本发明涉及发动机系统技术领域，尤其是一种高功率氢燃料电池发动机系统。
背景技术：
随着全球温室效应的不断升高，可替代化石燃料的新型能源开发极为关键。氢能源被称为二十一世纪的终极能源，其参与的化学能量转化过程无任何污染物排放。应用于中、重型商用卡车及物流车的氢燃料电池发动机系统为能源开发利用提供了非常便利的条件，能够大大减少温室气体的排放和化石燃料的刚性需求。
现有技术中可应用的燃料电池发动机系统普遍存在功率输出较小，系统集成度较低等问题，在车载运行条件下，难以满足稳定可靠的高功率输出和高集成度的与整车进行密切结合。
技术实现要素：
本发明提出了一种氢燃料电池发动机系统，该氢燃料电池发动机系统集成程度高，连接紧密，占用体积小，易于拆装和检修，同时优化了各系统部件之间的位置关系，提高了发动机系统的响应速度和适应极端气候条件的能力。
一种高功率氢燃料电池发动机系统，包括支撑架、电池堆框架、电池堆、空气系统、氢气系统、水热管理系统及电气控制系统，所述电池堆固定在电池堆框架内，所述空气系统、氢气系统、水热管理系统及电气控制系统可拆卸式固定在电池堆框架的周围，所述电池堆框架固定在支撑架上；
所述空气系统的中冷器及水热管理系统的电动水泵、电子节温器、ptc加热器分别固定于电池堆框架的两侧，中冷器的进气口朝上；所述电气控制系统的高压盒、燃料电池控制器、远程监控模块及空气系统的氢气浓度检测盒固定于电池堆框架顶部，氢气浓度检测盒设于电池堆的空气出口；各系统的其余部件均固定于电池堆框架底部，且位于电池堆框架和支撑架之间。
作为上述技术方案的优选，所述空气系统还包括增湿器、低压空气进气压力传感器，所述增湿器设置在空气系统的最下端，低压空气进气压力传感器设于电池堆的空气进口。
作为上述技术方案的优选，所述氢气系统包括高压电磁阀、高压进氢压力传感器、氢气比例阀、低压进氢压力传感器、氢水分离器、氢气循环泵、泄压阀及加热电磁阀，所述高压电磁阀、高压进氢压力传感器及氢气比例阀集成安装，低压进氢压力传感器设于电池堆的氢气进口，氢水分离器和氢气循环泵设置在电池堆的氢气出口，氢水分离器和加热电磁阀位于电池堆氢气出口的下方。
作为上述技术方案的优选，所述电池堆的出水口、氢水分离器和加热电磁阀的出水管路从上往下布设。
作为上述技术方案的优选，所述水热管理系统还包括电动水泵、电子节温器、ptc加热器、进水压力传感器、进水温度传感器、放水阀及出水温度传感器，所述放水阀和电动水泵位于水热管理系统的底部。
作为上述技术方案的优选，所述氢气系统和水热管理系统还包括板式换热器，板式换热器固定在电池堆上。
作为上述技术方案的优选，所述电气控制系统还包括氢泵控制器，所述氢泵控制器设置在氢气循环泵的侧面，并位于增湿器的上方。
作为上述技术方案的优选，所述电池堆框架采用20mm厚6061铝合金加工制作而成。
作为上述技术方案的优选，所述电池堆框架底部对称设有用于与支撑架连接的固定支座。
作为上述技术方案的优选，所述电池堆框架的顶部还对称设有吊装支耳。
本发明的有益效果在于：
1、系统集成程度高，几乎将氢燃料电池发动机系统的所有核心部件整合到了电池堆的周围，并且固定于一个支撑架上，占用体积小，便于该发动机系统的安装。
2、支撑架、电池堆框架及其他所有部件均是可拆卸式安装，并且部分部件集成安装，便于后期拆装和检修。
3、优化了各系统部件的布局和位置关系，能够有效提高发动机系统的响应速度和适应极端气候条件的能力。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为支撑架与电池堆框架的拆分结构示意图。
图3为电池堆框架的底部结构示意图一。
图4为电池堆框架的底部结构示意图二。
图5为电池堆框架结构示意图。
附图标记如下：1-支撑架、2-电池堆框架、3-电池堆、4-中冷器、5-增湿器、6-低压空气进气压力传感器、7-氢气浓度检测盒、8-高压电磁阀、9-高压进氢压力传感器、10-氢气比例阀、11-低压进氢压力传感器、12-板式换热器、13-氢水分离器、14-氢气循环泵、15-泄压阀、16-加热电磁阀、17-电动水泵、18-电子节温器、19-ptc加热器、20-进水压力传感器、21-进水温度传感器、22-放水阀、23-出水温度传感器、24-高压盒、25-燃料电池控制器、26-远程监控模块、27-氢泵控制器、28-固定支座、29-吊装支耳。
具体实施方式
下面结合附图详细描述本实施例。
如图1至图5所示的一种高功率氢燃料电池发动机系统，包括支撑架1、电池堆框架2、电池堆3、空气系统、氢气系统、水热管理系统及电气控制系统，所述电池堆3固定在电池堆框架2内，所述空气系统、氢气系统、水热管理系统及电气控制系统可拆卸式固定在电池堆框架2的周围，所述电池堆框架2固定在支撑架1上；
所述空气系统的中冷器4及水热管理系统的电动水泵17、电子节温器18、ptc加热器19分别固定于电池堆框架2的两侧，中冷器4的进气口朝上；所述电气控制系统的高压盒24、燃料电池控制器25、远程监控模块26及空气系统的氢气浓度检测盒7固定于电池堆框架2顶部，氢气浓度检测盒7设于电池堆3的空气出口；各系统的其余部件均固定于电池堆框架2底部，且位于电池堆框架2和支撑架1之间。
具体的，中冷器4开口朝上能够保证空气从上至下进入增湿器5，进气口的布置位置高，可以避免水淹的风险；外置独立的氢气浓度检测盒7，便于安装，占用体积小，便于后期氢气浓度检测盒7的更换，氢气浓度检测盒7设于电池堆3的顶端吹扫口处，检测响应时间短；高压盒24、燃料电池控制器25及远程监控模块26布置在电池堆3的顶部，便于后期电器件的维护和检修以及接插件插拔，其中，高压盒24的作用是开启和关闭燃料电池系统的对外输出的电流电压及对输出的电流电压进行监测，燃料电池控制器25的作用是控制燃料电池系统各电器件之间协调工作，远程监控模块26的作用是实时监测燃料电池系统的运行情况并记录上传至后台平台。
在本实施例中，所述空气系统还包括增湿器5、低压空气进气压力传感器6，所述增湿器5设置在空气系统的最下端，低压空气进气压力传感器6设于电池堆3的空气进口。
具体的，增湿器5设于空气系统的最下端可以避免增湿器5中多余的水进入电池堆3，同时也方便电池堆3产生的水排出电池堆3，进一步避免电池堆3水淹的风险。低压空气进气压力传感器6用来监测空气进气压力，从而控制电池堆3前端空气进气压力，满足电池堆3反应所需的空气量要求。
在本实施例中，所述氢气系统包括高压电磁阀8、高压进氢压力传感器9、氢气比例阀10、低压进氢压力传感器11、氢水分离器13、氢气循环泵14、泄压阀15及加热电磁阀16，所述高压电磁阀8、高压进氢压力传感器9及氢气比例阀10集成安装，低压进氢压力传感器11设于电池堆3的氢气进口，氢水分离器13和氢气循环泵14设置在电池堆3的氢气出口，氢水分离器13和加热电磁阀16位于电池堆3氢气出口的下方。
具体的，高压电磁阀8、高压进氢压力传感器9及氢气比例阀10集成安装是为了便于这三个部件的整体拆装，增加氢气进气压力监测反应速度，通过电池堆3氢气进口的低压进氢压力传感器11的检测值来控制氢气比例阀10的开度，进而为电池堆3反应提供足量的氢气。电池堆3的氢气出口出来的气体是包含未反应完的氢气和反应产生的水蒸气的混合气体，混合气体经过氢水分离器13分离，分离出来的氢气经过氢气循环泵14增压进入电池堆3后再次参加反应，氢水分离器13分离出来的水经过加热电磁阀16排出，加热电磁阀16具备的加热功能可以有效避免分离出来的水在低温环境下结冰而堵塞发动机系统的排水通道。氢水分离器13和氢气循环泵14设置在电池堆3的氢气出口，可以保证从氢气出口出来的混合气体到氢气循环泵14的管路最短，提高氢气循环泵14的进气背压，避免管路太长而导致管路吸瘪，氢水分离器13和加热电磁阀16位于电池堆3氢气出口的下方，方便电池堆3反应产生的多余的水排出电池堆3，进一步避免电池堆3水淹的风险。
在本实施例中，所述电池堆3的出水口、氢水分离器13和加热电磁阀16的出水管路从上往下布设。
具体的，电池堆3的出水口、氢水分离器13和加热电磁阀16的出水管路从上往下布设可以提高反应水的排出速度，避免在低温环境下残留在管路里的水结冰而堵塞管路。
在本实施例中，所述水热管理系统还包括电动水泵17、电子节温器18、ptc加热器19、进水压力传感器20、进水温度传感器21、放水阀22及出水温度传感器23，所述放水阀22和电动水泵17位于水热管理系统的底部。
具体的，当进水温度传感器21检测到水热管理系统中防冻液温度高于预设温度时，电动水泵17泵出的防冻液到达电子节温器18，电子节温器18大循环口开启，小循环口关闭，防冻液通过电子节温器18大循环口流出至外部散热装置进行降温，降温之后的防冻液通过管路从电池堆3进水口进入电池堆3，带走电池堆3反应产生的热量，防冻液从电池堆3出水口出来后进入电动水泵17增压形成散热冷却回路；当进水温度传感器21检测到水热管理系统中防冻液温度低于预设温度时，电动水泵17泵出的防冻液到达电子节温器18，电子节温器18小循环口开启，大循环关闭，防冻液通过电子节温器18小循环口流出至ptc加热器19，经过ptc加热器19加热之后的防冻液通过管路进入电池堆3，加热活化电池堆3，保证电池堆3在预设合适的温度下发生电化学反应，提高燃料利用率和电池堆3使用寿命，之后防冻液从电池堆3出水口流出至电动水泵17增压形成加热回路。电池堆3进水前设有进水压力传感器20、进水温度传感器21，电池堆3出水后设有出水温度传感器23，通过检测进出水口的温度和压力来调节电动水泵17的转速、电子节温器18的开闭和ptc加热器19的开启，保证电池堆3永远在预设的最合适温度下进行工作。
在本实施例中，所述氢气系统和水热管理系统还包括板式换热器12，板式换热器12固定在电池堆3上。
具体的，板式换热器12并联于氢气系统和水热管理系统中，利用水热管理系统回路中防冻液的温度为进入电池堆3参加反应的氢气加热，保证参加反应的氢气与电池堆3温度基本一致，提供氢气利用率。
在本实施例中，所述电气控制系统还包括氢泵控制器27，所述氢泵控制器27设置在氢气循环泵14的侧面，并位于增湿器5的上方。
具体的，氢泵控制器27的布置方式缩短了氢泵控制器27和氢气循环泵14之间的连接线束，氢泵控制器27接插件端口朝外，便于其接插件的插拔和后期设备测试和调试。
在本实施例中，所述电池堆框架2采用20mm厚6061铝合金加工制作而成。
具体的，该材质既保证了电池堆框架2的强度，能够对电池堆3进行有效保护，又能够减轻支撑架1的支撑重量。
在本实施例中，所述电池堆框架2底部对称设有用于与支撑架1连接的固定支座28。
具体的，固定支座28对称固定在电池堆框架2底部两侧，每侧设有多组，与支撑架1顶部固定连接，既容易拆装，又能保证安装稳定性。
在本实施例中，所述电池堆框架2的顶部还对称设有吊装支耳29。
具体的，吊装支耳29固定在电池堆框架2的四个顶角，通过外部吊装设备与吊装支耳29连接，将安装好电池堆3的电池堆框架2吊起，方便各系统的其他部件安装到电池堆框架2上，也便于电池堆框架2安装在支撑架1上。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种高功率氢燃料电池发动机系统，其特征在于：包括支撑架、电池堆框架、电池堆、空气系统、氢气系统、水热管理系统及电气控制系统，所述电池堆固定在电池堆框架内，所述空气系统、氢气系统、水热管理系统及电气控制系统可拆卸式固定在电池堆框架的周围，所述电池堆框架固定在支撑架上；
所述空气系统的中冷器及水热管理系统的电动水泵、电子节温器、ptc加热器分别固定于电池堆框架的两侧，中冷器的进气口朝上；所述电气控制系统的高压盒、燃料电池控制器、远程监控模块及空气系统的氢气浓度检测盒固定于电池堆框架顶部，氢气浓度检测盒设于电池堆的空气出口；各系统的其余部件均固定于电池堆框架底部，且位于电池堆框架和支撑架之间。
2.根据权利要求1所述的氢燃料电池发动机系统，其特征在于：所述空气系统还包括增湿器、低压空气进气压力传感器，所述增湿器设置在空气系统的最下端，低压空气进气压力传感器设于电池堆的空气进口。
3.根据权利要求2所述的氢燃料电池发动机系统，其特征在于：所述氢气系统包括高压电磁阀、高压进氢压力传感器、氢气比例阀、低压进氢压力传感器、氢水分离器、氢气循环泵、泄压阀及加热电磁阀，所述高压电磁阀、高压进氢压力传感器及氢气比例阀集成安装，低压进氢压力传感器设于电池堆的氢气进口，氢水分离器和氢气循环泵设置在电池堆的氢气出口，氢水分离器和加热电磁阀位于电池堆氢气出口的下方。
4.根据权利要求3所述的氢燃料电池发动机系统，其特征在于：所述电池堆的出水口、氢水分离器和加热电磁阀的出水管路从上往下布设。
5.根据权利要求4所述的氢燃料电池发动机系统，其特征在于：所述水热管理系统还包括电动水泵、电子节温器、ptc加热器、进水压力传感器、进水温度传感器、放水阀及出水温度传感器，所述放水阀和电动水泵位于水热管理系统的底部。
6.根据权利要求5所述的氢燃料电池发动机系统，其特征在于：所述氢气系统和水热管理系统还包括板式换热器，板式换热器固定在电池堆上。
7.根据权利要求3所述的氢燃料电池发动机系统，其特征在于：所述电气控制系统还包括氢泵控制器，所述氢泵控制器设置在氢气循环泵的侧面，并位于增湿器的上方。
8.根据权利要求1所述的氢燃料电池发动机系统，其特征在于：所述电池堆框架采用20mm厚6061铝合金加工制作而成。
9.根据权利要求1所述的氢燃料电池发动机系统，其特征在于：所述电池堆框架底部对称设有用于与支撑架连接的固定支座。
10.根据权利要求1所述的氢燃料电池发动机系统，其特征在于：所述电池堆框架的顶部还对称设有吊装支耳。
技术总结