燃料电池空压机技术介绍及发展趋势

空压机介绍

用途：

提供压缩气体，在燃料电池系统中负责为电堆输送特定压力及流量的洁净空气，为电堆反应提供必需的氧气，是燃料电池系统除电堆外最核心的零部件。

基本组件：

空压机分类：透平式和容积式：

常见空压机对比：

车用燃料电池系统对空压机的要求

燃料电池工作系统的运行离不开空压机对其提供的压缩空气，空压机的性能直接影响着整个燃料电池系统的压缩比、效率、噪声等重要指标

空压机在燃料电池系统布置

离心式空压机技术核心点

典型的高速离心式空压机主要特征：

1. 叶轮在蜗壳中高速旋转，并通过扩压器提升气体压力后输出。常见的包括单级压缩和双级压缩；

2. 高速电机转子直接驱动叶轮旋转压缩气体；

3. 高速电机转子由空气轴承进行支撑；

4. 冷却液流经电机定子外侧的冷却液流道对空压机的本体进行冷却。

燃料电池对空压机输出的空气具有较高的清洁度要求，空气轴承使用空气润滑正好满足这个要求。

当转子高速旋转时，在转子和空气轴承内表面之间便会形成一层气膜，气膜的压力随着转速的升高而增加，当气膜压力足够大时便可将转子抬离轴承表面，此时转子便“起飞”了。

空压机在高速旋转时，转子的永磁材料不能承受巨大的离心力，必须尽可能地降低转子振动。

1. 对转子进行动平衡，使转子的偏心尽可能小；

2. 设计阶段时准确计算转子的临界转速，使空压机的工作转速避开转子的临界转速；

3. 对轴承的气膜和弹性支撑结构进行耦合求解和优化，得到轴承最佳的刚度和阻尼，尽可能的降低转子的次同步振动。

转子振动仿真

由于转速高，定子绕组电流频率高，这会使电机的散热非常困难。如果散热不好，会缩短电机绕组寿命，使永磁体发生不可逆退磁，也会对空气轴承的长期稳定运转产生影响。

冷却系统结构图

·离心式空压机用高速电机转子直接驱动叶轮，无机械传动装置，因此可做到系统噪音小、传动效率高和整机体积小

·高性能空气动力学设计

·采用两级增压气动布局实现宽工况范围

·前掠设计降低叶尖泄漏涡范围与强度，减小流动损失

·气动效率80%；整机效率高达70%以上

·全工况范围内转子稳定，最高转速9.5-11万转/分

·满足高海拔工况功率输出

空压机单级与双级压缩对比

压机发展趋势

由于空压机的结构和工作原理的不同，空压机的性能优势也不尽相同。其性能比较如表1所示：

通过比较可以看出涡旋式、螺杆式和离心式空压机的综合性能较好，无法回收排气能来，目前只有通过涡轮与离心式压缩机匹配来实现。离心式压缩机在密度、效率、噪声等方面具有最好的综合效果，随着燃料电池系统对空气供应系统性能要求的提高，离心式空压机与涡轮机匹配工作势必将成为燃料电池用空压机未来发展的主要趋势。

Wiartalla等利用模型对常用的空压机以及涡轮机进行仿真，表明在燃料电池的废气端使用涡轮机后，在进气压力为 2.5×105Pa 时，电堆的质量减小 12%，系统效率提高约2%，并随着压力的增加而不断提升。

涡轮机能回收废气能量，提高系统效率，但往往也会伴随着系统成本和尺寸的增加。为达到车用要求，两个关键技术被用于空压机和涡轮机。混流式空压机叶轮和可变涡轮进口导叶(VNT)是改善空气供应系统的流量 / 压比特性和功率特性的有效方式，如图所示。混流式叶轮的特点是在旋转时，既产生离心力又产生推力，高效区和稳定工作范围较宽，喘振线在更小流量区域，可以有效地改善压缩机的低流量性能；涡轮机的可变进口导叶绕轴心旋转，通过改变叶片开度大小，影响导叶栅最小流通截面积的大小，同时进入涡轮的气体的角度和速度也会发生变化，从而改变涡轮机的转速以及压气机出口端的增压压力。

使用可变涡轮进口导叶和混流式叶轮前后空压机的性能对比

因此使用涡轮增压技术回收燃料电池尾气余压能量以及解决空气供应系统的成本、尺寸和噪声等问题将成为未来燃料电池研究的主要方向。