Способ работы топливных элементов в контейнере транспортного средства
METHOD OF OPERATING FUEL CELLS IN A CONTAINER OF A VEHICLE

Изобретение 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, а также высокий КПД преобразования. 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+4OH-=>4HO+4е-;
2
2
катод: O+2HO+4е-=>4OH-;
2
2
общая реакция в ТЭ: 2Н+O2=>2HO.
Кроме того, для нормального функционирования топливных элементов, от них необходимо отводить с помощью системы термостатирования (СТС) образующуюся теплоту. 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], а также способ ее работы. Батарея состоит 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.
Недостатками аналога [1] является отсутствие защиты от возможных протечек газообразных реагентов (водорода и кислорода) в окружающую среду из-за потери герметичности в элементах батареи топливных элементов.
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 способ капсулирования источников тока, например известному устройству: «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, Н01М 10/60, H02J 7/00 - [2]. Герметичный контейнер состоит 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.
Также известен способ капсулирования источников тока, например известному устройству: «Батареи литиевых химических источников тока» по патенту на изобретение РФ: RU 2373614 С2 от 20.11.2009, МПК Н01М 6/16 - [3]. Аналог [3] 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 [3]).
Недостатками способов капсулирования источников тока по аналогам [2 и 3] 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.
Прототипом заявленного «Способа работы топливных элементов в контейнере транспортного средства» является устройство по патенту на полезную модель РФ: RU 194239 U1 от 04.12.2019, МПК Н01М 8/02, Н01М 2/02, Н01М 2/06 - [4]. Способ работы топливных элементов в контейнере транспортного средства по прототипу [4] состоит в расположении батарей топливных элементов в герметичном контейнере с крышкой с газовым штуцером, при этом к топливным элементам через гермовводы контейнера подведены силовые кабели батарей, кабель контроля работы батарей топливных элементов, трубки подвода воздуха и водорода, трубки отвода воды из топливных элементов, трубки подвода-отвода воды системы термостатирования для охлаждения работающих топливных элементов. При этом возможные протечки водорода из батарей топливных элементов отводят а атмосферу через газовый штуцер и далее по надетой на него трубке (трубке отвода возможных протечек водорода) в верхнюю точку транспортного средства. Так, как второй конец трубки закреплен выше кабины или грузового отсека транспортного средства. Далее утечки водорода самостоятельно рассеиваются в атмосфере.
Недостатком прототипа [4] является то, что при возможной разгерметизации батареи топливных элементов утечки водорода, полностью не исключаются. В случае нахождения 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 помещений и стоянок, в которых может находиться такое транспортное средство.
Недостатки аналогов и прототипа ставят задачу повышения надежности эксплуатации батареи топливных элементов транспортного средства, а именно обеспечения взрывопожаробезопасности при ее эксплуатации в закрытых помещениях.
Сущность заявленного технического решения состоит в том, что «Способ работы топливных элементов в контейнере транспортного средства» состоит в том, что батареи топливных элементов располагают в герметичном контейнере с крышкой с газовым штуцером, при этом к топливным элементам через гермовводы контейнера подводят силовые кабели батарей, кабель контроля работы батарей топливных элементов, трубки подвода воздуха и водорода, трубки отвода воды из топливных элементов, трубки подвода-отвода воды системы термостатирования для охлаждения работающих топливных элементов. Герметичный контейнер во время работы батареи топливных элементов через газовый штуцер заполняют газообразным азотом под избыточным давлением, которое больше рабочего давления водорода и кислорода (кислорода воздуха) в топливных элементах. Избыточное давление практически может быть в 1,1…5 раза больше рабочего давления водорода и кислорода (кислорода воздуха) в батарее топливных элементов. При возможной разгерметизации батареи топливных элементов (одного из топливных элементов батареи) для исключения протечек водорода в герметичный контейнер используют газообразный азот, путем заполнения им через образовавшиеся неплотности или трещины рабочих полостей батарей топливных элементов (рабочих полостей одного из топливных элементов батареи), и с автоматической остановкой работы батареи топливных элементов. При том о разгерметизации батареи топливных элементов узнают по снижению ее мощности или по ее полной остановке. После чего проводят осмотр и тестирование батареи топливных элементов и устраняют выявленные неисправности.
При опытной эксплуатации заявленного способа работы топливных элементов контейнере транспортного средства избыточное давление газообразного азота было 1,5 раза больше рабочего давления водорода и кислорода (кислорода воздуха) в батарее топливных элементов.
Техническим результатом изобретения является повышение взрывопожаробезопасности батарей топливных элементов транспортного средства при его эксплуатации. Особенно в закрытых помещениях (подземных стоянках, складах, и т.д.).
Взрывопожаробезопасность обеспечивается:
- дополнительной изоляцией возможных протечек водорода в азотную среду герметичного контейнера, то есть дополнительной изоляцией возможных протечек водорода от окружающей воздушной среды, что исключает смешение водорода с кислородом воздуха, и, следовательно предотвращает возгорание утечек водорода и/или его взрыв;
- заполнением (обратным заполнением) через возможные неплотности и трещины батареи топливных элементов (или одного из топливных элементов) их (его) рабочих полостей газообразным азотом с последующей автоматической и самостоятельной остановкой батареи топливных элементов.
При этом, по самостоятельной остановке работы батареи топливных элементов, находящихся в заполненном азотом герметичном контейнере транспортного средства судят о наличии неплотностей и/или трещин в батарее топливных элементов.
После чего, производят осмотр и тестирование (исследование) батареи топливных элементов и устраняют выявленные неисправности. Например, подтяжкой резьбовых соединений, заменой уплотнительных прокладок, заменой конструктивных элементов батареи, заклеиванием или завариванием выявленных трещин и т.д.
Реализация заявленного технического решения позволяет своевременно выявить протечки водорода и провести ремонтные и восстановительные работы батарей топливных элементов транспортного средства.
В тоже время, известны технические решения, применения газообразного азота в рабочих полостях топливных элементов, в случае обнаруженных протечек водорода. Например, «Комбинированная (гибридная) энергоустановка транспортного средства на базе топливных элементов» по патенту на изобретение РФ: RU 2475377 С2 от 20.02.2013, МПК B60L 11/18 - [5].
Гибридная (комбинированная) энергоустановка (КЭУ) [5] включает в себя тяговый электродвигатель, представляющий собой обратимую асинхронную электромашину, первичный источник электрической энергии, представляющий собой топливный элемент, буферный накопитель энергии (БНЭ) и модульную систему управления КЭУ. Тяговый электродвигатель подключен к БНЭ через электрический инвертор, а топливный элемент соединен с БНЭ через согласующий электрический преобразователь. Подачу водородного топлива в топливный элемент обеспечивает система хранения и подачи газообразного водорода и азота (СХиП ГВиА), обеспечивающая подачу в топливный элемент азота по команде газоаналитической системы контроля при утечке водорода. СХиПГВиА обеспечивает подачу азота в водородно-воздушный топливный элемент (ВВТЭ) в случае необходимости его аварийной остановки при утечке водорода, обнаруженной газоаналитической системой контроля (ГАСК), или в случае необходимости консервации ВВТЭ перед длительным хранением.
Недостатком аналога [5] является его излишняя сложность, и, следовательно надежность, так как для эксплуатации ВВТЭ обязательно необходима качественная ГАСК для управления СХиПГВиА. При этом, возможные утечки водорода из ВВТЭ никак не локализуются, что не исключает риск взрывопожаробезопасности известного устройства.
Из выше приведенного следует, что заявленный «Способ работы топливных элементов в контейнере транспортного средства» обладает всеми критериями изобретения, так как техническое решение в совокупности с ограничительными и отличительными признаками формулы полезной модели является новым для способов работы батареи топливных элементов, находящейся в герметичном контейнере транспортного средства», и, следовательно, соответствует критерию «новизна»;
Вышеприведенная совокупность признаков формулы изобретения, а именно:
- заполнение герметичного контейнера во время работы батареи топливных элементов газообразным азотом под избыточным давлением, которое больше рабочего давления водорода и кислорода (воздуха) в топливных элементах,
- использование азота под избыточным давлением при возможной разгерметизации батареи топливных элементов для автоматической остановки работы батареи: через ее неплотности или трещины (вместо протечек водорода в герметичный контейнер) происходит «обратное» заполнение (газообразным азотом) рабочих полостей батареи топливных элементов,
- получение информации о разгерметизации батареи топливных элементов по снижению ее мощности или по ее полной остановке, с последующим проведением осмотра и тестирования батареи топливных элементов и устранением выявленных неисправностей,
не известна для применения в качестве «Способа работы топливных элементов в контейнере транспортного средства» и не следует из общеизвестных правил эксплуатации (работы) топливных элементов, что доказывает соответствие критерию «изобретательский уровень».
- реализация заявленного способа 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 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 2373614 С2 от 20.11.2009, МПК Н01М 6/16 «Батарея литиевых химических источников тока».
4. 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.
5. Патент на изобретение РФ: RU 2475377 С2 от 20.02.2013, МПК B60L 11/18, «Комбинированная (гибридная) энергоустановка транспортного средства на базе топливных элементов».