燃料电池空气供给系统之空压机

氢燃料电池发动机系统空压机篇氢燃料电池发动机系统简介182系统构成（如左图所示）：氢气供给系统（绿色方框）空气供给系统（蓝色方框）反应电堆（紫色圆框）热管理系统（橙色方框）电控系统（本次不做介绍）数据采集系统（本次不做介绍）释义：氢燃料电池是一种将氢气和氧气通过电化学反应直接转化为电能的发电装置，而将其应用于汽车领域代替传统燃油发动机后，又被成为氢燃料电池发动机。空气供给系统空气供给系统为电堆提供合适流量、温度、压力和湿度的洁净空气，主要包含空气过滤器、空压机、中冷器、增湿器和节气门等几个核心部件。空压机:被誉为燃料电池之“肺”。质子交换膜燃料电池用空压机的基本要求为：1)无油；2)高效率；3)小型化；4)低成本；5)低噪音；6)特性范围宽；7)动态响应快。目前市面上用于燃料电池的空压机类型有螺杆式、涡旋式、罗茨式和离心式等几种，离心式还分为齿轮增速式和高速直驱式空气供给系统表征空压机性能的主要参量有流量、排气压力或压强比、转速、功率和效率等。(1)流量可以是容积流量，也可以是质量流量，一般运输式空压机多用质量流量，固定式空压机多用容积流量，并且习惯上用进气状态容积流量表示空压机的流通能力。(2)排气压力在固定式空压机中习惯用排气压强，在一些运输式空压机中习惯用压强比(简称压比)作为空压机的性能指标。(3)转速指空压机转子的旋转速度，单位常用转/分(r/min)表示。(4)功率指驱动空压机所需的轴功率和驱动机的功率等，单位常用kW表示。3.1离心式空压机空气供给系统原理：离心式压缩机用于压缩气体的主要部件是高速旋转的叶轮和通流面积逐渐增加的扩压器。简而言之，离心式压缩机的工作原理是通过叶轮对气体作功，在叶轮和扩压器的流道内，利用离心升压作用和降速扩压作用，将机械能转换为气体的压力能的。更通俗地说，气体在流过离心式压缩机的叶轮时，高速运转的叶轮使气体在离心力的作用下，一方面压力有所提高，另一方面速度也极大增加，即离心式压缩机通过叶轮首先将原动机的机械能转变为气体的静压能和动能。此后，气体在流经扩压器的通道时，流道截面逐渐增大，前面的气体分子流速降低，后面的气体分子不断涌流向前，使气体的绝大部分动能又转变为静压能，也就是进一步起到增压的作用。零部件示意图：3.1离心式空压机空气供给系统(1)优点①结构紧凑，易损件少，维修量少，运转周期长。②转速高，气流速度大，机器尺寸小，重量轻，占地面积小，投资省，运行安全可靠。③运行平稳，排气量大，气流平稳，排气均匀无脉冲，振动小，基础受力均匀。④机内不需润滑，气体不易被润滑油所污染。密封效果好，泄漏现象少。⑤有平坦的性能曲线和较为宽广的平稳运行操作范围。⑥能长周期连续运转。(2)缺点①操作的适应性较差，工作区域窄，气体的性质对操作性能有较大的影响。②气流速度大，流道内的零部件表面有较大的摩擦损失；③有喘振现象，对机器具有极大的危害3.2螺杆式空压机空气供给系统原理：通过在螺杆之间形成压缩腔，公母螺杆之间的容腔逐渐缩小，气体家里逐渐升高，称之为“内压缩”。螺杆压缩机的工作循环可分为吸气过程（包括吸气和封闭过程）压缩过程和排气过程。随着转子旋转每对相互啮合的齿相继完成相同的工作循环，为简单起见我们只对其中的一对齿进行研究。1.吸气过程随着转子的运动，齿的一端逐渐脱离啮合而形成了齿间容积，这个齿间容积的扩大在其内部形成了一定的真空，而此时该齿间容积仅仅与吸气口连通，因此气体便在压差作用下流入其中。在随后的转子旋转过程中，阳转子的齿不断地从阴转子的齿槽中脱离出来，此时齿间容积也不断地扩大，并与吸气口保持连通。随着转子的旋转齿间容积达到了最大值，并在此位置齿间容积与吸气口断开，吸气过程结束。 吸气过程结束的同时阴阳转子的齿峰与机壳密封，齿槽内的气体被转子齿和机壳包围在一个封闭的空间中，即封闭过程。3.2螺杆式空压机空气供给系统2.压缩过程随着转子的旋转，齿间容积由于转子齿的啮合而不断减少，被密封在齿间容积中的气体所占据的体积也随之减少，导致气体压力升高，从而实现气体的压缩过程。压缩过程可一直持续到齿间容积即将与排气口连通之前。3.排气过程齿间容积与排气口连通后即开始排气过程，随着齿间容积的不断缩小，具有内压缩终了压力的气体逐渐通过排气口被排出，这一过程一直持续到齿末端的型线完全啮合为止，此时齿间容积内的气体通过排气口被完全排出，封闭的齿间容积的体积将变为零。  从上述工作原理可以看出，螺杆压缩机是通过一对转子在机壳内作回转运动来改变工作容积，使气体体积缩小、密度增加，从而提高气体的压力。3.2螺杆式空压机空气供给系统示意图3.2螺杆式空压机空气供给系统螺杆压缩机的优点如下：1）可靠性高。螺杆压缩机零部件少，没有易损件，因而它运转可靠，寿命长，大修间隔期可达4-8万h。2)高压缩比，功耗低。3）动力平衡好。特别适合用作移动式压缩机，体积小、重量轻、占地面积少。4）适应性强。螺杆压缩机具有强制输气的特点，容积流量几乎不受排气压力的影响，在宽广的范围内能保持较高的效率，在压缩机结构不作任何改变的情况下，适用于多种工质。5）多相混输。螺杆压缩机的转子齿面间实际上留有间隙，因而能耐液体冲击，可输送含液气体、含粉尘气体、易聚合气体等。螺杆压缩机的主要缺点：1）造价高。对螺杆形状和轴承精度要求高，采用滚珠轴承，需要加机油润滑。2）对空气质量要求较高，空气中颗粒会磨损螺杆造成密封问题。3）不能用于微型场合。螺杆压缩机依靠间隙密封气体，一般只有容积流量大于0.2m3/min时，螺杆压缩机才具有优越的性能。4）噪声大，需要针对性设计消音器空气供给系统3.3罗茨式空压机罗茨风机是容积式风机的一种，两个叶轮相向转动，由于叶轮与叶轮、叶轮与机壳之间的间隙极小，从而使进气口形成了真空状态，空气在大气压的作用下进入进气腔，然后，每个叶轮的其中两个叶片与机壳构成了一个密封腔，进气腔的空气在叶轮转动的过程中，被两个叶片所形成密封腔不断地带到排气腔，又因为排气腔内的叶轮是相互啮合的，从而把两个叶片之间的空气挤压出来，这样连续不停的运转，空气就源源不断地从进气口输送到出气口，这就是罗茨风机的整个工作过程；转子间的容腔不发生变化，压力升高依靠把空气挤压到外部较小的容腔中，外部容腔中空气密度不断升高，从而产生压力，是为“外压缩”。空气供给系统3.3罗茨式空压机优点（1）正常情况下，压力的变化对风量影响很小，罗茨风机的转速成正比，因此，罗茨风机基本属于定容；（2）吸气和排气时无脉动，不需要缓冲气罐；（3）转子与转子之间、转子与壳体之间保留有0.2-0.5mm的间隙，不存在摩擦现象，允许气流含有一定粉尘；（4）不存在”排气带水”问题；缺陷（1）噪声大，进、出口需装设消声器；（2）在高真空工况下，叶片间隙漏风加剧，使输送量下降，易造成堵管。3.4涡旋式空压机空气供给系统原理：压缩机中的主要部件是两个形状相同但角相位置相对错开180°的渐开线涡旋卷体，其一是固定卷体，而另一个是由偏心轴带动，其轴线绕着固定卷体轴线做公转的绕行卷体工作中两个卷体在多处向切形成密封线加上两个卷体端面处的适当密封，从而形成好几个月牙形气腔两个卷体间公共切点处的密封线随着绕行卷体的公转而沿着涡旋曲线不断转移使这些月牙形气腔的形状大小一直在变化压缩机的吸气口开在固定卷体外壳的上部。当偏心轴顺时针旋转时，气体从吸气口进入吸气腔，相继被摄入到外围的与吸气腔相通的月牙形气腔里随着这些外围月牙形气腔的闭合而不在与吸气腔相通，其密闭容积便逐渐被转移向固定卷体的中心且不断缩小，气体被不断压缩而压力升高空气供给系统3.4涡旋式空压机优点（1）可靠性高，回旋半径小；（2）噪音低，吸、排气连续稳定；（3）能耗低，无需空载，比螺杆式省25%电能。缺点（1）运动件加工复杂，成本高；（2）运动件与固定件之间存在间隙，势必引起泄露，难以达到较大的压缩比（3）密封要求高，密封结构复杂。3.5密封方式空气供给系统

浮环密封VS迷宫式密封VS干气密封浮环密封是指利用浮环与转动件之间压力较高的油膜阻止介质外漏的一种动密封装置。又称“油膜密封”。由若干个可以浮动的密封环即浮环组成，浮环受销钉限制不能转动。在靠近介质侧的浮环之间通入压力略高于介质的密封液。密封液进入浮环和转动件的间隙后沿轴向向两端流动，少量密封液进入介质侧并通过挡板、甩油杯后由混合腔排出，大贵密封液通过大气侧浮环经节流降压后排出，从而阻止了介质的泄漏3.5密封方式浮环密封VS迷宫式密封VS干气密封特点：油封密封是一种自紧式唇状密封，其结构简单，尺寸小，成本低廉，维护方便，阻转矩较小，既能防止介质泄漏，也能防止外部尘土和其它有害物质侵入，而且对磨损有一定的补偿能力；但不耐高压，一般用在低压场合；需要设置复杂的油箱、机泵、管路和控制系统及高位油罐，可靠性较低。空气供给系统空气供给系统3.5密封方式浮环密封

VS迷宫式密封

VS干气密封迷宫式密封：是指转动零件和固定零件之间有许多曲折的小室使泄漏减小的密封。在转轴周围设若干个依次排列的环行密封齿，齿与齿之间形成一系列截流间隙与膨胀空腔，被密封介质在通过曲折迷宫的间隙时产生节流效应而达到阻漏的目的。在密封腔和旋转轴之间，由一组密封齿片形成一系列有规则的节流间隙和膨胀空腔，当气体流过密封齿与轴表面构成的间隙时，气流受到了一次节流作用，气流的压力和温度下降而流速增加，经过间隙之后是两密封齿形成的较大空腔。如图所示，气体在这一空腔容积增加，速度下降并形成旋涡流动，产生一定的热能。因此，气体在这一空腔使温度又回到了节流之前，气体每经过一次间隙和随后的较大空腔，气流就受到一次节流和扩容作用。随着气体流经间隙和空腔数量的增多，以及间隙值的减小，气体的流速和压降越来越大，待压力降至近似背压时，气体不再继续外流，从而实现了气体的密封。空气供给系统3.5密封方式浮环密封

VS迷宫式密封

VS干气密封

迷宫密封的优点（1）适宜于高转速，转速较高的情况下比低速下的密封效果反而好。（2）属于非接触密封，无须润滑，宜用于高温、高压场合，允许热膨胀，功耗少。（3）维修简单，如果制造、装配、运行方式合理，使用周期长。（4）对材料要求不高，在无温度和防腐等特殊要求的情况下，一般可采用铝材、青铜或碳钢制成。工业汽轮机的高压端汽温迷宫密封的缺点（1）系统布置相对复杂。（2）运行监测点相对较多。（3）泄漏量相对大。(但可回收)空气供给系统3.5密封方式浮环密封

VS迷宫式密封VS干气密封

干气密封：当端面外侧开设有流体动压槽（2.5～10µm）的动环旋转时，流体动压槽把外径侧（称之为上游侧）的高压隔离气体泵入密封端面之间，由外径至槽径处气膜压力逐渐增加，而自槽径至内径处气膜压力逐渐下降，因端面膜压增加使所形成的开启力大于作用在密封环上的闭合力，在摩擦副之间形成很薄的一层气膜（1～3µm）从而使密封工作在非接触状态下。所形成的气膜完全阻塞了相对低压的密封介质泄漏通道，实现了密封介质的零泄漏或零逸出。干气密封与一般机械密封的平衡型集装式结构一样,但端面设计有所不同,表面上有几微米至十几微米深的沟槽,端面宽度较宽。与一般润滑机械密封不同,干气密封在两个密封面上产生了一个稳定的气膜。这个气膜具有较强的刚度使两个密封端面完全分离,并保持一定的密封间隙,这个间隙不能太大,一般为几微米。密封间隙太大,会导致泄漏量增加,密封效果较差;而密封间隙较小,容易使两密封面发生接触,因为干气密封的摩擦热不能及时散失,端面接触无润滑,将很快引起密封变形、端面过度发热从而导致密封失效。这个气膜的存在,既有效地使端面分开又使相对运转的两端面得到了冷却,两个端面非接触,故摩擦、磨损大大减小,使密封具有长寿命的特点,从而延长主机的寿命。开槽的密封面,分为两个功能区,外区域和内区域,气体进入开槽的外区域这些槽将压缩进入的气体,在槽根部形成局部的高压区,使端面分开,并形成一定厚度的气膜,为了获得必要的泵送效应,动压槽必须开在高压侧。开槽的密封间隙内的压力增加对干气密封的工作是至关重要的,它将保证即使在轴向载荷较大的情况下,密封也能形成一个不被破坏的稳定气膜。密封的内区域(即坝区)是平面的,靠它的节流作用而限制了泄量。密封工作时端面气膜形成的开启力与由弹簧和介质作用力形成的闭合力达到平衡,从而实现了非接触运转。干气密封的弹簧力是很小的。主要目的是当密封不受压或不工作时能确保密封的闭合,防止意外发生空气供给系统3.5密封方式浮环密封

VS迷宫式密封VS干气密封空气供给系统3.5密封方式浮环密封

VS迷宫式密封VS干气密封特点：密封性能好，寿命长，不需密封油系统，功率消耗少，操作简单及运行维护费用低。干气密封作为不需任何密封端面冷却和润