一种基于氨燃料的内燃机-燃料电池混合发电装置及其控制方法

1.本发明提出一种基于氨燃料的内燃机-燃料电池混合发电装置及其控制方法，具体涉及一种基于氨燃料的内燃机-燃料电池混合发电装置系统设计及基于氨燃料的内燃机-燃料电池混合发电装置控制方法，属于混合发电技术领域。


背景技术：

2.随着传统化石能源的消耗，温室气体带来的全球气候变暖日益严重，绿色低碳已成为全球范围内生产生活应对能源转型和气候变迁的主要发展方向。“碳达峰、碳中和”国家目标的提出，进一步加快了能源产业的绿色转型与清洁能源发展。氢能来源广泛、储能密度高且燃烧产物清洁是一种理想的绿色可再生清洁能源，发展氢燃料内燃机和氢燃料电池对于推动绿色动力系统的普及具有重要价值，但是氢气存在储运困难等问题，且成本及安全性大大地降低了氢气作为能源的广泛应用。
3.我国是全球第一大氨生产国，氨是氢的高效载体，与氢气相比，氨更易以液态形式存储及使用，因此以氨为主要燃料的零碳内燃机在功率密度、续航里程及现有基础设施利用等方面具有明显优势。与此同时，氨在高温及催化剂的作用下可以裂解出氢气，通过内燃机尾气余热进行氨裂解不仅可以提高内燃机的热效率，还可以利用裂解出的氢气作为添加剂改善氨燃料内燃机的燃烧与排放特性，此外，裂解出的氢气还可以为燃料电池提供氢能。并且针对燃料电池存在的环境适应性差与空气压缩机能耗高，内燃机-燃料电池混合发电装置还能利用内燃机换热器和轴功为燃料电池提供良好的热环境和空气压缩机机械能。
4.本发明以液氨为单一能源，利用内燃机与燃料电池冷却液热量进行液氨的汽化，汽化后的氨气为内燃机和氨裂解器提供氨气；利用内燃机排气余热为氨裂解器提供能量进行氨气的裂解，分离净化出的氮氢气为内燃机和燃料电池提供氢气，实现内燃机的纯氢或氨氢混合燃料运行，并回收裂解净化后的氨用于内燃机的尾气处理；同时，本发明提出内燃机与燃料电池的空气能耦合，即将燃料电池排出的热空气通入内燃机空气供给管路，为内燃机进缸空气进行加热；提出内燃机与燃料电池的化学能耦合，即将燃料电池氮氢气循环管路中的氮氢气通入内燃机燃料供给管路；提出利用热耦合器实现内燃机与燃料电池的一体化热管理，即通过热耦合器利用内燃机冷却液热量为起动前的燃料电池进行加热，燃料电池起动后热耦合器将内燃机和燃料电池冷却液热量传递给液氨汽化换热器；提出利用机械耦合增速器实现内燃机轴功驱动燃料电池空气压缩机；提出利用ac/dc-dc/dc电耦合器实现内燃机与燃料电池的混合发电；此外，本发明提出了一种基于氨燃料的内燃机-燃料电池混合发电控制策略，实现纯氢、氨氢混合燃料内燃机的零碳运行及其与燃料电池的高效混合发电。


技术实现要素：

5.一种基于氨燃料的内燃机-燃料电池混合发电装置，包括液氨输送管路(p1)，连接
液氨罐(1)和换热器(3)，液氨输送管路(p1)上有液氨流量控制阀(2)，换热器(3)上有换热器温度传感器(4)；氨气输送管路(p2)，连接换热器(3)和氨气储罐(5)；内燃机空气供给管路(p13)，为内燃机提供空气；内燃机燃料供给管路(p3)，连接氨气储罐(5)和内燃机(9)，内燃机燃料供给管路(p3)上依次有氨气减压阀(6)、氨气流量控制阀(7)、阻燃阀(8)，内燃机(9)上有转速传感器(10)、负荷传感器(11)；内燃机排气管路(p4)，其上依次有氧传感器(12)、排气温度传感器(13)、排气流量计(14)、排气换热器(15)、选择性催化还原器(scr)(16)；氨裂解器氨气供给管路(p5)，连接氨气储罐(5)和氨裂解器(18)，氨裂解器氨气供给管路(p5)上有氨裂解器氨气流量控制阀(17)；氨裂解气输送管路(p6)，连接氨裂解器(18)与分离净化器(19)；氨气回收管路(p7)，连接分离净化器(19)和选择性催化还原器(16)；氮氢气输送管路(p8)，连接分离净化器(19)和氮氢气储罐(21)，氮氢气输送管路(p8)上有气体增压泵(20)，氮氢气储罐(21)上有压力传感器(22)；内燃机氮氢气供给管路(p9)，其上依次有第一氮氢气减压阀(23)、第一氮氢气流量控制阀(24)，并与内燃机燃料供给管路(p3)连接；燃料电池氮氢气供给管路(p10)，连接氮氢气储罐(21)和燃料电池(27)，燃料电池氮氢气供给管路(p10)上有第二氮氢气减压阀(25)、第二氮氢气流量控制阀(26)；燃料电池氮氢气循环管路(p11)，其通过三通电磁阀(28)分别与内燃机燃料供给管路(p3)和燃料电池氮氢气供给管路(p10)连接，且在与燃料电池氮氢气供给管路(p10)连接的管路上有循环泵(29)；燃料电池排气管路(p12)与内燃机空气供给管路(p13)连接；内燃机(9)和燃料电池(27)之间有热耦合器(30)；内燃机(9)的输出轴(31)与发电机(32)连接，通过交流电路(33)与电耦合器(38)连接；输出轴(31)依次与传动轴(34)、机械耦合增速器(35)、空气压缩机(36)连接；燃料电池(27)通过直流电路(37)与电耦合器(38)连接；电耦合器(38)通过耦合后直流电路(39)与动力电池(40)连接；电控单元(41)；
6.所述电控单元(ecu)(41)接收燃料电池电压信号a、压力信号d、内燃机信号k、换热器温度信号l、转速信号m、氧传感器信号n、负荷信号o、排气温度信号p、排气流量信号q、电耦合器信号u；发出氨气流量信号b、第一氮氢气流量信号c、第二氮氢气流量信号e、循环泵信号f、三通电磁阀信号g、氨裂解器氨气流量信号h、液氨流量信号i、热耦合器信号j、机械耦合增速器信号r、气体增压泵信号s、分离净化器信号t。
7.基于氨燃料的内燃机-燃料电池混合发电装置控制方法；
8.起动阶段：氮氢气储罐(21)预充入不低于10mpa的氢气，氢气由内燃机氮氢气供给管路(p9)依次经过第一氮氢气减压阀(23)、第一氮氢气流量控制阀(24)进入内燃机燃料供给管路(p3)，经过阻燃阀(8)进入内燃机(9)，空气通过内燃机空气供给管路(p13)进入内燃机，电控单元(41)通过内燃机信号k着车，同时，电控单元(41)通过接收转速信号m和负荷信号o计算所需氢气量，并通过第一氮氢气流量信号c控制第一氮氢气流量控制阀(24)调节氢气供给量。
9.稳定运行阶段：内燃机热机后(水温90℃)，液氨通过液氨输送管路(p1)从液氨罐(1)经过液氨流量控制阀(2)进入换热器(3)，电控单元(41)接收换热器温度传感器(4)的换热器温度信号l计算液氨蒸发量，并通过液氨流量信号i控制液氨流量控制阀(2)调节液氨供给量；蒸发后的氨气通过氨气输送管路(p2)进入氨气储罐(5)；氨气通过内燃机燃料供给管路(p3)依次经过氨气减压阀(6)、氨气流量控制阀(7)、阻燃阀(8)进入内燃机，电控单元(41)通过接收氧传感器(12)的信号n、转速信号m、负荷信号o计算所需燃料量，并通过氨流
量计信号b和第一氮氢气流量信号c分别控制氨气流量控制阀(7)和第一氮氢气流量控制阀(24)调节进入内燃机(9)的燃料量，进缸混合气过量空气系数为1.0，氢气占氨氢混合气的体积分数为x，且变化范围为0.3～1.0，当x＝0.3时为最大功率w
max
，当x＝1.0时为最小功率w
min
，不同氢气体积分数下的功率w：w＝10/7*(w
max-w
min
)*(1-x) w
min
；排气通过内燃机排气管路(p4)依次经过氧传感器(12)、排气温度传感器(13)、排气流量计(14)、排气换热器(15)、选择催化还原器(16)，并通过排气换热器(15)将热量传递给氨裂解器(18)；氨气通过氨裂解器氨气供给管路(p5)经过氨裂解器氨气流量控制阀(17)进入氨裂解器(18)，电控单元(41)通过接收排气温度信号p和排气流量信号q计算氨气裂解量，通过氨裂解器氨气流量信号h控制氨裂解器氨气流量控制阀(17)调节氨气供给量；氨裂解气通过氨裂解气输送管路(p6)进入分离净化器(19)，电控单元(41)通过分离净化器信号t控制分离净化器(19)，分离出的氨气通过氨气回收管路(p7)进入选择性催化还原器(16)，分离出的氮气排空，净化后的氮氢气中氢气体积分数不低于90％；裂解净化后的氮氢气通过氮氢气输送管路(p8)经过气体增压泵(20)进入氮氢气储罐(21)，电控单元(41)接收压力传感器(22)的压力信号d并通过气体增压泵信号s控制气体增压泵(20)转速调节氮氢气储罐(21)中压力不低于10mpa且不超过70mpa；氮氢气通过燃料电池氮氢气供给管路(p10)依次经过第二氮氢气减压阀(25)、第二氮氢气流量控制阀(2)进入燃料电池(27)，电控单元(41)通过接收燃料电池电压信号a计算所需氢气供给量，并通过第二氮氢气流量信号e调节氮氢气供给流量且控制过量氢气系数为1.2；从燃料电池(27)排出的低含氢量氮氢气通过燃料电池氮氢气循环管路(p11)依次经过三通电磁阀(28)、循环泵(29)进入燃料电池氮氢气供给管路(p10)循环利用，当电控单元(41)接收到的末片燃料电池电压低于燃料电池平均电压与截止电压差值一半的时候，电控单元(41)通过循环泵信号f关闭循环泵并通过三通电磁阀信号g调整联通方向，燃料电池排出的低含氢量氮氢气回收到内燃机燃料供给管路(p3)中；从燃料电池(27)排出的热空气通过燃料电池排气管路(p12)进入内燃机空气供给管路(p13)；内燃机(9)的输出轴(31)与发电机(32)连接，机械能转化成的电能通过交流电路(33)、电耦合器(38)、耦合后直流电路(39)提供给动力电池(40)；同时，输出轴(31)还依次与传动轴(34)、机械耦合增速器(35)、空气压缩机(36)连接为燃料电池(27)的空气压缩机(36)提供机械能，电控单元(41)通过机械耦合增速器信号r控制机械耦合增速器(35)的速比不低50；燃料电池(27)产生的电能依次通过直流电路(37)、电耦合器(38)、耦合后直流电路(39)提供给动力电池(40)；电控单元(41)通过电耦合器信号u控制输出电压。
10.本发明的有益效果主要是：本发明以液氨为单一能源，利用内燃机与燃料电池冷却液热量进行液氨的汽化，汽化后的氨气为内燃机和氨裂解器提供氨气；利用内燃机排气余热为氨裂解器提供能量进行氨气的裂解，分离净化出的氮氢气为内燃机和燃料电池提供氢气，实现内燃机的纯氢或氨氢混合燃料运行，并回收裂解净化后的氨用于内燃机的尾气处理；同时，本发明提出内燃机与燃料电池的空气能耦合，即将燃料电池排出的热空气通入内燃机空气供给管路，为内燃机进缸空气进行加热；提出内燃机与燃料电池的化学能耦合，即将燃料电池氮氢气循环管路中的氮氢气通入内燃机燃料供给管路；提出利用热耦合器实现内燃机与燃料电池的一体化热管理，即通过热耦合器利用内燃机冷却液热量为起动前的燃料电池进行加热，燃料电池起动后热耦合器将内燃机和燃料电池冷却液热量传递给液氨汽化换热器；提出利用机械耦合增速器实现内燃机轴功驱动燃料电池空气压缩机；提出利
用ac/dc-dc/dc电耦合器实现内燃机与燃料电池的混合发电；此外，本发明提出了一种基于氨燃料的内燃机-燃料电池混合发电控制策略，实现纯氢、氨氢混合燃料内燃机的零碳运行及其与燃料电池的高效混合发电。
附图说明
11.图1一种基于氨燃料的内燃机-燃料电池混合发电装置示意图
12.图中：1、液氨(lnh3)罐，p1、液氨输送管路，2、液氨流量控制阀，3、换热器，4、换热器温度传感器，p2、氨气输送管路，5、氨气(gnh3)储罐，p3内燃机燃料供给管路，6、氨气减压阀，7、氨气流量控制阀，8、阻燃阀，9、内燃机，10、转速传感器，11、负荷传感器，p4、内燃机排气管路，12、氧传感器，13、排气温度传感器，14、排气流量计，15、排气换热器，16、选择性催化还原(scr)器，p5、氨裂解器氨气供给管路，17、氨裂解器氨气流量控制阀，18、氨裂解器，p6、氨裂解气输送管路，19、分离净化器，p7、氨气回收管路，p8、氮氢气输送管路，20、气体增压泵，21、氮氢气储罐，p9、内燃机氮氢气供给管路，22、压力传感器，23、第一氮氢气减压阀，24、第一氮氢气流量控制阀，p10、燃料电池氮氢气供给管路，25、第二氮氢气减压阀，26第二氮氢气流量控制阀，27、燃料电池，p11、燃料电池氮氢气循环管路，28、三通电磁阀，29、循环泵，30、热耦合器，31、输出轴，32、发电机，33、交流电路，34、传动轴，35、机械耦合增速器，36、空气压缩机，37、直流电路，38、电耦合器，39、耦合后直流电路，40、动力电池，p12、燃料电池排气管路，p13、内燃机空气供给管路，41、电控单元(ecu)；
13.a、燃料电池电压信号，b、氨气流量信号，c、第一氮氢气流量信号，d、压力信号，e、第二氮氢气流量信号，f、循环泵信号，g、三通电磁阀信号，h、氨裂解器氨气流量信号，i、液氨流量信号，j、热耦合器信号，k、内燃机信号，l、换热器温度信号，m、转速信号，n、氧传感器信号，o、负荷信号，p、排气温度信号，q、排气流量信号，r、机械耦合增速器信号，s、气体增压泵信号，t、分离净化器信号，u、电耦合器信号。
具体实施方式
14.下面结合附图和具体实施方式对于本发明做进一步的说明：
15.起动阶段：氮氢气储罐(21)预充入不低于10mpa的氢气，氢气由内燃机氮氢气供给管路(p9)依次经过第一氮氢气减压阀(23)、第一氮氢气流量控制阀(24)进入内燃机燃料供给管路(p3)，经过阻燃阀(8)进入内燃机(9)，空气通过内燃机空气供给管路(p13)进入内燃机，电控单元(41)通过内燃机信号k着车，同时，电控单元(41)通过接收转速信号m和负荷信号o计算所需氢气量，并通过第一氮氢气流量信号c控制第一氮氢气流量控制阀(24)调节氢气供给量。
16.稳定运行阶段：内燃机热机后(水温90℃)，液氨通过液氨输送管路(p1)从液氨罐(1)经过液氨流量控制阀(2)进入换热器(3)，电控单元(41)接收换热器温度传感器(4)的换热器温度信号l计算液氨蒸发量，并通过液氨流量信号i控制液氨流量控制阀(2)调节液氨供给量；蒸发后的氨气通过氨气输送管路(p2)进入氨气储罐(5)；氨气通过内燃机燃料供给管路(p3)依次经过氨气减压阀(6)、氨气流量控制阀(7)、阻燃阀(8)进入内燃机，电控单元(41)通过接收氧传感器(12)的信号n、转速信号m、负荷信号o计算所需燃料量，并通过氨流量计信号b和第一氮氢气流量信号c分别控制氨气流量控制阀(7)和第一氮氢气流量控制阀
(24)调节进入内燃机(9)的燃料量，进缸混合气过量空气系数为1.0，氢气占氨氢混合气的体积分数为x，且变化范围为0.3～1.0，当x＝0.3时为最大功率w
max
，当x＝1.0时为最小功率w
min
，不同氢气体积分数下的功率w：w＝10/7*(w
max-w
min
)*(1-x) w
min
；排气通过内燃机排气管路(p4)依次经过氧传感器(12)、排气温度传感器(13)、排气流量计(14)、排气换热器(15)、选择催化还原器(16)，并通过排气换热器(15)将热量传递给氨裂解器(18)；氨气通过氨裂解器氨气供给管路(p5)经过氨裂解器氨气流量控制阀(17)进入氨裂解器(18)，电控单元(41)通过接收排气温度信号p和排气流量信号q计算氨气裂解量，通过氨裂解器氨气流量信号h控制氨裂解器氨气流量控制阀(17)调节氨气供给量；氨裂解气通过氨裂解气输送管路(p6)进入分离净化器(19)，电控单元(41)通过分离净化器信号t控制分离净化器(19)，分离出的氨气通过氨气回收管路(p7)进入选择性催化还原器(16)，分离出的氮气排空，净化后的氮氢气中氢气体积分数不低于90％；裂解净化后的氮氢气通过氮氢气输送管路(p8)经过气体增压泵(20)进入氮氢气储罐(21)，电控单元(41)接收压力传感器(22)的压力信号d并通过气体增压泵信号s控制气体增压泵(20)转速调节氮氢气储罐(21)中压力不低于10mpa且不超过70mpa；氮氢气通过燃料电池氮氢气供给管路(p10)依次经过第二氮氢气减压阀(25)、第二氮氢气流量控制阀(2)进入燃料电池(27)，电控单元(41)通过接收燃料电池电压信号a计算所需氢气供给量，并通过第二氮氢气流量信号e调节氮氢气供给流量且控制过量氢气系数为1.2；从燃料电池(27)排出的低含氢量氮氢气通过燃料电池氮氢气循环管路(p11)依次经过三通电磁阀(28)、循环泵(29)进入燃料电池氮氢气供给管路(p10)循环利用，当电控单元(41)接收到的末片燃料电池电压低于燃料电池平均电压与截止电压差值一半的时候，电控单元(41)通过循环泵信号f关闭循环泵并通过三通电磁阀信号g调整联通方向，燃料电池排出的低含氢量氮氢气回收到内燃机燃料供给管路(p3)中；从燃料电池(27)排出的热空气通过燃料电池排气管路(p12)进入内燃机空气供给管路(p13)；内燃机(9)的输出轴(31)与发电机(32)连接，机械能转化成的电能通过交流电路(33)、电耦合器(38)、耦合后直流电路(39)提供给动力电池(40)；同时，输出轴(31)还依次与传动轴(34)、机械耦合增速器(35)、空气压缩机(36)连接为燃料电池(27)的空气压缩机(36)提供机械能，电控单元(41)通过机械耦合增速器信号r控制机械耦合增速器(35)的速比不低50；燃料电池(27)产生的电能依次通过直流电路(37)、电耦合器(38)、耦合后直流电路(39)提供给动力电池(40)；电控单元(41)通过电耦合器信号u控制输出电压。