氢气循环泵是燃料电池氢气循环系统中的关键设备，其性能对氢燃料电池系统性能影响极大。所提出的高密封型齿轮爪式氢气循环泵由齿轮爪转子 I、齿轮爪转子 II、泵腔、轴、同步齿轮、电机和轴承等部件组成，如图 1 所示。相互啮合的齿轮爪转子 I 和 II 安装于平行轴上，在同步齿轮的带动下，两个齿轮爪式转子做同步异向双回转运动，进而完成氢气的输送。

图 1  高密封型齿轮爪式氢气循环泵的结构图

       所提出的齿轮爪式转子采用圆弧、高次曲线及其共轭曲线代替传统爪式转子的节圆型线，提出一种爪式转子间的新型曲折型啮合结构，进而构建一种新型高密封型齿轮爪式转子，有效解决了爪式转子间的气体泄漏问题，提高泵的容积效率。

       技术特点及技术指标：

       2022 年，国家能源局提出“十四五”现代能源体系规划，其主要目标是：能源保障更加安全有力、能源低碳转型成效显著、能源系统效率大幅提高等。为解决燃油汽车受化工能源储备限制， 且会造成环境污染等问题，燃料电池汽车因其高效率和低排放等优点，被认为是满足清洁能源需求的有效解决方案。氢气循环泵在氢燃料电池系统中负责为电堆输送特定压力及流量的洁净空气，为电堆反应提供必需的氧气，是燃料电池系统除电堆外最核心的零部件。

       氢气循环泵在燃料电池整个工况范围内具有良好的循环效果，且可以根据燃料电池工作状况进行主动调节，具有响应迅速、调节范围广的特点。当前行业中氢气循环泵的技术发展现状呈现出“爪式应用为主，多种技术路线并存”的局面，普旭与丰田的氢气循环泵均采用爪式技术路线并取得广泛应用。国内企业在氢气循环泵的研发制造方面投入了大量研发成本并取得了长足的进步，但是技术发展仍不是很成熟，在高品质大批量稳定供货和产品一致性方面与国际先进企业存在明显差距。而且， 由于氢气循环泵相关研究不充分，缺乏低泄漏和高密封特性的氢气循环泵，在一定程度上影响了氢气循环泵的推广和应用。总之，对比国外同行业，我国在氢气循环泵核心理论和关键技术研究方面仍存在明显短板，已严重制约我国氢燃料电池国产化进程。

       现有的爪式氢气循环泵的工作腔是由啮合间隙实现封闭的，相比于其它位置处的间隙，由节圆形成的爪式转子间的啮合间隙采用点与点的啮合方式；而且，由于氢气具有密度小、粘度低等特性，导致爪式转子间的气体泄漏大，严重阻碍了氢气循环泵性能的提高。因此， 如何减小转子间的气体泄漏、提高氢气循环泵的容积效率是需要攻克的关键问题。为此，采用采用圆弧、高次曲线及其共轭曲线代替传统爪式转子的节圆型线，提出一种爪式转子间的新型曲折型啮合结构，进而构建一种新型高密封型齿轮爪式转子，降低了泄漏，提高了容积效率。

       爪式转子结构和性能对比如表 1 所示。在结构方面，所提出的齿轮爪式转子采用的型线类型是传统爪式转子的 2 倍，齿轮爪式转子通过采用多种型线类型，使得转子间形成了曲折型啮合结构，同时型线类型的增加并没有使不光滑连接点有所增加，相同的爪臂厚度保留了传统爪式转子较好的力学性能。在性能方面，齿轮爪式转子的容积利用率要优于传统爪式转子，但两者相差不大。齿轮爪式转子间的啮合间隙长度明显高于传统爪式转子，间隙内的气体流动阻力增大，大大减小了转子间的气体泄漏。综上所述，采用圆弧、高次曲线及其共轭曲线代替传统爪式转子的节圆型线，既可以保证容积利用率和转子较好的力学性能，又在较大程度上减小了转子间的气体泄漏，提高爪式氢气循环泵的效率。

 

       所提出的齿轮爪式氢气循环泵打破了国外技术垄断，实现我国氢气循环泵驱动燃料电池氢气循环系统从跟跑到并跑，具有重要战略意义。

       应用领域：

       随着燃料电池技术的不断发展，燃料电池用氢气循环泵的市场呈现出不断扩大和细分化的趋势。目前，燃料电池用氢气循环泵的市场细分主要包括汽车、航空航天、新能源站、化工行业、能 源存储领域等多个领域。

       汽车领域是燃料电池用氢气循环泵最主要的应用场景之一。目前，许多汽车品牌在全球范围内推出了以氢燃料电池汽车为主的动力产品，这些产品涵盖了城市公交、出租车以及物流运输等多个领域。随着技术的不断进步和成本的降低，氢燃料电池汽车的市场将继续扩大。其中，氢气循环泵是氢燃料电池汽车的关键部件，是汽车领域一个重要的发展方向，随着技术进步和成本降低，氢燃料电池用氢气循环泵会变得更加高效、可靠和经济实用，其市场需求势必会继续扩大。因此，燃料电池用氢气循环泵市场的发展前景广阔。

       航空航天领域也是氢气循环泵的一个重要的应用场景。目前，一些国际航空航天公司已经开始将燃料电池技术引入航空航天领域，利用氢气循环泵为航空航天器提供电能和推动力。此外，新能源站、化工行业和能源存储领域也是氢气循环泵的重要应用场景。目前， 在国内外已出现新型的能源站，为广大用户提供燃料电池使用服务。在化工行业中，氢气循环泵可用于输送氢气；在能源存储领域中，氢气循环泵可用于储存能源和供电。

       综上所述，随着氢燃料电池用氢气循环泵的快速发展，氢气循环泵的市场呈现出多维化和细分化的趋势。尽管市场竞争日益激烈，但是随着技术创新和不断丰富的应用场景，氢气循环泵的市场前景非常广阔。

       2.  推广前景

       我国社会经济向着清洁型、节能型方向发展，节能减排、绿色能源成为了国家战略的核心支撑点。氢燃料电池用氢气循环泵行业的市场潜力巨大，具有广阔的应用前景，主要有以下几点原因：

     （1）新能源燃料电池汽车在贯彻落实节能减排和实现碳中和方面发挥着重要作用，根据《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》，至 2025 年中国氢燃料电池车保有量达到 5 万辆，2035 年达到 130 万辆，2050 年达到500万辆。按 1:1 配套测算，未来仅是氢燃料电池汽车领域就有超百万台的潜在增长空间，氢燃料电池及氢气循环泵市场发展潜力巨大。

     （2）现有燃料电池用氢气循环泵泄漏大、效率低。随着社会经济建设向着清洁型和节能型的方向加速推进，普通氢气循环泵已无法满足国家建设需求。在这个新的发展阶段，对氢气循环泵的要求更加迫切和具有挑战性。此外，现有氢气循环泵存在型线不光滑、存在不光滑连接点、易出现应力集中等问题，需改进方面较多。研发一种新型氢气循环泵有着很大的产值空间，且国内氢燃料电池汽车等领域市场巨大，即使存在同行竞争，本项目也具有足够的生存空间。

     （3）本项目以核心关键设备的研发起步，当设备销售趋于稳定时，依托中国石油大学（华东）的雄厚技术优势，以科研为基础，以关键设备为先导，以技术服务为推动力，具备良好的可持续竞争优势，项目成长空间广阔。依托中国石油大学（华东）的深远影响以及项目组在流体机械方面的丰富经验，项目开展具备巨大的竞争优势。

       1.  主要面向的行业产业

       随着燃料电池技术的不断发展，燃料电池用氢气循环泵的市场呈现出不断扩大和细分化的趋势。目前，燃料电池用氢气循环泵的市场细分主要包括汽车、航空航天、新能源站、化工行业、能 源存储领域等多个领域。

       汽车领域是燃料电池用氢气循环泵最主要的应用场景之一。目前，许多汽车品牌在全球范围内推出了以氢燃料电池汽车为主的动力产品，这些产品涵盖了城市公交、出租车以及物流运输等多个领域。随着技术的不断进步和成本的降低，氢燃料电池汽车的市场将继续扩大。其中，氢气循环泵 是氢燃料电池汽车的关键部件，是汽车领域一个重要的发展方向，随着技术进步和成本降低，氢燃料电池用氢气循环泵会变得更加高效、可靠和经济实用，其市场需求势必会继续扩大。因此，燃料 电池用氢气循环泵市场的发展前景广阔。

       航空航天领域也是氢气循环泵的一个重要的应用场景。目前，一些国际航空航天公司已经开始将燃料电池技术引入航空航天领域，利用氢气循环泵为航空航天器提供电能和推动力。此外，新能源站、化工行业和能源存储领域也是氢气循环泵的重要应用场景。目前， 在国内外已出现新型的能 源站，为广大用户提供燃料电池使用服务。在化工行业中，氢气循环泵可用于输送氢气；在能源存 储领域中，氢气循环泵可用于储存能源和供电。

       综上所述，随着氢燃料电池用氢气循环泵的快速发展，氢气循环泵的市场呈现出多维化和细分化的趋势。尽管市场竞争日益激烈，但是随着技术创新和不断丰富的应用场景，氢气循环泵的市场前景非常广阔。

       2.  推广前景

       我国社会经济向着清洁型、节能型方向发展，节能减排、绿色能源成为了国家战略的核心支撑点。氢燃料电池用氢气循环泵行业的市场潜力巨大，具有广阔的应用前景，主要有以下几点原因：

    （1）新能源燃料电池汽车在贯彻落实节能减排和实现碳中和方面发挥着重要作用，根据《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》，至 2025 年中国氢燃料电池车保有量达到 5 万辆，2035 年达到 130 万辆，2050 年达到500万辆。按 1:1 配套测算，未来仅是氢燃料电池汽车领域就有超百万台的潜在增长空间，氢燃料电池及氢气循环泵市场发展潜力巨大。

    （2）现有燃料电池用氢气循环泵泄漏大、效率低。随着社会经济建设向着清洁型和节能型的方 向加速推进，普通氢气循环泵已无法满足国家建设需求。在这个新的发展阶段，对氢气循环泵的要求更加迫切和具有挑战性。此外，现有氢气循环泵存在型线不光滑、存在不光滑连接点、易出现应力集中等问题，需改进方面较多。研发一种新型氢气循环泵有着很大的产值空间，且国内氢燃料电池汽车等领域市场巨大，即使存在同行竞争，本项目也具有足够的生存空间。

    （3）本项目以核心关键设备的研发起步，当设备销售趋于稳定时，依托中国石油大学（华东）的雄厚技术优势，以科研为基础，以关键设备为先导，以技术服务为推动力，具备良好的可持续竞 争优势，项目成长空间广阔。依托中国石油大学（华东）的深远影响以及项目组在流体机械方面的丰富经验，项目开展具备巨大的竞争优势。

       投入需求：

       1.  资金

       确定投资规模：2023 年为本产品研发阶段，研发期为期一年。使用中国石油大学（华东）的实验场地、试验设备，期间预测研发成本为 900 万元。

       寻找资金来源：引进外部投资，包括自有资金、银行贷款、风险投资、政府支持。

       编制投资预算：通过分析青岛市地区 2023  年用地价格、场地租金、平均人均工资、日常水电杂项费用以及产品研发所需设备、原材料等价格水平，为达到上述工作内容，现拟定各项费用。

 

       风险评估和控制：分散投资，资金分散投资于不同的资产类别、行业或地区，减少单一投资的风险，降低整体投资组合的波动性；设定合理的风险容忍度和止损策略，制定明确的止损策略；根据资产的表现和目标的变化，调整各类资产的权重分配；通过定期评估和调整，确保投资组合与自身的风险偏好和目标保持一致。

       寻求合作伙伴：团队与合肥通用机械研究院有限公司压缩机技术国家重点实验室、生产厂家（山东凯恩真空技术有限公司、山东泽一真空设备有限公司等）建立了密切友好的合作关系，也可进行核心零部件的加工，提供硬件支撑。

        2.  场地

       场地选址：选址于青岛市黄岛区，青岛黄岛区位于青岛市最东端，是青岛市重要的经济窗口，供应链交通便利性，经济发展迅速，还拥有丰富的矿产资源和海洋资源，为经济发展提供了强有力的支撑，具有强大的产业基础和良好的产业结构，黄岛区已经形成了以海洋经济、高端装备制造、信息技术、文化旅游等为主的产业体系。黄岛区具有优秀的人文环境和社会服务。黄岛区社会治安稳定，政府服务优质，场地选址符合相关的法律法规和环境保护要求。

       场地面积：根据生产设备、生产线、仓库等需求确定所需的场地面积，场地面积约为 5000m3，充分考虑了产品生产的规模、生产流程和人员活动区域。

       厂房结构和设备布局：厂房结构包括生产车间、仓储区、设备维护区等，生产线布局合理，以提高生产效率和工作流程的顺畅性。

       环境和设施要求：由专业建筑公司规划，环境需考虑泵的产业化相关，包含通风、排水、废水处理等功能，设施能包含电力、给排水、通风系统。

       安全防护和管理：配备必要的安全设施和防护设备。包括：

     （1）检测、报警设施：压力、温度、液位、流量、组份等报警设施，可燃气体、有毒有害气体、氧气等检测和报警设施，用于安全检查和安全数据分析等检验检测设备、仪器。

     （2）设备安全防护设施：防护罩、防护屏、负荷限制器、行程限制器，制动、限速、防雷、防潮、防晒、防冻、防腐、防渗漏等设施，传动设备安全锁闭设施，电器过载保护设施，静电接地设施。

     （3）防爆设施：各种电气、仪表的防爆设施，作业场所的防辐射、防静电、防噪音、通风、防护栏、防滑、防灼烫等设施。

     （4）安全警示标志：包括各种指示、警示作业安全和逃生避难及风向等警示标志。

       环境评估和审批：团队针对场地和设施进行环境评估。通过项目初评、编制环境影响评价报告、意见征询和环境影响报告审定，获得相关部门的审批和许可。

       团队与专业设计和规划公司合作，共同设计场地和设施，根据具体情况进行场地策划，确保场地和设施符合生产需求和规范。

        3.  设施

       生产设备：液压机、注塑机、机床、测试设备铸设备、机械加工设备（车削加工、铣床加工、磨床加工、钳工划线、钻孔攻丝）、表面处理设备、半成品入库设备。

       生产线布局：

     （1）原材料储存与供应区域：将原材料储存单独设置在离生产车间较近的地方，方便物料的取用，同时应配备载物设备。

     （2）加工和装配区域：依据工艺流程安排冲压、车铣、钻攻、装配等工序在不同区域和单元中进行，尽可能缩短各自之间的距离和时间。

     （3）成品入库和货架管理区域：配置专门负责成品入库、发货和完成货架管理等功能的区域，确保成品的冷却、入库和发货等工作得到准确高效完成。

     （4）物流配套和库房管理区域：考虑整个生产线物料的进出、库房陈列和搬运等问题，在生产车间附近设置合适的物流配套和库房管理设施，尽可能将物料储存、搬运和交流等过程优化起来。

       仓储设施：包括配件仓库、生产车间、成品仓库、无尘车间、处理车间。配件仓库的面积为 1000m3 左右，分为两层，第一层高约 2.5m，第二层高约 3m。仓库的设施设备包括叉车、手推车、手动液压搬运车，托盘、货架。

       实验室和测试设备：拥有多台数控加工中心（型号 MV-50）、数控车床（型号 CKA6126/650）、 数控铣床（型号 XK9650A、TOM850A）；拥有三坐标测量机和 CPC-400C 型光学三维扫描仪，能够进行设备的加工与检测；拥有 1 台 Dell Xeon SP T7920 型工作站，1 台 Dell PowerEdgeT620 型工作站，2 台 Dell PowerEdge T320 服务器，常规计算机 10 台，可实现多节点并行计算，拥有多套高性能商业用 CFD 软件和分析计算软件，如 FLUENT 、ANSYS 等，能够进行开展相关计算。

       环境和安全设施：通风系统、应急照明、消防设备、安全防护设备等。

       办公区及配套设施：办公设施，包括办公室、会议室、员工休息室等，员工福利设施，包括食堂、娱乐区等。基础设施：电力供应、给排水、通讯网络。

       专利授权及申请情况：

       1 、国家发明专利：一种用于燃料电池的单齿空压机及其转子的设计方法（授权）

       成果受资助及获奖情况：

       1 、国家自然科学基金面上项目，52176029 ，燃料电池用无油爪式压缩机气体动 态掺混机理及对增压热力循环的影响，2022-01 至 2025-12；

       技术成熟程度：☑研制开发阶段  

       拟合作方式： ☑合作开发