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  摘 要:燃料电池被认为是具有重大发展前途的新型能源之一,供气子系统是保证燃料电池高效可靠运行的重要的组成部分。空气压缩机作为其供气系统的关键设备,其研究也逐渐成为压缩机行业的一个重要研究方向。依据用于电动汽车的质子交换膜燃料电池对空气压缩机的特殊要求,本文综述了应用于燃料电池供气系统中供气系统技术路线和几种压缩机的研发现状。

  在能源危机和环境保护的双重压力下,由于对高效、洁净能源的需求,燃料电池技术在最近一段时间得到飞速发展。燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置,排出的产物主要是水和热。这种装置最大特点是由于反应过程不涉及到燃烧,因此其能量转换效率不受卡诺循环的限制,其能量转换效率高达60~80%,实际使用效率则是普通内燃机的2~3倍。另外,它还具有燃料多样化、排气干净,噪声低,对环境污染小,可靠性及维修性好等优点,被认为是具有重大发展前途的一种新型能源,世界各国都把它视为高新技术领域的头号攻关项目之一。

  质子交换膜燃料电池(PEMFC)是燃料电池的一种,它具有能源转化率高,对环境友好,工作温度低,适宜于较频繁启动的场合,比其它类型的染料电池更高的功率密度,以及比蓄电池电动车连续行驶更长的距离等优点[1]。随着世界各国对清洁燃料车、纯电动车(EV)、混合动力车(HEV)、燃料电池车(FCV)等的研究的日趋深入,燃料电池被认为是一种极有可能取代普通燃油而成为未来汽车动力的主要来源,PEMFC也被认为是汽车最好的替代动力源之一。

  在燃料电池的基本理论研究方面,我们与世界先进国家的差距并不太大,但在结构优化、结构材料、关键部件的设计与生产方面还存在相当差距。关于燃料电池文献多,但其中关于压缩机研究的较少。

  从图1可以看出,供气子系统主要有压缩机、膨胀机、电机、连接管道等组成。压缩机的供气状况对燃料电池堆的电化学反应产生直接的影响,同时燃料电池堆的反应也影响着系统的供水、膨胀机的工作状况等,这些因素都与燃料电池系统的输出功率有关。当喷水量较小时,不需要图中的水气分离器;当采用干式压缩机时,需要在压缩机和燃料电池堆之间设置加湿器,用来增加进入电池堆的空气的湿度,以保证系统的可靠、高效运行。

  在燃料电池中,氢和氧发生电化学反应产生电流,其中的氧可以使用纯氧或从空气中直接获得,而是用空气更方便、经济。另一方面,PEMFC要想获得更高的功率密度和更好的性能,就必须在较高的压力下工作,尤其是对于阴极的反应物(氧或空气)而言,燃料电池中氧气压力与燃料电池系统得性能有直接关系,提高空气的供气压力(即氧气的分压力),可以增大燃料电池系统的能量密度,提高燃料电池的供气压力还可以减小系统尺寸,提高电池堆效率和改善水平衡。因此,燃料电池中需要专门的供气子系统来向燃料电池提供高压空气。

  在车用PEMFC燃料电池系统中,PEMFC系统典型的工作压力在1 ~ 3bar,其他形式染料电池所需工作压力都比此高。PEMFC系统对于压力变化感受最为明显,这是由于增加氧极压力不但增加了其用量而且提高改善了水平衡,通过提高反应薄膜的水合状态。虽然增加了供氧压力可以提高燃料电池的效率,但压缩机作为提供高压氧气的来源也需要耗功,压缩空气的能量约为电池输出的20%。从最终电池堆获得的效率出发,为了获得整体性能,必须寻求最有效的压缩方式。在PEMFC中,秒速时时彩技巧玩法需要连续的供应空气大约3bar,100~300kg/h,反应产物主要是氮气和水,从燃料电池堆出来时约80~100℃,2.8bar,这部分排出废气还具有较高的可回收能量,因此,为了燃料电池效率提高,需要用膨胀机吸收排气以减少压缩机的能量消耗。容积式压缩膨胀系统提供了一个独特的优势来提高燃料电池系统效率,通过回收能量来提供压缩循环的驱动能量。根据PEMFC的用途不同,其输出功率的大小也不同,所使用的供气系统也有所不同。压缩机所引起的能耗占附加能耗的95%左右,所以要想降低PEMFC的附加能耗最关键的是提高供气系统中的效率,采用膨胀机回收燃料电池堆排放废气中的能量是一种有效的方式。

  燃料电池供气子系统是总系统的一个重要组成部分,由于燃料电池的特殊要求,该子系统有很多有待解决的技术难点。一方面,为了保证质子交换膜具有良好的工作特性,要求供气系统供给燃料电池堆的压缩空气绝对干净。另一方面,为了保证PEMFC具有较好的综合性能,要求该子系统能够根据燃料电池输出功率的大小及时调整供气量与供气压力,并具有结构紧凑,重量轻,噪声低,可靠性高,能量可回收等特点。美国能源部(DOE)从1998年开始就一直在资助燃料电池供气系统的研究和开发。

  压缩机在电池堆中起着重要作用,在燃料电池中是关键的技术,必须满足无油、小型、高压、低噪和耗功少的要求。具体有以下几个方面:

  (1)较高的能量转化率,在车辆行使过程中,空气压缩机工作的动力来源是燃料电池的电能输出,若压缩机占用较多的输出电能,必然会减少汽车的驱动功率,从而影响整车性能。

  (2)燃料电池中的质子交换膜要求压缩空气完全无油,并且具有一定的湿度,因此通常使用的喷油冷却压缩机就不适合应用在这一领域。需要提供压力相当高、低流量的干净空气,必须不含任何碳氢化合物,如油。

  (3)为了获得运行效率,压缩机需要在全负荷时的任何时间都能高效地工作,在宽的流量范围能都能高效工作,能够无延迟的调整燃料电池的功率输出。

  (4)车载环境要求压缩机部件在能够提供较大空气排量的同时具有非常小的质量、体积以及高可靠性。

  (6)对材料要求:为满足压缩机的低成本、低噪音和耐久性目标,必须为压缩机关键部件开发具有低成本、稳定摩擦性能以及耐磨的涂层和材料。

  (7)由于这些要求的存在,使得目前广泛应用的工业压缩机无法满足燃料电池电动汽车的需求。

  目前采用的供气系统中有容积式和速度式流体机械。容积式压缩机的流量和转速成准线性关系的特性,因此高转速容积式压缩机能够在小容量下提供相对较大的空气流量,符合车载燃料电池的基本要求。

  双螺杆压缩机/膨胀机供气系统从1992年开始在燃料电池中获得应用。Hinsenkamp和Ramba2002介绍了燃料电池系统中需要的压缩机和压缩膨胀机的特性[2]。Kauder2002指出由于螺杆压缩机的简单、高效、可靠以及直接的流体流动特性,是燃料电池中理想的压缩膨胀机[3]。建议两种膨胀方式:分开驱动和直联。第一种方式比较灵活,但由于两个电机传动导致效率较低;第二种直连。两机器分开,各自机器、形线可以近似和不同。

  英国的City大学的容积式压缩机研究中心的Smith and Stotic基于多年对螺杆机的研究成果,使用其优化软件和专利N形线,提出一种一轴带动的压缩膨胀一体机应用于燃料电池供气系统[4],此装置最初于2002年应用于高压制冷系统中主要压缩进行了试验安装。此种压缩机,孔口的开设颇具创新性,高压口开设在中间,位于机壳的对称侧,而且它们之间的轴向距离很小,压缩和膨胀过程的高压力方向相反,轴承上的径向力可以明显降低,除此之外,由于转子的端部基本处于平衡压力下,轴的两端压力几乎相等,因此轴向力也趋于平衡。该膨胀压缩机经过改进后,轴向负荷可以降低20%。轴承负荷减少,使机械摩擦损失减小,能够提高机器整体效率。压缩膨胀机的形线可以相同,因为用了同一轴。而事实上不同的形线会给加工带来困难。喷水时,能够降低温度,压力可达到3~10bar。

  目前美国GM、Plug Power、德国Xcellsis、加拿大Ballard等公司的燃料电池中都采用了螺杆压缩机压缩机/膨胀机供气系统。在国际能源组织IEA公布的2002年年度报告中,德国大众公司在Bora燃料电池发动机汽车上采用的喷水螺杆压缩机,被视为当年国际燃料电池技术的重大进展之一。

  单螺杆压缩机方面[5],浙江大学的研究指出随着压缩机工作转速的增大,空气压缩机的排气量/体积比明显提高,在保持排气量稳定的前提下,可以通过提高压缩机转速来减小设备体积,从而满足燃料电池对压缩机的质量和体积要求。还指出压缩过程的换热效率受到转速的影响,造成在压缩过程汇总气体状态偏离等温过程,输入的机械功更多地转化为气体的内能,因此改善高转速下压缩过程的换热效果将是提高工作性能的重要途径。

  透平式压缩机是一种速度式机械,转速较高,排气量与压力的提升都与它的工作转速有关,是一种紧凑的结构,能够在设计工况下达到很高的效率,但在偏离设计工况下,性能下降很严重。目前透平压缩机在大型燃料电池装置中已有应用。

  在美国能源部资助下,Honeywell公司设计开发了电机驱动的透平压缩膨胀机,从性能、尺寸、重量、花费和容积式压缩机相比,具有高效率、低费用以及轻质包装的优点。变截面喷嘴透平和电机共轴,速度到达110krpm。电机控制其驱动和控制电机,能够使其达到最大速度。透平压缩机采用空气轴承是无油润滑,而且轻质、密封、自调。若能增加膨胀机/透平的温度(由燃料电池提供的),则能耗会进一步降低。图3是Honeywell公司于2003开发出的透平压缩机的图片。

  涡旋式压缩机也属于容积式机械,在容积式流体机械中容积效率较高,且压力与气量连续可调,在宽的工况下都能达到较高的效率。涡旋机械可设计成压缩机--电机--膨胀机共轴的一体化结构型式。但与离心式相比尺寸和重量较大。日本丰田(TOYOTA)、美国UTC等公司的燃料电池系统也都采用了涡旋机械作为其供气系统的核心部件。Lai Ching Feng等对小型PEMFC用无油涡旋压缩机的设计、制造及测试进行了研究,其运行转速为1500~2000rpm,流量为80~100L/min,测试压缩机的总效率为46%,并指出涡盘的表面处理可以提高压缩机的整体性能[6] 。

  DOE委托Arthur D.Little公司进行50Kw燃料电池用涡旋压缩机/膨胀机供气系统的开发研究。Arthur D.Little开发涡旋压缩机,压缩机能够提供连续无脉动气流。但由于泄露,高压比3比较难以达到。其第二代涡旋机满足DOE性能要求,连续运行500小时,3450rpm,76g/s流量,适合50kW燃料电池,但重量体积较大,不能满足.

  西安交通大学在“十•五”863计划“电动汽车重大专项”中的“燃料电池发动机”课题,西安交通大学流体机械及压缩机国家工程研究中心成功研制了可以用于PEMFC系统的无油喷水涡旋空气压缩机并通过验收。

  滑片式压缩机作为一种容积式压缩机,一般适用于3 ~ 10kW的小型燃料电池和便携式燃料电池系统。目前VAIREX公司生产出排量75g/s、压比2.5、转速5000rpm的车用燃料电池滑片式压缩机/膨胀机。这种压缩机的主要问题时效率较低,低转速时泄漏严重,高转速下磨损突出。

  日本松下电气公司开发一种小型空压机,高效,用于车用燃料电池(甲醇和氧气)[7],为了降低噪声和减小输入功率,在对叶片进行动力学分析基础之上,设计一种特殊形状叶片--trailing type叶片,能够防止叶片跳动现象,防止长时间的噪声,能够满足无油、尺寸小、高压、低噪和低的输入功率的要求。目前正在做可靠性试验,希望将来能够用于实际。

  英国MIEEDriver科技公司在滑片压缩机的概念上将压缩机和膨胀机集成为一体,压缩和膨胀过程在一个气缸中完成,开发了铰链式压缩膨胀机(Hinged vane device)能够回收部分能量,Hinged vane装置可以低摩擦,全无油的工作[8]。图5为转动铰接叶片式压缩膨胀机的原理图。与通常的转子机械类似,偏心转子在旋转过程中,气缸左半部分与转子间的容积逐渐缩小,完成低压流体的压缩过程,而在气缸右半部分,随着转子的旋转,其容积在不断扩大,高压流体膨胀直至排出。该结构主要的创新是采用绕固定轴旋转的有一定厚度的楔形铰接叶片代替了通常的滑片槽结构,多个滑片将整个膨胀腔分割成多个基元,而且由于滑片厚度增加,减少了在高压下工作的变形,使之摩擦减少并能适于在大压差条件下工作。该装置复合了压缩机和膨胀机的功能,而且是在一个工作循环中完成的,因此无需轴联接,减少了许多转换环节,具有较高的效率。但仍存在泄漏大的问题,同时滑片磨损大,如果叶片不能自我补偿,将导致在最大容积位置会有泄漏。另一个主要问题是摩擦,它将决定膨胀机的寿命和实际的输出功效率。研究者发明了一套特殊装置来减少滑片端部与气缸之间的摩擦,并能够有效地控制叶片的齿顶间隙。该膨胀机是在同一设备中一半进行压缩与另一半则进行膨胀,因而需考虑膨胀比和压比不同的问题。其膨胀部分输出的膨胀功带动压缩部分压缩来自蒸发器的部分流体,分担了主压缩机的负荷,使循环系统效率提高。目前此设计方案的主要问题仍是密封和余隙容积问题,特别是膨胀部分的余隙容积将严重影响压缩部分的性能。

  20世纪90年代美国的研究者Stephen Chomyszak发明了螺旋形交叉叶片机(ToroidalIntersecting Vane Machine),这是一种新型的容积式机械[9]。前世界上只有Mchanology,LLC公司开发出来的简单样机,可用于燃料电池的样机还处在研发阶段。TIVM是由Mechanology发明和专利的一种新型机械观念,可以设置为综合的容积式压缩/膨胀机来减小泄漏、摩擦和进出口损失。除压缩--膨胀外,还可以压缩--压缩,鼓风机等形式。

  DOE要求其针对50kW车用燃料电池系统开放并进行性能测试。理论分析和低转速(1500rpm)下的初步测试结果表明TIVM具有潜在的性能优势,但密封方法、高转速下叶片的摩擦与磨损、加工工艺等关键技术的研究刚刚起步,依赖材料学科发展。在未来几年内美国能源部将给于资助,有可能成为PEMFC供气系统在未来的主要结构型式之一。

  美国DOE的燃料电池年度报告显示,该压缩机的性能与容积式压缩机相似流量与转速呈线性关系;从测试数据看,只对1500r/min以下的转速做了测试。该型式压缩机存在的主要问题:气体泄露较大;叶片在不同状态下的摩擦因数的确定;进出口压力损失大。

  为满足功率要求有三个关键技术:不增加多余摩擦的情况下,减少泄露;包括在高湿度的环境下,确定啮合片的摩擦效率;研究孔口以确保压缩机和膨胀机的进气、排气孔的较低的压力降损失,功率损失。

  鼓风机适合于低压系统的燃料电池,它的发展将依赖于低压燃料电池技术的发展。美国DOE委托UTC公司对低压燃料电池鼓风机供气系统进行了研究。Vincenzo Naso等对低压PEMFC系统的性能进行了研究,其供气系统的压缩机/膨胀机用鼓风机代替,将PEMFC用在混合动力汽车上,通过开/关控制,使其总运行在满负荷工况,避免了鼓风机部分负荷出现的问题,同时简化了燃料电池系统的压力控制及其他一些机械结构,从而使机构更加紧凑可靠。

  Vairex公司开发的活塞压缩机,通过改变活塞容积或者排气阀的开度,流量和压比分别单独可调。技术比较独特,但比较复杂,发展前景不好。活塞式压缩机的摩擦和热量大,在较高功率装置中会降低效率,噪声也较大。此公司与DOE有合同.

  十字滑块式压缩机是活塞式压缩机的改进型式,尽管已开发出样机,但由于其效率低、机组尺寸大等原因难以有进一步的发展。

  为了设计更合理实用的车用燃料电池供气系统,在确保高性能条件下,为减小尺寸和费用,开发混合机型。美国的相关研究人员提出将容积式和速度式流体机械组合起来用于燃料电池的供气系统。目前存在的混合型供气系统主要有涡旋压缩机--透平压缩机/膨胀机供气系统[10] 。其中透平机械用于回收废气能量和第一级压缩,涡旋压缩机用于第二级压缩。具体流程如图7所示。

  即由电能驱动涡旋压缩机,燃料电池废气驱动透平增压器,透平压缩机吸收外界空气将其压缩至中间压力,为了降低涡旋机的尺寸和工作温度,设置一中间冷却器吸收热量。较冷且高密度的压缩空气进入涡旋压缩机,利用电能来达到最终压缩空气。然后到达燃料电池堆。过后到达废气驱动透平机。与单涡旋技术相比,此系统能够在相当大程度上减少尺寸和重量的优势下保持高效和排量。透平压缩机工作稳定,因此不需要控制装置及部件;旁通阀能够吸收部分没有经过透平机的气体焓;一部分水重新流入系统;涡旋压缩机能够在较宽流量范围内保证高效运行。避免了由于小部分排气的再循环导致的吸气量不足问题。与第二代单涡旋相比,体积从27L减小到12L;重量从90lb到27lb。但与目标4L和7db还有距离。费用从355美元到300~340美元,与200的目标还有距离。

  总的来说,如何满足高效燃料电池系统对压缩空气压力与气量的连续可调性要求、如何降低压缩过程的功耗并确保其工作可靠性,如何回收燃料电池系统得空气余压以提高系统的整体效率,如何减小供气系统得体积、重量和制造成本,是燃料电池供气系统技术今后研究的主要方向。

  [1]高小军.燃料电池用涡旋膨胀机的数值模拟及实验研究[D] .西安:西安交通大学.2005.