空壓機(jī)介紹

用途：

提供壓縮氣體，在燃料電池系統(tǒng)中負(fù)責(zé)為電堆輸送特定壓力及流量的潔凈空氣，為電堆反應(yīng)提供必需的氧氣，是燃料電池系統(tǒng)除電堆外最核心的零部件。

基本組件：

空壓機(jī)分類：透平式和容積式：

常見空壓機(jī)對(duì)比：

車用燃料電池系統(tǒng)對(duì)空壓機(jī)的要求

燃料電池工作系統(tǒng)的運(yùn)行離不開空壓機(jī)對(duì)其提供的壓縮空氣，空壓機(jī)的性能直接影響著整個(gè)燃料電池系統(tǒng)的壓縮比、效率、噪聲等重要指標(biāo)

空壓機(jī)在燃料電池系統(tǒng)布置

離心式空壓機(jī)技術(shù)核心點(diǎn)

典型的高速離心式空壓機(jī)主要特征：

1. 葉輪在蝸殼中高速旋轉(zhuǎn)，并通過擴(kuò)壓器提升氣體壓力后輸出。常見的包括單級(jí)壓縮和雙級(jí)壓縮；

2. 高速電機(jī)轉(zhuǎn)子直接驅(qū)動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)壓縮氣體；

3. 高速電機(jī)轉(zhuǎn)子由空氣軸承進(jìn)行支撐；

4. 冷卻液流經(jīng)電機(jī)定子外側(cè)的冷卻液流道對(duì)空壓機(jī)的本體進(jìn)行冷卻。

燃料電池對(duì)空壓機(jī)輸出的空氣具有較高的清潔度要求，空氣軸承使用空氣潤(rùn)滑正好滿足這個(gè)要求。

當(dāng)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，在轉(zhuǎn)子和空氣軸承內(nèi)表面之間便會(huì)形成一層氣膜，氣膜的壓力隨著轉(zhuǎn)速的升高而增加，當(dāng)氣膜壓力足夠大時(shí)便可將轉(zhuǎn)子抬離軸承表面，此時(shí)轉(zhuǎn)子便“起飛”了。

空壓機(jī)在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子的永磁材料不能承受巨大的離心力，必須盡可能地降低轉(zhuǎn)子振動(dòng)。

1. 對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行動(dòng)平衡，使轉(zhuǎn)子的偏心盡可能小；

2. 設(shè)計(jì)階段時(shí)準(zhǔn)確計(jì)算轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速，使空壓機(jī)的工作轉(zhuǎn)速避開轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速；

3. 對(duì)軸承的氣膜和彈性支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行耦合求解和優(yōu)化，得到軸承最佳的剛度和阻尼，盡可能的降低轉(zhuǎn)子的次同步振動(dòng)。

轉(zhuǎn)子振動(dòng)仿真

由于轉(zhuǎn)速高，定子繞組電流頻率高，這會(huì)使電機(jī)的散熱非常困難。如果散熱不好，會(huì)縮短電機(jī)繞組壽命，使永磁體發(fā)生不可逆退磁，也會(huì)對(duì)空氣軸承的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生影響。

冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

·離心式空壓機(jī)用高速電機(jī)轉(zhuǎn)子直接驅(qū)動(dòng)葉輪，無機(jī)械傳動(dòng)裝置，因此可做到系統(tǒng)噪音小、傳動(dòng)效率高和整機(jī)體積小

·高性能空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)

·采用兩級(jí)增壓氣動(dòng)布局實(shí)現(xiàn)寬工況范圍

·前掠設(shè)計(jì)降低葉尖泄漏渦范圍與強(qiáng)度，減小流動(dòng)損失

·氣動(dòng)效率80%；整機(jī)效率高達(dá)70%以上

·全工況范圍內(nèi)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定，最高轉(zhuǎn)速9.5-11萬轉(zhuǎn)/分

·滿足高海拔工況功率輸出

空壓機(jī)單級(jí)與雙級(jí)壓縮對(duì)比

壓機(jī)發(fā)展趨勢(shì)

由于空壓機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理的不同，空壓機(jī)的性能優(yōu)勢(shì)也不盡相同。其性能比較如表1所示：

通過比較可以看出渦旋式、螺桿式和離心式空壓機(jī)的綜合性能較好，無法回收排氣能來，目前只有通過渦輪與離心式壓縮機(jī)匹配來實(shí)現(xiàn)。離心式壓縮機(jī)在密度、效率、噪聲等方面具有最好的綜合效果，隨著燃料電池系統(tǒng)對(duì)空氣供應(yīng)系統(tǒng)性能要求的提高，離心式空壓機(jī)與渦輪機(jī)匹配工作勢(shì)必將成為燃料電池用空壓機(jī)未來發(fā)展的主要趨勢(shì)。

Wiartalla等利用模型對(duì)常用的空壓機(jī)以及渦輪機(jī)進(jìn)行仿真，表明在燃料電池的廢氣端使用渦輪機(jī)后，在進(jìn)氣壓力為 2.5×105Pa 時(shí)，電堆的質(zhì)量減小 12%，系統(tǒng)效率提高約2%，并隨著壓力的增加而不斷提升。

渦輪機(jī)能回收廢氣能量，提高系統(tǒng)效率，但往往也會(huì)伴隨著系統(tǒng)成本和尺寸的增加。為達(dá)到車用要求，兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)被用于空壓機(jī)和渦輪機(jī)。混流式空壓機(jī)葉輪和可變渦輪進(jìn)口導(dǎo)葉(VNT)是改善空氣供應(yīng)系統(tǒng)的流量 / 壓比特性和功率特性的有效方式，如圖所示。混流式葉輪的特點(diǎn)是在旋轉(zhuǎn)時(shí)，既產(chǎn)生離心力又產(chǎn)生推力，高效區(qū)和穩(wěn)定工作范圍較寬，喘振線在更小流量區(qū)域，可以有效地改善壓縮機(jī)的低流量性能；渦輪機(jī)的可變進(jìn)口導(dǎo)葉繞軸心旋轉(zhuǎn)，通過改變?nèi)~片開度大小，影響導(dǎo)葉柵最小流通截面積的大小，同時(shí)進(jìn)入渦輪的氣體的角度和速度也會(huì)發(fā)生變化，從而改變渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)速以及壓氣機(jī)出口端的增壓壓力。

使用可變渦輪進(jìn)口導(dǎo)葉和混流式葉輪前后空壓機(jī)的性能對(duì)比

因此使用渦輪增壓技術(shù)回收燃料電池尾氣余壓能量以及解決空氣供應(yīng)系統(tǒng)的成本、尺寸和噪聲等問題將成為未來燃料電池研究的主要方向。