吳東來(lái)

摘 要：空壓機(jī)是燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)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(jī)入口的空氣特性，進(jìn)而影響空壓機(jī)在“三高”環(huán)境條件下的工作特性。通過(guò)設(shè)計(jì)空壓機(jī)三高環(huán)境試驗(yàn)方案并進(jìn)行試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)：高溫條件下，相同轉(zhuǎn)速空壓機(jī)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(jī)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(jī)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(jī) 環(huán)境適應(yīng)性 試驗(yàn)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(guò)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(dòng)速度快、可實(shí)現(xiàn)低溫冷啟動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)[1-2]?？諌簷C(jī)是燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)而影響燃料電池系統(tǒng)的效率、動(dòng)態(tài)性能、噪聲等關(guān)鍵性能指標(biāo)[3]。因此，空壓機(jī)一般要求滿足無(wú)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(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小、封閉性好、質(zhì)量輕且振動(dòng)小、在額定工況效率高等優(yōu)點(diǎn)[5]，逐步成為車用燃料電池空壓機(jī)主流技術(shù)路線。

隨著產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，國(guó)內(nèi)燃料電池的研發(fā)和生產(chǎn)制造取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，在空壓機(jī)流量、壓比、功率等方面已經(jīng)接近或超過(guò)了國(guó)際先進(jìn)水平，并且逐漸擺脫依賴國(guó)外進(jìn)口的現(xiàn)狀[6]。行業(yè)內(nèi)對(duì)空壓機(jī)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(chǎng)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(jī)需充分考慮應(yīng)用場(chǎng)景條件對(duì)空壓機(jī)性能的影響，開展燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)用空壓機(jī)三高環(huán)境工作特性研究，對(duì)于空壓機(jī)的推廣和應(yīng)用具有十分重要的意義。

2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

2.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置主要包括三高環(huán)境試驗(yàn)艙及與艙高度融合的空壓機(jī)測(cè)試臺(tái)?？諝饬髁坑?jì)量程0-320g/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(jī)三高環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試如圖1所示。

2.2 試驗(yàn)樣品

選取行業(yè)內(nèi)典型空壓機(jī)產(chǎn)品作為試驗(yàn)對(duì)象，該款空壓機(jī)是采用哦空氣軸承的離心式兩級(jí)壓縮空壓機(jī)，適配產(chǎn)品對(duì)象為100～120 kW燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)。額定工作電壓為DC 500 V，額定轉(zhuǎn)速為85000 rpm。

3 試驗(yàn)方案及結(jié)果分析

3.1 高溫適應(yīng)性

將空壓機(jī)安裝在環(huán)境試驗(yàn)倉(cāng)測(cè)試臺(tái)架上，并按照產(chǎn)品技術(shù)要求加注冷卻液；空壓機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)布置在環(huán)境倉(cāng)內(nèi)部從環(huán)境倉(cāng)內(nèi)部取氣，使空壓機(jī)的進(jìn)口溫度與環(huán)境倉(cāng)溫度一致。按照測(cè)試需求設(shè)定環(huán)境艙的溫度為45℃，環(huán)境倉(cāng)的實(shí)際溫度宜控制在設(shè)定溫度的±2 ℃內(nèi)。當(dāng)環(huán)境條件達(dá)到設(shè)定溫度后開始計(jì)時(shí)，有效浸機(jī)時(shí)間一般不低于12 h，浸機(jī)過(guò)程中不能有人工干預(yù)；浸機(jī)結(jié)束后設(shè)定空壓機(jī)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(dòng)空壓機(jī)并加載至空壓機(jī)至測(cè)試工況點(diǎn)，試驗(yàn)過(guò)程中記錄空壓機(jī)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(yàn)方法，開展空壓機(jī)高溫適應(yīng)性試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如2所示。在高溫環(huán)境下運(yùn)行，空氣壓縮機(jī)的工作特性工作特性會(huì)往左移動(dòng)。環(huán)境溫度增加，空氣密度降低，所以空壓機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)一周所能壓縮的空氣質(zhì)量流量相對(duì)于常溫狀態(tài)下會(huì)相應(yīng)減小，所以工作特性左移，此時(shí)應(yīng)考慮空壓機(jī)在高溫工作環(huán)境下，最大流量是否滿足燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的需求。在高溫環(huán)境下，由于45 ℃的環(huán)境溫度相對(duì)于25 ℃的室溫變化程度較低，所以空壓機(jī)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(shì)增大的現(xiàn)象。

3.2 低溫適應(yīng)性

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

空壓機(jī)低溫適應(yīng)性的試驗(yàn)方案是，將空壓機(jī)安裝在環(huán)境試驗(yàn)倉(cāng)測(cè)試臺(tái)架上，按照產(chǎn)品技術(shù)要求加注冷卻液?？諌簷C(jī)前端進(jìn)氣系統(tǒng)布置于倉(cāng)內(nèi)從倉(cāng)內(nèi)取氣，尾排連接到倉(cāng)外；按照測(cè)試需求設(shè)定環(huán)境倉(cāng)溫度，通常為-30 ℃或更低溫度。環(huán)境倉(cāng)的溫度宜控制在設(shè)定溫度的±2 ℃內(nèi)。當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到設(shè)定溫度后開始計(jì)時(shí)，有效浸機(jī)時(shí)間為12 h，浸機(jī)過(guò)程中不宜有人工干預(yù)、加熱保溫及外接熱源等措施；浸機(jī)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(dòng)空壓機(jī)并加載至空壓機(jī)至測(cè)試工況點(diǎn)，試驗(yàn)過(guò)程中記錄空壓機(jī)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(yàn)方法，進(jìn)行空壓機(jī)低溫適應(yīng)性試驗(yàn)，如圖3所示。在低溫條件下空氣密度增加，空壓機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)一周所能壓縮的空氣質(zhì)量流量相對(duì)于常溫狀態(tài)下會(huì)相應(yīng)增加。同一轉(zhuǎn)速下空壓機(jī)的流量增大，壓比變化較小，空壓機(jī)的工作特性向右側(cè)偏移，當(dāng)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)在低功率運(yùn)行時(shí)更容易達(dá)到空壓機(jī)喘振線空壓機(jī)更容易發(fā)生喘振，因此在進(jìn)行空壓機(jī)選型匹配時(shí)應(yīng)預(yù)留足夠的空氣流量。

3.3 高原適應(yīng)性

空壓機(jī)高原適應(yīng)性的試驗(yàn)方案是，將空壓機(jī)進(jìn)、出口與環(huán)境試驗(yàn)倉(cāng)進(jìn)、排氣負(fù)壓模塊連接，并在散熱系統(tǒng)加注冷卻液；基于測(cè)試需求設(shè)定環(huán)境倉(cāng)進(jìn)排氣負(fù)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(dòng)空壓機(jī)并加載至空壓機(jī)至測(cè)試工況點(diǎn)，試驗(yàn)過(guò)程中記錄空壓機(jī)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(yàn)方法，進(jìn)行空壓機(jī)高原適應(yīng)性試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)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(jī)的流量和壓比相對(duì)較低。高原條件下空壓機(jī)的工作特性相對(duì)左移，若要達(dá)到同樣的流量和出口壓力，空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率需要相對(duì)更高。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)試驗(yàn)對(duì)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(jī)的工作特性會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的改變。高溫和高原條件下，空壓機(jī)的工作特性會(huì)進(jìn)行左移，空壓機(jī)更不容易發(fā)生喘振，但是空壓機(jī)的流量和壓比也相應(yīng)降低，需要考慮空壓機(jī)的設(shè)計(jì)冗余。在低溫條件下，空壓機(jī)工作特性會(huì)整體右移，燃料電池系統(tǒng)下較低功率條件下，空壓機(jī)更容易發(fā)生喘振，需進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)進(jìn)行避免。因此在進(jìn)行空壓機(jī)選型時(shí)，應(yīng)充分考慮空壓機(jī)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。

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