解决燃料电池空压机动平衡也是一个关键技术

近日全国乘联会发布的数据,2021年全年全球广义新能源乘用车销量达到937万台。其中插混、纯电动、燃料电池的狭义新能源车部分,全球销量达到623万辆,同比增长118%。

燃料电池空压机是燃料电池汽车的核心组成单元,其工作转速和效率是燃料电池发动机燃烧效率的一个决定性因素。同时,空压机噪音是发动机主要噪音来源。因此,燃料电池空压机的动平衡控制水平,很大程度上会决定其运转时能达到的最高转速和产生的振动噪音。针对燃料电池空压机不同组件的动平衡测量需要,需要提供多元化的专业动平衡设备。

由于全球性能源紧缺问题日趋突出,以及环境保护和可持续发展的迫切要求,燃料电池汽车在最近几年得到蓬勃发展。预计到2032年,全球燃料电池汽车销量将达到500万辆。

燃料电池空压机介绍

1.1 空压机种类

目前,车用氢燃料电池空气压缩机主要有离心式、螺杆式、罗茨式、涡旋式等 。
离心式空压机转速高、尺寸小、质量轻,但存在喘振现象,在变工况下,性能会变差,甚至影响到压缩机的使用和寿命安全
螺杆式属于机械增压,在工况变化的情况下,其性能几乎不变,效率高、可靠性高,但噪声较大、质量较重。
罗茨式因压力值达不到氢燃料电池工作的最佳效率点,且振动噪声大、效率低。
涡旋式受限于自身结构原因,空间占用较大; 同时,因无油涡旋空压机的密封方式为 PTFE 密封条结构,在工作运转过程中,密封条磨损大、寿命短; 在车用变工况使用的情况下,可靠性差。

1.2 基本特性

空压机在做功过程中,效率、进出压缩比是性能的重要指标,使用在燃料电池上,空压机需要具备以下特性 :
(1) 无油。润滑油膜覆盖质子交换膜和催化剂会隔绝氢氧电化学反应。
(2) 小型化及轻量化。汽车内部空间有限,要提高空压机的压缩能力,可以通过增加容积或者增加轴承转速两种方式,小型化高转速是大势所趋。
(3) 低噪声。目前国内很多车辆的噪声较大和空压机密切相关,噪声源主要来自于空气与管道之间的摩擦以及空压机高机械转动的声音及转动的声音。
(4) 动态响应快。车用动力系统会从 “氢电锂电混合”走向氢电全功率驱动,空压机需要在每个工况下都能及时提供指定压缩空气。
(5) 控制系统响应快。车辆对需要功率变化较大,空压机需要能够及时地做出响应,对空气流量进行控制。
(6) 材料要求高。为了达到压缩机低成本、低噪声、耐久性的目的,必须为压缩机的关键部件开发低成本、稳定的摩擦性能和耐磨性的涂层和材料。
根据燃料电池的空气进气压力,可分为低压 (30 kPa)、中压 (60~100 kPa) 和高压 (150~300 kPa) 燃料电池 。低压燃料电池一般用于通信电源、备用电源、无人机等领域; 中压燃料电池一般应用于客车、物流车等交通领域; 乘用车一般配置的燃料电池是高压的。
由于不同的燃料电池系统所需性能要求不尽相同,在选型上需要考虑到喘振线距离、超负荷工况余量、环境温度、供电电压、预充、通信、噪声、冷却等因素的影响。目前常用的空压机类型有离心式、罗茨式、螺杆式 3 种。
另一方面,对于氢燃料电池来说,由于质子交换膜需要保持良好的工作特性,这就要求供气系统供给燃料电池堆的压缩空气必须绝对干净,因此,对空压机技术要求十分高。

燃料电池空压机现状及趋势

离心式空压机通过旋转叶轮对气体做功,在叶轮与扩压器流道内,利用离心升压和降速扩压作用,将机械功转化为气体内能。由于具有结构紧凑、响应快、寿命长和效率高的特点,是最被看好的增压方式之一。表 1 为最近开发的燃料电池系统中用到的空压机种类。
表 1 最近开发的燃料电池系统中使用的空压机种类

随着国内氢燃料电池汽车市场的逐步扩大,围绕燃料电池的核心零部件也在加快国产化的步伐。从目前国内的氢燃料电池市场来看,螺杆式空压机所占市场份额相对较多,但现在已经有越来越多的燃料电池和系统厂商开始采用离心式空压机替换。
从目前市场情况来说,有抱负的主机厂面临最大的问题就是降成本,考虑到开发成本、市场规模和管理等综合因素,离心式空压机的成本最高,但由于其结构紧密、体积最小、物理结构的决定,在未来大批量条件下,其成本下降空间最大。值得注意的是,离心式空压机在低流量时会发生喘振现象,这会大大影响其系统性能和空压机的使用寿命。
对于有些燃料电池厂商来说,国产空压机在可靠性和使用寿命上还存在缺陷,因此对于实际装车来说,还是以进口产品为主。
目前来看,国产空压机的优势在于性价比和售后服务,在依赖进口核心部件中,空压机率先进行国产化的可能性很大,但要满足未来大批量需求,还需在可靠性和使用寿命上进行更深入地开发。

燃料电池空压机测试方法解析

燃料电池空压机一般性能试验项目包括: 随机振动、温度循环、温度冲击、盐雾、电磁兼容、耐久性等。
(1) 随机振动试验: 模拟车辆在路面行驶时,前后、上下、左右方向的颠簸状态,考核空压机的可靠性。振动试验主要由以下部分构成:
高压直流电源: 向控制器提供额定电压;
冷却系统: 向空压机及控制器提供一定压力的冷却水;
压缩空气系统: 向空压机提供无油、无水的干净的压缩空气;
振动系统: 提供一定频率、加速度的不同方向振动;
采集系统: 采集空压机进、出口空气温度、内部温度、冷却水进水温度、进、出口空气压力、进水压力、出口空气流量;
控制器及软件: 控制空压机转速及监控相关参数。
随机振动试验如图 2 所示,振动安装如图 3 所示,振动整体示意图如图 4 所示。

一般来说,如何满足高效燃料电池系统中压缩空气压力和气体流量的连续可调性,如何降低压缩过程中的功耗,保证其可靠性,如何回收燃料电池系统的残余空气压力,提高整体性能。如何降低供气系统的体积、质量和制造成本,是未来燃料电池供气系统技术研究的主要方向。

大光明王始发道心缘品第十六
有知慧巧便人。以小缘故。能发大心趣向佛道。懈怠懒惰人。虽有大缘。犹不发意趣向佛道。是故行者。应强心立志勇猛善缘。何以知然。尔时世尊。在舍卫国祇树给孤独园。与诸四众诸王臣民。前后围繞。供养恭敬。于是众中。多有疑者。世尊。本以何因缘故。初发无上菩提之心。自致成佛。多所利益。我等亦当发心成道利安众生。尊者阿难。知众所念。即从坐起整衣服。前白佛言。今此大众。咸皆有疑。世尊本昔从何因缘。发大道心。唯愿说之。广利一切。佛告阿难。善哉善哉。汝所问者。多所饶益。谛听善思。当为汝说。时大会。寂静无声。风河江水。百鸟走兽。皆寂无声。于是大众。天龙鬼神。悚然乐闻。一心观佛。佛言阿难。过去久远。无量无边阿僧祇劫。此阎浮提。有一大王。名大光明。有大福德。聪明勇慧。王相具足。尔时边境。有一国王。与为亲厚。彼国所乏。大光明王。随时赠送。彼国所珍。亦复奉献于光明王。时彼国王。大山游猎。得二象子。端正姝妙。白如玻[王*(黍-禾+利)]山。七支拄地。甚可敬爱。心喜念言。我今当以与光明王。念已庄校。金银杂宝。极世之珍。遣人往送。时光明王。见此象已。心大欣悦。时有象师。名曰散阇。王即告言。汝教此象。瞻养令调。散阇奉教不久调顺众宝交络。往白王言。我所调象。今已调良。愿王观试。王闻心喜。迟欲见之。即击金鼓。会诸臣下。令观试象。大众既集。王乘是象。譬如日初出山光明照曜。王初乘象。亦复如是。与诸臣民。出城游戏。将至试所。时象气壮。见有群象于莲华池食莲华根。见已欲发奔逐牸象。遂至深林。时王冠服。悉皆堕落。坏衣破身。出血牵发。王时眩[目*冒]。自惟必死。极怀恐怖。即问象师。吾宁当有余命不耶。散阇白王。林中诸树。有可捉者。愿王搏捉。乃可得全。王搏树枝。象去王住。下树坐地。自视无复衣冠。身体伤破。生大苦恼。迷闷出林。不知从者所在。象师小前。捉树得住。还求见王愁恼独坐。象师叩头。白王。愿王莫大忧苦。此象正尔淫心当息。厌恶秽草。不甘浊水。思宫清净肥美饮食。如是自还。王即告曰。吾今不复思汝及象。以此象故。几失吾命。尔时群臣。咸各生念。谓王已为狂象所害。寻路推求处处。或得天冠衣服。或见落血。遂乃见王。驾乘余象。还来入城。城中人民。悉见大王受如是苦。莫不忧恼。尔时狂象。在野泽中。食诸恶草。饮浊秽水。淫欲意息。即思王宫清凉甘膳。行如疾风。诣本止处。象师见已。往白王言。大王当知。先所失象。今还来至。愿王视之。王言我不须汝。亦不须象。散阇启王。王若不须我及象者。唯愿观我调象之方。王即使于平坦地敷置坐处。时国中人。闻此象师欲示大王调象之法。普皆云集。时王出宫。大众导从。诣座而坐。象师散阇。将象至会。寻使工师。作七铁丸。烧令极赤。作已念言。象吞此丸。决定当死。王后或悔。白言大王。此白象宝。唯转轮王。乃得之耳。今有小过。不应丧失。王告之言。象若不调。不应令吾乘之。若其调适。事衅如斯。今不须汝。亦不须象。象师又言。虽不须我象。甚可惜。王怒隆盛。告言远去。散阇起已。泣泪而言。王无亲疏。其心如毒。诈出甜言。时会大小。闻已堕泪。谛视于象。象师即便作相告象。吞此铁丸。若不吞者。当以铁钩斫裂汝脑。象知其心。即自思惟。我宁吞此热丸而死。实不堪忍被铁钩死。如人俱死。宁受绞死不乐烧杀。屈膝向王。垂泪望救。王意怒盛。睹已余视。散阇告象。汝今何以不吞此丸。时象四顾。念是众中。乃无有能救我命者。以手取丸。置口吞之。入腹焦烂。直过而死。如金刚杵打玻[王*(黍-禾+利)]山。铁丸堕地。犹故热赤。时会见已。莫不悲泣。王见此事。惊怖愕然。乃生悔心。即召散阇。告言汝象。调顺乃尔。何故在林。不能制之。时净居天。知光明王应发无上菩提之心。即作神力。令象师跪答王言。大王。我唯能调象身。不能调心。王即问言。颇复有人。亦能调身。兼调心不。白言大王。有佛世尊。既能调身。亦能调心。时光明王。闻佛名已。心惊毛竖。告言散阇。所言佛者。何种性生。散阇答言。佛世尊者。二种性生。一者智能。二者大悲。勤行六事。所谓六波罗蜜。功德智能。悉具足已。号之为佛。既自能调。亦调众生。王闻是已。悚然踊跃。即起入宫。洗浴香汤。更着新衣。上高阁上。四向作礼。于一切众生起大悲心。烧香誓愿。愿我所有功德。回向佛道。我成佛已。自调其心。亦当调伏一切众生。若以一众生故。在于阿鼻地狱。住经一劫。有所益者。当入是狱。终不舍于菩提之心。作是誓已。六种震动。诸山大海。[跳-兆+叵][跳-兆+我]踊没。虚空之中。自然乐声。无量诸天。作天妓乐。歌叹菩萨。而作是言。如汝所作。得佛不久。成佛道已。愿度我等。我等于此清净法会。亦应有分。佛告诸比丘。欲知尔时白象吞铁丸者。难陀是也。时象师者。舍利弗是也。光明王者。我身是也。我于尔时。见是象调顺故。始发道心。求于佛道 尔时大会。闻佛苦行如是。有得四道果者。有发大道心者。有出家修道者。莫不欢喜。顶戴奉行。以是因缘。强志勇故。由小因缘能办大事。懒惰懈怠。虽遇大缘。无所能成。是故行者。当勤精进趣向佛道。《贤愚经》

大光明王始发道心缘品第十六
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