CN105697198A - 醇-氢-电混合动力系统及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种醇-氢-电混合动力系统及其应用，是将醇热裂解成氢气推动发动机的装置，具体结构是在发动机尾气管内安装有热裂解装置，原料箱内装入醇的水混合溶液，通过输送泵送到热裂解装置中，热裂解装置将醇裂解成氢气，经热裂解装置出口进入发动机燃烧推动汽缸工作，输出的动力带动发电机发电，由中心控制器将发电机发出的电能储存在蓄电池中，然后控制提供给所需的电动机，电动机推动车辆行走或动力机械工作。本发明系统操作方便、智能程度高，还可以增加太阳能动力，保证装置长时间稳定工作，它可以安装在汽车上，也可以安装在醇氢发电站或富氢加气站上，减少了目前煤炭、石油发电和汽油车的废气污染。

Description

醇-氢-电混合动力系统及其应用
技术领域
本发明涉及混合动力系统，具体是一种醇-氢-电混合动力系统，适用于电动汽车、火力发电站、太阳能混合发电站、蓄电池充电桩等需要补充电能的小型发电站。
背景技术
伴随着科技和经济的发展，人们的生活水平得到了极大地提高，电力和交通已经发生非同一般的发展，以交通来说，由于对汽车的依赖程度越来越深，这种便捷的汽车生活背后是以大量的能源消耗和日益严重的环境污染为代价的，不断减少的石油资源和不断升高的油价对汽车行业的发展构成了障碍。为了摆脱这种困境，寻找一种既可以摆脱对石油依赖而又可以减小环境污染具有重大的现实意义。
现在市场上出现的清洁能源汽车主要指混合动力车以及纯电动车。现有的混合动力汽车同时装备两种动力来源：热动力源（由传统的汽油机或者柴油机产生）与电动力源（电池与电动机）。通过在混合动力汽车上使用电机，使得动力系统可以按照车辆的实际运行工况要求灵活调控，而发动机保持在综合性能最佳的区域内工作，从而降低油耗与排放。
相比于传统的燃油汽车，混合动力汽车对环境造成的污染已经大大降低，但并未彻底解决问题。纯电动汽车被普遍认为是能够同时解决石油枯竭和汽车尾气污染问题的绿色环保汽车，但以蓄电池为动力源的纯电动汽车具有几个明显地不足：（1）蓄电池充电时间太长，严重影响车辆使用的方便性；（2）续驶里程不长，制约车辆的适用范围，目前纯电动汽车只能用于路程较近的交通运输，与传统汽车差距很大；（3）车辆的动力性难以保证，特别是当车辆的蓄电池电量不足时，其爬坡性能和最高车速都将受到很大影响。因此，电池及动力系统是制约纯电动车发展的瓶颈问题。
基于此种情形，寻求一种既能利用可再生能源而又不污染环境的新能源车受到国际社会的极大关注。氢电混合动力车是一种新能源车，而且是一种环保车，它具有能量转化效率高、环境污染小等优点，从而成为汽车工业研发的热点。公开文献也报道了一些氢电混合动力汽车及系统，例如：
1、中国专利：性能优异的氢电混合动力车，申请号：201210528622.2，申请日：2012.12.11，申请人：南通大学，地址：226019江苏省南通市啬园路9号，发明人：黄明宇、冯小保、厉丹彤、问朋朋、马骏、廖萍、倪红军、周一丹、朱昱，摘要：该发明公开了一种性能优异的氢电混合动力车，包括氢电动力源，所述氢电动力源是燃料电池和二次电池两种动力源混合的混合动力源；燃料电池和铅酸电池或镍氢电池两种动力源混合的混合动力源的混合度范围为0.4-0.7；燃料电池和锂电池两种动力源混合的混合动力源的混合度范围为0.5-0.8。在满足车辆动力性要求（最高车速≥90km/h，百公里加速时间≤13.6s，爬坡度≥25%）的前提下，氢燃料经济性和电池寿命最佳。
2、中国专利：氢电混合动力汽车，申请号：201110372678.9，申请日：2011.11.22，申请人：昆明新能源发展有限公司，地址：云南省昆明市人民东路483号，发明人：徐泽涛、董荣、董宝莲、董银谈，摘要：该发明涉及一种用氢作燃料的氢电混合动力汽车，属汽车领域。其特征是在氢发动机排气管路上串接一个醇裂解氢发生器，它可利用排气余热(并用电加热作为醇裂解氢发生器反应床的冷态升温、恒温的补充热源)，将醇催化裂解随车制氢，并使所产氢气作为发动机燃料运转，以此驱动汽车行驶和发电机发电，并对用户供电。当和电动机组合驱动汽车时，可达到超低排放或零排放水平。而制醇原料丰富，有甘蔗、玉米、高粱、木薯等均是可再生的资源，取之不尽，用之不竭。所述制氢的原料醇类可以是50°-65°含水甲醇或乙醇，制造工艺简单，成本低廉。液态醇的贮存、运输和网络供应也十分安全和方便。
3、中国专利：混合动力电动汽车动力系统，申请号：201210301665.7，申请日：2012.08.23，申请人：浙江吉利汽车研究院有限公司杭州分公司，地址：311228浙江省杭州市萧山区临江工业园区农二场房屋206号，申请人：浙江吉利汽车研究院有限公司、浙江吉利控股集团有限公司，发明人：孙全、杜志强、金启前、由毅、吴成明、赵福全，摘要：该发明公开了一种混合动力电动汽车动力系统，包括电机及驱动轴，由所述电机驱动所述驱动轴转动以给汽车提供动力；所述系统还包括：第一电池以及第二电池，用于给所述电机提供能量；以及控制器，用于控制所述第一电池与所述第二电池为所述电机提供的能量分配。当所述第一电池能够提供车辆所需能量时，由所述第一电池单独提供能量；当所述第一电池提供的能量不能满足车辆所需能量时，通过所述第二电池与所述第一电池相配合，共同输出能量给所述电机以驱动车辆行驶。具体地，所述第二电池提供的能量为所述第一电池提供的能量与车辆所需能量之间的差额。
4、中国专利：氢电混合动力轿车，申请号：201510233939.7，申请日：2012.12.11，申请人：南通大学，地址：226019江苏省南通市啬园路9号，发明人：黄明宇、冯小保、厉丹彤、问朋朋、马骏、廖萍、倪红军、周一丹、朱昱，摘要：该发明公开了一种氢电混合动力轿车，包括氢电动力源，所述氢电动力源是燃料电池和二次电池两种动力源混合的混合动力源；燃料电池和铅酸电池或镍氢电池两种动力源混合的混合动力源的混合度范围为0.4-0.7；燃料电池和锂电池两种动力源混合的混合动力源的混合度范围为0.5-0.8。在满足车辆动力性要求（最高车速≥90km/h，百公里加速时间≤13.6s，爬坡度≥25%）的前提下，氢燃料经济性和电池寿命最佳。
上述公开报道的混合动力系统不完善，有的还在试验阶段，要推广不容易。
发明内容
本发明的目的是针对现有的技术问题，提供一种性能优异的混合动力系统--醇-氢-电混合动力系统。
本发明的技术解决方案是：
醇-氢-电混合动力系统的结构是发动机使用裂解醇变成氢气，在发动机中增加安装一套热裂解装置，结合蓄电池，给发电机输出动力。
具体结构如下：醇-氢-电混合动力系统，是利用发动机排气管的热量加热及将醇裂解为氢气后导入发动机燃烧作功的系统，包括蓄电池和醇原料箱，在发动机尾气管内安装有热裂解装置，醇原料箱内装入醇的水溶液，原料箱接有输送泵，将醇的水溶液送到热裂解装置中，热裂解装置将醇裂解成氢气，经热裂解装置出口进入发动机燃烧推动汽缸工作，输出的动力带动发电机发电，发电机输出线接中心控制器后接将蓄电池，将发电机发出的电能储存在蓄电池中，蓄电池接驱动控制器，然后与电动机连接，通过输出装置带动车辆行走或动力机械工作；
所述的醇-氢-电混合动力系统还设有加热控制器，由蓄电池接到加热控制器之后接热裂解装置。
所述的醇的水溶液是乙醇或甲醇、或者乙醇和甲醇混合醇任意重量比例混合的水溶液。
所述的蓄电池有A组蓄电池和B组蓄电池，当A组蓄电池使用将尽，中心控制器自动切换使用B组蓄电池，而A组蓄电池立刻进行充电。
所述的加热控制器安装有点火线圈，使发动机能够达到点火温度。
所述的醇-氢-电混合动力系统还设有太阳能板，太阳能板接中心控制器后与蓄电池连接。
所述的发热裂解装置安装在发动机的尾气管内，尾气管内是热裂解室，里面安装有混合液雾化喷头和装有催化剂、热裂解室设有氢气出口管；发动机的尾气管还设有旁路管，旁路管安装有冷却阀和二号止回阀，氢气出口管安装有一号止回阀。
所述的醇为甲醇、乙醇或甲醇、乙醇一任意体积比混合的混合物；所述醇的水溶液中，醇与水的体积比为：醇55-70%，其余为水。
所述的热裂解装置内装入的催化剂是用铑-镍-氧化镁-氧化铝复合催化剂，各成分质量含量为：Rh2-3%；镍2-3%；氧化铝10-20%，其余为MgO。
本发明选择铑-镍-氧化镁-氧化铝复合催化剂的原因是Rh/MgO制氢的活性和稳定性高；MgO是碱性载体，其积碳速率很低；氧化铝对氢气的选择性为95%，且副产物只有甲烷一种；醇的水溶液在热裂解装置内的温度是600-800℃。
所述热裂解装置还安装有自动控制装置，包括温度传感器、氢气成分传感器和控制阀，温度传感器安装热裂解装置内部，氢气成分传感器和位于氢气出口管内；控制阀位于旁路管和氢气出口管内。
所述的驱动控制器采用自动控制的结构，包括输入端、输出端、电压表、电量显示器、电瓶欠压保护电路、过流保护电路、控制稳压输出电路，电路的连接方式是：发电机组发出的电能进入驱动控制器的输入端，然后经过电瓶欠压保护电路、过流保护电路、控制稳压输出电路，接输出端，最后接入车载蓄电池。
所述的中心控制器包括温度控制电路、氢气浓度控制电路、线圈点火电路和CPU，热裂解装置内安装有温度传感器和氢气浓度传感器有引线接到中心控制器（6）CPU输入端。
所述的车载蓄电池或备用蓄电池是铅酸蓄电池、镍氢电池或锂电池；铅酸蓄电池或镍氢电池在满足车辆动力性要求（最高车速≥90km/h，百公里加速时间≤13.6s，爬坡度≥25%）的前提下，氢燃料经济性最佳。
本发明的优点：
1、提供一种氢燃料经济性好，性能好的性能优异的醇-氢-电混合动力系统，并用醇（混合醇）为原料，减少了目前汽油的废气污染，特别是在未来汽油资源即将衰竭的时候，能够利用生物质提供新的能源。
2、以电动汽车来说，克服了目前电动汽车持续驾驶里程不长，制约车辆的适用范围，目前纯电动汽车只能用于路程较近的交通运输，与传统汽车差距很大；车辆的动力性难以保证，特别是当车辆的蓄电池电量不足时，其爬坡性能和最高车速都将受到很大影响。因此，电池及动力系统是制约纯电动车发展的瓶颈问题。氢电混合动力车是目前电动汽车不可比拟的。
3、本发明醇-氢-电混合动力车的安装一套热裂解装置，结构简单，操作不难，可以采用电脑控制。车载蓄电池的电源可以到充电站充电；也可以通过自身的发电机组和太阳能电池补充充电。
4、本发明醇-氢-电混合动力系统的热裂解装置内装入的催化剂是用铑-镍-氧化镁-氧化铝复合催化剂，各成分质量含量为：Rh2-3%；镍2-3%；氧化铝10-20%，其余为MgO。Rh/MgO制氢的活性和稳定性高；MgO是碱性载体，其积碳速率很低；氧化铝对氢气的选择性为95%，且副产物只有甲烷一种；醇的水溶液在热裂解装置内的温度是600-800℃，适合尾气的排出温度。
5、本发明热裂解装置还安装有自动控制装置，包括温度传感器、氢气成分传感器和控制阀，温度传感器安装热裂解装置内部，氢气成分传感器和位于氢气出口管内；控制阀位于旁路管和氢气出口管内，充分利用热能。
6、本发明所述的车载蓄电池还有一路经中心控制器输出到热裂解装置内的点火线圈，给开车点火；并控制热裂解装置的氢气浓度；所述的中心控制器包括温度控制电路、氢气浓度控制电路、线圈点火电路和微电脑CPU，热裂解装置内安装有温度传感器和氢气浓度传感器。
7、车载蓄电池设有备用蓄电池，两组蓄电池并联使用，使得一组电池用完后，自动切换到另一组，保证电量的安全。
8、汽车顶部可以安装太阳能电池板，太阳能电池板接充电控制器，然后接蓄电池，给车载蓄电池补充电能。
附图说明
图1是醇-氢-电混合动力系统的结构原理图。
图2是热裂解装置结构图。
图3是驱动控制器的电路框图。
图4是中心控制器电路示意图。
图中的名称序号为：
发动机1，发电机2，中心控制器3，太阳能板4，A组蓄电池5-A，B组蓄电池5-B，驱动控制器6，电动机7，输出装置8，加热控制器9，原料箱10，输送泵11，热裂解装置12；
热裂解室20，加热阀21，冷却阀22，催化剂23，雾化喷头24，二号止回阀25，旁路管26，一号止回阀27,氢气出口管28。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
图1所示，
在发动机尾气管内安装有热裂解装置12，醇原料箱10内装入醇的水溶液，原料箱接有输送泵11，将醇的水溶液送到热裂解装置12中，热裂解装置12将醇裂解成氢气，经热裂解装置出口进入发动机1燃烧推动汽缸工作，输出的动力带动发电机2发电，发电机2输出线接中心控制器3后接将蓄电池，将发电机2发出的电能储存在蓄电池中，蓄电池接驱动控制器5，然后与电动机7连接，通过输出装置8带动车辆行走或动力机械工作；所述的蓄电池有A组蓄电池和B组蓄电池，当A组蓄电池使用将尽，中心控制器（3）自动切换使用B组蓄电池，而A组蓄电池立刻进行充电。
所述的醇-氢-电混合动力系统还设有加热控制器9，由蓄电池接到加热控制器9之后接热裂解装置12。
图2所示，热裂解装置12安装在发动机1的尾气管内，尾气管内是热裂解室20，里面安装有混合液雾化喷头24和装有催化剂23、热裂解室20设有氢气出口管28；发动机1的排气管还设有旁路管26，旁路管26安装有冷却阀22和二号止回阀25，氢气出口管28也安装有一号止回阀16。
热裂解装置12的工作原理如下：
所述醇-氢-电混合动力系统安装原料箱10通过泵启动,送到安装在发动机1尾气管内的热裂解装置12中，发动机工作产生的高温尾气和通过排气口与催化剂23接触，达到催化温度，此时输送泵11从原料箱10中抽取醇的水溶液并加压后经过混合液雾化喷头24，将乙醇混合液喷入热裂解室20反应室，并产生氢气，氢气由氢气反应室上方的氢气出口管28输送氢气，当温度传感器检测到催化剂温度高于工作温度时，启动自动控制装置，发动机尾气通过旁路管排出，当温度传感器检测到催化剂温度低于最低工作温度时，旁路管关闭，实现对催化剂的过热保护，保证本氢电混合动力系统长时间稳定工作。
所述的醇的水溶液是乙醇或甲醇、或者乙醇和甲醇混合醇任意重量比例混合的水溶液；所述醇的水溶液中，醇与水的体积比为：醇55-70%，其余为水。
所述的加热控制器9安装有点火线圈，使发动机能够达到点火温度。
所述的氢电混合动力系统还设有太阳能板4，太阳能板4接中心控制器3后与蓄电池连接。
所述的热裂解装置内装入的催化剂是用铑-镍-氧化镁-氧化铝复合催化剂，各成分质量含量为：铑2-3%；镍2-3%；氧化铝10-20%，其余为氧化镁。
所述热裂解装置还安装有自动控制装置，包括温度传感器、氢气成分传感器和控制阀，温度传感器安装热裂解装置内部，氢气成分传感器和位于氢气出口管内；控制阀位于旁路管26和氢气出口管内。
图3中，所述的驱动控制器6采用自动控制的结构，包括输入端、输出端、电压表、电量显示器、电瓶欠压保护电路、过流保护电路、控制稳压输出电路，电路的连接方式是：发电机组发出的电能进入驱动控制器6的输入端，然后经过电瓶欠压保护电路、过流保护电路、控制稳压输出电路，接输出端，最后接入车载蓄电池。
图4中，所述的中心控制器3包括温度控制电路、氢气浓度控制电路、线圈点火电路和CPU，热裂解装置8内安装有温度传感器和氢气浓度传感器有引线接到中心控制器3CPU输入端。
以下是应用的实施例：
实施例1
某发电厂，在发动机尾气管内安装有热裂解装置12，醇原料箱10内装入醇的水溶液，原料箱接有输送泵11，将醇的水溶液送到热裂解装置12中，热裂解装置12将醇裂解成氢气，经热裂解装置出口进入发动机1燃烧推动汽缸工作，输出的动力带动发电机2发电，发电机2输出线接中心控制器3后接将蓄电池，将发电机2发出的电能储存在蓄电池中，蓄电池接驱动控制器5，然后与电动机7连接，通过输出装置8带动车辆行走或动力机械工作；所述的蓄电池有A组蓄电池和B组蓄电池，当A组蓄电池使用将尽，中心控制器（3）自动切换使用B组蓄电池，而A组蓄电池立刻进行充电；蓄电池可以采用燃料电池3A和铅酸蓄电池3B两种动力源混合的混合动力源，铅酸蓄电池的功率分别为25kW，在FTP（美国工况）和ECE_EUDC（欧洲工况）两种工况下百公里氢消耗最少，达到64.8L和65.9L，此时最高车速≥90km/h，百公里加速时间为13.5s，以16.1km/h爬坡时的爬坡度为28.1%；热裂解装置12内的催化剂为铑-镍-氧化镁-氧化铝复合催化剂，各成分质量含量为：铑3%；镍3%；氧化铝20%，其余为氧化镁。热裂解装置12安装在发动机1的尾气管内，尾气管内是热裂解室20，里面安装有混合液雾化喷头24和装有催化剂23、热裂解室20设有氢气出口管28；发动机1的排气管还设有旁路管26，旁路管26安装有冷却阀22和二号止回阀25，氢气出口管28也安装有一号止回阀16。
实施例2：
某汽车改装厂，在发动机尾气管内安装有热裂解装置12，醇原料箱10内装入醇的水溶液，原料箱接有输送泵11，将醇的水溶液送到热裂解装置12中，热裂解装置12将醇裂解成氢气，经热裂解装置出口进入发动机1燃烧推动汽缸工作，输出的动力带动发电机2发电，发电机2输出线接中心控制器3后接将蓄电池，将发电机2发出的电能储存在蓄电池中，蓄电池接驱动控制器5，然后与电动机7连接，通过输出装置8带动车辆行走或动力机械工作；所述的蓄电池有A组蓄电池和B组蓄电池，当A组蓄电池使用将尽，中心控制器（3）自动切换使用B组蓄电池，而A组蓄电池立刻进行充电；燃料电池3A和锂电池3B两种动力源混合一种氢电混合动力轿车，采用燃料电池和锂电池两种动力源混合的混合动力源；燃料电池和锂电池的功率分别为43kW和19kW，此时混合度为0.694，在FTP（美国工况）和ECE_EUDC（欧洲工况）两种工况下百公里氢消耗最少，分别达到42.8L和43.6L，此时最高车速≥90km/h，百公里加速时间为13.3s，以32.2km/h爬坡时的爬坡度为34.7%；；热裂解装置12内的催化剂为铑-镍-氧化镁-氧化铝复合催化剂，各成分质量含量为：铑5%；镍5%；氧化铝15%，其余为氧化镁；热裂解装置结构与实施例1相同。

Claims (10)

1.一种醇-氢-电混合动力系统，是利用发动机排气管的热量加热将醇裂解为氢气后导入发动机燃烧作功的系统，包括蓄电池、醇原料箱、其特征在于：在发动机尾气管内安装有热裂解装置（12），醇原料箱（10）内装入醇的水溶液，原料箱接有输送泵（11），将醇的水溶液送到热裂解装置（12）中，热裂解装置（12）将醇裂解成氢气，经热裂解装置出口进入发动机（1）燃烧推动汽缸工作，输出的动力带动发电机（2）发电，发电机（2）输出线接中心控制器（3）后接将蓄电池，将发电机（2）发出的电能储存在蓄电池中，蓄电池接驱动控制器（5），然后与电动机（7）连接，通过输出装置（8）带动车辆行走或动力机械工作；
所述的醇-氢-电混合动力系统还设有加热控制器（9），由蓄电池接到加热控制器（9）之后接热裂解装置（12）。
2.根据权利要求1所述的醇-氢-电混合动力系统，其特征在于：所述的醇的水溶液是乙醇或甲醇、或者乙醇和甲醇混合醇任意重量比例混合的水溶液；所述醇的水溶液中，醇与水的体积比为：醇55-70%，其余为水。
3.根据权利要求1所述的醇-氢-电混合动力系统，其特征在于：所述的蓄电池有A组蓄电池和B组蓄电池，当A组蓄电池使用将尽，中心控制器（3）自动切换使用B组蓄电池，而A组蓄电池立刻进行充电。
4.根据权利要求1所述的醇-氢-电混合动力系统，其特征在于：所述的加热控制器（9）安装有点火线圈，使发动机能够达到点火温度。
5.根据权利要求1所述的醇-氢-电混合动力系统，其特征在于：所述的氢电混合动力系统还设有太阳能板（4），太阳能板（4）接中心控制器（3）后与蓄电池连接。
6.根据权利要求1所述的醇-氢-电混合动力系统，其特征在于：所述的发热裂解装置（12）安装在发动机（1）的尾气管内，尾气管内是热裂解室（20），里面安装有混合液雾化喷头（24）和装有催化剂（23）、热裂解室（20）设有氢气出口管（28）；发动机（1）的尾气管还设有旁路管（26），旁路管（26）安装有冷却阀（22）和二号止回阀（25），氢气出口管（28）安装有一号止回阀（16）。
7.根据权利要求1所述的醇-氢-电混合动力系统，其特征在于：所述的热裂解装置内装入的催化剂是用铑-镍-氧化镁-氧化铝复合催化剂，各成分质量含量为：铑2-3%；镍2-3%；氧化铝10-20%，其余为氧化镁。
8.根据权利要求1所述的醇-氢-电混合动力系统，其特征在于：所述热裂解装置还安装有自动控制装置，包括温度传感器、氢气成分传感器和控制阀，温度传感器安装热裂解装置内部，氢气成分传感器和位于氢气出口管内；控制阀位于旁路管（26）和氢气出口管内。
9.根据权利要求1所述的醇-氢-电混合动力系统，其特征在于：所述的驱动控制器（6）采用自动控制的结构，包括输入端、输出端、电压表、电量显示器、电瓶欠压保护电路、过流保护电路、控制稳压输出电路，电路的连接方式是：发电机组发出的电能进入驱动控制器（6）的输入端，然后经过电瓶欠压保护电路、过流保护电路、控制稳压输出电路，接输出端，最后接入车载蓄电池。
10.根据权利要求1所述的醇-氢-电混合动力系统，其特征在于：所述的中心控制器（3）包括温度控制电路、氢气浓度控制电路、线圈点火电路和CPU，热裂解装置（8）内安装有温度传感器和氢气浓度传感器有引线接到中心控制器（3）CPU输入端。
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