CN103121453A - 燃料电池机车 - Google Patents

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雒焕骥
王世玉
梁培志
李伟宏
罗林业
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Abstract

本发明涉及机车，具体为一种燃料电池机车，解决了目前没有一种由燃料电池作为动力源的轨道机车的问题。一种燃料电池机车，包括车体（1）、驱动***和行走***，所述行走***包括两个两轴齿轮箱式转向架（2），所述驱动***包括两台永磁同步牵引电动机（3）、两台将直流电转换成为频率、电压可调的三相交流电的牵引逆变器（4）和燃料电池（5），所述每台永磁同步牵引电动机（3）的输出轴分别通过万向联轴器与转向架（2）的齿轮箱连接，每台永磁同步牵引电动机（3）的输入端分别牵引逆变器（4）的输出端连接，所述牵引逆变器（4）的输入端与燃料电池（5）的输出端连接。本发明设计合理，结构简单。

Description

燃料电池机车
技术领域
本发明涉及在轨道上运行的机车，具体为一种燃料电池机车。
背景技术
传统的轨道交通机车要么以柴油机作为动力源，要么以接触网提供直流电源作为动力源。随着经济的快速发展，能源消耗日益增大，传统的能源资源日益减少，能源价格不断创出历史高价，同时，经济的快速发展也带来了严重的环境问题，严重影响了经济的可持续发展。建设资源节约型、环境友好型社会已成为我国的重要国策。作为一种新型高效、洁净、便捷的能源利用方式——燃料电池，如图5所示，燃料电池主要包括电池电堆，例如使用氢气和高压空气作为电化学反应介质的电池电堆，输出直流电。还包括向电池电堆提供氢气的供氢***；向电池电堆提供高压空气的空气源***；为电池电堆降温的冷却***。近年来，燃料电池得到了世界各国的高度重视和大力资助，进行了大量基础的研究和应用技术的研发，取得了显著的成果，在众多领域得到成功应用，尤其是燃料电池电动汽车的研发成功和推广应用，使燃料电池技术得到快速发展，也为燃料电池机车的研发奠定了良好基础。
但是，目前还没有一种由燃料电池作为动力源的轨道机车。
发明内容
本发明为了解决目前缺乏一种由燃料电池作为动力源的轨道机车的问题，提供了一种燃料电池机车。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种燃料电池机车，包括车体、驱动***和行走***，所述行走***包括两个两轴齿轮箱式转向架，所述驱动***包括两台永磁同步牵引电动机、两台将直流电转换成为频率、电压可调的三相交流电的牵引逆变器和燃料电池，所述每台永磁同步牵引电动机的输出轴分别通过万向联轴器与转向架的齿轮箱连接，每台永磁同步牵引电动机的输入端分别牵引逆变器的输出端连接，所述牵引逆变器的输入端与燃料电池的输出端连接；
如图4所示，所述燃料电池包括：电池电堆、供氢***、空气源***、冷却***、DC/DC电源变换装置、核心控制***、启动电源；
所述DC/DC电源变换装置将电池电堆发出的高压电转换为低压电；
所述启动电源在启动时为核心控制***、供氢***、空气源***、电池电堆提供低压电；
所述核心控制***在启动时获得由启动电源输入的低压电和进入正常工作后获得由DC/DC电源变换装置输入的低压电后分别向供氢***、空气源***、电池电堆发出工作指令；
所述电池电堆的输出端作为燃料电池的输出端。
对于所述燃料电池，其中电池电堆可以由国外或国内直接购置，其余配套***，例如供氢***、空气源***、冷却***、DC/DC电源变换装置、核心控制***、启动电源等，本领域技术人员均可根据实际情况和技术要求，设计多种满足所需功能要求的常规技术方案，不存在技术上的难度。
工作时，由燃料电池作为电源供电，经两台牵引变流器将直流电转换成为频率、电压可调的三相交流电，控制二台永磁同步牵引电动机分别驱动两台两轴车轴齿轮箱式转向架，驱动机车行进。
燃料电池机车具备的优点如下：
1、燃料电池采用可再生能源（氢气）替代电力和石油，其产物为水，对环境没有任何电磁污染，同时废气排放极小，大大降低了对环境的不利影响。
2、机车线路条件与非电气化线路完全兼容，可在任何既有铁路线上运行。
3、新型燃料电池机车不需要传统的牵引供变电***和接触网***，避免了牵引供电***弓网故障、电气绝缘、电能质量、综合接地等系列问题，提高了列车运行的可靠性。
4、可实现能量再生的循环利用，显著提高节能降耗指标，运营经济性良好。
5、驱动***经过大量试验后优选地采用永磁同步牵引电动机，因永磁同步牵引电动机具有功率大、效率高、恒功范围宽以及良好的转矩平稳性和低振动噪音的特点，因此新型燃料电池机车不仅具有优良的牵引性能，同时具有低排放、高效、节能、环保的特性，具有显著的经济效益。
本发明设计合理，结构简单，解决了目前没有一种由燃料电池作为动力源的轨道机车的问题。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图2是本发明的平面结构示意图。
图3是转向架的结构示意图。
图4是燃料电池的工作框图。
图5是电池电堆的反应原理图。
图中，1-车体，2-转向架，3-永磁同步牵引电动机，4-牵引逆变器，5-燃料电池，6-空气制动***。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。
如图1、2、3所示，一种燃料电池机车，包括车体1、驱动***和行走***，所述行走***包括两个两轴齿轮箱式转向架2，所述驱动***包括两台永磁同步牵引电动机3、两台将直流电转换成为频率、电压可调的三相交流电的牵引逆变器4和燃料电池5，所述每台永磁同步牵引电动机3的输出轴分别通过万向联轴器与转向架2的齿轮箱连接，每台永磁同步牵引电动机3的输入端分别牵引逆变器4的输出端连接，所述牵引逆变器4的输入端与燃料电池5的输出端连接。
如图4所示，所述燃料电池5包括：
电池电堆，所述电池电堆使用氢气和高压空气作为电化学反应介质，输出800V直流电；在进行电化学反应的同时，电子在外电路形成电流，向负载输出电能，生成的水随尾气排出。
供氢***，所述供氢***向电池电堆提供氢气；供氢***主要由高压氢气瓶、减压阀、流量控制器等组成。当供氢***接收到信号以后，检查气源入口压力，打开气源电磁阀，为电池电堆提供所需不同流量的氢气。
空气源***，所述空气源***向电池电堆提供高压空气气（根据电池电堆的规格确定提供空气的压力）；空气源***主要由超高压空气泵、减压阀、流量控制器等组成。当空气源***接收到信号以后，超高压空气泵开始启动，检查气源压力，打开电磁阀，为电池电堆提供所需不同流量的空气。
冷却***，所述冷却***为电池电堆降温；燃料电池电堆在使用氢气和高压空气进行电化学反应产生电能的同时产生大量的热能，冷却***就是为保证电池电堆有一个相对适宜的工作环境。
DC/DC电源变换装置，所述DC/DC电源变换装置将电池电堆发出的800V直流高压电转换为24V低压电；将24V低压电提供给核心控制***。
启动电源为24V蓄电池，所述启动电源在启动时为核心控制***、供氢***、空气源***、电池电堆和CAN通信***提供24V低压电；当燃料电池启动以后可以给蓄电池充电。
核心控制***，所述核心控制***在启动时获得由启动电源输入的低压电和进入正常工作后获得由DC/DC电源变换装置输入的24V低压电后分别向供氢***、空气源***、电池电堆发出工作指令。
CAN通信***，所述CAN通信***根据机车不同运行工况所需要的电量，协调输入电池电堆的氢气和高压空气的量。
具体实施时，机车还包括空气制动***6，空气制动***是为完成燃料电池机车的制动、鸣笛、撒砂和驻车制动等作用而设的一套装置。空气制动***6选用双端操纵的JZ-7G型空气制动机，该制动机性能良好，操纵灵活，检修方便，是铁路目前使用最广泛的一种制动机。两端司机室均设置操作机构，可独立操作。
车体下部的整体焊接成箱形结构构架的两个两轴齿轮箱式行走转向架结构相同，对称布置，牵引电机的输出轴通过万向联轴器与转向架的齿轮箱相连，驱动机车运行。所述转向架2的基础制动装置采用带有闸瓦间隙自动调节器的单侧单元式制动器。
上述制动***可实现机车运行过程中的可靠制动和驻车制动。
燃料电池机车为内走廊棚式车体，底架承载全焊接钢结构。底架焊有牵引销座，通过牵引销与转向架相连，用以传递牵引力。车架设有吊车孔及架车座，供吊起机车和架车用。
燃料电池是高效、环保的新型发电装置，具有低运行温度、高功率密度、快速响应、快速启动能力、稳定性好以及当使用纯氢气时不会造成环境污染的特点。氢燃料电池电堆有许多规格型号，根据机车总体设计要求，可以选用不同功率等级的电池电堆。
电气控制***包括主电路、辅助电路、控制电路等。
燃料电池机车采用直-交电传动***。主电路由燃料电池、主接触器、牵引逆变器、牵引电动机、制动电阻等组成。燃料电池产生的直流电供给牵引逆变器。逆变器将直流电逆变成频率、电压可调的三相交流电，驱动永磁同步牵引电动机运行。
辅助电路包括24V电源电路、空压机电路、空调电路等。
燃料电池产生的高压直流电经DC/DC电源变换装置变成24V低压直流电，供给24V辅助电路，同时向蓄电池（启动电源）充电，满足低压电路需要。
燃料电池产生的高压直流电经打风逆变器逆变成三相380V交流电供给空压机，满足空压机电动机用电需要。
燃料电池产生的高压直流电经空调逆变器逆变成单相220V交流电供给空调，满足空调用电需要。
控制电路分电源控制和牵引传动控制。
电源控制包括：总控开关、总控锁开关、电源输出开关、燃料电池启动与停止开关。
牵引传动控制包括：驻车制动与缓解制动按钮、司机控制器。
永磁同步牵引电动机3和牵引逆变器4的规格可根据实际情况选用不同功率，例如选用永磁同步牵引电动机3的输出功率为120kw等等。

Claims (8)

1.一种燃料电池机车，包括车体（1）、驱动***和行走***，所述行走***包括两个两轴齿轮箱式转向架（2），其特征在于：所述驱动***包括两台永磁同步牵引电动机（3）、两台将直流电转换成为频率、电压可调的三相交流电的牵引逆变器（4）和燃料电池（5），所述每台永磁同步牵引电动机（3）的输出轴分别通过万向联轴器与转向架（2）的齿轮箱连接，每台永磁同步牵引电动机（3）的输入端分别与牵引逆变器（4）的输出端连接，所述牵引逆变器（4）的输入端与燃料电池（5）的输出端连接；
所述燃料电池（5）包括：电池电堆、供氢***、空气源***、冷却***、DC/DC电源变换装置、核心控制***、启动电源；
所述DC/DC电源变换装置将电池电堆发出的高压电转换为低压电；
所述启动电源在启动时为核心控制***、供氢***、空气源***、电池电堆提供低压电；
所述核心控制***在启动时获得由启动电源输入的低压电和进入正常工作后获得由DC/DC电源变换装置输入的低压电后分别向供氢***、空气源***、电池电堆发出工作指令；
所述电池电堆的输出端作为燃料电池（5）的输出端。
2.根据权利要求1所述的燃料电池机车，其特征在于：所述燃料电池（5）还包括CAN通信***，所述CAN通信***根据机车不同运行工况所需要的电量，协调输入电池电堆的氢气和高压空气的量。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池机车，其特征在于：所述电池电堆输出800V高压电，所述DC/DC电源变换装置将电池电堆发出的800V高压电转换为24V低压电；所述启动电源为24V蓄电池。
4.根据权利要求1或2所述的燃料电池机车，其特征在于：还包括空气制动***（6），所述空气制动***（6）采用双端操纵的JZ-7G型空气制动机。
5.根据权利要求3所述的燃料电池机车，其特征在于：还包括空气制动***（6），所述空气制动***（6）采用双端操纵的JZ-7G型空气制动机。
6.根据权利要求5所述的燃料电池机车，其特征在于：所述转向架（2）的基础制动装置采用带有闸瓦间隙自动调节器的单侧单元式制动器。
7.根据权利要求6所述的燃料电池机车，其特征在于：车体（1）为内走廊棚式车体；机车底架承载全焊接钢结构。
8.根据权利要求7所述的燃料电池机车，其特征在于：所述机车底架焊有牵引销座，通过牵引销与转向架（2）相连；车体（1）外设有吊车孔和架车座。
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