一种氢燃料电池集成框架、集成系统及集成方法与流程

1.本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种氢燃料电池集成框架、集成系统及集成方法。


背景技术：

2.氢燃料电池是一种将氢气和氧气转化为电力与热能的装置，相比较传统的燃油发动机，氢燃料电池具有零排放、高效能、环保等优势。随着社会对环保、节能、可持续发展等问题的日益关注，氢燃料电池逐渐成为一种受到广泛关注的新能源技术。在过去的几十年中，氢燃料电池技术得到了较大的发展。
3.氢燃料电池系统主要由五大子系统组成，分别是电堆、高压电力系统、冷却系统、空气供应系统、氢气供应系统，其中电堆是指多个氢燃料电池堆叠而成的电池组件，作为核心零部件，提供氢燃料的反应场所，负责输出电力。电堆在工作的过程中，输出电力的同时，也会产生热量和生成物水，我们需要合理的设计避免多余的热量和产物水对电堆工作的影响，以便提高电堆使用寿命和性能。因为电堆反应会产生温度，会受到热胀冷缩的影响，同时电堆对受力很敏感，力的作用会影响电堆生成物水的排放、接触电阻和反应效率，所以我们在设计氢燃料电池时，尽可能规避环境和外物对其产生的影响。目前整个氢燃料电池系统的零件过于复杂，导致整个系统布置起来难度增加，因此需要合理的布局，以改善各自的运行环境、提高开发进度和维护成本等。
4.中国专利cn 211617445u中公开了一种燃料电池系统布置结构，包括电堆、高压电力系统、冷却系统、空气供应系统、氢气供应系统以及组合支架，电堆、冷却系统和空气供应系统集成设置于机舱内，电堆、冷却系统和空气供应系统通过组合支架分层设置于前纵梁的上方；高压电力系统和氢气供应系统的一部分集成于所述组合支架上，另一部分布置于地板总成上。该实用新型的燃料电池系统布置结构，将大部分部件集成于机舱内，在机舱内通过组合支架实现了各个部件的分层放置，由下至上进行装配。但是该实用新型还存在以下问题：在结构件匹配过程中，现有的氢燃料电池系统部件要么直接安装到电堆上，要么间接的影响电堆，这样就会导致电堆在工作时，不仅需要承受自身带来的不确定性，而且还需承担其余部件可能对它造成的影响，增加了不稳定因素；现有系统的装配划分不够明确，各子系统零件之间混装，导致在前期和后期维护过程中拆装费时又费力；有些零部件之间相互关联，导致受力相互传导，不利于系统的受力布局，同时也不利于系统的零部件正常工作。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种氢燃料电池集成框架、集成系统及集成方法，通过框架集成氢燃料电池的各个部分，既能够满足各部分之间相互连接，又不会影响各自正常的工作运行，减少了电堆不稳定因素，提高了研发、生产和维修效率。
6.本发明提供了如下的技术方案：
7.第一方面，本发明提供了一种氢燃料电池集成框架，包括框架结构件和电堆壳体；
8.电堆壳体用于安装电堆；
9.框架结构件包括底座和多个安装叶片，电堆壳体设置在底座上，安装叶片依次分布于电堆壳体外围，安装叶片的一端与底座转动连接，安装叶片用于安装空气供应系统、热管理系统、氢气供应系统和电气模块。
10.进一步的，底座包括叶片安装支座和底托；底托设于叶片安装支座的底部，安装叶片设于叶片安装支座的顶部且与叶片安装支座转动连接，叶片安装支座用于对安装叶片进行轴向限位。
11.进一步的，底托上设有多个叶片转动安装凸台，叶片转动安装凸台穿过叶片安装支座并与安装叶片的一端转动连接，安装叶片在叶片安装支座所在的平面以叶片转动安装凸台为中心转动。
12.进一步的，安装叶片的数量为四个，分别布设在叶片安装支座的边缘处；每个安装叶片用于独立安装空气供应系统、热管理系统、氢气供应系统或电气模块；安装叶片上开设有用于连接电堆与空气供应系统、热管理系统、氢气供应系统、电气模块的连接孔位，以及用于安装空气供应系统、热管理系统、氢气供应系统、电气模块的安装孔位。
13.进一步的，电堆壳体的顶部设有电堆封装盖，电堆壳体内部设置有用于支撑电堆的电堆支撑架；电堆支撑架上开设有多个用于电堆壳体内部走线、走管的内部过孔。
14.进一步的，电堆壳体上开设有多个用于电堆与外部连接的壳体过孔。
15.进一步的，电堆壳体的下底面设有一个或多个凸台一，叶片安装支座上开设有对应凸台一的过孔一，凸台一与过孔一相互配合，连接电堆壳体和叶片安装支座。
16.进一步的，叶片安装支座的下底面设有一个或多个凸台二，底托上开设有对应凸台二的过孔二，凸台二与过孔二相互配合，连接叶片安装支座和底托。
17.第二方面，本发明提供了一种氢燃料电池集成系统，包括第一方面中任一项的氢燃料电池集成框架、电堆、空气供应系统、热管理系统、氢气供应系统和电气模块，电堆安装在电堆壳体中，空气供应系统、热管理系统、氢气供应系统、电气模块分别独立安装在安装叶片的外侧。
18.第三方面，本发明提供了一种基于第二方面所述氢燃料电池集成系统的氢燃料电池集成方法，包括以下步骤：
19.将电堆壳体设置在底座上；
20.将安装叶片依次分布于电堆壳体的外围并与底座转动连接；
21.将电堆安装至电堆壳体内；
22.将电气模块、热管理系统、空气供应系统、氢气供应系统分别独立安装在安装叶片的外侧；
23.通过线路连接电堆、电气模块、热管理系统、空气供应系统和氢气供应系统，并将安装叶片固定，即完成氢燃料电池的集成。
24.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
25.(1)本发明提供一种氢燃料电池集成框架、集成系统及集成方法，通过独立的框架，以框架为安装基准，让氢燃料电池系统的五大子系统(电堆、空气供应系统、热管理系统、氢气供应系统、电气模块)独立、分区安装，五大子系统之间除了一些必须的接口匹配，
可各自独立工作，互不干涉；
26.(2)在系统零部件匹配过程中，氢燃料电池系统其余部件与电堆独立，当电堆在工作时，不需承担其余部件对它造成的影响，减少了电堆不稳定因素，利于电堆的长寿命和正常工作；
27.(3)系统的零部件装配划分清晰明确，各子系统零件之间不会出现混装，且相互独立的零部件可以快速准确的排查原因，极大的提高研发、生产和维修效率；
28.(4)由于各个零部件都以框架为安装基准，系统整体受力传导至框架结构，利于系统的受力布局，同时有利于整个系统的零部件正常工作；
29.(5)在研发阶段只需针对具体的配合区域进行匹配接口，无需对整个区域进行布置；在生产阶段，可以简化整个生产流程，生产人员有确定的目标，大大提高了生产效率、不良率和返工率；在售后方面，由于产品彼此之间不会受到影响，最大程度的保证各自在舒适的环境中工作，寿命得以保证，同时售后在检修过程中，可独立划区排查和维修，大大提高了效率，降低了成本。
附图说明
30.图1是本发明中框架结构的爆炸图；
31.图2是本发明中框架结构的装配图；
32.图3是本发明中安装叶片、底托与叶片安装支座的安装示意图一；
33.图4是本发明中底托与叶片安装支座的安装示意图一；
34.图5是本发明中底托与叶片安装支座的安装示意图二；
35.图6是安装叶片安装在叶片安装支座上的俯视图；
36.图7是安装叶片的旋转示意图；
37.图8是电堆和电堆壳体的安装示意图；
38.图9是电堆壳体的结构示意图；
39.图10是电堆壳体与叶片安装支座的安装示意图；
40.图中标记为：1-电堆封装盖；2-电堆；3-电堆壳体；4-空气供应系统；5-安装叶片；6-热管理系统；7-底托；8-叶片安装支座；9-氢气供应系统；10-电气模块；11-凸台二；12-过孔二；13-电堆支撑架；14-壳体过孔；15-凸台一；16-叶片转动安装凸台；17-安装孔位；18-连接孔位；19-过孔一。
具体实施方式
41.下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
42.需要说明的是，在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图中所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
43.实施例1
44.如图1、图2所示，一种氢燃料电池集成框架，包括框架结构件和电堆壳体3；电堆壳体3用于安装电堆2；框架结构件包括底座和多个安装叶片5，电堆壳体3设置在底座上，安装
叶片5依次分布于电堆壳体3外围，安装叶片5的一端与底座转动连接，安装叶片5用于安装空气供应系统4、热管理系统6、氢气供应系统9和电气模块10，电堆2、空气供应系统4、热管理系统6、氢气供应系统9和电气模块10为氢燃料电池的五大子系统。
45.如图3～图7所示，底座包括叶片安装支座8和底托7，框架结构件可通过铝合金铸造；底托7设于叶片安装支座8的底部，安装叶片5设于叶片安装支座8的顶部且与叶片安装支座8转动连接，叶片安装支座8用于对安装叶片5进行轴向限位，优选的，安装叶片5与叶片安装支座8可采用轴承安装的方式。底托7上设有多个叶片转动安装凸台16，叶片转动安装凸台16穿过叶片安装支座8并与安装叶片5的一端转动连接。
46.在一种具体方案中，安装叶片5的数量为四个，叶片安装支座8呈矩形，安装叶片5分别布设在叶片安装支座8的四侧边缘处，安装叶片5能够以叶片转动安装凸台16为转动轴在叶片安装支座8所在的平面转动，实际使用过程中，可通过角板等零部件固定安装叶片5，使其不转动，装配和维修时再转动安装叶片5，方便操作；每个安装叶片5用于独立安装空气供应系统4、热管理系统6、氢气供应系统9或电气模块10，即热管理系统6、电气模块10分别安装在前后两侧的安装叶片5上，氢气供应系统9、空气供应系统4分别安装在左右两侧的安装叶片5上，保证四个子系统之间互不干扰；安装叶片5上开设有连接孔位18，连接孔位18用于关联电堆2与空气供应系统4、热管理系统6、氢气供应系统9、电气模块10之间的连接。
47.如图3所示，安装叶片5上设置有安装孔位17，安装孔位17用于安装空气供应系统4、热管理系统6、氢气供应系统9和电气模块10。
48.如图1、图8～图10所示，电堆壳体3整体呈盒体状，可通过相互嵌套的凹凸结构固定在叶片安装支座8上，电堆壳体3的顶部设有电堆封装盖1，电堆壳体3内部设置有用于支撑电堆2的电堆支撑架13；电堆支撑架13上开设有多个内部过孔，内部过孔用于电堆壳体3内部的走线、走管，也可以通过在电堆壳体3上挖槽的方式实现走线、走管。
49.进一步的，电堆壳体3上开设有多个用于电堆2与外部连接的壳体过孔14，壳体过孔14可以是圆形、方形，三角形，不规则多边形等。
50.电堆壳体3的下底面设有一个或多个凸台一15，叶片安装支座8上开设有对应凸台一15的过孔一19，凸台一15与过孔一19相互配合，连接电堆壳体3和叶片安装支座8。优选的，凸台一15设置在电堆壳体3下底面的中心处，不会干扰到其他零部件。
51.叶片安装支座8的下底面设有一个或多个凸台二11，底托7上开设有对应凸台二11的过孔二12，凸台二11与过孔二12相互配合，连接叶片安装支座8和底托7。优选的，凸台二11设置在叶片安装支座8的四周靠近边缘处，保证受力均匀，结构更加稳固，同时错开过孔一19的位置。
52.实施例2
53.本发明实施例提供一种氢燃料电池集成系统，包括实施例1的氢燃料电池集成框架、电堆2、空气供应系统4、热管理系统6、氢气供应系统9和电气模块10，电堆2安装在电堆壳体3中，空气供应系统4、热管理系统6、氢气供应系统9、电气模块10分别独立安装在安装叶片5的外侧。
54.实施例3
55.本发明实施例提供一种基于实施例2的氢燃料电池集成方法，包括以下步骤：
56.将电堆壳体3设置在底座上，可通过相互嵌套的凹凸结构固定；
57.将安装叶片5依次分布于电堆壳体3的外围，安装叶片5的一端与底座转动连接；
58.将电堆2安装在电堆壳体3内的电堆支撑架13上，盖上电堆壳体3顶部的电堆封装盖1；
59.将电气模块10、热管理系统6、空气供应系统4、氢气供应系统9通过安装孔位17分别独立安装在安装叶片5的外侧，各个子系统之间互不干扰；
60.通过线路连接电堆2、电气模块10、热管理系统6、空气供应系统4和氢气供应系统9，并将安装叶片5固定，即完成氢燃料电池的集成。
61.此种集成方法，在研发阶段只需针对具体的配合区域进行匹配接口，无需对整个区域进行布置；在生产阶段，可以简化整个生产流程，生产人员有确定的目标，大大提高了生产效率、不良率和返工率；在售后方面，由于产品彼此之间不会受到影响，最大程度的保证各自在舒适的环境中工作，寿命得以保证，同时售后在检修过程中，可独立划区排查和维修，大大提高了效率，降低了成本。
62.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种氢燃料电池集成框架，其特征在于，包括框架结构件和电堆壳体(3)；所述电堆壳体(3)用于安装电堆(2)；所述框架结构件包括底座和多个安装叶片(5)，所述电堆壳体(3)设置在所述底座上，所述安装叶片(5)依次分布于所述电堆壳体(3)外围，所述安装叶片(5)的一端与底座转动连接，所述安装叶片(5)用于安装空气供应系统(4)、热管理系统(6)、氢气供应系统(9)和电气模块(10)。2.根据权利要求1所述的氢燃料电池集成框架，其特征在于，所述底座包括叶片安装支座(8)和底托(7)；所述底托(7)设于所述叶片安装支座(8)的底部，所述安装叶片(5)设于所述叶片安装支座(8)的顶部且与叶片安装支座(8)转动连接，所述叶片安装支座(8)用于对安装叶片(5)进行轴向限位。3.根据权利要求2所述的氢燃料电池集成框架，其特征在于，所述底托(7)上设有多个叶片转动安装凸台(16)，所述叶片转动安装凸台(16)穿过所述叶片安装支座(8)并与安装叶片(5)的一端转动连接，所述安装叶片(5)在叶片安装支座(8)所在的平面内以叶片转动安装凸台(16)为中心转动。4.根据权利要求2所述的氢燃料电池集成框架，其特征在于，所述安装叶片(5)的数量为四个，分别布设在所述叶片安装支座(8)的边缘处，每个所述安装叶片(5)用于独立安装空气供应系统(4)、热管理系统(6)、氢气供应系统(9)或电气模块(10)；所述安装叶片(5)上开设有用于连接电堆(2)、空气供应系统(4)、热管理系统(6)、氢气供应系统(9)、电气模块(10)的连接孔位(18)，以及用于安装空气供应系统(4)、热管理系统(6)、氢气供应系统(9)、电气模块(10)的安装孔位(17)。5.根据权利要求1所述的氢燃料电池集成框架，其特征在于，所述电堆壳体(3)的顶部设有电堆封装盖(1)，所述电堆壳体(3)内部设置有用于支撑电堆(2)的电堆支撑架(13)；所述电堆支撑架(13)上开设有多个用于电堆壳体(3)内部走线、走管的内部过孔。6.根据权利要求1所述的氢燃料电池集成框架，其特征在于，所述电堆壳体(3)上开设有多个用于电堆(2)与外部连接的壳体过孔(14)。7.根据权利要求1所述的氢燃料电池集成框架，其特征在于，所述电堆壳体(3)的下底面设有一个或多个凸台一(15)，所述叶片安装支座(8)上开设有对应所述凸台一(15)的过孔一(19)，所述凸台一(15)与过孔一(19)相互配合，连接所述电堆壳体(3)和叶片安装支座(8)。8.根据权利要求1所述的氢燃料电池集成框架，其特征在于，所述叶片安装支座(8)的下底面设有一个或多个凸台二(11)，所述底托(7)上开设有对应所述凸台二(11)的过孔二(12)，所述凸台二(11)与过孔二(12)相互配合，连接所述叶片安装支座(8)和底托(7)。9.一种氢燃料电池集成系统，其特征在于，包括权利要求1～8任一项所述的氢燃料电池集成框架、电堆(2)、空气供应系统(4)、热管理系统(6)、氢气供应系统(9)和电气模块(10)，所述电堆(2)安装在所述电堆壳体(3)中，所述空气供应系统(4)、热管理系统(6)、氢气供应系统(9)、电气模块(10)分别独立安装在所述安装叶片(5)的外侧。10.一种基于权利要求9所述氢燃料电池集成系统的氢燃料电池集成方法，其特征在于，包括以下步骤：将电堆壳体(3)设置在底座上；
将安装叶片(5)依次分布于所述电堆壳体(3)的外围并与底座转动连接；将电堆(2)安装至所述电堆壳体(3)内；将电气模块(10)、热管理系统(6)、空气供应系统(4)、氢气供应系统(9)分别独立安装在所述安装叶片(5)的外侧；通过线路连接所述电堆(2)、电气模块(10)、热管理系统(6)、空气供应系统(4)和氢气供应系统(9)，并将所述安装叶片(5)固定，即完成氢燃料电池的集成。

技术总结
本发明公开了一种氢燃料电池集成框架、集成系统及集成方法，氢燃料电池集成框架包括框架结构件和电堆壳体；电堆壳体用于安装电堆；框架结构件包括底座和多个安装叶片，电堆壳体设置在底座上，安装叶片依次分布于电堆壳体外围，安装叶片的一端与底座转动连接，安装叶片用于安装空气供应系统、热管理系统、氢气供应系统和电气模块。本发明装配划分清晰明确，能够将电堆与氢燃料电池系统其余部件独立，减少了电堆不稳定因素，极大的提高研发、生产和维修效率。修效率。修效率。


技术研发人员：汪昭 王佳 薛琼
受保护的技术使用者：上海徐工智能科技有限公司
技术研发日：2023.07.25
技术公布日：2023/10/7