CN117621766A - 一种燃料电池余热利用系统及车辆 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种燃料电池余热利用系统及车辆，其中，燃料电池余热利用系统包括热泵循环组件和发电组件，热泵循环组件包括第一换热器、第一工质泵和第一控制阀；第一换热器用于通过热泵工质从电堆冷却水中吸收热量，第一工质泵用于对第一换热器中的热泵工质加压使其压力和温度提升；发电组件包括膨胀机单元和发电机，膨胀机单元用于利用热泵工质的内能做功；发电机与膨胀机单元连接，用于在膨胀机单元的驱动下发电以输出电能。将第一工质泵设置在第一换热器和第一控制阀之间，第一换热器中升温后的热泵工质经第一工质泵加压后压力温度进一步提高，提高了供给膨胀机单元的热量的热能品味，使发电机输出更多的电能，提高了余热利用率。

Description

一种燃料电池余热利用系统及车辆

技术领域

本申请属于余热回收技术领域，具体涉及一种燃料电池余热利用系统及车辆。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种通过电化学反应将燃料中的化学能转化成电能的装置。燃料电池在电化学反应过程中在阳极消耗氢气，在阴极消耗氧气并生成水，因此具备清洁、无污染的特点。目前PEMFC的发电效率只有50％左右，化学反应中几乎一半的能量会以热的形式通过冷却系统耗散，这意味着PEMFC有很大的热回收潜力。电堆电推冷却水所带走的热量占总耗散热量的90％以上，因此电推冷却水的余热利用有利于提升能量利用率。

现有技术中公开号为CN104879177A的发明专利提出了一种有机朗肯循环与热泵循环的耦合系统，该系统包括相互耦合的有机朗肯循环组件和热泵单元，并且有机朗肯循环组件与热泵循环组件共用一个蒸发器，并通过蒸发器进行耦合，工作时，循环工质与回收的低温余热流在蒸发器内进行热量交换后分为两部分气态工质，一部分气态工质进入膨胀机参与有机朗肯循环，另一部分气态工质进入压缩机参与热泵循环，膨胀机所做的功优先驱动与膨胀机同轴相连的压缩机，实现热泵循环高温热能的输出，剩余部分的功驱动发电机发电，从而实现热电并供。

以上专利中，热泵循环的循环工质与回收的低温余热流在蒸发器内进行热量交换，只有得到的一部分气态工质进入膨胀机参与有机朗肯循环，存在流量分配，有机朗肯循环的效率受所分配流体温度和流量的限制，导致余热利用率较低。

发明内容

为解决目前燃料电池余热利用系统，只有部分气态工质进入膨胀机参与有机朗肯循环，有机朗肯循环的效率受限制，导致余热利用率较低的技术问题，本申请提供一种燃料电池余热利用系统及车辆。

在本申请的第一方面，提供.一种燃料电池余热利用系统，包括；

热泵循环组件，所述热泵循环组件包括第一换热器、第一工质泵和第一控制阀，所述第一换热器的第一出口端通过管路依次与所述第一工质泵和所述第一控制阀连接，并通过所述第一控制阀连接所述第一换热器的第一入口端，形成热泵循环回路；所述第一换热器用于通过热泵工质从电堆冷却水中吸收热量，所述第一工质泵用于对所述第一换热器中的热泵工质加压使其压力和温度提升；

发电组件，所述发电组件包括膨胀机单元和发电机，所述膨胀机单元用于利用所述热泵工质的内能做功；所述发电机与所述膨胀机单元连接，用于在所述膨胀机单元的驱动下发电以输出电能。

在一些可选的实施方式中，所述第一控制阀采用三通阀，所述第一控制阀包括第一阀口、第二阀口和第三阀口；所述第一阀口和所述第二阀口接入于所述热泵循环回路；

所述燃料电池余热利用系统还包括供暖组件，所述供暖组件包括暖风散热器；所述暖风散热器连通于所述第三阀口和所述第一工质泵，以使所述第一换热器的第一出口端依次通过管路与第一工质泵、所述暖风散热器和所述第一控制阀连通，并经所述第一控制阀的第一阀口连通所述第一换热器的第一入口端，形成供暖回路。

在一些可选的实施方式中，所述供暖组件还包括连通于所述供暖回路中的汽车加热器，所述汽车加热器分别与所述暖风散热器和所述第三阀口连接。

在一些可选的实施方式中，还包括控制器，所述控制器与所述第一工质泵、所述第一控制阀、所述汽车加热器和所述膨胀机单元电连接，所述控制器用于根据第一预设条件判断是否有预热利用需求：

若判定无余热利用需求，则根据第二预设条件判断是否有供暖需求，若判定有供暖需求，则控制第一工质泵和汽车加热器工作，第一控制阀的第一阀口和第三阀口导通；

若判定有预热利用需求，则根据第二预设条件判断是否有供暖需求：

若判定有供暖需求，则控制第一工质泵工作，所述第一控制阀的第一阀口和第三阀口导通，并进一步判断所述第一换热器从冷却电推水吸收的热量能否满足供暖需求，若判定不能满足供暖需求，则控制所述汽车加热器开始加热，若判定能够满足供暖需求，则控制关闭所述汽车加热器；

若判定无供暖需求，则控制所述第一工质泵和所述膨胀机单元工作，所述第一控制阀的第一阀口和第二阀口导通，以通过所述膨胀机单元做功而使所述发电机发电。

在一些可选的实施方式中，所述若判定有预热利用需求，且判定有供暖需求之后，所述控制器还用于判断是否有发电需求，若判定有发电需求时，所述第一阀口与所述第二阀口和所述第三阀口均导通，以同时导通所述热泵循环回路和所述供暖回路，通过控制所述第二阀口和所述第三阀口的开启角度控制进入所述热泵循环回路和所述供暖回路的热泵工质的流量。

在一些可选的实施方式中，所述膨胀机单元连通于所述热泵循环回路；和/或，所述热泵循环回路上连通有用于从所述热泵工质中吸收热量的第二换热器，所述膨胀机单元连通于所述第二换热器。

在一些可选的实施方式中，所述膨胀机单元包括第一膨胀机；所述的燃料电池余热利用还包括有机朗肯循环组件，所述有机朗肯循环组件包括所述第二换热器、所述第一膨胀机、第一冷凝器和所述发电机，所述第二换热器的第二入口端与所述第一工质泵连通，所述第二换热器的第二出口端与所述第一控制阀连通；所述第二换热器的第三出口端通过管路依次与所述第一膨胀机和所述第一冷凝器连接，并连接所述第二换热器的第三入口端，形成有机朗肯循环回路；所述发电机与所述第一膨胀机传动连接，所述第一膨胀机做功以驱动所述发电机发电。

在一些可选的实施方式中，所述膨胀机单元还包括设置于所述热泵循环回路的第二膨胀机，所述第二膨胀机位于所述第二换热器和所述第一控制阀之间，所述第二膨胀机与所述第一膨胀机同轴连接。

在一些可选的实施方式中，所述有机朗肯循环组件还包括设置于所述有机朗肯回路的第二工质泵，所述第二工质泵位于所述第二换热器的第三入口端和所述第一冷凝器之间，用于对经所述第一冷凝器冷却后的有机朗肯工质进行加压，以使其流入所述第二换热器继续吸热。

在本申请的第二方面，提供一种车辆，包括燃料电池和所述的燃料电池余热利用系统，所述燃料电池的电堆电推冷却水通过管路与所述第一换热器连接。

在一些可选的实施方式中，还包括第二控制阀，所述第二控制阀包括第四阀口、第五阀口和第六阀口，所述第四阀口和所述第六阀口分别连接电推冷却水，所述第五阀口与所述第一换热器的第四入口端连接，所述第一换热器的第四出口端与电推冷却水连接。

在一些可选的实施方式中，还包括温度传感器，所述温度传感器设置于电推冷却水中以监测电推冷却水的温度；当所述电推冷却水的温度低于余热利用的最低温度时，所述第四阀口和所述第六阀口连通；当所述电推冷却水的温度高于余热利用的最低温度时，所述第四阀口和所第五阀口连通，电推冷却水中的热量经所述第一换热器传递至所述热泵循环回路。

根据本申请一个或多个实施例提供的一种燃料电池余热利用系统，相较于现有技术具有以下

有益效果：

热泵循环回路的热泵工质与电堆冷却水在第一换热器中进行换热，膨胀机单元利用所述热泵工质的内能做功，所述发电机在所述膨胀机单元的驱动下发电以输出电能，实现余热的回收利用，将第一工质泵设置在第一换热器和第一控制阀之间，第一换热器中升温后的热泵工质经第一工质泵加压后压力温度进一步提高，提高了供给膨胀机单元的热量的热能品味，使发电机输出更多的电能，提高了余热利用率。

附图说明

图1示出了本申请的实施例中的燃料电池余热利用系统的结构示意图。

图2示出了本申请的实施例中的燃料电池余热利用系统的工作原理图。

图3示出了本申请的实施例中的车辆的结构示意图。

附图标记说明：100-热泵循环组件，110-第一换热器，111-第一入口端，112-第一出口端，113-第四入口端，114-第四出口端，120-第一工质泵，130-第二换热器，131-第二入口端，132-第二出口端，133-第三入口端，134-第三出口端，140-第一控制阀，141-第一阀口，142-第二阀口，143-第三阀口，150-第二膨胀机，160-暖风散热器，170-汽车加热器；200-有机朗肯循环组件，210-第一膨胀机，220-第一冷凝器，230-发电机，240-第二工质泵；300-第二控制阀，310-第四阀口，320-第五阀口，330-第六阀口；400-温度传感器；500-水箱；600-制冷单元，610-压缩机，620-第二冷凝器，630-膨胀阀，640-蒸发器。

具体实施方式

为了使本申请所属技术领域中的技术人员更清楚地理解本申请，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

请参阅图1和图2，本申请第一方面实施例，提供一种燃料电池余热利用系统，包括热泵循环组件100和发电组件；

所述热泵循环组件100包括第一换热器110、第一工质泵120和第一控制阀140，所述第一换热器110的第一出口端112通过管路依次与所述第一工质泵120和所述第一控制阀140连接，并通过所述第一控制阀140连接所述第一换热器110的第一入口端111，形成热泵循环回路；所述第一换热器110用于通过热泵工质从电堆冷却水中吸收热量；所述第一工质泵120用于对第一换热器110中的热泵工质加压使其压力和温度提升；

所述发电组件包括膨胀机单元和发电机230，所述膨胀机单元用于利用所述热泵工质的内能做功；所述发电机230与所述膨胀机单元连接，用于在所述膨胀机单元的驱动下发电以输出电能。

本申请实施例提出的燃料电池余热利用系统，热泵循环回路的热泵工质与电堆冷却水在第一换热器110中进行换热，膨胀机单元利用所述热泵工质的内能做功，所述发电机230在所述膨胀机单元的驱动下发电以输出电能，实现余热的回收利用，将第一工质泵120设置在第一换热器110和第一控制阀140之间，第一换热器110中升温后的热泵工质经第一工质泵120加压后压力温度进一步提高，提高了供给膨胀机单元的热量的热能品味，使发电机230输出更多的电能，提高了余热利用率。

在一些可选的实施例中，所述第一控制阀140采用三通阀，所述第一控制阀140包括第一阀口141、第二阀口142和第三阀口143；所述第一阀口141和所述第二阀口142接入于所述热泵循环回路；所述燃料电池余热利用系统还包括供暖组件，所述供暖组件包括暖风散热器160；所述暖风散热器160连通于所述第三阀口143和所述第一工质泵120，以使所述第一换热器110的第一出口端112依次通过管路与第一工质泵120、所述暖风散热器160和所述第一控制阀140连通，并经所述第一控制阀140的第一阀口141连通所述第一换热器110的第一入口端111，形成供暖回路。

具体的，通过所述第一阀口141与所述第一换热器110连接，所述第二阀口142与所述所述第一工质泵120连接，所述第三阀口143与所述汽车加热器170连接，所述第一阀口141和所述第二阀口142导通，可以使热泵工质流通所述热泵循环回路，所述第一阀口141和所述第三阀口143导通，可以使热泵工质流通所述供暖回路，通过第一控制阀140实现热泵循环回路或者供暖回路的开启和关闭。

在一些可选的实施例中，所述供暖组件还包括连通于所述供暖回路中的汽车加热器170，所述汽车加热器170分别与所述暖风散热器160和所述第三阀口143连接。通过所述汽车加热器170分别与所述暖风散热器160和所述第三阀口143连接，当第一换热器110的热能不足以满足车内的供暖需求时，启用汽车加热器170对车内补充供暖，以达到供暖需求。

具体的，汽车加热器170一般为PTC加热器，PTC加热器就是利用恒温加热PTC(正温度系数，Positive Temperature Coefficient)热敏电阻恒温发热特性设计的加热器件，具有恒温发热、无明火、热转换率高、受电源电压影响极小、自然寿命长等传统发热元件无法比拟的优势；恒温加热PTC热敏电阻具有恒温发热特性，其原理是PTC热敏电阻加电后自热升温使阻值进入跃变区，恒温加热PTC热敏电阻表面温度将保持恒定值，该温度只与PTC热敏电阻的居里温度和外加电压有关，而与环境温度基本无关。PTC加热器有热阻小、换热效率高的优点，是一种自动恒温、省电的电加热器，它的一大突出特点在于安全性能上，即遇风机故障停转时，PTC加热器因得不到充分散热，其功率会自动急剧下降，此时加热器的表面温度维持在居里温度左右(一般在240℃上下)，从而不致产生如电热管类加热器的表面“发红”现象，提高装置的安全性和可靠性。

在一些可选的实施例中，燃料电池余热利用系统还包括控制器，所述控制器与所述第一工质泵120、所述第一控制阀140、所述汽车加热器170和所述膨胀机单元电连接，所述控制器用于根据第一预设条件判断是否有预热利用需求；具体的，所述根据第一预设条件判断是否有预热利用需求包括：当所述电推冷却水的温度高于余热利用的最低温度时，则判定有预热利用需求；当所述电推冷却水的温度低于余热利用的最低温度时，则判定无预热利用需求；

若判定无余热利用需求，则根据第二预设条件判断是否有供暖需求，若判定有供暖需求，则控制第一工质泵120和汽车加热器170工作，第一控制阀140的第一阀口141和第三阀口143导通；所述根据第二预设条件判断是否有供暖需求包括：当车内温度小于或等于预设的最低温度时，则判定有供暖需求；当车内温度大于预设的最低温度时，则判定无供暖需求；

若判定有预热利用需求，则根据第二预设条件判断是否有供暖需求：

若判定有供暖需求，则控制第一工质泵120工作，所述第一控制阀140的第一阀口141和第三阀口143导通，并进一步判断所述第一换热器110从冷却电推水吸收的热量能否满足供暖需求，若判定不能满足供暖需求，则控制所述汽车加热器170开始加热，若判定能够满足供暖需求，则控制关闭所述汽车加热器170；

若判定无供暖需求，则控制所述第一工质泵120和所述膨胀机单元工作，所述第一控制阀140的第一阀口141和第二阀口142导通，以通过所述膨胀机单元做功而使所述发电机230发电。

本实施例中，通过控制器对余热利用和供暖需求进行判断，控制所述第一工质泵120、所述第一控制阀140、所述汽车加热器170和所述膨胀机单元的工作，完成对应功能下的相关控制，使得整个装置的自动化程度较高，可以更好的对余热进行利用。

在进一步的一些可选的实施例中，所述若判定有预热利用需求，且判定有供暖需求之后，所述控制器还用于判断是否有发电需求，若判定有发电需求时，所述第一阀口141与所述第二阀口142和所述第三阀口143均导通，以同时导通所述热泵循环回路和所述供暖回路，通过控制所述第二阀口142和所述第三阀口143的开启角度控制进入所述热泵循环回路和所述供暖回路的热泵工质的流量。

具体的，当同时有供暖和发电需求时，所述第一阀口141、所述第二阀口142和所述第三阀口143均导通，导通所述热泵循环回路和所述供暖回路，通过控制所述第二阀口142和所述第三阀口143的开启角度控制进入所述热泵循环回路和所述供暖回路的热泵工质的流量，从而对应控制供暖的热量和发电的热量，实现供暖和供电的按需分配。

在一些可选的实施例中，所述热泵循环回路上连通有用于从所述热泵工质中吸收热量的第二换热器130，所述膨胀机单元连通于所述第二换热器130。

具体的，所述膨胀机单元包括第一膨胀机210；所述的燃料电池余热利用还包括有机朗肯循环组件200，所述有机朗肯循环组件200包括所述第二换热器130、所述第一膨胀机210、第一冷凝器220和所述发电机230，所述第二换热器130的第二入口端131与所述第一工质泵120连通，所述第二换热器130的第二出口端132与所述第一控制阀140连通；所述第二换热器130的第三出口端134通过管路依次与所述第一膨胀机210和所述第一冷凝器220连接，并连接所述第二换热器130的第三入口端133，形成有机朗肯循环回路；所述第二换热器130用于从所述热泵循环回路的热泵工质中吸收热量；所述发电机230与所述第一膨胀机210传动连接，所述第一膨胀机210做功以驱动所述发电机230发电。

在另一些可选的实施例中，所述膨胀机单元连通于所述热泵循环回路。

具体的，所述膨胀机单元包括设置于所述热泵循环回路的第二膨胀机150，所述第二膨胀机150位于所述第二换热器130和所述第一控制阀140之间，第二膨胀机150与发电机230传动连接，所述第二膨胀机150做功以驱动所述发电机230发电。

在其他的一些可选的实施例中，所述膨胀机单元包括第一膨胀机210和第二膨胀机150，所述第一膨胀机210连通与所述有机朗肯回路，所述第二膨胀机150设置于所述热泵循环回路，所述第二膨胀机150与所述第一膨胀机210同轴连接并与发电机230连接，共同驱动所述发电机230发电。通过所述第二膨胀机150与所述第一膨胀机210同轴连接，热循环回路中的热循环工质进入第二膨胀机150，驱动第二膨胀机150做功，第二膨胀机150和第一膨胀机210共同驱动发电机230发电，将热泵循环回路和有机朗肯循环回路中的热量进行充分利用，使得热量转换的电量更多，提高余热利用率。

在一些可选的实施例中，所述有机朗肯循环组件200还包括设置于所述有机朗肯回路的的第二工质泵240，所述第二工质泵240位于所述第二换热器130的第三入口端133和所述第一冷凝器220之间，用于对经所述第一冷凝器220冷却后的有机朗肯工质进行加压，以使其流入所述第二换热器130继续吸热。通过第二工质泵240对经所述第一冷凝器220冷却后的有机朗肯工质进行加压，以使其流入所述第二换热器130继续吸热，完成有机朗肯循环，有利于提高有机朗肯循环的效率，从而提供更多的电能输出，提高余热利用效率。

该燃料电池余热利用系统的工作原理是：

(1)通过温度传感器400反馈的冷却水温度来确定是否有余热利用的需求；

当所述电推冷却水的温度高于余热利用的最低温度时，需要对电堆冷却水热量进行利用，第二控制阀300的所述第四阀口310和所第五阀口320导通，热量通过第一换热器110传递给热泵循环回路；当所述电推冷却水的温度低于余热利用的最低温度时，没有余热利用需求，第二控制阀300的所述第四阀口310和所述第六阀口330导通，电推冷却水直接回流，不经过第一换热器110；

(2)当没有余热利用需求时，进一步确定乘员舱是否有供暖需求；

当乘员舱有供暖需求时，第一工质泵120开启，第一控制阀140的所述第一阀口141和所述第三阀口143导通，汽车加热器170的输出功率视热负荷是否满足乘员舱温度需求而确定；

(3)当有预热利用需求时，进一步确定乘员舱是否有供暖需求；

若有供暖需求，第一工质泵120开启，第一控制阀140的所述第一阀口141和所述第三阀口143导通，吸热后的热工质经过暖风散热器160将热量散发至乘员舱，实现乘员仓的供暖；在供暖时，判断冷却水的温度能否满足供暖要求，若不能，则打开汽车加热器170进行加热，使提供至乘员舱的热量达到供暖要求，反之则关闭汽车加热器170；

若没有供暖需求，则利用余热来发电，对于热泵循环：第一工质泵120开启，第一控制阀140的第一阀口141和所述第二阀口142导通，热泵工质在第一换热器110中吸收电堆冷却水的热量后，经第一工质泵120加压，温度压力进一步提高，后流经第二换热器130，与有机朗肯工质进行换热，第二换热器130出口的高压低温工质流经第二膨胀机150，输出机械功，带动发电机230发电，第二膨胀机150出口的低压工质流经第一控制阀140后进入第一换热器110继续吸热，完成热泵循环过程；对于有机朗肯循环：有机朗肯工质流经第二换热器130，吸收热量，后流经第一膨胀机210膨胀做功，驱动发电机230输出电能，第一膨胀机210出口的低压工质经第一冷凝器220冷却后，经第二工质泵240加压，流入第二换热器130继续吸热，完成有机朗肯循环过程，第二膨胀机150和第一膨胀机210设计成连轴形式，共同驱动发电机230输出电能。

(4)当同时有供暖和发电需求时，第一控制阀140的通道均导通，管路中工质流量进行分配以实现热电联供，但优先满足乘员舱供暖需求。

通过该燃料电池余热利用系统可以将电堆冷却水的余热加以利用，相较于常规的设计(将这部分热量直接通过风扇耗散)，可以得到额外的电能，提高了能量的利用率，也提升了燃电系统的发电效率；同时，将余热用于乘员舱供暖也可以减少汽车加热器170的功耗；

第二控制阀300可以实现是否进行余热利用的控制，当冷却水的温度不满足余热利用需求的最低温度时，第四阀口310和第六阀口330连通，反之则第四阀口310和第五阀口320连通；通过对冷却水水温的判断以及第二控制阀300的控制，实现是否进行余热利用的控制；第一控制阀140可实现不同应用模式的切换，供暖模式下第一阀口141和所述第三阀口143导通，发电模式下第一阀口141和所述第二阀口142导通，热电联供模式下第一阀口141、所述第二阀口142和所述第三阀口143均导通并通过流量分配来满足需求，通过第一控制阀140的控制，可以实现供暖、发电以及热电联供三种模式的切换以实现不同应用场景的需求；

热泵循环进一步提高了可供给有机朗肯循环的热能品味，有利于提升有机朗肯循环整体的效率，从而提供更多的电能输出；同时，热泵循环采用第二膨胀机150，而不是传统的节流阀，也提供了电能输出；热泵循环设置第二膨胀机150，与有机朗肯循环的第一膨胀机210共轴设计，可产生更多的电能

当利用余热进行供暖时，工质通过第一换热器110吸收来自电堆冷却水的热量后通过暖风散热器160将热量散发至乘员舱，可以减少汽车加热器170的功耗，提高装置的能用利用率。

在本申请的第二方面实施例，参照图3所示，提供一种车辆，包括燃料电池和第一方面所述的燃料电池余热利用系统，所述燃料电池的电堆电推冷却水通过管路与所述第一换热器110连接。

本申请实施例提供的车辆，热泵循环回路的热泵工质与电堆冷却水在第一换热器110中进行换热，热泵工质流经第二换热器130，有机朗肯循环回路的有机朗肯工质从第二换热器130吸收热量，将热能转化为电能，实现余热的回收利用；将第一工质泵120设置在第一换热器110和第二换热器130之间，第一换热器110中升温后的热泵工质经第一工质泵120加压后压力温度进一步提高，然后进入第二换热器130，提高了供给有机朗肯循环的热量的热能品味，有利于提升有机朗肯循环整体的效率，从而提供更多的电能输出，提高了余热利用率，将燃料电池的电堆冷却水的热量实现了利用，避免了能源浪费。

在一些可选的实施例中，燃料电池余热利用系统还包括第二控制阀300，所述第二控制阀300包括第四阀口310、第五阀口320和第六阀口330，所述第四阀口310和所述第六阀口330分别连接电推冷却水，所述第五阀口320与所述第一换热器110的第四入口端113连接，所述第一换热器110的第四出口端114与电推冷却水连接。所述第四阀口310和所述第六阀口330导通，电堆冷却水直接回流，不进行预热利用；所述第四阀口310和所第五阀口320导通，电推冷却水流经第一换热器110，电堆冷却水中的热量经所述第一换热器110传递至所述热泵循环回路。

在一些可选的实施例中，燃料电池余热利用系统还包括温度传感器400，所述温度传感器400设置于电推冷却水中以监测电推冷却水的温度；当所述电推冷却水的温度低于余热利用的最低温度时，所述第四阀口310和所述第六阀口330导通，电堆冷却水直接回流，不进行预热利用；当所述电推冷却水的温度高于余热利用的最低温度时，所述第四阀口310和所第五阀口320导通，电推冷却水中的热量经所述第一换热器110传递至所述热泵循环回路。

在一些可选的实施例中，燃料电池余热利用系统还包括水箱500，所述水箱500接入所述热泵循环回路，用于向所述热泵循环回路补充热泵工质。通过水箱500向所述热泵循环回路补充热泵工质，保障热泵循环回路中的热泵工质始终保持充足状态，提高装置的稳定性和可靠性。

在一些可选的实施例中，车辆还包括制冷单元600，所述制冷单元600包括压缩机610、第二冷凝器620、膨胀阀630、蒸发器640、蒸发箱(图中未示出)和风扇(图中未示出)，压缩机610、第二冷凝器620、膨胀阀630、蒸发器640依次连接形成制冷回路，冷却介质(高压液态氟利昂)经过膨胀阀630泄压气化为气体进入蒸发箱，此时冷却介质的由液态转化为气态是要吸收环境热量的，也就是达到了给周围环境降温的作用，安装在蒸发箱前面的风扇就会把被冷却的空气吹入车内，实现制冷，(气态)氟利昂从蒸发箱经管道进入到压缩机610里，重新被压缩成高压的(气态)氟利昂，被压缩后的高压气态氟利昂接下来就会经过第二冷凝器620，第二冷凝器620将高压气态氟利昂降温逐渐使其变成高压液体状，实现空调的持续制冷循环。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

另外，在本申请中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者多个特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

尽管已经示出和描述了本申请的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本申请的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本申请的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (12)

1.一种燃料电池余热利用系统，其特征在于，包括；

热泵循环组件，所述热泵循环组件包括第一换热器、第一工质泵和第一控制阀，所述第一换热器的第一出口端通过管路依次与所述第一工质泵和所述第一控制阀连接，并通过所述第一控制阀连接所述第一换热器的第一入口端，形成热泵循环回路；所述第一换热器用于通过热泵工质从电堆冷却水中吸收热量，所述第一工质泵用于对所述第一换热器中的热泵工质加压使其压力和温度提升；

发电组件，所述发电组件包括膨胀机单元和发电机，所述膨胀机单元用于利用所述热泵工质的内能做功；所述发电机与所述膨胀机单元连接，用于在所述膨胀机单元的驱动下发电以输出电能。

2.根据权利要求1所述的燃料电池余热利用系统，其特征在于，所述第一控制阀采用三通阀，所述第一控制阀包括第一阀口、第二阀口和第三阀口；所述第一阀口和所述第二阀口接入于所述热泵循环回路；

所述燃料电池余热利用系统还包括供暖组件，所述供暖组件包括暖风散热器；所述暖风散热器连通于所述第三阀口和所述第一工质泵，以使所述第一换热器的第一出口端依次通过管路与第一工质泵、所述暖风散热器和所述第一控制阀连通，并经所述第一控制阀的第一阀口连通所述第一换热器的第一入口端，形成供暖回路。

3.根据权利要求2所述的燃料电池余热利用系统，其特征在于，所述供暖组件还包括连通于所述供暖回路中的汽车加热器，所述汽车加热器分别与所述暖风散热器和所述第三阀口连接。

4.根据权利要求3所述的燃料电池余热利用系统，其特征在于，还包括控制器，所述控制器与所述第一工质泵、所述第一控制阀、所述汽车加热器和所述膨胀机单元电连接，所述控制器用于根据第一预设条件判断是否有预热利用需求：

若判定无余热利用需求，则根据第二预设条件判断是否有供暖需求，若判定有供暖需求，则控制第一工质泵和汽车加热器工作，第一控制阀的第一阀口和第三阀口导通；

若判定有预热利用需求，则根据第二预设条件判断是否有供暖需求：

若判定有供暖需求，则控制第一工质泵工作，所述第一控制阀的第一阀口和第三阀口导通，并进一步判断所述第一换热器从冷却电推水吸收的热量能否满足供暖需求，若判定不能满足供暖需求，则控制所述汽车加热器开始加热，若判定能够满足供暖需求，则控制关闭所述汽车加热器；

若判定无供暖需求，则控制所述第一工质泵和所述膨胀机单元工作，所述第一控制阀的第一阀口和第二阀口导通，以通过所述膨胀机单元做功而使所述发电机发电。

5.根据权利要求4所述的燃料电池余热利用系统，其特征在于，所述若判定有预热利用需求，且判定有供暖需求之后，所述控制器还用于判断是否有发电需求，若判定有发电需求时，所述第一阀口与所述第二阀口和所述第三阀口均导通，以同时导通所述热泵循环回路和所述供暖回路，通过控制所述第二阀口和所述第三阀口的开启角度控制进入所述热泵循环回路和所述供暖回路的热泵工质的流量。

6.根据权利要求1-5任一项所述的燃料电池余热利用系统，其特征在于，所述膨胀机单元连通于所述热泵循环回路；和/或，所述热泵循环回路上连通有用于从所述热泵工质中吸收热量的第二换热器，所述膨胀机单元连通于所述第二换热器。

7.根据权利要求6所述的燃料电池余热利用系统，其特征在于，所述膨胀机单元包括第一膨胀机；所述的燃料电池余热利用还包括有机朗肯循环组件，所述有机朗肯循环组件包括所述第二换热器、所述第一膨胀机、第一冷凝器和所述发电机，所述第二换热器的第二入口端与所述第一工质泵连通，所述第二换热器的第二出口端与所述第一控制阀连通；所述第二换热器的第三出口端通过管路依次与所述第一膨胀机和所述第一冷凝器连接，并连接所述第二换热器的第三入口端，形成有机朗肯循环回路；所述发电机与所述第一膨胀机传动连接，所述第一膨胀机做功以驱动所述发电机发电。

8.根据权利要求7所述的燃料电池余热利用系统，其特征在于，所述膨胀机单元还包括设置于所述热泵循环回路的第二膨胀机，所述第二膨胀机位于所述第二换热器和所述第一控制阀之间，所述第二膨胀机与所述第一膨胀机同轴连接。

9.根据权利要求8所述的燃料电池余热利用系统，其特征在于，所述有机朗肯循环组件还包括设置于所述有机朗肯回路的第二工质泵，所述第二工质泵位于所述第二换热器的第三入口端和所述第一冷凝器之间，用于对经所述第一冷凝器冷却后的有机朗肯工质进行加压，以使其流入所述第二换热器继续吸热。

10.一种车辆，其特征在于，包括燃料电池和权利要求1-9任一项所述的燃料电池余热利用系统，所述燃料电池的电堆电推冷却水通过管路与所述第一换热器连接。

11.根据权利要求10所述的车辆，其特征在于，还包括第二控制阀，所述第二控制阀为三通阀，所述第二控制阀包括第四阀口、第五阀口和第六阀口，所述第四阀口和所述第六阀口分别连接电推冷却水，所述第五阀口与所述第一换热器的第四入口端连接，所述第一换热器的第四出口端与电推冷却水连接。

12.根据权利要求11所述的车辆，其特征在于，还包括温度传感器，所述温度传感器设置于电推冷却水中以监测电推冷却水的温度；当所述电推冷却水的温度低于余热利用的最低温度时，所述第四阀口和所述第六阀口连通；当所述电推冷却水的温度高于余热利用的最低温度时，所述第四阀口和所第五阀口连通，电推冷却水中的热量经所述第一换热器传递至所述热泵循环回路。