一种发动机和固体氧化物燃料电池联合动力系统

技术领域

本发明涉及动力机械系统与能源系统设计优化领域，特别是一种发动机和固体氧化物燃料电池联合动力系统。

背景技术

随着环境污染问题与能源枯竭问题的日益严峻，对发动机尾气的能量高效利用与汽车整体的节能减排已成为当前阶段行业发展的趋势与要求。而固体氧化物燃料电池(SOFC)作为可移动电源的一种，由于具有发电效率高，排放低等优点，受到人们的广泛关注。

由于材料耐热能力和启动时间长等问题的限制，SOFC中低温化(≤600℃)是行业发展的趋势与要求。汽车发动机尾气温度与SOFC装置中低温化(≤600℃)的要求高度吻合。SOFC反应气体燃料多为CO、CO

发明内容

发明目的：本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种发动机和固体氧化物燃料电池联合动力系统；该系统可以有效利用发动机尾气余热为SOFC装置的运行提供温度环境。

技术方案：一种发动机和固体氧化物燃料电池联合动力系统，包括SOFC液体燃料供给装置、SOFC装置、发动机；所述SOFC液体燃料供给装置包括液体燃料源、汽化装置、第一加压混合装置和预重整装置；所述液体燃料源通入汽化装置，经过汽化装置汽化反应后通入第一加压混合装置中与水蒸气混合后通入预重整装置中，经过重整后连通至所述SOFC装置的阳极作氧化反应；将压缩空气输入至所述SOFC装置的阴极作还原反应；所述发动机的尾气通过热交换器为SOFC液体燃料供给装置和SOFC装置提供运行所需的热量。

进一步的，所述热交换器包括第一热交换器、第二热交换器和第三热交换器；所述发动机产生的发动机尾气依次经过第一热交换器、第二热交换器、和第三热交换器；所述发动机尾气经第三热交换器后输出第三级热量，用于给汽化装置提供热量汽化液体燃料；所述发动机尾气经第二热交换器后输出第二级热量，用于将水加热为水蒸气后通入预重整装置中与汽化后的液体燃料混合；所述发动机尾气经第一热交换器后输出第一级热量，用于预重整装置的高温重整以及为SOFC装置提供温度运行环境。

进一步的，所述液体燃料源为可在发动机中燃烧的燃料时，所述液体燃料源一部分通入汽化装置；另一部分通入至发动机为发动机提供燃料。

进一步的，所述液体燃料源为不可在发动机中燃烧的燃料时，本系统还包括为发动机提供燃料的发动机燃料源。

进一步的，所述系统还包括EGR系统、第二加压混合装置和第三加压混合装置；

所述SOFC装置产生的尾气和依次经过第一热交换器、第二热交换器、和第三热交换器后的发动机尾气通入第二加压混合装置，经过加压混合后形成尾气混合气通入EGR系统；所述尾气混合气通过EGR系统处理后通入第三加压混合装置，与通入第三加压混合装置的压缩空气混合作为发动机的燃料混合气通入发动机中。

进一步的，所述系统还包括尾收集装置，所述尾气混合气一部分通入EGR系统，一部分通入所述尾收集装置。

进一步的，所述系统还包括空气压缩机，通入SOFC装置阴极和通入第三加压混合装置内的压缩空气由空气压缩机制备。

进一步的，所述系统还包括水箱和水泵；所述水泵将水箱中的水输入到第二热交换器中，利用第二级热量将水汽化成水蒸气后通入预重整装置中与汽化后的液体燃料混合。

进一步的，所述液体燃料源为汽油、醇、醚中的一种。

进一步的，所述液体燃料源置于燃料储存装置中，所述SOFC装置工作输出的电能为车内用电器供电；所述发动机用于汽车运行。

有益效果：

(1)本发明中使用的SOFC装置的液体燃料经过发动机尾气余热汽化后符合SOFC装置中低温化(≤600℃)的要求，发动机尾气可以通过热交换器为SOFC装置提供运行温度环境。

(2)选用液体燃料汽化后作为固体氧化物燃料电池(SOFC)的阳极燃料，能有效提高SOFC在动力机械装置中的应用性。

(3)梯级利用发动机尾气的能量，能显著提高本发明系统整体的效率与能量利用率，尤其在利用尾气余热为SOFC提供工作温度方面，突破了传统SOFC工作场所的限制。

(4)本发明利用将发动机尾气进行能量梯级利用，通过热交换器为SOFC装置所需的液体燃料汽化、重整及混合的不同阶段提供热量，通过设置依次连接的第一热交换器、第二热交换器、第三热交换器提供不同温度级别的热量，定向给与不同的反应装置，能量利用率高。

(5)发动机尾气还可以通过第一热交换器为SOFC装置提供运行温度环境。

(6)本发明中还设有EGR系统(即废气再循环系统)，在提高燃料利用率的同时也能降低系统的污染物(NO

(7)本发明中液体燃料源为汽油、醇、醚等燃料时，既可汽化后作为SOFC装置的阳极反应气又可作为发动机燃料。本发明系统应用在燃油汽车中，则发动机装置与SOFC装置可共用一个液体燃料源，即汽油，具有热效率高，排放低，节能环保等特点，具有更高的经济性与实用性。

(8)本发明系统与发动机冷却系统可共用一个水箱。

附图说明

图1为本发明发动机和SOFC装置共用一个燃料源时的结构示意图；

图2为本发明发动机和SOFC装置分别设有燃料源时的结构示意图；

图中标号：

1为液体燃料源；2为空气压缩机；3为水箱；4为水泵；5为发动机；6为SOFC装置；7为汽化装置；8为预重整装置；9为EGR系统；10第二加压混合装置、11为第二加压混合装置、12为第一加压混合装置；13为第一热交换器；14为第二热交换器；15为第三热交换器；16为尾气收集装置；17为发动机燃料源。

具体实施方式

本发明中液体燃料源为汽油、醇、醚中的一种时，发动机和SOFC装置可以共用一个液体燃料源，其结构示意图如图1所示，所述液体燃料源为不可在发动机中燃烧的燃料时，本系统还包括为发动机提供燃料的发动机燃料源，其结构示意图如图2所示。

下面以汽油为液体燃料源为例，对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于实施例。

如图1所示，一种发动机和固体氧化物燃料电池联合动力系统，本发明包括液体燃料源1、空气压缩机2、水箱3、水泵4、发动机5、SOFC装置6、汽化装置7、预重整装置8、EGR系统9、尾气收集装置16；还包括第一加压混合装置10、第二加压混合装置11、第二加压混合装置12；第一热交换器13、第二热交换器14、第三热交换器15、尾气收集装置16。所述液体燃料源1一部分通入汽化装置7；另一部分通入至发动机5为发动机5提供燃料。

经过汽化装置7汽化反应后的液体燃料源1通入第一加压混合装置10中与水蒸气混合后通入预重整装置8中，经过重整后连通至所述SOFC装置6的阳极作氧化反应；将压缩空气输入至所述SOFC装置6的阴极作还原反应。

发动机5产生的发动机尾气依次经过第一热交换器13、第二热交换器14、和第三热交换器15；所述发动机尾气经第三热交换器15后输出第三级热量，用于给汽化装置7提供热量汽化液体燃料；所述发动机尾气经第二热交换器14后输出第二级热量，所述水泵4将水箱3中的水输入到第二热交换器14中，利用第二级热量将水汽化成水蒸气后通入预重整装置8中与汽化后的液体燃料混合。所述发动机尾气经第一热交换器13后输出第一级热量，用于预重整装置8的高温重整以及为SOFC装置6提供运行环境。

所述SOFC装置6产生的尾气和依次经过第一热交换器13、第二热交换器14、和第三热交换器15后的发动机尾气通入第二加压混合装置11，经过加压混合后形成尾气混合气，所述尾气混合气一部分通入EGR系统9，另一部分通入所述尾收集装置16。通过EGR系统9处理后的尾气混合气通入第三加压混合装置12，与通入第三加压混合装置12的压缩空气混合作为发动机5的燃料混合气通入发动机5中。实现SOFC装置6产生的尾气和发动机尾气的循环利用，减少尾气排放。

通入SOFC装置6的阴极和通入第三加压混合装置12内的压缩空气由空气压缩机2制备。所述SOFC装置6工作输出的电能为车内用电器供电；所述发动机5用于汽车运行。

下面为本发明中各装置的各端口连接关系：

所述液体燃料源1置于燃料储存装置中，所述燃料储存装置设有两个输出端，输出端一与汽化装置7连接，输出端二与发动机连接。

所述汽化装置7设置有两个输入端和一个输出端，输入端一与所述燃料储存装置的输出端一相连，输入端二与第三热交换器15相连，输出端与所述第一加压混合装置10相连。

所述第一加压混合装置10设置有两个输入端和一个输出端，输入端一与所述汽化装置7的输出端相连，输入端二与第二热交换器14相连，输出端与预重整装置8相连，用于将水蒸气与汽化后的液体燃料混合并输送到预重整装置8中。

预重整装置8设置有两个输入端和一个输出端，输入端一与第一热交换器13相连，输入端二与第一加压混合装置10的输出端相连，输出端与SOFC装置6的阳极相连，用于将重整后的混合气输入到SOFC装置6的阳极中进行电化学反应。

第一热交换器13设置有一个输入端和两个输出端，输入端与发动机5相连，输出端一与第二热交换器14相连，输出端二分别于与预重整装置8的输入端一和SOFC装置6连接，输送热量到预重整装置8和SOFC装置6中。

第二热交换器14设置有两个输入端和两个输出端，输入端一与第一热交换器的输出端一相连，输入端二与水泵相连，水箱3中的水在第二热交换器14中利用尾气热量将水汽化成水蒸气；输出端一与第一加压混合装置10的输入端二相连，输出端二与第三热交换器15的相连。

第三热交换器15设置有一个输入端和两个输出端，输入端与第二热交换器14的输出端二相连，输出端一与汽化装置7的输入端二相连，用于输送汽化液体燃料所需的热量，输出端二与第二加压混合装置11相连。

所述SOFC装置6设置有三个输入端和两个输出端，为阳极输入端、阴极输入端、输入端一、尾气输出端、电能输出端；输入端一与第一热交换器13的输出端二相连，阳极输入端与预重整装置8的输出端相连，阴极输入端与空气压缩机2相连，尾气输出端与第二加压混合装置11相连，电能输出端用于输出电能供给车内电气运行。

发动机5设置有两个输入端和两个输出端，输入端一与燃料储存装置的输出端二相连，输入端二与第三加压混合装置12相连，输出端一与第一热交换器13相连，用于输送发动机尾气，输出端二用于输出发动机内燃料的燃烧产生的热能，从而转化为机械能，来保证汽车正常运行。

空气压缩机2设置有两个输出端，输出端一与SOFC装置的阴极相连，用于将空气输入到阴极中进行电化学反应，输出端二与第三加压混合装置12相连。

第三加压混合装置12设置有两个输入端一个输出端，输入端一与空气压缩机2的输出端二相连，输入端二与EGR系统的输出端相连，输出端与发动机5的输入端二相连。

第二加压混合装置11设置有两个输入端和两个输出端，输入端一与SOFC装置的尾气输出端相连，用于运输SOFC尾气，输入端二与第三热交换器15的输出端二相连，输出端一与EGR装置9的输入端相连，输出端二与尾气收集装置16的输入端相连。

本发明旨为SOFC装置提供汽油、醇类、醚类等易得到、易利用、易汽化的液体燃料。保证了SOFC装置的正常运行，同时，将SOFC装置与发动机耦合在一起，使发动机尾气余热得到梯级利用，既汽化燃料又为SOFC运行提供必要的工作温度，并将EGR装置加入其中，使发动机尾气得到充分利用，具有较好的实用性与经济性，实现了节能减排，简单高效的目的。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，均应属于本发明的保护范围。