[发明专利]车用燃料电池混合动力装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种动力装置，具体地涉及交通工具的动力装置。

背景技术

目前世界上现有的燃料电池汽车研究与开发都是基于质子交换膜燃料电池(PEMFC)，包括直接甲醇燃料电池(DMFC)。然而，由于以下原因，基于质子交换膜燃料电池的电动汽车或者燃料电池混合动力汽车很难在短时间内商业化：

(1)造价高昂。由于使用贵金属(铂)作催化剂，质子交换膜燃料电池造价很高；

(2)在质子交换膜燃料电池设计上，由于需要控制操作温度及湿度在一个很窄的范围内，而燃料电池本身又产生水蒸汽和热，因此控制很难；

(3)氢气来源问题。氢气不存在于自然中，需要有电解水或者其他燃料重整获得，而在此过程中，必然消耗其他优质能源(电)或者化石能源，因而降低能源效率或者产生污染；DMFC使用甲醇作为燃料，通过甲醇重整获得氢气，而甲醇制取成本高，且有毒性；化石能源重整产生的一氧化碳也会使催化剂中毒或者需要添置气体净化装置；

(4)氢气存储问题。氢气液化温度接近绝对零度，很难液化；氢气吸收合金的研制刚开始，价格高且存储量小。

(5)加气站建设问题。氢气加气站建设费用高于普通汽油加油站几十倍，很难普及；

(6)汽车启动过程很慢；

(7)汽车负荷调整慢。

综上所述，本领域缺乏一种具有推广价值、稳定的、并能够使用氢气以外能源的燃料电池汽车动力装置。因此，本领域迫切需要开发这样一种装置。

发明内容

本发明的一个目的在于获得具有推广价值、稳定的、并能够使用氢气以外能源的燃料电池汽车动力装置。也即提供了一个减少汽车污染，减少能源消耗(提高能源利用效率)，以及降低对石油的过度依赖的解决方案。

本发明的另一个目的在于提供一种快速的车用燃料电池混合动力装置的启动方法。

本发明的还有一个方面提供一种快速的车用燃料电池混合动力装置的负荷调整方法。

本发明还有一个方面提供一种减少污染的含有动力装置的汽车。

本发明再有一个方面提供一种燃料电池汽车动力装置的用途。

本发明还有一个方面提供一种燃料电池堆栈的用途。

在本发明的第一方面，提供了一种车用燃料电池混合动力装置，它包括：

-燃料电池单元，包括设在主燃料管道上的燃料电池堆栈，所述燃料电池堆栈上设有供空气流入的阴极入口、供燃料流入的阳极入口、供空气流出的阴极出口、供燃料流出的阳极出口；

-燃气轮机单元，包括依序设置的燃烧室、压缩机、透平机、发电机，

其中燃气轮机单元中的燃烧室连通所述燃料电池单元中的阳极出口，燃气轮机单元中的压缩机连通所述燃料电池单元中的阴极出口；

且所述的燃料电池堆栈为固态氧化物燃料电池。

在本发明的一个优选例中，所述固态氧化物燃料电池堆栈为包括启动燃烧器和燃料重整器的固态氧化物燃料电池堆栈。

在一个优选实施方式中，本发明的动力装置，还设有选自以下的任意一种装置或其组合：

(i)燃料旁路单元，包括供燃料流入所述燃烧室的燃料旁路；

(ii)空气旁路单元，包括供空气流入所述压缩机的空气旁路；

(iii)蒸汽发生单元，包括蒸汽发生器，所述蒸汽发生器产生的蒸汽与燃料混合后进入燃料电池的阳极入口。

在一个优选实施方式中，本发明的动力装置，还包括热量回收单元，所述热量回收单元包括：

与所述透平机连通并用于回收所述透平机排气的空气回热器和燃料回热器，使得所述回收的排气加热燃料电池堆栈进口端的空气和/或加热燃料电池堆栈进口端的燃料；

所述热量回收单元连通蒸汽发生单元，使得所述回收的热量用于发生蒸汽。

在一个优选实施方式中，本发明的动力装置中，燃烧电池单元的所述燃烧电池单元和燃气轮机单元的功率比为3∶1-1∶1之间。

在一个优选实施方式中，本发明的动力装置采用的燃料为碳氢化合物燃料，包括天然气、甲醇、煤气。

在本发明的一个优选例中，采用的燃料为天然气。

在本发明的一个优选例中，所述燃烧电池单元(1)的操作温度为700-1000℃。

在本发明的一个优选例中，所述动力装置的电效率为55％-65％。

在本发明的一个优选例中，所述动力装置中的氢气利用率为80±5％。

本发明另一方面提供一种车用燃料电池混合动力装置的启动方法，启动时，

燃料分别通过主燃料管道和燃料旁路进入燃气轮机单元中的燃烧室，