螺杆空压机在燃料电池系统行业中的应用

  众所周知电池是一种将氢和氧的化学能经过电极反应直接转换成电能的装置,能量转换效率高达60％-80％，使用效率则是普通内燃机的二、三倍。但要想获得更好的功率和更高的性能，就得在较高的压力下工作，尤其是对于阴极的反应物氧或空气而言。因此，需要规划设计一个两级压缩螺杆空压机气站系统，用于提供高压空气。螺杆空压机服务热线: 15999559441。汇通公司是中国最专业、高品质、高节能的空气压缩机生产销售商,快捷的空压机售后服务，具有很强的价格竞争力，在螺杆空压机气站系统服务行业已积累了18年的经验，口碑极好，TOKA螺杆式空压机是您生产动力之首选！
   国际上已经对螺杆空压机在燃料电池中的应用进行了研究，已有公司把螺杆空压机投入了燃料电池市场。瑞典Autorotor公司研究燃料电池用螺杆空压机、膨胀机十余年，其产品已经成功的在客车上使用。国内外许多知名高校、研究所非常重视燃料电池用螺杆空压机的研制。西安交通大学空压机研究所成功研制了可以应用于燃料电池的LG300 型喷水螺杆空气压缩机，该螺杆空压机在清华大学研制的863燃料电池城市客车的第一辆原型车上使用，性能优异。同时西安交通大学空压机研究所最近又开发研制了体积更小、重量更轻、效率更高的高速干式螺杆空压机、膨胀机，该空压机、膨胀机正在试制阶段，该机器潜力更大。螺杆空压机在燃料电池中的使用，可以增加燃料电池系统的效率，同时降低燃料电池系统的成本，缩短了燃料电池投放市场的时间。
   现在燃料电池中使用各式各样的空压机，如罗茨鼓风机、涡旋空压机、离心空压机、螺杆空压机等。这些空压机各有优缺点适用于各种不同的场合。总体来说螺杆式空压机在燃料电池汽车方面更具有潜力，其技术比较成熟，已经正式投入燃料电池系统测试使用，各方面的性能都比较合理，特别在城市客车上应用非常广泛。而其他类型的空压机在同样压比和排气量情况下，体积和重量相对比较大，同时功耗比较大，这样必然使得燃料电池系统的输出能量密度降低。在燃料电池中的特性方面，使用脂润滑轴承的无油螺杆空压机能保证供气中绝对无油，并且能很好的保证水平衡特性,由于螺杆空压机能够提供可变压比，这样能在燃料电池低负载时,很好的保持水平衡特性；喷水螺杆空压机不仅可以提供系统中部分水，还可以大大降低供气温度，避免水平衡特性由于环境或者电池堆的温升而破坏，也提高了空压机的效率，增加了燃料电池系统的输出能量密度。
   喷水螺杆空压机的研制,在国家“十·五”863 计划“电动汽车重大专项”中的“燃料电池发动机”课题中，西安交通大学空压机研究所研制成功了可以应用于燃料电池的LG300 型喷水螺杆空气压缩机，见图1。该喷水螺杆空压机的设计过程中，总结了以前设计的经验教训，根据燃料电池的特点对机器进行了改进和创新，提高机器的总体性能。下文简要论述该喷水螺杆空压机设计的创新点。
   型线设计:针对具体设计要求，利用西安交通大学开发的SCCAD3.0螺杆空压机设计计算软件，专门开发了一种转子新型线。该型线的特征是双边非对称，所有组成齿曲线均为圆弧或圆弧包络线，可降低通过接触线的横向泄漏，提高空压机效率。另外，还改善了转子的加工性能。
   轴承、轴封选型,根据燃料电池的特点，喷水螺杆空气空压机要求输出的压缩空气中不得有油，所以轴承的选用就显得十分重要。经过对一系列方案的比较，最后选用的SKF的脂润滑滚动轴承。
   采用喷水冷却后,轴承腔的密封也是一个很大的问题。 本机在进气端布置了带排气螺纹的聚四氟乙烯密封套；在排气端,则设置了两套聚四氟乙烯密封环。严格防止含水的压缩空气侵入轴承腔。否则既影响轴承和齿轮的寿命,又影响空压机性能。
   材料选择:该喷水螺杆空压机所有零件的材料都要符合防锈要求。复盛空压机体、排气端盖和齿轮罩盖部分采用了铸铝,加工方便,重量轻,散热好。阴、阳转子用料为不锈钢。喷水螺杆空压机根据实际情况设计了特殊的转子型线,使用了特殊的材料、轴承和轴封。该空压机在清华大学研制的863燃料电池城市客车的第一辆原型车上使用，取得了很高的评价。
   齿轮和转子轴连接设计:齿轮和转子轴之间为胀紧套连接。取代以往的键连接，提高了转子轴的强度。安装时将胀紧套套在阳转子的轴上，并将主动齿轮装入，通过螺钉压紧。然后在阴转子的轴上安装胀紧套和从动齿轮，调整好齿轮位置后再加力压紧。这样在可以调整齿轮位置、保证了连接可靠性的同时，避免了由于增加键槽对转子轴特别是直径较小的轴强度的削减。
   螺杆膨胀机的研制:在燃料电池的工作过程中，一般用空气作为阴极的反应物，这样在反应后还剩余大量的高压气体，如果直接排入大气中，会造成很大的能源浪费。如果在汽车比较低功耗的情况下，参加反应的氧气会更少，利用螺杆膨胀机进行能量回收是很必要的。现在燃料电池汽车还没有推广的很大原因是造价太高，而本次设计的螺杆膨胀机为干式螺杆空压机的低压比机型，只有壳体上的径向排气孔口，以及排气端盖上的轴向排气孔口有所改变，其他和空压机完全一样，这样大大降低了制造成本，而且利用一根电机轴将他们相连。
   干式螺杆空压机的研制:为了提高燃料电池用螺杆空压机的性能，以及实现减小体积和重量、降低噪音等技术要求，西安交通大学空压机研究所在研制成功的LG300 型喷水螺杆空气空压机的基础上进行了燃料电池用干式螺杆空压机的研制。
   冷却消音水道的设计:在该干式螺杆空压机的壳体上，设计了一个拥有四个水腔的密封循环水道。这样水在壳体水道中有充分的时间进行换热，大大降低了壳体的温度，使得工作工程趋于等温压缩，提高了空压机的效率。同时这个水层能起到很好的隔音效果，降低了噪声。
   排气端座嵌入式结构设计:由于一般螺杆空压机的排气设在排气端座上，这样必然会增加空压机的轴向长度，而本次设计采用了排气端座嵌入式结构，使得压缩的气体从轴向排气孔口排出时经过壳体和径向排气孔口连通，最后从壳体上的径向排气孔口排出，减小了空压机的轴向长度。
   整体结构设计:根据具体设计的要求，本次干式螺杆空压机的研制过程中将转速提高到10000转/分钟,主体材料也选用铝。这样保证气量的同时，减小了机器的体积，同时也减轻了重量。在转子的布置上，采用了阴阳转子上下布置，节省空间。在当前社会环境污染、全球变暖、能源短缺的压力使得燃料电池汽车的优势越显突出，同时作为燃料电池系统中的重要组成部分之一的空气空压机也成为研究的重点。