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   眾所周知電池是一種將氫和氧的化學能經過電極反應直接轉換成電能的裝置,能量轉換效率高達60％-80％，使用效率則是普通內燃機的二-三倍。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物氧或空氣而言。因此，需要設計一個空壓機系統，用來提供高壓空氣。

   國際上已經對螺桿空壓機在燃料電池中的應用進行了研究，已有公司把螺桿空壓機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、膨脹機十余年，其產品已經成功的在客車上使用。國內外許多知名高校、研究所非常重視燃料電池用螺桿空壓機的研制。西安交通大學空壓機研究所成功研制了可以應用于燃料電池的LG300 型噴水螺桿空氣壓縮機，該空壓機在清華大學研制的863燃料電池城市客車的第一輛原型車上使用，性能優異。同時西安交通大學空壓機研究所最近又開發研制了體積更小、重量更輕、效率更高的高速干式螺桿空壓機、膨脹機，該空壓機、膨脹機正在試制階段，該機器潛力更大。螺桿空壓機在燃料電池中的使用，可以增加燃料電池系統的效率，同時降低燃料電池系統的成本，縮短了燃料電池投放市場的時間。

   現在燃料電池中使用各式各樣的空壓機，如羅茨鼓風機、渦旋空壓機、離心空壓機、螺桿空壓機等。這些空壓機各有優缺點適用于各種不同的場合。總體來說螺桿式空壓機在燃料電池汽車方面更具有潛力，其技術比較成熟，已經正式投入燃料電池系統測試使用，各方面的性能都比較合理，特別在城市客車上應用非常廣泛。而其他類型的空壓機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,由于螺桿空壓機能夠提供可變壓比，這樣能在燃料電池低負載時,很好的保持水平衡特性；噴水螺桿空壓機不僅可以提供系統中部分水，還可以大大降低供氣溫度，避免水平衡特性由于環境或者電池堆的溫升而破壞，也提高了空壓機的效率，增加了燃料電池系統的輸出能量密度。

   噴水螺桿空壓機的研制,在國家“十·五”863 計劃“電動汽車重大專項”中的“燃料電池發動機”課題中，西安交通大學空壓機研究所研制成功了可以應用于燃料電池的LG300 型噴水螺桿空氣壓縮機，見圖1。該噴水螺桿空壓機的設計過程中，總結了以前設計的經驗教訓，根據燃料電池的特點對機器進行了改進和創新，提高機器的總體性能。下文簡要論述該噴水螺桿空壓機設計的創新點。

   型線設計:針對具體設計要求，利用西安交通大學開發的SCCAD3.0螺桿空壓機設計計算軟件，專門開發了一種轉子新型線。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線，可降低通過接觸線的橫向泄漏，提高空壓機效率。另外，還改善了轉子的加工性能。

   軸承、軸封選型,根據燃料電池的特點，噴水螺桿空氣空壓機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。 本機在進氣端布置了帶排氣螺紋的聚四氟乙烯密封套；在排氣端,則設置了兩套聚四氟乙烯密封環。嚴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,又影響空壓機性能。

   材料選擇:該噴水螺桿空壓機所有零件的材料都要符合防銹要求。復盛空壓機體、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、陽轉子用料為不銹鋼。噴水螺桿空壓機根據實際情況設計了特殊的轉子型線,使用了特殊的材料、軸承和軸封。該空壓機在清華大學研制的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。

   齒輪和轉子軸連接設計:齒輪和轉子軸之間為脹緊套連接。取代以往的鍵連接，提高了轉子軸的強度。安裝時將脹緊套套在陽轉子的軸上，并將主動齒輪裝入，通過螺釘壓緊。然后在陰轉子的軸上安裝脹緊套和從動齒輪，調整好齒輪位置后再加力壓緊。這樣在可以調整齒輪位置、保證了連接可靠性的同時，避免了由于增加鍵槽對轉子軸特別是直徑較小的軸強度的削減。

   螺桿膨脹機的研制:在燃料電池的工作過程中，一般用空氣作為陰極的反應物，這樣在反應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。如果在汽車比較低功耗的情況下，參加反應的氧氣會更少，利用螺桿膨脹機進行能量回收是很必要的。現在燃料電池汽車還沒有推廣的很大原因是造價太高，而本次設計的螺桿膨脹機為干式螺桿空壓機的低壓比機型，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，其他和空壓機完全一樣，這樣大大降低了制造成本，而且利用一根電機軸將他們相連。

   干式螺桿空壓機的研制:為了提高燃料電池用螺桿空壓機的性能，以及實現減小體積和重量、降低噪音等技術要求，西安交通大學空壓機研究所在研制成功的LG300 型噴水螺桿空氣空壓機的基礎上進行了燃料電池用干式螺桿空壓機的研制。

   冷卻消音水道的設計:在該干式螺桿空壓機的殼體上，設計了一個擁有四個水腔的密封循環水道。這樣水在殼體水道中有充分的時間進行換熱，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。

   排氣端座嵌入式結構設計:由于一般螺桿空壓機的排氣設在排氣端座上，這樣必然會增加空壓機的軸向長度，而本次設計采用了排氣端座嵌入式結構，使得壓縮的氣體從軸向排氣孔口排出時經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，減小了空壓機的軸向長度。

   整體結構設計:根據具體設計的要求，本次干式螺桿空壓機的研制過程中將轉速提高到10000轉/分鐘,主體材料也選用鋁。這樣保證氣量的同時，減小了機器的體積，同時也減輕了重量。在轉子的布置上，采用了陰陽轉子上下布置，節省空間。在當前社會環境污染、全球變暖、能源短缺的壓力使得燃料電池汽車的優勢越顯突出，同時作為燃料電池系統中的重要組成部分之一的空氣空壓機也成為研究的重點 。
 

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