[发明专利]一种燃料电池有轨电车热量综合利用方法及其装置

说明书

技术领域

本发明属于燃料电池应用技术领域，特别涉及燃料电池车辆的热量综合应用技术。

背景技术

燃料电池是一般以氢氧作为反应物质、通过电化学反应把化学能转换成电能的发电装置，由于其发电过程不涉及燃料的燃烧，因而不受卡诺循环限制，发电效率高达40～50％，而且产物只有水，不会产生氮、硫、碳等氧化物，极其清洁高效，具有功率密度和能量密度高、功率范围广的优点。燃料电池有轨电车自身携带主动力源，与内燃机车辆一样灵活，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，又没有内燃机车辆的污染问题，发展潜力巨大。城轨车辆燃料电池供电技术目前国内外均尚处于发展初期。东日本铁路公司2005年研制成功一辆100kW燃料电池驱动轻轨车，储氢罐和辅助变流器安装在地板下，燃料电池系统和变流器安装在车内部，通过受电弓从接触网取电为燃料电池辅助系统供电。2007年，该公司又加装了360kWh的锂离子电池，构成两模块的燃料电池混合动力轻轨列车，并在公司内部试验线上进行了运行测试。西班牙城轨运营商FEVE于2011年10月展示了一辆小型燃料电池有轨电车，主动力为2台12kW燃料电池，驱动电机为4台30kW交流异步电机。2013年，美国TIG/m公司在Hydrail国际大会上也提出了燃料电池有轨电车概念设计。同样是2013年，我国科技部启动了“燃料电池/超级电容混合动力100％低地板有轨电车研制”的科技支撑计划项目申报工作，标志着我国正式启动了燃料电池有轨电车的研制计划。

目前，国内外燃料电池城轨车辆已有相关报道。在国内，南车成都机车车辆厂提出了“轨道混合动力机车”发明专利申请，采用内燃发电机组加蓄电装置为机车提供动力。唐车公司提出了“混合动力轨道车辆的供电方法”和“混合动力轨道车辆的供电装置、供电系统和轨道车辆”的发明专利申请，采用接触网与超级电容、蓄电池作为混合动力；唐车公司另一项发明专利申请“一种混合动力有轨电车”为发动机与超级电容和蓄电池的混合动力。在燃料电池混合动力机车方面，美国BNSF公司提出了一系列专利申请，包括氢燃料电池-蓄电池混合动力机车、冷却系统、能量管理系统等方面。美国铁路动力技术集团也提出了涉及燃料电池作为主动力的机车发动机启动方法[US7309929B1]燃料电池机车方面的发明专利。特别是燃料电池-蓄电池混合动力机车冷却系统[US8006627B1，US8171860B1]的两个专利，与本发明最为相关，但这两个专利公开的内容完全没有涉及与空调系统的热量综合管理。总之，目前国内外还未见燃料电池有轨电车、特别是燃料电池-空调系统热量综合管理的有关专利。

燃料电池利用电化学反应将化学能转换为电能，该反应是放热反应，产生电能的同时伴随热量释放。以氢气和氧气作为燃料和氧化剂的燃料电池为例，如式(1)所示，反应释放的热量为484kJ/mol，如果燃料电池单片工作电压为0.75V(如巴拉德HD6系统中，燃料电池单体工作电压基本在此水平)，则燃料电池利用氢气发电释放出的热量与发电功率基本相当，也就是说，HD6燃料电池系统发电为150kW时，释放的热量也接近150kW，因此必须利用散热器将剩余的热量释放，控制燃料电池运行在适宜的温度区间，保证燃料电池的工作性能和运行安全。

2H₂+O₂→2H₂O+ΔH    (1)

对于包含有轨电车在内的城市轨道交通车辆，为满足乘客的舒适性要求，必须为车厢内空气环境配置空调系统，并考虑新风量的要求。冬季工况下，车厢内需要供热，其每节车厢热负荷约30kW，燃料电池的余热足够车厢供热所需，因此完全可以利用燃料电池余热为车厢供暖；夏季工况下，由于新风需求，车厢内需要泄压排风，而排风温度低于环境温度，因此可以作为冷源，为燃料电池散热。现有轨道交通车辆和大巴车等的燃料电池技术，燃料电池冷却系统与空调系统均采用独立系统，没有实现热量的综合管理和利用。燃料电池车辆往往只有主散热器：冬季不仅无法利用燃料电池的余热，且需要专门的电热器消耗电能为车厢供暖；而夏季一方面由于车厢内温度低于环境温度，温度较低的废冷排风无法利用，另一方面由于夏季环境温度高，主散热器散热压力大，单一的主散热器无法利用废冷排风冷量实现两者的合理结合。总之，燃料电池与空调系统热量可以综合利用，从而提高整车系统能源利用率。

发明内容

本发明的目的提供一种燃料电池有轨电车热量综合利用方法及其装置，它能有效实现燃料电池热量的综合管理和利用问题。