CN101107433A - 使用燃料电池的发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种发电系统、包括这种发电系统的机动装置以及降低内燃机(12)的燃料消耗的方法。该发电系统包括内燃机(12)、至少部分地通过由内燃机产生的废气驱动的供电单元(18，26)以及连接到供电单元和内燃机的逆向工作的燃料电池(30)。逆向工作的燃料电池由供电单元供给电力，并且布置成将氢供给到内燃机以在内燃机的工作中使用。这样降低了燃料消耗。

Description

使用燃料电池的发电系统
技术领域
本发明涉及内燃机领域，更具体地涉及一种发电系统、包括这种发电系统的机动装置以及降低内燃机的燃料消耗的方法。
背景技术
在包括内燃机的例如汽车的机动装置领域中，有降低燃料消耗的趋势。低的燃料消耗对于燃料经济性和降低废气排放都是至关重要的。
由于由内燃机造成的负面的环境影响，有许多国家甚至国家内的州已设立对内燃机的排放限制。为了满足这些排放限制，经常必须提高内燃机中燃烧过程的效率。
有许多过去已经提出用于提高内燃机的效率的措施，例如提供涡轮增压器，该涡轮增压器基于来自内燃机的废气压缩空气，并将该压缩的空气供给内燃机。
减小燃料消耗的一种方式是与燃料电池一起提供内燃机，该燃料电池基于氢和氧发电。例如，US 2003/0168263描述了一种燃料电池内燃机组合，其中燃料电池接收内燃机废气和空气形式的燃料。燃料电池继而发电，所发出的电力可用于驱动设有该组合的车辆的不同部件。在此燃料消耗将下降，因为这种车辆的蓄电池将给不同功能供给较少的电力，并且因而用于给蓄电池充电的发电机将不必给蓄电池同样多地充电。
然而，所关心的是提供减小装置的燃料消耗的替代方式，而同时使内燃机更有力。
发明内容
本发明涉及解决提供减小用于机动装置的内燃机的燃料消耗的替代方式而同时使内燃机更有力的问题。
本发明的一个目的在于提供减小用于机动装置的内燃机的燃料消耗的发电系统，而同时使内燃机更有力。
根据本发明，该目的通过一种发电系统实现，该发电系统包括：
内燃机，
供电单元，该供电单元至少部分地通过由所述内燃机产生的废气驱动，以及
连接到供电单元和内燃机的逆向工作的燃料电池，
其中所述逆向工作的燃料电池由所述供电单元供给电力，并且布置成将氢供给到所述内燃机以在所述内燃机的工作中使用。该发电系统具有降低燃料消耗同时使内燃机更有力的优点。而且本发明可应用在现有装置上，而不需要现有发电系统的大的变化。这还具有允许在内燃机运行时产生氢的优点。因而不需要氢的危险的存储。氢还依赖于内燃机性能。内燃机工作的时间越长、越剧烈，产生的氢就越多。这还意味着可以实施本发明而不需要用于控制何时将氢喷射到内燃机中和喷射多少氢的专用控制机构。
根据本发明的一种发电的方式是使用发电机和通过由内燃机产生的废气驱动的转动元件，用于将机械转动能量提供给发电机以转换成电力。
根据一个实施例，转动元件设置在连接到内燃机的涡轮增压单元中。这具有将本发明与内燃机的现有元件相结合的优点，从而降低了本发明的成本。
在本发明的另一个变型中，额外的机械转动能量经由由内燃机转动的轴提供给发电机。
发电的另外的方式是通过使用热电单元，该热电单元布置成基于温度差提供电力。
也可通过使用蓄电池或至少一个太阳能电池产生电力。
根据本发明的另一个变型，燃料电池热连接到内燃机。这样可以提高燃料电池的效率。
修改本发明的另一个方式是在燃料电池与内燃机之间设置氢容器，可控制该容器以将氢供给到所述内燃机。这样可以为内燃机提供助推效果。
还可将供电单元布置成当在系统使用者起动制动器的同时释放节气门时，向燃料电池供给电力，其中节气门和制动器两者与内燃机相联。该特征可以保留能量，而不需要装置的大的修改。
燃料电池接收形式为空气和可能有水的燃料，用于产生氢。
氢可经由至少一个单独管道供给到所述内燃机。该特征进一步提供与所产生氢相关的安全性。
作为替代方案，氢可与通过标准进气道提供给所述内燃机的空气一起或与来自涡轮增压单元的压缩空气一起供给到内燃机。
本发明的另一个目的涉及提供一种包括发电系统的装置，该发电系统降低内燃机的燃料消耗，同时使内燃机更有力。
根据本发明，该目的是通过一种包括发电系统的机动装置实现的，该机动装置包括：
内燃机，
供电单元，该供电单元至少部分地通过由所述内燃机产生的废气驱动，以及
连接到供电单元和内燃机的逆向工作的燃料电池，
其中所述逆向工作的燃料电池由所述供电单元供给电力，并且布置成将氢供给到所述内燃机以在所述内燃机的工作中使用。
本发明的另一个目的是提供一种降低内燃机的燃料消耗的方法，该方法降低内燃机的燃料消耗，同时使内燃机更有力。
根据本发明，该目的是通过一种降低内燃机的燃料消耗的方法实现的，该方法包括以下步骤：
至少部分地基于由所述内燃机产生的废气来发电，
将电力提供给逆向工作的燃料电池，
在所述燃料电池中产生氢，以及
将所述氢喷射到内燃机中。
附图说明
现在将参照附图较详细地说明本发明，其中：
图1示意性地示出根据本发明的装置；
图2示意性地示出根据本发明的第一实施例的发电系统；
图3示意性地示出根据本发明的发电系统的第二实施例的燃料电池相对于内燃机的优选定位；
图4示意性地示出用于产生燃料电池的电力的涡轮增压器单元的截面图；
图5示出根据本发明降低燃料消耗的方法的流程图；
图6示意性地示出将电力供给燃料电池的供电单元的第一变型；
图7示意性地示出将电力供给燃料电池的供电单元的第二变型；
图8示意性地示出将电力供给燃料电池的供电单元的第三变型；以及
图9示意性地示出图3的燃料电池，其中在燃料电池与内燃机之间连接有氢容器。
具体实施方式
本发明涉及降低不同类型的机动装置的燃料消耗。图1示意性地示出一个这种装置，其中该装置是汽车10形式的车辆。应理解，本发明也适用于诸如公共汽车、卡车和摩托车等的其它类型的车辆，以及诸如飞机、轮船甚至是割草机或链锯的其它类型的装置。但重要的是，该装置使用内燃机。
图2示意性地示出设置在图1所示的汽车中的发电系统。该发电系统包括依靠例如汽油或柴油的某种流体运行的内燃机12和由该内燃机12转动的第一轴14。众所周知，在内燃机12的燃烧过程中产生废气。这些废气经由通向涡轮增压单元18的第一管道16离开内燃机12。该涡轮增压单元18将压缩空气经由第二管道20提供给内燃机12，并驱动第二轴24。通过使用废气提供第二轴24的驱动和压缩空气，该废气经由第三管道22离开涡轮增压单元18。第二轴24将机械转动能量提供给发电机26，该发电机将转动能量转换成电力，该电力供给到燃料电池30。这种发电机在本领域内是公知的，并且在此将不进一步说明。涡轮增压单元18的至少一部分和发电机26构成根据本发明的供电单元的第一示例。燃料电池具有用于接收水和/或空气形式的燃料的输入31。燃料电池30逆向工作，并产生氢且可能一起产生氧。氢经由第四管道32供给到内燃机12。第四管道32与通向内燃机的其它管道分离，以便防止氢在进入内燃机12之前与空气混合。这里应注意，本发明不需要使用涡轮增压单元18的全部，而是可限于仅仅使用其中用于发电的涡轮。
根据本发明可使用许多不同类型的燃料电池。根据本发明的第一实施例，燃料电池是用水作为燃料的质子交换膜燃料电池(PEMFC)。
然而，也可使用其它的燃料电池类型。第二并且优选类型的燃料电池是固态氧化物燃料电池(SOFC)。图3示意性地示出一种这样的燃料电池。除了电力之外，该燃料电池30也依靠热量工作。当该燃料电池较热时，其工作效率较高。因此，在燃料电池30与内燃机12之间有热连接，在图中通过将燃料电池放置成与内燃机12直接接触来表示该热连接。该燃料电池还可以使用空气作为燃料。虽然在图3中没有示出确切构造，但在此也通过图2所示的涡轮增压单元和发电机给燃料电池供给电力，以便将氢供给到内燃机12。本发明的第二并且当前优选的实施例和预期的最佳模式使用图3所示的燃料电池，该燃料电池热连接到内燃机并且以图2所示的方式被供给电力。该燃料电池当然可以不设有该热连接，但性能就将不会如其所能达到的那么好。
现在将参照图4进一步说明按照图2所示的系统发电的方式，图4示出涡轮增压单元与本发明相关的部分的截面图。由内燃机排出的废气经由第一管道16离开内燃机，并且进入涡轮增压单元的腔34。在腔34中设有涡轮36形式的转动元件，该转动元件由进入腔34的废气转动。废气然后经由管道22离开腔34。涡轮36转动第二轴24，其中机械转动能量传递到发电机用于转换成电力。如上所述，涡轮增压单元可以包括压缩器，该压缩器也通过涡轮驱动，用于压缩注入到内燃机中的空气。如上所述，本发明根本不依靠空气或涡轮增压单元的该压缩。实际上可以仅设置图4所示的部分作为用于为燃料电池提供电力的供电单元的一部分。除了使用涡轮，还有将电力提供给燃料电池的其它方式，这将在下文较详细地说明。
参照图5，本发明的发电系统工作的方法可用以下方式总结，图5示出了根据本发明的方法的流程图。在步骤38中，首先通过将例如汽油或柴油的燃料喷射到内燃机中使内燃机运行。此后运行的内燃机由于燃烧过程而产生废气，在步骤40中，这些废气用于驱动涡轮增压单元的涡轮。通过该涡轮提供的转动能量随后经由第二轴供给到发电机，在步骤42中，该发电机将转动能量转换成电力。然后在步骤44中，将电力提供给燃料电池用于使其逆向工作。在步骤46中，燃料电池产生氢，在步骤48中，该氢喷射到内燃机中。
上述方法具有许多优点。通过喷射氢，降低了燃料消耗。而且当内燃机运行时，就地产生氢。因而没有氢的危险存储。氢还依赖于内燃机性能。全都依赖于第一轴的转速，内燃机工作得时间越长、越剧烈，并且内燃机变得越热，就产生越多的氢。因而可以显著降低内燃机的燃料消耗。通过使用用于发电的涡轮方案，将汽车中已有的元件用于额外用途，这降低了发电系统的成本。而且仅通过已有发电系统的小的修改就可以提供本发明。
如上所述，可以为燃料电池提供额外电力。例如也可以直接从由内燃机转动的第一轴获得到发电机的转动能量。也取决于内燃机性能的另一个额外电源示意性地示于图6，其中在内燃机12上设有热电单元50，该热电单元基于温度产生电力。这可以是基于温度差发电的所谓珀耳帖效应(Peltier)元件形式的热电单元。该温度差可以是内燃机温度与外部空气之间的差。在寒冷的天气下，该温度差也可以是内燃机与雪之间的温度差。基于内燃机的运行为燃料电池发电的优点在于，燃料电池将在需要时以简单的方式自动地产生氢，而不必通过单独控制机构控制该过程。
还有不依靠内燃机性能产生用于燃料电池的额外电力的其它方式，其中另一个变型示于图7。这里供电单元设置为太阳能电池板52，该太阳能电池板包括一个或多个可设置在图1的汽车的外部的太阳能电池。这里该太阳能电池板52接收太阳光，并将其中的太阳能转换成用于燃料电池的电力。另一个变型示于图8，其中供电单元是蓄电池54，该蓄电池可以是标准汽车蓄电池或用于给燃料电池供电的另一种单独的蓄电池。在这种情况下，有可能当汽车不使用时，必须给蓄电池充电。这种充电例如可以通过使用太阳能电池板完成。为了只在内燃机运行时才提供电力，在图7和图8中的供电单元与燃料电池之间的电连接28中设有开关53。于是当汽车起动时或当内燃机以一定转速转动第一轴时，开关53可闭合。如果需要产生氢的变型，则可以通过提供适当的逻辑电路来提供单独的控制机构，该逻辑电路接收关于例如第一轴的转速的信息并相应地改变供给的电力。
提供额外电力的另一种可能的方式是通过使用风力转换元件。
本发明的另一个可行的变型在于，不立即使用氢。这可以是在赛车应用的情况下。这种情况的一种变型在图8中示出，其中使用图3的燃料电池30。这里，第四管道32通向氢容器56，该氢容器经由第五管道58连接到内燃机12。于是该容器56可在行驶时被填充，并且内含物在由驾驶员选定的特定时间点喷射到内燃机中，例如当他需要额外动力以便超越另一汽车时。为此，在第五管道58中设有阀60，当汽车驾驶员按下开关时，该阀60可通过机械的或电动的致动打开。这样，驾驶员就可控制氢到内燃机的供给。
图8中的装置可进一步修改，使得如果驾驶员释放节气门并且起动制动器以便使汽车减速，则汽车的标准发电机连接到轴14，并且可使其将电力供给到燃料电池30。氢于是存储在容器56中，并且一旦汽车加速就可以使用。作为替代方案，以这种方式使用的发电机可与汽车的标准发电机分离，并且借助制动线性地连接到第一轴。还可以有在制动期间将电力供给到燃料电池的其它方式，例如通过依靠太阳能电力、风力或蓄电池的上述方式中的一种。
除了上述变型之外，可对本发明做出许多其它的变型。在上文中，氢经由单独管道供给到内燃机。也可以将氢与来自涡轮增压单元的压缩空气一起或者与经由所述内燃机的标准进气道供给到内燃机的空气一起提供给内燃机。
虽然已结合具体实施例说明了本发明，但并不意在局限于在此提出的具体形式。而是，本发明的范围仅由所附权利要求书限定。在权利要求书中，术语“包括”不排除其它元件或步骤的存在。
另外，虽然单独的特征可包含在不同权利要求中，但这些特征可以有利地组合，并且不同权利要求中的内容并不意味着特征的组合是不可行的和/或不利的。另外，单数引用并不排除多个。因而对“一”、“第一”、“第二”等的引用并不排除多个。权利要求中的附图标记仅用于澄清示例，而不应被认为以任何方式限制权利要求书的范围。

Claims (20)

1.一种发电系统，包括：
内燃机(12)，
供电单元(36，24，26；50；52；54)，所述供电单元至少部分地通过由所述内燃机产生的废气驱动，以及
连接到所述供电单元和所述内燃机的逆向工作的燃料电池(30)，
其中所述逆向工作的燃料电池由所述供电单元供给电力，并且布置成将氢供给到所述内燃机以在所述内燃机的工作中使用。
2.根据权利要求1所述的发电系统，其特征在于，所述供电单元包括发电机(26)，并且还包括通过所述废气驱动的转动元件(36)，用于将机械转动能量提供给所述发电机以转换成电力。
3.根据权利要求2所述的发电系统，其特征在于，所述转动元件设置在连接到所述内燃机的涡轮增压单元(18)中。
4.根据权利要求3所述的发电系统，其特征在于，所述氢与来自所述涡轮增压单元的压缩空气一起提供给所述内燃机。
5.根据权利要求2所述的发电系统，其特征在于，所述发电机还经由由所述内燃机转动的轴(14)接收机械转动能量。
6.根据上述权利要求中的任意一项所述的发电系统，其特征在于，所述供电单元包括热电单元(50)，所述热电单元布置成基于温度差提供电力。
7.根据上述权利要求中的任意一项所述的发电系统，其特征在于，所述供电单元包括蓄电池(54)。
8.根据上述权利要求中的任意一项所述的发电系统，其特征在于，所述供电单元包括至少一个太阳能电池(52)。
9.根据上述权利要求中的任意一项所述的发电系统，其特征在于，所述燃料电池热连接到所述内燃机。
10.根据上述权利要求中的任意一项所述的发电系统，其特征在于，所述发电系统还包括连接在所述燃料电池与所述内燃机之间的氢容器(56)，能够控制所述氢容器以将氢供给到所述内燃机。
11.根据权利要求10所述的发电系统，其特征在于，供电单元布置成当在系统使用者起动制动器的同时释放节气门时，向所述燃料电池供给电力，其中所述节气门和所述制动器两者与所述内燃机相联。
12.根据上述权利要求中的任意一项所述的发电系统，其特征在于，所述燃料电池接收形式为空气和可能有水的燃料，用于产生氢。
13.根据上述权利要求中的任意一项所述的发电系统，其特征在于，所述氢经由至少一个单独管道(32；32，58)供给到所述内燃机。
14.根据权利要求1-12中的任意一项所述的发电系统，其特征在于，所述氢与通过标准进气道提供给所述内燃机的空气一起供给到所述内燃机。
15.根据上述权利要求中的任意一项所述的发电系统，其特征在于，所述内燃机可通过喷射到所述内燃机中的燃料工作。
16.一种包括发电系统的机动装置(10)，包括：
内燃机(12)，
供电单元(36，24，26；50；52；54)，所述供电单元至少部分地通过由所述内燃机产生的废气驱动，以及
连接到所述供电单元和所述内燃机的逆向工作的燃料电池(30)，
其中所述逆向工作的燃料电池由所述供电单元供给电力，并且布置成将氢供给到所述内燃机以在所述内燃机的工作中使用。
17.根据权利要求16所述的机动装置，其特征在于，所述内燃机可通过喷射到所述内燃机中的燃料工作。
18.一种降低内燃机(12)的燃料消耗的方法，包括以下步骤：
至少部分地基于由所述内燃机产生的废气来发电(步骤40，42)，
将电力提供给逆向工作的燃料电池(30)(步骤44)，
在所述燃料电池中产生氢(步骤46)，以及
将所述氢喷射到所述内燃机中(步骤48)。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将燃料喷射到所述内燃机中以运行所述内燃机的步骤(步骤38)。
20.根据权利要求18或19所述的方法，其特征在于，发电的步骤包括用来自所述内燃机的废气驱动转动元件(步骤40)，以及将涡轮的转动能量转换成电力(步骤42)。
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