PEMFC 發(fā)動機(jī)用空氣壓縮機(jī)發(fā)展綜述

王玉杰?盧元輝

摘要：PEMFC發(fā)動機(jī)是將氫氧中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)有本質(zhì)區(qū)別，具有能量轉(zhuǎn)化效率高、無污染等特點(diǎn)，被廣泛認(rèn)為是未來的綠色清潔能源?？諝鈮嚎s機(jī)是PEMFC 發(fā)動機(jī)的肺，為陰極提供一定流量和壓力的空氣，其性能和可靠性對發(fā)動機(jī)有至關(guān)重要的影響。針對PEMFC發(fā)動機(jī)用空氣壓縮機(jī)的特點(diǎn)，對目前PEMFC發(fā)動機(jī)用空氣壓縮機(jī)的常用結(jié)構(gòu)型式和發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。綜合看來，離心式空氣壓縮機(jī)是未來主流的技術(shù)路線。

關(guān)鍵詞： PEMFC發(fā)動機(jī);空氣壓縮機(jī);離心式;發(fā)展趨勢

隨著對未來綠色能源的關(guān)注，PEMFC發(fā)動機(jī)因其高效率、無污染等優(yōu)勢，在車用、固定發(fā)電等場合被廣泛應(yīng)用。由于不受卡諾循環(huán)的限制，能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到60%～80%[1]?？諝鈮嚎s機(jī)作為除電堆以外的核心零部件，需要根據(jù)電堆不同的工況，為電堆提供一定過量比和壓力的空氣?，F(xiàn)在空氣壓縮機(jī)自身功率消耗大，是附件中消耗功率最大的零部件，約占發(fā)動機(jī)消耗的10%～15%，約占燃料電池輔助功耗的80%[2]，直接影響的PEMFC發(fā)動機(jī)的凈功率輸出;其體積、噪音、無油等特性也對PEMFC發(fā)動機(jī)的指標(biāo)有直接影響。因此對空氣壓縮機(jī)的研究是必要和至關(guān)重要的。

一、適用于PEMFC發(fā)動機(jī)的空氣壓縮機(jī)需要滿足以下要求：

（一）無油：潤滑油會引起電堆催化劑中毒，空氣壓縮機(jī)應(yīng)采用無油空氣軸承;

（二）高效：空氣壓縮機(jī)的寄生功率大，其效率直接影響PEMFC發(fā)動機(jī)的性能指標(biāo);

（三）小型化和低成本：PEMFC發(fā)動機(jī)的應(yīng)用受其功率密度和成本的制約，小型化和低成本有助于推動PEMFC發(fā)動機(jī)的產(chǎn)業(yè)化;

（四）低噪聲：空氣壓縮機(jī)是燃料電池系統(tǒng)最大的噪聲源，其噪聲應(yīng)盡量控制;

（五）喘振線在小流量區(qū)：PEMFC發(fā)動機(jī)需要在小流量、高壓比工況下運(yùn)行;

（六）良好的動態(tài)響應(yīng)性：當(dāng)需求功率發(fā)生變化時(shí)，空氣流量和壓力可無延遲地進(jìn)行調(diào)整，以跟隨輸出功率的變化。

車用燃料電池的發(fā)展過程中，針對空氣壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化在持續(xù)地進(jìn)行著。本文結(jié)合國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，總結(jié)了幾種典型PEMFC發(fā)動機(jī)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)的未來發(fā)展態(tài)勢。

二、空氣壓縮機(jī)的研究現(xiàn)狀

空氣壓縮機(jī)是PEMFC發(fā)動機(jī)空氣系統(tǒng)的重要部件，目前常用的空氣壓縮機(jī)類型有螺桿式、離心式、渦旋式和羅茨式等。

現(xiàn)在國內(nèi)外采用的空氣壓縮機(jī)型式及供貨商如下表所示。

（一）渦旋式空氣壓縮機(jī)

渦旋式空氣壓縮機(jī)是適合用于PEMFC發(fā)動機(jī)的空壓機(jī)結(jié)構(gòu)形式，具有效率高、噪聲低、結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、可靠性高等特點(diǎn)[3-4] 。目前已被日本豐田（Toyota） 、美國UTC等多家公司應(yīng)用于PEMFC發(fā)動機(jī)上。

（二） 螺桿式壓縮機(jī)

螺桿式空氣壓縮機(jī)利用螺桿之間形成的空氣槽來壓縮空氣，結(jié)構(gòu)簡單、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氣壓縮機(jī)[5]。前期的本田Clarity、戴姆勒GLC、通用Equinox等都采用螺桿式空氣壓縮機(jī)。

（三）離心式空氣壓縮機(jī)

離心式空氣壓縮機(jī)屬于葉片式空氣壓縮機(jī)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)快壽命長和效率高等特點(diǎn)[6] 。通過旋轉(zhuǎn)的葉輪對氣體作功，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。但離心式空氣壓縮機(jī)在低流量時(shí)會發(fā)生喘振現(xiàn)象，這將嚴(yán)重影響系統(tǒng)的性能和空氣壓縮機(jī)的使用壽命。因此，離心式空氣壓縮機(jī)要求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，有利于空氣壓縮機(jī)在低流量高壓比工況下正常運(yùn)行而不發(fā)生喘振。

（四）羅茨式空氣壓縮機(jī)

選用羅茨式空氣壓縮機(jī)作為PEMFC發(fā)動機(jī)用空氣壓縮機(jī)的優(yōu)勢如下：

（1）羅茨式空氣壓縮機(jī)的工作轉(zhuǎn)速較低，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);（3）羅茨式空氣壓縮機(jī)的技術(shù)已經(jīng)相對成熟，工藝難度低。但存在葉片少，氣流脈動大，噪音大等缺點(diǎn)。

三、空氣壓縮機(jī)的發(fā)展趨勢及關(guān)鍵技術(shù)

由于空氣壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理的不同，其技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)也不盡相同。通過比較可以看出，渦旋式和螺桿式空氣壓縮機(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。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)為是最有技術(shù)潛力的空氣增壓的解決方案，是未來主流技術(shù)路線。

四、結(jié)語

本文介紹了目前PEMFC發(fā)動機(jī)用空氣壓縮機(jī)的國內(nèi)外研究和應(yīng)用現(xiàn)狀，介紹了渦旋式、螺桿式、離心式、羅茨式壓縮機(jī)，對比發(fā)現(xiàn)離心式壓縮機(jī)具有更大的性能優(yōu)勢和發(fā)展前景。同時(shí)為面向未來的PEMFC發(fā)動機(jī)發(fā)展，結(jié)果表明離心式增壓技術(shù)是提高PEMFC發(fā)動機(jī)效率和功率密度的有效技術(shù)方案。因此，離心式增壓技術(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、尺寸和噪聲等問題將成為未來燃料電池研究的主要方向。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊啟超，李連生，趙遠(yuǎn)揚(yáng). 燃料電池供氣系統(tǒng)中空氣壓縮機(jī)的研發(fā)現(xiàn)狀[J].通用機(jī)械，2008（1）： 32-37.

[2] 郭愛，李奇，陳維榮，等. 車用燃料電池陰極系統(tǒng)特性[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2013（6）： 1052-1058.

[3] 王君，劉振全. 雙渦圈渦旋壓縮機(jī)完全嚙合型線修正理論研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2005（3）： 234-238.

[4] 李超，劉振全，王君. 燃料電池用無油潤滑渦旋壓縮機(jī)研究[J].潤滑與密封，2008（6）： 74-76， 92.

[5] 楊炳春，李建風(fēng)，邢子文，等. 無油螺桿壓縮機(jī)在燃料電池中的應(yīng)用[J].化工學(xué)報(bào)，2004，S1： 269-272.

[6] 黃友艷，秦國良. 燃料電池用離心壓縮機(jī)設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬[J].風(fēng)機(jī)技術(shù)，2012（1）： 30-32， 47.

作者單位：濰柴動力股份有限公司