CN217740583U - 一种用于车辆的氢燃料电池及其应用的车辆 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于车辆的氢燃料电池及其应用的车辆，包括电池模块，分别与电池模块连接的氢气通道模块、空气通道模块以及水路换热模块；氢气通道模块包括连接在外部氢气供应源装置与电池模块氢气输入端之间的氢气通道单元和接入氢气通道单元的氢气再循环单元；氢气再循环单元包括依次连接的回氢管路、汽水分离器和氢气循环泵，回氢管路和电池模块氢气输出端连接，且氢气循环泵的输出端接入氢气通道单元；汽水分离器的第一出口和第二出口分别连接混合器；本实用新型提供的氢燃料电池给高倍率动力电池充电时去除了氢气喷射器或氢气引射器的***结构设置，供电正常，且结构简单、实施成本低和易于维护。

Description

一种用于车辆的氢燃料电池及其应用的车辆

技术领域

本实用新型属于城市轨道交通领域，具体涉及了一种用于车辆的氢燃料电池，本实用新型还涉及该氢燃料电池应用的车辆。

背景技术

新能源有轨电车动力型式通常采用高倍率电池包和氢燃料电池组合技术，在工作时，通过氢燃料电池发电的方式给高倍率电池包充电，提高车辆续航能力，其轨道车辆环保、节能、无污染、续航长和无接触网的特点得到较多地方政府的广泛支持和应用，未来具有广阔的应用前景。

现有燃料电池的氢***需要氢气喷射器或氢气引射器，从而控制电池电堆的功率精准控制，节约用氢量；然而这明显增加了氢***整体的结构复杂度，不仅结构成本高，也对***在生命周期内的维护提出了挑战。

本申请人决定寻求技术方案来解决以上技术问题。

发明内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种用于车辆的氢燃料电池及其应用的车辆，给高倍率动力电池充电时去除了氢气喷射器或氢气引射器的***结构设置，供电正常，且结构简单、实施成本低和易于维护。

本实用新型采用的技术方案如下：

一种用于车辆的氢燃料电池，包括安装在防护框架内的电池模块，分别与电池模块连接的氢气通道模块、空气通道模块以及水路换热模块；其中，

所述氢气通道模块包括连接在外部氢气供应源装置与电池模块氢气输入端之间的氢气通道单元和接入所述氢气通道单元的氢气再循环单元；所述氢气再循环单元包括依次连接的回氢管路、汽水分离器和氢气循环泵，所述回氢管路和电池模块氢气输出端连接，且所述氢气循环泵的输出端接入所述氢气通道单元；

所述汽水分离器的第一出口和第二出口分别连接混合器，所述第一出口与混合器之间设有排氢阀，所述第二出口与混合器之间设有排水阀；同时所述氢气通道单元接入氢气泄压阀，所述氢气泄压阀的出气口连接所述混合器，用于调节控制氢气通道单元中的最高压力。

优选地，所述空气通道模块包括依次连接的空压机和中冷器，所述中冷器连接加湿器的第一入口，经过所述加湿器的处理形成高湿高压洁净的空气，通过所述加湿器的第一出口与所述电池模块的空气输入端连接，其中，所述电池模块的废水和/或废气输出端一路接入所述加湿器的第二入口进行水回收，并通过所述加湿器的第二出口将多余的水排入所述混合器中；同时所述电池模块的废水和/或废气输出端另一路连接所述混合器，用于排出所述电池模块完成反应后剩余的废气和/或废水；所述混合器的出口连接到排气模块，将电化学生成的废水和/或废气通过所述排气模块集中排出。

优选地，所述空压机与空压机控制器控制连接，所述空压机的进口端连接与空气过滤器，且所述空气过滤器与空压机的进口端之间设有与所述空压机控制器通信连接的流量传感器，用于实时监测进入空气通道模块内部管路的空气流量。

优选地，所述加湿器的第一出口通过空气软管和空气进入过板接头与所述电池模块的空气输入端进行密封连接，所述电池模块的废水和/或废气输出端通过空气软管和空气输出过板接头与所述加湿器的第二入口进行密封连接，其中，所述空气输出过板接头的另一出口通过旁通软管连接旁通电磁阀后连接所述混合器；所述加湿器的第二出口与所述混合器之间通过变径废气软管和背压阀串联连接，使得所述电池模块具有合适的压力和排水能力。

优选地，所述空气进入过板接头的另一出口通过旁通软管连接旁通电磁阀后连接所述中冷器的出口，用于实现清扫所述电池模块的内部水汽，避免因低温结冰损坏电池模块的内部结构；同时所述中冷器的出口通过旁通软管连接旁通电磁阀后连接所述混合器，避免所述空压机发生喘振问题。

优选地，所述水路换热模块包括水泵和换热器，所述电池模块分别设有水路入口和水路出口，其中，所述水路入口通过软管和连接有去离子器的水路多通阀连接所述水泵的出口，所述水泵的入口接入所述换热器；所述水路出口通过电子节温器与所述换热器连接，用于形成对电池模块的热交换回路；所述换热器包括与控制模块控制连接的若干风扇，用于实现分级散热效果。

优选地，所述电子节温器的另一出口连接有PTC加热器，且所述PTC加热器与安装位于水泵入口处的进口通阀连接，用于形成对所述电池模块的加热通路，利于在低温环境下的快速启动效果；和/或，所述水泵的出口通过水路多通阀接入所述中冷器的冷却入口，且所述中冷器的冷却出口与所述水路多通阀连接，用于实现高压高热空气的冷却效果；和/或，所述水路换热模块还包括膨胀储液箱，所述膨胀储液箱的出水口通过软管与安装位于水泵入口处的进口通阀连接，用于维持水路换热模块中的压力稳定性和补液效果。

优选地，所述氢气通道单元包括与外部氢气供应源装置连接的氢气直通接头，所述氢气直通接头在所述电池模块的内部依次串联的阳极压力调节阀、至少1个氢气多通接头和电堆氢气进入管道；所述汽水分离器、氢气循环泵、混合器、排氢阀、排水阀以及氢气泄压阀均安装位于在所述电池模块的外侧底部。

优选地，所述电池模块包括安装在内部的发电电堆、/和电堆巡检仪、/和氢浓度传感器、/和温度传感器、/和压力传感器、正负极端板以及与控制模块控制连接的通风机，其中，

所述电堆巡检仪用于检测所述发电电堆中的串联电池电压；所述温度传感器和压力传感器分别用于检测所述发电电堆中水路入口和水路出口的温度和压力；所述氢浓度传感器与控制模块连接，用于检测所述电池模块的内部氢气浓度是否超标；

所述通风机通过管路连接与通风口，所述通风口与电池模块外部联通用于实现对所述电池模块的通风效果。

优选地，一种车辆，所述车辆的车顶安装有如上所述的氢燃料电池。

本实用新型取消了现有技术中电堆功率的精准控制，去除了氢气喷射器或氢气引射器的***结构设置，具体由安装在防护框架内的电池模块，分别与电池模块连接的氢气通道模块、空气通道模块以及水路换热模块组成，给高倍率动力电池充电时去除了氢气喷射器或氢气引射器的***结构设置，供电正常，且结构简单、实施成本低和易于维护；在实际应用时，将氢燃料电池***安装布置在车辆的顶部，通风散热、维保空间足够，采用防护框架的安装结构还可以减少太阳的热负荷，提高氢燃料电池的使用寿命；本实用新型还提出采用可实现分级散热效果的多个电风扇作为换热器结构，可以有效降低氢燃料电池的能耗。

附图说明

图1是本实用新型具体实施方式下氢燃料电池的结构示意图(带部分透视效果)；

图2是标注有其他附图标记的图1；

图3是本实用新型具体实施方式下氢气通道模块的结构示意图；

图4是图3中的局部结构放大示意图；

图5是本实用新型具体实施方式下空气通道模块的结构示意图

图6是图5中的局部结构放大示意图；

图7是本实用新型具体实施方式下水路换热模块的结构示意图

图8是图7中的局部结构放大示意图。

具体实施方式

一种用于车辆的氢燃料电池，包括安装在防护框架内的电池模块，分别与电池模块连接的氢气通道模块、空气通道模块以及水路换热模块；其中，氢气通道模块包括连接在外部氢气供应源装置与电池模块氢气输入端之间的氢气通道单元和接入氢气通道单元的氢气再循环单元；氢气再循环单元包括依次连接的回氢管路、汽水分离器和氢气循环泵，回氢管路和电池模块氢气输出端连接，且氢气循环泵的输出端接入氢气通道单元；汽水分离器的第一出口和第二出口分别连接混合器，第一出口与混合器之间设有排氢阀，第二出口与混合器之间设有排水阀；同时氢气通道单元接入氢气泄压阀，氢气泄压阀的出气口连接混合器，用于调节控制氢气通道单元中的最高压力。

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型中的技术方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

请参见图1和图2所示，一种用于车辆的氢燃料电池，包括安装在防护框架6内的电池模块1，分别与电池模块1连接的氢气通道模块2、空气通道模块3以及水路换热模块4；其中，

优选地，在本实施方式中，防护框架6采用支架型防护结构，至少包括在竖直方向上的上、下层结构，实现对氢燃料电池***整体的安装效果，通风散热、维保空间足够，在实施时，防护框架6具体可采用顶部防护板制成，可以承受至少2人行走而不被损坏，同时还具有遮阳通风功能，可以有效减少太阳的热负荷。

优选地，在本实施方式中，电池模块1安装位于防护框架6内的中间上部位置，包括安装在内部的发电电堆1a、电堆巡检仪1b、氢浓度传感器1c、温度传感器1d、压力传感器1e、正负极端板1f以及与控制模块5控制连接的通风机1g，其中，

发电电堆1a作为主体核心结构，其工作原理是通过位于阳极的氢气和阴极的氧气发生反应，产生电流和水，进而为车辆提供了高倍率的电池充电功能；在具体实施应用时，通过燃料电池DC/DC变换器5b(作为控制模块5的一部分)将发电电堆1a输出的额定功率下的电压变换为其它等级电压，如输入60-120VDC，500ADC输出480-750VDC，24VDC，50ADC，具体可根据实际需求来进行常规组合选择，从而满足车辆高倍率电池的电力供应需求；

电堆巡检仪1b用于检测发电电堆1a中的串联电池电压，防止发生低电压和反极现象，从而保证氢燃料电池整体***的运行可靠性，保证其取得长久的使用寿命；

温度传感器1d和压力传感器1e分别用于检测发电电堆1a中水路入口和水路出口的温度和压力，从而控制进入发电电堆1a的水流流量和散热参数性能；

正负极端板1f通常可采用正负极铜板，一端分别连接发电电堆1a的正负极，另一端连接电池的输出接口，从而实现发电电力的输出；

优选地，在本实施方式中，氢浓度传感器1c与控制模块5连接，用于检测电池模块1的内部氢气浓度是否超标；通风机1g通过管路连接与通风口1h，通风口1h与电池模块1外部联通用于实现对电池模块1的通风效果，具体在实施应用时，当氢浓度传感器1c检测到电池模块1的内部氢气浓度超标时，控制模块5开启通风机1g，通过通风口1h将电池模块1的内部氢气及时排到外部；具体优选地，在本实施方式中，电池模块1整体呈长方形的箱体状，且其左右两侧对称设置有通风口1h。

在本实施方式中，请进一步结合参见图3和图4所示，氢气通道模块2包括连接在外部氢气供应源装置与电池模块1氢气输入端之间的氢气通道单元和接入氢气通道单元的氢气再循环单元；氢气再循环单元包括依次连接的回氢管路、汽水分离器2c和氢气循环泵2b，回氢管路和电池模块1氢气输出端连接，且氢气循环泵2b的输出端接入氢气通道单元；汽水分离器2c的第一出口2c1和第二出口2c2分别连接混合器2d，第一出口2c1与混合器2d之间设有排氢电磁阀2e，第二出口2c2与混合器2d之间设有排水电磁阀2f，从而降低发电电堆1a中从阴极溢出的废气，反应多余的水，使得氢气燃料电池整体***达到水平衡状态；同时氢气通道单元接入氢气泄压阀2p，氢气泄压阀2p的出气口2p1连接混合器2d，用于调节控制氢气通道单元中的最高压力。

进一步优选地，在本实施方式中，氢气通道单元包括与外部氢气供应源装置连接的氢气直通接头2a，氢气直通接头2a在电池模块1的内部依次串联的阳极压力调节阀2g、氢气三通接头2h1、氢气三通接头2h2、氢气三通接头2h3和电堆氢气进入管道2j；回氢管路具体包括若干串联回氢管道2k、出氢过板接头2m、连接到氢气三通接头2h1第三接口的氢气穿板接头2n，从而实现对氢气的再循环，减少氢损耗；其中，汽水分离器2c、氢气循环泵2b、混合器2d、排氢电磁阀2e、排水电磁阀2f以及氢气泄压阀2p均安装位于在电池模块1的外侧底部。

优选地，在本实施方式中，请进一步结合参见图5和图6所示，空气通道模块3包括依次管道连接的空压机3c和中冷器3d，空压机3c的出口形成的高压空气再通过管道连接中冷器3d、中冷器3d连接加湿器3e的第一入口3e1，经过加湿器3e的处理形成高湿高压洁净的空气，通过加湿器3e同侧的第一出口3e2与电池模块1的空气输入端连接，其中，电池模块1的废水和/或废气输出端一路接入加湿器3e的第二入口3e3进行水回收，并通过加湿器3e的第二出口3e4将多余的水排入混合器2d中；同时电池模块1的废水和/或废气输出端另一路连接混合器2d，用于排出电池模块1完成反应后剩余的废气和/或废水；混合器2d的出口连接到排气模块，将电化学生成的废水和/或废气通过排气模块集中排出；具体优选地，在本实施方式中，排气模块具体采用排气盒2f1，混合器2d的底部出口连接到排气盒2f1，将电化学生成的废水、废气通过排气盒2f1集中排出。

进一步优选地，在本实施方式中，空压机3c与空压机控制器5a控制连接，控制空压机3c的进出流量和温度，使其稳定工作在合适的范围；空压机3c的进口端3c1连接与空气过滤器3a，且空气过滤器3a与空压机3c的进口端之间设有与空压机控制器5a(作为控制模块5的一部分)通信连接的流量传感器3b，用于实时监测进入空气通道模块3内部管路的空气流量；加湿器3e的第一出口3e2通过空气软管3f和空气进入过板接头3g与发电电堆1a的空气输入端进行密封连接(相当于无缝连接)，发电电堆1a的废水和/或废气输出端通过空气软管和空气输出过板接头3h与加湿器3e的第二入口3e3进行密封连接，其中，空气输出过板接头3h的另一出口3h1通过旁通软管3m连接旁通电磁阀3n后连接混合器2d；加湿器3e的第二出口3e4与混合器2d之间通过变径废气软管3j和背压阀3k串联连接，使得发电电堆1a具有合适的压力和排水能力；空气进入过板接头3g的另一出口3g1通过旁通软管3p连接旁通电磁阀3q后连接中冷器3d的出口，用于实现清扫发电电堆1a的内部水汽，避免因低温结冰损坏发电电堆1a的内部结构；同时中冷器3d的出口通过旁通软管3r连接旁通电磁阀3s后连接混合器2d，避免空压机3c发生喘振问题,提高空压机3c的使用寿命。

优选地，在本实施方式中，请进一步结合参见图7和图8所示，水路换热模块4包括水泵4a和换热器4b，发电电堆1a分别设有水路入口1a1和水路出口1a2，其中，水路入口1a1通过软管4f2和连接有去离子器4j的水路多通阀连接水泵4a的出口，水泵4a的入口接入换热器4b的前侧；水路出口1a2通过连接水路四通阀4h与电子节温器4d连接，且电子节温器4d的左出口4d1连接换热器4b的后侧，用于形成对电池模块1的热交换回路。

在本实施方式中，换热器4b包括与控制模块5控制连接的若干风扇，每个风扇设有与外部空气对流的风扇口4b1，具体数量可以根据实际需要来进行选择，本实施对此不做唯一限制，用于实现分级散热效果；本实施例在实际工作时，风扇的数量为6个，根据不同的热交换需求来选择开启不同数量的风扇，达到分级散热，进一步节约电能。

进一步优选地，在本实施方式中，水泵4a包括呈并联布置的双水泵4a，双水泵4a的入口通过软管4f1连接换热器4b的前侧，其出口通过软管4f2连接水路四通阀4g1、水路三通阀4g2，再接入发电电堆1a的水路入口1a1，进一步优选地，在本实施方式中，水路三通阀4g2的第三接口通过软管4f3连接去离子器4j的一端，而去离子器4j的另一端通过软管4f4连接水路四通阀4h的第三接口，从而实现去除水路中的离子，达到电气绝缘等级；

优选地，在本实施方式中，电子节温器4d的另一出口连接有PTC加热器4e，且PTC加热器4e与安装位于双水泵4a入口处的进口通阀连接，用于形成对发电电堆1a的加热通路，利于在低温环境下的快速启动效果；进一步优选地，在本实施方式中，电子节温器4d的右出口4d2(即为另一出口)连接PTC加热器4e，PTC加热器4e的另一端与安装位于双水泵4a入口处的进口四通阀4a1连接；在实际工作时，电子节温器4d根据出水的温度调节进入换热器4b和PTC加热器4e的水流量。

优选地，在本实施方式中，双水泵4a的出口通过水路四通阀4g1的第四接口接入中冷器3d的冷却入口3d1，且中冷器3d的冷却出口3d2与水路四通阀4h的第四接口连接，用于实现高压高热空气的冷却效果；水路换热模块4还包括膨胀储液箱4c，膨胀储液箱4c的侧面出水口4c1通过软管与安装位于双水泵4a入口处的进口三通阀4k连接，用于维持水路换热模块4中的压力稳定性和补液效果，使得使整个***更加安全可靠。

优选地，一种有轨电车，有轨电车的车顶安装有如上的氢燃料电池；在其他实施方式中，也可以选择具有类似需求的其他车辆，本实施例对此不做唯一限定。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包括一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种用于车辆的氢燃料电池，其特征在于，包括安装在防护框架内的电池模块，分别与电池模块连接的氢气通道模块、空气通道模块以及水路换热模块；其中，

所述氢气通道模块包括连接在外部氢气供应源装置与电池模块氢气输入端之间的氢气通道单元和接入所述氢气通道单元的氢气再循环单元；所述氢气再循环单元包括依次连接的回氢管路、汽水分离器和氢气循环泵，所述回氢管路和电池模块氢气输出端连接，且所述氢气循环泵的输出端接入所述氢气通道单元；

所述汽水分离器的第一出口和第二出口分别连接混合器，所述第一出口与混合器之间设有排氢阀，所述第二出口与混合器之间设有排水阀；同时所述氢气通道单元接入氢气泄压阀，所述氢气泄压阀的出气口连接所述混合器，用于调节控制氢气通道单元中的最高压力。

2.根据权利要求1所述的氢燃料电池，其特征在于，所述空气通道模块包括依次连接的空压机和中冷器，所述中冷器连接加湿器的第一入口，经过所述加湿器的处理形成高湿高压洁净的空气，通过所述加湿器的第一出口与所述电池模块的空气输入端连接，其中，所述电池模块的废水和/或废气输出端一路接入所述加湿器的第二入口进行水回收，并通过所述加湿器的第二出口将多余的水排入所述混合器中；同时所述电池模块的废水和/或废气输出端另一路连接所述混合器，用于排出所述电池模块完成反应后剩余的废气和/或废水；所述混合器的出口连接到排气模块，将电化学生成的废水和/或废气通过所述排气模块集中排出。

3.根据权利要求2所述的氢燃料电池，其特征在于，所述空压机与空压机控制器控制连接，所述空压机的进口端连接与空气过滤器，且所述空气过滤器与空压机的进口端之间设有与所述空压机控制器通信连接的流量传感器，用于实时监测进入空气通道模块内部管路的空气流量。

4.根据权利要求2所述的氢燃料电池，其特征在于，所述加湿器的第一出口通过空气软管和空气进入过板接头与所述电池模块的空气输入端进行密封连接，所述电池模块的废水和/或废气输出端通过空气软管和空气输出过板接头与所述加湿器的第二入口进行密封连接，其中，所述空气输出过板接头的另一出口通过旁通软管连接旁通电磁阀后连接所述混合器；所述加湿器的第二出口与所述混合器之间通过变径废气软管和背压阀串联连接，使得所述电池模块具有合适的压力和排水能力。

5.根据权利要求4所述的氢燃料电池，其特征在于，所述空气进入过板接头的另一出口通过旁通软管连接旁通电磁阀后连接所述中冷器的出口，用于实现清扫所述电池模块的内部水汽，避免因低温结冰损坏电池模块的内部结构；同时所述中冷器的出口通过旁通软管连接旁通电磁阀后连接所述混合器，避免所述空压机发生喘振问题。

6.根据权利要求2所述的氢燃料电池，其特征在于，所述水路换热模块包括水泵和换热器，所述电池模块分别设有水路入口和水路出口，其中，所述水路入口通过软管和连接有去离子器的水路多通阀连接所述水泵的出口，所述水泵的入口接入所述换热器；所述水路出口通过电子节温器与所述换热器连接，用于形成对电池模块的热交换回路；所述换热器包括与控制模块控制连接的若干风扇，用于实现分级散热效果。

7.根据权利要求6所述的氢燃料电池，其特征在于，所述电子节温器的另一出口连接有PTC加热器，且所述PTC加热器与安装位于水泵入口处的进口通阀连接，用于形成对所述电池模块的加热通路，利于在低温环境下的快速启动效果；和/或，所述水泵的出口通过水路多通阀接入所述中冷器的冷却入口，且所述中冷器的冷却出口与所述水路多通阀连接，用于实现高压高热空气的冷却效果；和/或，所述水路换热模块还包括膨胀储液箱，所述膨胀储液箱的出水口通过软管与安装位于水泵入口处的进口通阀连接，用于维持水路换热模块中的压力稳定性和补液效果。

8.根据权利要求1所述的氢燃料电池，其特征在于，所述氢气通道单元包括与外部氢气供应源装置连接的氢气直通接头，所述氢气直通接头在所述电池模块的内部依次串联的阳极压力调节阀、至少1个氢气多通接头和电堆氢气进入管道；所述汽水分离器、氢气循环泵、混合器、排氢阀、排水阀以及氢气泄压阀均安装位于在所述电池模块的外侧底部。

9.根据权利要求1所述的氢燃料电池，其特征在于，所述电池模块包括安装在内部的发电电堆、/和电堆巡检仪、/和氢浓度传感器、/和温度传感器、/和压力传感器、正负极端板以及与控制模块控制连接的通风机，其中，

所述电堆巡检仪用于检测所述发电电堆中的串联电池电压；所述温度传感器和压力传感器分别用于检测所述发电电堆中水路入口和水路出口的温度和压力；所述氢浓度传感器与控制模块连接，用于检测所述电池模块的内部氢气浓度是否超标；

所述通风机通过管路连接与通风口，所述通风口与电池模块外部联通用于实现对所述电池模块的通风效果。

10.一种车辆，其特征在于，所述车辆的车顶安装有如权利要求1-9之一所述的氢燃料电池。

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