用于车辆的混合功率装置系统制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种车辆功率装置，其包括操作地连接到电池组的高温PEM燃料电池系统。功率调节器操作地连接在PEM燃料电池系统和电池组之间。该系统可以包括燃料处理器，诸如蒸汽重整器或自热重整器。重整器可以设计成使得它可以重整宽范围的燃料。与等量里程的仅有电池的电动车辆相比，该系统能够以可能较低的成本提供具有高得多的驾驶里程的车辆。将这些构件集成到单个系统中还允许车辆是燃料灵活的，也就是说，能够以宽范围的燃料来补给而不需要改变系统中的硬件。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术的实施例总体上涉及能量存储和产生装置，更具体地涉及使用这种装置来支持车辆的推进。
技术介绍
通常，用于推进电动车辆的电功率由电池提供。这些电池通常通过插座机构使用来自电网的电来充电。现有技术的电池能够在大块的外壳中电方式存储能量，该大块的外壳比现有技术的内燃发动机、外燃发动机和燃料电池重得多。因此，电池驱动的电动车辆的驾驶里程受到需要存储提供期望的车辆里程的所需的能量的电池的重量、尺寸和成本的限制。因此，电池电动车辆的里程通常低于等量的内燃、外热或燃料电池驱动的车辆。对仅具有电池的电动车辆的电池进行充电也是耗费时间和能量强度高的过程。这些特性使得仅有电池的电动车辆的里程问题更为严峻，因为在到达驾驶员的目的地之前存在与到达车辆的里程限制相关的时间损失。术语“里程焦虑”已经被创造出来用于描述很多的仅有电池的电动车辆驾驶员在他们的车辆电池的电荷状态下降时所经历的紧张感受。最后，仅有电池的电动车辆的一个主要限制在于它们仅能够利用电来补给(或再充电)。结果，车辆的环境影响与产生电的方式有关，而大部分使用者对此无能为力。在电主要是由煤来产生的区域中，电池电动车辆的环境影响可能高于等量的汽油车辆。为了解决仅有电池的电动车辆的里程、补给时间以及补给源的问题，已经提出了结合内燃发动机、外燃发动机或燃料电池发生器。这些发生器可以使用可用的燃料来补给。因此由燃料的化学能减去与将燃料的化学能转换为电能相关的无效率提高了车辆携带的能量。发生器主要用于对车辆的电池再充电或降低从电池提取的电能。然而，与电池组一起使用内燃发动机在技术上是复杂的，并且通常引起过度的能量损失，其降低车辆效率并且增加发动机尺寸需求。主要障碍在于机械能形式的内燃发动机的输出能量通过发生器转换为电能。此外，发生器的电输出必须被转换以匹配车辆电池的电压。这些能量转换步骤降低了发动机的整体效率，而增加了重量、尺寸和成本。另外，由于不稳定的燃烧过程以及在燃烧室中的压缩和膨胀过程，内燃发动机固有地产生氮氧化物(NOx)排放物。高的燃烧温度和高的压力促进NOx的形成。NOx是低空臭氧形成的前体，低空臭氧是在儿童中引起肺部疾病和慢性哮喘的主要因素。最后，尽管燃烧发动机能够以很多燃料补给，但它们很少能够以多种类型的燃料来补给。例如，不含铅汽油的发动机具有以柴油燃料来运转的能力是非常不常见的。该限 制是由于不同类型的燃料在压缩和膨胀要求方面的不同。此外，每种燃料具有不同的使得能够以不同类型的燃料操作的移动部件的设计变得复杂的润滑和材料要求。燃料电池是电化学功率发生器，类似于电池，其直接将化学能转换为电。这种直接转换能够导致非常高效的操作。现有技术的有成本效益的燃料电池使用氢作为它们的燃料。因此，为了使用燃料电池来扩展电池电动车辆的驾驶里程，必须使用氢作为燃料，或者必须采用车载重整器。氢是有吸引力的车辆燃料，因为它能够由大量的源产生。车辆的排放物可能仅是水蒸汽。然而，氢是一种具有低的体积能量密度的燃料。也就是说，在一定体积中包含的氢的能量含量比较小。作为一个示例，图I是显示对20kWh电池组充电所需要的燃料的加仑数的图表。为了使用燃料电池系统向车辆的电池提供20kWh的电能，将需要14. 2加仑的被压缩到5000psi的氢，而柴油或汽油仅需要2加仑。液体燃料比氢燃料具有高得多的能量含量，因此，即使具有与重整相关的更大的效率损失，所需的燃料的量也低得多。如果在传统的燃料电池中使用氢之外的燃料，则需要重整器。重整器在通常是催化的过程中将燃料转换为富氢气体。然而，现有技术的重整器催化剂易受到燃料中的硫含量的影响。因此，汽油和柴油重整是高度特殊的任务。大部分汽油或柴油重整器采用液体硫捕集器、加氢脱硫反应器或分馏来降低进入重整器的硫水平。这些系统增加了整体系统·的复杂性、成本、尺寸和重量。在燃料电池系统中使用不同类型燃料的另一个障碍在于燃料处理器必须能够重整不同的燃料混合物。例如，经常使用的汽油由庚烷、异辛烷、环戊烷、乙苯和乙醇的混合物组成。因此，汽油燃料处理器必须能够有效地重整整个燃料混合物。这种任务是复杂的，因为重整过程是内热氢产生反应和氧化能量产生反应之间的平衡。平衡较好的重整器应该具有为零的净能量产生。然而，在燃料混合物(例如汽油)中的每种燃料要求不同量的能量来重整并且在氧化时产生不同量的能量。燃料流率和燃料成分的变化能够使得重整反应不稳定，由此降低效率，影响硬件稳定性，并且可能使得重整过程停止。重整物的成分影响燃料电池的性能。尤其是一氧化碳(CO)和硫化氢是能够随着部分重整反应而形成的公知的燃料电池毒物。CO是有问题的，因为不能够防止它的产生。另一方面，通过从燃料除去硫能够减少硫化氢。通过结合到电极中的有效位置，CO损害燃料电池的阳极。实际上，CO分子与氢分子争夺电极位置。阳极电极中的CO活性水平高度依赖于温度。随着燃料电池温度升高，CO活性降低，并且氢活性提高。现有技术的低温PEM燃料电池不能够在性能不大大降低的情况下承受重整物流中的大于30ppm的CO浓度。低温PEM燃料电池在60°C和80°C之间操作。在120°C和200°C之间操作的高温PEM燃料电池已经显示了在重整物的CO浓度高达3%时的可接受的性能。为了控制CO，燃料处理器配备有水气变换反应器、钯薄膜分离器、和/或变压吸附器。这些反应器增加了燃料电池系统的重量、尺寸、成本和复杂性。因此，需要一种能够减小这种担忧的系统。
技术实现思路
本专利技术的实施例涉及燃料灵活的燃料电池系统。与等量里程的仅有电池的电动车辆相比，该系统能够以可能较低的成本提供具有高得多的驾驶里程的车辆。将这些构件集成到单个系统中还允许车辆是燃料灵活的，也就是说，能够以宽范围的燃料来补给而不需要改变系统中的硬件。系统可以包括燃料源，该燃料源包括一种或多种包含氢的燃料。在一个实施例中，燃料源可以包括多种包含氢的燃料。系统还包括燃料处理器。燃料处理器与燃料源流体连通。燃料处理器由从燃料源接收到的一种或多种包含氢的燃料产生氢。燃料处理器不使用选择性氧化器来移除一氧化碳(CO)。该系统可以包括用于燃料处理器的加热器。燃料处理器能够在至少大约600摄氏度的温度操作。燃料处理器可以是自热重整器，微块自热重整器、大块自热重整器或蒸汽重整器。该系统可以包括一个或多个高温PEM燃料电池。燃料电池能够在至少100摄氏度的温度操作。燃料电池在瞬态情况和稳态情况下操作。燃料处理器与燃料电池流体连通，使得由燃料处理器产生的氢供应到燃料电池。在燃料电池的瞬态情况和稳态情况期间，氢都可以从燃料处理器供应到燃料电池。在稳态情况下，燃料电池能够操作在从大约120摄氏度至大约200摄氏度的范围中。当燃料处理器是自热重整器时，来自燃料电池的阴极排气可以直接引入自热重整器以便回收在燃料电池中产生的水。系统还可以包括数据获取系统。在一个实施例中，数据获取系统可以操作地连接 以便接收燃料处理器的温度数据。控制器可以操作地连接到数据获取系统。基于燃料处理器的温度数据，控制器可以调节进入燃料处理器的燃料流率、空气流率和/或水流率。结果，能够优化系统效率。控制器能够在不断开燃料处理器和燃料电池之间的流体连通的情况下调节进入燃料处理器的燃料流率、空气流率和/或水流率。在另一个实施例中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2009.12.03 US 61/266,468;2010.05.28 US 12/790,7011.一种燃料灵活的燃料电池系统，包括 包括至少一种包含氢的燃料的燃料源； 与所述燃料源流体连通的燃料处理器，所述燃料处理器由从所述燃料源接收到的至少一种包含氢的燃料产生氢，其中，所述燃料处理器不使用选择性氧化器来移除CO ； 用于所述燃料处理器的加热器；以及 至少一个高温PEM燃料电池，所述燃料电池能够操作在至少100摄氏度的温度，所述燃料电池操作在瞬态情况和稳态情况下，所述燃料处理器与所述燃料电池流体连通，使得由所述燃料处理器产生的氢被供应到所述燃料电池， 其中，在所述燃料电池的瞬态情况和稳态情况期间，氢都从所述燃料处理器供应到所述燃料电池。2.如权利要求I所述的系统，其中，所述燃料处理器是自热重整器。3.如权利要求2所述的系统，其中，所述燃料处理器是微块自热重整器。4.如权利要求2所述的系统，其中，所述燃料处理器是大块自热重整器。5.如权利要求I所述的系统，其中，所述燃料处理器是蒸汽重整器。6.如权利要求I所述的系统，其中，所述燃料处理器能够操作在至少大约600摄氏度的温度。7.如权利要求I所述的系统，其中，在稳态情况下，所述燃料电池操作在从大约120摄氏度至大约200摄氏度的范围中。8.如权利要求I所述的系统，其中，所述燃料源包括多种包含氢的燃料。9.如权利要求I所述的系统，其中，所述系统还包括数据获取系统，所述数据获取系统操作地连接以便接收所述燃料处理器的温度数据。10.如权利要求9所述的系统，所述系统还包括操作地连接到所述数据获取系统的控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：DA贝茨，M格雷厄姆，M富赫斯，J布劳恩，
申请(专利权)人：能源燃料公司，
类型：发明
国别省市：