本發(fā)明涉及燃料電池領(lǐng)域，尤其涉及含水熱管理結(jié)構(gòu)設(shè)計的燃料電池連接模塊。

背景技術(shù)：

面對能源瓶頸和日益嚴(yán)重的霧霾，發(fā)展新能源汽車是大勢所趨。為保護(hù)環(huán)境，減少城市中的大氣污染，以PEMFC(質(zhì)子交換膜燃料電池)為動力的裝置受到越來越多的關(guān)注，當(dāng)PEMFC以純氫為燃料時，它能達(dá)到真正的的“零”排放。目前PEMFC在交通、通訊等領(lǐng)域均有一定的應(yīng)用。陰極側(cè)隨著操作壓力的提升，在氣體輸送壓縮時，氣體溫度大幅升高，甚至達(dá)到100℃以上，因此在低溫質(zhì)子交換膜燃料電池中需對空氣進(jìn)行預(yù)冷，配有中冷器；而陽極側(cè)氫氣從氫儲罐減壓輸送至PEMFC，溫度低，甚至在管路上會結(jié)霜，大部分設(shè)計會對氫氣進(jìn)行預(yù)熱，安裝預(yù)熱器；最終使燃料電池電堆輸入流體特性基本一致，以提升低溫質(zhì)子交換膜燃料電池的壽命。中冷器、預(yù)熱器在工業(yè)中為比較成熟的產(chǎn)品，在查新檢索中，中冷器、預(yù)冷器在燃料電池系統(tǒng)中大多單獨布置，也有關(guān)于中冷器、預(yù)冷器組合為一個器件的介紹(專利號：CN104201404B、CN103474686B)，但未查新到將中冷器、預(yù)熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計在燃料電池連接模塊上。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明將燃料電池進(jìn)行模塊集成化處理，以解決燃料電池占用空間大，擴(kuò)展性移植性差等技術(shù)問題，該模塊化燃料電池系統(tǒng)，包括：電堆模塊總成，由后端(盲端)端板、絕緣板、集流板、電池組(含多層膜電極和雙極板)及前端端板按需依次組合堆疊而成；連接模塊，設(shè)置于所述電堆模塊總成的一側(cè)；輔機(jī)模塊總成，設(shè)置于所述連接模塊相對于設(shè)置所述電堆模塊總成的另一側(cè)；電氣模塊總成，設(shè)置于所述電堆模塊總成相對于設(shè)置所述連接模塊的另一側(cè)；外封裝總成，包括電堆模塊封裝箱和輔機(jī)模塊封裝箱，所述電堆模塊封裝箱和所述輔機(jī)模塊封裝箱通過所述連接模塊固聯(lián)構(gòu)成，分別用于容納所述電堆模塊總成及所述電氣模塊總成和所述輔機(jī)模塊總成的容納空間；所述電堆模塊總成、所述輔機(jī)模塊總成和所述電氣模塊總成通過所述外封裝總成封裝形成獨立的、具有預(yù)設(shè)密封等級的燃料電池系統(tǒng)；在距離系統(tǒng)線路密集的所述輔機(jī)封裝箱側(cè)部固定有系統(tǒng)控制單元(ECU)。

其中，所述連接模塊具備介質(zhì)流道轉(zhuǎn)換、分配能力等諸多功能，能夠為多個相關(guān)元件提供可靠的連接與固定，

本發(fā)明進(jìn)一步結(jié)合車用PEMFC需要，將中冷器和預(yù)熱器耦合在燃料電池連接模塊上，即本發(fā)明所述的含水熱管理結(jié)構(gòu)設(shè)計的燃料電池連接模塊，其除了滿足機(jī)械強(qiáng)度外，分別連接電堆模塊總成與輔機(jī)模塊總成，新增流體分配功能同時附加了中冷和預(yù)熱的功能。進(jìn)一步減小功能部件數(shù)量，減小傳熱介質(zhì)冷卻劑的用量，減小了零部件所占的體積和重量，減小了系統(tǒng)的能耗。

具體的，所述的燃料電池連接模塊包括：連接模塊的主板和設(shè)置于其上的中冷器和預(yù)熱器(即：水熱管理部件——空氣中冷器和氫氣預(yù)熱器)；所述中冷器和預(yù)熱器設(shè)置于靠近輔機(jī)模塊總成的一側(cè)，其中：

所述中冷器

包括中冷器密封端蓋、設(shè)置于中冷器密封端蓋上的入中冷器空氣進(jìn)口，設(shè)置于連接模塊主板上的出中冷器空氣出口，該出中冷器空氣出口連接電堆模塊總成的空氣入口；

還包括設(shè)置于中冷器密封端蓋上的入中冷器冷卻劑進(jìn)口；設(shè)置于連接模塊主板上的出中冷器冷卻劑出口，該出中冷器冷卻劑出口連接電堆模塊總成冷卻劑入口；

所述的入中冷器冷卻劑進(jìn)口和出中冷器冷卻劑出口所對應(yīng)的管路用于輸送中冷器冷卻劑；

所述的入中冷器空氣進(jìn)口、出中冷器空氣出口和中冷器密封端蓋所圍成的空間，為中冷器空氣腔，是空氣的輸送通道，此通道中布置有換熱片，采用翅片式或疊片式結(jié)構(gòu)均可，本發(fā)明實施例中的設(shè)置為換熱翅片；

空氣中冷器集成在燃料電池連接模塊上，空氣中冷器冷流體為入電堆模塊總成冷卻液，熱流體為空壓機(jī)出口空氣。

空氣中冷器優(yōu)先熱流體腔體容積大小進(jìn)行設(shè)計。

所述預(yù)熱器

包括預(yù)熱器密封端蓋、設(shè)置于預(yù)熱器密封端蓋上的入預(yù)熱器氫氣進(jìn)口，設(shè)置于連接模塊主板上的出預(yù)熱器氫氣出口，該出預(yù)熱器氫氣出口連接電堆模塊總成氫氣入口；

還包括設(shè)置于連接模塊主板上的入預(yù)熱器冷卻劑進(jìn)口，該入預(yù)熱器冷卻劑進(jìn)口連接電堆模塊總成冷卻劑出口；和設(shè)置于預(yù)熱器密封端蓋上的出預(yù)熱器冷卻劑出口；

所述的入預(yù)熱器氫氣進(jìn)口、出預(yù)熱器氫氣出口和預(yù)熱器密封端蓋所圍成的空間，為預(yù)熱器氫氣腔，是氫氣輸送通道，此通道中布置有換熱片，采用翅片式或疊片式結(jié)構(gòu)均可，本發(fā)明實施例中的設(shè)置為換熱疊片；

所述的入預(yù)熱器冷卻劑進(jìn)口和出預(yù)熱器冷卻劑出口之間所圍成的變徑管路為預(yù)熱器冷卻劑的輸送通道；此輸送通道的管路形狀和位置，需滿足其所處位置不能干涉其余管路，本發(fā)明實施例中，具體采用變徑管路的設(shè)計，設(shè)置此變徑管路以及設(shè)計所述的入預(yù)熱器冷卻劑進(jìn)口與出預(yù)熱器冷卻劑出口為偏心圓的目的，也同上。

所述的預(yù)熱器冷卻劑的輸送通道的外壁還設(shè)置有用于固定換熱疊片的部件；

為了保證中冷器和預(yù)熱器內(nèi)部空間的密閉性，還在沿著預(yù)熱器密封端蓋和中冷器密封端蓋與連接模塊主板的連接處，分別設(shè)置有密封膠線。

進(jìn)一步地，對于上文所述的技術(shù)方案，燃料電池連接模塊主板材料為導(dǎo)熱良好的材料；具體本發(fā)明實施例中選用的燃料電池連接模塊主體材料為鋁。

氫氣預(yù)熱器集成在燃料電池連接模塊上，氫氣預(yù)熱器冷流體為入電堆模塊總成冷氫氣、熱流體為出電堆模塊總成冷卻液；

氫氣預(yù)熱器優(yōu)先冷流體腔體容積大小進(jìn)行設(shè)計。

本發(fā)明的創(chuàng)新特征是：

1、本發(fā)明將中冷器與預(yù)熱器有機(jī)結(jié)合，與傳統(tǒng)的燃料電池系統(tǒng)相比，無需從冷卻循環(huán)路分取支路進(jìn)行中冷及預(yù)熱；從而進(jìn)一步減小功能部件數(shù)量，減小傳熱介質(zhì)冷卻劑的用量，減小了零部件所占的體積和重量，減小了系統(tǒng)的能耗。

2、本發(fā)明將進(jìn)一步附加了燃料電池連接模塊的功能，減小功能部件數(shù)量，有效整合資源，降低由附屬管路造成的熱損失、流體阻力損失。

3、本發(fā)明在中冷換熱和預(yù)熱換熱過程，同時兼顧了入電堆模塊總成空氣和氫氣的緩沖腔(即指換熱的腔體，因為該腔體比原有管路體積大，可以起到緩沖的作用)設(shè)計，增加燃料電池系統(tǒng)劇烈動態(tài)變化的耐受性。

附圖說明

圖1為已有的電堆模塊總成、輔機(jī)模塊總成和連接模塊的裝配示意圖；

圖2為未拆除中冷器密封端蓋和預(yù)熱器密封端蓋的連接模塊正視圖；

圖3為拆除中冷器密封端蓋和預(yù)熱器密封端蓋的連接模塊正視圖；

其中：I：電堆模塊總成，II：連接模塊，III：輔機(jī)模塊總成；1：連接模塊II的主板；101：入中冷器空氣進(jìn)口，102：出中冷器空氣出口，201：入預(yù)熱器氫氣進(jìn)口，202：出預(yù)熱器氫氣出口，301：入預(yù)熱器冷卻劑進(jìn)口，302：出預(yù)熱器冷卻劑出口，401：入中冷器冷卻劑進(jìn)口，402：出中冷器冷卻劑出口，501：為換熱疊片；502：為換熱翅片；6：密封膠線；7：緊固密封螺釘孔；801：預(yù)熱器密封端蓋；802：中冷器密封端蓋。

具體實施方式

下述非限制性實施例可以使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員更全面地理解本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明。任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思進(jìn)行等同替換或改變均屬于本發(fā)明保護(hù)范疇。

實施例1

以25kW發(fā)動機(jī)系統(tǒng)為例。燃料電池連接模塊II一側(cè)連接電堆模塊總成I、一側(cè)連接輔機(jī)模塊III，燃料電池連接模塊II上設(shè)有流體分配孔同時含有水熱管理部件，燃料電池連接模塊II主體材料為鋁，如附圖2和3所示，重點標(biāo)識了燃料電池連接模塊II上中冷器與預(yù)熱器的結(jié)構(gòu)，因冷卻液換熱系數(shù)高于空氣、氫氣換熱系數(shù)，故在中冷器空氣腔設(shè)計了翅片，在預(yù)熱器氫氣腔設(shè)計了疊片以增大換熱面積，增強(qiáng)換熱效果。其中：

即本發(fā)明所述的含水熱管理結(jié)構(gòu)設(shè)計的燃料電池連接模塊II，其除了滿足機(jī)械強(qiáng)度外，分別連接電堆模塊總成I與輔機(jī)模塊總成III，新增流體分配功能同時附加了中冷和預(yù)熱的功能。具體的，所述的燃料電池連接模塊II包括：連接模塊II的主板1和設(shè)置于其上的中冷器和預(yù)熱器；所述中冷器和預(yù)熱器設(shè)置于靠近輔機(jī)模塊總成的一側(cè)，其中：

所述中冷器

包括中冷器密封端蓋802、設(shè)置于中冷器密封端蓋802上的入中冷器空氣進(jìn)口101，設(shè)置于連接模塊II主板1上的出中冷器空氣出口102，該出中冷器空氣出口102連接電堆模塊總成I的空氣入口；

還包括設(shè)置于中冷器密封端蓋802上的入中冷器冷卻劑進(jìn)口401；設(shè)置于連接模塊主板上的出中冷器冷卻劑出口402，該出中冷器冷卻劑出口402連接電堆模塊總成I冷卻劑入口；

所述的入中冷器冷卻劑進(jìn)口401和出中冷器冷卻劑出口402所對應(yīng)的管路用于輸送中冷器冷卻劑；

所述的入中冷器空氣進(jìn)口101、出中冷器空氣出口102和中冷器密封端蓋802所圍成的空間，為中冷器空氣腔，是空氣的輸送通道，此通道中布置有換熱翅片502；

空氣中冷器集成在燃料電池連接模塊II上，空氣中冷器冷流體為入電堆模塊總成冷卻液，熱流體為空壓機(jī)出口空氣。

空氣中冷器優(yōu)先熱流體腔體容積大小進(jìn)行設(shè)計。

所述預(yù)熱器

包括預(yù)熱器密封端蓋801、設(shè)置于預(yù)熱器密封端蓋801上的入預(yù)熱器氫氣進(jìn)口201，設(shè)置于連接模塊II主板1上的出預(yù)熱器氫氣出口202，該出預(yù)熱器氫氣出口202連接電堆模塊總成II氫氣入口；

還包括設(shè)置于連接模塊II主板1上的入預(yù)熱器冷卻劑進(jìn)口301，該入預(yù)熱器冷卻劑進(jìn)口301連接電堆模塊總成冷卻劑出口；和設(shè)置于預(yù)熱器密封端蓋801上的出預(yù)熱器冷卻劑出口302；

所述的入預(yù)熱器氫氣進(jìn)口201、出預(yù)熱器氫氣出口202和預(yù)熱器密封端蓋801所圍成的空間，為預(yù)熱器氫氣腔，是氫氣輸送通道，此通道中布置有換熱疊片501；

所述的入預(yù)熱器冷卻劑進(jìn)口301和出預(yù)熱器冷卻劑出口302之間所圍成的變徑管路為預(yù)熱器冷卻劑的輸送通道，所述的入預(yù)熱器冷卻劑進(jìn)口301與出預(yù)熱器冷卻劑出口302為偏心圓；此輸送通道的管路形狀和位置，滿足其所處位置不干涉其余管路。

所述的預(yù)熱器冷卻劑的輸送通道的外壁還設(shè)置有用于固定換熱疊片501的部件；

為了保證中冷器和預(yù)熱器內(nèi)部空間的密閉性，還在沿著預(yù)熱器密封端蓋801和中冷器密封端蓋802與連接模塊主板1的連接處，分別設(shè)置有密封膠線6。

氫氣預(yù)熱器集成在燃料電池連接模塊上，氫氣預(yù)熱器冷流體為入電堆模塊總成I冷氫氣、熱流體為出電堆模塊總成I冷卻液；

氫氣預(yù)熱器優(yōu)先冷流體腔體容積大小進(jìn)行設(shè)計。

1.從中冷及預(yù)熱效果對比：利用本發(fā)明所述結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的25kW燃料電池系統(tǒng)相比，二者所能達(dá)到的中冷及預(yù)熱效果基本一致，且無需從冷卻循環(huán)路分取支路進(jìn)行中冷及預(yù)熱；

2.從重量上對比：傳統(tǒng)的25kW燃料電池系統(tǒng)燃料電池連接模塊重5kg，空氣中冷器重3.5kg，氫氣預(yù)熱器1kg；總計9.5kg(未考慮連接管路重量)，而本實施例25kW燃料電池系統(tǒng)燃料電池連接模塊重8kg；

3.在體積方面對比：傳統(tǒng)的燃料電池連接模塊與氫氣預(yù)熱器的總體積與本實施例燃料電池連接模塊體積相同，因此本實施例節(jié)省了空氣中冷器與連接管路的體積。