RU215264U1

RU215264U1 - Universal single module of power plant on hydrogen fuel cells

Info

Publication number: RU215264U1
Application number: RU2022127230U
Authority: RU
Inventors: Антон Алексеевич Хохонов; Алексей Николаевич Трапезников; Фарид Араикович Шайхатдинов; Фанил Фаргатович Мифтахов; Разиль Низамович Саитгалиев; Сергей Владимирович Назаренко
Original assignee: Публичное акционерное общество "КАМАЗ"
Filing date: 2022-10-20
Publication date: 2022-12-06

Abstract

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. The utility model relates to the field of mechanical engineering, namely to structural elements of systems of power plants with hydrogen fuel cells for buses and direct current power supplies, in particular, stationary design.

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 3, 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. Была решена задача: расширение удобства технического обслуживания и ремонта узлов и агрегатов систем с водородными топливными элементами за счет интеграции в модуль системы терморегулирования и системы выпуска. Такое решение, в совокупности с использованием адаптивной рамы оборудования, позволяет использовать конструкцию как в составе транспортных средств, в частности для автобусов, так и для источников питания стационарного исполнения. 4 ил.

The universal unified power plant module on hydrogen fuel cells can be divided into three zones: I - fuel cell module, II - components that ensure the full operation of the hydrogen fuel cell module, III - communications between zones I and II, which are connections in the form of pipelines and bundles. All zones are united by equipment frame 3, which is a frame in the form of a spatial structure, consisting mainly of square and rectangular pipes. The frame of the equipment provides places for fastening and installation of all components and assemblies inside the frame. The problem was solved: expanding the convenience of maintenance and repair of components and assemblies of systems with hydrogen fuel cells by integrating the thermal control system and the exhaust system into the module. Such a solution, in combination with the use of an adaptive equipment frame, makes it possible to use the structure both as part of vehicles, in particular for buses, and for stationary power supplies. 4 ill.

Description

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).Known construction of the lower body of a fuel cell hydrogen vehicle, including a frame, a cooling system module, a fuel cell system module, a hydrogen supply system module, a drive motor, a battery, a supercapacitor and a DC-to-DC conversion device, which are located on the vehicle frame (CN 214001361, IPC B60K 1/00; B60K 1/04; B60K 15/07; B60L 50/71, published 08/20/2021).

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.The disadvantage of this system is that the design of the power plant does not provide installation in a single module, which limits its use for other vehicles, in particular buses, and also creates difficulties in the maintenance and repair of units.

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).A known design of a fuel cell system for a passenger vehicle, including a battery module, an electrical system, an air system, a cooling system, a hydrogen system and key components of the system (CN 112440764, IPC B60L 50/71; B60L 50/72; B60L 58/33; H01M 8/04014; H01M 8/04029; H01M 8/04119; H01M 8/04746; H01M 8/04858, published 03/05/2021).

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.The disadvantage of this system is the absence of a radiator in the cooling system, the modularity of the design is conditional, since some of the components are tied to the vehicle. In addition, the design does not provide installation on a horizontal surface and, as a result, limits the use of a stationary version as a DC power source.

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).It is known a mounting device for fuel cell systems and a car having one, containing the first mounting frame, which can be installed permanently, and the second mounting frame containing the fuel cell system, the second mounting frame is connected to the first mounting frame and can move relative to this first mounting frame. frames (WO 2009/062637 A1, B60K 1/04 (2006.01); B60L 11/18 (2006.01); H01M 2/02 (2006.01), published 05/22/2009).

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.The disadvantage of this device is that the design is intended exclusively for a vehicle with a body, which provides a prepared place for installation. The design does not allow installation on a horizontal surface and, as a result, limits the use of a stationary version as a DC power source.

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). The closest to the claimed technical solution in terms of the set of essential features and the achieved technical result is the device of the power generation system, which consists of three modules combined into a single structure with the help of a container in which brackets and guide pins are provided for attachment to the supporting structure of the vehicle. The first module contains gas preparation and dosing elements, an air compressor, an air filter, components for measuring hydrogen. The second module houses the fuel cell. The power distribution module is the third module. The first and second modules are installed inside the container. The third module is located outside and connected to the outer wall of the container. In general, the design contains interfaces for connecting gaseous hydrogen and air, an outlet for fuel cell reaction products, coolant inlet and outlet, electrical outlets with fuses for connecting consumers to high-voltage voltage (DE10249437 A1, B60K1 / 04; 60L11 / 18; H01M8 / 24 , published 06/24/2004).

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.The disadvantage of this device is the absence of a fuel cell thermal control system, a silencer in the fuel cell reaction product outlet system. All missing systems are not provided in this device, but require installation on a vehicle.

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.The task to be solved by the claimed technical solution is to expand the convenience of maintenance and repair of components and assemblies of systems with hydrogen fuel cells by integrating the thermal control system and the exhaust system into the module in conjunction with the use of an adaptive equipment frame. This allows the design to be used both as part of vehicles, in particular for buses, and for stationary power supplies. Also, the pluses include the fact that this design can be used as a cogeneration power plant, which gives a significant increase in the fuel utilization rate and increases the efficiency of the entire module.

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.To solve the problem, a fuel cell power plant module was developed, consisting of a fuel cell module, an air supply system, an exhaust system, a fuel cell thermal control system, an electrical equipment cooling system, an electronics unit, high-voltage equipment, combined into a single device through pipelines and harnesses, and located inside the equipment frame, which is a frame in the form of a spatial structure, consisting mainly of square and rectangular pipes.

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.An analysis of the known technical solutions, carried out on the basis of scientific, technical and patent documentation, showed that the applicant is not aware of the universal unified modules of a hydrogen fuel cell power plant with the specified set of essential features, and the declared set of essential features does not follow explicitly from the state of the art.

Заявляемое техническое решение поясняется изображениями:The claimed technical solution is illustrated by images:

фиг. 1 - универсальный единый модуль энергоустановки на водородных топливных элементах, вид сверху;fig. 1 - universal single module of the power plant on hydrogen fuel cells, top view;

фиг. 2 - то же, вид изометрический слева;fig. 2 - the same, isometric view on the left;

фиг. 3 - то же, вид изометрический справа;fig. 3 - the same, isometric view on the right;

фиг. 4 - то же, вид изометрический снизу.fig. 4 - the same, isometric view from below.

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.The universal unified power plant module on hydrogen fuel cells can be divided into three zones: I - fuel cell module, II - components that ensure the full operation of the hydrogen fuel cell module, III - communications between zones I and II, which are connections in the form of pipelines and bundles. All zones are united by an equipment frame, which is a frame in the form of a spatial structure, consisting mainly of square and rectangular pipes. The frame of the equipment provides places for fastening and installation of all components and assemblies inside the frame.

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.In zone I there is a module of hydrogen fuel cells 1, which is a box in the form of a rectangular parallelepiped. The fuel cell module 1 includes gas preparation and dosing elements, an air compressor. On the outer sides of the box there are interfaces for connecting an air supply system, a fuel cell thermal control system, an electrical equipment cooling system, a hydrogen supply system, low-voltage and high-voltage equipment, as well as service connectors and sensors. Fuel cell module 1 is mounted on brackets 2 in equipment frame 3 with four bolts.

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.In zone II, the components of the main systems are located - these are the components of the air supply system, exhaust system, fuel cell thermal control system, electrical equipment cooling system, electronics unit, high-voltage equipment. The air supply system consists of an air filter 4, fixed on the pipes of the square profile of the equipment frame by means of a bolted connection, an air intake 5 attached to the air filter 4 with the help of band clamps, pipelines 6. The exhaust system consists of a muffler 7, pipelines 8 and brackets 9. The muffler 7, with the help of clamps 10, is fixed on the bracket 9, which, in turn, is bolted to the equipment frame 3, which has threaded bushings at the installation sites. The fuel cell thermal control system consists of two cooling units 11, an expansion tank 12, a heater 13, a pump 14, valves 15 and pipelines 16 connecting all components of the thermal control circuit. The cooling units 11 are located on the opposite side of the fuel cell module 1 and are installed through the dampers 17 on the brackets 18 welded to the base of the equipment frame 3. In the upper part, the cooling units have brackets 19, which are connected to the bracket 20 on the equipment frame by means of a rod 21 and dampers 22. The heater 13 and the pump 14 are bolted to the respective brackets 23 and 24, which are welded to the base of the equipment frame 3. The expansion tank 12 is installed using the bracket 25, which is attached to the longitudinal beams 26, 27 in the upper part of the equipment frame 3. The cooling system of high-voltage electrical equipment consists of a radiator 28 installed on one of the cooling units 11, a pump 29 installed on a bracket 30 welded to the equipment frame and an expansion tank 31 installed in the upper part of the equipment frame, pipelines 32 that ensure the transfer of coolant between all components circuit The electronics unit is a module that consists of a metal plate 33, to which the necessary elements of low-voltage equipment are attached. The plate 33 has holes through which, with the help of bolts, it is fastened to the equipment frame 3, which has threaded bushings at the installation sites. The high-voltage equipment consists of a DC/DC converter 34 and harnesses 35. Converter 34 is installed in the module in such a way as to provide connection of the cooling system and high-voltage harnesses and is attached to the pipes of the equipment frame 3 through threaded bushings.

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. In general, a universal single module of a hydrogen fuel cell power plant is equipped with such interfaces as a hydrogen power system connection, a CAN and 24 V connection, and a ground connection is also provided. In addition, there is a special connection for extracting heat from the thermal control system, which increases the autonomy of the power plant and makes it possible to create stationary stations using cogeneration technology on its basis.

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. The frame of the equipment with the systems of the power plant fixed on it by means of support brackets 36 is bolted to the chassis of the vehicle or to a stationary platform. Mounting and dismantling of the module is carried out using the upper longitudinal 37, 38 and transverse 39, 40 beams.

Заявляемое техническое решение соответствует требованию промышленной применимости и возможно для реализации на стандартном технологическом оборудовании.The claimed technical solution meets the requirement of industrial applicability and is possible for implementation on standard process equipment.

Claims

A universal single module of a hydrogen fuel cell power plant, containing a hydrogen fuel cell module, an air supply system, an exhaust system, a fuel cell thermal control system, an electrical equipment cooling system, an electronics unit, high-voltage equipment, fixed to the equipment frame, characterized in that the air supply system, exhaust system, fuel cell thermal control system, electrical equipment cooling system, electronics unit, high-voltage equipment are connected by means of pipelines and bundles into a single device, and are united by a single equipment frame, which is a frame in the form of a spatial structure, consisting mainly of square and rectangular pipes and having places of installation and fastening of all components and assemblies inside the frame.