CN112510223B - 一种氢燃料电池余热回收系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种氢燃料电池余热回收系统，涉及氢燃料电池技术领域；系统包括：第一空气压缩机、电堆与第二换热器依次连通；水箱、循环水泵、电堆、第一换热器和水箱依次连通；电堆与第二换热器和第一换热器之间设置与控制器连接的第二温度传感器和第一温度传感器；三通阀A与第二空气压缩机、三通阀B和三通阀C连通；三通阀B第一换热器和三通阀D连通；第一换热器与第二换热器串联；三通阀C与第二换热器和三通阀D连通；三通阀A与三通阀B、三通阀A与三通阀C、三通阀B与三通阀D和三通阀C与三通阀D之间分别设置与控制器连接的第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀和第四电磁阀；还提出氢燃料电池余热回收方法，能够对余热进行回收。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种氢燃料电池余热回收系统及方法。
背景技术
氢燃料电池车是一种以氢或含氢物质与空气中的氧在燃料电池中反应产生的电力作为动力的汽车；氢燃料电池是氢燃料电池车的核心组成部分，氢燃料电池将氢反应所产生的化学能转换为电能以推动车辆。
氢燃料电池的工作方式与蓄电池等常规化学电源不同，它的燃料及氧化剂储存在电池外，当电池工作时，连续向电池内送入燃料及氧化剂以产生电能。
基于氢燃料电池的工作原理，在氢燃料电池的工作过程中，会因电堆内的化学反应产生大量的热能。如果不能及时有效地将氢燃料电池产生的热能转移，将极大地影响氢燃料电池的工作性能和使用寿命，使得氢燃料电池汽车的散热成为亟待解决的问题。
现有技术中，主要通过冷却循环水将氢燃料电池电堆中产生的热量带走，以达到氢燃料电池散热的目的，没有将氢燃料电池产生的热量进行回收利用，导致资源的浪费。
发明内容
本发明旨在解决现有的冷却系统没有将氢燃料电池产生的热量进行回收利用，导致资源浪费的技术问题。
本发明的实施例提供一种氢燃料电池余热回收系统，包括第一空气压缩机、PEMFC电堆、水箱、第二空气压缩机、第一换热器、第二换热器、三通阀A、三通阀B、三通阀C、三通阀D和控制器；
所述PEMFC电堆上设置有循环水进口、循环水出口、空气进口和空气出口；
所述第一空气压缩机与所述空气进口连通；所述空气出口与所述第二换热器的热介质入口连通；所述空气出口与所述第二换热器之间设置有第二温度传感器，用于检测流入所述第二换热器的空气的温度；
所述水箱通过所述循环水泵与所述循环水进口连通；所述循环水出口与所述第一换热器的热介质入口连通；所述循环水出口与所述第一换热器之间设置有第一温度传感器，用于检测流入所述第一换热器的循环水的温度；所述第一换热器的热介质出口与所述水箱连通；
所述三通阀A分别与所述第二空气压缩机、所述三通阀B和所述三通阀C连通；所述三通阀B还分别与所述第一换热器和所述三通阀D连通；所述第一换热器与所述第二换热器串联；所述三通阀C还分别与所述第二换热器和所述三通阀D连通；所述三通阀D还与驾驶室连通；所述三通阀A与所述三通阀B之间设置有第一电磁阀；所述三通阀A与所述三通阀C之间设置有第二电磁阀；所述三通阀B与所述三通阀D之间设置有第三电磁阀；所述三通阀C与所述三通阀D之间设置有第四电磁阀；
所述第一温度传感器、所述第二温度传感器、所述第一电磁阀、所述第二电磁阀、所述第三电磁阀和所述第四电磁阀分别与所述控制器电性连接。
在一些优选地实施例中，所述三通阀D与所述驾驶室之间还连通有空气清新单元。
在一些更加优选地实施例中，所述空气清新单元包括第五电磁阀、第六电磁阀和球形干燥管；所述第五电磁阀和所述第六电磁阀分别与所述三通阀D的出口连通；所述球形干燥管的两端分别与所述第五电磁阀和所述驾驶室连通；所述球形干燥管内填充有植物精油微胶囊；所述第六电磁阀与所述驾驶室连通；所述第五电磁阀和所述第六电磁阀分别与所述控制器电性连接。
在一些优选地实施例中，所述三通阀D与所述驾驶室之间还连通有空气过滤器，用于过滤进入所述驾驶室的空气。
在一些优选地实施例中，所述三通阀D与所述驾驶室之间还连通有第二增湿器，用于增湿进入所述驾驶室的空气。
在一些优选地实施例中，所述氢燃料电池余热回收系统还包括中冷器；所述中冷器分别与所述第一空气压缩机和所述空气进口连通，用于降低进入所述PEMFC电堆的空气的温度；所述中冷器还分别与所述循环水泵和所述循环水进口连通，用于降低进入所述PEMFC电堆的循环水的温度。
在一些优选地实施例中，所述第一空气压缩机与所述空气进口之间连通有第一增湿器，用于增湿进入所述PEMFC电堆。
在一些优选地实施例中，所述控制器为MCU控制器。
本发明还提出一种基于上述氢燃料电池余热回收系统的氢燃料电池余热回收方法，包括如下步骤：
S0、开启所述氢燃料电池余热回收系统，使得所述氢燃料电池余热回收系统中的各个组成部分正常工作；
S1、分别采集进入所述第一换热器的热介质的第一温度值T1和进入所述第二换热器的热介质的第二温度值T2；
S2、接收并比较所述第一温度值T1和所述第二温度值T2的大小；当T1≥T2时，控制所述第一电磁阀和所述第四电磁阀关闭，并控制所述第二电磁阀和所述第三电磁阀打开；当T1＜T2时，控制所述第一电磁阀和所述第四电磁阀打开，并控制所述第二电磁阀和所述第三电磁阀关闭；
S3、将外部新鲜空气与所述第一换热器和所述第二换热器进行热交换后输送至所述驾驶室内。
本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明通过将从所述PEMFC电堆中流出的循环水和空气与氢燃料电池汽车外部输入的新鲜空气进行热交换，使得所述新鲜空气的温度升高后输入至驾驶室内，以提高驾驶室的温度，对所述PEMFC电堆工作过程中产生的余热进行回收利用，避免资源的浪费；另外，通过在所述三通阀A与所述三通阀B之间设置第一电磁阀，在所述三通阀A与所述三通阀C之间设置第二电磁阀，在所述三通阀B与所述三通阀D之间设置第三电磁阀，在所述三通阀C与所述三通阀D之间设置第四电磁阀，并分别设置用于检测流入所述第二换热器的空气温度T2的第二温度传感器和用于检测流入所述第一换热器的循环水温度T1的第一温度传感器，可以实现所述余热的有效回收；当T1≥T2时，控制所述第一电磁阀和所述第四电磁阀关闭，并控制所述第二电磁阀和所述第三电磁阀打开，使得所述新鲜空气先与温度较低的所述第二换热器进行热交换后，再流入温度较高的所述第一换热器进行热交换；当T1＜T2时，控制所述第一电磁阀和所述第四电磁阀打开，并控制所述第二电磁阀和所述第三电磁阀关闭，使得所述新鲜空气先与温度较低的所述第一换热器进行热交换后，再流入温度较高的所述第二换热器进行热交换，可以有效地避免当所述新鲜空气与热介质温度较高的换热器进行热交换后的温度高于热介质温度较低的换热器的热介质温度时，因所述新鲜空气经过所述热介质温度较低的换热器时将部分热量传递给温度较低的热介质导致的所述新鲜空气热量损失的问题，从而实现所述余热的有效回收。
附图说明
图1是本发明某一实施例中氢燃料电池余热回收系统的结构示意图。
图2是图1中氢燃料电池余热回收系统的控制电路示意图。
图3是基于图1中氢燃料电池余热回收系统的氢燃料电池余热回收方法的流程图。
其中，1、第一空气压缩机；2、中冷器；3、第一增湿器；4、PEMFC电堆；401、循环水进口；402、空气进口；403、循环水出口；404、空气出口；5、第一温度传感器；6、第二温度传感器；7、第一换热器；8、第二换热器；9、水箱；10、循环水泵；11、第二空气压缩机；12、三通阀A；13、第一电磁阀；14、第二电磁阀；15、三通阀B；16、三通阀C；17、第三电磁阀；18、第四电磁阀；19、三通阀D；20、第五电磁阀；21、球形干燥管；22、第六电磁阀；23、空气过滤器；24、第二增湿器；25、驾驶室；26、控制器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1和图2，本发明的实施例提供了一种氢燃料电池余热回收系统，包括第一空气压缩机1、中冷器2、第一增湿器3、PEMFC电堆4、水箱9、循环水泵10、第二空气压缩机11、第一温度传感器5、第一换热器7、第二温度传感器6、第二换热器8、三通阀A12、三通阀B15、三通阀C16、三通阀D19、空气过滤器23、第二增湿器24和控制器26。
PEMFC电堆4上设置有循环水进口401、循环水出口403、空气进口402和空气出口404；循环水进口401用于将循环水导入PEMFC电堆4；循环水出口403用于将流经PEMFC电堆4的循环水导出至第一换热器7中，作为第一换热器7的热介质；空气进口402用于将流经第一增湿器3的空气导入PEMFC电堆4中与氢气进行化学反应；空气出口404用于将PEMFC电堆4中未反应完的空气导出至第二换热器8中，作为第二换热器8的热介质；所述未反应完的空气经第二换热器8与所述新鲜空气进行热交换后直接排出至大气中。
需要说明的是，PEMFC电堆4的具体结构为现有技术，在此不再赘述。
第一空气压缩机1、中冷器2、第一增湿器3与空气进口402依次连通；中冷器2可以降低进入PEMFC电堆4的空气的温度；第一增湿器3可以提高进入PEMFC电堆4的空气的湿度；空气出口404与第二换热器8的热介质入口连通；空气出口404与第二换热器8之间设置有第二温度传感器6，用于检测流入第二换热器8的空气的温度。
水箱9与循环水泵10的进水口连通；循环水泵10通过中冷器2与循环水进口401连通；中冷器2可以降低进入PEMFC电堆4的循环水的温度，提高降温效果；循环水出口403与第一换热器7的热介质入口连通；循环水出口403与第一换热器7之间设置有第一温度传感器5，用于检测流入第一换热器7的循环水的温度；第一换热器7的热介质出口与水箱9连通，实现将所述循环水循环至水箱9中。
三通阀A12分别与第二空气压缩机11、三通阀B15和三通阀C16连通；三通阀B15还分别与第一换热器7和三通阀D19连通；第一换热器7与第二换热器8串联；三通阀C16还分别与第二换热器8和三通阀D19连通；三通阀D19还与驾驶室25连通；三通阀A12与三通阀B15之间设置有第一电磁阀13，用于三通阀A12与三通阀B15的导通或者隔断；三通阀A12与三通阀C16之间设置有第二电磁阀14，用于三通阀A12与三通阀C16的导通或者隔断；三通阀B15与三通阀D19之间设置有第三电磁阀17，用于三通阀B15与三通阀D19的导通或者隔断；三通阀C16与三通阀D19之间设置有第四电磁阀18，用于三通阀C16与三通阀D19的导通或者隔断。
第一温度传感器5、第二温度传感器6、第一电磁阀13、第二电磁阀14、第三电磁阀17和第四电磁阀18分别与控制器26电性连接；第一温度传感器5和第二温度传感器6将检测到的温度值T1和T2，发送至控制器26；控制器26可以比较T1和T2的大小；当T1≥T2时，控制第一电磁阀13和第四电磁阀18关闭，并控制第二电磁阀14和第三电磁阀17打开；当T1＜T2时，控制第一电磁阀13和第四电磁阀18打开，并控制第二电磁阀14和第三电磁阀17关闭。
具体地，控制器26为MCU控制器。
进一步地，三通阀D19与驾驶室25之间还连通有空气清新单元；所述空气清新单元包括第五电磁阀20、第六电磁阀22和球形干燥管21；第五电磁阀20和第六电磁阀22分别与三通阀D19的出口连通；三通阀D19的出口通过三通阀分别与第五电磁阀20和第六电磁阀22连通；球形干燥管21的两端分别与第五电磁阀20和驾驶室25连通；球形干燥管21内填充有植物精油微胶囊；第六电磁阀22与驾驶室25连通；第五电磁阀20和第六电磁阀22分别与控制器26电性连接；通过设置第五电磁阀20和第六电磁阀22，可以根据使用者的需要选择是否连通球形干燥管21；需要连通时，通过控制器26控制第五电磁阀20打开，同时，控制第六电磁阀22关闭；不需要连通时，通过控制器26控制第五电磁阀20关闭，同时，控制第六电磁阀22开启，即可。
本实施例中，所述植物精油微胶囊将天然植物精油包裹于微胶囊，所述植物精油在微胶囊中可以缓慢释放。
示例性地，所述植物精油可以是迷迭香精油或者山苍子精油，将所述迷迭香精油或者山苍子精油随外部新鲜空气经过空气过滤器23和第二增湿器24输送至驾驶室25内，可以改善驾驶室25内的空气，使驾驶人员保持清醒的状态；同时，由于所述迷迭香精油和所述山苍子精油具有抑菌的功效，可以对空气过滤器23和第二增湿器24进行杀菌，防止空气过滤器23和第二增湿器24因长时间使用而滋生细菌，危害司乘人员的健康。
进一步地，所述空气清新单元与驾驶室25之间还连通有空气过滤器23和第二增湿器24；球形干燥管21和第六电磁阀22通过三通阀与空气过滤器23连通；空气过滤器23、第二增湿器24和驾驶室25依次连通；空气过滤器23可以有效地过滤进入第二增湿器24的新鲜空气中的粉尘；第二增湿器24可以增湿进入驾驶室25的新鲜空气。
参考图3，基于本实施例中的氢燃料电池余热回收系统的氢燃料电池余热回收方法，包括如下步骤：
S0、开启所述氢燃料电池余热回收系统，使得所述氢燃料电池余热回收系统中的各个组成部分正常工作；第一空气压缩机1将空气通过中冷器2、第一增湿器3和空气进口402输送至PEMFC电堆4中与含氢原料进行反应，未反应完的空气经过空气出口404流入第二换热器8内，作为第二换热器的热介质；同时，循环水泵10将水箱9中的循环水通过中冷器2后，经循环水进口401输送至PEMFC电堆4内，吸收PEMFC电堆4中因化学反应产生的热量，然后经循环水出口403流入第一换热器7内，作为第一换热器7的热介质，最后循环至水箱9中；第二空气压缩机11将氢燃料电池汽车外部的新鲜空气通过第一换热器7和第二换热器8后，经空气过滤器23和第二增湿器24后输送至驾驶室25内。
S1、第一温度传感器5和第二温度传感器6分别采集进入第一换热器7的热介质的第一温度值T1和进入第二换热器8的热介质的第二温度值T2，并将所述第一温度值T1和所述第二温度值T2发送至控制器26。
S2、控制器26接收并比较所述第一温度值T1和所述第二温度值T2的大小；当T1≥T2时，控制第一电磁阀13和第四电磁阀18关闭，并控制第二电磁阀14和第三电磁阀17打开；当T1＜T2时，控制第一电磁阀13和第四电磁阀18打开，并控制第二电磁阀14和第三电磁阀17关闭。
S3、第二空气压缩机11将外部新鲜空气与第一换热器7和第二换热器8进行热交换后输送至驾驶室25内。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
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 (9)
1.一种氢燃料电池余热回收系统，其特征在于，包括第一空气压缩机、PEMFC电堆、水箱、第二空气压缩机、第一换热器、第二换热器、三通阀A、三通阀B、三通阀C、三通阀D和控制器；
所述PEMFC电堆上设置有循环水进口、循环水出口、空气进口和空气出口；
所述第一空气压缩机与所述空气进口连通；所述空气出口与所述第二换热器的热介质入口连通；所述空气出口与所述第二换热器之间设置有第二温度传感器，用于检测流入所述第二换热器的空气的温度；
所述水箱通过循环水泵与所述循环水进口连通；所述循环水出口与所述第一换热器的热介质入口连通；所述循环水出口与所述第一换热器之间设置有第一温度传感器，用于检测流入所述第一换热器的循环水的温度；所述第一换热器的热介质出口与所述水箱连通；
所述三通阀A分别与所述第二空气压缩机、所述三通阀B和所述三通阀C连通；所述三通阀B还分别与所述第一换热器和所述三通阀D连通；所述第一换热器与所述第二换热器串联；所述三通阀C还分别与所述第二换热器和所述三通阀D连通；所述三通阀D还与驾驶室连通；所述三通阀A与所述三通阀B之间设置有第一电磁阀；所述三通阀A与所述三通阀C之间设置有第二电磁阀；所述三通阀B与所述三通阀D之间设置有第三电磁阀；所述三通阀C与所述三通阀D之间设置有第四电磁阀；
所述第一温度传感器、所述第二温度传感器、所述第一电磁阀、所述第二电磁阀、所述第三电磁阀和所述第四电磁阀分别与所述控制器电性连接；
基于所述氢燃料电池余热回收系统的氢燃料电池余热回收方法，包括如下步骤：
S0、开启所述氢燃料电池余热回收系统，使得所述氢燃料电池余热回收系统中的各个组成部分正常工作；
S1、分别采集进入所述第一换热器的热介质的第一温度值T1和进入所述第二换热器的热介质的第二温度值T2；
S2、接收并比较所述第一温度值T1和所述第二温度值T2的大小；当T1≥T2时，控制所述第一电磁阀和所述第四电磁阀关闭，并控制所述第二电磁阀和所述第三电磁阀打开；当T1＜T2时，控制所述第一电磁阀和所述第四电磁阀打开，并控制所述第二电磁阀和所述第三电磁阀关闭；
S3、将外部新鲜空气与所述第一换热器和所述第二换热器进行热交换后输送至所述驾驶室内。
2.如权利要求1所述的氢燃料电池余热回收系统，其特征在于，所述三通阀D与所述驾驶室之间还连通有空气清新单元。
3.如权利要求2所述的氢燃料电池余热回收系统，其特征在于，所述空气清新单元包括第五电磁阀、第六电磁阀和球形干燥管；所述第五电磁阀和所述第六电磁阀分别与所述三通阀D连通；所述球形干燥管的两端分别与所述第五电磁阀和所述驾驶室连通；所述球形干燥管内填充有植物精油微胶囊；所述第六电磁阀与所述驾驶室连通；所述第五电磁阀和所述第六电磁阀分别与所述控制器电性连接。
4.如权利要求1所述的氢燃料电池余热回收系统，其特征在于，所述三通阀D与所述驾驶室之间还连通有空气过滤器，用于过滤进入所述驾驶室的空气。
5.如权利要求1所述的氢燃料电池余热回收系统，其特征在于，所述三通阀D与所述驾驶室之间还连通有第二增湿器，用于增湿进入所述驾驶室的空气。
6.如权利要求1所述的氢燃料电池余热回收系统，其特征在于，还包括中冷器；所述中冷器分别与所述第一空气压缩机和所述空气进口连通，用于降低进入所述PEMFC电堆的空气的温度；所述中冷器还分别与所述循环水泵和所述循环水进口连通，用于降低进入所述PEMFC电堆的循环水的温度。
7.如权利要求1所述的氢燃料电池余热回收系统，其特征在于，所述第一空气压缩机与所述空气进口之间连通有第一增湿器，用于增湿进入所述PEMFC电堆。
8.如权利要求1所述的氢燃料电池余热回收系统，其特征在于，所述控制器为MCU控制器。
9.一种基于如权利要求1-8任一所述的氢燃料电池余热回收系统的氢燃料电池余热回收方法，其特征在于，包括如下步骤：
S0、开启所述氢燃料电池余热回收系统，使得所述氢燃料电池余热回收系统中的各个组成部分正常工作；
S1、分别采集进入所述第一换热器的热介质的第一温度值T1和进入所述第二换热器的热介质的第二温度值T2；
S2、接收并比较所述第一温度值T1和所述第二温度值T2的大小；当T1≥T2时，控制所述第一电磁阀和所述第四电磁阀关闭，并控制所述第二电磁阀和所述第三电磁阀打开；当T1＜T2时，控制所述第一电磁阀和所述第四电磁阀打开，并控制所述第二电磁阀和所述第三电磁阀关闭；
S3、将外部新鲜空气与所述第一换热器和所述第二换热器进行热交换后输送至所述驾驶室内。
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