柴燃联合动力装置和氢燃料电池混合动力系统及其燃料供给方法与流程

本发明涉及船舶动力系统技术领域，具体而言，尤其涉及一种柴燃联合动力装置和氢燃料电池混合动力系统及其燃料供给方法。

背景技术：

柴燃联合动力装置具有较高的热效率，但在扩散燃烧模式下nox(氮氧化物)和碳烟排放较高。低负荷工况下，柴燃联合动力装置的效率较低。

柴油机进气加h2可以降低排放中的碳烟、co和hc，燃气轮机燃烧室中加h2可以提高贫燃的稳定性。但h2的携带和加注成本较高。

技术实现要素：

根据上述提出的柴油机碳烟、co和hc排放和燃气轮机贫燃稳定性问题，而提供一种柴燃联合动力装置和氢燃料电池混合动力系统及其燃料供给方法。

本发明主要利用将氢燃料电池中未反应的多余h2收集起来，从柴油机进气道内供给和燃气轮机旋流器内供给。h2的火焰传播速度快，燃烧过程中生成大量h、o和oh活性基，促进柴油机缸内混合气的快速稳定燃烧，从而提高柴油机热效率并降低碳烟、co和hc排放，提高燃气轮机贫燃的稳定性。

本发明采用的技术手段如下：

一种柴燃联合动力装置和氢燃料电池混合动力系统，它包括：柴燃联合动力装置和电机，柴油机和燃气轮机的主要燃料由储罐提供，电机由氢燃料电池发电驱动；它还包括一个h2储罐和一个h2回收罐；h2储罐通过管道将h2供给氢燃料电池发电，电驱动电机；氢燃料电池中未反应的过剩h2经管道流入h2回收罐；h2回收罐连接预设在柴油机的进气道位置的h2喷嘴和燃气轮机燃烧室的旋流器h2喷嘴。

进一步地，还包括，用于供给氢燃料电池h2的甲醇重整装置；

甲醇重整装置，包括：甲醇储罐、汽化器、重整反应器和用于吸收柴油机或燃气轮机排气管热量的汽化器换热器和重整反应器换热器；

甲醇储罐中的甲醇水溶液流经汽化器和重整反应器，在催化剂的作用下生成主要成分为h2和co2的重整气，重整气经过分离净化器，提纯出h2供给氢燃料电池；加热汽化器和重整反应器所需热量来自柴油机或燃气轮机排气管，温度通过汽化器换热器和重整反应器换热器控制；

进一步地，其中，柴油机和燃气轮机的主要燃料可使用柴油、丁醇、二甲醚、汽油中的一种或几种混合物；

柴燃联合动力装置的燃料供给方法，在柴油机吸气行程中，进气道h2喷嘴喷射h2随进气进入气缸内；压缩上止点附近，主燃料喷射器喷射主燃料，在含h2的缸内混合气中燃烧；进气道内喷射的h2来源于h2回收罐。燃气轮机的燃烧室内装有旋流器h2喷嘴，根据燃气轮机的工况变化，调整旋流器h2喷嘴的喷射量，使燃气轮机稳定工作在贫燃条件下。根据氢燃料电池的h2需求量，控制由h2储罐供给氢燃料电池的h2；氢燃料电池中未反应的剩余h2进入h2回收罐；

采用上述技术方案的本发明，混合动力系统由柴燃联合动力装置和氢燃料电池发电驱动的电机组成。柴油机的主要燃料在缸内直喷。在进气道喷射少量h2，随进气进入缸内压缩上止点附近，主燃料喷射器喷射主燃料，在缸内含h2稀薄混合气中压燃。柴油机进气道内喷射的h2来源于氢燃料电池内未反应的多余h2。燃气轮机在低负荷工况下采用贫燃方式，使用旋流器h2喷嘴喷射h2，与燃烧室喷嘴喷射的主燃料和空气形成稀薄可燃混合气。氢燃料电池所需h2可以直接来自h2储罐，也可以通过甲醇和水重整制取，其反应为ch4o+h2o＝co2+3h2。甲醇水溶液进入汽化器，形成过热甲醇蒸汽和水蒸气进入重整反应器，重整制取h2，经分离提纯后供给氢燃料电池发电，电驱动电机。氢燃料电池内未反应的多余h2被收集，供给给柴油机和燃气轮机。甲醇水溶液的汽化过热和重整制氢所需热量由柴油机和燃气轮机废气提供。

进一步地，柴燃联合动力装置和氢燃料电池混合动力系统采用以下控制策略：低负荷工况下，只使用燃料电池发电驱动电机为船舶提供动力，柴油机和燃气轮机输出轴离合器脱开；中低负荷工况下，使用燃料电池发电驱动电机和柴油机共同为船舶提供动力，燃气轮机输出轴离合器脱开；中高负荷工况下，使用燃料电池发电驱动电机和柴燃联合动力装置一起为船舶提供动力。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明的有益效果是：在柴油机缸内混合气中加入适量h2，由于h2火焰传播速度快，并且在燃烧中生成大量h、o和oh活性基，使主燃料喷束在缸内含h2稀薄混合气中燃烧迅速和稳定，从而提高柴油机热效率，降低碳烟、co和hc。在燃气轮机燃烧室的旋流器内喷射h2，提高贫燃稳定性。另外，甲醇水溶液的汽化过热和重整制氢所需热量由柴油机和燃气轮机废气提供，进一步提高了混合动力系统的能量利用效率。柴燃联合动力装置和氢燃料电池混合动力系统提高了低负荷工况下的能量利用效率，并且提高了船舶的最大推进动力功率。

基于上述理由本发明可在船舶动力系统领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明柴燃联合动力装置和氢燃料电池混合动力系统的结构示意图。

图2为本发明柴燃联合动力装置和甲醇制氢燃料电池混合动力系统的结构示意图。

图中：1、柴油机进气道；2、进气门；3、喷油器4、进气道h2喷嘴；5、h2和空气混合气；6、柴油机喷嘴；7、活塞；8、曲轴；9、排气管；10、主燃料储罐；11、h2储罐；11a、甲醇储罐；12、汽化器；12a、汽化器换热器；13、重整反应器；13a、重整反应器换热器；14、分离净化器；15、氢燃料电池；16、电机；17、h2回收罐；18、压气机；19、燃烧室喷嘴；20、旋流器h2喷嘴；21、旋流器；22、燃烧室；23、涡轮；24；变速箱。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

如图1所示，本发明提供了一种柴燃联合动力装置和氢燃料电池混合动力系统，它包括：柴燃联合动力装置和电机16。柴油联合动力装置包括柴油机和燃气轮机。柴油机的组成部件包括进气道1、进气门2、喷油器3、进气道h2喷嘴4、柴油机喷嘴6、活塞7、曲轴8和排气管9。燃气轮机的组成部件包括压气机18、燃烧室喷嘴19、旋流器h2喷嘴20、旋流器21、燃烧室22和涡轮23。柴油机、燃气轮机、电机16的输出轴都通过离合器连接到变速箱24。柴油机和燃气轮机的主要燃料由储罐10提供，电机由氢燃料电池15发电驱动；它还包括一个h2储罐11和一个h2回收罐17；h2储罐11通过管道将h2供给氢燃料电池15发电，电驱动电机16；氢燃料电池15中未反应的过剩h2经管道流入h2回收罐17；h2回收罐连接预设在柴油机的进气道位置的h2喷嘴4，还连接燃气轮机燃烧室的旋流器h2喷嘴。

如图2所示，进一步地，还包括，用于供给氢燃料电池15h2的甲醇重整装置，氢燃料电池所需h2也可以由甲醇重整制取。

甲醇重整装置，包括：甲醇储罐11a、汽化器12、重整反应器13和用于吸收柴油机和燃气轮机排气管9热量的汽化器换热器12a和重整反应器换热器13a；

汽化器换热器12a和重整反应器换热器13a布置于柴油机或燃气轮机排气管9周围，用于直接吸收排气管9的热量；

甲醇储罐11a中的甲醇水溶液流经汽化器12和重整反应器13，在催化剂的作用下生成主要成分为h2和co2的重整气，重整气经过分离净化器14，提纯出h2供给氢燃料电池15；加热汽化器12和重整反应器13所需热量来自柴油机和燃气轮机排气管9，温度通过汽化器换热器12a和重整反应器换热器13a控制。

上述柴燃联合动力装置的燃料供给方法，在柴油机吸气行程中，进气道h2喷嘴喷射h2随进气进入气缸内；压缩上止点附近，主燃料喷射器3喷射主燃料，在含h2的缸内混合气20中燃烧；进气道内喷射的h2来源于h2回收罐17。燃气轮机的燃烧室内装有旋流器h2喷嘴，根据燃气轮机的工况变化，调整旋流器h2喷嘴的喷射量，使燃气轮机稳定工作在贫燃条件下。根据氢燃料电池15的h2需求量，控制由h2储罐11供给氢燃料电池15的h2；氢燃料电池中未反应的剩余h2进入h2回收罐17；

采用上述技术方案的本发明，混合动力系统由柴燃联合动力装置和氢燃料电池发电驱动的电机组成。柴油机的主要燃料在缸内直喷。在进气道喷射少量h2，随进气进入缸内压缩上止点附近，主燃料喷射器3喷射主燃料，在缸内含h2稀薄混合气19中压燃。柴油机进气道内喷射的h2来源于氢燃料电池15内未反应的多余h2。氢燃料电池15所需h2可以直接来自h2储罐11，也可以通过甲醇和水重整制取，其反应为ch4o+h2o＝co2+3h2。甲醇水溶液进入汽化器12，形成过热甲醇蒸汽和水蒸气进入重整反应器13，重整制取h2，经分离提纯后供给氢燃料电池15发电，电驱动电机16。氢燃料电池15内未反应的多余h2被收集，供给给柴油机。甲醇水溶液的汽化过热和重整制氢所需热量由柴油机或燃气轮机废气提供。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。