CN218787190U - 气体压缩设备及燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了气体压缩设备及燃料电池系统。该气体压缩设备包括电机以及设置在电机两侧的压缩机和涡轮机，涡轮机适于与电机一起驱动压缩机，涡轮机包括：在内部限定有内部腔室的蜗壳；可旋转地设置在内部腔室中的涡轮，该涡轮包括设有中心孔的轮毂和从轮毂沿径向突出的端板，该内部腔室被分成沿周向环绕涡轮的进气腔室以及沿轴向从涡轮延伸的排气腔室；以及传动轴，其具有插入涡轮轮毂的中心孔中的轴头，其中，涡轮设有从端板的背对排气腔室的表面延伸至中心孔孔壁的第一减压孔，传动轴的轴头设有从其端面延伸至其侧面的第二减压孔，该第一减压孔与该第二减压孔相连通。该燃料电池系统装备有该气体压缩设备。

Description

气体压缩设备及燃料电池系统

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，更具体地，涉及用于燃料电池系统的气体压缩设备以及装备有该气体压缩设备的燃料电池系统。

背景技术

空气压缩机是把原动机的机械能转变为气体能量的一种机械。电动空气压缩机(EAC)作为气源装置已被广泛应用于各个行业中。例如，电动空气压缩机在车辆中被用作制动用的气源、涡轮增压器的气源或燃料电池的气源等。在应用于氢氧燃料电池系统时，空气压缩机将空气压缩成高压空气，然后送入燃料电池阴极，空气中的氧气与阳极的氢气进行电化学反应，生成的产物是电和水，还有部分热量随着多余的空气排放到大气中。然而，将燃料电池的高压废气直接排放至大气中会导致这些高压废气中的能量被浪费。为了回收利用燃料电池高压废气中的能量，目前已经出现了带有涡轮膨胀机的空气压缩机，即涡轮膨胀机回收废气能量，辅助电机驱动压缩机，这样可以降低电机的功率需求，从而显著提高燃料电池系统的效率。然而，这些现有的利用涡轮膨胀机回收燃料电池的高压废气中的能量的技术方案往往存在以下问题，由于高压废气中往往携带有大量水分并且具有较高压力，因此，这些高压废气在经过涡轮膨胀机时可能会侵入空气压缩机的电机内部从而导致电机内部积水、甚至线圈短路烧毁等危险情况发生。

因此，在本领域中，亟需一种能够回收燃料电池高压废气中的能量同时能够可靠地避免高压废气侵入空气压缩机电机内部的技术方案。

实用新型内容

为了解决上述现有技术中的问题，本实用新型提出了一种气体压缩设备，其包括电机以及设置在所述电机的两侧的压缩机和涡轮机，所述涡轮机适于与所述电机一起驱动所述压缩机，所述涡轮机包括：蜗壳，所述蜗壳在内部限定有内部腔室；可旋转地设置在所述内部腔室中的涡轮，所述涡轮包括设有中心孔的轮毂和从所述轮毂沿径向突出的端板，所述内部腔室被分成沿周向环绕所述涡轮的进气腔室以及沿轴向从所述涡轮延伸的排气腔室；以及传动轴，所述传动轴具有插入所述涡轮的轮毂的中心孔中的轴头；其中，所述涡轮设有从所述端板的背对所述排气腔室的表面延伸至所述中心孔的孔壁的第一减压孔，所述传动轴的轴头设有从其端面延伸至其侧面的第二减压孔，并且所述涡轮被固定在所述轴头上，以使得所述第一减压孔与所述第二减压孔相连通。

根据本实用新型的一种可选实施方式，所述第一减压孔相对于旋转轴线倾斜地延伸。

根据本实用新型的一种可选实施方式，所述轮毂具有相对于所述端板的表面沿轴向突出的端部，并且所述第一减压孔在所述端板的表面上的开口沿径向与所述轮毂的端部相邻。

根据本实用新型的一种可选实施方式，所述第二减压孔具有从所述轴头的端面向内延伸的纵向孔段以及从所述纵向孔段延伸至所述轴头的侧面的横向孔段。

根据本实用新型的一种可选实施方式，所述轴头在其侧面上设有沿周向延伸的环形沟槽，所述第一减压孔在所述中心孔的孔壁上的开口与所述环形沟槽对准，并且所述第二减压孔的横向孔段延伸至所述环形沟槽的底部。

根据本实用新型的一种可选实施方式，所述第二减压孔具有一个纵向孔段以及多个横向孔段，所述涡轮设有多个第一减压孔，并且所述横向孔段的数量与所述第一减压孔的数量不同。

根据本实用新型的一种可选实施方式，所述第二减压孔具有关于旋转轴线对称布置的一对横向孔段，并且所述涡轮设有关于旋转轴线均匀分布的四个第一减压孔。

根据本实用新型的一种可选实施方式，所述纵向孔段沿轴向延伸，并且所述横向孔段沿径向延伸。

根据本实用新型的一种可选实施方式，所述横向孔段在所述轴头的侧面上的开口与所述第一减压孔在所述中心孔的孔壁上的开口对准。

同样为了解决上述现有技术中的问题，本实用新型还提出了一种燃料电池系统，其包括：燃料电池，所述燃料电池具有供阴极气体流过的阴极侧以及供阳极气体流过的阳极侧；以及如前文所述的气体压缩设备，其中，所述气体压缩设备的压缩机被设置在所述燃料电池的阴极侧的供气线路上，而所述气体压缩设备的涡轮机被设置在所述燃料电池的阴极侧的排气线路上。

本实用新型可以体现为附图中的示意性的实施例。然而，应注意的是，附图仅仅是示意性的，任何在本实用新型的教导下所设想到的变化都应被视为包括在本实用新型的范围内。

附图说明

附图示出了本实用新型的示例性实施例。这些附图不应被解释为必然地限制本实用新型的范围，其中：

图1是根据本实用新型的燃料电池系统的示意性布局图；

图2是据本实用新型的气体压缩设备的局部示意性截面图；

图3a是根据本实用新型的气体压缩设备的涡轮机的涡轮的示意性截面图；

图3b是根据本实用新型的气体压缩设备的涡轮机的涡轮的示意性立体图；

图4a是根据本实用新型的气体压缩设备的涡轮机的传动轴的示意性截面图；以及

图4b是根据本实用新型的气体压缩设备的涡轮机的传动轴的示意性立体图。

具体实施方式

本实用新型的进一步的特征和优点将从以下参考附图进行的描述中变得更加明显。附图中示出了本实用新型的示例性实施例，并且各个附图并不必然地按照实际比例绘制。然而，本实用新型可以实现为许多不同的形式并且不应解释为必然地限制于这里示出公开的示例性实施例。相反，这些示例性实施例仅仅被提供用于说明本实用新型以及向本领域的技术人员传递本实用新型的精神和实质。

本实用新型旨在提出一种改进的气体压缩设备以及装配该气体压缩设备的燃料电池系统。特别地，根据本实用新型的气体压缩设备具有旨在回收排气线路中的压缩气体的能量的涡轮膨胀机(本文中简称为涡轮机)，而其新颖的设计使得能够可靠地避免压缩气体中的水分通过涡轮机侵入到气体压缩设备的电机中，由此可以防止气体压缩设备的电机因内部湿度过高而短路。因此，根据本实用新型的气体压缩设备不仅能够提高燃料电池系统的效率，而且因其自身较高的可靠性和安全性而能够提高燃料电池系统以及使用该燃料电池系统的设备(例如，电动汽车、混合动力汽车等等)的可靠性和安全性，并延长其使用寿命。

下面参考各个附图详细描述根据本实用新型的气体压缩设备以及燃料电池系统的各个可选但非限制性的实施方式。需要指出的是，除非另有说明，否则本文中所使用的指示方位的术语具有其在本领域中的通常含义，例如，“轴向/轴向方向”是指与可旋转部件的旋转轴线重合或平行的方向，“径向/径向方向”是指与可旋转部件的旋转轴线垂直的方向，并且“周向/周向方向”是指环绕可旋转部件的旋转轴线的方向。然而，值得一提的是，这些指示方位的术语仅仅旨在结合附图更加直观地说明各个部件的相对方位而非绝对方位，其不应以任何方式解释成是对本实用新型的保护范围的限制。

参考图1，其中示出了根据本实用新型的燃料电池系统的示意性布局图。如图1所示，燃料电池系统10包括燃料电池100。燃料电池100作为燃料电池系统10的核心部件旨在通过阳极气体(例如，氢气，富氢气体等)与阴极气体(例如，空气中的氧气)的氧化还原反应将燃料气体中蕴含的化学能转化为电能，以便为耗电设备供电。为此，燃料电池系统10还包括用于向燃料电池100的阴极侧110输送阴极气体的阴极供气线路P1、用于排放来自燃料电池100的阴极侧110的阴极气体的阴极排气线路P2、用于向燃料电池100的阳极侧120输送阳极气体的阳极供气线路P3、以及用于排放来自燃料电池100的阳极侧120的阳极气体的阳极排气线路P4。

为了确保氧化还原反应的效率，燃料电池系统10还包括气体压缩设备200，该气体压缩设备200包括被设置在阴极供气线路P1上的压缩机210以及用于驱动压缩机210的电机220，该压缩机210可以在电机220的驱动下对阴极供气线路P1中的阴极气体进行压缩，以使得阴极供气线路P1向燃料电池100的阴极侧110输送高压阴极气体，而高压阴极气体将在参加氧化还原反应之后由阴极排气线路P2排放。为了回收高压阴极气体的能量，气体压缩设备200还包括设置在阴极排气线路P2上的涡轮机230。在该配置下，阴极排气线路P2中的高压阴极气体将驱动涡轮机230，而涡轮机230又将驱动压缩机210。特别地，涡轮机230可以通过与压缩机210共用传动轴或者耦合至电机220的转子等方式耦合至压缩机210，以使得涡轮机230能够在高压阴极气体的驱动下驱动压缩机210。在该配置下，通过涡轮机230实现了对高压阴极气体中的能量进行回收，这有助于减少电机220为了驱动压缩机210而消耗的能量，从而提高燃料电池系统10的整体效率。

以上简要描述了根据本实用新型的燃料电池系统的大体布局，下面参考其他附图详细描述根据本实用新型的气体压缩设备的具体结构。参考图2，其中示出了据本实用新型的气体压缩设备的局部示意性截面图。如图2所示，气体压缩设备200包括用于容纳电机220的主体20，其中，压缩机210和涡轮机230被设置在主体20以及电机220的沿着轴向方向XX’分开的两侧。涡轮机230包括蜗壳231，该蜗壳231大体呈环绕轴向方向XX’的环形结构，并且被固定(例如通过螺钉)在主体20上，以使得主体20的外表面的一部分面向蜗壳231的内部。当沿着轴向方向XX’观察时，主体20的外表面的该部分被蜗壳231环绕，下文中将该部分称为配合表面21，该配合表面21与蜗壳231的内表面231’共同限定了位于蜗壳231内的内部腔室。涡轮机230还包括涡轮232，该涡轮232被可旋转地设置在该内部腔室中，从而将该内部腔室划分为沿着周向方向环绕涡轮232的进气腔室231i以及沿着轴向方向XX’从涡轮232延伸的排气腔室231o。特别地，在图1所示的情况下，进气腔室231i可以与燃料电池120的阴极侧110气体连通以便接收由阴极侧110排出的阴极气体(例如高压空气)，而排气腔室231o可以与大气连通以便将阴极气体排放至大气中。

参考图3a和图3b，其中分别示出了根据本实用新型的气体压缩设备的涡轮机的涡轮的示意性截面图和立体图。如图3a和图3b所示，涡轮232包括：轮毂232a，该轮毂232a中设有沿着轴向方向XX’贯穿的中心孔232h；从轮毂232a径向突出的端板232b，该端板232b具有沿着轴向方向XX’相对的第一端面232b’和第二端面232b”，其中，如图2所示，第一端面232b’旨在面向主体20的配合表面21，换句话说，旨在背对排气腔室231o，而第二端面232b”旨在面向所述排气腔室231o；以及设置在端板232b的第二端面232b”上的多个叶片232c，特别地，各个叶片232c例如通过粘合、焊接、一体形成等方式固定或结合在轮毂232a和端板232b二者上。

回到图2，涡轮机230还包括传动轴233，该传动轴233包括可旋转地设置在主体20中的轴身233a以及从轴身233a轴向突出的轴头233b，该轴头233b穿过主体20中的通孔22插入涡轮232的中心孔232h中，并且涡轮232被固定在轴头233b上。在该配置下，当阴极气体(例如高压空气)从进气腔室231i流向排气腔室231o时，阴极气体将通过与各个叶片232c的相互作用而驱动涡轮232旋转，而涡轮232又将带动传动轴233一起旋转，传动轴233可以被耦合至电机220的转子和/或压缩机210的传动轴，以便辅助电机220驱动压缩机210对阴极气体进行压缩。因此，上述配置实现了对由燃料电池100的阴极侧110排出的阴极气体的能量回收，而这可以大幅节省电机220的能量消耗，并提高燃料电池系统10的整体效率。

虽然上述配置带来了诸多益处，但是却存在导致电机220短路的风险。具体地，据本申请的发明人发现，阴极排气线路P2中的高压阴极气体往往夹杂有一定量的水分(例如，因氢氧的氧化还原反应而产生的水)，并且由于涡轮机230的进气腔室231i中的气压较高尤其是高于电机220内部的气压，因此，高压阴极气体可能通过涡轮232与主体20之间的间隙以及传动轴233与通孔22之间的缝隙侵入电机220内部，同时还将水分携带至电机220内部，一旦水分在电机220内部堆积，则可能导致电机220的线圈短路甚至烧毁。

为了解决上述问题，如图3a和图3b所示，涡轮232设有从端板232b的第一端面232b’延伸到中心孔232h的孔壁的第一减压孔232r，也就是说，第一减压孔232r的一端在端板232b的第一端面232b’上敞开，另一端在中心孔232h的孔壁上敞开。特别地，第一减压孔232r相对于轴向方向XX’(或旋转轴线)沿着倾斜方向延伸。参考图4a和图4b，其中分别示出了根据本实用新型的气体压缩设备的涡轮机的传动轴的示意性截面图和立体图。如图4a和图4b所示，传动轴233的轴头233b中设有从轴头233b的侧面延伸至其端面的第二减压孔233r，也就是说，第二减压孔233r的一端在轴头233b的侧面上敞开，另一端在轴头233b的端面上敞开。如图2所示，涡轮232和传动轴233的轴头233b相对于彼此定位成使得：第一减压孔232r与第二减压孔233r相连通。特别地，涡轮232和传动轴233的轴头233b可以相对于彼此定位成使得：第一减压孔232r在中心孔232h的孔壁上的开口可以与第二减压孔233r在轴头233b的侧面上的开口对准。在该配置下，如图2中的粗线所示，形成了将涡轮232和主体20之间的间隙与排气腔室231o相连通的减压路径P5，由于排气腔室231o中的气压较低(尤其是在排气腔室231o与大气连通时)，因此，减压路径P5可以有效地降低涡轮232和主体20之间的间隙处的气压，并且使得从进气腔室231i进入该间隙中的阴极气体将倾向于通过减压路径P5排放至排气腔室231o中而非侵入电机220的内部，由此可以有效地避免进气腔室231i中的高压阴极气体通过该间隙侵入电机220的内部，从而可靠地防止电机220发生短路。

根据本实用新型的一种可选实施方式，如图3a和图3b所示，涡轮232的轮毂232a具有相对于端板232b的第一端面232b’轴向突出的端部232a’，其中，第一减压孔232r在端板232b的第一端面232b’上的开口在径向方向上与轮毂232a的端部232a’相邻。在该配置下，第一减压孔232r的大部分都将被加工在轮毂232a中，而非加工在较薄的端板232b中，这有助于避免轮毂232的结构强度因第一减压孔232r的存在而过度减小。

根据本实用新型的一种可选实施方式，如图4a所示，第二减压孔233r包括从轴头233b的端面向内延伸的纵向孔段233a以及从该纵向孔段233a延伸至轴头233b的侧面的横向孔段233t，其中，如图2所示，第一减压孔232r与该横向孔段233t相连通。特别地，第一减压孔232r在中心孔232h的孔壁上的开口可以与横向孔段233t在轴头233b的侧面上的开口对准。特别地，纵向孔段233a可以沿着轴向方向XX’延伸，而横向孔段233t可以沿着径向方向延伸。

特别地，第二减压孔233r可以包括一个纵向孔段233a以及多个横向孔段233t，并且涡轮232可以设有多个第一减压孔232r，其中，每个第一减压孔232r与多个横向孔段233t之一相连通。特别地，每个第一减压孔232r在中心孔232h的孔壁上的开口可以与相应的横向孔段233t在轴头233b的侧面上的开口对准。在该配置下，可以通过多个第一减压孔232r以及多个横向孔段233t更加有效地降低涡轮232与主体20之间的间隙处的气压，从而更加可靠地防止电机220短路。更特别地，各个第一减压孔232r和各个横向孔段233t围绕旋转轴线均匀分布。

根据本实用新型的一种可选实施方式，如图4a和图4b所示，传动轴233的轴头233b在其侧面上还设有沿着周向方向延伸的环形沟槽233g，其中，第二减压孔233r通向该环形沟槽233g的底部，也就是说，第二减压孔233r的一端在环形沟槽233g的底部处敞开，并且如图2所示，第一减压孔232r与该环形沟槽233g连通，也就是说，第一减压孔232r在中心孔232h的孔壁上的开口对准该环形沟槽233g，以使得环形沟槽233g将第一减压孔232r与第二减压孔233r相连通。在该配置下，由于环形沟槽233g呈沿周向方向延伸的环形结构，因此只要在加工和组装时确保第一减压孔232r在中心孔232h的孔壁上的开口以及环形沟槽233g在轴向上的相对位置就能将这二者对准，并进而通过环形沟槽233g将第一减压孔232r与第二减压孔233r相连通，与将第一减压孔232r与第二减压孔233r直接对准以连通的方式相比，该配置显著地降低了对产品加工组装精度的要求并由此有效地控制了成本。

特别地，第二减压孔233r可以包括一个纵向孔段233a以及关于旋转轴线对称布置的一对横向孔段233t，其中，每个横向孔段233t通向环形沟槽233g的底部，并且涡轮232可以设有多个(例如，图3b所示的四个)第一减压孔232r，其中，每个第一减压孔232r通向环形沟槽233g。在该配置下，即使横向孔段233t与第一减压孔232r的数量不相等，也可以通过环形沟槽233g可靠地连通多个第一减压孔232r与一对横向孔段233t并由此有效地降低涡轮232与主体20之间的间隙处的气压以防止电机220短路，而且可以避免设置过多的纵向孔段233a和横向孔段233t，从而防止传动轴233的轴头233b的结构强度因第二减压孔233r的存在而过度减小。更特别地，纵向孔段233a的孔径可以大于各个横向孔段233t的孔径，而各个横向孔段233t的孔径可以大于各个第一减压孔232r的孔径。当然，在设置上述环形沟槽233g的情况下，也可以仅设置一个横向孔段233t。

以上借助于附图详细描述了根据本实用新型的气体压缩设备及燃料电池系统的可选但非限制性的实施例。对于本领域内的那些普通技术人员来说，在不偏离本公开的精神和实质的情况下，对技术和结构的修改和补充以及对各实施例中的特征的重新组合显然都应视为包括在本实用新型的范围内。因此，在本实用新型的教导下所能够设想到的这些修改和补充都应被视为本实用新型的一部分。本实用新型的范围包括在本实用新型的申请日时已知的等效技术和尚未预见的等效技术。

Claims (10)

1.气体压缩设备，其包括电机以及设置在所述电机的两侧的压缩机和涡轮机，所述涡轮机适于与所述电机一起驱动所述压缩机，所述涡轮机包括：

蜗壳，所述蜗壳在内部限定有内部腔室；

可旋转地设置在所述内部腔室中的涡轮，所述涡轮包括设有中心孔的轮毂和从所述轮毂沿径向突出的端板，所述内部腔室被分成沿周向环绕所述涡轮的进气腔室以及沿轴向从所述涡轮延伸的排气腔室；以及

传动轴，所述传动轴具有插入所述涡轮的轮毂的中心孔中的轴头；其特征在于，

所述涡轮设有从所述端板的背对所述排气腔室的表面延伸至所述中心孔的孔壁的第一减压孔，所述传动轴的轴头设有从其端面延伸至其侧面的第二减压孔，并且所述涡轮被固定在所述轴头上，以使得所述第一减压孔与所述第二减压孔相连通。

2.根据权利要求1所述的气体压缩设备，其特征在于，所述第一减压孔相对于旋转轴线倾斜地延伸。

3.根据权利要求1所述的气体压缩设备，其特征在于，所述轮毂具有相对于所述端板的表面沿轴向突出的端部，并且所述第一减压孔在所述端板的表面上的开口沿径向与所述轮毂的端部相邻。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的气体压缩设备，其特征在于，所述第二减压孔具有从所述轴头的端面向内延伸的纵向孔段以及从所述纵向孔段延伸至所述轴头的侧面的横向孔段。

5.根据权利要求4所述的气体压缩设备，其特征在于，所述轴头在其侧面上设有沿周向延伸的环形沟槽，所述第一减压孔在所述中心孔的孔壁上的开口与所述环形沟槽对准，并且所述第二减压孔的横向孔段延伸至所述环形沟槽的底部。

6.根据权利要求5所述的气体压缩设备，其特征在于，所述第二减压孔具有一个纵向孔段以及多个横向孔段，所述涡轮设有多个第一减压孔，并且所述横向孔段的数量与所述第一减压孔的数量不同。

7.根据权利要求6所述的气体压缩设备，其特征在于，所述第二减压孔具有关于旋转轴线对称布置的一对横向孔段，并且所述涡轮设有关于旋转轴线均匀分布的四个第一减压孔。

8.根据权利要求4所述的气体压缩设备，其特征在于，所述纵向孔段沿轴向延伸，并且所述横向孔段沿径向延伸。

9.根据权利要求4所述的气体压缩设备，其特征在于，所述横向孔段在所述轴头的侧面上的开口与所述第一减压孔在所述中心孔的孔壁上的开口对准。

10.燃料电池系统，其包括：

燃料电池，所述燃料电池具有供阴极气体流过的阴极侧以及供阳极气体流过的阳极侧；其特征在于，还包括：

根据权利要求1-9中任一项所述的气体压缩设备，其中，所述气体压缩设备的压缩机被设置在所述燃料电池的阴极侧的供气线路上，而所述气体压缩设备的涡轮机被设置在所述燃料电池的阴极侧的排气线路上。

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