为应对环境污染问题,响应我国“双碳”目标,新能源汽车产业正蓬勃发展。氢燃料电池车因其排放无污染、续航里程长、能量转化率高而备受瞩目。目前我国正布局燃料电池商用车市场以推动氢燃料电池车产业发展。燃料电池系统对于燃料电池车而言至关重要,然而,由于燃料电池系统多项核心技术有待进步,我国燃料电池车生产成本居高不下。空气压缩机为燃料电池供氧系统的核心元件,其寄生功耗约占燃料电池辅助系统功耗的80%,其性能优劣直接影响燃料电池系统的总体效率。因此,本文设计了一台高效率的燃料电池车用两级离心式空气压缩机,旨在提高国内燃料电池商用车的性能。主要研究内容包括:1)结合现阶段我国燃料电池汽车产业的发展需求,针对商用燃料电池车阴极供气技术要求,设计一台采取两级压缩的离心式空气压缩机;通过对压缩机使用CFD仿真技术,表明所设计两级空压机的额定工况能够满足燃料电池电堆需求。2)为满足燃料电池系统在多工况下的供气需求,提出并设计了燃料电池汽车在城市道路运行的空压机常用工况;探究了影响空压机性能的主要结构参数并以之为优化变量,以最大化常用工况效率和额定工况效率为目标,基于Kriging近似模型和哈里斯鹰优化算法对两级压缩机进行多目标多参数优化。优化结果表明,在常用和额定两种工况下,第一级空压机的等熵效率分别提高了3.1%和4.8%,第二级空压机的等熵效率分别提高了2.6%和3.9%,实现了两级空压机的性能提升。3)根据两级空压机叶轮和轴系结构,配套搭载高速电机、空气轴承等部件,完成两级空压机的整体结构设计;通过两级叶轮轴向力的分析计算,设计了空气轴承的止推结构使其能够平衡转子系统产生的轴向力;通过对转子系统进行模态分析,验证了转子系统在常用工况及额定工况下的工作转速均能避开转子系统临界转速;最后探究了离心力、气动力及温度场对叶轮强度的影响,分析两级叶轮在额定工况下最大应力,验证了叶轮强度。综上,本文通过气动设计、性能优化、整体结构设计及强度分析,完成了适用于120k W级PEM燃料电池的空气压缩机设计。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支撑。