如何选择适合燃料电池系统的压缩机？

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：燃料电池系统选择压缩机的首要因素是压缩机出口的空气质量。发生在燃料电池内部的电化学反应严禁进入电池的空气中有悬浮油颗粒。图7-4 基于膨胀式涡轮机进气调节的PEMFC原理图[TEK 04]就效率而言，在所有旋转式压缩机中，螺旋式、螺杆式压缩机和膜压缩机比活塞式或者离心式压缩机更适合燃料电池系统。最后但非常重要的是，空气压缩机应当按照适用于燃料电池系统的功率范围定制。目前，只有几种为小型燃料电池特别设计的压缩机样机。

市场上的压缩机有多种技术，而空气压缩机的选择一般取决于所需的空气质量、压力和排气量。可在下面这些压缩机中选择所需：离心式压缩机、干螺杆式压缩机、润滑螺杆式压缩机、旋转叶片式压缩机、滑片式压缩机、润滑活塞式压缩机、干活塞式压缩机、螺旋线式压缩机和涡旋式压缩机。使用最广泛的是容积式压缩机，它将气体捕获到封闭的容器内，通过体积的逐渐减少以进行压缩。涡轮压缩机则是利用叶轮的旋转速度，将气体的动能转换成压力^{[DES 89]}。

燃料电池系统选择压缩机的首要因素是压缩机出口的空气质量。发生在燃料电池内部的电化学反应严禁进入电池的空气中有悬浮油颗粒。而实际上，压缩空气中的残余油滴会覆盖在催化剂表面，这大大降低了电池的性能，最终导致电池寿命的降低。但遗憾的是，目前大多数“可用的成品”压缩机都采用油来冷却或润滑。事实上，如果我们希望得到无油空气，只有无润滑或者那些用水来润滑的压缩机才能满足要求（例如涡轮压缩机、干螺杆式、干旋转叶片式、干活塞式、干螺旋线式或膜压缩机）。

就这一点来讲，用水润滑的压缩机很明显是燃料电池应用的最好方案之一。实际上，这种技术在保持润滑性能方面占有优势，而且能够降低机械损耗，并为准等温压缩过程提供条件。由于空气在进入燃料电池之前，或多或少已被加湿，这使得绝热效率增加，加湿器尺寸减小^{[TEK 04]}。

其次，所需空气量和压缩机功率变化幅度等条件有助于确定合适的压缩技术。如果使用的强度较大，旋转压缩机和涡轮压缩机比较适合，它们几乎不需要维修，但也因此价格高昂。对燃料电池应用来说，离心式、涡旋式或螺杆式压缩机等高速压缩机（高于10000r/min）具有吸引力^{[ZHA 03，DUB 06]}。此外，还可以将调节阀（或涡轮机）在机械上（最后直接地）与电动机驱动的压缩机主轴耦合在一起，以从阴极出口（低氧）气体中回收部分压缩能量。基于膨胀式涡轮机进气调节的PEMFC原理图如图7-4所示。

图7-4 基于膨胀式涡轮机进气调节的PEMFC原理图^{[TEK 04]}

就效率而言，在所有旋转式压缩机中，螺旋式、螺杆式压缩机和膜压缩机比活塞式或者离心式压缩机更适合燃料电池系统（针对低、中等功率燃料电池）。这些压缩机具有气密性，意味着它们的体积效率比其他旋转式压缩机（旋转叶片式、滑片式）更高。

最后但非常重要的是，空气压缩机应当按照适用于燃料电池系统的功率范围定制。目前，只有几种为小型燃料电池特别设计的压缩机样机。总的来说，这些压缩机都存在一个或多个不好的特性（即效率平平，极高的噪声，寿命与燃料电池系统不匹配等）。所以，在这个方面仍有许多工作需要完成。

如何选择适合燃料电池系统的压缩机？

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