燃料電池系統的空氣供應及能量回收裝置製造方法
2023-05-21 12:08:56 1
燃料電池系統的空氣供應及能量回收裝置製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種燃料電池系統的空氣供應及能量回收裝置，該裝置上離心壓縮機、向心透平膨脹機分別安裝在高速電機的輸出軸兩端，且離心壓縮機、向心透平膨脹機與輸出軸同軸連接，其中通過在向心透平膨脹機上設置可調噴嘴裝置，使得電池反應堆反應後具有一定能量的氣體通過可調噴嘴裝置上的噴嘴噴至葉輪的葉片上而驅動葉輪旋轉，葉輪旋轉進而驅動輸出軸旋轉而驅動高速電機工作，節省了高速電機的電能消耗，使反應後氣體中的能量得到充分的回收利用，提高了燃料電池系統中空氣供應的效率和能量回收利用的效率，大幅地節約了生產成本。
【專利說明】燃料電池系統的空氣供應及能量回收裝置
[0001]
【技術領域】
[0002]本發明涉及一種燃料電池系統的空氣供應及能量回收裝置。
[0003]
【背景技術】
[0004]隨著石油、煤炭資源的過度開採，地下資源的儲藏量日漸枯竭，世界範圍內的能源 危機日益嚴重，多年來，各個國家均致力於尋找既有較高能源利用效率又不汙染環境的能 源利用方式，而燃料電池作為一種比較理想的發電技術應運而生。
[0005]燃料電池作為一種新型能源，其原理是將燃料中的化學能直接轉化為電能，而傳 統的火力發電過程則為燃料經燃燒將其化學能轉變為熱能，再由原動機將熱能轉變為機械 能，最後通過發電機將機械能轉化為電能。燃料電池相比傳統的火力發電，避免了中間環節 能量轉換造成的損失，達到很高的發電效率，同時，燃料不直接燃燒從而大幅度地降低了廢 氣汙染物的排出量，降低了對環境的汙染程度。
[0006]質子交換膜燃料電池(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，根據電化學原理將氫氧燃料電池技術(2H2+02 — 2H20+電能)轉化為生產力。然 而現有技術中，轉子的轉速往往不高，空氣壓力提升不高，單位時間在質子交換膜上的反應 量不大，發電量不足，即使採用高速電機驅動，還需採用變頻器調節，增加了成本，這些均導 致燃料電池的市場價格較為昂貴，燃料電池技術普及度較低。
[0007]
【發明內容】
[0008]本發明的目的是提供一種燃料電池系統的空氣供應及能量回收裝置，以提高燃料 電池生產過程中熱量的轉化和利用效率。
[0009]為達到上述目的，本發明採用的技術方案是:
一種燃料電池系統的空氣供應及能量回收裝置，所述燃料電池系統包括電池反應堆， 包括離心壓縮機、向心透平膨脹機以及高速電機，所述離心壓縮機、所述向心透平膨脹機分 別安裝在所述高速電機的輸出軸的兩端，且所述離心壓縮機、所述向心透平膨脹機與所述 輸出軸同軸連接，所述離心壓縮機的出氣口通過管路與所述電池反應堆的進氣口相連通， 所述電池反應堆的出氣口通過管路與所述向心透平膨脹機的進氣口相連通，所述向心透平 膨脹機上具有可旋轉的葉輪，所述向心透平膨脹機上還設有可調噴嘴裝置，所述可調噴嘴 裝置包括多個噴嘴，每個所述噴嘴的進氣口與所述向心透平膨脹機的進氣口相連通，每個 所述噴嘴的出氣口對準所述葉輪上的葉片。
[0010]優選地，所述可調噴嘴裝置還包括固定設置在所述向心透平膨脹機上的固定環、 與所述固定環同軸設置且可旋轉的轉動環，多個所述噴嘴均布在所述固定環、所述轉動環的周向上，每個所述噴嘴的一端通過銷軸轉動地連接在所述固定環上，所述噴嘴的另一端 上開設有滑槽，所述轉動環上設有轉動軸，所述轉動軸可滑移地穿設在所述滑槽中。
[0011]進一步優選地，所述固定環、所述轉動環的軸心線與所述輸出軸的軸心線沿同一 直線方向分布。
[0012]進一步優選地，每個所述噴嘴呈機翼型。
[0013]優選地，所述離心壓縮機為單級高速離心壓縮機。
[0014]優選地，所述向心透平膨脹機的所述葉輪為半開式葉輪和閉式葉輪中的一種。
[0015]優選地,所述高速電機上所述輸出軸上設有磁懸浮軸承。
[0016]優選地，所述燃料電池系統還包括儲存有壓縮氫氣的氫氣罐，所述氫氣罐的內腔 通過管路與所述電池反應堆的進氣口相連通。
[0017]優選地，所述葉輪為鈦合金整體式葉輪。
[0018]由於上述技術方案的運用，本發明與現有技術相比具有下列優點:本發明的燃料 電池系統的空氣供應及能量回收裝置，該裝置上離心壓縮機、向心透平膨脹機分別安裝在 高速電機的輸出軸兩端，且離心壓縮機、向心透平膨脹機與輸出軸同軸連接，其中通過在向 心透平膨脹機上設置可調噴嘴裝置，使得電池反應堆反應後具有一定能量的氣體通過可調 噴嘴裝置上的噴嘴噴至葉輪的葉片上而驅動葉輪旋轉，葉輪旋轉進而驅動輸出軸旋轉而驅 動高速電機工作，節省了高速電機的電能消耗，使反應後氣體中的能量得到充分的回收利 用，提高了燃料電池系統中空氣供應的效率和能量回收利用的效率，大幅地節約了生產成 本。
[0019]
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]附圖1為本發明中燃料電池系統的工作原理圖；
附圖2為本發明的空氣供應及能量回收裝置的結構示意圖；
附圖3為本發明中向心透平膨脹機上可調噴嘴的結構示意圖。
[0021]其中:1、電池反應堆；2、氫氣罐；3、離心壓縮機；4、高速電機；5、向心透平膨脹機； 51、葉輪；52、可調噴嘴裝置；521、噴嘴；522、固定環；523、轉動環；524、銷軸；525、滑槽；6、 輸出軸；7、磁懸浮軸承。
[0022]
【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖和本發明的較佳實施例來對本發明的技術方案作進一步的闡述。
[0024]參見圖1所示，燃料電池系統包括電池反應堆1、用於供應壓縮氫氣的氫氣罐2、用 於供應氧氣的離心壓縮機3、用於回收電池反應堆I反應後氣體的向心透平膨脹機5，用於 驅動以及離心壓縮機3及向心透平膨脹機5工作的高速電機4。離心壓縮機3的出氣口通 過管路與電池反應堆I的進氣口相連通，電池反應堆I的出氣口通過管路與向心透平膨脹 機5的進氣口相連通，離心壓縮機3將空氣轉換為壓縮空氣後通過管道輸送至電池反應堆 I，壓縮空氣中的氧氣與氫氣罐2供應的氫氣在電池反應堆I的質子交換膜上發生電化學反 應，反應過程中進行發電並驅動高速電機4旋轉，反應後生成的具有一定溫度和壓力的水蒸氣、未參與反應的氣體如氮氣等氣體經出氣口輸送至向心透平膨脹機5的進氣口。
[0025]參見圖1、圖2所示，離心壓縮機3、向心透平膨脹機5分別安裝在高速電機4的輸 出軸6的兩端，且離心壓縮機3、向心透平膨脹機5與輸出軸6同軸連接。向心透平膨脹機 5上具有可旋轉的葉輪51，葉輪51與輸出軸6同軸連接。向心透平膨脹機5的葉輪51和 離心壓縮機3的葉輪(圖中未示出)均可採用鈦合金整體式葉輪，以滿足離心壓縮機3和向 心透平膨脹機5對葉輪的工作性能要求。向心透平膨脹機5上還設有可調噴嘴裝置52，該 可調噴嘴裝置52上具有多個噴嘴521，每個噴嘴521的進氣口與向心透平膨脹機5的進氣 口相連通，其出氣口對準葉輪51上的葉片。這樣，由電池反應堆I反應後輸至向心透平膨 脹機5的氣體衝擊葉輪51的葉片而驅動葉輪51旋轉，從而將氣體中的能量轉變為機械能， 葉輪51而帶動輸出軸6旋轉而驅動高速電機4工作，節省了高速電機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中空氣供應的效率和能量回收利用的效率， 大幅地降低了生產成本。該裝置結構緊湊、佔用空間小，生產過程中汙染小甚至無汙染，符 合國家節能降耗及環保的政策。
[0026]參見圖3所示，可調噴嘴裝置52包括固定設置在向心透平膨脹機5機殼內腔中的 固定環522、與固定環522同軸設置且可旋轉的轉動環523，固定環522、轉動環523的軸心 線與輸出軸6的軸心線沿同一直線方向分布。多個噴嘴521均布在固定環522和轉動環 523的周向上，每個噴嘴521呈機翼型，每個噴嘴521的出氣口端通過銷軸524轉動地連接 在固定環522上，其進氣口端開設有滑槽525，轉動環523上設有轉動軸，該轉動軸可滑移地 穿設在滑槽525中，通過驅動轉動環523旋轉，可對噴嘴521的氣流噴出方向進行調整，進 而調節高速電機4輸出軸6的轉動速度。該裝置中無需再設置變頻器，機組能夠穩定地運 行較長的周期。
[0027]參見圖1、圖2所示，在本實施例中，離心壓縮機3可為單級高速離心壓縮機，其葉 輪的高速旋轉可對氣體做功而使得氣體快速地獲得一定的壓力和動能並輸送至電池反應 堆I中。向心透平膨脹機5的葉輪51可採用半開式葉輪或閉式葉輪，輸出軸6上設有磁懸 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4的高速運轉。
[0028]上述實施例只為說明本發明的技術構思及特點，其目的在於讓熟悉此項技術的人 士能夠了解本發明的內容並據以實施，並不能以此限制本發明的保護範圍。凡根據本發明 精神實質所作的等效變化或修飾，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種燃料電池系統的空氣供應及能量回收裝置，所述燃料電池系統包括電池反應 堆，其特徵在於:包括離心壓縮機、向心透平膨脹機以及高速電機，所述離心壓縮機、所述 向心透平膨脹機分別安裝在所述高速電機的輸出軸的兩端，且所述離心壓縮機、所述向心 透平膨脹機與所述輸出軸同軸連接，所述離心壓縮機的出氣口通過管路與所述電池反應堆 的進氣口相連通，所述電池反應堆的出氣口通過管路與所述向心透平膨脹機的進氣口相連 通，所述向心透平膨脹機上具有可旋轉的葉輪，所述向心透平膨脹機上還設有可調噴嘴裝 置，所述可調噴嘴裝置包括多個噴嘴，每個所述噴嘴的進氣口與所述向心透平膨脹機的進 氣口相連通，每個所述噴嘴的出氣口對準所述葉輪上的葉片。
2.根據權利要求1所述的燃料電池系統的空氣供應及能量回收裝置，其特徵在於:所 述可調噴嘴裝置還包括固定設置在所述向心透平膨脹機上的固定環、與所述固定環同軸設 置且可旋轉的轉動環，多個所述噴嘴均布在所述固定環、所述轉動環的周向上，每個所述噴 嘴的一端通過銷軸轉動地連接在所述固定環上，所述噴嘴的另一端上開設有滑槽，所述轉 動環上設有轉動軸，所述轉動軸可滑移地穿設在所述滑槽中。
3.根據權利要求2所述的燃料電池系統的空氣供應及能量回收裝置，其特徵在於:所 述固定環、所述轉動環的軸心線與所述輸出軸的軸心線沿同一直線方向分布。
4.根據權利要求2或3所述的燃料電池系統的空氣供應及能量回收裝置，其特徵在於: 每個所述噴嘴呈機翼型。
5.根據權利要求1所述的燃料電池系統的空氣供應及能量回收裝置，其特徵在於:所 述離心壓縮機為單級高速離心壓縮機。
6.根據權利要求1所述的燃料電池系統的空氣供應及能量回收裝置，其特徵在於:所 述向心透平膨脹機的所述葉輪為半開式葉輪和閉式葉輪中的一種。
7.根據權利要求1所述的燃料電池系統的空氣供應及能量回收裝置，其特徵在於:所 述高速電機上所述輸出軸上設有磁懸浮軸承。
8.根據權利要求1所述的燃料電池系統的空氣供應及能量回收裝置，其特徵在於:所 述燃料電池系統還包括儲存有壓縮氫氣的氫氣罐，所述氫氣罐的內腔通過管路與所述電池 反應堆的進氣口相連通。
9.根據權利要求1所述的燃料電池系統的空氣供應及能量回收裝置，其特徵在於:所 述葉輪為鈦合金整體式葉輪。
【文檔編號】H01M8/04GK103441291SQ201310351343
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年8月13日 優先權日:2013年8月13日
【發明者】金鼎銘, 劉廷召 申請人:蘇州歐拉工程技術有限公司