科普 | 什么是氫循環(huán)泵？

?氫燃料電池要驅(qū)動(dòng)車(chē)輛、船只、無(wú)人機(jī)運(yùn)行，還需要其他系統(tǒng)的輔助。電堆、氫氣供給循環(huán)系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)、水熱管理系統(tǒng)等共同組成了氫燃料電池系統(tǒng)。其中?氫氣供給循環(huán)系統(tǒng)?主要負(fù)責(zé)調(diào)整氫氣的壓力、對(duì)氫氣進(jìn)行加濕，以及為電堆及時(shí)提供充足的氫氣。

這一系統(tǒng)由氫氣瓶、瓶口閥、過(guò)流閥、過(guò)濾器、減壓閥、截止閥、汽水分離器、氫循環(huán)泵及管路和接頭組成。車(chē)載氫燃料電池供給循環(huán)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)程序是：燃料電池需要?dú)錃鈺r(shí)，經(jīng)過(guò)減壓/穩(wěn)壓閥后，壓力降為所需要求，再通過(guò)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、壓力傳感器、流量計(jì)和加濕器進(jìn)入電堆進(jìn)行反應(yīng)，少量多余的氫氣進(jìn)入氫氣循環(huán)系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)處理后將剩余物排入大氣。

本文主要介紹氫循環(huán)泵。它是氫燃料電池“八大件”之一。

什么是氫循環(huán)泵

氫循環(huán)泵就是負(fù)責(zé)向電堆連續(xù)提供一定壓力和流量的高純度氫氣，保證燃料電池電堆中的電化學(xué)反應(yīng)的正常進(jìn)行。

對(duì)于燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)這個(gè)心臟來(lái)說(shuō)，作為“血液”的氫氣是否能高效循環(huán)反應(yīng)，是動(dòng)力能否順暢輸出的關(guān)鍵，而氫循環(huán)泵就像是一個(gè)“起搏器”，負(fù)責(zé)讓作為“血液”的氫氣正常為機(jī)器提供動(dòng)力，因此也是氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

氫循環(huán)泵在氫燃料電池系統(tǒng)中運(yùn)轉(zhuǎn)中的位置和作用

氫循環(huán)泵的主要功能

供氫的穩(wěn)定性好有助于燃料電池耐久性，這是因?yàn)槿剂想姵剀?chē)的電堆要求氫氣壓力為遠(yuǎn)小于出口壓力，而壓力調(diào)節(jié)不當(dāng)就很容易造成質(zhì)子交換膜的永久損壞，因此氫氣壓力要保持穩(wěn)定性。氫循環(huán)泵在氫燃料電池系統(tǒng)中就承擔(dān)的頭號(hào)任務(wù)就是保持穩(wěn)定輸入氫氣。

不僅如此，氫氣循環(huán)系統(tǒng)還通過(guò)大量氫氣循環(huán)利用，保證燃料電池內(nèi)的水平衡，并提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。具體來(lái)說(shuō)，在燃料電池反應(yīng)堆中，輸入進(jìn)的氫氣并不能完全參與反應(yīng)，未參與反應(yīng)的氫氣若直接排出，資源的浪費(fèi)是一方面，更重要的是氫氣易燃易爆，直接排出有安全隱患！正是氫循環(huán)泵的參與既利用了這部分氫氣，增進(jìn)了經(jīng)濟(jì)性，還大大降低了安全隱患。

與此同時(shí)，氫循環(huán)泵將?燃料電池堆出口的高濕氣體循環(huán)輸送回入口，使得氫氣入口省去了額外的加濕系統(tǒng)，精簡(jiǎn)了燃料電池系統(tǒng)。

現(xiàn)階段，大功率氫燃料電池商用車(chē)是推動(dòng)氫車(chē)應(yīng)用的聚焦點(diǎn)，而設(shè)計(jì)高效可靠的氫循環(huán)系統(tǒng)對(duì)其性能至關(guān)重要。對(duì)于大功率燃料電池堆來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)中未消耗的氫氣需要再次循環(huán)利用以節(jié)約氫燃料提高續(xù)航里程，因此氫循環(huán)系統(tǒng)的性能對(duì)燃料電池的效率與壽命有著關(guān)鍵影響。

氫循環(huán)泵的分類(lèi)

目前主流的氫氣循環(huán)泵類(lèi)型分別羅茨式、爪式、渦旋式及葉片式四種，其中葉片式在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)較為少見(jiàn)。

· 羅茨式?：適用于高壓環(huán)境，具有較高的效率和穩(wěn)定性。

· ??爪式?：適用于中壓環(huán)境，結(jié)構(gòu)緊湊，維護(hù)方便。

??· 渦旋式?：適用于低壓環(huán)境，噪音較低，效率較高。

??· 葉片式?：適用于中低壓環(huán)境，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便。

目前羅茨式（左圖）、爪式兩種結(jié)構(gòu)更加常用。

羅茨式循環(huán)泵

羅茨式循環(huán)泵主要靠泵腔內(nèi)一對(duì)葉形轉(zhuǎn)子同步、反向旋轉(zhuǎn)的推壓作用來(lái)移動(dòng)氣體而實(shí)現(xiàn)抽氣，具有較寬壓強(qiáng)范圍內(nèi)有較大抽速、快速啟動(dòng)、無(wú)油、結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)轉(zhuǎn)維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，由于羅茨泵大流量、噪音高的特點(diǎn)，常用于物流、重卡等載貨汽車(chē)。

爪式循環(huán)泵

爪式氫氣循環(huán)泵有兩個(gè)朝相反方向旋轉(zhuǎn)的爪形轉(zhuǎn)子，爪形轉(zhuǎn)子吸入、壓縮、排出氣體，轉(zhuǎn)子不會(huì)相互接觸或與外殼接觸，轉(zhuǎn)子和腔室外殼之間的間隙極小，可保證內(nèi)部具有良好的密封性，也可保證一直維持較高的體積流量。

爪式循環(huán)泵具有無(wú)油、可靠性好、效率高、輸出壓力高等優(yōu)點(diǎn)，流量約300-400L/min，其噪聲水平較低（75dB），適合載人的轎車(chē)、大巴車(chē)等汽車(chē)。

渦旋式循環(huán)泵

渦旋式循環(huán)泵通過(guò)浮動(dòng)式渦旋壓縮技術(shù)，產(chǎn)生精細(xì)的力平衡，是動(dòng)定渦旋之間的摩擦損失最小化，提高了產(chǎn)品的壓縮效率、穩(wěn)定性、可靠性及使用壽命，減小了使用成本，同時(shí)動(dòng)定渦旋的無(wú)頂密封結(jié)構(gòu)，避免了污染問(wèn)題。

性能要求

相比于普通氣泵，氫氣循環(huán)泵需要達(dá)到良好的密封性能、低震動(dòng)噪音、低溫冷啟動(dòng)、涉氫安全性、EMC抗電磁干擾、耐腐蝕性等要求。

氫循環(huán)泵的基本要求

氫循環(huán)泵的應(yīng)用場(chǎng)景和技術(shù)優(yōu)劣

?氫循環(huán)泵廣泛應(yīng)用于燃料電池系統(tǒng)中，特別是在燃料電池汽車(chē)和固定式發(fā)電系統(tǒng)中。

氫循環(huán)泵的優(yōu)點(diǎn)包括：

· 能夠適應(yīng)不同的工況，通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來(lái)滿(mǎn)足燃料電池的功率需求。

· 提高氫氣的利用率和安全性。

· 簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少加濕器的使用。

缺點(diǎn)包括：

· 運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的寄生功率。

· 體積較大，噪音較高。

· 成本較高，維護(hù)較為復(fù)雜。

不容忽視的氫氣引射器

氫氣循環(huán)泵的優(yōu)勢(shì)在于可以通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速以適應(yīng)不同的電堆功率范圍，但是其體積大、噪聲高且會(huì)產(chǎn)生較大寄生功率。同時(shí)循環(huán)氫氣要求絕對(duì)無(wú)油，而氫氣又極易泄漏，因此氫泵的設(shè)計(jì)難度大、制造成本相對(duì)也更高些。

除了氫循環(huán)泵，近階段已經(jīng)有多個(gè)廠(chǎng)商研發(fā)和應(yīng)用氫氣引射器。引射器是一種利用射流使不同壓力的流體混合，來(lái)傳遞能力和質(zhì)量的裝置。相比于氫氣循環(huán)泵，引射器無(wú)移動(dòng)部件、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠，而且無(wú)寄生功率，最大優(yōu)勢(shì)在于節(jié)省能耗，并且引射器的體積能做到氫氣循環(huán)泵的三分之一，但實(shí)際成本還不到氫氣循環(huán)泵一半。其原理如下圖所示：

引射器工作原理

氫氣循環(huán)泵與引射器分別具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。首先，循環(huán)泵具有容易控制，工作范圍廣泛，電堆內(nèi)部反應(yīng)均勻等優(yōu)點(diǎn)；而引射器在小功率范圍無(wú)法工作，控制困難，電堆內(nèi)部反應(yīng)不均勻，回氫量小，怠速工況下水不斷積聚，導(dǎo)致吹掃頻繁，從而導(dǎo)致氫氣利用率降低等缺點(diǎn)。但未來(lái)引射器的設(shè)計(jì)要求其在怠速到全功率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)工作，并且不存在寄生功率消耗，以此彌補(bǔ)引射器的上述缺點(diǎn)。

另外引射器還具有成本低、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、質(zhì)量體積小等優(yōu)點(diǎn)。在資源方面，氫氣循環(huán)泵目前資源主要集中在小功率級(jí)別，大功率級(jí)別氫氣循環(huán)泵資源稀缺。

在應(yīng)用中，已有一些整車(chē)廠(chǎng)將將設(shè)計(jì)研發(fā)的重點(diǎn)放在全功率范圍工作的引射器上。這是因?yàn)榕c氫氣循環(huán)泵相比，引射器是個(gè)純機(jī)械零部件，無(wú)寄生功率，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、體積小、可靠性高。出于降本的考慮，燃料電池企業(yè)在采用帶有引射器的方案。但其缺點(diǎn)也同樣明顯，難以適配燃料電池堆在寬范圍內(nèi)的功率變化的氫氣引射需求。

對(duì)于氫燃料電池系統(tǒng)生產(chǎn)廠(chǎng)商來(lái)說(shuō)，會(huì)根據(jù)各自產(chǎn)品的設(shè)計(jì)需求，有單純采用氫循環(huán)泵的，也有部分廠(chǎng)家采用氫氣引射器，還有部分系統(tǒng)供應(yīng)商并未采用氫氣循環(huán)系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)氫循環(huán)泵是主流，但引射器使用量也在增長(zhǎng)中。

組合起來(lái)是否更好？

既然各有優(yōu)缺點(diǎn)，一些廠(chǎng)商也在嘗試將循環(huán)泵和引射器結(jié)合起來(lái)，并產(chǎn)生了五種組合方案。其一，單氫氣循環(huán)泵循環(huán)方案；其二，單引射器氫氣循環(huán)方案；其三，雙引射器氫氣循環(huán)方案；其四，引射器與氫氣循環(huán)泵并聯(lián)方案；其五，引射器與氫氣循環(huán)泵串聯(lián)方案。

綜合不同的應(yīng)用模型分析發(fā)現(xiàn)，引射器和氫泵的串聯(lián)模式更能充分利用引射器的性能。從現(xiàn)實(shí)應(yīng)用看，氫氣循環(huán)泵加引射器的方案正逐漸成為主流選擇。

重點(diǎn)企業(yè)

目前國(guó)內(nèi)氫循環(huán)泵仍占主流，而且已經(jīng)在逐步實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，打破進(jìn)口產(chǎn)品壟斷后，價(jià)格已經(jīng)比進(jìn)口產(chǎn)品低1/3左右。按照技術(shù)路線(xiàn)的不同，國(guó)內(nèi)企業(yè)涉足氫循環(huán)泵的還有東德實(shí)業(yè)、瑞驅(qū)電動(dòng)、雪人股份、漢鐘精機(jī)、南方德?tīng)枴?jì)南思明特、浙江恒友、伯肯子公司北京蘭天達(dá)等；而涉足引射器的公司則主要有杰鋒汽車(chē)動(dòng)力、鸞鳥(niǎo)電氣、浙江宏昇、未勢(shì)能源等企業(yè)。

東德實(shí)業(yè)：

煙臺(tái)東德實(shí)業(yè)有限公司為冰輪海卓氫能研究院的孵化公司，專(zhuān)注于氫燃料電池車(chē)關(guān)鍵零部件空氣壓縮機(jī)和氫氣循環(huán)泵的研發(fā)和生產(chǎn)。目前，東德實(shí)業(yè)氫循環(huán)泵方面已具備完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。東德實(shí)業(yè)側(cè)重羅茨式氫氣循環(huán)泵生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了100%國(guó)產(chǎn)化。2020年開(kāi)始大批量供貨燃料電池氫氣循環(huán)泵，主要客戶(hù)有重塑、愛(ài)德曼、東方電氣、捷氫科技等。東德是國(guó)內(nèi)外為數(shù)不多在試驗(yàn)臺(tái)架真正用氫氣帶載運(yùn)行10000多小時(shí)的廠(chǎng)家，可實(shí)現(xiàn)-34攝氏度低溫啟動(dòng)，運(yùn)行里程已經(jīng)超過(guò)2000公里。

瑞驅(qū)科技：

瑞驅(qū)科技從2017年開(kāi)始與上汽前瞻事業(yè)部聯(lián)合開(kāi)發(fā)氫氣循環(huán)泵，2019年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。2020年9月，瑞驅(qū)科技為上海汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司打造的新一批生產(chǎn)的氫氣循環(huán)泵下線(xiàn)，這是瑞驅(qū)電動(dòng)在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)氫氣循環(huán)泵的國(guó)產(chǎn)化和量產(chǎn)化。在國(guó)內(nèi)氫氣循環(huán)泵領(lǐng)域占據(jù)主流市場(chǎng)份額。

雪人股份：

雪人股主要從事壓縮機(jī)及機(jī)組、余熱回收膨脹發(fā)電機(jī)組、氫燃料電池空氣壓縮機(jī)、磁懸浮離心壓縮機(jī)、工商業(yè)制冰設(shè)備及制冰系統(tǒng)的研發(fā)、生產(chǎn)和銷(xiāo)售。從2015年開(kāi)始全方位布局燃料電池產(chǎn)業(yè)，目前已向多家車(chē)企小批量供應(yīng)氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)及系統(tǒng)核心零部件（空壓機(jī)、氫氣循環(huán)泵），合作伙伴包括廈門(mén)金龍、廈門(mén)金旅等車(chē)企。

艾爾科技：

北京艾爾航空科技有限責(zé)任公司擁有氫循環(huán)泵、控制閥等多項(xiàng)專(zhuān)利技術(shù)，核心技術(shù)團(tuán)隊(duì)具有10年以上燃料電池系統(tǒng)零部件開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)。2020年4月，艾爾科技研制的爪式氫氣循環(huán)泵，實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)和銷(xiāo)售。據(jù)介紹，艾爾科技研制的爪式氫氣循環(huán)泵具有流量大、壓升高、穩(wěn)定性好、免維護(hù)等特點(diǎn)，具備抗振動(dòng)、耐-30℃至85℃溫度、可在濕熱環(huán)境下安全使用的特性。是國(guó)內(nèi)氫氣循環(huán)泵主要供應(yīng)商之一。

思科渦旋：

思科渦旋是由美籍華裔著名壓縮機(jī)專(zhuān)家倪詩(shī)茂博士創(chuàng)辦的中美合資企業(yè)。主要從事高性能渦旋壓縮機(jī)與真空泵的研發(fā)、生產(chǎn)和銷(xiāo)售，是開(kāi)發(fā)渦旋式氫氣循環(huán)泵的典型企業(yè)。公司擁有多項(xiàng)原創(chuàng)性發(fā)明專(zhuān)利，占據(jù)無(wú)油浮動(dòng)渦旋技術(shù)創(chuàng)新及應(yīng)用較前沿地位。除東風(fēng)以外，該公司產(chǎn)品也有供應(yīng)給國(guó)內(nèi)其他系統(tǒng)集成商。

凱瑞動(dòng)力：

重慶凱瑞動(dòng)力科技有限公司是中國(guó)汽研的全資子公司。凱瑞動(dòng)力研發(fā)的氫氣循環(huán)泵外形類(lèi)似汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)，長(zhǎng)度不到50厘米。它能將燃料電池堆出口未反應(yīng)的氫氣再循環(huán)至燃料電池堆入口，提高氫氣利用率以及用氫安全。凱瑞動(dòng)力研發(fā)出的氫氣循環(huán)泵，若換算成汽車(chē)正常行駛速度區(qū)間，相當(dāng)于連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)超1萬(wàn)個(gè)小時(shí)，早期同類(lèi)進(jìn)口產(chǎn)品使用壽命僅1000多個(gè)小時(shí)。

琦睿電池科技：

琦睿電池科技?xì)淠苁聵I(yè)部核心產(chǎn)品有燃料電池仿真系統(tǒng)、燃料電池增濕器、燃料電池離子過(guò)濾器、燃料電池水氣分離器、燃料電池引射器、燃料電池空壓機(jī)、燃料電池氫氣循環(huán)泵等。琦睿電池科技擁有多件氫氣循環(huán)泵技術(shù)專(zhuān)利，自主研發(fā)出無(wú)油渦旋式氫氣循環(huán)泵。

恒友機(jī)電：

恒友機(jī)電與中國(guó)壓縮機(jī)研究所共同開(kāi)發(fā)空氣壓縮機(jī)、氫循環(huán)泵、水泵等產(chǎn)品，已建成年產(chǎn)1萬(wàn)套的先進(jìn)生產(chǎn)線(xiàn)和完善的品控體系，并與上海重塑科技、武漢雄韜股份、中氫科技、浙江氫途科技、明天氫能、武漢喜瑪拉雅光電等燃料電池系統(tǒng)廠(chǎng)家，以及中通客車(chē)、南京金龍、武漢開(kāi)沃、中植客車(chē)、上海申龍、佛山飛馳等整車(chē)企業(yè)實(shí)現(xiàn)配套。

蘭天達(dá)：

北京蘭天達(dá)汽車(chē)清潔燃料技術(shù)有限公司是伯肯節(jié)能子公司，從2015年開(kāi)始自主研究開(kāi)發(fā)燃料電池用大流量高壓減壓裝置、氫燃料系統(tǒng)高壓管路連接及密封可靠性研究。針對(duì)氫燃料電池汽車(chē)氫安全控制方面，北京蘭天達(dá)自主研發(fā)了氫泄漏傳感器、氫控制器等安全控制元件。在進(jìn)行車(chē)載供氫系統(tǒng)零部件國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)的同時(shí)，正在進(jìn)行大流量無(wú)油氫氣循環(huán)泵以及加注紅外通訊模塊的設(shè)計(jì)研發(fā)，同時(shí)利用航天的技術(shù)力量，推動(dòng)氫能關(guān)鍵技術(shù)及核心零部件的國(guó)產(chǎn)化和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

廣順新能源：

廣順新能源主要生產(chǎn)新能源燃料電池系統(tǒng)專(zhuān)用關(guān)鍵零部件燃料電池專(zhuān)用空氣壓縮機(jī)、新能源商用車(chē)無(wú)油電動(dòng)空壓機(jī)、氫氣循環(huán)泵等。廣順新能源起家于醫(yī)用設(shè)備研發(fā)，從2009年開(kāi)始涉足燃料電池領(lǐng)域，與中科院大連化學(xué)物理研究所、燃料電池國(guó)家工程技術(shù)研究中心、清華大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)及高校進(jìn)行合作研究。已向上汽集團(tuán)、長(zhǎng)江EV、五龍客車(chē)、中通、宇通、五洲龍等多家整車(chē)廠(chǎng)供應(yīng)零部件產(chǎn)品。

選擇的大都是引射器（因?yàn)橐淦骶哂泄?jié)省能耗，體積小、成本低等優(yōu)勢(shì)，且開(kāi)發(fā)難度低于循環(huán)泵），涉足引射器的公司則主要有鸞鳥(niǎo)電氣、浙江宏昇、未勢(shì)能源等企業(yè)。

杰鋒汽車(chē)動(dòng)力：

杰鋒汽車(chē)動(dòng)力是一家中美合資企業(yè)，自主研發(fā)了燃料電池空壓機(jī)、尾排消聲器、氫氣循環(huán)泵、密封閥等產(chǎn)品，杰鋒汽車(chē)動(dòng)力的氫循環(huán)泵包括羅茨式和渦旋式。截止今年4月底，公司氫泵訂單量比去年同期增長(zhǎng)50%左右。目前杰鋒氫泵已批量應(yīng)用在重塑、國(guó)鴻、億華通等系統(tǒng)廠(chǎng)家，預(yù)計(jì)今年氫泵出貨量將達(dá)2500PCS以上。

在產(chǎn)品規(guī)劃方面，杰鋒汽車(chē)動(dòng)力重點(diǎn)進(jìn)行匹配引射器串、并聯(lián)的集成一體式氫泵及不同電壓平臺(tái)的氫泵開(kāi)發(fā)，以適應(yīng)未來(lái)對(duì)燃料電池系統(tǒng)體積功率密度、重量功率密度的要求以及不同的應(yīng)用場(chǎng)景。

鸞鳥(niǎo)電氣：

鸞鳥(niǎo)電氣在2023年對(duì)外出貨了超過(guò)1000臺(tái)引射器，其中部分客戶(hù)采用的是純引射器解決方案。2024年以來(lái)，鸞鳥(niǎo)電氣的引射器訂單量同比去年翻了3倍。現(xiàn)階段，鸞鳥(niǎo)電氣擁有目前行業(yè)領(lǐng)先的低功率引射技術(shù)，引射能力最低可覆蓋至3kW，且通過(guò)低溫冷啟動(dòng)等技術(shù)驗(yàn)證。

浙江宏昇：

浙江宏昇研發(fā)的氫氣循環(huán)泵已更新至第五代，具備小功率、大流量等特點(diǎn)，受到了使用客戶(hù)的廣泛認(rèn)可。作為氫循環(huán)部件專(zhuān)業(yè)供應(yīng)商，浙江宏昇系列產(chǎn)品已成功服務(wù)于上汽集團(tuán)、宇通客車(chē)、北京億華通、國(guó)家電投等國(guó)內(nèi)知名企業(yè)。

未勢(shì)能源：

未勢(shì)能源幾乎覆蓋氫燃料電池車(chē)的全鏈條，燃料電池電堆、膜電極、空壓機(jī)、氫循環(huán)系統(tǒng)，儲(chǔ)氫系統(tǒng)及70MPa儲(chǔ)氫瓶、瓶閥、減壓閥等關(guān)鍵零部件都有生產(chǎn)。

參考資料：《燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)氫氣循環(huán)設(shè)計(jì)方案綜述》等