CN209912968U - 一种燃料电池发动机结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及新能源汽车技术领域，提供了一种燃料电池发动机结构，包括：燃料电池电堆，所述燃料电池电堆固定设置在箱体框架上；空气系统，所述空气系统设置在远离所述燃料电池电堆的一侧，所述空气系统分别与设置在所述燃料电池电堆上的空气进口、空气出口连通设置；氢气系统，所述氢气系统设置在所述燃料电池电堆的下侧，所述氢气系统分别与设置在所述燃料电池电堆上的氢气进口、氢气出口连通设置；冷却系统，所述冷却系统设置在远离所述燃料电池电堆的一侧，所述冷却系统分别与设置在所述燃料电池电堆上的冷却液进口、冷却液出口连通设置。该结构解决了结构模块化集成度低的问题，有效的减小了发动机的体积，促进了燃料电池汽车的发展。

Description

一种燃料电池发动机结构

技术领域

本实用新型涉及新能源汽车技术领域，尤其是提供了一种燃料电池发动机结构。

背景技术

随着全球能源危机和环境污染日益严重,进入由传统能源向新能源转换的时代。汽车领域也由此进入由传统燃油车向新能源汽车转换的变革时代，燃料电池汽车作为新能源汽车的一个发展方向，其特点是零排放的新型环保汽车，续航里程只与储氢量有关，可以远距离行驶，这个特点与纯电动汽车续航里程受到制约形成优势互补。因此燃料电池汽车在新能源汽车应用领域具有广阔前景,从而世界各国投入大量的人力，财力进行研发。

燃料电池汽车作为一种新能源汽车,工作原理是将氢气与空气中的氧气发生化学反应转换为电能，为汽车提供动力，其特点是：氢资源丰富，氢气作为燃料电池汽车的燃料，氢资源充足来源广泛，水可以电解获取等；制氢技术，储氢技术，运氢技术飞速发展，随着技术革新，制氢技术已经非常成熟，储氢运氢技术取得很大突破；实现排放零污染，氢气作为燃料电池汽车的燃料，经过化学反应后排出的是水，实现零污染排放；效率和功率高，随着零部件新技术不断革新突破，系统匹配特性不断优化，其效率和功率不断提高。

但是燃料电池汽车也存在一些制约其产业化的困难因素：燃料电池发动机中零部件种类多而零散，结构模块化集成度低，导致燃料电池发动机的体积大，占用汽车内部空间多。因此研究如何对燃料电池发动机合理布置和设计，以减小发动机体积，对燃料电池汽车的发展有重要意义。

发明内容

为解决上述技术问题，本实用新型的主要目的在于提供了一种燃料电池发动机结构，该结构有效地解决了结构模块化集成度很低的问题，有效的减小了发动机的体积，促进了燃料电池汽车的发展。

为达成上述目的，本实用新型应用的技术方案是：提供了一种燃料电池发动机结构，包括：

燃料电池电堆，所述燃料电池电堆可拆卸固定在箱体框架的上端，燃料电池电堆放置在框架中两根承重梁上，电堆顶部两侧伸出支架与框架固定螺栓连接；

空气系统，所述空气系统包括空气压缩机、中冷器、膜加湿器及背压阀，其中，所述空气压缩机设置在所述燃料电池电堆的一端侧，所述空气压缩机与所述中冷器连通设置；所述中冷器与所述背压阀并排设置在所述空气压缩机的下侧，所述中冷器与所述膜加湿器连通设置；所述膜加湿器设置在所述燃料电池电堆的下侧，所述膜加湿器包括第一、第二接入口及第一、第二接出口，所述第一接入口与所述中冷器连通，所述第一接出口与所述燃料电池电堆的空气进口连通，所述第二接入口与所述燃料电池电堆的空气出口连通，所述第二接出口与所述背压阀连通设置；

氢气系统，所述氢气系统设置在所述中冷器的上侧，所述氢气系统分别与设置在所述燃料电池电堆上的氢气进口、氢气出口连通设置；

冷却系统，所述冷却系统设置在远离所述燃料电池电堆的一侧，所述冷却系统分别与设置在所述燃料电池电堆上的冷却液进口、冷却液出口连通设置。

在本实施例中优选，所述空气进、出口，所述氢气进、出口及所述冷却液进、出口均设置在所述燃料电池电堆的下侧；

所述膜加湿器设置在所述箱体框架的底板上，所述膜加湿器设置在所述燃料电池电堆下方；

所述空气压缩机可拆卸固定在所述箱体框架的侧壁上，所述空气压缩机位于远离所述燃料电池电堆的一侧；

所述中冷器设置在所述箱体框架的底板上，所述中冷器位于所述空气压缩机的下侧；

所述背压阀设置在所述中冷器的一端侧，所述背压阀位于所述空气压缩机的下侧。

在本实施例中优选，所述第一接入口设置在膜加湿器一侧壁的端部，所述第一接出口设置在所述膜加湿器一侧壁的另一端部，所述第二接入口设置在膜加湿器相对一侧壁的端部，所述第二接出口设置在膜加湿器相对一侧壁的另一端部。

在本实施例中优选，所述空气系统还包括吹扫进管及吹扫出管，所述吹扫进管设置在燃料电池电堆底端，所述吹扫出管设置在所述燃料电池电堆的顶端，所述吹扫进管的一端与空气进管连通设置，所述吹扫进管的另一端与所述燃料电池电堆连通设置；所述吹扫出管的一端与所述燃料电池电堆连通设置，所述吹扫出管的另一端与空气出管连通设置。

在本实施例中优选，所述氢气系统包括氢气进管、氢排电磁阀及氢气出管，所述氢气进管与所述燃料电池电堆的氢气进口连通设置，所述氢排电磁阀设置在所述氢气出管路上，所述氢气出管与所述燃料电池电堆的氢气出口连通设置。

在本实施例中优选，所述氢气进管上设有氢进压力传感器，所述氢进压力传感器经三通接头与所述氢气进管连通设置；

所述氢气出管上连通设置有氢排电磁阀，所述氢气出管与缓冲罐接通设置。

在本实施例中优选，所述氢气出口包括第一氢气出口及第二氢气出口，所述第一氢气出口及所述第二氢气出口分别与所述氢气出管连通设置。

在本实施例中优选，所述冷却系统包括第一冷却液进管、第二冷却液进管、冷启动器及冷却液出管，所述第一冷却液进管与所述燃料电池电堆连通设置，所述燃料电池电堆与所述冷却液出管连通设置；

所述第二冷却液进管与所述中冷器连通设置，所述中冷器与所述冷启动器连通设置，所述冷启动器与所述冷却液出管连通设置。

在本实施例中优选，所述冷却液进管上设有冷却液进压力传感器及冷却液进温度传感器，所述冷却液进压力传感器与所述冷却液进管连通设置，所述冷却液进温度传感器与所述冷却液进管连通设置；

所述冷却液出管上设有冷却液出温度传感器，所述冷却液出温度传感器与所述冷却液出管连通设置。

在本实施例中优选，所述箱体框架的外侧设有挡板，所述挡板将所述箱体框架围设成密闭的箱体，所述挡板上设有多个管路接头，多个所述管路接头与内部管路适配连接。

本实用新型中，通过将燃料电池电堆、空气系统、氢气系统及冷却系统集中设置在箱体框架内，提高了结构模块化的集成度，便于安装、拆卸和维修。有利于布局优化设计和工艺组装，促进了燃料电池汽车产业化的发展。

附图说明

图1是本实施例箱体框架外部的结构示意图。

图2是本实施例箱体框架内部的结构示意图。

图3是本实施例燃料电池电堆的结构示意图。

图4是本实施例空气系统的结构示意图。

图5是本实施例氢气系统的结构示意图。

图6是本实施例冷却系统的结构示意图。

附图标号说明：

1.箱体框架，11.挡板，12.管路接头，2.燃料电池电堆，21.空气进口，22.空气出口，23.第一氢气出口，24.第二氢气出口，25.冷却液进口，26.冷却液出口，27.氢气进口，28.通风进气口，3.空气系统，31.空气压缩机，32.中冷器，321.第一进口，322.第一出口，323.第二进口，324.第二出口，33，膜加湿器，331.第一膜加湿器进口，332.第二膜加湿器出口，333.第二膜加湿器进口，334.第二膜加湿器出口，34.背压阀，35.吹扫进管，36.吹扫出管，4.氢气系统，41.外侧板，42.氢气进管，43.氢气出管，431.第一氢气出管，432.第二氢气出管，44.氢进压力传感器，45.氢排电磁阀，46.氢出压力传感器，47.氮气吹扫进管，5.冷却系统，51.冷启动器，52.冷却液进压力传感器，53.冷却液进温度传感器，54.冷却液出温度传感器，55.第一冷却液进管，56.第二冷却液进管，57.冷却液出管。

具体实施方式

尽管本实用新型可以容易地表现为不同形式的实施例，但在附图中示出并且在本说明书中将详细说明的仅仅是其中一些具体实施例，同时可以理解的是本说明书应视为是本实用新型原理的示范性说明，而并非旨在将本实用新型限制到在此所说明的那样。

由此，本说明书中所指出的一个特征将用以说明本实用新型的一个实施例的其中一个特征，而不是暗示本实用新型的每个实施例必须具有所说明的特征。此外，应当注意的是本说明书描述了许多特征。尽管某些特征可以组合在一起以示出可能的系统设计，但是这些特征也可用于其它的未明确说明的组合。由此，除非另有说明，所说明的组合并非旨在限制。

在附图所示的实施例中，方向的指示(诸如上、下、左、右、前和后)用以解释本实用新型的各种组件的结构和运动不是绝对的而是相对的。当这些组件处于附图所示的位置时，这些说明是合适的。如果这些组件的位置的说明发生改变时，则这些方向的指示也相应地改变。

以下结合本说明书的附图，对本实用新型的较佳实施例予以进一步地详尽阐述。

在实施例一中，如图2所示，本实施例提供了一种燃料电池发动机结构包括：箱体框架1及设置在箱体框架1内部的燃料电池电堆2、空气系统3、氢气系统4及冷却系统5。其中，如图1所示，箱体框架1可为方体结构，箱体框架1由钢条经螺丝可拆卸连接。箱体框架1的四周安装有挡板11，挡板11将箱体框架1围设成密闭的箱体，一侧挡板11上设有多个管路接头12，内部管路通过多个管路接头12与外部结构适配连接，侧板11上还设有条形散气孔。

图3所示，燃料电池电堆2为方形结构，燃料电池电堆2的上端四周经螺丝固定在箱体框架1内部左上侧。燃料电池电堆2的底部左侧并排设有空气进口21、空气出口22、第一氢气出口23、第二氢气出口24、冷却液进口25、冷却液出口26、氢气进口27及通风进气口28，以上多个进出口与燃料电池电堆2内部结构适配接通。

图4所示，空气系统3安装在燃料电池电堆2的下侧及右侧，空气系统3包括空气压缩机31、中冷器32、膜加湿器33、背压阀34及连接管路。其中，中冷器32设有第一进口321、第一出口322、第二进口323及第二出口324；膜加湿器33设有第一膜加湿器进口331、第一膜加湿器出口332、第二膜加湿器进口333及第二膜加湿器出口334。空气压缩机31经螺丝固定在箱体框架1内部的右上侧，空气压缩机31的出气端与中冷器32的第一进口321经管路接通。中冷器32安装在空气压缩机31的下侧，中冷器32经螺丝与箱体框架1固定连接，中冷器32的第一出口322与膜加湿器33的第一膜加湿器进口331经管路接通。膜加湿器33安装在燃料电池电堆2的下侧，膜加湿器33经螺丝与箱体框架1固定连接，膜加湿器33的第一膜加湿器出口332与燃料电池电堆2的空气进口21经管路接通。燃料电池电堆2的空气出口22经管路与膜加湿器33的第二膜加湿器进口333经管路接通，膜加湿器33的第二膜加湿器出口334与背压阀34经管路接通。背压阀34安装在中冷器32的后侧，背压阀34经螺丝固定在箱体框架1上。背压阀34的出口端连接五通接头，五通接头经管路穿过箱体框架1与挡板11上相应的管路接头12连接。

优选地，空气系统3还包括吹扫进管35及吹扫出管36，吹扫进管35的一端与第二膜加湿器出口334接通，吹扫进管35的另一端与燃料电池电堆2接通；燃料电池电堆2的上端设有三个吹扫出口，吹扫出管36分别与三个吹扫出口接通，吹扫出管36的另一端与背压阀34出口端的五通接头接通。

图5所示，氢气系统4安装在燃料电池电堆2的下侧，氢气系统4分别与设置在燃料电池电堆2上的氢气进口27、氢气出口连通设置。氢气系统4包括氢气进管42及氢气出管43，氢气进管42与燃料电池电堆2的氢气进口27连通设置，氢气出管43与燃料电池电堆2的氢气出口连通设置。

具体的，燃料电池电堆2的氢气出口包括第一氢气出口23及第二氢气出口24，氢气进管42的一端与外侧板41处的连接接头接通，氢气进管42的另一端与燃料电池电堆2的氢气进口27连通设置；氢气出管43的一端设有第一氢气出管431及第二氢气出管432，第一氢气出管431及第二氢气出管432经三通接头与氢气出管43连通设置；燃料电池电堆2的第一氢气出口23与第一氢气出管431连通设置，燃料电池电堆2的第二氢气出口24与第二氢气出管432连通设置，氢气出管43的另一端与缓冲罐接通设置。

优选地，如图5所示，氢气进管42上设有三通接头，三通接头的其中两个端口与氢气进管42连通设置，三通接头的另一端口与氮气吹扫进管47连通设置，氮气吹扫进管47穿过箱体框架1与挡板11上相应的管路接头12连接。氢气进管42上还设有另一个三通接头，另一个三通接头的其中两个端口与氢气进管42连通设置，另一个端口与氢进压力传感器连通设置。氢气出管43上设有三通接头及氢排电磁阀45，三通接头的其中两个端口与氢气出管43连通设置，三通接头的另一端口与氢出压力传感器46连通设置，氢排电磁阀45的进口端经管路与三通接头连通设置，氢排电磁阀45的出口端经管路与缓冲罐接通设置。

图6所示，冷却系统5安装在燃料电池电堆2的下侧及右侧，冷却系统5分别与设置在燃料电池电堆2上的冷却液进口25、冷却液出口26连通设置。冷却系统5包括第一冷却液进管55、第二冷却液进管56、冷启动器51及冷却液出管57，第一冷却液进管55的一端穿过箱体框架1与挡板11上相应的管路接头12连接，第一冷却液进管55的另一端与冷却液进管三通接头的第一端口接通设置；冷却液进管三通接头的第二端口与第二冷却液进管56的一端连通设置，冷却液进管三通接头的第三端口经管路与燃料电池电堆2上的冷却液进口25接通设置。燃料电池电堆2上的冷却液出口26经管路与冷却液出管三通接头的第一端口连通设置，冷却液出管三通接头的第二端口与冷却液出管57接通设置，冷却液出管57的另一端与背压阀34出口端的五通接头接通。第二冷却液进管56的另一端与中冷器32的第二进口323接通设置，中冷器32的第二出口324与冷启动器51的进口端接通设置，冷启动器51的出口端经管路与冷却液出管三通接头的第三端口接通设置。

优选地，如图6所示，第一冷却液进管55设有四通接头，四通接头的第一、第二端口分别与第一冷却液进管55接通设置，四通接头的第三端口与冷却液进压力传感器52适配拧接，四通接头的第四端口与冷却液进温度传感器53适配拧接；冷却液出管57上设有三通接头，三通接头的第一、第二端口分别与冷却液出管57接通设置，三通接头的第三端口与冷却液出温度传感器54适配拧接。

当要求某结构模块化(箱体式，框架式)设计集成的体积不超出预先设计给出的包络空间，就需要对模块化包含的结构件中各零部件的截面尺寸，结构外形尺寸进行优化，这个优化过程包括采购件的选型，对加工制造件和辅助零部件(支架，管路，螺钉，联接方式等的优化)找出优化设计方案和布局方案，从而提高模块化设计功能模块的集成度。

当模块化设计(箱体式，框架式)集成功能模块内的各零部件截面尺寸，外形尺寸确定时，优化出合理的布置方案，辅助件的设计，选择联接方式等进行尽优化，尽可能提高结构模块化设计的功能模块的集成度，从而尽量缩小功能模块的体积。

燃料电池汽车发动机进行模块化设计的过程中，提高模块化设计集成度难点在于：燃料电池汽车行业目前发展还处于研发探索阶段，很多功能采购件(零部件和元器件)并不是用于燃料电池汽车行业，甚至几乎国内没有，对设计功能选型，优化布置造成很大的难度。

模块化高集成度设计布局的理念是：对采购件提出要求，首先要满足设计功能要求，外形截面尺寸和形状尺寸易于安装联接，拆卸和维护保养。制造加工件的设计在满足功能的情况下，尽可能易于安装和拆卸，方便布局。

辅助件主要包括安装支架，管路，接头，联接电线路等。辅助支架的设计安装便于安装拆卸时尽可能提高集成度。

联接方式包括可拆卸的螺栓联接，喉箍联接，插件联接，不可拆卸的焊接等形式，联接形式根据优化布局的理念进行选择。

模块化设计提高集成度难点在于：一方面尽可能缩小功能模块的体积，提高结构模块化集成度；另一方面需要优化安装和拆卸工艺，这样对工艺工装也提出较高要求，需要合适或者专用的安装辅助夹具，工具，以便于安装，拆卸和维修。

为了尽可能提高设计功能模块的集成度，主要运用了三维模型的参数化设计，运动仿真以及积累的设计安装经验。

应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种燃料电池发动机结构，其特征在于，包括：

燃料电池电堆，所述燃料电池电堆可拆卸固定在箱体框架的上端，燃料电池电堆放置在框架中两根承重梁上，电堆顶部两侧伸出支架与框架固定螺栓连接；

空气系统，所述空气系统包括空气压缩机、中冷器、膜加湿器及背压阀，其中，所述空气压缩机设置在所述燃料电池电堆的一端侧，所述空气压缩机与所述中冷器连通设置；所述中冷器与所述背压阀并排设置在所述空气压缩机的下侧，所述中冷器与所述膜加湿器连通设置；所述膜加湿器设置在所述燃料电池电堆的下侧，所述膜加湿器包括第一、第二接入口及第一、第二接出口，所述第一接入口与所述中冷器连通，所述第一接出口与所述燃料电池电堆的空气进口连通，所述第二接入口与所述燃料电池电堆的空气出口连通，所述第二接出口与所述背压阀连通设置；

氢气系统，所述氢气系统设置在所述中冷器的上侧，所述氢气系统分别与设置在所述燃料电池电堆上的氢气进口、氢气出口连通设置；

冷却系统，所述冷却系统设置在远离所述燃料电池电堆的一侧，所述冷却系统分别与设置在所述燃料电池电堆上的冷却液进口、冷却液出口连通设置。

2.根据权利要求1所述的燃料电池发动机结构，其特征在于：

所述空气进、出口，所述氢气进、出口及所述冷却液进、出口均设置在所述燃料电池电堆的下侧；

所述膜加湿器设置在所述箱体框架的底板上，所述膜加湿器设置在所述燃料电池电堆下方；

所述空气压缩机可拆卸固定在所述箱体框架的侧壁上，所述空气压缩机位于远离所述燃料电池电堆的一侧；

所述中冷器设置在所述箱体框架的底板上，所述中冷器位于所述空气压缩机的下侧；

所述背压阀设置在所述中冷器的一端侧，所述背压阀位于所述空气压缩机的下侧。

3.根据权利要求2所述的燃料电池发动机结构，其特征在于：

所述第一接入口设置在膜加湿器一侧壁的端部，所述第一接出口设置在所述膜加湿器一侧壁的另一端部，所述第二接入口设置在膜加湿器相对一侧壁的端部，所述第二接出口设置在膜加湿器相对一侧壁的另一端部。

4.根据权利要求3所述的燃料电池发动机结构，其特征在于：

所述空气系统还包括吹扫进管及吹扫出管，所述吹扫进管设置在燃料电池电堆底端，所述吹扫出管设置在所述燃料电池电堆的顶端，所述吹扫进管的一端与空气进管连通设置，所述吹扫进管的另一端与所述燃料电池电堆连通设置；所述吹扫出管的一端与所述燃料电池电堆连通设置，所述吹扫出管的另一端与空气出管连通设置。

5.根据权利要求1所述的燃料电池发动机结构，其特征在于：

所述氢气系统包括氢气进管、氢排电磁阀及氢气出管，所述氢气进管与所述燃料电池电堆的氢气进口连通设置，所述氢排电磁阀联通在所述氢气出管上，所述氢气出管与所述燃料电池电堆的氢气出口连通设置。

6.根据权利要求5所述的燃料电池发动机结构，其特征在于：

所述氢气进管上设有氢进压力传感器，所述氢进压力传感器经三通接头与所述氢气进管连通设置；

所述氢气出管上连通设置有氢排电磁阀，所述氢气出管与缓冲罐接通设置。

7.根据权利要求6所述的燃料电池发动机结构，其特征在于：

所述氢气出口包括第一氢气出口及第二氢气出口，所述第一氢气出口及所述第二氢气出口分别与所述燃料电池电堆的氢气出管连通设置。

8.根据权利要求1所述的燃料电池发动机结构，其特征在于：

所述冷却系统包括第一冷却液进管、第二冷却液进管、冷启动器及冷却液出管，所述第一冷却液进管与所述燃料电池电堆连通设置，所述燃料电池电堆与所述冷却液出管连通设置；

所述第二冷却液进管与所述中冷器连通设置，所述中冷器与所述冷启动器连通设置，所述冷启动器与所述冷却液出管连通设置。

9.根据权利要求8所述的燃料电池发动机结构，其特征在于：

所述第一冷却液进管上设有冷却液进压力传感器及冷却液进温度传感器，所述冷却液进压力传感器与所述冷却液进管连通设置，所述冷却液进温度传感器与所述冷却液进管连通设置；

所述第一冷却液出管上设有冷却液出温度传感器，所述冷却液出温度传感器与所述冷却液出管连通设置。

10.根据权利要求1所述的燃料电池发动机结构，其特征在于：

所述箱体框架的外侧设有挡板，所述挡板将所述箱体框架围设成密闭的箱体，所述挡板上设有多个管路接头，多个所述管路接头与内部管路适配连接。

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