离器，所述支撑架的下表面布置有空压机、中冷器、增湿器、尾排集成管、冷却水进口四通集成块、水泵、电子节温器和PTC加热器；
所述电堆的前端和右端的拐角处布置有去离子器，所述电堆的右端布置有氢气循环泵控制器和燃料电池控制器。
2.根据权利要求1所述的氢燃料电池发动机，其特征在于，包括主冷却水系统和副冷却水系统，所述主冷却水系统包括主冷却水进口、所述冷却水进口四通集成块、所述水泵、所述电子节温器、所述PTC加热器、所述中冷器、所述去离子器和主冷却水出口；
所述主冷却水进口连接于所述冷却水进口四通集成块的第一接口，所述冷却水进口四通集成块的第二接口通过硅胶管与所述冷却水进堆配气歧管连接；
所述冷却水出堆配气歧管通过硅胶管与所述水泵连接，所述水泵通过硅胶管与所述电子节温器的第一端连接，所述主冷却水出口连接于所述电子节温器的第二端，所述电子节温器的第三端通过硅胶管与所述PTC加热器连接，所述PTC加热器通过硅胶管与所述冷却水进口四通集成块的第三接口连接，所述冷却水进口四通集成块的第四接口通过硅胶管与所述中冷器连接，所述中冷器通过硅胶管与所述去离子器连接，所述去离子器通过硅胶管与所述冷却水出堆配气歧管和所述水泵之间的硅胶管连接；
所述副冷却水系统包括副冷却水进口和副冷却水出口，所述副冷却水进口分两路分别通过硅胶管与所述DC-DC转换器的进水口和所述空压机的进水口连接，所述空压机的出水口通过硅胶管与所述空压机控制器的进水口连接，所述副冷却水出口分两路分别通过硅胶管与所述DC-DC转换器的出水口和所述空压机控制器的出水口连接。
3.根据权利要求2所述的氢燃料电池发动机，其特征在于，所述空气进堆配气歧管上安装有三通阀、第一温度传感器和第一压力传感器；
所述空气出堆配气歧管上安装有第二温度传感器和第二压力传感器；
所述氢气进堆配气歧管上安装有比例阀、安全阀和第三压力传感器；
所述冷却水进堆配气歧管上安装有第三温度传感器和第四压力传感器；
所述冷却水出堆配气歧管上安装有第四温度传感器。
4.根据权利要求3所述的氢燃料电池发动机，其特征在于，氢气进口连接于所述氢气进堆配气歧管，所述安全阀通过硅胶管与所述尾排集成管连接；
所述汽水分离器通过螺栓固定于所述氢气出堆配气歧管，所述汽水分离器通过硅胶管与所述氢气循环泵连接，所述氢气循环泵通过硅胶管与所述氢气进堆配气歧管连接，所述汽水分离器通过硅胶管与所述尾排集成管连接。
5.根据权利要求4所述的氢燃料电池发动机，其特征在于，所述电堆设置有吹扫入口和吹扫出口，空气进口通过硅胶管连接于所述空压机，所述空压机通过硅胶管与所述中冷器的进气口连接，所述中冷器的出气口分两路分别通过硅胶管与所述吹扫入口和所述增湿器的干空气进气端连接，所述增湿器的干空气出气端通过硅胶管与所述空气进堆配气歧管连接；
所述空气出堆配气歧管通过硅胶管与所述增湿器的湿空气进气端连接，所述增湿器的湿空气出气端通过硅胶管与节气门连接，所述节气门通过法兰连接块与所述尾排集成管连接；
所述吹扫出口通过硅胶管与所述尾排集成管连接，所述空气进堆配气歧管的电磁阀排气口通过硅胶管与所述尾排集成管连接。
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