集成式燃料电池系统、布设方法以及车辆与流程

1.本发明涉及车辆技术领域，具体地，涉及一种集成式燃料电池系统、布设方法以及车辆。


背景技术：

2.燃料电池系统由电堆集成、空气子系统、氢气子系统、冷却子系统、控制子系统等组成，但是现有的燃料电池系统的集成度较低，导致燃料电池系统的占用空间大。
3.由此，亟需一种技术方案来提高燃料电池系统的集成度。


技术实现要素：

4.本发明的一个目的是提供一种集成式燃料电池系统、布设方法以及车辆的新技术方案，通过对电池系统的结构进行改进，从而提高电池系统的集成度。
5.本发明的一个方面，提供了一种燃料电池系统，将所述电池系统划分为第一区域、第二区域和第三区域，所述第一区域和所述第二区域沿第一方向并列设置，所述第三区域沿第二方向设置于所述第一区域和所述第二区域的一侧，所述第一方向和所述第二方向相垂直；
6.所述电池系统包括：
7.电堆控制器集成，设置于所述第一区域；
8.阀体集成，设置于所述第二区域；以及
9.附件集成，设置于所述第三区域，所述电堆控制器集成、所述阀体集成和所述附件集成通过管路及接口相互连接。
10.本发明的另一个方面，提供了一种燃料电池系统的布设方法，该方法包括：
11.布设所述选型件；
12.根据所述选型件的位置布设所述改型件；
13.布设所述设计件。
14.本发明的又一个方面，提供了一种车辆，包括上述的燃料电池系统。
15.通过以下参照附图对本说明书的示例性实施例的详细描述，本说明书的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
16.被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本说明书的实施例，并且连同其说明一起用于解释本说明书的原理。
17.图1是本发明实施例中燃料电池系统的结构示意图；
18.图2是图1的侧视图，沿第一视角；
19.图3是图1的主视图；
20.图4是图1的仰视图；
21.图5是图1的爆炸示意图。
22.在图1-图5中：
23.101、电堆；101a、端板；102、集成控制器；103、氢气引射器；104、第一多功能接头；105、空气背压阀；106、第二多功能接头；107、多通阀；108、节温器；109、去离子器；
24.110、排水阀；111、第三多功能接头；112、排氢阀；113、第四多功能接头；114、空气组合阀；115、氢循环泵；115a、第二电机；116、集成换热器；117、空压机；117a、第一电机；118、催化加热器；119、水泵；119a、第三电机；
25.201、第一区域；202、第二区域；203、第三区域；
26.301a、空气入口；301b、空气出口；302a、冷却液入口；302b、冷却液出口；303a、氢气入口；303b、氢气出口；
27.401、第一子区；402、第二子区；403、第三子区；404、第四子区；
28.501、电堆控制器集成；502、阀体集成；503、附件集成。
具体实施方式
29.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
30.本发明提供了一种集成式燃料电池系统，参见图1、图2，该燃料电池系统包括电堆控制器集成、阀体集成和附件集成。其中，电堆控制器集成包括电堆101和集成控制器102，电堆控制器集成是指将燃料电池系统的电堆101和集成控制器102集成为一个模块。阀体集成包括集成为一个模块的若干阀门。参见图3和图4，附件集成包括氢循环泵115、集成换热器116、空压机117、催化加热器118、水泵119、去离子器109等，附件集成是指将上述附件集成为一个模块。
31.具体来说，所述电堆控制器集成、所述阀体集成和所述附件集成相互连通。所述电堆控制器集成和所述阀体集成沿第一方向并列设置，所述附件集成沿第二方向设置于所述电堆控制器集成和所述阀体集成的一侧，所述第一方向和所述第二方向相垂直。其中，第一方向和第二方向分别为图1和图2中的x向和y向。
32.在布设时，如图1和图2所示，将燃料电池系统划分为第一区域201、第二区域202和第三区域203。电堆控制器集成设置于第一区域201内，在第一区域201内，电堆101和集成控制器102沿y向依次设置，电堆101位于集成控制器102的远离第三区域203的一侧。
33.可选地，电堆101和集成控制器102的外形尺寸一致，两者直接相互固定和密封，进而保证了尺寸规整。
34.如图3所示，阀体集成设置于第二区域202内。阀体集成固定于电堆101的端板101a以及集成控制器102的侧部。由于电池系统的阀门的体积较小，且大部分直接连接于电堆101的端板101a，因此通过利用位于电堆101端板101a和集成控制器102侧部的空间作为第二区域202来布设阀体集成能够进一步节省阀体集成所占用的空间。
35.此外，阀体集成也能够根据与附件集成的连接特点以及与电堆101端板101a连接接口的要求进行集成设计，从而能够提高阀体集成的布设效率。
36.如图4所示，附件集成设置于第三区域203内。在y向上附件集成与集成控制器102形成连接。空压机117、水泵119、氢循环泵115等高压零件固定连接于集成控制器102和阀体
集成，从而与集成控制器102和阀体集成的对应阀门实现电气连接。对实现该电气连接的接口进行端面密封。相比于现有集成方案中通过电缆连接和插件密封的形式，本发明中附件集成的布置方式的布置边界可控，同时附件集成防护探测度高、可靠性高。
37.具体而言，参见图3和图4，附件集成主要包括氢循环泵115、去离子器109、空压机117、水泵119等体积较大，且与电堆101无直接连接关系的部件。按照电缆最短连接原则确定氢循环泵115、空压机117、水泵119的位置。
38.同时，图4中空压机117还包括第一电机117a，氢循环泵115包括第二电机115a、水泵119包括第三电机119a，第一电机117a、第二电机115a和第三电机119a均与集成控制器102通过端子直连，取消高压电缆实现布置边界可控，结合处使用端面密封以提高ip防护可靠性。
39.进而还可以根据电池系统各个部件的介质连接关系确定集成换热器116、催化加热器118的位置，其中电池系统中的介质是指空气、氢气和冷却液。还可以通过集成换热器116、催化加热器118的外形异形设计实现空间的充分有效利用。
40.采用本发明中的实施方式，通过将燃料电池系统的部件分别集成为电堆控制器集成、附件集成和阀门集成的方式，并将前述的三个集成对应布设于第一区域201、第二区域202和第三区域203内能够对这三个集成进行相互独立的集成设计，从而也能够使得每一个集成的设计更加合理。
41.通过将第一区域201和第二区域202沿x向并列设置，第三区域203在垂直于x向的y向上设置于第一区域201和第二区域202一侧的方式，能够有效地利用设置于第三区域203内的附件集成的外形轮廓，减小电池系统安装于车辆时，对安装空间的浪费。
42.在一个可选择的实施方式中，继续参见图1和图2，第三区域203内设置的附件集成位于第一区域201和第二区域202在y向的下部。当然，第三区域203也可以设置在第一区域201和第二区域202的上部，但是第三区域203在下部的方式能够对阀体集成和电堆控制器集成起到一定的支撑的作用，同时由于附件集成的体积较大，将附件集成设置在下部也能够提高燃料电池系统的结构稳定性。
43.在一个实施例中，将第二区域202划分为多个子区。例如，参见图3将第二区域202划分出四个子区，分别为第一子区401、第二子区402、第三子区403和第四子区404。
44.结合图3和图5所示，电堆101的端板101a的两侧分别设置有介质连通口。具体来说，端板101a的一侧沿y向依次设置有空气入口301a、冷却液出口302b和氢气出口303b，端板101a的另一侧对应设置有空气出口301b、冷却液入口302a和氢气入口303a。根据端板101a两侧的介质连通口所在的位置划分出第一子区401和第四子区404。
45.第一子区401设置有至少一个第一多功能接头104，在第四子区404至少设置一个第四多功能接头113。其中，第一多功能接头104和第四多功能接头113与电堆101至少一个介质连通口形成接触式连接，也即第一多功能接头104与电堆101介质连通口直接相接触。
46.例如，第一多功能接头104与空气出口301b和氢气入口303a形成面面贴合的对配连接。这样的连接方式与传统的通过连接管、转接头的连接方式相比，能够减少连接管的数量，减少间接管所占用的空间。当然，第一多功能接头104与空气出口301b和氢气入口303a形成插接配合。
47.参见图5，第一多功能接头104集成有电池系统的氢气引射器103，也即氢气引射器
103固设于第一多功能接头104，并通过第一多功能接头104与氢气入口303a相连通。通过这样的方式，能够减少氢气引射器103与第一多功能接头104连接的管路设置。可选地，第一多功能接头104与空气背压阀105相集成。也即，空气背压阀105固设于第一多功能接头104并通过第一多功能接头104与空气出口301b相连通。
48.第一多功能接头104设有多个接口，将第一多功能接头104的接口与空气背压阀105或氢气引射器103对应连接的接口形成适配，从而使得第一多功能接头104具有转接的功能。
49.此外，第一多功能接头104还集成有检测传感装置，从而实现对空气背压阀105、氢气引射器103装置的精确检测。
50.同理，第四多功能接头113与第四子区404的至少一个介质连通口连接，其连接的方式与第一多功能接头104与电堆101介质连通口的连接方式相同，在此不再进行赘述。
51.第二子区402在图3中所示的y向位于第一子区401的下侧。第二子区402布设空气管路、冷却管路和氢气管路。在第二子区402中设置有第二多功能接头106。第二多功能接头106与空气管路、冷却管路和氢气管路连通。第二多功能接头106集成有多通阀107，从而减少了第二多功能接头106与多通阀107的连通管路，能够进一步减少第二子区402内的管路数量。
52.第三子区403在图3中所示的y向位于第四子区404的下侧。在第三子区403内设置有第三多功能接头111，第三多功能接头111接触式连接于氢气出口303b。通过第三多功能接头111同时连接有电池系统的分水器、排水阀110和排氢阀112等。可选地，排水阀110和排氢阀112集成于第三多功能接头111，氢气出口303b通过第三多功能接头111与电池系统的排水阀110和排氢阀112连接。本领域技术人员在设计的过程中，能够在第二区域202的外形边界的限制下，对阀体集成进行设计。通过在管路连接关系较为集中的第二区域202设置有多个多功能接头的方式，能够大量省去复杂的管路走向，同时兼顾零件集成，缩短连接路径，空间占用小，设计灵活且造型美观。
53.在本发明的一些实施例中，提供一种电池系统的布设方法，电池系统包括选型件、改型件和设计件，布设方法包括：
54.优先布设选型件的位置；
55.再根据选型件的位置布设其周围的改型件；
56.最后再布设设计件。
57.其中，选型件是指市场现有规格型号的零件可直接满足，其设计方案成熟且已定型，无需对其进行接口、形状和结构的修改的零部件。改型件是指满足要求的零件设计方案未开发定型，可支持局部修改，包括外形、安装点、接口位置规格等可在一定程度上进行调整的零部件。设计件是指无现有满足要求的零件型号可选，需全新定制化开发设计，具有较大的设计自由度的零部件。
58.从而，能够根据部件的特点，建立优先布设的顺序，从而能够充分利用布设空间，实现最优的集成方案设计。
59.具体来说，本方案中空气背压阀105、排水阀110、排氢阀112为选型件，阀体集成设计时设置于空气背压阀105、排水阀110、排氢阀112周边的部件相适配设计，避免对阀体集成外形的调整。
60.其次，氢气引射器103、节温器108、空气组合阀114、多通阀107为改型件。
61.最后，针对电堆101、集成控制器102，去离子器109、氢循环泵115、集成换热器116、空压机117、催化加热器118、水泵119等，为全新设计件，由此，能够完全根据集成布置要求进行定制及定向设计，形状尺寸及接口关系调整范围最大，因此在设计时可面向高集成度进行定制设计。此外，按照连接管路最短的原则进行设计，实现总体结构紧凑。
62.在本发明的另一些实施例中，集成换热器116壳体因自身安装需求，侧面存在大量规律分布的纵向凹槽(图中未示出)。电堆101侧面加强筋与集成换热器116的凹槽同向延伸。从而能够在加强结构的同时进一步减小对空间的占用。
63.本发明的另一个方面，提供了一种车辆，包括上述的燃料电池系统。
64.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，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，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

技术特征：
1.一种集成式燃料电池系统，其特征在于，将所述电池系统划分为第一区域、第二区域和第三区域，所述第一区域和所述第二区域沿第一方向并列设置，所述第三区域沿第二方向设置于所述第一区域和所述第二区域的一侧，所述第一方向和所述第二方向相垂直；所述电池系统包括：电堆控制器集成，设置于所述第一区域，所述电堆控制器集成包括电堆和集成控制器；阀体集成，设置于所述第二区域；以及附件集成，设置于所述第三区域，所述电堆控制器集成、所述阀体集成和所述附件集成相互连接。2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阀体集成包括第一多功能接头，所述第一多功能接头集成有空气背压阀和氢气引射器；所述电堆的端板开设有若干介质连通口，所述介质连通口包括氢气入口，所述氢气入口通过所述第一多功能接头与所述氢气引射器连通；所述介质连通口还包括所述空气出口，所述空气背压阀通过所述第一多功能接头与所述空气出口连通。3.据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述第一多功能接头与至少一个所述介质连通口相接触。4.据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阀体集成还包括第三多功能接头，所述第三多功能接头集成有排水阀和排氢阀，所述第三多功能接头接触连接于氢气出口，所述氢气出口通过所述第三多功能接头与所述排氢阀连通。5.据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述电堆和所述集成控制器的外形尺寸一致。6.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述集成控制器固定连接有氢循环泵、空压机、水泵。7.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，电池系统包括换热器，所述换热器设置有凹槽；所述电堆设置有加强筋，所述加强筋与所述凹槽同向延伸。8.根据权利要求1-7任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，所述电堆控制器集成、所述阀体集成和所述附件集成均包括选型件、改型件和设计件；所述选型件包括空气背压阀、排水阀、排氢阀；所述改型件包括氢气引射器、节温器、空气组合阀和多通阀；所述设计件包括电堆、集成控制器、去离子器、氢循环泵、换热器、空压机、催化加热器和水泵。9.一种燃料电池系统的布设方法，根据权利要求8所述的燃料电池系统，其特征在于，包括：首先布设所述选型件；根据所述选型件的位置布设所述改型件；布设所述设计件。10.一种车辆，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的燃料电池系统。

技术总结
本发明公开了一种集成式燃料电池系统布设方法以及车辆,将电池系统划分为第一区域、第二区域和第三区域，第一区域和第二区域沿第一方向并列设置，第三区域沿第二方向设置于第一区域和第二区域的一侧，第一方向和第二方向相垂直；电池系统包括：电堆控制器集成，设置于第一区域；阀体集成，设置于第二区域；以及附件集成，设置于第三区域，电堆控制器集成、阀体集成和附件集成通过管路及接口相互连接。成和附件集成通过管路及接口相互连接。成和附件集成通过管路及接口相互连接。


技术研发人员：贾勇琪 尚鹏飞 朱益佳 王克勇 蔡俊 刘越玮 侯中军 卢兵兵
受保护的技术使用者：上海捷氢科技股份有限公司
技术研发日：2023.06.16
技术公布日：2023/9/7