一种压气机和包括压气机的空气压缩机以及燃料电池装置的制作方法

1.本技术涉及燃料电池领域，特别是一种压气机和包括压气机的空气压缩机以及燃料电池装置。


背景技术：

2.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。目前燃料电池空气压缩机有单级压缩的，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。其中进入燃料电池电堆的压缩空气仅有一部分氧气参与反应，其余压缩空气会被排出到大气中，被燃料电池堆排出的压缩空气仍然有很高的压力，所以这部分高压空气直接排放到大气中的话，高压气体所携带的能量也就被浪费掉了。
3.为了回收利用燃料电池堆废气中的能量，现有技术中存在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，显著提高燃料电池系统的效率。
4.一种常见的包含涡轮膨胀机的空气压缩机的结构如图1所示，包括压气机1、电机3和涡轮膨胀机2。由于涡轮膨胀机2占用了一个电机3的驱动位置，所以带有涡轮膨胀机2的空气压缩机受限于电机轴承的稳定性，只能采用单级压气机。由于现有技术中绝大多数电机3的转速上限只能达到12万转，所以单级压气机为了满足燃料电池堆对于压缩比(即压缩空气的压强与大气压强的比值，压缩比越高即指压缩空气的压强越高)的要求，就需要采用大直径的压轮。但是当燃料电池堆5在中低负荷工作时，对空气流量的需求减小，但对空气的压缩比的要求不变，仍然需要保持较高的压缩比。而压气机1产生的空气压缩比和流量呈正比，即为了产生较高的压缩比，同时会还产生较大流量的空气。此时压气机1产生的压缩空气流量大于燃料电池堆5的需求量，而多余的压缩空气会产生回流，从而导致压气机1发生喘振，严重的喘振可能导致压气机1损坏失效。如果采用减小压轮直径的方案，减小压缩空气的流量，会导致无法满足燃料电池堆5在满负荷工作时对于空气压缩比的要求，从而减小燃料电池堆5的发电功率。如果将多余的压缩空气直接排放到大气中，会造成能量的浪费。
5.此外，在现有技术中，涡轮膨胀机2在膨胀做功过程中会有液态水析出，导致系统可靠性降低。
6.因此，现有技术中存在满负荷的空气压缩比与中低负荷的喘振现象无法两全的问题。本领域技术人员期望研究一种压气机，并将这种压气机应用于空气压缩机和燃料电池装置中，以解决现有技术中存在的问题。


技术实现要素：

7.本技术提供了一种压气机，包括压气出气口，还包括第一连接机构，所述第一连接机构与所述压气出气口连接，所述第一连接机构被配置为可将流经所述压气出气口的气体分流。
8.进一步地，所述第一连接机构包括第一管道，所述第一管道与所述压气出气口联通。
9.进一步地，所述第一管道包括第一多通管道，所述第一多通管道的其中一个接口与所述压气出气口联通。
10.进一步地，所述第一连接机构还包括控制阀，所述控制阀与所述第一管道连接。
11.进一步地，所述第一连接机构还包括控制阀，所述控制阀与所述第一多通管道连接。
12.本技术还提供了一种空气压缩机，包括压气机以及涡轮膨胀机，所述压气机包括压气出气口，所述涡轮膨胀机包括涡轮进气口，其特征在于，还包括第一连接机构，所述第一连接机构与所述压气出气口连接，所述第一连接机构被配置为可将流经所述压气出气口的气体分流。
13.进一步地，还包括第二连接机构，所述第二连接机构与所述涡轮进气口连接。
14.进一步地，所述第一连接机构与所述第二连接机构连接。
15.进一步地，所述第二连接机构被配置为接收由所述第一连接机构分流的气体。
16.进一步地，所述第一连接机构包括第一管道，所述第一管道与所述压气出气口联通。
17.进一步地，所述第一管道包括第一多通管道，所述第一多通管道的其中一个接口与所述压气出气口联通。
18.进一步地，所述第二连接机构包括第二管道，所述第二管道与所述涡轮进气口联通。
19.进一步地，所述第二管道包括第二多通管道，所述第二多通管道的其中一个接口与所述涡轮进气口联通。
20.进一步地，所述第一连接机构包括第一管道，所述第一管道与所述压气出气口联通；所述第二连接机构包括第二管道，所述第二管道与所述涡轮进气口联通；所述第一管道与所述第二管道联通，以实现所述第一连接机构与所述第二连接机构连接。
21.进一步地，所述第一管道包括第一多通管道，所述第一多通管道的其中一个接口与所述压气出气口联通；所述第二管道包括第二多通管道，所述第二多通管道的其中一个接口与所述涡轮进气口联通；所述第一多通管道与所述第二多通管道联通，以实现所述第一连接机构与所述第二连接机构连接。
22.进一步地，还包括控制阀，所述控制阀设置于所述第一连接机构与所述第二连接机构的连接处，所述控制阀被配置为控制所述第一连接机构与所述第二连接机构的联通。
23.进一步地，还包括控制阀，所述控制阀设置于所述第一管道与所述第二管道的连接处，所述控制阀被配置为控制所述第一管道与所述第二管道的联通。
24.进一步地，还包括控制阀，所述控制阀设置于所述第一多通管道与所述第二多通管道的连接处，所述控制阀被配置为控制所述第一多通管道与所述第二多通管道的联通。
25.本技术还提供了一种燃料电池装置，包括燃料电池堆、电机、压气机以及涡轮膨胀机，所述电机被配置为驱动所述压气机与所述涡轮膨胀机，所述压气机的出气口与所述燃料电池堆连接，所述涡轮膨胀机的进气口与所述燃料电池堆连接，其特征在于，所述压气机包括第一连接机构，所述涡轮膨胀机包括第二连接机构，所述第一连接机构与所述第二连接机构连接，还包括控制阀，所述控制阀设置于所述第一连接机构与所述第二连接机构的连接处，所述控制阀被配置为控制所述第一连接机构与所述第二连接机构的联通。
26.进一步地，还包括中冷器、加湿器以及除湿器，所述中冷器与所述加湿器被设置于所述压气机与所述燃料电池堆之间，所述除湿器被设置于所述燃料电池堆与所述涡轮膨胀机之间。
27.相比于现有技术，本技术至少具备以下技术效果：
28.1、本技术所提供的技术方案能够匹配满足燃料电池装置最大工作负载下的的压缩比要求而采用大直径的压轮。
29.2、本技术所提供的技术方案，在燃料电池装置中低工作负载下，将一部分由压气机产生的压缩空气导出，因此能够起到消除喘振的效果。
30.3、本技术所提供的技术方案将一部分由压气机产生的压缩空气导入到涡轮膨胀机中，一方面能够回收压缩空气的能量，另一方面能够降低涡轮膨胀机内部湿度，进而减少或避免在涡轮膨胀机内部产生液态水的析出，提高系统可靠性。
附图说明
31.图1是现有技术中的气体流向示意图；
32.图2是本技术的一个实施例的结构示意图；
33.图3是本技术的一个实施例的气体流向示意图。
具体实施方式
34.以下参考说明书附图介绍本技术的实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本技术可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本技术的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
35.实施例1
36.本实施例的结构如图2所示。本实施例包括压气机1、涡轮膨胀机2以及电机3。电机3的驱动轴向两侧伸出，压气机1与涡轮膨胀机2均与电机3的驱动轴连接，使得电机3同时驱动压气机1与涡轮膨胀机2。
37.压气机1具有压气出气口11，压缩空气在压气机1内部形成，并从压气出气口11输出。在现有技术中，压气机1通过压气出气口11与燃料电池堆5连接，从压气出气口11输出的压缩空气依次通过中冷器6和加湿器7以后进入燃料电池堆。而在燃料电池堆中低负载工作时，为了保证压缩比，压气机1产生的压缩空气的量不能减少，但燃料电池堆无法消耗过多的压缩空气而导致回流喘振。因此，本实施例中在压气出气口11处还设置有第一连接机构12。第一连接机构12的作用为将一部分流经压气出气口11的气体分流，而并非全部导入到燃料电池堆中，以此来减少或避免喘振的发生，提升系统稳定性。
38.具体地，第一连接机构12为一管道，与压气出气口11联通以实现分流的效果。在本
实施例中优选地，第一连接机构12为一个三通管道。该三通管道的第一接口121与压气出气口11连接；第二接口122通过中冷器6、加湿器7等设备与燃料电池堆连接；第三接口123起到分流作用，将燃料电池堆无法消耗的压缩空气引导至他处。在其他类似的实施例中，第一连接机构12也可以是其他形式的多通管道，同样可以满足分流压缩空气的技术效果。
39.为了控制分流的气体流量，本实施例在第三接口123处设置有控制阀4。第三接口123与控制阀4的一端连接。当燃料电池堆5处于满负载工作状态时，不需要分流压缩空气，因此控制阀4关闭。当燃料电池堆5处于中低负载工作状态时，控制阀4打开以实现第一连接机构12的分流功能。控制阀4还可以根据具体的燃料电池堆5的工作负载程度实现不同的开度来控制分流气体的流量。阀门4的开度调节可以由执行器负责，执行器可以是电控执行器，也可以是气动执行器等形式。
40.在一些实施例中，无法被燃料电池堆5消耗的压缩空气可以被直接排入大气环境中。但实际上这些被分流的压缩空气仍然具有一定的压力和动能。考虑到能量的回收利用，在本实施例中优选地，设计了连接结构将多余的压缩空气导入到涡轮膨胀机2中。
41.如图2所示，涡轮膨胀机2包括涡轮进气口21。在现有技术中，经过燃料电池堆5反应的废气从涡轮进气口21进入到涡轮膨胀机2中。本实施例中在涡轮进气口21处还设置有第二连接机构22。第二连接机构22的作用为将由第一连接机构11分流的压缩空气导入到涡轮膨胀机2中，以回收利用能量，进一步增加燃料电池装置的效率。实际上，由第一连接机构11分流的压缩空气不仅具有一定的压力和动能，同时还具有较高的温度，可以降低涡轮进气口21处的水蒸气饱和率，降低涡轮膨胀机2内膨胀做功过程中液态水的析出问题，在提高涡轮膨胀机2能量回收的效率的同时提高系统可靠性。
42.具体地，第二连接机构22为一管道，与涡轮进气口21联通。在本实施例中优选地，第二连接机构22为一个三通管道。该三通管道的第一接口221与涡轮进气口21连接；第二接口222通过水汽分离装置8与燃料电池堆的出气口连接；第三接口223与阀门4的一端连接。在一些实施例中，不设置阀门4，则第二连接机构22的第三接口223与第一连接机构12的第三接口123连接。
43.在本实施例中，第一连接机构12与第二连接机构22均可以是预制的零部件，通过匹配的接口与压气机1、涡轮膨胀机2连接；也可以是直接由压气出气口11、涡轮进气口21延伸出的部分，分别与压气机1、涡轮膨胀机2的外壳一体成型。
44.如图3所示为本实施例应用于燃料电池装置中的气体流向示意图，其中，虚线箭头标示气体的流向。燃料电池装置包括燃料电池堆5、电机3、压气机1以及涡轮膨胀机2。空气进入压气机1后，通过压气机1形成压缩空气，并被第一连接机构12分流。一部分压缩空气依次通过第一连接机构12，中冷器6、加湿器7，进入燃料电池堆5。另一部分压缩空气依次通过第一连接机构12、控制阀4、第二连接机构22(如图2所示)进入涡轮膨胀机2。进入燃料电池堆5的部分压缩空气参与燃料电池堆5的反应后，形成的废气依次通过除湿器8、第二连接结构22进入涡轮膨胀机2。在其他一些类似的实施例中，可以根据需要和实际条件选择是否使用控制阀4、中冷器6、加湿器7以及除湿器8，也可以适当调整中冷器6与加湿器7的位置顺序。
45.被第一连接机构12分流的压缩空气具有较高的压缩比，因此具有一定动能，与同样具有一定动能的废气混合后被导入到涡轮压缩机2中，有利于能量的回收，增加燃料电池
装置的工作效率。同时，被第一连接机构12分流的压缩空气具有较高的温度，能够降低涡轮膨胀机内部湿度，进而减少或避免在涡轮膨胀机内部产生液态水的析出，提高系统可靠性。
46.以上详细描述了本技术的较佳具体实施例。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技术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技术的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的试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。