CN1272868C - 一种燃料电池汽车用螺杆压缩—膨胀机组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池汽车用螺杆压缩-膨胀机组，压缩机、直流水冷的直流高速电机和膨胀机通过轴向安装的分体式联轴器联结，同轴度通过两端的支座的配合结构来保证。压缩机和膨胀机由一对转子、吸气端体、排气端体、带有水腔夹层且同时布置有吸气和排气孔口的气缸体、吸气和排气轴承座组件、一对同步齿轮组成。膨胀机和压缩机的零件模块化且高度统一，可以完全互换，整机的冷却使用的是燃料电池所产生的水。整个压缩-膨胀机组转速高，体积、重量小，全机部件高度模块化和通用化，因而加工成本低，安装、维护简单、迅捷。

Description

一种燃料电池汽车用螺杆压缩-膨胀机组

                         技术领域

本发明属于动力机械领域，特别涉及一种用压缩空气作为氧化剂的燃料电池汽车用螺杆压缩-膨胀机组。

                         背景技术

燃料电池是一种通过电化学的方法，将氢和氧结合，直接产生电和热、排出水，而不污染环境的电化学装置。它以其燃料来源丰富、对环境无污染、效率高、工作无噪声等优点而成为未来能源替代的首选方案。

随着工业的发展，以化石燃料为动力的内燃机带来的空气污染和噪声污染越来越多的受到各国法令的限制。同时，由于燃料的紧张和受卡诺循环热效率的限制，内燃机动力的汽车的效率一直难以有更大的提高。因此，已经到了一个必须寻找新的动力系统的时候。燃料电池以其独特的优势受到了人们的青睐，近年来西方各工业发达国家的政府和大的汽车制造商纷纷投入巨资大力开发燃料电池汽车，目前全世界已经有不少这样的系统处于实验运行当中。

车用燃料电池系统中必须要有压缩机来提供氧化剂-空气，来保证其长时间可靠的运行。对于小功率的车载燃料电池系统，只需要提供较低的空气压力即可满足动力的要求；而对于大巴等大型车辆的燃料电池系统，要提供更强劲的功率输出，因此需要提供较高的空气压力和较大的气流量。这种高压系统中，空气压缩机所消耗的能量占电池堆输出功率的20～30％。而压缩空气经过燃料电池堆，一般只有0.05Mpa左右的压降，排出的尾气仍然具有相当的压力，为了提高燃料电池系统的综合效率，系统中就需要设置能量回收装置-膨胀机。采用膨胀机将空气压缩机的这部分能量利用，所作的功被同轴的压缩机所吸收，可有效的减小压缩过程的实际功耗。车用燃料电池系统的基本要求就是重量轻、体积小，同时要尽可能的降低制造和维护成本。

因此，燃料电池汽车的发展形势需要一种重量轻、体积小，制造、维护成本低的空气压缩、膨胀系统。

                          发明内容

本发明的目的在于提供一种体积小、成本低、安装使用方便的燃料电池汽车用模块化的螺杆空气压缩-膨胀机组。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种燃料电池汽车用螺杆压缩-膨胀机组，包括转速可调的水冷直流高速电机、压缩机和膨胀机，其特征在于：

水冷直流高速电机布置在压缩机和膨胀机中间，通过水冷直流高速电机两端轴向安装的分体式联轴器将压缩机和膨胀机同轴设置，压缩机和膨胀机分别固定在支座上；

上述压缩机和膨胀机的结构相同，分别包括有一对相互啮合的螺杆转子，转子处于气缸体中，气缸体两端分别是吸气端体和排气端体，吸气侧轴承置于吸气轴承座中，构成一套相对独立、模块化的组件，轴承座嵌套进吸气端体中；排气侧的轴承置于排气轴承座中，构成一套相对独立的组件，排气轴承座嵌套在排气端体中；在压缩机和膨胀机的高压端，各设置有一对同步齿轮，它们罩在齿轮箱罩内。

上述膨胀机和压缩机除气缸体及排气端体之外，其它的部件的形状、尺寸相同，可以完全互换；同时，压缩机和膨胀机两支转子的吸气和排气轴承座组件也可以各自互换。

上述压缩机和膨胀机的气缸体上同时开有吸气孔口和排气孔口，吸气孔口和排气孔口对角布置。

上述压缩机和膨胀机的气缸体中间设置了水腔夹层，气缸体内的转子工作腔处于水腔夹层的包裹中。

本发明的燃料电池汽车用螺杆压缩-膨胀机组，采用三机同轴构成了一个整体结构，使得整个机组的安装和拆卸都如同搭积木一样的简单。由于压缩机和膨胀机实现了零件模块化、统一化，因此大大降低了制造和维护成本，同时，带有配合结构的支座和可轴向安装的分体式联轴器保证了机组能够实现快速灵活的拆卸和安装。机组中采用高速直流电机，大大简化了电机调速以配合使用工况，同时高转速使得压缩机和膨胀机的尺寸大大减小，因而重量减轻。气缸体中布置的水道结构，可以有效的降低压缩机排气温度、提高效率，同时水层增加了噪声传递的阻尼，可以起到很好的降噪效果。另外，电机、压缩机和膨胀机的冷却水都来源于燃料电池的反应后的产物，提高了整个电池系统的利用率。

                        附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明中气缸体冷却水道示意图；

图3是本发明在燃料电池系统中的工作原理示意图。

下面结合附图对本发明的结构特点和工作原理做进一步的详细说明，以便更清楚的理解本发明的实现方式和特点。

                        具体实施方式

参见图1，本发明包括一台转速可调的水冷直流高速电机12，水冷直流高速电机12轴向两端分别安装有分体式联轴器11，通过分体式联轴器11分别与压缩机7和膨胀机13相连。水冷直流高速电机12处在压缩机7和膨胀机13之间，固定在两个支座10之上，并起到联结作用。两侧的支座10分别座有压缩机7和膨胀机13。冷的直流高速电机12与压缩机7及膨胀机13的同轴度是通过支座10两边的配合结构来保证的。因此在实际使用当中可以很方便的轴向抽出压缩机、膨胀机及水冷直流高速电机，而毋需繁琐的对中找正。

上述压缩机7和膨胀机13具有完全相同的结构和几乎完全可以互换的零件。压缩机和膨胀机均包括一对相互啮合的螺杆转子6、16，转子处于气缸体5a、5b中。吸气侧轴承15置于吸气轴承座9、14中，构成一套相对独立、模块化的组件，并且吸气轴承座9、14可以完全互换，它们是嵌套进吸气端体8之中的。排气侧轴承17置于排气轴承座3、18中，构成一套相对独立的组件，且排气轴承座3、18也可以完全互换，它们嵌套在排气端体4a、4b中。在高压端有一对保持转子相互啮合间隙的同步齿轮2、19，它们罩在齿轮箱罩1内。

上述压缩-膨胀机机组中的压缩机7与膨胀机13中，除压缩机气缸体5a和膨胀机气缸体5b，以及压缩机排气端体4a和膨胀机排气端体4b之外的其它零件相互之间完全可以互换。

参见图2，吸、排气孔口都在气缸体上，对角径向布置。在缸体内孔外侧设置了水腔夹层，温度较低的水从进水口进入，依次经过水腔1～4，温度较高水的再从出水口流出，水流的布置使得内孔处于水层的包裹之中。既可以充分冷却机体，又可以起到降低噪声的作用。

参见图3，本发明在燃料电池系统中工作的时候，空气经由压缩机7压缩后进入燃料电池20。在燃料电池中发生电化学反应，产生电能，同时生成排放物-水。燃料电池反应产生的水收集在水箱21中，然后水经冷却器22降温后分别输送到压缩机、水冷的直流高速电机和膨胀机中进行冷却，然后循环。另外，燃料电池中参加反应后的带压乏气进入膨胀机13膨胀做功，通过共同的旋转部分将回收的功直接作用于压缩机的压缩过程。膨胀做功之后的乏气已经不再具有做功能力，被排回大气。

Claims (3)

1、一种燃料电池汽车用螺杆压缩-膨胀机组，包括转速可调的水冷直流高速电机、压缩机和膨胀机，其特征在于：

水冷直流高速电机布置在压缩机和膨胀机中间，通过水冷直流高速电机两端轴向安装的分体式联轴器将压缩机和膨胀机同轴设置，压缩机和膨胀机分别固定在支座上；

上述压缩机和膨胀机的结构相同，分别包括有一对相互啮合的螺杆转子，转子处于气缸体中，气缸体两端分别是吸气端体和排气端体，吸气侧轴承置于吸气轴承座中，构成一套相对独立、模块化的组件，轴承座嵌套进吸气端体中；排气侧的轴承置于排气轴承座中，构成一套相对独立的组件，排气轴承座嵌套在排气端体中；在压缩机和膨胀机的高压端，各设置有一对同步齿轮，它们罩在齿轮箱罩内；

所述的膨胀机和压缩机除气缸体及排气端体之外，其它的部件的形状、尺寸相同，可以完全互换；同时，压缩机和膨胀机两支转子的吸气和排气轴承座组件也可以各自互换。

2.如权利要求1所述的燃料电池汽车用螺杆压缩-膨胀机组，其特征在于，压缩机和膨胀机的气缸体上同时开有吸气孔口和排气孔口，吸气孔口和排气孔口对角布置。

3.如权利要求1所述的燃料电池汽车用螺杆压缩-膨胀机组，其特征在于，压缩机和膨胀机的气缸体中间设置了水腔夹层，气缸体内的转子工作腔处于水腔夹层的包裹中。

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