本發(fā)明涉及燃料電池領域，尤其涉及含水熱管理結構設計的燃料電池連接模塊。

背景技術：

面對能源瓶頸和日益嚴重的霧霾，發(fā)展新能源汽車是大勢所趨。為保護環(huán)境，減少城市中的大氣污染，以PEMFC(質子交換膜燃料電池)為動力的裝置受到越來越多的關注，當PEMFC以純氫為燃料時，它能達到真正的的“零”排放。目前PEMFC在交通、通訊等領域均有一定的應用。陰極側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，甚至達到100℃以上，因此在低溫質子交換膜燃料電池中需對空氣進行預冷，配有中冷器；而陽極側氫氣從氫儲罐減壓輸送至PEMFC，溫度低，甚至在管路上會結霜，大部分設計會對氫氣進行預熱，安裝預熱器；最終使燃料電池電堆輸入流體特性基本一致，以提升低溫質子交換膜燃料電池的壽命。中冷器、預熱器在工業(yè)中為比較成熟的產品，在查新檢索中，中冷器、預冷器在燃料電池系統(tǒng)中大多單獨布置，也有關于中冷器、預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、預熱器結構設計在燃料電池連接模塊上。

技術實現(xiàn)要素：

為解決上述技術問題，本發(fā)明將燃料電池進行模塊集成化處理，以解決燃料電池占用空間大，擴展性移植性差等技術問題，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，設置于所述電堆模塊總成的一側；輔機模塊總成，設置于所述連接模塊相對于設置所述電堆模塊總成的另一側；電氣模塊總成，設置于所述電堆模塊總成相對于設置所述連接模塊的另一側；外封裝總成，包括電堆模塊封裝箱和輔機模塊封裝箱，所述電堆模塊封裝箱和所述輔機模塊封裝箱通過所述連接模塊固聯(lián)構成，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模塊總成的容納空間；所述電堆模塊總成、所述輔機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、具有預設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封裝箱側部固定有系統(tǒng)控制單元(ECU)。

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

本發(fā)明進一步結合車用PEMFC需要，將中冷器和預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構設計的燃料電池連接模塊，其除了滿足機械強度外，分別連接電堆模塊總成與輔機模塊總成，新增流體分配功能同時附加了中冷和預熱的功能。進一步減小功能部件數量，減小傳熱介質冷卻劑的用量，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置于其上的中冷器和預熱器(即：水熱管理部件——空氣中冷器和氫氣預熱器)；所述中冷器和預熱器設置于靠近輔機模塊總成的一側，其中：

所述中冷器

包括中冷器密封端蓋、設置于中冷器密封端蓋上的入中冷器空氣進口，設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；

還包括設置于中冷器密封端蓋上的入中冷器冷卻劑進口；設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口和出中冷器冷卻劑出口所對應的管路用于輸送中冷器冷卻劑；

所述的入中冷器空氣進口、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構均可，本發(fā)明實施例中的設置為換熱翅片；

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，熱流體為空壓機出口空氣。

空氣中冷器優(yōu)先熱流體腔體容積大小進行設計。

所述預熱器

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

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

所述的入預熱器氫氣進口、出預熱器氫氣出口和預熱器密封端蓋所圍成的空間，為預熱器氫氣腔，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構均可，本發(fā)明實施例中的設置為換熱疊片；

所述的入預熱器冷卻劑進口和出預熱器冷卻劑出口之間所圍成的變徑管路為預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計，設置此變徑管路以及設計所述的入預熱器冷卻劑進口與出預熱器冷卻劑出口為偏心圓的目的，也同上。

所述的預熱器冷卻劑的輸送通道的外壁還設置有用于固定換熱疊片的部件；

為了保證中冷器和預熱器內部空間的密閉性，還在沿著預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，分別設置有密封膠線。

進一步地，對于上文所述的技術方案，燃料電池連接模塊主板材料為導熱良好的材料；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。

氫氣預熱器集成在燃料電池連接模塊上，氫氣預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；

氫氣預熱器優(yōu)先冷流體腔體容積大小進行設計。

本發(fā)明的創(chuàng)新特征是：

1、本發(fā)明將中冷器與預熱器有機結合，與傳統(tǒng)的燃料電池系統(tǒng)相比，無需從冷卻循環(huán)路分取支路進行中冷及預熱；從而進一步減小功能部件數量，減小傳熱介質冷卻劑的用量，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)明將進一步附加了燃料電池連接模塊的功能，減小功能部件數量，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：輔機模塊總成；1：連接模塊II的主板；101：入中冷器空氣進口，102：出中冷器空氣出口，201：入預熱器氫氣進口，202：出預熱器氫氣出口，301：入預熱器冷卻劑進口，302：出預熱器冷卻劑出口，401：入中冷器冷卻劑進口，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域的普通技術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。任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明披露的技術范圍內，根據本發(fā)明的技術方案及其發(fā)明構思進行等同替換或改變均屬于本發(fā)明保護范疇。

實施例1

以25kW發(fā)動機系統(tǒng)為例。燃料電池連接模塊II一側連接電堆模塊總成I、一側連接輔機模塊III，燃料電池連接模塊II上設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，重點標識了燃料電池連接模塊II上中冷器與預熱器的結構，因冷卻液換熱系數高于空氣、氫氣換熱系數，故在中冷器空氣腔設計了翅片，在預熱器氫氣腔設計了疊片以增大換熱面積，增強換熱效果。其中：

即本發(fā)明所述的含水熱管理結構設計的燃料電池連接模塊II，其除了滿足機械強度外，分別連接電堆模塊總成I與輔機模塊總成III，新增流體分配功能同時附加了中冷和預熱的功能。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和設置于其上的中冷器和預熱器；所述中冷器和預熱器設置于靠近輔機模塊總成的一側，其中：

所述中冷器

包括中冷器密封端蓋802、設置于中冷器密封端蓋802上的入中冷器空氣進口101，設置于連接模塊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；

還包括設置于中冷器密封端蓋802上的入中冷器冷卻劑進口401；設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口401和出中冷器冷卻劑出口402所對應的管路用于輸送中冷器冷卻劑；

所述的入中冷器空氣進口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，熱流體為空壓機出口空氣。

空氣中冷器優(yōu)先熱流體腔體容積大小進行設計。

所述預熱器

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

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

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

所述的入預熱器冷卻劑進口301和出預熱器冷卻劑出口302之間所圍成的變徑管路為預熱器冷卻劑的輸送通道，所述的入預熱器冷卻劑進口301與出預熱器冷卻劑出口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。

所述的預熱器冷卻劑的輸送通道的外壁還設置有用于固定換熱疊片501的部件；

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

氫氣預熱器集成在燃料電池連接模塊上，氫氣預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；

氫氣預熱器優(yōu)先冷流體腔體容積大小進行設計。

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

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。