車用燃料電池氫氣循環(huán)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(zhì)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(zhuǎn)換為電能的發(fā)電裝置，具有比功率高、電效率高、噪音低、啟動速度快、可實現(xiàn)低溫冷啟動等優(yōu)點[1-2]。氫氣循環(huán)泵作為燃料電池發(fā)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(huán)輸送至電堆入口，與此同時，該循環(huán)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(huán)泵在燃料電池整個工況范圍內(nèi)具有良好的循環(huán)效果，且可以根據(jù)燃料電池工作狀況進行主動調(diào)節(jié)，具有響應迅速、調(diào)節(jié)范圍廣的特點。

當前行業(yè)中氫氣循環(huán)泵的技術發(fā)展現(xiàn)狀呈現(xiàn)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(huán)泵[5]均采用爪式技術路線并取得廣泛應用。國內(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)成本并取得了長足的進步，但是技術發(fā)展仍不是很成熟，在高品質(zhì)大批量穩(wěn)定供貨和產(chǎn)品一致性方面與國際先進企業(yè)存在明顯差距[6]。而且，由于氫氣循環(huán)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(huán)泵的推廣和應用。本文針對當前氫氣循環(huán)泵發(fā)展現(xiàn)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(huán)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(huán)泵在應用時，由于工作環(huán)境惡劣、應用場景復雜、使用區(qū)域多樣，需要重點考慮以下幾個方面：第一，氫氣循環(huán)泵的應用介質(zhì)為氫氣，從安全方面考慮，應重點關注氫氣循環(huán)泵氣密性問題；第二，在實際運行過程中，隨著燃料電池發(fā)動機功率變化，氫氣循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速和流量需及時進行響應，應重點研究氫氣循環(huán)泵的動態(tài)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(huán)泵長期處于高溫、高濕、高熱的工作環(huán)境中，需研究其高溫存儲特性和高溫環(huán)境適應性；第四，低溫冷啟動已成為燃料電池發(fā)動機的核心技術指標，還需重點研究氫氣循環(huán)泵的低溫存儲特性以及低溫環(huán)境適應性；第五，燃料電池電動汽車分布的城市區(qū)域多樣，應用環(huán)境復雜，氫氣循環(huán)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(nèi)氫氣循環(huán)泵的技術發(fā)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(huán)泵的性能指標評價體系，并將氫氣循環(huán)泵的性能評價指標分為三級，如表1所示。

表1 氫氣循環(huán)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(huán)泵性能測試平臺、高低溫環(huán)境試驗箱。氫氣循環(huán)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(diào)壓范圍0～350 kPa，精度±5 kPa，背壓閥調(diào)壓范圍0～350 kPa，精度±5 kPa。環(huán)境試驗箱溫度范圍－40～85 ℃，精度±1 ℃。

圖1 氫氣循環(huán)泵性能測試平臺

2.3 試驗方法

2.3.1 樣品參數(shù)

基于市場現(xiàn)狀，以某款爪式氫氣循環(huán)泵為研究對象，進行氫氣循環(huán)泵試驗方法研究。該款氫氣循環(huán)泵主要參數(shù)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(zhuǎn)速為6 000 r/min。

2.3.2 氣密性測試

氫氣循環(huán)泵氣密性試驗方法為保壓法。將氫氣循環(huán)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(nèi)的壓力下降值。

2.3.3 工作特性測試

氫氣循環(huán)泵工作特性主要分為基本流量特性和動態(tài)響應特性。基本流量特性試驗方法為：改變氫氣循環(huán)泵的入口壓力和轉(zhuǎn)速，通過調(diào)節(jié)氫氣循環(huán)泵出口背壓，分析不同入口壓力和轉(zhuǎn)速下氫氣循環(huán)泵進出口壓差和流量的關系。動態(tài)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(huán)泵從0 r/min 加載到額定轉(zhuǎn)速的動態(tài)升載響應時間，及從額定轉(zhuǎn)速降載到0 r/min 的動態(tài)降載響應時間。

2.3.4 環(huán)境適應性測試

溫度適應性試驗方法為：將氫氣循環(huán)泵置于溫度試驗箱中，電氣連接及管路連接完好，環(huán)境試驗箱溫度設定在－30或60 ℃，氫氣循環(huán)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(huán)泵在低溫或高溫環(huán)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(huán)泵置于環(huán)境試驗箱中，環(huán)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(huán)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(huán)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(huán)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(jīng)氣密性試驗，該款氫氣循環(huán)泵保壓20 min 后，壓力下降1 kPa，氣密性良好。若氫氣循環(huán)泵裝配工藝不合理，或在使用過程中經(jīng)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(huán)泵出現(xiàn)泄漏，引發(fā)安全風險。

3.2 工作特性結果分析

氫氣循環(huán)泵的流量特性曲線如圖2 所示。由圖2(a)可知，氫氣循環(huán)泵的流量隨轉(zhuǎn)速的增加而增加；隨進出口壓差的增加而減小，當轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，進出口壓差大于30 kPa時，氫氣循環(huán)泵的流量接近0，在實際應用中，氫氣循環(huán)泵最低轉(zhuǎn)速的選取，需充分考慮所在系統(tǒng)的管路壓損，避免出現(xiàn)壓損太大，小轉(zhuǎn)速下氫氣循環(huán)效果不佳的問題。由圖2(b)可知，隨入口壓力增加，氫氣循環(huán)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(huán)泵的流量趨近相同，所以，針對該款氫氣循環(huán)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(tǒng)管路流阻太大，該款循環(huán)泵的流量將不能滿足大流量時氫氣循環(huán)使用需求。

圖2 氫氣循環(huán)泵流量特性

氫氣循環(huán)泵動態(tài)響應越迅速，越能快速跟隨電堆的工況變化，系統(tǒng)主動調(diào)節(jié)能力也越好。圖3 為不同進出口壓差下動態(tài)響應時間，動態(tài)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(tài)升載響應時間1.7 s，波動范圍在平均值5%以內(nèi)；氫氣循環(huán)泵的動態(tài)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(nèi)。說明進出口壓差對氫氣循環(huán)泵的動態(tài)響應時間影響較小。

圖3 不同進出口壓差下動態(tài)響應時間

3.3 環(huán)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(jīng)高溫存儲后，氫氣循環(huán)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(jīng)過高溫存儲后，氫氣循環(huán)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(huán)泵的高溫存儲特性較好，經(jīng)高溫存儲后，流量和功率偏差較小，產(chǎn)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(jīng)低溫存儲后，氫氣循環(huán)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(nèi)。經(jīng)低溫存儲后，氫氣循環(huán)泵的功率與存儲前趨近于一致，偏差范圍在3%以內(nèi)。這說明該款氫氣循環(huán)泵的生產(chǎn)制造工藝較好，產(chǎn)品一致性較高，低溫存儲特性優(yōu)良。

圖5 低溫存儲后流量及功率變化

氫氣循環(huán)泵一般采用風冷散熱，當環(huán)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(xiàn)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(huán)境中，氫氣循環(huán)泵的流量在不同進出口壓差下出現(xiàn)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(huán)泵高溫運行中功率基本上與常溫運行功率一致，高溫環(huán)境適應性較好。這說明該款氫氣循環(huán)泵散熱設計、結構設計較為合理，能夠滿足60 ℃高溫環(huán)境的使用需求。

圖6 高溫運行流量及功率變化

氫氣循環(huán)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(huán)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(huán)境下，隨進出口壓差的不同，流量出現(xiàn)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(huán)泵在低溫環(huán)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(huán)泵在低溫運行狀態(tài)下，流量及功率與常溫運行時偏差較小，產(chǎn)品性能一致性較好，低溫環(huán)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(jīng)鹽霧試驗后，氫氣循環(huán)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(jīng)鹽霧試驗后，在同一轉(zhuǎn)速和入口壓力下氫氣循環(huán)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(jīng)鹽霧試驗后氫氣循環(huán)泵的流量和功率對比可知，鹽霧試驗使氫氣循環(huán)泵的性能發(fā)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(yè)對氫氣循環(huán)泵的共性技術需求，本文提出了氫氣循環(huán)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(huán)泵作為試驗對象，進行了氣密性、動態(tài)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(tài)響應時間的影響較小，環(huán)境溫度對該款氫氣循環(huán)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(huán)泵工作特性影響較大。