本项目开发的50kW燃料电池堆的功率密度较高，燃料电池在较高的温度（>90℃）和压力（>1.5 bar绝对压力）下运行，需要研制紧凑高效的中高压空压机为燃料电池堆提供压缩空气。离心式空压机具有效率高、体积小、重量轻等优点，是燃料电池系统的理想供气装置[1-4]，目前低压燃料电池系统已普遍采用离心式空压机供气。现有燃料电池堆用离心式空压机的供气压力一般均在1.2 bar（绝对压力）以下，无法满足中高压燃料电池堆的供气要求[5-7]。本项目采用小型增速离心叶轮方案开发无油中高压空压机，开展了空压机的总体结构方案设计、宽流量范围离心叶轮设计开发、小型高速比增速装置设计开发等工作，研制了空压机试验样机。
摩擦增速装置部分主要由壳体、前盖、中央传动架、旋板泵、传动轴、连动板、外套圈、行星滚子组合、输出轴等零件组成，如图7-4所示。件8传动轴螺纹连接图7-1中的件10连动板，连动板带动图7-4中的件8外套圈旋转，外套圈与图7-1中的件6行星滚子组合过盈配合，通过摩擦力带动行星滚子旋转，行星滚子与图7-1中的件5输出轴过盈配合，通过摩擦力带动输出轴旋转。同时该装置中设计了集成的旋叶泵润滑系统，以保证工作时的润滑和冷却需要。
7.2宽流量范围离心叶轮设计
根据空压机与50kW燃料电池堆匹配的空气流量和压比需求，进行了压气机离心叶轮设计。针对燃料电池堆工作流量范围较宽的特点，在设计中主要采取了以下方法拓宽压气机的稳定工作范围：
（1）压气机叶片进口部分采用适度的负攻角设计，提高压气机叶片的小流量工作稳定性；
（2）通过压气机叶片前缘几何优化，最大程度降低叶轮进口叶尖流动的相对马赫数值；
（3）压气机叶片出口部分采用较大的后弯角，并采用适度的叶片前倾，提高叶片出口流动的均匀性；
（4）压气机无叶扩压器的进口部分设计为收缩段形式，削弱压气机出口流动分离，拓宽扩压器的稳定工作范围。
通过多轮次优化设计，确定离心式压气机的主要几何尺寸如表7-1所示。
采用全三维计算流体力学数值模拟方法，对压气机叶轮的三维几何进行了气动优化。设计结果的性能仿真曲线如图7-6和图7-7所示。由图可见，压气机最大流量为360
m3/h（0.12 kg/s），工作在设计流量270 m3/h（0.09
kg/s）时，转速为107000rpm时可达到压比1.6，转速为120000rpm时可达到压比1.8，满足工作压力大于1.5bar的要求，且稳定工作范围较宽。由图7-7可见，压气机效率最高达到85%，设计流量点的效率大于80%。
为提高压气机与燃料电池堆匹配工作时小流量工况的性能，对压气机叶轮进行了全工况优化设计研究，发展了采用叶片前掠流动控制改善压气机非设计工况性能的方法，通过控制压气机叶片的叶尖负荷分布，有效提高了压气机小流量工况的工作效率。图7-8显示了采用叶片前掠流动控制方法对压气机全工况效率的改善效果。由图可见，采用叶片前掠后，压气机大流量工况的效率略有下降，但幅度很小，而小流量工况的效率明显提高。
