CN205573730U - 一种燃料电池房车的热泵热水器*** - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种燃料电池房车的热泵热水器***，包括压缩机、冷凝器、电子膨胀阀、蒸发器、甲醇水储存容器、输送泵、重整器、燃料电池、电力转换***、房车马达及空气余气混合器；重整器产生高温余气，排向空气余气混合器；空气余气混合器用于将外界空气与高温余气混合成中温混合气体，输向蒸发器；燃料电池用于氢气与氧气发生电化学反应，产生电能输出；电力转换***用于将燃料电池输出的电能转换为负载所需求的电，为压缩机、输送泵及房车马达供电。本实用新型在室外空气低于零度时，仍能正常高效工作，蒸发器不会结霜，本实用新型能满足房车马达供电，噪声小、不污染空气环境，且能同时利用高温余气及外界空气热量，更节能省电。
Description
技术领域
本实用新型涉及房车热水器技术领域，特别涉及一种燃料电池房车的热泵热水器***。
背景技术
房车，又称“车轮上的家”，兼具“房”与“车”两大功能，但其属性还是车，是一种可移动、具有居家必备的基本设施的车种，房车车上的居家设施有：卧具、热水器、炉具、冰箱、橱柜、沙发、餐桌椅、盥洗设施、空调、电视、音响等家具和电器，可分为驾驶区域、起居区域、卧室区域、卫生区域、厨房区域等，房车是集“衣、食、住、行”于一身，实现“生活中旅行，旅行中生活”的时尚产品。
目前，绝大部分房车都以汽油、柴油为燃料，不仅消耗了石油资源，而且房车尾气造成大气污染。为应对此资源问题和环境问题，电动房车的开发变得非常重要。电动房车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶的车辆。电动房车包括纯电动房车、混合动力房车和燃料电池房车。在现有技术中，燃料电池房车是指装备了燃料电池作为获得驱动力的电源的电动房车，燃料电池房车的技术可参照本创作者于2014年12月31日申请的专利201410845114.6一种燃料电池汽车，以及2015年4月3日申请的专利201510156668.X多组合独立式醇水制氢燃料电池汽车。对于燃料电池房车来说，热水是必不可少的生活用品，因此如何设计热水器***至关重要。
电动房车用热水器***与普通的房车（内燃机驱动）热水器***相比，由于发动机不同而引发一系列新变化。主要体现在：1）普通的房车热水器***的压缩机依靠发动机通过一个电磁离合器驱动，而电动房车热水器压缩机自带电动机独立驱动；2）电动房车没有用来加热的发动机余热，不能提供作为房车热水器***的热源，必须自身具有加热功能，即要求电动房车具有制热的车用热泵热水器***。
车用热泵热水器***原理就是利用逆卡诺原理，蒸发器从室外空气中的环境热能中吸取热量以蒸发传热工质，工质蒸气经压缩机压缩后压力和温度上升，高温蒸气通过冷凝器冷凝成液体时，释放出的热量传递给水，冷凝后的传热工质通过膨胀阀返回到蒸发器，然后再被蒸发，如此循环往复。
然而，车用热泵热水器***的缺点是车外空气温度越低时供热量越小，特别是当车外空气温度低于零度时，热泵就难以正常工作，需要用电或其他辅助热源对空气进行加热，热泵的效率大大降低。并且，车用热泵热水器***的蒸发器上会结霜，需要定期除霜，除霜模块技术可参照中国专利申请201210152219.4用于空气源热泵***的除霜方法，空气源热泵增加除霜模块之后，不但稳定性降低、维护成本增加，而且也损失相当大一部分能量。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是针对上述现有技术中的不足，提供一种燃料电池房车的热泵热水器***，该热泵热水器***在车外空气低于零度时，仍能正常高效工作，蒸发器上也不会结霜，无需定期除霜，并且该热泵热水器***在满足自身供电的同时，还能为房车马达供电，噪声小、耗能低、不污染空气环境。
为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是：一种燃料电池房车的热泵热水器***，包括压缩机、冷凝器、电子膨胀阀、蒸发器、甲醇水储存容器、输送泵、重整器、燃料电池、电力转换***、房车马达及空气余气混合器；所述压缩机、冷凝器、电子膨胀阀与蒸发器之间形成热泵热水器***的工质输送回路；所述甲醇水储存容器储存有液态的甲醇水原料；所述输送泵用于将甲醇水储存容器中的甲醇水原料通过输送管道泵送至重整器的重整室；重整器设有重整室、氢气纯化装置、燃烧腔及排气囱口，所述重整室用于甲醇与水蒸气发生重整制氢反应制得氢气和二氧化碳的混合气体，所述氢气纯化装置用于分离出制得的氢气，该氢气输向燃料电池，所述燃烧腔用于部分制得的氢气与外界空气中的氧气燃烧，为重整器的运行提供热量；所述氢气纯化装置分离之后的二氧化碳、燃烧腔内氢气氧气燃烧产生的水汽以及外界空气中的未燃烧气体混合成高温余气，从排气囱口排向空气余气混合器；所述空气余气混合器用于将外界空气与高温余气混合成中温混合气体，输向蒸发器；所述燃料电池用于氢气与空气中的氧气发生电化学反应，产生电能输出；所述电力转换***用于将燃料电池输出的电能转换为负载所需求的电，为压缩机、输送泵及房车马达供电；所述房车马达用于驱动车轴旋转而使房车行驶。
优选地，所述压缩机与蒸发器之间设有汽液分离器，所述冷凝器与电子膨胀阀之间设有过滤器，所述电子膨胀阀与蒸发器之间也设有过滤器。
优选地，该热泵热水器***还包括水箱及循环泵，在循环泵的驱动下，水箱底部的冷水输向冷凝器，在冷凝器中，冷水吸收工质冷凝后所释放的热量变成热水，输回水箱上部；所述燃料电池输出的电能经电力转换***转换后，还为循环泵供电。
优选地，所述冷凝器包括水箱及输送工质的盘管，所述盘管外绕于水箱外侧。
优选地，所述空气余气混合器设有风扇及温度感应器，风扇用于将外界空气扇入空气余气混合器，温度感应器用于检测空气余气混合器内的混合气体温度，该混合气体温度范围为15～60℃。
优选地，所述输送泵与重整器之间的输送管道上设有换热器，低温的甲醇和水原料在换热器中，与重整器输出的高温氢气进行换热，甲醇和水原料温度升高，氢气温度降低。
优选地，所述氢气纯化装置为在多孔陶瓷表面真空镀钯银合金的膜分离装置，镀膜层为钯银合金，钯银合金的质量百分比钯占75%-78%，银占22%-25%。
优选地，所述燃料电池房车的热泵热水器***还包括缓冲蓄电池，该缓冲蓄电池的充电端连接电力转换***，该缓冲蓄电池可为房车马达供电。
本实用新型的有益效果是：其一、本实用新型在满足热泵热水器供电的同时，还能满足房车马达供电，在保证醇水燃料的供应下，可以长效供电；其二、本实用新型采用甲醇和水作为原料进行重整制氢，再利用燃料电池发电，无废渣和有害废气污染,清洁，不影响人体健康，甲醇来源广泛，是可再生能源，且重整器及燃料电池噪声小、耗能低；其三、由于高温余气排向空气余气混合器，并与外界空气混合成中温混合气体输向蒸发器，在蒸发器中，中温混合气体与工质换热，工质蒸发吸热，中温混合气体转化成低温混合气体后排出，因此，在任何低温空气环境（例如零度以下的空气环境），热泵热水器均能正常高效工作；其四、由于蒸发器输入的是中温混合气体，因此也不会结霜，无需定期除霜；其五、本实用新型使重整器的高温余气热量得到利用，从而提高了甲醇水原料的利用效率，与此同时，高温余气与外界空气混合后，热泵热水器能同时利用高温余气及外界空气的热量，使得热泵热水器更节能省电。
附图说明
图1为本实用新型一实施例的整体结构方框示意图。
图2为本实用新型另一实施例的整体结构方框示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的结构原理和工作原理作进一步详细说明。
如图1和图2所示，一种燃料电池房车的热泵热水器***，包括压缩机1、冷凝器2、电子膨胀阀3、蒸发器4、甲醇水储存容器5、输送泵6、重整器7、燃料电池8、电力转换***9、房车马达10及空气余气混合器11；所述压缩机1、冷凝器2、电子膨胀阀3与蒸发器4之间形成热泵热水器***的工质输送回路；所述甲醇水储存容器5储存有液态的甲醇水原料；所述输送泵6用于将甲醇水储存容器5中的甲醇水原料通过输送管道泵送至重整器7的重整室；重整器7设有重整室、氢气纯化装置、燃烧腔及排气囱口，重整器的结构可参照本申请人在此之前申请的中国专利申请201410311217.4、201410621689.X及201510476342.5，所述重整室用于甲醇与水蒸气发生重整制氢反应制得氢气和二氧化碳的混合气体，重整室内的温度为300-570℃温度，重整室内设有催化剂，在重整室内，甲醇与水蒸气在1-5M Pa的压力条件下通过催化剂，在催化剂的作用下，发生甲醇裂解反应和一氧化碳的变换反应，生成氢气和二氧化碳，这是一个多组份、多反应的气固催化反应***，反应方程为：(1)CH3OH→CO+2H2、(2)H2O+CO→CO2+H2
、(3)CH3OH+H2O→CO2+3H2
，重整反应生成的H2和CO2，所述氢气纯化装置用于分离出制得的氢气，该氢气输向燃料电池8，所述燃烧腔用于部分制得的氢气与外界空气中的氧气燃烧，为重整器7的运行提供热量；所述氢气纯化装置分离之后的二氧化碳、燃烧腔内氢气氧气燃烧产生的水汽以及外界空气中的未燃烧气体混合成高温余气，从排气囱口排向空气余气混合器11；所述空气余气混合器11用于将外界空气与高温余气混合成中温混合气体，输向蒸发器4；所述燃料电池8用于氢气与空气中的氧气发生电化学反应，产生电能输出，在燃料电池8的阳极：2H2→4H++4e-，H2***成两个质子和两个电子，质子穿过质子交换膜（PEM），电子通过阳极板，通过外部负载，并进入阴极双极板；在燃料电池8的阴极：O2+4e-+4H+→2H2O，质子、电子和O2重新结合以形成H2O；所述电力转换***9用于将燃料电池8输出的电能转换为负载所需求的电，为压缩机1、输送泵6及房车马达10供电；所述房车马达10用于驱动车轴旋转而使房车行驶。
如图1和图2所示，所述压缩机1与蒸发器4之间设有汽液分离器12，所述冷凝器2与电子膨胀阀3之间设有过滤器13，所述电子膨胀阀3与蒸发器4之间也设有过滤器13。
如图1所示，热泵热水器为循环式热水器，该热泵热水器***包括水箱14及循环泵15，水箱14内的水为动态水，在循环泵15的驱动下，水箱14底部的冷水输向冷凝器2，在冷凝器2中，冷水吸收工质冷凝后所释放的热量变成热水，输回水箱14上部；所述燃料电池8输出的电能经电力转换***9转换后，还为循环泵15供电。此外，冷水补水时从水箱14底部补入，热水出水时从水箱14上部流出。
如图2所示，热泵热水器为盘管式热水器，所述冷凝器2包括水箱16及输送工质的盘管17，所述盘管17外绕于水箱16外侧，水箱16内为静态水。此外，冷水补水时从水箱16底部补入，热水出水时从水箱16上部流出。
如图1和图2所示，所述空气余气混合器11设有风扇及温度感应器，风扇用于将外界空气扇入空气余气混合器11，温度感应器用于检测空气余气混合器11内的混合气体温度，该混合气体温度范围为15～60℃。
如图1和图2所示，所述输送泵6与重整器7之间的输送管道上设有换热器18，低温的甲醇和水原料在换热器18中，与重整器7输出的高温氢气进行换热，甲醇和水原料温度升高，氢气温度降低。
所述氢气纯化装置为在多孔陶瓷表面真空镀钯银合金的膜分离装置，镀膜层为钯银合金，钯银合金的质量百分比钯占75%-78%，银占22%-25%。
如图1和图2所示，所述燃料电池房车的热泵热水器***还包括缓冲蓄电池19，该缓冲蓄电池19的充电端连接电力转换***9，该缓冲蓄电池19可为房车马达10供电。通过使用燃料电池房车的控制装置，根据房车马达10的负荷缓冲蓄电池的蓄电量，将燃料电池8所发出的电供给房车马达10和缓冲蓄电池19。具体而言，例如在加速时等情况下，房车马达10负荷大的时候，向房车马达10供给来自燃料电池8和缓冲畜电池19的电，或者减速、制动时等情况下，将燃料电池8产生的电的一部分为缓冲蓄电池19充电。
上述燃料电池房车的热泵热水器***的制热方法，包括以下步骤：
a.重整器在运行过程中，发生甲醇水重整制氢反应，制得的氢气输向燃料电池，在燃料电池内，氢气与空气中的氧气发生电化学反应，产生电能输出，与此同时，从重整器的排气囱口排出高温余气；
b.高温余气排向空气余气混合器，并与外界空气混合成中温混合气体输向蒸发器，在蒸发器中，中温混合气体与工质换热，工质蒸发吸热，中温混合气体转化成低温混合气体后排出；燃料电池输出的电能经电力转换***转换后，为压缩机、输送泵及房车马达供电；
c.蒸发的工质经压缩机压缩后压力和温度迅速上升，高温蒸气通过冷凝器冷凝成液体时，释放出的热量传递给水，冷凝后的传热工质通过膨胀阀返回到蒸发器，然后再被蒸发，如此循环往复。
优选地，空气余气混合器中的温度传感器实时检测混合气体温度，并将温度信息反馈给控制装置，控制装置通过风扇调整外界空气的送入量，以控制混合气体的温度范围在15～60℃内。
以上所述，仅是本实用新型较佳实施方式，凡是依据本实用新型的技术方案对以上的实施方式所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均属于本实用新型技术方案的范围内。
Claims (8)
1.一种燃料电池房车的热泵热水器***，其特征在于：包括压缩机、冷凝器、电子膨胀阀、蒸发器、甲醇水储存容器、输送泵、重整器、燃料电池、电力转换***、房车马达及空气余气混合器；所述压缩机、冷凝器、电子膨胀阀与蒸发器之间形成热泵热水器***的工质输送回路；所述甲醇水储存容器储存有液态的甲醇水原料；所述输送泵用于将甲醇水储存容器中的甲醇水原料通过输送管道泵送至重整器的重整室；重整器设有重整室、氢气纯化装置、燃烧腔及排气囱口，所述重整室用于甲醇与水蒸气发生重整制氢反应制得氢气和二氧化碳的混合气体，所述氢气纯化装置用于分离出制得的氢气，该氢气输向燃料电池，所述燃烧腔用于部分制得的氢气与外界空气中的氧气燃烧，为重整器的运行提供热量；所述氢气纯化装置分离之后的二氧化碳、燃烧腔内氢气氧气燃烧产生的水汽以及外界空气中的未燃烧气体混合成高温余气，从排气囱口排向空气余气混合器；所述空气余气混合器用于将外界空气与高温余气混合成中温混合气体，输向蒸发器；所述燃料电池用于氢气与空气中的氧气发生电化学反应，产生电能输出；所述电力转换***用于将燃料电池输出的电能转换为负载所需求的电，为压缩机、输送泵及房车马达供电；所述房车马达用于驱动车轴旋转而使房车行驶。
2.根据权利要求1所述的燃料电池房车的热泵热水器***，其特征在于：所述压缩机与蒸发器之间设有汽液分离器，所述冷凝器与电子膨胀阀之间设有过滤器，所述电子膨胀阀与蒸发器之间也设有过滤器。
3.根据权利要求1所述的燃料电池房车的热泵热水器***，其特征在于：该热泵热水器***还包括水箱及循环泵，在循环泵的驱动下，水箱底部的冷水输向冷凝器，在冷凝器中，冷水吸收工质冷凝后所释放的热量变成热水，输回水箱上部；所述燃料电池输出的电能经电力转换***转换后，还为循环泵供电。
4.根据权利要求1所述的燃料电池房车的热泵热水器***，其特征在于：所述冷凝器包括水箱及输送工质的盘管，所述盘管外绕于水箱外侧。
5.根据权利要求1所述的燃料电池房车的热泵热水器***，其特征在于：所述空气余气混合器设有风扇及温度感应器，风扇用于将外界空气扇入空气余气混合器，温度感应器用于检测空气余气混合器内的混合气体温度，该混合气体温度范围为15～60℃。
6.根据权利要求1所述的燃料电池房车的热泵热水器***，其特征在于：所述输送泵与重整器之间的输送管道上设有换热器，低温的甲醇和水原料在换热器中，与重整器输出的高温氢气进行换热，甲醇和水原料温度升高，氢气温度降低。
7.根据权利要求1所述的燃料电池房车的热泵热水器***，其特征在于：所述氢气纯化装置为在多孔陶瓷表面真空镀钯银合金的膜分离装置，镀膜层为钯银合金。
8.根据权利要求1所述的燃料电池房车的热泵热水器***，其特征在于：还包括缓冲蓄电池，该缓冲蓄电池的充电端连接电力转换***，该缓冲蓄电池可为房车马达供电。
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| CN109774418A (zh) * | 2019-02-18 | 2019-05-21 | 珠海格力电器股份有限公司 | 一种空调***及其控制方法和汽车 |
| KR20230056808A (ko) * | 2021-10-19 | 2023-04-28 | 한국철도기술연구원 | 내부열교환기를 갖는 히트펌프를 이용한 액화수소 기화장치 |
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| KR102599151B1 (ko) * | 2021-10-19 | 2023-11-09 | 한국철도기술연구원 | 내부열교환기를 갖는 히트펌프를 이용한 액화수소 기화장치 |
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