隨著環(huán)保壓力增大和能源趨于緊張，汽車技術(shù)越來越受到重視，新能源汽車的發(fā)展就是一個(gè)關(guān)鍵方向。其中氫燃料電池電動(dòng)汽車以其*、高能效、續(xù)駛里程長、加注燃料時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是新能源汽車發(fā)展的重要方向之一。

燃料電池系統(tǒng)是燃料電池電動(dòng)汽車的核心部分，而燃料電池系統(tǒng)工作離不開空壓機(jī)供應(yīng)壓縮空氣，其性能直接影響著燃料電池系統(tǒng)的效率、動(dòng)態(tài)性能、噪聲等關(guān)鍵性能指標(biāo)，因此燃料電池空壓機(jī)的研發(fā)也非常重要。本文作者著重從空壓機(jī)的應(yīng)用情況進(jìn)行討論分析。

1 燃料電池空壓機(jī)簡介

1. 1 基本組成

空壓機(jī)由壓縮元件、驅(qū)動(dòng)器、驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)元件的機(jī)械設(shè)備等組成。

壓縮元件是執(zhí)行氣體壓縮過程所需的壓縮元件和輔助裝置，不包括驅(qū)動(dòng)器、調(diào)速裝置、氣體處理設(shè)備和管道、壓縮機(jī)設(shè)備、包裝和安裝設(shè)施及外殼。

驅(qū)動(dòng)器和機(jī)械設(shè)備是指提供機(jī)械輸入、直接或間接驅(qū)動(dòng)空壓機(jī)的機(jī)器，以及空壓機(jī)中將能量從驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)移到壓縮元件的部件。

輔助設(shè)備是指壓縮機(jī)產(chǎn)品中空壓機(jī)、驅(qū)動(dòng)器或機(jī)械設(shè)備之外的任何設(shè)備。

1. 2 基本要求

( 1 ) 無油。因?yàn)闈櫥碗S著空氣進(jìn)入燃料電池堆中，會使得催化劑發(fā)生中毒，從而影響燃料電池壽命和性能。

( 2 ) 高效。由于空壓機(jī)自身功耗較大，有些占到燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)功率 20% 左右，這就直接影響燃料電池系統(tǒng)的整體性能。

( 3 ) 小型化和低成本。在汽車上安裝，空壓機(jī)的小型化和低成本是燃料電池電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)化的必然要求。

( 4 ) 低噪聲。空壓機(jī)是燃料電池電動(dòng)汽車的大噪聲源，高速時(shí)噪聲較大，且空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速高達(dá) 10 × 104 r /min 以上。

( 5 ) 喘振線在小流量區(qū)。這是燃料電池系統(tǒng)在小流量、高壓比工況下高效運(yùn)行的基本保障。

( 6 ) 動(dòng)態(tài)性能好。汽車對動(dòng)力需求變化加大，空氣流量和壓力能夠快速跟蹤需求功率的變化，這就要求空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速超高。

2 燃料電池電動(dòng)汽車空壓機(jī)技術(shù)研究現(xiàn)狀

2. 1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)空壓機(jī)總體水平較低，研究較少。清華大學(xué)研究人員設(shè)計(jì)過普通高速 ( 約 25000 r /min ) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)的低壓比轉(zhuǎn)速離心壓縮機(jī)，具有較高的效率和較寬的運(yùn)行范圍。在 24000 r /min 時(shí)，空壓機(jī)gao效率和壓比分別達(dá)到 70% 和 1.6。REN 和 FENG 研究了用于燃料電池電動(dòng)汽車電動(dòng)離心空壓機(jī)的水潤滑滑動(dòng)軸承的抗沖擊特性，臨界沖擊振幅不小于 150g，遠(yuǎn)大于車輛的抗沖擊標(biāo)準(zhǔn)。WEI 等對離心式壓縮機(jī)的非定常特性進(jìn)行了具體研究。

國內(nèi)的空壓機(jī)產(chǎn)業(yè)化水平也相對較低。由于國外主流空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速已到 10 × 104 r/min 以上，這對空壓機(jī)的技術(shù)水平挑戰(zhàn)很大。目前國內(nèi)只有很少幾家能夠生產(chǎn)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮機(jī)，且還達(dá)不到*產(chǎn)品化的水平，主要存在轉(zhuǎn)速低、壽命低、效率低等主要問題。

2. 2 國外研究現(xiàn)狀

RAMINOSOA 等提出了一種用于汽車燃料電池系統(tǒng)空氣管理的高速三相開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)。并對機(jī)器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，理論效率可以達(dá)到 92. 4%，降低了壓縮機(jī)的整體能耗，提高了燃料電池系統(tǒng)的整體效率。

ZHAO 等提出了一種基于動(dòng)態(tài)擾動(dòng)解耦控制的離心壓縮系統(tǒng)控制方案，用于向燃料電池提供壓縮空氣。他們提出的控制策略能夠同時(shí)控制質(zhì)量流和壓力，該控制器在暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)下都具有更好的性能。并在 10kW 燃料電池模型負(fù)荷變化情況下得到具體驗(yàn)證。

TALJ 等從描述 PEMFC 空氣子系統(tǒng)的四階模型出發(fā)，提出了一種簡化三階模型。在 33kW 質(zhì)子交換膜燃料電池上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，四階和三階模型的相對誤差均小于 5%。

CHOI 提出了一種渦輪空壓機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)。以壓比 2. 2 為目標(biāo)，將壓氣機(jī)的流量從喘振擴(kuò)大到節(jié)流質(zhì)量流量，以覆蓋 FCV 的工作范圍。通過實(shí)驗(yàn)證明所設(shè)計(jì)的壓縮機(jī)具有大流量、小排氣量、壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)的流量裕度大于大出口容積壓氣機(jī)的流量裕度等特點(diǎn)。

TAN 等從壓縮機(jī)測量入手，解釋了尖峰式失速的特點(diǎn)。通過對轉(zhuǎn)子端部流體的三維研究，確定了尖峰形成的一種可能機(jī)制。這一機(jī)制涉及葉尖間隙在葉片后緣的回流，以及前緣泄漏流的正向溢出。

由于國外燃料電池技術(shù)發(fā)展較快，產(chǎn)業(yè)化水平相對較高，其配套的空壓機(jī)已經(jīng)達(dá)到燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化要求。下面主要介紹國外相關(guān)空壓機(jī)的應(yīng)用開發(fā)情況。

3 應(yīng)用分析

3. 1 FCV ( Fuel Cell Vehicle ) 空氣供氣系統(tǒng)

如圖 1 所示，燃料電池空氣供應(yīng)系統(tǒng)一般包括空氣過濾器、空壓機(jī)、電機(jī)、中冷器、增濕器、膨脹機(jī)及管道等。空壓機(jī)的工作狀況直接影響到燃料電池堆的工作情況。質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)對于空氣壓力變化敏感，這是因?yàn)樵鰤嚎梢栽黾友鯕饬扛纳扑胶猓岣叻磻?yīng)薄膜的水合狀態(tài)。雖然增壓可提高燃料電池效率，但也需要增加功耗，其耗能可占到電堆輸出能量的 20%，所以高效壓縮方式可提高電池系統(tǒng)的整體性能。

在質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)中，供氣壓力約為 3 × 105 Pa，流量為 100～300 kg /h，反應(yīng)產(chǎn)物主要是水 ; 燃料電池堆出口氣體溫度為 80～ 100 ℃，壓力為 2.8 × 105 Pa，這部分排出廢氣還具有較高的可回收能量。為提高燃料電池效率，需用膨脹機(jī)來減少壓縮機(jī)的能量消耗。壓縮機(jī)所能耗占附件總能耗的 95% 左右，所以降低附件能耗關(guān)鍵是提高供氣系統(tǒng)的效率，采用膨脹機(jī)回收排放廢氣能量是一種有效方式。

3. 2 FCV 對空壓機(jī)的要求

燃料電池的化學(xué)反應(yīng)對空氣的溫度、濕度、壓力和流量等參數(shù)有著嚴(yán)格的要求，普通的工業(yè)壓縮機(jī)無法滿足燃料電池的工作要求。因此性能*且與燃料電池系統(tǒng)匹配良好的壓縮機(jī)，對于燃料電池系統(tǒng)至關(guān)重要。無油、高效、小型化、低成本、低噪聲、喘振線在小流量區(qū)和良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力等是對燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)空壓機(jī)的基本要求。

3. 3 空壓機(jī)類型及產(chǎn)品應(yīng)用

根據(jù)壓縮原理不同，空壓機(jī)基本可分容積式與速度式兩類。容積式為活塞式、螺桿式、滑片式 3 種 ; 速度式分為離心式和軸流式兩種。容積式主要的類型為活塞式和螺桿式。速度式壓縮機(jī)主要類型為渦旋式、離心式和旋轉(zhuǎn)式，其中旋轉(zhuǎn)式一般指羅茨機(jī)、葉氏機(jī)。

速度式壓縮機(jī)適用于大氣量與低壓力，容積式適用于較高壓力。活塞式應(yīng)用較廣，便于中冷。活塞式、螺桿式制造要求高 ; 速度式要求轉(zhuǎn)速高，動(dòng)平衡要求高 ; 離心式的壽命較長。表 1 給出了主要類型空壓機(jī)的特點(diǎn)。

3. 3. 1 渦旋式空壓機(jī)

無油潤滑雙渦圈渦旋式空壓機(jī)是適合用于燃料電池使用的空壓機(jī)，其效率高、噪聲低、結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、可靠性好。

美國 DOE 和 Author D. Little 公司合作開發(fā)了兩代渦旋式空壓機(jī)和膨脹機(jī)樣機(jī)。第yi代用于 28 kW 燃料電池，供氣流量為 42 g /s，壓力可達(dá) 2. 2 × 105 Pa。第二代空壓機(jī)轉(zhuǎn)速和流量都提升了，可滿足 50 kW 燃料電池工作需求。

西安交通大學(xué)的學(xué)者們先后研制了 PEMFC 系統(tǒng)用無油噴水渦旋空壓機(jī)、50 kW 燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)用的渦旋式空壓機(jī)和 100 kW 燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)用的螺桿式空壓機(jī)。

3. 3. 2 螺桿式壓縮機(jī)

螺桿式空壓機(jī)利用螺桿間的空氣槽壓縮空氣，使用脂潤滑軸承的無油螺桿壓縮機(jī)能夠保證供氣中無油。它能夠提供可變壓比，在燃料電池低負(fù)載時(shí)，可以保持水平衡特性。噴水螺桿壓縮機(jī)可以提供系統(tǒng)部分用水，還可以降低供氣溫度，避免水平衡由于環(huán)境或者溫升而破壞，提高壓縮機(jī)的效率，增加燃料電池系統(tǒng)的能量密度，是比較理想的燃料電池空壓機(jī)。

戴姆勒公司在 Mercedes-Benz A 級燃料電池電動(dòng)汽車上采用螺桿式空壓機(jī) / 膨脹機(jī)，其噴水螺桿式空壓機(jī)可有效地降低壓縮空氣溫度，保持燃料電池水平衡，系統(tǒng)效率提高 4%。另外配套的膨脹機(jī)回收部分排氣能量，減少寄生功率。但螺桿式空壓機(jī)和膨脹機(jī)的噪聲較大，降噪措施增加了系統(tǒng)的成本、質(zhì)量和復(fù)雜性。

Mercedes-Benz B 級與 F 級燃料電池電動(dòng)汽車則采用了電動(dòng)螺桿式空壓機(jī)，可有效改善空氣壓比和流量特性 ( 壓比達(dá) 2. 9 ) 。空壓機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)該綜合考慮噪聲、壓比、流量、質(zhì)量和效率等各 方 面 因 素，使 其 性 能 達(dá) 到 you。大 眾 公 司 的 BoraHyMotion 汽車的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)也采用了噴水螺桿壓縮機(jī)。

美國 UQM 公司生產(chǎn)的空壓機(jī)可配套大功率車用燃料電池使用，整套壓縮機(jī)系統(tǒng)包括電機(jī)及控制器、壓縮系統(tǒng)及相應(yīng)的控制軟件。采用的空壓機(jī)如圖 2 所示。

美國通用汽車公司在雪佛蘭探界者 ( Equinox ) 燃料電池電動(dòng)汽車中使用了螺桿式電動(dòng)空壓機(jī)，如圖 3 所示。

3. 3. 3 離心式空壓機(jī)

離心式空壓機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)快、壽命長和效率高等特點(diǎn)。它通過旋轉(zhuǎn)葉輪對氣體做功，利用離心升壓和降速擴(kuò)壓作用，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為氣體壓力能。但在低流量時(shí)發(fā)生的喘振現(xiàn)象，會嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能和使用壽命。

同濟(jì)大學(xué)的學(xué)者們通過對壓縮機(jī)的蝸殼、葉輪和擴(kuò)壓器進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，開發(fā)了低流量系數(shù)后傾后彎離心式空壓機(jī)，在國內(nèi)*實(shí)現(xiàn)了離心式空壓機(jī)在 8 × 104 r /min 下的穩(wěn)定運(yùn)行。相比現(xiàn)有的工業(yè)用離心式壓縮機(jī)，該離心式空壓機(jī)具有更窄的喘振邊界和更寬的穩(wěn)定運(yùn)行范圍，小流量可以實(shí)現(xiàn)更大的壓力升高率，有利于空壓機(jī)在低流量高壓比下不發(fā)生喘振。它采用了水潤滑軸承，提高了做功能力，但水潤滑軸承需要潤滑水路和驅(qū)動(dòng)裝置，使得系統(tǒng)變得復(fù)雜。

3. 3. 4 羅茨式空壓機(jī)

DOE 與美國伊頓公司基于 P 級和 R 級羅茨式壓縮機(jī)研制了新型空氣供應(yīng)系統(tǒng)。改進(jìn)后的壓縮機(jī)可以提供壓比 2. 5、流量 92 g /s 的壓縮空氣，并由電機(jī)和膨脹機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)，通過調(diào)整峰值效率點(diǎn)，使其適用 80 kW 燃料電池系統(tǒng)。羅茨式空壓機(jī)在做功能力、功率密度以及經(jīng)濟(jì)性等方面具有較大的優(yōu)勢。

豐田 Mirai 使用高效六葉螺旋羅茨方式空壓機(jī)，如圖 4 所示。在低負(fù)載時(shí)流量約為 100 L/min，在高負(fù)載時(shí)約為 5 000L/min，大壓比約為 3。

羅茨式空壓機(jī)的工作轉(zhuǎn)速較低，可使用結(jié)構(gòu)復(fù)雜的空氣軸承 ; 高效運(yùn)行區(qū)較寬，可提高燃料經(jīng)濟(jì)性 ; 技術(shù)已經(jīng)相對成熟，在其他領(lǐng)域已得到比較充分的應(yīng)用。

3. 3. 5 螺旋式交叉滑片空壓機(jī)

螺旋式交叉滑片結(jié)構(gòu)屬于容積式機(jī)械，采用兩組呈 90 ° 的滑片鏈相互嚙合形成壓縮腔，并通過交叉旋轉(zhuǎn)來壓縮空氣。

美國 Mechanology LLC 開發(fā)了用于燃料電池系統(tǒng)的螺旋式交叉滑片壓縮機(jī)。對副轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，消除滑片間的功率傳遞，可有效減小滑片間的摩擦損失。同時(shí)通過對嚙合滑片表面結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，減小壓力損失，使空壓機(jī)出口壓力提高 6. 7 × 104 Pa。DOE 的測試結(jié)果顯示其樣機(jī)具有潛在性能優(yōu)勢，可在 1 500 r /min 低轉(zhuǎn)速下實(shí)現(xiàn)小體積大流量 ( 壓比 3. 2、流量 72 g /s ) 供氣，但樣機(jī)存在泄漏損失和進(jìn)出口壓力損失等問題。

3. 3. 6 活塞式空壓機(jī)

Vairex 公司開發(fā)的活塞壓縮機(jī)，通過改變活塞容積或者排氣閥的開度，流量和壓比分別單獨(dú)可調(diào) ( 如圖 5 所示 ) 。

3. 3. 7 渦輪式空壓機(jī)

英國 Aeristech 公司生產(chǎn)的電動(dòng)空壓器為采用鋁制渦輪增壓型壓縮機(jī) ( 如圖 6 所示 ) ，壓縮機(jī)與高轉(zhuǎn)速電機(jī)直連 ( 無減速機(jī)構(gòu) ) 。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，它與羅茨泵、螺桿泵增壓器差別較大 。

2017 款本田 Clarity 燃料電池電動(dòng)汽車使用了新電子渦輪空壓機(jī)，用來為燃料電池提供更多的氧氣。它原來的壓縮機(jī)類似機(jī)械增壓，加速工況噪聲較大。改用渦輪增壓之后，其噪聲與普通風(fēng)扇相當(dāng)霍尼韋爾 ( Honeywell ) 兩級電動(dòng)壓縮機(jī) ( 如圖 7 所示 ) 通過將燃料電池堆整體尺寸減小到與 V6 發(fā)動(dòng)機(jī)相當(dāng)，Clarity 的燃料電池組比以前的產(chǎn)品體積減小 33%。兩級電動(dòng)壓縮機(jī)采用空氣軸承，運(yùn)轉(zhuǎn)速度可達(dá) 110 000 r /min，gao壓力為 4 × 105 Pa，而且效率高、質(zhì)量輕、體積小。與本田 FCX Clarity 相比，Clarity Fuel Cell 的功率密度將增加 60%。

瑞士燃料電池公司 ( Swiss Hydrogen ) 使用 Celeroton 無油空氣軸承渦輪增壓壓縮機(jī) ( 如圖 8 所示 ) 與轉(zhuǎn)換器為菲亞特 500 的 10 kW 燃料電池增程器供氣。

3. 3. 8 滑片式和鉸鏈?zhǔn)娇諌簷C(jī)

松下公司的滑片式電動(dòng)空壓機(jī)計(jì)劃在混合動(dòng)力車、電動(dòng)汽車和燃料電池汽車上使用。新設(shè)計(jì)方案減小了逆變器體積，實(shí)現(xiàn)逆變器和壓縮機(jī)一體化，使壓縮機(jī)更加小型和輕量化。美國 MIEE Driver 科技公司提出在滑片壓縮機(jī)上將壓縮機(jī)和膨脹機(jī)集成，壓縮和膨脹的過程在一個(gè)氣缸中完成，開發(fā)了鉸鏈?zhǔn)綁嚎s膨脹機(jī)回收部分能量，實(shí)現(xiàn)低摩擦、全無油工作。

4 總結(jié)

DOE 發(fā)布的壓縮機(jī)測試程序是在 ISO1217: 2009 ( E ) 基礎(chǔ)上修改而成，介紹了空壓機(jī)測試程序和注意事項(xiàng)，包括了試驗(yàn)過程和相關(guān)細(xì)節(jié)。該測試規(guī)程有明確的適用范圍，還不能涵蓋全部空壓機(jī)類型。隨著燃料電池電動(dòng)汽車技術(shù)的發(fā)展，空壓機(jī)的研究、制造和測試技術(shù)會受到越來越多的重視，各種相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也會不斷提出和完善。

燃料電池電動(dòng)汽車用空壓機(jī)產(chǎn)品的類型較多，這跟燃料電池電動(dòng)汽車用空壓機(jī)發(fā)展初期各種探索和嘗試有很大關(guān)系。不同空壓機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)明顯，這需要行業(yè)從成本和性能等方面綜合考慮，做出選擇。從當(dāng)前情況來看，離心式空壓機(jī)和螺桿式空壓機(jī)比較受到重視，這與其自身高效可靠等優(yōu)點(diǎn)是分不開的。隨著燃料電池電動(dòng)汽車的繼續(xù)發(fā)展，空壓機(jī)的技術(shù)也會越來越成熟。

我國的車用燃料電池電動(dòng)汽車技術(shù)起步較晚，相關(guān)配套裝置的技術(shù)也相對落后，現(xiàn)有的空壓機(jī)產(chǎn)品在噪聲、轉(zhuǎn)速、體積、效率、壽命可靠性等方面都還有差距。只有加大理論研究和產(chǎn)品研發(fā)工作，才能為燃料電池電動(dòng)汽車技術(shù)的發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。