压缩机壳体、压缩机壳体组件及具有其的燃料电池系统的制作方法

本发明涉及一种压缩机壳体，该压缩机壳体具有被配置成增加燃料电池系统中的压缩气体的湿度的加湿装置，涉及一种包括该加湿装置的压缩机壳体组件，以及一种压缩和加湿燃料电池系统内的气体的方法。

背景技术：

1、多年来，内燃机一直被用于产生用于驱动机械和车辆的动力。由这种内燃机产生的污染物已被发现对环境具有有害影响，特别是已知是导致气候变化的气候现象的原因。几十年来，许多研究和开发都集中在减少内燃机的污染物，以将其环境影响降至最低。虽然在这方面已经取得了相当大的进展来减少污染物的产生，但不幸的是，不可能完全消除燃烧过程中污染物的产生。因此，人们普遍认为，有必要开发不产生此类污染物的替代能源。

2、燃料电池是内燃机的替代能源。燃料电池通过将燃料与氧化剂结合来产生电。由这种燃料电池产生的电可以用于任何电气目的，例如为家庭和电子设备供电，以及通过使用电动机为机械和车辆供电。典型地，在这种燃料电池中使用的燃料是氢气(h2)，然而可以使用烷烃如甲烷(ch4)或醇如甲醇(ch3oh)代替。同样，氧气(o2)通常用作氧化剂，然而，任何含氧气体混合物，例如大气空气(氮气n2和氧气o2的混合物)都可以用作替代物。

3、质子交换膜(pem)燃料电池，也称为聚合物电解质膜燃料电池，是一种常用于车辆推进的燃料电池。pem燃料电池包括由以多层结构的聚合物电解质膜分隔的阳极和阴极。阳极和阴极通过电负载彼此连接。在使用期间，氢气(燃料)被输送到电池的阳极侧，而大气空气(氧化剂)被输送至电池的阴极侧。阳极设置有铂催化剂，该催化剂通过“剥离”氢的单个电子来还原氢，从而使其带正电。在催化剂处形成的氢离子和电子能够与阴极所暴露的空气中的氧成分发生反应，从而通过其电荷被吸引到氧。为了到达氧，氢离子通过渗透穿过聚合物电解质膜而采用从电池的阳极侧到阴极侧的直接路径。然而，聚合物电解质膜被构造为排除电子通过其中。由于电子无法穿过膜，因此电子经由附带的电负载从阳极到阴极，从而产生可以出于有用的目而被提取的电力。一旦氢离子和电子到达阴极，它们就会与阴极所暴露的空气中的氧成分发生反应，从而生成水(h2o)。

4、氢离子通过膜的传输效率受到许多因素的影响，包括膜的材料、膜的厚度和膜表面处的水的活性。已经发现，为了优化效率，应控制提供给电池的阴极侧的空气的湿度。如果膜太干，则氢离子传输的内部阻力会增加(称为膜“干燥”)。如果膜太湿，则表面水可能会堵塞膜，阻止氢离子通过(称为膜“溢流”)。最佳性能所需的湿度取决于膜本身的材料和物理性质，然而，最佳性能通常发生在20％至70％的相对湿度范围内。根据地理位置的不同，大气空气通常是潮湿的，因此使用大气空气作为氧化剂(而不是纯氧)可以减轻膜“干燥”。

5、在上述类型的pem燃料电池中，通常从高压储罐供应氢气，因此在输送到电池的阳极侧之前不需要进一步压缩氢气。然而，供应到电池的阴极侧的大气空气的压力可以通过使用压缩机来增加。通过增加进气的压力，可以增加阴极室内的氧气的质量。随着阴极处有更多的氧气可用，可以支持阴极侧的更多化合反应，导致电池两端的电势更高，并产生更多的功率。

6、气体的饱和压力代表气体的液体保持能力，并且通常随着温度的增加而增加。当进气被压缩时，进气的温度升高，因此压缩进气中的水蒸气的饱和压力也升高。然而，压缩进气中的水蒸汽的饱和压力以比由压缩机引起的蒸汽压力的相应增加更快的速度增加。因为压缩空气的持水能力增加了，但悬浮在空气中的水蒸气的质量保持不变，这导致压缩进气的相对湿度降低。如果没有进一步的控制，相对湿度的降低可能会导致燃料电池暴露在所谓的膜“干燥”条件下。

7、为了减轻压缩燃料电池系统中的膜“干燥”，已知通过热交换器处理压缩空气以降低其温度。降低压缩进气的温度会降低其饱和压力，从而增加相对湿度。然而，将压缩进气的温度降低到足以使相对湿度落在最佳工作范围内的程度所需的热交换通常很大。如此大的热交换需要大的热交换器，这对于车辆使用通常是不切实际的。因此，车辆中的许多燃料电池系统设置有热交换器，该热交换器不能将压缩进气的温度降低到足以使相对湿度落在最佳工作范围内的程度。

8、为了进一步减轻这一问题，已知的是为这种燃料电池系统提供位于热交换器下游的加湿器。这种加湿器典型地包括透水管阵列，干燥压缩空气通过该阵列被引导。包括已经在燃料电池的阴极室中产生的高浓度水蒸气的潮湿空气围绕管的外层通过。水蒸气通过管壁扩散，从而对压缩进气加湿。因此，可以控制压缩进气的湿度，以优化燃料电池的性能。

9、虽然这样的加湿器是用于控制湿度以优化燃料电池性能的有效解决方案，但在这样的加湿器中使用的可渗透管需要相对大的表面面积，以便有效地使水扩散通过。因此，这种加湿器在结构上通常是大而笨重的。这使得在空间受限的应用中(例如在车辆中)使用这种加湿器是不可取的。

技术实现思路

1、本发明的目的是为消除了对大型和笨重的现有技术加湿器的需要的燃料电池系统提供加湿。本发明的另一个目的是消除或减轻与现有技术相关的一个或多个问题，无论是在本文还是在其他地方标识出的问题。本发明的最终目的是提供一种用于燃料电池系统的替代的加湿装置。

2、根据本发明的第一方面，提供了一种用于燃料电池系统的压缩机的压缩机壳体，该压缩机壳体包括：

3、入口部分，该入口部分限定压缩机入口，该压缩机入口被构造为接纳进气，

4、叶轮室部分，该叶轮室部分至少部分地限定与压缩机入口流体连通的叶轮室；和

5、出口部分，该出口部分至少部分地限定与叶轮室流体连通的压缩机出口；

6、其中，出口部分至少部分地限定加湿装置，该加湿装置被构造为将加湿液体输送到压缩机出口。

7、因为压缩机壳体至少部分地限定了加湿装置，所以加湿装置部分地或全部地集成到压缩机壳体中。因此，在其中使用壳体的压缩机可操作以提供加湿。这可以避免在燃料电池系统的其他地方需要单独的二次加湿器，从而节省成本和空间。或者，如果需要二次加湿器，则压缩机壳体的加湿装置将减少二次加湿器的加湿要求，从而使其能够减小尺寸，并且从而导致成本和空间节省。

8、此外，由于加湿装置至少部分地由压缩机壳体的出口部分限定，这确保了在进气的压力和速度最高的地方进行加湿。通过在出口部分的高压力和高速度条件下执行加湿，这有助于确保加湿液体(可以是水或其他物质)在压缩进气中的良好携带。此外，这可以有助于在整个进气中更均匀地分配加湿液体，并因此促进增强的流动均匀性。

9、将加湿装置定位在压缩机壳体的出口部分中还确保加湿发生在压缩机室的下游。因此，这减少了潮湿空气从压缩机室泄漏到轴承座的可能性，轴承座包含支撑压缩机以进行旋转的轴承。湿气进入到轴承座中可能会导致轴承部件氧化(即形成锈蚀)，或者如果湿度过大，则会导致轴座浸水。然而，当加湿发生在压缩机室的下游时，几乎完全避免了这种风险。

10、最后，加湿液体的温度通常是环境温度，因此低于由于压缩而显著增加的压缩进气的温度。通过在压缩机出口中加湿进气，进气的温度降低，导致进气的饱和压力相应降低，相对湿度升高。因此，压缩机壳体对提供给燃料电池的进气的湿度提供了改进的控制。

11、在这种情况下，“压缩机壳体”包括至少部分限定了压缩机的几何结构的主体的组件。

12、“入口部分”包括限定压缩机入口的压缩机壳体的部分。压缩机入口可以接纳来自例如包括颗粒过滤器等的进气系统的进气。

13、“叶轮部分”包括压缩机壳体的限定叶轮室的部分。叶轮室包括压缩机的包含叶轮(即压缩机轮)的部分，叶轮在该部分内被支撑以进行旋转。叶轮室可以由压缩机壳体的叶轮部分与压缩机的其他部件(例如压缩机背板)结合限定。

14、“出口部分”包括压缩机壳体的限定压缩机出口的部分。压缩机出口包括压缩机的接纳已被叶轮压缩的进气的部分。因此，压缩机出口可以被描述为位于叶轮室和压缩机入口的下游。压缩机出口可以由压缩机壳体的出口部分与压缩机的其他部件(例如压缩机背板)结合限定。

15、“加湿装置”包括出口部分的一部分，该部分完全或部分地限定了一种结构，该结构被构造为在使用过程中将流体引入到压缩机出口中的压缩进气中，使得流体被进气夹带并携带走。加湿装置可以完全由压缩机壳体限定，或者可以部分地由压缩机壳体与压缩机的其他部件(例如：计量模块、可移除的覆盖元件、喷嘴等)结合限定。

16、压缩机壳体的出口部分可以至少部分地限定与叶轮室连通的扩压器部分，并且扩压器部分可以至少部分地限定加湿装置。

17、“扩压器部分”包括压缩机壳体的出口部分的一个子区域。扩压器可以是压缩机的紧邻叶轮下游的一部分。在扩压器部分中，进气被扩散，使得进气的静压根据伯努利原理而增加。这样，通过扩压器部分的进气通常是高速和高压的，因此能够促进加湿液体在进气中的更好的夹带。

18、通常，扩压器将由环形通道限定，然而其他几何形状可能是合适的。扩压器可以由压缩机壳体的扩压器部分与压缩机的其他部件(例如压缩机背板)结合限定。压缩机壳体可以由主体的组件形成，其中至少一个主体限定了扩压器部分。加湿装置可以完全由压缩机壳体的扩压器部分限定。

19、加湿装置可以包括限定在压缩机壳体的扩压器部分和覆盖元件之间的歧管。在替代实施例中，覆盖元件可以与压缩机壳体一体形成，从而封闭通道。这样的实施例可以例如通过增材制造而成为可能。

20、压缩机壳体可以包括周向延伸的凹槽，该凹槽具有被构造为接纳覆盖元件的阶梯部分。

21、在这个意义上，术语“周向延伸”包括围绕轴线的整个周向延伸的凹槽，然而，与轴线的径向间距可改变。在一个实施例中，凹槽可以是环形凹槽。

22、加湿装置可以包括与歧管流体连通的入口，并且该入口被构造为从外部源接纳加湿液体。

23、压缩机壳体可以限定压缩机轴线，并且歧管可以在外周环绕压缩机轴线。

24、歧管可以由以压缩机轴线为中心的环形凹槽限定。

25、根据本发明的第二方面，提供了一种压缩机壳体组件，包括：

26、根据本发明的第一方面的压缩机壳体；和

27、覆盖元件，该覆盖元件被构造为接纳在通道内；

28、其中，所述覆盖元件包括加湿孔，该加湿孔被构造为允许从通道到扩压器的流体连通。

29、覆盖元件可以包括环形板，该环形板被构造为接纳在环形通道内。环形板可以包括加湿孔。覆盖元件可以包括多个加湿孔。多个加湿孔可以围绕压缩机轴线等间隔。然而，在替代实施例中，加湿端口可以围绕压缩机轴线不相等地间隔开。

30、覆盖元件可以包括扩压器叶片，该扩压器叶片在相对于压缩机轴线的轴向方向上从覆盖元件的基部部分延伸。覆盖元件可以包括多个扩压器叶片。扩压器叶片可以包括加湿孔。在进一步的实施例中，扩压器叶片可以包括多于一个的加湿孔。在覆盖元件包括多个扩压器叶片的情况下，每个扩压器叶片都可以包括一个或多个加湿孔。

31、扩压器叶片可以包括压力侧和抽吸侧，并且抽吸侧包括加湿孔。在使用过程中，叶片的抽吸侧将暴露于低压区域，该低压区域将产生压差，该压差有助于经由加湿孔将流体从加湿装置提取到压缩机中。

32、加湿孔可以位于扩压器叶片上的一点处，该点在压缩机壳体组件形成其一部分的压缩机的使用期间与最低局部压力区域连通。最低局部压力区域可以位于叶片前边缘处，因此加湿孔可以位于叶片前边缘处或靠近叶片前边缘，例如在前边缘和后边缘之间的距离的大约25％内。由于加湿孔被定位成与最低局部压力的区域连通，这有助于通过最大化加湿装置中的流体与压缩机中的流体之间的局部压差来优化通过加湿孔的流体的提取。

33、扩压器叶片可以包括压力侧和抽吸侧，压力侧可以包括加湿孔。因为压力侧包括加湿孔，所以加湿液体在具有相对高的局部压力的位置处被输送到扩压器通道。这可以改善加湿液体的雾化。可替换地，加湿孔可以定位在扩压器叶片上的一点处，该点在压缩机壳体组件形成其一部分的压缩机使用期间与最高局部压力区域连通。

34、扩压器叶片可以相对于基部部分限定近端和远端，并且加湿孔可以大致定位在近端和远端之间的中间位置。

35、扩压器叶片可以限定前边缘和后边缘，并且加湿孔可以大致位于前边缘和后边缘之间的中间位置。

36、压缩机壳体组件可以包括与入口流体连通的计量模块。

37、根据本发明的第三方面，提供了一种压缩机，其包括根据本发明的第一方面的压缩机壳体或根据本发明的第二方面的压缩机壳体组件。

38、根据本发明的第四方面，提供了一种燃料电池系统，包括：

39、燃料电池入口，该燃料电池入口被构造为接纳来自大气的进气；

40、根据本发明的第三方面的压缩机，该压缩机入口与燃料电池入口连通以接纳进气；

41、与压缩机出口连通的热交换器，该热交换器被构造为从压缩进气中提取热量；和

42、燃料电池，该燃料电池与热交换器连通以接纳压缩进气。

43、燃料电池可以是氢燃料电池，特别是质子交换膜(pem)燃料电池。燃料电池入口可以是与燃料电池的阴极(即燃料电池的氧化剂侧)流体连通的燃料电池的入口。

44、根据本发明的第五方面，提供了一种包括根据本发明的第四方面的燃料电池系统的车辆。

45、根据本发明的第六方面，提供了一种用于压缩机壳体的加湿装置的覆盖元件，该覆盖元件包括加湿孔，该加湿孔被构造成允许从加湿装置的歧管到压缩机的扩压器通道的流体连通，该压缩机壳体形成该压缩机的一部分。

46、覆盖元件可以包括环形板，该环形板被构造成接纳在加湿装置的环形凹槽内。环形板可以包括加湿孔。覆盖元件可以包括多个加湿孔。覆盖元件可以限定中心轴线，并且多个加湿孔可以围绕中心轴线等间隔。

47、覆盖元件可以包括基部部分和从基部部分沿相对于中心轴线的轴向方向延伸的扩压器叶片。扩压器叶片可以包括加湿孔。扩压器叶片可以包括压力侧和抽吸侧，并且抽吸侧可以包括加湿孔。

48、加湿孔可以定位在扩压器叶片上的一点处，该点在覆盖元件形成其一部分的压缩机的使用期间与最低局部压力区域连通。扩压器叶片可以包括压力侧和抽吸侧，该压力侧可以包括加湿孔。

49、扩压器叶片可以相对于基部部分限定近端和远端，并且加湿孔可以大致定位在近端和远端之间的中间位置。

50、扩压器叶片可以限定前边缘和后边缘，并且加湿端口可以大致定位于前边缘和后边缘之间的中间位置。

51、根据本发明的第七方面，提供了一种在燃料电池系统中压缩和加湿气体的方法，该方法包括：

52、将处于第一压力的环境压力气体接纳到压缩机的入口中；

53、使用压缩机将环境压力气体压缩至高于第一压力的第二压力以产生压缩气体；

54、经由定位于压缩机的出口内的加湿装置将加湿液体输送到压缩气体以产生加湿的压缩气体；以及

55、将加湿的压缩气体输送到燃料电池的入口。

56、压缩机可以包括根据本发明的第一方面的压缩机壳体，或根据本发明的第二方面的压缩机壳体组件。