氢听剧场：仙存妮——离心式空压机关键技术及其在燃料电池发动机中的应用

博士 总监

Sci.&Tech. Management Director

北京稳力科技有限公司

Beijing Wenli Technology Co., Ltd.

仙存妮

Cunni Xian

     我的报告分三个部分，第一是背景介绍，第二对离心式空压机技术发展趋势进行介绍，第三部分介绍离心式空压机关键技术和稳力的产品开发情况。

     2014年，自从丰田Mirai汽车发布以后，全球氢能源产业出现一个飞速发展的时期，中国表现得尤为突出。发展氢能，各个地方和国家都在部署，氢能现在已经提到国家层面，也是国家节能减排的一个战略需求。 在“十三五”国家战略新兴产业规划中，电机和燃料电池空压机被列为重点研发领域，今年中美贸易摩擦给中国企业和美国企业带来很多问题。其中空压机被列入首批加增关税的产品名单，像美国的霍尼韦尔，这是在空压机比较知名的企业，也面临着制裁的局面。在我国空压机核心部件，像轴承、超高速电机，这些技术不太成熟，特别是大功率用的空压机。因为目前国内电堆是30、60千瓦，百瓦级的电堆用的比较少，所以空压机产品也比较缺乏。

     我简单介绍一下空压机原理，空压机相当于燃料电池电堆的肺，主要功能是给电堆供应一定压缩比和稳定流量的空气。空压机系统主要由压缩部件控制器、辅助部件组成。空压机能耗占到整个燃料电池辅助能耗80%以上，其实空压机在工业领域也是非常常用的一个工业部件。空压机的能耗在工业领域也是一个难题，国家现在也在进行空压机节能改造，因为空压机能耗占到整个工业用电的15%，是很大的一个数。

     燃料电池对空压机要求有哪些？我们总结了一下，这是行业比较公认的几个要求。首先是无油，因为油润滑使性能衰弱。第二是高效，空压机效率如果能提升燃料电池系统效率毫无疑问能够提高。第三是轻量化和低成本。轻量化对于燃料电池小的电堆来说不是那么重要，商用车使用可以接受，如果以后发展大功率的燃油电池，或者是乘用车的话，对燃料电池整个系统轻量化要求比较高。空压机是燃料电池很重要的一个部件，它的重量占很大一个比重，所以它的轻量化也是比较重要的。低成本，我们展台，很多人问我们空压机成本是多少，可以看到空压机在燃料电池整个系统当中占的比较重要，所以低成本对燃料电池的发展也是有利的。

     第四个是低噪音。燃料电池是电化学装置，相对来说它没有机械转动部件，所以除了空压机之外其他没有噪声。要控制系统噪声只能控制空压机。

     第五个是小流量区，这一条针对离心式空压机来说。因为喘振是离心式空压机的特点，一般是发生小流量区，所以设计的时候要根据客户使用工况，尽量使燃料电池在小容量和高压比工况下能够高效运行。

     第六是良好的动态响应能力。因为燃料电池车运行时，它的运行功率根据工况变化是比较大，对空压机的要求，希望它的流量和压力能无延迟的根据系统和堆的要求进行调整，这是涉及到空压机控制方面的，这样也可以提高整个燃料电池系统的效率。

     这是目前在燃料电池领域用的几种比较常用的空压机形式，有离心式、罗茨式、螺杆式、和螺旋式。螺旋式是丰田目前在用的一个空压机的形式，离心式和螺杆式现在也普遍，这两个是工业上用的比较多的一种类型。这个表是从紧凑型、质量、温升、噪声、压缩比、成本、耐久性，这几个参数进行了比较，星号越多说明它性能越好。从整个参数来看离心式空压机综合性能最好，我们可以看出来，车企、本田、现代、戴姆勒、通用、上汽现在选用的都是离心式空压机。据说丰田也在开发离心式，可能下一代Mirai会用离心式空压机。

     离心式空压机另外一个特点是它可以和涡轮匹配，实现高压比，所以离心式也被公认为是空压机未来发展的主要趋势。

     这张图说明离心式空压机的工作原理，在所有的空压机例行当中离心式这个结构比较简单，它通过叶轮转动，使空气加速。在空压机里面有一个扩压器，这个扩压器部分把空气动能转化压力式能，再输出高压比和流量的这么一个设备，大概工作原理是这样。

     我们根据产业发展，还有和客户交流，总结了燃料电池用空压机的未来趋势大概是这六条，大流量、高压比、无油、轻量小型化、长寿命、低成本。很多客户跟我们咨询100千瓦、120、150千瓦堆的需求。大流量肯定是未来趋势，但是限于成本和技术成本，所以现在用的功率比较小。

     高压比，压缩比越高，燃料电池性能越好。现在国内压比在2.2级左右，丰田和本田是3，美国DOE提出2020的目标是3.5，所以高压比是未来发展趋势。满足这样的需求，对于离心式空压机来说，气体动压轴承、超高速电机、多级（涡轮）增压，这几个技术，肯定是比较符合的。

     目前用的燃料电池，行业空压机主要是以螺杆式为主，它需要油润滑或者水润滑。离心式一般是低速电机加一个增速器，低速电机转速一般在10000转/分钟。加增速器，这个重量比较一下，相同流量和压比情况下，增速式比离心式的重量大很多。发展超高速空压机，超高速空压机核心部件是超高速电机，超高速电机在国内起步比较晚，因为它是一个交叉学科，所含学科比较多，物理、化学、材料、控制、磁学等等，我只是列出了一部分。

     超高速空压机存在三大卡脖子技术，第一是气体轴承。我国在气体轴承方面起步比较晚，所以现在没有设计、测试方法、标准，前期找了很多，但都没有找着。行业标准、团体标准都没有，国标也没有，也缺乏一些知识产权。

     气动轴承是超高速电机一个核心部件，在超高速电机方面也存在很多技术难点，首先是用磁体设计工艺在多物理场耦合条件下的精准校核问题，超高速是高速旋转会产生热，这个损耗和高速冷却怎么实现，这也是一个难题。另外，超速电机一般是在10万转/分钟，它和气动轴承转子动力学匹配也是一个难点。第三个，在高频情况下高效控制技术，控制方面。像磁悬浮减振在国内为空白。全速域无额位置传感器高效控制算法空白。高效器件选型方法空白。

     下面我介绍一下北京稳力科技的技术和产品开发情况。

     第一，气体动压轴承，这是我们稳力科技在做的一个工作。气动轴承在19世纪50年代就提出了这个概念，但是50多年后才出现第一个气体轴承。这里说一下，气体轴承一般是以空气为润滑剂，也叫空气轴承。空气轴承分三种，第一种叫气体静压轴承，它是通过外界要加一个供气的装置，通过外界的供气让转子悬浮起来，也是通过空气润滑的。第二种叫挤压膜轴承，它是外界加一个能量，像电或者磁，使这个空间中的气体周期性挤压，使转子能够悬浮起来。第三类是气体动压轴承，这也是最难的一种。它没有外加设备。研制好以后，气动轴承和转子有一个楔形区域，通过这个区域它自适应可以转起来使转子悬浮，所以它的寿命比较长，高效，外面没有外加能量的设备。

    （视频气动轴承工作示意图）这是气动轴承的顶箔。出来这个是转子，我们可以看转子在高速转动的时候，转子和顶箔之间会出现微米级的空气薄膜，这个空气起到支撑和润滑的作用。气动轴承和传统油轴承和滚动轴承相比，转速可以提高5到10倍，精度可以提高2个数量级，功耗降3个数量级，寿命高10倍。原则上来说，气动轴承没有损耗，就是在启动的时候会有磨损。另外一个，它可以在任何高低温、辐射和污染条件下使用，这是传统轴承无法实现的。

     稳力科技创始人在气动轴承理论研究和产品开发方面有十多年研发经验，我们也开发了全球第一个气动轴承正相的设计平台。从气动轴承设计、计算、工艺、测试等，完成了一个完整的开发技术体系。现在全球用的气动轴承处于第二代，现在我们开发第4代气动轴承，也在产品中应用，这是结构方面的改进。

     另外一个工作是超高速永磁电机和控制技术，我们现在研制30万转最大转速，30万转/分钟超高速永磁电机。这个样品在2019年科技活动周科技部举办的，在军博，我们也作为国家重大科技成就代表展出，也获得很多业界关注。我们也开发了一个额度功率12千瓦，额定转速10万转的永磁同步电机已经小批量制造，已经在我们的空压机中使用。在空压机控制方面，现在开发了两款产品，12千瓦和40千瓦控制系统。

     稳力是2014年成立开始做空压机产品研究，经历了四代产品。第一代是增速式，也就是低转速电机加一个增速装置，这个是30千瓦电堆用的。第二代是单级空压机，第三代和第四代是双级。研发过程是希望流量和压缩比不断提高，比质量、体积是在提高的。产品给业内很多企业供货。空压机产品在今年获得了2018年创新中国新锐科技产品大将，这个奖全国只有12个产品入围。

     这是稳力科技现有的一个型谱，这个型谱用的都是气动轴承的技术，也是用了超高速电机，增速式没有列在里面。因为用了气动轴承，所以它就具有无油、寿命长的特点，超速电机可以实现整个系统的小型化和轻量化。浅色部分是单极，深色部分是双极。这两款产品，分别单极和双极都有在展台展出。流量从30克/秒一直到150克/秒，最大的压缩比可以到3.85。

     这个是单级的一个技术参数，电机转速是12万转/分钟，电机额定功率是12千瓦，这是它的一个性能图。这是双极机型，这款产品是今年9月份做完B轮验证，基本上已经定型了，最大质量可以到145克/秒，最大比是3.85，电机转速是在8万5转/分钟，电机额定功率是20千瓦。

    因为没有找到行业、地方政府、国家对空压机的指标要求，我们找到美国DOE于2020的一个针对80千瓦电堆空压机的技术指标，它要求额定压缩比3.5。这个是双极直驱的产品可以给100千瓦150千瓦电堆来用，做一个比较。输入功率，没有膨胀期的时候是14千瓦，我们这个是17千瓦，功率比较大。

    空压机的效率我们是71，设计产品发现很多客户跟我们反映电堆功率，还有压缩比、流量，范围比较大。所以设计的时候希望尽量满足更多客户的需求，所以效率没有作为第一考虑因素。如果给我确定这个区间，效率可以做得高。

     耐久性，因为空气轴承，所以耐久性肯定没问题，但是我们没有做实验验证。

     气动轴承现在做了10000次启停测试，磨损量小于3%。

     噪音是未来要做的一个重点工作，噪音最大到78分贝，系统质量跟美国DOE目标差不太远。

    我们研发总部在北京，去年5月份在广东云浮成立广东生产基地。生产基地注册资本1.3亿，现在已经建成5000套空压机产线。我们和德国合作单位筹建德国研发基础，预计今年年底建成。同时和国内大学、研究院所共建电动汽车智能化电动集成技术国家地方联合工程研究中心，我们公司是氢燃料电池技术分中心的一个承担单位，我的报告到此结束。谢谢大家。