CN111794983A - 一种燃料电池空压机 - Google Patents

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Abstract

本发明属于涡轮机械技术领域，具体涉及一种燃料电池空压机，其包括电机、空压机本体、涡轮膨胀机和燃料电池系统；空压机本体包括压缩机蜗壳、转轴和叶轮；涡轮膨胀机包括涡轮和膨胀机蜗壳，空压机本体通过燃料电池系统与涡轮膨胀机连通；电机通过联轴器与转轴传动连接。该燃料电池空压机将空压机本体的叶轮和涡轮膨胀机的涡轮与用于驱动叶轮转动的电机分开布置，以缩短电机的转子的长度，从而有效的提升该燃料电池空压机中的转子动力学稳定性，以提高转子的弯曲模态临界转速，且涡轮膨胀机能够利用燃料电池系统排出的废气做功，在不改变电机的输出功率的情况下，提升燃料电池系统的效率。

Description

一种燃料电池空压机
技术领域
本发明属于涡轮机械技术领域，具体涉及一种燃料电池空压机。
背景技术
燃料电池是通过质子交换膜，以电化学反应方式将氢气与空气(氧气)的化学能转变为电能，再通过电机驱动车辆运行。其中，空压机作为燃料电池阴极供气系统的核心部件，其通过对进入燃料电池的空气进行增压，以增加燃料电池中的空气的进气量和压力，为电堆提供具有一定的温度、压力和流量的压缩空气，进而提高燃料电池的功率密度和效率。
对于大功率燃料电池系统(功率>120kW)需要的空气的压比高且流量大，所以往往需要采用更高转速或者多级压缩的技术方案；
然而，直驱式双极离心空压机中，随着功率和转速的要求提高，系统中的转子动力学特性很难满足要求，这给直驱式多级离心压缩机带来了很大的技术瓶颈，也造成了高昂的设计和制造成本。因此，提供一种设计以及制造成本低的高效燃料电池空压机，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供一种燃料电池空压机，以解决现有技术中存在的直驱式燃料电池系统中的转子的动力学特性很难满足要求，而导致燃料电池空压机的设计成本以及制造成本高的技术问题。
本发明通过以下技术方案具体实现：
一种燃料电池空压机，包括电机、空压机本体、涡轮膨胀机和燃料电池系统；
所述空压机本体包括压缩机蜗壳、转轴和叶轮，所述转轴转动设置在所述压缩机蜗壳中，所述叶轮设置在所述转轴上；
所述涡轮膨胀机包括涡轮和膨胀机蜗壳，所述膨胀机蜗壳设置在所述压缩机蜗壳远离所述电机的一端，所述涡轮设置在所述膨胀机蜗壳内，且所述涡轮与所述转轴连接，所述空压机本体通过所述燃料电池系统与所述涡轮膨胀机连通；
所述电机通过联轴器与所述转轴传动连接。
为了更好的实现本发明，在上述结构中作进一步的优化，所述电机包括壳体、定子和转子，所述壳体与所述压缩机蜗壳连接，所述定子设置在所述壳体内，所述转子转动设置在所述定子中，所述转子与所述转轴通过所述联轴器连接。
为了更好的实现本发明，在上述结构中作进一步的优化，所述壳体包括外壳、前端盖和后端盖，所述前端盖和所述后端盖分别设置在所述外壳的两端，所述转子的两端分别架设在所述前端盖和所述后端盖上。
为了更好的实现本发明，在上述结构中作进一步的优化，所述外壳与所述定子之间设置有进气通道，所述前端盖上设置有进气孔，所述进气孔与所述进气通道连通，所述后端盖上设置有出气孔，所述进气通道通过所述出气孔与所述空压机本体连通。
为了更好的实现本发明，在上述结构中作进一步的优化，所述定子朝向所述进气通道的一侧设置有散热片。
为了更好的实现本发明，在上述结构中作进一步的优化，所述前端盖、所述后端盖、所述压缩机蜗壳和所述膨胀机蜗壳上均设置有空气箔片轴承，所述转子通过所述空气箔片轴承转动设置在所述壳体上，所述转轴的两端均通过所述空气箔片轴承分别设置在所述压缩机蜗壳和所述膨胀机蜗壳。
为了更好的实现本发明，在上述结构中作进一步的优化，所述转轴上设置有推力盘。
为了更好的实现本发明，在上述结构中作进一步的优化，所述推力盘的两侧均设置有推力空气箔片轴承。
为了更好的实现本发明，在上述结构中作进一步的优化，所述空压机本体包括一级空压机和二级空压机，所述一级空压机的出气口通过所述二级空压机与所述燃料电池系统的进口连通。
为了更好的实现本发明，在上述结构中作进一步的优化，所述前端盖和所述后端盖上分别设置有空气箔片轴承，所述转子通过所述空气箔片轴承转动设置在所述壳体上；所述压缩机蜗壳与膨胀机蜗壳上均设置有径向浮环轴承，所述转轴的两端均通过所述径向浮环轴承分别转动设置在所述压缩机蜗壳与所述膨胀机蜗壳上。
综上所述，本发明具有以下技术效果：
该燃料电池空压机将空压机本体的叶轮和涡轮膨胀机的涡轮与用于驱动叶轮转动的电机分开布置，以缩短电机的转子的长度，从而有效的提升该燃料电池空压机中的转子动力学稳定性，进而提高转子的弯曲模态临界转速，且涡轮膨胀机能够利用燃料电池系统排出的废气做功，在不改变电机的输出功率的情况下，提升燃料电池系统的效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一种燃料电池空压机的剖视图；
图2是本发明一种燃料电池空压机中的电机的结构示意图；
图3是本发明一种燃料电池空压机中空压机本体的结构示意图；
图4是本发明一种燃料电池空压机中转子与转轴的结构示意图；
图5是实施例二记载的一种燃料电池空压机中叶轮的结构示意图；
图6是实施例三记载的一种燃料电池空压机中转轴的结构示意图。
附图标记：
1、电机；11、壳体；111、外壳；112、前端盖；113、进气孔；114、后端盖；115、出气孔；12、定子；13、转子；14、散热片；15、进气通道；16、空气箔片轴承；
2、空压机本体；21、压缩机蜗壳；22、转轴；23、叶轮；24、推力盘；25、推力空气箔片轴承；26、径向浮环轴承；
3、涡轮膨胀机；31、涡轮；32、膨胀机蜗壳；
4、联轴器；
5、燃料电池系统。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
实施例一：
图1至图4所示：
一种燃料电池空压机，包括电机1、空压机本体2、涡轮膨胀机3和燃料电池系统5；
所述空压机本体2包括压缩机蜗壳21、转轴22和叶轮23，所述转轴22转动设置在所述压缩机蜗壳21中，所述叶轮23设置在所述转轴22上；
所述涡轮膨胀机3包括涡轮31和膨胀机蜗壳32，所述膨胀机蜗壳32设置在所述压缩机蜗壳21远离所述电机1的一端，所述涡轮31设置在所述膨胀机蜗壳32内，且所述涡轮31与所述转轴22连接，所述空压机本体2通过所述燃料电池系统5与所述涡轮膨胀机3连通；
所述电机1通过联轴器4与所述转轴22传动连接。
上述结构的一种燃料电池空压机将空压机本体2的叶轮23和涡轮膨胀机3的涡轮21与用于驱动叶轮23转动的电机1分开布置，以缩短电机1的转子13的长度，从而有效的提升该燃料电池空压机中的转子13动力学稳定性，进而提高了转子13的弯曲模态临界转速，使该燃料电池空压机能够满足大功率燃料电池系统5的需求；
且该涡轮膨胀机3能够将燃料电池系统5排出的废气转化为驱动叶轮23转动的动力，从而在不改变电机1的功率的情况下，进一步的提高空压机本体2的进气效率，使燃料电池系统5的效率提高。
优化的，上述的电机1包括壳体11、定子12和转子13；其中，
壳体11与上述的压缩机蜗壳21连接，定子12固定设置在设置在壳体11内，转子13穿过定子12转动的设置在壳体11中，该转子13通过上述的联轴器4与转轴22传动连接，使转子13与转轴22能够同步转动。
优化的，电机1中的壳体11包括外壳111、前端盖112和后端盖114，前端盖112和后端盖114分别设置在外壳111的两端，并通过螺栓或者螺钉与外壳111固定，上述的压缩机蜗壳21与后端盖114连接固定，转子13的两端均通过轴承分别的架设在前端盖112和后端盖114上，使转子13能够在外壳111内自由的转动。
优化的，该外壳111与定子12之间设置有进气通道15，且定子12位于进气通道15的一侧设置有散热片14；上述的前端盖112上设置有进气孔113，上述的后端盖114上设置有出气孔115，该进气孔113依次通过进气通道15和出气孔115与上述的压缩机蜗壳21上的进气口连通；
当该燃料电池空压机进行工作时，电机1会驱动空压机本体2中的叶轮23转动，此时，外部的空气在叶轮23的作用下，依次由前端盖112上的进气孔113、进气通道15和后端盖114上的出气孔115进入到压缩机蜗壳21中，且当外部的空气经过进气通道15时，空气能够将电机1传递至散热片14上的热量置换出来，以降低电机1的温度，使电机1能够长时间的保持良好的工作状态；
而吸收电机1散发出的热量的空气会进入到空压机本体中进行压缩，然后送入燃料电池中，为燃料电池系统5提供具有一定温度的压缩空气，以提高燃料电池系统5的效率。
优化的，上述的前端盖112和后端盖114上的轴承均为空气箔片轴承16，上述的压缩机蜗壳21和膨胀机蜗壳32上也设置有空气箔片轴承16，转轴22的两端均通过空气箔片轴承16分别转动的设置在压缩机蜗壳21和膨胀机蜗壳32上，该空气箔片轴承16具有噪音低、无磨损、免维护、结构紧凑以及轻量化等众多优点，以降低该燃料电池空压机的损耗以及维护成本。
优化的，上述的转轴22上设置有推力盘24，该推力盘24能够有效的平衡叶轮23和涡轮31的轴向力，使该燃料电池空压机在工作时更加的稳定。
优化的，上述的推力盘24的两侧均设置有推力空气箔片轴承25，该推力空气箔片轴承25能够减小推力盘24与压缩机蜗壳21的摩擦，使该燃料电池空压机的工作更加的顺畅。
实施例二：
如图1至图5所示：
作为上述实施例的进一步优化，上述的空压机本体2包括一级空压机和二级空压机；其中，
上述的进气通道15依次通过一级空压机和二级空压机与上述的燃料电池系统5的进口连通，也即一级空压机和二级空压机的空气通路为串联的方式连通，以提高进入燃料电池系统5的空气的压比以及流量，从而进一步的提高燃料电池系统5的功率。
需要说明的是，上述的一级空压机和二级空压机的数量可以设置为多个，将多个一级空压机和二级空压机依次串联，使进入燃料电池系统5的空气的压比以及流量提高，从而提高燃料电池系统5的功率；而一级空压机和二级空压机的数量可以根据实际需求以及设备强度进行选择。
实施例三：
图1至图6所示：
一种燃料电池空压机，其电机中的前端盖112和后端盖114上设置有空气箔片轴承16，上述的转子通过空气箔片轴承16转动的设置在壳体内11，上述的压缩机蜗壳21与膨胀机蜗壳32上均设置有径向浮环轴承26，转轴22的两端均通过径向浮环轴承26转动的设置在压缩机蜗壳21与膨胀机蜗壳32上。
优化的，该转轴22上还设置有推力浮环轴承，以更好的平衡叶轮23和涡轮31的轴向力，使该燃料电池空压机的运转更加的平稳；上述的径向浮环轴承26与推力浮环轴承的安装方式与现有技术中汽车上的涡轮膨胀机的结构完全相同，以降低该燃料电池空压机的设计以及制造难度。
此外，本实施例中的燃料电池空压机与实施例一或者实施例二中记载的燃料电池空压机的结构完全相同，此处便不再重复赘述，具体的可参考实施例一或者实施例二中记载的内容。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种燃料电池空压机，其特征在于：包括电机(1)、空压机本体(2)、涡轮膨胀机(3)和燃料电池系统(5)；
所述空压机本体(2)包括压缩机蜗壳(21)、转轴(22)和叶轮(23)，所述转轴(22)转动设置在所述压缩机蜗壳(21)中，所述叶轮(23)设置在所述转轴(22)上；
所述涡轮膨胀机(3)包括涡轮(31)和膨胀机蜗壳(32)，所述膨胀机蜗壳(32)设置在所述压缩机蜗壳(21)远离所述电机(1)的一端，所述涡轮(31)设置在所述膨胀机蜗壳(32)内，且所述涡轮(31)与所述转轴(22)连接，所述空压机本体(2)通过所述燃料电池系统(5)与所述涡轮膨胀机(3)连通；
所述电机(1)通过联轴器(4)与所述转轴(22)传动连接。
2.根据权利要求1所述的燃料电池空压机，其特征在于：所述电机(1)包括壳体(11)、定子(12)和转子(13)，所述壳体(11)与所述压缩机蜗壳(21)连接，所述定子(12)设置在所述壳体(11)内，所述转子(13)转动设置在所述定子(12)中，所述转子(13)与所述转轴(22)通过所述联轴器(4)连接。
3.根据权利要求2所述的燃料电池空压机，其特征在于：所述壳体(11)包括外壳(111)、前端盖(112)和后端盖(114)，所述前端盖(112)和所述后端盖(114)分别设置在所述外壳(111)的两端，所述转子(13)的两端分别架设在所述前端盖(112)和所述后端盖(114)上。
4.根据权利要求3所述的燃料电池空压机，其特征在于：所述外壳(111)与所述定子(12)之间设置有进气通道(15)，所述前端盖(112)上设置有进气孔(113)，所述进气孔(113)与所述进气通道(15)连通，所述后端盖(114)上设置有出气孔(115)，所述进气通道(15)通过所述出气孔(115)与所述空压机本体(2)连通。
5.根据权利要求4所述的燃料电池空压机，其特征在于：所述定子(12)朝向所述进气通道(15)的一侧设置有散热片(14)。
6.根据权利要求5所述的燃料电池空压机，其特征在于：所述前端盖(112)、所述后端盖(114)、所述压缩机蜗壳(21)和所述膨胀机蜗壳(32)上均设置有空气箔片轴承(16)，所述转子(13)通过所述空气箔片轴承(16)转动设置在所述壳体(11)上，所述转轴(22)的两端均通过所述空气箔片轴承(16)分别设置在所述压缩机蜗壳(21)和所述膨胀机蜗壳(32)。
7.根据权利要求6所述的燃料电池空压机，其特征在于：所述转轴(22)上设置有推力盘(24)。
8.根据权利要求7所述的燃料电池空压机，其特征在于：所述推力盘(24)的两侧均设置有推力空气箔片轴承(25)。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的燃料电池空压机，其特征在于：所述空压机本体(2)包括一级空压机和二级空压机，所述一级空压机的出气口通过所述二级空压机与所述燃料电池系统(5)的进口连通。
10.根据权利要求5所述的燃料电池空压机，其特征在于：所述前端盖(112)和所述后端盖(114)上分别设置有空气箔片轴承(16)，所述转子(13)通过所述空气箔片轴承(16)转动设置在所述壳体(11)上；所述压缩机蜗壳(21)与膨胀机蜗壳(32)上均设置有径向浮环轴承(26)，所述转轴(22)的两端均通过所述径向浮环轴承(26)分别转动设置在所述压缩机蜗壳(21)与所述膨胀机蜗壳(32)上。
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