一种燃料电池产水产热利用系统、轨道交通车辆及方法

技术领域

本发明涉及轨道交通领域，尤其是一种燃料电池产水产热利用系统、轨道交通车辆及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

由于氢燃料电池的无污染、能量密度高等优点，氢燃料电池在作为列车备用电源或主动力领域具有重大潜力，氢燃料电池转换效率高且完全无污染、零排放，是未来车载能源的发展方向。

氢能源列车配置的燃料电池以氢气和氧气为反应物，生成电与水，且燃料电池为大功率燃料电池，普遍在百kW级以上，而且燃料电池持续工作，故燃料电池产水量是较大的。

发明人发现，传统氢能源列车燃料电池产生的水一般会直接排放车下，存在浪费水资源的问题；而且产生的水使得列车运行轨道很容易被打湿，当处于低温环境下，燃料电池排出的水会造成轨面大面积结冰，导致列车滑行，甚至制动失效，存在一定的安全隐患。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的第一目的是提供一种燃料电池产水产热利用系统，对燃料电池电堆产水的热量和水进行充分利用，减少了水资源浪费，也避免了低温轨面结冰，而且可有效降低空调系统的功耗。

本发明的第二目的是提供一种轨道交通车辆，通过对燃料电池电堆产水进行充分利用，降低轨道交通的车重，减少能耗。

本发明的第三目的是提供一种燃料电池产水产热利用系统的使用方法，充分利用热能，降低空调系统功耗。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

一种燃料电池产水产热利用系统，包括：

用于发电的燃料电池电堆；

热交换装置，与燃料电池电堆和轨道交通的空调系统分别单独连接，热交换装置用于接收燃料电池电堆反应产生的水，并回收所接收水的热量以加热气体用于空调系统供暖；

储水装置，热交换装置与储水装置连接，将燃料电池反应产生的水送至储水装置进行储水；

第一温度传感器，安装于室内；

控制单元，控制单元与第一温度传感器、热交换装置、空调系统分别单独连接。

上述的利用系统中，利用燃料电池电堆产水的热量，可为车厢供暖，从而有效降低空调系统功耗；而且利用燃料电池电堆产水，可有效减小现有储水箱的体积，减少加水频率及水量；通过第一温度传感器测量室内的温度，并发送至控制单元，由控制单元根据室内温度来控制热交换装置和空调系统的动作。

如上所述的一种燃料电池产水产热利用系统，还包括第二温度传感器，第二温度传感器安装于所述空调系统的进风口，以用于测量室外温度，通过第二温度传感器测量室外温度，可用于控制单元控制空调系统的打开，启动空调系统供暖。

如上所述的一种燃料电池产水产热利用系统，所述第一温度传感器安装于所述空调系统的回风口，可有效测量室内温度。

如上所述的一种燃料电池产水产热利用系统，所述热交换装置与所述空调系统之间设置比例阀，以控制热交换装置进入空调系统的气体流量，可根据室内温度来控制比例阀的开度，实现热交换装置气体流量的调控，保证室内温度在设定值附近。

如上所述的一种燃料电池产水产热利用系统，所述热交换装置的侧部设置风扇，风扇与所述控制单元连接，通过风扇的设置，可用于降低燃料电池电堆产水的热量。

如上所述的一种燃料电池产水产热利用系统，还包括净水器，净水器与所述储水装置连接，储水装置存储的水经过净水器净化后，可供饮用和洗漱使用。

如上所述的一种燃料电池产水产热利用系统，还包括卫生间水箱，所述储水装置与卫生间水箱连接，所述净水器设置回收管，回收管与卫生间水箱连接。

如上所述的一种燃料电池产水产热利用系统，还包括洗脸盆，所述储水装置、净水器分别与洗脸盆处设置的开发阀连接；

所述洗脸盆设置管道，管道与所述卫生间水箱连接，使得洗漱产生的废水汇入卫生间水箱。

第二方面，本发明还提供了一种轨道交通车辆，包括所述的一种燃料电池产水产热利用系统。

第三方面，本发明还提供了一种燃料电池产水产热利用系统的使用方法，包括如下内容：

燃料电池电堆产生的水经过热交换装置，热交换装置接收水的热量以加热气体用于空调系统供暖；

当第一温度传感器检测到室内温度低于设定第一温度时，通过热交换装置将燃料电池电堆产水制热供暖，且空调系统制暖供暖；

当第一温度传感器检测到室内温度高于设定第二温度时，通过热交换装置将燃料电池电堆产水制热供暖，空调系统制暖关闭；

其中，第一温度小于第二温度。

上述本发明的有益效果如下：

1)本发明燃料电池产水、产热利用系统，充分利用燃料电池电堆产水的热量，在60℃左右，可为车厢供暖，从而有效降低空调系统功耗；系统通过第一温度传感器测量室内的温度，并发送至控制单元，由控制单元根据室内温度来控制热交换装置和空调系统的动作。

2)本发明燃料电池产水、产热利用系统，将燃料电池电堆产水，通过储水装置进行储存，而且因为燃料电池电堆在工作期间一直会产水，只要储水装置体积容许，这样储水装置可供水，也可持续进水，有效减小现有储水箱的体积，减少加水频率及水量；储水装置质量降低，可有效降低轨道交通的车重，充分减少能耗。

3)本发明通过在热交换装置与空调系统之间设置比例阀，可根据室内温度来控制比例阀，实现热交换装置气体流量的调控，保证室内温度在设定值附近，避免室内出现过热的情况。

4)本发明通过净水器的设置，可用于净化燃料电池电堆产水，净化后的水可直接用于饮用或洗漱，洗漱后的水又可排入卫生间水箱，实现水资源的充分利用。

5)本发明通过第二温度传感器的设置，通过第二温度传感器测量室外温度，可用于控制单元控制空调系统的打开，启动空调系统供暖。

6)本发明提供的一种轨道交通车辆，可充分利用燃料电池电堆产水的热量，并充分利用燃料电池电堆产水，实现水资源的充分利用，且产水不排放于轨道，可避免轨面结冰的现象，从而降低安全隐患；且燃料电池电堆运行过程中持续产水，并通过储水装置存储，储水装置相较于传统水箱体积较小，需要存储水量也较小，有利于减轻列车重量，降低能耗。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明根据一个或多个实施方式的一种燃料电池产水产热利用系统的使用方法示意图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语解释部分：本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在水资源浪费、轨面容易结冰的问题，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种燃料电池产水产热利用系统、轨道交通车辆及方法。

实施例一

本发明的一种典型的实施方式中，一种燃料电池产水产热利用系统，包括：

用于发电的燃料电池电堆；

热交换装置，与燃料电池电堆和轨道交通的空调系统分别单独连接，热交换装置用于接收燃料电池电堆反应产生的水，并回收所接收水的热量以加热气体用于空调系统供暖；

储水装置，热交换装置与储水装置连接，将燃料电池反应产生的水送至储水装置进行储水；

第一温度传感器，安装于室内；

控制单元，控制单元与第一温度传感器、热交换装置、空调系统分别单独连接。

其中，需要说明的是，空调系统即为室内现有的空调系统，空调系统自身可实现对室内的温度调控，包括降温和升温；空调系统具有进风口和出风口，进水口与室外相通，出风口与室内相通。

进一步地，一种燃料电池产水产热利用系统还包括第二温度传感器，第二温度传感器安装于空调系统的进风口，以用于测量室外温度，通过第二温度传感器的设置，可通过室外温度低于设定温度如12℃时，作为开启空调系统制暖的条件；第二温度传感器安装于进风口避免第二温度传感器受外界环境的破坏，保证第二温度传感器的使用寿命；当然，在其他一些示例中，第二温度传感器还可以安装于车厢外侧的其他位置。

在一些示例中，第一温度传感器安装于空调系统的回风口；容易理解的是，第一温度传感器还可以安装于室内其他位置，如室内壁。

为了进一步控制通过热交换装置将燃料电池电堆产水制热的程度，热交换装置与空调系统之间设置比例阀，以控制热交换装置进入空调系统的气体流量，可根据室内温度来控制比例阀的开度，实现热交换装置气体流量的调控，保证室内温度在设定值附近。

需要注意的是，热交换装置的侧部设置风扇，风扇可设置一个或多个，风扇与控制单元连接，在室内温度较高时，比如夏季，比例阀会关断，热交换装置无需向空调系统供气，但考虑到燃料电池电堆产水较热，为了控制产水的温度，通过风扇吹动的方向，对燃料电池电堆产水的温度进行适当降低。

这里，热交换装置与风扇共同构成了辅暖设备。

而且，风扇的出风侧朝向热交换装置的水管设置，热交换装置的水管用于实现燃料电池电堆产水的流向储水装置；因考虑到热交换装置在温度较低时，需要进行供暖，因此，热交换装置的水管为多段弯曲管，以保证换热面积，充分利用燃料电池电堆产水的热量。

进一步地，因为燃料电池电堆产水为纯水，有杂质，一种燃料电池产水产热利用系统，还包括净水器，净水器与储水装置连接，通过净水器对燃料电池电堆产水进行过滤，可直接用于饮用或洗漱等其他用途。

需要解释的，净水器为现有市售的净水器。

需要说明的是，储水装置为集水箱，因为燃料电池在使用期间会又不间断的水产生，故集水箱有持续水流注入，集水箱箱体相较于传统水箱体积较小，需要存储水量也较小，有利于减轻列车重量，降低能耗。

考虑到集水箱有持续水流注入，需要列车外部补充水量及补充频率降低。集水箱内部设置水位监测传感器，水位监测传感器与控制单元连接，控制单元与报警灯或蜂鸣器连接，若水位低于设定水位时提示司机或乘务人员需要外部补充水；若水位高于设定水位，则由控制单元控制热交换装置的水管停止供水；

控制单元具体为控制器，控制器可为PLC控制器，或其他类型的控制器。

实施例二

本实施例与实施例一的区别是：

热交换装置的水管设置分支管，分支管的出口端延伸至室外，分支管设置阀门，常态下阀门关闭，当集水箱内水位高于设定值时，由控制单元控制该阀门打开，使得水从分支管流向室外，当一种燃料电池产水产热利用系统应用于轨道交通车辆时，因分支管的出口端设于室外，且分支管设于轨道交通车辆的宽度方向，避免燃料电池电堆产水流向轨道，避免轨面结冰。

实施例三

本实施例与实施例一的区别是：

集水箱设置有多个，当一种燃料电池产水产热利用系统应用于轨道交通车辆时，各车厢分别设置若干集水箱，这样在一个集水箱水位高于设定高度后，可由热交换装置的水管向下一个集水箱供水，各个集水箱与热交换装置的水管分别设置控制开关，所有的控制开关均与控制单元分别单独连接。

实施例四

本实施例提供了一种轨道交通车辆，包括实施例一或实施例二或实施例三所述的一种燃料电池产水产热利用系统，实施例一种所指的室内为轨道交通车辆的车厢内部。

为了进一步充分利用水源，一种燃料电池产水产热利用系统还包括卫生间水箱，储水装置与卫生间水箱连接，卫生间水箱也就是厕所水箱，净水器的出水口下方设置回收管，回收管与卫生间水箱连接，卫生间水箱的水用于马桶即大便器使用。

容易理解的是，为了满足使用者的需求，一种燃料电池产水产热利用系统，还包括洗脸盆，储水装置、净水器分别与洗脸盆处设置的开发阀连接；

洗脸盆的底部设置管道，管道与卫生间水箱连接，实现水的充分利用。

或者，在其他一些示例中，净水器直接安装于洗脸盆附近，进水器的出水口流水可流向洗脸盆处，这样可在洗脸盆处直接利用净水器净化后的水。

需要补充的是，洗脸盆也为现有市售，安装于轨道交通车辆车厢内部。

当然，在其他一些示例中，集水箱还与卫生间水箱连接，具体在集水箱与卫生间水箱的连接管路设置单向节流阀；这样集水箱一部分水流向净水器，另一部水流向卫生间水箱。

实施例四

本实施例提供了一种燃料电池产水产热利用系统的使用方法，参考图1所示，包括如下内容：

燃料电池电堆产生的水经过热交换装置，热交换装置接收水的热量以加热气体用于空调系统供暖；

当第一温度传感器检测到室内温度低于设定第一温度时，通过热交换装置将燃料电池电堆产水制热供暖，且空调系统制暖供暖；

当第一温度传感器检测到室内温度高于设定第二温度时，通过热交换装置将燃料电池电堆产水制热供暖，空调系统制暖关闭；

其中，第一温度小于第二温度。

具体地，在一些示例中，第一温度设定值为12℃，第二温度设定值为16℃。

进一步，在空调系统与热交换装置之间设置比例阀，当室内温度高于第二温度时，通过比例阀控制热交换装置的供热气体流量，以避免室内温度过快升高，而且通过比例阀控制气体量，可使得车厢温度维持在18℃附近；通过第一温度传感器检测室内温度，并反馈给控制单元，由控制单元根据车厢温度来控制比例阀的开度，并控制空调系统的通断。

另外，当第一温度传感器检测到室内温度高于第三温度如20℃时，控制单元控制比例阀自动关断，停止通过热交换装置将燃料电池电堆产水制热供暖；

当第一温度传感器检测到室内温度低于16℃时，控制单元控制比例阀开启。

此外，由第二温度传感器检测室外温度，在轨道交通车辆运行时，第二温度传感器检测到室外温度低于设定温度如12℃时，由控制单元控制空调系统开启制暖，向车厢内部供暖；进一步，控制单元控制热交换装置将燃料电池电堆产水制热供暖，具体通过比例阀全开进行控制。

本发明提供的一种燃料电池产水产热利用系统的使用方法，既解决了燃料电池电堆产水排放问题，避免了低温轨面大面积结冰，又减小了列车自带储水箱体积，减少列车加水频率及水量，降低列车车重，减少能耗。冬季低温环境需要开始空调制暖时，也可充分利用燃料电池产水自带热量，增加列车制暖效率，降低空调功耗。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。