CN210941327U - 一种燃料电池与汽缸发动机的混合动力系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种燃料电池与汽缸发动机的混合动力系统，包括：依次连通的燃料箱、电堆箱以及用于驱使驱动轮转动的汽缸发动机；电堆箱外连接用于辅助驱使驱动轮转动的驱动电机；于电堆箱的阴极连接有空气预热器，空气预热器上设有用于加热其内部空气的加热结构，汽缸发动机的尾气输出端通过管道与空气预热器的加热结构连通。本实用新型结构设计合理巧妙，将汽缸发动机的尾气作为电堆箱阴阳极气体的热源，减少整个混合动力系统的
损失；对各阶段不同品级的能量梯级利用，实现各温度段的能量的高效转化，进一步利用尾气的热量，进而提高本实用新型的循环效率。
Description
技术领域
本实用新型涉及车用动力系统，具体涉及一种燃料电池与汽缸发动机的混合动力系统。
背景技术
SOFC燃料电池，是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置。
随着对汽车燃油经济性和环保的要求的提高，以及我国863计划的提出，汽车动力系统将从现在以汽油等化石燃料为主慢慢过渡到混合动力。
传统汽车内燃机效率最高达到35％，大部分的能量通过尾气被带走，而现今市面上流通的混合东西系统大多没有针对这一问题进行改进，虽达到了环保要求，但尾气中能量的大量浪费仍然没有解决。
现针对内燃机尾气的再利用以及对系统循环效率的改进，推出一款燃料电池与汽缸发动机的混合动力系统。
实用新型内容
为了解决上述问题，本实用新型公开了一种燃料电池与汽缸发动机的混合动力系统。
本实用新型为实现上述目的所采用的技术方案是：
一种燃料电池与汽缸发动机的混合动力系统，包括：依次连通的燃料箱、电堆箱以及用于驱使驱动轮转动的汽缸发动机；所述电堆箱外连接用于辅助驱使驱动轮转动的驱动电机；于所述电堆箱的阴极连接有空气预热器，所述空气预热器上设有用于加热其内部空气的加热结构，所述汽缸发动机的尾气输出端通过管道与所述空气预热器的加热结构连通。
还包括重整反应器；所述燃料箱与所述重整反应器的输入端连通，所述重整反应器的输出端与所述电堆箱的阳极连通；于所述重整反应器上还设有加热腔，所述汽缸发动机的尾气输出端通过管道与所述加热腔连接，所述加热腔的输出端与所述空气预热器的加热结构连通。
还包括依次接通的空气压缩机、空气干燥机、储气罐和滤清器；所述滤清器的输出端与所述空气预热器的输入端连通。
还包括依次连通的储水箱、水泵；所述水泵的输出端通过管道与所述汽缸发动机的缸套的一端连通，所述缸套的另一端通过管道与所述重整反应器的输入端接通。
所述重整反应器的输入端还接有保护气输送管道。
所述燃料箱连接有燃料泵，所述燃料泵的输出端分别通过第一支路、第二支路与所述重整反应器、汽缸发动机连接。
所述第一支路、第二支路上按照燃料输送方向均依次设有电磁阀、止回阀；所述第二支路上还设有雾化器和回火防止器。
所述电堆箱外连接有超级电容，所述驱动电机与该超级电容接通。
所述保护气输送管道内输送的保护气为95：5的N2和H2混合气。
所述加热结构为尾气暂存腔。
本实用新型的有益效果为：本实用新型结构设计合理巧妙，将汽缸发动机的尾气作为电堆箱阴阳极气体的热源，减少整个混合动力系统的
损失；对各阶段不同品级的能量梯级利用，实现各温度段的能量的高效转化，进一步利用尾气的热量，进而提高本混合动力系统的循环效率。
下面结合附图与具体实施方式，对本实用新型进一步说明。
附图说明
图1是本实用新型实施例提供的燃料电池与汽缸发动机的混合动力系统处于稳定运行阶段的示意图；
图2是本实用新型实施例提供的燃料电池与汽缸发动机的混合动力系统处于启动阶段的示意图；
图3是本实用新型实施例提供的电堆箱内部结构示意图。
具体实施方式
实施例，本实施例提供的一种燃料电池与汽缸发动机的混合动力系统，包括预定的启动阶段和稳定运行阶段。燃料电池与汽缸发动机的混合动力系统刚开始启动时，处于预定的启动阶段，当系统中的电堆箱温度升温至设定温度，系统切换至稳定运行阶段。
参见图1，图1为燃料电池与汽缸发动机的混合动力系统处于稳定运行阶段，各部件的连接关系示意图，其包括：依次连通的燃料箱1、电堆箱2以及用于驱使驱动轮3转动的汽缸发动机4；所述电堆箱2外连接用于辅助驱使驱动轮3转动的驱动电机14；于所述电堆箱2的阴极连接有空气预热器5，所述空气预热器5上设有用于加热其内部空气的加热结构，所述汽缸发动机4 的尾气输出端通过管道与所述空气预热器5的加热结构连通。本方案燃料电池采用的是SOFC。
还包括重整反应器6；所述燃料箱1与所述重整反应器6的输入端连通，所述重整反应器6的输出端与所述电堆箱2的阳极连通；于所述重整反应器6 上还设有加热腔61，所述汽缸发动机4的尾气输出端通过管道与所述加热腔 61连接，所述加热腔61的输出端与所述空气预热器5的加热结构连通。尾气先通过从汽缸发动机4的尾气输出端输送至所述重整反应器6的加热腔61，为所述重整反应器6内的重整反应提供热量；再从该加热腔61中输送至所述空气预热器5的加热结构，为所述空气预热器5内的空气提供热量后排出。对各阶段不同品级的能量梯级利用，实现各温度段的能量的高效转化，进一步利用尾气的热量，进而提高系统循环效率。另外，由于将燃料(CH4或甲醇) 直接用做SOFC的燃料发电将面临燃料裂解并积碳导致SOFC性能衰减的问题，因此燃料需要进行重整变换再作为SOFC的阳极气。在重整反应器6中重整成H2(伴随一小部分CO、CO2等)。
还包括依次接通的空气压缩机7、空气干燥机8、储气罐9和滤清器10；所述滤清器10的输出端与所述空气预热器5的输入端连通。所述空气压缩机7的输出口设有调压阀，将储气罐9内气压调整为0.5-0.8Mpa；另外空气干燥机8为吸附再生式结构，当湿空气流过时吸附水分，输出干燥空气。当储气罐9内压力达到调定值时，调压阀发生指令，打开空气干燥机8排泄口，空气干燥机8储气室内的干燥空气迅速反向流动流，经干燥剂层，吸附其中的水分，并排出空气干燥机8，使其干燥剂再生。储气罐9为气体稳压器。
所述滤清器10为旋风滤芯结构，在导流片作用下飞速旋转，离心力的作用下将较大水滴和固体杂质旋向筒壁面，聚集在排泄口排除，滤清器10下部排水器为浮球式结构，液位达到一定高度时，浮球抬起液体排出。空气压缩机7压缩空气后输入空气干燥机8干燥并输入储气罐9，储气罐9通过滤清器 10将高压空气滤清后输入空气预热器5加热，再输送至电堆箱2的阴极。
还包括依次连通的储水箱11、水泵12；所述水泵12的输出端通过管道与所述汽缸发动机4的缸套的一端连通，所述缸套的另一端通过管道与所述重整反应器6的输入端接通。储水箱11内储存离子水，通过水泵12输送到缸套中，防止汽缸发动机4过热，另外，汽缸发动机4的热量使离子水蒸发，并输入重整反应器6，作为反应物。进一步提高系统循环效率，节约能源。
当燃料为为甲烷时，其重整反应为吸热反应，过程如下：
CH4(g)+H2O(g)＝CO(g)+3H2(g)；
CO(g)+H2O(g)＝CO2(g)+H2(g)；
当燃料为甲醇时，其重整反应为吸热反应，并采用催化剂为含镍、钯、钾等金属元素，反应过程如下：
CH3OH(g)+H2O(g)＝3H2(g)+CO2(g)；
参见图3，电堆箱内部包括阳极气道板21、阳极22、电解质23、阴极24、阴极气道板25；所述阳极气道板21、阳极22、电解质23、阴极24、阴极气道板25从上至下依次设置。
参见图1、图3，重整反应器6进行重整反应后将富氢气体输入电堆箱2 的阳极22，电堆箱2阳极22表面吸附氢气并通过多孔结构扩散到电解质23 界面；同时，空气预热器5往电堆箱2的阴极24输入高压空气，电堆箱2阴级多孔结构吸附氧气，并在催化作用下将氧气电离成氧离子，氧离子穿过电解质23，在浓度梯度作用下持续扩散至电解质23与阳极22界面，与燃料气体发生反应，此处反应过程如下：
O2-+H2＝H2O+2e-；
失掉的电子通过外电路回到阴极24，反应过程如下：
2H2+O2＝2H2O
另外，如上述反应过程，高压空气进入电堆箱2后反应掉部分O2，成为贫氧空气，直接通入汽缸发动机4，阴阳极气体接触，无需点火可直接燃烧膨胀，通过变速箱驱使驱动轮3运转。同时，电堆箱2通过反应发电驱使驱动电机 14辅助驱动轮3运转。
参见图2，所述重整反应器6的输入端还接有保护气输送管道。所述保护气输送管道上根据保护气输送方向依次设有球阀、电磁阀、流量计和止回阀。
参见图1，所述燃料箱1连接有燃料泵13，所述燃料泵13的输出端分别通过第一支路、第二支路与所述重整反应器6、汽缸发动机4连接；所述第一支路、第二支路上按照燃料输送方向均依次设有电磁阀、止回阀；所述第二支路上还设有雾化器和回火防止器。
所述电堆箱2外连接有超级电容，所述驱动电机14与该超级电容接通。超级电容的设置，电堆箱2产生的电力通过该超级电容缓冲后通过驱动电机 14辅助驱动轮3运转。另外，汽缸发动机4和该驱动电机14并联驱动所述驱动轮3。
参见图2，所述保护气输送管道内输送的保护气为95：5的N2和H2混合气。在本混合动力系统的启动阶段输入保护气，其一，保护气通过重整反应器6加热后输送至电堆箱2以使电堆箱2升温；其二，保护气输入电堆箱2 起到了对电堆箱2的保护作用。
所述加热结构为尾气暂存腔，也可以是外缠绕设置在所述空气预热器5上的加热管道。汽缸发动机4的尾气输送至该加热结构为空气预热器5提供热量后排出，实现对尾气热量的再利用。
在本实用新型平稳运行阶段，汽缸发动机4运行时产生的尾气，从汽缸发动机4的尾气输出端输送至所述重整反应器6的加热腔61，为所述重整反应器6内的重整反应提供热量；
所述尾气再从该加热腔61中输送至所述空气预热器5的加热结构，为所述空气预热器5内的空气提供热量后排出。通过该尾气余热回收方法，将汽缸发动机4的尾气作为电堆箱2阴阳极气体的热源，减少整个混合动力系统的
损失；另外尾气串联对重整反应器6和空气预热器5加热，最终尾气排出的温度可降低至300℃；
且电堆箱2自身反应为放热反应，而空气预热器5加热高压空气的温度低于电堆箱2内温度，将低于堆温的空气通入电堆箱2，可维持电堆箱2内的热平衡；进一步提高本混合动力系统的循环效率。
参见图2，当本实用新型处于启动状态，储水箱11通过水泵12将去离子水输送至所述汽缸发动机4的缸套，使汽缸发动机4降温后排出；在电堆箱2 升温的过程中，重整反应器6内不发生重整反应，因此不需要去离子水，所以需在汽缸发动机4降温后将去离子水排出。
储水箱11通过水泵12将去离子水输送至汽缸发动机4的缸套，使汽缸发动机4降温后输入重整反应器6。
燃料箱1通过燃料泵13控制汽缸发动机4中燃料的输入量以控制尾气向重整反应器6提供的热量；重整反应器6向电堆箱2稳定输送热量恒定的保护气，控制电堆箱2匀速升温。避免剧烈升温对电堆箱2中的陶瓷、阴阳极材料等产生较大的热冲击，延长产品使用寿命。电堆箱2升温速率控制为1℃ /min。
本混合动力系统是关联系统，电堆箱2内反应的气体转化率越高，则输送到汽缸发动机4的未反应气体量减少，对应汽缸发动机4效率降低，燃烧产生热量减少，则会影响电堆箱2中阴阳极输入气体的温度，对电堆的高效运行起到抑制作用，因此燃料电池系统、尾气动力系统是相互制约的平衡关系，燃料电池系统、尾气动力系统存在一个平衡点，使整个系统循环效率最高。
参见图1至图3，在使用时，保护气通过保护气输送管道输送至重整反应器6后再输入电堆箱2；燃料箱1通过燃料泵13直接从第二支路将燃料通入汽缸发动机4，通过汽缸发动机4驱使驱动轮3转动；汽缸发动机4运行产生的尾气，从汽缸发动机4的尾气输出端输送至重整反应器6的加热腔61加热该重整反应器6内保护气，再输送至所述空气预热器5的加热结构，加热该空气预热器5后排出；被加热的保护气输入电堆箱2使电堆箱2逐渐升温；同时，储水箱11通过水泵12将去离子水输送至所述汽缸发动机4的缸套，使汽缸发动机4降温后排出；
待电堆箱2升温到设定温度，保护气输送管道停止保护气的输送；燃料箱 1通过燃料泵13从第一支路将燃料输入重整反应器6，重整反应器6向电堆箱 2的阳极22输入富氢气体，储气罐9将高压空气输入空气预热器5加热，再输送至电堆箱2的阴极24；同时，储水箱11通过水泵12将去离子水输送至汽缸发动机4的缸套，使汽缸发动机4降温后输入重整反应器6。
最后，电堆箱2反应发电，通过驱动电机14辅助驱使驱动轮3转动，电堆箱2内未反应气体输入汽缸发动机4继续燃烧做功。
当汽车行驶过程中动力不足时，燃料直接通入汽缸发动机4做常规发动机使用，此时燃料电池系统和汽缸发动机4并行工作，进入汽缸发动机4的气体既有电堆箱2中未反应的气体又有直接输入的燃料气。
本实用新型结构设计合理巧妙，将汽缸发动机4的尾气作为电堆箱2阴阳极气体的热源，减少整个混合动力系统的
损失；对各阶段不同品级的能量梯级利用，实现各温度段的能量的高效转化，进一步利用尾气的热量，进而提高本混合动力系统的循环效率。
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术手段和技术内容对本实用新型技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。故凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型之形状、构造及原理所作的等效变化，均应涵盖于本实用新型的保护范围内。
Claims (10)
1.一种燃料电池与汽缸发动机的混合动力系统，其特征在于，包括：依次连通的燃料箱、电堆箱以及用于驱使驱动轮转动的汽缸发动机；
所述电堆箱外连接用于辅助驱使驱动轮转动的驱动电机；
于所述电堆箱的阴极连接有空气预热器，所述空气预热器上设有用于加热其内部空气的加热结构，所述汽缸发动机的尾气输出端通过管道与所述空气预热器的加热结构连通。
2.根据权利要求1所述的燃料电池与汽缸发动机的混合动力系统，其特征在于，还包括重整反应器；
所述燃料箱与所述重整反应器的输入端连通，所述重整反应器的输出端与所述电堆箱的阳极连通；
于所述重整反应器上还设有加热腔，所述汽缸发动机的尾气输出端通过管道与所述加热腔连接，所述加热腔的输出端与所述空气预热器的加热结构连通。
3.根据权利要求1所述的燃料电池与汽缸发动机的混合动力系统，其特征在于，还包括依次接通的空气压缩机、空气干燥机、储气罐和滤清器；
所述滤清器的输出端与所述空气预热器的输入端连通。
4.根据权利要求2所述的燃料电池与汽缸发动机的混合动力系统，其特征在于，还包括依次连通的储水箱、水泵；
所述水泵的输出端通过管道与所述汽缸发动机的缸套的一端连通，所述缸套的另一端通过管道与所述重整反应器的输入端接通。
5.根据权利要求2所述的燃料电池与汽缸发动机的混合动力系统，其特征在于，所述重整反应器的输入端还接有保护气输送管道。
6.根据权利要求2所述的燃料电池与汽缸发动机的混合动力系统，其特征在于，所述燃料箱连接有燃料泵，所述燃料泵的输出端分别通过第一支路、第二支路与所述重整反应器、汽缸发动机连接。
7.根据权利要求6所述的燃料电池与汽缸发动机的混合动力系统，其特征在于，所述第一支路、第二支路上按照燃料输送方向均依次设有电磁阀、止回阀；
所述第二支路上还设有雾化器和回火防止器。
8.根据权利要求1所述的燃料电池与汽缸发动机的混合动力系统，其特征在于，所述电堆箱外连接有超级电容，所述驱动电机与该超级电容接通。
9.根据权利要求5所述的燃料电池与汽缸发动机的混合动力系统，其特征在于，所述保护气输送管道内输送的保护气为95：5的N2和H2混合气。
10.根据权利要求1所述的燃料电池与汽缸发动机的混合动力系统，其特征在于，所述加热结构为尾气暂存腔。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN110356216A (zh) * | 2019-07-04 | 2019-10-22 | 广东索特能源科技有限公司 | 一种燃料电池与汽缸发动机的混合动力系统及方法 |
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