燃料電池系統(tǒng)鼓風(fēng)機(jī)配置的制作方法
【專利說明】燃料電池系統(tǒng)鼓風(fēng)機(jī)配置
[0001]本發(fā)明利用美國政府支持在能源部授予的合同N0.DE-NT0003894下進(jìn)行。政府具有本發(fā)明中的某些權(quán)利。
[0002]背景
燃料電池對(duì)發(fā)電是有用的。燃料電池構(gòu)件促進(jìn)諸如氫和氧的反應(yīng)物之間的電化學(xué)反應(yīng)。典型的燃料電池系統(tǒng)包括用于使系統(tǒng)內(nèi)的反應(yīng)物循環(huán)的栗或鼓風(fēng)機(jī)。
[0003]例如，固體氧化物燃料電池使用高溫鼓風(fēng)機(jī)以將反應(yīng)氣體循環(huán)到電池堆組件的陽極構(gòu)件。這種鼓風(fēng)機(jī)通常定制為在高速下進(jìn)行操作以傳遞所需的性能，且能夠經(jīng)受較高的操作溫度以避免熱損失。這種鼓風(fēng)機(jī)的需求趨于引入額外費(fèi)用到燃料電池系統(tǒng)中。
[0004]概要
示例性燃料電池系統(tǒng)包括具有多個(gè)陰極構(gòu)件和多個(gè)陽極構(gòu)件的電池堆組件。第一反應(yīng)物鼓風(fēng)機(jī)具有定位成提供第一反應(yīng)物到陰極構(gòu)件的出口。第二反應(yīng)物鼓風(fēng)機(jī)具有定位成提供第二反應(yīng)物到陽極構(gòu)件的出口。第二反應(yīng)物鼓風(fēng)機(jī)包括使第二反應(yīng)物通過出口移動(dòng)的風(fēng)扇部分。第二反應(yīng)物鼓風(fēng)機(jī)還包括驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇部分的馬達(dá)部分以及與風(fēng)扇部分和馬達(dá)部分關(guān)聯(lián)的軸承部分。馬達(dá)部分具有與第一反應(yīng)物鼓風(fēng)機(jī)的出口聯(lián)接的馬達(dá)冷卻劑入口以接收第一反應(yīng)物中的一些以用于冷卻馬達(dá)部分。
[0005]在示例性實(shí)施例中，第二反應(yīng)物中的至少一些從風(fēng)扇部分移動(dòng)到軸承部分中。第一反應(yīng)物中的至少一些從馬達(dá)部分移動(dòng)到軸承部分中，其中第一反應(yīng)物能夠稀釋軸承部分中的第二反應(yīng)物的濃度。
[0006]在燃料電池系統(tǒng)中操作鼓風(fēng)機(jī)的示例性方法包括使用第一反應(yīng)物以用于冷卻鼓風(fēng)機(jī)的馬達(dá)部分。鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)扇部分用于將第二反應(yīng)物朝電池堆組件的一部分引導(dǎo)。鼓風(fēng)機(jī)的軸承部分中的第二反應(yīng)物的濃度用來自馬達(dá)部分的第一反應(yīng)物中的一些稀釋。
[0007]從以下的詳細(xì)描述，所公開的示例性實(shí)施例的各個(gè)方面對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員將變得顯而易見。伴隨詳細(xì)描述的附圖可簡要地描述如下。
_8] 附圖的簡要描述
圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例設(shè)計(jì)的燃料電池系統(tǒng)的選定部分。
[0009]圖2示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例設(shè)計(jì)的鼓風(fēng)機(jī)裝置的選定部分。
[0010]圖3示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例設(shè)計(jì)的另一鼓風(fēng)機(jī)裝置的選定部分。
[0011]詳細(xì)描沐
圖1示意性地示出了燃料電池系統(tǒng)20。電池堆組件22包括多個(gè)陽極構(gòu)件24和多個(gè)陰極構(gòu)件26，它們以公知的方式被使用以用于促進(jìn)用于發(fā)電的電化學(xué)反應(yīng)中。在示出的示例中，燃料電池系統(tǒng)包括固體氧化物燃料電池系統(tǒng)。
[0012]第一鼓風(fēng)機(jī)30被定位用于將第一反應(yīng)物(例如氧)從第一反應(yīng)物供給32傳遞到電池堆組件22的陰極構(gòu)件26。第一鼓風(fēng)機(jī)30包括用于將第一反應(yīng)物通過一個(gè)或多個(gè)管道35引導(dǎo)到陰極構(gòu)件26的鼓風(fēng)機(jī)出口 34。陰極排放物(其包括第一反應(yīng)物)在催化燃燒器36中燃燒并通過排放口 40排出。
[0013]第二鼓風(fēng)機(jī)50被定位用于將第二反應(yīng)物引導(dǎo)到陽極構(gòu)件24。示出的示例包括第二反應(yīng)物(例如氫)的供給52。第二鼓風(fēng)機(jī)50不同于通常在燃料電池系統(tǒng)內(nèi)提供的鼓風(fēng)機(jī)裝置。示例性的第二鼓風(fēng)機(jī)50包括風(fēng)扇部分54，其具有入口 56以用于接收第二反應(yīng)物且具有出口 58以用于將第二反應(yīng)物引導(dǎo)到陽極構(gòu)件24。在一個(gè)示例中，風(fēng)扇部分54包括多個(gè)渦輪葉片。
[0014]在一個(gè)示例中，風(fēng)扇部分54包括渦輪葉片，其配置得類似汽車渦輪增壓器的渦輪葉片。將渦輪風(fēng)扇葉片定位在風(fēng)扇部分54內(nèi)并且將它們與馬達(dá)部分60關(guān)聯(lián)以實(shí)現(xiàn)期望的旋轉(zhuǎn)方向致使渦輪風(fēng)扇葉片有利于在高壓下引導(dǎo)第二反應(yīng)物通過出口 58。
[0015]第二鼓風(fēng)機(jī)50包括用于驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇部分54的馬達(dá)部分60。軸承部分62與馬達(dá)部分60和風(fēng)扇部分54相關(guān)聯(lián)。在該不例中，軸承部分62位于馬達(dá)部分60和風(fēng)扇部分54之間。
[0016]圖1的示例包括用于冷卻馬達(dá)部分60的冷卻裝置。在該示例中，來自鼓風(fēng)機(jī)出口34的第一反應(yīng)物中的一些被提供到馬達(dá)冷卻劑入口 64。第一反應(yīng)物冷卻馬達(dá)部分60的構(gòu)件。示出的示例包括用于將第一反應(yīng)物冷卻劑從馬達(dá)部分60釋放的排放口 66。
[0017]圖1的示例包括質(zhì)量流量控制閥68，其用于選擇性地控制提供用于冷卻馬達(dá)部分60的第一反應(yīng)物的量。質(zhì)量流量控制閥68被選擇性地操作以控制提供給馬達(dá)部分60的冷卻劑的量。示出的示例的這個(gè)方面容許選擇性地控制馬達(dá)部分60內(nèi)的第一反應(yīng)物的壓力。
[0018]軸承潤滑劑供給70和栗72提供軸承潤滑劑到軸承部分62。在一個(gè)示例中，軸承潤滑劑包括油。在該示例中，通過栗72傳遞的軸承潤滑劑在潤滑劑入口 76 (其在軸承殼體77中形成)處進(jìn)入軸承部分之前行進(jìn)穿過潤滑劑冷卻器74。出口 78容許潤滑劑離開軸承殼體77并返回到軸承潤滑劑供給70。在一個(gè)示例中，出口 78位于軸承殼體77中以容許潤滑劑通過重力進(jìn)給返回到供給70，以避免溢流軸承殼體77內(nèi)的軸承腔。在一些示例中，入口 76具有比出口 78更小的流尺寸，以阻止返回到供給70的潤滑劑的任何流阻。
[0019]如從圖2最好理解的那樣，第二鼓風(fēng)機(jī)50包括在軸承部分62和風(fēng)扇部分54之間的對(duì)接處的第一密封件80。第一密封件80配置成阻止風(fēng)扇部分54中的第二反應(yīng)物進(jìn)入軸承部分62中。第二密封件82設(shè)置在馬達(dá)部分60和軸承部分62之間的對(duì)接處。第二密封件82配置成阻止馬達(dá)冷卻劑(例如，第一反應(yīng)物)從馬達(dá)部分60進(jìn)入軸承部分62中。
[0020]風(fēng)扇部分54被保持在第一高壓下以用于將第二反應(yīng)物傳遞到陽極構(gòu)件24以實(shí)現(xiàn)所需的性能。軸承部分62內(nèi)的壓力為第二較低的壓力。在一些示例中，軸承部分62內(nèi)的壓力近似于周圍環(huán)境。馬達(dá)部分60內(nèi)的第一反應(yīng)物保持在第三壓力，其比軸承部分62中的第二壓力高。第三壓力可小于風(fēng)扇部分54內(nèi)的第一壓力。
[0021]鑒于相比軸承部分62內(nèi)的第二壓力存在于風(fēng)扇部分54中的較高的壓力，風(fēng)扇部分54內(nèi)的第二反應(yīng)物中的至少一些將進(jìn)入軸承部分62中。鑒于第二反應(yīng)物包括可燃?xì)怏w(即，氫)，期望的是管理軸承部分62內(nèi)的任何第二反應(yīng)物。用于管理軸承部分62內(nèi)的第二反應(yīng)物的示出的示例的一個(gè)特征包括使用來自馬達(dá)部分60的第一反應(yīng)物中的一些以用于稀釋軸承部分62內(nèi)的第二反應(yīng)物的濃度。保持馬達(dá)部分60內(nèi)的足夠的第三壓力以促進(jìn)第一反應(yīng)物中的一些移動(dòng)到軸承部分62中引入了不可燃?xì)怏w(S卩，空氣)，其稀釋軸承部分62內(nèi)的第二反應(yīng)物的濃度。在一些示例中選擇性地控制質(zhì)量流控制68以控制移動(dòng)經(jīng)過密封件82的第一反應(yīng)物的量來稀釋軸承部分62中的第二反應(yīng)物。在一個(gè)示例中，關(guān)于第二反應(yīng)物的質(zhì)量流量或壓力的信息被用來確定將提供所需稀釋水平的所需第一反應(yīng)物的量。
[0022]另外，軸承部分62內(nèi)的反應(yīng)氣體變得夾帶在通過排出開口 78離開殼體77的軸承潤滑劑的流中。在圖1的示例中，軸承潤滑劑供給70包括用于將任何反應(yīng)氣體從潤滑劑供給70引導(dǎo)至催化燃燒器36的排放口 90以用于反應(yīng)氣體的處理。
[0023]圖2的示例包括引導(dǎo)至冷凝器92的排放口 90，在冷凝器92中反應(yīng)物氣體從冷卻的冷凝軸承潤滑劑分離。液體軸承潤滑劑通過返回線路94回到供給70并且反應(yīng)氣體通過排放口 96逸出。
[0024]示出的示例的一個(gè)特征是，移動(dòng)構(gòu)件(諸如軸承部分62內(nèi)的軸98)與非電弧材料制成的軸承100互相作用。在沒有充足的潤滑劑供給到軸承部分62的情況下，當(dāng)軸承由非電弧材料制成時(shí)，軸98(其可包括鋼)和在高速下的軸承100之間的接觸不會(huì)引入用于點(diǎn)燃軸承殼體62內(nèi)的反應(yīng)氣體的任何潛在可能。示例性的軸承材料包括黃銅、鋁和硬的耐高溫聚酰胺材料。
[0025]如從圖1可以理解，第二鼓風(fēng)機(jī)50在再循環(huán)回路110內(nèi)，再循環(huán)回路110使從陽極構(gòu)件24排出的至少一些第二反應(yīng)物向后朝陽極構(gòu)件24再循環(huán)。第二鼓風(fēng)機(jī)50對(duì)于將第二反應(yīng)物從供給52引導(dǎo)至陽極構(gòu)件24也是有用的。
[0026]圖1的示例性實(shí)施例的另一個(gè)特征是，風(fēng)扇部分54被保持在燃料電池系統(tǒng)