专利名称：燃料电池用压缩机－膨胀机系统的制作方法
技术领域：
本发明属于压缩机技术领域，特别涉及一种用压缩空气作为氧化剂的燃料电池用压缩机—膨胀机系统。
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。因其效率高、对环境无污染，已经成为能源替代的关键技术。质子交换膜(PEM)燃料电池就是一种典型的氢——氧燃料电池，可应用于移动式电源，备用电源，以及电动汽车等。质子交换膜燃料电池有运行于低压和运行于高压的两种系统。低压及高压系统各有其优点。
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以确保燃料电池系统的可靠连续运行，其中一个重要的辅件就是向燃料电池提供压缩空气的压缩机—膨胀机系统。对于低压燃料电池系统，由于从燃料电池排出的空气的压力较低，仅用压缩机就可以完成；而对于高压燃料电池系统，由于燃料电池排出的空气具有相当高的压力，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。燃料电池系统的压力是随工况发生变化的，而膨胀机的膨胀比是不变的，当膨胀机的进口压力低于设计压力时，在膨胀机中就会产生过膨胀，造成额外功耗。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单，且膨胀机可根据不同情况选择的既适用于低压又适用于高压燃料电池系统的压缩机—膨胀机系统。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是包括电机以及与电机的输出轴相连接的一级压缩机，一级压缩机的出口通过管道与燃料电池堆的入口相连通，其特点是，燃料电池堆的出口管道上还并联有电磁阀和膨胀机电磁阀，膨胀机通过管道和膨胀机电磁阀与燃料电池堆相连通，一级压缩机与燃料电池堆相连接的管道上还设置有电磁阀，一级压缩机的出口还可通过二级压缩机电磁阀与二级压缩机的入口相连通，二级压缩机的出口通过单向阀与燃料电池堆的入口相连通，二级压缩机又通过二级压缩机电磁离合器和传动装置与电机的输出轴相连，电机的另一输出轴通过膨胀机离合器与膨胀机相连。
本发明的另一特点是电机还可通过二级压缩机电磁离合器直接与二级压缩机相连接，电机的另一输出轴通过传动装置与一级压缩机和膨胀机相连接，在膨胀机与传动装置7之间设置有膨胀机电磁离合器；膨胀机包括由动涡盘和静涡盘组成的膨胀腔，在静涡盘上开设有与膨胀腔相连通的轴向气体通道和与膨胀机的进气口相连通的径向气体通道，静涡盘的背面径向气体通道上还套装有弹簧和活塞，活塞上还开设有可与轴向气体通道相连通的气体通道。
由于本发明的电机通过电磁离合器与二级压缩机和膨胀机相连接，同时又通过管道上的电磁阀可选择的将一级压缩机与二级压缩机及膨胀机相连通，即适用于低压又适用于高压燃料电池系统，对于低压燃料电池系统，电机驱动一级压缩机，经一级压缩机压缩的空气进入燃料电池堆，然后排入大气；对于高压燃料电池系统，空气经过一级压缩机的压缩后继续进入二级压缩机进行压缩，然后再供给燃料电池堆，从燃料电池堆排出的空气进入膨胀机膨胀做功，然后再排入大气。
图1是本发明的整体结构示意图，其中图1(a)是本发明实施例1的结构示意图，图1(b)是本发明实施例2的结构示意图；图2是本发明膨胀机12的结构示意图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。
实施例1，参见图1(a)，图2，本发明包括电机1以及与电机1的输出轴相连接的一级压缩机2，电机1的输出轴还通过二级压缩机电磁离合器6和传动装置7与二级压缩机5相连，电机1的另一输出轴通过膨胀机离合器13与膨胀机12相连，膨胀机12包括由动涡盘15和静涡盘16组成的膨胀腔14，在静涡盘16上开设有与膨胀腔14相连通的轴向气体通道22和与膨胀机12的进气口21相连通的径向气体通道20，静涡盘16的背面还套装有弹簧17和活塞18，活塞18与径向气体通道20相连通，同时活塞18上还开设有可与轴向气体通道22相连通的气体通道19，一级压缩机2的出口分别通过并联有电磁阀3、二级压缩机电磁阀4与燃料电池9及二级压缩机5的入口相连通，二级压缩机5的出口通过单向阀8与燃料电池堆9的入口相连通，燃料电池堆9的出口管道上还并联有电磁阀10和膨胀机电磁阀11，膨胀机12通过管道和膨胀机电磁阀11与燃料电池堆9相连通。在低压燃料电池系统中，本发明的工作过程为电机1驱动一级压缩机2，二级压缩机电磁离合器6及膨胀机电磁离合器13断开，即二级压缩机5及膨胀机12不工作。二级压缩机电磁阀4断开，电磁阀3接通，空气经一级压缩机2的压缩后经电磁阀3后直接进入低压燃料电池堆9。此时电磁阀10接通，膨胀机电磁阀11断开，所以从燃料电池堆9排出的空气经电磁阀10后排入大气。在高压燃料电池系统中，本发明的工作过程为电机1直接驱动一级压缩机2，通过传动装置7驱动二级压缩机5。二级压缩机电磁离合器6和膨胀机电磁离合器13接通，电磁阀3和电磁阀10断开，二级压缩机电磁阀4和膨胀机电磁阀11接通，空气经一级压缩机2压缩后经二级压缩机电磁阀4进入二级压缩机5，然后经单向阀8后进入高压燃料电池堆9，从燃料电池堆9排出的空气经膨胀机电磁阀11后进入膨胀机12膨胀作功，然后排入大气。膨胀产生的功传递给一级压缩机，达到回收功的目的。膨胀机12内的活塞18受进气压力和弹簧17力的双向作用，当膨胀机12进气孔21的实际进气压力大于或者等于膨胀机12的设计进气压力时，由于气体压力大于弹簧17的压力，此气体压力通过径向气体通道20推动活塞18，使活塞18上的气体通道19不能与静涡盘16上的轴向通道22联通，气体在膨胀机12中的膨胀过程一直持续到设计的排气过程，当膨胀机12的实际进气压力小于其设计进气压力时，作用在活塞18上的气体力减小，活塞则在弹簧17的作用下向下移动，此时静涡盘16上的轴向通道22与活塞18上的径向气体通道20联通，使膨胀机12排气过程提前，从而避免了过膨胀所带来的额外功耗。
实施例2参见图1(b)，图2，本发明的电机1通过二级压缩机电磁离合器6直接与二级压缩机5相连接，电机1的另一输出轴通过传动装置7与一级压缩机2和膨胀机12相连接，在膨胀机12与传动装置7之间设置有膨胀机电磁离合器13，其它连接关系及工作原理同实施例1。
本发明通过系统中电磁阀及电磁离合器的作用，对于低压燃料电池系统，电机驱动一级压缩机，经一级压缩机压缩的空气进入燃料电池堆，然后排入大气；对于高压燃料电池系统，空气经过一级压缩机的压缩后继续进入二级压缩机进行压缩，然后再供给燃料电池堆，从燃料电池堆排出的空气进入膨胀机膨胀做功，然后再排入大气，即适用于低压又适用于高压燃料电池系统。
权利要求
1.一种燃料电池用压缩机-膨胀机系统，包括电机[1]以及与电机[1]的输出轴相连接的一级压缩机[2]，一级压缩机[2]的出口通过管道与燃料电池堆[9]的入口相连通，其特征在于燃料电池堆[9]的出口管道上还并联有电磁阀[10]和膨胀机电磁阀[11]，膨胀机[12]通过管道和膨胀机电磁阀[11]与燃料电池堆[9]相连通，一级压缩机[2]与燃料电池堆[9]相连接的管道上还设置有电磁阀[3]，一级压缩机[2]的出口还可通过二级压缩机电磁阀[4]与二级压缩机[5]的入口相连通，二级压缩机[5]的出口通过单向阀[8]与燃料电池堆[9]的入口相连通，二级压缩机[5]又通过二级压缩机电磁离合器[6]和传动装置[7]与电机[1]的输出轴相连，电机[1]的另一输出轴通过膨胀机离合器[13]与膨胀机[12]相连。
2.根据权利要求1所述的燃料电池压缩机-膨胀机系统，其特征在于电机[1]还可通过二级压缩机电磁离合器[6]直接与二级压缩机[5]相连接，电机[1]的另一输出轴通过传动装置[7]与一级压缩机[2]和膨胀机[12]相连接，在膨胀机[12]与传动装置[7]之间设置有膨胀机电磁离合器[13]。
3.根据权利要求1所述的燃料电池压缩机一膨胀机系统，其特征在于所说的膨胀机[12]包括由动涡盘[15]和静涡盘[16]组成的膨胀腔[14]，在静涡盘[16]上开设有与膨胀腔[14]相连通的轴向气体通道[22]和与膨胀机[12]的进气口[21]相连通的径向气体通道[20]，静涡盘[16]的背面径向气体通道[20]上还套装有弹簧[17]和活塞[18]，活塞[18]上还开设有可与轴向气体通道[22]相连通的气体通道[19]。
全文摘要
一种燃料电池用压缩机－膨胀机系统，该系统同时适用于低压燃料电池系统和高压燃料电池系统，它包括用于压缩空气的一级压缩机和二级压缩机，一个向系统提供动力的电机，一个回收能量的膨胀机，它们之间通过管道、电磁阀及电磁离合器连接。通过电磁阀和电磁离合器的作用，对于低压燃料电池系统，电机驱动一级压缩机，压缩的空气直接供给燃料电池堆，从燃料电池堆排出的空气直接排入大气；对于高压燃料电池系统，空气经过一级压缩机的压缩后继续进入二级压缩机进行压缩，然后再供给燃料电池堆，从燃料电池堆排出的空气进入膨胀机膨胀做功，然后再排入大气。
文档编号H01M8/04GK1585177SQ20041002620
公开日2005年2月23日 申请日期2004年6月3日 优先权日2004年6月3日
发明者李连生, 赵远扬, 卜高选, 束鹏程 申请人:西安交通大学