[发明专利]一种燃料电池用高速空气悬浮压缩机、燃料电池系统及车辆

说明书

一种燃料电池用高速空气悬浮压缩机、燃料电池系统及车辆，属于氢燃料电池电驱动空气压缩机技术领域。解决了现有的压缩机体积大、转速低及冷却效果差的问题。要点：定子、主轴设置在外壳内，主轴穿插在定子内腔中自由转动；推力盘置于叶轮后侧，迷宫式密封置于叶轮外缘后侧，空气流经迷宫式密封对主轴进行冷却；隔断套筒置于主轴与定子之间，将定子和主轴密闭隔断，冷却液体在外壳与隔断套筒间流动，将定子沉浸在冷却液体内。本发明定子完全沉浸入液体将电机大部分热量带走，液体的比热容远远大于空气，需要的冷却流量小，提高系统效率，并保证在极端外部环境下，比如沙漠高温干燥地带，能达到降低电机内部温度，保证电机正常运行的效果。

技术领域

本发明涉及一种燃料电池用压缩机、燃料电池系统及车辆，具体涉及一种燃料电池用高速空气悬浮压缩机、燃料电池系统及车辆，属于氢燃料电池电驱动空气压缩机技术领域。

背景技术

在新能源方面，采用氢燃料电池提供动力的汽车的动力性能高、加氢快、续航里程长，是21世纪新能源汽车最具战略意义的突破口。氢燃料电池通过氢气与氧气进行化学反应直接输出电能，氢燃料电池功率密度与空气供给系统供气压力及供气流量直接相关，供气压力高，氧气分压高，燃料电池反应速度加快，输出功率增大。

空气压缩机可以为燃料电池系统提供高压气源，与螺杆压缩机、涡旋压缩机相比，离心式空压机能提供更高压比的气源，显著提升电堆的功率密度和整体性能。而且，空气悬浮式离心空气压缩机的出口空气无油，容易实现小型、轻量化，是车用燃料电池空压机的最佳选择。

为了匹配燃料电池系统性能，小型离心压缩机的转速高，转子与周围空气发生剧烈摩擦，产生大量热能，使得转子温度升高、变形，热量还将传递至轴承，可能导致轴承高温失效；在超高速作用下，电机定子的温度也会迅速上升，若不能及时冷却，过多的热量将影响绝缘材料的使用寿命，降低电机的输出功率，严重时烧毁电机。

已有技术采用空气冷却电机定子，冷却效果不理想；需要同轴风扇耗功，降低系统效率；或者采用水冷电机定子，在电机壳体内侧布置冷却通道，冷却电机壳体，达到给电机定子降温的效果。

冷却效果不明显主要体现。如果加大冷却风量，会造成耗功，同时经过加热的空气的排放造成空气压缩机外部环境的热量积累。燃料电池应用，由于汽车部件的尺寸和重量要求，空压机(现有技术中空压机的体积大小为17寸电脑大小，转速在7万转/分钟左右)设计应以最大限度提升能量密度，减少自身体积和重量，故而电机设计紧凑，转速高，定子和转子之间存在的间隙的风损高(跟转速成正比)，并带来电机过热的隐患；如果采用传统的水冷来冷却电机定子，因为是在电机壳体布置冷却通道，通过金属传热带走定子的热量，这种冷却存在的问题，定子的两侧末端绕组不能很好的冷却，必须在定子两侧加金属帽，扣住线圈，然后冷却外部金属帽。或者加大冷却风扇功率，采用空气冷却定子两侧末端绕组，但是这样同时也降低了电机整体的效率。

例如现有技术中，公布号为CN108533510A，公布日为2018.09.14，发明名称为燃料电池用空气悬浮离心压缩机的发明专利申请中，在电机外壳内部、定子外围设有液体冷却，利用金属传热带走定子的热量，该冷却方式效果有限；其次，该专利申请将推力盘置于叶轮远端，推力盘属于高热部件，其并未考虑推力盘的冷却问题；再者，该发明专利申请还存在体积大、转速低的缺陷。

为此，需要对压缩机的冷却方式、整体布局进行改进，以克服现有技术中压缩机体积大、转速低及冷却效果不理想的问题。

需要说明的是，公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

鉴于上述事实，本发明的目的是针对现有的压缩机体积大、转速低及冷却效果差的问题，进而设计了一种燃料电池用高速空气悬浮压缩机、燃料电池系统及车辆，压缩机用于输出压缩空气给电堆进行氢氧反应发电。压缩机的电机定子完全浸泡在液体中，冷却效果明显，更好的保证电机在极端情况下的正常运行。