[发明专利]一种空气压缩和膨胀一体装置

说明书

本申请公开了一种空气压缩和膨胀一体装置，涉及燃料电池空气增压系统技术领域。该装置包括蜗壳和设置在其内的膨胀压缩叶轮，膨胀压缩叶轮包括第一轮盘和设置在其上的多个第一叶片，第一叶片的外侧设置第二轮盘，第二轮盘上设有多个第二叶片；转轴的第一端与膨胀压缩叶轮固连，转轴的第二端连接驱动电机的输出轴；蜗壳与第二轮盘之间设有扩压器，扩压器将蜗壳的内腔分隔为膨胀腔和压缩腔；膨胀腔的侧壁上设有第一进气口和第一排气口，第一进气口的中心线与膨胀压缩叶轮的轴线垂直；第一排气口的中心线与膨胀压缩叶轮的轴线重合；第一轮盘的与第二轮盘之间形成第二进气口，压缩腔上设有第二排气口，第二排气口的中心线与膨胀压缩叶轮的轴线垂直。

技术领域

本申请涉及燃料电池空气增压系统技术领域，尤其涉及一种空气压缩和膨胀一体装置。

背景技术

空压机是车用燃料电池系统阴极供气系统的重要部件，通过对燃料电池堆的进口空气进行增压，同时起到提高燃料电池功率密度和效率、减小燃料电池尺寸、利于水热管理等作用。

由于离心式压气机在工作时，通过膨胀压缩叶轮旋转，对气体工质做功，将气体甩到膨胀压缩叶轮后的固定元件中，进而在膨胀压缩叶轮中形成真空区域以吸进外部新鲜工质，膨胀压缩叶轮的不断旋转可以保证气体工质的连续运动。因此，相较于传统使用的滑片式、涡旋式、螺杆式等循环泵，其具有体积小、重量轻、噪音小等优点，被认为是最有前途的空气增压方式。但是燃料电池电流密度与氧气分压成正比关系，这就要求空压机提供很高的压头从而提高氧气的分压力。而随着电堆入口空气压力提升，出口尾气的压力也会随之提升，为了避免入口尾气中过剩能量的浪费，现有技术是在空压机一侧引入膨胀机进行尾气能量回收，从而降低系统的功耗。而膨胀机的引入，又会带来系统布置困难、空压机载荷分布不均等一系列技术问题

发明内容

本申请的实施例提供一种空气压缩和膨胀一体装置，既解决了燃料电池空气增压系统上尾气能量浪费的问题，又克服了在添置膨胀轮进行尾气回收后空压机尺寸过大、轴向载荷无法平衡的问题。

为达到上述目的，本申请的实施例提供了一种空气压缩和膨胀一体装置，包括蜗壳；膨胀压缩叶轮，所述膨胀压缩叶轮设置在所述蜗壳内，所述膨胀压缩叶轮包括第一轮盘和设置在第一轮盘上的多个第一叶片，所述第一叶片的外侧设置第二轮盘，所述第二轮盘上设有多个第二叶片；转轴，所述转轴的第一端与所述膨胀压缩叶轮固连，所述转轴的第二端用于连接驱动电机的输出轴；扩压器，设置在所述蜗壳与所述第二轮盘之间，并将所述蜗壳的内腔分隔为膨胀腔和压缩腔；所述膨胀腔的侧壁上设有第一进气口和第一排气口，所述第一进气口的中心线与所述膨胀压缩叶轮的轴线垂直，且朝向所述膨胀压缩叶轮设置；所述第一排气口的中心线与所述膨胀压缩叶轮的轴线重合；所述第一轮盘的上部与所述第二轮盘的上部之间形成第二进气口，所述压缩腔的侧壁上设有第二排气口，所述第二排气口的中心线与所述膨胀压缩叶轮的轴线垂直，且朝向所述膨胀压缩叶轮设置。

进一步地，所述扩压器为环状板，所述扩压器位于所述第二轮盘下部的外圆面上且与所述第二轮盘一体成型。

进一步地，所述蜗壳包括沿轴向设置的第一环形管部和第二环形管部，所述第一进气口设置在所述第一环形管部的侧壁上；所述第一环形管部远离所述第二环形管部的一侧设有排气管；所述排气管与所述第二轮盘的上部之间形成所述第一排气口；所述第二排气口设置在所述第二环形管部的侧壁上。

进一步地，所述第一进气口的口部设有第一进气管道；所述第二排气口的口部设有第一排气管道。

进一步地，所述蜗壳包括沿所述膨胀压缩叶轮的轴线并排设置的第一子蜗壳和第二子蜗壳；所述第一子蜗壳包括所述第一环形管部、所述排气管和所述第一进气管道，所述第二子蜗壳包括所述第二环形管部和所述第一排气管道；所述第一子蜗壳和所述第二子蜗壳相互扣合。

进一步地，所述蜗壳内还设有压盖，所述压盖的下端与所述第二环形管部的侧壁密封连接，所述压盖的上端与所述扩压器之间具有间隙，所述间隙连通所述第二进气口和所述压缩腔。