DE-102025138383-A1 - Wasserstoffbrennstoffzellensystem, Thermomanagementverfahren und Schienenverkehrsfahrzeug

Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart ein Wasserstoffbrennstoffzellensystem, ein Thermomanagementverfahren und ein Schienenverkehrsfahrzeug. Das Wasserstoffbrennstoffzellensystem enthält ein Wasserstoffbrennstoffzellenmodul, ein Festkörper-Wasserstoffspeichermodul und einem Thermomanagementmodul, das mit dem Wasserstoffbrennstoffzellenmodul und dem Festkörper-Wasserstoffspeichermodul jeweils verbunden ist, wobei das Wasserstoffbrennstoffzellenmodul ein Hauptmodul und ein Zusatzmodul enthält, ein Thermomanagement-Hauptmodul zwischen dem Hauptmodul und dem Festkörper-Wasserstoffspeichermodul installiert ist, und ein Thermomanagement-Zusatzmodul zwischen dem Zusatzmodul und dem Festkörper-Wasserstoffspeichermodul installiert ist. Wärme, die für die Freisetzung des Wasserstoffs der Festkörper-Wasserstoffspeicherung erforderlich ist, kommt von der Abwärme des Wasserstoffbrennstoffzellenmoduls, wodurch die Last auf einen Wasser-Luft-Radiator reduziert, die Leistung eines Kühlventilators im Hauptkreislauf verringert und die Energieausnutzung des Systems um mehr als 10% verbesset wird.

Inventors

• Yanli Tang
• Peng Fu
• Yae Fu
• Jiamin Xiao
• Ran Bi
• Yixi ZHOU
• YUAN LONG
• Dafa Jiang
• Chang Guo
• Wenfeng Wang
• Shijie Liu
• Hai Huang
• Wu Wen
• Hongying Zhang

Assignees

• CRRC ZHUZHOU LOCOMOTIVE CO., LTD.

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20250923

Priority Date

20241107

Claims (10)

1. Wasserstoffbrennstoffzellensystem, mit einem Wasserstoffbrennstoffzellenmodul (1), einem Festkörper-Wasserstoffspeichermodul (2) und einem Thermomanagementmodul (3), das mit dem Wasserstoffbrennstoffzellenmodul (1) und dem Festkörper-Wasserstoffspeichermodul (2) jeweils verbunden ist, wobei das Wasserstoffbrennstoffzellenmodul (1) ein Hauptmodul (11) und ein Zusatzmodul (12) enthält, ein Thermomanagement-Hauptmodul (31) zwischen dem Hauptmodul (11) und dem Festkörper-Wasserstoffspeichermodul (2) installiert ist, und ein Thermomanagement-Zusatzmodul (32) zwischen dem Zusatzmodul (12) und dem Festkörper-Wasserstoffspeichermodul (2) installiert ist; wobei das Thermomanagement-Hauptmodul (31) einen ersten Wärmetauscher (311) enthält, ein erstes Wärmeübertragungsrohr (111) auf der Peripherie des Hauptmoduls (11) installiert ist, ein Wasserauslass des ersten Wärmeübertragungsrohrs (111) mit einem Heißmediumeinlass des ersten Wärmetauschers (311) verbunden ist, ein Heißmediumauslass des ersten Wärmetauschers (311) mit einem Wassereinlass des ersten Wärmeübertragungsrohrs (111) verbunden ist, ein zweites Wärmeübertragungsrohr (21) auf der Peripherie des Festkörper-Wasserstoffspeichermoduls (2) installiert ist, ein Kaltmediumauslass des ersten Wärmetauschers (311) mit einem Wasserauslass des zweiten Wärmeübertragungsrohrs (21) über eine Wasserpumpe (312) verbunden ist, und ein Wasserauslass des zweiten Wärmeübertragungsrohrs (21) mit einem Kaltmediumeinlass des ersten Wärmetauschers (311) verbunden ist; und das Festkörper-Wasserstoffspeichermodul (2) ferner einen Wassertank (22) enthält, ein Heizer (23) in dem Wassertank (22) installiert ist, der Wassertank (22) parallel zu einem Kreislauf des ersten Wärmetauschers (311) geschaltet ist, ein Wasserauslass des Wassertanks (22) mit dem Wassereinlass des zweiten Wärmeübertragungsrohrs (21) verbunden ist, und der Wasserauslass des zweiten Wärmeübertragungsrohrs (21) mit einem Wassereinlass des Wassertanks (22) verbunden ist; und die Leitfähigkeit eines Kühlmittels in dem Thermomanagement-Hauptmodul (31) vorzugsweise kleiner als 5 µs/cm ist.
2. Wasserstoffbrennstoffzellensystem nach Anspruch 1 , bei dem der Heißmediumauslass des ersten Wärmetauschers (311) mit einem Flüssigkeitseinlass eines zweiten Wärmetauschers (314) über einen der Anschlüsse eines Haupt-Dreiwegeventils (313) verbunden ist, und ein Flüssigkeitsauslass des zweiten Wärmetauschers (314) weiter verbunden ist mit einem Flüssigkeitseinlass des ersten Wärmeübertragungsrohrs (111).
3. Wasserstoffbrennstoffzellensystem nach Anspruch 2 , bei dem ein anderer der Anschlüsse des Haupt-Dreiwegeventils (313) mit dem Wassereinlass des ersten Wärmeübertragungsrohrs (111) verbunden ist.
4. Wasserstoffbrennstoffzellensystem nach Anspruch 2 , bei dem das Thermomanagement-Zusatzmodul (32) einen dritten Wärmetauscher (321) enthält, ein drittes Wärmeübertragungsrohr (322) auf einer Außenseite des Zusatzmoduls (12) installiert ist, ein Flüssigkeitsauslass des dritten Wärmeübertragungsrohrs (322) mit einem Flüssigkeitseinlass des dritten Wärmetauschers (321) über einen der Anschlüsse eine Zusatz-Dreiwegeventils (323) verbunden ist, ein Flüssigkeitsauslass des dritten Wärmetauschers (321) mit einem Flüssigkeitseinlass des dritten Wärmeübertragungsrohrs (322) verbunden ist, ein anderer der Anschlüsse des Zusatz-Dreiwegeventils (323) mit einem Flüssigkeitseinlass des zweiten Wärmeübertragungsrohrs (21) verbunden ist, und ein Flüssigkeitsauslass des zweiten Wärmeübertragungsrohrs (21) mit dem Flüssigkeitseinlass des dritten Wärmeübertragungsrohrs (322) verbunden ist.
5. Wasserstoffbrennstoffzellensystem nach Anspruch 4 , bei dem ein Kreislauf aus dem ersten Wärmetauscher (311), dem Haupt-Dreiwegeventil (313) und dem zweiten Wärmetauscher (314) parallel zu einem Hauptwassertank (112) geschaltet ist, ein Wasserauslass des Hauptwassertanks (112) mit einem Wassereinlass des ersten Wärmeübertragungsrohrs (111) verbunden ist, und ein Wassereinlass des Hauptwassertanks (112) mit dem Wasserauslass des ersten Wärmeübertragungsrohrs (111) verbunden ist.
6. Wasserstoffbrennstoffzellensystem nach Anspruch 1 , bei dem der Kaltmediumauslass des ersten Wärmetauschers (311) mit dem Wassereinlass des Wassertanks (222) verbunden ist, und der Wasserauslass des Wassertanks (22) mit dem Kaltmediumeinlass des ersten Wärmetauschers (311) verbunden ist.
7. Thermomanagementverfahren für das Wasserstoffbrennstoffzellensystem, mit den Schritten: S1. wenn das Festkörper-Wasserstoffspeichermodul eine Starttemperatur nicht erreicht, Aufheizen des Wassertanks durch den Heizer, bis das Festkörper-Wasserstoffspeichermodul Wasserstoff mit einer geringen Flussrate freisetzen kann, um Bedingungen zum Starten der Wasserstoffbrennstoffzellen mit geringer Leistung zu erfüllen; und S2. wenn die Temperatur in dem zweiten Wärmeübertragungsrohr nicht weiter erhöht werden muss, Stoppen des Aufheizens des Wassertanks durch den Heizer.
8. Thermomanagementverfahren für das Wasserstoffbrennstoffzellensystem nach Anspruch 7 , bei dem, wenn in Schritt S1 der Wassertanks durch den Heizer aufgeheizt ist, bis das Festkörper-Wasserstoffspeichermodul Wasserstoff mit einer geringen Flussrate freisetzen kann, um Bedingungen zum Starten der Wasserstoffbrennstoffzellen mit geringer Leistung zu erfüllen, das Haupt-Dreiwegeventil gleichzeitig geschaltet wird, um den Wasserauslass des ersten Wärmetauschers mit dem Wassereinlass des ersten Wärmeübertragungsrohres zu verbinden; und das Zusatz-Dreiwegeventil geschaltet wird, um den Flüssigkeitsauslass des dritten Wärmetauschers mit dem Flüssigkeitseinlass des zweiten Wärmeübertragungsrohrs zu verbinden, und um den Flüssigkeitsauslass des zweiten Wärmeübertragungsrohres mit dem Flüssigkeitseinlass des dritten Wärmeübertragungsrohrs zu verbinden.
9. Thermomanagementverfahren für das Wasserstoffbrennstoffzellensystem nach Anspruch 7 , ferner mit einem Schritt S3 des Schaltens des Haupt-Dreiwegeventils, um den Heißmediumauslass des ersten Wärmetauschers mit dem Flüssigkeitseinlass des zweiten Wärmetauschers zu verbinden, und um den Flüssigkeitsauslass des zweiten Wärmetauschers mit dem Flüssigkeitseinlass des ersten Wärmeübertragungsrohrs zu verbinden; und des Schaltens des Zusatz-Dreiwegeventils, um den Flüssigkeitsauslass des dritten Wärmeübertragungsrohrs mit dem Flüssigkeitseinlass des dritten Wärmetauschers zu verbinden, und um den Flüssigkeitsauslass des dritten Wärmetauschers mit dem Flüssigkeitseinlass des dritten Wärmeübertragungsrohrs zu verbinden.
10. Schienenverkehrsfahrzeug, das das Wasserstoffbrennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6 enthält.

Description

Gebiet der Erfindung Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wasserstoffbrennstoffzellensystem, insbesondere ein Wasserstoffbrennstoffzellensystem, ein Thermomanagementverfahren bzw. Management-Thermoverfahren und ein Schienenverkehrsfahrzeug. Hintergrund der Erfindung Brennstoffzellen sind wichtig zur effizienten Nutzung von Wasserstoffenergie, und finden einen breiten Anwendungsbereich auf dem Gebiet von Traktionsleistungsversorgungssystemen von Schienenverkehrsfahrzeugen, aufgrund ihrer Vorteile bezüglich hoher Leistungserzeugungseffizienz (40% bis 60%), kurzer Betankungszeit, Sauberkeit, Umweltschutz, Sicherheit und Zuverlässigkeit. Gegenwärtig werden Wasserstoffbrennstoffzellensysteme in Traktionsleistungsversorgungssystemen von Schienenverkehrsfahrzeugen, wie Lokomotiven, Triebzügen, Straßenbahnen und Technikfahrzeugen, verwendet. Ein Wasserstoffbrennstoffzellensystem enthält üblicherweise ein Wasserstoffbrennstoffzellenmodul, ein Wasserstoffspeichermodul und ein Wärmeabführungsmodul. Das Wasserstoffspeichermodul dient zur Speicherung von Wasserstoff und stellt dem Wasserstoffbrennstoffzellenmodul Gas zur Verfügung, dessen Druck, Temperatur und Flussrate Anforderungen entsprechen. Gemäß unterschiedlichen Prinzipien der Wasserstoffspeicherung enthalten Wasserstoffspeicherverfahren hauptsächlich eine Gas-Wasserstoffspeicherung unter hohem Druck, eine Festkörper-Wasserstoffspeicherung, eine Flüssig-Wasserstoffspeicherung unter niedriger Temperatur, etc. Die Speicherung von gasförmigem Wasserstoff unter hohem Druck umfasst die Komprimierung von Wasserstoffmolekülen auf 35 MPa oder 70 MPa und deren Speicherung in Hochdruck-Wasserstofftanks. Das Prinzip der Speicherung von festem Wasserstoff (Festkörper-Wasserstoff) besteht darin, Wasserstoff in atomarer Form in Wasserstoffspeicherlegierungen durch die reversiblen katalytischen Dissoziations- und Adsorptionseffekte von Wasserstoff durch die Wasserstoffspeicherlegierungen (einschließlich TiMn-Serie bzw. -legierungen, Mg-Serie bzw. - legierungen, Seltenerdserie bzw.-legierungen usw.) zu speichern. Die Speicherung von gasförmigen Wasserstoff unter hohem Druck hat Vorteile bezüglich ausgereifter Technologie, einfachem Aufbau und einfachen Bedingungen für die Wasserstoffaufnahme und -abgabe, sodass es derzeit die am weitesten verbreitete Methode zur Wasserstoffspeicherung ist. Die volumetrische Wasserstoffspeicherdichte bei der Wasserstoffspeicherung unter hohem Druck beträgt jedoch nur 24g/L bei 35 MPa oder 40 g/L bei 70 MPa, was die Anforderungen an Schienenfahrzeuge hinsichtlich einer großen Wasserstoffspeicherkapazität und großer Reichweite einschränkt. Die Speicherung von Festkörper-Wasserstoff bietet eine hohe volumetrische Wasserstoffspeicherdichte von über 50 g/L und verbessert die Sicherheit, aufgrund von Drücken für die Wasserstoffaufnahme- und - freisetzung von unter 5 MPa. Dies macht es ideal bei Anwendungen für beispielsweise Lokomotiven oder Technikfahrzeuge, bei denen der Raum begrenzt, die Gewichtssensitivität jedoch gering ist. Daher hat die metallische Speicherung von Festkörper-Wasserstoff breite Anwendungsmöglichkeiten in bordeigenen Wasserstoffspeichersystemen von Schienenverkehrsfahrzeugen vom Typ Lokomotive. Die chinesische Patentanmeldung Nr. CN113707903A offenbart ein Brennstoffzellensystem, das auf in einem festen Zustand gespeicherten Wasserstoff als Wasserstoffquelle basiert, enthaltend eine Brennstoffzelle, eine Wasserstoffspeichervorrichtung, ein Wärmeübertragungselement, und ein Wärmetauschermodul, das mit der Brennstoffzelle elektrisch verbunden und zwischen der Brennstoffzelle und einem Festkörper-Wasserstoffspeichertank angeordnet ist, der erhitzt werden kann, indem die Abwärme verwendet wird, die durch den Betrieb der Brennstoffzelle erzeugt wird. Dieses System kann bei einer relativ geringen Temperatur gestartet werden. Bei dieser Lösung wird ein temporärer Wasserstoffspeichertank installiert, das Wärmeübertragungselement und ein interner Heizungstank werden in dem Festkörper-Wasserstoffspeichertank installiert, ein zweiter Wärmetauscherwassertank wird neben dem Festkörper-Wasserstoffspeichertank installiert, und ein erster Wärmetauscherwassertank ist um die Brennstoffzelle herum installiert, was eine komplexe Struktur, hohes Gewicht und einen unsinnigen Aufbau der Wärmetauscherstruktur zur Folge hat. Darüber hinaus hat der temporäre Wasserstoffspeichertank, also ein Puffertank, der hinzugefügt wird, um Wasserstoff für das Starten der Brennstoffzelle bei geringen Temperaturen bereitzustellen, ein großes Volumen und eine geringe Wasserstoffspeicherdichte, und kann nicht entfernt werden, egal ob er benötigt wird, oder nicht, was den Vorteil einer hohen Speicherdichte von Festkörper-Wasserstoff schwächt und zu einer herkömmlichen gemischten gasförmigen/festen Wasserstoffversorgung gehört. Zusammenfassung der Erfindung Ausgehend von den Nachteilen des Standes der Technik, liegt das durch die Erfindung zu lösende technische Problem