CN219800939U - 热量回收装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种热量回收装置，其技术方案要点是包括电堆，电堆两端连接有进气管和出气管，进气管上依次连接有加湿装置和加热装置，出气管上依次设置有t3温度检测器和三通切换阀QV,三通切换阀QV的两个管口连接有排气管和回流管；回流管上安装有三通切换阀FV,三通切换阀FV的一个管口连接有一号尾气热交换器，三通切换阀FV的另一个管口连接有二号尾气热交换器，一号尾气热交换器安装在进气管且一号尾气热交换器位于加湿装置的上游工位，加湿装置设有水管，二号尾气热交换器安装在水管；进气管设有t1温度检测器，水管设有t2温度检测器，达到降低测试系统的功耗，可将燃料电池运行中产生的废热进行高效回收。

Description

热量回收装置

技术领域

本实用新型涉及燃料电池测试系统领域,更具体地说，它涉及一种燃料电池测试系统的热量回收装置。

背景技术

氢燃料电池是一种通过氢的氧化反应和氧的还原反应产生电能的发电设备。使用具有氢离子交换特性的聚合物膜作为电解质，并通过借助于含氢燃料和含氧空气引发电化学反应而产生电能。

氢燃料电池含有阴阳两个电极，分别充满电解液，而两个电极间则为具有渗透性的薄膜所构成。氢气由燃料电池的阳极进入，氧气(或空气)则由阴极进入燃料电池，氢气和氧气在通入燃料电池之前，均需要经过特殊处理，从而将温度、湿度、流量等控制在设定区间内。

而氢燃料电池主要为低温质子交换膜型，其运行温度一般在70-90℃之间，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。

且燃料电池在运行中对气体的湿度和温度均有要求，因此测试系统需要将阴阳极气体的湿度、温度均调整至适宜的范围，才能保证燃料电池的有效、可靠运行，这将消耗测试系统大量的热量，且附加的加热设备会占用系统的体积及质量。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种热量回收装置，达到降低测试系统的功耗，可将燃料电池运行中产生的废热进行高效回收，这样既保证电堆的各项性能，又可以提高测试系统的体积功率密度与质量功率密度，为提高测试系统产品竞争力。

本实用新型的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种热量回收装置，包括电堆，电堆两端连接有进气管和出气管，进气管上依次连接有加湿装置和加热装置，出气管上依次设置有t3温度检测器和三通切换阀QV,三通切换阀QV的两个管口连接有排气管和回流管；回流管上安装有三通切换阀FV,三通切换阀FV的一个管口连接有一号尾气热交换器，三通切换阀FV的另一个管口连接有二号尾气热交换器，一号尾气热交换器安装在进气管且一号尾气热交换器位于加湿装置的上游工位，加湿装置设有水管，二号尾气热交换器安装在水管；进气管设有t1温度检测器,t1温度检测器位于一号尾气热交换器和加湿装置之间；水管设有t2温度检测器，t2温度检测器位于二号尾气热交换器的下游工位。

优选的，三通切换阀QV包括1管口、2管口和3管口，1号管口连接出气管，2管口连接排气管，3管口连接回流管；三通切换阀FV包括1号管口、2号管口和3号管口，1号管口连接回流管，2号管口连接二号尾气热交换器，3号管口连接一号尾气热交换器。

优选的，水管设有泵体和电加热器，电加热器位于t2温度检测器的下游工位。

优选的，出气管安装有背压阀，背压阀位于t3温度检测器的上游工位。

优选的，二号尾气热交换器的出气口连接在排气管。

优选的，一号尾气热交换器的出气口连接在排气管。

优选的，三通切换阀FV设有PID控制器，PID控制器设有和t1温度检测器检测值比较用的阈值T；t1温度检测器的温度数值≤T,三通切换阀FV打开回流管和一号尾气热交换器；t1温度检测器的温度数值>T,三通切换阀FV关闭回流管和一号尾气热交换器。

综上所述，本实用新型具有以下有益效果：燃料电池是一种零排放污染、高转换效率、低噪声的能量转换装置，其在工作过程中会产生大量的热，热量随着燃料电池阴极或阳极的电化学反应残余气体一同从燃料电池的出口排出。常规的燃料电池测试系统通常将此部分含有热量的气体直接排出，造成能量浪费，同时尤其冬季室外温度较低时，排出的气体温度、湿度均较高，在排放口形成白雾，影响体验。

现有设计是将燃料电池尾气中的热量，回收至测试系统的供气源端或加湿装置，利用热交换的方式将尾气热量传递给新注入测试系统的低温气体或测试系统中的加湿装置。由于燃料电池在运行过程中所需的气量随着燃料电池的运行载荷发生变化，源端干气向测试系统的供给量不是定值，因此干气需求的热量也不是定值；另一方面，不同的燃料电池对于阴阳极气体的湿度要求也有差异，因此本设计中还考虑了废热供给至源端气体或加湿装置的自动判断与自动切换控制逻辑：(1)当加湿装置的温度高于燃料电池的尾气排放温度时，尾气的余热将不能被加湿装置吸收，此时应关闭尾气至加湿装置的传递；(2)当加湿装置与源端干气都需要被利用废热时，优先保证对源端气体的加热；(3)当源端气体不需要被加热时，将废热全部传递至加湿装置；(4)当源端气体、加湿装置都不需要利用废热时，将尾气直接排出测试系统；

因此该装置不仅可以兼容多种应用场合，还可切换使用，能够根据测试系统的需要，最大程度利用尾气的废热，以此达到节能又高效的目的。

附图说明

图1是实施例的结构示意图；

图2是实施例中的控制框图。

图中：

11、进气管；12、出气管；13、回流管；14、排气管；

21、加湿装置；22、加热装置；23、电堆；

31、t1温度检测器；32、t2温度检测器；33、t3温度检测器；

4、三通切换阀QV；

5、三通切换阀FV；

61、一号尾气热交换器；62、二号尾气热交换器；

71、水管；72、泵体；73、电加热器；

8、背压阀；

9、PID控制器。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

实施例，一种热量回收装置，参照图1，包括电堆23，电堆23为燃料电池。电堆23两端连接有进气管11和出气管12，进气管11连接有供气气瓶，进气管11向燃料电池供气，出气管12对燃气电池排气。

进气管11上依次连接有加湿装置21和加热装置22和电堆23。电堆23的出气端连接有出气管12，气流从进气管11进入到电堆23，然后从出气管12排出。

加湿装置21、加热装置22是为了给到进气的气流湿度和温度调控。

出气管12上依次设置有背压阀8、t3温度检测器33和三通切换阀QV4,背压阀8位于t3温度检测器33的上游工位。

三通切换阀QV4包括1管口、2管口和3管口，1号管口连接出气管12，2管口连接排气管14，3管口连接回流管13；

回流管13上安装有三通切换阀FV5,三通切换阀FV5包括1号管口、2号管口和3号管口，1号管口连接回流管13，2号管口连接二号尾气热交换器62，3号管口连接一号尾气热交换器61。一号尾气热交换器61的出气口连接在排气管14；二号尾气热交换器62的出气口连接在排气管14。

一号尾气热交换器61安装在进气管11且一号尾气热交换器61位于加湿装置21的上游工位，回流管13的热气给到一号尾气热交换器61实现对进气管11的加热；

进气管11设有t1温度检测器31,t1温度检测器31位于一号尾气热交换器61和加湿装置21之间；t1温度检测器31可以检测一号尾气热交换器61加热后的进气管11气体温度。

加湿装置21设有水管71，二号尾气热交换器62安装在水管71；二号尾气热交换器62给到水管71加热，水管71内流动的水流回流到加湿装置21中使用。

水管71设有t2温度检测器32；相对于水管71上，t2温度检测器32位于二号尾气热交换器62的下游工位，t2温度检测器32可以检测经过二号尾气热交换器62加热后水流的实时温度。

水管71设有泵体72和电加热器73，电加热器73位于t2温度检测器32的下游工位，泵体72用于抽动水，使得水在水管71内流动，电加热器73是一个补充加热，当二号尾气热交换器62加后的水没有达到预定温度时，电加热器73启动使得水管71内的水温可以提升到预定的温度。水循环回路中串联了电加热器73，用于营造合适的加湿装置21水温用于气体的加湿。气体在流经加湿装置21的过程中会导致加湿装置21内水温的下降。同时，燃料电池运行中对气体的湿度有要求，需要电加热器73不断投入来提高气体的湿度。水循环回路中串联的二号尾气热交换器62，用于将尾气的热量传递给加湿装置21内的去离子水。

出气管12安装有背压阀8，背压阀8位于t3温度检测器33的上游工位；气体流出被测燃料电池后经背压阀8节流，可以营造出合适的燃料电池入口/出口压力，这样就可以保证燃料电池在正常电化学反应过程中对气体压力的要求。

三通切换阀FV5电连接有PID控制器9，PID控制器9设有和t1温度检测器31检测值比较用的阈值T；t1温度检测器31的温度数值<T,三通切换阀FV5打开回流管13和一号尾气热交换器61；t1温度检测器31的温度数值>T,三通切换阀FV5关闭回流管13和一号尾气热交换器61。

本装置的控制流程，参照图2：本控制流程中，

T1表示t1温度检测器31检测的实际温度数值；

T2表示t2温度检测器32检测的实际温度数值；

T3表示t3温度检测器33检测的实际温度数值。

1、当T1≥T3和T2≥T3时，此时热回收功能需要禁用，因此尾气热回收三通切换阀QV4的1管口和2管口完全导通，1管口和3管口完全截止，尾气直接从排气管14排放；

2、当T1≥T3和T2＜T3时，此时仅二号尾气热交换器62启用。尾气热回收三通切换阀QV4的1管口和3管口完全导通，1管口和2管口完全截止。

三通切换阀FV5的1号管口和2号管口完全导通，1号管口和3号管口完全截止，此时尾气的热量仅回收用于加湿回路；

3、当T1＜T3和T2≥T3时，此时仅一号尾气热交换器61启用，尾气热回收三通切换阀QV4的1管口和3管口完全导通，1管口和2管口完全截止；

尾气热回收三通调节阀FV中，1号管口和2号管口完全截止，1号管口和3号管口完全导通，此时尾气的热量仅回收用于对源端气体的加热。

4、当T1＜T3和T2＜T3时，此时一号尾气热交换器61与二号尾气热交换器62均启用。

三通切换阀QV4的1管口和3管口完全导通，1管口和2管口完全截止。

PID控制器9对三通调节阀FV进行开关朝向控制；PID控制器9一端电连接在t1温度检测器31；

PID控制器9内设定有阈值T,T1≤T,PID控制器9控制三通切换阀FV5打开回流管13和一号尾气热交换器61，也就是三通切换阀FV5的1号管口和2号管口完全截止、1号管口和3号管口完全导通。

T1>T,PID控制器9控制三通切换阀FV5关闭回流管13和一号尾气热交换器61，1号管口和2号管口完全导通、1号管口和3号管口完全截止，

基于实测值T1和设定值T的大小判断PID控制三通切换阀FV5开口朝向本设计会优先保证T1达到设定值T。

本设计的效果：

1、将燃料电池尾气中的热量，回收至测试系统的供气源端或加湿装置21，利用热交换的方式将尾气热量传递给新注入测试系统的低温气体或测试系统中的加湿装置21减小了能量的损耗。

2、本设计中还考虑了废热供给至源端气体或加湿装置21的自动判断与自动切换控制逻辑，优先保证尾气废热被源端气体利用；

3、适用于不同的应用现场，可灵活切换工作模式；

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种热量回收装置，包括电堆(23)，电堆(23)两端连接有进气管(11)和出气管(12)，进气管(11)上依次连接有加湿装置(21)和加热装置(22)，其特征是：出气管(12)上依次设置有t3温度检测器(33)和三通切换阀QV(4),

三通切换阀QV(4)的两个管口连接有排气管(14)和回流管(13)；

回流管(13)上安装有三通切换阀FV(5),三通切换阀FV(5)的一个管口连接有一号尾气热交换器(61)，三通切换阀FV(5)的另一个管口连接有二号尾气热交换器(62)，一号尾气热交换器(61)安装在进气管(11)且一号尾气热交换器(61)位于加湿装置(21)的上游工位，加湿装置(21)设有水管(71)，二号尾气热交换器(62)安装在水管(71)；

进气管(11)设有t1温度检测器(31),t1温度检测器(31)位于一号尾气热交换器(61)和加湿装置(21)之间；

水管(71)设有t2温度检测器(32)，t2温度检测器(32)位于二号尾气热交换器(62)的下游工位。

2.根据权利要求1所述的热量回收装置，其特征是：

三通切换阀QV(4)包括1管口、2管口和3管口，1号管口连接出气管(12)，2管口连接排气管(14)，3管口连接回流管(13)；

三通切换阀FV(5)包括1号管口、2号管口和3号管口，1号管口连接回流管(13)，2号管口连接二号尾气热交换器(62)，3号管口连接一号尾气热交换器(61)。

3.根据权利要求1所述的热量回收装置，其特征是：水管(71)设有泵体(72)和电加热器(73)，电加热器(73)位于t2温度检测器(32)的下游工位。

4.根据权利要求1所述的热量回收装置，其特征是：出气管(12)安装有背压阀(8)，背压阀(8)位于t3温度检测器(33)的上游工位。

5.根据权利要求1所述的热量回收装置，其特征是：二号尾气热交换器(62)的出气口连接在排气管(14)。

6.根据权利要求1所述的热量回收装置，其特征是：一号尾气热交换器(61)的出气口连接在排气管(14)。

7.根据权利要求1所述的热量回收装置，其特征是：三通切换阀FV(5)设有PID控制器(9)，PID控制器(9)设有和t1温度检测器(31)检测值比较用的阈值T；

t1温度检测器(31)的温度数值≤T,三通切换阀FV(5)打开回流管(13)和一号尾气热交换器(61)；

t1温度检测器(31)的温度数值>T,三通切换阀FV(5)关闭回流管(13)和一号尾气热交换器(61)。