一种基于氢燃料电池的空气压缩机

1.本发明涉及燃料电池空气压缩机领域，具体为一种基于氢燃料电池的空气压缩机。


背景技术：

2.氢燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置。其基本原理是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阳极和阴极，氢通过阳极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子通过外部的负载到达阴极，具有无污染、无噪声、高效率的优点。
3.在氢燃料电池运行的过程中，由于需要氧气，而且需要稳定的氧气供应，才能够保证在燃料电池内部与氢气之间的稳定反应，因此燃料电池的气悬浮风机则成为了最重要的部件。
4.气悬浮风机在做功过程中，效率、进出压缩比是性能的重要指标，使用在燃料电池上，气悬浮风机需要具备以下特性
5.(1)无油，润滑油膜覆盖质子交换膜和催化剂会隔绝氢氧电化学反应；
6.(2)小型化及轻量化，可以通过增加容积或者增加轴承转速两种方式，小型化高转速是大势所趋；
7.(3)低噪声，目前国内很多燃料电池噪声较大和气悬浮风机密切相关，噪声源主要来自于空气与管道之间的摩擦以及气悬浮风机高机械转动的声音及转动的声音；
8.(4)动态响应快，随着氢燃料电池应用场景的广泛，气悬浮风机需要在每个工况下都能及时提供指定压缩空气；
9.(5)控制系统响应快，当氢燃料电池需要功率变化较大时，气悬浮风机需要能够及时地做出响应，对空气流量进行控制；
10.(6)材料要求高，为了达到压缩机低成本、低噪声、耐久性的目的，必须为压缩机的关键部件开发低成本、稳定的摩擦性能和耐磨性的涂层和材料。
11.随着国内氢燃料电池的市场的逐步扩大，螺杆式气悬浮风机所占市场份额相对较多，但现在已经有越来越多的燃料电池和系统厂商开始采用离心式气悬浮风机替换，叶轮式离心气悬浮风机具有结构紧凑、响应快、寿命长和效率高的特点，是最被看好的增压方式之一，但是离心式气悬浮风机在低流量时会发生喘振现象，这会大大影响其系统性能和气悬浮风机的使用寿命，如果在离心式气悬浮风机低流量转动时，进气端进气量不变的情况下，气体介质的出口压力和入口流量大幅度的变化，发生周期性的脉动，就会发生喘振的效果，对离心式气悬浮风机的使用寿命造成影响，所以气悬浮风机的进气量控制则是离心式气悬浮风机稳定运行的保证，鉴于以上问题，特提出一种基于氢燃料电池的空气压缩机。


技术实现要素：

12.本发明的目的在于提供一种基于氢燃料电池的空气压缩机，以解决上述背景技术中提出的问题。
13.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于氢燃料电池的空气压缩机，包括气悬浮风机，气悬浮风机的轴心连接至外部离心式空气离心式压缩机的轴心处，且气悬浮风机的出气口为离心式空气离心式压缩机的进气端供气，其特征在于：所述气悬浮风机的进风端装配有进气罩，所述进气罩的内部装配有过滤机芯；
14.所述气悬浮风机包括机壳，所述机壳的内部装配有空气悬浮轴承，所述空气悬浮轴承的两侧分别装配有压缩量不同的第一叶轮和第二叶轮，第一叶轮和第二叶轮外部配合有压缩罩，且压缩罩的进气端连接至进气罩的边缘两侧；
15.所述第一叶轮的内压缩比小于第二叶轮的内压缩比，且第一叶轮压缩后的空气压强能够保持空气悬浮轴承稳定悬浮；
16.所述进气罩的内部装配有两套能够分别向外位移的隔离架，所述隔离架的两侧延伸至进气罩的壳体装配有滑动轴，所述滑动轴的外侧焊接有密封板在位移的过程中与壳体的外部表面保持机械密封；
17.所述过滤机芯的内部集成有倒三角形状回转弯口的管状过滤结构。
18.优选的，所述空气悬浮轴承包括主轴承和悬浮外芯，所述机壳的外部焊接有供气管，所述供气管向机壳内部延伸连接至悬浮外芯外部的进气口，所述供气管的外部通过第一管与第一叶轮的排气端相连接。
19.优选的，所述主轴承的外部缠绕成型有转子线芯，所述机壳的内部缠绕成型有定子线芯。
20.优选的，所述机壳的外部位于第一叶轮和第二叶轮的外部对应装配有第一压缩罩和第二压缩罩。
21.优选的，所述第一压缩罩和第二压缩罩的进气端连接有第二管，且第二管装配在壳体的外部抽气口内部。
22.优选的，所述壳体外部开设有滑槽，所述滑动轴套接在滑槽的内部，滑动轴的外部焊接的密封板贴合在滑槽的外部。
23.优选的，所述隔离架的外部边缘与壳体之间装配有密封圈，所述滑动轴的外部装配有电推杆，所述电推杆的末端装配在壳体的外壁。
24.优选的，所述滑动轴外部焊接的密封板长度为滑槽的2.1倍。
25.优选的，所述机壳与压缩罩的安装连接处装配有环形的外壳，环形外壳的外部装配有第三管，所述第三管的末端连接至过滤机芯的进气端。
26.所述过滤机芯从外到内分别由第一波纹层、防尘层、第二波纹层、吸附层和通量层，所述防尘层两侧交错分布有通量管，所述通量管的内侧交错分布有倒三角形状的防尘通道。
27.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明设置了一种带有可以调节进气比例的进气罩和过滤机芯的氢燃料电池空气压缩机，在运行时，气悬浮风机通电转子转动，转子两端的叶轮配合压缩罩将空气从边缘吸入从中心处压缩后排出，第一叶轮一端为气悬浮风机内部提供悬浮的气压，加压空气经过悬浮轴承后在机壳的内部释放，从压缩罩与机壳之间的缝隙处在经过环形外壳以及第三管后，洁净空气直接连接至壳体内部通向第二压缩罩的进气端经过重新压缩可以提供给燃料电池内部使用，有效的解决了现有的氢燃料电池使用的气悬浮风机在使用时功率变化后进气量调节不及时容易造成气悬浮风机喘振，影响
气悬浮风机的使用寿命。
附图说明
28.图1为本发明的结构示意图；
29.图2为本发明的过滤机构剖切装配示意图；
30.图3为本发明的气悬浮风机结构示意图；
31.图4为本发明的卸压管剖切装配示意图；
32.图5为本发明的气悬浮风机剖切装配示意图；
33.图6为本发明的气悬浮风机机芯结构示意图；
34.图7为本发明的过滤机构横截面示意图。
35.图中：1、气悬浮风机，11、机壳，12、悬浮外芯，13、主轴承，14、第一叶轮，15、第二叶轮，16、转子线芯，17、定子线芯，18、供气管，19、第一压缩罩，110、第二压缩罩，111、第一管，112、第二管，113、第三管，2、进气罩，21、壳体，22、滑槽，23、滑动轴，24、隔离架，25、电推杆，26、密封圈，3、过滤机芯，31、第一波纹层，32、防尘层，33、第二波纹层，34、吸附层，35、通量层，36、通量管，37、防尘通道。
具体实施方式
36.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
37.请参阅图1-7，本发明提供一种技术方案：一种基于氢燃料电池的空气压缩机，包括气悬浮风机1，气悬浮风机1的轴心连接至外部离心式空气离心式压缩机的轴心处，且气悬浮风机1的出气口为离心式空气离心式压缩机的进气端供气，其特征在于：气悬浮风机1的进风端装配有进气罩2，进气罩2的内部装配有过滤机芯3；
38.气悬浮风机1包括机壳11，机壳11的内部装配有空气悬浮轴承，空气悬浮轴承的两侧分别装配有压缩量不同的第一叶轮14和第二叶轮15，第一叶轮14和第二叶轮15外部配合有压缩罩，且压缩罩的进气端连接至进气罩2的边缘两侧；
39.第一叶轮14的内压缩比小于第二叶轮15的内压缩比，且第一叶轮14压缩后的空气压强能够保持空气悬浮轴承稳定悬浮，第二叶轮15一侧的主轴承连接至外部离心式空压机，用于驱动空压机的运行，在将第二压缩罩110中心处连接管道向离心式空压机的内部输入高速的气体，提高压缩效率，能够保证离心式空压机的气体供应，同时，现有的低流速氢燃料电池还可以直接使用第二压缩罩110的出风口直接供气；
40.进气罩2的内部装配有两套能够分别向外位移的隔离架24，隔离架24的两侧延伸至进气罩2的壳体21装配有滑动轴23，滑动轴23的外侧焊接有密封板在位移的过程中与壳体21的外部表面保持机械密封；
41.过滤机芯3的内部集成有倒三角形状回转弯口的管状过滤结构。
42.本发明设置了一种带有可以调节进气比例的进气罩2和过滤机芯的氢燃料电池空气压缩机，在运行时，气悬浮风机1通电转子转动，转子两端的叶轮配合压缩罩将空气从边
缘吸入从中心处压缩后排出，第一叶轮14一端为气悬浮风机1内部提供悬浮的气压，加压空气经过悬浮轴承后在机壳11的内部释放，从压缩罩与机壳11之间的缝隙处在经过环形外壳以及第三管113后，洁净空气直接连接至壳体21内部通向第二压缩罩110的进气端经过重新压缩可以提供给燃料电池内部使用，有效的解决了现有的氢燃料电池使用的气悬浮风机在使用时功率变化后进气量调节不及时容易造成气悬浮风机喘振，影响气悬浮风机的使用寿命。
43.具体而言，空气悬浮轴承包括主轴承13和悬浮外芯12，机壳11的外部焊接有供气管18，供气管18向机壳11内部延伸连接至悬浮外芯12外部的进气口，供气管18的外部通过第一管111与第一叶轮14的排气端相连接，第一叶轮14配合第一压缩罩19将空气从壳体21一侧的空间引入后，经过压缩形成为空气悬浮轴承提供稳定的高压气体。
44.具体而言，主轴承13的外部缠绕成型有转子线芯16，机壳11的内部缠绕成型有定子线芯17，两套线芯用于提供驱动主轴承13转动，从而带动两端叶轮转动压缩空气，在使用的过程中，当功率需求发生变化时，主轴承13的转速发生变化，因此气体的压缩效率也会跟随转速的变化，进行变化，每次启动时，主轴承13转速为待机转速，配合氢气泵提供稳定的氧气供应，控制电量刚好供应气悬浮风机1本体、氢气泵、检测传感器等设备的基础用电，电量余量根据设置进行预留，保证普通用电设备直接接入即可使用，随后再根据用电设备的需求增加或者减少，提高气悬浮风机1转速提高氧气的进气量。
45.具体而言，机壳11的外部位于第一叶轮14和第二叶轮15的外部对应装配有第一压缩罩19和第二压缩罩110，第一叶轮14和第二叶轮15的空气压缩效率不同，第一叶轮14压缩后的空气量小于第二叶轮15，优选为最低怠速转动刚好能够为气悬浮轴承提供稳定的轴心悬浮。在第一管111的初始端具有一个储气罐，在每次设备启动后或者运行的过程中，储气罐有限被充入高压空气，充满后阀门被关闭，在每次设备启动前，控制系统会首先将储气罐内部气体释放，瞬间的压力会在转子转动之前释放到气悬浮轴承的内部，保证轴承先悬浮，在启动，减少主轴承13与外部悬浮外芯12之间的摩擦，启动后储气罐阀门开启，进气罩2内部为第一叶轮14供气一端进气比例增大，第一叶轮14将气体增加压缩量，在保证气悬浮轴承运行的情况下优先向储气罐的内部充入气体，保证下一次的使用；
46.在主轴承13与悬浮外芯12的内壁具有耐磨涂层，在硬启动状态下，磨损也不会过大。
47.具体而言，第一压缩罩19和第二压缩罩110的进气端连接有第二管112，且第二管112装配在壳体21的外部抽气口内部，第二管112分为2根，第二管112分布安装在壳体21的边缘处两侧。
48.具体而言，壳体21外部开设有滑槽22，滑动轴23套接在滑槽22的内部，滑动轴23的外部焊接的密封板贴合在滑槽22的外部，隔离架24将壳体21的内部分为两个腔体，两个腔体分别为对应的第二管112供气，在使用时，电推杆25伸缩能够带动隔离架24在壳体21的内部位移，将过滤机芯3末端过滤后的空气会经过腔体体积变化，对进入到压缩罩内部的空气进行调节，配合转速的变化，当转动速度增加时，应当适当减小第一叶轮14的供气量，保证供气管18进入气体的气压的稳定，同时增加第二叶轮15一侧的供气量，保证燃料电池内部稳定的氧气供应，在转速降低时，隔离架24回归到初始状态，在初始状态下，第一叶轮14的供气量刚好配合初始状态下的启动怠速配合为气悬浮轴承提供稳定的气压供应。
49.具体而言，隔离架24的外部边缘与壳体21之间装配有密封圈26，滑动轴23的外部装配有电推杆25，电推杆25的末端装配在壳体21的外壁，隔离架24向两侧移动则为减少对应方向的第二管112的供气量，在隔离架24分别向内侧移动时，则会增加运动方向相反的第二管112的供气量，两套隔离架24的移动部件交错对称分布，相互运动不会影响，只在增加第二叶轮15一侧供气量时，当隔离架24移动到壳体21中间部位需要占用第一叶轮14方向的进气量时，第一叶轮14方向的隔离架24会向相反方向移动为另一侧隔离架24提供空间，但运行的扩张最大位置不会超过第一叶轮14方向的最低供气量。
50.具体而言，滑动轴23外部焊接的密封板长度为滑槽22的2.1倍，密封板与壳体21的外壁之间具有方环形的密封圈，密封圈在密封板与壳体21之间压紧通过滑动保证机械密封，具有无油无尘的效果，并且保证运动状态下的稳定密封，能够提高氢燃料电池的清洁供气，保证氢燃料电池的使用寿命。
51.具体而言，机壳11与压缩罩的安装连接处装配有环形的外壳，环形外壳的外部装配有第三管113，第三管113的末端连接至过滤机芯3的进气端，第三管113收集机壳11内部的气体从壳体21的靠近第二叶轮15供气方向进入到壳体21的内部，由于该气体具有一定的压力，因此会提高第二叶轮15的压缩效率，根据使用需求第三管113也可以选择直接连接至与第二压缩罩110连接的第二管112外壁，直接从第二叶轮15的管道位置接入进行直接压缩。
52.具体而言，过滤机芯3从外到内分别由第一波纹层31、防尘层32、第二波纹层33、吸附层34和通量层35，防尘层两侧交错分布有通量管36，通量管36的内侧交错分布有倒三角形状的防尘通道37，外部空气从第一波纹层31进入后，基础灰尘会受到第一波纹层31后，将大颗粒杂质过滤，气体从左侧通量管36进入，在经过倒三角回转形状的防尘通道37后，从右侧的通量管经过吸附层，吸附层34能够将细小颗粒吸附，该吸附层34除了可以使用超滤棉外，还可以使用静电吸附层，通量层35为正六边形或者圆形管道均匀拼接形成板状过滤结构，管道结构多层交错布设，在隔离架24外部的密封圈26将一部分分割后，气悬浮风机1产生的吸附负压会将分割后的过滤部分利用，由于通量层35为竖直通孔，隔离架24能够将过滤机芯3的出气端空间分割，达到调节过滤后空气通量的目的。
53.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种基于氢燃料电池的空气压缩机，包括气悬浮风机(1)，气悬浮风机(1)的轴心连接至外部离心式空气离心式压缩机的轴心处，且气悬浮风机(1)的出气口为离心式空气离心式压缩机的进气端供气，其特征在于：所述气悬浮风机(1)的进风端装配有进气罩(2)，所述进气罩(2)的内部装配有过滤机芯(3)；所述气悬浮风机(1)包括机壳(11)，所述机壳(11)的内部装配有空气悬浮轴承，所述空气悬浮轴承的两侧分别装配有压缩量不同的第一叶轮(14)和第二叶轮(15)，第一叶轮(14)和第二叶轮(15)外部配合有压缩罩，且压缩罩的进气端连接至进气罩(2)的边缘两侧；所述第一叶轮(14)的内压缩比小于第二叶轮(15)的内压缩比，且第一叶轮(14)压缩后的空气压强能够保持空气悬浮轴承稳定悬浮；所述进气罩(2)的内部装配有两套能够分别向外位移的隔离架(24)，所述隔离架(24)的两侧延伸至进气罩(2)的壳体(21)装配有滑动轴(23)，所述滑动轴(23)的外侧焊接有密封板在位移的过程中与壳体(21)的外部表面保持机械密封；所述过滤机芯(3)的内部集成有倒三角形状回转弯口的管状过滤结构。2.根据权利要求1所述的一种基于氢燃料电池的空气压缩机，其特征在于：所述空气悬浮轴承包括主轴承(13)和悬浮外芯(12)，所述机壳(11)的外部焊接有供气管(18)，所述供气管(18)向机壳(11)内部延伸连接至悬浮外芯(12)外部的进气口，所述供气管(18)的外部通过第一管(111)与第一叶轮(14)的排气端相连接。3.根据权利要求1所述的一种基于氢燃料电池的空气压缩机，其特征在于：所述主轴承(13)的外部缠绕成型有转子线芯(16)，所述机壳(11)的内部缠绕成型有定子线芯(17)。4.根据权利要求1所述的一种基于氢燃料电池的空气压缩机，其特征在于：所述机壳(11)的外部位于第一叶轮(14)和第二叶轮(15)的外部对应装配有第一压缩罩(19)和第二压缩罩(110)。5.根据权利要求4所述的一种基于氢燃料电池的空气压缩机，其特征在于：所述第一压缩罩(19)和第二压缩罩(110)的进气端连接有第二管(112)，且第二管(112)装配在壳体(21)的外部抽气口内部。6.根据权利要求1所述的一种基于氢燃料电池的空气压缩机，其特征在于：所述壳体(21)外部开设有滑槽(22)，所述滑动轴(23)套接在滑槽(22)的内部，滑动轴(23)的外部焊接的密封板贴合在滑槽(22)的外部。7.根据权利要求1所述的一种基于氢燃料电池的空气压缩机，其特征在于：所述隔离架(24)的外部边缘与壳体(21)之间装配有密封圈(26)，所述滑动轴(23)的外部装配有电推杆(25)，所述电推杆(25)的末端装配在壳体(21)的外壁。8.根据权利要求6所述的一种基于氢燃料电池的空气压缩机，其特征在于：所述滑动轴(23)外部焊接的密封板长度为滑槽(22)的2.1倍。9.根据权利要求1所述的一种基于氢燃料电池的空气压缩机，其特征在于：所述机壳(11)与压缩罩的安装连接处装配有环形的外壳，环形外壳的外部装配有第三管(113)，所述第三管(113)的末端连接至过滤机芯(3)的进气端。10.根据权利要求1所述的一种基于氢燃料电池的空气压缩机，其特征在于：所述过滤机芯(3)从外到内分别由第一波纹层(31)、防尘层(32)、第二波纹层(33)、吸附层(34)和通量层(35)，所述防尘层两侧交错分布有通量管(36)，所述通量管(36)的内侧交错分布有倒
三角形状的防尘通道(37)。

技术总结
本发明公开了一种基于氢燃料电池的空气压缩机，包括气悬浮风机，气悬浮风机的进风端装配有进气罩，进气罩的内部装配有过滤机芯，在运行时，气悬浮风机通电转子转动，转子两端的叶轮配合压缩罩将空气从边缘吸入从中心处压缩后排出，第一叶轮一端为气悬浮风机内部提供悬浮的气压，加压空气经过悬浮轴承后在机壳的内部释放，从压缩罩与机壳之间的缝隙处在经过环形外壳以及第三管后，洁净空气直接连接至壳体内部通向第二压缩罩的进气端经过重新压缩可以提供给燃料电池内部使用，有效的解决了现有的氢燃料电池使用的气悬浮风机在使用时功率变化后进气量调节不及时容易造成气悬浮风机喘振，影响气悬浮风机的使用寿命。影响气悬浮风机的使用寿命。影响气悬浮风机的使用寿命。


技术研发人员：马海龙 林少宇 陈曦 赵忠魁
受保护的技术使用者：山东建筑大学
技术研发日：2023.05.15
技术公布日：2023/8/14