空气压缩机主导燃料电池输出功率 涡旋式和螺杆式是未来发展趋势

张红阳

生物医药、新材料、现代农业

  • 2018-11-22
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燃料电池的各项性与空气供应系统有着密切的关系,空气压缩机又影响着空气供应系统的性能,工作过程中所产生的空气压力决定着燃料电池输出功率的大小,是保证燃料电池高效可靠运行的关键设备。目前我国对于燃料电池用空气压缩机的技术研还处于起步阶段,技术水平较为落后,目前只有广顺新能能源动力和福建雪人两家企业能商业化量产,国内市场对于进口的依赖性较大。

摘要:氢燃料电池主要被应用于新能源汽车,其主要组成部分包括膜电极(MEA)、双极板、供气系统等。其中核心部件膜电极和双极板在之前写的《探究质子交换膜燃料电池核心部件降低成本的路径》一文中中已经讲到,本文则主要探究燃料电池的供气系统及关键部件空气压缩机的重要性及未来发展趋势。

随着环境和能源压力的不断增大,人们迫切需求清洁环保且可循环利用的新型能源,氢能因为来源广泛产物无污染等特点,已逐步成为新能源的发展方向。随着氢能优势不断被挖掘,高效的氢能转化装置也成为人们研究的重点。氢燃料电池是一种通过电极反应把氢气和氧气的化学能不经过燃烧直接转换成电能的装置,其能量转换不受卡诺循环的限制,能量转换效率高达60%-80%,远大于普通内燃机30%-35%的转换效率。氢燃料电池的排放物只有水,对环境友好,氢气来源范围广泛且可循环利用不存在能源枯竭问题,且随着技术的进步氢气制取的成本会逐渐降低,氢燃料的价格也会远低于传统能源,氢燃料电池也将成为新一代广泛应用的能源方式。
       燃料电池供气系统组成及工作原理
       氢燃料电池主要由燃料电池电堆及供气系统两大部分组成,其中供气系统主要部件有空气压缩机、膨胀机、及其他零部件(循环泵、空滤器、加湿器等)。为实现燃料电池能量转化的持续性,空气供应系统需要时刻配合电堆的运作,根据输出功率的大小及时调整供气量与供气压力,同时作为高压空气输出装置,对产品安全性有着极高的要求。
       新能源汽车氢燃料电池的主要工作方式是通过氢和氧的化学反应输出电能,再将电能转化为汽车的动力输出来源。其中,供气系统负责氧气的提供,氧气可以使用纯氧也可从空气中摄取,纯氧可以提升燃料电池的输出功率,空气摄氧则具有更佳的经济效益,目前商业化燃料电池也多应用后者。在燃料电池运行时,供气系统从外界摄入空气通过压缩机增压达到使用压力,再经过加湿机处理达到一定的水分含量后送入燃料电池电堆与氢气反应生成电能,输入的空气在反应过程中消耗了氧气系统内压力下降,多余空气排出反应堆,通过分水去雾之后,通过膨胀器从压力气体中回收部分压力能,将其转化为机械能反馈到空气压缩机,从而降低供气系统的电能消耗,提高燃料电池的输出功率。
       空气压缩机是供气系统的核心部件 主导燃料电池的输出功率
       空气压缩机是供气系统的核心部件,主要作用是将空气压缩到燃料电池所期望的压力,为燃料电池提供稳定的空气流量,同时通过控制空气压缩机的工作压力来调节电池的输出功率。燃料电池工作过程中的氧压力与功率密度关系密切,在相同电流密度下,随着空气压缩机供氧压力的提高,电池的输出电压也出现了相应的升高,从而提高了燃料电池的输出功率。
       燃料电池的正常运行离不开空气压缩机,高压的工作环境是燃料电池拥有高功率密度必备的条件,提高空气的供气压力,可以增大燃料电池系统的能量密度提高电池堆效率;系统压力对于燃料电池内的水管理系统也有较大影响,水管理系统保持燃料电池入口空气的湿润,维持燃料电池工作时水量、电池内电化学反应所产生的水,以及从电堆出口回收的水的总和相平衡,促使燃料电池正常运行;同时高压环境还可以减小燃料电池系统尺寸,降低燃料电池在新能源汽车中的体积占比,实现汽车的轻量化从而提高续航里程,因此供气系统及为系统提供高压力的空气压缩机对于燃料电池的重要性不言而喻。
       空气压缩机种类较多 涡旋式和螺杆式是未来发展趋势
       在新能源汽车质子交换膜燃料电池系统中,燃料电池对于工作压力的要求较高一般在0.1-0.3MPa。供气系统的使用虽然增加了系统压力提高燃料电池的效率,但空气压缩机在工作过程中也消耗了系统内部的一定能量,如果这部分占比较大,对于燃料电池的性能的提升将起到阻碍作用。按照目前商业化车用燃料电池来看,供气系统占燃料电池系统成本的22%左右,工作耗能占燃料电池输出功率20%-30%。为了获得更高的燃料电池输出功率,提升燃料电池及汽车的整体性能,必须寻求最高效的空气压缩方式,匹配到与燃料电池系统相适应的空气压缩机。
       空气压缩机类型较多,往往需要根据不同类型的燃料电池匹配不同的空气压缩机,目前商业化应用的空气压缩机主要有螺杆式空气压缩机、涡旋空气压缩机、滑片空气压缩机、螺旋形交叉叶片空气压缩机、离心式空气压缩机等。不同种类的压缩机都具有各自的优势和不足,从效率和可靠性来看,涡旋式和螺杆式空气压缩机是目前最佳的两种技术路线,商业化使用较多也是未来发展的趋势。
       螺杆式空气压缩机的工作原理是利用螺杆之间形成的空气槽来压缩空气,机械结构简单、工作高效、安全性较好、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压机。目前美国GM、Plug Power、德国Xcellsis、加拿大Ballard等公司的燃料电池中都采用了螺杆压缩机压缩机/膨胀机供气系统。涡旋式空气压缩机属于容积式机械,在容积式流体机械中容积效率较高,且压力与气量连续可调,在范围较广的工况下都能达到较高的效率。涡旋机械可设计成压缩机-电机-膨胀机共轴的一体化结构型式。目前日本丰田(TOYOTA)、美国UTC等公司的燃料电池系统也都采用了涡旋机械作为其供气系统的核心部件。
       结语
       燃料电池的各项性与空气供应系统有着密切的关系,空气压缩机又影响着空气供应系统的性能,工作过程中所产生的空气压力决定着燃料电池输出功率的大小,是保证燃料电池高效可靠运行的关键设备。目前我国对于燃料电池用空气压缩机的技术研还处于起步阶段,技术水平较为落后,只有广顺新能能源动力和福建雪人两家企业能商业化量产,国内市场对于进口的依赖性较大。随着我国新能源汽车市场的不断扩大,燃料电池行业也将迎来快速发展,燃料电池及其附属系统关键部件的需求量也将不断增大,我国企业应加大对关键技术的研发力度,攻克技术难题,打破国外企业的垄断实现核心产品的国产化,抢占到更多的市场份额,这样才能促进我国燃料电池行业及空气压缩机行业的长远发展。

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