[發明專利]一種空氣壓縮裝置以及包括空氣壓縮裝置的燃料電池裝置

在審

• 申請號: 202110377362.2
• 申請日: 2021-04-08
• 公開（公告）號: CN115117394A
• 公開（公告）日: 2022-09-27
• 發明（設計）人: 顧茸蕾;朱明明
• 申請（專利權）人: 海德韋爾（太倉）能源科技有限公司
• 主分類號: H01M8/04089
• 分類號: H01M8/04089;H01M8/04119;H01M8/0662
• 代理公司: 上海旭誠知識產權代理有限公司 31220
• 代理人: 鄭立

本申請提供一種空氣壓縮裝置，包括多個壓縮機，多個壓縮機至少包括第一壓縮機、第二壓縮機以及第三壓縮機，多個壓縮機依次串聯連接。還包括調節機構，多個壓縮機通過調節機構連接，調節機構被配置為可以改變多個壓縮機之間的連接關系。能夠在單個電機轉速極限下提供更高的輸出功率。還能夠通過調節機構改變多個壓縮機之間的連接關系，使得在連入氣路的壓縮機數量減少或增加，以應對不同負荷的工況。本申請還提供了一種包括空氣壓縮裝置的燃料電池裝置，還包括燃料電池堆與渦輪膨脹機，通過調節機構可以控制渦輪膨脹機的工作狀態，有效解決膨脹機低溫啟動時結冰卡滯的問題。

技術領域

本申請涉及空氣壓縮設備領域，尤其涉及一種空氣壓縮裝置以及包括空氣壓縮裝置的燃料電池裝置。

背景技術

質子交換膜式的燃料電池系統是一種高效清潔的新能源動力系統，空氣壓縮機將空氣壓縮成高壓空氣，然后送入燃料電池陰極，空氣中的氧氣與陽極的氫氣進行電化學反應，生成的產物是電和水，還有部分熱量隨著多余的空氣排放到大氣中，除此外沒有其他對環境有污染的產物，所以燃料電池動力系統非常的清潔環保，并且氫氣有很多制造方法，屬于清潔可再生能源，目前世界各國都在大力推動氫燃料電池動力系統的開發推廣。

燃料電池專用的空氣壓縮機是氫燃料電池動力系統里面非常重要的一個零部件，其作用是為燃料電池的陰極提供一定壓力和一定流量的壓縮空氣，滿足燃料電池化學反應對于空氣中氧氣的需求。目前市場上燃料電池空壓機多為單級壓縮機(如圖1所示)和兩級壓縮機(如圖3所示)。單級壓縮機即一個電機驅動一個壓輪。兩級壓縮機即一個電機驅動兩個壓輪，其中一個是低壓級壓縮機，另一個是高壓級壓縮機，高壓級壓縮機和低壓級壓縮機是串聯的，空氣經過低壓級壓縮機壓縮后再進入高壓級壓縮機進行第二次壓縮，所以兩級壓縮機比單級壓縮機獲得的空氣壓力和流量要高，可適用的燃料電池功率范圍會更大一點，目前單級壓縮多用于小功率燃料電池堆，兩級壓縮多用于中高功率燃料電池堆。

進入燃料電池的壓縮空氣僅有一部分氧氣參與反應，其余壓縮空氣會被排出到大氣中，被燃料電池排出的壓縮空氣仍然有很高的壓力，所以這部分高壓空氣直接排放到大氣中的話，高壓氣體所攜帶的能量也就被浪費掉了。

為了回收利用燃料電池高壓廢氣中的能量，目前已經出現了帶有渦輪膨脹機的空氣壓縮機(如圖2所示)，即渦輪膨脹機回收廢氣能量，輔助電機驅動壓縮機，這樣可以降低電機的功率需求，顯著提高燃料電池系統的效率。不過渦輪膨脹機占用了原先兩級壓縮機中的一個位置，所以帶有渦輪膨脹機的空壓機受限于軸承的穩定性，只能采用單級壓縮機。由于目前絕大多數高速電機的轉速上限只能達到12萬轉，所以帶有渦輪膨脹機的單級壓縮機方案能夠覆蓋功率范圍還是會受到限制，不適用于大功率燃料電池堆。即便能夠突破電機轉速上限，由于單級壓縮機和渦輪機的“輪徑比”比較大，也就是說壓縮機壓輪的直徑比渦輪機渦輪的直徑大很多，大的輪徑比會導致軸向不平衡力比較大。進一步提高電機轉速，會對推力軸承產生更高的要求，使得推力軸承的制造難度增加。

因此，現有技術中至少存在如下技術問題：

1、現有的單級空氣壓縮裝置覆蓋的功率范圍比較小，不適用于大功率燃料電池堆的問題，尤其是重型商用車領域，比如在重型卡車上難以應用。

2、現有的兩級空氣壓縮裝置盡管可以覆蓋較大的功率范圍，但在低工況工作的情況下，由于燃料電池堆對壓縮空氣的壓力要求沒有變化，但消耗變少，會導致系統發生喘振，降低系統穩定性。

3、現有的兩級空氣壓縮裝置缺乏能量回收手段，導致廢氣能量浪費，因此系統效率低，空壓機電耗比較大。

4、現有技術中，由于電機轉速存在上限，無法通過簡單地增加電機功率以實現單級或兩級空氣壓縮裝置覆蓋更高的發電功率。

因此，本領域技術人員有動機研發一種空氣壓縮裝置以及包括空氣壓縮裝置的燃料電池裝置，能夠在電機轉速上限的范圍內兼顧高功率的發電要求，也能在低工況時防止喘振，同時廢氣能量回收，提高系統效率。

發明內容