高能量长续航轻质氢燃料电池无人机动力系统

动力技术作为无人机的“心脏”，直接影响无人机的性能、成本和可靠性，现阶段使用比较多的测绘无人机基本需要满足：长续航时间、低振动、大载重负荷等要求，传统的内燃机动力系统能量密度高、载重能力较强，但震动大，锂离子电池动力系统安静稳定，能量转化率高，但能量密度较低。本项目开发了一种氢燃料电池系统，能量密度可达到 2000Wh/kg，安静稳定，载重能力强，利用新型储氢技术，满足实现无人机长续航的需求。 西安交通大学压缩机工程系始建于 1956 年，是国内第一个压缩机高级人才培养和压缩机技术研究基地。本系是“制冷与低温工程”国家重点学科的重要组成部分，也是“流体机械及压缩机国家工程中心”的骨干单位之一。主要对各种容积式压缩机（包括制冷压缩机）及其系统的热力过程及动力特性进行研究，在国内外压缩机和制冷技术领域有着重要的地位和影响。压缩机工程系已为国家培养本科生 2000 多人、硕士及博士研究生200多人，并通过多种形式办学，为从事压缩机和制冷行业的在职人员进行专业培训及工程硕士的培养。为我国的压缩、制冷行业培养和输送了大批优秀人才，许多人已成为我国该行业的技术中坚和企业领军人才。压缩机工程系现有教师16人，其中长江学者特聘教授 1人，教授5人（博导4人），副教授8人，讲师3人，压缩机协会科技委员会主任1人，压缩机协会理事1人，全国压缩机标准化技术委员会副主任1人，新世纪百千万人才工程国家级人选1人，夏安市教育基金会“杰出教授奖”1人，何梁何利基金科学与技术创新奖 1人，教育部“新世纪教育人才”获得者3人。近年来，压缩机工程系承担的各类科研项目主要包括国家863计划、科技支撑计划、自然科学基金项目等纵向课题及海内外企业委托的横向课题等，累计到款科研经费2000多万元。在压缩机技术研究方面曾获国家科技进步二等奖2项及省部级科技进步一等奖4项，并获中国发明协会“发明创业奖特等奖”1 项，已连续主办 3 届压缩机及制冷国际会议。

【技术性能优势】1. 通过半导体制冷和超疏水表面技术，回收电池尾气和空气中丰富的水分，进行自身水循环的同时，实现“空中补水”。2．轻质固态储氢材料通过水解反应，条件温和，储氢量高（以 MgH2 为例可达 15wt.%），远超美国 DOE标准，相较于水有效储能5.5wt.%，大幅降低系统能量密度。 【团队项目】1、无油双螺杆压缩机技术负责人：刑子文 （1）项目简介本项目重点开发与无油水润滑螺杆压缩机、无油干式螺杆压缩机及无油双螺杆真空泵设计制造技术。完全满足食品、饮料、医药、精细化工以及与之相关的包装、纺织、电子制造、汽车、空分等行业需要纯净无油压缩空气的行业。本项目研究采用最新螺杆压缩机设计理论与关键技术开发出专门针对水润滑螺杆压缩机转子型线的优化研究，可实现转子间驱动啮合时形成很好的水膜密封与润滑条件，既可以减少压缩腔内泄漏又可以降低摩擦功耗，从而可以整体提高水润滑无油螺杆压缩机的产气量，同时降低能耗与振动噪音水平。在前述型线开发的基础上, 开发转子型线加工刀具刃形。可以显著提高水润滑螺杆压缩机性能参数。项目可实现无油螺杆转子、滑动轴承及螺杆压缩机主机三大类产品批量生产加工，项目技术创新明显、技术难度高，所采取的转子压铸与精加工、水润滑滑动轴承设计技术、水润滑螺杆压缩机主机具有巨大的市场，可以引领我国无油压缩机技术与设备研发和产业化，促进我国节能减排和产品质量的提升，达到国际领先水平。 （2）关键技术优势或创新性①高效节能：用水取代油，实现润滑、冷却、密封、降噪四大功效。压缩过程中水的介入，可实现对齿顶间隙、啮合间隙和端面间隙等泄漏通道的密封，排气量可比同等大小的干式无油空气压缩机提升25%~30%。由于不存在油乳化的风险，可以通过调节喷入的水量和水温严格控制压缩过程的温升，使压缩机内部工作过程接近效率最高的等温压缩。②100%无油：采用国际领先的无油双螺杆压缩机技术，各部件完全没有润滑油存在，确保100%无油，提供最可靠的无油压缩空气解决方案。③绿色环保：压缩机使用饮用水标准的纯水润滑，并采用高性能反渗透膜水过滤器，确保润滑水保持干净且导电率低。排气中冷凝或者吸附出来的水分不需要任何特殊处理，可以收集循环使用也可直接排放，不会对环境造成任何有害污染。压缩机所有零配件均采用经过特殊工艺处理的环保材质，包括垫片也是陶瓷、碳纤维等新型环保材料。④后端附属设备少：理论上讲，当 20℃的空气以绝热过程压缩至 0.8MPa，由于没有冷却介质，排出的空气将高于275℃。相比干式无油螺杆空气压缩机，水润滑无油螺杆空气压缩机内部工作腔有水的介入，冷却水吸收了空气压缩过程中产生的绝大部分热量，单级压缩便可实现高的压力比，而且排气温度很低，通常只比环境温度高10℃，可以不需要后冷却器直接进入用气终端或者干燥装置，具有结构紧凑、后端附属设备少的优点。⑤安全性高：不使用润滑油，主机喷水冷却温度低，不会发生油乳化、油炭化和局部过热等影响机器安全性的问题。⑥运转平稳、噪音低：水润滑无油螺杆空气压缩机采用电机直联，没有传送带或者传统喷水冷却螺杆空气压缩机的同步齿轮等产生额外损耗的中间传动部件，在节省成本的同时也使得运转更加平稳。此外，工作腔内的冷却水还能起到降噪作用，相比干式无油螺杆空气压缩机，转速较低，机器的振动噪音很低。⑦维保费用低：水润滑无油螺杆空气压缩机100%无油，维保时只需更换水过滤器、空气过滤器和纯净水等基本耗材，无需润滑油的添加和更换，没有油过滤器的消耗，没有为降低含油量而增加的除油过滤器，没有油气分离器芯（多级）的消耗，管路上不需额外的多级过滤器等，所以设备的运行和维保费用低。 （3）应用领域及市场前景项目完成后本项目产品能在全国范围内进行推广应用，以目前我国食品、医药、纺织和精细化工需求计算，仅水润滑无油螺杆压缩机就有 50 多亿的市场，加上压缩机减振降噪与化工无油螺杆压缩机的市场至少有数百亿的市场，因而本项目的实施将会提高我国产品制造的水平和国际竞争力，减少我国制造业对高性能无油压缩机的缺陷，同时降低常规压缩机高能耗所产生的电费与维护保养费用。2、车用燃料电池螺杆压缩机技术负责人：吴伟烽 （1）项目简介空气压缩机为燃料电池提供电化学反应所需要的氧气。将空气压缩到一定压力（通常在 1.3~3.2bar 范围内），有助于提高电堆的功率密度，是燃料电池汽车降低成本、实现轻量化的重要技术手段。为了满足燃料电池最高功率，空气压缩机应保证足够的流量，根据估算，100 kW的电堆功率大约需要300 Nm3·h-1的空气。除了保证一定的压力和流量外，燃料电池车用空气压缩机还需要满足其他要求，包括压缩气体绝对无油，以防止催化剂中毒；压缩效率高，减少压缩气体需要的额外能耗；能对启停、加速、刹车、制冷、供热等各种工况变化做出准确、快速响应，具有良好的工况适应性；在极端工况和气候条件下，具有良好的可靠性和长久的寿命，且维护简便；结构紧凑，体积小，重量轻。对效率、可靠性、工况与环境的适应性、体积与重量等指标的综合要求，特别是对压缩气体绝对无油的严格限制，使得燃料电池车用空气压缩机的产品研发及其产业化存在不可忽视的技术挑战。 （2）关键技术优势或创新性为实现较高的能量转换效率，燃料电池内部的化学反应对空气的温度、湿度、压力和流量等参数均有着严格的要求。但目前广泛应用的工业压缩机无法满足燃料电池空气供应系统的要求。因此性能优越且能与燃料电池系统进行很好匹配的压缩机的研究开发，对燃料电池技术的发展至关重要。本项目开发了燃料电池专用的螺杆无油压缩机，能完全满足以下要求：①无油。燃料电池反应堆中的质子交换膜需要工作在无油条件下，否则将会引起质子交换膜失效，因此需要作为氧化剂的压缩空气中不能含有任何油成分。这就限制了很多工业用空气压缩机在燃料电池空气压缩机中的应用，因为很多工业用空气压缩机中或是使用了供油轴承，或是使用了喷油方式对压缩空气进行冷却。②高效。由于燃料电池反应堆和空气压缩机之间能量相互关系，相关研究表明，燃料电池发动机输出功率的20～30％被用于空气压缩机，使其成为了除驱动电机之外最大的耗能单元，若压缩机占用较多的输出电能，必然会减少汽车的驱动功率，从而影响整车性能。③小型化和低成本。空气压缩机会作为燃料电池发动机的一部分被安装到燃料电池电动汽车上，在车载平台上，过大的空气压缩机会占据了大量的空间，从而影响到乘员乘坐舒适性和可装载货物数量；较大质量增加了整车惯性，会在很大程度上影响汽车的启动性能和制动性能。不同输出功率的燃料电池反应堆所需要的压缩空气质量流量具有较大差别，50kw 燃料电池反应堆需要最大空气质量流量为 95g/s(4.5m3/min)，l00kw燃料电池需要 155g/s(7.3m3/min)的空气流量，同时要求压缩机体积在 40L以内，质量在30kg以下。④低噪声。空气压缩机所产生的噪音是燃料电池系统最大的噪声源之一，为提升整车运行过程中的舒适性，压缩机的振动噪音需得到有效抑制。⑤良好的动态响应能力。当需求功率发生变化时，空气流量和压力需无延迟地进行调整，以匹配输出功率的变化。 （3）应用领域及市场前景作为新能源汽车领域的重要部分，燃料电池汽车也是汽车未来的终极目标，中国汽车企业在氢燃料电池技术领域也积极布局。据《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书 （2016）》预计，到2020年，我国燃料电池车辆将达到1万辆；到2030年，燃料电池车辆保有量将达到200万辆。届时，中国有望成为全球最大的燃料电池汽车市场。目前，我国已初步掌握了氢能汽车在电池电堆、关键材料、氢能基础设施等方面的核心技术，基本建立了具有自主知识产权的燃料电池汽车动力系统技术平台，在分布式能源、移动通信基站及城市客运、物流等商用车型展开了规模化示范运行，开启了中国燃料电池汽车商业化的进程。本项目产品作为燃料电磁系统核心零部件，具有广泛地应用前景。 （4）技术成熟度概念验证原理样机工程样机中试产业化3、新能源车载无油涡旋压缩机技术负责人：吴伟烽 （1）项目简介针对当前车用无油涡旋空压机加工精度要求高、涡旋盘容易磨损的问题，本项目团队提出了水冷无油涡旋空气压缩机技术。采用这一技术可将涡旋盘最高温度控制在120℃以内，从而降低动静盘热变形，提高压缩机的可靠性与效率。 （2）关键技术优势或创新性涡旋压缩机的动盘、静盘均实现水冷。已申请发明专利。 （3）市场前景及应用采用本项技术可大幅提高无油涡旋压缩机的寿命，主要应用领域包括车载空压缩机（刹车泵），医疗与食品领域的无油空气压缩机。 （4）技术成熟度概念验证原理样机工程样机中试产业化4、油田伴生气回收技术与装备开发负责人：彭学院 （1）项目简介油田伴生气是天然气资源的一种，由于油田伴生气的量一般较小，可利用的压能较低，在过去往往被误认为是没有价值的天然气，常采用直接燃烧的方法处理，这样造成极大浪费，同时也是温室气体排放的“贡献者”。近年来，清洁生产、节能降耗日益受到重视，伴生气回收利用已成为迫切的生产需求。油田伴生气回收为我国的油田节能事业开创了一个新思路，这既是一项前景广阔的新兴事业，也为实现我国总体节能目标创造了条件。针对这一生产需求，凭借在压缩机领域的技术优势，该团队研发出一种新型专利产品—全封闭喷油涡旋压缩机组，专门用于低压小流量伴生气的增压。涡旋压缩机是目前可靠性最高的一种压缩机机型，广泛应用于制冷、空调及热泵系统中，其设计寿命一般超过10年，而且几乎免维护。美国 Emerson 公司已成功应用于油田伴生气、气井天然气、煤层气、LNG 储罐闪蒸气回收，仅 2003~2006 在北美用于油田伴生气回收的机组就有400多套，机组成本回收周期不超过2年。西安交大压缩机研究所针对油田伴生气及煤层气集气增压中的技术瓶颈，吸收国外先进技术，开发出具有自主知识产权的全封闭喷油涡旋压缩机组，专门用于要求可靠性高、免维护的油田伴生气、煤层气集气增压。WX 系列天然气压缩机组主机采用全封闭结构涡旋压缩机，通过合理的油路设计，解决了压缩腔内部冷却和机械部件润滑的问题。考虑到油井现场的实际条件，全封闭喷油压缩机组已经实现了停开机、排液、排污、进排气超压、油气温度等全部自动控制，并且通过加入远程传输，进行实时监控，做到无人值守，免日常维护的目标。图1 机组流程图 （2）产品性能优势 1.技术优点 1）针对油田伴生气典型气量范围1120-3400m3/d，涡旋压缩机具有独特优势，采用全封闭喷油涡旋压缩机单机或多机并联机组，能够在很宽流量范围内高效可靠工作。 2）涡旋压缩机结构简单，体积小，基本无易损件，可保证机组具有较高可靠性，且易于撬装，以适应油井分散且长期无人职守的需要。 3）通过回收利用伴生气，可大幅提高油井产油量，尤其对于开采后期的油井，效果显著。 4）该技术与装备可推广应用于煤层气回收、油罐气回收、常规气田增产等领域，具有显著的节能效果和减排意义。 2.设备优点 1）可靠性高、寿命长易损件少，异常工况的保护完善，可靠性远高于活塞式压缩机；涡旋压缩机设计寿命普遍超过10 年。 2）安全性高全封闭的压缩机结构，不存在轴封泄漏，按照防爆要求设计；全流程完善的压力、温度、天然气浓度监控系统，杜绝隐患。 3）全自动化采用西门子 PLC 机组自动化程度高，完全做到无人值守；用户只需执行开机操作，控制系统会自动完成其余工作；根据不同用户实际需要，调整控制程序。 4）实时远程监控数据中心随时能够收到各处机组运行中相关实时参数；远程记录和分析运行状态，远程启停机。 5）模块化设计撬装外观，便于设备在不同场地转移；可根据实际需要，选择多机组串并联组合使用。 5）主要技术参数 吸气压力范围：-0.02~0.4MPaG，可提高到1.0MPaG。 排气压力范围：0.5~2.0MPaG，根据需要，排气压力可达3.0MpaG。 单台机组流量：进气压力为大气压力时，流量600~2000Nm3/d；进气压力为0.4MPa时，流量3000~10000Nm3/d。 工作环境：温度-30~50℃、湿度 0~100%的环境下工作，不需要提供冷却水。 防爆等级：ExdIICT4 （3）市场前景及应用 1. 油田伴生气回收油田开采中的凝析气、套管气，通过简单油气水三相分离，除去液态水、油及固体杂质后，可直接进入涡旋压缩机机组增压，然后送入气体管网做进一步处理，也可注入油气混输管网送到处理站集中处理。青西油田作业区窿 103井日产油 10.4吨，含水 65％，原油由于乳化严重无法改入集输系统进行密闭混输，因此该并前期采取原油进罐，伴生气放空燃烧。该井日产伴生天然气 1400m³-1600m³，井口有立式油气分离器，分离器之后带储藏罐，目前的伴生气从储气罐出来后被点火烧掉，造成极大的浪费。项目实施后预计可回收油气伴生气 156.2 万 Nm³/年，折合标煤为 2077吨；设备运行消耗电能为40.93万kWh/年，折合吨标煤为140吨；由此可得出，每年可减少能源折合吨标煤约1937吨。目前设备运行正常，回收达到了预期效果。 2. 气井气回收机组集气增压后，可送入附近管网，或者将多台机组回收的气体送入集中处理站，并根据流量大小，采用下列措施之一： 1）燃气发电； 2）供作业区采暖； 3）进行轻烃回收后用CNG 压缩，再送到 CNG 加气站； 4）进行轻烃回收后液化成LNG，再作为商品销售。 3. 煤层气/页岩气回收煤层气回收利用中需要用压缩机将气体收集增压到2MPa 以下，高可靠性、高安全性的涡旋压缩机是最合适的一种机型。 4. BOG压缩BOG（闪蒸气）压缩机是 LNG 系统基本设备，用涡旋压缩机组压缩 BOG 气体在北美已有成功应用。 （4）技术成熟度概念验证原理样机工程样机中试产业化