燃料電池離心式空壓機開發技術詳解
發布時間：
2022-06-02
空壓機在燃料電池系統中的作用是為電堆輸送特定壓力及流量的潔凈空氣，為電堆內部的電化學反應提供氧氣，是燃料電池系統中的核心部件之一，并被稱為燃料電池之肺。
空壓機在燃料電池系統中的作用是為電堆輸送特定壓力及流量的潔凈空氣，為電堆內部的電化學反應提供氧氣，是燃料電池系統中的核心部件之一，并被稱為燃料電池之肺。
離心式空壓機
空壓機的開發目標
提高燃料電池堆的入口壓力(即空壓機的出口壓力)能夠提高氧氣分壓，當燃料電池工作在高負荷區間時，也能提高單電池電壓。下圖標識空壓機的壓比(即空壓機出口和入口的壓力比值)和燃料電池系統效率的變化關系。
壓比和燃料電池系統效率關系
從圖中可見，壓比提高有利于燃料電池系統效率的提升。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量(功率輸出相同條件下)，可進一步降低燃料電池系統的體積和成本。
提高空壓機出口壓力不僅有利于提高輸出性能，降低系統成本和體積，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系，橫坐標為壓比，縱坐標為工作溫度，左上方為干燥狀態，右下方為濕潤狀態。
壓力、溫度和電堆相對濕度關系
由圖可見，隨著壓力的增加，電堆向右下方的濕潤區域移動，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間內，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，當垂直爬坡、迎風或者散熱器散熱能力差時(三者都導致電堆溫度升高)，電堆的性能也會得到保障。
因此，本田公司為Clarit燃料電池開發空氣供應系統的目標有：
1.提高空氣壓力實現電池輸出性能提高，減少了燃料電池堆的單電池數量，降低系統系統體積和成本;
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間;
3.采用電動渦輪增壓空壓機實現降噪，取消了降噪輔助設備，降低了空氣供應系統的體積;
4.開發了無傳感器控制的逆變器，實現了無旋轉變壓器電機的小型化，有助于減小燃料電池系統體積。
燃料電池離心式空壓機的結構原理
由于燃料電池的特殊性，要求與之配套的空壓機具有效率高、體積小、無油、工作流量及壓力范圍大、噪音小、耐振動沖擊、動態響應快等特點，目前，常見的空壓機類包括螺桿式、羅茨式、離心式壓縮機等。
如今，本田、通用、現代以及上汽在燃料電池系統中使用的空壓機類型都是離心式空壓機，因此，接下來我們主要以離心式空壓機為研究對象來分析其特點以及喘振機理。
離心式空壓機結構圖
高速離心式空壓機的主要特征：
葉輪在蝸殼中高速旋轉，并通過擴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;
高速的電機轉子直接驅動葉輪旋轉壓縮氣體;
高速電機轉子由空氣軸承進行支撐;
冷卻液流經電機定子外側的冷卻液流道對空壓機的本體進行冷卻。
為了實現寬范圍工作，目前的燃料電池系統中，常采用兩級增壓的空壓機，其內部空氣流動如下圖所示。
兩空壓機內部空氣流動示意圖
空氣軸承：
燃料電池堆空壓機輸出的空氣有較高的清潔度要求，如果使用常規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用。
空氣軸承的作用機理：
當轉子高速旋轉時，在轉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速的升高而增加，當氣膜壓力足夠大時便可將轉子抬離軸承表面，此時轉子便會浮起來，所以空氣軸承也叫“氣浮軸承”。
當轉子低速旋轉時，此時轉子速度還沒達到“氣浮”的臨界速度，此時轉子和軸承表面之間存在接觸摩擦，因此，必須在軸承內表面鍍上一層固體潤滑材料，以降低轉子啟停時轉子和軸承表面的磨損。轉子啟停時的磨損會對空壓機的耐久性產生重要影響。
當轉子旋轉時，空氣的粘滯作用強制擠壓空氣進入一個楔形的空間，產生壓力(動壓)，將轉子抬離軸承，如下圖所示。緊接著，產生的壓力通過頂箔(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，即使在轉子轉速變化引起壓力浮動的情況下，也可以使得轉子抬離。
空氣軸承抬離(lift-off)原理
電機轉子：
空壓機在高速旋轉時，轉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套，同時，電機轉子多設計為細長型，減小將其甩出去的離心力。
冷卻系統：
由于高速空壓機的轉速高，定子繞組電流頻率高電機的各項損耗與常速電機相比都有較大的增加，使得電機的散熱非常困難。如果散熱不好，會縮短電機繞組的壽命，使得永磁體發生不可逆退磁，并且也會對空氣軸承的長期穩定運轉產生影響。
因此，良好的冷卻系統，是空壓機長期穩定運行的關鍵。在燃料電池用離心式空壓機中，一般由水冷和空氣冷卻兩路冷卻。水冷卻路主要對電機的定子以及控制器進行冷卻，空氣冷卻路主要對空氣軸承以及轉子進行冷卻。
燃料電池離心式空壓機的喘振機理
離心式空壓機有個重要特點就是當空壓機工作在低流量、高壓比的情況下容易發生氣流振蕩，通常稱為喘振現象。當空壓機發生喘振時，會導致空氣流量不可控、噪聲大、振動大和溫升高等一些列連鎖反應，嚴重時甚至可能會損壞空壓機。
下面我們來詳細分析一下離心式空壓機喘振的發生機理。
喘振發生的內因：
離心式空壓機發生喘振的內部原因與葉輪結構以及葉道內介質氣體有著密切的關系。當進氣流量順勢降低，低過了所允許的最低工況點時，空壓機內的氣體流動方向與葉片進口安裝角出現很大的偏差，造成葉道內的氣流出現嚴重的旋轉脫離，使氣體在葉道內滯留，致使空壓機內壓力突然降低，然而此時空壓機出口系統的壓力并沒有瞬時下降，這就導致出氣管內的壓力較高的氣體流回空壓機，使得葉道內的流量又得以補充，使空壓機恢復正常工作。
當空壓機內的流量再次減小時，出氣 系統又會出現倒流，如此反復，就會導致空壓機中的氣流產生周期性的振蕩，并伴隨著強烈的噪聲，形成喘振。
喘振發生的外因：
通過對離心式空壓機性能曲線的分析，當喘振發生時，其工作點一定進入了喘振工況區。因此，空壓機的喘振與管網特性有著密切關系。管網指的是離心式空壓機實現氣體介質輸送任務的管道系統，位于空壓機入口之前的稱為吸入管道，位于空壓機出口之后的稱為排氣管道。管網一般由管線、管件、閥門和設備等四大要素組成。
實踐表明，離心式空壓機管網容量越大，喘振的振幅越大，振頻越低;管網容量越小，喘振的振幅就越小，振頻越高。
在離心式空壓機運行過程中，以下因素也會導致喘振的發生：
吸入量不足;
系統壓力過高
操作不協調
機組內的部件損壞
氣體介質狀態變化
離心式空壓機喘振線：
當離心式空壓機進口流量減少到一定程度時，便會發生喘振，而維持空壓機運行的喘振流量要不低于空壓機運行的最小流量，即離心式空壓機在不同轉速下運行時會得到不同的喘振時的性能參數，將這些喘振點的參數標在性能曲線上，并連接起來即可得到離心空壓機的喘振線。
離心式空壓機喘振線圖示
燃料電池系統中防止喘振的措施
因此，當燃料電池系統中采用離心式空壓機時，為了防范空壓機出現喘振，在燃料電池系統中空氣路一般都設有旁通閥，以豐田Mirai二代的燃料電池系統為例。
豐田Mirai二代燃料電池系統結構示意圖
當進燃料電池堆的空氣進入空壓機的喘振區域時，通過旁通閥可以將空壓機流量增大，將空壓機從喘振工作區域中解脫出來，但在此過程中，進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發生喘振，還有一個重要的作用就是能夠將燃料電池堆陽極出口排出的氫氣稀釋，以保障排氫安全。
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