CN110001674A - 一种基于固体氢的高铁动力系统 - Google Patents

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俞强
张沁
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Abstract

本发明公开了一种基于固体氢的高铁动力系统，包括：氢气发生装置，氢气发生装置开设有入口端与出口端，氢气发生装置入口端并联式地连通有固体氢箱与水箱，氢气发生装置出口端连通地设有燃料电池系统，燃料电池系统连通有空气发生装置，燃料电池系统一端连接有热交换器，热交换器开设有热入口端及冷出口端。根据本发明，在常温常压下通过监控单元来实现对氢气量和发电量的控制，氢气即产即用，具有极高安全可控性，可减少普通发电厂的数量，减少环境污染；燃料电池产生直流电，一部分给高铁提供动能，另一部分通过逆变器至AC220V/380V为负载提供电能；燃料电池产生的水通过循环水路至水箱，一部分用于与固体氢反应，另一部分用于高铁用水设施提供水。

Description

一种基于固体氢的高铁动力系统
技术领域
本发明涉及动力系统技术领域，特别涉及一种基于固体氢的高铁动力系统。
背景技术
目前高铁的动力是由电力机车提供动力。电力机车所需电能由电气化铁路供电系统的接触网或第三轨供运行中的电力机车给，是一种非自带能源的机车。电力动车组靠的是外部输送的电能，电能来自于普通的发电厂，然后通过变电所变压送到接触网上，机车的受电弓与接触网接触，从而把电力引到机车内，然后再通过变压，整流送给牵引电机牵引动车组行驶。国内普通发电厂主要通过火力发电利用可燃物(例如煤)作为燃料生产电能。它的基本生产过程是：燃料在燃烧时加热水生成蒸汽，将燃料的化学能转变成热能，蒸汽压力推动汽轮机旋转，热能转换成机械能，然后汽轮机带动发电机旋转，将机械能转变成电能。
但是现在的动力系统存在一定的问题，其一，现有的发电厂在发电的过程燃烧不可再生资源，不仅效率低，还产生大量的污染物，严重的污染环境。其二，现有的氢气的获取有多种方式，主要集中于将点解、煤分解等产生的氢气装入高压储氢罐中，但是高压储氢、运输技术引发的安全隐患是目前的最大的弊端问题。
有鉴于此，实有必要开发一种基于固体氢的高铁动力系统，用以解决上述问题。
发明内容
针对现有技术中存在的不足之处，本发明的目的是提供一种基于固体氢的高铁动力系统，基于固体氢与水在常温常压下产生的气态高纯氢即产即用的技术，协同氢燃料电池供电，旨在于提供一种具有极高安全可控性、低成本、高效率、无环境污染的清洁高铁动力系统，在常温常压下通过监控单元来实现对氢气量和发电量的控制，氢气即产即用，具有极高安全可控性，可减少普通发电厂的数量，减少环境污染；燃料电池产生直流电，一部分给高铁提供动能，另一部分通过逆变器至AC220V/380V为负载提供电能；燃料电池产生的水通过循环水路至水箱，一部分用于与固体氢反应，另一部分用于高铁用水设施提供水，为了实现根据本发明的上述目的和其他优点，提供了一种基于固体氢的高铁动力系统，包括：
氢气发生装置，氢气发生装置开设有液体入口端与氢气出口端，所述氢气发生装置液体入口端并联式地连通有固体氢箱与水箱，所述氢气发生装置氢气出口端连通地设有燃料电池系统，燃料电池系统连通有空气发生装置，
其中，空气发生装置开设有空气入口端及空气出口端，所述空气出口端与燃料电池系统相连通，燃料电池系统一端连接有热交换器，热交换器开设有热入口端及冷出口端。
优选的，热交换器的外部管路上设置有开关阀，开关阀一端连接于氢气发生装置。
优选的，热交换器的通过管道连接于供热系统。
优选的，水箱与用水设备通过管道连接，燃料电池系统一端设置有一水流管道，所述水流管道连接于水箱与用水设备之间管道中。
优选的，燃料电池系统通过电连接连连接有DC/DC，DC/DC连接于动力系统。
优选的，燃料电池系统通过电连接连接有逆变器，逆变器连接于用电设备。
优选的，包括控制系统，控制系统连接有空气发生装置、氢气发生装置以及燃料电池系统。
本发明与现有技术相比，其有益效果是：基于固体氢与水在常温常压下产生的气态高纯氢即产即用的技术，协同氢燃料电池供电，旨在于提供一种具有极高安全可控性、低成本、高效率、无环境污染的清洁高铁动力系统，在常温常压下通过监控单元来实现对氢气量和发电量的控制，氢气即产即用，具有极高安全可控性，可减少普通发电厂的数量，减少环境污染；燃料电池产生直流电，一部分给高铁提供动能，另一部分通过逆变器至AC220V/380V为负载提供电能；燃料电池产生的水通过循环水路至水箱，一部分用于与固体氢反应，另一部分用于高铁用水设施提供水。
附图说明
图1为根据本发明的基于固体氢的高铁动力系统的原理流程框图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，本发明的前述和其它目的、特征、方面和优点将变得更加明显，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。在附图中，为清晰起见，可对形状和尺寸进行放大，并将在所有图中使用相同的附图标记来指示相同或相似的部件。在下列描述中，诸如中心、厚度、高度、长度、前部、背部、后部、左边、右边、顶部、底部、上部、下部等用词为基于附图所示的方位或位置关系。特别地，“高度”相当于从顶部到底部的尺寸，“宽度”相当于从左边到右边的尺寸，“深度”相当于从前到后的尺寸。这些相对术语是为了说明方便起见并且通常并不旨在需要具体取向。涉及附接、联接等的术语(例如，“连接”和“附接”)是指这些结构通过中间结构彼此直接或间接固定或附接的关系、以及可动或刚性附接或关系，除非以其他方式明确地说明。
参照图1，基于固体氢的高铁动力系统，包括：
氢气发生装置3，氢气发生装置3开设有液体入口端与氢气出口端，固体氢1和水或者水溶液分别进入两个不同入口，从而反应生成高纯氢的则从出口出来，并向燃料电池系统4送入氢气，氢气发生装置3左端的入口端分别连接有固体氢箱1与用于储存水或者水溶液的水箱2，固体氢箱1其用于存储固体氢，其为常温常压盒，固体氢是通过氢气与金属反应生成的固体金属氢化物，氢气发生装置3右端的出口端连接于燃料电池系统4，燃料电池系统4一端连接有空气发生装置5；
其中，空气发生装置5开有一空气入口端以及空气出口端，并具备将空气吸入、压缩、排出的装置，并向燃料电池系统4送入空气，所述空气出口端连接于燃料电池系统4，燃料电池系统4由阳极侧所述氢气发生装置产生的氢气与阴极侧所述空气发生装置5排出的空气，反应产生电能，燃料电池系统4一端连接有热交换器7，热交换器7开设有热端入口端以及冷端出口端。
进一步的，热交换器7的外部管路上设置有开关阀6，并且开关阀6一端连接于氢气发生装置3。
进一步的，热交换器7的一端连接于供热系统9，用于将热流体及热气体的部分热量传递给冷流体与冷气体，其具有两个入口和两个出口，热流体及热气体分别进入两个不同入口，冷流体与冷气体分别从两个不同出口出来。
进一步的，水箱2与用水设备15通过管道连接，燃料电池系统4一端设置有一水流管道，所述水流管道连接于水箱2与用水设备15之间的所述管道。
进一步的，燃料电池系统4一端连接有DC/DC11，DC/DC11连接于动力系统12，DC/DC11将燃料电池系统产生的直流电能转变成高压直流电。
进一步的，燃料电池系统4一端连接有逆变器13，逆变器13连接于用电设备14，逆变器13将燃料电池系统产生的直流电能转变成交流电(一般为220伏50HZ正弦波或方波)。
进一步的，包括控制系统8，控制系统8连接有空气发生装置5、氢气发生装置3以及燃料电池系统4，控制系统8根据高铁的动力需求、供热需求、供电需求和供水需求，控制氢气发生装置3的供氢量及反应速率，控制空气发生装置5排出的空气流量与压力，控制燃料电池系统4的发电量。
在氢气发生装置3中，通过加入水箱2中所存储的水或者水溶液，通过加入固体氢箱1中所存储的固体氢，输送给氢气发生装置3；该加入的水量或者水溶液量由控制系统控制8水箱上的阀门来进行控制，加入的固体氢量由控制系统8控制固体氢箱1上的阀门来进行控制；通过所供给的水或者水溶液和所供给的固体氢进行化学式XH2+2H2O→X(OH)2+2H2或XH3+3H2O→X(OH)3+3H2，所表示的反应，由此产生氢气。所产生的氢气进入燃料电池系统4。
在空气发生装置5中，其将空气吸入、压缩，排出，所产生的空气进入燃料电池系统。该空气发生装置5由控制系统控制8，通过变频调节其气量。
在燃料电池系统4中，通过氢气发生装置3所供给的氢气和通过空气发生装置所供给的空气进行化学式H2＝＝2H++2e-和2H++1/2O2+2e-＝＝H2O，所表示的反应，由此产生电能。
燃料电池系统4产生的电能通过DC/DC11变换器转变成高压直流电，作为高铁的动力来源；
燃料电池系统4产生的直流电能通过逆变器13转变成交流电(DC→AC220V)，为高铁的普通用电设备提供电力；
燃料电池系统4产生的热流体及热气体通过热交换器13，可为高铁提供大量热能，作为高铁的供热来源；同时也可通过打开开关阀6为所述氢气发生装置3反应提供热源，增加其反应速度；
燃料电池系统4产生的水，一部分流入水箱2为氢气发生装置3提供水原料；另一部分为高铁上的用水设备15提供水。
本发明提出一种固体氢的高铁动力系统，基于固体氢技术，以固体氢(氢气与金属反应生成的固体金属氢化物)为原料，仅需在干燥、常温常压条件下存储和运输，成本低，无需高成本制造的高压储氢罐；氢气发生装置3，固体氢和水反应通过控制系统，产生所需量的高纯氢，即产即用；系统集成了燃料电池系统4、固体氢箱1、水箱2、氢气发生装置3系统(固体氢与水反应生成高纯氢)、循环水路和控制系统8；系统在常温常压下进行，固体氢与水在氢气发生装置3内通过监控单元生成所需量的高纯氢，所述高纯氢与空气通过监控单元控制进入燃料电池4产生直流电，大部分给高铁提供动能，另一部分通过逆变器至AC220V为负载提供电能；燃料电池4产生的水通过循环水路至水箱2，一部分用于与固体氢反应，另一部分用于高铁用水设施提供水，水资源循环利用，节约资源。
本发明所应用于的场所可以不仅仅是高铁的动力系统上，也可以作为大型动力系统或者电力系统中，在车站、商店，车船等一些有需求水电热等，可以用本发明来节约能源，重复利用资源，更加的节省成本，提高工作的效率。
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (7)

1.一种基于固体氢的高铁动力系统，包括：
氢气发生装置(3)，氢气发生装置(3)开设有液体入口端与氢气出口端，所述氢气发生装置(3)液体入口端并联式地连通有固体氢箱(1)与水箱(2)，所述氢气发生装置(3)氢气出口端连通地设有燃料电池系统(4)，燃料电池系统(4)连通有空气发生装置(5)，
其中，空气发生装置(5)开设有空气入口端及空气出口端，所述空气出口端与燃料电池系统(4)相连通，燃料电池系统(4)一端连接有热交换器(7)，热交换器(7)开设有热入口端及冷出口端。
2.如权利要求1所述的基于固体氢的高铁动力系统，其特征在于，热交换器(7)的外部管路上设置有开关阀(6)，开关阀(6)另一端连接于氢气发生装置(3)。
3.如权利要求1所述的基于固体氢的高铁动力系统，其特征在于，热交换器(7)通过管道连接于供热系统(9)。
4.如权利要求1所述的基于固体氢的高铁动力系统，其特征在于，水箱(2)与用水设备(15)通过管道连接，燃料电池系统(4)一端设置有一水流管道，所述水流管道连接于水箱(2)与用水设备(15)之间管道中。
5.如权利要求1所述的基于固体氢的高铁动力系统，其特征在于，燃料电池系统(4)通过电连接连接有DC/DC(11)，DC/DC(11)连接于动力系统(12)。
6.如权利要求1所述的基于固体氢的高铁动力系统，其特征在于，燃料电池系统(4)电连接连接有逆变器(13)，逆变器(13)连接于用电设备(14)。
7.如权利要求1所述的基于固体氢的高铁动力系统，其特征在于，还包括控制系统(8)，控制系统(8)连接有空气发生装置(5)、氢气发生装置(3)以及燃料电池系统(4)。
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