?氫燃料電池要驅動車輛、船只、無人機運行，還需要其他系統的輔助。電堆、氫氣供給循環系統、空氣供給系統、水熱管理系統等共同組成了氫燃料電池系統。其中?氫氣供給循環系統?主要負責調整氫氣的壓力、對氫氣進行加濕，以及為電堆及時提供充足的氫氣。

這一系統由氫氣瓶、瓶口閥、過流閥、過濾器、減壓閥、截止閥、汽水分離器、氫循環泵及管路和接頭組成。車載氫燃料電池供給循環系統的運轉程序是：燃料電池需要氫氣時，經過減壓/穩壓閥后，壓力降為所需要求，再通過電動調節閥、壓力傳感器、流量計和加濕器進入電堆進行反應，少量多余的氫氣進入氫氣循環系統，經過處理后將剩余物排入大氣。

本文主要介紹氫循環泵。它是氫燃料電池“八大件”之一。

什么是氫循環泵

氫循環泵就是負責向電堆連續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反應的正常進行。

對于燃料電池發動機這個心臟來說，作為“血液”的氫氣是否能高效循環反應，是動力能否順暢輸出的關鍵，而氫循環泵就像是一個“起搏器”，負責讓作為“血液”的氫氣正常為機器提供動力，因此也是氫燃料電池發動機的關鍵技術之一。

氫循環泵在氫燃料電池系統中運轉中的位置和作用

氫循環泵的主要功能

供氫的穩定性好有助于燃料電池耐久性，這是因為燃料電池車的電堆要求氫氣壓力為遠小于出口壓力，而壓力調節不當就很容易造成質子交換膜的永久損壞，因此氫氣壓力要保持穩定性。氫循環泵在氫燃料電池系統中就承擔的頭號任務就是保持穩定輸入氫氣。

不僅如此，氫氣循環系統還通過大量氫氣循環利用，保證燃料電池內的水平衡，并提高系統的經濟性。具體來說，在燃料電池反應堆中，輸入進的氫氣并不能完全參與反應，未參與反應的氫氣若直接排出，資源的浪費是一方面，更重要的是氫氣易燃易爆，直接排出有安全隱患！正是氫循環泵的參與既利用了這部分氫氣，增進了經濟性，還大大降低了安全隱患。

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

現階段，大功率氫燃料電池商用車是推動氫車應用的聚焦點，而設計高效可靠的氫循環系統對其性能至關重要。對于大功率燃料電池堆來說，系統中未消耗的氫氣需要再次循環利用以節約氫燃料提高續航里程，因此氫循環系統的性能對燃料電池的效率與壽命有著關鍵影響。

氫循環泵的分類

目前主流的氫氣循環泵類型分別羅茨式、爪式、渦旋式及葉片式四種，其中葉片式在國內市場較為少見。

· 羅茨式?：適用于高壓環境，具有較高的效率和穩定性。

· ??爪式?：適用于中壓環境，結構緊湊，維護方便。

??· 渦旋式?：適用于低壓環境，噪音較低，效率較高。

??· 葉片式?：適用于中低壓環境，結構簡單，維護方便。

目前羅茨式（左圖）、爪式兩種結構更加常用。

羅茨式循環泵

羅茨式循環泵主要靠泵腔內一對葉形轉子同步、反向旋轉的推壓作用來移動氣體而實現抽氣，具有較寬壓強范圍內有較大抽速、快速啟動、無油、結構緊湊、運轉維護費用低等優點，同時，由于羅茨泵大流量、噪音高的特點，常用于物流、重卡等載貨汽車。

爪式循環泵

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

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

渦旋式循環泵

渦旋式循環泵通過浮動式渦旋壓縮技術，產生精細的力平衡，是動定渦旋之間的摩擦損失最小化，提高了產品的壓縮效率、穩定性、可靠性及使用壽命，減小了使用成本，同時動定渦旋的無頂密封結構，避免了污染問題。

性能要求

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

氫循環泵的基本要求

氫循環泵的應用場景和技術優劣

?氫循環泵廣泛應用于燃料電池系統中，特別是在燃料電池汽車和固定式發電系統中。

氫循環泵的優點包括：

· 能夠適應不同的工況，通過調節轉速來滿足燃料電池的功率需求。

· 提高氫氣的利用率和安全性。

· 簡化系統結構，減少加濕器的使用。

缺點包括：

· 運行時會產生較大的寄生功率。

· 體積較大，噪音較高。

· 成本較高，維護較為復雜。

不容忽視的氫氣引射器

氫氣循環泵的優勢在于可以通過調節轉速以適應不同的電堆功率范圍，但是其體積大、噪聲高且會產生較大寄生功率。同時循環氫氣要求絕對無油，而氫氣又極易泄漏，因此氫泵的設計難度大、制造成本相對也更高些。

除了氫循環泵，近階段已經有多個廠商研發和應用氫氣引射器。引射器是一種利用射流使不同壓力的流體混合，來傳遞能力和質量的裝置。相比于氫氣循環泵，引射器無移動部件、結構簡單、運行可靠，而且無寄生功率，最大優勢在于節省能耗，并且引射器的體積能做到氫氣循環泵的三分之一，但實際成本還不到氫氣循環泵一半。其原理如下圖所示：

引射器工作原理

氫氣循環泵與引射器分別具有各自的優缺點。首先，循環泵具有容易控制，工作范圍廣泛，電堆內部反應均勻等優點；而引射器在小功率范圍無法工作，控制困難，電堆內部反應不均勻，回氫量小，怠速工況下水不斷積聚，導致吹掃頻繁，從而導致氫氣利用率降低等缺點。但未來引射器的設計要求其在怠速到全功率范圍內實現工作，并且不存在寄生功率消耗，以此彌補引射器的上述缺點。

另外引射器還具有成本低、設計簡單、質量體積小等優點。在資源方面，氫氣循環泵目前資源主要集中在小功率級別，大功率級別氫氣循環泵資源稀缺。

在應用中，已有一些整車廠將將設計研發的重點放在全功率范圍工作的引射器上。這是因為與氫氣循環泵相比，引射器是個純機械零部件，無寄生功率，結構簡單、成本低、體積小、可靠性高。出于降本的考慮，燃料電池企業在采用帶有引射器的方案。但其缺點也同樣明顯，難以適配燃料電池堆在寬范圍內的功率變化的氫氣引射需求。

對于氫燃料電池系統生產廠商來說，會根據各自產品的設計需求，有單純采用氫循環泵的，也有部分廠家采用氫氣引射器，還有部分系統供應商并未采用氫氣循環系統。國內氫循環泵是主流，但引射器使用量也在增長中。

組合起來是否更好？

既然各有優缺點，一些廠商也在嘗試將循環泵和引射器結合起來，并產生了五種組合方案。其一，單氫氣循環泵循環方案；其二，單引射器氫氣循環方案；其三，雙引射器氫氣循環方案；其四，引射器與氫氣循環泵并聯方案；其五，引射器與氫氣循環泵串聯方案。

綜合不同的應用模型分析發現，引射器和氫泵的串聯模式更能充分利用引射器的性能。從現實應用看，氫氣循環泵加引射器的方案正逐漸成為主流選擇。

重點企業

目前國內氫循環泵仍占主流，而且已經在逐步實現國產化，打破進口產品壟斷后，價格已經比進口產品低1/3左右。按照技術路線的不同，國內企業涉足氫循環泵的還有東德實業、瑞驅電動、雪人股份、漢鐘精機、南方德爾、濟南思明特、浙江恒友、伯肯子公司北京蘭天達等；而涉足引射器的公司則主要有杰鋒汽車動力、鸞鳥電氣、浙江宏昇、未勢能源等企業。

東德實業：

煙臺東德實業有限公司為冰輪海卓氫能研究院的孵化公司，專注于氫燃料電池車關鍵零部件空氣壓縮機和氫氣循環泵的研發和生產。目前，東德實業氫循環泵方面已具備完全自主知識產權。東德實業側重羅茨式氫氣循環泵生產，實現了100%國產化。2020年開始大批量供貨燃料電池氫氣循環泵，主要客戶有重塑、愛德曼、東方電氣、捷氫科技等。東德是國內外為數不多在試驗臺架真正用氫氣帶載運行10000多小時的廠家，可實現-34攝氏度低溫啟動，運行里程已經超過2000公里。

瑞驅科技：

瑞驅科技從2017年開始與上汽前瞻事業部聯合開發氫氣循環泵，2019年實現量產。2020年9月，瑞驅科技為上海汽車集團股份有限公司打造的新一批生產的氫氣循環泵下線，這是瑞驅電動在國內首次實現氫氣循環泵的國產化和量產化。在國內氫氣循環泵領域占據主流市場份額。

雪人股份：

雪人股主要從事壓縮機及機組、余熱回收膨脹發電機組、氫燃料電池空氣壓縮機、磁懸浮離心壓縮機、工商業制冰設備及制冰系統的研發、生產和銷售。從2015年開始全方位布局燃料電池產業，目前已向多家車企小批量供應氫燃料電池動力系統及系統核心零部件（空壓機、氫氣循環泵），合作伙伴包括廈門金龍、廈門金旅等車企。

艾爾科技：

北京艾爾航空科技有限責任公司擁有氫循環泵、控制閥等多項專利技術，核心技術團隊具有10年以上燃料電池系統零部件開發經驗。2020年4月，艾爾科技研制的爪式氫氣循環泵，實現了批量生產和銷售。據介紹，艾爾科技研制的爪式氫氣循環泵具有流量大、壓升高、穩定性好、免維護等特點，具備抗振動、耐-30℃至85℃溫度、可在濕熱環境下安全使用的特性。是國內氫氣循環泵主要供應商之一。

思科渦旋：

思科渦旋是由美籍華裔著名壓縮機專家倪詩茂博士創辦的中美合資企業。主要從事高性能渦旋壓縮機與真空泵的研發、生產和銷售，是開發渦旋式氫氣循環泵的典型企業。公司擁有多項原創性發明專利，占據無油浮動渦旋技術創新及應用較前沿地位。除東風以外，該公司產品也有供應給國內其他系統集成商。

凱瑞動力：

重慶凱瑞動力科技有限公司是中國汽研的全資子公司。凱瑞動力研發的氫氣循環泵外形類似汽車發動機，長度不到50厘米。它能將燃料電池堆出口未反應的氫氣再循環至燃料電池堆入口，提高氫氣利用率以及用氫安全。凱瑞動力研發出的氫氣循環泵，若換算成汽車正常行駛速度區間，相當于連續運轉超1萬個小時，早期同類進口產品使用壽命僅1000多個小時。

琦睿電池科技：

琦睿電池科技氫能事業部核心產品有燃料電池仿真系統、燃料電池增濕器、燃料電池離子過濾器、燃料電池水氣分離器、燃料電池引射器、燃料電池空壓機、燃料電池氫氣循環泵等。琦睿電池科技擁有多件氫氣循環泵技術專利，自主研發出無油渦旋式氫氣循環泵。

恒友機電：

恒友機電與中國壓縮機研究所共同開發空氣壓縮機、氫循環泵、水泵等產品，已建成年產1萬套的先進生產線和完善的品控體系，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廠家，以及中通客車、南京金龍、武漢開沃、中植客車、上海申龍、佛山飛馳等整車企業實現配套。

蘭天達：

北京蘭天達汽車清潔燃料技術有限公司是伯肯節能子公司，從2015年開始自主研究開發燃料電池用大流量高壓減壓裝置、氫燃料系統高壓管路連接及密封可靠性研究。針對氫燃料電池汽車氫安全控制方面，北京蘭天達自主研發了氫泄漏傳感器、氫控制器等安全控制元件。在進行車載供氫系統零部件國產化開發的同時，正在進行大流量無油氫氣循環泵以及加注紅外通訊模塊的設計研發，同時利用航天的技術力量，推動氫能關鍵技術及核心零部件的國產化和產業化進程。

廣順新能源：

廣順新能源主要生產新能源燃料電池系統專用關鍵零部件燃料電池專用空氣壓縮機、新能源商用車無油電動空壓機、氫氣循環泵等。廣順新能源起家于醫用設備研發，從2009年開始涉足燃料電池領域，與中科院大連化學物理研究所、燃料電池國家工程技術研究中心、清華大學等研究機構及高校進行合作研究。已向上汽集團、長江EV、五龍客車、中通、宇通、五洲龍等多家整車廠供應零部件產品。

選擇的大都是引射器（因為引射器具有節省能耗，體積小、成本低等優勢，且開發難度低于循環泵），涉足引射器的公司則主要有鸞鳥電氣、浙江宏昇、未勢能源等企業。

杰鋒汽車動力：

杰鋒汽車動力是一家中美合資企業，自主研發了燃料電池空壓機、尾排消聲器、氫氣循環泵、密封閥等產品，杰鋒汽車動力的氫循環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50%左右。目前杰鋒氫泵已批量應用在重塑、國鴻、億華通等系統廠家，預計今年氫泵出貨量將達2500PCS以上。

在產品規劃方面，杰鋒汽車動力重點進行匹配引射器串、并聯的集成一體式氫泵及不同電壓平臺的氫泵開發，以適應未來對燃料電池系統體積功率密度、重量功率密度的要求以及不同的應用場景。

鸞鳥電氣：

鸞鳥電氣在2023年對外出貨了超過1000臺引射器，其中部分客戶采用的是純引射器解決方案。2024年以來，鸞鳥電氣的引射器訂單量同比去年翻了3倍。現階段，鸞鳥電氣擁有目前行業領先的低功率引射技術，引射能力最低可覆蓋至3kW，且通過低溫冷啟動等技術驗證。

浙江宏昇：

浙江宏昇研發的氫氣循環泵已更新至第五代，具備小功率、大流量等特點，受到了使用客戶的廣泛認可。作為氫循環部件專業供應商，浙江宏昇系列產品已成功服務于上汽集團、宇通客車、北京億華通、國家電投等國內知名企業。

未勢能源：

未勢能源幾乎覆蓋氫燃料電池車的全鏈條，燃料電池電堆、膜電極、空壓機、氫循環系統，儲氫系統及70MPa儲氫瓶、瓶閥、減壓閥等關鍵零部件都有生產。

參考資料：《燃料電池發動機氫氣循環設計方案綜述》等