氢燃料电池离心压缩机性能测试系统的设计

张旭朋，刘军，席会杰

(金通灵科技集团股份有限公司，江苏南通 226000)

0 引言

随着能源匮乏和环境破坏问题的日益凸显，燃料电池技术越来越受到人们的关注。燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换为电能的装置，其化学反应产物主要是水，实现真正的零污染，具备高效率、无污染、使用性广、低噪声等特点，氢燃料电池发动机被认为是未来最有可能替代传统内燃机的汽车动力源。

空气压缩机被视为氢燃料电池发动机系统的关键性部件之一，其性能好坏直接影响燃料电池系统的效率、紧凑性和平衡特性。据业内技术专家介绍，包括压缩机在内的空气供应子系统总成本约占燃料电池系统成本的20%，能耗占燃料电池输出功率的20%～30%。压缩机输出的压力和流量甚至在很大程度上可以直接影响燃料电池发动机中的化学计量比和空气加湿特性，进而影响燃料电池堆的电压输出和燃料电池发动机的功率输出，一台好的压缩机应当至少具备无油、高效、小型化、低成本、动态响应能力好等优点[1-2]。

车用燃料电池空气压缩机研制和出厂均需要进行气动性能测试，以验证压缩机是否满足燃料电池装置的设计需求。本文作者针对车用燃料电装置对空气压缩机的需求，设计了一套压缩机性能测试系统，并对某型号氢燃料电池压缩机进行了测试。

1 氢燃料电池离心压缩机简介

氢燃料电池压缩机不同于常规压缩机，也有别于传统发动机的电子增压器，适用于氢燃料电池的空气压缩机需要满足绝对无油、低噪声、高可靠性、高效、小型化、工作范围宽、良好的动态响应能力、良好的热管理、低成本等诸多严苛要求。采用气悬浮轴承的离心式压缩机具有高效节能、安全无油、振动小、噪声低、小巧便利、自动化控制等优点，被认为是最有前途的空气增压方式之一[3-4]。

离心式空气压缩机是氢燃料电池的核心零部件，其代表了空气压缩机行业的最高水平，涉及空气动力学、传热学、振动力学、机械、电机、电控、材料以及高精密加工等众多学科。空气压缩机研发不仅需要攻克多个单项技术，而且需要集成这些单项技术，使得机组安全高效地运行。这些单项技术包括:高效宽范围的离心式空气压缩机气动设计与加工、气悬浮轴承设计和制造、超高速电机设计和制造、超高频永磁同步电机控制器设计；集成技术包括热管理设计与高速转子动力学设计与分析等[5]。图1为典型的氢燃料电池离心压缩机示意图，主要部件有空气轴承、高速电机及高效三元流叶轮等。

图1 氢燃料电池离心压缩机示意

空气悬浮轴承具有启动灵活、成本低、无机械摩擦、安全无油、无振动等优点；高效率三元流叶轮具有高强度、高气动效率、低磨损的特点，且与轴直接连接，动力传递效率100%。高速永磁直联电机，效率高达96%以上；可进行精密的速度控制。变频控制器：体积小、噪声低、性能高、软启动、数字化控制效率达95%以上，具有极高的稳定性和可靠性，对急剧负荷变动的反应速度好。

2 离心式氢燃料电池压缩机测试系统的设计

压缩机的性能参数如排气量、排气压力等是指在设计工况下的数据，而压缩机在实际使用过程中，由于其进气压力、进气温度与设计工况存在偏差，其性能参数也会随之变化，因此压缩机的性能参数除了与产品参数有关外，还直接受进气压力、环境温度等因素影响。压缩机研发计算出的理论值，需要实际试验数据验证，各项综合性能数据需要测试运行时的实际值，是有效验证计算理论值的重要方式。鉴于设计工况与实际使用过程中的不同，必须对压缩机进行性能检测[6-7]。

所设计的氢燃料电池离心压缩机测试系统示意如图2所示，空气由进气过滤器进入进气管道，流经进气流量计、进气压力测量传感器、进气温度传感器，进入空气压缩机中，压缩后的高温高压气体进入排气管道中，流经排气压力传感器、排气温度传感器、流量控制阀，再流经背压传感器后，经排气消音器排入大气。

图2 氢燃料电池离心压缩机性能测试系统示意

冷却水自水箱流出经水泵进入冷却水管道，经过流量计、冷却水出水压力传感器、冷却水出水温度传感器到电机壳体冷却电机定子，再经过冷却水中间压力传感器、冷却水中间温度传感器到达控制器对其进行冷却，然后经过冷却水回水压力传感器、冷却水回水温度传感器、冷却水散热风扇后流回水箱。

所有温度、压力及流量信号接入控制系统，出口阀门采用电动执行器自动调节开度，通过控制屏实时显示并自动记录。该性能试验台结构设计科学合理、操作方便、自动化程度高，通过装置上设置的一系列传感器可对多个数据进行测量，测量数据全面，可以满足空气压缩机的性能测试需求，适用于多种型号及多种工况下空气压缩机及供气系统的供气性能测试、水阻性能测试、气冷性能测试，极大地提高了工作效率和准确性，并且人机工程设计良好，极大改进了测试及工作环境。

图3为氢燃料电池离心压缩机测试系统实物图。

图3 氢燃料电池离心压缩机测试系统实物图

3 氢燃料电池离心压缩机性能测试

根据设计的氢燃料电池离心压缩机测试系统，对某氢燃料电池压缩机进行性能测试，压缩机设计状态参数见表1。试验方法：通过出口阀门开度调节压缩机出口压力，采集在每隔10 000 r/min或20 000 r/min转速下空压机所能达到的压比，即出气压力与进气压力之比，同时需要采集并记录的参数包括空压机控制器的电压、电流、温度等参数，并根据测试结果绘制压缩机性能曲线，测试结果如图4和图5所示。

表1 待测试压缩机设计参数

图4 流量-压比曲线

图5 流量-功率曲线

根据测试结果可以看出：所测试的氢燃料电池离心压缩机最大转速为150 000 r/min；在最大转速150 000 r/min时，压缩机最大功率约11.8 kW，小于额定功率；在设计流量110 g/s时，压缩机压比为2.1，与设计参数一致。

4 结束语

设计了一套氢燃料电池压缩机测试系统，并通过改变压缩机出口阀门开度得到在不同转速工况下压比的变化以及其它系统数据，如压缩机入口空气压力和温度、入口空气流量、出口空气压力和温度、电机入口冷却水压力和温度、电机出口冷却水压力和温度、电压、电流等。该试验系统具有较广的测试范围和良好的测试精度,可以对多种离心压缩机进行性能的检测和试验研究，试验效率大大提高。