CN207637957U - 一种具有氢循环及换热功能的燃料电池系统结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种具有氢循环及换热功能的燃料电池系统结构，包括：至少一个燃料电池堆；中间连接板，与至少一个燃料电池堆固定连接，中间连接板的一端面与前端端板的氢气进出通道和冷却液出口连接，另一端面设置氢气总进口、氢气总出口和冷却液总出口；氢气汇流盒，安装于氢气总进口的周围且氢气汇流盒一侧设置的氢气出口和冷却液进口与氢气总进口及冷却液出口分别连接；氢气汇流盒的另一侧设置有湿氢气进口、干氢气进口和冷却液出口；氢气循环泵；气液分离器和保温管路。本实用新型使用具备集成功能的元件，利用氢循环泵及保温管路等，实现氢气的高效利用，在提升燃料电池系统高功率输出性能的同时使其体积最小化。

Description

一种具有氢循环及换热功能的燃料电池系统结构

技术领域

本实用新型涉及质子交换膜燃料电池领域，尤其涉及一种具有氢循环及换热功能的燃料电池系统结构。

背景技术

由于质子交换膜燃料电池具有可在室温下快速启动、无电解液流失、水易排出、寿命长、比功率与比能量高等突出特点，适合于作为车辆等运载工具的动力系统。通常，燃料电池系统的核心元件燃料电池堆必须使用湿润的氧化剂气体(空气)和还原剂气体(氢气)才能对外持续供电，或者至少二者之一应该是湿润的。采用空气增湿的方式，燃料电池系统在低载时容易保证平稳运行，相比之下更易于实现。作为乘用车的主要驱动能量产生装置，燃料电池系统一般被安装于发动机室，这就要求其体积尽可能的小。那么，采用氢气循环的方式对新进入管路的干氢气进行增湿是一种高效的增湿方式，一方面可以提高氢气利用率，另一方面可以节省一部分系统空间，尤其是对于系统的高功率输出具有重要意义。值得一提的是，当前，氢气循环的过程中并没有对新进入的氢气进行升温操作，这会对燃料电池堆产生不利影响。同时，氢循环泵的布置方式往往是直接安装于固定板之上，对于减振效果的优化有待提高。

因此，有必要提供一种可以实现上述功能且高度集成于最少的零件之上的装置，在满足性能要求的同时，提升系统各项指标。

实用新型内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种燃料电池系统的氢循环及换热装置。本实用新型使用具备集成功能的元件，利用氢循环泵及保温管路等，实现氢气的高效利用，在提升燃料电池系统高功率输出性能的同时使其体积最小化。

本实用新型采用的技术手段如下：

一种具有氢循环及换热功能的燃料电池系统结构，其特征在于，包括：

至少一个燃料电池堆；

中间连接板，与至少一个所述燃料电池堆固定连接，所述中间连接板的一端面通过其上设置的沟槽与所述燃料电池堆的所述前端端板的氢气进出通道和冷却液出口连接，并按预设的位置在所述中间连接板的另一端面设置氢气总进口、氢气总出口和冷却液总出口；

氢气汇流盒，安装于所述中间连接板的所述氢气总进口的周围且所述氢气汇流盒一侧设置的氢气出口和冷却液进口与所述氢气总进口及所述冷却液出口分别连接；所述氢气汇流盒的另一侧设置有湿氢气进口、干氢气进口和冷却液出口；

氢气循环泵，具有湿氢气流入口和湿氢气排出口；

气液分离器，连接于所述中间连接板的所述氢气总出口与所述氢气循环泵的所述湿氢气流入口之间；

保温管路，用于连接所述湿氢气排出口和所述湿氢气进口。

进一步地，所述燃料电池堆是由多节单电池堆叠而成的层叠体受到后端端板和前端端板的夹持构成的。

进一步地，所述氢气汇流盒上沿其壁部边沿内缘及各进出口外沿周边布置有用于密封的U型截面沟槽。U型截面沟槽适用于各种结构形式的密封件，密封效果好，易于加工制造。

进一步地，所述氢气汇流盒的所述湿氢气进口和所述干氢气进口是相通的，所述氢气汇流盒的散热壁的两侧分别为冷却液和干氢气与湿氢气的混合气，所述散热壁上设置散热翅片，所述散热翅片与所述氢气汇流盒为一体结构或分体的过盈配合连接。由于干氢气的温度较低，直接入电池堆，不利于燃料电池堆性能的发挥尤其是在低温环境下。那么，通过预设的翅片将冷却液的温度传递给它，在最终入口处与0-80°的湿氢气混合，就可以提高氢气总体温度，减少冷凝水的生成，提高氢气利用率。

进一步地，所述氢气汇流盒上设置有至少一个温度传感器连接接口。温度传感器用于感知燃料电池堆进入氢气的温度，有利于燃料电池堆的测试与管理。

进一步地，所述氢气汇流盒的材质为铝合金或铜合金。铝合金和铜合金具备优良的传热特性，且通过合理的处理方式不易生锈腐蚀，能保证长期运行的稳定性。

进一步地，所述氢循环及换热装置还包括设置在所述中间连接板和所述氢气循环泵之间的、用于寿命管理的过流水箱，所述氢气循环泵的安装面与所述过流水箱的表面接触，所述过流水箱的进水口与所述冷却液出口通过管路连接。所述过流水箱中的冷却液能够吸收振动能量，氢循环泵的振动会对燃料电池堆长期运行产生影响，过流水箱恰好能够予以适当消除。

进一步地，所述氢气循环泵的驱动元件为直流伺服电机且受燃料电池堆控制器的控制，其工作电压为200～400VDC。伺服电机从控制角度确保了实时控制的实现，所述气液分离器能够尽可能地将液态水分离出去，可以确保进入所述氢气循环泵的水量最小，对于氢气循环泵的长寿命运行具有重要意义，同时还能够实现废氢气的排放管理。

较现有技术相比，本实用新型具备集成了换热功能的汇流盒，氢气循环泵和保温管路，还有用于寿命管理的水箱，其也被用于吸收氢循环泵的振动能量。在实现功能高度集成于最少的零件之上的前提下有效的降低了成本，这也是燃料电池发动机的发展趋势。通过本实用新型的配置，在满足性能要求的同时，实现了零部件的功能多样化，可以有效地降低零件实现相同功能时占有的体积，有利于提升系统的功率密度。基于上述理由本实用新型可在质子交换膜燃料电池领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型具有氢循环及换热功能的燃料电池系统结构的示意图。

图2为本实用新型过流水箱安装于中间连接板上的结构示意图。

图3为本实用新型氢气汇流盒的主视图。

图4为本实用新型氢气汇流盒的后视图。

图中：1、燃料电池堆，1.1、单电池，1.2、后端端板，1.3、前端端板，2、中间连接板，2.1、氢气总进口，2.2、氢气总出口，2.3、冷却液总出口，3、氢气汇流盒，3.1、氢气出口，3.2、冷却液进口，3.3、湿氢气进口，3.4、干氢气进口，3.5、冷却液出口，3.6、散热壁，3.7、U型截面沟槽，3.8、温度传感器连接接口，4、氢气循环泵，4.1、湿氢气流入口，4.2、湿氢气排出口，5、气液分离器，6、保温管路，7、过流水箱，7.1、进水口，7.2、安装通孔。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

如图1～图2所示，一种具有氢循环及换热功能的燃料电池系统结构，包括：

至少一个燃料电池堆1，所述燃料电池堆1是由多节单电池1.1堆叠而成的层叠体受到后端端板1.2和前端端板1.3的夹持构成的；

中间连接板2，与至少一个所述燃料电池堆1具有装配关系即固定连接，所述中间连接板2的一端面通过其上设置的沟槽与所述燃料电池堆1的所述前端端板1.3的氢气进出通道和冷却液出口连接，并按预设的位置在所述中间连接板2的另一端面设置氢气总进口2.1、氢气总出口2.2和冷却液总出口2.3；

氢气汇流盒3，安装于所述中间连接板2的所述氢气总进口2.1的周围且所述氢气汇流盒3一侧设置的氢气出口3.1和冷却液进口3.2与所述氢气总进口2.1及所述冷却液出口2.3分别连接；所述氢气汇流盒3的另一侧设置有湿氢气进口3.3、干氢气进口3.4和冷却液出口3.5；所述氢气汇流盒3的材质为铝合金或铜合金。

氢气循环泵4，具有湿氢气流入口4.1和湿氢气排出口4.2；

气液分离器5，连接于所述中间连接板2的所述氢气总出口2.2与所述氢气循环泵4的所述湿氢气流入口4.1之间；

保温管路6，用于连接所述湿氢气排出口4.2和所述湿氢气进口3.3。

如图3～图4所示，当中间连接板2所属的相关连接完成以后，由于氢气汇流盒3上沿其壁部边沿内缘及各进出口外沿周边布置有用于密封的U型截面沟槽3.7，在其中放置相应的密封件。将氢气汇流盒3的安装孔位对准中间连接板2的相应位置点，此时氢气汇流盒3的氢气出口3.1和中间连接板2的氢气总进口2.1对准、冷却液进口3.2和中间连接板2的冷却液总出口2.3对准。然后再使用螺钉紧固于中间连接板2之上。前述U型截面沟槽3.7适用于各种结构形式的密封件，密封效果好，易于加工制造。由于氢气汇流盒3的湿氢气进口3.3和干氢气进口3.4是相通的，且其散热壁3.6(所述散热壁3.6为氢气汇流盒3壁面的一部分)两侧分别为冷却液和干氢气与湿氢气的混合气，通过预设于散热壁3.6上的翅片将冷却液的温度传递给干氢气，可以提高它的温度。散热翅片与氢气汇流盒3是一体的，或是分体的过盈配合连接。最后，在最终入口处干氢气与0-80°的湿氢气混合，就会减少冷凝水的生成，提高氢气利用率。为了有利于燃料电池堆的测试与管理，在氢气汇流盒3之上设置有至少一个温度传感器连接接口3.8，设置温度传感器用于感知燃料电池堆进入氢气的温度。

本实用新型还包括设置在所述中间连接板2和所述氢气循环泵4之间的、用于寿命管理的过流水箱7，过流水箱7安装于中间连接板2之上，此二者之间可以使用橡胶垫。所述过流水箱7的进水口7.1与所述冷却液出口3.5通过管路连接。在过流水箱7之上布置氢气循环泵4，氢气循环泵4的安装面与过流水箱7的表面存在接触作用。当氢循环泵4进入工作状态后，它所产生的振动传递给过流水箱7，而过流水箱7的振动能量又通过冷却液与箱壁的碰撞或相应的减震垫所吸收。在本实施例中，过流水箱7具备3个安装通孔7.2，氢气循环泵4的底座通过这3个安装通孔连接于中间连接板2之上，由于受到紧固件的作用，氢气循环泵4的底座与过流水箱表面紧密贴合。

再有本实用新型在中间连接板2的所述氢气总出口2.2与氢气循环泵4的所述湿氢气流入口4.1之间设置的气液分离器，能够尽可能地将液态水分离出去，可以确保进入所述氢气循环泵4的水量最小，对于氢气循环泵的长寿命运行具有重要意义，同时还能够实现废氢气的排放管理。在本实施例中，气液分离器与中间连接板2通过配合连接，在其下部设置废氢气脉冲排放口，它的出口端与氢气循环泵4的湿氢气流入口4.1连接且气液分离器可以单独固定。氢气循环泵4的驱动元件为直流伺服电机且受燃料电池堆控制器的控制，其工作电压为200～400VDC。从控制角度，伺服电机可以确保实时控制的实现。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种具有氢循环及换热功能的燃料电池系统结构，其特征在于，包括：

至少一个燃料电池堆(1)；

中间连接板(2)，与至少一个所述燃料电池堆(1)固定连接，所述中间连接板(2)的一端面通过其上设置的沟槽与所述燃料电池堆(1)的前端端板(1.3)的氢气进出通道和冷却液出口连接，并按预设的位置在所述中间连接板(2)的另一端面设置氢气总进口(2.1)、氢气总出口(2.2)和冷却液总出口(2.3)；

氢气汇流盒(3)，安装于所述中间连接板(2)的所述氢气总进口(2.1)的周围且所述氢气汇流盒(3)一侧设置的氢气出口(3.1)和冷却液进口(3.2)与所述氢气总进口(2.1)及所述冷却液总出口(2.3)分别连接；所述氢气汇流盒(3)的另一侧设置有湿氢气进口(3.3)、干氢气进口(3.4)和冷却液出口(3.5)；

氢气循环泵(4)，具有湿氢气流入口(4.1)和湿氢气排出口(4.2)；

气液分离器(5)，连接于所述中间连接板(2)的所述氢气总出口(2.2)与所述氢气循环泵(4)的所述湿氢气流入口(4.1)之间；

保温管路(6)，用于连接所述湿氢气排出口(4.2)和所述湿氢气进口(3.3)。

2.根据权利要求1所述的具有氢循环及换热功能的燃料电池系统结构，其特征在于，所述燃料电池堆(1)是由多节单电池(1.1)堆叠而成的层叠体受到后端端板(1.2)和前端端板(1.3)的夹持构成的。

3.根据权利要求1所述的具有氢循环及换热功能的燃料电池系统结构，其特征在于，所述氢气汇流盒(3)上沿其壁部边沿内缘及各进出口外沿周边布置有用于密封的U型截面沟槽(3.7)。

4.根据权利要求3所述的具有氢循环及换热功能的燃料电池系统结构，其特征在于，所述氢气汇流盒(3)的所述湿氢气进口(3.3)和所述干氢气进口(3.4)是相通的，所述氢气汇流盒(3)的散热壁(3.6)的两侧分别为冷却液和干氢气与湿氢气的混合气，所述散热壁(3.6)上设置散热翅片，所述散热翅片与所述氢气汇流盒(3)为一体结构或分体的过盈配合连接。

5.根据权利要求4所述的具有氢循环及换热功能的燃料电池系统结构，其特征在于，所述氢气汇流盒(3)上设置有至少一个温度传感器连接接口(3.8)。

6.根据权利要求1所述的具有氢循环及换热功能的燃料电池系统结构，其特征在于，所述氢气汇流盒(3)的材质为铝合金或铜合金。

7.根据权利要求1所述的具有氢循环及换热功能的燃料电池系统结构，其特征在于，所述氢循环及换热装置还包括设置在所述中间连接板(2)和所述氢气循环泵(4)之间的、用于寿命管理的过流水箱(7)，所述氢气循环泵(4)的安装面与所述过流水箱(7)的表面接触，所述过流水箱(7)的进水口(7.1)与所述冷却液出口(3.5)通过管路连接。

8.根据权利要求1所述的具有氢循环及换热功能的燃料电池系统结构，其特征在于，所述氢气循环泵(4)的驱动元件为直流伺服电机且受燃料电池堆控制器的控制，其工作电压为200～400VDC。