一种用于燃料电池的两级离心式压缩机的制作方法

本发明涉及电驱动空气压缩机领域，具体涉及一种用于燃料电池的两级离心式压缩机。

背景技术：

氢燃料电池通过氢气与氧气进行化学反应直接输出电能，氢燃料电池功率密度与空气供给系统供气压力及供气流量直接相关，供气压力高，氧气分压高，燃料电池反应速度加快，输出功率增大，国外霍尼韦尔生产的压缩系统压比可达4；供气流量大，参与化学反应的原料增多，输出功率增大；目前燃料电池空气压缩供给系统一般通过电机直接驱动压气机压缩空气。随着对燃料电池功率密度要求提高，压缩系统压比不断提升，采用目前常用的空气压缩系统主要存在两个问题：

一、压缩系统压比提高导致压缩机耗功增加。燃料电池空压机由燃料电池输出电能驱动，采用两级空气压缩机后，压缩机耗功增大，降低了燃料电池输出功率。同时燃料电池排气温度约为100-200℃，排气压力高，排气具有较高能量，这部分能量未得到有效利用。

二、目前有的单级空气压缩机采用了排气涡轮回收排气能量，但对于两级压缩机而言，增加排气涡轮将导致系统集成困难以及质量体积增大。

因此紧凑、高效、可回收排气能量的燃料电池两级空压机，是降低燃料电池功率消耗，提高功率密度的关键技术，本发明提出排气涡轮与高压级压气机背向一体加工以及两级压气机集成方案能够解决燃料电池排气能量回收问题并且实现整个压缩机系统紧凑的目的。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术中的不足之处，提供了一种能利用燃料电池废气提高燃料使用效率，并通过系统集成实现系统紧凑的用于燃料电池的两级离心式压缩机。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于燃料电池的两级离心式压缩机，包括涡轮、电机、高压级压气机、低压级压气机、连接管路和燃料电池堆，所述高压级压气机包括高压叶轮和高压蜗壳，所述低压级压气机包括低压叶轮和低压蜗壳，所述电机主轴一端与高压叶轮连接，所述电机主轴另一端与低压叶轮连接，所述连接管路处于低压级压气机出气口和高压级压气机进气口之间，所述高压级压气机出气口与燃料电池堆阴极进气口连接；

所述涡轮包括涡轮箱和涡轮叶轮，所述涡轮进气口连接有燃料电池堆阴极出气口，所述涡轮与高压级压气机加工为一体。本设计方案可用于中高压燃料电池空气供给系统，涡轮通过利用燃料电池燃烧排出的废气，转轴带动高压级压气机将吸进的空气压缩，提高进气压力，采用涡轮与高压级压气机集成方式实现系统结构紧凑的目的，通过排气涡轮与高压级压气机背向一体加工以及两级压气机集成方案解决了燃料电池高压比供气时排气能量回收问题，减小压缩机寄生功率，降低了功耗，同时实现系统结构紧凑的目的。

作为优选，所述涡轮出气口连接有排气控制阀，所述排气控制阀开关大小调节燃料电池堆进气压力和流量大小。根据燃料电池堆排气流量，控制系统控制排气阀开口大小，来调控燃料电池堆的进气压力和流量。

作为优选，所述低压叶轮为径流式叶轮或混流式叶轮，低压蜗壳为周向环形出口。

作为优选，所述涡轮箱与高压蜗壳加工为一体；所述涡轮叶轮和高压叶轮加工为一体。

作为优选，所述高压叶轮为径流式叶轮或混流式叶轮。

作为优选，所述连接管路设置在电机的周向侧壁上，连接管路中设有中冷器。中冷器是为了冷却从低压级压气机中初次压缩后的气体，能够降低进入高压级压气机的进气温度，同时也减少电机的负载，增加整体的压缩效率。

作为优选，所述连接管路为单独管路，所述高压蜗壳进气口处设有旋流装置，低压级压气机压缩后的气体经由旋流装置进入高压级压气机叶轮。

作为优选，所述涡轮为径流式涡轮。

作为优选，所述电机为直驱电机，其电压范围为200vdc~800vdc，转速范围为20krpm~150krpm。

本发明具备的有益技术效果是：涡轮通过利用燃料电池燃烧排出的废气，转轴传动带动高压级压气机将吸进的空气压缩，高压级压气机耗功减小，降低了燃料电池系统寄生功率，提高燃料电池输出功率；本发明采用涡轮叶轮与高压级压气机叶轮背向一体化加工方案，减小了系统体积与重量，实现系统紧凑的目的。

附图说明

图1是本发明的流程示意图；

图2是本发明实施例一的截面示意图；

图3是本发明实施例二的截面示意图；

图中：涡轮1、涡轮叶轮11、涡轮箱12、电机2、高压级压气机3、高压叶轮31、高压蜗壳32、低压级压气机4、低压叶轮41、低压蜗壳42、连接管路5、中冷器51、旋流装置52、燃料电池堆6。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，通过下面对实施例的描述，将更加有助于公众理解本发明，但不能也不应当将申请人所给出的具体的实施例视为对本发明技术方案的限制，任何对部件或技术特征的定义进行改变或对整体结构作形式的而非实质的变换都应视为本发明的技术方案所限定的保护范围。

实施例一：

如图1所示：一种用于燃料电池的两级离心式压缩机，包括涡轮1、电机2、高压级压气机3、低压级压气机4、连接管路和燃料电池堆6，涡轮1为径流式涡轮。

如图2所示：高压级压气机包括高压叶轮31和高压蜗壳32，高压叶轮31为径流式叶轮或混流式叶轮。

低压级压气机4包括低压叶轮41和低压蜗壳42，低压叶轮41为径流式叶轮或混流式叶轮，低压蜗壳为周向环形出口。

电机包括电机转子及定子，电机主轴为转子，电机主轴与高压级压气机叶轮及低压级压气机叶轮机械连接，电机主轴一端与高压叶轮31连接，电机主轴另一端与低压叶轮41连接，连接管路5处于低压级压气机4出气口和高压级压气机3进气口之间，连接管路5为单独管路，高压蜗壳32进气口处设有旋流装置52，低压级压气机压缩后的气体经由旋流装置52进入高压级压气机叶轮。

高压级压气机3出气口与燃料电池堆6阴极进气口连接；涡轮1包括涡轮箱12和涡轮叶轮11，涡轮进气口连接有燃料电池堆6阴极出气口。

涡轮1与高压级压气机3加工为一体，主要表现在，涡轮箱12与高压蜗壳32加工为一体；涡轮叶轮11和高压叶轮31加工为一体。采用涡轮与高压级压气机集成方式实现系统结构紧凑的目的。

涡轮1出气口连接有排气控制阀，排气控制阀开关大小调节燃料电池堆6进气压力和流量大小。根据燃料电池堆6排气流量，控制系统控制排气阀开口大小，来调控燃料电池堆的进气压力和流量。

其中电机2为直驱电机，其电压可调节范围为200vdc~800vdc，转速调节范围为20krpm~150krpm。

实施例二：

如图1所示：一种用于燃料电池的两级离心式压缩机，包括涡轮1、电机2、高压级压气机3、低压级压气机4、连接管路和燃料电池堆6，涡轮1为径流式涡轮。

如图2所示：高压级压气机包括高压叶轮31和高压蜗壳32，高压叶轮31为径流式叶轮或混流式叶轮。

低压级压气机4包括低压叶轮41和低压蜗壳42，低压叶轮41为径流式叶轮或混流式叶轮，低压蜗壳为周向环形出口。

电机包括电机转子及定子，电机主轴为转子，电机主轴与高压级压气机叶轮及低压级压气机叶轮机械连接，电机主轴一端与高压叶轮31连接，电机主轴另一端与低压叶轮41连接，连接管路处于低压级压气机4出气口和高压级压气机3进气口之间，高压级压气机3出气口与燃料电池堆6阴极进气口连接；

涡轮1包括涡轮箱12和涡轮叶轮11，涡轮进气口连接有燃料电池堆6阴极出气口。涡轮1与高压级压气机3加工为一体。涡轮箱12与高压蜗壳32加工为一体；涡轮叶轮11和高压叶轮31加工为一体。

涡轮1出气口连接有排气控制阀，排气控制阀开关大小调节燃料电池堆6进气压力和流量大小。根据燃料电池堆6排气流量，控制系统控制排气阀开口大小，来调控燃料电池堆的进气压力和流量。

连接管路5设置在电机2的周向侧壁上，连接管路中设有中冷器51。中冷器是为了冷却从低压级压气机中初次压缩后的气体，能够降低进入高压级压气机的进气温度，同时也减少电机的负载，增加整体的压缩效率。

其中电机2为直驱电机，其电压可调节范围为200vdc~800vdc，转速调节范围为20krpm~150krpm。

综上所述，本设计方案可用于中高压燃料电池空气供给系统，涡轮通过利用燃料电池燃烧排出的废气，转轴带动高压级压气机将吸进的空气压缩，提高进气压力，通过排气涡轮与高压级压气机背向一体加工以及两级压气机集成方案解决了燃料电池高压比供气时排气能量回收问题，减小压缩机寄生功率，降低了功耗，同时实现系统结构紧凑的目的。

当然，本发明还可以有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可以根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。