本發(fā)明涉及氨氫融合燃料動(dòng)力系統(tǒng)，具體涉及到一種氣體組分可控的氨氫融合燃料動(dòng)力系統(tǒng)供氣架構(gòu)及其控制方法，尤其適用于氨氫融合燃料內(nèi)燃機(jī)與燃料電池復(fù)合動(dòng)力系統(tǒng)的集成式供氣。

背景技術(shù)：

1、氨氫融合燃料動(dòng)力系統(tǒng)以液氨作為唯一存儲(chǔ)燃料，通過氨裂解制氫裝置將氨氣裂解生成氫氣，能同時(shí)為動(dòng)力系統(tǒng)提供氨氣和氫氣。專利cn?114103620a提供了一種氨氫融合燃料內(nèi)燃機(jī)與燃料電池復(fù)合動(dòng)力系統(tǒng)，以液氨作為唯一車載存儲(chǔ)燃料，通過車載的氨裂解制氫裝置將氨氣裂解生成氫氣，能同時(shí)為動(dòng)力系統(tǒng)提供氨氣和氫氣，有效解決了氨氫復(fù)合燃料的儲(chǔ)存攜帶、氨燃料點(diǎn)火困難及動(dòng)力系統(tǒng)高效運(yùn)行等問題。然而，如果只是將氨氫內(nèi)燃機(jī)和質(zhì)子交換膜燃料電池各自的燃料供給系統(tǒng)和空氣供給系統(tǒng)簡單地拼合在一起實(shí)現(xiàn)各個(gè)子部件的能量轉(zhuǎn)化功能，這樣一方面會(huì)造成系統(tǒng)供給回路復(fù)雜等結(jié)構(gòu)冗余問題，另一方面也不利于系統(tǒng)整體的燃料供給和空氣供給過程的統(tǒng)籌規(guī)劃及系統(tǒng)余熱的梯度回收利用。

2、因此，有必要結(jié)合氨氫融合燃料內(nèi)燃機(jī)和燃料電池供給過程的特性對(duì)整套動(dòng)力系統(tǒng)的供氣架構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)中燃料和空氣供給過程的時(shí)間順序和空間分布進(jìn)行梳理規(guī)劃，充分利用空氣和燃料供給過程中的傳熱傳質(zhì)特性，在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成化及精簡設(shè)計(jì)的同時(shí)，提高整套氨氫融合燃料動(dòng)力系統(tǒng)的能量利用率及氨裂解制氫效率。

3、此外，相比于化石燃料，氨氫融合燃料中氮元素的增加使內(nèi)燃機(jī)中氮氧化物的生成抑制顯得尤為重要。在內(nèi)燃機(jī)中，通過對(duì)內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣組分進(jìn)行主動(dòng)調(diào)節(jié)，能有效減少氮氧化物的生成。因此，氨氫融合燃料和空氣供給的氣體組分可控技術(shù)是實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)近零排放的一條可行技術(shù)路徑。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明提供一種氣體組分可控的氨氫融合燃料動(dòng)力系統(tǒng)供氣架構(gòu)及其控制方法，將氨氫融合內(nèi)燃機(jī)、發(fā)電機(jī)與燃料電池作為一個(gè)分布式發(fā)電集群進(jìn)行供氣架構(gòu)的統(tǒng)籌設(shè)計(jì)和控制，使得分布式發(fā)電集群中的氨裂解制氫過程的能量供給可完全寄生于內(nèi)燃機(jī)尾氣的熱功率，減少了氨裂解過程所導(dǎo)致的電加熱功率損耗。

2、本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

3、作為本發(fā)明的第一方面，提供一種氣體組分可控的氨氫融合燃料動(dòng)力系統(tǒng)供氣架構(gòu)，所述氨氫融合燃料動(dòng)力系統(tǒng)包括氨氫融合燃料內(nèi)燃機(jī)、燃料電池、動(dòng)力電池組、發(fā)電機(jī)、逆變器、直流電源轉(zhuǎn)換器以及配電盒；將所述氨氫融合燃料內(nèi)燃機(jī)、發(fā)電機(jī)以及燃料電池作為一個(gè)分布式發(fā)電集群進(jìn)行供氣架構(gòu)設(shè)計(jì)，分布式發(fā)電集群中的氨裂解制氫過程的能量供給完全寄生于內(nèi)燃機(jī)尾氣的熱功率；

4、所述供氣架構(gòu)包括空氣濾清器、空氣壓縮機(jī)、空氣中冷器、節(jié)氣門、液氨瓶、壓力及流量調(diào)節(jié)裝置、液氨蒸發(fā)器、第一換熱器、第二換熱器、第三換熱器、第四換熱器、氨裂解器、氫氣分離裝置、壓氣機(jī)、高壓供氫子系統(tǒng)、燃料電池電堆子系統(tǒng)以及內(nèi)燃機(jī)子系統(tǒng)；

5、所述液氨瓶、壓力及流量調(diào)節(jié)裝置、液氨蒸發(fā)器、內(nèi)燃機(jī)子系統(tǒng)、第一換熱器、第二換熱器、氨裂解器以及氫氣分離裝置構(gòu)成供氣架構(gòu)的氨氣供給回路；液氨瓶、壓力及流量調(diào)節(jié)裝置、液氨蒸發(fā)器、內(nèi)燃機(jī)子系統(tǒng)為氨氣第一供氣支路，液氨瓶、壓力及流量調(diào)節(jié)裝置、液氨蒸發(fā)器、第一換熱器、第二換熱器、氨裂解器以及氫氣分離裝置為氨氣第二供氣支路；

6、所述氫氣分離裝置、第一換熱器、第三換熱器、壓氣機(jī)、高壓供氫子系統(tǒng)構(gòu)成供氣架構(gòu)的氫氣供給回路；

7、所述內(nèi)燃機(jī)子系統(tǒng)、第四換熱器、氨裂解器、第二換熱器構(gòu)成供氣系統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)尾氣回路；

8、所述空氣濾清器、空氣壓縮機(jī)、空氣中冷器、液氨蒸發(fā)器、燃料電池電堆子系統(tǒng)、內(nèi)燃機(jī)子系統(tǒng)構(gòu)成供氣架構(gòu)的空氣供給回路；

9、所述氨氣供給回路與所述空氣供給回路通過液氨蒸發(fā)器、氫氣分離裝置進(jìn)行耦合；

10、所述氨氣供氣回路與所述氫氣供氣回路通過氫氣分離裝置、第一換熱器進(jìn)行耦合；

11、所述氨氣供給回路與所述內(nèi)燃機(jī)尾氣回路通過第二換熱器、第四換熱器以及內(nèi)燃機(jī)尾氣后處理裝置進(jìn)行耦合。

12、進(jìn)一步地，所述氨氣供給回路中，來自液氨瓶的液氨經(jīng)過減壓及流量調(diào)節(jié)裝置后進(jìn)入液氨蒸發(fā)器完成氣化；在所述氨氣第一供氣支路中，氣化后的氨氣經(jīng)過第一穩(wěn)壓閥連接至內(nèi)燃機(jī)子系統(tǒng)的氨氣噴射器；在所述氨氣第二供氣支路中，氣化后的氨氣流過第一換熱器，利用高溫生成的氫氣給氨氣進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱后的氨燃料通過第二換熱器，利用內(nèi)燃機(jī)尾氣剩余廢熱進(jìn)行預(yù)分解，此時(shí)會(huì)有部分氨氣能在高溫下自發(fā)完成分解，分解得到的混合氣流過氨裂解器中的催化劑，在催化劑的作用下實(shí)現(xiàn)氨裂解制氫，并在氫氣分離裝置中完成氫氣的分離，氫氣分離裝置通過雜質(zhì)氣排放口與內(nèi)燃機(jī)空氣進(jìn)氣通道相連，雜質(zhì)氣進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)中參與燃燒。

13、進(jìn)一步地，所述氫氣供給回路中，從氫氣分離裝置中分離出來的高溫氫氣，在第一換熱器中與氨氣進(jìn)行換熱；流經(jīng)第一換熱器的氫氣進(jìn)一步在第三換熱器中進(jìn)行液冷冷卻，并在冷卻后流向壓氣機(jī)，壓氣機(jī)使氫氣通過第一單向閥后被壓縮進(jìn)高壓供氫子系統(tǒng)的儲(chǔ)氫罐中；從儲(chǔ)氫罐出來的氫氣進(jìn)一步分成兩條并聯(lián)支路，第一支路中的氫氣連接至所述內(nèi)燃機(jī)子系統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)氫氣噴射器，第二支路中的氫氣連接至所述燃料電池電堆子系統(tǒng)的燃料電池陽極入口管道。

14、進(jìn)一步地，所述內(nèi)燃機(jī)尾氣回路中，來自內(nèi)燃機(jī)子系統(tǒng)的尾氣流經(jīng)與氨裂解器耦合在一起的第四換熱器，高溫尾氣在第四換熱器中將熱量傳遞給氨裂解器中的氨裂解制氫反應(yīng)，經(jīng)過第四換熱器的內(nèi)燃機(jī)尾氣流經(jīng)第二換熱器，在第二換熱器中為氨氣的預(yù)分解提供能量，實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)尾氣熱量的梯級(jí)利用。

15、進(jìn)一步地，所述空氣供給回路中，空氣經(jīng)過空氣濾清器后進(jìn)入空氣壓縮機(jī)，并在空氣中冷器完成初步冷卻，空氣中冷器出口與液氨蒸發(fā)器相連接，利用液氨相變吸熱的特性進(jìn)一步對(duì)壓縮空氣進(jìn)行降溫；燃料電池電堆子系統(tǒng)與內(nèi)燃機(jī)子系統(tǒng)的空氣供給回路采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)，經(jīng)過二次降溫的空氣會(huì)先流經(jīng)質(zhì)子交換膜燃料電池，然后再經(jīng)節(jié)氣門流向內(nèi)燃機(jī)。

16、進(jìn)一步地，所述供氣架構(gòu)還包括散熱回路，散熱回路包括第一冷卻回路、第二冷卻回路、第三冷卻回路，第一冷卻回路負(fù)責(zé)內(nèi)燃機(jī)的冷卻，第二冷卻回路負(fù)責(zé)燃料電池的冷卻，第三冷卻回路負(fù)責(zé)氫氣和發(fā)電機(jī)的冷卻；

17、所述第一冷卻回路包括第一水泵、內(nèi)燃機(jī)冷卻水套、節(jié)溫閥、高溫散熱器；內(nèi)燃機(jī)正常工作時(shí)，在第一水泵的驅(qū)動(dòng)下，第一冷媒流經(jīng)內(nèi)燃機(jī)冷卻水套，將內(nèi)燃機(jī)中的熱量帶走并在高溫散熱器中釋放出來；內(nèi)燃機(jī)冷啟動(dòng)時(shí)，第一冷媒經(jīng)過節(jié)溫閥直接回到第一水泵入口；

18、所述第二冷卻回路包括第二水泵、燃料電池冷卻水套、第一低溫散熱器；燃料電池工作時(shí)，在第二水泵的驅(qū)動(dòng)下，第二冷媒將燃料電池內(nèi)部堆積的熱量帶出來，并通過第一低溫散熱器散發(fā)到環(huán)境中；

19、所述第三冷卻回路包括第三水泵、三通閥、第三換熱器、發(fā)電機(jī)冷卻換熱器、第二低溫散熱器；分布式發(fā)電集群工作時(shí)，在第三水泵的驅(qū)動(dòng)下，第三冷媒經(jīng)過三通閥的分流后，分別流向第三換熱器和發(fā)電機(jī)冷卻水套；流經(jīng)第三換熱器以及流經(jīng)內(nèi)燃機(jī)冷卻水套的第三冷媒經(jīng)過匯流后，流向第二低溫散熱器，從而將所攜帶的熱量釋放出來。

20、進(jìn)一步地，所述高壓供氫子系統(tǒng)包括儲(chǔ)氫罐、一級(jí)減壓閥、二級(jí)減壓閥、第二穩(wěn)壓閥、第三單向閥、第三電磁閥、第四單向閥、第四電磁閥；在所述氫氣供給回路中，從儲(chǔ)氫罐出來的高壓氫氣經(jīng)過一級(jí)減壓閥，減壓后的氫氣進(jìn)一步分成兩條并聯(lián)支路：第一支路中的氫氣經(jīng)第三電磁閥、第三單向閥、第二穩(wěn)壓閥后，連接至內(nèi)燃機(jī)子系統(tǒng)中的氫氣噴射器；第二支路中的氫氣進(jìn)一步經(jīng)過二級(jí)減壓閥、第四電磁閥、第四單向閥后，連接至燃料電池陽極入口管道。

21、作為本發(fā)明的第二方面，同時(shí)提供一種氣體組分可控的氨氫融合燃料動(dòng)力系統(tǒng)供氣架構(gòu)的控制方法，包括冷啟動(dòng)工作模式、正常工作模式、停機(jī)工作模式；

22、當(dāng)分布式發(fā)電集群由停機(jī)狀態(tài)恢復(fù)正常運(yùn)行的過程中，所述供氣架構(gòu)切換至冷啟動(dòng)工作模式，并依次完成內(nèi)燃機(jī)子系統(tǒng)中的氨氫融合內(nèi)燃機(jī)、燃料電池電堆子系統(tǒng)中的燃料電池電堆的冷啟動(dòng)流程；

23、當(dāng)完成系統(tǒng)冷啟動(dòng)后，分布式發(fā)電集群需要響應(yīng)目標(biāo)功率需求并對(duì)外輸出電功率時(shí)，集成式供氣架構(gòu)控制方法切換至正常工作模式，正常工作模式下，集成式供氣系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)以下三種控制功能：高壓供氫子系統(tǒng)的壓力控制、發(fā)動(dòng)機(jī)空氣回路進(jìn)氣組分控制、尾氣氮氧化物后處理控制；

24、當(dāng)動(dòng)力系統(tǒng)接到停機(jī)指令時(shí)，集成式供氣架構(gòu)控制方法切換至停機(jī)工作模式。

25、進(jìn)一步地，所述冷啟動(dòng)工作模式的控制過程為：

26、s11.空氣供給回路的空氣壓縮機(jī)開始工作，為集成式供氣系統(tǒng)提供壓縮空氣；

27、s12.內(nèi)燃機(jī)冷啟動(dòng)：冷啟動(dòng)時(shí)的氫氣供給完全依賴于高壓供氫子系統(tǒng)中儲(chǔ)氫罐的氫氣消耗，通過調(diào)節(jié)高壓供氫子系統(tǒng)儲(chǔ)氫罐下游的一級(jí)減壓閥、第三電磁閥和第二穩(wěn)壓閥，為內(nèi)燃機(jī)提供氫氣供給，在氨燃料供給及空氣供給的配合下，完成氨氫融合燃料在缸內(nèi)的點(diǎn)火及內(nèi)燃機(jī)的對(duì)外功率輸出，從而完成內(nèi)燃機(jī)的冷啟動(dòng)；

28、s13.燃料電池電堆冷啟動(dòng)：在內(nèi)燃機(jī)冷啟動(dòng)完成后，氫氣供給逐漸由儲(chǔ)氫罐的氫氣供給轉(zhuǎn)向氨裂解器的實(shí)時(shí)氫氣生成供給，此時(shí)氨裂解制氫能量供給完全依賴于內(nèi)燃機(jī)尾氣熱量；燃料電池電堆冷啟動(dòng)時(shí)，通過調(diào)節(jié)高壓供氫子系統(tǒng)中的二級(jí)減壓閥和第四電磁閥為燃料電池供給氫氣，氫氣在氫氣循環(huán)泵的作用下對(duì)燃料電池電堆陽極進(jìn)行吹掃，并通過吹掃閥將燃料電池電堆陽極中殘留的水和氮?dú)馀欧诺酵饨绛h(huán)境；在內(nèi)燃機(jī)空氣供給的過程中，通過直流電源轉(zhuǎn)換器使燃料電池不對(duì)外輸出功率；在空氣的加熱下，燃料電池溫度逐漸升高到正常工作所需的最低溫度，標(biāo)志著燃料電池冷啟動(dòng)完成；

29、s14.在燃料電池冷啟動(dòng)完成后，通過控制直流電源轉(zhuǎn)換器使燃料電池對(duì)外輸出功率，燃料電池消耗供氣架構(gòu)中的氫氣和氧氣，通過電化學(xué)反應(yīng)完成對(duì)燃料的能量轉(zhuǎn)化和對(duì)外功率輸出。

30、進(jìn)一步地，所述正常工作模式的控制過程為：

31、s21.高壓供氫子系統(tǒng)的壓力控制：以燃料電池陰極和陽極之間的壓差為控制目標(biāo)，通過對(duì)高壓供氫子系統(tǒng)的二級(jí)減壓閥和第四電磁閥的控制協(xié)同，實(shí)現(xiàn)燃料電池陽極氫氣壓力對(duì)于陰極壓力的循環(huán)跟蹤控制；

32、s22.發(fā)動(dòng)機(jī)空氣回路進(jìn)氣組分控制：在內(nèi)燃機(jī)和燃料電池同時(shí)工作時(shí)，通過傳感器采集內(nèi)燃機(jī)出口的尾氣溫度，當(dāng)實(shí)測內(nèi)燃機(jī)尾氣溫度高于設(shè)定閾值時(shí)，以目標(biāo)內(nèi)燃機(jī)尾氣溫度為控制目標(biāo)，通過調(diào)節(jié)燃料電池的輸出功率的方式間接改變內(nèi)燃機(jī)空氣供給回路的組分，增加內(nèi)燃機(jī)空氣供給中的水蒸氣含量，從而增加進(jìn)氣比熱容并稀釋氧濃度，使得內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)的燃燒速度放緩，降低缸內(nèi)的最高燃燒溫度，降低內(nèi)燃機(jī)尾氣組分中氮氧化物的含量；

33、s23.尾氣氮氧化物后處理控制：在內(nèi)燃機(jī)排氣口與尾氣后處理裝置之間設(shè)置氮氧化物濃度檢測裝置，當(dāng)?shù)趸餄舛戎党^目標(biāo)閾值時(shí)，以目標(biāo)氮氧化物閾值為控制目標(biāo)，控制第二電磁閥開度以調(diào)節(jié)流向內(nèi)燃機(jī)尾氣后處理裝置中的氨氣流量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)尾氣氮氧化物組分的控制；

34、所述停機(jī)工作模式包括以下響應(yīng)過程：

35、s31.分布式發(fā)電系統(tǒng)接到停機(jī)指令時(shí)，通過控制直流電源轉(zhuǎn)換器使燃料電池先停止對(duì)外輸出功率，然后，高壓供氫子系統(tǒng)中的第四電磁閥關(guān)閉，燃料電池電堆子系統(tǒng)中的吹掃閥關(guān)閉，氫氣循環(huán)泵工作，將燃料電池陽極中的水通過氣液分離器分離出去；

36、s32.內(nèi)燃機(jī)熄火，氨裂解器加熱停止，空氣壓縮機(jī)和氫氣循環(huán)泵停止工作，通過控制高壓供氫子系統(tǒng)第四電磁閥和燃料電池電堆子系統(tǒng)吹掃閥的開度，利用儲(chǔ)氫罐中的氫氣完成燃料電池的停機(jī)吹掃；

37、s33.系統(tǒng)氨氣供應(yīng)停止；

38、s34.第三電磁閥、第四電磁閥關(guān)閉，壓氣機(jī)將回路中殘余的氫氣壓縮進(jìn)儲(chǔ)氫罐，用于后續(xù)冷啟動(dòng)；

39、s35.高、低壓下電，動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)束。

40、本發(fā)明具有以下有益效果：

41、本發(fā)明將氨氫融合內(nèi)燃機(jī)發(fā)電組與燃料電池作為一個(gè)分布式發(fā)電集群，進(jìn)行系統(tǒng)供氣架構(gòu)的統(tǒng)籌設(shè)計(jì)和控制，使得分布式發(fā)電集群中的氨裂解制氫過程的能量供給可完全寄生于內(nèi)燃機(jī)尾氣的熱功率，減少了氨裂解過程所導(dǎo)致的電加熱功率損耗；

42、本發(fā)明使高壓供氫子系統(tǒng)能夠同時(shí)滿足內(nèi)燃機(jī)和燃料電池的不同壓力梯度下的氫氣供給需求，能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定氫氣供給；

43、本發(fā)明將燃料電池電堆子系統(tǒng)和內(nèi)燃機(jī)子系統(tǒng)的空氣供給回路串聯(lián)布置，通過燃料電池功率控制實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)空氣供給組分可調(diào)，實(shí)現(xiàn)燃料電池陰極尾氣在氨氫內(nèi)燃機(jī)內(nèi)的再利用，提高了內(nèi)燃機(jī)中空氣供給回路的氣體熱容量，降低了內(nèi)燃機(jī)的燃燒溫度，從而減少內(nèi)燃機(jī)的氮氧化物排放；

44、本發(fā)明在利用散熱器給壓縮空氣進(jìn)行中冷之后，再次利用液氨蒸發(fā)過程的相變潛熱給壓縮空氣進(jìn)行二次中冷降溫。由于燃料供給和空氣供給之間具有強(qiáng)關(guān)聯(lián)特性，因此在各種空氣供給需求的條件下，液氨相變吸熱過程都能動(dòng)態(tài)消除壓縮空氣中的熱波動(dòng)，有效提高了空氣密度并增加供氣架構(gòu)的空氣進(jìn)氣量。