車用燃料電池空壓機三高環(huán)境工作特性試驗研究

吳東來

摘 要：空壓機是燃料電池發(fā)動機空氣供應(yīng)系統(tǒng)的核心部件之一，其性能好壞直接影響燃料電池系統(tǒng)的效率、動態(tài)性能、噪聲等關(guān)鍵性能指標(biāo)。高溫、高寒、高原條件影響空壓機入口的空氣特性，進而影響空壓機在“三高”環(huán)境條件下的工作特性。通過設(shè)計空壓機三高環(huán)境試驗方案并進行試驗分析發(fā)現(xiàn)：高溫條件下，相同轉(zhuǎn)速空壓機流量和壓比降低，功率相應(yīng)降低；低溫環(huán)境下，相同轉(zhuǎn)速空壓機的流量和壓比增大，功率相應(yīng)增加；高原條件下，相同轉(zhuǎn)速空壓機流量和壓比相應(yīng)減小，功率相應(yīng)降低。

關(guān)鍵詞：燃料電池 空壓機 環(huán)境適應(yīng)性 試驗研究

1 引言

質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）是一種將氫氣和氧氣的化學(xué)能通過電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電裝置，具有比功率高、電效率高、噪音低、啟動速度快、可實現(xiàn)低溫冷啟動等優(yōu)點[1-2]?？諌簷C是燃料電池發(fā)動機空氣供應(yīng)系統(tǒng)的核心部件之一，其輸出的流量和壓力直接影響燃料電池系統(tǒng)中氧氣的濃度和分壓，進而影響燃料電池系統(tǒng)的效率、動態(tài)性能、噪聲等關(guān)鍵性能指標(biāo)[3]。因此，空壓機一般要求滿足無油、高壓比、低噪聲、低功耗、快速響應(yīng)、頻繁啟停和體積小等技術(shù)性能[4]。離心式空壓機具有結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小、封閉性好、質(zhì)量輕且振動小、在額定工況效率高等優(yōu)點[5]，逐步成為車用燃料電池空壓機主流技術(shù)路線。

隨著產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和技術(shù)的進步，國內(nèi)燃料電池的研發(fā)和生產(chǎn)制造取得了長足的進步，在空壓機流量、壓比、功率等方面已經(jīng)接近或超過了國際先進水平，并且逐漸擺脫依賴國外進口的現(xiàn)狀[6]。行業(yè)內(nèi)對空壓機的需求不僅僅是滿足常規(guī)工況下的空氣流量和壓力需求，還需滿足燃料電池汽車在不同應(yīng)用場景下的使用需求，比如在高溫、高寒和高原條件下三高適應(yīng)性需求[7]。車用燃料電池空壓機需充分考慮應(yīng)用場景條件對空壓機性能的影響，開展燃料電池發(fā)動機用空壓機三高環(huán)境工作特性研究，對于空壓機的推廣和應(yīng)用具有十分重要的意義。

2 試驗準(zhǔn)備

2.1 試驗裝置

試驗裝置主要包括三高環(huán)境試驗艙及與艙高度融合的空壓機測試臺?？諝饬髁坑嬃砍?-320g/s，精度±1%；入壓力傳感器量程0-150kPa（絕壓），入口溫度傳感器量程-40-85℃，精度±1℃；出壓力傳感器量程0-400 kPa（絕壓）精度±0.5%，出口溫度傳感器量程-40-250℃，精度±1℃?？諌簷C三高環(huán)境適應(yīng)性測試如圖1所示。

2.2 試驗樣品

選取行業(yè)內(nèi)典型空壓機產(chǎn)品作為試驗對象，該款空壓機是采用哦空氣軸承的離心式兩級壓縮空壓機，適配產(chǎn)品對象為100～120 kW燃料電池發(fā)動機。額定工作電壓為DC 500 V，額定轉(zhuǎn)速為85000 rpm。

3 試驗方案及結(jié)果分析

3.1 高溫適應(yīng)性

將空壓機安裝在環(huán)境試驗倉測試臺架上，并按照產(chǎn)品技術(shù)要求加注冷卻液；空壓機的進氣系統(tǒng)布置在環(huán)境倉內(nèi)部從環(huán)境倉內(nèi)部取氣，使空壓機的進口溫度與環(huán)境倉溫度一致。按照測試需求設(shè)定環(huán)境艙的溫度為45℃，環(huán)境倉的實際溫度宜控制在設(shè)定溫度的±2 ℃內(nèi)。當(dāng)環(huán)境條件達到設(shè)定溫度后開始計時，有效浸機時間一般不低于12 h，浸機過程中不能有人工干預(yù)；浸機結(jié)束后設(shè)定空壓機冷卻液溫度好和流量；待冷卻液溫度穩(wěn)定后，按照設(shè)定工況，起動空壓機并加載至空壓機至測試工況點，試驗過程中記錄空壓機的轉(zhuǎn)速、流量、壓比、控制器輸入電壓、控制器輸入電流。

基于上述試驗方法，開展空壓機高溫適應(yīng)性試驗，測試結(jié)果如2所示。在高溫環(huán)境下運行，空氣壓縮機的工作特性工作特性會往左移動。環(huán)境溫度增加，空氣密度降低，所以空壓機葉輪旋轉(zhuǎn)一周所能壓縮的空氣質(zhì)量流量相對于常溫狀態(tài)下會相應(yīng)減小，所以工作特性左移，此時應(yīng)考慮空壓機在高溫工作環(huán)境下，最大流量是否滿足燃料電池發(fā)動機的需求。在高溫環(huán)境下，由于45 ℃的環(huán)境溫度相對于25 ℃的室溫變化程度較低，所以空壓機功率變化幅度較低，但是仍然呈現(xiàn)出隨著轉(zhuǎn)速、壓比、流量的增加，變化趨勢增大的現(xiàn)象。

3.2 低溫適應(yīng)性

低溫適應(yīng)性是空壓機環(huán)境適應(yīng)性的另一項重要指標(biāo)。同時在低溫條件下能夠反映空壓機的電機性能及結(jié)構(gòu)和密封的可靠性。

空壓機低溫適應(yīng)性的試驗方案是，將空壓機安裝在環(huán)境試驗倉測試臺架上，按照產(chǎn)品技術(shù)要求加注冷卻液。空壓機前端進氣系統(tǒng)布置于倉內(nèi)從倉內(nèi)取氣，尾排連接到倉外；按照測試需求設(shè)定環(huán)境倉溫度，通常為-30 ℃或更低溫度。環(huán)境倉的溫度宜控制在設(shè)定溫度的±2 ℃內(nèi)。當(dāng)環(huán)境溫度達到設(shè)定溫度后開始計時，有效浸機時間為12 h，浸機過程中不宜有人工干預(yù)、加熱保溫及外接熱源等措施；浸機結(jié)束后，設(shè)定冷卻液溫度和流量，待冷卻液溫度穩(wěn)定后，按照設(shè)定工況，起動空壓機并加載至空壓機至測試工況點，試驗過程中記錄空壓機的轉(zhuǎn)速、流量、壓比、控制器輸入電壓、控制器輸入電流。

基于上述試驗方法，進行空壓機低溫適應(yīng)性試驗，如圖3所示。在低溫條件下空氣密度增加，空壓機葉輪旋轉(zhuǎn)一周所能壓縮的空氣質(zhì)量流量相對于常溫狀態(tài)下會相應(yīng)增加。同一轉(zhuǎn)速下空壓機的流量增大，壓比變化較小，空壓機的工作特性向右側(cè)偏移，當(dāng)燃料電池發(fā)動機在低功率運行時更容易達到空壓機喘振線空壓機更容易發(fā)生喘振，因此在進行空壓機選型匹配時應(yīng)預(yù)留足夠的空氣流量。

3.3 高原適應(yīng)性

空壓機高原適應(yīng)性的試驗方案是，將空壓機進、出口與環(huán)境試驗倉進、排氣負壓模塊連接，并在散熱系統(tǒng)加注冷卻液；基于測試需求設(shè)定環(huán)境倉進排氣負壓模塊的壓力為80 kPa（絕壓，相當(dāng)于高度2000 m）；設(shè)定冷卻液流量和溫度，待冷卻液溫度穩(wěn)定后，待冷卻液溫度穩(wěn)定后，按照設(shè)定工況，起動空壓機并加載至空壓機至測試工況點，試驗過程中記錄空壓機的轉(zhuǎn)速、流量、壓比、控制器輸入電壓、控制器輸入電流。

基于上述試驗方法，進行空壓機高原適應(yīng)性試驗，實驗結(jié)果如圖4所示。與高溫環(huán)境類似，在高原條件下空氣密度降低，同一轉(zhuǎn)速下，空壓機的流量和壓比相對較低。高原條件下空壓機的工作特性相對左移，若要達到同樣的流量和出口壓力，空壓機的轉(zhuǎn)速和功率需要相對更高。

4 結(jié)語

通過試驗對比發(fā)現(xiàn)，隨著溫度或者海拔等工作環(huán)境的改變，空壓機的工作特性會出現(xiàn)相應(yīng)的改變。高溫和高原條件下，空壓機的工作特性會進行左移，空壓機更不容易發(fā)生喘振，但是空壓機的流量和壓比也相應(yīng)降低，需要考慮空壓機的設(shè)計冗余。在低溫條件下，空壓機工作特性會整體右移，燃料電池系統(tǒng)下較低功率條件下，空壓機更容易發(fā)生喘振，需進行針對性的設(shè)計進行避免。因此在進行空壓機選型時，應(yīng)充分考慮空壓機在不同工況條件下的工作特性變化，以滿足燃料電池系統(tǒng)在不同節(jié)氣、不同維度和不同海拔下的使用需求。

參考文獻：

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