专利名称：天然气质子交换膜燃料电池－内燃机联合驱动空调系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种以天然气为燃料的质子交换膜燃料电池—内燃机联合驱动空调系统，适用于城市公共交通客运大巴，属于能源利用技术领域。
背景技术：
随着汽车数量的增加，带来了石油需求激增和环境恶化等问题。为了保护环境和提高能源利用效率，世界各国急需发展新型的汽车驱动系统。燃料电池发电驱动技术是将燃料的化学能直接转化为电能，而不受卡诺循环的限制。其中，质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell；PEMFC)具有环境友好、寿命长、运行温度低、比功率高、能量效率高、冷启动快、结构紧凑、易维护等优点，特别适合作为移动电源，越来越受到人们的关注(DjilaliN，Lu D M.Influence of heat transfer on gas and water transport in fuel cells.International Journal Thermal Sciences，2002，41(1)29-40.)。
天然气的主要组分为甲烷，通常占90％以上，还含有一些乙烷、丙烷、丁烷及戊烷以上的烃类，并且有少量的二氧化碳、硫化氢、氢气等非烃类组分，经重整处理后特别适合作为PEMFC的燃料。
目前常用的内燃机驱动系统，约有10％的热量损失于摩擦中，25％的热量由废气带走，40％的热量传递给气缸外的冷却水，因此系统的效率仅有20～30％，通过技术革新，也只能达到40％左右，能源的利用率低。另外，内燃机城市大巴运行时排放微粒、硫氧化物和氮氧化物等有害物质，同时排放出温室气体——二氧化碳，对城市的环境造成了污染。
目前尚未有以天然气为燃料的质子交换膜燃料电池一内燃机联合驱动空调系统的相关技术公开报道。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足及根据未来能源发展趋势，提供一种以天然气为燃料的质子交换膜燃料电池—内燃机联合驱动空调系统，在为城市大巴提供动力的同时，还可以为大巴供应热风/冷风，实现能源的高效、低污染利用，减少城市的污染物排放。
为实现这样的目的，本发明的天然气质子交换膜燃料电池—内燃机联合驱动空调系统，由燃料极压缩机、燃料处理器、脱硫脱二氧化碳器、质子交换膜燃料电池、内燃机、燃气空调机、驱动器、电动机、脱水器、换热器、空气极压缩机等设备构成。质子交换膜燃料电池的电力输出端连接电动机的入口端，电动机的出口端连接驱动器，质子交换膜燃料电池的燃料极出口端连接内燃机的入口端，内燃机的动力输出端连接驱动器，内燃机的出口端连接燃气空调机的入口端，燃气空调机的出口端连接燃料处理器的壳程入口端，燃料处理器的壳程出口端连接换热器的管外入口端，换热器的管外出口端排空。燃料极压缩机的入口端连接天然气源，燃料极压缩机的出口端连接燃料处理器的管程入口端，燃料处理器的管程出口端连接脱硫脱二氧化碳器的入口端，脱硫脱二氧化碳器的出口端连接质子交换膜燃料电池的燃料极入口端。空气极压缩机的入口端连接空气，空气极压缩机的出口端连接换热器的管内入口端，换热器的管内出口端连接质子交换膜燃料电池的空气极入口端，质子交换膜燃料电池的空气极出口端连接脱水器的入口端，脱水器的热水输出端连接燃料处理器的管程入口端，脱水器的废气出口端排空。
系统工作时，天然气经燃料极压缩机进入燃料处理器，在燃料处理器中，天然气被重整为富氢气体，富氢气体进入脱硫脱二氧化碳器后进入燃料电池的燃料极，空气经空气极压缩机和换热器进入燃料电池的空气极，天然气重整得到的氢气为燃料，空气为氧化剂，氢和氧在燃料电池内发生电化学反应，所产生的电能驱动电动机，为驱动器提供主要动力，未完全反应的氢气及未完全重整的天然气中的烷类气体进入内燃机中燃烧，所产生的机械能为驱动器提供另一部分动力，内燃机所产生的燃气进入燃气空调机，所产生的热风/冷风用以调节大巴内的空气温度，燃气空调机的排气依次进入燃料处理器的壳程和换热器，起到为燃料处理器提供热量和预热空气的目的，燃料电池的空气极出口端由电化学反应产生的水被脱水器分离出来后进入燃料处理器的管程提供天然气重整所需的水。
本系统采用燃料电池与内燃机联合驱动，可以通过调整天然气和空气的供给量调整系统的输出功率。
本发明与现有技术相比，具有明显的进步和有益效果。本发明在燃料电池的空气极进口端加装换热器，通过对空气的预热，节约能源；未被燃料电池利用的部分燃料送到内燃机中燃烧，为大巴提供部分动力；内燃机所产生的燃气进入燃气空调机，为大巴提供热风/冷风；电化学反应产生的水送入燃料处理器提供天然气重整所需的水。这些特点都有利于提高燃料天然气的利用率。并且本发明运行时不排放微粒、硫氧化物和氮氧化物等有害物质，无CO2排放，实现能源的高效、低污染利用。另外，本系统也可以使用焦炉煤气等富含甲烷和氢气的气体作为燃料。
本发明采用质子交换膜燃料电池和内燃机联合驱动大巴，同时燃气空调机为大巴提供冷风/热风，有效提高了能源利用率，减少了温室气体及有害气体的排放。与目前的内燃机30％左右的效率相比，本发明的系统电热综合效率可达60％左右。热电综合效率的提高，可以使燃料使用量减少50％左右。
图1为本发明的系统结构示意图。
图1中，1为燃料极压缩机，2为燃料处理器，3为脱硫脱二氧化碳器，4为质子交换膜燃料电池，5为内燃机，6为燃气空调机，7为驱动器，8为电动机，9为脱水器，10为换热器，11为空气极压缩机。
具体实施例方式
为更好地理解本发明的技术方案，以下结合附图作进一步描述。
本发明的系统结构如图1所示，由燃料极压缩机1、燃料处理器2、脱硫脱二氧化碳器3、质子交换膜燃料电池4、内燃机5、燃气空调机6、驱动器7、电动机8、脱水器9、换热器10、空气极压缩机11等设备构成。
质子交换膜燃料电池4的电力输出端连接电动机8的入口端，电动机8的出口端连接驱动器7，质子交换膜燃料电池4的燃料极出口端连接内燃机5的入口端，内燃机5的动力输出端连接驱动器7，内燃机5的出口端连接燃气空调机6的入口端，燃气空调机6的出口端连接燃料处理器2的壳程入口端，燃料处理器2的壳程出口端连接换热器10的管外入口端，换热器10的管外出口端排空。燃料极压缩机1的入口端连接天然气源，燃料极压缩机1的出口端连接燃料处理器2的管程入口端，燃料处理器2的管程出口端连接脱硫脱二氧化碳器3的入口端，脱硫脱二氧化碳器3的出口端连接质子交换膜燃料电池4的燃料极入口端。空气极压缩机11的入口端连接空气，空气极压缩机11的出口端连接换热器10的管内入口端，换热器10的管内出口端连接质子交换膜燃料电池4的空气极入口端，质子交换膜燃料电池4的空气极出口端连接脱水器9的入口端，脱水器9的热水输出端连接燃料处理器2的管程入口端，脱水器2的废气出口端排空。
系统工作时，天然气经燃料极压缩机1进入燃料处理器2，在燃料处理器2中天然气被重整为富氢气体，富氢气体进入脱硫脱二氧化碳器3后进入质子交换膜燃料电池4的燃料极，空气经空气极压缩机11和换热器10进入燃料电池4的空气极，天然气重整得到的氢气为燃料，空气为氧化剂，氢和氧在质子交换膜燃料电池4内发生电化学反应，所产生的电能驱动电动机8，为驱动器7提供主要动力，未完全反应的氢气及未完全重整的天然气中的烷类气体进入内燃机5中燃烧，所产生的机械能为驱动器7提供另一部分动力，内燃机5所产生的燃气进入燃气空调机6，所产生的热风/冷风用以调节大巴内的空气温度，燃气空调机6的排气依次进入燃料处理器2的壳程和换热器10，起到为燃料处理器2提供热量和预热空气的目的，质子交换膜燃料电池4的空气极出口端由电化学反应产生的水被脱水器9分离出来后进入燃料处理器2的管程提供天然气重整所需的水。
本发明的一个实施例中，系统采用质子交换膜燃料电池4与内燃机5联合驱动，额定负荷为250kW，质子交换膜燃料电池的额定功率为200kW，内燃机的额定功率为50kW，可以通过调整天然气和空气的供给量调整系统的输出功率。
权利要求
1.一种天然气质子交换膜燃料电池一内燃机联合驱动空调系统，其特征在于包括燃料极压缩机(1)、燃料处理器(2)、脱硫脱二氧化碳器(3)、质子交换膜燃料电池(4)、内燃机(5)、燃气空调机(6)、驱动器(7)、电动机(8)、脱水器(9)、换热器(10)及空气极压缩机(11)；质子交换膜燃料电池(4)的电力输出端连接电动机(8)的入口端，电动机(8)的出口端连接驱动器(7)，质子交换膜燃料电池(4)的燃料极出口端连接内燃机(5)的入口端，内燃机(5)的动力输出端连接驱动器(7)，内燃机(5)的出口端连接燃气空调机(6)的入口端，燃气空调机(6)的出口端连接燃料处理器(2)的壳程入口端，燃料处理器(2)的壳程出口端连接换热器(10)的管外入口端，换热器(10)的管外出口端排空；燃料极压缩机(1)的入口端连接天然气源，燃料极压缩机(1)的出口端连接燃料处理器(2)的管程入口端，燃料处理器(2)的管程出口端连接脱硫脱二氧化碳器(3)的入口端，脱硫脱二氧化碳器(3)的出口端连接质子交换膜燃料电池(4)的燃料极入口端；空气极压缩机(11)的入口端连接空气，空气极压缩机(11)的出口端连接换热器(10)的管内入口端，换热器(10)的管内出口端连接质子交换膜燃料电池(4)的空气极入口端，质子交换膜燃料电池(4)的空气极出口端连接脱水器(9)的入口端，脱水器(9)的热水输出端连接燃料处理器(2)的管程入口端，脱水器(2)的废气出口端排空。
全文摘要
本发明涉及一种天然气质子交换膜燃料电池－内燃机联合驱动空调系统，由燃料极压缩机、燃料处理器、脱硫脱二氧化碳器、质子交换膜燃料电池、内燃机、燃气空调机、驱动器、电动机、脱水器、换热器、空气极压缩机等设备构成。系统燃料为天然气，利用天然气重整后得到的氢气和空气发生电化学反应，产生电能，驱动大巴，未完全反应的氢气和天然气中未完全重整的烃类气体进入内燃机中燃烧，产生机械能为大巴提供部分动力，同时产生的燃气通过燃气空调机为大巴提供热风/冷风。本发明燃料电池和内燃机共同工作，具有高效、低污染的工作特性，因热电综合效率的提高，使燃料使用量可以减少50％左右。
文档编号H01M8/00GK1971170SQ20061011813
公开日2007年5月30日 申请日期2006年11月9日 优先权日2006年11月9日
发明者任庚坡, 秦明俊, 于立军, 姜秀民, 韩向新 申请人:上海交通大学