氫燃料電池之肺-空壓機(jī)技術(shù)之謎

牛牽花 2021-09-26

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空壓機(jī)在燃料電池系統(tǒng)中負(fù)責(zé)為電堆輸送特定壓力及流量的潔凈空氣，為電堆反應(yīng)提供必需的氧氣，是燃料電池系統(tǒng)除電堆外最核心的零部件。那么要讓燃料電池系統(tǒng)擁有強大的“心-肺功能”，對燃料電池系統(tǒng)的空壓機(jī)有什么需求呢？

答案是：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。針對這些需求，常見的空壓機(jī)類型有螺桿式、羅茨式、離心式壓縮機(jī)等。主要特點分別如下：

螺桿式空壓機(jī)通過電機(jī)驅(qū)動汽缸內(nèi)一對互相嚙合的螺桿旋轉(zhuǎn)在螺桿之間形成壓縮腔，從而產(chǎn)生壓縮空氣。螺桿壓縮機(jī)的排氣量幾乎不受排氣壓力的影響，在寬廣范圍內(nèi)能保證較高的效率，缺點是噪聲很大，體積大。

羅茨式空壓機(jī)的主要零件包括轉(zhuǎn)子、同步齒輪、機(jī)體、軸承密封件等。羅茨式空壓機(jī)工作過程為：由于轉(zhuǎn)子不斷旋轉(zhuǎn)，被抽氣體從進(jìn)氣口吸入到轉(zhuǎn)子與泵殼之間的空間內(nèi)，再經(jīng)排氣口排出。羅茨式空壓機(jī)工作范圍寬廣，結(jié)構(gòu)簡單、維修方便，使用壽命長、振動小，缺點是體積大，噪音很大，空氣出口需要配備專門的消音裝置。

離心式壓縮機(jī)又稱透平式壓縮機(jī)，其工作原理是，當(dāng)葉輪高速旋轉(zhuǎn)時，在離心力作用下，氣體被甩到后面的擴(kuò)壓器中去，而在葉輪處形成真空地帶，這時外界的新鮮氣體進(jìn)入葉輪。葉輪不斷旋轉(zhuǎn)，氣體不斷地吸入并甩出，從而保持了氣體的連續(xù)流動。

離心式空壓機(jī)在效率、噪音、體積、無油、功率密度等方面具有良好的綜合效果，被認(rèn)為是最有前途的空氣機(jī)類型之一。目前，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)類型都為離心式空壓機(jī)。

因此，我們專門對離心式空壓機(jī)做詳細(xì)介紹。

典型的高速離心式空壓機(jī)主要特征有：

?? 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。

離心式空壓機(jī)用高速電機(jī)轉(zhuǎn)子直接驅(qū)動葉輪，無機(jī)械傳動裝置，因此可做到系統(tǒng)噪音小、傳動效率高和整機(jī)體積小。

空氣軸承

燃料電池對空壓機(jī)輸出的空氣具有較高的清潔度要求，若使用滾動軸承或油滑動軸承，來自軸承中的潤滑油會污染電堆，引起其“中毒”。要想解決這個問題，最好的辦法就是不使用潤滑油，而空氣軸承使用空氣潤滑，正好滿足這個要求。

當(dāng)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時，在轉(zhuǎn)子和空氣軸承內(nèi)表面之間便會形成一層氣膜，氣膜的壓力隨著轉(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“起飛”了。

此時的轉(zhuǎn)速即為 “起飛”轉(zhuǎn)速。在低于“起飛”轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)子和軸承表面之間會存在接觸摩擦，因此，必須在軸承內(nèi)表面鍍上一層固體潤滑材料，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。

電機(jī)轉(zhuǎn)子

我們在玩摩天輪的時候，最擔(dān)心的就是是否會被甩出去，好在安全帶牢固，被甩出去的概率很小。同樣，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“安全帶”，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。

地球除了會自轉(zhuǎn)以外，還會繞太陽公轉(zhuǎn)，空壓機(jī)的轉(zhuǎn)子同樣如此。只可惜地球繞太陽公轉(zhuǎn)產(chǎn)生了美妙的春夏秋冬，空壓機(jī)的轉(zhuǎn)子公轉(zhuǎn)只會帶來不良的振動。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動量會對軸系的穩(wěn)定性、可靠性以及NVH性能產(chǎn)生很大的影響，因此，必須盡可能地降低轉(zhuǎn)子振動。降低轉(zhuǎn)子的振動主要從以下三個方面考慮。

?? 對轉(zhuǎn)子進(jìn)行動平衡，使轉(zhuǎn)子的偏心盡可能小。

?? 設(shè)計階段時準(zhǔn)確計算轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速，使空壓機(jī)的工作轉(zhuǎn)速避開轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速。

?? 對軸承的氣膜和彈性支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行耦合求解和優(yōu)化，得到軸承最佳的剛度和阻尼，盡可能的降低轉(zhuǎn)子的次同步振動。

冷卻系統(tǒng)

萬物都有正反面，凡事都是雙刃劍。離心式空壓機(jī)由于轉(zhuǎn)速高給自身帶來諸多好處的同時，也給自己惹來了不少麻煩。由于轉(zhuǎn)速高，定子繞組電流頻率高，電機(jī)的各項損耗與常速電機(jī)相比都有較大的增加，這會使電機(jī)的散熱非常困難。如果散熱不好，會縮短電機(jī)繞組壽命，使永磁體發(fā)生不可逆退磁，也會對空氣軸承的長期穩(wěn)定運轉(zhuǎn)產(chǎn)生影響。

設(shè)計一個良好的冷卻系統(tǒng)，是空壓機(jī)長期穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。在燃料電池用離心式空壓機(jī)中，一般有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。

綜上，離心式空壓機(jī)在效率、噪音、體積、無油、功率密度等方面具有良好的綜合效果，被認(rèn)為是最有前途的空氣機(jī)類型之一。

離心式空壓機(jī)在電機(jī)轉(zhuǎn)子強度、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)、高速軸承、冷卻系統(tǒng)與溫升設(shè)計以及控制器的研制等方面存在特殊關(guān)鍵問題，其設(shè)計是一個集計算流體力學(xué)、電磁場、轉(zhuǎn)子強度、轉(zhuǎn)子動力學(xué)、溫度場等多物理場多次迭代的綜合設(shè)計過程。

來源 | 捷氫科技