气体循环泵国内外研究现状

卢凯发，刘 彪，张 奥

气体循环泵国内外研究现状

卢凯发，刘 彪，张 奥

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

气体循环泵是燃料电池系统中关键元器件，能为系统提供动力氢气和氧气，满足电化学反应足够的气体压力要求。本文以氢气循环泵和富氧循环泵为研究对象，详细介绍了其工作原理，简述了不同型式气体循环泵的优缺点，分析了国内外研究应用现状并对比了差距，指出了国内目前存在的短板问题，得出了产业链和关键核心部件需要完善突破的结论，为今后气体循环泵的国产化研究提供了方向。

气体循环泵；氢气循环泵；富氧循环泵；燃料电池

0 引言

在当今化石能源需求激增、环境问题持续加重的形势下，新能源开发成为各国关注的重点。氢能，作为一种清洁、高效、可持续的新能源，已成为全球能源技术革命的重要方向和各国未来能源战略的重要组成部分。质子交换膜燃料电池（PEMFC，以下简称燃料电池）作为氢能利用技术之一，具有能量转换效率高、可靠性高、低噪声、工作温度低、应用范围广、启动速度快等特性，是目前应用前景最为广泛的氢燃料电池。目前，水下氢氧燃料电池通过自备氢气、氧气源，循环利用燃料及氧化剂，实现有限资源高效利用。

氢气循环泵和富氧循环泵，其作用是把未反应氢气或氧气从燃料电池堆出口直接泵回燃料电池堆入口，与入口反应气汇合后进入燃料电池堆。利用循环泵一方面可以实现把反应气尾气的水份带入电堆起到增湿作用；另一方面，可以提高气体在电堆流道内流速，防止生成水累积与水淹；同时，可以提高氢气和氧气利用率，节约资源[1]。因此，氢气循环泵和富氧循环泵是燃料电池动力系统的核心配套设备，直接涉及系统的高效、可靠和安全运行。因此，对目前国内外技术现状和发展方向进行分析研究，对促进其今后的国产化研发生产具有重要意义。

1 气体循环泵概述

燃料电池包含进气系统、发电装置（电堆）、热量交换、监控等各子系统。进气系统是燃料电池多子系统中最为重要的系统之一，主要承担供给燃料电池发电所需的氢气和氧气燃料，从结构上又可分为氢气供气回路和氧气供气回路两大部分。因此，从应用于不同回路，易燃易爆介质循环输送泵包括氢气循环泵和富氧循环泵（图1）。氢气循环泵主要用于将发电装置（电堆）中未反应完的氢气循环利用，由于循环气体包括了阳极流道中残余的氢气和电化学反应生成的部分水蒸气，该循环过程不仅可以保证氢气燃料的高效率利用，还减轻了氢气供给过程中氢气加湿器的负担，有效的对燃料电池的产物资源进行综合利用，节约能源、提高效率。富氧循环泵功能与氢气循环泵类似，主要用于氧气回路中氧气的循环利用。因此，易燃易爆介质循环输送泵（氢气、富氧）是保障燃料电池高效、稳定、可靠运行的关键设备之一。

图1 气体循环泵在系统中的工作原理图

气体循环泵主要包括罗茨式、离心式、涡旋式、螺杆式和隔膜式等。具体特点详见表1。罗茨式循环泵具有转速和流量基本呈线性关系，易和发动机匹配；流量范围宽，无喘振现象；运行可靠，性价比高等优点。但是存在采用滚珠轴承，机油润滑；罗茨循环泵为“外压缩”方式，工作过程中容腔体积恒定，在高流量/高压比的额定工况下效率低；高频原始噪音较大，不同工作点噪音差异明显等缺陷。离心式循环泵通过旋转叶轮对气体做功，在叶轮与扩压器流道内，利用离心升压和降速扩压作用，将机械功转化为气体内能。具有结构紧凑、响应快、寿命长和效率高的特点，在功率密度、效率等方面具有突出优点。但离心式循环泵工作区域窄，在低流量高压比时会发生喘振现象，严重影响寿命，同时也导致了离心式循环泵具有较高的气动噪音；隔膜式循环泵具有良好的耐腐蚀和防泄露的特点，且自吸性好，使用寿命长。但隔膜式循环泵工作输送压力偏低，不适用于高压系统，且有一定噪音和振动影响，需在结构中增加相应的减震降噪措施，这也会增加其总体体积。

表1 不同类型气体循环泵特性比较表

2 国外研究现状浅析

2.1 氢气循环泵国外研究现状

日本Toyota公司Mirai燃料电池发动机使用罗茨式氢气循环泵，最大流量为1 350 m3/h，转速为9 000-13 000 rpm，压比为2.0。日本东丽公司研发的氢气循环泵，最大流量能达到1400 m3/h，转速为10000-15000 rpm，压力为2.5。美国Air Squared公司涡旋氢气循环泵，主要材质为不锈钢，采用半封闭结构设计，流量为100 L/min，压升为25 kPa，功率为500 W，噪声为70 dB (A)，重量为2.2 kg；Barber Nichols Inc. (BNI)公司采用高速无刷直流电机驱动的涡轮式循环泵，转速可达50 000 rpm。德国Busch公司爪式氢气循环泵，最大流量为18 m3/h，压升为50 kPa，转速为6 000 rpm，功率为500 W，尺寸为246 *120* 211 mm，重量为6.5 kg。

图2 美国BNI公司离心式氢气循环泵

美国Barber-Nichols Inc. (BNI)公司研制的小型离心式氢气循环泵，在效率、可靠性等方面均有比较好的表现，已广泛应用于汽车、航空航天和船舶领域，但国内难以获得。目前能够进口采购到的氢气循环泵即为德国BUSCH公司的爪式氢气循环泵。

图3 德国Busch(普旭)氢气循环泵

2.2 富氧循环泵国外研究现状

相比而言，富氧循环泵密封防爆难度大，国内外研究较少，尚无针对富氧介质下的高效驱动成熟产品。目前常见的氧气增压器是车用燃料电池的空压机。燃料电池空压机可分为离心式、轴流式、混流式、罗茨式、螺杆式、涡旋式、活塞式和滑片式等。英国City大学的容积式压缩机研究中心基于多年的螺杆泵研究成果，提出一种一轴带动的压缩膨胀一体机用于燃料电池供气系统。美国GM、Plug Power、德国Xcellsis、加拿大Ballard等公司的燃料电池都曾采用过螺杆空压机。丰田Mirai燃料电池车采用丰田织机研制的六叶罗茨式空压机，最大流量为1 350m³/h，最大功率为20 kW，峰值转速为12 500rpm，压比为2.0。目前日本本田公司Clarity燃料电池汽车用两级电动离心式空压机取代了螺杆式空压机；德国戴姆勒旗下最新GLC F-Cell燃料电池汽车采用离心式空压机；韩国现代、美国通用以及我国上汽集团等均采用离心式空压机。

3 国内研究现状浅析

3.1 氢气循环泵国内研究现状

与发达国家相比，国内对氢气循环泵的研究工作起步比较晚，设计技术和制造水平也都亟待提升。但随着燃料电池产业的加速发展，目前政府扶持力度加大、资本市场资金持续注入、全民关注度提高，已有越来越多的企业开始涉足燃料电池及相关产业。多个企业已经收购国外顶尖企业的技术和生产线，关键技术不断突破，自主化水平稳步提高，呈现出良好的发展趋势。北京卫星制造厂有限公司、杭州新亚低温科技有限公司、上海神力科技有限公司、东方电气集团、哈尔滨工程大学等多家企业和科研单位开展了机械式氢气循环泵研究，在机理研究、样机研制和试用验证方面均取得突破性进展。

北京卫星制造厂有限公司在氢气循环泵的研制上开展了大量相关研究，基于罗茨式结构形式，利用3叶直叶改进型渐开线圆弧转子结构优化设计，采用电机直驱的方式，通过联轴器实现循环泵的有效运转。并通过搭建氢气循环泵试验平台开展性能测试。测试结果氢气循环泵最大流量为689 L/min，最大压升为55 kPa，在30 kPa压升时，流量为403 L/min，但仍需在循环泵使用寿命、噪声及可靠性等方面开展进一步研究。

图4 北京卫星制造厂有限公司氢泵样机及试验平台

杭州新亚低温科技有限公司针对东莞散裂中子源项目需求，在超临界、相变环境下使用的氢气循环泵，设计出流量为60 L/min，扬程为145 m的氢循环泵，其使用温度为22 K，功率为250 W，转速为18 000 rpm。该产品的成功研制使我们摆脱了相关产品对进口产品的依赖。该项目2018年3月已通过国家验收，公司作为“重要参建单位”受到表彰。

图5 杭州新亚低温科技有限公司氢气循环泵

3.2 富氧循环泵国内研究现状

在富氧循环泵方面，杭州新亚低温科技有限公司具有较好的研究基础，在航空航天、核工业、能源等领域低温机械输送设备方面实现了国产化，填补了国内空白。自主生产的液氧加注泵成功应用在北斗导航系统、嫦娥计划、天宫空间站计划、天问一号计划等，打破了相关领域长期依赖进口产品和技术的局面。

图6 杭州新亚低温科技有限公司液氧加注泵

北京卫星制造厂有限公司也开展了富氧循环泵的相关研究。采用5叶扭叶改进型渐开线圆弧转子，在保证流量压升的前提下，尽可能降低噪声。采用电机直驱的方式，通过联轴器实现氧气循环泵的运转,并通过试验平台测试，富氧循环泵最大流量为689 L/min，最大压升为55 kPa，在30 kPa压升时，流量为403 L/min。但在可靠性、安全性及内部结构的润滑与密封上需开展进一步研究。

图7 北京卫星制造厂富氧循环泵样机及内部转子结构

3 气体循环泵国内外研究现状对比分析

表2 国内外气体循环泵特性对比

4 结论

本文针对气体循环泵的工作原理和国内外研究现状分析，对比国内外的特性对比。从以上情况可以看到综合分析国内外研究现状，国外对于燃料电池易燃易爆介质循环输送泵已有实际装备应用，技术及产品已相对成熟，相比而言，国内氢气循环泵、富氧循环泵还未形成成熟可靠的产品，急需开展相应的技术研究和产品开发。从燃料电池实际应用需求出发，燃料电池易燃易爆介质循环输送泵的需求特性为高效率、高密封、高可靠性、高耐久性、防爆、气体供给无油以及国产化等[3]。我国目前已具备一定的燃料电池研发基础，在国家科研计划和示范项目的持续支持下，技术相对成熟的车用燃料电池方面，国内已基本建立了具有自主知识产权的燃料电池动力技术平台。但是，从整体来看，目前国内仍然面临着产业链不完善、某些核心部件难以国产化等难题，已成为严重阻碍我国燃料电池产业发展的瓶颈。

[1] 马秋玉, 王宇鹏, 都京, 等. 燃料电池发动机氢气循环设计方案综述[J]. 汽车文摘, 2019(4): 11-14.

[2] 王学科, 沈义伟, 赵洪滨, 等. 旋涡式氢气循环泵的设计及性能分析[J]. 化工进展, 2020, 39(z2): 89-96.

[3] 刘俊峰, 李清, 秦燕, 等. 质子交换膜燃料电池氢气循环系统的发展现状[J]. 能源技术与管理, 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

卢凯发(1989-)，男，硕士。研究方向：燃料电池。E-mail: 15071325643@163.com