專利名稱：一種利用尾氣余熱進(jìn)行溫差發(fā)電制氫、氧氣的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供一種利用內(nèi)燃機尾氣余熱進(jìn)行溫差發(fā)電制氫、氧氣的裝置及方法，具體內(nèi)容涉及一種通過溫差發(fā)電裝置利用內(nèi)燃機尾氣余熱發(fā)電并供給車載制氫氧機隨車制取氫氣及氧氣的裝置及控制方法。
背景技術(shù)：
提高內(nèi)燃機熱效率已經(jīng)成為內(nèi)燃機發(fā)展的重要趨勢。近年來，氫內(nèi)燃機及摻氫內(nèi)燃機已經(jīng)被證明可以獲得較傳統(tǒng)汽、柴油機更高的熱效率及更低的有害排放。但是，由于氫氣基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的匱乏，純氫及摻氫內(nèi)燃機都存在著加氫困難的問題。通過加裝車載制氫氧機隨車電解水制取氫氣和氧氣可以解決氫氣加注困難的問題，但制氫氧機在電解水時仍然會消耗一部分能量。內(nèi)燃機燃料中約有30%的能量經(jīng)排氣管被直接排出。因此，如果能夠利用回收尾氣中的熱能發(fā)電制氫則可以進(jìn)一步提高純氫及摻氫內(nèi)燃機的熱效率，并實現(xiàn)對發(fā)動機尾氣余熱的回收利用。但內(nèi)燃機尾氣溫度通常僅有300至400攝氏度左右，因而其屬于低品位熱能，存在利用困難的問題。溫差發(fā)電系統(tǒng)可以利用塞貝克效應(yīng)在溫差發(fā)電材料兩端存在較小溫差的條件下將熱能轉(zhuǎn)化為電能，因此，利用溫差發(fā)電裝置可以將低品位熱能轉(zhuǎn)化為高品位的電能。

發(fā)明內(nèi)容
針對目前存在的氫氣與氧氣的加注與隨車儲運困難、制氫氧機大量消耗蓄電池電能以及內(nèi)燃機尾氣熱量難以利用的問題，本發(fā)明提供一種利用內(nèi)燃機尾氣余熱進(jìn)行溫差發(fā)電制氫、氧氣的裝置及方法。本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案，該發(fā)明中的一種利用內(nèi)燃機尾氣余熱進(jìn)行溫差發(fā)電制氫、氧氣的裝置包括車輛所原有的內(nèi)燃機I及排氣管7。本發(fā)明在保留了內(nèi)燃機I及排氣管7的基礎(chǔ)上增加了一套溫差發(fā)電系統(tǒng)及一套氫氣制取、儲存、供給系統(tǒng)，包括通過法蘭連接在內(nèi)燃機排氣管上的箱體3，安裝在箱體3外表面的溫差發(fā)電組5，安裝在溫差發(fā)電組5上方的散熱片組4，溫差發(fā)電組5的正、負(fù)極導(dǎo)線分別與穩(wěn)壓器8相連接，穩(wěn)壓器8的負(fù)極導(dǎo)線與制氫氧機9的負(fù)極相連接，穩(wěn)壓器8的正極通過繼電器6相連接，繼電器6通過導(dǎo)線與制氫氧機9的正極相連接，制氫氧機9所制得的氫氣和氧氣分別通過不銹鋼管路與氫氣罐10和氧氣罐11相連接，氫氣壓力傳感器13和氧氣壓力傳感器12分別通過安裝在氫氣罐10和氧氣罐11上,氫氣罐10和氧氣罐11的出口上分別安裝有氫氣罐電磁閥15和氧氣罐電磁閥14。電子控制單元2通過導(dǎo)線與穩(wěn)壓器8相連接獲得電壓信號f，電子控制單元2通過導(dǎo)線分別與氧氣壓力傳感器12及氫氣壓力傳感器13相連接獲得氧氣罐壓力信號a和氫氣罐壓力信號C，電子控制單元2通過導(dǎo)線分別與氧氣罐電磁閥14和氫氣罐電磁閥15相連接并通過發(fā)出氧氣罐電磁閥控制信號b及氫氣罐電磁閥控制信號d控制氧氣罐電磁閥14和氫氣罐電磁閥15的打開與關(guān)閉，電子控制單元2還通過導(dǎo)線與繼電器6相連接并通過發(fā)出制氫氧機繼電器控制信號e控制繼電器6的通斷從而控制制氫氧機9的啟停。所述的溫差發(fā)電組5由半導(dǎo)體溫差發(fā)電材料制成；所述的箱體3由導(dǎo)熱性能良好的金屬材料制成；所述的散熱片組4由導(dǎo)熱性能良好的銅等金屬材料制成；所述的氫氣罐10與氧氣罐11的體積比為2:1。一種利用內(nèi)燃機尾氣余熱進(jìn)行溫差發(fā)電制氫、氧氣裝置的運行方式為一種利用內(nèi)燃機尾氣余熱進(jìn)行溫差發(fā)電制氫、氧氣裝置中的溫差發(fā)電組5安裝在箱體3外壁表面，箱體3通過法蘭與排氣管7相連接，因而箱體3中的尾氣可以為溫差發(fā) 電組5提供高溫?zé)嵩?，與溫差發(fā)電組5相連的散熱片組4可以為溫差發(fā)電組5的另一端散熱并為溫差發(fā)電組5提供低溫?zé)嵩矗瑴夭畎l(fā)電組5在高、低溫?zé)嵩创嬖跍夭畹臈l件下即可發(fā)電，系統(tǒng)運行時，電子控制單元檢測由穩(wěn)壓器8發(fā)出的電壓信號f，當(dāng)電壓信號f穩(wěn)定在36V±1V時，電子控制單兀發(fā)出制氫氧機繼電器控制信號e接通繼電器6,使制氫氧氣9能夠利用溫差發(fā)電組5所提供的電能電解水制取氫氧氣，制氫氧機9運行時，電子控制單元2同時檢測氧氣壓力傳感器12和氫氣壓力傳感器13所發(fā)出的氧氣罐壓力信號a及氫氣罐壓力信號C，當(dāng)氧氣罐壓力信號a及氫氣罐壓力信號c指示氧氣罐11或氫氣罐10中任意氣罐壓力高于5bar時，電子控制單元均通過發(fā)出制氫氧機繼電器控制信號e斷開繼電器6所在電路，使制氫氧機9停止制取氣以保證系統(tǒng)安全。為防止供氣過程中氣體發(fā)生倒流現(xiàn)象，氫氣和氧氣罐內(nèi)需要保持一定的壓力。因此，當(dāng)電子控制單元2根據(jù)氧氣罐壓力信號a及氫氣罐壓力信號c判定氧氣罐11或氫氣罐10中任一氣罐壓力低于L 5bar時，電子控制單元2通過發(fā)出氧氣罐電磁閥控制信號b或氫氣罐電磁閥控制信號d關(guān)閉氧氣罐電磁閥14或氫氣罐電磁閥15停止壓力低于I. 5bar的氣罐對外供氣。當(dāng)氧氣罐11和氫氣罐10中任一氣罐壓力大于等于I. 5bar時，電子控制單兀2通過發(fā)出控制信號b、d打開氧氣罐電磁閥14或氫氣罐電磁閥15，使壓力大于I. 5bar的氣罐可以對外供氣。本發(fā)明的工作過程電子控制單元2由穩(wěn)壓器8發(fā)出的電壓信號f，當(dāng)電壓信號f穩(wěn)定在36V±1V時，電子控制單兀發(fā)出制氫氧機繼電器控制信號e接通繼電器6,使制氫氧氣9能夠利用溫差發(fā)電組5所提供的電能電解水制取氫氧氣，制氫氧機9運行時，電子控制單元2同時檢測氧氣壓力傳感器12和氫氣壓力傳感器13所發(fā)出的氧氣罐壓力信號a及氫氣罐壓力信號c,當(dāng)氧氣罐壓力信號a及氫氣罐壓力信號c指氧氣罐11或氫氣罐10中任意氣罐壓力高于5bar時，電子控制單元均通過發(fā)出制氫氧機繼電器控制信號e斷開繼電器6所在電路，使制氫氧機9停止制取氣以保證系統(tǒng)安全。供氣過程中，當(dāng)電子控制單元2根據(jù)氧氣罐壓力信號a及氫氣罐壓力信號c判定氧氣罐11或氫氣罐10中任一氣罐壓力低于
I.5bar時，電子控制單兀2通過發(fā)出氧氣罐電磁閥控制信號b或氫氣罐電磁閥控制信號d關(guān)閉氧氣罐電磁閥14或氫氣罐電磁閥15停止壓力低于I. 5bar的氣罐對外供氣。當(dāng)氧氣罐11或氫氣罐10中任一氣罐壓力大于等于I. 5bar時，電子控制單元2通過發(fā)出控制信號b、d打開氧氣罐電磁閥14或氫氣罐電磁閥15，使壓力大于1.5bar的氣罐可以對外供氣。本發(fā)明的有益效果是針對目前存在的純氫及摻氫內(nèi)燃機加氫困難及內(nèi)燃機尾氣熱量難以利用的問題，巧妙地運用內(nèi)燃機尾氣提供高溫?zé)嵩矗蒙崞峁┑蜏責(zé)嵩?，使溫差發(fā)電裝置兩側(cè)產(chǎn)生溫差并發(fā)電供給制氫氧機制取氫氣和氧氣，從而實現(xiàn)了對內(nèi)燃機尾氣余熱的利用，提高了內(nèi)燃機的整體運行效率；同時，所述的溫差發(fā)電裝置在發(fā)電時不會消耗內(nèi)燃機運行時所產(chǎn)生的功率，而僅僅是有效地利用了內(nèi)燃機運行時難以利用的剩余能量，從而不會對整車動力性造成影響；所述的制氫氧機在運行時能夠利用溫差發(fā)電裝置所提供的電能電解水制取氫氣和氧氣，將電能轉(zhuǎn)化為了可以被內(nèi)燃機燃燒時所使用的燃料和助燃劑，從而有利于提高內(nèi)燃機熱效率并降低HC及CO等有害排放的產(chǎn)生。


圖I本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和工作原理中1內(nèi)燃機；2電子控制單元；3箱體；4散熱片；5溫差發(fā)電組；6繼電器；7排氣管；8穩(wěn)壓器；9制氫氧機；10氫氣罐；11氧氣罐；12氧氣壓力傳感器；13氫氣壓力傳感器；14氧氣罐電磁閥；15氫氣罐電磁閥；a氧氣罐壓力信號山氧氣罐電磁閥控制信號；(氫氣罐壓力信號；d氫氣罐電磁閥控制信號制氫氧機繼電器控制信號；f電壓信號
具體實施例方式本實施例在北京現(xiàn)代所生產(chǎn)的I. 8L伊蘭特轎車上進(jìn)行了如下實驗實驗前按照圖I所示結(jié)構(gòu)搭建一種利用內(nèi)燃機尾氣余熱進(jìn)行溫差發(fā)電制氣的裝置，將箱體3通過法蘭安裝在內(nèi)燃機I原有的排氣管7上，使尾氣可以直接進(jìn)入箱體3并為溫差發(fā)電組5提供高溫?zé)嵩?，將散熱片組4安裝在溫差發(fā)電組5上，利用散熱片組4為溫差發(fā)電組5的另一端降溫并提供低溫?zé)嵩矗茪溲鯔C9、氫氣罐10、氧氣罐11、電子控制單元2、繼電器6及穩(wěn)壓器8均布置在車輛后備箱內(nèi)，溫差發(fā)電組5的正、負(fù)極導(dǎo)線分別與穩(wěn)壓器8相連接，穩(wěn)壓器8的負(fù)極導(dǎo)線與制氫氧機9的負(fù)極相連接，穩(wěn)壓器8的正極通過繼電器6相連接，繼電器6通過導(dǎo)線與制氫氧機9的正極相連接，制氫氧機9所制得的氫氣和氧氣分別通過不銹鋼管路與氫氣罐10和氧氣罐11相連接，氫氣壓力傳感器13和氧氣壓力傳感器12分別通過安裝在氫氣罐10和氧氣罐11上，氫氣罐10和氧氣罐11的出口上分別安裝有氫氣罐電磁閥15和氧氣罐電磁閥14。實驗時，車輛運行在水平良好路面上，行車速度控制在70km/h附近，變速箱擋位為5擋。(I)回收尾氣中熱量制取氫、氧氣實驗本步實驗中，為測試系統(tǒng)利用溫差發(fā)電裝置制氫及在極端條件下氫、氧氣罐超壓時系統(tǒng)的自動保護(hù)能力，故人為切斷氫氣罐電磁閥15和氧氣罐電磁閥14,使系統(tǒng)不對外供氫、氧氣。實驗時，電子控制單元2通過電壓信號f檢測到穩(wěn)壓器8的電壓為36. 5V，因此，電子控制單元2通過發(fā)出制氫氧機繼電器控制信號e接通繼電器6，使制氫氧機9開始電解水制取氫、氧氣，制氫氧機在本實驗條件下制取氫氣和氧氣的速度分別為7L/min和3. 5L/min,制氫氧機9運行時，電子控制單元2實時監(jiān)測氧氣壓力傳感器12和氫氣壓力傳感器13所發(fā)出的氧氣罐壓力信號a及氫氣罐壓力信號c,制氫氧機9開始制氫、氧氣約20分鐘后，電子控制單元2檢測到氧氣壓力傳感器12所發(fā)出的信號指示氧氣罐11壓力達(dá)到5. Obar,此時，電子控制單元2通過發(fā)出制氫氧機繼電器控制信號e斷開繼電器6，使制氫氧機9停止電解水制取氫、氧氣，以保證系統(tǒng)運行安全。(2)氫、氧氣儲存及供給試驗
實驗首先在氫氣和氧氣罐內(nèi)氣體儲量不足時測試系統(tǒng)運行效果。電子控制單元2根據(jù)氧氣壓力傳感器12和氫氣壓力傳感器13所發(fā)出的信號a、c檢測到氧氣罐11和氫氣罐10的壓力分別為I. 2bar和I. Obar，此時，電子控制單元2通過發(fā)出控制信號b、d分別切斷氧氣罐電磁閥14和氫氣罐電磁閥13,使系統(tǒng)不對外供出氫氣和氧氣,該實驗條件下，利用外接壓力表檢測到氫氣電磁閥和氧氣電磁閥出口處氣體壓力均為Obar,表明氫氣和氧氣電磁閥均被成功關(guān)閉。之后，在氫氣和氧氣罐內(nèi)氣體儲量充足時測試系統(tǒng)運行效果。電子控制單元2根據(jù)氧氣壓力傳感器12和氫氣壓力傳感器13所發(fā)出的信號a、c檢測到氧氣罐11和氫氣罐10的壓力分別為4. 7bar和4. 5bar,此時，電子控制單元2通過發(fā)出控制信號b、d分別打開氧氣罐電磁閥14和氫氣罐電磁閥13,使系統(tǒng)對外供出氫氣和氧氣,該實驗條件下,利用外接壓力表檢測到氫氣電磁閥和氧氣電磁閥出口處氣體壓力分別為4. 7bar和4. 5bar,表明氫氣和氧氣電磁閥均被成功打開。第三，測試氫氣罐壓力充足氧氣罐壓力不足時系統(tǒng)供氫能力。電子控制單元2根據(jù)氧氣壓力傳感器12和氫氣壓力傳感器13所發(fā)出的信號a、c檢測到氧氣罐11和氫氣罐·10的壓力分別為O. 7bar和4. 5bar,此時，電子控制單元2通過發(fā)出控制信號b關(guān)閉氧氣罐電磁閥14并通過發(fā)出控制信號d打開氫氣罐電磁閥13，使系統(tǒng)對外供出氫氣但不供出氧氣，該實驗條件下，利用外接壓力表檢測到氫氣電磁閥和氧氣電磁閥出口處氣體壓力分別為4. 5bar和Obar,表明氫氣電磁閥被打開而氧氣電磁閥被關(guān)閉。最后，測試氫氣罐壓力不足氧氣罐壓力充足時系統(tǒng)供氫能力。電子控制單元2根據(jù)氧氣壓力傳感器12和氫氣壓力傳感器13所發(fā)出的信號a、c檢測到氧氣罐11和氫氣罐10的壓力分別為4. 2bar和O. 9bar,此時，電子控制單元2通過發(fā)出控制信號b打開氧氣罐電磁閥14并通過發(fā)出控制信號d關(guān)閉氫氣罐電磁閥13，使系統(tǒng)對外不供出氫氣但供出氧氣，該實驗條件下，利用外接壓力表檢測到氫氣電磁閥和氧氣電磁閥出口處氣體壓力分別為Obar和4. 2bar,表明氫氣電磁閥被關(guān)閉而氧氣電磁閥被打開。上述實驗結(jié)果表明，采用本發(fā)明所提供的一種利用內(nèi)燃機尾氣余熱進(jìn)行溫差發(fā)電制氫、氧氣的裝置可以有效地通過回收內(nèi)燃機尾氣多余熱能為制氫氧機提供電能并電解水制取氫氣和氧氣。由于溫差發(fā)電裝置在為制氫氧機提供電能時并不消耗內(nèi)燃機所做的有用功，因而使用該系統(tǒng)不會影響到原機的動力性。
權(quán)利要求
1.ー種利用內(nèi)燃機尾氣余熱進(jìn)行溫差發(fā)電制氫、氧氣的裝置，其特征在于在保留了內(nèi)燃機(I)及排氣管(7)的基礎(chǔ)上增加了一套溫差發(fā)電系統(tǒng)及ー套氫氣制取、儲存、供給系統(tǒng)，包括通過法蘭連接在內(nèi)燃機排氣管上的箱體(3)，安裝在箱體(3)外表面的溫差發(fā)電組(5)，安裝在溫差發(fā)電組(5)上方的散熱片組(4)，溫差發(fā)電組(5)的正、負(fù)極導(dǎo)線分別與穩(wěn)壓器(8)相連接，穩(wěn)壓器(8)的負(fù)極導(dǎo)線與制氫氧機(9)的負(fù)極相連接，穩(wěn)壓器(8)的正極通過繼電器(6 )與制氫氧機(9 )的正極相連接，制氫氧機(9 )通過氫氣輸送管路和氧氣輸送管路分別與氫氣罐(10)和氧氣罐(11)相連接，氫氣壓力傳感器(13)和氧氣壓力傳感器(12)分別安裝在氫氣罐(10)和氧氣罐(11)上,氫氣罐(10)和氧氣罐(11)的出口上分別安裝有氫氣罐電磁閥(15)和氧氣罐電磁閥(14)； 電子控制単元(2 )與穩(wěn)壓器(8 )相連接獲得電壓信號f，電子控制単元(2 )分別與氧氣壓カ傳感器(12)及氫氣壓力傳感器(13)相連接獲得氧氣罐壓カ信號a和氫氣罐壓カ信號c，電子控制単元(2)分別與氧氣罐電磁閥(14)和氫氣罐電磁閥(15)相連接并通過發(fā)出氧氣罐電磁閥控制信號b及氫氣罐電磁閥控制信號d控制氧氣罐電磁閥(14)和氫氣罐電磁閥(15)的打開與關(guān)閉，電子控制單元(2)與繼電器(6)相連接并通過發(fā)出制氫氧機繼電器控制信號e控制繼電器(6)的通斷從而控制制氫氧機(9)的啟停。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種利用內(nèi)燃機尾氣余熱進(jìn)行溫差發(fā)電制氫、氧氣的裝置，其特征在于所述的溫差發(fā)電組(5)由半導(dǎo)體溫差發(fā)電材料制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種利用內(nèi)燃機尾氣余熱進(jìn)行溫差發(fā)電制氫、氧氣的裝置，其特征在于所述的箱體(3)由導(dǎo)熱性能良好的金屬材料制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種利用內(nèi)燃機尾氣余熱進(jìn)行溫差發(fā)電制氫、氧氣的裝置，其特征在于所述的散熱片組(4)由導(dǎo)熱性能良好的銅等金屬材料制成。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種利用內(nèi)燃機尾氣余熱進(jìn)行溫差發(fā)電制氫、氧氣的裝置，其特征在于所述的氫氣罐(10)與氧氣罐(11)的體積比為2:1。
6.權(quán)利要求I所述的ー種利用內(nèi)燃機尾氣余熱進(jìn)行溫差發(fā)電制氫、氧氣的裝置，其特征在于，該控制方法具體如下 裝置運行吋，電子控制単元(2)檢測由穩(wěn)壓器(8)發(fā)出的電壓信號f，當(dāng)電壓信號f穩(wěn)定在36V±1V吋，電子控制単元(2)發(fā)出制氫氧機繼電器控制信號e接通繼電器(6)，使制氫氧機(9)開始工作，利用溫差發(fā)電組(5)所提供的電能電解水制取氫氧氣，制氫氧機(9)運行時，電子控制單元(2)同時檢測氧氣壓力傳感器(12)和氫氣壓力傳感器(13)所發(fā)出的氧氣罐壓カ信號a及氫氣罐壓カ信號c,當(dāng)氧氣罐壓カ信號a及氫氣罐壓カ信號c指氧氣罐(11)或氫氣罐(10)中任意氣罐壓カ高于5bar時，電子控制單元均通過發(fā)出制氫氧機繼電器控制信號e斷開繼電器(6)所在電路，使制氫氧機(9)停止制取氫、氧氣以保證系統(tǒng)安全；當(dāng)電子控制単元(2 )根據(jù)氧氣罐壓カ信號a及氫氣罐壓カ信號c判定氧氣罐(11)或氫氣罐(10)中任一氣罐壓カ低于I. 5bar時，電子控制單兀(2)通過發(fā)出氧氣罐電磁閥控制信號b或氫氣罐電磁閥控制信號d關(guān)閉氧氣罐電磁閥(14)或氫氣罐電磁閥(15)停止壓カ低于I. 5bar的氣罐對外供氣；當(dāng)氧氣罐(11)和氫氣罐(10)中任一氣罐壓カ大于等于I. 5bar時，電子控制單兀(2)通過發(fā)出控制信號b、d打開氧氣罐電磁閥(14)或氫氣罐電磁閥(15),使壓カ大于I. 5bar的氣罐可以對外供氣。
全文摘要
一種利用內(nèi)燃機尾氣余熱進(jìn)行溫差發(fā)電制氫、氧氣的裝置及方法，屬于車輛能量回收技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明在保留了內(nèi)燃機1及排氣管7的基礎(chǔ)上增加了一套溫差發(fā)電系統(tǒng)及一套氫氣制取、儲存、供給系統(tǒng)。本發(fā)明巧妙地運用內(nèi)燃機尾氣提供高溫?zé)嵩矗蒙崞峁┑蜏責(zé)嵩?，使溫差發(fā)電裝置兩側(cè)產(chǎn)生溫差并發(fā)電供給制氫氧機制取氫氣和氧氣，從而實現(xiàn)了對內(nèi)燃機尾氣余熱的利用，提高了內(nèi)燃機的整體運行效率；提高了內(nèi)燃機熱效率并降低HC及CO等有害排放的產(chǎn)生。
文檔編號H02N11/00GK102865166SQ20121033663
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月12日
發(fā)明者紀(jì)常偉, 張擘, 汪碩峰, 王華超 申請人:北京工業(yè)大學(xué)