[发明专利]一种燃料电池用电辅助单级涡轮增压系统

说明书

本发明公开一种燃料电池用电辅助单级涡轮增压系统，包括：向燃料电池提供干净压缩空气的压缩机、回收能量的涡轮机以及驱动电机，所述压缩机、涡轮机和驱动电机同轴相连，涡轮机与压缩机分别在电机转轴的两端；所述压缩机采用径流式/混流式的离心式压缩机；所述涡轮机为径流式透平膨胀机；所述电机为永磁同步电机。本发明可以满足大功率燃料电池动力系统的需求，覆盖燃料电池动力系统全工况范围，增压系统总体结构紧凑、效率高。

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池的电辅助单级涡轮增压系统，以及压缩空气的径流、混流式离心压缩机中的叶轮机械，和回收能量的径流式涡轮机的叶轮机械。

背景技术

燃料电池是将燃料的化学能直接转换成电能的装置。质子交换膜燃料电池具有效率高、功率大、供电时间长、噪音低、排放物少等优点，成为继传统内燃机之后的汽车动力源之一。燃料电池动力系统作为燃料电池汽车的心脏部件，由电堆、空气供给系统、氢气供给系统和水热管理系统组成。空气供给系统的主要功能是在燃料电池汽车行驶工况中提供满足动力需求的压缩空气，并回收电堆排出的尾气供涡轮机做功。

压缩机是燃料电池空气供给系统中最为重要的部件，影响燃料电池动力系统的压力、流量、湿度和寄生功耗。功率密度是燃料电池产业化的重要瓶颈，要求压缩机结构紧凑、体积小、重量轻。经压缩机供给到电堆的高压气体不能含有杂质，以免质子交换膜燃料电池在电化学反应过程中中毒。与燃料电池动力系统匹配工作时，压缩机倾向于在小流量、高压比的工况下工作，属于小流量系数范畴，而与传统内燃机所匹配的涡轮增压系统常属于中等流量系数范畴，若将传统内燃机增压系统匹配到燃料电池系统中，往往近喘振工况，无法稳定工作。

离心压缩机可以单独应用于燃料电池空气供给系统，也可以与涡轮机匹配，利用电堆尾气能量驱动涡轮机旋转做功驱动压缩机。由于尾气能量有限，需与高速电机配合使用。涡轮机的使用可以回收部分寄生功率，提高燃料电池动力系统的效率；同时电堆尾气仍然具有较高温度，若直接排放到大气中会造成热污染，破坏自然环境和人类居住环境。

发明内容

鉴于背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种可以满足60-100kW大功率燃料电池动力系统的空气供给系统需求，具有结构紧凑、效率高等特点的燃料电池车用电辅助单级涡轮增压系统。

本发明的另一目的在于提供一种可以覆盖燃料电池动力系统全工况的离心叶轮机械结构。

为解决上述问题，本发明所采取的技术方案如下：

一种燃料电池用电辅助单级涡轮增压系统，包括：向燃料电池提供干净压缩空气的压缩机、回收能量的涡轮机以及驱动电机，所述压缩机、涡轮机和驱动电机同轴相连，涡轮机与压缩机分别在电机转轴的两端；所述压缩机采用径流式/混流式的离心式压缩机；所述涡轮机为径流式透平膨胀机；所述电机为永磁同步电机。

作为上述技术方案的改进，所述压缩机叶轮采用半开式，叶片槽道一侧被轮盘封闭，另一侧敞开。

作为上述技术方案的改进，所述压缩机叶轮叶片弯曲形式为后倾后弯式，叶片出口的弯曲方向和倾斜方向与叶轮旋转方向相异。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明涉及一种燃料电池用电辅助单级涡轮增压系统，所述电辅助单级涡轮增压系统包括压缩机、涡轮机和驱动电机。压缩机、涡轮机和驱动电机同轴相连，压缩机叶轮采用半开式，叶片弯曲形式为后倾后弯式；涡轮机采用径流式透平膨胀机；电机采用永磁同步电机，最高转速达到100000r/min以上；轴承采用无油润滑空气箔片动压轴承，经压缩机出口的高压空气不含有杂质。本发明可以满足大功率燃料电池动力系统的需求，覆盖燃料电池动力系统全工况范围，增压系统总体结构紧凑、效率高。

附图说明