CN115013104A - 一种燃料电池能量回收系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃料电池技术领域，具体是一种燃料电池能量回收系统，包括空压机及设置在空压机两端的第一蜗壳和第二蜗壳，燃料电池的排气口与第二蜗壳的进气口连通，空压机的壳体上设有进气通道和排气通道，进气通道的进气口连接有毛细管充气管路；靠近涡轮膨胀机叶轮的主轴上设有轴承座，轴承座与第二蜗壳和涡轮膨胀机叶轮之间设有第一背板，第一背板上设有与进气通道连通的主通气孔，第一背板与涡轮膨胀机叶轮之间设有第二间隙，靠近第二间隙的第一背板上设有支路通气孔，支路通气孔与第二间隙和主通气孔均连通，第二间隙与第二蜗壳的出口连通。通过本发明的结构使得燃料电池能量回收过程中的水蒸气无法进入空压机，提高了回收系统的安全性。

Description

一种燃料电池能量回收系统
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体是一种燃料电池能量回收系统。
背景技术
燃料电池技术在最近几年飞速发展，燃料电池是用氢气和氧气作为原料，以水作为最终产物实现零污染排放，同时随着燃料电池系统性能提高，对空压机的能耗要求也随之提高，通过利用燃料电池的余压尾气，采用涡轮能量回收，然而燃料电池尾气中含有水蒸气，在膨胀过程中，压力和温度逐步降低，当相对湿度达到100％后，空气中的水蒸气会析出，或尾气中已含有液滴，进入涡轮涡轮膨胀机前没有处理干净，很容易造成空压机积水，一旦水进入机壳后，容易造成金属锈蚀和定子铜线短路，造成压气机不能正常运转，反而影响燃料电池系统的正常进行。
因此，急需设计一种杜绝水蒸气进入机壳的燃料电池能量回收系统，提高回收系统的安全性。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃料电池能量回收系统，通过毛细管充气管路、进气通道及第一背板上的主通气孔、支路通气孔等的设计，使得燃料电池能量回收过程中的水蒸气无法进入空压机，提高了回收系统的安全性。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种燃料电池能量回收系统，包括空压机及设置在所述空压机两端的第一蜗壳和第二蜗壳，所述第一蜗壳的排气口依次连接有中冷器和燃料电池，所述燃料电池的排气口与所述第二蜗壳的进气口连通，所述第二蜗壳内设有涡轮膨胀机叶轮，所述涡轮膨胀机叶轮与所述空压机的主轴同轴设置；
所述空压机的壳体上设有进气通道和排气通道，所述进气通道的进气口连接有毛细管充气管路，所述毛细管充气管路的另一端与气源连接；
靠近所述涡轮膨胀机叶轮的所述主轴上设有轴承座，所述轴承座、所述第二蜗壳与所述涡轮膨胀机叶轮之间设有第一背板，所述第一背板上设有与所述进气通道连通的主通气孔，靠近所述主轴的所述第一背板上设有与所述主通气孔相通的辅助支路通气孔，所述主轴与所述轴承座之间设有空气悬浮轴承，所述空气悬浮轴承与所述主轴之间形成的第一间隙与所述辅助支路通气孔连通，所述第一间隙与所述排气通道连通；
所述第一背板与所述涡轮膨胀机叶轮之间设有第二间隙，靠近所述第二间隙的所述第一背板上设有支路通气孔，所述支路通气孔与所述第二间隙和所述主通气孔均连通，所述第二间隙与所述第二蜗壳的出口连通。
进一步的，靠近所述涡轮膨胀机叶轮的所述第一背板的外侧设有第一密封齿，所述第一密封齿分布在所述支路通气孔的内侧，所述第一密封齿与所述涡轮膨胀机叶轮形成交叉结构，所述交叉结构的中间设有第一气道，所述第一气道与所述支路通气孔连通。
进一步的，所述第一背板与所述主轴之间设有推力轴承，靠近所述推力轴承的所述第一背板的内侧设有第二密封齿，所述第二密封齿与所述推力轴承之间形成第二气道，所述第二气道与所述第一气道和所述辅助支气通孔均连通。
进一步的，所述气源为所述第一蜗壳的排气口引出的第一气路。
进一步的，所述气源为所述中冷器的出口引出的第二气路。
进一步的，所述毛细管充气管路上设有毛细管，所述毛细管的直径为0.5mm-3mm，长度为0.1m-1m。
进一步的，所述主通气孔、所述辅助支路通气孔和所述支路通气孔均设有2-10组。
进一步的，所述空压机的壳体上还设有冷却液通道。
进一步的，远离所述涡轮膨胀机叶轮的所述主轴上设有第二背板，所述第二背板设置在所述第一蜗壳与所述壳体之间，所述第二背板与所述主轴之间设有轴套，靠近所述轴套的所述第二背板上设有第三密封齿。
进一步的，所述第三密封齿与所述轴套之间形成第三气道，所述第三气道与所述第一蜗壳的进气口和所述排气通道均连通。
本发明的有益效果是：
1.通过气源从毛细管充气管路进入主通气孔后进入支路通气孔，因支路通气孔的孔径比主通气孔的孔径小，气体被加压后进入第二间隙，然后形成两路走向，其中一路的气流与涡轮膨胀机叶轮内的尾气相遇，因气压作用，将涡轮膨胀机叶轮的尾气挤出，降低进水可能性，使得燃料电池能量回收过程中的水蒸气无法进入空压机，提高了回收系统的安全性，尾气在进入涡轮膨胀机后，带动膨胀机叶轮旋转从而带动第一蜗壳内的压气机的运作，从而完成能量回收；另外一路经过第一气道，然后经过第二气道与辅助支气通孔出来后的气流汇合，然后经过推力轴承后进入空气悬浮轴承，提高了气体的利用率。
2.通过毛细管充气管路的设计，气源经过毛细管后压力得到降低，能够避免过大气流进入进气通道造成气源浪费；另外，气源有两种方案获得，其中一支气路从压气机排气口引出，经过空压机的冷却液通道得到冷气气源，另外一支气路从中冷器的出口引出，得到的冷气气源通过壳体上的进气通道进入第一背板上的主轴通孔后进入辅助支路通气孔，经过推力轴承后进入空气悬浮轴承，最后从排气通道排出，此过程中保证了空气悬浮轴承的悬浮,同时能够实现高精度地旋转，另外经过的冷气气源实现对空压机壳体、主轴、推力轴承、空气悬浮轴承等冷却，使空压机运行更稳定，提高空压机的使用寿命。
3.通过第一背板上的第一密封齿和第二密封齿的设计，能够减少气源进入支路通气孔后的气流损耗，只需能够阻挡涡轮膨胀机叶轮尾气进入空压机内的气流，其余的可以通过第一密封齿和第二密封齿后与辅助支路通气孔出来的气流汇合后进入推力轴承，然后进入空气悬浮轴承，提高气体的利用率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1是本发明的燃料电池能量回收系统的结构示意图；
图2是本发明的燃料电池能量回收系统的A部分的局部放大结构图；
图3是本发明的燃料电池能量回收系统的B部分的局部放大结构图；
图中：1-毛细管充气管路，2-空压机，3-第一蜗壳，4-第二蜗壳， 5-中冷器，6-燃料电池，7-涡轮膨胀机叶轮，21-主轴，22-壳体，23- 进气通道，24-排气通道，25-轴承座，26-第一背板，27-空气悬浮轴承，28-推力轴承，29-冷却液通道，210-第二背板，211-轴套，2101- 第三密封齿，261-主通气孔，262-辅助支路通气孔，263-支路通气孔， 264-第一密封齿，265-第二密封齿，100-第一气道，200-第二气道， 300-第三气道，400-第二间隙。
具体实施方式
下面将结合本发明说明书附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
如图1-3所示，一种燃料电池能量回收系统，包括空压机2及设置在空压机2两端的第一蜗壳3和第二蜗壳4，第一蜗壳3的排气口依次连接有中冷器5和燃料电池6，燃料电池6的排气口与第二蜗壳 4的进气口连通，第二蜗壳4内设有涡轮膨胀机叶轮7，涡轮膨胀机叶轮7与空压机2的主轴21同轴设置；
空压机2的壳体22上设有进气通道23和排气通道24，进气通道23的进气口连接有毛细管充气管路1，毛细管充气管路1的另一端与气源连接；气源为中冷器5的出口引出的第二气路，然后经过毛细管充气管路1进入进气管道23；空压机2的壳体22上还设有冷却液通道29，冷却液通道29靠近进气通道23设置。其中，毛细管充气管路1上设有毛细管，使其压力降低再进入进气管道23，毛细管的直径为0.5mm-3mm，长度为0.1m-1m。
靠近涡轮膨胀机叶轮7的主轴21上设有轴承座25，轴承座25、第二蜗壳4与涡轮膨胀机叶轮7之间设有第一背板26，第一背板26 上设有与进气通道23连通的主通气孔261，靠近主轴21的第一背板 26上设有与主通气孔261相通的辅助支路通气孔262，主轴21与轴承座25之间设有空气悬浮轴承27，空气悬浮轴承27与主轴21之间形成的第一间隙与辅助支路通气孔262连通，第一间隙与排气通道 24连通；
第一背板26与涡轮膨胀机叶轮7之间设有第二间隙400，靠近第二间隙400的第一背板26上设有支路通气孔263，支路通气孔263 与第二间隙400和主通气孔261均连通，第二间隙400与第二蜗壳4 的出口连通。
靠近涡轮膨胀机叶轮7的第一背板26的外侧设有第一密封齿264，第一密封齿264分布在支路通气孔263的内侧，第一密封齿264与涡轮膨胀机叶轮7形成交叉结构，交叉结构的中间设有第一气道100，第一气道100与支路通气孔263连通。
第一背板26与主轴21之间设有推力轴承28，靠近推力轴承28 的第一背板26的内侧设有第二密封齿265，第二密封齿265与推力轴承28之间形成第二气道200，第二气道200与第一气道100和辅助支气通孔262均连通；主通气孔261、辅助支路通气孔262和支路通气孔263均设有2-10组。
远离涡轮膨胀机叶轮7的主轴21上设有第二背板210，第二背板210设置在第一蜗壳3与壳体22之间，第二背板210与主轴21之间设有轴套211，靠近轴套211的第二背板210上设有第三密封齿 2101，第三密封齿2101与轴套211之间形成第三气道300，第三气道300与第一蜗壳3的进气口和排气通道24均连通。
本发明的工作原理为：气源通过毛细管充气管路1从进气管道 23进入主通气孔261后，主要分两路走向，一路进入辅助支路通气孔262，然后经过推力轴承28后进入空气悬浮轴承27，从壳体22的排气通道24排出；此过程保证了空气悬浮轴承的悬浮,同时能够实现高精度地旋转，且实现对空压机壳体、主轴、推力轴承、空气悬浮轴承等冷却，使空压机运行更稳定，提高空压机的使用寿命。
另一路进入支路通气孔263，因支路通气孔263的孔径比主通气孔261的孔径小，气体被加压后进入第二间隙400，然后分成两路，其中一路的气流与涡轮膨胀机叶轮7内的尾气相遇，因气压作用，将涡轮膨胀机叶轮的尾气挤出，降低进水可能性；另一路的气流经过第一气道100，然后经过第二气道200与辅助支气通孔262出来后的气流汇合，然后经过推力轴承28后进入空气悬浮轴承27，提高了气体的利用率。
实施例2：
与实施例1不同之处在于：气源为第一蜗壳3的排气口引出的第一气路，然后经过毛细管充气管路1使其压力降低再进入进气管道 23，减小泄漏量，利用壳体22中的冷却液通道29进行热交换，得到冷气气源。
本发明的有益效果是：
1.通过气源从毛细管充气管路进入主通气孔后进入支路通气孔，因支路通气孔的孔径比主通气孔的孔径小，气体被加压后进入第二间隙，然后形成两路走向，其中一路的气流与涡轮膨胀机叶轮内的尾气相遇，因气压作用，将涡轮膨胀机叶轮的尾气挤出，降低进水可能性，使得燃料电池能量回收过程中的水蒸气无法进入空压机，提高了回收系统的安全性，尾气在进入涡轮膨胀机后，带动膨胀机叶轮旋转从而带动第一蜗壳内的压气机的运作，从而完成能量回收；另外一路经过第一气道，然后经过第二气道与辅助支气通孔出来后的气流汇合，然后经过推力轴承后进入空气悬浮轴承，提高了气体的利用率。
2.通过毛细管充气管路的设计，气源经过毛细管后压力得到降低，能够避免过大气流进入进气通道造成气源浪费；另外，气源有两种方案获得，其中一支气路从压气机排气口引出，经过空压机的冷却液通道得到冷气气源，另外一支气路从中冷器的出口引出，得到的冷气气源通过壳体上的进气通道进入第一背板上的主轴通孔后进入辅助支路通气孔，经过推力轴承后进入空气悬浮轴承，最后从排气通道排出，此过程中保证了空气悬浮轴承的悬浮,同时能够实现高精度地旋转，另外经过的冷气气源实现对空压机壳体、主轴、推力轴承、空气悬浮轴承等冷却，使空压机运行更稳定，提高空压机的使用寿命。
3.通过第一背板上的第一密封齿和第二密封齿的设计，能够减少气源进入支路通气孔后的气流损耗，只需能够阻挡涡轮膨胀机叶轮尾气进入空压机内的气流，其余的可以通过第一密封齿和第二密封齿后与辅助支路通气孔出来的气流汇合后进入推力轴承，然后进入空气悬浮轴承，提高气体的利用率。
以上所揭露的仅为本发明的两种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种燃料电池能量回收系统，其特征在于，包括空压机(2)及设置在所述空压机(2)两端的第一蜗壳(3)和第二蜗壳(4)，所述第一蜗壳(3)的排气口依次连接有中冷器(5)和燃料电池(6)，所述燃料电池(6)的排气口与所述第二蜗壳(4)的进气口连通，所述第二蜗壳(4)内设有涡轮膨胀机叶轮(7)，所述涡轮膨胀机叶轮(7)与所述空压机(2)的主轴(21)同轴设置；
所述空压机(2)的壳体(22)上设有进气通道(23)和排气通道(24)，所述进气通道(23)的进气口连接有毛细管充气管路(1)，所述毛细管充气管路(1)的另一端与气源连接；
靠近所述涡轮膨胀机叶轮(7)的所述主轴(21)上设有轴承座(25)，所述轴承座(25)、所述第二蜗壳(4)与所述涡轮膨胀机叶轮(7)之间设有第一背板(26)，所述第一背板(26)上设有与所述进气通道(23)连通的主通气孔(261)，靠近所述主轴(21)的所述第一背板(26)上设有与所述主通气孔(261)相通的辅助支路通气孔(262)，所述主轴(21)与所述轴承座(25)之间设有空气悬浮轴承(27)，所述空气悬浮轴承(27)与所述主轴(21)之间形成的第一间隙与所述辅助支路通气孔(262)连通，所述第一间隙与所述排气通道(24)连通；
所述第一背板(26)与所述涡轮膨胀机叶轮(7)之间设有第二间隙(400)，靠近所述第二间隙(400)的所述第一背板(26)上设有支路通气孔(263)，所述支路通气孔(263)与所述第二间隙(400)和所述主通气孔(261)均连通，所述第二间隙(400)与所述第二蜗壳(4)的出口连通。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池能量回收系统，其特征在于，靠近所述涡轮膨胀机叶轮(7)的所述第一背板(26)的外侧设有第一密封齿(264)，所述第一密封齿(264)分布在所述支路通气孔(263)的内侧，所述第一密封齿(264)与所述涡轮膨胀机叶轮(7)形成交叉结构，所述交叉结构的中间设有第一气道(100)，所述第一气道(100)与所述支路通气孔(263)连通。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池能量回收系统，其特征在于，所述第一背板(26)与所述主轴(21)之间设有推力轴承(28)，靠近所述推力轴承(28)的所述第一背板(26)的内侧设有第二密封齿(265)，所述第二密封齿(265)与所述推力轴承(28)之间形成第二气道(200)，所述第二气道(200)与所述第一气道(100)和所述辅助支气通孔(262)均连通。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池能量回收系统，其特征在于，所述气源为所述第一蜗壳(3)的排气口引出的第一气路。
5.根据权利要求1所述的一种燃料电池能量回收系统，其特征在于，所述气源为所述中冷器(5)的出口引出的第二气路。
6.根据权利要求1所述的一种燃料电池能量回收系统，其特征在于，所述毛细管充气管路(1)上设有毛细管，所述毛细管的直径为0.5mm-3mm，长度为0.1m-1m。
7.根据权利要求1所述的一种燃料电池能量回收系统，其特征在于，所述主通气孔(261)、所述辅助支路通气孔(262)和所述支路通气孔(263)均设有2-10组。
8.根据权利要求1所述的一种燃料电池能量回收系统，其特征在于，所述空压机(2)的壳体(22)上还设有冷却液通道(29)。
9.根据权利要求1所述的一种燃料电池能量回收系统，其特征在于，远离所述涡轮膨胀机叶轮(7)的所述主轴(21)上设有第二背板(210)，所述第二背板(210)设置在所述第一蜗壳(3)与所述壳体(22)之间，所述第二背板(210)与所述主轴(21)之间设有轴套(211)，靠近所述轴套(211)的所述第二背板(210)上设有第三密封齿(2101)。
10.根据权利要求9所述的一种燃料电池能量回收系统，其特征在于，所述第三密封齿(2101)与所述轴套(211)之间形成第三气道(300)，所述第三气道(300)与所述第一蜗壳(3)的进气口和所述排气通道(24)均连通。
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