燃料電池具有發(fā)電效率高、環(huán)境污染小、比能量高等優(yōu)點(diǎn)，被視作是一種很有發(fā)展前途的能源動(dòng)力裝置。在眾多類(lèi)型的燃料電池，質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）采用高分子膜電解質(zhì)，兼具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作溫度低、啟動(dòng)快速、制造成本較低等優(yōu)點(diǎn)而極具發(fā)展前途，是未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)?yán)硐氲膭?dòng)力源。動(dòng)力燃料電池除了電池電堆核心外還配置有較復(fù)雜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1示例：該系統(tǒng)包括熱管理系統(tǒng)、氫氣供應(yīng)系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)及電控系統(tǒng)等子系統(tǒng)。

圖1 Mirai燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

燃料電池空氣供給系統(tǒng)是保證燃料電池系統(tǒng)正常運(yùn)作的一個(gè)重要系統(tǒng)。典型的燃料電池空氣供給系統(tǒng)包括空氣壓縮機(jī)(或鼓風(fēng)機(jī)，或壓縮空氣罐)、濾網(wǎng)、輸氣管、加濕器、分水器、冷卻通道以及其他附屬設(shè)備。在燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，空氣壓縮機(jī)在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下將空氣過(guò)濾、壓縮后送入輸氣管，經(jīng)電堆的空氣入口進(jìn)入陰極；氫氣儲(chǔ)氣罐則通過(guò)多級(jí)減壓閥將氫氣減壓至合適的壓力后進(jìn)入電堆陽(yáng)極。當(dāng)空氣和氫氣進(jìn)入電堆流道中后，在質(zhì)子交換膜上的催化劑作用下發(fā)生反應(yīng)，生成水并產(chǎn)生電能?？諌簷C(jī)作為動(dòng)力燃料電池空氣供給系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，對(duì)燃料電池系統(tǒng)的性能有重要影響。

在燃料電池用空壓機(jī)領(lǐng)域，離心式壓縮機(jī)和渦旋式壓縮機(jī)是目前主要研究的機(jī)型。離心式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊且封閉性好、質(zhì)量輕、響應(yīng)速度快，壓力流量特性穩(wěn)定且在額定工況效率較高。其缺點(diǎn)是在偏離設(shè)計(jì)工況時(shí)各性能不足，低速低流量時(shí)出現(xiàn)喘振現(xiàn)象會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能和安全。

渦旋式壓縮機(jī)具有效率高、噪聲低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易損件少、質(zhì)量輕、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、振動(dòng)小、可靠性高等特點(diǎn)，且壓力與氣量連續(xù)可調(diào)，在寬的工況下都能達(dá)到較高的效率。渦旋渦式壓縮機(jī)這些特性使其非常適用于燃料電池。針對(duì)燃料電池低壓比、高流量的特性，常規(guī)的單渦圈渦旋壓縮機(jī)很難滿(mǎn)足應(yīng)用需求，而雙渦圈渦旋壓縮機(jī)相對(duì)單渦圈有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）雙渦圈渦旋壓縮機(jī)吸氣量大；

（2）同樣的吸氣量下，雙渦圈渦旋壓縮機(jī)可以做得更??；

（3）雙渦圈渦旋壓縮機(jī)有更小的回轉(zhuǎn)半徑，減小了摩擦磨損；

（4）雙渦圈渦旋壓縮機(jī)渦旋齒圈數(shù)少；

（5）雙渦圈渦旋壓縮機(jī)氣流脈動(dòng)小。

因此雙渦圈壓縮機(jī)更適用于燃料電池系統(tǒng)。

雙渦圈渦旋壓縮機(jī)的動(dòng)盤(pán)和靜盤(pán)個(gè)油兩個(gè)渦旋齒，其工作周期為90度，每旋轉(zhuǎn)一周都會(huì)有四個(gè)吸氣腔和排氣腔。最外側(cè)的嚙合點(diǎn)閉合式構(gòu)成吸氣腔，隨著動(dòng)盤(pán)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)嚙合點(diǎn)逐漸向內(nèi)移動(dòng)，同時(shí)壓縮腔的容積也逐漸減小，氣體被壓縮直至嚙合點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到最內(nèi)側(cè)，此時(shí)壓縮腔容積最小。隨后嚙合點(diǎn)分離，開(kāi)始排氣。

圖2 雙渦圈渦旋壓縮機(jī)動(dòng)態(tài)示意圖

目前對(duì)雙渦圈渦旋壓縮機(jī)的研究主要有型線(xiàn)參數(shù)對(duì)壓縮機(jī)性能的影響、泄漏模型及密封技術(shù)、軸向氣體力的平衡、流場(chǎng)數(shù)值模擬及流動(dòng)分析、多物理場(chǎng)耦合分析及渦旋齒應(yīng)力變形研究等。以下對(duì)部分研究?jī)?nèi)容做簡(jiǎn)要介紹。

通過(guò)構(gòu)建通用型線(xiàn)模型對(duì)參數(shù)進(jìn)行研究可以了解各參數(shù)對(duì)性能影響關(guān)系，進(jìn)一步建立便于優(yōu)化的統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型，借助優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)單目標(biāo)或多目標(biāo)優(yōu)化，對(duì)初期設(shè)計(jì)選型有很大的參考意義。

圖3  多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果

通過(guò)對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行建模，利用Fluent仿真軟件可以模擬在不同工況下內(nèi)部流場(chǎng)的流動(dòng)特性，能夠直觀的了解到其微觀流場(chǎng)信息，為渦旋壓縮機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了很大幫助。

圖4  內(nèi)部流場(chǎng)壓力云圖

渦旋壓縮機(jī)在工作過(guò)程中，其動(dòng)、靜渦盤(pán)會(huì)受到壓縮腔內(nèi)軸向氣體力的作用，導(dǎo)致動(dòng)、靜渦盤(pán)分離，軸向間隙增大，泄漏增加。為了確保軸向的高精度的動(dòng)態(tài)密封要求，需對(duì)渦旋壓縮機(jī)軸向力進(jìn)行平衡設(shè)計(jì)。常見(jiàn)的軸向力平衡方法有彈簧背壓式、推力軸承式、氣體背壓式等。

以上各方面的研究，旨在提高渦旋壓縮機(jī)的效率，減小比功率，降低其寄生功耗。同時(shí)縮小尺寸，實(shí)現(xiàn)輕量化，便于安裝布置。隨著研究不斷的深入，會(huì)有更多的高性能產(chǎn)品走向市場(chǎng)，推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

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