一种氢气循环泵和氢燃料电池系统

技术领域

本发明涉及循环泵技术领域，具体而言，涉及一种氢气循环泵和氢燃料电池系统。

背景技术

车用氢燃料电池系统是将一定量的氢气和空气中的氧气通入燃料电池电堆内部进行电化学反应从而产生电能的过程。燃料电池在工作过程中，会有明显的反应不完全情况，即有很多氢气不会参加反应，如果将未反应的氢气直接排放到大气，即使造成氢气的浪费，也会造成一定的安全隐患。

目前主流的解决方案是通过氢气循环泵实现氢气的再循环，通过氢气的循环将电堆内部生成的水带出，通过汽水分离后，经过氢气泵增压后返回电堆阳极重复使用。

目前现有的燃料电池氢气增压系统主要以涡旋式和“爪式”为代表的低速旋转容积式循环泵为主。容积式循环泵依靠改变容积实现压缩气体增压。整体结构比较复杂这就导致整体尺寸、重量较大。这种结构运行效率较低，泵运行功耗和噪音很大。容积式靠两个转子之间容积变化对气体进行增压，这种结构两转子之间间隙极小，运行过程中由于高低温变化转子很容易发生卡滞问题。旋转容积式循环泵还是采用传统润换油润滑，无法真正的实现无油，存在泄漏后污染系统的风险。

离心式循环泵再这方面优势非常明显，离心式循环泵使通过叶轮旋转对气体工质做功从而增加工质动能。通过提高转速可以减小离心式循环泵体积、重量。同时这种离心式循环泵效率很高，功耗低。

但目前离心式氢气泵应用于燃料电池系统至少还具有以下缺陷：密封性差，容易导致氢气泄露。

发明内容

本发明的目的之一包括提供了一种氢气循环泵，其能够有效解决现有技术中氢气循环泵密封性差，容易导致氢气泄露的问题。

本发明的目的之二还包括提供一种氢燃料电池系统，其可实现氢气的再循环。

本申请可以这样实现：

第一方面，本申请提供一种氢气循环泵，包括循环泵结构、磁悬浮电机结构和密封结构，循环泵结构包括泵壳和叶轮，磁悬浮电机结构包括电机外壳、电机轴和轴端固定件，密封结构包括密封壳体、密封环和密封圈。

沿电机轴的前端至后端的方向，电机轴的外侧罩设有依次连接的泵壳、密封壳体以及电机外壳，泵壳与电机轴之间、密封壳体与电机轴之间以及电机外壳与电机轴之间均具有空腔；

泵壳与电机轴的空腔内，沿电机轴的径向由内至外依次套设有轴端固定件和叶轮，密封环设置于叶轮与泵壳之间，密封圈设置于泵壳与密封壳体之间。

在可选的实施方式中，泵壳还设有安装腔，安装腔内设有用于沿电机轴的轴向方向对叶轮的壳体进行固定的固定零件。

在可选的实施方式中，密封圈为O型圈。

在可选的实施方式中，电机轴的制备材料为导磁材料。

在可选的实施方式中，电机轴的外表面进行镀层处理以防止电机轴与水蒸气接触后发生锈蚀。

在可选的实施方式中，密封壳体与电机轴之间形成的空腔为第一轴承室，第一轴承室内设有套设于电机轴上的前径向磁悬浮轴承，前径向磁悬浮轴承沿电机轴的径向抵接于密封壳体，且第一轴承室内还留有位于前径向磁悬浮轴承两侧的靠近电机轴的前端的第一空间和靠近电机轴的后端的第二空间。

在可选的实施方式中，前径向磁悬浮轴承为五轴自由度主动磁悬浮轴承。

在可选的实施方式中，第一轴承室内还设有套设于电机轴上的第一位置传感器，第一位置传感器位于第二空间内。

在可选的实施方式中，磁悬浮电机结构还包括定子组件，定子组件设置于电机轴与电机外壳之间的空腔内。

在可选的实施方式中，磁悬浮电机结构还包括电连接器壳体和电机盖，电连接器壳体罩设于电机轴的后端且电连接器壳体的一侧抵接于电机外壳，另一侧通过与电机盖连接实现封端，电连接器壳体与电机轴之间也具有空腔。

在可选的实施方式中，电连接器壳体与电机轴之间形成的空腔为第二轴承室，第二轴承室内设有套设于电机轴上的后径向磁悬浮轴承，后径向磁悬浮轴承沿电机轴的径向抵接于电连接器壳体。

在可选的实施方式中，后径向磁悬浮轴承为五轴自由度主动磁悬浮轴承。

在可选的实施方式中，电机轴具有呈阶梯式的前端台阶、中间台阶和后端台阶，前径向磁悬浮轴承和后径向磁悬浮轴承分别套设于中间台阶和后端台阶的位置。

在可选的实施方式中，第二轴承室内还设有套设于电机轴上的第二位置传感器，第二位置传感器位于后径向磁悬浮轴承的靠近电机轴的末端的一侧。

在可选的实施方式中，第二轴承室内还设有套设于电机轴上的推力盘，推力盘位于第二位置传感器的靠近电机轴的末端的一侧。

在可选的实施方式中，第二轴承室内还设有轴向磁悬浮轴承，轴向磁悬浮轴承沿电机轴的径向方向设置于推力盘外侧。

在可选的实施方式中，轴向磁悬浮轴承为五轴自由度主动磁悬浮轴承。

在可选的实施方式中，泵壳的外表面还设有加热片。

在可选的实施方式中，加热片为PTC加热片。

在可选的实施方式中，电连接器壳体的外表面还设有低压连接器和高压连接器。

第二方面，本申请提供一种氢燃料电池系统，其包括如前述实施方式任一项的氢气循环泵。

本申请的有益效果包括：

本申请通过将密封壳体连接于电机外壳与泵壳之间，同时，在泵壳与密封壳体之间设置密封圈，在叶轮与泵壳之间设置密封环，能够使氢气与外部完全隔离，解决因高速循转造成动密封磨损从而造成氢气泄漏问题。并且，上述氢气循环泵结构简单，体积小。含有上述氢气循环泵的氢燃料电池系统可实现氢气的再循环，通过氢气的循环将电堆内部生成的水带出，通过汽水分离后，经过氢气泵增压后返回电堆阳极重复使用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的氢气循环泵在第一视角下的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的氢气循环泵在第二视角下的结构示意图。

图标：1-泵壳；2-轴端固定件；3-固定零件；4-密封环；5-叶轮；6-密封圈；7-密封壳体；8-电机外壳；9-前径向磁悬浮轴承；10-第一位置传感器；11-电机轴；12-定子组件；13-后径向磁悬浮轴承；14-第二位置传感器；15-轴向磁悬浮轴承；16-推力盘；17-电机盖；18-低压连接器；19-高压连接器；20-加热片；21-电连接器壳体；31-第一空间；32-第二空间；41-前端台阶；42-中间台阶；43-后端台阶。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。

下面对本申请提供的氢气循环泵和氢燃料电池系统进行具体说明。

请参照图1和图2，本申请提出一种氢气循环泵，包括循环泵结构、磁悬浮电机结构和密封结构。其中，循环泵结构包括泵壳1和叶轮5，磁悬浮电机结构包括电机外壳8、电机轴11和轴端固定件2，密封结构包括密封壳体7、密封环4和密封圈6。

电机轴11的前端设有轴端固定件2，该轴端固定件2可以为轴端螺母，也可以为其它常见的电机固定部件。

沿电机轴11的前端至后端的方向，电机轴11的外侧罩设有依次连接的泵壳1、密封壳体7以及电机外壳8，泵壳1与电机轴11之间、密封壳体7与电机轴11之间以及电机外壳8与电机轴11之间均具有空腔。

泵壳1与电机轴11的空腔内，沿电机轴11的径向由内至外依次套设有轴端固定件2和叶轮5。

也可以理解为：叶轮5和泵壳1沿电机轴11的径向由内至外依次套设于轴端固定件2的外侧。也即叶轮5套设于轴端固定件2的外表面，泵壳1再套设于叶轮5的外侧。或可理解为：电机轴11的前端深入到泵壳1内部，并以此装入叶轮5，使叶轮5夹设于泵壳1与轴端固定件2之间，从而通过轴端固定件2压紧叶轮5。

密封环4设置于叶轮5与泵壳1之间。具体的，密封环4套设于叶轮5的外表面，泵壳1再套设于叶轮5外侧，在泵壳1安装过程中，泵壳1向下挤压密封环4，使得密封环4在叶轮5以及泵壳1之间起到密封作用，避免氢气的泄露。同时，密封环4的设置还能够对叶轮5、轴端螺母以及电机轴11在径向方向起到一定的固定限位作用，避免叶轮5、轴端螺母以及电机轴11在径向方向产生空隙。

在优选的实施方式中，密封环4可加工成沟槽形式，该形式下的密封环4与泵壳1之间可形成节流间隙达到节流效果。

可参考地，泵壳1还设有安装腔，安装腔内设有用于沿电机轴11的轴向方向对叶轮5的壳体进行固定的固定零件3，该固定零件3例如可以为螺钉。

电机外壳8罩设于电机轴11的中部并与泵壳1之间具有间隔，可参考地，泵壳1在电机轴11的前端套设于叶轮5的外侧并延伸至电机轴11的中间部位，电机外壳8也设置在电机轴11的中部，泵壳1延伸的部分与电机外壳8之间具有间隔，密封壳体7则设置于上述间隔内。并且，密封壳体7与泵壳1及电机外壳8均连接。

可参考地，密封壳体7与泵壳1之间为法兰连接，密封壳体7与电机外壳8之间也可以为法兰连接。

密封圈6设置于泵壳1与密封壳体7之间，密封圈6在泵壳1与密封壳体7之间起到密封作用，可以氢气从泵壳1与密封壳体7之间泄露。同时，密封圈6的设置还能够对泵壳1、密封壳体7以及电机轴11在径向方向起到一定的固定限位作用，避免泵壳1、密封壳体7以及电机轴11在径向方向产生空隙。

在可选的实施方式中，密封圈6可以为O型圈，也可以为其它形式的密封圈6。

本申请中，电机轴11的制备材料为导磁材料，从而可达到磁悬浮目的。

承上，本申请通过将密封壳体7连接于电机外壳8与泵壳1之间形成一体，同时，在泵壳1与密封壳体7之间设置密封圈6，在叶轮5与泵壳1之间设置密封环4，通过上述密封结构的设置，取消了传统动密封结构，起到使氢气与外部完全隔离的效果，彻底解决因高速循转造成动密封磨损从而造成氢气泄漏问题。

本申请中，密封壳体7与电机轴11之间形成的封闭空腔为第一轴承室，第一轴承室内设有套设于电机轴11上的前径向磁悬浮轴承9，并且，前径向磁悬浮轴承9沿电机轴11的径向抵接于密封壳体7，第一轴承室内还留有位于前径向磁悬浮轴承9两侧的靠近电机轴11的前端的第一空间31和靠近电机轴11的后端的第二空间32。

可参考地，上述前径向磁悬浮轴承9可以为五轴自由度主动磁悬浮轴承。

第一轴承室内还设有套设于电机轴11上的第一位置传感器10，第一位置传感器10位于第二空间32内。第一位置传感器10可用于检测电机轴11的位置偏移量，具体的，其可同时监控电机轴11在X、Y和Z三个方向上的位移。

可参考地，第一位置传感器10的工作原理可以包括：电感传感器发出5-100KHz的交流信号给传感器探头，监测不同位置下的电感值，得到位置偏移量。其余的原理可参照现有技术，在此不做过多赘述。以下第二位置传感器14的原理同样适用。

进一步地，磁悬浮电机结构还包括定子组件12，定子组件12设置于电机轴11与电机外壳8之间的空腔内。值得说明的是，定子组件12可参照现有技术中电机的相应结构，在此不做过多赘述。

进一步地，磁悬浮电机结构还包括电连接器壳体21和电机盖17，电连接器壳体21罩设于电机轴11的后端且该电连接器壳体21的一侧抵接于电机外壳8，另一侧通过与电机盖17连接实现封端，电连接器壳体21与电机轴11之间也具有空腔。此外，电连接器壳体21与电机外壳8以及电机盖17之间也可以法兰连接。

较佳地，第一轴承室、电机外壳8和电连接器壳体21通过止口定位保证前后同轴。

本申请中，电连接器壳体21与电机轴11之间形成的空腔为第二轴承室，第二轴承室内设有套设于电机轴11上的后径向磁悬浮轴承13，后径向磁悬浮轴承13沿电机轴11的径向抵接于电连接器壳体21。前径向磁悬浮轴承9和后径向磁悬浮轴承13的作用主要是将转子悬浮。

可参考地，上述后径向磁悬浮轴承13也可以为五轴自由度主动磁悬浮轴承。

本申请中，电机轴11为阶梯式电机轴11，具体的其，其具有呈阶梯式的前端台阶41、中间台阶42和后端台阶43，前径向磁悬浮轴承9和后径向磁悬浮轴承13分别套设于阶梯型电机轴11的左右两端，具体分别设置于阶梯型电机轴11的中间台阶42和后端台阶43的位置，轴端固定件2可设置于前端台阶41。第一位置传感器10设置于前径向磁悬浮轴承9与电机轴11的前轴肩之间。

前径向磁悬浮轴承9和后径向磁悬浮轴承13之间设置电机转子磁钢，电机转子组件安装完成后，即插入到装有定子组件12的电机腔内部。

进一步地，第二轴承室内还设有套设于电机轴11上的第二位置传感器14，第二位置传感器14位于后径向磁悬浮轴承13的靠近电机轴11的末端的一侧。

进一步地，第二轴承室内还设有套设于电机轴11上的推力盘16，推力盘16位于第二位置传感器14的靠近电机轴11的末端的一侧。上述推力盘16设置于电机轴11的后端。

进一步地，第二轴承室内还设有轴向磁悬浮轴承15，轴向磁悬浮轴承15沿电机轴11的径向方向设置于推力盘16外侧以在推力盘16的两侧形成电磁力确保电机轴11在轴向不进行窜动。可以理解地，后径向磁悬浮轴承13与轴向磁悬浮轴承15之间设置第二位置传感器14。

上述轴向磁悬浮轴承15的作用包括：控制转子轴向位移量，承受转子轴向力。可参考地，上述轴向磁悬浮轴承15也可以为五轴自由度主动磁悬浮轴承。

承上，由于氢气分子量小，要使其压缩到要求压力非常困难，必须要将转速提高到15万转，现有的普通高转速普通轴承无法实现，本申请通过磁悬浮式轴承的设置可有效避免上述问题。而且，由于氢气循环泵的整个系统内部需要严格实现无油条件，润滑油进入系统内部会污染电堆，本申请通过磁悬浮式轴承的设置同样可有效避免上述问题。

具体的，磁悬浮轴承技术可解决滚动无法实现高转速问题，也可克服气动轴承启动时发生磨损从而导致启动次数受限的问题。同时由于磁悬浮无接触运行不需要油润滑，可以实现完全无油。此种磁悬浮轴承通过自主算法控制，可以实现循环泵运行前自动浮起转子，实现全程(包括启动段)都可实现非接触式超高转速运行。同时运行过程再循环泵承受外部冲击时，可以自主感应转子位置实现主动控制。因此本申请所使用的磁悬浮技术轴承可克服以往高速循环泵所有技术问题，可利用电磁力实现转子悬浮无接触、无摩擦、无需润滑、寿命长，适用于高速转子系统。

进一步地，本申请中，泵壳1的外表面还设有加热片20，例如可以为PTC加热片，从而可解决氢气泵目前的低温破冰启动问题，使氢气泵实现低温启动。

此外，本申请中，电机轴11的外表面、电机内部磁钢和转子系统均可进行镀层处理，使上述结构表面与氢气和水蒸气相容，防止上述结构在与水蒸气接触之后发生锈蚀。值得说明的是，上述镀层处理可以参照现有技术镀上可以有效防止电机轴11与水蒸气接触后发生锈蚀的涂层。

承上，由于氢气带有饱和水蒸气，氢气泵整体材料体系需要满足氢气的相容性还可以防锈，同时由于停机后水蒸气低温会结冰，还需解决低温启动问题，本申请通过PTC加热片的设置结合电机轴11外表面的镀层处理可有效避免上述问题。

进一步地，电连接器壳体21的外表面还可设有低压连接器18和高压连接器19。

此外，本申请提供一种氢燃料电池系统，其包括上述氢气循环泵。含有上述氢气循环泵的氢燃料电池系统可实现氢气的再循环，通过氢气的循环将电堆内部生成的水带出，通过汽水分离后，经过氢气泵增压后返回电堆阳极重复使用。

值得说明的是，本申请中关于氢气循环泵和氢燃料电池系统的其它内容和原理可参照现有技术，在此均不做过多赘述。

综上，本申请提供的技术方案至少具有以下优势：

第一，通过采用磁悬浮轴承技术，解决了滚动无法实现高转速的问题，也可克服了气动轴承启动时发生磨损从而导致启动次数受限的问题。同时由于磁悬浮无接触运行不需要油润滑，可以实现完全无油。此种磁悬浮轴承通过自主算法控制，可以实现循环泵运行前自动浮起转子，实现全程(包括启动段)都可实现非接触式超高转速运行。同时运行过程再循环泵承受外部冲击时，可以自主感应转子位置实现主动控制。因此此种磁悬浮技术轴承克服以往高速循环泵所有技术问题，为高速离心氢气循环泵最优的解决方案。

第二，通过采用电机和循环泵一体式密封技术，取消了传统动密封结构，可以做到氢气与外部完全隔离，理论上做到零泄漏，彻底解决了因高速循转造成动密封磨损从而造成氢气泄漏问题。

第三，采用表面镀层技术对电机内部磁钢和转子系统进行特殊处理，实现与氢气和水蒸气相容。同时采用PTC加热技术实现氢气泵的低温破冰启动问题，氢气泵实现低温启动。

也即本申请提供的氢气循环泵结构简单，能够真正实现无油、高转速运行、适用于体积小、压比高的氢气压缩，并且，其具有无泄漏、良好的相容性以及实现低温启动等优点。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。