CN108172875A - 尾气排水回收利用系统及包括该系统的燃料电池汽车 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种尾气排水回收利用系统及包括该系统的燃料电池汽车，包括燃料电池电堆，分别与该燃料电池电堆氢气出口、空气出口和空气入口连接的阳极吹扫管路、阴极尾气管路和空气供给管路；所述阳极吹扫管路的末端与所述阴极尾气管路相接，在所述连接处的下游设置有第一储水箱，所述第一储水箱的底部分别设置排水管路和饮用水出水管路，所述饮用水出水管路的末端引入燃料电池车内。由上，阴极尾气管路排放残余空气、液态水及少量水蒸气，阳极吹扫管路排放残余氢气和水蒸气。第一储水箱对排水进行回收利用，一方面避免生成的水直接排到马路上而结冰。另一方面将水回收处理，使尾气排水变为饮用水，解决了现有汽车上无法随时供应饮用水的难题。

Description

尾气排水回收利用系统及包括该系统的燃料电池汽车
技术领域
本发明涉及新能源汽车技术领域，特别是一种尾气排水回收利用系统及包括该系统的燃料电池汽车。
背景技术
近年来随着环境问题日益严重，各大车企对燃料电池车加大研发投入，不断推出新款燃料电池车型，燃料电池车开始正式走向市场。，燃料电池车的工作原理为：电池的阳极(燃料极)输入氢气(燃料)，氢分子(H2)在阳极催化剂作用下被离解成为氢离子(H+)和电子(e-)，氢离子穿过燃料电池的电解质层向阴极化极方向运动，电子因通不过电解质层而由一个外部电路流向阴极。在电池阴极输入氧气(O2),氧气在阴极催化剂作用下离解成为氧原子(O)，与通过外部电路流向阴极的电子和燃料穿过电解质的氢离子结合生成稳定结构的水(H2O),完成电化学反应放出热量。理论上，只要阳极不断输入氢气，阴极不断输入氧气，电化学反应就会连续不断地进行下去,电子就会不断通过外部电路流动形成电流，从而连续不断地向汽车提供电力。
一辆普通燃料电池轿车，燃料电池发动机额定功率58kW，行驶100km消耗氢气1kg，排出液态水9.3L。一辆8.5米的氢燃料电池客车，燃料电池发动机额定功率30kW，行驶100km消耗氢气4.3kg，排出液态水38.7L。一辆11米的氢燃料电池客车，燃料电池发动机额定功率85kW，行驶100km消耗氢气约7.5kg，排出液态水67.5L。
中国幅员辽阔，南北温差大，冬季北方许多地区温度会降到零度以下，而燃料电池汽车排出来的液态水，直接排到马路上，会造成路面结冰，容易引发交通事故，对生命构成严重威胁，对经济造成巨大的损失。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种尾气排水回收利用系统及包括该系统的燃料电池汽车，阴极尾气管路排放燃料电池电堆中反应残余的空气、液态水及少量水蒸气，阳极吹扫管路排放燃料电池电堆反应后残余的氢气和水蒸气，第一储水箱对燃料电池车尾气排水进行回收利用，一方面避免生成的水直接排到马路上而造成路面结冰，导致交通事故。另一方面将水回收处理，使燃料电池汽车尾气排水变为饮用水，解决了现有汽车上无法随时供应饮用水的难题，变废为宝，节约水资源。
为实现上述发明目的，尾气排水回收利用系统包括燃料电池电堆，与该燃料电池电堆氢气出口连接的阳极吹扫管路，与该燃料电池电堆空气出口连接的阴极尾气管路，以及与该燃料电池电堆空气入口连接的空气供给管路；
所述阳极吹扫管路的末端与所述阴极尾气管路相接，在所述连接处的下游设置有第一储水箱，所述第一储水箱的底部分别设置排水管路和饮用水出水管路，所述饮用水出水管路的末端引入燃料电池车内。
可选的，在所述阴极尾气管路与所述第一储水箱相连接的位置处，朝向所述第一储水箱设置有若干沥水孔。
由上，上述设计的优点在于保证液态水低落至第一储水箱中，同时避免过多的氢气进入到第一储水箱。
可选的，所述阴极尾气管路为延水流方向竖直向下倾斜设置，在阴极尾气管路的顶部，设置有若干朝向管内方向的凸起。
由上，管路中的水蒸气凝结于管壁时，可顺着倾斜方向缓慢流动，当到达凸起3005时，随着水蒸气凝结的增多，便会滴落至第一储水箱3002，从而可以进而有利于液态水的收集。
可选的，在所述阴极尾气管路内，与所述第一储水箱相连接的上游和下游位置，分别设置有第一电磁阀和第二电磁阀，所述两电磁阀在燃料电池汽车发动机启动时处于常开状态，当燃料电池汽车发动机停止运行时，所述第二电磁阀关闭。
由此，只在发动机运行后才会产生液态水，因此第一电磁阀随发动机的启动而开启，而第二电磁阀在发动机停止运行时便关闭，从而保护第一储水箱免受外部风沙或雾霾等污染物的侵入。
可选的，所述排水管路中设有第三电磁阀；
所述第一储水箱内设有述第一液位传感器；
所述第一液位传感器和第三电磁阀分别与燃料电池车的行车电脑电连接。
由上，第一液位传感器通过行车电脑发出排水提醒，车主需要寻找附近合适的排水地点进行排水。
可选的，所述饮用水出水管路中包括依次设置的水泵、过滤器和第二储水箱，所述第二储水箱的出水口作为饮用水出水管路的末端；
所述第二储水箱中设有第二液位传感器，所述第二液位传感器与所述水泵电连接。
由此，当第二液位传感器检测到第二储水箱存水不足时，便启动水泵从第一储水箱中抽水。
可选的，所述空气供给管路中设置有中冷器，所述中冷器与所述饮用水出水管路相贴合。
由此，空气供给管路接收外部空气，经过管路内部依次设置的过滤器过滤，以及空压机进行压缩。压缩后的空气温度会升高到120℃-150℃左右，在中冷器中进行冷却，将其温度降至50℃-60℃。由此中冷器吸收了空气中的热量，聚集了大量的热能，将其与饮用水出水管路相贴合从而对管路中的饮用水进行加热，使热能进行有效利用，节约了能源。
可选的，在所述饮用水出水管路内，对应与中冷器相接触的位置设置有阀门，在第二储水箱与所述阀门之间还设置有回水泵。
由此，使第二储水箱中的存水回流至与中冷器相接触的位置，以进行加热。
可选的，在所述第二储水箱中设置有液位传感器，所述液位传感器与所述水泵电连接。
由此，当第二液位传感器检测到第二储水箱中的水量少于预设值时，便发送控制指令至水泵，从而实现了蓄水的自动化。
对应的，本发明还提供一种燃料电池汽车，包括上述尾气排水回收利用系统。
附图说明
图1为尾气排水回收利用系统的原理示意图；
图2为阴极尾气管路与第一储水箱之间的结构第一实施例示意图；
图3为阴极尾气管路与第一储水箱之间的结构第二实施例示意图；
图4为包括尾气排水回收利用系统的燃料电池汽车的内部示意图。
具体实施方式
下面参见图1～图4对本发明所述的尾气排水回收利用系统及包括该系统的燃料电池汽车进行详细说明。
图1所示为尾气排水回收利用系统的原理示意图，包括作为燃料电池汽车发动机的核心部件的燃料电池电堆100，以及分别与其连接的阳极吹扫管路200、阴极尾气管路300和空气供给管路500。另外，还包括一排水管路400，具体连接关系将在后文详述。
具体的，燃料电池电堆100的氢气出口连接阳极吹扫管路200，阳极吹扫管路200用于排放燃料电池电堆100反应后残余的氢气和水蒸气。在所述阳极吹扫管路200中设置有吹扫阀2001，该管路的末端连接至阴极尾气管路300。
燃料电池电堆100的空气出口连接所述阴极尾气管路300，阴极尾气管路300用于排放燃料电池电堆100中反应残余的空气、液态水及少量水蒸气。
所述阴极尾气管路300中依次设置有第一电磁阀3001、第一储水箱3002和第二电磁阀3003。其中，所述阳极吹扫管路200的末端连接于所述第一电磁阀3001的上游。由此，阳极吹扫管路200中的氢气和水蒸气与阴极尾气管路300中的空气、液态水及少量水蒸气混合，水中溶解了大量氢气分子，称为“富氢水”，储存在第一储水箱3002中。
如图2所示为阴极尾气管路300与第一储水箱3002的结构第一实施例示意图，在阴极尾气管路300与第一储水箱3002相连接的位置，设置有若干沥水孔3004，由此可使液态水低落至第一储水箱3002中。相比于直接将阴极尾气管路300插入第一储水箱3002，上述设计的优点在于保证液态水低落至第一储水箱3002中，同时避免过多的氢气进入到第一储水箱3002。
如图3所示为阴极尾气管路300与第一储水箱3002的结构第二实施例示意图。相比于第一实施例，本实施例将阴极尾气管路300改为延水流方向垂直向下倾斜设置，在阴极尾气管路300的顶部，设置有若干朝向管内方向的凸起3005。由此，管路中的水蒸气凝结于管壁时，可顺着倾斜方向缓慢流动，当到达凸起3005时，随着水蒸气凝结的增多，便会滴落至第一储水箱3002，从而可以进而有利于液态水的收集。
进一步的，所述第一储水箱3002内部设置有第一液位传感器30021和氢气浓度传感器30022，所述第一液位传感器30021还与后文所述第三电磁阀4001电连接，该第三电磁阀4001安装于第一储水箱3002的排水管路400中。所述氢气浓度传感器30022与燃料电池汽车的行车电脑电连接。
所述第一储水箱的容量可根据车型大小及百公里排水量来选择配置。所述第一储水箱3002材质为食品级塑料或食品级不锈钢，要求干净、无污染。
第一储水箱3002用途主要有以下几点：
第一，收集阴极尾气管路300排出的液态水，避免直接排到马路上，在冬天造成路面结冰。
第二，接收从阳极吹扫管路200吹扫出来未反应完的残余氢气，并使氢气尽可能溶解在液态水中，多余的氢气因密度较小会聚集到阴极尾气管路300和第一储水箱3002顶部，利用阴极尾气管路300中大流量的空气对所述多余的氢气进行稀释，降低氢气的浓度到安全范围，再随反应残余的空气一起排到环境空气中。
第三，第一液位传感器30021监测第一储水箱3002内的水面液位。当水面液位到达预设水位时，第一液位传感器30021直接控制第三电磁阀4001开启以实现排水。或者，所述第三电磁阀4001还可通过行车电脑进行控制，即第一液位传感器30021通过行车电脑发出排水提醒，车主需要寻找附近合适的排水地点进行排水。
阴极尾气管路300中的第一电磁阀3001和第二电磁阀3003在燃料电池汽车(发动机)启动运行时处于常开状态。当燃料电池汽车(发动机)停止运行时，第二电磁阀3003关闭，以保护第一储水箱3002免受外部风沙(雾霾)等污染物的侵入。
所述第一储水箱3002的排水管路400一分为二，其一为前述所述，将其排出车外。另一路则用于向车内提供饮用水，在此称其为饮用水出水管路401。饮用水出水管路401中依次设置有水泵4002、过滤器4003和第二储水箱4005，所述第二储水箱4005的出水管(口)作为饮用水出水管路401的末端，引入车内。
另外，所述饮用水出水管路401经过中冷器4004，通过中冷器4004对饮用水出水管路401中的水进行加热。具体的，所述中冷器4004与饮用水出水管路401相贴合。较佳的，在饮用水出水管路401与中冷器4004接触的部分采用铝材质，从而提高导热性。更进一步的，还可将中冷器4004和饮用水出水管路401相贴合部分的结构进行适应性调整，从而最大程度的增加二者的接触面积，从而提高热传导效率。
在所述第二储水箱4005中设置有第二液位传感器40051和温度传感器40052。所述第二液位传感器40051与所述水泵4002电连接，当第二液位传感器40051检测到第二储水箱4005中的水量少于预设值时，便发送控制指令至水泵4002，将第一储水箱3002中的水引入第二储水箱4005。所述过滤器4003用于对进入第二储水箱4005的饮用水进行精过滤，而中冷器4004其本身的作用是降低发动机的进气温度，在此复用其加热功能，对进入第二储水箱4005中的饮用水进行加热。
前已述及，所述中冷器4004对饮用水加热是复用的加热功能，其另一功能是对进入燃料电池电堆100的空气进行降温。空气供给管路500接收外部空气，经过管路内部依次设置的过滤器5001过滤，以及空压机5002进行压缩。压缩后的空气温度会升高到120℃-150℃左右，在中冷器4004中对压缩空气进行冷却，将其温度降至50℃-60℃。由此中冷器4004吸收了压缩空气中的热量，聚集了大量的热能，从而用于前文所述的饮用水加热，使热能进行有效利用，节约了能源。经过中冷器4004降温的压缩空气经过管路中设置的加湿器5003加湿后，进入燃料电池电堆100的空气入口，其管路与现有技术相同，不再赘述。
较佳的，在所述饮用水出水管路401内部，对应与中冷器4004相接触的位置设置有阀门，在第二储水箱4005与所述阀门之间还设置有回水泵(未图示)，所述回水泵与所述温度传感器40052电连接，当第二储水箱4005中的水温下降至阈值以下时，所述回水泵启动，从而使第二储水箱4005中的存水回流至与中冷器4004相接触的位置，以进行加热。
图4所示为包括尾气排水回收利用系统的燃料电池汽车的结构示意图。所述燃料电池电堆100安装于汽车前机盖内，两储氢罐分别安装于后备箱和后排座椅下方。第一储水箱3002安装于前排座椅下方，通过阳极吹扫管路200和阴极尾气管路300与所述燃料电池电堆100连接。第一储水箱3002底部连通排水管路400和饮用水出水管路401连接，排水管路400末端直接外排。饮用水出水管路401的末端引入车内，例如引入至两前排座椅的中间位置，为车内提供饮用水。
本申请对燃料电池车尾气排水进行回收利用，一方面避免生成的水直接排到马路上而造成路面结冰，导致交通事故。另一方面将水回收处理，使燃料电池汽车尾气排水变为饮用水，解决了现有汽车上无法随时供应饮用水的难题，变废为宝，节约水资源。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种尾气排水回收利用系统，包括燃料电池电堆(100)，与该燃料电池电堆(100)氢气出口连接的阳极吹扫管路(200)，与该燃料电池电堆(100)空气出口连接的阴极尾气管路(300)，以及与该燃料电池电堆(100)空气入口连接的空气供给管路(500)；
其特征在于，所述阳极吹扫管路(200)的末端与所述阴极尾气管路(300)相接，在所述连接处的下游设置有第一储水箱(3002)，所述第一储水箱(3002)的底部分别设置排水管路(400)和饮用水出水管路(401)，所述饮用水出水管路(401)的末端引入燃料电池车内。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在所述阴极尾气管路(300)与所述第一储水箱(3002)相连接的位置处，朝向所述第一储水箱(3002)设置有若干沥水孔(3004)。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述阴极尾气管路(300)为延水流方向竖直向下倾斜设置，在阴极尾气管路(300)的顶部，设置有若干朝向管内方向的凸起(3005)。
4.根据权利要求2或3所述的系统，其特征在于，在所述阴极尾气管路(300)内，与所述第一储水箱(3002)相连接的上游和下游位置，分别设置有第一电磁阀(3001)和第二电磁阀(3003)，所述两电磁阀在燃料电池汽车发动机启动时处于常开状态，当燃料电池汽车发动机停止运行时，所述第二电磁阀(3003)关闭。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述排水管路(400)中设有第三电磁阀(4001)；
所述第一储水箱(3002)内设有述第一液位传感器(30021)；
所述第一液位传感器(30021)和第三电磁阀(4001)分别与燃料电池车的行车电脑电连接。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述饮用水出水管路(401)中包括依次设置的水泵(4002)、过滤器(4003)和第二储水箱(4005)，所述第二储水箱(4005)的出水口作为饮用水出水管路(401)的末端；
所述第二储水箱(4005)中设有第二液位传感器(40051)，所述第二液位传感器(40051)与所述水泵(4002)电连接。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述空气供给管路(500)中设置有中冷器(4004)，所述中冷器(4004)与所述饮用水出水管路(401)相贴合。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，在所述饮用水出水管路(401)内，对应与中冷器(4004)相接触的位置设置有阀门，在第二储水箱(4005)与所述阀门之间还设置有回水泵。
9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，在所述第二储水箱(4005)中设置有液位传感器(40051)，所述液位传感器(40051)与所述水泵(4002)电连接。
10.一种燃料电池汽车，其特征在于，包括权利要求1～9任一所述尾气排水回收利用系统。
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