車用燃料電池氫氣循環(huán)泵關(guān)鍵指標(biāo)分析及驗(yàn)證

馬明輝，楊沄芃，郝 冬，郭帥帥，冀雪峰

(中汽研汽車檢驗(yàn)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(xué)能通過電化學(xué)反應(yīng)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(dòng)速度快、可實(shí)現(xiàn)低溫冷啟動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。氫氣循環(huán)泵作為燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)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(shí)，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(gè)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(jìn)行主動(dòng)調(diào)節(jié)，具有響應(yīng)迅速、調(diào)節(jié)范圍廣的特點(diǎn)。

當(dāng)前行業(yè)中氫氣循環(huán)泵的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀呈現(xiàn)出爪式應(yīng)用為主，多種技術(shù)路線并存的局面，普旭與豐田自動(dòng)織機(jī)的氫氣循環(huán)泵[5]均采用爪式技術(shù)路線并取得廣泛應(yīng)用。國(guó)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(zhǎng)足的進(jìn)步，但是技術(shù)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(guó)際先進(jìn)企業(yè)存在明顯差距[6]。而且，由于氫氣循環(huán)泵相關(guān)研究不充分，相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及試驗(yàn)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(yīng)用。本文針對(duì)當(dāng)前氫氣循環(huán)泵發(fā)展現(xiàn)狀及主要技術(shù)需求，構(gòu)建了關(guān)鍵指標(biāo)測(cè)評(píng)體系，并以某款氫氣循環(huán)泵為研究對(duì)象，進(jìn)行了試驗(yàn)方法驗(yàn)證。

1 基于應(yīng)用場(chǎng)景的氫泵技術(shù)需求

氫氣循環(huán)泵在應(yīng)用時(shí)，由于工作環(huán)境惡劣、應(yīng)用場(chǎng)景復(fù)雜、使用區(qū)域多樣，需要重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)方面：第一，氫氣循環(huán)泵的應(yīng)用介質(zhì)為氫氣，從安全方面考慮，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注氫氣循環(huán)泵氣密性問題；第二，在實(shí)際運(yùn)行過程中，隨著燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)功率變化，氫氣循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速和流量需及時(shí)進(jìn)行響應(yīng)，應(yīng)重點(diǎn)研究氫氣循環(huán)泵的動(dòng)態(tài)響應(yīng)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(zhǎng)期處于高溫、高濕、高熱的工作環(huán)境中，需研究其高溫存儲(chǔ)特性和高溫環(huán)境適應(yīng)性；第四，低溫冷啟動(dòng)已成為燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的核心技術(shù)指標(biāo)，還需重點(diǎn)研究氫氣循環(huán)泵的低溫存儲(chǔ)特性以及低溫環(huán)境適應(yīng)性；第五，燃料電池電動(dòng)汽車分布的城市區(qū)域多樣，應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜，氫氣循環(huán)泵還需滿足汽車零部件的使用需求，需重點(diǎn)研究其耐鹽霧能力。

2 測(cè)評(píng)方法研究

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

通過對(duì)國(guó)內(nèi)氫氣循環(huán)泵的技術(shù)發(fā)展水平和基于不同應(yīng)用場(chǎng)景的技術(shù)需求進(jìn)行分析，提出了氫氣循環(huán)泵的性能指標(biāo)評(píng)價(jià)體系，并將氫氣循環(huán)泵的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)分為三級(jí)，如表1所示。

表1 氫氣循環(huán)泵性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置主要包括氫氣循環(huán)泵性能測(cè)試平臺(tái)、高低溫環(huán)境試驗(yàn)箱。氫氣循環(huán)泵性能測(cè)試平臺(tái)如圖1 所示，主要由流量計(jì)、壓力控制器、傳感器、背壓閥、阻火閥、電氣柜、上位機(jī)等部件構(gòu)成。其中，氫氣流量計(jì)量程0～1 500 L/min，精度±1%；壓力傳感器量程0～400 kPa(絕對(duì)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(yàn)箱溫度范圍－40～85 ℃，精度±1 ℃。

圖1 氫氣循環(huán)泵性能測(cè)試平臺(tái)

2.3 試驗(yàn)方法

2.3.1 樣品參數(shù)

基于市場(chǎng)現(xiàn)狀，以某款爪式氫氣循環(huán)泵為研究對(duì)象，進(jìn)行氫氣循環(huán)泵試驗(yàn)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(duì)壓力)，最大進(jìn)出口壓差為40 kPa，額定轉(zhuǎn)速為6 000 r/min。

2.3.2 氣密性測(cè)試

氫氣循環(huán)泵氣密性試驗(yàn)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(shè)定為265 kPa(絕對(duì)壓力)，保壓20 min，檢測(cè)20 min 內(nèi)的壓力下降值。

2.3.3 工作特性測(cè)試

氫氣循環(huán)泵工作特性主要分為基本流量特性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性?；玖髁刻匦栽囼?yàn)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(jìn)出口壓差和流量的關(guān)系。動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性試驗(yàn)方法為：測(cè)試不同入口壓力和不同進(jìn)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(dòng)態(tài)升載響應(yīng)時(shí)間，及從額定轉(zhuǎn)速降載到0 r/min 的動(dòng)態(tài)降載響應(yīng)時(shí)間。

2.3.4 環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試

溫度適應(yīng)性試驗(yàn)方法為：將氫氣循環(huán)泵置于溫度試驗(yàn)箱中，電氣連接及管路連接完好，環(huán)境試驗(yàn)箱溫度設(shè)定在－30或60 ℃，氫氣循環(huán)泵的電壓設(shè)定為DC 24 V，入口壓力設(shè)定為額定工作壓力，測(cè)試氫氣循環(huán)泵在低溫或高溫環(huán)境運(yùn)行過程中的性能變化。溫度存儲(chǔ)特性試驗(yàn)方法為：將氫氣循環(huán)泵置于環(huán)境試驗(yàn)箱中，環(huán)境試驗(yàn)箱溫度設(shè)置為－40 或65 ℃低溫或高溫存儲(chǔ)24 h，存儲(chǔ)結(jié)束后溫度恢復(fù)至25 ℃，測(cè)試氫氣循環(huán)泵在額定工況運(yùn)行過程中的性能變化。耐鹽霧試驗(yàn)方法為：將氫氣循環(huán)泵在鹽霧試驗(yàn)箱中進(jìn)行48 h 鹽霧試驗(yàn)[7]，鹽霧試驗(yàn)結(jié)束后，測(cè)試氫氣循環(huán)泵在額定工況運(yùn)行過程中的性能變化。

3 結(jié)果與討論

3.1 氣密性結(jié)果分析

經(jīng)氣密性試驗(yàn)，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(dòng)、高低溫變化導(dǎo)致密封結(jié)構(gòu)性能衰減，往往導(dǎo)致氫氣循環(huán)泵出現(xiàn)泄漏，引發(fā)安全風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 工作特性結(jié)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(jìn)出口壓差的增加而減小，當(dāng)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，進(jìn)出口壓差大于30 kPa時(shí)，氫氣循環(huán)泵的流量接近0，在實(shí)際應(yīng)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(shì)；當(dāng)進(jìn)出口壓差增加到40 kPa 時(shí)，氫氣循環(huán)泵的流量趨近相同，所以，針對(duì)該款氫氣循環(huán)泵，選型時(shí)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(shí)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(dòng)態(tài)響應(yīng)越迅速，越能快速跟隨電堆的工況變化，系統(tǒng)主動(dòng)調(diào)節(jié)能力也越好。圖3 為不同進(jìn)出口壓差下動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間，動(dòng)態(tài)升載響應(yīng)時(shí)間隨進(jìn)出口壓差的增加變化范圍較小，平均動(dòng)態(tài)升載響應(yīng)時(shí)間1.7 s，波動(dòng)范圍在平均值5%以內(nèi)；氫氣循環(huán)泵的動(dòng)態(tài)降載響應(yīng)時(shí)間隨進(jìn)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(jìn)出口壓差對(duì)氫氣循環(huán)泵的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間影響較小。

圖3 不同進(jìn)出口壓差下動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間

3.3 環(huán)境適應(yīng)性結(jié)果分析

圖4 為高溫存儲(chǔ)后流量及功率變化圖。經(jīng)高溫存儲(chǔ)后，氫氣循環(huán)泵的流量變化較小，進(jìn)出口壓差較小時(shí)，流量偏差相對(duì)較大，波動(dòng)在11 L/min，波動(dòng)幅度在3%左右。經(jīng)過高溫存儲(chǔ)后，氫氣循環(huán)泵的功率變化較小，存儲(chǔ)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(chǔ)特性較好，經(jīng)高溫存儲(chǔ)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(chǔ)后流量及功率變化

圖5 為低溫存儲(chǔ)后流量及功率變化圖。經(jīng)低溫存儲(chǔ)后，氫氣循環(huán)泵的流量變化及波動(dòng)較小，偏差最大值處于進(jìn)出口壓差較小時(shí)，偏差幅度在3%以內(nèi)。經(jīng)低溫存儲(chǔ)后，氫氣循環(huán)泵的功率與存儲(chǔ)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(chǔ)特性優(yōu)良。

圖5 低溫存儲(chǔ)后流量及功率變化

氫氣循環(huán)泵一般采用風(fēng)冷散熱，當(dāng)環(huán)境溫度過高時(shí)，會(huì)影響電機(jī)散熱，導(dǎo)致電機(jī)及控制器溫度過高出現(xiàn)性能衰減。圖6 為高溫運(yùn)行流量及功率變化圖。在高溫運(yùn)行環(huán)境中，氫氣循環(huán)泵的流量在不同進(jìn)出口壓差下出現(xiàn)不同程度的增加。進(jìn)出口壓差為20 kPa 時(shí)，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(yùn)行中功率基本上與常溫運(yùn)行功率一致，高溫環(huán)境適應(yīng)性較好。這說明該款氫氣循環(huán)泵散熱設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為合理，能夠滿足60 ℃高溫環(huán)境的使用需求。

圖6 高溫運(yùn)行流量及功率變化

氫氣循環(huán)泵在低溫運(yùn)行過程中，軸承潤(rùn)滑油的粘度降低，潤(rùn)滑效果降低，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)效率下降，進(jìn)而影響氫氣循環(huán)泵的性能。圖7 為低溫運(yùn)行流量及功率變化圖。在低溫工作環(huán)境下，隨進(jìn)出口壓差的不同，流量出現(xiàn)了不同程度的增加，相對(duì)于常溫運(yùn)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(yùn)行中，功率變化較小，與常溫運(yùn)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(yùn)行狀態(tài)下，流量及功率與常溫運(yùn)行時(shí)偏差較小，產(chǎn)品性能一致性較好，低溫環(huán)境適應(yīng)性能較好。

圖7 低溫運(yùn)行流量及功率變化

圖8 為鹽霧試驗(yàn)后流量及功率變化圖。經(jīng)鹽霧試驗(yàn)后，氫氣循環(huán)泵的流量明顯降低，且隨進(jìn)出口壓差的增加，變化幅度逐漸減小。鹽霧試驗(yàn)后，流量最大偏差為37 L/min，偏差幅度13%。經(jīng)鹽霧試驗(yàn)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(yàn)后氫氣循環(huán)泵的流量和功率對(duì)比可知，鹽霧試驗(yàn)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(yàn)后流量及功率變化

4 結(jié)論

針對(duì)燃料電池汽車行業(yè)對(duì)氫氣循環(huán)泵的共性技術(shù)需求，本文提出了氫氣循環(huán)泵的關(guān)鍵性能指標(biāo)體系、試驗(yàn)方法，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。選取某款氫氣循環(huán)泵作為試驗(yàn)對(duì)象，進(jìn)行了氣密性、動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)、基本流量特性試驗(yàn)、高溫存儲(chǔ)試驗(yàn)、低溫存儲(chǔ)試驗(yàn)、高溫適應(yīng)性試驗(yàn)、低溫適應(yīng)性試驗(yàn)、耐鹽霧試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：進(jìn)出口壓差對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間的影響較小，環(huán)境溫度對(duì)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(yàn)對(duì)該款氫氣循環(huán)泵工作特性影響較大。