Контейнер батарей топливных элементов транспортного средства

Полезная модель относится к водородной энергетике, в частности, к применению батарей топливных элементов на транспортных средствах.
Электрохимические топливные элементы (ТЭ) с твердополимерным электролитом, использующие в качестве топлива водород и в качестве окислителя - кислород, содержащийся в атмосферном воздухе, могут быть использованы в батареях электрохимических генераторов (ЭХГ) транспортного назначения.
В настоящее время сформировалась тенденция применения топливных элементов во всех сферах, включая транспорт. Несомненным преимуществом использования топливных элементов является отсутствие вредных выбросов при их работе. Для получения электрической энергии с помощью топливных элементов к ним необходимо подвести топливо (водород) с одной стороны, с другой стороны - окислитель (воздух, кислород). Для топливных элементов с протонообменной мембраной в качестве электролита применяется твердая полимерная мембрана, которая, пропитанная водой, пропускает протоны водорода, а электроны не проводит, т.е. носителем заряда является протон (ион водорода). На аноде ТЭ молекула водорода разделяется на протон и электроны. Ионы водорода проходят сквозь мембрану к катоду, а электроны перемещаются по внешней электрической цепи и создают электрическую энергию. Кислород воздуха подается к катоду и соединяется с электронами и ионами водорода, образуя воду.
На электродах происходят следующие реакции:
2
2
анод: 2Н+40Н-=>4HO+4е-;
2
2
катод: O+2HO+4е-=>4OH-;
2
2
2
общая реакция в ТЭ: 2Н+O=>2HO.
Кроме того, для нормального функционирования топливных элементов, от них необходимо отводить с помощью системы термостатирования (СТС) образующееся тепло. Для получения требуемых по условиям эксплуатации электрических параметров топливные элементы собираются в батареи топливных элементов.
Известна «Батарея многосекционная моноблочная топливных элементов повышенной энергоэффективности» по патенту на полезную модель РФ: RU 152860 U1 от 20.06.2015, МПК Н01М 8/10 - [1], состоящая из смежных топливных элементов, отделенных друг от друга посредством биполярных холодильных камер, обеспечивающих последовательное электрическое соединение топливных элементов в секции между собой, водородного тракта со штуцером подвода водорода, окислительного тракта с фланцем подвода окислителя.
Основой электрохимической части батареи топливных элементов является мембранно-электродный блок, который выполнен в виде законченного монтажного изделия, подготовленного к установке его в батарею при ее сборке. Конструкция мембранно-электродного блока состоит из двух газодиффузионных слоев, между которыми зажата мембрана с предварительно нанесенными на нее тонкими каталитическими слоями. Незащищенная газодиффузионными слоями часть мембраны защищается субпрокладками, изготовленными из тонкой лавсановой пленки. Газодиффузионные слои, субпрокладки и мембрана скрепляются между собой методом горячего прессования, вклеиваются между двумя рамками (анодной и катодной) с распределительными каналами, обеспечивающими равномерность раздачи кислорода и водорода. Поверхности рамок по контуру снабжены уплотнительными прокладками для уплотнения мембранно-электродного блока в топливных элементах. Распределение газовых потоков по поверхности мембранно-электродного блока, разделение двух смежных топливных элементов и обеспечение передачи электрического тока от одного топливного элемента к смежному, при последовательном их соединении в каждой секции, осуществляется биполярными холодильными камерами, прокачиваемыми средой системы термостатирования для поддержания заданного температурного режима топливного элемента.
Недостатками аналога [1] является отсутствие защиты от возможных протечек газообразных реагентов (водорода и кислорода) в окружающую среду из-за потери герметичности.
Особенно опасны такие протечки для невентилируемых объемов (салон транспортного средства, подкапотное пространство и т.д.).
Известно, что смесь водорода с воздухом взрывоопасна в широком диапазоне концентраций. В связи с этим при использовании топливных элементов на транспорте возникает задача обеспечения взрывопожаробезопасности. Одним из способов обеспечения взрывопожаробезопасности является капсулирование объекта такой опасности, т.е. размещение объекта в герметичном контейнере.
Известен «Аккумуляторный модульный блок» по авторскому свидетельству СССР: SU 1749958 А1 от 23.07.1992, МПК Н01М 2/02 - [2], состоящий из контейнеров, выполненных в виде модулей П-образной формы с проушинами и ребрами жесткости.
Известен «Герметичный контейнер литий-ионной аккумуляторной батареи для космического аппарата» по патенту на изобретение РФ: RU 2675594 С1 от 20.12.2018, МПК Н01М 2/02, Н01М 2/12, H01M l0/052, Н01М 10/60, H02J 7/00 - [3], состоящий из основания, выполненного в виде радиатора, и крышки, снабженной соединителем электрических цепей и коробкой с предохранителями. Крышка установлена на основание-радиатор через герметизирующую прокладку. Крышка снабжена штуцером для выравнивания давления внутри контейнера и окружающей среды.
Известен «Контейнер аккумуляторной батареи» по патенту на изобретение РФ: RU 2030027 С1 от 27.02.1995, МПК Н01М 2/02, B60R 16/04 - [4], состоящий из корпуса с крышкой, узла крепления аккумуляторов в виде поперечных реек с прижимным узлом. Корпус контейнера дополнительно снабжен взрывным клапаном, выполненным в виде поворотной полой призмы, образующей верхнюю крышку, передняя грань которой в открытом положении горизонтальна и имеет с корпусом элементы взаимного фиксирования. Основание корпуса дополнительно оснащено индикатором утечки электролита, образованным ячейками поддона, расположенными каждая под блоком с зазором относительно отверстий модулей.
Прототипом заявленного технического решения является конструктивное исполнение контейнера «Батареи литиевых химических источников тока» по патенту на изобретение РФ: RU 2373614 С2 от 20.11.2009, МПК Н01М 6/16 - [5]. Прототип [5] содержит герметичный контейнер с крышкой, набор электрически соединенных литиевых химических источников тока, размещенных в контейнере, и электрические разъемы для подключения нагрузки и средств контроля и управления. При этом герметичный контейнер с крышкой соединены между собой при помощи герметизирующей прокладки, крышка находится сверху контейнера, а на одной из боковых поверхностей герметичного контейнера расположены гермовыводы электрических проводов и кабелей (по фигуре прототипа [5]).
Недостатками аналогов [2, 3, 4] и прототипа [5] является то, что технические решения контейнеров по ним предназначены для установки литий-ионных аккумуляторных батарей и не предназначены для батарей топливных элементов транспортного средства. При этом в этих известных контейнерах нет гермовводов для: трубок подвода воздуха (кислорода) и водорода; трубок отвода воды из топливных элементов; трубок подвода-отвода воды системы термостатирования для охлаждения работающих топливных элементов.
Недостатки аналогов и прототипа ставят задачу повышения надежности эксплуатации батарей топливных элементов транспортного средства, а именно обеспечения взрывопожаробезопасности при эксплуатации, путем создания контейнера для таких батарей топливных элементов, который бы, обладал простотой конструкции и позволял легко проводить техническое обслуживание расположенных в нем батарей топливных элементов.
Сущность заявленного контейнера батарей топливных элементов транспортного средства состоит в том, что он содержит корпус с крышкой, установленной при помощи герметизирующей прокладки, а также расположенных на корпусе гермовводов силовых кабелей батарей, при этом на корпусе дополнительно установлены гермоввод кабеля контроля работы батарей топливных элементов, гермовводы трубок подвода воздуха (кислорода) и водорода, трубки отвода воды из топливных элементов, трубки подвода-отвода воды системы термостатирования для охлаждения работающих топливных элементов, контейнер также снабжен расположенным на крышке газовым штуцером с трубкой отвода возможных протечек водорода. Гермовводы трубок подвода воздуха (кислорода) и водорода, трубки отвода воды из топливных элементов, трубки подвода-отвода воды системы термостатирования для охлаждения работающих топливных элементов могут быть выполнены в виде гидравлических разъемов, установленных на корпусе контейнера.
Из патентной литературы, например, из «Системы термостатирования оборудования космического объекта» по патенту на изобретение РФ: RU 2494933 С1 от 27.02.1995, МПК B64G 1/50, F28D 15/02 - [5] известно применение гермовводов для трубок, а также применение для трубок гидравлических разъемов, которые позволяют обеспечить герметичность внутреннего объема объекта.
Однако неизвестно применение гермовводов трубок подвода воздуха (кислорода) и водорода, а также применение гидравлических разъемов для трубок отвода воды из топливных элементов, для трубок подвода-отвода воды системы термостатирования топливных элементов, установленных в контейнере батарей транспортного средства.
Техническим результатом полезной модели является создание конструкции контейнера для надежной эксплуатации батарей топливных элементов транспортного средства, а именно для обеспечения взрывопожаробезопасности при их эксплуатации. Взрывопожаробезопасность обеспечивается отведением возможных протечек водорода из конструкции контейнера батареи топливных элементов в безопасное место транспортного средства, например, выше его кабины или грузового контейнера.
Графические материалы представлены на фиг. 1 и 2.
На фиг. 1 представлен схематичный разрез заявленного контейнера батарей топливных элементов транспортного средства с гермовводами.
На фиг. 2 - схематичный разрез заявленного контейнера батарей топливных элементов транспортного средства с гермовводами и с гидравлическими разъемами.
На фиг. 1 и 2, раскрывающими конструктивное исполнение контейнера батарей топливных элементов для транспортного средства, позициями обозначено:
1 - корпус контейнера;
2 - крышка;
3 - герметизирующая прокладка;
4 - разъемные винтовые соединения, например болты;
5 - гермоввод «-» клеммы (силового кабеля) топливной батареи;
6 - гермоввод «+» клеммы (силового кабеля) топливной батареи;
7 - гермоввод кабеля контроля работы батарей топливных элементов;
8 - гермоввод трубки подвода воздуха (кислорода);
9 - гермоввод трубки подвода водорода;
10 - гермоввод трубки отвода воды из топливных элементов;
11 - гермоввод трубки подвода воды системы термостатирования для охлаждения работающих топливных элементов;
12 - гермоввод трубки отвода воды системы термостатирования для охлаждения работающих топливных элементов;
13 - газовый штуцер для отвода возможных утечек водорода;
14 - трубка отвода возможных утечек водорода от газового штуцера до верхней точки транспортного средства (выше кабины или грузового отсека);
15 - кронштейн для закрепления (установки) топливных элементов;
16 - пластина для усиления боковой поверхности контейнера, установленная в месте расположения гермовводов;
17 - гидравлический разъем трубки отвода воды из топливных элементов;
18 - гидравлический разъем трубки подвода воды системы термостатирования для охлаждения работающих топливных элементов;
19 - гидравлический разъем трубки отвода воды системы термостатирования для охлаждения работающих топливных элементов.
Контейнер батарей топливных элементов для транспортного средства состоит из корпуса (1) и крышки (2), установленной при помощи герметизирующей прокладки (3), например, при помощи разъемных соединений (4). Крышка (2) находится сверху корпуса (1) контейнера. На корпусе (например, в его боковую стенку) установлены (вмонтированы) гермовводы (5) и (6) силовых кабелей батарей и гермоввод кабеля контроля работы батарей топливных элементов (7). Также на корпусе контейнера установлены гермовводы трубок (8) и (9) подвода воздуха (кислорода) и водорода соответственно, трубки (10) отвода воды из топливных элементов, трубки подвода-отвода (11) и (12) воды системы термостатирования для охлаждения работающих топливных элементов. На крышке, закрывающей контейнер сверху, установлен газовый штуцер (13) с трубкой (14) отвода возможных протечек водорода. Внутри корпуса контейнера могут располагаться кронштейны (15) для установки и крепления батареи топливных элементов, а гермовводы могут быть закреплены на усиливающей боковую поверхность контейнера пластине (16).
Гермоввод для трубки (10) отвода воды из топливных элементов может быть выполнен в виде гидравлического разъема (17). Гермовводы трубок подвода-отвода (11) и (12) воды системы термостатирования для охлаждения работающих топливных элементов также могут быть выполнены в виде гидравлических разъемов соответственно (18) и (19).
Первоначально в установленный на транспортном средстве контейнере устанавливают батареи топливных элементов, подсоединяют к ним через гермовводы силовые кабели и кабель контроля работы батарей топливных элементов, а также трубки подвода воздуха (кислорода) и водорода. Далее через гермовводы или через гидравлические разъемы подсоединяют трубку отвода воды из топливных элементов и трубки подвода-отвода воды системы термостатирования для охлаждения работающих топливных элементов. После чего проверяют герметичность подсоединенных трубок, и далее, уплотняют (затягивают) гермовводы. Далее на корпус (1) контейнера устанавливают через герметизирующую прокладку (3) крышку (2) при помощи болтов (4), и при помощи газового штуцера (13) проверяют герметичность корпуса (1) контейнера. После чего на газовый штуцер (13) надевают трубку (14) (отвода возможных протечек водорода), второй конец которой закрепляют в верхней точке транспортного средства (выше кабины или грузового отсека).
При возможной протечке водорода из батареи топливных элементов, водород через расположенный в верней точке корпуса контейнера (1), на крышке (2) газовый штуцер (13) будет самостоятельно подниматься вверх (так как он легче воздуха), далее по трубке (14) поднимется к верхней точке транспортного средства (выше кабины или грузового отсека) и далее попадет в атмосферу. Тем самим будет устранена возможность пожара или взрыва водорода.
Таким образом, заявленная полезная модель за счет размещения батареи топливных элементов в герметичном контейнере обеспечит взрывопожаробезопасную эксплуатацию батареи топливных элементов на транспортном средстве.
Отличительные признаки формулы полезной модели направлены на достижение заявленного технического результата.
Так усовершенствование конструкции по отличительному признаку «на корпусе дополнительно установлены гермоввод кабеля контроля работы батарей топливных элементов, гермовводы трубок подвода воздуха (кислорода) и водорода, трубок отвода воды из топливных элементов, трубок подвода-отвода воды системы термостатирования для охлаждения работающих топливных элементов» повышает надежность эксплуатации батарей топливных элементов транспортного средства, а именно обеспечивает взрывопожаробезопасность при их эксплуатации. Так как закрытый сверху крышкой через герметизирующую прокладку контейнер не позволит распространяться водороду между узлов и агрегатов транспортного средства и образовывать горючую или взрывоопасную газовую смесь.
Признак «контейнер также снабжен расположенным на крышке газовым штуцером с трубкой отвода возможных протечек водорода» также повышает надежность устройства и его взрывопожаробезопасность, так как позволяет утечкам водорода безопасно подыматься выше транспортного средства и далее рассеиваться в атмосфере.
Признак «гермовводы для трубок отвода воды из топливных элементов, трубок подвода-отвода воды системы термостатирования для охлаждения работающих топливных элементов выполнены в виде гидравлических разъемов, установленных на корпусе контейнера» повышает надежность устройства в плане его эксплуатации и технического обслуживания, так как при этом не требуется снятие крышки и нет регулярных нарушений герметичности контейнера, что, в свою очередь, также повышает взрывопожаробезопасность устройства в целом.
Совокупность ограничительных и отличительных вышеуказанных признаков приводит к повышению надежности эксплуатации и к снижению пожаробезопасности взрывоопасности заявляемого устройства, снижению эксплуатационных затрат и удобства ухода за устройством.
Из выше приведенного следует, что заявленное «Контейнер батарей топливных элементов для транспортного средства» обладает всеми критериями полезной модели, так как
техническое решение в совокупности с ограничительными и отличительными признаками формулы полезной модели является новым для устройств «контейнер батарей топливных элементов для транспортного средства», и, следовательно, соответствует критерию «новизна»;
реализация заявленного устройства не представляет никаких конструктивно-технических и технологических трудностей, откуда следует соответствие критерию «промышленная применимость».
Список литературы:
1. Патент на полезную модель РФ: RU 152860 U1 от 20.06.2015, МПК Н01 М8/10, «Батарея многосекционная моноблочная топливных элементов повышенной энергоэффективности».
2. Авторское свидетельство СССР: SU 1749958 А1 от 23.07.1992, МПК Н01М 2/02, «Аккумуляторный модульный блок».
3. Патент на изобретение РФ: RU 2675594 С1 от 20.12.2018, МПК Н01М 2/02, Н01М 2/12, Н01М 10/052, Н01М 10/60, H02J 7/00, «Герметичный контейнер литий-ионной аккумуляторной батареи для космического аппарата».
4. Патент на изобретение РФ: RU 2030027 С1 от 27.02.1995, МПК Н01М 2/02, B60R 16/04, «Контейнер аккумуляторной батареи».
5. Патент на изобретение РФ: RU 2373614 С2 от 20.11.2009, МПК Н01М 6/16 «Батарея литиевых химических источников тока» - прототип.
6. Патент на изобретение РФ: RU 2494933 С1 от 27.02.1995, МПК B64G 1/50, F28D 15/02, «Система термостатирования оборудования космического объекта».