往復式液氫泵研究現(xiàn)狀及展望

陳正文 ，劉海山 ，韋志超 ，魯 飛 ，張興林 ，高攀龍 ，徐躍成 ，雷廣進

（1.合肥通用機械研究院有限公司，合肥 230031；2.寶雞石油機械有限責任公司 泵業(yè)分公司，陜西寶雞 721000；3.中油國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心有限公司，陜西寶雞 721002）

0 引言

氫能作為21世紀倍受全球高度重視的可再生清潔能源，在我國能源轉型中占有重要地位，廣泛應用于航天、交通、工業(yè)、電力等多個領域。氫能的制備、儲存、運輸?shù)仁菤淠茉聪到y(tǒng)的重要組成部分，其中，氫能的儲存通常有以下3種基本方法：壓縮氫氣、液氫和固體貯氫。固體貯氫尚處于實驗研究階段，技術不成熟；相較于壓縮氫氣，液氫密度大，具有較高的儲能密度，是更加理想的氫能儲存方式。此外，液氫也更適用于大容量、長距離的運輸［1-3］。

儲罐內(nèi)液氫的轉移或輸送，通常采用加壓擠出或低溫液體泵抽取兩種方式。對于輸送液氫的低溫液體泵，主要有離心式和往復式液氫泵兩種形式。離心式液氫泵以大型液氫渦輪泵為主，主要用于航天氫氧火箭發(fā)動機中氫燃料的輸送［4-5］，現(xiàn)在也逐漸向工業(yè)和民用方向發(fā)展；往復式液氫泵主要用于工業(yè)和民用液氫的輸送與加注。與離心式液氫泵一樣，往復式液氫泵因在系統(tǒng)中的位置不同，有外置式和潛液式之分。

相較于加壓擠出和離心式液氫泵，往復式液氫泵有以下特點［6-7］：

（1）用于液氫的輸送和加注，啟停非常迅速；

（2）尺寸較小，結構較簡單，可以解決航天液氫渦輪泵不能按比例縮小應用于小型發(fā)動機的難題；

（3）超低溫儲存加壓擠出存在安全性問題，往復式液氫泵可以靈活應對壓力和流量的變化，可用于多種領域；

（4）離心式液氫泵適用于低壓大流量場合，如Cryostar公司泵壓力0.3 MPa、流量233 kg/min；往復式液氫泵更適用于高壓小流量場合，如Linde公司泵壓力87.5 MPa、流量1.67 kg/min、ETI公司泵壓力42 MPa、流量4 kg/min等，尤其是在氫燃料汽車領域，往復式液氫泵應用于高壓和少量燃料的直噴式氫氣動力系統(tǒng)上，可以提高燃料利用率。

液氫作為一種超低溫液體燃料，常壓下其沸點為20 K，再加上液氫本身黏度極低，只有水的1/70，往復式液氫泵的設計和制造面臨泵材料選取、潤滑與密封、液氫汽化等多方面問題。此外，氫環(huán)境下氫原子進入材料并聚集，使得材料強度顯著降低，導致材料氫脆破壞失效。

1 往復式液氫泵類型

往復式液氫泵由動力端和液力端兩部分組成，根據(jù)動力端驅動方式的不同，有電機驅動往復式液氫泵和液壓驅動往復式液氫泵2種形式。

電機驅動往復式液氫泵如圖1所示［8］。

圖1 電機驅動往復式液氫泵［8］Fig.1 Motor driven reciprocating liquid hydrogen pump

動力端由電機、曲軸、連桿、十字頭等部件組成，通過電機帶動曲軸傳遞到十字頭往復運動，最終帶動液力端活塞的往復運動；液力端由活塞、吸入閥、排出閥等部件組成，通過活塞的往復運動，與液力端的吸入閥和排出閥配合，完成液氫的輸送［8］。

FURUHAMA等［9-10］在研究車載往復式液氫泵時，發(fā)現(xiàn)常見的往復式液氫泵驅動力是從電機通過曲軸、連桿和活塞桿傳到泵的活塞，在輸出沖程中，壓力作用在活塞桿上，需要活塞桿有足夠大橫截面積以避免產(chǎn)生變形或屈曲，但這會導致外界環(huán)境中較大熱量沿著活塞桿流入液氫泵系統(tǒng)中，造成低溫漏熱現(xiàn)象。

圖2示出了往復式液氫泵液力端原理。傳統(tǒng)的往復式液氫泵液力端結構如圖2（a）所示，其中壓縮力作用在驅動桿上，驅動桿容易彎曲變形；圖2（b）示出了改進型往復式液氫泵液力端設計，缸體是往復運動的，因此作用在桿上的力從而變成了拉伸力。改進型往復式液氫泵如圖3所示，該類型泵有如下優(yōu)點：（1）桿不會發(fā)生彎曲，就可以選取更小的橫截面積和長度更長的桿，從而減少了外界輸入泵體的熱流；（2）吸入閥安裝在往復運動缸體上，借助缸體往復運動的慣性力可以更加容易地打開和關閉閥門。改進型往復式液氫泵目前僅在FURUHAMA等［9-10］研制的車載燃料供應系統(tǒng)上有所應用，尚未見其他領域得到應用，原因可能是該結構僅適用于車載小尺寸應用。

圖2 往復式液氫泵液力端原理示意［10］Fig.2 Schematic diagram of hydraulicend of reciprocation liquid hydrogen pump

圖3 改進型往復式液氫泵［10］Fig.3 Improved reciprocating liquid hydrogen pump

PESCHKA［11］研究了小型車載式液壓驅動往復式液氫泵，發(fā)現(xiàn)該類型泵同樣也適用于加氫站中將液氫從液氫罐中輸送到汽化器。通常液壓驅動往復式液氫泵結構如圖4所示，其液力端工作原理與電機驅動往復式液氫泵相同，通過活塞的往復運動和吸入閥、排出閥啟閉配合，完成液氫的輸送；動力端內(nèi)常溫活塞通過支桿與冷端活塞相連，在高壓流體驅動常溫活塞往復運動下，帶動冷端活塞往復運動完成液氫輸送。

圖4 液壓驅動往復式液氫泵Fig.4 Hydraulically driven reciprocating liquid hydrogen pump

2 往復式液氫泵關鍵技術

往復式液氫泵的整體設計和選型中，需要著重考慮以下關鍵問題［8，12-14］。

（1）低溫漏熱。液氫溫度只有20 K，極易與外界環(huán)境產(chǎn)生熱交換，需要采用合理的方式減少外界熱量的輸入。

（2）泵體材料。液氫超低溫環(huán)境下，所選的材料需要在超低溫環(huán)境下依然保持良好的機械性能。同時，泵體需要選用合理的材料以避免氫脆現(xiàn)象帶來的影響。業(yè)已證明氫環(huán)境下銅及銅合金、鋁合金以及一些奧氏體不銹鋼等都可以正常工作。

（3）密封。液氫本身黏度極低，因而往復式液氫泵運行過程中缸體與活塞之間以及閥門處可能會存在大量的泄漏，設計時必須采用合理的密封方式。

除上述需注意關鍵點外，往復式液氫泵運行時也容易產(chǎn)生近飽和狀態(tài)液氫汽化，造成汽蝕問題，需采取手段將其控制在工程允許范圍內(nèi)。此外，由于溫度過低，沒有合適的潤滑劑，摩擦面必須在沒有潤滑劑和低摩擦的情況下工作，因而對往復式液氫泵運動部件結構和性能要求更高。

2.1 減少低溫漏熱

為盡可能地減少往復式液氫泵在超低溫環(huán)境下與外界環(huán)境的熱量交換，除了對液氫泵結構尺寸進行合理設計外，最常見就是潛液式設計。

2.1.1 潛液式設計

往復式液氫泵的潛液式設計是指將整個液氫泵置于液氫罐（杜瓦）中，可以減少系統(tǒng)漏熱［14-15］。電機驅動往復式液氫泵將低溫電機與泵集成置于液氫罐（杜瓦）內(nèi)，但電機放置在液氫罐中會導致系統(tǒng)過于復雜，因而推薦使用液壓驅動往復式液氫泵。如圖5所示，置于液氫罐中的往復式液氫泵，通過動力端管路與外界高壓流體動力源相連接提供往復動力。同外置式往復式液氫泵相比，潛液式設計有以下特點［15］：

圖5 液壓驅動潛液式往復式液氫泵Fig.5 Hydraulically driven submersible reciprocating liquid hydrogen pump

（1）無需預冷，系統(tǒng)啟動速度快；

（2）隔絕了氧氣，保證了整個系統(tǒng)的安全；

（3）減少了與外界環(huán)境的接觸，大大減少了低溫漏熱；

（4）緩解了泵汽蝕問題。潛液式往復式液氫泵需要注意合理設計，方便杜瓦內(nèi)有液氫情況下泵的安裝與拆卸。

2.1.2 其他減少漏熱設計

潛液式往復式液氫泵雖然可以大大減小漏熱現(xiàn)象，但其動力端局部端面和管路仍與外界環(huán)境接觸，無法避免。為減少熱傳遞的影響，基于設計方案的特點和泵運行原理，需進行合理設計，盡可能減小外漏部分面積。此外，為減少熱流，也可對泵的規(guī)格進行修改，將泵體做得細長，以實現(xiàn)盡可能小直徑長熱通道［16］。

2.2 泵體材料［14，17-21］

液氫在超低溫環(huán)境下，材料性能同常溫下相比會產(chǎn)生較大變化，低溫情況下，工程材料的極限強度、屈服強度、疲勞強度、疲勞極限都將增大，金屬材料硬度增大，材料的彈性模量將增大。因此，液氫泵對泵體材料性能要求較高，通過對液氫環(huán)境下材料性能進行研究，可為往復式液氫泵泵體材料的選取提供參考。

液氫泵泵體材料選擇需要具備以下特征：

（1）在液氫20 K超低溫環(huán)境下，要求材料能保持有較高的機械強度，并且有足夠的塑性和韌性，避免溫度變化時材料結構發(fā)生惡化影響泵的使用；

（2）考慮到氫脆現(xiàn)象，應選取抗氫脆材料；

（3）材料容易獲取且具有良好的工藝性能，在滿足經(jīng)濟性要求的同時保證設備使用的可靠性。

常用的低溫金屬材料有：

（1）304，316，321等鉻鎳奧氏體不銹鋼，適用于20 K環(huán)境下的液氫容器；18-8型鉻鎳奧氏體不銹鋼已不同程度地在-150～-269 ℃的深冷技術中得到應用；

（2）銅合金在20 K液氫環(huán)境下具有良好的低溫性能，拉伸強度達300 MPa、屈服強度達225 MPa；

（3）鋁合金材料在20 K液氫環(huán)境下，沒有低溫脆性，抗拉強度和屈服強度等在試驗條件下都有較大提高。

液氫泵泵體材料通常推薦使用321等奧氏體不銹鋼材料，但由于液氫材料低溫性能的復雜性，必須重視實際使用環(huán)境下材料性能測試。此外，由于氫原子易擴散到材料內(nèi)部，導致材料性能下降，因此必須重視材料的抗氫脆性研究，即材料的液氫相容性研究。

2.3 密封

由于液氫極低黏度帶來的限制，為使得往復式液氫泵性能達到預期設計目標，就必須處理好密封問題［14］。液氫密封材料必須在20 K超低溫環(huán)境下與液氫具有相容性，同時具有良好的回彈性能和韌性［22］。往復式液氫泵密封研究，重點需要關注閥門和活塞位置處的密封材料選取及密封結構設計。

2.3.1 閥門的密封

深冷環(huán)境下，可用于往復式液氫泵閥門的常用密封材料及類型如下。

（1）軟金屬材料：銦作為常見的深冷流體密封材料，通常被制成O型密封環(huán)。如圖6所示，銦密封件必須采用榫槽結構，且銦環(huán)體積要比密封槽體積大17%以上［23-24］。采用銦絲密封時，合理控制銦絲用量的同時也要注意保留合適的間隙［25］。同樣，也可以利用軟金屬銦深冷條件下的柔韌性，和鋁結合制成墊片或O型環(huán)，用作靜密封使用［22］。

圖6 銦密封［23］Fig.6 Indium seal

（2）金屬材料：鋁和不銹鋼都能在20 K超低溫環(huán)境下工作，耐腐蝕性能都較好，常被用于平墊片等密封件。但金屬材料的密封性和壓縮性一般較差，常與塑料類軟材料制成復合密封材料［26］。金屬材料也常用于C型環(huán)或O型環(huán)密封件的制作和使用，原因是：低膨脹合金等金屬材料在超低溫環(huán)境下可作為復合密封材料構件的骨架材料；高溫合金和不銹鋼（1Cr18Ni9Ti）在超低溫環(huán)境下仍然有一定的彈性［22］。

（3）非金屬材料：適用于液氫環(huán)境的非金屬密封材料主要以塑料材料為主，常見的有聚氨酯、氟塑料以及聚酰亞胺等［26］。如聚四氟乙烯（PTFE），在20 K至室溫環(huán)境下仍具有良好性能，低溫下具有自潤滑性能，適合制成密封材料［27］。

2.3.2 活塞的密封

往復式液氫泵的活塞和缸體之間極易產(chǎn)生泄漏，如果采用接觸式密封，雖然可以解決泄漏問題，但會影響到活塞的速度以及泵的使用壽命，因此推薦間隙密封方式。間隙密封的難點在于密封材料的選擇［14，28-29］。

聚四氟乙烯及其復合材料具有自潤滑性能，但深冷環(huán)境下因金屬與非金屬材料間熱膨脹的差異，會產(chǎn)生超預期的間隙。聚酰亞胺作為具有耐高溫低溫性能的高分子材料，深冷環(huán)境下拉伸后收縮性減小，同時因其優(yōu)異的自潤滑性能被廣泛應用于潤滑密封材料［30］。戰(zhàn)穎［14］選擇Vespel SP-1型純聚酰亞胺作為液氫泵活塞與缸體間的密封材料?；钊芊庠O計過程中，需通過試驗得到聚酰亞胺熱膨脹性能數(shù)據(jù)后，才能再進行活塞上密封環(huán)尺寸設計。

液力端液氫的泄漏主要發(fā)生在活塞壓縮過程中液氫壓力升高過程中，活塞和缸體之間的間隙越大，摩擦力越小，但泄漏量越大。為了減少泄漏，最好是活塞的外表面只在壓力升高時才向缸體壁面膨脹?？赏ㄟ^活塞形狀的設計提升液力端的密封性能，如圖7所示。

圖7 不同類型活塞［16］Fig.7 Different types of piston

圖7（a）所示為傳統(tǒng)活塞，圖 7（b）和 7（c）所示均為杯形活塞。當缸體內(nèi)的壓力作用于杯形活塞的杯狀壁時，杯狀壁會向外擴展，導致活塞與缸體間的間隙會變小。其中，圖7（b）示出的杯形活塞杯狀壁厚大于圖7（c）示出的杯狀壁厚，因此圖7（c）示出的活塞杯狀壁向缸體壁面的擴展比圖7（b）示出的要大得多，活塞與缸體之間間隙將會更?。?6］。

往復式液氫泵活塞和缸體軸線對齊是相當困難的。當活塞和缸體接觸產(chǎn)生摩擦時，摩擦力產(chǎn)生的熱量被釋放出來，使微量液氫氣化導致泵送不穩(wěn)定甚至停泵。此時為了減少摩擦產(chǎn)生的熱量，只能將活塞和缸體之間的間隙增大。但這會導致間隙泄漏的增加，泵的容積效率也會隨之降低［16］。通常有以下2種解決途徑：

（1）設計往復式液氫泵自動對中結構裝置，保證活塞與缸體的同軸度［8，16］；

（2）為保證間隙密封，必須要求零部件的高精密加工，保證活塞、缸體和活塞桿的圓柱度、垂直度等形位公差和零部件間的同軸度（對中性）。此外，精密的裝配也是實現(xiàn)往復式液氫泵液力端成功間隙密封的保證［14，31-32］。

3 往復式液氫泵應用

航天領域，2014年美國XCOR航空航天公司首次完成了往復式液氫泵輸送燃料進入火箭發(fā)動機的試驗。由于往復式液氫泵啟停迅速等優(yōu)點，開啟了航天軌道飛行新階段［33-34］。

工業(yè)和民用領域，往復式液氫泵通常用于液氫的輸送和轉移，目前德國Linde公司、美國ACD公司、法國Cryostar公司、英國ETI公司、瑞士Cryomec公司等都有往復式液氫泵相關產(chǎn)品。2009年中國科學院理化技術研究所李青等［15］在863計劃項目的支持下，設計出流量6 L/min、壓差0.7 MPa的電機驅動往復式液氫泵樣機。國內(nèi)尚未見潛液往復式液氫泵產(chǎn)品。

在氫燃料汽車領域，往復式液氫泵有以下2個方向的應用。

3.1 氫燃料汽車

20世紀80年代開始，日本武藏工業(yè)大學與尼桑公司合作研制氫燃料汽車，該系列氫燃料汽車已成為氫燃料汽車領域的標志性成果［35］。如圖8所示，武藏系列氫燃料汽車就是利用往復式液氫泵將液氫從液氫罐中抽出并輸送至熱交換器中汽化，最終在汽車發(fā)動機中將氫燃料化學能轉化為機械能。

圖8 氫燃料供應系統(tǒng)［12］Fig.8 Schematic diagram of hydrogen fuel supply system

目前，通用公司、寶馬公司、福特公司等都已成功研制出車載液氫儲罐供氫的概念汽車，但中國尚未實現(xiàn)液氫儲罐汽車上的應用［36］。

3.2 加氫站

從技術成熟度角度看，當前氫燃料汽車多以高壓氣態(tài)儲氫為主［37］，因此需要通過加氫站加注氫氣。加氫站根據(jù)氫相態(tài)不同，分為氣氫和液氫加氫站兩種，其中液氫加氫站以氣氫模塊為輔、液氫模塊為主［38］。如圖9所示，液氫加氫站液氫模塊中動力源站為液氫泵提供動力，通過液氫泵將地下液氫罐中的液氫注入汽化器中，經(jīng)高壓汽化器汽化變?yōu)楦邏簹鈿?，儲存在緩沖氣瓶中，最終通過加氣機為氫燃料汽車加注高壓氫氣。

圖9 液氫加氫站示意Fig.9 Schematic diagram of liquid hydrogen refueling station

圖9為英國ETI公司的潛液式往復式液氫泵示意，該液氫泵工作時液氫流量為4 kg/min、壓力為42 MPa，液氫泵置于液氫罐中始終保持低溫，減少了系統(tǒng)的維護和損失，提高整個系統(tǒng)的經(jīng)濟性能。GULILLAUME等［39-40］對德國Linde公司生產(chǎn)的往復式液氫泵進行試驗研究，該液氫泵通過兩級活塞運動輸送液氫，工作時液氫流量為1.67 kg/min、壓力為87.5 MPa，可在5 min內(nèi)為氫燃料汽車的高壓氫氣儲罐進行快速燃料補給，同時液氫泵可連續(xù)加注，適用于加氫站的使用。

4 總結與展望

往復式液氫泵的設計和研發(fā)過程中，需要著重考慮超低溫液氫環(huán)境下材料性能的變化，選擇合適的泵體和密封材料，防止發(fā)出現(xiàn)液氫泄漏和材料氫脆等問題。同時，考慮到減少漏熱、良好密封及泵緊湊性等要求，也要對往復式液氫泵進行合理的結構設計，并對整體結構進行應力分析。

《液氫生產(chǎn)系統(tǒng)技術規(guī)范》《液氫貯存和運輸安全技術要求》《氫能汽車用燃料液氫》3項國家標準研討會已于2019年10月召開，標準的實施必將進一步推動我國液氫行業(yè)的發(fā)展。往復式液氫泵作為液氫領域重要的儲運設備之一，目前國內(nèi)尚處于研發(fā)階段，但因其高效、緊湊、低成本、安全以及可用于商業(yè)化的特點，未來將會在電子、冶金、石油煉化、氫燃料汽車等領域有著更廣泛的應用，為我國氫能源行業(yè)的大規(guī)模、高效率和低成本儲運提供重要保障。