氫燃料電池具有燃料能量轉(zhuǎn)化率高、噪聲低、零排放等優(yōu)點，可廣泛應用于汽車、飛機、火車等交通工具。氫氣循環(huán)泵則是氫燃料電池發(fā)動機的關鍵部件之一。
然而，如此關鍵的核心部件，我國卻要依賴進口，國產(chǎn)化迫在眉睫。
瞄準這一重大需求，近日，山東大學聯(lián)合天津大學、武漢理工大學、中船重工第七一二研究所、濰柴動力等7家科研院所和企事業(yè)單位正式啟動國家重點研發(fā)計劃“可再生能源與氫能技術”重點專項“車用燃料電池噴射式氫氣再循環(huán)泵研發(fā)”項目。
“整體而言，燃料電池氫氣循環(huán)泵目前仍處于初期階段，亟須加大研發(fā)力度，爭取走上完全自主知識產(chǎn)權的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展道路?！痹擁椖渴紫茖W家、山東大學控制科學與工程學院教授賈磊在接受采訪時說。
公認的難題
“如果說電堆是燃料電池的‘心臟’，那氫氣循環(huán)泵就是‘咽喉’，其主要功能是將燃料電池電堆內(nèi)未反應氫氣循環(huán)再次利用，同時實現(xiàn)‘吹掃’產(chǎn)物水，防止‘水淹’，以提高氫氣利用效率和系統(tǒng)安全?！辟Z磊形象地說。
不僅如此，作為燃料電池的核心部件之一，氫氣循環(huán)泵對保證氫氣安全、改善嚴寒啟動性能、延長燃料電池壽命等，都起著重要作用。
武漢理工大學材料復合新技術國家重點實驗室教授唐浩林向《中國科學報》介紹，氫氣循環(huán)泵的主要功能是通過連接電堆氫氣端的入口與出口，在電堆內(nèi)部建立一個較為穩(wěn)定的氫氣流量。這個循環(huán)流可以相對獨立于電堆的氫氣消耗量，藉此改善電堆內(nèi)氫氣的流量與壓力分布的均勻性，避免發(fā)生局部缺氫的情況。同時，其還有輔助排水或加濕的功能，減少氫氣吹掃排放量。
“然而，我國目前主要使用進口機型?！碧坪屏种赋?，由于起步較早，國外在氫氣循環(huán)泵的設計、密封、帶液操作和防爆等方面都進行了深入的研究，儲備了較為全面的技術，對具體研發(fā)技術指標也嚴格保密。
賈磊也表示，從技術角度，氫氣循環(huán)泵的設計和研發(fā)是一個公認難題，涉及大量激波、湍流和非線性系統(tǒng)控制等科學問題，急需科技力量推動相關行業(yè)的應用。
而從經(jīng)濟角度，國內(nèi)采購的機械泵單套設備價格就可能超過4萬元，配套整車生命周期一般需要兩套設備系統(tǒng)?！斑@就意味著，一輛汽車僅在供氫循環(huán)這個子系統(tǒng)中，就要采購8萬元以上的進口產(chǎn)品。如果實現(xiàn)技術完全自主化，成本就能降低60%以上，同時有助于解決燃料電池氫循環(huán)密封難、能耗高、壽命短等痛點?！辟Z磊說。
多種路線并行
當前，氫能及燃料電池行業(yè)發(fā)展勢頭正猛，氫氣循環(huán)泵也呈現(xiàn)出多種路線并行的局面。
賈磊表示，當前其技術方向分機械式循環(huán)泵和噴射泵兩種。機械式循環(huán)泵由于具有高速運轉(zhuǎn)部件，因此存在故障率高、密封差、難以實現(xiàn)無油防爆等問題，并且價格昂貴。相對而言，噴射泵的優(yōu)勢則更為顯著，其主要原理是采用儲氫壓力勢能，通過射流負壓引射未反應氫氣，實現(xiàn)氫氣循環(huán)，無運轉(zhuǎn)部件，可靠性高、密封良好，是燃料電池氫氣循環(huán)泵的發(fā)展趨勢。
“現(xiàn)在，國內(nèi)有很多廠家仍在研發(fā)機械式循環(huán)泵，但受限于加工技術等問題，現(xiàn)階段并不成熟，達不到產(chǎn)業(yè)化推廣應用的程度。噴射泵的研發(fā)就更少，只有少數(shù)幾家研究機構(gòu)和企業(yè)在做?！辟Z磊說。
為解決噴射泵在燃料電池應用中遇到的問題，賈磊表示，目前采取的技術路線主要有噴射泵與機械泵結(jié)合方案、多級噴射泵引射并聯(lián)方案，以及新型多噴管集成式噴射泵方案。
但這幾種技術路線各有優(yōu)劣。機械泵的介入會對系統(tǒng)的安全可靠方面，如防爆降噪性能提出極高的要求；多級噴射泵并聯(lián)和新型集成式多噴管噴射泵也在系統(tǒng)的優(yōu)化控制策略上面臨較大挑戰(zhàn)；多噴管噴射泵的內(nèi)部結(jié)構(gòu)精細復雜，結(jié)構(gòu)設計和優(yōu)化往往牽一發(fā)而動全身，也存在不少需要重點突破的難題。
數(shù)十年來，賈磊團隊致力于噴射泵理論及相關技術的研究，建有噴射理論與應用實驗室和噴射泵仿真、研發(fā)、測試等軟硬件平臺，在噴射泵內(nèi)部流場分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面取得了諸多成果。該團隊針對燃料電池氫循環(huán)系統(tǒng)研制了集成度高，且可以階梯調(diào)節(jié)流量的多噴管噴射泵，與相關企業(yè)聯(lián)合研發(fā)樣機并小批量生產(chǎn)。
與此同時，唐浩林還提到渦旋式氫氣循環(huán)泵和爪式氫氣循環(huán)泵兩種技術路線，其中爪式氫氣循環(huán)泵具有無油、可靠、效率好、輸出壓力高等優(yōu)點。當前，占據(jù)國內(nèi)約90%的市場份額的德國普旭公司在中國推廣應用的就是爪式氫氣循環(huán)泵產(chǎn)品。
近年來，雖然國內(nèi)相關科研單位、氫氣循環(huán)泵企業(yè)、相關車企等，紛紛展開前期研究，以期研發(fā)高質(zhì)量的設備產(chǎn)品，但都尚未成熟，面臨市場占有率較低、知名度不足的窘境。
“一方面在于設計能力不足，另一方面缺乏具有高精度加工能力的機床，難以達到加工的技術精度要求。同時，轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子腔表面處理工藝仍未過關，耐磨性和耐腐蝕性均待提升。”唐浩林坦言。
未來可期
氫是連接可再生能源與傳統(tǒng)化石能源的橋梁，是重要的清潔能源之一。世界主要發(fā)達國家日益重視氫能的發(fā)展，而發(fā)達國家在氫氣循環(huán)泵的先進發(fā)展經(jīng)驗值得我國借鑒。
賈磊表示，諸如德國普旭、日本豐田織機、韓國現(xiàn)代等企業(yè)的產(chǎn)品，無論是爪式、羅茨式機械循環(huán)泵，還是噴射循環(huán)泵，均能滿足燃料電池氫循環(huán)應用的需求。在可靠性、小型化設計、與燃料電池系統(tǒng)化集成、全工況系統(tǒng)控制策略等方面，它們的成功經(jīng)驗值得借鑒。
“合理的設計思想、嚴謹?shù)拈_發(fā)流程、精細化的生產(chǎn)管理、嚴格的質(zhì)量控制、科學的數(shù)據(jù)分析等，尤其值得我們學習?！碧坪屏盅a充道。
當前，國內(nèi)氫能與燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展形勢整體向好。今年9月，財政部、工業(yè)和信息化部、科技部、國家發(fā)展改革委、國家能源局聯(lián)合發(fā)布《關于開展燃料電池汽車示范應用的通知》，對燃料電池汽車推廣應用和氫能供應的補貼辦法進行了具體的規(guī)范說明。此外，越來越多的地方政府也相繼出臺了氫能產(chǎn)業(yè)的扶持政策。
對于氫氣循環(huán)泵未來的發(fā)展，唐浩林建議，一方面要盡快從純仿制過渡到正向開發(fā)，以滿足目前市場上多種規(guī)格燃料電池系統(tǒng)的不同需求（車用、電站型用途及其它特種需求等）；另一方面要提升兩相流（氫氣與水）流體動力輸送理論研究水平，為產(chǎn)品開發(fā)提供理論基礎。此外，還要注意全面考慮，而非只是單一細分方向的突破。
“燃料電池專用氫氣循環(huán)泵麻雀雖小卻五臟俱全，需要國家整個先進制造工業(yè)體系、先進材料工業(yè)體系及先進氫能流體力學理論與仿真體系的支撐，更需要有長遠的戰(zhàn)略布局?！碧坪屏终f。
“隨著氫能應用與燃料電池乘用車的不斷推廣，其市場規(guī)模將進一步擴大，對氫氣循環(huán)泵也提出了更高的要求?！辟Z磊建議，未來要加大政策支持與引導，強化企業(yè)與研究機構(gòu)產(chǎn)學研用相結(jié)合，關注氫噴射泵的優(yōu)化設計、降成本及全工況下的長壽命、高可靠控制策略等核心關鍵技術。
“相信通過政府職能部門、企業(yè)、高校、科研院所等各方的通力協(xié)作，我國國產(chǎn)氫氣循環(huán)泵有望實現(xiàn)核心技術突破，市場占有率大幅提升時刻將很快到來。”賈磊說。
文章來源：中國科學報
