CN216199265U - 空压机冷却单元、带能量回收的空压机及氢燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种空压机冷却单元、带能量回收的空压机及氢燃料电池系统，属于燃料电池技术领域，空压机冷却单元包括：透平端组件，具有彼此连通的废气进气通道和废气排气通道；以及电机壳体，具有一端与废气排气通道连通、另一端与外部连通的废气风冷通道，且废气风冷通道、废气进气通道和废气排气通道均与电机壳体的内部空间彼此隔绝。一方面，电堆废气经由电机壳体的废气风冷通道再外排，能够对电机壳体的内部空间进行降温冷却，实现了资源的回收利用；另一方面，废气风冷通道、废气进气通道和废气排气通道均与电机壳体的内部空间隔绝，使得电堆废气不排入电机壳体的内部空间中，避免发生由于夹杂水蒸气而存在积水或短路风险的情况。

Description

空压机冷却单元、带能量回收的空压机及氢燃料电池系统

技术领域

本实用新型属于燃料电池技术领域，更具体地说，是涉及一种空压机冷却单元、带能量回收的空压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的装置，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。为此，在空气进入氢燃料电池之前，需要通过空压机(全称为空气压缩机)对空气进行增压。

空压机的驱动力一般可以通过直驱电机提供，电堆反应后的带有热能和动能的气体通常直接外排大气，容易造成能量的浪费，为此，利用能量回收的思路，在空压机内设置涡轮，构成具有能量回收功能的透平端，能够将电堆反应后的外排气体进行回收利用，降低整体功耗。

经过电堆反应后的外排气体经过空压机的透平端之后，所产生的废气一般直接外排至空气中或直接通过相关气孔排入电机壳体内进行内部冷却，但是，直接外排的废气没有充分利用废气的低温资源，排入电机壳体内的废气含有水蒸气而使得电机壳体内部存在积水或短路风险。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种空压机冷却单元、带能量回收的空压机及氢燃料电池系统，旨在解决在带有能量回收的空压机中，直接外排的废气没有充分利用废气的低温资源，排入电机壳体内的废气含有水蒸气而使得电机壳体内部存在积水或短路风险的技术问题。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

在第一方面，本实用新型提供一种空压机冷却单元，包括：透平端组件，具有彼此连通的废气进气通道和废气排气通道；以及电机壳体，具有一端与所述废气排气通道连通、另一端与外部连通的废气风冷通道，且所述废气风冷通道、所述废气进气通道和所述废气排气通道均与所述电机壳体的内部空间彼此隔绝。

结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述透平端组件包括：透平壳体，与所述电机壳体的轴向一端面连接，且开设有所述废气进气通道；透平涡轮，设于所述透平壳体内；以及透平安装座，与所述透平涡轮同轴设置，且连接于所述电机壳体的轴向一端面，所述透平安装座与所述透平壳体之间的间隙构成所述废气排气通道；其中，所述废气进气通道和所述废气排气通道通过所述透平涡轮实现连通关系。

结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述透平安装座包括：密封座，与所述透平涡轮相邻且同轴设置，所述密封座与所述透平壳体之间的间隙构成第一废气排气子通道；以及轴承座，与所述密封座相邻且同轴设置，且连接于所述电机壳体的轴向一端面，所述轴承座开设有与所述废气风冷通道连通的第二废气排气子通道，所述第二废气排气子通道和所述第一废气排气子通道共同构成所述废气排气通道。

结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述轴承座与所述电机壳体为一体式结构或分体式结构。

结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述轴承座与所述电机壳体为分体式结构，所述轴承座面向所述电机壳体的端面呈第一阶梯状，所述电机壳体面向所述轴承座的端面也对应地呈与所述第一阶梯状相适配的第二阶梯状。

结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述电机壳体在所述废气风冷通道内设有多个间隔设置的散热翅片。

本实用新型提供的空压机冷却单元至少具有以下技术效果：与传统技术相比，本实用新型提供的空压机冷却单元，透平端组件具有彼此连通的废气进气通道和废气排气通道，电机壳体具有与废气排气通道连通的废气风冷通道，一方面，电堆废气经由电机壳体的废气风冷通道再外排，能够对电机壳体的内部空间进行降温冷却，实现了资源的回收利用；另一方面，废气风冷通道、废气进气通道和废气排气通道均与电机壳体的内部空间隔绝，使得电堆废气不排入电机壳体的内部空间中，避免发生由于夹杂水蒸气而存在积水或短路风险的情况。

在第二方面，本实用新型还提供一种带能量回收的空压机，包括：如上任一实施例所述的空压机冷却单元；压端叶轮组件，与所述电机壳体、所述透平端组件配合；以及驱动电机，设于所述电机壳体的内部空间，且与所述压端叶轮组件和所述透平端组件同轴设置。

结合第二方面，在一种可能的实现方式中，所述废气风冷通道覆盖所述驱动电机在所述电机壳体的轴向范围。

结合第二方面，在一种可能的实现方式中，所述压端叶轮组件包括：一级叶轮组件，设于所述电机壳体背离所述透平端组件的一侧；以及二级叶轮组件，设于所述透平端组件背离所述电机壳体的一侧。

本实用新型提供的带能量回收的空压机采用如上任一实施例所述的空压机冷却单元，二者技术效果相同，在此不再赘述。

在第三方面，本实用新型还提供一种氢燃料电池系统，包括如上任一实施例所述的带能量回收的空压机。

本实用新型提供的氢燃料电池系统采用如上任一实施例所述的带能量回收的空压机，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实用新型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实用新型的一些实施例，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为本实用新型一实施例空压机冷却单元的剖视示意图；

图2为图1所示结构A的局部放大示意图；

图3为本实用新型另一实施例空压机冷却单元的剖视示意图；

图4为本实用新型一实施例带能量回收的空压机的剖视示意图；

图5为本实用新型一实施例氢燃料电池系统的示意图。

图中：

1、空压机冷却单元 100、透平端组件 110、废气进气通道

120、废气排气通道 121、第一废气排气子通道 122、第二废气排气子通道

130、透平壳体 140、透平涡轮 150、透平安装座

151、密封座 152、轴承座 200、电机壳体

210、废气风冷通道 220、内部空间 230、散热翅片

2、空压机 300、一级叶轮组件 400、二级叶轮组件

410、二级壳体 500、驱动电机 600、内部风冷通道

3、氢燃料电池系统 700、电池电堆

具体实施方式

为了使本实用新型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，对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。

需要说明的是，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可能同时存在居中元件。当一个元件被认为是“连通于”、“连通”另一个元件，它可以是直接连通到另一个元件或者可能同时存在居中元件。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实用新型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5，现对本实用新型实施例提供的空压机冷却单元1、带能量回收的空压机2及氢燃料电池系统3进行说明。

请参阅图1至图4，本实用新型实施例提供了一种空压机冷却单元1，包括：透平端组件100，具有彼此连通的废气进气通道110和废气排气通道120；以及电机壳体200，具有一端与废气排气通道120连通、另一端与外部连通的废气风冷通道210，且废气风冷通道210、废气进气通道110和废气排气通道120 均与电机壳体200的内部空间220彼此隔绝。

需要说明的是，本实用新型实施例所提供的空压机冷却单元1可以适用于不同压缩方式和驱动方式的空压机2中，对此不作限制。

具体而言，透平端组件100包括彼此连通的废气进气通道110和废气排气通道120，能够对其自身结构进行降温冷却，实现资源的回收利用。电机壳体 200的壁厚范围内开设有废气风冷通道210，废气风冷通道210一端与废气排气通道120连通，另一端直接在电机壳体200上开口实现电堆废气外排。

可以理解的是，废气排气通道120可以绕电机壳体200的轴线一周一体式设置或间隔地设有多个子通道，相对应地，废气风冷通道210可以绕电机壳体 200的轴线一周一体式设置或间隔地设有多个子通道，对此不做限制。

本实用新型实施例提供的空压机冷却单元1至少具有以下技术效果：与传统技术相比，本实用新型实施例提供的空压机冷却单元1，透平端组件100具有彼此连通的废气进气通道110和废气排气通道120，电机壳体200具有与废气排气通道120连通的废气风冷通道210，一方面，电堆废气经由电机壳体200 的废气风冷通道210再外排，能够对电机壳体200的内部空间220进行降温冷却，实现了资源的回收利用；另一方面，废气风冷通道210、废气进气通道110 和废气排气通道120均与电机壳体200的内部空间220隔绝，使得电堆废气不排入电机壳体200的内部空间220中，避免发生由于夹杂水蒸气而存在积水或短路风险的情况。

请参阅图1和图3，在一些可能的实施例中，透平端组件100包括：透平壳体130，与电机壳体200的轴向一端面连接，且开设有废气进气通道110；透平涡轮140，设于透平壳体130内；以及透平安装座150，与透平涡轮140同轴设置，且连接于电机壳体200的轴向一端面，透平安装座150与透平壳体130 之间的间隙构成废气排气通道120；其中，废气进气通道110和废气排气通道 120通过透平涡轮140实现连通关系。

具体而言，透平壳体130与电机壳体200的端面采用密封连接的方式，例如，增设密封圈、密封垫等，在透平壳体130的壁厚范围内开设有废气进气通道110，可以理解的是，如图1所示，废气进气通道110可以完全由透平壳体 130开设的孔构成，如图3和图4所示，也可以部分地由其开设的槽与二级叶轮组件400的二级壳体410之间的间隙构成。透平壳体130形成一定的容置空间，透平涡轮140容置于该容置空间内，透平安装座150至少部分地容置于该容置空间内，其余部分容置于电机壳体200的内部空间220中。透平安装座150 与透平壳体130的内壁之间具有间隙，该间隙构成废气排气通道120，能够对透平安装座150进行降温冷却。

对于透平安装座150的组成不作限制，下面举例说明。

例如，请参阅图1和图3，透平安装座150包括：密封座151，与透平涡轮 140相邻且同轴设置，密封座151与透平壳体130之间的间隙构成第一废气排气子通道121；以及轴承座152，与密封座151相邻且同轴设置，且连接于电机壳体200的轴向一端面，轴承座152开设有与废气风冷通道210连通的第二废气排气子通道122，第二废气排气子通道122和第一废气排气子通道121共同构成废气排气通道120。

具体而言，透平壳体130形成一定的容置空间，密封座151至少部分地容置于该容置空间内，密封座151与透平壳体130的内壁之间具有间隙，该间隙构成第一废气排气子通道121，能够实现对密封座151的降温冷却。轴承座152 与电机壳体200的轴向一端面采用密封连接的方式，例如，增设密封圈、密封垫等，防止第二废气排气子通道122与电机壳体200的内部空间220连通，第二废气排气子通道122能够实现对轴承座152的降温冷却。

当然，轴承座152和密封座151的位置还可以进行互换，并且还可以增加止推盘等结构。

结合上述透平安装座150的具体结构，轴承座152与电机壳体200为一体式结构或分体式结构。可以理解的是，轴承座152可以和电机壳体200采用一体成型的方式进行制作，从而可以避免电堆废气的泄漏。当然，轴承座152也可以和电机壳体200采用分体制作再拼装的方式，能够便于驱动电机500、透平涡轮140等部件的安装，对此不作限制。

请参阅图2，在其中一个实施例中，轴承座152与电机壳体200为分体式结构，轴承座152面向电机壳体200的端面呈第一阶梯状，电机壳体200面向轴承座152的端面也对应地呈与第一阶梯状相适配的第二阶梯状。本实施例中，轴承座152采用和电机壳体200拼装的方式。轴承座152和电机壳体200相配接的端面呈彼此配合的阶梯状，能够增加配合路径，避免电堆废气的入侵，提高配合的密封性，保证废气排气通道120和电机壳体200的内部空间220之间的隔绝效果。

此外，请参阅图1和图3，在一些可能的实施例中，电机壳体200在废气风冷通道210内设有多个间隔设置的散热翅片230。本实施例中，多个散热翅片230的形状可以相同，也可以不同，相邻两个散热翅片230之间的间距可以相同，也可以不同。散热翅片230可以进行二次降温冷却，保证空压机2的冷却效果。

基于同一发明构思，请参阅图4，本实用新型实施例还提供了一种带能量回收的空压机2，包括：如上任一实施例所述的空压机冷却单元1；压端叶轮组件，与电机壳体200、透平端组件100配合；以及驱动电机500，设于电机壳体 200的内部空间220，且与压端叶轮组件和透平端组件100同轴设置。

需要说明的是，本实用新型实施例所提供的带能量回收的空压机2可以是一级压缩、两级压缩、三级压缩等方式，对此不作限制。驱动电机500可以采用离心式空气悬浮永磁电机。电堆废气经过废气风冷通道210能够对电机壳体 200及其内部的驱动电机500进行降温冷却，提供资源利用率。

此外，本实用新型实施例所提供的带能量回收的空压机2还可以设有内部风冷通道600，该内部风冷通道600可以采用从电机壳体200外部进风或从蜗壳内部引风的方式，对压端叶轮组件中的叶轮、密封盘、止推盘、轴承安装座等进行冷却，并且，通过设置贯通孔等方式可以进入电机壳体200的内部空间 220中进行冷却，再从电机壳体200出风，可以理解的是，上述内部风冷通道 600与废气风冷通道210彼此隔绝，不会出现交叉连通，在提高冷却效果的基础上，防止水汽入侵电机壳体200的内部空间220。

本实用新型实施例提供的带能量回收的空压机2采用如上任一实施例所述的空压机冷却单元1，二者技术效果相同，在此不再赘述。

结合上述空压机2，在一些可能的实施例中，废气风冷通道210覆盖驱动电机500在电机壳体200的轴向范围。本实施例中，废气风冷通道210在轴向上的延伸距离基本等于或大于驱动电机500的轴向尺寸，从而能够保证对驱动电机500进行更充分的降温冷却。

结合上述空压机2，请参阅图4，在一些可能的实施例中，压端叶轮组件包括：一级叶轮组件300，设于电机壳体200背离透平端组件100的一侧；以及二级叶轮组件400，设于透平端组件100背离电机壳体200的一侧。本实施例中，空压机2采用两级压缩的方式，能够获取更大压力和更大流量的空气。

可以理解的是，一级叶轮组件300和二级叶轮组件400之间通过级间管道实现连通关系。一级叶轮组件300至少包括一级壳体和一级叶轮，二级叶轮组件400至少包括二级壳体410和二级叶轮，此外，还可以包括密封盘、轴承安装座、止推盘等安装结构。一级壳体与电机壳体200连接，二级壳体410与透平壳体130连接，且二级壳体410所形成的空间与透平壳体130所形成的空间彼此隔绝。

透平端组件100设于电机壳体200和二级叶轮组件400之间，能够保证电堆废气更直接地排入废气风冷通道210内，减少繁杂的路径设置，提高整体结构的紧凑性，有利于实现小型化。

基于同一发明构思，请参阅图5，本实用新型实施例还提供了一种氢燃料电池系统3，包括如上任一实施例所述的带能量回收的空压机2。可以理解的是，氢燃料电池系统3还包括与空压机2连接的电池电堆700，以及其他实现氢燃料电池发电功能的其他配件。

本实用新型实施例提供的氢燃料电池系统3采用如上任一实施例所述的带能量回收的空压机2，二者技术效果相同，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，可以认为本实用新型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。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.空压机冷却单元，其特征在于，包括：

透平端组件，具有彼此连通的废气进气通道和废气排气通道；以及

电机壳体，具有一端与所述废气排气通道连通、另一端与外部连通的废气风冷通道，且所述废气风冷通道、所述废气进气通道和所述废气排气通道均与所述电机壳体的内部空间彼此隔绝。

2.如权利要求1所述的空压机冷却单元，其特征在于，所述透平端组件包括：

透平壳体，与所述电机壳体的轴向一端面连接，且开设有所述废气进气通道；

透平涡轮，设于所述透平壳体内；以及

透平安装座，与所述透平涡轮同轴设置，且连接于所述电机壳体的轴向一端面，所述透平安装座与所述透平壳体之间的间隙构成所述废气排气通道；

其中，所述废气进气通道和所述废气排气通道通过所述透平涡轮实现连通关系。

3.如权利要求2所述的空压机冷却单元，其特征在于，所述透平安装座包括：

密封座，与所述透平涡轮相邻且同轴设置，所述密封座与所述透平壳体之间的间隙构成第一废气排气子通道；以及

轴承座，与所述密封座相邻且同轴设置，且连接于所述电机壳体的轴向一端面，所述轴承座开设有与所述废气风冷通道连通的第二废气排气子通道，所述第二废气排气子通道和所述第一废气排气子通道共同构成所述废气排气通道。

4.如权利要求3所述的空压机冷却单元，其特征在于，所述轴承座与所述电机壳体为一体式结构或分体式结构。

5.如权利要求4所述的空压机冷却单元，其特征在于，所述轴承座与所述电机壳体为分体式结构，所述轴承座面向所述电机壳体的端面呈第一阶梯状，所述电机壳体面向所述轴承座的端面也对应地呈与所述第一阶梯状相适配的第二阶梯状。

6.如权利要求1所述的空压机冷却单元，其特征在于，所述电机壳体在所述废气风冷通道内设有多个间隔设置的散热翅片。

7.带能量回收的空压机，其特征在于，包括：

如权利要求1至6任一项所述的空压机冷却单元；

压端叶轮组件，与所述电机壳体、所述透平端组件配合；以及

驱动电机，设于所述电机壳体的内部空间，且与所述压端叶轮组件和所述透平端组件同轴设置。

8.如权利要求7所述的带能量回收的空压机，其特征在于，所述废气风冷通道覆盖所述驱动电机在所述电机壳体的轴向范围。

9.如权利要求7所述的带能量回收的空压机，其特征在于，所述压端叶轮组件包括：

一级叶轮组件，设于所述电机壳体背离所述透平端组件的一侧；以及

二级叶轮组件，设于所述透平端组件背离所述电机壳体的一侧。

10.氢燃料电池系统，其特征在于，包括如权利要求7至9任一项所述的带能量回收的空压机。

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