燃料电池与斯特林发动机混合发电系统的制作方法

1.本实用新型涉及一种燃料电池与斯特林发动机混合发电系统。


背景技术：

2.斯特林发动机是一种利用外部热源实现可逆循环即斯特林循环的发动机，可以是活塞式发动机，利用密封在回路中的工质周期性膨胀和压缩，实现热能向机械功的转化。斯特林发动机工作容积主要由以下五部分组成：膨胀腔、压缩腔、加热器、回热器和冷却器。工质在活塞运动的驱动下在回路中往复流动，在加热器内被外部热源加热，在冷却器内被外部冷源冷却。工质在冷热源直接振荡流动是斯特林循环的一个重要特征，斯特林发动机活塞的往复运动，带动工质周而复始地在斯特林发动机的加热器、回热器、冷却器中往复流动，其速度方向和大小时刻发生变化并伴有较强的气流扰动，有助于传热传质过程的进行。
3.燃料电池是一种将储存在燃料中的化学能转化为电能的装置，被认为是二十一世纪最有前景的发电技术之一，被誉为是继火力、水力和核能之后的第四代发电技术。其应用范围广泛，不仅可应用于小型备用电源、无人机、汽车等移动交通领域，也可以应用于不同大小规模的分布式发电领域。当燃料电池正常工作时，产生大量的热，需要冷却液将燃料电池产生的热量带出，再通过散热器将热量交换至环境中。
4.传统的斯特林发动机多利用外部热源，如媒、汽油、柴油、天然气等燃料进行燃烧对斯特林发动机的工质进行加热，需要消耗燃料并且排放有害气体，同时造成能量的损失与浪费，为了更好对能量进行充分回收利用，故而本发明设计一种燃料电池-斯特林发动机混合发电系统，以燃料电池输出的高温冷却液流过斯特林发动机膨胀腔将热量交换给膨胀腔内工质，同时将供给燃料电池反应所需的低温燃料（压缩氢、液氢、液氨等）流过斯特林发动机的压缩腔与对压缩腔内的工质进行降温冷却带走工质的热量，此过程也实现了对即将进入燃料电池的燃料进行预热，实现了燃料电池能量回收及斯特林发动机的热量回收，大大提高系统效率。


技术实现要素：

5.本实用新型对上述问题进行了改进，即本实用新型要解决的技术问题是提供一种燃料电池与斯特林发动机混合发电系统，通过将燃料电池反应产生的热量用于斯特林发动机的加热腔加热工质，同时将提供给燃料电池反应的氢气或其他燃料用于斯特林发动机冷却腔冷却工质，实现燃料电池的热回收利用，提高了燃料电池的能量利用效率。
6.本实用新型是这样构成的，它包括燃料电池系统、燃料电池系统散热器、膨胀腔、设置于膨胀腔内的膨胀腔活塞、回热器、压缩腔、设置于压缩腔内的压缩腔活塞和气源，所述膨胀腔、压缩腔外部均设有换热结构，所述膨胀腔活塞、压缩腔活塞由活塞驱动装置驱动运动。
7.进一步的，膨胀腔的换热结构包括多个设置于膨胀腔外部的热交换管a，所述热交换管a外部设有燃料电池冷却液进液歧管和燃料电池冷却液出液歧管，所述燃料电池冷却
液进液歧管、燃料电池冷却液出液歧管分别与热交换管a连通，所述燃料电池冷却液进液歧管输入端设有冷却液进口，燃料电池冷却液出液歧管输出端设有冷却液出口。
8.进一步的，所述膨胀腔外部设有保温层a。
9.进一步的，压缩腔的换热结构包括设置于压缩腔外部的热交换管b，所述热交换管b外部设有低温燃料进口歧管和低温燃料出口歧管，低温燃料进口歧管和低温燃料出口歧管分别与热交换管b连通，所述低温燃料进口歧管的输入端设有燃料进口，所述低温燃料出口歧管输出端设有燃料出口。
10.进一步的，所述压缩腔外部设有保温层b。
11.进一步的，所述气源的输出端设有压力调节模块。
12.进一步的，所述燃料电池系统与膨胀腔的换热结构之间经进液管路、出液管路连接，所述气源与压缩腔的换热结构之间、压缩腔的换热机构与燃料电池系统之间经燃气管路连接。
13.进一步的，所述燃料电池系统散热器与进液管路之间设有支管，所述支管与进液管路的连接处设有节温器。
14.进一步的，活塞驱动装置为马达或飞轮装置。
15.与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：本装置结构简单，设计合理，通过充分利用燃料电池反应产生的热量用于斯特林发动机热源为工质提供热量，并利用供给燃料电池的低温燃料为冷源为斯特林发动机的压缩腔换热，从而代替了传统的斯特林发动机的所需的外部热源与冷源，实现了燃料电池能量的回收，提升燃料的能量利用效率，同时本发明的斯特林发动机的加热及冷却方式大大提高了斯特林发动机的能量利用效率，简化了斯特林发动机系统，通过将燃料电池反应产生的热量用于斯特林发动机的加热腔加热工质，同时将提供给燃料电池反应的氢气或其他燃料用于斯特林发动机冷却腔冷却工质，实现燃料电池的热回收利用，以及反应燃料做冷却剂冷却斯特林发动机的冷却腔，提高了燃料电池的能量利用效率。
附图说明
16.图1为本实用新型实施例结构示意图；
17.图2为本实用新型实施例膨胀腔、换热结构外部结构示意图；
18.图3为本实用新型实施例膨胀腔、换热结构局部剖视图；
19.图4为本实用新型实施例膨胀腔、换热结构侧视图；
20.图5为本实用新型实施例压缩腔、换热结构外部结构示意图；
21.图6为本实用新型实施例压缩腔、换热结构侧视图；
22.图7为本实用新型实施例压缩腔、换热结构局部剖视图；
23.图中：1-燃料电池系统，2-燃料电池系统散热器，3-膨胀腔，31-冷却液进口，32-冷却液出口，33-热交换管a，34-保温层a，35-燃料电池冷却液进液歧管，36-燃料电池冷却液出液歧管，4-膨胀腔活塞，5-压缩腔，51-燃料进口，52-燃料出口，53-热交换管b，54-保温层b，55-低温燃料进口歧管，56-低温燃料出口歧管，6-压缩腔活塞，7-气源，8-活塞驱动装置，9-回热器，10
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节温器，11-压力调节模块，12-进液管路，13-出液管路，14-燃气管路，15-支管。
具体实施方式
24.下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步详细的说明。
25.实施例：参照附图1-7所示，提供一种燃料电池与斯特林发动机混合发电系统，包括燃料电池系统1、燃料电池系统散热器2、膨胀腔3、设置于膨胀腔内的膨胀腔活塞4、回热器9、压缩腔5、设置于压缩腔内的压缩腔活塞6和气源7，所述膨胀腔、压缩腔外部均设有换热结构，所述膨胀腔活塞、压缩腔活塞由活塞驱动装置8驱动运动。
26.上述的燃料电池系统与膨胀腔的换热结构之间经进液管路12、出液管路13连接，所述气源与压缩腔的换热结构之间、压缩腔的换热机构与燃料电池系统之间经燃气管路14连接。
27.上述的燃料电池系统散热器与进液管路之间设有支管15，所述支管与进液管路的连接处设有节温器10。
28.在本实施例中，膨胀腔的换热结构包括多个设置于膨胀腔外部的热交换管a33，多个热交换管a环绕均匀分布在膨胀腔外部，所述热交换管a外部设有燃料电池冷却液进液歧管35和燃料电池冷却液出液歧管36，所述燃料电池冷却液进液歧管、燃料电池冷却液出液歧管分别与热交换管a连通，所述燃料电池冷却液进液歧管输入端设有冷却液进口31，燃料电池冷却液出液歧管输出端设有冷却液出口32。
29.上述的膨胀腔外部设有保温层a34，防止热量通过空气散发至周围环境，以提升热量的利用率。
30.燃料电池系统输出高温冷却液，由冷却液进口31流入，流经燃料电池冷却液进液歧管35，由燃料电池冷却液进液歧管35将高温冷却液分配给各个环绕在膨胀腔3上的热交换管a33，将热量传递给膨胀腔3，然后冷却液在燃料电池冷却液出液歧管36处汇流，流经冷却液出口32而流出膨胀腔，以上实现了将燃料电池工作产生的热量经热交换管将热量交换给膨胀腔，实现对膨胀腔内工质进行加热。
31.在本实施例中，压缩腔的换热结构包括设置于压缩腔外部的热交换管b53，多个热交换管b环绕均匀分布在压缩腔外部，均匀吸收压缩腔内工质的热量，所述热交换管b外部设有低温燃料进口歧管55和低温燃料出口歧管56，低温燃料进口歧管和低温燃料出口歧管分别与热交换管b连通，所述低温燃料进口歧管的输入端设有燃料进口51，所述低温燃料出口歧管输出端设有燃料出口52。
32.上述的压缩腔外部设有保温层b54，保温层包裹热交换管b，防止热量通过空气散发至周围环境，以提升热量的利用率。
33.给燃料电池系统供应燃料的气源7输出低温的燃料（压缩氢，液氢，液氨等），经过压力调节模块11调整到合适的压力，由压缩腔5的低温燃料进口51进入，经低温燃料进口歧管55将燃料均匀分配给热交换管b53，热交换管b53均匀分布在压缩腔5周围，均匀吸收压缩腔5内工质的热量，吸收了工质热量的燃料汇集至低温燃料出口歧管，流经燃料出口52流出压缩腔，吸收了热量的燃料再供给给燃料电池反应，不仅实现了低温燃料吸收压缩腔内工质热量，同时也给燃料电池燃料预热提升燃料电池性能。
34.在本实施例中，所述气源的输出端设有压力调节模块11。
35.在本实施例中，活塞驱动装置可以是马达或飞轮装置。
36.在本实施例中，工作时：首先使活塞驱动装置动作或者利用斯特林压缩机本身的
动力，驱动压缩腔活塞6，将压缩腔5内的工质压缩。由此，压缩腔5内的工质温度上升，但是，燃料电池的低温燃料流经压缩腔热交换管b53与压缩腔5内工质进行热交换，带走压缩腔内工质的热量，所以压缩腔5内的工质温度基本维持在等温状态，本过程为斯特林循环的等温压缩过程；接着，压缩腔5内工质在压缩腔活塞6压力作用下流入回热器9内，并向膨胀腔3流动。这时，工质所具有的热量由回热器9蓄积起来，本过程构成斯特林循环的等容冷却过程； 然后，流入膨胀腔3内的工质，通过膨胀腔活塞4的运动而膨胀，由于此时膨胀腔3内的工作气体温度下降，但是燃料电池的高温冷却液通过膨胀腔的热交换管33将燃料电池系统高温冷却液的热量向膨胀腔3内工质传递，所以膨胀腔3内基本保持在等温下，此过程构成斯特林循环的等温膨胀过程；然后，膨胀腔活塞4向回复方向运动，此时，膨胀腔3内的工质通过回热器9重新返回压缩腔5内部。这时，工质流经回热器9时，回热器内的热量又重新传递给工质，因此，工质温度上升，此过程为斯特林循环的等容加热过程；从膨胀腔流出的冷却液流经节温器10，根据温度的高低，控制冷却液流入燃料电池系统散热器2的流量及直接流向燃料电池系统的流量。这里的散热器2及节温器10受燃料电池系统1控制。
37.当燃料电池正常工作时，产生大量的热，需要冷却液将燃料电池产生的热量带出，产生的热量通过冷却液带出燃料电池，将经过燃料电池的高温冷却液通入斯特林发动机的膨胀腔，高温冷却液将热量交换给膨胀腔，给膨胀腔中的工质加热。将供给燃料电池反应所需的低温燃料通过斯特林发动机的压缩腔，与压缩腔进行热量交换，吸收压缩腔的热量，以达到冷却工质的目的，使得斯特林发动机在膨胀腔和压缩腔之前形成温差，驱动斯特林发动机工作。
38.本实用新型所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本实用新型才公开部分数值以举例说明本实用新型的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本实用新型创造保护范围的限制。
39.如果本文中使用了“第一”、“第二”等词语来限定零部件的话，本领域技术人员应该知晓：“第一”、“第二”的使用仅仅是为了便于描述上对零部件进行区别如没有另行声明外，上述词语并没有特殊的含义。
40.同时，上述本实用新型如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接（例如使用螺栓或螺钉连接），也可以理解为：不可拆卸的固定连接（例如铆接、焊接），当然，互相固定连接也可以为一体式结构（例如使用铸造工艺一体成形制造出来）所取代（明显无法采用一体成形工艺除外）。
41.另外，上述本实用新型公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。
42.本实用新型提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。
43.最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本实用新型技术方案的精神，其均应涵盖在本实用新型请求保护的技术方案
范围当中。

技术特征：
1.一种燃料电池与斯特林发动机混合发电系统，其特征在于，包括燃料电池系统、燃料电池系统散热器、膨胀腔、设置于膨胀腔内的膨胀腔活塞、回热器、压缩腔、设置于压缩腔内的压缩腔活塞和气源，所述膨胀腔、压缩腔外部均设有换热结构，所述膨胀腔活塞、压缩腔活塞由活塞驱动装置驱动运动。2.根据权利要求1所述的一种燃料电池与斯特林发动机混合发电系统，其特征在于，膨胀腔的换热结构包括多个设置于膨胀腔外部的热交换管a，所述热交换管a外部设有燃料电池冷却液进液歧管和燃料电池冷却液出液歧管，所述燃料电池冷却液进液歧管、燃料电池冷却液出液歧管分别与热交换管a连通，所述燃料电池冷却液进液歧管输入端设有冷却液进口，燃料电池冷却液出液歧管输出端设有冷却液出口。3.根据权利要求1或2所述的一种燃料电池与斯特林发动机混合发电系统，其特征在于，所述膨胀腔外部设有保温层a。4.根据权利要求1所述的一种燃料电池与斯特林发动机混合发电系统，其特征在于，压缩腔的换热结构包括设置于压缩腔外部的热交换管b，所述热交换管b外部设有低温燃料进口歧管和低温燃料出口歧管，低温燃料进口歧管和低温燃料出口歧管分别与热交换管b连通，所述低温燃料进口歧管的输入端设有燃料进口，所述低温燃料出口歧管输出端设有燃料出口。5.根据权利要求1或4所述的一种燃料电池与斯特林发动机混合发电系统，其特征在于，所述压缩腔外部设有保温层b。6.根据权利要求1所述的一种燃料电池与斯特林发动机混合发电系统，其特征在于，所述气源的输出端设有压力调节模块。7.根据权利要求1所述的一种燃料电池与斯特林发动机混合发电系统，其特征在于，所述燃料电池系统与膨胀腔的换热结构之间经进液管路、出液管路连接，所述气源与压缩腔的换热结构之间、压缩腔的换热机构与燃料电池系统之间经燃气管路连接。8.根据权利要求7所述的一种燃料电池与斯特林发动机混合发电系统，其特征在于，所述燃料电池系统散热器与进液管路之间设有支管，所述支管与进液管路的连接处设有节温器。9.根据权利要求1所述的一种燃料电池与斯特林发动机混合发电系统，其特征在于，活塞驱动装置为马达或飞轮装置。

技术总结
本实用新型涉及一种燃料电池与斯特林发动机混合发电系统，包括燃料电池系统、燃料电池系统散热器、膨胀腔、设置于膨胀腔内的膨胀腔活塞、回热器、压缩腔、设置于压缩腔内的压缩腔活塞和气源，所述膨胀腔、压缩腔外部均设有换热结构，所述膨胀腔活塞、压缩腔活塞由活塞驱动装置驱动运动。本实用新型结构简单，设计合理，通过将燃料电池反应产生的热量用于斯特林发动机的膨胀腔加热工质，同时将提供给燃料电池反应的氢气或其他燃料用于斯特林发动机冷却腔冷却工质，实现燃料电池的热回收利用，以及反应燃料做冷却剂冷却斯特林发动机的冷却腔，提高了燃料电池的能量利用效率。提高了燃料电池的能量利用效率。提高了燃料电池的能量利用效率。


技术研发人员：谢义淳 郑丽萍 林玉祥 郭韦苇
受保护的技术使用者：福建亚南电机有限公司
技术研发日：2023.03.21
技术公布日：2023/7/5