專利名稱：車用燃料電池燃?xì)廨啓C混合動力系統(tǒng)的制作方法
背景技術(shù)：
在能源危機和環(huán)境保護的雙重壓力下，國際各大汽車公司都致力于研制新能源、無污染的燃料電池汽車，作為燃料電池汽車的動力核心——車用燃料電池系統(tǒng)，成為燃料電池汽車研發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。
現(xiàn)有車用燃料電池系統(tǒng)絕大部分為直接燃料電池系統(tǒng)，即區(qū)別于重整燃料電池系統(tǒng)，而直接利用車輛上的氫源進行工作。根據(jù)燃料電池空氣系統(tǒng)增壓壓力不同，車用燃料電池系統(tǒng)分為加壓燃料電池系統(tǒng)和低壓燃料電池系統(tǒng)。加壓燃料電池系統(tǒng)使用空壓機作為空氣系統(tǒng)流動動力，增壓壓比為1.6～2.5；低壓燃料電池系統(tǒng)使用鼓風(fēng)機作為空氣系統(tǒng)流動動力，其增壓壓比在1.5以下。較高的增壓壓力能夠提高流入燃料電池空氣的密度并提高燃料電池系統(tǒng)的功率密度，故加壓燃料電池系統(tǒng)被較為廣泛地采用了。
現(xiàn)有車用加壓燃料電池系統(tǒng)存在三個缺陷(1)空壓機易發(fā)生喘振和阻塞車用燃料電池系統(tǒng)工況變化頻繁，空氣流量發(fā)生相應(yīng)變化。以60kW燃料電池發(fā)動機為例，其流量變化范圍約為0.01-0.1kg/s。在低流量情況下，空壓機易發(fā)生喘振現(xiàn)象；在大流量情況下，空壓機又易產(chǎn)生阻塞，這都將嚴(yán)重惡化車用燃料電池系統(tǒng)性能。
(2)效率低空壓機功耗大，導(dǎo)致系統(tǒng)凈效率低于低壓燃料電池系統(tǒng)?，F(xiàn)在為了改進此缺陷，采用渦輪膨脹器進行能量回收，但燃料電池系統(tǒng)排氣能量較小，渦輪膨脹器獲得功率不足以獨立推動空壓機，各國通常使用二級增壓方案加以解決一級為渦輪增壓，另一級為電機帶動壓氣機增壓?，F(xiàn)在電輔助渦輪增壓器的出現(xiàn)能夠?qū)崿F(xiàn)一級增壓。
(3)氫氣利用率低或氫氣管路功耗大。氫氣的流動動力可通過兩個方法產(chǎn)生一為使用purge方法，將部分空氣放入大氣，這造成了氫氣的利用率低；二為使用氫氣循環(huán)泵使氫氣的循環(huán)流動，這將額外消耗系統(tǒng)的功率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有車用燃料電池系統(tǒng)存在的缺陷，提出了一種車用燃料電池燃?xì)廨啓C混合動力系統(tǒng)，該系統(tǒng)克服了現(xiàn)有車用燃料電池系統(tǒng)的上述缺陷，為保證空壓機工作在較為穩(wěn)定的工況，其流量穩(wěn)定，在系統(tǒng)中增加了一個燃燒室，和旁通管道，燃料電池堆不需要的多余的空氣從旁通管道流入燃燒室，從而使空壓機的流量穩(wěn)定。燃燒室燃燒后的燃?xì)饬魅霚u輪，為空壓機提供能量，多余的能量則由發(fā)電機輸出。以此保證了空壓機一直工作在穩(wěn)定的工況下，同時也提高了系統(tǒng)的效率。
本發(fā)明含有氫氣源(1)、燃料電池堆(4)、空氣壓縮機(7)、渦輪(11)、一體化電機/發(fā)電機(12)，其特征在于，還含有通過一個流量分配閥(8)連接在車用燃料電池堆(4)的空氣進氣管路上的一段空氣旁通管路(9)，所述流量分配閥(8)的進氣口連接空氣壓縮機(7)的輸出口，其一個出氣口連接所述車用燃料電池堆(4)的空氣進氣口，其另一個出氣口連接所述空氣旁通管路(9)的進氣口，所述空氣旁通管路(9)的出氣口連接所述車用燃料電池堆的空氣排氣管路；還含有一個燃燒室(10)，所述燃燒室(10)的一個進氣口連接所述車用燃料電池堆(4)的氫氣輸出管路(17)，所述空氣旁通管路(9)和所述車用燃料電池堆(4)的空氣排氣管路中的空氣共同流入所述燃燒室(10)的另一個進氣口，所述燃燒室(10)的出氣口連接車用燃料電池系統(tǒng)的渦輪(11)。
本發(fā)明另一種方案，含有氫氣源(1)、燃料電池堆(4)、空氣壓縮機(7)、渦輪(11)、一體化電機/發(fā)電機(12)，其特征在于，還含有通過一個流量分配閥(8)連接在車用燃料電池堆(4)空氣進氣管路上的一段空氣旁通管路(9)，所述流量分配閥(8)的進氣口連接空氣壓縮機(7)的輸出口，其一個出氣口連接所述車用燃料電池堆(4)的空氣進氣口，其另一個出氣口連接所述空氣旁通管路(9)的進氣口；還含有一個燃燒室(10)，所述燃燒室(10)的一個進氣口連接所述車用燃料電池堆(4)的氫氣輸出管路(17)，其另一個進氣口連接所述空氣旁通管路(9)的出口，其出口連接所述車用燃料電池堆(4)的空氣排除管路，該空氣排除管路連接車用燃料電池系統(tǒng)的渦輪(11)。
實驗證明本發(fā)明采用燃料電池與燃?xì)廨啓C混合發(fā)電的方法，能夠提高動力系統(tǒng)效率與可靠性，達(dá)到了預(yù)期的目的。


圖1為本發(fā)明實施方案一；圖2為本發(fā)明實施方案二。
具體實施例方式結(jié)合

本發(fā)明的具體實施方式
。
如圖1所示，本發(fā)明針對車用燃料電池系統(tǒng)，(1)為車用氫氣源，通常為灌裝有高壓氣態(tài)氫氣的高壓氫氣瓶。氫氣由氫氣源(1)流入高壓氫氣管路(2)，經(jīng)過減壓閥(3)達(dá)到電堆所需的氫氣流量和壓力流入低壓氫氣管路(16)，進入燃料電池堆(4)，為了保證燃料電池堆能夠有充足的反應(yīng)氣體，進入電堆的氫氣的過量系數(shù)大于1，即約有多余的氫氣流出電堆(4)經(jīng)氫氣尾管(17)進入燃燒室(10)，將氫氣燃燒避免了將氫氣排入空氣造成的氫氣損失。
如圖1所示，空氣壓縮機(7)經(jīng)進氣管(6)從大氣(5)吸入空氣，由空氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)決定了空壓機應(yīng)該工作在額定工況，而不應(yīng)隨燃料電池堆(4)的工況而變化。但由于燃料電池堆需要的空氣流量是變化的，導(dǎo)致空壓機的流量也產(chǎn)生變化，因而影響了其工況，必須采用一種能夠穩(wěn)定其流量的方案來解決這一問題。本發(fā)明采用了在系統(tǒng)中加入空氣旁通管路和燃燒室的方式，見圖1?？諌簷C排氣經(jīng)過流量分配閥(8)分為兩路，一路經(jīng)燃料電池空氣進氣管路(15)進入燃料電池堆(4)，此路流量經(jīng)流量分配閥(8)控制，隨電堆(4)工況而變化，其過量空氣系數(shù)大于1。另一路為多余的空氣，經(jīng)空氣旁通管路(9)，在管路(14)處與電堆流出的空氣混合進入燃燒室(10)。
在燃燒室(10)中，氫氣燃燒生成高溫高壓的燃?xì)?，其溫度可達(dá)900K，經(jīng)由管路(18)進入渦輪(11)，其功率輸出分為兩部分，一部分根據(jù)空氣壓縮機(7)所需的能量通過共有軸(19)傳給空壓機(7)，另一部分機械功通過共軸的一體化電機/發(fā)電機(12)發(fā)電輸出電功，作為燃料電池系統(tǒng)功率輸出的一部分。經(jīng)過渦輪之后的乏氣排入大氣(13)。
電機/發(fā)電機(12)為一體化設(shè)計，空氣壓縮機(7)啟動時使用電機，發(fā)電機則被用作將渦輪(11)輸出的機械功轉(zhuǎn)化為電功輸出。
本發(fā)明保證了壓氣機始終工作在額定工況附近，避免了喘振和阻塞現(xiàn)象的產(chǎn)生。將氫氣燃燒在增壓空氣中燃燒生成高溫高壓氣體用于推動渦輪做功，提高了能量利用率。
本發(fā)明能夠在燃燒室不工作情況下實現(xiàn)獨立的燃料電池循環(huán)，空氣壓縮機動力由電機提供，也能夠在燃料電池堆不工作的情況下實現(xiàn)獨立的燃?xì)廨啓C循環(huán)。
圖2所示為本發(fā)明的另一種結(jié)構(gòu)形式，與圖1的結(jié)構(gòu)形式區(qū)別在于經(jīng)空氣旁通管路(9)的空氣先進入燃燒室(10)再與由電堆(4)流出的經(jīng)由電堆空氣出口管路(20)的空氣混合于管路(14)，進入渦輪(19)。
電堆(4)本身具有附屬的控制裝置，其控制電堆需要的空氣流量，流量分配閥(8)接收控制裝置給出的信號，對電堆和空氣旁通管路的空氣流量進行分配。
權(quán)利要求
1.車用燃料電池燃?xì)廨啓C混合動力系統(tǒng)，含有氫氣源(1)、燃料電池堆(4)、空氣壓縮機(7)、渦輪(11)、一體化電機/發(fā)電機(12)，其特征在于，還含有通過一個流量分配閥(8)連接在車用燃料電池堆(4)的空氣進氣管路上的一段空氣旁通管路(9)，所述流量分配閥(8)的進氣口連接空氣壓縮機(7)的輸出口，其一個出氣口連接所述車用燃料電池堆(4)的空氣進氣口，其另一個出氣口連接所述空氣旁通管路(9)的進氣口，所述空氣旁通管路(9)的出氣口連接所述車用燃料電池堆的空氣排氣管路；還含有一個燃燒室(10)，所述燃燒室(10)的一個進氣口連接所述車用燃料電池堆(4)的氫氣輸出管路(17)，所述空氣旁通管路(9)和所述車用燃料電池堆(4)的空氣排氣管路中的空氣共同流入所述燃燒室(10)的另一個進氣口，所述燃燒室(10)的出氣口連接車用燃料電池系統(tǒng)的渦輪(11)。
2.車用燃料電池燃?xì)廨啓C混合動力系統(tǒng)，含有氫氣源(1)、燃料電池堆(4)、空氣壓縮機(7)、渦輪(11)、一體化電機/發(fā)電機(12)，其特征在于，還含有通過一個流量分配閥(8)連接在車用燃料電池堆(4)空氣進氣管路上的一段空氣旁通管路(9)，所述流量分配閥(8)的進氣口連接空氣壓縮機(7)的輸出口，其一個出氣口連接所述車用燃料電池堆(4)的空氣進氣口，其另一個出氣口連接所述空氣旁通管路(9)的進氣口；還含有一個燃燒室(10)，所述燃燒室(10)的一個進氣口連接所述車用燃料電池堆(4)的氫氣輸出管路(17)，其另一個進氣口連接所述空氣旁通管路(9)的出口，其出口連接所述車用燃料電池堆(4)的空氣排除管路，該空氣排除管路連接車用燃料電池系統(tǒng)的渦輪(11)。
全文摘要
車用燃料電池燃?xì)廨啓C混合動力系統(tǒng)屬于燃料電池系統(tǒng)的葉輪機械設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域。其特征在于，它在車用燃料電池堆的空氣進氣管路上通過一個流量分配閥連接一個空氣旁通管道，該管道的出氣端連接一個燃燒室，該燃燒室的另一個進氣口連接車用燃料電池堆的氫氣輸出管路，氫氣與多余的空氣在燃燒室中進行燃燒，燃?xì)馔ㄏ驕u輪，在為空氣壓縮機提供動力的同時，多余的能量還可通過發(fā)電機轉(zhuǎn)換為電能輸出。本發(fā)明采用燃料電池與燃?xì)廨啓C混合發(fā)電的方法，能夠提高動力系統(tǒng)效率與可靠性。
文檔編號H01M8/06GK1710741SQ20051001212
公開日2005年12月21日 申請日期2005年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月8日
發(fā)明者張揚軍, 郭宮達(dá), 歐陽明高, 諸葛偉林, 除建中, 李亞卓, 韓永杰 申請人:清華大學(xué)