CN113363545B - 一种发动机和固体氧化物燃料电池联合动力系统 - Google Patents

一种发动机和固体氧化物燃料电池联合动力系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种发动机和固体氧化物燃料电池联合动力系统，包括气体燃料源和用于产生动能的发动机，以及用于发电的固体氧化物燃料电池，还包括第一气体处理机构和第二气体处理机构，以及尾气处理机构，其中，通过氨气与氢气既作为发动机和固体氧化物燃料电池阳极的燃料，燃料组分元素中不含碳元素，从根源上实现了二氧化碳的“零排放”，且极大的提高了燃料的利用率，其中，本发明中，通过尾气处理机构，实现废气循环，在有效利用发动机尾气与SOFC反应尾气的同时还降低了氮氧化物的排放，另外，能充分利用发动机的尾气余热能量，将尾气余热能量分别输送至固体氧化物燃料电池和氨气分解装置中，提供温度环境，大大提高了发动机的能量利用率。

Description

一种发动机和固体氧化物燃料电池联合动力系统
技术领域
本发明涉及动力机械系统与能源系统设计技术领域，具体为一种发动机和固体氧化物燃料电池联合动力系统。
背景技术
随着环境污染、温室效应与能源短缺的问题日益加剧，针对这一全球性问题提出“碳中和”、“碳达峰”的目标以实现二氧化碳的“零排放”，在此基础之上，新的替代能源越来越受关注；其中，氨为氮氢化合物，可人工合成，一定条件下可分解，便于存储与运输，能量密度大，且在使用氨作为燃料时，不需对现有的基础设施进行改造，据此氨燃料受到人们的广泛关注；氨气与氢气作为“零碳”燃料，可作为传统碳氢发动机的替代燃料，另外固体氧化物燃料电池作为移动电源的一种，具有发电效率高，燃料适用性广等优点；因此，急需一种发动机和固体氧化物燃料电池联合动力系统，利用替代燃料并结合固体氧化物燃料电池实现二氧化碳的零排放。
发明内容
本发明提供一种能量利用率高，排放低，且全程没有碳元素燃料的参与，实现了二氧化碳的零排放，安全性好的发动机和固体氧化物燃料电池联合动力系统。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种发动机和固体氧化物燃料电池联合动力系统，包括气体燃料源和用于产生动能的发动机，以及用于发电的固体氧化物燃料电池，还包括第一气体处理机构和第二气体处理机构，以及尾气处理机构；所述气体燃料源分别输送气体至第一气体处理机构和发动机中，其中，气体燃料经所述第一气体处理机构处理后导入所述固体氧化物燃料电池的阳极，所述发动机的输出端与第二气体处理机构相连，且经第二气体处理机构处理后分别导入固体氧化物燃料电池的阳极和尾气处理机构中，同时固体氧化物燃料电池尾气输出端与所述尾气处理机构相连，经尾气处理机构处理后混合空气一同导入所述发动机中，所述固体氧化物燃料的阴极导入空气。
优选的，所述发动机上设有尾气热量输出端，且尾气热量输出端与所述固体氧化物燃料电池相连，为所述固体氧化物燃料电池提供所需热量。
优选的，所述固体氧化物燃料电池阳极一侧设有第一气体混合器，经第一气体处理机构和第二气体处理机构处理后的气体导入所述第一气体混合器中，第一气体混合器的输出端连接有第一气体加压器，混合后的气体经第一气体加压器加压后导入所述固体氧化物燃料电池的阳极。
优选的，所述气体燃料源包括氨气燃料源和氢气燃料源，所述发动机包括氨发动机和氢发动机。
优选的，所述气体燃料源为氨气燃料源，发动机为氨发动机，所述第一气体处理机构包括氨分解装置、第一气体分离器和储氢罐，第二气体处理机构包括第二气体分离器，所述尾气处理机构包括依次连接的第二气体混合器、废气再循环装置和第二气体加压器；其中，
所述氨气燃料源一输出端与所述氨分解装置相连，导入氨气进入所述氨分解装置中，经所述第一气体分离器分离后，氢气出口与所述储氢罐输入端相连，所述储氢罐输出端与所述第一气体混合器相连；氨发动机输出端与所述第二气体分离器相连，经所述第二气体分离器分离后，氨气和水蒸气导入所述第一气体混合器中，氮氧化物导入所述第二气体混合器中，第二气体混合器输出端与所述废气再循环装置的输入端相连，第二气体加压器包括两个输入端和一输出端，其中，一输入端与所述废气再循环装置输出端相连，另一输入端导入空气，一输出端与所述氨发动机输入端相连。
优选的，所述发动机的尾气热量输出端与所述氨分解装置相连，为所述氨分解装置提供所需热量。
优选的，所述气体燃料源为氢气燃料源，发动机为氢发动机，所述第一气体处理机构包括储氢罐，第二气体处理机构包括第二气体分离器，所述尾气处理机构包括冷凝器、水箱和第二气体加压器；其中，
所述氢气燃料源一输出端与储氢罐输入端相连，所述储氢罐输出端与所述第一气体混合器相连；所述氢发动机输出端与所述第二气体分离器相连，经所述第二气体分离器分离后，氢气导入所述储氢罐中，水蒸气导入所述第一气体混合器中；
冷凝器包括一输入端和两个输出端，输入端与所述固体氧化物燃料电池尾气输出端相连，一输出端与所述水箱相连，另一输出端与所述第二气体加压器相连，经第二气体加压器加压后导入所述氢发动机输入端。
优选的，所述固体氧化物燃料的阴极一侧设有空气泵，所述空气泵输出端分别与氢发动机输入端和固体氧化物燃料的阴极相连，用于将空气加压且分别导入氢发动机和固体氧化物燃料的阴极中。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明通过氨气与氢气既可以作为发动机的燃料，也可作为固体氧化物燃料电池阳极的燃料，不含碳元素，从根源上实现了二氧化碳的“零排放”，且极大的提高了燃料的利用率，其中，本发明中，通过尾气处理机构，实现废气循环，在有效利用发动机尾气与SOFC反应尾气的同时还降低了氮氧化物的排放，具有一定的经济性与可持续性。
2、本发明中充分利用发动机的尾气余热能量，一方面将尾气余热能量输送至固体氧化物燃料电池处，作为固体氧化物燃料电池反应炉中的热量来源，另一方面，在氨气作为气体燃料源时，可将尾气余热能量输送至氨气分解装置中，为氨分解装置反应提供了温度环境，实现节能减排，且大大提高了发动机的能量利用率，更加环保。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
在附图中：
图1是本发明以氨气作为燃料源的动力系统的结构示意图；
图2是本发明以氢气作为燃料源的动力系统的结构示意图；
图中标号：101、氨气燃料源；102、氢气燃料源；201、氨发动机；202、氢发动机；3、氨分解装置；4、第一气体分离器；5、储氢罐；6、第一气体混合器；7、第一气体加压器；8、固体氧化物燃料电池；9、第二气体分离器；10、第二气体混合器；11、废气再循环装置；12、第二气体加压器；13、空气压缩机；14、空气源；15、空气泵；16、冷凝器；17、水箱。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
一种发动机和固体氧化物燃料电池8联合动力系统，包括气体燃料源和用于产生动能的发动机，以及用于发电的固体氧化物燃料电池8，其特征在于：还包括第一气体处理机构和第二气体处理机构，以及尾气处理机构；气体燃料源分别输送气体至第一气体处理机构和发动机中，其中，气体燃料经第一气体处理机构处理后导入固体氧化物燃料电池8的阳极，发动机的输出端与第二气体处理机构相连，且经第二气体处理机构处理后分别导入固体氧化物燃料电池8的阳极和尾气处理机构中，同时固体氧化物燃料电池8尾气输出端与尾气处理机构相连，经尾气处理机构处理后混合空气一同导入发动机中，固体氧化物燃料的阴极导入空气；发动机上设有尾气热量输出端，且尾气热量输出端与固体氧化物燃料电池8相连，为固体氧化物燃料电池8提供所需热量。
其中，固体氧化物燃料电池8阳极一侧设有第一气体混合器6，经第一气体处理机构和第二气体处理机构处理后的气体导入第一气体混合器6中，第一气体混合器6的输出端连接有第一气体加压器7，混合后的气体经第一气体加压器7加压后导入固体氧化物燃料电池8的阳极。
实施例1，如图1所示，本实施例中，气体燃料源为氨气燃料源101，发动机为氨发动机201，第一气体处理机构包括氨分解装置3、第一气体分离器4和储氢罐5，第二气体处理机构包括第二气体分离器9，尾气处理机构包括依次连接的第二气体混合器10、废气再循环装置11和第二气体加压器12。
参考图1，氨发动机201包括两个输入端和三个输出端，一个输入端与氨气燃料源101相连，另一个输入端与第二气体加压装置相连，输出端一与处理发动机尾气的第二气体分离器9相连，用以分离氨发动机201尾气组分；输出端二为热量传递路线，分别与氨分解装置3和固体氧化物燃料电池8(SOFC)相连，各自为其提供所需热量以满足工作使用，输出端三输出动能以保证汽车正常行驶。
参考图1，氨分解装置3包括两个输入端一个输出端，一个输入端与氨燃料源相连，为氨气的分解提供反应源，另一个输入端为尾气热量，与氨发动机201相连，为氨气的分解提供所需温度；输出端与第一气体分离器4相连。
参考图1，第一气体分离器4包括一输入端和一输出端，输入端与氨分解装置3输出端相连，接收氨分解装置3分解的气体，输出端与储氢罐5相连，其中，第一气体分离器4分离出氮气和氢气，氮气排到大气中，氢气输入储氢罐5中。
参考图1，储氢罐5包括一输入端和一输出端，输入端与第一气体分离器4输出端相连，输出端与第一混合器相连。
参考图1，第一混合器包括三个输入端与一个输出端，输入端一与储氢罐5相连，输入端二与第二气体分离器9相连，其中，管道中输运的是经第二气体分离器9分离出来的未反应完的一部分氨气，输入端三也与第二气体分离器9相连，其中，管道中输运的为氨发动机201的燃烧产物水蒸气，三者混合于第一混合器中，输出端与第一气体加压器7相连，并经第一气体加压器7加压后导入固体氧化物燃料电池8的阳极反应区，以供参与固体氧化物燃料电池8阳极反应。
参考图1，固体氧化物燃料电池8(SOFC)包括三个输入端与两个输出端，输入端一与第一气体加压装置相连，用于接收SOFC阳极的反应燃料，输入端二与空气压缩机13相连，其中，空气压缩机13输入端与空气源14相连，空气压缩机13将压缩后的空气输送到SOFC阴极参与反应，输入端三与氨发动机201相连，属于能量传递过程，氨发动机201尾气余热能量提供给SOFC，保证了SOFC运行的温度所需；一输出端为SOFC反应尾气与第二气体混合器10相连，另一输出端为输出电能，供汽车正常使用。
参考图1，废气再循环装置11(EGR)包括一个输入端一个输出端，输入端与第二气体混合器10相连，输出端与第二气体加压器12相连，其中，空气源14与第二气体加压器12相连，提供空气，第二气体加压器12把处理完的尾气与空气混合，加压输送到氨发动机201循环使用。
系统工作时，氨气燃料源101提供氨气，一部分输送至氨发动机201中作为燃料，另一部分输送至氨分解装置3中，氨分解装置3进行氨气分解，并将分解后的气体输送至第一气体分离器4中，其中氢气部分输送至储氢罐5内，并通过储氢罐5输送至第一气体混合器6中，与经过第二气体分离器9处理后的来自氨发动机201未反应的氨气和水蒸气进行混合，之后通过第一气体加压器7加压后输送至SOFC阳极参与反应，其中，氨发动机201工作产生的尾气热量分别输送至固体氧化物燃料电池8和氨气分解装置中，为其二者提供温度环境；
尾气处理，SOFC产生的尾气以及氨发动机201经第二气体分离器9处理后产生的氮氧化物经第二气体混合器10混合后输送至废气再循环装置11中，并在废气再循环装置11输出端混合空气加压后输送至氨发动机201中循环利用。
实施例2，如图2所示，本实施例中，气体燃料源为氢气燃料源102，发动机为氢发动机202，第一气体处理机构包括储氢罐5，第二气体处理机构包括第二气体分离器9，尾气处理机构包括冷凝器16、水箱17和第二气体加压器12.
参考图2，氢发动机202包括两个输入端和三个输出端，一个输入端与氢气燃料源102相连，另一个输入端与空气泵15相连，输出端一与处理氢发动机202尾气的第二气体分离器9相连，用以分离氢发动机202尾气组分；输出端二为热量传递路线，与固体氧化物燃料电池8相连，输出端三输出动能以保证汽车正常行驶。
参考图2，储氢罐5包括两个输入端和一输出端，一输入端与氢气燃料源102相连，另一输入端与第二气体分离器9输出端相连，输出端与第一混合器相连。
参考图2，第一混合器包括两个输入端与一个输出端，一输入端与储氢罐5相连，另一输入端与第二气体分离器9相连，其中，管道中输运的为氢发动机202的燃烧产物水蒸气，二者混合于第一混合器中，输出端与第一气体加压器7相连，并经第一气体加压器7加压后导入固体氧化物燃料电池8的阳极反应区。
参考图2，固体氧化物燃料电池8(SOFC)包括三个输入端与两个输出端，输入端一与第一气体加压装置相连，输入端二与空气泵15相连，空气泵15将压缩后的空气输送到SOFC阴极参与反应，输入端三与氢发动机202相连，属于能量传递过程，氢发动机202尾气余热能量提供给SOFC；一输出端为SOFC反应尾气与冷凝器相连，SOFC反应完的尾气通过冷凝器16冷却后，冷却生成的水通入到水箱17中，剩余的氢气经加压后可再次通入氢发动机202作燃料循环使用。
参考图2，空气泵15输出端分别与氢发动机202输入端和固体氧化物燃料的阴极相连，用于将空气加压且分别导入氢发动机202和固体氧化物燃料的阴极中。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种发动机和固体氧化物燃料电池联合动力系统，包括气体燃料源和用于产生动能的发动机，以及用于发电的固体氧化物燃料电池，其特征在于：还包括第一气体处理机构和第二气体处理机构，以及尾气处理机构；所述气体燃料源分别输送气体至第一气体处理机构和发动机中，其中，气体燃料经所述第一气体处理机构处理后导入所述固体氧化物燃料电池的阳极，所述发动机的输出端与第二气体处理机构相连，且经第二气体处理机构处理后分别导入固体氧化物燃料电池的阳极和尾气处理机构中，同时固体氧化物燃料电池尾气输出端与所述尾气处理机构相连，经尾气处理机构处理后混合空气一同导入所述发动机中，所述固体氧化物燃料的阴极导入空气；
所述发动机上设有尾气热量输出端，且尾气热量输出端与所述固体氧化物燃料电池相连，为所述固体氧化物燃料电池提供所需热量；
所述固体氧化物燃料电池阳极一侧设有第一气体混合器，经第一气体处理机构和第二气体处理机构处理后的气体导入所述第一气体混合器中，第一气体混合器的输出端连接有第一气体加压器，混合后的气体经第一气体加压器加压后导入所述固体氧化物燃料电池的阳极；
所述气体燃料源包括氨气燃料源和氢气燃料源，所述发动机包括氨发动机和氢发动机。
2.根据权利要求1所述的一种发动机和固体氧化物燃料电池联合动力系统，其特征在于：所述气体燃料源为氨气燃料源，发动机为氨发动机，所述第一气体处理机构包括氨分解装置、第一气体分离器和储氢罐，第二气体处理机构包括第二气体分离器，所述尾气处理机构包括依次连接的第二气体混合器、废气再循环装置和第二气体加压器；其中，
所述氨气燃料源一输出端与所述氨分解装置相连，导入氨气进入所述氨分解装置中，经所述第一气体分离器分离后，氢气出口与所述储氢罐输入端相连，所述储氢罐输出端与所述第一气体混合器相连；氨发动机输出端与所述第二气体分离器相连，经所述第二气体分离器分离后，氨气和水蒸气导入所述第一气体混合器中，氮氧化物导入所述第二气体混合器中，第二气体混合器输出端与所述废气再循环装置的输入端相连，第二气体加压器包括两个输入端和一输出端，其中，一输入端与所述废气再循环装置输出端相连，另一输入端导入空气，一输出端与所述氨发动机输入端相连。
3.根据权利要求2所述的一种发动机和固体氧化物燃料电池联合动力系统，其特征在于：所述发动机的尾气热量输出端与所述氨分解装置相连，为所述氨分解装置提供所需热量。
4.根据权利要求1所述的一种发动机和固体氧化物燃料电池联合动力系统，其特征在于：所述气体燃料源为氢气燃料源，发动机为氢发动机，所述第一气体处理机构包括储氢罐，第二气体处理机构包括第二气体分离器，所述尾气处理机构包括冷凝器、水箱和第二气体加压器；其中，
所述氢气燃料源一输出端与储氢罐输入端相连，所述储氢罐输出端与所述第一气体混合器相连；所述氢发动机输出端与所述第二气体分离器相连，经所述第二气体分离器分离后，氢气导入所述储氢罐中，水蒸气导入所述第一气体混合器中；
冷凝器包括一输入端和两个输出端，输入端与所述固体氧化物燃料电池尾气输出端相连，一输出端与所述水箱相连，另一输出端与所述第二气体加压器相连，经第二气体加压器加压后导入所述氢发动机输入端。
5.根据权利要求4所述的一种发动机和固体氧化物燃料电池联合动力系统，其特征在于：所述固体氧化物燃料的阴极一侧设有空气泵，所述空气泵输出端分别与氢发动机输入端和固体氧化物燃料的阴极相连，用于将空气加压且分别导入氢发动机和固体氧化物燃料的阴极中。
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