CN115431742A - 一种基于氨燃料的燃料电池和内燃机发电驱动汽车系统 - Google Patents

一种基于氨燃料的燃料电池和内燃机发电驱动汽车系统 Download PDF

Info

Publication number
CN115431742A
CN115431742A CN202211140704.XA CN202211140704A CN115431742A CN 115431742 A CN115431742 A CN 115431742A CN 202211140704 A CN202211140704 A CN 202211140704A CN 115431742 A CN115431742 A CN 115431742A
Authority
CN
China
Prior art keywords
ammonia
internal combustion
combustion engine
gas
fuel cell
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202211140704.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN115431742B (zh
Inventor
李骏
王磊
李娜
陈海娥
李栋
高翔
戈非
杜喜云
赖钧明
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Foshan Xianhu Laboratory
Original Assignee
Foshan Xianhu Laboratory
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Foshan Xianhu Laboratory filed Critical Foshan Xianhu Laboratory
Priority to CN202211140704.XA priority Critical patent/CN115431742B/zh
Publication of CN115431742A publication Critical patent/CN115431742A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN115431742B publication Critical patent/CN115431742B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60K—ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PROPULSION UNITS OR OF TRANSMISSIONS IN VEHICLES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PLURAL DIVERSE PRIME-MOVERS IN VEHICLES; AUXILIARY DRIVES FOR VEHICLES; INSTRUMENTATION OR DASHBOARDS FOR VEHICLES; ARRANGEMENTS IN CONNECTION WITH COOLING, AIR INTAKE, GAS EXHAUST OR FUEL SUPPLY OF PROPULSION UNITS IN VEHICLES
    • B60K6/00—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00
    • B60K6/20—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00 the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs
    • B60K6/22—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00 the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs characterised by apparatus, components or means specially adapted for HEVs
    • B60K6/32—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00 the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs characterised by apparatus, components or means specially adapted for HEVs characterised by the fuel cells
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L50/00—Electric propulsion with power supplied within the vehicle
    • B60L50/50—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells
    • B60L50/70—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells using power supplied by fuel cells
    • B60L50/71—Arrangement of fuel cells within vehicles specially adapted for electric vehicles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L50/00—Electric propulsion with power supplied within the vehicle
    • B60L50/50—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells
    • B60L50/70—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells using power supplied by fuel cells
    • B60L50/72—Constructional details of fuel cells specially adapted for electric vehicles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/30—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling fuel cells

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于氨燃料的燃料电池和内燃机发电驱动汽车系统，其包括：燃料电池体、氨改质系统、氨吸收及再生系统、内燃机及发电系统、氨供给系统、汽车驱动系统，可以减小对燃料电池系统的功率需求，避免高成本大功率的燃料电池系统；将燃料电池体阳极排气不仅用于裂解，还用于内燃机燃烧系统提高燃烧速度，解决氨燃料内燃机燃烧速度慢的缺点，达到充分利用燃料电池阳极排气中氢气的目的，减少能量浪费，提高系统效率，实现氨吸收器的在线再生，无需人工干预可将氨吸收器中吸附的氨脱附，并与燃料电池阳极排气一同在氧化装置中发生氧化反应。

Description

一种基于氨燃料的燃料电池和内燃机发电驱动汽车系统
技术领域
本发明涉及节能与新能源车辆领域，特别涉及一种基于氨燃料的燃料电池和内燃机发电驱动汽车系统。
背景技术
相比电动汽车、混合动力汽车，燃料电池汽车在补加燃料时间和续驶里程方面具有优势。对于续驶里程较长、动力性能要求较高、汽车体积较大的商用车，燃料电池是公认的优选技术方案；商用车运行在相对固定的线路上，对加氢站的依赖性低于乘用车。
然而为了满足中重型车辆需求，纯燃料电池的商用车的燃料电池电堆功率通常需要达到350kW以上，在燃料电池成本居高不下情况下，在很长一段时间，纯燃料电池中重型车辆的经济性很难为市场所普遍接受，且存在模块闲置、热管理等难题。考虑到中国中重型商用车辆庞大的市场规模以及成熟的供应链体系，有必要在内燃机基础上与燃料电池技术进行复合，充分发挥内燃机成熟制造体系和技术优势，形成氨燃料复合动力车辆系统。
如专利号为CN210129554U公布了一种氨燃料电池系统及电动装置、专利号为CN209418658U公布了一种液氨制氢燃料电池装置及汽车，现有技术利用氨气裂解制取氢气并供燃料电池发电，其中氨裂解的能量来自于燃料电池阳极排气氧化过程放出的热量。此外，参与裂解反应的氨气无法全部裂解，生成的氮气和氢气中存在部分未完全反应的氨气，需要通过气体纯化装置或者吸附装置将残余氨气排除。现有技术的缺点：
1)阳极排气所携带的能量较多，氧化释放能量供氨气裂解有余，造成能量浪费，系统效率降低；
2)氨气吸附装置虽能够吸附氨气，但是容量有限，存在无法自动再生的问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于氨燃料的燃料电池和内燃机发电驱动汽车系统，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。
为解决上述技术问题所采用的技术方案：
本发明提供一种基于氨燃料的燃料电池和内燃机发电驱动汽车系统，其包括：燃料电池体、氨改质系统、氨吸收及再生系统、内燃机及发电系统、氨供给系统、汽车驱动系统，氨改质系统包括氨裂解管路和氧化管路，所述氨裂解管路包括依次相连的汽化器一换热侧、电加热装置、裂解装置、所述汽化器另一换热侧，所述氧化管路包括依次连接的气体混合器、氧化装置、阳极排气换热器一换热侧，所述阳极排气换热器出口与燃料电池体的阴极入口相连，所述气体混合器通过空气调节阀与燃料电池体阴极出口相连；氨吸收及再生系统包括第一氨吸收器、第二氨吸收器和气体收集罐、再生气三通阀、四通阀，所述第一氨吸收器进口通过第一三通阀分别与汽化器另一换热侧出口、再生气三通阀的第一端口相连，第二氨吸收器通过第二三通阀分别与汽化器另一换热侧出口、再生气三通阀的第一端口相连，所述燃料电池体的阳极出口、阳极排气换热器的另一换热侧与再生气三通阀的第二端口依次连接，所述再生气三通阀的第三端口与气体收集罐相连，所述四通阀的四个端口分别与第一氨吸收器、第二氨吸收器、燃料电池体阳极进口、气体收集罐相连，所述气体收集罐通过氧化用氢气调节阀与气体混合器相连；内燃机及发电系统包括内燃机本体、同时与内燃机本体连接的燃料系统、发电机，所述燃料系统通过内燃机用氢气调节阀与气体收集罐相连；氨供给系统同时与燃料系统、汽化器一换热侧的进口相连。汽车驱动系统包括逆变器、动力电池、驱动电机，所述逆变器同时与动力电池、驱动电机、燃料电池体、发电机相连，动力电池与电加热装置相连。
本发明的有益效果是：在燃料电池体启动期间，氨供给系统提供的液态氨依次经过汽化器一换热侧、电加热装置、裂解装置，在汽化器中部分汽化为气态氨，电加热装置利用动力电池的能量加热气态氨使其温度升高，高温气态氨在裂解装置中的裂解催化剂的催化作用下裂解为氢气和氮气，同时还有少部分未完全裂解的残余氨气，在汽化器中，裂解气被液态氨汽化吸热进一步冷却，控制第一三通阀使汽化器流出的裂解气经第一三通阀进入第一氨吸收器，裂解气中的氨被吸附，控制四通阀使第一氨吸收器与燃料电池体阳极连通，将氮气和氢气引入燃料电池体阳极，氢气和氮气混合气在燃料电池体中将化学能转化为电能；同时，控制第二三通阀使第二氨吸收器与汽化器之间阻断，控制再生气三通阀使阳极排气换热器与气体收集罐连通，以实现再生气体的收集，又或者控制再生气三通阀使气体收集罐与第二氨吸收器连通，进行再生脱附氨气；
气体收集罐中再生气经氧化用氢气调节阀进入气体混合器，一同进入的还包括燃料电池体阴极出口的部分空气，混合后的混合气进入氧化装置，在其中发生氧化反应并释放热量，氧化装置的排气经阳极排气换热器，逐渐加热再生气体，使进入气体收集罐以及下游的气体混合器中气体温度增加，进一步增加氧化装置的氧化反应速率和效率；
此时的逆变器将一部分动力电池的能量输送到电加热装置，一部分输送到驱动电机用于驱动汽车，燃料电池体输出电能可供电加热装置和驱动电机使用，剩余可用于存储在动力电池。
当燃料电池体完全启动并且热机后，系统工作过程与燃料电池体启动过程类似，但是，电加热装置完全退出工作；
当汽车行驶过程需要较大功率时，内燃机本体需要启动，逆变器先输送电能给发电机倒拖内燃机启动。启动后，氨供给系统给燃料系统提供的液态氨，内燃机用氢气调节阀使气体收集罐和燃料系统之间的连通，氨供给系统和气体收集罐分别向内燃机输送液态氨燃料和氢气。
本技术利用燃料电池体、内燃机本体以及动力电池组成混合动力系统，将燃料电池阳极排气不仅用于裂解，还用于内燃机燃烧系统提高燃烧速度，充分利用燃料电池阳极排气中氢气，减少能量浪费，提高系统效率，利用氨吸收及再生系统实现氨吸收器的在线再生，其中一个氨吸收器可以吸附裂解装置排出未完全裂解的少部分氨气，同时利用燃料电池阳极排气对另外一个氨吸收器实行吹扫脱附再生。
作为上述技术方案的进一步改进，所述裂解装置和氧化装置相互耦合换热设置。氧化装置氧化反应释放的热量可快速传递到裂解装置，因氨裂解反应为吸热反应，提高能量的利用率。
作为上述技术方案的进一步改进，所述氧化装置的下游连接有氧化排气换热器，所述电加热装置进口连接于氧化排气换热器。氧化排气换热器将氧化装置高温排气热量传递给进入氧化排气换热器的氨气，将气态氨加热升温，充分利用氧化装置的排气温度(能量)加热气态氨使其达到裂解温度。
作为上述技术方案的进一步改进，所述氧化排气换热器上游连接有内燃机排气换热器，所述汽化器一换热侧与内燃机排气换热器连接，所述内燃机排气换热器与内燃机本体排气口相连。内燃机排气换热器利用内燃机高温排气加热进入裂解装置的氨气，为氨裂解提供热量。
作为上述技术方案的进一步改进，所述内燃机及发电系统还包括相互传动连接的涡轮和压气机，所述涡轮进口与内燃机本体排气口相连，所述内燃机排气换热器与内燃机本体排气口之间设置有排气旁通调节阀，所述内燃机排气换热器的排气出口与涡轮的出口相连，所述压气机的出气口与内燃机本体进气口相连。
本方案在内燃机的进气系统设有涡轮增压的压气机，用于对进气增压。涡轮和压气机通过刚性轴连接，将涡轮输出功传递给压气机，而排气旁通调节阀可用于控制进入内燃机排气换热器的排气量。
作为上述技术方案的进一步改进，所述氨供给系统包括依次相连的氨罐和氨泵，所述氨泵的出口通过氨改质调节阀与汽化器相连，所述氨泵的出口通过氨截止阀与燃料系统相连。
氨罐用于存储液态氨，为整个系统提供氨燃料。
氨泵用于将氨罐内液态氨泵出，为整个系统提供氨燃料。
氨改质调节阀用于控制进入汽化器的氨流量，进而控制进入裂解装置的氨气量，氨截止阀用于控制液态氨进入燃料系统，当内燃机停机时，阻断氨泵泵出的液态进入内燃机的燃料系统；当内燃机运行时，使氨泵泵出的液态氨进入内燃机的燃料系统。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明；
图1是本发明所提供的基于氨燃料的燃料电池和内燃机发电驱动汽车系统，其一实施例的示意图。
具体实施方式
本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右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。
在本发明的描述中，如果具有“若干”之类的词汇描述，其含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
参照图1，本发明的基于氨燃料的燃料电池和内燃机发电驱动汽车系统作出如下实施例：
本实施例的基于氨燃料的燃料电池和内燃机发电驱动汽车系统包括：燃料电池体100、氨改质系统、氨吸收及再生系统、内燃机及发电系统、氨供给系统、汽车驱动系统。
其中氨供给系统包括氨罐700、氨泵710，氨罐700与氨泵710进口连接，氨罐700用于存储液态氨燃料，为整个系统提供氨燃料，优选采用高压(至少能够承受20bar以上压力)且绝热的储存罐，而氨泵710用于将氨罐700内液态氨泵出，为整个系统提供氨燃料，优选采用现有内燃机的低压燃油泵，并经过适应性改进设计，满足液态氨的使用需求，被氨泵710泵出的液态氨一部分流向内燃机及发电系统，另外一部分流向氨改质系统。
而氨改质系统主要包括氨裂解管路、氧化管路，其中氨裂解管路包括汽化器200、电加热装置210、内燃机排气换热器350氧化排气换热器340、裂解装置220，而氧化管路包括气体混合器300、氧化装置310、阳极排气换热器320。
裂解装置220上游设有电加热装置210，用于加热进入裂解装置220的氨气，电加热装置210上游设有氧化排气换热器340，实现换热升温的功能，将氧化装置310高温排气热量传递给进入氧化排气换热器340的氨气，氧化排气换热器340上游设有内燃机排气换热器350，实现换热升温的功能，将内燃机高温排气热量传递给进入内燃机排气换热器350的氨气。内燃机排气换热器350上游设有汽化器200，实现液态氨吸热汽化功能，将裂解装置220的高温排气传递热量给进入汽化器的液态氨。汽化器200与氨泵710通过氨改质调节阀720相连，氨改质调节阀720用于调节进入氨改质系统的液氨量。裂解装置220下游设有上文所述汽化器200，实现换热降温的功能，利用液态氨汽化吸热的特征降低进入汽化器200的裂解后混合气的温度。
裂解装置220用于将氨气裂解为由氮气、氢气以及未被完全裂解的氨气组成的裂解气，氧化装置310使氢气、氨气和空气发生氧化反应，本实施例的裂解装置220和氧化装置310相互耦合，使氧化装置310氧化反应释放的热量快速传递到裂解装置220。
氧化装置310上游设有气体混合器300，用将参与氧化反应的气体进行混合，并输送给氧化装置310。气体混合器300还与空气调节阀330和氧化用氢气调节阀470连接，分别用于控制进入气体混合器300的空气量和再生气体(氢气、氮气以及氨气的混合气)量。空气调节阀330的另一端与燃料电池体100的阴极排气口相连，将阴极出口的空气引入到氧化装置310。氧化用氢气调节阀470的另一端与氨吸收及再生系统中的气体收集罐420相连，将气体收集罐420中的再生气体引入到氧化装置310。氧化装置310下游设有上文所述的氧化排气换热器340，实现换热降温的功能，氧化装置310排出的高温气体将热量传递给氨气实现降温。氧化排气换热器340下游设有阳极排气换热器320，实现换热降温的功能，将氧化装置310的排气的热量进一步传递给氨吸收及再生系统中的再生气体。阳极排气换热器320中的排气出口与燃料电池体100的阴极入口相连，将氧化反应的产物水蒸气引入燃料电池体100的阴极，可为燃料电池提供增湿手段。
裂解装置220在催化剂的催化作用下将气态氨裂解为氮气和氢气，该过程为吸热过程并且需要达到特定的温度(400℃以上)进行，裂解装置220所需的热量还来自于氧化装置310释放的热量。
氧化装置310实现气体混合器300流出并进入本装置的预混合气的氧化反应，可以是燃烧反应、催化燃烧反应或者催化氧化反应。所述的氧化反应是强放热反应，释放出的热量传递给裂解装置220，同时使氧化装置310的排气温度升高。当氧化装置310为催化氧化装置时，还需要在其中集成电加热装置，以提高进入氧化装置310的混合气温度达到催化氧化温度。当氧化装置310为燃烧器，需要在其中集成点火装置，使氧化装置310内混合气可以实现着火。
汽化器200用于将液态氨汽化为气态氨，期间需要吸收热量，其热量来自于裂解装置220下游的裂解气。一方面液态氨汽化成气态氨，另外一方面裂解气实现温度降低，利于下游氨吸收器对裂解气中氨气的吸附。
内燃机排气换热器350用于将气态氨加热升温，主要是内燃机正常运行期间使用，充分利用内燃机的排气温度能量加热气态氨使其达到裂解温度。
电加热装置210用于将气态氨加热升温，用于燃料电池启动期间，此时内燃机并未启动导致排气温度低，氧化装置310也未发生导致氧化装置310的排气温度低，电加热装置210利用汽车驱动系统中的动力电池610能量加热氨气温度使其达到裂解温度。
而氨吸收及再生系统包括第一氨吸收器400、第二氨吸收器410、气体收集罐420、再生气三通阀430、四通阀440，
氨吸收及再生系统中的第一氨吸收器400、第二氨吸收器410可用于吸收裂解装置220下游未完全裂解残留的氨气，并在适当条件下脱附。第一氨吸收器400上游设有第一三通阀450，第一三通阀450其中一端口与第一氨吸收器400相连，其中一端口与裂解装置220下游的汽化器200相连，其中一端口与再生气三通阀430其中一端口相连；通过控制第一三通阀450可以使汽化器200流出的裂解气进入第一氨吸收器400，或者使再生气三通阀430流出的再生气体进入第一氨吸收器400。
第二氨吸收器410上游设有第二三通阀460，第二三通阀460其中一端口与第二氨吸收器410相连，其中一端口与裂解装置220下游的汽化器200相连，其中一端口与第一三通阀450其中一端口一同与再生气三通阀430一端口相连；通过控制第二三通阀460可以使汽化器200流出的裂解气进入第二氨吸收器410，或者使再生气三通阀430流出的再生气体进入第二氨吸收器410。
再生气三通阀430另外两个端口分别气体收集罐420和阳极排气换热器320相连，通过控制再生气三通阀430可以使阳极排气换热器320流出的再生气流入第一三通阀450或者第二三通阀460，或者使阳极排气换热器320流出的再生气直接进入气体收集罐420。
第一氨吸收器400、第二氨吸收器410的下游设四通阀440，并且分别与四通阀440的其中两个端口相连。四通阀440的另外两个端口分别燃料电池体100阳极进口和气体收集罐420相连，通过控制四通阀440可使第一氨吸收器400、第二氨吸收器410流出的气体或者进入燃料电池体100的阳极，或者进入气体收集罐420。气体收集罐420另外还与氧化用氢气调节阀470和内燃机用氢气调节阀530相连，内燃机用氢气调节阀530用于控制再生气体进入内燃机的流量。
第一三通阀450和第二三通阀460分别用于控制进入第一氨吸收器400、第二氨吸收器410的气体来源，或者是裂解装置220下游的裂解气，或者来自于气体收集罐420的再生气体。
第一氨吸收器400、第二氨吸收器410分别用于吸附裂解气中少量的氨气，并在适当的时候引入再生气对氨吸收器进行脱附，为下一阶段吸附氨气做好准备。优选的，第一氨吸收器400、第二氨吸收器410采用络合法对氨气进行吸附，比如利用MgCl2、CuCl2等与氨气发生络合反应实现对氨气的吸附。当第一氨吸收器400、第二氨吸收器410其中之一吸附满氨气后，向其引入高温的再生气体实现氨气脱附。
四通阀440用于控制进入燃料电池体100阳极以及进入气体收集罐420的气体来源；通过四通阀440的控制，可实现第一氨吸收器400流出的氮气和氢气混合气进入燃料电池体100阳极，同时第二氨吸收器410流出的氮气、氢气和氨气混合气进入气体收集罐420；反之亦然。优选的，四通阀440为本领域技术人员已知的二位四通阀。
再生气三通阀430用于将来自于燃料电池体100阳极出口并经阳极排气换热器320的再生气进行流向控制，或者进入第一三通阀450和第二三通阀460，或者进入气体收集罐420。优选的，再生气三通阀430为本领域技术人员已知的二位三通阀。
气体收集罐420用于收集和存储来自于再生气三通阀430的再生气、或者第一氨吸收器400或第二氨吸收器410流出的混合气，并通过氧化用氢气调节阀470和内燃机用氢气调节阀530分流到氧化装置310和内燃机的燃料系统510。
燃料电池体100阴极入口除将外界空气引入燃料电池之外，还引入上文所述的阳极排气换热器320流出的氧化装置310的排气。燃料电池体100阴极出口排气除经排气系统排入大气外，部分排气经空气调节阀330被引入上文所述的气体混合器300。燃料电池体100阳极入口引入经四通阀440流出的氢气和氮气混合气。燃料电池体100阳极出口未被利用的氮气和氢气混合气被引入上文所述的阳极排气换热器320，吸收氧化装置310排气热量用作再生气体。
内燃机及发电系统包括内燃机本体500、燃料系统510、发电机520、涡轮540和压气机550。
内燃机本体500的动力输出端直接与发电机520相连，使内燃机本体500输出的动力直接驱动发电机520发电。燃料系统510为内燃机本体500提供燃料，可以是氨燃料也可以是燃料电池体100阳极出口排出的未被利用的氢气和氮气混合气，其中氢气燃料活性或非常好，可用于增加内燃机氨燃料的燃烧活性。
在内燃机的排气系统设有涡轮540的压气机550，并将涡轮540上游的部分排气引出进入上文所述的内燃机排气换热器350，利用内燃机高温排气加热进入裂解装置220的氨气，为氨裂解提供热量。
为了控制引自涡轮540上游并进入内燃机排气换热器350的排气量，在内燃机排气系统与内燃机排气换热器350之间设有排气旁通调节阀560。引自涡轮540上游的部分排气经内燃机排气换热器350重新回到内燃机的排气系统，汇合点处于涡轮540的下游，内燃机排气后处理系统的上游。在内燃机的进气系统设有涡轮540增压的压气机550，用于对进气增压。涡轮540和压气机550通过刚性轴连接，将涡轮540输出功传递给压气机550。为了防止内燃机停止工作期间液态氨进入燃料系统510，在氨泵710和燃料系统510之间增加氨截止阀730。
燃料电池体100用于将燃料的化学能转发为电能，为本领域已知的燃料电池。优选的，燃料电池体100是质子交换膜燃料电池。
而汽车驱动系统包括逆变器600、动力电池610、驱动电机620，逆变器600通过电缆分别与动力电池610、燃料电池体100、电加热装置210、发电机520和驱动电机620相连。动力电池610可以通过逆变器600为驱动电机620提供能量，驱动汽车运行；反之汽车制动过程，驱动电机620被吸收制动能量，通过逆变器600为动力电池610充电。通过逆变器600可将发电机520发出的电能存储到动力电池610，也可以经逆变器600直接输出到驱动电机620从而驱动汽车运行；内燃机启动期间，动力电池610通过逆变器600为发电机520提供能量，倒拖内燃机转动实现启动。内燃机启动期间，动力电池610通过逆变器600为电加热装置210提供能量，加热氨气使其能够裂解。通过逆变器600可将燃料电池体100发出的电能存储到动力电池，也可以经逆变器600直接输出到驱动电机620从而驱动汽车运行。
本基于氨燃料的燃料电池和内燃机发电驱动汽车系统的运行原理如下：
在燃料电池体100启动期间，氨泵710将液态氨泵710入汽化器200，液态氨在汽化器200利用环境热量部分汽化为气态氨。气态氨经内燃机排气换热器350和氧化排气换热器340进入电加热装置210，此时，内燃机排气换热器350没有内燃机排气，氧化装置310还没有氧化反应，所以气态氨在内燃机排气换热器350和氧化排气换热器340不发生换热升温。电加热装置210利用动力电池610的能量加热气态氨使其温度升高。在裂解装置220内，高温气态氨在裂解催化剂的催化作用下裂解为氢气和氮气，同时还有少部分未完全裂解的残余氨气。裂解过程属于吸热过程，裂解装置220下游的裂解气温度降低。在汽化器200中，裂解气被液态氨汽化吸热进一步冷却。控制第一三通阀450使汽化器200流出的裂解气经第一三通阀450进入第一氨吸收器400，裂解气中的氨被吸附。同时，控制第二三通阀460使第二氨吸收器410与汽化器200之间阻断，控制再生气三通阀430使阳极排气换热器320与气体收集罐420连通。控制四通阀440使第一氨吸收器400与燃料电池体100阳极连通，将氮气和氢气引入燃料电池体100阳极；同时使第二氨吸收器410与气体收集罐420连通。此时，因为再生气三通阀430引导再生气直接进入气体收集罐420，所以此时第二氨吸收器410不参与工作，即不吸附氨气，也不进行再生脱附氨气。同样的，也可以通过第一三通阀450和第二三通阀460使第一氨吸收器400不参与工作，而使第二氨吸收器410吸附裂解气中的氨。进入燃料电池体100阳极的氢气和氮气混合气在燃料电池体100中将化学能转化为电能，经逆变器600或者驱动汽车形式，或者将电能存储在动力电池610。燃料电池体100阳极出口未完全反应的氢气和氮气经再生气三通阀430进入气体收集罐420。气体收集罐420中再生气经氧化用氢气调节阀470进入气体混合器300，一同进入的还包括燃料电池体100阴极出口的部分空气，其中空气量通过空气调节阀330调节，再生气通过氧化用氢气调节阀470调节。混合后的混合气进入氧化装置310，在其中发生氧化反应并释放热量，逐渐加热氨裂解装置220，氧化装置310的排气温度也逐渐增加。温度逐渐增加的氧化装置310排气，通过氧化排气换热器340逐步对电加热装置210上游的氨气加热使其温度增加，如此可逐渐降低电加热装置210的加热需求。氧化装置310的排气经氧化排气换热器340进入阳极排气换热器320，逐渐加热再生气体，使进入气体收集罐420以及下游的气体混合器300中气体温度增加，进一步增加氧化装置310的氧化反应速率和效率。燃料电池体100启动期间内燃机不运行，氨截止阀730阻断氨泵710和燃料系统510之间的连通，内燃机用氢气调节阀530阻断气体收集罐420和燃料系统510之间的连通。逆变器600将一部分动力电池610的能量输送到电加热装置210，一部分输送到驱动电机620用于驱动汽车，燃料电池体100输出电能可供电加热装置210和驱动电机620使用，剩余可用于存储在动力电池610。
当燃料电池体100完全启动并且热机后，系统工作过程与燃料电池体100启动过程类似。但是，电加热装置210完全退出工作，利用氧化装置310的高温排气在氧化排气换热器340即可将氨气加热到特定温度，同时氧化装置310还会向裂解装置220传递热量，此时不再需要电加热装置210工作。通过第一三通阀450、第二三通阀460和四通阀440使第一氨吸收器400吸收裂解装置220排气中的氨气，再通过控制再生气三通阀430使燃料电池体100阳极出口排出的再生气经阳极排气换热器320、再生气三通阀430以及第二三通阀460进入第二氨吸收器410。由于阳极排气换热器320将氧化装置310排气的热量传递给再生气，升温后的再生气加热第二氨吸收器410使氨气脱附，脱附后的氨气与再生气一同进入气体收集罐420，主要成分包括氮气、氢气和氨气。之后通过氧化用氢气调节阀470进入气体混合器300，之后在氧化装置310中与来自于燃料电池体100阴极出口的空气发生氧化反应。当第二氨吸收器410中所有氨气完成脱附，通过控制再生气三通阀430，使燃料电池体100阳极出口排出的再生气经阳极排气换热器320直接进入气体收集罐420，然后再进入气体混合器300，此时第二氨吸收器410不参与工作。当第一氨吸收器400氨吸附到较满程度，通过控制第一三通阀450、第二三通阀460和四通阀440使第二氨吸收器410吸收裂解装置220排气中的氨气，再通过控制再生气三通阀430使燃料电池体100阳极出口排出的再生气经阳极排气换热器320、再生气三通阀430以及第一三通阀450进入第一氨吸收器400。阳极排气换热器320流出的高温度再生气加热第一氨吸收器400使氨气脱附，脱附后的氨气与再生气一同进入气体收集罐420，之后通过氧化用氢气调节阀470进入气体混合器300。如此实现第一氨吸收器400和第二氨吸收器410交替进行氨吸附和脱附再生过程。此时内燃机未参与工作，燃料电池体100阳极排气中氢气能量用于氧化装置310有余，通过气体收集罐420可以将氢气和氮气以及脱附的氨气存储在气体收集罐420中。
当汽车行驶过程需要较大功率时，燃料电池体100、改质系统以及氨吸收及再生系统工作过程类似。但是内燃机需要启动，逆变器600先输送电能给发电机520倒拖内燃机启动。启动后，氨截止阀打开使氨泵710和燃料系统510之间的连通，内燃机用氢气调节阀530使气体收集罐420和燃料系统510之间的连通，氨泵710和气体收集罐420分别向内燃机输送液态氨燃料和氢气。气体收集罐420中混合气一部分进入氧化装置310参与氧化反应，另外一部分进入内燃机燃烧系统促进氨气的燃烧过程。内燃机输出动力并驱动发电机520发电，输出电能经逆变器600或者进入驱动电机620驱动汽车，或者进入动力电池610给电池充电。内燃机启动后，内燃机排气温度增加，部分排气进入内燃机排气换热器350，加热即将进入裂解装置220的氨气，可减少氧化装置310中热量需求，即可降低氢气的消耗，使更多的氢气进入内燃机的燃料系统510和燃烧系统，促进燃烧，提高内燃机性能。
内燃机的存在可以减小对燃料电池系统的功率需求，避免高成本大功率的燃料电池系统；将燃料电池体阳极排气不仅用于裂解，还用于内燃机燃烧系统提高燃烧速度，解决氨燃料内燃机燃烧速度慢缺点，达到充分利用燃料电池阳极排气中氢气的目的，减少能量浪费，提高系统效率，实现氨吸收器的在线再生，无需人工干预可将氨吸收器中吸附的氨脱附，并与燃料电池阳极排气一同在氧化装置310中发生氧化反应。
以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (6)

1.一种基于氨燃料的燃料电池和内燃机发电驱动汽车系统，其特征在于：其包括：
燃料电池体(100)；
氨改质系统，其包括氨裂解管路和氧化管路，所述氨裂解管路包括依次相连的汽化器(200)一换热侧、电加热装置(210)、裂解装置(220)、所述汽化器(200)另一换热侧，所述氧化管路包括依次连接的气体混合器(300)、氧化装置(310)、阳极排气换热器(320)一换热侧，所述阳极排气换热器(320)出口与燃料电池体(100)的阴极入口相连，所述气体混合器(300)通过空气调节阀(330)与燃料电池体(100)阴极出口相连；
氨吸收及再生系统，其包括第一氨吸收器(400)、第二氨吸收器(410)和气体收集罐(420)、再生气三通阀(430)、四通阀(440)，所述第一氨吸收器(400)进口通过第一三通阀(450)分别与汽化器(200)另一换热侧出口、再生气三通阀(430)的第一端口相连，第二氨吸收器(410)通过第二三通阀(460)分别与汽化器(200)另一换热侧出口、再生气三通阀(430)的第一端口相连，所述燃料电池体(100)的阳极出口、阳极排气换热器(320)的另一换热侧与再生气三通阀(430)的第二端口依次连接，所述再生气三通阀(430)的第三端口与气体收集罐(420)相连，所述四通阀(440)的四个端口分别与第一氨吸收器(400)、第二氨吸收器(410)、燃料电池体(100)阳极进口、气体收集罐(420)相连，所述气体收集罐(420)通过氧化用氢气调节阀(470)与气体混合器(300)相连；
内燃机及发电系统，其包括内燃机本体(500)、同时与内燃机本体(500)连接的燃料系统(510)、发电机(520)，所述燃料系统(510)通过内燃机用氢气调节阀(530)与气体收集罐(420)相连；
氨供给系统，其同时与燃料系统(510)、汽化器(200)一换热侧的进口相连；
汽车驱动系统，其包括逆变器(600)、动力电池(610)、驱动电机(620)，所述逆变器(600)同时与动力电池(610)、驱动电机(620)、燃料电池体(100)、发电机(520)相连，所述动力电池(610)与电加热装置(210)相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于氨燃料的燃料电池和内燃机发电驱动汽车系统，其特征在于：
所述裂解装置(220)和氧化装置(310)相互耦合换热设置。
3.根据权利要求1所述的一种基于氨燃料的燃料电池和内燃机发电驱动汽车系统，其特征在于：
所述氧化装置(310)的下游连接有氧化排气换热器(340)，所述电加热装置(210)进口连接于氧化排气换热器(340)。
4.根据权利要求3所述的一种基于氨燃料的燃料电池和内燃机发电驱动汽车系统，其特征在于：
所述氧化排气换热器(340)上游连接有内燃机排气换热器(350)，所述汽化器(200)一换热侧与内燃机排气换热器(350)连接，所述内燃机排气换热器(350)与内燃机本体(500)排气口相连。
5.根据权利要求4所述的一种基于氨燃料的燃料电池和内燃机发电驱动汽车系统，其特征在于：
所述内燃机及发电系统还包括相互传动连接的涡轮(540)和压气机(550)，所述涡轮(540)进口与内燃机本体(500)排气口相连，所述内燃机排气换热器(350)与内燃机本体(500)排气口之间设置有排气旁通调节阀(560)，所述内燃机排气换热器(350)的排气出口与涡轮(540)的出口相连，所述压气机(550)的出气口与内燃机本体(500)进气口相连。
6.根据权利要求1所述的一种基于氨燃料的燃料电池和内燃机发电驱动汽车系统，其特征在于：
所述氨供给系统包括依次相连的氨罐(700)和氨泵(710)，所述氨泵(710)的出口通过氨改质调节阀(720)与汽化器(200)相连，所述氨泵(710)的出口通过氨截止阀(730)与燃料系统(510)相连。
CN202211140704.XA 2022-09-19 2022-09-19 一种基于氨燃料的燃料电池和内燃机发电驱动汽车系统 Active CN115431742B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211140704.XA CN115431742B (zh) 2022-09-19 2022-09-19 一种基于氨燃料的燃料电池和内燃机发电驱动汽车系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211140704.XA CN115431742B (zh) 2022-09-19 2022-09-19 一种基于氨燃料的燃料电池和内燃机发电驱动汽车系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN115431742A true CN115431742A (zh) 2022-12-06
CN115431742B CN115431742B (zh) 2024-06-25

Family

ID=84248735

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202211140704.XA Active CN115431742B (zh) 2022-09-19 2022-09-19 一种基于氨燃料的燃料电池和内燃机发电驱动汽车系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115431742B (zh)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080248353A1 (en) * 2007-04-05 2008-10-09 Malcolm James Grieve Energy conversion device including a solid oxide fuel cell fueled by ammonia
CN114103620A (zh) * 2021-11-09 2022-03-01 佛山仙湖实验室 氨氢融合燃料内燃机与燃料电池复合动力系统及控制方法
US20220118843A1 (en) * 2020-10-15 2022-04-21 Hyundai Motor Company Vehicle including fuel cell system
CN114497579A (zh) * 2022-02-17 2022-05-13 南京机电职业技术学院 一种车载燃料电池系统
WO2022106568A1 (fr) * 2020-11-19 2022-05-27 Plastic Omnium Advanced Innovation And Research Procédé de gestion thermique d'un système à pile à combustible de véhicule
CN217435499U (zh) * 2022-02-14 2022-09-16 吉林大学 一种新型汽车氨氢混合燃料动力系统

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080248353A1 (en) * 2007-04-05 2008-10-09 Malcolm James Grieve Energy conversion device including a solid oxide fuel cell fueled by ammonia
US20220118843A1 (en) * 2020-10-15 2022-04-21 Hyundai Motor Company Vehicle including fuel cell system
WO2022106568A1 (fr) * 2020-11-19 2022-05-27 Plastic Omnium Advanced Innovation And Research Procédé de gestion thermique d'un système à pile à combustible de véhicule
CN114103620A (zh) * 2021-11-09 2022-03-01 佛山仙湖实验室 氨氢融合燃料内燃机与燃料电池复合动力系统及控制方法
CN217435499U (zh) * 2022-02-14 2022-09-16 吉林大学 一种新型汽车氨氢混合燃料动力系统
CN114497579A (zh) * 2022-02-17 2022-05-13 南京机电职业技术学院 一种车载燃料电池系统

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
张会生, 刘永文, 苏明, 翁史烈: "高温燃料电池―燃气轮机混合发电系统性能分析", 热能动力工程, no. 02, 20 March 2002 (2002-03-20) *

Also Published As

Publication number Publication date
CN115431742B (zh) 2024-06-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11374246B2 (en) Ammonia fuel cell system and electric device
US7648785B2 (en) Clean power system
CN100579815C (zh) 氢混合动力电动汽车
US8034499B2 (en) Energy conversion device including a solid oxide fuel cell fueled by ammonia
US6311650B1 (en) Vehicle having a driving internal-combustion engine and having a fuel cell system for the power supply to electric consuming devices of the vehicle and method for operating such a vehicle
AU2018369153A1 (en) Hydrated magnesium hydride energy system
CN106143101B (zh) 基于发动机余热回收的裂解甲醇制氢混合动力系统的控制方法
CN114103620B (zh) 氨氢融合燃料内燃机与燃料电池复合动力系统及控制方法
CN210120193U (zh) 车载液态储供氢系统及设置有该系统的车辆
WO2007143937A1 (fr) Système d'alimentation hybride pour pile à combustible destinée à être utilisée dans un véhicule, automobile incorporant ce système, procédé d'utilisation de ce système et procédé d'utilisation d'un empilement de piles à combustible
CN106837529B (zh) 一种净化环境空气的氢能源汽车动力系统
US20060059892A1 (en) Clean power system
CN108357343A (zh) 一种混合动力系统、混合动力系统的动力供应方法及车辆
CN111942137A (zh) 汽车用混合动力系统及其使用方法和使用该系统的汽车
CN115431742B (zh) 一种基于氨燃料的燃料电池和内燃机发电驱动汽车系统
CN103210193B (zh) 燃料重整器
CN205674809U (zh) 一种燃料电池汽车的热泵空调系统
CN210941327U (zh) 一种燃料电池与汽缸发动机的混合动力系统
CN115298421B (zh) 混合动力系统
CN210129554U (zh) 一种氨燃料电池系统及电动装置
CN101550866A (zh) 直接再生水移动制氢发动机燃料系统及其装置
CN115234370B (zh) 一种小型车载甲醇重整制氢联合内燃机的系统与方法
CN114188577B (zh) 一种燃料电池汽车发电方法及其动力系统
CN114156506B (zh) 一种车载燃料电池控制系统、方法、电动汽车、重型车辆
CN113669155B (zh) 一种组合动力系统和商用车

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant