CN107893772A - 一种带能量回收功能的离心式燃料电池空气压缩机 - Google Patents

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Abstract

本发明公布了一种带能量回收功能的离心式燃料电池空气压缩机，包括电机、压气机壳、膨胀机壳和进气罩；电机轴的一端，安装有压气机叶轮和膨胀机叶轮，压气机叶轮和膨胀机叶轮分别被压气机壳和膨胀机壳所包围，形成压缩空气流道和膨胀机流道，压缩空气流道和膨胀机流道之间设置有旁通阀。本发明采用离心式空压机配合涡轮膨胀机回收电堆排气的能量，提高系统的效率。并且采用压气机和膨胀机背靠背集成设计的方案，使得整个系统紧凑，功率重量比大，效率高。通过旁通阀的控制，来避免在供应电堆的空气流量较小的情况下喘振的发生，同时旁通的空气能量也可以通过膨胀机回收。

Description

一种带能量回收功能的离心式燃料电池空气压缩机
技术领域
本发明属于燃料电池发动机技术领域，特别是涉及一种带能量回收功能的离心式燃料电池空气压缩机。
背景技术
对于燃料电池发动机来说，对所消耗空气进行增压是必要的手段。一方面可以提高燃料电池的功率密度，另一方面氧分压影响到化学反应中的吉布斯自由能，从而影响到燃料电池的效率极限。而目前燃料电池发动机用空气增压系统，普遍采用双螺杆式、罗茨式或者离心式空压机作为核心压缩泵。
燃料电池用空压机主要分为两类，一类是容积式空压机，常用的为双螺杆式和罗茨式空压机。其特点是结构简单，控制方便，但是缺点也很明显，体积重量大，效率低。另一类是离心式空压机，其特点是体积小重量轻，效率高，但是控制相对复杂。离心式空压机在其高效的同时，也有其固有的喘振缺陷。在离心式空压机运行工况点往小流量方向移动到一定程度时，会发生不稳定的流动状况——喘振，造成管路压力震荡，流量急剧变化，效率下降，严重时会损坏压气机叶轮。喘振是离心式空压机运行中应极力避免的工况。由于燃料电池为了提高反应效率，在小负荷时会有小流量，高压力的空气需求，因此必须要采取适当措施来避免喘振的发生。
相关研究表明，燃料电池空压泵消耗功率大约是输出功率的20-30%，是燃料电池辅助系统中的耗能大户。提高空压机效率可以改善整个燃料电池系统的效率。
发明内容
本发明目的在于针对现有的燃料电池空气压缩机的缺陷，提供一种提高燃料电池系统的整体效率，克服离心式空压机固有的喘振缺陷的带能量回收功能的离心式燃料电池空气压缩机。
本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：
一种带能量回收功能的离心式燃料电池空气压缩机，包括电机、压气机壳、膨胀机壳和进气罩；其特征在于：电机轴的一端，安装有压气机叶轮和膨胀机叶轮，所述压气机叶轮和膨胀机叶轮分别被压气机壳和膨胀机壳所包围，形成压缩空气流道和膨胀机流道，所述压缩空气流道和膨胀机流道之间设置有旁通阀。
其进一步特征在于：所述压气机叶轮和膨胀机叶轮背靠背集成在一起，组成复合叶轮。
进一步的：所述复合叶轮边缘与膨胀机壳内缘组成非接触迷宫式密封。
优选的：所述旁通阀为蝶形阀，通过旁通阀执行器改变所述旁通阀角度可以调节旁通开度。
所述电机设置在电机壳内，所述电机壳一端与所述进气罩固定连接，另一端与所述压气机壳固定连接；所述电机和电机壳内壁之间具有空气流道。
所述电机的壳体外部设置有散热翅片，通过进气流来给电机进行散热。
所述电机的端盖上设置有通风孔，进气流通过所述通风孔进入电机内部，冷却电机转子和轴承。
所述电机轴两端采用高速滚动轴承支撑。
本发明采用高效的离心式空压机作为压缩核心部件，同时配合涡轮膨胀机回收电堆排气的能量，来进一步提高整个系统的效率。并且采用压气机和膨胀机背靠背集成设计的方案，使得整个系统紧凑，功率重量比大，效率高。
通过旁通阀的控制，来保证在供应电堆的空气流量较小的情况下，压缩机的流量不至于过小，以避免喘振的发生，同时旁通的空气能量也可以通过膨胀机回收。
电机布置于进气通道中，进气道气流流经电机与轴承，降低电机及轴承工作温度，提高系统及电机可靠性。
附图说明
图 1 为本发明外形结构示意图。
图 2 为本发明内部结构示意图。
图 3 为转子总成示意图。
图 4a为复合叶轮结构示意图。
图 4b为复合叶轮密封结构示意图。
图 5a、5b为旁通阀工作状态示意图。
图 6 为膨胀机内部结构示意图。
图 7 为电机内部结构示意图。
具体实施方式
如图1、2所示一种带能量回收功能的离心式燃料电池空气压缩机，包括电机壳9，转子总成，压气机壳11，膨胀机壳14和进气罩1。电机部分由电机壳9，定子8，电机罩盖2所组成，电机罩盖2通过电机罩盖螺栓4固定在电机壳9上。
进气罩1通过进气罩螺栓5与电机壳9相连，电机壳9通过电机壳体螺栓10与压气机壳11相连，膨胀机壳14通过膨胀机壳体螺栓13固定在压气机壳11上。
如图 2、3所示，转子总成通过锁紧螺母16，把轴承3、电机转子7、复合叶轮12、轴承15锁紧在转轴6上，形成转子总成。转轴6两端轴承采用高速滚动轴承，不需要润滑油，不必采用隔油措施，同时滚动轴承本身可以承受一定轴向力，起到止推机构的作用。
如图 4a、4b所示，复合叶轮12，在同一叶轮上集成有压气机叶片122和膨胀机叶片123，两种叶片采用“背靠背”的布置形式，结构紧凑。复合叶轮12边缘121，与对应的膨胀机壳14内缘141组成迷宫式密封，用以防止压缩空气和电堆排气相互窜气。膨胀机壳14的壁面142和压气机壳11的壁面111共同组成压缩空气流道。
如图 5a、5b所示的内部旁通阀结构，在膨胀机壳14内部壁面开有旁通孔，旁通孔连接压缩空气流道和膨胀机流道，同时旁通孔内安装旁通阀18，旁通阀18通过旁通阀控制器17进行控制。旁通阀18为蝶阀，通过改变旁通阀18角度可以调节旁通气流大小。图 5（a）为旁通阀关闭状态，图 5（b）为旁通阀部分开启状态。
如图 6所示，膨胀机壳14出口处设有左端轴承15的轴承支座144，用于支撑转子总成，轴承支座144通过立柱143固定，同时留有流道145使得气体流通。
如图7所示，电机壳体9内部有定子壳体91用于安装电机定子8，定子壳体91通过定子壳体支座93固定在电机外壳94上。定子壳体91和电机外壳94之间形成空气流道95，用于进气的流通，同时，在定子壳体91外部设有散热翅片92，用于加强散热。电机罩盖2设有通风孔21，可以通过导入迎面进气气流，一方面冷却轴承3，另一方面冷却电机内部的电机转子7和电机定子8。
本发明的工作原理是：当电堆需要工作时，启动电机，驱动复合叶轮12旋转，在压气机叶轮122带动下，空气被吸入，气流流经电机起到冷却作用。空气被压缩后输入燃料电池电堆，经过反应后带有一定温度压力的气体排出电堆，进入膨胀机，推动膨胀机叶轮123，回收部分能量，以减少驱动电机功率，提高电堆整体效率。当电堆处于大功率工况时，旁通阀18关闭，以充分利用压气机的流量。当电堆处于小功率工况时，电堆空气需求小，但是需要保持一定的压力。而离心式空压机小流量工况下会有“喘振”问题，因此保持流经压气机叶轮122的空气流量，通过旁通阀18打开，使得一部分空气直接旁通掉，进使得进入电堆的流量减少，同时旁通空气进入膨胀机可以直接回收能量，不会造成浪费。

Claims (8)

1.一种带能量回收功能的离心式燃料电池空气压缩机，包括电机、压气机壳、膨胀机壳和进气罩；其特征在于：电机轴的一端，安装有压气机叶轮和膨胀机叶轮，所述压气机叶轮和膨胀机叶轮分别被压气机壳和膨胀机壳所包围，形成压缩空气流道和膨胀机流道，所述压缩空气流道和膨胀机流道之间设置有旁通阀。
2.根据权利要求1所述的带能量回收功能的离心式燃料电池空气压缩机，其特征在于：所述压气机叶轮和膨胀机叶轮背靠背集成在一起，组成复合叶轮。
3.根据权利要求2所述的带能量回收功能的离心式燃料电池空气压缩机，其特征在于：所述复合叶轮边缘与膨胀机壳内缘组成非接触迷宫式密封。
4.根据权利要求1或2所述的带能量回收功能的离心式燃料电池空气压缩机，其特征在于：所述旁通阀为蝶形阀，通过旁通阀执行器改变所述旁通阀角度可以调节旁通开度。
5.根据权利要求1或2所述的带能量回收功能的离心式燃料电池空气压缩机，其特征在于：所述电机设置在电机壳内，所述电机壳一端与所述进气罩固定连接，另一端与所述压气机壳固定连接；所述电机和电机壳内壁之间具有空气流道。
6.根据权利要求4所述的带能量回收功能的离心式燃料电池空气压缩机，其特征在于：所述电机的壳体外部设置有散热翅片，通过进气流来给电机进行散热。
7.根据权利要求4所述的带能量回收功能的离心式燃料电池空气压缩机，其特征在于：所述电机的端盖上设置有通风孔，进气流通过所述通风孔进入电机内部，冷却电机转子和轴承。
8.根据权利要求4所述的带能量回收功能的离心式燃料电池空气压缩机，其特征在于：所述电机轴两端采用高速滚动轴承支撑。
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