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)動機空氣供應系統的核心部件之一，其性能好壞直接影響燃料電池系統的效率、動態(tài)性能、噪聲等關鍵性能指標。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。通過設計空壓機三高環(huán)境試驗方案并進行試驗分析發(fā)現：高溫條件下，相同轉速空壓機流量和壓比降低，功率相應降低；低溫環(huán)境下，相同轉速空壓機的流量和壓比增大，功率相應增加；高原條件下，相同轉速空壓機流量和壓比相應減小，功率相應降低。

關鍵詞：燃料電池 空壓機 環(huán)境適應性 試驗研究

1 引言

質子交換膜燃料電池（PEMFC）是一種將氫氣和氧氣的化學能通過電化學反應直接轉換為電能的發(fā)電裝置，具有比功率高、電效率高、噪音低、啟動速度快、可實現低溫冷啟動等優(yōu)點[1-2]。空壓機是燃料電池發(fā)動機空氣供應系統的核心部件之一，其輸出的流量和壓力直接影響燃料電池系統中氧氣的濃度和分壓，進而影響燃料電池系統的效率、動態(tài)性能、噪聲等關鍵性能指標[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、頻繁啟停和體積小等技術性能[4]。離心式空壓機具有結構緊湊、尺寸小、封閉性好、質量輕且振動小、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路線。

隨著產業(yè)的發(fā)展和技術的進步，國內燃料電池的研發(fā)和生產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狀[6]。行業(yè)內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性需求[7]。車用燃料電池空壓機需充分考慮應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用具有十分重要的意義。

2 試驗準備

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。空氣流量計量程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℃。空壓機三高環(huán)境適應性測試如圖1所示。

2.2 試驗樣品

選取行業(yè)內典型空壓機產品作為試驗對象，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，額定轉速為85000 rpm。

3 試驗方案及結果分析

3.1 高溫適應性

將空壓機安裝在環(huán)境試驗倉測試臺架上，并按照產品技術要求加注冷卻液；空壓機的進氣系統布置在環(huán)境倉內部從環(huán)境倉內部取氣，使空壓機的進口溫度與環(huán)境倉溫度一致。按照測試需求設定環(huán)境艙的溫度為45℃，環(huán)境倉的實際溫度宜控制在設定溫度的±2 ℃內。當環(huán)境條件達到設定溫度后開始計時，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；浸機結束后設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性試驗，測試結果如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一周所能壓縮的空氣質量流量相對于常溫狀態(tài)下會相應減小，所以工作特性左移，此時應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，但是仍然呈現出隨著轉速、壓比、流量的增加，變化趨勢增大的現象。

3.2 低溫適應性

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

空壓機低溫適應性的試驗方案是，將空壓機安裝在環(huán)境試驗倉測試臺架上，按照產品技術要求加注冷卻液。空壓機前端進氣系統布置于倉內從倉內取氣，尾排連接到倉外；按照測試需求設定環(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定溫度的±2 ℃內。當環(huán)境溫度達到設定溫度后開始計時，有效浸機時間為12 h，浸機過程中不宜有人工干預、加熱保溫及外接熱源等措施；浸機結束后，設定冷卻液溫度和流量，待冷卻液溫度穩(wěn)定后，按照設定工況，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，空壓機葉輪旋轉一周所能壓縮的空氣質量流量相對于常溫狀態(tài)下會相應增加。同一轉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偏移，當燃料電池發(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預留足夠的空氣流量。

3.3 高原適應性

空壓機高原適應性的試驗方案是，將空壓機進、出口與環(huán)境試驗倉進、排氣負壓模塊連接，并在散熱系統加注冷卻液；基于測試需求設定環(huán)境倉進排氣負壓模塊的壓力為80 kPa（絕壓，相當于高度2000 m）；設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性試驗，實驗結果如圖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，空壓機的轉速和功率需要相對更高。

4 結語

通過試驗對比發(fā)現，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相應的改變。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降低，需要考慮空壓機的設計冗余。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，需進行針對性的設計進行避免。因此在進行空壓機選型時，應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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[3]郝冬，朱凱，張妍懿，王曉兵，季祥，王仁廣.燃料電池電動汽車專用空壓機技術簡析[J].汽車零部件.

[4]鮑鵬龍，章道彪，許思傳，等.燃料電池車用空氣空壓機發(fā)展現狀及趨勢[J].電源技術，2016，40（8）：4.

[5]程強，劉艷，顧云開，等.燃料電池用離心空壓機的設計與試驗研究[J].風機技術， 2022，64（3）：8.

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