一种氢气循环泵的离心式压气机

本发明涉及燃料电池动力系统技术领域，特别是一种氢气循环泵的离心式压气机。

背景技术

氢气和空气(空气中的氧气)供应系统是氢燃料电池的两个关键供气系统，车载高压储氢瓶中的氢气通过减压器和流量控制阀为燃料电池供应氢气。实际上，氢气的实际供应流量比理论数值消耗高1.1至1.5倍，因此为进行更好的氢气管理，一般使用氢气再循环系统将未反应的氢气从阳极废气再循环到燃料电池堆的氢气进入口，实现氢气的循环利用。

目前实现氢气再循环的方式包括喷射器和氢气循环增压泵。喷射器利用高速喷射工作流体产生的压差将喷出的气体不断吸入并再加速喷出，相比氢气循环增压泵，这种装置无移动部件、结构简单、运行可靠，而且无寄生功率。但是为匹配最优化的燃料供应和燃料消耗率，喷射器的气体流入压力控制是一大挑战，特别是在负载变化期间，当负载变化很大时存在燃料供应不足和阳极过压或超压的风险，这增加燃料电池中控制策略的复杂性和难度。

氢气循环增压泵是现有燃料电池动力系统中氢气管理技术的常用选择，其将阳极未反应的氢气增压后再循环到燃料电池，提高能源利用率。目前质子交换膜燃料电池的氢气循环增压泵(即氢气循环泵)可以采用的增压形式包括离心式、凸轮/罗茨、爪式、隔膜式和涡旋式等。

隔膜增压泵和涡旋增压泵只适合小流量的工况，无法满足日益增大的大流量要求，且隔膜增压泵使用寿命较短。故而氢气循环泵目前应用较多的是容积式循环泵，容积式循环泵包括凸轮/罗茨式循环泵和爪式循环泵，需要通过主动转子和从动转子之间的啮合产生压差，实现增压效果，进而将氢气增压输送出去。但是，受氢燃料电池动力系统的特殊工况影响，燃料电池电堆的氢气和氧气反应完成后会产生水，即进入再循环系统的未反应氢气含有饱和湿度，在再循环系统中，由于环境、压力等的变化，会有水汽析出，特别是在增压循环泵工作时产生的低温环境下，析出的水汽会发生结冰现象，使得与氢气接触的转子结构表面形成冰碴，在主动转子和从动转子转动啮合时堵转，造成转子的不可逆损伤，这也是目前爪式增压循环泵和凸轮/罗茨式增压循环泵损坏的最主要原因。此外，罗茨增压泵受结构限制，其能量效率低，在大流量情况下噪声不可避免且非常大。爪式增压泵由于其在无油条件下采用间隙密封的原理，密封性差，极易出现氢气泄漏。

发明内容

本发明提供一种氢气循环泵的离心式压气机，整体结构紧凑、重量轻、可靠性高、噪音低，且实现非接触式增压的基础上满足高压比、大流量的工况要求，并解决氢气循环泵结冰导致的堵转问题，降低氢气循环泵的控制难度，并提高氢气循环泵的使用寿命。

本发明技术方案如下：

一种氢气循环泵的离心式压气机，包括固定连接的蜗壳及转接座，还包括设于所述蜗壳和转接座之内的叶轮；所述蜗壳包括在其中心位置设置的轴向进气口和在其周向设置的切向排气管，所述叶轮包括叶片、叶片承载盘和密封盘，所述叶片围绕所述叶轮的旋转轴线均匀布置于所述叶片承载盘朝向所述轴向进气口的一端，所述密封盘同轴布置于所述叶片承载盘的另一端；所述密封盘的周向表面设有密封齿，所述密封齿与所述转接座间隙配合形成齿形密封。

作为优选，所述叶片为扁片状，其顶部由平滑曲面过渡连接组成，所述蜗壳内部与所述叶轮叶顶轮廓线相匹配之配合面由三段圆弧依次平滑过渡连接组成；且所述蜗壳的配合面与所述叶轮的叶顶轮廓线之间存在间隙；所述蜗壳至少在与所述配合面相对的外表面处贴附有除冰加热装置。

作为优选，所述转接座靠近所述蜗壳的一端依次设有叶轮容置孔和轴承座容置孔，所述叶片承载盘和密封盘设于所述叶轮容置孔内，并通过所述轴承座容置孔内的轴承及轴承座浮动悬接于所述转接座，所述叶轮容置孔的底部与所述密封盘的自由端之间存在间隙。

作为优选，所述蜗壳的内部、所述转接座的内部和所述叶轮均涂覆有防氢蚀涂层；所述叶轮在转轴的带动下旋转，所述叶轮的轴心位置设有轴孔，所述转轴在所述轴孔固定并定位。

作为优选，所述轴孔包括螺纹孔和内径大于所述螺纹孔的定位光孔，对应的所述转轴设有螺纹部和定位轴肩，所述转轴通过所述螺纹孔和所述螺纹部固定连接，并通过所述定位光孔和定位轴肩的配合实现定位；所述螺纹部的自由端旋出所述螺纹孔，并在所述叶轮叶片侧通过紧固螺母旋合固定并定位；所述紧固螺母的旋紧方向与所述叶轮工作时的旋转方向相反。

作为优选，所述轴孔包括设于所述叶片承载盘所在侧的第一光孔和设于所述密封盘所在侧且内径大于所述第一光孔的定位光孔，所述转轴的自由端设有螺纹部和定位盘；所述螺纹部旋出所述轴孔，在所述叶片侧与双螺母结构旋合紧固后，所述定位盘刚好在所述定位光孔定位；所述定位盘通过至少两个中心对称设置的定位销固定在所述转轴。

作为优选，所述轴承座固定于所述转接座，且所述轴承座的自由端与所述叶轮容置孔的底部相平；所述轴承为角接触轴承，所述轴承座与所述转接座之间沿其轴向设有若干O型圈，以吸收叶轮气动振动以及转动部件旋转不平衡导致的振动，保证轴承正常运行。

作为优选，所述除冰加热装置包括伴热带或加热圈或贴片式加热电阻，可贴附于蜗壳外部或埋附于蜗壳壁中；也可在蜗壳壁中设置水道，利用车辆发动机循环冷却水对蜗壳进行加热；所述除冰加热装置的启闭通过循环泵控制器接收到的温度传感器采集的温度数据进行控制。

作为优选，所述密封齿包括三角形密封齿或锯齿形密封齿或梯形密封齿。

作为优选，所述密封齿的齿数包括5-10个，和/或所述密封齿的齿顶部与所述转接座之间的间隙为0.3mm-0.5mm。

本发明相对于现有技术优势在于：本发明所述氢气循环泵的离心式压气机，整体结构紧凑、重量轻、可靠性高、噪音低，且可满足高压比、大流量的工况要求。在弥补了其他形式的氢气循环泵存在的缺陷的基础上，实现非接触式增压，并在考虑增压气动效率的同时，设计除冰加热装置，解决氢气循环泵结冰导致的堵转问题，降低氢气循环泵的控制难度，并提高氢气循环泵的使用寿命。

附图说明

图1是本发明氢气循环泵的离心式压气机的剖视结构示意图；

图2是本发明氢气循环泵的离心式压气机的叶轮结构示意图；

图3是本发明氢气循环泵的离心式压气机的叶轮端面结构示意图；

图4是本发明氢气循环泵的离心式压气机的叶轮与转轴之间的一种固定定位方式结构示意图；

图5是本发明氢气循环泵的离心式压气机的叶轮与转轴之间的一种固定定位方式的局部放大结构示意图；

图6本发明氢气循环泵的离心式压气机的叶轮与转轴之间的另一种固定定位方式结构示意图。

附图标记列示如下：1—蜗壳，11—配合面，12—轴向进气口，13—切向排气管，2—叶轮，21—叶片，22—叶片承载盘，23—密封盘，231—密封齿，3—转接座,31—叶轮容置孔，32—轴承座容置孔，4—除冰加热装置，5—轴承，51—轴承挡圈，6—轴承座，61—紧固螺栓，7—转轴，71—螺纹部，72—定位轴肩，73—定位盘，74—定位销，8—紧固螺母，9—密封圈。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图1-6和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。

实施例1

一种氢气循环泵的离心式压气机，如图1所示，包括固定连接的蜗壳1及转接座3，还包括设于所述蜗壳1和转接座3之内的叶轮2；所述蜗壳1包括在其中心位置设置的轴向进气口12和在其周向设置的切向排气管13，所述蜗壳1与转接座3之间采用密封圈9(如O型圈)密封，防止氢气泄漏。所述叶轮2如图2-3所示，包括叶片21、叶片承载盘22和密封盘23，所述叶片21围绕所述叶轮2的旋转轴线均匀布置于所述叶片承载盘22朝向所述轴向进气口12的一端，所述密封盘23同轴布置于所述叶片承载盘22的另一端；所述叶片21、叶片承载盘22和密封盘23一般为一体结构，所述密封盘23的周向表面设有密封齿231，所述密封齿231可为三角形密封齿或锯齿形密封齿或梯形密封齿，所述密封齿231的齿数一般为5-10个，齿距优选为1mm，转接座3与密封齿231配合的位置为光孔，且其与所述转接座3之间为间隙配合并形成齿形密封，所述密封齿231的齿顶部与所述转接座之间的间隙优选为0.3mm-0.5mm，以防止压气机涵道里的氢气泄漏到后端电机中。

优选地，所述叶轮2的叶片21为扁片状，根据气动设计要求，其轴向(转轴的轴线方向)高度小于径向延伸的长度，如图3所示，所述叶片承载盘22从其中心位置沿其径向延伸时，其叶片21所在侧的表面缓慢降低，形成中间高轴向低的格局，且所述叶片21越靠近中心的位置，其轴向高度也稍有升高。使得所述氢气循环泵的离心式压气机的整体结构紧凑、重量轻、可靠性高、噪音低，且可满足高压比、大流量的工况要求。特别是能够满足60kW以上大功率燃料电池系统的氢气循环系统的使用要求。

作为优选方案，所述叶片21顶面的顶部由平滑曲面过渡连接组成，所述蜗壳1内部与所述叶轮2相匹配的配合面11轮廓形状由三段圆弧依次平滑过渡连接组成；且所述蜗壳1的配合面11与所述叶轮2的叶片21顶面的顶部轮廓线之间存在间隙A；所述蜗壳1至少在与所述配合面11相对的外表面处贴附有除冰加热装置4。所述除冰加热装置4包括伴热带或加热圈或贴片式加热电阻，可贴附于蜗壳1外部或埋附于蜗壳1壁中；也可在蜗壳1壁中设置水道，利用车辆发动机循环冷却水对蜗壳1进行加热；所述除冰加热装置4的启闭通过循环泵控制器接收到的温度传感器采集的温度数据进行控制，当循环泵控制器接收到的温度传感器采集的温度数据低于某一温度设定值T时(该温度为判断出现冰堵现像的温度)，循环泵控制器启动所述除冰加热装置4，对蜗壳1进行加热，蜗壳1优选采用传热效率较快金属材质，由于蜗壳1和叶轮2之间的间隙A较小，一般为0.5mm，加热一定时间t时，可以迅速将该间隙内的冰融化，使得该处温度提升，进而循环泵控制器判断无堵转情况，则停止加热。本发明所述氢气循环泵的离心式压气机在弥补了其他形式的氢气循环泵存在的缺陷的基础上，实现非接触式增压，并在考虑增压气动效率的同时，设计除冰加热装置4，解决氢气循环泵结冰导致的堵转问题，降低氢气循环泵的控制难度，并提高氢气循环泵的使用寿命。

优选地，所述转接座3靠近所述蜗壳1的一端依次设有叶轮容置孔31和轴承座容置孔32，所述叶片承载盘22和密封盘23设于所述叶轮容置孔31内，并通过所述轴承座容置孔32内的轴承5及轴承座6浮动悬接于所述转接座3，所述叶片承载盘22的直径大于所述密封盘23的直径，且综合考虑轴承5的轴向游隙及叶轮2的气动影响，所述叶轮容置孔31的底部与所述密封盘23的自由端(远离叶片的一端)之间存在0.5mm的轴向间隙，以便于所述叶轮2的定位安装及稳定高效旋转。

优选地，所述蜗壳1的内部、所述转接座3的内部和所述叶轮2均涂覆有防氢蚀涂层；以防止氢气外泄，同时防止叶轮2在高速运转情况下出现氢脆、氢蚀等损坏。

作为优选方案，所述叶轮2在转轴7的带动下旋转，所述叶轮2的轴心位置设有叶轮轴孔，所述转轴7在所述叶轮轴孔固定并定位。具体所述转轴7在所述叶轮轴孔固定并定位的方式如图4-5所示：所述叶轮轴孔设置为阶梯孔，包括螺纹孔和内径大于所述螺纹孔的定位光孔，对应的所述转轴7为包括定位轴肩72的阶梯轴，阶梯轴的短半径处设有螺纹部71，定位轴肩72用于在叶轮2定位光孔轴向定位，所述转轴7通过所述螺纹孔和所述螺纹部71的旋合而固定连接，并通过所述定位光孔和定位轴肩72的配合实现定位。

优选地，所述螺纹部71的自由端(图4-5的左端)可旋出所述螺纹孔，并在所述叶轮2叶片21侧通过紧固螺母8旋合固定并定位；所述紧固螺母8的旋紧方向与所述叶轮2工作时的旋转方向相反。所述叶轮2在叶片21侧旋合紧固螺母8的位置可设置外六角凸台，以便于用于紧固螺母8旋紧在所述螺纹部71上，进而将叶轮2在叶轮转轴7上安装拧紧。

实施例2

与上述实施例不同地是，如图6所示，所述叶轮轴孔可设计为阶梯孔，短半径的第一光孔设于所述叶片承载盘22所在侧，长半径的定位光孔设于所述密封盘23所在侧。

所述转轴7的自由端(图6的左端)设有螺纹部71和定位盘73；所述螺纹部71旋出所述轴孔24，在所述叶片21侧与紧固螺母8旋合紧固后，所述定位盘73刚好在所述定位光孔的台阶处定位。此时，所述紧固螺母8可为双螺母结构，双螺母结构的紧固螺母8旋紧在所述螺纹部71上将叶轮2与定位盘73压紧，防止叶轮2在转轴7相对轴转动。

所述定位盘73通过至少两个中心对称设置的定位销74固定在所述转轴7。所述转轴7上设有两个对称的定位球状沉孔，由于定位销74的作用，定位盘73相对于转轴7轴向径向都无法移动。此结构适用于转轴7较细(即转轴直径较小)的情况，因轴径较细，采用轴肩压紧固定叶轮2，其接触面积较小，无法固定叶轮2。因此采用此结构通过定位盘73加大其与叶轮2定位光孔的接触表面，提高定位可靠性。

作为优选，所述轴承座6固定于所述转接座3，且所述轴承座6的自由端(靠近叶轮2的一端)与所述叶轮容置孔31的底部相平；所述轴承5为角接触轴承，其内圈与转轴7采用过盈配合。所述轴承座6与所述轴承5外圈采用过渡配合装配，并通过紧固螺栓61固定于所述转接座3上。所述轴承5外圈一端采用轴承挡圈51固定。高速轴承5内外圈采用高强度硬质不锈钢材料，轴承座6的轴承室材质硬度与轴承5外圈材质接近，可保证轴承5转动运行及寿命，轴承座6作为轴承室，固定于转接座3上，转接座3可采用密度较小的金属材料，既保证轴承5外圈配合硬度，又减轻产品重量。所述轴承座6与所述转接座3之间沿其轴向设有若干密封圈9，所述密封为O型圈，实现密封的基础上还能吸收叶轮2气动振动以及转动部件旋转不平衡导致的振动，保证轴承正常运行。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改变，其均应涵盖在本发明专利的保护范围当中。