燃料電池離心式空壓機(jī)性能衰減特性試驗(yàn)研究

鮑歡歡 ，付建勤 ?，張磊 ，吳全 ，劉敬平 ，劉琦

（1.湖南大學(xué) 先進(jìn)動力總成技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410082；2.廣東廣順新能源科技有限公司，廣東 佛山 528216）

在能源危機(jī)和雙碳目標(biāo)背景下，氫燃料電池技術(shù)迎來了快速發(fā)展期.氫燃料電池是一種通過電極反應(yīng)將氫和氧的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，這種能量轉(zhuǎn)換方式具有零排放、高效率、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，因而氫燃料電池被普遍認(rèn)為是未來最有可能替代傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的車輛動力源［1］.作為燃料電池空氣供應(yīng)系統(tǒng)的核心部件，空壓機(jī)的耐久性直接決定了燃料電池系統(tǒng)使用壽命和可靠性，但由于工況復(fù)雜、影響因素多等原因，空壓機(jī)的耐久性和可靠性測試技術(shù)目前尚有一些問題未得到有效解決，因此是燃料電池產(chǎn)業(yè)化急需突破的關(guān)鍵技術(shù)之一［2］.

圍繞燃料電池空壓機(jī)的耐久性和性能衰減特性，國內(nèi)外許多研究工作者開展了相關(guān)研究［3-5］.宋明昌［6］分析了進(jìn)氣壓力對空壓機(jī)主要性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著進(jìn)氣壓力降低，壓縮進(jìn)氣量減少，單位質(zhì)量氣體壓縮功增加.Wang 等［7］分析了空壓機(jī)定壓控制過程多個參數(shù)之間的耦合關(guān)系，建立了受控自回歸積分移動平均模型.陳海蓉等［8］利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和熱力學(xué)機(jī)理校正，建立了燃料電池增壓系統(tǒng)的空壓機(jī)模型，并進(jìn)行了相應(yīng)的仿真計(jì)算.Dhayanandh 等［9］研究了噴油參數(shù)對螺桿式空壓機(jī)性能的影響，通過對螺桿式空壓機(jī)油耗和排氣量的測量，對其性能進(jìn)行了評價.Ilman 等［10］采用標(biāo)準(zhǔn)失效分析方法評估了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料類型和動載荷等因素對空壓機(jī)失效的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)失效的主要原因是低周疲勞.

不難看出，空壓機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)、運(yùn)行工況以及所處環(huán)境等都會對其性能和使用壽命產(chǎn)生影響，即空壓機(jī)性能與壽命受多種因素耦合影響［11］.但目前的研究大都局限于定性和仿真研究，定量和試驗(yàn)研究相對較少［12］.另外，目前國內(nèi)外相關(guān)企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)針對空壓機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、關(guān)鍵性能和耐久性測試技術(shù)等方面開展了大量研究工作，但對空壓機(jī)性能衰減特性的量化分析還較少，真實(shí)道路循環(huán)工況下空壓機(jī)的耐久試驗(yàn)數(shù)據(jù)更是匱乏.為了解決上述問題，本文針對一款自主開發(fā)并已量產(chǎn)的燃料電池空壓機(jī)開展了真實(shí)道路循環(huán)工況下的耐久性試驗(yàn)研究.通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到燃料電池空壓機(jī)性能衰減特性與影響因素，為燃料電池空壓機(jī)的耐久性設(shè)計(jì)和研究提供重要參考.

1 空壓機(jī)耐久性試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)對象

本文研究對象為我國某企業(yè)自主設(shè)計(jì)開發(fā)并已經(jīng)量產(chǎn)的機(jī)械增速、單級離心式燃料電池用空壓機(jī)，適用于30 kW 功率級別的電堆.截至目前，該空壓機(jī)已裝車近1 000臺，是當(dāng)前中低功率級燃料電池發(fā)動機(jī)的主流空壓機(jī)之一，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示.

表1 空壓機(jī)技術(shù)參數(shù)Tab.1 The specifications of air compressor

需要說明的是，表中給出的是電機(jī)轉(zhuǎn)速，該機(jī)械軸承空壓機(jī)的增速比為12.7，即空壓機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速為電機(jī)轉(zhuǎn)速的12.7 倍.圖1 所示為該燃料電池空壓機(jī)的幾何結(jié)構(gòu).

圖1 燃料電池空壓機(jī)幾何結(jié)構(gòu)Fig.1 Geometry structure of fuel cell air compressor

1.2 試驗(yàn)工況

為了對空壓機(jī)壽命和性能衰減做出準(zhǔn)確評估并為后續(xù)研究提供有效參考，首先需要制定能反映空壓機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況且具有普適性意義的壽命測試工況.與國內(nèi)燃料電池整車及系統(tǒng)供應(yīng)商共同就臺架實(shí)驗(yàn)、汽車路況測試、實(shí)車運(yùn)營等方面開展調(diào)研，圍繞空壓機(jī)壽命工況、城市路況、高速路況等總結(jié)了符合實(shí)際的測試驗(yàn)證方案.根據(jù)采集的燃料電池汽車實(shí)際道路循環(huán)工況特征，得到燃料電池發(fā)動機(jī)的功率需求，結(jié)合燃料電池的過量空氣比推導(dǎo)出空壓機(jī)的供氣量需求，由此確定燃料電池空壓機(jī)壽命測試工況譜，如圖2 所示.從圖中可以看到，該循環(huán)測試工況譜持續(xù)時間約4 000 s，兼顧了城市工況和高速工況，以及坡道和啟停等復(fù)雜工況的影響.

圖2 空壓機(jī)壽命試驗(yàn)工況Fig.2 Life test conditions of air compressor

1.3 試驗(yàn)過程

為了開展燃料電池空壓機(jī)耐久性測試，搭建了燃料電池空壓機(jī)試驗(yàn)臺，試驗(yàn)臺測試原理和臺架實(shí)物場景分別如圖3和圖4所示.試驗(yàn)臺可測試的參數(shù)覆蓋空壓機(jī)全工況范圍內(nèi)的性能、運(yùn)行和控制參數(shù).同時，自主開發(fā)了基于嵌入式架構(gòu)的高頻、多通道數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)軟硬件，以及具有高容錯性的高速數(shù)據(jù)采集、傳輸、儲存、監(jiān)控軟硬件，用于避免高速控制信號與采集傳輸信號耦合失真及數(shù)據(jù)處理滯后帶來的測量延誤.基于該空壓機(jī)測試臺，按照圖2 所示的空壓機(jī)壽命試驗(yàn)工況開展了4 000 h 燃料電池空壓機(jī)耐久試驗(yàn).試驗(yàn)過程說明如下：

圖3 空壓機(jī)臺架試驗(yàn)原理示意Fig.3 Schematic diagram of air compressor bench test

圖4 燃料電池空壓機(jī)臺架試驗(yàn)場景Fig.4 Frame test scenario of fuel cell air compressor

1）在耐久試驗(yàn)開始前進(jìn)行首次性能測試、振動測試和溫升測試；

2）每天對累計(jì)磨合時間進(jìn)行更新，并檢查有無漏油、異響、輸出軸竄動的情況；

3）當(dāng)空壓機(jī)按圖2 所示的壽命試驗(yàn)工況磨合一定時間（例如400～500 h）后，開展額定工況點(diǎn)的性能測試，檢查不同磨合時間后空壓機(jī)的性能變化.

在試驗(yàn)時，通過改變空壓機(jī)驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速使空壓機(jī)轉(zhuǎn)速等差增長，同時通過改變空壓機(jī)閥度調(diào)節(jié)其流量，從而使空壓機(jī)按照圖2 所示工況運(yùn)行（出口壓力與流量達(dá)到既定目標(biāo)）.采用壓力和流量傳感器等采集不同工況下空壓機(jī)的性能、運(yùn)行與控制參數(shù).對不同磨合時間下空壓機(jī)的性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類整理，由此可評估空壓機(jī)在耐久試驗(yàn)過程中的性能變化特性，并為后續(xù)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與對比基準(zhǔn).

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 磨合前后空壓機(jī)性能對比分析

首先將空壓機(jī)磨合4 000 h 后的外特性（閥門全開）與磨合前進(jìn)行對比.圖5（a）為磨合前后空壓機(jī)外特性下的出口壓力（相對大氣壓力）與流量隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系.其中，磨合前的數(shù)據(jù)用虛線表示，作為空壓機(jī)耐久性對比分析的基準(zhǔn)，磨合4 000 h 后的數(shù)據(jù)用實(shí)線表示（下同）.由圖可知：一方面，隨著轉(zhuǎn)速增加，空壓機(jī)外特性下的出口壓力一直單調(diào)增加，但是出口流量先增加然后保持不變（當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速增加到9 000 r/min）.這是因?yàn)楫?dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速增加到9 000 r/min 時，空壓機(jī)出現(xiàn)堵塞，此時進(jìn)一步增加轉(zhuǎn)速只會導(dǎo)致壓力增加而流量保持不變.另一方面，經(jīng)歷 4 000 h 耐久磨合后，空壓機(jī)外特性下的壓力變化很小，但是空氣流量出現(xiàn)明顯衰減，且轉(zhuǎn)速越高，空氣流量衰減越明顯.與此同時，圖5（b）比較了磨 合4 000 h 前后空壓機(jī)的出口氣溫.可以看到，經(jīng)歷 4 000 h耐久磨合后，空壓機(jī)的出口氣溫明顯上升，在整個外特性下大約上升6～8 ℃.這是因?yàn)榻?jīng)過4 000 h耐久后，空壓機(jī)旋轉(zhuǎn)部件（尤其是軸承）磨損以及空氣顆粒物沉積，導(dǎo)致摩擦、氣流撞擊等不可逆損失增加［13］.整個壓縮過程偏離等熵壓縮過程，最終導(dǎo)致空壓機(jī)出口氣溫上升.由熱力學(xué)理論可知，偏離等熵壓縮過程越遠(yuǎn)，需要消耗的壓縮功越多，從而導(dǎo)致空壓機(jī)消耗的電源功率增加，如圖5（b）所示.

圖6 給出了磨合前后空壓機(jī)全工況下性能曲 線（簡稱MAP）對比.可以看到，在電機(jī)轉(zhuǎn)速為 3 000 r/min 時，空壓機(jī)磨合前后的出口壓力曲線幾乎重合.也就是說，經(jīng)過4 000 h 耐久試驗(yàn)后，在低轉(zhuǎn)速下該空壓機(jī)的出口壓力并未出現(xiàn)明顯衰減.但隨著轉(zhuǎn)速增加，磨合前后空壓機(jī)出口壓力曲線間隔增大，表明壓力衰減越來越明顯.圖7 更直觀地展示了全工況范圍空壓機(jī)磨合4 000 h 后出口壓力和空氣流量的衰減量.需要說明的是，圖7 實(shí)際上是由圖6在相同工況下（流量或壓力）進(jìn)行差值計(jì)算得到的.可以看到，在整個工況范圍內(nèi)，空壓機(jī)出口壓力衰減主要受轉(zhuǎn)速影響，隨轉(zhuǎn)速增加而單調(diào)增大.在電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速11 000 r/min 時，空壓機(jī)出口壓力衰減最大達(dá)到6.5 kPa、相對衰減量達(dá)到7.5%.原因分析如下：當(dāng)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min 時，空壓機(jī)出口壓力接近于進(jìn)氣壓力，空壓機(jī)幾乎處于空載狀態(tài)［如圖5（b）中轉(zhuǎn)速為3 000 r/min 時最大電機(jī)功率仍低于0.5 kW］，因此空壓機(jī)性能退化對低轉(zhuǎn)速空壓機(jī)特性影響甚微.而在轉(zhuǎn)速11 000 r/min 時空壓機(jī)出口壓力達(dá)到最高水平，見圖5（a），且隨著轉(zhuǎn)速增加，空壓機(jī)的振動更為強(qiáng)烈，空壓機(jī)軸承磨損以及空氣顆粒物沉積等造成的摩擦、泄露、傳熱損失等壓縮過程不可逆損失也增加，各種因素加劇了出口壓力的衰減.空氣流量（負(fù)荷）對空壓機(jī)出口壓力的衰減影響很小，只有在高轉(zhuǎn)速下（例如10 000 r/min），壓力衰減隨空氣流量變化會出現(xiàn)明顯振蕩.與壓力衰減不同的是，空壓機(jī)空氣流量衰減對轉(zhuǎn)速和出口壓力均很敏感，空氣流量衰減隨轉(zhuǎn)速和出口壓力的增加而單調(diào)增大，如圖7（b）所示.在電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速11 000 r/min 時，在相同壓力條件下空氣流量衰減最大達(dá)到41.2 m3/h、相對衰減量達(dá)到29.7%.

圖5 磨合前后空壓機(jī)外特性下性能對比Fig.5 Comparison of air compressor performance before and af?ter running in（full load）

圖6 磨合前后不同轉(zhuǎn)速空壓機(jī)MAP對比Fig.6 Comparison of air compressor’s MAP under different speeds before and after running in

圖7 全工況范圍空壓機(jī)磨合4 000 h性能衰減Fig.7 Performance attenuation of air compressor running in 4 000 hours in whole working condition range

2.2 空壓機(jī)性能衰減過程分析

接下來進(jìn)一步討論空壓機(jī)性能衰減過程，探索性能衰減隨磨合時間的變化規(guī)律.如前所述，在整個4 000 h 耐久試驗(yàn)過程中，每磨合一段時間后進(jìn)行空壓機(jī)性能測試，并重點(diǎn)考慮額定工況點(diǎn)的性能（本文考慮了額定工況點(diǎn)附近三個轉(zhuǎn)速：10 800 r/min、10 900 r/min、11 000 r/min），據(jù)此分析空壓機(jī)性能的衰減規(guī)律及其影響因素.圖8（a）-（c）展示了不同磨合時間下空壓機(jī)出口壓力的變化規(guī)律.可以看到，隨著磨合時間增加，盡管壓力曲線隨空氣流量變化趨勢一致，但空壓機(jī)出口壓力呈整體下降趨勢.換言之，在相同流量 和轉(zhuǎn)速下（工況固定），隨著磨合時間增加，空壓機(jī)出口壓力出現(xiàn)明顯衰減，但衰減速度先快后慢.在額定轉(zhuǎn)速附近的三組轉(zhuǎn)速下，空壓機(jī)轉(zhuǎn)速越高、流量越小，出口壓力衰減越明顯.在轉(zhuǎn)速11 000 r/min、流量110 m3/h 時，磨合4 000 h 后空壓機(jī)出口壓力衰減約6 kPa，與磨合前狀態(tài)相比壓力衰減6%.而在轉(zhuǎn)速10 800 r/min、流量分別為110 m3/h 和160 m3/h 時，空壓機(jī)出口壓力分別衰減約5 kPa 和 4 kPa（相對衰減量分別為5.4%和4.8%）.由此可見，空壓機(jī)衰減特性不僅受磨合時間影響，還受運(yùn)行工況影響.

圖8 不同磨合時間下空壓機(jī)出口壓力的變化Fig.8 Air compressor outlet pressure at different seating time

為了量化分析空壓機(jī)出口壓力和流量隨磨合時間的衰減特性，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和數(shù)學(xué)擬合.圖9 展示了幾組典型工況下空壓機(jī)出口壓力隨磨合時間的衰減特性.可以看到，在不同工況下，空壓機(jī)出口壓力隨磨合時間的衰減特性具有相似性：剛開始時壓力衰減速度很快，這說明空壓機(jī)磨合初期更容易出現(xiàn)磨損，導(dǎo)致壓力下降較快，但隨著磨合時間增加（例如磨合1 000 h 后），空壓機(jī)出口壓力衰減速度變緩，尤其是在大流量工況下出口壓力隨磨合時間的衰減趨勢不明顯.然而在小流量工況下，出口壓力在磨合3 000 h 后還有一個較為明顯的下降趨勢，最終導(dǎo)致磨合4 000 h 后出口壓力在小流量工況下出現(xiàn)較大衰減，達(dá)到6 kPa.這是因?yàn)樵谛×髁繒r，空壓機(jī)出口壓力更高（見圖6），因此在經(jīng)歷耐久磨合后由于磨損、泄露、傳熱損失等因素導(dǎo)致的壓力衰減也越大.

圖9 空壓機(jī)出口壓力衰減特性Fig.9 Air compressor outlet pressure attenuation characteristics

圖10 展示了幾組典型工況（額定轉(zhuǎn)速11 000 r/min、不同出口壓力）下空壓機(jī)的氣體流量隨磨合時間的衰減特性.可以看到，在不同出口壓力下，空壓機(jī)出口流量隨磨合時間的衰減規(guī)律具有相似性.與壓力衰減特性不同的是，空氣流量衰減特性曲線幾乎呈近似線性下降趨勢，但是下降幅度因工況而異.在空壓機(jī)出口壓力分別為85 kPa、90 kPa、95 kPa 時，磨合4 000 h 后空壓機(jī)出口空氣流量衰減分別為28.2 m3/h、37.5 m3/h、42.5 m3/h.也就是說，出口壓力越大，空壓機(jī)的空氣流量隨磨合時間的衰減越明顯.由圖8（a）可知，在出口壓力為85 kPa時，空壓機(jī)流量接近最大值（180 m3/h），但此時的空氣流量衰減較小（相對衰減百分比更小，只有15.6%）；而在出口壓力為95 kPa 時，盡管此時空壓機(jī)原MAP 圖（磨合前）上的最大流量較小（只有143 m3/h），但是經(jīng)歷耐久試驗(yàn)后流量衰減反而較大（相對衰減百分比更大，達(dá)到29.7%）.由此可見，相比壓力衰減而言，空壓機(jī)空氣流量衰減對工況更為敏感，這為提高空壓機(jī)的可靠性、設(shè)計(jì)空壓機(jī)耐久性加速試驗(yàn)提供了有意義的參考.

圖10 空壓機(jī)出口流量衰減特性Fig.10 Air compressor outlet flow attenuation characteristics

3 結(jié)論

本文在國內(nèi)首次提出了一種接近真實(shí)道路循環(huán)工況的車用燃料電池空壓機(jī)耐久測試工況和方法，并開展了4 000 h 耐久試驗(yàn).通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到燃料電池空壓機(jī)的性能衰減特性及其影響因素.

1）空壓機(jī)經(jīng)歷4 000 h 道路循環(huán)工況磨合試驗(yàn)后仍可正常運(yùn)行，但性能出現(xiàn)明顯衰減.在額定轉(zhuǎn)速11 000 r/min 時，空壓機(jī)出口壓力衰減最大達(dá)到 6.6 kPa、相對衰減量為7.5%；在相同壓力條件下空氣流量衰減最大達(dá)到41.2 m3/h、相對衰減量為29.7%.

2）空壓機(jī)轉(zhuǎn)速和壓力是空壓機(jī)性能衰減特性的主要影響因素.在全工況范圍內(nèi)，空壓機(jī)出口壓力衰減主要受轉(zhuǎn)速影響，隨轉(zhuǎn)速增加而單調(diào)增大，受空氣流量的影響較小；空壓機(jī)空氣流量衰減對轉(zhuǎn)速和壓力均很敏感，隨轉(zhuǎn)速和壓力的增加而單調(diào)增大.

3）空壓機(jī)出口壓力隨磨合時間的衰減速度先快后慢.在磨合初期，空壓機(jī)出口壓力衰減速度較快，磨合1 000 h 后衰減速度減緩，尤其是在大流量工況下衰減趨勢不明顯.但在小流量工況下，磨合3 000 h后空壓機(jī)出口壓力還有一個較為明顯的下降趨勢.

4）與壓力衰減特性不同的是，空氣流量衰減特性曲線幾乎呈近似線性下降趨勢，但下降幅度因工況而異.出口壓力越大，空壓機(jī)空氣流量隨磨合時間的衰減越明顯.總體來說，空壓機(jī)空氣流量衰減對工況更為敏感.