CN210092225U - 燃料电池余热回收系统、燃料电池汽车 - Google Patents

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张伟明
杨春华
陶诗涌
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Abstract

本实用新型提供了一种燃料电池余热回收系统、燃料电池汽车。所述系统包括相变储热模块，燃料电池堆，燃料电池散热系统，氢气供应系统，空气供应系统。本实用新型回收燃料电池余热用于停车后燃料电池系统的保温和低温启动，具有结构简单，体积小、设计灵活、使用方便，无需维护，且易于管理等显著优点。因此，本实用新型具有极好的应用前景。

Description

燃料电池余热回收系统、燃料电池汽车
技术领域
本实用新型属于燃料电池应用技术领域，特别是涉及燃料电池余热回收系统、燃料电池汽车。
背景技术
燃料电池能将存储在燃料中的化学能通过电化学反应直接转换成电能，不受卡诺循环的限制，通常转换效率在50％以上，被认为是21世纪首选的发电技术。
质子交换膜燃料电池(PEMFC)发电系统用作汽车等交通工具的动力系统，在冬天时，可能会工作在0℃以下的环境，甚至是-40℃的低温。这样的低温环境下，电池不工作时，内部的水可能会结冰致使体积变大，导致燃料电池胀裂损坏，而且电池内部温度低于冰点时，没有自由水存在，燃料电池将面临启动失败，即使存在自由水，由于低温下燃料电池内催化剂活性很低，也很难启动发电向外输出电能。
燃料电池工作时会产生与发电量相当的余热废热，如果将燃料电池产生的热量蓄积起来在电池内部温度较低时加以利用，那么就可以有效延缓电池内部温度下降和防止结冰，从而增强燃料电池在寒冷地区的适应性，同时还可以实现电池低温启动，进一步提高能源综合利用率。
如果能提供一种充分回收利用汽车的燃料电池工作余热的技术方案，将是十分有意义的。
实用新型内容
为解决上述问题，本实用新型提供了一种燃料电池余热回收系统，包括相变储热模块，燃料电池堆，燃料电池散热系统，氢气供应系统，空气供应系统；其中，燃料电池散热系统包括散热器，循环冷却泵和三通阀；空气供应系统包括空气泵，加湿器；
相变储热模块包含一个腔体，腔体内部填充相变材料，且留有部分未填充相变材料的真空空间，腔体内具有液体管道、气体管道；
燃料电池堆有冷却液出口、冷却液入口、空气入口、空气出口、氢气入口、氢气出口；
散热器设置有冷却液入口、冷却液出口；
加湿器具有干燥气体入口、气体出口、阴极排气入口、废气出口；
各部分的连接关系为：
燃料电池堆冷却液出口连接相变储热模块液体管道入口，三通阀入口连接相变储热模块液体管道出口，三通阀的一个出口连接燃料电池散热器冷却液入口，三通阀另一出口与燃料电池散热器冷却液出口一同连接冷却循环泵入口，冷却循环泵的出口连接燃料电池冷却液入口；氢气入口、氢气出口连接氢气供应系统；空气入口、空气出口连接空气供应系统；
空气泵出口连接相变储热模块气体管道入口，相变储热模块气体管道出口连接加湿器的干燥气体入口，加湿器的气体出口连接燃料电池堆空气入口，燃料电池堆空气出口连接加湿器阴极排气入口，空气加湿器废气出口排放废气。
进一步的，相变储热模块中，液体管道与气体管道浸没在相变材料中。
进一步的，液体管道与气体管道为螺旋排列结构的通路。
进一步的，相变储热模块的液体管道、气体管道由导热材料制作。
进一步的，燃料电池堆和/或相变储热模块和/或三通阀和/或它们之间的连接管道由隔热材料封装。
一种燃料电池汽车，设置有上述的燃料电池余热回收系统。
上述的燃料电池汽车的工作方法，包括：
利用余热为停车时燃料电池系统保温的流程；
利用余热实现燃料电池汽车快速冷启动的流程；
保持进入电池堆的空气温度恒定的流程；
其中：在利用预热为停车时燃料电池系统保温的流程中：
燃料电池工作时：相变储热模块吸热，热能存储在模块内，控制三通阀连通散热器，关闭另一出口；
燃料电池停止工作时：相变储热模块放热，控制三通阀关闭连接散热器的出口，开启另一出口，控制冷却循环泵低速工作，为燃料电池堆保温；
利用余热实现燃料电池汽车快速冷启动的流程中：
汽车启动时，控制三通阀开启连接散热器的出口，关闭另一出口，通过相变储热模块放热，为系统预热，从而实现燃料电池的快速冷启动；
保持进入电池堆的空气温度恒定的流程中：
空气流经相变储热模块时，若空气温度高于相变材料，相变模块吸热，使空气温度降低，反之，若空气温度低于相变材料，相变模块放热，使空气温度升高，从而使进入燃料电池堆的空气温度恒定。本实用新型的有益效果为：
本实用新型设计了一种新型的燃料电池余热利用技术方案，能较好的适用于燃料电池汽车中，提高燃料电池汽车在寒冷地区的低温适应性，实现燃料电池汽车的低温环境下的快速冷启动，提高进入燃料电池堆的空气温度的稳定性。
本实用新型结构简单，体积小、设计灵活、使用方便，无需维护、使用寿命长，且易于管理。能广泛应用于现有的燃料汽车上。
附图说明
图1为燃料电池汽车余热回收系统结构示意图。
图2为相变储热模块结构示意图。
图中：1：相变储热模块；11：真空层；12：相变材料；13：液体管道；14：气体管道；15：隔热材料；2：燃料电池堆；3：燃料电池散热系统；4：氢气供应系统；5：空气供应系统；51：空气泵阀；52：加湿器。
具体实施方式
本实用新型所述燃料电池汽车余热回收系统，如图1所示，包括相变储热模块1、燃料电池堆2、燃料电池散热系统3、氢气供应系统4、空气供应系统5。其中，燃料电池散热系统3包括散热器32，循环冷却泵和三通阀31。空气供应系统5包括空气泵51，加湿器52。
如图2所示，相变储热模块1包含一个腔体，腔体内部填充相变材料12，且留有部分空间未填充(如图中所示的真空层11)以适应相变材料12因吸、放热产生相变而发生的体积变化，腔体内具有液体管道13、气体管道14，浸没在模块内部的相变材料12中，优选为螺旋排列结构的通路，此结构可使各个管道与相变材料12充分接触，以保证热交换的有效性和均匀性。
相变储热是利用相变材料12在凝固/熔化、凝结/气化、凝华/升华以及其他形式的相变过程中，都要吸收或释放相变潜热的原理来储存能量的技术，其具有单位质量(体积)蓄热量大、温度波动小(储、放热过程近似恒温)、化学稳定性和安全性好等特点。相变储热模块1可以将燃料电池产生的热量蓄积起来在电池内部温度较低时加以利用，那么就可以增强燃料电池在寒冷地区的适应性，同时还可以实现电池低温冷启动，进一步提高能源综合利用率。
燃料电池堆2有冷却液出口、冷却液入口、空气入口、空气出口、氢气入口、氢气出口。当应用于燃料电池汽车时，燃料电池堆2是汽车固有的。
散热器32设置有冷却液入口、冷却液出口。
加湿器52具有干燥气体入口、气体出口、阴极排气入口、废气出口。
本系统各部分的连接关系为：
燃料电池堆2冷却液出口连接相变储热模块1液体管道13入口，三通阀31入口连接相变储热模块1液体管道13出口，三通阀31的一个出口连接燃料电池散热器32冷却液入口，三通阀31另一出口与燃料电池散热器32冷却液出口一同连接冷却循环泵33入口，冷却循环泵33的出口连接燃料电池冷却液入口；氢气入口、氢气出口连接氢气供应系统4；空气入口、空气出口连接空气供应系统5。
空气泵51出口连接相变储热模块1气体管道14入口，相变储热模块1气体管道14出口连接加湿器52的干燥气体入口，加湿器52的气体出口连接燃料电池堆2空气入口，燃料电池堆2空气出口连接加湿器52阴极排气入口，空气加湿器52废气出口排放废气。
优选的，燃料电池堆2和/或相变储热模块1和/或三通阀31和/或它们之间的连接管道由隔热材料15封装，减少停车时散热回路的热损耗。
本实用新型还保护一种燃料电池汽车，该汽车安装有上述系统。
下面对本实用新型所保护燃料电池汽车的余热回收方法进行说明。本实用新型的目的是为了回收燃料电池余热，再加以利用，以提高系统综合效率，因此回收再利用过程包括利用余热为停车时燃料电池系统保温的流程，利用余热实现燃料电池汽车快速冷启动的流程，保持进入电池堆的空气温度恒定的流程。应当理解，这三个流程是并行不悖的。
利用余热为停车时燃料电池系统保温的流程中：
燃料电池工作时：相变储热模块1吸热，热能存储在模块内，控制三通阀31连通散热器32，关闭另一出口。
燃料电池停止工作时：相变储热模块1放热，控制三通阀31关闭连接散热器32的出口，开启另一出口，控制冷却循环泵33低速工作，为燃料电池堆2保温。
利用余热实现燃料电池汽车快速冷启动的流程中：
车辆启动时，控制三通阀31开启连接散热器32的出口，关闭另一出口，通过相变储热模块1放热，为系统预热，从而实现燃料电池堆2的快速冷启动。
保持进入电池堆的空气温度恒定的流程中：
燃料电池工作时：空气流经相变储热模块1时，若空气温度高于相变材料12，相变模块吸热，使空气温度降低，反之，若空气温度低于相变材料12，相变模块放热，使空气温度升高，从而使进入燃料电池堆2的空气温度恒定。

Claims (6)

1.一种燃料电池余热回收系统，其特征在于，包括相变储热模块，燃料电池堆，燃料电池散热系统，氢气供应系统，空气供应系统；其中，燃料电池散热系统包括散热器，循环冷却泵和三通阀；空气供应系统包括空气泵，加湿器；
相变储热模块包含一个腔体，腔体内部填充相变材料，且留有部分未填充相变材料的真空空间，腔体内具有液体管道、气体管道；
燃料电池堆有冷却液出口、冷却液入口、空气入口、空气出口、氢气入口、氢气出口；
散热器设置有冷却液入口、冷却液出口；
加湿器具有干燥气体入口、气体出口、阴极排气入口、废气出口；
各部分的连接关系为：
燃料电池堆冷却液出口连接相变储热模块液体管道入口，三通阀入口连接相变储热模块液体管道出口，三通阀的一个出口连接燃料电池散热器冷却液入口，三通阀另一出口与燃料电池散热器冷却液出口一同连接冷却循环泵入口，冷却循环泵的出口连接燃料电池冷却液入口；氢气入口、氢气出口连接氢气供应系统；空气入口、空气出口连接空气供应系统；
空气泵出口连接相变储热模块气体管道入口，相变储热模块气体管道出口连接加湿器的干燥气体入口，加湿器的气体出口连接燃料电池堆空气入口，燃料电池堆空气出口连接加湿器阴极排气入口，空气加湿器废气出口排放废气。
2.如权利要求1所述燃料电池余热回收系统，其特征在于，相变储热模块中，液体管道与气体管道浸没在相变材料中。
3.如权利要求1或2所述燃料电池余热回收系统，其特征在于，液体管道与气体管道为螺旋排列结构的通路。
4.如权利要求1所述的燃料电池余热回收系统，其特征在于，相变储热模块的液体管道、气体管道由导热材料制作。
5.如权利要求1所述的燃料电池余热回收系统，其特征在于，燃料电池堆和/或相变储热模块和/或三通阀和/或它们之间的连接管道由隔热材料封装。
6.一种燃料电池汽车，其特征在于，设置有如权利要求1-5任一项所述的燃料电池余热回收系统。
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