周拓1，白书战1，孙金辉"，张林营"
#.山东大学能源与动力工程学院，山东济南250061；2.康跃科技股份有限公司，山东潍坊262711)
［摘要］：车用燃料电池专用空压机作为电池阴极提供空气的设备，其性能直接决定整个燃料电池系统的效率。对比了几类空压机，发现离心式空压机各方面优势突出，更适合用于车用燃料电池。最后分析了其未来的发展趋势针对车用燃料电池对空压机的特殊要求，指出提高空压机性能的研究方向主要是提升永磁电机的高转速下转子的结构强度和轴承的稳定性，降低空压机的能量损失以及保证空压机良好的散热效果。
［关键词］：离心式空压机；燃料电池；研究现状；发展趋势
中图分类号：TH45文献标志码：B
文章编号：1006-2971(2021)01-0039-06
Current Analysis of Air Compressor Special for Vehicle Fuel Cell
ZHOU Tuo1,BAI Shu-zhan1,SUN Jin-hui2,ZHANG Lin-ying2
(1.School of Energy&Power Engineering,Shandong University,Jinan250061,China;
2.Kangyue Technology Co.,Ltd.,Weifang262711,China)
Abstract：The air compressor for special vehicle fuel cell is the equipment which supplies air for the cathode of battery,and its performance directly determines the efficiency of the entire fuel cell system.Comparing several types of air compressors,it is found that centrifugal air compressors have outstanding advantages in all aspects and are more suitable for automotive fuel cells.Finally,future development trend and the special requirements of air compressors for vehicle fuel cells have been analyzed.It is pointed out that the direction of research to im­prove the performance of air compressor is to improve the structural strength of rotor and the stability of bearing under the high speed of permanent magnet motor.At the same time,reducing the energy loss of air compressor and ensuring the good heat dissipation effect of air compressor are the main research directions as well.
Key words:centrifugal air compressor;fuel cell;research status;development trend
1引言
目前我国经济快速发展，节能减排已成为当下热点。随着化石能源的不可再生性和环保压力的日益增加，且燃油发动机排放物对环境和人类健康产生了不利影响[1]，化石衍生产品的主要最终
收稿日期：2020-11-18
当前的工叫动汽车的发展可能年的，但今天的这个行很大程上化石能源驱动的人始目能源。氢燃
排放程燃源
点，成为能源发展的主要。最的年，大公司和主要工
商已行的燃的
应用⑸，丰田、本田和现代作为领军者，率先推出 了氢燃料电池汽车。根据《2019年市场研究未来》
（MRFR ）报告，到2025年预计全球汽车氢和燃料
电池市场将复合年增长率将达到25%⑹；到2030年
燃料电池电动汽车美国预测在加利福尼亚州将有100万辆燃料电池汽
车；中国、日本和韩国的目标是1, 0.8和0.6百万
辆燃料电池电动汽车⑺。预计未来车用燃料电池的
市场前景广阔。
氢燃料电池主要部件包括燃料电池堆、空气 供
、 和氢气供
[8], 中空气供 的主要部件为空气
q
意如图1所。图2为某模拟燃料
电池电动 念车， 了 110 5W 的燃料电池[9]o
空 是燃料电池 供气 的要 :
部， 增 堆的空气，
燃料电池
的率和率
$10%。
，氢燃料电池 的化应 空气的
和
有 的要，图4 （a ） ， 气的增大，燃料电池的电堆 率
，图4
（b ） 了气 增， 本
。
通过对比Snowman 、 Honeywell 、 FischerSpindlede
的车用空
[13"14]， 现 空
有
率 ；
根据车用燃料电池电堆 空气 的要[10]，用 车用燃料电池 用空 要 有
油、 、 、
和
叫
2空压机的类型
空 是将动# 是电动
）
的
气
的。根据 作
，
主要
、
和
，
图如图3所。中， 用
车 燃料电池的空 一般为离心式、涡旋式、
螺杆式空气 。
2.1涡旋式空压机
涡旋式空 静涡旋盘和动涡旋盘的啮合
形成了多个 室， 2个交错的螺旋状叶片
空气，
实现气的吸入和
。
独的 ，涡旋空 有 简单、
、
和寿命长 ，
也存在密封要 缺陷。
目前涡旋式的输出 偏，
导致车用方向应用较少[16%。
2.2螺杆式空压机
目前，市场上使用的主要为双螺杆空压机。 双螺杆空
的运行主要
子动，齿槽容
|储氢罐|—|压气机|空气
| 營 __
[ 散热+回收|
图1燃料电池示意图
燃料
电池 电堆
T 废气直流三相电 /变压器I 燃料电池I
红外接口「
汽车驱动电池
后轴电动机
氢气再循环风机
前电动机驱动电控
前轴电动机
后电机驱动电控
空压机
氢气罐（3）
图2模拟燃料电池电动汽车[9]
|空压机
透平型g 活塞式 螺杆式 涡旋式
离心式
轴流式
热力型|~»丽式
图3空压机类型
积变大吸气，通过阴阳转子的相互啮合将气体压 向排气端并加压后，经排气口排岀。由于可靠性 高、结构简单、效率高的特点，螺杆空压机是燃
料电池专用空压机的理想机械，但由于噪声大，
重量体积较大，且寿命较短，车用方向已逐步被
其他空压机 。2.3离心式空压机
空压机 于 压 机，
用电机直驱方式，在电机转子超高速旋转下，叶
轮带动气体高速旋转，与 相互用 高压、
大量的空气，将机械转 气体。由 于结构 、
、 性好、质量轻且
、 在
效率较高 点， 被的空气压方
。2019年6
的重点 可
，
125 g/s , 16 kW ，质量15 kg 压比达到2.5的压缩机
子 [11]，
在车用燃料电池 ，/是 量 、 压 高、 大 量， 空压机
是
特点，逐步成为车用燃料电池空压
机的理想选择。
2.4空压机研究现状
目前，
车企、研究机构已花费大量
经费进 燃料电池车的专用空气压缩机的用。 大燃料电池汽车
空气
系统 的空压机
相， 的燃
料电池汽车
的空压机
1所示。
燃料电池车用压机的相关 ， 大、 大
机构对相关
进
，但
于实验室 。d
技大学的任天 制岀了水润滑轴承支承的高速
离心式空压机，其转速达到了100000 r/min ，功率
达到10 kW ，并在实验中转速保持98000 r/min 时， 量流量 73 g/s 、压2.22，电机效率 | 68%，验证符合50 kW 级燃料电池的应用阿。I ；
大
空压机成果显著，张智
制了一种可以满足60-80 kW 大功率燃料电池 机的两级串联增压直驱
空压机，解决 '
需进气压力大、量范围宽的需求， 超高转 速、高效率、长寿命、无润滑油 特点； 庆
通过 化 空压机 片进口直径、岀口宽度
以及扩压器长度的关键参数，得化后的轮
更加稳， 损失降低，效率提高
了4%阴；左曙光
用Kriging 模 针对
轮进 参数化，化后在设计点压 提高
3.56%，
f 效率提高1.02%㈣。 的力口博
公司联合清华大 车系成功 双极增压设
计的XT-FCC 系列气悬浮空压机，最高转速
11000 r/min ，流量达到108 g/s ，压比达到2.5；潍 坊的康跃设计制了燃料电池用的双极增压空压机，
转速80000 r/min ；毅合捷汽车研
制 60 kW 燃料电池进气系统的
空压
机， 大转速 12000 r/min ，
大压 2.3，
大量68 g/s ，还设计
种燃料电池
徒訂
-H
帘爆能
O
(a )进气压力与燃料电池功率密度关系(b )进气压力对燃料电池系统成本影响
图4燃料电池进气压力对性能及成本的影响
2.0    2.5
3.0
进气压力
表！各公司燃料电池汽车的空压机类型
生产商曾用当前
上汽罗茨式离心式
通用螺杆式离心式
本田螺杆式离心式
戴姆勒螺杆式离心式
现代离心式离心式
图5XC-FCC空压机
动机的单级增压直驱离心式空压机，相比于双极增压，大大减小了体积，降低功耗，提高了稳定性。图5为势加透博的XC-FCC空压机。
国际上，由于投入较早，车用燃料电池专用空压机的技术已经产业化并在多款汽车上经历长时间的运行。目前在韩国、美国、日本等国际汽车公司都普遍认为离心式压缩机为，前
阔。美国Ho+eywell公司自1997年便开始了燃料电池专用离心式空压机的，2003更是与美国能源部DOE研发出110000r/min的高速离心式空压机，该空压机用空气轴承，最大100>/s，大压  3.2，空压机8.2kg C20b2016年韩国汽车公司用式空了第车燃料电池用的离心式压缩机，功第
的8kW提升到了10kW，大大减了空压机的体积日本本公司为了第Lysholm空压机较大的，于2017年
了款用空的双级式空压机㈤，空气压提高了1.7，总体积
减小。
总的，国车用燃料电池专用空压机的于，与国技术较大，在高电机性能、的稳定性大的上空间。，比国
的空压机，高电机已为目前空压机的驱动电机，用时空
用于车用燃料电池专用空压机。
3永磁电机
多的投入空压机，为空压机的驱动电机，年于高电机性能的
入，电技术
料的运用，高电机能直驱动、较大、功高等已为的驱动电机。
高电机为空压机的驱动电机，本是电能化为机械能从而驱动空压机叶旋。在化程存在不可避免的热损耗，
而导致电机各部位温高，的甚至会影响电机的性能。高电机较高，的电磁交变频高，电机绕组定子铁芯产生大的铜耗铁耗，这些损耗占电机总热的90%左右［22］，使得电机热严而导致体热久退。针电机能损耗温的，一般高电机的设计、工艺料等设计。Ma Jie等人在电机设计时优化子体尺寸和添加辅助槽［23］，大大降低了电子子的涡损耗；北京科技大学的陈夺了电机极弧系数、定子槽数定子槽口宽等参数金子涡损耗的影响［24D；日本的Okamoto S为了降低电机的铁损，使用非晶磁性料硅钢，使得定子铁心的铁耗降低了50%国，子由于高旋会产生较大的离心，此电机部的子结构强度要求高。针高速电机子结构强的究，早在20世纪80年，典的皇学院就
用子保护套保护子结构国；Kim S根据：的表贴式电机子结构，设计了新型子设计［27D，提高了电机的整体国大学的Shu Wang提出设计了辅助的子结构［28］，降低了电产生的动
，保了子的结构强车的设计了U+1结构的电机子结构国，彳
提高了词组转矩和永磁转矩，大大提高了转子的机械强度。同时针对空压机、高速永磁电机的散热结构，也是提高电机、空压机使用寿命的有效途径。
总的来说，目前永磁电机的研发与优化设计，是提高车用燃料电池专用空压机性能的有效途径。在电机高速运转下，通过优化转子结构和电机的相关工艺、结构设计、材料选择等，降低了电机的能量损耗，提高了空压机驱动电机的性能和稳定性，是当下的主流研究方向之一。
4轴承
高速电机的和稳定性的关在，
的性能定电机的使用寿命。目前，车用燃料电池专用空压机的转速过100000r/min，且要求无油润滑，对此，传统的滚
，和空了主要研究对，空是
度，等用车空压机。
对空的研究相对，，
用。早在1854年，的G.Hur I 提了空的设，1928年的Thomson Houton公司就研发了[30]，2019年美国的Tribology Group7819利用气垫效应来优化空，大大了和损，提高了的性；对相对，2060年空的与研究7叫
空压机转速的提高，来的关的研究，2019年大的通过研究了和对
转子统的，设计了的和的，了
的度[33]O
5结论
文阐述了车用燃料电池专用空压机的发展现状，同时通过分析、对各种类的空压机，发现作目前车用燃料电池专用的主流空压机，空压机会以后的主要研究和实用的对9同时对研制的新型空压机，永磁电机作空压机的驱动电机，运用空也因高转速运，逐取统的9因此，针对车用燃料电池专用空压机，当下研究和攻坚的主流方向
是提高空压机永磁电机的转速和转子结构强度的同时降低电机的能量损耗提高的寿命和稳定性，同时空压机结构上的散热优化与设计也会是未来主要研究方向9
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