空压机在燃料电池车用领域的现状及趋势
燃料电池系统的成本和可靠性一直制约着燃料电池汽车的推广，美国DOE为研制面向未来燃料电池系统的高性能空气压缩机，近几年与美国伊顿公司合作基于现有的P级和R级罗茨式压缩机研制了新型的空气供应系统。
伊顿公司选用P400和R340 TVS系列罗茨式空压机作为原型机进行设计，并由电机和膨胀机联合驱动，通过调整其峰值效率点，使其适用于80kW的燃料电池系统。图6为罗茨式压缩机。
空压机在燃料电池车用领域的现状及趋势 TVS系列罗茨式空压机在做功能力、功率密度以及经济性等方面具有较大的优势。为了满足燃料电池的特殊要求，伊顿公司对TVS系列罗茨式空压机的转子、外壳和进气口进行设计和改进。采用铝合金转子技术，减小转子间隙，提高压缩机的效率；增大转子的螺旋角，提高压缩机的增压能力；同时重新设计了压缩机的进出口几何结构，使得系统变得更加紧凑。改进后压缩机可以为系统提供压比2.5，流量92g/s的压缩空气。
选用罗茨式空压机作为燃料电池用空压机的优势如下：
（1）罗茨式空压机的工作转速较低，可以不必使用结构复杂的空气轴承；
（2）具有较宽的高效运行区，可以提高整个工况的燃料经济性；
（3）罗茨式空压机的技术已经相对成熟，在其他的领域已经得到充分利用。
螺旋式交叉滑片结构（Toroidal Intersecting Vane Machine）是一种富有创造性的机械结构，属于容积式机械。两组呈90°的滑片链相互啮合形成压缩空腔，并通过交叉旋转来压缩空气。
目前只有美国Mechanology LLC公司开发了用于燃料电池系统的螺旋式交叉滑片压缩机。Mechanology对TIVM的副转子结构进行优化，消除滑片间的功的传递，可以有效地减小滑片间的摩擦损失。同时通过建立数学模型和理论计算对 啮合滑片表面结构进行最优设计，减小因泄露造成的压力损失，可以使得空压机出口的压力提高6.7×104Pa。
DOE针对50kW车用燃料电池系统的要求对TIVM样机进行测试，测试结果显示TIVM样机具有潜在的性能优势，可以在1500r/min的低转速情况下实现小体积大流量（压比3.2，流量72g/s）。
但样机仍存在泄露损失和进出口压力损失较大等问题。 若要满足燃料电池的功率需求，仍需要开展以下工作：在不增加摩擦的情况下减少泄露；确定包括在高湿度的环境下的啮合滑片的摩擦系数；优化压缩机和膨胀机的进气、排气孔，确保较低的压力降损失和功率损失。
由于空压机的结构和工作原理的不同，空压机的性能优势也不尽相同。其性能比较如表1所示。
空压机在燃料电池车用领域的现状及趋势
通过比较可以看出涡旋式、螺杆式和离心式空压机的综合性能较好。但涡旋式和螺杆式空压机的叶片间存在相互摩擦，噪声和质量较大，且难以与涡轮匹配工作，无法回收排气能量，目前只有通过涡轮与离心式压缩机匹配来实现。
离心式压缩机在密度、效率、噪声等方面具有最好的综合效果，被认为是最有前途的空气增压方式之一。
从目前国内外的研究发展方向来看，离心式空气压缩机是今后最主流的发展方向。同时随着燃料电池系统对空气供应系统性能要求的提高，离心式空压机与涡轮机匹配工作势必将成为燃料电池用空压机未来发展的主要趋势。</div>
Wiartalla等人利用模型对常用的空压机以及涡轮机进行仿真，结果表明在燃料电池的废气端使用涡轮机后，在进气压力为 2.5×105Pa 时，电堆的质量减小12%，系统效率提高约2%，并随着压力的增加而不断提升。
美国DOE和Honeywell合作开发的110kr /min高速离心式空压机，采用空气轴承并通过与涡轮机和电机同轴连接，可以将满负荷工况时的综合效率提高5%。
涡轮机能回收废气能量，提高系统效率，但往往也会伴随 着系统成本和尺寸的增加。为达到车用要求，两个关键技术被用于空压机和涡轮机。
混流式叶轮的特点是在旋转时，既产生离心力又产生推力，高效区和稳定工作范围较宽，喘振线在更小流量区域，可以有效地改善压缩机的低流量性能。
涡轮机的可变进口导叶绕轴心旋转，通过改变叶片开度大小，影响导叶栅最小流通截面积的大小，同时进入涡轮的气体的角度和速度也会发生变化，从而改变涡轮机的转速以及压气机出口端的增压压力。
<div> 本文阐述了目前燃料电池用空压机的国内外研究现状，分别介绍了涡旋式、螺杆式、离心式、螺旋式交叉滑片和罗茨式压缩机，进行性能对比发现离心式压缩机具有更大的性能优势和发展前景
同时为面向未来的燃料电池发展，对涡轮增压器在燃料电池中的应用以及两个提高性能的关键技术进行了分析，结果表明涡轮增压技术是提高燃料电池系统效率和功率密度的有效方法。</div>
因此使用涡轮增压技术回收燃料电池 尾气余压能量以及解决空气供应系统的成本、尺寸和噪声等问题将成为未来燃料电池研究的主要方向。
本文源自：压缩机网-空压机杂志
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