■本報見習記者 韓揚眉
氫燃料電池具有燃料能量轉化率高、噪聲低、零排放等優點，可廣泛應用於汽車、飛機、火車等交通工具。氫氣循環泵則是氫燃料電池發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，國產化迫在眉睫。
瞄準這一重大需求，近日，山東大學聯合天津大學、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單位正式啟動國家重點研發計劃「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泵研發」項目。
「整體而言，燃料電池氫氣循環泵目前仍處於初期階段，亟須加大研發力度，爭取走上完全自主智慧財產權的產業化發展道路。」該項目首席科學家、山東大學控制科學與工程學院教授賈磊在接受《中國科學報》採訪時說。
公認的難題
「如果說電堆是燃料電池的『心臟』，那氫氣循環泵就是『咽喉』，其主要功能是將燃料電池電堆內未反應氫氣循環再次利用，同時實現『吹掃』產物水，防止『水淹』，以提高氫氣利用效率和系統安全。」賈磊形象地說。
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。
武漢理工大學材料複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，在電堆內部建立一個較為穩定的氫氣流量。這個循環流可以相對獨立於電堆的氫氣消耗量，藉此改善電堆內氫氣的流量與壓力分布的均勻性，避免發生局部缺氫的情況。同時，其還有輔助排水或加溼的功能，減少氫氣吹掃排放量。
「然而，我國目前主要使用進口機型。」唐浩林指出，由於起步較早，國外在氫氣循環泵的設計、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，對具體研發技術指標也嚴格保密。
賈磊也表示，從技術角度，氫氣循環泵的設計和研發是一個公認難題，涉及大量激波、湍流和非線性系統控制等科學問題，急需科技力量推動相關行業的應用。
而從經濟角度，國內採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。「這就意味著，一輛汽車僅在供氫循環這個子系統中，就要採購8萬元以上的進口產品。如果實現技術完全自主化，成本就能降低60%以上，同時有助於解決燃料電池氫循環密封難、能耗高、壽命短等痛點。」賈磊說。
多種路線並行
當前，氫能及燃料電池行業發展勢頭正猛，氫氣循環泵也呈現出多種路線並行的局面。
賈磊表示，當前其技術方向分機械式循環泵和噴射泵兩種。機械式循環泵由於具有高速運轉部件，因此存在故障率高、密封差、難以實現無油防爆等問題，並且價格昂貴。相對而言，噴射泵的優勢則更為顯著，其主要原理是採用儲氫壓力勢能，通過射流負壓引射未反應氫氣，實現氫氣循環，無運轉部件，可靠性高、密封良好，是燃料電池氫氣循環泵的發展趨勢。
「現在，國內有很多廠家仍在研發機械式循環泵，但受限於加工技術等問題，現階段並不成熟，達不到產業化推廣應用的程度。噴射泵的研發就更少，只有少數幾家研究機構和企業在做。」賈磊說。
為解決噴射泵在燃料電池應用中遇到的問題，賈磊表示，目前採取的技術路線主要有噴射泵與機械泵結合方案、多級噴射泵引射並聯方案，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劣。機械泵的介入會對系統的安全可靠方面，如防爆降噪性能提出極高的要求；多級噴射泵並聯和新型集成式多噴管噴射泵也在系統的優化控制策略上面臨較大挑戰；多噴管噴射泵的內部結構精細複雜，結構設計和優化往往牽一髮而動全身，也存在不少需要重點突破的難題。
數十年來，賈磊團隊致力於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、測試等軟硬體平臺，在噴射泵內部流場分析和結構優化方面取得了諸多成果。該團隊針對燃料電池氫循環系統研製了集成度高，且可以階梯調節流量的多噴管噴射泵，與相關企業聯合研發樣機並小批量生產。
與此同時，唐浩林還提到渦旋式氫氣循環泵和爪式氫氣循環泵兩種技術路線，其中爪式氫氣循環泵具有無油、可靠、效率好、輸出壓力高等優點。當前，佔據國內約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泵產品。
近年來，雖然國內相關科研單位、氫氣循環泵企業、相關車企等，紛紛展開前期研究，以期研發高質量的設備產品，但都尚未成熟，面臨市場佔有率較低、知名度不足的窘境。
「一方面在於設計能力不足，另一方面缺乏具有高精度加工能力的工具機，難以達到加工的技術精度要求。同時，轉子與轉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化石能源的橋梁，是重要的清潔能源之一。世界主要發達國家日益重視氫能的發展，而發達國家在氫氣循環泵的先進發展經驗值得我國借鑑。
賈磊表示，諸如德國普旭、日本豐田織機、韓國現代等企業的產品，無論是爪式、羅茨式機械循環泵，還是噴射循環泵，均能滿足燃料電池氫循環應用的需求。在可靠性、小型化設計、與燃料電池系統化集成、全工況系統控制策略等方面，它們的成功經驗值得借鑑。
「合理的設計思想、嚴謹的開發流程、精細化的生產管理、嚴格的質量控制、科學的數據分析等，尤其值得我們學習。」唐浩林補充道。
當前，國內氫能與燃料電池產業發展形勢整體向好。今年9月，財政部、工業和信息化部、科技部、國家發展改革委、國家能源局聯合發布《關於開展燃料電池汽車示範應用的通知》，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範說明。此外，越來越多的地方政府也相繼出臺了氫能產業的扶持政策。
對於氫氣循環泵未來的發展，唐浩林建議，一方面要儘快從純仿製過渡到正向開發，以滿足目前市場上多種規格燃料電池系統的不同需求（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，為產品開發提供理論基礎。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泵麻雀雖小卻五臟俱全，需要國家整個先進位造工業體系、先進材料工業體系及先進氫能流體力學理論與仿真體系的支撐，更需要有長遠的戰略布局。」唐浩林說。
「隨著氫能應用與燃料電池乘用車的不斷推廣，其市場規模將進一步擴大，對氫氣循環泵也提出了更高的要求。」賈磊建議，未來要加大政策支持與引導，強化企業與研究機構產學研用相結合，關注氫噴射泵的優化設計、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、高校、科研院所等各方的通力協作，我國國產氫氣循環泵有望實現核心技術突破，市場佔有率大幅提升時刻將很快到來。」賈磊說。
《中國科學報》 (2020-11-25 第3版 能源化工)