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0512-58588966隨著能源匱乏和環(huán)境破壞問(wèn)題的日益凸顯,燃料電池技術(shù)越來(lái)越受到人們的關(guān)注。
空氣壓縮機(jī)是車用燃料電池陰極供氣系統(tǒng)的重要部件, 通過(guò)對(duì)進(jìn)堆空氣進(jìn)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(tǒng)的尺寸。
但空壓機(jī)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(tǒng)的效率、緊湊性和水平衡特性。因此,各國(guó)的燃料電池項(xiàng)目對(duì)空壓機(jī)的研究都非常的重視。
典型的燃料電池空氣供應(yīng)系統(tǒng)由空氣過(guò)濾器、空壓機(jī)、電機(jī)、中冷器、增濕器和膨脹機(jī)等組成。其中,空壓機(jī)由電機(jī)和膨脹機(jī)共同驅(qū)動(dòng)。
根據(jù)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(yīng)系統(tǒng)中,空氣的壓力和流量對(duì)燃料電池系統(tǒng)的性能(能量密度、系統(tǒng)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(tǒng)不僅能提高電堆的效率和功率密度,同時(shí)還能夠改善系統(tǒng)的水平衡,如圖 1 所示。
圖 1 不同的空氣壓力對(duì)電堆性能的影響
為實(shí)現(xiàn)較高的能量轉(zhuǎn)換效率,燃料電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng) 對(duì)空氣的溫度、濕度、壓力和流量等參數(shù)有著嚴(yán)格的要求。但目前廣泛應(yīng)用的工業(yè)壓縮機(jī)無(wú)法滿足燃料電池對(duì)空氣的要求。
因此設(shè)計(jì)一個(gè)性能*并能很好地與燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行匹配的壓縮機(jī),對(duì)于燃料電池的發(fā)展至關(guān)重要。
適用于燃料電池的空壓機(jī)需要滿足以下要求:
(1)無(wú)油。潤(rùn)滑油會(huì)使電堆發(fā)生中毒,因此空壓機(jī)需要采用水潤(rùn)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系統(tǒng)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(chǎn)業(yè)化;
(4)低噪聲。空壓機(jī)是燃料電池系統(tǒng)大的噪聲源之一,空壓機(jī)的噪聲必須被控制;
(5)喘振線在小流量區(qū)。可以實(shí)現(xiàn)燃料電池在小流量高壓比工況下高效地運(yùn)行;
(6)良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。當(dāng)需求功率發(fā)生變化時(shí),空氣流量和壓力需進(jìn)行無(wú)延遲地進(jìn)行調(diào)整,以跟蹤輸出功率的變化。
在車用燃料電池的發(fā)展過(guò)程中,針對(duì)空氣壓縮機(jī)的設(shè)計(jì) 和優(yōu)化在持續(xù)地進(jìn)行著。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外的研究成果,總結(jié)了幾種典型燃料電池用壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn),并分析了空氣壓縮機(jī)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。
空壓機(jī)是燃料電池系統(tǒng)空氣供應(yīng)系統(tǒng)的重要部件,針對(duì) 不同的燃料電池系統(tǒng)的性能需求,往往需要不同的空氣壓縮 機(jī)與其匹配,常用的空壓機(jī)類型有滑片式、螺桿式、離心式、渦旋式和羅茨式空壓機(jī)等。
2.1 渦旋式空壓機(jī)
無(wú)油潤(rùn)滑雙渦圈渦旋式空壓機(jī)是適合用于燃料電池的空壓機(jī)結(jié)構(gòu)形式,具有效率高、噪聲低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、可靠性高等特點(diǎn)。
目前已被日本豐田(Toyota)、美國(guó) UTC 等多家公司應(yīng)用于燃料電池上。 美國(guó) DOE 和 Author D.Little 公司合作完成兩代渦旋式空壓機(jī) / 膨脹機(jī)樣機(jī)(CEM)的設(shè)計(jì)和制造。
代樣機(jī)被用于 28 kW 燃料電池,能提供流量為 42 g/s,壓力達(dá)到 2.2×105 Pa 的壓縮空氣。
第二代樣機(jī)在此基礎(chǔ)上提升了空壓機(jī)的轉(zhuǎn)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(jī)的壓比 / 流量特性和功率需求
Author D.Little 公司所設(shè)計(jì)的渦旋式空壓機(jī)的壓比 / 流量特性已滿足 DOE 的要求,其高壓比達(dá)到 3.2。
但在流量百分比小于 80%的工況下,空壓機(jī)耗功較大,是 DOE 目標(biāo)功耗的 1.5~2 倍。同時(shí)空壓機(jī)的尺寸和質(zhì)量與 DOE 的要求相差很大, 仍需進(jìn)一步優(yōu)化。
2.2 螺桿式壓縮機(jī)
螺桿式空壓機(jī)利用螺桿之間形成的空氣槽來(lái)壓縮空氣,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高效、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(jī) 。
美國(guó) GM、PlugPower、德國(guó) Xcellsis、加拿大 Ballard 等公司的燃料電池中都采用了螺桿式壓縮機(jī)。
戴姆勒公司在 Mercedes-Benz A 級(jí)燃料電池汽車(68.5 kW)上使用螺桿式空壓機(jī) / 膨脹機(jī),其噴水螺桿式空壓機(jī)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(tǒng)效率提高 4%。
并與膨脹機(jī)配合工作,回收部分排氣能量,減少空壓機(jī)的寄生功耗 。但螺桿式空壓機(jī)和膨脹機(jī)的噪聲問(wèn)題不容忽視,為減小噪聲而采取的措施,進(jìn)一步增加了系統(tǒng)的成 本、質(zhì)量和復(fù)雜性。
圖 3 為戴姆勒公司研制的空氣供應(yīng)系統(tǒng)。
圖 3 戴姆勒公司研制的空氣供應(yīng)系統(tǒng)
Mercedes-Benz B 級(jí)與 F 級(jí)燃料電池汽車則采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的螺桿式空壓機(jī) ,可以有效地改善空氣供應(yīng)系統(tǒng)的壓比 / 流量特性,使壓比達(dá)到 2.9,滿負(fù)荷功耗為 9.1 kW(80 kW FCS)。
空壓機(jī)的設(shè)計(jì)和選擇應(yīng)綜合考慮系統(tǒng)的噪聲、壓比、流量、質(zhì)量和效率等各方面因素,以使燃料電池系統(tǒng)的性能達(dá)到優(yōu)。
2.3 離心式空壓機(jī)
離心式空壓機(jī)屬于葉片式空壓機(jī),具有結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)快、壽命長(zhǎng)和效率高等特點(diǎn)。通過(guò)旋轉(zhuǎn)的葉輪對(duì)氣體作功,在葉輪和擴(kuò)壓器的流道內(nèi),利用離心升壓和降速擴(kuò)壓作用,將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為氣體壓力能。
但離心式空壓機(jī)在低流量時(shí)會(huì)發(fā)生喘振現(xiàn)象,這將嚴(yán)重影響系統(tǒng)的性能和空壓機(jī)的使用壽命。
同濟(jì)大學(xué)目前正在研發(fā)用于 65 kW 燃料電池系統(tǒng)的高速電機(jī)驅(qū)動(dòng)的離心式空壓機(jī)。
通過(guò)對(duì)壓縮機(jī)的蝸殼、葉輪和擴(kuò)壓器進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化,開發(fā)了低流量系數(shù)后傾后彎離心式空壓機(jī)。
設(shè)計(jì)參數(shù)如下:大空氣流量:80 g/s;壓比:1.5~2.5;潤(rùn)滑: 水潤(rùn)滑方式;系統(tǒng)功耗:<10 kW。圖 4 為同濟(jì)大學(xué)開發(fā)的離心 式壓縮機(jī)樣機(jī)。
圖 4 同濟(jì)大學(xué)開發(fā)的離心式壓縮機(jī)樣機(jī)
其在*茨實(shí)現(xiàn)了離心式空壓機(jī)在 80 000 r/min 轉(zhuǎn)速 下的穩(wěn)定運(yùn)行,目前處于國(guó)內(nèi)嶺先地位。
其空壓機(jī)所采用的水潤(rùn)滑軸承,相比較空氣潤(rùn)滑方式,不需要空壓機(jī)提供額外的高 壓空氣用于空氣軸承,提高了壓縮機(jī)的做功能力,但同時(shí)水潤(rùn)滑軸承需要增加額外的潤(rùn)滑水路和驅(qū)動(dòng)裝置,使得系統(tǒng)更加復(fù)雜化。
圖 5 為不同空壓機(jī)的喘振線對(duì)比。
圖 5 不同空壓機(jī)的喘振線對(duì)比
相比較現(xiàn)有的工業(yè)離心式壓縮機(jī),同濟(jì)大學(xué)所開發(fā)的離心式空壓機(jī)具有更窄的喘振邊界和更寬的穩(wěn)定運(yùn)行范圍,在小流量工況下,可以實(shí)現(xiàn)更大的壓力升高率,有利于空壓機(jī)在低流量高壓比工況下正常運(yùn)行而不發(fā)生喘振。
2.4 羅茨式空壓機(jī)
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 80 kW 的燃料電池系統(tǒng)。圖 6 為羅茨式壓縮機(jī)。
圖 6 羅茨式壓縮機(jī)
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 92 g/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。
2.5 螺旋式交叉滑片壓縮機(jī)
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。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(guò)交叉旋轉(zhuǎn)來(lái)壓縮空氣。
圖 7 螺旋式交叉滑片機(jī)的工作原理
目前只有美國(guó) 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(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 6.7×104 Pa。
DOE 針對(duì) 50 kW 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 1 500 r/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 72 g/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。
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。
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、噪聲等方面具有的綜合效果,被認(rèn)為是有前途的空氣增壓方式之一。表 2 為目前所開發(fā)的燃 料電池系統(tǒng)中所使用的空壓機(jī)類型。
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)。
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合作開發(fā)的 110 kr/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)。
混流式空壓機(jī)葉輪和可變渦輪進(jìn)口導(dǎo)葉(VNT) 是改善空氣供應(yīng)系統(tǒng)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(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)~片開度大小,影響導(dǎo)葉柵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。
圖 8 使用 VNT 和混流式葉輪前后空壓機(jī)的性能對(duì)比
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。
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。
(來(lái)源:中國(guó)工業(yè)日?qǐng)?bào))