一种集成式大功率燃料电池发动机系统的制作方法

1.本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种功率燃料电池发动机系统。


背景技术：

2.随着燃料电池发动机在商用车上的大规模推广应用，对大功率燃料电池发动机的需求越来越迫切。随着燃料电池功率的增加，燃料电池发动机的尺寸也势必相应的提高。燃料电池发动机各个零件的布置方式将显著地影响发动机的总体尺寸及复杂程度。
3.为了进一步提高燃料电池发动机的集成度，并且减少氢气管路、空气管路及冷却液管路的数量及长度，专利cn201310587746.2提供了一种燃料电池发动机的集成结构，电堆布置在框架中心处，动力控制单元布置在发动机的顶层，发动机的其余部分则围绕电堆固定于框架上，使得各元件易于维护和拆卸。但对于大功率的燃料电池系统来说，这种布置形式不利于整车应用，空间占有率较大，尤其是高度方向集成的控制单元。该方案不方便在商用车上安装和维修，对于大体积的氢燃料电池系统来说不利于抗振动和冲击。


技术实现要素：

4.鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种集成式大功率燃料电池发动机系统，以解决现有技术不方便安装、维修且集成度较低的问题。
5.一方面，本发明实施例提供了一种集成式大功率燃料电池发动机系统，包括；其中，上层电气模块至少集成了dc-dc转换器、用于为底层bop模块供电的高低压配电器；中层电堆模块至少集成了一组左右叠放或者上下叠放的双堆燃料电池；所述双堆燃料电池的供电端经dc-dc转换器与高低压配电器的输入端连接；底层bop模块至少集成了冷却液控制设备和气水分离器；双堆燃料电池的冷却液出口经所述冷却液控制设备与其冷却液入口连接，其尾气输出端经所述气水分离器的出水口与外部排水管道连接。
6.上述技术方案的有益效果如下：电气模块、电堆模块、bop模块分别设计成单独的模块，各个模块可分别进行高度集成设计，大大减少了管路数量及长度，且有利于发动机的装配及维修。该集成式大功率燃料电池发动机系统可直接在中重型商用车上固定安装，故障率较高的各模块可在车上进行直接更换。
7.基于上述系统的进一步改进，所述上层电气模块还包括密封箱体、布设于密封箱体内壁或外壁上的散热冷却回路；其中，dc-dc转换器、高低压配电器均设于所述密封箱体的内部，共用所述散热冷却回路；所述密封箱体的表面设有用于与双堆燃料电池的供电端连接的dc-dc转换接口，以及与底层bop模块连接的高低压配电接口；所述dc-dc转换接口与双堆燃料电池的供电端
铜排直接连接。
8.上述进一步方案的有益效果如下：上层电气模块设置为独立的模块，便于模块内零部件的散热，并且出现故障时可在车上进行直接更换。
9.进一步，所述上层电气模块还包括空压机控制器；其中，所述空压机控制器也设于密封箱体的内部，与dc-dc转换器、高低压配电器共用散热冷却回路；并且，所述密封箱体的表面还设有用于与空压机的控制端连接的端口。
10.上述进一步方案的有益效果如下：上层电气模块增加了空压机控制器，便于与外部电路连接时，对空压机进行独立控制。
11.进一步，所述中层电堆模块还包括双堆壳体、前端板、后端板、底板和上盖板；其中，所述双堆壳体设于中层电堆模块的中部位置，包括上、下壳体两部分，其之间通过法兰进行密封固定；双堆燃料电池设于所述双堆壳体的内部；双堆壳体中部预留悬置安装孔位，用于整车悬架安装固定；所述前端板上设有氢气入口、氢气出口、冷却液入口和冷却液出口；所述后端板上设有空气入口和空气出口；所述上盖板上设有正负极输出端口，以及用于集成上层电气模块的安装槽；双堆燃料电池通过所述正负极输出端口与dc-dc转换器的输入端连接。
12.上述进一步方案的有益效果如下：双堆壳体既是双堆燃料电池的封装壳体，又是所有bop的承载体，减少了大量支架、安装座等结构件的数量，降低了整机重量，并减少了成本。
13.进一步，所述中层电堆模块还包括设于所述双堆壳体外侧的入堆氢气控制设备、入堆空气控制设备；并且，所述入堆氢气控制设备的输出端与前端板上的氢气入口连接，并集成固定于前端板上；所述入堆空气控制设备的输出端与后端板上的空气入口直接连接，并集成固定于后端板上。
14.上述进一步方案的有益效果如下：入堆氢气控制设备、入堆空气控制设备均集成为独立的设备，设于电堆的前后端，便于安装拆卸。
15.进一步，所述入堆氢气控制设备进一步包括歧管装置、氢气喷射器、引射器、换热器、压力传感器、排气阀、排水阀；其中，所述歧管装置包括发动机进气歧管和发动机排气歧管，歧管上集成了用于与整车的对接的冷却液进出口、氢气入口；所述氢气喷射器、引射器、换热器的支路一依次连接后，与前端板上的氢气入口连接；所述压力传感器设于换热器的支路一出口处，用于采集入堆氢气压力；所述排气阀、排水阀均设于与双堆燃料电池的阴极尾气出口对应的位置。
16.上述进一步方案的有益效果如下：通过歧管的集成实现了氢气的上下平均分配，且实现了排水排气，大大减少了零件的空间占用率。歧管上集成了冷却液进出口、氢气入口
等与整车的对接口，方便与整车连接。
17.进一步，所述前端板上还集成有电导率仪、液位传感器；其中，所述电导率仪，设于双堆燃料电池的冷却液入口处，用于获取入堆冷却液的电导率；所述液位传感器，其电极深入双堆燃料电池歧管的内部，用于获取电堆歧管内的液体液位高度。
18.上述进一步方案的有益效果如下：实现了电导率、液位等的监测，提高了控制的精准性。
19.进一步，所述入堆空气控制设备进一步包括包括空压机、三通阀、中冷器、增湿器、节气门、气水分离器；其中，所述空压机、三通阀的输入端一、中冷器、增湿器、节气门依次连接后，再与双堆燃料电池的空气入口连接；气水分离器的输入端与双堆燃料电池的阳极尾气出口连接，排气端与三通阀的输入端二连接；上述连接均包括法兰密封连接。
20.上述进一步方案的有益效果如下：各零部件间通过法兰密封连接，在空间布置上大大减少了管路数量及长度。减少了对空压机的功耗需求。
21.进一步，所述冷却液控制设备设于中层电堆模块的底板下部且靠近前端板处，与中层电堆模块的底板进行集成固定；并且，所述冷却液控制设备进一步包括依次连接的水泵、ptc加热器、节温器；其中，中层电堆模块的冷却液入口通过歧管与节温器的出水口连接，其冷却液出口与水泵的入口连接。
22.上述进一步方案的有益效果如下：通过管路巧妙地与歧管相连，实现冷却液的循环入堆，在空间布置上距离歧管最近，实现了管路最短，减少了对水泵性能的要求。
23.进一步，所述双堆壳体的侧盖板上集成了数据采集器和发动机控制器；其中，数据采集器，用于对发动机的运行状态进行采集，包括输出电流，正负极输出端口电压，入堆氢气温度、压力，入堆空气温度、压力，入堆冷却液温度、出堆冷却液温度，发送至发动机控制器；发动机控制器，用于根据当前时刻上述发动机的运行状态，对发动机的运行参数进行实时调整，包括控制入堆氢气控制设备、入堆空气控制设备、冷却液控制设备的运行参数；发动机控制器的输出端分别与入堆氢气控制设备、入堆空气控制设备、冷却液控制设备的控制端连接。
24.上述进一步方案的有益效果如下：在壳体侧盖板上集成了发动机控制器及数据采集器，实现了对发动机的运行控制及数据采集。
25.提供发明内容部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本公开的重要特征或必要特征，也无意限制本公开的范围。
附图说明
26.通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
27.图1示出了实施例1集成式大功率燃料电池发动机系统组成示意图；图2示出了实施例2集成式大功率燃料电池发动机系统俯视示意图；图3示出了实施例2集成式大功率燃料电池发动机系统后视示意图。
28.图4示出了实施例2集成式大功率燃料电池发动机系统右视示意图；图5示出了实施例2集成式大功率燃料电池发动机系统前视示意图。
29.附图标记：1
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上层电气模块；2
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中层电堆模块；3
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底层bop模块。
具体实施方式
30.下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
31.在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。
32.大功率燃料电池发动机：通过氢和氧经过电化学反应将化学能转变成电能的发动机系统，一般输出功率在200 kw以上。
33.实施例1本发明的一个实施例，公开了一种集成式大功率燃料电池发动机系统，如图1所示，至少具有三层可拆卸结构，包括上层电气模块1、中层电堆模块2和底层bop模块3。
34.上层电气模块1至少集成了dc-dc转换器、用于为底层bop模块供电的高低压配电器。
35.中层电堆模块2至少集成了一组左右叠放或者上下叠放的双堆燃料电池；所述双堆燃料电池的供电端经dc-dc转换器与高低压配电器的输入端连接。
36.底层bop模块3至少集成了冷却液控制设备和气水分离器；双堆燃料电池的冷却液出口经所述冷却液控制设备与其冷却液入口连接，其尾气输出端经所述气水分离器的出水口与外部排水管道连接。
37.各层的零部件间通过法兰密封连接，在空间布置上大大减少了管路数量及长度，减少了对空压机的功耗需求。
38.与现有技术相比，本实施例电气模块、电堆模块、bop模块分别设计成单独的模块，各个模块可分别进行高度集成设计，大大减少了管路数量及长度，且有利于发动机的装配及维修。该集成式大功率燃料电池发动机系统可直接在中重型商用车上固定安装，故障率
较高的各模块可在车上进行直接更换。
39.实施例2在实施例1的基础上进行改进，所述上层电气模块还包括密封箱体、布设于密封箱体内壁或外壁上的散热冷却回路。
40.优选地，dc-dc转换器、高低压配电器均设于所述密封箱体的内部易于安装拆卸的位置，并共用所述散热冷却回路。密封箱体的表面设有用于与双堆燃料电池的供电端连接的dc-dc转换接口，以及与底层bop模块连接的高低压配电接口。
41.优选地，所述dc-dc转换接口与双堆燃料电池的供电端铜排直接连接，大大节约了安装空间。
42.高压配电主要用于水泵、空压机和ptc加热组件，低压配电主要用于其他发动机低压零部件及通信等。
43.优选地，上层电气模块还包括空压机控制器。其中，所述空压机控制器也设于密封箱体的内部，与dc-dc转换器、高低压配电器共用散热冷却回路。并且，所述密封箱体的表面还设有用于与空压机的控制端连接的端口。
44.上层电气模块的各电气组件均安装在电堆组件的上盖板上，从而使得dc-dc转换器能够与电堆正负极输出端口的铜排直接连接，大大节约了安装空间。
45.优选地，中层电堆模块还包括双堆壳体、前端板、后端板、底板和上盖板。
46.双堆壳体设于中层电堆模块的中部位置，包括上、下壳体两部分，其之间通过法兰进行密封固定。双堆燃料电池设于所述双堆壳体的内部。
47.前端板上设有氢气入口、氢气出口、冷却液入口和冷却液出口。
48.后端板上设有空气入口和空气出口。
49.上盖板上设有正负极输出端口，以及用于集成上层电气模块的安装槽；双堆燃料电池通过所述正负极输出端口与dc-dc转换器的输入端连接。
50.优选地，中层电堆模块还包括设于所述双堆壳体外侧的入堆氢气控制设备、入堆空气控制设备。并且，入堆氢气控制设备、入堆空气控制设备均采用集成模块设计。
51.优选地，入堆氢气控制设备的输出端与前端板上的氢气入口连接，并集成固定于前端板上。
52.优选地，入堆氢气控制设备进一步包括歧管装置、氢气喷射器、引射器、换热器、压力传感器、排气阀、排水阀，如图5所示。其中，歧管装置包括发动机进气歧管、发动机排气歧管，歧管上集成了用于与整车的对接的冷却液进出口、氢气入口，方便与整车连接。氢气喷射器、引射器、换热器的支路一依次连接后，与前端板上的氢气入口连接；压力传感器设于换热器的支路一出口处，用于采集入堆氢气压力；排气阀、排水阀均设于与双堆燃料电池的阴极尾气出口对应的位置。
53.优选地，前端板上还集成有电导率仪、液位传感器。其中，电导率仪，设于双堆燃料电池的冷却液入口处，用于获取入堆冷却液的电导率；液位传感器，其电极深入双堆燃料电池歧管的内部，用于获取电堆歧管内的液体液位高度。
54.通过歧管的集成实现了氢气的上下平均分配，且实现了排水排气及温度液位等的监测，大大减少了零件的空间占用率。歧管上集成了用于与整车的对接的冷却液进出口、氢气入口，方便与整车连接。
55.优选地，入堆空气控制设备的输出端与后端板上的空气入口直接连接，并集成固定于后端板上。
56.优选地，入堆空气控制设备进一步包括包括空压机、三通阀、中冷器、增湿器、节气门、气水分离器等零部件，如图3所示。其中，空压机、三通阀的输入端一、中冷器、增湿器、节气门依次连接后，再与双堆燃料电池的空气入口连接；气水分离器的输入端与双堆燃料电池的阳极尾气出口连接，排气端与三通阀的输入端二连接。
57.入堆空气控制设备直接与电堆后端板的接口相连，实现空气的进排气。且各零部件间通过法兰密封连接，在空间布置上大大减少了管路数量及长度。减少了对空压机的功耗需求。
58.优选地，冷却液控制设备设于中层电堆模块的底板下部且靠近前端板处，与中层电堆模块的底板进行集成固定。并且，冷却液控制设备进一步包括依次连接的水泵、ptc加热器、节温器，如图2所示。
59.其中，中层电堆模块的冷却液入口通过歧管与节温器的出水口连接，其冷却液出口与水泵的入口连接。
60.通过管路与歧管相连，实现冷却液的循环入堆，在空间布置上距离歧管最近，实现了管路最短，减少了对水泵性能的要求。
61.优选地，双堆壳体的侧盖板上集成了数据采集器和发动机控制器。
62.数据采集器，用于对发动机的运行状态（包括故障信息、诊断信息）进行采集，包括输出电流，正负极输出端口电压，入堆氢气温度、压力，入堆空气温度、压力，入堆冷却液温度、出堆冷却液温度，各bop零部件状态信息等，发送至发动机控制器。
63.发动机控制器，用于根据当前时刻上述发动机的运行状态，对发动机的运行参数进行实时调整，包括控制入堆氢气控制设备、入堆空气控制设备、冷却液控制设备的运行参数；发动机控制器的输出端分别与入堆氢气控制设备、入堆空气控制设备、冷却液控制设备的控制端连接。
64.优选地，各零部件布置于电堆周边，易拆卸、维修的位置。电堆壳体中部预留悬置安装孔位，便于整车悬架安装固定。
65.与实施例1相比，本实施例提供的集成式大功率燃料电池发动机系统具有如下有益效果：1、高度集成化：集成了电堆模块、电气模块、入堆氢气控制设备、入堆空气控制设备、冷却液控制设备、控制系统（数据采集器和发动机控制器）等。整个系统的水、气进出口位置的设计参考了当前主流燃料电池商用车，空间位置更方便于整车气管和水管的连接。
66.2、模块化设计：系统上部模块为电气模块，中部为电堆模块以及电堆前、后的入堆氢气控制设备、入堆空气控制设备，底部包括冷却液控制设备的bop模块。其电堆水、氢接口集成在前端歧管，空气出入口在后端板，提高了空间的利用率，更体现高度集成化。
67.3、电堆壳体既是双堆的封装壳体，又是所有bop的承载体，减少了大量支架、安装座等结构件的数量，既降低了整机重量又减少了成本。
68.4、所有bop的零部件布置于电堆前、后及底板，各零部件无遮挡，易于拆卸维修。
69.以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技
术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对现有技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。