本發(fā)明屬于氫氣燃料綜合利用組合循環(huán)系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種氫燃?xì)廨啓C(jī)和氫燃料電池組合的動力循環(huán)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)動部件少，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，可以燃燒多種燃料，燃料消耗率低，效率高。而氫氣因其高熱值、零污染及來源廣泛等特性，成為燃?xì)廨啓C(jī)理想的替代燃料。氫燃?xì)廨啓C(jī)中，氫氣與壓縮空氣反應(yīng)，產(chǎn)生高溫混合氣體，通過渦輪對外輸出機(jī)械功。而且氫氣的質(zhì)量能量密度很高，使得氫燃?xì)廨啓C(jī)具有較高的能量密度。

質(zhì)子交換膜燃料電池具有能量轉(zhuǎn)化效率高、排放物無污染等特點，是目前燃料電池汽車中的理想動力形式之一，但是其功率密度較低。在汽車動力及其他類似工程機(jī)械裝備中，需要滿足較寬的功率范圍需求。

無論是氫燃?xì)廨啓C(jī)還是氫燃料電池都無法同時滿足循環(huán)效率高和功率密度大這兩大需求：單純使用氫燃?xì)廨啓C(jī)，雖然能量密度比較高，但是在部分功率狀態(tài)下，能量轉(zhuǎn)換效率較低；單純使用氫燃料電池，雖然環(huán)保性好、效率高，但是在體積受限制的場合下，最大功率無法滿足需求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)不足，本發(fā)明提供了一種氫燃?xì)廨啓C(jī)和氫燃料電池組合的動力循環(huán)系統(tǒng)。

一種氫燃?xì)廨啓C(jī)和氫燃料電池組合的動力循環(huán)系統(tǒng)，包括氫燃料電池6和燃燒室8，氫氣源分兩支路分別連接至氫燃料電池6和燃燒室8；壓氣機(jī)3提供的壓縮空氣分兩支路分別連接至氫燃料電池6和燃燒室8，壓氣機(jī)3由電動機(jī)驅(qū)動；氫燃料電池6和燃燒室8的排氣管路匯合后連接至渦輪10，渦輪10與發(fā)電機(jī)11連接進(jìn)行發(fā)電；通過閥門控制相應(yīng)支路的連通與斷路。

一種實施方式中，氫氣存儲系統(tǒng)5的氫氣出口與B閥門7的入口連接，B閥門7的第一出口連接至氫燃料電池6的氫氣入口，B閥門7的第二出口連接至燃燒室8的氫氣入口；

壓氣機(jī)3的入口連通至大氣，壓氣機(jī)3的出口與A閥門4的入口連接，A閥門4的第一出口連接至氫燃料電池6的空氣入口，A閥門4的第二出口連接至燃燒室8的空氣入口；壓氣機(jī)3與電動機(jī)連接；

氫燃料電池6的氣體出口與C閥門9的第一入口連接，燃燒室8的氣體出口與C閥門9的第二入口連接，C閥門9的出口連接至渦輪10的入口，渦輪10與發(fā)電機(jī)11連接。

所述A閥門4的第二出口與高壓壓氣機(jī)2的入口連接，高壓壓氣機(jī)2的出口連接至燃燒室8的空氣入口，高壓壓氣機(jī)2與電動機(jī)連接。

所述壓氣機(jī)3、高壓壓氣機(jī)2、電動機(jī)順次連接。

所述A閥門4、B閥門7、C閥門9均采用電控閥門。

一種氫燃?xì)廨啓C(jī)和氫燃料電池組合的動力循環(huán)系統(tǒng)可在三種運(yùn)行模式下工作：氫燃料電池單獨(dú)運(yùn)行模式、氫燃?xì)廨啓C(jī)單獨(dú)運(yùn)行模式、氫燃料電池和氫燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合運(yùn)行模式。

氫燃料電池適用于穩(wěn)定工作狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)需要高效率地輸出部分功率時，使用氫燃料電池單獨(dú)運(yùn)行模式。

當(dāng)系統(tǒng)為氫燃料電池單獨(dú)運(yùn)行模式時，將氫氣源與氫燃料電池6連通，氫氣源與燃燒室8斷路；將壓氣機(jī)3與氫燃料電池6連通，壓氣機(jī)3與燃燒室8斷路；將氫氣和壓縮空氣分別只輸送至氫燃料電池6；將氫燃料電池6與渦輪10連通，燃燒室8與渦輪10斷路，將氫燃料電池6的排氣通入渦輪10，帶動渦輪10轉(zhuǎn)動進(jìn)而帶動發(fā)電機(jī)11發(fā)電。

當(dāng)系統(tǒng)需要短時間內(nèi)迅速輸出大功率時，由于氫燃?xì)廨啓C(jī)起動速度快、功率密度大，使用氫燃?xì)廨啓C(jī)單獨(dú)運(yùn)行模式。

當(dāng)系統(tǒng)為氫燃?xì)廨啓C(jī)單獨(dú)運(yùn)行模式時，將氫氣源與燃燒室8連通，氫氣源與氫燃料電池6斷路；將壓氣機(jī)3與燃燒室8連通，壓氣機(jī)3與氫燃料電池6斷路；將氫氣和壓縮空氣分別只輸送至燃燒室8；將燃燒室8與渦輪10連通，氫燃料電池6與渦輪10斷路，將燃燒室8的排氣通入渦輪10，帶動渦輪10轉(zhuǎn)動進(jìn)而帶動發(fā)電機(jī)11發(fā)電。

當(dāng)系統(tǒng)需要全功率輸出時，使用氫燃料電池和氫燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合運(yùn)行模式。

當(dāng)系統(tǒng)為氫燃?xì)廨啓C(jī)和氫燃料電池聯(lián)合運(yùn)行模式時，將氫燃料電池6和燃燒室8分別與氫氣源連通；將氫燃料電池6和燃燒室8分別與壓氣機(jī)3連通；將氫氣和壓縮空氣分別同時輸送至氫燃料電池6和燃燒室8；將氫燃料電池6和燃燒室8分別與渦輪10連通，氫燃料電池6和燃燒室8的排氣匯合后通入渦輪10，帶動渦輪10轉(zhuǎn)動進(jìn)而帶動發(fā)電機(jī)11發(fā)電。

本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明系統(tǒng)能夠滿足較寬的功率范圍需求；通過耦合氫燃?xì)廨啓C(jī)和氫燃料電池的壓氣機(jī)和渦輪系統(tǒng)，實現(xiàn)了二者的深度耦合，實現(xiàn)能量的充分利用；通過壓氣機(jī)為氫燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室和氫燃料電池提供高壓空氣，有利于提高其工作性能。

附圖說明

圖1為實施例1所述一種氫燃?xì)廨啓C(jī)和氫燃料電池組合的動力循環(huán)系統(tǒng)的示意圖。

圖2為實施例2所述一種氫燃?xì)廨啓C(jī)和氫燃料電池組合的動力循環(huán)系統(tǒng)的示意圖。

標(biāo)號說明：1-電動機(jī)；2-第二壓氣機(jī)；3-第一壓氣機(jī)；4-A閥門；5-氫氣存儲系統(tǒng)；6-氫燃料電池；7-B閥門；8-燃燒室；9-C閥門；10-渦輪；11-發(fā)電機(jī)；12-電池組。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應(yīng)用。

一種氫燃?xì)廨啓C(jī)和氫燃料電池組合的動力循環(huán)系統(tǒng)，包括氫燃料電池6和燃燒室8，氫氣源分兩支路分別連接至氫燃料電池6和燃燒室8；壓氣機(jī)3提供的壓縮空氣分兩支路分別連接至氫燃料電池6和燃燒室8，壓氣機(jī)3由電動機(jī)驅(qū)動；氫燃料電池6和燃燒室8的排氣管路匯合后連接至渦輪10，渦輪10與發(fā)電機(jī)11同軸連接進(jìn)行發(fā)電，并將電能存儲至電池組12中。

實施例1

如圖1所示為本實施例提供的一種氫燃?xì)廨啓C(jī)和氫燃料電池組合的動力循環(huán)系統(tǒng)。

氫氣存儲系統(tǒng)5的氫氣出口與B閥門7的入口連接，B閥門7的第一出口連接至氫燃料電池6的氫氣入口，B閥門7的第二出口連接至燃燒室8的氫氣入口。氫氣存儲系統(tǒng)5為氫燃料電池6和燃燒室8提供氫氣，經(jīng)過B閥門7控制分配流向燃燒室8和氫燃料電池5的氫氣流量。

壓氣機(jī)3可以為低壓壓氣機(jī)、中壓壓氣機(jī)或高壓壓氣機(jī)。壓氣機(jī)3的入口連通至大氣，壓氣機(jī)3的出口與A閥門4的入口連接，A閥門4的第一出口連接至氫燃料電池6的空氣入口，A閥門4的第二出口連接至燃燒室8的空氣入口；壓氣機(jī)3與電動機(jī)1連接。外部空氣經(jīng)過壓氣機(jī)3壓縮之后，流向A閥門4，由A閥門4控制分配流向氫燃料電池6和燃燒室8的空氣流量。

氫燃料電池6的氣體出口與C閥門9的第一入口連接，燃燒室8的氣體出口與C閥門9的第二入口連接，C閥門9的出口連接至渦輪10的入口，排氣進(jìn)入渦輪10并驅(qū)動渦輪10轉(zhuǎn)動，渦輪10與發(fā)電機(jī)11同軸連接進(jìn)行發(fā)電，發(fā)電機(jī)11與電池組11連接儲存電能，電池組11為電動機(jī)1供電。

A閥門4、B閥門7、C閥門9均采用電控閥門。

實施例2

如圖2所示為本實施例提供的一種氫燃?xì)廨啓C(jī)和氫燃料電池組合的動力循環(huán)系統(tǒng)。

與實施例1所述系統(tǒng)不同的是，在壓氣機(jī)3與氫燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室8的連接支路上，增設(shè)高壓壓氣機(jī)2。所述A閥門4的第二出口與高壓壓氣機(jī)2的入口連接，高壓壓氣機(jī)2的出口連接至燃燒室8的空氣入口，壓氣機(jī)3、高壓壓氣機(jī)2、電動機(jī)1順次連接，電動機(jī)1同時驅(qū)動壓氣機(jī)3和高壓壓氣機(jī)2。

同樣地，壓氣機(jī)3可以為低壓壓氣機(jī)、中壓壓氣機(jī)或高壓壓氣機(jī)，在本實施例中，所述壓氣機(jī)3采用低壓壓氣機(jī)。

氫燃?xì)廨啓C(jī)的效率和功率密度隨著壓氣機(jī)的壓比提高而提高，所以為了進(jìn)一步提高氫燃?xì)廨啓C(jī)的功率密度和效率，在單一壓氣機(jī)3的基礎(chǔ)上，增加了一個高壓壓氣機(jī)2。環(huán)境中的空氣先流經(jīng)常規(guī)的壓氣機(jī)3，然后流經(jīng)A閥門4進(jìn)行空氣流量分配，流向燃燒室8的部分空氣需先經(jīng)過高壓壓氣機(jī)2進(jìn)一步壓縮再進(jìn)入燃燒室8，實現(xiàn)氫燃?xì)廨啓C(jī)的高功率密度和高效率。

實施例3

本實施例用以說明以上實施例1-2所述氫燃?xì)廨啓C(jī)和氫燃料電池組合的動力循環(huán)系統(tǒng)的工作原理。

系統(tǒng)可在三種運(yùn)行模式下工作：氫燃料電池6單獨(dú)運(yùn)行模式、氫燃?xì)廨啓C(jī)單獨(dú)運(yùn)行模式、氫燃料電池6和氫燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合運(yùn)行模式。

氫燃料電池6適用于穩(wěn)定工作狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)需要高效率地輸出部分功率時，使用氫燃料電池單獨(dú)運(yùn)行模式。此時，B閥門7動作，將氫氣存儲系統(tǒng)5與氫燃料電池6連通，氫氣存儲系統(tǒng)5與燃燒室8斷路；A閥門4動作，將壓氣機(jī)3與氫燃料電池6連通，壓氣機(jī)3與燃燒室8斷路；將氫氣和壓縮空氣分別只輸送至氫燃料電池6；C閥門9動作，將氫燃料電池6與渦輪10連通，燃燒室8與渦輪10斷路，將氫燃料電池6的排氣通入渦輪10，帶動渦輪10轉(zhuǎn)動進(jìn)而帶動發(fā)電機(jī)11發(fā)電。

當(dāng)系統(tǒng)需要短時間內(nèi)迅速輸出大功率時，由于氫燃?xì)廨啓C(jī)起動速度快、功率密度大，使用氫燃?xì)廨啓C(jī)單獨(dú)運(yùn)行模式。此時，B閥門7動作，將氫氣存儲系統(tǒng)5與燃燒室8連通，氫氣存儲系統(tǒng)5與氫燃料電池6斷路；A閥門4動作，將壓氣機(jī)3與燃燒室8連通，壓氣機(jī)3與氫燃料電池6斷路；將氫氣和壓縮空氣分別只輸送至燃燒室8；C閥門9動作，將燃燒室8與渦輪10連通，氫燃料電池6與渦輪10斷路，將燃燒室8的排氣通入渦輪10，帶動渦輪10轉(zhuǎn)動進(jìn)而帶動發(fā)電機(jī)11發(fā)電。

當(dāng)系統(tǒng)需要全功率輸出時，使用氫燃料電池6和氫燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合運(yùn)行模式。此時，B閥門7動作，將氫燃料電池6和燃燒室8分別與氫氣存儲系統(tǒng)5連通；A閥門4動作，將氫燃料電池6和燃燒室8分別與壓氣機(jī)3連通；將氫氣和壓縮空氣分別同時輸送至氫燃料電池6和燃燒室8；C閥門9動作，將氫燃料電池6和燃燒室8分別與渦輪10連通，氫燃料電池6和燃燒室8的排氣匯合后通入渦輪10，帶動渦輪10轉(zhuǎn)動進(jìn)而帶動發(fā)電機(jī)11發(fā)電。