車用燃料電池氫氣循環泵關鍵指標分析及驗證

馬明輝，楊沄芃，郝 冬，郭帥帥，冀雪峰

(中汽研汽車檢驗中心(天津)有限公司，天津 300000)

質子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種將氫氣和氧氣的化學能通過電化學反應直接轉換為電能的發電裝置，具有比功率高、電效率高、噪音低、啟動速度快、可實現低溫冷啟動等優點[1-2]。氫氣循環泵作為燃料電池發動機關鍵輔助部件，其作用是將電堆陽極出口的高濕氣體循環輸送至電堆入口，與此同時，該循環過程能夠起到一定程度的陽極入口氣體加濕作用[3-4]。氫氣循環泵在燃料電池整個工況范圍內具有良好的循環效果，且可以根據燃料電池工作狀況進行主動調節，具有響應迅速、調節范圍廣的特點。

當前行業中氫氣循環泵的技術發展現狀呈現出爪式應用為主，多種技術路線并存的局面，普旭與豐田自動織機的氫氣循環泵[5]均采用爪式技術路線并取得廣泛應用。國內企業在氫氣循環泵的研發制造方面投入了大量研發成本并取得了長足的進步，但是技術發展仍不是很成熟，在高品質大批量穩定供貨和產品一致性方面與國際先進企業存在明顯差距[6]。而且，由于氫氣循環泵相關研究不充分，相關試驗標準及試驗方法不完善，在一定程度上影響了氫氣循環泵的推廣和應用。本文針對當前氫氣循環泵發展現狀及主要技術需求，構建了關鍵指標測評體系，并以某款氫氣循環泵為研究對象，進行了試驗方法驗證。

1 基于應用場景的氫泵技術需求

氫氣循環泵在應用時，由于工作環境惡劣、應用場景復雜、使用區域多樣，需要重點考慮以下幾個方面：第一，氫氣循環泵的應用介質為氫氣，從安全方面考慮，應重點關注氫氣循環泵氣密性問題；第二，在實際運行過程中，隨著燃料電池發動機功率變化，氫氣循環泵的轉速和流量需及時進行響應，應重點研究氫氣循環泵的動態響應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 ℃，氫氣循環泵長期處于高溫、高濕、高熱的工作環境中，需研究其高溫存儲特性和高溫環境適應性；第四，低溫冷啟動已成為燃料電池發動機的核心技術指標，還需重點研究氫氣循環泵的低溫存儲特性以及低溫環境適應性；第五，燃料電池電動汽車分布的城市區域多樣，應用環境復雜，氫氣循環泵還需滿足汽車零部件的使用需求，需重點研究其耐鹽霧能力。

2 測評方法研究

2.1 評價指標體系

通過對國內氫氣循環泵的技術發展水平和基于不同應用場景的技術需求進行分析，提出了氫氣循環泵的性能指標評價體系，并將氫氣循環泵的性能評價指標分為三級，如表1所示。

表1 氫氣循環泵性能評價指標體系

2.2 試驗裝置

試驗裝置主要包括氫氣循環泵性能測試平臺、高低溫環境試驗箱。氫氣循環泵性能測試平臺如圖1 所示，主要由流量計、壓力控制器、傳感器、背壓閥、阻火閥、電氣柜、上位機等部件構成。其中，氫氣流量計量程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%，壓力控制器調壓范圍0～350 kPa，精度±5 kPa，背壓閥調壓范圍0～350 kPa，精度±5 kPa。環境試驗箱溫度范圍－40～85 ℃，精度±1 ℃。

圖1 氫氣循環泵性能測試平臺

2.3 試驗方法

2.3.1 樣品參數

基于市場現狀，以某款爪式氫氣循環泵為研究對象，進行氫氣循環泵試驗方法研究。該款氫氣循環泵主要參數為：額定工作電壓DC 24 V，額定入口工作壓力225 kPa(絕對壓力)，最大進出口壓差為40 kPa，額定轉速為6 000 r/min。

2.3.2 氣密性測試

氫氣循環泵氣密性試驗方法為保壓法。將氫氣循環泵出口管路封閉，向入口通入氫氣，壓力設定為265 kPa(絕對壓力)，保壓20 min，檢測20 min 內的壓力下降值。

2.3.3 工作特性測試

氫氣循環泵工作特性主要分為基本流量特性和動態響應特性。基本流量特性試驗方法為：改變氫氣循環泵的入口壓力和轉速，通過調節氫氣循環泵出口背壓，分析不同入口壓力和轉速下氫氣循環泵進出口壓差和流量的關系。動態響應特性試驗方法為：測試不同入口壓力和不同進出口壓差下，氫氣循環泵從0 r/min 加載到額定轉速的動態升載響應時間，及從額定轉速降載到0 r/min 的動態降載響應時間。

2.3.4 環境適應性測試

溫度適應性試驗方法為：將氫氣循環泵置于溫度試驗箱中，電氣連接及管路連接完好，環境試驗箱溫度設定在－30或60 ℃，氫氣循環泵的電壓設定為DC 24 V，入口壓力設定為額定工作壓力，測試氫氣循環泵在低溫或高溫環境運行過程中的性能變化。溫度存儲特性試驗方法為：將氫氣循環泵置于環境試驗箱中，環境試驗箱溫度設置為－40 或65 ℃低溫或高溫存儲24 h，存儲結束后溫度恢復至25 ℃，測試氫氣循環泵在額定工況運行過程中的性能變化。耐鹽霧試驗方法為：將氫氣循環泵在鹽霧試驗箱中進行48 h 鹽霧試驗[7]，鹽霧試驗結束后，測試氫氣循環泵在額定工況運行過程中的性能變化。

3 結果與討論

3.1 氣密性結果分析

經氣密性試驗，該款氫氣循環泵保壓20 min 后，壓力下降1 kPa，氣密性良好。若氫氣循環泵裝配工藝不合理，或在使用過程中經受振動、高低溫變化導致密封結構性能衰減，往往導致氫氣循環泵出現泄漏，引發安全風險。

3.2 工作特性結果分析

氫氣循環泵的流量特性曲線如圖2 所示。由圖2(a)可知，氫氣循環泵的流量隨轉速的增加而增加；隨進出口壓差的增加而減小，當轉速為2 000 r/min，進出口壓差大于30 kPa時，氫氣循環泵的流量接近0，在實際應用中，氫氣循環泵最低轉速的選取，需充分考慮所在系統的管路壓損，避免出現壓損太大，小轉速下氫氣循環效果不佳的問題。由圖2(b)可知，隨入口壓力增加，氫氣循環泵的流量整體上呈增大趨勢；當進出口壓差增加到40 kPa 時，氫氣循環泵的流量趨近相同，所以，針對該款氫氣循環泵，選型時需充分考慮增壓和流量的使用需求，若電堆及系統管路流阻太大，該款循環泵的流量將不能滿足大流量時氫氣循環使用需求。

圖2 氫氣循環泵流量特性

氫氣循環泵動態響應越迅速，越能快速跟隨電堆的工況變化，系統主動調節能力也越好。圖3 為不同進出口壓差下動態響應時間，動態升載響應時間隨進出口壓差的增加變化范圍較小，平均動態升載響應時間1.7 s，波動范圍在平均值5%以內；氫氣循環泵的動態降載響應時間隨進出口壓差的增加有所增加，但增加較小，幅度在4%以內。說明進出口壓差對氫氣循環泵的動態響應時間影響較小。

圖3 不同進出口壓差下動態響應時間

3.3 環境適應性結果分析

圖4 為高溫存儲后流量及功率變化圖。經高溫存儲后，氫氣循環泵的流量變化較小，進出口壓差較小時，流量偏差相對較大，波動在11 L/min，波動幅度在3%左右。經過高溫存儲后，氫氣循環泵的功率變化較小，存儲前后最大功率偏差為13 W，偏差幅度在3%左右。該款氫氣循環泵的高溫存儲特性較好，經高溫存儲后，流量和功率偏差較小，產品性能一致性較好。

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。經低溫存儲后，氫氣循環泵的流量變化及波動較小，偏差最大值處于進出口壓差較小時，偏差幅度在3%以內。經低溫存儲后，氫氣循環泵的功率與存儲前趨近于一致，偏差范圍在3%以內。這說明該款氫氣循環泵的生產制造工藝較好，產品一致性較高，低溫存儲特性優良。

圖5 低溫存儲后流量及功率變化

氫氣循環泵一般采用風冷散熱，當環境溫度過高時，會影響電機散熱，導致電機及控制器溫度過高出現性能衰減。圖6 為高溫運行流量及功率變化圖。在高溫運行環境中，氫氣循環泵的流量在不同進出口壓差下出現不同程度的增加。進出口壓差為20 kPa 時，流量增加最大為14 L/min，增幅為5%。由圖6 可知，氫氣循環泵高溫運行中功率基本上與常溫運行功率一致，高溫環境適應性較好。這說明該款氫氣循環泵散熱設計、結構設計較為合理，能夠滿足60 ℃高溫環境的使用需求。

圖6 高溫運行流量及功率變化

氫氣循環泵在低溫運行過程中，軸承潤滑油的粘度降低，潤滑效果降低，會導致電機效率下降，進而影響氫氣循環泵的性能。圖7 為低溫運行流量及功率變化圖。在低溫工作環境下，隨進出口壓差的不同，流量出現了不同程度的增加，相對于常溫運行，流量最大增加18 L/min，偏差幅度6%。氫氣循環泵在低溫環境運行中，功率變化較小，與常溫運行條件下的功率基本保持一致。該款氫氣循環泵在低溫運行狀態下，流量及功率與常溫運行時偏差較小，產品性能一致性較好，低溫環境適應性能較好。

圖7 低溫運行流量及功率變化

圖8 為鹽霧試驗后流量及功率變化圖。經鹽霧試驗后，氫氣循環泵的流量明顯降低，且隨進出口壓差的增加，變化幅度逐漸減小。鹽霧試驗后，流量最大偏差為37 L/min，偏差幅度13%。經鹽霧試驗后，在同一轉速和入口壓力下氫氣循環泵的功率也明顯增加，功率最大增加42 W，增加幅度11%。通過經鹽霧試驗后氫氣循環泵的流量和功率對比可知，鹽霧試驗使氫氣循環泵的性能發生了一定的衰減。

圖8 鹽霧試驗后流量及功率變化

4 結論

針對燃料電池汽車行業對氫氣循環泵的共性技術需求，本文提出了氫氣循環泵的關鍵性能指標體系、試驗方法，并進行了試驗驗證。選取某款氫氣循環泵作為試驗對象，進行了氣密性、動態響應試驗、基本流量特性試驗、高溫存儲試驗、低溫存儲試驗、高溫適應性試驗、低溫適應性試驗、耐鹽霧試驗。試驗結果表明：進出口壓差對動態響應時間的影響較小，環境溫度對該款氫氣循環泵的工作特性無明顯影響，而管路壓損及鹽霧試驗對該款氫氣循環泵工作特性影響較大。