CN214705996U - 燃料动力总成与汽车 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种燃料动力总成与汽车，燃料动力总成包括：动力系统，包括电堆、第一管道与第一动力装置，第一管道与电堆的冷却通道连通，第一动力装置用于驱动冷却液在第一管道内流动；储热系统，包括储热容器、第二管道、第二动力装置与第一换热器，第二管道与储热容器连通，第二动力装置受控地调节第二管道内的冷却液的流向，第一换热器用于第一管道与第二管道的热交换；氢气供应系统，包括氢气瓶与第三管道，氢气瓶通过第三管道与电堆的氢气通道连通；氢气温控系统，包括第二换热器与第四管道，第四管道与第一管道连通，第二换热器用于第四管道与第三管道的热交换。上述燃料动力总成能够加速电堆的升温，降低启动时间。

Description

燃料动力总成与汽车

技术领域

本实用新型涉及燃料电池领域，尤其是涉及燃料动力总成与汽车。

背景技术

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)的工作温度较低，能量密度较高，目前已运用于汽车发动机系统。在启动的初期，电堆以及进堆的氢气处于低温状态，导致发动机难以达到正常的工作状态，相关技术中的储热系统通常只能对电堆进行预热，难以满足汽车发动机快速启动的需求。

实用新型内容

本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型提出一种燃料动力总成，能够简化燃料动力总成的结构，降低使用成本。

本实用新型还公开了一种应用上述燃料动力总成的汽车。

根据本实用新型第一实施例的燃料动力总成，包括：

动力系统，包括电堆、第一管道与第一动力装置，所述第一管道与所述电堆的冷却通道连通，所述第一动力装置用于驱动冷却液在所述第一管道内流动；

储热系统，包括储热容器、第二管道、第二动力装置与第一换热器，所述第二管道与所述储热容器连通，所述第二动力装置受控地调节所述第二管道内的冷却液的流向，所述第一换热器用于所述第一管道与所述第二管道的热交换；

氢气供应系统，包括氢气瓶与第三管道，所述氢气瓶通过所述第三管道与所述电堆的氢气通道连通；

氢气温控系统，包括第二换热器与第四管道，所述第四管道与所述第一管道连通，所述第二换热器用于所述第四管道与所述第三管道的热交换。

根据本实用新型实施例的燃料动力总成，至少具有如下有益效果：

第一管道内的冷却液可以从第二管道内的冷却液中吸收热量，升温后一部分流入电堆对电堆进行升温，另一部分流入第四管道，通过第二换热器对第三管道内的入堆氢气进行预热，从而能够加速电堆的升温，降低启动时间。

根据本实用新型的一些实施例，所述燃料动力总成还包括调节阀，所述调节阀分别与所述第四管道及所述第一管道连通，用于调节流经所述第四管道的冷却液的流量。

根据本实用新型的一些实施例，所述燃料动力总成还包括：

空气供应系统，包括空压机与第五管道，所述空压机通过所述第五管道与所述电堆的空气通道连通；

空气温控系统，包括第三换热器与第六管道，所述第六管道与所述第一管道连通，所述第三换热器用于所述第五管道与所述第六管道的热交换。

根据本实用新型的一些实施例，所述燃料动力总成还包括调节阀，所述调节阀分别与所述第六管道、所述第四管道及所述第一管道连通，用于调节流经所述第六管道、所述第四管道与所述第一管道的冷却液的流量。

根据本实用新型的一些实施例，所述燃料动力总成还包括支架，所述支架具有第一安装空间与第二安装空间，所述储热容器与所述氢气瓶安装在所述第一安装空间内，所述电堆、所述第一动力装置、所述第二动力装置、所述第一换热器与所述第二换热器安装在所述第二安装空间内。

根据本实用新型的一些实施例，所述第一安装空间包括第一腔体与第二腔体，所述储热容器位于所述第一腔体内，所述氢气瓶位于所述第二腔体内。

根据本实用新型的一些实施例，所述第二安装空间包括沿水平方向分布的第三腔体与第四腔体，所述电堆位于所述第三腔体内，所述第一动力装置、所述第二动力装置、所述第一换热器与所述第二换热器位于所述第四腔体内。

根据本实用新型的一些实施例，所述第一安装空间位于所述第二安装空间的上方，所述第一安装空间包括沿竖直方向分布的第一腔体与第二腔体，所述第二安装空间包括沿水平方向分布的第三腔体与第四腔体；

所述储热容器位于所述第一腔体内，所述氢气瓶位于所述第二腔体内；

所述电堆位于所述第三腔体内，所述第一动力装置、所述第二动力装置、所述第一换热器与所述第二换热器位于所述第四腔体内。

根据本实用新型第二实施例的汽车，其特征在于，包括所述的燃料动力总成。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步的说明，其中：

图1为本实用新型一实施例的燃料动力总成的系统示意图；

图2为本实用新型一实施例的燃料动力总成一个方向的立体示意图，图中隐藏支架；

图3为图2中燃料动力总成另一个方向的示意图；

图4为图1中燃料动力总成隐藏氢气瓶、储热容器及相关管路的示意图；

图5为图4中燃料动力总成另一个方向的示意图；

图6为图2中燃料动力总成显示支架的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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。

在本实用新型的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本实用新型的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本实用新型中的具体含义。

本实用新型的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”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。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

参照图1，本实用新型实施例的燃料动力总成包括动力系统100、储热系统200、氢气供应系统300与氢气温控系统400，其中，动力系统100能够通过氢气与氧气产生电力，储热系统200能够与动力系统100进行热交换，从而吸收动力系统100工作过程中产生的热量，一方面实现电堆110的散热，另一方面可以将热量存储在储热系统200中，氢气供应系统300用于向动力系统100提供所需的氢气，氢气温控系统400可以与动力系统100进行热交换，从而将储热系统200中的热量传递至入堆的氢气，实现氢气的预热。

以图1、图2所示为例，动力系统100包括电堆110、第一管道120与第一动力装置130，电堆110可以是公知的基于质子交换膜的电堆，其上具有冷却液入口111与冷却液出口112，第一管道120为冷却液循环管道，其一端与冷却液入口111连接，另一端与冷却液出口112连接，从而实现与电堆110内部的冷却液通道的连通。第一动力装置130连接于第一管道120之上，用于驱动冷却液在第一管道120内流动，流动方向是从冷却液出口112向冷却液入口111。第一动力装置130可以是公知的驱动泵。

以图1至图3所示为例，储热系统200包括储热容器210、第二管道220、第二动力装置230、第一换热器240、进水管道250与供水管道260，储热容器210可以是储液罐、储液箱等，内部具有存放冷却液的密封空腔。第二管道220为循环管道，两端分别与储热容器210连接，并与储热容器210的内腔连通，储热容器210中的冷却液可以通过第二管道220实现循环。

第二动力装置230连接于第二管道220上，能够受控地调节第二管道220内的冷却液的流向，例如，第二动力装置230可以是公知的双向水泵，能够驱动冷却液双向流动。

进水管道250与供水管道260分别与储热容器210的内腔连通，其中进水管道250与外部水源连接，用于向储热容器210补充低温冷却液，供水管道260与外部的用水设备连接，用于将高温的冷却液转移至用水设备，能过理解的是，本申请所称的“低温”与“高温”为相对概念，不代表对具体温度的限制。由于进水管道250会补充低温的冷却液，因此储热容器210上与进水管道250连接的一端为冷端，相应的，与供水管道260连接的一端为热端，类似的，此处的“冷端”与“热端”均为相对概念。

第一换热器240分别与第一管道120及第二管道220连接，使得第一管道120与第二管道220能够在第一换热器240实现热交换，结合第二动力装置230的双向调节实现热量在第一管道120中的冷却液及第二管道220中的冷却液之间的传递，例如，电堆110正常工作时会产生大量的热量，此时第二动力装置230驱动冷却液通过第二管道220从储热容器210的冷端流向热端，在第一换热器240处吸收第一管道120内冷却液的热量，第一管道120内冷却液的温度降低，回流至电堆110进行散热，第二管道220内冷却液的温度升高，回流至储热容器210的热端。当电堆低温启动时，第二动力装置230驱动冷却液反向流动，即通过第二管道220从储热容器210的热端流向冷端，在第一换热器240处向第一管道120内的冷却液释放热量，第一管道120内冷却液的温度升高，回流至电堆110进行辅助升温，便于电堆110快速进入正常工作状态，第二管道220内冷却液的温度降低，回流至储热容器210的冷端。基于上述，储热系统200可以通过冷却液存储电堆110工作时产生的热量，加热后的冷却液一方面用于电堆110的低温启动，另一方面可以通过供水管道260输出，为汽车的其他部件制热。

以图1、图2所示为例，氢气供应系统300包括氢气瓶310与第三管道320，氢气瓶310通过第三管道320与电堆110的氢气通道连通，向电堆110提供所需的氢气。氢气温控系统400包括第二换热器410与第四管道420，第四管道420为循环管道，其两端分别与第一管道120连通，具体参照图1，第一管道120的一端分为两条支路，一条支路接入电堆110的冷却液入口111，另一条支路与第四管道420的一端连通；第一管道120的另一端同样分为两条支路，一条支路接入电堆110的冷却液出口112，另一条支路与第四管道420的另一端连通，如此，冷却液可以在电堆110、第一管道120与第四管道420内流动。

第二换热器410分别与第一管道120及第四管道420，使得第一管道120与第四管道420能够在第二换热器410实现热交换，实现热量在第一管道120中的冷却液及第四管道420中的冷却液之间的传递。例如，当电堆110低温启动时，由于电堆温度以及入堆氢气温度都比较低，电堆110需要较长的时间升温，影响电堆110的启动时间，本实施例中，第一管道120内的冷却液可以从第二管道220内的冷却液中吸收热量，升温后一部分流入电堆110对电堆110进行升温，另一部分流入第四管道420，通过第二换热器410对第三管道320内的入堆氢气进行预热，从而能够加速电堆110的升温，降低启动时间。

能够理解的是，上述换热器可以采用公知的换热器，相应的管道可以穿过换热器，流体全程在管道内流动，此外，相应管道也可以与换热器中的相应通道连通，流体可以从相应管道流入换热器中的通道进行换热，再流入相应管道内。

基于上述方案的改进，参照图1，燃料动力总成还包括调节阀500，本实施例中的调节阀500可以是公知的二通阀，其连接于第四管道420及第一管道120的交汇处，分别与第四管道420及第一管道120连通，能够通过阀门的开度调节流经第四管道420的冷却液的流量，例如，通过低温起动时电堆110与入堆氢气温度的变化，可以调节流入第四管道420的流量比，当氢气温度较低时，可以分配较多的高温冷却液至第四管道420，当电堆110温度较低时，可以分配较多的高温冷却液至第一管道120。

基于上述方案的改进，参照图1，燃料动力总成还包括空气供应系统600与空气温控系统700，空气供应系统600用于提供电堆110工作所需的空气，空气温控系统700可以与动力系统100进行热交换，从而将空气中的热量传递至动力系统100，再由动力系统100传递至储热系统200，实现空气的散热与热量的存储。

以图中所示为例，空气供应系统600包括空压机610与第五管道620，空压机610通过第五管道620与电堆110的空气通道连通，向电堆110提供压缩空气。空气温控系统700包括第三换热器710与第六管道720，第三换热器710分别与第六管道720及第一管道120连通，使得第一管道120与第六管道720能够在第三换热器710实现热交换，实现热量在第一管道120中的冷却液及第六管道720中的冷却液之间的传递。空压机610对空气进行压缩时会产生大量的热量，需要冷却后进入电堆110，本实施例中，第六管道720内的冷却液可以从第五管道620内的空气中吸收热量，第六管道720内的冷却液升温，然后汇流至第一管道120，并最终将热量传递至储热系统200进行，相应的，第五管道620内的空气降温后流入电堆110。

基于上述方案的改进，参照图1，燃料动力总成还包括调节阀500，调节阀500可以是公知的三通阀，其连接于第六管道720、第四管道420及第一管道120的交汇处，分别与第六管道720、第四管道420及第一管道120连通，能够通过阀门的开度调节流经第六管道720、第四管道420与第一管道120的冷却液的流量。

基于上述方案的改进，参照图6，燃料动力总成还包括支架800，支架800为框架结构，具有足够的强度，且重量较小。支架800的内部具有第一安装空间810与第二安装空间820，储热容器210与氢气瓶310安装在第一安装空间810内，电堆110、所第一动力装置130、第二动力装置230、第一换热器240与第二换热器410安装在第二安装空间820内，从而实现气瓶、储液瓶与其他功能器件的分开放置，便于管道、线缆的布设，同时又能够实现燃料动力总成的集成化安装，便于燃料动力总成的整体装配。

基于上述方案的改进，第一安装空间810包括第一腔体811与第二腔体812，储热容器210位于第一腔体811内，氢气瓶310位于第二腔体812内，从而可以实现储热容器210与氢气瓶310的分开放置，便于管道、线缆的布设。

第二安装空间820包括沿水平方向分布的第三腔体821与第四腔体822，电堆110位于第三腔体821内，第一动力装置130、第二动力装置230、第一换热器240与第二换热器410位于第四腔体822内，从而实现电堆110与其他功能器件的分开放置，便于电堆110的维护拆装。

以图6所示为例，第一安装空间810位于第二安装空间820的上方，第一安装空间810包括沿竖直方向分布的第一腔体811与第二腔体812，第二安装空间820包括沿水平方向分布的第三腔体821与第四腔体822，储热容器210位于第一腔体811内，氢气瓶310位于第二腔体812内，电堆110位于第三腔体821内，第一动力装置130、第二动力装置230、第一换热器240与第二换热器410位于第四腔体822内。基于上述结构，储热容器210、氢气瓶310、电堆110与其他功能器件分区域放置，既便于管道、线缆的布设，又能够实现燃料动力总成的集成化组装。此外，储热容器210、氢气瓶310的长度较长，其横向放置便于充分利用空间，电堆110与其他功能器件位于下方可以便于检修。

本实用新型还涉及一种汽车，包括上述任意实施例的燃料动力总成。

本实用新型还涉及一种基于图1所示的燃料动力总成的控制方法，包括以下步骤：

步骤一：判断电堆110的工作状态，工作状态包括低温启动状态与正常工作状态。

步骤二：基于上述工作状态，通过控制冷却液在第二管道220内的流向，以及冷却液在第六管道720、第四管道420与第一管道120内的分配，以执行与工作状态相适应的温控方案。

具体的，当电堆110的工作状态为低温启动状态时，储热容器210热端的冷却液的温度高于第一管道120内及电堆110内冷却液的温度，低于第五管道620内压缩空气的温度。此状态下第二动力装置230驱动冷却液在第二管道220内流动，流动方向为储热容器210的热端流向冷端，第二管道220内的冷却液在第一换热器240处向第一管道120内的冷却液释放热量，第一管道120内冷却液的温度升高，一部分回流至电堆110进行辅助升温，一部分流入第四管道420对第三管道320内的入堆氢气进行预热，最后一部分流入第六管道720对第五管道620内的空气进行降温，且流入第四管道420的流量大于流入第六管道720的流量，即偏重于对氢气的预热，极端地，可以完全关闭对第六管道720的冷却液供给，实现氢气的快速升温。

当电堆110的工作状态为正常工作状态时，储热容器210冷端的冷却液的温度低于第一管道120内及电堆110内冷却液的温度，其前述温度均低于第五管道620内压缩空气的温度。此状态下第二动力装置230驱动冷却液在第二管道220内流动，流动方向为储热容器210的冷端流向热端，第二管道220内的冷却液在第一换热器240处向第一管道120内的冷却液吸收热量，第二管道220内冷却液的温度升高，实现对储热容器210中热水的补充。相应的，第一管道120内冷却液的温度降低，一部分回流至电堆110进行降温，一部分流入第四管道420对第三管道320内的入堆氢气进行预热，最后一部分流入第六管道720对第五管道620内的空气进行降温，且流入第四管道420的流量小于流入第六管道720的流量，即偏重于对空气的散热，极端地，可以完全关闭对第四管道420的冷却液供给，提高对空气的散热效果。

能够理解的是，可以根据其他不同的场景调节第四管道420与第六管道720的流量比，从而实现氢气预热功能与空气散热功能之间的偏重选择。

上面结合附图对本实用新型实施例作了详细说明，但是本实用新型不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本实用新型的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (9)

1.燃料动力总成，其特征在于，包括：

动力系统，包括电堆、第一管道与第一动力装置，所述第一管道与所述电堆的冷却通道连通，所述第一动力装置用于驱动冷却液在所述第一管道内流动；

储热系统，包括储热容器、第二管道、第二动力装置与第一换热器，所述第二管道与所述储热容器连通，所述第二动力装置受控地调节所述第二管道内的冷却液的流向，所述第一换热器用于所述第一管道与所述第二管道的热交换；

氢气供应系统，包括氢气瓶与第三管道，所述氢气瓶通过所述第三管道与所述电堆的氢气通道连通；

氢气温控系统，包括第二换热器与第四管道，所述第四管道与所述第一管道连通，所述第二换热器用于所述第四管道与所述第三管道的热交换。

2.根据权利要求1所述的燃料动力总成，其特征在于，所述燃料动力总成还包括调节阀，所述调节阀分别与所述第四管道及所述第一管道连通，用于调节流经所述第四管道的冷却液的流量。

3.根据权利要求1所述的燃料动力总成，其特征在于，所述燃料动力总成还包括：

空气供应系统，包括空压机与第五管道，所述空压机通过所述第五管道与所述电堆的空气通道连通；

空气温控系统，包括第三换热器与第六管道，所述第六管道与所述第一管道连通，所述第三换热器用于所述第五管道与所述第六管道的热交换。

4.根据权利要求3所述的燃料动力总成，其特征在于，所述燃料动力总成还包括调节阀，所述调节阀分别与所述第六管道、所述第四管道及所述第一管道连通，用于调节流经所述第六管道、所述第四管道与所述第一管道的冷却液的流量。

5.根据权利要求1所述的燃料动力总成，其特征在于，所述燃料动力总成还包括支架，所述支架具有第一安装空间与第二安装空间，所述储热容器与所述氢气瓶安装在所述第一安装空间内，所述电堆、所述第一动力装置、所述第二动力装置、所述第一换热器与所述第二换热器安装在所述第二安装空间内。

6.根据权利要求5所述的燃料动力总成，其特征在于，所述第一安装空间包括第一腔体与第二腔体，所述储热容器位于所述第一腔体内，所述氢气瓶位于所述第二腔体内。

7.根据权利要求5所述的燃料动力总成，其特征在于，所述第二安装空间包括沿水平方向分布的第三腔体与第四腔体，所述电堆位于所述第三腔体内，所述第一动力装置、所述第二动力装置、所述第一换热器与所述第二换热器位于所述第四腔体内。

8.根据权利要求5所述的燃料动力总成，其特征在于，所述第一安装空间位于所述第二安装空间的上方，所述第一安装空间包括沿竖直方向分布的第一腔体与第二腔体，所述第二安装空间包括沿水平方向分布的第三腔体与第四腔体；

所述储热容器位于所述第一腔体内，所述氢气瓶位于所述第二腔体内；

所述电堆位于所述第三腔体内，所述第一动力装置、所述第二动力装置、所述第一换热器与所述第二换热器位于所述第四腔体内。

9.汽车，其特征在于，包括权利要求1至8中任一项所述的燃料动力总成。

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