CN114370411A - 空气压缩装置、多级空气压缩装置及氢燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及空气压缩装置、多级空气压缩装置及氢燃料电池。所述空气压缩装置包括：第一压缩机和驱动装置；所述第一压缩机包括第一机壳，所述第一机壳设置有第一进气口和第一出气口；所述驱动装置包括第三机壳和转轴，所述第三机壳设置有第三进气口和第三出气口；所述转轴自所述第三机壳延伸至所述第一机壳内；所述驱动装置驱动所述第一压缩机工作，所述第一压缩机的所述第一进气口朝向所述第三机壳设置。本发明中把从中冷后取气改为从空滤后或者涡轮机取气，不影响空压机的系统效率，也就是说空压机做功压缩后的气体会全部进入燃料电池；经试验，本发明可将空气压缩装置的效率提高5％以上。

Description

空气压缩装置、多级空气压缩装置及氢燃料电池

技术领域

本发明涉及空气压缩装置、多级空气压缩装置及氢燃料电池。

背景技术

燃料电池是一种高效清洁的新能源动力系统，其工作过程是由空气压缩机将空气压缩，然后送入燃料电池阴极，空气与阳极的氢气进行化学反应，生成的产物是电能和水，还有部分热量随着多余的空气排放到大气中，除此外没有其他对环境有污染的产物，所以燃料电池非常的清洁环保，目前各国都在大力推动氢燃料电池动力系统的开发推广。

燃料电池专用的空气压缩机是氢燃料电池动力系统里面非常重要的一个零部件，其作用是为燃料电池的阴极提供一定压力和一定流量的压缩空气，满足燃料电池反应对于空气中氧气的需求。由于润滑油膜对于燃料电池的寿命影响很大，所以为了防止压缩空气中含有润滑油，空压机需要在无油环境中运行，而且空压机的运行转速要求比较高，每分钟转速可高达十几万转，传统的采用滚珠轴承设计鼓风机、压缩机是很难实现这一点的，所以带空气轴承的超高速空气压缩机应运而生。

进入燃料电池电堆的压缩空气仅有一部分氧气参与反应，其余压缩空气会被排出到大气中，被燃料电池排出的压缩空气仍然有很高的压力，所以这部分高压空气直接排放到大气中的话，目前市场上主流的燃料电池系统和空压机没有能量回收系统，所以这部分高压气体所携带的能量也就被浪费掉了。

另外，传统空压机的冷却气一般是从中冷后取气，中冷后的气体是空压机压缩后但还未进入燃料电池电堆的气体，如果从中冷后取气就相当于压缩机压缩的这部分气体没有发挥作用，所以会降低空压机的系统效率。

发明内容

本发明的目的之一是为了克服现有技术中的不足，提供一种可提高效率的空气压缩装置、多级空气压缩装置及氢燃料电池。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现：

空气压缩装置，其特征在于，所述空气压缩装置包括：

第一压缩机，所述第一压缩机包括第一机壳，所述第一机壳设置有第一进气口和第一出气口；

驱动装置，所述驱动装置包括第三机壳和转轴，所述第三机壳设置有第三进气口和第三出气口；

所述转轴自所述第三机壳延伸至所述第一机壳内；所述驱动装置驱动所述第一压缩机工作，所述第一压缩机的所述第一进气口朝向所述第三机壳设置。

根据本发明的一个实施例，所述第一进气口与所述第三出气口的相对位置设置为：当所述第一压缩机工作时可自所述第三出气口吸出所述第三机壳内部的空气。

根据本发明的一个实施例，所述第一进气口与第三出气口的相对位置设置为：当所述第一压缩机工作时，所述第一压缩机吸气可在所述第三出气口处形成负压。

根据本发明的一个实施例，所述第一进气口沿轴向延伸且所述第三出气口沿轴向延伸，或者所述第一进气口沿轴向延伸且所述第三出气口沿径向延伸。

根据本发明的一个实施例，所述第一进气口设置于所述第一机壳上且朝向所述第三机壳；所述第三出气口设置于所述第三机壳上且朝向所述第一机壳。

根据本发明的一个实施例，所述第一进气口设置于所述第一机壳上且朝向所述第三机壳；所述第三出气口设置于所述第三机壳上且位于靠近所述第一压缩机的一端。

根据本发明的一个实施例，所述第一机壳的端部与所述第三机壳的端部沿轴向间隙设置、端端接触设置或交错设置；所述第一机壳的端部与所述第三机壳的端部沿轴向接触设置或交错设置时，所述第一机壳与所述第三机壳之间形成一容腔，所述第三出气口与所述容腔连通。

根据本发明的一个实施例，所述转轴自所述第三出气口穿过所述第三机壳，所述第三出气口内设置有空气轴承，所述转轴通过所述空气轴承与所述第三机壳连接。

根据本发明的一个实施例，所述第三机壳包括机壳主体和压端背板；所述压端背板设置在所述机壳主体端部；所述第三出气口设置在所述压端背板上并沿轴向贯穿所述压端背板。

根据本发明的一个实施例，所述第三机壳端部插入所述第一机壳内。

根据本发明的一个实施例，所述驱动装置为电机。

根据本发明的一个实施例，还包括涡轮机，所述涡轮机驱动所述转轴旋转。

多级空气压缩装置，其特征在于，所述多级空气压缩装置包括：

前述的空气压缩装置；

第二压缩机，所述第二压缩机具有第二机壳，所述第二机壳具有第二进气口与第二出气口；

涡轮机，所述涡轮机具有第四机壳，所述第四机壳设置有第四进气口和排气口；

所述转轴延伸至所述第一机壳内、第二机壳内、第三机壳内及第四机壳内，所述涡轮机驱动所述转轴旋转。

根据本发明的一个实施例，所述第一压缩机的进气方向与所述涡轮机的排气方向相反，第二压缩机的进气方向与所述涡轮机的排气方向相同。

根据本发明的一个实施例，所述多级空气压缩装置用于氢燃料电池系统。

根据本发明的一个实施例，所述驱动装置、第一压缩机、第二压缩机及涡轮机的位置设置方式为：

第二压缩机、第一压缩机、驱动装置和涡轮机依次串联；或者，

第一压缩机、驱动装置、第二压缩机和涡轮机依次串联；或者，

第二压缩机、驱动装置、第一压缩机和涡轮机依次串联。

根据本发明的一个实施例，所述第一压缩机位于所述第二压缩机与所述驱动装置之间，所述驱动装置位于所述第一压缩机与所述涡轮之间；所述第四机壳设置有第四出气口；所述第三机壳的第三进气口朝向涡轮机的机壳设置，所述第四出气口朝向所述第三机壳。

根据本发明的一个实施例，所述第四出气口与所述第三进气口正对设置。

根据本发明的一个实施例，所述第三机壳与所述第四机壳间隙设置。

根据本发明的一个实施例，所述第三机壳设置有第三容腔，所述第四机壳设置有第四容腔；所述第三机壳与所述第四机壳连接；所述第三进气口位于所述第三机壳靠近所述第四机壳的一端，所述第三进气口沿轴向延伸至与所述第三容腔连通，所述转轴自所述第三进气口穿出所述第三机壳；所述第四出气口位于所述第四机壳靠近所述第三机壳的一端；所述第四出气口沿轴向延伸至与第四容腔连通；所述转轴自所述第四出气口延伸至第四容腔内。

根据本发明的一个实施例，还包括空气过滤器，所述第三机壳通过所述第三进气口与所述空气过滤器连通。

氢燃料电池系统，其特征在于，包括：

氢燃料电池组；

前述的多级空气压缩装置；或者前述的空气压缩装置；

所述氢燃料电池组排放的高压空气输送至所述的涡轮机以驱动所述涡轮机工作。

本发明中的空气压缩装置、多级空气压缩装置及氢燃料电池，将燃料电池排出的高压空气引流至涡轮机并吹动涡轮转动，涡轮与驱动装置共同驱动第一压缩机和/或第二压缩机对空气压缩做功，或者涡轮机驱动电机的转轴旋转。本发明通过涡轮回收了燃料电池组排出的废气的一部分能量来辅助驱动装置驱动压缩机工作，可以降低驱动装置的功率需求。驱动装置选用电机时，由于电机消耗的电能来源于燃料电池系统本身产生的电能，所以本发明可以降低压缩机对燃料电池的能耗，从而进一步降低燃料电池汽车单位里程对氢气的消耗，提高燃料电池汽车的续航里程，再进一步提高燃料电池汽车的竞争力。本发明通过设计结构布置，可以实现从空滤后取气进入驱动装置的第三机壳内部进行冷却。空滤后的气体是尚未被压缩的气体，涡轮机的气体是即将被排放到大气中的气体，所以从这两个位置取气并不会影响压缩机的整体效率。

相对于现有技术，本发明具有以下优点：

本发明利用涡轮机回收氢燃料电池组排出的高压空气中的能量，从而可以大幅提高压缩机的系统效率，涡轮机回收能量辅助电机驱动压缩机，所以可以降低电机的功率消耗，从而提高空压机的系统效率，可以采用更小功率的电机，从而进一步降低压缩机系统的电能消耗。

本发明中把从中冷后取气改为从空滤后或者涡轮机取气，不影响空压机的系统效率，也就是说空压机做功压缩后的气体会全部进入燃料电池；经试验，本发明可将空气压缩装置的效率提高5％以上。

本发明结构降低了对于电机与压缩机和涡轮机之间的密封要求，从而简化了结构，降低了成本。

附图说明

图1为本发明中的燃料电池系统实施例1原理示意图。

图2为本发明实施例1中的多级空气压缩装置结构斜视示意图。

图3为本发明实施例1中的多级空气压缩装置结构剖面示意图。

图4为本发明实施例1中的冷却空气进入电机的走向示意图。

图5为本发明实施例1中的第一压缩机自电机的第三容腔内抽吸空气的原理示意图。

图6为本发明实施例2中的多级空气压缩装置剖面图及冷气空气走向示意图。

图7为本发明实施例3中的多级空气压缩装置结构剖面示意图。

图8为本发明实施例4中的中的燃料电池系统原理示意图。

图9为本发明实施例5中的中的燃料电池系统原理示意图。

图10为本发明对比实施例1的电机的转子的轴向力分析示意图。

图11为本发明对比实施例2的电机的转子的轴向力分析示意图。

图12为本发明实施例1中的电机的转子的轴向力分析示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，氢燃料电池系统100，其包括氢燃料电池组110和多级空气压缩装置120。氢燃料电池组110中，氢气与氧气发生化学反应后对外提供电能。其结构和用途可参照已有氢燃料电池组设置，在此不再赘述。多级空气压缩装置120用于向氢燃料电池组110提供压缩空气。

如图2、图3所示，多级空气压缩装置120用于将空气压缩为高压空气后输送至氢燃料电池组110。在本发明中，多级空气压缩装置120至少包括第一压缩机130和第二压缩机140。第一压缩机130和第二压缩机140串联工作。第一压缩机130和第二压缩机140其中之一将空气压缩为低压空气后输送给另一个，再经另一个进一步压缩为高压空气输送至使用位置。经过两级压缩，可获得符合要求的压力的空气。但本发明并不限于只有两级压缩，在两级压缩基础上再增加第三级、第四级压缩也是可以实施的。在本实施例中，第一压缩机130用于将空气压缩为低压空气，第二压缩机140用于将第一压缩机130输送来的低压空气压缩为高压空气。本领域技术人员可以理解，所述“低压”和“高压”是相对概念。“低压”是相对于第二级压缩而言。“高压”是相对于第一级压缩而言。自第一压缩机130输出的空气压力低于第二压缩机140输出的空气压力，故分别称为“低压”和“高压”。

第一压缩机130包括第一机壳131。第一机壳131具有第一容腔132、第一进气口133和第一出气口134。第一进气口133和第一出气口134均与第一容腔132连通。第一进气口133用于向第一容腔132内进气。第一进气口133沿轴向延伸至与第一容腔132连通。第一机壳131在端部设置有凹槽137。第一进气口133位于凹槽137内。转轴170穿过凹槽137，并自第一进气口133延伸至第一容腔132内。第一容腔132内设置有第一压轮135。第一压轮135设置在转轴170上，由转轴170带动旋转以压缩空气。第一压轮135沿轴向可以延伸至第一进气口133内，也可以不延伸至第一进气口133内，根据实际需要确定。第一压轮135沿轴向延伸至第一进气口133内时，第一压轮135与第一机壳131之间具有间隙；第一压轮135沿轴向未延伸至第一进气口133内时，转轴170与第一机壳131之间具有间隙。第一进气口133内的第一压轮135或者其它部件，均未将第一进气口133封住，以便空气可进入第一容腔132内。在第一容腔132内的空气被旋转的第一压轮135压缩后经第一出气口134输出。

第二压缩机140包括第二机壳141。第二机壳141具有第二容腔142、第二进气口143和第二出气口(图中未示出)。第二进气口143和第二出气口均与第二容腔142连通。转轴170延伸至第二容腔142内。第二容腔142内设置有第二压轮145。第二压轮145设置在转轴170上，由转轴170带动旋转以压缩空气。第二进气口143用于向第二容腔142内进气，在第二容腔142内的空气被旋转的第二压轮145压缩后经第二出气口输出至用气位置。

如图3所示，第一机壳131与第二机壳141连接。第一出气口134与第二进气口143通过第一输送管181连通。第一出气口134排出的低压空气经第一输送管181输送至第二进气口143，再进入第二容腔142内。

如图2、图3所示，驱动装置对外提供动力并通过转轴170驱动第一压缩机130和第二压缩机140工作。驱动装置可根据实际应用场合确定其类型，比如其中一种可用的实施例为电机150。电机150设置有第三机壳151、定子158和转轴170。第三机壳151具有容纳定子158及转轴170部分的第三容腔152。定子158设置在第三容腔152内。如图3所示的示例中，转轴170穿过容腔152，延伸至第一机壳131内、第二机壳141内及后述的第四机壳161内。转轴170驱动第一压轮135和第二压轮145工作。

第三机壳151设置有第三进气口和第三出气口。第三进气口用于向第三机壳151的内部输送冷却用的空气，第三出气口用于排出第三机壳151内部的空气以降低第三机壳151内部的温度。所以第三进气口和第三出气口的具体结构可以是能够将空气引入第三容腔152内的通道，比如孔或槽等。第三机壳151包括机壳主体156和压端封板157。压端封板157设置在机壳主体156的端部，二者围成第三容腔152。机壳主体156设置有第二通孔155。第二通孔155位于机壳主体156靠近第四机壳161的一端。第二通孔155沿轴向延伸至与第三容腔152连通，并朝向第四机壳161。第二通孔155为冷却用空气进入第三容腔152内的第三进气口。转轴170自第二通孔155穿出第三机壳151。第二通孔155内可以设置轴承或者其它部件。根据本发明的技术方案，在第二通孔155内设置轴承或者其它部件时，均需设置为不将第二通孔155封死，以便冷却用的空气可以进入第三容腔152内。本实施例中的第二通孔155即为第三进气口。压端封板157上设置有第一通孔154，第一通孔154沿轴向延伸贯穿压端封板157。第一通孔154与第三容腔152连通。转轴170自第一通孔154穿出第三容腔152内。第一通孔154内设置有空气轴承159。转轴170通过空气轴承159与压端封板157连接。空气轴承159与轴170转动过程中会存在间隙，通过该间隙可以实现确保第一通孔154为打开状态，以便第三容腔152内的空气经第一通孔154被吸出。根据本实施例的技术方案可以理解，第一通孔154内设置空气轴承159或者其它的部件时，均需确保空气轴承159或其它部件不将第一通孔154封死。

涡轮机160包括第四机壳161和涡轮162。第四机壳161设置有第四容腔163、第四进气口164和排气口165。第四出气口166位于第四机壳161靠近第三机壳151的一端。在如图所示的具体示例中，第四机壳161包括蜗壳167和涡端背板168。涡端背板168设置在蜗壳167一端。蜗壳167的另一端设置有排气口165。第四出气口166沿轴向贯穿涡端背板168，朝向第三机壳161。转轴170自第四出气口166穿入第四容腔163内。第四出气口166内也可以设置其它部件，比如间隔套169、空气轴承等。本领域技术人员可以理解，第四出气口166内设置其它部件时，其它部件未将第四出气口166封死，以便涡轮机160内的部分气体可自第四出气口166输出。第四进气口164和排气口165均与第四容腔163连通。转轴170伸入第四容腔163内。涡轮162位于第四容腔163内，并设置于转轴170上由转轴170带动旋转。高压气体经第四进气口164进入第四容腔163内，驱动涡轮162旋转。高压气体做功后经排气口165排出。涡轮机160可以分担对电机150的一部分功率需求，降低对电机150的功率要求。

第二压缩机140、第一压缩机130、电机150和涡轮机160沿轴向依次串联。第二机壳141连接在第一机壳131的一端。第三机壳151连接在第一机壳131的另一端。第四机壳161与第三机壳151连接。转轴170贯穿第一机壳131、第三机壳151，并延伸至第二机壳141和第四机壳161内。

如图4所示，涡轮机160内的高压气体做功后，大部分经排气口165排出。一部分经第四出气口166输出。由于第四出气口166朝向第三机壳151，第二通孔155朝向第四机壳161，因此经第四出气口166输出的气体可经第二通孔155进入第三容腔152内。图中的虚线箭头表示冷却空气进入第三容腔153内的路线。由于涡轮机160内输出的气体压力通常较高，经第四出气口166输出的气体更加容易地进入第三容腔152内。尤其是当第二通孔155与第四出气口166轴向正相对时，第三机壳162的进气效果更佳。

图5所示，第三机壳151的端部插入第一机壳131内，第一机壳131的端部环绕机壳主体156设置。第一机壳131罩住压端封板157和部分机壳主体156。第三机壳151与第一机壳131轴向交错，凹槽137被压端封板157盖住，在第一机壳131与第三机壳151之间形成一容腔。第一通孔154与第一进气口133均与凹槽137连通。第一压缩机130工作吸气时，在第一进气口132附近形成负压区域，即第一机壳131与第三机壳151之间形成的容腔成为负压腔。第一通孔154处于该负压区域内。由于存在负压腔，第一通孔154与负压腔连通，第三机壳151内的空气从第一通孔154被吸出。图中的虚线箭头代表冷气空气输出第三机壳151内的路线。

如图1所示，氢燃料电池组110与第二压缩机140的第二出气口通过第二输送管(图中未示出)连通。第二压缩机140输出的高压气体经第二输送管输送至氢燃料电池组110内。氢燃料电池组110与涡轮机160的第四进气口164通过第三输送管(图中未示出)连通。氢燃料电池组110排出的高压气体经第三输送管(图中未示出)输送至第四容腔163内，驱动涡轮162旋转。

如图1、图3所示，图中的虚线箭头代表气体流向。氢燃料电池系统100工作时，电机150通过转轴170驱动第一压缩机130和第二压缩机140工作，空气依次进入第一压缩机130经第一级压缩后经第一输送管181输送至第二压缩机140内。第二压缩机140将空气再次压缩后通过第二输送管输送至氢燃料电池组110内。氢燃料电池组110排出的高压气体经第三输送管输送至涡轮机160内驱动涡轮162工作。高压空气做功后，再经排气口165排出。涡轮机160工作时可驱动转轴170旋转，可以分担对电机150的功率需求，降低电能的消耗。

第一压缩机130工作时，在第一进气口133附近，也就是凹槽137处形成负压腔。由于存在负压腔，电机150内的空气从第一通孔154被吸出，进而外界的空气从第二通孔155吸入电机150内。因此，外界的空气不断进入电机150内带走电机150内的热量，达到冷却电机150的效果。由于存在负压，所以无需加压即可向电机150内供应冷却用的空气，减少了对加压装置的需求，简化了结构。由于无需对冷却用的空气加压，所以冷却用的空气无需从中冷器之后的管路中获取。减少了输送至氢燃料电池组110内的高压空气的需求。经第二压缩机140输出的高压空气可全部输送至氢燃料电池组110，提高了多级空气压缩装置120的效率和利用率。

在如图1所示的示例中，第一压缩机130的进气方向向左，与涡轮机160的从排气口165排出的排气方向向左，两个方向相反。第二压缩机140的进气方向向右，涡轮机160经排气口165排出的排气方向向右，两个方向相同。

根据如图1所示的示例，在气体输送路线上，还可以设置中冷器191对高压气体降温、设置加湿器192对高压气体加湿。在空气进入第一压缩机130、电机150之前，还可以设置空气过滤器193过滤空气。

实施例2

如图6所示，本实施例与实施例1的不同之处在于：第三进气口的设置方式与实施例1不同。在如图所示的示例中，第三进气口为设置在机壳主体156上的进气孔153。进气孔153沿径向延伸至与第二容腔152连通。机壳主体156的两端均设置有进气孔153。本实施例中的间隔套169与转轴170之间设置有密封结构，密封结构将间隔套169与转轴170之间密封，将间隔套169与涡端封板168之间密封。进入涡轮机160的第四容腔163内的高压空气全部经排气口165排出，无法从涡端封板168处排出。

如图6所示，图中箭头为冷却用的空气进入第三机壳151内的路线示意图。本实施例中，当第三容腔152内的空气被吸出后，外界的空气经进气口孔153进入第三容腔152内，以此实现外界空气持续进入电机150内部再经第一通孔154排出，将电机150内部的热量带走而实现电机150的降温。由于在第一通孔154附近形成负压腔，可以吸出电机150内的空气，因此在向电机150内补充冷却用的气体时无需加压即可实现。

实施例3

如图7所示，本实施例与实施例1的不同之处在于，压端封板157上还设置有第三通孔171。第三通孔171沿轴向贯穿压端封板157。第三通孔171连通凹槽137和第三容腔153。其余结构与实施例1相同。

在本实施例中，既可以将第一通孔154和第三通孔171共同作为第三出气口，也可以将第一通孔154密封，仅将第三通孔171作为第三出气口。

实施例4

如图8所示，本实施例与实施例1的不同之处在于，第一压缩机130、第二压缩机140、电机150和涡轮机160的位置布置方式不同。如图7所示，从左至右，第一压缩机130、电机150、第二压缩机140和涡轮机160依次串联。本领域技术人员可以理解，根据本实施例的布置方式，实施例1中的结构可以做相应的调整。本实施例中，涡轮机160通过转轴170直接驱动第二压缩机140工作。

实施例5

如图9所示，本实施例与实施例1的不同之处在于，第一压缩机130、第二压缩机140、电机150和涡轮机160的位置布置方式不同。如图8所示，从左至右，第二压缩机140、电机150、第一压缩机130和涡轮机160依次串联。本领域技术人员可以理解，根据本实施例的布置方式，实施例1中的结构可以做相应的调整。本实施例中，涡轮机160通过转轴170直接驱动第一压缩机130工作。

在以上实施例中，第一通孔154设置在转轴170的设置路径上由转轴170穿过。根据本发明的替代实施例，第一通孔154也可以不设置在转轴170的设置位置，而是可以设置在转轴170的沿径向的一侧或多侧。第一通孔154还可以设置为径向延伸。只要第一进气口133附近形成的负压，能够从第一通孔154将第三容腔152内的空气吸出即可。

根据本发明的替代实施例，第四出气口166也可以不设置在转轴170的设置位置，而是可以设置在转轴170的沿径向的一侧或多侧。只要第四出气口166沿轴向延伸，朝向第三机壳151即可。

根据本发明的替代实施例，还可以不设置实施例1中的第二压缩机140。对空气仅单级压缩。经第一压缩机130压缩后的压缩空气直接输送至用气位置。

在前述实施例中，涡轮机160仅设置一个。根据实际使用需要，涡轮机160可以设置多个。

在以上实施例中，以氢燃料电池系统100为例说明，但本发明中的多级空气压缩装置120及空气压缩装置并非限定于氢燃料电池系统100中，在其它的应用场合同样可以具有提高空气压缩效率的作用。

本发明所述的轴向，是以图3为参考的左右方向。径向是以图3为垂直于轴向的方向。

本发明的发明人经过研究发现：电机在驱动空压机工作时，电机和轴承都会产生一定的热量，这些热量会使内部温度上升。为了保证电机和轴承的可靠性，空压机需要冷却系统对电机和内部及轴承进行冷却。冷却系统一般是水冷与空冷组合。经过压缩机压缩后的空气进入氢燃料电池组前会进行中冷处理以降低高压空气的温度。因此现有的空气冷却方案，多是从中冷后取空气进入电机的第三机壳内，经过第三机壳后再排出到大气中。

现有技术中之所以从中冷后取气用于冷却电机，是因为冷却气在电机壳内部流动需要压力差，现有技术一般在电机壳上设计冷却气的进口和出口，冷却气出口一般直接排放到大气中，因为冷却气出口是大气压力，所以冷却气进口压力必须要高于大气压力，所以进口需要压缩空气，中冷前的温度比较高，不适合作为冷却气，总结来讲就是兼顾冷却气的压力和温度要求，以上结构必须从中冷后取气作为冷却气。

但是从中冷后取气冷却电机有以下几个缺点：

(1)、中冷后气体的温度比空气高，一般空气经过压缩后温度会上升到100～200℃，经过中冷器冷却会下降到50℃—80℃附近，但是仍然比空气的温度要高，冷却效果比用空气冷却要差；

(2)、中冷后取气会降低空压机系统的效率，因为中冷后的气体是空压机压缩后的高压空气，从该位置取气作为冷却气相当于空压机压缩后本该进入燃料电池的压缩空气减少了，所以也就是说在空压机做功相同的情况下进入燃料电池的空气减少，等于降低了空压机的系统效率；有经验数据显示从中冷后取气的话可以降低系统效率约5％；

(3)、中冷后的空气压力比较大，所以电机壳内部的冷却气体压力会大于两侧压缩机的压力，中间壳内的冷却气会通过间隙往两侧压缩机内窜气，窜气一方面会降低冷却效果，另一方面窜气湍流会降低压缩机的效率，所以必须要在电机和压缩机之间设计密封结构。

发明人经过研究后提出的本发明的技术方案，利用第一压缩机130工作时吸气在第一进气口133附近形成的负压抽吸电机150内的空气，使第三机壳151外部的空气自第三进气口153进入第三机壳151内并自第一通孔154被吸出，可使外部的空气持续不断地冷却电机150。空气温度较低可以增强冷却效果。本发明中的方案无需消耗本应进入氢燃料电池组110中的压缩空气冷却电机150，因此提高了压缩空气的利用率及系统的效率。由于进入第三机壳151内的空气压力不高，因此对电机150及第一压缩机130、第二压缩机140的结构要求简单，尤其是对密封性能的要求可以降低，节省生产成本及生产的难度。

电机的转子的轴向力主要来源于叶片正面与背面的压力差：1.压缩机压轮的轴向力是朝向叶

轮进气的方向；2.涡轮机涡轮的轴向力是朝向涡轮出气的方向。对比实施例1、2及实施例1中，第二压缩机140的轴向力F高压＝3N，第一压缩机130的轴向力F低压＝1N，涡轮机160的轴向力F涡轮＝2N。图10所示的对比例1的轴向力的总和F总＝F低压+F高压-F涡轮＝2N。图11所示的对比例2中的轴向力的总和F总＝F高压+F涡轮-F低压＝4N。如图12所示的本发明实施例1中轴向力的总和F总＝F低压+F涡轮-F高压＝0N。通过对比可见，本发明中的技术方案中，电机的转子的轴向力较小，对电机转子的影响低，可延长电机的使用寿命。

本发明中的空气压缩装置、多级空气压缩装置及氢燃料电池，将燃料电池排出的高压空气引流至涡轮机并吹动涡轮转动，涡轮与驱动装置共同驱动第一压缩机和/或第二压缩机对空气压缩做功。本发明通过涡轮回收了燃料电池组排出的废气的一部分能量来辅助驱动装置驱动压缩机工作，所以可以降低驱动装置的功率需求。驱动装置选用电机时，由于电机消耗的电能来源于燃料电池系统本身产生的电能，所以本发明可以降低压缩机对燃料电池的能耗，从而进一步降低燃料电池汽车单位里程对氢气的消耗，提高燃料电池汽车的续航里程，再进一步提高燃料电池汽车的竞争力。本发明通过设计结构布置，可以实现从空滤后取气进入电机壳内部进行冷却。空滤后的气体是尚未被压缩的气体，涡轮机的气体是即将被排放到大气中的气体，所以从这两个位置取气并不会影响压缩机的整体效率。

相对于现有技术，本发明具有以下优点：

本发明利用涡轮机回收氢燃料电池组排出的高压空气中的能量，从而可以大幅提高压缩机的系统效率，涡轮机回收能量辅助电机驱动压缩机，所以可以降低电机的功率消耗，从而提高空压机的系统效率，可以采用更小功率的电机，从而进一步降低压缩机系统的电能消耗。

本发明中把从中冷后取气改为从空滤后或者涡轮机取气，不影响空压机的系统效率，也就是说空压机做功压缩后的气体会全部进入燃料电池；经试验，本发明可将空气压缩装置的效率提高5％以上。

本发明结构降低了对于电机与压缩机和涡轮机之间的密封要求，从而简化了结构，降低了成本。

以上仅为本发明较佳的实施例，并不用于局限本发明的保护范围，任何在本发明精神内的修改、等同替换或改进等，都涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (22)

1.空气压缩装置，其特征在于，所述空气压缩装置包括：

第一压缩机，所述第一压缩机包括第一机壳，所述第一机壳设置有第一进气口和第一出气口；

驱动装置，所述驱动装置包括第三机壳和转轴，所述第三机壳设置有第三进气口和第三出气口；

所述转轴自所述第三机壳延伸至所述第一机壳内；所述驱动装置驱动所述第一压缩机工作，所述第一压缩机的所述第一进气口朝向所述第三机壳设置。

2.根据权利要求1所述的空气压缩装置，其特征在于，所述第一进气口与所述第三出气口的相对位置设置为：当所述第一压缩机工作时可自所述第三出气口吸出所述第三机壳内部的空气。

3.根据权利要求1所述的空气压缩装置，其特征在于，所述第一进气口与第三出气口的相对位置设置为：当所述第一压缩机工作时，所述第一压缩机吸气可在所述第三出气口处形成负压。

4.根据权利要求1所述的空气压缩装置，其特征在于，所述第一进气口沿轴向延伸且所述第三出气口沿轴向延伸，或者所述第一进气口沿轴向延伸且所述第三出气口沿径向延伸。

5.根据权利要求1所述的空气压缩装置，其特征在于，所述第一进气口设置于所述第一机壳上且朝向所述第三机壳；所述第三出气口设置于所述第三机壳上且朝向所述第一机壳。

6.根据权利要求1所述的空气压缩装置，其特征在于，所述第一进气口设置于所述第一机壳上且朝向所述第三机壳；所述第三出气口设置于所述第三机壳上且位于靠近所述第一压缩机的一端。

7.根据权利要求1所述的空气压缩装置，其特征在于，所述第一机壳的端部与所述第三机壳的端部沿轴向间隙设置、端端接触设置或交错设置；所述第一机壳的端部与所述第三机壳的端部沿轴向接触设置或交错设置时，所述第一机壳与所述第三机壳之间形成一容腔，所述第三出气口与所述容腔连通。

8.根据权利要求7所述的空气压缩装置，其特征在于，所述转轴自所述第三出气口穿过所述第三机壳，所述第三出气口内设置有空气轴承，所述转轴通过所述空气轴承与所述第三机壳连接。

9.根据权利要求8所述的空气压缩装置，其特征在于，所述第三机壳包括机壳主体和压端背板；所述压端背板设置在所述机壳主体端部；所述第三出气口设置在所述压端背板上并沿轴向贯穿所述压端背板。

10.根据权利要求7所述的空气压缩装置，其特征在于，所述第三机壳端部插入所述第一机壳内。

11.根据权利要求1所述的空气压缩装置，其特征在于，所述驱动装置为电机。

12.根据权利要求1所述的空气压缩装置，其特征在于，还包括涡轮机，所述涡轮机驱动所述转轴旋转。

13.多级空气压缩装置，其特征在于，所述多级空气压缩装置包括：

权利要求1至11任一权利要求所述的空气压缩装置；

第二压缩机，所述第二压缩机具有第二机壳，所述第二机壳具有第二进气口与第二出气口；

涡轮机，所述涡轮机具有第四机壳，所述第四机壳设置有第四进气口和排气口；

所述转轴延伸至所述第一机壳内、第二机壳内、第三机壳内及第四机壳内，所述涡轮机驱动所述转轴旋转。

14.根据权利要求13所述的多级空气压缩装置，其特征在于，所述第一压缩机的进气方向与所述涡轮机的排气方向相反，第二压缩机的进气方向与所述涡轮机的排气方向相同。

15.根据权利要求13所述的多级空气压缩装置，其特征在于，所述多级空气压缩装置用于氢燃料电池系统。

16.根据权利要求13所述的多级空气压缩装置，其特征在于，所述驱动装置、第一压缩机、第二压缩机及涡轮机的位置设置方式为：

第二压缩机、第一压缩机、驱动装置和涡轮机依次串联；或者，

第一压缩机、驱动装置、第二压缩机和涡轮机依次串联；或者，

第二压缩机、驱动装置、第一压缩机和涡轮机依次串联。

17.根据权利要求16所述的多级空气压缩装置，其特征在于，所述第一压缩机位于所述第二压缩机与所述驱动装置之间，所述驱动装置位于所述第一压缩机与所述涡轮之间；所述第四机壳设置有第四出气口；所述第三机壳的第三进气口朝向涡轮机的机壳设置，所述第四出气口朝向所述第三机壳。

18.根据权利要求17所述的多级空气压缩装置，其特征在于，所述第四出气口与所述第三进气口正对设置。

19.根据权利要求17所述的多级空气压缩装置，其特征在于，所述第三机壳与所述第四机壳间隙设置。

20.根据权利要求17所述的多级空气压缩装置，其特征在于，所述第三机壳设置有第三容腔，所述第四机壳设置有第四容腔；所述第三机壳与所述第四机壳连接；所述第三进气口位于所述第三机壳靠近所述第四机壳的一端，所述第三进气口沿轴向延伸至与所述第三容腔连通，所述转轴自所述第三进气口穿出所述第三机壳；所述第四出气口位于所述第四机壳靠近所述第三机壳的一端；所述第四出气口沿轴向延伸至与第四容腔连通；所述转轴自所述第四出气口延伸至第四容腔内。

21.根据权利要求13至16任一权利要求所述的多级空气压缩装置，其特征在于，还包括空气过滤器，所述第三机壳通过所述第三进气口与所述空气过滤器连通。

22.氢燃料电池系统，其特征在于，包括：

氢燃料电池组；

权利要求13至21任一权利要求所述的多级空气压缩装置；或者权利要求1至12任一权利要求所述的空气压缩装置；

所述氢燃料电池组排放的高压空气输送至所述的涡轮机以驱动所述涡轮机工作。

Images