專利名稱：質(zhì)子交換膜燃料電池－內(nèi)燃機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種質(zhì)子交換膜燃料電池—內(nèi)燃機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)，適用于城市公共交通客運(yùn)大巴，屬于能源利用技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著汽車數(shù)量的增加，帶來了石油需求激增和環(huán)境惡化等問題，人們面臨著石油資源與環(huán)境保護(hù)的雙重壓力。
為了保護(hù)環(huán)境和提高能源利用效率，世界各國急需發(fā)展新型的汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。燃料電池發(fā)電驅(qū)動(dòng)技術(shù)是將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，而不受卡諾循環(huán)的限制。其中，質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell；PEMFC)具有環(huán)境友好、壽命長、運(yùn)行溫度低、比功率高、能量效率高、冷啟動(dòng)快、結(jié)構(gòu)緊湊、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，特別適合作為移動(dòng)電源，極大地受到人們關(guān)注(Djilali N，Lu D M.Influence of heat transfer on gas and water transport in fuelcells.International Journal Thermal Sciences，2002，41(1)29-40.)。
目前常用的內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，約有10％的熱量損失于摩擦中，25％的熱量由廢氣帶走，40％的熱量傳遞給氣缸外的冷卻水，因此系統(tǒng)的效率僅有20～30％，通過技術(shù)革新，也只能達(dá)到40％左右，能源的利用率低。另外，內(nèi)燃機(jī)城市大巴運(yùn)行時(shí)排放微粒、硫氧化物和氮氧化物等有害物質(zhì)，同時(shí)排放出溫室氣體——二氧化碳，對(duì)城市的環(huán)境造成了污染。
目前尚未有質(zhì)子交換膜燃料電池-內(nèi)燃機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)公開報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足及根據(jù)未來能源發(fā)展趨勢(shì)，提供一種適用于城市大巴的質(zhì)子交換膜燃料電池—內(nèi)燃機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)，在為城市大巴提供動(dòng)力的同時(shí)，還可以為大巴供應(yīng)熱風(fēng)/冷風(fēng)，從而實(shí)現(xiàn)能源的高效、無污染利用，減少城市污染物排放。
為實(shí)現(xiàn)這樣的目的，本發(fā)明的質(zhì)子交換膜燃料電池—內(nèi)燃機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)，由燃料極壓縮機(jī)、燃料極換熱器、質(zhì)子交換膜燃料電池、內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)饪照{(diào)機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、電動(dòng)機(jī)、空氣極換熱器、空氣極壓縮機(jī)等設(shè)備構(gòu)成。質(zhì)子交換膜燃料電池的電力輸出端連接電動(dòng)機(jī)的入口端，電動(dòng)機(jī)的出口端連接驅(qū)動(dòng)器，質(zhì)子交換膜燃料電池的燃料極出口端連接內(nèi)燃機(jī)的入口端，內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力輸出端連接驅(qū)動(dòng)器，內(nèi)燃機(jī)的出口端連接燃?xì)饪照{(diào)機(jī)的入口端，燃?xì)饪照{(diào)機(jī)的出口端連接燃料極換熱器的管外入口端，燃料極換熱器的管外出口端連接空氣極換熱器的管外入口端，空氣極換熱器的管外出口端排空。燃料極壓縮機(jī)的入口端連接氫氣源，燃料極壓縮機(jī)的出口端連接燃料極換熱器的管內(nèi)入口端，燃料極換熱器的管內(nèi)出口端連接質(zhì)子交換膜燃料電池的燃料極入口端，空氣極壓縮機(jī)的入口端連接空氣，空氣極壓縮機(jī)的出口端連接空氣極換熱器的管內(nèi)入口端，空氣極換熱器的管內(nèi)出口端連接質(zhì)子交換膜燃料電池的空氣極入口端，質(zhì)子交換膜燃料電池的空氣極出口端排空。
系統(tǒng)工作時(shí)，氫氣經(jīng)燃料極壓縮機(jī)和燃料極換熱器進(jìn)入質(zhì)子交換膜燃料電池的燃料極；空氣經(jīng)空氣極壓縮機(jī)和空氣極換熱器進(jìn)入質(zhì)子交換膜燃料電池的空氣極。利用生物質(zhì)、核能、化石能源等制得的氫氣為燃料，空氣為氧化劑，氫和氧在燃料電池內(nèi)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，所產(chǎn)生的電能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，為驅(qū)動(dòng)器提供主要?jiǎng)恿?，未完全反?yīng)的氫氣進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)中燃燒，所產(chǎn)生的機(jī)械能為驅(qū)動(dòng)器提供另一部分動(dòng)力，內(nèi)燃機(jī)所產(chǎn)生的燃?xì)膺M(jìn)入燃?xì)饪照{(diào)機(jī)，所產(chǎn)生的熱風(fēng)/冷風(fēng)用以調(diào)節(jié)大巴內(nèi)的空氣溫度，燃?xì)饪照{(diào)機(jī)的排氣依次進(jìn)入燃料極換熱器和空氣極換熱器，預(yù)熱氫氣和空氣。燃料電池的空氣極出口端排空。
本驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用質(zhì)子交換膜燃料電池與內(nèi)燃機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)，可以通過調(diào)整氫氣和空氣供給量調(diào)整系統(tǒng)的輸出功率。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有明顯的進(jìn)步和有益效果。本發(fā)明的燃料極換熱器和空氣極換熱器可以預(yù)熱氫氣和空氣，節(jié)約能源；未被燃料電池利用的部分燃料送到內(nèi)燃機(jī)燃燒，為驅(qū)動(dòng)器提供部分動(dòng)力；內(nèi)燃機(jī)所產(chǎn)生的燃?xì)膺M(jìn)入燃?xì)饪照{(diào)機(jī)，為大巴提供熱風(fēng)/冷風(fēng)。這些特點(diǎn)都有利于提高燃料氫氣的利用率。并且本發(fā)明運(yùn)行時(shí)不排放微粒、硫氧化物和氮氧化物等有害物質(zhì)，無CO2排放，實(shí)現(xiàn)能源的高效、無污染利用。另外，燃料氫氣的來源廣泛，可以利用生物質(zhì)、核能、化石能源等制造。
本發(fā)明采用質(zhì)子交換膜燃料電池和內(nèi)燃機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)大巴，同時(shí)燃?xì)饪照{(diào)機(jī)為大巴提供冷風(fēng)/熱風(fēng)，有效提高了能源利用率，減少了溫室氣體及有害氣體的排放。與目前的內(nèi)燃機(jī)30％左右的效率相比，本發(fā)明的系統(tǒng)電熱綜合效率可達(dá)65％左右。熱電綜合效率的提高，可以使燃料使用量減少50％以上。


圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖1中，1為燃料極壓縮機(jī)，2為燃料極換熱器，3為質(zhì)子交換膜燃料電池，4為內(nèi)燃機(jī)，5為燃?xì)饪照{(diào)機(jī)，6為驅(qū)動(dòng)器，7為電動(dòng)機(jī)，8為空氣極換熱器，9為空氣極壓縮機(jī)。
具體實(shí)施例方式
為更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，以下結(jié)合附圖作進(jìn)一步描述。
本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由燃料極壓縮機(jī)1、燃料極換熱器2、質(zhì)子交換膜燃料電池3、內(nèi)燃機(jī)4、燃?xì)饪照{(diào)機(jī)5、驅(qū)動(dòng)器6、電動(dòng)機(jī)7、空氣極換熱器8、空氣極壓縮機(jī)9等設(shè)備構(gòu)成。質(zhì)子交換膜燃料電池3的電力輸出端連接電動(dòng)機(jī)7的入口端，電動(dòng)機(jī)7的出口端連接驅(qū)動(dòng)器6，質(zhì)子交換膜燃料電池3的燃料極出口端連接內(nèi)燃機(jī)4的入口端，內(nèi)燃機(jī)4的動(dòng)力輸出端連接驅(qū)動(dòng)器6，內(nèi)燃機(jī)4的出口端連接燃?xì)饪照{(diào)機(jī)5的入口端，燃?xì)饪照{(diào)機(jī)5的出口端連接燃料極換熱器2的管外入口端，燃料極換熱器2的管外出口端連接空氣極換熱器8的管外入口端，空氣極換熱器8的管外出口端排空。燃料極壓縮機(jī)1的入口端連接氫氣源，燃料極壓縮機(jī)1的出口端連接燃料極換熱器2的管內(nèi)入口端，燃料極換熱器2的管內(nèi)出口端連接質(zhì)子交換膜燃料電池3的燃料極入口端，空氣極壓縮機(jī)9的入口端連接空氣，空氣極壓縮機(jī)9的出口端連接空氣極換熱器8的管內(nèi)入口端，空氣極換熱器8的管內(nèi)出口端連接質(zhì)子交換膜燃料電池3的空氣極入口端，質(zhì)子交換膜燃料電池3的空氣極出口端排空。
系統(tǒng)工作時(shí)，氫氣由燃料極壓縮機(jī)1經(jīng)燃料極換熱器2進(jìn)入質(zhì)子交換膜燃料電池3的燃料極；空氣由空氣極壓縮機(jī)9經(jīng)空氣極換熱器8進(jìn)入質(zhì)子交換膜燃料電池3的空氣極。燃料氫和空氣中的氧在質(zhì)子交換膜燃料電池3中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，所產(chǎn)生的電能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)7，為驅(qū)動(dòng)器6提供主要?jiǎng)恿?，未完全反?yīng)的氫氣進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)4中燃燒，所產(chǎn)生的機(jī)械能為驅(qū)動(dòng)器6提供另一部分動(dòng)力，內(nèi)燃機(jī)4所產(chǎn)生的燃?xì)膺M(jìn)入燃?xì)饪照{(diào)機(jī)5，所產(chǎn)生的熱風(fēng)/冷風(fēng)用以調(diào)節(jié)大巴內(nèi)的空氣溫度，燃?xì)饪照{(diào)機(jī)5的排氣依次進(jìn)入燃料極換熱器2和空氣極換熱器8以預(yù)熱氫氣和空氣。質(zhì)子交換膜燃料電池3的空氣極出口端排空。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，系統(tǒng)采用質(zhì)子交換膜燃料電池3與內(nèi)燃機(jī)4聯(lián)合驅(qū)動(dòng)，質(zhì)子交換膜燃料電池3的額定功率為200kW，內(nèi)燃機(jī)4的額定功率為50kW，額定負(fù)荷為250kW，可以通過調(diào)整氫氣和空氣供給量調(diào)整系統(tǒng)的輸出功率。
權(quán)利要求
1.一種質(zhì)子交換膜燃料電池—內(nèi)燃機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)，其特征在于包括燃料極壓縮機(jī)(1)、燃料極換熱器(2)、質(zhì)子交換膜燃料電池(3)、內(nèi)燃機(jī)(4)、燃?xì)饪照{(diào)機(jī)(5)、驅(qū)動(dòng)器(6)、電動(dòng)機(jī)(7)、空氣極換熱器(8)及空氣極壓縮機(jī)(9)；質(zhì)子交換膜燃料電池(3)的電力輸出端連接電動(dòng)機(jī)(7)的入口端，電動(dòng)機(jī)(7)的出口端連接驅(qū)動(dòng)器(6)，質(zhì)子交換膜燃料電池(3)的燃料極出口端連接內(nèi)燃機(jī)(4)的入口端，內(nèi)燃機(jī)(4)的動(dòng)力輸出端連接驅(qū)動(dòng)器(6)，內(nèi)燃機(jī)(4)的出口端連接燃?xì)饪照{(diào)機(jī)(5)的入口端，燃?xì)饪照{(diào)機(jī)(5)的出口端連接燃料極換熱器(2)的管外入口端，燃料極換熱器(2)的管外出口端連接空氣極換熱器(8)的管外入口端，空氣極換熱器(8)的管外出口端排空；燃料極壓縮機(jī)(1)的入口端連接氫氣源，燃料極壓縮機(jī)(1)的出口端連接燃料極換熱器(2)的管內(nèi)入口端，燃料極換熱器(2)的管內(nèi)出口端連接質(zhì)子交換膜燃料電池(3)的燃料極入口端，空氣極壓縮機(jī)(9)的入口端連接空氣，空氣極壓縮機(jī)(9)的出口端連接空氣極換熱器(8)的管內(nèi)入口端，空氣極換熱器(8)的管內(nèi)出口端連接質(zhì)子交換膜燃料電池(3)的空氣極入口端，質(zhì)子交換膜燃料電池(3)的空氣極出口端排空。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種質(zhì)子交換膜燃料電池－內(nèi)燃機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)，由燃料極壓縮機(jī)、燃料極換熱器、質(zhì)子交換膜燃料電池、內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)饪照{(diào)機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、電動(dòng)機(jī)、空氣極換熱器、空氣極壓縮機(jī)等設(shè)備構(gòu)成。系統(tǒng)燃料為氫氣，利用氫氣和空氣在燃料電池中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電能，驅(qū)動(dòng)大巴，未完全反應(yīng)的氫氣進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)中燃燒，產(chǎn)生的機(jī)械能為大巴提供部分動(dòng)力，同時(shí)產(chǎn)生的燃?xì)馔ㄟ^燃?xì)饪照{(diào)機(jī)為大巴提供熱風(fēng)/冷風(fēng)。本發(fā)明采用燃料電池和內(nèi)燃機(jī)共同工作，具有高效、無污染的工作特性，因熱電綜合效率的提高，使燃料使用量可以減少50％以上。
文檔編號(hào)H01M8/00GK1948865SQ20061011813
公開日2007年4月18日 申請(qǐng)日期2006年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月9日
發(fā)明者于立軍, 任庚坡, 姜秀民, 王輝, 楊嵐 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)