一种燃料电池排放管理系统的制作方法

1.本实用新型涉及燃料电池汽车领域，特别涉及一种燃料电池排放管理系统。


背景技术：

2.燃料电池在进行工作时，水会伴随着燃料电池的反应而产生，产生的水一部分会被阳极气流而带出，一部分被阳极循环系统带进燃料电池，还有一部分从阴极通过尾排直接排入大气中。对于被阳极循环系统带进燃料电池的那部分液态水，如果先不对氢气和水蒸气进行气液分离处理，这些液态水则会随之进入电堆内，造成阳极水淹，且阳极循环中累计的水也会加重氢循环泵或引射器的工作负荷，降低他们的性能甚至导致故障。
3.现有的燃料电池阳极排放处理所采用的气液分离方法，其缺点在于氢气和水蒸气容易分离不彻底，若分离后排出尾排，氢气浓度仍然有达到爆炸极限的可能性。并且该方法会在阴极产生废水排出，而在现有的技术下，排出废水的回收利用技术较为简单，方案也较为单一。


技术实现要素：

4.本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型提出一种燃料电池排放管理系统，解决了现有技术下气液分离后氢气浓度过高且回收处理手段单一的问题。
5.根据本实用新型实施例的燃料电池排放管理系统，包括：
6.燃料电池电堆，包括进气口、阳极排放口、阴极排放口；
7.气液分离器，包括输入口、氢气输出口、水蒸气输出口，所述气液分离器的输入口与所述阳极排放口连接；
8.氢气引射器，其输入口与所述气液分离器的氢气输出口连接，输出口与所述燃料电池电堆的进气口连接；
9.冷凝器，包括输入口、排水口，所述冷凝器的输入口分别与所述气液分离器的水蒸气输出口、所述阴极排放口连接；
10.热回收单元，至少用于利用所述冷凝器换热时产生的余热进行发电；
11.水回收单元，与所述冷凝器的排水口连接，所述水回收单元至少用于回收利用所述冷凝器换热时产生的水来补偿所述燃料电池电堆反应时所需的冷却液量。
12.根据本实用新型实施例的燃料电池系统，至少具有如下技术效果：燃料电池电堆反应所排出的余氢和水蒸气，进入气液分离器后会得到分离，并通过氢气引射器将分离出来的氢气吸出并回流，重新与燃料电池电堆进气口的氢气汇合。而分离出来的水蒸气，将通过冷凝器换热得到液态水，换热产生的热量由热回收单元所利用，获得的液态水由水回收单元所利用。通过将气液分离器和氢气引射器结合使用，燃料电池的余氢利用率进一步提升，并降低了水汽中的氢气浓度。除此之外，回收利用冷凝器产生的热量和排出的液态水，相较于现有技术下燃料电池阴极排水处理的方案，本实用新型实施例的燃料电池排放管理
系统在资源的重复利用上，其功能更加丰富，进一步改善了能量浪费的问题，有利于节能减排与低碳环保。
13.根据本实用新型的一些实施例，所述热回收单元包括余热发电装置，所述余热发电装置用于吸收所述冷凝器换热时所散出的热量并转化直流电压。
14.根据本实用新型的一些实施例，所述热回收单元还包括直流升压装置，所述直流升压装置的输入端与所述余热发电装置电性连接，所述直流升压装置用于对所述余热发电装置产生的直流电压进行升压并输入至所述燃料电池汽车的动力蓄电池。
15.根据本实用新型的一些实施例，所述水回收单元包括：
16.水泵，其输入口与所述冷凝器的排水口连接，所述水泵用于驱动由冷凝器所产生的水；
17.主水箱，具有进水口、排水口，所述主水箱的进水口与所述水泵的输出口连接。
18.根据本实用新型的一些实施例，所述水回收单元还包括：
19.补水箱，具有进水口、第一排水口、第二排水口，所述补水箱的进水口与所述水泵的输出口连接，所述补水箱的第一排水口与所述主水箱的进水口连接；
20.尾排管，与所述补水箱的第二排水口连接。
21.根据本实用新型的一些实施例，所述水回收单元还包括：
22.排水阀，连接在所述补水箱与所述尾排管之间；
23.泄压阀，连接在所述补水箱与所述尾排管之间。
24.根据本实用新型的一些实施例，所述水回收单元还包括连接在所述水泵与所述补水箱之间的单向阀。
25.根据本实用新型的一些实施例，所述水回收单元还包括加热器，所述加热器的输入口与所述水泵的输出口连接，所述加热器的输出口与所述补水箱的进水口连接。
26.根据本实用新型的一些实施例，所述水回收单元还包括去离子器，所述去离子器的一端与所述补水箱的第一排水口连接，所述去离子器的另一端与所述主水箱的进水口连接。
27.根据本实用新型的一些实施例，所述燃料电池排放管理系统还包括加湿单元，所述加湿单元与所述主水箱的进水口连接，所述加湿单元用于对所述补水箱输出的水进行雾化并吹出。
28.根据本实用新型的一些实施例，所述加湿单元包括：
29.三通阀，其输入口与所述补水箱的第一排水口连接，一个输出口与所述主水箱的进水口连接；
30.加湿控制阀，其输入口与所述三通阀的另一个输出口连接，所述加湿控制阀用于开启或停止加湿操作；
31.雾化器，其输入口与所述加湿控制阀的输出口连接；
32.鼓风机，其输入口与所述雾化器的输出口连接，所述鼓风机用于将加湿后的水汽传输至空调吹出。
33.本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
34.本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
35.图1是本实用新型实施例的燃料电池排放管理系统的连接图。
36.附图标记：
37.燃料电池电堆100、
38.气液分离器200、
39.氢气引射器300、
40.冷凝器400、
41.余热发电装置510、直流升压器520、动力蓄电池530、
42.水泵610、主水箱620、补水箱630、尾排管640、排水阀650、泄压阀660、单向阀670、加热器680、去离子器690、
43.三通阀710、加湿控制阀720、雾化器730、鼓风机740、空调风道750。
具体实施方式
44.下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
45.在本实用新型的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
46.在本实用新型的描述中，多个的含义是两个以上。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
47.本实用新型的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接、断开等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本实用新型中的具体含义。
48.参考图1描述根据本实用新型实施例的燃料电池排放管理系统。
49.根据本实用新型实施例的燃料电池排放管理系统，包括：燃料电池电堆100、气液分离器200、氢气引射器300、冷凝器400、热回收单元、水回收单元。燃料电池电堆100包括进气口、阳极排放口、阴极排放口；气液分离器200包括输入口、氢气输出口、水蒸气输出口，气液分离器200的输入口与阳极排放口连接；氢气引射器300的其输入口与气液分离器200的氢气输出口连接，输出口与燃料电池电堆100的进气口连接；冷凝器400包括输入口、排水口，冷凝器400的输入口分别与气液分离器200的水蒸气输出口、阴极排放口连接；热回收单元至少用于利用冷凝器400换热时产生的余热进行发电；水回收单元与冷凝器400的排水口连接，水回收单元至少用于回收利用冷凝器400换热时产生的水来补偿燃料电池电堆100反应时所需的冷却液量。
50.参考图1，燃料电池电堆100进行反应后，阳极排放口排出氢气和水蒸气，阴极排放口排出氧气和水蒸气。当排出的余氢和水蒸气进入气液分离器200后，利用流体转向过程时气液比重不同的原理，液体开始下沉并与气体分离，氢气因密度关系上升排出。因此，从气液分离器200出来的氢气，被引射器吸出回流，并重新与供给的氢气汇合后重新回到氢燃料电池进气口；从气液分离器200出来的水蒸气，和阴极排放口排出的氧气及水蒸气，经过冷凝器400进行换热处理，一方面把水蒸气转变成液体并由水回收单元所利用来为冷却液进行补给，另一方面经过冷凝放热所产生的热量由热回收单元所利用来进行供暖或发电。
51.根据本实用新型实施例的燃料电池排放管理系统，燃料电池电堆100反应所排出的余氢和水蒸气，进入气液分离器200后会得到分离，并通过氢气引射器300将分离出来的氢气吸出并回流，重新与燃料电池电堆100进气口的氢气汇合。而分离出来的水蒸气，将通过冷凝器400换热得到液态水，换热产生的热量由热回收单元所利用，获得的液态水由水回收单元所利用。通过将气液分离器200和氢气引射器300结合使用，燃料电池的余氢利用率进一步提升，并降低了水汽中的氢气浓度。除此之外，回收利用冷凝器400产生的热量和排出的液态水，相较于现有技术下燃料电池阴极排水处理的方案，本实用新型实施例的燃料电池排放管理系统在资源的重复利用上，其功能更加丰富，进一步改善了能量浪费的问题，有利于节能减排与低碳环保。
52.在本实用新型的一些实施例中，如图1所示，热回收单元包括余热发电装置510，余热发电装置510用于吸收所述冷凝器400换热时所散出的热量并转化直流电压。相较于现有技术中将换热时产生的热量单纯地用作燃料电池汽车的供暖，通过增加余热发电装置510，将余热作为燃料电池汽车的一部分供电来源，从而使得热回收利用的用途更广。
53.在本实用新型的一些实施例中，如图1所示，热回收单元还包括直流升压装置，直流升压装置的输入端与余热发电装置510电性连接，直流升压装置用于对余热发电装置510产生的直流电压进行升压并输入至所述燃料电池汽车的动力蓄电池530。在具体的实施例中，从余热发电装置510出来的直流电压实际上较小，需要经过直流升压装置，将低压直流电升压至高电压后，才能用于燃料电池汽车。因此，通过增加直流升压装置，将低压直流电升压到高于车辆的动力蓄电池530的高电压，从而给车辆的动力蓄电池530充电，以提升蓄电池的电荷容量。
54.在本实用新型的一些实施例中，如图1所示，水回收单元包括：水泵610、主水箱620。水泵610的输入口与冷凝器400的排水口连接，水泵610用于驱动由冷凝器400所产生的水；主水箱620具有进水口、排水口，主水箱620的进水口与水泵610的输出口连接。
55.参考图1，冷凝器400输出的液态水，将通过水泵610的驱动，传输至主水箱620，因此起到了为主水箱620补水的作用。需要说明的是，主水箱620常用于燃料电池热管理系统，由于燃料电池电堆100在进行电化学反应时，需要合适的温度来保证正常工作，因此燃料电池需要热管理系统来维持适宜的反应温度。燃料电池热管理系统通常采用冷却液的循环流动来为燃料电池电堆100进行换热，而主水箱620可用于容纳管路中冷却液产生的膨胀量，还起到为热管理系统定压与补水的作用。
56.在本实用新型的一些实施例中，如图1所示，水回收单元还包括：补水箱630、尾排管640。补水箱630具有进水口、第一排水口、第二排水口，补水箱630的进水口与水泵610的输出口连接，补水箱630的第一排水口与主水箱620的进水口连接；尾排管640与补水箱630
的第二排水口连接。
57.具体地，补水箱630可用于蓄水，安装在高于主水箱620最高处的位置，补水箱630可以采用软管与主水箱620相连。当燃料电池工作时，主水箱620液位下降，燃料电池主水箱620产生气体；当主水箱620产生气体时，气体会向最高处移动，根据气压差的原理，气体由补水箱630向尾排管640排出。同时主水箱620内的气体内排出后，水位下降，补水箱630内的水即流入主水箱620，起到补充水的作用。
58.通过补水箱630进行储水，避免了燃料电池产生的水直接排放到车外，导致冬天路面结冰车辆难以行驶，并通过与燃料电池的主水箱620结合，使得主水箱620在水量较少时可自动补水，提升了燃料电池热管理系统中散热器的散热性能，降低了燃料电池在高功率工作下的水温。
59.在本实用新型的一些实施例中，如图1所示，水回收单元还包括：排水阀650、泄压阀660。排水阀650连接在补水箱630与尾排管640之间；泄压阀660连接在补水箱630与尾排管640之间。
60.在一些具体的实施例中，若补水箱630的水量超过其临界点，则设置在补水箱630上的液位传感器将检测到补水箱630水位超标，并在仪表中显示报警。排水阀650受燃料电池汽车的主控制器控制，并按设置的占空比定时打开排水阀650，从而使补水箱630液位恢复正常。或者可通过车辆仪表台上的手动排水开关控制，手动排水开关优先级高于主控制器的自动控制。手动排水开关为自复位，长按则排水阀650常开，停止按下开关即复位，排水阀650则关闭。补水箱630上设置了泄压阀660，因此可以调节泄压阀660来控制尾排管640的排气量。
61.在本实用新型的一些实施例中，如图1所示，水回收单元还包括连接在水泵610与补水箱630之间的单向阀670。当水泵610停止工作时，为了防止逆流，通过增加单向阀670，让水流从水泵610单向传输至补水箱630。
62.在本实用新型的一些实施例中，如图1所示，水回收单元还包括加热器680，加热器680的输入口与水泵610的输出口连接，加热器680的输出口与补水箱630的进水口连接。为防止在气温较低的情况下补水箱630结冰，因此增加了加热器680。具体地，例如当气温低于5摄氏度时，加热器680将由燃料电池汽车的主控制器控制开启。
63.在本实用新型的一些实施例中，如图1所示，水回收单元还包括去离子器690，去离子器690的一端与补水箱630的第一排水口连接，去离子器690的另一端与主水箱620的进水口连接。为防止补水箱630的离子浓度过高，增加了去离子器690，从而降低了液态水的离子浓度，避免了因离子浓度过高而造成的燃料电池系统绝缘性差的问题。
64.在本实用新型的一些实施例中，如图1所示，燃料电池排放管理系统还包括加湿单元，加湿单元与主水箱620的进水口连接，加湿单元用于对补水箱630输出的水进行雾化并吹出。通过增加加湿单元，从而提高了燃料电池汽车车厢内环境的湿度，防止乘客皮肤过于干燥，并且在冬季接触时容易产生静电的情况下，使局部静电更容易释放，有效解除静电困扰。
65.在本实用新型的一些实施例中，如图1所示，加湿单元包括：三通阀710、加湿控制阀720、雾化器730、鼓风机740。三通阀710的输入口与补水箱630的第一排水口连接，一个输出口与主水箱620的进水口连接；加湿控制阀720的输入口与三通阀710的另一个输出口连
接，加湿控制阀720用于开启或停止加湿操作；雾化器730的输入口与加湿控制阀720的输出口连接；鼓风机740的输入口与雾化器730的输出口连接，鼓风机740用于将加湿后的水汽传输至空调吹出。
66.参考图1，在补水箱630与主水箱620的连接之间设置了三通阀710后，使得补水箱630中的一部分水可以流向加湿控制阀720。当需要对燃料电池汽车车厢的湿度进行改善时，由燃料电池汽车的主控制器来控制开启加湿控制阀720，从而使液态水流至雾化器730进行雾化来获得水汽，水汽进入鼓风机740后被吹至空调风道750，并最终通过空调风道750来吹进车厢中完成加湿。
67.具体地，如图1所示，鼓风机740的入风口与冷凝器400的排风口连接，以使得将燃料电池电堆100反应后产生的氧气或一些空气作为风源，来驱动雾化后水汽的流动，进一步提升了资源的重复使用。增加的三通阀710可起到分流的作用，从而可以通过调节三通阀710的开度来调整加湿量的大小；加湿控制阀720可以使加湿功能在需要时开启，不需要时关闭。
68.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
69.尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。