阅读说明：本技术 一种带能量回收功能的燃料电池罗茨式空压机 (Take fuel cell roots formula air compressor machine of energy recuperation function ) 是由 钱星 徐明星 陈雷雷 易正根 于 2019-03-25 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种带能量回收功能的燃料电池罗茨式空压机,以克服目前燃料电池用空压机存在的加工成本高、电机转速要求高、存在喘振堵塞风险、效率低下等问题；本发明所述的一种带能量回收功能的燃料电池罗茨式空压机,采用罗茨式空压机作为压缩核心部件,罗茨式空压机的优点在于加工工艺要求低,但是单独采用罗茨式空压机存在效率不高的问题,因此本发明配合罗茨式膨胀机,水冷直流电机连接罗茨式空压机和罗茨式膨胀机,可回收电堆排气的能量,进一步提高效率,克服了单独使用罗茨式空压机低效的缺点。(The invention provides a Roots type air compressor with an energy recovery function for a fuel cell, which aims to solve the problems of high processing cost, high requirement on the rotating speed of a motor, surging and blocking risks, low efficiency and the like of the conventional air compressor for the fuel cell; the Roots-type air compressor with the energy recovery function for the fuel cell has the advantages that the Roots-type air compressor is adopted as a compression core component, the Roots-type air compressor is low in processing requirement, but the problem of low efficiency exists when the Roots-type air compressor is adopted independently, so that the Roots-type air compressor is matched with the Roots-type expander, the water-cooling direct-current motor is connected with the Roots-type air compressor and the Roots-type expander, the energy of stack exhaust can be recovered, the efficiency is further improved, and the defect of low efficiency when the Roots-type air compressor is used.)

一种带能量回收功能的燃料电池罗茨式空压机

技术领域

本发明属于燃料电池发动机领域，涉及一种质子交换膜燃料电池用的空压机，具体涉及一种带能量回收功能的燃料电池罗茨式空压机。

背景技术

对于质子交换膜燃料电池(PEMFC)来说，对所需空气增压是十分必要的。一方面可以提高燃料电池的功率密度，另一方面氧分压影响到化学反应中的吉布斯自由能，从而影响到燃料电池的效率极限。相关研究表明，燃料电池空压泵消耗功率大约是输出功率的20-30％，是燃料电池辅助系统中的耗能大户。提高空压机效率可以改善整个燃料电池系统的效率。

燃料电池用空压机主要有三种：罗茨式、双螺杆式和离心式。

发明专利《一种燃料电池用密封压缩机》(公开号：CN208330739A)，属于双螺杆式空压机，采用双螺杆式压缩机作为空气压缩部件，电机通过齿轮传动的方式与双螺杆式空气压缩机相连接；发明专利《一种燃料电池汽车用螺杆压缩-膨胀机组》(公开号：CN1702899A)，属于双螺杆式空压机，采用双螺杆式压缩机件作为空气压缩部件，电机一端与双螺杆压缩机通过联轴器连接，同时电机另一端通过联轴器与双螺杆膨胀机连接，以实现能量回收功能。双螺杆式空压机的缺点是工艺要求较高，需要专门的机床加工，成本较高，并且较笨重。

发明专利《一种用于燃料电池的空气压缩机》(公开号：CN106837789A)，属于罗茨式空压机，采用罗茨式压缩机作为空气压缩部件，电机通过齿轮传动的方式与罗茨式空气压缩机相连接。罗茨式空压机的优点在于加工工艺要求低，因此空压机本身成本较低，同时转速不高，电机响应要求低，因此总成本较低。但是单独采用罗茨式空压机存在效率不高的问题。

离心式空压机，其缺点是转速较高，通常每分钟转速在十万转以上，对电机技术要求高。目前超高速电机技术国内尚不成熟，需依赖国外，同时离心式空压机控制相对复杂，因此总体成本很高，同时离心式空压机还有喘振和堵塞的风险，流量范围较窄，运行时有风险。

发明内容

为了克服现有技术存在的上述问题，解决目前燃料电池用空压机存在的加工成本高，电机转速要求高，存在喘振堵塞风险，效率低下等问题，本发明提供了一种带能量回收功能的燃料电池罗茨式空压机，采用罗茨式压缩机作为空气压缩部件，电机通过齿轮传动的方式与罗茨式空气压缩机相连接，配合罗茨式膨胀机，可回收电堆排气的能量，进一步提高效率，克服单独使用罗茨式空压机低效的缺点。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种带能量回收功能的燃料电池罗茨式空压机，其特征在于，包括一台转速可调的水冷直流电机，水冷直流电机前部的输出轴通过一个带有传动齿轮的齿轮箱与一个空压机连接，水冷直流电机后部的输入轴通过一个带有传动齿轮的齿轮箱与一个膨胀机连接；

空压机和膨胀机的结构完全相同，均包括一个前端开口、后端封闭的中空的壳体，壳体后端面与齿轮箱的箱体的前端面固定连接，壳体的前端开口通过一个端盖盖合，端盖前方固定连接有前端封闭、后端开口的中空的齿轮箱罩盖，壳体内部空腔的上方设置有一个1号转子，壳体内部空腔的下方设置有一个2号转子，1号转子和2号转子的形状和结构完全相同且二者间隙设置在壳体内部的空腔中，1号转子的1号转子轴的后端通过一个1号转子后端轴承支承在壳体后壁上部的通孔中，1号转子轴的前部通过一个1号转子前端轴承支承在端盖上部的通孔中，1号转子轴的前端穿过端盖与一个设置在齿轮箱罩盖中的1号斜齿轮连接，2号转子的2号转子轴的后部通过一个2号转子后端轴承支承在壳体后壁下部的通孔中，2号转子轴的后端穿过壳体后壁下部的通孔以及齿轮箱的箱体前壁下部的通孔后与齿轮箱内的齿轮连接，2号转子轴的前部通过一个2号转子前端轴承支承在端盖下部的通孔中，2号转子轴的前端穿过端盖下部的通孔与一个设置在齿轮箱罩盖中的2号斜齿轮连接，1号斜齿轮和2号斜齿轮啮合，壳体的右侧壁中部开有与壳体的内腔连通的进气口，壳体的左侧壁中部开有与壳体的内腔连通的排气口；

空压机的壳体的后壁通过齿轮箱的箱体与水冷直流电机的壳体前部固定连接，空压机中的传动齿轮与水冷直流电机的输出轴上的轴齿轮啮合，位于水冷直流电机后部的膨胀机的壳体的后壁通过齿轮箱的箱体与水冷直流电机的壳体后部固定连接，膨胀机中的传动齿轮与水冷直流电机的输入轴上的轴齿轮啮合。

进一步的技术方案包括：

壳体内部的空腔的纵向截面为椭圆形，1号转子和2号转子的纵向截面为椭圆形。

空压机的进气口与一个空气滤清器的出气口通过管路连接，空气滤清器的进气口与外部大气连通，空压机的排气口通过管路与一个中冷器的进气口连通，中冷器的出气口通过管路与一个加湿器的第一气路的进气口连通，加湿器的第一气路的出气口通过管路与一个燃料电池电堆的进气口连通，燃料电池电堆的出气口通过管路与加湿器的第二气路的进气口连通，加湿器的第二气路的出气口通过管路与膨胀机的进气口连通，膨胀机的出气口与外部大气连通。

轴齿轮和传动齿轮均采用斜齿齿轮，以减少啮合噪音。

齿轮箱内有润滑油，2号转子轴与齿轮箱的箱体前壁的通孔之间安装有一个油封。

1号转子中位于1号转子轴上方和下方的部位均沿轴向开有转子空腔，2号转子位于2号转子轴上方和下方的部位均沿轴向开有转子空腔，以减轻1号转子和2号转子的重量。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

1、本发明提供的一种带能量回收功能的燃料电池罗茨式空压机，采用罗茨式空压机，解决目前燃料电池用空压机存在的加工成本高，电机转速要求高，存在喘振堵塞风险，效率低下等问题。

2、本发明提供的一种带能量回收功能的燃料电池罗茨式空压机，相比单独的罗茨式空压机，同时匹配有罗茨式膨胀机，回收电堆废气能量，提升效率。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1为本发明所述的一种带能量回收功能的燃料电池罗茨式空压机的结构示意剖视图；

图2为本发明所述的一种带能量回收功能的燃料电池罗茨式空压机中的壳体以及壳体内的1号转子和2号转子的结构示意剖视图；

图3为本发明所述的一种带能量回收功能的燃料电池罗茨式空压机应用在燃料电池空气系统中的结构示意简图；

图中：1.齿轮箱罩盖，2.1号斜齿轮，3.1号转子前端轴承，4.壳体，5.空压机，6.1号转子，7.1号转子后端轴承，8.1号转子转轴，9.油封，10.齿轮箱，11.轴齿轮，12.水冷直流电机，13.膨胀机，14.2号斜齿轮，15.2号转子前端轴承，16.端盖，17.2号转子，18.2号转子后端轴承，19.2号转子转轴，20.传动齿轮，21.加湿器，22.燃料电池电堆，23.空气滤清器，24.中冷器，41.排气口，42.进气口，61.转子空腔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述：

本发明提供了一种带能量回收功能的燃料电池罗茨式空压机，如图1所示，包括一台转速可调的水冷直流电机12，水冷直流电机12前部的输出轴通过一个带有传动齿轮20的齿轮箱10与一个空压机5连接，水冷直流电机12后部的输入轴通过一个带有传动齿轮20的齿轮箱10与一个膨胀机13连接；

空压机5和膨胀机13的结构完全相同，均包括一个前端开口、后端封闭的中空的壳体4，壳体4后端面与齿轮箱10的箱体的前端面固定连接，壳体4的前端开口通过一个端盖16盖合，端盖16前方固定连接有前端封闭、后端开口的中空的齿轮箱罩盖1。

如图1和图2所示，壳体4内部空腔的上方设置有一个1号转子6，壳体4内部空腔的下方设置有一个2号转子17，1号转子6和2号转子17的形状和结构完全相同且二者间隙设置在壳体4内部的空腔中，壳体4内部的空腔的纵向截面为椭圆形，1号转子6和2号转子17的纵向截面为椭圆形。1号转子6中位于1号转子轴8上方和下方的部位均沿轴向开有转子空腔61，2号转子17位于2号转子轴19上方和下方的部位均沿轴向开有转子空腔61，以减轻1号转子6和2号转子17的重量。

如图1所示，1号转子6的1号转子轴8的后端通过一个1号转子后端轴承7支承在壳体4的后壁上部的通孔中，1号转子轴8的前部通过一个1号转子前端轴承3支承在端盖16上部的通孔中，1号转子轴8的前端穿过端盖16与一个设置在齿轮箱罩盖1中的1号斜齿轮2连接，2号转子17的2号转子轴19的后部通过一个2号转子后端轴承18支承在壳体4后壁下部的通孔中，2号转子轴19的后端穿过壳体4后壁下部的通孔以及齿轮箱10的箱体前壁下部的通孔后与齿轮箱10内的齿轮20连接，2号转子轴19的前部通过一个2号转子前端轴承15支承在端盖16下部的通孔中，2号转子轴19的前端穿过端盖16下部的通孔与一个设置在齿轮箱罩盖1中的2号斜齿轮14连接，1号斜齿轮2和2号斜齿轮14啮合，壳体4的右侧壁中部开有与壳体4的内腔连通的进气口42，壳体4的左侧壁中部开有与壳体4的内腔连通的排气口41；齿轮箱10内有润滑油，2号转子轴19与齿轮箱10的箱体前壁的通孔之间安装有一个油封9。

空压机5的壳体4的后壁通过齿轮箱10的箱体与水冷直流电机12的壳体前部固定连接，空压机5中的传动齿轮20与水冷直流电机12的输出轴上的轴齿轮11啮合，膨胀机13的壳体4的后壁通过齿轮箱10的箱体与水冷直流电机12的壳体后部固定连接，膨胀机13中的传动齿轮20与水冷直流电机12的输入轴上的轴齿轮11啮合。轴齿轮11和传动齿轮20均采用斜齿齿轮，以减少啮合噪音。

如图3所示，本发明所述的一种带能量回收功能的燃料电池罗茨式空压机应用在燃料电池空气系统中，空压机5的进气口42和一个空气滤清器23的出气口通过管路连通，空气滤清器的进气口与外部大气连通，空压机5的排气口41通过管路与一个中冷器24的进气口连通，中冷器24的出气口通过管路与一个加湿器21的第一气路的进气口连通，加湿器21的第一气路的出气口通过管路与一个燃料电池电堆22的进气口连通，燃料电池电堆22的出气口通过管路与加湿器21的第二气路的进气口连通，加湿器21的第二气路的出气口通过管路与膨胀机13的进气口42连通，膨胀机13的出气口与外部大气连通。

水冷直流电机12带动空压机5运行，空气经由空气滤清器23进入空压机5，空气经过空压机5的压缩后进入中冷器24，再经过加湿器21进入燃料电池电堆22。空气在燃料电池电堆22内经过化学反应，产生电能和生成物水，剩余的含有一定压力和温度的尾气经加湿器21进入膨胀机13，尾气带动膨胀机13把尾气运动过程中的动能回收转换成机械能，再通过水冷直流电机12输送给压气机5。膨胀机13内做功之后的尾气排入大气。