CN113178596A - 一种重工机械用氢能再循环清洁混合动力系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及混合动力技术领域，公开了一种重工机械用氢能再循环清洁混合动力系统，包括氢能燃料电池和向氢能燃料电池供氢气的供气系统，氢能燃料电池的尾气循环至供气系统；还包括蓄电系统，氢能燃料电池向蓄电系统充电，蓄电系统向供气系统供电；还包括驱动系统，氢能燃料电池和蓄电系统向驱动系统供电；还包括控制器，控制器获取氢能燃料电池供电信息，基于供电信息，控制器控制蓄电系统向驱动系统供电。本发明结构简单，以对氢气进行循环利用，并降低氢气的利用量，保证混合动力系统的安全工作。

Description

一种重工机械用氢能再循环清洁混合动力系统
技术领域
本发明涉及混合动力技术领域，具体涉及一种重工机械用氢能再循环清洁混合动力系统。
背景技术
目前汽油机和柴油机依然是车用发动机的主要机种。汽油和柴油都是不可再生资源，为了减缓石油资源的匮乏所带来的一系列负面影响，需要寻找发动机的代用燃料，而氢能源是众多替代能源中的一种可再生资源，热值高，并且燃烧后大部分生成物是水蒸气，是一种理想的绿色燃料，作为代用燃料的氢能源可以解决二大难题：一是石油燃料储量有限，二是使用石油燃料带来的环境污染。
目前已经研发出氢能燃料电池，氢能燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极化学反应直接转化为电能的装置，反应物质(氢气和氧气)在电化学反应过程中不断地被消耗来产生电能，其反应过程不涉及到燃烧，工作安全可靠。
燃料电池在发电过程中容易发生欠气现象，可能导致燃料电池不工作的状态，进而一般会采用过量供应氢气的情况，燃料电池排出的尾气中氢气的含量较多。
发明内容本发明意在提供一种重工机械用氢能再循环清洁混合动力系统，以减小氢气供应量，并减小燃料电池尾气中氢气的含量。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种重工机械用氢能再循环清洁混合动力系统，包括氢能燃料电池和向氢能燃料电池供氢气的供气系统，氢能燃料电池的尾气循环至供气系统；还包括蓄电系统，氢能燃料电池向蓄电系统充电，蓄电系统向供气系统供电；还包括驱动系统，氢能燃料电池和蓄电系统向驱动系统供电；还包括控制器，控制器获取氢能燃料电池供电信息，基于供电信息，控制器控制蓄电系统向驱动系统供电。
本方案的原理及优点是：(1)本方案中，初始供气系统向氢能燃料电池供氢气，以使得氢能电池送电，当氢能燃料电池供电量不足或出现故障时，控制器获取氢能燃料电池供电信息，基于供电信息，控制器控制蓄电系统向驱动系统供电，如此，不必过量向氢能燃料电池过量供氢气，大大的减少了氢气的使用量，进而降低了氢能燃料电池尾气中氢气的含量。
(2)本方案中，氢能燃料电池将部分电能输送至蓄电系统以进行储存，并利用蓄电系统向供气系统供电，达到电能循环的目的。
(3)氢能燃料电池所产生的尾气输送至供气系统，将氢能燃料电池尾气中的氢气再次循环利用，以达到节约氢气的目的。
优选的，作为一种改进，供气系统包括氢能储存罐，氢能储存罐连通有电磁截止阀，电磁截止阀连通有第一流量计，第一流量计连通有第一电磁阀，第一电磁阀连通有加湿器，加湿器连通有第二电磁阀，第二电磁阀连通有第二流量计，第二流量计与氢能燃料电池的进气口连通；控制器获取第一流量计的第一计量信息，控制器基于第一计量信息，以控制电磁截止阀的开度，以控制进入氢能燃料电池的气体量；控制器获取第二流量计的第二计量信息，控制器基于第二计量信息，控制器以控制第一电磁阀和第二电磁阀调节开度，以控制进入氢能燃料电池的气体量。
有益效果：本方案中，控制器根据第一计量信息以控制电磁截止阀的开度，以调节氢能储存罐放出氢气的量，将氢气的流量控制在一定范围内。氢气通过第一电磁阀和加湿器，经过加湿器氢气被湿润，以防止质子交换膜脱水降低电池性能及工作寿命。控制器基于第二计量信息还可以控制第一电磁阀和第二电磁阀的开度，以控制进入氢能燃料电池的氢气量，进一步保证氢气不会过量。同时，若遇到故障需要停机时，氢气可以节流在加湿器内，避免氢气从氢能燃料电池泄漏。
优选的，作为一种改进，氢能燃料电池的尾气出口连通有压力传感器，压力传感器连通有增压器；气压传感器获取氢能燃料电池的尾气压力信息，控制器基于尾气压力信息，以控制增压器的启闭。
有益效果：当氢能燃料电池排出尾气时，气压传感器获取尾气压力信息，控制器基于尾气压力信息，控制器以控制增压器的启闭。即当尾气压力足够时，尾气可以直接进入至供气系统内，若尾气压力低时，控制器以控制增压器对尾气增压，进而达到增压器节能的目的。
优选的，作为一种改进，氢能燃料电池连通有冷凝器，冷凝器与加湿器连通。
有益效果：冷凝器对氢能燃料电池排出的水进行冷凝，以流回加湿器内，将水进行利用。
优选的，作为一种改进，加湿器包括本体，本体的一侧开有与第一电磁阀连通的进气口，本体的另一侧开有与第二电磁阀连通的出气口；本体内固定有文氏管，文氏管包括收缩段和扩散段，收缩段与扩散段之间连通有喉管段，喉管段上开有若干负压孔，本体上套设有容纳箱，容纳箱内设置有空腔，本体上开有与空腔连通的气孔；容纳箱上固定连接有单向阀，空腔内固定有超声波振动器，容纳箱上固定有与超声波振动器电连接的蓄电池组。
有益效果：通过蓄电池组向超声波振动器供电，并且超声波振动器工作时高频震荡1.7MHZ频率，将水雾化为1-5微米的超微粒子，与氢气结合形成一定的湿润空气并且流向本体内。本方案中采用超声波振动器起到加湿功能作用，加湿强度大，加湿均匀，加湿效率高；节能、省电，耗电仅为电热加湿器的1/10至1/15，使用寿命长。氢气进入至收缩段内，然后通过喉管段和扩散段从出气口排出，由于氢气流速的改变，在喉管段会形成一定的负压(伯努利原理)，在负压的作用下，湿润空气与氢气均匀混合，进而从出气口喷出，以喷出的方式使得氢气与湿润空气充分混合，提高加湿效果，使得进入燃料电池的空气具有一定的湿度。
优选的，作为一种改进，喉管段内固定有增湿结构，增湿结构包括固定在喉管段两侧的支撑环，两支撑环之间固定有若干沿支撑环径向均布的纤维膜。
有益效果：在超声波振动器的作用下将水雾化为1-5微米的超微粒子，超微粒子附着在纤维膜上，氢气经过纤维膜上时，以将超微粒子带走，以达到湿润氢气的目的，提高氢气的湿润效果。
优选的，作为一种改进，纤维膜呈波浪形。
有益效果：呈波浪形的纤维膜，增大了纤维膜与超微粒子的接触面积。
附图说明
图1为本发明实施例一中的混合动力系统示意图。
图2为本发明实施例一中的供气系统示意图。
图3为本发明实施例二中加湿器的结构示意图。
图4为本发明实施例三中加湿器的结构示意图。
图5为本发明实施例三中增湿结构的示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
说明书附图中的附图标记包括：本体11、容纳箱12、蓄电池组13、空腔14、气孔15、文氏管16、进气口17、负压孔18、单向阀19、超声波振动器21、支撑环22、纤维膜221、出气口23。
实施例一
基本如图1和附图2所示：一种重工机械用氢能再循环清洁混合动力系统，包括氢能燃料电池和向氢能燃料电池供氢气的供气系统。本实施例中供气系统包括氢能储存罐，氢能储存罐连通有电磁截止阀，电磁截止阀连通有第一流量计，第一流量计连通有第一电磁阀，第一电磁阀连通有加湿器，加湿器连通有第二电磁阀，第二电磁阀连通有第二流量计，第二流量计与氢能燃料电池的进气口连通。
氢能燃料电池的尾气出口连通有压力传感器，压力传感器连通有增压器，氢能燃料电池连通有冷凝器，冷凝器与加湿器连通。
本实施例中，还包括蓄电系统和驱动系统，本实施例中蓄电系统包括蓄电池，蓄电池与驱动系统电连接，氢能燃料电池电连接有电流分配器，电流分配器与蓄电池电连接，电流分配器与驱动系统电连接。
还包括控制器，控制器以控制供气系统、蓄电系统和氢能燃料电池进行控制。具体的：控制器控制供气系统时，控制器将电磁截止阀打开，氢气储能罐内的氢气经过第一流量计，控制器获取第一流量计的第一流量信息(氢气每min气体量)，并且控制器基于第一流量信息，控制器以控制电磁截止阀调节开度，以使得氢气的流量适合。氢气通过第一电磁阀、加湿器、第二电磁阀和第二流量计进入至氢能燃料电池内，控制器获取第二流量计的第二流量信息(氢气每min气体量)，以控制第一电磁阀和第二电磁阀的开度，进一步调节氢气进入氢能燃料电池的氢气量，如此使得进入氢能燃料电池的氢气量一定，不至于过量将氢气送入氢能燃料电池内。当然，若氢能燃料电池发生故障时，控制器可以直接控制第一电磁阀和第二电磁阀关闭，将氢气阻断，利用加湿器对氢气进行一定的储存，避免氢气从氢能燃料电池泄漏，提高安全性。本实施例中的电器件均通过蓄电池进行供电。
控制器控制蓄电系统时，具体为：当氢能燃料电池不能正常向驱动系统供电时，可能导致的原因氢能不足，以调节供气系统的供氢气量，也可能是氢能燃料电池发生故障，此时，控制器控制蓄电池进行供电补给。
氢能燃料电池正常工作时，氢能燃料电池通过电流分配器向蓄电池和驱动系统供电，驱动系统正常工作，而蓄电池进行电能储存。氢能燃料电池的阴极排出的水通过冷凝器进行冷凝，冷凝后的水进入至加湿器，将冷凝水重复利用。氢能燃料电池的阳极排出的尾气进入至供气系统，尾气排放时，气压传感器获取气压信息，控制器基于气压信息控制增压器的启闭，当气压过低时，控制器启动增压器，增压器对尾气进行增压以送入至供气系统，将尾气中的氢气送入至氢能燃料电池再次进行利用，如此减少氢气的浪费。
实施例二：
基本如附图3所示，包括本体11，本体11的一侧开有进气口17，进气口17内螺钉固定有第一电磁阀(图中未示出)，本体11的另一侧开有出气口23，出气口23内螺钉固定有第二电磁阀(图中未示出)。
本体11上套设有容纳箱12，容纳箱12与本体11螺栓固定连接，容纳箱12内开有空腔14，本体11上开有与空腔14连通的气孔15，本体11上螺钉固定有与外部连通的单向阀19，单向阀19连通有三通阀，单向阀19通过三通阀与冷凝器连通，单向阀19通过三通阀与其他水源连通，单向阀19与空腔14连通，外部的水通过单向阀19进入至空腔14内。空腔14内的底部螺钉固定有超声波振动器21，容纳箱12上部螺栓固定有蓄电池组13，蓄电池组13与控制器电连接，超声波振动器21与控制器电连接。
本体11内螺钉固定有文氏管16，文氏管16包括收缩段和扩散段，收缩段与第一电磁阀连通，扩散段与第二电磁阀连通，收缩段与扩散段之间连通有喉管段，喉管段上开有若干负压孔18，负压孔18与气孔15连通。
具体实施过程如下：
通过单向阀19向空腔14内送入水，由于重力的作用下水会与超声波振动器21接触，控制器控制蓄电池组13向超声波振动器21供电，并启动超声波振动器21，超声波振动器21会将水雾化。
当需要向燃料电池送入湿润的氢气时，氢气通过进气口17进入收缩段内，氢气通过喉管段并从扩散段喷出，喉管段会形成负压，在负压的作用下雾化的水会通过负压孔18和气孔15进入至喉管段内，雾化的水与氢气发生混合，并从扩散段喷出至出气口23，再从出气口23送入至燃料电池内。
实施例三：
实施例三与实施例二的不同之处在于，如附图4和附图5所示，实施例二与实施例一的不同之处在于，如附图2和附图3所示，喉管段内的两侧均螺钉固定有支撑环22，两支撑环22之间设置有若干沿支撑环22径向均布的若干纤维膜221，本实施例中纤维膜221呈波浪形。
具体实施过程如下：
超声波振动器21将水雾化后，雾化后的水可以通过气孔15和负压孔18进入至喉管段内并且附着在纤维膜221上，当氢气流过纤维膜221时，氢气被湿润，提高氢气的湿润效果。由于纤维膜221呈波浪形可增大与雾化水的接触面积，同时也能增大与氢气的接触面积，提高氢气的湿润效果。当然，在负压的作用下，也能提高雾化水进入喉管段的量，如此从两个方向提高氢气的湿润效果。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体技术方案和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (7)

1.一种重工机械用氢能再循环清洁混合动力系统，其特征在于：包括氢能燃料电池和向氢能燃料电池供氢气的供气系统，氢能燃料电池的尾气循环至供气系统；
还包括蓄电系统，氢能燃料电池向蓄电系统充电，蓄电系统向供气系统供电；
还包括驱动系统，氢能燃料电池和蓄电系统向驱动系统供电；
还包括控制器，控制器获取氢能燃料电池供电信息，基于供电信息，控制器控制蓄电系统向驱动系统供电。
2.根据权利要求1所述的重工机械用氢能再循环清洁混合动力系统，其特征在于：供气系统包括氢能储存罐，氢能储存罐连通有电磁截止阀，电磁截止阀连通有第一流量计，第一流量计连通有第一电磁阀，第一电磁阀连通有加湿器，加湿器连通有第二电磁阀，第二电磁阀连通有第二流量计，第二流量计与氢能燃料电池的进气口连通；
控制器获取第一流量计的第一计量信息，控制器基于第一计量信息，以控制电磁截止阀的开度，以控制进入氢能燃料电池的气体量；
控制器获取第二流量计的第二计量信息，控制器基于第二计量信息，控制器以控制第一电磁阀和第二电磁阀调节开度，以控制进入氢能燃料电池的气体量。
3.根据权利要求2所述的重工机械用氢能再循环清洁混合动力系统，其特征在于：氢能燃料电池的尾气出口连通有压力传感器，压力传感器连通有增压器；
气压传感器获取氢能燃料电池的尾气压力信息，控制器基于尾气压力信息，以控制增压器的启闭。
4.根据权利要求3所述的重工机械用氢能再循环清洁混合动力系统，其特征在于：氢能燃料电池连通有冷凝器，冷凝器与加湿器连通。
5.根据权利要求2～4任意一项所述的重工机械用氢能再循环清洁混合动力系统，其特征在于：加湿器包括本体，本体的一侧开有与第一电磁阀连通的进气口，本体的另一侧开有与第二电磁阀连通的出气口；本体内固定有文氏管，文氏管包括收缩段和扩散段，收缩段与扩散段之间连通有喉管段，喉管段上开有若干负压孔，本体上套设有容纳箱，容纳箱内设置有空腔，本体上开有与空腔连通的气孔；容纳箱上固定连接有单向阀，空腔内固定有超声波振动器，容纳箱上固定有与超声波振动器电连接的蓄电池组。
6.根据权利要求5所述的重工机械用氢能再循环清洁混合动力系统，其特征在于：喉管段内固定有增湿结构，增湿结构包括固定在喉管段两侧的支撑环，两支撑环之间固定有若干沿支撑环径向均布的纤维膜。
7.根据权利要求6所述的重工机械用氢能再循环清洁混合动力系统，其特征在于：纤维膜呈波浪形。
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