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丰田FCV技术（三）开发出高效率的空气压缩机

2019/10/15 17:10:311461

开发出高效率的空气压缩机

　　空气压缩机是FCV运转所必需的部件（图8）。负责从大气中吸入空气，在压缩后输送到FC堆栈。空气压缩机一旦停止工作，FC堆栈就不能使空气中的氧气与燃料罐供应的氢气发生化学反应进行发电，汽车将无法行驶。　　无标题.jpg

　　图8：空气压缩机　　采用六叶螺旋罗茨方式。叶片为转子的凸部，螺旋代表轴向扭转、罗茨代表咬合。2个转子的6个叶片咬合。　　MIRAI采用了丰田自动织机开发的高效率空气压缩机。在压缩机中，驱动风机的马达额定输出功率约为10kW。考虑到MIRAI的驱动马达的最大输出功率为113kW，这个输出功率并不算小，需要大电流才能实现。通过提高压缩机的效率，压缩机的耗电量减少，延长了MIRAI的续航距离。　　风机采用新开发的六叶螺旋罗茨方式，吸入的空气量从小容量到大容量，都能实现高效压缩。风机由两个转子构成，转子的凹凸彼此咬合进行旋转。随着咬合空间缩小，空气将被压缩并且喷出。　　广泛应用于家电和空调压缩机等的涡旋式风机，存在高负载时效率良好，低负载时效率降低的课题。相比涡旋式，这种风机在低负载时的效率提高了14个百分点，达50％以上，高负载时的效率达60％以上。　　吸入的空气量在低负载时约为0.1Nm3（100L）/分，在高负载时约为5Nm3（5000L）/分。最大压缩比约为3倍。　　FC堆栈需要氧气，但空气中约8成是氮气（N2），氧气（O2）只占约2成。FC压缩机为防止氧气缺乏，需要源源不断地吸入大量的空气进行压缩。　　空气压缩机的外壳通过采用铝合金材料减轻了重量。逆变器没有单独准备，而是借用驱动马达的逆变器。空气吸入口（进气口）约为250×50mm左右，配置在发动机舱内。　　 改进氢气循环风机的散热 　　氢气循环风机的作用，是循环利用没有反应的氢气和空气极生成的水（图9）。　　无标题.jpg

　　图9：氢气循环风机　　回收利用没有反应的氢气和空气极生成的水。无需加湿器，降低了成本。　　作为设计上的改进，风机马达配置在了FC堆栈歧管的旁边，可以利用堆栈歧管的冷却机构，使氢气循环风机实现了小型化。氢气循环风机马达部分的外壳为铝合金制造，风机部分、通道等其他外壳为SAS（不锈钢）制造。氢气循环风机采用已经运用于一般风机的方式（双叶罗茨），降低了成本。　　FC堆栈歧管整合了连接FC堆栈及其周边设备的配管。内部设置了向堆栈输送空气、氢气和冷却水等的配管（图10）。为防止堆栈内的各个单元分开，FC堆栈歧管还要与另一侧的平坦铝合金面板一同向多个单元加压。　　无标题.jpg

　　图10：FC堆栈歧管　　整合了氢气、冷却水和空气等连接FC堆栈及其周边设备的配管。图的背面排列着单元，正面连接氢气循环风机等。通过向铝面板的沟槽中注入树脂的方式成型。　　这一次，FC堆栈歧管采用了向铝合金面板内注入聚酰胺树脂的嵌件成型方式制造。过去，铝面板与树脂是分别成型，部件数量较多。进行开发的丰田纺织表示，"通过采用一体成型，在减少部件数量的同时，还减薄了面板"。　　氢燃料罐通过改进树脂材料、CFRP（碳纤维强化树脂）的材料和制造方法，减少了材料的使用量（图11）。燃料罐的厚度从上一代的40mm缩小到25mm，减薄了约4成。　无标题.jpg

　　　图11：高压氢燃料罐　　3层结构，通过减少树脂和碳纤维实现了低成本化、轻量化。　　燃料罐由作为基材的衬底层、CFRP层、GFRP（玻璃纤维强化树脂）层3层组成。衬底使用聚酰胺树脂，起到封闭氢气的作用。　　CFRP层负责确保可以耐受70MPa以上高压氢的强度。在燃料罐的周围，缠绕着由2.4万根只有头发丝1/10粗细、直径为7μm的碳纤维拧成的绳子。GFRP层则担负着冲撞安全等作用，在受到来自外部的撞击时防止燃料罐破损。　　MIRAI的氢燃料罐可以储存大约5kg氢气，因为需要利用压差输出氢气，所以无法全部用光，现在可以用于行驶的氢气大约为4.3kg。但是，通过修改规定，2016年度之后投入运营的加氢站，应该可以使氢燃料罐的压力高于现在的70MPa。因为能够充入更多的氢气，所以MIRAI的续航距离预计将从现在的约650km延长到约700km。