CN107856565A - 一种复合式空铁驱动系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合式空铁驱动系统，包括超级电容模块、第一控制模块、氢燃料电池组、气体控制模块、锂电池模块，氢燃料电池组的输出端与锂电池模块的充电输入端相连，氢燃料电池组的正极并联于超级电容模块和第一控制模块的正极公共连接点上，氢燃料电池组的负极并联于超级电容模块和第一控制模块的负极公共连接点上；锂电池模块和超级电容模块分别通过总线与第一控制模块的信号输入端相连；气体控制模块的信号输入端与第一控制模块的信号输出端相连；第一控制模块用于监测氢燃料电池组、超级电容模块的反馈数据、并向气体控制模块发出指令。本发明用以解决现有技术中空铁不便长距离运行的问题，实现为空铁持续稳定的提供能源的目的。

Description

一种复合式空铁驱动系统
技术领域
本发明涉及空铁驱动领域，具体涉及一种复合式空铁驱动系统。
背景技术
空铁，即悬挂式空中单轨交通系统，与地铁和有轨电车不同，空铁的轨道在上方，是悬挂在空中轨道上运行的一种轨道交通。空铁是一种新型新能源公共交通，集城市快速公交(BRT)与地铁的优点于一身，具有缓解交通拥堵、载客效率高、成本低、建设周期短、不占用停车场、节能环保等众多优点。人类对新能源的广泛运用，导致了二次电池市场的急速扩大。当前新能源体系中对二次电池的要求无处不在。无论是电动汽车，风能，太阳能并网还是电网调峰，都急需一种廉价，可靠，安全和寿命长的二次电池。目前所发展的二次电池主要集中在锂离子电池，高温钠硫电池，钠镍氯电池和钒液流电池。这些电池都具有各自的优点，比如锂离子电池和高温钠硫电池寿命长以及能量密度高，钒液流电池更是理论上具备无限的寿命等。但无论哪种电池，都无法同时满足廉价，可靠，安全和寿命长的要求。传统的锂离子电池过于昂贵，且有安全隐患；高温钠硫电池制造技术门槛高，售价昂贵；钒液流电池多项技术瓶颈目前都未能获得突破等。特别是对于空铁而言，动力蓄电池包需要安装在轨道箱梁内，由于空间限制、加上单体蓄电池的性能有限，一个电池包的电量只能运行100公里左右，远远不能满足长距离运行的要求，极大的限制了空铁技术的大规模推广。针对上述问题，现有技术只能够采用换电池包或使用燃料电池的方法，但是每天更换3-4次电池包不仅流程复杂，还要配置专门的充电站，成本居高，严重影响运行效率和成本。此外，燃料电池内部动态响应特性和各个系统间的功率分配问题都存在技术上的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供用于驱动新能源空铁的氢燃料电池单体结构，以解决现有技术中空铁不便长距离运行的问题，实现为空铁持续稳定的提供能源的目的。
本发明通过下述技术方案实现：
一种复合式空铁驱动系统，包括超级电容模块、第一控制模块、氢燃料电池组、气体控制模块、锂电池模块，氢燃料电池组的输出端与锂电池模块的充电输入端相连，氢燃料电池组的正极并联于超级电容模块和第一控制模块的正极公共连接点上，氢燃料电池组的负极并联于超级电容模块和第一控制模块的负极公共连接点上；锂电池模块和超级电容模块分别通过总线与第一控制模块的信号输入端相连；所述气体控制模块的信号输入端与第一控制模块的信号输出端相连；所述气体控制模块用于控制向氢燃料电池组的气体供给；所述第一控制模块用于监测氢燃料电池组、超级电容模块的反馈数据、并向气体控制模块发出指令。
针对现有技术中空铁不便长距离运行的问题，本发明提出一种复合式空铁驱动系统，氢燃料电池组作为发电部件，通过氢气和氧气进行发电，氢燃料电池组产生的电量传输至锂电池模块，对锂电池模块进行充电储存电力。氢燃料电池组的正极并联于超级电容模块和第一控制模块的正极公共连接点上，氢燃料电池组的负极并联于超级电容模块和第一控制模块的负极公共连接点上，因此通过氢燃料电池对第一控制模块进行供电，同时通过超级电容进行稳压，使得发电输出不稳定的燃料电池能够稳定的向锂电池模块和第一控制模块输出电力。第一控制模块通过总线读取氢燃料电池组和超级电容模块的工作参数，并以此为依据向气体控制模块发出控制指令，从而控制向氢燃料电池组的气体供给，以此实时调整整个系统的运行情况，以此解决现有技术中燃料电池内部动态响应特性不足的问题，达到实时调控氢燃料电池组工作状态的效果。
优选的，所述第一控制模块内包括用于调节输入电流的直流斩波器。直流斩波器，即DC/DC，用于调节驱动第一控制模块工作的电流，使得第一控制模块的控制更加平稳快速的进行，同时还能够起到节能省电的效果，具有优良的经济效益。
优选的，所述总线为CAN总线。
优选的，所述氢燃料电池组内包括电压检测单元、气压检测单元、温度检测单元，所述电压检测单元、气压检测单元、温度检测单元分别用于检测氢燃料电池组内的电压、气压、温度，所述电压检测单元、气压检测单元、温度检测单元的信号输出端均连接至第一控制模块的信号输入端。即是分别通过电压检测单元、气压检测单元、温度检测单元对氢燃料电池组内的电压、气压、温度进行检测，并将检测信号传输至第一控制模块，由第一控制模块根据电压、气压、温度参数，利用预设的方法进行控制即可。具体的，可在第一控制模块内预设电压、气压、温度阈值，上电压、气压、温度中有一个检测值超过预设的对应阈值时，则第一控制模块向气体控制模块发出指令，控制气体控制模块降低对氢燃料电池组的气体输入，从而降低氢燃料电池组的发电速率，以此降低气压、电压、温度，实现安全可靠的自动控制功能。
进一步的，所述氢燃料电池组由若干个氢燃料电池单体串联而成，所述氢燃料电池单体包括壳体、位于壳体内的电池本体，所述壳体上设置氢气入口、空气入口，所述电池本体位于氢气入口和空气入口之间，所述电池本体包括依次设置的阴极、氢气催化层、氢离子扩散腔、质子交换膜、反应腔、阳极，所述阴极与氢气入口相连通，所述阳极与空气入口相连通，所述壳体内还设置有均压腔，所述均压腔位于氢气入口与阴极之间，所述均压腔分别与氢气入口、阴极相连通。本方案通过氢气入口向阴极上供入氢气，阴极上的氢气在氢气催化层的催化作用下发生氧化反应被解离成带正电的氢离子和电子，其中，产生的电子在电势的作用下经外电路流向阴极形成电流，氢离子则穿过氢离子扩散腔、经质子交换膜到达贴近阳极的反应腔处、向着阳极方向进行扩散，阳极与空气入口相连，因此空气中的氧气会附着在阳极上，氧气在阳极上被拆分成带负电的氧离子和电子，电子在电极板之间形成电流，从而实现能够持续供电的氢燃料电池。本发明装配在空铁的电池包内即可，仅需提供稳定的氢气供给即可长期工作，随着空铁的高速运行，空气能够自动进入阳极方向，从而源源不断的产生电力对空铁仅需牵引，不需要建设高压电、变电站、充电站等额外基础设备，减少大量建设和备用锂电池成本。在有高压电地区能够节省建设成本，而在较为落后的没有高压电的野外等，也能够提供足够的动力，使得大规模、远距离建设空铁成为可能。所述壳体内还设置有均压腔，所述均压腔位于氢气入口与阴极之间，所述均压腔分别与氢气入口、阴极相连通。通过均压腔使得从氢气入口进入的氢气气压快速的与电池本体内部相平衡，确保反应自然流畅的进行。
优选的，所述均压腔包括若干层并排的格栅板，相邻两层格栅板之间的距离为3～5mm，相邻两层格栅板之间的孔洞交错排布。处于高压状态下的氢气具有非常大的流速，直接与阴极接触会导致利用率十分低下、同时非常容易对电池本体内部结构造成冲蚀损伤，而本方案中氢气进入均压腔后需要通过多层格栅板才能够接触到阴极部分，由于相邻两层格栅板之间的孔洞交错排布，因此对进入电池本体的氢气进行产生极大的摩阻与动能损耗，使得氢气得到充分的压降后才能够与阴极接触，使得氢气在均压腔内能够充分的进行压力平衡，确保氢气的充分利用与反应。相邻两层格栅板之间的距离为3～5mm，能够避免距离过近氢气受阻过分严重流动滞塞、也能够避免距离过大降压均压效果不足，具有最佳的使用效果。
优选的，还包括与所述氢气入口相连的氢气发生装置，所述氢气发生装置与所述气体控制模块的信号输出端相连。使得气体控制模块控制氢气发生装置的输出功率，就能够快速方便的控制向氢燃料电池组中输入的氢气速率，以此控制氢燃料电池组内部的反应速率。
优选的，还包括氢气回收管，所述氢气回收管的一端与阴极底端相连、另一端与氢气入口相连。将阴极处多余的氢气进行收集，使得通过氢气回收管进入氢气入口，从而实现多余氢气的回收利用，降低能源消耗，节约成本。
优选的，还包括设置在氢燃料电池组外围的冷却装置，所述冷却装置用于冷却氢燃料电池组。通过冷却装置冷却氢燃料电池组在充放电过程中所产生的热量，避免氢气受热爆炸，极大的提高本发明的安全系数。
优选的，所述冷却装置同时对氢燃料电池组和气体控制模块进行冷却。使得冷却装置具有更大范围的冷却区域，避免气体控制模块温度过高失效，从而确保气体控制模块的工作安全，以此确保氢气的输入能够得到有效控制，确保在突然情况下对氢气输入端都能够进行有效的控制与关断，进一步提高本发明的安全系数。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明一种复合式空铁驱动系统，能够实时调整整个系统的运行情况，解决了现有技术中燃料电池内部动态响应特性不足的问题，达到实时调控氢燃料电池组工作状态的效果。
2、本发明一种复合式空铁驱动系统，不需要建设高压电、变电站、充电站等额外基础设备，减少大量建设和备用锂电池成本。在有高压电地区能够节省建设成本，而在较为落后的没有高压电的野外等，也能够提供足够的动力，使得大规模、远距离建设空铁成为可能。
3、本发明一种复合式空铁驱动系统，氢气进入均压腔后需要通过多层格栅板才能够接触到阴极部分，由于相邻两层格栅板之间的孔洞交错排布，因此对进入电池本体的氢气进行产生极大的摩阻与动能损耗，使得氢气得到充分的压降后才能够与阴极接触，使得氢气在均压腔内能够充分的进行压力平衡，确保氢气的充分利用与反应。
4、本发明一种复合式空铁驱动系统，冷却装置同时对氢燃料电池组和气体控制模块进行冷却，，避免氢气受热爆炸，极大的提高本发明的安全系数，避免气体控制模块温度过高失效，从而确保气体控制模块的工作安全，以此确保氢气的输入能够得到有效控制，确保在突然情况下对氢气输入端都能够进行有效的控制与关断，进一步提高本发明的安全系数。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明具体实施例的连接关系示意图；
图2为本发明具体实施例中氢燃料电池单体的结构示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-壳体，2-氢气入口，3-空气入口，4-阴极，5-氢气催化层，6-氢离子扩散腔，7-质子交换膜，8-反应腔，9-阳极，10-均压腔，11-氢气发生装置，12-氢气回收管。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：
如图1所示的一种复合式空铁驱动系统，包括超级电容模块、第一控制模块、氢燃料电池组、气体控制模块、锂电池模块，氢燃料电池组的输出端与锂电池模块的充电输入端相连，氢燃料电池组的正极并联于超级电容模块和第一控制模块的正极公共连接点上，氢燃料电池组的负极并联于超级电容模块和第一控制模块的负极公共连接点上；锂电池模块和超级电容模块分别通过总线与第一控制模块的信号输入端相连；所述气体控制模块的信号输入端与第一控制模块的信号输出端相连；所述气体控制模块用于控制向氢燃料电池组的气体供给；所述第一控制模块用于监测氢燃料电池组、超级电容模块的反馈数据、并向气体控制模块发出指令。
实施例2：
如图1所示的一种复合式空铁驱动系统，在实施例1的基础上，所述第一控制模块内包括用于调节输入电流的直流斩波器。所述总线为CAN总线。所述氢燃料电池组内包括电压检测单元、气压检测单元、温度检测单元，所述电压检测单元、气压检测单元、温度检测单元分别用于检测氢燃料电池组内的电压、气压、温度，所述电压检测单元、气压检测单元、温度检测单元的信号输出端均连接至第一控制模块的信号输入端。
实施例3：
如图1与图2所示的一种复合式空铁驱动系统，在上述任一实施例的基础上，所述氢燃料电池组由若干个氢燃料电池单体串联而成，所述氢燃料电池单体包括壳体1、位于壳体1内的电池本体，所述壳体1上设置氢气入口2、空气入口3，所述电池本体位于氢气入口2和空气入口3之间，所述电池本体包括依次设置的阴极4、氢气催化层5、氢离子扩散腔6、质子交换膜7、反应腔8、阳极9，所述阴极4与氢气入口2相连通，所述阳极9与空气入口3相连通；所述壳体1内还设置有均压腔10，所述均压腔10位于氢气入口2与阴极4之间，所述均压腔10分别与氢气入口2、阴极4相连通。所述均压腔10包括若干层并排的格栅板，相邻两层格栅板之间的距离为5mm，相邻两层格栅板之间的孔洞交错排布。还包括与所述氢气入口2相连的氢气发生装置11，所述氢气发生装置11与所述气体控制模块的信号输出端相连。还包括氢气回收管12，所述氢气回收管12的一端与阴极4底端相连、另一端与氢气入口2相连。还包括设置在氢燃料电池组外围的冷却装置，所述冷却装置用于冷却氢燃料电池组。所述冷却装置同时对氢燃料电池组和气体控制模块进行冷却。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种复合式空铁驱动系统，其特征在于，包括超级电容模块、第一控制模块、氢燃料电池组、气体控制模块、锂电池模块，氢燃料电池组的输出端与锂电池模块的充电输入端相连，氢燃料电池组的正极并联于超级电容模块和第一控制模块的正极公共连接点上，氢燃料电池组的负极并联于超级电容模块和第一控制模块的负极公共连接点上；锂电池模块和超级电容模块分别通过总线与第一控制模块的信号输入端相连；所述气体控制模块的信号输入端与第一控制模块的信号输出端相连；所述气体控制模块用于控制向氢燃料电池组的气体供给；所述第一控制模块用于监测氢燃料电池组、超级电容模块的反馈数据、并向气体控制模块发出指令。
2.根据权利要求1所述的一种复合式空铁驱动系统，其特征在于，所述第一控制模块内包括用于调节输入电流的直流斩波器。
3.根据权利要求1所述的一种复合式空铁驱动系统，其特征在于，所述总线为CAN总线。
4.根据权利要求1所述的一种复合式空铁驱动系统，其特征在于，所述氢燃料电池组内包括电压检测单元、气压检测单元、温度检测单元，所述电压检测单元、气压检测单元、温度检测单元分别用于检测氢燃料电池组内的电压、气压、温度，所述电压检测单元、气压检测单元、温度检测单元的信号输出端均连接至第一控制模块的信号输入端。
5.根据权利要求1所述的一种复合式空铁驱动系统，其特征在于，所述氢燃料电池组由若干个氢燃料电池单体串联而成，所述氢燃料电池单体包括壳体(1)、位于壳体(1)内的电池本体，所述壳体(1)上设置氢气入口(2)、空气入口(3)，所述电池本体位于氢气入口(2)和空气入口(3)之间，所述电池本体包括依次设置的阴极(4)、氢气催化层(5)、氢离子扩散腔(6)、质子交换膜(7)、反应腔(8)、阳极(9)，所述阴极(4)与氢气入口(2)相连通，所述阳极(9)与空气入口(3)相连通；所述壳体(1)内还设置有均压腔(10)，所述均压腔(10)位于氢气入口(2)与阴极(4)之间，所述均压腔(10)分别与氢气入口(2)、阴极(4)相连通。
6.根据权利要求5所述的一种复合式空铁驱动系统，其特征在于，所述均压腔(10)包括若干层并排的格栅板，相邻两层格栅板之间的距离为3～5mm，相邻两层格栅板之间的孔洞交错排布。
7.根据权利要求5所述的一种复合式空铁驱动系统，其特征在于，还包括与所述氢气入口(2)相连的氢气发生装置(11)，所述氢气发生装置(11)与所述气体控制模块的信号输出端相连。
8.根据权利要求5所述的一种复合式空铁驱动系统，其特征在于，还包括氢气回收管(12)，所述氢气回收管(12)的一端与阴极(4)底端相连、另一端与氢气入口(2)相连。
9.根据权利要求1所述的一种复合式空铁驱动系统，其特征在于，还包括设置在氢燃料电池组外围的冷却装置，所述冷却装置用于冷却氢燃料电池组。
10.根据权利要求9所述的一种复合式空铁驱动系统，其特征在于，所述冷却装置同时对氢燃料电池组和气体控制模块进行冷却。
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