CN114284521A - 一种燃料电池废热回收系统以及车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池废热回收系统以及车辆，所述系统包括冷源侧、热源侧以及位于冷源侧和热源侧之间的热电转换模块；燃料电池与所述热源侧形成热交换；燃料电池温度大于预设值时，所述热电转换模块将热能转化为电能；燃料电池温度小于预设值时，所述热电转换模块反向通电加热热源侧；本发明通过采用热电转换模块，利用半导体温差发电材料的塞贝克效应直接将低品位热能转化为电能，既能减轻散热系统的散热负担，又能供其他车载用电器重新利用，提升系统运行效率，达到节能的目的，同时可以反向在通电的条件下对电堆进行加热，提高系统的冷启动性能，无需通过PTC对燃料电池进行加热，有效降低了系统成本。

Description

一种燃料电池废热回收系统以及车辆
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池废热回收系统以及车辆。
背景技术
低温质子交换膜燃料电池的运行温度一般在70-90℃之间，而其运行时一般会产生大量热量，其发热功率可与其发电功率大致相当，在功率较大的电堆上可高达100kW甚至更高。同时
为扩大应用范围，提高产品竞争力，为满足更低要求的冷启动温度性能，会对已有的电堆系统配备电加热设备，以保证电堆的低温冷启动性能，然而附加的加热设备会占用系统的体积及质量，从而导致系统的体积功率密度与质量功率密度下降。因此一方面从散热的角度来看，要耗散掉如此巨大的热量需要对车载散热系统提出更为严苛的要求且从整车能量利用的角度来看，让这些热量白白耗散掉也是对能量的一种巨大浪费，另一方面，在不增加系统体积及质量的前提下解决电堆的冷启动问题是大功率燃料电池电堆系统的关键。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种能够对燃料电池废热进行回收利用的装置以及车辆。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种燃料电池废热回收系统，包括冷源侧、热源侧以及位于冷源侧和热源侧之间的热电转换模块；
燃料电池与所述热源侧形成热交换；
燃料电池温度大于预设值时，所述热电转换模块将热能转化为电能；
燃料电池温度小于预设值时，所述热电转换模块反向通电加热热源侧。
优选地，所述热电转换模块通过DCDC逆变器输出。
优选地，所述热电转换模块包括多组串联的热电材料，所述热电材料一端通过导体相连形成PN结并与热源侧接触，另一端与冷源侧接触。
优选地，所述热电转换模块与热源侧、冷源侧之间分别设置有绝缘件。
为了解决上述技术问题，本发明采用的另一技术方案为：
一种车辆，包括冷却器、燃料电池以及上述的燃料电池废热回收系统；
所述冷源侧与冷却器进行热交换。
优选地，所述冷源侧包括冷源箱和管道，所述冷源箱包括冷源流体进口和冷源流体出口，所述冷源流体进口和冷源流体出口分别通过管道与冷却器连通；所述冷源箱内具有冷源流体。
优选地，所述燃料电池包括冷却流道；
所述热源侧包括热源箱和管道，所述热源箱包括热源流体进口和热源流体出口，所述热源流体进口和热源流体出口分别通过管道与燃料电池的冷却流道两端连通；所述热源箱内具有热源流体。
优选地，所述车辆还包括控制器、温度传感器、第一泵机和第二泵机；
所述控制器与温度传感器、第一泵机和第二泵机电性连接；
所述温度传感器设置与燃料电池上；
所述第一泵机带动冷源侧与冷却器的热交换；
所述第二泵机带动热源侧与燃料电池的热交换。
优选地，所述车辆还包括蓄电池，所述蓄电池为控制器、温度传感器、第一泵机、第二泵机以及热电转换模块电性连接；
所述控制器控制蓄电池与热电转换模块之间的电流方向。
本发明的有益效果在于：通过采用热电转换模块，利用半导体温差发电材料的塞贝克效应直接将低品位热能转化为电能，既能减轻散热系统的散热负担，又能将低品位的热能转化为电能，供其他车载用电器重新利用，提升系统运行效率，达到节能的目的，同时可以反向在通电的条件下对电堆进行加热，提高系统的冷启动性能，无需通过PTC对燃料电池进行加热，降低了系统部件数量的同时也降低了系统的复杂度，有效降低了系统成本。
附图说明
图1为本申请的热电转换模块的原理示意图；
图2为本发明具体实施方式的一种燃料电池废热回收系统的结构示意图。
标号说明：1、冷源箱；11、冷源流体进口；12、冷源流体出口；2、热源箱；21、热源流体进口；22、热源流体出口；3、热电转换模块；31、热电材料；32、绝缘件；4、DCDC逆变器；5、输出端口。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
请参照图1和图2，一种燃料电池废热回收系统，包括冷源侧、热源侧以及位于冷源侧和热源侧之间的热电转换模块3；
燃料电池与所述热源侧形成热交换；
燃料电池温度大于预设值时，所述热电转换模块3将热能转化为电能；
燃料电池温度小于预设值时，所述热电转换模块3反向通电加热热源侧。
所述热电转换模块3通过DCDC逆变器4输出。
所述热电转换模块3包括多组串联的热电材料31，所述热电材料31一端通过导体相连形成PN结并与热源侧接触，另一端与冷源侧接触。
所述热电转换模块3与热源侧、冷源侧之间分别设置有绝缘件32。
原理说明：热电转换模块3实现温差发电，温差发电是指当不同的热电材料31两端存在温度差时，材料两端会产生电动势形成电流而实现热能到电能的直接转化现象。如图1所示，P型和N型是两种不同类型的半导体热电材料31(P型是富空穴材料，N型是富电子材料)，一端相连形成一个PN结，置于高温热源状态，另一端形成低温冷端；在它们所构成的回路中，如果两个接触点出现温度差(Th、Tc)，在热激发作用下，P、N所构成的闭合回路中形成电动势，产生热电流，热电材料31就完成了将高温端输入的热能直接转化成电能的过程。这种现象称为塞贝克效应，也称为第一热电效应。其温差电动势可由ε＝α(Th－Tc)计算。上式中：ε为电动势；Th为热端温度；Tc为冷端温度；α为相对赛贝克系数。
实施例二
一种车辆，其特征在于，包括冷却器、燃料电池以及权利要求1-4任意一项所述的燃料电池废热回收系统；
所述冷源侧与冷却器进行热交换。
所述冷源侧包括冷源箱1和管道，所述冷源箱1包括冷源流体进口11和冷源流体出口12，所述冷源流体进口11和冷源流体出口12分别通过管道与冷却器连通；所述冷源箱1内具有冷源流体。
所述燃料电池包括冷却流道；
所述热源侧包括热源箱2和管道，所述热源箱2包括热源流体进口21和热源流体出口22，所述热源流体进口21和热源流体出口22分别通过管道与燃料电池的冷却流道两端连通；所述热源箱2内具有热源流体。
所述车辆还包括控制器、温度传感器、第一泵机和第二泵机；
所述控制器与温度传感器、第一泵机和第二泵机电性连接；
所述温度传感器设置与燃料电池上；
所述第一泵机带动冷源侧与冷却器的热交换；
所述第二泵机带动热源侧与燃料电池的热交换。
所述车辆还包括蓄电池，所述蓄电池为控制器、温度传感器、第一泵机、第二泵机以及热电转换模块3电性连接；
所述控制器控制蓄电池与热电转换模块3之间的电流方向。
工作过程：当燃料电池运行时，从燃料电池冷却流道中流出的高温热流体通过热源流体入口流入热源箱2中，高温流体中的热量通过绝缘片传递到热点转换模块中，使热电转换模块3中的热端温度与高温热流体温度趋同，经热源箱2的热量传递后高温流体从热源流体出口22中流出，进入原回路的燃料电池的冷却流道进行加热；类似的，冷却器/散热模块设置在车辆前端撞风处或者其他低温处，冷源流体通过冷源流体入口流入冷源箱1，在冷源中吸收热电转换模块3冷端的热量，使其温度与冷源温度趋同，这就实现了热电转换模块3冷热两端的温度差，从而实现了热电转换效果。产生的电流通过线束引入4DCDC逆变器4中进行整流，以满足用电器的电流电压需求，整流后的电流通过输出端口5进行输出，完成整个装置的工作过程。
综上所述，本发明1、利用燃料电池内部热源与环境等冷源之间的温度差，在使用低温质子交换膜燃料电池时冷热两端温差即可达到40-100℃，使用高温质子交换膜燃料电池或固体氧化物燃料电池时甚至可高达数百度，利用此温度差异可以令热电材料两端产生相应热电动势，从而产生电流，供应相应用电器工作。一方面使大量废热得到回收而不是直接逸散到大气中，提高了燃料电池系统的运行效率，另一方面为用电器提供了额外的电力来源，减少了对燃料电池输出功率的消耗，达到了节能的效果
2、直接利用燃料电池电堆中流出的高温冷却液和散热模块中流出的低温冷却液作为热源和冷源，不需要现有系统做出适应性改进，直接将此装置接入现有燃料电池系统冷却回路中即可使用，方便快捷，成本低廉。
3、此方法及装置可应用于燃料电池汽车，也可应用于其他燃料电池系统。不仅适用于低温燃料电池系统(LT-PEMFC，HT-PEMFC等)，还可适用于高温燃料电池系统(SOFC等)，且燃料电池运行温度越高，利用此方法及装置转化出的电能就越多；甚至也可应用到纯电动汽车的动力电池冷却回路中进行热量回收，具有极强的普适性。
4、将电堆加热功能集成到热电材料中，减少了对PTC元件的需求，同时对电堆直接加热也能够使电堆温度上升更快，提高系统冷启动性能。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种燃料电池废热回收系统，其特征在于，包括冷源侧、热源侧以及位于冷源侧和热源侧之间的热电转换模块；
燃料电池与所述热源侧形成热交换；
燃料电池温度大于预设值时，所述热电转换模块将热能转化为电能；
燃料电池温度小于预设值时，所述热电转换模块反向通电加热热源侧。
2.根据权利要求1所述的燃料电池废热回收系统，其特征在于，所述热电转换模块通过DCDC逆变器输出。
3.根据权利要求1所述的燃料电池废热回收系统，其特征在于，所述热电转换模块包括多组串联的热电材料，所述热电材料一端通过导体相连形成PN结并与热源侧接触，另一端与冷源侧接触。
4.根据权利要求1所述的燃料电池废热回收系统，其特征在于，所述热电转换模块与热源侧、冷源侧之间分别设置有绝缘件。
5.一种车辆，其特征在于，包括冷却器、燃料电池以及权利要求1-4任意一项所述的燃料电池废热回收系统；
所述冷源侧与冷却器进行热交换。
6.根据权利要求5所述的车辆，其特征在于，所述冷源侧包括冷源箱和管道，所述冷源箱包括冷源流体进口和冷源流体出口，所述冷源流体进口和冷源流体出口分别通过管道与冷却器连通；所述冷源箱内具有冷源流体。
7.根据权利要求5所述的车辆，其特征在于，所述燃料电池包括冷却流道；
所述热源侧包括热源箱和管道，所述热源箱包括热源流体进口和热源流体出口，所述热源流体进口和热源流体出口分别通过管道与燃料电池的冷却流道两端连通；所述热源箱内具有热源流体。
8.根据权利要求5所述的车辆，其特征在于，所述车辆还包括控制器、温度传感器、第一泵机和第二泵机；
所述控制器与温度传感器、第一泵机和第二泵机电性连接；
所述温度传感器设置与燃料电池上；
所述第一泵机带动冷源侧与冷却器的热交换；
所述第二泵机带动热源侧与燃料电池的热交换。
9.根据权利要求8所述的车辆，其特征在于，所述车辆还包括蓄电池，所述蓄电池为控制器、温度传感器、第一泵机、第二泵机以及热电转换模块电性连接；
所述控制器控制蓄电池与热电转换模块之间的电流方向。
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