CN211088415U - 一种燃料电池发动机总成 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于发动机技术领域，公开了一种燃料电池发动机总成。所述燃料电池发动机总成包括：承载板；燃料电池系统，其可拆卸连接于承载板的一侧，燃料电池系统包括电堆及环绕电堆设置的DCDC转换器、空压机控制器、空压机及供氢回氢组件，空压机设置于电堆的前侧，供氢回氢组件设置于电堆的后侧，DCDC转换器和空压机控制器设置于电堆的上方，DCDC转换器分别电连接于电堆和空压机控制器，空压机控制器控制空压机通入电堆的空气量，供氢回氢组件用于向电堆通入氢气；驱动系统，其可拆卸连接于承载板的另一侧，驱动系统与燃料电池系统为分体式结构。燃料电池发动机总成将各个零部件高度集成固定在承载板上，质量轻、体积小。

Description

一种燃料电池发动机总成

技术领域

本实用新型涉及发动机技术领域，尤其涉及一种燃料电池发动机总成。

背景技术

燃料电池发动机是一种将燃料和氧化剂的化学能通过化学反应，转化为电能的过程，该过程涉及的能量转换效率高，转化过程中的唯一产物是水，属于环境友好型动力装置，该装置被称为终极能源。车用燃料电池发动机总成具有效能高、噪声低及振动幅度小等优点。近几年来随着燃料电池技术的不断发展再总成集成方面有了明显的提高，致使发动机的功率密度比可以和传统燃油发动机相比，部分集成性较高的燃料电池发动机功率密度比已经远远超越传动燃油发动机。

目前燃料电池由于受到各种定型化的成品件制约，多数发动机的氢气、空气、水路、电路预留接口位置时只考虑接口统一化、平台化，未考虑实际装车的方便性，使发动机总成比较分散，在装车布局过程中占据空间较大，布置形式不利于乘用车整车装配，导致发动机总成集成性很差。另外，部分框架结构设计框架本身占用空间较大，使关键零部件布置空间缩小，给某些零部件定制开发带来困难，生产成本较高。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种燃料电池发动机总成，缩小整体体积，降低整体质量，并满足乘用车机舱布置要求。

为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种燃料电池发动机总成，包括：

承载板；

燃料电池系统，其可拆卸连接于所述承载板的一侧，所述燃料电池系统包括电堆及环绕所述电堆设置的DCDC转换器、空压机控制器、空压机及供氢回氢组件，所述空压机设置于所述电堆的前侧，所述供氢回氢组件设置于所述电堆的后侧，所述DCDC转换器和所述空压机控制器设置于所述电堆的上方，所述DCDC转换器分别电连接于所述电堆和所述空压机控制器，所述空压机控制器控制所述空压机通入所述电堆的空气量，所述供氢回氢组件用于向所述电堆通入氢气；

驱动系统，其可拆卸连接于所述承载板的另一侧，所述驱动系统与所述燃料电池系统为分体式结构。

作为优选，所述燃料电池系统还包括FCU总控制器、CVM巡检子板，所述FCU总控制器设置于所述电堆的后侧并电连接于所述空压机控制器，所述CVM巡检子板设置于所述电堆的后侧并位于所述FCU总控制器的一侧，所述CVM巡检子板与所述电堆的每片单堆相电连接，用于检测每片所述单堆的电压。

作为优选，所述燃料电池发动机总成还包括冷却系统，所述冷却系统包括：

水泵,其安装于所述驱动系统的一侧；

PTC发热器，其设置于所述承载板上并连通于所述水泵，所述PTC发热器用于所述电堆冷启动加热，以及驾驶室暖风芯体加热。

作为优选，在所述DCDC转换器上设置有第一接口、第二接口及第三接口，所述第一接口连接于所述水泵，所述第二接口连接于所述空压机控制器，所述第三接口连接于所述驱动系统的电机，在所述DCDC转换器上设置有高压保护罩，所述高压保护罩用于罩设所述第一接口、所述第二接口及所述第三接口。

作为优选，燃料电池系统还包括：

中冷器，其设置于所述承载板的前侧并连通于所述空压机；

增湿器，其位于所述承载板的下方并设置在所述驱动系统的一侧，所述增湿器的一端连通于所述中冷器，另一端连通于所述电堆。

作为优选，所述承载板包括：

承载本体，其用于承载所述电堆；

加强梁，其位于所述增湿器的上方，所述加强梁的一端设置于所述承载本体的一侧，另一端连接于车身纵梁，所述加强梁的顶部承载并连接于所述空压机控制器。

作为优选，所述加强梁的数量为两个，两个所述加强梁平行间隔设置，在所述承载本体的一侧还设置有承载支架，所述承载支架连接于所述车身纵梁。

作为优选，在所述承载本体上开设有避让孔和避让槽，所述电堆的高压电机穿过所述避让孔，所述避让槽用于避让所述空压机的叶轮。

作为优选，在所述承载本体的底部设置有相互垂直设置的横向加强筋和纵向加强筋。

作为优选，所述DCDC转换器通过DCDC支架安装于所述承载板上，所述DCDC支架连接于前端框架。

本实用新型的有益效果：

本实用新型提供的燃料电池发动机总成，燃料电池系统和驱动系统两者采用分体式结构，质量降低，取消燃料电池发动机悬置。通过设置承载板的一侧可拆卸连接于燃料电池系统，承载板的另一侧可拆卸连接于驱动系统，承载板设置于燃料电池系统和驱动系统二者之间，承载板用于承接和支撑，整体牢固稳定并可以通过CAE强度分析和模态分析。各个零部件高度集成固定在承载板上，具有质量轻、体积小等优点，满足轿车前机舱搭载。

将DCDC转换器、空压机控制器、空压机及供氢回氢组件环绕电堆设置，以电堆为中心，易于连接DCDC转换器、空压机控制器、空压机及供氢回氢组件等与空气、氢气、水及电相关的各项附件。空压机设置于电堆的前侧，便于通入空气；供氢回氢组件设置于电堆的后侧，便于通入氢气；DCDC转换器和空压机控制器设置于电堆的上方，DCDC转换器分别电连接于电堆和空压机控制器，缩短线束连接，容易进行安装和维修。

附图说明

图1是本实用新型燃料电池发动机总成的局部爆炸示意图；

图2是本实用新型燃料电池发动机总成一个视角的结构示意图；

图3是本实用新型燃料电池发动机总成另一个视角的结构示意图；

图4是本实用新型燃料电池发动机总成的承载板一个视角的结构示意图；

图5是本实用新型燃料电池发动机总成的承载板另一个视角的结构示意图。

图中：

1、承载板；2、燃料电池系统；3、驱动系统；4、冷却系统；

11、承载本体；12、加强梁；13、承载支架；14、横向加强筋；15、纵向加强筋；

111、避让孔；112、避让槽；

21、电堆；22、DCDC转换器；23、空压机控制器；24、空压机；25、供氢回氢组件；26、FCU总控制器；27、CVM巡检子板；28、中冷器；29、增湿器；

41、水泵；42、PTC发热器；43、膨胀水壶。

具体实施方式

为使本实用新型解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。

本实施例提供了一种燃料电池发动机总成，用于新能源汽车技术领域，满足轿车前机舱搭载。如图1所示，该燃料电池发动机总成包括：承载板1、燃料电池系统2和驱动系统3，燃料电池系统2和驱动系统3为分体式结构，承载板1设置于燃料电池系统2和驱动系统3之间，起到了承接和支撑的作用。燃料电池系统2位于承载板1的上方，驱动系统3位于承载板1的下方，使得承载板1的两侧分别可拆卸连接于燃料电池系统2和驱动系统3。

其中，如图2-3所示，燃料电池系统2包括电堆21及环绕电堆21设置的DCDC转换器22、空压机控制器23、空压机24及供氢回氢组件25，空压机24设置于电堆21的前侧，供氢回氢组件25设置于电堆21的后侧，DCDC转换器22和空压机控制器23设置于电堆21的上方，DCDC转换器22分别电连接于电堆21和空压机控制器23，空压机控制器23控制空压机24通入电堆21的空气量，供氢回氢组件25用于向电堆21通入氢气。

在电堆21内部，在氢气作为燃料和空气作为氧化剂的共同作用下，燃烧产生的化学能通过化学反应转化为电能，产生的电能直接为驱动系统3提供动力能源，以驱动车轮进行行驶。同时，电堆21产生的电能可以直接用于空压机控制器23，空压机控制器23可以调节空压机24的进气量，从而实现对电堆21中所需空气量的调节。

本实施例提供的燃料电池发动机总成，燃料电池系统2和驱动系统3两者采用分体式结构，质量降低，取消燃料电池发动机悬置。通过设置承载板1的一侧可拆卸连接于燃料电池系统2，承载板1的另一侧可拆卸连接于驱动系统3，承载板1设置于燃料电池系统2和驱动系统3二者之间，承载板1用于承接和支撑，整体牢固稳定并可以通过CAE强度分析和模态分析。各个零部件高度集成固定在承载板1上，具有质量轻、体积小等优点，满足轿车前机舱搭载。

将DCDC转换器22、空压机控制器23、空压机24及供氢回氢组件25环绕电堆21设置，以电堆21为中心，易于连接DCDC转换器22、空压机控制器23、空压机24及供氢回氢组件25等与空气、氢气、水及电相关的各项附件。空压机24设置于电堆21的前侧，便于通入空气；供氢回氢组件25设置于电堆21的后侧，便于通入氢气；DCDC转换器22和空压机控制器23设置于电堆21的上方，DCDC转换器22分别电连接于电堆21和空压机控制器23，缩短线束连接，容易进行安装和维修。

进一步地，燃料电池系统2还包括封装壳体，封装壳体采用铝材质制成，重量较轻，满足轻量化的要求。封装壳体罩设于电堆21上并可拆卸连接于承载板1，封装壳体起到了对电堆21保护的作用，具有防尘、密封的作用。

进一步地，供氢回氢组件25设置于封装壳体后侧，供氢回氢组件25与电堆21的氢气进出口通过管路相连接，距离整车储氢系统距离较近，方便整车储氢系统通过管路输送氢气，从而便于对电堆21通入氢气。

进一步地，空气滤清器通过滤清器支架固定在承载板1上，通过空气管路与空压机24空气入口相连接，空气滤清器起到了对进入空压机24内的空气过滤的作用，减少杂质和粉尘。空气滤清器与前进气格栅距离较近，高度一致，方便空气管路连接。空压机24设置于电堆21的前侧，空压机24通过空压机支架固定在承载板1上，可沿轴向旋转增加进气管路调整角度，并适应前机舱空间。空压机24与前进气格栅和空气过滤器距离较近，高度一致，方便进气管路连接。可选地，在空压机24上设置有隔振垫，起到了隔离、减振的作用。

可以预计的是，各个管路的长度尽量缩短，各个管路的内径在出现变化时，管路采用圆弧进行过渡，以达到减少流阻的目的。同时，各个管路多布置于燃料电池系统2的下方，外围露出管路少，整体美观、协调。

为了保证电堆21能够达到较佳的燃烧效果，燃料电池发动机总成还包括：中冷器28和增湿器29，中冷器28设置于承载板1的前侧并连通于空压机24，中冷器28设置于空压机24和增湿器29之间，中冷器28用于对从空压机24的加压空气进行冷却，避免空气温度过高而影响燃烧效果。增湿器29位于承载板1的下方并设置在驱动系统3的一侧，增湿器29的一端连通于中冷器28，另一端连通于电堆21，增湿器29保证进入电堆21内的空气具有一定的湿度，同时，电堆21反应产生的产物水可以直接回流至增湿器29内，实现循环利用。

进一步地，电堆21产生的电能通过DCDC转换器22进行直流电转换，实现高压电保护，DCDC转换器22通过四个转换器支架分别固定在电堆21的封装壳体的上方和空压机支架上，并将燃料电池发动机低压配电盒和FCU总控制器26固定在DCDC转换器22的后壳体上，方便打开前机舱盖维修和养护。

可选地，在DCDC转换器22上设置有第一接口、第二接口及第三接口，第一接口连接于水泵41，第二接口连接于空压机控制器23，第三接口连接于驱动系统3的电机。在DCDC转换器22上设置有高压保护罩，高压保护罩用于罩设第一接口、第二接口及第三接口。由于DCDC转换器22位于前侧，当汽车发生正面碰撞过程时，采用保护罩式的高压保护罩，第一接口、第二接口及第三接口等高压部件利用这种碰撞安全设计，避免碰撞引起火灾，安全系数较高。

为了便于对电堆21及时进行监测，燃料电池系统2还包括FCU总控制器26、CVM巡检子板27，FCU总控制器26设置于电堆21的后侧并电连接于空压机控制器23，FCU总控制器26和低压配电盒距离较近，方便线束连接。CVM巡检子板27设置于电堆21的后侧并位于FCU总控制器26的一侧，CVM巡检子板27与电堆21的每片单堆相电连接，用于检测每片单堆的电压，以及时发现电堆21中每个电堆21的运行状况。

由于电堆21在工作过程中会产生大量的热量，为了避免高温热量对电堆21的损坏，该燃料电池发动机总成还包括冷却系统4，冷却系统4包括：水泵41、PTC发热器42、循环管路及膨胀水壶43，水泵41具体为高压水泵41，水泵41通过水泵支架安装于驱动系统3的一侧，循环管路一端连通于水泵41，另一端连通于膨胀水壶43，膨胀水壶43用于补偿冷却液，循环管路环设于电堆21的周围，循环管路内的冷却液用于对电堆21进行冷却。PTC发热器42设置于承载板1上并连通于水泵41，PTC发热器42用于电堆21冷启动加热，以及驾驶室暖风芯体加热。PTC发热器42可以利用余热进行加热，可实现电堆21余热重新利用，供给驾驶室暖风使用。采用这种设置，冷却系统4可以满足在高温冷却和低温加热的双重目的。

如图4-5所示，承载板1为大约5mm厚的钢板，承载板1包括承载本体11和加强梁12，承载本体11用于承载电堆21，电堆21四周由封装壳体进行封装，并封装壳体通过螺栓固定在承载板1的承载本体11上，使得电堆21处于整个燃料电池发动机中心位置，辐射多个方向，方便与供氢回氢组件25、空压机24及冷却系统4相连接。

在承载本体11的一侧设置有加强梁12，加强梁12位于增湿器29的上方，加强梁12的一端设置于承载本体11的一侧，另一端连接于车身纵梁，加强梁12的顶部承载并连接于空压机控制器23。加强梁12起到了加强作用的同时，还起到了承载和中间连接的作用。

可选地，加强梁12的数量为两个，两个加强梁12平行间隔设置，在承载本体11的一侧还设置有承载支架13，承载支架13连接于车身纵梁。采用这种方式，承载板1的一侧设计三个固定点与车身纵梁固定，固定效果好，整体结构稳定性好。进一步地，DCDC转换器22通过DCDC支架安装于承载板1上，DCDC支架连接于前端框架，实现承载板1的另一侧固定点的安装和固定。采用四点固定式承载板1设计，节省空间的同时，使燃料电池发动机总成稳固可靠，并通过CAE强度分析和模态分析，使得强度和模态满足整车设计要求。

进一步地，加强梁12为弧形结构，加强梁12向上拱起，形成凹槽，凹槽用于部分容纳增湿器29，增湿器29通过增湿器支架固定在驱动系统3的右侧，将增湿器29的顶部设置于凹槽内，凹槽起到了对增湿器29容纳和避让的作用，提高了整体结构的紧凑度，节省了占地空间，具有质量轻、体积小等优点。

为了进一步减少布置空间，在承载本体11上开设有避让孔111和避让槽112，电堆21的高压电机穿过避让孔111，避让槽112用于避让空压机24的叶轮。通过设置避让孔111和避让槽112，避免关键零部件布置空间缩小，给某些零部件定制开发带来困难，有效地降低了生产成本。

优选地，在承载本体11的前侧向下折弯，形成用于安装中冷器28的安装支架，采用一体成型设计，结构简单，减少零件加工和组装的环节。

在承载本体11的底部设置有相互垂直设置的横向加强筋14和纵向加强筋15，起到了加强的作用。可选地，在承载本体11的底部设置有焊接钢块和焊接螺母便于与各个零件进行连接。

于本文的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”，仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。

此外，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种燃料电池发动机总成，其特征在于，包括：

承载板(1)；

燃料电池系统(2)，其可拆卸连接于所述承载板(1)的一侧，所述燃料电池系统(2)包括电堆(21)及环绕所述电堆(21)设置的DCDC转换器(22)、空压机控制器(23)、空压机(24)及供氢回氢组件(25)，所述空压机(24)设置于所述电堆(21)的前侧，所述供氢回氢组件(25)设置于所述电堆(21)的后侧，所述DCDC转换器(22)和所述空压机控制器(23)设置于所述电堆(21)的上方，所述DCDC转换器(22)分别电连接于所述电堆(21)和所述空压机控制器(23)，所述空压机控制器(23)控制所述空压机(24)通入所述电堆(21)的空气量，所述供氢回氢组件(25)用于向所述电堆(21)通入氢气；

驱动系统(3)，其可拆卸连接于所述承载板(1)的另一侧，所述驱动系统(3)与所述燃料电池系统(2)为分体式结构。

2.根据权利要求1所述的燃料电池发动机总成，其特征在于，所述燃料电池系统(2)还包括FCU总控制器(26)、CVM巡检子板(27)，所述FCU总控制器(26)设置于所述电堆(21)的后侧并电连接于所述空压机控制器(23)，所述CVM巡检子板(27)设置于所述电堆(21)的后侧并位于所述FCU总控制器(26)的一侧，所述CVM巡检子板(27)与所述电堆(21)的每片单堆相电连接，用于检测每片所述单堆的电压。

3.根据权利要求1所述的燃料电池发动机总成，其特征在于，所述燃料电池发动机总成还包括冷却系统(4)，所述冷却系统(4)包括：

水泵(41),其安装于所述驱动系统(3)的一侧；

PTC发热器(42)，其设置于所述承载板(1)上并连通于所述水泵(41)，所述PTC发热器(42)用于所述电堆(21)冷启动加热，以及驾驶室暖风芯体加热。

4.根据权利要求3所述的燃料电池发动机总成，其特征在于，在所述DCDC转换器(22)上设置有第一接口、第二接口及第三接口，所述第一接口连接于所述水泵(41)，所述第二接口连接于所述空压机控制器(23)，所述第三接口连接于所述驱动系统(3)的电机，在所述DCDC转换器(22)上设置有高压保护罩，所述高压保护罩用于罩设所述第一接口、所述第二接口及所述第三接口。

5.根据权利要求4所述的燃料电池发动机总成，其特征在于，所述燃料电池系统(2)还包括：

中冷器(28)，其设置于所述承载板(1)的前侧并连通于所述空压机(24)；

增湿器(29)，其位于所述承载板(1)的下方并设置在所述驱动系统(3)的一侧，所述增湿器(29)的一端连通于所述中冷器(28)，另一端连通于所述电堆(21)。

6.根据权利要求5所述的燃料电池发动机总成，其特征在于，所述承载板(1)包括：

承载本体(11)，其用于承载所述电堆(21)；

加强梁(12)，其位于所述增湿器(29)的上方，所述加强梁(12)的一端设置于所述承载本体(11)的一侧，另一端连接于车身纵梁，所述加强梁(12)的顶部承载并连接于所述空压机控制器(23)。

7.根据权利要求6所述的燃料电池发动机总成，其特征在于，所述加强梁(12)的数量为两个，两个所述加强梁(12)平行间隔设置，在所述承载本体(11)的一侧还设置有承载支架(13)，所述承载支架(13)连接于所述车身纵梁。

8.根据权利要求6所述的燃料电池发动机总成，其特征在于，在所述承载本体(11)上开设有避让孔(111)和避让槽(112)，所述电堆(21)的高压电机穿过所述避让孔(111)，所述避让槽(112)用于避让所述空压机(24)的叶轮。

9.根据权利要求6所述的燃料电池发动机总成，其特征在于，在所述承载本体(11)的底部设置有相互垂直设置的横向加强筋(14)和纵向加强筋(15)。

10.根据权利要求7所述的燃料电池发动机总成，其特征在于，所述DCDC转换器(22)通过DCDC支架安装于所述承载板(1)上，所述DCDC支架连接于前端框架。

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