氢能及燃料电池科普系列：空气供应系统

保证燃料电池高效可靠运行的关键设备

空气供应系统总成本约占燃料电池系统的20%。主要由空气压缩机、膨胀机、电机、连接管道等组成，工作能耗占燃料电池输出功率的20~30%。

1. 氧分压决定了燃料电池的功率密度。在相同电流密度下，随着供气压力的提高，电池的输出电压也出现了相应的升高，从而提高了燃料电池的输出功率。

2. 提高反应压力对于燃料电池内的水／热管理有明显的改进。燃料电池中水管理的目的是保持燃料电池入口空气的湿润所需要的水量、电池内电化学反应所产生的水，以及从电堆出口回收的水的总和相平衡，一旦这个平衡被打破，燃料电池就无法正常工作。在低压的条件下，空气的含水量将增加，同时低压将减缓燃料电池的电化学反应，所以更多的水分被排出到大气中，水平衡就有可能被打破。

3. 20％～30％的燃料电池输出功率将被用于提升空气的压力，占附加能耗的95%。以压缩机为主要部件的空气管理系统也就成为了除驱动电机之外燃料电池最大的能量消耗部件，其综合性能在很大程度上决定了装备燃料电池的电动汽车性能，因此研究高效、紧凑、可靠和低成本的空气供应系统就成为了当前车载燃料电池研究领域中的重要任务。

图 1 空气供应系统工作原理图

涡旋和双螺杆空压机是目前主流技术路线

由于燃料电池的特殊要求，空气供应系统有很多有待解决的技术难点，使目前广泛应用的工业压缩机无法满足燃料电池电动汽车的需求。一方面，为了保证质子交换膜具有良好的工作特性，要求空气供应系统供给燃料电池堆的压缩空气绝对干净。另一方面，为了保证质子交换膜燃料电池具有较好的综合性能，要求空气供应子系统能够根据燃料电池输出功率的大小及时调整供气量与供气压力，并具有结构紧凑，重量轻，噪声低，可靠性高，能量可回收等特点：

1) 较高的能量转化率。在车辆行使过程中，空气压缩机工作的动力来源是燃料电池的电能输出，若压缩机占用较多的输出电能，必然会减少汽车的驱动功率从而影响整车的性能；

2) 燃料电池中的质子交换膜要求压缩空气完全无油，并且具有一定的湿度，因此通常使用的喷油冷却压缩机就不适合应用在这一领域。需要提供压力相当高、低流量的干净空气，必须不含任何碳氢化合物，如油；

3) 为了获得运行效率，压缩机需要在全负荷时的任何时间都能高效地工作，在宽的流量范围能都能高效工作，能够无延迟的调整燃料电池的功率输出；

4) 车载环境要求压缩机部件在能够提供较大空气排量的同时具有非常小的质量、体积以及高可靠性；

5) 燃料电池运行时无声，压缩机噪声必须控制；

6) 对材料要求：为满足压缩机的低成本、低噪音和耐久性目标，必须为压缩机关键部件开发具有低成本、稳定摩擦性能以及耐磨的涂层和材料。

旋转容积式压缩机和涡轮式压缩机

各大类压缩机都各具特点，需要对其弱点进行研究并加以克服，从而满足燃料电池的需要。从效率和可靠性来看，涡轮和螺杆空气压缩机是目前被认为最优的两种技术路线，也是未来运用趋势：

1. 螺杆压缩机：目前美国通用、Plug  Power、德国Xcellsis、加拿大Ballard等公司的燃料电池中都采用了螺杆压缩机/膨胀机供气系统。德国大众公司在Bora燃料电池发动机汽车上采用的喷水螺杆压缩机，是国际燃料电池技术的重大进展之一；

2. 涡旋压缩机：日本丰田（TOYOTA）、美国UTC等公司的燃料电池系统采用了涡旋机械作为其供气系统的核心部件。

图2 燃料电池空气压缩机种类图