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    燃料電池車用空氣壓縮機發展現狀及趨勢

    發布日期: 2018-05-02
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    隨著能源匱乏和環境破壞問題的日益凸顯,燃料電池技術越來越受到人們的關注。

    空氣壓縮機是車用燃料電池陰極供氣系統的重要部件, 通過對進堆空氣進行增壓,可以提高燃料電池的功率密度和效率,減小燃料電池系統的尺寸。

    但空壓機的寄生功耗很大, 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的重視。

    1 燃料電池用空氣壓縮機

    典型的燃料電池空氣供應系統由空氣過濾器、空壓機、電機、中冷器、增濕器和膨脹機等組成。其中,空壓機由電機和膨脹機共同驅動。

    根據電堆的輸出功率,為燃料電池提供所需壓力和流量的干凈空氣。在空氣供應系統中,空氣的壓力和流量對燃料電池系統的性能(能量密度、系統效率、水平衡和熱損 失),成本和電堆的尺寸等有很大的影響。

    高壓燃料電池系統不僅能提高電堆的效率和功率密度,同時還能夠改善系統的水平衡,如圖 1 所示。

    圖 1 不同的空氣壓力對電堆性能的影響

    為實現較高的能量轉換效率,燃料電池內部的化學反應 對空氣的溫度、濕度、壓力和流量等參數有著嚴格的要求。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。

    因此設計一個性能優越并能很好地與燃料電池系統進行匹配的壓縮機,對于燃料電池的發展至關重要。 

    適用于燃料電池的空壓機需要滿足以下要求: 

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

    (2)。空壓機的寄生功率巨大,其效率直接影響著燃料電池系統的性能;

    (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業化; 

    (4)低噪聲。空壓機是燃料電池系統zui大的噪聲源之一,空壓機的噪聲必須被控制; 

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

    (6)良好的動態響應能力。當需求功率發生變化時,空氣流量和壓力需進行無延遲地進行調整,以跟蹤輸出功率的變化。 

    在車用燃料電池的發展過程中,針對空氣壓縮機的設計 和優化在持續地進行著。本文結合國內外的研究成果,總結了幾種典型燃料電池用壓縮機的結構和性能特點,并分析了空氣壓縮機的未來發展趨勢。

    2 空氣壓縮機的研究現狀 

    空壓機是燃料電池系統空氣供應系統的重要部件,針對 不同的燃料電池系統的性能需求,往往需要不同的空氣壓縮 機與其匹配,常用的空壓機類型有滑片式、螺桿式、離心式、渦旋式和羅茨式空壓機等。

    2.1 渦旋式空壓機 

    無油潤滑雙渦圈渦旋式空壓機是適合用于燃料電池的空壓機結構形式,具有效率高、噪聲低、結構簡單、質量輕、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壓機 / 膨脹機樣機(CEM)的設計和制造。

    *代樣機被用于 28 kW 燃料電池,能提供流量為 42 g/s,壓力達到 2.2×105 Pa 的壓縮空氣。

    第二代樣機在此基礎上提升了空壓機的轉速和排量,可以滿足 50 kW 燃料電池的特性需求,其性能曲線如圖 2 所示。

    圖 2 渦旋空壓機的壓比 / 流量特性和功率需求

    Author D.Little 公司所設計的渦旋式空壓機的壓比 / 流量特性已滿足 DOE 的要求,其zui高壓比達到 3.2。

    但在流量百分比小于 80%的工況下,空壓機耗功較大,是 DOE 目標功耗的 1.5~2 倍。同時空壓機的尺寸和質量與 DOE 的要求相差很大, 仍需進一步優化。 

    2.2 螺桿式壓縮機

    螺桿式空壓機利用螺桿之間形成的空氣槽來壓縮空氣,結構簡單、、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壓機 。

    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。

    戴姆勒公司在 Mercedes-Benz A 級燃料電池汽車(68.5 kW)上使用螺桿式空壓機 / 膨脹機,其噴水螺桿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,使系統效率提高 4%。

    并與膨脹機配合工作,回收部分排氣能量,減少空壓機的寄生功耗 。但螺桿式空壓機和膨脹機的噪聲問題不容忽視,為減小噪聲而采取的措施,進一步增加了系統的成 本、質量和復雜性。

    圖 3 為戴姆勒公司研制的空氣供應系統。

    圖 3 戴姆勒公司研制的空氣供應系統

    Mercedes-Benz B 級與 F 級燃料電池汽車則采用電機驅動的螺桿式空壓機 ,可以有效地改善空氣供應系統的壓比 / 流量特性,使壓比達到 2.9,滿負荷功耗為 9.1 kW(80 kW FCS)。 

    空壓機的設計和選擇應綜合考慮系統的噪聲、壓比、流量、質量和效率等各方面因素,以使燃料電池系統的性能達到*。 

    2.3 離心式空壓機 

    離心式空壓機屬于葉片式空壓機,具有結構緊湊、響應快、壽命長和效率高等特點。通過旋轉的葉輪對氣體作功,在葉輪和擴壓器的流道內,利用離心升壓和降速擴壓作用,將機械能轉換為氣體壓力能。

    但離心式空壓機在低流量時會發生喘振現象,這將嚴重影響系統的性能和空壓機的使用壽命。 

    同濟大學目前正在研發用于 65 kW 燃料電池系統的高速電機驅動的離心式空壓機。

    通過對壓縮機的蝸殼、葉輪和擴壓器進行設計和優化,開發了低流量系數后傾后彎離心式空壓機。

    設計參數如下:zui大空氣流量:80 g/s;壓比:1.5~2.5;潤滑: 水潤滑方式;系統功耗:<10 kW。圖 4 為同濟大學開發的離心 式壓縮機樣機。

     

    圖 4 同濟大學開發的離心式壓縮機樣機

    其在國內實現了離心式空壓機在 80 000 r/min 轉速 下的穩定運行,目前處于國內地位。

    其空壓機所采用的水潤滑軸承,相比較空氣潤滑方式,不需要空壓機提供額外的高 壓空氣用于空氣軸承,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,使得系統更加復雜化。

    圖 5 為不同空壓機的喘振線對比。

    圖 5 不同空壓機的喘振線對比

    相比較現有的工業離心式壓縮機,同濟大學所開發的離心式空壓機具有更窄的喘振邊界和更寬的穩定運行范圍,在小流量工況下,可以實現更大的壓力升高率,有利于空壓機在低流量高壓比工況下正常運行而不發生喘振。 

    2.4 羅茨式空壓機 

    燃料電池系統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的高性能空氣壓縮機,近幾年與美國伊頓公司合作基于現有的 P 級和 R 級羅茨式壓縮機研制了新型的空氣供應系統。

    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合驅動,通過調整其峰值效率點,使其適用于 80 kW 的燃料電池系統。圖 6 為羅茨式壓縮機。

    圖 6 羅茨式壓縮機

    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,使得系統變得更加緊湊。 

    改進后壓縮機可以為系統提供壓比 2.5,流量 92 g/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) 具有較寬的運行區,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。 

    2.5 螺旋式交叉滑片壓縮機 

    螺旋式交叉滑片結構(Toroidal Intersecting Vane Machine) 是一種富有創造性的機械結構,屬于容積式機械。其工作原理如圖 7 所示,兩組呈 90°的滑片鏈相互嚙合形成壓縮空腔,并通過交叉旋轉來壓縮空氣。

    圖 7 螺旋式交叉滑片機的工作原理

    目前只有美國 Mechanology LLC 公司開發了用于燃料電池系統的螺旋式交叉滑片壓縮機 。

    Mechanology 對 TIVM 的 副轉子結構進行優化,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。

    同時通過建立數學模型和理論計算對 嚙合滑片表面結構進行*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 6.7×104 Pa。

    DOE 針對 50 kW 車用燃料電池系統的要求對 TIVM 樣機進行測試,測試結果顯示 TIVM 樣機具有潛在的性能優勢, 可以在 1 500 r/min 的低轉速情況下實現小體積大流量 (壓比 3.2,流量 72 g/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境下的嚙合滑片的摩擦系數;優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。 

    3 空壓機的發展趨勢及關鍵技術 

    由于空壓機的結構和工作原理的不同,空壓機的性能優勢也不盡相同。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。

    離心式壓縮機在密度、效率、噪聲等方面具有較好的綜合效果,被認為是zui有前途的空氣增壓方式之一。表 2 為目前所開發的燃 料電池系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,離心式空氣壓縮機是今后zui主流的發展方向。

    同時隨著燃料電池系統對空氣供應系統性能要求的提高,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展的主要趨勢。

    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合作開發的 110 kr/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,提高系統效率,但往往也會伴隨 著系統成本和尺寸的增加。為達到車用要求,兩個關鍵技術被用于空壓機和渦輪機。

    混流式空壓機葉輪和可變渦輪進口導葉(VNT)  是改善空氣供應系統的流量 / 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, 既產生離心力又產生推力,區和穩定工作范圍較寬,喘振線在更小流量區域,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zui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。

    圖 8 使用 VNT 和混流式葉輪前后空壓機的性能對比

    4 結語 

    本文闡述了目前燃料電池用空壓機的國內外研究現狀, 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,進行性能對比發現離心式壓縮機具有更大的性能優勢和發展前景。

    同時為面向未來的燃料電池發展,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效率和功率密度的有效方法。

    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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