CN115539415A - 一种空气压缩机、燃料电池系统及车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种空气压缩机、燃料电池系统及车辆，属于燃料电池技术领域。本发明的空气压缩机、燃料电池系统及车辆，压缩驱动件能驱动第一增压涡轮旋转，以对进入第一增压腔内的空气进行压缩，同时，可利用高压的反应气体通入第一辅助腔，以推动主动涡轮旋转，使得反应气体的压力降低以形成低压的反应气体并从第一辅助出气口排出第一辅助腔后送往燃料电池系统的电堆，利用反应气体的压差产生的能量转化为驱动主动涡轮旋转的动能，并通过主动涡轮带动从动涡轮旋转，使得从动涡轮能对进入第二辅助腔的空气进行压缩，以辅助空气压缩机压缩空气，能减少空气压缩机的电能消耗，降低空气压缩机的功率消耗，进而达到提高燃料电池系统的效率的目的。

Description

一种空气压缩机、燃料电池系统及车辆
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种空气压缩机、燃料电池系统及车辆。
背景技术
空气压缩机是燃料电池系统中空气路的核心零部件，用于对空气进行增压，根据电堆输出功率，为燃料电池系统提供足够压力和流量的空气，满足燃料电池对氧气的需要，保证电堆性能，其中以离心式空气压缩机最为常见。
现有技术中，空气压缩机使用的电能来自燃料电池系统发电，导致空气压缩机能耗约占燃料电池系统输出功率的20％左右，直接影响燃料电池系统功率输出和系统效率。
此外，在氢燃料电池系统中，主流储氢瓶的储氢压力为70MPa和35MPa，随着储氢瓶的技术发展和市场应用需求，未来70MPa甚至更高压力的储氢瓶将成为趋势。而氢燃料电池系统的电堆为防止膜电极产品损坏，对氢气入堆压力一般要求在0.27MPa，70MPa与0.27MPa之间存在很大的压强差。目前，氢燃料电池系统通过使用减压阀、比例阀以及引射器等高精密部件实现氢气压强的逐步降低，在降压的过程中大量的能量被浪费掉。
发明内容
本发明的目的在于提供一种空气压缩机、燃料电池系统及车辆，降低了空气压缩机的功率消耗，提高了燃料电池系统的效率。
为实现上述目的，提供以下技术方案：
第一方面，提供了一种空气压缩机，用于向燃料电池系统的电堆提供压缩空气，所述燃料电池系统还包括储气件，所述储气件用于存储压缩的反应气体并向所述燃料电池系统的电堆提供预设压力的反应气体，所述空气压缩机包括：
壳体，所述壳体包括第一增压腔、第一辅助腔和第二辅助腔；
第一增压涡轮，所述第一增压涡轮可转动地设于所述第一增压腔内；
压缩驱动件，所述压缩驱动件用于驱动所述第一增压涡轮旋转；
主动涡轮和从动涡轮，所述主动涡轮可转动地设于所述第一辅助腔内，所述从动涡轮可转动地设于所述第二辅助腔内，且所述主动涡轮与所述从动涡轮通过第一连接轴连接；
所述第一辅助腔的第一辅助进气口用于与所述储气件相连，所述第一辅助腔的第一辅助出气口用于与所述燃料电池系统的电堆相连；
所述第二辅助腔的第二辅助进气口与大气相连通，所述第二辅助腔的第二辅助出气口与所述第一增压腔的第一进气口相连通，所述第一增压腔的第一出气口用于与所述燃料电池系统的电堆相连。
作为空气压缩机的可选方案，所述壳体还包括第二增压腔；所述空气压缩机还包括第二增压涡轮，所述第二增压涡轮可转动地设于所述第二增压腔内；所述压缩驱动件还用于驱动所述第二增压涡轮旋转；
所述第二增压腔的第二进气口与大气相连通，所述第二增压腔的第二出气口与所述第一增压腔的第一进气口相连通。
作为空气压缩机的可选方案，所述空气压缩机还包括空气进气管路，所述空气进气管路的一端与大气相连通，另一端分别与所述第二辅助进气口和所述第二进气口相连通。
作为空气压缩机的可选方案，所述空气压缩机还包括空气连接管路，所述空气连接管路的一端分别与所述第二辅助出气口和所述第二出气口相连通，另一端与所述第一进气口相连通。
作为空气压缩机的可选方案，所述空气压缩机还包括第二连接轴，所述第一增压涡轮与所述第二增压涡轮通过所述第二连接轴连接，所述压缩驱动件用于驱动所述第二连接轴旋转。
作为空气压缩机的可选方案，所述空气压缩机还包括第一传动组件，所述第一传动组件的输入端与所述压缩驱动件连接，所述第一传动组件的输出端与所述第一增压涡轮连接；
所述空气压缩机还包括第二传动组件，所述第二传动组件的输入端与所述压缩驱动件连接，所述第二传动组件的输出端与所述第二增压涡轮连接。
作为空气压缩机的可选方案，所述空气压缩机包括旁通管路，所述旁通管路的一端与所述第一辅助进气口相连通，另一端与所述第一辅助出气口相连通，所述旁通管路上设有旁通阀。
作为空气压缩机的可选方案，所述旁通阀为减压阀。
第二方面，提供了一种燃料电池系统，包括如上任一项所述的空气压缩机。
第三方面，提供了一种车辆，包括如上述的燃料电池系统。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明的空气压缩机，压缩驱动件能驱动第一增压涡轮旋转，以对进入第一增压腔内的空气进行压缩，同时，可利用高压的反应气体通入第一辅助腔，以推动主动涡轮旋转，使得反应气体的压力降低以形成低压的反应气体并从第一辅助出气口排出第一辅助腔后送往燃料电池系统的电堆，利用反应气体的压差产生的能量转化为驱动主动涡轮旋转的动能，并通过主动涡轮带动从动涡轮旋转，使得从动涡轮能对进入第二辅助腔的空气进行压缩，以辅助空气压缩机压缩空气，能减少空气压缩机的电能消耗，降低空气压缩机的功率消耗，进而达到提高燃料电池系统的效率的目的。
本发明的燃料电池系统及车辆，通过应用上述空气压缩机，降低了空气压缩机的功率消耗，提高了燃料电池系统的效率。
附图说明
图1为本发明实施例中空气压缩机的结构示意图。
附图标记：
1、壳体；11、第一增压腔；111、第一进气口；112、第一出气口；12、第一辅助腔；121、第一辅助进气口；122、第一辅助出气口；13、第二辅助腔；131、第二辅助进气口；132、第二辅助出气口；14、第二增压腔；141、第二进气口；142、第二出气口；2、第一增压涡轮；3、压缩驱动件；4、主动涡轮；5、从动涡轮；6、第二增压涡轮；71、第一连接轴；72、第二连接轴；81、空气进气管路；82、空气连接管路；9、旁通管路；91、旁通阀。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本实施例提供了一种空气压缩机及燃料电池系统，燃料电池系统包括空气压缩机和储气件，空气压缩机用于向燃料电池系统的电堆提供压缩空气，储气件用于存储压缩的反应气体并向燃料电池系统的电堆提供预设压力的反应气体，本实施例中，反应气体为氢气，
需要说明的是，现有技术中，主流储氢瓶的储氢压力为70MPa和35MPa，随着储氢瓶的技术发展和市场应用需求，未来70MPa甚至更高压力的储氢瓶将成为趋势。而氢燃料电池系统的电堆为防止膜电极产品损坏，需要对储氢瓶中的高压的氢气进行降压处理，使得氢气达到预设压力，再送入电堆，示例性地，氢气的入堆压力一般要求在0.27MPa，70MPa与0.27MPa之间存在很大的压强差。目前，氢燃料电池系统通过使用减压阀、比例阀以及引射器等高精密部件实现氢气压强的逐步降低，在降压的过程中大量的能量被浪费掉。
此外，现有的氢燃料电池系统，空气压缩机使用的电能来自燃料电池系统发电，导致空气压缩机能耗约占燃料电池系统输出功率的20％左右，直接影响燃料电池系统功率输出和系统效率。
为了解决上述问题，本实施例中，如图1所示，空气压缩机包括壳体1、第一增压涡轮2、压缩驱动件3、主动涡轮4和从动涡轮5，壳体1包括第一增压腔11、第一辅助腔12和第二辅助腔13；第一增压涡轮2可转动地设于第一增压腔11内；压缩驱动件3用于驱动第一增压涡轮2旋转；主动涡轮4可转动地设于第一辅助腔12内，从动涡轮5可转动地设于第二辅助腔13内，且主动涡轮4与从动涡轮5通过第一连接轴71连接；
第一辅助腔12的第一辅助进气口121用于与储气件相连，第一辅助腔12的第一辅助出气口122用于与燃料电池系统的电堆相连，以使储气件中压缩的反应气体能流过第一辅助腔12并推动主动涡轮4旋转，进而带动从动涡轮5旋转；
第二辅助腔13的第二辅助进气口131与大气相连通，第二辅助腔13的第二辅助出气口132与第一增压腔11的第一进气口111相连通，第一增压腔11的第一出气口112用于与燃料电池系统的电堆相连。
本实施例的空气压缩机中，如图1所示，实线箭头表示空气的流动方向，虚线箭头表示反应气体的流动方向。压缩驱动件3能驱动第一增压涡轮2旋转，以对进入第一增压腔11内的空气进行压缩，同时，储气件中的高压的反应气体可从第一辅助进气口121进入第一辅助腔12内，推动主动涡轮4旋转，使得反应气体的压力降低以形成低压的反应气体并从第一辅助出气口122排出第一辅助腔12后送往燃料电池系统的电堆，利用反应气体的压差产生的能量转化为驱动主动涡轮4旋转的动能，并通过主动涡轮4带动从动涡轮5旋转，使得从动涡轮5能对进入第二辅助腔13的空气进行压缩，以辅助空气压缩机压缩空气，能减少空气压缩机的电能消耗，降低空气压缩机的功率消耗，进而达到提高燃料电池系统的效率的目的。
为了使空气压缩机降低功耗并向电堆提供足够压力的空气，可选地，壳体1还包括第二增压腔14；空气压缩机还包括第二增压涡轮6，第二增压涡轮6可转动地设于第二增压腔14内；压缩驱动件3还用于驱动第二增压涡轮6旋转；第二增压腔14的第二进气口141与大气相连通，第二增压腔14的第二出气口142与第一增压腔11的第一进气口111相连通。
如此设置，可利用压缩驱动件3驱动第二增压涡轮6旋转，以对进入第二增压腔14的空气进行初步压缩后再从第二出气口142送往第一增压腔11，再利用第一增压涡轮2对由第二增压腔14及第二辅助腔13送入第一增压腔11的压缩空气进行二次压缩，达到提高空气压力的目的，以保证电堆能获得足够的氧气进行电化学反应，达到保证电堆性能的目的。
需要说明的是，第一增压腔11、第一辅助腔12、第二辅助腔13和第二增压腔14互相独立，以保证气密性，使得第一增压腔11、第二辅助腔13和第二增压腔14能分别对其内的空气进行独立压缩，并使得反应气体流过第一辅助腔12，既能推动主动涡轮4旋转，还不会出现反应气体泄漏等问题，保证反应气体的纯度及安全性。
可选地，空气压缩机还包括空气进气管路81，空气进气管路81的一端与大气相连通，另一端分别与第二辅助进气口131和第二进气口141相连通。如此设置，使得空气压缩机只具有一个与大气连通的进气口，即空气进气管路81与大气连通的一端，在安装空气压缩机时，便于布局，降低与燃料电池其他结构产生干涉的风险。
进一步地，空气压缩机还包括空气连接管路82，空气连接管路82的一端分别与第二辅助出气口132和第二出气口142相连通，另一端与第一进气口111相连通，利用一个空气连接管路82将第一增压腔11与第二辅助腔13和第二增压腔14连通，可减少管路数量，有利于简化空气压缩机结构，缩小空气压缩机体积，便于燃料电池系统布局。
本实施例中，空气压缩机还包括第二连接轴72，第一增压涡轮2与第二增压涡轮6通过第二连接轴72连接，压缩驱动件3用于驱动第二连接轴72旋转。如此设置，可利用一个压缩驱动件3驱动第一增压涡轮2和第二增压涡轮6以相同的转速旋转，具有简化空气压缩机结构，降低成本的作用。
示例性地，压缩驱动件3为电机，第二连接轴72可转动地安装于壳体1，第一增压涡轮2和第二增压涡轮6均套设于第二连接轴72的外侧并与第二连接轴72固定连接，第二连接轴72的一端与电机的输出轴固定连接，换言之，第一增压涡轮2与第二增压涡轮6位于电机的同一侧，以通过电机驱动第二连接轴72旋转，进而带动第一增压涡轮2和第二增压涡轮6旋转。
当然，压缩驱动件3还可以包括电机、主动齿轮和从动齿轮，第一增压涡轮2和第二增压涡轮6分别固定连接于第二连接轴72的两端，且第一增压涡轮2和第二增压涡轮6分别位于电机的两侧，主动齿轮与电机的输出轴固定连接，从动齿轮固设于第二连接轴72，且主动齿轮与从动齿轮啮合，如此设置，可通过电机驱动主动齿轮旋转以带动从动齿轮旋转，进而通过第二连接轴72带动第一增压涡轮2和第二增压涡轮6旋转。
在其他实施例中，还可以设置为：第一增压涡轮2的转速与第二增压涡轮6的转速不同，可选地，空气压缩机还包括第一传动组件和第二传动组件，第一传动组件的输入端与压缩驱动件3连接，第一传动组件的输出端与第一增压涡轮2连接，进而使得压缩驱动件3能通过第一传动组件驱动第一增压涡轮2以第一转速旋转；第二传动组件的输入端与压缩驱动件3连接，第二传动组件的输出端与第二增压涡轮6连接，进而使得压缩驱动件3能通过第二传动组件驱动第二增压涡轮6以第二转速旋转，第二转速与第一转速不相等。
示例性地，压缩驱动件3为电机，第一传动组件包括第一传动轴、第一主动齿轮和第一从动齿轮，第一传动轴可转动地设于壳体1内，且第一增压涡轮2固设于第一传动轴的一端，第一从动齿轮固设于第一传动轴，第一主动齿轮固设于电机的输出轴，第一主动齿轮与第一从动齿轮啮合。进一步地，第二传动组件包括第二传动轴、第二主动齿轮和第二从动齿轮，第二传动轴可转动地设于壳体1内，且第二增压涡轮6固设于第二传动轴的一端，第二从动齿轮固设于第二传动轴，第二主动齿轮固设于电机的输出轴，第二主动齿轮与第二从动齿轮啮合。如此设置，即可通过设置第一主动齿轮与第一从动齿轮的传动比和第二主动齿轮与第二从动齿轮的传动比不同，达到控制第一增压涡轮2的转速与第二增压涡轮6的转速不同的目的。
可选地，空气压缩机包括旁通管路9，旁通管路9的一端与第一辅助进气口121相连通，另一端与第一辅助出气口122相连通，旁通管路9上设有旁通阀91。通过设置旁通管路9，可以根据空气压缩机的增压需求和氢气入堆的压力需求等参数控制旁通阀91的启闭，进而控制旁通管路9的通断，以调节主动涡轮4的工作状态。
本实施例中，旁通阀91为减压阀。通过控制减压阀的开度，即可控制通过旁通管路9的反应气体的流量，可提高空气压缩机的增压量和氢气入堆的压力的控制精度。
本实施例还提供了一种车辆，包括如上述的燃料电池系统。本实施例的车辆，通过应用上述燃料电池系统，具有与上述燃料电池系统相同的有益效果。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种空气压缩机，用于向燃料电池系统的电堆提供压缩空气，所述燃料电池系统还包括储气件，所述储气件用于存储压缩的反应气体并向所述燃料电池系统的电堆提供预设压力的反应气体，其特征在于，所述空气压缩机包括：
壳体(1)，所述壳体(1)包括第一增压腔(11)、第一辅助腔(12)和第二辅助腔(13)；
第一增压涡轮(2)，所述第一增压涡轮(2)可转动地设于所述第一增压腔(11)内；
压缩驱动件(3)，所述压缩驱动件(3)用于驱动所述第一增压涡轮(2)旋转；
主动涡轮(4)和从动涡轮(5)，所述主动涡轮(4)可转动地设于所述第一辅助腔(12)内，所述从动涡轮(5)可转动地设于所述第二辅助腔(13)内，且所述主动涡轮(4)与所述从动涡轮(5)通过第一连接轴(71)连接；
所述第一辅助腔(12)的第一辅助进气口(121)用于与所述储气件相连，所述第一辅助腔(12)的第一辅助出气口(122)用于与所述燃料电池系统的电堆相连；
所述第二辅助腔(13)的第二辅助进气口(131)与大气相连通，所述第二辅助腔(13)的第二辅助出气口(132)与所述第一增压腔(11)的第一进气口(111)相连通，所述第一增压腔(11)的第一出气口(112)用于与所述燃料电池系统的电堆相连。
2.根据权利要求1所述的空气压缩机，其特征在于，所述壳体(1)还包括第二增压腔(14)；所述空气压缩机还包括第二增压涡轮(6)，所述第二增压涡轮(6)可转动地设于所述第二增压腔(14)内；所述压缩驱动件(3)还用于驱动所述第二增压涡轮(6)旋转；
所述第二增压腔(14)的第二进气口(141)与大气相连通，所述第二增压腔(14)的第二出气口(142)与所述第一增压腔(11)的第一进气口(111)相连通。
3.根据权利要求2所述的空气压缩机，其特征在于，所述空气压缩机还包括空气进气管路(81)，所述空气进气管路(81)的一端与大气相连通，另一端分别与所述第二辅助进气口(131)和所述第二进气口(141)相连通。
4.根据权利要求2所述的空气压缩机，其特征在于，所述空气压缩机还包括空气连接管路(82)，所述空气连接管路(82)的一端分别与所述第二辅助出气口(132)和所述第二出气口(142)相连通，另一端与所述第一进气口(111)相连通。
5.根据权利要求2所述的空气压缩机，其特征在于，所述空气压缩机还包括第二连接轴(72)，所述第一增压涡轮(2)与所述第二增压涡轮(6)通过所述第二连接轴(72)连接，所述压缩驱动件(3)用于驱动所述第二连接轴(72)旋转。
6.根据权利要求2所述的空气压缩机，其特征在于，所述空气压缩机还包括第一传动组件，所述第一传动组件的输入端与所述压缩驱动件(3)连接，所述第一传动组件的输出端与所述第一增压涡轮(2)连接；
所述空气压缩机还包括第二传动组件，所述第二传动组件的输入端与所述压缩驱动件(3)连接，所述第二传动组件的输出端与所述第二增压涡轮(6)连接。
7.根据权利要求1所述的空气压缩机，其特征在于，所述空气压缩机包括旁通管路(9)，所述旁通管路(9)的一端与所述第一辅助进气口(121)相连通，另一端与所述第一辅助出气口(122)相连通，所述旁通管路(9)上设有旁通阀(91)。
8.根据权利要求7所述的空气压缩机，其特征在于，所述旁通阀(91)为减压阀。
9.一种燃料电池系统，其特征在于，包括如权利要求1-8任一项所述的空气压缩机。
10.一种车辆，其特征在于，包括如权利要求9所述的燃料电池系统。
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