专利名称：车用燃料电池燃气轮机混合动力系统的制作方法
背景技术：
在能源危机和环境保护的双重压力下，国际各大汽车公司都致力于研制新能源、无污染的燃料电池汽车，作为燃料电池汽车的动力核心——车用燃料电池系统，成为燃料电池汽车研发中的关键技术之一。
现有车用燃料电池系统绝大部分为直接燃料电池系统，即区别于重整燃料电池系统，而直接利用车辆上的氢源进行工作。根据燃料电池空气系统增压压力不同，车用燃料电池系统分为加压燃料电池系统和低压燃料电池系统。加压燃料电池系统使用空压机作为空气系统流动动力，增压压比为1.6～2.5；低压燃料电池系统使用鼓风机作为空气系统流动动力，其增压压比在1.5以下。较高的增压压力能够提高流入燃料电池空气的密度并提高燃料电池系统的功率密度，故加压燃料电池系统被较为广泛地采用了。
现有车用加压燃料电池系统存在三个缺陷(1)空压机易发生喘振和阻塞车用燃料电池系统工况变化频繁，空气流量发生相应变化。以60kW燃料电池发动机为例，其流量变化范围约为0.01-0.1kg/s。在低流量情况下，空压机易发生喘振现象；在大流量情况下，空压机又易产生阻塞，这都将严重恶化车用燃料电池系统性能。
(2)效率低空压机功耗大，导致系统净效率低于低压燃料电池系统。现在为了改进此缺陷，采用涡轮膨胀器进行能量回收，但燃料电池系统排气能量较小，涡轮膨胀器获得功率不足以独立推动空压机，各国通常使用二级增压方案加以解决一级为涡轮增压，另一级为电机带动压气机增压。现在电辅助涡轮增压器的出现能够实现一级增压。
(3)氢气利用率低或氢气管路功耗大。氢气的流动动力可通过两个方法产生一为使用purge方法，将部分空气放入大气，这造成了氢气的利用率低；二为使用氢气循环泵使氢气的循环流动，这将额外消耗系统的功率。
发明内容
本发明针对现有车用燃料电池系统存在的缺陷，提出了一种车用燃料电池燃气轮机混合动力系统，该系统克服了现有车用燃料电池系统的上述缺陷，为保证空压机工作在较为稳定的工况，其流量稳定，在系统中增加了一个燃烧室，和旁通管道，燃料电池堆不需要的多余的空气从旁通管道流入燃烧室，从而使空压机的流量稳定。燃烧室燃烧后的燃气流入涡轮，为空压机提供能量，多余的能量则由发电机输出。以此保证了空压机一直工作在稳定的工况下，同时也提高了系统的效率。
本发明含有氢气源(1)、燃料电池堆(4)、空气压缩机(7)、涡轮(11)、一体化电机/发电机(12)，其特征在于，还含有通过一个流量分配阀(8)连接在车用燃料电池堆(4)的空气进气管路上的一段空气旁通管路(9)，所述流量分配阀(8)的进气口连接空气压缩机(7)的输出口，其一个出气口连接所述车用燃料电池堆(4)的空气进气口，其另一个出气口连接所述空气旁通管路(9)的进气口，所述空气旁通管路(9)的出气口连接所述车用燃料电池堆的空气排气管路；还含有一个燃烧室(10)，所述燃烧室(10)的一个进气口连接所述车用燃料电池堆(4)的氢气输出管路(17)，所述空气旁通管路(9)和所述车用燃料电池堆(4)的空气排气管路中的空气共同流入所述燃烧室(10)的另一个进气口，所述燃烧室(10)的出气口连接车用燃料电池系统的涡轮(11)。
本发明另一种方案，含有氢气源(1)、燃料电池堆(4)、空气压缩机(7)、涡轮(11)、一体化电机/发电机(12)，其特征在于，还含有通过一个流量分配阀(8)连接在车用燃料电池堆(4)空气进气管路上的一段空气旁通管路(9)，所述流量分配阀(8)的进气口连接空气压缩机(7)的输出口，其一个出气口连接所述车用燃料电池堆(4)的空气进气口，其另一个出气口连接所述空气旁通管路(9)的进气口；还含有一个燃烧室(10)，所述燃烧室(10)的一个进气口连接所述车用燃料电池堆(4)的氢气输出管路(17)，其另一个进气口连接所述空气旁通管路(9)的出口，其出口连接所述车用燃料电池堆(4)的空气排除管路，该空气排除管路连接车用燃料电池系统的涡轮(11)。
实验证明本发明采用燃料电池与燃气轮机混合发电的方法，能够提高动力系统效率与可靠性，达到了预期的目的。
图1为本发明实施方案一；图2为本发明实施方案二。
具体实施例方式结合
本发明的具体实施方式
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如图1所示，本发明针对车用燃料电池系统，(1)为车用氢气源，通常为灌装有高压气态氢气的高压氢气瓶。氢气由氢气源(1)流入高压氢气管路(2)，经过减压阀(3)达到电堆所需的氢气流量和压力流入低压氢气管路(16)，进入燃料电池堆(4)，为了保证燃料电池堆能够有充足的反应气体，进入电堆的氢气的过量系数大于1，即约有多余的氢气流出电堆(4)经氢气尾管(17)进入燃烧室(10)，将氢气燃烧避免了将氢气排入空气造成的氢气损失。
如图1所示，空气压缩机(7)经进气管(6)从大气(5)吸入空气，由空气系统结构决定了空压机应该工作在额定工况，而不应随燃料电池堆(4)的工况而变化。但由于燃料电池堆需要的空气流量是变化的，导致空压机的流量也产生变化，因而影响了其工况，必须采用一种能够稳定其流量的方案来解决这一问题。本发明采用了在系统中加入空气旁通管路和燃烧室的方式，见图1。空压机排气经过流量分配阀(8)分为两路，一路经燃料电池空气进气管路(15)进入燃料电池堆(4)，此路流量经流量分配阀(8)控制，随电堆(4)工况而变化，其过量空气系数大于1。另一路为多余的空气，经空气旁通管路(9)，在管路(14)处与电堆流出的空气混合进入燃烧室(10)。
在燃烧室(10)中，氢气燃烧生成高温高压的燃气，其温度可达900K，经由管路(18)进入涡轮(11)，其功率输出分为两部分，一部分根据空气压缩机(7)所需的能量通过共有轴(19)传给空压机(7)，另一部分机械功通过共轴的一体化电机/发电机(12)发电输出电功，作为燃料电池系统功率输出的一部分。经过涡轮之后的乏气排入大气(13)。
电机/发电机(12)为一体化设计，空气压缩机(7)启动时使用电机，发电机则被用作将涡轮(11)输出的机械功转化为电功输出。
本发明保证了压气机始终工作在额定工况附近，避免了喘振和阻塞现象的产生。将氢气燃烧在增压空气中燃烧生成高温高压气体用于推动涡轮做功，提高了能量利用率。
本发明能够在燃烧室不工作情况下实现独立的燃料电池循环，空气压缩机动力由电机提供，也能够在燃料电池堆不工作的情况下实现独立的燃气轮机循环。
图2所示为本发明的另一种结构形式，与图1的结构形式区别在于经空气旁通管路(9)的空气先进入燃烧室(10)再与由电堆(4)流出的经由电堆空气出口管路(20)的空气混合于管路(14)，进入涡轮(19)。
电堆(4)本身具有附属的控制装置，其控制电堆需要的空气流量，流量分配阀(8)接收控制装置给出的信号，对电堆和空气旁通管路的空气流量进行分配。
权利要求
1.车用燃料电池燃气轮机混合动力系统，含有氢气源(1)、燃料电池堆(4)、空气压缩机(7)、涡轮(11)、一体化电机/发电机(12)，其特征在于，还含有通过一个流量分配阀(8)连接在车用燃料电池堆(4)的空气进气管路上的一段空气旁通管路(9)，所述流量分配阀(8)的进气口连接空气压缩机(7)的输出口，其一个出气口连接所述车用燃料电池堆(4)的空气进气口，其另一个出气口连接所述空气旁通管路(9)的进气口，所述空气旁通管路(9)的出气口连接所述车用燃料电池堆的空气排气管路；还含有一个燃烧室(10)，所述燃烧室(10)的一个进气口连接所述车用燃料电池堆(4)的氢气输出管路(17)，所述空气旁通管路(9)和所述车用燃料电池堆(4)的空气排气管路中的空气共同流入所述燃烧室(10)的另一个进气口，所述燃烧室(10)的出气口连接车用燃料电池系统的涡轮(11)。
2.车用燃料电池燃气轮机混合动力系统，含有氢气源(1)、燃料电池堆(4)、空气压缩机(7)、涡轮(11)、一体化电机/发电机(12)，其特征在于，还含有通过一个流量分配阀(8)连接在车用燃料电池堆(4)空气进气管路上的一段空气旁通管路(9)，所述流量分配阀(8)的进气口连接空气压缩机(7)的输出口，其一个出气口连接所述车用燃料电池堆(4)的空气进气口，其另一个出气口连接所述空气旁通管路(9)的进气口；还含有一个燃烧室(10)，所述燃烧室(10)的一个进气口连接所述车用燃料电池堆(4)的氢气输出管路(17)，其另一个进气口连接所述空气旁通管路(9)的出口，其出口连接所述车用燃料电池堆(4)的空气排除管路，该空气排除管路连接车用燃料电池系统的涡轮(11)。
全文摘要
车用燃料电池燃气轮机混合动力系统属于燃料电池系统的叶轮机械设计技术领域。其特征在于，它在车用燃料电池堆的空气进气管路上通过一个流量分配阀连接一个空气旁通管道，该管道的出气端连接一个燃烧室，该燃烧室的另一个进气口连接车用燃料电池堆的氢气输出管路，氢气与多余的空气在燃烧室中进行燃烧，燃气通向涡轮，在为空气压缩机提供动力的同时，多余的能量还可通过发电机转换为电能输出。本发明采用燃料电池与燃气轮机混合发电的方法，能够提高动力系统效率与可靠性。
文档编号H01M8/06GK1710741SQ20051001212
公开日2005年12月21日 申请日期2005年7月8日 优先权日2005年7月8日
发明者张扬军, 郭宫达, 欧阳明高, 诸葛伟林, 除建中, 李亚卓, 韩永杰 申请人:清华大学