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燃料电池具有发电效率高、环境污染小、比能量高等优点，被视作是一种很有发展前途的能源动力装置。在众多类型的燃料电池，质子交换膜燃料电池（PEMFC）采用高分子膜电解质，兼具结构简单、操作温度低、启动快速、制造成本较低等优点而极具发展前途，是未来电动汽车理想的动力源。动力燃料电池除了电池电堆核心外还配置有较复杂的系统结构，如图1示例：该系统包括热管理系统、氢气供应系统、空气供给系统及电控系统等子系统。
图1 Mirai燃料电池发动机结构示意图
燃料电池空气供给系统是保证燃料电池系统正常运作的一个重要系统。典型的燃料电池空气供给系统包括空气压缩机(或鼓风机，或压缩空气罐)、滤网、输气管、加湿器、分水器、冷却通道以及其他附属设备。在燃料电池系统运行时，空气压缩机在电机的驱动下将空气过滤、压缩后送入输气管，经电堆的空气入口进入阴极；氢气储气罐则通过多级减压阀将氢气减压至合适的压力后进入电堆阳极。当空气和氢气进入电堆流道中后，在质子交换膜上的催化剂作用下发生反应，生成水并产生电能。空压机作为动力燃料电池空气供给系统的关键部件之一，对燃料电池系统的性能有重要影响。
在燃料电池用空压机领域，离心式压缩机和涡旋式压缩机是目前主要研究的机型。离心式压缩机结构紧凑且封闭性好、质量轻、响应速度快，压力流量特性稳定且在额定工况效率较高。其缺点是在偏离设计工况时各性能不足，低速低流量时出现喘振现象会严重影响系统性能和安全。
涡旋式压缩机具有效率高、噪声低、结构简单、易损件少、质量轻、运转平稳、振动小、可靠性高等特点，且压力与气量连续可调，在宽的工况下都能达到较高的效率。涡旋涡式压缩机这些特性使其非常适用于燃料电池。针对燃料电池低压比、高流量的特性，常规的单涡圈涡旋压缩机很难满足应用需求，而双涡圈涡旋压缩机相对单涡圈有以下优势：
（1）双涡圈涡旋压缩机吸气量大；
（2）同样的吸气量下，双涡圈涡旋压缩机可以做得更小；
（3）双涡圈涡旋压缩机有更小的回转半径，减小了摩擦磨损；
（4）双涡圈涡旋压缩机涡旋齿圈数少；
（5）双涡圈涡旋压缩机气流脉动小。
因此双涡圈压缩机更适用于燃料电池系统。
双涡圈涡旋压缩机的动盘和静盘个油两个涡旋齿，其工作周期为90度，每旋转一周都会有四个吸气腔和排气腔。最外侧的啮合点闭合式构成吸气腔，随着动盘顺时针转动啮合点逐渐向内移动，同时压缩腔的容积也逐渐减小，气体被压缩直至啮合点运动到最内侧，此时压缩腔容积最小。随后啮合点分离，开始排气。
图2 双涡圈涡旋压缩机动态示意图
目前对双涡圈涡旋压缩机的研究主要有型线参数对压缩机性能的影响、泄漏模型及密封技术、轴向气体力的平衡、流场数值模拟及流动分析、多物理场耦合分析及涡旋齿应力变形研究等。以下对部分研究内容做简要介绍。
通过构建通用型线模型对参数进行研究可以了解各参数对性能影响关系，进一步建立便于优化的统一的数学模型，借助优化算法实现单目标或多目标优化，对初期设计选型有很大的参考意义。
图3 多目标优化结果
通过对内部流场进行建模，利用Fluent仿真软件可以模拟在不同工况下内部流场的流动特性，能够直观的了解到其微观流场信息，为涡旋压缩机的优化设计提供了很大帮助。
图4 内部流场压力云图
涡旋压缩机在工作过程中，其动、静涡盘会受到压缩腔内轴向气体力的作用，导致动、静涡盘分离，轴向间隙增大，泄漏增加。为了确保轴向的高精度的动态密封要求，需对涡旋压缩机轴向力进行平衡设计。常见的轴向力平衡方法有弹簧背压式、推力轴承式、气体背压式等。
以上各方面的研究，旨在提高涡旋压缩机的效率，减小比功率，降低其寄生功耗。同时缩小尺寸，实现轻量化，便于安装布置。随着研究不断的深入，会有更多的高性能产品走向市场，推动氢能产业的发展。
江苏申氢宸科技有限公司
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