CN110148767A - 一种由电机驱动的两级氢燃料电池堆供气装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种由电机驱动的两级氢燃料电池堆供气装置，包括驱动电机、一级压缩机、二级压缩机和级间联通管路，所述驱动电机包括电机壳体、电机定子、电机主轴和高速电机转子，用氢燃料电池排气进入涡轮，涡轮带动同轴转动的压气机，不仅能够降低压气机功耗，而且经过涡轮膨胀放热的燃料电池排气气体温度下降，再进入驱动电机内部对高速电机转子进行热交换，降低高速电机转子的温度，增加电机的稳定性，提高电机的负压能力和使用时间，本装置利用燃料电池尾气的能量对系统进行冷却，降低冷却能耗的同时提高了燃料电池的发电效率。
Description
技术领域
本发明涉及氢燃料电池供气领域，尤其涉及一种由电机驱动的两级氢燃料电池堆供气装置。
背景技术
燃料电池是一种高效清洁的能量转换装置。空气压缩机将空气进行压缩，然后送入燃料电池阴极侧用于提供氧化剂，在燃料电池中，空气与氢气进行电化学反应，生成的水随剩余的空气一同排出。排出的尾气压力较高，可以被进一步利用。
高速旋转过程中，电机和轴承会产生大量的热量，如果散热不及时会导致温度急剧升高，影响其正常工作。电机定子线圈发热通常可以通过水冷解决，而转子和轴承的热量只能通过压缩机高压排气进行冷却。这样不仅冷却效果较差，而且冷却能耗较高。
本发明主要解决电机转子和轴承的冷却问题，利用氢燃料电池排气进入涡轮，涡轮带动同轴转动的压气机，不仅能够降低压气机功耗，而且经过涡轮膨胀燃料电池排气气体温度下降，再进入驱动电机内部对高速电机转子进行热交换，降低高速电机转子的温度，增加电机的稳定性，提高电机的负压能力和使用时间，本装置利用燃料电池尾气的能量对系统进行冷却，降低冷却能耗的同时提高了燃料电池的发电效率。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的不足之处，提供了一种不仅能够降低压气机功耗，对高速电机转子进行热交换，降低高速电机转子的温度，增加电机的稳定性，提高电机的负压能力和使用时间，降低冷却能耗的同时提高了燃料电池的发电效率的由电机驱动的两级氢燃料电池堆供气装置。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种由电机驱动的两级氢燃料电池堆供气装置，包括
驱动电机、一级压缩机、二级压缩机和级间联通管路，所述驱动电机包括电机壳体、电机定子、电机主轴和高速电机转子，所述电机定子固定与电机壳体内，所述电机主轴两端各设有轴承，所述轴承的外圈与电机壳体连接，所述驱动电机内设有电机冷却腔和冷却排气管；
所述一级压缩机包括一级压气机排气蜗壳、一级压气机叶轮，一级涡轮，所述一级压气机叶轮与和一级涡轮与电机主轴同轴转动，所述一级压缩机设有一级涡轮进气管和一级涡轮排气管，所述一级涡轮进气管与氢燃料电池排气管联通，所述二级压缩机包括二级压气机排气蜗壳、二级压气机叶轮，所述二级压气机叶轮与电机主轴同轴转动，所述一级压缩机出气口与二级压缩机进气口联通，所述一级涡轮排气口与电机冷却腔联通。在燃料电池堆反应初期，利用驱动电机带动一级压缩机和二级压缩机，将外界空气空气压缩，提高燃料电池堆的初期反应速率，缩短燃料电池堆到达反应最佳状态的时间，其中一级离心压缩机产生的高压气体通过蜗壳排出，经过级间管路进入到第二级，驱动电机驱动一级压缩机将初级压缩空气排送到二级压缩机，进行二次压缩，二级压缩器再将二级压缩气体输送到氢燃料电池堆中与氢气进行化学反应，氢燃料电池反应后排出水和气体，经过气液分离后，将排出废弃气体作为动力驱动一级涡轮转动，同时带动一级压气机叶轮转动，提高一级压气机的空气压缩量，在驱动电机的输出功率满额的情况下，进一步提高燃料电池的空气供给量和燃烧反应速率，经过涡轮膨胀燃料电池排气气体温度下降，再进入驱动电机内部对高速电机转子进行热交换，降低高速电机转子的温度，增加电机的稳定性，提高电机的负压能力和使用时间，本装置利用燃料电池尾气的能量对系统进行冷却，降低冷却能耗的同时提高了燃料电池的发电效率。
作为优选，所述二级压缩机还包括二级涡轮、二级涡轮进气管、二级涡轮排气管和若干设置于二级压气机叶轮轮背的二级向心涡轮叶片，所述二级涡轮进气管与一级涡轮排气管联通，所述二级涡轮排气管与电机冷却腔联通。在燃料电池堆反应速率达到稳定高速的时候，燃料电池的废弃气体，也随增加，经过一级涡轮膨胀后，仍旧剩余部分动能，在二级压缩机的压气机叶轮上设置二级涡轮，能够进一步充分利用燃料电池废弃气体的能效，提高二级压缩机的空气压缩输出效率，同时也增加了燃料电池的反应速率。
作为优选，所述一级涡轮包括若干设置于一级压气机叶轮轮背的一级向心涡轮叶片，
所述一级压气机叶轮为半开式离心叶轮或闭式离心叶轮，所述一级压缩机还包括叶片式扩压器。高压的冷却气体通过喷嘴环降压加速后，推动向心涡轮旋转。向心涡轮旋转产生的扭矩可以协助电机驱动压缩机，经过涡轮膨胀后的气体温度降低，用于冷却轴承和电机定子。
作为优选，所述电机壳体上设有冷却散热管道，所述冷却散热管道内嵌与电机壳体上。电机壳体上设置的冷却散热管道，将电机产生的热量带走，有助于驱动电机的稳定运行。
作为优选，氢燃料电池推进气管联通二级压缩机出气口，氢燃料电池堆燃烧反应后排出废弃气体。
作为优选，所述轴承为气浮轴承或磁悬浮轴承。
作为优选，所述驱动电机为高速直驱电机。
本发明具备的有益技术效果是：用氢燃料电池排气进入涡轮，涡轮带动同轴转动的压气机，不仅能够降低压气机功耗，而且经过涡轮膨胀燃料电池排气气体温度下降，再进入驱动电机内部对高速电机转子进行热交换，降低高速电机转子的温度，增加电机的稳定性，提高电机的负压能力和使用时间，本装置利用燃料电池尾气的能量对系统进行冷却，降低冷却能耗的同时提高了燃料电池的发电效率；在燃料电池堆反应速率达到稳定高速的时候，燃料电池的废弃气体也随增加，经过一级涡轮膨胀后，仍旧剩余部分动能，在二级压缩机的压气机叶轮上设置二级涡轮，能够进一步充分利用燃料电池废弃气体的能效，提高二级压缩机的空气压缩输出效率，同时也增加了燃料电池的反应速率。
附图说明
图1是本发明实施例一的机构示意图；
图2是本发明实施例二的结构示意图；
图3是本发明实施例一的气体流动状态示意图；
图4是本发明实施例二的气体流动状态示意图；
图中：一级压缩机1、一级压气机排气蜗壳11、一级压气机叶轮12，一级涡轮13、一级涡轮进气管14、一级涡轮排气管15、驱动电机2、 电机壳体21、电机定子22、电机主轴23、高速电机转子24、冷却散热管道25、电机冷却腔26、冷却排气管27、二级压缩机3、二级压气机排气蜗壳31、二级压气机叶轮32、二级涡轮33、二级涡轮进气管34、二级涡轮排气管35 、轴承4。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述，通过下面对实施例的描述，将更加有助于公众理解本发明，但不能也不应当将申请人所给出的具体的实施例视为对本发明技术方案的限制，任何对部件或技术特征的定义进行改变或对整体结构作形式的而非实质的变换都应视为本发明的技术方案所限定的保护范围。
实施例一：
如图1、图3中所示，
一种由电机驱动的两级氢燃料电池堆供气装置，包括
驱动电机2、一级压缩机1、二级压缩机3和级间联通管路，所述驱动电机2包括电机壳体21、电机定子22、电机主轴23和高速电机转子24，所述电机定子固定与电机壳体内，所述电机主轴两端各设有轴承4，所述轴承的外圈与电机壳体连接， 所述驱动电机内设有电机冷却腔26和冷却排气管27；
所述一级压缩机包括一级压气机排气蜗壳11、一级压气机叶轮12，一级涡轮13，所述一级压气机叶轮与和一级涡轮与电机主轴同轴转动，所述一级压缩机设有一级涡轮进气管14和一级涡轮排气管15，所述一级涡轮进气管与氢燃料电池排气管联通，所述二级压缩机包括二级压气机排气蜗壳31、二级压气机叶轮32，所述二级压气机叶轮与电机主轴同轴转动，所述一级压缩机出气口与二级压缩机进气口联通，所述一级涡轮排气口与电机冷却腔联通，所述一级涡轮包括若干设置于一级压气机叶轮轮背的一级向心涡轮叶片，所述一级压气机叶轮12为半开式离心叶轮或闭式离心叶轮，所述一级压缩机还包括叶片式扩压器，所述电机壳体上设有冷却散热管道25，所述冷却散热管道内嵌与电机壳体21上，氢燃料电池推进气管联通二级压缩机出气口，氢燃料电池堆燃烧反应后排出废弃气体，所述轴承为气浮轴承或磁悬浮轴承，所述驱动电机为高速直驱电机。
本实施例中，在燃料电池堆反应初期，利用驱动电机2带动一级压缩机1和二级压缩机3，将外界空气空气压缩，提高燃料电池堆的初期反应速率，缩短燃料电池堆到达反应最佳状态的时间，一级离心压缩机产生的高压气体通过蜗壳排出，经过级间管路进入到第二级，一级压缩机将初级压缩空气排送到二级压缩机，进行二次压缩，二级压缩器再将二级压缩气体输送到氢燃料电池堆中与氢气进行化学反应，氢燃料电池反应后排出水和气体，经过气液分离后，将排出废弃气体作为动力驱动一级涡轮转动，同时带动一级压气机叶轮转动，提高一级压气机的空气压缩量，在驱动电机的输出功率满额的情况下，进一步提高燃料电池的空气供给量和燃烧反应速率，经过涡轮膨胀燃料电池排气气体温度下降，再进入驱动电机内部对高速电机转子进行热交换，降低高速电机转子的温度，增加驱动电机的稳定性，提高驱动电机的负压能力和使用时间，本装置利用燃料电池尾气的能量对系统进行冷却，降低冷却能耗的同时提高了燃料电池的发电效率。
实施例二：
如图2、图4中所示，
一种由电机驱动的两级氢燃料电池堆供气装置，包括驱动电机2、一级压缩机1、二级压缩机3和级间联通管路，所述驱动电机2包括电机壳体21、电机定子22、电机主轴23和高速电机转子24，所述电机定子固定与电机壳体内，所述电机主轴两端各设有轴承4，所述轴承的外圈与电机壳体连接， 所述驱动电机内设有电机冷却腔26和冷却排气管27；所述一级压缩机包括一级压气机排气蜗壳11、一级压气机叶轮12，一级涡轮13，所述一级压气机叶轮与和一级涡轮与电机主轴同轴转动，所述一级压缩机设有一级涡轮进气管14和一级涡轮排气管15，所述一级涡轮进气管与氢燃料电池排气管联通，所述二级压缩机包括二级压气机排气蜗壳31、二级压气机叶轮32，所述二级压气机叶轮与电机主轴同轴转动，所述一级压缩机出气口与二级压缩机进气口联通，所述一级涡轮排气口与电机冷却腔联通，所述二级压缩机还包括二级涡轮33、二级涡轮进气管34、二级涡轮排气管35和若干设置于二级压气机叶轮轮背的二级向心涡轮叶片，所述二级涡轮进气管与一级涡轮排气管15联通，所述二级涡轮排气管35与电机冷却腔联通，所述一级涡轮包括若干设置于一级压气机叶轮轮背的一级向心涡轮叶片，所述一级压气机叶轮12为半开式离心叶轮或闭式离心叶轮，所述一级压缩机还包括叶片式扩压器，所述电机壳体上设有冷却散热管道25，所述冷却散热管道内嵌与电机壳体21上，氢燃料电池推进气管联通二级压缩机出气口，氢燃料电池堆燃烧反应后排出废弃气体，所述轴承为气浮轴承或磁悬浮轴承，所述驱动电机为高速直驱电机。
本实施例中，在燃料电池堆反应初期，利用驱动电机2带动一级压缩机1和二级压缩机3，将外界空气空气压缩，提高燃料电池堆的初期反应速率，缩短燃料电池堆到达反应最佳状态的时间，一级离心压缩机产生的高压气体通过蜗壳排出，经过级间管路进入到第二级，一级压缩机将初级压缩空气排送到二级压缩机，进行二次压缩，二级压缩器再将二级压缩气体输送到氢燃料电池堆中与氢气进行化学反应，氢燃料电池反应后排出水和气体，经过气液分离后，将排出废弃气体作为动力驱动一级涡轮转动，同时带动一级压气机叶轮转动，提高一级压气机的空气压缩量，在驱动电机的输出功率满额的情况下，进一步提高燃料电池的空气供给量和燃烧反应速率，经过涡轮膨胀燃料电池排气气体温度下降，再进入驱动电机内部对高速电机转子进行热交换，降低高速电机转子的温度，增加驱动电机的稳定性，提高驱动电机的负压能力和使用时间，本装置利用燃料电池尾气的能量对系统进行冷却，降低冷却能耗的同时提高了燃料电池的发电效率；
在燃料电池堆反应速率达到稳定高速的时候，燃料电池的废弃气体，也随增加，经过一级涡轮膨胀后，仍旧剩余部分动能，在二级压缩机的压气机叶轮上设置二级涡轮，能够进一步充分利用燃料电池废弃气体的能效，提高二级压缩机的空气压缩输出效率，同时也增加了燃料电池的反应速率。
高压的冷却气体通过喷嘴环降压加速后，推动向心涡轮旋转。向心涡轮旋转产生的扭矩可以协助电机驱动压缩机，经过涡轮膨胀后的气体温度降低，用于冷却轴承4和电机定子。电机壳体上设置的冷却散热管道，将电机产生的热量带走，有助于驱动电机的稳定运行。
本发明主要解决电机转子和轴承的冷却问题，利用氢燃料电池排气进入涡轮，涡轮带动同轴转动的压气机，不仅能够降低压气机功耗，而且经过涡轮膨胀燃料电池排气气体温度下降，再进入驱动电机内部对高速电机转子进行热交换，降低高速电机转子的温度，增加电机的稳定性，提高电机的负压能力和使用时间，本装置利用燃料电池尾气的能量对系统进行冷却，降低冷却能耗的同时提高了燃料电池的发电效率。
当然，本发明还可以有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可以根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (7)
1.一种由电机驱动的两级氢燃料电池堆供气装置，其特征在于，包括驱动电机（2）、一级压缩机（1）、二级压缩机（3）和级间联通管路，所述驱动电机（2）包括电机壳体（21）、电机定子（22）、电机主轴（23）和高速电机转子（24），所述电机定子固定与电机壳体内，所述电机主轴两端各设有轴承（4），所述轴承的外圈与电机壳体连接， 所述驱动电机内设有电机冷却腔（26）和冷却排气管（27）；
所述一级压缩机包括一级压气机排气蜗壳（11）、一级压气机叶轮（12），一级涡轮（13），所述一级压气机叶轮与和一级涡轮与电机主轴同轴转动，所述一级压缩机设有一级涡轮进气管（14）和一级涡轮排气管（15），所述一级涡轮进气管与氢燃料电池排气管联通，所述二级压缩机包括二级压气机排气蜗壳（31）、二级压气机叶轮（32），所述二级压气机叶轮与电机主轴同轴转动，所述一级压缩机出气口与二级压缩机进气口联通，所述一级涡轮排气口与电机冷却腔联通。
2.根据权利要求1所述的一种由电机驱动的两级氢燃料电池堆供气装置，其特征在于，所述二级压缩机还包括二级涡轮（33）、二级涡轮进气管（34）、二级涡轮排气管（35）和若干设置于二级压气机叶轮轮背的二级向心涡轮叶片，所述二级涡轮进气管与一级涡轮排气管（15）联通，所述二级涡轮排气管（35）与电机冷却腔联通。
3.根据权利要求1所述的一种由电机驱动的两级氢燃料电池堆供气装置，其特征在于，所述一级涡轮包括若干设置于一级压气机叶轮轮背的一级向心涡轮叶片，所述一级压气机叶轮（12）为半开式离心叶轮或闭式离心叶轮，所述一级压缩机还包括叶片式扩压器。
4.根据权利要求1所述的一种由电机驱动的两级氢燃料电池堆供气装置，其特征在于，所述电机壳体上设有冷却散热管道（25），所述冷却散热管道内嵌与电机壳体（21）上。
5.根据权利要求1所述的一种由电机驱动的两级氢燃料电池堆供气装置，其特征在于，氢燃料电池推进气管联通二级压缩机出气口，氢燃料电池堆燃烧反应后排出废弃气体。
6.根据权利要求1所述的一种由电机驱动的两级氢燃料电池堆供气装置，其特征在于，所述轴承（4）为气浮轴承或磁悬浮轴承。
7.根据权利要求1所述的一种由电机驱动的两级氢燃料电池堆供气装置，其特征在于，所述驱动电机（2）为高速直驱电机。
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