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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Straßenbahnen, insbesondere ein Kühlsystem für eine Wasserstoff-Brennstoffzelle einer Straßenbahn.
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Stand der Technik
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Bei der Brennstoffzelle handelt es sich um eine Stromerzeugungsvorrichtung, die die chemische Energie in einem Brennstoff und einem Oxidationsmittel direkt in elektrische Energie umwandelt, und sie ist eine neue, hocheffiziente, umweltfreundliche Stromerzeugungsvorrichtung und wird in verschiedenen Gebieten weit verwendet. Bei der Wasserstoff-Brennstoffzelle wird das chemische Element von Wasserstoff in der Herstellung einer energiespeichernden Zelle eingesetzt. Da bei den Reaktionen in der Wasserstoff-Brennstoffzelle nur Wasser generiert wird, ist die Wasserstoff-Brennstoffzelle eine grüne umweltfreundliche Energiequelle.
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Da bei einer Niederflurstraßenbahn der Raum unterhalb des Wagens beschränkt ist, sollen die meisten Ausrüstungen auf der Deckplattform installiert werden. Bei einer durch die Wasserstoffenergiequelle betriebenen Niederflurstraßenbahn müssen dagegen auf dem Verdeck eine Wasserstoff-Brennstoffzelle, eine Kühleinrichtung, eine Wasserstoffspeichereinrichtung, DC-DC, einen Akkumulator und andere Einrichtungen des Wasserstoffantriebssystems hinzugefügt werden. Außerdem hat die Wasserstoff-Brennstoffzelle eine hohe Nennleistung und damit einen hohen Wärmeableitungsbedarf, deshalb soll das Kühlsystem bei einem begrenzten Raum auf dem Verdeck den Wärmeableitungsbedarf der leistungsintensiven Wasserstoff-Brennstoffzelle erfüllen. Die Austauschmembran für die Reaktionen der Wasserstoff-Brennstoffzelle hat bei etwa 60°C die höchste Reaktionseffizienz. Bei einer zu niedrigen Umgebungstemperatur oder kurz nach dem Start der Wasserstoff-Brennstoffzelle hat das Kühlmittel in dem Kühlsystem eine zu niedrige Temperatur, sodass die Wasserstoff-Brennstoffzelle sich nicht unter einer optimalen Reaktionsumgebungstemperatur befinden kann, was zu einer niedrigen Betriebseffizienz der Wasserstoffbatterie führt. Zudem wird durch eine zu hohe Ionenkonzentration im Kühlmittel im Kühlsystem der Wasserstoff-Brennstoffzelle die Lebensdauer der Austauschmembran für die Reaktionen der Wasserstoff-Brennstoffzelle stark beeinträchtigt. Daher ist ein angemessenes Kühlsystem benötigt, um es sicherzustellen, dass die Wasserstoffbatterie in einer Reaktionsbedingung unter konstanter Temperatur arbeitet.
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In Anbetracht dessen wird die vorliegende Erfindung vorgestellt.
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Inhalt der Erfindung
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Die technische Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, die Mängel im Stand der Technik zu überwinden, indem ein Kühlsystem für eine Wasserstoff-Brennstoffzelle einer Straßenbahn zur Verfügung gestellt wird. Bei der vorliegenden Erfindung kann die Temperatur des Kühlmittels beim Eintreten in die Wasserstoff-Brennstoffzelle innerhalb des optimalen Reaktionstemperaturbereichs genau und stabil kontrolliert werden, so dass die Wasserstoff-Brennstoffzelle sich in einer angemessenen Reaktionstemperaturbedingung befindet, um die Reaktionseffizienz der Wasserstoff-Brennstoffzelle zu verbessern. Darüber hinaus hat die vorliegende Erfindung eine einfache Struktur und eine ausgeprägte Wirkung und kann die Energie sparen.
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Um die obige Aufgabe zu lösen, wird in der vorliegenden Erfindung die folgende technische Lösung verwendet:
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Ein Kühlsystem für eine Wasserstoff-Brennstoffzelle einer Straßenbahn umfasst eine Wasserstoff-Brennstoffzelle, eine Zirkulationseinrichtung, eine Kühleinrichtung und ein elektrisches Heizrohr, wobei die Wasserstoff-Brennstoffzelle, die Zirkulationseinrichtung und die Kühleinrichtung durch Rohrleitungen hintereinander verbunden sind und eine Kühlzirkulationsschleife bilden.
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Das eine Ende des elektrischen Heizrohrs ist durch eine Leitung mit der Zirkulationseinrichtung und das andere Ende durch eine Leitung mit der Wasserstoff-Brennstoffzelle verbunden, um eine Heizzirkulationsschleife auszubilden.
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Ferner umfasst das Kühlsystem weiterhin einen Regler, der jeweils mit der Zirkulationseinrichtung und der Kühleinrichtung verbunden ist.
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Die Zirkulationseinrichtung umfasst bevorzugt eine Umwälzpumpe und einen mit der Umwälzpumpe verbundenen Pumpenregler, wobei die Kühleinrichtung einen Kühlventilator und einen mit dem Kühlventilator verbundenen Kühlventilatorregler umfasst, und wobei der Pumpenregler und der Kühlventilatorregler jeweils mit dem Regler verbunden sind.
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Ferner umfasst das Kühlsystem weiterhin eine Wassernachführung, wobei die Wassernachführung durch eine Leitung mit der Kühlzirkulationsschleife verbunden ist.
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Bevorzugt ist das eine Ende der Leitung mit dem Wassernachführung und das andere Ende mit einer zwischen der Umwälzpumpe und der Wasserstoff-Brennstoffzelle befindlichen Leitung verbunden.
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Ferner umfasst das Kühlsystem weiterhin zumindest zwei Temperatursensoren, die mit dem Regler verbunden sind.
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Das Kühlsystem umfasst bevorzugt weiterhin einen zwischen der Wasserstoff-Brennstoffzelle und der Kühleinrichtung angeordneten ersten Temperatursensor und einen zwischen der Umwälzpumpe und der Kühleinrichtung angeordneten zweiten Temperatursensor.
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Ferner umfasst das Kühlsystem weiterhin zumindest zwei Drucksensoren, die mit dem Regler verbunden sind.
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Das Kühlsystem umfasst bevorzugt weiterhin einen zwischen der Wasserstoff-Brennstoffzelle und der Kühleinrichtung angeordneten ersten Drucksensor und einen zwischen der Umwälzpumpe und der Kühleinrichtung angeordneten zweite Drucksensor.
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Ferner umfasst das Kühlsystem weiterhin ein Dreiwegeventil, das jeweils mit dem elektrischen Heizrohr, der Wasserstoff-Brennstoffzelle und der Kühleinrichtung verbunden ist.
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Das Dreiwegeventil ist bevorzugt mit einem Regler verbunden, und wobei der Regler das Dreiwegeventil zum Schalten zwischen der Kühlzirkulationsschleife und der Heizzirkulationsschleife ansteuert.
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Ferner umfasst das Kühlsystem weiterhin eine Ionenkonzentrationserfassungsvorrichtung, die in der Kühlzirkulationsschleife/Heizzirkulationsschleife angeordnet und mit dem Regler verbunden ist.
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Die Ionenkonzentrationserfassungsvorrichtung ist bevorzugt zwischen der Kühleinrichtung und der Wasserstoff-Brennstoffzelle angeordnet.
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Ferner umfasst das Kühlsystem weiterhin eine Deionisierungsvorrichtung, wobei das eine Ende der Deionisierungsvorrichtung durch eine Leitung mit der Kühlzirkulationsschleife/Heizzirkulationsschleife verbunden ist und das andere Ende durch eine Leitung mit der Wassernachführung verbunden ist.
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Ferner handelt es sich bei der Deionisierungsvorrichtung um einen Deionisierungsfilter.
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Ferner ist an der Wassernachführung eine Entgasungsöffnung vorgesehen, wobei die Position der Entgasungsöffnung höher als die dem maximalen Wasserstand in der Wassernachführung entsprechende Position ist, und wobei die Entgasungsöffnung durch eine Entgasungsleitung mit der Kühlzirkulationsschleife verbunden ist.
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Das eine Ende der Entgasungsleitung ist bevorzugt mit der Entgasungsöffnung verbunden ist und das andere Ende mit der Kühleinrichtung verbunden.
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An der Entgasungsleitung ist bevorzugter ein Entgasungsventil angeordnet.
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Zusammenfassend weist das Kühlsystem für eine Wasserstoff-Brennstoffzelle einer Straßenbahn gemäß der vorliegenden Erfindung die folgenden Vorteile auf:
- 1. Bei dem Kühlsystem für eine Wasserstoff-Brennstoffzelle einer Straßenbahn gemäß der vorliegenden Erfindung wird es realisiert, dass die Wasserstoff-Brennstoffzelle sich in einer relativ stabilen Reaktionsbedingung befindet. Bei der vorliegenden Erfindung sind die Wasserstoff-Brennstoffzelle, die Zirkulationseinrichtung und die Kühleinrichtung durch Rohrleitungen hintereinander verbunden und sie bilden eine Kühlzirkulationsschleife. Zudem umfasst das Kühlsystem für eine Wasserstoff-Brennstoffzelle einer Straßenbahn weiterhin ein elektrisches Heizrohr, wobei das eine Ende des elektrischen Heizrohrs durch eine Leitung mit der Zirkulationseinrichtung und das andere Ende durch eine Leitung mit der Wasserstoff-Brennstoffzelle verbunden ist, um eine Heizzirkulationsschleife auszubilden. Je nach der Temperatur des Kühlmittels in der Rohrleitung wird der Kühlzirkulationsschleife oder der Heizzirkulationsschleife eingeschaltet, so dass die Wasserstoff-Brennstoffzelle sich in einer relativ stabilen Reaktionsbedingung befindet, um die Reaktionseffizienz der Wasserstoff-Brennstoffzelle zu verbessern.
- 2. Bei dem Kühlsystem für eine Wasserstoff-Brennstoffzelle einer Straßenbahn gemäß der vorliegenden Erfindung ist außerhalb der Zirkulationsschleife eine Deionisierungszirkulationsschleife angeordnet. Dadurch, dass das durch die Deionisierungsvorrichtung deionisierte Kühlmittel zurück in die Wassernachführung und durch die Wassernachführungsschleife zurück in die Zirkulationsschleife geführt wird, kann die Ionenkonzentration im Kühlmittel in der Zirkulationsschleife wirksam kontrolliert werden, und damit wird das Problem vermieden, dass eine zu hohe Ionenkonzentration im Kühlmittel im Kühlsystem die Lebensdauer der Austauschmembran für die Reaktionen der Brennstoffzelle beeinträchtigt.
- 3. Bei dem Kühlsystem für eine Wasserstoff-Brennstoffzelle einer Straßenbahn gemäß der vorliegenden Erfindung können weiterhin die Kühleinrichtung und die Wassernachführung durch ein Entgasungsleitung miteinander verbunden sein, und die Luft in der Zirkulationsschleife abgeleitet werden, um die Kühlwirkung des Kühlsystems sicherzustellen. Darüber hinaus wird durch das Ableiten des überflüssigen Gases in der Zirkulationsschleife der Gasdruck in der Zirkulationsschleife reduziert, so dass die Sicherheit beim Betrieb des Kühlsystems gewährleistet wird.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine Strukturansicht eines Kühlsystems für eine Wasserstoff-Brennstoffzelle einer Straßenbahn gemäß der vorliegenden Erfindung.
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In 1 gilt: 1 Wasserstoff-Brennstoffzelle 2 Umwälzpumpe 3 Pumpenregler 4 Kühlventilator 5 Kühlventilatorregler 6 Wassernachführung 7 Erster Temperatursensor 8 Erster Drucksensor 9 Zweiter Temperatursensor 10 Zweiter Drucksensor 11 Entgasungsventil 12 Elektrisches Heizrohr 13 Dreiwegeventil 14 Ionenkonzentrationserfassungsvorrichtung 15 Deionisierungsvorrichtung 16 Wasserzuführungsventil/Wasserabführungsventil.
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Ausführliche Ausführungsformen
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Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung in Zusammenhang mit den Figuren und den ausführlichen Ausführungsformen näher erläutert, um die vorgenannte Aufgabe, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung deutlicher und leichter verständlich zu werden.
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Wie in 1 dargestellt, umfasst ein Kühlsystem für eine Wasserstoff-Brennstoffzelle einer Straßenbahn gemäß der vorliegenden Erfindung eine Kühlzirkulationsschleife, die durch eine Wasserstoff-Brennstoffzelle 1, eine Zirkulationseinrichtung und eine Kühleinrichtung über die Verbindung von Rohrleitungen gebildet ist.
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Das Kühlsystem umfasst weiterhin ein elektrisches Heizrohr 12, wobei das eine Ende des elektrischen Heizrohrs 12 durch eine Leitung mit der Zirkulationseinrichtung und das andere Ende durch eine Leitung mit der Wasserstoff-Brennstoffzelle 1 verbunden ist, um eine Heizzirkulationsschleife auszubilden.
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Insbesondere erzeugt die Wasserstoff-Brennstoffzelle 1 in der vorliegenden Ausführungsform elektrische Energie, in der Wasserstoff mit Sauerstoff in der Luft unter Wirkung eines Katalysators reagiert und Elektrizität und das Wasser erzeugt, um der Straßenbahn eine grüne umweltfreundliche Antriebsenergiequelle zur Verfügung zu stellen. Dabei realisiert das Kühlsystem mittels der Kühlzirkulationsschleife eine Abkühlung für die Wasserstoff-Brennstoffzelle 1, so dass die im Normalbetrieb der Wasserstoff-Brennstoffzelle 1 erzeugte Wärme rechtzeitig abgeleitet werden kann. Zudem kann das Kühlmittel in der Kühlzirkulationsschleife bei seinem Eintreten in die Wasserstoff-Brennstoffzelle 1 auf eine konstant stabile Temperatur kontrolliert werden, um den Reaktionswirkungsgrad der Wasserstoff-Brennstoffzelle 1 zu verbessern. Das durch das Kühlsystem aus der Wasserstoff-Brennstoffzelle 1 abgeleitete heiße Kühlmittel wird durch die Zirkulationseinrichtung in die Kühleinrichtung gepumpt und darin abgekühlt, und dann wird das abgekühlte Kühlmittel in die Wasserstoff-Brennstoffzelle 1 gepumpt, um eine Temperatursenkung der Zelle zu ermöglichen, was eine Kühlzirkulationsschleife bildet. Darüber hinaus hat das Kühlsystem in dem Ausführungsbeispiel einen hohen Wärmeableitungswirkungsgrad und eine gute Kühlfähigkeit, mit einer maximale Wärmeableitungsleistung von 170KW.
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Gleichzeitig ist die Kühlzirkulationsschleife in dem Kühlsystem in dem Ausführungsbeispiel wie folgt angeordnet: die Wasserstoff-Brennstoffzelle ist durch eine Leitung D mit einer Umwälzpumpe 2 verbunden, die Umwälzpumpe 2 durch Leitungen B und C mit dem einen Ende der Kühleinrichtung verbunden ist, und das andere Ende der Kühleinrichtung durch Leitungen A und E mit der Wasserstoff-Brennstoffzelle verbunden ist, so dass eine Kühlzirkulationsschleife gebildet wird. Das Kühlmittel, dessen Temperatur höher als ein voreingestellter Temperaturwert ist, wird durch die Kühlzirkulationsschleife auf den voreingestellten Temperaturwert abgekühlt und in die Wasserstoff-Brennstoffzelle geführt, um die im Normalbetrieb der Wasserstoff-Brennstoffzelle erzeugte Wärme rechtzeitig abzuleiten und das in die Wasserstoff-Brennstoffzelle fließende Kühlmittel auf den voreingestellten Temperaturwert zu kontrollieren. Dadurch wird den Normalbetrieb der Wasserstoff-Brennstoffzelle sichergestellt, den Reaktionswirkungsgrad der Wasserstoff-Brennstoffzelle verbessert und die Lebensdauer der Wasserstoff-Brennstoffzelle verlängert.
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Darüber hinaus ist die Heizzirkulationsschleife wie folgt angeordnet: die Wasserstoff-Brennstoffzelle ist durch die Leitung D mit der Umwälzpumpe 2 verbunden, die Leitung B und die Leitung E sind durch die Leitung F miteinander verbunden, und das elektrische Heizrohr 12 ist an der Leitung F angeordnet. Das durch das eine Ende der Leitung F eingeführte Kühlmittel wird durch das elektrische Heizrohr 12 erwärmt, und das erwärmte Kühlmittel wird durch das andere Ende der Leitung F zurück in die Wasserstoff-Brennstoffzelle geführt, um die Heizzirkulationsschleife auszubilden. In dem Ausführungsbeispiel wird das Kühlmittel, dessen Temperatur niedriger als ein voreingestellter Temperaturwert ist, durch die Heizzirkulationsschleife auf den voreingestellten Temperaturwert erwärmt und dann in die Wasserstoff-Brennstoffzelle geführt. Kurz nach dem Start der Wasserstoff-Brennstoffstraßenbahn oder bei einer zu niedrigen Umgebungstemperatur könnte die Wasserstoff-Brennstoffzelle aufgrund einer zu niedrigen Temperatur des Kühlmittels nicht richtig arbeiten, deshalb wird das Kühlmittel mittels der Heizzirkulationsschleife erwärmt, um den Reaktionswirkungsgrad der Wasserstoff-Brennstoffzelle zu erhöhen.
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Ferner umfasst das Kühlsystem weiterhin einen Regler, der jeweils mit der Zirkulationseinrichtung und der Kühleinrichtung verbunden ist.
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Die Zirkulationseinrichtung umfasst bevorzugt eine Umwälzpumpe 2 und einen mit der Umwälzpumpe 2 verbundenen Pumpenregler 3, der die Umwälzpumpe ansteuert, und die Kühleinrichtung umfasst einen Kühlventilator 4 und einen mit dem Kühlventilator 4 verbundenen Kühlventilatorregler 5, der den Kühlventilator ansteuert, wobei der Pumpenregler 3 und der Kühlventilatorregler 5 jeweils mit dem Regler verbunden sind.
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Insbesondere erfasst der Regler die Informationen der Wasserstoff-Brennstoffzelle 1, des Temperatursensors und des Drucksensors und stellt je nach den Informationen die Zirkulationseinrichtung, die Kühleinrichtung und das elektrische Heizrohr 12 ein, um die Ansteuerung der Temperatur des Kühlmittels in dem Kühlsystem bei seinem Eintreten in die Wasserstoff-Brennstoffzelle 1 innerhalb des optimalen Reaktionstemperaturbereichs zu erzielen. Dabei führt der Regler einen Signalaustausch mit dem mit der Umwälzpumpe 2 verbundenen Pumpenregler 3 durch, um eine genaue Steuerung der Fließgeschwindigkeit oder der Durchflussmenge der Umwälzpumpe 2 zu realisieren. Der Regler führt weiterhin einen Signalaustausch mit dem mit dem Kühlventilator 4 verbundenen Kühlventilatorregler 5 durch, um eine genaue Steuerung der Frequenz des Kühlventilators 4 zu realisieren. Somit wird eine genaue Steuerung des Kühlsystems realisiert.
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Wenn z.B. die Temperatur des Kühlmittels höher wird, wird die Fließgeschwindigkeit oder die Durchflussmenge der Umwälzpumpe 2 reduziert und gleichzeitig die Frequenz des Kühlventilators 4 erhöht; oder werden die Fließgeschwindigkeit oder die Durchflussmenge der Umwälzpumpe 2 und die Frequenz des Kühlventilators 4 erhöht, um es sicherzustellen, dass die Temperatur des abgekühlten Kühlmittels sich innerhalb des optimalen Reaktionstemperaturbereichs befindet, und somit die Leistungsfähigkeit der Wasserstoff-Brennstoffzelle sicherzustellen und die Lebensdauer der Wasserstoff-Brennstoffzelle zu verlängern.
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Ferner umfasst das Kühlsystem weiterhin eine Wassernachführung 6, wobei die Wassernachführung 6 durch eine Leitung mit der Kühlzirkulationsschleife verbunden ist.
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Bevorzugt ist das eine Ende der Leitung mit der Wassernachführung 6 und das andere Ende mit einer zwischen der Umwälzpumpe 2 und der Wasserstoff-Brennstoffzelle befindlichen Leitung verbunden.
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Insbesondere ist die Wassernachführung 6 durch eine Leitung G mit der zwischen der Umwälzpumpe 2 und der Wasserstoff-Brennstoffzelle befindlichen Leitung D verbunden, und die Wassernachführung 6 ist oberhalb der Kühlzirkulationsschleife angeordnet, um es sicherzustellen, dass das Wasser in der Wassernachführung 6 unter Wirkung der Schwerkraft oder der Saugkraft der Wasserpumpe in die Kühlzirkulationsschleife einfließen kann; oder dass das Wasser in der Wassernachführung 6 unter Wirkung der Umwälzpumpe 2 von der Wassernachführung 6 in die Kühlzirkulationsschleife einfließt.
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Darüber hinaus ist der Durchmesser der Leitung G kleiner als der Durchmesser der Leitung D.
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Gleichzeitig ist an der Leitung G weiterhin ein Wassernachführungsventil angeordnet, wobei durch das Wassernachführungsventil die Leitung D zum Durchführen/Sperren angesteuert wird.
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Alternativ ist das Wassernachführungsventil mit dem Regler verbunden, und durch den Regler wird das Wassernachführungsventil zum Öffnen/Schließen angesteuert.
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Ferner umfasst das Kühlsystem weiterhin zumindest zwei Temperatursensoren, die jeweils zwischen der Wasserstoff-Brennstoffzelle und der Kühleinrichtung bzw. zwischen der Umwälzpumpe 2 und der Kühleinrichtung angeordnet sind.
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Bevorzugt sind die Temperatursensoren mit dem Regler verbunden.
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Insbesondere umfasst das Kühlsystem einen an der Leitung A angeordneten ersten Temperatursensor 7 und einen an der Leitung B angeordneten zweiten Temperatursensor 9, wobei der erste Temperatursensor 7 und der zweite Temperatursensor 9 jeweils mit dem Regler verbunden sind.
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Ferner umfasst das Kühlsystem weiterhin ein mit dem Regler verbundenes Dreiwegeventil 13, wobei das Dreiwegeventil 13 jeweils mit dem elektrischen Heizrohr 12, der Wasserstoff-Brennstoffzelle und der Kühleinrichtung verbunden ist, und wobei das Dreiwegeventil zum Umschalten zwischen der Kühlzirkulationsschleife und der Heizzirkulationsschleife verwendet wird.
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Insbesondere umfasst das Kühlsystem einen auf der Einlassseite der Wasserstoff-Brennstoffzelle angeordneten ersten Temperatursensor 7 und einen auf der Auslassseite der Wasserstoff-Brennstoffzelle angeordneten zweiten Temperatursensor 9, wobei der erste Temperatursensor 7 und der zweite Temperatursensor 9 jeweils mit dem Regler verbunden sind, und wobei der Regler je nach einem Differenzwert zwischen den Temperaturen des ersten Temperatursensors 7 und des zweiten Temperatursensors 9 die Fließgeschwindigkeit oder die Durchflussmenge der Umwälzpumpe 2 und die Frequenz des Kühlventilators 4 kontrolliert. Dabei entspricht der Differenzwert zwischen den Temperaturen des ersten Temperatursensors 7 und des zweiten Temperatursensors 9 den Betriebsparametern der Umwälzpumpe 2 und des Kühlventilators 4, und die Korrespondenz wird in dem Regler gespeichert.
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Zugleich erfasst der Regler in dem Kühlsystem in dem Ausführungsbeispiel rückgekoppelte Temperatursignale des ersten Temperatursensors 7 und des zweiten Temperatursensors 9 und steuert somit den Ein/Aus-Zustand des Dreiwegeventils 13 an. Z.B. erfasst der zweite Temperatursensor 9 den gegenwärtigen Temperaturwert des Kühlmittels in der Leitung A. Wenn der gegenwärtige Temperaturwert niedriger als der voreingestellte Temperaturwert ist, wird das Dreiwegeventil 13 zum Durchführen der Leitung F und der Leitung E angesteuert, und gleichzeitig wird das elektrische Heizrohr 12 gestartet, so dass das Kühlmittel in der Heizzirkulationsschleife zirkuliert. Wenn der gegenwärtige Temperaturwert höher als der voreingestellte Temperaturwert ist, wird das Dreiwegeventil 13 zum Durchführen der Leitung A und der Leitung E angesteuert, und gleichzeitig wird die Kühleinrichtung gestartet, so dass das Kühlmittel in der Kühlzirkulationsschleife zirkuliert. In dem Ausführungsbeispiel wird eine Umschaltung zwischen der Kühlzirkulationsschleife und der Heizzirkulationsschleife realisiert. Mit dem Kühlsystem kann die Temperatur des Kühlmittels bei seinem Einfließen in die Wasserstoff-Brennstoffzelle auf eine voreingestellte Temperatur genau und konstant stabil kontrolliert werden, um den Ausgangswirkungsgrad der Wasserstoff-Brennstoffzelle zu verbessern und Energie zu sparen.
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Bevorzugt beträgt die voreingestellte Temperatur in dem Ausführungsbeispiel 60°C.
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Alternativ sind an der Leitung A und der Leitung F jeweils ein erstes Ventil bzw. ein zweites Ventil angeordnet. Das erste Ventil und das zweite Ventil sind jeweils mit dem Regler verbunden und werden zum Umschalten zwischen der Kühlzirkulationsschleife und der Heizzirkulationsschleife verwendet.
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Ferner ist an der Wassernachführung 6 eine Entgasungsöffnung vorgesehen, wobei die Position der Entgasungsöffnung höher als die dem maximalen Wasserstand in der Wassernachführung 6 entsprechende Position ist, und wobei die Entgasungsöffnung durch eine Entgasungsleitung mit der Kühlzirkulationsschleife verbunden ist.
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Das eine Ende der Entgasungsleitung ist bevorzugt mit der Entgasungsöffnung verbunden und das andere Ende ist mit der Kühleinrichtung verbunden.
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An der Entgasungsleitung ist bevorzugter ein Entgasungsventil 11 angeordnet.
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Darüber hinaus ist der Durchmesser der Entgasungsleitung kleiner als der Durchmesser der Leitungen in der Zirkulationsschleife, deshalb ist der Durchmesser der Entgasungsleitung kleiner als der Durchmesser der Leitungen A, B, C, D, E, F.
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Insbesondere wird in dem Ausführungsbeispiel das Entgasungsventil nach Bedarf geöffnet, und mittels der Entgasungsleitung wird das überflüssige Gas in der Kühlzirkulationsschleife abgeleitet, um die Kühlwirkung des Kühlsystems sicherzustellen. Darüber hinaus wird durch das Ableiten des überflüssigen Gases in der Kühlzirkulationsschleife der Gasdruck in der Kühlzirkulationsschleife reduziert, so dass die Sicherheit beim Betrieb des Kühlsystems gewährleistet wird. Gleichzeitig umfasst die Kühleinrichtung weiterhin ein Wärmeableitungsgerät zum Realisieren einer ausreichenden Kontaktwärmeableitung des Kühlmittels mit der Kühleinrichtung, wobei die Entgasungsleitung mit dem Wärmeableitungsgerät verbunden ist, um das überflüssige Gas in der Kühlzirkulationsschleife ausreichend abzuleiten.
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Alternativ ist das Entgasungsventil 11 in dem Ausführungsbeispiel mit dem Regler verbunden, und durch den Regler wird das Entgasungsventil 11 zum Öffnen/Schließen angesteuert.
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Weiter alternativ ist je nach dem Druckwert des ersten Drucksensors 8 oder dem Druckwert des zweiten Drucksensors 10 oder dem Differenzwert zwischen den Drücken des ersten Drucksensors 8 und des zweiten Drucksensors 10 steuert der Regler das Entgasungsventil 11 zum Öffnen/Schließen an.
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Ferner umfasst das Kühlsystem weiterhin zumindest zwei Drucksensoren, die mit dem Regler verbunden sind.
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Bevorzugt umfasst das Kühlsystem weiterhin einen auf der Einlassseite der Wasserstoff-Brennstoffzelle angeordneten ersten Drucksensor 8 und einen auf der Auslassseite der Wasserstoff-Brennstoffzelle angeordneten zweiten Drucksensor 10.
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Insbesondere umfasst das Kühlsystem einen zwischen der Wasserstoff-Brennstoffzelle und der Kühleinrichtung angeordneten ersten Drucksensor 8 und einen zwischen der Umwälzpumpe 2 und der Kühleinrichtung angeordneten zweiten Drucksensor 10, wobei der erste Drucksensor 8 und der zweite Drucksensor jeweils mit dem Regler verbunden sind, und wobei der erste Drucksensor 8 an der Leitung A und der zweite Drucksensor 10 an der Leitung B angeordnet. Je nach dem Differenzwert zwischen den Drücken des ersten Drucksensors 8 und des zweiten Drucksensors 10 kontrolliert der Regler die Betriebsparameter der Umwälzpumpe 2, des Kühlventilators 4 und des elektrischen Heizrohrs 12. Insbesondere handelt es sich bei dem Betriebsparameter der Umwälzpumpe 2 hauptsächlich um die Durchflussmenge oder die Fließgeschwindigkeit, bei dem Betriebsparameter des Kühlventilators 12 hauptsächlich um die Frequenz und bei dem Betriebsparameter des elektrischen Heizrohrs 12 hauptsächlich um die Heizleistung. Dabei entspricht der Differenzwert zwischen den Drücken des ersten Drucksensors 8 und des zweiten Drucksensors 10 den Betriebsparametern der Umwälzpumpe 2 und des Kühlventilators 4 oder des elektrischen Heizrohrs 12, und die Korrespondenz wird in dem Regler gespeichert.
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Außerdem kann das Kühlsystem des Ausführungsbeispiels mittels der Entgasungsleitung das überflüssige Gas in der Kühlzirkulationsschleife/Heizzirkulationsschleife ableiten, um die Kühlwirkung des Kühlsystems sicherzustellen. Darüber hinaus wird durch das Ableiten des überflüssigen Gases in der Zirkulationsschleife der Gasdruck in der Zirkulationsschleife reduziert, so dass die Sicherheit beim Betrieb des Kühlsystems gewährleistet wird.
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Ferner umfasst die Kühleinrichtung weiterhin ein Wärmeableitungsgerät zum Realisieren einer ausreichenden Kontaktwärmeableitung des Kühlmittels mit der Kühleinrichtung, wobei die Entgasungsleitung mit dem Wärmeableitungsgerät verbunden ist, um das überflüssige Gas in der Kühlzirkulationsschleife ausreichend abzuleiten.
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Ferner umfasst das Kühlsystem weiterhin eine Ionenkonzentrationserfassungsvorrichtung 14, wobei die Ionenkonzentrationserfassungsvorrichtung 14 in der Kühlzirkulationsschleife/Heizzirkulationsschleife angeordnet und mit dem Regler verbunden ist.
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Die Ionenkonzentrationserfassungsvorrichtung 14 ist bevorzugt zwischen der Kühleinrichtung und der Wasserstoff-Brennstoffzelle angeordnet.
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Ferner umfasst das Kühlsystem weiterhin eine Deionisierungsvorrichtung 15 und eine durch die Rohrleitung mit der Kühlzirkulationsschleife/Heizzirkulationsschleife verbundene Wassernachführung 6, wobei das eine Ende der Deionisierungsvorrichtung 15 durch eine Leitung mit der Kühlzirkulationsschleife/Heizzirkulationsschleife verbunden ist und das andere Ende durch eine Leitung mit der Wassernachführung 6 verbunden ist.
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Bevorzugt handelt es sich bei der Deionisierungsvorrichtung 15 um einen Deionisierungsfilter.
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Insbesondere ist die Deionisierungsvorrichtung 15 durch eine Leitung H mit der Leitung B verbunden, und das andere Ende ist durch die Leitung H mit der Wassernachführung 6 verbunden. Die Verbindungsöffnung zwischen der Leitung H und der Wassernachführung 6 ist auf der Oberseite der Wassernachführung 6 angeordnet. Zudem wird das durch die Deionisierungsvorrichtung 15 deionisierte Kühlmittel in die Wassernachführung 6 geführt und ist durch die Leitung G mit der Leitung D verbunden. Dadurch wird eine Deionisierungszirkulationsschleife realisiert. Der Durchmesser der Leitung H ist kleiner als der Durchmesser der Leitung der Zirkulationsschleife, und insbesondere ist der Durchmesser der Leitung H kleiner als der Durchmesser der Leitungen A, B, C, D, E, F. Dadurch wird der Widerstand des Kühlmittels beim Durchgehen durch die Deionisierungsvorrichtung 15 reduziert. Die Deionisierungsschleife in dem Ausführungsbeispiel kann die Ionenkonzentration im Kühlmittel in der Zirkulationsschleife wirksam kontrollieren und das Problem vermeiden, dass eine zu hohe Ionenkonzentration im Kühlmittel im Kühlsystem die Lebensdauer der Austauschmembran für die Reaktionen der Brennstoffzelle beeinträchtigt wird.
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In dem Ausführungsbeispiel werden durch die Ionenkonzentrationserfassungsvorrichtung 14 eine Echtzeit-Überwachung und eine Rückkoppelung der Ionenkonzentration im Kühlmittel in der Zirkulationsschleife durchgeführt; oder in dem Ausführungsbeispiel können eine Echtzeit-Überwachung und eine Steuerung durchgeführt werden. Wenn die Ionenkonzentration höher als der eingestellte Wert ist, weist der Regler auf einen Austausch des Filters der Deionisierungsvorrichtung 15 hin, um die Ionenkonzentration im Kühlmittel wirksam zu reduzieren.
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Weiter alternativ ist an der Leitung H weiterhin ein Ventil angeordnet, welches sich zwischen der Deionisierungsvorrichtung 15 und der Zirkulationsschleife befindet und beim Austausch des Filters der Deionisierungsvorrichtung 15 geschlossen wird. Dabei kann das Ventil auch mit dem Regler verbunden sein, und durch den Regler wird die Leitung H zum Durchführen/Sperren angesteuert.
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Ferner ist in dem Ausführungsbeispiel weiterhin ein Wasserzuführungsöffnung/Wasserabführungsöffnung an der Leitung A vorgesehen, wobei die Leitung A durch die Rohrleitung mit der Wasserzuführungsöffnung/Wasserabführungsöffnung verbunden ist, und wobei an der Rohrleitung ein Wasserzuführungsventil/Wasserabführungsventil 16 angeordnet ist, dadurch kann eine Zuführung/Abführung des Kühlmittels in die bzw. aus der Kühlzirkulationsschleife/Heizzirkulationsschleife wirksam realisiert werden.
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Zusammenfassend weist das Kühlsystem in dem Ausführungsbeispiel die folgenden Vorteile auf:
- 1. Bei dem Kühlsystem für eine Wasserstoff-Brennstoffzelle einer Straßenbahn gemäß dem Ausführungsbeispiel wird es realisiert, dass die Wasserstoff-Brennstoffzelle sich in einer relativ konstanten Reaktionsbedingung befindet. Bei der vorliegenden Erfindung sind die Wasserstoff-Brennstoffzelle, die Zirkulationseinrichtung und die Kühleinrichtung durch Rohrleitungen hintereinander verbunden und sie bilden eine Kühlzirkulationsschleife. Zudem umfasst das Kühlsystem weiterhin ein elektrisches Heizrohr 12, wobei das eine Ende des elektrischen Heizrohrs 12 durch eine Leitung mit der Zirkulationseinrichtung und das andere Ende durch eine Leitung mit der Wasserstoff-Brennstoffzelle verbunden ist, um eine Heizzirkulationsschleife auszubilden. Je nach der Temperatur des Kühlmittels in der Rohrleitung wird der Kühlzirkulationsschleife oder der Heizzirkulationsschleife eingeschaltet, so dass die Wasserstoff-Brennstoffzelle sich in einer relativ stabilen Reaktionsbedingung befindet, um die Reaktionseffizienz der Wasserstoff-Brennstoffzelle zu verbessern.
- 2. Bei dem Kühlsystem für eine Wasserstoff-Brennstoffzelle einer Straßenbahn gemäß dem Ausführungsbeispiel ist außerhalb der Zirkulationsschleife eine Deionisierungszirkulationsschleife angeordnet. Dadurch, dass das durch die Deionisierungsvorrichtung 15 deionisierte Kühlmittel zurück in die Wassernachführung 6 und durch die Wassernachführungsschleife zurück in die Zirkulationsschleife geführt wird, kann die Ionenkonzentration im Kühlmittel in der Zirkulationsschleife wirksam kontrolliert werden, und damit wird das Problem vermieden, dass eine zu hohe Ionenkonzentration im Kühlmittel im Kühlsystem die Lebensdauer der Austauschmembran für die Reaktionen der Brennstoffzelle beeinträchtigt.
- 3. Bei dem Kühlsystem für eine Wasserstoff-Brennstoffzelle einer Straßenbahn gemäß dem Ausführungsbeispiel können weiterhin die Kühleinrichtung und die Wassernachführung 6 durch ein Entgasungsleitung miteinander verbunden sein, und die Luft in der Zirkulationsschleife abgeleitet wird, um die Kühlwirkung des Kühlsystems sicherzustellen. Darüber hinaus wird durch das Ableiten des überflüssigen Gases in der Zirkulationsschleife der Gasdruck in der Zirkulationsschleife reduziert, so dass die Sicherheit beim Betrieb des Kühlsystems gewährleistet wird.
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Zusammenfassend können in Zusammenhang mit den Lösungen gemäß Figuren ähnliche technische Lösungen abgeleitet werden. Alle auf der Grundlage der technischen Essenz der vorliegenden Erfindung durchgeführten einfache Variationen, äquivalenten Änderungen und Modifikationen für die obigen Ausführungsformen ohne Abweichung von dem Inhalt der technischen Lösungen der vorliegenden Erfindung sollen als von dem Umfang der technischen Lösung der vorliegenden Erfindung gedeckt angesehen werden.
