CN114744241A - 一种燃料电池余热高效利用***及控制方法 - Google Patents

一种燃料电池余热高效利用***及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池余热高效利用***及控制方法，属于燃料电池车辆供暖技术领域，解决了现有技术中燃料电池余热利用效率低的问题，对余热的利用的量能够精准可调，具体方案如下：一种燃料电池余热高效利用***，包括燃料电池***和散热风扇***与板式换热器第一端组成的液冷循环回路，板式换热器第二端设置用于整车供暖的水暖循环回路，所述水暖循环回路上设置多个散热器和水泵，水泵出水端设置水暖加热器，板式换热器第二端上的进水口处设置水暖电控三通阀，水暖电控三通阀通过管路连接板式换热器第二端上的出水口，靠近该出水口处设置温度传感器。

Description

一种燃料电池余热高效利用***及控制方法
技术领域
本发明涉及燃料电池车辆供暖技术领域，尤其是一种燃料电池余热高效利用***及控制方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
燃料电池是利用燃料化学能直接转化为电能和热能的装置，燃料电池发动机工作状态下，在向外输出电能的同时，也会发出大量的热能，以燃料电池发动机的工作效率为50％计算，每发出1kW的电能，便有1kW的热能产生，这些热能会通过燃料电池散热***释放至大气，造成严重能量的浪费。如果将此部分热能在冬季收集至乘客舱进行供暖，将大大提高整车在冬季运行的经济性，使得燃料电池车辆用能更合理；
现有技术中存在燃料电池车辆的余热利用在冬季是采用多个单独循环回路的方式，其存在余热利用效率低的问题，并且除霜困难，为了做到进一步提升燃料电池发动机余热利用效率的同时，能够对余热的利用的量实现精准可调，需要一种燃料电池余热高效利用***来解决上述不足之处。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种燃料电池余热高效利用***及控制方法，解决现有技术中燃料电池车辆的余热利用效率不高并且除霜困难的技术问题。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
一种燃料电池余热高效利用***，包括燃料电池***和散热风扇***与板式换热器第一端组成的液冷循环回路，板式换热器第二端设置用于整车供暖的水暖循环回路，所述水暖循环回路上设置多个散热器和水泵，水泵出水端设置水暖加热器，板式换热器第二端上的进水口处设置水暖电控三通阀，水暖电控三通阀通过管路连接板式换热器第二端上的出水口，靠近该出水口处设置温度传感器。
如上所述的一种燃料电池余热高效利用***，所述水暖加热器出水口后通过三通阀并联一支路并设置除霜散热器，所述水暖电控三通阀将所述水暖循环回路分为大循环回路和小循环回路。
如上所述的一种燃料电池余热高效利用***，所述液冷循环回路上设置燃电端电控三通阀，燃电端电控三通阀的进水口和第一出水口设于所述液冷循环回路中，其第二出水口通过管路连接所述燃料电池***的进水口。
如上所述的一种燃料电池余热高效利用***，所述燃电端电控三通阀的进水口和所述燃料电池***出水口之间设置燃电端加热器。
如上所述的一种燃料电池余热高效利用***，所述燃电端加热器和燃料电池***出水口之间设置燃电端水泵。
如上所述的一种燃料电池余热高效利用***，所述液冷循环回路上的散热风扇***进水口连接所述板式换热器第一端的出水口，散热风扇***出水口连接所述燃料电池***的进水口。
如上所述的一种燃料电池余热高效利用***，所述余热利用***本体还包括控制模块，控制模块与所有用电设备电性连接。
如上所述的一种燃料电池余热高效利用***，所述散热器为串联连接方式并水平排列，散热器在所述水暖循环回路中均匀分布。
第二方面，本发明提供一种燃料电池余热高效利用***的控制方法，燃料电池***不工作时，控制模块通过控制水暖电控三通阀实现小循坏回路为整车供热；
燃料电池***工作时，控制模块控制大循环回路和液冷循环回路同时工作，当温度传感器检测到温度低于设定阈值时，开启水暖加热器，补足燃料电池***所需供应的热量。
如上所述的一种燃料电池余热高效利用***的控制方法，当整车前挡风玻璃有霜时，控制模块控制三通阀实现除霜散热器为整车前挡风玻璃除霜使用。
上述本发明的有益效果如下：
本发明通过将大循环回路和小循环回路合并在一起，通过一个水暖电控三通阀实现不同工作方式之间的快速切换，相较于设置多个单独的循环回路的方案，能够最大程度上降低热量损耗，从而实现燃料电池***余热的高效利用，同时具有对***合理分配，节省空间和成本的特点，整个***结构简单，控制精准，通过结构和控制策略的搭配实现高效的余热利用。实现整车降成本同时，提升了整车舒适性。
通过板式换热器在水暖循环回路的出水口处设置温度传感器，并利用控制模块监测温度传感器的数值并与温度设定阈值比较，实现循环回路之间不同工作方式的切换，保证对燃料电池余热的高效利用。
燃电端PTC加热器能够实现燃料电池***的快速预热，减少周期循环的路程及时间，避免了不必要的热量损耗，减少耗电量的同时提高了预热效率，使得电堆升温速度更快，进一步减少使用者的等待时间。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明一种燃料电池余热高效利用***示意图。
图2是本发明一种燃料电池余热高效利用***的等轴侧视结构示意图。
图3是本发明一种燃料电池余热高效利用***的俯视结构示意图。
图4是本发明一种燃料电池余热高效利用***的正视结构示意图。
图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意。
其中：1、板式换热器，2、水暖电控三通阀，3、散热器，4、水暖PTC加热器，5、水泵，6、小循环回路，7、大循环回路，8、燃料电池***，9、散热风扇***，10、燃电端电控三通阀，11、燃电端PTC加热器，12、除霜散热器，13、温度传感器，101、余热利用***本体，102、控制模块。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
正如背景技术所介绍的，现有技术中燃料电池车辆的余热在冬季利用效率不高并且除霜困难的问题，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种燃料电池余热高效利用***及控制方法。
实施例一
本发明的一种典型的实施方式中，参考图1-图4所示，一种燃料电池余热高效利用***，包括余热利用***本体101，***本体包括燃料电池***8和散热风扇***9与板式换热器第一端组成的液冷循环回路，液冷循环回路上设置燃电端电控三通阀10，燃电端电控三通阀10的进水口和第一出水口设于液冷循环回路中，其第一出水口连接板式换热器1第一端的进水口，其第二出水口通过管路连接燃料电池***8的进水口；
进一步的，燃电端电控三通阀10的进水口和燃料电池***8出水口之间设置燃电端加热器，本实施例采用燃电端PTC加热器11，燃电端电控三通阀10位于燃电端PTC加热器11和板式换热器之间，燃电端PTC加热器11和燃料电池***8出水口之间设置燃电端水泵，液冷循环回路上的散热风扇***9进水口连接板式换热器1第一端的出水口，散热风扇***9出水口连接燃料电池***8的进水口，燃电端PTC加热器11能够实现燃料电池***8的快速预热，减少周期循环的路程及时间，避免了不必要的热量损耗，减少耗电量的同时提高了预热效率，使得电堆升温速度更快，进一步减少使用者的等待时间。
可以理解的是，板式换热器1、燃电端电控三通阀10、燃电端PTC加热器11、燃电端水泵、燃料电池***8、散热风扇***9是通过硅橡胶管路连接形成散热回路。
板式换热器1第二端设置用于整车供暖的水暖循环回路，水暖循环回路上串联设置多个散热器3和一个水泵5，其中散热器为串联连接方式并水平排列，散热器3在水暖循环回路中均匀分布，水暖循环回路位于整车底部进行合理布置，散热器3通过相应的风扇将热量吹向乘客舱，为车辆的乘客舱提供热量，散热器3的数量可以根据车体的情况而具体选择。
进一步的，在水泵出水端设置水暖加热器，本实施例为水暖PTC加热器4，水暖PTC加热器出水口后通过三通阀并联一支路并设置除霜散热器12，以便于通过控制三通阀实现除霜散热器12对整车前挡风玻璃除霜。
板式换热器1第二端上的进水口处设置水暖电控三通阀2，水暖电控三通阀2的进水口和第一出水口位于水暖循环回路上，水暖电控三通阀的第二出水口通过管路实现一并联支路连接板式换热器1第二端上的出水口，靠近该出水口处设置温度传感器13，本实施例例通过设置水暖电控三通阀将水暖循环回路分为大循环回路7和小循环回路6。其中大循环回路7也为水暖循环回路，其用于实现燃料电池***8的余热经过板式换热器传输到水暖循环回路中，而小循环回路6为水暖循环回路上通过设置水暖电控三通阀2实现并联的回路，其回路中不包含板式换热器，用于在燃料电池***8不工作时通过开启水暖PTC加热器4整车进行供热，温度传感器13设置于大循环回路7上。
余热利用***本体101还包括控制模块，控制模块102与本实施例所有的用电设备电性通讯连接，控制模块102能够准确监控温度传感器13的温度值，通过与设定阈值比较温度的高低，进而判断是否需要开启水暖PTC加热器4，从而实现精确调控。
可以理解的是，板式换热器1、水暖电控三通阀2、散热器3、水暖PTC加热器4、水泵5、温度传感器13之间是通过食品级橡胶管路连接形成水暖循环回路，板式换热器的第一端和第二段分别串联于液冷循环回路和水暖循环回路中，目的是为了在燃料电池***8运行过程中进行热传递，热交换，水泵5能够促进大循环回路7和小循环回路6管路中的液体循环流动，促进热传导到各个部位，加速板式换热器的换热效率，从而满足乘客舱供暖需求。
本实施例通过在大循环回路7中板式换热器1的两端利用水暖电控三通阀2并联一支路得到小循环回路6，实现小循环回路6主体部分均镶嵌在大循环回路7中，当燃料电池***8不工作时，控制模块控制水暖电控三通阀2，开启小循环回路，利用水暖PTC加热器4为整车电加热；
当燃料电池***8工作时，水暖电控三通阀2关闭并联支路，实现板式换热器参与进大循环回路中进行热交换为整车供热，同时温度传感器能够实时检测水的温度，当温度低于设定阈值时，控制模块控制水暖PTC加热器4，实现燃料电池***工作供热不足的部分，由水暖PTC加热器4补足，从而精确合理规划乘客舱热量需求。在必要时，开启三通阀实现除霜散热器12为整车前挡风玻璃除霜使用。
上述方案将大循环回路和小循环回路合并在一起，通过一个水暖电控三通阀2实现不同工作方式之间的快速切换，相较于设置多个单独的循环回路的方案，能够最大程度上降低热量损失，从而实现燃料电池***余热的高效利用，同时具有对***合理分配，节省空间和成本的特点，整个***结构简单，控制精准，通过结构和控制策略的搭配实现高效的余热利用。实现整车降成本同时，提升了整车舒适性。
实施例二
本实施例提供一种燃料电池余热高效利用***的控制方法，共有三种工作方式：
首先当燃料电池***没有运行时，控制模块通过控制水暖电控三通阀实现小循坏回路6开启，水暖PTC加热器4开启，大循环回路7关闭，水泵5开启带动水加速流动，能够及时为乘客舱供暖。
当燃料电池***8正常工作时，控制模块控制大循环回路7和液冷循环回路同时工作，控制水暖电控三通阀2使得小循环回路6关闭，控制模块精细化控制散热风扇***9的开度，当温度传感器13检测到板式换热器1出水口的水温度低于设定阈值时，开启水暖PTC加热器，补足燃料电池所需供应的热量。若温度高于阈值，则水暖PTC加热器4处于关闭状态。
当整车前挡风玻璃有霜时，控制模块控制三通阀实现除霜散热器为整车前挡风玻璃除霜使用，此外，当水暖循环回路处于关闭状态时，散热风扇***9中风扇通过快速运转进行排热。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种燃料电池余热高效利用***，其特征在于，包括燃料电池***和散热风扇***与板式换热器第一端组成的液冷循环回路，板式换热器第二端设置用于整车供暖的水暖循环回路，所述水暖循环回路上设置多个散热器和水泵，水泵出水端设置水暖加热器，板式换热器第二端上的进水口处设置水暖电控三通阀，水暖电控三通阀通过管路连接板式换热器第二端上的出水口，靠近该出水口处设置温度传感器。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池余热高效利用***，其特征在于，所述水暖加热器出水口后通过三通阀并联一支路并设置除霜散热器，所述水暖电控三通阀将所述水暖循环回路分为大循环回路和小循环回路。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池余热高效利用***，其特征在于，所述液冷循环回路上设置燃电端电控三通阀，燃电端电控三通阀的进水口和第一出水口设于所述液冷循环回路中，其第二出水口通过管路连接所述燃料电池***的进水口。
4.根据权利要求3所述的一种燃料电池余热高效利用***，其特征在于，所述燃电端电控三通阀的进水口和所述燃料电池***出水口之间设置燃电端加热器。
5.根据权利要求4所述的一种燃料电池余热高效利用***，其特征在于，所述燃电端加热器和燃料电池***出水口之间设置燃电端水泵。
6.根据权利要求5所述的一种燃料电池余热高效利用***，其特征在于，所述液冷循环回路上的散热风扇***进水口连接所述板式换热器第一端的出水口，散热风扇***出水口连接所述燃料电池***的进水口。
7.根据权利要求1所述的一种燃料电池余热高效利用***，其特征在于，所述余热利用***本体还包括控制模块，控制模块与所有用电设备电性连接。
8.根据权利要求1所述的一种燃料电池余热高效利用***，其特征在于，所述散热器为串联连接方式并水平排列，散热器在所述水暖循环回路中均匀分布。
9.一种燃料电池余热高效利用***的控制方法，包括如权利要求1-8任一所述的一种燃料电池余热高效利用***，其特征在于，燃料电池***不工作时，控制模块通过控制水暖电控三通阀实现小循坏回路为整车供热；
燃料电池***工作时，控制模块控制大循环回路和液冷循环回路同时工作，当温度传感器检测到温度低于设定阈值时，开启水暖加热器，补足燃料电池***所需供应的热量。
10.如权利要求9所述的一种燃料电池余热高效利用***的控制方法，其特征在于，当整车前挡风玻璃有霜时，控制模块控制三通阀实现除霜散热器为整车前挡风玻璃除霜使用。
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