CN110417300B - 有轨电车余热发电系统、燃料电池有轨电车及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种燃料电池有轨电车余热发电系统及其工作方法。所述系统包括温差发电模块、DC‑DC电源模块、燃料电池堆、燃料电池散热系统、散热三通阀、保温三通阀，氢气供应系统，空气供应系统。本发明设计了一种新型的燃料电池有轨电车余热温差发电技术方案，利用温差发电及相变储热技术对燃料电池废热进行回收利用，并充分利用有轨电车废冷，能够有效降低燃料电池散热的要求，提高冷却液入堆温度的稳定性，增强燃料电池有轨电车在寒冷地区的适应性，实现燃料电池有轨电车的低温环境下的快速冷启动。

Description

有轨电车余热发电系统、燃料电池有轨电车及工作方法

技术领域

本发明属于燃料电池应用技术领域，特别是涉及燃料电池有轨电车余热发电系统、燃料电池有轨电车及工作方法。

背景技术

燃料电池能将存储在燃料中的化学能通过电化学反应直接转换成电能，不受卡诺循环的限制，通常转换效率在50％以上，被认为是21世纪首选的发电技术。燃料电池有轨电车自身携带主动力源，与内燃机车一样灵活，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，又没有内燃机车的污染问题，发展潜力巨大。

燃料电池工作时会产生与发电量相当的余热，燃料电池有轨电车功率等级高，产热量大，因此要达到散热要求散热风机需要消耗大量电能，并伴随高分贝的噪声，若能将此部分热量再利用于发电，则既可降燃料电池的散热要求，又可进一步提高能源综合利用率。

燃料电池工作温度大约在65℃左右，属于低品位余热，而且燃料电池有轨电车没有热水需求，另外夏季时有轨电车的空调系统存在废冷气，因此可采用低温半导体温差发电作为余热利用技术，燃料电池的余热可作为温差发电的热源，废冷气可作为温差发电的冷源，使冷热面保持交大温差。半导体温差发电热电材料能将热能直接转换成电能，具有结构简单，无需维护，无运动部件，无介质泄露，体积小、重量轻、移动方便、使用寿命长，环境友好等显著优点。

燃料电池有轨电车行驶时，随时可能遇到停车、启动、加速，刹车和爬坡等情况，因此燃料电池在工作时，其工作状态不连续，导致其释放的热量也不连续，出堆的冷却水温度不恒定，所以引起温差发电效率和稳定性降低。相变储热是利用相变材料在凝固/熔化、凝结/气化、凝华/升华以及其他形式的相变过程中，都要吸收或释放相变潜热的原理来储存能量的技术，其具有单位质量(体积)蓄热量大、温度波动小(储、放热过程近似恒温)、化学稳定性和安全性好等特点。其蓄热密度大，使其适合用于热量供给不连续或供给与需求不协调情况下的热能缓冲，另外，其吸热和放热过程近似恒温，可以以此来控制体系的温度，因此可以用相变储热装置来平滑燃料电池的热量供给和恒定温差发电的热端温度，提高温差发电效率和发电稳定性。另外，相变储热装置还可以将燃料电池产生的热量蓄积起来在电池内部温度较低时加以利用，那么就可以增强燃料电池在寒冷地区的适应性，同时还可以实现电池低温冷启动，进一步提高能源综合利用率。

如果能提供一种充分利用有轨电车的燃料电池工作余热进行温差发电的技术方案，将是十分有意义的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供了一种有轨电车余热发电系统。

本发明采用的技术方案如下：一种有轨电车余热发电系统，包括温差发电模块、DC-DC电源模块、燃料电池堆、燃料电池散热系统、散热三通阀、保温三通阀，氢气供应系统，空气供应系统；燃料电池散热系统包括散热器和冷却循环水泵；温差发电模块包括热面、冷面、设置在冷面与热面之间的温差发电片阵列、与热面固定在一起的热端储热箱、与冷面固定在一起的冷端储热箱、固定在冷端储热箱上方的散热片；所述温差发电片阵列设置有输出电极。

热端储热箱由导热金属材质制作，内部填充相变材料，且留有未填充的真空空间，热端储热箱内具有液体管道，液体管道的两端分别作为热端储热箱的出口、热端储热箱的入口，液体管道浸没在相变材料中。

所述冷端储热箱是由导热金属材质制作，内部填充相变材料，且保留未填充的真空空间，冷端储热箱内设置有液体管道和气体管道，液体管道和气体管道浸没在模块内部的相变材料中。

燃料电池堆有冷却液出口、冷却液入口、空气入口、空气出口、氢气入口、氢气出口。

散热器设置有冷却液入口、冷却液出口。

各部分的连接关系为：

燃料电池堆的冷却液入口连接冷却循环水泵的出口，燃料电池堆的冷却液出口连接温差发电模块的热端储热箱入口；氢气入口、氢气出口连接外部的氢气供应系统；空气入口、空气出口连接外部的空气供应系统；

热端储热箱出口连接散热三通阀入口，散热三通阀的一个出口连接散热器冷却液入口，散热三通阀另一出口与散热器的冷却液出口一同连接到保温三通阀入口；保温三通阀的一个出口连接冷端储热箱液体管道的入口，另一出口与冷端储热箱的液体管道出口一同连接冷却循环泵的入口；燃料电池堆的废冷气体排气口连接冷端储热箱气体管道的入口，冷端储热箱气体管道的出口连到有轨电车的排风口；

温差发电模块的输出电极与DC-DC电源模块连接。

进一步的，温差发电片阵列的各个温差发电片为半导体温差发电片。

进一步的，温差发电模块外部敷设隔热材料。

进一步的，热端储热箱通过导热硅胶固定在热面上，和/或冷端储热箱通过导热硅胶固定在冷面上，和/或散热片通过导热硅胶固定到冷端储热箱。

进一步的，冷端储热箱，和/或热端储热箱内的各个管道呈螺旋形设置。

进一步的，散热片垂直于冷端储热箱设置。

一种燃料电池有轨电车，含有上述的有轨电车余热发电系统。

进一步的，利用CAN总线控制DC-DC电源模块。

一种燃料电池有轨电车的余热发电方法，包括如下步骤：

步骤一：有轨电车的燃料电池堆工作，燃料电池堆输出的冷却液通入热端储热箱的液体管道中，热端储热箱内相变材料保持恒定高温；

步骤二：燃料电池有轨电车的废冷气通入冷端储热箱气体通道，冷端储热箱内的相变材料保持恒定低温；

步骤三：温差发电片阵列两端保持恒定温差，产生电能，通过输出电极输出。

进一步的，还包括:

燃料电池有轨电车运行时余热发电系统工作的流程；

和/或

燃料电池有轨电车停止时的余热发电系统工作的流程；

和/或

燃料电池有轨电车启动时的余热发电系统工作的流程；

其中：

燃料电池有轨电车运行时余热发电系统工作的流程包括如下步骤：

步骤A：保温三通阀关闭与冷端储热箱连接的出口，打开另一出口，如果冷端储热箱内的相变材料工作在相变状态，则进行步骤二，如果冷端储热箱内的相变材料已完全相变，工作在显热存储状态，则进行步骤三；

步骤B：冷却液流经热端储热箱，若冷却液温度高于相变材料，热端储热箱吸热，使冷却液温度降低，反之，若冷却液温度低于相变材料，热端储热箱放热，冷却液温度升高，散热三通阀关闭连接散热器的出口，打开另一出口；

步骤C：启动散热器，并控制三通阀打开连接散热器的出口，关闭另一出口，进行主动散热，调节冷却液温度；

步骤D：温差发电模块发电，通过输出电极输出电能；

燃料电池有轨电车停止时余热发电系统工作的流程包含如下步骤：

步骤1：冷端储热箱散失部分热量后，其内相变材料体积变小，与散热器之间形成真空缝隙起到隔热作用，阻止热量进一步散失；

步骤2：热端储热箱放热，散热三通阀关闭与散热器连接的出口，开启另一出口，控制冷却循环泵低速工作；

步骤3：热端储热箱温度降低至冷端储热箱温度时，保温三通阀打开与冷端储热箱连接的出口，关闭另一出口，利用冷端储热箱与热端储热箱存储的热量共同为燃料电池堆保温；

燃料电池有轨电车启动时余热发电系统工作的流程包括如下步骤：

步骤Ⅰ：散热三通阀打开与散热器连接的出口，关闭另一出口；

步骤Ⅱ：热端储热箱储热箱放热，为系统预热；

步骤Ⅲ：燃料电池堆冷启动。

与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：

本发明设计了一种新型的燃料电池有轨电车余热温差发电技术方案，实现了燃料电池的废热利用、有轨电车的空调废冷气利用。利用燃料电池废热进行二次发电，提高燃料电池有轨电车的能量综合利用，相变材料提高温差发电效率和发电稳定性。恒定进入燃料电池堆的冷却液温度。

本发明还能燃料电池在寒冷地区的适应性率，实现电池低温冷启动。

本发明结构简单，设计精巧，具有极好的应用价值。

附图说明

图1为燃料电池有轨电车余热发电系统结构示意图。

图2为温差发电模块结构示意图。

图3为温差发电片阵列示意图。

附图标记：1：温差发电模块；101：液体管道；102：气体管道；103：真空层；104：低熔点相变材料；105：散热片；106：温差发电片阵列，109.高熔点相变材料；110：隔热材料；2：燃料电池堆；3：氢气供应系统；4：空气供应系统；5：燃料电池散热系统；51：散热三通阀；52：散热器；53：保温三通阀；54：冷却循环水泵；6：用电设备；7：DC-DC电源模块；8：储能电池；9.废冷气体排气口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明提供了一种燃料电池有轨电车余热发电系统、燃料电池有轨电车及工作方法。下面分别进行说明。

一：燃料电池有轨电车余热发电系统

在对系统进行说明前，先对温差发电模块1进行介绍。

如图2所示，温差发电模块1包括热面、冷面、设置在冷面与热面之间的温差发电片阵列106、与热面固定在一起的热端储热箱、与冷面固定在一起的冷端储热箱、固定在冷端储热箱上方的散热片105；所述温差发电片阵列106设置有输出电极。

热端储热箱由导热金属材质制作，内部的部分区域填充相变材料(高熔点相变材料109)，留有部分空间为真空层103以适应相变材料因吸放热产生相变而发生的体积变化。热端储热箱内具有液体管道101，液体管道101的两端分别作为热端储热箱的出口、热端储热箱的入口，液体管道101浸没在相变材料中。此结构可使管道与相变材料充分接触，以保证热交换的有效性和均匀性。

所述冷端储热箱设置有液体管道101和气体管道102，内部的部分区域填充相变材料(低熔点相变材料104)，留有部分空间为真空层103以适应相变材料因吸放热产生相变而发生的体积变化。液体管道101和气体管道102浸没在相变材料中。此结构可使管道与相变材料充分接触，以保证热交换的有效性和均匀性。

优选的，散热片105垂直于冷端储热箱设置。原因是因为本发明尤其适用于有轨电车，散热片105置于车顶部裸露在环境中，车辆行驶时可增强散热效果，维持温差发电片阵列106冷热两面的较大温差。

优选的，热端储热箱通过导热硅胶固定在热面上，和/或冷端储热箱通过导热硅胶固定在冷面上，和/或散热片105通过导热硅胶固定到冷端储热箱。导热硅胶是高端的导热化合物，不会固体化、不会导电的特性，可以避免诸如电路短路等风险。

优选的，热端储热箱由导热金属制作。冷端储热箱是由导热金属和隔热材料110制成，其与温差发电片阵列106和散热器52连接的两个面为导热金属制成，其他面为隔热材料110。

如图3所示为温差发电片阵列106的详细视图。从图中可以看出，本实施例使用的是半导体温差发电片。每一行或每一列中，N型半导体与P型半导体交替设置，同一行中的半导体进行串联，各行半导体再进行串联，两端的半导体上固定有输出电极。本发明采用半导体温差发电技术回收废热。半导体温差发电热电材料能将热能直接转换成电能，具有结构简单，无需维护，无运动部件，无介质泄露，体积小、重量轻、移动方便、使用寿命长，环境友好等显著优点。温差发电冷热面温差越大效率越高。温差发电片利用半导体热电材质制成，设置有电能输出端。输出的电能进行转化后能进行存储或者使用。

在燃料电池工作过程中，燃料电池冷却液通入热端储热箱中，其高熔点相变材料109使温差发电片阵列106热面保持较高的恒定温度，燃料电池有轨电车的废冷气通入冷端储热箱气体通道，其低熔点相变材料104使温差发电片阵列106冷面保持较低的恒定温度，从而保持温差发电片阵列106冷热两端的温差恒定，进而提高温差发电的稳定性与效率。

下面介绍系统。

如图1所示，所述系统包括温差发电模块1、DC-DC电源模块7、燃料电池堆2、燃料电池散热系统5、散热三通阀51、保温三通阀53。燃料电池散热系统5包括散热器52和冷却循环水泵54；应当理解，当本系统应用于燃料电池有轨电车时，燃料电池堆2就是有轨电车所使用的电池。

燃料电池堆2有冷却液出口、冷却液入口、空气入口、空气出口、氢气入口、氢气出口。

散热器52设置有冷却液入口、冷却液出口。

系统各部分的连接关系为：

燃料电池堆2的冷却液入口连接冷却循环水泵54的出口，燃料电池堆2的冷却液出口连接温差发电模块1的热端储热箱入口；氢气入口、氢气出口连接外部的氢气供应系统3；空气入口、空气出口连接外部的空气供应系统4。

热端储热箱出口连接散热三通阀51入口，散热三通阀51的一个出口连接散热器52冷却液入口，散热三通阀51另一出口与散热器52的冷却液出口一同连接到保温三通阀53入口；保温三通阀53的一个出口连接冷端储热箱液体管道101的入口，另一出口与冷端储热箱的液体管道101出口一同连接冷却循环泵的入口；有轨电车的废冷气体排气口9连接冷端储热箱气体管道102的入口，冷端储热箱气体管道102的出口连到有轨电车的排风口。

优选的，上述系统中，燃料电池堆2、温差发电模块1、散热三通阀51、保温三通阀53以及连接它们的管道所构成的散热回路均由隔热材料110封装，减少停车时散热回路的热损耗。

进一步的，DC-DC电源模块7输出端连接储能电池8和/或用电设备6。需要说明的是，储能电池8并非一定是本系统固有的部分，其可以属于或者不属于本系统的一部分，均在本发明的保护范围之内。储能电池8能将所发电能进行存储。用电设备6则能直接使用所发电能。

二：燃料电池有轨电车

本发明所述的燃料电池有轨电车，设置了上述系统。在这样的电车中，优选利用CAN总线控制DC-DC电源模块7输出不同电压等级(如12V，24V，48V等)和电流值。安装时，优选使得散热片105垂直于且突出于车顶安装，使得散热更加充分，提高温差发电效率。

三：燃料电池有轨电车工作方法

下面对安装有上述系统在燃料电池有轨电车中的工作过程进行说明。

首先介绍温差发电过程，包括如下步骤：

步骤一：有轨电车的燃料电池堆2工作，燃料电池堆2输出的冷却液通入热端储热箱的液体管道101中，热端储热箱内相变材料保持恒定高温。

步骤二：燃料电池有轨电车的废冷气通入冷端储热箱气体通道，冷端储热箱内的相变材料保持恒定低温。

步骤三：温差发电片阵列106两端保持恒定温差，产生电能，通过输出电极输出。

系统在有轨电车中除了能够温差发电外，还能起到提高进入燃料电池堆2的冷却液温度的稳定性、提高燃料电池有轨电车在寒冷地区低温环境下的适应性、实现燃料电池有轨电车的低温环境下的快速冷启动的作用。下面着重介绍电车运行时、停止时、启动时系统的工作流程。

1.燃料电池有轨电车运行时余热发电系统系统工作的流程:

步骤A：保温三通阀53关闭与冷端储热箱连接的出口，打开另一出口，如果冷端储热箱内的相变材料工作在相变状态，则进行步骤二，如果冷端储热箱内的相变材料已完全相变，工作在潜热存储状态，则进行步骤三。

步骤B：冷却液流经热端储热箱，若冷却液温度高于相变材料，热端储热箱吸热，使冷却液温度降低，反之，若冷却液温度低于相变材料，热端储热箱放热，冷却液温度升高，从而使燃料电池堆2的冷却液温度保持恒定，此时可停止散热器52供电，散热三通阀51关闭连接散热器52的出口，打开另一出口，进行主动散热，调节冷却液温度。

步骤C：启动散热器52，并控制三通阀打开连接散热器52的出口，关闭另一出口，进行主动散热，调节冷却液温度。

2.燃料电池有轨电车停止时余热发电系统工作的流程：

步骤1：冷端储热箱散失部分热量后，其内相变材料体积变小，与散热器52之间形成真空缝隙起到隔热作用，阻止热量进一步散失。

步骤2：热端储热箱放热，散热三通阀51关闭与散热器52连接的出口，开启另一出口，控制冷却循环泵低速工作(低功耗模式)。

步骤3：热端储热箱温度降低至冷端储热箱温度时，保温三通阀53打开与冷端储热箱连接的出口，关闭另一出口，利用冷端储热箱与热端储热箱存储的热量共同为燃料电池堆2保温。

3.燃料电池有轨电车启动时余热发电系统工作的流程：

步骤Ⅰ：散热三通阀51打开与散热器52连接的出口，关闭另一出口。

步骤Ⅱ：热端储热箱储热箱放热，为系统预热。

步骤Ⅲ：燃料电池堆2快速冷启动。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种燃料电池有轨电车的余热发电方法，其特征在于，基于一种包含有轨电车余热发电系统的燃料电池有轨电车，包括如下步骤：

步骤一：有轨电车的燃料电池堆工作，燃料电池堆输出的冷却液通入热端储热箱的液体管道中，热端储热箱内相变材料保持恒定高温；

步骤二：燃料电池有轨电车的废冷气通入冷端储热箱气体通道，冷端储热箱内的相变材料保持恒定低温；

步骤三：温差发电片阵列两端保持恒定温差，产生电能，通过输出电极输出；

所述有轨电车余热发电系统，包括温差发电模块、DC-DC电源模块、燃料电池堆、燃料电池散热系统、散热三通阀、保温三通阀，氢气供应系统，空气供应系统；燃料电池散热系统包括散热器和冷却循环水泵；温差发电模块包括热面、冷面、设置在冷面与热面之间的温差发电片阵列、与热面固定在一起的热端储热箱、与冷面固定在一起的冷端储热箱、固定在冷端储热箱上方的散热片；所述温差发电片阵列设置有输出电极；

热端储热箱由导热金属材质制作，内部填充相变材料，且留有未填充的真空空间，热端储热箱内具有液体管道，液体管道的两端分别作为热端储热箱的出口、热端储热箱的入口，液体管道浸没在相变材料中；

所述冷端储热箱是由导热金属材质制作，内部填充相变材料，且保留未填充的真空空间，冷端储热箱内设置有液体管道和气体管道，液体管道和气体管道浸没在冷端储热箱内部的相变材料中；

燃料电池堆有冷却液出口、冷却液入口、空气入口、空气出口、氢气入口、氢气出口；

散热器设置有冷却液入口、冷却液出口；

各部分的连接关系为：

燃料电池堆的冷却液入口连接冷却循环水泵的出口，燃料电池堆的冷却液出口连接温差发电模块的热端储热箱入口；氢气入口、氢气出口连接外部的氢气供应系统；空气入口、空气出口连接外部的空气供应系统；

热端储热箱出口连接散热三通阀入口，散热三通阀的一个出口连接散热器冷却液入口，散热三通阀另一出口与散热器的冷却液出口一同连接到保温三通阀入口；保温三通阀的一个出口连接冷端储热箱液体管道的入口，另一出口与冷端储热箱的液体管道出口一同连接冷却循环泵的入口；有轨电车的废冷气体排气口连接冷端储热箱气体管道的入口，冷端储热箱气体管道的出口连到有轨电车的排风口；

温差发电模块的输出电极与DC-DC电源模块连接。

2.如权利要求1所述的一种燃料电池有轨电车的余热发电方法，其特征在于，还包括燃料电池有轨电车运行时余热发电系统工作的流程；和/或燃料电池有轨电车停止时的余热发电系统工作的流程；和/或燃料电池有轨电车启动时的余热发电系统工作的流程；

其中：

燃料电池有轨电车运行时余热发电系统工作的流程包括如下步骤：

步骤A：保温三通阀关闭与冷端储热箱连接的出口，打开另一出口，如果冷端储热箱内的相变材料工作在相变状态，则进行步骤二，如果冷端储热箱内的相变材料已完全相变，工作在显热存储状态，则进行步骤三；

步骤B：冷却液流经热端储热箱，若冷却液温度高于相变材料，热端储热箱吸热，使冷却液温度降低，反之，若冷却液温度低于相变材料，热端储热箱放热，冷却液温度升高，散热三通阀关闭连接散热器的出口，打开另一出口；

步骤C：启动散热器，并控制三通阀打开连接散热器的出口，关闭另一出口，进行主动散热，调节冷却液温度；

步骤D：温差发电模块发电，通过输出电极输出电能；

燃料电池有轨电车停止时余热发电系统工作的流程包含如下步骤：

步骤1：冷端储热箱散失部分热量后，其内相变材料体积变小，与散热器之间形成真空缝隙起到隔热作用，阻止热量进一步散失；

步骤2：热端储热箱放热，散热三通阀关闭与散热器连接的出口，开启另一出口，控制冷却循环泵低速工作；

步骤3：热端储热箱温度降低至冷端储热箱温度时，保温三通阀打开与冷端储热箱连接的出口，关闭另一出口，利用冷端储热箱与热端储热箱存储的热量共同为燃料电池堆保温；

燃料电池有轨电车启动时余热发电系统工作的流程包括如下步骤：

步骤Ⅰ：散热三通阀打开与散热器连接的出口，关闭另一出口；

步骤Ⅱ：热端储热箱放热，为系统预热；

步骤Ⅲ：燃料电池堆冷启动。

3.如权利要求1所述的一种燃料电池有轨电车的余热发电方法，其特征在于，温差发电片阵列的各个温差发电片为半导体温差发电片。

4.如权利要求1所述的一种燃料电池有轨电车的余热发电方法，其特征在于，温差发电模块外部敷设隔热材料。

5.如权利要求1所述的一种燃料电池有轨电车的余热发电方法，其特征在于，热端储热箱通过导热硅胶固定在热面上，和/或冷端储热箱通过导热硅胶固定在冷面上，和/或散热片通过导热硅胶固定到冷端储热箱。

6.如权利要求1所述的一种燃料电池有轨电车的余热发电方法，其特征在于，冷端储热箱，和/或热端储热箱内的各个管道呈螺旋形设置。

7.如权利要求1所述的一种燃料电池有轨电车的余热发电方法，其特征在于，散热片垂直于冷端储热箱设置。

8.如权利要求1所述的一种燃料电池有轨电车的余热发电方法，其特征在于，所述燃料电池有轨电车利用CAN总线控制DC-DC电源模块。

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