燃料電池羅茨式鼓風(fēng)機(jī)：一種用于燃料電池的羅茨空壓機(jī)的降噪裝置的制作方法

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　　本發(fā)明涉及一種用于燃料電池的羅茨空壓機(jī)的降噪裝置。背景技術(shù)燃料電池汽車是一種用車載燃料電池裝置產(chǎn)生的電力作為動力的汽車，而空壓機(jī)在燃料電池系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用，但空壓機(jī)是一種強(qiáng)噪音設(shè)備，空壓機(jī)噪音聲級高，高頻突出，傳播距離遠(yuǎn)，污染范圍大，特別是某些噪音的頻率與人的內(nèi)臟器官固有頻率相接近，容易引起共振后使人產(chǎn)生頭暈、惡心、心律過速、高血壓等癥狀。目前空壓機(jī)的降噪措施主要是在空壓機(jī)外設(shè)置吸音材料，但這種簡單的消音措施效果一般，尤其是空壓機(jī)排氣口的高速氣流在管道中會產(chǎn)生很大噪音，空壓機(jī)轉(zhuǎn)子的葉片數(shù)量…

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燃料電池羅茨式鼓風(fēng)機(jī)：燃料電池用空氣壓縮機(jī)（空壓機(jī)）發(fā)展現(xiàn)狀、技術(shù)路線及代表廠商分析

　　燃料電池是一種將燃料和氧氣結(jié)合起來產(chǎn)生電力的電化學(xué)裝置。因為其在將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的過程中產(chǎn)生的大部分是水，有害氣體較少，因此對環(huán)境污染較小。同時它的能量轉(zhuǎn)換由于不經(jīng)過燃燒，理論上轉(zhuǎn)換效率可達(dá)90%以上，實際可達(dá)到60%。燃料電池沒有機(jī)械傳動部件，因此也不會產(chǎn)生噪音。燃料電池系統(tǒng)負(fù)荷變動的適應(yīng)能力也比火力發(fā)電強(qiáng)，燃料電池發(fā)電處理變動率可達(dá)每分鐘66%，調(diào)節(jié)范圍教大，應(yīng)答速度快，運行平穩(wěn)。

　　燃料電池汽車八大核心部件構(gòu)成

　　資料來源：公開資料

　　燃料電池系統(tǒng)主要由燃料電池堆、空氣循環(huán)系統(tǒng)、供氫系統(tǒng)、水/熱管理系統(tǒng)、電控系統(tǒng)這五大系統(tǒng)構(gòu)成。而空壓機(jī)則是空氣循環(huán)系統(tǒng)中的重要組成部分，燃料電池用的氧氣基本來源于空氣，而空氣則需要鼓風(fēng)機(jī)（低壓燃料電池）或空壓機(jī)（高壓燃料電池）將空氣泵入燃料電池堆。同時空壓機(jī)還能利用消耗了部分氧氣排出反應(yīng)堆的輸入氣體轉(zhuǎn)化的機(jī)械能，從而節(jié)省電能。

　　燃料電池整車成本構(gòu)成

　　資料來源：立鼎產(chǎn)業(yè)研究中心

　　燃料電池系統(tǒng)成本構(gòu)成

　　資料來源：立鼎產(chǎn)業(yè)研究中心

　　立鼎產(chǎn)業(yè)研究中心發(fā)布的《2020年版全球及中國空壓機(jī)行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀分析及發(fā)展趨勢研究報告》數(shù)據(jù)顯示，目前燃料 電池的成本中占比最大的是燃料電池堆，占到總成本的61%，其次就是空氣循環(huán)系統(tǒng)，占到總成本的15%。而空壓機(jī)則是空氣循環(huán)系統(tǒng)中極為重要的組件之一，降低空壓機(jī)的成本可以在一定程度上降低空氣循環(huán)系統(tǒng)在燃料電池總成本中的比例，從而降低燃料電池總成本。

　　燃料電池汽車五大系統(tǒng)構(gòu)成

　　資料來源：立鼎產(chǎn)業(yè)研究中心

　　燃料電池進(jìn)氣工作示意圖

　　來源：豐田Mirai

　　燃料電池空壓機(jī)通過對進(jìn)堆空氣進(jìn)行增壓，可以提高燃料電池系統(tǒng)的效率和緊湊性。為使燃料電池保持良好的工作特性和工作效率，適用于燃料電池的空壓機(jī)還需要滿足以下幾點特性：

　　無油且有一定濕度：傳統(tǒng)壓縮機(jī)中往往使用潤滑油，但潤滑油會污染電堆內(nèi)芯，使電堆中毒降低反應(yīng)活度。

　　較高能量轉(zhuǎn)換率：空壓機(jī)的效率會直接影響燃料電池的效率。高效的空壓機(jī)可以有效提高燃料電池的效率。

　　動態(tài)響應(yīng)能力高：空壓機(jī)可以隨著需求功率變化及時調(diào)整輸出功率。

　　低噪聲：空壓機(jī)的噪聲是燃料電池噪聲的主要來源，因此需要盡可能減小空壓機(jī)的噪聲。

　　小型化且低成本：空壓機(jī)的體積、質(zhì)量和成本大大影響整個燃料電池的體積、質(zhì)量和成本，小型化且低成本的空壓機(jī)有利于未來燃料電池的發(fā)展，從而推動燃料電池汽車的產(chǎn)業(yè)化。

　　盡管國內(nèi)目前空壓機(jī)種類繁多，但缺少效率高而且能夠為燃料電池提供清潔無油氣體的空壓機(jī)，其中阻礙適用燃料電池的空壓機(jī)發(fā)展的最主要因素之一就是需要保證壓縮氣體絕對無油。由于燃料電池需要絕對無油的空氣這一特點，傳統(tǒng)的空氣壓縮機(jī)并不能用于燃料電池系統(tǒng)，因此需要開發(fā)燃料電池專用的無油壓縮機(jī)。

　　目前燃料電池系統(tǒng)使用的空壓機(jī)類型主要有離心式、渦旋式、螺桿式。離心式壓縮機(jī)效率較高，響應(yīng)較快；渦旋式壓縮機(jī)效率也較高，噪聲低，質(zhì)量輕；螺桿式結(jié)構(gòu)簡單較為可靠，都具有較好的發(fā)展前景。目前代表性車企使用的以離心式和羅茨式為主，其中離心式業(yè)界評價較高。

　　目前代表性燃料電池車企使用的空壓機(jī)類型

　　來源：公開資料i

　　離心式壓縮機(jī)在功率密度、效率、噪聲等方面具有最好的綜合效果，被業(yè)界認(rèn)為是較有前途的燃料電池空氣增壓方式之一。豐田Mirai燃料電池系統(tǒng)目前是搭配的六葉螺桿羅茨式空壓機(jī)，由豐田自動織機(jī)公司開發(fā)。從目前國內(nèi)外研究發(fā)展方向來看，離心式和羅茨式空氣壓縮機(jī)或?qū)⑹墙窈笾髁鞯陌l(fā)展方向。同時，隨著燃料電池系統(tǒng)對空氣供應(yīng)系統(tǒng)性能要求的提高，離心式空壓機(jī)與渦輪匹配工作也將成為燃料電池用空壓機(jī)未來發(fā)展的主要趨勢之一。

　　燃料電池空壓機(jī)技術(shù)路線對比

　　來源：公開資料i

燃料電池羅茨式鼓風(fēng)機(jī)：生動盤點丨19張動圖帶你走進(jìn)燃料電池用各類空壓機(jī)

　　導(dǎo)讀：如果燃料電池堆是燃料電池動力系統(tǒng)的“大心臟”，那么空壓機(jī)就是強(qiáng)勁的“肺”，燃料電池系統(tǒng)的高性能輸出需要強(qiáng)大的“心-肺功能”?？梢赃@樣形容，目前空壓機(jī)是國內(nèi)除了燃料電池堆以外最為核心的關(guān)鍵零部件。燃料電池空壓機(jī)可分為離心式、羅茨式、螺桿式、渦旋式、活塞式和滑片式等。本推送幫助讀者從動圖直觀理解燃料電池用各類空壓機(jī)結(jié)構(gòu)。

　　主要燃料電池汽車廠商空壓機(jī)類型對比

　　全球各大燃料電池汽車生產(chǎn)商為空氣供應(yīng)系統(tǒng)選擇的空壓機(jī)類型也不盡相同。比如豐田2002款FCHV和2008款FCHV-adv燃料電池汽車搭載了渦旋式空壓機(jī)，Mirai燃料電池汽車搭載六葉螺旋羅茨式空壓機(jī)。本田公司Clarity燃料電池汽車用兩級電動離心式空壓機(jī)取代了螺桿式空壓機(jī)。戴姆勒旗下最新GLC F-Cell燃料電池汽車采用離心式空壓機(jī)，而在前幾代中，A-class采取螺桿式空壓機(jī)和膨脹機(jī)結(jié)合的形式，B-Class和F-Class采用螺桿式空壓機(jī)。

　　各類空壓機(jī)對比

　　雖然燃料電池用空壓機(jī)的設(shè)計方法與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)增壓器相似，但兩者在使用環(huán)境、工作范圍和要求上有著較大差別。燃料電池用空壓機(jī)需要滿足無油、低噪聲、低成本、小型化、工作范圍寬、動態(tài)響應(yīng)快等特點。某種程度上，燃料電池用空壓機(jī)代表了空氣壓縮機(jī)行業(yè)的最高水平，涉及到空氣動力學(xué)、傳熱學(xué)、流體力學(xué)、機(jī)械、電子、材料、電控和NVH等眾多學(xué)科。上表為幾種燃料電池用空壓機(jī)的簡單對比?？梢园l(fā)現(xiàn)，各型空壓機(jī)均有其特有的優(yōu)點和缺點，離心式空壓機(jī)綜合評分最高。下面將從離心式空壓機(jī)開始，依次從動圖出發(fā)介紹各型空壓機(jī)。

　　1. 離心式空壓機(jī)

　　離心式空壓機(jī)在功率密度、效率和噪聲等方面具有最好的總體效果，被視為未來最有前途的空氣壓縮方式之一。主要工作原理為通過葉輪對氣體做功，在葉輪和擴(kuò)壓器的流道內(nèi)，利用離心升壓作用和降速擴(kuò)壓作用，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為氣體的壓力能。拒相關(guān)資料顯示，從目前國內(nèi)外燃料電池空壓機(jī)的開發(fā)方向來看，離心式空壓機(jī)將是今后的主流方向。目前，本田公司旗下Clarity和現(xiàn)代公司旗下ix35燃料電池汽車使用的正是離心式空壓機(jī)。注意，本田公司旗下Clarity燃料電池汽車采用的是兩級電動增壓方式。

　　離心式空壓機(jī)工作原理動態(tài)圖一

　　離心式空壓機(jī)工作原理動態(tài)圖二

　　離心式空壓機(jī)工作原理動態(tài)圖三

　　離心式空壓機(jī)葉輪

　　本田Clarity燃料電池兩級電動增壓

　　離心空壓機(jī)也有一些缺點，比如不適合氣體流量太小及壓比過高的場合，工作區(qū)較窄，經(jīng)濟(jì)性較差，效率較低等。如下圖所示，傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)動力系統(tǒng)匹配空壓機(jī)往往工作在中等流量范圍，工作范圍較大；燃料電池用空壓機(jī)工作范圍窄且靠近喘振邊界。據(jù)相關(guān)資料顯示，離心式空壓機(jī)與渦輪機(jī)的搭配可能成為燃料電池用空壓機(jī)未來發(fā)展的主要趨勢，比如博格華納(BorgWarner)開發(fā)的FCAS渦輪增壓空壓機(jī)。

　　傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)與燃料電池用空壓機(jī)工作范圍對比

　　博格華納渦輪增壓空壓機(jī)

　　2. 螺桿式空壓機(jī)

　　螺桿式空壓機(jī)可分為單螺桿式和雙螺桿式。螺桿式空壓機(jī)在汽缸內(nèi)裝有一對互相嚙合的螺旋形陰陽轉(zhuǎn)子，兩轉(zhuǎn)子都有幾個凹形齒，兩者互相反向旋轉(zhuǎn)。主轉(zhuǎn)子又稱陽轉(zhuǎn)子或凸轉(zhuǎn)子，通過發(fā)動機(jī)或電動機(jī)驅(qū)動，另一轉(zhuǎn)子稱陰轉(zhuǎn)子或凹轉(zhuǎn)子，由主轉(zhuǎn)子端和凹轉(zhuǎn)子端的同步齒輪驅(qū)動。驅(qū)動過程中理論上沒有金屬接觸。通用汽車和戴姆勒旗下燃料電池汽車層搭載過螺桿式空壓機(jī)。

　　單螺桿式空壓機(jī)工作原理動態(tài)圖

　　雙螺桿式空壓機(jī)工作原理動態(tài)圖一

　　雙螺桿式空壓機(jī)工作原理動態(tài)圖二

　　雙螺桿式空壓機(jī)工作原理動態(tài)圖三

　　注意，戴姆勒旗下燃料電池汽車GLC F-CELL已經(jīng)用電動增壓器(離心式)取代了傳統(tǒng)的螺桿式壓縮機(jī)。

　　3. 羅茨式空壓機(jī)

　　羅茨式空壓機(jī)屬于容積回轉(zhuǎn)壓縮機(jī)，這種壓縮機(jī)靠轉(zhuǎn)子軸端的同步齒輪使兩轉(zhuǎn)子保持嚙合。轉(zhuǎn)子上每一凹入的曲面部分與氣缸內(nèi)壁組成工作容積，在轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)過程找那個從吸氣口帶走氣體，當(dāng)移到排氣口附件與排氣口相連通的瞬時間，因有較高壓力的氣體回流，此時工作容積中的壓力突然升高，然后將氣體輸送到排氣通道。兩轉(zhuǎn)子互不接觸，靠嚴(yán)密控制的間隙實現(xiàn)密封，故排出的氣體不受潤滑油污染。

　　羅茨式空壓機(jī)葉輪形狀

　　羅茨式空壓機(jī)工作原理動態(tài)圖一

　　羅茨式空壓機(jī)工作原理分解

　　羅茨式空壓機(jī)工作原理動態(tài)圖二

　　豐田公司旗下Mirai燃料電池汽車搭載了全新開發(fā)的六葉螺旋羅茨式空壓機(jī)。與傳統(tǒng)羅茨式空壓機(jī)中葉輪與軸向平行不同，豐田紡織開發(fā)的羅茨式空壓機(jī)，葉輪呈現(xiàn)螺旋形狀。上汽集團(tuán)開發(fā)的燃料電池汽車也層搭載過羅茨式空壓機(jī)。羅茨式空壓機(jī)的優(yōu)勢主要有：轉(zhuǎn)速較低，不必使用結(jié)構(gòu)復(fù)雜的空氣軸承；高效運行區(qū)較寬；技術(shù)相對成熟。

　　Mirai六葉螺旋羅茨式空壓機(jī)

　　4. 渦旋式空壓機(jī)

　　渦旋式空壓機(jī)由一個固定的漸開線渦旋盤和一個呈偏心回旋平動的漸開線運動渦旋盤組成的可壓縮容積壓縮機(jī)，由兩個雙函數(shù)方程型線的動、靜渦盤相互咬合而成。在吸氣、壓縮、排氣工作過程中，靜盤固定在機(jī)架上，動盤由偏心軸驅(qū)動并由防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)制約，圍繞靜盤基圓中心，作很小半徑的平面轉(zhuǎn)動。氣體通過空氣濾芯吸入靜盤的外圍，隨著偏心軸的旋轉(zhuǎn)，氣體在動靜盤噬合所組成的若干個月牙形壓縮腔內(nèi)被逐步壓縮，然后由靜盤中心部件的軸向孔連續(xù)排出。

　　渦旋式空壓機(jī)轉(zhuǎn)子

　　渦旋式空壓機(jī)工作原理動態(tài)圖一

　　渦旋式空壓機(jī)工作原理動態(tài)圖二

　　豐田公司在2002版FCHV和2008版FCHV-adv燃料電池汽車上均曾搭載了渦旋式空壓機(jī)。

　　5. 往復(fù)式空壓機(jī)

　　往復(fù)式空壓機(jī)通過氣缸內(nèi)活塞或隔膜的往復(fù)運動使剛體容積周期變化并實現(xiàn)氣體增壓和輸送，屬于容積型空壓機(jī)。根據(jù)往復(fù)運動的構(gòu)件分為活塞式和隔膜式空壓機(jī)。

　　活塞式空壓機(jī)動態(tài)圖一

　　優(yōu)點：1.熱效率高、單位耗電量少；2.加工方便，對材料要求低，造價低廉；3.裝置簡單；4.設(shè)計、生產(chǎn)早，制造技術(shù)成熟；5.應(yīng)用范圍廣。

　　缺點：1.運動部件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，檢修工作量大；2.轉(zhuǎn)速受限制；3.活塞環(huán)的磨損、氣缸的磨損、皮帶的傳動方式使效率下降很快；4.噪音大；5.控制系統(tǒng)的落后，不適應(yīng)連鎖控制和無人值守的需要。

燃料電池羅茨式鼓風(fēng)機(jī)：螺桿式空壓機(jī)與羅茨風(fēng)機(jī)的區(qū)別：

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