基于冗余式固态储氢法的多源能量协同式氨氢复合动力系统

1.本发明涉及的是一种船舶动力系统，具体地说是氨氢复合动力系统。


背景技术：

2.全球气候变暖与人类活动排放的co2等温室气体密切相关。氢能一直以来被视为最理想的清洁能源，是许多国家能源发展战略的重点研究对象。但氢能作为汽车燃料，因氢气自身的理化性质，其在存储、运输和安全等方面面临着一系列的问题：(1)氢气的液化十分困难，造成其液化、存储和运输成本较高；(2)氢气可燃范围极宽，火焰传播速度很高，造成其存储与运输过程中易爆炸；(3)氢气无色无味，泄露后不易被觉察；(4)氢气燃烧时辐射光很弱，较难被探测和监控。由于上述问题至今未得到有效解决。研究发现氨气作为一种优质的储氢载体，且其不含碳元素，燃烧时没有hc和二氧化碳生成，因此，从碳中和、多元化能源利用、环境保护以及经济性、安全性等角度考虑，氨气作为内燃机燃料具有光明的前景。但若将氨气作为优质的储氢载体用于动力系统燃料仍面临诸多挑战需要克服，例如：裂解产生的氢气的储存问题；氨气燃烧速度慢、活化性能低，需引入一些高活化性物质；氨气在燃烧过程中，可能会产生有毒的nox，且当氨气燃烧不完全时，部分氨和nox会直接释放到大气中，从而影响人类的身体健康；氨燃料动力系统在使用过程中会涉及到多源能量的调配等问题。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供能实现不同系统对能量控制需求的基于冗余式固态储氢法的多源能量协同式氨氢复合动力系统。
4.本发明的目的是这样实现的：
5.本发明基于冗余式固态储氢法的多源能量协同式氨氢复合动力系统，其特征是：包括预燃式氨氢燃料发动机、电机、齿轮箱、螺旋桨、燃料供给储存系统，预燃式氨氢燃料发动机、电机分别连接齿轮箱，齿轮箱连接螺旋桨，所述预燃式氨氢燃料发动机包括氢燃料气轨、氨燃料气轨、预燃室、气缸、预燃室位于气缸上方，气缸分别连接进气道和排气管，进气道上分别安装进气阀和氨燃料喷射阀，氨燃料喷射阀连接氨燃料气轨，氢燃料气轨通过氢燃料喷嘴连接预燃室；所述燃料供给储存系统包括液氨储存罐、第一固态储氢罐、第二固态储氢罐、氨裂解器，液氨储存罐分别连接氨裂解器和氨燃料气轨，氨裂解器通过第一三通阀连接第一固态储氢罐，氨裂解器通过第二三通阀连接第二固态储氢罐，第一三通阀和第二三通阀还连接氢燃料气轨。
6.本发明还可以包括：
7.1、还包括氨燃料电池系统，所述氨燃料电池系统包括燃料电池本体、第一混合室、第二混合室、水箱，水箱分别连接第一混合室和第二混合室，第一混合室分别连接预燃式氨氢燃料发动机的涡轮和燃料电池本体，第二混合室分别连接氨裂解器和燃料电池本体。
8.本发明的优势在于：
9.1、本发明采用受热管理控制的燃料供给储存系统进行氨燃料的供给和裂解以及氢燃料的储存和输送，实现氨氢燃料的高效安全供给；
10.2、本发明采用带有预燃室引燃形式的氨氢燃料发动机，实现氨燃料的高效燃烧，通过氮气的引入调节燃烧环境和氢气密度，达到控制氨氢混合燃料的燃烧，解决氨燃料燃烧速度慢、燃点高的弊端；
11.3、本发明通过氨燃料电池系统产生电能储存于电池，实现电机的运行，形成混合动力以弥补氨燃料发动机低工况下氨燃料燃烧效果差；
12.4、多源能量热管理系统是以氨为工质，通过高低功率双压缩机的设置，在节省功率的情况下实现氨燃料工质的直冷直热作用，热管理系统使用多点式电磁四通阀，可以实现接口间组合的主动控制，配合法兰式的转向阀可实现制冷制热需求可变，达到热负荷动态可调的效果；
13.5、混合动力结合scr后处理以及废气涡轮增压装置，对发动机以及燃料电池的燃烧产物进行吸收处理，真正意义上实现零碳零排放。
附图说明
14.图1为本发明的结构示意图；
15.图2为预燃式氨氢燃料发动机结构示意图；
16.图3为氨燃料电池系统结构示意图；
17.图4为燃料供给储存系统结构示意图；
18.图5为多源能量热管理系统结构示意图。
具体实施方式
19.下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
20.结合图1-5，图1为本发明整体结构示意图，基于冗余式固态储氢法的多源能量协同式氨氢复合动力系统，包括预燃式氨氢燃料发动机、氨燃料电池系统、燃料供给储存系统、多源能量热管理系统和混合动力机械结构。系统包括预燃式氨氢燃料发动机1、氨燃料电池系统2、燃料供给储存系统3、多源能量热管理系统4、废气涡轮增压器5、传动轴6、齿轮箱7、螺旋桨8、scr后处理装置9、储存罐10、轴承11、电机12组成。发动机1和电机12通过传动轴6和齿轮箱7相连，组成并联式混合动力系统共同驱动螺旋桨8运行，发动机1和燃料电池系统2产生的废气经过废气涡轮增压器5传递至scr后处理系统9处理后排放，真正意义上实现零碳排放。
21.图2为预燃式氨氢燃料发动机1示意图，包括氢燃料气轨13、氨燃料气轨14、氢燃料喷嘴15、预燃室16、排气管17、活塞18、电磁阀19、发动机换热器20、气缸21、进气道22、进气阀23、氨燃料喷射阀24、火花塞25组成。
22.图3为氨燃料电池系统2示意图，包括水箱25，29、燃料电池本体26、滤清器27，35，36、混合室28，32、水泵30，38、逆变器31、缓冲室33、三向阀34、开关阀37、换热器39等组成。
23.图4为燃料供给储存系统3结构示意图，包括光伏发电装置34、氨裂解器35、外部换热器36，44、固态储氢罐37，43、三向阀38，41、内部换热器39，42、循环水泵40、法兰式转向阀45，46、单项止逆阀47、滤清器48、自循环泵49、逆变器50，56、氮气罐51、电池52、开关阀53、
液氨储存罐54、安全阀55、风力发电装置57等组成。实现氨燃料供给、裂解以及氢气的储存和供给，保证氨燃料和氢燃料在输送以及储存过程中的安全性和高效性。同时，使用光伏和风力发电装置结合电池储能装置，在对电机进行供电的同时，为氨燃料裂解提供能量。采用冗余式设计的固态储氢装置，利用其补脱氢时的热量变化进行能量互补，通过多源能量热管理系统进行热管理，实现精准的温度控制和能量循环。
24.图5为多源能量热管理系统示意图，包括外部散热器58、多点式电磁四通阀59，60，65，67，68，79、电磁阀12，61，70，71，73、电磁膨胀阀62，69，74，77、低功率压缩机63、高功率压缩机64、三向阀66、发动机换热器13、电池换热器33、经济器76等组成。本系统采用双压缩机驱动，分别针对制冷或制热需求分配不同压缩机驱动，完成氨工质的运行，对不同环境进行直冷直热管理。另外本系统可实现多个工作模式，并且可以针对工作环境的需要实现热负荷可调的工作特点。
25.对于整个系统的工作过程如下：
26.液氨储存罐54储存着系统的燃料，采用高压低温储存方式，保证氨燃料处于稳定的液态。液氨储存罐54中储存的液氨经由自增压泵49以及滤清器48完成液氨罐的自增压，保证液氨储存的稳定性。另外液氨储存罐54中的液氨经由单向止逆阀47进入氨裂解器35进行氨燃料的裂解制氢，过程中的能量消耗来自于光伏发电装置34以及风力发电装置57运行所产生的电能，并将电能经逆变器56后储存在电池52中，氨燃料经过裂解后产生氢气分别经过三向阀38，41进入固态储氢罐37，43中，氨燃料裂解产生的氮气一部分储存在氮气储存罐51中。氨燃料作为燃料供给的流程，由液氨储存罐54进入氨燃料气轨14，经由氨燃料喷射阀24进入进气道22，与废气涡轮增压器5增压后的空气经进气阀23混合后进入气缸21中。储存于固态储氢罐37，43中的氢气脱氢后经过三向阀38，41进入氢燃料气轨13中，经过氢燃料喷嘴15喷射进入发动机预燃室16，火花塞25点火后燃烧进入气缸21内，引燃气缸21内部的氨燃料混合气，推动活塞18对外做功，产生废气经由排气管17排出后与氨燃料电池系统2产生的废气混合进入废气涡轮增压器5，再进入scr后处理系统9，经过还原吸收后将氮氧化物以及其他有害物质进行吸收，排出氮气、水等物质。进入氨燃料电池系统2的燃料是由液氨储存罐54经过减压阀53、开关阀37，与燃料电池为反应的氨混合后经过滤清器36，再经三向阀34进入缓冲室33，由氮气储存罐51进入混合室32的氮气与水箱29通过水泵30对混合室3内氮气进行加湿后，一起进入燃料电池本体26内进行反应发电，产生的电能经过逆变器31，50储存于电池52内。由废气涡轮增压器5增压后进入发动机1和氨燃料电池系统2。
27.本发明系统涉及多种能量间的转换和控制需求，基于此设计了多源能量热管理系统。此系统包括多种工作模式，接下来就不同制热制冷需求所使用的不同模式进行介绍：
28.对发动机以及氨燃料电池的制冷模式，氨燃料作为工质由液氨储存罐54经过多点式电磁四通阀59进入热管理系统，工质经低功率压缩机63增压后，经过多点式电磁四通阀59，60进入外部散热器58，并经过多点式电磁四通阀79，电磁阀71以及电磁膨胀阀69，进入电池换热器33，经过三向阀66，多点式电池四通阀65，67以及单向阀72回到低功率压缩机63，完成制冷循环；在经过电磁阀71后经过电磁膨胀阀12进入发动机换热器13，返回三向阀66，最终回到低功率压缩机63，完成此循环。
29.对发动机以及氨燃料电池的制热模式，氨燃料作为工质由液氨储存罐54经过多点式电磁四通阀59进入热管理系统，工质经高功率压缩机64增压后，经过多点式电磁四通阀
65，三向阀66分别进入电池换热器以及发动机换热器，经过电池换热器后，经过多点式电磁三通阀68以及电磁膨胀阀69，电磁阀71，经济器76，电磁四通阀79以及外部散热器58，并回到高功率压缩机64，完成制热循环，过程中经过膨胀阀74，进入经济器76，接入高功率压缩机，完成经济器式的强化补气过程。
30.对内部散热器的制冷模式，氨燃料作为工质由液氨储存罐54经过多点式电磁四通阀59进入热管理系统，工质经低功率压缩机63增压后，经过多点式电磁四通阀59，60进入外部散热器58，在经过电磁四通阀79，电磁三通阀78，膨胀阀77进入内部散热器75，完成吸热后经过电磁阀70，电磁四通阀67，单向阀72回到低功率压缩机，完成内部的制冷循环。
31.对内部散热器的制热模式，氨燃料作为工质由液氨储存罐54经过多点式电磁四通阀59进入热管理系统，工质经高功率压缩机64增压后，经过多点式电磁四通阀65，67以及电磁阀70进入内部散热器75，经过膨胀阀77，电磁三通阀78，电磁四通阀79，进入外部散热器58后，最终回到高功率压缩机64，完成制热循环。
32.余热利用模式，氨燃料作为工质由液氨储存罐54经过多点式电磁四通阀59进入热管理系统，工质经低功率压缩机63增压后，经过多点式电磁四通阀59，60进入内部散热器75，经过电磁阀70分别进入电磁三通阀68和膨胀阀69进入电池换热器33和发动机换热器13，在经过电磁四通阀65，67以及单向阀72电磁阀73后返回低功率电磁阀63，完成余热利用循环。
33.多源能量热管理系统除针对发动机以及氨燃料电池系统的管理之外，还涉及到针对燃料储存供给系统的能量管理，以固态储氢模块为例，固态储氢过程中吸氢脱氢过程伴随着储氢材料吸放热过程，本系统设计了冗余式固态储氢罐，在保证氢气的供给稳定性的同时，利用了两个储存罐间的能量差异，配合多源能量热管理系统完成能量管理。
34.接下来针对燃料供给系统的能量管理工作模式进行介绍：
35.当固态储氢罐37处于吸氢状态，固态储氢罐43处于脱氢状态时，固态储氢罐37进行放热过程，而固态储氢罐43则需要吸热才能进行脱氢，本系统采用双罐冗余式的设计，在固态储氢罐37进行吸氢时，固态储氢罐37放热，经过换热器39换热后，在循环泵40的推动下到换热器42处进行换热，固态储氢罐43吸收固态储氢罐37散发的热量完成脱氢过程。
36.由于双罐间的热交换不能完全满足两个固态储氢罐的制冷制热需求，通过多源能量热管理系统对固态储氢罐进行热管理，达到热量控制稳定的效果，由于双罐的吸脱氢过程是交替进行的，所以对两罐体间的热量管理也是动态调整的，以固态储氢罐37处于吸氢状态为例，此时固态储氢罐37处于放热阶段，有冷却需求，此时多源能量热管理系统4中的氨工质通过低功率压缩机63压缩进入多点式电磁四通阀60，59后经过外部散热器58，从电磁四通阀79进入法兰换向阀45进入固态储氢罐37的外部换热器36进行冷却，冷却后经过法兰换向阀46进入电磁四通阀67以及单向阀72，电磁阀73回到低功率压缩机63处，完成制冷循环。同时，固态储氢罐43处于脱氢状态，固态储氢罐43需进行吸热，此时多源能量热管理系统4中的氨工质通过高功率压缩机64进入电磁四通阀65，并进入法兰换向阀45进入固态储氢罐43的外部换热器44，完成对固态储氢罐43的加热后，通过法兰换向阀46后进入电磁四通阀60，经过电磁膨胀阀62回到高功率压缩机64，完成制热循环。
37.当固态储氢罐37处于脱氢状态，固态储氢罐43处于吸氢状态时，此时固态储氢罐43，37的对热量管理需求与之前工况相反，此时固态储氢罐43处于放热阶段，有冷却需求，
此时多源能量热管理系统4中的氨工质通过低功率压缩机63压缩进入多点式电磁四通阀60，59后经过外部散热器58，从电磁四通阀79进入法兰换向阀45进入固态储氢罐43的外部换热器44进行冷却，冷却后经过法兰换向阀46进入电磁四通阀67以及单向阀72，电磁阀73回到低功率压缩机63处，完成制冷循环。同时，固态储氢罐37处于脱氢状态，固态储氢罐37需进行吸热，此时多源能量热管理系统4中的氨工质通过高功率压缩机64进入电磁四通阀65，并进入法兰换向阀45进入固态储氢罐37的外部换热器36，完成对固态储氢罐43的加热后，通过法兰换向阀46后进入电磁四通阀60，经过电磁膨胀阀62回到高功率压缩机64，完成制热循环。
38.由上述描述可知，本发明采用受多源能量热管理系统控制的燃料储存供给系统进行氨燃料的供给和氢燃料的储存和供给，实现氨燃料以及氢燃料的的稳定高效供给。设计了多源能量热管理系统，在实现对燃料供给系统进行稳定控制的同时，也对氨燃料电池和预燃式氨氢燃料发动机进行能量管理，提高系统的整体热效率。此系统包括多种工作模式，除常规热泵系统所具有的制热以及空调功能，还可对电池系统、发动机系统、燃料供给储存系统进行直冷直热，通过多点式电磁四通阀区别于常规热泵系统，在节省压缩机功率的同时以更小的更简单的布置形式实现更多的工作模式和更大的热负荷工作范围。针对氨氢燃料发动机的低负荷问题设计混合动力系统，可使整个系统始终以高效率运行，低碳化的同时实现节能减排的设计。系统通过氨燃料电池以及发电装置，后处理系统等协同作用最大程度对排放进行了吸收，实现了整个动力系统的零碳排放。