氫燃料電池離心壓縮機性能測試系統的設計

張旭朋，劉軍，席會杰

(金通靈科技集團股份有限公司，江蘇南通 226000)

0 引言

隨著能源匱乏和環境破壞問題的日益凸顯，燃料電池技術越來越受到人們的關注。燃料電池是一種將氫和氧的化學能通過電極反應直接轉換為電能的裝置，其化學反應產物主要是水，實現真正的零污染，具備高效率、無污染、使用性廣、低噪聲等特點，氫燃料電池發動機被認為是未來最有可能替代傳統內燃機的汽車動力源。

空氣壓縮機被視為氫燃料電池發動機系統的關鍵性部件之一，其性能好壞直接影響燃料電池系統的效率、緊湊性和平衡特性。據業內技術專家介紹，包括壓縮機在內的空氣供應子系統總成本約占燃料電池系統成本的20%，能耗占燃料電池輸出功率的20%～30%。壓縮機輸出的壓力和流量甚至在很大程度上可以直接影響燃料電池發動機中的化學計量比和空氣加濕特性，進而影響燃料電池堆的電壓輸出和燃料電池發動機的功率輸出，一臺好的壓縮機應當至少具備無油、高效、小型化、低成本、動態響應能力好等優點[1-2]。

車用燃料電池空氣壓縮機研制和出廠均需要進行氣動性能測試，以驗證壓縮機是否滿足燃料電池裝置的設計需求。本文作者針對車用燃料電裝置對空氣壓縮機的需求，設計了一套壓縮機性能測試系統，并對某型號氫燃料電池壓縮機進行了測試。

1 氫燃料電池離心壓縮機簡介

氫燃料電池壓縮機不同于常規壓縮機，也有別于傳統發動機的電子增壓器，適用于氫燃料電池的空氣壓縮機需要滿足絕對無油、低噪聲、高可靠性、高效、小型化、工作范圍寬、良好的動態響應能力、良好的熱管理、低成本等諸多嚴苛要求。采用氣懸浮軸承的離心式壓縮機具有高效節能、安全無油、振動小、噪聲低、小巧便利、自動化控制等優點，被認為是最有前途的空氣增壓方式之一[3-4]。

離心式空氣壓縮機是氫燃料電池的核心零部件，其代表了空氣壓縮機行業的最高水平，涉及空氣動力學、傳熱學、振動力學、機械、電機、電控、材料以及高精密加工等眾多學科。空氣壓縮機研發不僅需要攻克多個單項技術，而且需要集成這些單項技術，使得機組安全高效地運行。這些單項技術包括:高效寬范圍的離心式空氣壓縮機氣動設計與加工、氣懸浮軸承設計和制造、超高速電機設計和制造、超高頻永磁同步電機控制器設計；集成技術包括熱管理設計與高速轉子動力學設計與分析等[5]。圖1為典型的氫燃料電池離心壓縮機示意圖，主要部件有空氣軸承、高速電機及高效三元流葉輪等。

圖1 氫燃料電池離心壓縮機示意

空氣懸浮軸承具有啟動靈活、成本低、無機械摩擦、安全無油、無振動等優點；高效率三元流葉輪具有高強度、高氣動效率、低磨損的特點，且與軸直接連接，動力傳遞效率100%。高速永磁直聯電機，效率高達96%以上；可進行精密的速度控制。變頻控制器：體積小、噪聲低、性能高、軟啟動、數字化控制效率達95%以上，具有極高的穩定性和可靠性，對急劇負荷變動的反應速度好。

2 離心式氫燃料電池壓縮機測試系統的設計

壓縮機的性能參數如排氣量、排氣壓力等是指在設計工況下的數據，而壓縮機在實際使用過程中，由于其進氣壓力、進氣溫度與設計工況存在偏差，其性能參數也會隨之變化，因此壓縮機的性能參數除了與產品參數有關外，還直接受進氣壓力、環境溫度等因素影響。壓縮機研發計算出的理論值，需要實際試驗數據驗證，各項綜合性能數據需要測試運行時的實際值，是有效驗證計算理論值的重要方式。鑒于設計工況與實際使用過程中的不同，必須對壓縮機進行性能檢測[6-7]。

所設計的氫燃料電池離心壓縮機測試系統示意如圖2所示，空氣由進氣過濾器進入進氣管道，流經進氣流量計、進氣壓力測量傳感器、進氣溫度傳感器，進入空氣壓縮機中，壓縮后的高溫高壓氣體進入排氣管道中，流經排氣壓力傳感器、排氣溫度傳感器、流量控制閥，再流經背壓傳感器后，經排氣消音器排入大氣。

圖2 氫燃料電池離心壓縮機性能測試系統示意

冷卻水自水箱流出經水泵進入冷卻水管道，經過流量計、冷卻水出水壓力傳感器、冷卻水出水溫度傳感器到電機殼體冷卻電機定子，再經過冷卻水中間壓力傳感器、冷卻水中間溫度傳感器到達控制器對其進行冷卻，然后經過冷卻水回水壓力傳感器、冷卻水回水溫度傳感器、冷卻水散熱風扇后流回水箱。

所有溫度、壓力及流量信號接入控制系統，出口閥門采用電動執行器自動調節開度，通過控制屏實時顯示并自動記錄。該性能試驗臺結構設計科學合理、操作方便、自動化程度高，通過裝置上設置的一系列傳感器可對多個數據進行測量，測量數據全面，可以滿足空氣壓縮機的性能測試需求，適用于多種型號及多種工況下空氣壓縮機及供氣系統的供氣性能測試、水阻性能測試、氣冷性能測試，極大地提高了工作效率和準確性，并且人機工程設計良好，極大改進了測試及工作環境。

圖3為氫燃料電池離心壓縮機測試系統實物圖。

圖3 氫燃料電池離心壓縮機測試系統實物圖

3 氫燃料電池離心壓縮機性能測試

根據設計的氫燃料電池離心壓縮機測試系統，對某氫燃料電池壓縮機進行性能測試，壓縮機設計狀態參數見表1。試驗方法：通過出口閥門開度調節壓縮機出口壓力，采集在每隔10 000 r/min或20 000 r/min轉速下空壓機所能達到的壓比，即出氣壓力與進氣壓力之比，同時需要采集并記錄的參數包括空壓機控制器的電壓、電流、溫度等參數，并根據測試結果繪制壓縮機性能曲線，測試結果如圖4和圖5所示。

表1 待測試壓縮機設計參數

圖4 流量-壓比曲線

圖5 流量-功率曲線

根據測試結果可以看出：所測試的氫燃料電池離心壓縮機最大轉速為150 000 r/min；在最大轉速150 000 r/min時，壓縮機最大功率約11.8 kW，小于額定功率；在設計流量110 g/s時，壓縮機壓比為2.1，與設計參數一致。

4 結束語

設計了一套氫燃料電池壓縮機測試系統，并通過改變壓縮機出口閥門開度得到在不同轉速工況下壓比的變化以及其它系統數據，如壓縮機入口空氣壓力和溫度、入口空氣流量、出口空氣壓力和溫度、電機入口冷卻水壓力和溫度、電機出口冷卻水壓力和溫度、電壓、電流等。該試驗系統具有較廣的測試范圍和良好的測試精度,可以對多種離心壓縮機進行性能的檢測和試驗研究，試驗效率大大提高。