一种商用车用大功率燃料电池系统的制作方法

本发明涉及新能源领域，属于燃料电池系统，尤其是一种商用车用大功率燃料电池系统。

背景技术：

当今全球环境污染加重，温室气体排放居高不下，全球各国政府鼓励对新能源汽车进行推广应用。纯电动、混合动力、燃料电池为三种新能源车技术路线，其中燃料电池车具有续驶里程长，零污染，特别适合于商用车型领域的特点受到全球各大车企的关注，并开始积极研发。

燃料电池是一种将化学能转化为电能的装置。具体地，燃料电池的阳极通入氢气，阴极通入空气，燃料电池通过电化学反应产生电力、热量。多个燃料电池串联组成燃料电池堆，与供氢单元，供氧单元，燃料电池堆热管理单元，电气单元组成燃料电池系统。在整车上，燃料电池系统可为驱动电机或动力电池持续供电。

目前，在整车上能够运行的燃料电池系统按燃料电池片种类分为两类：质子交换膜燃料电池和固态氧化物燃料电池。固态氧化物燃料电池属于高温电池，由于电堆体积功率密度受限，大功率很难集成。本发明提及的大功率燃料电池系统指用质子交换膜燃料电池集成的系统。但在现有质子交换膜燃料电池集成的系统技术中，存在以下问题：一、目前商用车用燃料电池系统正向大功率方向发展，燃料电池堆功率越大，燃料电池系统体积越大，导致燃料电池系统在整车上布置越困难；二、燃料电池商用车对燃料电池系统耐久性要求较高，目前要求使用目标为20000小时。目前，全球已经应用的部分石墨双极板燃料电池堆使用寿命能够超过20000小时，而金属极板燃料电池堆平均在5000小时。同时，燃料电池系统上的零部件可靠耐久性良莠不齐，燃料电池系统的集成设计对燃料电池系统本身的寿命产生较大影响；三、燃料电池电堆发电后电压较低，需要直流升压器升压后才能接入整车母线，燃料电池电堆启动时，燃料电池系统附件需要从整车动力电池中取电才能开始工作。一般，整车为燃料电池系统配高压直流升压器，同时为燃料电池系统附件配低压直流分配器，增加了整车电气系统结构复杂程度及布置难度。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题就是在于针对上述现有技术中的不足，提供一种针对商用车型匹配开发，结构层次合理，可制造性强，系统成本低的商用车用大功率燃料电池系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种商用车用大功率燃料电池系统，包括燃料电池系统框架结构、直流升压器、直流降压器、电堆模块、燃料电池系统附件和燃料电池系统控制器；所述燃料电池系统框架结构设置有若干层，所述直流升压器和直流降压器均置于所述燃料电池系统框架结构的上部，所述直流升压器与整车高压母线集成，所述电堆模块设置于所述燃料电池系统框架结构的中部，所述燃料电池系统附件设置于所述燃料电池系统框架结构的下部且与所述电堆模块连接，所述直流降压器通过电堆模块输出电能为系统内的低压附件供电，所述燃料电池系统控制器用于控制燃料电池系统。

作为上述技术方案的进一步改进，所述电堆模块包括电堆，导电铜排和气液分配器；所述电堆通过电堆模块外壳设置于燃料电池系统框架结构上；所述电堆设置有两个，两个电堆通过所述导电铜排串联，其中，一个所述电堆的负极串有电流电压传感器，另一个所述电堆的正极串联的电堆继电器，所述气液分配器设置于所述电堆模块的进出液口并与所述燃料电池系统附件连接。

作为上述技术方案的进一步改进，所述电堆模块还包括氢气泄露传感器。

作为上述技术方案的进一步改进，所述燃料电池系统附件包括供氧系统、供氢系统和热管理系统；所述供氧系统、供氢系统和热管理系统分别通过所述气液分配器与所述电堆模块的进出液口连接；所述气液分配器上设置有温压传感器。

作为上述技术方案的进一步改进，所述供氧系统包括空气流量计、空压机、中冷器、膜增湿器和节气门；所述空压机分别与所述空气流量计和中冷器连接，所述膜增湿器和节气门分别与所述电堆模块连接，所述空气流量计的一侧设置有空气过滤器。

作为上述技术方案的进一步改进，所述膜增湿器与气液分配器连接的管路上还设置有湿度传感器。

作为上述技术方案的进一步改进，所述供氢系统包括高压电磁阀、比例阀、氢气循环泵和分水器；所述高压电磁阀的一端与氢气入口连接，所述高压电磁阀的另一端与所述比例阀连接，所述比例阀通过管路与所述电堆模块连接；所述分水器分别与所述电堆模块和氢气循环泵连接，所述分水器上还设置有排氢排水电磁阀，所述氢气循环泵通过单向阀与所述比例阀连接；所述高压电磁阀与比例阀之间设置有中压传感器；所述比例阀还连接设置有泄压阀。

作为上述技术方案的进一步改进，所述高压电磁阀与比例阀之间设置有中压传感器。

作为上述技术方案的进一步改进，所述热管理系统包括循环水泵、电动三通、ptc、散热器、膨胀水箱、过滤器、去离子罐和排气管；所述循环水泵的一端通过补液管与所述膨胀水箱连接，所述ptc和散热器的两端分别与所述电动三通和循环水泵的一端连接，所述电动三通的另一端与所述电堆模块连接；所述过滤器设置于所述热管理系统与电堆模块连接的出口，所述排气管设置有两路，其中一路所述排气管的一端设置于所述热管理系统与电堆模块连接的出口，所述排气管的另一端与膨胀水箱连接，另一路所述排气管的一端与所述散热器连接，另一端与所述膨胀水箱连接。

所述散热器与所述电动三通之间还设置有电导率传感器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的燃料电池系统框架结构，提高了系统零部件选型要求及系统的电、气、液的实时闭环控制能力，解决系统耐久性问题。

本发明的燃料电池系统电气系统结构，使燃料电池系统与整车电压平台统一，减少接口数量，便于与整车电气系统集成。

本发明具有更好的尺寸结构适应性，在燃料电池系统横向尺寸上布局紧凑，在燃料电池系统框架结构的下层框架结构既能为附件提供支撑又能为其提供防护。

本发明的燃料电池系统可扩展电堆功率，原有结构基础上开发更大功率燃料电池系统，该燃料电池系统针对商用车型匹配开发，结构层次合理，可制造性强，系统成本低，适用商用车型丰富，具有较高的经济效益。

附图说明

图1所示为本发明的燃料电池系统结构示意图；

图2所示为本发明的燃料电池系统框架结构示意图；

图3所示为本发明的电堆模块示意图；

图4所示为本发明的燃料电池系统附件示意图；

图5所示为本发明的散热器结构示意图。

附图中：1是燃料电池系统框架结构、2是直流升压器、3是直流降压器、4是电堆模块、5是供氧系统、6是供氢系统、7是热管理系统、8是温压传感器、41是电堆、42是导电铜排、43是电堆电流传感器、44是电堆电压继电器、45是气液分配器、46是电堆模块外壳、47是氢气泄露传感器、51是空气流量计、52是空压机、53是中冷器、54是膜增湿器、55是节气门、56是空气过滤器、57是湿度传感器、61是高压电磁阀、62是比例阀、63是氢气循环泵、64是排氢排水电磁阀、65是泄压阀、66是分水器、67是单向阀、68是中压传感器、71是循环水泵、72是电动三通、73是ptc、74是散热器、75是膨胀水箱、76是过滤器、77是去离子罐、78是排气管、79是补液管、80是电导率传感器。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参考图1-5所示，一种商用车用大功率燃料电池系统，包括燃料电池系统框架结构1、直流升压器2、直流降压器3、电堆模块4、燃料电池系统附件和燃料电池系统控制器；所述燃料电池系统框架结构1设置有若干层，所述直流升压器2和直流降压器3均置于所述燃料电池系统框架结构1的上部，所述直流升压器2与整车高压母线集成，所述电堆模块4设置于所述燃料电池系统框架结构1的中部，所述燃料电池系统附件5设置于所述燃料电池系统框架结构1的下部且与所述电堆模块4连接，所述直流降压器3通过电堆模块4输出电能为系统内的低压附件供电，所述燃料电池系统控制器用于控制燃料电池系统。

所述电堆模块4包括电堆41，导电铜排42、电堆电流传感器43，电堆电压继电器44，气液分配器45和电堆模块外壳46；所述电堆41通过电堆模块外壳46设置于燃料电池系统框架结构1上，所述电堆41设置有两个，既电堆一和电堆二，电堆一和电堆二通过所述导电铜排42串联，所述电堆一的负极串有电流电压传感器43，电流电压传感器43实时监测电堆41的电流电压；所述电堆二的正极串联的电堆继电器44，用于控制电堆电压回路的开断，防止电堆输出过高电流对电堆造成损伤，气液分配器45设置于所述电堆模块4的进出液口，所述电堆模块4还包括氢气泄露传感器47，所述氢气泄露传感器47设置于所述电堆模块4上。

所述燃料电池系统附件包括供氧系统5、供氢系统6和热管理系统7；所述供氧系统5、供氢系统6和热管理系统7分别通过所述气液分配器45与所述电堆模块4的进出液口连接，进而对两个电堆进行氢气、空气及冷却液的分配，所述气液分配器45上装有温压传感器8，该温压传感器8能够实时监测燃料电池系统的电堆出入口的空气、氢气、冷却液的温度与压力。

所述供氧系统5包括空气流量计51、空压机52、中冷器53、膜增湿器54和节气门55；所述空压机52分别与所述空气流量计51和中冷器53连接，所述膜增湿器54和节气门55分别与所述电堆模块4连接，在使用时，所述空气流量计51的一侧设置有空气过滤器56。

具体的，空气通过空气过滤器56进入空气流量计51，空气流量计51向燃料电池系统控制器反馈实时空气流量，空压机52通过机械做功，为空气增压，然后进入中冷器53冷却，冷却后的空气进入膜增湿器54进行增湿，最后进入电堆模块4参与反应，反应过后的空气通过节气门55排出，在上述实施例中，需要说明的是，空压机52与节气门55联合调节进入电堆模块4的空气流量与压力，供氧系统的气液分配器上装有的温压传感器8，能够实时监测进出电堆模块4的空气温度与压力，在膜增湿器54与气液分配器45连接的管路上还装有湿度传感器57，该湿度传感器57能够实时向燃料电池系统控制器传递空气的湿度，以闭环调节方式满足电堆模块4对空气的湿度要求；同时，供氧系统上的零部件通过管路进行连接，并且通过支架与管夹固定在燃料电池系统框架结构及电堆模块的底板上。

所述供氢系统6包括高压电磁阀61、比例阀62、氢气循环泵63、排氢排水电磁阀64、泄压阀65、分水器66；所述高压电磁阀61的一端与氢气入口连接，所述高压电磁阀61的另一端与所述比例阀62连接，所述比例阀62通过管路与所述电堆模块4连接，所述分水器66分别与所述电堆模块4和氢气循环泵63连接，所述分水器66上还设置有排氢排水电磁阀64，所述氢气循环泵63通过单向阀67与所述比例阀62连接；所述高压电磁阀61与比例阀62之间设置有中压传感器68；所述比例阀62还连接设置有泄压阀65。

具体的，高压电磁阀61控制氢气进入燃料电池系统的通断，起到保护作用。在高压电磁阀61与比例阀62之间布设的中压传感器68，能够实时监测进入比例阀的氢气压力，对比例阀62起到压力保护作用，比例阀62由燃料电池系统控制器控制氢气压力，通过联合调节氢气循环泵63、比例阀62、排水排氢电磁阀64满足电堆反应时对氢气的压力与流量要求；氢气路上，比例阀62上布设泄压阀65，该泄压阀65能够在氢气压力异常升高时机械开启，将氢气排放到系统尾排管路上，防止电堆受到压力损伤；电堆参与反应后的氢气进入分水器66，经过排氢排水电磁阀64排出部分水分后，由氢气循环泵63进行机械增压，使未反应的氢气通过单向阀67重新进入电堆氢气入口参与反应，氢气循环反应能够提高电堆对氢气的利用效率；在供氢系统的气液分配器45上装有的温压传感器8，该温压传感器8能够实时监测燃料电池系统的电堆出入口氢气温度与压力。同样的，供氢系统上的零部件通过管路进行连接，并且通过支架与管夹固定在燃料电池系统框架结构及电堆模块底板上。

在实际运行过程中，电堆会泄露氢气，为防止氢气浓度达到爆炸极限，在供氧系统空气路中冷器后，引出一路空气对电堆模块4进行堆腔吹扫，氢气泄露传感器47会监测稀释后的氢气浓度，并反馈给燃料电池系统控制器，燃料电池系统控制器根据监测到的氢气浓度，判断是否启动系统保护机制。

所述热管理系统7包括循环水泵71、电动三通72、ptc73、散热器74、膨胀水箱75、过滤器76、去离子罐77和排气管78；所述循环水泵71的一端通过补液管79与所述膨胀水箱75连接，所述ptc73和散热器74的两端分别与所述电动三通72和循环水泵71的一端连接，所述电动三通72的另一端与所述电堆模块4连接，所述过滤器76设置于所述热管理系统7与电堆模块4连接的出口，所述排气管78设置有两路，其中一路所述排气管78的一端设置于所述热管理系统7与电堆模块连接4的出口，所述排气管78的另一端与膨胀水箱75连接，另一路所述排气管78的一端与所述散热器74连接，另一端与所述膨胀水箱75连接。

在上述实施例中，所述散热器74与所述电动三通72之间还设置有电导率传感器80；所述散热器74与所述膨胀水箱75连接的排气管上设置有所述去离子罐77；本发明的电导率传感器80能够在线监测冷却液的电导率，去离子器罐77能够过滤热管理系统上的离子，电导率传感器80与去离子罐77的组合应用能够满足热管理系统的电导率要求。

在使用时，循环水泵71按燃料电池系统控制器要求提供动力，满足电堆冷却对冷夜的流量与压力要求。循环水泵71后经过电动三通72分别于ptc73及散热器74连接，两者最后由电动三通72混合，电动三通72通过控制与ptc73及散热器74连接口的通断，使冷却液实现大小循环控制，当电堆散热量小时，电动三通72使冷却液流经ptc43，进入电动三通72，再进入电堆，当电堆散热量大时，电动三通72使冷却液流经散热器74，进入电动三通72，再进入电堆，带出热量。在热管理系统上，电堆出口设有的过滤器76，能够过滤超过50μm的颗粒杂质。排气管78能将热管理系统管路内的气体排到膨胀水箱75中，防止气泡对热管理系统产生不良影响；膨胀水箱75还集成的补液管79，能够根据热管理系统上的需求，对其实时补冷却液。在热管理系统的气液分配器上装有温压传感器，该传感器能够实时监测燃料电池系统的电堆出入口冷却液的温度与压力。通过监测出入口的温差，燃料电池系统控制器调节循环水泵的转速，对电堆散热进行精确调节。

在上述实施例中，为满足燃料电池系统高集成的要求，将膨胀水箱75、电导率传感器80，过滤器76等与散热器74进行集成。同样的，热管理系统上的零部件通过管路进行连接，并且通过支架与管夹固定在燃料电池系统框架结构及电堆模块的底板上。

在上述实施例中，供氧系统5、供氢系统6、热管理系统7满足电堆的用气及散热需求后，燃料电池堆输出的电力到直流升压器2上，直流升压器2对电堆升压后，通过配电单元，分别输送给空压机控制器，ptc，直流降压器，整车高压直流母线；直流降压器3，将电压降至24v，再通过低压分配单元输送给燃料电池系统中的低压用电部件。在本发明中，燃料电池系统的温压传感器、湿度传感器均为由燃料电池系统传感器提供的5v电源驱动，除此之外的低压用电部件均为24v。统一的用电电压平台，降低了燃料电池系统电气模块的复杂度。电气模块通过支架固定在燃料电池系统顶部框架上。

最后需要说明的是，燃料电池系统的燃料电池系统框架结构顶部型材框架及底部型材框架通过螺栓与电堆模块框架相连组成整个系统的结构系统；燃料电池系统与整车固定时，底部框架上设有孔位，通过减震垫过渡后与整车固定结构相连。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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发明和简化描述，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发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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，可以是两个部件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。