本實(shí)用新型涉及燃料電池領(lǐng)域，尤其涉及模塊化燃料電池系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

燃料電池是一種能夠持續(xù)的通過發(fā)生在陽極和陰極的氧化還原反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置。特別地，質(zhì)子交換膜燃料電池工作時(shí)需要連續(xù)不斷地向電池內(nèi)輸入燃料(氫氣)和氧化劑(空氣/氧氣)，電子便從陽極通過負(fù)載流向陰極構(gòu)成電回路，產(chǎn)生電流。目前，這種燃料電池因具有可在室溫快速啟動(dòng)、無電解液流失、水易排出、壽命長(zhǎng)、比功率與比能量高等突出特點(diǎn)而被用來作為車載發(fā)電系統(tǒng)使用以驅(qū)動(dòng)車輛。以往，燃料電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)多以管路組建布局元器件。而并非以多個(gè)模塊組合形成，各元器件之間的聯(lián)系不是十分緊密，且往往缺乏擴(kuò)展性、移植性，緊湊型更是較差，不利于在車輛或不同類型車輛上安裝及使用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)上述提出的現(xiàn)有技術(shù)中存在的燃料電池占用空間大，擴(kuò)展性移植性差等技術(shù)問題，而提供一種模塊化燃料電池系統(tǒng)。本實(shí)用新型主要通過將電堆模塊總成、連接模塊、輔機(jī)模塊總成、電氣模塊總成和系統(tǒng)控制單元通過外封裝總成組合優(yōu)化為一體，從而起到極大程度上壓縮相關(guān)元件的空間占用，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊、拓展適配性強(qiáng)的效果。

本實(shí)用新型采用的技術(shù)手段如下：

一種模塊化燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，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(duì)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(duì)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(dú)立的、具有預(yù)設(shè)密封等級(jí)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)。

進(jìn)一步地，所述輔機(jī)模塊總成設(shè)置于所述輔機(jī)模塊封裝箱與所述連接模塊構(gòu)成的輔機(jī)模塊總成的容納空間內(nèi)，包括水熱管理模塊、壽命管理模塊、流體介質(zhì)傳輸管路及多個(gè)溫度壓力傳感器。所述水熱管理模塊的功能包括水管理和熱量管理，這兩項(xiàng)技術(shù)能夠有效地保證系統(tǒng)輸出的穩(wěn)定性和可靠性，對(duì)于進(jìn)一步提升系統(tǒng)性能也具有非常重要的意義。它與連接模塊的連接通過具備密封功能的接頭實(shí)現(xiàn)如法蘭連接、螺紋連接等，且與壽命管理模塊具有公用部分。所述壽命管理模塊主要也是為了提升系統(tǒng)壽命和工作穩(wěn)定性。所述溫度壓力傳感器能夠?qū)y(cè)得的壓力及溫度信號(hào)通過變送器轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)，經(jīng)具備一定強(qiáng)度和抗干擾能力的電纜傳送給系統(tǒng)控制單元(ECU)。

進(jìn)一步地，構(gòu)成所述外封裝總成的所述電堆模塊封裝箱和所述輔機(jī)模塊封裝箱的材質(zhì)為金屬，如鋁合金、不銹鋼、鍍鋅板等或工程材料，如纖維增強(qiáng)樹脂、尼龍、ABS等，然后通過相應(yīng)的加工方式制造成型。舉例來說，電堆模塊封裝箱和輔機(jī)模塊封裝箱的材質(zhì)是鋁合金，然后通過鑄造或機(jī)械加工的方式制造，且表面經(jīng)過硬質(zhì)陽極氧化處理。或者它們是由不銹鋼鈑金件組焊而成，經(jīng)時(shí)效處理后表面靜電噴涂，它們的絕緣性能是靠涂敷一種絕緣材料如環(huán)氧樹脂、改性環(huán)氧樹脂等實(shí)現(xiàn)的。再或者它們是纖維增強(qiáng)樹脂材料經(jīng)注射成型。所述外封裝總成的承力點(diǎn)按需設(shè)置在所述電堆模塊封裝箱上，且通過減振橡膠實(shí)現(xiàn)與車架或其他外接結(jié)構(gòu)的固定連接。

進(jìn)一步地，所述電氣模塊總成與所述電堆模塊總成固定連接，包括巡檢、電流電壓傳感器、繼電器和氫氣濃度傳感器，所述電氣模塊總成對(duì)外負(fù)有提供電力輸出功能，電力輸出接頭布置于所述電堆模塊封裝箱后部。

進(jìn)一步地，所述連接模塊采用鋁合金材質(zhì)通過機(jī)械加工方式或鑄造方式在其表面加工出介質(zhì)流道和連接接頭部，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?yàn)槎鄠€(gè)相關(guān)元件提供可靠的連接與固定，特別地為電堆冷卻水進(jìn)入設(shè)置了單獨(dú)流路，即在其下部設(shè)置有冷卻水入口。所述連接模塊上還設(shè)置有為所述電堆模塊封裝箱內(nèi)吹掃、電能與信號(hào)輸出預(yù)留的通道。

進(jìn)一步地，所述連接模塊是電堆模塊總成和輔機(jī)模塊總成之間互聯(lián)互通的關(guān)鍵元件，通常選用鋁合金材質(zhì)，所述連接模塊的表面經(jīng)陽極氧化處理后涂覆一層厚度在0.08mm-0.2mm之間的絕緣防腐材料，如環(huán)氧樹脂、改性環(huán)氧樹脂等。

進(jìn)一步地，所述流體介質(zhì)傳輸管路包括氫氣入口、氫氣出口、空氣入口、空氣出口和冷卻水出口，其中，所述氫氣入口和所述氫氣出口設(shè)置于所述輔機(jī)模塊封裝箱側(cè)部，與所述系統(tǒng)控制單元位于同一區(qū)域且上下布置；所述空氣入口、所述空氣出口和所述冷卻水出口設(shè)置于所述輔機(jī)模塊封裝箱下部或按需設(shè)置。所述流體介質(zhì)傳輸管路通過所述水熱管理模塊為所述電堆模塊總成供應(yīng)氫氣與空氣，為冷卻水的循環(huán)使用提供通道。

本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)：

基于模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的燃料電池系統(tǒng)能夠極大地壓縮相關(guān)元件的空間占用，將多種功能進(jìn)行了組合優(yōu)化，且通過各個(gè)模塊之間的位置及連接關(guān)系配合，使得結(jié)構(gòu)非常緊湊，具有良好的拓展性及對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)合的適配能力。這種模塊化設(shè)計(jì)理念也將有助于系統(tǒng)多種性能的顯著提升?；谏鲜隼碛杀緦?shí)用新型可在燃料電池等領(lǐng)域廣泛推廣。

附圖說明

為了更清楚地說明本實(shí)用新型實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖做以簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本實(shí)用新型的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本實(shí)用新型模塊化燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本實(shí)用新型連接模塊流道的布局示意圖。

圖3為本實(shí)用新型輔機(jī)模塊總成的結(jié)構(gòu)示意圖(不含外封裝總成及管路接口情況下的正視圖)。

圖4為本實(shí)用新型電氣模塊總成的結(jié)構(gòu)示意圖(不含外封裝總成情況下的正視圖)。

圖中：

1、電堆模塊總成；

2、連接模塊，2.1、傳感器布置區(qū)域，2.2、總成固定孔，2.3、減重區(qū)域，2.4、吹掃通道，2.5、電能輸出通道，2.6、信號(hào)輸出通道，2.7、冷卻水入口，2.8、氫入流道，2.9、氫出流道，2.10、空入流道，2.11、空出流道，2.12、水入流道，2.13、水出流道，2.14、法蘭連接，2.15、錐管螺紋連接，2.16、帶O型圈徑向密封連接；

3、輔機(jī)模塊總成，3.1、水熱管理模塊，3.2、壽命管理模塊，3.3、流體介質(zhì)傳輸管路(部分)，3.3.1、氫氣入口，3.3.2、氫氣出口，3.3.3、空氣入口，3.3.4、空氣出口，3.3.5、冷卻水出口，3.4、線纜輸出接頭；

4、外封裝總成，4.1、電堆模塊封裝箱，4.1.1、總成承力點(diǎn)，4.2、輔機(jī)模塊封裝箱；

5、電氣模塊總成，5.1、巡檢，5.2、電流電壓傳感器，5.3、繼電器，5.4氫氣濃度傳感器，5.5電力輸出接頭；

6、系統(tǒng)控制單元(ECU)，6.1、絕緣減振墊。

具體實(shí)施方式

為使本實(shí)用新型實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本實(shí)用新型實(shí)施例中的附圖，對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本實(shí)用新型一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒緦?shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。

如圖1所示，一種模塊化燃料電池系統(tǒng)，包括：

電堆模塊總成1，主要是將后端(盲端)端板、絕緣板、集流板、電池組(含多層膜電極和雙極板)、集流板、絕緣板和一塊具有高度集成的前端端板層疊成一體，通過固定板和螺釘完成緊固。

如圖2、3、4所示，通常情況下，連接模塊2采用鋁合金材質(zhì)，通過機(jī)械加工方式或鑄造方式在其表面加工出介質(zhì)流道(氫入流道2.8，氫出流道2.9，空入流道2.10，空出流道2.11，水入流道2.12和水出流道2.13)、電堆冷卻水入口2.7、連接接頭部(法蘭連接2.14，錐管螺紋連接2.15，帶O型圈徑向密封連接2.16)、傳感器布置區(qū)域2.1、減重區(qū)域2.3等。如圖2所示，氫入流道2.8用于氫氣進(jìn)堆分配、氫出流道2.9用于氫氣出堆分配、空入流道2.10用于空氣進(jìn)堆分配、空出流道2.11用于空氣出堆分配、冷卻水入流道2.12用于冷卻水進(jìn)堆分配、冷卻水出流道2.13用于冷卻水出堆分配。這些流道的設(shè)計(jì)需經(jīng)過詳細(xì)的計(jì)算、仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證。連接接頭部能夠?yàn)槎鄠€(gè)相關(guān)元件提供可靠的連接與固定。如圖3所示出的法蘭連接2.14、錐管螺紋連接2.15、帶O型圈徑向密封連接2.16等等。電堆冷卻水入口2.7布置于連接模塊2下部。連接模塊2還提供了電堆模塊封裝箱內(nèi)吹掃通道2.4、電能輸出通道2.5與信號(hào)輸出通道2.6。連接模塊2作為電堆模塊總成1和輔機(jī)模塊總成3之間互聯(lián)互通的關(guān)鍵元件，表面需經(jīng)陽極氧化處理，需絕緣之處必須涂敷絕緣材料如環(huán)氧樹脂、改性環(huán)氧樹脂等，這種絕緣材料的厚度在0.08mm-0.2mm之間。

輔機(jī)模塊總成3，如圖3所示，設(shè)置于所述連接模塊相對(duì)于設(shè)置所述電堆模塊總成1的另一側(cè)；組裝輔機(jī)模塊總成3時(shí)，水熱管理模塊3.1和壽命管理模塊3.2之間存在共用部分。水熱管理模塊3.1與連接模塊2的連接通過具備密封功能的接頭實(shí)現(xiàn)，具體而言，也就是左側(cè)部區(qū)域采用法蘭連接2.14，密封材料使用橡膠圈或橡膠墊等。中部區(qū)域采用錐管螺紋連接2.15，纏繞聚四氟軟料。右部區(qū)域采用帶O型圈徑向密封連接2.16，密封件為O形密封圈。同時(shí)也可以使用額外緊固件固定。壽命管理模塊3.2主要為了提升系統(tǒng)壽命和工作穩(wěn)定性。流體介質(zhì)傳輸管路包括氫氣入口3.3.1、氫氣出口3.3.2、空氣入口3.3.3、空氣出口3.3.4和冷卻水出口3.3.5。其中，氫氣入口3.3.1和氫氣出口3.3.2配置于輔機(jī)模塊封裝箱側(cè)部，上下布置?？諝馊肟?.3.3、空氣出口3.3.4和冷卻水出口3.3.5布置于輔機(jī)模塊封裝箱下部或按實(shí)際需要布置。流體介質(zhì)傳輸管路通過所述的水熱管理模塊3.1為所述的電堆模塊總成1供應(yīng)氫氣與空氣，為冷卻水的循環(huán)使用提供通道。

傳感器能夠?qū)y(cè)得的壓力及溫度信號(hào)通過變送器轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)，經(jīng)具備一定強(qiáng)度和抗干擾能力的電纜傳送給系統(tǒng)控制單元6(ECU)，各種信號(hào)線及供電線分類管理，使用扎帶固定在相應(yīng)的位置處。

外封裝總成4，包括電堆模塊封裝箱4.1和輔機(jī)模塊封裝箱4.2，所述電堆模塊封裝箱4.1和所述輔機(jī)模塊封裝箱4.2通過所述連接模塊2固聯(lián)構(gòu)成分別用于容納所述電堆模塊總成1及電氣模塊總成5和所述輔機(jī)模塊總成3的容納空間，使得電堆模塊總成1及電氣模塊總成5和輔機(jī)模塊總成3相對(duì)獨(dú)立地占有各自空間。電堆模塊封裝箱4.1內(nèi)部(電堆模塊總成1及電氣模塊總成5空間)具有IP65防護(hù)等級(jí)，同時(shí)具備吹掃應(yīng)用。輔機(jī)模塊封裝箱4.2(輔機(jī)模塊總成3空間)至少具有IP55防護(hù)等級(jí)，具備向上升級(jí)防護(hù)等級(jí)的基礎(chǔ)條件，可按實(shí)際布置環(huán)境確定。電堆模塊封裝箱4.1和輔機(jī)模塊封裝箱4.2均通過螺釘及墊圈實(shí)現(xiàn)與連接模塊2的固定連接。電堆模塊封裝箱4.1和輔機(jī)模塊封裝箱4.2的材質(zhì)可以是鋁合金，然后通過機(jī)械加工的方式制造，且表面經(jīng)過硬質(zhì)陽極氧化處理。或者它們是由不銹鋼鈑金件組焊而成，經(jīng)時(shí)效處理后表面靜電噴涂。電堆模塊封裝箱4.1和輔機(jī)模塊封裝箱4.2的絕緣性能是靠涂敷一種絕緣材料如環(huán)氧樹脂、改性環(huán)氧樹脂等實(shí)現(xiàn)的，這種絕緣材料的厚度在0.08mm-0.2mm之間。電堆模塊封裝箱4.1和輔機(jī)模塊封裝箱4.2均是由箱體和箱蓋(未示出)等部分通過螺栓連接裝配到一起的。外封裝總成的最終承力點(diǎn)4.1.1位于電堆模塊封裝箱4.1上，承力點(diǎn)4.1.1的布局可按實(shí)際需要設(shè)計(jì)，進(jìn)一步通過具備良好減振性能的減振橡膠(未示出)實(shí)現(xiàn)與車架或其他結(jié)構(gòu)的固定連接。

電氣模塊總成5，設(shè)置于所述電堆模塊總成1相對(duì)于設(shè)置所述連接模塊2的另一側(cè)；電氣模塊總成5的裝配是將巡檢5.1、電流電壓傳感器5.2、繼電器5.3、氫氣濃度傳感器5.4等通過不同的固定形式安裝于電堆模塊總成1之上，與電堆模塊總成1可以是通過螺栓連接固定，總體上，位于電堆模塊封裝箱4.1內(nèi)部。電氣模塊總成5的電力輸出接頭5.5布置于電堆模塊封裝箱4.1后部安裝座上。電氣模塊總成5的電源及控制信號(hào)線行經(jīng)連接模塊2預(yù)留的通道。

通過上述裝配方式，所述電堆模塊總成1、所述輔機(jī)模塊總成3和所述電氣模塊總成5通過所述外封裝總成4封裝形成獨(dú)立的、具有預(yù)設(shè)密封等級(jí)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4.2側(cè)部固定有系統(tǒng)控制單元(ECU)6，采用絕緣減振墊6.1固定，距離系統(tǒng)線路輸出最密集之處這樣可以確保線路最短。

最后應(yīng)說明的是：以上各實(shí)施例僅用以說明本實(shí)用新型的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制；盡管參照前述各實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分或者全部技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本實(shí)用新型各實(shí)施例技術(shù)方案的范圍。