CN103827475A - 燃料产生装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及与燃烧设备一起使用的燃料产生装置。该装置包括：燃料电池（12），用于生成可燃气体以用于由所述燃烧设备进行燃烧；以及电源器件（6），用于所述燃料电池，所述电源器件包括用于将来自废弃能量源（2）的能量变换为电能以用于激励所述燃料电池的器件，该废弃能量源与所述燃烧设备相关联。
Description
本发明有关于用于产生燃料的装置，更特别地涉及用于产生氢气（H2）或布朗气体（HHO）的装置。
在这方面，氢气（H2）和布朗气体（HHO）作为能量源正越来越多地被用于汽车工业。这部分地是因为它们在环境上的有益凭证，并且还由于它们的发电效率的改善。
使用此类气体作为发动机的可替换燃料的概念相对来说是最近才有的新概念。在这个方面，氢气（H2）的自燃温度为858K，因此在没有火花塞或电热塞的情况下氢气（H2）不能直接被用于内燃机。这已经使得氢气（H2）不适合作为用于压燃式发动机的唯一燃料。由于氢气（H2）需要的点火能量低以及可燃范围宽，氢气发动机反而适用于在贫瘠条件下运行，这有助于增强发动机的经济和排放性能。除了氮氧化物以外的所有监管的污染物排放都能够仅通过使用无碳燃料来降低。如果在大量植物中生产该无碳燃料是更有效的并且因而比内燃机中燃料源转化为机械功率生产出更少的CO，那么不管什么样的可替换燃料源这都是正确的。其分子结构与其某些特有属性（层流焰速度高、可燃性范围宽，等）的组合显示出氢气（H2）可以作为用于内燃机的有吸引力的燃料。此外，与传统的化石燃料相比，氢气（H2）是一种无碳燃料，它的燃烧并不会生成诸如HC、CO和CO2的排放物。
但是，在氢气（H2）或布朗气体（HHO）被用于车辆的情况下，这种气体需要被本地存储在车辆上或在车辆上自己生成。
此类气体在车辆上足够大量地存储带来了安全及额外存储空间和设备方面的许多问题。在车辆上生成此类气体的情况下，需要一些形式的发生器，诸如燃料电池和用于生成的电源。在这一点上，现有的氢气（H2）或布朗气体（HHO）发生器经常使用车辆交流电机来为燃料电池提供必要的功率以生成该气体。然而，在评估整个系统的效率的时候，作为发动机上额外的负载的燃料电池生成气体的功率使用经常被忽略。
此外，在此类发生器在实验室中被测试的时候，它们通常使用辅助蓄电池系统。如此，尽管研究人员报告他们能够通过额外使用诸如氢气（H2）和布朗气体（HHO）的气体来节约大量燃料，但实际上更加复杂的是需要额外的负载或功率，这经常不被考虑在内。
在这个方面，根据本发明，提供了与燃烧设备一起使用的燃料产生装置，包括：燃料电池，用于生成可燃气体以用于由所述燃烧设备进行燃烧；以及电源器件，用于所述燃料电池，所述电源器件包括用于将来自废弃能量源的能量变换为电能以用于激励所述燃料电池的器件，该废弃能量源与所述燃烧设备相关联。
源于本发明的益处诸如包括通过经由燃料电池将来自排气的废热变换为氢气（H2）或布朗气体（HHO）来提高燃烧设备的效率，氢气（H2）或布朗气体（HHO）然后可用于注入燃烧设备。安装此类装置还可以改善较旧的燃烧设备的性能，诸如旧车辆，并因而降低碳排放。
源于本发明益处诸如还包括通过经由燃料电池将由光电模块并通过使用热电模块（这种组合还被称为PV-TE）吸收的热量变换为氢气（H2）或布朗气体（HHO）来提高燃烧设备的效率，氢气（H2）或布朗气体（HHO）然后可用于注入燃烧设备。安装此类装置还可以改善较旧的燃烧设备的性能，诸如旧车辆，并因而降低碳排放。PV模块可以被保持在较低的温度，这可以大大提高在该区域中的太阳能发电厂的性能。此外，红外线辐射然后可以被用于加热热电发生器，提高太阳能到电能变换的总效率，甚至进一步并因此生成更多燃料。
源于本发明的益处诸如还包括通过经由燃料电池将来自排气和PV-TE的组合的废热变换为氢气（H2）或布朗气体（HHO）来提高燃烧设备的效率，氢气（H2）或布朗气体（HHO）然后可用于注入燃烧设备。
在这一点上，有许多的原因将氢气（H2）用作所附的额外燃料，特别地，压缩点火（CI）发动机中的柴油燃料。首先，这提高了整个燃料的H/C比率。其次，将少量的氢气（H2）注入到柴油发动机能够降低柴油燃料喷雾的不均匀性（heterogeneity），这是因为氢气（H2）的扩散率高，氢气（H2）的高扩散率使可燃混合物更好地与空气预混合并且更加均匀。这还可以减少燃烧持续时间，这是因为相对于其他燃料，氢气的火焰传播速度快。
优选地，所述废弃能量源从燃烧所述可燃气体的燃烧设备的排气中获得。实际上因此，通常从例如车辆或锅炉与排气一起排出的热能可以被回收并可以被用于激励燃料电池以用于生成车辆发动机或锅炉的燃料。
优选地，经由热电模块从光电设备获得所述废热。实际上因此，PV模块可以被保持在较低的温度，这可以大大提高在建立在该区域中的太阳能发电厂的性能。此外，红外线辐射然后可以被用于加热热电发生器，提高太阳能至电能变换的总效率，甚至进一步并因此生成更多燃料产品。
在这方面，电源器件在来自燃烧设备的排气流或接近排气流处被便利地提供。
便利地，所述电源器件包括一个或多个厚膜热电模块或薄膜热电模块。电源器件还可以包括一个或多个高温热电模块和/或低温热电模块。这些被确定为用于将热能转换为电力的可靠源。
优选地，废弃能量源从施加至燃烧设备的太阳能获得。在这个方面，此类太阳能可以补充用于燃料电池的其它能量源。
便利地，使用光电（PV），PV-TE、聚光太阳能发电（CSP），CSP与热电（CSP-TE）或人工光合作用技术中的一者或多者来采集太阳能。
燃烧设备优选为车辆的发动机，但是可替换地可以为中央加热锅炉、气体燃烧器或焊接设备。在此类情况中，利用传统配置仪器，相当多的能量作为燃烧的副产品而被简单的浪费。本发明试图减少这种损耗并很好地使用此类热能。
本发明因此能够被用于通过将排气热量损耗转换为氢气（H2）或布朗气体（HHO）来提高天然气或生物质（Biomass）锅炉或任何燃料动力锅炉的效率，并因而改善锅炉的整体效率并减少碳排放。
便利地，可燃气体是氢气（H2）或布朗气体（HHO）中的一者。已经发现这些气体提供了用于本发明的适当特征。
优选地，所生成的至少部分电能被储存在存储器件中。这样，能够优化所生成电能的最终使用。
此外，便利地，至少部分所生成的可燃气体被储存在气体存储器件中。并且这允许气体尽可能有效地被配置。
根据本发明的另一方面，提供了与燃烧设备一起使用的功率发生器装置，包括：功率变换器件，该功率变换器件包括用于将来自废弃能量源的能量变换为电能的器件，该废弃能量源与所述燃烧设备相关联。所述功率变换器件便利地在来自所述燃烧设备的排气流处或接近排气流处被提供。这样，通常所浪费的能量可以以有效的方式来使用。
优选地，所述电能被用于激励燃料电池以用于生成用于所述燃烧设备的燃料。
便利地，所述燃烧设备为内燃机。
本发明因此提出了例如能够被并入发动机系统的装置以将布朗气体（HHO）或氢气（H2）生产系统与汽油发动机集成。
此外，本发明能够被用于通过将来自燃烧或其周围的热量损耗变换为燃料氢气（H2）或布朗气体（HHO）来提高组合式热电发动机或燃料电池的效率。
此外，本发明能够被用于通过将吸收的热量变换成电力和诸如氢气（H2）或布朗气体（HHO）的可燃气体的产品来提高光电配置的效率，以将通过任何表面吸收的热量变换为氢气（H2）或布朗气体（HHO），并将来自由散热器排除的热量的热量变换为电力以及氢气（H2）或布朗气体（HHO）。
在本发明中，通过从排气、散热器和车辆表面（可以通过太阳能吸收）中的一者或多者中回收热量并将其变换为与燃料电池一起使用的电力，以生成合适的燃烧气体，诸如氢气（H2）或布朗气体（HHO），在交流发电机上存在很小的额外负载或没有额外负载。
现在将结合附图对本发明的示例进行描述，其中：
图1根据本发明示出了主要装置元件的示意性图；
图2a根据本发明示出了用于使用来自空冷系统中的排气流的热能产生氢气（H2）或布朗气体（HHO）的组件的第一实施方式；
图2b根据本发明示出了用于使用来自水冷系统中的排气流的热能产生氢气（H2）或布朗气体（HHO）的组件的实施方式；
图3根据本发明示出了用于使用来自太阳能板（优选为光电-热电（PV-TE）或聚光热电（CSP-TE））的热量产生氢气（H2）或布朗气体（HHO）的组件的另一实施方式；
图4根据本发明示出了使用来自锅炉的排气流的热量产生氢气（H2）或布朗气体（HHO）的组件的实施方式；
图5根据本发明示出了使用来自结合热量和功率发动机的排气流的热量产生氢气（H2）或布朗气体（HHO）的组件的实施方式。
在图1中，内燃机ICE（该图中未示出）的排气流2流过热量交换器4，该热量交换器4包含一个或多个热电模块6。
热量交换器采用热电模块6的形式，该热电模块6使用排放气流2中的热能以生成电力。该电力被导向到调节器8。然后电力被导向到蓄电池10和/或燃料电池12。燃料电池12使用水电解产生可燃产品，诸如氢气（H2）或布朗气体（HHO），用于处理的水从液体贮槽14被提供。气体然后被导向到存储单元16或被直接馈送至燃烧设备以用作燃烧的燃料。
图2a更加具体地示出了用于使用来自空冷系统的内燃机1的排气流的热量产生氢气（H2）或布朗气体（HHO）的组件的第一实施方式。
组件的元件包括：冷却风扇5，该冷却风扇5由电子电路7控制；热量交换器4，该热量交换器4包含热电功率模块6；功率调节器8；蓄电池10；氢气（H2）或HHO燃料电池12；内燃机1；以及液体贮槽14。
来自内燃机1的排气流2被馈送至热量交换器4，该过程可以是单级或多级并使用来自冷却风扇5的空气作为处理的流体。冷却风扇5由电子电路7控制，该电子电路7可以在车辆正在移动的时候关闭冷却风扇5，并且在静止的时候（例如在红绿灯处）打开冷却风扇5。冷却风扇5迫使空气进入热量交换器4，该热量交换器4通过散热器40排除热量。
热量交换器4将来自排气流2的热量传递至冷却空气气流，并且使用热电模块6生成电力。热电模块6可以具有厚膜元件或薄膜元件。排气流2作为低温排气流11离开热量交换器4。
由热电模块6生成的电力流过功率调节器8，该功率调节器8调节电压并且能够将电力导向至燃料电池12或导向至蓄电池10。
蓄电池10可以为车辆中现有的蓄电池，或者也可以增加额外的蓄电池单元。
参照燃料电池12，该燃料电池12可以为氢气（H2）燃料电池，诸如质子交换燃料电池或HHO燃料电池。在燃料电池12为氢气（H2）燃料电池的情况下，蒸馏水从液体贮槽14供应，并且使用水电解产生氢气（H2）。在燃料电池为HHO燃料电池的情况下，电解质从液体贮槽14提供并且使用水电解产生HHO。
所产生的氢气（H2）或HHO18然后可以与空气20混合，空气20通过空气过滤器22并且能够被用于向内燃机1提供燃料。氢气（H2）或HHO18使用空气流或燃料注射器24而被馈送至内燃机1，燃料注射器24还被用于将传统燃料注入至内燃机1。
图2b示出了水冷的选择。热量交换器4将来自气体2的热量传递至冷却水、油、有机或任何燃料，这作为处理流体可以增强热量传递，并因而可以使用热电模块6生成电力。热电模块可以为厚类型或薄类型。排气流2作为低温排气流11离开热量交换器4。
图2b中的虚线示出了增加了第二热量交换器13与热电模块15的另一实施方式。第二热量交换器13使用来自内燃机1和第一热量交换器4二者的余热，并使用热电模块15生成电力，余热可能是低温的。第二热量交换器13可以使用水、油或任何有机液体作为处理流体。
第二热交换器13作为冷却循环流体的额外的散热器工作，该循环流体吸收来自热量交换器4的热量。变速风扇5通过散热片41向大气排除热量并由3进行控制。虚线的热量交换器还可以被用作单独的单元或与现有的散热器集成在一起，而不使用排气。
图3示出了用于使用来自太阳能板28的热量产生氢气（H2）或布朗气体（HHO）的组件的第三实施方式。
组件的元件包括：光电太阳能板28；热量交换器4，该热量交换器4包括热电功率模块6；功率调节器8；氢气（H2）或HHO燃料电池12；液体贮槽14；以及氢气（H2）或HHO存储单元16。光电太阳能板28在该方面可以是混合太阳能板。
热量交换器4使用由太阳能板28吸收的热量加热冷却水30。然后使用热电模块6生成电力。除了如此，还可以使用其他传统方法从太阳能板28生成电力。
由太阳能板28和热电6生成的电力流过功率调节器8，该功率调节器调节电压并将电力直接传递至燃料电池12。在这点上，燃料电池12可以为氢气（H2）燃料电池（诸如质子交换燃料电池）或HHO燃料电池或任何研发的燃料电池。
所生成的氢气（H2）或HHO可以直接使用，或者储存在氢气（H2）储存单元16中。在另一实施方式中，热量交换器4的处理流体可以为空气，并且热电模块6可以为厚膜或薄膜。
图4示出了用于使用来自锅炉34的排气流的热量来产生氢气（H2）或布朗气体（HHO）的组件的实施方式。
组件的元件包括：空冷热量交换器4或水冷热量交换器4，该热量交换器4包含热电模块6；功率调节器8；蓄电池10；氢气（H2）或HHO燃料电池12；液体贮槽14；以及锅炉34。
热量交换器4使用水30作为处理流体并将热量从锅炉34的排气流2传递至处理流体流并且使用热电模块6生成电力。来自热量交换器4的温水排放36被用作馈送水以用于锅炉34。
锅炉34使用空气流33作为燃烧的馈送。来自热电模块6的电力流过功率调节器8，该功率调节器8调节电压，并能够将电力直接传递至燃料电池12或给蓄电池10充电。
燃料电池12可以为氢气（H2）燃料电池（诸如质子转换燃料电池）或任何HHO燃料电池。
图4中的虚线还示出了热量交换器4与热电模块6使用空气流32作为处理流体的实施方式。在该实施方式中，冷却空气32还被用作锅炉34的燃烧燃料。
图5示出了用于使用来自结合热量和功率发动机的排气流的热量来产生氢气（H2）或布朗气体（HHO）的组件的实施方式。
组件的元件包括：热量交换器4，该热量交换器4包含热电模块6；功率调节器8；蓄电池10；氢气或HHO燃料电池12；液体贮槽14；以及组合式热电发动机38或燃料电池，例如天然气燃料电池。
热量交换器4使用水30作为处理流体并将来自排气流2的热量传递至处理流体流，以及使用热电模块6来生成电力。来自热量交换器4的温水排放36被用作馈送水以用于组合式热电发动机38或燃料电池，例如天然气燃料电池。
由热电模块6生成的电力流过功率调节器8，该功率调节器8调节电压并且能够将电力导向至蓄电池10、氢气（H2）或HHO燃料电池12，或者添加至由组合式热电发动机38产生的电力。
燃料电池12可以为氢气（H2）燃料电池（诸如质子交换燃料电池）或任何HHO燃料电池。
如虚线所示，然而，用于热量交换器4的处理流体可以为空气流32，并且热电模块6可以为厚膜或薄膜。在该实施方式中，冷却空气32还被用作燃烧燃料以用于组合式热电发动机38或燃料电池。
此外，功率调节器还能够将功率导向至变频器39，该变频器39将电力转换为AC，以正常使用。
应当理解的是以上阐述的实施方式仅出于阐述的目的示出了本发明的应用。实际上，本发明可以被应用于许多不同的配置，具体的实施方式可以直接由本领域技术人员实施。
Claims (21)
1.与燃烧设备一起使用的燃料产生装置，包括：
燃料电池，用于生成可燃气体以用于由所述燃烧设备进行燃烧；以及
电源器件，用于所述燃料电池，所述电源器件包括用于将来自废弃能量源的能量变换为电能以用于激励所述燃料电池的器件，所述废弃能量源与所述燃烧设备相关联。
2.根据权利要求1所述的燃料产生装置，其中所述电源器件包括一个或多个热电模块。
3.根据权利要求2所述的燃料产生装置，该燃料生成装置具有一个或多个薄膜热电模块。
4.根据权利要求2所述的燃料产生装置，该燃料生成装置具有一个或多个厚膜热电模块。
5.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的燃料产生装置，其中所述电源器件包括一个或多个高温热电模块和/或一个或多个低温热电模块。
6.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的燃料产生装置，其中所述废弃能量源从燃烧所述可燃气体的所述燃烧设备的排气中获得。
7.根据权利要求6所述的燃料产生装置，其中所述电源器件在来自所述燃烧设备的排气流处或接近排气流处被提供。
8.根据权利要求1至5中任一项权利要求所述的燃料产生装置，其中所述废弃能量源从施加至所述燃烧设备的太阳能获得。
9.根据权利要求8所述的燃料产生装置，其中使用被称作PV-TE的光电（PV）和热电（TE）、被称作CSP-TE的聚光太阳能（CSP）和热电（TE）或人工光合作用技术的组合中的一者或多者来采集所述太阳能。
10.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的燃料产生装置，其中所述燃烧设备是用于车辆的发动机。
11.根据权利要求1至9中任一项权利要求所述的燃料产生装置，其中所述燃烧设备是锅炉。
12.根据权利要求1至9中任一项权利要求所述的燃料产生装置，其中所述燃烧设备是燃料电池或组合式热电单元。
13.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的燃料产生装置，其中所述可燃气体是布朗气体（HHO）。
14.根据权利要求1至12中任一项权利要求所述的燃料产生装置，其中所述可燃气体是氢气（H2）。
15.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的燃料产生装置，其中至少部分所生成的电能被储存在电存储器件中。
16.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的燃料产生装置，其中至少部分所生成的可燃气体被储存在气体存储器件中。
17.与燃烧设备一起使用的功率发生器装置，包括：
功率变换器件，包括用于将来自废弃能量源的能量变换为电能的器件，该废弃能量源与所述燃烧设备相关联。
18.根据权利要求17所述的功率发生器装置，其中所述功率变换器件在来自所述燃烧设备的排气流处或接近排气流处被提供。
19.根据权利要求17或18所述的功率发生器装置，其中所述电能被用于激励燃料电池以用于生成用于所述燃烧设备的燃料。
20.根据权利要求17至19中任一项权利要求所述的功率发生器装置，其中所述燃烧设备为内燃机。
21.参照附图本质上如上所述的装置。
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