CN100355600C - 燃料电池电动机车 - Google Patents

Abstract

一种燃料电池电动机车。为提供一种性能优异、操控性好、重量平衡性佳、行进稳定性好、能源更换容易的电动机车，提出本发明，它包括车体、座椅、由控制器操控的电动机、变速机构、前轮、后轮；车体后方设有形成内部空间的后壳架、踏板区段、形成容置储氢罐承座及储氢罐的内置空间的前导流罩板及罩覆板；于后壳架内部空间内以倾斜角度配置有由储氢罐供应氢气并与电动机连接的燃料电池组；于踏板区段内部空间处设有供应组燃料电池组氧气的鼓风机；储氢罐承座上分别容置储氢罐的储氢罐插置孔槽系以车体轮轴中心线两侧平均分置，以使储氢罐与整体车体、燃料电池组的前、后、左、右配置达到最佳重心位置及重心高度。

Description

燃料电池电动机车

技术领域

本发明属于电动机车，特别是一种燃料电池电动机车。

背景技术

传统的以汽油引擎作为动力来源的机车为世界大部分国家及地区的日常重要交通工具。然而，由于其存在空气污染、噪音及能源效率低等缺点，因此各国乃积极研发及推广电动机车。

在传统的电动机车设计中，大都系以传统的电池，如铅酸电池为电力源，以供应电动机运转所需的电力。虽然利用传统电池作为电力源电动机车的发展已超过10年，但是其性能仍无法满足使用者的需求，因此，利用氢能的燃料电池电动机车就具有发展的机会。

燃料电池(Fuel Cell)系为一种藉由电化学反应直接利用令氢燃料及空气产生电力的装置。由于燃料电池具有零污染、高效率、寿命长、高能量密度等优点，故非常适合取代传统汽油或柴油引擎作为电动机车的电力源。在各种燃料电池中，质子交换膜燃料电池(PEMFC)的操作温度较低、起动迅速、体积及重量的能量密谋高，因而最具产业价值。

在燃料电池电动机车的设计中，除了电力源的供应需符合需求外，在整体机车车体及各相关构件间的空间配置亦是很重要的课题。在大部分的电动机车设计中，都会考虑将电池及储氢罐等构件配置在机车脚踏区段处，其并未考虑到整体机车在前、后、左、右等整体重心的位置关系。如此，使得机车车体的重心设计不当，在行车安全性及操控性方面自然不良。此外，由于一般电动机车设计并未善加利用机车车体的空间利用，使得车体显得突兀怪异。

发明内容

本发明的目的是提供一种性能优异、操控性好、重量平衡性佳、行进稳定性好、能源更换容易的燃料电池电动机车。

本发明包括车体、设置于车体后部的座椅、由控制器操控的电动机、与电动机输出轴连接的变速机构、前轮、与变速机构连接并被驱动的后轮；车体后方设有形成位于座椅下方的内部空间的后壳架、其由座椅下缘向前倾斜延设的踏板区段、设置于前方前导流罩板及罩覆板；前导流罩板及罩覆板之间形成容置具有储氢罐插置孔槽的储氢罐承座及插置于储氢罐插置孔槽内储氢罐的内置空间；于后壳架内部空间内以倾斜角度配置有由储氢罐经氢气管线供应氢气并以正、负极端与电动机连接的燃料电池组；于车体踏板区段内部空间处设有产生风流以供应组燃料电池组所需氧气的鼓风机；储氢罐承座上分别容置储氢罐的储氢罐插置孔槽系以车体轮轴中心线两侧平均分置，以使储氢罐与整体车体、燃料电池组的前、后、左、右配置达到最佳重心位置及重心高度。

其中：

前导流罩板系为向前掀起时使插置于容置于其内置空间内储氢罐承座储氢罐插置孔槽内的储氢罐裸露的可掀式前导流罩板。

车体踏板区段内部空间处设有位于鼓风机与燃料电池组之间以使燃料电池组在操作时保持预定湿度的加湿器。

储氢罐承座的储氢罐插置孔槽内环壁以具有小间距配置有以稳固夹置储氢罐的内衬套。

前导流罩板上开设将外界空气引入并导流至储氢罐承座处的进气栅槽及导流板。

车体踏板区段板面上开设有将外界空气引入的进气栅槽。

储氢罐系采用为可以气冷却方式冷却的铁钛(FeTi)合金储氢罐。

储氢罐系采用为藉水冷却装置以水冷却方式冷却的镧镍(LaNi)合金储氢罐。

水冷却装置包括配置于车体前方可掀式前导流罩板及罩覆板形成的内置空间内的散热器、散热风扇、冷却水容置槽及水泵；冷却水容置槽与散热器及水泵之间以冷却水管线连接，水泵以冷却水管线与储氢罐承座连接。

以冷却水管线与水泵连接的储氢罐承座储氢罐插置孔槽与储氢罐外表面间的空间以热水引流管线经冷却水水泵连通至冷却水容置槽及由散热器及散热风扇组成的热交换装置；热交换装置经冷水送出管线与燃料电池组的冷水入口连接；燃料电池组热水出口以热水引出管线与储氢罐承座储氢罐插置孔槽与储氢罐外表面间的空间连接。

由于本发明包括车体、座椅、由控制器操控的电动机、变速机构、前轮、后轮；车体后方设有形成内部空间的后壳架、踏板区段、形成容置储氢罐承座及储氢罐的内置空间的前导流罩板及罩覆板；于后壳架内部空间内以倾斜角度配置有由储氢罐供应氢气并与电动机连接的燃料电池组；于踏板区段内部空间处设有供应组燃料电池组氧气的鼓风机；储氢罐承座上分别容置储氢罐的储氢罐插置孔槽系以车体轮轴中心线两侧平均分置，以使储氢罐与整体车体、燃料电池组的前、后、左、右配置达到最佳重心位置及重心高度。运转时，储氢罐内所储存的氢气经由氢气管线及必要组件，供应至燃料电池组；并由以以正、负极端与电动机连接的燃料电池组驱动电动机转动，以经变速机构驱动后轮转动；当储氢罐中的氢氧用完需予以更换时，可将空的储氢罐由储氢罐承座的储氢罐插置孔槽中予以取出，以更换一新的储氢罐，操作者可很容易地完成储氢罐的更换作业；整体机车重心位于实质中心位置，有利于机车的操控及行进的稳定性；各构件的妥善安排，使得机车重心高度恰当，在高速行驶时仍保持良好的稳定性；储氢罐的配置考虑到机车在前、后、左、右各方向的平衡，并搭配各相关构件，特别是燃料电池组的空间安排，恰可达到整体机车的重量平衡，有助于行车的稳定性；燃料电池组恰位于机车重心位置而与储氢罐形成前后稳定重心，并有效利用机车车体空间；不仅性能优异、操控性好，而且重量平衡性佳、行进稳定性好、能源更换容易，从而达到本发明的目的。

附图说明

图1、为本发明结构示意立体图(气冷却)。

图2、为本发明结构示意立体图(气冷却、导流罩板开启状态)。

图3、为本发明结构示意立体图(气冷却储氢罐自储氢罐承置槽孔中分离状态)。

图4、为本发明结构示意侧视图(气冷却)。

图5、为本发明结构示意俯视图(气冷却)。

图6、为本发明结构示意正视图(气冷却)。

图7、为本发明结构示意立体图(水冷却、导流罩板开启状态)。

图8、为本发明结构示意侧视图(水冷却)。

图9、为本发明储氢罐承座、储氢罐及相关管线连接配合立体图(水冷却)。

图10、为本发明储氢罐承座与储氢罐结构示意剖视立体图(水冷却)。

图11、为本发明各相关组件间管线连接示意图(水冷却)。

具体实施方式

如图1、图2、图3、图4、图5、图6所示，本发明燃料电池电动机车1包括配置各相关组件的车体11、设置于车体11后部的座椅12、电动机13、与电动机13输出轴连接的变速机构14、前轮15a、与变速机构14连接并被驱动的后轮15b、控制器(Engine Controller)16、机车操作器(Motor DriveControl)17、以正、负(+、-)极端与电动机13连接的燃料电池组(Fuel CellStack)2、供应燃料电池组2启动所需电力的启动电池、加湿器3、鼓风机4、储氢罐承座5及储氢罐6。

车体11后方设有形成位于座椅12下方的内部空间的后壳架11a，其由座椅12下缘开始一体向前倾斜延设形成V形连接框架的踏板区段11b；车体11前方设有相互之间形成内置空间的可掀式前导流罩板11c及罩覆板11d；于前导流罩板11c底部邻近前轮15a后上方内置空间形成可供斜向配置储氢罐承座5的储氢罐储放空间；在前导流罩板11c及后壳架11a踏板区段11b板面上分别开设进气栅槽18并设有导流板181。

控制器16系用以控制电动机13、变速机构14动作。

机车操作器17系用以控制机车行进时各项操作功能，如方向灯、刹车灯、照明灯、警示灯等开关。

控制器16、机车操作器17安装于车体11后壳架11a内部空间内适当位置处。

燃料电池组2系以倾斜适当角度配置于后壳架11a内部空间内，以有助于燃料电池组2运转时所产生的水的引流管理。

启动电池系为配置于车体11后壳架11a内部空间内的铅酸电池。

加湿器3及鼓风机4系设置于车体11后壳架11a踏板区段11b内部空间处，并令鼓风机4位于加湿器3前方。藉由加湿器3使燃料电池组2在操作时得以保持预定的湿度状态，并藉由鼓风机4产生的风流，以供应给燃料电池组2操作时所需的氧气，并于鼓风机前或后另加装空气过滤器，以过滤空气中的杂质。

如图2、图3、图6所示，储氢罐承座5具有分别容置储氢罐6并以车体11轮轴中心线两侧平均分置的四个储氢罐插置孔槽51。如此，使储氢罐6与整体车体11、燃料电池组2的前、后、左、右配置达到最佳重心位置及重心高度。且于储氢罐插置槽51底端具有可供储氢罐6衔接的接头，以使储氢罐6内所储存的氢气经由氢气管线及必要组件，如氢气阀及压力调节器而可供应至燃料电池组2。

当储氢罐6中的氢氧用完时，即需予以更换。在储氢罐6的更换作业中，操作者只需将前导流罩板11c掀起，即可将空的储氢罐6由储氢罐承座5的储氢罐插置孔槽51中予以取出，以更换一新的储氢罐6。因此，操作者无须屈身或蹲下，即可很容易地完成储氢罐6的更换作业。

储氢罐6顶端设有便于拿取其的握持端61，其底端设有中央开口及卡制杆62。

储氢罐6系采用低温型合金罐(Metal Hydride Hydrogen StorageCanisters)，例如铁钛(FeTi)合金储氢罐，其在常温操作条件下即有良好的释氢能力。故储氢罐6可以气冷方式达到适当的工作温度。为达到气冷的效果，藉由开设于前导流罩板11c上的进气栅槽18引入外界空气，并经导流板181导流至储氢罐承座5处，以使储氢罐6的温度不致过高；并藉由开设于后壳架11a踏板区段11b板面上进气栅槽18a，以使燃料电池组2具有较佳的散热效果。

如图7、图8所示，储氢罐6’亦可采用高温型合金储氢罐，例如，镧镍(LaNi)合金储氢罐，其操作温度大约在45℃以上。故，储氢罐6’及燃料电池组系以水冷却装置达到适当的工作温度。为达到水冷的效果，并藉由开设于前导流罩板11c上的进气栅槽18引入外界空气，以搭配散热器7、散热风扇71而达到热交换的目的，以使储氢罐6’的温度不致过高；并藉由开设于后壳架11a踏板区段11b板面上进气栅槽18a，以使燃料电池组2具有较佳的散热效果。

水冷却装置包括配置于车体11前方可掀式前导流罩板11c及罩覆板11d形成的内置空间内的散热器7、散热风扇71、冷却水容置槽8及水泵9。冷却水容置槽8与散热器7及水泵9之间以冷却水管线81、82连接，水泵9以冷却水管线83与储氢罐承座5连接。

如图9、图10所示，储氢罐承座5系以左、右平衡配置的方式形成四个分别容置一储氢罐6’的储氢罐插置孔槽51，于储氢罐插置孔槽51底端形成内部具有连通空间的底座52，并于储氢罐插置孔槽51内部底端设有卡合座53及结合孔54，卡合座53环缘处形成一对卡制槽道55；于储氢罐插置孔槽51的内环壁面以具有小间距配置有内衬套56。

当储氢罐6’(6)对准置入储氢罐承座5储氢罐插置孔槽51中再施力旋转时，便可使储氢罐6’(6)前端的卡制杆62恰旋入并卡制于储氢罐承座5储氢罐插置孔槽51卡合座53环缘的一对卡制槽道55中，故使得储氢罐6’(6)藉以紧密结合于储氢罐承座5的卡合座53上，并使储氢罐6’(6)的中央开口恰对应接合于结合孔54，从而可将储氢罐6’(6)中储存的氢气经由底座52、其内部的连通空间及氢气管线500而供应至燃料电池组2的氢气入口，并藉由以小间距配置于储氢罐插置孔槽51内环壁面内的内衬套56，以使容置于储氢罐插置孔槽51中的储氢罐6’(6)可稳固夹置于储氢罐插置孔槽51中。并由于储氢罐6’(6)系采用斜向插置的方式容置于储氢罐承座5的储氢罐插置孔槽51中，故即使车体11在行进中产生震动时，亦可大大降低可能引起的松脱问题。

如图9所示，为了使储氢罐承座5储氢罐插置孔槽51内所容置的储氢罐6’温度受到控制，故在储氢罐插置孔槽51处连设贯通的管线接头57、58，并以连通管501、502、503予以连通，并以热水引出管线505连接至燃料电池组2的热水出口21，以将燃料电池组2于运转时所产生的热水予以引流出。如图7所示，热水引流管线504系连接至水泵9。

如图11所示，燃料电池组2热水出口21以热水引出管线505与储氢罐承座5储氢罐插置孔槽51与储氢罐6’外表面间的空间连接；储氢罐承座5储氢罐插置孔槽51与储氢罐6’外表面间的空间以热水引流管线504经冷却水水泵9连通至冷却水容置槽8及由散热器7及散热风扇71组成的热交换装置；热交换装置经冷水送出管线506与燃料电池组2的冷水入口22连接。

运转时，燃料电池组2在操作时所产生热量热交换形成的热水自其热水出口21经由热水引出管线505引流至储氢罐承座5中，并流通于各储氢罐插置孔槽51与储氢罐6’外表面间的空间内。如上可使储氢罐6’加温而得以操作在适当的释氢温度。经过储氢罐插置孔槽51与储氢罐6’外表面间的空间后的水会由热水引流管线504引出，再由冷却水水泵9抽送至冷却水容置槽8，并经由散热器7及散热风扇71组成的热交换装置予以冷却，最后冷却水再经由冷水送出管线506送至燃料电池组2的冷水入口22，以使燃料电池组6’得到冷却效果。

如上所述，本发明具有下列优点：

1、整体机车重心位于实质中心位置，有利于机车的操控及行进的稳定性。

2、各构件的妥善安排，使得机车重心高度恰当，在高速行驶时仍保持良好的稳定性。

3、储氢罐的配置考虑到机车在前、后、左、右各方向的平衡，并搭配各相关构件，特别是燃料电池组的空间安排，恰可达到整体机车的重量平衡，有助于行车的稳定性。

4、储氢罐在更换时，只要掀起前导流罩板，即可轻易予以取出更换。

5、储氢罐系采斜向配置，故在更换抽取时，操作者无须屈身或蹲下，即可很容易予以更换。且斜向插置的储氢罐，使机车在行进时降低了因震动而引起的松脱问题。

6、燃料电池组恰位于机车重心位置而与储氢罐形成前后稳定重心，并有效利用机车车体空间。

7、燃料电池组倾斜配置，有助于运转时所产生的水管理及水引流问题。

8、散热器置于前导流罩板内，可有效导流及达到最大的冷却效果。

Claims (10)

1、一种燃料电池电动机车，它包括车体、设置于车体后部的座椅、由控制器控制的电动机、与电动机输出轴连接的变速机构、前轮、与变速机构连接并被驱动的后轮；车体后方设有形成位于座椅下方的内部空间的后壳架、其由座椅下缘向前倾斜延设的踏板区段、设置于前方前导流罩板及罩覆板；其特征在于所述的前导流罩板及罩覆板之间形成容置具有储氢罐插置孔槽的储氢罐承座及插置于储氢罐插置孔槽内储氢罐的内置空间；于后壳架内部空间内以倾斜角度配置有由储氢罐经氢气管线供应氢气并以正、负极端与电动机连接的燃料电池组；于车体踏板区段内部空间处设有产生风流以供应组燃料电池组所需氧气的鼓风机；储氢罐承座上分别容置储氢罐的储氢罐插置孔槽系以车体轮轴中心线两侧平均分置，以使储氢罐与整体车体、燃料电池组的前、后、左、右配置达到最佳重心位置及重心高度。

2、根据权利要求1所述的燃料电池电动机车，其特征在于所述的前导流罩板系为向前掀起时使插置于容置于其内置空间内储氢罐承座储氢罐插置孔槽内的储氢罐裸露的可掀式前导流罩板。

3、根据权利要求1所述的燃料电池电动机车，其特征在于所述的车体踏板区段内部空间处设有位于鼓风机与燃料电池组之间以使燃料电池组在操作时保持预定湿度的加湿器。

4、根据权利要求1所述的燃料电池电动机车，其特征在于所述的储氢罐承座的储氢罐插置孔槽内环壁以具有小间距配置有以稳固夹置储氢罐的内衬套。

5、根据权利要求1所述的燃料电池电动机车，其特征在于所述的前导流罩板上开设将外界空气引入并导流至储氢罐承座处的进气栅槽及导流板。

6、根据权利要求1所述的燃料电池电动机车，其特征在于所述的车体踏板区段板面上开设有将外界空气引入的进气栅槽。

7、根据权利要求1所述的燃料电池电动机车，其特征在于所述的储氢罐系采用为可以气冷却方式冷却的铁钛(FeTi)合金储氢罐。

8、根据权利要求1所述的燃料电池电动机车，其特征在于所述的储氢罐系采用为藉水冷却装置以水冷却方式冷却的镧镍(LaNi)合金储氢罐。

9、根据权利要求1、2或8所述的燃料电池电动机车，其特征在于所述的水冷却装置包括配置于车体前方可掀式前导流罩板及罩覆板形成的内置空间内的散热器、散热风扇、冷却水容置槽及水泵；冷却水容置槽与散热器及水泵之间以冷却水管线连接，水泵以冷却水管线与储氢罐承座连接。

10、根据权利要求9所述的燃料电池电动机车，其特征在于所述的以冷却水管线与水泵连接的储氢罐承座储氢罐插置孔槽与储氢罐外表面间的空间以热水引流管线经冷却水水泵连通至冷却水容置槽及由散热器及散热风扇组成的热交换装置；热交换装置经冷水送出管线与燃料电池组的冷水入口连接；燃料电池组热水出口以热水引出管线与储氢罐承座储氢罐插置孔槽与储氢罐外表面间的空间连接。

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