CN113606161A - 分离式涡轮增压空气压缩机及氢燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种分离式涡轮增压空气压缩机及氢燃料电池系统，分离式涡轮增压空气压缩机包括空气压缩单元和能量回收单元；空气压缩单元包括压缩壳体，设于压缩壳体内的驱动电机，以及设于压缩壳体内且与驱动电机配合的叶轮组件，压缩壳体设有第一进气口，与第一进气口分隔的第二进气口，以及与第一进气口和第二进气口均连通的总排气口；能量回收单元包括与压缩壳体连接的回收壳体，设于回收壳体内的回收涡轮，以及与回收涡轮同轴设置的回收叶轮，回收壳体设有与回收涡轮对应的尾气进气口和尾气出气口，以及与回收叶轮对应的第三进气口和中间排气口，中间排气口和第二进气口连通，回收涡轮、回收叶轮的旋转轴与驱动电机彼此独立。

Description

分离式涡轮增压空气压缩机及氢燃料电池系统
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，更具体地说，是涉及一种分离式涡轮增压空气压缩机及氢燃料电池系统。
背景技术
氢燃料电池以氢气和空气(空气中的氧气)为燃料，发生电化学反应，将燃料的化学能直接转换成电能，反应生成水，兼备无污染、适用范围广、效率高等特点。研究表明，高压、大流量的空气供应对提高氢燃料电池的发电功率具有明显的提升作用。因此，在空气进入氢燃料电池之前，需要通过空气压缩机对空气进行增压。
传统的氢燃料电池中，电堆反应后的带有热能和动能的废气通常直接外排至大气，造成了能量的浪费，基于此，利用能量回收的思路，在空气压缩机内设置与电机主轴同轴的涡轮，利用电堆废气带动涡轮做功，降低驱动电机的功耗。
但是，在实际应用中，上述带有涡轮的空气压缩机降低驱动电机功耗的效果相对较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种分离式涡轮增压空气压缩机及氢燃料电池系统，旨在解决在实际应用中，上述带有涡轮的空气压缩机降低驱动电机功耗的效果相对较低的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
在第一方面，本发明提供一种分离式涡轮增压空气压缩机，包括分离设置的空气压缩单元和能量回收单元；
所述空气压缩单元包括压缩壳体，设于所述压缩壳体内的驱动电机，以及设于所述压缩壳体内且与所述驱动电机配合的叶轮组件，所述压缩壳体设有与所述叶轮组件对应的第一进气口，与所述第一进气口分隔的第二进气口，以及与所述第一进气口和所述第二进气口均连通的总排气口；
所述能量回收单元包括与所述压缩壳体连接的回收壳体，设于所述回收壳体内的回收涡轮，以及与所述回收涡轮同轴设置的回收叶轮，所述回收壳体设有与所述回收涡轮对应的尾气进气口和尾气出气口，以及与所述回收叶轮对应的第三进气口和中间排气口，所述中间排气口和所述第二进气口连通；其中，所述回收涡轮、所述回收叶轮的旋转轴与所述驱动电机彼此独立。
在一种可能的实现方式中，所述回收涡轮和所述回收叶轮为背靠背一体式设置。
在一种可能的实现方式中，所述旋转轴与所述回收涡轮、所述回收叶轮为一体式设置，所述旋转轴相对转动地设于所述回收壳体；或者，所述旋转轴与所述回收涡轮、所述回收叶轮均相对转动设置，所述旋转轴固定于所述回收壳体。
在一种可能的实现方式中，所述回收涡轮在所述回收壳体内形成第一空间，所述回收叶轮在所述回收壳体内形成第二空间，所述第一空间和所述第二空间彼此隔绝。
在一种可能的实现方式中，所述回收壳体的外壁和所述压缩壳体的外壁紧密贴合，或者，所述回收壳体和所述压缩壳体之间设有连通所述中间排气口和所述第二进气口的空气管道。
在一种可能的实现方式中，所述空气压缩单元还包括用以控制所述第一进气口供气状态的第一调节阀。
在一种可能的实现方式中，所述能量回收单元还包括用以控制所述第三进气口供气状态的第二调节阀。
在一种可能的实现方式中，所述能量回收单元还包括用以控制所述尾气进气口供气状态的第三调节阀。
在一种可能的实现方式中，所述叶轮组件包括：前端叶轮，套设于所述驱动电机的电机轴，且设于所述压缩壳体内，所述第一进气口、所述第二进气口对应所述前端叶轮设置；后端叶轮，套设于所述驱动电机的电机轴，与所述前端叶轮间隔设置，且设于所述压缩壳体内，所述总排气口对应所述后端叶轮设置；以及级间管道，连通于所述压缩壳体对应所述前端叶轮和所述后端叶轮的级间出口和级间进口之间。
本发明提供的分离式涡轮增压空气压缩机至少具有以下技术效果：与传统技术相比，本发明提供的分离式涡轮增压空气压缩机，将空气压缩单元和能量回收单元分离设置，回收涡轮和回收叶轮的旋转轴与驱动电机彼此独立，当初始启动时，利用第一进气口为叶轮组件通入空气，当电池电堆功率升高后，利用尾气进气口为回收涡轮通入电堆尾气，回收涡轮依靠电堆尾气驱动旋转，进而带动回收叶轮旋转，利用第三进气口和第二进气口为叶轮组件通入空气，此时，可以控制第一进气口的开度状态，能够对通入叶轮组件的空气进行初步增压，提高空气的初始通入压力，进而降低驱动电机的功耗。
在第二方面，本发明还提供一种氢燃料电池系统，包括如上任一实施例所述的分离式涡轮增压空气压缩机。
本发明提供的氢燃料电池系统采用如上任一实施例所述的分离式涡轮增压空气压缩机，二者技术效果相同，在此不再赘述。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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为本发明一实施例提供的分离式涡轮增压空气压缩机的示意图；
图2为本发明另一实施例提供的分离式涡轮增压空气压缩机的示意图；
图3为本发明一实施例中能量回收单元的示意图；
图4为本发明一实施例提供的氢燃料电池系统的示意图。
附图标记说明：
1、分离式涡轮增压空气压缩机
100、空气压缩单元 110、压缩壳体 111、第一进气口
112、第二进气口 113、总排气口 114、级间出口
115、级间进口 120、驱动电机 130、叶轮组件
131、前端叶轮 132、后端叶轮 133、级间管道
140、第一调节阀 200、能量回收单元 210、回收壳体
211、尾气进气口 212、尾气出气口 213、第三进气口
214、中间排气口 220、回收涡轮 230、回收叶轮
240、旋转轴 250、第二调节阀 260、第三调节阀
2、氢燃料电池系统 300、电池电堆
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”、“固定”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中元件。当一个元件被认为是“连通于”、“连通”另一个元件，它可以直接连通至另一个元件或者也可以存在居中元件。当一个元件被认为是“连接于”、“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者也可以存在居中元件。当元件被称为“设置于”、“设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中元件。“多个”指两个及以上数量。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。
请一并参阅图1至图4，现对本发明实施例提供的分离式涡轮增压空气压缩机1及氢燃料电池系统2进行说明。
请参阅图1至图3，本发明实施例提供了一种分离式涡轮增压空气压缩机1，包括分离设置的空气压缩单元100和能量回收单元200；空气压缩单元100包括压缩壳体110，设于压缩壳体110内的驱动电机120，以及设于压缩壳体110内且与驱动电机120配合的叶轮组件130，压缩壳体110设有与叶轮组件130对应的第一进气口111，与第一进气口111分隔的第二进气口112，以及与第一进气口111和第二进气口112均连通的总排气口113；能量回收单元200包括与压缩壳体110连接的回收壳体210，设于回收壳体210内的回收涡轮220，以及与回收涡轮220同轴设置的回收叶轮230，回收壳体210设有与回收涡轮220对应的尾气进气口211和尾气出气口212，以及与回收叶轮230对应的第三进气口213和中间排气口214，中间排气口214和第二进气口112连通；其中，回收涡轮220、回收叶轮230的旋转轴240与驱动电机120彼此独立。
需要说明的是，压缩壳体110包括电机壳体，以及与电机壳体和叶轮组件130配合的压端叶轮蜗壳。回收壳体210包括与回收涡轮220配合的涡端涡轮蜗壳，以及与回收叶轮230配合的涡端叶轮蜗壳。第一进气口111、第二进气口112、总排气口113、尾气进气口211、尾气出气口212、第三进气口213和中间排气口214均对应地设于前述壳体。本发明实施例中，分离式涡轮增压空气压缩机1还包括控制组件，控制组件由控制器、处理器等期间组成，能够控制电堆尾气、空气的供气状态。
回收涡轮220和回收叶轮230由电堆尾气驱动，不受驱动电机120影响，能够利用电堆尾气的能量带动回收涡轮220和回收叶轮230的旋转，从而增加空气的初始压力，降低驱动电机120的功耗。
在初始状态时，一路空气经过第一进气口111进入叶轮组件130并从总排气口113排出，此时，电池电堆300功率不足，电堆尾气基本没有通入尾气进气口211。当电池电堆300功率升高后，电堆尾气通过尾气进气口211进入，推动回收涡轮220旋转，并从尾气出气口212排出，另一路空气从第三进气口213进入回收叶轮230并经由中间排气口214和第二进气口112进入叶轮组件130，再从总排气口113排出，此时，一路空气可以停止通入或调整通入比例。
本发明实施例提供的分离式涡轮增压空气压缩机1至少具有以下技术效果：与传统技术相比，本发明实施例提供的分离式涡轮增压空气压缩机1，将空气压缩单元100和能量回收单元200分离设置，回收涡轮220和回收叶轮230的旋转轴240与驱动电机120彼此独立，当初始启动时，利用第一进气口111为叶轮组件130通入空气，当电池电堆300功率升高后，利用尾气进气口211为回收涡轮220通入电堆尾气，回收涡轮220依靠电堆尾气驱动旋转，进而带动回收叶轮230旋转，利用第三进气口213和第二进气口112为叶轮组件130通入空气，此时，可以控制第一进气口111的开度状态，能够对通入叶轮组件130的空气进行初步增压，提高空气的初始通入压力，进而降低驱动电机120的功耗。
在一些可能的实施例中，回收涡轮220和回收叶轮230为背靠背一体式设置。本实施例中，回收涡轮220和回收叶轮230为一体式结构，具有相同的旋转程度，能够充分地利用回收涡轮220的旋转作用。同时，一体式结构便于组装，无需考虑安装复杂性的因素。
对于旋转轴240与回收涡轮220、回收叶轮230的配合关系不做限制，下面举例说明。
请参阅图2，在一些可能的实施例中，旋转轴240与回收涡轮220、回收叶轮230为一体式设置，旋转轴240相对转动地设于回收壳体210。本实施例中，在制作回收涡轮220和回收叶轮230时，在一体形成回收涡轮220和回收叶轮230的同时，一体形成旋转轴240。回收涡轮220、回收叶轮230和旋转轴240一同旋转，旋转轴240的两端通过轴承设于回收壳体210的内壁。
在其他可能的实施例中，旋转轴240与回收涡轮220、回收叶轮230均相对转动设置，旋转轴240固定于回收壳体210。本实施例中，回收涡轮220和回收叶轮230均可以通过间隙配合与旋转轴240实现相对转动设置，在旋转轴240分别伸出回收涡轮220、回收叶轮230的两侧均可以设置凹槽，在凹槽中设置止挡垫圈，从而防止回收涡轮220和回收叶轮230从旋转轴240上脱离。旋转轴240的两端通过焊接、卡接、螺纹连接等方式固定于回收壳体210的内壁，保证旋转轴240的可靠性。
在一些可能的实施例中，回收涡轮220在回收壳体210内形成第一空间，回收叶轮230在回收壳体210内形成第二空间，第一空间和第二空间彼此隔绝。可以理解的是，第一空间和第二空间彼此隔绝，可以通过设置密封垫圈、迷宫式密封槽等方式实现。如此设置，能够避免电堆尾气和常规空气在第一空间和第二空间中出现交叉，保证常规空气中的氧含量，避免彼此之间的流动干扰。
对于回收壳体210和压缩壳体110的连接方式不做限制，下面举例说明。
在一些可能的实施例中，回收壳体210的外壁和压缩壳体110的外壁紧密贴合。本实施例中，回收壳体210和压缩壳体110通过外壁之间的直接贴合实现中间排气口214和第二进气口112的连通，如此设置，在实现连通关系的同时，还能够提高能量回收单元200和空气压缩单元100的整体式设计，提高整体结构的紧凑性。
在其他可能的实施例中，回收壳体210和压缩壳体110之间设有连通中间排气口214和第二进气口112的空气管道。本实施例中，回收壳体210和压缩壳体110间隔设置，通过空气管道实现中间排气口214和第二进气口112的连通关系。为了提高结构可靠性，可以采用焊接、螺纹连接等方式使回收壳体210和压缩壳体110均连接至同一安装座。
请参阅图2，在一些可能的实施例中，空气压缩单元100还包括用以控制第一进气口111供气状态的第一调节阀140。第一调节阀140具有完全断开、部分导通、完全导通的三种状态，通过控制第一调节阀140的开度大小，可以控制不经过回收叶轮230增压作用的一路空气直接通入叶轮组件130的供气状态。可以理解的是，第一调节阀140与控制组件电连接，能够实现自动调节效果。
结合上述实施例，请参阅图2，在一些可能的实施例中，能量回收单元200还包括用以控制第三进气口213供气状态的第二调节阀250。第二调节阀250具有完全断开、部分导通、完全导通的三种状态，通过控制第二调节阀250的开度大小，可以控制另一路空气从回收叶轮230通入叶轮组件130的供气状态。可以理解的是，第二调节阀250与控制组件电连接，能够实现自动调节效果。第一调节阀140和第二调节阀250可以共同控制两路空气的通入情况，当电池电堆300功率较高时，第一调节阀140可以完全断开，仅利用彼此连通的第三进气口213和第二进气口112提供空气。当然，也可以根据实际情况，控制两路空气的通入情况。
结合上述实施例，请参阅图2，在一些可能的实施例中，能量回收单元200还包括用以控制尾气进气口211供气状态的第三调节阀260。第三调节阀260具有完全断开、部分导通、完全导通的三种状态，通过控制第三调节阀260的开度大小，可以控制电堆尾气通入尾气进气口211的供气状态。可以理解的是，第三调节阀260与控制组件电连接，能够实现自动调节效果。第一调节阀140、第二调节阀250和第三调节阀260共同控制电堆尾气、两路空气的供气状态。
请参阅图1和图2，在一些可能的实施例中，叶轮组件130包括：前端叶轮131，套设于驱动电机120的电机轴，且设于压缩壳体110内，第一进气口111、第二进气口112对应前端叶轮131设置；后端叶轮132，套设于驱动电机120的电机轴，与前端叶轮131间隔设置，且设于压缩壳体110内，总排气口113对应后端叶轮132设置；以及级间管道133，连通于压缩壳体110对应前端叶轮131和后端叶轮132的级间出口114和级间进口115之间。
本实施例中，前端叶轮131和后端叶轮132构成两级压缩增压方式，能够对空气进行二级增压，提高空气压力。当初始启动时，利用第一进气口111为前端叶轮131通入空气，当电池电堆300功率升高后，利用尾气进气口211为回收涡轮220通入电堆尾气，回收涡轮220依靠电堆尾气驱动旋转，进而带动回收叶轮230旋转，利用第三进气口213和第二进气口112为前端叶轮131通入空气，此时，可以控制第一进气口111的开度状态，能够对通入前端叶轮131的空气进行初步增压，提高空气的初始通入压力，进而降低驱动电机120的功耗。
基于同一发明构思，请参阅图4，本发明实施例还提供了一种氢燃料电池系统2，包括如上任一实施例所述的分离式涡轮增压空气压缩机1。可以理解的是，本发明实施例中，氢燃料电池系统2还包括与分离式涡轮增压空气压缩机1连接的电池电堆300，以及其他构成发电功能的功能构件。
本发明实施例提供的氢燃料电池系统2采用如上任一实施例所述的分离式涡轮增压空气压缩机1，二者技术效果相同，在此不再赘述。
可以理解的是，上述实施例中的各部分可以进行自由地组合或删减以形成不同的组合实施例，在此不再赘述各个组合实施例的具体内容，在此说明之后，可以认为本发明说明书已经记载了各个组合实施例，能够支持不同的组合实施例。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.分离式涡轮增压空气压缩机，其特征在于，包括分离设置的空气压缩单元和能量回收单元；
所述空气压缩单元包括压缩壳体，设于所述压缩壳体内的驱动电机，以及设于所述压缩壳体内且与所述驱动电机配合的叶轮组件，所述压缩壳体设有与所述叶轮组件对应的第一进气口，与所述第一进气口分隔的第二进气口，以及与所述第一进气口和所述第二进气口均连通的总排气口；
所述能量回收单元包括与所述压缩壳体连接的回收壳体，设于所述回收壳体内的回收涡轮，以及与所述回收涡轮同轴设置的回收叶轮，所述回收壳体设有与所述回收涡轮对应的尾气进气口和尾气出气口，以及与所述回收叶轮对应的第三进气口和中间排气口，所述中间排气口和所述第二进气口连通；
其中，所述回收涡轮、所述回收叶轮的旋转轴与所述驱动电机彼此独立。
2.如权利要求1所述的分离式涡轮增压空气压缩机，其特征在于，所述回收涡轮和所述回收叶轮为背靠背一体式设置。
3.如权利要求1所述的分离式涡轮增压空气压缩机，其特征在于，所述旋转轴与所述回收涡轮、所述回收叶轮为一体式设置，所述旋转轴相对转动地设于所述回收壳体；
或者，所述旋转轴与所述回收涡轮、所述回收叶轮均相对转动设置，所述旋转轴固定于所述回收壳体。
4.如权利要求1所述的分离式涡轮增压空气压缩机，其特征在于，所述回收涡轮在所述回收壳体内形成第一空间，所述回收叶轮在所述回收壳体内形成第二空间，所述第一空间和所述第二空间彼此隔绝。
5.如权利要求1所述的分离式涡轮增压空气压缩机，其特征在于，所述回收壳体的外壁和所述压缩壳体的外壁紧密贴合，或者，所述回收壳体和所述压缩壳体之间设有连通所述中间排气口和所述第二进气口的空气管道。
6.如权利要求1所述的分离式涡轮增压空气压缩机，其特征在于，所述空气压缩单元还包括用以控制所述第一进气口供气状态的第一调节阀。
7.如权利要求1所述的分离式涡轮增压空气压缩机，其特征在于，所述能量回收单元还包括用以控制所述第三进气口供气状态的第二调节阀。
8.如权利要求1所述的分离式涡轮增压空气压缩机，其特征在于，所述能量回收单元还包括用以控制所述尾气进气口供气状态的第三调节阀。
9.如权利要求1所述的分离式涡轮增压空气压缩机，其特征在于，所述叶轮组件包括：
前端叶轮，套设于所述驱动电机的电机轴，且设于所述压缩壳体内，所述第一进气口、所述第二进气口对应所述前端叶轮设置；
后端叶轮，套设于所述驱动电机的电机轴，与所述前端叶轮间隔设置，且设于所述压缩壳体内，所述总排气口对应所述后端叶轮设置；以及
级间管道，连通于所述压缩壳体对应所述前端叶轮和所述后端叶轮的级间出口和级间进口之间。
10.氢燃料电池系统，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项所述的分离式涡轮增压空气压缩机。
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