燃料电池离心式空压机开发技术详解


发布时间:

2022-06-02

空压机在燃料电池系统中的作用是为电堆输送特定压力及流量的洁净空气,为电堆内部的电化学反应提供氧气,是燃料电池系统中的核心部件之一,并被称为燃料电池之肺。

  空压机在燃料电池系统中的作用是为电堆输送特定压力及流量的洁净空气,为电堆内部的电化学反应提供氧气,是燃料电池系统中的核心部件之一,并被称为燃料电池之肺。

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  离心式空压机

  空压机的开发目标

  提高燃料电池堆的入口压力(即空压机的出口压力)能够提高氧气分压,当燃料电池工作在高负荷区间时,也能提高单电池电压。下图标识空压机的压比(即空压机出口和入口的压力比值)和燃料电池系统效率的变化关系。

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  压比和燃料电池系统效率关系

  从图中可见,压比提高有利于燃料电池系统效率的提升。因此,工作压力的提高能够降低燃料电池电堆中单电池的数量(功率输出相同条件下),可进一步降低燃料电池系统的体积和成本。

  提高空压机出口压力不仅有利于提高输出性能,降低系统成本和体积,而且也会提高电堆的相对湿度,减少加湿量。下图表示空气的温度、压力和电堆相对湿度的关系,横坐标为压比,纵坐标为工作温度,左上方为干燥状态,右下方为湿润状态。

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  压力、温度和电堆相对湿度关系

  由图可见,随着压力的增加,电堆向右下方的湿润区域移动,降低了加湿量,从而可以减少加湿器的体积。即便电堆工作在较高温度的区间内,提高工作压力也会使得电堆的湿度维持在较为适宜的水平。由此可以推断,当垂直爬坡、迎风或者散热器散热能力差时(三者都导致电堆温度升高),电堆的性能也会得到保障。

  因此,本田公司为Clarit燃料电池开发空气供应系统的目标有:

  1.提高空气压力实现电池输出性能提高,减少了燃料电池堆的单电池数量,降低系统系统体积和成本;

  2.提高空气压力减少加湿量,降低加湿器体积,增加燃料电池高温工作区间;

  3.采用电动涡轮增压空压机实现降噪,取消了降噪辅助设备,降低了空气供应系统的体积;

  4.开发了无传感器控制的逆变器,实现了无旋转变压器电机的小型化,有助于减小燃料电池系统体积。

  燃料电池离心式空压机的结构原理

  由于燃料电池的特殊性,要求与之配套的空压机具有效率高、体积小、无油、工作流量及压力范围大、噪音小、耐振动冲击、动态响应快等特点,目前,常见的空压机类包括螺杆式、罗茨式、离心式压缩机等。

  如今,本田、通用、现代以及上汽在燃料电池系统中使用的空压机类型都是离心式空压机,因此,接下来小金体育最新主要以离心式空压机为研究对象来分析其特点以及喘振机理。

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  离心式空压机结构图

  高速离心式空压机的主要特征:

  叶轮在蜗壳中高速旋转,并通过扩压器提升气体压力后输出。常见的包括单级压缩和双级压缩;

  高速的电机转子直接驱动叶轮旋转压缩气体;

  高速电机转子由空气轴承进行支撑;

  冷却液流经电机定子外侧的冷却液流道对空压机的本体进行冷却。

  为了实现宽范围工作,目前的燃料电池系统中,常采用两级增压的空压机,其内部空气流动如下图所示。

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  两空压机内部空气流动示意图

  空气轴承:

  燃料电池堆空压机输出的空气有较高的清洁度要求,如果使用常规的滚动轴承或者滑动轴承,来自轴承中的润滑油会污染电堆,引起电堆“中毒”。而要想解决这个问题,最好的办法就是不适用润滑油,由于空气轴承使用空气润滑,满足此类要求,因此,空气轴承在燃料电池方面得以广泛应用。

  空气轴承的作用机理:

  当转子高速旋转时,在转子和空气轴承表面之间会形成一层气膜,气膜的压力会随着转速的升高而增加,当气膜压力足够大时便可将转子抬离轴承表面,此时转子便会浮起来,所以空气轴承也叫“气浮轴承”。

  当转子低速旋转时,此时转子速度还没达到“气浮”的临界速度,此时转子和轴承表面之间存在接触摩擦,因此,必须在轴承内表面镀上一层固体润滑材料,以降低转子启停时转子和轴承表面的磨损。转子启停时的磨损会对空压机的耐久性产生重要影响。

  当转子旋转时,空气的粘滞作用强制挤压空气进入一个楔形的空间,产生压力(动压),将转子抬离轴承,如下图所示。紧接着,产生的压力通过顶箔(top foil)传递到凸箔(bump foil)。压力的浮动变化可以被顶箔的变形吸收掉,最后被摩擦力消除。以上过程中可以得到一个合适的超薄的空气层,即使在转子转速变化引起压力浮动的情况下,也可以使得转子抬离。

  空气轴承抬离(lift-off)原理

  电机转子:

  空压机在高速旋转时,转子的永磁材料不能承受巨大的离心力,因此必须对永磁体也加装安装装置,常用的有碳纤维捆扎和安装合金护套,同时,电机转子多设计为细长型,减小将其甩出去的离心力。

  冷却系统:

  由于高速空压机的转速高,定子绕组电流频率高电机的各项损耗与常速电机相比都有较大的增加,使得电机的散热非常困难。如果散热不好,会缩短电机绕组的寿命,使得永磁体发生不可逆退磁,并且也会对空气轴承的长期稳定运转产生影响。

  因此,良好的冷却系统,是空压机长期稳定运行的关键。在燃料电池用离心式空压机中,一般由水冷和空气冷却两路冷却。水冷却路主要对电机的定子以及控制器进行冷却,空气冷却路主要对空气轴承以及转子进行冷却。

  燃料电池离心式空压机的喘振机理

  离心式空压机有个重要特点就是当空压机工作在低流量、高压比的情况下容易发生气流振荡,通常称为喘振现象。当空压机发生喘振时,会导致空气流量不可控、噪声大、振动大和温升高等一些列连锁反应,严重时甚至可能会损坏空压机。

  下面小金体育注册平台来详细分析一下离心式空压机喘振的发生机理。

  喘振发生的内因:

  离心式空压机发生喘振的内部原因与叶轮结构以及叶道内介质气体有着密切的关系。当进气流量顺势降低,低过了所允许的最低工况点时,空压机内的气体流动方向与叶片进口安装角出现很大的偏差,造成叶道内的气流出现严重的旋转脱离,使气体在叶道内滞留,致使空压机内压力突然降低,然而此时空压机出口系统的压力并没有瞬时下降,这就导致出气管内的压力较高的气体流回空压机,使得叶道内的流量又得以补充,使空压机恢复正常工作。

  当空压机内的流量再次减小时,出气 系统又会出现倒流,如此反复,就会导致空压机中的气流产生周期性的振荡,并伴随着强烈的噪声,形成喘振。

  喘振发生的外因:

  通过对离心式空压机性能曲线的分析,当喘振发生时,其工作点一定进入了喘振工况区。因此,空压机的喘振与管网特性有着密切关系。管网指的是离心式空压机实现气体介质输送任务的管道系统,位于空压机入口之前的称为吸入管道,位于空压机出口之后的称为排气管道。管网一般由管线、管件、阀门和设备等四大要素组成。

  实践表明,离心式空压机管网容量越大,喘振的振幅越大,振频越低;管网容量越小,喘振的振幅就越小,振频越高。

  在离心式空压机运行过程中,以下因素也会导致喘振的发生:

  吸入量不足;

  系统压力过高

  操作不协调

  机组内的部件损坏

  气体介质状态变化

  离心式空压机喘振线:

  当离心式空压机进口流量减少到一定程度时,便会发生喘振,而维持空压机运行的喘振流量要不低于空压机运行的最小流量,即离心式空压机在不同转速下运行时会得到不同的喘振时的性能参数,将这些喘振点的参数标在性能曲线上,并连接起来即可得到离心空压机的喘振线。

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  离心式空压机喘振线图示

  燃料电池系统中防止喘振的措施

  因此,当燃料电池系统中采用离心式空压机时,为了防范空压机出现喘振,在燃料电池系统中空气路一般都设有旁通阀,以丰田Mirai二代的燃料电池系统为例。

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  丰田Mirai二代燃料电池系统结构示意图

  当进燃料电池堆的空气进入空压机的喘振区域时,通过旁通阀可以将空压机流量增大,将空压机从喘振工作区域中解脱出来,但在此过程中,进入燃料电池堆的空气流量及压力并没有变化。

  旁通阀除了可以避免空压机发生喘振,还有一个重要的作用就是能够将燃料电池堆阳极出口排出的氢气稀释,以保障排氢安全。

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