進(jìn)氣濕度對(duì)氫氣循環(huán)泵循環(huán)性能影響實(shí)驗(yàn)研究

史明濤 張劍 李學(xué)銳 李波

摘? 要：氫氣循環(huán)泵是氫燃料電池系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件之一，其循環(huán)性能受到多種因素的影響。本文通過實(shí)驗(yàn)手段，對(duì)旋渦式氫氣循環(huán)泵進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，分析了進(jìn)氣濕度對(duì)旋渦泵循環(huán)流量、壓升和功耗等特性的影響。研究發(fā)現(xiàn)，氫氣循環(huán)泵的功耗與壓升成正相關(guān)。相同壓升下濕氣體工況的氫泵功耗略大于干氣體工況的氫泵功耗，最大差值不超過40W。相同氫氣流量下，進(jìn)氣濕度較高時(shí)氫氣能獲得更大的壓升，氫氣循環(huán)泵功耗相比干氣體工況下更大。干氣體工況條件下氫氣循環(huán)泵循環(huán)流量隨壓升變化的斜率較大：壓升較低時(shí)，干氣體循環(huán)流量大于濕氣體循環(huán)流量，壓升較高時(shí)，干氣體循環(huán)流量小于濕氣體循環(huán)流量。

關(guān)鍵詞：燃料電池；氫氣循環(huán)泵；進(jìn)氣濕度；循環(huán)性能

中圖分類號(hào)：TM911.42? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1005-2550（2024）02-0002-05

Experimental Study on the Effect of Humidity on the Performance of Hydrogen Circulating Pump

SHI Ming-tao， ZHANG Jian， LI Xue-rui， LI Bo

（Dongfeng Motor Corporation Research&Development Institute.， Wuhan 430058， China）

Abstract： The hydrogen circulation pump is one of the key components of the hydrogen fuel cell system， and its cycle performance is affected by different factors. In this paper， the vortex pump is experimentally studied， and the influence of the humidity on the circulating volume flow， pressure rise and power consumption of the vortex pump is analyzed. It was found that the power consumption of the hydrogen circulation pump was positively correlated with the pressure rise. The power consumption of the hydrogen pump under the wet gas condition is slightly greater than that of the hydrogen pump under the dry gas condition when the pressure rise is the same， and the maximum difference does not exceed 40W. Under the same hydrogen flow， the hydrogen can obtain a greater pressure rise when the inlet humidity is higher， and the power consumption of the hydrogen circulating pump is greater than that under the dry gas condition. The slope of the circulating flow rate of the hydrogen circulating pump with the pressure rise is larger under the condition of dry gas condition： when the pressure rise is low， the dry gas circulation flow is greater than the wet gas circulation flow， and when the pressure rise is high， the dry gas circulation flow is smaller than the wet gas circulation flow.

Key Words： Fuel Cell; Hydrogen Circulating Pump; Hydrogen Inlet Humidity; Cycle Performance

1? ? 引言

質(zhì)子交換膜氫燃料電池具有無(wú)污染、高效率、高比功率、運(yùn)行溫度低等優(yōu)點(diǎn)，是最具發(fā)展?jié)摿Φ娜剂想姵貏?dòng)力設(shè)備之一，在汽車領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。氫氣循環(huán)泵是氫燃料電池系統(tǒng)的核心零部件，發(fā)揮著氫氣循環(huán)利用、確保陽(yáng)極燃料穩(wěn)定供給等重要作用。

在燃料電池系統(tǒng)中，為提高氫氣利用率，必須采用氫氣再循環(huán)系統(tǒng)將過量供應(yīng)的氫氣進(jìn)行循環(huán)回收利用。目前有兩種方法，一種是利用引射器實(shí)現(xiàn)氫氣循環(huán)，該裝置沒有運(yùn)動(dòng)部件，沒有功率消耗，具有很大的優(yōu)勢(shì)，缺點(diǎn)是不能對(duì)循環(huán)流量進(jìn)行主動(dòng)調(diào)節(jié)，且在低功率工況下有引射效率過低、造成陽(yáng)極缺氣的風(fēng)險(xiǎn)；另一種方法就是利用氫氣循環(huán)泵，該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)氫氣流量的主動(dòng)調(diào)節(jié)。

旋渦泵是氫氣循環(huán)泵的一種，主要由葉輪、蝸殼及電機(jī)構(gòu)成，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、流量和壓力穩(wěn)定、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要從葉片材料、數(shù)量、葉形設(shè)計(jì)及降噪等幾個(gè)方面對(duì)旋渦泵進(jìn)行研究，以提升泵的性能。

Badami[1]等提出一種旋渦風(fēng)機(jī)的理論模型，將旋渦泵中流體的運(yùn)動(dòng)分為決定有效流量的切向部分和決定循環(huán)流量的徑向部分，該模型將動(dòng)量方程應(yīng)用于側(cè)流道中的流體，從而確定旋渦泵的揚(yáng)程和效率性能，發(fā)現(xiàn)理論分析結(jié)果在合理的精度范圍內(nèi)預(yù)測(cè)了循環(huán)泵的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。宋黎明[2]等分析了葉片彎度對(duì)全壓性能的影響，通過對(duì)旋渦風(fēng)機(jī)葉輪的前向葉片和后向葉片的單個(gè)流道進(jìn)行CFD數(shù)值模擬，結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在相同工況時(shí)，前彎葉片得到的全壓要大于后彎葉片，而隨著流量的增加，兩者的全壓都呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。李春曦[3]等研究了葉片長(zhǎng)度對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響，他們對(duì)離心通風(fēng)機(jī)葉片出口角方向分別加長(zhǎng)5%和10%。研究表明，葉片長(zhǎng)度增加5%時(shí)，工況點(diǎn)平均流量增加4.9%，軸功率增加15.7%，分貝提高1.6dB；葉片長(zhǎng)度增加10%時(shí)，工況點(diǎn)平均流量增加 10.5%，軸功率增加30.2%，分貝提高2.3dB。李紀(jì)[4]研究了不同葉片形狀對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)在相同交界面壓力情況下，前向葉片氣體單次加壓獲得的壓差要高于直葉片和后向葉片。Badami[5]等研究了葉片間隙對(duì)氫泵性能的影響，他們對(duì)葉片進(jìn)行了修改，葉片向后，通過改變?nèi)~輪盤與機(jī)殼壁之間間隙、隔舌之間間隙以及外部葉輪與外殼之間的間隙，設(shè)置間隙分別為0.3mm和0.5mm，發(fā)現(xiàn)隨著間隙的增大，旋渦風(fēng)機(jī)的性能急劇下降。李祥陽(yáng)[6]等對(duì)不同轉(zhuǎn)速條件下的旋渦泵進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和仿真分析，發(fā)現(xiàn)葉輪克服流體阻力和自身重力轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，隨著轉(zhuǎn)速增大，氫泵功耗增加，這使得旋渦泵揚(yáng)程與流量之間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的趨勢(shì)，而流量相同時(shí)，轉(zhuǎn)速與揚(yáng)程呈正相關(guān)關(guān)系。俞健[7]等研究發(fā)現(xiàn)氫氣循環(huán)泵壓力脈動(dòng)的主要頻率來(lái)源于葉輪和靜止零件之間的動(dòng)靜干涉，隨機(jī)分布的葉片能夠降低葉頻處的峰值。余昊謙[8]等借鑒渦輪葉片鋸齒尾端結(jié)構(gòu)，通過聲場(chǎng)和流場(chǎng)數(shù)值模擬，優(yōu)化葉片，與原模型相比，在設(shè)計(jì)工況下，旋渦泵的隔舌處壓力脈動(dòng)顯著降低，在小流量情況下降低幅度更為明顯。

綜上，學(xué)者們主要通過改變?nèi)~形設(shè)計(jì)、間隙設(shè)計(jì)以及降噪手段來(lái)提升旋渦泵的性能，而進(jìn)氣操作條件對(duì)氫氣循環(huán)泵性能的影響研究較少，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，進(jìn)氣濕度等參數(shù)對(duì)氫氣循環(huán)泵的流量、壓升和功耗等性能有很大影響。因此，本文研究進(jìn)氣濕度對(duì)氫氣循環(huán)泵循環(huán)性能影響規(guī)律，以期對(duì)氫氣循環(huán)泵的設(shè)計(jì)選型、標(biāo)定優(yōu)化提供指導(dǎo)。

2? ? 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與工況設(shè)置

本文采用博世生產(chǎn)的24V ARB氫氣旋渦泵為研究對(duì)象，試驗(yàn)在氫氣子系統(tǒng)測(cè)試臺(tái)架上進(jìn)行。圖1給出了試驗(yàn)測(cè)試臺(tái)架原理圖。試驗(yàn)測(cè)試臺(tái)架由氫氣供給部分（由開關(guān)閥、氫氣流量計(jì)、電磁閥、加濕罐和調(diào)壓閥構(gòu)成）、氫氣循環(huán)泵和背壓裝置（由電磁閥、穩(wěn)壓罐、背壓閥和尾排裝置構(gòu)成）三部分組成，能夠?qū)崿F(xiàn)氫泵入口流量、壓力和濕度連續(xù)可調(diào)，出口背壓連續(xù)可調(diào)。該測(cè)試臺(tái)架能夠?qū)錃庋h(huán)泵等進(jìn)行性能模擬測(cè)試，可以提供不同流量、溫度、濕度、壓力的混合氣（氫氣、水蒸氣）作為入口邊界條件，通過背壓閥的調(diào)節(jié)模擬電堆壓降，并提供不同的壓力出口邊界條件。

本文的試驗(yàn)中，氫泵入口壓力設(shè)置為150kPa，入口氣體溫度設(shè)置為65℃，測(cè)試工質(zhì)選擇RH95%的濕氫氣或者RH0%的干氫氣，氫泵電壓由24V穩(wěn)壓電源供給，氫泵轉(zhuǎn)速通過測(cè)試臺(tái)架發(fā)出的CAN信號(hào)控制，氫泵壓升大小根據(jù)不同流量下電堆的流阻設(shè)置，并通過背壓閥的調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)。測(cè)試時(shí)采用給定氫泵入口壓力的測(cè)試方式，保持氫泵入口壓力不變，進(jìn)氣流量由測(cè)試臺(tái)架入口處的流量計(jì)測(cè)得。試驗(yàn)測(cè)試工況點(diǎn)共計(jì)77個(gè)，其中干氣體工況測(cè)試點(diǎn)28個(gè)，濕氣體工況測(cè)試點(diǎn)49個(gè)。圖2給出了不同工況下的測(cè)試工況點(diǎn)。試驗(yàn)采用同一臺(tái)氫泵進(jìn)行測(cè)試，由于試驗(yàn)資源有限沒有開展不同氫泵之間的對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)中，每個(gè)工況點(diǎn)測(cè)試穩(wěn)定時(shí)長(zhǎng)為5分鐘。

3? ? 結(jié)果與討論

圖3給出了進(jìn)氣溫度65℃、RH 95%條件下，不同轉(zhuǎn)速下氫氣循環(huán)泵的流量隨壓升的變化。可以看出，相同轉(zhuǎn)速下，隨著壓升增大，氫氣循環(huán)流量不斷減??；相同壓升下，氫氣循環(huán)流量隨著轉(zhuǎn)速的增大而不斷增大；相同氫氣流量時(shí)，氫泵進(jìn)出口壓升隨著轉(zhuǎn)速的增大而增大，最大壓升達(dá)到10.5kPa。圖4給出了相同進(jìn)氣條件下，不同轉(zhuǎn)速下氫氣循環(huán)泵的功率消耗隨壓升的變化。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，相同轉(zhuǎn)速下，氫泵功率消耗隨著壓升增大而增大；相同進(jìn)出口壓升下，氫泵功率消耗隨著轉(zhuǎn)速增大而增大，這與李祥陽(yáng)[6]等人的研究結(jié)果相一致。

對(duì)氫泵入口條件為濕氫氣時(shí)的性能進(jìn)行討論之后，本文進(jìn)行了氫泵入口條件為干氫氣時(shí)的試驗(yàn)分析，詳細(xì)對(duì)比了兩種不同氫氣濕度入口條件下，氫氣循環(huán)泵的循環(huán)流量、氫泵功耗與壓升之間的關(guān)系，并對(duì)物理現(xiàn)象背后的原因給出了理論解釋。圖5給出了不同轉(zhuǎn)速、不同進(jìn)氣濕度下氫氣循環(huán)流量隨壓升的變化關(guān)系。其中濕氣體代表65℃、RH 95%的濕氫氣，干氣體代表65℃、RH 0%的干氫氣。圖6給出了不同轉(zhuǎn)速、不同進(jìn)氣濕度下氫氣功率消耗隨壓升的變化關(guān)系。從圖中對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在低轉(zhuǎn)速（13000rpm、15000rpm）時(shí)，干氣體的循環(huán)流量和壓升均小于濕氣體工況下的循環(huán)流量和壓升，干氣體工況下的氫泵功耗也明顯小于干氣體工況下 的氫泵功耗。隨著轉(zhuǎn)速增加，低壓升時(shí)干氣體循環(huán)流量高于濕氣體循環(huán)流量，高壓升時(shí)干氣體循環(huán)流量低于濕氣體循環(huán)流量。由圖6可以發(fā)現(xiàn)氫泵轉(zhuǎn)速在17000rpm、19000rpm、21000rpm和23000rpm時(shí)，氫泵功耗隨壓升增大而不斷增大，且干氣體工況下氫泵功耗與濕氣體工況下氫泵功耗相接近。圖7給出了不同轉(zhuǎn)速，相同壓升下干氣體工況和濕氣體工況氫氣循環(huán)泵功耗最大差值?？梢钥闯?，相同壓升下濕氣體工況的氫泵功耗略大于干氣體工況的氫泵功耗，且最大差值為39W。圖8給出了不同轉(zhuǎn)速、不同進(jìn)氣濕度下氫氣功率消耗隨氫氣流量的變化關(guān)系?？梢钥闯?，兩種工況下，氫泵功耗隨著氫氣流量的增加而減小，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)速保持不變時(shí)，氫泵進(jìn)出口壓升隨著氫氣流量增大而減小，從而使得氫泵功耗減小。

在氫泵轉(zhuǎn)速較低時(shí)，濕氣體工況下的氫泵功耗與干氣體工況下的氫泵功耗相比明顯偏大，這是因?yàn)樵摐囟认聺駳錃獾拿芏仁歉蓺錃饷芏鹊?.9倍。根據(jù)公式? 可知，相同速度型下，氫泵所能提供的壓升與進(jìn)氣密度和進(jìn)氣流量的乘積成正比，其中C為常系數(shù)，取決于氫泵轉(zhuǎn)子葉形設(shè)計(jì)，Q為流量，ρ為密度，u為速度，y為法向尺度。還可以觀察到，氫泵轉(zhuǎn)速一定時(shí)，干氣體工況下的氫泵流量隨氫泵壓升下降的斜率明顯大于濕氣體工況下的斜率。這是因?yàn)楦蓺怏w密度較低，隨著進(jìn)氣流量減小，根據(jù)上述公式，氫泵能夠提供的壓升迅速減小，氫泵的功耗也明顯低于濕氣體工況下的氫泵功耗。

在氫泵轉(zhuǎn)速較高時(shí)，相同壓升下濕氣體工況的氫泵功耗與干氣體工況的氫泵功耗相接近；相同循環(huán)流量下，濕氣體工況的氫泵功耗在低流量時(shí)明顯大于干氣體工況的功耗，隨著流量升高壓升減小，兩者的氫泵功耗逐漸趨近一致。這是因?yàn)楦吡髁繒r(shí)，干氣體的密度較小，但循環(huán)速度較快，兩者壓升大小接近，所以兩者的氫泵功耗相接近；需要注意的是，低壓升時(shí)，干氣體可壓縮性更強(qiáng)，相同壓升下干氣體的循環(huán)流量更大。而低流量時(shí)，干氣體的密度小，壓升明顯較低，所以干氣體工況下的氫泵功耗明顯低于濕氣體工況的氫泵功耗。

4? ? 結(jié)論

1）分析了干、濕氣體對(duì)氫泵壓升、流量和功耗的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)氫氣循環(huán)泵的功耗與壓升成正相關(guān)。相同壓升下濕氣體工況的氫泵功耗略大于干氣體工況的氫泵功耗，最大差值不超過40W。

2）相同氫氣流量下，進(jìn)氣濕度較高時(shí)氫氣能獲得更大的壓升，氫氣循環(huán)泵功耗相比干氣體工況下較大。干氣體工況條件下氫氣循環(huán)泵循環(huán)流量隨壓升變化的斜率較大：壓升較低時(shí)，干氣體循環(huán)流量大于濕氣體循環(huán)流量，壓升較高時(shí)，干氣體循環(huán)流量小于濕氣體循環(huán)流量。

3）對(duì)上述現(xiàn)象發(fā)生的原因給出了理論解釋，相同氫泵轉(zhuǎn)速下，由于干氣體密度較小，可壓縮性更強(qiáng)，在低壓升下循環(huán)流量更大，所以兩者功耗相接近；而隨著壓升增大，干氣體的流量迅速降低，壓升明顯低于濕氣體工況，功耗也明顯低于濕氣體工況。本研究對(duì)氫氣循環(huán)泵的設(shè)計(jì)選型、標(biāo)定優(yōu)化以及燃料電池系統(tǒng)性能開發(fā)具有重要指導(dǎo)意義。

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