CN207441869U - 一种液力驱动的燃料电池增压进气*** - Google Patents

一种液力驱动的燃料电池增压进气*** Download PDF

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Abstract

一种液力驱动的燃料电池增压进气***，包括：壳体、转子轴、液力涡轮、压气机壳体、压气机叶轮、排气涡壳体以及排气涡轮。由于利用燃料电池的高压液体泵产生的高压液体通过液体流道入口进入壳体内推动液力涡轮转动，从而使转子轴产生旋转，高压液体通过出液口回流。转子轴驱动压气机叶轮转动产生高压的压缩气体通过压缩空气出口流入燃料电池的阴极进气通道，提供燃料电池***的增压进气。同时燃料电池的阴极排气通道的废气驱动排气涡轮转动，实现了转子轴双驱动动力增压器，通过调节液力驱动能量所占比例，实现增压进气的优化运行，既满足进气流量和压力要求，又节省液力能量，提高燃料电池***能效。

Description

一种液力驱动的燃料电池增压进气***
技术领域
本实用新型涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种液力驱动的燃料电池增压进气***。
背景技术
空气供给***需要为电堆的稳定、优化运行提供适当压力、温度、湿度的压缩空气，是质子膜燃料电池的关键设备。空气供给***的性能对燃料电池***的效率、体积、重量和瞬态响应性等均具有重要影响。燃料电池是在一定的温度、湿度和气体压力下进行，也伴随一定的热量的释放，空气供应***中的空气具有高温、高湿、高压、大流量和无油的特征，油液的介入会降低燃料电池催化剂的催化作用，大大降低燃料电池发动机功率输出。
然而，现有增压进气***存在较多技术局限性。
第一，离心式压气机具有能量效率高、输出压力高、增压气体湿度变化小、设备结构紧凑、体积小等比较优势，被认为是具有前途的增压进气路线，得到广泛关注。国内外多个对比文献分别提出了基于离心式原理的、使用高速电动机驱动离心式增压叶轮电动增压器方案，也有类似产品的技术报道。离心压气机特性表明，流量和增压比都随着转速升高而增大。为了提高压力和流量，离心式空压机往往采用超高转速20KRPM，甚至高达100KRPM，致使高速电机转子中永磁体材料承受离心力的破坏作用。
第二，高转速下转子支撑技术方面遇到极大挑战。例如，由于高速电动机转子***质量较大、磁场作用脉动等因素，难以满足平衡平稳、耐强震动、无油气污染、耐高转速等技术要求。近年来行业资料、专利公报等报道了电动增压器采用空气悬浮轴承、或者液浮轴承。但是气浮轴承存在启动过程效果差、抗振动冲击能力弱的缺点；而采用液浮轴承则必须保证干式电机转子，以降低功耗；需要保持电机转子相对润滑介质密封，密封工艺和寿命方面的制约因素难以解决。
第三，低于十千瓦功率量级的电机的整体效率较低，而且高速电机的散热和冷却问题。
实用新型内容
本实用新型为了克服以上技术的不足，提供了一种实现燃料电池清洁供气且发挥液压悬浮轴承优势的液力驱动的燃料电池增压进气***。
本实用新型克服其技术问题所采用的技术方案是：
一种液力驱动的燃料电池增压进气***，其特征在于，包括：
壳体，其内部具有空腔，所述壳体的空腔的一端设置容纳液力涡轮的涡形液体流道；所述壳体上设置有液体流道入口及出液口；
转子轴，通过液浮轴承Ⅰ转动安装于壳体中；
液力涡轮、同轴安装于转子轴的中间部位，其与液体流道相配合；
压气机壳体，安装于壳体一端，其设置有空气进口及压缩空气出口，所述压缩空气出口连接于燃料电池的阴极进气通道；
压气机叶轮，位于压气机壳体内，且其同轴安装于转子轴的一端；
排气涡壳体，安装于壳体另一端，其设置有进气口及尾气出口，所述进气口连接于燃料电池的阴极排气通道；以及
排气涡轮，位于排气涡壳体内，且其同轴安装于转子轴的另一端；
所述液体流道入口连接于燃料电池***的液体泵的高压力端，所述壳体上的出液口连接液体泵的低压力回流端。
为了提高对轴承的润滑，上述壳体上设置有与液浮轴承Ⅰ相连通的润滑通道。
为了进气顺畅，上述压气机壳体的空气进口与转子轴的轴向相同轴。
为了排气顺畅，上述排气涡壳体的尾气出口与转子轴的轴向相同轴。
为了提高密封性，还包括设置于转子轴与壳体之间将液浮轴承Ⅰ与压气机叶轮相隔离的密封件Ⅱ。
为了提高密封性，还包括设置于壳体中的隔离盘，转子轴穿过隔离盘的中心孔并同轴心，所述隔离盘与转子轴之间设置有将排气涡轮与液力涡轮相隔离的密封件Ⅰ。
为了实现径向支撑，还包括设置于壳体中的轴承座，所述轴承座安装有液浮轴承Ⅱ，转子轴与液浮轴承Ⅱ的内孔配合安装，液浮轴承Ⅱ将转子轴的径向力传递至轴承座。
为了提高对轴承的润滑，所述轴承座上设置有与液浮轴承Ⅱ相连通的润滑通道。
为了降低轴向力，上述压气机叶轮与液力涡轮沿轴向的布置方向相同，液力涡轮与排气涡轮沿轴向的布置方向相反。
本实用新型的有益效果是：由于利用燃料电池***的液体泵产生的高压液体通过液体流道入口进入壳体内液体流道并推动液力涡轮转动，从而使转子轴产生旋转，液体通过出液口回流。同时，燃料电池的阴极排气含有较高温度和一定压力，该排气进入排气涡轮形成增压器的第二驱动动力，即“液力——排气双动力”驱动增压器转子。压气机叶轮随同转子轴高速转动而产生的高压气体通过压缩空气出口流入燃料电池的阴极进气通道，提供燃料电池***的增压进气。通过调节液力驱动能量所占双动力的比例，实现增压进气分***的优化运行，既满足进气流量和压力要求，又充分利用排气能量、节省液力能量。从而显著减少增压进气环节实际消耗的总电力，提升燃料电池的静输出电力。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图；
图中，1.壳体 2.转子轴 3.出液口 4.液浮轴承Ⅰ 5.轴承座 6.液浮轴承Ⅱ 7.润滑通道 8.压气机叶轮 9.压气机壳体 10.压缩空气出口 11.液体流道入口 12.密封件Ⅰ13.排气涡壳体 14.进气口 15.排气涡轮 16.尾气出口 17.隔离盘 18.密封件Ⅱ 19.液力涡轮。
具体实施方式
下面结合附图1对本实用新型做进一步说明。
一种液力驱动的燃料电池增压进气***，其特征在于，包括：壳体1，其内部具有空腔，壳体1的空腔的一端设置容纳液力涡轮的涡形液体流道；壳体1上设置有液体流道入口11及出液口3；转子轴2，通过液浮轴承Ⅰ 4转动安装于壳体1中；液力涡轮19、同轴安装于转子轴2的中间部位，其与液体流道相配合；压气机壳体9，安装于壳体1一端，其设置有空气进口及压缩空气出口10，压缩空气出口10连接于燃料电池的阴极进气通道；压气机叶轮8，位于压气机壳体9内，且其同轴安装于转子轴2的一端；排气涡壳体13，安装于壳体1另一端，其设置有进气口14及尾气出口16，进气口14连接于燃料电池的阴极排气通道；以及排气涡轮15，位于排气涡壳体13内，且其同轴安装于转子轴2的另一端；液体流道入口11连接于燃料电池***的液体泵的高压力端，壳体1上的出液口3连接液体泵的低压力回流端。由于利用燃料电池的高压液体泵产生的高压液体通过液体流道入口11进入壳体1内的液体流道中推动液力涡轮19转动，从而使转子轴2产生旋转，液体通过出液口3回流。转子轴2驱动压气机叶轮8转动产生的高压气体通过压缩空气出口10流入燃料电池的阴极进气通道，提供燃料电池***增压进气。同时燃料电池的阴极排气通道的排气通过进气口14驱动排气涡轮15转动，即转子轴2受到液力和排气的双重动力驱动。通过调节液力驱动能量所占双重动力的比例，实现增压进气的优化运行，本实用新型的技术方案既满足电堆的进气流量和压力要求，又能利用排气能量、节省液力能量。最终提高了燃料电池***的能效。
优选的，壳体1上设置有与液浮轴承Ⅰ 4相连通的润滑通道7。通过润滑通道7可以为液浮轴承Ⅰ 4提供润滑剂，提高液浮轴承Ⅰ 4的使用寿命。
进一步的，压气机壳体9的空气进口与转子轴2的轴向相同轴。排气涡壳体13的尾气出口16与转子轴2的轴向相同轴。空气进口与转子轴2的轴向相同轴可以使空气进入壳体9的流动方向与压气机叶轮8的轴向相同，提高吸气的顺畅性。排气机壳体13的排尾气出口16与转子轴2的轴向相同轴可以使尾气排出的方向与排气涡轮15的轴向相同，提高排气的顺畅性。
进一步的，还包括设置于转子轴2与壳体1之间将液浮轴承Ⅰ 4与压气机叶轮8相隔离的密封件Ⅱ 18。密封件Ⅱ 18将转子轴2与壳体1形成动密封关系，提高了密封性，防止壳体1内部的液体进入压气机壳体9中。
进一步的，还包括设置于壳体1中的隔离盘17，转子轴2穿过隔离盘17的中心孔并同轴心，所述隔离盘17与转子轴2之间设置有将排气涡轮15与液力涡轮19相隔离的密封件Ⅰ12。隔离盘17中间的同心圆孔用于容纳密封件Ⅰ 12，密封件Ⅰ 12将排气涡轮15与壳体1中的高压液体进行隔离，提高了密封性。
优选的，还包括设置于壳体1中的轴承座5，轴承座5安装有液浮轴承Ⅱ 6，转子轴2与液浮轴承Ⅱ 6的内孔配合安装，液浮轴承Ⅱ 6将转子轴2的径向力传递至轴承座5。通过液浮轴承Ⅱ 6对转子轴2提供径向支撑，有效降低了转子轴2的径向力导致的变形。轴承座5上设置有与液浮轴承Ⅱ 6相连通的润滑通道7。通过润滑通道7可以为液浮轴承Ⅱ 6提供润滑剂，提高液浮轴承Ⅱ 6的使用寿命。
优选的，压气机叶轮8与液力涡轮19沿轴向的方向相同，液力涡轮19与排气涡轮15沿轴向进行背对背设置，该方案可以有效降低转子受到的轴向力。

Claims (9)

1.一种液力驱动的燃料电池增压进气***，其特征在于，包括：
壳体（1），其内部具有空腔，所述壳体（1）的空腔的一端设置容纳液力涡轮的涡形液体流道；所述壳体（1）上设置有液体流道入口（11）及出液口（3）；
转子轴（2），通过液浮轴承Ⅰ（4）转动安装于壳体（1）中；
液力涡轮（19）、同轴安装于转子轴（2）的中间部位，其与液体流道相配合；
压气机壳体（9），安装于壳体（1）一端，其设置有空气进口及压缩空气出口（10），所述压缩空气出口（10）连接于燃料电池的阴极进气通道；
压气机叶轮（8），位于压气机壳体（9）内，且其同轴安装于转子轴（2）的一端；
排气涡壳体（13），安装于壳体（1）另一端，其设置有进气口（14）及尾气出口（16），所述进气口（14）连接于燃料电池的阴极排气通道；以及
排气涡轮（15），位于排气涡壳体（13）内，且其同轴安装于转子轴（2）的另一端；
所述液体流道入口（11）连接于燃料电池***的液体泵的高压力端，所述壳体（1）上的出液口（3）连接液体泵的低压力回流端。
2.根据权利要求1所述的液力驱动的燃料电池增压进气***，其特征在于：所述壳体（1）上设置有与液浮轴承Ⅰ（4）相连通的润滑通道（7）。
3.根据权利要求1所述的液力驱动的燃料电池增压进气***，其特征在于：所述压气机壳体（9）的空气进口与转子轴（2）的轴向相同轴。
4.根据权利要求1所述的液力驱动的燃料电池增压进气***，其特征在于：所述排气涡壳体（13）的尾气出口（16）与转子轴（2）的轴向相同轴。
5.根据权利要求1所述的液力驱动的燃料电池增压进气***，其特征在于：还包括设置于转子轴（2）与壳体（1）之间将液浮轴承Ⅰ（4）与压气机叶轮（8）相隔离的密封件Ⅱ（18）。
6.根据权利要求1所述的液力驱动的燃料电池增压进气***，其特征在于：还包括设置于壳体（1）中的隔离盘（17），转子轴（2）穿过隔离盘（17）的中心孔并同轴心，所述隔离盘（17）与转子轴（2）之间设置有将排气涡轮（15）与液力涡轮（19）相隔离的密封件Ⅰ（12）。
7.根据权利要求1至6中任意一项所述的液力驱动的燃料电池增压进气***，其特征在于：还包括设置于壳体（1）中的轴承座（5），所述轴承座（5）安装有液浮轴承Ⅱ（6），转子轴（2）与液浮轴承Ⅱ（6）的内孔配合安装，液浮轴承Ⅱ（6）将转子轴（2）的径向力传递至轴承座（5）。
8.根据权利要求7所述的液力驱动的燃料电池增压进气***，其特征在于：所述轴承座（5）上设置有与液浮轴承Ⅱ（6）相连通的润滑通道（7）。
9.根据权利要求1所述的液力驱动的燃料电池增压进气***，其特征在于：所述压气机叶轮（8）与液力涡轮（19）沿轴向的布置方向相同，液力涡轮（19）与排气涡轮（15）沿轴向的布置方向相反。
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