燃料电池用空气压缩机的研究现状*

严 彦,周利彪,白文涛,周文俊

(1.西安工程大学 机电学院,陕西 西安 710048;2.南京航空航天大学 航天学院,江苏 南京 210016)

0 引 言

燃料电池是一种高效、环境友好的发电装置,它直接将贮存在燃料与氧化剂中的化学能转化为电能,排出的产物主要为水和热。它通过电化学反应把燃料的化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能,不受卡诺循环限制,因而其能量的转换效率可高达60%～80%;实际使用过程中,其能量的转换效率也为普通内燃机的数倍。

同时,燃料电池用燃料和氧气作为原料,没有机械传动部件,故没有噪声污染,且排放出的有害气体极少。因此,不管从节约能源还是保护生态环境的角度来看,燃料电池都是最有发展前途的“高能电池”。

空气压缩机是燃料电池系统的核心设备之一,其主要作用是为燃料电池系统提供无油的压缩空气,进而保证燃料电池系统的顺利工作。空气压缩机性能的好坏直接影响燃料电池系统的效率。因此,在对燃料电池系统所进行的研究中,对其中的空气压缩机的性能进行研究十分必要。

笔者通过对已有的文献进行调研后发现,现有的文献多集中于对燃料电池整体的研究,而针对燃料电池中空气压缩机的研究则相对较少;并且，目前还没有对燃料电池用空压机整个行业,及其当前技术水平的综述性报道。

因此,该研究在对燃料电池用空气压缩机的相关研究发展进行调研的基础上,分析总结燃料电池所用的螺杆压缩机、离心压缩机、滑片压缩机和涡旋压缩机的性能,以及近年来上述各类压缩机的具体应用情况,并据此提出各类压缩机未来发展中可能存在的问题,以期为后续的相关研究提供参考。

1 燃料电池空气压缩机概述

燃料电池系统主要包含4部分,即燃料电池堆、空气/氧气系统、氢气系统和水热管理系统。

常见的燃料电池整体系统如图1所示。

图1 燃料电池整体系统

由于质子交换膜燃料电池(PEMFC)广泛采用的氧化剂为氧气,常见的燃料电池一般主要选择空气作为其氧化剂[1]。

空气/氧气子系统由高速电机驱动的压缩机、空气过滤器和空气预冷器等组成,环境空气需经过该系统的处理才能进入电池堆内部[2-4]。其中,空气压缩机为空气/氧气子系统最重要的部件,它可将空气压力加至燃料电池组所需的最佳操作压力,并为其提供所需流量的空气。

合适的供气流量及供气压力可以大幅提高燃料电池的压力、功率密度和效率,燃料电池系统的整体效率也会大幅提升。

在不同的进气压力下,燃料电池的特性曲线如图2所示[5]。

图2 不同进气压力下燃料电池的特性曲线

从图2中可以看出:随着空气压力增加,燃料电池的电压也随之提高。

美国Argonne和DOE的研究显示,空气压缩机成本占整个燃料电池系统总成本的第2位[6,7]。燃料电池中的Pt族元素可以有效提高燃料电池的效率,而提高空气供给压力能够有效地降低Pt族元素的含量,从而降低燃料电池的总成本。

燃料电池系统成本随空气压力的变化规律如图3所示。

图3 燃料电池系统成本随空气压力的变化规律

从图3中可以看出:随着空气供给压力的增加,可有效降低燃料电池的制造成本。

在燃料电池系统中,空气的压力和温度会对其电压产生较大影响,同时也会对燃料电池系统的输出功率密度产生一定程度的影响[8]。

燃料电池系统功率密度随空气压力的变化规律如图4所示。

图4 燃料电池系统功率密度随空气压力的变化规律

从图4中可以看出:随着空气供给压力的增加,燃料电池系统的功率密度也会增大。

2 燃料电池空气压缩机研究现状

根据压缩气体方式的差异,燃料电池的压缩机可分为两种,即容积式和动力式;根据改变其体容积方式的不同,燃料电池的压缩机又可分为两种,即往复式和回转式;根据转子结构特点的不同,压缩机还可以分为4种,即螺杆式、离心式、滑片式和涡旋式。

燃料电池压缩机分类情况如图5所示。

图5 燃料电池压缩机分类

2.1 螺杆式压缩机

螺杆式压缩机具有结构紧凑、零部件数量少、噪声小、没有易损部件、排气稳定以及可靠性高等优点,是一种比较完美的燃料电池压缩机[9，10]。国外许多公司都采用了螺杆式压缩机作为燃料电池的压缩机,如美国GM、PlugPower、德国Xcellsis和加拿大Ballard等公司。

螺杆式压缩机分为双螺杆压缩机和单螺杆压缩机两种。单螺杆压缩机由于具有结构简单、力平衡性好的优点,成为燃料电池压缩机的首选。

针对喷水单螺杆压缩机的工作过程,吴震宇[11]建立了单螺杆压缩机相应的数学模型(该模型应用质量守恒定律和热力学第一方程,同时考虑了气体泄漏和冷却剂的换热效果),并基于该数学模型,探索了压缩机工作转速和喷水量对压缩空气物性参数、压缩机容积效率和能量利用率的影响规律。

在国家有关“电动汽车重大专项”中的“燃料电池发动机”课题中,西安交通大学压缩机研究所研制了一种可以应用于燃料电池的LG300型喷水螺杆空气压缩机[12]。该压缩机采用喷水冷却方式。根据该压缩机使用的实际工况,研究人员设计了特殊的转子型线,使用特殊的轴承和轴封,并根据燃料电池的特点,对压缩机进行了改进,提升了压缩机的工作性能。

随后,为进一步提高压缩机的性能,同时减小压缩机的体积和质量,并降低其实际使用时的噪声,西安交通大学在LG300型喷水螺杆空气压缩机的基础上,开发出用于30 kW燃料电池的无油螺杆压缩机。开发人员将该压缩机将工作转速提高到了10 000 r/min,并采用铝作为其主体材料,在保证气流量的同时,减小了压缩机的体积和重量;同时,为了进一步节省空间,压缩机的转子采用阴阳转子上下布置的方式。目前,该类型压缩机成品已在东风汽车的燃料电池车上得到了批量安装。

孙来玉[13]提出了一种适用于燃料电池的高速无油双螺杆空气压缩机,计算了压缩机转子、齿轮及壳体等各零部件的结构参数,建立了其微观工作过程的数学模型,并以一个齿间容积为研究对象,对其工作过程及性能进行了仿真分析及试验验证,最终研制出了原理样机。

KAUDER K等人[14]在研制50 kW聚合物电解质膜燃料电池过程中,对所用的螺杆压缩机的工作特性进行了分析,发现压缩机增压器的部分功率消耗可以用回收的膨胀器功率来弥补,且增压器和膨胀机可以在一个模块中工作,这样可以进一步减小螺杆压缩机的尺寸,降低其成本。

STOSIC N等人[15]提出了一种螺杆压缩机的新结构,其只需一对转子就能同时完成压缩和膨胀的功能,通过将膨胀器和压缩机的高压端口定位在壳体的相对侧,并靠近其中心,且通过平衡转子的压缩部分和膨胀部分上的力来减小轴承的载荷;同时,该研究还发现,如果在压缩部分注入水,则输出的空气压力可以从3 bar增加到10 bar。

戴姆勒公司研制的喷水螺杆式压缩机如图6所示。

图6 戴姆勒公司研制的喷水螺杆式压缩机

目前,该新型AUX喷水螺杆式压缩机已在Mercedes-Benz A级燃料电池汽车上得到了应用。该喷水螺杆式压缩机不仅可以降低压缩空气的温度,以及压缩机的寄生功耗,而且通过在压缩机叶片上涂聚四氟乙烯的方法,还可以用来提高压缩机的效率[16]。Mercedes-Benz B级与F级燃料电池汽车都已采用了该类型的螺杆式空气压缩机,有效提高了汽车燃料电池的空气供应系统的性能,且压比可以达到2.9。

瑞士OpconAutoRotor AB公司根据双螺杆压缩机的基本原理,制造出了数款采用永磁材料的同步直齿轮直接驱动的燃料电池压缩机[17]。以其中一款OA1050的燃料电池压缩机为例,其质量为4.8 kg,最大流量和转速分别为8.3 m3/min、18 000 r/min,整体尺寸为232×92×135(mm)。

2.2 离心式压缩机

离心式压缩机具有结构紧密、重量轻、机组尺寸小、运转平稳和运转效率高,以及可靠性好等优点[18]8。但是其稳定的工况区较窄,致使其经济性较差。目前,离心式压缩机的主要研究方向是压力、流量和转速之间的关系,以及压缩机的气动性能和噪声。

北京科技大学的任天明等人[18]25研制的离心压缩机,如图7所示。

图7 北京科技大学研制的离心压缩机

该离心式压缩机由水润滑轴承支承,并由永磁同步电机驱动,可以达到转速为100 000 r/min,功率为10 kW的设计目标。该空气压缩机解决了中置式电机的水密封难题,大幅提高了燃料电池系统的临界转速,有效减小了转子搅水损耗。

该研究分析了轴承间隙、腔宽和腔长等结构参数,以及供水压力、偏心和转速等工作参数对压缩机工作性能的影响;并对水润轴承的抗冲击、振动能力与稳定性进行了深入的研究。

在研究飞机燃料电池用离心式压缩机的过程中,赵冬冬等人[19,20]针对离心式压缩机的流量、压力、转速与高度之间的非线性耦合关系进行了研究,得到了工作区间内,高度、压缩机压力、流量以及转速之间的动态特性、耦合特性曲线,并且对燃料电池用离心式压缩机的流量和压力的解耦控制进行了深入研究。

韦开君等人[21]测试并分析了燃料电池车用离心压缩机的气动性能及其噪声,通过研究发现,总声压级峰值出现在轻度喘振线附近,造成该现象的原因是由于叶片前缘和扩压器的同时失速。

左曙光等人[22]采用Kriging模型对离心压缩机叶轮的参数进行了优化,该研究结果表明,Kriging模型精度可以满足要求,压缩比提高了3.56%,等熵效率提高了1.02%,整机声功率级下降了3.79 dB,压缩机综合性能得到了明显改善。

陶国良等人[23]对离心式压缩机的压缩过程进行了仿真研究,分析了设计工作转速、叶道间气流状态与背压之间的变化规律;该研究结果显示,在叶轮吸力面后部存在造成较大能量损失的二次流动,因此,提出了一种可以有效抑制该二次流动的环量分布方法。该方法通过控制轮盘和轮盖线上,环量对子午流线导数值分布,来减弱叶轮间二次流动强度,从而提高离心压缩机的工作性能。

美国能源部与Honeywell公司一起合作开发了一台燃料电池涡轮压缩机—霍尼韦尔燃料电池涡轮压缩机,该压缩机的转速可达110 kr/min,空气压缩机的重量仅为8.2 kg。

该涡轮压缩机的结构如图8所示[24]。

图8 霍尼韦尔燃料电池涡轮压缩机

该压缩机采用空气轴承将涡轮机和电机同轴连接,其最大质量流量可达100 g/s,最大压比在3.2左右,效率可达70%;在匹配了膨胀机之后,其效率更可以提高到80%。

美国MiTi公司[25]开发了一种使用无油柔性箔轴承的涡轮空气压缩机。该空气压缩机使用12 kW的永磁电机来驱动,其转速可达120 000 r/min。目前,MiTi公司初步设计了一个集成了马达、箔片轴承和气动车轮的压缩机系统,并对其转子系统动力学问题,及柔顺箔片推力轴承的性能进行了理论分析和实验研究。

KYOUNGK H等人[26]通过实验的方法,研究了燃料电池汽车离心压缩机的气动声学特性,该研究结果表明,可用内压数据来判断离心式压缩机的相对噪声级。

HA K K等人[27]设计了一种10 kW级的无油轴承离心式压缩机。该离心式压缩机由1个轴、2个翼型轴颈轴承和一对推力轴承组成,这种结构使得压缩机的结构更为紧凑,运转的稳定性更强。该压缩机用于现代汽车公司开发的第三代车载燃料电池,其整体重量是第一代压缩机的71%,体积仅为第一代压缩机的60.1%。

2.3 滑片式压缩机

滑片式压缩机是一种利用叶片的滑动,从而达到改变容积大小的压缩机,从本质上看,它属于容积式回转压缩机的一种。

无油式滑片压缩机的滑片采用石墨和有机合成材料等滋润滑材料,所以不再需要额外添加其他润滑剂,能够为燃料电池提供干燥、干净的空气。然而滑片、转子以及气缸之间存在摩擦,其运转过程中会产生大量的能量损失,从而导致滑片式压缩机效率较低。

为了解决上述问题,世界各国的研究人员纷纷对滑片式压缩机展开研究,并取得了一些成果。研究人员们提出了一些压缩机的新型构造,使得该类压缩机在各个方面的性能都有了很大的提升。

美国Mechanology公司研制出了新型的滑片式压缩机—螺旋式交叉滑片机械(TIVM)[28],螺旋式交叉滑片机械(TIVM)的工作原理,如图9所示。

图9 螺旋式交叉滑片机械(TIVM)工作原理

它利用2根呈90°的滑片链之间进行交叉运动形成工作腔,从而完成吸气、压缩和排气过程;主轴每旋转1周,滑片链能完成多次压缩过程,因此,其空间的利用率得到大幅度提升,甚至能达到同体积下的高速离心压缩机的排气量;同时,其压力流量非常稳定,由于运动部件受力均衡,该结构的动态平衡能力好,振动小。

美国DOE以50 kW燃料电池系统的要求,对TIVM进行了测试,结果表明,TIVM样机能够在1 500 r/min的低转速情况下,达到小体积、大流量的设计目标。

但是,由于在一个周期内,该结构主轴驱动的滑片链上的滑片对空气进行多次压缩,滑片的磨损程度很高,压缩机运行一段时间后,压缩机会出现气体泄漏的情况,从而降低了系统的效率。

为了使得其能够更好地应用于燃料电池,还需要在以下方面对该压缩机进行改进:

(1)在摩擦不变的情况下,减少气体的泄漏;(2)在高湿度的环境下,确定啮合滑片的摩擦系数;(3)为了减少压力降带来的损失和功率损失,要进一步优化压缩机吸排气口的形状和位置。

美国VARIEX公司研制出了一种车用滑片式压缩机,并已将其成功用于燃料电池系统。该滑片式压缩机的质量流量为75 g/s,压比为2.5,转速为5 000 r/min。

但是由于在压缩过程中,滑片存在摩擦和磨损等问题,导致压缩机只能在全设计转速87%的转速下工作,即转速最大为3 000 r/min,并没有达到全设计转速。因此,该滑片式压缩机的效率较低,另外其泄漏和磨损情况也较为严重。研究结果显示,该压缩机的膨胀机的最大效率为78%,压缩机的最大效率为71%。

松下公司在其所研制的一款滑片压缩机中,设计了一种新型的叶片结构[29],该叶片结构能够抑制由于压缩机长时间运转而产生的噪声;同时该款滑片压缩机具有体积小、无油、低噪的优点,已经被成功应用于汽车燃料电池中。

2.4 涡旋式压缩机

无油润滑的双涡圈旋涡式压缩机具有排气量大、磨损小、结构简单、效率高、噪音低及重量轻等特点。这些特性使其非常适用于燃料电池,因此,该类无油润滑的双涡圈旋涡式压缩机已被许多国际公司所采用,如美国UTC公司和日本丰田公司等。

目前,美国DOE和Author D.Little公司已经合作研制了两代涡旋式压缩机。第一代的样机能够连续提供无脉动气流,可用于28 kW的燃料电池中,它可提供42 g/s、0.22 MPa的高压空气;但是第一代涡旋式压缩机的泄漏量较大,高压比也不能满足实际要示。相比于第一代涡旋式压缩机,第二代涡旋式压缩机在转速和排量方面有了较大幅度的提升,可以满足50 kW燃料电池的性能要求,其转速为3 450 r/min,流量为76 g/s。

涡旋压缩机压比/流量特性和功率需求如图10所示。

图10 涡旋压缩机压比/流量特性和功率需求

李海生等人[30-35]以强化压缩腔内气液传热,降低压缩腔间泄漏损失为目的,对汽车用燃料电池的喷水润滑涡旋压缩机的高效节能技术方案进行了探索。

李海生等人通过对压缩腔内气液流体非稳态流动进行数值模拟,借助于示踪颗粒和高速动态分析系统,在可视化模型上进行了流场的实验研究;通过理论建模及实验修正相结合的方式,建立了准确的气液泄漏通用模型,揭示了气液在压缩腔的复杂流动机理。

李海生等人还分析了泄漏模型,探索了减小压缩腔间泄漏的途径,以提高压缩机的密封性能;建立了气液在压缩腔内流动传热数学模型,借助于示温涂料及红外成像技术,对流动传热进行了实验研究,通过探索腔内气液强化传热方法,以降低摩擦功率损失和排气温度,提高压缩腔水介质润滑的性能;最后,通过建立样机实验系统,进行了其性能实验研究,可为燃料电池汽车提供节能高效的喷水涡旋压缩机。

3 燃料电池空气压缩机发展趋势

空气压缩机的种类众多,由于结构和工作原理的不同,压缩机的性能优势也不同。

各类型空气压缩机性能的对比如表1所示(表中,实心星越多代表相应的性能越好)。

表1 各类型空气压缩机性能对比

从表1中可以看出:螺杆式压缩机和离心式压缩机的性能都较好,但由于螺杆式压缩机的叶片之间存在摩擦,质量和噪声性能均较离心压缩机大,与涡轮的匹配度也较差。

经综合对比,笔者认为离心式空气压缩机的整体性能最好,并且从目前国内外的研究发展来看,离心式空气压缩机也是今后空气压缩机发展的主流方向。

4 结束语

为了解决燃料电池用空气压缩机使用过程中存在的问题,笔者在分析了燃料电池的基本组成、工作原理及性能特点的基础上,指出了在燃料电池的供气子系统中,空气压缩机对于燃料电池的性能有着极其重要的影响,并结合国内外研究现状,对不同类型的燃料电池用空气压缩机的性能及应用进行了对比分析和论述。

具体的研究结论如下:

(1)空气压缩机对燃料电池系统的性能影响十分重要。随着空气压力增加,燃料电池的电压随之提高,制造成本随之降低,燃料电池的功率密度也会增大;

(2)目前应用于燃料电池系统的压缩机主要有螺杆式、离心式、滑片式和涡旋式4种,通过对这4种压缩机的性能进行分析对比,发现离心式空气压缩机在燃料电池系统的应用方面具有更大的性能优势和良好的发展前景。

在后续的研究中,笔者还将对离心压缩机进行深入研究,主要是针对离心压缩机工作过程中存在的振动、噪声、体积、重量及制造成本等问题,进行逐个改进,以进一步提升其综合性能。