單級高速氫燃料電池離心空壓機及其性能測試

在氫燃料電池汽車發動機系統中，空壓機性能優劣直接關乎燃料電池系統的效率、緊湊性與平衡特性，是關鍵部件之一。優質空壓機應具備無油、高效、小型化、低成本及良好動態響應能力等特性。當前，國內多數廠家采用兩級壓縮提升空氣壓力，即空氣經一級葉輪壓縮后再進入二級葉輪壓縮，致使空壓機結構繁雜、體積較大。

本文所介紹的氫燃料電池空壓機采用單級壓縮，由高速電動機直驅，額定轉速達 13000r/min ，最高壓力可達 0.3MPa 。僅含一個葉輪，借助提升葉輪轉速來提高排氣壓力，結構緊密、體積小巧、質量輕盈，完全滿足氫燃料電池汽車的應用需求，為氫燃料電池汽車的發展提供了更具優勢的空壓機解決方案。

氫燃料電池離心空壓機簡介

氫燃料電池離心空壓機與常規空壓機及傳統發動機電子增壓器均存在差異，作為氫燃料電池的核心零部件，需滿足絕對無油、低噪、高可靠、高效、小型化、寬工作范圍、良好動態響應與熱管理能力以及低成本等嚴格要求，代表著空壓機行業的頂尖水平，涵蓋空氣動力學、傳熱學、振動力學、機械、電動機、電控、材料與高精密加工等多學科領域。

圖1所示為研發的單級壓縮氫燃料電池離心空壓機示意，主要部件由空氣軸承、高速電動機、高效三元流葉輪空氣軸承供氣系統和冷卻水系統等組成。其工作原理為過濾后的空氣經葉輪高速壓縮后轉為高壓氣體引出，供氫燃料電池系統使用。圖2所示為單級壓縮氫燃料電池離心空壓機實物。

空氣軸承供氣系統的工作原理為：經壓縮機壓縮后的高壓氣體經第一進氣通道、第二進氣通道進入軸向軸承安裝槽和徑向軸承安裝孔，對軸向空氣軸承、左徑向空氣軸承以及右徑向空氣軸承進行冷卻潤滑。

1-蓋板2-過濾筒3-進氣機匣4-后側板5-葉輪6-機殼7-軸承座8-轉子9-電動機定子10-后蓋板

11-軸向空氣軸承12-左徑向空氣軸承13－右徑向空氣軸承14-第六出氣通道15-第五出氣通道16－第四出氣通道17－第一進氣通道18-第二進氣通道19-第三出氣通道20－第二出氣通道21-第一出氣通道22-冷卻水入口

23－第一冷卻水通道24－第二冷卻水通道25－冷卻水出口26－過濾筒安裝孔27－進氣機匣空氣入口28－導流孔29-徑向軸承安裝孔30－軸向軸承安裝槽31－后側板安裝槽32-軸承座安裝槽

然后空氣經第一出氣通道、第二出氣通道、第三出氣通道、第四出氣通道、第五出氣通道、過濾筒以及第六出氣通道后進入進氣機匣空氣入口，然后再經壓縮機壓縮為高壓氣體，如此反復循環。

冷卻水系統的工作原理：冷卻水從冷卻水入口進入，先后流經第一、第二冷卻水通道后由冷卻水出口排出，從而帶走壓縮機運行產生的熱量。

該單級高速氫燃料電池離心空壓機采用螺旋槽空氣懸浮軸承，具備起動靈活、無機械摩擦及安全無油且無振動等優勢。高效率三元流葉輪強度高、氣動效率高、磨損低，與軸直連，動力傳遞效率達 100% ；高速永磁直聯電動機效率超 96% ，可實現精密速度調控。變頻控制器體積小、噪聲低、性能優及軟起動，數字化控制效率達 95% 以上，穩定性與可靠性極高，對急劇負荷變化響應速度良好。

離心式氫燃料電池縮機測試系統

對于實際運行的氫燃料電池發動機系統，空壓機出口空氣的壓力、流量直接影響氫燃料電池電堆的工作狀況，其性能測試是空壓機整機性能評價的重要方式，因此必須對空壓機進行性能測試。

圖3所示為氫燃料電池離心空壓機測試系統示意，該系統主要由空氣過濾器、流量計、壓力變送器、溫度變送器、調節閥、消聲器、冷卻水系統、控制系統以及相應的連接管路等組成。測試時，空氣由進氣過濾器進入進氣管道，流經進氣質量流量計、進氣壓力測量傳感器、進氣溫度傳感器，進入空壓機中，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，再經排氣消聲器排入大氣。

冷卻水自冷水機流出經流量計、冷卻水出水壓力傳感器、冷卻水出水溫度傳感器到電動機殼體冷卻電動機定子，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后流回冷水機。

圖4所示為氫燃料電池離心空壓機測試系統實物圖，入口空氣過濾器和出口消聲器置于室外。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，通過控制屏實施顯示并自動記錄。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，可以滿足空壓機的性能測試需求，適用于多種型號及多種工況下空壓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。

氫燃料電池離心空壓機性能測試

利用設計的氫燃料電池離心空壓機測試系統，對公司自研的單級高速氫燃料電池離心空壓機進行性能測試。

試驗時間：2024年3月18日；氣溫 ；試驗方法：通過出口閥門開度調節空壓機出口壓力，采集在每隔 10000r/min 或 5000r/min 轉速下空壓機的流量和所能達到的壓比，即出氣壓力與進氣壓力之比。同時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空壓機性能曲線。

圖5所示為不同轉速下空壓機壓比隨流量變化的曲線?？梢钥闯?，在同一轉速下，空壓機壓比隨著空氣流量的增加而減小；反之，隨著空氣流量的減少，空壓機壓比也增大。在保持流量不變時，隨著轉速的增加，壓比也隨之增大。在壓比不變時，隨著轉速的增加，流量增大。在額定轉速130000r/min時，最大流量為 201g/s ，最大壓比為3。

圖6所示為不同轉速下空壓機功率隨流量的變化曲線?？梢钥闯?，轉速越高，所消耗的功率越大，在額定轉速 、最大流量為201g/s時，功率最大為26kW。

結語

設計了一套氫燃料電池空壓機測試系統，并通過改變空壓機出口閥門開度得到在不同轉速工況下壓比和功率隨流量的變化數據以及空壓機入口空氣壓力和溫度、出口空氣壓力和溫度、電動機入口冷卻水壓力和溫度、電動機出口冷卻水壓力和溫度、電壓、電流等參數。

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