СЪЕМНЫЙ ТОПЛИВНО-ЭЛЕМЕНТНЫЙ СИЛОВОЙ БЛОК ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ НА ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВАХ
DETACHABLE FUEL-CELL POWER UNIT TO BE INCORPORATED WITH VEHICLES

Настоящее изобретение относится к топливным элементам и, более конкретно, к топливным элементам на транспортных средствах.
Существует растущий интерес к топливным элементам в качестве альтернативных источников энергии для различных применений на автомобильном транспорте. Топливные элементы выдают электроэнергию за счет превращения водорода и кислорода в воду и, следовательно, обеспечивают значительные преимущества, позволяя существенно снизить загрязнение в месте применения. Кроме того, топливные элементы могут работать непосредственно от хранящихся запасов водорода (например, в емкостях в сжатом виде), либо от опосредованного источника водорода (например, от водородсодержащего топлива, из которого водород выделяется с помощью входящего в комплект топливного процессора).
Однако при применении технологии топливных элементов в области самоходного транспорта возникает много связанных проблем, которые необходимо преодолеть. Эти проблемы включают: (i) обеспечение достаточной для транспортного средства выходной мощности для данного размера и массы топливного элемента при поддержании адекватных пределов нагрузки на топливный элемент в соответствии с разными режимами работы, (ii) уменьшение времени перезагрузки или перезаправки транспортного средства до приемлемого уровня, соизмеримого с существующими транспортными средствами с двигателями внутреннего сгорания, (iii) соединение топливных элементов с приводными и контрольными системами транспортного средства и (iv) обеспечение топливно-элементного силового блока корпусом, предназначенным для данного транспортного средства.
В связи с этим задачей настоящего изобретения является предложение универсального решения по созданию силового блока на базе топливного элемента, в котором некоторые или все указанные выше проблемы частично или полностью устранены.
Поставленная задача решена посредством топливно-элементного силового блока для транспортного средства, который включает единый корпус, содержащий топливный резервуар для хранения топлива; по меньшей мере один модуль электрохимического топливного элемента для получения электроэнергии от топливного элемента; заправочное отверстие на наружной поверхности корпуса; и магистраль воздушного потока, расположенную между первым впускным отверстием на наружной поверхности корпуса и первым выпускным отверстием на наружной поверхности корпуса через катодные элементы в по меньшей мере одном модуле электрохимического топливного элемента; и электрический контрольный контур для связи с регулятором мощности на транспортном средстве, к которому присоединен силовой блок, и при этом контрольный контур определяет допустимые рабочие условия транспортного средства, при этом силовой блок соединен с ним через регулятор мощности.
Задача решена также посредством топливно-элементного силового блока для транспортного средства, который включает единый корпус, содержащий топливный резервуар для хранения топлива; по меньшей мере один модуль электрохимического топливного элемента для получения электроэнергии от топливного элемента; заправочное отверстие на наружной поверхности корпуса; и магистраль воздушного потока, расположенную между первым впускным отверстием на наружной поверхности корпуса и первым выпускным отверстием на наружной поверхности корпуса через катодные элементы в по меньшей мере одном модуле электрохимического топливного элемента; и по меньшей мере один вспомогательный электрический вывод для функционирования в качестве независимого источника энергии.
Предпочтительным является то, что топливно-элементный силовой блок содержит второе впускное отверстие на наружной поверхности корпуса, соединенное с магистралью потока воздуха.
По меньшей мере в одном из впускных отверстий и/или выпускных отверстий выполнена утопленная ручка для подъема силового блока.
Целесообразным является то, что в первом впускном отверстии на набегающей кромке силового блока и во втором впускном отверстии на сбегающей кромке силового блока выполнены утопленные ручки.
Заправочное отверстие расположено на верхней поверхности силового блока.
Определяемые рабочие условия включают один или несколько из следующих компонентов: максимальную скорость, максимальное ускорение и максимальную электрическую нагрузку в соответствии с преобладающими условиями.
Предпочтительным является то, что топливно-элементный силовой блок содержит запорный выступ на нижней поверхности корпуса, а также ряд утопленных контактов на нижней поверхности корпуса.
Поставленная задача решена посредством транспортного средства на электрической тяге, содержащего топливно-элементный силовой блок в соответствии с вышеперечисленными особенностями и углубление, предназначенное для размещения в нем съемного топливно-элементного силового блока.
В углублении установлен фиксируемый выталкивающий механизм для подъема силового блока из углубления.
Фиксируемый выталкивающий механизм содержит опорную платформу для силового блока с зацепляющим механизмом для зацепления с запорным выступом на нижней поверхности корпуса силового блока.
Предпочтительным является то, что углубление содержит по меньшей мере один воздуховод, обеспечивающий проход потока воздуха от передней части транспортного средства к углублению, и при этом воздуховод расположен на одном уровне с впускным отверстием на наружной поверхности корпуса силового блока.
Транспортное средство предпочтительно содержит регулятор мощности, связанный с электрическим контрольным контуром в топливно-элементном силовом блоке, причем регулятор мощности предназначен для определения рабочих условий транспортного средства на основе допустимых пределов, определяемых электрическим контрольным контуром топливно-элементного силового блока.
Транспортное средство предпочтительно выполнено в виде мотоцикла.
Далее варианты выполнения настоящего изобретения описываются с помощью примера со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых представлено:
фиг.1 - схематичный перспективный вид топливно-элементного силового блока для применения на транспортном средстве, таком как мотоцикл, и для применения вне транспортного средства;
фиг.2 - схематичный перспективный вид топливно-элементного силового блока по фиг.1, с частичными боковыми разрезами для показа внутренних деталей;
фиг.3 - частичный боковой разрез топливно-элементного силового блока по фиг.1 для показа внутренних деталей;
фиг.4 - частичный боковой разрез противоположной по отношению к фиг.1 стороны для показа внутренних деталей;
фиг.5 - схематичный перспективный вид нижней стороны топливно-элементного силового блока по фиг.1;
фиг.6 - схематичный боковой вид топливно-элементного силового блока по фиг.1, полностью установленный на мотоцикле;
фиг.7 - схематичный боковой вид топливно-элементного силового блока по фиг.1 в частично выдвинутой позиции на мотоцикле;
фиг.8 - схематичный боковой вид топливно-элементного силового блока по фиг.1 в полностью выдвинутой позиции на мотоцикле, готового к удалению;
фиг.9 - схематичный боковой вид топливно-элементного силового блока по фиг.1 в полностью выдвинутой и частично удаленной позиции на мотоцикле;
фиг.10 - схематичный боковой вид топливно-элементного силового блока по фиг.1, полностью удаленного с мотоцикла.
На фиг.1 показан предпочтительный компактный стиль топливно-элементного силового блока 10 для применения на транспортном средстве. Силовой блок 10 специально сконструирован с возможностью удаления его с транспортного средства, благодаря чему он может быть использован как альтернативный источник энергии и для других применений. Примеры других применений могут включать обеспечение бытовой энергией для постоянных или временных нужд, энергией для экстренных ситуаций, переносной офисной энергией, наружного освещения или для питания портативных устройств, таких как портативные компьютеры и т.п. Возможность удаления силового блока 10 обеспечивает также легкий уход за силовым блоком, позволяя заменять один силовой блок на другой или использовать один и тот же силовой блок на более чем одном транспортном средстве. Замена разряженного силового блока 10 на полностью заряженный силовой блок или перезаполнение разряженного блока устраняет длительный период зарядки, свойственный работающим на батареях электрическим транспортным средствам.
Силовой блок 10 специально предназначен также для интегрирования с транспортным средством, на котором он должен быть установлен, в целях оптимальной легкости использования, разнообразия функций и производительности. Единый корпус 11 содержит боковые панели 11а, 11b, сбегающую кромочную панель 11с, верхнюю поверхность 11d, набегающую кромочную панель 11е (см. фиг.4) и нижнюю поверхность 11f (см. фиг.4). Сбегающая кромочная панель 11с содержит утопленную ручку 14, выполняющую также роль второго впускного отверстия для воздуха. Верхняя поверхность 11d также имеет утопленную ручку 13, которая также может служить в качестве дополнительного впускного отверстия для воздуха. Одна или предпочтительно обе боковые панели 11а, 11b имеют выпускное отверстие 15 для воздуха. Точное расположение впускных и выпускных отверстий для воздуха может варьировать в зависимости от различий в конструкции, причем некоторые или все впускные/выпускные отверстия могут служить в качестве утопленных ручек. Верхняя поверхность 11d имеет также заправочное отверстие 16 для топлива в целях легкости доступа, когда силовой блок установлен на транспортном средстве или когда он удален с транспортного средства.
На фиг.2 и 3 показано, что внутренние компоненты топливно-элементного силового блока 10 включают пару модулей 20, 21 электрохимического топливного элемента и топливный резервуар 22. В предпочтительной компоновке топливный резервуар 22 представляет собой цилиндр для хранения сжатого газообразного водорода. В других вариантах выполнения могут быть использованы опосредованные типы источников водородного топлива, такие как метанол, этанол и борогидрид натрия, содержащиеся в предназначенных для них резервуарах. В тех случаях, когда используются опосредованные источники водорода, модули 20, 21 электрохимического топливного элемента могут быть топливными элементами, специально адаптированными для применения с такими топливами (включающими метанольные топливные элементы прямого действия, твердооксидные топливные элементы, борогидридные топливные элементы прямого действия и т.д.) или традиционными водородными топливными элементами на протонообменных мембранах в сочетании с соответствующим топливным процессором (не показан) для генерирования и подачи водорода. Топливный резервуар 22 соединен с заправочным отверстием 16 посредством трубопровода 30 и клапанной системы 31. Топливо подается на каждый из модулей 20, 21 электрохимического топливного элемента через газовый регулятор высокого давления 32, топливораздаточные трубки 33 и газовый регулятор низкого давления 34.
Охлаждающий и окисляющий воздух подается в модули 20, 21 электрохимического топливного элемента из впускного отверстия для воздуха в утопленных ручках 12, 14. Модули 20, 21 электрохимического топливного элемента предпочтительно принадлежат к типу открытых катодов, в которых воздух при комнатном давлении протекает над катодными пластинами топливных элементов, выполняя функцию (i) подачи окислителя, (ii) выносящего выхлоп потока и (iii) охладителя. Для этой цели в силовом блоке выполнена магистраль потока воздуха, проходящая между впускным отверстием 12 и/или выпускным отверстием 14, огибая модули 20, 21 электрохимического топливного элемента, и пластинами топливных элементов через фильтры 35, 36. В зависимости от требований к производительности модулей 20, 21 электрохимического топливного элемента может быть использована принудительная вентиляция с использованием вентиляторов 40, 41 в целях усиления потока воздуха между пластинами топливных элементов, как это специально показано на фиг.4. Воздух выпускается из силового блока 10 через выпускное отверстие (или отверстия) 15. Выпускное отверстие может быть на одной или на обеих сторонах 11а, 11b (см. также фиг.5).
В предпочтительных вариантах выполнения, которые будут описаны ниже, топливно-элементный силовой блок 10 помещают на транспортном средстве таким образом, чтобы движение вперед транспортного средства способствовало обеспечению принудительного воздушного охлаждения и подаче окислителя на топливные элементы через магистраль потока воздуха.
Основание корпуса 11 силового блока содержит электрический контрольный контур 23 для контроля работы топливных элементов и связи с регулятором мощности на транспортном средстве, на который устанавливается силовой блок 10.
Как следует из фиг.5, основание 11f корпуса 11 силового блока имеет углубление 50, в котором расположены электрические контакты 51 для электрической связи силового блока 10 с транспортным средством, на котором он должен быть установлен. Электрические контакты 51 предпочтительно содержат два или более отдельных силовых контакта для подачи большого тока для создания движущей силы и отдельные контакты для подачи командных сигналов. Однако несложно понять, что командные сигналы могут, как альтернатива или в дополнение, передаваться между силовым блоком 10 и транспортным средством посредством модулирующих сигналов на силовые контакты или с использованием независимой беспроволочной связи.
Основание 11f корпуса 11 силового блока имеет также запорный выступ 52, предназначенный для сцепления с соответствующим удерживающим и выталкивающим механизмом на транспортном средстве, на которое силовой блок должен быть установлен, что более детально описано ниже.
Фиг.6 показывает схематичный боковой вид топливно-элементного силового блока 10, полностью установленного на мотоцикле 60, согласно одному из предпочтительных вариантов выполнения. Силовой блок 10 помещен в углубление 63, расположенное между положением рычага управления 61 и положением сидения 62. Для полностью установленной позиции на фиг.6 следует отметить, что входное отверстие 14 для воздуха расположено на набегающей кромке силового блока и принимает воздух, направляемый на него обтекателем 64 мотоцикла, чему способствует движение вперед транспортного средства 60. Второй вход 12 расположен на сбегающей кромке силового блока 10, куда также может попадать воздух, направляемый на него специальной системой каналов сбоку или с боков обтекателя 64.
Заправочное отверстие 16 непосредственно доступно благодаря тому, что оно расположено на верху силового блока, установленного в углублении 63. Таким образом, топливный элемент может быть заправлен водородом или другим топливом либо на транспортном средстве 60, либо после его удаления с транспортного средства.
Силовой блок 10 установлен на опорной платформе 65, которая образует основание углубления 63. Опорная платформа шарнирно закреплена на поворотной оси 66 и перемещается вокруг поворотной оси 66 посредством приводимой в действие двигателем распорки 67, которая образует выталкивающий механизм. Силовой блок 10 связан с опорной платформой запорным выступом 52, который сочленен с замком 68 на опорной платформе 65.
Фиг.7 показывает соответствующий схематический боковой вид топливно-элементного силового блока 10, частично выдвинутого из мотоцикла 60. В этой частично выдвинутой позиции приводимая в действие двигателем распорка 67 подняла опорную платформу 65 настолько, что она повернута, в основном, на 15-20 градусов по часовой стрелке вокруг поворотной оси 66 и вследствие этого топливно-элементный силовой блок частично выдвинут из углубления 63. Силовой блок 10 на этой стадии все еще связан с опорной платформой 65.
Фиг.8 показывает соответствующий схематический боковой вид топливно-элементного силового блока 10, полностью выдвинутого из мотоцикла 60. В этой полностью выдвинутой позиции приводимая в действие двигателем распорка 67 выдвинута полностью, подняв опорную платформу 65 до верхней позиции, в которой она существенно выровнена с опорной направляющей 80, близкой к положению сидения 62 мотоцикла 60. В этой полностью выдвинутой позиции замок 68 может быть полностью разомкнут с запорным выступом 52 на силовом блоке 10 (см. фиг.9, которая показывает разомкнутый замок), в результате чего силовой блок может быть оттянут назад по опорной платформе 65 и опорной направляющей 80. Размыкание замка может быть произведено вручную, как только он станет доступным (см. фиг.8) или же, что более предпочтительно, размыкание может происходить автоматически, когда опорная платформа достигает полностью выдвинутой позиции.
Силовой блок 10 можно легко оттянуть назад от выдвинутой позиции фиг.8 до частично удаленной позиции фиг.9 с помощью ручки 12 на сбегающей кромке. В этой точке становится доступной также ручка 14 на набегающей кромке, благодаря чему силовой блок 10 можно полностью снять с мотоцикла.
Следует отметить, что скользящее действие силового блока 10 от полностью выдвинутой позиции фиг.8 и частично удаленной позиции фиг.9 приводит также к размыканию электрических контактов 51 на силовом блоке 10 с соответствующими электрическими контактами 90 на мотоцикле, которые интегрированы в опорную платформу 65.
На фиг.10 показан мотоцикл 50 с полностью удаленным топливно-элементным силовым блоком 10.
Следует учесть, что аналогичные удерживающие и выталкивающие механизмы могут быть использованы и на других типах транспортных средств, таких как любой двух- или более колесный транспорт. Для более крупных транспортных средств с целью повышения выходной мощности и/или разряда транспортного средства могут создаваться отдельные углубления 63 для нескольких силовых блоков. Описанная предпочтительная конструкция специально предназначена для быстрого и легкого присоединения к транспортному средству и удалению с него.
Важным аспектом предпочтительных силовых блоков 10, как это описано в изобретении, является их способность быть совместимыми со многими различными типами транспортных средств и способность функционировать в качестве независимых источников энергии в не относящихся к транспорту областях. Например, блоки 10 могут сниматься с транспортного средства для обеспечения энергией во время привала или, если необходимо, в качестве домашнего электричества. Силовые блоки 10 могут изготавливаться с отдельными электрическими выводами, имеющими разное напряжение и/или тип подключения (не показано), или же может быть предусмотрена выносная розетка (возможно со встроенным в нее преобразователем напряжения), механически совместимая с электрическими контактами 51.
Для обеспечения того, чтобы силовые блоки 10 могли применяться во многих типах транспортных средств и во многих различных средах, топливно-элементные силовые блоки содержат электрический контрольный контур 23 на базе микропроцессора, связанный с регулятором мощности в самом транспортном средстве. Электрический контрольный контур 23 выполняет множество функций, связанных с надлежащим содержанием топливных элементов, таких как обеспечение правильного соотношения топливо/окислитель, увлажнение при необходимости анодной и катодной пластин, должное ограничение потребления тока в зависимости от температуры и других рабочих условий топливного элемента. Однако электрический контрольный контур взаимодействует с регулятором мощности самого транспортного средства также и для определения рабочих условий самого транспортного средства для обеспечения оптимальных рабочих условий топливных элементов.
Например, при работе в условиях пуска для того, чтобы обеспечить необходимую гидратацию электродов топливных элементов, перед выходом на полную мощность требуется определенный период прогрева. При этом регулятор мощности транспортного средства получает от электрического контрольного контура 23 информацию о максимальной мощности или ускорении, которые могут быть допустимы в преобладающих рабочих условиях топливного элемента. В одном из предпочтительных вариантов выполнения транспортное средство снабжено вспомогательным источником электроэнергии таким как традиционная свинцово-кислотная батарея, которая может быть предназначена для обеспечения пиковой нагрузки в течение периодов, когда топливный элемент временно не способен обеспечить такую нагрузку, например при ускорении. Электрический контрольный контур 23 информирует регулятор мощности транспортного средства о мощности, которая может быть получена от топливно-элементного силового блока 10 в преобладающих рабочих условиях топливных элементов, благодаря чему регулятор мощности транспортного средства может определить долю мощности, которая должна быть получена от вспомогательного источника (или ограничить потребность транспортного средства, если вспомогательный источник отсутствует или его емкости не хватает).
Аналогичным образом, для переходных нагрузок высокой мощности, таких как кратковременное ускорение, регулятор мощности транспортного средства способен определять какую дополнительную мощность необходимо получить от вспомогательного источника с той целью, чтобы он оставался в допустимых границах для топливно-элементного силового блока.
Таким образом, электрический контрольный контур 23 в силовом блоке 10 обеспечивает транспортному средству указание на максимальную мощность, которая немедленно или почти немедленно может быть выдана топливным элементом в данное время, т.е. преобладающие допустимые пределы работы. Преобладающие допустимые пределы непрерывно меняются в зависимости от ряда факторов, таких как (i) температура элементов, (ii) имеющихся потоков окислителя и/или воздуха, (iii) предшествующей нагрузки и (iv) любых других требований по обслуживанию топливных элементов. Например, в некоторых топливных элементах с целью поддержания элементов в пиковом состоянии, обусловленном изменениями напряжений, желательно проводить регулярные продувки топлива и газа-окислителя. Регулярные продувки могут производиться путем включения и выключения отдельных модулей в топливно-элементной системе так, чтобы полезная мощность на время снижалась бы лишь на относительно небольшую величину.
Регулятор мощности транспортного средства может быть приспособлен также для подзарядки какого-либо вспомогательного источника энергии транспортного средства (например, свинцово-кислотной батареи или электрохимической батареи какого-либо другого типа), когда он устанавливает, что потребление мощности ниже допустимого в данный момент предела работы топливно-элементного силового блока.
Место установки топливного элемента на транспортном средстве может варьировать в зависимости от многих альтернативных параметров конструкции. Однако следует отметить, что установка по центру с боковыми подводами воздушных потоков на мотоцикле 60, изображенном на фиг.6-10, может быть с успехом использована с целью поддержания потока согревающего воздуха рядом с мотоциклистом. В других типах транспортных средств выходящий поток воздуха из топливного элемента может использоваться в целях обогрева помещений.
Другие варианты осуществления предусмотрены объемом прилагаемой формулы изобретения.