【技术实现步骤摘要】
：本专利技术涉及一种集成热泵能量回收系统的燃料电池及能量回收控制方法。
技术介绍
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技术介绍
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1、燃料电池是一种通过氢气和氧气电化学反应产生电能的能量转换装置,具有能量转换效率高，结构简单、低噪音、无污染等优点。燃料电池通常工作在较高的操作压力下，即，进入电堆的空气需要被压缩到一定的压力，其中的氧气与电堆阳极的氢气进行电化学反应，产生电，并生成水和热量。反应完排出的空气仍有较高的压力，这部分压力和温度高于大气的气体携带有较高的能量。
2、目前燃料电池普遍将反应完的气体通过尾排直接排出，不对尾气做任何处理。也有部分采用带有涡轮膨胀机的空气压缩机，通过涡轮膨胀机回收排放出来的尾气中的能量，降低空气压缩机的功耗,进而提高燃料电池系统的效率。因燃料电池反应完排出的尾排气中含有大量的液态水及水蒸气，为避免对膨胀机的腐蚀，一般要求将进入膨胀机的液态水进行分离。从燃料电池排出口到膨胀机的入口之间一般设置有诸如加湿器、背压阀、分水器及管路等，会造成尾排气体的温度降低。而且气体温度越低，水蒸气的饱和浓度越低，液态水越多，对分水器的要求增高，可能进一步导致压降增大。所以，进入膨胀机的气体温度越高，系统的能量回收效率越高。因此，需要尽量提高进入膨胀机的气体温度。
3、目前，市场上有2种提高进入膨胀机的尾排气温度的技术方案：
4、方案一：在空压机和中冷器间设置空空换热器，利用空压机出口的高温气体对尾排气体进行热交换，使进入膨胀机的气体温度升高，具体结构见如图1所示，方案一中空压机出口虽然温度高，但是能
5、方案二：在空压机和中冷器间设置一套空液换热器及蓄热泵和蓄热罐，在分水器和膨胀机入口之间设置另一套空液换热器及蓄热泵和蓄热罐，并通过蓄热罐来控制换热介质的流量来达到控制进入电堆的气体温度；目的是也将空压机出口的高温气体能量转移到膨胀机的入口，使进入到膨胀机的气体温度升高，并且不影响电堆的正常工作。方案二需要设置空液换热器及蓄热泵和蓄热罐，仍存在的问题或缺陷：设置两套蓄热泵及蓄热罐，系统结构复杂，存在电堆入口气体温度失控的风险。
技术实现思路
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技术实现思路
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1、本专利技术的目的是提供一种集成热泵能量回收系统的燃料电池及能量回收控制方法，解决目前燃料电池尾气能量回收要么效率不高，要么回收策略不合理导致结构复杂，且存在温度失控风险的技术问题。
2、本专利技术的目的是通过下述技术方案予以实现的。
3、一种集成热泵能量回收系统的燃料电池，包括电堆模块、供氢回氢系统、空气供应系统和冷却系统，供氢回氢系统与电堆模块的氢气入口和氢气出口连接，空气供应系统与电堆模块与空气入口和空气出口连接，冷却系统与电堆模块的冷却液入口和冷却液出口连接，其中空气供应系统包括空气压缩机，外部空气经过空气压缩机压缩升温后送到电堆模块的空气入口，空气压缩机是带有膨胀机的空气压缩机，电堆模块的空气出口排出的尾排气进入膨胀机，利用膨胀机对尾排气进行能量回收，其特征在于：在冷却系统与空气供应系统之间设置有热泵系统，热泵系统在冷却系统中吸收废弃的热量后对电堆模块的排出的尾排气进行加热升温，提高进入膨胀机的尾排气温度，从而提升膨胀机的能量回收效率。
4、上述带有膨胀机的空气压缩机包括电机、空气机机头和膨胀机，空气机机头和膨胀机分别安装在电机的转轴的两端。
5、上述的热泵系统包括冷凝器、热泵压缩机、节流装置、蒸发器和热媒介质，在冷凝器、热泵压缩机、节流装置和蒸发器之间用管路连接形成循环路径，热媒介质在循环路径里流动。
6、上述的空气供应系统还包括空气过滤器、流量计、中冷器、增湿器、背压阀和分水器，外部空气经过空气过滤器、流量计、空气压缩机、中冷器、增湿器送到电堆模块的空气入口，中冷器与冷却系统连接并从冷却系统获取冷却液；冷却系统包括恒温阀、散热器、加热器和水泵，冷却液吸收电堆模块工作产生的热量并从冷却液出口流出经过恒温阀分成两路，一路冷却液经过散热器到达水泵，另一路冷却液经过加热器到达水泵，从水泵输出的冷却液进入电堆模块的冷却液入口形成循环。
7、上述的在膨胀机的入口处之前设置冷凝器。
8、上述的冷凝器设置在背压阀和分水器之间。
9、上述在恒温阀与散热器之间设置蒸发器，冷却系统的冷却液流经蒸发器并与蒸发器里面的热媒介质进行热交换，从蒸发器出来的热媒介质经过热泵压缩机后进入冷凝器，从电堆模块的排出的尾排气经过背压阀和分水器进入冷凝器，流经冷凝器的尾排气与流经冷凝器的热媒介质进行热交换，使流经冷凝器的尾排气的温度升高，提高进入膨胀机的尾排气温度，从而提升膨胀机的能量回收效率。
10、上述的电堆模块的冷却液入口设有温度传感器。
11、上述的热泵压缩机的转速是可调节的。
12、一种集成热泵能量回收系统的燃料电池的能量回收控制方法，上述的燃料电池还包括燃料电池系统控制器，燃料电池系统控制器控制电堆模块、恒温阀、散热器、加热器和水泵和热泵压缩机工作，温度传感器将冷却液入口处的冷却液温度信号送到燃料电池系统控制器；其特征在于：能量回收控制方法是：
13、当温度传感器检测到冷却液入口处的冷却液温度t小于下限设定温度t1时，燃料电池系统控制器控制恒温阀，使电堆模块的冷却液出口出来的冷却液经过恒温阀、加热器和水泵后回到电堆模块的冷却液入口，形成冷却回路小循环；
14、当温度传感器检测到冷却液入口处的冷却液温度t大于或者等于下限设定温度t1时，燃料电池系统控制器控制恒温阀，使电堆模块的冷却液出口出来的冷却液经过恒温阀、蒸发器、散热器和水泵后回到电堆模块的冷却液入口，形成冷却回路大循环；
15、恒温阀是用来在冷却回路大循环和冷却回路小循环两种工作模式中选择其中一种作模式。
16、上述的能量回收控制方法的具体步骤：
17、步骤1:判断是否进入冷却回路大循环工作模式,若是，进入步骤2；若否，则进入步骤8；
18、步骤2：则热泵系统启动，热泵压缩机开始工作，热泵压缩机转速n随冷却液入口温度t的升高或者减低而进行增减；
19、步骤3:判断冷却液入口处的冷却液温度t大于上限设定温度t2，若是，则进入步骤4；若否，返回步骤2；
20、步骤4：散热器自带的风扇启动，并调节风扇转速n随温度t的升高或者减低而进行增减；
21、步骤5：判断冷却液入口处的冷却液温度t小于或者等于下限设定温度t1，若否，则返回步骤4，若是，则进入步骤6；
22、步骤6：散热器自带的风扇停止工作；
23、步骤7：再次判断冷却液入口处的冷却液温度t小于或者等于下限设定温度t1，若否，则返回步骤2，若是，则进入步骤8；
24、步骤8：热泵系统关闭，热泵压缩机停止工作，重新进入冷却回路小循环工作模式。
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【技术保护点】
1.一种集成热泵能量回收系统的燃料电池，包括电堆模块、供氢回氢系统、空气供应系统和冷却系统，供氢回氢系统与电堆模块的氢气入口和氢气出口连接，空气供应系统与电堆模块与空气入口和空气出口连接，冷却系统与电堆模块的冷却液入口和冷却液出口连接，其中空气供应系统包括空气压缩机，外部空气经过空气压缩机压缩升温后送到电堆模块的空气入口，空气压缩机是带有膨胀机的空气压缩机，电堆模块的空气出口排出的尾排气进入膨胀机，利用膨胀机对尾排气进行能量回收，其特征在于：在冷却系统与空气供应系统之间设置有热泵系统，热泵系统在冷却系统中吸收废弃的热量后对电堆模块的排出的尾排气进行加热升温，提高进入膨胀机的尾排气温度，从而提升膨胀机的能量回收效率。
2.根据权利要求1所述的一种集成热泵能量回收系统的燃料电池，其特征在于：带有膨胀机的空气压缩机包括电机、空气机机头和膨胀机，空气机机头和膨胀机分别安装在电机的转轴的两端。
3.根据权利要求1或2所述的一种集成热泵能量回收系统的燃料电池，其特征在于：热泵系统包括冷凝器、热泵压缩机、节流装置、蒸发器和热媒介质，在冷凝器、热泵压缩机、节流装置和蒸发器
4.根据权利要求3所述的一种集成热泵能量回收系统的燃料电池，其特征在于：空气供应系统还包括空气过滤器、流量计、中冷器、增湿器、背压阀和分水器，外部空气经过空气过滤器、流量计、空气压缩机、中冷器、增湿器送到电堆模块的空气入口，中冷器与冷却系统连接并从冷却系统获取冷却液；
5.根据权利要求4所述的一种集成热泵能量回收系统的燃料电池，其特征在于：在膨胀机的入口处之前设置冷凝器。
6.根据权利要求5所述的一种集成热泵能量回收系统的燃料电池，其特征在于：冷凝器设置在背压阀和分水器之间。
7.根据权利要求5所述的一种集成热泵能量回收系统的燃料电池，其特征于：在恒温阀与散热器之间设置蒸发器，冷却系统的冷却液流经蒸发器并与蒸发器里面的热媒介质进行热交换，从蒸发器出来的热媒介质经过热泵压缩机后进入冷凝器，从电堆模块的排出的尾排气经过背压阀和分水器进入冷凝器，流经冷凝器的尾排气与流经冷凝器的热媒介质进行热交换，使流经冷凝器的尾排气的温度升高，提高进入膨胀机的尾排气温度，从而提升膨胀机的能量回收效率。
8.根据权利要求7所述的一种集成热泵能量回收系统的燃料电池，其特征于：电堆模块的冷却液入口设有温度传感器。
9.根据权利要求8所述的一种集成热泵能量回收系统的燃料电池，其特征于：热泵压缩机的转速是可调节的。
10.一种权利要求8所述的集成热泵能量回收系统的燃料电池的能量回收控制方法，燃料电池还包括燃料电池系统控制器，燃料电池系统控制器控制电堆模块、恒温阀、散热器、加热器和水泵和热泵压缩机工作，温度传感器将冷却液入口处的冷却液温度信号送到燃料电池系统控制器；其特征在于：能量回收控制方法是：
11.根据权利要求10所述的集成热泵能量回收系统的燃料电池的能量回收控制方法，其特征在于：能量回收控制方法的具体步骤：
12.根据权利要求11所述的集成热泵能量回收系统的燃料电池的能量回收控制方法，其特征在于：所述的下限设定温度T1和上限设定温度T2是在50至80摄氏度之间。
...【技术特征摘要】
1.一种集成热泵能量回收系统的燃料电池，包括电堆模块、供氢回氢系统、空气供应系统和冷却系统，供氢回氢系统与电堆模块的氢气入口和氢气出口连接，空气供应系统与电堆模块与空气入口和空气出口连接，冷却系统与电堆模块的冷却液入口和冷却液出口连接，其中空气供应系统包括空气压缩机，外部空气经过空气压缩机压缩升温后送到电堆模块的空气入口，空气压缩机是带有膨胀机的空气压缩机，电堆模块的空气出口排出的尾排气进入膨胀机，利用膨胀机对尾排气进行能量回收，其特征在于：在冷却系统与空气供应系统之间设置有热泵系统，热泵系统在冷却系统中吸收废弃的热量后对电堆模块的排出的尾排气进行加热升温，提高进入膨胀机的尾排气温度，从而提升膨胀机的能量回收效率。
2.根据权利要求1所述的一种集成热泵能量回收系统的燃料电池，其特征在于：带有膨胀机的空气压缩机包括电机、空气机机头和膨胀机，空气机机头和膨胀机分别安装在电机的转轴的两端。
3.根据权利要求1或2所述的一种集成热泵能量回收系统的燃料电池，其特征在于：热泵系统包括冷凝器、热泵压缩机、节流装置、蒸发器和热媒介质，在冷凝器、热泵压缩机、节流装置和蒸发器之间用管路连接形成循环路径，热媒介质在循环路径里流动。
4.根据权利要求3所述的一种集成热泵能量回收系统的燃料电池，其特征在于：空气供应系统还包括空气过滤器、流量计、中冷器、增湿器、背压阀和分水器，外部空气经过空气过滤器、流量计、空气压缩机、中冷器、增湿器送到电堆模块的空气入口，中冷器与冷却系统连接并从冷却系统获取冷却液；
5.根据权利要求4所述的一种集成热泵能量回收系统的燃料电池，其特征在...
【专利技术属性】
技术研发人员：邓佳，刘小青，邴黎明，
申请(专利权)人：中山氢林能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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