CN214956976U - 一种燃料电池发动机余热利用系统及燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种燃料电池发动机余热利用系统及燃料电池系统，属于燃料电池领域。本实施实用新型包括：发动机系统，包括电池模块，电池模块设置有氢气入口管路、氢气出口管路、空气入口管路和空气出口管路；暖风供热系统，包括车内暖风系统和暖风芯体；余热回收系统，包括换热器一、换热器二、水泵一和加热器一，换热器一的第一进口与氢气出口管路和空气出口管路连接、第一出口与换热器二的第二进口连接、第二进口与加热器一的出口连接、第二出口与水泵一的入口连接，水泵一的入口与暖风芯体连接，加热器一的进口连接，换热器二的第二出口与大气连通。实现了燃料电池发动机尾排气温度的梯级利用、空气路温度的加热，且缩短了冷启动时间。

Description

一种燃料电池发动机余热利用系统及燃料电池系统

技术领域

本实用新型涉及燃料电池领域，尤其涉及一种燃料电池发动机余热利用系统及燃料电池系统。

背景技术

燃料电池发动机系统是一种新型的燃料电池发电系统，它是将装置内化学反应产生的化学能通过这个电化学装置转变为电能。氢燃料电池发动机系统作为氢燃料应用的重要载体，具有无污染、环境友好等特点，是实现碳中和、碳达峰的重要技术路线。燃料电池发动机在车载运行状态下，面临着低温冷启动困难、启动时间较长等问题，发动机运行效率在40%-60%左右。其中，系统损失大部分能量由散热系统排放，保证燃料电池发动机水路的最佳温度。若回收这部分热量用于供热/冷却，可显著提高燃料电池发动机的综合热效率。

燃料电池发动机在低温环境下启动是普遍面临的难题，燃料电池发动机的冷启动方式有辅助外加热冷启动和无外加热冷启动，目前辅助外加热冷启动为冬季冷启的主要方式。发动机在有辅助加热启动时，加热过程消耗动力电池进行水路温度的加热，以使发动机达到快速暖机的过程，由于发动机自带加热功的功率较小，暖机过程时间较长；无辅助加热冷启动时，发动机通过控制发动机阴极空气侧低计量比达到单片电压较低的效果，使得阴阳极两侧介质发生反应产生热量，得到暖机的效果，但此种方式控制较困难，技术难度较大。

电动汽车在冬季运行、驾驶过程中，存在着行驶里程短、动力电池电量不足。目前，电动车的供热模式普遍为通过加热器及动力电池、控制系统等运行过程中散发热量对汽车室内进行加热，冬季开启制热功能，更加缩短了电动汽车的行驶里程。

目前针对余热利用的方式主要为单独利用发动机散热的排放热量用于汽车供暖，在专利CN106374122B中提及一种燃料电池余热利用系统及控制方法，其原理流程图如下，余热回收方式为在散热管路中并联入包含PTC与换热器的暖风集成装置，通过PTC加热器（特种陶瓷加热器）与换热装置来实现暖风供暖的功能。

现有技术中存在以下缺点：

1、上述实用新型中，通过并联暖风集成装置实现热回收，但在运行过程中，PTC加热导致的水温升高，额外增加了进入燃料电池冷却液的温度，需要散热风扇增加额外的散热量去降低温度，增加系统BOP的功耗。

2、该实用新型，未对从燃料电池散热器排出热量的利用，使得余热回收效率不高；

3、该实用新型，增加的用于供暖的额外热源PTC加热器，使得燃料电池发动机系统的温控更加复杂，影响燃料电池发动机的温控精度与稳定性。

因此，亟需提供一种燃料电池发动机余热利用系统及燃料电池系统，以解决现有技术中上述的技术问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种燃料电池发动机余热利用系统及燃料电池系统，其实现了燃料电池发动机系统尾排气温度的梯级利用，及实现了空气路温度的加热，缩短了冷启动时间。

为实现上述目的，提供以下技术方案：

本实用新型提供了一种燃料电池发动机余热利用系统，包括：

发动机系统，包括电池模块，所述电池模块设置有氢气入口管路、氢气出口管路、空气入口管路、空气出口管路、冷却水出口管路和冷却水入口管路；

暖风供热系统，包括车内暖风系统和暖风芯体；

余热回收系统，包括换热器一、换热器二、水泵一和加热器一，所述换热器一的第一进口与所述氢气出口管路和所述空气出口管路连接、第一出口与所述换热器二的第二进口连接、第二进口与所述加热器一的出口连接、第二出口与所述水泵一的入口连接，所述水泵一的入口与所述暖风芯体连接，所述加热器一的进口连接，所述换热器二的第二出口与大气连通。

进一步地，所述余热回收系统还包括换热器四、阀一和阀二，所述换热器四的第一出口与所述阀二串联，所述阀一与所述换热器四及所述阀二并联，所述水泵一的出口与所述换热器四的第一进口和所述阀一的进口连接，所述阀一的出口及所述阀二的出口与所述暖风芯体连接。

进一步地，所述发动机系统还包括空压机、氢空混排腔室、水泵二、换热器三、加热器二和散热组件，所述空压机的进口与大气连通、出口与所述换热器二的第一进口连接，所述水泵二的入口连接所述冷却水出口管路，所述水泵二的第一出口连接所述换热器四的第二进口，所述换热器四的第二出口与所述散热组件的一端连接，所述水泵二的第二出口连接所述加热器二的进口，所述散热组件的另一端及所述加热器二的出口均连接所述冷却水入口管路，所述换热器三的第一进口与所述换热器二的第一出口连接、第一出口与所述空气入口管路连接、第二进口与所述加热器二的出口连接、第二出口与所述水泵二的入口连接。

进一步地，所述发动机系统还包括阀四和三通阀一，所述阀四设置在所述散热组件的出口与所述换热器三的第二进口的管路上，所述三通阀一设置在所述加热器二与所述冷却水入口管路的交接处。

进一步地，所述发动机系统还包括温度传感器一，所述温度传感器一设置在所述冷却水入口管路上；所述余热回收系统还包括温度传感器二，所述温度传感器二设置在所述阀一的出口和所述阀二的出口与所述暖风芯体之间的管路上；所述暖风供热系统还包括温度传感器三，所述温度传感器三设置在所述车内暖风系统内。

进一步地，所述散热组件与所述暖风芯体连接，所述暖风系统还包括引风罩、阀三和三通阀二，所述三通阀二设置在所述散热组件与所述暖风芯体之间管路的连接处，所述三通阀二的其中一个连接口与所述车内暖风系统连接，所述三通阀二与所述车内暖风系统之间的管路上还设置有分支管路，所述阀三设置在所述分支管路上。

进一步地，所述散热组件包括散热风扇，所述引风罩罩设在所述所述散热风扇的后方。

进一步地，所述发动机系统还包括空滤及流量计，所述空滤及流量计设置在所述空压机上游的大气入口管路上。

进一步地，所述发动机系统还包括尾排阀，所述尾排阀设置在所述换热器一的第一出口和所述换热器二之间的管路上。

本实用新型还提供了一种燃料电池系统，包括上述任一项技术方案所述的燃料电池发动机余热利用系统。

与现有技术相比，本实用新型提供的燃料电池发动机余热利用系统及燃料电池系统，具有以下优势：

1）、在冷启动过程中，尾排气通过换热器一、换热器二，提高了进入电堆的空气温度，从而加快电池模块的工作温度，加快冷启动的时间；

2）、燃料电池发动机系统在高电密点（高功率）运行时，空压机高压比导致空压机出口温度过高，通过余热回收系统降低尾排气的温度，从而降低空压机出口处的空气温度，此尾排气的热量被梯级利用，既降低了水泵二的功率，又实现了尾排气热量的回收，用于暖风供暖，提升燃料电池发动机的效率；此外，经过换热器一后的尾排气，部分水蒸气被冷凝凝结，通过尾排阀排放，有效解决冬季燃料电池发动机尾排口气水过大问题；

3）、在车内暖风系统供暖的回风系统中，回风口设置引风罩，第一，增加了散热风扇的热风捕捉能力，第二，在很大程度上解决了燃料电池发动机系统目前存在的风扇容易被异物卡住、损害等的现状；

4）、燃料电池发动机散热系统与暖风供热系统完全隔离，燃料电池发动机系统与余热回收系统可单独控制运行，也可联合运行，增强了系统运行的稳定性和可靠性。

附图说明

图1为本实用新型实施例的燃料电池系统的结构示意图。

附图标记：

1-空滤及流量计；2-空压机；3-换热器一；4-换热器二；5-换热器三；6-氢气入口管路；7-氢气出口管路；8-空气入口管路；9-空气出口管路；10-冷却水出口管路；11-冷却水入口管路；12-氢空混排腔室；13-水泵一；14-水泵二；15-阀一；16-阀二；17-加热器一；18-温度传感器一；19-加热器二；20-三通阀一；21-换热器四；22-散热风扇；23-引风罩；24-阀三；25-三通阀二；26-车内暖风系统；27-温度传感器二；28-暖风芯体；29-温度传感器三；30-电池模块；31-尾排阀；32-阀四。

具体实施方式

为使本实用新型解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施例的技术方案作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域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，都属于本实用新型保护的范围。

本实施例提供了一种燃料电池系统，包括燃料电池发动机余热利用系统。其中，如图1所示，本实施例的燃料电池发动机余热利用系统包括：发动机系统、暖风供热系统和余热回收系统，发动机系统包括电池模块30，电池模块30设置有氢气入口管路6、氢气出口管路7、空气入口管路8、空气出口管路9、冷却水出口管路10和冷却水入口管路11；暖风供热系统包括车内暖风系统26和暖风芯体28；余热回收系统包括换热器一3、换热器二4、水泵一13和加热器一17，换热器一3的第一进口与氢气出口管路7和空气出口管路9连接、第一出口与换热器二4的第二进口连接、第二进口与加热器一17的出口连接、第二出口与水泵一13的入口连接，水泵一13的入口与暖风芯体28连接，加热器一17的进口连接，换热器二4的第二出口与大气连通。

进一步地，本实施例的余热回收系统还包括换热器四21、阀一15和阀二16，换热器四21的第一出口与阀二16串联，阀一15与换热器四21及阀二16并联，水泵一13的出口与换热器四21的第一进口和阀一15的进口连接，阀一15的出口及阀二16的出口与暖风芯体28连接。具体地，阀一15和阀二16均为电动阀，电动阀的控制精度高，控制更准确可靠。

可选地，本实施例的发动机系统还包括空压机2、氢空混排腔室12、水泵二14、换热器三5、加热器二19和散热组件，空压机2的进口与大气连通、出口与换热器二4的第一进口连接，水泵二14的入口连接冷却水出口管路10，水泵二14的第一出口连接换热器四21的第二进口，换热器四21的第二出口与散热组件的一端连接，水泵二14的第二出口连接加热器二19的进口，散热组件的另一端及加热器二19的出口均连接冷却水入口管路11，换热器三5的第一进口与换热器二4的第一出口连接、第一出口与空气入口管路8连接、第二进口与加热器二19的出口连接、第二出口与水泵二14的入口连接。具体地，散热组件包括散热风扇22。

进一步地，本实施例的发动机系统还包括阀四32和三通阀一20，阀四32设置在散热风扇22的出口与换热器三5的第二进口的管路上，三通阀一20设置在加热器二19与冷却水入口管路11的交接处。具体地，阀四32设置在三通阀一20后方的与冷却水入口管路11连通的分支的燃料电池冷却系统管路上。阀四32也采用电动阀，三通阀一20采用电控三通阀，该种结构的阀门控制精度高，可靠性好。

优选地，本实施例的发动机系统还包括温度传感器一18，温度传感器一18设置在冷却水入口管路11上；余热回收系统还包括温度传感器二27，温度传感器二27设置在阀一15的出口和阀二16的出口与暖风芯体28之间的管路上；暖风供热系统还包括温度传感器三29，温度传感器三29设置在车内暖风系统26内。

进一步地，本实施例的散热组件与暖风芯体28连接，暖风系统还包括引风罩23、阀三24和三通阀二25，三通阀二25设置在散热组件与暖风芯体28之间管路的连接处，三通阀二25的其中一个连接口与车内暖风系统26连接，三通阀二25与车内暖风系统26之间的管路上还设置有分支管路，阀三24设置在分支管路上。引风罩23罩设在散热风扇22的后方，在回风系统中的回风口设置引风罩23，第一、增加了散热风扇22的热风捕捉能力，第二，在很大程度上解决了燃料电池发动机系统目前存在的风扇容易被异物卡住、损害等的现状。

可选地，本实施例的发动机系统还包括空滤及流量计1和尾排阀31，空滤及流量计1设置在空压机2上游的大气入口管路上。尾排阀31设置在换热器一3的第一出口和换热器二4之间的管路上。本实施例经过换热器一3后的尾排气，部分水蒸气被冷凝凝结，通过尾排阀31排放，有效解决冬季燃料电池发动机尾排口气水过大问题。

本实施例的燃料电池余热回收利用系统，余热回收的热量包括散热模块、空气模块的热量。燃料电池发动机在正常运行状态下，通风散热模块控制温度传感器一18的温度，使燃料电池系统可以工作在最佳温度范围内，其中多余热量通过散热组件排放掉。

本实施例的燃料电池余热回收利用系统的工作方如下：

1）、燃料电池发动机在冬季正常启动过程中，开启加热器一17、水泵一13、水泵二14、阀一15、加热器二19，加热器一17与加热器二19分别加热对应管路中的介质（防冻液）。余热回收系统中的介质温度此时较空压机2出口温度相对较低，空气通过氢空混排腔室12进入尾排管路，尾排气体在经过换热器一3与其中的热水换热，换热器一3把尾排气体进行预热，预热后的气体进入换热器二4加热从空压机2出口进入的空气，从而实现在低温启动过程中空气尾排热量的回收利用，提高空气进气温度，加快低温冷启动的启动时间。

2）、燃料电池系统在正常工作运行过程中，关闭加热器一17与加热器二19。燃料电池系统多余的热量通过散热风扇22排放多余的热量，在余热回收系统开启后，暖风供热系统通过暖风芯体28向车内输送暖风。在余热回收系统中，介质通过水泵在管路中形成循环回路，介质中平均温度在40-60℃，热介质通过换热器一3，将燃料电池发动机的尾排气体温度（60-90℃）降低，尾排气体温度被降低，降低温度后的尾排气冷凝凝结出液态水通过尾排阀31排放，有效解决冬季尾排口水汽过大的问题；余热回收系统的热介质被预热升温，在循环回路中，介质继续被换热器四21加热，形成更高温热的热介质，使得暖风芯体28有足够的热量向车内输入热风。尾排气体在经过换热器被冷却后，进入换热器二4，在燃料电池大功率运行时，空压机2出口温度较高（100-160℃），尾排气通过换热器一3把进入燃料电池的空气降温，使得流经换热器三5的冷却液流量减少，降低水泵一13的功率，从而使得燃料电池发动机系统BOP的功耗降低。暖风供热系统中，设置两路补新风的取风口。其中，阀三24为冷风取风口，引风罩23为热风取风口，从散热风扇22出来的热风经过引风罩23收集，流经三通阀二25进入暖风供热系统。引风罩23的作用有：第一、可以聚集热风，便于回风口新风的补充；第二、对于布置于车顶位置的散热风扇22有保护作用，防止异常的进入。当车内暖风系统26中温度传感器三29温度过高时，可通过调节三通阀二25、阀三24的开度，达到快速降温的功能。车内温度过高时，可采取降温的控制为：打开阀一15，关闭阀二16，使得余热回收系统的热介质不流经板换，通过控制水泵二14的转速，来达到车内温度的稳定控制。

在燃料电池发动机故障或停止运行时，余热回收系统与暖风供暖系统正常工作，此时，开启加热器一17，余热回收系统中热介质的热量由加热器一17提供，保证车内暖风的供给。当余热回收系统发生故障时，余热回收系统不工作，此时，燃料电池发动机系统可正常工作，不受其影响，此外，开启暖风供暖系统的三通阀二25，从引风罩23中补充热风，保障车内暖风的供给。

本实施例的燃料电池余热回收利用系统的有益效果如下：

1）、在冷启动过程中，尾排气通过换热器一3、换热器二4，提高了进入电堆的空气温度，从而加快电池模块30的工作温度，加快冷启动的时间；

2）、燃料电池发动机系统在高电密点（高功率）运行时，空压机2高压比导致空压机2出口温度过高，通过余热回收系统降低尾排气的温度，从而降低空压机2出口处的空气温度，此尾排气的热量被梯级利用，既降低了水泵二14的功率，又实现了尾排气热量的回收，用于暖风供暖，提升燃料电池发动机的效率；此外，经过换热器一3后的尾排气，部分水蒸气被冷凝凝结，通过尾排阀31排放，有效解决冬季燃料电池发动机尾排口气水过大问题；

3）、在车内暖风系统26供暖的回风系统中，回风口设置引风罩23，第一，增加了散热风扇22的热风捕捉能力，第二，在很大程度上解决了燃料电池发动机系统目前存在的风扇容易被异物卡住、损害等的现状；

4）、燃料电池发动机散热系统与暖风供热系统完全隔离，燃料电池发动机系统与余热回收系统可单独控制运行，也可联合运行，增强了系统运行的稳定性和可靠性。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种燃料电池发动机余热利用系统，其特征在于，包括：

发动机系统，包括电池模块（30），所述电池模块（30）设置有氢气入口管路（6）、氢气出口管路（7）、空气入口管路（8）、空气出口管路（9）、冷却水出口管路（10）和冷却水入口管路（11）；

暖风供热系统，包括车内暖风系统（26）和暖风芯体（28）；

余热回收系统，包括换热器一（3）、换热器二（4）、水泵一（13）和加热器一（17），所述换热器一（3）的第一进口与所述氢气出口管路（7）和所述空气出口管路（9）连接、第一出口与所述换热器二（4）的第二进口连接、第二进口与所述加热器一（17）的出口连接、第二出口与所述水泵一（13）的入口连接，所述水泵一（13）的入口与所述暖风芯体（28）连接，所述加热器一（17）的进口连接，所述换热器二（4）的第二出口与大气连通。

2.根据权利要求1所述的燃料电池发动机余热利用系统，其特征在于，所述余热回收系统还包括换热器四（21）、阀一（15）和阀二（16），所述换热器四（21）的第一出口与所述阀二（16）串联，所述阀一（15）与所述换热器四（21）及所述阀二（16）并联，所述水泵一（13）的出口与所述换热器四（21）的第一进口和所述阀一（15）的进口连接，所述阀一（15）的出口及所述阀二（16）的出口与所述暖风芯体（28）连接。

3.根据权利要求2所述的燃料电池发动机余热利用系统，其特征在于，所述发动机系统还包括空压机（2）、氢空混排腔室（12）、水泵二（14）、换热器三（5）、加热器二（19）和散热组件，所述空压机（2）的进口与大气连通、出口与所述换热器二（4）的第一进口连接，所述水泵二（14）的入口连接所述冷却水出口管路（10），所述水泵二（14）的第一出口连接所述换热器四（21）的第二进口，所述换热器四（21）的第二出口与所述散热组件的一端连接，所述水泵二（14）的第二出口连接所述加热器二（19）的进口，所述散热组件的另一端及所述加热器二（19）的出口均连接所述冷却水入口管路（11），所述换热器三（5）的第一进口与所述换热器二（4）的第一出口连接、第一出口与所述空气入口管路（8）连接、第二进口与所述加热器二的出口连接、第二出口与所述水泵二（14）的入口连接。

4.根据权利要求3所述的燃料电池发动机余热利用系统，其特征在于，所述发动机系统还包括阀四（32）和三通阀一（20），所述阀四（32）设置在所述散热组件的出口与所述换热器三（5）的第二进口的管路上，所述三通阀一（20）设置在所述加热器二（19）与所述冷却水入口管路（11）的交接处。

5.根据权利要求3所述的燃料电池发动机余热利用系统，其特征在于，所述发动机系统还包括温度传感器一（18），所述温度传感器一（18）设置在所述冷却水入口管路（11）上；所述余热回收系统还包括温度传感器二（27），所述温度传感器二（27）设置在所述阀一（15）的出口和所述阀二（16）的出口与所述暖风芯体（28）之间的管路上；所述暖风供热系统还包括温度传感器三（29），所述温度传感器三（29）设置在所述车内暖风系统（26）内。

6.根据权利要求3所述的燃料电池发动机余热利用系统，其特征在于，所述散热组件与所述暖风芯体（28）连接，所述暖风系统还包括引风罩（23）、阀三（24）和三通阀二（25），所述三通阀二（25）设置在所述散热组件与所述暖风芯体（28）之间管路的连接处，所述三通阀二（25）的其中一个连接口与所述车内暖风系统（26）连接，所述三通阀二（25）与所述车内暖风系统（26）之间的管路上还设置有分支管路，所述阀三（24）设置在所述分支管路上。

7.根据权利要求6所述的燃料电池发动机余热利用系统，其特征在于，所述散热组件包括散热风扇（22），所述引风罩（23）罩设在所述散热风扇（22）的后方。

8.根据权利要求3所述的燃料电池发动机余热利用系统，其特征在于，所述发动机系统还包括空滤及流量计（1），所述空滤及流量计（1）设置在所述空压机（2）上游的大气入口管路上。

9.根据权利要求1-8任一项所述的燃料电池发动机余热利用系统，其特征在于，所述发动机系统还包括尾排阀（31），所述尾排阀（31）设置在所述换热器一（3）的第一出口和所述换热器二（4）之间的管路上。

10.一种燃料电池系统，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的燃料电池发动机余热利用系统。

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