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:
анод:
2Н<sub>2</sub>+4ОН- => 4 H<sub>2</sub>O+4е-;
катод:
O<sub>2</sub>+2H<sub>2</sub>O+4е- => 4ОН-;
общая реакция в ТЭ:
2Н<sub>2</sub>+O2 => 2H<sub>2</sub>O.
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], состоящее 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, вклеивается 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 «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, Н01М 10/052, Н01М1 0/60, H02J 7/00 - [2], 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, B60R16/04 - [3], состоящий из корпуса с крышкой, узел 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. Основание корпуса может быть оснащено датчиком утечки, а именно индикатором утечки электролита, образованным ячейками поддона, расположенными каждая под блоком с зазором относительно отверстий модулей.
Известна «Батарея литиевых химических источников тока» по патенту на изобретение РФ: RU 2373614 С2 от 20.11.2009, МПК Н01М 6/16 - [4]. Аналог [4], 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 аналога[4]).
Недостатками аналогов [2, 3 и 4] 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 для аккумуляторных батарей 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. Известное по аналогу [3] оснащение контейнера датчиком утечки в виде индикатора утечки электролита не может быть применено для заявленного технического решения.
Прототипом заявленного технического решения является «Контейнер батарей топливных элементов транспортного средства» по патенту на полезную модель РФ: RU 194239 U1 от 04.12.2019, МПК Н01М 8/02, Н01М 2/02, Н01М 2/06 - [5]. Прототип содержит корпус и крышку с газовым штуцером, установленной при помощи герметизирующей прокладки, а также расположенных на корпусе гермовводов силовых кабелей батарей, гермоввода кабеля контроля работы батарей топливных элементов, гермовводов трубок подвода воздуха и водорода, трубки отвода воды из топливных элементов, трубок подвода-отвода воды системы термостатирования для охлаждения работающих топливных элементов. На газовый штуцер надета трубка отвода возможных протечек водорода, второй конец которой закреплен выше кабины или грузового контейнера транспортного средства.
Недостатком прототипа [5] является то, что при функционировании устройства водитель транспортного средства и обслуживающий персонал не имеют информации о наличии возможных утечек водорода из топливных батарей. Данное обстоятельство, при длительном не устранении утечек водорода также может привести к аварийным ситуациям, особенно при нахождении транспортного средства в закрытых помещениях, таких, например, как закрытые стоянки, подземные стоянки, закрытые помещения погрузки и разгрузки, тоннели и другие. Данные возможные утечки водорода будут смешиваться в окружающем воздухом и образовывать взрывоопасную водородно-воздушную смесь. Особенно опасны такие протечки для невентилируемых помещения и стоянок на которых может находиться такое транспортное средство. То есть, прототип [5] обладает низкой надежностью эксплуатации.
Недостатки аналогов и прототипа ставят задачу повышения надежности эксплуатации батареи топливных элементов транспортного средства, а именно путем обеспечения своевременного информирования водителя об утечках водорода, что позволит провести неотложные ремонтные работы. Это в конечном итоге приведет к повышению надежности эксплуатации топливных элементов транспортного средства, путем исключения взрывопожароопасности при эксплуатации такого транспортного средства в закрытых помещениях.
Сущность заявленного контейнера батарей топливных элементов транспортного средства состоит в том, что он состоит из корпуса и крышки с газовым штуцером, установленной при помощи герметизирующей прокладки, а также расположенных на корпусе гермовводов силовых кабелей батарей, гермоввода кабеля контроля работы батарей топливных элементов, гермовводов трубок подвода воздуха и водорода, трубки отвода воды из топливных элементов, трубок подвода-отвода воды системы термостатирования для охлаждения работающих топливных элементов. На газовый штуцер надета трубка отвода возможных протечек водорода, второй конец которого закреплен выше кабины или грузового контейнера транспортного средства. При этом устройство оборудовано датчиком возможных утечек водорода, измерительный модуль (чувствительный элемент), которого через герметизирующую прокладку установлен в контейнере батарей топливных элементов для транспортного средства. Датчик возможных утечек водорода установлен на кронштейне крышки контейнера, а измерительный (его) модуль (чувствительный элемент) датчика возможных утечек водорода расположен в отверстии крышки контейнера через герметизирующую прокладку. Гермовводы для трубок отвода воды из топливных элементов, трубок подвода-отвода воды системы термостатирования для охлаждения работающих топливных элементов могут быть выполнены в виде гидравлических разъемов, установленных на корпусе контейнера.
Техническим результатом заявленной полезной модели является повышение надежности эксплуатации батарей топливных элементов транспортного средства, расположенных в контейнере, 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. При протечке водорода из батареи топливных элементов одновременно с отводом водорода в атмосферу происходит сигнализация водителю транспортного средства об разгерметизации, для принятия экстренных мер по ремонту батареи топливных элементов.
Графические материалы представлены на фигурах 1, 2, 3 и 4.
На фигуре 1 представлен схематичный разрез заявленного контейнера батарей топливных элементов транспортного средства и датчиком возможных утечек водорода (газоанализатором).
На фигуре 2 - Фотография датчика возможных протечек водорода (газоанализатора) серии ИГС-98 - исполнение 009, производства АО «НПП «Дельта» (https://deltapro.ru/products/datchik-ispolnenie-009-verba-d-e-kh) - [6].
На фигуре 3 - Габаритный чертеж датчика возможных протечек водорода [6], где Фиг. 3 а) - вид снизу и Фиг. 3б) - лицевой вид.
На фигуре 4 - Фотография оповещателя (пульта) датчика возможных протечек водорода [6], который может быть установлен в кабине транспортного средства.
На фигурах 1, 2 и 3, раскрывающими конструктивное исполнение контейнера батарей топливных элементов для транспортного средства позициями обозначено:
1 - корпус контейнера;
2 - крышка;
3 - герметизирующая прокладка крышки (2);
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(ы) для закрепления (установки) топливных элементов в корпусе (1) контейнера;
16 - пластина для усиления боковой поверхности корпуса (1) контейнера установленная в месте расположения гермовводов;
17 - батарея топливных элементов транспортного средства;
18 - кронштейн для крепления датчика возможных утечек водорода, который может быть установлен на крышке (2) корпуса контейнера (1), например, при помощи сварки;
19 - датчик (газоанализатор) возможных протечек водорода, расположенный снаружи корпуса (1) контейнера;
20 - измерительный модуль датчика (чувствительный элемент датчика) (19) возможных протечек водорода, расположенный внутри корпуса контейнера;
21 - уплотнительная прокладка измерительного модуля (20) датчика (19) возможных протечек водорода;
22 - резьбовой крепежный элемент установки (и регулировки положения) датчика (19) возможных протечек водорода на кронштейн (18);
23 - фланец (установочный) корпуса датчика (19) для крепления на плоскую поверхность;
24 - сетка (газопроницаемая) измерительного модуля (20) датчика (19) возможных протечек водорода.
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 боковой стенке) 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, трубок подвода-отвода (11) и (12) воды системы термостабилизации 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. Гермовводы могут быть закреплены на усиливающей боковую поверхность контейнера пластине (16). На крышке (2), закрывающей контейнер сверху, установлен кронштейн (18), например в виде «Г»-образно изогнутого листа (металла). Кронштейн (18) может быть изготовлен, например, из материала крышки (2) для его установки при помощи сварки. На кронштейн (18) закреплен (установлен с возможностью регулировки усилия прижатия) при помощи резьбовых крепежных элементов (22) датчик (19) возможных утечек водорода, измерительный модуль (20) которого с газопроницаемой сеткой (24) через уплотнительную прокладку (21) установлен в корпусе (1) контейнера батарей топливных элементов (17) для транспортного средства. Датчик (19) возможных протечек водорода к кронштейну (18) прикреплен при помощи установочный фланца (23) корпуса датчика (19). На измерительном модуле (20) датчика имеется газопроницаемая сетка (24), одновременно служащая для защиты находящегося внутри измерительного модуля (20) сенсора водорода от механических повреждений. Гермовводы трубок (10), (11) и (12) могут быть выполнены в виде гидравлических разъемов.
В качестве датчика (19) возможных протечек водорода может быть применен газосигнализатор [6] серии ИГС-98 (исполнение 009) производства АО «НПП «Дельта» с электрохимическим сенсором и аналоговым выходом 4…20 мА. Газосигнализатор [6] выполнен в корпусе из поликарбоната с прозрачной крышкой, на его корпусе имеются фланцы для крепления на вертикальную плоскую поверхность. Питание осуществляется от внешнего источника с номинальным напряжением питания 24 вольта. Газосигнализатор имеет цифровую индикацию, токовый выход в стандарте 4…20 мА., световую и звуковую сигнализацию и три управляющих выхода твердотельных реле. Подключение цепи питания, токового выхода и управляющих сигналов осуществляется через герметичные кабельные вводы (гермовводы).
Оповещать газосигнализатора [6] - его (пульт) датчика возможных утечек водорода может быть установлен в кабине транспортного средства. Газосигнализатор [6] может быть применен как сигнализатор, так и как измеритель концентраций водорода в диапазоне измерения от 0 до 5% об., шаг 0,01% об. Измерение концентраций водорода будет показывать степень разгерметизации батареи топливных элементов, и, следовательно, степень аварийной опасности дальнейшей эксплуатации такого транспортного средства.
Первоначально в установленный на транспортном средстве корпус (1) контейнера устанавливают батарею топливных элементов (17), подсоединяют к ней 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. На корпус (1) контейнера устанавливают через герметизирующую прокладку (3) крышку (2) при помощи болтов (4). Далее на кронштейн (18) закрепляют при помощи резьбовых крепежных элементов (22) датчик (19) возможных утечек водорода таким образом, что его измерительный модуль (чувствительный элемент) (20) находится внутри корпуса (1) контейнера, а сам датчик (19) через герметизирующую прокладку (21) прижат к внешней поверхности крышки (2) вокруг отверстия крышки (2) под измерительный модуль (20) датчика (19) возможных утечек водорода. После этого при помощи газового штуцера (13) проверяют герметичность корпуса (1) контейнера, а также герметичность установки датчика (19) возможных утечек водорода. Далее на газовый штуцер (13) надевают трубку (14) для отвода возможных утечек водорода, второй конец которой закрепляют в верхней точке транспортного средства (выше кабины или грузового отсека). Также подводят к датчику (19) через его индивидуальные гермоводы электрическое питание и сигнальную линию (кабелем) в кабину транспортного средства к оповещателю (пульту) датчика возможных утечек водорода.
При возможной утечке водорода из батареи топливных элементов водород через расположенный в верхней точке корпуса (1) контейнера на крышке (2) газовый штуцер (13) будет самостоятельно подыматься вверх (так как он легче воздуха), и 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. Наряду с этим водород поднимаясь вверх попадет через сетку (24) в измерительный модуль (20). В измерительном модуле (20) сенсор водорода изменит свое состояние и будет выдан сигнал на срабатывания датчика (19) из которого сигнал также поступит на оповещатель (пульт) расположенный в кабине транспортного средства. После чего водитель будет информирован о разгерметизации батареи топливных элементов (17) и о необходимости проведения ее ремонта.
Таким образом, заявленная полезная модель за счет размещения батареи топливных элементов в герметичном контейнере, обеспечит взрывопожаробезопасную эксплуатацию батареи топливных элементов на транспортном средстве, а наличие датчика возможных протечек водорода позволит водителю транспортного средства своевременно отправить последнее для ремонта батареи топливных элементов.
Отличительны признаки формулы полезной модели направлены на достижения заявленного технического результата.
Так усовершенствование конструкции по отличительному признаку «он (контейнер) оборудован датчиком возможных утечек водорода, измерительный модуль, которого через герметизирующую прокладку установлен в контейнере батарей топливных элементов для транспортного средства» повышает надежность эксплуатации батарей топливных элементов транспортного средства, путем своевременного информирования водителя транспортного средства о необходимости ремонта, что в дальнейшем исключает возгорание и взрыв при эксплуатации батареи топливных элементов.
Признак зависимого пункта формулы «датчик возможных утечек водорода установлен на кронштейне крышки контейнера, а измерительный модуль датчика возможных утечек водорода расположен в отверстии крышки контейнера через герметизирующую прокладку» описывает один из вариантов выполнения заявленного устройства.
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 взрывопожароопасности заявляемого устройства.
Из выше приведенного следует, что заявленное техническое решение «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".
При этом заявленное устройство существенно повышает надежность эксплуатации батарей топливных элементов транспортного средства, а именно путем обеспечения взрывопожаробезопасности при его эксплуатации. Устройство контейнера для батарей топливных элементов, обладает простотой конструкции и позволяет легко проводить техническое обслуживание расположенных в нем батарей топливных элементов. При возможных утечках водорода заявленное устройство, как и прототип [5] обеспечивает отвод утечек водорода выше транспортного средства в атмосферу. И наряду с этим информирует водителя (и обслуживающий персонал) о разгерметизации батареи топливных элементов и необходимости проведения срочных ремонтных работ.
Список литературы:
1. Патент на полезную модель РФ: RU 152860 U1 от 20.06.2015, МПК Н01М 8/10, «Батарея многосекционная моноблочная топливных элементов повышенной энергоэффективности».
2. 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».
3. Патент на изобретение РФ: RU 2030027 С1 от 27.02.1995, МПК Н01М 2/02, B60R 16/04, «Контейнер аккумуляторной батареи».
4. Патент на изобретение РФ: RU 2373614 С2 от 20.11.2009, МПК Н01М 6/16 «Батарея литиевых химических источников тока».
5. Патент на полезную модель РФ: RU 194239 U1 от 04.12.2019, МПК Н01М 8/02, Н01М 2/02, Н01М 2/06, «Контейнер батарей топливных элементов транспортного средства» - прототип.
6. https://deltapro.ru/products/datchik-ispolnenie-009-verba-d-e-kh (Газоанализатор - Датчик возможных протечек водорода серии ИГС-98 - исполнение 009, производства АО «НПП «Дельта»).