涡轮发电机和具有该涡轮发电机的燃料电池系统

摘要

提供一种涡轮发电机和具有该涡轮发电机的燃料电池系统。该涡轮发电机包括：外壳；在外壳的第一侧上与外壳的轴线同轴形成的空气入口；安装在外壳中的转子，定子绕组装置，叶轮和涡轮；及安装成穿过叶轮和涡轮并可转动地和整体地支承转子的连接轴。

权利要求

1.涡轮发电机，包括：

外壳；

定位在该外壳中并延伸穿过该外壳的连接轴，该连接轴具有第一末端和第二末端；

该连接轴以机械方式与转子连通，并通过安装在外壳中的定子绕组装置、叶轮和涡轮；

位于外壳第一侧面上的空气入口，该空气入口与外壳的中心轴线同轴对齐，靠近第一末端定位的第一径向轴承；

靠近叶轮并远离第一末端的第二径向轴承；

连接到连接轴的第一末端上的推力盘，该推力盘具有第一侧和第二侧；及分别相对于推力盘的第一侧和第二侧设置的第一止推轴承和第二止推轴承。

2.如权利要求1所述的涡轮发电机，其特征在于，从空气入口进入的空气直接接触定子绕组装置、第一和第二径向轴承、第一和第二止推轴承。

3.如权利要求1所述的涡轮发电机，其特征在于，转子为与连接轴整体形成的永磁体。

4.燃料电池系统，包括：

涡轮发电机，该涡轮发电机包括外壳、位于外壳的侧面上的空气入口、起到电动发电机作用的转子和定子绕组装置、起到压缩机作用的叶轮、起到燃气轮机作用的涡轮、连接轴，该空气入口与外壳的中心轴线同轴对齐，该连接轴用于可转动地支承转子、定子绕组装置、叶轮和涡轮，其特征在于，该连接轴分别由第一径向轴承和第二径向轴承、推力盘及第一和第二止推轴承支承，该第一径向轴承靠近连接轴的第一末端设置，该第二径向轴承靠近叶轮并远离第一末端设置，该推力盘联接到连接轴的第一末端上，该第一和第二止推轴承分别相对于推力盘的第一侧和第二侧设置；

燃料电池，来自压缩机的压缩空气供给到该燃料电池；

燃烧室，用于通过燃烧来自燃料供给器的燃料和燃料电池中的压缩空气，产生高温和高压燃烧气体；

蓄电池，用于实现接受电动发电机所产生的电流进行充电或者供给充入电动发电机的电流；

启动信号施加装置，施加从蓄电池向电动发电机供给电流的启动信号；

转换器装置，用于转换蓄电池和电动发电机之间的电流方向；

控制装置，用于控制转换器装置转换电流方向的操作；及传感器装置，用于通过探测涡轮发电机的工作状态，将涡轮发电机的工作状态传递给控制装置。

5.如权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于，从空气入口进入的空气直接接触定子绕组装置、第一和第二径向轴承、第一和第二止推轴承。

6.如权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于，在压缩机中压缩的空气供给到燃气轮机。

7.如权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于，该燃气轮机包括空气循环装置。

8.如权利要求7所述的燃料电池系统，其特征在于，该空气循环装置为空气套。

说明书

涡轮发电机和具有该涡轮发电机的燃料电池系统

[0001] 相关专利申请的参照

[0002] 本专利申请对于2004年7月30日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请10-2004-0060280提出优先权要求，其公开在此通过引用整个合并进来。

技术领域

[0003] 本发明涉及涡轮发电机和具有该发电机的燃料电池系统，尤其涉及涡轮发电机系统和具有该涡轮发电机系统的燃料电池，在该涡轮发电机中，在不需要辅助冷却系统的情况下，就可以冷却定子绕组装置和轴承装置。

背景技术

[0004] 一般来说，涡轮发电机包括联接在同一轴线上的压缩机、燃气轮机和电动发电机。压缩机和电动发电机由燃气轮机经过燃烧气体供给动力，该燃烧气体通过将燃料和压缩空气一起燃烧获得。更为特殊的是，当在将燃料喷入燃烧室的同时将压缩空气供给到燃烧室时，发生燃烧，并且涡轮根据燃烧所产生的高温和高压气体转动。这样，通过压缩机的转动和与燃气轮机同轴安装的电动发电机获得压缩空气和电力。这种类型的涡轮发电机可以应用于小型发电机或与燃料电池相联接的燃料电池系统。

[0005] 常规涡轮发电机具有几个缺陷，这些缺陷与电动发电机的冷却结构相关。由于电动发电机是被下述时候所产生的热量所加热的：气流经过定子绕组装置导入电动发电机；轴承转动；及来自与电动发电机相邻的燃气轮机和压缩机的热量，所以电动发电机需要冷却系统。在常规涡轮发电机中，由于通过将空气入口靠近电动发电机设置和通过形成冷却剂能够流过的辅助流动通道，使得外部空气能够冷却电动发电机的表面，所以可以获得期望的冷却水平。然而，这些冷却系统不仅使得所述装置的整体结构复杂，而且也导致冷却效率低下。

发明内容

[0006] 本发明涉及一涡轮发电机，它在不需要辅助冷却系统的情况下，就可以有效地冷却。另外，本发明还涉及一涡轮发电机，它在压缩机的空气入口处使进入空气的损失最小。而且，本发明还提供包括该涡轮发电机的燃料电池系统。

[0007] 根据本发明的一方面，提供一涡轮发电机，它包括：外壳；位于外壳第一侧上的空气入口，该空气入口与外壳的轴线同轴对齐；转子，定子绕组装置，叶轮，和安装在外壳中的涡轮；及连接轴，它通过叶轮和涡轮并可转动地和整体地支承转子。

[0008] 根据本发明的另一方面，该燃料电池系统包括：外壳的涡轮发电机，在其一侧上与外壳的中心轴同轴形成的空气入口，起到电动发电机作用的转子和定子绕组装置，起到压缩机作用的叶轮，和起到燃气轮机作用的涡轮，及用于可转动地支承转子、定子绕组装置、叶轮和涡轮的连接轴，其中该连接轴由第一和第二轴承支承，该第一和第二轴承分别设置在与叶轮相间隔的连接轴的第一末端处和靠近叶轮的位置处，联接到该连接轴的第一端上的推力盘，以及分别设置在该推力盘前后的第一和第二止推轴承；燃料电池，压缩空气从压缩机供给到该燃料电池；用于通过燃烧燃料产生高温和高压燃烧气体的燃烧室，该燃料来自燃料供给器并在燃料电池中加热空气；蓄电池，用于通过电动发电机所产生的电流充电，或用于供给充入电动发电机的电流；启动信号施加装置，施加用于从蓄电池向电动发电机供给电流的启动信号；转换器装置，用于转换电流在蓄电池和电动发电机之间的方向；控制装置，用于对转换转换器装置的电流方向的操作进行控制；及传感器装置，用于通过探测涡轮发电机的工作状态将涡轮发电机的工作状态传递给控制装置。

附图说明

[0009] 通过参照所附附图详细描述其示范性实施例，将使本发明的上述和其它特点及优点变得更加明确，其中：

[0010] 附图1是说明常规涡轮发电机的剖视图；

[0011] 附图2是说明本发明实施例所述涡轮发电机的剖视图；

[0012] 附图3是在附图2的涡轮发电机纵向上的部分放大剖视图；

[0013] 附图4是说明位于连接轴前部的推力盘和轴承的连接状态的放大剖视图；

[0014] 附图5是说明推力盘和轴承的拆开状态的剖视图；及

[0015] 附图6是燃料电池系统的流程图，该燃料电池系统具有本发明所述的涡轮发电机。

具体实施方式

[0016] 现在将参照附图对本发明进行更加完全的描述，附图中示出了本发明的示范性实施例。

[0017] 附图1是说明美国专利6,198,174中所公开的常规涡轮发电机的剖视图。

[0018] 参照附图1，电动发电机的转子12、压缩机的叶轮13和燃气轮机的涡轮14同轴联接。转子12是永磁体，并且定子绕组装置22围绕转子12安装。当转子12转动时，定子绕组装置22可以产生感应电动势。压缩机的涡管15形成在叶轮13的外圆周上，并且通过空气入口20进入的空气在经过叶轮13压缩之后通过该涡管15排出。通过涡管15排出的压缩空气与将进行燃烧的燃料一起供给到燃烧室(未示出)。

[0019] 燃气涡轮的涡轮涡管16形成在涡轮14的外圆周上。在燃烧室(未示出)中的燃料燃烧所产生的高温和高压燃烧气体进入该涡轮涡管16，并且涡轮14在燃烧气体的作用下转动。涡轮14的转动经过连接轴11使得叶轮13和转子12转动。在涡轮涡管16中膨胀的燃烧气体通过放气扩散管21排放。

[0020] 在附图1所示的涡轮发电机中，靠近叶轮13安装在连接轴的中部的翼型轴承17和18，与安装在连接轴11另一末端上的另一翼型轴承19允许连接轴11转动。特别是，翼型轴承17起到止推轴承的作用。

[0021] 如从附图1中看出的那样，空气入口20偏离压缩机的中央。因此，必须突然改变空气流动通道，从而使来自空气入口20的空气进入到压缩机中。这导致了空气流在入口处的损耗。另一方面，由于止推轴承17设置在大约靠近叶轮13，所以突然改变了流入叶轮13的入口的空气方向，因而导致空气流在入口处的损耗增大。

[0022] 附图2是说明本发明所述涡轮发电机的剖视图，并且附图3是在附图2的涡轮发电机长度方向的部分放大剖视图。

[0023] 参照附图2，所示涡轮发电机包括：外壳41；空气入口50，它安装在外壳的第一侧上，与外壳41的轴线同轴；压缩机涡管35，它安装在外壳41的第二侧上，朝外壳41延伸；涡轮涡管36，它靠近压缩机涡管35安装；通过延伸经过外壳41、压缩机涡管35、涡轮涡管
36、在外壳41中联接到连接轴31上的转子32、安装在连接轴31上与压缩机涡管35相对应的叶轮33、联接到连接轴31上与涡轮涡管36相对应的涡轮34，和安装在外壳41的内侧与转子32相对应的定子绕组装置42，连接轴31安装得能够转动。通常，转子32由永磁体组成，并与连接轴31整体形成。由于该转子32与连接轴31整体形成，所以在转动期间能够获得动态稳定性。

[0024] 定子绕组装置42由缠绕导电线圈形成。由于当转子32在涡轮34的转动力的作用下在定子绕组装置42内部旋转时，电流流入导电线圈，所以定子绕组装置42能够起到发电机的作用。相反，当外部电流施加到定子绕组装置42上时，定子绕组装置42能够起到转动转子32的电机的作用。因此，通过在转子32的转动使叶轮33和涡轮34转动，就可以启动该涡轮发电机。

[0025] 本发明的一个特征是空气入口50，该空气入口安装在外壳41的第一侧上，与外壳41同轴。在没有辅助冷却装置的情况下，通过空气入口50进入外壳41的空气能够冷却定子绕组装置42和轴承45至48所产生的热量。

[0026] 由于外壳41的轴线与叶轮33的轴线对齐，所以进入外壳41的空气在流动通道不突然改变的情况下，就能够直接流到叶轮33，因而减小了进入空气流在空气入口50处的损耗。

[0027] 参照附图3，涡轮发电机包括第一径向轴承48和第二径向轴承45，该第一径向轴承在连接轴31的第一末端部分可转动地支承连接轴31，该第二径向轴承在靠近叶轮33的位置处可转动地支承连接轴31。该第一轴承48和第二轴承45最好是翼型轴承。如附图3中所示，连接轴31与转子32基本整体形成。因此，连接轴31的两个末端的直径都小于连接轴31靠近转子32处的直径，并且连接轴31的直径朝转子32逐渐增大。因此，第一径向轴承48和第二径向轴承45与连接轴31的直径增大部分相对应设置，从而它们能够可转动地保持连接轴31。

[0028] 同时，涡轮发电机包括连接到连接轴31的第一末端部分上的推力盘49，设置在该推力盘49前面的第一止推轴承46，和设置在该推力盘49后面的第二止推轴承47。通过将第一止推轴承46的外边缘固定到外壳41的内表面上，安装该第一止推轴承46。第二止推轴承47最好与第一径向轴承48整体形成。第二止推轴承47的外边缘也固定到外壳41的内表面上。第一径向轴承48和第二止推轴承47可以是翼型轴承。

[0029] 推力盘49和第一止推轴承46和47靠近连接轴31的第一末端部分设置，这种构造也是本发明的一方面。也就是，推力盘49和第一止推轴承46和47设置在与叶轮33相分离的位置上。以这种方式，可以防止空气流的通道突然改变，并且从空气入口50进入的低温空气可以增大止推轴承46和47的冷却效率。

[0030] 附图4是说明在连接轴的第一末端处的推力盘和轴承联接状态的放大剖视图，并且附图5是说明推力盘和轴承的拆开状态的剖视图。

[0031] 参照附图4，推力盘49通过联接装置51连接到连接轴31的第一末端上。推力盘49能够保持轴向推力，该轴向推力经连接轴31通过第一止推轴承46和第二止推轴承47传递到两个相对方向上。通过参照附图5的剖视图，可以理解每个轴承和推力盘的单独结构。

[0032] 现在将参照附图2描述涡轮发电机的操作。

[0033] 参照附图2，外部空气能够通过安装在外壳41的第一侧上的空气入口50进入外壳41。此时，可以在空气入口50前面安装空气过滤器(未示出)，从而过滤空气。

[0034] 进入外壳41的空气具有较低的温度。因此，空气能够冷却轴承46和47，同时朝安装在外壳41的侧面上与空气入口50相对的压缩机涡管35移动。也就是，进入外壳41的空气能够首先冷却第一止推轴承46、第二止推轴承47和第一径向轴承48，然后能够冷却靠近叶轮33安装的第二径向轴承45。

[0035] 空气在由叶轮33压缩之后，以压缩状态进入压缩机涡管35。压缩空气可以通过连接到压缩机涡管35上的通道供给到其它外部部件。在美国专利6,198,174中所公开的涡轮发电机的情况下，在从燃气轮机排出的高温废气和由压缩机压缩的高压空气之间进行热量交换。在本发明中，压缩空气将用作使燃料电池工作的空气(未示出)，该燃料电池将在后面详细描述。

[0036] 在用于热交换或在燃料电池中反应之后，压缩空气用于在燃烧室(未示出)中燃烧燃料，并且燃烧所得的高温和高压气体进入燃气轮机的涡轮涡管36。进入涡轮涡管36的燃烧气体转动涡轮34，并通过扩散管38排到外部。

[0037] 附图6是具有本发明涡轮发电机的燃料电池系统的流程图。参照附图6，具有本发明所述涡轮发电机的该燃料电池系统包括：涡轮发电机61，它包括起到电动发电机作用的转子32和定子绕组装置42；起到压缩机作用的叶轮；和起到燃气轮机作用的涡轮34，所有这些都可转动地并且同轴地沿着连接轴31支承在形成有空气入口的外壳41中；空气过滤器69，设置用于向外壳41的空气入口供给经过过滤的空气；燃料电池62，来自压缩机的压缩空气供给到该燃料电池；燃烧室63，在燃料电池62中加热的空气供给到该燃烧室；燃料供应器64，它将燃料供给到燃烧室63，以将高压和高温气体排入燃气轮机中；蓄电池74，用于通过由电动发电机所产生的电流充电，或供应充入电动发电机的电流；施加启动信号的启动信号施加装置73，该启动信号用于从蓄电池74向电动发电机供给电流；转换器装置72，它用于转换蓄电池74和电动发电机之间的电流方向；控制装置75，它用于控制转换转换器装置72的电流方向的操作；及传感器76，它用于通过探测涡轮发电机61的工作状态，将涡轮发电机61的工作状态传递给控制装置75。

[0038] 按照顺序，由空气过滤器69过滤的空气通过外壳41供给到压缩机，在燃料电池62中加热，在燃烧室63中与燃料一起燃烧，供给到燃气轮机，并在转动涡轮34后排放到外部。

[0039] 正如本领域中众所周知的那样，燃料电池62是用甲醇作为燃料同时获得热量和电力的装置，或通过氧和氢之间的化学反应获得电力的装置。这是因为燃料电池中的氧化还原反应是放热反应，该放热反应所产生的热量能够加热来自压缩机的压缩空气。作为该过程的结果，压缩空气作为高温和高压工作流体排放。然而，尽管从燃料电池63排放的工作流体处于高温和高压状态，该工作流体的状态也不足以驱动燃气轮机34。因此，通过燃烧来自燃料供应器64的燃料，工作流体的高温和高压在燃烧室63中进一步增强。

[0040] 通过在燃烧室63中燃烧燃料所产生的燃烧气体进入燃气轮机，并转动涡轮34。涡轮34的转动经过连接轴31使得叶轮33和电动发电机的转子32转动，然后，电动发电机就产生电。根据转换器装置72的操作，可以在向蓄电池74充电的方向上施加电流。

[0041] 如附图6中所示，附图标记65表示通过将压缩空气供给燃气轮机而用作冷却空气的部分。也就是，通过将在压缩机中经过叶轮33压缩的一部分空气供给燃气轮机，可以用于冷却燃气轮机所产生的热量。出于此目的，燃气轮机中可以包括用于循环冷却空气的空气循环装置，如空气套。

[0042] 如上所述，在本发明所述燃料电池系统中，空气入口也设置在涡轮发电机61的外壳41的侧面上。因此，进入涡轮发电机61的压缩机中的空气通过外壳41供给。这允许有效地冷却包括在电动发电机中的定子绕组装置42和支承连接轴31的轴承。

[0043] 如附图2中所示，在本发明所述燃料电池系统中，由于推力盘49、第一止推轴承46、第二止推轴承47靠近空气入口50设置，所以提高了对于它们的冷却效果，并且可以使从入口到具有叶轮33的压缩机的空气流损耗最小。

[0044] 在不需要辅助冷却系统的情况下，本发明所述的涡轮发电机和具有该涡轮发电机的燃料电池系统能够有效地冷却电动发电机和止推轴承。同时，可以使进入压缩机的进入空气损耗最小。该系统的整体结构得到了简化，因而能够小型化和集成化。

[0045] 尽管已经参照其实施例特别示出和描述了本发明，但是本领域普通技术人员将会理解，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上作出各种变化。

[0046] 包括在此处所引用的公开、专利申请和专利在内的所有参考资料都通过引用合并进来，如同每个引用都单独和具体地说明通过引用合并进来并在此整体阐述。

[0047] 在描述本发明的上下文中(尤其是在所附权利要求的上下文中)，除非在此另有指出或与上下文有明显矛盾之外，认为词语“a”、“an”和“the”以及类似对象涵盖单数和复数。除非另有指出，否则数值的引证范围仅倾向于起到单独引证落入该范围中的单个值的简化方法的作用，并且如同在此处单独引用的一样，每个单个数值都合并到说明书中。除非在此处另有指出或上下文有明显矛盾，此处所描述的所有方法均可以以任何合适顺序执行。此处所提供的任何及所有例子或示范性语言(例如“such as”)都只是倾向于更好地描述本发明，除非另有说明，否则不对本发明的范围进行限制。不应当将说明书中的任何语言理解为任何对实施本发明必不可少的非权利要求因素。

[0048] 此处描述了本发明的优选实施例，包括发明人已知的用于实现本发明的最佳方式。应当理解，所说明的实施例只是示范性的，不应当将其看作对本发明的范围的限制。