CN218241900U - 燃料电池发动机 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于车辆动力技术领域，公开了一种燃料电池发动机，包括燃料电池堆、增湿器、空压机、中冷器和气水分离器，空压机的进气口处设置有空气进气管，空气进气管上设置有第一开关阀，空压机的出气口经中冷器和增湿器的增湿端可选择地与燃料电池堆的空气进气口连通，燃料电池堆的空气出气口可选择地经增湿器的干燥端与大气连通，气水分离器的进气口可选择地与燃料电池堆的空气出气口连通，气水分离器的排气口与空压机的进气口连通。本实用新型的燃料电池发动机，在燃料电池堆关机时，能够快速吹除燃料电池堆阴极水分，缩短关机时间，降低了燃料电池堆关机时阴极吹扫过程中的氢气消耗，避免了燃料电池发动机启动时发生碳腐蚀。

Description

燃料电池发动机

技术领域

本实用新型涉及车辆动力技术领域，尤其涉及一种燃料电池发动机。

背景技术

燃料电池发动机是一种利用氢气和氧气发生电化学反应进行发电的装置，一方面，燃料电池发动机关机后若没有及时排出电堆阴极内产生的水分，在低温环境下，残余的水分就会结冰而破坏单电池的结构，引起结构变形，造成漏气，甚至还会刺穿质子交换膜，造成阴阳极串气进而造成电堆腐蚀等不可修复的损伤，而大幅度降低燃料电池寿命。另一方面，燃料电池发动机关机后若阴极存在未参与反应的氧气，当燃料电池发动机启动时，阳极通入氢气，此时阳极同时存在氢气和空气，出现氢空界面，阴极侧出现高电位，造成碳腐蚀，降低电堆性能和寿命。

因此，亟需一种燃料电池发动机，以解决上述问题。

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，在燃料电池堆关机时，能够快速吹除燃料电池堆阴极水分，并且降低燃料电池堆关机时阴极吹扫过程中的氢气消耗。

为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：

燃料电池发动机，包括燃料电池堆、增湿器、空压机、中冷器和气水分离器，所述空压机的进气口处设置有空气进气管，所述空气进气管上设置有第一开关阀，所述空压机的出气口经所述中冷器和所述增湿器的增湿端可选择地与所述燃料电池堆的空气进气口连通，所述燃料电池堆的空气出气口可选择地经所述增湿器的干燥端与大气连通，所述气水分离器的进气口可选择地与所述燃料电池堆的空气出气口连通，所述气水分离器的排气口与所述空压机的进气口连通。

作为优选，还包括第一电磁阀，所述第一电磁阀的进气口与所述燃料电池堆的空气出气口连通，所述第一电磁阀的第一出气口与所述增湿器干燥端的进气口连通，所述第一电磁阀的第二出气口与所述气水分离器的进气口连通。

作为优选，还包括箱体、第二电磁阀、旁通管和加热管，所述燃料电池堆和所述第二电磁阀均设置于所述箱体内，所述增湿器的增湿端出气口与所述第二电磁阀的进气口连通，所述第二电磁阀的第一出气口与所述燃料电池堆的空气进气口连通，所述旁通管的一端连通于所述空压机出气口与所述中冷器进气口的连通管路上，另一端连通于所述增湿器的第一出气口与所述燃料电池堆的空气进气口的连通管路上，所述旁通管上设置有第二开关阀，所述加热管第一端与所述第二电磁阀的第二出气口连通，另一端伸出所述箱体与大气连通。

作为优选，所述加热管位于所述箱体内的部分上设置有多个吹扫口，所述吹扫口连通所述加热管与所述箱体内腔。

作为优选，还包括第二出气管，所述第二出气管的一端与所述第二电磁阀的第三出气口连通，另一端伸出所箱体与大气连通。

作为优选，所述第一电磁阀与所述第二电磁阀均固定连接于所述燃料电池堆之上。

作为优选，还包括烟雾报警器，所述烟雾报警器设置于所述箱体上，用于监测所述箱体内的烟雾浓度。

作为优选，还包括氢气浓度传感器，所述氢气浓度传感器设置于所述箱体上，用于监测所述箱体内的氢浓度。

作为优选，还包括动力电池和DC/DC变换器，所述燃料电池堆能够经所述DC/DC变换器向所述动力电池充电。

作为优选，还包括输入侧主继电器、输入侧预充继电器、输入侧预充电阻、第一输出侧主继电器、输出侧预充继电器、输出侧预充电阻和第二输出侧主继电器；

所述燃料电池堆的正极经所述输入侧主继电器与所述DC/DC变换器的输入侧正极连接，所述输入侧预充继电器与所述输入侧预充电阻串联于所述燃料电池堆的正极与所述DC/DC变换器的输入侧正极之间，且与所述输入侧主继电器并联，所述燃料电池堆的负极与所述DC/DC变换器的输入侧负极连接；

所述DC/DC变换器的输出侧正极经所述第一输出侧主继电器与所述动力电池的正极连接，所述输出侧预充继电器与所述输出侧预充电阻串联于所述DC/DC变换器的输出侧正极与所述动力电池的正极之间，且与所述第一输出侧主继电器并联，所述DC/DC变换器的输出侧负极经所述第二输出侧主继电器与所述动力电池的负极连接。

本实用新型的有益效果：

本实用新型的燃料电池发动机，在燃料电池堆关机时，关闭第一开关阀，切断外部空气进入燃料电池堆的通路，断开燃料电池堆的空气出气口与增湿器的连通，并且连通燃料电池堆的空气出气口与气水分离器，使空压机、中冷器、增湿器增湿端、燃料电池堆阴极以及气水分离器形成空气回路，并通过空压机循环该空气回路中的残余空气，对燃料电池堆阴极进行吹扫，将燃料电池堆阴极中的水分吹出，并通过气水分离器将水分从循环空气中分离，实现快速吹除燃料电池堆阴极水分的目的，并且，在整个吹扫过程中，只有残余空气中的氧气会继续与燃料电池堆阳极的氢气进行反应，降低了燃料电池堆关机时阴极吹扫过程中的氢气消耗，残余的氧气在吹扫的过程中被消耗掉，避免了燃料电池发动机启动时发生碳腐蚀。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的燃料电池发动机的结构示意图。

图中：

11、燃料电池堆；12、增湿器；121、空气出气管；

13、空压机；131、空气进气管；1311、第一开关阀；

14、中冷器；15、气水分离器；151、排气管；152、排水管；

16、第一电磁阀；17、箱体；18、第二电磁阀；

19、旁通管；191、第二开关阀；

20、加热管；21、第二出气管；22、烟雾报警器；23、氢气浓度传感器；

24、动力电池；25、DC/DC变换器；26、输入侧主继电器；27、输入侧预充继电器；28、输入侧预充电阻；29、第一输出侧主继电器；30、输出侧预充继电器；31、输出侧预充电阻；32、第二输出侧主继电器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。

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。

在本实施例的描述中，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。

如图1所示，本实施例提供一种燃料电池发动机，包括燃料电池堆11、增湿器12、空压机13、中冷器14和气水分离器15，空压机13的进气口处设置有空气进气管131，空气进气管131上设置有第一开关阀1311，空压机13的出气口经中冷器14和增湿器12的增湿端可选择地与燃料电池堆11的空气进气口连通，燃料电池堆11的空气出气口可选择地经增湿器12的干燥端与大气连通，气水分离器15的进气口可选择地与燃料电池堆11的空气出气口连通，气水分离器15的排气口与空压机13的进气口连通，具体地，气水分离器15经排气管151与空压机13的进气口连通，并通过排水管152将分离出的水排出，增湿器12的干燥端出气口通过空气出气管121与大气连通，燃料电池堆11空气出气口排出的空气经空气出气管121排出至大气。

本实施例的燃料电池发动机，在燃料电池堆11关机时，关闭第一开关阀1311，切断外部空气进入燃料电池堆11的通路，断开燃料电池堆11的空气出气口与增湿器12的连通，并且连通燃料电池堆11的空气出气口与气水分离器15，使空压机13、中冷器14、增湿器12增湿端、燃料电池堆11阴极以及气水分离器15形成空气回路，并通过空压机13循环该空气回路中的残余空气，对燃料电池堆11阴极进行吹扫，将燃料电池堆11阴极中的水分吹出，并通过气水分离器15将水分从循环空气中分离，实现快速除去燃料电池堆11阴极水分的目的，并且，在整个吹扫过程中，只有残余空气中的氧气会继续与燃料电池堆11阳极的氢气进行反应，降低了燃料电池堆11关机时阴极吹扫过程中的氢气消耗和能量浪费，残余的氧气在吹扫的过程中被消耗掉，避免了燃料电池发动机启动时发生碳腐蚀。

可选地，本实施例提供的燃料电池发动机还包括第一电磁阀16，第一电磁阀16的进气口与燃料电池堆11的空气出气口连通，第一电磁阀16的第一出气口与增湿器12干燥端的进气口连通，第一电磁阀16的第二出气口与气水分离器15的进气口连通。通过第一电磁阀16实现燃料电池堆11空气出气口与增湿器12干燥端以及气水分离器15进气口的选择性连通。

可选地，本实施例提供的燃料电池发动机还包括箱体17、第二电磁阀18、旁通管19和加热管20，燃料电池堆11和第二电磁阀18均设置于箱体17内，增湿器12的增湿端出气口与第二电磁阀18的进气口连通，第二电磁阀18的第一出气口与燃料电池堆11的空气进气口连通，旁通管19的一端连通于空压机13出气口与中冷器14进气口的连通管路上，另一端连通于增湿器12的第一出气口与燃料电池堆11的空气进气口的连通管路上，旁通管19上设置有第二开关阀191，加热管20第一端与第二电磁阀18的第二出气口连通，另一端伸出箱体17与大气连通。在燃料电池堆11低温启动时，开启空压机13和第二开关阀191，使空压机13压缩后的高温空气经旁通管19进入加热管20对箱体17内进行加热，从而加快燃料电池堆11的升温速度。

可选地，加热管20位于箱体17内的部分上设置有多个吹扫口，吹扫口连通加热管20与箱体17内腔，从而使进入加热管20的高温空气经吹扫口进入箱体17内，提高高温空气对燃料电池堆11的加热效果。

可选地，本实施例提供的燃料电池发动机还包括第二出气管21，第二出气管21的一端与第二电磁阀18的第三出气口连通，另一端伸出所箱体17与大气连通。在燃料电池堆11启动时，燃料电池堆11所需要的空气较少，可以开启第二开关阀191，使空压机13压缩后的部分气体能够经过旁通管19和第二出气管21流向大气，从而提高空压机13的空气压缩量，避免空压机13发生喘振。

可选地，第一电磁阀16与第二电磁阀18均固定连接于燃料电池堆11上，以实现管路简化和结构优化，降低成本，减小箱体17的体积，具体地，第一电磁阀16进气口处的端面贴附于燃料电池堆11空气出气口处的外表面上，且两者之间密封连接，第二电磁阀18第一出气口处的端面贴附于燃料电池堆11空气进气口处的外表面上，且两者之间密封连接。

可选地，本实施例提供的燃料电池发动机还包括烟雾报警器22，烟雾报警器22设置于箱体17上，用于监测箱体17内的烟雾浓度，当箱体17内烟雾浓度过高时报警。

可选地，本实施例提供的燃料电池发动机还包括氢气浓度传感器23，氢气浓度传感器23设置于箱体17上，用于监测箱体17内的氢浓度，当箱体17内的氢浓度过高时报警，此时开启第二电磁阀18的第二出气口，通过加热管20上的吹扫口对箱体17内的氢气进行吹扫，使箱体17内的氢气经加热管20排出箱体17。

可选地，本实施例提供的燃料电池发动机还包括动力电池24和DC/DC变换器25。燃料电池堆11能够经DC/DC变换器25向动力电池24充电。

进一步地，本实施例提供的燃料电池发动机还包括输入侧主继电器26、输入侧预充继电器27、输入侧预充电阻28、第一输出侧主继电器29、输出侧预充继电器30、输出侧预充电阻31和第二输出侧主继电器32。燃料电池堆11的正极经输入侧主继电器26与DC/DC变换器25的输入侧正极连接，输入侧预充继电器27与输入侧预充电阻28串联于燃料电池堆11的正极与DC/DC变换器25的输入侧正极之间，且与输入侧主继电器26并联，燃料电池堆11的负极与DC/DC变换器25的输入侧负极连接。DC/DC变换器25的输出侧正极经第一输出侧主继电器29与动力电池24的正极连接，输出侧预充继电器30与输出侧预充电阻31串联于DC/DC变换器25的输出侧正极与动力电池24的正极之间，且与第一输出侧主继电器29并联，DC/DC变换器25的输出侧负极经第二输出侧主继电器32与动力电池24的负极连接。

DC/DC变换器25的输出侧正极经第一输出侧主继电器29与动力电池24的正极连接，输出侧预充继电器30与输出侧预充电阻31串联于DC/DC变换器25的输出侧正极与动力电池24的正极之间，且与第一输出侧主继电器29并联，DC/DC变换器25的输出侧负极经第二输出侧主继电器32与动力电池24的负极连接。

当燃料电池发动机正常发电运行时，DC/DC变换器25自检完成后，接收到输出端使能指令，闭合第二输出侧主继电器32和输出侧预充继电器30输出预充完成后断开输出侧预充继电器30，闭合第一输出侧主继电器29；然后执行输入端预充指令，闭合第一输出侧主继电器29，输入预充完成后断开，闭合输入侧主继电器26；接收到工作模式指令后再进行目标电流值设定，燃料电池发动机进入正常拉载发电运行。

当燃料电池发动机进入关机时，DC/DC变换器25接收到泄放指令进入泄放控制工作模式，再接收到系统需求泄放电流值执行放电运行拉载泄放电流，直至燃料电池堆11输出电压低于安全阈值，此过程主要是通过给动力电池24充电和DC/DC变换器25内部电路消耗完成，泄放效果高且能量浪费少，该泄放过程同样也是对燃料电池堆11阴极的吹扫过程，大大缩短了关机时长；然后停止拉载转而执行输入端继电器断开指令，断开输入侧主继电器26；最后执行输出端继电器断开指令，断开第一输出侧主继电器29和第二输出侧主继电器32。

在本实施例中，燃料电池堆11与DC/DC变换器25之间通过铜排直连，以简化线束，优化结构，降低成本。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为了清楚说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，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。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.燃料电池发动机，其特征在于，包括燃料电池堆(11)、增湿器(12)、空压机(13)、中冷器(14)和气水分离器(15)，所述空压机(13)的进气口处设置有空气进气管(131)，所述空气进气管(131)上设置有第一开关阀(1311)，所述空压机(13)的出气口经所述中冷器(14)和所述增湿器(12)的增湿端可选择地与所述燃料电池堆(11)的空气进气口连通，所述燃料电池堆(11)的空气出气口可选择地经所述增湿器(12)的干燥端与大气连通，所述气水分离器(15)的进气口可选择地与所述燃料电池堆(11)的空气出气口连通，所述气水分离器(15)的排气口与所述空压机(13)的进气口连通。

2.根据权利要求1所述的燃料电池发动机，其特征在于，还包括第一电磁阀(16)，所述第一电磁阀(16)的进气口与所述燃料电池堆(11)的空气出气口连通，所述第一电磁阀(16)的第一出气口与所述增湿器(12)干燥端的进气口连通，所述第一电磁阀(16)的第二出气口与所述气水分离器(15)的进气口连通。

3.根据权利要求2所述的燃料电池发动机，其特征在于，还包括箱体(17)、第二电磁阀(18)、旁通管(19)和加热管(20)，所述燃料电池堆(11)和所述第二电磁阀(18)均设置于所述箱体(17)内，所述增湿器(12)的增湿端出气口与所述第二电磁阀(18)的进气口连通，所述第二电磁阀(18)的第一出气口与所述燃料电池堆(11)的空气进气口连通，所述旁通管(19)的一端连通于所述空压机(13)出气口与所述中冷器(14)进气口的连通管路上，另一端连通于所述增湿器(12)的第一出气口与所述燃料电池堆(11)的空气进气口的连通管路上，所述旁通管(19)上设置有第二开关阀(191)，所述加热管(20)第一端与所述第二电磁阀(18)的第二出气口连通，另一端伸出所述箱体(17)与大气连通。

4.根据权利要求3所述的燃料电池发动机，其特征在于，所述加热管(20)位于所述箱体(17)内的部分上设置有多个吹扫口，所述吹扫口连通所述加热管(20)与所述箱体(17)内腔。

5.根据权利要求3所述的燃料电池发动机，其特征在于，还包括第二出气管(21)，所述第二出气管(21)的一端与所述第二电磁阀(18)的第三出气口连通，另一端伸出所箱体(17)与大气连通。

6.根据权利要求3所述的燃料电池发动机，其特征在于，所述第一电磁阀(16)与所述第二电磁阀(18)均固定连接于所述燃料电池堆(11)上。

7.根据权利要求3所述的燃料电池发动机，其特征在于，还包括烟雾报警器(22)，所述烟雾报警器(22)设置于所述箱体(17)上，用于监测所述箱体(17)内的烟雾浓度。

8.根据权利要求3所述的燃料电池发动机，其特征在于，还包括氢气浓度传感器(23)，所述氢气浓度传感器(23)设置于所述箱体(17)上，用于监测所述箱体(17)内的氢浓度。

9.根据权利要求1所述的燃料电池发动机，其特征在于，还包括动力电池(24)和DC/DC变换器(25)，所述燃料电池堆(11)能够经所述DC/DC变换器(25)向所述动力电池(24)充电。

10.根据权利要求9所述的燃料电池发动机，其特征在于，还包括输入侧主继电器(26)、输入侧预充继电器(27)、输入侧预充电阻(28)、第一输出侧主继电器(29)、输出侧预充继电器(30)、输出侧预充电阻(31)和第二输出侧主继电器(32)；

所述燃料电池堆(11)的正极经所述输入侧主继电器(26)与所述DC/DC变换器(25)的输入侧正极连接，所述输入侧预充继电器(27)与所述输入侧预充电阻(28)串联于所述燃料电池堆(11)的正极与所述DC/DC变换器(25)的输入侧正极之间，且与所述输入侧主继电器(26)并联，所述燃料电池堆(11)的负极与所述DC/DC变换器(25)的输入侧负极连接；

所述DC/DC变换器(25)的输出侧正极经所述第一输出侧主继电器(29)与所述动力电池(24)的正极连接，所述输出侧预充继电器(30)与所述输出侧预充电阻(31)串联于所述DC/DC变换器(25)的输出侧正极与所述动力电池(24)的正极之间，且与所述第一输出侧主继电器(29)并联，所述DC/DC变换器(25)的输出侧负极经所述第二输出侧主继电器(32)与所述动力电池(24)的负极连接。

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