随着石油资源日益枯竭以及环境污染的日益严重,人们开始了对清洁新能源的探寻,而质子交换膜燃料电池以其能量转换率高、零污染排放、运行噪声低等优势引起了学者们的广泛研究。然而,由于生产成本偏高等因素,燃料电池系统难以大范围应用。空气增压系统,作为燃料电池阴极供气系统的重要子系统,寄生功耗较大,约占燃料电池辅助功耗的80%,其性能直接影响燃料电池系统效率。因此,本文设计了一套低功耗的燃料电池车用空气增压系统,以利于燃料电池系统的推广使用。论文的主要研究内容如下:(1)设计一套配有膨胀机,能够回收电堆尾气能量的空气增压系统,并根据需求进行压缩机与膨胀机的设计。通过压缩机与膨胀机流体域的数值模拟,表明所设计的压缩机和膨胀机均能满足额定工况的要求。根据设计的压缩机与膨胀机结构,配置高速电机,完成了空气增压系统结构设计。(2)研究压缩机叶片入口安装角、叶片出口安装角、叶片包角、叶片型线以及扩压器出口直径对其性能的影响。以功耗最低为目标,运用Kriging近似模型结合灰狼优化算法,对压缩机进行多参数同时优化。结果表明,优化后的离心空压机在满足额定工况要求的情况下,等熵效率提升了4.23%,功耗降低了5.31%,并且喘振裕度提高了2.4%;同时当压缩机流量小于额定流量时,其压比有一定提升,且功耗有一定降低,实现了燃料电池系统净输出功率的提高。(3)对压缩轮与膨胀轮在超速状态和工作状态的强度进行分析,探究了气动力与温度场对叶轮最大应力的影响。通过计算得出了转子系统的最大轴向力,验证了空气轴承的止推力能够平衡轴向力。经过模态分析,证明了转子系统的额定工作转速能够避开共振点。最后设计了燃料电池车用空气增压系统的实验流程与测量系统,为日后开展实验提供了技术保障。本文通过设计与数值模拟得到了适用于质子交换膜燃料电池的空气增压系统原型,运用多参数优化方法对压缩机性能进行了优化,分析了叶轮的强度与转子系统的动力学特性,该研究成果可为燃料电池车用高性能空气增压系统的设计提供技术参考。