分离式涡轮增压空压机及其电机冷却单元、氢燃料电池系统的制作方法

1.本实用新型属于燃料电池技术领域，更具体地说，是涉及一种分离式涡轮增压空压机及其电机冷却单元、氢燃料电池系统。


背景技术：

2.氢燃料电池以氢气和空气(空气中的氧气)为燃料，发生电化学反应，将燃料的化学能直接转换成电能，反应生成水，兼备无污染、适用范围广、效率高等特点。研究表明，高压、大流量的空气供应对提高氢燃料电池的发电功率具有明显的提升作用。因此，在空气进入氢燃料电池之前，需要通过空气压缩机对空气进行增压。
3.传统的氢燃料电池中，电堆反应后的带有热能和动能的尾气通常直接外排至大气，造成了能量的浪费，基于此，利用能量回收的思路，在空气压缩机内设置与电机主轴同轴的涡轮，利用电堆尾气带动涡轮做功，降低驱动电机的功耗。
4.但是，在实际应用中，上述带有涡轮的空气压缩机降低驱动电机功耗的效果相对较低，并且，电堆尾气直接经由涡轮排出至大气中，没有充分利用电堆尾气。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于提供一种分离式涡轮增压空压机及其电机冷却单元、氢燃料电池系统，旨在解决上述带有涡轮的空气压缩机降低驱动电机功耗的效果相对较低，并且，电堆尾气直接经由涡轮排出至大气中，没有充分利用电堆尾气的技术问题。
6.为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：
7.在第一方面，本实用新型提供一种分离式涡轮增压空压机的电机冷却单元，包括分离设置的空气压缩组件和能量回收组件；其中，所述空气压缩组件包括电机壳体和设于所述电机壳体内的驱动电机，所述电机壳体设有风冷通道以及与所述风冷通道连通的排风口；
8.所述能量回收组件包括与所述电机壳体连接的回收壳体，设于所述回收壳体内的回收涡轮，以及与所述回收涡轮同轴设置的回收叶轮，所述回收涡轮、所述回收叶轮的旋转轴与所述驱动电机彼此独立，所述回收壳体具有与所述回收涡轮对应的尾气进气口和尾气出气口，所述尾气进气口和所述尾气出气口连通，所述尾气出气口与所述风冷通道连通。
9.在一种可能的实现方式中，所述风冷通道与所述电机壳体的内部空间连通。
10.在一种可能的实现方式中，所述风冷通道内设有散热翅片。
11.在一种可能的实现方式中，所述能量回收组件还包括与所述尾气进气口连通的第一尾气进气支管，以及与所述第一尾气进气支管并联设置的第二尾气进气支管，所述第二尾气进气支管与所述风冷通道连通。
12.在一种可能的实现方式中，所述第一尾气进气支管设有第一调节阀。
13.在一种可能的实现方式中，所述第二尾气进气支管设有第二调节阀。
14.本实用新型提供的分离式涡轮增压空压机的电机冷却单元至少具有以下技术效
果：与传统技术相比，本实用新型提供的分离式涡轮增压空压机的电机冷却单元，将空气压缩组件和能量回收组件分离设置，回收涡轮和回收叶轮的旋转轴与驱动电机彼此独立，利用电堆尾气能够使回收涡轮旋转并带动回收叶轮旋转，空气自回收叶轮进行初步增压进入至空气压缩组件中，从而降低驱动电机的功耗；同时，电机壳体设有彼此连通的风冷通道和排风口，电堆尾气先从尾气进气口进入回收涡轮，再从尾气出气口排出并进入到风冷通道内，最后从排风口排出至大气中，充分利用了电堆尾气的低温资源，提高了电堆尾气的利用率。
15.在第二方面，本实用新型还提供一种分离式涡轮增压空压机，包括如上任一实施例所述的电机冷却单元，其中，所述空气压缩组件还包括设于所述电机壳体内且与所述驱动电机配合的叶轮结构；所述电机壳体还设有与所述叶轮结构对应的第一进气口，与所述第一进气口分隔的第二进气口，以及与所述第一进气口和所述第二进气口均连通的总排气口；所述回收壳体还设有与所述回收叶轮对应的第三进气口和中间排气口，所述中间排气口和所述第二进气口连通。
16.在一种可能的实现方式中，所述回收涡轮和所述回收叶轮为背靠背一体式设置。
17.在一种可能的实现方式中，所述叶轮结构包括：前端叶轮，套设于所述驱动电机的电机轴，且设于所述电机壳体内，所述第一进气口、所述第二进气口对应所述前端叶轮设置；后端叶轮，套设于所述驱动电机的电机轴，与所述前端叶轮间隔设置，且设于所述电机壳体内，所述总排气口对应所述后端叶轮设置；以及级间管道，连通于所述电机壳体对应所述前端叶轮和所述后端叶轮的级间出口和级间进口之间。
18.本实用新型提供的分离式涡轮增压空压机采用如上任一实施例所述的电机冷却单元，二者技术效果相同，在此不再赘述。此外，当初始启动时，利用第一进气口为叶轮结构通入空气，当电池电堆功率升高后，利用尾气进气口为回收涡轮通入电堆尾气，回收涡轮依靠电堆尾气驱动旋转，进而带动回收叶轮旋转，利用第三进气口和第二进气口为叶轮结构通入空气，此时，可以控制第一进气口的开度状态，能够对通入叶轮结构的空气进行初步增压，提高空气的初始通入压力，进而降低驱动电机的功耗。
19.在第三方面，本实用新型还提供一种氢燃料电池系统，包括如上任一实施例所述的分离式涡轮增压空压机。
20.本实用新型提供的氢燃料电池系统采用如上任一实施例所述的分离式涡轮增压空压机，二者技术效果相同，在此不再赘述。
附图说明
21.为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1为本实用新型一实施例提供的分离式涡轮增压空压机的电机冷却单元的示意图；
23.图2为本实用新型一实施例中电机壳体的示意图；
24.图3为本实用新型一实施例中能量回收组件的示意图；
25.图4为本实用新型一实施例提供的分离式涡轮增压空压机的示意图；
26.图5为本实用新型一实施例提供的氢燃料电池系统的示意图。
27.附图标记说明：
28.1、电机冷却单元
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2、分离式涡轮增压空压机
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3、氢燃料电池系统
29.100、空气压缩组件
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110、电机壳体
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111、风冷通道
30.112、排风口
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113、第一进气口
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114、第二进气口
31.115、总排气口
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116、级间出口
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117、级间进口
32.120、驱动电机
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130、叶轮结构
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131、前端叶轮
33.132、后端叶轮
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133、级间管道
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200、能量回收组件
34.210、回收壳体
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211、尾气进气口
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212、尾气出气口
35.213、第三进气口
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214、中间排气口
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220、回收涡轮
36.230、回收叶轮
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240、旋转轴
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250、第一尾气进气支管
37.260、第二尾气进气支管
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270、第一调节阀
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280、第二调节阀
38.300、电池电堆
具体实施方式
39.为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
40.需要说明的是，当元件被称为“固定于”、“固定”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中元件。当一个元件被认为是“连通于”、“连通”另一个元件，它可以直接连通至另一个元件或者也可以存在居中元件。当一个元件被认为是“连接于”、“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者也可以存在居中元件。当元件被称为“设置于”、“设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中元件。“多个”指两个及以上数量。
41.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。
42.请一并参阅图1至图5，现对本实用新型实施例提供的分离式涡轮增压空压机2、分离式涡轮增压空压机的电机冷却单元1、氢燃料电池系统3进行说明。
43.请参阅图1至图4，本实用新型实施例提供了一种分离式涡轮增压空压机的电机冷却单元1，包括分离设置的空气压缩组件100和能量回收组件200；其中，空气压缩组件100包括电机壳体110和设于电机壳体110内的驱动电机120，电机壳体110设有风冷通道111以及与风冷通道111连通的排风口112；能量回收组件200包括与电机壳体110连接的回收壳体210，设于回收壳体210内的回收涡轮220，以及与回收涡轮220同轴设置的回收叶轮230，回收涡轮220、回收叶轮230的旋转轴240与驱动电机120彼此独立，回收壳体210具有与回收涡轮220对应的尾气进气口211和尾气出气口212，尾气进气口211和尾气出气口212连通，尾气出气口212与风冷通道111连通。
44.需要说明的是，电机壳体110为广义上的，既包括收容驱动电机120的部分壳体，还包括与叶轮结构130配合的蜗壳壳体。回收壳体210包括与回收涡轮220配合的涡端涡轮蜗
壳，以及与回收叶轮230配合的涡端叶轮蜗壳。
45.回收涡轮220和回收叶轮230由电堆尾气驱动，即，回收涡轮220和回收叶轮230的旋转轴240与驱动电机120无连接关系，如图3所示，旋转轴240的两端设于回收壳体210内，不受驱动电机120影响，能够利用电堆尾气的能量带动回收涡轮220和回收叶轮230的旋转，空气自回收叶轮230进入电机壳体110内的叶轮结构130中，从而增加空气的初始压力，降低驱动电机120的功耗。
46.电堆尾气先从尾气进气口211进入回收涡轮220，再从尾气出气口212排出并进入到风冷通道111内，最后从排风口112排出至大气中，充分利用了电堆尾气的低温资源，提高了电堆尾气的利用率。
47.本实用新型实施例提供的分离式涡轮增压空压机的电机冷却单元1至少具有以下技术效果：与传统技术相比，本实用新型实施例提供的分离式涡轮增压空压机的电机冷却单元1，将空气压缩组件100和能量回收组件200分离设置，回收涡轮220和回收叶轮230的旋转轴240与驱动电机120彼此独立，利用电堆尾气能够使回收涡轮220旋转并带动回收叶轮230旋转，空气自回收叶轮230进行初步增压进入至空气压缩组件100中，从而降低驱动电机120的功耗；同时，电机壳体110设有彼此连通的风冷通道111和排风口112，电堆尾气先从尾气进气口211进入回收涡轮220，再从尾气出气口212排出并进入到风冷通道111内，最后从排风口112排出至大气中，充分利用了电堆尾气的低温资源，提高了电堆尾气的利用率。
48.对于电堆尾气在电机壳体110的风冷路径不做限制，下面举例说明。
49.在一些可能的实施例中，风冷通道111与电机壳体110的内部空间连通。本实施例中，风冷通道111通过在电机壳体110上开设孔结构，或在轴承座、密封座等安装件中设置孔槽结构，从而可以与电机壳体110的内部空间实现连通关系，增加对驱动电机120的降温冷却效果。
50.当然，电堆尾气也可以不进入电机壳体110的内部空间，根据实际冷却需求确定。
51.在一些可能的实施例中，风冷通道111内设有散热翅片。本实施例中，在风冷通道111内设有多个间隔设置的散热翅片，能够提高降温冷却效果。
52.请参阅图1和图4，在一些可能的实施例中，能量回收组件200还包括与尾气进气口211连通的第一尾气进气支管250，以及与第一尾气进气支管250并联设置的第二尾气进气支管260，第二尾气进气支管260与风冷通道111连通。本实施例中，第一尾气进气支管250和第二尾气进气支管260并联设置，二者均与电池电堆300连通。电堆尾气能够通过第二尾气进气支管260直接通入电机壳体110的风冷通道111内，对电机壳体110内的驱动电机120、安装件等进行降温冷却。
53.在电机壳体110内设置温度检测器，根据电机壳体110的温度情况，确定电堆尾气通入电机壳体110或通入回收壳体210内的气体量。温度检测器与控制组件电连接，实现温度的自动监控。
54.结合上述实施例，请参阅图1和图4，在一些可能的实施例中，第一尾气进气支管250设有第一调节阀270。本实施例中，第一调节阀270具有完全断开、部分导通、完全导通的三种状态，通过控制第一调节阀270的开度大小，可以控制电堆尾气通入回收壳体210的供气状态。可以理解的是，第一调节阀270与控制组件电连接，能够实现自动调节效果。
55.结合上述实施例，请参阅图1和图4，在一些可能的实施例中，第二尾气进气支管
260设有第二调节阀280。本实施例中，第二调节阀280具有完全断开、部分导通、完全导通的三种状态，通过控制第二调节阀280的开度大小，可以控制电堆尾气通入电机壳体110的供气状态。可以理解的是，第二调节阀280与控制组件电连接，能够实现自动调节效果。
56.通过控制第一调节阀270和第二调节阀280的开度大小，可以调整电堆尾气通入回收壳体210和电机壳体110的气体量。
57.基于同一发明构思，请参阅图4，本实用新型实施例还提供了一种分离式涡轮增压空压机2，包括如上任一实施例所述的电机冷却单元1，其中，空气压缩组件100还包括设于电机壳体110内且与驱动电机120配合的叶轮结构130；电机壳体110还设有与叶轮结构130对应的第一进气口113，与第一进气口113分隔的第二进气口114，以及与第一进气口113和第二进气口114均连通的总排气口115；回收壳体210还设有与回收叶轮230对应的第三进气口213和中间排气口214，中间排气口214和第二进气口114连通。
58.需要说明的是，本实用新型实施例中，分离式涡轮增压空压机2还包括控制组件，控制组件由控制器、处理器等期间组成，能够控制电堆尾气、空气的供气状态。
59.回收涡轮220和回收叶轮230由电堆尾气驱动，不受驱动电机120影响，能够利用电堆尾气的能量带动回收涡轮220和回收叶轮230的旋转，从而增加空气的初始压力，降低驱动电机120的功耗。
60.在初始状态时，一路空气经过第一进气口113进入叶轮结构130并从总排气口115排出，此时，电池电堆300功率不足，电堆尾气基本没有通入尾气进气口211。当电池电堆300功率升高后，电堆尾气通过尾气进气口211进入，推动回收涡轮220旋转，并从尾气出气口212排出，另一路空气从第三进气口213进入回收叶轮230并经由中间排气口214和第二进气口114进入叶轮结构130，再从总排气口115排出，此时，一路空气可以停止通入或调整通入比例。
61.本实用新型实施例提供的分离式涡轮增压空压机2采用如上任一实施例所述的电机冷却单元1，二者技术效果相同，在此不再赘述。此外，当初始启动时，利用第一进气口113为叶轮结构130通入空气，当电池电堆300功率升高后，利用尾气进气口211为回收涡轮220通入电堆尾气，回收涡轮220依靠电堆尾气驱动旋转，进而带动回收叶轮230旋转，利用第三进气口213和第二进气口114为叶轮结构130通入空气，此时，可以控制第一进气口113的开度状态，能够对通入叶轮结构130的空气进行初步增压，提高空气的初始通入压力，进而降低驱动电机120的功耗。
62.在一些可能的实施例中，回收涡轮220和回收叶轮230为背靠背一体式设置。本实施例中，回收涡轮220和回收叶轮230为一体式结构，具有相同的旋转程度，能够充分地利用回收涡轮220的旋转作用。同时，一体式结构便于组装，无需考虑安装复杂性的因素。
63.请参阅图4，在一些可能的实施例中，叶轮结构130包括：前端叶轮131，套设于驱动电机120的电机轴，且设于电机壳体110内，第一进气口113、第二进气口114对应前端叶轮131设置；后端叶轮132，套设于驱动电机120的电机轴，与前端叶轮131间隔设置，且设于电机壳体110内，总排气口115对应后端叶轮132设置；以及级间管道133，连通于电机壳体110对应前端叶轮131和后端叶轮132的级间出口116和级间进口117之间。
64.本实施例中，前端叶轮131和后端叶轮132构成两级压缩增压方式，能够对空气进行二级增压，提高空气压力。当初始启动时，利用第一进气口113为前端叶轮131通入空气，
当电池电堆300功率升高后，利用尾气进气口211为回收涡轮220通入电堆尾气，回收涡轮220依靠电堆尾气驱动旋转，进而带动回收叶轮230旋转，利用第三进气口213和第二进气口114为前端叶轮131通入空气，此时，可以控制第一进气口113的开度状态，能够对通入前端叶轮131的空气进行初步增压，提高空气的初始通入压力，进而降低驱动电机120的功耗。
65.基于同一发明构思，请参阅图5，本实用新型实施例还提供了一种氢燃料电池系统3，包括如上任一实施例所述的分离式涡轮增压空压机2。可以理解的是，本实用新型实施例中，氢燃料电池系统3还包括与分离式涡轮增压空压机2连接的电池电堆300，以及其他构成发电功能的功能构件。
66.本实用新型实施例提供的氢燃料电池系统3采用如上任一实施例所述的分离式涡轮增压空压机2，二者技术效果相同，在此不再赘述。
67.可以理解的是，上述实施例中的各部分可以进行自由地组合或删减以形成不同的组合实施例，在此不再赘述各个组合实施例的具体内容，在此说明之后，可以认为本实用新型说明书已经记载了各个组合实施例，能够支持不同的组合实施例。
68.以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。