CN105359320B - 燃料电池系统鼓风机配置 - Google Patents
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Abstract
一种示例性燃料电池系统包括具有多个阴极构件和多个阳极构件的电池堆组件。第一反应物鼓风机具有定位成提供第一反应物到阴极构件的出口。第二反应物鼓风机具有定位成提供第二反应物到阳极构件的出口。第二反应物鼓风机包括使第二反应物通过出口移动的风扇部分。第二反应物鼓风机还包括驱动风扇部分的马达部分以及与风扇部分和马达部分关联的轴承部分。马达部分具有与第一反应物鼓风机的出口联接的马达冷却剂入口以接收第一反应物中的一部分以用于冷却马达部分。
Description
本发明利用美国政府支持在能源部授予的合同No.DE-NT0003894下进行。政府具有本发明中的某些权利。
背景
燃料电池对发电是有用的。燃料电池构件促进诸如氢和氧的反应物之间的电化学反应。典型的燃料电池系统包括用于使系统内的反应物循环的泵或鼓风机。
例如，固体氧化物燃料电池使用高温鼓风机以将反应气体循环到电池堆组件的阳极构件。这种鼓风机通常定制为在高速下进行操作以传递所需的性能，且能够经受较高的操作温度以避免热损失。这种鼓风机的需求趋于引入额外费用到燃料电池系统中。
概要
示例性燃料电池系统包括具有多个阴极构件和多个阳极构件的电池堆组件。第一反应物鼓风机具有定位成提供第一反应物到阴极构件的出口。第二反应物鼓风机具有定位成提供第二反应物到阳极构件的出口。第二反应物鼓风机包括使第二反应物通过出口移动的风扇部分。第二反应物鼓风机还包括驱动风扇部分的马达部分以及与风扇部分和马达部分关联的轴承部分。马达部分具有与第一反应物鼓风机的出口联接的马达冷却剂入口以接收第一反应物中的一些以用于冷却马达部分。
在示例性实施例中，第二反应物中的至少一些从风扇部分移动到轴承部分中。第一反应物中的至少一些从马达部分移动到轴承部分中，其中第一反应物能够稀释轴承部分中的第二反应物的浓度。
在燃料电池系统中操作鼓风机的示例性方法包括使用第一反应物以用于冷却鼓风机的马达部分。鼓风机的风扇部分用于将第二反应物朝电池堆组件的一部分引导。鼓风机的轴承部分中的第二反应物的浓度用来自马达部分的第一反应物中的一些稀释。
从以下的详细描述，所公开的示例性实施例的各个方面对本领域的技术人员将变得显而易见。伴随详细描述的附图可简要地描述如下。
附图的简要描述
图1示意性地示出了根据本发明的实施例设计的燃料电池系统的选定部分。
图2示意性地示出了根据本发明的实施例设计的鼓风机装置的选定部分。
图3示意性地示出了根据本发明的实施例设计的另一鼓风机装置的选定部分。
详细描述
图1示意性地示出了燃料电池系统20。电池堆组件22包括多个阳极构件24和多个阴极构件26，它们以公知的方式被使用以用于促进用于发电的电化学反应中。在示出的示例中，燃料电池系统包括固体氧化物燃料电池系统。
第一鼓风机30被定位用于将第一反应物(例如氧)从第一反应物供给32传递到电池堆组件22的阴极构件26。第一鼓风机30包括用于将第一反应物通过一个或多个管道35引导到阴极构件26的鼓风机出口34。阴极排放物(其包括第一反应物)在催化燃烧器36中燃烧并通过排放口40排出。
第二鼓风机50被定位用于将第二反应物引导到阳极构件24。示出的示例包括第二反应物(例如氢)的供给52。第二鼓风机50不同于通常在燃料电池系统内提供的鼓风机装置。示例性的第二鼓风机50包括风扇部分54，其具有入口56以用于接收第二反应物且具有出口58以用于将第二反应物引导到阳极构件24。在一个示例中，风扇部分54包括多个涡轮叶片。
在一个示例中，风扇部分54包括涡轮叶片,其配置得类似汽车涡轮增压器的涡轮叶片。将涡轮风扇叶片定位在风扇部分54内并且将它们与马达部分60关联以实现期望的旋转方向致使涡轮风扇叶片有利于在高压下引导第二反应物通过出口58。
第二鼓风机50包括用于驱动风扇部分54的马达部分60。轴承部分62与马达部分60和风扇部分54相关联。在该示例中，轴承部分62位于马达部分60和风扇部分54之间。
图1的示例包括用于冷却马达部分60的冷却装置。在该示例中，来自鼓风机出口34的第一反应物中的一些被提供到马达冷却剂入口64。第一反应物冷却马达部分60的构件。示出的示例包括用于将第一反应物冷却剂从马达部分60释放的排放口66。
图1的示例包括质量流量控制阀68，其用于选择性地控制提供用于冷却马达部分60的第一反应物的量。质量流量控制阀68被选择性地操作以控制提供给马达部分60的冷却剂的量。示出的示例的这个方面容许选择性地控制马达部分60内的第一反应物的压力。
轴承润滑剂供给70和泵72提供轴承润滑剂到轴承部分62。在一个示例中，轴承润滑剂包括油。在该示例中，通过泵72传递的轴承润滑剂在润滑剂入口76(其在轴承壳体77中形成)处进入轴承部分之前行进穿过润滑剂冷却器74。出口78容许润滑剂离开轴承壳体77并返回到轴承润滑剂供给70。在一个示例中，出口78位于轴承壳体77中以容许润滑剂通过重力进给返回到供给70，以避免溢流轴承壳体77内的轴承腔。在一些示例中，入口76具有比出口78更小的流尺寸，以阻止返回到供给70的润滑剂的任何流阻。
如从图2最好理解的那样，第二鼓风机50包括在轴承部分62和风扇部分54之间的对接处的第一密封件80。第一密封件80配置成阻止风扇部分54中的第二反应物进入轴承部分62中。第二密封件82设置在马达部分60和轴承部分62之间的对接处。第二密封件82配置成阻止马达冷却剂(例如，第一反应物)从马达部分60进入轴承部分62中。
风扇部分54被保持在第一高压下以用于将第二反应物传递到阳极构件24以实现所需的性能。轴承部分62内的压力为第二较低的压力。在一些示例中，轴承部分62内的压力近似于周围环境。马达部分60内的第一反应物保持在第三压力，其比轴承部分62中的第二压力高。第三压力可小于风扇部分54内的第一压力。
鉴于相比轴承部分62内的第二压力存在于风扇部分54中的较高的压力，风扇部分54内的第二反应物中的至少一些将进入轴承部分62中。鉴于第二反应物包括可燃气体(即，氢)，期望的是管理轴承部分62内的任何第二反应物。用于管理轴承部分62内的第二反应物的示出的示例的一个特征包括使用来自马达部分60的第一反应物中的一些以用于稀释轴承部分62内的第二反应物的浓度。保持马达部分60内的足够的第三压力以促进第一反应物中的一些移动到轴承部分62中引入了不可燃气体(即，空气)，其稀释轴承部分62内的第二反应物的浓度。在一些示例中选择性地控制质量流控制68以控制移动经过密封件82的第一反应物的量来稀释轴承部分62中的第二反应物。在一个示例中，关于第二反应物的质量流量或压力的信息被用来确定将提供所需稀释水平的所需第一反应物的量。
另外，轴承部分62内的反应气体变得夹带在通过排出开口78离开壳体77的轴承润滑剂的流中。在图1的示例中，轴承润滑剂供给70包括用于将任何反应气体从润滑剂供给70引导至催化燃烧器36的排放口90以用于反应气体的处理。
图2的示例包括引导至冷凝器92的排放口90，在冷凝器92中反应物气体从冷却的冷凝轴承润滑剂分离。液体轴承润滑剂通过返回线路94回到供给70并且反应气体通过排放口96逸出。
示出的示例的一个特征是，移动构件(诸如轴承部分62内的轴98)与非电弧材料制成的轴承100互相作用。在没有充足的润滑剂供给到轴承部分62的情况下，当轴承由非电弧材料制成时，轴98(其可包括钢)和在高速下的轴承100之间的接触不会引入用于点燃轴承壳体62内的反应气体的任何潜在可能。示例性的轴承材料包括黄铜、铝和硬的耐高温聚酰胺材料。
如从图1可以理解，第二鼓风机50在再循环回路110内，再循环回路110使从阳极构件24排出的至少一些第二反应物向后朝阳极构件24再循环。第二鼓风机50对于将第二反应物从供给52引导至阳极构件24也是有用的。
图1的示例性实施例的另一个特征是，风扇部分54被保持在燃料电池系统20的高温区域112中。在一个示例中，区域112是1类，2区或“隔热箱”。从风扇部分54泄漏的任何第二反应物将用高温区域112内的净化空气进行稀释。在该示例中，轴承部分62和马达部分60位于区域112的外部，在一个示例中，马达部分60位于电厂舱室通风系统空气入口附近。在这个位置中，越过马达部分60的额外气流有助于冷却马达。从风扇部分54通过马达部分60的第二反应物的任何潜在的泄漏将用空气进行稀释。
图3示出了另一个第二鼓风机配置。在该示例中，第二鼓风机50不利用第一反应物作为用于马达部分60'的冷却剂。相反，风扇120被支撑在马达壳体124内的马达轴122上。当马达轴122旋转时，风扇120旋转并通过在壳体124的至少一侧中的至少一个冷却开口126将空气吸入到马达壳体124中。马达轴122旋转用于驱动风扇部分54，因此完成马达冷却功能而不需要额外的能量消耗且不需要用于将第一反应物传递到马达部分(如在图1和图2的示例中完成的那样)的任何管道或阀。
前述描述是示例性的，而不在本质上具有限制性。对于本领域的技术人员而言，所公开的示例的不一定脱离本发明的实质的变型和修改可变得显而易见。赋予本发明的法律保护的范围仅可通过研究以下权利要求来确定。
Claims (20)
1.一种燃料电池系统，包括：
电池堆组件，其包括多个阴极构件和多个阳极构件；
第一反应物鼓风机，其具有定位成提供第一反应物到所述阴极构件的出口；
第二反应物鼓风机，其具有定位成提供第二反应物到所述阳极构件的出口，所述第二反应物鼓风机包括使所述第二反应物通过所述出口移动的风扇部分、驱动所述风扇部分的马达部分以及与所述风扇部分和所述马达部分关联的轴承部分，所述马达部分具有与所述第一反应物鼓风机的所述出口联接的马达冷却剂入口以接收所述第一反应物中的一些以用于冷却所述马达部分。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述第二反应物处于所述风扇部分中的第一压力下；
所述轴承部分中的压力是比所述第一压力较低的第二压力；并且
所述马达部分中的所述第一反应物处于比所述第二压力更高的第三压力下。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述第二反应物中的至少一些从所述风扇部分移动到所述轴承部分中；并且
所述第一反应物中的至少一些从所述马达部分移动到所述轴承部分中，所述轴承部分中的所述第一反应物中的至少一些稀释所述轴承部分中的所述第二反应物的浓度。
4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，
提供到所述马达部分的所述第一反应物的量或所述第三压力中的至少一项可选择性地调节以实现对所述轴承部分中的所述第二反应物的浓度的选择的稀释量。
5.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述轴承部分包括在所述风扇部分和所述马达部分之间的轴承壳体；并且
所述系统包括：
第一密封件，其在所述轴承部分和所述风扇部分之间的对接处，所述第一密封件配置成阻止所述第二反应物从所述风扇部分移动到所述轴承壳体中；和
第二密封件，其在所述轴承部分和所述马达部分之间的对接处，所述第二密封件配置成阻止所述第一反应物从所述马达部分移动到所述轴承壳体中。
6.根据权利要求5所述的燃料电池系统，其特征在于，所述轴承壳体包括出口，其配置成容许所述轴承壳体中的任何第二反应物离开所述轴承壳体。
7.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述系统包括：
轴承润滑剂的源；
润滑剂泵，其将润滑剂从所述源引导到所述轴承部分；
以及
排放口，其用于排放与所述润滑剂相关联的任何所述反应物。
8.根据权利要求7所述的燃料电池系统，其特征在于，所述系统包括：
在所述润滑剂泵和所述轴承部分之间的供给管道；以及
在所述轴承部分和所述轴承润滑剂的源之间的返回管道，其定位成用于使轴承润滑剂从所述轴承部分返回到所述源，所述轴承部分中的任何所述反应物由在所述轴承部分和所述源之间移动的轴承润滑剂通过所述返回管道从所述轴承部分带走；
其中，所述排放口定位成容许任何反应物从所述润滑剂的源逸出。
9.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述润滑剂的源包括储箱；
所述排放口包括与所述储箱联接的管道，冷却器配置用于从进入所述冷却器中的流体流分离润滑剂，所述流体流包括来自所述储箱的所述反应物中的一些以及来自所述储箱的所述润滑剂中的一些，且排放开口配置成容许任何分离的反应物离开所述冷却器；并且
所述冷却器与所述储箱联接以容许所述冷却器中的液体润滑剂流入所述储箱中。
10.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述轴承部分包括由非电弧材料制成的轴承构件。
11.根据权利要求10所述的燃料电池系统，其特征在于，所述非电弧材料包括黄铜、铝或聚酰胺中的至少一种。
12.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述风扇部分包括多个涡轮叶片；和
所述马达部分包括电动马达。
13.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述燃料电池系统包括较高温度区域；
所述风扇部分定位在所述较高温度区域中；和
所述马达部分定位在较低温度区域中。
14.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述系统包括循环回路，所述循环回路配置成使从所述阳极构件排放的所述第二反应物中的至少一些朝所述阳极构件回送，并且其中所述第二反应物鼓风机在所述循环回路内。
15.一种操作燃料电池系统中的鼓风机的方法，其中，所述鼓风机包括风扇部分、驱动所述风扇部分的马达部分以及与所述马达部分和所述风扇部分关联的轴承部分，所述方法包括以下步骤：
使用第一反应物以用于冷却所述马达部分；
使用所述风扇部分以用于将第二反应物朝电池堆组件的一部分引导；以及
利用来自所述马达部分的所述第一反应物中的一些来稀释所述轴承部分中的所述第二反应物的浓度。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法包括：
创建所述风扇部分中的所述第二反应物的第一压力；
创建所述轴承部分中的比所述第一压力较低的第二压力；
创建所述马达部分中的所述第一反应物的第三压力，所述第三压力大于所述第二压力。
17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法包括从所述轴承部分排放所述第二反应物。
18.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法包括：
通过使用所述鼓风机引导从所述电池堆组件排放的所述第二反应物中的至少一些朝所述电池堆组件返回来使所述第二反应物中的至少一些再循环。
19.一种燃料电池系统，包括：
电池堆组件，其包括阳极构件和阴极构件；以及
配置用于将反应物供给到所述阳极构件的鼓风机，所述鼓风机包括风扇部分和用于驱动所述风扇部分的马达部分，所述马达部分包括马达壳体、被支撑用于在所述马达壳体中旋转的马达轴以及被支撑用于与所述马达轴一起旋转的风扇，所述风扇配置成在所述风扇与所述马达轴一起旋转时将空气引入到所述马达壳体中以用于冷却所述马达部分。
20.根据权利要求19所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述马达壳体包括至少一个冷却开口；并且
所述风扇定位成通过所述至少一个冷却开口将空气吸入到所述马达壳体中。
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