氫氣循環泵技術發展綜述

李志孝，馬明輝，李國洪，叢林，王睿迪

1.天津理工大學天津市復雜系統控制理論及應用重點實驗室，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.山東省產品質量檢驗研究院，山東濟南 250000

0 引言

氫氧燃料電池是通過化學反應將化學能轉化為電能的發電裝置，正常情況下，只要持續供應氫氣，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的重要研究方向。氫氣循環泵是燃料電池發動機供氫系統核心部件之一，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，該循環過程能夠實現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，精簡了燃料電池系統。

在氫氣循環系統方案上，行業內一直存在著不同的技術路線。目前主流的技術路線主要有單氫氣循環泵模式以及氫氣循環泵與引射器并聯的模式。氫氣循環泵因其響應速度快、工作區間范圍廣，且可以根據燃料電池工作狀況進行主動調節的特點一直受到行業所青睞。氫氣循環泵模式的典型應用代表為豐田汽車公司，其在Mirai燃料電池乘用車上應用的兩葉羅茨式氫氣循環泵技術已經開發到第三代[2]。

但是，氫氣循環泵也面臨著結構復雜、成本較高、體積大、功耗大、噪聲較大及環境適應性等問題，這些都制約著氫氣循環泵在燃料電池發動機上的集成與應用。

1 氫氣循環泵的技術研究現狀

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

圖1 氫氣循環泵類型

1.1 羅茨式氫氣循環泵

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

1.2 爪式氫氣循環泵

爪式氫氣循環泵內配備兩個爪形轉子，這兩個爪形轉子安裝在泵腔內進行反向運轉，通過旋轉可以抽取、壓縮和排出氣體介質。爪形轉子既不相互接觸，也不與外殼接觸。轉子和腔體外殼之間的空隙極小，從而優化內部密封性，因此壓縮腔室內無須添加任何潤滑油。爪式氫氣循環泵工作平穩，且對復雜工況適應性強[5]。德國普旭公司是生產爪式氫氣循環泵的代表，國內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 渦旋式氫氣循環泵

渦旋式氫氣循環泵由一個固定渦旋和一個動渦旋構成，動渦旋在固定渦旋中轉動。當動渦旋運動時，氫泵入口處會形成真空。因此氣體介質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。渦旋式氫氣循環泵體積小、氣密性良好、轉速控制穩定，但效率較低[6]。目前思科渦旋公司根據自身企業特點主要在研發渦旋式氫氣循環泵。

1.4 葉片式氫氣循環泵

葉片式氫氣循環泵是由泵內旋轉的葉輪進行氣體輸送，目前國內市場較為少見。葉片式氫氣循環泵將電機轉子沉浸在冷卻水中，取消傳統的齒輪結構，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。并且在低溫環境中容易破冰啟動、散熱性好以及噪聲小。

在企業生產技術路線方面，氫氣循環泵的主要開發技術體現在密封性、振動噪聲和低溫冷啟動3個方面，每一種技術路線都有其優缺點，不同企業依據自身優勢研發出不同類型的氫氣循環泵，并取得了較好的效果。通過查詢數據，并結合各公司已知的氫氣循環泵參數，列舉了其生產的氫氣循環泵類型[7]，詳見表1。

表1 各公司生產的氫氣循環泵類型

2 氫氣循環泵的技術進展

隨著燃料電池汽車產業的發展，氫氣循環泵的市場規模和需求也在逐步擴大，行業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明顯的進步[8-9]，下面主要對氫氣循環泵的技術進展進行了簡要介紹。

2.1 MINK MH 氫氣循環泵

德國普旭公司研發的爪式氫氣循環泵可以實現壓縮無接觸，在完全無油狀態下工作。MINK MH氫氣循環泵如圖2所示。該循環泵能夠在-40～100 ℃的溫度范圍內及-1 000～4 000 m的海拔高度條件下運行，MINK MH采用“一體式”設計，占地空間小，采用干式壓縮，無須潤滑液，壓縮機的內部運轉件之間無接觸，零部件不易磨損，幾乎無須維護保養。其中電機額定轉速為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。在轉速為3 000～6 000 r/min時，噪聲級為68～73 dB。

圖2 MINK MH氫氣循環泵

2.2 DQ60氫氣循環泵

根據適配電堆功率及流量等參數的不同，東德實業公司的氫氣循環泵可分為DQ30和DQ60兩種型號，可覆蓋燃料電池系統30～120 kW，氫氣循環泵效率可達到60%以上、噪聲不大于70 dB、壽命可達25 000 h。圖3為DQ60氫氣循環泵，電機功率為2 kW，額定轉速為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氫氣循環泵

2.3 WDE-C008-H氫氣循環泵

蘇州瑞驅研發生產的WDE-C008-H氫氣循環泵，如圖4所示。它的最大輸入功率為1.5 kW。轉速范圍為500～7 000 r/min，建議最低轉速為2 000 r/min，可根據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氫氣循環泵

2.4 SCFC-100H2 氫氣循環泵

如圖5所示，思科渦旋公司生產的氫氣循環泵SCFC-100H2型號采用浮動式渦旋壓縮結構，擁有全新浮動式渦旋專利技術，全無油、免維護、體積小、可靠性高；作為氫能源燃料電池系統定向設計，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氫氣循環泵

2.5 LQY-H50氫氣循環泵

艾爾科技生產的爪式LQY-H50氫氣循環泵流量大、噪聲水平較低、穩定性強，適合用于載人的汽車。LQY-H50氫氣循環泵如圖6所示，該氫氣循環泵適應環境溫度為-30～85 ℃、可在濕熱環境下安全使用。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。最低轉速為500 r/min，最大轉速為6 000 r/min，氫氣流量為400 L/min。在3 000～6 000 r/min的工作狀態下，氫泵的噪聲水平為68～73 dB。

2.6 HSQB-01氫氣循環泵

宏昇公司研發的HSQB-01氫氣循環泵如圖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，適用氣體介質氫氣、氦氣、氮氣和空氣。工作環境壓力為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氫氣循環泵

2.7 氫泵的技術參數對比

氫氣循環泵在國內的發展基本屬于從無到有的過程，期間不斷地有新的技術突破和產品涌現，現在各個企業對氫氣循環泵的研發仍然處在發展期。不同型號的氫氣循環泵參數對比見表2。

表2 不同型號的氫氣循環泵參數對比

由表2可知，東德實業的DQ60型號能夠提供最大的功率和轉速，循環氫氣流量最大。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，與之相比蘇州瑞驅的WDE-C008-H型號使用壽命較短。其他企業的氫氣循環泵也各有優勢，如蘇州瑞驅的WDE-C008-H型號的產品壓升最大，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型號的數據參數較為穩定，綜合性能較好。

3 結論

隨著燃料電池產業的發展，國內許多企業投入大量的人力物力進行氫氣循環泵產業化研究，并取得了豐碩的研究成果，氫氣循環泵關鍵部件的國產化進程正在加快。本文結合目前行業發展現狀，詳細梳理了行業內的氫氣循環泵相關企業的技術進展。可以看出，隨著技術的進步，行業對氫氣循環泵的技術需求也在不斷完善，當前氫氣循環泵的發展主要呈現以下趨勢：

(1)氫氣循環泵的低溫破冰能力。由于燃料電池堆反應后剩余的氫氣帶有大量水蒸氣甚至液態水，在低溫環境下會出現結冰現象，影響氫氣循環泵的正常使用，進而影響到燃料電池發動機的低溫啟動性能，因此氫氣循環泵的破冰能力成為行業的一個必然需求。目前行業內有加熱破冰和轉矩破冰兩種技術路線，且均有一定量的裝機應用。

(2)發展其他形式的氫氣循環方案。有些企業在進行氫氣循環系統方案設計時選擇采用單引射器或引射器與氫氣循環泵并聯的形式，相比單氫氣循環泵的形式具有結構簡單、體積小、功耗低和成本低的優勢，逐漸成為一個新的研究方向。