燃料电池空压机技术解析

辛强，陈侠

(1.中国汽车零部件工业有限公司，北京 100083；2.苏州中汽检测技术服务有限公司，江苏苏州 215134)

0 引言

近年来，在能源危机和环境保护的双重压力下，由于对高效清洁能源的需求，燃料电池技术得到了迅速发展。燃料电池技术具有燃料多样化、排放清洁、噪声低、环境污染小、可靠性和可维护性好等优点。它被认为是一种具有巨大发展前景的新型能源，其中被认为是世界各国高科技领域的重点工程。

新能源燃料电池工作系统在燃料电池电动车工作中起着至关重要的作用，而此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、噪声等重要性能指标[1]。

1 燃料电池空压机介绍

1.1 空压机种类

目前，车用氢燃料电池空气压缩机主要有离心式、螺杆式、罗茨式、涡旋式等[1]。

离心式空压机转速高、尺寸小、质量轻，但存在喘振现象，在变工况下，性能会变差，甚至影响到压缩机的使用和寿命安全[2-3]。

螺杆式属于机械增压，在工况变化的情况下，其性能几乎不变，效率高、可靠性高，但噪声较大、质量较重[1]。

罗茨式因压力值达不到氢燃料电池工作的最佳效率点，且振动噪声大、效率低[1]。

涡旋式受限于自身结构原因，空间占用较大；同时，因无油涡旋空压机的密封方式为PTFE密封条结构[1]，在工作运转过程中，密封条磨损大、寿命短；在车用变工况使用的情况下，可靠性差。

燃料电池空压机如图1所示。

1.2 基本特性

空压机在做功过程中，效率、进出压缩比是性能的重要指标，使用在燃料电池上，空压机需要具备以下特性[1-3]：

(1)无油。润滑油膜覆盖质子交换膜和催化剂会隔绝氢氧电化学反应。

(2)小型化及轻量化。汽车内部空间有限，要提高空压机的压缩能力，可以通过增加容积或者增加轴承转速两种方式，小型化高转速是大势所趋。

(3)低噪声。目前国内很多车辆的噪声较大和空压机密切相关，噪声源主要来自于空气与管道之间的摩擦以及空压机高机械转动的声音及转动的声音。

(4)动态响应快。车用动力系统会从“氢电锂电混合”走向氢电全功率驱动，空压机需要在每个工况下都能及时提供指定压缩空气。

(5)控制系统响应快。车辆对需要功率变化较大，空压机需要能够及时地做出响应，对空气流量进行控制。

(6)材料要求高。为了达到压缩机低成本、低噪声、耐久性的目的，必须为压缩机的关键部件开发低成本、稳定的摩擦性能和耐磨性的涂层和材料。

根据燃料电池的空气进气压力，可分为低压(30 kPa)、中压(60～100 kPa)和高压(150～300 kPa)燃料电池[1]。低压燃料电池一般用于通信电源、备用电源、无人机等领域；中压燃料电池一般应用于客车、物流车等交通领域；乘用车一般配置的燃料电池是高压的。

由于不同的燃料电池系统所需性能要求不尽相同，在选型上需要考虑到喘振线距离、超负荷工况余量、环境温度、供电电压、预充、通信、噪声、冷却等因素的影响[1]。目前常用的空压机类型有离心式、罗茨式、螺杆式3种[2-3]。

另一方面，对于氢燃料电池来说，由于质子交换膜需要保持良好的工作特性，这就要求供气系统供给燃料电池堆的压缩空气必须绝对干净，因此，对空压机技术要求十分高。

2 燃料电池空压机现状及趋势

离心式空压机通过旋转叶轮[2-3]对气体做功，在叶轮与扩压器流道内，利用离心升压和降速扩压作用，将机械功转化为气体内能。由于具有结构紧凑、响应快、寿命长和效率高的特点，是最被看好的增压方式之一。表1为最近开发的燃料电池系统中用到的空压机种类[1]。

表1 最近开发的燃料电池系统中使用的空压机种类

随着国内氢燃料电池汽车市场的逐步扩大，围绕燃料电池的核心零部件也在加快国产化的步伐。从目前国内的氢燃料电池市场来看，螺杆式空压机所占市场份额相对较多，但现在已经有越来越多的燃料电池和系统厂商开始采用离心式空压机替换[4-5]。

从目前市场情况来说，有抱负的主机厂面临最大的问题就是降成本，考虑到开发成本、市场规模和管理等综合因素，离心式空压机的成本最高，但由于其结构紧密、体积最小、物理结构的决定，在未来大批量条件下，其成本下降空间最大。

值得注意的是，离心式空压机在低流量时会发生喘振现象[1]，这会大大影响其系统性能和空压机的使用寿命。

对于有些燃料电池厂商来说，国产空压机在可靠性和使用寿命上还存在缺陷，因此对于实际装车来说，还是以进口产品为主。

目前来看，国产空压机的优势在于性价比和售后服务，在依赖进口核心部件中，空压机率先进行国产化的可能性很大，但要满足未来大批量需求，还需在可靠性和使用寿命上进行更深入地开发。

3 燃料电池空压机测试方法解析

燃料电池空压机一般性能试验项目包括：随机振动、温度循环、温度冲击、盐雾、电磁兼容、耐久性等。

(1)随机振动试验：模拟车辆在路面行驶时，前后、上下、左右方向的颠簸状态，考核空压机的可靠性。振动试验主要由以下部分构成：

高压直流电源：向控制器提供额定电压；

冷却系统：向空压机及控制器提供一定压力的冷却水；

压缩空气系统：向空压机提供无油、无水的干净的压缩空气；

振动系统：提供一定频率、加速度的不同方向振动；

采集系统：采集空压机进、出口空气温度、内部温度、冷却水进水温度、进、出口空气压力、进水压力、出口空气流量；

控制器及软件：控制空压机转速及监控相关参数。

随机振动试验如图2所示，振动安装如图3所示，振动整体示意图如图4所示。

图2 随机振动试验示意

图3 振动安装示意

图4 振动整体示意

(2)温度循环试验：空压机定子进行快速温度变化的温度循环试验。考核定子内部的橡胶涂层温度老化可靠性，如图5所示。

图5 温度循环示意

(3)温度冲击试验：考核空压机及控制器在温度急剧变化条件下的环境可靠性，如图6所示。

图6 温度冲击示意

4 结束语

文中对燃料电池空压机的基本结构、现状及趋势、试验方法做了介绍，以供读者参考和使用。

一般来说，如何满足高效燃料电池系统中压缩空气压力和气体流量的连续可调性，如何降低压缩过程中的功耗，保证其可靠性，如何回收燃料电池系统的残余空气压力，提高整体性能。如何降低供气系统的体积、质量和制造成本，是未来燃料电池供气系统技术研究的主要方向。