辛強(qiáng)，陳俠

(1.中國(guó)汽車零部件工業(yè)有限公司，北京 100083；2.蘇州中汽檢測(cè)技術(shù)服務(wù)有限公司，江蘇蘇州 215134)

0 引言

近年來，在能源危機(jī)和環(huán)境保護(hù)的雙重壓力下，由于對(duì)高效清潔能源的需求，燃料電池技術(shù)得到了迅速發(fā)展。燃料電池技術(shù)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(hù)性好等優(yōu)點(diǎn)。它被認(rèn)為是一種具有巨大發(fā)展前景的新型能源，其中被認(rèn)為是世界各國(guó)高科技領(lǐng)域的重點(diǎn)工程。

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

1 燃料電池空壓機(jī)介紹

1.1 空壓機(jī)種類

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

離心式空壓機(jī)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(huì)變差，甚至影響到壓縮機(jī)的使用和壽命安全[2-3]。

螺桿式屬于機(jī)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(dá)不到氫燃料電池工作的最佳效率點(diǎn)，且振動(dòng)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(shí)，因無油渦旋空壓機(jī)的密封方式為PTFE密封條結(jié)構(gòu)[1]，在工作運(yùn)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(jī)如圖1所示。

1.2 基本特性

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

(1)無油。潤(rùn)滑油膜覆蓋質(zhì)子交換膜和催化劑會(huì)隔絕氫氧電化學(xué)反應(yīng)。

(2)小型化及輕量化。汽車內(nèi)部空間有限，要提高空壓機(jī)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(shì)所趨。

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

(4)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。車用動(dòng)力系統(tǒng)會(huì)從“氫電鋰電混合”走向氫電全功率驅(qū)動(dòng)，空壓機(jī)需要在每個(gè)工況下都能及時(shí)提供指定壓縮空氣。

(5)控制系統(tǒng)響應(yīng)快。車輛對(duì)需要功率變化較大，空壓機(jī)需要能夠及時(shí)地做出響應(yīng)，對(duì)空氣流量進(jìn)行控制。

(6)材料要求高。為了達(dá)到壓縮機(jī)低成本、低噪聲、耐久性的目的，必須為壓縮機(jī)的關(guān)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(jìn)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(jī)等領(lǐng)域；中壓燃料電池一般應(yīng)用于客車、物流車等交通領(lǐng)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(fù)荷工況余量、環(huán)境溫度、供電電壓、預(yù)充、通信、噪聲、冷卻等因素的影響[1]。目前常用的空壓機(jī)類型有離心式、羅茨式、螺桿式3種[2-3]。

另一方面，對(duì)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(duì)干凈，因此，對(duì)空壓機(jī)技術(shù)要求十分高。

2 燃料電池空壓機(jī)現(xiàn)狀及趨勢(shì)

離心式空壓機(jī)通過旋轉(zhuǎn)葉輪[2-3]對(duì)氣體做功，在葉輪與擴(kuò)壓器流道內(nèi)，利用離心升壓和降速擴(kuò)壓作用，將機(jī)械功轉(zhuǎn)化為氣體內(nèi)能。由于具有結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)快、壽命長(zhǎng)和效率高的特點(diǎn)，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(jī)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(jī)種類

隨著國(guó)內(nèi)氫燃料電池汽車市場(chǎng)的逐步擴(kuò)大，圍繞燃料電池的核心零部件也在加快國(guó)產(chǎn)化的步伐。從目前國(guó)內(nèi)的氫燃料電池市場(chǎng)來看，螺桿式空壓機(jī)所占市場(chǎng)份額相對(duì)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(jī)替換[4-5]。

從目前市場(chǎng)情況來說，有抱負(fù)的主機(jī)廠面臨最大的問題就是降成本，考慮到開發(fā)成本、市場(chǎng)規(guī)模和管理等綜合因素，離心式空壓機(jī)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(jī)在低流量時(shí)會(huì)發(fā)生喘振現(xiàn)象[1]，這會(huì)大大影響其系統(tǒng)性能和空壓機(jī)的使用壽命。

對(duì)于有些燃料電池廠商來說，國(guó)產(chǎn)空壓機(jī)在可靠性和使用壽命上還存在缺陷，因此對(duì)于實(shí)際裝車來說，還是以進(jìn)口產(chǎn)品為主。

目前來看，國(guó)產(chǎn)空壓機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于性價(jià)比和售后服務(wù)，在依賴進(jìn)口核心部件中，空壓機(jī)率先進(jìn)行國(guó)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(jìn)行更深入地開發(fā)。

3 燃料電池空壓機(jī)測(cè)試方法解析

燃料電池空壓機(jī)一般性能試驗(yàn)項(xiàng)目包括：隨機(jī)振動(dòng)、溫度循環(huán)、溫度沖擊、鹽霧、電磁兼容、耐久性等。

(1)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)：模擬車輛在路面行駛時(shí)，前后、上下、左右方向的顛簸狀態(tài)，考核空壓機(jī)的可靠性。振動(dòng)試驗(yàn)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(jī)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(jī)提供無油、無水的干凈的壓縮空氣；

振動(dòng)系統(tǒng)：提供一定頻率、加速度的不同方向振動(dòng)；

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

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

隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)如圖2所示，振動(dòng)安裝如圖3所示，振動(dòng)整體示意圖如圖4所示。

圖2 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)示意

圖3 振動(dòng)安裝示意

圖4 振動(dòng)整體示意

(2)溫度循環(huán)試驗(yàn)：空壓機(jī)定子進(jìn)行快速溫度變化的溫度循環(huán)試驗(yàn)?？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(yàn)：考核空壓機(jī)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(duì)燃料電池空壓機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、現(xiàn)狀及趨勢(shì)、試驗(yàn)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(shù)研究的主要方向。