氢听剧场：仙存妮——《燃料电池用离心式空压机关键技术》

谢谢卢院长，我是来自北京稳力科技的仙存妮。我看今天报告是没有空压机的，我代表稳力科技介绍一下稳力科技过去一年在离心式空压机方面的一些研究成果。

我的报告分三个方面，首先介绍一下燃料电池和空压机的技术背景，第二块介绍一下离心式空压机的关键技术，第三部分说一下稳力科技的研究进展。

氧化剂的供应系统其实一直是燃料电池发展的一个制约环节。燃料电池发展到现在经历了100多年的历史，供氧有不同的形式。从开始的时候，供氧方式主要是氧气瓶来供氧，像阿波罗飞船用的碱性燃料电池就是用氢氧电堆。全球第一辆燃料电池的面包车，通用公司生产的，也是氢氧燃料电池。用氧气瓶供氧优点是压力比较高，因为是用气瓶，所以压力你可以随便去调。压力越高燃料电池系统效率越高，它是气瓶直接供氧所以不需要过滤和冷却。同时它也存在缺点，因为你要再加一个氧气瓶，还包括一些减压阀、传感器这些零部件，所以成本比较高。另外，需要的空间也比较大。最重要的是氢氧，这种燃料电池直接接触的风险比较大，所以对安全性是不太好的。

第二个供氧是风机供氧，这是在2000年的时候在国内做通信备用电源的时候，还有便携燃料电池的时候，风机供氧是常见的方式。但是风机用它的优点和缺点，对于电堆的功率小于5千瓦以下或者是3千瓦以下，用风机是比较合适的。风机它的优点是流量比较大，缺点是压力太小，基本是小于0.1兆帕。但是风机的优点是功耗比较小，基本上在几百瓦左右，而且不需要冷却，可以直接进电堆。缺点是它只能用于风冷的电堆。因为风机本身的特点，所以在整个电堆侧面供氧压力不太均匀，所以对燃料电池整个系统的效率是影响的，跟空压机一样，也是需要空气过滤才可以进电堆。最后一种是空压机，空压机的发展比燃料电池的历史要更长，在工业上用得比较多。空压机在工业领域，它占工业耗能的15%到20%，所以它是个用能大户。但是工业用的燃料电池的技术和我们燃料电池的是完全不同的，技术含量也不太一样。

我简单介绍一下这个空压机的优缺点，空压机针对于车用的大功率的电堆来说它是比较合适，它的优点就是压缩比比较高，如果不考虑功耗的情况下可以无限的压缩。另外，它比较适用于大功率的电堆，像现在百千瓦级的系统，那空压机是比较合适的。流量基本可以满足要求。缺点也是比较明显的，成本相对于较高。另外它的功耗比较大，需要过滤和冷却。这是大概的一个供氧的方式。

空压机比较关键的参数对燃料系统来说是压缩比和功耗。我们可以看出在相同的电流密度下，如果阴极的压力，也就是空压机压缩比越高，燃料电池单片电池是越高的。单片的电压越高，燃料电池电堆的能量密度是越大的。同时，对空压机来说，如果压缩比越大，它的功耗是越大的，而且是一个线性的关系。其实我们在做系统集成的时候，要考虑到电堆的输出和整个BOP系统的功耗，取一个最优点。我们也分析了国内外用的空压机压比情况，数据可能也不是特别准确。

这个表格是国外厂家的压缩，基本上是在3以上，3.5的比较多。右边这个图，是国内厂家，我们根据客户的需求取的一个参数，基本上看，整个工况区域的，基本上它的压缩比在2.5左右，3以上的厂家是比较少的。当然，这个压缩比的这个要求跟燃料电池电堆的设计有关，也跟空压机匹配也有关系，它是一个协同的关系。

对于燃料电池，特别是车用燃料电池，空压机的种类比较多，但是普遍认为有四种。这四种比较适合燃料电池领域。离心式现在也是各大车厂比较认可的一个方向，因为它的体积能量密度和质量能量密度比较高，比较适用集成，所以现在是整个行业的技术路线。稳力科技主要研发离心式空压机，我简单介绍一下离心式空压机的工作原理，它是在主轴，主轴一般是电机，高速电机带动下使叶轮转动，空气从进气口进去以后，被叶轮高速的旋转，然后甩到扩压器当中，扩压器的这个作用就是把空气的动能转化为压力能，这是一极的。如果你还要提到压力比的话，压缩比的话，那就再增加一极，进入到第二级压缩，提高它的压力。所以从我刚才讲的原理来说，空压机主要的部件主要包括这四个部分。一个是超高速主轴、叶轮、扩压器和轴承。其中超高速电机和空气轴承是比较关键或者是核心的技术。对于离心式空压机来说，关键技术我们也总结了一下，主要包括这四个方面：首先是空气轴承，它和传统的油润滑轴承不太一样。是以空气为润滑的介质，所以它的摩擦比较小，寿命比较长。但是这个空气轴承它涉及到流固耦合的计算，计算过程比较复杂，现在没有一个成熟的设计方法，测试标准也是空白。对于离心式空压机来说，要寿命主要取决于空气轴承，空气轴承的寿命主要是取决于它的涂层，所以这个轴承耐磨涂层的技术和评价标准也是比较关键的技术。

第二个关键技术就是超高速主轴，也叫超高速电机。超高速电机一般认为超过10万转或者接近10万转。因为在高速旋转在电机涉及到电场、应力场、磁场、热场是多物理场耦合的环境，要精准计算，转子、定子的工艺是比较关键的一个技术。另外，因为它的转速比较高，还有一些特殊材料，所以造成比较严重的损耗，冷却是过去一年我们主要做的一个工作，怎么去实现高效的冷却。

另外就是转子动力学的匹配。另外是转子批量化的工艺，转子和定子之间的间隙是非常小的，是微米级的，组装的还有加工的工差，组装工艺是我们刚刚克服的难题，可以进行批量化的制造。

第三个关键技术是高频控制技术。主要是控制电机，电机转速10万转以上，它和普通电机控制是不太一样。普通用传感器直接接触电机，去测它的转速和位置信息，但是高速电机不行，因为会造成干扰控制精度和效果都是有偏差的。所以就要发展无传感器的矢量控制技术，怎么通过电机的运行，然后通过它的磁场和异场去检测，通过公式去计算它的位置和转速。另外一个是定子电流谐波抑制技术，因为它是高速所以绕阻数比较小，所以会产生谐波，这个谐波一定要抑制，要不然会影响它的控制效率。

另外一个，现在基本上用的功率器件还是IGBT的模块，但是对于小型化和重量比能量要求比较高的产品，需要发展一些高能量密度的模块，如碳化硅。   

第四个是压气机，我们看出它其实是一个机械部件，它研究时间比较长。但是精度要求不是很高，所以研究的技术主要是集中在定常流动控制，对非定常流动或者是控制的方法研究的是比较少的。另外一个喘振，这是一个离心式空压机一个不可避免的缺点。

下面我分两个方面介绍一下稳力科技在过去一年的在轴承和压气机方面的一些进展。稳力科技是2014年成立的，2018年开始做产品的研发。刚才讲了空气轴承的大概原理，因为时间关系就不介绍了。我们建立了一个空气轴承的正向技术，现在我们开发的轴承产品是第四代，承载能力可以从1.2到1.4，左边的图是径向轴承和推力轴承，做了1万次启动后的磨损情况。

压气机方面，我们主要是对于喘振抑制方面做的一个工作，喘振它是因为流量越小，特别是它小流量区域它发生的一个本征的特性。流量小到一定数值的时候，空压机叶片会形成分离，分离以后这样的气压不出去，它直接形成一个分离涡旋的这么一种形式。所以外界管道上的压力就会大于叶轮中的压力，会返回来。返回来以后叶轮又达到它工作的态度又会压出去，外界又正常了，正常以后它的流量又变小了，管道气流量又回来，形成一个周期性的振动。这对于空压机部件损坏是非常严重的。所以使用离心式空压机的时候，一定要使用在它的工况区域，也就是要避免在喘振区。

工业上一般是抑制这个喘振的方法是固定一个极限的流量，我们会得到一个喘振线，同时设置一个裕度，如果检测到流量接近喘振线时，就进行放空或者是回流，这样抑制喘振。

我们公司在叶轮入口处做了一个叫半高导叶，这个我们申请了专利，如果想了解详细的情况可以看我们的专利。这个导叶是半高导叶，通过半高导叶的设置可以对气体入口的流量方向，导角进行一个调节，而且它可以实现叶根和叶尾不同的控制作用，所以可以抑制喘振，这个是我们在35千瓦的空压机上一级压缩以后做的一个理论计算。这个红色的区域是加了半高导叶的，在流量区的喘叶线是左移的。另外还有一个比较突出的就是它的效率，我们增加半高导叶以后，它的效率几乎是没有变化的，这个也是一个比较好的现象。

这是我们开发的几款样机，在下面展厅有展出。24千瓦额定流量是110克/秒，这个是31千瓦。右边是我们产品的一个型谱图，最大是可以达到180克/秒，它的压缩比最高达到4以上。这个是我们现在开发的31千瓦的空压机，它覆盖现有客户的所有需求，低流量区，还有点偏差，所以我们现在开发35千瓦的。

最后简单介绍一下我们公司，我们公司是中关村的高新技术企业，也是国家高新技术企业。去年获批了广东省的超高空压机工程技术中心，我们在广东建成了年产2万套的生产线，同时我们也自主搭建了一些测试设备。

我们下面有展位，如果想了解详细情况可以到展位给予指导，我的报告到此，谢谢大家。