CN114151223B - 基于液态有机储氢和斯特林外燃机的氢燃料气电混合动力系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于液态有机储氢和斯特林外燃机的氢燃料气电混合动力系统。与高压储氢燃料电池气电混动系统相比，通过使用液态有机储氢形式替换了存在氢泄露隐患的高压储氢形式，同时通过使用斯特林外燃机替换了内燃机，增加了系统的安全性和环保性；通过斯特林外燃机和配套发电机系统替换了价格高昂且寿命较短的燃料电池系统，降低了系统成本。该系统包括：液态有机储供氢系统、斯特林外燃机、电力系统。液态有机储供氢系统包括氢油油箱、储油油箱、电加热器、脱氢反应釜和气液分离器。液态有机储供氢系统用于储存氢油、产生氢气。斯特林外燃机包括换热系统、氢气燃烧器和动力系统。电力系统包括发电机、能源分配系统、驱动电机、动力电池。

Description

基于液态有机储氢和斯特林外燃机的氢燃料气电混合动力 系统

技术领域

本发明涉及新能源动力系统技术领域，尤其涉及一种基于液态有机储氢和斯特林外燃机的氢燃料气电混合动力系统。

背景技术

氢能源有可再生无污染等诸多优势，在近几年得到了大力发展。当前普遍采用高压储氢、燃料电池、动力电池的气电混合动力系统架构。氢气分子因其体积小，在高压的作用下，有极强的渗透能力，甚至能穿透金属晶格使金属脱层，这种特性就是氢气对金属的“氢脆”现象，该特性随压力升高得到加持，因此高压氢储用形式下，在管路接头处非常容易发生氢气泄漏，安全性低。燃料电池存在价格昂贵、维修频繁、寿命短等问题，制约着氢能源全产业链的发展速度。为推动氢能源上下游产业链的快速发展，国家将内燃机也纳入了氢能源鼓励范畴，业界又推出了以高压储氢、内燃机的燃气内燃机动力系统。内燃机是通过燃料燃烧爆炸形成的高温高压气体做功推动活塞从而产生动力，但氢气在高温高压环境下对金属的氢脆现象更加明显，并且内燃机在高温高压下会生成氮氧化合物，对环境造成了一定的污染。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种基于液态有机储氢和斯特林外燃机的氢燃料气电混合动力系统。通过使用液态有机储氢形式替换了存在氢泄露隐患的高压储氢形式，同时通过使用斯特林外燃机替换了内燃机，增加了系统的安全性和环保性；通过斯特林外燃机和配套发电机系统替换了价格高昂且寿命较短的燃料电池系统，降低了系统成本。

为实现上述目的，本发明提出了基于液态有机储氢和斯特林外燃机的氢燃料气电混合动力系统，包括：液态有机储供氢系统、斯特林外燃机、电力系统。液态有机储供氢系统包括氢油油箱、储油油箱、电加热器、脱氢反应釜和气液分离器。液态有机储供氢系统用于储存氢油、产生氢气。斯特林外燃机包括换热系统、氢气燃烧器和动力系统。换热系统利用斯特林外燃机余热对氢油加热。氢气燃烧器通过燃烧氢气产生的热量在动力系统内转化为动能。电力系统包括发电机、能源分配系统、驱动电机、动力电池。能源分配系统分别与电机、驱动电机、动力电池连接。

常温常压液态有机储氢形式，其优势在于车载油箱仅存储氢油。该氢油是氢气的液态有机化合物存储形态，该化合物不挥发不易燃，安全可靠，仅需常温常压存储，对油箱没有高压氢形式下的各种强度以及防泄漏性能要求，只需要一般的铁皮油箱就能安全储运，因此可以很方便地设置安装位置，使用灵活，方便优化整体设计。使用时，在催化剂的作用下脱出的氢气为略高于大气压的常压气态，没有高压氢形式下对氢分子渗透力的加持，很方便的可以做到零泄漏，是非常安全可靠的一种氢能源储用形式。因斯特林外燃机的燃料在常压空气中燃烧，无需专配辅燃设施，从而避免了需要配置大量附属氧气瓶组的问题，减小了系统体积，同时节约了成本。斯特林外燃机不仅没有内燃机在高温高压下燃烧产生的氮氧化合物排放问题，因其为连续柔性做功，还有机械振动和噪声低、对机体强度要求低、成本低、维护周期长等诸多优势。全系统的氢气回路没有高温和高压环境，氢气的最高压力仅略高于大气压，有效的避免了高温高压环境下氢气对金属的“氢脆”现象，增加了系统的安全性。

进一步的，换热系统包括斯特林外燃机冷端、回热器、斯特林外燃机热端。通过氢油与斯特林外燃机的冷端、回热器以及热端换热实现氢油加热，解决了现有技术中需要消耗电能加热氢油的问题，节约了能源，降低了成本。

进一步的，基于液态有机储氢和斯特林外燃机的氢燃料气电混合动力系统还包括低温换热器。斯特林外燃机冷端的冷却介质输出端与低温换热器的冷却介质输入端连接，斯特林外燃机冷端的冷却介质输入端与低温换热器的冷却介质输出端连接，斯特林外燃机冷端与低温换热器之间形成冷却介质循环通路，低温换热器的氢油输入端与氢油油箱的氢油输出端连接。冷却介质与斯特林外燃机冷端进行热交换带走冷端热量，之后进入低温换热器与氢油油箱送来的氢油进行换热，对氢油进行升温。节省了对斯特林外燃机冷端降温，对氢油升温的能量，降低了成本。

进一步的，基于液态有机储氢和斯特林外燃机的氢燃料气电混合动力系统还包括散热器。散热器设置在斯特林外燃机冷端的冷却介质输入端与低温换热器的冷却介质输出端之间。冷却介质与斯特林外燃机冷端进行热交换带走冷端热量，之后进入低温换热器与氢油油箱送来的氢油进行换热，对氢油进行升温，再送入散热器根据需要对冷却介质进行散热，之后再送回冷端换热带走热量，如此往复，可以对斯特林外燃机冷端降温，对氢油升温达到更好的效果。

进一步的，低温换热器的氢油输出端与回热器的氢油输入端连接。氢油进入回热器进行进一步加热，同时带走一部分热量，使回热器保持在设定温度范围，节省了保持回热器温度，对氢油升温的能量，降低了成本。

进一步的，回热器与斯特林外燃机热端连接，斯特林外燃机热端与电加热器连接。氢油送入热端换热模块进行热交换，达到进一步加热氢油，使之达到预期温度的目的，同时可以降低热端温度，使斯特林外燃机能有一个更好的工况。节省了对热端降温，对氢油升温的能量，降低了成本。

进一步的，斯特林外燃机热端包括加热罩，加热罩设置在斯特林外燃机热端外围；回热器的氢油输出端与加热罩的氢油输入端连接，加热罩的氢油输出端与电加热器的氢油输入端连接。增大了氢油与热端进行换热的面积，能使热端降温，氢油升温达到更好的效果。

进一步的，氢油油箱的氢油输出端与电加热器的氢油输入端连接；脱氢反应釜与电加热器连接，形成氢油循环通路；脱氢反应釜的氢油输出端分别与气液分离器的氢油输入端、储油油箱的氢油输入端连接；气液分离器的氢油输出端与储油油箱的氢油输入端连接。在氢油与斯特林外燃机的冷端、回热器以及热端换热后，温度未到设定值时，电加热器则对该部分氢油继续加热，直至到达设定温度后，再由电加热器输送至脱氢反应釜。保证了脱氢反应釜内的氢油可以充分进行反应。

进一步的，气液分离器的氢气输出端与氢气燃烧器的氢气输入端连接；动力电池与电加热器电连接。可以保证进入氢气燃烧器内氢气的纯度，使氢气燃烧反应更充分，提高能源利用率。

进一步的，斯特林外燃机包括旋转输出轴。发电机与旋转输出轴刚性连接；发电机与动力电池连接；发电机包括启动模式与运行模式，启动模式下动力电池为发电机提供电能，发电机带动旋转输出轴旋转，使斯特林外燃机启动；运行模式下，旋转输出轴带动发电机旋转，产生电能。提高了系统整体的续航能力，提升了系统效率。

附图说明

此处所说明的附图仅仅用来辅助本领域技术人员理解本发明的技术方案，本发明结合附图说明的示意性实施例仅仅用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例提供的基于液态有机储氢和斯特林外燃机的氢燃料气电混合动力系统的结构示意图。

具体实施方式

为了更清楚的阐释本发明的整体构思，下面结合说明书附图以示例的方式进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。在本说明书的描述中，参考术语“一个方案”、“一些方案”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该方案或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个方案或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的方案或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个方案或示例中以合适的方式结合。

图1为本发明实施例提供的基于液态有机储氢和斯特林外燃机的氢燃料气电混合动力系统的结构示意图，如图1所示，本发明提出了基于液态有机储氢和斯特林外燃机的氢燃料气电混合动力系统，包括：液态有机储供氢系统、斯特林外燃机、电力系统。本技术方案有别于当前普遍应用的高压储氢、燃料电池、动力电池组成形式的气电混合动力系统架构，液态有机储氢形式替换了存在氢泄露隐患的高压储氢形式，斯特林外燃机和配套发电机系统替换了价格高昂且寿命较短的燃料电池系统。该系统利用斯特林外燃机需要散热部件的热能和尾气剩余热能对液态有机储氢的氢油进行加热，冷却了斯特林外燃机需要散热的部件，也达到了加热氢油的目的，进而替代电加热系统，使整个动力系统的能耗和成本大幅降低，并提升了系统效率。

液态有机储供氢系统包括氢油油箱、储油油箱、电加热器、脱氢反应釜和气液分离器。液态有机储供氢系统用于储存氢油、产生氢气。氢油油箱用于储存氢油，氢油是通过化学方法将氢气存储进一种有机液体后得到的内部携带氢气分子的有机液体。储油油箱用于存储储油，储油是氢油将氢气分子脱出后，还原成原来的有机液体。脱氢反应釜用于进行脱氢反应。

现阶段高压储氢形式为35Mpa和70Mpa两种压力等级，为了让氢气瓶能够承受这样的压力等级，需要对氢气瓶从材料、制造工艺、制造过程的监督、检验以及使用过程中的定期检查和监督检验等环节进行严密的监管，成本巨大造价高昂。并且，高压环境下“氢脆”现象更加显著，系统的安全性堪忧。

常温常压液态有机储氢形式，其优势在于车载油箱仅存储氢油。该氢油是氢气的液态有机化合物存储形态，该化合物不挥发不易燃，安全可靠，仅需常温常压存储，对油箱没有高压氢形式下的各种强度以及防泄漏性能要求，只需要一般的铁皮油箱就能安全储运，因此可以很方便地设置安装位置，使用灵活，方便优化整体设计。使用时，在催化剂的作用下脱出的氢气为略高于大气压的常压气态，没有高压氢形式下对氢分子渗透力的加持，很方便的可以做到零泄漏，是非常安全可靠的一种氢能源储用形式。

液态有机储供氢系统中氢油油箱的氢油输出端与电加热器的氢油输入端连接。脱氢反应釜与电加热器连接，形成氢油循环通路。脱氢反应釜的氢油输出端分别与气液分离器的氢油输入端、储油油箱的氢油输入端连接。气液分离器的氢油输出端与储油油箱的氢油输入端连接。本领域技术人员可以理解，该部分的连接方式存在多种，此处仅给出了最优的实施方式，而并非对该部分连接方式做出的限定。

在冷机状态启动时，即斯特林外燃机还未正常工作时，氢油从氢油油箱输送到电加热器进行加热，动力电池与电加热器电连接，电加热器电能由动力电池提供，当氢油达到设定温度后，输送到脱氢反应釜，与反应釜内的催化剂反应，脱出氢气，再经气液分离器净化后，输送到斯特林外燃机燃烧做功。该过程，需要消耗动力电池的电能进行氢油的启动过程加热。

斯特林外燃机包括换热系统、氢气燃烧器和动力系统。换热系统利用斯特林外燃机余热对氢油加热。氢气燃烧器通过燃烧氢气产生的热量在动力系统内转化为动能。

电力系统包括发电机、能源分配系统、驱动电机、动力电池。能源分配系统分别与电机、驱动电机、动力电池连接。

斯特林外燃机和上述液态有机储供氢系统相结合，对斯特林外燃机热端、回热器、斯特林外燃机冷端进行优化设计，使之与氢油进行换热，达到不需要持续消耗电能为氢油加热并脱出氢气的目的。气液分离器的氢气输出端与氢气燃烧器的氢气输入端连接。脱出的氢气通过斯特林外燃机的氢气燃烧器在大气压下燃烧，进而加热斯特林外燃机的内部工作介质，使其推动活塞做功，并带动动力系统运动。在正常运行过程中，无需额外提供电能对氢油加热，从而提高整套混合动力系统的效率。因斯特林外燃机的燃料在常压空气中燃烧，无需专配辅燃设施，从而避免了需要配置大量附属氧气瓶组的问题，减小了系统体积，同时节约了成本。斯特林外燃机不仅没有内燃机在高温高压下燃烧产生的氮氧化合物排放问题，因其为连续柔性做功，还有机械振动和噪声低、对机体强度要求低、成本低、维护周期长等诸多优势。

换热系统包括斯特林外燃机冷端、回热器、斯特林外燃机热端。通过氢油与斯特林外燃机冷端、回热器以及斯特林外燃机热端换热实现氢油加热。解决了现有技术中需要消耗电能加热氢油的问题，节约了能源，降低了成本。

系统还包括低温换热器和散热器。斯特林外燃机冷端的冷却介质输出端与低温换热器的冷却介质输入端连接，斯特林外燃机冷端的冷却介质输入端与低温换热器的冷却介质输出端连接，斯特林外燃机冷端与低温换热器之间形成冷却介质循环通路，低温换热器的氢油输入端与氢油油箱的氢油输出端连接。本领域技术人员可以理解，该部分的连接方式存在多种，此处仅给出了最优的实施方式，而并非对该部分连接方式做出的限定。冷却介质与斯特林外燃机冷端进行热交换带走斯特林外燃机冷端的热量，之后进入低温换热器与氢油油箱送来的氢油进行换热，对氢油进行升温。节省了对斯特林外燃机冷端降温，对氢油升温的能量，降低了成本。散热器设置在斯特林外燃机冷端的冷却介质输入端与低温换热器的冷却介质输出端之间。冷却介质与斯特林外燃机冷端进行热交换带走冷端热量，之后进入低温换热器与氢油油箱送来的氢油进行换热，对氢油进行升温，再送入散热器根据需要对冷却介质进行散热，之后再送回斯特林外燃机冷端换热带走热量，如此往复，可以对斯特林外燃机冷端降温，对氢油升温达到更好的效果。

低温换热器的氢油输出端与回热器的氢油输入端连接。氢油进入回热器进行进一步加热，同时带走一部分热量，使回热器保持在设定温度范围，节省了保持回热器温度，对氢油升温的能量，降低了成本。

回热器与斯特林外燃机热端连接，斯特林外燃机热端与电加热器连接。氢油送入斯特林外燃机热端换热模块进行热交换，达到进一步加热氢油，使之达到预期温度的目的，同时可以降低斯特林外燃机热端温度，使斯特林外燃机能有一个更好的工况。

优选的，斯特林外燃机热端外围可设置加热罩。回热器的氢油输出端与加热罩的氢油输入端连接，加热罩的氢油输出端与电加热器的氢油输入端连接。增大了氢油与斯特林外燃机热端进行换热的面积，能使热端降温，氢油升温达到更好的效果。

在氢油与斯特林外燃机冷端、回热器以及斯特林外燃机热端换热后，温度未到设定值时，电加热器则对该部分氢油继续加热，直至到达设定温度后，再由电加热器输送至脱氢反应釜。保证了脱氢反应釜内的氢油可以充分进行反应。

热机状态启动时，即斯特林外燃机正常运行时，氢油从氢油油箱输送到低温换热器，与斯特林外燃机冷端散热介质在低温换热器中交换热量，使散热介质降温的同时，氢油得到了第一步的加热升温。然后被输送至斯特林外燃机的回热器外壁，对回热器降温的同时，氢油得到第二步加热升温。此后，氢油被输送至斯特林外燃机热端外围加热罩，利用氢气燃烧后的尾气及辐射热能对氢油进行第三步加热升温。然后送入电加热器，若因系统参数调整或其他原因，通过第三步加热升温的氢油温度未到设定值时，电加热器则对该部分氢油继续加热，直至到达设定温度后，再由电加热器输送至脱氢反应釜，在反应釜内的催化剂作用下，脱出氢气，经气液分离器净化后，输送到斯特林外燃机的氢气燃烧器燃烧做功。

斯特林外燃机包括旋转输出轴。发电机与旋转输出轴刚性连接；发电机与动力电池连接；发电机包括启动模式与运行模式，启动模式下动力电池为发电机提供电能，发电机带动旋转输出轴旋转，使斯特林外燃机启动；运行模式下，旋转输出轴带动发电机旋转，产生电能。斯特林外燃机做功的动能通过发电机变为电能，通过能源分配系统调度分配，一方面提供给驱动电机驱动载具，另一方面适时为动力电池充电，为整个混合动力系统进行类似削峰填谷的能量管理。

动力电池存储动力系统剩余电能，并在动力系统控制下输出电能。

驱动电机消耗动力系统能源为车辆、船泊及其他应用场景提供动力输出，并在如车辆刹车、下坡、滑行等特殊应用工况将机械能转化为电能，存储到动力电池。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理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权利要求范围之内。

Claims (7)

1.基于液态有机储氢和斯特林外燃机的氢燃料气电混合动力系统，其特征在于，包括：

液态有机储供氢系统，所述液态有机储供氢系统包括氢油油箱、储油油箱、电加热器、脱氢反应釜和气液分离器；所述液态有机储供氢系统用于储存氢油、产生氢气；

斯特林外燃机，所述斯特林外燃机包括换热系统、氢气燃烧器和动力系统；所述换热系统利用所述斯特林外燃机余热对氢油加热；所述氢气燃烧器通过燃烧氢气产生的热量在所述动力系统内转化为动能；所述换热系统包括斯特林外燃机冷端、回热器、斯特林外燃机热端；

还包括低温换热器，所述斯特林外燃机冷端的冷却介质输出端与所述低温换热器的冷却介质输入端连接，所述斯特林外燃机冷端的冷却介质输入端与所述低温换热器的冷却介质输出端连接，所述斯特林外燃机冷端与所述低温换热器之间形成冷却介质循环通路，所述低温换热器的氢油输入端与所述氢油油箱的氢油输出端连接；

所述回热器与所述斯特林外燃机热端连接，所述斯特林外燃机热端与所述电加热器连接；

电力系统，所述电力系统包括发电机、能源分配系统、驱动电机、动力电池；所述能源分配系统分别与所述电机、驱动电机、动力电池连接。

2.根据权利要求1所述的基于液态有机储氢和斯特林外燃机的氢燃料气电混合动力系统，其特征在于，还包括散热器，所述散热器设置在所述斯特林外燃机冷端的冷却介质输入端与所述低温换热器的冷却介质输出端之间。

3.根据权利要求1所述的基于液态有机储氢和斯特林外燃机的氢燃料气电混合动力系统，其特征在于，所述低温换热器的氢油输出端与所述回热器的氢油输入端连接。

4.根据权利要求1所述的基于液态有机储氢和斯特林外燃机的氢燃料气电混合动力系统，其特征在于，所述斯特林外燃机热端包括加热罩，所述加热罩设置在斯特林外燃机热端外围；所述回热器的氢油输出端与所述加热罩的氢油输入端连接，所述加热罩的氢油输出端与所述电加热器的氢油输入端连接。

5.根据权利要求1所述的基于液态有机储氢和斯特林外燃机的氢燃料气电混合动力系统，其特征在于，所述氢油油箱的氢油输出端与所述电加热器的氢油输入端连接；所述脱氢反应釜与所述电加热器连接，形成氢油循环通路；所述脱氢反应釜的氢油输出端分别与所述气液分离器的氢油输入端、所述储油油箱的氢油输入端连接；所述气液分离器的氢油输出端与所述储油油箱的氢油输入端连接。

6.根据权利要求1所述的基于液态有机储氢和斯特林外燃机的氢燃料气电混合动力系统，其特征在于，所述气液分离器的氢气输出端与所述氢气燃烧器的氢气输入端连接；所述动力电池与所述电加热器电连接。

7.根据权利要求1所述的基于液态有机储氢和斯特林外燃机的氢燃料气电混合动力系统，其特征在于，所述斯特林外燃机包括旋转输出轴；所述发电机与所述旋转输出轴刚性连接；所述发电机与所述动力电池连接；所述发电机包括启动模式与运行模式，所述启动模式下所述动力电池为所述发电机提供电能，所述发电机带动所述旋转输出轴旋转，使所述斯特林外燃机启动；所述运行模式下，所述旋转输出轴带动发电机旋转，产生电能。