燃料電池具有發(fā)電效率高、環(huán)境污染小、比能量高等優(yōu)點，被視作是一種很有發(fā)展前途的能源動力裝置。在眾多類型的燃料電池，質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）采用高分子膜電解質(zhì)，兼具結構簡單、操作溫度低、啟動快速、制造成本較低等優(yōu)點而極具發(fā)展前途，是未來電動汽車理想的動力源。動力燃料電池除了電池電堆核心外還配置有較復雜的系統(tǒng)結構，如圖1示例：該系統(tǒng)包括熱管理系統(tǒng)、氫氣供應系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)及電控系統(tǒng)等子系統(tǒng)。

圖1 Mirai燃料電池發(fā)動機結構示意圖

燃料電池空氣供給系統(tǒng)是保證燃料電池系統(tǒng)正常運作的一個重要系統(tǒng)。典型的燃料電池空氣供給系統(tǒng)包括空氣壓縮機(或鼓風機，或壓縮空氣罐)、濾網(wǎng)、輸氣管、加濕器、分水器、冷卻通道以及其他附屬設備。在燃料電池系統(tǒng)運行時，空氣壓縮機在電機的驅(qū)動下將空氣過濾、壓縮后送入輸氣管，經(jīng)電堆的空氣入口進入陰極；氫氣儲氣罐則通過多級減壓閥將氫氣減壓至合適的壓力后進入電堆陽極。當空氣和氫氣進入電堆流道中后，在質(zhì)子交換膜上的催化劑作用下發(fā)生反應，生成水并產(chǎn)生電能。空壓機作為動力燃料電池空氣供給系統(tǒng)的關鍵部件之一，對燃料電池系統(tǒng)的性能有重要影響。

在燃料電池用空壓機領域，離心式壓縮機和渦旋式壓縮機是目前主要研究的機型。離心式壓縮機結構緊湊且封閉性好、質(zhì)量輕、響應速度快，壓力流量特性穩(wěn)定且在額定工況效率較高。其缺點是在偏離設計工況時各性能不足，低速低流量時出現(xiàn)喘振現(xiàn)象會嚴重影響系統(tǒng)性能和安全。

渦旋式壓縮機具有效率高、噪聲低、結構簡單、易損件少、質(zhì)量輕、運轉平穩(wěn)、振動小、可靠性高等特點，且壓力與氣量連續(xù)可調(diào)，在寬的工況下都能達到較高的效率。渦旋渦式壓縮機這些特性使其非常適用于燃料電池。針對燃料電池低壓比、高流量的特性，常規(guī)的單渦圈渦旋壓縮機很難滿足應用需求，而雙渦圈渦旋壓縮機相對單渦圈有以下優(yōu)勢：

（1）雙渦圈渦旋壓縮機吸氣量大；

（2）同樣的吸氣量下，雙渦圈渦旋壓縮機可以做得更小；

（3）雙渦圈渦旋壓縮機有更小的回轉半徑，減小了摩擦磨損；

（4）雙渦圈渦旋壓縮機渦旋齒圈數(shù)少；

（5）雙渦圈渦旋壓縮機氣流脈動小。

因此雙渦圈壓縮機更適用于燃料電池系統(tǒng)。

雙渦圈渦旋壓縮機的動盤和靜盤個油兩個渦旋齒，其工作周期為90度，每旋轉一周都會有四個吸氣腔和排氣腔。最外側的嚙合點閉合式構成吸氣腔，隨著動盤順時針轉動嚙合點逐漸向內(nèi)移動，同時壓縮腔的容積也逐漸減小，氣體被壓縮直至嚙合點運動到最內(nèi)側，此時壓縮腔容積最小。隨后嚙合點分離，開始排氣。

圖2 雙渦圈渦旋壓縮機動態(tài)示意圖

目前對雙渦圈渦旋壓縮機的研究主要有型線參數(shù)對壓縮機性能的影響、泄漏模型及密封技術、軸向氣體力的平衡、流場數(shù)值模擬及流動分析、多物理場耦合分析及渦旋齒應力變形研究等。以下對部分研究內(nèi)容做簡要介紹。

通過構建通用型線模型對參數(shù)進行研究可以了解各參數(shù)對性能影響關系，進一步建立便于優(yōu)化的統(tǒng)一的數(shù)學模型，借助優(yōu)化算法實現(xiàn)單目標或多目標優(yōu)化，對初期設計選型有很大的參考意義。

圖3  多目標優(yōu)化結果

通過對內(nèi)部流場進行建模，利用Fluent仿真軟件可以模擬在不同工況下內(nèi)部流場的流動特性，能夠直觀的了解到其微觀流場信息，為渦旋壓縮機的優(yōu)化設計提供了很大幫助。

圖4  內(nèi)部流場壓力云圖

渦旋壓縮機在工作過程中，其動、靜渦盤會受到壓縮腔內(nèi)軸向氣體力的作用，導致動、靜渦盤分離，軸向間隙增大，泄漏增加。為了確保軸向的高精度的動態(tài)密封要求，需對渦旋壓縮機軸向力進行平衡設計。常見的軸向力平衡方法有彈簧背壓式、推力軸承式、氣體背壓式等。

以上各方面的研究，旨在提高渦旋壓縮機的效率，減小比功率，降低其寄生功耗。同時縮小尺寸，實現(xiàn)輕量化，便于安裝布置。隨著研究不斷的深入，會有更多的高性能產(chǎn)品走向市場，推動氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

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