氣體循環(huán)泵國內外研究現(xiàn)狀

盧凱發(fā)，劉 彪，張 奧

氣體循環(huán)泵國內外研究現(xiàn)狀

盧凱發(fā)，劉 彪，張 奧

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

氣體循環(huán)泵是燃料電池系統(tǒng)中關鍵元器件，能為系統(tǒng)提供動力氫氣和氧氣，滿足電化學反應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，分析了國內外研究應用現(xiàn)狀并對比了差距，指出了國內目前存在的短板問題，得出了產業(yè)鏈和關鍵核心部件需要完善突破的結論，為今后氣體循環(huán)泵的國產化研究提供了方向。

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)成為各國關注的重點。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）作為氫能利用技術之一，具有能量轉換效率高、可靠性高、低噪聲、工作溫度低、應用范圍廣、啟動速度快等特性，是目前應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，與入口反應氣匯合后進入燃料電池堆。利用循環(huán)泵一方面可以實現(xiàn)把反應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流速，防止生成水累積與水淹；同時，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)的核心配套設備，直接涉及系統(tǒng)的高效、可靠和安全運行。因此，對目前國內外技術現(xiàn)狀和發(fā)展方向進行分析研究，對促進其今后的國產化研發(fā)生產具有重要意義。

1 氣體循環(huán)泵概述

燃料電池包含進氣系統(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，主要承擔供給燃料電池發(fā)電所需的氫氣和氧氣燃料，從結構上又可分為氫氣供氣回路和氧氣供氣回路兩大部分。因此，從應用于不同回路，易燃易爆介質循環(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反應生成的部分水蒸氣，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擔，有效的對燃料電池的產物資源進行綜合利用，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、可靠運行的關鍵設備之一。

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。具體特點詳見表1。羅茨式循環(huán)泵具有轉速和流量基本呈線性關系，易和發(fā)動機匹配；流量范圍寬，無喘振現(xiàn)象；運行可靠，性價比高等優(yōu)點。但是存在采用滾珠軸承，機油潤滑；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，不同工作點噪音差異明顯等缺陷。離心式循環(huán)泵通過旋轉葉輪對氣體做功，在葉輪與擴壓器流道內，利用離心升壓和降速擴壓作用，將機械功轉化為氣體內能。具有結構緊湊、響應快、壽命長和效率高的特點，在功率密度、效率等方面具有突出優(yōu)點。但離心式循環(huán)泵工作區(qū)域窄，在低流量高壓比時會發(fā)生喘振現(xiàn)象，嚴重影響壽命，同時也導致了離心式循環(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，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，需在結構中增加相應的減震降噪措施，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)動機使用羅茨式氫氣循環(huán)泵，最大流量為1 350 m3/h，轉速為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，最大流量能達到1400 m3/h，轉速為10000-15000 rpm，壓力為2.5。美國Air Squared公司渦旋氫氣循環(huán)泵，主要材質為不銹鋼，采用半封閉結構設計，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驅動的渦輪式循環(huán)泵，轉速可達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)，已廣泛應用于汽車、航空航天和船舶領域，但國內難以獲得。目前能夠進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，國內外研究較少，尚無針對富氧介質下的高效驅動成熟產品。目前常見的氧氣增壓器是車用燃料電池的空壓機。燃料電池空壓機可分為離心式、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大學的容積式壓縮機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。豐田Mirai燃料電池車采用豐田織機研制的六葉羅茨式空壓機，最大流量為1 350m3/h，最大功率為20 kW，峰值轉速為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取代了螺桿式空壓機；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；韓國現(xiàn)代、美國通用以及我國上汽集團等均采用離心式空壓機。

3 國內研究現(xiàn)狀淺析

3.1 氫氣循環(huán)泵國內研究現(xiàn)狀

與發(fā)達國家相比，國內對氫氣循環(huán)泵的研究工作起步比較晚，設計技術和制造水平也都亟待提升。但隨著燃料電池產業(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產業(yè)。多個企業(yè)已經收購國外頂尖企業(yè)的技術和生產線，關鍵技術不斷突破，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、哈爾濱工程大學等多家企業(yè)和科研單位開展了機械式氫氣循環(huán)泵研究，在機理研究、樣機研制和試用驗證方面均取得突破性進展。

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研究，基于羅茨式結構形式，利用3葉直葉改進型漸開線圓弧轉子結構優(yōu)化設計，采用電機直驅的方式，通過聯(lián)軸器實現(xiàn)循環(huán)泵的有效運轉。并通過搭建氫氣循環(huán)泵試驗平臺開展性能測試。測試結果氫氣循環(huán)泵最大流量為689 L/min，最大壓升為55 kPa，在30 kPa壓升時，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一步研究。

圖4 北京衛(wèi)星制造廠有限公司氫泵樣機及試驗平臺

杭州新亞低溫科技有限公司針對東莞散裂中子源項目需求，在超臨界、相變環(huán)境下使用的氫氣循環(huán)泵，設計出流量為60 L/min，揚程為145 m的氫循環(huán)泵，其使用溫度為22 K，功率為250 W，轉速為18 000 rpm。該產品的成功研制使我們擺脫了相關產品對進口產品的依賴。該項目2018年3月已通過國家驗收，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，在航空航天、核工業(yè)、能源等領域低溫機械輸送設備方面實現(xiàn)了國產化，填補了國內空白。自主生產的液氧加注泵成功應用在北斗導航系統(tǒng)、嫦娥計劃、天宮空間站計劃、天問一號計劃等，打破了相關領域長期依賴進口產品和技術的局面。

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)泵的相關研究。采用5葉扭葉改進型漸開線圓弧轉子，在保證流量壓升的前提下，盡可能降低噪聲。采用電機直驅的方式，通過聯(lián)軸器實現(xiàn)氧氣循環(huán)泵的運轉,并通過試驗平臺測試，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，流量為403 L/min。但在可靠性、安全性及內部結構的潤滑與密封上需開展進一步研究。

圖7 北京衛(wèi)星制造廠富氧循環(huán)泵樣機及內部轉子結構

3 氣體循環(huán)泵國內外研究現(xiàn)狀對比分析

表2 國內外氣體循環(huán)泵特性對比

4 結論

本文針對氣體循環(huán)泵的工作原理和國內外研究現(xiàn)狀分析，對比國內外的特性對比。從以上情況可以看到綜合分析國內外研究現(xiàn)狀，國外對于燃料電池易燃易爆介質循環(huán)輸送泵已有實際裝備應用，技術及產品已相對成熟，相比而言，國內氫氣循環(huán)泵、富氧循環(huán)泵還未形成成熟可靠的產品，急需開展相應的技術研究和產品開發(fā)。從燃料電池實際應用需求出發(fā)，燃料電池易燃易爆介質循環(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化等[3]。我國目前已具備一定的燃料電池研發(fā)基礎，在國家科研計劃和示范項目的持續(xù)支持下，技術相對成熟的車用燃料電池方面，國內已基本建立了具有自主知識產權的燃料電池動力技術平臺。但是，從整體來看，目前國內仍然面臨著產業(yè)鏈不完善、某些核心部件難以國產化等難題，已成為嚴重阻礙我國燃料電池產業(yè)發(fā)展的瓶頸。

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

[2] 王學科, 沈義偉, 趙洪濱, 等. 旋渦式氫氣循環(huán)泵的設計及性能分析[J]. 化工進展, 2020, 39(z2): 89-96.

[3] 劉俊峰, 李清, 秦燕, 等. 質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