空壓機在燃料電池車用領域的現(xiàn)狀及趨勢
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，近幾年與美國伊頓公司合作基于現(xiàn)有的P級和R級羅茨式壓縮機研制了新型的空氣供應系統(tǒng)。
伊頓公司選用P400和R340 TVS系列羅茨式空壓機作為原型機進行設計，并由電機和膨脹機聯(lián)合驅動，通過調整其峰值效率點，使其適用于80kW的燃料電池系統(tǒng)。圖6為羅茨式壓縮機。
空壓機在燃料電池車用領域的現(xiàn)狀及趨勢 TVS系列羅茨式空壓機在做功能力、功率密度以及經濟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TVS系列羅茨式空壓機的轉子、外殼和進氣口進行設計和改進。采用鋁合金轉子技術，減小轉子間隙，提高壓縮機的效率；增大轉子的螺旋角，提高壓縮機的增壓能力；同時重新設計了壓縮機的進出口幾何結構，使得系統(tǒng)變得更加緊湊。改進后壓縮機可以為系統(tǒng)提供壓比2.5，流量92g/s的壓縮空氣。
選用羅茨式空壓機作為燃料電池用空壓機的優(yōu)勢如下：
（1）羅茨式空壓機的工作轉速較低，可以不必使用結構復雜的空氣軸承；
�。�2）具有較寬的高效運行區(qū)，可以提高整個工況的燃料經濟性；
�。�3）羅茨式空壓機的技術已經相對成熟，在其他的領域已經得到充分利用。
螺旋式交叉滑片結構（Toroidal Intersecting Vane Machine）是一種富有創(chuàng)造性的機械結構，屬于容積式機械。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。Mechanology對TIVM的副轉子結構進行優(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。同時通過建立數(shù)學模型和理論計算對 嚙合滑片表面結構進行最優(yōu)設計，減小因泄露造成的壓力損失，可以使得空壓機出口的壓力提高6.7×104Pa。
DOE針對50kW車用燃料電池系統(tǒng)的要求對TIVM樣機進行測試，測試結果顯示TIVM樣機具有潛在的性能優(yōu)勢，可以在1500r/min的低轉速情況下實現(xiàn)小體積大流量（壓比3.2，流量72g/s）。
但樣機仍存在泄露損失和進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)化壓縮機和膨脹機的進氣、排氣孔，確保較低的壓力降損失和功率損失。
由于空壓機的結構和工作原理的不同，空壓機的性能優(yōu)勢也不盡相同。其性能比較如表1所示。
空壓機在燃料電池車用領域的現(xiàn)狀及趨勢
通過比較可以看出渦旋式、螺桿式和離心式空壓機的綜合性能較好。但渦旋式和螺桿式空壓機的葉片間存在相互摩擦，噪聲和質量較大，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匹配來實現(xiàn)。
離心式壓縮機在密度、效率、噪聲等方面具有最好的綜合效果，被認為是最有前途的空氣增壓方式之一。
從目前國內外的研究發(fā)展方向來看，離心式空氣壓縮機是今后最主流的發(fā)展方向。同時隨著燃料電池系統(tǒng)對空氣供應系統(tǒng)性能要求的提高，離心式空壓機與渦輪機匹配工作勢必將成為燃料電池用空壓機未來發(fā)展的主要趨勢。</div>
Wiartalla等人利用模型對常用的空壓機以及渦輪機進行仿真，結果表明在燃料電池的廢氣端使用渦輪機后，在進氣壓力為 2.5×105Pa 時，電堆的質量減小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高速離心式空壓機，采用空氣軸承并通過與渦輪機和電機同軸連接，可以將滿負荷工況時的綜合效率提高5%。
渦輪機能回收廢氣能量，提高系統(tǒng)效率，但往往也會伴隨 著系統(tǒng)成本和尺寸的增加。為達到車用要求，兩個關鍵技術被用于空壓機和渦輪機。
混流式葉輪的特點是在旋轉時，既產生離心力又產生推力，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的低流量性能。
渦輪機的可變進口導葉繞軸心旋轉，通過改變葉片開度大小，影響導葉柵最小流通截面積的大小，同時進入渦輪的氣體的角度和速度也會發(fā)生變化，從而改變渦輪機的轉速以及壓氣機出口端的增壓壓力。
<div> 本文闡述了目前燃料電池用空壓機的國內外研究現(xiàn)狀，分別介紹了渦旋式、螺桿式、離心式、螺旋式交叉滑片和羅茨式壓縮機，進行性能對比發(fā)現(xiàn)離心式壓縮機具有更大的性能優(yōu)勢和發(fā)展前景
同時為面向未來的燃料電池發(fā)展，對渦輪增壓器在燃料電池中的應用以及兩個提高性能的關鍵技術進行了分析，結果表明渦輪增壓技術是提高燃料電池系統(tǒng)效率和功率密度的有效方法。</div>
因此使用渦輪增壓技術回收燃料電池 尾氣余壓能量以及解決空氣供應系統(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。
本文源自：壓縮機網-空壓機雜志
|
