燃料電池氫氣循環泵工作性能試驗研究

中圖分類號：U469.7 文獻標志碼：B 文章編號：1001-2222（2025）04-0036-06

目前，燃料電池汽車（FCEV）被認為是最有發展前景的、綠色清潔新能源汽車[1。作為FCEV的動力源，質子交換膜燃料電池發動機在功率響應、效率、功率密度和工作溫度等方面較燃油發動機具有綜合優勢。對于質子交換膜燃料電池發動機而言，合理的水熱管理是其可靠耐久運行的基礎保障。氫循環裝置作為水熱管理的重要組成部分，其主要作用是將電堆出口的濕氫氣重新輸送至電堆入口，與噴氫閥輸入的干氫氣混合，以滿足電堆所需的過量系數，同時調控入堆氫氣的濕度，避免因氫氣不足引起的電堆缺氣及氫氣濕度不足引起的電堆膜干問題，從而提升電堆壽命及性能[3-5]

目前氫循環裝置主要由引射器和（或）氫泵組成[。引射器為無運動部件，維護成本低，工作時不產生功耗，但在電堆低功率區間存在無引射流量或引射流量不足的工作局限性。氫泵可通過調節泵的轉速覆蓋電堆全功率區間，而且響應速度快，因此成為了氫循環裝置最常用的部件。

關于氫泵性能的研究，馬明輝等8建立了氫泵的評價指標體系，該體系包含氣密性測試、工作特性測試和環境適應性測試，但氣密性測試介質采用單一氣體一純氫氣，其他試驗未說明測試介質，且所有試驗項目均無濕度要求。李志孝9建立了氫泵測評體系，包含一般性能、工作特性、環境適應性和耐久可靠性等，測試介質為氮氣和氫氣，測試性能時無溫度、濕度要求，且沒有采用流量公式分析所測得的性能曲線的變化規律。史明濤等[10]研究了旋渦氫泵功耗與壓升、氣體濕度的關系，以及進氣濕度與壓升和流量的關系，但采用的介質為濕氫氣和干氫氣，無氮氣或氫氮混合氣。高朋濤11對羅茨式氫泵進行了仿真，采用的介質為單一純氫氣，無溫度、濕度要求。

氫泵根據葉輪結構可分為爪式、羅茨式和旋渦式三種類型。其中，爪式氫泵結構簡單、緊湊[12]，但輸出壓力和流量的波動較大、平穩性差[13]；旋渦式氫泵具有效率高[14]、噪聲低、體積小、零件散件少、成本低的優點；羅茨式氫泵是一種回旋容積式轉子泵，通過一對相互嚙合的轉子旋轉來輸送氣體，具有結構簡單、可靠性高、成本低的優點[12]，且適用于大流量應用環境，符合國內優先發展大功率氫燃料電池的戰略[15]，成為當前主流的研究方向。本研究選取羅茨氫泵作為研究對象。

在氫泵性能測試方面，考慮便利性與安全性，當前多采用氮氣或空氣為介質做初步研究，且無溫度、濕度控制。然而，燃料電池發動機實際工作時，進入氫循環裝置的氣體除了氫氣外，還有部分氮氣和水蒸氣。如果僅用氮氣和空氣等作為替代氣體，其成分及狀態和實際工作時相差較大。針對這一情況，本研究優化了測試臺架，采用一定比例的氫氣和氮氣混合氣模擬真實工作狀態的氣體成分，且模擬真實工作狀態下的溫度、濕度，并以此為基礎研究了氫泵的主要工作性能和影響因素，為氫泵在燃料電池發動機的匹配設計及氫泵自身的優化設計提供更為準確的依據。

1 研究方法

1.1氣體介質和狀態

本研究采用的氣體介質增加了組分、溫度、濕度設計，用于模擬氫泵實際工作情況。

組分設計：燃料電池發動機在不同的運行階段和電流密度下，氫循環回路中的氫氣和氮氣的比例不同。運行初期，氫循環回路中基本為氫氣，穩定運行后，氫氣和氮氣體積比需控制在 8：1 至 10：1 之間。本研究將選用氮氣和氫氣兩種氣體，以及氫氮混合氣（體積比為 9：1） 進行對比測試。

溫度設計：燃料電池發動機的氫循環回路工作溫度一般在 50～70°C ，本研究選取 25^°C 和 60°C 進行研究。

濕度設計：燃料電池發動機啟動時，氫泵進氣為干燥氣體；發動機穩定運行后，氫泵進氣的相對濕度范圍為 50%～95% 。因此，本研究中設置了干燥氣體和相對濕度 80% 兩種濕度條件。

入口壓力設計：根據燃料電池電堆的操作條件，氫泵入口的壓力范圍為 0～0.2MPa （本研究中所有壓力均為表壓），本研究選取 0.05MPa，0.1MPa 00.15MPa 3 個壓力進行對比測試。

1.2 測試臺架

為準確反映氫泵的真實工作狀態，測試臺架不僅要滿足基本的氣體流量和壓力的控制，還要實現氣體組分、氣體溫度、氣體濕度的模擬，其設計相比傳統臺架更加復雜。測試臺架的基本原理如圖1所示。

該測試臺架設計有多個氣瓶，可實現氫氣、氮氣等多種氣體的任意比例混合；設計了加濕裝置，可實現氣體相對濕度在 0%～95% 范圍精確控制；加熱帶設計可實現氣體溫度在室溫至 100° 的范圍內控制；同時還設有氫泵電源、氣體流量計、壓力傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器等裝置，用于對相關參數進行實時監測。

1.3 流量分析

流量是氫泵的主要性能參數之一，本研究參考行業內主流計算理論，結合不同條件的實測數據，分析流量的影響因素和規律。

1.3.1 理論流量

若不考慮泄漏和壓縮等因素的影響，氫泵在單位時間內吸入氣體的體積為理論流量，C.S.CHY-ANG給出以下理論流量公式[16]：

式中： Q_th 為理論流量； n 為轉速； Z 為轉子葉片數；V₀ 為基元容積，即由轉子、泵殼和前后蓋板圍成的封閉的體積，也稱壓縮腔有效容積； L 和 D 分別為轉子的長度和直徑； λ 為轉子的面積利用系數，由轉子結構決定。

以上兩式結合，得出如下公式[17]：

由上式可知，理論流量取決于氫泵的結構及轉速。

1.3.2 內泄漏流量

由于轉子和轉子、轉子和泵殼以及轉子和前后墻板之間存在間隙，在進排氣壓差的作用下，氣體通過間隙從排氣腔流入吸氣腔的過程稱為內泄漏。內泄漏流量可達理論流量的 10% 以上。

間隙的3個主要位置分別是：轉子之間的嚙合間隙（間隙1）、轉子和泵殼之間的徑向間隙（間隙2）、轉子與泵殼之間的軸向間隙（間隙3）。其中，間隙1和間隙2產生的內泄漏流量占總內泄漏流量的 95% 以上[18]，而間隙3內泄漏流量的占比不足 5% 。因此，在粗略計算內泄漏流量時，間隙3產生的內泄漏可忽略不計。間隙1和間隙2的位置如圖2所示。

轉子和轉子之間、轉子和泵殼之間的內泄漏流量可根據WEINING和ECKERT給出的亞臨界內泄漏流量經驗公式[19-20]得出：

式中： Q_b 為內泄漏流量； L 為羅茨泵轉子的長度； δ

為轉子和泵殼之間或者轉子和轉子之間的間隙； Δp

為進出口壓升； ??ρ_s 為氣體密度。

由以上公式可知，內泄漏流量與泵結構（轉子長度、間隙大小）、壓升及氣體密度等因素有關。根據理想氣體狀態方程，式（4）可轉化為

式中： α 為泄漏系數，由氣體類型和間隙表面粗糙度決定； f_i 為轉子間隙流通面積； R 為摩爾氣體常數；T_s 為進氣溫度； ε 為壓縮比。

1.3.3 有效流量

理論流量減去內泄漏流量，即為有效流量，如式（6）：

有效流量也可以通過理論流量和容積效率 η_V 計算得出，如式（7）：

容積效率是有效流量和理論流量的比值，轉速、壓比均會對其造成影響，可通過理論計算和測試得出。圖3示出某氫泵通過測試得出的容積效率曲線。

圖3容積效率曲線

從圖3可以看出：轉速越高，容積效率越高；壓比越高，容積效率越低。

2流量-壓升性能測試及影響因素研究

前文提到，氫泵廠商提供的氫泵流量-壓升性能圖的測量介質為單一氮氣或空氣，但實際工作時，進入氫泵的介質主要是氫氣和氮氣的混合氣體、氣態水以及少量的液態水。為對比不同氣體介質對性能的影響，在同一氫泵上分別使用氮氣與氫氮混合氣（體積比為 g：1; 進行測試，并在同壓升下進行體積流量對比，結果如圖4所示。測試條件為入口壓力0.05MPa ，氣體溫度 25^°C ，轉速 5000r/min 。

圖4介質為氮氣和氫氮混合氣時的流量對比

由圖4可見，相同壓升條件下，氮氣和氫氮混合氣的流量差值較大，均大于 10% ，在 40kPa 壓升下，流量差值甚至高達 76% 。

因此，為了更準確研究氫泵性能的影響規律，以實現燃料電池發動機的精確匹配及氫泵的設計優化，需要模擬真實工作狀態下氣體介質的組分和狀態。

2.1 轉速的影響

圖5示出 2 000～6 000r/min 時的流量-壓升性能，其中入口壓力為 0.1MPa ，氫氣和氮氣的體積比為 g：1 ，相對濕度為 80% 。

圖5轉速與流量-壓升性能的關系

由圖5可見，同轉速下，壓升越大，流量（為有效流量，下文同）越小。根據式（1）可知，相同轉速和入口壓力下，理論流量一樣。根據式（4）可知，壓升越大，內泄漏流量越大；再根據式（6）可知，壓升越大有效流量越小。

由圖5還可見，隨著壓升增大，相鄰轉速線之間的上方開口逐漸增大。根據式（5）可知，內泄漏流量和壓比的平方根成正比，因此其減小趨勢減緩。根據圖3a得知，轉速越高，內泄漏流量占比越小，從而使相鄰兩條轉速線之間的上方開口逐漸增大。

由圖5還可見，隨著轉速升高，相鄰兩條轉速線之間的間隔逐漸增大。相同的入口壓力下，壓升相同時，壓比相同，根據式（4）得出內泄漏流量相同；相同入口壓力和壓比下，隨著轉速升高，理論流量增加，內泄漏流量占比變小，有效流量占比增加，即在相同的轉速增量下，隨轉速增大，有效流量增量變大，導致相鄰兩條轉速線之間的間隔逐漸增大。

2.2 入口氣體壓力的影響

圖6示出 3 000r/min 和 5000r/min 時的流量-壓升性能圖，其入口壓力分別為 50kPa，100kPa 和 150kPa ，氫氣和氮氣的體積比為 g：1 。

由圖6可見，相同轉速和壓升下，入口氣體壓力越高，流量越大。因為同壓升下，入口壓力越高，壓比越小，從式（5）得出，當參數 α，f_i，R 和 T_s 均不變時，壓比變小會導致內泄漏流量變小。

根據式（1）可知，以LPM（升/分）為單位時，理論流量值不變，但由于入口壓力變大，根據理想氣體狀態公式，則以SLPM（標準升/分）為單位時，理論流量數值會變大。

同理，以SLPM為單位時的內泄漏流量值，比以LPM為單位時的數值更大。根據圖3b容積效率曲線可知，壓比變小后，容積效率增大，因而內泄漏流量增幅小于理論流量增幅。最終使得有效流量增大（見式（6））。由圖6還可見，隨著壓升增大，流量差值逐漸增大。

2.3 入口氣體溫度的影響

圖7示出 3000r/min 和 5000r/min 轉速下的流量-壓升性能曲線，其入口壓力為 100kPa ，氫氣和氮氣體積比為 g：1 ，對比溫度分別為 25°C 和60^°C 。

由圖7可見，同轉速下，入口氣體溫度越低，同壓升下的流量越大。因為氣體溫度越低，其密度越大，由式（4）得出：氣體密度越大，內泄漏流量越小；

理論流量不變（式（1）），其有效流量將變大（式（6））。

由圖7還可見，隨著壓升增大，流量差值變小。

2.4 入口氣體濕度的影響

圖8示出 3 000r/min 和 5000r/min 轉速下的流量-壓升性能曲線，其中入口壓力為 50kPa ，氫氣和氮氣的體積比為 g：1 ，對比狀態為 80% 相對濕度氣體和未加濕氣體。

由圖8可見，同轉速下，氣體加濕后，同壓升下的流量會增大。因為加濕后（增加了水蒸氣），氣體密度變大。氣體密度變大，內泄漏流量變小。在理論流量不變的情況下，有效流量將增大。

2.5 入口氣體成分的影響

圖9示出 3000r/min 和 5000r/min 轉速下的流量-壓升性能曲線，入口壓力為 50kPa ，氣體為干 H₂ 和干 N₂ 。

由圖9可見，同轉速下，干 N₂ 比干 H₂ 在同壓升下的流量更大。由于 N₂ 的密度比 H₂ 大，氣體密度越大，內泄漏流量越小，而理論流量不變，因此內泄漏流量越小，有效流量越大。

由圖9還可見，隨著壓升增大，兩種氣體的流量差值增大。

3功耗性能測試及影響因素研究

3.1 入口氣體壓力的影響

圖10示出 3 000r/min 和 5000r/min 時單位流量的功耗曲線。其中入口壓力分別 50kPa .100kPa 和 150kPa ，氫氣和氮氣體積比為 g：1 。

3.2 供電電壓的影響

圖11示出 3 000r/min ，入口壓力 50kPa ，氫氣和氮氣體積比為 g：1 ，氣體流量相同時的功耗曲線。氫泵供電電壓分別為 650V 和 450V 。由圖11可見，供電電壓越高，同壓升下的功耗越低。

由圖10可見，同轉速和壓升下，入口壓力越低，輸送單位流量氣體所用的功耗越大。從圖3得知，容積效率隨著壓比的升高而降低。根據式（7），入口壓力越低（同樣的壓升下壓比越大），容積效率越低，即達到同樣的有效流量，所需的理論流量更大。所以，同轉速同壓升下，入口壓力越低，輸送單位流量氣體所用的功耗越大。

電器設備的有效功率公式如下：

由于泵流量-壓升性能相同，所以 相同，那么電壓 U 越高，則其電流 I 越低。電器設備的熱量計算公式為

P_??=I²?R_°

對于同一臺泵，電阻值 R 相同，因此，電流 I 低時， P_☉ 也低。根據功耗公式：

可知，電壓 U 升高時，功耗 降低。

4結論

分析了不同氣體介質組分、溫度、濕度下的流量差異，并結合流量相關公式分析了不同變量導致的結果差異，提供了以下設計指導：

a）同壓升下氮氣和氫氮混合氣的流量差值較大（均大于 10% ，因此不可用氮氣作為氫泵匹配設計的介質；

b）入口氣體壓力對流量和功耗的影響較大（差值均大于 10% ），因此，氫泵匹配設計中，應每隔25kPa 測試一個流量-壓升性能MAP和功耗；

c）在低轉速、低壓升工況下，溫度對流量的影響較大（流量差值大于 10% ），因此，氫泵匹配設計中，低轉速、低壓升的性能MAP應采用加溫氣體來測量；

d）高轉速、高壓升工況下，濕度對流量的影響較大（差值均大于 10% ，因此，氫泵匹配設計中，高轉速、高壓升的性能MAP應采用加濕氣體來測量；

e）供電電壓對功耗的影響較大（功耗差值大于10% ，因此，氫泵匹配設計中，應采用目標電源電壓±50V 來測量功耗MAP。

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Abstract：Currently，the gas mediumused in the main working performance（flow-pressurerise，power consumption）testof fuelellhydrogencirculationpump（hydrogenpump）ismostlynitrogenorair，whichisquitediffrentfromtheactualworkin gascomponentand state，causingalargedeviation intestresults.Inordertofurtherexplorethe mainoperating performanceof hydrogenpumpinrealcondition，themainoperatingperformanceandmaininfluencingfactorswerestudiedbysimulatingthe real gascomponentsandstates.Theresultsshowthatthedifferencebetweentheflowratesofnitrogenandthehydrogen-nitrogen mixture with a volume ratio of g：1 is more than 10% under the same pressure rise.When the pressure difference of inlet gasis 50kPa ，the differences between flows and power consumptions are greater than 10% .At low speed and low pressure rise，the flow difference is greater than 10% when the gas temperature is 25^°C and 60°C.At high speed and high pressure rise， the flow difference is greater than 10% when the gas relative humidity is 80% and when no humidification is applied.When the supply voltages are 650V and 450V ，the difference of power consumption is greater than 10% ：

Key words：fuel cell;hydrogen circulation pump;flow;pressure rise;power consumption

[編輯：袁曉燕]