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新聞動(dòng)態(tài)

空壓機(jī)在電池中的應(yīng)用
出處: 時(shí)間:2012.05.22

摘要:空壓機(jī)在電池中的應(yīng)用


   眾所周知電池是一種將氫和氧的化學(xué)能經(jīng)過(guò)電極反應(yīng)直接轉(zhuǎn)換成電能的裝置,能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)60%-80%,使用效率則是普通內(nèi)燃機(jī)的二-三倍。但要想獲得更好的功率和更高的性能,就得在較高的壓力下工作,尤其是對(duì)于陰極的反應(yīng)物氧或空氣而言。因此,需要設(shè)計(jì)一個(gè)空壓機(jī)系統(tǒng),用來(lái)提供高壓空氣。

   國(guó)際上已經(jīng)對(duì)螺桿空壓機(jī)在燃料電池中的應(yīng)用進(jìn)行了研究,已有公司把螺桿空壓機(jī)投入了燃料電池市場(chǎng)。瑞典Autorotor公司研究燃料電池用螺桿空壓機(jī)、膨脹機(jī)十余年,其產(chǎn)品已經(jīng)成功的在客車上使用。國(guó)內(nèi)外許多知名高校、研究所非常重視燃料電池用螺桿空壓機(jī)的研制。西安交通大學(xué)空壓機(jī)研究所成功研制了可以應(yīng)用于燃料電池的LG300 型噴水螺桿空氣壓縮機(jī),該空壓機(jī)在清華大學(xué)研制的863燃料電池城市客車的第一輛原型車上使用,性能優(yōu)異。同時(shí)西安交通大學(xué)空壓機(jī)研究所最近又開(kāi)發(fā)研制了體積更小、重量更輕、效率更高的高速干式螺桿空壓機(jī)、膨脹機(jī),該空壓機(jī)、膨脹機(jī)正在試制階段,該機(jī)器潛力更大。螺桿空壓機(jī)在燃料電池中的使用,可以增加燃料電池系統(tǒng)的效率,同時(shí)降低燃料電池系統(tǒng)的成本,縮短了燃料電池投放市場(chǎng)的時(shí)間。

   現(xiàn)在燃料電池中使用各式各樣的空壓機(jī),如羅茨鼓風(fēng)機(jī)、渦旋空壓機(jī)、離心空壓機(jī)、螺桿空壓機(jī)等。這些空壓機(jī)各有優(yōu)缺點(diǎn)適用于各種不同的場(chǎng)合。總體來(lái)說(shuō)螺桿式空壓機(jī)在燃料電池汽車方面更具有潛力,其技術(shù)比較成熟,已經(jīng)正式投入燃料電池系統(tǒng)測(cè)試使用,各方面的性能都比較合理,特別在城市客車上應(yīng)用非常廣泛。而其他類型的空壓機(jī)在同樣壓比和排氣量情況下,體積和重量相對(duì)比較大,同時(shí)功耗比較大,這樣必然使得燃料電池系統(tǒng)的輸出能量密度降低。在燃料電池中的特性方面,使用脂潤(rùn)滑軸承的無(wú)油螺桿空壓機(jī)能保證供氣中絕對(duì)無(wú)油,并且能很好的保證水平衡特性,由于螺桿空壓機(jī)能夠提供可變壓比,這樣能在燃料電池低負(fù)載時(shí),很好的保持水平衡特性;噴水螺桿空壓機(jī)不僅可以提供系統(tǒng)中部分水,還可以大大降低供氣溫度,避免水平衡特性由于環(huán)境或者電池堆的溫升而破壞,也提高了空壓機(jī)的效率,增加了燃料電池系統(tǒng)的輸出能量密度。


   噴水螺桿空壓機(jī)的研制,在國(guó)家“十·五”863 計(jì)劃“電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)”中的“燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)”課題中,西安交通大學(xué)空壓機(jī)研究所研制成功了可以應(yīng)用于燃料電池的LG300 型噴水螺桿空氣壓縮機(jī),見(jiàn)圖1。該噴水螺桿空壓機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中,總結(jié)了以前設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),根據(jù)燃料電池的特點(diǎn)對(duì)機(jī)器進(jìn)行了改進(jìn)和創(chuàng)新,提高機(jī)器的總體性能。下文簡(jiǎn)要論述該噴水螺桿空壓機(jī)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)。

   型線設(shè)計(jì):針對(duì)具體設(shè)計(jì)要求,利用西安交通大學(xué)開(kāi)發(fā)的SCCAD3.0螺桿空壓機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算軟件,專門開(kāi)發(fā)了一種轉(zhuǎn)子新型線。該型線的特征是雙邊非對(duì)稱,所有組成齒曲線均為圓弧或圓弧包絡(luò)線,可降低通過(guò)接觸線的橫向泄漏,提高空壓機(jī)效率。另外,還改善了轉(zhuǎn)子的加工性能。

   軸承、軸封選型,根據(jù)燃料電池的特點(diǎn),噴水螺桿空氣空壓機(jī)要求輸出的壓縮空氣中不得有油,所以軸承的選用就顯得十分重要。經(jīng)過(guò)對(duì)一系列方案的比較,最后選用的SKF的脂潤(rùn)滑滾動(dòng)軸承。

   采用噴水冷卻后,軸承腔的密封也是一個(gè)很大的問(wèn)題。 本機(jī)在進(jìn)氣端布置了帶排氣螺紋的聚四氟乙烯密封套;在排氣端,則設(shè)置了兩套聚四氟乙烯密封環(huán)。嚴(yán)格防止含水的壓縮空氣侵入軸承腔。否則既影響軸承和齒輪的壽命,又影響空壓機(jī)性能。

   材料選擇:該噴水螺桿空壓機(jī)所有零件的材料都要符合防銹要求。復(fù)盛空壓機(jī)體、排氣端蓋和齒輪罩蓋部分采用了鑄鋁,加工方便,重量輕,散熱好。陰、陽(yáng)轉(zhuǎn)子用料為不銹鋼。噴水螺桿空壓機(jī)根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)了特殊的轉(zhuǎn)子型線,使用了特殊的材料、軸承和軸封。該空壓機(jī)在清華大學(xué)研制的863燃料電池城市客車的第一輛原型車上使用,取得了很高的評(píng)價(jià)。

   齒輪和轉(zhuǎn)子軸連接設(shè)計(jì):齒輪和轉(zhuǎn)子軸之間為脹緊套連接。取代以往的鍵連接,提高了轉(zhuǎn)子軸的強(qiáng)度。安裝時(shí)將脹緊套套在陽(yáng)轉(zhuǎn)子的軸上,并將主動(dòng)齒輪裝入,通過(guò)螺釘壓緊。然后在陰轉(zhuǎn)子的軸上安裝脹緊套和從動(dòng)齒輪,調(diào)整好齒輪位置后再加力壓緊。這樣在可以調(diào)整齒輪位置、保證了連接可靠性的同時(shí),避免了由于增加鍵槽對(duì)轉(zhuǎn)子軸特別是直徑較小的軸強(qiáng)度的削減。

   螺桿膨脹機(jī)的研制:在燃料電池的工作過(guò)程中,一般用空氣作為陰極的反應(yīng)物,這樣在反應(yīng)后還剩余大量的高壓氣體,如果直接排入大氣中,會(huì)造成很大的能源浪費(fèi)。如果在汽車比較低功耗的情況下,參加反應(yīng)的氧氣會(huì)更少,利用螺桿膨脹機(jī)進(jìn)行能量回收是很必要的。現(xiàn)在燃料電池汽車還沒(méi)有推廣的很大原因是造價(jià)太高,而本次設(shè)計(jì)的螺桿膨脹機(jī)為干式螺桿空壓機(jī)的低壓比機(jī)型,只有殼體上的徑向排氣孔口,以及排氣端蓋上的軸向排氣孔口有所改變,其他和空壓機(jī)完全一樣,這樣大大降低了制造成本,而且利用一根電機(jī)軸將他們相連。

   干式螺桿空壓機(jī)的研制:為了提高燃料電池用螺桿空壓機(jī)的性能,以及實(shí)現(xiàn)減小體積和重量、降低噪音等技術(shù)要求,西安交通大學(xué)空壓機(jī)研究所在研制成功的LG300 型噴水螺桿空氣空壓機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了燃料電池用干式螺桿空壓機(jī)的研制。

   冷卻消音水道的設(shè)計(jì):在該干式螺桿空壓機(jī)的殼體上,設(shè)計(jì)了一個(gè)擁有四個(gè)水腔的密封循環(huán)水道。這樣水在殼體水道中有充分的時(shí)間進(jìn)行換熱,大大降低了殼體的溫度,使得工作工程趨于等溫壓縮,提高了空壓機(jī)的效率。同時(shí)這個(gè)水層能起到很好的隔音效果,降低了噪聲。

   排氣端座嵌入式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):由于一般螺桿空壓機(jī)的排氣設(shè)在排氣端座上,這樣必然會(huì)增加空壓機(jī)的軸向長(zhǎng)度,而本次設(shè)計(jì)采用了排氣端座嵌入式結(jié)構(gòu),使得壓縮的氣體從軸向排氣孔口排出時(shí)經(jīng)過(guò)殼體和徑向排氣孔口連通,最后從殼體上的徑向排氣孔口排出,減小了空壓機(jī)的軸向長(zhǎng)度。

   整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):根據(jù)具體設(shè)計(jì)的要求,本次干式螺桿空壓機(jī)的研制過(guò)程中將轉(zhuǎn)速提高到10000轉(zhuǎn)/分鐘,主體材料也選用鋁。這樣保證氣量的同時(shí),減小了機(jī)器的體積,同時(shí)也減輕了重量。在轉(zhuǎn)子的布置上,采用了陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子上下布置,節(jié)省空間。在當(dāng)前社會(huì)環(huán)境污染、全球變暖、能源短缺的壓力使得燃料電池汽車的優(yōu)勢(shì)越顯突出,同時(shí)作為燃料電池系統(tǒng)中的重要組成部分之一的空氣空壓機(jī)也成為研究的重點(diǎn) 。
 

 

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