CN103441291A - 燃料电池系统的空气供应及能量回收装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了 一种燃料电池系统的空气供应及能量回收装置，该装置上离心压缩机、向心透平膨胀机分别安装在高速电机的输出轴两端，且离心压缩机、向心透平膨胀机与输出轴同轴连接，其中通过在向心透平膨胀机上设置可调喷嘴装置，使得电池反应堆反应后具有一定能量的气体通过可调喷嘴装置上的喷嘴喷至叶轮的叶片上而驱动叶轮旋转，叶轮旋转进而驱动输出轴旋转而驱动高速电机工作，节省了高速电机的电能消耗，使反应后气体中的能量得到充分的回收利用，提高了燃料电池系统中空气供应的效率和能量回收利用的效率，大幅地节约了生产成本。

Description

燃料电池系统的空气供应及能量回收装置
 
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统的空气供应及能量回收装置。
 
背景技术
  随着石油、煤炭资源的过度开采，地下资源的储藏量日渐枯竭，世界范围内的能源危机日益严重，多年来，各个国家均致力于寻找既有较高能源利用效率又不污染环境的能源利用方式，而燃料电池作为一种比较理想的发电技术应运而生。
燃料电池作为一种新型能源，其原理是将燃料中的化学能直接转化为电能，而传统的火力发电过程则为燃料经燃烧将其化学能转变为热能，再由原动机将热能转变为机械能，最后通过发电机将机械能转化为电能。燃料电池相比传统的火力发电，避免了中间环节能量转换造成的损失，达到很高的发电效率，同时，燃料不直接燃烧从而大幅度地降低了废气污染物的排出量，降低了对环境的污染程度。
质子交换膜燃料电池（PEMFC）是燃料电池中的一种，其利用氢气作为燃料，氧气作为氧化剂，根据电化学原理将氢氧燃料电池技术（2H 2 +O 2 →2H 2 O+电能）转化为生产力。然而现有技术中，转子的转速往往不高，空气压力提升不高，单位时间在质子交换膜上的反应量不大，发电量不足，即使采用高速电机驱动，还需采用变频器调节，增加了成本，这些均导致燃料电池的市场价格较为昂贵，燃料电池技术普及度较低。
 
发明内容
本发明的目的是提供一种燃料电池系统的空气供应及能量回收装置，以提高燃料电池生产过程中热量的转化和利用效率。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种燃料电池系统的空气供应及能量回收装置，所述燃料电池系统包括电池反应堆，包括离心压缩机、向心透平膨胀机以及高速电机，所述离心压缩机、所述向心透平膨胀机分别安装在所述高速电机的输出轴的两端，且所述离心压缩机、所述向心透平膨胀机与所述输出轴同轴连接，所述离心压缩机的出气口通过管路与所述电池反应堆的进气口相连通，所述电池反应堆的出气口通过管路与所述向心透平膨胀机的进气口相连通，所述向心透平膨胀机上具有可旋转的叶轮，所述向心透平膨胀机上还设有可调喷嘴装置，所述可调喷嘴装置包括多个喷嘴，每个所述喷嘴的进气口与所述向心透平膨胀机的进气口相连通，每个所述喷嘴的出气口对准所述叶轮上的叶片。
优选地，所述可调喷嘴装置还包括固定设置在所述向心透平膨胀机上的固定环、与所述固定环同轴设置且可旋转的转动环，多个所述喷嘴均布在所述固定环、所述转动环的周向上，每个所述喷嘴的一端通过销轴转动地连接在所述固定环上，所述喷嘴的另一端上开设有滑槽，所述转动环上设有转动轴，所述转动轴可滑移地穿设在所述滑槽中。
进一步优选地，所述固定环、所述转动环的轴心线与所述输出轴的轴心线沿同一直线方向分布。
进一步优选地，每个所述喷嘴呈机翼型。
优选地，所述离心压缩机为单级高速离心压缩机。
优选地，所述向心透平膨胀机的所述叶轮为半开式叶轮和闭式叶轮中的一种。
优选地，所述高速电机上所述输出轴上设有磁悬浮轴承。
优选地，所述燃料电池系统还包括储存有压缩氢气的氢气罐，所述氢气罐的内腔通过管路与所述电池反应堆的进气口相连通。
优选地，所述叶轮为钛合金整体式叶轮。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明的燃料电池系统的空气供应及能量回收装置，该装置上离心压缩机、向心透平膨胀机分别安装在高速电机的输出轴两端，且离心压缩机、向心透平膨胀机与输出轴同轴连接，其中通过在向心透平膨胀机上设置可调喷嘴装置，使得电池反应堆反应后具有一定能量的气体通过可调喷嘴装置上的喷嘴喷至叶轮的叶片上而驱动叶轮旋转，叶轮旋转进而驱动输出轴旋转而驱动高速电机工作，节省了高速电机的电能消耗，使反应后气体中的能量得到充分的回收利用，提高了燃料电池系统中空气供应的效率和能量回收利用的效率，大幅地节约了生产成本。
 
附图说明
附图1为本发明中燃料电池系统的工作原理图；
附图2为本发明的空气供应及能量回收装置的结构示意图；
附图3为本发明中向心透平膨胀机上可调喷嘴的结构示意图。
其中：1、电池反应堆；2、氢气罐；3、离心压缩机；4、高速电机；5、向心透平膨胀机；51、叶轮；52、可调喷嘴装置；521、喷嘴；522、固定环；523、转动环；524、销轴；525、滑槽；6、输出轴；7、磁悬浮轴承。
 
具体实施方式
下面结合附图和本发明的较佳实施例来对本发明的技术方案作进一步的阐述。
参见图1所示，燃料电池系统包括电池反应堆1、用于供应压缩氢气的氢气罐2、用于供应氧气的离心压缩机3、用于回收电池反应堆1反应后气体的向心透平膨胀机5，用于驱动以及离心压缩机3及向心透平膨胀机5工作的高速电机4。离心压缩机3的出气口通过管路与电池反应堆1的进气口相连通，电池反应堆1的出气口通过管路与向心透平膨胀机5的进气口相连通，离心压缩机3将空气转换为压缩空气后通过管道输送至电池反应堆1，压缩空气中的氧气与氢气罐2供应的氢气在电池反应堆1的质子交换膜上发生电化学反应，反应过程中进行发电并驱动高速电机4旋转，反应后生成的具有一定温度和压力的水蒸气、未参与反应的气体如氮气等气体经出气口输送至向心透平膨胀机5的进气口。
参见图1、图2所示，离心压缩机3、向心透平膨胀机5分别安装在高速电机4的输出轴6的两端，且离心压缩机3、向心透平膨胀机5与输出轴6同轴连接。向心透平膨胀机5上具有可旋转的叶轮51，叶轮51与输出轴6同轴连接。向心透平膨胀机5的叶轮51和离心压缩机3的叶轮（图中未示出）均可采用钛合金整体式叶轮，以满足离心压缩机3和向心透平膨胀机5对叶轮的工作性能要求。向心透平膨胀机5上还设有可调喷嘴装置52，该可调喷嘴装置52上具有多个喷嘴521，每个喷嘴521的进气口与向心透平膨胀机5的进气口相连通，其出气口对准叶轮51上的叶片。这样，由电池反应堆1反应后输至向心透平膨胀机5的气体冲击叶轮51的叶片而驱动叶轮51旋转，从而将气体中的能量转变为机械能，叶轮51而带动输出轴6旋转而驱动高速电机4工作，节省了高速电机4的功率消耗，使能量得到充分的回收利用，提高了燃料电池系统中空气供应的效率和能量回收利用的效率，大幅地降低了生产成本。该装置结构紧凑、占用空间小，生产过程中污染小甚至无污染，符合国家节能降耗及环保的政策。
参见图3所示，可调喷嘴装置52包括固定设置在向心透平膨胀机5机壳内腔中的固定环522、与固定环522同轴设置且可旋转的转动环523，固定环522、转动环523的轴心线与输出轴6的轴心线沿同一直线方向分布。多个喷嘴521均布在固定环522和转动环523的周向上，每个喷嘴521呈机翼型，每个喷嘴521的出气口端通过销轴524转动地连接在固定环522上，其进气口端开设有滑槽525，转动环523上设有转动轴，该转动轴可滑移地穿设在滑槽525中，通过驱动转动环523旋转，可对喷嘴521的气流喷出方向进行调整，进而调节高速电机4输出轴6的转动速度。该装置中无需再设置变频器，机组能够稳定地运行较长的周期。
参见图1、图2所示，在本实施例中，离心压缩机3可为单级高速离心压缩机，其叶轮的高速旋转可对气体做功而使得气体快速地获得一定的压力和动能并输送至电池反应堆1中。向心透平膨胀机5的叶轮51可采用半开式叶轮或闭式叶轮，输出轴6上设有磁悬浮轴承7，也可将磁悬浮轴承7替换为其他高速轴承，以保证高速电机4的高速运转。
 
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种燃料电池系统的空气供应及能量回收装置，所述燃料电池系统包括电池反应堆，其特征在于：包括离心压缩机、向心透平膨胀机以及高速电机，所述离心压缩机、所述向心透平膨胀机分别安装在所述高速电机的输出轴的两端，且所述离心压缩机、所述向心透平膨胀机与所述输出轴同轴连接，所述离心压缩机的出气口通过管路与所述电池反应堆的进气口相连通，所述电池反应堆的出气口通过管路与所述向心透平膨胀机的进气口相连通，所述向心透平膨胀机上具有可旋转的叶轮，所述向心透平膨胀机上还设有可调喷嘴装置，所述可调喷嘴装置包括多个喷嘴，每个所述喷嘴的进气口与所述向心透平膨胀机的进气口相连通，每个所述喷嘴的出气口对准所述叶轮上的叶片。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统的空气供应及能量回收装置，其特征在于：所述可调喷嘴装置还包括固定设置在所述向心透平膨胀机上的固定环、与所述固定环同轴设置且可旋转的转动环，多个所述喷嘴均布在所述固定环、所述转动环的周向上，每个所述喷嘴的一端通过销轴转动地连接在所述固定环上，所述喷嘴的另一端上开设有滑槽，所述转动环上设有转动轴，所述转动轴可滑移地穿设在所述滑槽中。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统的空气供应及能量回收装置，其特征在于：所述固定环、所述转动环的轴心线与所述输出轴的轴心线沿同一直线方向分布。
4.根据权利要求2或3所述的燃料电池系统的空气供应及能量回收装置，其特征在于：每个所述喷嘴呈机翼型。
5.根据权利要求1所述的燃料电池系统的空气供应及能量回收装置，其特征在于：所述离心压缩机为单级高速离心压缩机。
6.根据权利要求1所述的燃料电池系统的空气供应及能量回收装置，其特征在于：所述向心透平膨胀机的所述叶轮为半开式叶轮和闭式叶轮中的一种。
7.根据权利要求1所述的燃料电池系统的空气供应及能量回收装置，其特征在于：所述高速电机上所述输出轴上设有磁悬浮轴承。
8.根据权利要求1所述的燃料电池系统的空气供应及能量回收装置，其特征在于：所述燃料电池系统还包括储存有压缩氢气的氢气罐，所述氢气罐的内腔通过管路与所述电池反应堆的进气口相连通。
9.根据权利要求1所述的燃料电池系统的空气供应及能量回收装置，其特征在于：所述叶轮为钛合金整体式叶轮。
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