CN210325994U - 一种燃料电池发动机系统总成 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种燃料电池发动机系统总成，包括支撑框架、封装箱、电堆组件、空气进气总成、氢气进气总成、水系统总成，所述支撑框架底部设有吊装耳，支撑框架将封装箱、空气进气总成、氢气进气总成、水系统总成分为多层，所述封装箱固设于支撑框架顶层，封装箱内设有电堆组件，封装箱侧壁开设有孔，所述空气进气总成、氢气进气总成、水系统总成位于封装箱下方，固设于支撑框架上，并分别与电堆组件连接。整个燃料电池发动系统外部零部件的合理化布局、系统结构件强度的合理设计、系统空气、氢气、水、电等多相流的合理分配以及发动机系统外部辅助部件的合理布局，使得车辆能够稳定可靠的运行，提高了新能源的利用效率。

Description

一种燃料电池发动机系统总成

技术领域

本实用新型涉及车用新能源氢燃料电池发动机领域，具体涉及一种燃料电池发动机系统总成。

背景技术

随着全球温室效应的不断升高，可替代化石燃料的新型能源开发极为关键。氢能源被称为二十一世纪的终极能源，其参与的化学能量转化过程无任何污染物排放。应用于中、重型商用卡车及物流车的氢燃料电池发动机系统为能源开发利用提供了非常便利条件。能够大大减少温室气体的排放和化石燃料的刚性需求。

现有技术中可应用的燃料电池发动机系统普遍存在功率输出较少，系统集成度较低，在车载运行条件下，难以满足稳定可靠的输出和的与整车进行密切结合。

实用新型内容

本实用新型提供一种燃料电池发动机系统总成，系统集成度较高，且系统输出功率能够满足中、大型及重型卡车的动力输出需求，有效减少发动机系统占用空间，同时提高了新能源的利用效率。

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案实现：

一种燃料电池发动机系统总成，包括支撑框架、封装箱、电堆组件、空气进气总成、氢气进气总成、水系统总成；所述支撑框架底部设有吊装耳，支撑框架将封装箱、空气进气总成、氢气进气总成、水系统总成分为多层；

所述封装箱设于支撑框架顶层，包括壳体和设于壳体外侧的镂空支架，封装箱内设有电堆组件，所述壳体上设有盖板，壳体侧壁设置有多个用于电堆组件与其它部件对接的接口，壳体的开口及接口处分别采用橡胶圈密封，所述镂空支架上设有固定耳；

所述空气进气总成、氢气进气总成、水系统总成位于封装箱下方，并分别与电堆组件连接，其中水系统总成包括有PTC组件和去离子组件，所述PTC组件用于燃料电池发动机系统的低温启动，所述去离子组件用于去除发动机内部产生的离子；

所述封装箱、空气进气总成、氢气进气总成、水系统总成分别通过螺栓组件可拆卸地固定于所述支撑框架。

作为上述方案的优选，所述封装箱内还设有进气歧管组件、电器组件、传感器组件，所述电堆组件包括多个电堆，对称设于封装箱内部两侧，所述进气歧管组件和电器组件设于多个电堆之间，进气歧管组件与电堆连通，传感器组件设于电堆入口处。

作为上述方案的优选，所述传感器组件包括温度传感器和压力传感器。

作为上述方案的优选，所述进气歧管组件包括进口分配腔体和出口分配腔体，分别位于封装箱的两端，进口分配腔体的入口延伸至封装箱外，出口与电堆连通，出口分配腔体的入口与电堆连通，出口延伸至封装箱外。

作为上述方案的优选，所述空气进气总成包括依次相连的空压机组件、中冷器组件、增湿器组件、空气尾排组件，所述空压机组件固设于封装箱外壁一侧，空压机组件上设有空气流量计，增湿器组件的出气口与进口分配腔体的入口连通，增湿器组件的进气口与出口分配腔体的出口连通。

作为上述方案的优选，所述氢气进气总成包括依次连接的氢气进气组件、换热组件、氢气排出组件、氢气分水组件、氢气循环组件，所述换热组件和氢气循环组件与进口分配腔体的入口连通，所述氢气排出组件与出口分配腔体的出口连通。

作为上述方案的优选，所述水系统总成还包括水泵、水箱，所述水泵的进水口分别与水箱、氢气分水组件及出口分配腔体相连接，水泵的出水口与PTC组件连接，所述水箱的进口与出口分配腔体的出口连通，所述PTC组件分别通过电堆组件、换热组件和去离子组件与水泵形成三条循环水路。

作为上述方案的优选，所述水泵与PTC组件之间依次设有散热组件和水虑组件，散热组件与水箱连接，散热组件进水管道上设有调温装置和温度控制阀。

由于具有上述结构，本实用新型的有益效果在于：

1、本申请针对于中、重型商用卡车及大型物流车对新能源发动机的需求，提供一种燃料电池发动机系统总成，该技术通过燃料电池发动机系统将氢气能源转化为电能输出，电能通过升压DCDC输出给整车驱动部分，实现车辆的稳定可靠运行。该技术解决了多种燃油车辆对油料的消耗问题，使得中、重型及大型卡车及物流车可以采用氢气能源作为驱动燃料，降低了对大气环境的污染，提高了新能源的利用效率。

2、该系统总成考虑到了整车设计的硬件约束，使空气系统、水系统、氢气系统走向合理流畅、且各元件易于维护和拆卸。整个燃料电池发动系统外部零部件的合理化布局、系统结构件强度的合理设计、系统空气、氢气、水、电等多相流的合理分配以及发动机系统外部辅助部件的合理布局，使得车辆能够稳定可靠的运行，提高了新能源的利用效率。

3、电堆用薄壁钣金件进行整体密封焊接，且上盖开口处及管路过墙部分采用密封胶圈及发泡硅胶实现防水、防尘密封；并在钣金件外侧配合镂空的铝合金结构件进行支撑处理，以保证系统的结构抗震强度及稳定性。二者合理组合实现了内部密封处理，外部结构件实现强度支撑，在保护电堆及电器组件的同时减少了材料浪费，降低加工成本，提高系统集成度，减少系统质量，功率密度显著提高。

4、PTC加热组件的增加有效解决了燃料电池车载环境下的低温启动，去离子组件的设置，保证系统的电绝缘性能。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1、图2为本实用新型的整体装配立体示意图；

图3为本实用新型的整体结构主视图；

图4为本实用新型的整体结构左视图；

图5为本实用新型的整体结构右视图；

图6为本实用新型的整体结构仰视图；

图7为本实用新型进气歧管组件的结构示意图；

图8为本实用新型封装箱的结构示意图；

图9为本实用新型的系统工作原理图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型的附图，对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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至图9所示，本实施例提供一种燃料电池发动机系统总成，包括支撑框架1、封装箱2、电堆组件3、空气进气总成4、氢气进气总成5、水系统总成6，所述支撑框架 1底部设有吊装耳11，该系统总成通过支撑框架1实现与整车之间的连接及紧固，同时支撑框架1也对燃料电池的总体进行保护，防止因外部碰撞损坏发动机系统部件。封装箱2、空气进气总成4、氢气进气总成5、水系统总成6分别通过螺栓组件可拆卸地固定于所述支撑框架1，支撑框架1将封装箱2、空气进气总成4、氢气进气总成5、水系统总成6分为多层。所述封装箱2固设于支撑框架1顶层，封装箱2侧壁开设有孔，电堆的正极输出线31、负极输出线32均从孔中穿出，所述空气进气总成4、氢气进气总成5、水系统总成 6位于封装箱2下方，固设于支撑框架1上，并分别与电堆组件3连接。

所述封装箱2包括壳体21和设于壳体21外侧的镂空支架22，所述壳体21采用薄壁钣金件密封焊接而成，壳体21上设有盖板，壳体21侧壁设置有多个用于电堆组件3与其它部件对接的接口，壳体21的上盖开口处及管路过墙部分(接口处)分别采用橡胶圈及发泡硅胶实现防水、防尘、密封，所述镂空支架22为铝合金结构件，对壳体21进行支撑，保证了封装箱2的结构抗震强度及稳定性，镂空支架22上设有固定耳221。壳体21与镂空支架22的合理组合实现了内部密封处理，外部强度支撑，各自功能分配合理，减少了材料浪费，降低了加工成本，提高了系统集成度，减少了系统质量，功率密度具有显著的提高。

封装箱2内设有电堆组件3、进气歧管组件7、电器组件8、传感器组件(图中未显示)，所述电堆组件3包括有多个电堆，对称设于封装箱2内部两侧，本实施例中，电堆有两个；所述进气歧管组件7和电器组件设于两个电堆之间，进气歧管组件7与电堆连通；传感器组件设于电堆入口处，包括温度传感器和压力传感器。

所述进气歧管组件7包括进口分配腔体和出口分配腔体，分别位于封装箱2的两端，进口分配腔体和出口分配腔体均包括空气分配腔71、氢气分配腔72及冷却液分配腔73这三个主腔体，和多根设于主腔体上的分流管74，其中每个腔体上连接的分流管74数量及电池堆数量相同，分流管74的末端固定有法兰75，通过法兰75与封装箱2固定，法兰上设有与分流管对应的通孔。进口分配腔体的三个主腔体的端口作为入口(空气腔进口711、氢气腔进口721、冷却液腔进口731)延伸至封装箱2外，分别与空气、氢气及冷却液的进料管路连通，进口分配腔体上多根分流管74的端口作为出口(空气出口712、氢气出口 722、冷却液出口732)分别与电堆连通，用于将空气、氢气及冷却液输送至电堆内。出口分配腔体上的入口端和出口端刚好与进口分配腔体上的发过来，多根分流管74的端口作为入口分别与电堆连通，出口分配腔体的三个主腔体的的端口作为出口延伸至封装箱2外，用于将电堆内反应后的流体输出。

所述空气进气总成4包括依次相连的空压机组件41、中冷器组件42、增湿器组件43、空气尾排组件44(尾排节气门、消音器)，所述空压机组件41固设于封装箱2外壁一侧，空压机组件上设有空气流量计45，增湿器组件43的出气口与进口分配腔体71中空气分配腔71的入口连通，增湿器组件43的进气口与出口分配腔体72中空气分配腔71的出口连通。空气由空压机进入，依次经过增压、冷却、加湿后进入电堆，与电堆中的氢气进行电化学反应，反应后从电堆输出的空气经加湿、调压、消音后排出到外界。

所述氢气进气总成5包括依次连接的氢气进气组件51、换热组件52、氢气排出组件53、氢气分水组件54、氢气循环组件55，所述氢气进气组件51包括进气电磁阀组件(氢气流量控制阀、通断阀)，所述换热组件52和氢气循环组件55与进口分配腔体中氢气分配腔72的入口连通，所述氢气排出组件53与出口分配腔体中氢气分配腔72的出口连通。运行过程中，氢气由车载氢气瓶供气，经过多级气体减压至燃料电池可接受范围，通过氢气流量控制阀、通断阀、换热组件52、进口分配腔体进入电堆，与进行电化学反应。反应过程中，阳极氢气在催化剂的作用下产生质子和电子，质子通过膜与阴极氧结合产生水，水通过出口分配腔体中冷却液分配腔73的出口排出，进入水泵61和/或水箱62中，循环利用；反应后的氢水混合物通过氢气排出组件53进入氢气分水组件54，通过氢气分水组件54进行汽水分离，分离出来的水进入水泵61和/或水箱62中，分离出来的氢气经氢气循环组件55回流循环到电堆内部二次反应，进而提高氢气的利用率，同时也会对阳极进行增湿，提高阳极反应效率。反应过程中产生的热量由电堆内部双极板内的冷却流体带出反应电堆外部。

所述水系统总成6包括水泵61、水箱62、PTC组件63、去离子组件64、散热组件65 和水虑组件66，所述水泵61的进水口分别与水箱62、氢气分水组件54及出口分配腔体 72相连接，水泵61的出水口与PTC组件63连接，所述水泵61与PTC组件63之间依次设有散热组件65和水虑组件66，散热组件65进水管道上设有调温装置67和温度控制阀68，所述水箱62的进口分别与散热组件65和出口分配腔体72中冷却液分配腔73的出口连通，所述PTC组件63分别通过电堆组件3、换热组件52和去离子组件64与水泵61形成三条循环水路。其中，水虑组件66用于过滤系统循环水，其过滤直径为100μm，用以防止循环水内部有橡胶产品脱落进入到系统内部，对系统内部孔隙流道产生阻塞。

为了保证系统的电绝缘性能，系统总成中设置了去离子组件64，用以去除发动机内部产生的离子，降低循环水的电导率。系统内部的循环冷却液为低离子浓度的液体，在运行过程中，可以配合使用离子数据采集装置，实现对发动机内部的液体电导率检测。

在电堆处于低温情况下，为了提高反应的效率及催化剂的活性，需要尽快升温，电堆的温度控制采用小循环(不开启散热器组件)来实现，水泵直接与电堆组件形成循环水路，同时，采用外部供电方式，开启加热PTC组件63对电堆内部的循环水进行辅助加热，短时间提高系统整体温度，进而达到系统运行温度，实现发动机系统的稳定性能输出。系统温度达到预定温度后，采用大循环(即开启散热器组件)来实现温度控制，启动散热组件 65，水泵与散热器组件、电堆组件共同形成循环水路，水量大、散热快。为了精确采集发动机系统的各处温度，对电堆进水接口、出水接口布置多处温度传感器装置，温度传感器与散热装置的合理配合，能够实现温度控制的闭环处理，使得在燃料电池运行过程中，进入发动机系统的温度变化差距能够得到严格的控制，进而提高发动机系统的耐久性。

本实施例中，为了提高发动机输出功率，对冷却水的流量及压力要求也相对较高，因此系统无法实现发动机内置小型循环水泵，本设计采用外部悬挂循环水泵及水泵控制器(后期车载状态单独实现循环)。为了保证发动机各处水循环顺畅、冷却效率高，在燃料电池发动机水循环系统各处部件均预留排空气接口，通过排空气接口小管，实现水中空气团的排除；同时，为了便于系统内部的冷却液更换及放空，在冷却循环水管路最低处设计预留放空水阀。

燃料电池车载环境下的低温启动是目前行业内技术难度较大的问题，在本套系统中，各处低温相关器件，都需要进行低温启动的防护处理，流体管路需要进行保温防护处理，部分关键零部件为了解决低温问题，通过防冻冷却液加热循环换热实现低温启动。本实施例中，增加了PTC加热组件，有效解决了这一问题，同时为了实现极限条件下的低温启动，不同设计及测试阶段的燃料电池发动机都需要进行低温环境仓实验，用来验证极限条件下的低温启动问题。

涉及到电路和电子元器件均为现有技术，本领域技术人员完全可以实现，无需赘言，本实用新型保护的内容也不涉及对于软件和方法的改进。

以上仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种燃料电池发动机系统总成，其特征在于：包括支撑框架、封装箱、电堆组件、空气进气总成、氢气进气总成、水系统总成；所述支撑框架底部设有吊装耳，支撑框架将封装箱、空气进气总成、氢气进气总成、水系统总成分为多层；

所述封装箱设于支撑框架顶层，包括壳体和设于壳体外侧的镂空支架，封装箱内设有电堆组件，所述壳体上设有盖板，壳体侧壁设置有多个用于电堆组件与其它部件对接的接口，壳体的开口及接口处分别采用橡胶圈密封，所述镂空支架上设有固定耳；

所述空气进气总成、氢气进气总成、水系统总成位于封装箱下方，并分别与电堆组件连接，其中水系统总成包括有PTC组件和去离子组件，所述PTC组件用于燃料电池发动机系统的低温启动，所述去离子组件用于去除发动机内部产生的离子；

所述封装箱、空气进气总成、氢气进气总成、水系统总成分别通过螺栓组件可拆卸地固定于所述支撑框架。

2.根据权利要求1所述的燃料电池发动机系统总成，其特征在于：所述封装箱内还设有进气歧管组件、电器组件、传感器组件，所述电堆组件包括多个电堆，对称设于封装箱内部两侧，所述进气歧管组件和电器组件设于多个电堆之间，进气歧管组件与电堆连通，传感器组件设于电堆入口处。

3.根据权利要求2所述的燃料电池发动机系统总成，其特征在于：所述传感器组件包括温度传感器和压力传感器。

4.根据权利要求2所述的燃料电池发动机系统总成，其特征在于：所述进气歧管组件包括进口分配腔体和出口分配腔体，分别位于封装箱的两端，进口分配腔体的入口延伸至封装箱外，出口与电堆连通，出口分配腔体的入口与电堆连通，出口延伸至封装箱外。

5.根据权利要求4所述的燃料电池发动机系统总成，其特征在于：所述空气进气总成包括依次相连的空压机组件、中冷器组件、增湿器组件、空气尾排组件，所述空压机组件固设于封装箱外壁一侧，空压机组件上设有空气流量计，增湿器组件的出气口与进口分配腔体的入口连通，增湿器组件的进气口与出口分配腔体的出口连通。

6.根据权利要求4所述的燃料电池发动机系统总成，其特征在于：所述氢气进气总成包括依次连接的氢气进气组件、换热组件、氢气排出组件、氢气分水组件、氢气循环组件，所述换热组件和氢气循环组件与进口分配腔体的入口连通，所述氢气排出组件与出口分配腔体的出口连通。

7.根据权利要求6所述的燃料电池发动机系统总成，其特征在于：所述水系统总成还包括水泵、水箱，所述水泵的进水口分别与水箱、氢气分水组件及出口分配腔体相连接，水泵的出水口与PTC组件连接，所述水箱的进口与出口分配腔体的出口连通，所述PTC组件分别通过电堆组件、换热组件和去离子组件与水泵形成三条循环水路。

8.根据权利要求7所述的燃料电池发动机系统总成，其特征在于：所述水泵与PTC组件之间依次设有散热组件和水虑组件，散热组件与水箱连接，散热组件进水管道上设有调温装置和温度控制阀。

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