一种高效甲醇重整制氢-燃料电池汽车的制作方法

1.本实用新型一种高效甲醇重整制氢-燃料电池汽车，属于新能源汽车技术领域。


背景技术：

2.新能源汽车是实现碳达峰、碳中和的关键领域之一。纯电动新能源汽车因续航短、能量补充慢等弊端，其市场推广道路艰难。燃料电池汽车具有续航里程长、能量补充快的优势，但因加氢站建设难度大，短期内无法实现大规模的市场化，且氢气的储、运、加各环节能耗大，不利于双碳目标的实现。


技术实现要素：

3.本实用新型为了克服现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种甲醇重整制氢-燃料电池汽车硬件结构的改进。
4.为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：一种高效甲醇重整制氢-燃料电池汽车，包括新能源汽车，所述新能源汽车上设置有燃料箱、燃料泵、重整器、热交换器、缓冲气瓶、比例阀、燃料电池、压缩机、dc-dc转换器、辅助电池、电机控制器、驱动电机、储水罐、第一水泵、第二水泵、氢气增压泵，所述燃料箱通过液体管路与重整器的燃料输入端相连，其中燃料泵设置在燃料箱与重整器的液体管路上，所述燃料箱与重整器相连的液体管路先通过热交换器后再进入重整器；
5.所述重整器的产物输出端通过气体管路与缓冲气瓶的输入端相连，所述缓冲气瓶的输出端通过管路与燃料电池的阳极进气端相连，其中重整器与缓冲气瓶连接的气体管路上设置有氢气增压泵，缓冲气瓶与燃料电池相连的管路上设置有比例阀，重整器与缓冲气瓶相连的气体管路先通过热交换器后再输入缓冲气瓶；
6.所述燃料电池的阴极进气端通过气体管路与压缩机相连，所述燃料电池的散热液体输出端通过液体管路经过热交换器后连接至燃料电池的散热液体输入端，其中靠近燃料电池散热液体输入端的液体管路上设置有第二水泵；
7.所述燃料电池的阴极气体输出端通过气体管路与储水罐相连，所述储水罐通过液体管路与燃料箱相连，其中储水罐与燃料箱相连的液体管路上设置有第一水泵；
8.所述燃料电池的正负极通过导线连接dc-dc转换器后分别通过导线连接至辅助电池和电机控制器的输入端，所述电机控制器的输出端通过导线连接驱动电机。
9.所述新能源汽车内部还设置有汽车控制器，所述汽车控制器通过导线与各控制单元相连。
10.所述重整器内部重整后生成h2、co2、co混合气，其中h2含量高于70%、co浓度低于10ppm。
11.所述重整器的启动条件为燃料余量大于20%，重整器温度大于200摄氏度。
12.所述燃料箱内部的燃料为物质的量比例是1：1的甲醇与水的混合物。
13.一种高效甲醇重整制氢-燃料电池汽车，包括新能源汽车，所述新能源汽车上设置
有甲醇箱、燃料泵、重整器、热交换器、缓冲气瓶、比例阀、燃料电池、压缩机、dc-dc转换器、辅助电池、电机控制器、驱动电机、储水罐、第一水泵、第二水泵、氢气增压泵，所述甲醇箱通过液体管路分别与重整器、储水罐的输出端相连，其中靠近甲醇箱输出端的液体管路上设置有燃料泵，靠近储水罐输出端的液体管路上设置有第一水泵；
14.所述甲醇箱与重整器相连的液体管路先通过热交换器后再进入重整器；
15.所述重整器的输出端通过气体管路与缓冲气瓶的输入端相连，所述缓冲气瓶的输出端通过管路与燃料电池的阳极进气端相连，其中重整器与缓冲气瓶连接的气体管路上设置有氢气增压泵，缓冲气瓶与燃料电池相连的管路上设置有比例阀，重整器与缓冲气瓶相连的气体管路先通过热交换器后再输入缓冲气瓶；
16.所述燃料电池的阴极进气端通过气体管路与压缩机相连，所述燃料电池的散热液体输出端通过液体管路经过热交换器后连接至燃料电池的散热液体输入端，其中燃料电池的散热液体输入端相连的液体管路上设置有第二水泵；
17.所述燃料电池的阴极出气端通过气体管路与储水罐相连；
18.所述燃料电池的正负极通过导线连接dc-dc转换器后分别通过导线连接至辅助电池和电机控制器的输入端，所述电机控制器的输出端通过导线连接驱动电机。
19.所述重整器内部重整后生成h2、co2、co混合气，其中h2含量高于70%、co浓度低于10ppm。
20.所述重整器的启动条件为燃料余量大于20%，重整器温度大于200摄氏度。
21.本实用新型相对于现有技术具备的有益效果为：
22.1）以液体储能方式的新能源汽车，燃料补充快，续航里程长。
23.2）燃料通过重整器现场制备氢气，省去了氢气的储、运、加环节。
24.3）可回收燃料电池的生成热、重整器生成气所携带热量，用于加热燃料，提高能量效率。
25.4）燃料电池的生成水可回收用作燃料反应物之一，提高物料利用率。
26.5）缓冲气瓶克服了重整器启动慢、产氢速率波动分别导致的汽车启动慢、燃料电池发电不稳定等技术弊端。
27.6）采用中高温燃料电池，对重整制氢的纯度要求低，可简化氢气纯化结构，利于整车轻量化设计。
附图说明
28.下面结合附图对本实用新型做进一步说明：
29.图1为本实用新型实施例1的结构示意图；
30.图2为本实用新型实施例2的结构示意图；
31.图3为本实用新型的工作流程图；
32.图中：1为新能源汽车、2为燃料箱、3为燃料泵、4为重整器、5为热交换器、6为缓冲气瓶、7为比例阀、8为燃料电池、9为压缩机、10为dc-dc转换器、11为辅助电池、12为电机控制器、13为驱动电机、14为储水罐、15为第一水泵、16为第二水泵、17为汽车控制器、18为氢气增压泵、21为甲醇箱。
具体实施方式
33.如图1至图3所示，本实用新型一种高效甲醇重整制氢-燃料电池汽车，包括新能源汽车1，所述新能源汽车1上设置有燃料箱2、燃料泵3、重整器4、热交换器5、缓冲气瓶6、比例阀7、燃料电池8、压缩机9、dc-dc转换器10、辅助电池11、电机控制器12、驱动电机13、储水罐14、第一水泵15、第二水泵16、氢气增压泵18，所述燃料箱2通过液体管路与重整器4的燃料输入端相连，其中燃料泵3设置在燃料箱2与重整器4的液体管路上，所述燃料箱2与重整器4相连的液体管路先通过热交换器5后再进入重整器4；
34.所述重整器4的产物输出端通过气体管路与缓冲气瓶6的输入端相连，所述缓冲气瓶6的输出端通过管路与燃料电池8的阳极进气端相连，其中重整器4与缓冲气瓶6连接的气体管路上设置有氢气增压泵18，缓冲气瓶6与燃料电池8相连的管路上设置有比例阀7，重整器4与缓冲气瓶6相连的气体管路先通过热交换器5后再输入缓冲气瓶6；
35.所述燃料电池8的阴极进气端通过气体管路与压缩机9相连，所述燃料电池8的散热液体输出端通过液体管路经过热交换器5后连接至燃料电池8的散热液体输入端，其中靠近燃料电池8散热液体输入端的液体管路上设置有第二水泵16；
36.所述燃料电池8的阴极气体输出端通过气体管路与储水罐14相连，所述储水罐14通过液体管路与燃料箱2相连，其中储水罐14与燃料箱2相连的液体管路上设置有第一水泵15；
37.所述燃料电池8的正负极通过导线连接dc-dc转换器10后分别通过导线连接至辅助电池11和电机控制器12的输入端，所述电机控制器12的输出端通过导线连接驱动电机13。
38.所述新能源汽车1内部还设置有汽车控制器17，所述汽车控制器17通过导线与各控制单元相连。
39.所述重整器4内部重整后生成h2、co2、co混合气，其中h2含量高于70%、co浓度低于10ppm。
40.所述重整器4的启动条件为燃料余量大于20%，重整器温度大于200摄氏度。
41.所述燃料箱2内部的燃料为物质的量比例是1：1的甲醇与水的混合物。
42.一种高效甲醇重整制氢-燃料电池汽车，包括新能源汽车1，所述新能源汽车1上设置有甲醇箱21、燃料泵3、重整器4、热交换器5、缓冲气瓶6、比例阀7、燃料电池8、压缩机9、dc-dc转换器10、辅助电池11、电机控制器12、驱动电机13、储水罐14、第一水泵15、第二水泵16、氢气增压泵18，所述甲醇箱21通过液体管路分别与重整器4、储水罐14的输出端相连，其中靠近甲醇箱21输出端的液体管路上设置有燃料泵3，靠近储水罐14输出端的液体管路上设置有第一水泵15；
43.所述甲醇箱21与重整器4相连的液体管路先通过热交换器5后再进入重整器4；
44.所述重整器4的输出端通过气体管路与缓冲气瓶6的输入端相连，所述缓冲气瓶6的输出端通过管路与燃料电池8的阳极进气端相连，其中重整器4与缓冲气瓶6连接的气体管路上设置有氢气增压泵18，缓冲气瓶6与燃料电池8相连的管路上设置有比例阀7，重整器4与缓冲气瓶6相连的气体管路先通过热交换器5后再输入缓冲气瓶6；
45.所述燃料电池8的阴极进气端通过气体管路与压缩机9相连，所述燃料电池8的散热液体输出端通过液体管路经过热交换器5后连接至燃料电池8的散热液体输入端，其中燃
料电池8的散热液体输入端相连的液体管路上设置有第二水泵16；
46.所述燃料电池8的阴极出气端通过气体管路与储水罐14相连；
47.所述燃料电池8的正负极通过导线连接dc-dc转换器10后分别通过导线连接至辅助电池11和电机控制器12的输入端，所述电机控制器12的输出端通过导线连接驱动电机13。
48.所述重整器4内部重整后生成h2、co2、co混合气，其中h2含量高于70%、co浓度低于10ppm。
49.所述重整器4的启动条件为燃料余量大于20%，重整器温度大于200摄氏度。
50.一种高效甲醇重整制氢-燃料电池汽车的控制方法，包括如下步骤：
51.s1：驾驶员将汽车钥匙至于“on”档，低压电气上电，系统开始自检；
52.s2：检查重整器4的启动条件，包括燃料余量、重整器温度满足设定阈值，则启动燃料泵，燃料进入重整器4，重整器4开始工作，生产的氢气经热交换器5降温、氢气增压泵18增压后进入缓冲气瓶6；
53.s3：检查燃料电池8的启动条件，包括缓冲气瓶6内气体压力满足设定阈值，则将氢气减压至燃料电池所需压力，打开压缩机9，氢气、空气分别通至燃料电池8的阳极、阴极；
54.s4：检查燃料电池单池电压、热管理系统温度均满足启动条件，则启动燃料电池8，燃料电池8开始发电，给驱动电机13或辅助电池11供电。
55.所述步骤s3中氢气与经压缩机9进入燃料电池的空气反应，生成电能、热能和水，其中的电能用于给驱动电机13供电，或给辅助电池11充电；热能经散热管路的第二水泵16循环至热交换器5，与燃料进行热交换，或者随阴极生成水回收后用于重整器4加热或冬季驾驶室供暖、辅助电池的加热；燃料电池阴极生成水经回收至储水罐14，再经第一水泵15送入燃料箱2，与新加入的甲醇混合成燃料。
56.本实用新型提供的高效甲醇重整制氢-燃料电池汽车，该汽车主要包含燃料箱、重整器、氢燃料电池发电机、辅助电池、电驱动装置、整车控制装置等。以甲醇为储能介质，甲醇、水通过重整装置生成氢气含量高于70%的产物，产物通过高温质子交换膜燃料电池产生电能、热能和水。其中的电能用于给汽车驱动电机供电，或给辅助电池充电；热能回收用于甲醇重整制氢或冬季驾驶室取暖、辅助电池加热；水回收至燃料箱与新补充的甲醇混合，成为反应原料；另外，燃料电池阳极尾气回收至重整装置的燃烧室，提供重整所需热能。
57.本实用新型的汽车结构分别如图1的实施例1和图2的实施例2所示，下面分别对两个实施例进行说明。
58.实施例1
59.如图1所示的高效甲醇重整制氢-燃料电池汽车，主要包括新能源汽车1、燃料箱2、燃料泵3、重整器4、热交换器5、缓冲气瓶6、比例阀7、中高温燃料电池8、压缩机9、dc-dc转换器10、辅助电池11、电机控制器12、驱动电机13、储水罐14、第一水泵15、第二水泵16、汽车控制器17、氢气增压泵18。
60.原理为：向燃料箱2中加入燃料甲醇；用于水回收的第一水泵15将水输送到重整器4，燃料泵3将燃料送入重整器4，通过高温重整后生成h2、co2、co混合气，其中h2含量高于70%、co浓度低于10ppm；产物混合气体经热交换器5降至常温后，再通过氢气增压泵18进入缓冲气瓶6；缓冲气瓶6中的气体经比例阀7调节流量和压力后，进入中高温（高达200℃）的
燃料电池8，氢气与经压缩机9进入燃料电池的空气反应，生成电能、热能和水，其中的电能用于给驱动电机11供电，或给辅助电池10充电；热能经散热管路中用于热回收的第二水泵16循环至热交换器5，与燃料进行热交换，或者回收后用于重整反应或冬季驾驶室供暖、辅助电池的加热；水经回收至储水罐14，再经第一水泵15送入燃料箱2，与新加入的甲醇混合成重整反应燃料；汽车控制器17根据驾驶员操作指令，发送指令到各组成单元，并收集各单元状态参数，汇总关键指令到驾驶室的中控屏，保证汽车正常执行驾驶员操作指令。
61.实施例2
62.如图2所示的高效甲醇重整制氢-燃料电池汽车，设计单独的甲醇箱21，甲醇与水按照一定比例进入重整器4。实施例1中补充甲醇时，储存于储水罐14的生成水一次性回收至燃料箱，与甲醇混合；相对于实施例1，实施例2中将燃料箱2改为甲醇箱21，水与甲醇在进入重整器4时再混合，甲醇箱21比燃料箱1体积小，储水罐14体积也减小，可根据汽车布置空间，灵活选择两种设计方案。
63.本实用新型的工作流程如图3所示，（1）驾驶员将汽车钥匙至于“on”档，低压电气上电，系统开始自检；（2）检查重整器启动条件，包括燃料余量（一般＞20%）、重整器温度（一般＞200℃）满足设定阈值，则启动燃料泵，燃料进入重整器，重整器开始工作，生产的氢气经热交换器降温、氢气增压泵增压后进入缓冲瓶；（3）检查燃料电池启动条件，包括缓冲瓶内气体压力大于设定阈值，则将氢气减压至燃料电池所需压力，打开空气压缩机，氢气、空气分别通至燃料电池阳极、阴极；（4）检查燃料电池单池电压、热管理系统温度均满足启动条件，则启动燃料电池8，燃料电池8开始发电，给驱动电机或辅助电池供电。
64.本实用新型提供的基于车载现场制氢的甲醇重整制氢燃料电池汽车，以液态甲醇为储能介质，同时回收燃料电池生成水，甲醇与水经重整反应生成燃料电池发电所需氢气，能量补充快；采用中高温型质子交换膜燃料电池技术，不仅克服了重整制氢杂质co的催化剂中毒问题，而且燃料电池的生成热可回收用于重整制氢反应；将物料、能量进行循环利用，可提高整车能量效率。
65.本实用新型的燃料电池8相比于一般的低温/常温燃料电池（ltpemfc）在相对较低的温度（低于100℃）下工作，本实用新型采用了高温燃料电池（htpemfc）可以在高达200℃的条件下运行。同时本实用新型采用高温燃料电池，对氢气纯度要求低，简化了纯化结构，易于车辆轻量化；2）回收燃料电池生成水，用作重整器制氢原料，提高了物料利用；另外生成水带有一定温度，使热循环利用，提高整个系统的热效率。
66.本实用新型采用串联的缓冲气瓶，解决了现有技术中采用单一的氢制造装置为燃料电池供应氢气，氢制造装置的体积和制氢量较大，体积和制氢量越大，越难以启动运转；体积和制氢量较大的氢制造装置稳定性较差、振动量较大；体积和制氢量较大的氢制造装置，制氢温度、气体流量及气压等参数控制不够灵敏等问题。
67.关于本实用新型具体结构需要说明的是，本实用新型采用的各部件模块相互之间的连接关系是确定的、可实现的，除实施例中特殊说明的以外，其特定的连接关系可以带来相应的技术效果，并基于不依赖相应软件程序执行的前提下，解决本实用新型提出的技术问题，本实用新型中出现的部件、模块、具体元器件的型号、连接方式除具体说明的以外，均属于本领域技术人员在申请日前可以获取到的已公开专利、已公开的期刊论文、或公知常识等现有技术，无需赘述，使得本案提供的技术方案是清楚、完整、可实现的，并能根据该技
术手段重现或获得相应的实体产品。
68.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。