氢燃料电池之肺-空压机技术之谜

空压机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。那么要让燃料电池系统拥有强大的“心-肺功能”，对燃料电池系统的空压机有什么需求呢？

答案是：效率高，体积小，无油，工作流量及压力范围大，噪音小，耐振动冲击、动态响应快等。针对这些需求，常见的空压机类型有螺杆式、罗茨式、离心式压缩机等。主要特点分别如下：

螺杆式空压机通过电机驱动汽缸内一对互相啮合的螺杆旋转在螺杆之间形成压缩腔，从而产生压缩空气。螺杆压缩机的排气量几乎不受排气压力的影响，在宽广范围内能保证较高的效率，缺点是噪声很大，体积大。

罗茨式空压机的主要零件包括转子、同步齿轮、机体、轴承密封件等。罗茨式空压机工作过程为：由于转子不断旋转，被抽气体从进气口吸入到转子与泵壳之间的空间内，再经排气口排出。罗茨式空压机工作范围宽广，结构简单、维修方便，使用寿命长、振动小，缺点是体积大，噪音很大，空气出口需要配备专门的消音装置。

离心式压缩机又称透平式压缩机，其工作原理是，当叶轮高速旋转时，在离心力作用下，气体被甩到后面的扩压器中去，而在叶轮处形成真空地带，这时外界的新鲜气体进入叶轮。叶轮不断旋转，气体不断地吸入并甩出，从而保持了气体的连续流动。

离心式空压机在效率、噪音、体积、无油、功率密度等方面具有良好的综合效果，被认为是最有前途的空气机类型之一。目前，本田、通用、现代以及上汽在燃料电池系统中使用的空压机类型都为离心式空压机。

因此，我们专门对离心式空压机做详细介绍。

典型的高速离心式空压机主要特征有：

🔹  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；

🔹  高速电机转子直接驱动叶轮旋转压缩气体；

🔹  高速电机转子由空气轴承进行支撑；

🔹  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。

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。

空气轴承

燃料电池对空压机输出的空气具有较高的清洁度要求，若使用滚动轴承或油滑动轴承，来自轴承中的润滑油会污染电堆，引起其“中毒”。要想解决这个问题，最好的办法就是不使用润滑油，而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。

此时的转速即为 “起飞”转速。在低于“起飞”转速时，转子和轴承表面之间会存在接触摩擦，因此，必须在轴承内表面镀上一层固体润滑材料，降低转子启停时转子和轴承表面的磨损。转子启停时的磨损会对空压机的耐久性产生重要影响。

电机转子

我们在玩摩天轮的时候，最担心的就是是否会被甩出去，好在安全带牢固，被甩出去的概率很小。同样，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，因此必须对永磁体也加装“安全带”，常用的有碳纤维捆扎和安装合金护套。同时电机转子多设计为细长型，减小将其甩出去的离心力。

地球除了会自转以外，还会绕太阳公转，空压机的转子同样如此。只可惜地球绕太阳公转产生了美妙的春夏秋冬，空压机的转子公转只会带来不良的振动。转子系统的振动量会对轴系的稳定性、可靠性以及NVH性能产生很大的影响，因此，必须尽可能地降低转子振动。降低转子的振动主要从以下三个方面考虑。

🔹  对转子进行动平衡，使转子的偏心尽可能小。

🔹  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。

🔹  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。

冷却系统

万物都有正反面，凡事都是双刃剑。离心式空压机由于转速高给自身带来诸多好处的同时，也给自己惹来了不少麻烦。由于转速高，定子绕组电流频率高，电机的各项损耗与常速电机相比都有较大的增加，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。

设计一个良好的冷却系统，是空压机长期稳定运行的关键。在燃料电池用离心式空压机中，一般有水冷和空气冷却两路冷却。水冷却路主要对电机的定子以及控制器进行冷却，空气冷却路主要对空气轴承以及转子进行冷却。

综上，离心式空压机在效率、噪音、体积、无油、功率密度等方面具有良好的综合效果，被认为是最有前途的空气机类型之一。

离心式空压机在电机转子强度、转子系统动力学、高速轴承、冷却系统与温升设计以及控制器的研制等方面存在特殊关键问题，其设计是一个集计算流体力学、电磁场、转子强度、转子动力学、温度场等多物理场多次迭代的综合设计过程。

来源 | 捷氢科技