【壓縮機(jī)網(wǎng)】燃料電池被公認(rèn)為有重大發(fā)展前景的新型能源之一，供氣子系統(tǒng)是確保燃料電池高效、平穩(wěn)、可靠運(yùn)行的重要組成部分?？諝?a href="http://www.easywin.net.cn" target="_blank" class="keylink">壓縮機(jī)作為供氣系統(tǒng)的核心設(shè)備，隨著研究的不斷深入，其研究正逐漸成為壓縮機(jī)行業(yè)的一個(gè)熱點(diǎn)。

　　一、燃料電池空壓機(jī)的定義

　　燃料電池空氣壓力機(jī)，也稱為“燃料電池空壓機(jī)”，是氫燃料電池系統(tǒng)中一個(gè)重要的組成部分。它的主要作用是為氫燃料電池提供電化學(xué)反應(yīng)所需的氧氣，通過壓縮空氣并將其輸送至燃料電池堆的陰極。這樣可以提高燃料電池的功率密度和效率，同時(shí)減小系統(tǒng)的整體尺寸。

　　在燃料電池的核心零部件中，如果說電堆是燃料電池的“心臟”，提供能量；那么燃料電池空壓機(jī)就是燃料電池的“肺”，為電堆提供適量適壓的氧氣。在工程實(shí)際中，除了電堆之外，空壓機(jī)往往是最需要解決的瓶頸。

　　燃料電池空壓機(jī)是燃料電池系統(tǒng)中不可或缺的組件，它負(fù)責(zé)提供燃料電池所需的高壓和流量穩(wěn)定的氧氣。隨著技術(shù)的發(fā)展，對空壓機(jī)的要求越來越高，不僅在性能上要有保證，同時(shí)在耐用性和成本方面也要有所突破。未來的研究將繼續(xù)聚焦于提高空壓機(jī)的耐久性，降低其成本，以推動(dòng)燃料電池汽車的商業(yè)化和普及。

　　二、空壓機(jī)的類型

　　空壓機(jī)的類型主要有以下幾種：

　　1.離心式空壓機(jī)

　　離心式空壓機(jī)是一種利用高速旋轉(zhuǎn)的葉輪將氣體加速，并通過擴(kuò)壓器將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能的空壓機(jī)。它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)快、壽命長和效率高。離心式空壓機(jī)在氫燃料電池中的應(yīng)用較為廣泛，尤其是在需要無油和小型化的場合。但是，它在低流量時(shí)可能會(huì)發(fā)生喘振現(xiàn)象，影響系統(tǒng)的性能和空壓機(jī)的使用壽命。

　　離心式空壓機(jī)通常有兩種方案，一種是使用增速器+滾珠軸承的方案，電機(jī)轉(zhuǎn)速較低，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要油潤滑（存在污染氫氣可能），增速器壽命短；另一種是動(dòng)壓空氣懸浮軸承，空氣間隙小、起動(dòng)時(shí)干摩擦，對軸承精度、耐磨性等要求高，在耐振動(dòng)沖擊和啟停次數(shù)上有一定限制。

　　2.螺桿式空壓機(jī)

　　螺桿式空壓機(jī)是通過兩個(gè)相互嚙合的轉(zhuǎn)子之間的空氣槽來壓縮空氣。它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、高效、可靠，具有寬的流量范圍和良好的壓比/流量特性。雙螺桿式空壓機(jī)在螺桿之間形成壓縮腔，公母螺桿之間容腔逐漸縮小，氣體壓力從而逐漸升高，可稱之為“內(nèi)壓縮”。

　　內(nèi)壓縮對空氣質(zhì)量要求較高，空氣中顆粒會(huì)磨損螺桿造成密封問題，螺桿上一般有耐磨涂層。內(nèi)壓縮易形成高壓縮比，高壓比時(shí)功耗相對離心式、羅茨式功耗低。對螺桿形狀和軸承精度要求高，采用滾珠軸承和機(jī)油潤滑方式。與羅茨式空壓機(jī)類似，雙螺桿式空壓機(jī)工作范圍寬廣，也適應(yīng)于全功率燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)，空壓機(jī)高頻噪音較大，每個(gè)工況點(diǎn)噪音頻譜不同，需針對性設(shè)計(jì)消音器。

　　3.滑片式空壓機(jī)

　　也叫旋轉(zhuǎn)葉片式壓縮機(jī)，是通過轉(zhuǎn)動(dòng)葉片來實(shí)現(xiàn)氣體壓縮，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成風(fēng)能的一種壓縮機(jī)，屬于容積式壓縮機(jī)的一種。它具備結(jié)構(gòu)簡潔、體積小、重量輕，適用于多種對空間和重量有要求的設(shè)備和場所，噪音低、操作簡單可靠性高、操作維修保養(yǎng)方便，售價(jià)也便宜的特點(diǎn)。正常使用情況下，5萬小時(shí)約10年無需更換主機(jī)頭金屬零件，節(jié)省龐大的維修費(fèi)。

　　4.活塞式空壓機(jī)

　　活塞式空壓機(jī)是通過活塞在氣缸內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使氣體受到壓縮。它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、成本低、維護(hù)方便，但效率較低，且體積較大。

　　5.羅茨式空壓機(jī)

　　羅茨式空壓機(jī)是利用兩個(gè)轉(zhuǎn)子的相互嚙合，使氣體受到壓縮。它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便，但效率較低，且噪聲較大。羅茨式空壓機(jī)轉(zhuǎn)子間容腔不發(fā)生變化，依靠把空氣擠壓到外部較小容腔內(nèi)，外部容腔空氣密度不斷升高，從而產(chǎn)生壓力，稱之為“外壓縮”。

　　羅茨式采用轉(zhuǎn)子和泵殼間容積壓縮的方式，轉(zhuǎn)子和泵殼之間間距小于1mm，熱脹冷縮容易卡殼，對泵殼機(jī)械強(qiáng)度要求高。羅茨式轉(zhuǎn)子采用擠壓生成，外壓縮對轉(zhuǎn)子精度及耐磨性不高，生產(chǎn)成本低。采用滾珠軸承和機(jī)油潤滑方式。羅茨式空壓機(jī)工作范圍寬廣，適應(yīng)于全功率燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)。但是羅茨式空壓機(jī)高頻噪音很大，每個(gè)工況點(diǎn)噪音頻譜不同，需要針對性設(shè)計(jì)消音器。

　　三、燃料電池用空氣壓縮機(jī)的要求

　　燃料電池用空氣壓縮機(jī)的要求主要包括：保證一定壓力和流量的能力、無油、高效率、小型化和低成本、低噪聲以及快速響應(yīng)能力。這些特點(diǎn)旨在確保燃料電池系統(tǒng)能夠高效、安全且經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。

　　1.無油要求

　　潤滑油會(huì)使電堆發(fā)生中毒，所以燃料電池系統(tǒng)要求空壓機(jī)采用水潤滑軸承或空氣軸承，確保在工作過程中不會(huì)有油混入壓縮空氣中，從而保障燃料電池的正常運(yùn)行。例如在質(zhì)子交換膜燃料電池中，潤滑油膜覆蓋質(zhì)子交換膜和催化劑會(huì)隔絕氫氧電化學(xué)反應(yīng)，因此無油是空壓機(jī)的基本要求之一。

　　2.高效要求

　　空壓機(jī)的寄生功率巨大，其效率直接影響著燃料電池系統(tǒng)的性能。高效的空壓機(jī)能夠減少能量的損耗，提高整個(gè)燃料電池系統(tǒng)的效率，降低能耗成本等。

　　3.小型化和低成本要求

　　燃料電池受其功率密度和成本的限制，空壓機(jī)的小型化和低成本有助于燃料電池汽車的產(chǎn)業(yè)化。小型化可以使整個(gè)燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加緊湊，而低成本則有利于大規(guī)模的推廣和應(yīng)用。

　　4.低噪聲要求

　　空壓機(jī)是燃料電池系統(tǒng)最大的噪聲源之一，必須對其噪聲進(jìn)行控制，以滿足使用場景的需求，例如在汽車等對噪聲要求較高的應(yīng)用場景中，低噪聲的空壓機(jī)能夠提升乘坐的舒適性等。

　　5.喘振線在小流量區(qū)要求

　　這樣可以實(shí)現(xiàn)燃料電池在小流量高壓比工況下高效地運(yùn)行，確保在不同工況下燃料電池系統(tǒng)都能穩(wěn)定、高效地工作。

　　6.良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力要求

　　當(dāng)需求功率發(fā)生變化時(shí)，空氣流量和壓力需無延遲地進(jìn)行調(diào)整，以跟蹤輸出功率的變化。例如車用動(dòng)力系統(tǒng)會(huì)從“氫電鋰電混合”走向氫電全功率驅(qū)動(dòng)，空壓機(jī)需要在每個(gè)工況下都能及時(shí)提供指定壓縮空氣。

　　7.滿足壓力和流量要求

　　要根據(jù)電堆的輸出功率，為燃料電池供應(yīng)所需壓力和流量的干凈空氣。在空氣供應(yīng)系統(tǒng)中，空氣的壓力和流量對燃料電池系統(tǒng)的性能（能量密度、系統(tǒng)效率、水平衡和熱損失）、成本和電堆的尺寸等有很大的影響。例如要將空氣壓縮到0.13-0.32MPa的壓力，以滿足燃料電池電化學(xué)反應(yīng)的需求。

　　四、燃料電池空壓機(jī)的測試方法

　　燃料電池空壓機(jī)的測試方法因其復(fù)雜性和特殊性而有多種不同的設(shè)計(jì)和技術(shù)方案。例如，一種帶膨脹機(jī)的燃料電池空壓機(jī)性能測試方法包括以下幾個(gè)主要步驟和技術(shù)要點(diǎn):

　　建立模擬系統(tǒng)：首先建立一個(gè)燃料電池模擬系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過管路與空壓機(jī)的排氣口和膨脹機(jī)的進(jìn)氣口相連。模擬系統(tǒng)的作用是對空壓機(jī)排出的氣體進(jìn)行模擬消耗、換熱和增濕處理，然后將處理后的氣體供入分水器。

　　冷卻系統(tǒng)配置：設(shè)置一個(gè)空壓機(jī)冷卻系統(tǒng)，用于冷卻壓縮機(jī)的電機(jī)和控制器。冷卻系統(tǒng)包括恒溫水箱，通過管路經(jīng)第一水泵與壓縮機(jī)的控制器水道和電機(jī)水道相連。

　　數(shù)據(jù)采集與記錄：使用儀表對壓縮機(jī)進(jìn)氣口和排氣口的流量、壓力、溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并記錄；同時(shí)，對膨脹機(jī)進(jìn)氣口和排氣口的濕度、壓力、溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并記錄。這些數(shù)據(jù)用于測試壓縮機(jī)、膨脹機(jī)以及整個(gè)系統(tǒng)的流量、壓比和功率。

　　分水器效率測試：通過儀表對分水器前后液體流量進(jìn)行檢測，從而評估分水器的分水效率。這種方法能夠更全面地評估帶膨脹機(jī)的燃料電池空壓機(jī)的整體性能，解決以往檢測系統(tǒng)獨(dú)立工作、功能不完整的問題。測試時(shí)需要注意，相同轉(zhuǎn)速下，背壓閥逐漸關(guān)小，在接近喘振線時(shí)，背壓閥開度改變梯度要小。當(dāng)背壓幾乎不變、沒有降低趨勢，可聽見離心機(jī)聲音異常，此時(shí)已經(jīng)喘振，發(fā)現(xiàn)喘振后1-2s需要離開喘振區(qū)。為了保證流量準(zhǔn)確性、壓比準(zhǔn)確性，空壓機(jī)Map測試中，一般在空壓機(jī)進(jìn)出口分別安裝溫壓傳感器和流量計(jì)，進(jìn)出口流量計(jì)一般采用不同形式。

　　此外，當(dāng)空壓機(jī)工作在最高轉(zhuǎn)速，一般不宜直接停機(jī)。由于停機(jī)過程產(chǎn)生的電能需要釋放，如果使用的電源不是雙向負(fù)載則不能吸收回饋的電能，可能會(huì)產(chǎn)生一些危害。值得注意的是，空氣軸承、雙螺桿空壓機(jī)，都對空氣質(zhì)量有較高要求，測試前確認(rèn)空濾已經(jīng)可靠連接。

　　五、燃料電池空壓機(jī)四大趨勢

　　燃料電池空壓機(jī)的技術(shù)發(fā)展趨勢主要包括以下幾個(gè)方面：

　　1.降噪技術(shù)

　　燃料電池空壓機(jī)是燃料電池電動(dòng)汽車的大噪聲源，高速時(shí)噪聲較大，因此，降噪技術(shù)將是燃料電池空壓機(jī)技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。江蘇某公司已經(jīng)取得了一種氫燃料電池空壓機(jī)的降噪裝置專利，通過隔音箱進(jìn)行降噪，并且在隔音箱內(nèi)部溫度超過預(yù)設(shè)值時(shí)，散熱孔蓋合機(jī)構(gòu)、散熱風(fēng)扇、出風(fēng)口蓋合機(jī)構(gòu)均進(jìn)行打開，使得隔音箱內(nèi)部溫度降低，且在降溫的過程中，通過減震機(jī)構(gòu)對空壓機(jī)擠壓，減少空壓機(jī)產(chǎn)生的噪音。

　　2.效率優(yōu)化

　　燃料電池空壓機(jī)的效率直接影響燃料電池系統(tǒng)的整體性能。因此，如何提高燃料電池空壓機(jī)的效率將是研究的另一個(gè)重點(diǎn)。目前，科學(xué)家們正在努力尋找能夠替代鉑的催化劑材料，如碳基催化劑、金屬氮化物等。這些新材料不僅降低了成本，還能在一定程度上提高催化效率。氫氣生產(chǎn)技術(shù)的革新，在氫氣的生產(chǎn)方面，利用可再生能源進(jìn)行水電解已成為一種趨勢。研究者們正致力于提高電解水的效率，以及采用其他方法如生物質(zhì)轉(zhuǎn)化等來實(shí)現(xiàn)更環(huán)保的氫氣生產(chǎn)。

　　3.系統(tǒng)集成與優(yōu)化

　　通過優(yōu)化燃料電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高氫氣流動(dòng)及管理，可以顯著提升系統(tǒng)整體效率。燃料電池與其他能源系統(tǒng)的集成(如與電池、電容器結(jié)合)也成為提升續(xù)航能力的重要手段。

　　4.體積小巧和輕量化

　　燃料電池空壓機(jī)的體積小巧和輕量化是其產(chǎn)業(yè)化的必然要求。在汽車上安裝，空壓機(jī)的小型化和低成本是燃料電池電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)化的必然要求。隨著技術(shù)的發(fā)展，燃料電池在電動(dòng)汽車領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛。

　　綜上所述，燃料電池空壓機(jī)的技術(shù)發(fā)展趨勢將朝著降噪技術(shù)、效率優(yōu)化、系統(tǒng)集成與優(yōu)化、體積小巧和輕量化等方面發(fā)展。這些趨勢將推動(dòng)燃料電池電動(dòng)汽車的技術(shù)進(jìn)步和市場應(yīng)用。另外，本文資料大多來源于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，旨在推動(dòng)空氣壓縮機(jī)行業(yè)與新能源的有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)利國利民的應(yīng)用。

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