一種基于溫差發電的燃料電池有軌電車余熱回收系統的制作方法

本發明屬于燃料電池應用技術領域，特別是涉及一種基于溫差發電的燃料電池有軌電車余熱回收系統。

背景技術：

在城市交通體系中，現代有軌電車具有運量大、速度較高、準點運行、投資適中等特點，在世界各國得到了快速發展，其中新筑股份公司在成都已建成國內最大的有軌電車生產基地。近年來，隨著燃料電池在汽車領域的快速發展，尤其是隨著豐田“Mirai”和本田“Clarity”燃料電池汽車的成功上市，同時，隨著巴納德燃料電池生產線在國內的即將投產，燃料電池成本將進一步下降，燃料電池在軌道交通領域受到空前關注,燃料電池有軌電車也成為有軌電車供電技術的先進代表和研究熱點。

在國家科技支撐計劃項目(2014BAG08B01)資助下，西南交通大學繼2013年成功研制我國首輛燃料電池電動機車之后，自2014年開始，在我國率先著手研制燃料電池混合動力100％低地板有軌電車。目前樣車已研制成功，并通過了一系列測試和最后的淋雨實驗。該車主電源為兩套150kW質子交換膜燃料電池(PEMFC)系統(電堆為加拿大巴納德公司的HD6),由于燃料電池工作效率在40％～60％之間，因此有40％～60％的能量耗散為熱能，也就是該樣車300kW的燃料電池，有約150kW的熱量需要散發，以保證燃料電池在合適的溫度下運行。由于該樣車為100％低地板有軌電車，所有設備都必須放在車頂，空間極其有限，150kW的熱量必須在1600mm*1900mm*630mm的空間內釋放。結果在現有條件下，150kW的熱量不僅無法利用，還導致極端條件下，樣車散熱器風機自身需要消耗最高22kW的電能，并帶來了最大100dB以上的噪聲。因此，研究新的燃料電池有軌電車余熱回收利用技術迫在眉睫。

專利《燃料電池有軌電車熱量綜合利用方法及其裝置》(CN201410193795.2)公開了一種燃料電池有軌電車熱量綜合利用方法及其裝置,主要針對燃料電池-空調系統熱量綜合管理。專利《汽車尾氣管溫差發電裝置》(CN201220318086.9)公開了一種燃油型汽車尾氣管溫差發電裝置。目前國內外還未見基于溫差發電的燃料電池有軌電車余熱回收利用方面的有關專利。

燃料電池電堆工作溫度大約在65℃左右，屬于低品位余熱，且有軌電車沒有熱水需求，加之空間極其緊張，因此唯一可能采用的余熱利用技術就是低溫半導體溫差發電。溫差發電無需化學反應或流體介質，在發電過程中具有無噪音、無磨損、無介質泄露、體積小、重量輕、移動方便、使用壽命長等優點，在內燃機汽車尾氣廢熱回收中得到高度關注。雖然燃料電池汽車廢熱難以利用，但燃料電池有軌電車采用溫差發電存在兩大優勢：一是有軌電車功率等級高，產熱總量大，且95％以上余熱通過冷卻循環水帶走，便于廢熱集中利用；二是有軌電車空調系統在夏季時存在廢冷排風，這部分冷風可以用于溫差發電的冷源，因此可使冷熱面盡可能保持較大溫差(其中春秋冬三季以環境為冷端)。同時隨著熱電材料的發展，具有更高優值的溫差半導體材料將逐漸出現。因此利用溫差發電對燃料電池有軌電車的低品位余熱進行二次發電，可以有效的提高能量的利用率，在車輛節能環保方面具有巨大的發展潛力。

而現有技術中，并沒有通過兩者的特質將兩者結合利用，無法有效對燃料電池的低品位余熱進行二次發電，能量的利用率極低。

技術實現要素：

為了解決上述問題，本發明提出了一種基于溫差發電的燃料電池有軌電車余熱回收系統，能夠有效的對燃料電池有軌電車低品位余熱進行二次發電，提高能量的綜合利用率。

為達到上述目的，本發明采用的技術方案是：

一種基于溫差發電的燃料電池有軌電車余熱回收系統，包括溫差發電主模塊、主控制器、穩壓模塊、用電模塊和燃料電池；

所述溫差發電主模塊安裝于車廂頂部，溫差發電主模塊的熱端水箱的入水口與燃料電池冷卻液出口套管相連，且在冷卻液出口套管處設置有循環水泵；溫差發電主模塊的熱端水箱的出水口與燃料電池冷卻液入口套管相連，形成并聯拓撲結構；

所述溫差發電主模塊冷面采用強迫風冷方式散熱；在冷面上設置有主散熱器風機、冷氣輸送管和冷端水箱，所述冷端水箱設置在主散熱器風機和溫差發電主模塊的冷面之間，所述冷端水箱入口與燃料電池冷卻液出口套管相連，所述冷端水箱出口與燃料電池冷卻液入口套管相連；在燃料電池冷卻液出口分流處裝設冷卻電動三通閥，冷卻電動三通閥分別連接燃料電池冷卻液出口、冷端水箱入口和熱端水箱的入水口；冷氣輸送管連通車廂內的排風機；通過引入車廂內廢冷排風，使冷熱面盡可能保持較大溫差；

所述主控制器輸出控制信號至冷卻電動三通閥和主散熱器風機；溫差發電主模塊發出的電能經穩壓模塊輸出至用電模塊。

所述熱端水箱的入水口與燃料電池冷卻液出口套管相連，且采用并聯拓撲結構，以避免因溫差發電模塊的加入影響燃料電池冷卻液入口處溫度；在冷卻液出口分流處裝設冷卻電動三通閥，電動三通閥分別連接燃料電池冷卻液出口、冷端冷卻板入口和熱端水箱的入水口，便于根據需求調節液體流向。

進一步的是，所述的溫差發電主模塊采用夾層結構，包括熱端水箱、隔熱加固板、溫差發電片陣列和散熱器；溫差發電片陣列熱面通過導熱硅膠固定于熱端水箱的導熱面；溫差發電片陣列與熱端水箱之間裝設隔熱加固板，通過隔熱加固板阻止多余的熱量擴散到溫差發電模塊的散熱器上；溫差發電片陣列的冷面通過導熱硅膠與散熱器相連。

進一步的是，所述熱端水箱內部為螺旋排列結構的水通路，以保證水箱導熱面溫度分布的均勻性；熱端水箱外部除導熱面，其余三面均敷設有保溫材料，防止熱量散失。

進一步的是，所述的溫差發電片陣列為多個溫差發電片相互串并聯的拓撲結構，每個溫差發電片的冷熱面均裝設有冷面溫度傳感器和熱面溫度傳感器，且冷面溫度傳感器和熱面溫度傳感器通過導線與主控制器相連；實時監控溫差發電片的狀態。

進一步的是，所述的溫差發電片陣列采用適用于低品位余熱回收的熱電材料制成；優選的是，溫差發電片采用適用于低品位余熱回收的Bi2Te3材料，其室溫下優值為1左右。

進一步的是，所述熱端水箱的入水口處裝設有入水溫度傳感器和流量計，熱端水箱出水口和燃料電池入水口分別裝設有出水溫度傳感器和燃料電池溫度傳感器，入水溫度傳感器、出水溫度傳感器、燃料電池溫度傳感器和流量計采集的數據送入主控制器，由主控制器輸出控制信號控制分流處冷卻電動三通閥調節各支路水流量和/或控制主散熱器風機轉速，從而保證燃料電池入水口溫度維持在規定范圍內。

進一步的是,所述排風機的輸出管路上設置有排風電動三通閥，所述排風電動三通閥分別連接排風機排風管路、冷氣輸送管和車廂排風管路；針對夏季高溫，通過裝設于車廂外部的環境溫度傳感器監測室外溫度，當溫度達到預設值由主控制器模塊輸出控制信號，控制冷氣輸送管處的排風電動三通閥，引入車廂內的廢冷排風；冷氣由排風口通過排風機送入到排風扇，再經由冷氣輸送管輸送到溫差發電模塊的散熱器上，對冷面進行散熱，從而使冷熱面盡可能保持較大溫差。

進一步的是，所述穩壓模塊的拓撲結構包括防反接保護、差模共模濾波構成的前級保護模塊、DC-DC模塊、輸出保護模塊以及超級電容模塊，所述防反接保護、差模共模濾波構成的前級保護模塊、DC-DC模塊和輸出保護模塊依次串聯連接，所述超級電容模塊并聯在輸出保護模塊上，所述溫差發電主模塊連接至防反接保護的輸入端，所述輸出保護模塊輸出端連接至用電模塊；用于輸出穩定的直流電。

進一步的是，在穩壓模塊和用電模塊之間設置有鋰電池儲能模塊；所述溫差發電主模塊無論在有軌電車處于何種運行工況，只要在溫差片冷熱面存在溫差時即可發電，所發電能儲存在鋰電池中，以供后期使用。

進一步的是，所述主控制器，通過裝設于溫差發電片冷熱面、熱端水箱入水口、熱端水箱出水口、燃料電池冷卻液入水口和車廂外部處的各個溫度傳感器，裝設于穩壓模塊輸出端口的電壓傳感器和電流傳感器，以及裝設于熱端水箱入水口處的流量計，來獲取輸入數據；主控制器包括數據采集卡、控制芯片、電動三通閥控制器、主散熱器控制器和鋰電池充放電控制器；所述數據采集卡與控制芯片輸入端子相連，控制芯片輸出電動三通閥控制器、主散熱器控制器和鋰電池充放電控制器的控制信號；數據采集卡上連接有電子顯示器，且電子顯示器安裝于車廂內壁上，用于實時觀測各類數據變化情況。

采用本技術方案的有益效果：

(1)由于燃料電池有軌電車功率等級高，產熱總量大，且95％以上余熱通過冷卻循環液帶走；因此，利用溫差發電便于余熱集中回收利用，緩解了燃料電池散熱風機的散熱壓力；同時，由于溫差發電中不用設置熱風機，也能有效降低散溫差發電中本身設置的熱風機所帶來的噪聲污染；

(2)本發明在夏季工況時，可利用燃料電池有軌電車空調系統存在的廢冷排風，通過合理引入這部分冷風作為溫差發電的輔助冷源，能有效降低散熱器表面溫度，使冷熱面盡可能保持較大溫差(其中春秋冬三季以環境為冷端)，可有效提高能量的利用效率和環保性；

(3)本發明在發電過程中無需化學反應或流體介質，且具有無噪音、無磨損、無介質泄露、體積小、重量輕、移動方便、無需后期維護和使用壽命長等優點。

附圖說明

圖1為本發明的一種基于溫差發電的燃料電池有軌電車余熱回收系統流的結構示意圖；

圖2為本發明實施例中溫差發電主模塊的結構爆炸圖；

圖3為本發明實施例中熱端水箱的剖面圖；

圖4為本發明實施例中溫差發電主模塊的電路連接示意圖；

圖5為本發明實施例中穩壓模塊的結構示意圖；

圖6為本發明實施例中主控制器模塊的結構示意圖；

其中，1是溫差發電主模塊，2是主控制器，3是穩壓模塊，4是用電模塊，5是燃料電池，6是主散熱器風機，7是排風電動三通閥，8是冷氣輸送管，9是循環水泵，10是車廂，11是冷卻電動三通閥，12是冷端水箱，13是車廂排風管路，14是排風口，15是流量計，16是排風機，17是排風扇；

101是熱端水箱，102是隔熱加固板，103是溫差發電片陣列，104是散熱器，105是冷面溫度傳感器，106是熱面溫度傳感器，111是保溫材料，112是水通路，113是熱端水箱入水口，114是熱端水箱出水口。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面結合附圖對本發明作進一步闡述。

在本實施例中，參見圖1所示，本發明提出了一種基于溫差發電的燃料電池有軌電車余熱回收系統，包括溫差發電主模塊1、主控制器2、穩壓模塊3、用電模塊4和燃料電池5；

所述溫差發電主模塊1安裝于車廂10頂部，溫差發電主模塊1的熱端水箱101的入水口113與燃料電池5冷卻液出口套管相連，且在冷卻液出口套管處設置有循環水泵9；溫差發電主模塊1的熱端水箱101的出水口114與燃料電池5冷卻液入口套管相連，形成并聯拓撲結構；

所述溫差發電主模塊1冷面采用強迫風冷方式散熱；在冷面上設置有主散熱器風機6、冷氣輸送管8和冷端水箱12，所述冷端水箱12設置在主散熱器風機6和溫差發電主模塊1的冷面之間，所述冷端水箱12入口與燃料電池5冷卻液出口套管相連，所述冷端水箱12出口與燃料電池5冷卻液入口套管相連；在燃料電池5冷卻液出口分流處裝設冷卻電動三通閥11，冷卻電動三通閥11分別連接燃料電池冷卻液出口、冷端水箱12入口和熱端水箱101的入水口113；冷氣輸送管8連通車廂10內的排風機16；通過引入車廂10內廢冷排風，使冷熱面盡可能保持較大溫差；

所述主控制器2輸出控制信號至冷卻電動三通閥11和主散熱器風機6；溫差發電主模塊1發出的電能經穩壓模塊3輸出至用電模塊4。

作為上述實施例的優化方案，如圖2所示，所述的溫差發電主模塊1采用夾層結構，包括熱端水箱101、隔熱加固板102、溫差發電片陣列103和散熱器104；溫差發電片陣列103熱面通過導熱硅膠固定于熱端水箱101的導熱面；溫差發電片陣列103與熱端水箱101之間裝設隔熱加固板102；溫差發電片陣列103的冷面通過導熱硅膠與散熱器104相連。

其中，散熱器104采用翅形散熱器；通過裝設隔熱加固板102阻止多余的熱量擴散到翅形散熱器104上，溫差發電片冷面通過導熱硅膠與翅形散熱器相連；當溫差發電片兩端存在溫差時，內部的PN型熱電材料基于seeback效應，就會將熱能轉化成電能，且發電效率隨著溫差的上升而增加。

所述的溫差片冷面采用強迫風冷方式散熱，針對夏季高溫，通過裝設于車廂10外部的溫度傳感器監測室外溫度，一旦溫度達到預設值由主控制器2輸出控制信號，控制冷氣排風管8處的排風電動三通閥7，引入車廂10內的廢冷排風，冷氣由排風口14通過排風機16送入到排風扇17，再經由冷氣排風管8輸送到翅形散熱器，對其進行散熱；若冷卻液溫度低時，也可通過冷卻電動三通閥11將冷卻液通入冷面；從而使冷熱面盡可能保持較大溫差。

作為上述實施例的優化方案，如圖3所示，所述熱端水箱101內部為螺旋排列結構的水通路112，以保證水箱導熱面溫度分布的均勻性；熱端水箱101外部除導熱面，其余三面均敷設有保溫材料111，保證溫差發電片熱面能最大程度受熱，冷面受通過空氣介質傳遞過來的熱量影響降到最小。

作為上述實施例的優化方案，所述的溫差發電片陣列103為多個溫差發電片相互串并聯的拓撲結構；充分利用車頂的有限空間，保證發出的電能達到最大(實際應用中可根據具體面積確定貼片數量及連接方式)。

每個溫差發電片的冷熱面均裝設有冷面溫度傳感器105和熱面溫度傳感器106，且冷面溫度傳感器105和熱面溫度傳感器106通過導線與主控制器2相連。

作為上述實施例的優化方案，所述熱端水箱101的入水口113處裝設有入水溫度傳感器和流量計15，熱端水箱出水口114和燃料電池入水口分別裝設有出水溫度傳感器和燃料電池溫度傳感器，入水溫度傳感器、出水溫度傳感器、燃料電池溫度傳感器和流量計15采集的數據送入主控制器2，由主控制器2輸出控制信號控制分流處冷卻電動三通閥11調節各支路水流量或控制主散熱器風機6轉速。

由主控制器2輸出控制信號；一旦監測到燃料電池5入口冷卻液溫度小于55℃，控制信號一方面可通過減小主散熱器風機6的轉速；另一方面可控制分流處冷卻電動三通閥11調節各支路的水流量，保證燃料電池5入水口溫度維持在55℃～63℃范圍內。

作為上述實施例的優化方案，所述排風機16的輸出管路上設置有排風電動三通閥7，所述排風電動三通閥7分別連接排風機16排風管路、冷氣輸送管8和車廂排風管路13；通過裝設于車廂10外部的環境溫度傳感器監測室外溫度，當溫度達到預設值由主控制器模塊2輸出控制信號，控制冷氣輸送管8處的排風電動三通閥7，引入車廂10內的廢冷排風；冷氣由排風口14通過排風機16送入到排風扇17，再經由冷氣輸送管8輸送到溫差發電模塊的散熱器上，對冷面進行冷卻散熱。

作為上述實施例的優化方案，如圖5所示，所述穩壓模塊3的拓撲結構包括防反接保護、差模共模濾波構成的前級保護模塊、DC-DC模塊、輸出保護模塊以及超級電容模塊，所述防反接保護、差模共模濾波構成的前級保護模塊、DC-DC模塊和輸出保護模塊依次串聯連接，所述超級電容模塊并聯在輸出保護模塊上，所述溫差發電主模塊1連接至防反接保護的輸入端，所述輸出保護模塊輸出端連接至用電模塊4；保證溫差發電主模塊1冷熱面溫差在持續波動狀態下，仍能輸出穩定的24V直流電。

作為上述實施例的優化方案，如圖4所示，在穩壓模塊3和用電模塊4之間設置有鋰電池儲能模塊；無論有軌電車處于何種運行工況，只要溫差發電片冷熱面存在溫差即可發電，所發電能可儲存在鋰電池中供后期使用；溫差發電主模塊1發出的電能經穩壓模塊，為鋰電池充電或直接供給車載用電設備使用。

如圖6所示，所述的主控制器2，通過裝設于溫差發電片冷熱面、熱端水箱入水口113、熱端水箱出水口114、燃料電池冷卻液入水口和車廂10外部的各個溫度傳感器，裝設于穩壓模塊3輸出端口的電壓傳感器和電流傳感器，以及裝設于熱端水箱入水口113處的流量計15，來獲取輸入數據；主控制器包括數據采集卡、控制芯片、電動三通閥控制器、主散熱器控制器和鋰電池充放電控制器；所述數據采集卡與控制芯片輸入端子相連，控制芯片輸出電動三通閥控制器、主散熱器控制器和鋰電池充放電控制器的控制信號；數據采集卡上連接有電子顯示器，且電子顯示器安裝于車廂10內壁上。

以上顯示和描述了本發明的基本原理和主要特征和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和范圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明范圍內。本發明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。