嚴(yán) 彥,周利彪,白文濤,周文俊

(1.西安工程大學(xué) 機(jī)電學(xué)院,陜西 西安 710048;2.南京航空航天大學(xué) 航天學(xué)院,江蘇 南京 210016)

0 引 言

燃料電池是一種高效、環(huán)境友好的發(fā)電裝置,它直接將貯存在燃料與氧化劑中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能,排出的產(chǎn)物主要為水和熱。它通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)把燃料的化學(xué)能中的吉布斯自由能部分轉(zhuǎn)換成電能,不受卡諾循環(huán)限制,因而其能量的轉(zhuǎn)換效率可高達(dá)60%～80%;實(shí)際使用過(guò)程中,其能量的轉(zhuǎn)換效率也為普通內(nèi)燃機(jī)的數(shù)倍。

同時(shí),燃料電池用燃料和氧氣作為原料,沒(méi)有機(jī)械傳動(dòng)部件,故沒(méi)有噪聲污染,且排放出的有害氣體極少。因此,不管從節(jié)約能源還是保護(hù)生態(tài)環(huán)境的角度來(lái)看,燃料電池都是最有發(fā)展前途的“高能電池”。

空氣壓縮機(jī)是燃料電池系統(tǒng)的核心設(shè)備之一,其主要作用是為燃料電池系統(tǒng)提供無(wú)油的壓縮空氣,進(jìn)而保證燃料電池系統(tǒng)的順利工作?？諝鈮嚎s機(jī)性能的好壞直接影響燃料電池系統(tǒng)的效率。因此,在對(duì)燃料電池系統(tǒng)所進(jìn)行的研究中,對(duì)其中的空氣壓縮機(jī)的性能進(jìn)行研究十分必要。

筆者通過(guò)對(duì)已有的文獻(xiàn)進(jìn)行調(diào)研后發(fā)現(xiàn),現(xiàn)有的文獻(xiàn)多集中于對(duì)燃料電池整體的研究,而針對(duì)燃料電池中空氣壓縮機(jī)的研究則相對(duì)較少;并且，目前還沒(méi)有對(duì)燃料電池用空壓機(jī)整個(gè)行業(yè),及其當(dāng)前技術(shù)水平的綜述性報(bào)道。

因此,該研究在對(duì)燃料電池用空氣壓縮機(jī)的相關(guān)研究發(fā)展進(jìn)行調(diào)研的基礎(chǔ)上,分析總結(jié)燃料電池所用的螺桿壓縮機(jī)、離心壓縮機(jī)、滑片壓縮機(jī)和渦旋壓縮機(jī)的性能,以及近年來(lái)上述各類壓縮機(jī)的具體應(yīng)用情況,并據(jù)此提出各類壓縮機(jī)未來(lái)發(fā)展中可能存在的問(wèn)題,以期為后續(xù)的相關(guān)研究提供參考。

1 燃料電池空氣壓縮機(jī)概述

燃料電池系統(tǒng)主要包含4部分,即燃料電池堆、空氣/氧氣系統(tǒng)、氫氣系統(tǒng)和水熱管理系統(tǒng)。

常見(jiàn)的燃料電池整體系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 燃料電池整體系統(tǒng)

由于質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)廣泛采用的氧化劑為氧氣,常見(jiàn)的燃料電池一般主要選擇空氣作為其氧化劑[1]。

空氣/氧氣子系統(tǒng)由高速電機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)、空氣過(guò)濾器和空氣預(yù)冷器等組成,環(huán)境空氣需經(jīng)過(guò)該系統(tǒng)的處理才能進(jìn)入電池堆內(nèi)部[2-4]。其中,空氣壓縮機(jī)為空氣/氧氣子系統(tǒng)最重要的部件,它可將空氣壓力加至燃料電池組所需的最佳操作壓力,并為其提供所需流量的空氣。

合適的供氣流量及供氣壓力可以大幅提高燃料電池的壓力、功率密度和效率,燃料電池系統(tǒng)的整體效率也會(huì)大幅提升。

在不同的進(jìn)氣壓力下,燃料電池的特性曲線如圖2所示[5]。

圖2 不同進(jìn)氣壓力下燃料電池的特性曲線

從圖2中可以看出:隨著空氣壓力增加,燃料電池的電壓也隨之提高。

美國(guó)Argonne和DOE的研究顯示,空氣壓縮機(jī)成本占整個(gè)燃料電池系統(tǒng)總成本的第2位[6,7]。燃料電池中的Pt族元素可以有效提高燃料電池的效率,而提高空氣供給壓力能夠有效地降低Pt族元素的含量,從而降低燃料電池的總成本。

燃料電池系統(tǒng)成本隨空氣壓力的變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 燃料電池系統(tǒng)成本隨空氣壓力的變化規(guī)律

從圖3中可以看出:隨著空氣供給壓力的增加,可有效降低燃料電池的制造成本。

在燃料電池系統(tǒng)中,空氣的壓力和溫度會(huì)對(duì)其電壓產(chǎn)生較大影響,同時(shí)也會(huì)對(duì)燃料電池系統(tǒng)的輸出功率密度產(chǎn)生一定程度的影響[8]。

燃料電池系統(tǒng)功率密度隨空氣壓力的變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 燃料電池系統(tǒng)功率密度隨空氣壓力的變化規(guī)律

從圖4中可以看出:隨著空氣供給壓力的增加,燃料電池系統(tǒng)的功率密度也會(huì)增大。

2 燃料電池空氣壓縮機(jī)研究現(xiàn)狀

根據(jù)壓縮氣體方式的差異,燃料電池的壓縮機(jī)可分為兩種,即容積式和動(dòng)力式;根據(jù)改變其體容積方式的不同,燃料電池的壓縮機(jī)又可分為兩種,即往復(fù)式和回轉(zhuǎn)式;根據(jù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的不同,壓縮機(jī)還可以分為4種,即螺桿式、離心式、滑片式和渦旋式。

燃料電池壓縮機(jī)分類情況如圖5所示。

圖5 燃料電池壓縮機(jī)分類

2.1 螺桿式壓縮機(jī)

螺桿式壓縮機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、零部件數(shù)量少、噪聲小、沒(méi)有易損部件、排氣穩(wěn)定以及可靠性高等優(yōu)點(diǎn),是一種比較完美的燃料電池壓縮機(jī)[9，10]。國(guó)外許多公司都采用了螺桿式壓縮機(jī)作為燃料電池的壓縮機(jī),如美國(guó)GM、PlugPower、德國(guó)Xcellsis和加拿大Ballard等公司。

螺桿式壓縮機(jī)分為雙螺桿壓縮機(jī)和單螺桿壓縮機(jī)兩種。單螺桿壓縮機(jī)由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、力平衡性好的優(yōu)點(diǎn),成為燃料電池壓縮機(jī)的首選。

針對(duì)噴水單螺桿壓縮機(jī)的工作過(guò)程,吳震宇[11]建立了單螺桿壓縮機(jī)相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型(該模型應(yīng)用質(zhì)量守恒定律和熱力學(xué)第一方程,同時(shí)考慮了氣體泄漏和冷卻劑的換熱效果),并基于該數(shù)學(xué)模型,探索了壓縮機(jī)工作轉(zhuǎn)速和噴水量對(duì)壓縮空氣物性參數(shù)、壓縮機(jī)容積效率和能量利用率的影響規(guī)律。

在國(guó)家有關(guān)“電動(dòng)汽車(chē)重大專項(xiàng)”中的“燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)”課題中,西安交通大學(xué)壓縮機(jī)研究所研制了一種可以應(yīng)用于燃料電池的LG300型噴水螺桿空氣壓縮機(jī)[12]。該壓縮機(jī)采用噴水冷卻方式。根據(jù)該壓縮機(jī)使用的實(shí)際工況,研究人員設(shè)計(jì)了特殊的轉(zhuǎn)子型線,使用特殊的軸承和軸封,并根據(jù)燃料電池的特點(diǎn),對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行了改進(jìn),提升了壓縮機(jī)的工作性能。

隨后,為進(jìn)一步提高壓縮機(jī)的性能,同時(shí)減小壓縮機(jī)的體積和質(zhì)量,并降低其實(shí)際使用時(shí)的噪聲,西安交通大學(xué)在LG300型噴水螺桿空氣壓縮機(jī)的基礎(chǔ)上,開(kāi)發(fā)出用于30 kW燃料電池的無(wú)油螺桿壓縮機(jī)。開(kāi)發(fā)人員將該壓縮機(jī)將工作轉(zhuǎn)速提高到了10 000 r/min,并采用鋁作為其主體材料,在保證氣流量的同時(shí),減小了壓縮機(jī)的體積和重量;同時(shí),為了進(jìn)一步節(jié)省空間,壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子采用陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子上下布置的方式。目前,該類型壓縮機(jī)成品已在東風(fēng)汽車(chē)的燃料電池車(chē)上得到了批量安裝。

孫來(lái)玉[13]提出了一種適用于燃料電池的高速無(wú)油雙螺桿空氣壓縮機(jī),計(jì)算了壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子、齒輪及殼體等各零部件的結(jié)構(gòu)參數(shù),建立了其微觀工作過(guò)程的數(shù)學(xué)模型,并以一個(gè)齒間容積為研究對(duì)象,對(duì)其工作過(guò)程及性能進(jìn)行了仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證,最終研制出了原理樣機(jī)。

KAUDER K等人[14]在研制50 kW聚合物電解質(zhì)膜燃料電池過(guò)程中,對(duì)所用的螺桿壓縮機(jī)的工作特性進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)增壓器的部分功率消耗可以用回收的膨脹器功率來(lái)彌補(bǔ),且增壓器和膨脹機(jī)可以在一個(gè)模塊中工作,這樣可以進(jìn)一步減小螺桿壓縮機(jī)的尺寸,降低其成本。

STOSIC N等人[15]提出了一種螺桿壓縮機(jī)的新結(jié)構(gòu),其只需一對(duì)轉(zhuǎn)子就能同時(shí)完成壓縮和膨脹的功能,通過(guò)將膨脹器和壓縮機(jī)的高壓端口定位在殼體的相對(duì)側(cè),并靠近其中心,且通過(guò)平衡轉(zhuǎn)子的壓縮部分和膨脹部分上的力來(lái)減小軸承的載荷;同時(shí),該研究還發(fā)現(xiàn),如果在壓縮部分注入水,則輸出的空氣壓力可以從3 bar增加到10 bar。

戴姆勒公司研制的噴水螺桿式壓縮機(jī)如圖6所示。

圖6 戴姆勒公司研制的噴水螺桿式壓縮機(jī)

目前,該新型AUX噴水螺桿式壓縮機(jī)已在Mercedes-Benz A級(jí)燃料電池汽車(chē)上得到了應(yīng)用。該噴水螺桿式壓縮機(jī)不僅可以降低壓縮空氣的溫度,以及壓縮機(jī)的寄生功耗,而且通過(guò)在壓縮機(jī)葉片上涂聚四氟乙烯的方法,還可以用來(lái)提高壓縮機(jī)的效率[16]。Mercedes-Benz B級(jí)與F級(jí)燃料電池汽車(chē)都已采用了該類型的螺桿式空氣壓縮機(jī),有效提高了汽車(chē)燃料電池的空氣供應(yīng)系統(tǒng)的性能,且壓比可以達(dá)到2.9。

瑞士OpconAutoRotor AB公司根據(jù)雙螺桿壓縮機(jī)的基本原理,制造出了數(shù)款采用永磁材料的同步直齒輪直接驅(qū)動(dòng)的燃料電池壓縮機(jī)[17]。以其中一款OA1050的燃料電池壓縮機(jī)為例,其質(zhì)量為4.8 kg,最大流量和轉(zhuǎn)速分別為8.3 m3/min、18 000 r/min,整體尺寸為232×92×135(mm)。

2.2 離心式壓縮機(jī)

離心式壓縮機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊密、重量輕、機(jī)組尺寸小、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)和運(yùn)轉(zhuǎn)效率高,以及可靠性好等優(yōu)點(diǎn)[18]8。但是其穩(wěn)定的工況區(qū)較窄,致使其經(jīng)濟(jì)性較差。目前,離心式壓縮機(jī)的主要研究方向是壓力、流量和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系,以及壓縮機(jī)的氣動(dòng)性能和噪聲。

北京科技大學(xué)的任天明等人[18]25研制的離心壓縮機(jī),如圖7所示。

圖7 北京科技大學(xué)研制的離心壓縮機(jī)

該離心式壓縮機(jī)由水潤(rùn)滑軸承支承,并由永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng),可以達(dá)到轉(zhuǎn)速為100 000 r/min,功率為10 kW的設(shè)計(jì)目標(biāo)。該空氣壓縮機(jī)解決了中置式電機(jī)的水密封難題,大幅提高了燃料電池系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速,有效減小了轉(zhuǎn)子攪水損耗。

該研究分析了軸承間隙、腔寬和腔長(zhǎng)等結(jié)構(gòu)參數(shù),以及供水壓力、偏心和轉(zhuǎn)速等工作參數(shù)對(duì)壓縮機(jī)工作性能的影響;并對(duì)水潤(rùn)軸承的抗沖擊、振動(dòng)能力與穩(wěn)定性進(jìn)行了深入的研究。

在研究飛機(jī)燃料電池用離心式壓縮機(jī)的過(guò)程中,趙冬冬等人[19,20]針對(duì)離心式壓縮機(jī)的流量、壓力、轉(zhuǎn)速與高度之間的非線性耦合關(guān)系進(jìn)行了研究,得到了工作區(qū)間內(nèi),高度、壓縮機(jī)壓力、流量以及轉(zhuǎn)速之間的動(dòng)態(tài)特性、耦合特性曲線,并且對(duì)燃料電池用離心式壓縮機(jī)的流量和壓力的解耦控制進(jìn)行了深入研究。

韋開(kāi)君等人[21]測(cè)試并分析了燃料電池車(chē)用離心壓縮機(jī)的氣動(dòng)性能及其噪聲,通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),總聲壓級(jí)峰值出現(xiàn)在輕度喘振線附近,造成該現(xiàn)象的原因是由于葉片前緣和擴(kuò)壓器的同時(shí)失速。

左曙光等人[22]采用Kriging模型對(duì)離心壓縮機(jī)葉輪的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,該研究結(jié)果表明,Kriging模型精度可以滿足要求,壓縮比提高了3.56%,等熵效率提高了1.02%,整機(jī)聲功率級(jí)下降了3.79 dB,壓縮機(jī)綜合性能得到了明顯改善。

陶國(guó)良等人[23]對(duì)離心式壓縮機(jī)的壓縮過(guò)程進(jìn)行了仿真研究,分析了設(shè)計(jì)工作轉(zhuǎn)速、葉道間氣流狀態(tài)與背壓之間的變化規(guī)律;該研究結(jié)果顯示,在葉輪吸力面后部存在造成較大能量損失的二次流動(dòng),因此,提出了一種可以有效抑制該二次流動(dòng)的環(huán)量分布方法。該方法通過(guò)控制輪盤(pán)和輪蓋線上,環(huán)量對(duì)子午流線導(dǎo)數(shù)值分布,來(lái)減弱葉輪間二次流動(dòng)強(qiáng)度,從而提高離心壓縮機(jī)的工作性能。

美國(guó)能源部與Honeywell公司一起合作開(kāi)發(fā)了一臺(tái)燃料電池渦輪壓縮機(jī)—霍尼韋爾燃料電池渦輪壓縮機(jī),該壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速可達(dá)110 kr/min,空氣壓縮機(jī)的重量?jī)H為8.2 kg。

該渦輪壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖8所示[24]。

圖8 霍尼韋爾燃料電池渦輪壓縮機(jī)

該壓縮機(jī)采用空氣軸承將渦輪機(jī)和電機(jī)同軸連接,其最大質(zhì)量流量可達(dá)100 g/s,最大壓比在3.2左右,效率可達(dá)70%;在匹配了膨脹機(jī)之后,其效率更可以提高到80%。

美國(guó)MiTi公司[25]開(kāi)發(fā)了一種使用無(wú)油柔性箔軸承的渦輪空氣壓縮機(jī)。該空氣壓縮機(jī)使用12 kW的永磁電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng),其轉(zhuǎn)速可達(dá)120 000 r/min。目前,MiTi公司初步設(shè)計(jì)了一個(gè)集成了馬達(dá)、箔片軸承和氣動(dòng)車(chē)輪的壓縮機(jī)系統(tǒng),并對(duì)其轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題,及柔順箔片推力軸承的性能進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。

KYOUNGK H等人[26]通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法,研究了燃料電池汽車(chē)離心壓縮機(jī)的氣動(dòng)聲學(xué)特性,該研究結(jié)果表明,可用內(nèi)壓數(shù)據(jù)來(lái)判斷離心式壓縮機(jī)的相對(duì)噪聲級(jí)。

HA K K等人[27]設(shè)計(jì)了一種10 kW級(jí)的無(wú)油軸承離心式壓縮機(jī)。該離心式壓縮機(jī)由1個(gè)軸、2個(gè)翼型軸頸軸承和一對(duì)推力軸承組成,這種結(jié)構(gòu)使得壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)更為緊湊,運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性更強(qiáng)。該壓縮機(jī)用于現(xiàn)代汽車(chē)公司開(kāi)發(fā)的第三代車(chē)載燃料電池,其整體重量是第一代壓縮機(jī)的71%,體積僅為第一代壓縮機(jī)的60.1%。

2.3 滑片式壓縮機(jī)

滑片式壓縮機(jī)是一種利用葉片的滑動(dòng),從而達(dá)到改變?nèi)莘e大小的壓縮機(jī),從本質(zhì)上看,它屬于容積式回轉(zhuǎn)壓縮機(jī)的一種。

無(wú)油式滑片壓縮機(jī)的滑片采用石墨和有機(jī)合成材料等滋潤(rùn)滑材料,所以不再需要額外添加其他潤(rùn)滑劑,能夠?yàn)槿剂想姵靥峁└稍?、干凈的空氣。然而滑片、轉(zhuǎn)子以及氣缸之間存在摩擦,其運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的能量損失,從而導(dǎo)致滑片式壓縮機(jī)效率較低。

為了解決上述問(wèn)題,世界各國(guó)的研究人員紛紛對(duì)滑片式壓縮機(jī)展開(kāi)研究,并取得了一些成果。研究人員們提出了一些壓縮機(jī)的新型構(gòu)造,使得該類壓縮機(jī)在各個(gè)方面的性能都有了很大的提升。

美國(guó)Mechanology公司研制出了新型的滑片式壓縮機(jī)—螺旋式交叉滑片機(jī)械(TIVM)[28],螺旋式交叉滑片機(jī)械(TIVM)的工作原理,如圖9所示。

圖9 螺旋式交叉滑片機(jī)械(TIVM)工作原理

它利用2根呈90°的滑片鏈之間進(jìn)行交叉運(yùn)動(dòng)形成工作腔,從而完成吸氣、壓縮和排氣過(guò)程;主軸每旋轉(zhuǎn)1周,滑片鏈能完成多次壓縮過(guò)程,因此,其空間的利用率得到大幅度提升,甚至能達(dá)到同體積下的高速離心壓縮機(jī)的排氣量;同時(shí),其壓力流量非常穩(wěn)定,由于運(yùn)動(dòng)部件受力均衡,該結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)平衡能力好,振動(dòng)小。

美國(guó)DOE以50 kW燃料電池系統(tǒng)的要求,對(duì)TIVM進(jìn)行了測(cè)試,結(jié)果表明,TIVM樣機(jī)能夠在1 500 r/min的低轉(zhuǎn)速情況下,達(dá)到小體積、大流量的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

但是,由于在一個(gè)周期內(nèi),該結(jié)構(gòu)主軸驅(qū)動(dòng)的滑片鏈上的滑片對(duì)空氣進(jìn)行多次壓縮,滑片的磨損程度很高,壓縮機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間后,壓縮機(jī)會(huì)出現(xiàn)氣體泄漏的情況,從而降低了系統(tǒng)的效率。

為了使得其能夠更好地應(yīng)用于燃料電池,還需要在以下方面對(duì)該壓縮機(jī)進(jìn)行改進(jìn):

(1)在摩擦不變的情況下,減少氣體的泄漏;(2)在高濕度的環(huán)境下,確定嚙合滑片的摩擦系數(shù);(3)為了減少壓力降帶來(lái)的損失和功率損失,要進(jìn)一步優(yōu)化壓縮機(jī)吸排氣口的形狀和位置。

美國(guó)VARIEX公司研制出了一種車(chē)用滑片式壓縮機(jī),并已將其成功用于燃料電池系統(tǒng)。該滑片式壓縮機(jī)的質(zhì)量流量為75 g/s,壓比為2.5,轉(zhuǎn)速為5 000 r/min。

但是由于在壓縮過(guò)程中,滑片存在摩擦和磨損等問(wèn)題,導(dǎo)致壓縮機(jī)只能在全設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速87%的轉(zhuǎn)速下工作,即轉(zhuǎn)速最大為3 000 r/min,并沒(méi)有達(dá)到全設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速。因此,該滑片式壓縮機(jī)的效率較低,另外其泄漏和磨損情況也較為嚴(yán)重。研究結(jié)果顯示,該壓縮機(jī)的膨脹機(jī)的最大效率為78%,壓縮機(jī)的最大效率為71%。

松下公司在其所研制的一款滑片壓縮機(jī)中,設(shè)計(jì)了一種新型的葉片結(jié)構(gòu)[29],該葉片結(jié)構(gòu)能夠抑制由于壓縮機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的噪聲;同時(shí)該款滑片壓縮機(jī)具有體積小、無(wú)油、低噪的優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)被成功應(yīng)用于汽車(chē)燃料電池中。

2.4 渦旋式壓縮機(jī)

無(wú)油潤(rùn)滑的雙渦圈旋渦式壓縮機(jī)具有排氣量大、磨損小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、噪音低及重量輕等特點(diǎn)。這些特性使其非常適用于燃料電池,因此,該類無(wú)油潤(rùn)滑的雙渦圈旋渦式壓縮機(jī)已被許多國(guó)際公司所采用,如美國(guó)UTC公司和日本豐田公司等。

目前,美國(guó)DOE和Author D.Little公司已經(jīng)合作研制了兩代渦旋式壓縮機(jī)。第一代的樣機(jī)能夠連續(xù)提供無(wú)脈動(dòng)氣流,可用于28 kW的燃料電池中,它可提供42 g/s、0.22 MPa的高壓空氣;但是第一代渦旋式壓縮機(jī)的泄漏量較大,高壓比也不能滿足實(shí)際要示。相比于第一代渦旋式壓縮機(jī),第二代渦旋式壓縮機(jī)在轉(zhuǎn)速和排量方面有了較大幅度的提升,可以滿足50 kW燃料電池的性能要求,其轉(zhuǎn)速為3 450 r/min,流量為76 g/s。

渦旋壓縮機(jī)壓比/流量特性和功率需求如圖10所示。

圖10 渦旋壓縮機(jī)壓比/流量特性和功率需求

李海生等人[30-35]以強(qiáng)化壓縮腔內(nèi)氣液傳熱,降低壓縮腔間泄漏損失為目的,對(duì)汽車(chē)用燃料電池的噴水潤(rùn)滑渦旋壓縮機(jī)的高效節(jié)能技術(shù)方案進(jìn)行了探索。

李海生等人通過(guò)對(duì)壓縮腔內(nèi)氣液流體非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬,借助于示蹤顆粒和高速動(dòng)態(tài)分析系統(tǒng),在可視化模型上進(jìn)行了流場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)研究;通過(guò)理論建模及實(shí)驗(yàn)修正相結(jié)合的方式,建立了準(zhǔn)確的氣液泄漏通用模型,揭示了氣液在壓縮腔的復(fù)雜流動(dòng)機(jī)理。

李海生等人還分析了泄漏模型,探索了減小壓縮腔間泄漏的途徑,以提高壓縮機(jī)的密封性能;建立了氣液在壓縮腔內(nèi)流動(dòng)傳熱數(shù)學(xué)模型,借助于示溫涂料及紅外成像技術(shù),對(duì)流動(dòng)傳熱進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,通過(guò)探索腔內(nèi)氣液強(qiáng)化傳熱方法,以降低摩擦功率損失和排氣溫度,提高壓縮腔水介質(zhì)潤(rùn)滑的性能;最后,通過(guò)建立樣機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),進(jìn)行了其性能實(shí)驗(yàn)研究,可為燃料電池汽車(chē)提供節(jié)能高效的噴水渦旋壓縮機(jī)。

3 燃料電池空氣壓縮機(jī)發(fā)展趨勢(shì)

空氣壓縮機(jī)的種類眾多,由于結(jié)構(gòu)和工作原理的不同,壓縮機(jī)的性能優(yōu)勢(shì)也不同。

各類型空氣壓縮機(jī)性能的對(duì)比如表1所示(表中,實(shí)心星越多代表相應(yīng)的性能越好)。

表1 各類型空氣壓縮機(jī)性能對(duì)比

從表1中可以看出:螺桿式壓縮機(jī)和離心式壓縮機(jī)的性能都較好,但由于螺桿式壓縮機(jī)的葉片之間存在摩擦,質(zhì)量和噪聲性能均較離心壓縮機(jī)大,與渦輪的匹配度也較差。

經(jīng)綜合對(duì)比,筆者認(rèn)為離心式空氣壓縮機(jī)的整體性能最好,并且從目前國(guó)內(nèi)外的研究發(fā)展來(lái)看,離心式空氣壓縮機(jī)也是今后空氣壓縮機(jī)發(fā)展的主流方向。

4 結(jié)束語(yǔ)

為了解決燃料電池用空氣壓縮機(jī)使用過(guò)程中存在的問(wèn)題,筆者在分析了燃料電池的基本組成、工作原理及性能特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,指出了在燃料電池的供氣子系統(tǒng)中,空氣壓縮機(jī)對(duì)于燃料電池的性能有著極其重要的影響,并結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀,對(duì)不同類型的燃料電池用空氣壓縮機(jī)的性能及應(yīng)用進(jìn)行了對(duì)比分析和論述。

具體的研究結(jié)論如下:

(1)空氣壓縮機(jī)對(duì)燃料電池系統(tǒng)的性能影響十分重要。隨著空氣壓力增加,燃料電池的電壓隨之提高,制造成本隨之降低,燃料電池的功率密度也會(huì)增大;

(2)目前應(yīng)用于燃料電池系統(tǒng)的壓縮機(jī)主要有螺桿式、離心式、滑片式和渦旋式4種,通過(guò)對(duì)這4種壓縮機(jī)的性能進(jìn)行分析對(duì)比,發(fā)現(xiàn)離心式空氣壓縮機(jī)在燃料電池系統(tǒng)的應(yīng)用方面具有更大的性能優(yōu)勢(shì)和良好的發(fā)展前景。

在后續(xù)的研究中,筆者還將對(duì)離心壓縮機(jī)進(jìn)行深入研究,主要是針對(duì)離心壓縮機(jī)工作過(guò)程中存在的振動(dòng)、噪聲、體積、重量及制造成本等問(wèn)題,進(jìn)行逐個(gè)改進(jìn),以進(jìn)一步提升其綜合性能。