Универсальный единый модуль энергоустановки на водородных топливных элементах

Полезная модель относится к области машиностроения, а именно к элементам конструкции систем энергоустановок с водородными топливными элементами для автобусов и источникам питания постоянного тока, в частности стационарного исполнения.
Известна конструкция нижней части кузова водородного транспортного средства на топливных элементах, включающая раму, модуль системы охлаждения, модуль системы топливных элементов, модуль системы подачи водорода, приводной двигатель, аккумуляторную батарею, суперконденсатор и устройство преобразования постоянного тока в постоянный ток, которые расположены на раме автомобиля (CN 214001361, МПК B60K 1/00; B60K 1/04; B60K 15/07; B60L 50/71, опубл. 20.08.2021).
Недостатком данной системы является то, что конструкция энергоустановки не обеспечивает установку в едином модуле, что ограничивает ее применение для других транспортных средств в частности автобусов, а также создает сложности при техническом обслуживании и ремонте агрегатов.
Известна конструкция системы топливных элементов для легкового транспортного средства, включающая аккумуляторный модуль, электрическую систему, воздушную систему, систему охлаждения, водородную систему и ключевые компоненты системы (CN 112440764, МПК B60L 50/71; B60L 50/72; B60L 58/33; H01M 8/04014; H01M 8/04029; H01M 8/04119; H01M 8/04746; H01M 8/04858, опубл. 05.03.2021).
Недостатком данной системы является отсутствие радиатора в системе охлаждения, модульность конструкции условная, так как часть компонентов привязана к транспортному средству. Кроме того, конструкция не обеспечивает установку на горизонтальную поверхность и как следствие ограничивает использование в качестве источника питания постоянного тока стационарного исполнения.
Известно монтажное устройство для систем топливных элементов и автомобиля, имеющего такое, содержащее первую монтажную раму, которая может быть установлена стационарно, и вторую монтажную раму, вмещающую систему топливных элементов, причем вторая монтажная рама соединяется с первой монтажной рамой и может перемещаться относительно этой первой монтажной рамы (WO 2009/062637 A1, B60K 1/04 (2006.01); B60L 11/18 (2006.01); H01M 2/02 (2006.01), опубл. 22.05.2009).
Недостатком данного устройства является то, что конструкция предназначена исключительно для транспортного средства, имеющее кузов, где предусмотрено подготовленное место для монтажа. Конструкция не обеспечивает установку на горизонтальную поверхность и, как следствие, ограничивает использование в качестве источника питания постоянного тока стационарного исполнения.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является устройство системы выработки электроэнергии, которое представляет собой три модуля, объединенных в единую конструкцию с помощью контейнера, в котором предусмотрены кронштейны и направляющие шпильки для крепления к несущей конструкции транспортного средства. В первом модуле размещены элементы подготовки и дозирования газа, компрессор для воздуха, фильтр воздушный, компоненты для измерения водорода. Во втором модуле располагается топливный элемент. Модуль распределения электроэнергии - это третий модуль. Первый и второй модули установлены внутри контейнера. Третий модуль располагается снаружи и соединен с внешней стенкой контейнера. В целом в конструкции присутствуют интерфейсы по подключению газообразного водорода и воздуха, выход для продуктов реакции топливного элемента, вход и выход теплоносителя, электрические выводы с предохранителями для подключения потребителей к высоковольтному напряжению (DE10249437 А1, B60K1/04; 60L11/18; H01M8/24, опубл. 24.06.2004).
Недостатком данного устройства является отсутствие системы терморегулирования топливного элемента, глушителя в системе выпуска продуктов реакции топливного элемента. Все недостающие системы не предусмотрены в данном устройстве, а предполагают установку на транспортном средстве.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является расширение удобства технического обслуживания и ремонта узлов и агрегатов систем с водородными топливными элементами за счет интеграции в модуль системы терморегулирования и системы выпуска в совокупности с использованием адаптивной рамы оборудования. Это позволяет использовать конструкцию как в составе транспортных средств в частности для автобусов, так и для источников питания стационарного исполнения. Также к плюсам можно отнести то, что данная конструкция может использоваться в качестве когенерационной энергетической установки, что дает значительное увеличение коэффициента использования топлива и повышает коэффициент полезного действия всего модуля.
Для решения поставленной задачи был разработан модуль энергоустановки на топливных элементах, состоящий из модуля топливных элементов, системы питания воздухом, системы выпуска, системы терморегулирования топливных элементов, системы охлаждения электрооборудования, блока электроники, высоковольтного оборудования, объединенных в единое устройство посредством трубопроводов и жгутов, и размещенных внутри рамы оборудования, представляющей собой каркас в виде пространственной конструкции, состоящей преимущественно из труб квадратного и прямоугольного сечения.
Анализ известных технических решений, проведенный по научно-технической и патентной документации, показал, что заявителю не известны универсальные единые модули энергоустановки на водородных топливных элементах с указанной совокупностью существенных признаков, и заявленная совокупность существенных признаков не вытекает явным образом из современного уровня техники.
Заявляемое техническое решение поясняется изображениями:
фиг. 1 - универсальный единый модуль энергоустановки на водородных топливных элементах, вид сверху;
фиг. 2 - то же, вид изометрический слева;
фиг. 3 - то же, вид изометрический справа;
фиг. 4 - то же, вид изометрический снизу.
Универсальный единый модуль энергоустановки на водородных топливных элементах можно разделить на три зоны: I - модуль топливных элементов, II - компоненты, обеспечивающие полноценную работу модуля водородных топливных элементов, III - коммуникации между I и II зоной, представляющие собой подключения в виде трубопроводов и жгутов. Все зоны объединены рамой оборудования, представляющей собой каркас в виде пространственной конструкции, состоящей преимущественно из труб квадратного и прямоугольного сечения. В раме оборудования предусмотрены места крепления и установки всех компонентов и узлов внутри рамы.
В зоне I расположен модуль водородных топливных элементов 1, который представляет собой короб в виде прямоугольного параллелепипеда. В состав модуля топливных элементов 1 входят элементы подготовки и дозирования газа, компрессор для воздуха. На внешних сторонах короба размещены интерфейсы для подключения системы питания воздухом, системы терморегулирования топливных элементов, системы охлаждения электрооборудования, системы питания водородом, низковольтного и высоковольтного оборудования, а также сервисные разъемы и датчики. Модуль 1 топливных элементов установлен на кронштейны 2 в раме оборудования 3 при помощи четырех болтов.
В зоне II расположены компоненты основных систем - это компоненты системы питания воздухом, системы выпуска, системы терморегулирования топливных элементов, системы охлаждения электрооборудования, блок электроники, высоковольтное оборудование. Система питания воздухом состоит из фильтра воздушного 4, закрепленного на трубах квадратного профиля рамы оборудования при помощи болтового соединения, воздухозаборника 5, прикрепленного к фильтру воздушному 4 с помощью ленточных хомутов, трубопроводов 6. Система выпуска состоит из глушителя 7, трубопроводов 8 и кронштейнов 9. Глушитель 7, с помощью хомутов 10 фиксируется на кронштейне 9, который в свою очередь при помощи болтов крепиться к раме оборудования 3, имеющей в местах установки резьбовые втулки. Система терморегулирования топливных элементов состоит из двух блоков охлаждения 11, бачка расширительного 12, нагревателя 13, насоса 14, клапанов 15 и трубопроводов 16, соединяющих все компоненты контура терморегулирования. Блоки охлаждения 11 расположены с противоположной стороны от модуля топливных элементов 1 и устанавливаются через демпферы 17 на кронштейны 18, приваренные к основанию рамы оборудования 3. В верхней части блоки охлаждения имеют кронштейны 19, которые соединяются с кронштейном 20 на раме оборудования при помощи тяги 21 и демпферов 22. Нагреватель 13 и насос 14 установлены при помощи болтового соединения на соответствующие кронштейны 23 и 24, которые приварены к основанию рамы оборудования 3. Бачок расширительный 12 установлен с помощью кронштейна 25, который крепиться к продольным балкам 26, 27 в верхней части рамы оборудования 3. Система охлаждения высоковольтного электрооборудования состоит их радиатора 28, установленного на одном из блоков охлаждения 11, насоса 29, установленного на кронштейн 30, приваренный к раме оборудования и бачка расширительного 31 установленного в верхней части рамы оборудования, трубопроводов 32, обеспечивающих передачу теплоносителя между всеми компонентами контура Блок электроники представляет собой модуль, который состоит из металлической пластины 33, к которой крепятся необходимые элементы низковольтного оборудования. Пластина 33 имеет отверстия, через которые, с помощью болтов, происходит крепление к раме оборудования 3, имеющей в местах установки резьбовые втулки. Высоковольтное оборудование состоит из преобразователя DC/DC 34 и жгутов 35. Преобразователь 34 установлен в модуле таким образом, чтобы обеспечивать подключение системы охлаждения и высоковольтных жгутов и крепится к трубам рамы оборудования 3 через резьбовые втулки.
В целом универсальный единый модуль энергоустановки на водородных топливных элементах оснащен такими интерфейсами как подключение системы питания водородом, подключение по CAN и 24 В, а также предусмотрено подключение заземления. Кроме того, имеется специальное подключение для отбора тепла из системы терморегулирования, что повышает показатели автономности энергоустановки и позволяет на ее основе создавать стационарные станции по когенерационной технологии.
Рама оборудования с закрепленными на нем системами энергоустановки посредством опорных кронштейнов 36 болтами крепится на шасси транспортного средства либо на стационарную площадку. Монтаж и демонтаж модуля осуществляется при помощи верхних продольных 37, 38 и поперечных 39, 40 балок.
Заявляемое техническое решение соответствует требованию промышленной применимости и возможно для реализации на стандартном технологическом оборудовании.