一种燃料电池汽车的热泵空调系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种燃料电池汽车的热泵空调系统，包括压缩机、四通换向阀、车内换热器、节流阀、车外换热器、甲醇水储存容器、输送泵、重整器、燃料电池、电力转换系统、汽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或外界；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，输向车外换热器；燃料电池用于氢气与氧气发生电化学反应，产生电能输出；电力转换系统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、输送泵及汽车马达供电。本实用新型在制热工况下，室外空气低于?5℃时，仍能正常高效工作，蒸发器不会结霜，且本实用新型能满足汽车马达供电，噪声小、耗能低、不污染空气环境。
【专利说明】
一种燃料电池汽车的热泵空调系统
技术领域
[0001]本实用新型涉及汽车空调技术领域，特别涉及一种燃料电池汽车的热栗空调系统。
【背景技术】
[0002]目前，绝大部分汽车都以汽油、柴油为燃料，不仅消耗了大量的石油资源，而且汽车尾气造成了严重的大气污染。为应对此资源问题和环境问题，电动汽车的开发变得非常重要。电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶的车辆。电动汽车包括纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车。在现有技术中，燃料电池汽车是指装备了燃料电池作为获得驱动力的电源的电动汽车，燃料电池汽车的技术可参照本创作者于2014年12月31日申请的专利2014108451 14.6—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。燃料电池汽车与燃油汽车一样，也需要安装空调系统。
[0003]空调系统作为改善驾驶员工作条件、提高工作效率、提高汽车安全性及为乘员营造健康舒适的乘车环境的重要手段，对燃油汽车和电动汽车而言，都是必不可少的。电动汽车用空调系统与普通的汽车(内燃机驱动)空调相比，由于原动机不同而引发一系列新变化。主要体现在:I)普通的汽车空调系统的压缩机依靠发动机通过一个电磁离合器驱动，而电动汽车空调压缩机自带电动机独立驱动；2)电动汽车没有用来采暖的发动机余热，不能提供作为汽车空调冬天采暖的热源，必须自身具有供暖的功能，即要求制冷、制热双向运行的车用热栗型空调系统。
[0004]车用热栗型空调系统原理就是利用逆卡诺原理，在制热工况下，车内换热器为冷凝器，车外换热器为蒸发器，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用热的车内空间，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。在制冷工况下，车外换热器为冷凝器，车内换热器为蒸发器，蒸发器从车内空间空气中的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，释放出的热量传递至室外，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。
[0005]然而，车用热栗型空调系统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-5°C时，热栗就难以正常工作，需要用电或其他辅助热源对空气进行加热，热栗的效率大大降低。车用热栗型空调系统在制热工况下，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用于空气源热栗系统的除霜方法、201410108455.5—种热栗空调除霜控制方法及热栗空调系统，空气源热栗增加除霜模块之后，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】
[0006]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，提供一种燃料电池汽车的热栗空调系统，该热栗空调系统在制热工况下，车外空气低于-5 °C时，仍能正常高效工作，蒸发器上也不会结霜，无需定期除霜，并且该热栗空调系统在满足自身供电的同时，还能为汽车马达供电，噪声小、耗能低、不污染空气环境。
[0007]为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是:一种燃料电池汽车的热栗空调系统，包括压缩机、四通换向阀、车内换热器、节流阀、车外换热器、甲醇水储存容器、输送栗、重整器、燃料电池、电力转换系统、汽车马达及空气余气混合器;所述压缩机、四通换向阀、车内换热器、节流阀与车外换热器之间形成热栗空调系统的工质输送回路;所述甲醇水储存容器储存有液态的甲醇水原料;所述输送栗用于将甲醇水储存容器中的甲醇水原料通过输送管道栗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或外界;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，输向车外换热器;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；所述电力转换系统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、输送栗及汽车马达供电;所述汽车马达用于驱动车轴旋转而使汽车行驶。
[0008]优选地，所述工质输送回路设有用于输送制冷工况状态下的工质的止回阀，所述节流阀包括主毛细管和副毛细管，其中副毛细管与止回阀相并联;所述工质输送回路上还设有过滤器及消声器。
[0009]优选地，所述工质输送回路设有电子膨胀阀、过滤器及消声器。
[0010]优选地，所述排气囱口与空气余气混合器之间设有换向阀，在制热工况状态下，从排气囱口排出的高温余气经换向阀后排向空气余气混合器，在制冷工况状态下，从排气囱口排出的高温余气经换向阀后排向外界。
[0011]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°C。
[0012]优选地，所述输送栗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。
[0013]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。
[0014]优选地，所述燃料电池汽车的热栗空调系统还包括缓冲蓄电池，该缓冲蓄电池的充电端连接电力转换系统，该缓冲蓄电池可为汽车马达供电。
[0015]本实用新型的有益效果是:其一、本实用新型在满足热栗空调供电的同时，还能满足汽车马达供电，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、在制热工况下，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车外换热器，此时，车外换热器为蒸发器，在车外换热器中，中温混合气体与工质换热，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-5°C以下的空气环境)，热栗空调均能正常高效工作；其四、在制热工况下，由于车外换热器(即蒸发器)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，热栗空调能同时利用高温余气及外界空气的热量，使得热栗空调更节能省电。
【附图说明】
[0016]图1为本实用新型的整体结构方框示意图。
[0017]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】
[0018]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。
[0019]如图1和图2所示，一种燃料电池汽车的热栗空调系统，包括压缩机1、四通换向阀
2、车内换热器3、节流阀4、车外换热器5、甲醇水储存容器6、输送栗7、重整器8、燃料电池9、电力转换系统10、汽车马达17及空气余气混合器11;所述压缩机1、四通换向阀2、车内换热器3、节流阀4与车外换热器5之间形成热栗空调的工质输送回路，在图1的工质输送回路中，虚线箭头表示制热工况，实线箭头表示制冷工况;所述甲醇水储存容器6储存有液态的甲醇水原料;所述输送栗7用于将甲醇水储存容器6中的甲醇水原料通过输送管道栗7送至重整器8的重整室；重整器8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°C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系统，反应方程为:(1)CH30H4C0+2H2、(2)H20+C0—C02+H2、(3)CH30H+H20—C02+3H2，重整反应生成的HdPCO2,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9，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8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或外界;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，输向车外换热器5;所述燃料电池9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9的阳极:2H2—4H++4e—，H2分裂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9的阴极:02+4e—+4H+—2H20，质子、电子和O2重新结合以形成H2O;所述电力转换系统10用于将燃料电池9输出的电能转换为负载所需求的电，为压缩机
1、输送栗7及汽车马达17供电;所述汽车马达17用于驱动车轴旋转而使汽车行驶。
[0020]如图1所示，所述工质输送回路设有用于输送制冷工况状态下的工质的止回阀12，所述节流阀4包括主毛细管41和副毛细管42，其中副毛细管42与止回阀12相并联;所述工质输送回路上还设有过滤器13及消声器14。当然，工质输送路也可如图2所示，所述工质输送回路设有电子膨胀阀19、过滤器13及消声器14。
[0021 ]如图1和图2所示，所述排气囱口与空气余气混合器11之间设有换向阀15，在制热工况状态下，从排气囱口排出的高温余气经换向阀15后排向空气余气混合器11，高温余气与外界空气混合后，热栗空调能同时利用高温余气及外界空气的热量，使得热栗空调更节能省电，一般地，热栗空调利用的热量中，外界空气热量占比40%-90%，高温余气占比10%-60%。在制冷工况状态下，从排气囱口排出的高温余气经换向阀15后排向外界。
[0022]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 °C。
[0023]如图1和图2所示，所述输送栗7与重整器8之间的输送管道上设有换热器16，低温的甲醇和水原料在换热器16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。
[0024]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%。
[0025]如图1和图2所示，所述燃料电池汽车的热栗空调系统还包括缓冲蓄电池18，该缓冲蓄电池18的充电端连接电力转换系统10，该缓冲蓄电池18可为汽车马达17供电。通过使用燃料电池汽车的控制装置，根据汽车马达17的负荷缓冲蓄电池的蓄电量，将燃料电池9所发出的电供给汽车马达17和缓冲蓄电池18。具体而言，例如在加速时等情况下，汽车马达17负荷大的时候，向汽车马达17供给来自燃料电池9和缓冲畜电池18的电，或者减速、制动时等情况下，将燃料电池17产生的电的一部分为缓冲蓄电池18充电。
[0026]上述燃料电池汽车的热栗空调系统的制热制冷方法，包括以下步骤:
[0027]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；
[0028]b.在制热工况下，车内换热器成为冷凝器，车外换热器成为蒸发器，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车外换热器，在车外换热器中，中温混合气体与工质换热，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系统转换后，为压缩机、输送栗及汽车马达供电；
[0029]c.在制冷工况下，车内换热器成为蒸发器，车外换热器成为冷凝器，高温余气排向外界;燃料电池输出的电能经电力转换系统转换后，为压缩机、输送栗及汽车马达供电；
[0030]优选地，在制热工况下，温度传感器实时检测空气余气混合器中的混合气体温度，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°C内。
[0031]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。
【主权项】
1.一种燃料电池汽车的热栗空调系统，其特征在于:包括压缩机、四通换向阀、车内换热器、节流阀、车外换热器、甲醇水储存容器、输送栗、重整器、燃料电池、电力转换系统、汽车马达及空气余气混合器;所述压缩机、四通换向阀、车内换热器、节流阀与车外换热器之间形成热栗空调系统的工质输送回路;所述甲醇水储存容器储存有液态的甲醇水原料;所述输送栗用于将甲醇水储存容器中的甲醇水原料通过输送管道栗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或外界;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，输向车外换热器;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;所述电力转换系统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、输送栗及汽车马达供电;所述汽车马达用于驱动车轴旋转而使汽车行驶。2.根据权利要求1所述的燃料电池汽车的热栗空调系统，其特征在于:所述工质输送回路设有用于输送制冷工况状态下的工质的止回阀，所述节流阀包括主毛细管和副毛细管，其中副毛细管与止回阀相并联;所述工质输送回路上还设有过滤器及消声器。3.根据权利要求1所述的燃料电池汽车的热栗空调系统，其特征在于:所述工质输送回路设有电子膨胀阀、过滤器及消声器。4.根据权利要求1所述的燃料电池汽车的热栗空调系统，其特征在于:所述排气囱口与空气余气混合器之间设有换向阀，在制热工况状态下，从排气囱口排出的高温余气经换向阀后排向空气余气混合器，在制冷工况状态下，从排气囱口排出的高温余气经换向阀后排向外界。5.根据权利要求1所述的燃料电池汽车的热栗空调系统，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°C。6.根据权利要求1所述的燃料电池汽车的热栗空调系统，其特征在于:所述输送栗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所述的燃料电池汽车的热栗空调系统，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所述的燃料电池汽车的热栗空调系统，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系统，该缓冲蓄电池可为汽车马达供电。
【文档编号】B60H1/00GK205674809SQ201620344369
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年4月23日 公开号201620344369.9, CN 201620344369, CN 205674809 U, CN 205674809U, CN-U-205674809, CN201620344369, CN201620344369.9, CN205674809 U, CN205674809U
【发明人】向华
【申请人】广东合即得能源科技有限公司