СИСТЕМА ХРАНЕНИЯ И ПОДАЧИ ТОПЛИВА ДЛЯ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
FUEL STORAGE AND SUPPLY SYSTEM FOR VEHICLE FUEL CELLS

Изобретение относится к системам хранения и подачи топлива к топливным элементам в составе электрохимических генераторов, предназначенных для выработки электроэнергии и питания тяговых аккумуляторов и тяговых электродвигателей электромобилей и других высокоавтоматизированных транспортных средств.
Из уровня техники известны патенты: «автомобиль с топливными элементами и система расположения трубок для подачи газа» (патент CN1914057A, опубликован 14.02.2007, МПК B60K1/04, B60K8/0, B60L11/18, F17C13/04, H01M8/04) и «система топливных элементов для транспортного средства» (патент CN102481831B, опубликован 17.06.2015, МПК B60K1/04, B60K8/00, B60L11/18, B62D25/20, H01M8/00, H01M8/04, H01M8/24), согласно которым, система хранения и подачи топлива содержит следующие узлы и элементы: два водородных баллона соединенные между собой через переходник, который в свою очередь через клапан соединен с трубкой, закрепленной на раме транспортного средства, при этом трубка, закрепленная на раме транспортного средства соединена с редукционным клапаном, который в свою очередь соединен с блоком топливных элементов. Данные системы описывают состав системы электрохимического снабжения, позволяющей приводить в движение транспортное средство, однако описанная конструкция предполагает наличие химического генератора водорода, то есть заправка баллонов осуществляется при помощи генератора в составе данных систем, а значит быстрая заправка баллонов водородом под высоким давлением конструкцией не предусмотрена.
Так же известна батарея топливных элементов и подвижное устройство (патент RU2359367, опубликован 20.06.2009, МПК H01M8/04, H01M 8/00), содержащая бак с водородом в качестве источника подачи топлива, в котором хранится газообразный водород под высоким (таким как 70 МПа) давлением, канал для подачи водорода в качестве подающего топливного канала, по которому газообразный водород из бака с водородом поступает в топливный элемент, и канал для циркуляционного потока, по которому поступает отходящий газообразный водород, выпускаемый из топливного элемента в канал для подачи водорода. Вместо бака с водородом в качестве источника подачи топлива может использоваться реформинг-установка для выработки риформинг-газа с высоким содержанием водорода из топлива углеводородной системы и резервуар для газа высокого давления, в который под высоким давлением поступает риформинг-газ, вырабатываемый реформинг-установкой. Данный аналог описывает систему подачи водорода к топливным элементам, однако не содержит полноценного технического решения, обеспечивающего безопасное применение системы быстрой заправки, хранения и подачи газообразного топлива к топливным элементам в составе электрохимических генераторов электромобилей и других высокоавтоматизированных транспортных средств.
Задачей, поставленной при разработке данного изобретения, являлось создание системы хранения и подачи топлива (водорода) для топливных элементов обеспечивающей возможность быстрой заправки и безопасного применения в составе подвижных элементов конструкции электромобилей и других высокоавтоматизированных транспортных средств.
Технический результат, достигаемый при реализации данного изобретения, заключается в повышении безопасности применения систем хранения и подачи водорода под высоким давлением в составе подвижных элементов конструкции транспортных средств при высокой пропускной способности системы.
Указанный технический результат достигается системой хранения и подачи топлива для топливных элементов, содержащей по меньшей мере два композитных водородных баллона соединенные между собой трубками из нержавеющей стали, которые в свою очередь через переходник соединены с редуктором высокого давления и блоком заправки, содержащим заправочный штуцер и манометр, редуктор высокого давления в свою очередь при помощи нейлоновой трубки соединен с редуктором низкого давления, при этом трубка из нержавеющей стали в участке между переходником и заправочным штуцером имеет компенсационный изгиб U-образной формы, а в участке между компенсационным изгибом и переходником трубка содержит зажимы для крепления к раме транспортного средства, причем редуктор низкого давления имеет выход для соединения со входом топливных элементов электрохимического генератора.
Указанные технические признаки позволяют безопасно восполнять и хранить газообразное топливо под высоким давлением в составе транспортных средств, имеющих подвижную конструкцию, что повышает возможности увеличения дальности и времени использования транспортного средства без дополнительных заправок, а также подавать под требуемым давлением газообразное топливо в системы электрохимической генерации электроэнергии.
Композитные водородные баллоны позволяют безопасно хранить большой запас топлива под высоким давлением, до 350 бар.
Композитные баллоны соединены при помощи трубок из нержавеющей стали с блоком заправки и редуктором высокого давления, образуя при этом линию высокого давления. Применение трубок из нержавеющей стали обусловлено повышением безопасности, путем снижения возможности механического повреждения целостности линии подачи топлива под высоким давлением. Однако трубки из нержавеющей стали в большой степени подвержены нарушению целостности при деформации, возникающей в транспортном средстве, содержащем в своей конструкции подвижные части.
Для защиты от описанного выше нарушения целостности трубок из нержавеющей стали данное техническое решение содержит в своем составе компенсационный изгиб U-образной формы, позволяющий обеспечить подвижность между соединяемым при помощи трубок из нержавеющей стали частями.
Линия высокого давления является необходимой для повышения безопасности и обеспечения быстрой заправки газообразным топливом под высоким давлением и ограничена композитными баллонами с одной стороны, заправочным штуцером с манометром и редуктором высокого давления с другой.
Редуктор высокого давления позволяет понизить давление до 15 бар, что требуется для повышения безопасности без снижения эффективности подачи газообразного топлива в промежутке от редуктора высокого давления, до редуктора низкого давления образуя при этом линию низкого давления, что в свою очередь позволяет применить в качестве проводника газообразного топлива на данном отрезке нейлоновые трубки, обладающие высокой степенью безопасности за счет гибкости и стойкости к механическим повреждениям.
Применение редуктора низкого давления обусловлено повышением точности контроля подачи газообразного топлива в топливные элементы электрохимического генератора, что также повышает безопасность применения данного технического решения в составе транспортных средств.
Техническая сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 изображен общий вид системы хранения и подачи топлива для топливных элементов, фиг.2 изображена линия высокого давления системы хранения и подачи топлива для топливных элементов.
Система хранения и подачи топлива для топливных элементов содержит:
1. Композитные баллоны;
2. Блок топливных элементов;
3. Трубка из нержавеющей стали;
4. Нейлоновая трубка;
5. Компенсационный изгиб;
6. Блок заправки;
7. Зажимы для крепления к раме платформы;
8. Редуктор высокого давления;
9. Заправочный штуцер;
10. Переходник.
В предпочтительном варианте исполнения изобретение осуществляется следующим образом.
Водород, поданный извне через заправочный штуцер (9) в составе блока заправки (6) по трубке из нержавеющей стали (3) отправляется в композитные баллоны (1). Композитные баллоны (1) имеют соединение между собой через трубку из нержавеющей стали (3), что позволяет осуществить заправку водородом всех композитных баллонов (1) в составе системы хранения и подачи топлива для топливных элементов.
Процесс подачи водорода в блок с топливными элементами (2) по контуру высокого давления осуществляется из объединенных композитных баллонов (1) посредством трубок из нержавеющей стали (3). Поступающий из композитных баллонов (1) водород объединяется в единый поток в узле соединения трубок из баллонов и далее идет по трубке из нержавеющей стали (3). Трубка из нержавеющей стали (3) имеет зажимы для крепления к платформе транспортного средства (7) и компенсационный изгиб (5), за которым следует переходник (10). Переходник (10) используется для заправки и соединяется с заправочным штуцером и также направляет поток водорода по трубке из нержавеющей стали на редуктор высокого давления (8), который в свою очередь позволяет снизить давления с 350 бар до 15 бар.
Из редуктора высокого давления (8) выходит нейлоновая трубка (4), по которой водород попадает на редуктор низкого давления, позволяющий снизить давление с 15 бар до 2 бар, далее водород попадает в блок топливных элементов (2), где происходит его распределение по топливным элементам.
Значительное снижение давления с 350 бар до 15 бар приводит к появлению достаточно высокой ошибки определения уровня давления влияющей на безопасность использования топливных элементов, поэтому редуктор низкого давления необходим для:
1. Получения потока водорода под более низким давлением (благоприятным для функционирования топливных элементов).
2. Уменьшения вероятности ошибки при определении уровня давления водорода, попадающего в топливные элементы.
Помимо этого, существует необходимость использования компенсационного изгиба (5) в контуре низкого давления и более гибкой трубки (4) на участке от редуктора высокого давления (8) до входа в редуктор низкого давления, поскольку из-за применения системы в составе транспортного средства есть вероятность движения конструкции, появления вибраций и температурных деформаций, приводящих к повреждениям целостности системы хранения и подачи топлива к топливным элементам.
Также стоит учитывать возможность аварийных ситуаций, при которых может произойти искажение корпуса транспортного средства, а это может привести к нарушению положения трубок из нержавеющей стали. Таким образом, компенсационный изгиб (5) и нейлоновая трубка (4) предназначены для обеспечения подвижности частей системы друг относительно друга.
Таким образом реализация описанной системы хранения и подачи топлива для топливных элементов позволит повысить безопасность использования систем электрохимической генерации электроэнергии в составе подвижных элементов конструкции транспортных средств.