燃料電池發動機用空壓機關鍵指標分析及試驗研究

摘要： 空壓機作為燃料電池空氣供應系統的核心部件，其響應時間、油蒸氣含量和耐振性對燃料電池系統的動態變載、使用壽命以及運行可靠性具有重要影響。以某款氣浮軸承離心式空壓機為研究對象，制定了詳細的試驗方法，旨在深入研究這三個關鍵性能指標。結果表明：在響應時間方面，隨著節氣門開度的減小，壓比增大，排氣阻力增加，導致空壓機啟動響應和動態變載響應時間相應增加，不同背壓條件對空壓機的響應時間具有較大影響。在油蒸氣含量方面，提出并實現了一種可操作性強、高效便捷的測試方法，試驗表明：不同的氣體介質導致含油量測試結果存在差異，因此在考慮空壓機“無油指標”時需慎重考慮大氣介質中的含油量。在機械負荷方面，致力于為燃料電池發動機用空壓機運行可靠性和穩定性提供有效的振動沖擊試驗方法，結合空壓機實際應用工況，開展了非運行、怠速和額定工況下的隨機振動試驗和非帶載機械沖擊試驗，并對機械完整性、絕緣電阻性和輸出性能進行綜合評估，結果顯示振動沖擊試驗未對空壓機性能產生不利影響。

關鍵詞： 燃料電池；離心式空壓機；性能試驗

DOI： 10.3969/j.issn.1001-2222.2024.06.003

中圖分類號： TM911.4" 文獻標志碼： B" 文章編號： 1001-２２２２（２０24）０6-００17-０7

質子交換膜燃料電池是一種利用空氣中的氧氣和氫氣在催化劑的作用下進行電化學反應的發電裝置，將燃料中的化學能直接轉化為電能［1］。該技術具有啟動響應快、能量密度高、轉化效率高、零排放無污染等優點，因此被視為解決汽車排放達標和降低汽車碳排放的現實解決方案［2-4］。

空壓機是燃料電池空氣供應系統的核心組件，通過控制轉速，并與尾排節氣門協同配合，調節進入燃料電池堆陰極的空氣流量和壓力，其關鍵指標和工作特性對燃料電池系統的整體性能和使用壽命產生重要影響。在這一背景下，研究和優化空壓機的性能參數以及了解其在不同工況下的特性，對于提升燃料電池系統的效率和可靠性至關重要。

國內外的學者們對空壓機的工作特性進行了廣泛的研究。F. CHEN等［5］研究分析了空壓機響應速度、進氣通道容積以及流動阻力對空氣系統動態響應特性的影響。R. DA FONSECA等［6］采用了一種非線性控制策略，將其應用于質子交換膜燃料電池的空氣子系統，其目的在于縮短空壓機的動態響應時間，確保進氣流量和壓力能夠迅速響應車用負荷的變化。這一控制策略的設計旨在防止由于陰極中氧氣不足而導致燃料電池堆性能下降的情況發生?？諝庵械挠驼魵鈺е氯剂想姵貎炔糠磻セ钚裕l催化劑中毒現象，從而導致燃料電池電壓下降，對燃料電池的性能和壽命產生負面影響。盡管已有關于空氣含油量對燃料電池堆性能影響的相關研究［7-8］，但在實際使用中，空壓機出口氣體油蒸氣含量的控制仍然是一個待解的問題。因此，深入研究空壓機本體出口氣體的含油量對燃料電池系統的應用具有重要的實際意義。Y. HOU等［9］提出道路振動增強對燃料電池堆的性能退化有顯著影響。D. HAO等［10］通過在道路模擬振動試驗臺上對7 kW燃料電池堆進行試驗，發現振動會導致電堆氣密性降低。值得注意的是，上述研究主要關注于燃料電池電堆的振動特性，而對于空壓機的耐振性能以及振動試驗方法的研究較為有限。

通過前述的研究可見，目前對于車用燃料電池空壓機的研究主要側重于設計參數的優化以及工作特性對燃料電池電堆性能的影響［11-12］。針對空壓機的測試技術，國內外許多科研機構與學者進行了一系列的研究。T/CSAE 187—2021［13］標準以氫燃料電池發動機離心式空壓機為試驗對象，明確了離心式空壓機工作特性、安全性、噪聲、EMC等關鍵性能的測試方法。H. KYOUNG-KU等［14］對帶有空氣壓軸承的10 kW級空壓機進行了振動、耐久性和熱特性的試驗研究，通過驗證無油軸承系統在離心式壓縮機中的適用性，為燃料電池系統的應用提供了實質性的支持。汪琦［15］設計并搭建了燃料電池空壓機測試系統，旨在滿足空壓機產品的測試需求，該系統提高了數據采集的準確性并簡化測試人員的重復性操作。張堅［16］選取市場上一款主流型號的車用燃料電池用空壓機進行MAP圖譜和冷卻路流阻測試，完成了對空壓機性能和可靠性的評價。劉琦等［17］通過對當前主流燃料電池空壓機性能仿真模擬測試技術和實驗設計測試技術的優缺點進行比較分析，旨在推動燃料電池空壓機性能測試的標準化和規范化，為該領域的發展提供了有益參考。上述研究工作反映了行業內對燃料電池專用空壓機進行大量的投入，也凸顯了對空壓機性能指標測評的重要性。基于這一背景，本研究聚焦于專為燃料電池系統設計的離心式空壓機，通過系統性的試驗設計，深入研究了該空壓機的響應時間、出氣含油量以及機械負荷特性這三個關鍵指標，旨在為燃料電池發動機專用的空壓機的正向開發以及關鍵指標特性提供重要的參考和指導。

1 試驗系統開發

1.1 空壓機性能測試系統

在研究空壓機響應時間和測定油蒸氣含量的過程中，搭建了空壓機性能測試平臺，測試臺架基本構成如圖1所示。該測試平臺主要包括進氣系統、電源供給系統、冷卻系統、排氣系統以及控制處理系統。在進氣系統中，空氣濾清器被用于有效過濾大氣中的灰塵顆粒和雜質，確保進入空壓機的空氣質量良好，空氣流量計用于監測空壓機入口的空氣流量，溫度和壓力傳感器分別用于實時監測入口空氣的溫度和壓力。電源供給系統包括高壓和低壓兩個模塊，其中高壓模塊為空壓機和冷卻系統提供運行所需的電力，而低壓模塊則用于測試平臺CAN通信的供電。冷卻系統為雙回路結構，分別為空壓機和中冷器提供冷卻水以維持散熱效果。排氣系統中，溫度和壓力傳感器用于監測空壓機出口處的氣體溫度和壓力，中冷器用于將空壓機出口氣體冷卻至適宜溫度，節氣門用于調節出口氣體的流量和壓力，而含油量測試儀則用于監測空壓機出口氣體中的油蒸氣含量。控制系統負責監測和控制測試平臺各項功能，以及確保試驗樣品的正常運行。同時，數據記錄系統會實時記錄試驗過程中空壓機各項運行指標，為后續性能分析提供詳實的數據支持。

1.2 空壓機振動沖擊測試系統

為了深入研究空壓機的振動沖擊耐久性，構建空壓機帶載振動沖擊測試平臺，其結構示意如圖2所示。該振動沖擊測試系統由運動控制儀、功率放大器和振動沖擊臺體3個主要組成部分構成。在系統中，負載被安裝在振動沖擊臺體上，運動控制儀向功率放大器發送驅動信號。通過連接的線纜，信號被傳遞給振動沖擊臺體，經功率放大器放大后，振動沖擊臺體開始產生振動或沖擊。這一振動沖擊過程由安裝在臺面上的加速度傳感器進行實時采集。采集到的加速度信號被反饋到運動控制儀，控制儀根據傳感器的反饋信號，將輸入信號與輸出信號進行對比和計算。通過調整輸出的驅動信號，系統能夠實現振動臺的振動或沖擊量級達到試驗條件所設定的目標值。振動沖擊測試臺具有靈活的調節性能，可以在水平和垂直方向上進行調整。臺體的轉向通過高壓氣源進行驅動，從而可以提供負載在X，Y和Z三個方向上的振動沖擊。這樣的設計使得振動測試平臺能夠模擬車載環境下的實際振動沖擊方向，以更精準地模擬實際工作條件。

2 試驗研究

2.1 響應時間測試

氫燃料電池的一個顯著優勢在于其迅速的啟動響應?？諌簷C作為燃料電池發動機的核心部件，需要以較高的轉速和適當的壓比運行，以滿足燃料電池發動機對空氣（氧氣）流量的工作需求。因此，空壓機的響應時間對整個燃料電池系統的運行效率至關重要［18］?？諌簷C在起降轉速時，調整節氣門開度將直接影響進氣流量和壓比，從而對空壓機的響應時間產生影響。因此，本研究通過調整空壓機的轉速研究節氣門開度變化對啟動響應時間、動態升載和降載時間的影響規律。

2.1.1 啟動響應時間

啟動響應時間是指空壓機從停機狀態加載至怠速工況點對應轉速所需的時間。怠速是由制造商規定的空壓機在特定轉速、流量和壓比下的工況點，該工況點的轉速是空壓機正常運行的最低轉速。空壓機在怠速工況點時處于該轉速下的高效率工作區。在進行試驗之前，為空壓機和控制器提供冷卻水，設置冷卻水的流量為6 L/min，溫度15 ℃。在冷卻流量和溫度穩定后，通過上位機將空壓機出口節氣門調整至所需的開度狀態，并記錄以下數據項：空壓機進出口壓力、進口流量、節氣門開度以及反饋轉速，記錄的數據間隔為100 ms。

該款空壓機的最小轉速為30 000 r/min。啟動命令發送后，將空壓機加載至穩定怠速。穩定工況點運行的判定條件為，在設定時間內，反饋轉速維持在設定值的±2%范圍內穩定運行1 s。這一判定條件用于確保空壓機在穩定工況下運行。首先，提前將空壓機拉載至怠速工況，此時節氣門開度為25%，保持節氣門開度不變，將空壓機停機，冷卻后加載空壓機轉速至30 000 r/min。為確保啟動響應時間的準確性，進行了 3 次獨立而重復的操作。將怠速工況點啟動響應的測試設定為啟動響應標準時間。接下來，依次調節節氣門的開度為96%，30%和15%（接近喘振點），節氣門開度的選擇基于怠速穩定后壓比有明顯變化。通過以上步驟，分析在不同節氣門開度下對空壓機啟動時間的影響規律。

2.1.2 動態升載、降載響應時間

動態升載響應時間指的是空壓機由怠速加載至額定點對應轉速所需的時間，而降載時間則相反。額定工況點由制造商規定，該點下的流量、轉速和效率即為額定工況指標?？諌簷C的額定轉速為85 000 r/min。試驗的準備步驟與啟動響應時間測試相同，包括冷卻水流量和溫度的穩定以及將空壓機出口節氣門調整至所需開度狀態。接下來，調整節氣門開度分別為96%，50%和30%，在這三個開度下進行升載和降載的動態響應時間試驗。

2.2 含油量測試

油蒸氣含量是評價燃料電池空壓機的另一項關鍵指標。由于質子交換膜燃料電池（PEMFC）工作環境的特殊性，對其提供的陰極高壓氧氣有著嚴格的清潔要求。通入電堆陰極的空氣中帶有的油蒸氣會引起催化劑中毒，進而影響燃料電池的壽命。因此，供氣子系統中的空氣壓縮機應具備無油化的特性［19-20］。試驗采用兩種氣體介質對該款空壓機進行含油量測試，采用德國希爾思（SUTO）S120油蒸氣傳感器進行油蒸氣含量測試，集成到空壓機性能測試系統中單向閥后端，通過取樣管和快速接口連接，將特氟龍軟管連接到 S120 的進氣口，在氟龍軟管的另一頭安裝一個快速接頭，接入待測量的氣體，通過測試系統上位機控制單向閥的開關進行檢測。同時，含油量測試對試驗環境和溫度有嚴格的要求，具體的技術參數如表1所示。研究的目的在于分析不同氣體介質條件下的油蒸氣含量。

在進行試驗前，監測室內溫濕度，確保符合含油量測試的條件。設置冷水機和中冷器的溫度為15 ℃，流量分別為8 L/min和20 L/min。待冷卻水路穩定后，節氣門開度調整為80%，提供一定的背壓，這樣做的目的是因為在含油量測試中，為了獲取準確的含油量值，需要讓空壓機運行一段較長時間，無背壓運行時會導致空壓機內部轉子、軸承等無法建立良好的氣體冷卻而損壞。

在本節的試驗中，將通入不同介質的氣體進行測定。首先，直接吸入室內空氣，將空壓機的轉速升高至額定轉速，逐漸減小節氣門的開度，直至空氣出口壓力穩定在（200±10） kPa。接著，調整出口的第二支路減壓閥，使通入含油量測試儀的氣體壓力維持在（109±1） kPa，在這個工況下穩定運行2 h。隨后，為了更好地控制氣體的成分，將氣體介質切換為純氮氣，并將空壓機調整至相同的運行工況。通過減壓閥，將通向含油量測試儀的氣體壓力調整至（109±1） kPa，并重復先前的測試步驟。

2.3 振動沖擊測試

在實際行駛過程中，汽車因路面不規則而持續振動，其中空壓機所受到的振動激勵主要來自路面不平度和電機等旋轉機械。在旋轉機械中，耐振性是最為關鍵的工作參數之一［21］。同時，汽車實際運行中遇到凹坑、減速帶或者輕微碰撞的沖擊工況會對空壓機的性能造成影響。本研究所選用的離心式空壓機內部采用氣體箔片軸承，由于其結構特點，耐振性沖擊相對較差?？諌簷C產品的可靠性對燃料電池的性能和安全性都有著重要的影響。因此，空壓機的耐振動沖擊性能是評價其質量的重要指標。

首先進行隨機振動測試，為確定隨機振動的3個方向，參考空壓機在車輛上的安裝位置，將空壓機分別按照豎直Z軸、水平軸向Y軸以及水平徑向X軸的方向安裝在振動測試臺上進行隨機振動測試。鑒于空壓機在燃料電池系統中的多種使用工況，需注意空壓機在非運行條件下的轉子狀態，即非運行起飛狀態，轉子與氣浮軸承直接接觸，振動可能導致碰撞，容易引發失效。而在運行狀態下，轉子雖然處于起飛狀態，但在振動條件下會發生偏移，通過“氣膜”壓縮氣浮軸承，導致軸承磨損。為了考慮這些情況，空壓機耐振性試驗涵蓋非運行、怠速和額定狀態三種工作模式，每種工作模式分別進行21 h的隨機振動試驗。振動測試的頻率和功率譜密度參數如表2所示。

試驗前將空壓機安裝在振動測試平臺上，分別在非運行、怠速和額定三個不同工況依次進行Z軸、Y軸和X軸方向的隨機振動測試，方向布置如圖3所示。本測試采用單點控制傳感器來控制和調試驅動信號，以達到振動量級的目標譜。試驗過程中，實時觀察空壓機的外部結構、傳感器的貼合狀態以及振動頻譜等。這一過程旨在全面評估空壓機在不同工況下的耐振性能，確保其在實際工作中能夠穩定運行。

沖擊試驗按照GB/T 28046.3—2011的規定進行，模擬空壓機沖擊加速度方向應與車輛發生沖擊實際產生的加速度方向相同，如圖4 所示，同隨機振動安裝方向一致，在±X、±Y和±Z這6個方向上進行試驗。沖擊脈沖為半正弦波，加速度為500 m/s2，持續時間6 ms，每個方向沖擊10次。沖擊試驗結束后，空壓機應外觀完好，且能夠正常運行。

3 結果分析

3.1 啟動響應結果分析

啟動時間響應特性曲線如圖5所示。在怠速工況點下，3次怠速工況的啟動響應無明顯變化，平均啟動響應時間為2.6 s。節氣門開度為96%，30%和15%三種情況下，空壓機達到怠速穩定的壓比分別為1.02，1.05，1.10。未選擇半開50%的節氣門開度的原因是因為與接近全開狀態相比，壓比相差較小。從接收啟動信號到出現啟始轉速延遲的時間來看，三種開度下的延遲分別為0.6 s，0.6 s和0.8 s。在出現轉速響應后，同一時刻下，節氣門開度越大，空壓機對應的轉速越高。在每個開度下，空壓機在達到怠速點之前都有一定的轉速超調，但最終趨于穩定。節氣門開度為15%的情況下，啟動時間為2.8 s，是三個開度中響應時間最長的，這表明在接近喘振點時，進出口壓差相對較大，影響了空壓機的啟動時間。

3.2 動態升載、降載結果分析

在汽車實際行駛過程中，各部件的運轉工況復雜多變，因此空壓機的動態響應需要時刻跟隨燃料電池系統運行工況的變化。在空壓機處于額定轉速85 000 r/min的工況下，節氣門開度分別設置為96%，50%和30%。相應地，監測到的壓比分別為1.45，1.82和2.68。這些壓比點的選擇避開了空壓機的喘振［22-23］和阻塞區域，確保了系統處于穩定工況。圖6a示出了空壓機的動態升載特性曲線。隨著節氣門開度的減小，達到穩定的額定轉速所需的時間分別為2.7 s，2.8 s和3.2 s。在相同的節氣門開度下，隨著轉速的升高，空壓機進出口的壓差呈現上升趨勢。同時，節氣門開度越小，壓比越大。在不同的節氣門開度下提高轉速，同一時刻下，節氣門開度越大，空壓機轉速越高，達到穩定的額定轉速所需的時間越短。這表明不同工況下空壓機的動態升載特性受到節氣門開度和轉速的影響。

圖6b示出了空壓機的動態降載特性曲線。將轉速從額定值降至最低穩定轉速的過程中，節氣門開度為96%和50%時的降載響應時間分別為1.7 s和1.8 s。值得注意的是，在較大節氣門開度下，降載時間相差較小，但在節氣門開度為30%時，降載時間延長至2.1 s。隨著轉速降低，空壓機進出口的壓差逐漸減小，節氣門開度越小，對應的空壓機降至穩定怠速所需的時間越長。

3.3 含油量測試結果分析

圖7示出了不同氣體介質下對空壓機含油量測試結果，數據均為氣源輸入含油量測試儀穩定2 h后，取5 min的測試數據。試驗中室內溫濕度分別為（23±2） ℃和（37±2）% RH。首先，在額定工況下，空壓機直接吸入室內大氣。在這個過程中，葉輪帶動氣體高速旋轉，氣體在葉輪中擴壓流動，導致氣體流速和壓力升高。隨后，通過中冷器冷卻，氣體進入設備管路，經減壓閥減壓后通入測試儀。在穩定后，平均含油量為0.204 mg/m3。隨后，氣體介質改為純氮氣，并將空壓機調整至相同的運行工況。氮氣經空壓機壓縮后，排氣中的油蒸氣含量的穩定數值為0.010 6 mg/m3。綜上所述，不同的大氣條件會導致含油量測試結果存在差異。

3.4 耐振性結果分析

通過螺栓將空壓機、工裝和振動臺固定，試驗中觀察到如果三者之間的接觸面積較小或螺栓的長度不合適，都會引發共振現象，這表明在試驗設計中確保牢固的固定和適當的安裝是至關重要的。根據表2中頻率和功率譜密度值，計算得到Z軸、Y軸和X軸的加速度均方根值Grms分別為1.435 g，1.229 g和1.229 g。試驗過程中三個方向的振動頻譜如圖8所示。

在低頻率區域，控制譜的功率譜密度曲線相對于目標譜表現出較大的波動幅度；然而，在高頻率區域，控制譜可以較好地跟隨目標譜。在三個方向上，實際的加速度均方根值Grms與目標值的偏差分別為0.84%，1.6%和1.3%。測試樣品與夾具之間未觀察到共振現象。在試驗過程中，額定工況點的輸出性能均未出現異常，空壓機的外觀結構完好，測試工裝的螺絲未發現松動。每個工況結束后，對樣品進行了絕緣性測試，測試結果顯示空壓機高壓輸入口三相的絕緣電阻均大于4 000 MΩ（見圖9），這說明空壓機的電氣系統在振動環境中能夠保持良好的絕緣性，不會因為振動而導致電氣故障或安全隱患。經機械沖擊試驗，空壓機外觀無破損，樣品結構完好。最后，對空壓機額定工況點的性能進行了復測，振動沖擊試驗前后空壓機在額定工況點的流量、壓比和效率等輸出參數都保持在正常范圍內，這證實了該款氣浮軸承空壓機在非運行、怠速和額定轉速狀態下具有出色的耐振性能，且振動沖擊未對空壓機的機械完整性和輸出性能產生負面影響。

4 結論

a） 隨著節氣門開度的減小，空壓機的排氣壓力增大，壓比也相應增加，需要克服更大的排氣阻力，這導致空壓機的運行響應時間增加；在不同背壓條件下，空壓機的響應時間受到顯著影響；

b） 在大氣環境中吸氣，經過空壓機壓縮后，空壓機出口檢測到的油蒸氣含量為0.204 mg/m3，而吸入氮氣時，排氣中的含油量的測試結果為0.010 6 mg/m3；因此，對于空壓機行業提出的“無油指標”，應當考慮測試所采用的氣體介質，若測試中采用環境大氣為介質，有必要考慮大氣介質自身的含油量對試驗結果的影響；

c） 針對燃料電池發動機用空壓機，制定了詳細的隨機振動和沖擊試驗方法，通過模擬振動試驗中施加的激勵信號的加速度，對空壓機進行了非運行、怠速和額定工況隨機振動和機械沖擊測試，試驗結果表明，空壓機的機械完整性、絕緣電阻性和輸出性能未受到不利影響。

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Analysis and Experiment for Key Indicators of Air Compressor in Fuel Cell Engine

LU Yuhang1，2，MA Minghui2，3，HAO Dong2，3，GUO Zhijun1

（1.College of Vehicle and Transportation Engineering，Henan University of Science and Technology，Luoyang 471003，China;2.CATARC New Energy Vehicle Test Center （Tianjin） Co.，Ltd.，Tianjin 300300，China;3.China Automotive Technology and Research Center Co.，Ltd.，Tianjin 300300，China）

Abstract： As the core component of fuel cell air supply system， the response time， oil vapor content and vibration resistance of air compressor have an important impact on the dynamic load， service life and operation reliability of fuel cell system. A detailed test method was developed for a certain air-bearing centrifugal air compressor to further study the three key performance indicators. The results showed that both the pressure ratio and the exhaust resistance increased with the decrease of throttle opening in terms of response time， resulting in the corresponding increase of the starting response and dynamic load response time of air compressor， which had a great impact on the response time of air compressor under different back pressure conditions. In terms of oil vapor content， a feasible， efficient and convenient test method was proposed and realized. The test showed that there were differences in the testing results of oil content caused by different gas media， so the oil content in the atmospheric medium should be carefully considered when considering the \"oil-free index\" of air compressor. In terms of mechanical load， an effective vibration and shock test method was provided at the effort for the operation reliability and stability of air compressor in fuel cell engine， and random vibration test under non-running， idling and rated working conditions and non-loaded mechanical shock test were conducted by combing with the actual application conditions of air compressor， and comprehensive evaluation of mechanical integrity， insulation resistance and output performance was carried out， and the results showed that the vibration shock test did not adversely affect the performance of air compressor.

Key" words： fuel cell；centrifugal air compressor；performance test

［編輯： 潘麗麗］

基金項目： 國家重點研發計劃項目“燃料電池系統用先進空氣壓縮機技術研究”（2022YFB4004200）

作者簡介： 蘆宇航（1998—），男，碩士，研究方向為燃料電池汽車及關鍵部件試驗技術；yh1998357@163.com。