燃料電池用空氣壓縮機的研究現(xiàn)狀*

嚴 彥,周利彪,白文濤,周文俊

(1.西安工程大學 機電學院,陜西 西安 710048;2.南京航空航天大學 航天學院,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能轉化為電能,排出的產(chǎn)物主要為水和熱。它通過電化學反應把燃料的化學能中的吉布斯自由能部分轉換成電能,不受卡諾循環(huán)限制,因而其能量的轉換效率可高達60%～80%;實際使用過程中,其能量的轉換效率也為普通內燃機的數(shù)倍。

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

空氣壓縮機是燃料電池系統(tǒng)的核心設備之一,其主要作用是為燃料電池系統(tǒng)提供無油的壓縮空氣,進而保證燃料電池系統(tǒng)的順利工作。空氣壓縮機性能的好壞直接影響燃料電池系統(tǒng)的效率。因此,在對燃料電池系統(tǒng)所進行的研究中,對其中的空氣壓縮機的性能進行研究十分必要。

筆者通過對已有的文獻進行調研后發(fā)現(xiàn),現(xiàn)有的文獻多集中于對燃料電池整體的研究,而針對燃料電池中空氣壓縮機的研究則相對較少;并且，目前還沒有對燃料電池用空壓機整個行業(yè),及其當前技術水平的綜述性報道。

因此,該研究在對燃料電池用空氣壓縮機的相關研究發(fā)展進行調研的基礎上,分析總結燃料電池所用的螺桿壓縮機、離心壓縮機、滑片壓縮機和渦旋壓縮機的性能,以及近年來上述各類壓縮機的具體應用情況,并據(jù)此提出各類壓縮機未來發(fā)展中可能存在的問題,以期為后續(xù)的相關研究提供參考。

1 燃料電池空氣壓縮機概述

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)

由于質子交換膜燃料電池(PEMFC)廣泛采用的氧化劑為氧氣,常見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)由高速電機驅動的壓縮機、空氣過濾器和空氣預冷器等組成,環(huán)境空氣需經(jīng)過該系統(tǒng)的處理才能進入電池堆內部[2-4]。其中,空氣壓縮機為空氣/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)的整體效率也會大幅提升。

在不同的進氣壓力下,燃料電池的特性曲線如圖2所示[5]。

圖2 不同進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Argonne和DOE的研究顯示,空氣壓縮機成本占整個燃料電池系統(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對其電壓產(chǎn)生較大影響,同時也會對燃料電池系統(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)的功率密度也會增大。

2 燃料電池空氣壓縮機研究現(xiàn)狀

根據(jù)壓縮氣體方式的差異,燃料電池的壓縮機可分為兩種,即容積式和動力式;根據(jù)改變其體容積方式的不同,燃料電池的壓縮機又可分為兩種,即往復式和回轉式;根據(jù)轉子結構特點的不同,壓縮機還可以分為4種,即螺桿式、離心式、滑片式和渦旋式。

燃料電池壓縮機分類情況如圖5所示。

圖5 燃料電池壓縮機分類

2.1 螺桿式壓縮機

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

螺桿式壓縮機分為雙螺桿壓縮機和單螺桿壓縮機兩種。單螺桿壓縮機由于具有結構簡單、力平衡性好的優(yōu)點,成為燃料電池壓縮機的首選。

針對噴水單螺桿壓縮機的工作過程,吳震宇[11]建立了單螺桿壓縮機相應的數(shù)學模型(該模型應用質量守恒定律和熱力學第一方程,同時考慮了氣體泄漏和冷卻劑的換熱效果),并基于該數(shù)學模型,探索了壓縮機工作轉速和噴水量對壓縮空氣物性參數(shù)、壓縮機容積效率和能量利用率的影響規(guī)律。

在國家有關“電動汽車重大專項”中的“燃料電池發(fā)動機”課題中,西安交通大學壓縮機研究所研制了一種可以應用于燃料電池的LG300型噴水螺桿空氣壓縮機[12]。該壓縮機采用噴水冷卻方式。根據(jù)該壓縮機使用的實際工況,研究人員設計了特殊的轉子型線,使用特殊的軸承和軸封,并根據(jù)燃料電池的特點,對壓縮機進行了改進,提升了壓縮機的工作性能。

隨后,為進一步提高壓縮機的性能,同時減小壓縮機的體積和質量,并降低其實際使用時的噪聲,西安交通大學在LG300型噴水螺桿空氣壓縮機的基礎上,開發(fā)出用于30 kW燃料電池的無油螺桿壓縮機。開發(fā)人員將該壓縮機將工作轉速提高到了10 000 r/min,并采用鋁作為其主體材料,在保證氣流量的同時,減小了壓縮機的體積和重量;同時,為了進一步節(jié)省空間,壓縮機的轉子采用陰陽轉子上下布置的方式。目前,該類型壓縮機成品已在東風汽車的燃料電池車上得到了批量安裝。

孫來玉[13]提出了一種適用于燃料電池的高速無油雙螺桿空氣壓縮機,計算了壓縮機轉子、齒輪及殼體等各零部件的結構參數(shù),建立了其微觀工作過程的數(shù)學模型,并以一個齒間容積為研究對象,對其工作過程及性能進行了仿真分析及試驗驗證,最終研制出了原理樣機。

KAUDER K等人[14]在研制50 kW聚合物電解質膜燃料電池過程中,對所用的螺桿壓縮機的工作特性進行了分析,發(fā)現(xiàn)壓縮機增壓器的部分功率消耗可以用回收的膨脹器功率來彌補,且增壓器和膨脹機可以在一個模塊中工作,這樣可以進一步減小螺桿壓縮機的尺寸,降低其成本。

STOSIC N等人[15]提出了一種螺桿壓縮機的新結構,其只需一對轉子就能同時完成壓縮和膨脹的功能,通過將膨脹器和壓縮機的高壓端口定位在殼體的相對側,并靠近其中心,且通過平衡轉子的壓縮部分和膨脹部分上的力來減小軸承的載荷;同時,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如圖6所示。

圖6 戴姆勒公司研制的噴水螺桿式壓縮機

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

瑞士OpconAutoRotor AB公司根據(jù)雙螺桿壓縮機的基本原理,制造出了數(shù)款采用永磁材料的同步直齒輪直接驅動的燃料電池壓縮機[17]。以其中一款OA1050的燃料電池壓縮機為例,其質量為4.8 kg,最大流量和轉速分別為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

離心式壓縮機具有結構緊密、重量輕、機組尺寸小、運轉平穩(wěn)和運轉效率高,以及可靠性好等優(yōu)點[18]8。但是其穩(wěn)定的工況區(qū)較窄,致使其經(jīng)濟性較差。目前,離心式壓縮機的主要研究方向是壓力、流量和轉速之間的關系,以及壓縮機的氣動性能和噪聲。

北京科技大學的任天明等人[18]25研制的離心壓縮機,如圖7所示。

圖7 北京科技大學研制的離心壓縮機

該離心式壓縮機由水潤滑軸承支承,并由永磁同步電機驅動,可以達到轉速為100 000 r/min,功率為10 kW的設計目標。該空氣壓縮機解決了中置式電機的水密封難題,大幅提高了燃料電池系統(tǒng)的臨界轉速,有效減小了轉子攪水損耗。

該研究分析了軸承間隙、腔寬和腔長等結構參數(shù),以及供水壓力、偏心和轉速等工作參數(shù)對壓縮機工作性能的影響;并對水潤軸承的抗沖擊、振動能力與穩(wěn)定性進行了深入的研究。

在研究飛機燃料電池用離心式壓縮機的過程中,趙冬冬等人[19,20]針對離心式壓縮機的流量、壓力、轉速與高度之間的非線性耦合關系進行了研究,得到了工作區(qū)間內,高度、壓縮機壓力、流量以及轉速之間的動態(tài)特性、耦合特性曲線,并且對燃料電池用離心式壓縮機的流量和壓力的解耦控制進行了深入研究。

韋開君等人[21]測試并分析了燃料電池車用離心壓縮機的氣動性能及其噪聲,通過研究發(fā)現(xiàn),總聲壓級峰值出現(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壓器的同時失速。

左曙光等人[22]采用Kriging模型對離心壓縮機葉輪的參數(shù)進行了優(yōu)化,該研究結果表明,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%,整機聲功率級下降了3.79 dB,壓縮機綜合性能得到了明顯改善。

陶國良等人[23]對離心式壓縮機的壓縮過程進行了仿真研究,分析了設計工作轉速、葉道間氣流狀態(tài)與背壓之間的變化規(guī)律;該研究結果顯示,在葉輪吸力面后部存在造成較大能量損失的二次流動,因此,提出了一種可以有效抑制該二次流動的環(huán)量分布方法。該方法通過控制輪盤和輪蓋線上,環(huán)量對子午流線導數(shù)值分布,來減弱葉輪間二次流動強度,從而提高離心壓縮機的工作性能。

美國能源部與Honeywell公司一起合作開發(fā)了一臺燃料電池渦輪壓縮機—霍尼韋爾燃料電池渦輪壓縮機,該壓縮機的轉速可達110 kr/min,空氣壓縮機的重量僅為8.2 kg。

該渦輪壓縮機的結構如圖8所示[24]。

圖8 霍尼韋爾燃料電池渦輪壓縮機

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

美國MiTi公司[25]開發(fā)了一種使用無油柔性箔軸承的渦輪空氣壓縮機。該空氣壓縮機使用12 kW的永磁電機來驅動,其轉速可達120 000 r/min。目前,MiTi公司初步設計了一個集成了馬達、箔片軸承和氣動車輪的壓縮機系統(tǒng),并對其轉子系統(tǒng)動力學問題,及柔順箔片推力軸承的性能進行了理論分析和實驗研究。

KYOUNGK H等人[26]通過實驗的方法,研究了燃料電池汽車離心壓縮機的氣動聲學特性,該研究結果表明,可用內壓數(shù)據(jù)來判斷離心式壓縮機的相對噪聲級。

HA K K等人[27]設計了一種10 kW級的無油軸承離心式壓縮機。該離心式壓縮機由1個軸、2個翼型軸頸軸承和一對推力軸承組成,這種結構使得壓縮機的結構更為緊湊,運轉的穩(wěn)定性更強。該壓縮機用于現(xiàn)代汽車公司開發(fā)的第三代車載燃料電池,其整體重量是第一代壓縮機的71%,體積僅為第一代壓縮機的60.1%。

2.3 滑片式壓縮機

滑片式壓縮機是一種利用葉片的滑動,從而達到改變容積大小的壓縮機,從本質上看,它屬于容積式回轉壓縮機的一種。

無油式滑片壓縮機的滑片采用石墨和有機合成材料等滋潤滑材料,所以不再需要額外添加其他潤滑劑,能夠為燃料電池提供干燥、干凈的空氣。然而滑片、轉子以及氣缸之間存在摩擦,其運轉過程中會產(chǎn)生大量的能量損失,從而導致滑片式壓縮機效率較低。

為了解決上述問題,世界各國的研究人員紛紛對滑片式壓縮機展開研究,并取得了一些成果。研究人員們提出了一些壓縮機的新型構造,使得該類壓縮機在各個方面的性能都有了很大的提升。

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

圖9 螺旋式交叉滑片機械(TIVM)工作原理

它利用2根呈90°的滑片鏈之間進行交叉運動形成工作腔,從而完成吸氣、壓縮和排氣過程;主軸每旋轉1周,滑片鏈能完成多次壓縮過程,因此,其空間的利用率得到大幅度提升,甚至能達到同體積下的高速離心壓縮機的排氣量;同時,其壓力流量非常穩(wěn)定,由于運動部件受力均衡,該結構的動態(tài)平衡能力好,振動小。

美國DOE以50 kW燃料電池系統(tǒng)的要求,對TIVM進行了測試,結果表明,TIVM樣機能夠在1 500 r/min的低轉速情況下,達到小體積、大流量的設計目標。

但是,由于在一個周期內,該結構主軸驅動的滑片鏈上的滑片對空氣進行多次壓縮,滑片的磨損程度很高,壓縮機運行一段時間后,壓縮機會出現(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用于燃料電池,還需要在以下方面對該壓縮機進行改進:

(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的損失和功率損失,要進一步優(yōu)化壓縮機吸排氣口的形狀和位置。

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

但是由于在壓縮過程中,滑片存在摩擦和磨損等問題,導致壓縮機只能在全設計轉速87%的轉速下工作,即轉速最大為3 000 r/min,并沒有達到全設計轉速。因此,該滑片式壓縮機的效率較低,另外其泄漏和磨損情況也較為嚴重。研究結果顯示,該壓縮機的膨脹機的最大效率為78%,壓縮機的最大效率為71%。

松下公司在其所研制的一款滑片壓縮機中,設計了一種新型的葉片結構[29],該葉片結構能夠抑制由于壓縮機長時間運轉而產(chǎn)生的噪聲;同時該款滑片壓縮機具有體積小、無油、低噪的優(yōu)點,已經(jīng)被成功應用于汽車燃料電池中。

2.4 渦旋式壓縮機

無油潤滑的雙渦圈旋渦式壓縮機具有排氣量大、磨損小、結構簡單、效率高、噪音低及重量輕等特點。這些特性使其非常適用于燃料電池,因此,該類無油潤滑的雙渦圈旋渦式壓縮機已被許多國際公司所采用,如美國UTC公司和日本豐田公司等。

目前,美國DOE和Author D.Little公司已經(jīng)合作研制了兩代渦旋式壓縮機。第一代的樣機能夠連續(xù)提供無脈動氣流,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的泄漏量較大,高壓比也不能滿足實際要示。相比于第一代渦旋式壓縮機,第二代渦旋式壓縮機在轉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,其轉速為3 450 r/min,流量為76 g/s。

渦旋壓縮機壓比/流量特性和功率需求如圖10所示。

圖10 渦旋壓縮機壓比/流量特性和功率需求

李海生等人[30-35]以強化壓縮腔內氣液傳熱,降低壓縮腔間泄漏損失為目的,對汽車用燃料電池的噴水潤滑渦旋壓縮機的高效節(jié)能技術方案進行了探索。

李海生等人通過對壓縮腔內氣液流體非穩(wěn)態(tài)流動進行數(shù)值模擬,借助于示蹤顆粒和高速動態(tài)分析系統(tǒng),在可視化模型上進行了流場的實驗研究;通過理論建模及實驗修正相結合的方式,建立了準確的氣液泄漏通用模型,揭示了氣液在壓縮腔的復雜流動機理。

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,以提高壓縮機的密封性能;建立了氣液在壓縮腔內流動傳熱數(shù)學模型,借助于示溫涂料及紅外成像技術,對流動傳熱進行了實驗研究,通過探索腔內氣液強化傳熱方法,以降低摩擦功率損失和排氣溫度,提高壓縮腔水介質潤滑的性能;最后,通過建立樣機實驗系統(tǒng),進行了其性能實驗研究,可為燃料電池汽車提供節(jié)能高效的噴水渦旋壓縮機。

3 燃料電池空氣壓縮機發(fā)展趨勢

空氣壓縮機的種類眾多,由于結構和工作原理的不同,壓縮機的性能優(yōu)勢也不同。

各類型空氣壓縮機性能的對比如表1所示(表中,實心星越多代表相應的性能越好)。

表1 各類型空氣壓縮機性能對比

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

經(jīng)綜合對比,筆者認為離心式空氣壓縮機的整體性能最好,并且從目前國內外的研究發(fā)展來看,離心式空氣壓縮機也是今后空氣壓縮機發(fā)展的主流方向。

4 結束語

為了解決燃料電池用空氣壓縮機使用過程中存在的問題,筆者在分析了燃料電池的基本組成、工作原理及性能特點的基礎上,指出了在燃料電池的供氣子系統(tǒng)中,空氣壓縮機對于燃料電池的性能有著極其重要的影響,并結合國內外研究現(xiàn)狀,對不同類型的燃料電池用空氣壓縮機的性能及應用進行了對比分析和論述。

具體的研究結論如下:

(1)空氣壓縮機對燃料電池系統(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增大;

(2)目前應用于燃料電池系統(tǒng)的壓縮機主要有螺桿式、離心式、滑片式和渦旋式4種,通過對這4種壓縮機的性能進行分析對比,發(fā)現(xiàn)離心式空氣壓縮機在燃料電池系統(tǒng)的應用方面具有更大的性能優(yōu)勢和良好的發(fā)展前景。

在后續(xù)的研究中,筆者還將對離心壓縮機進行深入研究,主要是針對離心壓縮機工作過程中存在的振動、噪聲、體積、重量及制造成本等問題,進行逐個改進,以進一步提升其綜合性能。