紧凑型氢燃料电池反应系统的制作方法

1.本实用新型涉及一种紧凑型氢燃料电池反应系统。


背景技术：

2.基于质子交换膜的氢燃料电池电堆技术，氢燃料电池的阳极供氢气，阴极供氧气，经过氢燃料电池的催化转换发生电化学反应产生电能以及水。原则上只要反应物不断输入，反应产物不断排出，氢燃料电池就能连续地发电。氢燃料电池必然包括氢气氧气供给系统，其中氢气供给系统往往采用循环供给，高压氢气降压后输入电堆，经过反应后的剩余氢气经过氢气循环泵送回阳极，同时还可以将电堆中反应生产的水和反渗到阳极的杂质气体带出。
3.具有氢燃料反应系统的新能源车，其氢气循环泵占用空间较大，降低了氢燃料电池的能量密度，且氢气循环泵与电堆间集成度不高通过送气管路连接，交错的送气管路使得氢燃料电池结构更复杂，可靠性较差，同时送气管路占用较大空间。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的是提供一种体积更小的紧凑型氢燃料电池反应系统。
5.为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：一种紧凑型氢燃料电池反应系统，包括电堆，所述电堆的两端分别设置有端板，至少其中一个端板上直接固定有磁悬浮氢气循环泵，所述电堆具有氢气入口、氢气出口、空气入口和空气出口，所述氢气入口、氢气出口、空气入口和空气出口均设置于固定有磁悬浮氢气循环泵的端板上，所述磁悬浮氢气循环泵的进气端与所述氢气出口连通，所述磁悬浮氢气循环泵的出气端与所述氢气入口连通。
6.本实用新型通过采用磁悬浮氢气循环泵，能使电机转子轴和叶轮能以超高速进行转动，能使电堆实现较高的能量密度，使得氢气循环部分与电堆一体化成为可能。本实用新型通过使电堆与磁悬浮氢气循环泵一体化设置，以达到体积更小占用空间更小，结构更为简单和紧凑，使用可靠性高，能提高氢燃料电池能量密度的优点。
7.作为优选，所述端板上设有第一通道和第二通道，所述磁悬浮氢气循环泵通过第一通道与氢气入口连通，所述磁悬浮氢气循环泵通过第二通道与氢气出口连通。
8.磁悬浮氢气循环泵集成在端板上，不需要对电堆其它结构设计进行更改。第一通道和第二通道均设置在端板上，构成第一通道和第二通道的管路独立的管路，能使氢燃料电池结构更为简单。其中，第一通道和第二通道可以设置在端板内部，也可以设置在端板表面。
9.作为优选，所述磁悬浮氢气循环泵包括泵壳和位于泵壳内部的转动组件，泵壳由冷却机壳和蜗壳组成，所述冷却机壳和蜗壳共同构成一个用于容设转动组件并与外界密封的内腔，冷却机壳和蜗壳之间气相相通，所述转动组件包括转子轴和叶轮，所述转动组件通过磁悬浮轴承与泵壳间形成悬浮支撑；工作时，所述内腔充满工作介质，转动组件悬浮在工
作介质中。
10.冷却机壳内腔与蜗壳内腔直接连通，不需要再做转子轴与蜗壳处的动密封，只需要做好泵壳与外界的密封，便能实现氢气密封，避免氢气泄漏。本实用新型采用磁悬浮轴承支撑叶轮的旋转，磁悬浮轴承没有机械轴承的转速限制，不再需要机械轴承支撑，也就没有了机械轴承所需要面对的润滑、密封问题，氢气不会受润滑油污染，还能实现转子轴的高速转动。相比于爪式氢气循环泵，本实用新型既能保证对氢气的增压效果，结构简单，又能实现磁悬浮氢气循环泵的小型化。
11.其中，磁悬浮轴承能很大程度上隔绝电机定子部分和转子部分的振动传递，噪声小、可靠性高、寿命更长；同时带有主动控制的磁悬浮轴承相比于其他气动轴承这种被动的非接触轴承还可以实现更多的电机主动控制和转轴状态反馈。其中，氢气进入冷却机壳内，还能对转动组件进行冷却。
12.作为优选，所述蜗壳套设在冷却机壳端部外侧，所述冷却机壳偏离端部处设有向周向外侧延伸的外限位部，所述蜗壳位于所述外限位部轴向侧；所述转动组件外表面设有防护层；所述冷却机壳内设有定子，定子进行灌封胶密封。
13.蜗壳与冷却机壳间可采用各种各样的密封方式，比如胶水密封、密封圈密封等。其中，由于蜗壳端部套设在冷却机壳端部外并固定，蜗壳不会相对冷却机壳做径向移动，能保证叶轮与蜗壳内壁间的有效避让空间，避免叶轮在电机部分通电启动后上浮以与蜗壳接触。其中，外限位部用于对蜗壳进行限位，从而保证蜗壳的进出气口与叶轮间处于设定位置，并能避免叶轮在电机部分通电后被转子轴带动上浮以与蜗壳内壁接触碰撞。其中，外限位部不仅用于限位，还可以用于与蜗壳的紧固件固定。其中，防护层和灌封胶用于避免氢气和水蒸气对转动组件和定子进行腐蚀。其中，可通过镀钛或者dlc处理的方式在转子轴表面形成防护层。
14.作为优选，所述磁悬浮轴承包括径轴一体磁悬浮轴承和径向磁悬浮轴承，所述径向磁悬浮轴承位于转子轴的轴伸端，径轴一体磁悬浮轴承位于转子轴的非轴伸端。通过径轴一体磁悬浮轴承保持转动组件的三个自由度，通过径向磁悬浮轴承保证转动组件的两个自由度。
15.作为优选，所述径向磁悬浮轴承包括沿转子轴轴向间隔设置的第一导磁体和第二导磁体，第一起浮环位于第一导磁体与第二导磁体间，所述第一起浮环上固定有与第一传感器，所述第一起浮环与转子轴间的距离为l1，第一导磁体包括铁芯和线圈，第一导磁体的铁芯与转子轴间的距离为l2，第一传感器与转子轴间的距离为l3，l1＜l2≤l3；所述第一起浮环与冷却机壳一体成型。其中，l1＜l2≤l3，能避免转子轴在本实用新型未使用时与第一导磁体和第二导磁体接触，以保证转子轴在本实用新型启动时能快速稳定的悬浮并转动。其中，第一起浮环与冷却机壳作为一体，简化了本实用新型的结构，同时还有利于磁轴承的定位和冷却。
16.作为优选，所述径轴一体磁悬浮轴承包括径向磁悬浮轴承部和轴向磁悬浮轴承部，所述径轴一体磁悬浮轴承设有沿转子轴轴向间隔设置的第三导磁体、第四导磁体和第五导磁体，其中所述第三导磁体和第四导磁体构成为径向磁悬浮轴承部的磁极，所述第四导磁体和第五导磁体构成为轴向磁悬浮轴承部的磁极。径向磁悬浮轴承部和轴向磁悬浮轴承部共用同一个导磁体，能使本实用新型轴向结构更为紧凑，便于实现本实用新型的小型
化。
17.作为优选，所述径向磁悬浮轴承部和轴向磁悬浮轴承部均固定于截面呈环形的第一固定件内，所述第一固定件与所述冷却机壳固定；第三导磁体与第四导磁体间设有第二起浮环，所述第三导磁体包括铁芯和线圈，所述第三导磁体的铁芯与转子轴间的距离为l5，所述第二起浮环与转子轴间的距离为l4，所述第二起浮环上设有第二传感器，所述第二传感器与转子轴间的距离为l6，l4＜l5≤l6；所述第二起浮环与第一固定件一体成型。
18.本实用新型的径轴一体磁悬浮轴承通过第一固定件做成一个单独的零部件组件，便于本实用新型的装配和生产过程中的储放，同时还便于本实用新型后续的维修更换。l4＜l5≤l6，能避免转子轴在本实用新型未使用时与第三导磁体和第四导磁体接触，以保证转子轴在本实用新型启动时能快速稳定的悬浮并转动。其中，第二起浮环与第一固定件一体成型，有利于定位固定，便于本实用新型径轴一体磁悬浮轴承的零部件组装，在第一固定件由导热的铝材料等制成时还能起到提高冷却效果的作用。
19.作为优选，所述第四导磁体与第五导磁体间设有第五起浮环和第六起浮环，所述转子轴上设有位于第五起浮环与第六起浮环间的推力盘；所述第五起浮环固定于第四导磁体端面，所述第六起浮环固定于第五导磁体端面；所述推力盘端面与第五起浮环或第六起浮环间的距离l7，小于叶轮与冷却机壳的最临近叶轮的端面处的距离l8。通过第五起浮环和第六起浮环以避免转子轴的推力盘与导磁体接触，能保证转子轴在本实用新型启动时能快速稳定的悬浮并转动。其中，l7＜l8，能避免本实用新型未使用时叶轮与冷却机壳的接触。
20.作为优选，所述冷却机壳为轴向两端开口且截面呈环形的结构，所述冷却机壳远离蜗壳的一端设有封闭壳，所述封闭壳与冷却机壳之间密封固定连接。
21.本实用新型能实现磁悬浮氢气循环泵小型化，能使磁悬浮氢气循环泵集成在氢燃料电池上，以使本实用新型结构更为紧凑，具有占用空间更小、使用时更为可靠的优点。
附图说明
22.图1为本实用新型的氢燃料电池与氢气循环泵的一种结构示意图；
23.图2为本实用新型的氢燃料电池的一种结构示意图；
24.图3为本实用新型的氢燃料电池的端板的一种结构示意图；
25.图4为本实用新型的氢气循环泵和通道壳体的一种结构示意图；
26.图5为本实用新型的一种结构示意图；
27.图6为本实用新型的第一径向磁悬浮轴承的一种结构示意图；
28.图7为图6中的a处放大图；
29.图8为本实用新型的径轴一体磁悬浮轴承的一种结构示意图；
30.图9为图8中的b处放大图；
31.图10为图8中的c处放大图；
32.图11为本实用新型的径轴一体磁悬浮轴承的径向磁悬浮轴承部的一种结构示意图。
具体实施方式
33.下面根据附图和具体实施例对本实用新型作进一步描述。
34.由图1至图4所示，本实用新型的一种紧凑型氢燃料电池反应系统，包括电堆100，电堆100的两端分别设置有端板1，其中一个端板1上直接固定有磁悬浮氢气循环泵200，端板1上具有氢气入口11、氢气出口12、空气入口13和空气出口14，磁悬浮氢气循环泵200的进气端202与氢气出口12连通，磁悬浮氢气循环泵200的出气端201与所述氢气入口11连通。
35.端板1上设有第一通道15和第二通道16，磁悬浮氢气循环泵200通过第一通道15与氢气入口11连通，磁悬浮氢气循环泵200通过第二通道16与氢气出口12连通。其中，第一通道15设置于端板1内部，第一通道15一端在端板1表面形成有用于与磁悬浮氢气循环泵200的出气端201连通的开口17，第一通道15另一端与氢气入口11连通。其中，第二通道16形成于通道壳体18与端板1之间，通道壳体18截面呈半围合形，通道壳体18与端板1固定，以使通道壳体18内壁与端板1表面间构成所述第二通道16，通道壳体18一端与氢气出口12处连接，通道壳体18另一端与磁悬浮氢气循环泵200的进气端202连接。
36.由图5、图6和图8所示，本实用新型的磁悬浮氢气循环泵200，包括泵壳和位于泵壳内部的转动组件，泵壳由冷却机壳3和蜗壳4组成，冷却机壳3和蜗壳4共同构成一个用于容设转动组件并与外界密封的内腔，冷却机壳3和蜗壳4之间气相相通，当本实用新型的氢气循环泵工作时，泵壳的内腔中充满工作介质，转动组件悬浮在工作介质中。其中，转动组件包括转子轴5和叶轮51，转子轴5和叶轮51通过磁悬浮轴承与泵壳间形成悬浮支撑。
37.其中，磁悬浮轴承包括径轴一体磁悬浮轴承300和径向磁悬浮轴承400，径向磁悬浮轴承400位于转子轴5的轴伸端，径轴一体磁悬浮轴承300位于转子轴5的非轴伸端。其中，转动组件外表面设有防护层，或转子轴由不锈钢制成；冷却机壳3内设有定子30，定子30与冷却机壳3固定并位于径轴一体磁悬浮轴承300和径向磁悬浮轴承400之间，且定子30外包裹有灌封胶。
38.蜗壳4与冷却机壳3直接连接并通过第一密封圈41做密封处理。蜗壳4套设在冷却机壳3端部外侧，冷却机壳3偏离端部处设有向周向外侧延伸的外限位部31，蜗壳4位于外限位部31轴向侧并通过紧固件与外限位部31固定，蜗壳4周向内壁与冷却机壳3端部周向外壁间设有密封用的所述第一密封圈41。
39.冷却机壳3为轴向两端开口且截面呈环形的结构，冷却机壳3远离蜗壳4的一端设有封闭壳6，封闭壳6端部与冷却机壳3端部相互套设并通过紧固件固定在一起，且封闭壳6端部与冷却机壳3端部连接处通过密封胶密封处理。
40.由图5至图7所示，径向磁悬浮轴承400包括沿转子轴轴向间隔设置的第一导磁体401和第二导磁体402，第一导磁体401与第二导磁体402间设有第一起浮环404，第一起浮环404与冷却机壳3一体成型，且第一起浮环404临近冷却机壳3处具有若干轴向贯穿的固定槽，每个固定槽内固定有一个第一永磁体403，若干第一永磁体403呈环形均匀间隔设置并围绕在转子轴5外，第一起浮环404上固定有第一传感器405。第一起浮环404与转子轴5间的距离为l1，第一导磁体401包括铁芯和线圈，第一导磁体401的铁芯与转子轴5间的距离为l2，第一传感器405与转子轴5间的距离为l3，l1＜l2≤l3。
41.由图5至图11所示，径轴一体磁悬浮轴承300由径向磁悬浮轴承部310和轴向磁悬浮轴承部320构成，径向磁悬浮轴承部310和轴向磁悬浮轴承部320均固定于截面呈环形的
第一固定件330内，第一固定件330与冷却机壳3固定。
42.径轴一体磁悬浮轴承300包括沿转子轴轴向间隔设置的第三导磁体311、第四导磁体312和第五导磁体321，其中第三导磁体311和第四导磁体312构成为径向磁悬浮轴承部310的磁极，第四导磁体312和第五导磁体321构成为轴向磁悬浮轴承部320的磁极，本实施例的径向磁悬浮轴承部310和轴向磁悬浮轴承部320共用同一个第四导磁体312。公知的，径向磁悬浮轴承部310和轴向磁悬浮轴承部320还包括永磁体等构成磁悬浮轴承的零部件。其中，第三导磁体311与第四导磁体312间设有第二起浮环314，第二起浮环314与第一固定件330一体成型。
43.由图7至图11所示，本实施例的径向磁悬浮轴承部310结构与径向磁悬浮轴承400构造相同，径向磁悬浮轴承部310的第三导磁体311、第四导磁体312之间设有第二永磁体313，第二起浮环314形状结构与第一起浮环404相同，第二永磁体313固定于第二起浮环314的固定槽内，第一导磁体401和第三导磁体311均包括铁芯和线圈319。
44.第三导磁体311的铁芯与转子轴5间的距离为l5，第二起浮环314与转子轴5间的距离为l4，第二起浮环314上设有第二传感器315，第二传感器315与转子轴3间的距离为l6，l4＜l5≤l6。
45.第四导磁体312与第五导磁体321间设有第五起浮环322和第六起浮环323，转子轴5上设有位于第五起浮环322与第六起浮环323间的推力盘50，第五起浮环322固定于第四导磁体312端面处，第六起浮环323固定于第五导磁体321端面处。由图7和图8所示，推力盘50端面与第五起浮环322或第六起浮环323间的距离为l7，叶轮51与冷却机壳3的最临近叶轮51的端面处的距离为l8，l7＜l8。
46.由图5和图8所示，冷却机壳3内壁设有用于定位第一固定件330的第一台阶结构32和第二台阶结构33，第一固定件330一端端面临近第一台阶结构32所构成的台阶面，第一固定件330另一端具有向周向外侧延伸并与第二台阶结构33固定的延伸部331。第一固定件330远离叶轮51的一侧固定有第二固定件340，第二固定件340通过紧固件与第一固定件330固定，轴向磁悬浮轴承部320被限制在第二固定件340轴向侧，轴向磁悬浮轴承部320的第五导磁体321内缘处设有轴向位移传感350。
47.由图5所示，冷却机壳3内壁的内径由蜗壳4侧至封闭壳6侧逐渐缩小并呈多段式结构，每段冷却机壳内壁内径不同，径向磁悬浮轴承400位于冷却机壳内径较小的一段，径轴一体磁悬浮轴承300位于冷却机壳内径较大的一段。
48.本实用新型能实现磁悬浮氢气循环泵小型化，能使磁悬浮氢气循环泵集成在氢燃料电池上，以使本实用新型结构更为紧凑，具有占用空间更小、使用时更为可靠的优点。