高壓液氫泵研究進(jìn)展

韋 煒，何志龍，邢子文，呂金龍

（1.西安交通大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，西安 710049；2. 陜西秦泰工程勘察設(shè)計(jì)有限公司，西安 710075）

0 引言

加氫站建設(shè)是助力氫燃料汽車市場(chǎng)快速發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。目前全球已建成的加氫站中，有約2/3為技術(shù)較為成熟的氣氫加氫站［1］。不過，最近的研究指出，液氫加氫站顯現(xiàn)出了優(yōu)秀的應(yīng)用潛力［2-7］。尤其是在大型加氫站（規(guī)?！? 000 kg/天）中，相比氣氫加氫站，液氫站的設(shè)備成本與運(yùn)行成本更低。

液氫加氫站在經(jīng)濟(jì)性上取得優(yōu)勢(shì)的重要原因在于：（1）液氫存儲(chǔ)密度高、適應(yīng)大規(guī)模遠(yuǎn)距離儲(chǔ)運(yùn)［8-9］；（2）采用了高壓液氫泵。液氫泵與氫氣壓縮機(jī)對(duì)比，具有顯著的熱力學(xué)優(yōu)勢(shì)，液氫密度遠(yuǎn)大于氣氫，可以最大程度的減小壓縮功；采用液氫泵可以簡(jiǎn)化加氫站結(jié)構(gòu)，省去氫氣預(yù)冷器［10］。

加氫站加注時(shí)的供給壓力＞70 MPa，為滿足使用要求，液氫泵宜采用往復(fù)式結(jié)構(gòu)。由于液氫飽和溫度為20 K，往復(fù)式液氫泵的冷卻比較困難，主要面臨由汽蝕風(fēng)險(xiǎn)引起的安全問題，以及密封能力不足帶來的效率問題［11-12］。為了尋找更好的解決方案，本文結(jié)合高壓液氫泵的使用要求，回顧了高壓液氫泵為解決上述問題而不斷優(yōu)化結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷程，并從技術(shù)指標(biāo)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等方面介紹了高壓液氫泵的應(yīng)用成果，希望能提供一點(diǎn)參考意見，以加快相關(guān)技術(shù)的更新迭代。

1 工作原理

對(duì)于流量較小、排液壓力較大的低溫液體泵使用場(chǎng)合，往復(fù)泵是比較合適的。1942年，DANA［13］專利US2292617A首先提出了使用往復(fù)柱塞泵來泵送液氧。往復(fù)式液氫泵由原動(dòng)機(jī)、動(dòng)力端、液力端3大部分組成［14］。原動(dòng)機(jī)可通過電力、皮帶輪、液壓驅(qū)動(dòng)。動(dòng)力端將原動(dòng)機(jī)的動(dòng)力，通過減速機(jī)構(gòu)輸入，并將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為往復(fù)運(yùn)動(dòng)，一般為曲軸連桿機(jī)構(gòu)。液力端（又稱冷端）的作用，就是將低溫液體壓縮，使機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液體的壓力能，使排出液體的壓力升高。液力端中，設(shè)有吸入閥與排出閥，用以控制吸排液過程。

在液氫加氫站中，液氫泵將來自低壓儲(chǔ)罐（0.2 MPa）的液氫壓縮至高壓（＞70 MPa），高壓液氫在換熱器內(nèi)蒸發(fā)后加注到車輛上。

2 技術(shù)指標(biāo)

壓力：氫燃料電池汽車的續(xù)航里程對(duì)標(biāo)傳統(tǒng)燃油車，其車載氣罐儲(chǔ)氫量約4～7 kg，儲(chǔ)存壓力達(dá)70 MPa［15］（乘用車 70 MPa、重型卡車 35 MPa）。為了實(shí)現(xiàn)約3～5 min的加油時(shí)間目標(biāo)，加氫站必須供給更高壓力的氫氣，綜合考慮氫負(fù)J-T系數(shù)的膨脹熱與管路壓力損失，最高供給壓力可達(dá)87.5 MPa。

除了加氫站這一使用場(chǎng)合，液氫泵常用于儲(chǔ)罐的充注，此時(shí)工作壓力與其他往復(fù)低溫液體泵相似，在 20～36 MPa［16］。

汽蝕余量NPSH：工質(zhì)在吸入沖程中，由于管路的壓力損失，可能局部蒸發(fā)并產(chǎn)生氣泡。在壓縮沖程中，液體壓力增加到其飽和蒸氣壓以上時(shí)，氣泡立即凝結(jié)回液體。氣泡空腔塌陷過程中可能產(chǎn)生巨大的瞬時(shí)沖擊力，將導(dǎo)致填料、單向閥的迅速損壞，并逐漸侵蝕缸體，甚至?xí)?dǎo)致缸體的斷裂，這一現(xiàn)象就是汽蝕［17-18］。汽蝕現(xiàn)象嚴(yán)重影響了泵的安全運(yùn)行，通常用汽蝕余量作為判斷泵是否發(fā)生汽蝕的重要指標(biāo)。其含義為泵入口處液體所具有的總壓頭與飽和蒸氣壓之差，又稱凈吸入壓頭。汽蝕余量分為必需汽蝕余量NPSHr與有效汽蝕余量NPSHa。前者指泵不發(fā)生汽蝕的最小汽蝕余量，由泵本身結(jié)構(gòu)與制造質(zhì)量決定；后者指吸入管路所能提供的汽蝕余量。為使泵安全運(yùn)行，要求有效汽蝕余量大于必需汽蝕余量。增大汽蝕余量往往意味著成本的增加。因此，液氫泵在設(shè)計(jì)時(shí)以低汽蝕余量為目標(biāo)。

流量：泵的流量受各種條件的限制，通常來說，增大活塞平均速度可獲得更大流量。然而，在泵吸入沖程期間，根據(jù)伯努利方程，活塞較快的速度將引起進(jìn)口處較大的壓力損失，同時(shí)導(dǎo)致摩擦熱增加，提高了泵發(fā)生汽蝕的風(fēng)險(xiǎn)，從而增大汽蝕余量要求。若將泵缸直徑加大，又會(huì)導(dǎo)致泄漏增加。因此，現(xiàn)有產(chǎn)品泵缸組件尺寸較小，泵缸直徑≤50 mm，活塞行程≤55 mm；轉(zhuǎn)速較低，范圍在100～550 r/min 之間［19-20］。往復(fù)式低溫泵大流量實(shí)現(xiàn)仍是一大難題。為滿足加氫站約3 min加注時(shí)間要求，液氫泵峰值流量應(yīng)在1.5 kg/min左右，實(shí)際設(shè)計(jì)中，也可通過多列、并聯(lián)的設(shè)計(jì)來滿足流量要求。

3 發(fā)展歷程

低溫液體泵與常溫液體泵的不同之處在于：密封與冷卻問題突出，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)困難。為了滿足實(shí)際使用需要，往復(fù)低溫液體泵結(jié)構(gòu)上的發(fā)展歷程呈以下3個(gè)趨勢(shì)。

（1）增強(qiáng)冷卻與絕熱，保證液體過冷。

低溫液體泵運(yùn)行過程中始終面臨吸熱蒸發(fā)、產(chǎn)生汽蝕的風(fēng)險(xiǎn)。若能通過保持液體過冷的方法來降低飽和蒸氣壓，便可規(guī)避汽蝕風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)降低汽蝕余量的要求。除了安全性方面的考慮，增強(qiáng)冷卻還能減少泵啟動(dòng)前的預(yù)冷卻時(shí)間，提升工作效率。因此，設(shè)計(jì)合理的冷卻結(jié)構(gòu)以減小外界熱量的輸入，并快速移除壓縮熱與摩擦熱，是很有必要的。

1956年，RIEDE［21］提出了潛液式結(jié)構(gòu)（如圖1所示），即將往復(fù)柱塞泵的氣缸組件（冷端）浸沒到充滿液體工質(zhì)的杜瓦容器中，這種結(jié)構(gòu)可以最小化預(yù)冷卻時(shí)間。為了減小泵內(nèi)部出口處工質(zhì)向進(jìn)口處工質(zhì)的熱傳遞，1964 年，GOTTZMANN［22］針對(duì)液氦泵設(shè)計(jì)了在泵腔外加設(shè)真空夾套的結(jié)構(gòu)，以最小化液氦的蒸發(fā)。另一種手段是利用泄漏工質(zhì)。1979年，SCHUCK［23］認(rèn)為可適當(dāng)增加活塞與泵缸的間隙，利用泄漏工質(zhì)來冷卻泵缸。1983年，PEVZNER［24］提出在泵缸外加設(shè)一層冷卻夾套，該冷卻夾套可容納泄漏工質(zhì)，并允許其蒸發(fā)，從而冷卻泵缸。此外，這部分泄漏工質(zhì)通過特定管路排出。2014年SGAMBATI［25］針對(duì)液氫泵設(shè)計(jì)了2層冷卻夾套，內(nèi)層冷卻夾套沿用了PEVZNER的方案，而外層套在進(jìn)液噴嘴外，內(nèi)部通流液氫或液氦。

圖1 潛液式結(jié)構(gòu)Fig.1 Submerged structure

（2）多腔室設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)預(yù)壓縮與除去蒸發(fā)氣體。

除去蒸發(fā)氣體是另一種減小汽蝕風(fēng)險(xiǎn)、降低汽蝕余量要求的思路。實(shí)施途徑為多設(shè)置一個(gè)與進(jìn)液口相連的腔室，該腔室內(nèi)蒸發(fā)的氣體通過除氣管路排出。這種多腔室設(shè)計(jì)最初是為了克服潛液式結(jié)構(gòu)維護(hù)困難，杜瓦容器中的液體蒸發(fā)損失大［12］的缺點(diǎn)而被提出來的。所以也可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)冷卻的目的。

若該腔室在泵缸內(nèi)，即泵采用兩級(jí)結(jié)構(gòu)，低壓腔液體冷卻活塞并被初步壓縮。低壓腔液體進(jìn)入高壓腔時(shí)具有一定壓力，熱力學(xué)狀態(tài)偏離飽和狀態(tài)，因此在高壓腔內(nèi)的二級(jí)壓縮過程不會(huì)發(fā)生蒸發(fā)。

最早的多腔室液體泵由GOLZ［26］于1980年提出，其中設(shè)計(jì)有一個(gè)可動(dòng)活塞和一個(gè)固定活塞，如圖2（a）所示，可動(dòng)活塞與泵缸形成了低壓腔，可動(dòng)活塞上的裙部與固定活塞形成了高壓腔。其中裝在可動(dòng)活塞上的單向閥控制液體從低壓腔向高壓腔的流動(dòng)。同時(shí)，低壓腔內(nèi)的蒸發(fā)氣體可通過止回閥1，2排出。不過，該方案的一個(gè)缺點(diǎn)是裙部與固定活塞之間的密封較為困難。

NIERATSCHKER［27］于 1985 年公開的液氫泵專利中只設(shè)置了一個(gè)活塞，即泵缸設(shè)計(jì)成雙作用，如圖2（b）所示?；钊显O(shè)有內(nèi)部流道，液體通過內(nèi)部流道與單向閥從低壓腔進(jìn)入高壓腔。額外腔室的數(shù)量并沒有限制，HELMUT［28］和BROWN［29］在20世紀(jì)90年代提交的專利中設(shè)置了更多的腔室。BROWN在兩級(jí)泵缸外設(shè)有兩層外殼，兩層外殼之間形成吸液腔，進(jìn)一步提高了冷卻效果。此外，蒸發(fā)氣體在吸液腔中被除去。

圖2 多腔室設(shè)計(jì)Fig.2 Multi-chamber design

不過這種兩級(jí)泵缸的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，1993年，SPULGIS［30］為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，僅采用單級(jí)泵缸結(jié)構(gòu)，其活塞設(shè)有與進(jìn)液閥關(guān)聯(lián)的中空錐形液流導(dǎo)管，該導(dǎo)管與泵缸形成工作腔，吸液沖程蒸發(fā)的氣體可沿錐形孔壁從進(jìn)液閥逸出。2000年后出現(xiàn)的新結(jié)構(gòu)中，保留了吸液腔并采用單級(jí)泵缸［25，31］。其中，SGAMBATI S［25］在吸液腔內(nèi)設(shè)置過濾器，從而過濾可能損壞活塞的固體顆粒。

（3）增強(qiáng)密封件性能。

活塞環(huán)：活塞上有活塞環(huán)的稱為活塞泵、無活塞環(huán)的稱為柱塞泵。由于液氫泵的排出壓力很高（≥70 MPa），對(duì)泵的密封性要求很高，故一般都采用有活塞環(huán)的活塞泵結(jié)構(gòu)。高壓往復(fù)液氫泵的活塞和泵缸沒有可以在極低溫下使用的潤(rùn)滑劑，液氫的黏度也極低，0.1 MPa下飽和液氫的黏度為13.5 μPa·S，作為對(duì)比，飽和液氮的黏度為161 μPa·S，而水在 277 K 下的黏度為 1 575 μPa·S［32］，見表1。因此活塞環(huán)必須使用自潤(rùn)滑材料，如聚四氟乙烯以及聚四氟乙烯的填充材料。然而，活塞環(huán)與泵缸材料的線膨脹系數(shù)差異巨大，見表2。當(dāng)從環(huán)境溫度冷卻到77 K時(shí)，聚四氟乙烯的熱變形是不銹鋼的7倍，幾乎是FeNi36鋼的75倍。因此，活塞環(huán)的徑向收縮至關(guān)重要。

表1 不同液體黏度對(duì)比Tab.1 Viscosity comparison of different liquids

表2 活塞環(huán)與泵缸材料的線膨脹系數(shù)對(duì)比Tab.2 Comparison of linear expansion coefficients of piston ring and cylinder materials

對(duì)于無槽活塞環(huán)，為了減小冷卻時(shí)活塞與氣缸的間隙，1982 年，SHIYOUICHI［33］建議在活塞頭加設(shè)一圓柱形套筒，該套筒選擇熱膨脹系數(shù)低的材料，將間隙縮小為活塞環(huán)與泵缸收縮量之差。1984年，SCHUCK［34］設(shè)計(jì)了由密封環(huán)-擋圈-密封環(huán)構(gòu)成的活塞環(huán)組件，其中密封環(huán)選擇聚四氟乙烯材料，固定擋圈選擇低膨脹特性的金屬合金材料。1988年，WALTER［35］提出將活塞頭設(shè)計(jì)成錐形，冷卻時(shí)活塞環(huán)可沿軸向移動(dòng)到活塞頭直徑較大的位置，使得活塞環(huán)的最終收縮對(duì)應(yīng)于泵缸尺寸的收縮。CHALK［36］于2002年為雙作用兩級(jí)泵設(shè)計(jì)了兩件式活塞環(huán)組件，包括頂環(huán)、底環(huán)、用于軸向加載的第一彈簧和用于徑向加載的第二彈簧。當(dāng)?shù)诙?jí)進(jìn)液時(shí)，流體壓力傾向于將兩件式活塞環(huán)從活塞環(huán)壓蓋上抬起，軸向彈簧被壓縮，這時(shí)活塞環(huán)起止回閥的作用。

此外，活塞環(huán)可采用開槽結(jié)構(gòu)，活塞環(huán)的徑向收縮可通過使用鈹銅彈簧的預(yù)加載來補(bǔ)償。然而，這么設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)是增加了通過槽的泄漏，并使活塞環(huán)的加工變得困難［37］。

填料：針對(duì)液氫泵工況要求，目前填料組件主要采用泛塞密封，唇邊密封（多為純聚四氟乙烯制成）或兩者組合的形式，前段密封對(duì)液體工質(zhì)進(jìn)行密封，后端對(duì)蒸發(fā)的氣態(tài)工質(zhì)進(jìn)行密封。填料組件同樣選擇聚四氟乙烯或是其填充材料，也面臨低溫下零件的收縮問題。在低溫下，填料與活塞桿熱收縮的巨大差異增加了填料密封件中的應(yīng)力，從而導(dǎo)致冷流變形增加，最終導(dǎo)致了填料密封能力的下降。因此，需要輔助加熱來保證填料的密封能力。

1983年，PEVZNER［24］強(qiáng)調(diào)了輔助加熱對(duì)保證填料的密封能力的必要性。他給出的方案是在填料外部設(shè)置翅片，或是在填料外設(shè)置加熱流體夾套［38］，以增強(qiáng)環(huán)境向填料的熱傳遞。STREET［39］于2011年提出在冷端與熱端之間設(shè)置1個(gè)帶有窗口蓋的中間間隔件，通過窗口蓋向間隔件內(nèi)部吹掃常溫氮?dú)庖约訜崽盍?。朱登凱等［40］2013年公開的液體泵專利中則是在中間設(shè)置有儲(chǔ)氣腔及碟型彈簧，泄漏的液體工質(zhì)在中間段蒸發(fā)，形成氣封，儲(chǔ)氣腔外增設(shè)熱水流道，用以加熱后端密封件以及儲(chǔ)氣腔內(nèi)的氣態(tài)工質(zhì)。2017年，韋達(dá)［41］用帶有充氣孔的密封軸套替代了儲(chǔ)氣腔，通過充氣孔充入常溫常壓氮?dú)猓纬蓺夥狻?/p>

經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，低溫液體泵通過“做加法”的方式在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行迭代創(chuàng)新。在活塞-泵缸組件的基礎(chǔ)上，真空夾套、除氣通道、吸液腔室、帶補(bǔ)償功能的密封件等結(jié)構(gòu)逐步被添加，在生產(chǎn)實(shí)踐過程中被證實(shí)可行之有效地解決了冷卻與密封的問題，降低了汽蝕余量并提高了運(yùn)行效率，并成為了現(xiàn)有產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)配置。如今的差異化設(shè)計(jì)聚焦在腔室數(shù)量、是否采用二級(jí)壓縮、密封件補(bǔ)償形式等方面，需要在成本與性能的提升之間考量。例如，采用二級(jí)壓縮可以實(shí)現(xiàn)更好的冷卻并更達(dá)到更高的容積效率，但會(huì)使結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，為生產(chǎn)與維護(hù)帶來不便。

4 現(xiàn)有產(chǎn)品

ACD的高壓液氫泵產(chǎn)品有適用于充瓶的ACPD系列與適用于充罐的SGV系列［20］。兩者液力端均設(shè)有真空夾套，有助于最大限度地減少熱泄漏并減少產(chǎn)品損失，液力端與動(dòng)力端中間設(shè)有吹掃，內(nèi)部吹掃常溫氮?dú)庖约訜崽盍?，從而延長(zhǎng)填料壽命。其中，ACPD為單缸設(shè)計(jì)，泵缸直徑 30 mm，行程 32 mm；轉(zhuǎn)速 100～515 r/min，流量0.062～0.740 kg/min，工作壓力可達(dá) 41.4 MPa；SGV可提供1，2或3缸配置的模塊化機(jī)型，泵缸直徑50 mm，行程35 mm。工作壓力42 MPa，500 r/min下采用單缸配置時(shí)流量1.18 kg/min。ACD的液氫泵工作壓力滿足卡車加注35 MPa要求，但流量與1.5 kg/min還有一定差距。

Cryostar 推出了A-MRP 40/55-K LH2防爆撬裝活塞液氫泵，便于安裝與使用［19］。該系列具有1，2，3缸的不同型號(hào)，單缸配置時(shí)流量1.05 kg/min，流量調(diào)節(jié)方便。泵缸直徑40 mm，行程55 mm，工作壓力50 MPa。為實(shí)現(xiàn)70 MPa加注，其加注系統(tǒng)采用兩級(jí)方案，液氫泵泵送的氫在換熱器內(nèi)蒸發(fā)，由氫氣壓縮機(jī)從50 MPa加壓到70 MPa。其結(jié)構(gòu)上的突出特點(diǎn)是具有很大的吸液腔，且吸液腔的除氣管路位于傾斜布置的液力端的最高點(diǎn)，并與泵排液管路成45°角，這種結(jié)構(gòu)可達(dá)到最好的除氣效果。此外，大的吸液腔也更利于整個(gè)液力端的快速冷卻。

Linde產(chǎn)品最為成熟，已投入使用運(yùn)行［42］。研究人員對(duì)其在35，70 MPa加氫站中均進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明其完全滿足 J2601 標(biāo)準(zhǔn)［10，43］。尤其在70 MPa加氫站中，轉(zhuǎn)速200 r/min下，平均流量1.55 kg/min，最高工作壓力87.5 MPa，每千克H2能耗1.1 kW·h/kg，與氫氣壓縮機(jī)3 kW·h/kg的能耗對(duì)比，顯示出了液氫泵在能耗上的優(yōu)勢(shì)。Linde產(chǎn)品采用潛液式結(jié)構(gòu)，以最大幅度減小冷卻啟動(dòng)時(shí)間。同時(shí)采用雙作用兩級(jí)氣缸，低壓級(jí)起除氣與預(yù)壓縮作用，以確保高壓級(jí)中液氫不會(huì)蒸發(fā)。在低壓級(jí)，液氫被壓縮到0.6 MPa，隨后通過中空的活塞，經(jīng)中間閥門進(jìn)入高壓級(jí)。

各個(gè)液氫泵廠商的產(chǎn)品參數(shù)見表3。

表3 現(xiàn)有產(chǎn)品參數(shù)Tab.3 Parameters of existing product

5 發(fā)展展望

液氫泵的應(yīng)用熱點(diǎn)聚焦在加氫站上。與灌充20～36 MPa的使用場(chǎng)合相比，加氫站的要求要高得多。一個(gè)難點(diǎn)是如何在J 2601標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的70 MPa供給壓力下，盡可能地提高單個(gè)泵缸的流量。另一個(gè)難點(diǎn)則是在滿足性能指標(biāo)的同時(shí)，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)以降低成本。目前35 MPa加氫站液氫泵價(jià)格約75 000美元，但70 MPa加氫站液氫泵價(jià)格約650 000美元，遠(yuǎn)高于氫氣壓縮機(jī)的275 000美元。不過根據(jù)美國(guó)能源部的估計(jì)，70 MPa加氫站液氫泵價(jià)格到2050年有望降至200 000美元［44］。

本文從技術(shù)指標(biāo)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等方面對(duì)高壓液氫泵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，對(duì)高壓液氫泵的研究與生產(chǎn)具有指導(dǎo)與借鑒意義。