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歷史雜誌

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應用於氫燃料電池超高速空壓機驅動器設計

作者 魏加恩楊士進謝伯璜

刊登日期:2026/04/28

摘要

氫能為潔淨能源,具發展潛力。氫燃料電池系統中,空氣壓縮機為超高速永磁同步電機,其控制目標是將空氣中的氧進行壓縮,穩定提供燃料電池電堆反應所需氧氣。超高速空壓機控制器性能會決定電堆電壓穩定性、壽命,故應用於燃料電池的電機驅動系統是重要研究方向。本文介紹超高速永磁同步電機驅動系統,並提及硬體架構與關鍵元件,接著介紹無位置感測器磁場導向控制。最後透過實驗確認空壓機加速性能、驗證此系統應用於氫燃料電池之可行性。

Abstract

Hydrogen energy is a highly promising clean energy source. In a hydrogen fuel cell system, the air compressor is an ultra-high-speed permanent magnet synchronous motor (PMSM). The control objective is to compress ambient oxygen to provide a stable and precise supply for the fuel cell stack reaction. The performance of the ultra-high-speed air compressor controller is a critical determinant of stack voltage stability and catalyst lifespan; therefore, its application in fuel cell motor drive systems represents a significant research direction. This article introduces an ultra-high-speed PMSM drive system, detailing its hardware architecture and key components, followed by the implementation of sensorless Field-Oriented Control (FOC). Finally, the acceleration performance of the air compressor is experimentally confirmed, validating the feasibility of the proposed system for hydrogen fuel cell applications.

摘要

氫能作為潔淨能源,具有高度發展潛力。在氫燃料電池系統中,空氣壓縮機採用超高速永磁同步電機,其控制目標是將空氣中的氧氣進行壓縮,穩定提供燃料電池電堆反應所需氧氣。空壓機的性能直接影響電堆的電壓穩定性與壽命,因此,應用於燃料電池的電機驅動系統成為重要研究方向。本研究介紹了一種超高速永磁同步電機驅動系統,包含硬體架構與關鍵元件選擇,並探討無位置感測器磁場導向控制技術。透過實驗驗證,確認空壓機的加速性能以及系統應用於氫燃料電池的可行性。

前言

近年來,全球越來越重視「淨零排放」(Net Zero Emissions)。行政院國家永續發展委員會於2022年發布「臺灣2050淨零排放路徑及策略總說明」,將氫能發展列為關鍵策略。此外,交通部於2025年推動氫燃料電池大客車試辦運行計畫,促進氫能應用於交通載具。氫燃料電池車 (Hydrogen Fuel Cell Vehicle, HFCV) 成為未來重要的研究方向。

氫燃料電池的空氣迴路挑戰

  • 高純淨度需求:燃料電池催化劑對油污敏感,氫能空壓機需採用無油結構(如氣動壓軸承),避免潤滑油進入電堆導致催化劑失效。
  • 高動態響應:氫燃料電池車行駛時負載變化頻繁,空壓機需具備高動態響應,能在數秒內從怠速提升至全馬力運轉,穩定供應氧氣以延長電堆壽命。
  • 超高速運轉需求:空壓機需運行於每分鐘70,000至120,000轉的超高速區間,確保氣動壓軸承在高速運轉下產生足夠的氣壓膜支撐。

研究目標

本研究專注於氫燃料電池超高速空壓機驅動器的設計,探討硬體架構、關鍵元件選擇以及無位置感測器磁場導向控制技術,並透過實驗驗證其加速性能與應用於氫燃料電池的可行性。

DOI: 10.30256/JIM.202605_(518).0011

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