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燃料电池罗茨式鼓风机_罗茨风机

时间:2021-06-01 15:36  来源:万豪原创

燃料电池罗茨式鼓风机:一种用于燃料电池的罗茨空压机的降噪装置的制作方法

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  本发明涉及一种用于燃料电池的罗茨空压机的降噪装置。背景技术燃料电池汽车是一种用车载燃料电池装置产生的电力作为动力的汽车,而空压机在燃料电池系统中发挥着重要的作用,但空压机是一种强噪音设备,空压机噪音声级高,高频突出,传播距离远,污染范围大,特别是某些噪音的频率与人的内脏器官固有频率相接近,容易引起共振后使人产生头晕、恶心、心律过速、高血压等症状。目前空压机的降噪措施主要是在空压机外设置吸音材料,但这种简单的消音措施效果一般,尤其是空压机排气口的高速气流在管道中会产生很大噪音,空压机转子的叶片数量…

  该技术已申请专利,请尊重研发人员的辛勤研发付出,在未取得专利权人授权前,仅供技术研究参考不得用于商业用途。

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燃料电池罗茨式鼓风机:燃料电池用空气压缩机(空压机)发展现状、技术路线及代表厂商分析

  燃料电池是一种将燃料和氧气结合起来产生电力的电化学装置。因为其在将化学能转化为电能的过程中产生的大部分是水,有害气体较少,因此对环境污染较小。同时它的能量转换由于不经过燃烧,理论上转换效率可达90%以上,实际可达到60%。燃料电池没有机械传动部件,因此也不会产生噪音。燃料电池系统负荷变动的适应能力也比火力发电强,燃料电池发电处理变动率可达每分钟66%,调节范围教大,应答速度快,运行平稳。

  燃料电池汽车八大核心部件构成

  资料来源:公开资料

  燃料电池系统主要由燃料电池堆、空气循环系统、供氢系统、水/热管理系统、电控系统这五大系统构成。而空压机则是空气循环系统中的重要组成部分,燃料电池用的氧气基本来源于空气,而空气则需要鼓风机(低压燃料电池)或空压机(高压燃料电池)将空气泵入燃料电池堆。同时空压机还能利用消耗了部分氧气排出反应堆的输入气体转化的机械能,从而节省电能。

  燃料电池整车成本构成

  资料来源:立鼎产业研究中心

  燃料电池系统成本构成

  资料来源:立鼎产业研究中心

  立鼎产业研究中心发布的《2020年版全球及中国空压机行业发展现状分析及发展趋势研究报告》数据显示,目前燃料 电池的成本中占比最大的是燃料电池堆,占到总成本的61%,其次就是空气循环系统,占到总成本的15%。而空压机则是空气循环系统中极为重要的组件之一,降低空压机的成本可以在一定程度上降低空气循环系统在燃料电池总成本中的比例,从而降低燃料电池总成本。

  燃料电池汽车五大系统构成

  资料来源:立鼎产业研究中心

  燃料电池进气工作示意图

  来源:丰田Mirai

  燃料电池空压机通过对进堆空气进行增压,可以提高燃料电池系统的效率和紧凑性。为使燃料电池保持良好的工作特性和工作效率,适用于燃料电池的空压机还需要满足以下几点特性:

  无油且有一定湿度:传统压缩机中往往使用润滑油,但润滑油会污染电堆内芯,使电堆中毒降低反应活度。

  较高能量转换率:空压机的效率会直接影响燃料电池的效率。高效的空压机可以有效提高燃料电池的效率。

  动态响应能力高:空压机可以随着需求功率变化及时调整输出功率。

  低噪声:空压机的噪声是燃料电池噪声的主要来源,因此需要尽可能减小空压机的噪声。

  小型化且低成本:空压机的体积、质量和成本大大影响整个燃料电池的体积、质量和成本,小型化且低成本的空压机有利于未来燃料电池的发展,从而推动燃料电池汽车的产业化。

  尽管国内目前空压机种类繁多,但缺少效率高而且能够为燃料电池提供清洁无油气体的空压机,其中阻碍适用燃料电池的空压机发展的最主要因素之一就是需要保证压缩气体绝对无油。由于燃料电池需要绝对无油的空气这一特点,传统的空气压缩机并不能用于燃料电池系统,因此需要开发燃料电池专用的无油压缩机。

  目前燃料电池系统使用的空压机类型主要有离心式、涡旋式、螺杆式。离心式压缩机效率较高,响应较快;涡旋式压缩机效率也较高,噪声低,质量轻;螺杆式结构简单较为可靠,都具有较好的发展前景。目前代表性车企使用的以离心式和罗茨式为主,其中离心式业界评价较高。

  目前代表性燃料电池车企使用的空压机类型

  来源:公开资料i

  离心式压缩机在功率密度、效率、噪声等方面具有最好的综合效果,被业界认为是较有前途的燃料电池空气增压方式之一。丰田Mirai燃料电池系统目前是搭配的六叶螺杆罗茨式空压机,由丰田自动织机公司开发。从目前国内外研究发展方向来看,离心式和罗茨式空气压缩机或将是今后主流的发展方向。同时,随着燃料电池系统对空气供应系统性能要求的提高,离心式空压机与涡轮匹配工作也将成为燃料电池用空压机未来发展的主要趋势之一。

  燃料电池空压机技术路线对比

  来源:公开资料i

燃料电池罗茨式鼓风机:生动盘点丨19张动图带你走进燃料电池用各类空压机

  导读:如果燃料电池堆是燃料电池动力系统的“大心脏”,那么空压机就是强劲的“肺”,燃料电池系统的高性能输出需要强大的“心-肺功能”。可以这样形容,目前空压机是国内除了燃料电池堆以外最为核心的关键零部件。燃料电池空压机可分为离心式、罗茨式、螺杆式、涡旋式、活塞式和滑片式等。本推送帮助读者从动图直观理解燃料电池用各类空压机结构。

  主要燃料电池汽车厂商空压机类型对比

  全球各大燃料电池汽车生产商为空气供应系统选择的空压机类型也不尽相同。比如丰田2002款FCHV和2008款FCHV-adv燃料电池汽车搭载了涡旋式空压机,Mirai燃料电池汽车搭载六叶螺旋罗茨式空压机。本田公司Clarity燃料电池汽车用两级电动离心式空压机取代了螺杆式空压机。戴姆勒旗下最新GLC F-Cell燃料电池汽车采用离心式空压机,而在前几代中,A-class采取螺杆式空压机和膨胀机结合的形式,B-Class和F-Class采用螺杆式空压机。

  各类空压机对比

  虽然燃料电池用空压机的设计方法与传统内燃机增压器相似,但两者在使用环境、工作范围和要求上有着较大差别。燃料电池用空压机需要满足无油、低噪声、低成本、小型化、工作范围宽、动态响应快等特点。某种程度上,燃料电池用空压机代表了空气压缩机行业的最高水平,涉及到空气动力学、传热学、流体力学、机械、电子、材料、电控和NVH等众多学科。上表为几种燃料电池用空压机的简单对比。可以发现,各型空压机均有其特有的优点和缺点,离心式空压机综合评分最高。下面将从离心式空压机开始,依次从动图出发介绍各型空压机。

  1. 离心式空压机

  离心式空压机在功率密度、效率和噪声等方面具有最好的总体效果,被视为未来最有前途的空气压缩方式之一。主要工作原理为通过叶轮对气体做功,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,将机械能转化为气体的压力能。拒相关资料显示,从目前国内外燃料电池空压机的开发方向来看,离心式空压机将是今后的主流方向。目前,本田公司旗下Clarity和现代公司旗下ix35燃料电池汽车使用的正是离心式空压机。注意,本田公司旗下Clarity燃料电池汽车采用的是两级电动增压方式。

  离心式空压机工作原理动态图一

  离心式空压机工作原理动态图二

  离心式空压机工作原理动态图三

  离心式空压机叶轮

  本田Clarity燃料电池两级电动增压

  离心空压机也有一些缺点,比如不适合气体流量太小及压比过高的场合,工作区较窄,经济性较差,效率较低等。如下图所示,传统内燃机动力系统匹配空压机往往工作在中等流量范围,工作范围较大;燃料电池用空压机工作范围窄且靠近喘振边界。据相关资料显示,离心式空压机与涡轮机的搭配可能成为燃料电池用空压机未来发展的主要趋势,比如博格华纳(BorgWarner)开发的FCAS涡轮增压空压机。

  传统内燃机与燃料电池用空压机工作范围对比

  博格华纳涡轮增压空压机

  2. 螺杆式空压机

  螺杆式空压机可分为单螺杆式和双螺杆式。螺杆式空压机在汽缸内装有一对互相啮合的螺旋形阴阳转子,两转子都有几个凹形齿,两者互相反向旋转。主转子又称阳转子或凸转子,通过发动机或电动机驱动,另一转子称阴转子或凹转子,由主转子端和凹转子端的同步齿轮驱动。驱动过程中理论上没有金属接触。通用汽车和戴姆勒旗下燃料电池汽车层搭载过螺杆式空压机。

  单螺杆式空压机工作原理动态图

  双螺杆式空压机工作原理动态图一

  双螺杆式空压机工作原理动态图二

  双螺杆式空压机工作原理动态图三

  注意,戴姆勒旗下燃料电池汽车GLC F-CELL已经用电动增压器(离心式)取代了传统的螺杆式压缩机。

  3. 罗茨式空压机

  罗茨式空压机属于容积回转压缩机,这种压缩机靠转子轴端的同步齿轮使两转子保持啮合。转子上每一凹入的曲面部分与气缸内壁组成工作容积,在转子回转过程找那个从吸气口带走气体,当移到排气口附件与排气口相连通的瞬时间,因有较高压力的气体回流,此时工作容积中的压力突然升高,然后将气体输送到排气通道。两转子互不接触,靠严密控制的间隙实现密封,故排出的气体不受润滑油污染。

  罗茨式空压机叶轮形状

  罗茨式空压机工作原理动态图一

  罗茨式空压机工作原理分解

  罗茨式空压机工作原理动态图二

  丰田公司旗下Mirai燃料电池汽车搭载了全新开发的六叶螺旋罗茨式空压机。与传统罗茨式空压机中叶轮与轴向平行不同,丰田纺织开发的罗茨式空压机,叶轮呈现螺旋形状。上汽集团开发的燃料电池汽车也层搭载过罗茨式空压机。罗茨式空压机的优势主要有:转速较低,不必使用结构复杂的空气轴承;高效运行区较宽;技术相对成熟。

  Mirai六叶螺旋罗茨式空压机

  4. 涡旋式空压机

  涡旋式空压机由一个固定的渐开线涡旋盘和一个呈偏心回旋平动的渐开线运动涡旋盘组成的可压缩容积压缩机,由两个双函数方程型线的动、静涡盘相互咬合而成。在吸气、压缩、排气工作过程中,静盘固定在机架上,动盘由偏心轴驱动并由防自转机构制约,围绕静盘基圆中心,作很小半径的平面转动。气体通过空气滤芯吸入静盘的外围,随着偏心轴的旋转,气体在动静盘噬合所组成的若干个月牙形压缩腔内被逐步压缩,然后由静盘中心部件的轴向孔连续排出。

  涡旋式空压机转子

  涡旋式空压机工作原理动态图一

  涡旋式空压机工作原理动态图二

  丰田公司在2002版FCHV和2008版FCHV-adv燃料电池汽车上均曾搭载了涡旋式空压机。

  5. 往复式空压机

  往复式空压机通过气缸内活塞或隔膜的往复运动使刚体容积周期变化并实现气体增压和输送,属于容积型空压机。根据往复运动的构件分为活塞式和隔膜式空压机。

  活塞式空压机动态图一

  优点:1.热效率高、单位耗电量少;2.加工方便,对材料要求低,造价低廉;3.装置简单;4.设计、生产早,制造技术成熟;5.应用范围广。

  缺点:1.运动部件多,结构复杂,检修工作量大;2.转速受限制;3.活塞环的磨损、气缸的磨损、皮带的传动方式使效率下降很快;4.噪音大;5.控制系统的落后,不适应连锁控制和无人值守的需要。

燃料电池罗茨式鼓风机:螺杆式空压机与罗茨风机的区别:

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