燃料電池系統的空氣供應及能量回收裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型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后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
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種燃料電池系統的空氣供應及能量回收裝置。
【背景技術】
[0002]隨著石油、煤炭資源的過度開采，地下資源的儲藏量日漸枯竭，世界范圍內的能源危機日益嚴重，多年來，各個國家均致力于尋找既有較高能源利用效率又不污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。
[0003]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，最后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污染物的排出量，降低了對環境的污染程度。
[0004]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，即使采用高速電機驅動，還需采用變頻器調節，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。
【發明內容】
[0005]本實用新型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。
[0006]為達到上述目的，本實用新型采用的技術方案是:
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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。[0010]進一步優選地，每個所述噴嘴呈機翼型。
[0011]優選地，所述離心壓縮機為單級高速離心壓縮機。
[0012]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。
[0013]優選地，所述高速電機上所述輸出軸上設有磁懸浮軸承。
[0014]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。
[0015]優選地，所述葉輪為鈦合金整體式葉輪。
[0016]由于上述技術方案的運用，本實用新型與現有技術相比具有下列優點:本實用新型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后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。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]附圖1為本實用新型中燃料電池系統的工作原理圖；
[0018]附圖2為本實用新型的空氣供應及能量回收裝置的結構示意圖；
[0019]附圖3為本實用新型中向心透平膨脹機上可調噴嘴的結構示意圖。
[0020]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。
【具體實施方式】
[0021]下面結合附圖和本實用新型的較佳實施例來對本實用新型的技術方案作進一步的闡述。
[0022]參見圖1所示，燃料電池系統包括電池反應堆1、用于供應壓縮氫氣的氫氣罐2、用于供應氧氣的離心壓縮機3、用于回收電池反應堆I反應后氣體的向心透平膨脹機5，用于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后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并驅動高速電機4旋轉，反應后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。
[0023]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)均可采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反應后輸至向心透平膨脹機5的氣體沖擊葉輪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、占用空間小，生產過程中污染小甚至無污染，符合國家節能降耗及環保的政策。
[0024]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。
[0025]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并輸送至電池反應堆I中。向心透平膨脹機5的葉輪51可采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。
[0026]上述實施例只為說明本實用新型的技術構思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術的人士能夠了解本實用新型的內容并據以實施，并不能以此限制本實用新型的保護范圍。凡根據本實用新型精神實質所作的等效變化或修飾，都應涵蓋在本實用新型的保護范圍之內。
【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，其特征在于: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，其特征在于: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，其特征在于: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，其特征在于: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，其特征在于: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，其特征在于: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，其特征在于: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，其特征在于: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，其特征在于:所述葉輪為鈦合金整體式葉輪。
【文檔編號】H01M8/04GK203406380SQ201320492847
【公開日】2014年1月22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