燃料電池BOP 高轉速空壓模組

摘要：最理想清潔能源之一的氫能越來越受到關注。其中燃料電池汽車是一項關鍵的應用領域。利用燃料電池中的氫氣和空氣中的氧氣進行化學反應，從而產生電能，推動車輛運行。空氣壓縮機扮演著將空氣輸送給電池堆中的化學反應，直接影響汽車的性能和能源效率，其中成本最高且耗能最高的就是空氣迴路中的空氣壓縮機部分。過程中須使用無油的壓縮機提供氧氣，因此，無油軸承成為必然選擇，在此利用氣浮軸承實現無油運轉。馬達部分，永磁同步馬達的採用也為系統帶來了高效率、高功率密度以及快速動態響應等優勢。永磁同步馬達與高速無油軸承的結合進一步降低了軸心與軸承間的摩擦，提升系統的穩定性。在此提出使用箔片軸承和永磁同步馬達的方案概念與設計原則。
Abstract：Hydrogen energy is receiving increasing attention, with fuel cell vehicles being a key application area. By utilizing the chemical reaction between hydrogen in the fuel cell and oxygen in the air, electrical energy is generated to propel the vehicle. The air compressor plays a crucial role in delivering air to the battery stack for the chemical reaction, directly impacting the performance and energy efficiency of the vehicle. Among these components, the air compressor in the air loop incurs the highest cost and energy consumption. It is necessary to use oil-free compressors to supply oxygen, thus oil-free bearings become the inevitable choice, utilizing gas foil bearings to achieve oil-free operation. In the motor section, the adoption of PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor) brings advantages such as high efficiency, high power density, and rapid dynamic response to the system. The combination of PMSM motors and high-speed oil-free bearings further reduces friction between the shaft and bearings, enhancing system stability. Herein, the proposal of using foil bearings and PMSM introduces concepts and design principles.

關鍵詞：燃料電池、高速無油空壓機、空氣軸承、箔片軸承
Keywords：Fuel cell, High-speed oil-free air compressor, Air bearing, Foil bearing

前言
氫氣是一種無色、無味、無毒的氣體，是宇宙中最豐富的元素。氫能源是一種利用氫氣作為能源的方式，可應用於發電、運輸和工業領域。氫能源的優勢在於使用過程中不會產生二氧化碳等溫室氣體，僅產生水，因此被視為一種清潔的能源。燃料電池汽車是一種以氫能源驅動的汽車，其工作原理是通過燃料電池化學反應將氫氣和空氣中的氧氣結合，生成電能和水，再利用其電能電動馬達推動汽車前進[1-2]。
燃料電池的周邊輔助機械模組(Balance Of Plant, BOP)。BOP中包括空氣迴路、氫氣迴路及熱管理迴路，對於BOP的技術需求是多面的，但在發展差異化技術之前，基礎技術也非常重要。其中占比BOP中成本最高(也是耗能最高)的是空氣迴路中的空氣壓縮機部份，因此先將重點放在此空氣壓縮機之設計進行著手研究。空氣壓縮機在燃料電池系統中扮演著重要角色，負責在發電過程中朝燃料電池電堆輸送特定之壓力和流量空氣，為電堆電化學反應提供所必需的氧氣，這對於燃料電池系統的高性能輸出至關重要。
在燃料電池汽車中，空氣壓縮機是一項不可或缺的組件，其主要功能是將空氣中的氧氣壓縮後送入燃料電池的陰極，與陽極的氫氣進行反應，因此，空氣壓縮機的性能和效率直接影響燃料電池汽車的動力和節能性；而空氣壓縮機有多種類型，如活塞式、渦輪式、滾筒式等，各有其優缺點。目前，渦輪式空氣壓縮機是燃料電池汽車主要採用的一種型式，不同類型的空氣壓縮機具有各自的優勢和缺點，而渦輪離心式空氣壓縮機則是目前較為主流的選擇。
空氣壓縮機研究架構分為三大部份，分別為壓縮機驅動器部份、軸承馬達本體部份與葉輪蝸殼設計部份，在此針對軸承馬達本體部份進行進一步的說明。
離心式壓縮機結構概念
離心式空壓機是利用葉片式的空壓機，具有結構緊湊、反應快速、壽命長和高效率等特點。離心式空壓機利用葉輪高速旋轉，產生離心力將氣體甩到擴壓器中，同時在葉輪處形成真空地帶，吸入外界新鮮氣體，將空氣連續流動並於葉輪入口端形成壓力差。
在壓縮過程中，氣體在每經過一次工作腔體的壓縮後，進入冷卻器進行冷卻，這個過程被稱為一級壓縮，若經過兩次或兩次以上葉輪的壓縮，然後才進入冷卻器進行冷卻稱為二級壓縮。因此一級壓縮機若要達到目標的流量壓力，則需要較高之轉速；相反的二級壓縮機則可以以較低轉速，但結構較為複雜且須兩端葉片與蝸殼進行壓縮。
軸承與馬達結構設計概念
為防止燃料電池性能的惡化，要求壓縮空氣不得含有油，多數採用無油結構，使用氣浮軸承實現無油運轉。軸承馬達本體採無潤滑油設計，目前知名商品多採用高速氣動壓設計，例如高速無油箔片軸、人字溝軸承、磁浮軸承等等，其中壓縮機內包含止推與徑向軸承兩種，馬達定子需整合螺旋水套水路設計，目前設計整體功能規劃包括：高速(> 8萬 rpm)預期馬達耗能16 kW以下。
馬達整體設計如圖1，包含了馬達軸心(轉子)、馬達定子、徑向軸承、止推軸承等重要元件。

圖1 馬達整體設計