（机械电子工程专业论文）车载燃料电池用空气压缩机工作性能研究及能效分析.pdf

浙江大学博士学位论文摘要 摘要 高速发展的现代社会对汽车交通运输需求日益增长，而作为其主要 燃料的石油资源储量日益衰竭，人们开始寻求能够替代石油来驱动汽车 运行的新型能源。在潜在替代能源中，氢燃料电池作为一种完全清洁、 高效且来源广泛的能源成为当前研究热点。 燃料电池用空气压缩机是车用燃料电池发动机系统中的重要部件之 一，它将环境大气中的氧气提升至一定压力，输送给燃料电池反应堆， 并与储备氢气发生电化学反应产生电能和水；空气压缩机的驱动能源来 源自燃料电池反应堆，空气压缩机和燃料电池反应堆形成互为依赖的关 系，因此空气压缩机的工作特性对车载燃料电池发动机具有显著影响。 本文以国家“8 6 3 ”高科技研究发展计划资助项目“燃料电池用空气压缩 机的研制”( 2 0 0 3 a a 5 0 1 3 6 0 ，2 0 0 1 从5 0 1 0 4 2 ) 为依托，详细地分析了加压 型和中压型两类具有不同工作原理空气压缩机工作方式和能源转换特 点，引入有效能分析方法对加压型空气压缩机压缩过程中的各种能量损 失源进行对比研究，对中压型空气压缩机二次流动进行了深入分析，并探 索了环量分布和二次流动之间的关系；在研究中压型空气压缩机能量损 失特点基础上，发展了一种指定环量方法的中压型空气压缩机叶片设计 方法。在研究过程中，研制了多台车载燃料电池空气压缩机，并进行相 应台架试验，从而验证了数学模型和理论分析。 论文主要研究内容如下： 第一章论述了研究课题的来源和意义，阐述了空气压缩机在燃料电 池反应堆中的作用，并对国内外车载燃料电池空气压缩机的研究现状和 发展趋势进行了综述，最后提出了本文所要进行的主要研究内容。 第二章以喷水单螺杆压缩机为代表，研究了燃料电池用加压型空气 压缩机的工作原理，针对其工作过程建立了完善的数学模型，模型中考 虑了气体泄漏和换热效果。该该数学模型基础上，探索了压缩机工作转 速变化对其工作性能的影响；研究了喷水量变化对气体状态的影响。研 究结果表明提高压缩机的工作转速是研制小体积、大流量燃料电池用空 气压缩机有效途径。 第三章通过计算流体力学方法对以涡轮式压缩机为代表的燃料电池 用中压型空气压缩机的压缩过程进行仿真研究，重点分析了设计工作转 速下随着背压变化，叶道间气体流动状态相应改变；仿真结果表明小尺 度涡轮压缩机能够合适的工作转速条件下提供燃料电池反应堆所需要的 压缩空气。 第四章在前两章压缩机数学模型基础上，从质量、体积、流量一压力 特性曲线方面对加压型、中压型燃料电池用空气压缩机进行比较研究。 引入有效能方法将加压型压缩机轴功损失细分为四种物理过程，分别是 不可逆传热、绝热节流、流体混合以及外泄漏，并对不同工况下这四种 轴功损失变化进行了详细讨论；分析了涡轮式压缩机中二次流动所造成 的损失，定性地探索了叶片表面环量分布对二次流抑制作用。 第五章提出一种基于涡片理论的低速低压比涡轮式压缩机叶面设计 方法，该方法以叶片子午面上环量分布作为设计条件，通过平均流函数 方程和周期谐次势函数方程来计算由该环量所诱导产生的叶道同速度 场，进而使用叶片和速度相切条件获得改进叶片，经过上述步骤的迭代 计算，得到收敛叶片中型面。将该设计方法应用于原有燃料电池空气压 缩机的优化，数值仿真结果表明新叶轮绝热效率有所提高。 第六章建立了大功率空气压缩机性能测试台。设计制造了多台车载 燃料电池空气压缩机，在测试台架上进行了试验研究，试验结果与理论 分析结果基本符合。 第七章对全文进行总结并对后续工作给出展望。 关键词：空气压缩机，单螺杆，涡轮式，燃料电池，数学模型，环量分 布，仿真，试验台 浙江大学博士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t h i g h s p e e dd e v e l o p i n gm o d e ms o c i e t yn e e d sm o r ev e h i c l e sf o rt r a n s p o r t w h i l et h ef o s s i lf u e ls u c ha sp e t r o l e u mw h i c hp r o v i d e sp o w e rt ov e h i c l e so nt h e e a r t hi s d e c r e a s i n g s op e o p l e a r e d e v o t i n g t h e m s e l v e st o f i n d i n g e n v i r o n m e n t a l - f r i e n d l yc l e a nf u e lw h i c hw i l lr e p l a c et r a d i t i o n a lf o s s i lf u e l w i t h o u tu s i n ga n ym i n e r a lf u e l ，t h eh y d r o g e nf u e lc e l l ，w h i c ho u t p u t se l e c t r i c p o w e rt r a n s f o r m e df r o mr e a c t i o nb e t w e e nh y d r o g e na n do x y g e n ，i so fc o m p l e t e l y z e r oe m i s s i o n t h ea i rc o m p r e s s o ri nh y d r o g e nf u e lc e l li so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r t s t h ec o m p r e s s o rp r o m o t ep r e s s u r eo fa i rf r o me n v i r o n m e n ta n ds e n dt h ea i rt of u e l c e l ls t a c kw h e r eh y d r o g e na n do x y g e nt a k ep a r ti ne l e c t r o c h e m i s t r yr e a c t i o nt o g e n e r a t ee l e c t r i c i t ye n e r g ya n dw a t e r a tt h es a m et i m e ，t h ec o m p r e s s o ri sd r i v e n b yt h em o t o rw h i c hc o n s u m e st h ep o w e rf o rf u e lc e l ls t a c k s op e r f o r m a n c eo fa i r c o m p r e s s o rh a sh e a v yi n f l u e n c eo ne f f e c to ff u e lc e l ls t a c ko nv e h i c l e f u n d e d b y t h en a t i o n a l h i g ht e c h n o l o g yr e s e a r c ha n dp r o g r a mo f c h i n a - r e s e a r c ho na i rc o m p r e s s o ri nf u e lc e l lv e h i c l e ”( n o 2 0 0 3 a a 5 0 1 3 6 0 n o 2 0 0 1 a a 5 0 1 0 4 2 ) ，t h ea p p l i c a t i o no fa i rc o m p r e s s o ri n f u e lc e l lv e h i c l ei s a i m e di nt h i sp r o j e c t ；t h ew o r k i n gp r i n c i p l e sa n dc h a r a c t e r so fe n e r g yt r a n s f o r m o ft w ot y p e sc o m p r e s s o r , n a m e l ys i n g l es c r e wc o m p r e s s o ra n dc e n t r i f u g a l c o m p r e s s o r , a r ea n a l y z e di nd e t a i l ；t h es o u r c e so fe n e r g yd i s s i p a t i o ni ns i n g l e s c r e wc o m p r e s s o ra r ed i r e c t l yc o m p a r e db ym e t h o do fe x e r g ya n a l y s i s ；s e c o n d l y f l o wo ns u c t i o ns i d eo fc e n t r i f u g a lc o m p r e s s o ri sr e s e a r c h e di nd e t a i la n do b t a i na c o n c l u s i o no fh o wt os u p p r e s ss e c o n d l yf l o w o nt h eb a s i so fr e s e a r c ho n s e c o n d l yf l o w , ad e s i g nm e t h o do fi m p e l l e rb ya s s i g n i n gc i r c u l a t i o ni sp r e s e n t e d t h er e s e a r c hw o r ki sd i v i d e di n t ot h ef o l l o w i n gc h a p t e r s ： i nc h a p t e r l ，t h es i g n i f i c a n c ea n dc a u s eo ft h ep r o j e c ta r ei n t r o d u c e d t h e nt h e f u n c t i o no fa i rc o m p r e s s o ri nt h ef u e lc e l lv e h i c l ei si n t r o d u c e d t h cc u r r e n t r e s e a r c hs t a t eo fa i rc o m p r e s s o ri nf u e lc e l lv e h i c l en a t i o n a l l ya n di n t e r n a t i o n a l l y i s s u m m a r i z e d f i n a l l y , t h em a i nr e s e a r c ho b j e c t s a r ep r o p o s e df o rt h i s d i s s e r t a t i o n i nc h a p t e r 2 ，t h ew o r k i n gp r i n c i p l e so fv o l u m ec o m p r e s s o ra r ea n a l y z e d a t o t a lm a t h e m a t i cmo d e lw h i c hi n c l u d e st h ea i rl e a k a g ea n dh e a te x c h a n g ei s 浙江大学博士学位论文 a b s l r a e t e s t a b l i s h e dt os i m u l a t et h ew o r k i n gp r o c e s so fs i n g l es c r e wc o m p r e s s o r b a s e do n t h em o d e l t h ei n f l u e n c e so np e r f o r m a n c ea r ed i s c u s s e dd u et ov a r i e dr o t a t i o n s p e e d n l es t a t u sc h a n g eo fa i ra l s oi sr e s e a r c h e dw h i l ei n j e c t i n gd i f f e r e n tc o o l i n g w a t e r t h er e s e a r c hr e s u l ts h o wt h a tt h er a t i oo fm a s sf l o wt ov o l u m ei n c r e a s e w h i l ei n c r e a s et h ec o m p r e s s o rr o t a t i o ns p e e d i nc h a p t e r 3 ，f l o w si nal o wp r e s s u r ec e n t r i f u g a lc o m p r e s s o ra r er e s e a r c h e db y e m p l o y i n gt h ec f dm e t h o d t h es i m u l a t i o ns h o w st h a ts m a l ls c a l ec e n t r i f u g a l c o m p r e s s o rc a np r o d u c ee n o u g ha i rf o rf u e lc e l ls t a c ku n d e rd e s i g nr o t a t i o n s p e e d i nc h a p t e r 4 ，as i n g l es c r e wc o m p r e s s o ra n dac e n t r i f u g a lc o m p r e s s o ra r e c o m p a r e df r o mt h ep o i n to fv i e wo fv o l u m e ，m a s s ，a n dm a s s f l o w - p r e s s u r e r e l a t i o ns h i p f o u rk i n ds o u r c e so fp o w e rl o s s ，n a m e l yi r r e v e r s i b l eh e a te x c h a n g e ， a d i a b a t i ct h r o t t l i n g ，m i x i n go ft w of l o w sa n dl e a k a g et oe n v i r o n m e n t ，a r e d i s c u s s e db ye x e r g ya n a l y s i sm e t h o d t h el o s sc a u s e db ys e c o n d l yf l o wi n c e n t r i f u g a lc o m p r e s s o ri sa l s or e s e a r c h e di nd e t a i l i n c h a p t e r 5 ，a ni m p e l l e rd e s i g nm e t h o df o rl o ws p e e d ，l o wp r e s s u r e c e n t r i f u g a lc o m p r e s s o ri sp r e s e n t e d t h em e t h o dt a k e sc i r c u l a t i o nd i s t r i b u t i o no n m e r i d i a np l a n ea sd e s i g nc o n d i t i o n s ，c a l c u l a t e st h ev e l o c i t yf i e l do fi m p e l l e rb y e q u a t i o no fa v e r a g ef l o wf u n c t i o na n dp e r i o d i cp o t e n t i a lf u n c t i o n ，t h e no b t a i n sa n e wb l a d ep r o f i l ea c c o r d i n gt or e l a t i o n s h i pb e t w e e nb l a d es h a p ea n dv e l o c i t y f i e l d t h em e t h o di sa p p l i e dt oac e n t r i f u g a lc o m p r e s s o ro ff u e lc e l ls t a c k t h e s i m u l a t i o nr e s u l ts h o wt h ea d i a b a t i ce f f i c i e n c yr i s ed u et os e c o n d l yf l o wi s r e s t r a i n e d ， i nc h a p t e r 6 ，at e s tb e n c hf o rc o m p r e s s o ri sb u i l t as i n g l es c r e wc o m p r e s s o r a n dac e n t r i f u g a lc o m p r e s s o ra r ed e s i g n e da n dp r o d u c e d t h ec o m p r e s s o r sa r e e x p e r i m e n t e do nt h eb e n c h i nc h a p t e r 7 ，t h er e s e a r c hw o r ki ss u m m a r i z e da n dp e r s p e c t i v e so nt h ef u t u r e a r ep r e s e n t e d k e y w o r d s ：a i rc o m p r e s s o r ，s i n g l es c r e w ，c e n t r i f u g a l ，f u e lc e l l ，m a t h e m a t i c a l m o d e l ，c i r c u l a t i o nd i s t r i b u t i o n ，s i m u l a t i o n ，t e s tb e n c h 浙江大学博士学位论文图表目录 图表目录 图1 1 燃料电池系统示意图 图1 2 不同空气压力电流密度和电压曲线 图1 3 t i v m 结构 图1 4 蜗旋式压缩机结构 图1 5 叶片式压缩机 图1 6 涡轮式压缩机 图1 7 双螺杆压缩机 图2 1 容积式压缩机工作过程 图2 2 容积式压缩机p v 示意图 图2 3 容积式压缩机压缩过程p v 图 图2 4 单螺杆压缩机结构图 图2 5 螺杆和星轮叶片之间相对位置关系 图2 6 单螺杆压缩机热力学分析简图 图2 7 星轮阀齿侵入啮入螺杆 图2 8 封闭容腔容积和星轮转角之间的关系 图2 9 泄漏线长度和星轮转角之间的关系 图2 1 0 不同速度下封闭容积内质量变化曲线组 图2 1 1 不同速度下封闭客积内气体压力曲线组 图2 1 2 不同速度下封闭容积内气体温度曲线组 图2 1 3 压缩机转速和换热量的变化关系 图2 1 4 压缩机转速和输入轴功的变化关系 图2 1 5 不同转速下冷却水温度和转动角关系 图3 1 带叶片扩压器的涡轮压缩机示意图 图3 2 叶轮三维造型 4 4 7 0 0 9 托 m 挎 加 m ” ” 弘 ” 强 勰 铊 铊 浙江大学博士学位论文图表目录 图3 3 单个叶片体网格划分 图3 4 不同压缩机工作转速下质量流量v s 气体出口压力 图3 。5 不同压缩机工作转速下质量流量v s 效率 图3 6 不同压缩机工作转速下质量流量v s 温度出口分布 图3 7 在流线不同截面位置上的速度分布 图3 8 沿流线变化的密度差值比 图4 1 单螺杆压缩机螺杆示意图 图4 2 交流伺服电机 图4 3 不同转速下压缩机的泄漏损失 图4 4 不同工作转速下单个螺槽输入功和压缩结束时内能娴的关系 图4 5 不同压缩机转速下换热量和换热炯损 图4 6 叶片吸力面上的速度分布 图4 7 叶片吸力面和压力面上的静压分布 图4 8 叶片表面约化压力分布 图4 9 环量分布示意图 图4 1 0 沿予午流线的相对马赫数的分布 图5 1 涡片理论中关键变量之间的关系 图5 2 周期函数的傅立叶分量 图5 - 3 计算区域选择 图5 4 基于环量分布的涡轮压缩机设计过程 图5 5 物理平面到计算平面的映射 图5 6 优化叶轮的环量分布 图6 7 叶轮对比 图5 8 叶轮流量压力对比曲线 图5 9 叶轮流量绝热效率对比曲线 图6 1 空气压缩机测试台架管路图 v 钙 拓 钉 锶 的 如 钉 巧 酡 舒 醒 加 弘 黝 豁 舛 鳄 鳄 新江大学博士学位论文图表目录 图6 2 伺服电机和控制器连接图 图6 3 空气压缩机测试台架结构框图 图6 4p l c 和变频控制器连接示意图 图6 5p l c 主程序流程图 图6 6p l c 触摸屏控制界面 图6 7 线程交互工作示意图 图6 8d i n 6 6 0 1 9 1 1 协议发送指令 图6 9d i n 6 6 0 1 9 1 1 协议发送响应指令 图6 1 0 实验台架整体外观 图6 1 1 台架控制柜内部接线 图6 1 2 单螺秆压缩机性能测试实验 图6 1 3 不同出口压力下转速一排气量曲线组 图6 1 4 不同出口压力下转速排气温度曲线组 图6 1 5 不同出口压力下转速功率曲线组 图6 1 6 不同出口压力下转速绝热效率曲线组 图6 1 7 冷却水( 2 0 0 c ，5 1 m i n ) 温度变化图 图6 1 8 涡轮式压缩机性能测试实验 图6 1 9 涡轮压缩机流量压力曲线组 图6 2 0 涡轮压缩机流量一功率曲线组 图6 2 1 涡轮压缩机流量效率曲线组 图6 2 2 涡轮压缩机流量出口温度曲线组 图6 2 3 涡轮式压缩机质量流量绝热效率试验仿真对比 图6 2 4 涡轮式压缩机流量压力试验仿真对比 图6 2 5 安装在燃料电池反应堆中的单螺杆压缩机 图6 2 6 燃料电池城市客车 v 1 卯 眇 叭 吃 舛 舛 ：兮 晒 嘶 叮 凹 吟 加 m n “ ： ： i i i j；1 l i l 1 l 1 1 第l 章绪论 1 1 燃料电池电动汽车的发展概述 汽车是人类社会最重要的交通运输工具之一，在高速、有效的现代社会 运行过程中扮演了不可替代的作用。随着现代工业的发展，世界汽车保有量 迅速增加，与此同时作为其动力来源的石油资源却日益稀缺，从而形成了需 求和供给之间的尖锐矛盾，爆发于上世纪8 0 年代石油危机正是这一矛盾的集 中表现，与此同时，内燃机汽车在运行过程中会产生大量有害气体，随着 尾气排放到大气中，造成空气污染，汽车工业为此承受着越来越大的压力。 面临如此困遇，人们一方面致力于对内燃机工作效率进行优化，以期减少油 气消耗和废气排放，另一方面开始将目光投向替代能源，期望寻找到能够支持 人类社会继续高速发展的能量源泉”1 。 目前存在新型能源汽车从驱动方式上可以区分为代用燃料和电动汽车两 类0 1 。代用燃料汽车仍然使用利用燃料燃烧释放能量的内燃机，按燃料种类 可以分成天然气汽车、醇类汽车、二甲醚汽车和混合燃料汽车等”。 天然气汽车是目前研究最成熟、使用量最大的低排放清净汽车，截至到 2 0 0 2 年底，已在全球5 5 个国家投入运行，总保有量2 1 6 万余辆，其中我国 约有4 3 万辆”刮。汽车使用天然气作为燃料，其优点在于冷启动性能好、燃 烧完全、排放低、不易产生积碳、不会稀释润滑油，使发动机内部零部件磨 损大大减少，能够成倍提高发动机寿命和润滑油使用期限，从而降低汽车保 养和运行费用，提高汽车使用的经济性。缺点在于和同样排量的燃油发动机 相比其动力性略有不足，此外，天然气易燃和有毒特性也需要在使用过程中 需要给予特别注意。 醇类汽车主要使用甲醇和乙醇作为燃料【l “，可以用生物和煤炭制取，来 源有保障；液态的甲醇、乙醇易于存储和携带，燃料辛烷值高，燃烧过程污 染排放少。但醇类的毒性还比较大，对金属及橡胶件有腐蚀性，车辆制造成 本较高。 二甲醚( d m e ) 汽车所用的二甲醚已有低成本的制取方法【l l 】，二甲醚中 十六烷值高，燃烧气体几乎没有碳烟，但是燃料喷射量的精确控制困难。 混合燃料汽车将两种或是两种以上的燃料按一定比例混合所形成的混合 物作为燃料的汽车【1 2 1 。比如：汽油天然气混合燃料、汽油醇类混合燃料。 浙江大学博士学位论文：车载燃料电池用空气压缩机工作性能研究及能效分析 采用混合燃料对汽车的变动量小，较为经济、实用，但也只是在汽车燃料从 传统型燃料转化到替代型燃料过程中的一种过渡方式。 以上所提到的数种代用燃料在燃烧过程中总是存在或多或少的废气，因 此不能从根本上解决有害气体的排放问题。 和代用燃料汽车不同，电动车辆是以电驱动为基础的机动车辆【l ”，使用 电机替代内燃机，在其运行过程中不存在燃料燃烧环节，因此也就不会产生 向环境排放废气及有害气体。 电动汽车的能量来源多种多样，主要有铅酸蓄电池，镍氢电池和锂电池， 超级电容，氢燃料电池等等【1 4 46 1 。 铅酸蓄电池具有技术可靠，生产工艺成熟，成本低，单体电池电压高( 高 于其他电解液电池) ，高、低温性能良好【 】。其主要的不足之处在于：比功 率和能量密度都比较低( 通常为3 5 w t d k g 和7 w h l ) ，自放电率较高( 每天约 下降1 ) 以及循环寿命较低。 镍氢电池在各类镍基电池中具有高比能量( 8 0 w h k g ) ，高比功率 ( 2 3 0 w h k g ) ，同时具有无毒特性，因此较其他镍基电池最有可能成为电动汽 车能量源的近期目标。 常温锂电池具有单体电压高( 约3 v ) ，比能量和能量密度高及安全性好的 特点，但是低温性能差，成本和自放电率较高。 超级电容器是一种介于电池和静电电容器之间的储能元件，具有比静电 电容器高多的功率密度和较好的能量回收特性。 以上这些电池共同的问题在于行驶里程短。铅酸和镍氢蓄电池一次充电 可运行1 0 0 k m ，而锂离子电池在运行2 0 0 k m 之后需要充电。超级电容电动汽 车的运行距离更短，目前单次充电之后的运行距离大约l o k m 左右，因此这 些电动汽车比较适合用于固定线路上的交通运营。 氢燃料电池是将氢能转换为电能的设备【1 8 ，悖】。在燃料电池反应堆中，氨 气和氧气发生电化学反应，释放电能和水，电能经过稳压处理之后为机动车 辆提供动力。氢能是一种二次能源，不仅可以从城市煤气和天然气中得到， 也可通过太阳能、生物细菌分解农作物秸秆和有机废水中得到，最主要是可 以从水中通过电解的方法分解出来，因此氢燃料可再生和重复利用。 汽车使用氢燃料电池，利用氢和氧化学反应，产生电、热和水蒸气，唯 一的副产品就是水，而水又是制备氢的唯一原料，因此车载氢燃料电池不仅 在工作过程中能够真正达到排放零污染，而且在燃料消耗和制备循环中也是 清洁的f 2 们。 2 绪论 氢燃料电池工作过程中不涉及燃烧，无机械损耗，比蒸气机、内燃机等 能量转换效率高的多。丰田等汽车公司实验得到结论，汽油车效率从油箱到 车轮为1 6 ，而氢燃料电池为6 0 ，效率提高近四倍t 2 “。 质子交换膜燃料电池( p e m f c ) 最有希望成为电动汽车的动力源，其工 作原理为经过湿润的氢气( h 2 ) 和氧气( 0 2 ) 分别通入到燃料电池的阳极室 和阴极室，并在催化剂作用下发生氧化和还原反应。阳极反应生成的质子 ( h + ) 通过质子交换膜传导到阴极，阳极反应生成的电子通过外电路达到阴 极，生成的水以水蒸气或冷凝水的形式随过剩的阴极反应气体从阴极室排出。 其核心部件为发生电化学反应的质子交换膜。 2 0 世纪6 0 年代，美国首先将p e m f c 用于双子星座航天飞行。由于当时 该电池采用的是聚苯乙烯磺酸膜，在电池工作过程中该膜发生了降解，不但 导致电池寿命的缩短，而且还污染了电池的生成水，使宇航员无法饮用，这 一事件造成p e m f c 研究长时间处于低谷。 1 9 8 3 年，加拿大国防部资助了巴拉德( b a l l a r d ) 公司进行p e m f c 的研 究，并取得突破性进展，不但使电池的珀当量降至低于o 5 m g c m 2 ，电池输 出功率密度高达0 5 2 w c m 2 ，电池组的质量比功率和体积比功率分别达到了 7 0 0 w k g 和1 0 0 0 w l 。 p e m f c 除了具有能量转换效率高、环境友好，同时还具有可在室温快速 启动，无电解液流失，水易排出，寿命长，比功率和比能量高等突出特点， 因此特别适合用于可移动动力源。 p e m f c 广泛采用的氧化剂是氧，空气中含有2 1 ( 摩尔分数) 氧，因此 地面车辆广泛选择空气作为p e m f c 氧化j u t l 8 ，2 “。 从2 0 世纪末开始，国际上形成了燃料电池开发热潮，除各国政府投巨资 支持这一研究外，世界各大汽车集团和石油公司 2 3 , 2 4 1 也投入大量资金来发展 这一技术。 1 2 车载燃料电池空气压缩机概述 1 2 1 空压机在燃料电池中的作用 图1 1 为质子交换膜的系统图，空气通过压缩机增压之后，经过加湿处理 送入到燃料电池反应堆，和来自于氢源的氢气发生电化学反应，输出电能用 3 浙江大学博士学位论文：车载燃料电池用空气压缩机工作性能研究及能效分析 于动力输出【2 5 1 。 图i i 燃料电池系统示意图 输入气体在消耗了部分氧气之后，压力有所下降，排除反应堆，通过分水， 去雾之后，通过膨胀器从压力气体中回收部分压力能，将其转化为机械能反 馈到空气压缩机，从而节省供气单元所需要的电能。 燃料电池中的电化学反应是一个复杂的过程，其工作性能受到多种因素 影响1 2 ”。相关研究表明：质子 交换膜燃料电池燃料和氧化莉 在较高的压力下进行反应具有 以下两个明显的优势【2 7 3 0 】： 1 ) 氧分压决定了燃料电池 的功率密度。图1 2 显示了在 不同空气压力下燃料电池输出 电流密度和输出电压之间的关 系。在相同电流密度下，随着 供气压力的提高，电池的输出 ldd 童 龟淹整麓 ，_ + 2 图1 2 不同空气压力电流密度和电压曲线 4 仕 酣 让 绪论 电压也出现了相应的升高，从而提高了燃料电池的输出功率。 2 ) 提高反应压力对于燃料电池内的水热管理有明显的改进，燃料电池 中的水管理的目的是保持燃料电池入口空气的湿润所需要的水量和电池内电 化学反应所产生的水以及从电堆出口回收的水的总和相平衡，一旦这个平衡 被打破，燃料电池就无法正常工作。在低压的条件下，空气的含水量将增加， 同时低压将减缓燃料电池的电化学反应，所以更多的水分被排出到大气中， 水平衡就有可能被打破1 2 9 ，”】。 但是提高燃料电池入口气体的压力是以消耗燃料电池的输出能量作为前 提的，燃料电池在一定的供气条件下产生p 。功率，其中p 一被用以驱动供 气系统，其实际能够对外输出的能量只有净功率p = p 。一p 一。研究材料表 明，在7 5 k w 的燃料电池中，如果入口空气的压力被提高到3 b a r 时，其将消 耗2 0 的电堆的输出功率，这足以使供气系统成为燃料电池系统最大寄生能 源消费部件，此外，供气系统还将在本已不太宽敞的汽车内部占据一定的空 间，提高了车辆的负载。 目前普遍认为2 b a r 左右的空气压力比较适合车载燃料电池，大约有 2 0 3 0 的燃料电池输出功率将被用于提升空气的压力。以压缩机为主要部 件的空气管理系统也就成为了除负载之外燃料电池最大的能量消耗部件，其 综合性能在很大程度上决定了装备燃料电池的电动汽车性能，因此研究高效， 紧凑，可靠和低成本的空气管理系统就成为了当前车载燃料电池研究领域中 一个重要任务。 1 2 2 燃料电池系统对压缩机的要求 燃料电池和空气压缩机构成能量上的相互依赖关系。燃料电池需要空气 压缩机所提供的压缩氧气才能进行电化学反应，进而产生电能。由于燃料电 池发动机本身工作特点，对为其提供压缩空气的压缩机有如下要求1 27 】： 首先，燃料电池反应堆中的质子交换膜需要工作在无油条件下，否则将 会引起质子交换膜失效，因此需要作为氧化剂的压缩空气中不能含有任何油 成分。这就限制了很多工业用空气压缩机在燃料电池空气压缩机中的应用， 因为很多工业用空气压缩机中或是使用了供油轴承，或是使用了喷油方式对 压缩空气进行冷却。 其次，由于燃料电池反应堆和空气压缩机之间能量相互关系，相关研究 表明，燃料电池发动机输出功率的2 0 3 0 被用于空气压缩机，使其成为了 5 浙江大学博士学位论文：车载燃料电池用空气压缩机工作性能研究及能效分析 除驱动电机之外最大的耗能单元。燃料电池反应堆系统希望能够以较小的输 出电能驱动空气压缩机，同时希望空气体提供尽可能多符合压力要求的压缩 空气，也就是对空气压缩机的工作效率有较高要求。 再次，空气压缩机会作为燃料电池发动机的一部分被安装到燃料电池电 动汽车上，在车载平台上，过大的空气压缩机会占据了大量的空间，从而影 响到乘员乘坐舒适性和可装载货物数量；较大质量增加了整车惯性，会在很 大程度上影响汽车的启动性能和制动性能。不同输出功率的燃料电池反应堆 所需要的压缩空气质量流量具有较大差别，5 0 k w 燃料电池反应堆需要最大空 气质量流量为9 5 9 s ( 4 5 岔m i n ) ，l o o k w 燃料电池需要1 5 5 9 s ( 7 3 m 3 r a i n ) 的压 缩空气质量流量，同时要求空气压缩机体积在4 0 l 以内，质量在3 0 k g 以下。 1 2 3 能量回收设备 由于燃料电池反应堆中只是消耗压缩空气中的部分氧气，因此在空气中 8 0 的氮气，剩余氧气以及各种惰性气体将作为尾气排出反应堆，这些气体 在排出反应堆时仍具有相当压力，通常为输入气体的7 0 8 0 ，将这部分气 体所含有的动能和压力能有效利用起来，可以节省能源，提高燃料电池发动 机效率 3 2 3 3 1 。 目前用于能量回收的装置主要有两类，机械增压器和涡轮增压器【3 “。其 作用是将废气中含有能量以机械能形式释放出来。机械增压器主要结构有涡 旋式、螺杆式、滑片式和罗茨式等类型，机械增压器在瞬态响应速度、工作 性能稳定性以及使用寿命上具有较突出优点。 1 3 车载燃料电池空气压缩机国内外研究情况 虽然空气压缩机在工业界被广泛运用，但这些压缩机中大型压缩机能够 提供足够的供气量，但是同时也具有过大容积；而体积较小的压缩机却不能 够提供足够供气量，因此现有工业用空气压缩机工作性能和车载燃料电池使 用要求尚有相当差距。是否能够研制成功小体积、轻质量的燃料电池用无油 空气压缩机成为增强车载燃料电池实用性，提升燃料电池电动汽车整车性能 的重要因素之一。 伴随着燃料电池电动汽车的发展，燃料电池空气压缩机的研究逐渐深入。 自从上世纪9 0 年代以来，以美国、欧洲以及日本为代表的主要工业国家都开 6 绪论 展了燃料电池用空气压缩机的研究，目前绝大多数研究处于试验及试制阶段， 还未出现大规模的商业应用。其中主要的研究成果如下： 1 3 1m e c h a n o l o g yl l c 滑片式压缩机属于容积型的回转式压缩机，通过金属叶片滑动改变基元 容积大小，无油滑片式压缩机的滑片采用石墨及有机合成材料等滋润滑材料， 故无需再添加任何润滑剂，可以为燃料电池提供清洁空气，但是也由于滑片 和转子，气缸之间存在很大的机械摩擦，所以压缩机效率比较低。近年来， 出现了一些新型滑片式压缩机结构，在综合性能上有了进一步提高。美国 m s c h a n o l o g yl l c 公司在美国能源部的资助下设计了螺旋式交叉滑片机械 ( t i v m ) 结构p 5 ，图1 3 ( a ) 显示了该种压缩机基本工作原理，通过两 组成9 0 度滑片链之间的交叉运动形成压缩腔体，并在其中完成空气压缩过 程。这种新型结构具有以下的特点，1 ) 如图1 3 ( a ) 所示，滑片链在相互交 叉运动过程中多次形成进气，压缩，排气的过程，同时可以如图1 3 ( b ) 中 所示在有限的空间内布置多组滑片链，这样的设计大大提高了空间利用率， 在相同压缩机体积下，可以产生和高速涡轮式压缩机相当的气量。2 ) 属于容 积式旋转压缩机，所以能够提供恒定压力的流量。3 ) 滑片链的形状可以根据 不同的应用场合进行改变，从而形成不同的压缩机外形。4 ) 由于运动件受力 对称，所以动平衡性能好，振动小。 ( a )( b ) 图1 3 t i v m 结构 这样结构的滑片式压缩机也存在着一些问题，在个回转周期中，对于 由主轴驱动的滑片链( 红色) 上的每个滑片发生多次( 图中为6 ) 压缩过程， 7 浙江大学博士学位论文：车载燃料电池用空气压缩机工作性能研究及能效分析 所以滑片的磨损会比较严重，导致当压缩机运行一段时间之后，气体开始泄 漏，从而降低系统效率。 1 3 2t i a x 涡旋式压缩机的工作原理通 过运动涡旋盘和固定涡旋盘的配 合，产生工作容积往复变化，使 空气进行压缩。由于涡旋式压缩 机的压缩过程主要通过动、静涡 旋盘之间的挤压来实现气体的压 缩过程，所以减少了由于运动部 件啮合所产生的噪声。除了旋转 容积式压缩机所具有的体积较 大、质量较重缺点之外，由于涡 旋压缩机动涡盘的偏心作用，随 着主轴转速提高，压缩机振动也 会随之增大。美国t i a x 公司研 图1 4 蜗旋式压缩机结构 制了涡旋式压缩机本体体积为2 7 l ，质量为3 6 3 k g ，最大排气量位7 6 9 s e c t 3 7 】。 1 3 3y a i r e x 美国v a i r e x 公司对叶片式燃料电池用空气压缩机作了相关研究，产品相 关图片见图1 5 ，其右边v p 一2 5 0 本体尺寸为4 0 0 * 2 5 0 + 2 5 0 ( m m ) ，质量为2 0 k g 。 转速在5 0 0 0 r m i n 时，在2 5 标准大气压的压力下提供提供9 ( 3 i e d s 空气流量的 压缩机空气，大约消耗9 k w 能量 3 8 l 。 8 绪论 1 3 4h o n e y w e l l 图1 5 叶片式压缩机 涡轮式压缩机增压原理是通过高速叶轮将能量传递给空气，使气体获得 非常高的速度，然后使用扩压管降低气体流速，增大气体压力。该种压缩机 具有非常高效率，同时在高速电机支持下，可以提供小体积下提供相当流量。 因为具有这些优点，涡轮式压缩机被国际上认为是未来燃料电池空气压缩机 图1 6 涡轮式压缩机 的发展方向。但是目前涡轮 式压缩机也还存在一些问题 制约着其实际应用： 1 ) 转子轴承的可靠性。 由于涡轮式压缩机的转速非 常高，通常可以达到 10 0 ，0 0 0 r m i n ，在这样高转速 工况下，普通轴承将产生大 量热量，同时也会带来润滑， 冷却，维护等一系列问题。 所以需要应用一些新型无摩 擦的轴承，如：空气轴承， 这些类型的轴承本身还存在各种各种问题需要被迸一步研究解决。 2 ) 大工作范围的适应性。由于汽车工况的相当多时间处于低负荷条件下， 9 浙江大学博士学位论文：车载燃料电池用空气压缩机工作性能研究及能效分析 比如，汽车怠速运行，这样压缩机出气量也应该相应减小以降低功耗。而涡 轮式压缩机由于喘振现象存在，不能在保持比较恒定输出压力情况下，提供 比较小流量。 目前美国h o n e y w e l l 公司正在研制用于车载燃料电池的涡轮式压缩机具 有较好的质量，流量指标，但是在整机的可靠性，无故障运行时间以及小流 量供气等方面还存在一些问题【3 9 】。 1 3 50 p e o n 瑞士o p c o n 公司所设计的双螺杆式压缩机是目前使用较多的一种压缩机 【4 0 】。螺杆式压缩机具有高运行可靠性，平均零维护运行时间为数万小时：流 图1 7 双螺杆压缩机 量调节方便，通过改变螺 杆转速即可改变流量，能 够满足燃料电池的气体压 力流量要求。图1 7 是瑞 士o p c o n 公司研制采用双 螺杆压缩机的空气管理系 统外观图，同时集成了直 流无刷电机和双螺杆结构 的膨胀器。用于燃料电池 车辆中，在1 8 0 0 0 r r a i n 转 速下，能够提供7 9 9 s 气 体流量。但是在该工作转速下，压缩机产生较大噪声，同时支撑转子的轴承 需要使用供油手段加以冷却和润滑。 1 3 6 国内 由于燃料电池电动汽车具有良好的发展前景，同时燃料电池的关键技术 为先进国家重点保护，因此发展具有自主知识产权的燃料电池电动汽车成为 应对2 l 世纪能源危机的重要措施之一。为此我国科技部在“十五”期间对燃 料电池电动汽车展开了全面研究，同时也为燃料电池空气压缩机的研究设立 了专门课题。目前国内除浙江大学燃料电池空气压缩机项目组f 4 1 ：4 5 】进行研究 之外，西安交通大学也在从事相关技术的研究【4 6 ，4 ”，压缩机结构有螺杆