交大成果丨车用燃料电池螺杆压缩机技术
项目简介
空气压缩机为燃料电池提供电化学反应所需要的氧气。将空气压缩到一定压力（通常在1.3~3.2bar范围内），有助于提高电堆的功率密度，是燃料电池汽车降低成本、实现轻量化的重要技术手段。
为了满足燃料电池最高功率，空气压缩机应保证足够的流量，根据估算，100 kW的电堆功率大约需要300 Nm3·h-1的空气。除了保证一定的压力和流量外，燃料电池车用空气压缩机还需要满足其他要求，包括压缩气体绝对无油，以防止催化剂中毒；压缩效率高，减少压缩气体需要的额外能耗；能对启停、加速、刹车、制冷、供热等各种工况变化做出准确、快速响应，具有良好的工况适应性；在极端工况和气候条件下，具有良好的可靠性和长久的寿命，且维护简便；结构紧凑，体积小，重量轻。
对效率、可靠性、工况与环境的适应性、体积与重量等指标的综合要求，特别是对压缩气体绝对无油的严格限制，使得燃料电池车用空气压缩机的产品研发及其产业化存在不可忽视的技术挑战。
关键技术优势或创新性
为实现较高的能量转换效率，燃料电池内部的化学反应对空气的温度、湿度、压力和流量等参数均有着严格的要求。但目前广泛应用的工业压缩机无法满足燃料电池空气供应系统的要求。
因此性能优越且能与燃料电池系统进行很好匹配的压缩机的研究开发，对燃料电池技术的发展至关重要。本项目开发了燃料电池专用的螺杆无油压缩机，能完全满足以下要求：
（1）无油。燃料电池反应堆中的质子交换膜需要工作在无油条件下，否则将会引起质子交换膜失效，因此需要作为氧化剂的压缩空气中不能含有任何油成分。这就限制了很多工业用空气压缩机在燃料电池空气压缩机中的应用，因为很多工业用空气压缩机中或是使用了供油轴承，或是使用了喷油方式对压缩空气进行冷却。
（2）高效。由于燃料电池反应堆和空气压缩机之间能量相互关系，相关研究表明，燃料电池发动机输出功率的20～30％被用于空气压缩机，使其成为了除驱动电机之外最大的耗能单元，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，从而影响整车性能。
（3）小型化和低成本。空气压缩机会作为燃料电池发动机的一部分被安装到燃料电池电动汽车上，在车载平台上，过大的空气压缩机会占据了大量的空间，从而影响到乘员乘坐舒适性和可装载货物数量；较大质量增加了整车惯性，会在很大程度上影响汽车的启动性能和制动性能。不同输出功率的燃料电池反应堆所需要的压缩空气质量流量具有较大差别，50kw燃料电池反应堆需要最大空气质量流量为95g/s(4.5m3/min)，100kw燃料电池需要155g/s(7.3m3/min)的空气流量，同时要求压缩机体积在40L以内，质量在30kg以下。
（4）低噪声。空气压缩机所产生的噪音是燃料电池系统最大的噪声源之一，为提升整车运行过程中的舒适性，压缩机的振动噪音需得到有效抑制。
（5）良好的动态响应能力。当需求功率发生变化时，空气流量和压力需无延迟地进行调整，以匹配输出功率的变化。
市场前景及应用
作为新能源汽车领域的重要部分，燃料电池汽车也是汽车未来的终极目标，中国汽车企业在氢燃料电池技术领域也积极布局。据《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书（2016）》预计，到2020年，我国燃料电池车辆将达到1万辆；到2030年，燃料电池车辆保有量将达到200万辆。届时，中国有望成为全球最大的燃料电池汽车市场。
目前，我国已初步掌握了氢能汽车在电池电堆、关键材料、氢能基础设施等方面的核心技术，基本建立了具有自主知识产权的燃料电池汽车动力系统技术平台，在分布式能源、移动通信基站及城市客运、物流等商用车型展开了规模化示范运行，开启了中国燃料电池汽车商业化的进程。
本项目产品作为燃料电磁系统核心零部件，具有广泛地应用前景。
项目专家
【吴伟烽】（能动学院）
【研究方向】
1）压缩机及制冷技术
2）膨胀机及能量回收技术
