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交大成果丨車用燃料電池螺桿壓縮機技術

   【壓縮機網】項目簡介
 
  空氣壓縮機為燃料電池提供電化學反應所需要的氧氣。將空氣壓縮到一定壓力(通常在1.3~3.2bar范圍內),有助于提高電堆的功率密度,是燃料電池汽車降低成本、實現輕量化的重要技術手段。
 
  為了滿足燃料電池最高功率,空氣壓縮機應保證足夠的流量,根據估算,100 kW的電堆功率大約需要300 Nm3·h-1的空氣。除了保證一定的壓力和流量外,燃料電池車用空氣壓縮機還需要滿足其他要求,包括壓縮氣體絕對無油,以防止催化劑中毒;壓縮效率高,減少壓縮氣體需要的額外能耗;能對啟停、加速、剎車、制冷、供熱等各種工況變化做出準確、快速響應,具有良好的工況適應性;在極端工況和氣候條件下,具有良好的可靠性和長久的壽命,且維護簡便;結構緊湊,體積小,重量輕。
 
  對效率、可靠性、工況與環境的適應性、體積與重量等指標的綜合要求,特別是對壓縮氣體絕對無油的嚴格限制,使得燃料電池車用空氣壓縮機的產品研發及其產業化存在不可忽視的技術挑戰。
 
  關鍵技術優勢或創新性
 
  為實現較高的能量轉換效率,燃料電池內部的化學反應對空氣的溫度、濕度、壓力和流量等參數均有著嚴格的要求。但目前廣泛應用的工業壓縮機無法滿足燃料電池空氣供應系統的要求。
 
  因此性能優越且能與燃料電池系統進行很好匹配的壓縮機的研究開發,對燃料電池技術的發展至關重要。本項目開發了燃料電池專用的螺桿無油壓縮機,能完全滿足以下要求:
 
交大成果丨車用燃料電池螺桿壓縮機技術
 
  (1)無油。燃料電池反應堆中的質子交換膜需要工作在無油條件下,否則將會引起質子交換膜失效,因此需要作為氧化劑的壓縮空氣中不能含有任何油成分。這就限制了很多工業用空氣壓縮機在燃料電池空氣壓縮機中的應用,因為很多工業用空氣壓縮機中或是使用了供油軸承,或是使用了噴油方式對壓縮空氣進行冷卻。
 
  (2)高效。由于燃料電池反應堆和空氣壓縮機之間能量相互關系,相關研究表明,燃料電池發動機輸出功率的20~30%被用于空氣壓縮機,使其成為了除驅動電機之外最大的耗能單元,若壓縮機占用較多的輸出電能,必然會減少汽車的驅動功率,從而影響整車性能。
 
  (3)小型化和低成本。空氣壓縮機會作為燃料電池發動機的一部分被安裝到燃料電池電動汽車上,在車載平臺上,過大的空氣壓縮機會占據了大量的空間,從而影響到乘員乘坐舒適性和可裝載貨物數量;較大質量增加了整車慣性,會在很大程度上影響汽車的啟動性能和制動性能。不同輸出功率的燃料電池反應堆所需要的壓縮空氣質量流量具有較大差別,50kw燃料電池反應堆需要最大空氣質量流量為95g/s(4.5m3/min),100kw燃料電池需要155g/s(7.3m3/min)的空氣流量,同時要求壓縮機體積在40L以內,質量在30kg以下。
 
  (4)低噪聲。空氣壓縮機所產生的噪音是燃料電池系統最大的噪聲源之一,為提升整車運行過程中的舒適性,壓縮機的振動噪音需得到有效抑制。
 
  (5)良好的動態響應能力。當需求功率發生變化時,空氣流量和壓力需無延遲地進行調整,以匹配輸出功率的變化。
 
  市場前景及應用
 
  作為新能源汽車領域的重要部分,燃料電池汽車也是汽車未來的終極目標,中國汽車企業在氫燃料電池技術領域也積極布局。據《中國氫能產業基礎設施發展藍皮書(2016)》預計,到2020年,我國燃料電池車輛將達到1萬輛;到2030年,燃料電池車輛保有量將達到200萬輛。屆時,中國有望成為全球最大的燃料電池汽車市場。 
 
  目前,我國已初步掌握了氫能汽車在電池電堆、關鍵材料、氫能基礎設施等方面的核心技術,基本建立了具有自主知識產權的燃料電池汽車動力系統技術平臺,在分布式能源、移動通信基站及城市客運、物流等商用車型展開了規模化示范運行,開啟了中國燃料電池汽車商業化的進程。
 
  本項目產品作為燃料電磁系統核心零部件,具有廣泛地應用前景。
 
  項目專家
 
  【吳偉烽】(能動學院)
 
交大成果丨車用燃料電池螺桿壓縮機技術
 
  【研究方向】       
 
  1)壓縮機及制冷技術
 
  2)膨脹機及能量回收技術
 

標簽: 螺桿壓縮機交大  

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