燃料电池热电交换冷启动预热及废热能量回收系统及方法
阅读说明：本技术 燃料电池热电交换冷启动预热及废热能量回收系统及方法 (Fuel cell thermoelectric exchange cold start preheating and waste heat energy recovery system and method ) 是由 陈锐 于 2020-10-06 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种燃料电池冷启动预热及废热能量回收系统,包括燃料电池、热电发生器和蓄电池,燃料电池设置有冷却剂出口和冷却剂入口,冷却剂出口、热电发生器和冷却剂入口通过冷却剂循环管路依次相连,热电发生器和蓄电池电联接。本发明还提供使用上述系统进行燃料电池冷启动预热及废热能量回收的方法。本发明的燃料电池热电交换冷启动预热及废热能量回收系统及方法能够使燃料电池动力装置快速冷启动,且能够进行高效能量回收,节能减排,增大续航里程。(The invention provides a fuel cell cold start preheating and waste heat energy recovery system which comprises a fuel cell, a thermoelectric generator and a storage battery, wherein the fuel cell is provided with a coolant outlet and a coolant inlet, the coolant outlet, the thermoelectric generator and the coolant inlet are sequentially connected through a coolant circulating pipeline, and the thermoelectric generator is electrically connected with the storage battery. The invention also provides a method for preheating the cold start of the fuel cell and recovering the waste heat energy by using the system. The preheating and waste heat energy recovery system and method for the thermoelectric exchange cold start of the fuel cell can enable the fuel cell power device to be rapidly cold started, can carry out efficient energy recovery, saves energy, reduces emission and increases the endurance mileage.)
技术领域
本发明涉及一种冷启动预热及废热能量回收系统及方法，具体涉及一种燃料电池热电交换冷启动预热及废热能量回收系统及方法。
背景技术
当质子交换膜燃料电池(PEMFCs)单独作为动力装置或与蓄电池混合作为动力装置使用时，为了保持质子交换膜燃料电池良好的质子传导性，必须将质子交换膜含水量保持在一定的水平以确保质子交换膜完全水合。同时，质子交换膜燃料电池适合的工作温度一般为40℃-80℃。一旦电池温度降至冰点以下，质子交换膜燃料电池的催化层(CL)、气体扩散层(GDL)以及质子交换膜中的水可能会结冰。因此，需要外部帮助以使燃料电池能够在冰冻温度下启动而没有或仅有轻微的性能下降。另一方面，与内燃机和蓄电池一样，一旦质子交换膜燃料电池稳定运行，其发生的电化学反应就会放热，大量的燃料能量会被转化为废热，为了避免质子交换膜燃料电池运行温度过高，这些废热需要被去除。
热电发生器(Thermo Electric Generator，TEG)是介于热通量(温差)和电能之间的固态能量转换设备。热电发生器具有双向特性，可以在基于塞贝克效应(Seebeckeffect)的发电模式下或基于珀尔帖效应(Peltier effect)的加热冷却模式下工作。热电发生器没有活动部件，不仅可以用作发电机，还可以用作加热或冷却装置。在能量产生模式中，热电发电器可以将原本浪费的热能的一部分直接转换为电能。在加热-冷却模式下，热电发电器加热性能系数(COP)高于常规液体冷却技术，通过在热电发电器上施加电压可释放热量以提高温度。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够使燃料电池动力装置快速冷启动并能够进行高效能量回收的燃料电池冷启动预热及废热能量回收系统；本发明的另一目的是提供能够使燃料电池动力装置快速冷启动并能够进行高效能量回收的燃料电池冷启动预热及废热能量回收的方法。
技术方案：本发明提供一种燃料电池冷启动预热及废热能量回收系统，包括燃料电池、热电发生器和蓄电池，燃料电池设置有冷却剂出口和冷却剂入口，冷却剂出口、热电发生器和冷却剂入口通过冷却剂循环管路依次相连，热电发生器和蓄电池电联接。
上述冷却剂出口和冷却剂入口用于将燃料电池的冷却剂排出至冷却剂循环管路，并经过一系列装置(如热电发生器等)的处理重新回到燃料电池。
优选地，上述燃料电池冷启动预热及废热能量回收系统还包括散热器，冷却剂出口、热电发生器、散热器和冷却剂入口通过冷却剂循环管路依次相连；散热器用于在废热回收(Waste Heat Recovery,WHR)模式下对冷却剂进行降温。
优选地，上述燃料电池冷启动预热及废热能量回收系统还包括三向阀，冷却剂出口、热电发生器、三向阀、散热器和冷却剂入口通过冷却剂循环管路依次相连；散热器设置有散热器入口和散热器出口，三向阀与散热器出口通过旁路管路直接相连；可在不需要对冷却剂进行降温或对冷却剂进行少量降温的情况下，通过控制三向阀来使部分或全部冷却剂流经旁路管路而不流经散热器，灵活控制冷却剂温度。
优选地，上述燃料电池冷启动预热及废热能量回收系统还包括设置在冷却剂循环管路上的冷却剂泵，用于为冷却剂循环提供动力。
优选地，上述燃料电池冷启动预热及废热能量回收系统还包括第一DC/DC转换器、第二DC/DC转换器和第三DC/DC转换器；蓄电池、第一DC/DC转换器和热电发生器通过预热电路依次电联接，第一DC/DC转换器将蓄电池的电能转换为适合热电发生器的电能，从而加热冷却剂；热电发生器、第二DC/DC转换器和蓄电池通过充电电路依次电联接，第二DC/DC转换器将热电发生器再生的电能转换为适合蓄电池的电能，为蓄电池充电；燃料电池、第三DC/DC转换器和蓄电池依次电联接，可在蓄电池电能不足时，第三DC/DC转换器将燃料电池产生的电能转换为适合蓄电池的电能，为蓄电池充电。
优选地，上述燃料电池冷启动预热及废热能量回收系统还包括电子控制单元和燃料电池温度传感器，电子控制单元与燃料电池温度传感器、热电发生器、散热器及三向阀分别相连；电子控制单元(ECU)接收来自燃料电池温度传感器的信号，通过控制热电发生器、散热器和三向阀，来实现上述燃料电池冷启动预热及废热能量回收系统的燃料电池预热(Fuel Cell Warm-Up,FCWP)模式和废热回收(Waste Heat Recovery,WHR)模式。
本发明另一方面提供使用上述燃料电池冷启动预热及废热能量回收系统进行燃料电池冷启动预热及废热能量回收的方法，包括以下模式一(燃料电池预热模式)或模式二(废热回收模式)的步骤：
模式一：当燃料电池进行冷启动时，使蓄电池向热电发生器供电，热电发生器将来自蓄电池的电能转化为热能并加热冷却剂，被加热的冷却剂回到燃料电池；
模式二：当燃料电池达到或超过最佳工作温度时，使蓄电池停止向热电发生器供电，热电发生器提取冷却剂中的部分热量转化为电能，为蓄电池充电。
电子控制单元接收燃料电池的温度信号，控制燃料电池冷启动预热及废热能量回收系统在模式一或模式二下运行。
当燃料电池进行冷启动时，通过控制三向阀使冷却剂不流经散热器；模式一中，当燃料电池进行冷启动时，还包括由燃料电池为蓄电池充电的步骤。
以上提到的“相连”，除特别说明是“直接相连”外，既可以是通过管路直接相连，也可以是通过管路以及其它装置/设备间接相连；以上提到的“直接相连”就指通过管路直接相连。
有益效果：本发明的燃料电池热电交换冷启动预热及废热能量回收系统及方法能够使燃料电池动力装置快速冷启动，且能够进行高效能量回收，节能减排，增大续航里程。
附图说明
图1是燃料电池热电交换冷启动预热及废热能量回收系统的连接关系示意图。
图1中的附图标记分别表示：
1-燃料电池；2-热电发生器；3-蓄电池；4-散热器；5-三向阀；6-冷却剂泵；7-第一DC/DC转换器；8-第二DC/DC转换器；9-第三DC/DC转换器；10-电子控制单元；11-冷却剂出口；12-冷却剂入口；13-冷却剂循环管路；14-散热器入口；15-散热器出口；16-旁路管路；17-预热电路；18-充电电路。
图中箭头表示流体流动方向、电流流动方向或信号传输方向。
具体实施方式
以下具体实施方式给出了一些具体细节以便理解本发明。然而，本领域技术人员应当理解，本发明的技术方案可以在没有这些细节的情况下实践。需要注意的是，为了便于理解，附图中所示出的各部分的尺寸并非按照实际比例进行绘制。对于本领域技术人员已知的技术在此可能不作详细描述，但应当被视为说明书的一部分。
如图1所示，一种燃料电池冷启动预热及废热能量回收系统，包括燃料电池1、热电发生器2、蓄电池3、散热器4、三向阀5、冷却剂泵6、第一DC/DC转换器7、第二DC/DC转换器8、第三DC/DC转换器9、燃料电池温度传感器(图中未示出)和电子控制单元10。
燃料电池1设置有冷却剂出口11和冷却剂入口12，冷却剂出口11、热电发生器2、三向阀5、散热器4和冷却剂入口12通过冷却剂循环管路13依次相连，形成冷却剂循环回路；冷却剂出口11和冷却剂入口12用于将燃料电池1的冷却剂排出至冷却剂循环管路13，并经过热电发生器2等的处理重新回到燃料电池1。散热器4用于在废热回收(Waste HeatRecovery,WHR)模式下对冷却剂进行降温。散热器4设置有散热器入口14和散热器出口15，三向阀5与散热器出口15通过旁路管路16直接相连；可在不需要对冷却剂进行降温或对冷却剂进行少量降温的情况下，通过控制三向阀5来使部分或全部冷却剂流经旁路管路16而不流经散热器4，灵活控制冷却剂温度。
蓄电池3、第一DC/DC转换器7和热电发生器2通过预热电路17依次电联接，第一DC/DC转换器7将蓄电池3的电能转换为适合热电发生器2的电能，从而加热冷却剂，通过加热冷却剂进而实现燃料电池1快速冷启动；热电发生器2、第二DC/DC转换器8和蓄电池3通过充电电路18依次电联接，第二DC/DC转换器8将热电发生器2从冷却剂提取废热再生的电能转换为适合蓄电池3的电能，为蓄电池3充电，从而实现燃料电池1废热能量回收；燃料电池1、第三DC/DC转换器9和蓄电池3依次电联接，可在蓄电池3电能不足时，第三DC/DC转换器9将燃料电池1产生的电能转换为适合蓄电池3的电能，为蓄电池3充电。
电子控制单元10与燃料电池温度传感器、热电发生器2、散热器4及三向阀5分别相连；电子控制单元10(ECU)接收来自燃料电池温度传感器的信号，通过控制热电发生器2、散热器4和三向阀5，来实现上述燃料电池冷启动预热及废热能量回收系统的燃料电池预热(Fuel Cell Warm-Up,FCWP)模式和废热回收(Waste Heat Recovery,WHR)模式。
使用上述燃料电池冷启动预热及废热能量回收系统进行燃料电池冷启动预热及废热能量回收的方法包括以下步骤：
当燃料电池1进行冷启动时，上述燃料电池冷启动预热及废热能量回收系统启动燃料电池预热(Fuel Cell Warm-Up,FCWP)模式，冷却剂在冷却剂泵6的作用下在冷却剂循环回路中循环，并流经热电发生器2；蓄电池3向热电发生器2供电，基于珀尔帖效应(Peltier effect)，热电发生器2将来自蓄电池3的电能转化为热能，热电发生器2加热冷却剂，被加热的冷却剂回到燃料电池1，从而提高燃料电池1温度，使燃料电池1温度快速升高至最佳工作温度。
当燃料电池1达到或超过最佳工作温度时，上述燃料电池冷启动预热及废热能量回收系统启动废热回收(Waste Heat Recovery,WHR)模式，蓄电池3停止向热电发生器2供电，冷却剂在冷却剂泵6的作用下在冷却剂循环回路中循环，并流经热电发生器2；基于塞贝克效应(Seebeck effect)，热电发生器2提取冷却剂中的部分热量转化为电能，为蓄电池3充电。
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