進氣濕度對氫氣循環泵循環性能影響實驗研究

史明濤 張劍 李學銳 李波

摘? 要：氫氣循環泵是氫燃料電池系統的關鍵零部件之一，其循環性能受到多種因素的影響。本文通過實驗手段，對旋渦式氫氣循環泵進行了實驗測試，分析了進氣濕度對旋渦泵循環流量、壓升和功耗等特性的影響。研究發現，氫氣循環泵的功耗與壓升成正相關。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，進氣濕度較高時氫氣能獲得更大的壓升，氫氣循環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泵循環流量隨壓升變化的斜率較大：壓升較低時，干氣體循環流量大于濕氣體循環流量，壓升較高時，干氣體循環流量小于濕氣體循環流量。

關鍵詞：燃料電池；氫氣循環泵；進氣濕度；循環性能

中圖分類號：TM911.42? ? ?文獻標識碼：A? ? 文章編號：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

質子交換膜氫燃料電池具有無污染、高效率、高比功率、運行溫度低等優點，是最具發展潛力的燃料電池動力設備之一，在汽車領域獲得了廣泛的應用。氫氣循環泵是氫燃料電池系統的核心零部件，發揮著氫氣循環利用、確保陽極燃料穩定供給等重要作用。

在燃料電池系統中，為提高氫氣利用率，必須采用氫氣再循環系統將過量供應的氫氣進行循環回收利用。目前有兩種方法，一種是利用引射器實現氫氣循環，該裝置沒有運動部件，沒有功率消耗，具有很大的優勢，缺點是不能對循環流量進行主動調節，且在低功率工況下有引射效率過低、造成陽極缺氣的風險；另一種方法就是利用氫氣循環泵，該方法的優點是可以實現氫氣流量的主動調節。

旋渦泵是氫氣循環泵的一種，主要由葉輪、蝸殼及電機構成，具有結構簡單、尺寸小、流量和壓力穩定、噪聲低等優點。目前國內外學者主要從葉片材料、數量、葉形設計及降噪等幾個方面對旋渦泵進行研究，以提升泵的性能。

Badami[1]等提出一種旋渦風機的理論模型，將旋渦泵中流體的運動分為決定有效流量的切向部分和決定循環流量的徑向部分，該模型將動量方程應用于側流道中的流體，從而確定旋渦泵的揚程和效率性能，發現理論分析結果在合理的精度范圍內預測了循環泵的實驗結果。宋黎明[2]等分析了葉片彎度對全壓性能的影響，通過對旋渦風機葉輪的前向葉片和后向葉片的單個流道進行CFD數值模擬，結合實驗測試，發現在相同工況時，前彎葉片得到的全壓要大于后彎葉片，而隨著流量的增加，兩者的全壓都呈現減小的趨勢。李春曦[3]等研究了葉片長度對風機性能的影響，他們對離心通風機葉片出口角方向分別加長5%和10%。研究表明，葉片長度增加5%時，工況點平均流量增加4.9%，軸功率增加15.7%，分貝提高1.6dB；葉片長度增加10%時，工況點平均流量增加 10.5%，軸功率增加30.2%，分貝提高2.3dB。李紀[4]研究了不同葉片形狀對風機性能的影響，研究發現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氫泵性能的影響，他們對葉片進行了修改，葉片向后，通過改變葉輪盤與機殼壁之間間隙、隔舌之間間隙以及外部葉輪與外殼之間的間隙，設置間隙分別為0.3mm和0.5mm，發現隨著間隙的增大，旋渦風機的性能急劇下降。李祥陽[6]等對不同轉速條件下的旋渦泵進行了實驗和仿真分析，發現葉輪克服流體阻力和自身重力轉動的過程中，隨著轉速增大，氫泵功耗增加，這使得旋渦泵揚程與流量之間呈現負相關的趨勢，而流量相同時，轉速與揚程呈正相關關系。俞健[7]等研究發現氫氣循環泵壓力脈動的主要頻率來源于葉輪和靜止零件之間的動靜干涉，隨機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構，通過聲場和流場數值模擬，優化葉片，與原模型相比，在設計工況下，旋渦泵的隔舌處壓力脈動顯著降低，在小流量情況下降低幅度更為明顯。

綜上，學者們主要通過改變葉形設計、間隙設計以及降噪手段來提升旋渦泵的性能，而進氣操作條件對氫氣循環泵性能的影響研究較少，我們在實驗測試中發現，進氣濕度等參數對氫氣循環泵的流量、壓升和功耗等性能有很大影響。因此，本文研究進氣濕度對氫氣循環泵循環性能影響規律，以期對氫氣循環泵的設計選型、標定優化提供指導。

2? ? 實驗設備與工況設置

本文采用博世生產的24V ARB氫氣旋渦泵為研究對象，試驗在氫氣子系統測試臺架上進行。圖1給出了試驗測試臺架原理圖。試驗測試臺架由氫氣供給部分（由開關閥、氫氣流量計、電磁閥、加濕罐和調壓閥構成）、氫氣循環泵和背壓裝置（由電磁閥、穩壓罐、背壓閥和尾排裝置構成）三部分組成，能夠實現氫泵入口流量、壓力和濕度連續可調，出口背壓連續可調。該測試臺架能夠對氫氣循環泵等進行性能模擬測試，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，通過背壓閥的調節模擬電堆壓降，并提供不同的壓力出口邊界條件。

本文的試驗中，氫泵入口壓力設置為150kPa，入口氣體溫度設置為65℃，測試工質選擇RH95%的濕氫氣或者RH0%的干氫氣，氫泵電壓由24V穩壓電源供給，氫泵轉速通過測試臺架發出的CAN信號控制，氫泵壓升大小根據不同流量下電堆的流阻設置，并通過背壓閥的調節來實現。測試時采用給定氫泵入口壓力的測試方式，保持氫泵入口壓力不變，進氣流量由測試臺架入口處的流量計測得。試驗測試工況點共計77個，其中干氣體工況測試點28個，濕氣體工況測試點49個。圖2給出了不同工況下的測試工況點。試驗采用同一臺氫泵進行測試，由于試驗資源有限沒有開展不同氫泵之間的對比試驗。試驗中，每個工況點測試穩定時長為5分鐘。

3? ? 結果與討論

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

對氫泵入口條件為濕氫氣時的性能進行討論之后，本文進行了氫泵入口條件為干氫氣時的試驗分析，詳細對比了兩種不同氫氣濕度入口條件下，氫氣循環泵的循環流量、氫泵功耗與壓升之間的關系，并對物理現象背后的原因給出了理論解釋。圖5給出了不同轉速、不同進氣濕度下氫氣循環流量隨壓升的變化關系。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給出了不同轉速、不同進氣濕度下氫氣功率消耗隨壓升的變化關系。從圖中對比可以發現，在低轉速（13000rpm、15000rpm）時，干氣體的循環流量和壓升均小于濕氣體工況下的循環流量和壓升，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。隨著轉速增加，低壓升時干氣體循環流量高于濕氣體循環流量，高壓升時干氣體循環流量低于濕氣體循環流量。由圖6可以發現氫泵轉速在17000rpm、19000rpm、21000rpm和23000rpm時，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給出了不同轉速，相同壓升下干氣體工況和濕氣體工況氫氣循環泵功耗最大差值。可以看出，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給出了不同轉速、不同進氣濕度下氫氣功率消耗隨氫氣流量的變化關系。可以看出，兩種工況下，氫泵功耗隨著氫氣流量的增加而減小，這是因為轉速保持不變時，氫泵進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。

在氫泵轉速較低時，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，這是因為該溫度下濕氫氣的密度是干氫氣密度的2.9倍。根據公式? 可知，相同速度型下，氫泵所能提供的壓升與進氣密度和進氣流量的乘積成正比，其中C為常系數，取決于氫泵轉子葉形設計，Q為流量，ρ為密度，u為速度，y為法向尺度。還可以觀察到，氫泵轉速一定時，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。這是因為干氣體密度較低，隨著進氣流量減小，根據上述公式，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。

在氫泵轉速較高時，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；相同循環流量下，濕氣體工況的氫泵功耗在低流量時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。這是因為高流量時，干氣體的密度較小，但循環速度較快，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，干氣體可壓縮性更強，相同壓升下干氣體的循環流量更大。而低流量時，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? ? 結論

1）分析了干、濕氣體對氫泵壓升、流量和功耗的影響規律，發現氫氣循環泵的功耗與壓升成正相關。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，進氣濕度較高時氫氣能獲得更大的壓升，氫氣循環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泵循環流量隨壓升變化的斜率較大：壓升較低時，干氣體循環流量大于濕氣體循環流量，壓升較高時，干氣體循環流量小于濕氣體循環流量。

3）對上述現象發生的原因給出了理論解釋，相同氫泵轉速下，由于干氣體密度較小，可壓縮性更強，在低壓升下循環流量更大，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。本研究對氫氣循環泵的設計選型、標定優化以及燃料電池系統性能開發具有重要指導意義。

參考文獻：

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