一种氨重整制氢燃料电池与内燃机混合动力系统

1.本发明涉及能源综合利用技术领域，具体涉及一种氨重整制氢燃料电池与内燃机混合动力系统。


背景技术：

2.固体氧化物燃料电池具有能量转化率高、无需贵金属为催化剂、燃料适应性强、噪音低、污染物排放少的优点，被认为是最有前景的发电方式之一。燃料电池混合动力系统是将燃料电池与额外的动力机械相结合，充分利用燃料电池与动力机械的高温尾气，是一种能有效提高系统效率的方式。固体氧化物燃料电池-内燃机系统具有启动和响应速度较快、结构简单可靠等优点，在分布式发电领域、小型无人机应用领域等有较好的应用前景。但内燃机工作过程中部件温度较高，需要进行冷却，使用冷却液冷却会增加系统耗功。
3.氨是一种富氢载体，相较于其它常见燃料具有安全性较好、易于储运加工、无有害气体或温室气体排放、经济性好等特点，具有很大的发展潜力。间接氨燃料电池将氨重整生成氮气和氢气，再将重整器中的氢气进入燃料电池中发电，目前已有间接氨燃料电池的产品应用于商业市场上。单独的重整器的较大的体积和质量降低了燃料电池动力系统的功率密度。


技术实现要素：

4.因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的内燃机工作过程中部件温度较高，需要进行冷却，使用冷却液冷却会增加系统耗功和单独的重整器的较大的体积和质量降低了燃料电池动力系统的功率密度的问题，从而提供一种可以结合内燃机高温部件的散热需求以及燃料重整需求的氨重整制氢燃料电池与内燃机混合动力系统。
5.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种氨重整制氢燃料电池与内燃机混合动力系统，包括冷却系统，所述冷却系统的入口与液氨连通，所述冷却系统的出口与第一换热器的热流体入口连通；分离器，所述分离器的入口与所述第一换热器热流体出口连通，所述分离器的出口与燃料电池的阳极入口连通，所述燃料电池的阳极与第二换热器热流体入口连通；内燃机，所述第二换热器热流体出口与所述内燃机燃料入口连通，所述空气与内燃机空气入口、第三换热器冷流体入口连通，所述第三换热器的冷流体出口与燃料电池的阴极入口连通，所述燃料电池的阴极出口与所述第三换热器热流体入口连通。
6.进一步，所述冷却系统包括液氨罐，所述液氨罐的出口处设有第二阀门，所述第二阀门与第一泵体的入口连通，所述第一泵体的出口与蒸发室入口连通；重整室，所述重整室入口蒸发室的出口连通，所述重整室出口与所述第一换热器入口连通；节温器，所述节温器的出口与第二泵体的入口连通，所述第二泵体的出口与第一阀门的入口连通；发动机，所述发动机的入口与所述第一阀门的出口连通，所述发动机的出口与所述节温器的入口连通；散热器，所述散热器的入口与所述节温器的出口连通，所述散热器的出口与所述第二泵体连通。
7.进一步，所述第一阀门和第二阀门为电磁阀。
8.进一步，所述重整室的内表面涂覆有氨重整制氢催化剂。
9.进一步，还包括温度传感器，所述温度传感器用于检测所述发动机的温度。
10.进一步，所述燃料电池为固体氧化物燃料电池。
11.进一步，所述分离器为钯膜分离器。
12.进一步，所述重整室套设于所述发动机的外壁上。
13.本发明技术方案，具有如下优点：
14.1.本发明提供的氨重整制氢燃料电池与内燃机混合动力系统，包括冷却系统，所述冷却系统的入口与液氨连通，所述冷却系统的出口与第一换热器的热流体入口连通；分离器，所述分离器的入口与所述第一换热器热流体出口连通，所述分离器的出口与燃料电池的阳极入口连通，所述燃料电池的阳极与第二换热器热流体入口连通；内燃机，所述第二换热器热流体出口与所述内燃机燃料入口连通，所述空气与内燃机空气入口、第三换热器冷流体入口连通，所述第三换热器的冷流体出口与燃料电池的阴极入口连通，所述燃料电池的阴极出口与所述第三换热器热流体入口连通。
15.该氨重整制氢燃料电池内燃机与混合动力系统使用燃料汽化和重整反应来吸热，提供了一个有效的冷源，减少了内燃机的冷却液需求量，降低了消耗。同时，利用内燃机的热量实现氨重整制氢，实现了能量的充分利用，为燃料电池提供了反应所需的燃料。同时该结构省去了外部重整器，减小了系统整体尺寸。并且，燃料电池的阳极尾气进入内燃机中燃烧，膨胀做功，带动发动机发电，提高了燃料利用率。
16.内燃机工作时，其内部高温部件温度达到一定值时，液氨进入高温的冷却系统内汽化，并进行重整反应生成氢气和氮气，同时带走内燃机高温部件热量，高温混合气体经过第一换热器换热冷却至分离器进口温度后进入至分离器中进行分离，并分离出氢气和尾气，其中，氢气进入至燃料电池阳极内，为燃料电池提供所需的燃料；燃料电池阳极出口处未完全反应的高温氢气进入第二换热器中进行换热冷却，进而降低氢气的温度，已达到内燃机进口温度要求，换热后的氢气进入内燃机内，燃烧膨胀做功，带动发动机发电。
17.使用空气作为燃料电池阴极、以及内燃机的燃料，反应物空气一部分直接进入内燃机中与氢气燃烧做功，另一部分进入第一换热器中与燃料电池阴极出口排出的高温尾气进行换热，以使得燃料电池阴极进口空气温度达到燃料电池要求。经第一换热器换热后的反应物空气进入燃料电池阴极进行反应，高温尾气排出。
18.2.本发明提供的氨重整制氢燃料电池与内燃机混合动力系统，所述第一阀门与第二阀门为电磁阀。通过电磁阀的设置，可以精准的控制液体的流动，减小出现误差。即通过控制第一阀门和第二阀门，可以随时控制液体的流向。
19.3.本发明提供的氨重整制氢燃料电池与内燃机混合动力系统，所述重整室的内表面涂覆有氨重整制氢催化剂；使得重整室可以进行反应，并生成氢气、氮气。
20.4.本发明提供的氨重整制氢燃料电池与内燃机混合动力系统，还包括温度传感器，所述温度传感器用于检测所述发动机的温度；通过对其进行温度检测，充分保障内燃机冷却系统正常工作和氨重整的顺利进行。
21.5.本发明提供的氨重整制氢燃料电池与内燃机混合动力系统，所述重整室套设于所述发动机的外壁上；发动机产生的热量，可以传递至重整室内，重整室通过该热量对液氨
进行重整，并生成氢气、氮气。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1为本发明提供的氨重整制氢燃料电池与内燃机混合动力系统的原理图；
24.图2为图1的冷却系统的原理图。
25.附图标记说明：
26.1-内燃机；2-冷却系统；3-第一换热器、4-分离器；5-阳极；6-阴极；7-第一换热器；8-第一换热器；9-散热器；10-节温器；11-第一泵体；12-第一阀门；13-发动机；14-重整室；15-储液罐；16-蒸发室；17-第二泵体；18-第二阀门；19-液氨罐；20-温度传感器；
27.为氢气；为尾气；为氢气；为空气；为混合气。
具体实施方式
28.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
29.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
30.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
31.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
32.请参阅图1至图2所示，本发明实施例提供了一种氨重整制氢燃料电池与内燃机混合动力系统，包括冷却系统2，所述冷却系统2的入口与液氨连通，所述冷却系统2的出口与第一换热器3的热流体入口连通；分离器4，所述分离器的入口与所述第一换热器3热流体出口连通，所述分离器4的出口与燃料电池的阳极5入口连通，所述燃料电池的阳极5与第二换热器7热流体入口连通；内燃机1，所述第二换热器7热流体出口与所述内燃机1燃料入口连通，所述空气与内燃机1空气入口、第三换热器8冷流体入口连通，所述第三换热器8的冷流体出口与燃料电池的阴极6入口连通，所述燃料电池的阴极6出口与所述第三换热器8热流
体入口连通。
33.内燃机1工作时，其内部高温部件温度达到一定值时，液氨进入高温的冷却系统2内汽化，并进行重整反应生成氢气和氮气，同时带走内燃机1高温部件热量，高温混合气体经过第一换热器3换热冷却至分离器4进口温度后进入至分离器4中进行分离，并分离出氢气和尾气，其中，氢气进入至燃料电池阳极5内，为燃料电池提供所需的燃料；燃料电池阳极5出口处未完全反应的高温氢气进入第二换热器7中进行换热冷却，进而降低氢气的温度，已达到内燃机1进口温度要求，换热后的氢气进入内燃机1内，燃烧膨胀做功，带动发动机13发电。
34.使用空气作为燃料电池阴极6、以及内燃机1的燃料，反应物空气一部分直接进入内燃机1中与氢气燃烧做功，另一部分进入第一换热器8中与燃料电池阴极6出口排出的高温尾气进行换热，以使得燃料电池阴极6进口空气温度达到燃料电池要求。经第一换热器8换热后的反应物空气进入燃料电池阴极6进行反应，高温尾气排出。
35.该氨重整制氢燃料电池内燃机与混合动力系统使用燃料汽化和重整反应来吸热，提供了一个有效的冷源，减少了内燃机1的冷却液需求量，降低了消耗。
36.同时，利用内燃机2的热量实现氨重整制氢，实现了能量的充分利用，为燃料电池提供了反应所需的燃料。同时该结构省去了外部重整器，减小了系统整体尺寸。
37.并且，燃料电池的阳极5尾气进入内燃机1中燃烧，膨胀做功，带动发动机13发电，提高了燃料利用率。
38.其中，所述冷却系统2包括：液氨罐19，所述液氨罐19的出口处设有第二阀门18，所述第二阀门18与第一泵体17的入口连通，所述第一泵体17的出口与蒸发室16入口连通；重整室14，所述重整室14入口蒸发室16的出口连通，所述重整室14出口与所述第一换热器3入口连通；节温器10，所述节温器10的出口与第二泵体11的入口连通，所述第二泵体11的出口与第一阀门12的入口连通；发动机13，所述发动机13的入口与所述第一阀门12的出口连通，所述发动机13的出口与所述节温器10的入口连通；散热器9，所述散热器9的入口与所述节温器10的出口连通，所述散热器9的出口与所述第二泵体11连通。
39.当内燃机1高温部件、发动机13的温度处在小循环时(为低于70-80℃)，温度较低，使用冷却液冷却。此时节温器10关闭，仅冷却液经第一泵体11在发动机1内进行循环。即图2中液氨支路第二阀门18关闭，此时不使用液氨冷却，节温器10关闭，冷却液经第一泵体11、进入发动机13冷却，再经节温器10、第一泵体11进行循环。
40.当内燃机1内的高温部件发动机13的温度处在大循环时(一般大于80摄氏度)，但未达到氨分解温度时(一般600-800摄氏度)，使用冷却液冷却。此时节温器10打开，冷却液流经发动机13后进入前端的散热器9散热后，再经第一泵体11进入发动机13循环。即图2中液氨支路第二阀门18关闭，此时不使用液氨冷却，节温器10打开，第一阀门12打开，冷却液经第一泵体11、第一阀门12、进入发动机13冷却、再经节温器10、进入散热器9散热降温、再进入第一泵体11进行循环。
41.当内燃机1内的高温部件发动机13的温度达到氨分解温度时，使用液氨冷却。此时通冷却液第一阀门12关闭，液氨通道第二阀门18开启，液氨进入蒸发室16气化后进入表面涂覆有氨重整催化剂为重整室14进行反应生成氢气、氮气。即图2中第一阀门12关闭，第二阀门18打开，液氨从液氨罐19经第二阀门18、第二泵体17，进入蒸发室16蒸发成氨气，再经
重整室14分解成氢气和氮气并吸收发动机13热量，再经第一换热器3换热冷却，进入分离器4分离出氢气。该氨重整制氢燃料电池与内燃机混合动力系统利用内燃机的热量实现氨重整制氢，实现了能量的充分利用，为燃料电池提供了反应所需的燃料。
42.进一步的，第一阀门12和第二阀门18为电磁阀。通过电磁阀的设置，可以精准的控制液体的流动，减小出现误差。即通过控制第一阀门12和第二阀门18，可以随时控制液体的流向。
43.同时，所述重整室13的内表面涂覆有氨重整制氢催化剂，使得重整室可以进行反应，并生成氢气、氮气。
44.在本实施例中，该氨重整制氢燃料电池与内燃机混合动力系统还包括温度传感器20，所述温度传感器20用于检测所述发动机13的温度；通过对其进行温度检测，充分保障内燃机冷却系统正常工作和氨重整的顺利进行。温度传感器20检测发动机13温度，当发动机13温度达到氨重整所需温度时，此时第二阀门12关闭，第一阀门18开启，液氨进入蒸发室16气化后进入表面涂覆有氨重整催化剂为重整室14进行反应生成氢气、氮气。
45.在本实施例中，所述燃料电池为固体氧化物燃料电池，固体氧化物燃料电池具有能量转化率高、无需贵金属为催化剂、燃料适应性强、噪音低、污染物排放少的优点
46.在一些可选的实施例中，所述分离器4为钯膜分离器。还可以采用浓硫酸化学方法分离，同样也可以分离出氢气和尾气。
47.在一些可选的实施例中，所述重整室14套设于所述发动机13的外壁上；发动机13产生的热量，可以传递至重整室14内，重整室14通过该热量对液氨进行重整，并生成氢气、氮气。
48.该氨重整制氢燃料电池内燃机与混合动力系统，当内燃机1内的高温部件发动机13的温度处在小循环时(低于70-80℃)，温度较低，使用冷却液冷却。液氨支路第二阀门18关闭，此时不使用液氨冷却，节温器10关闭，第一阀门12打开，冷却液经第一泵体11、第一阀门12、进入发动机13冷却，再经节温器10、第一泵体11进行循环；当内燃机1内的高温部件发动机13的温度处在大循环时(一般大于80摄氏度)，但未达到氨分解温度时(一般600-800摄氏度)，使用冷却液冷却。第二阀门18关闭，此时不使用液氨冷却，节温器10打开，第一阀门12打开，冷却液经第一泵体11、第一阀门12、进入发动机13冷却、再经节温器10、进入散热器9散热降温、再进入第一泵体11进行循环；当内燃机1内的高温部件发动机13的温度达到氨分解温度时，使用液氨冷却。图2中第一阀门12关闭，第二阀门18打开，液氨从液氨罐19经第二阀门18、第二泵体17，进入蒸发室16蒸发成氨气，再经重整室14分解成氢气和氮气并吸收发动机热量，再经换热器3换热冷却，进入分离器4分离出氢气。
49.氢气进入至燃料电池的阳极5内，为燃料电池提供所需的燃料；燃料电池阳极5出口处未完全反应的高温氢气进入第二换热器7中进行换热冷却，进而降低氢气的温度，已达到内燃机1进口温度要求，换热后的氢气进入内燃机1内，燃烧膨胀做功，带动发动机发电。使用空气作为燃料电池阴极6以及内燃机1的燃料，反应物空气一部分直接进入内燃机中与氢气燃烧做功，另一部分进入第三换热器8中与燃料电池阴极6出口排出的高温尾气进行换热，以使得燃料电池阴极6进口空气温度达到燃料电池要求。经第三换热器8换热后的反应物空气进入燃料电池阴极6进行反应，高温尾气排出。
50.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对
于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。