PEMFC 发动机用空气压缩机发展综述

王玉杰 卢元辉

摘要：PEMFC发动机是将氢氧中的化学能转化为电能的装置，与传统内燃机有本质区别，具有能量转化效率高、无污染等特点，被广泛认为是未来的绿色清洁能源。空气压缩机是PEMFC 发动机的肺，为阴极提供一定流量和压力的空气，其性能和可靠性对发动机有至关重要的影响。针对PEMFC发动机用空气压缩机的特点，对目前PEMFC发动机用空气压缩机的常用结构型式和发展现状进行综述。综合看来，离心式空气压缩机是未来主流的技术路线。

关键词： PEMFC发动机;空气压缩机;离心式;发展趋势

随着对未来绿色能源的关注，PEMFC发动机因其高效率、无污染等优势，在车用、固定发电等场合被广泛应用。由于不受卡诺循环的限制，能量转换效率可达到60%～80%[1]。空气压缩机作为除电堆以外的核心零部件，需要根据电堆不同的工况，为电堆提供一定过量比和压力的空气。现在空气压缩机自身功率消耗大，是附件中消耗功率最大的零部件，约占发动机消耗的10%～15%，约占燃料电池辅助功耗的80%[2]，直接影响的PEMFC发动机的净功率输出;其体积、噪音、无油等特性也对PEMFC发动机的指标有直接影响。因此对空气压缩机的研究是必要和至关重要的。

一、适用于PEMFC发动机的空气压缩机需要满足以下要求：

（一）无油：润滑油会引起电堆催化剂中毒，空气压缩机应采用无油空气轴承;

（二）高效：空气压缩机的寄生功率大，其效率直接影响PEMFC发动机的性能指标;

（三）小型化和低成本：PEMFC发动机的应用受其功率密度和成本的制约，小型化和低成本有助于推动PEMFC发动机的产业化;

（四）低噪声：空气压缩机是燃料电池系统最大的噪声源，其噪声应尽量控制;

（五）喘振线在小流量区：PEMFC发动机需要在小流量、高压比工况下运行;

（六）良好的动态响应性：当需求功率发生变化时，空气流量和压力可无延迟地进行调整，以跟随输出功率的变化。

车用燃料电池的发展过程中，针对空气压缩机的设计和优化在持续地进行着。本文结合国内外的研究现状，总结了几种典型PEMFC发动机用压缩机的结构和性能特点，并分析了空气压缩机的未来发展态势。

二、空气压缩机的研究现状

空气压缩机是PEMFC发动机空气系统的重要部件，目前常用的空气压缩机类型有螺杆式、离心式、涡旋式和罗茨式等。

现在国内外采用的空气压缩机型式及供货商如下表所示。

（一）涡旋式空气压缩机

涡旋式空气压缩机是适合用于PEMFC发动机的空压机结构形式，具有效率高、噪声低、结构简单、质量轻、可靠性高等特点[3-4] 。目前已被日本丰田（Toyota） 、美国UTC等多家公司应用于PEMFC发动机上。

（二） 螺杆式压缩机

螺杆式空气压缩机利用螺桿之间形成的空气槽来压缩空气，结构简单、高效可靠、具有宽的流量范围和良好的压比/流量特性，是理想的燃料电池用空气压缩机[5]。前期的本田Clarity、戴姆勒GLC、通用Equinox等都采用螺杆式空气压缩机。

（三）离心式空气压缩机

离心式空气压缩机属于叶片式空气压缩机，具有结构紧凑、响应快寿命长和效率高等特点[6] 。通过旋转的叶轮对气体作功，在叶轮和扩压器的流道内，利用离心升压和降速扩压作用，将机械能转换为气体压力能。但离心式空气压缩机在低流量时会发生喘振现象，这将严重影响系统的性能和空气压缩机的使用寿命。因此，离心式空气压缩机要求具有更窄的喘振边界和更宽的稳定运行范围，在小流量工况下，可以实现更大的压力升高率，有利于空气压缩机在低流量高压比工况下正常运行而不发生喘振。

（四）罗茨式空气压缩机

选用罗茨式空气压缩机作为PEMFC发动机用空气压缩机的优势如下：

（1）罗茨式空气压缩机的工作转速较低，不必使用结构复杂的空气轴承;（2）具有较宽的高效运行区;（3）罗茨式空气压缩机的技术已经相对成熟，工艺难度低。但存在叶片少，气流脉动大，噪音大等缺点。

三、空气压缩机的发展趋势及关键技术

由于空气压缩机的结构和工作原理的不同，其技术优缺点也不尽相同。通过比较可以看出，涡旋式和螺杆式空气压缩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。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，被认为是最有技术潜力的空气增压的解决方案，是未来主流技术路线。

四、结语

本文介绍了目前PEMFC发动机用空气压缩机的国内外研究和应用现状，介绍了涡旋式、螺杆式、离心式、罗茨式压缩机，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PEMFC发动机发展，结果表明离心式增压技术是提高PEMFC发动机效率和功率密度的有效技术方案。因此，离心式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。

参考文献：

[1] 杨启超，李连生，赵远扬. 燃料电池供气系统中空气压缩机的研发现状[J].通用机械，2008（1）： 32-37.

[2] 郭爱，李奇，陈维荣，等. 车用燃料电池阴极系统特性[J].西南交通大学学报，2013（6）： 1052-1058.

[3] 王君，刘振全. 双涡圈涡旋压缩机完全啮合型线修正理论研究[J].机械工程学报，2005（3）： 234-238.

[4] 李超，刘振全，王君. 燃料电池用无油润滑涡旋压缩机研究[J].润滑与密封，2008（6）： 74-76， 92.

[5] 杨炳春，李建风，邢子文，等. 无油螺杆压缩机在燃料电池中的应用[J].化工学报，2004，S1： 269-272.

[6] 黄友艳，秦国良. 燃料电池用离心压缩机设计与数值模拟[J].风机技术，2012（1）： 30-32， 47.

作者单位：潍柴动力股份有限公司