如果燃料電池堆是燃料電池動力系統(tǒng)的“大心臟”，那么空壓機就是強勁的“肺”，燃料電池系統(tǒng)的高性能輸出需要強大的“心-肺功能”。可以這樣形容，目前空壓機是國內(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圖直觀理解燃料電池用各類空壓機結(jié)構(gòu)。

主要燃料電池汽車廠商空壓機類型對比

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，Mirai燃料電池汽車搭載六葉螺旋羅茨式空壓機。本田公司Clarity燃料電池汽車用兩級電動離心式空壓機取代了螺桿式空壓機。戴姆勒旗下xinGLC F-Cell燃料電池汽車采用離心式空壓機，而在前幾代中，A-class采取螺桿式空壓機和膨脹機結(jié)合的形式，B-Class和F-Class采用螺桿式空壓機。

各類空壓機對比

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

1. 離心式空壓機

離心式空壓機在功率密度、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氣體做功，在葉輪和擴壓器的流道內(nèi)，利用離心升壓作用和降速擴壓作用，將機械能轉(zhuǎn)化為氣體的壓力能。據(jù)相關(guān)資料顯示，從目前國內(nèi)外燃料電池空壓機的開發(fā)方向來看，離心式空壓機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。注意，本田公司旗下Clarity燃料電池汽車采用的是兩級電動增壓方式。

離心式空壓機工作原理動態(tài)圖一

離心式空壓機工作原理動態(tài)圖二

離心式空壓機工作原理動態(tài)圖三

離心式空壓機葉輪

本田Clarity燃料電池兩級電動增壓

離心空壓機也有一些缺點，比如不適合氣體流量太小及壓比過高的場合，工作區(qū)較窄，經(jīng)濟性較差，效率較低等。如下圖所示，傳統(tǒng)內(nèi)燃機動力系統(tǒng)匹配空壓機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，離心式空壓機與渦輪機的搭配可能成為燃料電池用空壓機未來發(fā)展的主要趨勢，比如博格華納(BorgWarner)開發(fā)的FCAS渦輪增壓空壓機。

傳統(tǒng)內(nèi)燃機與燃料電池用空壓機工作范圍對比

博格華納渦輪增壓空壓機

2. 螺桿式空壓機

螺桿式空壓機可分為單螺桿式和雙螺桿式。螺桿式空壓機在汽缸內(nèi)裝有一對互相嚙合的螺旋形陰陽轉(zhuǎn)子，兩轉(zhuǎn)子都有幾個凹形齒，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)動機或電動機驅(qū)動，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。驅(qū)動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。

單螺桿式空壓機工作原理動態(tài)圖

雙螺桿式空壓機工作原理動態(tài)圖一

雙螺桿式空壓機工作原理動態(tài)圖二

雙螺桿式空壓機工作原理動態(tài)圖三

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

3. 羅茨式空壓機

羅茨式空壓機屬于容積回轉(zhuǎn)壓縮機，這種壓縮機靠轉(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)過程找那個從吸氣口帶走氣體，當移到排氣口附件與排氣口相連通的瞬時間，因有較高壓力的氣體回流，此時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，靠嚴密控制的間隙實現(xiàn)密封，故排出的氣體不受潤滑油污染。

羅茨式空壓機葉輪形狀

羅茨式空壓機工作原理動態(tài)圖一

羅茨式空壓機工作原理分解

羅茨式空壓機工作原理動態(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。與傳統(tǒng)羅茨式空壓機中葉輪與軸向平行不同，豐田紡織開發(fā)的羅茨式空壓機，葉輪呈現(xiàn)螺旋形狀。上汽集團開發(fā)的燃料電池汽車也層搭載過羅茨式空壓機。羅茨式空壓機的優(yōu)勢主要有：轉(zhuǎn)速較低，不必使用結(jié)構(gòu)復雜的空氣軸承；運行區(qū)較寬；技術(shù)相對成熟。

Mirai六葉螺旋羅茨式空壓機

4. 渦旋式空壓機

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

渦旋式空壓機轉(zhuǎn)子

渦旋式空壓機工作原理動態(tài)圖一

渦旋式空壓機工作原理動態(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。

5. 往復式空壓機

往復式空壓機通過氣缸內(nèi)活塞或隔膜的往復運動使剛體容積周期變化并實現(xiàn)氣體增壓和輸送，屬于容積型空壓機。根據(jù)往復運動的構(gòu)件分為活塞式和隔膜式空壓機。

活塞式空壓機動態(tài)圖一

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

缺點：1.運動部件多，結(jié)構(gòu)復雜，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。