CN110667605B - 一种氢燃料电池真空管道交通车辆 - Google Patents

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Abstract

一种氢燃料电池真空管道交通车辆，车辆外侧设有车辆悬浮装置，车辆前端设有空气压缩机，空气压缩机和空气瓶连接，空气瓶通过压力调节器和空气净化器的入口连接，空气在空气净化器中被净化后，一部分经管路进入车辆客舱，供车内乘员呼吸使用，另一部分经喷射器通过氢燃料电池的空气入口进入氢燃料电池内；氢燃料电池的氢气入口和氢气瓶出气口连接，从氢燃料电池出水口流出的水气混合物经水分离器分离，被分离出的水经管路进入水罐，分离出的空气经空气循环泵再次进入氢燃料电池的空气入口，分离出的氢气经氢气循环泵再次进入氢燃料电池的氢气入口；本发明有利于推广清洁能源，提高设备利用效率，降低运行成本。

Description

一种氢燃料电池真空管道交通车辆
技术领域
本发明属于真空管道交通技术领域，具体涉及一种氢燃料电池真空管道交通车辆。
背景技术
真空管道交通就是在地上或地下建设气密性管道，管道内铺设磁悬浮轨道，并抽成一定真空，磁悬浮车辆在其中行驶。由于同时消除了空气阻力和机械摩擦，真空管道磁浮车辆速度可以达到超音速，甚至高超音速。对于旨在跨越海峡的海底真空管道，管道内可铺设钢轨，抽成一定真空，轮轨车辆在其中行驶。由于消除了空气阻力，轮轨高速列车可以很高速度行驶跨越海峡。
真空管道交通的管道直径3m左右，线路长度至少1000km以上，甚至上万公里，一条真空管道交通线路的真空腔体积可达数千万立方米，如此庞大体积的真空环境形成与维持，是一件十分困难和成本高昂的事项。采用真空泵抽真空时，随着气压降低，真空泵抽气效率越来越低。中国专利(CN200910305962.7)“真空管道高速交通运行抽气系统”给出了一种在车辆运行过程中对管道内部抽真空的方法，可以提高较低气压时对管道抽真空的效率。但该方法存在的问题是，需要采用车载高压贮气罐，所捕集的管道内空气经压缩机压缩后存入贮气罐，车辆到站后，或车辆离开真空管道后，将贮气罐内的气体排出。
现有轮轨高速列车和磁悬浮列车，都由电力驱动，电力由电网取得；车上同时还携带蓄电池，供车上照明、通讯、仪器仪表等系统在脱离电网时使用。常用的蓄电池有干电池(如各类碱性电池、镍氢电池、锂离子电池等)、铅酸电池等。上述电池能量密度不理想，对环境都会有一定影响，甚至严重污染环境。因此，人们一直在寻找和研发新型的高能量密度且环境友好型电池。
氢燃料电池通过氢气(H2)和空气中的氧(O2)发生反应产生电能，生成物为水(H2O)，因此是一种较高能量密度且无污染的环境友好型电池。当前，氢燃料电池汽车已经能够在道路上行驶。氢气容易取得，价格便宜，反应所需空气无需自带，在行驶过程中可直接从大气中取得。尤其是，反应生成物为水，因此，氢燃料电池是一种十分清洁的能源，应用前景广阔。随着氢燃料电池技术的不断成熟和应用的不断推广，将会越来越多地替代干电池、铅酸电池等应用于道路机动车辆，以及(大气环境中)高铁列车、(大气环境中)磁悬浮列车的照明与通讯。将来，像驱动道路机动车辆一样，由氢燃料电池驱动大气环境中高铁列车和磁悬浮列车也是一种可行的选择。
氢燃料电池不仅可在增压状态下工作，而且最好在增压状态下工作，增大空气、氢气流速和压力，提高反应效率。当工作压力增大时，氢燃料电池电势增大，从而产生更大功率。对于在常压大气环境中应用的氢燃料电池，增压需要增加空气压缩装置，将相应增加氢燃料电池制作成本；同时，给空气增压需要消耗额外功率，这会抵消增压带来的电势增量。
另一方面，对于真空管道交通而言，运行抽气方法可降低抽真空和维持真空的成本，主动降低车辆运行气动阻力。然而，车辆运行过程中抽气->压缩->贮气->排出气体，需要在车辆上额外增加空气压缩装置和贮气罐，将部分抵消运行抽气所减少的抽真空成本。
目前还没有将氢燃料电池应用到真空管道交通上的相关文献公开。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种氢燃料电池真空管道交通车辆，有利于提高设备利用效率，降低运行成本。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种氢燃料电池真空管道交通车辆，包括真空管道1，真空管道1内设有车辆2，车辆2的外侧设有车辆悬浮装置21，车辆2的前端设有空气压缩机3，空气压缩机3的前端设有进气口31，空气压缩机3的出气口和空气瓶41的入气口连接，空气瓶41的出气口通过压力调节器51和空气净化器61的入口连接，压缩空气经压力调节器51进行气压调节后进入空气净化器61，空气在空气净化器61中被净化后，一部分经管路进入车辆客舱，供车内乘员呼吸使用，另一部分经喷射器通过氢燃料电池5的空气入口进入氢燃料电池5内；氢燃料电池5的氢气入口通过另一压力调节器51和氢气瓶42的出气口连接，从氢燃料电池5出水口流出的水气混合物经水分离器52分离，被分离出的水经管路进入水罐7，分离出的空气经空气循环泵53再次进入氢燃料电池5的空气入口，分离出的氢气经氢气循环泵54再次进入氢燃料电池5的氢气入口。
所述的水罐7通过水泵55和热交换器56连接，热交换器56出气口和氢燃料电池5连接，热交换器56具有加湿功能，从水罐7流出的水在热交换器56内加热形成水蒸气并经由管路流入氢燃料电池5电池堆，对氢燃料电池5加湿、加热。
所述的水分离器52分离出的氢气通过氢气净化器62后进入氢气瓶42。
所述的车辆2为采用运行抽气方法的车辆，空气压缩机3、进气口31、空气瓶41、氢气瓶42、氢燃料电池5、压力调节器51、水分离器52、空气循环泵53、氢气循环泵54、水泵55，热交换器56，空气净化器61、氢气净化器62、水罐7均设置在车辆2上。
所述的进气口31是一种喇叭口形装置。
所述的氢燃料电池5的质子膜、阳极板、阴极板及由其所构成的电池堆设置在一个密封的腔体内，参与反应的空气、氢气不会泄漏到车辆内部，也不会扩散到真空管道1中。
所述的一种氢燃料电池真空管道交通车辆的运行方法，包括以下步骤：
步骤1：对真空管道1抽真空，达到设定的初步气压值；
步骤2：车辆2进入真空管道1之前，氢气瓶42内加注全程运行过程中氢燃料电池5所需的压缩氢气；空气瓶41内加注压缩空气，保证在车辆启动阶段和未捕集到真空管道1内空气之前氢燃料电池5工作所需的压缩空气量；
步骤3：车辆2进入真空管道1启动行驶，利用携带的压缩空气由氢燃料电池5产生电能，满足车内通讯、照明、空调以及车辆运行所需的电能；空气压缩机3启动工作，开始捕集真空管道1内空气；
步骤4：车辆2达到高速度，所捕获的真空管道1内空气能够满足氢燃料电池5持续工作所需空气量；
未参加反应的剩余空气，经由水分离器52后，一部分经由空气循环泵53再次进入氢燃料电池5，参与跟氢的氧化反应；另一部分经由空气净化器61和空气压缩机3后进入空气瓶41；
未参加反应的剩余氢气，一部分经由氢气循环泵54再次进入氢燃料电池5，参与跟氧的氧化反应；另一部分经由氢气净化器62和空气压缩机3后进入氢气瓶42；
从水分离器52出来的水流入水罐7；
步骤5：完成一次运行任务后，车辆2退出真空管道1，排出水罐7中的水；然后进行氢气加注和压缩空气加注，准备进入真空管道1执行下一次运行任务。
对于长定子高速磁悬浮列车的车辆2，车辆2运行电能由轨道长定子提供，氢燃料电池5只为车辆仪表、通讯、空调、控制系统提供电力；对于海底真空管道轮轨的车辆2，除了仪表、通讯、空调、控制系统由氢燃料电池5提供电能，车辆2运行亦由氢燃料电池5提供电能。
本发明的有益效果是：
本发明一种氢燃料电池真空管道交通车辆，一方面可消除其在大气环境中应用时为提高电势而额外增加压缩装置的不足，又可利用真空管道交通采用运行抽气系统而增加的空气压缩装置，取得双向增效目标；另一方面氢燃料电池的氢气在跟空气中的氧发生反应时生成水，使真空管道交通运行抽气过程中回收的气体体积减小，这又可减小对贮气罐体积规格要求，或者降低对贮气罐的承压要求，有利于提高设备利用效率，降低运行成本。
车辆2在真空管道1中采用运行抽气方式，通过捕集气体，进一步降低真空管道1内气压(即提高真空度)，捕集到的压缩空气供氢燃料电池5使用；省去为氢燃料电池5另外设置高压空气瓶，也即使运行抽气车辆2的压缩空气瓶41以及捕集的空气得到充分利用，从而使真空管道交通车辆能够利用氢燃料电池5产生的电能；不仅使空气压缩机3、空气瓶41效能得到充分发挥，而且还使捕集到的废气变成有效的资源。
附图说明
图1为本发明氢燃料电池真空管道交通车辆的示意图。
图2为本发明实施例1氢燃料电池真空管道交通车辆的氢燃料电池设置及工作原理示意图。
图3为本发明实施例2氢燃料电池真空管道交通车辆的氢燃料电池设置及工作原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做详细描述。
实施例1，如图1、图2所示，一种氢燃料电池真空管道交通车辆，包括真空管道1，真空管道1内设有车辆2，车辆2的外侧设有车辆悬浮装置21，车辆2的前端设有空气压缩机3，空气压缩机3的前端设有进气口31，空气压缩机3的出气口和空气瓶41的入气口连接，空气瓶41是一种压力容器，捕集到的空气由空气压缩机3压缩到空气瓶41中存贮；空气瓶41的出气口通过压力调节器51和空气净化器61的入气口连接，压缩空气经压力调节器51进行气压调节后进入空气净化器61，空气在空气净化器61中被净化后，经喷射器通过氢燃料电池5的空气入口进入氢燃料电池5内；氢燃料电池5的氢气入口通过另一压力调节器51和氢气瓶42的出气口连接，所述的氢气瓶42是一种压力容器，用于存贮压缩氢气；氢燃料电池5工作时，氢气和空气在氢燃料电池5中发生电化学反应，产生电荷，释放热量，生成水，从氢燃料电池5出水口流出的水气混合物经水分离器52分离，被分离出的水经管路进入水罐7，分离出的空气一部分经空气循环泵53再次进入氢燃料电池5的空气入口，另一部分经空气净化器61净化后经由管路进入车辆客舱，供车内乘员呼吸使用；分离出的氢气经氢气循环泵54再次进入氢燃料电池5的氢气入口。
所述的水分离器52分离出的氢气通过氢气净化器62后进入氢气瓶42。
所述的车辆2为采用运行抽气方法的车辆，空气压缩机3、进气口31、空气瓶41、氢气瓶42、氢燃料电池5、压力调节器51、水分离器52、空气循环泵53、氢气循环泵54、空气净化器61、氢气净化器62、水罐7均设置在车辆2上。
所述的进气口31是一种喇叭口形装置，位于车辆2前端，用于在车辆高速行驶时供管道内气体进入。
所述的氢燃料电池5的质子膜、阳极板、阴极板及由其所构成的电池堆设置在一个密封的腔体内，参与反应的空气、氢气不会泄漏到车辆内部，也不会扩散到真空管道1中。
本实施例一种氢燃料电池真空管道交通车辆的运行方法，包括以下步骤：
步骤1：对真空管道1抽真空，达到设定的初步气压值，真空管道1内的初步气压值不能太高，也不能太低；气压值太高时，车辆运行阻力高，会导致在一定功率下运行速度达不到设计速度；气压值太低时，真空管道1内空气密度太低，车辆2正常运行过程中所捕集的空气量太少，不能满足氢燃料电池5正常工作所需的空气量；
步骤2：车辆2进入真空管道1之前，氢气瓶42内加注全程运行过程中氢燃料电池5所需的压缩氢气；空气瓶41内加注压缩空气，保证在车辆启动阶段和未捕集到真空管道1内空气之前氢燃料电池5工作所需的压缩空气量即可；
步骤3：车辆2进入真空管道1启动行驶，利用携带的压缩空气由氢燃料电池5产生电能，满足车内通讯、照明、空调以及车辆运行所需的电能；空气压缩机3启动工作，开始捕集真空管道1内空气；
步骤4：车辆2达到高速度，所捕获的真空管道1内空气能够满足氢燃料电池5持续工作所需空气量；
未参加反应的剩余空气，经由水分离器52后，一部分经由空气循环泵53再次进入氢燃料电池5，参与跟氢的氧化反应；另一部分经由空气净化器61后经由管路进入车辆客舱，供车内乘客呼吸利用；
未参加反应的剩余氢气，一部分经由氢气循环泵54再次进入氢燃料电池5，参与跟氧的氧化反应；另一部分经由氢气净化器62和空气压缩机3后进入氢气瓶42；
从水分离器52出来的水流入水罐7；
步骤5：完成一次运行任务后，车辆2退出真空管道1，排出水罐7中的水；然后进行氢气加注和压缩空气加注，准备进入真空管道1执行下一次运行任务。
对于长定子高速磁悬浮列车的车辆2，车辆2运行电能由轨道长定子提供，氢燃料电池5只为车辆仪表、通讯、空调、控制系统提供电力；对于海底真空管道轮轨的车辆2，除了仪表、通讯、空调、控制系统由氢燃料电池5提供电能，车辆2运行亦由氢燃料电池5提供电能。
实施例2，如图1、图3所示，一种氢燃料电池真空管道交通车辆，除了实施例1的结构外，为了对氢燃料电池5的氢氧反应过程加湿和加热，所述的水罐7通过水泵55和热交换器56连接，热交换器56出气口和氢燃料电池5连接，热交换器56具有加湿功能，本质上是一种加湿器，热交换器56利用氢和氧反应过程产生的热进行加热，从水罐7流出的水在热交换器56内加热形成水蒸气并经由管路流入氢燃料电池5电池堆，对氢燃料电池5加湿、加热，提高反应效率。
本实施例一种氢燃料电池真空管道交通车辆的运行方法，包括以下步骤：
步骤1：对真空管道1抽真空，达到设定的初步气压值，真空管道1内的初步气压值不能太高，也不能太低；气压值太高时，车辆运行阻力高，会导致在一定功率下运行速度达不到设计速度；气压值太低时，真空管道1内空气密度太低，车辆2正常运行过程中所捕集的空气量太少，不能满足氢燃料电池5正常工作所需的空气量；
步骤2：车辆2进入真空管道1之前，氢气瓶42内加注全程运行过程中氢燃料电池5所需的压缩氢气；空气瓶41内加注压缩空气，保证在车辆启动阶段和未捕集到真空管道1内空气之前氢燃料电池5工作所需的压缩空气量即可；
步骤3：车辆2进入真空管道1启动行驶，利用携带的压缩空气由氢燃料电池5产生电能，满足车内通讯、照明、空调以及车辆运行所需的电能；空气压缩机3启动工作，开始捕集真空管道1内空气；
步骤4：车辆2达到高速度，所捕获的真空管道1内空气能够满足氢燃料电池5持续工作所需空气量；
未参加反应的剩余空气，经由水分离器52后，经由空气净化器61和空气压缩机3后进入空气瓶41；
未参加反应的剩余氢气，一部分经由氢气循环泵54再次进入氢燃料电池5，参与跟氧的氧化反应；另一部分经由氢气净化器62和空气压缩机3后进入氢气瓶42；
从水分离器52出来的水流入水罐7，从水罐7流出的水经水泵55进入热交换器56，在热交换器56内加热形成水蒸气并经由管路流入氢燃料电池5电池堆，对氢燃料电池5加湿、加热，提高反应效率。
步骤5：完成一次运行任务后，车辆2退出真空管道1，排出水罐7中的水；然后进行氢气加注和压缩空气加注，准备进入真空管道1执行下一次运行任务。

Claims (5)

1.一种氢燃料电池真空管道交通车辆，包括真空管道（1），其特征在于：真空管道（1）内设有车辆（2），车辆（2）的外侧设有车辆悬浮装置（21），车辆（2）的前端设有空气压缩机（3），空气压缩机（3）的前端设有进气口（31），空气压缩机（3）的出气口和空气瓶（41）的入气口连接，空气瓶（41）的出气口通过压力调节器（51）和空气净化器（61）的入口连接，压缩空气经压力调节器（51）进行气压调节后进入空气净化器（61），空气在空气净化器（61）中被净化后，一部分经管路进入车辆客舱，供车内乘员呼吸使用，另一部分经喷射器通过氢燃料电池（5）的空气入口进入氢燃料电池（5）内；氢燃料电池（5）的氢气入口通过另一压力调节器（51）和氢气瓶（42）的出气口连接，从氢燃料电池（5）出水口流出的水气混合物经水分离器（52）分离，被分离出的水经管路进入水罐（7），分离出的空气经空气循环泵（53）再次进入氢燃料电池（5）的空气入口，分离出的氢气经氢气循环泵（54）再次进入氢燃料电池（5）的氢气入口；
所述的水罐（7）通过水泵（55）和热交换器（56）连接，热交换器（56）出气口和氢燃料电池（5）连接，热交换器（56）具有加湿功能，从水罐（7）流出的水在热交换器（56）内加热形成水蒸气并经由管路流入氢燃料电池（5）电池堆，对氢燃料电池（5）加湿、加热；
所述的水分离器（52）分离出的氢气通过氢气净化器（62）后进入氢气瓶（42）；
所述的车辆（2）为采用运行抽气方法的车辆，空气压缩机（3）、进气口（31）、空气瓶（41）、氢气瓶（42）、氢燃料电池（5）、压力调节器（51）、水分离器（52）、空气循环泵（53）、氢气循环泵（54）、水泵（55），热交换器（56）、空气净化器（61）、氢气净化器（62）、水罐（7）均设置在车辆（2）上。
2.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池真空管道交通车辆，其特征在于：所述的进气口（31）是一种喇叭口形装置。
3.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池真空管道交通车辆，其特征在于：所述的氢燃料电池（5）的质子膜、阳极板、阴极板及由其所构成的电池堆设置在一个密封的腔体内，参与反应的空气、氢气不会泄漏到车辆内部，也不会扩散到真空管道（1）中。
4.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池真空管道交通车辆的运行方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：对真空管道（1）抽真空，达到设定的初步气压值；
步骤2：车辆（2）进入真空管道（1）之前，氢气瓶（42）内加注全程运行过程中氢燃料电池（5）所需的压缩氢气；空气瓶（41）内加注压缩空气，保证在车辆启动阶段和未捕集到真空管道（1）内空气之前氢燃料电池（5）工作所需的压缩空气量；
步骤3：车辆（2）进入真空管道（1）启动行驶，利用携带的压缩空气由氢燃料电池（5）产生电能，满足车内通讯、照明、空调以及车辆运行所需的电能；空气压缩机（3）启动工作，开始捕集真空管道（1）内空气；
步骤4：车辆（2）达到高速度，所捕获的真空管道（1）内空气能够满足氢燃料电池（5）持续工作所需空气量；
未参加反应的剩余空气，经由水分离器（52）后，一部分经由空气循环泵（53）再次进入氢燃料电池（5），参与跟氢的氧化反应；另一部分经由空气净化器（61）和空气压缩机（3）后进入空气瓶（41）；
未参加反应的剩余氢气，一部分经由氢气循环泵（54）再次进入氢燃料电池（5），参与跟氧的氧化反应；另一部分经由氢气净化器（62）和空气压缩机（3）后进入氢气瓶（42）；
从水分离器（52）出来的水流入水罐（7）；
步骤5：完成一次运行任务后，车辆（2）退出真空管道（1），排出水罐（7）中的水；然后进行氢气加注和压缩空气加注，准备进入真空管道（1）执行下一次运行任务。
5.根据权利要求4所述的一种氢燃料电池真空管道交通车辆的运行方法，其特征在于：对于长定子高速磁悬浮列车的车辆（2），车辆（2）运行电能由轨道长定子提供，氢燃料电池（5）只为车辆仪表、通讯、空调、控制系统提供电力；对于海底真空管道轮轨的车辆（2），除了仪表、通讯、空调、控制系统由氢燃料电池（5）提供电能，车辆（2）运行亦由氢燃料电池（5）提供电能。
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