CN103192730B - 一种基于燃料电池的机车牵引动力系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于燃料电池的机车牵引动力系统，燃料氢气供给模块包括储氢装置、减压阀、第一过滤器、压力开关和第一电磁阀；储氢装置通过氢气供给管道与燃料电池氢气入口连通，减压阀、第一过滤器、压力开关和第一电磁阀依次设置在氢气供给管道上，储氢装置内的氢气分别通过减压阀、第一过滤器、压力开关和第一电磁阀进入到电堆内，优点是本系统可通过调节空气供给流量来实时改变系统总输出功率，实现调控牵引电机转速从而控制机车的速度，实现了燃料电池与动力系统的集成以及高度自动化运行。应用氢燃料电池到机车牵引动力系统，可减少温室气体的排放总量、可减少运输线路周围环境污染、可降低铁路运输对石油燃料的依赖虚。

Description

一种基于燃料电池的机车牵引动力系统

技术领域

 本发明涉及一种燃料电池，尤其是涉及一种基于燃料电池的机车牵引动力系统。

背景技术

 随着环境的不断恶化以及能源危机的加剧，能源研究者们将目光聚焦于新能源技术的研发上。燃料电池技术作为一种无污染、效率高，低噪音的新能源符合未来工业发展的趋势。燃料电池是一种将外部供应的燃料和氧化剂的化学能通过电化学反应直接转化为电能、热能和其他反应物的发电装置。目前的燃料电池应用到机车牵引动力系统存在如下问题：无法利用燃料电池集成系统为机车牵引电机提供动力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于燃料电池的机车牵引动力系统。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于燃料电池的机车牵引动力系统，包括电堆、燃料氢气供给模块、燃料空气供给模块和水循环模块，所述的燃料氢气供给模块与电堆的燃料电池氢气入口连通，所述的燃料空气供给模块与电堆的燃料电池空气入口连通，所述的水循环模块与燃料电池冷却管路连通，其特征在于所述的燃料氢气供给模块包括储氢装置、减压阀、第一过滤器、压力开关和第一电磁阀；储氢装置通过氢气供给管道与燃料电池氢气入口连通，减压阀、第一过滤器、压力开关和第一电磁阀依次设置在氢气供给管道上，储氢装置内的氢气分别通过减压阀、第一过滤器、压力开关和第一电磁阀进入到电堆内。

靠近储氢装置的氢气供给管道上设置有泄气管路，所述的泄气管路包括第一分支管路，所述的第一分支管路上设置有手动阀门，所述的第一过滤器与压力开关之间的氢气供给管道上设置有气压恒定装置，所述的气压恒定装置能使氢气供给管道内的氢气保持恒定，所述的气压恒定装置包括第二分支管路、第二电磁阀和安全阀，所述的第二电磁阀设置在第二分支管路上，所述的安全阀跨接在第二电磁阀两端。

第一分支管路与减压阀之间设置有第一压力表，减压阀与第一过滤器之间设置有第二压力表，第一过滤器与气压恒定装置之间设置有第三压力表，气压恒定装置与所述的压力开关之间设置有压力传感器，所述的压力传感器将氢气供给管道中的压力数据传送到动力控制系统。

燃料空气供给模块包括第二过滤器、质量流量计和空气压缩机，空气供给管路与燃料电池空气入口连通，第二过滤器、质量流量计和空气压缩机依次设置在空气供给管道上，空气分别通过第二过滤器、质量流量计和空气压缩机进入到电堆内。

水循环模块包括去离子水容器、第一水泵、液体流量计和第一散热器，去离子水容器通过进水管道与燃料电池冷却管路的入口连通，燃料电池冷却管路的出口通过回水管道与去离子水容器连通，回水管道上依次设置有第一水泵、液体流量计和第一散热器，去离子水容器内的去离子水通过进水管道进入到燃料电池冷却管路内，燃料电池冷却管路内的去离子水依次经过第一水泵、液体流量计和第一散热器回到去离子水容器内。

靠近燃料电池冷却管路入口的进水管道上设置有温度传感器和压力传感器。

水循环模块还包括燃料电池冷凝器和氢气控制器，所述的去离子水容器与燃料电池冷凝器的入口连通，去离子水容器通过节流阀与氢气控制器的入口连通，燃料电池冷凝器的出口与氢气控制器的出口连通并与第二水泵连通，第二水泵通过第二散热器与氢气控制器的入口连通，燃料电池冷凝器和氢气控制器流出的去离子水在第二水泵的作用下流经第二散热器，第二散热器出来的去离子水可重复进入到燃料电池冷凝器和氢气控制器内。

所述的压力开关包括机械式压力开关和具有报警和检测功能的电子式压力开关。

与现有技术相比，本发明的优点是本系统可通过调节空气供给流量来实时改变系统总输出功率，实现调控牵引电机转速从而控制机车的速度，实现了燃料电池与动力系统的集成以及高度自动化运行。机车牵引电机消耗燃料电池堆输出总功率的83%左右，能源使用效率比较高，应用氢燃料电池到机车牵引动力系统，可减少温室气体的排放总量、可减少运输线路周围环境污染、可降低铁路运输对石油燃料的依赖。

附图说明

图1为本发明的结构图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

一种基于燃料电池的机车牵引动力系统，包括电堆1、燃料氢气供给模块2、燃料空气供给模块3和水循环模块4，燃料氢气供给模块2与电堆1的燃料电池氢气入口11连通，燃料空气供给模块3与电堆1的燃料电池空气入口12连通，水循环模块4与燃料电池冷却管路5连通，燃料氢气供给模块2包括储氢装置21、减压阀22、第一过滤器23、压力开关24和第一电磁阀25；储氢装置21通过氢气供给管道26与燃料电池氢气入口11连通，减压阀22、第一过滤器23、压力开关24和第一电磁阀25依次设置在氢气供给管道26上，储氢装置21内的氢气分别通过减压阀22、第一过滤器23、压力开关24和第一电磁阀25进入到电堆1内。

靠近储氢装置21的氢气供给管道26上设置有泄气管路，泄气管路包括第一分支管路27，第一分支管路27上设置有手动阀门28，第一过滤器23与压力开关24之间的氢气供给管道26上设置有气压恒定装置，气压恒定装置能使氢气供给管道26内的氢气保持恒定，气压恒定装置包括第二分支管路29、第二电磁阀291和安全阀292，第二电磁阀291设置在第二分支管路29上，安全阀292跨接在第二电磁阀291两端。

第一分支管路27与减压阀22之间设置有第一压力表293，减压阀22与第一过滤器23之间设置有第二压力表294，第一过滤器23与气压恒定装置之间设置有第三压力表295，气压恒定装置与压力开关24之间设置有压力传感器296，压力传感器296将氢气供给管道26中的压力数据传送到动力控制系统。

燃料空气供给模块3包括第二过滤器32、质量流量计33和空气压缩机34，空气供给管路35与燃料电池空气入口12连通，第二过滤器32、质量流量计33和空气压缩机34依次设置在空气供给管道35上，空气分别通过第二过滤器32、质量流量计33和空气压缩机34进入到电堆1内。

水循环模块4包括去离子水容器41、第一水泵42、液体流量计43和第一散热器44，去离子水容器41通过进水管道45与燃料电池冷却管路5的入口51连通，燃料电池冷却管路5的出口52通过回水管道46与去离子水容器41连通，回水管道46上依次设置有第一水泵47、液体流量计43和第一散热器44，去离子水容器41内的去离子水通过进水管道45进入到燃料电池冷却管路5内，燃料电池冷却管路5内的去离子水依次经过第一水泵42、液体流量计43和第一散热器44回到去离子水容器41内。

靠近燃料电池冷却管路5入口的进水管道45上设置有温度传感器48和压力传感器49。

水循环模块4还包括燃料电池冷凝器50和氢气控制器61，去离子水容器41与燃料电池冷凝器5的入口53连通，去离子水容器41通过节流阀62与氢气控制器51的入口连通，燃料电池冷凝器5的出口54与氢气控制器51的出口55连通并与第二水泵56连通，第二水泵56通过第二散热器57与氢气控制器51的入口58连通，燃料电池冷凝器50和氢气控制器61流出的去离子水在第二水泵56的作用下流经第二散热器57，第二散热器57出来的去离子水可重复进入到燃料电池冷凝器50和氢气控制器61内。

氢气由储氢罐21释放进入系统管道,具有一定压力的氢气经过减压阀22将压力降至动力系统可使用范围，降压后的氢气经过过滤器23再次净后通过具有保护作用的机械式压力开关和具有报警和监测功能的电子式压力开关24，当电磁阀25开启时将氢气输入燃料电池氢气入口11。第一分支管路27中手动阀门28可将储氢罐21中不使用的剩余气体排空；管道上配有压力表293、294、295（PG1/PG2/PG3）用来检测管路中氢气的压力状态，以便操作人员对系统用气量直观查看；PT1压力传感器296负责将管路中的压力数据采集，将数据传输到动力控制系统；第二分支管路29中由电磁阀291和安全阀292与压力开关形成互锁关系，维持氢气供气管路中压力稳定。

空气首先经过过滤器32滤除杂质，管道上配置质量流量计33监测系统运行时实时空气需求量值，同时将该值反馈到控制系统，控制系统根据系统运行状态调节空气压缩机34的转速，使得空气流量满足系统要求。

去离子水容器41内充满符合电导率要求的去离子水，首先将容器内的去离子水加进燃料电池冷却回路5、冷凝器冷却器50、氢气控制器61冷却回路，确保冷却回路管道中充满液体。

燃料电池冷却回路5——当动力系统在运行状态时，随着燃料电池发电功率的增加系统产生的热量也逐步增长，动力系统调节冷却液循环流速，冷却液通过散热器44将其含有的热量带走。控制系统根据温度传感器的反馈值与系统设定值的差值调控散热器44风机的转速，将燃料电池的工作温度控制在要求范围内。

冷凝器冷却器50、氢气控制器61冷却回路——启动动力系统，同步启动第二水泵56使得这两个回路的冷却液以一固定的流速循环起来，冷却液通过散热器57将其含有的热量释放，维持这两个回路的工作环境温度。

Claims (1)

1.一种基于燃料电池的机车牵引动力系统，包括电堆、燃料氢气供给模块、燃料空气供给模块和水循环模块，所述的燃料氢气供给模块与电堆的燃料电池氢气入口连通，所述的燃料空气供给模块与电堆的燃料电池空气入口连通，所述的水循环模块与燃料电池冷却管路连通，其特征在于所述的燃料氢气供给模块包括储氢装置、减压阀、第一过滤器、压力开关和第一电磁阀；储氢装置通过氢气供给管道与燃料电池氢气入口连通，减压阀、第一过滤器、压力开关和第一电磁阀依次设置在氢气供给管道上，储氢装置内的氢气分别通过减压阀、第一过滤器、压力开关和第一电磁阀进入到电堆内；

靠近储氢装置的氢气供给管道上设置有泄气管路，所述的泄气管路包括第一分支管路，所述的第一分支管路上设置有手动阀门，所述的第一过滤器与压力开关之间的氢气供给管道上设置有气压恒定装置，所述的气压恒定装置能使氢气供给管道内的氢气保持恒定，所述的气压恒定装置包括第二分支管路、第二电磁阀和安全阀，所述的第二电磁阀设置在第二分支管路上，所述的安全阀跨接在第二电磁阀两端；

第一分支管路与减压阀之间设置有第一压力表，减压阀与第一过滤器之间设置有第二压力表，第一过滤器与气压恒定装置之间设置有第三压力表，气压恒定装置与所述的压力开关之间设置有压力传感器，所述的压力传感器将氢气供给管道中的压力数据传送到动力控制系统；

燃料空气供给模块包括第二过滤器、质量流量计和空气压缩机，空气供给管路与燃料电池空气入口连通，第二过滤器、质量流量计和空气压缩机依次设置在空气供给管道上，空气分别通过第二过滤器、质量流量计和空气压缩机进入到电堆内；水循环模块包括去离子水容器、第一水泵、液体流量计和第一散热器，去离子水容器通过进水管道与燃料电池冷却管路的入口连通，燃料电池冷却管路的出口通过回水管道与去离子水容器连通，回水管道上依次设置有第一水泵、液体流量计和第一散热器，去离子水容器内的去离子水通过进水管道进入到燃料电池冷却管路内，燃料电池冷却管路内的去离子水依次经过第一水泵、液体流量计和第一散热器回到去离子水容器内；

靠近燃料电池冷却管路入口的进水管道上设置有温度传感器和压力传感器；

水循环模块还包括燃料电池冷凝器和氢气控制器，所述的去离子水容器与燃料电池冷凝器的入口连通，去离子水容器通过节流阀与氢气控制器的入口连通，燃料电池冷凝器的出口与氢气控制器的出口连通并与第二水泵连通，第二水泵通过第二散热器与氢气控制器的入口连通，燃料电池冷凝器和氢气控制器流出的去离子水在第二水泵的作用下流经第二散热器，第二散热器出来的去离子水可重复进入到燃料电池冷凝器和氢气控制器内；

所述的压力开关包括机械式压力开关和具有报警和检测功能的电子式压力开关。