0755-27391692
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隨著能源匱乏和環(huán)境破壞問題的日益凸顯，燃料電池技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注。
空氣壓縮機(jī)是車用燃料電池陰極供氣系統(tǒng)的重要部件，通過對(duì)進(jìn)堆空氣進(jìn)行增壓，可以提高燃料電池的功率密度和效率，減小燃料電池系統(tǒng)的尺寸。但空氣壓縮機(jī)的寄生功耗很大，約占燃料電池輔助功耗的80%，其性能直接影響燃料電池系統(tǒng)的效率、緊湊性和水平衡特性。因此，各國的燃料電池項(xiàng)目對(duì)空氣壓縮機(jī)的研究都非常重視。
一、燃料電池用空氣壓縮機(jī)
典型的燃料電池空氣供應(yīng)系統(tǒng)由空氣過濾器、空氣壓縮機(jī)、電機(jī)、中冷器、增濕器和膨脹機(jī)等組成。其中，空氣壓縮機(jī)由電機(jī)和膨脹機(jī)共同驅(qū)動(dòng)。
根據(jù)電堆的輸出功率，為燃料電池提供所需壓力和流量的干凈空氣。在空氣供應(yīng)系統(tǒng)中，空氣的壓力和流量對(duì)燃料電池系統(tǒng)的性能(能量密度、系統(tǒng)效率、水平衡和熱損失)，成本和電堆的尺寸等有很大的影響。
高壓燃料電池系統(tǒng)不僅能提高電堆的效率和功率密度，同時(shí)還能夠改善系統(tǒng)的水平衡，如圖1所示。
為實(shí)現(xiàn)較高的能量轉(zhuǎn)換效率，燃料電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)對(duì)空氣的溫度、濕度、壓力和流量等參數(shù)有著嚴(yán)格的要求。但目前廣泛應(yīng)用的工業(yè)壓縮機(jī)無法滿足燃料電池對(duì)空氣的要求。因此設(shè)計(jì)一個(gè)性能優(yōu)越并能很好地與燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行匹配的壓縮機(jī)，對(duì)于燃料電池的發(fā)展至關(guān)重要。
適用于燃料電池的空氣壓縮機(jī)需要滿足以下要求：
(1)無油。潤滑油會(huì)使電堆發(fā)生中毒，因此空氣壓縮機(jī)需要采用水潤滑軸承或空氣軸承;
(2)高效?？諝鈮嚎s機(jī)的寄生功率巨大，其效率直接影響著燃料電池系統(tǒng)的性能;
(3)小型化和低成本。燃料電池受其功率密度和成本的限制，小型化和低成本有助于燃料電池汽車的產(chǎn)業(yè)化;
(4)低噪聲?？諝鈮嚎s機(jī)是燃料電池系統(tǒng)最大的噪聲源之一，空氣壓縮機(jī)的噪聲必須被控制;
(5)喘振線在小流量區(qū)?？梢詫?shí)現(xiàn)燃料電池在小流量高壓比工況下高效地運(yùn)行;
(6)良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。當(dāng)需求功率發(fā)生變化時(shí)，空氣流量和壓力需無延遲地進(jìn)行調(diào)整，以跟蹤輸出功率的變化。
二、空氣壓縮機(jī)的研究現(xiàn)狀
空氣壓縮機(jī)是燃料電池系統(tǒng)空氣供應(yīng)系統(tǒng)的重要部件，針對(duì)不同的燃料電池系統(tǒng)的性能需求，往往需要不同的空氣壓縮機(jī)與其匹配，常用的空氣壓縮機(jī)類型有滑片式、螺桿式、離心式、渦旋式和羅茨式空氣壓縮機(jī)等。
2.1 渦旋式空氣壓縮機(jī)
無油潤滑雙渦圈渦旋式空氣壓縮機(jī)是適合用于燃料電池的空氣壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)形式，具有效率高、噪聲低、結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、可靠性高等特點(diǎn)。
目前已被日本豐田(Toyota)、美國 UTC 等多家公司應(yīng)用于燃料電池上。美國DOE和Author D.Little公司合作完成兩代渦旋式空氣壓縮機(jī)
/ 膨脹機(jī)樣機(jī)(CEM)的設(shè)計(jì)和制造。
第一代樣機(jī)被用于28kW燃料電池，能提供流量為42g/s，壓力達(dá)到2.2×105Pa的壓縮空氣。
第二代樣機(jī)在此基礎(chǔ)上提升了空氣壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速和排量，可以滿足50kW燃料電池的特性需求，其性能曲線如圖2所示。
Author D.Little公司所設(shè)計(jì)的渦旋式空氣壓縮機(jī)的壓比/流量特性已滿足DOE的要求，其最高壓比達(dá)到3.2。
但在流量百分比小于80%的工況下，空氣壓縮機(jī)耗功較大，是DOE目標(biāo)功耗的1.5～2倍。同時(shí)空氣壓縮機(jī)的尺寸和質(zhì)量與DOE的要求相差很大，仍需進(jìn)一步優(yōu)化。
2.2 螺桿式壓縮機(jī)
螺桿式空氣壓縮機(jī)利用螺桿之間形成的空氣槽來壓縮空氣，結(jié)構(gòu)簡單、高效、可靠、具有寬的流量范圍和良好的壓比/流量特性，是理想的燃料電池用空氣壓縮機(jī)。
美國GM、PlugPower、德國Xcellsis、加拿大Ballard等公司的燃料電池中都采用了螺桿式壓縮機(jī)。
戴姆勒公司在Mercedes-Benz
A級(jí)燃料電池汽車(68.5kW)上使用螺桿式空氣壓縮機(jī)/膨脹機(jī)，其噴水螺桿式空氣壓縮機(jī)可有效地降低壓縮空氣的溫度，保持燃料電池的水平衡特性，使系統(tǒng)效率提高4%。并與膨脹機(jī)配合工作，回收部分排氣能量，減少空氣壓縮機(jī)的寄生功耗。但螺桿式空氣壓縮機(jī)和膨脹機(jī)的噪聲問題不容忽視，為減小噪聲而采取的措施，進(jìn)一步增加了系統(tǒng)的成本、質(zhì)量和復(fù)雜性。圖3為戴姆勒公司研制的空氣供應(yīng)系統(tǒng)。
Mercedes-Benz
B級(jí)與F級(jí)燃料電池汽車則采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的螺桿式空氣壓縮機(jī)，可以有效地改善空氣供應(yīng)系統(tǒng)的壓比/流量特性，使壓比達(dá)到2.9，滿負(fù)荷功耗為9.1kW(80kWFCS)。
空氣壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)和選擇應(yīng)綜合考慮系統(tǒng)的噪聲、壓比、流量、質(zhì)量和效率等各方面因素，以使燃料電池系統(tǒng)的性能達(dá)到最優(yōu)。
2.3 離心式空氣壓縮機(jī)
離心式空氣壓縮機(jī)屬于葉片式空氣壓縮機(jī)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)快、壽命長和效率高等特點(diǎn)。通過旋轉(zhuǎn)的葉輪對(duì)氣體作功，在葉輪和擴(kuò)壓器的流道內(nèi)，利用離心升壓和降速擴(kuò)壓作用，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為氣體壓力能。但離心式空氣壓縮機(jī)在低流量時(shí)會(huì)發(fā)生喘振現(xiàn)象，這將嚴(yán)重影響系統(tǒng)的性能和空氣壓縮機(jī)的使用壽命。
同濟(jì)大學(xué)目前正在研發(fā)用于65kW燃料電池系統(tǒng)的高速電機(jī)驅(qū)動(dòng)的離心式空氣壓縮機(jī)。通過對(duì)壓縮機(jī)的蝸殼、葉輪和擴(kuò)壓器進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，開發(fā)了低流量系數(shù)后傾后彎離心式空氣壓縮機(jī)。
設(shè)計(jì)參數(shù)如下：最大空氣流量：80g/s;壓比：1.5～2.5;潤滑：水潤滑方式;系統(tǒng)功耗：<10kW。圖4為同濟(jì)大學(xué)開發(fā)的離心式壓縮機(jī)樣機(jī)。
其在國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了離心式空氣壓縮機(jī)在80000r /min轉(zhuǎn)速下的穩(wěn)定運(yùn)行，目前處于國內(nèi)領(lǐng)先地位。
其空氣壓縮機(jī)所采用的水潤滑軸承，相比較空氣潤滑方式，不需要空氣壓縮機(jī)提供額外的高
壓空氣用于空氣軸承，提高了壓縮機(jī)的做功能力，但同時(shí)水潤滑軸承需要增加額外的潤滑水路和驅(qū)動(dòng)裝置，使得系統(tǒng)更加復(fù)雜化。圖5為不同空氣壓縮機(jī)的喘振線對(duì)比。
相比較現(xiàn)有的工業(yè)離心式壓縮機(jī)，同濟(jì)大學(xué)所開發(fā)的離心式空氣壓縮機(jī)具有更窄的喘振邊界和更寬的穩(wěn)定運(yùn)行范圍，在小流量工況下，可以實(shí)現(xiàn)更大的壓力升高率，有利于空氣壓縮機(jī)在低流量高壓比工況下正常運(yùn)行而不發(fā)生喘振。
2.4 羅茨式空氣壓縮機(jī)
燃料電池系統(tǒng)的成本和可靠性一直制約著燃料電池汽車的推廣，美國DOE為研制面向未來燃料電池系統(tǒng)的高性能空氣壓縮機(jī)，近幾年與美國伊頓公司合作基于現(xiàn)有的P級(jí)和R級(jí)羅茨式壓縮機(jī)研制了新型的空氣供應(yīng)系統(tǒng)。
伊頓公司選用P400和R340
TVS系列羅茨式空氣壓縮機(jī)作為原型機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并由電機(jī)和膨脹機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)，通過調(diào)整其峰值效率點(diǎn)，使其適用于80kW的燃料電池系統(tǒng)。圖6為羅茨式壓縮機(jī)。
TVS系列羅茨式空氣壓縮機(jī)在做功能力、功率密度以及經(jīng)濟(jì)性等方面具有較大的優(yōu)勢。為了滿足燃料電池的特殊要求，伊頓公司對(duì)TVS系列羅茨式空氣壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子、外殼和進(jìn)氣口進(jìn)行設(shè)計(jì)和改進(jìn)。采用鋁合金轉(zhuǎn)子技術(shù)，減小轉(zhuǎn)子間隙，提高壓縮機(jī)的效率;增大轉(zhuǎn)子的螺旋角，提高壓縮機(jī)的增壓能力;同時(shí)重新設(shè)計(jì)了壓縮機(jī)的進(jìn)出口幾何結(jié)構(gòu)，使得系統(tǒng)變得更加緊湊。改進(jìn)后壓縮機(jī)可以為系統(tǒng)提供壓比2.5，流量92g/s的壓縮空氣。
選用羅茨式空氣壓縮機(jī)作為燃料電池用空氣壓縮機(jī)的優(yōu)勢如下：
(1)羅茨式空氣壓縮機(jī)的工作轉(zhuǎn)速較低，可以不必使用結(jié)構(gòu)復(fù)雜的空氣軸承;
(2)具有較寬的高效運(yùn)行區(qū)，可以提高整個(gè)工況的燃料經(jīng)濟(jì)性;
(3)羅茨式空氣壓縮機(jī)的技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，在其他的領(lǐng)域已經(jīng)得到充分利用。
2.5 螺旋式交叉滑片壓縮機(jī)
螺旋式交叉滑片結(jié)構(gòu)(Toroidal Intersecting Vane
Machine)是一種富有創(chuàng)造性的機(jī)械結(jié)構(gòu)，屬于容積式機(jī)械。其工作原理如圖7所示，兩組呈90°的滑片鏈相互嚙合形成壓縮空腔，并通過交叉旋轉(zhuǎn)來壓縮空氣。
目前只有美國Mechanology
LLC公司開發(fā)了用于燃料電池系統(tǒng)的螺旋式交叉滑片壓縮機(jī)。Mechanology對(duì)TIVM的副轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，消除滑片間的功的傳遞，可以有效地減小滑片間的摩擦損失。同時(shí)通過建立數(shù)學(xué)模型和理論計(jì)算對(duì)嚙合滑片表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行最優(yōu)設(shè)計(jì)，減小因泄露造成的壓力損失，可以使得空氣壓縮機(jī)出口的壓力提高6.7×104Pa。
DOE針對(duì)50kW車用燃料電池系統(tǒng)的要求對(duì)TIVM樣機(jī)進(jìn)行測試，測試結(jié)果顯示TIVM樣機(jī)具有潛在的性能優(yōu)勢，可以在1500r/min的低轉(zhuǎn)速情況下實(shí)現(xiàn)小體積大流量(壓比3.2，流量72g/s)。
但樣機(jī)仍存在泄露損失和進(jìn)出口壓力損失較大等問題。
若要滿足燃料電池的功率需求，仍需要開展以下工作：在不增加摩擦的情況下減少泄露;確定包括在高濕度的環(huán)境下的嚙合滑片的摩擦系數(shù);優(yōu)化壓縮機(jī)和膨脹機(jī)的進(jìn)氣、排氣孔，確保較低的壓力降損失和功率損失。
三、空氣壓縮機(jī)的發(fā)展趨勢及關(guān)鍵技術(shù)
由于空氣壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理的不同，空氣壓縮機(jī)的性能優(yōu)勢也不盡相同。其性能比較如表1所示。
通過比較可以看出渦旋式、螺桿式和離心式空氣壓縮機(jī)的綜合性能較好。但渦旋式和螺桿式空氣壓縮機(jī)的葉片間存在相互摩擦，噪聲和質(zhì)量較大，且難以與渦輪匹配工作，無法回收排氣能量，目前只有通過渦輪與離心式壓縮機(jī)匹配來實(shí)現(xiàn)。
離心式壓縮機(jī)在密度、效率、噪聲等方面具有最好的綜合效果，被認(rèn)為是最有前途的空氣增壓方式之一。表
2為目前所開發(fā)的燃料電池系統(tǒng)中所使用的空氣壓縮機(jī)類型。
從目前國內(nèi)外的研究發(fā)展方向來看，離心式空氣壓縮機(jī)是今后最主流的發(fā)展方向。同時(shí)隨著燃料電池系統(tǒng)對(duì)空氣供應(yīng)系統(tǒng)性能要求的提高，離心式空氣壓縮機(jī)與渦輪機(jī)匹配工作勢必將成為燃料電池用空氣壓縮機(jī)未來發(fā)展的主要趨勢。
Wiartalla等人利用模型對(duì)常用的空氣壓縮機(jī)以及渦輪機(jī)進(jìn)行仿真，結(jié)果表明在燃料電池的廢氣端使用渦輪機(jī)后，在進(jìn)氣壓力為 2.5×105Pa
時(shí)，電堆的質(zhì)量減小12%，系統(tǒng)效率提高約2%，并隨著壓力的增加而不斷提升。
美國DOE和Honeywell合作開發(fā)的110kr
/min高速離心式空氣壓縮機(jī)，采用空氣軸承并通過與渦輪機(jī)和電機(jī)同軸連接，可以將滿負(fù)荷工況時(shí)的綜合效率提高5%。
渦輪機(jī)能回收廢氣能量，提高系統(tǒng)效率，但往往也會(huì)伴隨 著系統(tǒng)成本和尺寸的增加。為達(dá)到車用要求，兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)被用于空氣壓縮機(jī)和渦輪機(jī)。
混流式空氣壓縮機(jī)葉輪和可變渦輪進(jìn)口導(dǎo)葉(VNT)是改善空氣供應(yīng)系統(tǒng)的流量/壓比特性和功率特性的有效方式，如圖8所示。
混流式葉輪的特點(diǎn)是在旋轉(zhuǎn)時(shí)，既產(chǎn)生離心力又產(chǎn)生推力，高效區(qū)和穩(wěn)定工作范圍較寬，喘振線在更小流量區(qū)域，可以有效地改善壓縮機(jī)的低流量性能。
渦輪機(jī)的可變進(jìn)口導(dǎo)葉繞軸心旋轉(zhuǎn)，通過改變?nèi)~片開度大小，影響導(dǎo)葉柵最小流通截面積的大小，同時(shí)進(jìn)入渦輪的氣體的角度和速度也會(huì)發(fā)生變化，從而改變渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)速以及壓氣機(jī)出口端的增壓壓力。
四、結(jié)語
渦旋式、螺桿式、離心式、螺旋式交叉滑片和羅茨式壓縮機(jī)，進(jìn)行性能對(duì)比發(fā)現(xiàn)，離心式壓縮機(jī)具有更大的性能優(yōu)勢和發(fā)展前景。
同時(shí)為面向未來的燃料電池發(fā)展，對(duì)渦輪增壓器在燃料電池中的應(yīng)用以及兩個(gè)提高性能的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明渦輪增壓技術(shù)是提高燃料電池系統(tǒng)效率和功率密度的有效方法。
因此使用渦輪增壓技術(shù)回收燃料電池尾氣余壓能量以及解決空氣供應(yīng)系統(tǒng)的成本、尺寸和噪聲等問題將成為未來燃料電池研究的主要方向。
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