基于燃料电池和内燃机的混合动力系统和调控方法

1.本公开涉及能源技术领域，更具体地，涉及一种基于燃料电池和内燃机的混合动力系统和调控方法。


背景技术：

2.含碳燃料的高效利用依然是双碳背景下的关键技术问题。现有的热力循环发电装置，比如燃气轮机、微型燃气轮机、汽轮机、斯特林机和内燃机的最高效率受限于卡诺循环，大多不超过45％，而依靠电化学反应做功的燃料电池的最高效率受限于化学平衡，至多50％左右。
3.在实现本公开构思的过程中，发明人现有技术中至少存在如下问题：燃料电池和内燃机混合发电系统输出比不能根据实时用户需求进行有效调整，导致系统不能在全工况条件下安全高效运行。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本公开的实施例提供了一种基于燃料电池和内燃机的混合动力系统和调控方法。
5.根据本公开的一个方面，提供了一种基于燃料电池和内燃机的混合动力系统，包括：燃料重整单元，用于对含碳原料进行重整，生成燃料；燃料电池单元，用于接收所述燃料，使所述燃料与第一空气发生电化学反应，产生阳极尾气和第一高温空气，并输出第一电能；内燃机单元，用于接收所述阳极尾气中进入所述内燃机单元的第二阳极尾气，使所述第二阳极尾气与第二空气燃烧，产生第一高温烟气，并输出第二电能；以及涡轮增压配气调控单元，用于回收所述第一高温空气和第一高温烟气的热能，调整进入所述燃料电池单元的第一空气和进入所述内燃机单元的第二空气的流量比例。
6.根据本公开的实施例，所述涡轮增压配气调控单元还用于生成第一余热烟气，所述燃料重整单元还用于利用所述第一余热烟气进行重整反应。
7.根据本公开的实施例，所述燃料重整单元包括风机、水泵、混合器和重整器，其中，所述风机用于给所述含碳原料加压；所述水泵用于给重整剂加压；所述混合器用于将所述加压后的所述含碳原料和重整剂混合；以及所述重整器用于利用所述第一余热烟气使所述混合后的含碳原料和重整剂发生重整反应，生成燃料。
8.根据本公开的实施例，所述含碳原料为天然气，所述重整剂为水。
9.根据本公开的实施例，所述燃料重整单元还包括燃料调节阀，用于调整经所述风机加压后的所述含碳原料的流量。
10.根据本公开的实施例，所述燃料电池单元包括燃料电池。
11.根据本公开的实施例，所述燃料电池单元还包括交直流逆变器，用于将所述燃料电池产生的第一电能转换成交流电。
12.根据本公开的实施例，所述内燃机单元包括内燃机和发电机，所述第二阳极尾气
与第二空气在所述内燃机中燃烧，推动所述发电机发电，产生第二电能。
13.根据本公开的实施例，所述内燃机单元还包括混合器，用于混合所述第二阳极尾气与第二空气，并将混合后的所述第二阳极尾气与第二空气输送到内燃机中。
14.根据本公开的实施例，所述涡轮增压配气调控单元包括：烟气涡轮，所述烟气涡轮用于回收所述第一高温烟气的热能，所述第一高温烟气膨胀做功，推动空气增压器压缩空气；空气透平，所述空气透平用于回收所述第一高温空气的热能，所述第一高温空气膨胀做功，推动空气增压器压缩空气。空气增压器，所述空气增压器设置于所述烟气涡轮和所述空气透平之间，且与所述烟气涡轮和空气透平同轴，用于产生压缩空气；以及电机，所述电机与所述空气增压器同轴，用于在启动时或所述烟气涡轮和空气透平的膨胀做功无法满足压缩空气的需求时，消耗电功来带动所述空气增压器。
15.根据本公开的实施例，所述涡轮增压配气调控单元还包括三通空气调节阀，所述三通空气调节阀用于调整所述压缩空气进入所述燃料电池单元的第一空气和进入所述内燃机单元的第二空气的流量比例。
16.根据本公开的实施例，所述混合动力系统还包括余热回收单元，所述余热回收单元包括空气/烟气换热器、空气/空气换热器和空气/阳极尾气换热器，其中，所述燃料重整单元还用于在重整反应后生成第二余热烟气；所述空气透平还用于在推动空气增压器压缩空气时生成第一余热空气；所述空气/烟气换热器用于接收空气增压器产生的压缩空气，利用所述第二余热烟气对所述压缩空气进行一次预热，并将所述一次预热后的压缩空气输入到所述三通空气调节阀中；所述空气/空气换热器用于接收所述三通空气调节阀调整后的第一空气，利用所述第一余热空气对进入所述燃料电池单元的第一空气进行二次预热；以及所述空气/阳极尾气换热器用于使所述第二阳极尾气和第二空气换热，使得所述第二阳极尾气预冷和所述第二空气二次预热，并将所述换热后的第二阳极尾气和第二空气输入到所述内燃机单元中。
17.根据本公开的实施例，所述混合动力系统还包括阳极尾气调控单元，所述阳极尾气调控单元用于接收所述阳极尾气，并调控回流到所述燃料电池单元的第一阳极尾气和进入到所述内燃机单元的第二阳极尾气的比例。
18.根据本公开的实施例，所述阳极尾气调控单元包括高温阳极尾气调节阀。
19.根据本公开的第二个方面，提供了一种基于燃料电池和内燃机的混合动力系统的调控方法，应用于上述的混合动力系统，包括：燃料重整单元向燃料电池单元提供燃料；燃料在燃料电池单元中发生电化学反应，形成阳极尾气和第一高温空气并输出第一电能；进入内燃机单元的第二阳极尾气与第二空气燃烧，形成第一高温烟气并输出第二电能；以及涡轮增压配气调控单元回收第一高温空气和第一高温烟气，根据系统运行工况产生压缩空气，并将压缩空气分为第一空气和第二空气，第一空气输入到燃料电池单元，第二空气输入到内燃机单元。
20.根据本公开的实施例，所述涡轮增压配气调控单元回收第一高温空气和第一高温烟气，根据系统运行工况产生压缩空气的步骤，包括：第一高温烟气和第一高温空气分别利用烟气涡轮和空气透平推动空气增压器，产生压缩空气。
21.根据本公开的实施例，当启动时或所述第一高温烟气与第一高温空气的膨胀做功产生的压缩空气量低于系统运行工况的目标量时，利用电机进一步推动空气增压器，以产
生目标量的压缩空气。
22.根据本公开的实施例，所述进入内燃机单元的第二阳极尾气与第二空气燃烧的步骤之前，还包括：阳极调控单元根据系统运行工况将阳极尾气分为第一阳极尾气和第二阳极尾气；第一阳极尾气回流到燃料电池单元；以及第二阳极尾气进入内燃机单元。
23.根据本公开的实施例，所述涡轮增压配气调控单元根据系统运行工况产生压缩空气的步骤之前，还包括：利用燃料重整单元回收烟气涡轮排出的第一余热烟气，为重整反应提供热量；空气/烟气换热器回收燃料重整单元排出的第二余热烟气；以及利用第二余热烟气对压编空气进行预热。
24.根据本公开的实施例，所述第一空气输入到燃料电池单元的步骤之前，还包括：空气/空气换热器回收空气透平排出的第一余热空气；和利用第一余热空气对第一空气进行二次预热。
25.根据本公开的实施例，所述第二空气输入到内燃机单元的步骤之前，还包括：第二阳极尾气和第二空气在空气/阳极尾气换热器进行换热，对第二空气进行二次预热和对第二阳极尾气进行预冷。
26.从上述技术方案可以看出，本公开提供的基于燃料电池和内燃机的混合动力系统和调控方法的有益效果如下：
27.1.本公开提供的基于燃料电池和内燃机的混合动力系统和调控方法，通过采用涡轮增压配气调控单元，能够根据系统工况及时调整进入燃料电池和内燃机的空气流量比例，进而根据实时工况及时有效地调整燃料电池和内燃机的输出功率，以实现混合动力系统在全工况的高效运行。
28.2.本公开提供的基于燃料电池和内燃机的混合动力系统和调控方法，通过采用余热回收单元，能对燃料电池和内燃机的余热进行梯级利用，分别回收高品位余热和低品位余热，提高了能源的利用率。
29.3.本公开提供的基于燃料电池和内燃机的混合动力系统和调控方法，通过采用阳极尾气调控单元调节阳极尾气回流至燃料电池和直接进入内燃机燃烧的流量比例，进一步调整燃料电池和内燃机的功率输出比例。
附图说明
30.通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
31.图1示意性示出了本公开实施例的基于燃料电池和内燃机的混合动力系统的示意图；
32.图2示意性示出了本公开实施例的基于燃料电池和内燃机的混合动力系统的调控方法流程图。
具体实施方式
33.以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细
节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
34.在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
35.在使用类似于“a、b或c等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有a、b或c中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有a、单独具有b、单独具有c、具有a和b、具有a和c、具有b和c、和/或具有a、b、c的系统等)。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。
36.内燃机性价比，变工况特性，功率匹配等方便优于燃气轮机/微型燃气轮机，所以燃料电池和内燃机混合发电装置在高效利用含碳燃料方便具有明显优势。
37.在现有的基于燃料电池和内燃机的混合动力系统中，虽然实验理论中可以实现59％左右的发电效率。但仍存在关键性的技术问题：面对频繁波动的电力负荷，燃料电池由于热惯性响应速度慢，内燃机的快速响应虽然能够弥补该缺点，但如何调控燃料电池和内燃机混合发电系统输出比仍然存在问题，不能根据实时工况进行有效调整，导致系统不能高效运行。
38.本公开的实施例提供了一种基于燃料电池和内燃机的混合动力系统，该混合动力系统包括燃料重整单元、燃料电池单元、内燃机单元和涡轮增压配气调控单元，其中，燃料重整单元用于对含碳原料进行重整，生成燃料；燃料电池单元用于接收所述燃料，使所述燃料与第一空气发生电化学反应，产生阳极尾气和第一高温空气，并输出第一电能；内燃机单元用于接收所述阳极尾气中进入所述内燃机单元的第二阳极尾气，使所述第二阳极尾气与第二空气燃烧，产生第一高温烟气，并输出第二电能；涡轮增压配气调控单元用于回收所述第一高温空气和第一高温烟气的高品位热能，调整进入所述燃料电池单元的第一空气和进入所述内燃机单元的第二空气的流量比例。
39.本公开实施例提供的燃料电池和内燃机的混合动力系统，通过涡轮增压配气调控单元，能够根据系统工况及时调整进入燃料电池和内燃机的空气流量比例，进而根据实时工况及时有效地调整输出功率，以实现混合动力系统在全工况的高效运行。
40.根据本公开的实施例，所述涡轮增压配气调控单元还用于生成第一余热烟气，所述燃料重整单元还用于利用所述第一余热烟气进行重整反应。
41.图1示意性示出了本公开实施例的基于燃料电池和内燃机的混合动力系统的示意图。
42.如图1所示，燃料重整单元包括风机1、水泵2、混合器3和重整器5，其中，所述风机1用于给所述含碳原料加压；所述水泵2用于给重整剂加压；所述混合器3用于将所述加压后的所述含碳原料和重整剂混合；所述重整器5用于吸收低品位余热，利用所述第一余热烟气使所述混合后的含碳原料和重整剂发生重整反应，生成燃料。示例性的，所述燃料包括所有含碳燃料，所述燃料为合成气燃料，本公开的实施例对此不做限定。
43.根据本公开的实施例，所述含碳原料为天然气，所述重整剂为水。其中，当重整剂
为天然气和水时，重整反应会产生一氧化碳和氢气等小分子燃料。
44.如图1所示，所述燃料重整单元还包括燃料调节阀4，用于调整经所述风机加压后的所述含碳原料的流量，从而调整重整反应的气碳比。
45.如图1所示，所述燃料电池单元包括燃料电池15，使经过重整器的小分子燃料和第一空气发生电化学反应，产生直流电。
46.根据本公开的实施例，所述燃料电池单元还包括交直流逆变器17，用于将所述燃料电池产生的第一电能转换成交流电，供给用户。
47.根据本公开的实施例，所述内燃机单元包括内燃机16和发电机，所述第二阳极尾气与第二空气在所述内燃机16中燃烧，推动所述发电机活塞发电并排出第一高温烟气，产生第二电能。
48.根据本公开的实施例，所述内燃机单元还包括混合器3，用于充分混合所述第二阳极尾气与第二空气，并将混合后的所述第二阳极尾气与第二空气输送到内燃机中。
49.如图1所示，所述涡轮增压配气调控单元包括：
50.烟气涡轮6，所述烟气涡轮6用于回收所述第一高温烟气的热能，此外，当第一高温烟气具有压能时，所述烟气涡轮6还可用于回收所述第一高温烟气的压能，然后，所述第一高温烟气膨胀做功，推动空气增压器7压缩空气。
51.空气透平9，所述空气透平9用于回收所述第一高温空气的热能，第一高温空气来自燃料电池15的阴极，此外，当第一高温空气具有压能时，所述空气透平9还可用于回收所述第一高温空气的压能，然后，所述第一高温空气膨胀做功，推动空气增压器7压缩空气。
52.空气增压器7，所述空气增压器7设置于所述烟气涡轮6和所述空气透平9之间，且与所述烟气涡轮6和空气透平9同轴，用于压缩来自环境中的空气，产生压缩空气，示例性的，空气增压器7可以是无油空气增压器；需要说的是，由于烟气涡轮6和空气透平9同轴，可以使得整体结构更简洁，只需要一套空气增压器就可实现烟气涡轮和空气透平同时压缩空气做功，提高压缩效率。
53.电机8，所述电机8与所述空气增压器7同轴，用于在启动时或所述烟气涡轮6和空气透平9的膨胀做功无法满足压缩空气的需求时，消耗电功来带动所述空气增压器7。当启动装置时，由于没有第一高温空气和第一高温烟气，需要电机8启动涡轮增压配气调控单元。示例性的，电机8的电可以来自于燃料电池和内燃机的混合动力系统本身所产生的电能。
54.根据本公开的实施例，所述涡轮增压配气调控单元还包括三通空气调节阀12，所述三通空气调节阀12用于调整所述压缩空气进入所述燃料电池单元的第一空气和进入所述内燃机单元的第二空气的流量比例，以满足燃料电池和内燃机的空气需求。
55.根据本公开的实施例，所述混合动力系统还包括余热回收单元，用于回收燃料电池单元和内燃机产生的余热并进行不同形式的余热利用。如图1所示，所述余热回收单元包括空气/烟气换热器10、空气/空气换热器11和空气/阳极尾气换热器13，其中，所述燃料重整单元还用于在重整反应后生成第二余热烟气；所述空气透平还用于在推动空气增压器压缩空气时生成第一余热空气。
56.所述空气/烟气换热器10用于接收空气增压器产生的压缩空气，利用所述第二余热烟气对所述压缩空气进行一次预热，并将所述一次预热后的压缩空气输入到所述三通空
气调节阀中。
57.所述空气/空气换热器11用于接收所述三通空气调节阀调整后的第一空气，利用所述第一余热空气对进入所述燃料电池单元的第一空气进行二次预热。
58.所述空气/阳极尾气换热器13用于使所述第二阳极尾气和第二空气换热，使得温度较高的所述第二阳极尾气预冷和温度较低的所述第二空气二次预热，并将所述换热后的第二阳极尾气和第二空气输入到所述内燃机单元中。高温阳极尾气通入内燃机中，需要采用均质压燃模式，而稳定的均质压燃对燃料和空气的温度流量的有苛刻要求，因此，进入内燃机的空气温度在一定范围内越低，燃料温度越低，均质压燃内燃机性能越好，经过空气/阳极尾气换热器可以确保内燃机中的均质压燃模式可以平稳高效燃烧。
59.燃料电池-燃气轮机，燃料电池-内燃机这类混合发电装置在实验中可以实现59％的发电效率，而增加余热回收单元后，混合发电系统的热效率高达70％左右。余热回收单元可以进一步提高混合发电系统的热效率。在燃料电池和内燃机混合发电系统中，将高温燃料电池和内燃机的排烟余热充分回收利用，分别回收高品位余热和低品位余热，可实现70％的热效率和60％的发电效率。
60.如图1所示，所述混合动力系统还包括阳极尾气调控单元，所述阳极尾气调控单元用于接收所述阳极尾气，并调控回流到所述燃料电池单元的第一阳极尾气和进入到所述内燃机单元的第二阳极尾气的比例。通过调控回流进入燃料电池和进入内燃机中的燃料比例，调节两种动力源的功率输出比，确保混合发电系统的全工况性能。
61.根据本公开的实施例，所述阳极尾气调控单元包括高温阳极尾气调节阀14。
62.高温燃料电池单元其输出电压会随燃料浓度的降低而明显下降，由于化学平衡限制，因此燃料电池的燃料利用率无法达到很高的水平，目前一般为55％-70％，导致燃料电池阳极尾气中有大量的燃料剩余。将高温阳极尾气可通入内燃机中燃烧，继续对外输出功，可进一步提高燃料利用率。同时还可以通过调节阳极尾气回流至燃料电池和直接进入内燃机燃烧的流量比例，进一步调整两种动力单元的功率输出比例。通过涡轮增压配气单元和阳极尾气调控单元的阀门联动控制，控制进入内燃机和燃料电池的阳极尾气流量和空气流量以匹配系统运行工况，进一步调整两种动力单元的功率输出比例，完成基于燃料电池-涡轮增压内燃机的混合发电系统的变工况调控。
63.基于图1所示的本公开实施例的基于燃料电池和内燃机的混合动力系统的示意图，图2示意性示出了本公开实施例的基于燃料电池和内燃机的混合动力系统的调控方法流程图。
64.本公开实施例提供的这种基于燃料电池和内燃机的混合动力系统的调控方法，应用于图1所示的混合动力系统，如图2所示，包括以下步骤：
65.步骤s1：燃料重整单元向燃料电池单元提供燃料。可以根据外界补热量和烟气余热量调控燃料量和水的比例，来产生氢气含量不同的燃料，从而调控基于燃料电池-涡轮增压内燃机的变工况性能。
66.步骤s2：燃料在燃料电池单元中发生电化学反应，形成阳极尾气和第一高温空气并输出第一电能。
67.步骤s3：进入内燃机单元的第二阳极尾气与第二空气燃烧，形成第一高温烟气并输出第二电能。
68.步骤s4：涡轮增压配气调控单元回收第一高温空气和第一高温烟气，根据系统运行工况产生压缩空气，并将压缩空气分为第一空气和第二空气，第一空气输入到燃料电池单元，第二空气输入到内燃机单元。
69.根据本公开的实施例，步骤s4中所述的涡轮增压配气调控单元回收第一高温空气和第一高温烟气，根据系统运行工况产生压缩空气，具体包括：第一高温烟气和第一高温空气分别利用烟气涡轮和空气透平推动空气增压器，回收第一高温烟气与第一高温空气中的高品位能量，产生压缩空气。
70.根据本公开的实施例，当启动时或所述第一高温烟气与第一高温空气的膨胀做功产生的压缩空气量低于系统运行工况的目标量时，利用电机进一步推动空气增压器，以产生目标量的压缩空气。
71.根据本公开的实施例，步骤s3中所述的进入内燃机单元的第二阳极尾气与第二空气燃烧之前，还包括：阳极调控单元根据系统运行工况将阳极尾气分为第一阳极尾气和第二阳极尾气；第一阳极尾气回流到燃料电池单元；以及第二阳极尾气进入内燃机单元。
72.示例性的，燃料电池和内燃机的混合动力系统的运行工况包括额定工况和变工况；在变工况时，根据变工况条件下系统电力负载变化情况，调控重整器的气碳比、空气三通阀的流量以及阳极尾气分流的流量来匹配负载变化，以进行对燃料电池和内燃机的混合动力系统的变工况调控。
73.根据本公开的实施例，步骤s4中所述的涡轮增压配气调控单元根据系统运行工况产生压缩空气之前，还包括：利用燃料重整单元回收烟气涡轮排出的第一余热烟气，为重整反应提供热量；空气/烟气换热器回收燃料重整单元排出的第二余热烟气；以及利用第二余热烟气对压缩空气进行预热，以回收余热中的低品位能量。
74.根据本公开的实施例，步骤s4中所述的第一空气输入到燃料电池单元之前，还包括：空气/空气换热器回收空气透平排出的第一余热空气；和利用第一余热空气对第一空气进行二次预热，以满足燃料电池的需要。
75.根据本公开的实施例，步骤s4中所述的第二空气输入到内燃机单元之前，还包括：第二阳极尾气和第二空气在空气/阳极尾气换热器进行换热，对第二空气进行二次预热和对第二阳极尾气进行预冷，确保内燃机中的均质压燃模式可以平稳高效燃烧。
76.从以上实施例可见，本公开实施例的基于燃料电池和内燃机的混合动力系统和调控方法，通过采用涡轮增压配气调控单元，能够根据系统工况及时调整进入燃料电池和内燃机的空气流量比例，进而根据实时工况及时有效地调整燃料电池和内燃机的输出功率，以实现混合动力系统在全工况的安全高效运行。此外，通过采用余热回收单元，能够对燃料电池和内燃机的余热进行梯级利用，分别回收高品位余热和低品位余热，提高了能源的利用率；同时，通过采用阳极尾气调控单元调节阳极尾气回流至燃料电池和直接进入内燃机燃烧的流量比例，进一步调整燃料电池和内燃机的功率输出比例。
77.本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
78.以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而
并非为了限制本公开的范围。尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。本公开的范围由所附权利要求及其等同物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。