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   眾所周知電池是一種將氫和氧的化學(xué)能經(jīng)過電極反應(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，尤其是對于陰極的反應(yīng)物氧或空氣而言。因此，需要設(shè)計一個空壓機(jī)系統(tǒng)，用來提供高壓空氣。

   國際上已經(jīng)對螺桿空壓機(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。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。同時西安交通大學(xué)空壓機(jī)研究所最近又開發(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，同時降低燃料電池系統(tǒng)的成本，縮短了燃料電池投放市場的時間。

   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合。總體來說螺桿式空壓機(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，體積和重量相對比較大，同時功耗比較大，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，使用脂潤滑軸承的無油螺桿空壓機(jī)能保證供氣中絕對無油，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,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,在國家“十·五”863 計劃“電動汽車重大專項(xiàng)”中的“燃料電池發(fā)動機(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)，見圖1。該噴水螺桿空壓機(jī)的設(shè)計過程中，總結(jié)了以前設(shè)計的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，根據(jù)燃料電池的特點(diǎn)對機(jī)器進(jìn)行了改進(jìn)和創(chuàng)新，提高機(jī)器的總體性能。下文簡要論述該噴水螺桿空壓機(jī)設(shè)計的創(chuàng)新點(diǎn)。

   型線設(shè)計:針對具體設(shè)計要求，利用西安交通大學(xué)開發(fā)的SCCAD3.0螺桿空壓機(jī)設(shè)計計算軟件，專門開發(fā)了一種轉(zhuǎn)子新型線。該型線的特征是雙邊非對稱，所有組成齒曲線均為圓弧或圓弧包絡(luò)線，可降低通過接觸線的橫向泄漏，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)過對一系列方案的比較，最后選用的SKF的脂潤滑滾動軸承。

   采用噴水冷卻后,軸承腔的密封也是一個很大的問題。 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，取得了很高的評價。

   齒輪和轉(zhuǎn)子軸連接設(shè)計: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。安裝時將脹緊套套在陽轉(zhuǎn)子的軸上，并將主動齒輪裝入，通過螺釘壓緊。然后在陰轉(zhuǎn)子的軸上安裝脹緊套和從動齒輪，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，避免了由于增加鍵槽對轉(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有推廣的很大原因是造價太高，而本次設(shè)計的螺桿膨脹機(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:在該干式螺桿空壓機(jī)的殼體上，設(shè)計了一個擁有四個水腔的密封循環(huán)水道。這樣水在殼體水道中有充分的時間進(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。同時這個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:由于一般螺桿空壓機(jī)的排氣設(shè)在排氣端座上，這樣必然會增加空壓機(jī)的軸向長度，而本次設(shè)計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經(jīng)過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)的軸向長度。

   整體結(jié)構(gòu)設(shè)計:根據(jù)具體設(shè)計的要求，本次干式螺桿空壓機(jī)的研制過程中將轉(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，減小了機(jī)器的體積，同時也減輕了重量。在轉(zhuǎn)子的布置上，采用了陰陽轉(zhuǎn)子上下布置，節(jié)省空間。在當(dāng)前社會環(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)勢越顯突出，同時作為燃料電池系統(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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