CN110043492A - 一种燃料电池用空压机油气密封装置 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池用空压机油气密封装置，涉及燃料电池进气装置技术领域，包括均安装有轴承和气体扩压器的高压机端和低压机端，轴承与气体扩压器之间设有阻碍油气流通的阻碍机构，及轴承与外界之间的用以排出泄露油气的排出机构，本发明解决了传统技术中的离心空压机利用空气箔片轴承产生的问题的危害性远大于其要解决的问题，受其自身特性限制，使得启动时无法形成润滑支撑，造成启动时摩擦力增大；为控制气膜厚度，制造精度要求高；还需对其使用空气进行净化的问题。

Description

一种燃料电池用空压机油气密封装置
技术领域
本发明涉及燃料电池进气装置技术领域，具体涉及一种燃料电池用空压机油气密封装置。
背景技术
在氢燃料电池技术领域，氢气和氧气在质子交换膜和催化剂的作用下快速进行电化学反应：H2+O2->H2O。但是由于质子交换膜和催化剂的特殊性，保证进气中不含有硫化物。否则催化剂将中毒失效，给燃料电池造成较大的经济损失。目前氢燃料电池领域应用比较多的空气压缩机类型空气轴承离心空压机，但是一个合格的空气轴承离心空压机，得需要满足最基本的条件，便是保证油气不能进入到压缩气体中。
中国国家知识产权局公开一个专利号为ZL2016204059441的实用新型专利，该方案包括端盖、主轴、涡壳、叶轮、转子、定子以及驱动器，主轴通过左侧的左端径向支撑空气箔片轴承和左端径向支撑空气箔片轴承轴套，以及右侧的空气箔片轴向止推轴承和右端径向支撑空气箔片轴承进行支撑，左端径向支撑空气箔片轴承轴套环绕在主轴的外侧，左端径向支撑空气箔片轴承固定在左端径向支撑空气箔片轴承轴套外侧，空气箔片轴向止推轴承采用轴套形式固定于主轴的外侧，右端径向支撑空气箔片轴承固定在空气箔片轴向止推轴承的外侧。与现有技术相比，本实用新型更适用于对无油进气要求高的燃料电池发动机的进气增压场景，可提高燃料电池发动机空气压缩机的耐久性和可靠性。
该方案记载了可以杜绝了油液对燃料电池催化剂的污染，但是经过分析后发现，采用该结构会存在以下问题：
第一，该方案采用了动压空气箔片轴承，空气轴承适合应用在工作环境固定，没有剧烈载荷波动的场景，比如说固定机床，航空等；假如应用于波动剧烈的移动场景(比如汽车)，在高速运行下很容易受损；
该方案采用气体进行轴承的润滑，气体润滑轴承比同尺寸的油润滑承载能力要低2个数量级，也就是说其承载能力仅仅是滚珠轴承的二十分之一左右。当轴承载荷遇到剧烈波动时极易受损，并且在汽车行业并没有成熟广泛应用的案例。
第二，动压空气轴承的工作原理决定它适合在持续高速运转的环境工作。因为它在启动阶段没有空气的润滑和支撑；零件之间是摩擦接触，摩擦力很大，非常不利于电机的启动。在启动阶段由于轴承摩擦力大，电机旋转阻力很大，造成电机发热量大，使电机烧毁。并且在车用行业，必定会存在持续启停的工况，频繁的启停会造成轴承的快速磨损。因此在频繁启停的工作环境动压空气轴承的寿命极低。
第三，动压空气轴承采用自身旋转产生的气压进行支撑，因此为了获得尽量大的气压，气膜都控制的很薄。这样对零件制造的精度要求较高；提高了造价。
第四，动压空气轴承需要高清洁度的工作环境。流经空气轴承的空气必须经过净化，否则空气中的杂质很容易对轴承造成损坏。
第五，上述方案采用空气箔片轴承虽然杜绝了油气污染，但在应用可行性方面还有更多问题，该问题所带来的危害性要比轴承带来的油气污染更加严重，因此利用空气箔片轴承并不适用于汽车领域使用。
以上便是燃料电池空气压缩机行业所存在的不可避免的问题，随着目前行业的竞争加剧，如何有效的在轴承应用过程中密封油气，降低燃料电池风险，成为亟需解决的问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种燃料电池用空压机油气密封装置，用以解决传统技术中的离心空压机利用空气箔片轴承产生的问题的危害性远大于其要解决的问题，受其自身特性限制，使得启动时无法形成润滑支撑，造成启动时摩擦力增大；为控制气膜厚度，制造精度要求高；还需对其使用空气进行净化的问题。
为解决上述问题，本发明提供如下技术方案：
一种燃料电池用空压机油气密封装置，包括均安装有轴承和气体扩压器的高压机端和低压机端，所述轴承与气体扩压器之间设有阻碍油气流通的阻碍机构，
及轴承与外界之间的用以排出泄露油气的排出机构。
作为一种改进的方案，所述阻碍机构包括用以将轴承与气体扩压器之间流通间隙的进行密封的密封部件。
作为一种改进的方案，所述排出机构包括将轴承泄露的油气引导至外界的引流通道。
作为一种改进的方案，所述密封部件包括轴封、轴承座、连接盘及密封环；所述密封环设有两个且并列安装于轴封上，所述密封环的的外圈与轴承座的轴心中空部分和/或与连接盘的轴心中空部分相抵。
作为一种改进的方案，所述引流通道包括进气通道以及排气通道，所述进气通道的一端连通所述气体扩压器，所述轴封处于两个密封环之间的区域开设有气体环流槽，进气通道的另一端连通所述气体环流槽，所述排气通道的一端连通气体环流槽，另一端连通外界。
作为一种改进的方案，所述轴封上同轴开设有密封环槽，所述密封环的内圈套装于所述密封环槽内。
作为一种改进的方案，轴承座的轴心中空部分和/或与连接盘的轴心中空部分设有与所述密封环的外圈相抵的密封环配合孔。
作为一种改进的方案，所述进气通道包括轴向连通孔和径向连通孔，所述轴向连通孔的一端连通所述气体扩压器，所述径向连通孔的一端连通所述气体环流槽，另一端连通轴向连通孔的另一端。
作为一种改进的方案，所述排气通道包括径向排气孔，所述径向排气孔的孔径大于所述轴向连通孔。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
解决传统技术中的空气箔片轴承所带来的问题的基础上，还可以完全杜绝轴承挥发油气进入到压缩气体中，保证了反应的稳定进行；采用滚珠轴承方案，对整个系统的载荷承受能力完全满足车用要求，并且经过各种行业的普遍验证。无论是在频繁启动方面还是可靠运转方面都有很好的表现；整个空压机系统制造成本低，结构简单有效。并且对工作环境要求不高，使用和维护方便；结构简单，使用寿命长；结构简单，工作稳定。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明高压机端的结构示意图；
图3为本发明引流通道的结构示意图；
图4为本发明气体流动的状态示意图；
图中：1-轴承，2-轴封，3-压气机叶轮，4-电机总成输出轴，5-轴承座，6-连接盘，7-压气机壳进气口，8-径向排气孔，9-空隙，10-封堵，11-低压机端，12-高压机端，13-高速电机总成，14-低压机压气机壳，15-低压机叶轮，16-低压机气体扩压器，17-低压机压气机壳流道，18-导流管，19-高压机压气机壳，20-密高压机压气机叶轮，21-高压机气体扩压器，22-高压机压气机壳流道，27-密封环，28-气体扩压器，29-轴向连通孔，30-径向连通孔，31-气体环流槽，32-密封环。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1至图4所示，燃料电池用空压机油气密封装置，包括均安装有轴承1和气体扩压器28的高压机端12和低压机端11，轴承1与气体扩压器28之间设有阻碍油气流通的阻碍机构，
及轴承1与外界之间的用以排出泄露油气的排出机构。
阻碍机构包括用以将轴承1与气体扩压器28之间流通间隙的进行密封的密封部件。
排出机构包括将轴承1泄露的油气引导至外界的引流通道。
密封部件包括轴封2、轴承座5、连接盘6及密封环；密封环设有两个且并列安装于轴封2上，密封环的的外圈与轴承座5的轴心中空部分和/或与连接盘6的轴心中空部分相抵。
引流通道包括进气通道以及排气通道，进气通道的一端连通气体扩压器28，轴封2处于两个密封环之间的区域开设有气体环流槽31，进气通道的另一端连通气体环流槽31，排气通道的一端连通气体环流槽31，另一端连通外界。
轴封2上同轴开设有密封环槽，密封环的内圈套装于密封环槽内。
轴承座5的轴心中空部分和/或与连接盘6的轴心中空部分设有与密封环的外圈相抵的密封环配合孔。
进气通道包括轴向连通孔29和径向连通孔30，轴向连通孔29的一端连通气体扩压器28，径向连通孔30的一端连通气体环流槽31，另一端连通轴向连通孔29的另一端。
排气通道包括径向排气孔8，径向排气孔8的孔径大于轴向连通孔29。
空压机包括的低压机端11，高压机端12及位于两者之间的高速电机总成13；其工作过程是：电机总成输出轴4高速旋转后，气体从低压机压气机壳14进气口7进入，经过低压机叶轮15压缩做功经过低压机气体扩压器16进入低压机压气机壳流道17；经过低压机压气机压缩的气体进入导流管18；进入导流管18中的气体经过高压机压气机壳19入口进入高压机压气机叶轮20，被再次压缩做功；气体经过高压机气体扩压器21进入高压机压气机壳流道22；最后经过两次压缩的气体被导入进燃料电池参加电化学反应。
本发明一种在燃料电池空气压缩领域应用的油气密封装置在低压机的工作过程是：电机总成输出轴4高速旋转后，低压机气体扩压器16处获得较高的压力；高压气体通过轴向连通孔29和径向连通孔30进入到气体环流槽31。气体环流槽31分别连通靠近轴承1的密封环和靠近低压机压气机叶轮3背部的密封环以及径向排气孔8。径向排气孔8通过间隙与外界连通。
高速电机工作时低压机压气机叶轮3与连接盘6之间的空隙9处的压力要高于气体环流槽31的压力，由于密封环的密封作用，会有微量的气体从空隙9进入到气体环流槽31。
高速电机工作时，轴承1的温度升高，因此会有微量的油气通过密封环进入到气体环流槽31，但是由于气体环流槽31的气体压力高于轴承1的压力，气体所以通过密封环进入到气体环流槽31的油气会非常微量。
最终气体环流槽31都会通过径向排气孔8进入到外界中。气体排出量和气体环流槽31处的气体压力由轴向连通孔29的孔径大小决定。但是通向大气环境的排气通道有效面积要大于4倍的轴向连通孔29的面积。封堵10是径向连通孔30加工完成后用于堵塞通道的，保证气体流向气体环流槽31。
如图4所示，中反应了气体流动的两个方向，第一个为流动方向为a，b，d，e；第二个为a，b，c，d，e。
密封装置在高压机的工作过程与低压机侧的油气密封过程是相同的，不再重复赘述。
靠近轴承1的第一个密封环和靠近压气机叶轮3背部的第二个密封环分别安装为轴封2两端的密封环槽内。轴封2与电机总成输出轴4同步旋转，并且装有密封环的轴封2位于密封环配合孔内。密封环由于自身弹性，胀紧于密封环配合孔内，形成油气的物理密封。
密封环配合孔是轴承座5的轴心中空部分和连接盘6的轴心中空部分共同构成。密封环配合孔也可以是轴承座5或连接盘6的轴心中空部分单独构成。
轴承1可以是脂润滑也可以是有润滑或者油气润滑。
电机总成输出轴4高速旋转后，气体扩压器28处获得较高的压力。高压气体通过轴向连通孔29和径向连通孔30进入到气体环流槽31。气体环流槽31分别连通靠近轴承1的第一个密封环和靠近压气机叶轮3背部的第二个密封环以及径向排气孔8。径向排气孔8通过间隙与外界连通。高速电机工作时压气机叶轮3与连接盘6之间的空隙9处的压力要高于气体环流槽31的压力，由于密封环的密封作用，会有微量的气体从空隙9进入到气体环流槽31。高速电机工作时，轴承1的温度升高，因此会有微量的油气通过密封环进入到气体环流槽31，但是由于气体环流槽31的气体压力高于轴承1的压力，气体所以通过密封环进入到气体环流槽31的油气会非常微量。最终气体环流槽31都会通过径向排气孔8进入到外界中。
强制泄漏油气排出的气体排出机构的气体排出量和气体环流槽31处的气体压力由轴向连通孔29的孔径大小决定。但是通向大气环境的排气通道有效面积要大于4倍的轴向连通孔29的面积。这里所说明的轴向连通孔29是指连通气体扩压器28的孔，而不仅仅表示平行于高速电机转子轴的孔。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (9)

1.一种燃料电池用空压机油气密封装置，包括均安装有轴承(1)和气体扩压器(28)的高压机端(12)和低压机端(11)，其特征在于：
所述轴承(1)与气体扩压器(28)之间设有阻碍油气流通的阻碍机构，
及轴承(1)与外界之间的用以排出泄露油气的排出机构。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池用空压机油气密封装置，其特征在于：所述阻碍机构包括用以将轴承(1)与气体扩压器(28)之间流通间隙的进行密封的密封部件。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池用空压机油气密封装置，其特征在于：所述排出机构包括将轴承(1)泄露的油气引导至外界的引流通道。
4.根据权利要求2所述的一种燃料电池用空压机油气密封装置，其特征在于：所述密封部件包括轴封(2)、轴承座(5)、连接盘(6)及密封环；所述密封环设有两个且并列安装于轴封(2)上，所述密封环的的外圈与轴承座(5)的轴心中空部分和/或与连接盘(6)的轴心中空部分相抵。
5.根据权利要求3所述的一种燃料电池用空压机油气密封装置，其特征在于：所述引流通道包括进气通道以及排气通道，所述进气通道的一端连通所述气体扩压器(28)，所述轴封(2)处于两个密封环之间的区域开设有气体环流槽(31)，进气通道的另一端连通所述气体环流槽(31)，所述排气通道的一端连通气体环流槽(31)，另一端连通外界。
6.根据权利要求4所述的一种燃料电池用空压机油气密封装置，其特征在于：所述轴封(2)上同轴开设有密封环槽，所述密封环的内圈套装于所述密封环槽内。
7.根据权利要求4所述的一种燃料电池用空压机油气密封装置，其特征在于：轴承座(5)的轴心中空部分和/或与连接盘(6)的轴心中空部分设有与所述密封环的外圈相抵的密封环配合孔。
8.根据权利要求5所述的一种燃料电池用空压机油气密封装置，其特征在于：所述进气通道包括轴向连通孔(29)和径向连通孔(30)，所述轴向连通孔(29)的一端连通所述气体扩压器(28)，所述径向连通孔(30)的一端连通所述气体环流槽(31)，另一端连通轴向连通孔(29)的另一端。
9.根据权利要求8所述的一种燃料电池用空压机油气密封装置，其特征在于：所述排气通道包括径向排气孔(8)，所述径向排气孔(8)的孔径大于所述轴向连通孔(29)。
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