空壓機(jī)在燃料電池系統(tǒng)中的作用是為電堆輸送特定壓力及流量的潔凈空氣，為電堆內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)提供氧氣，是燃料電池系統(tǒng)中的核心部件之一，并被稱為燃料電池之肺。

　　

 

　　離心式空壓機(jī)

　　空壓機(jī)的開發(fā)目標(biāo)

　　提高燃料電池堆的入口壓力(即空壓機(jī)的出口壓力)能夠提高氧氣分壓，當(dāng)燃料電池工作在高負(fù)荷區(qū)間時，也能提高單電池電壓。下圖標(biāo)識空壓機(jī)的壓比(即空壓機(jī)出口和入口的壓力比值)和燃料電池系統(tǒng)效率的變化關(guān)系。

　　

 

　　壓比和燃料電池系統(tǒng)效率關(guān)系

　　從圖中可見，壓比提高有利于燃料電池系統(tǒng)效率的提升。因此，工作壓力的提高能夠降低燃料電池電堆中單電池的數(shù)量(功率輸出相同條件下)，可進(jìn)一步降低燃料電池系統(tǒng)的體積和成本。

　　提高空壓機(jī)出口壓力不僅有利于提高輸出性能，降低系統(tǒng)成本和體積，而且也會提高電堆的相對濕度，減少加濕量。下圖表示空氣的溫度、壓力和電堆相對濕度的關(guān)系，橫坐標(biāo)為壓比，縱坐標(biāo)為工作溫度，左上方為干燥狀態(tài)，右下方為濕潤狀態(tài)。

　　

 

　　壓力、溫度和電堆相對濕度關(guān)系

　　由圖可見，隨著壓力的增加，電堆向右下方的濕潤區(qū)域移動，降低了加濕量，從而可以減少加濕器的體積。即便電堆工作在較高溫度的區(qū)間內(nèi)，提高工作壓力也會使得電堆的濕度維持在較為適宜的水平。由此可以推斷，當(dāng)垂直爬坡、迎風(fēng)或者散熱器散熱能力差時(三者都導(dǎo)致電堆溫度升高)，電堆的性能也會得到保障。

　　因此，本田公司為Clarit燃料電池開發(fā)空氣供應(yīng)系統(tǒng)的目標(biāo)有：

　　1.提高空氣壓力實(shí)現(xiàn)電池輸出性能提高，減少了燃料電池堆的單電池數(shù)量，降低系統(tǒng)系統(tǒng)體積和成本;

　　2.提高空氣壓力減少加濕量，降低加濕器體積，增加燃料電池高溫工作區(qū)間;

　　3.采用電動渦輪增壓空壓機(jī)實(shí)現(xiàn)降噪，取消了降噪輔助設(shè)備，降低了空氣供應(yīng)系統(tǒng)的體積;

　　4.開發(fā)了無傳感器控制的逆變器，實(shí)現(xiàn)了無旋轉(zhuǎn)變壓器電機(jī)的小型化，有助于減小燃料電池系統(tǒng)體積。

　　燃料電池離心式空壓機(jī)的結(jié)構(gòu)原理

　　由于燃料電池的特殊性，要求與之配套的空壓機(jī)具有效率高、體積小、無油、工作流量及壓力范圍大、噪音小、耐振動沖擊、動態(tài)響應(yīng)快等特點(diǎn)，目前，常見的空壓機(jī)類包括螺桿式、羅茨式、離心式壓縮機(jī)等。

　　如今，本田、通用、現(xiàn)代以及上汽在燃料電池系統(tǒng)中使用的空壓機(jī)類型都是離心式空壓機(jī)，因此，接下來我們主要以離心式空壓機(jī)為研究對象來分析其特點(diǎn)以及喘振機(jī)理。

　　

 

　　離心式空壓機(jī)結(jié)構(gòu)圖

　　高速離心式空壓機(jī)的主要特征：

　　葉輪在蝸殼中高速旋轉(zhuǎn)，并通過擴(kuò)壓器提升氣體壓力后輸出。常見的包括單級壓縮和雙級壓縮;

　　高速的電機(jī)轉(zhuǎn)子直接驅(qū)動葉輪旋轉(zhuǎn)壓縮氣體;

　　高速電機(jī)轉(zhuǎn)子由空氣軸承進(jìn)行支撐;

　　冷卻液流經(jīng)電機(jī)定子外側(cè)的冷卻液流道對空壓機(jī)的本體進(jìn)行冷卻。

　　為了實(shí)現(xiàn)寬范圍工作，目前的燃料電池系統(tǒng)中，常采用兩級增壓的空壓機(jī)，其內(nèi)部空氣流動如下圖所示。

　　

 

　　兩空壓機(jī)內(nèi)部空氣流動示意圖

　　空氣軸承：

　　燃料電池堆空壓機(jī)輸出的空氣有較高的清潔度要求，如果使用常規(guī)的滾動軸承或者滑動軸承，來自軸承中的潤滑油會污染電堆，引起電堆“中毒”。而要想解決這個問題，最好的辦法就是不適用潤滑油，由于空氣軸承使用空氣潤滑，滿足此類要求，因此，空氣軸承在燃料電池方面得以廣泛應(yīng)用。

　　空氣軸承的作用機(jī)理：

　　當(dāng)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時，在轉(zhuǎn)子和空氣軸承表面之間會形成一層氣膜，氣膜的壓力會隨著轉(zhuǎn)速的升高而增加，當(dāng)氣膜壓力足夠大時便可將轉(zhuǎn)子抬離軸承表面，此時轉(zhuǎn)子便會浮起來，所以空氣軸承也叫“氣浮軸承”。

　　當(dāng)轉(zhuǎn)子低速旋轉(zhuǎn)時，此時轉(zhuǎn)子速度還沒達(dá)到“氣浮”的臨界速度，此時轉(zhuǎn)子和軸承表面之間存在接觸摩擦，因此，必須在軸承內(nèi)表面鍍上一層固體潤滑材料，以降低轉(zhuǎn)子啟停時轉(zhuǎn)子和軸承表面的磨損。轉(zhuǎn)子啟停時的磨損會對空壓機(jī)的耐久性產(chǎn)生重要影響。

　　當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，空氣的粘滯作用強(qiáng)制擠壓空氣進(jìn)入一個楔形的空間，產(chǎn)生壓力(動壓)，將轉(zhuǎn)子抬離軸承，如下圖所示。緊接著，產(chǎn)生的壓力通過頂箔(top foil)傳遞到凸箔(bump foil)。壓力的浮動變化可以被頂箔的變形吸收掉，最后被摩擦力消除。以上過程中可以得到一個合適的超薄的空氣層，即使在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化引起壓力浮動的情況下，也可以使得轉(zhuǎn)子抬離。

　　空氣軸承抬離(lift-off)原理

　　電機(jī)轉(zhuǎn)子：

　　空壓機(jī)在高速旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子的永磁材料不能承受巨大的離心力，因此必須對永磁體也加裝安裝裝置，常用的有碳纖維捆扎和安裝合金護(hù)套，同時，電機(jī)轉(zhuǎn)子多設(shè)計為細(xì)長型，減小將其甩出去的離心力。

　　冷卻系統(tǒng)：

　　由于高速空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速高，定子繞組電流頻率高電機(jī)的各項(xiàng)損耗與常速電機(jī)相比都有較大的增加，使得電機(jī)的散熱非常困難。如果散熱不好，會縮短電機(jī)繞組的壽命，使得永磁體發(fā)生不可逆退磁，并且也會對空氣軸承的長期穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生影響。

　　因此，良好的冷卻系統(tǒng)，是空壓機(jī)長期穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。在燃料電池用離心式空壓機(jī)中，一般由水冷和空氣冷卻兩路冷卻。水冷卻路主要對電機(jī)的定子以及控制器進(jìn)行冷卻，空氣冷卻路主要對空氣軸承以及轉(zhuǎn)子進(jìn)行冷卻。

　　燃料電池離心式空壓機(jī)的喘振機(jī)理

　　離心式空壓機(jī)有個重要特點(diǎn)就是當(dāng)空壓機(jī)工作在低流量、高壓比的情況下容易發(fā)生氣流振蕩，通常稱為喘振現(xiàn)象。當(dāng)空壓機(jī)發(fā)生喘振時，會導(dǎo)致空氣流量不可控、噪聲大、振動大和溫升高等一些列連鎖反應(yīng)，嚴(yán)重時甚至可能會損壞空壓機(jī)。

　　下面我們來詳細(xì)分析一下離心式空壓機(jī)喘振的發(fā)生機(jī)理。

　　喘振發(fā)生的內(nèi)因：

　　離心式空壓機(jī)發(fā)生喘振的內(nèi)部原因與葉輪結(jié)構(gòu)以及葉道內(nèi)介質(zhì)氣體有著密切的關(guān)系。當(dāng)進(jìn)氣流量順勢降低，低過了所允許的最低工況點(diǎn)時，空壓機(jī)內(nèi)的氣體流動方向與葉片進(jìn)口安裝角出現(xiàn)很大的偏差，造成葉道內(nèi)的氣流出現(xiàn)嚴(yán)重的旋轉(zhuǎn)脫離，使氣體在葉道內(nèi)滯留，致使空壓機(jī)內(nèi)壓力突然降低，然而此時空壓機(jī)出口系統(tǒng)的壓力并沒有瞬時下降，這就導(dǎo)致出氣管內(nèi)的壓力較高的氣體流回空壓機(jī)，使得葉道內(nèi)的流量又得以補(bǔ)充，使空壓機(jī)恢復(fù)正常工作。

　　當(dāng)空壓機(jī)內(nèi)的流量再次減小時，出氣 系統(tǒng)又會出現(xiàn)倒流，如此反復(fù)，就會導(dǎo)致空壓機(jī)中的氣流產(chǎn)生周期性的振蕩，并伴隨著強(qiáng)烈的噪聲，形成喘振。

　　喘振發(fā)生的外因：

　　通過對離心式空壓機(jī)性能曲線的分析，當(dāng)喘振發(fā)生時，其工作點(diǎn)一定進(jìn)入了喘振工況區(qū)。因此，空壓機(jī)的喘振與管網(wǎng)特性有著密切關(guān)系。管網(wǎng)指的是離心式空壓機(jī)實(shí)現(xiàn)氣體介質(zhì)輸送任務(wù)的管道系統(tǒng)，位于空壓機(jī)入口之前的稱為吸入管道，位于空壓機(jī)出口之后的稱為排氣管道。管網(wǎng)一般由管線、管件、閥門和設(shè)備等四大要素組成。

　　實(shí)踐表明，離心式空壓機(jī)管網(wǎng)容量越大，喘振的振幅越大，振頻越低;管網(wǎng)容量越小，喘振的振幅就越小，振頻越高。

　　在離心式空壓機(jī)運(yùn)行過程中，以下因素也會導(dǎo)致喘振的發(fā)生：

　　吸入量不足;

　　系統(tǒng)壓力過高

　　操作不協(xié)調(diào)

　　機(jī)組內(nèi)的部件損壞

　　氣體介質(zhì)狀態(tài)變化

　　離心式空壓機(jī)喘振線：

　　當(dāng)離心式空壓機(jī)進(jìn)口流量減少到一定程度時，便會發(fā)生喘振，而維持空壓機(jī)運(yùn)行的喘振流量要不低于空壓機(jī)運(yùn)行的最小流量，即離心式空壓機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時會得到不同的喘振時的性能參數(shù)，將這些喘振點(diǎn)的參數(shù)標(biāo)在性能曲線上，并連接起來即可得到離心空壓機(jī)的喘振線。

　　

 

　　離心式空壓機(jī)喘振線圖示

　　燃料電池系統(tǒng)中防止喘振的措施

　　因此，當(dāng)燃料電池系統(tǒng)中采用離心式空壓機(jī)時，為了防范空壓機(jī)出現(xiàn)喘振，在燃料電池系統(tǒng)中空氣路一般都設(shè)有旁通閥，以豐田Mirai二代的燃料電池系統(tǒng)為例。

　　

 

　　豐田Mirai二代燃料電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

　　當(dāng)進(jìn)燃料電池堆的空氣進(jìn)入空壓機(jī)的喘振區(qū)域時，通過旁通閥可以將空壓機(jī)流量增大，將空壓機(jī)從喘振工作區(qū)域中解脫出來，但在此過程中，進(jìn)入燃料電池堆的空氣流量及壓力并沒有變化。

　　旁通閥除了可以避免空壓機(jī)發(fā)生喘振，還有一個重要的作用就是能夠?qū)⑷剂想姵囟殃枠O出口排出的氫氣稀釋，以保障排氫安全。