CN108172867A - 一种燃料电池用电辅助单级涡轮增压系统 - Google Patents

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潘永志
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Abstract

本发明公开一种燃料电池用电辅助单级涡轮增压系统，包括：向燃料电池提供干净压缩空气的压缩机、回收能量的涡轮机以及驱动电机，所述压缩机、涡轮机和驱动电机同轴相连，涡轮机与压缩机分别在电机转轴的两端；所述压缩机采用径流式/混流式的离心式压缩机；所述涡轮机为径流式透平膨胀机；所述电机为永磁同步电机。本发明可以满足大功率燃料电池动力系统的需求，覆盖燃料电池动力系统全工况范围，增压系统总体结构紧凑、效率高。

Description

一种燃料电池用电辅助单级涡轮增压系统
技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池的电辅助单级涡轮增压系统，以及压缩空气的径流、混流式离心压缩机中的叶轮机械，和回收能量的径流式涡轮机的叶轮机械。
背景技术
燃料电池是将燃料的化学能直接转换成电能的装置。质子交换膜燃料电池具有效率高、功率大、供电时间长、噪音低、排放物少等优点，成为继传统内燃机之后的汽车动力源之一。燃料电池动力系统作为燃料电池汽车的心脏部件，由电堆、空气供给系统、氢气供给系统和水热管理系统组成。空气供给系统的主要功能是在燃料电池汽车行驶工况中提供满足动力需求的压缩空气，并回收电堆排出的尾气供涡轮机做功。
压缩机是燃料电池空气供给系统中最为重要的部件，影响燃料电池动力系统的压力、流量、湿度和寄生功耗。功率密度是燃料电池产业化的重要瓶颈，要求压缩机结构紧凑、体积小、重量轻。经压缩机供给到电堆的高压气体不能含有杂质，以免质子交换膜燃料电池在电化学反应过程中中毒。与燃料电池动力系统匹配工作时，压缩机倾向于在小流量、高压比的工况下工作，属于小流量系数范畴，而与传统内燃机所匹配的涡轮增压系统常属于中等流量系数范畴，若将传统内燃机增压系统匹配到燃料电池系统中，往往近喘振工况，无法稳定工作。
离心压缩机可以单独应用于燃料电池空气供给系统，也可以与涡轮机匹配，利用电堆尾气能量驱动涡轮机旋转做功驱动压缩机。由于尾气能量有限，需与高速电机配合使用。涡轮机的使用可以回收部分寄生功率，提高燃料电池动力系统的效率；同时电堆尾气仍然具有较高温度，若直接排放到大气中会造成热污染，破坏自然环境和人类居住环境。
发明内容
鉴于背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种可以满足60-100kW大功率燃料电池动力系统的空气供给系统需求，具有结构紧凑、效率高等特点的燃料电池车用电辅助单级涡轮增压系统。
本发明的另一目的在于提供一种可以覆盖燃料电池动力系统全工况的离心叶轮机械结构。
为解决上述问题，本发明所采取的技术方案如下：
一种燃料电池用电辅助单级涡轮增压系统，包括：向燃料电池提供干净压缩空气的压缩机、回收能量的涡轮机以及驱动电机，所述压缩机、涡轮机和驱动电机同轴相连，涡轮机与压缩机分别在电机转轴的两端；所述压缩机采用径流式/混流式的离心式压缩机；所述涡轮机为径流式透平膨胀机；所述电机为永磁同步电机。
作为上述技术方案的改进，所述压缩机叶轮采用半开式，叶片槽道一侧被轮盘封闭，另一侧敞开。
作为上述技术方案的改进，所述压缩机叶轮叶片弯曲形式为后倾后弯式，叶片出口的弯曲方向和倾斜方向与叶轮旋转方向相异。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明涉及一种燃料电池用电辅助单级涡轮增压系统，所述电辅助单级涡轮增压系统包括压缩机、涡轮机和驱动电机。压缩机、涡轮机和驱动电机同轴相连，压缩机叶轮采用半开式，叶片弯曲形式为后倾后弯式；涡轮机采用径流式透平膨胀机；电机采用永磁同步电机，最高转速达到100000r/min以上；轴承采用无油润滑空气箔片动压轴承，经压缩机出口的高压空气不含有杂质。本发明可以满足大功率燃料电池动力系统的需求，覆盖燃料电池动力系统全工况范围，增压系统总体结构紧凑、效率高。
附图说明
图1是表示本发明的一实施例的燃料电池涡轮增压系统的结构示意图。
图2是表示离心压缩机叶轮叶片型式及出口速度三角形图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改或替换，均属于本发明的保护范围。
在燃料电池空气供给系统中，电辅助单级涡轮增压器的工作过程如下：
空气经过空气过滤器(1)的过滤，进入离心压缩机(2)，经压缩机(2)增压的高温气体通过中冷器(9)冷却降温，然后进入燃料电池电堆(5)，与氢气发生电化学反应，电堆(5)排出空气以及反应生成的水一同进入冷凝器(6)，从冷凝器(6)中出来的带有余压余温的湿空气进入涡轮机(4)，经涡轮机(4)做功，与电机(3)一同驱动压缩机(2)转动，然后通过管道进入混合室(7)，涡轮机(4)的使用可以回收部分寄生功率，提高燃料电池动力系统的效率；电堆(5)尾气仍然具有较高温度，若直接排放到大气中会造成热污染，破坏自然环境和人类居住环境。同时从冷凝器(6)出来的水也进入混合室，与反应后排出到混合室(7)的氢气一同排入大气。
离心式压缩机主要由进气道、叶轮本体、无叶或有叶扩压器、蜗壳等组成。压缩机叶轮采用半开式，叶片槽道一侧被轮盘封闭，另一侧敞开。压缩机叶轮叶片弯曲形式为后倾后弯式，叶片出口的弯曲方向和倾斜方向与叶轮旋转方向相异。后弯叶片，，，参见图2。后弯叶轮气流出口绝对速度比较小，使得气流在扩压器中流动损失也小。压力升高主要在叶轮内部完成，而叶轮内的气流受离心力的作用，不易产生边界层分离，所以气体在叶轮内的流动损失比扩压器中小。后弯叶轮的叶道比较长，叶片弯曲度较小，叶道截面积增大较慢，叶道扩压度和叶道的当量扩张角较小，不容易使气体在叶道中流动时产生边界层分离，故效率较高。由于燃料电池车用离心空压机对对喘振边界有着更为严苛的要求，为使得所设计喘振边界向低流量工况扩展，不同于内燃机车用离心空压机采用的前倾后弯叶片出口结构，采用后倾后弯式出口叶片结构，提高了小流量工况离心叶轮工作性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进，均应包含在本发明的保护范围之内。
以上内容是结合具体的实施例对本发明所作的详细说明，不能认定本发明具体实施仅限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明保护的范围。

Claims (3)

1.一种燃料电池用电辅助单级涡轮增压系统，其特征在于，包括：向燃料电池提供干净压缩空气的压缩机(2)、回收能量的涡轮机(4)以及驱动电机(3)，所述压缩机(2)、涡轮机(4)和驱动电机(3)同轴相连，涡轮机(4)与压缩机(2)分别在电机(3)转轴的两端；所述压缩机(2)采用径流式/混流式的离心式压缩机；所述涡轮机(4)为径流式透平膨胀机；所述电机(3)为永磁同步电机。
2.如权利要求1所述的一种燃料电池用电辅助单级涡轮增压系统，其特征在于，所述压缩机叶轮采用半开式，叶片槽道一侧被轮盘封闭，另一侧敞开。
3.如权利要求1所述的一种燃料电池用电辅助单级涡轮增压系统，其特征在于，所述压缩机叶轮叶片弯曲形式为后倾后弯式，叶片出口的弯曲方向和倾斜方向与叶轮旋转方向相异。
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