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CN102865166A - 一种利用尾气余热进行温差发电制氢、氧气的装置及方法 - Google Patents

一种利用尾气余热进行温差发电制氢、氧气的装置及方法 Download PDF

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张擘
汪硕峰
王华超
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Abstract

一种利用内燃机尾气余热进行温差发电制氢、氧气的装置及方法，属于车辆能量回收技术领域。本发明在保留了内燃机1及排气管7的基础上增加了一套温差发电系统及一套氢气制取、储存、供给系统。本发明巧妙地运用内燃机尾气提供高温热源，利用散热片提供低温热源，使温差发电装置两侧产生温差并发电供给制氢氧机制取氢气和氧气，从而实现了对内燃机尾气余热的利用，提高了内燃机的整体运行效率；提高了内燃机热效率并降低HC及CO等有害排放的产生。

Description

一种利用尾气余热进行温差发电制氢、氧气的装置及方法
技术领域
本发明提供一种利用内燃机尾气余热进行温差发电制氢、氧气的装置及方法，具体内容涉及一种通过温差发电装置利用内燃机尾气余热发电并供给车载制氢氧机随车制取氢气及氧气的装置及控制方法。
背景技术
提高内燃机热效率已经成为内燃机发展的重要趋势。近年来，氢内燃机及掺氢内燃机已经被证明可以获得较传统汽、柴油机更高的热效率及更低的有害排放。但是，由于氢气基础设施建设的匮乏，纯氢及掺氢内燃机都存在着加氢困难的问题。通过加装车载制氢氧机随车电解水制取氢气和氧气可以解决氢气加注困难的问题，但制氢氧机在电解水时仍然会消耗一部分能量。
内燃机燃料中约有30%的能量经排气管被直接排出。因此，如果能够利用回收尾气中的热能发电制氢则可以进一步提高纯氢及掺氢内燃机的热效率，并实现对发动机尾气余热的回收利用。但内燃机尾气温度通常仅有300至400摄氏度左右，因而其属于低品位热能，存在利用困难的问题。
温差发电系统可以利用塞贝克效应在温差发电材料两端存在较小温差的条件下将热能转化为电能，因此，利用温差发电装置可以将低品位热能转化为高品位的电能。
发明内容
针对目前存在的氢气与氧气的加注与随车储运困难、制氢氧机大量消耗蓄电池电能以及内燃机尾气热量难以利用的问题，本发明提供一种利用内燃机尾气余热进行温差发电制氢、氧气的装置及方法。
本发明采用了如下的技术方案，该发明中的一种利用内燃机尾气余热进行温差发电制氢、氧气的装置包括车辆所原有的内燃机1及排气管7。本发明在保留了内燃机1及排气管7的基础上增加了一套温差发电系统及一套氢气制取、储存、供给系统，包括：通过法兰连接在内燃机排气管上的箱体3，安装在箱体3外表面的温差发电组5，安装在温差发电组5上方的散热片组4，温差发电组5的正、负极导线分别与稳压器8相连接，稳压器8的负极导线与制氢氧机9的负极相连接，稳压器8的正极通过继电器6相连接，继电器6通过导线与制氢氧机9的正极相连接，制氢氧机9所制得的氢气和氧气分别通过不锈钢管路与氢气罐10和氧气罐11相连接，氢气压力传感器13和氧气压力传感器12分别通过安装在氢气罐10和氧气罐11上，氢气罐10和氧气罐11的出口上分别安装有氢气罐电磁阀15和氧气罐电磁阀14。
电子控制单元2通过导线与稳压器8相连接获得电压信号f，电子控制单元2通过导线分别与氧气压力传感器12及氢气压力传感器13相连接获得氧气罐压力信号a和氢气罐压力信号c，电子控制单元2通过导线分别与氧气罐电磁阀14和氢气罐电磁阀15相连接并通过发出氧气罐电磁阀控制信号b及氢气罐电磁阀控制信号d控制氧气罐电磁阀14和氢气罐电磁阀15的打开与关闭，电子控制单元2还通过导线与继电器6相连接并通过发出制氢氧机继电器控制信号e控制继电器6的通断从而控制制氢氧机9的启停。
所述的温差发电组5由半导体温差发电材料制成；
所述的箱体3由导热性能良好的金属材料制成；
所述的散热片组4由导热性能良好的铜等金属材料制成；
所述的氢气罐10与氧气罐11的体积比为2:1。
一种利用内燃机尾气余热进行温差发电制氢、氧气装置的运行方式为：
一种利用内燃机尾气余热进行温差发电制氢、氧气装置中的温差发电组5安装在箱体3外壁表面，箱体3通过法兰与排气管7相连接，因而箱体3中的尾气可以为温差发电组5提供高温热源，与温差发电组5相连的散热片组4可以为温差发电组5的另一端散热并为温差发电组5提供低温热源，温差发电组5在高、低温热源存在温差的条件下即可发电，系统运行时，电子控制单元检测由稳压器8发出的电压信号f，当电压信号f稳定在36V±1V时，电子控制单元发出制氢氧机继电器控制信号e接通继电器6，使制氢氧气9能够利用温差发电组5所提供的电能电解水制取氢氧气，制氢氧机9运行时，电子控制单元2同时检测氧气压力传感器12和氢气压力传感器13所发出的氧气罐压力信号a及氢气罐压力信号c，当氧气罐压力信号a及氢气罐压力信号c指示氧气罐11或氢气罐10中任意气罐压力高于5bar时，电子控制单元均通过发出制氢氧机继电器控制信号e断开继电器6所在电路，使制氢氧机9停止制取气以保证系统安全。为防止供气过程中气体发生倒流现象，氢气和氧气罐内需要保持一定的压力。因此，当电子控制单元2根据氧气罐压力信号a及氢气罐压力信号c判定氧气罐11或氢气罐10中任一气罐压力低于1.5bar时，电子控制单元2通过发出氧气罐电磁阀控制信号b或氢气罐电磁阀控制信号d关闭氧气罐电磁阀14或氢气罐电磁阀15停止压力低于1.5bar的气罐对外供气。当氧气罐11和氢气罐10中任一气罐压力大于等于1.5bar时，电子控制单元2通过发出控制信号b、d打开氧气罐电磁阀14或氢气罐电磁阀15，使压力大于1.5bar的气罐可以对外供气。
本发明的工作过程：电子控制单元2由稳压器8发出的电压信号f，当电压信号f稳定在36V±1V时，电子控制单元发出制氢氧机继电器控制信号e接通继电器6，使制氢氧气9能够利用温差发电组5所提供的电能电解水制取氢氧气，制氢氧机9运行时，电子控制单元2同时检测氧气压力传感器12和氢气压力传感器13所发出的氧气罐压力信号a及氢气罐压力信号c，当氧气罐压力信号a及氢气罐压力信号c指示氧气罐11或氢气罐10中任意气罐压力高于5bar时，电子控制单元均通过发出制氢氧机继电器控制信号e断开继电器6所在电路，使制氢氧机9停止制取气以保证系统安全。供气过程中，当电子控制单元2根据氧气罐压力信号a及氢气罐压力信号c判定氧气罐11或氢气罐10中任一气罐压力低于1.5bar时，电子控制单元2通过发出氧气罐电磁阀控制信号b或氢气罐电磁阀控制信号d关闭氧气罐电磁阀14或氢气罐电磁阀15停止压力低于1.5bar的气罐对外供气。当氧气罐11或氢气罐10中任一气罐压力大于等于1.5bar时，电子控制单元2通过发出控制信号b、d打开氧气罐电磁阀14或氢气罐电磁阀15，使压力大于1.5bar的气罐可以对外供气。
本发明的有益效果是：针对目前存在的纯氢及掺氢内燃机加氢困难及内燃机尾气热量难以利用的问题，巧妙地运用内燃机尾气提供高温热源，利用散热片提供低温热源，使温差发电装置两侧产生温差并发电供给制氢氧机制取氢气和氧气，从而实现了对内燃机尾气余热的利用，提高了内燃机的整体运行效率；同时，所述的温差发电装置在发电时不会消耗内燃机运行时所产生的功率，而仅仅是有效地利用了内燃机运行时难以利用的剩余能量，从而不会对整车动力性造成影响；所述的制氢氧机在运行时能够利用温差发电装置所提供的电能电解水制取氢气和氧气，将电能转化为了可以被内燃机燃烧时所使用的燃料和助燃剂，从而有利于提高内燃机热效率并降低HC及CO等有害排放的产生。
附图说明
图1本发明的结构和工作原理图
图中：1内燃机；2电子控制单元；3箱体；4散热片；5温差发电组；6继电器；7排气管；8稳压器；9制氢氧机；10氢气罐；11氧气罐；12氧气压力传感器；13氢气压力传感器；14氧气罐电磁阀；15氢气罐电磁阀；
a氧气罐压力信号；b氧气罐电磁阀控制信号；c氢气罐压力信号；d氢气罐电磁阀控制信号；e制氢氧机继电器控制信号；f电压信号
具体实施方式
本实施例在北京现代所生产的1.8L伊兰特轿车上进行了如下实验：
实验前按照图1所示结构搭建一种利用内燃机尾气余热进行温差发电制气的装置，将箱体3通过法兰安装在内燃机1原有的排气管7上，使尾气可以直接进入箱体3并为温差发电组5提供高温热源，将散热片组4安装在温差发电组5上，利用散热片组4为温差发电组5的另一端降温并提供低温热源，制氢氧机9、氢气罐10、氧气罐11、电子控制单元2、继电器6及稳压器8均布置在车辆后备箱内，温差发电组5的正、负极导线分别与稳压器8相连接，稳压器8的负极导线与制氢氧机9的负极相连接，稳压器8的正极通过继电器6相连接，继电器6通过导线与制氢氧机9的正极相连接，制氢氧机9所制得的氢气和氧气分别通过不锈钢管路与氢气罐10和氧气罐11相连接，氢气压力传感器13和氧气压力传感器12分别通过安装在氢气罐10和氧气罐11上，氢气罐10和氧气罐11的出口上分别安装有氢气罐电磁阀15和氧气罐电磁阀14。实验时，车辆运行在水平良好路面上，行车速度控制在70km/h附近，变速箱挡位为5挡。
（1）回收尾气中热量制取氢、氧气实验
本步实验中，为测试系统利用温差发电装置制氢及在极端条件下氢、氧气罐超压时系统的自动保护能力，故人为切断氢气罐电磁阀15和氧气罐电磁阀14，使系统不对外供氢、氧气。实验时，电子控制单元2通过电压信号f检测到稳压器8的电压为36.5V，因此，电子控制单元2通过发出制氢氧机继电器控制信号e接通继电器6，使制氢氧机9开始电解水制取氢、氧气，制氢氧机在本实验条件下制取氢气和氧气的速度分别为7L/min和3.5L/min，制氢氧机9运行时，电子控制单元2实时监测氧气压力传感器12和氢气压力传感器13所发出的氧气罐压力信号a及氢气罐压力信号c，制氢氧机9开始制氢、氧气约20分钟后，电子控制单元2检测到氧气压力传感器12所发出的信号指示氧气罐11压力达到5.0bar，此时，电子控制单元2通过发出制氢氧机继电器控制信号e断开继电器6，使制氢氧机9停止电解水制取氢、氧气，以保证系统运行安全。
（2）氢、氧气储存及供给试验
实验首先在氢气和氧气罐内气体储量不足时测试系统运行效果。电子控制单元2根据氧气压力传感器12和氢气压力传感器13所发出的信号a、c检测到氧气罐11和氢气罐10的压力分别为1.2bar和1.0bar，此时，电子控制单元2通过发出控制信号b、d分别切断氧气罐电磁阀14和氢气罐电磁阀13，使系统不对外供出氢气和氧气，该实验条件下，利用外接压力表检测到氢气电磁阀和氧气电磁阀出口处气体压力均为0bar，表明氢气和氧气电磁阀均被成功关闭。
之后，在氢气和氧气罐内气体储量充足时测试系统运行效果。电子控制单元2根据氧气压力传感器12和氢气压力传感器13所发出的信号a、c检测到氧气罐11和氢气罐10的压力分别为4.7bar和4.5bar，此时，电子控制单元2通过发出控制信号b、d分别打开氧气罐电磁阀14和氢气罐电磁阀13，使系统对外供出氢气和氧气，该实验条件下，利用外接压力表检测到氢气电磁阀和氧气电磁阀出口处气体压力分别为4.7bar和4.5bar，表明氢气和氧气电磁阀均被成功打开。
第三，测试氢气罐压力充足氧气罐压力不足时系统供氢能力。电子控制单元2根据氧气压力传感器12和氢气压力传感器13所发出的信号a、c检测到氧气罐11和氢气罐10的压力分别为0.7bar和4.5bar，此时，电子控制单元2通过发出控制信号b关闭氧气罐电磁阀14并通过发出控制信号d打开氢气罐电磁阀13，使系统对外供出氢气但不供出氧气，该实验条件下，利用外接压力表检测到氢气电磁阀和氧气电磁阀出口处气体压力分别为4.5bar和0bar，表明氢气电磁阀被打开而氧气电磁阀被关闭。
最后，测试氢气罐压力不足氧气罐压力充足时系统供氢能力。电子控制单元2根据氧气压力传感器12和氢气压力传感器13所发出的信号a、c检测到氧气罐11和氢气罐10的压力分别为4.2bar和0.9bar，此时，电子控制单元2通过发出控制信号b打开氧气罐电磁阀14并通过发出控制信号d关闭氢气罐电磁阀13，使系统对外不供出氢气但供出氧气，该实验条件下，利用外接压力表检测到氢气电磁阀和氧气电磁阀出口处气体压力分别为0bar和4.2bar，表明氢气电磁阀被关闭而氧气电磁阀被打开。
上述实验结果表明，采用本发明所提供的一种利用内燃机尾气余热进行温差发电制氢、氧气的装置可以有效地通过回收内燃机尾气多余热能为制氢氧机提供电能并电解水制取氢气和氧气。由于温差发电装置在为制氢氧机提供电能时并不消耗内燃机所做的有用功，因而使用该系统不会影响到原机的动力性。

Claims (6)

1.一种利用内燃机尾气余热进行温差发电制氢、氧气的装置，其特征在于：在保留了内燃机（1）及排气管（7）的基础上增加了一套温差发电系统及一套氢气制取、储存、供给系统，包括：通过法兰连接在内燃机排气管上的箱体（3），安装在箱体（3）外表面的温差发电组（5），安装在温差发电组（5）上方的散热片组（4），温差发电组（5）的正、负极导线分别与稳压器（8）相连接，稳压器（8）的负极导线与制氢氧机（9）的负极相连接，稳压器（8）的正极通过继电器（6）与制氢氧机（9）的正极相连接，制氢氧机（9）通过氢气输送管路和氧气输送管路分别与氢气罐（10）和氧气罐（11）相连接，氢气压力传感器（13）和氧气压力传感器（12）分别安装在氢气罐（10）和氧气罐（11）上，氢气罐（10）和氧气罐（11）的出口上分别安装有氢气罐电磁阀（15）和氧气罐电磁阀（14）；
电子控制单元（2）与稳压器（8）相连接获得电压信号f，电子控制单元（2）分别与氧气压力传感器（12）及氢气压力传感器（13）相连接获得氧气罐压力信号a和氢气罐压力信号c，电子控制单元（2）分别与氧气罐电磁阀（14）和氢气罐电磁阀（15）相连接并通过发出氧气罐电磁阀控制信号b及氢气罐电磁阀控制信号d控制氧气罐电磁阀（14）和氢气罐电磁阀（15）的打开与关闭，电子控制单元（2）与继电器（6）相连接并通过发出制氢氧机继电器控制信号e控制继电器（6）的通断从而控制制氢氧机（9）的启停。
2.根据权利要求1所述的一种利用内燃机尾气余热进行温差发电制氢、氧气的装置，其特征在于：所述的温差发电组（5）由半导体温差发电材料制成。
3.根据权利要求1所述的一种利用内燃机尾气余热进行温差发电制氢、氧气的装置，其特征在于：所述的箱体（3）由导热性能良好的金属材料制成。
4.根据权利要求1所述的一种利用内燃机尾气余热进行温差发电制氢、氧气的装置，其特征在于：所述的散热片组（4）由导热性能良好的铜等金属材料制成。
5.根据权利要求1所述的一种利用内燃机尾气余热进行温差发电制氢、氧气的装置，其特征在于所述的氢气罐（10）与氧气罐（11）的体积比为2:1。
6.权利要求1所述的一种利用内燃机尾气余热进行温差发电制氢、氧气的装置，其特征在于，该控制方法具体如下：
装置运行时，电子控制单元（2）检测由稳压器（8）发出的电压信号f，当电压信号f稳定在36V±1V时，电子控制单元（2）发出制氢氧机继电器控制信号e接通继电器（6），使制氢氧机（9）开始工作，利用温差发电组（5）所提 供的电能电解水制取氢氧气，制氢氧机（9）运行时，电子控制单元（2）同时检测氧气压力传感器（12）和氢气压力传感器（13）所发出的氧气罐压力信号a及氢气罐压力信号c，当氧气罐压力信号a及氢气罐压力信号c指示氧气罐（11）或氢气罐（10）中任意气罐压力高于5bar时，电子控制单元均通过发出制氢氧机继电器控制信号e断开继电器（6）所在电路，使制氢氧机（9）停止制取氢、氧气以保证系统安全；当电子控制单元（2）根据氧气罐压力信号a及氢气罐压力信号c判定氧气罐（11）或氢气罐（10）中任一气罐压力低于1.5bar时，电子控制单元（2）通过发出氧气罐电磁阀控制信号b或氢气罐电磁阀控制信号d关闭氧气罐电磁阀（14）或氢气罐电磁阀（15）停止压力低于1.5bar的气罐对外供气；当氧气罐（11）和氢气罐（10）中任一气罐压力大于等于1.5bar时，电子控制单元（2）通过发出控制信号b、d打开氧气罐电磁阀（14）或氢气罐电磁阀（15），使压力大于1.5bar的气罐可以对外供气。 
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