如果燃料電池堆是燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的“大心臟”，那么空壓機(jī)就是強(qiáng)勁的“肺”，燃料電池系統(tǒng)的高性能輸出需要強(qiáng)大的“心-肺功能”?？梢赃@樣形容，目前空壓機(jī)是國(guó)內(nèi)除了燃料電池堆以外為核心的關(guān)鍵零部件。燃料電池空壓機(jī)可分為離心式、羅茨式、螺桿式、渦旋式、活塞式和滑片式等。本推送幫助讀者從動(dòng)圖直觀理解燃料電池用各類空壓機(jī)結(jié)構(gòu)。

主要燃料電池汽車廠商空壓機(jī)類型對(duì)比

各大燃料電池汽車生產(chǎn)商為空氣供應(yīng)系統(tǒng)選擇的空壓機(jī)類型也不盡相同。比如豐田2002款FCHV和2008款FCHV-adv燃料電池汽車搭載了渦旋式空壓機(jī)，Mirai燃料電池汽車搭載六葉螺旋羅茨式空壓機(jī)。本田公司Clarity燃料電池汽車用兩級(jí)電動(dòng)離心式空壓機(jī)取代了螺桿式空壓機(jī)。戴姆勒旗下xinGLC F-Cell燃料電池汽車采用離心式空壓機(jī)，而在前幾代中，A-class采取螺桿式空壓機(jī)和膨脹機(jī)結(jié)合的形式，B-Class和F-Class采用螺桿式空壓機(jī)。

各類空壓機(jī)對(duì)比

雖然燃料電池用空壓機(jī)的設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)增壓器相似，但兩者在使用環(huán)境、工作范圍和要求上有著較大差別。燃料電池用空壓機(jī)需要滿足無油、低噪聲、低成本、小型化、工作范圍寬、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等特點(diǎn)。某種程度上，燃料電池用空壓機(jī)代表了空氣壓縮機(jī)行業(yè)的高水ping，涉及到空氣動(dòng)力學(xué)、傳熱學(xué)、流體力學(xué)、機(jī)械、電子、材料、電控和NVH等眾多學(xué)科。上表為幾種燃料電池用空壓機(jī)的簡(jiǎn)單對(duì)比。可以發(fā)現(xiàn)，各型空壓機(jī)均有其特有的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，離心式空壓機(jī)綜合評(píng)分高。下面將從離心式空壓機(jī)開始，依次從動(dòng)圖出發(fā)介紹各型空壓機(jī)。

1. 離心式空壓機(jī)

離心式空壓機(jī)在功率密度、效率和噪聲等方面具有hao的總體效果，被視為未來有前途的空氣壓縮方式之一。主要工作原理為通過葉輪對(duì)氣體做功，在葉輪和擴(kuò)壓器的流道內(nèi)，利用離心升壓作用和降速擴(kuò)壓作用，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為氣體的壓力能。據(jù)相關(guān)資料顯示，從目前國(guó)內(nèi)外燃料電池空壓機(jī)的開發(fā)方向來看，離心式空壓機(jī)將是今后的主流方向。目前，本田公司旗下Clarity和現(xiàn)代公司旗下ix35燃料電池汽車使用的正是離心式空壓機(jī)。注意，本田公司旗下Clarity燃料電池汽車采用的是兩級(jí)電動(dòng)增壓方式。

離心式空壓機(jī)工作原理動(dòng)態(tài)圖一

離心式空壓機(jī)工作原理動(dòng)態(tài)圖二

離心式空壓機(jī)工作原理動(dòng)態(tài)圖三

離心式空壓機(jī)葉輪

本田Clarity燃料電池兩級(jí)電動(dòng)增壓

離心空壓機(jī)也有一些缺點(diǎn)，比如不適合氣體流量太小及壓比過高的場(chǎng)合，工作區(qū)較窄，經(jīng)濟(jì)性較差，效率較低等。如下圖所示，傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)匹配空壓機(jī)往往工作在中等流量范圍，工作范圍較大；燃料電池用空壓機(jī)工作范圍窄且靠近喘振邊界。據(jù)相關(guān)資料顯示，離心式空壓機(jī)與渦輪機(jī)的搭配可能成為燃料電池用空壓機(jī)未來發(fā)展的主要趨勢(shì)，比如博格華納(BorgWarner)開發(fā)的FCAS渦輪增壓空壓機(jī)。

傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)與燃料電池用空壓機(jī)工作范圍對(duì)比

博格華納渦輪增壓空壓機(jī)

2. 螺桿式空壓機(jī)

螺桿式空壓機(jī)可分為單螺桿式和雙螺桿式。螺桿式空壓機(jī)在汽缸內(nèi)裝有一對(duì)互相嚙合的螺旋形陰陽轉(zhuǎn)子，兩轉(zhuǎn)子都有幾個(gè)凹形齒，兩者互相反向旋轉(zhuǎn)。主轉(zhuǎn)子又稱陽轉(zhuǎn)子或凸轉(zhuǎn)子，通過發(fā)動(dòng)機(jī)或電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，另一轉(zhuǎn)子稱陰轉(zhuǎn)子或凹轉(zhuǎn)子，由主轉(zhuǎn)子端和凹轉(zhuǎn)子端的同步齒輪驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)過程中理論上沒有金屬接觸。通用汽車和戴姆勒旗下燃料電池汽車層搭載過螺桿式空壓機(jī)。

單螺桿式空壓機(jī)工作原理動(dòng)態(tài)圖

雙螺桿式空壓機(jī)工作原理動(dòng)態(tài)圖一

雙螺桿式空壓機(jī)工作原理動(dòng)態(tài)圖二

雙螺桿式空壓機(jī)工作原理動(dòng)態(tài)圖三

注意，戴姆勒旗下燃料電池汽車GLC F-CELL已經(jīng)用電動(dòng)增壓器(離心式)取代了傳統(tǒng)的螺桿式壓縮機(jī)。

3. 羅茨式空壓機(jī)

羅茨式空壓機(jī)屬于容積回轉(zhuǎn)壓縮機(jī)，這種壓縮機(jī)靠轉(zhuǎn)子軸端的同步齒輪使兩轉(zhuǎn)子保持嚙合。轉(zhuǎn)子上每一凹入的曲面部分與氣缸內(nèi)壁組成工作容積，在轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)過程找那個(gè)從吸氣口帶走氣體，當(dāng)移到排氣口附件與排氣口相連通的瞬時(shí)間，因有較高壓力的氣體回流，此時(shí)工作容積中的壓力突然升高，然后將氣體輸送到排氣通道。兩轉(zhuǎn)子互不接觸，靠嚴(yán)密控制的間隙實(shí)現(xiàn)密封，故排出的氣體不受潤(rùn)滑油污染。

羅茨式空壓機(jī)葉輪形狀

羅茨式空壓機(jī)工作原理動(dòng)態(tài)圖一

羅茨式空壓機(jī)工作原理分解

羅茨式空壓機(jī)工作原理動(dòng)態(tài)圖二

豐田公司旗下Mirai燃料電池汽車搭載了全新開發(fā)的六葉螺旋羅茨式空壓機(jī)。與傳統(tǒng)羅茨式空壓機(jī)中葉輪與軸向平行不同，豐田紡織開發(fā)的羅茨式空壓機(jī)，葉輪呈現(xiàn)螺旋形狀。上汽集團(tuán)開發(fā)的燃料電池汽車也層搭載過羅茨式空壓機(jī)。羅茨式空壓機(jī)的優(yōu)勢(shì)主要有：轉(zhuǎn)速較低，不必使用結(jié)構(gòu)復(fù)雜的空氣軸承；運(yùn)行區(qū)較寬；技術(shù)相對(duì)成熟。

Mirai六葉螺旋羅茨式空壓機(jī)

4. 渦旋式空壓機(jī)

渦旋式空壓機(jī)由一個(gè)固定的漸開線渦旋盤和一個(gè)呈偏心回旋平動(dòng)的漸開線運(yùn)動(dòng)渦旋盤組成的可壓縮容積壓縮機(jī)，由兩個(gè)雙函數(shù)方程型線的動(dòng)、靜渦盤相互咬合而成。在吸氣、壓縮、排氣工作過程中，靜盤固定在機(jī)架上，動(dòng)盤由偏心軸驅(qū)動(dòng)并由防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)制約，圍繞靜盤基圓中心，作很小半徑的平面轉(zhuǎn)動(dòng)。氣體通過空氣濾芯吸入靜盤的外圍，隨著偏心軸的旋轉(zhuǎn)，氣體在動(dòng)靜盤噬合所組成的若干個(gè)月牙形壓縮腔內(nèi)被逐步壓縮，然后由靜盤中心部件的軸向孔連續(xù)排出。

渦旋式空壓機(jī)轉(zhuǎn)子

渦旋式空壓機(jī)工作原理動(dòng)態(tài)圖一

渦旋式空壓機(jī)工作原理動(dòng)態(tài)圖二

豐田公司在2002版FCHV和2008版FCHV-adv燃料電池汽車上均曾搭載了渦旋式空壓機(jī)。

5. 往復(fù)式空壓機(jī)

往復(fù)式空壓機(jī)通過氣缸內(nèi)活塞或隔膜的往復(fù)運(yùn)動(dòng)使剛體容積周期變化并實(shí)現(xiàn)氣體增壓和輸送，屬于容積型空壓機(jī)。根據(jù)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件分為活塞式和隔膜式空壓機(jī)。

活塞式空壓機(jī)動(dòng)態(tài)圖一

優(yōu)點(diǎn)：1.熱效率高、單位耗電量少；2.加工方便，對(duì)材料要求低，造價(jià)低廉；3.裝置簡(jiǎn)單；4.設(shè)計(jì)、生產(chǎn)早，制造技術(shù)成熟；5.應(yīng)用范圍廣。

缺點(diǎn)：1.運(yùn)動(dòng)部件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，檢修工作量大；2.轉(zhuǎn)速受限制；3.活塞環(huán)的磨損、氣缸的磨損、皮帶的傳動(dòng)方式使效率下降很快；4.噪音大；5.控制系統(tǒng)的落后，不適應(yīng)連鎖控制和無人值守的需要。