一種用於燃料電池的空氣壓縮機的製作方法

2023-10-11 13:20:39 1

本發明屬於新能源汽車零部件的燃料電池技術領域，更具體地說，是涉及一種用於燃料電池的空氣壓縮機。

背景技術：

燃料電池是將氫和氧的化學能通過電極反應轉換成電能的裝置，這種裝置的最大特點是反應過程不涉及燃燒，能量轉換效率不受卡諾循環的限制，其能量轉換效率高達60％-80％。在燃料電池中，氫和氧分別在陽電極和陰電極發生電化學反應，從而產生電流，其中的氧可以使用純氧或從空氣中直接獲得，而使用空氣更方便、經濟。車用燃料電池要想獲得更高的功率密度和更好的性能，就必須在較高的壓力下工作，尤其是對於陰極的反應物(氧或空氣)而言，燃料電池中氧氣壓力與燃料電池系統的性能有直接關係，提高空氣的供氣壓力(即氧氣的分壓力)，可以增大燃料電池系統的能量密度，提高燃料電池的供氣壓力，還可以減小系統尺寸，提高電池堆效率和改善水平衡。因此，空氣供應系統(空氣供應裝置)是燃料電池一個重要組成部分，作為空氣供應系統核心部件的空氣壓縮機，在燃料電池中起著重要作用，是燃料電池的關鍵部件之一。特別是對於目前應用最為廣泛的質子交換膜燃料電池(PEMFC)，還要求供氣系統供給燃料電池堆的壓縮空氣絕對乾淨。總而言之，燃料電池的空氣壓縮機必須滿足無油、小型、高壓、低噪、耗功少、耐久性的要求。中國專利號為CN201310351343的專利文獻公開了一種燃料電池系統的空氣供應及能量回收裝置，然而該專利沒有說明如何保證壓縮空氣絕對乾淨的問題。此外，專利所述的離心式壓縮機必須在每分鐘十萬轉以上的高速下才能保持高效運行，滿足這種驅動功率和轉速要求的電機的耐久性是值得考驗的。綜上所述，現有技術中的空氣壓縮機無法滿足燃料電池的控制供應裝置的工作需求，影響燃料電池整體性能。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是：針對現有技術的不足，提供一種結構簡單，成本低，有效提高用於燃料電池的空氣壓縮機的耐久性和可靠性，從而提高空氣供應系統整體性能、降低空氣壓縮機振動噪音、有效減小轉子之間及轉子和轉子殼體之間間隙，降低壓縮空氣機內的洩漏，提升空氣壓縮機的容積效率和絕熱效率，同時也改善空氣壓縮機的NVH性能的用於燃料電池的空氣壓縮機。

要解決以上所述的技術問題，本發明採取的技術方案為：

本發明為一種用於燃料電池的空氣壓縮機，所述的用於燃料電池的空氣壓縮機包括轉子殼體，所述的轉子殼體內設置主動齒輪和從動齒輪，主動齒輪和從動齒輪嚙合，主動齒輪與主動軸連接，從動齒輪與從動軸連接，主動軸同時與輸入軸連接，主動軸上設置主動轉子，從動軸上設置從動轉子，轉子殼體上還設置進氣口，進氣口靠近主動轉子和從動轉子位置，輸入軸與電機連接，電機與控制部件連接。

所述的用於燃料電池的空氣壓縮機還包括前蓋板，所述的輸入軸通過軸承VⅠ和軸承Ⅰ與前蓋板連接，主動軸與主動齒輪固定連接，主動軸一端穿過主動齒輪與輸入軸連接，主動軸另一端通過軸承Ⅱ與轉子殼體後端連接，從動軸一端與從動齒輪固定連接，從動軸另一端通過軸承Ⅲ與轉子殼體連接。

所述的前蓋板和主動齒輪、從動齒輪一側形成油腔，主動齒輪和從動齒輪另一側設置軸承板，軸承板與轉子殼體連接，軸承板上設置軸承Ⅳ、軸承Ⅴ、油封Ⅰ、油封Ⅱ，主動軸通過軸承Ⅳ和油封Ⅰ與軸承板連接，從動軸通過軸承Ⅴ和油封Ⅱ與軸承板連接。

所述的輸入軸與主動軸通過彈性聯軸器連接，所述的軸承VⅠ是雙列角接觸球軸承，軸承Ⅰ是球軸承，軸承VⅠ和軸承Ⅰ之間的間隙部位設置油封Ⅲ。

所述的用於燃料電池的空氣壓縮機包括多個油封，多個油封分別是油封Ⅰ、油封Ⅱ、油封Ⅲ，每個油封包括金屬內骨架、金屬外骨架、防塵唇，金屬內骨架和金屬外骨架通過主防油唇連接，金屬外骨架外側設置油封外緣，防塵唇與金屬外骨架連接，防塵唇上設置副唇口，副唇口上設置回油紋，主防油唇上設置聚四氟乙烯耐溫耐油層。

所述的主動轉子外層設置主動轉子塗層，從動轉子外層設置從動轉子塗層，主動轉子塗層設置為經過噴塗工藝噴塗在主動轉子表面的結構，從動轉子塗層設置為經過噴塗工藝噴塗在從動轉子表面的結構，主動轉子上設置多個扇葉，從動轉子上設置多個扇葉。

噴塗在主動轉子表面的主動轉子塗層設置為經過加溫固化在主動轉子表面的結構，噴塗在從動轉子表面的從動轉子塗層設置為經過加溫固化在從動轉子表面的結構，主動轉子塗層內部設置氣孔，從動轉子塗層內部設置氣孔。塗層(主動轉子塗層和從動轉子塗層)是由納米級耐磨顆粒、聚四氟乙烯(PTFE)固體潤滑劑、發泡劑、聚乙烯這些脂類材料混合而成的混合物。

所述的軸承Ⅳ為雙列角接觸球軸承，軸承Ⅴ為雙列角接觸球軸承，軸承VI、軸承Ⅳ和軸承Ⅴ內分別設置潤滑脂，軸承Ⅱ為滾針軸承，軸承Ⅲ16為滾針軸承，軸承Ⅱ和軸承Ⅲ內分別設置潤滑脂，所述的軸承板和轉子殼體之間設置密封膠。

採用本發明的技術方案，能得到以下的有益效果：

本發明為所述的用於燃料電池的空氣壓縮機，當需要對空氣進行處理時，通過控制部件帶動電機啟停及轉速變化，從而帶動輸入軸轉動，輸入軸帶動主動軸轉動，主動軸帶動主動齒輪轉動，主動齒輪與從動齒輪嚙合，在帶動從動齒輪轉動，從動齒輪轉動帶動從動軸轉動，這樣，主動軸上的主動轉子和從動軸上的從動轉子轉動，對從進氣口進入的空氣進行壓縮。上述結構，通過主動轉子和從動轉子轉動壓縮空氣，為燃料電池系統提供所需流量和壓比的空氣。燃料電池中氧氣壓力與燃料電池系統的性能有直接關係，本發明的用於燃料電池的空氣壓縮機，採用螺杆式空氣壓縮機或羅茨式空氣壓縮機，通過主動轉子和從動轉子的旋轉，對進氣口進入的空氣進行壓縮，然後再輸出到燃料電池系統，為燃料電池系統提供所需流量和壓比的空氣，上述結構，能夠提高空氣的供氣壓力(即氧氣分壓力)，增大燃料電池系統的能量密度，提高燃料電池的供氣壓力，最終提高空氣壓縮機工作效率，上述結構，部件之間連接可靠，動力傳遞可靠，能夠提高空氣壓縮機的可靠性和耐久性。本發明所述的用於燃料電池的空氣壓縮機，結構簡單，有效提高用於燃料電池的空氣壓縮機的耐久性和可靠性，從而提高空氣供應系統整體性能、降低空氣壓縮機振動噪音、有效減小轉子之間及轉子和轉子殼體之間間隙，降低壓縮空氣機內的洩漏，提升空氣壓縮機的容積效率和絕熱效率，同時也改善空氣壓縮機的NVH性能。

附圖說明

下面對本說明書各附圖所表達的內容及圖中的標記作出簡要的說明：

圖1為本發明所述的用於燃料電池的空氣壓縮機的主視結構示意圖；

圖2為圖1所述的用於燃料電池的空氣壓縮機的側視結構示意圖；

圖3為圖1所述的用於燃料電池的空氣壓縮機的油封的結構示意圖；

附圖中標記分別為：1、轉子殼體；2、主動齒輪；3、從動齒輪；4、主動軸；5、從動軸；6、輸入軸；7、主動轉子；8、從動轉子；9、進氣口；10、電機；11、控制部件；12、前蓋板；13、軸承VI；14、軸承Ⅰ；15、軸承Ⅱ；16、軸承Ⅲ；17、油腔；18、軸承板；19、軸承Ⅳ；20、軸承Ⅴ；21、油封Ⅰ；22、油封Ⅱ；23、彈性聯軸器；24、油封Ⅲ；25、金屬內骨架；26、金屬外骨架；27、防塵唇；28、主防油唇；29、油封外緣；30、副唇口；31、回油紋；32、主動轉子塗層；33、從動轉子塗層。

具體實施方式

下面對照附圖，通過對實施例的描述，對本發明的具體實施方式如所涉及的各構件的形狀、構造、各部分之間的相互位置及連接關係、各部分的作用及工作原理等作進一步的詳細說明：

如附圖1所示，本發明為一種用於燃料電池的空氣壓縮機，所述的用於燃料電池的空氣壓縮機包括轉子殼體1，所述的轉子殼體1內設置主動齒輪2和從動齒輪3，主動齒輪2和從動齒輪3嚙合，主動齒輪2與主動軸4連接，從動齒輪3與從動軸5連接，主動軸4同時與輸入軸6連接，主動軸4上設置主動轉子7，從動軸5上設置從動轉子8，轉子殼體1上還設置進氣口9，進氣口9靠近主動轉子7和從動轉子8位置，輸入軸6與電機10連接，電機10與控制部件11連接。本發明所述的用於燃料電池的空氣壓縮機，當需要對空氣進行處理時，通過控制部件帶動電機啟停及轉速變化，從而帶動輸入軸轉動，輸入軸帶動主動軸轉動，主動軸帶動主動齒輪轉動，主動齒輪與從動齒輪嚙合，在帶動從動齒輪轉動，從動齒輪轉動帶動從動軸轉動，這樣，主動軸上的主動轉子和從動軸上的從動轉子轉動，對從進氣口進入的空氣進行壓縮。上述結構，通過主動轉子和從動轉子轉動壓縮空氣，為燃料電池系統提供所需流量和壓比的空氣。燃料電池中氧氣壓力與燃料電池系統的性能有直接關係，本發明的用於燃料電池的空氣壓縮機，採用螺杆式空氣壓縮機或羅茨式空氣壓縮機，通過主動轉子和從動轉子的旋轉，對進氣口進入的空氣進行壓縮，然後再輸出到燃料電池系統，為燃料電池系統提供所需流量和壓比的空氣，上述結構，能夠提高空氣的供氣壓力(即氧氣分壓力)，增大燃料電池系統的能量密度，提高燃料電池的供氣壓力，最終提高空氣壓縮機工作效率，上述結構，部件之間連接可靠，動力傳遞可靠，能夠提高空氣壓縮機的可靠性和耐久性。本發明所述的用於燃料電池的空氣壓縮機，結構簡單，有效提高用於燃料電池的空氣壓縮機的耐久性和可靠性，從而提高空氣供應系統整體性能、降低空氣壓縮機振動噪音、有效減小轉子之間及轉子和轉子殼體之間間隙，降低壓縮空氣機內的洩漏，提升空氣壓縮機的容積效率和絕熱效率，同時也改善空氣壓縮機的NVH性能。

所述的用於燃料電池的空氣壓縮機還包括前蓋板12和轉子殼體1，所述的輸入軸6通過軸承VⅠ13和軸承Ⅰ14與前蓋板12連接，主動軸4與主動齒輪2固定連接，主動軸4一端穿過主動齒輪2與輸入軸6連接，主動軸2另一端通過軸承Ⅱ15與轉子殼體1後端連接，從動軸5一端與從動齒輪3固定連接，從動軸5另一端通過軸承Ⅲ16與轉子殼體1後端連接。上述結構，轉子殼體與前蓋板及轉子殼體形成安裝腔體，輸入軸6通過軸承VⅠ13和軸承Ⅰ14與前蓋板12連接，實現輸入軸的可靠定位和動力傳遞，性能可靠。主動軸一端與輸入軸連接，實現動力源傳遞，主動軸2另一端通過軸承Ⅱ15與轉子殼體1活動連接，實現主動軸的可靠支撐，從動軸一端與從動齒輪固定連接，通過從動齒輪轉動帶動從動軸轉動，從動軸5另一端通過軸承Ⅲ16與轉子殼體1活動連接，實現從動軸的可靠支撐，有效完成動力傳遞。主動軸和從動軸支撐可靠，主動轉子和從動轉子轉動性能可靠，提高空氣壓縮機效率。

所述的前蓋板12和主動齒輪2、從動齒輪3一側形成油腔17，主動齒輪2和從動齒輪3另一側設置軸承板18，軸承板18與轉子殼體1連接，軸承板18上設置軸承Ⅳ19、軸承Ⅴ20、油封Ⅰ21、油封Ⅱ22，主動軸4通過軸承Ⅳ19和油封Ⅰ21與軸承板18連接，從動軸5通過軸承Ⅴ20和油封Ⅱ22與軸承板18連接。為有效保證油腔的密封效果，在位於油腔內側的前蓋板上設置油封Ⅲ24，在軸承板上設置軸承Ⅳ19、軸承Ⅴ20，軸承Ⅳ19靠近油腔一側設置油封Ⅰ21、軸承Ⅴ20靠近油腔一側設置油封Ⅱ22，軸承VI13、軸承Ⅳ19和軸承Ⅴ20內各自設置有潤滑脂，不需要額外的潤滑油進行潤滑，而軸承VI13、軸承Ⅳ19和軸承Ⅴ20上分別設置有密封圈，密封圈不僅防止軸承內部的潤滑脂洩漏，也對油腔內可能洩漏的微量潤滑油起到進一步密封作用，保證轉子側的壓縮空氣不含潤滑油，保證空氣乾淨。

所述的輸入軸6與主動軸4通過彈性聯軸器23連接，電機通過輸入軸、主動軸實現動力傳遞，帶動轉子殼體內的主動齒輪轉動，主動齒輪帶動從動齒輪轉動，電機轉動時的速度和扭矩的脈動，以及低負載時正時齒輪反跳，通常會產生齒輪咔嗒聲等機械振動噪聲。為了減振和隔振，輸入軸6與主動軸4之間通過彈性聯軸器23連接，這樣，有效降低空氣壓縮所及工作時的振動和噪音。

軸承VⅠ13是雙列角接觸球軸承，軸承Ⅰ14是球軸承，軸承VⅠ13和軸承Ⅰ14之間的間隙部位設置油封Ⅲ24。油封Ⅲ24的設置，有效保證油腔的密封效果，油腔內的潤滑油不會從前蓋板一側漏出，確保空氣壓縮機的油腔密封性能。

所述的用於燃料電池的空氣壓縮機包括多個油封，多個油封分別是油封Ⅰ19、油封Ⅱ21、油封Ⅲ24，每個油封包括金屬內骨架25、金屬外骨架26、防塵唇27，金屬內骨架25和金屬外骨架26通過主防油唇28連接，金屬外骨架26外側設置油封外緣29，防塵唇27與金屬外骨架26連接，防塵唇27上設置副唇口30，副唇口30上設置回油紋31，主防油唇28上設置聚四氟乙烯耐溫耐油層34。上述結構，位於油腔內的相互嚙合的主動齒輪和從動齒輪轉動時，油腔內的潤滑油通過飛濺潤滑位於油腔內的主動齒輪、從動齒輪和軸承VⅠ13和軸承Ⅰ14、軸承Ⅳ19、軸承Ⅴ20，確保各個軸承性能可靠，降低磨損，提高使用壽命。本發明中的油封Ⅰ19、油封Ⅱ21、油封Ⅲ24結構相同，每個油封均由相同的部件組成，油封Ⅰ19、油封Ⅱ21、油封Ⅲ24均為組合式的骨架油封，油封外緣包裹金屬外骨架，油封外緣為氟橡膠材料製成的結構，油封外緣壓裝在安裝孔內，氟橡膠材料的油封外緣的彈性可以很好的彌補安裝孔的熱膨脹，防止外徑漏油。主防油唇上的聚四氟乙烯耐溫耐油層耐溫耐油，摩擦係數小，可以承受很高的與軸接觸的線速度。副唇口表面的回油紋的螺紋旋向與旋轉軸的旋轉方向相關，回油紋的旋向和旋轉軸的旋轉共同產生一個向油腔側的泵吸作用，這樣可以充分減小潤滑油經過軸邊界的洩漏，保證密封效果。防塵唇用於防止油腔外側環境中的灰塵和雜質進入主防油唇和副唇口(副防油唇口)，對防油唇具有保護作用。

所述的主動轉子7外層設置主動轉子塗層32，從動轉子8外層設置從動轉子塗層33，主動轉子塗層32設置為經過噴塗工藝噴塗在主動轉子7表面的結構，從動轉子塗層33設置為經過噴塗工藝噴塗在從動轉子8表面的結構，主動轉子7上設置多個扇葉，從動轉子上設置多個扇葉。上述結構，由於空氣壓縮機內部運動部件的熱膨脹、載荷導致的彎曲變形以及製造公差等原因，在設計製造主動轉子和從動轉子時必須預留運行間隙，以避免實際運轉時主動轉子和從動轉子之間及轉子和轉子殼體之間相互接觸。運行間隙引起的洩漏降低了空氣壓縮機的容積效率。為減少內部洩漏、提高容積效率，本發明在主動轉子7外層設置主動轉子塗層32，從動轉子8外層設置從動轉子塗層33，主動轉子塗層和從動轉子塗層均具有硬度適中、附著力強、耐水、耐溫、耐溫等特點。空氣壓縮機運行時，主動轉子表面的主動轉子塗層32和從動轉子表面的從動轉子塗層33之間根據主動轉子和從動轉子之間的間隙及主動轉子、從動轉子和轉子殼體之間間隙大小實時壓縮，保證轉子之間及轉子和轉子殼體間間隙為零。這樣，在空氣壓縮機運轉時，能夠有效減少空氣壓縮機內部洩漏、提高容積效率。

噴塗在主動轉子7表面的主動轉子塗層32設置為經過加溫固化在主動轉子7表面的結構，噴塗在從動轉子8表面的從動轉子塗層33設置為經過加溫固化在從動轉子8表面的結構，主動轉子塗層32內部設置氣孔，從動轉子塗層33內部設置氣孔。塗層是由納米級耐磨顆粒、聚四氟乙烯(PTFE)固體潤滑劑、發泡劑、聚乙烯這些脂類材料混合而成的混合物。主動轉子塗層32經過特殊的噴塗工藝均勻的噴塗在主動轉子的外表面，從動轉子塗層33經過特殊的噴塗工藝均勻的噴塗在從動轉子的外表面，主動轉子塗層和從動轉子塗層經過高溫固化方式，牢牢附著在主轉子表面，塗層內部含有微小的氣孔，使得主動轉子塗層和從動轉子塗層均具有可壓縮性。塗層還對轉子提供防腐蝕的保護功能。

所述的軸承Ⅳ19為雙列角接觸球軸承，軸承Ⅴ20為雙列角接觸球軸承，軸承VI13、軸承Ⅳ19和軸承Ⅴ20內分別設置潤滑脂，所述的軸承Ⅱ15為滾針軸承，軸承Ⅲ16為滾針軸承，軸承Ⅱ15和軸承Ⅲ16內分別設置潤滑脂，所述的軸承板18和轉子殼體1之間設置密封膠。密封膠提高了與空氣壓縮機內部的密封性能。軸承的設置，保證了油腔中的潤滑油不會洩漏，確保密封。

本發明為所述的用於燃料電池的空氣壓縮機，當需要對空氣進行處理時，通過控制部件帶動電機啟停及轉速變化，從而帶動輸入軸轉動，輸入軸帶動主動軸轉動，主動軸帶動主動齒輪轉動，主動齒輪與從動齒輪嚙合，在帶動從動齒輪轉動，從動齒輪轉動帶動從動軸轉動，這樣，主動軸上的主動轉子和從動軸上的從動轉子轉動，對從進氣口進入的空氣進行壓縮。上述結構，通過主動轉子和從動轉子轉動壓縮空氣，為燃料電池系統提供所需流量和壓比的空氣。燃料電池中氧氣壓力與燃料電池系統的性能有直接關係，本發明的用於燃料電池的空氣壓縮機，採用螺杆式空氣壓縮機或羅茨式空氣壓縮機，通過主動轉子和從動轉子的旋轉，對進氣口進入的空氣進行壓縮，然後再輸出到燃料電池系統，為燃料電池系統提供所需流量和壓比的空氣，上述結構，能夠提高空氣的供氣壓力(即氧氣分壓力)，增大燃料電池系統的能量密度，提高燃料電池的供氣壓力，最終提高空氣壓縮機工作效率，上述結構，部件之間連接可靠，動力傳遞可靠，能夠提高空氣壓縮機的可靠性和耐久性。本發明所述的用於燃料電池的空氣壓縮機，結構簡單，有效提高用於燃料電池的空氣壓縮機的耐久性和可靠性，從而提高空氣供應系統整體性能、降低空氣壓縮機振動噪音、有效減小轉子之間及轉子和轉子殼體之間間隙，降低壓縮空氣機內的洩漏，提升空氣壓縮機的容積效率和絕熱效率，同時也改善空氣壓縮機的NVH性能。

上面結合附圖對本發明進行了示例性的描述，顯然本發明具體的實現並不受上述方式的限制，只要採用了本發明的方法構思和技術方案進行的各種改進，或未經改進將本發明的構思和技術方案直接應用於其他場合的，均在本發明的保護範圍內。