馬明輝,楊沄芃,郝 冬,郭帥帥,冀雪峰
(中汽研汽車檢驗(yàn)中心(天津)有限公司,天津 300000)
質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種將氫氣和氧氣的化學(xué)能通過電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電裝置,具有比功率高、電效率高、噪音低、啟動速度快、可實(shí)現(xiàn)低溫冷啟動等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。氫氣循環(huán)泵作為燃料電池發(fā)動機(jī)關(guān)鍵輔助部件,其作用是將電堆陽極出口的高濕氣體循環(huán)輸送至電堆入口,與此同時,該循環(huán)過程能夠起到一定程度的陽極入口氣體加濕作用[3-4]。氫氣循環(huán)泵在燃料電池整個工況范圍內(nèi)具有良好的循環(huán)效果,且可以根據(jù)燃料電池工作狀況進(jìn)行主動調(diào)節(jié),具有響應(yīng)迅速、調(diào)節(jié)范圍廣的特點(diǎn)。
當(dāng)前行業(yè)中氫氣循環(huán)泵的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀呈現(xiàn)出爪式應(yīng)用為主,多種技術(shù)路線并存的局面,普旭與豐田自動織機(jī)的氫氣循環(huán)泵[5]均采用爪式技術(shù)路線并取得廣泛應(yīng)用。國內(nèi)企業(yè)在氫氣循環(huán)泵的研發(fā)制造方面投入了大量研發(fā)成本并取得了長足的進(jìn)步,但是技術(shù)發(fā)展仍不是很成熟,在高品質(zhì)大批量穩(wěn)定供貨和產(chǎn)品一致性方面與國際先進(jìn)企業(yè)存在明顯差距[6]。而且,由于氫氣循環(huán)泵相關(guān)研究不充分,相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及試驗(yàn)方法不完善,在一定程度上影響了氫氣循環(huán)泵的推廣和應(yīng)用。本文針對當(dāng)前氫氣循環(huán)泵發(fā)展現(xiàn)狀及主要技術(shù)需求,構(gòu)建了關(guān)鍵指標(biāo)測評體系,并以某款氫氣循環(huán)泵為研究對象,進(jìn)行了試驗(yàn)方法驗(yàn)證。
氫氣循環(huán)泵在應(yīng)用時,由于工作環(huán)境惡劣、應(yīng)用場景復(fù)雜、使用區(qū)域多樣,需要重點(diǎn)考慮以下幾個方面:第一,氫氣循環(huán)泵的應(yīng)用介質(zhì)為氫氣,從安全方面考慮,應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注氫氣循環(huán)泵氣密性問題;第二,在實(shí)際運(yùn)行過程中,隨著燃料電池發(fā)動機(jī)功率變化,氫氣循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速和流量需及時進(jìn)行響應(yīng),應(yīng)重點(diǎn)研究氫氣循環(huán)泵的動態(tài)響應(yīng)特性和基本流量特性;第三,燃料電池堆的正常工作溫度一般在60~80 ℃,氫氣循環(huán)泵長期處于高溫、高濕、高熱的工作環(huán)境中,需研究其高溫存儲特性和高溫環(huán)境適應(yīng)性;第四,低溫冷啟動已成為燃料電池發(fā)動機(jī)的核心技術(shù)指標(biāo),還需重點(diǎn)研究氫氣循環(huán)泵的低溫存儲特性以及低溫環(huán)境適應(yīng)性;第五,燃料電池電動汽車分布的城市區(qū)域多樣,應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜,氫氣循環(huán)泵還需滿足汽車零部件的使用需求,需重點(diǎn)研究其耐鹽霧能力。
通過對國內(nèi)氫氣循環(huán)泵的技術(shù)發(fā)展水平和基于不同應(yīng)用場景的技術(shù)需求進(jìn)行分析,提出了氫氣循環(huán)泵的性能指標(biāo)評價體系,并將氫氣循環(huán)泵的性能評價指標(biāo)分為三級,如表1所示。
表1 氫氣循環(huán)泵性能評價指標(biāo)體系
試驗(yàn)裝置主要包括氫氣循環(huán)泵性能測試平臺、高低溫環(huán)境試驗(yàn)箱。氫氣循環(huán)泵性能測試平臺如圖1 所示,主要由流量計(jì)、壓力控制器、傳感器、背壓閥、阻火閥、電氣柜、上位機(jī)等部件構(gòu)成。其中,氫氣流量計(jì)量程0~1 500 L/min,精度±1%;壓力傳感器量程0~400 kPa(絕對壓力),精度±0.5%,壓力控制器調(diào)壓范圍0~350 kPa,精度±5 kPa,背壓閥調(diào)壓范圍0~350 kPa,精度±5 kPa。環(huán)境試驗(yàn)箱溫度范圍-40~85 ℃,精度±1 ℃。
圖1 氫氣循環(huán)泵性能測試平臺
2.3.1 樣品參數(shù)
基于市場現(xiàn)狀,以某款爪式氫氣循環(huán)泵為研究對象,進(jìn)行氫氣循環(huán)泵試驗(yàn)方法研究。該款氫氣循環(huán)泵主要參數(shù)為:額定工作電壓DC 24 V,額定入口工作壓力225 kPa(絕對壓力),最大進(jìn)出口壓差為40 kPa,額定轉(zhuǎn)速為6 000 r/min。
2.3.2 氣密性測試
氫氣循環(huán)泵氣密性試驗(yàn)方法為保壓法。將氫氣循環(huán)泵出口管路封閉,向入口通入氫氣,壓力設(shè)定為265 kPa(絕對壓力),保壓20 min,檢測20 min 內(nèi)的壓力下降值。
2.3.3 工作特性測試
氫氣循環(huán)泵工作特性主要分為基本流量特性和動態(tài)響應(yīng)特性?;玖髁刻匦栽囼?yàn)方法為:改變氫氣循環(huán)泵的入口壓力和轉(zhuǎn)速,通過調(diào)節(jié)氫氣循環(huán)泵出口背壓,分析不同入口壓力和轉(zhuǎn)速下氫氣循環(huán)泵進(jìn)出口壓差和流量的關(guān)系。動態(tài)響應(yīng)特性試驗(yàn)方法為:測試不同入口壓力和不同進(jìn)出口壓差下,氫氣循環(huán)泵從0 r/min 加載到額定轉(zhuǎn)速的動態(tài)升載響應(yīng)時間,及從額定轉(zhuǎn)速降載到0 r/min 的動態(tài)降載響應(yīng)時間。
2.3.4 環(huán)境適應(yīng)性測試
溫度適應(yīng)性試驗(yàn)方法為:將氫氣循環(huán)泵置于溫度試驗(yàn)箱中,電氣連接及管路連接完好,環(huán)境試驗(yàn)箱溫度設(shè)定在-30或60 ℃,氫氣循環(huán)泵的電壓設(shè)定為DC 24 V,入口壓力設(shè)定為額定工作壓力,測試氫氣循環(huán)泵在低溫或高溫環(huán)境運(yùn)行過程中的性能變化。溫度存儲特性試驗(yàn)方法為:將氫氣循環(huán)泵置于環(huán)境試驗(yàn)箱中,環(huán)境試驗(yàn)箱溫度設(shè)置為-40 或65 ℃低溫或高溫存儲24 h,存儲結(jié)束后溫度恢復(fù)至25 ℃,測試氫氣循環(huán)泵在額定工況運(yùn)行過程中的性能變化。耐鹽霧試驗(yàn)方法為:將氫氣循環(huán)泵在鹽霧試驗(yàn)箱中進(jìn)行48 h 鹽霧試驗(yàn)[7],鹽霧試驗(yàn)結(jié)束后,測試氫氣循環(huán)泵在額定工況運(yùn)行過程中的性能變化。
經(jīng)氣密性試驗(yàn),該款氫氣循環(huán)泵保壓20 min 后,壓力下降1 kPa,氣密性良好。若氫氣循環(huán)泵裝配工藝不合理,或在使用過程中經(jīng)受振動、高低溫變化導(dǎo)致密封結(jié)構(gòu)性能衰減,往往導(dǎo)致氫氣循環(huán)泵出現(xiàn)泄漏,引發(fā)安全風(fēng)險。
氫氣循環(huán)泵的流量特性曲線如圖2 所示。由圖2(a)可知,氫氣循環(huán)泵的流量隨轉(zhuǎn)速的增加而增加;隨進(jìn)出口壓差的增加而減小,當(dāng)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min,進(jìn)出口壓差大于30 kPa時,氫氣循環(huán)泵的流量接近0,在實(shí)際應(yīng)用中,氫氣循環(huán)泵最低轉(zhuǎn)速的選取,需充分考慮所在系統(tǒng)的管路壓損,避免出現(xiàn)壓損太大,小轉(zhuǎn)速下氫氣循環(huán)效果不佳的問題。由圖2(b)可知,隨入口壓力增加,氫氣循環(huán)泵的流量整體上呈增大趨勢;當(dāng)進(jìn)出口壓差增加到40 kPa 時,氫氣循環(huán)泵的流量趨近相同,所以,針對該款氫氣循環(huán)泵,選型時需充分考慮增壓和流量的使用需求,若電堆及系統(tǒng)管路流阻太大,該款循環(huán)泵的流量將不能滿足大流量時氫氣循環(huán)使用需求。
圖2 氫氣循環(huán)泵流量特性
氫氣循環(huán)泵動態(tài)響應(yīng)越迅速,越能快速跟隨電堆的工況變化,系統(tǒng)主動調(diào)節(jié)能力也越好。圖3 為不同進(jìn)出口壓差下動態(tài)響應(yīng)時間,動態(tài)升載響應(yīng)時間隨進(jìn)出口壓差的增加變化范圍較小,平均動態(tài)升載響應(yīng)時間1.7 s,波動范圍在平均值5%以內(nèi);氫氣循環(huán)泵的動態(tài)降載響應(yīng)時間隨進(jìn)出口壓差的增加有所增加,但增加較小,幅度在4%以內(nèi)。說明進(jìn)出口壓差對氫氣循環(huán)泵的動態(tài)響應(yīng)時間影響較小。
圖3 不同進(jìn)出口壓差下動態(tài)響應(yīng)時間
圖4 為高溫存儲后流量及功率變化圖。經(jīng)高溫存儲后,氫氣循環(huán)泵的流量變化較小,進(jìn)出口壓差較小時,流量偏差相對較大,波動在11 L/min,波動幅度在3%左右。經(jīng)過高溫存儲后,氫氣循環(huán)泵的功率變化較小,存儲前后最大功率偏差為13 W,偏差幅度在3%左右。該款氫氣循環(huán)泵的高溫存儲特性較好,經(jīng)高溫存儲后,流量和功率偏差較小,產(chǎn)品性能一致性較好。
圖4 高溫存儲后流量及功率變化
圖5 為低溫存儲后流量及功率變化圖。經(jīng)低溫存儲后,氫氣循環(huán)泵的流量變化及波動較小,偏差最大值處于進(jìn)出口壓差較小時,偏差幅度在3%以內(nèi)。經(jīng)低溫存儲后,氫氣循環(huán)泵的功率與存儲前趨近于一致,偏差范圍在3%以內(nèi)。這說明該款氫氣循環(huán)泵的生產(chǎn)制造工藝較好,產(chǎn)品一致性較高,低溫存儲特性優(yōu)良。
圖5 低溫存儲后流量及功率變化
氫氣循環(huán)泵一般采用風(fēng)冷散熱,當(dāng)環(huán)境溫度過高時,會影響電機(jī)散熱,導(dǎo)致電機(jī)及控制器溫度過高出現(xiàn)性能衰減。圖6 為高溫運(yùn)行流量及功率變化圖。在高溫運(yùn)行環(huán)境中,氫氣循環(huán)泵的流量在不同進(jìn)出口壓差下出現(xiàn)不同程度的增加。進(jìn)出口壓差為20 kPa 時,流量增加最大為14 L/min,增幅為5%。由圖6 可知,氫氣循環(huán)泵高溫運(yùn)行中功率基本上與常溫運(yùn)行功率一致,高溫環(huán)境適應(yīng)性較好。這說明該款氫氣循環(huán)泵散熱設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為合理,能夠滿足60 ℃高溫環(huán)境的使用需求。
圖6 高溫運(yùn)行流量及功率變化
氫氣循環(huán)泵在低溫運(yùn)行過程中,軸承潤滑油的粘度降低,潤滑效果降低,會導(dǎo)致電機(jī)效率下降,進(jìn)而影響氫氣循環(huán)泵的性能。圖7 為低溫運(yùn)行流量及功率變化圖。在低溫工作環(huán)境下,隨進(jìn)出口壓差的不同,流量出現(xiàn)了不同程度的增加,相對于常溫運(yùn)行,流量最大增加18 L/min,偏差幅度6%。氫氣循環(huán)泵在低溫環(huán)境運(yùn)行中,功率變化較小,與常溫運(yùn)行條件下的功率基本保持一致。該款氫氣循環(huán)泵在低溫運(yùn)行狀態(tài)下,流量及功率與常溫運(yùn)行時偏差較小,產(chǎn)品性能一致性較好,低溫環(huán)境適應(yīng)性能較好。
圖7 低溫運(yùn)行流量及功率變化
圖8 為鹽霧試驗(yàn)后流量及功率變化圖。經(jīng)鹽霧試驗(yàn)后,氫氣循環(huán)泵的流量明顯降低,且隨進(jìn)出口壓差的增加,變化幅度逐漸減小。鹽霧試驗(yàn)后,流量最大偏差為37 L/min,偏差幅度13%。經(jīng)鹽霧試驗(yàn)后,在同一轉(zhuǎn)速和入口壓力下氫氣循環(huán)泵的功率也明顯增加,功率最大增加42 W,增加幅度11%。通過經(jīng)鹽霧試驗(yàn)后氫氣循環(huán)泵的流量和功率對比可知,鹽霧試驗(yàn)使氫氣循環(huán)泵的性能發(fā)生了一定的衰減。
圖8 鹽霧試驗(yàn)后流量及功率變化
針對燃料電池汽車行業(yè)對氫氣循環(huán)泵的共性技術(shù)需求,本文提出了氫氣循環(huán)泵的關(guān)鍵性能指標(biāo)體系、試驗(yàn)方法,并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。選取某款氫氣循環(huán)泵作為試驗(yàn)對象,進(jìn)行了氣密性、動態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)、基本流量特性試驗(yàn)、高溫存儲試驗(yàn)、低溫存儲試驗(yàn)、高溫適應(yīng)性試驗(yàn)、低溫適應(yīng)性試驗(yàn)、耐鹽霧試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:進(jìn)出口壓差對動態(tài)響應(yīng)時間的影響較小,環(huán)境溫度對該款氫氣循環(huán)泵的工作特性無明顯影響,而管路壓損及鹽霧試驗(yàn)對該款氫氣循環(huán)泵工作特性影響較大。