Область применения изобретения
Настоящее изобретение в общем имеет отношение к созданию системы подачи топлива для топливных элементов и к подвижному телу (объекту). В частности, настоящее изобретение имеет отношение к созданию системы подачи топлива для топливных элементов, которая снабжает топливные элементы топливом или исходным материалом, который используют для производства топлива для топливных элементов, а также имеет отношение к созданию подвижного тела.
Предпосылки к созданию изобретения
Уже были предложены различные электромобили, в которых используют электроэнергию, полученную от топливных элементов, в качестве энергии для приведения в движение электромобиля. Для выработки электроэнергии в топливных элементах, естественно, требуется подвод топлива, такого как водород, к топливным элементам. Электромобиль одной известной конструкции содержит установленный на нем источник водорода в качестве топлива для топливных элементов. Электромобиль другой известной конструкции содержит установленный на нем источник исходного материала, такого как углеводород или углеводородное соединение, и производит преобразование исходного материала для выработки газообразного водорода, а затем подачу газообразного водорода к топливным элементам.
В качестве одного из известных устройств для производства водорода, установленного на транспортном средстве и используемого в качестве топлива для топливных элементов, используют резервуар для хранения, который содержит поглощающий водород сплав, причем водород, который поглощен поглощающим водород сплавом, используют в качестве топлива для топливных элементов (смотри, например, PATENT LAID-OPEN GAZETTE No. 2000-88196). Такая конструкция обеспечивает безопасное хранение водорода на транспортном средстве, используемом в качестве подвижного тела.
В конструкции, в которой используется поглощающий водород сплав для хранения водорода на транспортном средстве, требуется непрерывная подача водорода в резервуар для хранения, который содержит поглощающий водород сплав, чтобы обеспечить непрерывное движение транспортного средства. Само собой разумеется, что безопасность является важным фактором в ходе подвода водорода при указанных условиях. Однако в этой публикации не обсуждается подробно безопасность подачи топлива в систему с топливными элементами.
Система подачи топлива для топливных элементов и подвижное тело в соответствии с настоящим изобретением предназначены для решения проблем, присущих известным ранее устройствам, и обеспечения безопасности при подаче топлива, такого как водород или его предшественник, в систему с топливными элементами.
Краткое описание изобретения
Настоящее изобретение направлено на создание системы подачи топлива для топливных элементов, которая обеспечивает подачу топлива для топливных элементов или исходного материала, который используют для выработки топлива для топливных элементов. Первый вариант системы подачи топлива содержит: топливные элементы; модуль хранения, в котором хранится топливо или исходный материал; модуль снабжения (подачи), который соединен с модулем хранения для подачи топлива или исходного материала в модуль хранения; модуль определения рабочего состояния топливных элементов, который определяет, находятся ли топливные элементы в состоянии выработки электроэнергии; и модуль запрета снабжения, который в случае определения состояния выработки электроэнергии топливными элементами при помощи модуля определения рабочего состояния топливных элементов, запрещает начало подачи топлива или исходного материала от модуля снабжения в модуль хранения.
Система подачи топлива для топливных элементов в соответствии с настоящим изобретением содержит топливные элементы и модуль хранения, который хранит топливо для топливных элементов или исходный материал, используемый для выработки топлива для топливных элементов. Модуль снабжения соединен с модулем хранения, для того чтобы подавать топливо или исходный материал в модуль хранения. При осуществлении этого процесса определяют, находятся ли топливные элементы в состоянии выработки электроэнергии. Если установлено, что топливные элементы находятся в состоянии выработки электроэнергии, то технически запрещают начало подачи топлива или исходного материала из модуля снабжения в модуль хранения.
Настоящее изобретение также направлено на создание подвижного тела с установленными на нем топливными элементами, причем подвижное тело использует электроэнергию, выработанную топливными элементами, в качестве источника энергии для его приведения в движение. Подвижное тело содержит: модуль хранения, в котором хранится топливо для топливных элементов или исходный материал, используемый для выработки топлива для топливных элементов; модуль определения рабочего состояния топливных элементов, который определяет, находятся ли топливные элементы в состоянии выработки электроэнергии; и модуль запрета снабжения, который в случае определения состояния выработки электроэнергии топливными элементами при помощи модуля определения рабочего состояния топливных элементов запрещает начало подачи топлива или исходного материала от заданного устройства снабжения (питания), которое расположено вне подвижного тела, в модуль хранения.
Подвижное тело в соответствии с настоящим изобретением содержит модуль хранения, в котором хранится топливо для топливных элементов, которые вырабатывают электроэнергию, используемую в качестве энергии для его приведения в движение, или исходный материал, используемый для выработки топлива для топливных элементов. Определяют, находятся ли топливные элементы в состоянии выработки электроэнергии. Если установлено, что топливные элементы находятся в состоянии выработки электроэнергии, то технически запрещают начало подачи топлива или исходного материала от заданного устройства снабжения, которое расположено вне подвижного тела, в модуль хранения.
Настоящее изобретение направлено также на создание способа контроля подачи топлива, который позволяет управлять процессом подачи топлива для топливных элементов или исходного материала, используемого для выработки топлива для топливных элементов. Способ контроля подачи топлива включает в себя следующие операции: (а) определение, находятся ли топливные элементы в состоянии выработки электроэнергии; и (b) если в операции (а) установлено, что топливные элементы находятся в состоянии выработки электроэнергии, запрет начала подачи топлива или исходного материала в модуль хранения, который расположен рядом с топливными элементами и в котором хранится топливо или исходный материал.
В системе подачи топлива для топливных элементов, применяемой для подвижного тела, с использованием способа контроля подачи топлива в соответствии с настоящим изобретением, когда определяют, что топливные элементы находятся в состоянии выработки электроэнергии, то технически запрещают начала подачи топлива или исходного материала в модуль хранения. Такое построение позволяет предотвращать подачу топлива или исходного материала в ходе выработки электроэнергии топливными элементами и в результате обеспечивает безопасность выработки электроэнергии топливными элементами, а также безопасную подачу топлива или исходного материала. В частности, подача топлива, которая сопровождается соединением модуля хранения с устройством подачи топлива, не производится одновременно с выработкой электроэнергии топливными элементами. Это обеспечивает достаточную безопасность. Установление того факта, что топливные элементы находятся в состоянии выработки электроэнергии, может быть основано, например, на реальной выработке электроэнергии топливными элементами или может быть основано на вводе команды на начало работы топливных элементов.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения первый вариант системы подачи топлива для топливных элементов дополнительно содержит модуль ввода, который получает команду на начало работы топливных элементов и команду на прекращение работы топливных элементов. Модуль определения рабочего состояния топливных элементов устанавливает, находятся ли топливные элементы в состоянии выработки электроэнергии, когда поступает команда на начало работы топливных элементов в модуль ввода и когда нет последующей команды на прекращение работы топливных элементов, поступающей в модуль ввода.
В соответствии с этим вариантом осуществления настоящего изобретения подвижное тело содержит модуль ввода, который получает команду на начало работы топливных элементов и команду на прекращение работы топливных элементов. Модуль определения рабочего состояния топливных элементов определяет, находятся ли топливные элементы в состоянии выработки электроэнергии, когда поступает команда на начало работы топливных элементов в модуль ввода и когда нет последующей команды на прекращение работы топливных элементов, поступающей в модуль ввода.
Такое построение эффективно предотвращает начало подачи топлива или исходного материала после поступления команды начала работы топливных элементов, ранее получения достаточной электроэнергии с выхода топливных элементов, что повышает безопасность.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения система подачи топлива для топливных элементов дополнительно содержит модуль измерения напряжения, который производит измерение выходного напряжения топливных элементов. Модуль запрета подачи осуществляет запрет начала подачи топлива или исходного материала, когда выходное напряжение, измеренное модулем измерения напряжения, не меньше заданного уровня, при этом модуль определения рабочего состояния топливных элементов определяет, что топливные элементы находятся не в состоянии выработки электроэнергии.
В соответствии с этим вариантом осуществления настоящего изобретения подвижное тело дополнительно содержит модуль измерения напряжения, который производит измерение выходного напряжения топливных элементов. Модуль запрета подачи осуществляет запрет начала подачи топлива или исходного материала, когда выходное напряжение, измеренное модулем измерения напряжения, не меньше заданного уровня, при этом модуль определения рабочего состояния топливных элементов определяет, что топливные элементы находятся не в состоянии выработки электроэнергии.
Начало подачи топлива или исходного материала запрещают, когда выходное напряжение топливных элементов не меньше заданного уровня, даже если установлено, что топливные элементы находятся не в состоянии выработки электроэнергии. Такое построение благоприятным образом повышает безопасность. В топливных элементах, даже когда подача газообразного топлива и газообразного окислителя прекращена при вводе команды на прекращение работы топливных элементов, электрохимические реакции протекают до полного поглощения существующих запасов газов в топливных элементах. Когда установлено, что топливные элементы не находятся в состоянии выработки электроэнергии, то при поступлении команды на прекращение работы топливных элементов устройство запрещает начало подачи топлива или исходного материала в ходе протекания электрохимических реакций. Это эффективно предотвращает подачу топлива, когда вырабатывается нежелательное выходное напряжение.
Подвижное тело преимущественно дополнительно содержит: другой источник энергии, который отличается от топливных элементов и вырабатывает энергию для приведения в движение подвижного тела; и модуль запрета запуска, который определяет, следует ли производить запрет запуска другого источника энергии. Модуль запрета подачи запрещает начало подачи топлива или исходного материала в модуль хранения, когда модуль запрета запуска устанавливает, что запуск другого источника энергии не запрещен, в дополнение к тому, что модуль определения рабочего состояния топливных элементов устанавливает, что топливные элементы находятся в состоянии выработки электроэнергии.
Такое построение эффективно предотвращает начало подачи топлива, когда запуск другого источника энергии не запрещен, а именно, когда существует вероятность движения подвижного тела. Это эффективно повышает безопасность подачи топлива.
Настоящее изобретение направлено также на создание второго варианта системы подачи топлива для топливных элементов, которая обеспечивает подачу топлива для топливных элементов или исходного материала, который используют для выработки топлива для топливных элементов. Эта система подачи топлива содержит: топливные элементы; модуль хранения, в котором хранится топливо или исходный материал; модуль снабжения (подачи), который соединен с модулем хранения для подачи топлива или исходного материала в модуль хранения; модуль определения заполнения топливом, который устанавливает, поступило ли топливо или исходный материал из модуля снабжения в модуль хранения; и модуль запрета выработки электроэнергии, который в случае поступления топлива или исходного материала, что установлено при помощи модуля определения заполнения топливом, запрещает начало выработки электроэнергии в топливных элементах.
Второй вариант системы подачи топлива для топливных элементов в соответствии с настоящим изобретением содержит топливные элементы и модуль хранения, в котором хранится топливо для топливных элементов или исходный материал, используемый для выработки топлива для топливных элементов. В этой системе модуль снабжения соединен с модулем хранения для того, чтобы подавать топливо или исходный материал в модуль хранения. Устанавливают, подано ли топливо или исходный материал из модуля снабжения в модуль хранения. Когда находят, что топливо или исходный материал поданы, то технически запрещают начало выработки электроэнергии в топливных элементах.
Настоящее изобретение также направлено на создание второго варианта подвижного тела с топливными элементами, установленными на нем, причем указанное подвижное тело использует электроэнергию, выработанную при помощи топливных элементов, в качестве источника энергии для приведения в движение. Второй вариант подвижного тела содержит: модуль хранения, в котором хранится топливо для топливных элементов или исходный материал, используемый для выработки топлива для топливных элементов; модуль определения заполнения топливом, который устанавливает, поступило ли топливо или исходный материал от заданного модуля снабжения, который расположен вне подвижного тела и предназначен для подачи топлива или исходного материала в модуль хранения; и модуль запрета выработки электроэнергии, который в случае поступления топлива или исходного материала, что установлено при помощи модуля определения заполнения топливом, запрещает начало выработки электроэнергии в топливных элементах.
Подвижное тело в соответствии со вторым вариантом содержит модуль хранения, в котором хранится топливо для топливных элементов, которые вырабатывают электроэнергию в качестве энергии для приведения в движение подвижного тела, или исходный материал, используемый для выработки топлива для топливных элементов. Устанавливают, поступает ли топливо или исходный материал из заданного модуля снабжения, который расположен вне подвижного тела и предназначен для подачи топлива или исходного материала в модуль хранения. Когда находят, что топливо или исходный материал поданы, то технически запрещают начало выработки электроэнергии в топливных элементах.
Настоящее изобретение также направлено на создание способа управления работой топливных элементов. Этот способ управления работой включает в себя следующие операции: (а) определение, подано ли топливо для топливных элементов или исходный материал, используемый для выработки топлива для топливных элементов, в модуль хранения, который расположен рядом с топливными элементами и служит для хранения топлива или исходного материала; и (b) когда в операции (а) установлено, что топливо или исходный материал поданы, то запрет выработки электроэнергии в топливных элементах.
Во втором варианте системы подачи топлива для топливных элементов, применяемой для второго варианта подвижного тела, с использованием способа управления работой в соответствии с настоящим изобретением, когда определяют, что топливо или исходный материал поданы в модуль хранения, то технически запрещают начало выработки электроэнергии в топливных элементах. Такое построение благоприятным образом предотвращает работу топливных элементов в ходе подачи топлива или исходного материала и за счет этого обеспечивает безопасность при подаче топлива или исходного материала. В частности, подача топлива, которая сопровождается соединением модуля хранения с устройством подачи топлива, не производится одновременно с выработкой электроэнергии топливными элементами. Это обеспечивает достаточную безопасность. Определение того факта, подано ли топливо или исходный материал, может быть основано, например, на действительной подаче топлива или исходного материала в модуль хранения, или может быть основано на вводе заданной команды, которую подают ранее начала подачи топлива или исходного материала.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения подвижное тело во втором варианте выполнения дополнительно содержит модуль запрета движения, который запрещает движение подвижного тела, когда модуль заполнения топливом определяет, что топливо или исходный материал были поданы.
Такое построение эффективно предотвращает движение подвижного тела в ходе подачи топлива или исходного материала, в результате чего повышается безопасность при подаче топлива.
В первой и второй системах подачи топлива для топливных элементов в соответствии с настоящим изобретением модуль хранения может хранить водород в качестве топлива для топливных элементов, причем он содержит поглощающий водород сплав для хранения водорода.
В первом и втором подвижных телах в соответствии с настоящим изобретением модуль хранения может хранить водород в качестве топлива для топливных элементов, причем он содержит поглощающий водород сплав для хранения водорода.
В первой и второй системах подачи топлива для топливных элементов в соответствии с настоящим изобретением топливные элементы и модуль хранения могут быть установлены на подвижном теле, которое использует электроэнергию, выработанную при помощи топливных элементов в качестве энергии для приведения в движение.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показана общая структурная схема электромобиля 10.
На фиг.2 показано сечение единичного топливного элемента 38.
На фиг.3 показан электромобиль 10 и внешнее устройство для подачи водорода 10.
На фиг.4 показана конструкция розеточной (приемной) части соединителя 40.
На фиг.5 показана конструкция основной части устройства для подачи водорода 80.
На фиг.6 показана блок-схема стандартной программы подачи топлива.
На фиг.7 показана блок-схема стандартной программы включения (запуска) топливных элементов.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения
Для лучшего понимания конструкции и функций, выполняемых в соответствии с настоящим изобретением, далее описан один из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения в указанной последовательности:
1. Общая конструкция электромобиля.
2. Структура, связанная с подачей водорода.
3. Управление процессом подачи водорода.
4. Другие конструкции электромобиля.
(1) Общая конструкция электромобиля
Конструкция электромобиля описана сначала в качестве одного из вариантов осуществления настоящего изобретения. На фиг.1 показана общая конструкция электромобиля 10 в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения. Электромобиль 10 имеет топливный бак 20, батарею топливных элементов 30, розеточную часть соединителя 40, а также контроллер 50, в дополнение к известной конструкции транспортного средства, содержащей двигатель 70. Далее описаны соответствующие узлы электромобиля 10.
Топливный бак 20 служит для хранения подаваемого снаружи газообразного водорода, и из него газообразный водород поступает на батарею топливных элементов 30 в зависимости от потребности. Топливный бак 20 содержит гидрид твердого металла или поглощающий водород сплав, который абсорбирует водород для обеспечения его хранения. Поглощающие водород сплавы имеют различный вес, различные емкости хранения водорода создают различные количества теплоты, производимой в ходе поглощения, требуют различных количеств теплоты для освобождения водорода и различных давлений для управления ими. Поглощающие водород сплавы, которые обладают способностью хранения и освобождения водорода при относительно низких температурах (не выше 100°С) и при относительно низких давлениях (не выше 10 кг/см2), например сплавы титана и редкоземельных металлов, являются предпочтительными для применения в электромобиле 10.
Топливный бак 20 соединен с трубопроводом впуска газообразного водорода 47, через который газообразный водород поступает в топливный бак 20, и с трубопроводом подачи топлива 22, через который газообразный водород, отобранный из поглощающего водород сплава в топливном баке 20, поступает на батарею топливных элементов 30. Далее описано, что электромобиль 10 получает газообразный водород от заданного внешнего устройства для подачи водорода. Газообразный водород, поступающий из указанного устройства для подачи водорода, направляется в топливный бак 20 через розеточную часть соединителя 40 и через трубопровод впуска газообразного водорода 47, и абсорбируется поглощающим водород сплавом для хранения в топливном баке 20. Газообразный водород, освобожденный из поглощающего водород сплава в топливном баке 20, подается в виде топливного газа на батарею топливных элементов 30 через трубопровод подачи топлива 22.
Трубопровод подачи топлива 22 снабжен вентилем 22А. Вентиль 22А связан с контроллером 50, который управляет включением и выключением вентиля 22А. За счет управления включением и выключением вентиля 22А регулируют количество топливного газа, поступающего на батарею топливных элементов 30, за счет чего управляют количеством электроэнергии, выработанной батареей топливных элементов 30.
Увлажнитель 66 расположен в трубопроводе подачи топлива 22 и служит для увлажнения топливного газа, проходящего через трубопровод подачи топлива 22. Увлажнение топливного газа при помощи увлажнителя 66 предотвращает высыхание полимерной электролитической мембраны, которая содержится в топливных элементах. Увлажнитель 66 в соответствии с данным вариантом содержит пористую мембрану для увлажнения топливного газа. Пористая мембрана отделяет топливный газ, поступающий из топливного бака 20, от горячей воды под заданным давлением таким образом, что заданное количество водяного пара от горячей воды поступает в топливный газ через пористую мембрану. Горячей водой, которую используют для увлажнения, может быть, например, нагретая вода охлаждения батареи топливных элементов 30. Батарея топливных элементов 30 данного варианта содержит полимерные электролитические топливные элементы, что обсуждается далее более подробно. Для поддержания рабочей температуры в желательном диапазоне температур от 80 до 100°С вокруг топливных элементов 30 циркулирует вода охлаждения. Нагретая в батарее топливных элементов 30 вода может быть использована для увлажнения топливного газа.
Поглощающий водород сплав, заключенный в топливном баке 20, поглощает водород для обеспечения хранения водорода в топливном баке 20. Процесс абсорбции водорода является экзотермическим. Поэтому топливный бак 20 снабжен модулем теплообмена 26, который отводит теплоту, получаемую в процессе хранения водорода. Модуль теплообмена 26 образован трубопроводом охлаждающей воды 45, через который циркулирует охлаждающая вода. Трубопровод охлаждающей воды 45 имеет открытый конец в розеточной части соединителя 40, причем указанный открытый конец трубопровода охлаждающей воды 45 образует соединение для протекания воды 42 в розеточной части соединителя 40. Трубопровод охлаждающей воды 45 после прохождения через модуль теплообмена 26 топливного бака 20 переходит в трубопровод охлаждающей воды 43. Трубопровод охлаждающей воды 43 образует соединение для протекания воды 44 в розеточной части соединителя 40. В процессе абсорбции водорода поглощающим водород сплавом в топливном баке 20, поток охлаждающей воды поступает в модуль теплообмена 26 через соединение для протекания воды 42 и производит теплообмен с поглощающим водород сплавом, который нагревается в процессе абсорбции водорода. Нагретая охлаждающая вода отводится через соединение для протекания воды 44. Отвод теплоты из топливного бака 20, производимый указанным образом, ускоряет процесс абсорбции водорода и предотвращает нагревание топливного бака 20 до нежелательного уровня.
В электромобиле 10 трубопроводы охлаждающей воды 45 и 43 в определенных местах разветвляются. Отводы идут в батарею топливных элементов 30 и образуют при соединении друг с другом модуль теплообмена 39 в батарее топливных элементов 30. Направляющие гидрораспределители предусмотрены в местах отводов трубопроводов охлаждающей воды 45 и 43, подключенных к модулю теплообмена 39. Направляющий гидрораспределитель 42А установлен в отводе трубопровода охлаждающей воды 45, а направляющий гидрораспределитель 44А установлен в отводе трубопровода охлаждающей воды 43. Эти направляющие гидрораспределители 42А и 44А подключены к контроллеру 50, от которого поступают сигналы управления на их открывание и закрывание. В ходе подачи водорода от внешнего устройства для подачи водорода, которое соединяют при помощи розеточной части соединителя 40 с топливным баком 20, направляющие гидрораспределители 42А и 44А закрывают путь протекания в модуль теплообмена 39, при этом поток охлаждающей воды циркулирует между внешним устройством для подачи водорода и модулем теплообмена 26.
Когда электромобиль 10 движется при помощи водорода из топливного бака 20, подают команду на изменение состояния направляющих гидрораспределителей 42А и 44А, которые открывают путь протекания охлаждающей воды в модуль теплообмена 39 и связывают его с модулем теплообмена 26. В этом случае поток охлаждающей воды циркулирует между модулем теплообмена 26 топливного бака 20 и модулем теплообмена 39 батареи топливных элементов 30. Электромобиль 10 в соответствии с этим вариантом позволяет отбирать водород из поглощающего водород сплава за счет использования теплоты, полученной в батарее топливных элементов 30. В процессе выработки электроэнергии батареей топливных элементов 30 та часть энергии, которая не преобразуется в электроэнергию, выделяется в виде теплоты. Поток охлаждающей воды, протекающий через модуль теплообмена 39, производит теплообмен с батареей топливных элементов 30, так что вода нагревается и позволяет поддерживать рабочую температуру батареи топливных элементов 30 в диапазоне температур от 80 до 100°С. Для отбора водорода, абсорбированного поглощающим водород сплавом в топливном баке 20, требуется подвод теплоты. В данном варианте охлаждающая вода, нагретая в модуле теплообмена 39, поступает в модуль теплообмена 26. Это вносит требующуюся теплоту в топливный бак 20 и позволяет освобождать водород из поглощающего водород сплава, при этом происходит охлаждение потока охлаждающей воды, протекающего через модуль теплообмена 26. Циркуляция охлаждающей воды между модулем теплообмена 39 и модулем теплообмена 26 позволяет использовать теплоту, полученную в батарее топливных элементов 30, в топливном баке 20.
Насос 29 установлен в трубопроводе охлаждающей воды 45. Насос 29 под управлением контроллера 50 производит циркуляцию потока охлаждающей воды в трубопроводе охлаждающей воды 45 и в соединенных с ним отводах. В данной конструкции поток охлаждающей воды циркулирует в трубопроводе охлаждающей воды 45 и производит охлаждение топливного бака 20 в процессе абсорбции водорода поглощающим водород сплавом. Отметим, что охлаждение топливного бака 20 может осуществляться и при помощи другой жидкости или газа, а также за счет воздушного охлаждения.
В электромобиле 10 в соответствии с этим вариантом топливный бак 20 содержит нагревательный блок 25. Нагревательный блок 25 используют для подогрева топливного бака 20. Как уже было упомянуто здесь ранее, в электромобиле 10 теплоту, выделяющуюся в батарее топливных элементов 30, используют для освобождения водорода, хранящегося в поглощающем водород сплаве в топливном баке 20. Нагревательный блок 25 служит для подогрева топливного бака 20 при недостаточном поступлении теплоты от батареи топливных элементов 30 с потоком нагретой охлаждающей воды или в случае необходимости подогрева топливного бака 20, когда батарея топливных элементов 30 еще не нагрелась в достаточной степени, например, во время запуска электромобиля 10. Нагревательный блок 25 представляет собой, например, электронагреватель, который производит нагрев при помощи электроэнергии, поступающей от вторичной батареи, установленной на электромобиле, что обсуждается далее более подробно. Нагревательный блок 25 подключен к контроллеру 50. Контроллер 50 управляет нагревом нагревательного блока 25, который в результате производит требуемое количество теплоты, необходимое для отбора желательного количества водорода. Нагревательный блок 25 может также использовать реакцию горения для получения теплоты. В этом случае водород, отбираемый из топливного бака 20, или топливный газ, выделяемый батареей топливных элементов 30, что обсуждается далее более подробно, может быть использован в качестве топлива для сжигания.
Топливный бак 20 дополнительно снабжен монитором остающегося количества водорода 27, который подсчитывает количество водорода, поданного из топливного бака 20 на батарею топливных элементов 30, и регистрирует время подачи. Контроллер 50 подсчитывает остающееся количество водорода в топливном баке 20 на основании результатов подсчета, полученных при помощи монитора 27. Количество водорода, поданного из топливного бака 20 на батарею топливных элементов 30, может быть получено в результате прямого измерения потока газообразного водорода, проходящего через трубопровод подачи топлива 22, или за счет косвенной оценки с выхода батареи топливных элементов 30. Когда находят, что оставшееся в топливном баке 20 количество водорода равно заданному уровню или меньше его, то по сигналу от монитора остающегося количества водорода 27 контроллер 50 подает сигнал на блок тревожной сигнализации для предупреждения пользователя транспортного средства. Информация о малом количестве остающегося водорода побуждает пользователя произвести заправку водородом.
Топливный бак 20 также снабжен монитором контроля заполнения водородом 28, который выполнен в виде датчика давления и обнаруживает абсорбцию достаточного количества водорода поглощающим водород сплавом в топливном баке 20. Во время заполнения водородом, а именно в процессе абсорбции водорода поглощающим водород сплавом, внутреннее пространство топливного бака 20 заполнено поданным снаружи водородом, имеющим заданное повышенное давление. Внутреннее давление в топливном баке 20 повышается по мере абсорбции поглощающим водород сплавом достаточного количества водорода, при этом степень абсорбции водорода снижается. Датчик давления, установленный в топливном баке 20, обнаруживает повышение внутреннего давления, которое свидетельствует о том, что поглощающий водород сплав заполнен достаточным количеством водорода. Монитор контроля заполнения водородом 28 соединен с контроллером 50, который получает сигнал о завершении операции заполнения водородом.
Топливные элементы 30 представляют собой полимерные электролитические топливные элементы, которые объединены в батарею, содержащую множество единичных элементов 38, установленных друг на друге. В батарее топливных элементов 30 к аноду подводят топливный газ, в то время как к катоду подводят газообразный окислитель, который содержит кислород. За счет приведенных ниже электрохимических реакций получают электродвижущую силу (эдс).
Уравнение (1), уравнение (2) и уравнение (3) соответственно описывают реакцию у анода топливных элементов, реакцию у катода топливных элементов, и полную реакцию в топливных элементах. На фиг.2 показано сечение единичного топливного элемента 38, который является конструктивным элементом батареи топливных элементов 30. Единичный элемент 38 содержит электролитическую мембрану 31, анод 32, катод 33 и два сепаратора 34 и 35.
Анод 32 и катод 33 представляют собой электроды газовой диффузии, которые установлены с разных сторон электролитической мембраны 31 и образуют вместе с ней многослойную структуру. Сепараторы 34 и 35 установлены с двух сторон указанной многослойной структуры и при соединении с анодом 32 и катодом 33 образуют каналы протекания топливного газа и газообразного окислителя. Канал протекания топливного газа 34Р ограничен анодом 32 и сепаратором 34, в то время как канал протекания газообразного окислителя 35Р ограничен катодом 33 и сепаратором 35. Каждый из сепараторов 34 и 35 имеет ребра на обеих сторонах, в то время как канал протекания образован только на одной стороне, как это показано на фиг.2. В действительности одна сторона каждого сепаратора 34 или 35 соединена с анодом 32 для образования канала протекания топливного газа 34Р, в то время как другая сторона каждого сепаратора 34 или 35 соединена с катодом 33 для образования канала протекания газообразного окислителя 35Р. Сепараторы 34 и 35 объединены со смежными электродами газовой диффузии для образования каналов протекания газа, в то время как они разделяют поток топливного газа от потока газообразного окислителя в каждой паре смежных единичных элементов.
Электролитическая мембрана 31 представляет собой пропускающую протоны ионообменную мембрану, образованную из твердого полимерного материала, например из фторполимера, которая имеет хорошую электропроводность во влажном состоянии. В этом варианте в качестве электролитической мембраны 31 использована мембрана типа Nafion (производства фирмы du Pont). На поверхность электролитической мембраны 31 наносят платину или содержащий платину сплав в качестве катализатора. В этом варианте применяют следующий способ нанесения катализатора: готовят угольный порошок, который содержит платину или содержащий платину сплав, диспергируют угольный порошок, который содержит платину или содержащий платину сплав, в соответствующем органическом растворителе, добавляют подходящее количество раствора электролита (например, раствора типа Nafion, производимого фирмой Aldrich Chemical Company Inc.) в дисперсию для получения пасты, и производят трафаретную печать пасты на электролитической мембране 31. Другой приемлемый способ предусматривает образование пасты, которая содержит угольный порошок с введенным в него катализатором, на листе с последующим прижимом этого листа к электролитической мембране 31. Платиновый или другой катализатор вместо электролитической мембраны 31 может быть нанесен на анод 32 и катод 33, которые находятся в контакте с электролитической мембраной 31.
Анод 32 и катод 33 изготовлены из ткани, изготовленной из углеродных волокон. Несмотря на то что в этом варианте анод 32 и катод 33 изготовлены из углеродной ткани, анод 32 и катод 33 могут быть изготовлены из углеродной бумаги или из углеродного войлока, изготовленного из углеродных волокон.
Сепараторы 34 и 35 изготовлены из газонепроницаемого проводящего материала, например из газонепроницаемого плотного углерода, полученного за счет уплотнения углерода. Каждый из сепараторов 34 и 35 имеет множество ребер, расположенных параллельно друг другу на обеих сторонах, которые совместно с поверхностью анода 32 одного единичного элемента образуют канал протекания топливного газа 34Р, в то время как в сочетании с поверхностью катода 33 смежного единичного элемента эти ребра образуют канал протекания газообразного окислителя 35Р. Отметим, что множество ребер, образованных на обеих сторонах каждого сепаратора, не обязательно идут параллельно друг другу, а могут идти под заданным углом, например, под прямым углом друг к другу. Ребра не обязательно должны быть разделены параллельными канавками, причем канавки могут иметь любую подходящую форму для образования каналов для подачи топливного газа или газообразного окислителя к электроду газовой диффузии.
Единичный элемент 38 или базовый конструкционный элемент батареи топливных элементов 30 имеет описанную выше конструкцию. В батарее топливных элементов 30 используют множество (100 в данном варианте) единичных элементов 38, каждый из которых содержит сепаратор 34, анод 32, электролитическую мембрану 31, катод 33 и сепаратор 35, установленные в указанном порядке друг на друге с образованием слоистого блока (элемента). Пару коллекторов, изготовленных из плотного углерода или из медных пластин, присоединяют с двух сторон указанного слоистого блока, что позволяет получить законченную конструкцию. В этом варианте топливные элементы 30 представляют собой полимерные электролитические топливные элементы. Однако технические решения в соответствии с настоящим изобретением применимы также и к другим типам топливных элементов, например к топливным элементам с использованием ортофосфорной кислоты, установленным на электромобиле.
Как это показано на фиг.1, в электромобиле 10 водород, абсорбированный поглощающим водород сплавом, находящимся в топливном баке 20, отбирается из поглощающего водород сплава и подается в виде топливного газа к аноду топливных элементов 30 через трубопровод для подачи топлива 22, и затем подвергается электрохимической реакции в канале протекания топливного газа 34Р. Протон, полученный за счет реакции в соответствии с уравнением (1) на стороне анода электролитической мембраны 31, подвергается гидратации и смещается к стороне катода, причем на стороне катода происходит соответствующее поглощение воды. Как уже было упомянуто здесь ранее, увлажнение топливного газа восполняет недостаток воды в электролитической мембране 31. Топливный газ после проведения электрохимической реакции выпускается по каналу протекания топливного газа 34Р в выпускной топливный трубопровод 24. Выпускной топливный трубопровод 24 связан с трубопроводом подачи топлива 22, поэтому выпущенный топливный газ вновь подается в виде топливного газа к топливным элементам 30. Насос 68, который установлен в выпускном топливном трубопроводе 24, сжимает выпущенный топливный газ и подает сжатый выпущенный топливный газ в трубопровод подачи топлива 22.
Подачу воздуха в качестве газообразного окислителя проводят через канал протекания газообразного окислителя 35Р, с которым соединен трубопровод подачи газообразного окислителя 62. Компрессор 60, который установлен в трубопроводе подачи газообразного окислителя 62, сжимает внешний воздух и подает сжатый воздух на батарею топливных элементов 30. Выпуск наружу газообразного окислителя после проведения электрохимической реакции из канала протекания газообразного 35Р производится через трубопровод выпуска газообразного окислителя 64.
Измеритель напряжения 23, который подключен к батарее топливных элементов 30, измеряет выходное напряжение топливных элементов 30 и передает информацию о текущем значении выходного напряжения на контроллер 50, что обсуждается далее более подробно.
Контроллер 50 выполнен в виде логической схемы на базе микрокомпьютера и содержит центральный процессор (ЦП) 52, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 54, оперативную память (ОЗУ) 56 и порт ввода-вывода 58. ЦП 52 выполняет заданные операции в соответствии с предварительно установленными программами управления. Программы управления и управляющие данные, которые требуются для осуществления различных операций при помощи ЦП 52, вводятся заранее на хранение в ПЗУ 54. Разнообразная информация, которая требуется для осуществления различных операций при помощи ЦП 52, временно записывается в ОЗУ 56 и затем считывается с него. Порт ввода-вывода 58 получает сигнал от устройства подачи водорода и выдает сигналы включения на компрессор 60 и другие блоки, задействованные в работе топливных элементов 30, в соответствии с результатами проведенных при помощи ЦП 52 операций, таким образом, чтобы управлять рабочим состоянием соответствующих блоков электромобиля 10.
Розеточная часть соединителя 40 установлена в определенном местоположении на внешней поверхности электромобиля 10 и имеет конструкцию, которая позволяет произвести подключение заданного внешнего устройства для подачи водорода. Розеточная часть соединителя 40 имеет элемент соединения для протекания водорода 46, вывод (зажим) соединения 48 и элементы соединения для протекания воды 42 и 44. Элемент соединения для протекания водорода 46 образует концевую структуру трубопровода впуска газообразного водорода 47, а вывод соединения 48 образует концевую структуру сигнальной линии 49, которая подключена к контроллеру 50. Элементы соединения для протекания воды 42 и 44 образуют соответственно концевые структуры трубопроводов охлаждающей воды 45 и 43. Соединитель внешнего устройства для подачи водорода соединяют с розеточной частью соединителя 40, при этом соответствующие элементы соединения розеточной части соединителя 40 стыкуются с элементами этого соединителя. Это обеспечивает циркуляцию газообразного водорода и охлаждающей воды между устройством для подачи водорода и электромобилем 10. Соединение указанного соединителя с розеточной частью соединителя 40 и соединение вывода 48 с соответствующим выводом внешнего устройства для подачи водорода обеспечивает передачу информации относительно управления, производимого при помощи контроллера 50, между электромобилем 10 и устройством для подачи водорода. Элемент соединения для протекания водорода 46 и элементы соединения для протекания воды 42 и 44 снабжены электромагнитными вентилями. Указанные электромагнитные вентили подключены к контроллеру 50 и открываются и закрываются по сигналам управления с выхода контроллера 50. Закрытое состояние этих электромагнитных вентилей приводит к прекращению циркуляции газообразного водорода и охлаждающей воды между электромобилем 10 и устройством для подачи водорода.
Электроэнергия, производимая за счет электрохимических реакций в батарее топливных элементов 30, подводится к двигателю 70, который при этом создает тяговое усилие вращения. Это тяговое усилие вращения передается на передние и/или задние колеса электромобиля 10 через мост транспортного средства 10 и играет роль источника энергии для приведения транспортного средства в движение. Двигатель 70 работает под контролем блока управления 72. Блок управления 72 соединен с датчиком положения педали акселератора 72b, который измеряет положение педали акселератора 72а. Блок управления 72 также соединен с контроллером 50 для передачи информации относительно запуска двигателя к контроллеру 50 и от него.
Электромобиль 10 имеет также вторичную батарею (не показана), которая подает дополнительную электроэнергию на двигатель 70 для обеспечения повышенной силы тяги в случае увеличения нагрузки, например, когда электромобиль 10 поднимается по склону или движется на высокой скорости. Вторичную батарею используют также в качестве источника для подачи электроэнергии, необходимой для работы соответствующих блоков электромобиля 10, когда не производится выработка электроэнергии топливными элементами 30 или когда электроэнергия требуется для запуска контроллера 50 и осуществления циркуляции охлаждающей воды через трубопровод охлаждающей воды 45 в процессе подачи водорода в топливный бак 20 электромобиля 10.
(2) Структура, связанная с подачей водорода
Электромобиль 10 в соответствии с указанным вариантом имеет описанную выше конструкцию. Далее описаны детали конструкции, которые задействованы в операции заполнения водородом топливного бака 20 электромобиля 10. На фиг.3 показан электромобиль 10 и устройство подачи водорода 80, которое используют для подачи водорода в электромобиль 10. Розеточная часть соединителя 40, описанная выше, расположена в заданном местоположении на внешней поверхности корпуса электромобиля 10. На фиг.3 область F отображает это заданное местоположение, в котором установлена указанная розеточная часть соединителя 40. На фиг.4 показано, что розеточная часть соединителя 40 в области F находится на внешней поверхности транспортного средства. Устройство для подачи водорода 80, которое используют для подачи водорода на транспортное средство, имеет две выходящие наружу трубчатые конструкции, а именно трубный блок для подачи водорода 82 и трубный блок для подачи охлаждающей воды 84, которые обеспечивают возможность подачи газообразного водорода и охлаждающей воды в электромобиль 10. Трубный блок для подачи водорода 82 и трубный блок для подачи охлаждающей воды 84 показаны на фиг.4. Трубный блок для подачи водорода 82 устройства для подачи водорода 80 имеет первый соединитель 86 на одном из своих концов. Трубный блок для подачи охлаждающей воды 84 устройства для подачи водорода 80 имеет второй соединитель 88 на одном из своих концов.
Как это показано на фиг.4, розеточная часть соединителя 40 имеет впуск водорода 14 и впуск охлаждающей воды 12. Впуск водорода 14, который открыт на внешней поверхности корпуса электромобиля 10, имеет элемент соединения для протекания водорода 46 (не показан на фиг.4) и соединен с топливным баком 20 при помощи трубопровода впуска газообразного водорода 47, проложенного внутри электромобиля 10. Впуск водорода 14 имеет также вывод (зажим) соединения 48 (не показан на фиг.4), который соединен с контроллером 50. Впуск охлаждающей воды 12, который открыт на внешней поверхности корпуса электромобиля 10, имеет элементы соединения для протекания воды 42 и 44 (не показаны на фиг.4), соединенные с модулем теплообмена 26 через трубопроводы охлаждающей воды 43 и 45. Впуск водорода 14 розеточной части соединителя 40 имеет конструкцию, позволяющую подключить к нему первый соединитель 86. Впуск охлаждающей воды 12 розеточной части соединителя 40 имеет конструкцию, позволяющую подключить к нему второй соединитель 88.
На фиг.5 показана конструкция основной части устройства для подачи водорода 80. Первый соединитель 86 имеет элемент соединения для протекания водорода 96 и вывод соединения 98. При стыковке первого соединителя 86 с впуском водорода 14 элемент соединения для протекания водорода 96 стыкуется с соответствующим элементом соединения для протекания водорода 46 электромобиля 10, а вывод соединения 98 стыкуется с выводом соединения 48 электромобиля 10. Второй соединитель 88 имеет элементы соединения для протекания воды 92 и 94. При стыковке второго соединителя 88 с впуском охлаждающей воды 12, элемент соединения для протекания воды 92 стыкуется с соответствующим элементом соединения для протекания воды 42 электромобиля 10, а элемент соединения для протекания воды 94 стыкуется с соответствующим элементом соединения для протекания воды 44 электромобиля 10.
Один из концов трубопровода впуска газообразного водорода 97, проложенного в устройстве для подачи водорода 80, открыт для соединения с элементом соединения для протекания водорода 96 первого соединителя 86. Другой конец трубопровода впуска газообразного водорода 97 соединен с баком для хранения водорода (не показан). Устройство для подачи водорода 80 в соответствии с данным вариантом имеет бак для хранения водорода, в котором запасается достаточное количество водорода. Водород, который хранится в указанном баке, подается на электромобиль через первый соединитель 86 и розеточную часть соединителя 40. В этом варианте устройство для подачи водорода представляет собой устройство, в котором хранится достаточное количество водорода, предназначенное для подачи на электромобиль. Альтернативно устройством для подачи-водорода может быть такое устройство, которое преобразует исходный материал, такой как углеводород или соединение углеводорода, в содержащий водород газ, выделяет водород из содержащего водород газа и подает выделенный водород на электромобиль.
Трубопроводы охлаждающей воды 95 и 93, которые проложены в устройстве для подачи водорода 80, открыты соответственно для соединения с элементами соединения для протекания воды 92 и 94 второго соединителя 88. Трубопроводы охлаждающей воды 95 и 93 соединяются друг с другом в модуле теплообмена 90. Трубопровод охлаждающей воды 95 снабжен насосом 91 для обеспечения циркуляции охлаждающей воды. Модуль теплообмена 90 имеет конструкцию в виде радиатора и охлаждает поток охлаждающей воды, который подводится при помощи трубопровода охлаждающей воды и протекает через модуль теплообмена 80. Топливный бак 20 охлаждается, так как операция подачи водорода в топливный бак 20 электромобиля 10 является экзотермической. Модуль теплообмена 90 и насос 91 устройства для подачи водорода 80 снижают температуру охлаждающей воды, которая нагревается в ходе охлаждения топливного бака 20.
Устройство для подачи водорода 80 содержит также контроллер 150. Аналогично контроллеру 50 электромобиля 10 контроллер 150 содержит ЦП 152, ПЗУ 154, ОЗУ 156 и порт ввода-вывода 158. Вывод (зажим) соединения 98 первого соединителя 86 связан с контроллером 150 при помощи сигнальной линии 99. Когда первый соединитель 86 соединен с впуском водорода 14, контроллер 150 может обмениваться информацией с контроллером 50 электромобиля 10. Контроллер 150 также соединен с насосом 91 и подает на него сигналы управления. Элемент соединения для протекания водорода 96 и элементы соединения для протекания воды 92 и 94 снабжены электромагнитными вентилями. Указанные электромагнитные вентили подключены к контроллеру 150 и открываются и закрываются по сигналам управления с выхода контроллера 150. Закрытое состояние этих электромагнитных вентилей приводит к прекращению циркуляции газообразного водорода и охлаждающей воды между электромобилем 10 и устройством для подачи водорода 80.
Розеточная часть соединителя 40 электромобиля 10 соединена с внешней поверхностью корпуса транспортного средства при помощи шарнира 15, с возможностью свободного открывания и закрывания. Розеточная часть соединителя 40 имеет топливную крышку 18, которая закрывает впуск охлаждающей воды 12 и впуск водорода 14. Топливная крышка 18 и корпус транспортного средства с установленной на нем розеточной частью соединителя 40 имеют соответственно выступ 19 и захватывающий элемент 17 в соответствующих положениях (см. фиг.4). Выступ 19 входит в захватывающий элемент 17, когда не производят заправку топливом, при этом топливная крышка 18 розеточной части соединителя 40 закрыта.
Электромобиль 10 в соответствии с этим вариантом имеет рычаг открывания, расположенный рядом с креслом водителя. Этот рычаг открывания электрически соединен с захватывающим элементом 17 при помощи соответствующего реле. При нажиме на рычаг открывания поступает сигнал на захватывающий элемент 17, в результате чего выступ 19 выходит из зацепления с захватывающим элементом 17, при этом топливная крышка 18 открывается. Механизм передачи усилия от рычага открывания не влияет на описанное электрическое соединение, однако может быть использовано и механическое соединение рычага открывания с захватывающим элементом 17 при помощи соответствующего тросика.
При необходимости проведения заправки водородом, нажимают на рычаг открывания для освобождения выступа 19 из зацепления с захватывающим элементом 17 и для открывания топливной крышки 18. Соединяют второй соединитель 88 и первый соединитель 86 соответственно с вводом охлаждающей воды 12 и с вводом водорода 14. Когда соответствующие соединители соединены с электромобилем 10, то контроллеры 50 и 150 сообщаются друг с другом и передают сигналы на открывание электромагнитных вентилей соответствующих элементов соединения. Открытое состояние электромагнитных вентилей позволяет осуществлять подачу водорода из устройства для подачи водорода 80 в топливный бак 20, а также производить циркуляцию охлаждающей воды между устройством для подачи водорода 80 и электромобилем 10. Контроллеры 50 и 150 подают соответствующие команды на включение насосов 29 и 91 таким образом, что поток охлаждающей воды циркулирует между электромобилем 10 и устройством для подачи водорода 80. Температура охлаждающей воды возрастает, когда поток охлаждающей воды проходит через модуль теплообмена 26 и охлаждает топливный бак 20, который нагревается в ходе абсорбции водорода при помощи поглощающего водород сплава. Температура охлаждающей воды понижается, когда поток охлаждающей воды проходит через модуль теплообмена 90 устройства для подачи водорода 80. При поступлении сигнала от монитора контроля заполнения водородом 28, который обнаруживает завершение заправки водородом, контроллеры 50 и 150 соответственно прекращают работу насосов 29 и 91 и закрывают электромагнитные вентили элементов соединения, чтобы прекратить подачу водорода от устройства для подачи водорода 80 в топливный бак 20, а также прекратить циркуляцию охлаждающей воды между устройством для подачи водорода 80 и электромобилем 10.
В конструкции, выполненной в соответствии с этим вариантом, устройство для подачи водорода 80 содержит модуль теплообмена 90. В ходе подачи водорода поток охлаждающей воды циркулирует между электромобилем 10 и устройством для подачи водорода 80 для того, чтобы производить охлаждение топливного бака 20. Для решения указанной задачи могут быть использованы также любые другие подходящие устройства. Например, в модифицированной конструкции охлаждающая вода, которую используют для охлаждения топливного бака 20, может отбираться из электромобиля и использоваться для других целей, в качестве горячей воды, которая содержит определенное количество теплоты, причем в этом варианте охлаждающая вода циркулирует между электромобилем 10 и устройством для подачи водорода 80 и повторно охлаждается в устройстве для подачи водорода 80. В этом модифицированном варианте во время заправки водородом производят непрерывную подачу извне в электромобиль охлаждающей воды, имеющей достаточно низкую температуру.
(3) Управление процессом подачи водорода
Далее описана серия управляющих воздействий, которые производят в процессе подачи водорода в электромобиль 10. На фиг.6 показана блок-схема стандартной программы подачи топлива, которую выполняют в процессе подачи водорода в электромобиль 10. Эту программу выполняют при помощи контроллера 50 электромобиля 10, когда пользователь транспортного средства нажимает на рычаг открывания для того, чтобы открыть топливную крышку 18, перед тем, как произвести заправку водородом электромобиля 10.
При осуществлении указанной стандартной программы ЦП 52 контроллера 50 прежде всего определяет, находится ли переключатель включения в состоянии ВКЛ (ON), чтобы дать команду на включение топливных элементов 30 (операция S200). Переключатель включения соответствует ключу зажигания обычного транспортного средства с бензиновым двигателем, причем он позволяет производить ввод команд пользователя на включение и выключение топливных элементов 30. Когда при проведении операции S200 установлено, что переключатель включения включен (ON), a именно, когда нашли, что дана команда на включение топливных элементов 30, то ЦП 52 не позволяет открывать топливную крышку 18 вне зависимости от воздействия пользователя на рычаг открывания и блокирует сигнал открывания (операция S230). После этого стандартная программа заканчивает работу. В этом случае желательно информировать пользователя о том, что открывание топливной крышки 18 блокировано в результате того, что переключатель включения находится в состоянии ON, например, при помощи индикатора, сигнала тревоги или речевого указания.
Когда в операции S200 установлено, что переключатель включения выключен (OFF), то ЦП 52 определяет, не превышает ли выходное напряжение топливных элементов 30 величину 40 В (операция S210). Как уже было упомянуто здесь ранее, измеритель напряжения 23 подключен к топливным элементам 30. Операцию S210 для определения того факта, не превышает ли выходное напряжение топливных элементов 30 40 В, проводят на основании сигнала от измерителя напряжения 23. Операцию S210 проводят в том случае, когда в операции S200 установлено, что переключатель включения выключен (OFF), то есть в том случае, когда установлено, что работа топливных элементов 30 прекращена. Проведение операции S210 дополнительно повышает безопасность подачи водорода. Когда переключатель включения установлен в положение OFF для прекращения выработки электроэнергии в топливных элементах 30 и прекращает подачу газа к топливным элементам 30, выходное напряжение топливных элементов 30 не сразу снижается от обычного уровня нескольких сотен вольт, но постепенно падает по мере потребления остаточных газов в топливных элементах 30. Подтверждение того факта, что выходное напряжение топливных элементов 30 достаточно мало, предотвращает подачу водорода при условии нежелательно высокого выходного напряжения топливных элементов 30. В операции S210 не обязательно контролируют величину 40 В; это может быть любая величина, подходящая для подтверждения того факта, что выходное напряжение топливных элементов 30 является достаточно малым.
Когда в операции S210 установлено, что выходное напряжение топливных элементов 30 не превышает 40 В, то подают команду на соответствующее реле для открывания топливной крышки 18 (операция S220). После этого стандартная программа заканчивает работу.
Если же в операции S210 установлено, что выходное напряжение топливных элементов 30 превышает 40 В, то производится разряд топливных элементов 30 для понижения выходного напряжения (операция S240). В электромобиле 10 в соответствии с этим вариантом, заданное разрядное сопротивление (не показано) подключают параллельно с топливными элементами 30. При проведении операции S240 заданное разрядное сопротивление подключают к топливным элементам 30 на заданный промежуток времени для ускорения потребления остаточных газов в топливных элементах 30, так чтобы понизить выходное напряжение топливных элементов 30. После разрядки топливных элементов 30 в операции S240, программа возвращается к проведению операции S210 для определения того факта, не превышает ли выходное напряжение топливных элементов 30 40 В. Операции S240 и S210 повторяют до тех пор, пока выходное напряжение не понизится до 40 В. Когда выходное напряжение понижается в достаточной степени за счет разрядки топливных элементов, то программа выполняет операцию S220 и открывает топливную крышку 18 и затем заканчивает работу. В этом варианте к топливным элементам подключают заданное разрядное сопротивление, которое разряжает их в операции S240. В альтернативном варианте вместо разрядного сопротивления может быть использовано другое устройство, которое установлено на электромобиле 10 и которое потребляет электрическую мощность, разряжая топливные элементы.
В стандартной программе подачи топлива, когда в операции S200 установлено, что переключатель включения не находится в положении ON (не включен), то сохраняют сигнал от рычага открывания. Этот сигнал устраняют после операции закрывания топливной крышки 18. Для этого захватывающий элемент 17, который входит в зацепление с выступом 19 топливной крышки 18, имеет специальный датчик. Когда установлено, что топливная крышка 18 закрыта и выступ 19 введен в захватывающий элемент 17, то сигнал от рычага открывания устраняют. Таким образом, открытое и закрытое состояние топливной крышки 18 определяют по тому факту, что сигнал от рычага открывания пропускают или устраняют (подавляют).
Стандартную программу подачи топлива, показанную на фиг.6, осуществляют для предотвращения подачи водорода в ходе работы топливных элементов. Существует и другая программа для предотвращения подачи водорода в ходе работы топливных элементов. На фиг.7 показана блок-схема стандартной программы запуска топливных элементов, выполняемая на электромобиле 10. Эту стандартную программу осуществляют при помощи контроллера 50 электромобиля 10, когда пользователь транспортного средства включает переключатель включения для начала работы топливных элементов.
При осуществлении этой стандартной программы ЦП 52 контроллера 50 прежде всего определяет, открыта или нет топливная крышка 18 (операция S300). Если установлено, что топливная крышка 18 закрыта, то программа запускает топливные элементы 30 (операция S310) и завершает работу. Запуск топливных элементов в этом случае представляет собой начало последовательных процессов, связанных с началом работы топливных элементов 30, которые включают в себя процесс нагревания топливного бака 20 для экстракции (выделения) водорода из поглощающего водород сплава и начало подачи выделенного водорода в качестве топливного газа к топливным элементам 30, а также процесс включения компрессора 60 и начало подачи сжатого воздуха в качестве газообразного окислителя к топливным элементам 30.
Когда в операции S300 установлено, что топливная крышка 18 открыта, то ЦП 52 запрещает запуск топливных элементов 30, а также включает лампу или звуковой сигнал аварийной сигнализации для предупреждения пользователя о том, что работа топливных элементов 30 не разрешена по причине открытого состояния топливной крышки 18, и подавляет сигнал от переключателя включения (операция S320). После этого стандартная программа завершает свою работу. Информирование пользователя о текущей ситуации не ограничивается включением лампы или звукового сигнала аварийной сигнализации, а может предусматривать использование любых других подходящих средств аварийной сигнализации.
Определение в операции S300 открытого и закрытого состояния топливной крышки 18 основано на поступлении сигнала от рычага открывания. При осуществлении стандартной программы подачи топлива в соответствии с фиг.6 в ответ на срабатывание рычага открывания определяют, что топливная крышка 18 открыта, даже в ходе разрядки топливных элементов 30 при проведении операции S240, ранее осуществления открывания топливной крышки 18 в операции S220.
В электромобиле 10 и в устройстве для подачи водорода 80 варианта изобретения, который обсуждался здесь ранее, топливную крышку 18 не открывают при срабатывании рычага открывания, если переключатель включения находится в состоянии ON (включен). Такое построение не позволяет производить подачу водорода в ходе работы топливных элементов 30, в результате чего повышается безопасность подачи водорода. Особенно в таком случае, когда топливные элементы установлены на подвижном теле, таком как электромобиль, и используются в качестве источника приведения в движение, существует вероятность того, что электромобиль может двигаться в ходе работы топливных элементов. Запрещение подачи водорода в ходе работы топливных элементов и, следовательно, обеспечение отсутствия перемещения электромобиля в ходе подачи водорода дополнительно повышают безопасность при подаче водорода.
В описанном варианте при проведении операции S200 находят, что переключатель включения, который дает команду на запуск топливных элементов, находится в состоянии OFF (выключен), что предотвращает движение электромобиля в ходе подачи водорода. Электромобиль 10 в соответствии с этим вариантом может иметь специальный режим приведения в движение, когда электромобиль 10 получает электроэнергию от вторичной батареи, в то время как топливные элементы не работают. В такой модифицированной конструкции при проведении операции S200 фиг.6 определяют, не используется ли такой специальный режим с применением вторичной батареи в качестве источника энергии для приведения в движение, в дополнение к тому, не работают ли топливные элементы. Этот модифицированный вариант позволяет эффективно предотвращать движение электромобиля в ходе подачи водорода. Определение в соответствии с операцией S200 может быть основано и на другом условии, которое позволяет определять, движется электромобиль или нет.
В том случае, когда выходное напряжение топливных элементов превышает заданное значение, в соответствии с этим вариантом не производят открывание топливной крышки 18 в ответ на включение пользователем рычага открывания для подачи водорода, и запрещают начало подачи водорода, даже если переключатель включения находится в состоянии OFF (выключен) и дает команду на прекращение работы топливных элементов. Такое построение эффективно предотвращает подачу водорода в том случае, когда выходное напряжение топливных элементов превышает заданное значение, что повышает безопасность при подаче водорода.
В электромобиле в соответствии с этим вариантом, в том случае, когда топливная крышка 18 открыта, запуск топливных элементов при включении (ON) переключателя включения не разрешен. Такое построение эффективно предотвращает запуск топливных элементов в ходе подачи водорода и в результате повышает безопасность при подаче водорода. Запрет не только запуска топливных элементов, но и любого движения транспортного средства, в том числе с использованием вторичной батареи в качестве источника энергии для приведения в движение, в открытом состоянии топливной крышки 18, дополнительно повышает безопасность при подаче водорода.
Проведение или непроведение подачи водорода основано на установлении открытого или закрытого состояния топливной крышки 18 в операции S300 описанной выше стандартной программы запуска топливных элементов. Однако осуществление подачи водорода может быть основано и на другом условии. Одним из примеров такого условия может быть соединение или разъединение контроллера 50 электромобиля с контроллером 150 устройства для подачи водорода 80. Другим примером является наличие или отсутствие заданного сигнала начала подачи водорода (то есть сигнала от переключателя, который включает пользователь, чтобы начать подачу водорода от устройства для подачи водорода 80 и начать циркуляцию охлаждающей воды). Определение, которое основано на установлении открытого или закрытого состояния топливной крышки 18 в соответствии с описанным выше вариантом, позволяет принять решение о проведении или непроведении подачи водорода ранее установления связи по водороду между устройством для подачи водорода 80 и электромобилем 10, в результате чего повышается безопасность.
В соответствии с описанным выше вариантом после срабатывания (нажатия) рычага открывания для осуществления стандартной программы подачи топлива, даже если выходное напряжение топливных элементов превышает заданное значение и открывание топливной крышки 18 не разрешено в момент нажатия рычага открывания, многократно производят разрядку топливных элементов для снижения выходного напряжения, чтобы позволить открыть топливную крышку 18. В соответствии с модифицированным вариантом, когда выходное напряжение топливных элементов превышает заданное значение (40 В этом варианте) в момент срабатывания рычага открывания, стандартная программа запуска может закончиться только после подключения разрядного сопротивления к топливным элементам и сброса входного сигнала от рычага открывания, что требует повторного нажатия на рычаг открывания для осуществления открывания топливной крышки 18. В этом варианте желательно давать пользователю информацию (при помощи соответствующей сигнализации) относительно текущего состояния, то есть о том, что выходное напряжение топливных элементов является слишком высоким и поэтому открывание топливной крышки 18 не разрешено. В этом варианте сброс сигнала от рычага открывания производят одновременно с операцией разрядки. При включении переключателя включения (состояние ON) для осуществления стандартной программы запуска топливных элементов в соответствии с фиг.7, ранее другого срабатывания рычага открывания, при проведении операции S300 устанавливают, что топливная крышка 18 не находится в открытом состоянии.
При осуществлении стандартной программы подачи топлива в соответствии с описанным выше вариантом, когда устанавливают, что топливные элементы находятся в состоянии функционирования, то программа не позволяет открыть топливную крышку 18 при срабатывании рычага открывания, в результате чего запрещается начало подачи водорода. В измененной стандартной программе не допускается открывание электромагнитных вентилей соответствующих элементов соединения в состоянии ON (включен) переключателя включения (то есть в ходе работы топливных элементов), так что начало подачи водорода запрещается даже после того, как топливная крышка 18 открыта за счет срабатывания рычага открывания и после подключения соединителя (устройства для подачи водорода) к розеточной части соединителя.
При осуществлении стандартной программы подачи топлива в соответствии с описанным выше вариантом открывание топливной крышки 18 не допускают даже в состоянии OFF (выключен) переключателя включения до тех пор, пока выходное напряжение топливных элементов не станет равно заданному значению или ниже него. Может быть использовано и другое построение для запрета начала подачи водорода, если выходное напряжение топливных элементов превышает заданное значение. В таком варианте открывание топливной крышки 18 позволяет произвести подключение соединителя в состоянии OFF (выключен) переключателя включения после срабатывания рычага открывания. Однако даже после подключения соединителя к розеточной части соединителя и подачи команды на начало подачи водорода контроллеры 50 и 150 не допускают начала подачи водорода до тех пор, пока выходное напряжение топливных элементов не станет равно заданному значению или ниже него. Только после того, как выходное напряжение топливных элементов станет равно заданному значению или ниже него, разрешают открывание электромагнитных вентилей и запуск насосов для начала подачи водорода. Такое построение позволяет исключить некоторое неудобство, связанное с описанной ранее процедурой подачи водорода. Пользователь, который желает произвести заправку водородом, не должен теперь ждать окончания разрядки топливных элементов и разрешения на открывание топливной крышки 18, когда выходное напряжение топливных элементов превышает заданное значение. Ранее существенного снижения выходного напряжения топливных элементов пользователь теперь может выполнить ряд операций, связанных с началом подачи водорода, в том числе произвести подключение устройства для подачи водорода 80 к электромобилю 10 за счет введения соединителя в розеточную часть соединителя и подачу команды на начало подачи водорода. В этом варианте необходимо давать пользователю информацию (при помощи соответствующей сигнализации в электромобиле 10 или в устройстве подачи водорода 80) относительно времени ожидания между присоединением соединителя и действительным началом подачи водорода (то есть относительно периода времени снижения выходного напряжения топливных элементов до заданного значения или ниже него).
При осуществлении стандартной программы запуска топливных элементов в соответствии с фиг.7, когда при проведении операции S300 установлено, что топливная крышка 18 открыта, то производят запрет запуска топливных элементов и отменяют команду от переключателя включения. В модифицированной программе работу по стандартной программе не заканчивают, а возвращаются к операции S300 после выполнения операции S320, которая запрещает запуск топливных элементов и включает лампу или звуковой сигнал аварийной сигнализации. Операцию S310 запуска топливных элементов начинают тогда, когда топливная крышка 18 закрыта после завершения заправки водородом.
Возможны различные модификации конструкций электромобиля 10 и устройства для подачи водорода 80, выполненных в соответствии с описанным выше вариантом. Например, устройство для подачи водорода 80, выполненное в соответствии с описанным выше вариантом, производит подачу водорода в электромобиль 10 при одновременном поддержании потока охлаждающей воды, который циркулирует между устройством для подачи водорода 80 и электромобилем 10. В соответствии с одной из возможных модификаций может быть использовано отдельное устройство для циркуляции охлаждающей воды, поступающей из устройства для подачи водорода 80. Блок охлаждения, предназначенный для охлаждения топливного бака 20 в ходе подачи водорода (который соответствует модулю теплообмена 90, встроенному в устройство для подачи водорода 80 описанного выше варианта), может быть установлен на электромобиле 10. В соответствии с описанным выше вариантом первый соединитель 86 и второй соединитель 88 подключены к розеточной части соединителя 40, которая закрывается при помощи топливной крышки 18, которая представляет собой единственную крышку, позволяющую производить подачу водорода и охлаждающей воды в электромобиль 10. В модифицированной конструкции соединитель для подачи водорода и соединитель для подачи охлаждающей воды могут быть подключены к различным розеточным частям соединителей, установленных в различных местоположениях. В другой модифицированной конструкции может быть использован единственный соединитель для подключения к электромобилю 10, который соединяет пути протекания водорода и охлаждающей воды между электромобилем 10 и устройством для подачи водорода 80. Однако электромагнитный вентиль, связанный с элементом соединения для протекания водорода 96, который открывает и закрывает путь подачи водорода из устройства для подачи водорода 80 в электромобиль, может быть расположен в другом месте, а именно в произвольном положении в трубопроводе впуска газообразного водорода 97. Отметим, что топливный бак 20 может быть использован для хранения водорода при помощи любого подходящего средства, которое отличается от абсорбции водорода в поглощающем водород сплаве.
(4) Другие конструкции электромобиля
Электромобиль 10 в соответствии с описанным выше вариантом имеет топливный бак 20, содержащий поглощающий водород сплав, который абсорбирует водород для хранения. Однако настоящее изобретение может быть использовано и в электромобиле с установленным на нем другим источником топлива. Электромобиль может иметь топливный бак для хранения вместо водорода исходного материала в виде углеводорода или углеводородного соединения, причем он дополнительно содержит систему преобразования исходного материала в водород. Могут быть использованы различные виды углеводородов или углеводородных соединений, в том числе газообразное топливо, такое как природный газ (метан), и жидкое топливо, такое как спирт и бензин, в качестве исходного материала для получения водорода. Система получения водорода из исходного материала может содержать установку для реформинга, в которой используют катализатор из благородного металла для ускорения реакции парового реформинга и реакции неполного окисления и получения обогащенного водородом газа из исходного материала, а также содержать устройство для восстановления диоксида углерода, в котором используют катализатор для избирательного окисления оксида углерода, для того, чтобы снижать концентрацию оксида углерода в обогащенном водородом газе.
Настоящее изобретение может быть использовано также в системах обеспечения подачи исходного материала в топливный бак электрического транспортного средства. Аналогично описанному выше варианту, такая система запрещает начало работы топливных элементов в ходе подачи исходного материала или запрещает начало подачи исходного материала в ходе работы топливных элементов, в результате чего повышается безопасность при подаче исходного материала.
Описанный выше вариант настоящего изобретения имеет отношение к транспортному средству. Однако технические решения в соответствии с настоящим изобретением применимы также и к другим различным подвижным телам, в которых энергию с выхода топливных элементов используют для приведения в движение, к таким как суда, летательные аппараты и другие летающие объекты.
Несмотря на то что был описан предпочтительный вариант осуществления изобретения, совершенно ясно, что в него специалистами в данной области могут быть внесены изменения и дополнения, которые не выходят, однако, за рамки приведенной далее формулы изобретения.
Промышленная применимость
Система подачи топлива для топливных элементов в соответствии с настоящим изобретением может найти применение в различных подвижных телах с установленными на них топливными элементами, таких как транспортные средства, для подачи топлива для топливных элементов.
Изобретение относится к системам подачи топлива к топливным элементам и средствам передвижения на их основе, например к электромобилям. Согласно изобретению электромобиль содержит топливные элементы, топливный бак для хранения топлива и розеточную часть соединителя, которая соединена с топливным баком и открыта на поверхности корпуса транспортного средства. Соединитель заданного (внешнего) устройства для подачи водорода состыкован с розеточной частью соединителя, так что топливо поступает из устройства для подачи водорода в электромобиль. Розеточная часть соединителя снабжена топливной крышкой, которая закрывает сверху розеточную часть соединителя. Когда установлено, что топливные элементы находятся в состоянии выработки энергии, то топливную крышку не открывают при поступлении команды на открывание топливной крышки в ходе подачи топлива. Когда установлено, что топливная крышка открыта, то, с другой стороны, работу топливных элементов не начинают при поступлении команды на начало работы топливных элементов в электромобиле. Техническим результатом изобретения является повышение безопасности подачи топлива в любую систему с топливными элементами. 6 н. и 11 з.п. ф-лы, 7 ил.
| ГАЛЬВАНИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ХИМИЧЕСКОГО ИСТОЧНИКА ТОКА | 1994 |
|
RU2126569C1 |
| US 5629102 А, 13.05.1997 | |||
| JP 6223859 А, 12.08.1999 | |||
| US 5629104 А, 13.05.1997 | |||
| Прибор, замыкающий сигнальную цепь при повышении температуры | 1918 |
|
SU99A1 |
| DE 19909180 А1, 09.09.1999 | |||
| ЦЕНТРОБЕЖНАЯ ТУРБОМАШИНА | 0 |
|
SU320645A1 |
