具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例提供了一种车用质子交换膜燃料电池发动机的双电堆发电模块St，具体结构如下：

如图2所示双电堆发电模块St的外部结构图，所述双电堆发电模块St的外部包括对外电功率供电接口St01、信号输出接口St02、顶板St03、四面侧板St04、底板St05、螺丝St07、吊环螺丝St08；在所述顶板St03下部与四面侧板St04上部接触的部位设计环形密封槽与密封胶条，以实现顶板St03与四面侧板St04之间的密封，顶板St03与四面侧板St04之间通过四周的螺丝St07进行固定预紧，以保证双电堆模块的防水防尘IP67等级；四面侧板St04可通过组装四面的侧板并焊接成一体得到，其四角位置为用于吊装承力的吊环螺丝St08；四面侧板St04与底板St05之间，可通过设计环形密封槽与密封胶条进行密封，也可通过焊接使St04与St05形成密封良好的一体化组件。双电堆模块St的空气、氢气及冷却液等流体接口如图2(b)所示，位于电堆模块的下方，设计于底板St05上；

如图3所示双电堆发电模块St的内部供电结构图，所述双电堆发电模块St包括串联连接的第一电堆Stack1和第二电堆Stack2，所述第一电堆Stack1包括第一电堆Stack1的正极电流集流端子D1和第一电堆Stack1的负极电流集流端子D2，所述第二电堆Stack2包括第二电堆Stack2的正极电流集流端子D3和第二电堆Stack2的负极电流集流端子D4，所述双电堆发电模块还包括电流输出正极集流端子D6和电流输出负极集流端子D7；所述第一电堆Stack1的负极电流集流端子D2通过导线D5与第二电堆Stack2的正极电流集流端子D3连通；所述一电堆Stack1的正极电流集流端子D1与电流输出正极集流端子D6连接，所述第二电堆Stack2的负极电流集流端子D4与电流输出负极集流端子D7连接，电流输出正极集流端子D6与电流输出负极集流端子D7的信号与对外电功率供电接口St01连接；所述双电堆发电模块St还包括第一电压巡检器CVM1和第二电压巡检器CVM2实时监测，分别用于实时监测第一电堆Stack1和第二电堆Stack2的每节电池电压；

如图4所示双电堆发电模块St的内部流体分配结构图，所述双电堆发电模块St还包括空气进口流体分配管道、空气出口流体分配管道、氢气进口流体分配管道、氢气出口流体分配管道、冷却液进口流体分配管道和冷却液出口流体分配管道；所述空气进口流体分配管道包括空气进口流体分配管道接头Ca01、第一电堆Stack1的空气进口管道Ca03和第二电堆Stack2的空气进口管道Ca04；所述空气出口流体分配管道包括空气出口流体分配管道接头Ca02、第一电堆Stack1的空气出口管道Ca07和第二电堆Stack2的空气出口管道Ca08；所述氢气进口流体分配管道包括氢气进口流体分配管道接头An01、第一电堆Stack1的氢气进口管道An03和第二电堆Stack2的氢气进口管道An 04；所述氢气出口流体分配管道包括氢气出口流体分配管道接头An02、第一电堆Stack1的氢气出口管道An07和第二电堆Stack2的氢气出口管道An08；所述冷却液进口流体分配管道包括冷却液进口流体分配管道接头L02、第一电堆Stack1的冷却液进口管道L03和第二电堆Stack2的冷却液进口管道L04：所述冷却液出口流体分配管道包括冷却液出口流体分配管道接头L01、第一电堆Stack1的冷却液出口管道L07和第二电堆Stack2的冷却液出口管道L08；所述双电堆发电模块中的内部流体分配区域存在多个管道交互，具体空间结构设计如图4(c)所示，为避免结构干涉与装配困难，第二电堆Stack2的冷却液出口管道L08从上部绕过其他所有管道，并在其顶部最高位置设计冷却液排气口L08-1，以便于在发动机第一次冷却液补给时，排出电堆及管道冷却腔体内部空气。

进一步地，在所述第一电堆Stack1的空气进口管道Ca03、第一电堆Stack1的氢气进口管道An03、第一电堆Stack1的冷却液进口管道L03与第一电堆Stack1的连接处设有第一电堆Stack1的进口一体化接头，第一电堆Stack1的进口一体化接头上对应设有第一温度压力一体化传感器Ca05、第五温度压力一体化传感器An05和第一温度传感器L05；在所述第一电堆Stack1的空气出口管道Ca07、第一电堆Stack1的氢气出口管道An07、第一电堆Stack1的冷却液出口管道L07与第一电堆Stack1的连接处设有第一电堆Stack1的出口一体化接头，第一电堆Stack1的出口一体化接头上对应设有第三温度压力一体化传感器Ca09、第七温度压力一体化传感器An09和第三温度传感器L09；在所述第二电堆Stack2的空气进口管道Ca04、第二电堆Stack2的氢气进口管道An 04、第二电堆Stack2的冷却液进口管道L04与第二电堆Stack2的连接处设有第二电堆Stack2的进口一体化接头，第二电堆Stack2的进口一体化接头上对应设有第二温度压力一体化传感器Ca06、第六温度压力一体化传感器An06和第二温度传感器L06；在所述第二电堆Stack2的空气出口管道Ca08、第二电堆Stack2的氢气出口管道An08、第二电堆Stack2的冷却液出口管道L08与第二电堆Stack2的连接处设有第二电堆Stack2的出口一体化接头，第二电堆Stack2的出口一体化接头上对应设有第四温度压力一体化传感器Ca10、第八温度压力一体化传感器An10和第四温度传感器L10；

所述第一电堆Stack1的进口一体化接头、第一电堆Stack1的出口一体化接头、第二电堆Stack2的进口一体化接头和第二电堆Stack2的出口一体化接头的结构如图5(b)所示的第一电堆Stack1或第二电堆Stack2的进出口一体化接头St-L-0，包括氢气接口St-L-1、冷却液接口St-L-2和空气接口St-L-3，并在氢气接口St-L-1、冷却液接口St-L-2和空气接口St-L-3的侧面对应设有氢气的温度压强一体化传感器接口St-L-4、冷却液的温度传感器接口St-L-7和空气的温度压强一体化传感器接口St-L-5，分别与氢气的温度压强一体化传感器St-S-1、冷却液的温度传感器St-S-2、空气的温度压强一体化传感器St-S-3连接；所述第一电堆Stack1或第二电堆Stack2的进出口一体化接头St-L-0还包括一体化接头底座的螺丝孔位St-L-6：

为了使得所述空气进口流体分配管道、空气出口流体分配管道、氢气进口流体分配管道、氢气出口流体分配管道、冷却液进口流体分配管道和冷却液出口流体分配管道的长度满足空气、氢气和冷却液在第一电堆Stack1和第二电堆Stack2中等量分配，本实施例按照发动机额定工况的流速条件下，进行结构设计，由于在流体分配管道结构中，第一电堆Stack1和第二电堆Stack2的同类流体分配管道接头数量一致，因此主要考虑管道长度造成的压损及其对流量分配的影响。

所述空气进口流体分配管道和空气出口流体分配管道的长度满足如下公式：

L_{A_inlet_1}×θ_Air+L_{A_outlet_1}＝L_{A_inlet_2}×θ_Air+L_{A_outlet_2} (1)

其中，θ_Air为第一电堆Stack1和第二电堆Stack2的空气进口体积流速与空气出口体积流速的比例，取值0.95；L_{A_inlet_1}为第一电堆Stack1的空气进口管道长度；L_{A_outlet_1}为第一电堆Stack1的空气出口管道长度；L_{A_inlet_2}为第二电堆Stack2的空气进口管道长度；L_{A_outlet_2}为第二电堆Stack2的空气出口管道长度。

所述氢气进口流体分配管道和氢气出口流体分配管道的长度满足如下公式：

L_{H_inlet_1}×θ_H+L_{H_outlet_1}＝L_{H_inlet_2}×θ_H+L_{H_outlet_2} (2)

其中，θ_H为第一电堆Stack1和第二电堆Stack2的氢气进口体积流速与氢气出口体积流速的比例，取值3.1；L_{H_inlet_1}为第一电堆Stack1的氢气进口管道长度；L_{H_outlet_1}为第一电堆Stack1的氢气出口管道长度；L_{H_inlet_2}为第二电堆Stack2的氢气进口管道长度；L_{H_outlet_2}为第二电堆Stack2的氢气出口管道长度。

所述冷却液进口流体分配管道和冷却液出口流体分配管道的长度满足如下公式：

L_{C_inlet_1}×θ_C+L_{C_outlet_1}＝L_{C_inlet_2}×θ_C+L_{C_outlet_2} (3)

其中，θ_C为第一电堆Stack1和第二电堆Stack2的冷却液进口体积流速与冷却液出口体积流速的比例，取值1；L_{C_inlet_1}为第一电堆Stack1的冷却液进口管道长度；L_{C_outlet_1}为第一电堆Stack1的冷却液出口管道长度；L_{C_inlet_2}为第二电堆Stack2的冷却液进口管道长度；L_{C_outlet_2}为第二电堆Stack2的冷却液出口管道长度。

进一步地，如图5(a)所示，所述空气进口流体分配管道接头Ca01和冷却液出口流体分配管道接头L01均为Y型三通接头；所述空气出口流体分配管道接头Ca02和冷却液进口流体分配管道接头L02均为T型三通接头；所述氢气进口流体分配管道接头An01和氢气出口流体分配管道接头An02相同，为三通接头；

本实施例所述双电堆发电模块St的流程设计图如图1所示，具体为：

空气从空气进口流体分配管道接头Ca01进入双电堆发电模块St，空气进口流体分配管道接头Ca01的下游分别连通第一电堆Stack1的空气进口管道Ca03和第二电堆Stack2的空气进口管道Ca04；空气经第一电堆Stack1的空气进口管道Ca03、第一温度压力一体化传感器Ca05进入第一电堆Stack1，经第一电堆Stack1反应后，通过第三温度压力一体化传感器Ca09、第一电堆Stack1的空气出口管道Ca07汇流至空气出口流体分配管道接头Ca02；同时，空气经第二电堆Stack2的空气进口管道Ca04、第二温度压力一体化传感器Ca06进入第二电堆Stack2，经第二电堆Stack2反应后，通过第四温度压力一体化传感器Ca10、第二电堆Stack2的空气出口管道Ca08汇流至空气出口流体分配管道接头Ca02；

氢气从氢气进口流体分配管道接头An01进入双电堆发电模块St，氢气进口流体分配管道接头An01的下游分别连通第一电堆Stack1的氢气进口管道An03和第二电堆Stack2的氢气进口管道An 04；氢气经第一电堆Stack1的氢气进口管道An03、第五温度压力一体化传感器An05进入第一电堆Stack1，经第一电堆Stack1反应后，通过第七温度压力一体化传感器An09、第一电堆Stack1的氢气出口管道An07汇流至氢气出口流体分配管道接头An02；同时，氢气经第二电堆Stack2的氢气进口管道An 04、第六温度压力一体化传感器An06进入第二电堆Stack2，经第二电堆Stack2反应后，通过第八温度压力一体化传感器An10、第二电堆Stack2的氢气出口管道An08汇流至氢气出口流体分配管道接头An02；

冷却液从冷却液进口流体分配管道接头L02进入双电堆发电模块St，冷却液进口流体分配管道接头L02的下游分别连通第一电堆Stack1的冷却液进口管道L03和第二电堆Stack2的冷却液进口管道L04；冷却液经第一电堆Stack1的冷却液进口管道L03、第一温度传感器L05进入第一电堆Stack1，经第一电堆Stack1反应后，通过第三温度传感器L09、第一电堆Stack1的冷却液出口管道L07汇流至冷却液出口流体分配管道接头L01；同时，冷却液经第二电堆Stack2的冷却液进口管道L04、第二温度传感器L06进入第二电堆Stack2，经第二电堆Stack2反应后，通过第四温度传感器L10、第二电堆Stack2的冷却液出口管道L08汇流至冷却液出口流体分配管道接头L01；

所述第一电堆Stack1的负极电流集流端子D2通过导线D5与第二电堆Stack2的正极电流集流端子D3连通，实现第一电堆Stack1和第二电堆Stack2的串联；所述一电堆Stack1的正极电流集流端子D1与电流输出正极集流端子D6连接，所述第二电堆Stack2的负极电流集流端子D4与电流输出负极集流端子D7连接，电流输出正极集流端子D6与电流输出负极集流端子D7的信号与对外电功率供电接口St01连接；

第一电堆Stack1和第二电堆Stack2的氢气与空气流体的进出口温度及压强信号均分别同时监测，冷却液的温度信号均分别同时监测；Stack1的每节电池电压通过第一电压巡检器CVM1实时监测，Stack2的每节电池电压通过第二电压巡检器CVM2实时监测；上述所有传感器的监测信号汇总于信号输出接口St02，对外部系统提供传感器实时检测的信号。

本实施例还提供了一种应用双电堆发电模块St的车用质子交换膜燃料电池发动机，其总体流程设计图如图6所示，包括双电堆发电模块St、空气模块、氢气模块、冷却模块和电控模块，发动机的空气模块向双电堆发电模块St提供反应所需氧化剂，发动机的氢气模块向双电堆发电模块St提供反应所需的氢气燃料，氢气与氧气在双电堆发电模块St内部发生电化学反应，双电堆发电模块St对外提供直流电能，发动机的冷却液模块调节双电堆发电模块St的热量平衡；所述电控模块即图2所示的发动机控制器St06，安装于双电堆发电模块St的四面侧板St04外侧，便于调试维保；

所述空气模块包括环境空气Ca1、空气过滤器Ca2、空气流量计Ca3、空压机Ca4、气-气加湿器Ca5、电堆进气端节气门Ca6、电堆空气总进口管道Ca7、电堆空气总出口管道Ca8、电堆出气端节气门Ca9、尾气排放管道Ca10、氢浓度传感器Ca11和环境大气Ca12；所述气-气加湿器Ca5连接空压机Ca4和尾气排放管道Ca10，还分别经电堆出气端节气门Ca9、电堆空气总出口管道Ca8连接空气出口流体分配管道接头Ca02，经电堆进气端节气门Ca6、电堆空气总进口管道Ca7连接空气进口流体分配管道接头Ca01，通过电堆反应空气出口的湿润尾气来加湿电堆反应空气进口的干燥空气；所述电堆进气端节气门Ca6和电堆出气端节气门Ca9在发动机运行时打开以便于空气流通，在发动机关机后关闭，避免外界杂质进入双电堆发电模块St内部；所述氢浓度传感器Ca11用于监测尾气排放中的氢气浓度是否超标；

所述氢气模块包括储氢罐An1、一级减压阀An2、稳压模块An3、电堆氢气总进口管道An4、电堆氢气总出口管道An5、气水分离器An6、脱除的液态水An7、第一管道An8、第二管道An9、第一电磁阀An10、氢气循环泵An11、第三管道An12、第二电磁阀An13、第四管道An14和第三电磁阀An15；所述一级减压阀An2将氢气压强从瓶内高压降低至几个大气压的范围；所述稳压模块An3用于精细调节氢气进气压强(绝对压强调节范围：1～2bar)；所述电堆氢气总进口管道An4和电堆氢气总出口管道An5分别与氢气进口流体分配管道接头An01和氢气出口流体分配管道接头An02相连；所述气水分离器An6用于脱除出口氢气内部的液态水；所述脱除的液态水An7直接排放；发动机运行期间，脱除液态水的出口氢气经第一管道An8、第二管道An9，至第一电磁阀An10(发动机运行期间处于常开状态)，再通过氢气循环泵An11与第三管道An12，循环至电堆氢气总进口管道An4，并重新进入双电堆发电模块St进行反应，以提高燃料电池的氢气利用率；所述第二电磁阀An13在发动机工作期间处于常闭状态，定期打开以排除氢气管道内的杂质及水蒸气等；排出气体通过第四管道An14，汇流至尾气排放管道Ca10，排出至环境大气Ca12；所述第三电磁阀An15在发动机运行期间处于常闭状态，在发动机关机后，第三电磁阀An15打开，第一电磁阀An10关闭，第二电磁阀An13打开，同时运行氢气循环泵An11，将环境空气Ca1吸入第三管道An12，再到双电堆发电模块St，再由氢气出口流体分配管道接头An02、电堆氢气总出口管道An5、第一管道An8至第二电磁阀An13，经过第四管道An14排放于尾气排放管道Ca10，该组合操作用于发动机关机之后，吹扫管道及电堆内部残余氢气，以避免氢气的长期留存导致电堆内部膜电极的衰减；

所述冷却模块包括电堆冷却水总进口管道L1、电堆冷却水总出口管道L2、节温器L3、加热器L4、散热器L5、冷却泵L6、去离子器L7、冷却液补水箱L8、杂质颗粒过滤器L9；所述电堆冷却水总进口管道L1、电堆冷却水总出口管道L2分别与冷却液出口流体分配管道接头L01、冷却液进口流体分配管道接头L02连接；所述节温器L3用于实现冷却液在不同温度条件下的三通管道调节，在发动机启动期间，冷却液温度低于设计温度值T0(一般接近于正常工作温度)，则节温器L3导通至加热器L4支路，通过电加热迅速提高冷却液温度，以提高发动机启动速度；当冷却液温度高于设计温度值T0，则节温器L3导通至散热器L5支路，以保证电堆正常工作期间的产热及时通过散热器排出；冷却液经冷却泵L6循环至杂质颗粒过滤器L9，通过电堆冷却水总出口管道L2进入双电堆发电模块St；所述去离子器L7通过降低冷却液离子浓度以降低冷却液电导率，以防止冷却液电导率过高造成运行故障与寿命衰减。

图7为所述双电堆发电模块St实际运行时的电压分布图，其中图7(a)为第一电堆Stack1的电压分布图；图7(b)为第二电堆Stack2电压分布图。该图中的双电堆发电模块St的运行电流为200A，双电堆发电模块St的输出功率为40.6kW。可以看出节电压极差小于10mV，第一电堆Stack1和第二电堆Stack2的一致性较好；第一电堆Stack1的总电压为100.776V，第二电堆Stack2的总电压为101.406V，两者电压相差0.63V，占电堆总电压的0.6％，表明两个电堆之间性能一致性良好。