一种废气能量回收型燃料电池用空压机
阅读说明：本技术 一种废气能量回收型燃料电池用空压机 (Waste gas energy recovery type air compressor for fuel cell ) 是由 张健健 张林营 马超 刘永芳 李伟 付丽娇 王孝丽 马饶村 朱光前 苗熠芝 于 2020-12-30 设计创作，主要内容包括：一种废气能量回收型燃料电池用空压机,涉及燃料电池用空压机技术领域,包括高压级,高压级通过转子轴同轴转动安装有涡轮机。本发明的涡壳进气法兰连接氢燃料电池发动机排气歧管,将发动机排出的废气能量进行回收,做为动力源驱动转子轴做功,实现了回收发动机废气能量,提高空压机整机效率；将其作为辅助动力源驱动转子轴旋转做功,减少电机消耗,提高电机可靠性；降低整机轴向力,提升轴承承载能力的技术效果。(The utility model provides an air compressor machine for waste gas energy recuperation type fuel cell, relates to air compressor machine technical field for the fuel cell, including the high-pressure stage, the turbine is installed through the coaxial rotation of rotor shaft to the high-pressure stage. The volute air inlet flange is connected with the exhaust manifold of the hydrogen fuel cell engine, the energy of waste gas discharged by the engine is recovered and used as a power source to drive the rotor shaft to do work, the energy of the waste gas of the engine is recovered, and the overall efficiency of the air compressor is improved; the rotor shaft is used as an auxiliary power source to drive the rotor shaft to rotate to do work, so that the consumption of the motor is reduced, and the reliability of the motor is improved; the axial force of the whole machine is reduced, and the bearing carrying capacity is improved.)
技术领域
本发明涉及燃料电池用空压机技术领域，具体涉及一种废气能量回收型燃料电池用空压机。
背景技术
空压机是一种将电能转化为气体压力能的气压发生装置，为了获得较高的气体增压度，很多场合都采用了二级增压甚至多级增压的结构形式。在二级增压空压机中，低压级叶轮与高压级叶轮均安装在相同转子轴上，通过电机驱动转子轴，带动两级叶轮旋转，空气经低压级一级增压后，传递到高压级中。空压机所用电机要求高转速，高输出的马达，对电机的功耗、可靠性具有较高的要求。
氢燃料电池发动机在正常的应用过程中由于其需要高压空气的工作原理对空压机的依赖性很高，而且目前空压机在整个燃料电池系统中的寄生功率占比能够达到25％，甚至更高。近两年来，随着科技的进步，越来越多利于空压机降低功耗的技术不断出现，例如，空压机类型由罗茨式变更为离心式；电机由低速电机变更为高速直驱电机等等。这一系列的进步使空压机在氢燃料电池发动机系统里的寄生功耗一步步降低，但是氢燃料电池应用过程中仍然有可以进行能量回收的空间。比如，燃料电池工作后的废气温度在80℃～90℃，废气压力在0.5Mpa,因此燃料电池废气中蕴含着大量可回收的能量。
现有技术中公开了一个CN211599032U的专利，该方案包括套装于中间体上的中冷壳体，中冷壳体与中间体之间设有用以将低压级与高压级进行连通的引流通道。本实用新型解决了传统技术中没有实现的扩压器冷却及两级增压的级间冷却；受限于工作场合及空间的影响需对导管进行调整排布；调整排布后的导管无法保证保证气流的顺畅流通，衰减严重；以及通过中冷器提高增压压力时，受限于空间的布局及还需对导管进行重新排布的问题。
该装置随着使用，也逐渐的暴露出了该技术的不足之处，主要表现在以下几方面：
第一，由于空压机在工作时，高压级的温度要远高于低压级的温度，降低了增压压力，造成效率衰减。
第二，空压机的中心轴两端连接的低压级与高压级的负载，空压机通过其电机驱动中心轴转动，造成电机驱动时，具有过高的负荷，影响电机的效率。
第三，空压机在工作时，高压级和低压机在正常工作时会产生轴向力，该轴向力通过电机轴承承载的，影响了的轴承的可靠性，降低了使用寿命。
综上可知，现有技术在实际使用上显然存在不便与缺陷，所以有必要加以改进。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明解决了传统技术中的空压机的高压级的温度较高，降低了增压压力，造成效率衰减；电机驱动中心轴转动带动高压级及低压级叶片转动，由于具有过高的负荷，影响电机的效率；以及高压级和低压机在正常工作时会产生轴向力，该轴向力通过电机轴承承载的，影响了的轴承的可靠性的问题。
为解决上述问题，本发明提供如下技术方案：
一种废气能量回收型燃料电池用空压机，包括高压级，所述高压级通过转子轴同轴转动安装有涡轮机。
作为一种优化的方案，所述涡轮机的进口连接发动机的排气口。
作为一种优化的方案，所述涡轮机包括固接于所述高压级侧的涡壳，所述涡壳内转动安装有与转子轴同轴固接的涡轮。
作为一种优化的方案，所述高压级包括固接于所述转子轴上的高压级叶轮，所述高压级叶轮的背盘沿外侧向中心呈凹陷设置。
作为一种优化的方案，所述转子轴处于所述高压级叶轮与所述涡轮之间的部分还设有轴封。
作为一种优化的方案，所述轴封为迷宫式密封结构。
作为一种优化的方案，所述涡壳上连接有进气法兰，所述进气法兰连接所述发动机的排气口。
作为一种优化的方案，所述发动机的排气口连接有与所述进气法兰相连接的排气歧管。
作为一种优化的方案，所述转子轴处于低压级的一侧连接有低压级叶轮，
作为一种优化的方案，所述低压级叶轮、高压级叶轮以及所述涡轮均为铣削式铝制叶片。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
实现了回收发动机废气能量，将其作为辅助动力源驱动转子轴旋转做功，减少电机消耗，提高电机可靠性；降低整机轴向力，提升轴承承载能力；
添加涡轮机，实现了发动机废气能量的回收，一方面回收废气的温度低于高压级温度，可以降低高压级测温度，提高增压压力，从而提升效率，另一方面可以为电机提供动力源，降低电机负荷；
本发明添加涡轮机后，涡轮机端轴向力与高压级和低压力轴向力方向相反，从而可以抵消部分压气机产生的轴向力，降低整机轴向力，轴承可靠性能力提升；
涡壳进气法兰连接氢燃料电池发动机排气歧管，将发动机排出的废气能量进行回收，驱动涡轮做功；可以为电机提供动力源，降低电机负荷，空压机整机功耗降低，效率提升，提高了稳定性的同时还降低了生产成本；回收废气的温度在80℃～90℃，低于高压级温度(高压级增压后温度120℃)，废气可以降低高压级测温度，对高压气测进行冷却，改善空压机的热载荷分布，提高增压压力，从而提升压气机效率；
附图说明
为了更清楚地说明本发明
具体实施方式
或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明外部结构示意图；
图中：1-高压级，2-涡壳，3-涡轮，4-高压级叶轮，5-轴封，6-转子轴，7-低压级叶轮，8-进气法兰。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1和图2所示，废气能量回收型燃料电池用空压机，包括高压级1，高压级1通过转子轴6同轴转动安装有涡轮机3。
涡轮机3的进口连接发动机的排气口。
涡轮机3包括固接于高压级1侧的涡壳2，涡壳2内转动安装有与转子轴6同轴固接的涡轮3。
高压级1包括固接于转子轴6上的高压级叶轮4，高压级叶轮4的背盘沿外侧向中心呈凹陷设置，
凹陷结构，减小叶轮重量，实现轻量化的同时，降低高压级叶轮4离心应力；
一方面提高了高压级叶轮4低速响应性，另一方面提高了高压级叶轮4的可靠性及寿命。
转子轴6处于高压级叶轮4与涡轮3之间的部分还设有轴封5。
轴封5为迷宫式密封结构，涡轮背盘压力和高压级叶轮背盘压力相互平衡，起到密封作用；无需润滑，适用于高温、高压、高转速的运行工况。
涡壳2上连接有进气法兰8，进气法兰8连接发动机的排气口。
发动机的排气口连接有与进气法兰8相连接的排气歧管，将发动机排出的废气能量进行回收，做为动力源驱动转子轴6做功。
转子轴6处于低压级的一侧连接有低压级叶轮7，
低压级叶轮7、高压级叶轮4以及涡轮3均为铣削式铝制叶片。
铣削叶轮加工精度高，具有较好的一致性；
铸造叶轮厚度和叶形具有拔模限制，铣削叶轮可采用点铣加工方式加工出高性能叶形；
材料方面，铣削叶轮材料较铸铝强度高，可靠性好。
空压机的其它结构由于属于本领域技术人员所公知的，且不属于本方案的创新之处，所以在此不多做赘述。
在废气能量回收型燃料电池用空压机工作时，从燃料电池电堆排出的高温、高压气体通过涡壳2进气法兰8进入涡壳2，由于燃料电池废气的热传递左右涡壳2的温度在70℃左右；
空压机在正常的工作时输出的高压级1的工作温度在120℃，由于涡壳2与高压级1之间直接接触，且两者有较大的温度差，因此两者之间会通过热传导实现热平衡，从而是高压级12的温度降低，达到提高高压级12压气机效率的目的。
从燃料电池排出的废气经过涡壳2进入涡轮3，推动涡轮3旋转，由于废气在涡轮机3膨胀做功的作用，涡轮3的进口侧压力要高于出口侧压力，因此涡轮机3会产生一个向外侧的轴向拉力，同样的道理，高压级1和低压机在正常工作时也是会产生一个与涡轮机3相反方向的轴向拉力；
在没有涡轮3回收能量的情况下，高压级1和低压级产生的轴向力都是通过电机轴承承载的。这个轴向力会对轴承的寿命造成不良影响，由于涡轮机3的存在，两个方向的轴向力可以部分抵消，从而大大降低了作用在轴承上的载荷。有利于提高轴承的寿命，提高整机的可靠性；
同时压气机与涡轮3同轴的电机得以在较小输出电流的作用下实现空压机做功目标；
由于电机电流的减小可以降低电机的损耗，降低电机定、转子的发热，从而对电机的可靠性大有益处；最后经过膨胀机做功后的废气温度和流速都会降低，对后排气管中连接的其它零部件工作环境变得更有利。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：喷射泵泵体