氫氣循環(huán)泵技術(shù)發(fā)展綜述

李志孝，馬明輝，李國洪，叢林，王睿迪

1.天津理工大學(xué)天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點實驗室，天津 300384；2.中汽研新能源汽車檢驗中心(天津)有限公司，天津 300000；3.山東省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗研究院，山東濟南 250000

0 引言

氫氧燃料電池是通過化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，正常情況下，只要持續(xù)供應(yīng)氫氣，氫氧燃料電池可以不斷地提供電能，且生成物只有水。由于其無污染、無噪聲和高效率的特點，氫氧燃料電池被認為是未來電池技術(shù)的重要研究方向。氫氣循環(huán)泵是燃料電池發(fā)動機供氫系統(tǒng)核心部件之一，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?qū)崿F(xiàn)一定程度的陽極入口氣體加濕作用[1]，使得氫氣入口省去了額外的加濕系統(tǒng)，精簡了燃料電池系統(tǒng)。

在氫氣循環(huán)系統(tǒng)方案上，行業(yè)內(nèi)一直存在著不同的技術(shù)路線。目前主流的技術(shù)路線主要有單氫氣循環(huán)泵模式以及氫氣循環(huán)泵與引射器并聯(lián)的模式。氫氣循環(huán)泵因其響應(yīng)速度快、工作區(qū)間范圍廣，且可以根據(jù)燃料電池工作狀況進行主動調(diào)節(jié)的特點一直受到行業(yè)所青睞。氫氣循環(huán)泵模式的典型應(yīng)用代表為豐田汽車公司，其在Mirai燃料電池乘用車上應(yīng)用的兩葉羅茨式氫氣循環(huán)泵技術(shù)已經(jīng)開發(fā)到第三代[2]。

但是，氫氣循環(huán)泵也面臨著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高、體積大、功耗大、噪聲較大及環(huán)境適應(yīng)性等問題，這些都制約著氫氣循環(huán)泵在燃料電池發(fā)動機上的集成與應(yīng)用。

1 氫氣循環(huán)泵的技術(shù)研究現(xiàn)狀

由于氫氣循環(huán)泵的適用介質(zhì)是氫氣，所以氫氣循環(huán)泵的密封性要求非常苛刻，經(jīng)過燃料電池堆反應(yīng)后剩余的氫氣帶有大量水蒸氣甚至是液態(tài)水，因此對氫氣循環(huán)泵的葉輪制造工藝提出了更加嚴格的要求。同時，針對氫氣循環(huán)泵在燃料電池發(fā)動機中的使用環(huán)境，氫氣循環(huán)泵還必須具有流量大、壓力輸出穩(wěn)定、無油等特點，技術(shù)難度相較于傳統(tǒng)氣體循環(huán)泵要高得多。氫氣循環(huán)泵類型如圖1所示。

圖1 氫氣循環(huán)泵類型

1.1 羅茨式氫氣循環(huán)泵

羅茨式氫氣循環(huán)泵依據(jù)羅茨原理運行，兩個螺旋轉(zhuǎn)子平行安裝在殼體內(nèi)，這些三葉或者兩葉轉(zhuǎn)子沿相反方向運轉(zhuǎn)，通過凸輪轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運動吸入氣體介質(zhì)，并對其進行壓縮再將其輸送至出口。凸輪轉(zhuǎn)子既不相互接觸，也不與外殼接觸，因此泵體內(nèi)無須添加潤滑油[3]。羅茨式氫氣循環(huán)泵具有較好的密封性、振動小、起動速度快，但噪聲較大[4]，目前是業(yè)內(nèi)主流的研究方向，如豐田公司、東德實業(yè)等公司都在進行研發(fā)生產(chǎn)。

1.2 爪式氫氣循環(huán)泵

爪式氫氣循環(huán)泵內(nèi)配備兩個爪形轉(zhuǎn)子，這兩個爪形轉(zhuǎn)子安裝在泵腔內(nèi)進行反向運轉(zhuǎn)，通過旋轉(zhuǎn)可以抽取、壓縮和排出氣體介質(zhì)。爪形轉(zhuǎn)子既不相互接觸，也不與外殼接觸。轉(zhuǎn)子和腔體外殼之間的空隙極小，從而優(yōu)化內(nèi)部密封性，因此壓縮腔室內(nèi)無須添加任何潤滑油。爪式氫氣循環(huán)泵工作平穩(wěn)，且對復(fù)雜工況適應(yīng)性強[5]。德國普旭公司是生產(chǎn)爪式氫氣循環(huán)泵的代表，國內(nèi)跟隨普旭爪式路線的公司有北京艾爾航空科技有限責任公司等。

1.3 渦旋式氫氣循環(huán)泵

渦旋式氫氣循環(huán)泵由一個固定渦旋和一個動渦旋構(gòu)成，動渦旋在固定渦旋中轉(zhuǎn)動。當動渦旋運動時，氫泵入口處會形成真空。因此氣體介質(zhì)不斷地從外部通過兩個渦旋體之間的空間傳送，最后，它將在兩個旋盤中間的排放口排出。渦旋式氫氣循環(huán)泵體積小、氣密性良好、轉(zhuǎn)速控制穩(wěn)定，但效率較低[6]。目前思科渦旋公司根據(jù)自身企業(yè)特點主要在研發(fā)渦旋式氫氣循環(huán)泵。

1.4 葉片式氫氣循環(huán)泵

葉片式氫氣循環(huán)泵是由泵內(nèi)旋轉(zhuǎn)的葉輪進行氣體輸送，目前國內(nèi)市場較為少見。葉片式氫氣循環(huán)泵將電機轉(zhuǎn)子沉浸在冷卻水中，取消傳統(tǒng)的齒輪結(jié)構(gòu)，不需要潤滑油，從根本上解決了漏油的問題，避免潤滑油進入電堆中對其造成損壞。并且在低溫環(huán)境中容易破冰啟動、散熱性好以及噪聲小。

在企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)路線方面，氫氣循環(huán)泵的主要開發(fā)技術(shù)體現(xiàn)在密封性、振動噪聲和低溫冷啟動3個方面，每一種技術(shù)路線都有其優(yōu)缺點，不同企業(yè)依據(jù)自身優(yōu)勢研發(fā)出不同類型的氫氣循環(huán)泵，并取得了較好的效果。通過查詢數(shù)據(jù)，并結(jié)合各公司已知的氫氣循環(huán)泵參數(shù)，列舉了其生產(chǎn)的氫氣循環(huán)泵類型[7]，詳見表1。

表1 各公司生產(chǎn)的氫氣循環(huán)泵類型

2 氫氣循環(huán)泵的技術(shù)進展

隨著燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，氫氣循環(huán)泵的市場規(guī)模和需求也在逐步擴大，行業(yè)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)成本并取得了明顯的進步[8-9]，下面主要對氫氣循環(huán)泵的技術(shù)進展進行了簡要介紹。

2.1 MINK MH 氫氣循環(huán)泵

德國普旭公司研發(fā)的爪式氫氣循環(huán)泵可以實現(xiàn)壓縮無接觸，在完全無油狀態(tài)下工作。MINK MH氫氣循環(huán)泵如圖2所示。該循環(huán)泵能夠在-40～100 ℃的溫度范圍內(nèi)及-1 000～4 000 m的海拔高度條件下運行，MINK MH采用“一體式”設(shè)計，占地空間小，采用干式壓縮，無須潤滑液，壓縮機的內(nèi)部運轉(zhuǎn)件之間無接觸，零部件不易磨損，幾乎無須維護保養(yǎng)。其中電機額定轉(zhuǎn)速為400～6 000 r/min，無刷直流電機的額定功率為500 W，工作電壓為12、24 V。體積流量為300 L/min，進氣口最大壓力為0.04 MPa。在轉(zhuǎn)速為3 000～6 000 r/min時，噪聲級為68～73 dB。

圖2 MINK MH氫氣循環(huán)泵

2.2 DQ60氫氣循環(huán)泵

根據(jù)適配電堆功率及流量等參數(shù)的不同，東德實業(yè)公司的氫氣循環(huán)泵可分為DQ30和DQ60兩種型號，可覆蓋燃料電池系統(tǒng)30～120 kW，氫氣循環(huán)泵效率可達到60%以上、噪聲不大于70 dB、壽命可達25 000 h。圖3為DQ60氫氣循環(huán)泵，電機功率為2 kW，額定轉(zhuǎn)速為8 000 r/min，最大壓升可達50 kPa，在110 kPa下的額定流量為60 m3/h，其高壓工作電壓為400～750 V DC，低壓工作電壓為24 V DC。

圖3 DQ60氫氣循環(huán)泵

2.3 WDE-C008-H氫氣循環(huán)泵

蘇州瑞驅(qū)研發(fā)生產(chǎn)的WDE-C008-H氫氣循環(huán)泵，如圖4所示。它的最大輸入功率為1.5 kW。轉(zhuǎn)速范圍為500～7 000 r/min，建議最低轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，可根據(jù)電堆實際工作情況更改。最大吸氣壓力為230 kPa，最大排氣壓力為300 kPa，壓升最大為70 kPa。在25 ℃且最高轉(zhuǎn)速下，能保證最大流量為750 L/min。工作時的額定電壓為600 V。

圖4 WDE-C008-H氫氣循環(huán)泵

2.4 SCFC-100H2 氫氣循環(huán)泵

如圖5所示，思科渦旋公司生產(chǎn)的氫氣循環(huán)泵SCFC-100H2型號采用浮動式渦旋壓縮結(jié)構(gòu)，擁有全新浮動式渦旋專利技術(shù)，全無油、免維護、體積小、可靠性高；作為氫能源燃料電池系統(tǒng)定向設(shè)計，適用于5～18 kW的燃料電池堆；采用電壓為48 V、最大功率350 W的無刷直流電機；最大轉(zhuǎn)速為3 300 r/min，最大進口壓力為46.2 kPa，最大出口壓力為60.2 kPa，氫氣流量為130 L/min。

圖5 SCFC-100H2氫氣循環(huán)泵

2.5 LQY-H50氫氣循環(huán)泵

艾爾科技生產(chǎn)的爪式LQY-H50氫氣循環(huán)泵流量大、噪聲水平較低、穩(wěn)定性強，適合用于載人的汽車。LQY-H50氫氣循環(huán)泵如圖6所示，該氫氣循環(huán)泵適應(yīng)環(huán)境溫度為-30～85 ℃、可在濕熱環(huán)境下安全使用。最大入口壓力為180 kPa，其無刷直流電機工作電壓為24 V，電機額定功率為500 W。最低轉(zhuǎn)速為500 r/min，最大轉(zhuǎn)速為6 000 r/min，氫氣流量為400 L/min。在3 000～6 000 r/min的工作狀態(tài)下，氫泵的噪聲水平為68～73 dB。

2.6 HSQB-01氫氣循環(huán)泵

宏昇公司研發(fā)的HSQB-01氫氣循環(huán)泵如圖7所示，可在-40～85 ℃ 的溫度范圍及-150～4 000 m的海拔高度條件下工作，適用氣體介質(zhì)氫氣、氦氣、氮氣和空氣。工作環(huán)境壓力為80～110 kPa。直流電機工作電壓范圍為16～32 V DC，在電機進行500 V DC測試情況下的峰值功率小于1 kW。電機最大轉(zhuǎn)速為7 000 r/min，最大吸氣壓力為250 kPa，最大排氣壓力為290 kPa。

圖7 HSQB-01氫氣循環(huán)泵

2.7 氫泵的技術(shù)參數(shù)對比

氫氣循環(huán)泵在國內(nèi)的發(fā)展基本屬于從無到有的過程，期間不斷地有新的技術(shù)突破和產(chǎn)品涌現(xiàn)，現(xiàn)在各個企業(yè)對氫氣循環(huán)泵的研發(fā)仍然處在發(fā)展期。不同型號的氫氣循環(huán)泵參數(shù)對比見表2。

表2 不同型號的氫氣循環(huán)泵參數(shù)對比

由表2可知，東德實業(yè)的DQ60型號能夠提供最大的功率和轉(zhuǎn)速，循環(huán)氫氣流量最大。思科渦旋的SCFC-100H2型號在噪聲水平上處理較好，但電機的功率和轉(zhuǎn)速較小。浙江宏昇的HSQB-01型號最大使用壽命最久，達到20 000 h，與之相比蘇州瑞驅(qū)的WDE-C008-H型號使用壽命較短。其他企業(yè)的氫氣循環(huán)泵也各有優(yōu)勢，如蘇州瑞驅(qū)的WDE-C008-H型號的產(chǎn)品壓升最大，氫流量也較大，能夠滿足大功率燃料電堆的使用；艾爾科技LQY-H50型號的數(shù)據(jù)參數(shù)較為穩(wěn)定，綜合性能較好。

3 結(jié)論

隨著燃料電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，國內(nèi)許多企業(yè)投入大量的人力物力進行氫氣循環(huán)泵產(chǎn)業(yè)化研究，并取得了豐碩的研究成果，氫氣循環(huán)泵關(guān)鍵部件的國產(chǎn)化進程正在加快。本文結(jié)合目前行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，詳細梳理了行業(yè)內(nèi)的氫氣循環(huán)泵相關(guān)企業(yè)的技術(shù)進展。可以看出，隨著技術(shù)的進步，行業(yè)對氫氣循環(huán)泵的技術(shù)需求也在不斷完善，當前氫氣循環(huán)泵的發(fā)展主要呈現(xiàn)以下趨勢：

(1)氫氣循環(huán)泵的低溫破冰能力。由于燃料電池堆反應(yīng)后剩余的氫氣帶有大量水蒸氣甚至液態(tài)水，在低溫環(huán)境下會出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，影響氫氣循環(huán)泵的正常使用，進而影響到燃料電池發(fā)動機的低溫啟動性能，因此氫氣循環(huán)泵的破冰能力成為行業(yè)的一個必然需求。目前行業(yè)內(nèi)有加熱破冰和轉(zhuǎn)矩破冰兩種技術(shù)路線，且均有一定量的裝機應(yīng)用。

(2)發(fā)展其他形式的氫氣循環(huán)方案。有些企業(yè)在進行氫氣循環(huán)系統(tǒng)方案設(shè)計時選擇采用單引射器或引射器與氫氣循環(huán)泵并聯(lián)的形式，相比單氫氣循環(huán)泵的形式具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、功耗低和成本低的優(yōu)勢，逐漸成為一個新的研究方向。