幹貨 | 空壓機（jī）在燃料電池汽車領域的現狀及趨勢

 

隨著能源匱乏（fá）和環境（jìng）破壞（huài）問題的日益凸顯（xiǎn），燃料電池技術越來越（yuè）受到人們的關（guān）注（zhù）。

 

空氣壓縮機是車用燃料電池陰極供氣係統的重要部件，通過對（duì）進堆空氣進行增（zēng）壓，可以提（tí）高燃料電池的功（gōng）率密度和效率，減小燃（rán）料電池係統的尺寸。但空壓機的寄生功（gōng）耗很大，約占燃料電池輔助功耗的80%，其性（xìng）能直接影響燃料電池係統的效率、緊湊性和水平衡特性。因此，各國的燃料電池項目對空壓機的研究都非常重視。

 

1

燃（rán）料電池用空氣壓縮機

 

典型的（de）燃料電池空氣供應係統由（yóu）空氣過濾器（qì）、空壓機、電機、中冷器、增濕器和膨脹機等（děng）組成。其中，空壓機（jī）由（yóu）電機和膨脹（zhàng）機共同驅動。

 

根據電堆的（de）輸出功率，為燃料電池提供所需（xū）壓力和流量的幹淨空氣。在空氣供應係統中，空氣的（de）壓力和（hé）流（liú）量對燃料電（diàn）池（chí）係統的性能（能量密（mì）度、係統效率、水平衡和熱損失），成（chéng）本和電堆的尺寸等有很大的影響。

 

高壓燃料電池係統不僅能提高（gāo）電堆的效率和功率密度，同時還能夠改善係統的水（shuǐ）平衡，如圖1所示。

 

 

為實現較高的能量轉換效率，燃料電池（chí）內部的（de）化學反應對空氣的溫（wēn）度、濕（shī）度、壓力和（hé）流量等參數有著嚴格的（de）要求。但目前廣泛應用的工業壓縮機無法滿足燃料電池對空氣的要求。因此（cǐ）設計一個（gè）性（xìng）能優越並（bìng）能很好地與燃料電池係（xì）統進行（háng）匹配（pèi）的壓縮機，對於燃料電池的發展至關重要。

 

適用於燃料電池的空壓機需要滿足（zú）以下（xià）要（yào）求：

 

（1）無油。潤滑油會使電堆發生中毒，因此空壓機（jī）需要采用水潤滑軸承或空氣軸承；

 

（2）高效。空壓機（jī）的寄生功率巨大，其效率直接影響著燃料電池係統的性能；

 

（3）小型化和低成本。燃料電池受其功率密度和成（chéng）本的限製，小型化和低成本有助於燃（rán）料電池汽車的產業化；

 

（4）低噪聲。空壓機是燃料電池係統最大的噪聲源之一，空壓機（jī）的噪聲必須（xū）被控製；

 

（5）喘振線在小流量區。可以實現燃料電池在小（xiǎo）流量高壓比工況下高效地運行（háng）；

 

（6）良（liáng）好的動態響應能力。當需（xū）求功（gōng）率發生變化時，空氣流量（liàng）和壓力（lì）需無延遲地進行（háng）調整，以跟蹤輸出功率的變化。

 

2

空氣壓縮機的研究現狀（zhuàng）

 

空壓機（jī）是燃料電（diàn）池係統空氣供應係統的重（chóng）要（yào）部件，針（zhēn）對不同的燃料電池係統的性能需（xū）求，往往需要不同的空氣壓縮（suō）機與其匹（pǐ）配，常用的（de）空壓（yā）機類型有滑片式、螺杆式、離心式、渦旋式和羅茨式（shì）空壓機等。

 

2.1 渦旋式（shì）空壓機

 

無油潤滑雙渦圈渦旋式空（kōng）壓機是適合用於燃料電池的空壓機結構形式，具有效率高、噪（zào）聲（shēng）低、結構簡單、質量（liàng）輕、可靠性高等特點。

 

目前已被日本豐田（Toyota）、美國 UTC 等多家公司應（yīng）用（yòng）於燃料電池上。美國DOE和（hé）Author D.Little公司合作完成兩代渦（wō）旋（xuán）式空壓機 / 膨脹機樣機（CEM）的（de）設計和製造。

 

第（dì）一代樣機被用於28kW燃料電池，能提（tí）供（gòng）流量（liàng）為42g/s，壓力達到2.2×105Pa的壓縮空氣。

 

第二代樣機在此基（jī）礎上提升了空（kōng）壓機的（de）轉速和排量（liàng），可以滿足50kW燃料電池的特性需求，其性（xìng）能（néng）曲（qǔ）線如圖（tú）2所示。

 

 

Author D.Little公司所設計（jì）的渦旋式空壓機的壓比/流量特性已滿足DOE的（de）要求，其（qí）最高壓比（bǐ）達到3.2。

 

但在流量百分比小於80%的工況下，空壓機（jī）耗（hào）功較大，是DOE目標功耗的1.5～2倍。同時空壓機的尺寸（cùn）和質量與DOE的要求相差（chà）很大，仍需（xū）進一步優化（huà）。

 

2.2 螺杆式壓（yā）縮機

 

螺杆式空壓機利（lì）用螺杆之間形成的空氣槽來壓縮空氣（qì），結構簡單、高效、可靠、具（jù）有寬（kuān）的流量範圍和良好的壓比/流量特性，是理想的燃料電池用空（kōng）壓機 。

 

美國GM、PlugPower、德（dé）國Xcellsis、加（jiā）拿大Ballard等（děng）公司的燃料電池中都采用了螺杆式壓縮機。

 

戴（dài）姆勒公司在Mercedes-Benz A級燃料電（diàn）池汽（qì）車（68.5kW）上使用（yòng）螺杆式空壓機/膨脹機，其噴水螺杆式空壓機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，使係統（tǒng）效率（lǜ）提高4%。並與膨脹（zhàng）機配合工（gōng）作，回收部分排氣能量，減少空（kōng）壓機（jī）的寄生功耗。但螺杆式空壓機和膨脹機的（de）噪聲問題（tí）不容忽視，為減小噪聲而采取的措施，進一步增加了係（xì）統的成本、質量和複雜性。圖3為戴姆勒公司研製的空氣供應係統。

 

 

Mercedes-Benz B級與F級燃料電池汽車則采用電機驅動（dòng）的（de）螺杆式空（kōng）壓機，可以有效地（dì）改善空氣供應係統的壓比/流（liú）量特性，使壓比達到2.9，滿（mǎn）負荷功耗為9.1kW（80kWFCS）。

 

空壓機的設計和選擇應綜合考慮係統的噪聲、壓（yā）比、流量、質量和效率等各方麵因素，以使燃料電池係統的性能達到最優。

 

2.3 離心式空壓機

 

離心式（shì）空壓機屬於葉片式空壓機，具有結構（gòu）緊湊、響應快、壽（shòu）命長和效率高（gāo）等特點。通過旋轉的葉輪對氣體作功（gōng），在葉（yè）輪和擴壓器的流（liú）道內，利（lì）用離心升壓和降速擴壓作用，將機械能轉換為氣體壓力能。但離心（xīn）式空壓機在（zài）低流量時會（huì）發（fā）生喘振現象，這（zhè）將嚴（yán）重影響係統的性能（néng）和空（kōng）壓機的使用壽命。

 

同濟大學目前正（zhèng）在研發用於65kW燃料電池係統的高速（sù）電機（jī）驅動（dòng）的離心式空壓機。通過對壓縮機（jī）的蝸殼、葉輪和擴壓器進行設計和優化，開發了低流量係數後傾後彎離心式空壓（yā）機（jī）。

 

設計（jì）參數如下：最大空氣流量：80g/s；壓比：1.5～2.5；潤（rùn）滑：水潤滑（huá）方式；係統功耗：<10kW。圖4為同濟大學開（kāi）發的離心式壓縮機樣機。

 

 

其在國內首次實現了離心（xīn）式（shì）空壓（yā）機在80000r /min轉（zhuǎn）速下的穩定運行，目前處（chù）於（yú）國（guó）內領先地位。

 

其空壓機所（suǒ）采用的水潤滑軸承，相比較空氣潤滑方式（shì），不需要空壓機提供額外的高 壓空氣用於空氣（qì）軸承，提高了壓縮機的做功能力，但同時水潤滑軸承需要增加額外的潤滑水路和驅動裝置（zhì），使得係統更加複雜化。圖5為不同（tóng）空壓機的喘振線對比。

 

 

相比較現有的工業（yè）離心式壓縮機，同濟大學（xué）所開發的離心式空壓機具有更（gèng）窄的喘振邊界和更寬的穩定運行範圍，在小（xiǎo）流量工（gōng）況下，可以實現更大的壓力升（shēng）高（gāo）率，有利於空壓機在低流（liú）量高壓比工況下正常運行而不發（fā）生喘振。

 

2.4 羅茨（cí）式空壓（yā）機

 

燃料電池係統的成本和可靠性一直製約著燃料電池（chí）汽車的推廣，美國DOE為研製麵向未來燃料電池係統（tǒng）的高性能空氣（qì）壓縮機，近（jìn）幾年與美國伊頓公司合（hé）作基於現有的P級和R級羅茨式壓縮機研（yán）製了新型的空氣供應係統。

 

伊頓公司選（xuǎn）用P400和R340 TVS係列羅茨式（shì）空壓機作為原型機進行（háng）設計，並由電機和膨脹機聯合驅動，通過調整（zhěng）其峰值效率（lǜ）點，使其適（shì）用於80kW的燃料電池係統。圖6為羅茨式壓縮機。

 

 

TVS係列羅茨式空壓機在做功能力、功率密度以及經濟性等方麵（miàn）具有較大的（de）優勢。為（wéi）了滿足燃料電池的特殊（shū）要求，伊頓（dùn）公（gōng）司對TVS係列羅茨式（shì）空壓機的轉子、外殼（ké）和進氣（qì）口（kǒu）進行設計和改（gǎi）進。采用鋁合金轉子技術，減小轉子間隙，提高壓縮機的效（xiào）率；增大轉子的螺旋角（jiǎo），提高壓縮機的增（zēng）壓（yā）能力；同時重新設（shè）計（jì）了壓縮機的進出口幾何結構，使（shǐ）得係統變得更加（jiā）緊湊。改進後壓（yā）縮機可以為係統提（tí）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（chí）用空壓機的優勢如下（xià）：

 

（1）羅（luó）茨式空壓機的（de）工作轉速較低，可以（yǐ）不必使用結構複雜的空（kōng）氣軸承；

 

（2）具有較寬的高效運行區，可以提高整個工況的燃料經濟性；

 

（3）羅茨式（shì）空壓機（jī）的技術已（yǐ）經相對（duì）成（chéng）熟，在其他的領（lǐng）域已經（jīng）得到（dào）充分利用。

 

2.5 螺旋式交叉滑片壓縮機

 

螺旋式交（jiāo）叉滑片結構（Toroidal Intersecting Vane Machine）是一種富有創造性的機械結構，屬於容積式機械。其工作原理如圖7所示，兩組呈90°的滑片鏈相互齧合形成（chéng）壓縮空腔，並通過交叉旋（xuán）轉來壓縮空氣。

 

 

目前隻有美國Mechanology LLC公司開發了用於燃（rán）料電池係統的螺旋式交叉滑片（piàn）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（chuán）遞，可以有效地減小滑片間的摩擦損失。同時通過建立數學模型和理論計算對 齧合滑片表麵結構（gòu）進行最優設計，減小因泄露造成的壓力損失，可以使得空壓機（jī）出（chū）口的壓力提高6.7×104Pa。

 

DOE針對50kW車（chē）用燃料電池係統的（de）要求（qiú）對TIVM樣機進行測試，測試結果顯示TIVM樣機具有潛在的性（xìng）能優（yōu）勢，可以在1500r/min的低轉速情況下實現小（xiǎo）體積大流（liú）量（壓比3.2，流（liú）量（liàng）72g/s）。

 

但樣機（jī）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（rán）料電池的功率需求，仍（réng）需要（yào）開展以下工作：在（zài）不增加摩擦（cā）的情況下減少泄露；確定包括在高濕度的環境下的齧合滑片的摩擦係數；優化壓縮機和膨（péng）脹機的進氣、排（pái）氣孔，確保（bǎo）較低的壓力降損失和功率損失。

 

3

空壓（yā）機的發展趨勢及關鍵技術

 

由於空壓機的結構和工作原理的不（bú）同，空壓（yā）機的（de）性能（néng）優勢也（yě）不盡相同。其性能比較如表1所示。

 

 

通過比較可以看出（chū）渦旋式、螺杆式和離心式空壓機的綜合性能較好。但渦旋式和螺杆式（shì）空壓機的葉片間存在相互摩（mó）擦，噪聲和（hé）質（zhì）量較大（dà），且難以與渦輪匹配工作，無法回收排氣能量，目前隻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（xiào）率、噪聲等方麵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。表 2為目前所開發的（de）燃料電池係統中所使用的空壓機類型。

 

 

從目前國內外的研究發展方向來看，離（lí）心式空氣壓縮機是今後最主流（liú）的發展方向（xiàng）。同時隨著燃（rán）料電池係統對空氣供應係統性能要求的提高（gāo），離心式空壓機與（yǔ）渦輪機匹配工作勢必將成為燃料電池用空壓機未來發展的主要趨勢。

 

Wiartalla等（děng）人利用模（mó）型對常用的空壓機以及渦輪機進行仿（fǎng）真（zhēn），結果表明（míng）在燃料電池的廢氣端使用渦輪機後（hòu），在進氣壓力為 2.5×105Pa 時，電堆的質量減小12%，係統效（xiào）率提高約2%，並隨著壓力的增加（jiā）而不斷提升。

 

美國DOE和Honeywell合作開發的110kr /min高速離心式（shì）空壓機，采用空（kōng）氣軸承（chéng）並通過與渦輪機和電機（jī）同軸（zhóu）連接，可以將滿負荷工況時的（de）綜合效率提高5%。

 

渦輪機能回收（shōu）廢氣能量，提高（gāo）係統效率，但往往（wǎng）也會伴隨 著係統成本和（hé）尺寸的增加。為達到車用要（yào）求，兩個關（guān）鍵技術被用於空壓機和渦（wō）輪機。

 

混流式空壓機葉輪和可變渦輪進口導葉（VNT）是（shì）改善空氣供應係統的流量/壓比特性和功率特性的有效方式，如圖8所示。

 

 

混流式葉輪的特點是在旋轉時，既產生離心力又（yòu）產生推力，高效區和穩定工（gōng）作（zuò）範圍較寬（kuān），喘振線（xiàn）在更小流量區域，可（kě）以（yǐ）有效地改善壓縮機的低流（liú）量性能。

 

渦輪機的可變進口導葉繞軸心旋轉，通過（guò）改變葉（yè）片開度大小，影響導葉（yè）柵最小流通截麵積的大小，同時進入渦輪的氣體（tǐ）的角度和速度也會發生變化，從而改變渦輪機的轉（zhuǎn）速（sù）以及壓氣機（jī）出口端的增壓壓力。

 

4

結語

 

渦旋式、螺杆式、離（lí）心式、螺旋式交叉滑片和羅茨式壓縮機，進行性能對比發現，離心式（shì）壓縮機具（jù）有更大的性能優勢和發展前景。

 

同時為麵向未來的燃料電池發展，對渦輪增壓器在燃（rán）料電池中的應用以及兩個提高性能的（de）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係統效率和功率密度的有效方法。

 

因此使用渦輪增（zēng）壓（yā）技術回收燃料電池尾氣餘壓能量以及解決（jué）空氣供（gòng）應係統的成本（běn）、尺寸和噪聲等問題將成為未來燃料電池（chí）研究的主要方（fāng）向。