專利名稱：燃料電池機車的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及在軌道上運行的機車，具體為一種燃料電池機車。
背景技術：
傳統(tǒng)的軌道交通機車要么以柴油機作為動力源，要么以接觸網提供直流電源作為動力源。隨著經濟的快速發(fā)展，能源消耗日益增大，傳統(tǒng)的能源資源日益減少，能源價格不斷創(chuàng)出歷史高價，同時，經濟的快速發(fā)展也帶來了嚴重的環(huán)境問題，嚴重影響了經濟的可持續(xù)發(fā)展。建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會已成為我國的重要國策。作為一種新型高效、潔凈、便捷的能源利用方式——燃料電池，如圖5所示，燃料電池主要包括電池電堆，例如使用氫氣和高壓空氣作為電化學反應介質的電池電堆，輸出直流電。還包括向電池電堆提供氫氣的供氫系統(tǒng)；向電池電堆提供高壓空氣的空氣源系統(tǒng)；為電池電堆降溫的冷卻系統(tǒng)。近年來，燃料電池得到了世界各國的高度重視和大力資助，進行了大量基礎的研究和應用技術的研發(fā)，取得了顯著的成果，在眾多領域得到成功應用，尤其是燃料電池電動汽車的研發(fā)成功和推廣應用，使燃料電池技術得到快速發(fā)展，也為燃料電池機車的研發(fā)奠定了良好基礎。但是，目前還沒有一種由燃料電池作為動力源的軌道機車。
發(fā)明內容本實用新型為了解決目前缺乏一種由燃料電池作為動力源的軌道機車的問題，提供了一種燃料電池機車。本實用 新型是采用如下技術方案實現(xiàn)的:一種燃料電池機車，包括車體、驅動系統(tǒng)和行走系統(tǒng)，所述行走系統(tǒng)包括兩個兩軸齒輪箱式轉向架，所述驅動系統(tǒng)包括兩臺永磁同步牽引電動機、兩臺將直流電轉換成為頻率、電壓可調的三相交流電的牽引逆變器和燃料電池，所述每臺永磁同步牽引電動機的輸出軸分別通過萬向聯(lián)軸器與轉向架的齒輪箱連接，每臺永磁同步牽引電動機的輸入端分別牽引逆變器的輸出端連接，所述牽引逆變器的輸入端與燃料電池的輸出端連接；如圖4所示，所述燃料電池包括:電池電堆、供氫系統(tǒng)、空氣源系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、DC/DC電源變換裝置、核心控制系統(tǒng)、啟動電源；所述DC/DC電源變換裝置將電池電堆發(fā)出的高壓電轉換為低壓電；所述啟動電源在啟動時為核心控制系統(tǒng)、供氫系統(tǒng)、空氣源系統(tǒng)、電池電堆提供低壓電；所述核心控制系統(tǒng)在啟動時獲得由啟動電源輸入的低壓電和進入正常工作后獲得由DC/DC電源變換裝置輸入的低壓電后分別向供氫系統(tǒng)、空氣源系統(tǒng)、電池電堆發(fā)出工作指令；所述電池電堆的輸出端作為燃料電池的輸出端。對于所述燃料電池，其中電池電堆可以由國外或國內直接購置，其余配套系統(tǒng)，例如供氫系統(tǒng)、空氣源系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、DC/DC電源變換裝置、核心控制系統(tǒng)、啟動電源等，本領域技術人員均可根據實際情況和技術要求，設計多種滿足所需功能要求的常規(guī)技術方案，不存在技術上的難度。工作時，由燃料電池作為電源供電，經兩臺牽引變流器將直流電轉換成為頻率、電壓可調的三相交流電，控制二臺永磁同步牽引電動機分別驅動兩臺兩軸車軸齒輪箱式轉向架，驅動機車行進。燃料電池機車具備的優(yōu)點如下:1、燃料電池采用可再生能源(氫氣)替代電力和石油，其產物為水，對環(huán)境沒有任何電磁污染，同時廢氣排放極小，大大降低了對環(huán)境的不利影響。2、機車線路條件與非電氣化線路完全兼容，可在任何既有鐵路線上運行。3、新型燃料電池機車不需要傳統(tǒng)的牽引供變電系統(tǒng)和接觸網系統(tǒng)，避免了牽引供電系統(tǒng)弓網故障、 電氣絕緣、電能質量、綜合接地等系列問題，提高了列車運行的可靠性。4、可實現(xiàn)能量再生的循環(huán)利用，顯著提高節(jié)能降耗指標，運營經濟性良好。5、驅動系統(tǒng)經過大量試驗后優(yōu)選地采用永磁同步牽引電動機，因永磁同步牽引電動機具有功率大、效率高、恒功范圍寬以及良好的轉矩平穩(wěn)性和低振動噪音的特點，因此新型燃料電池機車不僅具有優(yōu)良的牽引性能，同時具有低排放、高效、節(jié)能、環(huán)保的特性，具有顯著的經濟效益。本實用新型設計合理，結構簡單，解決了目前沒有一種由燃料電池作為動力源的軌道機車的問題。

圖1是本實用新型的整體結構示意圖。圖2是本實用新型的平面結構示意圖。圖3是轉向架的結構示意圖。圖4是燃料電池的工作框圖。圖5是電池電堆的反應原理圖。圖中，1-車體,2-轉向架,3-永磁同步牽引電動機，4-牽引逆變器,5-燃料電池，6-空氣制動系統(tǒng)。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型的具體實施例進行詳細說明。如圖1、2、3所示，一種燃料電池機車，包括車體1、驅動系統(tǒng)和行走系統(tǒng)，所述行走系統(tǒng)包括兩個兩軸齒輪箱式轉向架2，所述驅動系統(tǒng)包括兩臺永磁同步牽引電動機3、兩臺將直流電轉換成為頻率、電壓可調的三相交流電的牽引逆變器4和燃料電池5，所述每臺永磁同步牽引電動機3的輸出軸分別通過萬向聯(lián)軸器與轉向架2的齒輪箱連接，每臺永磁同步牽引電動機3的輸入端分別牽引逆變器4的輸出端連接，所述牽引逆變器4的輸入端與燃料電池5的輸出端連接。如圖4所示，所述燃料電池5包括:電池電堆，所述電池電堆使用氫氣和高壓空氣作為電化學反應介質，輸出800V直流電；在進行電化學反應的同時，電子在外電路形成電流，向負載輸出電能，生成的水隨尾氣排出。供氫系統(tǒng)，所述供氫系統(tǒng)向電池電堆提供氫氣；供氫系統(tǒng)主要由高壓氫氣瓶、減壓閥、流量控制器等組成。當供氫系統(tǒng)接收到信號以后，檢查氣源入口壓力，打開氣源電磁閥，為電池電堆提供所需不同流量的氫氣。空氣源系統(tǒng)，所述空氣源系統(tǒng)向電池電堆提供高壓空氣氣(根據電池電堆的規(guī)格確定提供空氣的壓力);空氣源系統(tǒng)主要由超高壓空氣泵、減壓閥、流量控制器等組成。當空氣源系統(tǒng)接收到信號以后，超高壓空氣泵開始啟動，檢查氣源壓力，打開電磁閥，為電池電堆提供所需不同流量的空氣。冷卻系統(tǒng)，所述冷卻系統(tǒng)為電池電堆降溫；燃料電池電堆在使用氫氣和高壓空氣進行電化學反應產生電能的同時產生大量的熱能，冷卻系統(tǒng)就是為保證電池電堆有一個相對適宜的工作環(huán)境。DC/DC電源變換裝置，所述DC/DC電源變換裝置將電池電堆發(fā)出的800V直流高壓電轉換為24V低壓電；將24V低壓電提供給核心控制系統(tǒng)。啟動電源為24V畜電池，所述啟動電源在啟動時為核心控制系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、氣源系統(tǒng)、電池電堆和CAN通信系統(tǒng)提供24V低壓電；當燃料電池啟動以后可以給蓄電池充電。核心控制系統(tǒng)，所述核心控制系統(tǒng)在啟動時獲得由啟動電源輸入的低壓電和進入正常工作后獲得由DC/DC電源變換裝置輸入的24V低壓電后分別向供氫系統(tǒng)、空氣源系統(tǒng)、電池電堆發(fā)出工作指令。CAN通信系統(tǒng)，所述CAN通信系統(tǒng)根據機車不同運行工況所需要的電量，協(xié)調輸入電池電堆的氫氣和高壓空 氣的量。具體實施時，機車還包括空氣制動系統(tǒng)6，空氣制動系統(tǒng)是為完成燃料電池機車的制動、鳴笛、撒砂和駐車制動等作用而設的一套裝置?？諝庵苿酉到y(tǒng)6選用雙端操縱的JZ-7G型空氣制動機，該制動機性能良好，操縱靈活，檢修方便，是鐵路目前使用最廣泛的一種制動機。兩端司機室均設置操作機構，可獨立操作。車體下部的整體焊接成箱形結構構架的兩個兩軸齒輪箱式行走轉向架結構相同，對稱布置，牽引電機的輸出軸通過萬向聯(lián)軸器與轉向架的齒輪箱相連，驅動機車運行。所述轉向架2的基礎制動裝置采用帶有閘瓦間隙自動調節(jié)器的單側單元式制動器。上述制動系統(tǒng)可實現(xiàn)機車運行過程中的可靠制動和駐車制動。 燃料電池機車為內走廊棚式車體，底架承載全焊接鋼結構。底架焊有牽弓丨銷座，通過牽引銷與轉向架相連，用以傳遞牽引力。車架設有吊車孔及架車座，供吊起機車和架車用。燃料電池是高效、環(huán)保的新型發(fā)電裝置，具有低運行溫度、高功率密度、快速響應、快速啟動能力、穩(wěn)定性好以及當使用純氫氣時不會造成環(huán)境污染的特點。氫燃料電池電堆有許多規(guī)格型號，根據機車總體設計要求，可以選用不同功率等級的電池電堆。電氣控制系統(tǒng)包括主電路、輔助電路、控制電路等。燃料電池機車采用直-交電傳動系統(tǒng)。主電路由燃料電池、主接觸器、牽引逆變器、牽引電動機、制動電阻等組成。燃料電池產生的直流電供給牽引逆變器。逆變器將直流電逆變成頻率、電壓可調的三相交流電，驅動永磁同步牽引電動機運行。輔助電路包括24V電源電路、空壓機電路、空調電路等。燃料電池產生的高壓直流電經DC/DC電源變換裝置變成24V低壓直流電，供給24V輔助電路，同時向蓄電池(啟動電源)充電，滿足低壓電路需要。燃料電池產生的高壓直流電經打風逆變器逆變成三相380V交流電供給空壓機，滿足空壓機電動機用電需要。燃料電池產生的高壓直流電經空調逆變器逆變成單相220V交流電供給空調，滿足空調用電需要。控制電路分電源控制和牽弓I傳動控制。電源控制包括:總控開關、總控鎖開關、電源輸出開關、燃料電池啟動與停止開關。牽引傳動控制包括:駐車制動與緩解制動按鈕、司機控制器。永磁同步牽引電動機3和牽引逆變器4的規(guī)格可根據實際情況選用不同功率，例如選用永磁同步牽引電動機·3的輸出功率為120kw等等。
權利要求1.一種燃料電池機車，包括車體(I)、驅動系統(tǒng)和行走系統(tǒng)，所述行走系統(tǒng)包括兩個兩軸齒輪箱式轉向架(2)，其特征在于:所述驅動系統(tǒng)包括兩臺永磁同步牽引電動機(3)、兩臺將直流電轉換成為頻率、電壓可調的三相交流電的牽引逆變器(4)和燃料電池(5)，所述每臺永磁同步牽引電動機(3)的輸出軸分別通過萬向聯(lián)軸器與轉向架(2)的齒輪箱連接，每臺永磁同步牽引電動機(3)的輸入端分別與牽引逆變器(4)的輸出端連接，所述牽引逆變器(4)的輸入端與燃料電池(5)的輸出端連接； 所述燃料電池(5)包括:電池電堆、供氫系統(tǒng)、空氣源系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、DC/DC電源變換裝置、核心控制系統(tǒng)、啟動電源； 所述DC/DC電源變換裝置將電池電堆發(fā)出的高壓電轉換為低壓電； 所述啟動電源在啟動時為核心控制系統(tǒng)、供氫系統(tǒng)、空氣源系統(tǒng)、電池電堆提供低壓電； 所述核心控制系統(tǒng)在啟動時獲得由啟動電源輸入的低壓電和進入正常工作后獲得由DC/DC電源變換裝置輸入的低壓電后分別向供氫系統(tǒng)、空氣源系統(tǒng)、電池電堆發(fā)出工作指令； 所述電池電堆的輸出端作為燃料電池(5)的輸出端。
2.根據權利要求1所述的燃料電池機車，其特征在于:所述燃料電池(5)還包括CAN通信系統(tǒng)，所述CAN通信系統(tǒng)根據機車不同運行工況所需要的電量，協(xié)調輸入電池電堆的氫氣和高壓空氣的量。
3.根據權利要求1或2所述的燃料電池機車，其特征在于:所述電池電堆輸出800V高壓電，所述DC/DC電源變換裝置將電池電堆發(fā)出的800V高壓電轉換為24V低壓電；所述啟動電源為24V蓄電池?！?br> 4.根據權利要求1或2所述的燃料電池機車，其特征在于:還包括空氣制動系統(tǒng)(6)，所述空氣制動系統(tǒng)(6)采用雙端操縱的JZ-7G型空氣制動機。
5.根據權利要求3所述的燃料電池機車，其特征在于:還包括空氣制動系統(tǒng)(6)，所述空氣制動系統(tǒng)(6)采用雙端操縱的JZ-7G型空氣制動機。
6.根據權利要求5所述的燃料電池機車，其特征在于:所述轉向架(2)的基礎制動裝置采用帶有閘瓦間隙自動調節(jié)器的單側單元式制動器。
7.根據權利要求6所述的燃料電池機車，其特征在于:車體(I)為內走廊棚式車體；機車底架承載全焊接鋼結構。
8.根據權利要求7所述的燃料電池機車，其特征在于:所述機車底架焊有牽引銷座，通過牽引銷與轉向架(2)相連；車體(I)外設有吊車孔和架車座。
專利摘要本實用新型涉及機車，具體為一種燃料電池機車，解決了目前沒有一種由燃料電池作為動力源的軌道機車的問題。一種燃料電池機車，包括車體(1)、驅動系統(tǒng)和行走系統(tǒng)，所述行走系統(tǒng)包括兩個兩軸齒輪箱式轉向架(2)，所述驅動系統(tǒng)包括兩臺永磁同步牽引電動機(3)、兩臺將直流電轉換成為頻率、電壓可調的三相交流電的牽引逆變器(4)和燃料電池(5)，所述每臺永磁同步牽引電動機(3)的輸出軸分別通過萬向聯(lián)軸器與轉向架(2)的齒輪箱連接，每臺永磁同步牽引電動機(3)的輸入端分別牽引逆變器(4)的輸出端連接，所述牽引逆變器(4)的輸入端與燃料電池(5)的輸出端連接。本實用新型設計合理，結構簡單。
文檔編號B61C3/02GK203094062SQ20132011446
公開日2013年7月31日 申請日期2013年3月14日 優(yōu)先權日2013年3月14日
發(fā)明者雒煥驥, 王世玉, 梁培志, 李偉宏, 羅林業(yè) 申請人:永濟新時速電機電器有限責任公司