一种带有涡轮膨胀机的空压系统的制作方法

[0001]
本发明涉及燃料电池领域，尤其涉及一种带有涡轮膨胀机的空压系统，用于给燃料电池供给空气。


背景技术：

[0002]
燃料电池是一种高效清洁的新能源动力系统，空气压缩机将空气压缩，然后送入燃料电池阴极，空气与阳极的氢气进行化学反应，生成的产物是电能和水，还有部分热量随着多余的空气排放到大气中，除此外没有其他对环境有污染的产物，所以燃料电池非常的清洁环保，目前各国都在大力推动氢燃料电池动力系统的开发推广。
[0003]
燃料电池专用的空气压缩机是氢燃料电池动力系统里面非常重要的一个零部件，其作用是为燃料电池的阴极提供一定压力和一定流量的压缩空气，满足燃料电池反应对于空气中氧气的需求。由于润滑油膜对于燃料电池的寿命影响很大，所以为了防止压缩空气中含有润滑油，空压机需要在无油环境中运行，而且空压机的运行转速要求比较高，每分钟转速可高达十几万转，传统的采用滚珠轴承设计鼓风机、压缩机是很难实现这一点的，所以带空气轴承的超高速空气压缩机应运而生。目前燃料电池空压机有单级压缩的，也有两级压缩的。单级压缩即一个电机驱动一个压轮，而两级压缩就是一个电机驱动两个压轮，一个是低压级，另一个是高压级，高压级和低压级是串联的，空气经过低压级压缩后再进入高压级进行第二次压缩，所以两级压缩机比单级压缩机获得的空气压力和流量要高，可适用的燃料电池功率范围更大。
[0004]
但是在两级压缩机中，进入燃料电池电堆的压缩空气中仅有一部分氧气参与反应，其他压缩空气会被排出到大气中，容易造成这部分高压气体所携带的能量被浪费。
[0005]
在现有技术中，有些会采用带有涡轮膨胀机的空气压缩机，将燃料电池排出的高压空气引流至与电机同轴安装的涡轮，以吹动涡轮转动。涡轮的转动会辅助电机驱动压缩机。但是，这也带来一个问题，燃料电池排出的高压空气中含有一定水蒸气，导致高压空气中的水分可以通过涡轮机与点击可之间的缝隙进入到电机壳内部，容易造成电机的定子、转子、轴承等部件生锈。为了解决这一问题，现有技术采用的手段是对电机中的容易生锈的部件进行防锈处理，但是这种处理方式会造成成本高昂。
[0006]
因此，本领域的技术人员致力于开发一种带有涡轮膨胀机的空压系统，通过设置在涡轮膨胀机与电机之间的密封结构，能够防止燃料电池排出的高压空气中的水分进入到电机内，而无需对电机的易生锈部件进行防锈处理。


技术实现要素：

[0007]
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何防止从燃料电池排出的吹向涡轮的气体中的水蒸气通过涡轮机与电机壳之间的间隙进入电机壳内部，导致使电机容易生锈。
[0008]
为实现上述目的，本发明提供了一种带有涡轮膨胀机的空压系统，包括：
[0009]
压缩机；
[0010]
与所述压缩机的排气口依次连接的中冷器和加湿器，所述加湿器被配置为与燃料电池连接；其中，所述压缩机排出的压缩气体依次经过所述中冷器和所述加湿器后进入到燃料电池；
[0011]
与所述压缩机同轴设置的电机，所述电机被配置为能够驱动所述压缩机；
[0012]
与所述电机同轴设置的所述涡轮膨胀机，且所述涡轮膨胀机和所述压缩机分别位于所述电机的两侧；所述涡轮膨胀机被配置为在所述燃料电池排出的空气的驱动下，与所述电机一起驱动所述压缩机；
[0013]
密封气路，所述密封气路从所述中冷器的排气口连接至所述电机与所述涡轮膨胀机之间，所述密封气路被配置为能够防止所述涡轮膨胀机中的空气进入到所述电机内。
[0014]
进一步地，所述压缩机包括串联的第一压缩机和第二压缩机，所述第一压缩机的出口压力小于所述第二压缩机的出口压力。
[0015]
进一步地，所述第一压缩机的压轮的背面与所述第二压缩机的压轮的背面相邻。
[0016]
进一步地，所述第一压缩机和所述第二压缩机均为离心式压缩机。
[0017]
进一步地，依次在所述电机的壳体、所述电机的轴承座、所述涡轮膨胀机的背板上设置有供气体通过的通道，所述通道与所述密封气路联通。
[0018]
进一步地，在所述涡轮膨胀机的定居套与所述涡轮膨胀机的背板之间设置有两组活塞环。
[0019]
进一步地，所述通道位于所述两组活塞环的中间位置。
[0020]
进一步地，所述密封气路内的气体压力大于所述涡轮膨胀机内的气体压力。
[0021]
进一步地，还包括冷却气路，所述冷却气路从所述中冷器的所述排气口连接至所述电机，用于冷却电机。
[0022]
进一步地，还包括空滤，所述空滤与所述压缩机的进气口连接，使得空气经过所述空滤后进入所述压缩机。
[0023]
进一步地，所述空压系统被配置为由所述燃料电池供电
[0024]
和现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0025]
本发明的提供的空压系统，在涡轮膨胀机和空压机之间设置密封结构，通过高压空气来防止涡轮膨胀机内的湿空气进入电机壳内部，避免了对电机的易生锈部件进行防锈处理，降低了制造成本。此外，本发明提供的结构简单，容易实现，对于现有的未作防锈处理的空压机系统，通过简单的改造后即可达到防锈效果，具有很大的经济价值。
[0026]
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
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图1是本发明的一个较佳实施例的带有涡轮膨胀机的空压系统的模块示意图；
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图2是本发明的一个较佳实施例的带有涡轮膨胀机的空压系统的密封气路结构示意图。
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其中，其中：1-轴承座，2-涡轮背板，3-涡轮，4-定居套，5-转轴，6-电机壳，7-通气孔，8-活塞环，9-中冷器，10-空滤，11-第一压缩机，12-第二压缩机，13-电机，14-涡轮膨胀
机，15-密封气路，16-冷却气路，17-燃料电池，18-加湿器。
具体实施方式
[0030]
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
[0031]
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
[0032]
如图1所示，本发明提供的带有膨胀机的空压机包括：压缩机、电机13、涡轮膨胀机14、中冷器9、加湿器18和密封气路15。其中，压缩机、电机13、涡轮膨胀机14依次同轴连接，且压缩机和涡轮膨胀机14分别位于电机13的两侧；压缩机的排气口依次连接中冷器9、加湿器18，最后与燃料电池17连接；燃料电池17的排气口与涡轮膨胀机14连接。在中冷器9的排气口处设置有与密封气路15连接的支路，密封气路15连接至涡轮膨胀机14与电机13之间。由于密封气路15中的气体是被压缩机压缩后的空气，其压力大于涡轮膨胀机14内的气体压力，当密封气路15连接至涡轮膨胀机14和电机13之间的位置时，可以避免涡轮膨胀机14内的湿空气通过涡轮膨胀机14与电机13连接点之间的间隙进入到电机壳6内部。
[0033]
继续参见图1，本发明中的带有涡轮膨胀机14的空压系统的工作过程如下：
[0034]
外界空气经过空滤10后，与大气压相同，为低压空气。低压空气进入压缩机，经过压缩机压缩后成为高压空气。高压空气从压缩机的排气口排出，进入中冷器9，然后再从中冷器9的排气口排出进入加湿器18，最后进入到燃料电池17的电堆。高压的压缩空气与燃料电池17中的氢气进行反应，生成电能、水和部分热量。由于压缩空气中仅有一部分氧气参与了反应，剩余的压缩空气会被燃料电池17排出。被排出的空气仍具有一定的压力，为了节约这部分被排出的压缩空气中的能量，设置一与电机13同轴连接的涡轮膨胀机14，然后将该部分压缩空气从燃料电池17排出到涡轮膨胀机14中，该部分压缩空气吹动涡轮膨胀机14的涡轮3转动。由于涡轮膨胀机14与电机13是同轴设置的，因此，涡轮膨胀机14会与电机13一起驱动压缩机。相当于通过涡轮膨胀机14回收了燃料电池17排出的压缩空气中的一部分能量，能够降低电机13的功率需求。其中，电机13本身所消耗的电能来源燃料电池17产生的电能，因此，也可以降低空压机对燃料电池17的能耗，从而进一步提升燃料电池17的能量的利用率。如果将燃料电池17安装在汽车上，可以降低燃料电池17汽车单位历程对氢气的消耗，提高汽车的续航里程。在涡轮膨胀机14接收被燃料电池17排出的压缩空气并被驱动的过程中，由于压缩空气在进入燃料电池17之前经过加湿处理，空气中带有很多水分，且燃料电池17本身经过反应后也会生成水分，这些水分在进入涡轮膨胀机14时，容易通过涡轮膨胀机14与电机13之间的间隙进入到电机壳6内部，造成电机13内部的定子、转子等部件生锈。针对这一问题，本发明设置了密封气路15，防止涡轮膨胀机14中的空气进入到电机壳6内部。
[0035]
密封气路15从中冷器9的排气口连接至涡轮膨胀机14和电机13之间。具体地，参见图2，电机13的转轴与涡轮膨胀机14的转轴5是同轴设置的，在涡轮膨胀机14的转轴5上套设有定居套4，定居套4上设置有涡轮膨胀机14的背板2，背板2位于涡轮膨胀机14的涡轮3与电机13之间，电机13的轴承座1连接在电机壳6与背板2之间。这些部件构成了电机13与涡轮膨
胀机14之间的连接结构，而涡轮膨胀机14中的压缩空气也容易通过这些部件之间的间隙进入到电机壳6内部。因此，设置了密封气路15以避免这种情况。依次沿着电机壳6、轴承座1、背板2设置供气体通过的通道7，该通道7与密封气路15联通构成密封气路15的一部分，一直连接至中冷器9。在定居套4与背板2之间设置两组活塞环8，密封气路15的通道7设置在两组活塞环8中间。通过设置活塞环8，可以减小定居套4和背板2之间的径向间隙，所以可以降低泄漏量。在两组活塞环之间打进去更高压力的密封气体，密封气体会往活塞环8两侧泄露，这个泄露不会带来附面影响，而且可以完全杜绝涡轮膨胀机14内的湿空气从定居套4和背板2之间进入电机壳6内。如果不设置活塞环8，那么对密封气体的流量就会很大。
[0036]
在一些实施方式中，压缩机可以设置为两级压缩机，即包括第一压缩机11和第二压缩机12，第一压缩机11与第二压缩机12串联连接，其中，第一压缩机11是低压级，第二压缩机12是高压级，即第一压缩机11的出口压力小于第二压缩机12的出口压力，然后第二压缩机12与中冷器9连接。空气经过第一压缩机11后再进入高压的第二压缩机12进行第二次压缩，获得的空气压力和流量更高，可适用的燃料电池17功率范围更大。第一压缩机11和第二压缩机12的叶轮设置在相同的转轴5上，转轴5由电机13驱动。两级压缩机可以采用背靠背连接，即第一压缩机11和第二压缩机12的压轮的背面相邻，两个压缩机的进气口分别位于第一压缩机11和第二压缩机12组合在一起后的整体的两侧。其中，第一压缩机11位于外侧，第二压缩机12位于内侧。第一压缩机11和第二压缩机12可以选用离心式空气压缩机，也可以根据实际需求选用其他压缩机。具体压缩机的选择不构成对本发明的限制。应当理解，压缩机也可以选用单级压缩机。
[0037]
在一些实施方式中，还设置有冷却气路16，用于冷却电机13和轴承，冷却后从排气口排出。
[0038]
在一些实施方式中，压缩机使用的轴承是动压箔片空气轴承。
[0039]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。