CN1423356A - 燃料电池用无油润滑涡旋压缩机——膨胀机系统的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池用无油润滑涡旋压缩机—膨胀机系统的方法,包括:一向燃料电池提供氢气的储氢设备、一向燃料电池提供干净压缩空气的涡旋压缩机和一回收能量的膨胀机,涡旋压缩机与膨胀机、驱动电机同轴相连；在涡旋压缩机的支架侧面上设置一至两个进水孔,喷入压缩机进水孔的水和空气经压缩后产生的气水混合物经气水分离器分离,分离出的空气经空气冷却器冷却或者直接送入燃料电池,水则进入水冷却器并经一水过滤器送入储水罐；燃料电池中的氢——氧燃料反应产生的水以及剩余的空气进入一冷凝器,分离出的空气进入膨胀机,分离出的水进入水冷却器并经一水过滤器送入储水罐；水通过涡旋压缩机支架侧面上的进水孔给涡旋压缩机提供冷却润滑。

Description

燃料电池用无油润滑涡旋压缩机——膨胀机系统的方法

一、所属技术领域

本发明属于压缩机技术领域，涉及用压缩空气作为氧化剂的燃料电池系统、涡旋压缩机以及高效无油润滑压缩空气的方法，特别涉及一种燃料电池用无油润滑涡旋压缩机—膨胀机系统的方法。

二、背景技术

燃料电池是一个利用燃料(例如：氢)和氧化剂(例如：氧)的作用不断产生电能的电化学装置。质子交换膜(PEM)燃料电池就是一种典型的氢——氧燃料电池。这种燃料电池已经成为新一代汽车——电动汽车的首选。燃料电池因其高效率、对环境的无污染，已经成为能源替代的关键技术。

在燃料电池系统中，除了燃料电池本身，还需要其他辅助的装置(例如：泵、换热器、分离器、控制元件等)以确保燃料电池系统的可靠连续运行。图1为燃料电池的基本工作原理图，其中最重要的辅件就是向燃料电池提供干净压缩空气的压缩机。由于压缩空气在燃料电池中的压降很小，一般小于0.05MPa，所以为了提高燃料电池的系统效率，系统中往往采用膨胀机来回收能量。

空气压缩机有油润滑压缩机、干式压缩机，以及无油压缩机。由于燃料电池对于向它供给的压缩空气的品质要求很高，压缩空气中不可以含有油，所以就需要使用无油的空气压缩机。目前的无油润滑压缩机中一种是采用脂润滑轴承，另一种是采用特利轴承，这利轴承靠水来起润滑和冷却的作用。

三、发明内容

根据上述现有技术存在的缺陷和不足，本发明的目的在于，提供一种燃料电池用无油润滑涡旋压缩机—膨胀机系统的方法。

由于涡旋压缩机有着效率高、转矩变化小、对液滴(即液击)的容许度大、可靠性高，噪声低，重量轻和尺寸小等优点，它已经成为小型燃料电池系统首选的压缩机形式。

实践证明，在压缩机的工作过程中，向压缩机中喷入液体(水、油、制冷剂等)，可以提高压缩机的工作效率。因此，本发明采用的设计思路是，在涡旋压缩机工作的过程中，向涡旋压缩机中喷入冷却水，这样，一方面可以润滑涡旋压缩机中的轴承以及其他各摩擦面，吸收摩擦过程产生的热量，提高压缩机的可靠性。另一方面水在压缩腔内可以吸收压缩过程产生的热量，同时所形成的水膜可以减小各泄漏间隙值，从而提高压缩机的效率。

实现本发明目的的解决方案是，一种燃料电池用无油润滑涡旋压缩机——膨胀机系统的方法，包括：

一向燃料电池提供氢气的储氢设备、一向燃料电池提供干净压缩空气的涡旋压缩机和一回收能量的膨胀机，其特点是，按以下方式进行：

1)涡旋压缩机与膨胀机、驱动电机同轴相连；

2)在涡旋压缩机的支架侧面上设置一至两个进水孔；喷入压缩机进水孔的水和空气经压缩后产生的气水混合物经气水分离器分离，分离出的空气经空气冷却器冷却或者直接送入燃料电池，水则进入水冷却器并经一水过滤器送入储水罐；

3)燃料电池中的氢——氧燃料反应产生的水以及剩余的空气进入一冷凝器，分离出的空气进入膨胀机，分离出的水进入水冷却器并经一水过滤器送入储水罐；

4)水通过涡旋压缩机支架侧面上的进水孔给涡旋压缩机提供冷却润滑，喷入压缩机的水由于高温会存在一部分汽化，补给水可以由燃料电池中产生的水来补充。

上述涡旋压缩机与驱动电机的连接方式可以是涡旋压缩机与电机同轴连成一体，也可以通过弹性联轴器与驱动电机直接联接，还可以采用皮带与驱动电机连接；对于不同的连接方式，作为润滑剂和冷却剂的水在燃料电池及涡旋压缩机内的循环按以下规则进行：

1)对于涡旋压缩机与电机同轴一体结构，压缩机的进水口位于支架侧面，其轴向与压缩机的主轴方向垂直，同时进水口的开设位置要保证喷入的冷却水直接喷射在动涡旋盘与支架之间的防自传机构上，达到对压缩机的冷却润滑；

2)对于涡旋压缩机与电机的连接为联轴器、皮带连接时，在涡旋压缩机的支架侧面开设两个喷水口，其中一个进水口位于支架侧面，另外一个进水口开设于支架的斜侧面，位于压缩机主轴承的斜后侧，从此进水口喷入的水可以直接润滑压缩机的主轴承；

3)涡旋压缩机与电机的连接为联轴器、带轮连接时，也可以开设一个进水口，如同同轴一体结构，压缩机的主轴承采用自润滑轴承。

所述涡旋压缩机采用特种轴承的高速涡旋压缩机。

所述涡旋压缩机的动静涡旋盘底部安装耐磨板。

所述涡旋压缩机的材料采用铝合金、钛合金或压缩机常用的防锈材料。

所述涡旋压缩机构件进行表面处理。

所述涡旋压缩机构件表面处理是在构件表面涂覆陶瓷镀层或硬质阳极氧化膜处理。

所述膨胀机的结构与涡旋压缩机的结构类似。

采用本发明的方法，可以向燃料电池系统提供高品质高压气体的无油润滑涡旋压缩机，该压缩机系统与燃料电池系统组合在一起，压缩机系统水的补给由燃料电池产生提供。在涡旋压缩机壳体上开设有一或两个喷水口，通过喷水口喷入压缩机的水可以冷却润滑涡旋压缩机的轴承及防自传机构，然后可以冷却、润滑、密封压缩腔。本发明中的无油润滑涡旋压缩机同时可以用于其他用空气压缩机的领域。

四、附图说明

图1是使用本发明的燃料电池系统示意图。

图2是本发明的涡旋压缩机与电机同轴一体结构示意图，也是本发明的实施例1；图中符号分别表示为：1静涡旋盘，2动涡旋盘，3喷水口，4钢球，5支架，6主轴承，7平衡块，8电机，9调整块，10动涡旋盘轴承，11下支撑板，12上支撑板，13垫板，14静涡旋盘密封条，15动涡旋盘密封条，16动盘耐磨板，17静盘耐磨板。

图3是本发明的涡旋压缩机与电机通过弹性联轴器连接示意图，也是本发明的实例2；图中符号分别表示为：1静涡旋盘，2动涡旋盘，3喷水口1，4钢球，5支架，6平衡块，7主轴承，8喷水口2，9端盖处轴承，10联轴器，11电机。

图4是本发明的涡旋压缩机与电机通过皮带连接示意图，也是本发明的实例3，图中符号分别表示为：1静涡旋盘，2动涡旋盘，3喷水口1，4钢球，5支架，6平衡块，7主轴承，8喷水口2，9端盖处轴承，10压缩机带轮，11电机。

五、具体实施方式

为了更清楚的理解本发明，以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

本发明的系统包括：一向燃料电池提供氢气的储氢设备(气瓶、金属材料、纳米材料等)、一向燃料电池提供干净压缩空气的涡旋压缩机和一回收能量的膨胀机。

1)涡旋压缩机与膨胀机通过驱动电机相连；

2)在涡旋压缩机的支架侧面上设置一至两个进水孔，喷入压缩机进水孔的水和空气经压缩后产生的气水混合物经气水分离器分离，分离出的空气经空气冷却器冷却或者直接送入燃料电池，水则进入水冷却器并经一水过滤器送入储水罐；

3)燃料电池中的氢——氧燃料产生的水以及剩余的空气进入一冷凝器，分离出的空气进入膨胀机，分离出的水进入水冷却器并经一水过滤器送入储水罐；

4)水通过涡旋压缩机支架侧面上的进水孔给涡旋压缩机提供冷却润滑，喷入压缩机的水由于高温会存在一部分汽化，补给水可以由燃料电池中产生的水来补充。

在燃料电池系统中，无油润滑涡旋压缩机的工作过程如下：

空气先通过空气过滤器的过虑，然后进入涡旋压缩机。与此同时经过冷却的水在压差的作用下喷入压缩机，经过压缩机压缩后的高温高压气水混合物通过气水分离器，分离出的高温水会流入水冷却器。而从分离器出来的高温高压空气温度如果大于80℃，则需经过空气冷却器的降温，然后进入燃料电池堆。如果该温度小于80℃，则可以直接进入燃料电池堆。同时从储氢设备向燃料电池堆供应氢气。从燃料电池堆中出来的氢气进入再循环，而从燃料电池堆中出来的空气以及反应生成的水共同进入冷凝器中，从冷凝器出来的水进入水冷却器，由于此处与从气水分离器分离出的水的压差很小，所以可以直接接入水冷却器。水经过水冷却器的冷却后进入水过滤器，然后流入储水罐中，水最终通过储水罐与压缩机直接的连通管道喷入压缩机。其中储水罐有给排水管用来调节系统中的水量。从冷凝器中出来的带有余压的空气进入膨胀机，对膨胀机做功后排入大气，膨胀机回收的功可以通过与压缩机共用的轴直接传递给压缩机，从而利用这部分回收功。

在涡旋压缩机的内部，对于涡旋压缩机与电机的连接为同轴一体连接时(参见图2)，冷却水通过压缩机的进水口(如图2)进入压缩机内部，润滑冷却动涡旋盘与支架之间的动静支撑板，垫板及钢珠，然后进入动涡旋盘轴承，起到润滑冷却此轴承的作用。然后水会进入压缩机的吸气室，与过滤后的空气一起进入压缩腔，在压缩的过程中，水会吸收压缩空气所产生的热量，同时在涡旋体表面所形成的水膜会减小压缩腔的泄漏通道的面积。在压缩气体的过程中，随着水的吸热，会有一部分气体汽化，气水分离器不能分离这部分已经汽化的水，所以需要燃料电池堆中反应所产生的水来补充该部分损失水。最终水会与空气一起从压缩机的出口排出，进入气水分离器。主轴与支架间的轴承是自润滑轴承，在此轴承的左侧(如图2)有轴封存在，从而避免冷却水进入电机部分的壳体中。

对于本发明的另外两实例(联轴器连接及带轮连接)，冷却水会通过两个喷水口(如图3，图4：进水口1，2)进入压缩机内部。由于实例2与实例3的压缩机部分基本相同，只是与电机的连接部分有所区别，所以仅对实例2做说明。冷却水从喷水口1进入压缩机后，润滑冷却动涡旋盘与支架之间的动静支撑板，垫板及钢珠。从喷水口2进入压缩机的冷却水首先直接润滑冷却涡旋压缩机的主轴承，然后与润滑冷却过动静支撑板，垫板及钢珠的水一起润滑冷却动涡旋盘轴承。然后这些水会与进入压缩机吸气室的空气一起进入压缩机的压缩腔，与实例1相同，最终经过压缩后的高压高温气水混合物从压缩机排气口排出。

Claims (8)

1.一种燃料电池用无油润滑涡旋压缩机—膨胀机系统的方法，包括：

一向燃料电池提供氢气的储氢设备、一向燃料电池提供干净压缩空气的涡旋压缩机和一回收能量的膨胀机，其特征在于，按以下方式进行：

1)涡旋压缩机与膨胀机、驱动电机同轴相连；

2)在涡旋压缩机的支架侧面上设置一至两个进水孔，喷入压缩机进水孔的水和空气经压缩后产生的气水混合物经气水分离器分离，分离出的空气经空气冷却器冷却或者直接送入燃料电池，水则进入水冷却器并经一水过滤器送入储水罐；

3)燃料电池中的氢——氧燃料反应产生的水以及剩余的空气进入一冷凝器，分离出的空气进入膨胀机，分离出的水进入水冷却器并经一水过滤器送入储水罐；

4)水通过涡旋压缩机支架侧面上的进水孔给涡旋压缩机提供冷却润滑，喷入压缩机的水由于高温会存在一部分汽化，补给水可以由燃料电池中产生的水来补充。

2.如权利要求1所述的燃料电池用无油润滑涡旋压缩机—膨胀机系统的方法，其特征在于，所述涡旋压缩机与驱动电机的连接方式可以是涡旋压缩机与电机同轴连成一体，也可以通过弹性联轴器与驱动电机直接联接，还可以采用皮带与驱动电机连接；对于不同的连接方式，作为润滑剂和冷却剂的水在燃料电池及涡旋压缩机内的循环按以下规则进行：

1)对于涡旋压缩机与电机同轴一体结构，压缩机的进水口位于支架侧面，其轴向与压缩机的主轴方向垂直，同时进水口的开设位置要保证喷入的冷却水直接喷射在动涡旋盘与支架之间的防自传机构上，达到对压缩机的冷却润滑；

2)对于涡旋压缩机与电机的连接为联轴器、皮带连接时，在涡旋压缩机的支架侧面开设两个喷水口，其中一个进水口位于支架侧面，另外一个进水口开设于支架的斜侧面，位于压缩机主轴承的斜后侧，从此进水口喷入的水可以自接润滑压缩机的主轴承；

3)涡旋压缩机与电机的连接为联轴器、带轮连接时，也可以开设一个进水口，如同同轴一体结构，压缩机的主轴承采用自润滑轴承。

3.如权利要求1所述的燃料电池用无油润滑涡旋压缩机—膨胀机系统的方法，其特征在于，所述涡旋压缩机采用特种轴承的高速涡旋压缩机。

4.如权利要求1所述的燃料电池用无油润滑涡旋压缩机—膨胀机系统的方法，其特征在于，所述涡旋压缩机的动静涡旋盘底部安装耐磨板。

5.如权利要求1所述的燃料电池用无油润滑涡旋压缩机—膨胀机系统的方法，其特征在于，所述涡旋压缩机的材料采用铝合金、钛合金或压缩机常用的防锈材料。

6.如权利要求1所述的燃料电池用无油润滑涡旋压缩机—膨胀机系统的方法，其特征在于，所述涡旋压缩机构件进行表面处理。

7.如权利要求6所述的燃料电池用无油润滑涡旋压缩机—膨胀机系统的方法，其特征在于，所述涡旋压缩机构件表面处理是在构件表面涂覆陶瓷镀层或硬质阳极氧化膜处理。

8.如权利要求1所述的燃料电池用无油润滑涡旋压缩机—膨胀机系统的方法，其特征在于，所述膨胀机的结构与涡旋压缩机的结构类似。

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