[发明专利]一种空气压缩装置以及包括空气压缩装置的燃料电池装置

说明书

本申请提供一种空气压缩装置，包括多个压缩机，多个压缩机至少包括第一压缩机、第二压缩机以及第三压缩机，多个压缩机依次串联连接。还包括调节机构，多个压缩机通过调节机构连接，调节机构被配置为可以改变多个压缩机之间的连接关系。能够在单个电机转速极限下提供更高的输出功率。还能够通过调节机构改变多个压缩机之间的连接关系，使得在连入气路的压缩机数量减少或增加，以应对不同负荷的工况。本申请还提供了一种包括空气压缩装置的燃料电池装置，还包括燃料电池堆与涡轮膨胀机，通过调节机构可以控制涡轮膨胀机的工作状态，有效解决膨胀机低温启动时结冰卡滞的问题。

技术领域

本申请涉及空气压缩设备领域，尤其涉及一种空气压缩装置以及包括空气压缩装置的燃料电池装置。

背景技术

质子交换膜式的燃料电池系统是一种高效清洁的新能源动力系统，空气压缩机将空气压缩成高压空气，然后送入燃料电池阴极，空气中的氧气与阳极的氢气进行电化学反应，生成的产物是电和水，还有部分热量随着多余的空气排放到大气中，除此外没有其他对环境有污染的产物，所以燃料电池动力系统非常的清洁环保，并且氢气有很多制造方法，属于清洁可再生能源，目前世界各国都在大力推动氢燃料电池动力系统的开发推广。

燃料电池专用的空气压缩机是氢燃料电池动力系统里面非常重要的一个零部件，其作用是为燃料电池的阴极提供一定压力和一定流量的压缩空气，满足燃料电池化学反应对于空气中氧气的需求。目前市场上燃料电池空压机多为单级压缩机(如图1所示)和两级压缩机(如图3所示)。单级压缩机即一个电机驱动一个压轮。两级压缩机即一个电机驱动两个压轮，其中一个是低压级压缩机，另一个是高压级压缩机，高压级压缩机和低压级压缩机是串联的，空气经过低压级压缩机压缩后再进入高压级压缩机进行第二次压缩，所以两级压缩机比单级压缩机获得的空气压力和流量要高，可适用的燃料电池功率范围会更大一点，目前单级压缩多用于小功率燃料电池堆，两级压缩多用于中高功率燃料电池堆。

进入燃料电池的压缩空气仅有一部分氧气参与反应，其余压缩空气会被排出到大气中，被燃料电池排出的压缩空气仍然有很高的压力，所以这部分高压空气直接排放到大气中的话，高压气体所携带的能量也就被浪费掉了。

为了回收利用燃料电池高压废气中的能量，目前已经出现了带有涡轮膨胀机的空气压缩机(如图2所示)，即涡轮膨胀机回收废气能量，辅助电机驱动压缩机，这样可以降低电机的功率需求，显著提高燃料电池系统的效率。不过涡轮膨胀机占用了原先两级压缩机中的一个位置，所以带有涡轮膨胀机的空压机受限于轴承的稳定性，只能采用单级压缩机。由于目前绝大多数高速电机的转速上限只能达到12万转，所以带有涡轮膨胀机的单级压缩机方案能够覆盖功率范围还是会受到限制，不适用于大功率燃料电池堆。即便能够突破电机转速上限，由于单级压缩机和涡轮机的“轮径比”比较大，也就是说压缩机压轮的直径比涡轮机涡轮的直径大很多，大的轮径比会导致轴向不平衡力比较大。进一步提高电机转速，会对推力轴承产生更高的要求，使得推力轴承的制造难度增加。

因此，现有技术中至少存在如下技术问题：

1、现有的单级空气压缩装置覆盖的功率范围比较小，不适用于大功率燃料电池堆的问题，尤其是重型商用车领域，比如在重型卡车上难以应用。

2、现有的两级空气压缩装置尽管可以覆盖较大的功率范围，但在低工况工作的情况下，由于燃料电池堆对压缩空气的压力要求没有变化，但消耗变少，会导致系统发生喘振，降低系统稳定性。

3、现有的两级空气压缩装置缺乏能量回收手段，导致废气能量浪费，因此系统效率低，空压机电耗比较大。

4、现有技术中，由于电机转速存在上限，无法通过简单地增加电机功率以实现单级或两级空气压缩装置覆盖更高的发电功率。

因此，本领域技术人员有动机研发一种空气压缩装置以及包括空气压缩装置的燃料电池装置，能够在电机转速上限的范围内兼顾高功率的发电要求，也能在低工况时防止喘振，同时废气能量回收，提高系统效率。

发明内容