空壓機(jī)在燃料電池車用領(lǐng)域的現(xiàn)狀及趨勢(shì)
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(guó)DOE為研制面向未來(lái)燃料電池系統(tǒng)的高性能空氣壓縮機(jī)，近幾年與美國(guó)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系列羅茨式空壓機(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(guò)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)。
空壓機(jī)在燃料電池車用領(lǐng)域的現(xiàn)狀及趨勢(shì) TVS系列羅茨式空壓機(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(shì)。為了滿足燃料電池的特殊要求，伊頓公司對(duì)TVS系列羅茨式空壓機(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。
選用羅茨式空壓機(jī)作為燃料電池用空壓機(jī)的優(yōu)勢(shì)如下：
�。�1）羅茨式空壓機(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）羅茨式空壓機(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。
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。兩組呈90°的滑片鏈相互嚙合形成壓縮空腔，并通過(guò)交叉旋轉(zhuǎn)來(lái)壓縮空氣。
目前只有美國(guó)Mechanology LLC公司開(kāi)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(guò)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，可以使得空壓機(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(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示TIVM樣機(jī)具有潛在的性能優(yōu)勢(shì)，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(wèn)題。 若要滿足燃料電池的功率需求，仍需要開(kāi)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。
空壓機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)及關(guān)鍵技術(shù)
由于空壓機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理的不同，空壓機(jī)的性能優(yōu)勢(shì)也不盡相同。其性能比較如表1所示。
空壓機(jī)在燃料電池車用領(lǐng)域的現(xiàn)狀及趨勢(shì)
通過(guò)比較可以看出渦旋式、螺桿式和離心式空壓機(jī)的綜合性能較好。但渦旋式和螺桿式空壓機(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(wú)法回收排氣能量，目前只有通過(guò)渦輪與離心式壓縮機(jī)匹配來(lái)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。
從目前國(guó)內(nèi)外的研究發(fā)展方向來(lái)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，離心式空壓機(jī)與渦輪機(jī)匹配工作勢(shì)必將成為燃料電池用空壓機(jī)未來(lái)發(fā)展的主要趨勢(shì)。</div>
Wiartalla等人利用模型對(duì)常用的空壓機(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(guó)DOE和Honeywell合作開(kāi)發(fā)的110kr /min高速離心式空壓機(jī)，采用空氣軸承并通過(guò)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)被用于空壓機(jī)和渦輪機(jī)。
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(guò)改變?nèi)~片開(kāi)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。
<div> 本文闡述了目前燃料電池用空壓機(jī)的國(guó)內(nèi)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(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(shì)和發(fā)展前景
同時(shí)為面向未來(lái)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。</div>
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(wèn)題將成為未來(lái)燃料電池研究的主要方向。
本文源自：壓縮機(jī)網(wǎng)-空壓機(jī)雜志
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