CN110492135B - 燃料电池汽车余热发电***及其工作方法、燃料电池汽车 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种燃料电池汽车余热发电***及其工作方法、燃料电池汽车。包括温差发电模块、DC‑DC电源模块、燃料电池堆、燃料电池散热***、三通阀。本发明利用温差发电及相变储热技术对燃料电池废热进行回收利用，可以降低燃料电池的散热要求，提高进入燃料电池堆的冷却液温度的稳定性，增强燃料电池汽车在寒冷地区的适应性，实现燃料电池汽车的低温环境下的快速冷启动，具有结构简单，无需维护，无运动部件，无介质泄漏等显著优点。

Description

燃料电池汽车余热发电***及其工作方法、燃料电池汽车
技术领域
本发明属于燃料电池应用技术领域，特别是涉及燃料电池汽车余热发电***及其工作方法、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。燃料电池工作时会产生与发电量相当的余热废热，若能将此部分热量再利用于发电，则可进一步提高发电效率和燃料利用率。
燃料电池工作温度大约在65℃左右，属于低品位余热，而且燃料电池汽车没有热水需求，加之空间极其紧张，因此可采用低温半导体温差发电作为余热利用技术。半导体温差发电热电材料能将热能直接转换成电能，具有结构简单，无需维护，无运动部件，无介质泄露，体积小、重量轻、移动方便、使用寿命长，环境友好等显著优点。随着热电材料的发展，具有更高优值的温差半导体材料将逐渐出现，因此利用温差发电对燃料电池汽车的低品位余热进行二次发电，可以有效的提高能量的利用率。
汽车在路上行驶时，随时可能遇到停车、启动、加速，刹车和爬坡等情况，因此车用燃料电池在工作时，其工作状态不连续，导致其释放的热量也不连续，出堆的冷却水温度不恒定，所以引起温差发电效率降低。
如果能提供一种充分利用汽车的燃料电池工作余热进行温差发电的技术方案，将是十分有意义的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供了燃料电池汽车余热发电***。
本发明采用的技术方案如下：燃料电池汽车余热发电***，包括温差发电模块、DC-DC电源模块、燃料电池堆、燃料电池散热***、三通阀，氢气供应***，空气供应***；燃料电池散热***包括散热器和冷却循环水泵；温差发电模块包括热面、冷面、设置在冷面与热面之间的温差发电片阵列、与热面固定在一起的储热箱、与冷面固定在一起的散热片，所述温差发电片阵列设置有输出电极，所述储热箱设置有入口和出口；储热箱由导热金属材质制作，内部填充相变材料，且留有未填充的真空空间，储热箱内具有液体管道，管道的两端分别作为储热箱出口、储热箱入口，管道浸没在相变材料中。
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。
各部分的连接关系为：
燃料电池堆的冷却液入口连接冷却循环水泵的出口，燃料电池堆的冷却液出口连接温差发电模块的储热箱入口；氢气入口、氢气出口连接外部的氢气供应***；空气入口、空气出口连接外部的空气供应***。
储热箱的出口连接三通阀入口，三通阀的一个出口连接散热器冷却液入口，三通阀另一出口与散热器的冷却液出口一同连接冷却循环水泵入口。
温差发电模块的输出电极与DC-DC电源模块连接。
进一步的，温差发电片阵列的温差发电片为半导体温差发电片。
进一步的，利用CAN总线控制DC-DC电源模块。
进一步的，储热箱通过导热硅胶固定在热面上，和/或散热片通过导热硅胶固定在冷面上。
进一步的，散热片垂直于冷面设置。
上述燃料电池汽车余热发电***的工作方法，包括如下步骤：
步骤一：燃料电池工作，向储热箱输出冷却液，若相变材料工作在相变状态，则进行步骤二后进行步骤四，若相变材料已完全相变，工作在显热存储状态，则进行步骤三后进行步骤四。
步骤二：关闭三通阀连接散热器的出口，冷却液沿着储热箱内的管道流动，若冷却液温度高于相变材料的温度，储热箱吸热，使冷却液温度降低，若冷却液温度低于相变材料的温度，储热箱放热，使冷却液温度升高，从而使燃料电池堆的冷却液温度保持恒定，散热器52不工作。
步骤三：打开三通阀连接散热器的出口，启动散热器，关闭三通阀连接冷却循环水泵的出口，进行主动散热，调节冷却液温度。
步骤四：温差发电片阵列冷热两端产生温差，温差发电片阵列输出电能给DC-DC电源模块。
上述燃料电池汽车余热发电***的工作方法，包括燃料电池停止工作，储热箱放热，关闭三通阀连接散热器的出口，开启另一出口，冷却循环水泵低速工作的步骤。
进一步的，还包括控制三通阀开启连接散热器的出口，关闭另一出口，通过储热箱放热，为***预热的步骤。
进一步的，还包括DC-DC电源模块输出电能给储能电池和/或用电设备的步骤。
一种燃料电池汽车，包含上述的燃料电池汽车余热发电***。
与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：
本发明设计了一种新型的余热温差发电技术方案，能较好的适用于燃料电池电池中，能较好的利用电池余热进行发电。提高燃料电池发电效率，且环境温度越低效果越好。燃料电池废热用于温差发电，同时降低了燃料电池散热的要求，提高进入燃料电池堆的冷却液温度的稳定性，增强燃料电池汽车在寒冷地区的适应性；实现燃料电池汽车的低温环境下的快速冷启动。
本发明结构简单，设计精巧，且无需维护，无运动部件，无介质泄露，体积小、重量轻、移动方便、使用寿命长，环境友好等显著优点。
附图说明
图1为燃料电池汽车余热发电***结构示意图。
图2为温差发电模块结构示意图。
图3为温差发电片阵列示意图。
附图标记：1：温差发电模块；2：燃料电池堆；3：氢气供应***；4：空气供应***；5：燃料电池散热***；6：用电设备；7：DC-DC电源模块；8：储能电池；11：散热片；12：温差发电片阵列；13：真空层；14：相变材料；15：管道；16：隔热材料，51：三通阀；52：散热器；53：冷却循环水泵。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
本发明提供了一种燃料电池汽车余热发电***及其工作方法、燃料电池汽车。
如图1所示，所述***包括温差发电模块1、DC-DC电源模块7、燃料电池堆2、燃料电池散热***5、三通阀51。燃料电池散热***5包括散热器52和冷却循环水泵53。应当理解，当本***应用于燃料电池汽车时，燃料电池堆2就是汽车所使用的电池。
如图2所示，温差发电模块1包括热面、冷面、设置在冷漠与热面之间的温差发电片阵列12、与热面固定在一起的储热箱、与冷面固定在一起的散热片11，所述温差发电片阵列12设置有输出电极，所述储热箱设置有入口和出口。
储热箱是由导热金属材质制作，内部填充相变材料14，且留有部分空间未填充，储热箱内具有液体流动的管道15，管道15的两端分别作为储热箱的出口、入口，管道15浸没在相变材料14中，优选为螺旋排列结构的通路，此结构可使管道15与相变材料14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14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。其蓄热密度大，使其适合用于热量供给不连续或供给与需求不协***况下的热能缓冲，另外，其吸热和放热过程近似恒温，可以以此来控制体系的温度，因此可以用相变储热装置来平滑燃料电池的热量供给和恒定温差发电的热端温度，提高温差发电效率和发电稳定性。另外，相变储热装置还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。
散热器52设置有冷却液入口、冷却液出口。
***各部分的连接关系为：
燃料电池堆2的冷却液入口连接冷却循环水泵53的出口，燃料电池堆2的冷却液出口连接温差发电模块1的储热箱入口。氢气入口、氢气出口连接外部的氢气供应***3；空气入口、空气出口连接外部的空气供应***4。
储热箱出口连接三通阀51入口，三通阀51的一个出口连接散热器52冷却液入口，三通阀51另一出口与散热器52的冷却液出口一同连接冷却循环水泵53入口。
温差发电模块1的输出电极与DC-DC电源模块7连接。
优选的，散热片11垂直于冷面设置。原因是因为本发明尤其适用于汽车，温差发电模块1冷面置于车顶部裸露在环境中，车辆行驶时可增强散热效果，维持温差发电片阵列12冷热两面的较大温差。
优选的，储热箱通过导热硅胶固定在热面上，和/或散热片11通过导热硅胶固定在冷面上。导热硅胶是高端的导热化合物，不会固体化、不会导电的特性，可以避免诸如电路短路等风险。
优选的，燃料电池堆2、温差发电模块1、三通阀51以及连接它们的管道15所构成的散热回路均由隔热材料16封装，减少停车时散热回路的热损耗。
进一步的，DC-DC电源模块7输出端连接储能电池8和/或用电设备6。需要说明的是，储能电池8并非一定是本***固有的部分，其可以属于或者不属于本***的一部分，均在本发明的保护范围之内。储能电池8能将所发电能进行存储。用电设备6则能直接使用所发电能。
优选的，利用CAN总线控制DC-DC电源模块7输出不同电压等级(如12V，24V，48V等)和电流值。
如图3所示为温差发电片阵列12的详细视图。从图中可以看出，本实施例使用的是半导体温差发电片。每一行或每一列中，N型半导体与P型半导体交替设置，同一行中的半导体进行串联，各行半导体再进行串联，两端的半导体上固定有输出电极，也可根据实际情况选择其他串并联形式。本发明采用半导体温差发电技术回收废热。半导体温差发电热电材料能将热能直接转换成电能，具有结构简单，无需维护，无运动部件，无介质泄露，体积小、重量轻、移动方便、使用寿命长，环境友好等显著优点。温差发电冷热面温差越大效率越高。温差发电片利用半导体热电材质制成，设置有电能输出端。输出的电能进行转化后能进行存储或者使用。
上述***的工作方流程为：
步骤一：燃料电池工作，向储热箱输出冷却液，若相变材料14工作在相变状态，则进行步骤二，若相变材料14已完全相变，工作在显热存储状态，则进行步骤三；
步骤二：关闭三通阀51连接散热器52的出口，冷却液沿着储热箱内的管道15流动，若冷却液温度高于相变材料14，热端储热箱吸热，使冷却液温度降低，反之，若冷却液温度低于相变材料14，热端储热箱放热，使冷却液温度升高，从而使燃料电池堆2的冷却液温度保持恒定，散热器52不工作；
步骤三：打开三通阀51连接散热器52的出口，启动散热器52，关闭三通阀51连接冷却循环水泵53的出口，进行主动散热，调节冷却液温度。
步骤四：温差发电片阵列12冷热两端产生温差，温差发电片阵列12输出电能给DC-DC电源模块7。
还包括DC-DC电源模块7输出电能给储能电池8和/或用电设备6的步骤。
进一步的，还包括燃料电池停止工作，储热箱放热，关闭三通阀51连接散热器52的出口，开启另一出口，冷却循环水泵53低速工作(低功耗模式)，为燃料电池堆2保温的步骤。
进一步的，还包括控制三通阀51开启连接散热器52的出口，关闭另一出口，通过热端储热箱放热，为***预热，从而实现燃料电池的快速冷启动的步骤。该步骤尤其适用于车辆启动时的***预热。
本发明还公开一种燃料电池汽车，包含上述燃料电池汽车余热发电***，燃料电池堆2是汽车固有的电池，散热片11优选突出于车顶设置，以最大可能的增加温差，提高发电效率。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。

Claims (8)

1.燃料电池汽车余热发电***的工作方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：燃料电池工作，向储热箱输出冷却液，若相变材料工作在相变状态，则进行步骤二后进行步骤四，若相变材料已完全相变，工作在显热存储状态，则进行步骤三后进行步骤四；
步骤二：关闭三通阀连接散热器的出口，冷却液沿着储热箱内的管道流动，若冷却液温度高于相变材料的温度，储热箱吸热，使冷却液温度降低，若冷却液温度低于相变材料的温度，储热箱放热，使冷却液温度升高，从而使燃料电池堆的冷却液温度保持恒定，散热器不工作；
步骤三：打开三通阀连接散热器的出口，启动散热器，关闭三通阀连接冷却循环水泵的出口，进行主动散热，调节冷却液温度；
步骤四：温差发电片阵列冷热两端产生温差，温差发电片阵列输出电能给DC-DC电源模块；
所述燃料电池汽车余热发电***，包括：
温差发电模块、DC-DC电源模块、燃料电池堆、燃料电池散热***、三通阀，氢气供应***，空气供应***；燃料电池散热***包括散热器和冷却循环水泵；温差发电模块包括热面、冷面、设置在冷面与热面之间的温差发电片阵列、与热面固定在一起的储热箱、与冷面固定在一起的散热片，所述温差发电片阵列设置有输出电极，所述储热箱设置有入口和出口；储热箱是由导热金属材质制作，内部填充相变材料，且留有未填充的真空空间，储热箱内具有液体管道，管道的两端分别作为储热箱出口、储热箱入口，管道浸没在相变材料中；
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；
各部分的连接关系为：
燃料电池堆的冷却液入口连接冷却循环水泵的出口，燃料电池堆的冷却液出口连接温差发电模块的储热箱入口；氢气入口、氢气出口连接外部的氢气供应***；空气入口、空气出口连接外部的空气供应***；
储热箱出口连接三通阀入口，三通阀的一个出口连接散热器冷却液入口，三通阀另一出口与散热器的冷却液出口一同连接冷却循环水泵入口；
温差发电模块的输出电极与DC-DC电源模块连接。
2.如权利要求1所述的燃料电池汽车余热发电***的工作方法，其特征在于，还包括燃料电池停止工作，储热箱放热，关闭三通阀连接散热器的出口，开启另一出口，冷却循环水泵低速工作的步骤。
3.如权利要求1所述的燃料电池汽车余热发电***的工作方法，其特征在于，还包括控制三通阀开启连接散热器的出口，关闭另一出口，通过储热箱放热，为***预热的步骤。
4.如权利要求1所述的燃料电池汽车余热发电***的工作方法，其特征在于，还包括DC-DC电源模块输出电能给储能电池和/或用电设备的步骤。
5.如权利要求1所述的燃料电池汽车余热发电***的工作方法，其特征在于，温差发电片阵列的温差发电片为半导体温差发电片。
6.如权利要求1所述的燃料电池汽车余热发电***的工作方法，其特征在于，利用CAN总线控制DC-DC电源模块。
7.如权利要求1所述的燃料电池汽车余热发电***的工作方法，其特征在于，储热箱通过导热硅胶固定在热面上，和/或散热片通过导热硅胶固定在冷面上。
8.如权利要求1所述的燃料电池汽车余热发电***的工作方法，其特征在于，散热片垂直于冷面设置。
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