PEMFC 發動機用空氣壓縮機發展綜述

王玉杰?盧元輝

摘要：PEMFC發動機是將氫氧中的化學能轉化為電能的裝置，與傳統內燃機有本質區別，具有能量轉化效率高、無污染等特點，被廣泛認為是未來的綠色清潔能源?？諝鈮嚎s機是PEMFC 發動機的肺，為陰極提供一定流量和壓力的空氣，其性能和可靠性對發動機有至關重要的影響。針對PEMFC發動機用空氣壓縮機的特點，對目前PEMFC發動機用空氣壓縮機的常用結構型式和發展現狀進行綜述。綜合看來，離心式空氣壓縮機是未來主流的技術路線。

關鍵詞： PEMFC發動機;空氣壓縮機;離心式;發展趨勢

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

一、適用于PEMFC發動機的空氣壓縮機需要滿足以下要求：

（一）無油：潤滑油會引起電堆催化劑中毒，空氣壓縮機應采用無油空氣軸承;

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

（三）小型化和低成本：PEMFC發動機的應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發動機的產業化;

（四）低噪聲：空氣壓縮機是燃料電池系統最大的噪聲源，其噪聲應盡量控制;

（五）喘振線在小流量區：PEMFC發動機需要在小流量、高壓比工況下運行;

（六）良好的動態響應性：當需求功率發生變化時，空氣流量和壓力可無延遲地進行調整，以跟隨輸出功率的變化。

車用燃料電池的發展過程中，針對空氣壓縮機的設計和優化在持續地進行著。本文結合國內外的研究現狀，總結了幾種典型PEMFC發動機用壓縮機的結構和性能特點，并分析了空氣壓縮機的未來發展態勢。

二、空氣壓縮機的研究現狀

空氣壓縮機是PEMFC發動機空氣系統的重要部件，目前常用的空氣壓縮機類型有螺桿式、離心式、渦旋式和羅茨式等。

現在國內外采用的空氣壓縮機型式及供貨商如下表所示。

（一）渦旋式空氣壓縮機

渦旋式空氣壓縮機是適合用于PEMFC發動機的空壓機結構形式，具有效率高、噪聲低、結構簡單、質量輕、可靠性高等特點[3-4] 。目前已被日本豐田（Toyota） 、美國UTC等多家公司應用于PEMFC發動機上。

（二） 螺桿式壓縮機

螺桿式空氣壓縮機利用螺桿之間形成的空氣槽來壓縮空氣，結構簡單、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[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。

（三）離心式空氣壓縮機

離心式空氣壓縮機屬于葉片式空氣壓縮機，具有結構緊湊、響應快壽命長和效率高等特點[6] 。通過旋轉的葉輪對氣體作功，在葉輪和擴壓器的流道內，利用離心升壓和降速擴壓作用，將機械能轉換為氣體壓力能。但離心式空氣壓縮機在低流量時會發生喘振現象，這將嚴重影響系統的性能和空氣壓縮機的使用壽命。因此，離心式空氣壓縮機要求具有更窄的喘振邊界和更寬的穩定運行范圍，在小流量工況下，可以實現更大的壓力升高率，有利于空氣壓縮機在低流量高壓比工況下正常運行而不發生喘振。

（四）羅茨式空氣壓縮機

選用羅茨式空氣壓縮機作為PEMFC發動機用空氣壓縮機的優勢如下：

（1）羅茨式空氣壓縮機的工作轉速較低，不必使用結構復雜的空氣軸承;（2）具有較寬的高效運行區;（3）羅茨式空氣壓縮機的技術已經相對成熟，工藝難度低。但存在葉片少，氣流脈動大，噪音大等缺點。

三、空氣壓縮機的發展趨勢及關鍵技術

由于空氣壓縮機的結構和工作原理的不同，其技術優缺點也不盡相同。通過比較可以看出，渦旋式和螺桿式空氣壓縮機的葉片間存在相互摩擦，噪聲和質量較大，且難以與渦輪匹配工作。離心式壓縮機在密度、效率、噪聲等方面具有最好的綜合效果，被認為是最有技術潛力的空氣增壓的解決方案，是未來主流技術路線。

四、結語

本文介紹了目前PEMFC發動機用空氣壓縮機的國內外研究和應用現狀，介紹了渦旋式、螺桿式、離心式、羅茨式壓縮機，對比發現離心式壓縮機具有更大的性能優勢和發展前景。同時為面向未來的PEMFC發動機發展，結果表明離心式增壓技術是提高PEMFC發動機效率和功率密度的有效技術方案。因此，離心式增壓技術回收燃料電池尾氣余壓能量以及解決空氣供應系統的成本、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：

[1] 楊啟超，李連生，趙遠揚. 燃料電池供氣系統中空氣壓縮機的研發現狀[J].通用機械，2008（1）： 32-37.

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

[3] 王君，劉振全. 雙渦圈渦旋壓縮機完全嚙合型線修正理論研究[J].機械工程學報，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研究[J].潤滑與密封，2008（6）： 74-76， 92.

[5] 楊炳春，李建風，邢子文，等. 無油螺桿壓縮機在燃料電池中的應用[J].化工學報，2004，S1： 269-272.

[6] 黃友艷，秦國良. 燃料電池用離心壓縮機設計與數值模擬[J].風機技術，2012（1）： 30-32， 47.

作者單位：濰柴動力股份有限公司