ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2002 года по МПК B60L11/18 B60K1/04 

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области силовых установок. В частности, изобретение относится к бортовым системам на топливных элементах для подвижных транспортных средств, таких как поезда, морские суда, автомобили и другие подвижные транспортные средства.

Уровень техники
По мере роста неудовлетворенности традиционными источниками энергии увеличивается значение исследований альтернативных способов получения энергии. В частности, вызывают беспокойство экологические и политические последствия использования процессов горения для получения энергии. Стремлением уменьшить зависимость от подобных источников и методов получения энергии и продиктован рост интереса к устройствам, способным вырабатывать электроэнергию из топлива, не используя горение.

Кроме выработки электроэнергии, процесс горения также чрезвычайно широко используется в силовых установках таких транспортных средств, как автомобили, поезда или морские суда. Двигатели транспортных средств этого типа относятся к главным источникам загрязнения окружающей среды, связанным со сжиганием топлива. В то же время такие альтернативные источники энергии, как АЭС и ГЭС, подходят для крупномасштабных потребителей энергии, но не решают проблем, связанных со снабжением энергией транспортных средств.

Альтернативой транспортным средствам с двигателями внутреннего сгорания служат разного типа транспортные средства на электрической тяге. Электрические автомобили достаточно хорошо известны. Типичным источником энергии электромобиля является никель-кадмиевая батарея, питающая электромотор мощностью от 20 до 100 л.с. Подзарядка батарей осуществляется обычно от стационарных источников постоянного тока. Недостатком таких систем является то, что дальность пробега на одной зарядке невелика и поэтому требуются частые остановки для подзарядки батарей.

Существующие системы также и дороги. Попыткой увеличить дальность пробега и снизить стоимость электромобилей является использование солнечной энергии для подзарядки батарей, как, например, в системах фирмы Solectria из Арлингтона, шт. Массачусетс. Однако использование солнечной энергии для получения электричества возможно только в ясную погоду днем, да и проблемы стоимости остаются.

Поэтому были проведены исследования топливных элементов как источников энергии для транспортных средств с электрической тягой и для снижения зависимости от внешних источников для подзарядки батарей. Топливные элементы выполняют электрохимическое преобразование топлива, например углеводородного топлива, в электрический ток. Реакция горения, как правило, не используется.

Недостатком известных систем с топливными элементами является, однако, их низкая экономическая эффективность в тех случаях, когда параметры топливного элемента должны соответствовать энергетическим потребностям транспортного средства. В таких случаях система на топливных элементах с мощностью, достаточной для движения и тем более для разгона автотранспортного средства, оказывается слишком дорогой. Хотя во многих известных системах предпринимались попытки удовлетворить потребность в повышенном расходе энергии во время разгона автотранспортного средства с помощью специальной батареи, экономическая часть проблемы осталась нерешенной.

Сущность изобретения
Задачей изобретения, таким образом, является создание системы для обеспечения автотранспортного средства энергией, не использующей реакцию горения.

Другой задачей изобретения является создание системы, которая обеспечивает такую же дальность пробега, как и традиционные двигатели со сгоранием топлива, без периодической подзарядки от внешних источников.

Еще одной задачей изобретения является создание экономически эффективной системы энергоснабжения автотранспортного средства, удовлетворяющей типовым требованиям по разгону и дальности пробега.

Еще одной задачей изобретения является создание транспортного средства с энергоснабжением от топливного элемента, обеспечивающего электроснабжение внешних потребителей.

Другие общие и более частные задачи изобретения частично станут очевидными, а частично будут наглядно продемонстрированы в следующих ниже описании и чертежах.

Настоящее изобретение относится к системе энергоснабжения, которая позволяет повысить экономическую эффективность тех транспортных средств, в которых используются топливные элементы для вырабатывания электрического тока. Далее такие транспортные средства будут называться подвижной транспортной энергосистемой с топливными элементами, где понятие "транспортная" относится к любым транспортным средствам, например автомобилям, грузовикам, поездам, морским судам, самолетам и космическим аппаратам. В качестве примера, система энергоснабжения в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает снабжение внешних потребителей электроэнергией, вырабатываемой бортовым топливным элементом, входящим в состав подвижной транспортной энергосистемы с топливными элементами, например электромобиля. Обеспечение электроэнергией внешних потребителей или использование ее вдали от подвижной транспортной системы (транспортной системы) включает в себя и доставку энергии к удаленным пунктам, таким как отдельные жилые дома, например дом владельца транспортной системы, или в местную коммунальную систему электроснабжения, или к другой подвижной транспортной системе.

Для доставки топлива к транспортной системе и для приема вырабатываемой топливным элементом электроэнергии используются внешние станции. Внешняя станция и транспортная система имеют средства, обеспечивающие их быстрое и простое соединение для передачи электроэнергии, вырабатываемой топливным элементом, внешнему потребителю. Кроме этого, внешняя станция может использоваться для снабжения транспортной системы топливом и оборудована соответствующими средствами для их быстрого соединения. Транспортные системы могут рассматриваться как подвижные системы с топливным элементом для снабжения внешних потребителей, когда вырабатываемая топливными элементами энергия не требуется для самой системы, например для ее передвижения. Топливные элементы могут использоваться в составе транспортных систем разными способами. Например, в сочетании с газовой турбиной топливные элементы могут быть использованы в качестве источника энергии для такого транспортного средства, как морское судно или поезд.

Заметим, что топливный элемент на борту транспортного средства или судна может использоваться не только для его передвижения, но и для других целей или даже только для других целей. Например, топливные элементы могут быть использованы для обеспечения работы систем отопления, вентиляции и охлаждения воздуха (ОВКВ). Или, например, на морском судне топливный элемент может использоваться для бортовой системы ОВКВ и для электроснабжения судна; может осуществляться поставка электроэнергии внешним потребителям через внешнюю станцию, когда судно находится в порту.

Согласно другому аспекту в изобретении могут использоваться от одной до нескольких внешних станций. Например, владелец или основной пользователь электрической транспортной системы может иметь внешнюю станцию рядом со своим домом. Либо, например, внешние станции могут размещаться в местах, где электрическая транспортная система обычно находится длительное время на стоянке, как, например, дома, торговые центры, парковки и места работы. Внешняя станция может быть с помощью электрических кабелей соединена с сетью коммунального электроснабжения, передавая часть вырабатываемой бортовым топливным элементом электроэнергии для использования в удаленном пункте. Силовые электропроводящие кабели являются, однако, не единственным высокоэффективным средством передачи электрической энергии; как уже известно, возможна передача энергии в свободном пространстве с помощью СВЧ-волн. Независимо от применяемого способа передачи энергии, тот факт, что транспортная энергоустановка с топливными элементами используется двояко - как на борту, так и для снабжения внешних потребителей, способствует повышению экономической эффективности подвижных транспортных энергосистем с топливными элементами и использованию альтернативных источников энергии с решением связанных с этим экологических проблем.

Согласно другому аспекту изобретение содержит систему энергоснабжения, преобразующую топливо в электроэнергию, причем система энергоснабжения включает в себя подвижную транспортную энергосистему с топливным элементом и внешнюю станцию. Подвижная транспортная энергосистема с топливным элементом, в свою очередь, включает аккумуляторную батарею, топливный элемент преобразования топлива в электрический ток и для зарядки батареи, при необходимости также и запас топлива для топливного элемента и средства электрического соединения с внешней станцией для передачи туда электроэнергии, вырабатываемой топливным элементом. Подвижная транспортная энергосистема с топливным элементом также может содержать средство приема топлива от внешней станции, которое может содержать, но не обязательно, шланги и/или разъемы для присоединения шлангов.

Внешняя станция, как правило, включает в себя средство приема электроэнергии от подвижной транспортной энергосистемы с топливным элементом и средства отпуска для обеспечения возможности использования хотя бы части вырабатываемой энергии внешним относительно подвижной транспортной энергосистемы потребителем. Средства приема могут содержать, но не обязательно, электрические кабели и/или разъемы для присоединения кабелей. Средства отпуска могут содержать, но не обязательно, реле и/или выключатель для электрического подключения внешнего потребителя. Простая внешняя станция может содержать, например, разъем для присоединения электрического кабеля, соединенного с транспортной системой, и присоединенные к разъему провода для отвода электрической энергии внешнему потребителю. Внешняя станция может также содержать средство подачи топлива в подвижную транспортную энергосистему с топливным элементом.

В одном частном варианте топливо, подаваемое от внешней станции и принимаемое топливным элементом подвижной транспортной системы, содержит водород. Однако топливо может быть и углеводородным, и в этом случае для вырабатывания топлива, содержащего водород, на борту устанавливается средство реформинга топлива и, возможно, топливный конвертер. В другом варианте средство реформинга топлива и, возможно, топливный конвертер входят в состав внешней станции. В последнем случае внешняя станция может включать топливный бак для хранения топлива после проведения реформинга. Более того, углеводородное топливо часто содержит серу. Сера в больших количествах вызывает коррозию топливного элемента и может разрушать определенные катализаторы средства реформинга и электроды топливного элемента, а при выбросе в воздух вызывает также его загрязнение и кислотные дожди. В одном из вариантов узел десульфаризации может входить в состав внешней станции, а в другом - в состав силового узла подвижной транспортной энергосистемы с топливным элементом.

Реагенты, необходимые для облегчения процесса реформинга топлива, известны из предшествующего уровня техники. Соответственно, другой особенностью изобретения является то, что для проведения процесса в средство реформинга подается такой реагент, как вода, вне зависимости от того, где это средство расположено, - на борту транспортной системы или во внешней станции. Если средство реформинга расположено на борту, применяются соответствующие приспособления для подачи воды в транспортную систему. Например, вода может подводиться к внешней станции, а на станции и на транспортной системе предусмотрены соответствующие отверстия для присоединения быстроподключаемого соединительного шланга. Энергетическая система в соответствии с настоящим изобретением может включать средство фильтрации и/или деионизации воды, если воде требуется такая обработка. Заметим, однако, что средство реформинга может в качестве реагента вместо воды использовать окислитель (например, воздух), и использование средства реформинга топлива, либо на борту, либо вне его не требует дополнительных средств для подведения к этому средству таких реагентов, как вода.

Согласно другому аспекту изобретения в системе энергоснабжения используют счетчики для измерения, например, количества топлива, полученного электрической транспортной системой от внешней станции. Аналогично электрический счетчик также может быть использован для определения количества электроэнергии, поставленной транспортной системой во внешнюю сеть или из внешней сети в другой пункт, например систему электропитания или жилой дом, не связанные непосредственно с транспортной системой.

Обычный топливный элемент вырабатывает постоянный электрический ток, в то же время в электрической сети, снабжающей электроэнергией жилые дома и коммунальные учреждения, используется переменный ток. В соответствии с этим в одном из вариантов изобретения в состав внешней станции включен инвертор или инверторы для преобразования постоянного электрического тока вырабатываемой топливным элементом транспортной системы в однофазный или многофазный электрический ток. Типичная коммунальная система электроснабжения использует трехфазный электрический ток и поэтому внешняя станция, если она снабжает электроэнергией эту систему, преобразует ток топливного элемента в трехфазный переменный ток. С другой стороны, инвертор или инверторы могут быть расположены на подвижной транспортной энергосистеме с топливными элементами для снабжения переменным током внешней станции и/или внешних потребителей. Например, если подвижная транспортная энергосистема с топливным элементом представляет собой поезд или супертанкер, инверторы могут быть размещены на борту. Конечно, если внешнему потребителю требуется постоянный ток, нет нужды устанавливать на внешней станции инвертор преобразования постоянного тока в переменный. Тип используемого в энергетической системе счетчика электрической энергии определяется тем, энергию какого тока - постоянного или переменного требуется измерять.

Еще одним аспектом настоящего изобретения является включение в состав внешней станции линии двухсторонней или односторонней связи для передачи данных о рабочих параметрах станции или, возможно, электрической транспортной системы в другое место. Рабочие параметры могут включать, помимо других данных, количество доставленного транспортной системе топлива, количество электроэнергии, поставленной топливными элементами транспортной системы во внешнюю сеть, принадлежность транспортной системы или личность ее владельца и другие полезные сведения. По линии связи могут также передаваться на внешнюю станцию и/или транспортную систему команды управления.

Специалистам известно много типов топливных элементов, которые могут быть использованы в электрических транспортных системах. Соответственно, можно считать в пределах области притязаний изобретения использование топливных элементов нескольких типов, где среди прочих можно отметить топливные элементы с твердым оксидом, топливные элементы с расплавом карбонатов на основе фосфорной кислоты, щелочные, а также мембранные топливные элементы с обменом протонов.

В энергетической системе в соответствии с настоящим изобретением использование внешним потребителем электрической энергии, вырабатываемой на борту подвижной транспортной энергосистемы с топливным элементом, осуществляется через посредство соединенной с этой энергосистемой внешней станции. Однако внешняя станция не обязательно должна быть использована только описанным выше способом. Например, подвижная транспортная энергосистема с топливными элементами может быть электрически соединена с другой подвижной транспортной электроэнергергетической системой, такой как другая электрическая транспортная система, для подзарядки батарей. В этом случае транспортная система, на которой заряжаются батареи, играет роль внешней станции. Транспортные системы соответственно оборудуются для быстрого и удобного соединения друг с другом. Обе могут быть оборудованы средствами, такими как штыревые электрические разъемы для соединения с гнездовыми разъемами силового кабеля, соединяющего подвижную транспортную энергосистему с топливным элементом и вторую подвижную энергетическую систему для передачи между ними электрической энергии. Поскольку обе транспортные системы работают с постоянным током, необходимость в инверторе возникает не всегда. Заметим, что вторая подвижная энергосистема может быть как системой с топливными элементами, так и обычной электрической транспортной системой (например, без топливного элемента).

Согласно другому аспекту энергетической системой в соответствии с настоящим изобретением может быть также и транспортная система, не использующая топливные элементы. Например, в подвижной транспортной энергосистеме в соответствии с настоящим изобретением могут использоваться энергетические установки традиционного типа, такие как двигатель, использующий сгорание топлива, электрогенератор, батарея, паровая или газовая турбины или генераторы, а также установки, использующие другие виды энергии, например солнечную энергию. Генератор преобразует механическую энергию двигателя, использующего сгорание топлива, в электрическую энергию для использования на борту, для снабжения внешних потребителей и/или аккумулирования в батарее. Если транспортная система соединена с внешней станцией, энергетическая установка отдает электроэнергию внешней станции для ее использования внешними потребителями и, как вариант, получает топливо от внешней станции. Двигателем, в котором используется сгорание топлива, может быть двигатель внутреннего сгорания, например дизельный или бензиновый двигатель, или двигатель с внешним сгоранием, такой как паровой двигатель или двигатель Стирлинга. В состав подвижной транспортной энергосистемы может входить электромотор для приведения в движение транспортной системы, например, как в дизель-электрическом двигателе поезда, либо двигатель со сгоранием топлива может непосредственно приводить в движение энергетическую систему, как в обычных автомобилях.

Упомянутые выше и другие задачи, особенности и преимущества изобретения станут очевидными из нижеследующего описания и прилагаемых чертежей, на которых одинаковые цифровые обозначения относятся к одним и тем же частям на разных видах. Чертежи иллюстрируют принципы изобретения и, хотя и не в масштабе, показывают относительные размеры.

Перечень фигур чертежей
Фиг. 1 содержит блок-схему системы энергоснабжения в соответствии с изобретением, представляющую транспортную систему, содержащую бортовую энергетическую установку на топливном элементе и внешнюю станцию для подключения к транспортной системе.

Фиг. 2 содержит блок-схему другого варианта системы энергоснабжения, содержащей бортовое средство реформинга топлива, в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 3 содержит блок-схему еще одного варианта системы электроснабжения, в котором в состав внешней станции входят средство реформинга топлива и бак для хранения топлива.

Фиг. 4 содержит изображение соединительной панели внешней станции, предназначенной для быстрого подсоединения силового кабеля и топливного трубопровода к подвижной транспортной энергосистеме с топливными элементами.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
На фиг. 1 показана блок-схема системы энергоснабжения в соответствии с настоящим изобретением, представляющая электрическую транспортную систему 2 и внешнюю силовую станцию 4. Транспортная энергосистема включает узел 10 топливного элемента, который электрически соединен с аккумуляторной батареей 8. Батарея 8 соединена с движущим средством, например электромотором 6, который приводит в движение привод 3 трансмиссии транспортной системы. В узел 10 топливного элемента поступает топливо, например природный газ, из средства хранения топлива, например топливного бака 14. В узле 10 топливного элемента посредством известного электрохимического процесса топливо преобразуется в электрический ток, которым заряжается батарея 8. Между узлом 10 топливного элемента и батареей 8 установлен регулятор 12 напряжения. Описанная схема известна специалистам в области автотранспортных средств вообще и автотранспортных средств с электрическим приводом в частности.

Показанный узел 10 топливного элемента не обязательно непосредственно питает электромотор 6. Напротив, энергия для транспортной системы получается за счет совместного действия узла 10 топливного элемента, батареи 8 и электромотора 6. Узел 10 топливного элемента при его непрерывной работе может использоваться для зарядки бортовой батареи 8. Батарея 8 обычно работает в режиме переменных нагрузок в зависимости от рельефа местности, скорости движения и т. д. Узел 10 топливного элемента электрически соединен с регулятором 12 напряжения, который, в свою очередь, электрически соединен с батареей 8 для передачи зарядного электрического тока от узла 10 топливного элемента к батарее 8.

Узел 10 топливного элемента может содержать, например, топливный элемент с твердым оксидом. Топливный элемент с твердым оксидом представляет собой электрохимический конвертер (преобразователь) с электролитом - твердым оксидом. Такие конвертеры обладают высокой эффективностью, зависящей только от свободной энергии и энтальпии электрохимической реакции. Топливный элемент с твердым оксидом описан в Патенте США 4.614.628, выданном 30 сентября 1986 г. на имя Хсу и др., на который здесь приводится ссылка.

Как вариант, на борту транспортной системы 2 может быть размещена энергетическая установка 10 на топливных элементах, которые в качестве топлива используют водород, или на топливных элементах, которые осуществляют внутренний реформинг топлива и могут использовать углеводородное топливо. Другие известные типы подходящих топливных элементов включают топливные элементы с расплавом карбонатов, с фосфорной кислотой, со щелочью и мембранные топливные элементы с обменом протонов. Дополнительные детали, касающиеся электрических транспортных систем и пригодных для установки на них топливных элементов, можно найти в Патенте США 5.332.630, выданном 26 июля 1994 г. на имя Хсу, на который здесь приводится ссылка.

На фиг.1 показано, что внешняя станция 4 содержит топливный трубопровод 16 для подвода топлива от источника топлива (не показан) к транспортной системе 2 и силовой кабель 18 для приема и передачи электрической энергии, вырабатываемой топливным элементом 10, для непосредственного использования в жилом доме или других коммунальных нужд или в сети электроснабжения. Счетчик 20 топлива измеряет количество топлива, полученного от внешней станции 4 в топливный бак 14 транспортной системы 2. Средство измерения количества энергии, например электрический счетчик 22, измеряет количество электроэнергии, выработанной транспортной системой для внешнего потребления.

В состав станции 4 могут также входить инвертирующие средства преобразования электрической энергии, например инвертор для преобразования постоянного электрического тока, обычно вырабатываемой топливным элементом 10, в однофазный или, если необходимо, многофазный ток, обычно используемый в сети электроснабжения.

Передача электроэнергии и топлива между транспортной системой 2 и внешней станцией 4 производится соответственно с помощью средств соединения, например силового кабеля 28, и средств подачи топлива, например шланга 30. Силовой кабель 28 и топливный трубопровод 30 соединяют транспортную систему 2 и внешнюю станцию 4 через соединительную панель 32 транспортной системы и через соединительную панель 26 внешней станции. Соединительная панель 26 внешней станции 4 и соединительная панель 32 транспортной системы 2 каждая содержат по две секции - топливную секцию для присоединения топливного трубопровода 30 и электрическую секцию для присоединения электрического силового кабеля 28, как это подробно показано при описании фиг.4. Топливная секция (27 на фиг.4) внешней соединительной панели 26 отделена от электрической секции (29 на фиг.4) для предотвращения опасности взрыва из-за попадания на топливо случайной искры. Соединительная панель 32 транспортной системы 4 аналогична соединительной панели 26 внешней станции, изображенной на фиг.4.

Силовой кабель 34 электрически соединяет электрическую часть соединительной панели 32 транспортной системы с топливным элементом 10; топливная секция соединительной панели 32 соединена с топливным баком 14 топливным трубопроводом 36. Аналогичным образом соединительный щиток 26 внешней станции соединен с силовым кабелем 18 и топливным трубопроводом 16.

Желательно, чтобы трубопровод 30 и кабель 28 были быстроразъемными с тем, чтобы водитель электрической транспортной системы, поставив машину на стоянку, мог просто и быстро соединить соединительный щиток 32 транспортной системы с соединительной панелью 26 внешней станции. Известно много типов и вариантов конструкций кабелей 28 и трубопроводов 30. Например, кабель 28 и трубопровод 30 могут с каждого конца иметь штыревые разъемы, а соединительные панели 26 и 32 могут быть оборудованы ответными гнездовыми разъемами. Либо, как вариант, кабель 28 и трубопровод 30 могут быть постоянно подсоединены одним концом к соединительной панели 26 или 32 и присоединяться с помощью разъемов к другой соединительной панели. Возможно множество вариантов, что очевидно для любого специалиста среднего уровня. Обычно, однако, электрический силовой кабель не имеет штыревых разъемов на конце, поскольку это создает опасность поражения пользователя электрическим током. Более подробно описание соединения соединительной панели 26 внешней станции и соединительной панели 32 транспортной системы приведено ниже.

На фиг. 2 приведена блок-схема системы энергоснабжения, содержащей бортовое средство 40 реформинга топлива, включенное между топливным баком 14 и топливным элементом 10. Средство реформинга из углеводородного топлива вырабатывает топливо, содержащее водород или обогащенное водородом, которым питается топливный элемент. Последовательно со средством 40 реформинга топлива может быть включен конвертер топлива (не показан) для улучшения процесса образования топлива, богатого водородом. Обычно конвертер топлива заполнен катализатором конверсии, которая преобразует находящуюся в потоке топлива моноокись углерода в двуокись углерода, повышая содержание водорода в топливной смеси. Удаление моноокиси углерода из потока топлива необходимо, чтобы предотвратить отравление моноокисью углерода некоторых топливных элементов. Таким образом, топливная смесь на выходе конвертера топлива имеет повышенное содержание углекислого газа и водорода.

Дополнительный соединительный трубопровод 42 может быть включен между соединительной панелью 32 транспортной системы и панелью 26 внешней станции для подачи соответствующего реагента (например, воды) к средству 40 реформинга топлива для улучшения процесса реформинга. В одном из вариантов осуществления изобретения трубопровод 44 подводит воду к соединительной панели 26 внешней станции, а трубопровод 46 передает воду от соединительной панели 32 транспортной системы к средству 40 реформинга топлива. Топливные трубопроводы 16 и 30 подводят углеводородное топливо к средству 40 реформинга для его обогащения.

На фиг.3 представлена блок-схема другого варианта осуществления системы энергоснабжения, в которой в состав внешней станции 4 входит средство 50 реформинга топлива и, при желании, вторые средства хранения топлива, содержащего водород, например бак 52 хранения топлива. На внешнюю станцию 4 углеводородное топливо подается по топливному трубопроводу 16. Средство 50 реформинга топлива преобразует углеводородное топливо, поступающее по топливному трубопроводу 16, в водородосодержащее топливо, которое запасается в топливном баке 52 и/или подается на подвижную транспортную энергосистему с топливными элементами для использования топливными элементами 10. В состав внешней станции может также входить и конвертер топлива (не показан) для повышения содержания водорода в топливе, подвергшемся реформингу в средстве 50. Топливо, обогащенное в конвертере водородом, затем может храниться в топливном баке 52 или направляться в подвижную транспортную энергосистему 2 с топливным элементом. Внешняя станция 4 может также иметь в своем составе средства подвода воды и обеспечения водой упомянутого средства реформинга топлива, например трубопровод 47 для подвода воды от источника воды (не показан) к средству реформинга топлива для использования в процессе реформинга. В показанных на фиг. 2 и фиг.3 системах для предотвращения замерзания используемой в реформинге воды могут применяться термоэлектрические или другие средства.

Как указывалось ранее, энергетическая система в соответствии с настоящим изобретением может иметь в своем составе оборудование для деионизации и фильтрации водного реагента, а также для десульфаризации углеводородного топлива.

На фиг. 4 показан пример конструкции соединительной панели 32 транспортной энергетической установки или панели 26 внешней станции в соответствии с настоящим изобретением. Очевидно, что возможны и другие варианты исполнения соединительных панелей 26 и 32, которые обеспечат соединение транспортной системы 2 и внешней станции 4. Поэтому вариант осуществления, показанный на чертеже на фиг.4, является только примером и не ограничивает области притязаний изобретения.

Например, панели 26 и 32, показанные на фиг.4, могут иметь две отдельные секции - секцию 27 для газа и воды и секцию 29 для электрического соединения. К секции 27 для газа и воды подключен шланг 30 подвода газа, оборудованный быстросъемным разъемом. Каждый конец шланга 30 снабжен 1-дюймовым гнездовым разъемом, таким как разъем 54. Показанный на фиг.4 пунктиром конец шланга 30 с гнездовым разъемом 54а соединяется с ответным штыревым разъемом с автоматической фиксацией (не показан), размещенным на соединительной панели 27 внутри защитного кожуха 61. Также используется топливный запорный клапан 56. Аналогично на шланге 42 подачи воды применяются четверть-дюймовые быстросъемные гнездовые разъемы 58 и 58а с автоматической фиксацией и запорный клапан 60. В электрической секции 29 установлен электрический выключатель 62, который может представлять собой однопозиционный защитный трехфазный рубильник для электрического соединения внешней станции и, например, местной коммунальной сети электроснабжения. Электрический силовой кабель 28 с обоих концов имеет два гнездовых разъема, такие как разъем 53. Электрический разъем 53 стыкуется со штыревым разъемом на панель 32 (не показан) транспортной системы 2. Другой конец электрического кабеля 28 с разъемом 53а, показанный пунктиром, соединяется со штыревым разъемом (не показан) электрической соединительной панели 29 и расположен внутри кожуха 63, как это будет описано ниже.

Гибкие соединительные шланги и кабели, такие как шланги и кабели 28, 30 и 42 для соединения соединительных панелей 26 и 32, могут быть объединены в жгут. Обычно длина шлангов 28, 30 и 42 составляет от 1,5 до 15 м (от 5 до 50 футов). С другой стороны, на обоих концах шлангов и кабелей могут быть установлены быстросъемные штыревые разъемы, а соответствующие им ответные гнездовые разъемы с автоматической фиксацией устанавливаются в этом случае на соединительных панелях 32 транспортной системы и 26 внешней станции.

Обычно секции 27 и 29 унифицированы. Секции 27 и 29 в соответствии с настоящим изобретением могут содержать защитные кожухи, такие как кожух 61 для размещения секции 27 газа и воды и кожух 63 для размещения секции электрической панели 29. Под кожухом 63 электрической секции может устанавливаться, кроме выключателя 62, и другое электрооборудование, например реле отключения (не показано). Электрические и газовые разъемы располагаются в разных кожухах во избежание возгорания газа от искрения электрических контактов. Обычно кожухи 61 и 63 панелей снабжены отверстиями для крепления к стене. Желательно, чтобы кожухи запирались. Кожухи 61 и 63 имеют стеклянные окна 57, которые могут быть разбиты в случае аварии ударным элементом, таким как один из молотков 59, для обеспечения доступа к газовому клапану 56, водяному клапану 60 и выключателю 62. Соединительные панели 26 и 32 могут быть оборудованы для обеспечения связи, например, иметь телефонную розетку (не показана) для передачи информации в удаленные места, как это будет подробно описано ниже.

Внешняя станция 4, показанная на фиг.1- 4, может дополнительно включать, по крайней мере, одну линию связи, например телефонную линию, и необходимое для связи оборудование и программное обеспечение, например компьютер с модемом для мониторинга состояния внешней станции 4. Информация, передаваемая по линии связи на центральный пункт или в какое-либо другое место, может включать данные о состоянии безопасности внешней станции 4 (например, не подверглась ли станция повреждению в результате нападения или стала неработоспособной по другой причине). Передаваемая информация может также включать данные о количестве топлива, поступившего на каждую транспортную систему в отдельности на основании измерений счетчика топлива, и электроэнергии, полученной внешними потребителями, измеренной счетчиком электроэнергии. С подключенной к внешней станции 4 транспортной системой может устанавливаться линия связи, при этом станцией производится идентификация транспортной системы для организации учета. В результате контроль работы станции 4 может проводиться таким образом, что учет потребленного топлива и выработанной электроэнергии будет сделан отдельно для каждой транспортной системы. Автоматически в кредитной карточке владельца или пользователя транспортной системы могут быть сделаны начисления или списания средств.

Любой средний специалист, знакомый с настоящим описанием, сможет вместо телефонной линии предложить другие способы связи. Другие подходящие формы связи включают связь с использованием электропроводных проводов, оптического волокна, коаксиальных кабелей, а также связь с использованием распространения электромагнитной энергии в свободном пространстве - радиоволн, СВЧ-волн и инфракрасного излучения. В линиях связи может использоваться, например, связь через спутники или наземные стационарные и/или подвижные приемники. Эти способы связи хорошо известны и часто используются специалистами в области связи для передачи сигналов и могут считаться попадающими в область притязаний настоящего изобретения.

Более конкретным примером использования линии связи в настоящем изобретении может служить устойчивая к атмосферным воздействиям коробка, прикрепленная к боковой стенке одного из кожухов 61 или 63, закрывающих соединительную панель 26. В коробке установлен приемопередатчик и антенна, ориентация которой обеспечивает надежную связь с удаленными передатчиком или приемником. Устойчивая к атмосферным воздействиям коробка может состоять из двух стыкующихся частей - основной части и крышки. Плата с печатной схемой приемопередатчика и антенной устанавливается в основной части. Средство может иметь приспособления для крепления, позволяющие менять положение печатной платы, а значит и ориентацию антенны для достижения максимальной дальности передачи и/или приема. Крышка представляет собой обтекатель антенны, то есть она не препятствует прохождению радиоволн на частотах или частоте, используемых приемопередатчиком.

Каждая внешняя станция 4 может также служить станцией дозаправки для электрических транспортных систем с топливными элементами, использующими несколько видов топлива.

Многие виды топливных элементов, пригодных для использования в настоящем изобретении, для того, чтобы обеспечивать высокие эксплуатационные характеристики и КПД при вырабатывании электроэнергии, должны иметь высокую внутреннюю температуру. Обычно в процессе работы топливный элемент выделяет много тепла и в конструкцию элемента вводится циркулирующая жидкость, иногда в сочетании с передвижным экраном, отражающим тепло, как было показано в Патенте США N² 5.332.630, выданном 26 июля 1994 г. на имя Хсу, на который здесь приводится ссылка. Однако при пуске энергосистемы с топливным элементом топливный элемент может потребовать разогрева. В соответствии с этим внешняя станция 4 может иметь приспособления для предварительного разогрева бортового топливного элемента 10. Например, инвертор 24 может быть использован для выпрямления переменного тока, получаемого из коммунальной электросети. Энергия выпрямленного тока может подводиться к топливному элементу 10 для разогрева или "пуска" топливного элемента. Внешняя станция 4 может быть также оборудована отключающим реле, которое отключает сеть от топливного элемента 10, как только его температура достигнет или приблизится к рабочему уровню и топливный элемент 10 сможет вырабатывать электроэнергию. Реле также подключает кабель 32 к инвертору 24 и топливный элемент 10 сможет выдавать электроэнергию в сеть. В том случае, если внешняя станция обслуживает не коммунальную энергосеть, а отдельного потребителя, в ее состав может быть включен вспомогательный силовой агрегат, такой как дизельный или бензиновый генератор, для осуществления пускового разогрева топливного элемента 10.

Предварительный разогрев топливного элемента 10 может быть также выполнен путем прокачки нагретой жидкости через систему охлаждения топливного элемента 10. Для нагрева жидкости и ее подведения к системе охлаждения топливного элемента на внешней станции 4 могут быть установлены соответствующие приспособления, а на соединительных панелях 26 и 32 предусмотрены нужные разъемы и шланги.

При соответствующей конструкции топливного элемента он может разогреваться теплом, выделяемым при сгорании топлива внутри элемента.

Таким образом, понятно, что изобретение в полной мере достигает поставленные выше цели, в том числе и очевидные из приведенного выше описания. Поскольку в описанных выше конструкциях могут быть сделаны определенные изменения, не выходящие за рамки притязаний изобретения, следует иметь в виду, что все изложенное в описании и показанное на приложенных чертежах должно восприниматься в качестве иллюстрации, но не в ограничительном смысле.

Также следует иметь в виду, что приведенная ниже формула изобретения охватывает все общие и частные особенности изобретения, описанные здесь, и те, которые можно подразумевать, в пределах объема изобретения.

Использование: в бортовых системах на топливных элементах для подвижных транспортных средств - поездов, морских судов, автомобилей. Технический результат заключается в обеспечении электроснабжения внешних потребителей. В системе энергоснабжения для повышения экономической эффективности различных транспортных средств используются топливные элементы для вырабатывания электроэнергии. Система энергоснабжения обеспечивает снабжение внешних потребителей электроэнергией, вырабатываемой бортовой энергетической установкой (например, топливным элементом), входящей в состав подвижной транспортной энергосистемы, например электромобиля. Использование электроэнергии внешними потребителями или вдали от подвижной системы включает передачу энергии к удаленному пункту. Для снабжения подвижной системы топливом и/или приема электроэнергии, вырабатываемой топливным элементом, предназначены внешние станции. Внешняя станция и подвижная система имеют приспособления, обеспечивающие их быстрое и простое соединение для передачи электроэнергии от топливного элемента к внешнему потребителю. 4 с. и 18 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Энергетическая система, в частности, для преобразования топлива в электроэнергию, содержащая подвижную транспортную энергосистему с топливным элементом, которая содержит аккумуляторную батарею, соединенную с движущим средством приведения в движение транспортной системы, топливный элемент преобразования топлива в электрическую энергию, соединенный с упомянутой батареей, средства хранения топлива упомянутого топливного элемента, отличающаяся тем, что она содержит внешнюю станцию, средства соединения подвижной транспортной энергосистемы с упомянутой внешней станцией и поставки ей электрической энергии от упомянутого топливного элемента, причем упомянутая внешняя станция содержит средства приема электрической энергии от упомянутой подвижной транспортной энергосистемы с топливным элементом, средства отпуска, по крайней мере, части упомянутой электрической энергии вне упомянутой подвижной транспортной энергосистемы с топливным элементом. 2. Энергетическая система по п. 1, отличающаяся тем, что упомянутая внешняя станция дополнительно содержит средства подачи топлива к упомянутой подвижной транспортной энергосистеме с топливным элементом, а упомянутая подвижная транспортная энергосистема с топливным элементом содержит средства приема топлива от упомянутой внешней станции. 3. Энергетическая система по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что упомянутое топливо включает углеводородное топливо, топливо, содержащее водород, или возобновляемое топливо. 4. Энергетическая система по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит счетчик количества топлива, установленный на упомянутой внешней станции или на упомянутой подвижной транспортной энергосистеме с топливным элементом с возможностью измерения количества топлива, прошедшего между упомянутым топливным элементом подвижной транспортной энергосистемы и упомянутой внешней станцией. 5. Энергетическая система по любому из пп. 1-4, отличающаяся тем, что упомянутая подвижная транспортная энергосистема с топливным элементом или упомянутая внешняя станция дополнительно содержит инвертирующие средства преобразования электрической энергии от упомянутого топливного элемента или поставляемой на упомянутую станцию в пригодную для использования на борту или внешним потребителем энергии. 6. Энергетическая система по любому из пп. 1-5, отличающаяся тем, что упомянутая внешняя станция или упомянутая подвижная транспортная энергосистема с топливным элементом дополнительно содержит средство измерения количества энергии, поставленной упомянутыми средствами отпуска для внешнего потребления или поставленной упомянутой транспортной системе для использования на борту. 7. Энергетическая система по любому из пп. 1-6, отличающаяся тем, что упомянутый топливный элемент выбирается из группы, содержащей топливный элемент с твердым оксидом, топливный элемент с расплавом карбоната, топливный элемент с фосфорной кислотой, щелочной топливный элемент или мембранный топливный элемент с обменом протонов. 8. Энергетическая система по любому из пп. 1-7, отличающаяся тем, что упомянутая подвижная транспортная энергосистема с топливным элементом или упомянутая внешняя станция дополнительно содержит средство реформинга топлива или конвертер топлива, выполненное с возможностью выработки содержащего водород топлива для упомянутого топливного элемента, при этом упомянутая внешняя станция при необходимости может содержать средства подвода воды и обеспечения водой упомянутого средства реформинга топлива или вторые средства хранения упомянутого содержащего водород топлива. 9. Энергетическая система по п. 1, отличающаяся тем, что упомянутая внешняя станция дополнительно содержит инвертирующие средства преобразования электрической энергии постоянного тока от упомянутой подвижной транспортной энергосистемы с топливным элементом в энергию переменного тока и средства измерения количества энергии переменного тока, поставляемой упомянутыми средствами отпуска внешним потребителям, при этом упомянутые средства отпуска выполнены с возможностью поставки переменного тока для использования вне упомянутой подвижной транспортной энергосистемы с топливным элементом. 10. Энергетическая система, содержащая подвижную транспортную энергосистему с топливными элементами преобразования топлива в электрическую энергию, отличающаяся тем, что она содержит используемую совместно с ней внешнюю станцию, средства электрического соединения, приема электрической энергии от топливного элемента и отпуска электрической энергии, вырабатываемой топливным элементом, для использования вне упомянутой подвижной транспортной энергосистемы с топливным элементом, и средства связи и передачи информации о, по крайней мере, одном из рабочих параметров бортового топливного элемента и параметров состояния внешней станции за ее пределы. 11. Энергетическая система по п. 10, отличающаяся тем, что дополнительно содержит средства подачи топлива от внешней станции к подвижной транспортной энергосистеме с топливным элементом. 12. Энергетическая система по п. 10 или 11, отличающаяся тем, что дополнительно содержит средства защиты топливных и электрических соединений, которые содержат, по крайней мере, один замкнутый кожух, внутри которого размещается топливное или электрическое соединения, причем упомянутый кожух при необходимости может содержать стеклянное окно, расположенное на одной из его стенок, и ударный элемент, расположенный на кожухе, выполненный с возможностью разбития стеклянного окна и обеспечения доступа к упомянутым соединениям. 13. Энергетическая система по любому из пп. 10-12, отличающаяся тем, что средства связи содержат, по крайней мере, одну линию связи. 14. Энергетическая система по любому из пп. 10-13, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит счетчик количества топлива, поставленного упомянутому топливному элементу подвижной транспортной энергосистемы упомянутыми средствами подачи топлива. 15. Энергетическая система по любому из пп. 10-14, отличающаяся тем, что дополнительно содержит инвертирующие средства преобразования электрической энергии постоянного тока от упомянутой подвижной транспортной энергосистемы с топливным элементом в электрическую энергию переменного тока, причем упомянутые средства электрического соединения выполнены с возможностью поставки, по крайней мере, части упомянутой электрической энергии переменного тока для использования вне упомянутой подвижной транспортной энергосистемы с топливным элементом. 16. Энергетическая система по любому из пп. 10-15, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит средства измерения количества энергии, поставленной упомянутыми средствами электрического соединения для внешнего использования. 17. Энергетическая система по п. 11, отличающаяся тем, что упомянутые средства подачи топлива или упомянутые средства электрического соединения содержат разъем присоединения к упомянутой подвижной транспортной энергосистеме с топливным элементом или отсоединения от нее. 18. Энергетическая система по любому из пп. 10-17, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит газотурбинный генератор, установленный с возможностью совместной работы с упомянутой подвижной транспортной энергосистемой с топливным элементом преобразования упомянутого топлива в электроэнергию. 19. Энергетическая система по любому из пп. 10-18, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит установку отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВКВ), установленную с возможностью совместной работы с упомянутой подвижной транспортной энергосистемой с топливным элементом преобразования упомянутого топлива в электроэнергию. 20. Энергетическая система, в частности, для преобразования топлива в электроэнергию, содержащая первую подвижную транспортную энергосистему с топливным элементом, имеющую первую аккумуляторную батарею, соединенную с топливным элементом преобразования топлива в электроэнергию, и средства хранения топлива упомянутого топливного элемента, отличающаяся тем, что она содержит вторую подвижную электрическую энергосистему и средства соединения первой подвижной транспортной энергосистемы со второй подвижной электрической энергосистемой и передачи ей электрической энергии от упомянутого топливного элемента, причем упомянутая вторая подвижная энергосистема содержит вторую аккумуляторную батарею и средства приема электрической энергии от упомянутой первой подвижной транспортной энергосистемы с топливным элементом и подзаряда упомянутой второй аккумуляторной батареи. 21. Энергетическая система, в частности, для преобразования топлива в электроэнергию, содержащая подвижную транспортную энергосистему, которая содержит аккумуляторную батарею, энергетическую установку приведения в движение транспортной системы, преобразования топлива в электрическую энергию и подзаряда упомянутой батареи, средства хранения топлива упомянутой энергетической установки, отличающаяся тем, что она содержит внешнюю станцию, средства электрического соединения подвижной транспортной энергосистемы с упомянутой внешней станцией и поставки ей электрической энергии от упомянутой энергетической установки, а упомянутая внешняя станция содержит средства приема электрической энергии от упомянутой энергетической установки подвижной транспортной энергосистемы, и средства отпуска, по крайней мере, части упомянутой электрической энергии для использования вне упомянутой подвижной транспортной энергосистемы. 22. Энергетическая система по п. 21, отличающаяся тем, что упомянутая подвижная транспортная энергосистема содержит средства приема топлива от упомянутой внешней станции, а упомянутая внешняя станция содержит средства подачи топлива к упомянутой подвижной транспортной энергосистеме.