燃料電池系統(tǒng)的空氣供應(yīng)及能量回收裝置制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種燃料電池系統(tǒng)的空氣供應(yīng)及能量回收裝置，該裝置上離心壓縮機(jī)、向心透平膨脹機(jī)分別安裝在高速電機(jī)的輸出軸兩端，且離心壓縮機(jī)、向心透平膨脹機(jī)與輸出軸同軸連接，其中通過(guò)在向心透平膨脹機(jī)上設(shè)置可調(diào)噴嘴裝置，使得電池反應(yīng)堆反應(yīng)后具有一定能量的氣體通過(guò)可調(diào)噴嘴裝置上的噴嘴噴至葉輪的葉片上而驅(qū)動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，葉輪旋轉(zhuǎn)進(jìn)而驅(qū)動(dòng)輸出軸旋轉(zhuǎn)而驅(qū)動(dòng)高速電機(jī)工作，節(jié)省了高速電機(jī)的電能消耗，使反應(yīng)后氣體中的能量得到充分的回收利用，提高了燃料電池系統(tǒng)中空氣供應(yīng)的效率和能量回收利用的效率，大幅地節(jié)約了生產(chǎn)成本。
【專(zhuān)利說(shuō)明】燃料電池系統(tǒng)的空氣供應(yīng)及能量回收裝置
[0001]
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)的空氣供應(yīng)及能量回收裝置。
[0003]
【背景技術(shù)】
[0004]隨著石油、煤炭資源的過(guò)度開(kāi)采，地下資源的儲(chǔ)藏量日漸枯竭，世界范圍內(nèi)的能源 危機(jī)日益嚴(yán)重，多年來(lái)，各個(gè)國(guó)家均致力于尋找既有較高能源利用效率又不污染環(huán)境的能 源利用方式，而燃料電池作為一種比較理想的發(fā)電技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。
[0005]燃料電池作為一種新型能源，其原理是將燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，而傳 統(tǒng)的火力發(fā)電過(guò)程則為燃料經(jīng)燃燒將其化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽儆稍瓌?dòng)機(jī)將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械 能，最后通過(guò)發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。燃料電池相比傳統(tǒng)的火力發(fā)電，避免了中間環(huán)節(jié) 能量轉(zhuǎn)換造成的損失，達(dá)到很高的發(fā)電效率，同時(shí)，燃料不直接燃燒從而大幅度地降低了廢 氣污染物的排出量，降低了對(duì)環(huán)境的污染程度。
[0006]質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是燃料電池中的一種，其利用氫氣作為燃料，氧氣作 為氧化劑，根據(jù)電化學(xué)原理將氫氧燃料電池技術(shù)(2H2+02 — 2H20+電能)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。然 而現(xiàn)有技術(shù)中，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速往往不高，空氣壓力提升不高，單位時(shí)間在質(zhì)子交換膜上的反應(yīng) 量不大，發(fā)電量不足，即使采用高速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，還需采用變頻器調(diào)節(jié)，增加了成本，這些均導(dǎo) 致燃料電池的市場(chǎng)價(jià)格較為昂貴，燃料電池技術(shù)普及度較低。
[0007]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是提供一種燃料電池系統(tǒng)的空氣供應(yīng)及能量回收裝置，以提高燃料 電池生產(chǎn)過(guò)程中熱量的轉(zhuǎn)化和利用效率。
[0009]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
一種燃料電池系統(tǒng)的空氣供應(yīng)及能量回收裝置，所述燃料電池系統(tǒng)包括電池反應(yīng)堆， 包括離心壓縮機(jī)、向心透平膨脹機(jī)以及高速電機(jī)，所述離心壓縮機(jī)、所述向心透平膨脹機(jī)分 別安裝在所述高速電機(jī)的輸出軸的兩端，且所述離心壓縮機(jī)、所述向心透平膨脹機(jī)與所述 輸出軸同軸連接，所述離心壓縮機(jī)的出氣口通過(guò)管路與所述電池反應(yīng)堆的進(jìn)氣口相連通， 所述電池反應(yīng)堆的出氣口通過(guò)管路與所述向心透平膨脹機(jī)的進(jìn)氣口相連通，所述向心透平 膨脹機(jī)上具有可旋轉(zhuǎn)的葉輪，所述向心透平膨脹機(jī)上還設(shè)有可調(diào)噴嘴裝置，所述可調(diào)噴嘴 裝置包括多個(gè)噴嘴，每個(gè)所述噴嘴的進(jìn)氣口與所述向心透平膨脹機(jī)的進(jìn)氣口相連通，每個(gè) 所述噴嘴的出氣口對(duì)準(zhǔn)所述葉輪上的葉片。
[0010]優(yōu)選地，所述可調(diào)噴嘴裝置還包括固定設(shè)置在所述向心透平膨脹機(jī)上的固定環(huán)、 與所述固定環(huán)同軸設(shè)置且可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)，多個(gè)所述噴嘴均布在所述固定環(huán)、所述轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)的周向上，每個(gè)所述噴嘴的一端通過(guò)銷(xiāo)軸轉(zhuǎn)動(dòng)地連接在所述固定環(huán)上，所述噴嘴的另一端 上開(kāi)設(shè)有滑槽，所述轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)上設(shè)有轉(zhuǎn)動(dòng)軸，所述轉(zhuǎn)動(dòng)軸可滑移地穿設(shè)在所述滑槽中。
[0011]進(jìn)一步優(yōu)選地，所述固定環(huán)、所述轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)的軸心線與所述輸出軸的軸心線沿同一 直線方向分布。
[0012]進(jìn)一步優(yōu)選地，每個(gè)所述噴嘴呈機(jī)翼型。
[0013]優(yōu)選地，所述離心壓縮機(jī)為單級(jí)高速離心壓縮機(jī)。
[0014]優(yōu)選地，所述向心透平膨脹機(jī)的所述葉輪為半開(kāi)式葉輪和閉式葉輪中的一種。
[0015]優(yōu)選地,所述高速電機(jī)上所述輸出軸上設(shè)有磁懸浮軸承。
[0016]優(yōu)選地，所述燃料電池系統(tǒng)還包括儲(chǔ)存有壓縮氫氣的氫氣罐，所述氫氣罐的內(nèi)腔 通過(guò)管路與所述電池反應(yīng)堆的進(jìn)氣口相連通。
[0017]優(yōu)選地，所述葉輪為鈦合金整體式葉輪。
[0018]由于上述技術(shù)方案的運(yùn)用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn):本發(fā)明的燃料 電池系統(tǒng)的空氣供應(yīng)及能量回收裝置，該裝置上離心壓縮機(jī)、向心透平膨脹機(jī)分別安裝在 高速電機(jī)的輸出軸兩端，且離心壓縮機(jī)、向心透平膨脹機(jī)與輸出軸同軸連接，其中通過(guò)在向 心透平膨脹機(jī)上設(shè)置可調(diào)噴嘴裝置，使得電池反應(yīng)堆反應(yīng)后具有一定能量的氣體通過(guò)可調(diào) 噴嘴裝置上的噴嘴噴至葉輪的葉片上而驅(qū)動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，葉輪旋轉(zhuǎn)進(jìn)而驅(qū)動(dòng)輸出軸旋轉(zhuǎn)而驅(qū) 動(dòng)高速電機(jī)工作，節(jié)省了高速電機(jī)的電能消耗，使反應(yīng)后氣體中的能量得到充分的回收利 用，提高了燃料電池系統(tǒng)中空氣供應(yīng)的效率和能量回收利用的效率，大幅地節(jié)約了生產(chǎn)成 本。
[0019]
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0020]附圖1為本發(fā)明中燃料電池系統(tǒng)的工作原理圖；
附圖2為本發(fā)明的空氣供應(yīng)及能量回收裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
附圖3為本發(fā)明中向心透平膨脹機(jī)上可調(diào)噴嘴的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]其中:1、電池反應(yīng)堆；2、氫氣罐；3、離心壓縮機(jī)；4、高速電機(jī)；5、向心透平膨脹機(jī)； 51、葉輪；52、可調(diào)噴嘴裝置；521、噴嘴；522、固定環(huán)；523、轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)；524、銷(xiāo)軸；525、滑槽；6、 輸出軸；7、磁懸浮軸承。
[0022]
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖和本發(fā)明的較佳實(shí)施例來(lái)對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的闡述。
[0024]參見(jiàn)圖1所示，燃料電池系統(tǒng)包括電池反應(yīng)堆1、用于供應(yīng)壓縮氫氣的氫氣罐2、用 于供應(yīng)氧氣的離心壓縮機(jī)3、用于回收電池反應(yīng)堆I反應(yīng)后氣體的向心透平膨脹機(jī)5，用于 驅(qū)動(dòng)以及離心壓縮機(jī)3及向心透平膨脹機(jī)5工作的高速電機(jī)4。離心壓縮機(jī)3的出氣口通 過(guò)管路與電池反應(yīng)堆I的進(jìn)氣口相連通，電池反應(yīng)堆I的出氣口通過(guò)管路與向心透平膨脹 機(jī)5的進(jìn)氣口相連通，離心壓縮機(jī)3將空氣轉(zhuǎn)換為壓縮空氣后通過(guò)管道輸送至電池反應(yīng)堆 I，壓縮空氣中的氧氣與氫氣罐2供應(yīng)的氫氣在電池反應(yīng)堆I的質(zhì)子交換膜上發(fā)生電化學(xué)反 應(yīng)，反應(yīng)過(guò)程中進(jìn)行發(fā)電并驅(qū)動(dòng)高速電機(jī)4旋轉(zhuǎn)，反應(yīng)后生成的具有一定溫度和壓力的水蒸氣、未參與反應(yīng)的氣體如氮?dú)獾葰怏w經(jīng)出氣口輸送至向心透平膨脹機(jī)5的進(jìn)氣口。
[0025]參見(jiàn)圖1、圖2所示，離心壓縮機(jī)3、向心透平膨脹機(jī)5分別安裝在高速電機(jī)4的輸 出軸6的兩端，且離心壓縮機(jī)3、向心透平膨脹機(jī)5與輸出軸6同軸連接。向心透平膨脹機(jī) 5上具有可旋轉(zhuǎn)的葉輪51，葉輪51與輸出軸6同軸連接。向心透平膨脹機(jī)5的葉輪51和 離心壓縮機(jī)3的葉輪(圖中未示出)均可采用鈦合金整體式葉輪，以滿(mǎn)足離心壓縮機(jī)3和向 心透平膨脹機(jī)5對(duì)葉輪的工作性能要求。向心透平膨脹機(jī)5上還設(shè)有可調(diào)噴嘴裝置52，該 可調(diào)噴嘴裝置52上具有多個(gè)噴嘴521，每個(gè)噴嘴521的進(jìn)氣口與向心透平膨脹機(jī)5的進(jìn)氣 口相連通，其出氣口對(duì)準(zhǔn)葉輪51上的葉片。這樣，由電池反應(yīng)堆I反應(yīng)后輸至向心透平膨 脹機(jī)5的氣體沖擊葉輪51的葉片而驅(qū)動(dòng)葉輪51旋轉(zhuǎn)，從而將氣體中的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能， 葉輪51而帶動(dòng)輸出軸6旋轉(zhuǎn)而驅(qū)動(dòng)高速電機(jī)4工作，節(jié)省了高速電機(jī)4的功率消耗，使能 量得到充分的回收利用，提高了燃料電池系統(tǒng)中空氣供應(yīng)的效率和能量回收利用的效率， 大幅地降低了生產(chǎn)成本。該裝置結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間小，生產(chǎn)過(guò)程中污染小甚至無(wú)污染，符 合國(guó)家節(jié)能降耗及環(huán)保的政策。
[0026]參見(jiàn)圖3所示，可調(diào)噴嘴裝置52包括固定設(shè)置在向心透平膨脹機(jī)5機(jī)殼內(nèi)腔中的 固定環(huán)522、與固定環(huán)522同軸設(shè)置且可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)523，固定環(huán)522、轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)523的軸心 線與輸出軸6的軸心線沿同一直線方向分布。多個(gè)噴嘴521均布在固定環(huán)522和轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán) 523的周向上，每個(gè)噴嘴521呈機(jī)翼型，每個(gè)噴嘴521的出氣口端通過(guò)銷(xiāo)軸524轉(zhuǎn)動(dòng)地連接 在固定環(huán)522上，其進(jìn)氣口端開(kāi)設(shè)有滑槽525，轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)523上設(shè)有轉(zhuǎn)動(dòng)軸，該轉(zhuǎn)動(dòng)軸可滑移地 穿設(shè)在滑槽525中，通過(guò)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)523旋轉(zhuǎn)，可對(duì)噴嘴521的氣流噴出方向進(jìn)行調(diào)整，進(jìn) 而調(diào)節(jié)高速電機(jī)4輸出軸6的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。該裝置中無(wú)需再設(shè)置變頻器，機(jī)組能夠穩(wěn)定地運(yùn) 行較長(zhǎng)的周期。
[0027]參見(jiàn)圖1、圖2所示，在本實(shí)施例中，離心壓縮機(jī)3可為單級(jí)高速離心壓縮機(jī)，其葉 輪的高速旋轉(zhuǎn)可對(duì)氣體做功而使得氣體快速地獲得一定的壓力和動(dòng)能并輸送至電池反應(yīng) 堆I中。向心透平膨脹機(jī)5的葉輪51可采用半開(kāi)式葉輪或閉式葉輪，輸出軸6上設(shè)有磁懸 浮軸承7，也可將磁懸浮軸承7替換為其他高速軸承，以保證高速電機(jī)4的高速運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0028]上述實(shí)施例只為說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人 士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡根據(jù)本發(fā)明 精神實(shí)質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種燃料電池系統(tǒng)的空氣供應(yīng)及能量回收裝置，所述燃料電池系統(tǒng)包括電池反應(yīng) 堆，其特征在于:包括離心壓縮機(jī)、向心透平膨脹機(jī)以及高速電機(jī)，所述離心壓縮機(jī)、所述 向心透平膨脹機(jī)分別安裝在所述高速電機(jī)的輸出軸的兩端，且所述離心壓縮機(jī)、所述向心 透平膨脹機(jī)與所述輸出軸同軸連接，所述離心壓縮機(jī)的出氣口通過(guò)管路與所述電池反應(yīng)堆 的進(jìn)氣口相連通，所述電池反應(yīng)堆的出氣口通過(guò)管路與所述向心透平膨脹機(jī)的進(jìn)氣口相連 通，所述向心透平膨脹機(jī)上具有可旋轉(zhuǎn)的葉輪，所述向心透平膨脹機(jī)上還設(shè)有可調(diào)噴嘴裝 置，所述可調(diào)噴嘴裝置包括多個(gè)噴嘴，每個(gè)所述噴嘴的進(jìn)氣口與所述向心透平膨脹機(jī)的進(jìn) 氣口相連通，每個(gè)所述噴嘴的出氣口對(duì)準(zhǔn)所述葉輪上的葉片。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)的空氣供應(yīng)及能量回收裝置，其特征在于:所 述可調(diào)噴嘴裝置還包括固定設(shè)置在所述向心透平膨脹機(jī)上的固定環(huán)、與所述固定環(huán)同軸設(shè) 置且可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)，多個(gè)所述噴嘴均布在所述固定環(huán)、所述轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)的周向上，每個(gè)所述噴 嘴的一端通過(guò)銷(xiāo)軸轉(zhuǎn)動(dòng)地連接在所述固定環(huán)上，所述噴嘴的另一端上開(kāi)設(shè)有滑槽，所述轉(zhuǎn) 動(dòng)環(huán)上設(shè)有轉(zhuǎn)動(dòng)軸，所述轉(zhuǎn)動(dòng)軸可滑移地穿設(shè)在所述滑槽中。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)的空氣供應(yīng)及能量回收裝置，其特征在于:所 述固定環(huán)、所述轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)的軸心線與所述輸出軸的軸心線沿同一直線方向分布。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的燃料電池系統(tǒng)的空氣供應(yīng)及能量回收裝置，其特征在于: 每個(gè)所述噴嘴呈機(jī)翼型。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)的空氣供應(yīng)及能量回收裝置，其特征在于:所 述離心壓縮機(jī)為單級(jí)高速離心壓縮機(jī)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)的空氣供應(yīng)及能量回收裝置，其特征在于:所 述向心透平膨脹機(jī)的所述葉輪為半開(kāi)式葉輪和閉式葉輪中的一種。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)的空氣供應(yīng)及能量回收裝置，其特征在于:所 述高速電機(jī)上所述輸出軸上設(shè)有磁懸浮軸承。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)的空氣供應(yīng)及能量回收裝置，其特征在于:所 述燃料電池系統(tǒng)還包括儲(chǔ)存有壓縮氫氣的氫氣罐，所述氫氣罐的內(nèi)腔通過(guò)管路與所述電池 反應(yīng)堆的進(jìn)氣口相連通。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)的空氣供應(yīng)及能量回收裝置，其特征在于:所 述葉輪為鈦合金整體式葉輪。
【文檔編號(hào)】H01M8/04GK103441291SQ201310351343
【公開(kāi)日】2013年12月11日 申請(qǐng)日期:2013年8月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月13日
【發(fā)明者】金鼎銘, 劉廷召 申請(qǐng)人:蘇州歐拉工程技術(shù)有限公司