[發(fā)明專利]一種離心式氫氣循環(huán)泵

有效

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• 申請日: 2021-03-03
• 公開（公告）號: CN113153769B
• 公開（公告）日: 2021-12-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 徐子介;肖育民;徐煥恩;趙洪洋;張璇
• 申請（專利權(quán)）人: 北京蘭天達(dá)汽車清潔燃料技術(shù)有限公司;北京伯肯當(dāng)代氫燃料電池實(shí)驗(yàn)室有限公司
• 主分類號: F04D17/10
• 分類號: F04D17/10;F04D25/06;F04D29/02;F04D29/059;F04D29/063;F04D29/08;F04D29/28;F04D29/30;F04D29/42;F04D29/58
• 代理公司: 北京海虹嘉誠知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11129
• 代理人: 朱亞娜;周曉娜

一種離心式氫氣循環(huán)泵，包括蝸殼、葉輪、轉(zhuǎn)接座、泵殼，以及電機(jī)定子和電機(jī)轉(zhuǎn)子；蝸殼包括在其中心位置設(shè)置的軸向進(jìn)氣口和在其周向設(shè)置的切向排氣管，葉輪在轉(zhuǎn)軸的帶動下氣體加速并增壓后從切向排氣管排出；葉輪和轉(zhuǎn)軸通過陶瓷軸承及軸承鋼套浮動懸接于所述轉(zhuǎn)接座，軸承鋼套與轉(zhuǎn)接座之間設(shè)有O型密封圈，不僅有效實(shí)現(xiàn)密封，還避免轉(zhuǎn)子不平衡導(dǎo)致的振動和轉(zhuǎn)子部件內(nèi)的氣流非定常流動帶來的高、低頻激振。使其能夠滿足60kW或以上大功率燃料電池系統(tǒng)的流量要求。針對復(fù)雜多相介質(zhì)環(huán)境下工質(zhì)濕度和溫度變化范圍較大的特點(diǎn)，有效防止流場積水對于氣流的阻礙，提高電池輸出電流密度，并保持氫燃料電池輸出電壓的穩(wěn)定性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明燃料電池動力系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種離心式氫氣循環(huán)泵。

背景技術(shù)

作為真正意義上零排放的清潔能源，氫燃料電池在汽車上的應(yīng)用正在飛速發(fā)展。氫燃料電池是通過電化學(xué)反應(yīng)，而不是采用燃燒(汽、柴油)或儲能(蓄電池)的方式。燃燒會釋放像 COx、NOx、SOx氣體和粉塵等污染物。而氫燃料電池只會產(chǎn)生水和熱。如果氫是通過可再生能源產(chǎn)生的(光伏電池板、風(fēng)能發(fā)電等)，整個(gè)循環(huán)就是徹底的不產(chǎn)生有害物質(zhì)排放的過程。氫燃料電池運(yùn)行安靜，噪聲大約只有55dB。這使得氫燃料電池適合室內(nèi)安裝，或是安裝于室外對噪聲有限制的地方。即氫燃料電池具有無污染，無噪音，高效率的優(yōu)勢。

氫燃料電池的運(yùn)作原理是氫氣由燃料電池的陽極進(jìn)入，氧氣(或空氣)則由陰極進(jìn)入燃料電池。經(jīng)由催化劑的作用，使得陽極的氫分子分解成兩個(gè)質(zhì)子(proton)與兩個(gè)電子(electron)，其中質(zhì)子被氧“吸引”到薄膜的另一邊，電子則經(jīng)由外電路形成電流后，到達(dá)陰極。燃料電池反應(yīng)后會有一部分氫氣未發(fā)生轉(zhuǎn)化，這種易燃易爆氣體排放到空氣中既是對能源的浪費(fèi)，也大大降低了氫燃料電池系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化效率。隨著新能源汽車氫燃料電池系統(tǒng)的發(fā)展，燃料電池車能量轉(zhuǎn)化效率要求越來越高，對電池反應(yīng)后排放的氫氣的循環(huán)再利用變得至關(guān)重要。所以氫氣循環(huán)泵是氫燃料電池必不可少的一部分。

2006年Ogura Industrial Corp.(小倉工業(yè)集團(tuán))與加拿大巴拉德(Ballard)動力公司合作開發(fā)氫氣循環(huán)泵，原型是基于其原有空壓機(jī)TX系列產(chǎn)品。TX系列空壓機(jī)是羅茨式壓縮機(jī)，以直流無刷電機(jī)為驅(qū)動馬達(dá)。Ogura Industrial Corp.研發(fā)的氫氣循環(huán)泵已成功應(yīng)用于 Ballard研制的客車上。為了防止鋁質(zhì)外殼及鋼質(zhì)轉(zhuǎn)子在水汽+氫氣環(huán)境中腐蝕，其轉(zhuǎn)子及外殼均用涂層保護(hù)。豐田公司的氫氣循環(huán)泵是在其Mirai燃料電池汽車空壓機(jī)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的。其壓縮機(jī)型式也是羅茨式，所采用的防氫腐蝕的方式及密封形式與OguraIndustrial Corp. 類似。雖然羅茨氫氣循環(huán)泵成本低、可靠性高，但由于結(jié)構(gòu)限制，其能量效率低，特別是在高排放壓力比下，噪聲大，在大功率大流量的情況下尤為嚴(yán)重，難以滿足整車的噪聲要求。此外，羅茨式氫氣循環(huán)泵的軸承多為油潤滑，對密封要求比較高，存在油污染的可能性。

美國Air Squared的主要產(chǎn)品是渦旋式空氣壓縮機(jī)，并以此為基礎(chǔ)研制出了渦旋式氫氣循環(huán)泵，用以取代膜片式氫氣循環(huán)泵(膜片式氫氣循環(huán)泵流量小，不適合于小壓比大流量工況，且隔膜壽命低，只能在無油條件下使用)。其設(shè)計(jì)也是采用直流無刷電機(jī)，表面涂層防止氫蝕。但缺點(diǎn)是流量較小，并且同等流量的情況下，其重量非常大。同時(shí)，徑向間隙和軸向間隙過小也是渦旋式氫氣循環(huán)泵需要考慮的問題；研究結(jié)果表明，軸向間隙和徑向間隙對渦旋式氫泵性能的影響非常大。旋轉(zhuǎn)速度和壓力比對渦旋式氫泵也有很大影響，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過相同條件下的其他形式的氫氣循環(huán)泵。

德國普旭(Busch)公司以生產(chǎn)爪式壓縮機(jī)及真空泵著稱，并在此基礎(chǔ)上研制出了爪式小流量氫氣循環(huán)泵，其驅(qū)動為高速直流無刷電機(jī)，轉(zhuǎn)子表面及壓縮機(jī)外殼采用涂層保護(hù)，已經(jīng)應(yīng)用于多種氫燃料電池汽車上，具有可靠性高、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)，但需要設(shè)計(jì)更好的爪形泵齒形以平衡壓縮比和性能；其缺點(diǎn)是由于其在無油條件下采用了間隙密封的原理，因此密封性差；此外，爪式增壓泵的噪音和振動也是需要解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容