車用燃料電池專用空壓機的現(xiàn)狀分析

周 拓，白書戰(zhàn)，孫金輝，張林營

（1.山東大學能源與動力工程學院，山東濟南 250061；2.康躍科技股份有限公司，山東濰坊 262711）

1 引言

目前我國經濟快速發(fā)展，節(jié)能減排已成為當下熱點。隨著化石能源的不可再生性和環(huán)保壓力的日益增加，且燃油發(fā)動機排放物對環(huán)境和人類健康產生了不利影響[1]，化石衍生產品的主要最終用戶是當前的汽車工業(yè)[2]，盡管電動汽車的發(fā)展可能會改變未來十年的敘述，但今天的這個行業(yè)很大程度上是由化石能源驅動的[3-4]，因此人們開始逐漸將目光聚焦在新能源汽車方向。氫燃料電池憑借其零排放、續(xù)駛里程長、燃料來源廣泛等優(yōu)點，成為新能源汽車發(fā)展的主要方向之一。最近的十幾年，大多數(shù)汽車公司和主要工業(yè)企業(yè)制造商已資助正在進行的燃料電池應用研究在車輛的應用[5]，豐田、本田和現(xiàn)代作為領軍者，率先推出了氫燃料電池汽車。根據(jù)《2019年市場研究未來》（MRFR）報告，到2025年預計全球汽車氫和燃料電池市場將復合年增長率將達到25%[6]；到2030年美國預測在加利福尼亞州將有100萬輛燃料電池汽車；中國、日本和韓國的目標是1、0.8和0.6百萬輛燃料電池電動汽車[7]。預計未來車用燃料電池的市場前景廣闊。

氫燃料電池主要部件包括燃料電池堆、空氣供給系統(tǒng)、水管理系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)和氫氣供給系統(tǒng)組成[8]，其中空氣供給系統(tǒng)的主要部件為空氣壓縮機。整體示意如圖1所示。圖2為某模擬燃料電池電動概念車，搭載了110 kW的燃料電池[9]。

空壓機是燃料電池陰極供氣系統(tǒng)的重要組成部分，通過增壓進堆的空氣，從而提高燃料電池的效率和功率密度[10]。同時，氫燃料電池發(fā)生的化學反應對進入空氣的溫度、濕度、壓力和流量等參數(shù)有嚴格的要求，由圖4（a）可知，隨著進氣壓力的增大，燃料電池的電堆功率密度提高，圖4（b）反映了進氣壓力增大，系統(tǒng)成本顯著降低。通過對比Snowman、Honeywell、FischerSpindlede等公司的車用空壓機產品[13-14]，發(fā)現(xiàn)這些空壓機均具有高壓比、高功率、大流量、結構緊湊等特點；另外根據(jù)車用燃料電池電堆對于空氣質量的要求[10]，這就使得適用于車用燃料電池專用空壓需要具有無油、體積小、噪聲低、高壓比和轉速高等特點[15]。

2 空壓機的類型

空壓機是將原動（通常是電動機或柴油機）的機械能轉換成氣體壓力能的裝置。根據(jù)其工作原理，主要可以分位三大類：容積型、透平型和熱力型，詳細分類圖如圖3所示。其中，可以用于車載燃料電池的空壓機一般為離心式、渦旋式、螺桿式空氣壓縮機。

2.1 渦旋式空壓機

渦旋式空壓機由靜渦旋盤和動渦旋盤的嚙合形成了多個壓縮室，通過2個交錯的螺旋狀葉片壓縮空氣，從而實現(xiàn)氣體的吸入和壓縮。由于其獨特的結構，渦旋空壓機具有結構簡單、體積小、噪聲低和壽命長等特點，同時也存在密封要求高等缺陷。另外由于目前渦旋式的輸出壓力偏低，導致車用方向應用較少[16]。

2.2 螺桿式空壓機

圖1 燃料電池示意圖

圖2 模擬燃料電池電動汽車[9]

圖3 空壓機類型

目前，市場上使用的主要為雙螺桿空壓機。雙螺桿空壓機的運行主要通過轉子轉動，齒槽容積變大吸氣，通過陰陽轉子的相互嚙合將氣體壓向排氣端并加壓后，經排氣口排出。由于可靠性高、結構簡單、效率高的特點，螺桿空壓機是燃料電池專用空壓機的理想機械，但由于噪聲大，重量體積較大，且壽命較短，車用方向已逐步被其他空壓機所取代。

2.3 離心式空壓機

離心式空壓機屬于透平壓縮機，目前一般采用電機直驅方式，在電機轉子超高速旋轉下，葉輪帶動氣體高速旋轉，與蝸殼相互作用產生高壓、大流量的空氣，將機械能轉換為氣體動能。其由于結構緊湊、尺寸小、封閉性好、質量輕且振動小、在額定工況效率較高等優(yōu)點，被視為未來最有前途的空氣壓縮方式之一。2019年6月中國科學技術部啟動的重點項目可再生能源和氫能技術中，125 g/s，16 kW，質量15 kg壓比達到2.5的壓縮機研發(fā)子項目[11]，表明了在車用燃料電池領域，發(fā)展趨勢是質量輕、壓比高、大流量，離心式空壓機正是具有這些特點，逐步成為車用燃料電池空壓機的理想選擇。

2.4 空壓機研究現(xiàn)狀

目前，全球眾多車企、研究機構已花費大量經費進行氫燃料電池車的專用空氣壓縮機的研發(fā)和使用。全球各大燃料電池汽車生產商為空氣供應系統(tǒng)選擇的空壓機類型也不盡相同，主要的燃料電池汽車生產商選擇的空壓機類型如表1所示。

目前國內燃料電池車用壓縮機的相關研究中，北京科技大學、同濟大學等多家機構對相關技術進行了研究，但都只局限于實驗室研究。北京科技大學的任天明研制出了水潤滑軸承支承的高速離心式空壓機，其轉速達到了100000 r/min，功率達到10 kW，并在實驗中轉速保持98000 r/min時，質量流量達到73 g/s、壓比2.22，電機效率達到68%，驗證符合50 kW級燃料電池的應用[17]。同濟大學研究離心式空壓機也成果顯著，張智明等研制了一種可以滿足60～80 kW大功率燃料電池發(fā)動機的兩級串聯(lián)增壓直驅離心式空壓機，解決了所需進氣壓力大、流量范圍寬的需求，具有超高轉速、高效率、長壽命、無潤滑油等特點；展慶等通過研究優(yōu)化了空壓機葉片進口直徑、出口寬度以及擴壓器長度的關鍵參數(shù)，使得優(yōu)化后的葉輪流到內流動更加穩(wěn)定，流動損失降低，效率提高了4%[18]；左曙光等采用Kriging 模型針對離心葉輪進行了參數(shù)優(yōu)化，優(yōu)化后在設計點壓縮比提高3.56%，等熵效率提高1.02%[19]。國內的勢加透博公司聯(lián)合清華大學汽車系成功研發(fā)了雙極增壓設計的XT-FCC 系列氣懸浮空壓機，最高轉速11000 r/min，流量達到108 g/s，壓比達到2.5；濰坊的康躍設計研制了燃料電池用的雙極增壓離心式空壓機，額定轉速80000 r/min；毅合捷汽車研制了能作為60 kW燃料電池進氣系統(tǒng)的離心式空壓機，最大轉速達到12000 r/min，最大壓比達到2.3，最大流量為68 g/s，還設計發(fā)明了一種燃料電池發(fā)動機的單級增壓直驅離心式空壓機，相比于雙極增壓，大大減小了體積，降低功耗，提高了穩(wěn)定性。圖5為勢加透博的XC-FCC空壓機。

圖4 燃料電池進氣壓力對性能及成本的影響

表1 各公司燃料電池汽車的空壓機類型

圖5 XC-FCC空壓機

國際上，由于投入較早，車用燃料電池專用空壓機的技術已經產業(yè)化并在多款汽車上經歷長時間的運行。目前在韓國、美國、日本等國際汽車公司都普遍認為離心式壓縮機為未來主流方向，前景廣闊。美國Honeywell公司自1997年便開始了燃料電池專用離心式空壓機的研發(fā)工作，2003更是與美國能源部DOE研發(fā)出110000 r/min的高速離心式空壓機，該空壓機采用空氣軸承，最大質量流量100 g/s，最大壓力約3.2，且空壓機重量僅8.2 kg[20]；2016年韓國現(xiàn)代汽車公司采用箔片式空氣軸承研發(fā)了第三代車載燃料電池用的離心式壓縮機，功率從第一代的8 kW提升到了10 kW，大大減少了空壓機的體積和質量；日本本田公司為了彌補第一代Lysholm空壓機噪聲較大的缺陷，于2017年和蓋瑞特聯(lián)合開發(fā)了一款采用空氣軸承的雙級混流式空壓機[21]，空氣壓力提高了1.7倍，總體積噪聲明顯減小。

總的來說，國內車用燃料電池專用空壓機的研發(fā)還處于起步階段，與發(fā)達國家技術差距較大，在高速電機性能、軸承的穩(wěn)定性方面還有很大的研究上升空間。另外，通過分析對比國內外研發(fā)的空壓機，高速永磁電機已成為目前空壓機的主流驅動電機，實用效果顯著；同時空氣軸承也逐步替代傳統(tǒng)軸承應用于車用燃料電池專用空壓機領域。

3 永磁電機

隨著越來越多的研究投入到空壓機中，作為空壓機的驅動電機，近年來對于高速電機性能的研究越來越深入，且隨著電力技術和稀土永磁材料的廣泛運用，高速永磁電機因能直接驅動負載、氣隙較大、功率密度高等優(yōu)點已成為主流的驅動電機。

高速永磁電機作為空壓機的驅動電機，其本質是將電能轉化為機械能從而驅動空壓機葉片旋轉。在轉化過程中存在不可避免的熱損耗，從而導致電機各部位溫度升高，有的甚至會影響電機的性能。高速永磁電機轉速較高，對應的電磁交變頻率很高，電機繞組和定子鐵芯中產生大量的銅耗和鐵耗，這些損耗占到電機總發(fā)熱量的90%左右[22]，使得電機發(fā)熱嚴重從而導致永磁體過熱永久退磁。針對電機能量損耗和溫升的研究，一般從高速電機的設計、工藝和材料等方面研究設計。Ma Jie等人在電機設計時優(yōu)化轉子永磁體尺寸和添加輔助槽[23]，大大降低了電子轉子的渦流損耗；北京科技大學的陳奪分析了電機極弧系數(shù)、定子槽數(shù)和定子槽口寬度等參數(shù)對點金轉子渦流損耗的影響[24]；日本的Okamoto S為了降低電機的鐵損，使用非晶磁性材料代替硅鋼片，使得定子鐵心的鐵耗降低了約50%[25]；另外，轉子由于高速旋轉會產生較大的離心力，因此對電機內部的轉子結構強度要求很高。針對高速電機轉子結構強度的研究，早在20世紀80年代，瑞典的皇家工學院就采用轉子保護套保護轉子結構[26]；Kim S根據(jù)傳統(tǒng)的表貼式永磁電機轉子結構，設計了新型轉子設計[27]，提高了電機的整體效率；國內天津大學的Shu Wang提出設計了一種帶有輔助磁通屏障的改進轉子結構[28]，有效降低了電磁力產生的振動和噪聲，保證了轉子的結構強度；中車的黃紹枝設計了一種“U+1”拓撲結構的電機轉子結構[29]，有效提高了詞組轉矩和永磁轉矩，大大提高了轉子的機械強度。同時針對空壓機、高速永磁電機的散熱結構，也是提高電機、空壓機使用壽命的有效途徑。

總的來說，目前永磁電機的研發(fā)與優(yōu)化設計，是提高車用燃料電池專用空壓機性能的有效途徑。在電機高速運轉下，通過優(yōu)化轉子結構和電機的相關工藝、結構設計、材料選擇等，降低了電機的能量損耗，提高了空壓機驅動電機的性能和穩(wěn)定性，是當下的主流研究方向之一。

4 軸承

高速電機的安全和穩(wěn)定性的關鍵在于軸承，軸承的性能直接決定電機的使用壽命。目前，車用燃料電池專用離心式空壓機的轉速普遍超過100000 r/min，且要求無油潤滑，對此，傳統(tǒng)的滾珠軸承已經不再適合，水軸承和空氣軸承成為了主要研究對象，其中空氣軸承更是由于整體復雜度小，寄生功率小等更加適用于車載離心空壓機。國外對于空氣軸承的研究相對較早，更為完善，且已投入實際應用。早在1854年，法國的G.Hur教授就提出了空氣軸承的設想，1928 年英國的Thomson Houton 公司就研發(fā)了氣體箔片軸承[30]，2019年美國的Tribology Group[31]利用氣墊效應來優(yōu)化空氣軸承，大大減少了摩擦和磨損，提高了氣體的密封性；對比國內起步相對較晚，20世紀60年代開始進行空氣軸承的理論與實驗研究[32]。隨著離心式空壓機轉速的提高，越來越多的人開始關注氣體軸承的研究，2019年湖南大學的郭志陽通過實驗研究了靜載荷和不平衡載荷對氣體箔片軸承支承轉子系統(tǒng)的影響，并設計了氣體軸承的靜載荷和不平衡載荷的加載裝置，增加了氣體軸承的剛度[33]。

5 結論

本文闡述了國內外車用燃料電池專用空壓機的發(fā)展現(xiàn)狀，同時通過分析、對比各種類的空壓機，發(fā)現(xiàn)作為目前車用燃料電池專用的主流空壓機，離心式空壓機會成為以后的主要研究和實用的對象。同時對比國內外研制的新型離心式空壓機，永磁電機作為空壓機的驅動電機，實際運用較多；空氣軸承也因更適合高轉速運行，逐步取代傳統(tǒng)的滾珠軸承。因此，針對車用燃料電池專用離心式空壓機，當下研究和攻堅的主流方向就是提高空壓機內永磁電機的轉速和轉子結構強度的同時降低電機的能量損耗；提高軸承的壽命和穩(wěn)定性，同時空壓機結構上的散熱優(yōu)化與設計也會是未來主要研究方向。