辛強，陳俠

(1.中國汽車零部件工業(yè)有限公司，北京 100083；2.蘇州中汽檢測技術服務有限公司，江蘇蘇州 215134)

0 引言

近年來，在能源危機和環(huán)境保護的雙重壓力下，由于對高效清潔能源的需求，燃料電池技術得到了迅速發(fā)展。燃料電池技術具有燃料多樣化、排放清潔、噪聲低、環(huán)境污染小、可靠性和可維護性好等優(yōu)點。它被認為是一種具有巨大發(fā)展前景的新型能源，其中被認為是世界各國高科技領域的重點工程。

新能源燃料電池工作系統(tǒng)在燃料電池電動車工作中起著至關重要的作用，而此系統(tǒng)的運行離不開空壓機對其提供的壓縮空氣，空壓機的性能直接影響著整個燃料電池系統(tǒng)的壓縮比、效率、噪聲等重要性能指標[1]。

1 燃料電池空壓機介紹

1.1 空壓機種類

目前，車用氫燃料電池空氣壓縮機主要有離心式、螺桿式、羅茨式、渦旋式等[1]。

離心式空壓機轉(zhuǎn)速高、尺寸小、質(zhì)量輕，但存在喘振現(xiàn)象，在變工況下，性能會變差，甚至影響到壓縮機的使用和壽命安全[2-3]。

螺桿式屬于機械增壓，在工況變化的情況下，其性能幾乎不變，效率高、可靠性高，但噪聲較大、質(zhì)量較重[1]。

羅茨式因壓力值達不到氫燃料電池工作的最佳效率點，且振動噪聲大、效率低[1]。

渦旋式受限于自身結(jié)構(gòu)原因，空間占用較大；同時，因無油渦旋空壓機的密封方式為PTFE密封條結(jié)構(gòu)[1]，在工作運轉(zhuǎn)過程中，密封條磨損大、壽命短；在車用變工況使用的情況下，可靠性差。

燃料電池空壓機如圖1所示。

1.2 基本特性

空壓機在做功過程中，效率、進出壓縮比是性能的重要指標，使用在燃料電池上，空壓機需要具備以下特性[1-3]：

(1)無油。潤滑油膜覆蓋質(zhì)子交換膜和催化劑會隔絕氫氧電化學反應。

(2)小型化及輕量化。汽車內(nèi)部空間有限，要提高空壓機的壓縮能力，可以通過增加容積或者增加軸承轉(zhuǎn)速兩種方式，小型化高轉(zhuǎn)速是大勢所趨。

(3)低噪聲。目前國內(nèi)很多車輛的噪聲較大和空壓機密切相關，噪聲源主要來自于空氣與管道之間的摩擦以及空壓機高機械轉(zhuǎn)動的聲音及轉(zhuǎn)動的聲音。

(4)動態(tài)響應快。車用動力系統(tǒng)會從“氫電鋰電混合”走向氫電全功率驅(qū)動，空壓機需要在每個工況下都能及時提供指定壓縮空氣。

(5)控制系統(tǒng)響應快。車輛對需要功率變化較大，空壓機需要能夠及時地做出響應，對空氣流量進行控制。

(6)材料要求高。為了達到壓縮機低成本、低噪聲、耐久性的目的，必須為壓縮機的關鍵部件開發(fā)低成本、穩(wěn)定的摩擦性能和耐磨性的涂層和材料。

根據(jù)燃料電池的空氣進氣壓力，可分為低壓(30 kPa)、中壓(60～100 kPa)和高壓(150～300 kPa)燃料電池[1]。低壓燃料電池一般用于通信電源、備用電源、無人機等領域；中壓燃料電池一般應用于客車、物流車等交通領域；乘用車一般配置的燃料電池是高壓的。

由于不同的燃料電池系統(tǒng)所需性能要求不盡相同，在選型上需要考慮到喘振線距離、超負荷工況余量、環(huán)境溫度、供電電壓、預充、通信、噪聲、冷卻等因素的影響[1]。目前常用的空壓機類型有離心式、羅茨式、螺桿式3種[2-3]。

另一方面，對于氫燃料電池來說，由于質(zhì)子交換膜需要保持良好的工作特性，這就要求供氣系統(tǒng)供給燃料電池堆的壓縮空氣必須絕對干凈，因此，對空壓機技術要求十分高。

2 燃料電池空壓機現(xiàn)狀及趨勢

離心式空壓機通過旋轉(zhuǎn)葉輪[2-3]對氣體做功，在葉輪與擴壓器流道內(nèi)，利用離心升壓和降速擴壓作用，將機械功轉(zhuǎn)化為氣體內(nèi)能。由于具有結(jié)構(gòu)緊湊、響應快、壽命長和效率高的特點，是最被看好的增壓方式之一。表1為最近開發(fā)的燃料電池系統(tǒng)中用到的空壓機種類[1]。

表1 最近開發(fā)的燃料電池系統(tǒng)中使用的空壓機種類

隨著國內(nèi)氫燃料電池汽車市場的逐步擴大，圍繞燃料電池的核心零部件也在加快國產(chǎn)化的步伐。從目前國內(nèi)的氫燃料電池市場來看，螺桿式空壓機所占市場份額相對較多，但現(xiàn)在已經(jīng)有越來越多的燃料電池和系統(tǒng)廠商開始采用離心式空壓機替換[4-5]。

從目前市場情況來說，有抱負的主機廠面臨最大的問題就是降成本，考慮到開發(fā)成本、市場規(guī)模和管理等綜合因素，離心式空壓機的成本最高，但由于其結(jié)構(gòu)緊密、體積最小、物理結(jié)構(gòu)的決定，在未來大批量條件下，其成本下降空間最大。

值得注意的是，離心式空壓機在低流量時會發(fā)生喘振現(xiàn)象[1]，這會大大影響其系統(tǒng)性能和空壓機的使用壽命。

對于有些燃料電池廠商來說，國產(chǎn)空壓機在可靠性和使用壽命上還存在缺陷，因此對于實際裝車來說，還是以進口產(chǎn)品為主。

目前來看，國產(chǎn)空壓機的優(yōu)勢在于性價比和售后服務，在依賴進口核心部件中，空壓機率先進行國產(chǎn)化的可能性很大，但要滿足未來大批量需求，還需在可靠性和使用壽命上進行更深入地開發(fā)。

3 燃料電池空壓機測試方法解析

燃料電池空壓機一般性能試驗項目包括：隨機振動、溫度循環(huán)、溫度沖擊、鹽霧、電磁兼容、耐久性等。

(1)隨機振動試驗：模擬車輛在路面行駛時，前后、上下、左右方向的顛簸狀態(tài)，考核空壓機的可靠性。振動試驗主要由以下部分構(gòu)成：

高壓直流電源：向控制器提供額定電壓；

冷卻系統(tǒng)：向空壓機及控制器提供一定壓力的冷卻水；

壓縮空氣系統(tǒng)：向空壓機提供無油、無水的干凈的壓縮空氣；

振動系統(tǒng)：提供一定頻率、加速度的不同方向振動；

采集系統(tǒng)：采集空壓機進、出口空氣溫度、內(nèi)部溫度、冷卻水進水溫度、進、出口空氣壓力、進水壓力、出口空氣流量；

控制器及軟件：控制空壓機轉(zhuǎn)速及監(jiān)控相關參數(shù)。

隨機振動試驗如圖2所示，振動安裝如圖3所示，振動整體示意圖如圖4所示。

圖2 隨機振動試驗示意

圖3 振動安裝示意

圖4 振動整體示意

(2)溫度循環(huán)試驗：空壓機定子進行快速溫度變化的溫度循環(huán)試驗?？己硕ㄗ觾?nèi)部的橡膠涂層溫度老化可靠性，如圖5所示。

圖5 溫度循環(huán)示意

(3)溫度沖擊試驗：考核空壓機及控制器在溫度急劇變化條件下的環(huán)境可靠性，如圖6所示。

圖6 溫度沖擊示意

4 結(jié)束語

文中對燃料電池空壓機的基本結(jié)構(gòu)、現(xiàn)狀及趨勢、試驗方法做了介紹，以供讀者參考和使用。

一般來說，如何滿足高效燃料電池系統(tǒng)中壓縮空氣壓力和氣體流量的連續(xù)可調(diào)性，如何降低壓縮過程中的功耗，保證其可靠性，如何回收燃料電池系統(tǒng)的殘余空氣壓力，提高整體性能。如何降低供氣系統(tǒng)的體積、質(zhì)量和制造成本，是未來燃料電池供氣系統(tǒng)技術研究的主要方向。