CN101279580A - 燃料电池车用余热热泵空调系统 - Google Patents

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Abstract

燃料电池车用余热热泵空调系统属于燃料电池车用冷暖空调技术领域。其特征在于,含有制冷回路和制热回路,制冷回路和制热回路通过一个四通阀与压缩机连接,四通阀的入口连接压缩机的出口,四通阀的第一出口和第二出口连接制热回路和制冷回路,第三出口通过一个气液分离器连接压缩机的入口;在制热回路中含有一个外部蒸发器,该外部蒸发器的热侧连接在燃料电池冷却回路中,其冷侧连接在制热回路中,在燃料电池的冷却回路中,还含有一个电控三通阀,其一端通过水泵连接燃料电池,其第二端和第三端分别连接外部蒸发器热侧的进口和出口。本发明能够将燃料电池的余热用于供暖,具有节能、结构简单、不受使用地区限制等优点。

Description

燃料电池车用余热热泵空调系统技术领域燃料电池车用余热热泵空调系统属于燃料电池车用冷暖空调技术领域。 背景技术传统车的夏季制冷通过单冷空调解决,冬季采暖通过利用温度较高的发动机冷却水或排 气实现。燃料电池车辆中燃料电池发动机具有大量余热,但是温度较低,直接用来供暖难以 满足舒适性要求,现在的燃料电池车辆通过电动蒸汽压縮式空调实现制冷,通过直接电加热 实现供暖,两套系统独立,而且冬季供暖消耗的电能过多,严重影响车辆的动力性及经济性。 因此,如能在供暖时将燃料电池余热利用上,并用一套系统同时解决制冷和采暖需求,将在 满足舒适性同时,简化系统,大大降低采暖能耗,提高燃料电池车辆经济性和动力性。经现有技术的文献检索发现,专利申请"燃料电池和空气源热泵热水器的联合系统(公 开号CN 1786611A,公开日2006年6月14日)"可以利用质子交换膜电池子系统排出空气的 余热,从而使空气源热泵子系统的结构简化、运行稳定、功耗减少以及经济性提高。该专利 申请利用燃料电池排出空气的余热提高了热泵热水器随季节变化的适应性,回收了一部分燃 料电池余热,不足之处:1)只是提供热水,不具备冷暖空调作用。2)不适用于汽车暖通空 调。3)用燃料电池散热器排出的空气作为热泵热水器热源传热效率低。专利申请"电动汽车热泵空调系统(公开号CN 1709734A,公开日2005年12月21日)" 提出了结构简单的车用热泵空调系统,但未利用燃料电池余热,而且由于采用空气源热泵系 统,在冬季供暖时受车外温度影响会较大,效率较低,我国北方寒冷地区,可能无法正常工 作。发明内容:本发明的目的在于,针对现有燃料电池车辆空调系统技术的不足,提供一种能利用燃料 电池发动机余热的热泵空调系统,该系统不受使用地区限制,同时满足制冷和采暖需求,降 低空调系统功耗,提高车辆动力性及经济性。本发明的特征在于,含有制冷回路和制热回路,所述制冷回路和制热回路通过一个四通 阀与压缩机连接,所述四通阀的入口连接压縮机的出口,四通阀的第一出口和第二出口连接 制热回路和制冷回路,第三出口通过一个气液分离器连接压縮机的入口;在所述制热回路中含有一个外部蒸发器,该外部蒸发器的热侧连接在燃料电池冷却回路中,其冷侧连接在制热 回路中,在所述燃料电池的冷却回路中,还含有一个电控三通阀,其一端通过水泵连接燃料 电池,其第二端和第三端分别连接外部蒸发器热侧的进口和出口。所述制热回路含有依次与所述四通阀的第一出口连接的第二截止阀、内部冷凝器、F型热力膨胀阀、外部蒸发器和第一单向阀,所述第一单向阀的另一端连接所述四通阀的第二出口;所述制冷回路含有依次与所述四通阀的第二出口连接的第一截止阀、外部冷凝器、H型热力膨胀阀、内部蒸发器和第二单向阀,所述第二单向阀的另一端连接所述四通阀的第一出口。 本系统制热时,关闭第一截止阀,打开第二截止阀,控制所述四通阀的入口与第一出口连接,第二出口与第三出口连接;制冷时,关闭第二截止阀,打开第一截止阀,控制所述四通阀的入口与第二出口连接,第一出口与第三出口连接。所述外部蒸发器是液一液换热器,其热侧管路材料为不锈钢。 试验证明:本发明能够将燃料电池的余热用于供暖,达到了预期的目的。附图说明:图1是本发明的是本发明系统结构示意图。 具体实施方式:本发明将传统家用热泵空调的概念引入车用冷暖空调系统,在传统家用热泵系统中,只 需要一个外部冷凝器5和一个内部蒸发器9,还包括压縮机l、四通阀2、膨胀阀7、汽液分离器13,通过四通阀改变制冷剂的流向,实现冷暖空调功能。在应用到车上时,传统家用空调在室内只需一个蒸发器的结构不能运行,因为在制冷模 式转换成制热模式时,蒸发器上的冷凝水将迅速蒸发,在挡风玻璃上结霜,影响驾驶安全,因此在车用热泵系统中需在车室内增加一个内部冷凝器10,在制热时通过阀的控制让制冷剂 通过内部冷凝器,保证驾驶安全。该结构已经在专利CN 1709734A中进行了阐述。如果仅仅是用一个外部冷凝器5,采用空气源热泵系统,在寒冷北方,由于室外温度很低, 在制热循环时,外部冷凝器传热效率很低,导致热泵系统效率很低甚至无法工作。同时在燃 料电池车辆中本身就有大量的余热需要散掉。因此,本发明通过在燃料电池冷却回路和热泵 系统间增加一换热器作为热泵制热循环时的外部蒸发器6,形成新型燃料电池车用余热热泵 空调系统,该系统既能保证热泵系统稳定高效工作,又能利用燃料电池余热,提高系统经济 性。如图1所示,制冷回路含有第一截止阀、外部冷凝器、H型热力膨胀阀、内部蒸发器、 第一单向阀,第一单向阀的出口连接四通阀的第一出口 b 口。制热回路含有第二截止阀、内 部冷凝器、F型热力膨胀阀、外部蒸发器、第二单向阀,第二单向阔的出口连接四通阀的第 二出口 d 口。四通阀的入口连接压縮剂的出口,四通阔的第三出口 c 口连接一个气液分离器,气液分离器的另一端连接压縮机的入口。压縮机l出口与四通阀2的a 口相连,四通阀2的c 口与第一截止阀3进口相连,第一 截止阀4出口与外部冷凝器5进口相连,外部冷凝器5出口与H型热力膨胀阀7进口相连,H 型热力膨胀阀7出口与内部蒸发器9进口相连,内部蒸发器9出口与第二单向阀11进口相连, 第二单向阀11出口与四通阀2的b 口相连,c 口与气液分离器13进口相连,气液分离器13 出口与压縮机l进口相连,四通阀2的b 口与第二截止阔12进口相连,第二截止阀12出口 与内部冷凝器IO进口相连,内部冷凝器IO出口与F型热力膨胀阀8进口相连,F型热力膨 胀阀8出口与外部蒸发器6冷侧进口相连,外部蒸发器6冷侧出口与第一单向阀3相连,第 一单向阀3出口与四通阀2的d口相连。燃料电池发动机15出口与水泵16进口相连,水泵 16出口与电控三通阀17进口相连,电控三通阀17出口分别与外部蒸发器6热侧进口、燃料 电池发动机散热器18进口相连,外部蒸发器6热侧出口与燃料电池发动机散热器18进口相 连,燃料电池发动机散热器18出口与燃料电池发动机15进口相连。燃料电池冷却系统通过 冷却管路19连接,热泵系统通过制冷剂管路14连接。 该系统的工作过程为:在冬季工况时,关闭第一截止阀4,打开第二截止阀12,四通阀2中a 口与b 口相通,c 口与d口相通,控制电控三通阀17让冷却液流经外部蒸发器6。供暖循环工作过程为:压縮 机1消耗一定的电能将低温低压的气态制冷剂压縮成高温高压的气态制冷剂,经第二截止阀 12流过内部冷凝器10时放出热量,制冷剂放出的热量被车室内空气吸收,制冷剂发生相变 冷凝成液态,液态制冷剂经F型热力膨胀阀8时,制冷剂降压降温,流经外部蒸发器6时吸 收燃料电池发动机15冷却液中的热量,本身发生相变蒸发成气态,低温低压的气态制冷剂流 经四通阀2后,经气液分离器13后回到压缩机1中,再被压縮机1压縮成高温高压的气态制 冷剂,如此循环工作。吸收外部蒸发器6中燃料电池冷却液的热量,通过制热循环将流经内 部冷凝器10的车内空气加热后送入车内,提高车室内温度。气液分离器13为防止压縮机液 击的辅助保护部件。在夏季工况时,打开第一截止阀4,关闭第二截止阀12,四通阀2的a 口与d 口相通,b 口与c口相通,控制电控三通阀17让冷却液不流经外部蒸发器6,直接流入燃料电池发动机 散热器18。制冷循环的工作过程为:压縮机l消耗一定的电能将低温低压的气态制冷剂压縮 成高温高压的气态制冷剂,经第一截止阀4流过外部冷凝器5时放出热量,制冷剂放出的热 量被环境空气吸收,本身发生相变冷凝成液态,液态制冷剂经H型热力膨胀阀7后降压降温, 流经内部蒸发器9时吸收车室内空气中的热量,本身发生相变蒸发成气态,低温低压的气态 制冷剂流经四通阀2后,经气液分离器13后回到压縮机1中,再被压縮机1压縮成高温高压 的气态制冷剂,如此循环工作。通过内部蒸发器9被冷却的空气被送入车室内,降低车室内 的温度。气液分离器13为防止压縮机液击的辅助保护部件。上述实施例采用的压縮机为电动压縮机,四通阀驱动电源为直流24V,外部蒸发器为液一 液换热器,热侧管路材料为不锈钢,用于防止燃料电池冷却用去离子水的离子化,第一截止 阀驱动电源为直流24V,第二截止阀驱动电源为直流24V,电控三通阀驱动电源为直流24V, 内部冷凝器置于蒸发箱总成中。本发明具有下述优点:1、 节能,本发明在冬季工况时,利用燃料电池发动机冷却水热量作为外部蒸发器的热源, 利用了相当一部分燃料电池余热用来供暖,节约了供暖能耗,提高了燃料电池车辆经济性何 动力性。2、 结构简单,传统车制冷和供暖是两套系统,而本发明用一套热泵系统同时能满足车辆 制冷和供暖需求,简化了系统结构,易于实现。3、 不受使用地区限制,传统的空气源热泵系统在制热工况时,由于受室外温度的限制, 往往在寒冷的北部地区效率很低甚至不能工作,本发明采用燃料电池冷却水作为外部蒸发器 热源,解决了这一问题,使得在北方寒冷地区也能稳定高效工作。

Claims (4)

1. 燃料电池车用余热热泵空调系统,其特征在于,含有制冷回路和制热回路,所述制冷回路和制热回路通过一个四通阀与压缩机连接,所述四通阀的入口连接压缩机的出口,四通阀的第一出口和第二出口连接制热回路和制冷回路,第三出口通过一个气液分离器连接压缩机的入口;在所述制热回路中含有一个外部蒸发器,该外部蒸发器的热侧连接在燃料电池冷却回路中,其冷侧连接在制热回路中,在所述燃料电池的冷却回路中,还含有一个电控三通阀,其一端通过水泵连接燃料电池,其第二端和第三端分别连接外部蒸发器热侧的进口和出口。
2、 如权利要求1所述的燃料电池车用余热热泵空调系统,其特征在于,所述制热回路含有依 次与所述四通阀的第一出口连接的第二截止阀、内部冷凝器、F型热力膨胀阀、外部蒸发器 和第一单向阀,所述第一单向阀的另一端连接所述四通阀的第二出口;所述制冷回路含有依 次与所述四通阀的第二出口连接的第一截止阀、外部冷凝器、H型热力膨胀阔、内部蒸发器 和第二单向阀,所述第二单向阀的另一端连接所述四通阀的第一出口。
3、 如权利要求2所述的燃料电池车用余热热泵空调系统,其特征在于,制热时,关闭第一截止阀,打开第二截止阀,控制所述四通阀的入口与第一出口连接,第二出口与第三出口连接; 制冷时,关闭第二截止阀,打开第一截止阔,控制所述四通阀的入口与第二出口连接,第一 出口与第三出口连接。
4、 如权利要求1或2所述的燃料电池车用余热热泵空调系统,其特征在于,所述外部蒸发器是液一液换热器,其热侧管路材料为不锈钢。
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