CN219790149U - 一种氢电混合动力机车 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种氢电混合动力机车，包括：储氢单元、输氢单元、加热单元、余热利用单元、氢内燃机、动力电池和牵引电机；所述输氢单元包括第一液氢气化器和第二液氢气化器，所述第一液氢气化器经第二液氢气化器与氢内燃机相连；且所述储氢单元输出的液氢选择通入第一液氢气化器或第二液氢气化器；所述加热单元与第一液氢气化器相连，用于为第一液氢气化器提供液氢气化所需热量；所述余热利用单元一端与氢内燃机相连，另一端与所述第二液氢气化器相连，用于为第二液氢气化器提供液氢气化所需热量；所述氢内燃机和动力电池分别与所述牵引电机电性连接，为所述牵引电机提供电能。采用氢内燃机加液氢储供氢解决了传统气态氢源的使用限制问题。
Description
技术领域
本实用新型属于机车车辆领域，尤其涉及一种氢电混合动力机车。
背景技术
全球越来越重视能源和环境问题，清洁能源的开发和利用已成为各国发展的重要方向。氢能具有零污染、高效率、来源丰富等优势，备受环境污染困扰的诸多国家都将氢能视为“未来能源”。
目前氢能在轨道交通的应用主要以燃料电池为主，燃料电池总功率一般小于400kW，且采用多堆集成，结构控制复杂，无法满足干线牵引需求。干线机车牵引吨位重、运行里程长、燃料消耗高，现有氢燃料电池机车无法满足干线机车的需求。
与氢燃料电池机车相比，氢内燃机机车具有单发动机功率高、耐久性长、在高负荷下效率高，全寿命周期成本低等优点。
机车负荷高，燃料消耗量大，一次作业所需燃料储存量大，目前的35Mpa、70Mpa气态体积储氢密度分别为23kg/m3、39kg/m3，无法满足长续航里程的需求。因此，亟需设计一种新型混合动力机车。
实用新型内容
本实用新型的目的在于：为了克服现有技术问题，公开了一种氢电混合动力机车，本实用新型氢电混合动力机车的结构设计，采用氢内燃机加液氢储供氢解决了传统气态氢源的使用限制问题。
本实用新型目的通过下述技术方案来实现：
一种氢电混合动力机车，所述氢电混合动力机车包括：储氢单元、输氢单元、加热单元、余热利用单元、氢内燃机、动力电池和牵引电机；所述储氢单元包括液氢储罐和自增压装置，通过所述自增压装置对液氢储罐内液态氢增压并通入输氢单元；所述输氢单元包括第一液氢气化器和第二液氢气化器，所述第一液氢气化器经第二液氢气化器与氢内燃机相连；且所述储氢单元输出的液氢选择通入第一液氢气化器或第二液氢气化器；所述加热单元与第一液氢气化器相连，用于为第一液氢气化器提供液氢气化所需热量；所述余热利用单元一端与氢内燃机相连，另一端与所述第二液氢气化器相连。
燃机相连，另一端与所述第二液氢气化器相连，用于为第二液氢气化器提供液氢气化所需热量；所述氢内燃机和动力电池分别与所述牵引电机电性连接，为所述牵引电机提供电能。
根据一个优选的实施方式，所述余热利用单元包括散热器，所述散热器出液端经管线与氢内燃机的冷却液进口相连，所述氢内燃机的冷却液出口经管线与第二液氢气化器的供热介质入口相连，第二液氢气化器的供热介质出口经管线与所述散热器入液端相连。
根据一个优选的实施方式，所述余热利用单元还包括温度控制阀、水箱和风扇；所述温度控制阀设置于第二液氢气化器的供热介质与所述散热器入液端的管线上；所述水箱与所述散热器的入液端相连，用于提供散热介质；所述风扇设置于所述散热器的外侧，用于为散热器提供散热。
根据一个优选的实施方式，所述加热单元包括电加热器，所述电加热器经管线为第一液氢气化器加热介质，且第一液氢气化器与电加热器的介质回流管线上还设有温度传感器。
根据一个优选的实施方式，所述电加热器由所述动力电池提供电能。
根据一个优选的实施方式，所述输氢单元还包括：缓冲罐、电磁阀、稳压器和增压装置；所述缓冲罐、电磁阀、稳压器和增压装置依次设置于第二液氢气化器与氢内燃机之间的连接管线上。
根据一个优选的实施方式，所述缓冲罐内设第一压力表；所述增压装置与氢内燃机之间的连接管线上设有第二压力表。
根据一个优选的实施方式，所述储氢单元还包括：主安全阀、稳压阀、过流保护阀和出液单向阀，所述主安全阀、稳压阀、出液阀、过流保护阀和出液单向阀依次设置于液氢储罐与输氢单元之间的管线上。
根据一个优选的实施方式，所述出液单向阀输出的液氢选择通入第一液氢气化器或第二液氢气化器。
根据一个优选的实施方式，所述储氢单元还包括：充液接头和充液单向阀；所述充液接头经充液单向阀与所述液氢储罐连通。
前述本实用新型主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本实用新型可采用并要求保护的方案。本领域技术人员在了解本实用新型方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本实用新型所要保护的技术方案，在此不做穷举。
本实用新型的有益效果：
1、采用氢内燃机可以解决氢燃料电池耐久性差，全寿命周期成本高的问题。
2、采用氢内燃机加动力电池的复合动力系统，可以使氢内燃机始终工作做在较高的效率区间，同时采用动力电池还可以解决氢内燃机起机前氢汽化的问题。
3、采用氢内燃机加动力电池的复合动力系统可以对制动能量进行回收，提高机车的综合效率。
4、采用液氢储存可以解决高压气态氢体积储氢密度小，所占空间大的问题。
5、采用氢内燃机冷却液的热量对液氢进行汽化，可以提高发动机的综合效率，同时可以使机车散热器的体积做的更小。
6、采用缓冲罐可以满足氢内燃机瞬时大功率的耗氢需求。
附图说明
图1是本实用新型氢电混合动力机车动力系统结构原理图；
其中，101-充液接头，102-充液单向阀，103-液氢储罐，104-自增压装置，105-主安全阀，106-稳压阀，107-出液阀，108-过流保护阀，109-出液单向阀，110-第一液氢气化器，111-电加热器，112-动力电池，113-温度传感器，114-第二液氢气化器，115-缓冲罐，116-电磁阀，117-第一压力表，118-稳压器，119-增压装置，120-第二压力表，121-氢内燃机，122-冷却液进口，123-冷却液出口，124-温度控制阀，125-水箱，126-散热器，127-风扇，128-牵引电机。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
另外，本实用新型要指出的是，本实用新型中，如未特别写出具体涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等，则本实用新型涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等均为本领域技术人员在现有技术的基础上，可以不经过创造性劳动可以得知的。
实施例1：
参考图1所示，图中示出了一种氢电混合动力机车，所述氢电混合动力机车包括：储氢单元、输氢单元、加热单元、余热利用单元、氢内燃机121、动力电池112和牵引电机128。
储氢单元包括液氢储罐103和自增压装置104，通过所述自增压装置104对液氢储罐103内液态氢增压并通入输氢单元。
输氢单元包括第一液氢气化器110和第二液氢气化器，所述第一液氢气化器110经第二液氢气化器与氢内燃机121相连。且所述储氢单元输出的液氢选择通入第一液氢气化器110或第二液氢气化器114。
加热单元与第一液氢气化器110相连，用于为第一液氢气化器110提供液氢气化所需热量。所述余热利用单元一端与氢内燃机121相连，另一端与所述第二液氢气化器114相连，用于为第二液氢气化器114提供液氢气化所需热量。
氢内燃机121和动力电池112分别与所述牵引电机128电性连接，为所述牵引电机128提供电能。
优选地，所述储氢单元还包括：主安全阀105、稳压阀106、过流保护阀108和出液单向阀109。所述主安全阀105、稳压阀106、过流保护阀108和出液单向阀109依次设置于液氢储罐103与输氢单元之间的管线上。通过各阀体设置保证储氢单元的液态氢的稳定安全输出。
进一步地，所述出液单向阀109输出的液氢选择通入第一液氢气化器110或第二液氢气化器114。
优选地，所述储氢单元还包括：充液接头101和充液单向阀102；所述充液接头101经充液单向阀102与所述液氢储罐103连通，从而实现液氢的输入。
优选地，所述输氢单元还包括：缓冲罐115、电磁阀116、稳压器118和增压装置119。所述缓冲罐115、电磁阀116、稳压器118和增压装置119依次设置于第二液氢气化器114与氢内燃机121之间的连接管线上，用于实现气态氢稳定安全输入至氢内燃机121。
优选地，所述缓冲罐115内设第一压力表117；所述增压装置119与氢内燃机121之间的连接管线上设有第二压力表120。通过第一压力表117完成缓冲罐115内压力监测，从而保证输气管线的安全性。通过第二压力表120完成氢内燃机121输入处氢压力监测，从而保证氢内燃机121能够处于最佳工况。
优选地，所述加热单元包括电加热器111，所述电加热器111经管线为第一液氢气化器110加热介质，且第一液氢气化器110与电加热器111的介质回流管线上还设有温度传感器113。所述电加热器111由所述动力电池112提供电能。
具体地，当氢内燃机121起机前，无法提供液氢汽化所需能量，需要采用液氢储罐集成的自增压装置104和/或动力电池112的电能提供液氢汽化所需能量。由于液氢储罐集成的自增压装置104功率有限，无法满足液氢汽化所需能量。在起机前先使用动力电池112的电能通过电加热器111对其自身所带的冷却液进行加热，然后利用其冷却液的热量对发动机所需液氢进行汽化，即是对第一液氢气化器110加热气化。为了保证安全性，不采用动力电池电加热装置对液氢直接汽化，而是采用先将动力电池的冷却液循环起来后再对液氢进行汽化。
优选地，所述余热利用单元包括散热器126，所述散热器126出液端经管线与氢内燃机121的冷却液进口122相连，所述氢内燃机121的冷却液出口123经管线与第二液氢气化器114的供热介质入口相连，第二液氢气化器114的供热介质出口经管线与所述散热器126入液端相连。
进一步地，所述余热利用单元还包括温度控制阀124、水箱125和风扇127；所述温度控制阀124设置于第二液氢气化器114的供热介质与所述散热器126入液端的管线上；所述水箱125与所述散热器126的入液端相连，用于提供散热介质。所述风扇127设置于所述散热器126的外侧，用于为散热器126提供散热。
通过本余热利用单元的结构设置，实现了对氢内燃机121的冷却液的余热利用，使得其可以用于完成液氢的气化，从而避免了再浪费外部能源或动力电池112的电能进行液氢清气化。降低机车辅助功率的消耗，提高了机车效率，同时在发动机进口设置温度控制阀，保证发动机回水温度满足要求。
进一步地，为了保证安全性在储氢单元和输出单元分别设置有氢泄漏传感器。
本实用新型氢电混合动力机车，采用氢内燃机可以解决氢燃料电池耐久性差，全寿命周期成本高的问题。
本实用新型氢电混合动力机车，采用氢内燃机加动力电池的复合动力系统，可以使氢内燃机始终工作做在较高的效率区间，同时采用动力电池还可以解决氢内燃机起机前氢汽化的问题。
本实用新型氢电混合动力机车，采用氢内燃机加动力电池的复合动力系统可以对制动能量进行回收，提高机车的综合效率。
本实用新型氢电混合动力机车，采用液氢储存可以解决高压气态氢体积储氢密度小，所占空间大的问题。
本实用新型氢电混合动力机车，采用氢内燃机冷却液的热量对液氢进行汽化，可以提高发动机的综合效率，同时可以使机车散热器的体积做的更小。
本实用新型氢电混合动力机车，采用缓冲罐可以满足氢内燃机瞬时大功率的耗氢需求。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种氢电混合动力机车，其特征在于，所述氢电混合动力机车包括：储氢单元、输氢单元、加热单元、余热利用单元、氢内燃机(121)、动力电池(112)和牵引电机(128)；
所述储氢单元包括液氢储罐(103)和自增压装置(104)，通过所述自增压装置(104)对液氢储罐(103)内液态氢增压并通入输氢单元；
所述输氢单元包括第一液氢气化器(110)和第二液氢气化器(114)，所述第一液氢气化器(110)经第二液氢气化器(114)与氢内燃机(121)相连；且所述储氢单元输出的液氢选择通入第一液氢气化器(110)或第二液氢气化器(114)；
所述加热单元与第一液氢气化器(110)相连，用于为第一液氢气化器(110)提供液氢气化所需热量；
所述余热利用单元一端与氢内燃机(121)相连，另一端与所述第二液氢气化器(114)相连，用于为第二液氢气化器(114)提供液氢气化所需热量；
所述氢内燃机(121)和动力电池(112)分别与所述牵引电机(128)电性连接，为所述牵引电机(128)提供电能。
2.如权利要求1所述的氢电混合动力机车，其特征在于，所述余热利用单元包括散热器(126)，所述散热器(126)出液端经管线与氢内燃机(121)的冷却液进口(122)相连，所述氢内燃机(121)的冷却液出口(123)经管线与第二液氢气化器(114)的供热介质入口相连，第二液氢气化器(114)的供热介质出口经管线与所述散热器(126)入液端相连。
3.如权利要求2所述的氢电混合动力机车，其特征在于，所述余热利用单元还包括温度控制阀(124)、水箱(125)和风扇(127)；
所述温度控制阀(124)设置于第二液氢气化器(114)的供热介质与所述散热器(126)入液端的管线上；
所述水箱(125)与所述散热器(126)的入液端相连，用于提供散热介质；
所述风扇(127)设置于所述散热器(126)的外侧，用于为散热器(126)提供散热。
4.如权利要求1所述的氢电混合动力机车，其特征在于，所述加热单元包括电加热器(111)，所述电加热器(111)经管线为第一液氢气化器(110)加热介质，且第一液氢气化器(110)与电加热器(111)的介质回流管线上还设有温度传感器(113)。
5.如权利要求4所述的氢电混合动力机车，其特征在于，所述电加热器(111)由所述动力电池(112)提供电能。
6.如权利要求1所述的氢电混合动力机车，其特征在于，所述输氢单元还包括：缓冲罐(115)、电磁阀(116)、稳压器(118)和增压装置(119)；
所述缓冲罐(115)、电磁阀(116)、稳压器(118)和增压装置(119)依次设置于第二液氢气化器(114)与氢内燃机(121)之间的连接管线上。
7.如权利要求6所述的氢电混合动力机车，其特征在于，所述缓冲罐(115)内设第一压力表(117)；所述增压装置(119)与氢内燃机(121)之间的连接管线上设有第二压力表(120)。
8.如权利要求1所述的氢电混合动力机车，其特征在于，所述储氢单元还包括：主安全阀(105)、稳压阀(106)、出液阀(107)、过流保护阀(108)和出液单向阀(109)，
所述主安全阀(105)、稳压阀(106)、出液阀(107)、过流保护阀(108)和出液单向阀(109)依次设置于液氢储罐(103)与输氢单元之间的管线上。
9.如权利要求8所述的氢电混合动力机车，其特征在于，所述出液单向阀(109)输出的液氢选择通入第一液氢气化器(110)或第二液氢气化器(114)。
10.如权利要求8所述的氢电混合动力机车，其特征在于，所述储氢单元还包括：充液接头(101)和充液单向阀(102)；所述充液接头(101)经充液单向阀(102)与所述液氢储罐(103)连通。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |