一种氢动力转子发动机混合动力系统及方法技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术的混合动力系统将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。

【技术实现步骤摘要】
一种氢动力转子发动机混合动力系统及方法


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[0002]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。

技术实现思路

[0003]为了解决现有技术中存在的效率低和功重比低的问题，本专利技术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。
[0004]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：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。
[0005]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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]进一步的，所述转子发动机为10kW转子发动机。
[0013]本专利技术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：
[0014]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；
[0015]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。
[0016]与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：
[0017]本专利技术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，本专利技术使用串联结构，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。
[0018]本专利技术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。
[0019]本专利技术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；
[0020]本专利技术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
[0021]为了更清楚地说明本专利技术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专利技术的一些实例，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。
[0022]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；
[0023]图2是本专利技术实例运行得到的不同氢气流量下的总效率图。
[0024]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
[0025]为使本专利技术实施例的目的、技术效果及技术方案更加清楚，下面结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术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专利技术一部分实施例。基于本专利技术公开的实施例，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，都应属于本专利技术保护的范围。
[0026]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。
[0027]如图1所示，本专利技术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。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：何光宇，厚宇，杜洋，高旭，王瑞，张泽奇，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：