CN1948865A - 质子交换膜燃料电池－内燃机联合驱动空调系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种质子交换膜燃料电池－内燃机联合驱动空调系统，由燃料极压缩机、燃料极换热器、质子交换膜燃料电池、内燃机、燃气空调机、驱动器、电动机、空气极换热器、空气极压缩机等设备构成。系统燃料为氢气，利用氢气和空气在燃料电池中发生电化学反应，产生电能，驱动大巴，未完全反应的氢气进入内燃机中燃烧，产生的机械能为大巴提供部分动力，同时产生的燃气通过燃气空调机为大巴提供热风/冷风。本发明采用燃料电池和内燃机共同工作，具有高效、无污染的工作特性，因热电综合效率的提高，使燃料使用量可以减少50％以上。

Description

质子交换膜燃料电池—内燃机联合驱动空调系统
技术领域
本发明涉及一种质子交换膜燃料电池—内燃机联合驱动空调系统，适用于城市公共交通客运大巴，属于能源利用技术领域。
背景技术
随着汽车数量的增加，带来了石油需求激增和环境恶化等问题，人们面临着石油资源与环境保护的双重压力。
为了保护环境和提高能源利用效率，世界各国急需发展新型的汽车驱动系统。燃料电池发电驱动技术是将燃料的化学能直接转化为电能，而不受卡诺循环的限制。其中，质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell；PEMFC)具有环境友好、寿命长、运行温度低、比功率高、能量效率高、冷启动快、结构紧凑、易维护等优点，特别适合作为移动电源，极大地受到人们关注(Djilali N，Lu D M.Influence of heat transfer on gas and water transport in fuelcells.International Journal Thermal Sciences，2002，41(1)：29-40.)。
目前常用的内燃机驱动系统，约有10％的热量损失于摩擦中，25％的热量由废气带走，40％的热量传递给气缸外的冷却水，因此系统的效率仅有20～30％，通过技术革新，也只能达到40％左右，能源的利用率低。另外，内燃机城市大巴运行时排放微粒、硫氧化物和氮氧化物等有害物质，同时排放出温室气体——二氧化碳，对城市的环境造成了污染。
目前尚未有质子交换膜燃料电池-内燃机联合驱动空调系统的相关技术公开报道。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足及根据未来能源发展趋势，提供一种适用于城市大巴的质子交换膜燃料电池—内燃机联合驱动空调系统，在为城市大巴提供动力的同时，还可以为大巴供应热风/冷风，从而实现能源的高效、无污染利用，减少城市污染物排放。
为实现这样的目的，本发明的质子交换膜燃料电池—内燃机联合驱动空调系统，由燃料极压缩机、燃料极换热器、质子交换膜燃料电池、内燃机、燃气空调机、驱动器、电动机、空气极换热器、空气极压缩机等设备构成。质子交换膜燃料电池的电力输出端连接电动机的入口端，电动机的出口端连接驱动器，质子交换膜燃料电池的燃料极出口端连接内燃机的入口端，内燃机的动力输出端连接驱动器，内燃机的出口端连接燃气空调机的入口端，燃气空调机的出口端连接燃料极换热器的管外入口端，燃料极换热器的管外出口端连接空气极换热器的管外入口端，空气极换热器的管外出口端排空。燃料极压缩机的入口端连接氢气源，燃料极压缩机的出口端连接燃料极换热器的管内入口端，燃料极换热器的管内出口端连接质子交换膜燃料电池的燃料极入口端，空气极压缩机的入口端连接空气，空气极压缩机的出口端连接空气极换热器的管内入口端，空气极换热器的管内出口端连接质子交换膜燃料电池的空气极入口端，质子交换膜燃料电池的空气极出口端排空。
系统工作时，氢气经燃料极压缩机和燃料极换热器进入质子交换膜燃料电池的燃料极；空气经空气极压缩机和空气极换热器进入质子交换膜燃料电池的空气极。利用生物质、核能、化石能源等制得的氢气为燃料，空气为氧化剂，氢和氧在燃料电池内发生电化学反应，所产生的电能驱动电动机，为驱动器提供主要动力，未完全反应的氢气进入内燃机中燃烧，所产生的机械能为驱动器提供另一部分动力，内燃机所产生的燃气进入燃气空调机，所产生的热风/冷风用以调节大巴内的空气温度，燃气空调机的排气依次进入燃料极换热器和空气极换热器，预热氢气和空气。燃料电池的空气极出口端排空。
本驱动系统采用质子交换膜燃料电池与内燃机联合驱动，可以通过调整氢气和空气供给量调整系统的输出功率。
本发明与现有技术相比，具有明显的进步和有益效果。本发明的燃料极换热器和空气极换热器可以预热氢气和空气，节约能源；未被燃料电池利用的部分燃料送到内燃机燃烧，为驱动器提供部分动力；内燃机所产生的燃气进入燃气空调机，为大巴提供热风/冷风。这些特点都有利于提高燃料氢气的利用率。并且本发明运行时不排放微粒、硫氧化物和氮氧化物等有害物质，无CO2排放，实现能源的高效、无污染利用。另外，燃料氢气的来源广泛，可以利用生物质、核能、化石能源等制造。
本发明采用质子交换膜燃料电池和内燃机联合驱动大巴，同时燃气空调机为大巴提供冷风/热风，有效提高了能源利用率，减少了温室气体及有害气体的排放。与目前的内燃机30％左右的效率相比，本发明的系统电热综合效率可达65％左右。热电综合效率的提高，可以使燃料使用量减少50％以上。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图。
图1中，1为燃料极压缩机，2为燃料极换热器，3为质子交换膜燃料电池，4为内燃机，5为燃气空调机，6为驱动器，7为电动机，8为空气极换热器，9为空气极压缩机。
具体实施方式
为更好地理解本发明的技术方案，以下结合附图作进一步描述。
本发明的系统结构如图1所示，由燃料极压缩机1、燃料极换热器2、质子交换膜燃料电池3、内燃机4、燃气空调机5、驱动器6、电动机7、空气极换热器8、空气极压缩机9等设备构成。质子交换膜燃料电池3的电力输出端连接电动机7的入口端，电动机7的出口端连接驱动器6，质子交换膜燃料电池3的燃料极出口端连接内燃机4的入口端，内燃机4的动力输出端连接驱动器6，内燃机4的出口端连接燃气空调机5的入口端，燃气空调机5的出口端连接燃料极换热器2的管外入口端，燃料极换热器2的管外出口端连接空气极换热器8的管外入口端，空气极换热器8的管外出口端排空。燃料极压缩机1的入口端连接氢气源，燃料极压缩机1的出口端连接燃料极换热器2的管内入口端，燃料极换热器2的管内出口端连接质子交换膜燃料电池3的燃料极入口端，空气极压缩机9的入口端连接空气，空气极压缩机9的出口端连接空气极换热器8的管内入口端，空气极换热器8的管内出口端连接质子交换膜燃料电池3的空气极入口端，质子交换膜燃料电池3的空气极出口端排空。
系统工作时，氢气由燃料极压缩机1经燃料极换热器2进入质子交换膜燃料电池3的燃料极；空气由空气极压缩机9经空气极换热器8进入质子交换膜燃料电池3的空气极。燃料氢和空气中的氧在质子交换膜燃料电池3中发生电化学反应，所产生的电能驱动电动机7，为驱动器6提供主要动力，未完全反应的氢气进入内燃机4中燃烧，所产生的机械能为驱动器6提供另一部分动力，内燃机4所产生的燃气进入燃气空调机5，所产生的热风/冷风用以调节大巴内的空气温度，燃气空调机5的排气依次进入燃料极换热器2和空气极换热器8以预热氢气和空气。质子交换膜燃料电池3的空气极出口端排空。
在本发明的一个实施例中，系统采用质子交换膜燃料电池3与内燃机4联合驱动，质子交换膜燃料电池3的额定功率为200kW，内燃机4的额定功率为50kW，额定负荷为250kW，可以通过调整氢气和空气供给量调整系统的输出功率。

Claims (1)

1、一种质子交换膜燃料电池—内燃机联合驱动空调系统，其特征在于包括燃料极压缩机(1)、燃料极换热器(2)、质子交换膜燃料电池(3)、内燃机(4)、燃气空调机(5)、驱动器(6)、电动机(7)、空气极换热器(8)及空气极压缩机(9)；质子交换膜燃料电池(3)的电力输出端连接电动机(7)的入口端，电动机(7)的出口端连接驱动器(6)，质子交换膜燃料电池(3)的燃料极出口端连接内燃机(4)的入口端，内燃机(4)的动力输出端连接驱动器(6)，内燃机(4)的出口端连接燃气空调机(5)的入口端，燃气空调机(5)的出口端连接燃料极换热器(2)的管外入口端，燃料极换热器(2)的管外出口端连接空气极换热器(8)的管外入口端，空气极换热器(8)的管外出口端排空；燃料极压缩机(1)的入口端连接氢气源，燃料极压缩机(1)的出口端连接燃料极换热器(2)的管内入口端，燃料极换热器(2)的管内出口端连接质子交换膜燃料电池(3)的燃料极入口端，空气极压缩机(9)的入口端连接空气，空气极压缩机(9)的出口端连接空气极换热器(8)的管内入口端，空气极换热器(8)的管内出口端连接质子交换膜燃料电池(3)的空气极入口端，质子交换膜燃料电池(3)的空气极出口端排空。
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