一种基于温差发电的燃料电池有轨电车余热回收系统技术方案

本发明专利技术公开一种基于温差发电的燃料电池有轨电车余热回收系统，包括温差发电主模块、主控制器、稳压模块、用电模块和燃料电池；所述温差发电主模块安装于车厢顶部，温差发电主模块的热端水箱的入水口与燃料电池冷却液出口套管相连，且在冷却液出口套管处设置有循环水泵；温差发电主模块的热端水箱的出水口与燃料电池冷却液入口套管相连，形成并联拓扑结构；温差发电主模块冷面采用强迫风冷方式散热。本发明专利技术能够有效的对燃料电池有轨电车低品位余热进行二次发电，提高能量的综合利用率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于温差发电的燃料电池有轨电车余热回收系统
本专利技术属于燃料电池应用
，特别是涉及一种基于温差发电的燃料电池有轨电车余热回收系统。
技术介绍
在城市交通体系中，现代有轨电车具有运量大、速度较高、准点运行、投资适中等特点，在世界各国得到了快速发展，其中新筑股份公司在成都已建成国内最大的有轨电车生产基地。近年来，随着燃料电池在汽车领域的快速发展，尤其是随着丰田“Mirai”和本田“Clarity”燃料电池汽车的成功上市，同时，随着巴纳德燃料电池生产线在国内的即将投产，燃料电池成本将进一步下降，燃料电池在轨道交通领域受到空前关注,燃料电池有轨电车也成为有轨电车供电技术的先进代表和研究热点。在国家科技支撑计划项目(2014BAG08B01)资助下，西南交通大学继2013年成功研制我国首辆燃料电池电动机车之后，自2014年开始，在我国率先着手研制燃料电池混合动力100％低地板有轨电车。目前样车已研制成功，并通过了一系列测试和最后的淋雨实验。该车主电源为两套150kW质子交换膜燃料电池(PEMFC)系统(电堆为加拿大巴纳德公司的HD6),由于燃料电池工作效率在40％～60％之间，因此有40％～60％的能量耗散为热能，也就是该样车300kW的燃料电池，有约150kW的热量需要散发，以保证燃料电池在合适的温度下运行。由于该样车为100％低地板有轨电车，所有设备都必须放在车顶，空间极其有限，150kW的热量必须在1600mm*1900mm*630mm的空间内释放。结果在现有条件下，150kW的热量不仅无法利用，还导致极端条件下，样车散热器风机自身需要消耗最高22kW的电能，并带来了最大100dB以上的噪声。因此，研究新的燃料电池有轨电车余热回收利用技术迫在眉睫。专利《燃料电池有轨电车热量综合利用方法及其装置》(CN201410193795.2)公开了一种燃料电池有轨电车热量综合利用方法及其装置,主要针对燃料电池-空调系统热量综合管理。专利《汽车尾气管温差发电装置》(CN201220318086.9)公开了一种燃油型汽车尾气管温差发电装置。目前国内外还未见基于温差发电的燃料电池有轨电车余热回收利用方面的有关专利。燃料电池电堆工作温度大约在65℃左右，属于低品位余热，且有轨电车没有热水需求，加之空间极其紧张，因此唯一可能采用的余热利用技术就是低温半导体温差发电。温差发电无需化学反应或流体介质，在发电过程中具有无噪音、无磨损、无介质泄露、体积小、重量轻、移动方便、使用寿命长等优点，在内燃机汽车尾气废热回收中得到高度关注。虽然燃料电池汽车废热难以利用，但燃料电池有轨电车采用温差发电存在两大优势：一是有轨电车功率等级高，产热总量大，且95％以上余热通过冷却循环水带走，便于废热集中利用；二是有轨电车空调系统在夏季时存在废冷排风，这部分冷风可以用于温差发电的冷源，因此可使冷热面尽可能保持较大温差(其中春秋冬三季以环境为冷端)。同时随着热电材料的发展，具有更高优值的温差半导体材料将逐渐出现。因此利用温差发电对燃料电池有轨电车的低品位余热进行二次发电，可以有效的提高能量的利用率，在车辆节能环保方面具有巨大的发展潜力。而现有技术中，并没有通过两者的特质将两者结合利用，无法有效对燃料电池的低品位余热进行二次发电，能量的利用率极低。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提出了一种基于温差发电的燃料电池有轨电车余热回收系统，能够有效的对燃料电池有轨电车低品位余热进行二次发电，提高能量的综合利用率。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种基于温差发电的燃料电池有轨电车余热回收系统，包括温差发电主模块、主控制器、稳压模块、用电模块和燃料电池；所述温差发电主模块安装于车厢顶部，温差发电主模块的热端水箱的入水口与燃料电池冷却液出口套管相连，且在冷却液出口套管处设置有循环水泵；温差发电主模块的热端水箱的出水口与燃料电池冷却液入口套管相连，形成并联拓扑结构；所述温差发电主模块冷面采用强迫风冷方式散热；在冷面上设置有主散热器风机、冷气输送管和冷端水箱，所述冷端水箱设置在主散热器风机和温差发电主模块的冷面之间，所述冷端水箱入口与燃料电池冷却液出口套管相连，所述冷端水箱出口与燃料电池冷却液入口套管相连；在燃料电池冷却液出口分流处装设冷却电动三通阀，冷却电动三通阀分别连接燃料电池冷却液出口、冷端水箱入口和热端水箱的入水口；冷气输送管连通车厢内的排风机；通过引入车厢内废冷排风，使冷热面尽可能保持较大温差；所述主控制器输出控制信号至冷却电动三通阀和主散热器风机；温差发电主模块发出的电能经稳压模块输出至用电模块。所述热端水箱的入水口与燃料电池冷却液出口套管相连，且采用并联拓扑结构，以避免因温差发电模块的加入影响燃料电池冷却液入口处温度；在冷却液出口分流处装设冷却电动三通阀，电动三通阀分别连接燃料电池冷却液出口、冷端冷却板入口和热端水箱的入水口，便于根据需求调节液体流向。进一步的是，所述的温差发电主模块采用夹层结构，包括热端水箱、隔热加固板、温差发电片阵列和散热器；温差发电片阵列热面通过导热硅胶固定于热端水箱的导热面；温差发电片阵列与热端水箱之间装设隔热加固板，通过隔热加固板阻止多余的热量扩散到温差发电模块的散热器上；温差发电片阵列的冷面通过导热硅胶与散热器相连。进一步的是，所述热端水箱内部为螺旋排列结构的水通路，以保证水箱导热面温度分布的均匀性；热端水箱外部除导热面，其余三面均敷设有保温材料，防止热量散失。进一步的是，所述的温差发电片阵列为多个温差发电片相互串并联的拓扑结构，每个温差发电片的冷热面均装设有冷面温度传感器和热面温度传感器，且冷面温度传感器和热面温度传感器通过导线与主控制器相连；实时监控温差发电片的状态。进一步的是，所述的温差发电片阵列采用适用于低品位余热回收的热电材料制成；优选的是，温差发电片采用适用于低品位余热回收的Bi2Te3材料，其室温下优值为1左右。进一步的是，所述热端水箱的入水口处装设有入水温度传感器和流量计，热端水箱出水口和燃料电池入水口分别装设有出水温度传感器和燃料电池温度传感器，入水温度传感器、出水温度传感器、燃料电池温度传感器和流量计采集的数据送入主控制器，由主控制器输出控制信号控制分流处冷却电动三通阀调节各支路水流量和/或控制主散热器风机转速，从而保证燃料电池入水口温度维持在规定范围内。进一步的是,所述排风机的输出管路上设置有排风电动三通阀，所述排风电动三通阀分别连接排风机排风管路、冷气输送管和车厢排风管路；针对夏季高温，通过装设于车厢外部的环境温度传感器监测室外温度，当温度达到预设值由主控制器模块输出控制信号，控制冷气输送管处的排风电动三通阀，引入车厢内的废冷排风；冷气由排风口通过排风机送入到排风扇，再经由冷气输送管输送到温差发电模块的散热器上，对冷面进行散热，从而使冷热面尽可能保持较大温差。进一步的是，所述稳压模块的拓扑结构包括防反接保护、差模共模滤波构成的前级保护模块、DC-DC模块、输出保护模块以及超级电容模块，所述防反接保护、差模共模滤波构成的前级保护模块、DC-DC模块和输出保护模块依次串联连接，所述超级电容模块并联在输出保护模块上，所述温差发电主模块连接至防反接保护的输入端，所述输出保护模块输出端连本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于温差发电的燃料电池有轨电车余热回收系统，其特征在于，包括温差发电主模块(1)、主控制器(2)、稳压模块(3)、用电模块(4)和燃料电池(5)；所述温差发电主模块(1)安装于车厢(10)顶部，温差发电主模块(1)的热端水箱(101)的入水口(113)与燃料电池(5)冷却液出口套管相连，且在冷却液出口套管处设置有循环水泵(9)；温差发电主模块(1)的热端水箱(101)的出水口(114)与燃料电池(5)冷却液入口套管相连，形成并联拓扑结构；所述温差发电主模块(1)冷面采用强迫风冷方式散热；在冷面上设置有主散热器风机(6)、冷气输送管(8)和冷端水箱(12)，所述冷端水箱(12)设置在主散热器风机(6)和温差发电主模块(1)的冷面之间，所述冷端水箱(12)入口与燃料电池(5)冷却液出口套管相连，所述冷端水箱(12)出口与燃料电池(5)冷却液入口套管相连；在燃料电池(5)冷却液出口分流处装设冷却电动三通阀(11)，冷却电动三通阀(11)分别连接燃料电池冷却液出口、冷端水箱(12)入口和热端水箱(101)的入水口(113)；冷气输送管(8)连通车厢(10)内的排风机(16)；所述主控制器(2)输出控制信号至冷却电动三通阀(11)和主散热器风机(6)；温差发电主模块(1)发出的电能经稳压模块(3)输出至用电模块(4)。...

【技术特征摘要】
1.一种基于温差发电的燃料电池有轨电车余热回收系统，其特征在于，包括温差发电主模块(1)、主控制器(2)、稳压模块(3)、用电模块(4)和燃料电池(5)；所述温差发电主模块(1)安装于车厢(10)顶部，温差发电主模块(1)的热端水箱(101)的入水口(113)与燃料电池(5)冷却液出口套管相连，且在冷却液出口套管处设置有循环水泵(9)；温差发电主模块(1)的热端水箱(101)的出水口(114)与燃料电池(5)冷却液入口套管相连，形成并联拓扑结构；所述温差发电主模块(1)冷面采用强迫风冷方式散热；在冷面上设置有主散热器风机(6)、冷气输送管(8)和冷端水箱(12)，所述冷端水箱(12)设置在主散热器风机(6)和温差发电主模块(1)的冷面之间，所述冷端水箱(12)入口与燃料电池(5)冷却液出口套管相连，所述冷端水箱(12)出口与燃料电池(5)冷却液入口套管相连；在燃料电池(5)冷却液出口分流处装设冷却电动三通阀(11)，冷却电动三通阀(11)分别连接燃料电池冷却液出口、冷端水箱(12)入口和热端水箱(101)的入水口(113)；冷气输送管(8)连通车厢(10)内的排风机(16)；所述主控制器(2)输出控制信号至冷却电动三通阀(11)和主散热器风机(6)；温差发电主模块(1)发出的电能经稳压模块(3)输出至用电模块(4)。2.根据权利要求1所述的一种基于温差发电的燃料电池有轨电车余热回收系统，其特征在于，所述的温差发电主模块(1)采用夹层结构，包括热端水箱(101)、隔热加固板(102)、温差发电片阵列(103)和散热器(104)；温差发电片阵列(103)热面通过导热硅胶固定于热端水箱(101)的导热面；温差发电片阵列(103)与热端水箱(101)之间装设隔热加固板(102)；温差发电片阵列(103)的冷面通过导热硅胶与散热器(104)相连。3.根据权利要求2所述的一种基于温差发电的燃料电池有轨电车余热回收系统，其特征在于，所述热端水箱(101)内部为螺旋排列结构的水通路(112)；热端水箱(101)外部除导热面，其余三面均敷设有保温材料(111)。4.根据权利要求3所述的一种基于温差发电的燃料电池有轨电车余热回收系统，其特征在于，所述的温差发电片阵列(103)为多个温差发电片相互串并联的拓扑结构，每个温差发电片的冷热面均装设有冷面温度传感器(105)和热面温度传感器(106)，且冷面温度传感器(105)和热面温度传感器(106)通过导线与主控制器(2)相连。5.根据权利要求4所述的一种基于温差发电的燃料电池有轨电车余热回收系统，其特征在于，所述的温差发电片阵列(103)采用适用于低品位余热回收...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴朝华，邓文丽，陈维荣，高岩，赵化博，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川,51