科普 | 什么是氢循环泵？

‌氢燃料电池要驱动车辆、船只、无人机运行，还需要其他系统的辅助。电堆、氢气供给循环系统、空气供给系统、水热管理系统等共同组成了氢燃料电池系统。其中‌氢气供给循环系统‌主要负责调整氢气的压力、对氢气进行加湿，以及为电堆及时提供充足的氢气。

这一系统由氢气瓶、瓶口阀、过流阀、过滤器、减压阀、截止阀、汽水分离器、氢循环泵及管路和接头组成。车载氢燃料电池供给循环系统的运转程序是：燃料电池需要氢气时，经过减压/稳压阀后，压力降为所需要求，再通过电动调节阀、压力传感器、流量计和加湿器进入电堆进行反应，少量多余的氢气进入氢气循环系统，经过处理后将剩余物排入大气。

本文主要介绍氢循环泵。它是氢燃料电池“八大件”之一。

什么是氢循环泵

氢循环泵就是负责向电堆连续提供一定压力和流量的高纯度氢气，保证燃料电池电堆中的电化学反应的正常进行。

对于燃料电池发动机这个心脏来说，作为“血液”的氢气是否能高效循环反应，是动力能否顺畅输出的关键，而氢循环泵就像是一个“起搏器”，负责让作为“血液”的氢气正常为机器提供动力，因此也是氢燃料电池发动机的关键技术之一。

氢循环泵在氢燃料电池系统中运转中的位置和作用

氢循环泵的主要功能

供氢的稳定性好有助于燃料电池耐久性，这是因为燃料电池车的电堆要求氢气压力为远小于出口压力，而压力调节不当就很容易造成质子交换膜的永久损坏，因此氢气压力要保持稳定性。氢循环泵在氢燃料电池系统中就承担的头号任务就是保持稳定输入氢气。

不仅如此，氢气循环系统还通过大量氢气循环利用，保证燃料电池内的水平衡，并提高系统的经济性。具体来说，在燃料电池反应堆中，输入进的氢气并不能完全参与反应，未参与反应的氢气若直接排出，资源的浪费是一方面，更重要的是氢气易燃易爆，直接排出有安全隐患！正是氢循环泵的参与既利用了这部分氢气，增进了经济性，还大大降低了安全隐患。

与此同时，氢循环泵将‌燃料电池堆出口的高湿气体循环输送回入口，使得氢气入口省去了额外的加湿系统，精简了燃料电池系统。

现阶段，大功率氢燃料电池商用车是推动氢车应用的聚焦点，而设计高效可靠的氢循环系统对其性能至关重要。对于大功率燃料电池堆来说，系统中未消耗的氢气需要再次循环利用以节约氢燃料提高续航里程，因此氢循环系统的性能对燃料电池的效率与寿命有着关键影响。

氢循环泵的分类

目前主流的氢气循环泵类型分别罗茨式、爪式、涡旋式及叶片式四种，其中叶片式在国内市场较为少见。

· 罗茨式‌：适用于高压环境，具有较高的效率和稳定性。

· ‌‌爪式‌：适用于中压环境，结构紧凑，维护方便。

‌‌· 涡旋式‌：适用于低压环境，噪音较低，效率较高。

‌‌· 叶片式‌：适用于中低压环境，结构简单，维护方便。

目前罗茨式（左图）、爪式两种结构更加常用。

罗茨式循环泵

罗茨式循环泵主要靠泵腔内一对叶形转子同步、反向旋转的推压作用来移动气体而实现抽气，具有较宽压强范围内有较大抽速、快速启动、无油、结构紧凑、运转维护费用低等优点，同时，由于罗茨泵大流量、噪音高的特点，常用于物流、重卡等载货汽车。

爪式循环泵

爪式氢气循环泵有两个朝相反方向旋转的爪形转子，爪形转子吸入、压缩、排出气体，转子不会相互接触或与外壳接触，转子和腔室外壳之间的间隙极小，可保证内部具有良好的密封性，也可保证一直维持较高的体积流量。

爪式循环泵具有无油、可靠性好、效率高、输出压力高等优点，流量约300-400L/min，其噪声水平较低（75dB），适合载人的轿车、大巴车等汽车。

涡旋式循环泵

涡旋式循环泵通过浮动式涡旋压缩技术，产生精细的力平衡，是动定涡旋之间的摩擦损失最小化，提高了产品的压缩效率、稳定性、可靠性及使用寿命，减小了使用成本，同时动定涡旋的无顶密封结构，避免了污染问题。

性能要求

相比于普通气泵，氢气循环泵需要达到良好的密封性能、低震动噪音、低温冷启动、涉氢安全性、EMC抗电磁干扰、耐腐蚀性等要求。

氢循环泵的基本要求

氢循环泵的应用场景和技术优劣

‌氢循环泵广泛应用于燃料电池系统中，特别是在燃料电池汽车和固定式发电系统中。

氢循环泵的优点包括：

· 能够适应不同的工况，通过调节转速来满足燃料电池的功率需求。

· 提高氢气的利用率和安全性。

· 简化系统结构，减少加湿器的使用。

缺点包括：

· 运行时会产生较大的寄生功率。

· 体积较大，噪音较高。

· 成本较高，维护较为复杂。

不容忽视的氢气引射器

氢气循环泵的优势在于可以通过调节转速以适应不同的电堆功率范围，但是其体积大、噪声高且会产生较大寄生功率。同时循环氢气要求绝对无油，而氢气又极易泄漏，因此氢泵的设计难度大、制造成本相对也更高些。

除了氢循环泵，近阶段已经有多个厂商研发和应用氢气引射器。引射器是一种利用射流使不同压力的流体混合，来传递能力和质量的装置。相比于氢气循环泵，引射器无移动部件、结构简单、运行可靠，而且无寄生功率，最大优势在于节省能耗，并且引射器的体积能做到氢气循环泵的三分之一，但实际成本还不到氢气循环泵一半。其原理如下图所示：

引射器工作原理

氢气循环泵与引射器分别具有各自的优缺点。首先，循环泵具有容易控制，工作范围广泛，电堆内部反应均匀等优点；而引射器在小功率范围无法工作，控制困难，电堆内部反应不均匀，回氢量小，怠速工况下水不断积聚，导致吹扫频繁，从而导致氢气利用率降低等缺点。但未来引射器的设计要求其在怠速到全功率范围内实现工作，并且不存在寄生功率消耗，以此弥补引射器的上述缺点。

另外引射器还具有成本低、设计简单、质量体积小等优点。在资源方面，氢气循环泵目前资源主要集中在小功率级别，大功率级别氢气循环泵资源稀缺。

在应用中，已有一些整车厂将将设计研发的重点放在全功率范围工作的引射器上。这是因为与氢气循环泵相比，引射器是个纯机械零部件，无寄生功率，结构简单、成本低、体积小、可靠性高。出于降本的考虑，燃料电池企业在采用带有引射器的方案。但其缺点也同样明显，难以适配燃料电池堆在宽范围内的功率变化的氢气引射需求。

对于氢燃料电池系统生产厂商来说，会根据各自产品的设计需求，有单纯采用氢循环泵的，也有部分厂家采用氢气引射器，还有部分系统供应商并未采用氢气循环系统。国内氢循环泵是主流，但引射器使用量也在增长中。

组合起来是否更好？

既然各有优缺点，一些厂商也在尝试将循环泵和引射器结合起来，并产生了五种组合方案。其一，单氢气循环泵循环方案；其二，单引射器氢气循环方案；其三，双引射器氢气循环方案；其四，引射器与氢气循环泵并联方案；其五，引射器与氢气循环泵串联方案。

综合不同的应用模型分析发现，引射器和氢泵的串联模式更能充分利用引射器的性能。从现实应用看，氢气循环泵加引射器的方案正逐渐成为主流选择。

重点企业

目前国内氢循环泵仍占主流，而且已经在逐步实现国产化，打破进口产品垄断后，价格已经比进口产品低1/3左右。按照技术路线的不同，国内企业涉足氢循环泵的还有东德实业、瑞驱电动、雪人股份、汉钟精机、南方德尔、济南思明特、浙江恒友、伯肯子公司北京兰天达等；而涉足引射器的公司则主要有杰锋汽车动力、鸾鸟电气、浙江宏昇、未势能源等企业。

东德实业：

烟台东德实业有限公司为冰轮海卓氢能研究院的孵化公司，专注于氢燃料电池车关键零部件空气压缩机和氢气循环泵的研发和生产。目前，东德实业氢循环泵方面已具备完全自主知识产权。东德实业侧重罗茨式氢气循环泵生产，实现了100%国产化。2020年开始大批量供货燃料电池氢气循环泵，主要客户有重塑、爱德曼、东方电气、捷氢科技等。东德是国内外为数不多在试验台架真正用氢气带载运行10000多小时的厂家，可实现-34摄氏度低温启动，运行里程已经超过2000公里。

瑞驱科技：

瑞驱科技从2017年开始与上汽前瞻事业部联合开发氢气循环泵，2019年实现量产。2020年9月，瑞驱科技为上海汽车集团股份有限公司打造的新一批生产的氢气循环泵下线，这是瑞驱电动在国内首次实现氢气循环泵的国产化和量产化。在国内氢气循环泵领域占据主流市场份额。

雪人股份：

雪人股主要从事压缩机及机组、余热回收膨胀发电机组、氢燃料电池空气压缩机、磁悬浮离心压缩机、工商业制冰设备及制冰系统的研发、生产和销售。从2015年开始全方位布局燃料电池产业，目前已向多家车企小批量供应氢燃料电池动力系统及系统核心零部件（空压机、氢气循环泵），合作伙伴包括厦门金龙、厦门金旅等车企。

艾尔科技：

北京艾尔航空科技有限责任公司拥有氢循环泵、控制阀等多项专利技术，核心技术团队具有10年以上燃料电池系统零部件开发经验。2020年4月，艾尔科技研制的爪式氢气循环泵，实现了批量生产和销售。据介绍，艾尔科技研制的爪式氢气循环泵具有流量大、压升高、稳定性好、免维护等特点，具备抗振动、耐-30℃至85℃温度、可在湿热环境下安全使用的特性。是国内氢气循环泵主要供应商之一。

思科涡旋：

思科涡旋是由美籍华裔著名压缩机专家倪诗茂博士创办的中美合资企业。主要从事高性能涡旋压缩机与真空泵的研发、生产和销售，是开发涡旋式氢气循环泵的典型企业。公司拥有多项原创性发明专利，占据无油浮动涡旋技术创新及应用较前沿地位。除东风以外，该公司产品也有供应给国内其他系统集成商。

凯瑞动力：

重庆凯瑞动力科技有限公司是中国汽研的全资子公司。凯瑞动力研发的氢气循环泵外形类似汽车发动机，长度不到50厘米。它能将燃料电池堆出口未反应的氢气再循环至燃料电池堆入口，提高氢气利用率以及用氢安全。凯瑞动力研发出的氢气循环泵，若换算成汽车正常行驶速度区间，相当于连续运转超1万个小时，早期同类进口产品使用寿命仅1000多个小时。

琦睿电池科技：

琦睿电池科技氢能事业部核心产品有燃料电池仿真系统、燃料电池增湿器、燃料电池离子过滤器、燃料电池水气分离器、燃料电池引射器、燃料电池空压机、燃料电池氢气循环泵等。琦睿电池科技拥有多件氢气循环泵技术专利，自主研发出无油涡旋式氢气循环泵。

恒友机电：

恒友机电与中国压缩机研究所共同开发空气压缩机、氢循环泵、水泵等产品，已建成年产1万套的先进生产线和完善的品控体系，并与上海重塑科技、武汉雄韬股份、中氢科技、浙江氢途科技、明天氢能、武汉喜玛拉雅光电等燃料电池系统厂家，以及中通客车、南京金龙、武汉开沃、中植客车、上海申龙、佛山飞驰等整车企业实现配套。

兰天达：

北京兰天达汽车清洁燃料技术有限公司是伯肯节能子公司，从2015年开始自主研究开发燃料电池用大流量高压减压装置、氢燃料系统高压管路连接及密封可靠性研究。针对氢燃料电池汽车氢安全控制方面，北京兰天达自主研发了氢泄漏传感器、氢控制器等安全控制元件。在进行车载供氢系统零部件国产化开发的同时，正在进行大流量无油氢气循环泵以及加注红外通讯模块的设计研发，同时利用航天的技术力量，推动氢能关键技术及核心零部件的国产化和产业化进程。

广顺新能源：

广顺新能源主要生产新能源燃料电池系统专用关键零部件燃料电池专用空气压缩机、新能源商用车无油电动空压机、氢气循环泵等。广顺新能源起家于医用设备研发，从2009年开始涉足燃料电池领域，与中科院大连化学物理研究所、燃料电池国家工程技术研究中心、清华大学等研究机构及高校进行合作研究。已向上汽集团、长江EV、五龙客车、中通、宇通、五洲龙等多家整车厂供应零部件产品。

选择的大都是引射器（因为引射器具有节省能耗，体积小、成本低等优势，且开发难度低于循环泵），涉足引射器的公司则主要有鸾鸟电气、浙江宏昇、未势能源等企业。

杰锋汽车动力：

杰锋汽车动力是一家中美合资企业，自主研发了燃料电池空压机、尾排消声器、氢气循环泵、密封阀等产品，杰锋汽车动力的氢循环泵包括罗茨式和涡旋式。截止今年4月底，公司氢泵订单量比去年同期增长50%左右。目前杰锋氢泵已批量应用在重塑、国鸿、亿华通等系统厂家，预计今年氢泵出货量将达2500PCS以上。

在产品规划方面，杰锋汽车动力重点进行匹配引射器串、并联的集成一体式氢泵及不同电压平台的氢泵开发，以适应未来对燃料电池系统体积功率密度、重量功率密度的要求以及不同的应用场景。

鸾鸟电气：

鸾鸟电气在2023年对外出货了超过1000台引射器，其中部分客户采用的是纯引射器解决方案。2024年以来，鸾鸟电气的引射器订单量同比去年翻了3倍。现阶段，鸾鸟电气拥有目前行业领先的低功率引射技术，引射能力最低可覆盖至3kW，且通过低温冷启动等技术验证。

浙江宏昇：

浙江宏昇研发的氢气循环泵已更新至第五代，具备小功率、大流量等特点，受到了使用客户的广泛认可。作为氢循环部件专业供应商，浙江宏昇系列产品已成功服务于上汽集团、宇通客车、北京亿华通、国家电投等国内知名企业。

未势能源：

未势能源几乎覆盖氢燃料电池车的全链条，燃料电池电堆、膜电极、空压机、氢循环系统，储氢系统及70MPa储氢瓶、瓶阀、减压阀等关键零部件都有生产。

参考资料：《燃料电池发动机氢气循环设计方案综述》等