氫燃料電池離心壓縮機(jī)性能測試系統(tǒng)的設(shè)計

張旭朋，劉軍，席會杰

(金通靈科技集團(tuán)股份有限公司，江蘇南通 226000)

0 引言

隨著能源匱乏和環(huán)境破壞問題的日益凸顯，燃料電池技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注。燃料電池是一種將氫和氧的化學(xué)能通過電極反應(yīng)直接轉(zhuǎn)換為電能的裝置，其化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物主要是水，實(shí)現(xiàn)真正的零污染，具備高效率、無污染、使用性廣、低噪聲等特點(diǎn)，氫燃料電池發(fā)動機(jī)被認(rèn)為是未來最有可能替代傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的汽車動力源。

空氣壓縮機(jī)被視為氫燃料電池發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的關(guān)鍵性部件之一，其性能好壞直接影響燃料電池系統(tǒng)的效率、緊湊性和平衡特性。據(jù)業(yè)內(nèi)技術(shù)專家介紹，包括壓縮機(jī)在內(nèi)的空氣供應(yīng)子系統(tǒng)總成本約占燃料電池系統(tǒng)成本的20%，能耗占燃料電池輸出功率的20%～30%。壓縮機(jī)輸出的壓力和流量甚至在很大程度上可以直接影響燃料電池發(fā)動機(jī)中的化學(xué)計量比和空氣加濕特性，進(jìn)而影響燃料電池堆的電壓輸出和燃料電池發(fā)動機(jī)的功率輸出，一臺好的壓縮機(jī)應(yīng)當(dāng)至少具備無油、高效、小型化、低成本、動態(tài)響應(yīng)能力好等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。

車用燃料電池空氣壓縮機(jī)研制和出廠均需要進(jìn)行氣動性能測試，以驗(yàn)證壓縮機(jī)是否滿足燃料電池裝置的設(shè)計需求。本文作者針對車用燃料電裝置對空氣壓縮機(jī)的需求，設(shè)計了一套壓縮機(jī)性能測試系統(tǒng)，并對某型號氫燃料電池壓縮機(jī)進(jìn)行了測試。

1 氫燃料電池離心壓縮機(jī)簡介

氫燃料電池壓縮機(jī)不同于常規(guī)壓縮機(jī)，也有別于傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)的電子增壓器，適用于氫燃料電池的空氣壓縮機(jī)需要滿足絕對無油、低噪聲、高可靠性、高效、小型化、工作范圍寬、良好的動態(tài)響應(yīng)能力、良好的熱管理、低成本等諸多嚴(yán)苛要求。采用氣懸浮軸承的離心式壓縮機(jī)具有高效節(jié)能、安全無油、振動小、噪聲低、小巧便利、自動化控制等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最有前途的空氣增壓方式之一[3-4]。

離心式空氣壓縮機(jī)是氫燃料電池的核心零部件，其代表了空氣壓縮機(jī)行業(yè)的最高水平，涉及空氣動力學(xué)、傳熱學(xué)、振動力學(xué)、機(jī)械、電機(jī)、電控、材料以及高精密加工等眾多學(xué)科。空氣壓縮機(jī)研發(fā)不僅需要攻克多個單項(xiàng)技術(shù)，而且需要集成這些單項(xiàng)技術(shù)，使得機(jī)組安全高效地運(yùn)行。這些單項(xiàng)技術(shù)包括:高效寬范圍的離心式空氣壓縮機(jī)氣動設(shè)計與加工、氣懸浮軸承設(shè)計和制造、超高速電機(jī)設(shè)計和制造、超高頻永磁同步電機(jī)控制器設(shè)計；集成技術(shù)包括熱管理設(shè)計與高速轉(zhuǎn)子動力學(xué)設(shè)計與分析等[5]。圖1為典型的氫燃料電池離心壓縮機(jī)示意圖，主要部件有空氣軸承、高速電機(jī)及高效三元流葉輪等。

圖1 氫燃料電池離心壓縮機(jī)示意

空氣懸浮軸承具有啟動靈活、成本低、無機(jī)械摩擦、安全無油、無振動等優(yōu)點(diǎn)；高效率三元流葉輪具有高強(qiáng)度、高氣動效率、低磨損的特點(diǎn)，且與軸直接連接，動力傳遞效率100%。高速永磁直聯(lián)電機(jī)，效率高達(dá)96%以上；可進(jìn)行精密的速度控制。變頻控制器：體積小、噪聲低、性能高、軟啟動、數(shù)字化控制效率達(dá)95%以上，具有極高的穩(wěn)定性和可靠性，對急劇負(fù)荷變動的反應(yīng)速度好。

2 離心式氫燃料電池壓縮機(jī)測試系統(tǒng)的設(shè)計

壓縮機(jī)的性能參數(shù)如排氣量、排氣壓力等是指在設(shè)計工況下的數(shù)據(jù)，而壓縮機(jī)在實(shí)際使用過程中，由于其進(jìn)氣壓力、進(jìn)氣溫度與設(shè)計工況存在偏差，其性能參數(shù)也會隨之變化，因此壓縮機(jī)的性能參數(shù)除了與產(chǎn)品參數(shù)有關(guān)外，還直接受進(jìn)氣壓力、環(huán)境溫度等因素影響。壓縮機(jī)研發(fā)計算出的理論值，需要實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，各項(xiàng)綜合性能數(shù)據(jù)需要測試運(yùn)行時的實(shí)際值，是有效驗(yàn)證計算理論值的重要方式。鑒于設(shè)計工況與實(shí)際使用過程中的不同，必須對壓縮機(jī)進(jìn)行性能檢測[6-7]。

所設(shè)計的氫燃料電池離心壓縮機(jī)測試系統(tǒng)示意如圖2所示，空氣由進(jìn)氣過濾器進(jìn)入進(jìn)氣管道，流經(jīng)進(jìn)氣流量計、進(jìn)氣壓力測量傳感器、進(jìn)氣溫度傳感器，進(jìn)入空氣壓縮機(jī)中，壓縮后的高溫高壓氣體進(jìn)入排氣管道中，流經(jīng)排氣壓力傳感器、排氣溫度傳感器、流量控制閥，再流經(jīng)背壓傳感器后，經(jīng)排氣消音器排入大氣。

圖2 氫燃料電池離心壓縮機(jī)性能測試系統(tǒng)示意

冷卻水自水箱流出經(jīng)水泵進(jìn)入冷卻水管道，經(jīng)過流量計、冷卻水出水壓力傳感器、冷卻水出水溫度傳感器到電機(jī)殼體冷卻電機(jī)定子，再經(jīng)過冷卻水中間壓力傳感器、冷卻水中間溫度傳感器到達(dá)控制器對其進(jìn)行冷卻，然后經(jīng)過冷卻水回水壓力傳感器、冷卻水回水溫度傳感器、冷卻水散熱風(fēng)扇后流回水箱。

所有溫度、壓力及流量信號接入控制系統(tǒng)，出口閥門采用電動執(zhí)行器自動調(diào)節(jié)開度，通過控制屏實(shí)時顯示并自動記錄。該性能試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)設(shè)計科學(xué)合理、操作方便、自動化程度高，通過裝置上設(shè)置的一系列傳感器可對多個數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，測量數(shù)據(jù)全面，可以滿足空氣壓縮機(jī)的性能測試需求，適用于多種型號及多種工況下空氣壓縮機(jī)及供氣系統(tǒng)的供氣性能測試、水阻性能測試、氣冷性能測試，極大地提高了工作效率和準(zhǔn)確性，并且人機(jī)工程設(shè)計良好，極大改進(jìn)了測試及工作環(huán)境。

圖3為氫燃料電池離心壓縮機(jī)測試系統(tǒng)實(shí)物圖。

圖3 氫燃料電池離心壓縮機(jī)測試系統(tǒng)實(shí)物圖

3 氫燃料電池離心壓縮機(jī)性能測試

根據(jù)設(shè)計的氫燃料電池離心壓縮機(jī)測試系統(tǒng)，對某氫燃料電池壓縮機(jī)進(jìn)行性能測試，壓縮機(jī)設(shè)計狀態(tài)參數(shù)見表1。試驗(yàn)方法：通過出口閥門開度調(diào)節(jié)壓縮機(jī)出口壓力，采集在每隔10 000 r/min或20 000 r/min轉(zhuǎn)速下空壓機(jī)所能達(dá)到的壓比，即出氣壓力與進(jìn)氣壓力之比，同時需要采集并記錄的參數(shù)包括空壓機(jī)控制器的電壓、電流、溫度等參數(shù)，并根據(jù)測試結(jié)果繪制壓縮機(jī)性能曲線，測試結(jié)果如圖4和圖5所示。

表1 待測試壓縮機(jī)設(shè)計參數(shù)

圖4 流量-壓比曲線

圖5 流量-功率曲線

根據(jù)測試結(jié)果可以看出：所測試的氫燃料電池離心壓縮機(jī)最大轉(zhuǎn)速為150 000 r/min；在最大轉(zhuǎn)速150 000 r/min時，壓縮機(jī)最大功率約11.8 kW，小于額定功率；在設(shè)計流量110 g/s時，壓縮機(jī)壓比為2.1，與設(shè)計參數(shù)一致。

4 結(jié)束語

設(shè)計了一套氫燃料電池壓縮機(jī)測試系統(tǒng)，并通過改變壓縮機(jī)出口閥門開度得到在不同轉(zhuǎn)速工況下壓比的變化以及其它系統(tǒng)數(shù)據(jù)，如壓縮機(jī)入口空氣壓力和溫度、入口空氣流量、出口空氣壓力和溫度、電機(jī)入口冷卻水壓力和溫度、電機(jī)出口冷卻水壓力和溫度、電壓、電流等。該試驗(yàn)系統(tǒng)具有較廣的測試范圍和良好的測試精度,可以對多種離心壓縮機(jī)進(jìn)行性能的檢測和試驗(yàn)研究，試驗(yàn)效率大大提高。