一种氢动力转子发动机混合动力系统及方法

1.本发明属于混合动力系统领域，具体属于一种氢动力转子发动机混合动力系统及方法。


背景技术：

2.混合动力系统是指内燃机与电池两种动力组成的混合动力系统，具有低成本、高能效以及续航能力强等优点，使其早已在汽车、轮船、小型无人机领域得以应用。传统的混合动力系统一般是由锂电池与传统内燃机组成，锂电池存在着高温性能不强的缺陷，传统内燃机存在燃料利用率低，使传统混合动力系统整体的功重比和效率不高，限制了传统混合动力系统的应用，而且燃料一般采用传统化石燃料，产生的氮氧化物对环境也造成一定的污染。


技术实现要素：

3.为了解决现有技术中存在的效率低和功重比低的问题，本发明提供一种氢动力转子发动机混合动力系统及方法，采用氢气作为混动系统的燃料具体零碳排放、热值高和可再生等优点；pemfc与转子发动机串联可以将pemfc阳极剩余未反应的氢气作为转子发动机燃料，提高了燃料的利用率；利用废气循环系统将转子发动机产生的部分废气循环利用，对进入pemfc阴极的空气进行加压，提高pemfc的功率，实现物流和能流反复循环使用的新构型pemfc氢动力转子发动机混合动力系统。
4.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种氢动力转子发动机混合动力系统，包括串联的质子交换膜燃料电池和转子发动机，质子交换膜燃料电池采用氢气为燃料，质子交换膜燃料电池的阳极出口与转子发动机进气口连通用于将质子交换膜燃料电池阳极中未反应的氢气通入转子发动机中作为燃料，转子发动机的废气出口与废气循环系统进口连通，废气循环系统的出口分别质子交换膜燃料电池的阴极进口和转子发动机的废气进口连通。
5.进一步的，还包括高压氢气罐，高压氢气罐通过减压阀与质子交换膜燃料电池的阳极进口连通。
6.进一步的，废气循环系统包括废气涡轮增压器、气体混合器、第一气体分流器和第二气体分流器，废气涡轮增压器包括涡轮机、压气机，转子发动机的废气出气口与涡轮机进气口连通，涡轮机的出气口与第一气体分流器进气口相连，第一气体分流器出气口一端与大气相连，一端与气体混合器的进气口相连，气体混合器的出气口与压气机的进气口相连，压气机的出气口与第二气体分流器的进气口连通，第二气体分流器的出气口分别与转子发动机的混合气体进口和质子交换膜燃料电池阴极进气口连通。
7.进一步的，所述第一气体分流器7将转子发动机产生的废气分为两部分，其中95％的废气排向大气，5％的废气通入气体混合器。
8.进一步的，所述质子交换膜燃料电池和转子发动机均与外界驱动装置电连接为驱
动装置提供电能。
9.进一步的，所述质子交换膜燃料电池阴极反应的温度为353k，氢气的利用率为60％，将质子交换膜燃料电池阳极中40％未反应的氢气通入转子发动机中。
10.进一步的，所述质子交换膜燃料电池的电解质层为质子交换膜，质子交换膜为氟磺酸型质子交换膜。
11.进一步的，所述质子交换膜燃料电池的阴极出气口与大气连通。
12.进一步的，所述转子发动机为10kw转子发动机。
13.本发明提供一种氢动力转子发动机混合动力系统的运行方法，具体步骤如下：
14.s1氢气通入到质子交换膜燃料电池的阳极进行反应，将质子交换膜燃料电池中阳极40％未反应的氢气通入转子发动机中；
15.s2将转子发动机工作产生的废气通入废气循环系统中，废气循环系统将5％的废气与空气混合形成混合气，并将一部分混合气通入到质子交换膜燃料电池的阴极中，将另一部分混合气通入到转子发动机中。
16.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
17.本发明提供了一种氢动力转子发动机混合动力系统，将质子交换膜燃料电池与转子发动机串联，质子交换膜燃料电池可将氢气作为燃料提供电能，但是存在燃料燃烧不充分的问题，本发明使用串联结构，可将剩余的氢气通入到转子发动机，作为其燃料，大大提高氢气的利用率，并且通过设置废气循环系统将转子发动机产生的废气进行了再利用，进一步提高了氢气的利用率，提高了燃烧效率，具有非常好的应用前景。
18.本发明提出的使用氢气作为燃料混合动力系统，具有优越的配置和高的循环效率，利用高压氢气罐来储存氢气，通过减压阀减压通入到质子交换膜燃料电池的阳极，再利用串联结构，将质子交换膜燃料电池的阳极与转子发动机的进气口相连，由于质子交换膜燃料电池阳极氢气反应不充分，可以将剩余的氢气作输入到转子发动机，作为其燃料，使氢气燃烧更充分，提高了氢气的利用率。
19.本发明采用高压氢气罐来储存和提供氢气，解决了氢气储存和运输难的问题；
20.本发明中转子发动机产生的废气，循环利用通入到废气涡轮增压器中，实现了利用转子发动机的排气能量，驱动废气涡轮增压器工作，实现对空气进行增压的作用，实现了降低氮氧化物排放的作用。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1是一种采用氢气作为燃料的串联式质子交换膜燃料电池-转子发动机系统的结构示意图；
23.图2是本发明实例运行得到的不同氢气流量下的总效率图。
24.附图中：1高压氢气罐、2减压阀、3质子交换膜燃料电池、4转子发动机、5废气涡轮增压器、51涡轮机、52压气机、6气体混合器、7第一气体分流器、8第二气体分流器。
具体实施方式
25.为使本发明实施例的目的、技术效果及技术方案更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例。基于本发明公开的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，都应属于本发明保护的范围。
26.质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell)和转子发动机发展趋于成熟，pemfc效率高，但功重比低；而转子发动机相对于传统的内燃机具有结构简单、功重比高和结构紧凑等优势，很有应用前景，二者串联形成的混动系统实现了优势互补。而且采用氢气作为燃料可以减少对环境的污染。总之，氢动力转子发动机混合动力系统满足小型无人机对动力系统高能效、高功重比、小体积的需求。
27.如图1所示，本发明的一种氢动力转子发动机混合动力系统，包括：质子交换膜燃料电池3、转子发动机4，高压氢气罐1将氢气通入到减压阀2中，氢气经过减压阀2减压通入到pemfc阳极层，pemfc阳极出气口与转子发动机4的进气口形成串联结构，将pemfc阳极中未反应的氢气通入转子发动机4中作为燃料。
28.上述转子发动机的额定功率为10kw。
29.还包括废气涡轮增压器5，废气涡轮增压器5由涡轮机51(右图)和压气机52(左图)两个部分构成，转子发动机4的废气出气口与废气涡轮增压器的涡轮机51进气口连通，将转子发动机4排出的废气(内含有未反应的氢气)通入到涡轮机51中，利用废气的能量推动涡轮机旋转，由此驱动与涡轮同轴的压气机52实现增压。
30.涡轮机51的出气口与第一气体分流器7进气口相连，第一气体分流器7出气口一端与大气相连，一端与气体混合器6的进气口相连，第一气体分流器7将95％的废气排向大气，将5％的废气循环再利用，利用转子发动机4产生的废气的能量推动废气涡轮增压器工作，将压力能转化为机械能，从而带动压气机增大进入发动机中混合空气流量，再通入到转子发动机4中可以提高输出功率，起到降低转子发动机燃烧后产生的氮氧化物的作用；增压后的混合气一部分也通入到质子交换膜燃料电池中，其中氧气增压后可以提高燃料电池中的输出电压。
31.气体混合器6的出气口与压气机52的进气口相连用于将在气体混合器6混合的5％的废气与空气通入到废气涡轮增压器5的压气机52中，在压气机52增压1.5倍，废气涡轮增压器5的排气口与第二气体分流器8的进气口连通，第二气体分流器8的出气口分别与转子发动机4的混合气体进口和pemfc阴极进气口连通用于将一部分混合气通入到转子发动机中，降低燃烧过程中氮氧化物的产生，一部分混合气通入到质子交换膜燃料电池的阴极，加热质子交换膜燃料电池并参与燃料电池的反应；
32.pemfc和转子发动机4均与外界驱动装置电连接为驱动装置提供电能；
33.pemfc的阴极出气口与大气连通用于将pemfc阴极层产生的水和空气一起通入到大气中；
34.优选的，pemfc的电解质层为质子交换膜，质子交换膜为氟磺酸型质子交换膜；
35.优选的，pemfc阴极反应的温度为353k，燃料的利用率为60％。
36.本发明实施例中，使用了氢气作为pemfc混合动力系统的燃料，提出了添加废气涡轮增压器的涡轮增压技术，提出了pemfc与转子发动机串联的系统，并验证了其可行性。
37.本发明上述实施例系统的工作原理及创新点包括：
38.首先，利用高压氢气罐储存氢气，高压氢气罐中的高压氢气通过减压阀减压后，通入到pemfc的阳极，随后氢气在pemfc阳极的铂钴催化剂的作用下分解成氢离子和电子，然后氢离子可以通过氟磺酸型质子交换膜进入阴极；而电子通过外电路进入pemfc的阳极，与氧气结合形成氧离子，然后氢离子与氧离子相结合形成水，产生电能，给驱动装置提供动力。
39.进一步的，将pemfc的阳极出气口与转子发动机4的进气口相连，形成串联结构，将pemfc阳极40％未反应的氢气通入转子发动机4中作为转子发动机的燃料，提高了氢气的利用率；
40.进一步的，转子发动机4工作产生废气，将转子发动机4出气口与涡轮废气增压器涡轮机51进气口相连，转子发动机4产生的废气依次经过废气涡轮增压器5和第一气体分流器7，利用转子发动机4产生的废气中的能量驱动涡轮废气增压器涡轮机51工作，利用第一气体分流器7将转子发动机4产生的95％的废气排向大气，5％的废气循环再利用，第一气体分流器7将5％的废气通入到气体混合器6中，5％的废气与空气在气体混合器6混合形成混合气，一起通入到废气涡轮增压器5的压气机52中，加压后的混合气通入到第二气体分流器8中，此时第二气体分流器将一部分混合气通入到pemfc的阴极中，提供氧气参与燃料电池反应，然后pemfc阴极将电池反应后的空气和水排入大气。
41.其中，由于高压氢气罐储存和运输氢气的能力强的特点，所以本专利采用高压氢气罐，但是高压氢气罐中氢气的气压为50mpa，不适合质子交换膜燃料电池阳极的反应，所以需要通过减压阀减压才能作为燃料通入到质子交换膜燃料电池中，
42.本发明中，使用氢气作为pemfc的燃料，与传统的化石燃料相比，本发明使用的氢气具有产物只有水、零碳排放、燃烧性能好、发热值高、损耗小和无毒无污染等优点。
43.本发明实施例中，工作过程包括：
44.(1)高压氢气罐中的氢气压强为50mpa，经过减压阀减压为1.2bar，通入到氟磺酸型质子交换膜燃料电池的阳极。
45.(2)本发明实施例中，总的氢气流量为10.2mol/min。示例性的质子交换膜燃料电池，阳极氢气的压强为1.2bar，阴极氧气压强为1bar，氢气流量为6.12mol/min。
46.pemfc工作过程分为两部分，第一步为氢气的分解，第二步为氢和氧的电化学反应：
47.阳极：h2→
2h
+
+2e-48.阴极：
49.总反应式：
50.示例性的质子交换膜燃料电池，阳极的进气口与减压阀2的出气口相接通，通入气压为1.2bar的氢气，pemfc的阴极的进气口连接第二气体分流器8的出气口，将经过废气涡轮增压器5增压后1.5bar的空气与废气的混合气通入到pemfc的阴极。
51.在阳极中，氢气在阳极材料铂钴催化剂的作用下分解成氢离子和电子，氢离子通过氟磺酸型质子交换膜进入阴极，电子通过外电路进入阴极，并与空气中的氧气结合形成
氧离子；在pemfc的阴极内，氢离子与氧离子结合形成水，产生了电能，给驱动装置提供动力。
52.pemfc工作温度为353k，氢气流量为6.12mol/min，消耗了60％的氢气，工作效率为70％，输出功率为20kw，剩余的40％的氢气通过串联结构，此时氢气的流量为4.08mol/min，从质子交换膜燃料电池的阳极出口通入到转子发动机的进气口，作为转子发动机的燃料。
53.pemfc阴极中产生的水和空气排到大气中。
54.(3)本发明实例中，转子发动机4工作温度为353k，转子发动机4一个进气口与pemfc阴极排气口串联，通入质子交换膜燃料电池未反应完全的氢气，进气口氢气流量为4.08mol/min，转子发动机4另一进气口与第二气体分流器8的出气口相接通，通入空气和部分废弃混合气，参加转子发动机4燃烧做功反应；转子发动机4的排气口与废气涡轮增压器涡轮机51的进气口相连，转子发动机4排除的废气，其压力为4.195bar，温度为768.2k。转子发动机4的工作效率为20.58％，输出功率为5.185kw。
55.(4)本发明实例中，废气涡轮增压器涡轮机51的进气口连通转子发动机4的排气口，通入压力为4.195bar，温度为768.2k的废气，利用废气能量驱动废气涡轮增压器5工作，废气涡轮增压器涡轮机51排气口与第一气体分流器7进气口相连，压气机52进气口连通气体混合器6的出气口，废气涡轮增压器5的排气口连接第二气体分流器8的进气口，将压力为1bar的混合气增压到1.5bar。
56.(5)本发明实例中，第一气体分流器7的进气口与废气涡轮增压器涡轮机51排气口相连，将95％的废气排向大气，5％的废气参与循环利用，在气体混合器6中与空气混合通入到废气涡轮增压器5的压气机52中。第二气体分流器8将压力1.5bar的混合气一部分通入到质子交换膜燃料电池3的阴极参与电化学反应，一部分通入到转子发动机4中，参与燃烧反应。
57.请参阅图2，本发明实例运行得到的不同氢气流量下的总效率图。
58.由图2可知，当总氢气流量为6.12mol/min时，联合的总热效率最大，最大可达到54.555％；当总氢气流量问15.3mol/min时，联合的总热效率最小，最小为52.394％。此外，随着总氢气流量的增长，联合的总热效率呈现逐渐减小的趋势，且减小的速率先快后慢，然后逐渐趋于平缓。
59.综上，本发明实施例公开了一种采用氢气作为燃料的pemfc混合动力发动机，包括pemfc燃料电池发电部分和转子发动机工作部分。高压氢气罐中的氢气经过减压阀减压、空气与转子发动机的部分废气混合气经过废气涡轮增压器增压后进入pemfc燃料电池发生电化学反应并发电。发电后，剩余的氢气通过串联结构通入到转子发动机中，产生的空气和水排向大气，整体结构紧凑，满足了节能的要求。使用氢气作为燃料，pemfc发电效率达到了70％，实现了高效环保的要求。本发明利用利用转子发动机产生的废气中的能量驱动涡轮废气增压器涡轮机工作，实现了对空气与废气混合气的增压作用。本发明实施例利用了废气循环、pemfc与转子发动机的串联结构。同时，在燃料氢气流量为10.2mol/min的情况下，pemfc的功率可以达到20kw，转子发动机的功率可以达到5.185kw。pemfc和转子发动机形成的串联系统的效率为52.91％；由于转子发动机体积小，而串联系统产生的功率能达到25.185kw，大大提高了整体的功重比，满足小型无人机对动力系统高能效、高功重比、小体积的需求。
60.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

技术特征：
1.一种氢动力转子发动机混合动力系统，其特征在于，包括串联的质子交换膜燃料电池(3)和转子发动机(4)，质子交换膜燃料电池(3)采用氢气为燃料，质子交换膜燃料电池(3)的阳极出口与转子发动机(4)进气口连通用于将质子交换膜燃料电池(3)阳极中未反应的氢气通入转子发动机(4)中作为燃料，转子发动机(4)的废气出口与废气循环系统进口连通，废气循环系统的出口分别质子交换膜燃料电池(3)的阴极进口和转子发动机(4)的废气进口连通。2.根据权利要求1所述的一种氢动力转子发动机混合动力系统，其特征在于，还包括高压氢气罐(1)，高压氢气罐(1)通过减压阀(2)与质子交换膜燃料电池(3)的阳极进口连通。3.根据权利要求1所述的一种氢动力转子发动机混合动力系统，其特征在于，废气循环系统包括废气涡轮增压器(5)、气体混合器(6)、第一气体分流器(7)和第二气体分流器(8)，废气涡轮增压器(5)包括涡轮机(51)、压气机(52)，转子发动机(4)的废气出气口与涡轮机(51)进气口连通，涡轮机(51)的出气口与第一气体分流器(7)进气口相连，第一气体分流器(7)出气口一端与大气相连，一端与气体混合器(6)的进气口相连，气体混合器(6)的出气口与压气机(52)的进气口相连，压气机(52)的出气口与第二气体分流器(8)的进气口连通，第二气体分流器(8)的出气口分别与转子发动机(4)的混合气体进口和质子交换膜燃料电池(3)阴极进气口连通。4.根据权利要求3所述的一种氢动力转子发动机混合动力系统，其特征在于，所述第一气体分流器7将转子发动机(4)产生的废气分为两部分，其中95％的废气排向大气，5％的废气通入气体混合器(6)。5.根据权利要求1所述的一种氢动力转子发动机混合动力系统，其特征在于，所述质子交换膜燃料电池(3)和转子发动机(4)均与外界驱动装置电连接为驱动装置提供电能。6.根据权利要求1所述的一种氢动力转子发动机混合动力系统，其特征在于，所述质子交换膜燃料电池(3)阴极反应的温度为353k，氢气的利用率为60％，将质子交换膜燃料电池(3)阳极中40％未反应的氢气通入转子发动机(4)中。7.根据权利要求1所述的一种氢动力转子发动机混合动力系统，其特征在于，所述质子交换膜燃料电池(3)的电解质层为质子交换膜，质子交换膜为氟磺酸型质子交换膜。8.根据权利要求1所述的一种氢动力转子发动机混合动力系统，其特征在于，所述质子交换膜燃料电池(3)的阴极出气口与大气连通。9.根据权利要求1所述的一种氢动力转子发动机混合动力系统，其特征在于，所述转子发动机(4)为10kw转子发动机。10.权利要求1～9中任一项所述的一种氢动力转子发动机混合动力系统的运行方法，其特征在于，具体步骤如下：s1氢气通入到质子交换膜燃料电池(3)的阳极进行反应，将质子交换膜燃料电池(3)中阳极40％未反应的氢气通入转子发动机(4)中；s2将转子发动机(4)工作产生的废气通入废气循环系统中，废气循环系统将5％的废气与空气混合形成混合气，并将一部分混合气通入到质子交换膜燃料电池(3)的阴极中，将另一部分混合气通入到转子发动机(4)中。

技术总结
本发明提供一种氢动力转子发动机混合动力系统及方法，包括串联的质子交换膜燃料电池和转子发动机，质子交换膜燃料电池采用氢气为燃料，质子交换膜燃料电池的阳极出口与转子发动机进气口连通用于将质子交换膜燃料电池阳极中未反应的氢气通入转子发动机中作为燃料，转子发动机的废气出口与废气循环系统进口连通，废气循环系统的出口分别质子交换膜燃料电池的阴极进口和转子发动机的废气进口连通。本发明的混合动力系统将PEMFC阳极剩余未反应的氢气作为转子发动机燃料，提高了燃料的利用率，并利用废气循环系统将转子发动机产生的部分废气循环利用，对进入PEMFC阴极的空气进行加压，提高PEMFC的功率，实现混合动力系统物流和能流的反复循环使用。和能流的反复循环使用。和能流的反复循环使用。


技术研发人员：何光宇 厚宇 杜洋 高旭 王瑞 张泽奇
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2023.04.11
技术公布日：2023/7/21