CN104085414B - 一种燃料电池有轨电车热量综合利用方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池有轨电车热量综合利用方法及其装置，属于燃料电池应用技术领域。本发明解决了燃料电池有轨电车热量综合利用问题。燃料电池的冷却液出口管路与冷却循环泵相连，冷却循环泵出口管路与散热器组的冷却液入口连接，散热器组的冷却液出口通过管路与燃料电池的冷却液入口相连；新风过滤器与回风道之间设有新风预热器，车厢内设有供暖散热器。主散热器布置在车顶，供暖散热器和新风预热器冬季为车厢供暖，燃料电池剩下的余热由主散热器承担。排风道散热器布置在车厢，夏季将废排风作为冷源，剩下的燃料电池余热由主散热器承担。在春秋过渡季节工况下，主散热器承担燃料电池全部的余热释放。主要用于燃料电池车辆热量综合利用。

Description

一种燃料电池有轨电车热量综合利用方法及其装置

技术领域

本发明属于燃料电池应用技术领域，特别涉及燃料电池车辆的热量综合应用技术。

背景技术

燃料电池是一般以氢氧作为反应物质、通过电化学反应把化学能转换成电能的发电装置，由于其发电过程不涉及燃料的燃烧，因而不受卡诺循环限制，发电效率高达40～50％，而且产物只有水，不会产生氮、硫、碳等氧化物，极其清洁高效，具有功率密度和能量密度高、功率范围广的优点。燃料电池有轨电车自身携带主动力源，与内燃机车辆一样灵活，完全摆脱了线路牵引供电系统，能够大幅降低有轨电车线路初期建设投资，又没有内燃机车辆的污染问题，发展潜力巨大。城轨车辆燃料电池供电技术目前国内外均尚处于发展初期。东日本铁路公司2005年研制成功一辆100kW燃料电池驱动轻轨车，储氢罐和辅助变流器安装在地板下，燃料电池系统和变流器安装在车内部，通过受电弓从接触网取电为燃料电池辅助系统供电。2007年，该公司又加装了360kWh的锂离子电池，构成两模块的燃料电池混合动力轻轨列车，并在公司内部试验线上进行了运行测试。西班牙城轨运营商FEVE于2011年10月展示了一辆小型燃料电池有轨电车，主动力为2台12kW燃料电池，驱动电机为4台30kW交流异步电机。2013年，美国TIG/m公司在Hydrail国际大会上也提出了燃料电池有轨电车概念设计。同样是2013年，我国科技部启动了“燃料电池/超级电容混合动力100％低地板有轨电车研制”的科技支撑计划项目申报工作，标志着我国正式启动了燃料电池有轨电车的研制计划。

目前，国内外燃料电池城轨车辆已有相关报道。在国内，南车成都机车车辆厂提出了“轨道混合动力机车”发明专利申请，采用内燃发电机组加蓄电装置为机车提供动力。唐车公司提出了“混合动力轨道车辆的供电方法”和“混合动力轨道车辆的供电装置、供电系统和轨道车辆”的发明专利申请，采用接触网与超级电容、蓄电池作为混合动力；唐车公司另一项发明专利申请“一种混合动力有轨电车”为发动机与超级电容和蓄电池的混合动力。在燃料电池混合动力机车方面，美国BNSF公司提出了一系列专利申请，包括氢燃料电池-蓄电池混合动力机车、冷却系统、能量管理系统等方面。美国铁路动力技术集团也提出了涉及燃料电池作为主动力的机车发动机启动方法[US7309929B1]燃料电池机车方面的发明专利。特别是燃料电池-蓄电池混合动力机车冷却系统[US8006627B1，US8171860B1]的两个专利，与本发明最为相关，但这两个专利公开的内容完全没有涉及与空调系统的热量综合管理。总之，目前国内外还未见燃料电池有轨电车、特别是燃料电池-空调系统热量综合管理的有关专利。

燃料电池利用电化学反应将化学能转换为电能，该反应是放热反应，产生电能的同时伴随热量释放。以氢气和氧气作为燃料和氧化剂的燃料电池为例，如式(1)所示，反应释放的热量为484kJ/mol，如果燃料电池单片工作电压为0.75V(如巴拉德HD6系统中，燃料电池单体工作电压基本在此水平)，则燃料电池利用氢气发电释放出的热量与发电功率基本相当，也就是说，HD6燃料电池系统发电为150kW时，释放的热量也接近150kW，因此必须利用散热器将剩余的热量释放，控制燃料电池运行在适宜的温度区间，保证燃料电池的工作性能和运行安全。

2H₂+O₂→2H₂O+ΔH (1)

对于包含有轨电车在内的城市轨道交通车辆，为满足乘客的舒适性要求，必须为车厢内空气环境配置空调系统，并考虑新风量的要求。冬季工况下，车厢内需要供热，其每节车厢热负荷约30kW，燃料电池的余热足够车厢供热所需，因此完全可以利用燃料电池余热为车厢供暖；夏季工况下，由于新风需求，车厢内需要泄压排风，而排风温度低于环境温度，因此可以作为冷源，为燃料电池散热。现有轨道交通车辆和大巴车等的燃料电池技术，燃料电池冷却系统与空调系统均采用独立系统，没有实现热量的综合管理和利用。燃料电池车辆往往只有主散热器：冬季不仅无法利用燃料电池的余热，且需要专门的电热器消耗电能为车厢供暖；而夏季一方面由于车厢内温度低于环境温度，温度较低的废冷排风无法利用，另一方面由于夏季环境温度高，主散热器散热压力大，单一的主散热器无法利用废冷排风冷量实现两者的合理结合。总之，燃料电池与空调系统热量可以综合利用，从而提高整车系统能源利用率。

发明内容

本发明的目的提供一种燃料电池有轨电车热量综合利用方法及其装置，它能有效实现燃料电池热量的综合管理和利用问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：在满足燃料电池良好散热、改善燃料电池系统工作性能的同时，考虑燃料电池与空调系统的热量综合管理，冬季由燃料电池余热为车厢供暖、夏季利用车厢废冷排风为燃料电池辅助散热，从而实现整车系统热量的有效利用和节能降耗，提高系统能量利用率。

为保证车厢内空气质量和舒适度，有轨电车一般通过空调系统引入了新风；同时为保持车厢内空气压力平衡，设置泄压废排风道或泄压排风口。出于节能考虑，传统空调系统通过调节风管阀门开度，夏季采用最小新风策略，即采用满足舒适性要求的最小新风量，而春秋过渡季采用最大新风策略。与传统系统不同的是，本发明推荐采用双风管形式，即夏季工况下的最小新风量风管和过渡季节工况下的最大新风量风管。

本发明包括燃料电池的冷却系统和车厢的空调供暖系统，一种燃料电池有轨电车热量综合利用方法，该方法基于一种燃料电池有轨电车热量综合利用装置，所述燃料电池有轨电车热量综合利用装置包括燃料电池的冷却系统和车厢的空调供暖系统，其中：燃料电池的冷却液出口管路与冷却循环泵相连，冷却循环泵出口管路与散热器组的冷却液入口连接，散热器组的冷却液出口通过管路与燃料电池的冷却液入口相连；新风过滤器与回风道之间设有新风预热器，车厢内两侧车壁下方或回风道与通风机之间的风管内设有供暖散热器，车厢顶部的排风扇与排风口的通道之间设有排风道散热器；新风预热器、供暖散热器、排风道散热器和主散热器的分支管路上均设有阀门；燃料电池的冷却液入口设有燃料电池入口温度传感器，排风道散热器冷却液出口设有排风道散热器出口温度传感器，新风预热器与回风道之间设有预热后新风温度传感器，以及车厢空气环境中设有车厢环境温度传感器，所有温度传感器都通过导线与控制器相连。

所述散热器组由新风预热器、供暖散热器、排风道散热器与主散热器构成，该散热器组通过管道连接，其连接拓扑为：所有散热器冷却液入口与出口分别以并联方式连接，或者新风预热器、供暖散热器和排风道散热器并联之后再与主散热器串联。

所述的主散热器的散热气流组织结构为吸入式。

所述冷却循环泵由并联设置的一台变速泵和一台定速泵构成，常态下由变速泵根据需要提供一定的冷却液流量，实现循环散热；当变速泵故障情况下，为保证燃料电池散热要求，定速泵作为应急投入运行。

一、根据不同的季节需要，开启或关闭所述新风预热器、供暖散热器和排风道散热器使其运行或退出运行；冬季由燃料电池的余热通过新风预热器和供暖散热器为车厢供暖；夏季利用车厢内排风道排出的废冷排风通过排风道散热器为燃料电池辅助散热，实现燃料电池与空调供暖系统的热量综合管理；

二、在冬季工况下，关闭空调制冷系统，开启通风机送风系统，同时开启供暖散热器阀门和新风预热器阀门，关闭排风道散热器阀门；调节新风预热器阀门开度，使得新风预热后达到预设的温度；调节供暖散热器阀门开度，使得车厢环境温度传感器达到预设值；在新风预热器阀门和供暖散热器阀门的开度设定后，通过控制主散热器风扇转速，使得燃料电池冷却液入口温度位于55～63℃范围内；

三、在夏季工况下，开启空调制冷系统，开启通风机送风系统，同时开启排风道散热器阀门和主散热器阀门，关闭供暖散热器阀门和新风预热器阀门，其中，当排风道散热器与主散热器并联时，调节排风道散热器阀门开度，使得排风道散热器出口冷却液温度位于55～63℃范围内；当排风道散热器与主散热器串联时，排风道散热器阀门全开；排风道散热器阀门确定后，不论主散热器与排风道散热器是串联还是并联，均通过控制主散热器风扇转速，使得燃料电池冷却液入口温度位于55～63℃范围内；

在过渡季节工况下，关闭空调系统，开启通风机送风系统，关闭供暖散热器阀门、新风预热器阀门和排风道散热器阀门，通过控制主散热器风扇转速，使得燃料电池冷却液入口温度位于55～63℃范围内。

本发明的燃料电池冷却系统包括并联的冷却液循环泵以及并联的排风道散热器、供暖散热器、新风预热器和主散热器。冷却液循环泵其中一个为定速泵，一个为变速泵，其中冷却液为50％的乙二醇水溶液。分别设置在车厢有效位置处的新风预热器、供暖散热器、排风道散热器和主散热器，通过管道并联形成散热器组，并与并联的冷却循环泵定速泵和变速泵通过管道相连，然后与燃料电池的冷却液进出口相连构成燃料电池的冷却系统，为燃料电池高效散热，确保燃料电池系统最佳的工作性能。

本发明的燃料电池入口温度传感器、排风道散热器出口温度传感器、预热后新风温度传感器、车厢环境温度传感器分别用于监测燃料电池入口处冷却液的温度、排风道散热器出口冷却液的温度、新风经新风预热器预热后的温度和车厢内的空气温度。

本发明的热量综合利用控制器，通过采集燃料电池入口温度传感器、排风道散热器出口温度传感器、预热后新风温度传感器和车厢环境温度传感器等信号，用于控制排风道散热器阀门、供暖散热器阀门、新风预热器阀门和主散热器阀门的开关及开度大小，以及变速泵、定速泵和主散热器风扇的启停和转速大小等。

本发明优选燃料电池置于有轨电车车顶，两台并联水泵同样置于车顶，通过管道与燃料电池的冷却液出口相连。设置两台并联水泵的目的，是出于可靠性考虑，常态情况下投入运行的循环泵采用变速泵，满足冷却水量调节的需求；另一台水泵为定速泵，主要作为备份，当变速泵故障停止工作时投入运行。本发明也可以只采用一台变速循环泵。

优选，主散热器与车体之间最好进行减震隔热隔音处理，并建议也放置在有轨电车车顶，且主散热器与车顶间有一定距离，并尽量利用迎风的作用。

优选，主散热器采用带风扇主动散热方式，建议采用吸入式气流组织，即空气先经过散热片，然后经由散热风扇排出。主散热器设计要确保其散热能力，在任何工况下能满足燃料电池的散热需求。

优选，排风道散热器布置在空调系统泄压废排风道内。在夏季工况下，由于空调系统处于制冷工况，车厢内温度低于环境温度，因此泄压排风(排风量接近新风量)可以作为冷源，由排风道散热器辅助散热，与主散热器配合，为燃料电池散热。冬季和过渡季节，其阀门关闭而退出运行。

供暖散热器优选布置在车厢内车壁两侧座位下方，或者布置在送风管道内，或布置在空调蒸发器和通风机之间。同时，新风预热器布置在新风管内，用于预热新风，为车厢提供暖新风，满足车厢内的新风量需求，保证舒适性。供暖散热器和新风预热器仅工作在冬季工况下，即冬季工况下，供暖散热器、新风预热器和主散热器投入运行，燃料电池的余热可以直接用于车厢供暖，且与燃料电池主散热器配合，既可以为燃料电池提供高效率的冷却，确保其最佳工作性能，同时也为车厢内提供了有效的取暖热量，达到了热量的充分利用。

在春秋过渡工况下，空调系统工作在最大新风模式下，车厢内温度通常稍高于环境温度，此时供暖热负荷或制冷冷负荷均较低，燃料电池的余热全部由主散热器负责排放。

相较于现有技术，本发明具有以下优点：①根据空调工况和环境温度，调整由主散热器、供暖散热器、新风预热器和排风道散热器组成的燃料电池散热器组工作状态，合理充分利用燃料电池废热和空调系统废排风，实现了整车系统热量的综合利用，提高了系统能源利用率；②在冬季工况下，由供暖散热器、新风预热器与主散热器共同为燃料电池散热，在提高散热能力、降低主散热器功耗和噪声污染的同时，燃料电池余热还可以直接用于车厢供暖，充分利用了燃料电池的余热，而不需空调系统或电加热器供热，节约了能源；③在夏季工况下，由于空调系统制冷，车厢内温度明显低于车厢外环境温度，车厢泄压废排风与燃料电池冷却液温差明显大于环境大气与燃料电池冷却液温差，因此本发明利用车厢泄压排风作为冷源，在泄压排风道内设置散热器，与燃料电池主散热器配合，明显提高了燃料电池冷却系统的散热能力，明显减轻主散热器的散热要求、降低了其功耗与噪声，从而大大提高了系统效率和环保性。

附图说明

图1为本发明实施例有轨电车燃料电池－空调系统示意图

图2为本发明实施例燃料电池冷却系统示意图

图3为本发明实施例冬季工况下的控制流程图

图4为本发明实施例夏季工况下的控制流程图

图5为本发明实施例过渡季节工况下的控制流程图

具体实施方式

本发明的示例性实施例将从随后的详细描述中得以解释清楚，应该理解到在披露本发明的示例性实施例的同时，详细描述的特定的实例只用于说明目的，而不应是本发明的限制范围。

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

本发明燃料电池15的冷却液出口管路与冷却循环泵相连，冷却循环泵出口管路与散热器组的冷却液入口连接，散热器组的冷却液出口通过管路与燃料电池15的冷却液入口相连；新风过滤器2与回风道7之间设有新风预热器3，车厢13内两侧车壁下方或回风道7与通风机5之间的风管内设有供暖散热器10，车厢13顶部的排风扇11与排风口12的通道之间设有排风道散热器14；新风预热器3、供暖散热器10、排风道散热器14和主散热器18的分支管路上均设有阀门；燃料电池15的冷却液入口设有燃料电池入口温度传感器23，排风道散热器14冷却液出口设有排风道散热器出口温度传感器25，新风预热器3与回风道7之间设有预热后新风温度传感器26，以及车厢13空气环境中设有车厢环境温度传感器27。所有温度传感器都通过导线与控制器24相连。

所述的散热器组由新风预热器3、供暖散热器10、排风道散热器14与主散热器18构成，该散热器组通过管道连接，其连接拓扑为：所有散热器冷却液入口与出口分别以并联方式连接或者新风预热器3、供暖散热器10和排风道散热器14并联之后再与主散热器18串联。

所述的主散热器的散热气流组织结构为吸入式。

所述冷却循环泵由并联设置的变速泵16和定速泵17构成。

所述的阀门均为电控阀，分别为新风预热器阀门21、供暖散热器阀门20、排风道散热器阀门19和主散热器阀门22。

本发明利用车辆空调供暖系统，新风依次经新风口1、新风过滤器2和新风预热器3之后，与由回风口9经回风道7来的回风混合，再依次经过空调蒸发器4、通风机5进入主风道6，再由送风口8送入车厢内。

所述的燃料电池15冷却系统包含冷却液循环泵和散热器组两大部分。这里建议循环泵采用并联双泵系统，一台变速泵16和一台定速泵17。常态下由变速泵16根据需要提供一定的冷却液流量，实现循环散热；当变速泵16故障情况下，为保证燃料电池15散热要求，定速泵17作为应急投入运行。燃料电池冷却系统散热器组由主散热器18、供暖散热器10、新风预热器3和排风道散热器14组成。

燃料电池15置于有轨电车车顶，其冷却系统中，循环水泵变速泵16和定速泵17同样置于车顶，通过管道与燃料电池15冷却液出口相连。散热器组相互并联之后，通过管道与循环水泵出口相连。冷却液流经散热器组之后，再重新流回燃料电池15，实现冷却液循环。主散热器18置于有轨电车车顶，将冷却液热量直接散发到周围大气环境。供暖散热器10安装于车厢13座位下两侧车壁，通过对流辐射释放热量，为车厢13供暖。新风预热器3安装于新风管道内，冬季时加热进入车厢13内的新风，提高车厢13内人体舒适性。排风道散热器14安装于车厢13排风通道内或泄压废排风口12，夏季利用废冷排风为燃料电池15辅助散热。

夏季工况下，供暖散热器阀门20和新风预热器阀门21关闭，主散热器阀门22和排风道散热器阀门19打开，主散热器18和排风道散热器14共同承担燃料电池15余热释放。排风道散热器阀门19的开度可以按以下方法确定：只要排风道散热器14出口温度在小于63℃，尽量增加其开度。确定了排风道散热器阀门19开度之后，再控制主散热器18风扇转速，满足燃料电池15入口冷却液温度在55～63℃范围内；控制算法可以采用简单的比例控制，或其它诸如PID、模糊控制等。当燃料电池15入口冷却液温度大于或等于66℃，主散热器18风扇转速调到最大。

冬季工况下，排风道散热器阀门19关闭，主散热器阀门22、供暖散热器阀门20和新风预热器阀门21打开，主散热器18和供暖散热器10、新风预热器3共同承担燃料电池15余热释放。新风预热器阀门21的开度根据新风送风温度要求调节，即不断增加阀门21开度直到新风温度达到预设温度。供暖散热器阀门20的开度可以根据车厢13内温度要求调节，即不断增加阀门20的开度直到车厢13内温度达到预设温度。确定了供暖散热器阀门20和新风预热器阀门21的开度之后，再控制主散热器18风扇转速，满足燃料电池15入口冷却液温度在55～63℃范围内。当燃料电池入口冷却液温度小于50℃，主散热器风扇转速调到最小甚至停转。

春秋过渡季节工况下，排风道散热器阀门19、供暖散热器阀门20和新风预热器阀门21均关闭，主散热器阀门22打开，直接控制主散热器18风扇转速，满足燃料电池15入口冷却液温度在55～63℃范围内。

如果夏季工况下不存在泄压废排风或不便于安装，则相应的排风道散热器14可以取消，从而夏季工况下燃料电池15余热也由主散热器18全部承担；如果车厢13不需要供暖设施(例如某些地区，冬季温度仍相对较高，不需要采暖)，则供暖散热器10和新风预热器3可以取消，从而冬季工况下燃料电池15余热也由主散热器18全部承担。另外，散热器组的结构拓扑也可以采用不同于图2所示的结构，比如可以采用供暖散热器10、新风预热器3和排风道散热器14并联之后再与主散热器18串联，此时排风道散热器阀门19、供暖散热器阀门20和新风预热器阀门21的开关和开度大小控制与前述相同，然后通过主散热器18风扇转速控制满足燃料电池15入口冷却液温度在55～63℃范围内即可。供暖散热器10也可以设置在新、回风混合处与通风机5之间的风管内。

本发明涉及的空调系统，实施正压送风方式，为了更好地便于夏季工况下最小新风量控制，采用了双新风风管方式，但这并非本发明只限于此；只要冬季车厢需要供暖或夏季存在主动泄压废冷排风，也不论是单新风管还是双新风管或其它新风系统或不设新风系统，本发明都能适合。虽然本发明的部分实施例已经说明和描述过，但很清楚本发明并不限定于此，本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (1)

1.一种燃料电池有轨电车热量综合利用方法，该方法基于一种燃料电池有轨电车热量综合利用装置，所述燃料电池有轨电车热量综合利用装置包括燃料电池的冷却系统和车厢的空调供暖系统，其中：燃料电池(15)的冷却液出口管路与冷却循环泵相连，冷却循环泵出口管路与散热器组的冷却液入口连接，散热器组的冷却液出口通过管路与燃料电池(15)的冷却液入口相连；新风过滤器(2)与回风道(7)之间设有新风预热器(3)，车厢(13)内两侧车壁下方或回风道(7)与通风机(5)之间的风管内设有供暖散热器(10)，车厢(13)顶部的排风扇(11)与排风口(12)的通道之间设有排风道散热器(14)；新风预热器(3)、供暖散热器(10)、排风道散热器(14)和主散热器(18)的分支管路上均设有阀门；燃料电池(15)的冷却液入口设有燃料电池入口温度传感器(23)，排风道散热器(14)冷却液出口设有排风道散热器出口温度传感器(25)，新风预热器(3)与回风道(7)之间设有预热后新风温度传感器(26)，以及车厢(13)空气环境中设有车厢环境温度传感器(27)，所有温度传感器都通过导线与控制器(24)相连；

所述散热器组由新风预热器(3)、供暖散热器(10)、排风道散热器(14)与主散热器(18)构成，该散热器组通过管道连接，其连接拓扑为：所有散热器冷却液入口与出口分别以并联方式连接，或者新风预热器(3)、供暖散热器(10)和排风道散热器(14)并联之后再与主散热器(18)串联；

所述的主散热器的散热气流组织结构为吸入式；

所述冷却循环泵由并联设置的一台变速泵(16)和一台定速泵(17)构成，常态下由变速泵(16)根据需要提供一定的冷却液流量，实现循环散热；当变速泵(16)故障情况下，为保证燃料电池(15)散热要求，定速泵(17)作为应急投入运行；

其特征在于：

一、根据不同的季节需要，开启或关闭所述新风预热器(3)、供暖散热器(10)和排风道散热器(14)使其运行或退出运行；冬季由燃料电池(15)的余热通过新风预热器(3)和供暖散热器(10)为车厢(13)供暖；夏季利用车厢(13)内排风道排出的废冷排风通过排风道散热器(14)为燃料电池(15)辅助散热，实现燃料电池(15)与空调供暖系统的热量综合管理；

二、在冬季工况下，关闭空调制冷系统，开启通风机(5)送风系统，同时开启供暖散热器阀门(20)和新风预热器阀门(21)，关闭排风道散热器阀门(19)；调节新风预热器阀门(21)开度，使得新风预热后达到预设的温度；调节供暖散热器阀门(20)开度，使得车厢环境温度传感器(27)达到预设值；在新风预热器阀门(21)和供暖散热器阀门(20)的开度设定后，通过控制主散热器(18)风扇转速，使得燃料电池(15)冷却液入口温度位于55～63℃范围内；

三、在夏季工况下，开启空调制冷系统，开启通风机(5)送风系统，同时开启排风道散热器阀门(19)和主散热器阀门(22)，关闭供暖散热器阀门(20)和新风预热器阀门(21)，其中，当排风道散热器(14)与主散热器(18)并联时，调节排风道散热器阀门(19)开度，使得排风道散热器(14)出口冷却液温度位于55～63℃范围内；当排风道散热器(14)与主散热器(18)串联时，排风道散热器阀门(19)全开；排风道散热器阀门(19)确定后，不论主散热器(18)与排风道散热器(14)是串联还是并联，均通过控制主散热器(18)风扇转速，使得燃料电池(15)冷却液入口温度位于55～63℃范围内；四、在过渡季节工况下，关闭空调系统，开启新风系统和通风机(5)送风系统，关闭供暖散热器阀门(20)、新风预热器阀门(21)和排风道散热器阀门(19)，通过控制主散热器(18)风扇转速，使得燃料电池(15)冷却液入口温度位于55～63℃范围内。