CN110858656A - 一种用于列车atp系统的燃料电池装置 - Google Patents

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孙亮
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Abstract

本发明涉及用于列车ATP系统的燃料电池装置，包括控制芯片、燃料存储罐、水槽、燃料电池模块、第一液位传感器和第二液位传感器，其中，所述的第一液位传感器连接燃料存储罐，所述的第二液位传感器连接燃料电池模块，所述的燃料存储罐的出口处设有一阀门，第一液位传感器、第二液位传感器和阀门均连接控制芯片，所述的燃料存储罐连接燃料电池模块，水槽安装于燃料电池模块的下方，燃料电池模块连接列车ATP系统中的MOBAD单元。与现有技术相比，用户只需补充燃料即可保证列车ATP系统的正常运行，操作简单，省去复杂的更换电池流程，提高了工作效率。而且，使用燃料电池提升系统的稳定性，整个过程环保而高效。

Description

一种用于列车ATP系统的燃料电池装置
技术领域
本发明涉及一种列车ATP系统领域，尤其是涉及一种用于列车ATP系统的燃料电池装置。
背景技术
为了保证动车的安全运行，列车中需要安装列车ATP车载自动防护系统，列车ATP系统的硬件为一个立方体状的机柜，安装于列车的车头和车尾。机柜中存在多个功能模块，每个功能模块上会插入一个DCA 0030A MOBAD单元(模式电池地址装置单元)，简称MOBAD单元，MOBAD单元为各个功能模块提供连续的供电来起到对功能模块中的闪存防擦除的保护作用。如图1所示，MOBAD单元包括接口71和电池72，通过接口71连接机柜中的功能模块，当列车停运时，MOBAD单元开始工作，给各个功能模块供电，使功能模块中存储的数据不丢失，以保证列车再次启动时ATP系统能正常启机。但是目前，在列车运营过程中，MOBAD单元主要供电方式为干电池(安时容量的3.6V的锂亚硫酰氯电池)，属于不可充电的锂电池，当干电池的电力用完就需要更换，并且一个MOBAD单元电力不足就会影响与之对应的一个功能模块，从而影响整个ATP系统不能正常启机的情况。而且，因为整机中存在多个MOBAD单元，无法判断哪个电池供电不足，目前的现场处理的方法是更换所有MOBAD单元中的电池72，以保证列车的正常运行，这样无形中造成了大量资源的浪费，而且对废电池的处理不当也会给环境带来一定的污染。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于列车ATP系统的燃料电池装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用于列车ATP系统的燃料电池装置，包括控制芯片、燃料存储罐、水槽、燃料电池模块、第一液位传感器和第二液位传感器，其中，所述的第一液位传感器连接燃料存储罐，所述的第二液位传感器连接燃料电池模块，所述的燃料存储罐的出口处设有一阀门，第一液位传感器、第二液位传感器和阀门均连接控制芯片，所述的燃料存储罐连接燃料电池模块，水槽安装于燃料电池模块的下方，燃料电池模块连接列车ATP系统中的MOBAD单元。
进一步地，所述的燃料电池模块包括电池外壳，电池内部由质子交换膜分割为两个相同的内腔，内腔中由质子交换膜向外依次为阳极催化层、阳极扩散层和燃料室，另一内腔中由质子交换膜向外依次为阴极催化层、阴极扩散层和空气室，所述的燃料室通过加料孔连接燃料存储罐，所述的阳极扩散层设有一个CO2排放孔，所述的空气室设有空气流通孔和水排放孔，并且通过水排放孔连接水槽。
进一步地，所述的控制芯片、水槽、燃料电池模块、第一液位传感器和第二液位传感器均集成在壳体内部。
进一步地，所述的燃料电池模块通过导线连接MOBAD单元的正负极。
进一步地，还包括流量阀和流量传感器，所述的流量阀和流量传感器连接控制芯片，并且，均安装在连接燃料存储罐与燃料电池模块的导管上。
进一步地，还包括一个燃料泵，该燃料泵连接控制芯片，并且安装于导管上。
进一步地，还包括一个显示器，该显示器连接控制芯片。
进一步地，还包括一个报警机构，该报警机构连接控制芯片。
进一步地，所述的燃料电池模块使用的燃料为甲醇水溶液。
进一步地，所述的水槽可拆卸式连接燃料电池模块。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明直接使用甲醇燃料电池的方案替换原有的锂亚硫酰氯电池，甲醇燃料电池通过化学能转化为电能，只要保持连续的甲醇水溶液和空气的供给，就会有电子不断地通过外部电路从阳极流向阴极产生电能，提供供电，能确保长时间地自动运行而不需任何维护，整个过程环保而高效，提升了列车ATP系统的可靠性，减少停工期和设备运行间隙，并且大幅度的降低成本。本发明既绿色环保又能避免电量耗尽而导致停车的情况，为列车正常运行提供了安全保障。
2、本发明通过控制芯片、第一液位传感器和第二液位传感器实时监控电池的燃料，并且通过燃料泵和阀门自动控制和补充燃料，通过流量阀和流量传感器保证供应的速率，使得燃料电池模块可以稳定地产生电能。只要保证燃料存储罐中的供应，就能保证燃料电池及时获得燃料补给。
3、本发明的控制芯片、水槽、燃料电池模块、第一液位传感器和第二液位传感器均集成在一个壳体内部，只通过两根导线直接连接到MOBAD单元上，节省了MOBAD单元内部大量的安装空间，有效的减小了印制板体积。
4、燃料电池模块中使用了Nafion膜，具有质子电导率高和化学稳定性好的特点，能够完美地配合燃料，优化电池模块的性能。
5、本发明通过显示器能够实时地观察电池使用状态，便于掌握燃料电池的运行状态，并且在燃料存储罐的燃料储备不足时，控制芯片通过报警机构发出警报，及时提醒补充燃料，维持列车ATP系统的正常工作。
6、本发明使用过程中，用户只需补充燃料即可，操作简单，省去复杂的更换电池流程，提高了工作效率。而且，使用燃料电池可以提升系统的稳定性，燃料电池通过催化反应，将甲醇直接转化成电能，并且能确保长时间地自动运行而不需任何维护，整个过程环保而高效，也是目前最清洁的发电方式之一。
附图说明
图1为MOBAD单元的结构示意图；
图2为本发明的结构示意图；
图3为燃料电池模块的结构示意图；
附图标记：1、控制芯片，2、燃料存储罐，3、水槽，4、燃料电池模块，401,、电池外壳，402、质子交换膜，403、阳极催化层，404、阳极扩散层，405、燃料室，406、阴极催化层，407、阴极扩散层，408、空气室，409、加料孔，410、CO2排放孔，411、水排放孔，412、阳极输出端，413、阴极输出端，414、空气流通孔，5、第一液位传感器，6、第二液位传感器，7、MOBAD单元，71、接口，72、电池，8、壳体，9、导线，11、导管，12、流量阀，13、流量传感器，14、燃料泵，15、阀门，16、显示器，17、报警机构。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图2所示，本实施例提供了一种用于列车ATP系统的燃料电池装置，包括控制芯片1、燃料存储罐2、水槽3、燃料电池模块4、第一液位传感器5和第二液位传感器6，其中，第一液位传感器5连接并监控燃料存储罐2的使用量，第二液位传感器6连接并监控燃料电池模块4的使用量，燃料存储罐2的出口处设有一个阀门15，第一液位传感器5，第二液位传感器6和阀门15均由控制芯片1进行控制，燃料存储罐2还通过一根导管11连接燃料电池模块4，水槽3安装于燃料电池模块4的下方，并且可拆卸和替换，方便定期进行清理。燃料电池模块4通过导线9直接连接列车ATP系统中的MOBAD单元7的正负极。控制芯片1、水槽3、燃料电池模块4、第一液位传感器5和第二液位传感器6均集成在一个壳体8内部，两个传感器的采集头设置于燃料存储罐2和燃料电池模块4的内部。控制芯片1采用的型号为LPC1788。
连接燃料存储罐2与燃料电池模块4的导管11上设有流量阀12、流量传感器13和燃料泵14。流量阀12、流量传感器13和燃料泵14均由控制芯片1进行控制，燃料泵14输送燃料进入燃料电池模块4，并且通过流量阀12和流量传感器13调解燃料径流的大小，使得燃料电池能够稳定地进行工作，燃料电池模块4使用的燃料为甲醇水溶液。
本实施例还包括一个显示器16和一个报警机构17，显示器16和报警机构17均连接控制芯片1，显示器16实时显示燃料电池的燃料使用情况和燃料存储罐的用量情况。
燃料电池装置的的工作原理为：
1)通过第二液位传感器6实时监控，并在显示器上显示燃料电池模块4的燃料使用情况，当燃料少于设定值时控制芯片1开启燃料存储罐2的出口处阀门15，将燃料装填至燃料室405，燃料装填完毕后燃料存储罐2关闭；
2)通过第一液位传感器5实时采集燃料存储罐2的用量情况，当燃料存储罐2中的燃料耗尽时会在显示器16进行提示，同时通过报警机构进行报警，提醒用户及时补充燃料。
如图3所示，燃料电池模块4包括电池外壳401，电池外壳401内从左到右依次燃料室405、阳极扩散层404、阳极催化层403、质子交换膜402、阴极催化层406、阴极扩散层407、空气室408。电池内部由质子交换膜402分割为两个相同的内腔，内腔中由质子交换膜402向外依次为阳极催化层403、阳极扩散层404和燃料室405，另一内腔中由质子交换膜402向外依次为阴极催化层406、阴极扩散层407和空气室408，在燃料室405上部设置加料孔409，连接燃料存储罐2，阳极扩散层404设有一个CO2排放孔410，空气室408的侧壁设有多个空气流通孔414用于流通空气，并且底部设置水排放孔411用于连接水槽3。在阴极催化层406和阳极催化层403的电池外壳401处，分别通过焊接连接设置阴极输出端413和阳极输出端412。质子交换膜402采用Nafion膜。阳极输出端412和阴极输出端413采用不锈钢、铜或钛材料，本实施例采用不锈钢材料，燃料电池模块4整体采用扁平化设计。
燃料电池模块的工作原理为：甲醇燃料电池是以质子交换膜为电解质、液态甲醇为燃料的一种新型燃料电池，它主要由阳极、阴极和电解质膜三部分组成。工作原理是：甲醇和水的混合物经扩散层扩散进入催化层，在阳极催化剂的作用下直接发生电化学氧化反应生成CO2、电子和质子。质子经质子交换膜由阳极迁移到阴极区，而电子经外电路做工后到达阴极区。氧气或空气经扩散层进入催化层并在阴极催化剂的作用下与流入阴极区的电子和质子发生化学反应生成水，其电极反应如下：
阳极反应：CH3OH+H2O→CO2+6H++6e；
阴极反应：3/2O2+6H++6e→3H2O；
总反应：CH3OH+3/2O2→CO2+3H2O。
甲醇燃料电池只要保持连续的甲醇燃料和氧化剂供给，就会有源源不断的电子通过外部电路从阳极流向阴极产生电能，并对外供电。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于列车ATP系统的燃料电池装置，其特征在于，包括控制芯片(1)、燃料存储罐(2)、水槽(3)、燃料电池模块(4)、第一液位传感器(5)和第二液位传感器(6)，其中，所述的第一液位传感器(5)连接燃料存储罐(2)，所述的第二液位传感器(6)连接燃料电池模块(4)，所述的燃料存储罐(2)的出口处设有一阀门(15)，第一液位传感器(5)、第二液位传感器(6)和阀门(15)均连接控制芯片(1)，所述的燃料存储罐(2)连接燃料电池模块(4)，水槽(3)安装于燃料电池模块(4)的下方，燃料电池模块(4)连接列车ATP系统中的MOBAD单元(7)。
2.根据权利要求1所述的用于列车ATP系统的燃料电池装置，其特征在于，所述的燃料电池模块(4)包括电池外壳(401)，电池内部由质子交换膜(402)分割为两个相同的内腔，内腔中由质子交换膜(402)向外依次为阳极催化层(403)、阳极扩散层(404)和燃料室(405)，另一内腔中由质子交换膜(402)向外依次为阴极催化层(406)、阴极扩散层(407)和空气室(408)，所述的燃料室(405)通过加料孔(409)连接燃料存储罐(2)，所述的阳极扩散层(404)设有一个CO2排放孔(410)，所述的空气室(408)设有空气流通孔(414)和水排放孔(411)，并且通过水排放孔(411)连接水槽(3)。
3.根据权利要求1所述的用于列车ATP系统的燃料电池装置，其特征在于，所述的控制芯片(1)、水槽(3)、燃料电池模块(4)、第一液位传感器(5)和第二液位传感器(6)均集成在壳体(8)内部。
4.根据权利要求1所述的用于列车ATP系统的燃料电池装置，其特征在于，所述的燃料电池模块(4)通过导线(9)连接MOBAD单元(7)的正负极。
5.根据权利要求1所述的用于列车ATP系统的燃料电池装置，其特征在于，还包括流量阀(12)和流量传感器(13)，所述的流量阀(12)和流量传感器(13)连接控制芯片(1)，并且，均安装在连接燃料存储罐(2)与燃料电池模块(4)的导管(11)上。
6.根据权利要求5所述的用于列车ATP系统的燃料电池装置，其特征在于，还包括一个燃料泵(14)，该燃料泵(14)连接控制芯片(1)，并且安装于导管(11)上。
7.根据权利要求1所述的用于列车ATP系统的燃料电池装置，其特征在于，还包括一个显示器(16)，该显示器(16)连接控制芯片(1)。
8.根据权利要求1所述的用于列车ATP系统的燃料电池装置，其特征在于，还包括一个报警机构(17)，该报警机构(17)连接控制芯片(1)。
9.根据权利要求1所述的用于列车ATP系统的燃料电池装置，其特征在于，所述的燃料电池模块(4)使用的燃料为甲醇水溶液。
10.根据权利要求1所述的用于列车ATP系统的燃料电池装置，其特征在于，所述的水槽(3)可拆卸式连接燃料电池模块(4)。
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