一種燃料電池汽車的熱泵空調系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種燃料電池汽車的熱泵空調系統(tǒng)，包括壓縮機、四通換向閥、車內換熱器、節(jié)流閥、車外換熱器、甲醇水儲存容器、輸送泵、重整器、燃料電池、電力轉換系統(tǒng)、汽車馬達及空氣余氣混合器；重整器產(chǎn)生高溫余氣，排向空氣余氣混合器或外界；空氣余氣混合器用于將外界空氣與高溫余氣混合成中溫混合氣體，輸向車外換熱器；燃料電池用于氫氣與氧氣發(fā)生電化學反應，產(chǎn)生電能輸出；電力轉換系統(tǒng)用于將燃料電池輸出的電能轉換為負載所需求的電，為壓縮機、輸送泵及汽車馬達供電。本實用新型在制熱工況下，室外空氣低于?5℃時，仍能正常高效工作，蒸發(fā)器不會結霜，且本實用新型能滿足汽車馬達供電，噪聲小、耗能低、不污染空氣環(huán)境。
【專利說明】
一種燃料電池汽車的熱泵空調系統(tǒng)
技術領域
[0001]本實用新型涉及汽車空調技術領域，特別涉及一種燃料電池汽車的熱栗空調系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]目前，絕大部分汽車都以汽油、柴油為燃料，不僅消耗了大量的石油資源，而且汽車尾氣造成了嚴重的大氣污染。為應對此資源問題和環(huán)境問題，電動汽車的開發(fā)變得非常重要。電動汽車是指以車載電源為動力，用電機驅動車輪行駛的車輛。電動汽車包括純電動汽車、混合動力汽車和燃料電池汽車。在現(xiàn)有技術中，燃料電池汽車是指裝備了燃料電池作為獲得驅動力的電源的電動汽車，燃料電池汽車的技術可參照本創(chuàng)作者于2014年12月31日申請的專利2014108451 14.6—種燃料電池汽車，以及2015年4月3日申請的專利201510156668.X多組合獨立式醇水制氫燃料電池汽車。燃料電池汽車與燃油汽車一樣，也需要安裝空調系統(tǒng)。
[0003]空調系統(tǒng)作為改善駕駛員工作條件、提高工作效率、提高汽車安全性及為乘員營造健康舒適的乘車環(huán)境的重要手段，對燃油汽車和電動汽車而言，都是必不可少的。電動汽車用空調系統(tǒng)與普通的汽車(內燃機驅動)空調相比，由于原動機不同而引發(fā)一系列新變化。主要體現(xiàn)在:I)普通的汽車空調系統(tǒng)的壓縮機依靠發(fā)動機通過一個電磁離合器驅動，而電動汽車空調壓縮機自帶電動機獨立驅動；2)電動汽車沒有用來采暖的發(fā)動機余熱，不能提供作為汽車空調冬天采暖的熱源，必須自身具有供暖的功能，即要求制冷、制熱雙向運行的車用熱栗型空調系統(tǒng)。
[0004]車用熱栗型空調系統(tǒng)原理就是利用逆卡諾原理，在制熱工況下，車內換熱器為冷凝器，車外換熱器為蒸發(fā)器，蒸發(fā)器從室外空氣中的環(huán)境熱能中吸取熱量以蒸發(fā)傳熱工質，工質蒸氣經(jīng)壓縮機壓縮后壓力和溫度上升，高溫蒸氣通過冷凝器冷凝成液體時，釋放出的熱量傳遞給用熱的車內空間，冷凝后的傳熱工質通過膨脹閥返回到蒸發(fā)器，然后再被蒸發(fā)，如此循環(huán)往復。在制冷工況下，車外換熱器為冷凝器，車內換熱器為蒸發(fā)器，蒸發(fā)器從車內空間空氣中的熱能中吸取熱量以蒸發(fā)傳熱工質，工質蒸氣經(jīng)壓縮機壓縮后壓力和溫度上升，高溫蒸氣通過冷凝器冷凝成液體時，釋放出的熱量傳遞至室外，冷凝后的傳熱工質通過膨脹閥返回到蒸發(fā)器，然后再被蒸發(fā)，如此循環(huán)往復。
[0005]然而，車用熱栗型空調系統(tǒng)的缺點是車外空氣溫度越低時供熱量越小，特別是當車外空氣溫度低于-5°C時，熱栗就難以正常工作，需要用電或其他輔助熱源對空氣進行加熱，熱栗的效率大大降低。車用熱栗型空調系統(tǒng)在制熱工況下，蒸發(fā)器上會結霜，需要定期除霜，除霜模塊技術可參照中國專利申請201210152219.4用于空氣源熱栗系統(tǒng)的除霜方法、201410108455.5—種熱栗空調除霜控制方法及熱栗空調系統(tǒng)，空氣源熱栗增加除霜模塊之后，不但穩(wěn)定性降低、維護成本增加，而且也損失相當大一部分能量。
【實用新型內容】
[0006]本實用新型要解決的技術問題是針對上述現(xiàn)有技術中的不足，提供一種燃料電池汽車的熱栗空調系統(tǒng)，該熱栗空調系統(tǒng)在制熱工況下，車外空氣低于-5 °C時，仍能正常高效工作，蒸發(fā)器上也不會結霜，無需定期除霜，并且該熱栗空調系統(tǒng)在滿足自身供電的同時，還能為汽車馬達供電，噪聲小、耗能低、不污染空氣環(huán)境。
[0007]為解決上述技術問題，本實用新型的技術方案是:一種燃料電池汽車的熱栗空調系統(tǒng)，包括壓縮機、四通換向閥、車內換熱器、節(jié)流閥、車外換熱器、甲醇水儲存容器、輸送栗、重整器、燃料電池、電力轉換系統(tǒng)、汽車馬達及空氣余氣混合器;所述壓縮機、四通換向閥、車內換熱器、節(jié)流閥與車外換熱器之間形成熱栗空調系統(tǒng)的工質輸送回路;所述甲醇水儲存容器儲存有液態(tài)的甲醇水原料;所述輸送栗用于將甲醇水儲存容器中的甲醇水原料通過輸送管道栗送至重整器的重整室；重整器設有重整室、氫氣純化裝置、燃燒腔及排氣囪口，所述重整室用于甲醇與水蒸氣發(fā)生重整制氫反應制得氫氣和二氧化碳的混合氣體，所述氫氣純化裝置用于分離出制得的氫氣，該氫氣輸向燃料電池，所述燃燒腔用于部分制得的氫氣與外界空氣中的氧氣燃燒，為重整器的運行提供熱量;所述氫氣純化裝置分離之后的二氧化碳、燃燒腔內氫氣氧氣燃燒產(chǎn)生的水汽以及外界空氣中的未燃燒氣體混合成高溫余氣，從排氣囪口排向空氣余氣混合器或外界;所述空氣余氣混合器用于將外界空氣與高溫余氣混合成中溫混合氣體，輸向車外換熱器;所述燃料電池用于氫氣與空氣中的氧氣發(fā)生電化學反應，產(chǎn)生電能輸出；所述電力轉換系統(tǒng)用于將燃料電池輸出的電能轉換為負載所需求的電，為壓縮機、輸送栗及汽車馬達供電;所述汽車馬達用于驅動車軸旋轉而使汽車行駛。
[0008]優(yōu)選地，所述工質輸送回路設有用于輸送制冷工況狀態(tài)下的工質的止回閥，所述節(jié)流閥包括主毛細管和副毛細管，其中副毛細管與止回閥相并聯(lián);所述工質輸送回路上還設有過濾器及消聲器。
[0009]優(yōu)選地，所述工質輸送回路設有電子膨脹閥、過濾器及消聲器。
[0010]優(yōu)選地，所述排氣囪口與空氣余氣混合器之間設有換向閥，在制熱工況狀態(tài)下，從排氣囪口排出的高溫余氣經(jīng)換向閥后排向空氣余氣混合器，在制冷工況狀態(tài)下，從排氣囪口排出的高溫余氣經(jīng)換向閥后排向外界。
[0011]優(yōu)選地，所述空氣余氣混合器設有風扇及溫度感應器，風扇用于將外界空氣扇入空氣余氣混合器，溫度感應器用于檢測空氣余氣混合器內的混合氣體溫度，該混合氣體溫度范圍為15?60°C。
[0012]優(yōu)選地，所述輸送栗與重整器之間的輸送管道上設有換熱器，低溫的甲醇和水原料在換熱器中，與重整器輸出的高溫氫氣進行換熱，甲醇和水原料溫度升高，氫氣溫度降低。
[0013]優(yōu)選地，所述氫氣純化裝置為在多孔陶瓷表面真空鍍鈀銀合金的膜分離裝置，鍍膜層為鈀銀合金。
[0014]優(yōu)選地，所述燃料電池汽車的熱栗空調系統(tǒng)還包括緩沖蓄電池，該緩沖蓄電池的充電端連接電力轉換系統(tǒng)，該緩沖蓄電池可為汽車馬達供電。
[0015]本實用新型的有益效果是:其一、本實用新型在滿足熱栗空調供電的同時，還能滿足汽車馬達供電，在保證醇水燃料的供應下，可以長效供電；其二、本實用新型采用甲醇和水作為原料進行重整制氫，再利用燃料電池發(fā)電，無廢渣和有害廢氣污染，清潔，不影響人體健康，甲醇來源廣泛，是可再生能源，且重整器及燃料電池噪聲小、耗能低；其三、在制熱工況下，由于高溫余氣排向空氣余氣混合器，并與外界空氣混合成中溫混合氣體輸向車外換熱器，此時，車外換熱器為蒸發(fā)器，在車外換熱器中，中溫混合氣體與工質換熱，轉化成低溫混合氣體后排出，因此，在任何低溫空氣環(huán)境(例如-5°C以下的空氣環(huán)境)，熱栗空調均能正常高效工作；其四、在制熱工況下，由于車外換熱器(即蒸發(fā)器)輸入的是中溫混合氣體，因此也不會結霜，無需定期除霜;其五、本實用新型使重整器的高溫余氣熱量得到利用，從而提高了甲醇水原料的利用效率，與此同時，高溫余氣與外界空氣混合后，熱栗空調能同時利用高溫余氣及外界空氣的熱量，使得熱栗空調更節(jié)能省電。
【附圖說明】
[0016]圖1為本實用新型的整體結構方框示意圖。
[0017]圖2為本實用新型另一實施例的整體結構方框示意圖。
【具體實施方式】
[0018]下面結合附圖對本實用新型的結構原理和工作原理作進一步詳細說明。
[0019]如圖1和圖2所示，一種燃料電池汽車的熱栗空調系統(tǒng)，包括壓縮機1、四通換向閥
2、車內換熱器3、節(jié)流閥4、車外換熱器5、甲醇水儲存容器6、輸送栗7、重整器8、燃料電池9、電力轉換系統(tǒng)10、汽車馬達17及空氣余氣混合器11;所述壓縮機1、四通換向閥2、車內換熱器3、節(jié)流閥4與車外換熱器5之間形成熱栗空調的工質輸送回路，在圖1的工質輸送回路中，虛線箭頭表示制熱工況，實線箭頭表示制冷工況;所述甲醇水儲存容器6儲存有液態(tài)的甲醇水原料;所述輸送栗7用于將甲醇水儲存容器6中的甲醇水原料通過輸送管道栗7送至重整器8的重整室；重整器8設有重整室、氫氣純化裝置、燃燒腔及排氣囪口，重整器的結構可參照本
【申請人】在此之前申請的中國專利申請201410311217.4、201410621689.X及201510476342.5，所述重整室用于甲醇與水蒸氣發(fā)生重整制氫反應制得氫氣和二氧化碳的混合氣體，重整室內的溫度為300-570°C溫度，重整室內設有催化劑，在重整室內，甲醇與水蒸氣在1-5M Pa的壓力條件下通過催化劑，在催化劑的作用下，發(fā)生甲醇裂解反應和一氧化碳的變換反應，生成氫氣和二氧化碳，這是一個多組份、多反應的氣固催化反應系統(tǒng)，反應方程為:(1)CH30H4C0+2H2、(2)H20+C0—C02+H2、(3)CH30H+H20—C02+3H2，重整反應生成的HdPCO2,所述氫氣純化裝置用于分離出制得的氫氣，該氫氣輸向燃料電池9，所述燃燒腔用于部分制得的氫氣與外界空氣中的氧氣燃燒，為重整器8的運行提供熱量;所述氫氣純化裝置分離之后的二氧化碳、燃燒腔內氫氣氧氣燃燒產(chǎn)生的水汽以及外界空氣中的未燃燒氣體混合成高溫余氣，從排氣囪口排向空氣余氣混合器11或外界;所述空氣余氣混合器11用于將外界空氣與高溫余氣混合成中溫混合氣體，輸向車外換熱器5;所述燃料電池9用于氫氣與空氣中的氧氣發(fā)生電化學反應，產(chǎn)生電能輸出，在燃料電池9的陽極:2H2—4H++4e—，H2分裂成兩個質子和兩個電子，質子穿過質子交換膜(PEM)，電子通過陽極板，通過外部負載，并進入陰極雙極板;在燃料電池9的陰極:02+4e—+4H+—2H20，質子、電子和O2重新結合以形成H2O;所述電力轉換系統(tǒng)10用于將燃料電池9輸出的電能轉換為負載所需求的電，為壓縮機
1、輸送栗7及汽車馬達17供電;所述汽車馬達17用于驅動車軸旋轉而使汽車行駛。
[0020]如圖1所示，所述工質輸送回路設有用于輸送制冷工況狀態(tài)下的工質的止回閥12，所述節(jié)流閥4包括主毛細管41和副毛細管42，其中副毛細管42與止回閥12相并聯(lián);所述工質輸送回路上還設有過濾器13及消聲器14。當然，工質輸送路也可如圖2所示，所述工質輸送回路設有電子膨脹閥19、過濾器13及消聲器14。
[0021 ]如圖1和圖2所示，所述排氣囪口與空氣余氣混合器11之間設有換向閥15，在制熱工況狀態(tài)下，從排氣囪口排出的高溫余氣經(jīng)換向閥15后排向空氣余氣混合器11，高溫余氣與外界空氣混合后，熱栗空調能同時利用高溫余氣及外界空氣的熱量，使得熱栗空調更節(jié)能省電，一般地，熱栗空調利用的熱量中，外界空氣熱量占比40%-90%，高溫余氣占比10%-60%。在制冷工況狀態(tài)下，從排氣囪口排出的高溫余氣經(jīng)換向閥15后排向外界。
[0022]如圖1和圖2所示，所述空氣余氣混合器11設有風扇及溫度感應器，風扇用于將外界空氣扇入空氣余氣混合器11，溫度感應器用于檢測空氣余氣混合器11內的混合氣體溫度，該混合氣體溫度范圍為15?60 °C。
[0023]如圖1和圖2所示，所述輸送栗7與重整器8之間的輸送管道上設有換熱器16，低溫的甲醇和水原料在換熱器16中，與重整器輸出的高溫氫氣進行換熱，甲醇和水原料溫度升高，氫氣溫度降低。
[0024]所述氫氣純化裝置為在多孔陶瓷表面真空鍍鈀銀合金的膜分離裝置，鍍膜層為鈀銀合金，鈀銀合金的質量百分比鈀占75%-78%，銀占22%-25%。
[0025]如圖1和圖2所示，所述燃料電池汽車的熱栗空調系統(tǒng)還包括緩沖蓄電池18，該緩沖蓄電池18的充電端連接電力轉換系統(tǒng)10，該緩沖蓄電池18可為汽車馬達17供電。通過使用燃料電池汽車的控制裝置，根據(jù)汽車馬達17的負荷緩沖蓄電池的蓄電量，將燃料電池9所發(fā)出的電供給汽車馬達17和緩沖蓄電池18。具體而言，例如在加速時等情況下，汽車馬達17負荷大的時候，向汽車馬達17供給來自燃料電池9和緩沖畜電池18的電，或者減速、制動時等情況下，將燃料電池17產(chǎn)生的電的一部分為緩沖蓄電池18充電。
[0026]上述燃料電池汽車的熱栗空調系統(tǒng)的制熱制冷方法，包括以下步驟:
[0027]a.重整器在運行過程中，發(fā)生甲醇水重整制氫反應，制得的氫氣輸向燃料電池，在燃料電池內，氫氣與空氣中的氧氣發(fā)生電化學反應，產(chǎn)生電能輸出，與此同時，從重整器的排氣囪口排出高溫余氣；
[0028]b.在制熱工況下，車內換熱器成為冷凝器，車外換熱器成為蒸發(fā)器，高溫余氣排向空氣余氣混合器，并與外界空氣混合成中溫混合氣體輸向車外換熱器，在車外換熱器中，中溫混合氣體與工質換熱，轉化成低溫混合氣體后排出；燃料電池輸出的電能經(jīng)電力轉換系統(tǒng)轉換后，為壓縮機、輸送栗及汽車馬達供電；
[0029]c.在制冷工況下，車內換熱器成為蒸發(fā)器，車外換熱器成為冷凝器，高溫余氣排向外界;燃料電池輸出的電能經(jīng)電力轉換系統(tǒng)轉換后，為壓縮機、輸送栗及汽車馬達供電；
[0030]優(yōu)選地，在制熱工況下，溫度傳感器實時檢測空氣余氣混合器中的混合氣體溫度，并將溫度信息反饋給控制裝置，控制裝置通過風扇調整外界空氣的送入量，以控制混合氣體的溫度范圍在15?60°C內。
[0031]以上所述，僅是本實用新型較佳實施方式，凡是依據(jù)本實用新型的技術方案對以上的實施方式所作的任何細微修改、等同變化與修飾，均屬于本實用新型技術方案的范圍內。
【主權項】
1.一種燃料電池汽車的熱栗空調系統(tǒng)，其特征在于:包括壓縮機、四通換向閥、車內換熱器、節(jié)流閥、車外換熱器、甲醇水儲存容器、輸送栗、重整器、燃料電池、電力轉換系統(tǒng)、汽車馬達及空氣余氣混合器;所述壓縮機、四通換向閥、車內換熱器、節(jié)流閥與車外換熱器之間形成熱栗空調系統(tǒng)的工質輸送回路;所述甲醇水儲存容器儲存有液態(tài)的甲醇水原料;所述輸送栗用于將甲醇水儲存容器中的甲醇水原料通過輸送管道栗送至重整器的重整室;重整器設有重整室、氫氣純化裝置、燃燒腔及排氣囪口，所述重整室用于甲醇與水蒸氣發(fā)生重整制氫反應制得氫氣和二氧化碳的混合氣體，所述氫氣純化裝置用于分離出制得的氫氣，該氫氣輸向燃料電池，所述燃燒腔用于部分制得的氫氣與外界空氣中的氧氣燃燒，為重整器的運行提供熱量;所述氫氣純化裝置分離之后的二氧化碳、燃燒腔內氫氣氧氣燃燒產(chǎn)生的水汽以及外界空氣中的未燃燒氣體混合成高溫余氣，從排氣囪口排向空氣余氣混合器或外界;所述空氣余氣混合器用于將外界空氣與高溫余氣混合成中溫混合氣體，輸向車外換熱器;所述燃料電池用于氫氣與空氣中的氧氣發(fā)生電化學反應，產(chǎn)生電能輸出;所述電力轉換系統(tǒng)用于將燃料電池輸出的電能轉換為負載所需求的電，為壓縮機、輸送栗及汽車馬達供電;所述汽車馬達用于驅動車軸旋轉而使汽車行駛。2.根據(jù)權利要求1所述的燃料電池汽車的熱栗空調系統(tǒng)，其特征在于:所述工質輸送回路設有用于輸送制冷工況狀態(tài)下的工質的止回閥，所述節(jié)流閥包括主毛細管和副毛細管，其中副毛細管與止回閥相并聯(lián);所述工質輸送回路上還設有過濾器及消聲器。3.根據(jù)權利要求1所述的燃料電池汽車的熱栗空調系統(tǒng)，其特征在于:所述工質輸送回路設有電子膨脹閥、過濾器及消聲器。4.根據(jù)權利要求1所述的燃料電池汽車的熱栗空調系統(tǒng)，其特征在于:所述排氣囪口與空氣余氣混合器之間設有換向閥，在制熱工況狀態(tài)下，從排氣囪口排出的高溫余氣經(jīng)換向閥后排向空氣余氣混合器，在制冷工況狀態(tài)下，從排氣囪口排出的高溫余氣經(jīng)換向閥后排向外界。5.根據(jù)權利要求1所述的燃料電池汽車的熱栗空調系統(tǒng)，其特征在于:所述空氣余氣混合器設有風扇及溫度感應器，風扇用于將外界空氣扇入空氣余氣混合器，溫度感應器用于檢測空氣余氣混合器內的混合氣體溫度，該混合氣體溫度范圍為15?60°C。6.根據(jù)權利要求1所述的燃料電池汽車的熱栗空調系統(tǒng)，其特征在于:所述輸送栗與重整器之間的輸送管道上設有換熱器，低溫的甲醇和水原料在換熱器中，與重整器輸出的高溫氫氣進行換熱，甲醇和水原料溫度升高，氫氣溫度降低。7.根據(jù)權利要求1所述的燃料電池汽車的熱栗空調系統(tǒng)，其特征在于:所述氫氣純化裝置為在多孔陶瓷表面真空鍍鈀銀合金的膜分離裝置，鍍膜層為鈀銀合金。8.根據(jù)權利要求1所述的燃料電池汽車的熱栗空調系統(tǒng)，其特征在于:還包括緩沖蓄電池，該緩沖蓄電池的充電端連接電力轉換系統(tǒng)，該緩沖蓄電池可為汽車馬達供電。
【文檔編號】B60H1/00GK205674809SQ201620344369
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年4月23日 公開號201620344369.9, CN 201620344369, CN 205674809 U, CN 205674809U, CN-U-205674809, CN201620344369, CN201620344369.9, CN205674809 U, CN205674809U
【發(fā)明人】向華
【申請人】廣東合即得能源科技有限公司