Результат интеллектуальной деятельности: Система энергоснабжения для транспортного средства

Изобретение относится к устройствам на базе водородного топливного элемента для аккумулирования электроэнергии либо с целью обеспечения движения транспортного средства, либо для функционирования в качестве независимого источника энергии.

Известен твердополимерный топливный элемент (патент РФ № 160133, опубликован 10.03.2016, МПК H01M8/10, H01M8/24, H01M2/18), состоящий из мембранно-электродного блока, анода, катода и средства для герметизации, в котором: мембранно-электродный блок содержит протонпроводящую мембрану с нанесенным на ее поверхность с двух сторон катализатором и расположенную между анодным газодиффузионным слоем и катодным газодиффузионным слоем: анод и катод, расположенные с внешней стороны мембранно-электродного блока, выполнены в виде электропроводящих пластин с газораспределительными каналами, токовыми выводами и окнами для подвода и отвода водорода в качестве анодного газа и кислорода или воздуха в качестве катодного газа; средства для герметизации представляют собой упругие прокладки, расположенные с внешних сторон анода и катода, и снабжены штуцерами для подвода газов к окнам электропроводящих пластин, при этом все составные части топливного элемента в своих плоскостях имеют периферийные отверстия для их герметизации путем стяжки. В составе топливного элемента использована протонпроводящая мембрана, полученная допированием сульфокатионитных перфторированных мембран неорганическими допантами и имеющая ионную проводимость не менее 10^-3 См/см при влажности питающих газов от 5% отн. и выше. Анодный и катодный газодиффузионные слои выполнены из пористой углеродной бумаги. Электропроводящие газораспределительные пластины выполнены либо из металла, либо из композиционного графитсодержащего материала. Подвод водорода в качестве анодного газа осуществляется из баллона высокого давления, либо из металлогидридного баллона. Подвод и отвод кислорода или воздуха в качестве катодного газа осуществляется за счет управляемых вентиляторов, либо производится в конвекционном режиме. В составе батареи из отдельных топливных элементов, направленных друг к другу анодом к катоду, средствами для их герметизации в виде упругих прокладок и токовыми выводами с электропроводящих пластин снабжены только крайние топливные элементы батареи. Для допирования сульфофторполимерной протонпроводящей мембраны использовали модифицированный оксид кремния и/или соли гетерополикислот, синтезированные непосредственно в матрице мембраны. Данный аналог раскрывает технические признаки, позволяющие повысить эффективность применения топливного элемента, однако не раскрывает технические особенности применения данного топливного элемента в составе системы электроснабжения транспортного средства.

Так же из уровня техники известен патент РФ «батарея топливных элементов и подвижное устройство» (патент РФ № 2359367, опубликован 20.06.2009, МПК H01M8/04, H01M8/00). Согласно изобретению, батарея топливных элементов включает топливные элементы, систему подачи топлива для подачи топливного газа в топливный элемент, форсунку для регулирования состояния газа выше по потоку в системе подачи топлива и подачи газа ниже по потоку и средство управления для приведения в действие и управление форсункой в течение заданного цикла движения. Средство управления устанавливает режим работы форсунки в зависимости от режима работы топливного элемента. Данный аналог характеризует возможность повышения надежности применения топливных элементов в составе системы электроснабжения транспортного средства за счёт возможности изменять режим подачи топливного газа (давление подачи и т.п.) в зависимости от режима работы топливного элемента. Однако не содержит в своем описании технических признаков, позволяющих повысить надежность применения в следствии отсутствия контроля за температурными и электрическими параметрами работы топливных элементов.

Из уровня техники известна система топливных элементов для автомобиля (патент CN211480197U, опубликован 11.09.2020, МПК B60L50/70), данная система содержит в себе блок топливных элементов, состоящий из ячеек, установленных последовательно, при этом каждая ячейка состоит из двух биполярных пластин, двух каталитических слоев, протонообменной мембраны и двух прокладок. Биполярная пластина играет роль распределения и фиксации водорода. Каждый топливный элемент снабжен каналом отвода водорода и каналом отвода воздуха. Каталитические слои представляют собой тонкие слои, состоящие из катализатора и носителя катализатора, которые соответственно используются для катализа электрохимических реакций на анодном и катодном электродах батареи. Протонообменная мембрана расположена между двумя каталитическими слоями и используется для проведения ионов водорода и выделения реакционного газа. Прокладка расположена между каталитическим слоем и биполярной пластиной и в основном играет роль проводника протонов, проводящего электричество, переносящего тепло и проводящего воду. Так же топливные элементы в составе блока топливных элементов содержат платы управления топливными элементами. Данный аналог является ближайшим и позволяет осуществить генерацию электроэнергии для зарядки тяговых аккумуляторных батарей в составе транспортного средства, однако не содержит в себе описание технических признаков, позволяющих поддерживать необходимый уровень надежности применения системы в составе транспортных средств, эксплуатируемых в условиях различных температурных диапазонов, а также технических признаков позволяющих осуществить контроль и стабилизацию выходных параметров топливных элементов при резком изменении подаваемой нагрузки или при запуске электросистем в составе транспортного средства.

Задачей, поставленной при разработке данного изобретения, являлась создание системы электроснабжения для транспортного средства с возможностью обеспечения высокого уровня надежности применения водородных топливных элементов в качестве источника электроэнергии.

Технический результат, достигаемый при реализации данного изобретения, заключается в повышении надежности применения водородных топливных элементов в составе системы электроснабжения транспортного средства.

Указанный технический результат достигается системой энергоснабжения для транспортного средства, содержащей корпус, который, в свою очередь, содержит преобразователь напряжения и модуль подачи водорода, соединенный при помощи нейлоновых трубок с, по меньшей мере, двумя топливными элементами, при этом корпус каждого топливного элемента имеет вентилятор, воздушный фильтр и плату управления топливным элементом, соединенную с буферным аккумулятором через твердотельное реле, а модуль подачи водорода имеет вход для подключения системы хранения и подачи водорода и редуктора низкого давления, выход которого через электромагнитный клапан соединен с нейлоновыми трубками, которые, в свою очередь, соединены с топливными элементами, при этом выходы каждой платы управления топливного элемента подключены к преобразователю напряжения через главную плату управления, а преобразователь напряжения электрически соединяется с тяговой аккумуляторной батареей и тяговым электродвигателем в составе транспортного средства.

Технические решения, применяемые в составе данного изобретения, позволяют осуществить индивидуальный контроль за состоянием топливных элементов в составе системы электроснабжения, а также осуществить стабилизацию выходных параметров топливных элементов при резком изменении подаваемой нагрузки, а также при запуске электросистем в составе транспортного средства.

Модуль подачи водорода содержит редуктор низкого давления, способный регулировать входное давление водорода 35 бар на выходное давление от 0.1 до 1.7 бар, и электромагнитный клапан, через который подается поток водорода, распределяющийся на топливные элементы.

Для поддержания рабочего диапазона температур топливных элементов его конструкция оснащена датчиком температуры, платой управления топливным элементом и вентиляционной системой, содержащей вентилятор и воздушный фильтр.

Стабилизация выходных параметров каждого топливного элемента, а также питание платы управления осуществляется также при помощи буферной аккумуляторной батареи, расположенной рядом с каждым топливным элементов. Заряд буферных аккумуляторных батарей осуществляется за счет энергии, которую образует топливные элементы. Получение информации о состоянии и управление буферной аккумуляторной батареей осуществляется с помощью специальной платы, расположенной под ней. Эта информация далее передается на главную плату управления топливными элементами.

Между буферной аккумуляторной батареей и корпусом топливного элемента расположено твердотельное реле, которое предназначено для подачи напряжения от буферных аккумуляторных батарей на плату управления топливным элементом при запуске транспортного средства.

Выходы корпуса топливного элемента соединены со входом преобразователя напряжения через главную плату управления топливными элементами, находящуюся на корпусе первого топливного элемента. Преобразователь напряжения, в свою очередь, имеет выходы для подключения тяговой аккумуляторной батареи транспортного средства и тяговых электродвигателей в составе транспортного средства.

Преобразователь напряжения предназначен для повышения напряжения, вырабатываемого топливными элементами, в напряжение, необходимое для заряда тяговых аккумуляторных батарей, за счет снижения силы тока.

Техническая сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 изображена конструкция топливного элемента системы энергоснабжения для транспортного средства, на фиг.2 изображен общий вид системы энергоснабжения для транспортного средства, на фиг.3 изображен вид сверху системы энергоснабжения для транспортного средства.

Система электроснабжения для транспортного средства содержит:

1 – Корпус топливного элемента (ТЭ)

2 – Топливный элемент

3 – Воздушный фильтр

4 – Вентилятор

5 – Платы управления

6 – Главная плата управления

7 – Корпус системы энергоснабжения

8 – Преобразователь напряжения

9 – Газовый анализатор

10 – Твердотельное реле

11 – Буферный аккумулятор

12 – Редуктор низкого давления

13 – Общий электромагнитный клапан

14 – Модуль подачи водорода

В предпочтительном варианте исполнения изобретение осуществляется следующим образом.

Топливо (водород), содержащееся в системе хранения и подачи водорода, подается на вход редуктора низкого давления (12) в составе модуля подачи водорода (14), в котором входное давление 35 бар преобразуется в выходное давление от 0.1 до 1.7 бар. Далее, на общий электромагнитный клапан (13) направляется сигнал на открытие и водород распределяется по нейлоновым трубкам в каждый из топливных элементов (2) через специальное отверстие, и затем расходится по компонентам мембранно-электродного блока. Водород, поданный на анод мембранно-электродного блока, подвергается реакции окисления (отдачи электронов) на каталитическом слое, после чего диффундирует (переносится) через протонпроводящую полимерную мембрану на катод. На катод также подается окислитель (кислород из воздуха попадает в систему через воздушный фильтр (3)), а забор воздуха происходит благодаря вентилятору (4), расположенному в верхней части корпуса топливного элемента (1). Кислород из воздуха на каталитическом слое подвергается процессу восстановления. После чего Н⁺ катион и О^-2 анион соединяются в молекулы воды, при этом электроны, образовавшиеся в полуреакциях, протекают по внешней цепи. Общую реакцию можно описать следующими уравнениями:

(1) Н₂ – 2е ̅ = 2Н⁺;

(2) 2О^-2- + 4е ̅ = О₂;

(3) Н₂ + 1/2О₂ = Н₂О.

Рабочий диапазон температур для топливных элементов (от 0 до +60 °С) поддерживается благодаря наличию вентиляционной системы, расположенной в каждом корпусе топливного элемента (1) и датчика температуры, размещенного в каждом топливном элементе, сигнал от которого поступает на плату управления (5) топливного элемента, после чего данные передаются и анализируются на главной плате управления (6), расположенной на корпусе первого топливного элемента. Для повышения безопасности в корпусе системы энергоснабжения (7) установлен газовый анализатор водорода (9), который способен определять минимальные количества водорода, при возможных утечках, и подавать сигнал для закрытия общего электромагнитного клапана (13) и прекращения подачи топлива.

Для запуска топливного элемента (2) в составе корпуса системы электроснабжения (7) расположены твердотельное реле (10) и буферная аккумуляторная батарея (11). Запуск осуществляется при помощи подачи управляющего сигнала на твердотельное реле (10), которое осуществляет замыкание контактов и подачу электрических сигналов, вырабатываемых буферной аккумуляторной батареей (11) на плату управления топливным элементом (5). Также буферная аккумуляторная батарея (11) служит для стабилизации мощности, вырабатываемой топливным элементом (2), при резком изменении подаваемой нагрузки. Заряд буферной аккумуляторной батареи (11) осуществляется за счет энергии, которую образует топливный элемент (2).

Вырабатываемая топливным элементом энергия поступает на вход преобразователя напряжения (8), где происходит повышение напряжения, вырабатываемого до необходимых для заряда тяговых аккумуляторных батарей значений. Для специалиста в данной области понятно, что при осуществлении изобретения возможны различные изменения и модификации, не выходящие за пределы объема защиты, а также использование его в технических средствах, отличных от транспортных средств, для получения описанных преимуществ.