氣體循環(huán)泵國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

盧凱發(fā)，劉 彪，張 奧

氣體循環(huán)泵國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

盧凱發(fā)，劉 彪，張 奧

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

氣體循環(huán)泵是燃料電池系統(tǒng)中關(guān)鍵元器件，能為系統(tǒng)提供動力氫氣和氧氣，滿足電化學(xué)反應(yīng)足夠的氣體壓力要求。本文以氫氣循環(huán)泵和富氧循環(huán)泵為研究對象，詳細(xì)介紹了其工作原理，簡述了不同型式氣體循環(huán)泵的優(yōu)缺點(diǎn)，分析了國內(nèi)外研究應(yīng)用現(xiàn)狀并對比了差距，指出了國內(nèi)目前存在的短板問題，得出了產(chǎn)業(yè)鏈和關(guān)鍵核心部件需要完善突破的結(jié)論，為今后氣體循環(huán)泵的國產(chǎn)化研究提供了方向。

氣體循環(huán)泵；氫氣循環(huán)泵；富氧循環(huán)泵；燃料電池

0 引言

在當(dāng)今化石能源需求激增、環(huán)境問題持續(xù)加重的形勢下，新能源開發(fā)成為各國關(guān)注的重點(diǎn)。氫能，作為一種清潔、高效、可持續(xù)的新能源，已成為全球能源技術(shù)革命的重要方向和各國未來能源戰(zhàn)略的重要組成部分。質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC，以下簡稱燃料電池）作為氫能利用技術(shù)之一，具有能量轉(zhuǎn)換效率高、可靠性高、低噪聲、工作溫度低、應(yīng)用范圍廣、啟動速度快等特性，是目前應(yīng)用前景最為廣泛的氫燃料電池。目前，水下氫氧燃料電池通過自備氫氣、氧氣源，循環(huán)利用燃料及氧化劑，實(shí)現(xiàn)有限資源高效利用。

氫氣循環(huán)泵和富氧循環(huán)泵，其作用是把未反應(yīng)氫氣或氧氣從燃料電池堆出口直接泵回燃料電池堆入口，與入口反應(yīng)氣匯合后進(jìn)入燃料電池堆。利用循環(huán)泵一方面可以實(shí)現(xiàn)把反應(yīng)氣尾氣的水份帶入電堆起到增濕作用；另一方面，可以提高氣體在電堆流道內(nèi)流速，防止生成水累積與水淹；同時(shí)，可以提高氫氣和氧氣利用率，節(jié)約資源[1]。因此，氫氣循環(huán)泵和富氧循環(huán)泵是燃料電池動力系統(tǒng)的核心配套設(shè)備，直接涉及系統(tǒng)的高效、可靠和安全運(yùn)行。因此，對目前國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展方向進(jìn)行分析研究，對促進(jìn)其今后的國產(chǎn)化研發(fā)生產(chǎn)具有重要意義。

1 氣體循環(huán)泵概述

燃料電池包含進(jìn)氣系統(tǒng)、發(fā)電裝置（電堆）、熱量交換、監(jiān)控等各子系統(tǒng)。進(jìn)氣系統(tǒng)是燃料電池多子系統(tǒng)中最為重要的系統(tǒng)之一，主要承擔(dān)供給燃料電池發(fā)電所需的氫氣和氧氣燃料，從結(jié)構(gòu)上又可分為氫氣供氣回路和氧氣供氣回路兩大部分。因此，從應(yīng)用于不同回路，易燃易爆介質(zhì)循環(huán)輸送泵包括氫氣循環(huán)泵和富氧循環(huán)泵（圖1）。氫氣循環(huán)泵主要用于將發(fā)電裝置（電堆）中未反應(yīng)完的氫氣循環(huán)利用，由于循環(huán)氣體包括了陽極流道中殘余的氫氣和電化學(xué)反應(yīng)生成的部分水蒸氣，該循環(huán)過程不僅可以保證氫氣燃料的高效率利用，還減輕了氫氣供給過程中氫氣加濕器的負(fù)擔(dān)，有效的對燃料電池的產(chǎn)物資源進(jìn)行綜合利用，節(jié)約能源、提高效率。富氧循環(huán)泵功能與氫氣循環(huán)泵類似，主要用于氧氣回路中氧氣的循環(huán)利用。因此，易燃易爆介質(zhì)循環(huán)輸送泵（氫氣、富氧）是保障燃料電池高效、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備之一。

圖1 氣體循環(huán)泵在系統(tǒng)中的工作原理圖

氣體循環(huán)泵主要包括羅茨式、離心式、渦旋式、螺桿式和隔膜式等。具體特點(diǎn)詳見表1。羅茨式循環(huán)泵具有轉(zhuǎn)速和流量基本呈線性關(guān)系，易和發(fā)動機(jī)匹配；流量范圍寬，無喘振現(xiàn)象；運(yùn)行可靠，性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。但是存在采用滾珠軸承，機(jī)油潤滑；羅茨循環(huán)泵為“外壓縮”方式，工作過程中容腔體積恒定，在高流量/高壓比的額定工況下效率低；高頻原始噪音較大，不同工作點(diǎn)噪音差異明顯等缺陷。離心式循環(huán)泵通過旋轉(zhuǎn)葉輪對氣體做功，在葉輪與擴(kuò)壓器流道內(nèi)，利用離心升壓和降速擴(kuò)壓作用，將機(jī)械功轉(zhuǎn)化為氣體內(nèi)能。具有結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)快、壽命長和效率高的特點(diǎn)，在功率密度、效率等方面具有突出優(yōu)點(diǎn)。但離心式循環(huán)泵工作區(qū)域窄，在低流量高壓比時(shí)會發(fā)生喘振現(xiàn)象，嚴(yán)重影響壽命，同時(shí)也導(dǎo)致了離心式循環(huán)泵具有較高的氣動噪音；隔膜式循環(huán)泵具有良好的耐腐蝕和防泄露的特點(diǎn)，且自吸性好，使用壽命長。但隔膜式循環(huán)泵工作輸送壓力偏低，不適用于高壓系統(tǒng)，且有一定噪音和振動影響，需在結(jié)構(gòu)中增加相應(yīng)的減震降噪措施，這也會增加其總體體積。

表1 不同類型氣體循環(huán)泵特性比較表

2 國外研究現(xiàn)狀淺析

2.1 氫氣循環(huán)泵國外研究現(xiàn)狀

日本Toyota公司Mirai燃料電池發(fā)動機(jī)使用羅茨式氫氣循環(huán)泵，最大流量為1 350 m3/h，轉(zhuǎn)速為9 000-13 000 rpm，壓比為2.0。日本東麗公司研發(fā)的氫氣循環(huán)泵，最大流量能達(dá)到1400 m3/h，轉(zhuǎn)速為10000-15000 rpm，壓力為2.5。美國Air Squared公司渦旋氫氣循環(huán)泵，主要材質(zhì)為不銹鋼，采用半封閉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，流量為100 L/min，壓升為25 kPa，功率為500 W，噪聲為70 dB (A)，重量為2.2 kg；Barber Nichols Inc. (BNI)公司采用高速無刷直流電機(jī)驅(qū)動的渦輪式循環(huán)泵，轉(zhuǎn)速可達(dá)50 000 rpm。德國Busch公司爪式氫氣循環(huán)泵，最大流量為18 m3/h，壓升為50 kPa，轉(zhuǎn)速為6 000 rpm，功率為500 W，尺寸為246 *120* 211 mm，重量為6.5 kg。

圖2 美國BNI公司離心式氫氣循環(huán)泵

美國Barber-Nichols Inc. (BNI)公司研制的小型離心式氫氣循環(huán)泵，在效率、可靠性等方面均有比較好的表現(xiàn)，已廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天和船舶領(lǐng)域，但國內(nèi)難以獲得。目前能夠進(jìn)口采購到的氫氣循環(huán)泵即為德國BUSCH公司的爪式氫氣循環(huán)泵。

圖3 德國Busch(普旭)氫氣循環(huán)泵

2.2 富氧循環(huán)泵國外研究現(xiàn)狀

相比而言，富氧循環(huán)泵密封防爆難度大，國內(nèi)外研究較少，尚無針對富氧介質(zhì)下的高效驅(qū)動成熟產(chǎn)品。目前常見的氧氣增壓器是車用燃料電池的空壓機(jī)。燃料電池空壓機(jī)可分為離心式、軸流式、混流式、羅茨式、螺桿式、渦旋式、活塞式和滑片式等。英國City大學(xué)的容積式壓縮機(jī)研究中心基于多年的螺桿泵研究成果，提出一種一軸帶動的壓縮膨脹一體機(jī)用于燃料電池供氣系統(tǒng)。美國GM、Plug Power、德國Xcellsis、加拿大Ballard等公司的燃料電池都曾采用過螺桿空壓機(jī)。豐田Mirai燃料電池車采用豐田織機(jī)研制的六葉羅茨式空壓機(jī)，最大流量為1 350m3/h，最大功率為20 kW，峰值轉(zhuǎn)速為12 500rpm，壓比為2.0。目前日本本田公司Clarity燃料電池汽車用兩級電動離心式空壓機(jī)取代了螺桿式空壓機(jī)；德國戴姆勒旗下最新GLC F-Cell燃料電池汽車采用離心式空壓機(jī)；韓國現(xiàn)代、美國通用以及我國上汽集團(tuán)等均采用離心式空壓機(jī)。

3 國內(nèi)研究現(xiàn)狀淺析

3.1 氫氣循環(huán)泵國內(nèi)研究現(xiàn)狀

與發(fā)達(dá)國家相比，國內(nèi)對氫氣循環(huán)泵的研究工作起步比較晚，設(shè)計(jì)技術(shù)和制造水平也都亟待提升。但隨著燃料電池產(chǎn)業(yè)的加速發(fā)展，目前政府扶持力度加大、資本市場資金持續(xù)注入、全民關(guān)注度提高，已有越來越多的企業(yè)開始涉足燃料電池及相關(guān)產(chǎn)業(yè)。多個(gè)企業(yè)已經(jīng)收購國外頂尖企業(yè)的技術(shù)和生產(chǎn)線，關(guān)鍵技術(shù)不斷突破，自主化水平穩(wěn)步提高，呈現(xiàn)出良好的發(fā)展趨勢。北京衛(wèi)星制造廠有限公司、杭州新亞低溫科技有限公司、上海神力科技有限公司、東方電氣集團(tuán)、哈爾濱工程大學(xué)等多家企業(yè)和科研單位開展了機(jī)械式氫氣循環(huán)泵研究，在機(jī)理研究、樣機(jī)研制和試用驗(yàn)證方面均取得突破性進(jìn)展。

北京衛(wèi)星制造廠有限公司在氫氣循環(huán)泵的研制上開展了大量相關(guān)研究，基于羅茨式結(jié)構(gòu)形式，利用3葉直葉改進(jìn)型漸開線圓弧轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用電機(jī)直驅(qū)的方式，通過聯(lián)軸器實(shí)現(xiàn)循環(huán)泵的有效運(yùn)轉(zhuǎn)。并通過搭建氫氣循環(huán)泵試驗(yàn)平臺開展性能測試。測試結(jié)果氫氣循環(huán)泵最大流量為689 L/min，最大壓升為55 kPa，在30 kPa壓升時(shí)，流量為403 L/min，但仍需在循環(huán)泵使用壽命、噪聲及可靠性等方面開展進(jìn)一步研究。

圖4 北京衛(wèi)星制造廠有限公司氫泵樣機(jī)及試驗(yàn)平臺

杭州新亞低溫科技有限公司針對東莞散裂中子源項(xiàng)目需求，在超臨界、相變環(huán)境下使用的氫氣循環(huán)泵，設(shè)計(jì)出流量為60 L/min，揚(yáng)程為145 m的氫循環(huán)泵，其使用溫度為22 K，功率為250 W，轉(zhuǎn)速為18 000 rpm。該產(chǎn)品的成功研制使我們擺脫了相關(guān)產(chǎn)品對進(jìn)口產(chǎn)品的依賴。該項(xiàng)目2018年3月已通過國家驗(yàn)收，公司作為“重要參建單位”受到表彰。

圖5 杭州新亞低溫科技有限公司氫氣循環(huán)泵

3.2 富氧循環(huán)泵國內(nèi)研究現(xiàn)狀

在富氧循環(huán)泵方面，杭州新亞低溫科技有限公司具有較好的研究基礎(chǔ)，在航空航天、核工業(yè)、能源等領(lǐng)域低溫機(jī)械輸送設(shè)備方面實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，填補(bǔ)了國內(nèi)空白。自主生產(chǎn)的液氧加注泵成功應(yīng)用在北斗導(dǎo)航系統(tǒng)、嫦娥計(jì)劃、天宮空間站計(jì)劃、天問一號計(jì)劃等，打破了相關(guān)領(lǐng)域長期依賴進(jìn)口產(chǎn)品和技術(shù)的局面。

圖6 杭州新亞低溫科技有限公司液氧加注泵

北京衛(wèi)星制造廠有限公司也開展了富氧循環(huán)泵的相關(guān)研究。采用5葉扭葉改進(jìn)型漸開線圓弧轉(zhuǎn)子，在保證流量壓升的前提下，盡可能降低噪聲。采用電機(jī)直驅(qū)的方式，通過聯(lián)軸器實(shí)現(xiàn)氧氣循環(huán)泵的運(yùn)轉(zhuǎn),并通過試驗(yàn)平臺測試，富氧循環(huán)泵最大流量為689 L/min，最大壓升為55 kPa，在30 kPa壓升時(shí)，流量為403 L/min。但在可靠性、安全性及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的潤滑與密封上需開展進(jìn)一步研究。

圖7 北京衛(wèi)星制造廠富氧循環(huán)泵樣機(jī)及內(nèi)部轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

3 氣體循環(huán)泵國內(nèi)外研究現(xiàn)狀對比分析

表2 國內(nèi)外氣體循環(huán)泵特性對比

4 結(jié)論

本文針對氣體循環(huán)泵的工作原理和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析，對比國內(nèi)外的特性對比。從以上情況可以看到綜合分析國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，國外對于燃料電池易燃易爆介質(zhì)循環(huán)輸送泵已有實(shí)際裝備應(yīng)用，技術(shù)及產(chǎn)品已相對成熟，相比而言，國內(nèi)氫氣循環(huán)泵、富氧循環(huán)泵還未形成成熟可靠的產(chǎn)品，急需開展相應(yīng)的技術(shù)研究和產(chǎn)品開發(fā)。從燃料電池實(shí)際應(yīng)用需求出發(fā)，燃料電池易燃易爆介質(zhì)循環(huán)輸送泵的需求特性為高效率、高密封、高可靠性、高耐久性、防爆、氣體供給無油以及國產(chǎn)化等[3]。我國目前已具備一定的燃料電池研發(fā)基礎(chǔ)，在國家科研計(jì)劃和示范項(xiàng)目的持續(xù)支持下，技術(shù)相對成熟的車用燃料電池方面，國內(nèi)已基本建立了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的燃料電池動力技術(shù)平臺。但是，從整體來看，目前國內(nèi)仍然面臨著產(chǎn)業(yè)鏈不完善、某些核心部件難以國產(chǎn)化等難題，已成為嚴(yán)重阻礙我國燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。

[1] 馬秋玉, 王宇鵬, 都京, 等. 燃料電池發(fā)動機(jī)氫氣循環(huán)設(shè)計(jì)方案綜述[J]. 汽車文摘, 2019(4): 11-14.

[2] 王學(xué)科, 沈義偉, 趙洪濱, 等. 旋渦式氫氣循環(huán)泵的設(shè)計(jì)及性能分析[J]. 化工進(jìn)展, 2020, 39(z2): 89-96.

[3] 劉俊峰, 李清, 秦燕, 等. 質(zhì)子交換膜燃料電池氫氣循環(huán)系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 能源技術(shù)與管理, 2022, 47(5): 45-48.

Research status of gas circulating pump at home and abroad

Lu Kaifa, Liu Biao, Zhang ao

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM911

A

1003-4862（2024）03-0019-04

2022-11-29

盧凱發(fā)(1989-)，男，碩士。研究方向：燃料電池。E-mail: 15071325643@163.com