1.本發(fā)明涉及燃料電池用空壓機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種廢氣能量回收型燃料電池用空壓機(jī)。

背景技術(shù)：

2.空壓機(jī)是一種將電能轉(zhuǎn)化為氣體壓力能的氣壓發(fā)生裝置，為了獲得較高的氣體增壓度，很多場合都采用了二級增壓甚至多級增壓的結(jié)構(gòu)形式。在二級增壓空壓機(jī)中，低壓級葉輪與高壓級葉輪均安裝在相同轉(zhuǎn)子軸上，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子軸，帶動(dòng)兩級葉輪旋轉(zhuǎn)，空氣經(jīng)低壓級一級增壓后，傳遞到高壓級中。空壓機(jī)所用電機(jī)要求高轉(zhuǎn)速，高輸出的馬達(dá)，對電機(jī)的功耗、可靠性具有較高的要求。

3.氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)在正常的應(yīng)用過程中由于其需要高壓空氣的工作原理對空壓機(jī)的依賴性很高，而且目前空壓機(jī)在整個(gè)燃料電池系統(tǒng)中的寄生功率占比能夠達(dá)到25％，甚至更高。近兩年來，隨著科技的進(jìn)步，越來越多利于空壓機(jī)降低功耗的技術(shù)不斷出現(xiàn)，例如，空壓機(jī)類型由羅茨式變更為離心式；電機(jī)由低速電機(jī)變更為高速直驅(qū)電機(jī)等等。這一系列的進(jìn)步使空壓機(jī)在氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)里的寄生功耗一步步降低，但是氫燃料電池應(yīng)用過程中仍然有可以進(jìn)行能量回收的空間。比如，燃料電池工作后的廢氣溫度在80℃～90℃，廢氣壓力在0.5mpa,因此燃料電池廢氣中蘊(yùn)含著大量可回收的能量。

4.現(xiàn)有技術(shù)中公開了一個(gè)cn211599032u的專利，該方案包括套裝于中間體上的中冷殼體，中冷殼體與中間體之間設(shè)有用以將低壓級與高壓級進(jìn)行連通的引流通道。本實(shí)用新型解決了傳統(tǒng)技術(shù)中沒有實(shí)現(xiàn)的擴(kuò)壓器冷卻及兩級增壓的級間冷卻；受限于工作場合及空間的影響需對導(dǎo)管進(jìn)行調(diào)整排布；調(diào)整排布后的導(dǎo)管無法保證保證氣流的順暢流通，衰減嚴(yán)重；以及通過中冷器提高增壓壓力時(shí)，受限于空間的布局及還需對導(dǎo)管進(jìn)行重新排布的問題。

5.該裝置隨著使用，也逐漸的暴露出了該技術(shù)的不足之處，主要表現(xiàn)在以下幾方面：

6.第一，由于空壓機(jī)在工作時(shí)，高壓級的溫度要遠(yuǎn)高于低壓級的溫度，降低了增壓壓力，造成效率衰減。

7.第二，空壓機(jī)的中心軸兩端連接的低壓級與高壓級的負(fù)載，空壓機(jī)通過其電機(jī)驅(qū)動(dòng)中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，造成電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，具有過高的負(fù)荷，影響電機(jī)的效率。

8.第三，空壓機(jī)在工作時(shí)，高壓級和低壓機(jī)在正常工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生軸向力，該軸向力通過電機(jī)軸承承載的，影響了的軸承的可靠性，降低了使用壽命。

9.綜上可知，現(xiàn)有技術(shù)在實(shí)際使用上顯然存在不便與缺陷，所以有必要加以改進(jìn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

10.針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明解決了傳統(tǒng)技術(shù)中的空壓機(jī)的高壓級的溫度較高，降低了增壓壓力，造成效率衰減；電機(jī)驅(qū)動(dòng)中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)高壓級及低壓級葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，由于具有過高的負(fù)荷，影響電機(jī)的效率；以及高壓級和低壓機(jī)在正常工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生軸向力，

該軸向力通過電機(jī)軸承承載的，影響了的軸承的可靠性的問題。

11.為解決上述問題，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

12.一種廢氣能量回收型燃料電池用空壓機(jī)，包括高壓級，所述高壓級通過轉(zhuǎn)子軸同軸轉(zhuǎn)動(dòng)安裝有渦輪機(jī)。

13.作為一種優(yōu)化的方案，所述渦輪機(jī)的進(jìn)口連接發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣口。

14.作為一種優(yōu)化的方案，所述渦輪機(jī)包括固接于所述高壓級側(cè)的渦殼，所述渦殼內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)安裝有與轉(zhuǎn)子軸同軸固接的渦輪。

15.作為一種優(yōu)化的方案，所述高壓級包括固接于所述轉(zhuǎn)子軸上的高壓級葉輪，所述高壓級葉輪的背盤沿外側(cè)向中心呈凹陷設(shè)置。

16.作為一種優(yōu)化的方案，所述轉(zhuǎn)子軸處于所述高壓級葉輪與所述渦輪之間的部分還設(shè)有軸封。

17.作為一種優(yōu)化的方案，所述軸封為迷宮式密封結(jié)構(gòu)。

18.作為一種優(yōu)化的方案，所述渦殼上連接有進(jìn)氣法蘭，所述進(jìn)氣法蘭連接所述發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣口。

19.作為一種優(yōu)化的方案，所述發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣口連接有與所述進(jìn)氣法蘭相連接的排氣歧管。

20.作為一種優(yōu)化的方案，所述轉(zhuǎn)子軸處于低壓級的一側(cè)連接有低壓級葉輪，

21.作為一種優(yōu)化的方案，所述低壓級葉輪、高壓級葉輪以及所述渦輪均為銑削式鋁制葉片。

22.與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

23.實(shí)現(xiàn)了回收發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣能量，將其作為輔助動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子軸旋轉(zhuǎn)做功，減少電機(jī)消耗，提高電機(jī)可靠性；降低整機(jī)軸向力，提升軸承承載能力；

24.添加渦輪機(jī)，實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣能量的回收，一方面回收廢氣的溫度低于高壓級溫度，可以降低高壓級測溫度，提高增壓壓力，從而提升效率，另一方面可以為電機(jī)提供動(dòng)力源，降低電機(jī)負(fù)荷；

25.本發(fā)明添加渦輪機(jī)后，渦輪機(jī)端軸向力與高壓級和低壓力軸向力方向相反，從而可以抵消部分壓氣機(jī)產(chǎn)生的軸向力，降低整機(jī)軸向力，軸承可靠性能力提升；

26.渦殼進(jìn)氣法蘭連接氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管，將發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣能量進(jìn)行回收，驅(qū)動(dòng)渦輪做功；可以為電機(jī)提供動(dòng)力源，降低電機(jī)負(fù)荷，空壓機(jī)整機(jī)功耗降低，效率提升，提高了穩(wěn)定性的同時(shí)還降低了生產(chǎn)成本；回收廢氣的溫度在80℃～90℃，低于高壓級溫度(高壓級增壓后溫度120℃)，廢氣可以降低高壓級測溫度，對高壓氣測進(jìn)行冷卻，改善空壓機(jī)的熱載荷分布，提高增壓壓力，從而提升壓氣機(jī)效率；

附圖說明

27.為了更清楚地說明本發(fā)明具體實(shí)施方式或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對具體實(shí)施方式或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹。在所有附圖中，類似的元件或部分一般由類似的附圖標(biāo)記標(biāo)識。附圖中，各元件或部分并不一定按照實(shí)際的比例繪制。

28.圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

29.圖2為本發(fā)明外部結(jié)構(gòu)示意圖；

30.圖中：1

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高壓級，2

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渦殼，3

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渦輪，4

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高壓級葉輪，5

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軸封，6

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轉(zhuǎn)子軸，7

?

低壓級葉輪，8

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進(jìn)氣法蘭。

具體實(shí)施方式

31.下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明技術(shù)方案的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，因此只作為示例，而不能以此來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

32.如圖1和圖2所示，廢氣能量回收型燃料電池用空壓機(jī)，包括高壓級1，高壓級1通過轉(zhuǎn)子軸6同軸轉(zhuǎn)動(dòng)安裝有渦輪機(jī)3。

33.渦輪機(jī)3的進(jìn)口連接發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣口。

34.渦輪機(jī)3包括固接于高壓級1側(cè)的渦殼2，渦殼2內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)安裝有與轉(zhuǎn)子軸6同軸固接的渦輪3。

35.高壓級1包括固接于轉(zhuǎn)子軸6上的高壓級葉輪4，高壓級葉輪4的背盤沿外側(cè)向中心呈凹陷設(shè)置，

36.凹陷結(jié)構(gòu)，減小葉輪重量，實(shí)現(xiàn)輕量化的同時(shí)，降低高壓級葉輪4離心應(yīng)力；

37.一方面提高了高壓級葉輪4低速響應(yīng)性，另一方面提高了高壓級葉輪4的可靠性及壽命。

38.轉(zhuǎn)子軸6處于高壓級葉輪4與渦輪3之間的部分還設(shè)有軸封5。

39.軸封5為迷宮式密封結(jié)構(gòu)，渦輪背盤壓力和高壓級葉輪背盤壓力相互平衡，起到密封作用；無需潤滑，適用于高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速的運(yùn)行工況。

40.渦殼2上連接有進(jìn)氣法蘭8，進(jìn)氣法蘭8連接發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣口。

41.發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣口連接有與進(jìn)氣法蘭8相連接的排氣歧管，將發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣能量進(jìn)行回收，做為動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子軸6做功。

42.轉(zhuǎn)子軸6處于低壓級的一側(cè)連接有低壓級葉輪7，

43.低壓級葉輪7、高壓級葉輪4以及渦輪3均為銑削式鋁制葉片。

44.銑削葉輪加工精度高，具有較好的一致性；

45.鑄造葉輪厚度和葉形具有拔模限制，銑削葉輪可采用點(diǎn)銑加工方式加工出高性能葉形；

46.材料方面，銑削葉輪材料較鑄鋁強(qiáng)度高，可靠性好。

47.空壓機(jī)的其它結(jié)構(gòu)由于屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的，且不屬于本方案的創(chuàng)新之處，所以在此不多做贅述。

48.在廢氣能量回收型燃料電池用空壓機(jī)工作時(shí)，從燃料電池電堆排出的高溫、高壓氣體通過渦殼2進(jìn)氣法蘭8進(jìn)入渦殼2，由于燃料電池廢氣的熱傳遞左右渦殼2的溫度在70℃左右；

49.空壓機(jī)在正常的工作時(shí)輸出的高壓級1的工作溫度在120℃，由于渦殼2與高壓級1之間直接接觸，且兩者有較大的溫度差，因此兩者之間會(huì)通過熱傳導(dǎo)實(shí)現(xiàn)熱平衡，從而是高壓級12的溫度降低，達(dá)到提高高壓級12壓氣機(jī)效率的目的。

50.從燃料電池排出的廢氣經(jīng)過渦殼2進(jìn)入渦輪3，推動(dòng)渦輪3旋轉(zhuǎn)，由于廢氣在渦輪機(jī)3膨脹做功的作用，渦輪3的進(jìn)口側(cè)壓力要高于出口側(cè)壓力，因此渦輪機(jī)3會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向外側(cè)

的軸向拉力，同樣的道理，高壓級1和低壓機(jī)在正常工作時(shí)也是會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與渦輪機(jī)3相反方向的軸向拉力；

51.在沒有渦輪3回收能量的情況下，高壓級1和低壓級產(chǎn)生的軸向力都是通過電機(jī)軸承承載的。這個(gè)軸向力會(huì)對軸承的壽命造成不良影響，由于渦輪機(jī)3的存在，兩個(gè)方向的軸向力可以部分抵消，從而大大降低了作用在軸承上的載荷。有利于提高軸承的壽命，提高整機(jī)的可靠性；

52.同時(shí)壓氣機(jī)與渦輪3同軸的電機(jī)得以在較小輸出電流的作用下實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)做功目標(biāo)；

53.由于電機(jī)電流的減小可以降低電機(jī)的損耗，降低電機(jī)定、轉(zhuǎn)子的發(fā)熱，從而對電機(jī)的可靠性大有益處；最后經(jīng)過膨脹機(jī)做功后的廢氣溫度和流速都會(huì)降低，對后排氣管中連接的其它零部件工作環(huán)境變得更有利。

54.最后應(yīng)說明的是：以上各實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述各實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分或者全部技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求和說明書的范圍當(dāng)中。技術(shù)特征：

1.一種廢氣能量回收型燃料電池用空壓機(jī)，其特征在于：包括高壓級(1)，所述高壓級(1)通過轉(zhuǎn)子軸(6)同軸轉(zhuǎn)動(dòng)安裝有渦輪機(jī)(3)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種廢氣能量回收型燃料電池用空壓機(jī)，其特征在于：所述渦輪機(jī)(3)的進(jìn)口連接發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣口。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種廢氣能量回收型燃料電池用空壓機(jī)，其特征在于：所述渦輪機(jī)(3)包括固接于所述高壓級(1)側(cè)的渦殼(2)，所述渦殼(2)內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)安裝有與轉(zhuǎn)子軸(6)同軸固接的渦輪(3)。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種廢氣能量回收型燃料電池用空壓機(jī)，其特征在于：所述高壓級(1)包括固接于所述轉(zhuǎn)子軸(6)上的高壓級葉輪(4)，所述高壓級葉輪(4)的背盤沿外側(cè)向中心呈凹陷設(shè)置。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種廢氣能量回收型燃料電池用空壓機(jī)，其特征在于：所述轉(zhuǎn)子軸(6)處于所述高壓級葉輪(4)與所述渦輪(3)之間的部分還設(shè)有軸封(5)。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種廢氣能量回收型燃料電池用空壓機(jī)，其特征在于：所述軸封(5)為迷宮式密封結(jié)構(gòu)。7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種廢氣能量回收型燃料電池用空壓機(jī)，其特征在于：所述渦殼(2)上連接有進(jìn)氣法蘭(8)，所述進(jìn)氣法蘭(8)連接所述發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣口。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種廢氣能量回收型燃料電池用空壓機(jī)，其特征在于：所述發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣口連接有與所述進(jìn)氣法蘭(8)相連接的排氣歧管。9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種廢氣能量回收型燃料電池用空壓機(jī)，其特征在于：所述轉(zhuǎn)子軸(6)處于低壓級的一側(cè)連接有低壓級葉輪(7)。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種廢氣能量回收型燃料電池用空壓機(jī)，其特征在于：所述低壓級葉輪(7)、高壓級葉輪(4)以及所述渦輪(3)均為銑削式鋁制葉片。

技術(shù)總結(jié)

一種廢氣能量回收型燃料電池用空壓機(jī)，涉及燃料電池用空壓機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，包括高壓級，高壓級通過轉(zhuǎn)子軸同軸轉(zhuǎn)動(dòng)安裝有渦輪機(jī)。本發(fā)明的渦殼進(jìn)氣法蘭連接氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管，將發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣能量進(jìn)行回收，做為動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子軸做功，實(shí)現(xiàn)了回收發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣能量，提高空壓機(jī)整機(jī)效率；將其作為輔助動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子軸旋轉(zhuǎn)做功，減少電機(jī)消耗，提高電機(jī)可靠性；降低整機(jī)軸向力，提升軸承承載能力的技術(shù)效果。技術(shù)效果。技術(shù)效果。

技術(shù)研發(fā)人員：張健健 張林營 馬超 劉永芳 李偉 付麗嬌 王孝麗 馬饒村 朱光前 苗熠芝

受保護(hù)的技術(shù)使用者：康躍科技（山東）有限公司

技術(shù)研發(fā)日：2020.12.30

技術(shù)公布日：2021/4/17