潤(rùn)滑油行業(yè)在可再生氫全產(chǎn)業(yè)鏈的應(yīng)用及展望

梁 湘

（中國(guó)石化潤(rùn)滑油有限公司，北京 100085）

氫能由于其熱值高、主要來源為水、零碳排放、可運(yùn)輸可儲(chǔ)存等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是我國(guó)調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)的重要一環(huán)，目前全國(guó)已形成“3＋2”氫燃料電池產(chǎn)業(yè)示范城市群發(fā)展格局。2022 年3 月，國(guó)家發(fā)展改革委和能源局聯(lián)合印發(fā)首個(gè)國(guó)家層面的氫能規(guī)劃《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃（2021—2035年）》，迎來政策機(jī)遇的氫能產(chǎn)業(yè)必將成為未來經(jīng)濟(jì)中一個(gè)極為重要的新增長(zhǎng)點(diǎn)。

在氫能的油液技術(shù)配套方面，傳統(tǒng)潤(rùn)滑油行業(yè)在一定程度上表現(xiàn)出行動(dòng)滯后、認(rèn)知不深和市場(chǎng)被動(dòng)。本文以可再生能源電解制氫（簡(jiǎn)稱可再生氫）為例，系統(tǒng)梳理氫能全產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵設(shè)備的潤(rùn)滑需求，匯總目前潤(rùn)滑油行業(yè)在這一新興領(lǐng)域業(yè)務(wù)拓展所面臨的問題，共同探討和展望潤(rùn)滑油行業(yè)在氫能領(lǐng)域的發(fā)展路徑。

1 氫能全產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵設(shè)備潤(rùn)滑油液需求

1.1 上游制氫環(huán)節(jié)

據(jù)中國(guó)氫能聯(lián)盟統(tǒng)計(jì)[1]，國(guó)內(nèi)氫氣能源結(jié)構(gòu)主要為煤制氫、天然氣制氫和工業(yè)副產(chǎn)氫，占比分別為63.54%、13.76%和21.18%，電解水制氫占比僅1.52%。預(yù)計(jì)到2050 年，我國(guó)可再生氫比例將逐步提升至70%，增量空間巨大。

作為典型的可再生氫技術(shù)，電解水制氫主要有堿性電解水、質(zhì)子交換膜（PEM）電解水和固體氧化物電解水（SOEC，尚未達(dá)到商業(yè)化推廣的程度）3種技術(shù)。國(guó)內(nèi)堿性電解水技術(shù)成熟，成本低，運(yùn)行壽命可達(dá)20年，是短期推廣電解水制氫的優(yōu)先技術(shù)路線。PEM電解水制氫擁有功率范圍寬、響應(yīng)時(shí)間短、產(chǎn)氫純度高、無污染、運(yùn)營(yíng)成本低、設(shè)備小巧分布靈活等優(yōu)點(diǎn)，但相比堿性電解水設(shè)備在產(chǎn)業(yè)化推廣方面存在成本高昂的明顯劣勢(shì)。堿性電解水和PEM電解水制氫技術(shù)的過程結(jié)構(gòu)相似，均使用堿液循環(huán)泵、補(bǔ)水泵等將電解液（堿液或純水）送入電解槽進(jìn)行電解。過程中使用的泵設(shè)備、逆變器（風(fēng)電制氫會(huì)采用逆變器冷卻液，光伏制氫功率較小，風(fēng)冷即可）和變壓器（目前采用干式變壓器），均使用少量常規(guī)油脂產(chǎn)品或者是無油設(shè)備，無新潤(rùn)滑需求。

1.2 中游加氫站環(huán)節(jié)

常壓常溫下，氫為氣體，體積大，密度小，使用效率較低。氫能完成生產(chǎn)后運(yùn)輸?shù)接脷溲b置通常需要轉(zhuǎn)化儲(chǔ)存狀態(tài)，包括高壓氣態(tài)儲(chǔ)存、低溫液化儲(chǔ)存、有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫和固態(tài)儲(chǔ)氫4種形式。目前我國(guó)加氫站以35 MPa高壓氣態(tài)儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)路線為主，逐步開始推進(jìn)70 MPa高壓氣態(tài)加氫站和液氫加氫站的建設(shè)和設(shè)備研發(fā)。其中，液氫站的民用示范項(xiàng)目極少且均尚未商業(yè)化運(yùn)營(yíng)，故本部分重點(diǎn)探討高壓氣態(tài)加氫站。

圖1 為兩種儲(chǔ)運(yùn)加氫技術(shù)路線。其中高壓氣態(tài)儲(chǔ)運(yùn)加氫的流程中，使用22 MPa 氫氣壓縮機(jī)進(jìn)行罐裝，運(yùn)輸?shù)郊託湔竞笮稓?、壓縮并儲(chǔ)存在45 MPa或90 MPa的固定式高壓氫儲(chǔ)罐中以備加注時(shí)使用。該過程中的關(guān)鍵設(shè)備是加氫壓縮機(jī)，主流選型包括隔膜式和液驅(qū)往復(fù)式兩種。

圖1 高壓氣態(tài)和液氫儲(chǔ)運(yùn)加氫技術(shù)路線

1）隔膜式壓縮機(jī)

隔膜式壓縮機(jī)通過隔膜將燃料電池用氫和油分隔開，能夠有效防止氫氣被污染，是在中高壓（22 MPa和45 MPa）和大流量場(chǎng)景需求下最為廣泛采用的加氫壓縮機(jī)機(jī)型。

用3 層金屬片作為隔膜，隔膜的油側(cè)充滿液壓油，在活塞的帶動(dòng)下傳遞往復(fù)壓力，完成對(duì)隔膜另一側(cè)氣室壓縮與舒張；同時(shí)通過油泵使得油在油路中循環(huán)帶出熱量的同時(shí)完成對(duì)曲軸箱的潤(rùn)滑。值得關(guān)注的是，在氣體壓縮腔側(cè)，氫氣壓縮最高瞬時(shí)溫度可達(dá)200℃，熱量會(huì)通過3層金屬片迅速傳遞到油側(cè)。雖然目前在高壓壓縮機(jī)的機(jī)頭部分配套冷卻降溫，但對(duì)于油品，尤其是90 MPa以上的隔膜壓縮機(jī)配套用油的高溫抗氧化、抗結(jié)焦、抗泡性能方面有著較高要求。另外，氫燃料電池的特色應(yīng)用場(chǎng)景是低溫冷啟動(dòng)，配套在部分高寒地區(qū)加氫隔膜壓縮機(jī)的油品有對(duì)應(yīng)的低溫要求。

2）液驅(qū)往復(fù)式壓縮機(jī)

液驅(qū)往復(fù)式壓縮機(jī)可以理解為是將曲軸換成液壓元件的往復(fù)式活塞壓縮機(jī)。相比隔膜式壓縮機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)是體積小，效率高，可以頻繁啟停，可輸出超高氫氣壓力，是國(guó)內(nèi)目前70 MPa以上加氫站的主選機(jī)型。

從用油角度分析，液壓油與高溫氣體壓縮腔相隔較遠(yuǎn)，其工作溫度一般為50℃，對(duì)油品抗氧化性能和抗泡性能的要求不如隔膜式壓縮機(jī)用油高。

3）加氫站公用工程

上文提到的加氫壓縮機(jī)，尤其是壓縮氫氣的出口端溫度較高，需要持續(xù)冷卻。這部分的冷卻管路被納入到加氫站公用工程當(dāng)中，其冷卻工質(zhì)需滿足兩點(diǎn)需求。一是冷卻液需防凍。出于安全考慮，加氫壓縮機(jī)及其冷卻管路一般放置在空曠的戶外，在冬季或者高寒地區(qū)，公用工程管道中的冷卻液需要兼顧防凍需求?？筛鶕?jù)不同的環(huán)境溫度選擇不同冰點(diǎn)的防凍液產(chǎn)品。二是需對(duì)氫氣進(jìn)行預(yù)冷。在氫氣加注過程中，氫氣從高壓的儲(chǔ)罐中經(jīng)過膨脹進(jìn)入到低壓的車載儲(chǔ)氫瓶中，氫氣的焦耳–湯姆遜效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致氫氣溫度上升，而直接加注過熱的氫氣會(huì)影響車載氣瓶?jī)?nèi)膽材料壽命。目前35 MPa 加氫站的預(yù)冷需求約–20℃，–25℃的防凍液足以滿足使用需求。但隨著會(huì)帶來更大壓差的70 MPa加氫站的規(guī)劃推廣以及追求與汽柴油加注速度相當(dāng)?shù)拇罅髁繗錃饧幼⒓夹g(shù)的應(yīng)用，對(duì)于氫氣的預(yù)冷需求會(huì)逐步降低至–40℃。

1.3 下游用氫環(huán)節(jié)

目前國(guó)內(nèi)氫氣消費(fèi)以化工原料為主，未來氫燃料電池技術(shù)將是氫能轉(zhuǎn)化和利用最主要的方式。截至2021年，我國(guó)氫燃料電池汽車保有量已超過9 000輛；按《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃（2021—2035 年）》預(yù)測(cè)，到2025 年氫燃料電池汽車保有量將達(dá)到5 萬輛，據(jù)目前各省份已經(jīng)公開的“十四五”氫能規(guī)劃數(shù)據(jù)顯示，保有量應(yīng)該會(huì)更大（見表1）。

表1 已公開“十四五”氫能規(guī)劃省市的氫燃料電池車推廣/應(yīng)用數(shù)量 萬輛

無論是氫燃料電池汽車、船舶、軌道交通，還是包括備用電源、熱電聯(lián)產(chǎn)等在內(nèi)的固定式發(fā)電場(chǎng)景，都是以氫燃料電池系統(tǒng)作為核心設(shè)備。但如果有潤(rùn)滑油蒸氣進(jìn)入電池內(nèi)部，不但會(huì)堵塞電堆中雙極板、擴(kuò)散層的氣體通道，還可能會(huì)導(dǎo)致催化劑中毒[2]，對(duì)電池輸出功率造成不可逆的損傷，故氫燃料電池系統(tǒng)有著嚴(yán)格的無油要求。氫燃料電池冷卻液是燃料電池系統(tǒng)中唯一的液體零部件。

如圖2 所示，氫燃料電池冷卻液在電堆雙極板內(nèi)的水流道中進(jìn)行循環(huán)，可帶出約90%反應(yīng)熱，從而使電池維持在60～85℃的最佳反應(yīng)溫度，延長(zhǎng)核心材料使用壽命。雙極板中的水流道密集且狹窄，如果冷卻液的電導(dǎo)率過高，會(huì)降低系統(tǒng)的絕緣電阻而導(dǎo)致輸出功率下降，甚至引起水的電解。因此在電導(dǎo)率指標(biāo)上，氫燃料電池冷卻液與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液（一般電導(dǎo)率是2 000 μS/cm）有著本質(zhì)區(qū)別，一方面需要具有與去離子水相近的極低電導(dǎo)率（初始電導(dǎo)率小于2 μS/cm）的非離子緩釋配方技術(shù)，另一方面要有足夠良好的抗氧化性能和材料兼容性能，用來維持全生命周期低電導(dǎo)率。

圖2 PEM 燃料電池電堆剖面

2 氫能領(lǐng)域中潤(rùn)滑油行業(yè)面臨的問題與挑戰(zhàn)

潤(rùn)滑油行業(yè)對(duì)氫能全產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵設(shè)備及潤(rùn)滑需求的認(rèn)知逐步深化，相應(yīng)的國(guó)產(chǎn)油液產(chǎn)品不斷升級(jí)與完善，加氫站配套油液和氫燃料電池冷卻液可實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)突破，但在市場(chǎng)占有率、客戶反饋、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、新技術(shù)配套等方面仍然面臨挑戰(zhàn)。

2.1 進(jìn)口油液的市場(chǎng)占有率仍然較高，非標(biāo)準(zhǔn)化的技術(shù)認(rèn)證過程推進(jìn)困難

國(guó)內(nèi)氫能產(chǎn)業(yè)的多項(xiàng)設(shè)備及技術(shù)在發(fā)展初期參考甚至直接引自國(guó)外。如，氫燃料電池技術(shù)自主化參考國(guó)外豐田或者巴拉德的電堆技術(shù)；由于國(guó)內(nèi)缺乏相應(yīng)產(chǎn)品，同時(shí)引進(jìn)配套的進(jìn)口氫燃料電池冷卻液。當(dāng)下，新研發(fā)的國(guó)產(chǎn)冷卻液產(chǎn)品若想進(jìn)行技術(shù)替代，則需與各設(shè)備廠逐一進(jìn)行非標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)認(rèn)證流程，操作難度高、耗時(shí)長(zhǎng)，以至于在很長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)被進(jìn)口產(chǎn)品主導(dǎo)。在更為復(fù)雜的液氫加氫技術(shù)路線上，由于示范站少、技術(shù)保密嚴(yán)、進(jìn)口設(shè)備多、認(rèn)證難度大等，國(guó)產(chǎn)潤(rùn)滑油液配套面臨相同的“后發(fā)后至”困境。

2.2 客戶端對(duì)于新設(shè)備的運(yùn)維存在認(rèn)識(shí)盲區(qū)

在加氫站公用工程冷卻液的使用上，絕大多數(shù)加氫站使用去離子水或者純凈水，在冬季則自行添加乙二醇以滿足防凍需要。此類無緩蝕的解決方案，在短期運(yùn)維成本上存在一定優(yōu)勢(shì)，但對(duì)于設(shè)備及冷卻管路的耐銹蝕、氣蝕等方面存在明顯不足，尤其在高溫部位和水泵處表現(xiàn)更為突出。而這些部位，如壓縮機(jī)出氣口等，通常采用套管式冷卻方式[3]，容易形成檢查盲區(qū)，產(chǎn)生長(zhǎng)期隱患。緩蝕技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液的配方升級(jí)以及加氫站設(shè)備的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，需要持續(xù)向終端客戶輸出和引導(dǎo)，強(qiáng)化客戶端對(duì)新設(shè)備運(yùn)維的認(rèn)識(shí)。

2.3 對(duì)新產(chǎn)品的應(yīng)用研究不夠深入，技術(shù)體系未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)

以氫燃料電池冷卻液為例，在其關(guān)鍵指標(biāo)體系與設(shè)備關(guān)鍵工況的對(duì)應(yīng)關(guān)系上，冷卻液研發(fā)方和燃料電池系統(tǒng)制造方認(rèn)識(shí)不夠充分。制造方在燃料電池制造的技術(shù)路線上具有一定差異性，而研發(fā)方?jīng)]有從不同技術(shù)路線中提煉總結(jié)出與冷卻液相關(guān)的關(guān)鍵工況，導(dǎo)致一方面在技術(shù)認(rèn)證上需要滿足各家的個(gè)性化工況需求，做大量重復(fù)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作，造成行業(yè)內(nèi)耗；另一方面，無法聚焦關(guān)鍵工況對(duì)應(yīng)的冷卻液關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，產(chǎn)品升級(jí)缺乏針對(duì)性，阻礙了氫燃料電池冷卻液行業(yè)的健康發(fā)展。

2.4 隨著新設(shè)備、新技術(shù)發(fā)展，新的潤(rùn)滑場(chǎng)景和需求不斷涌現(xiàn)

下游氫氣利用技術(shù)中，除氫燃料電池技術(shù)已經(jīng)開始商業(yè)化普及外，雖然不依賴高純氫和貴金屬催化劑、可以依托現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)零部件及工業(yè)制造體系的氫內(nèi)燃機(jī)技術(shù)，以及發(fā)電功率更高、調(diào)峰能力更強(qiáng)的純氫或摻氫燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)[4]尚在研發(fā)示范階段，但前景同樣值得期待，應(yīng)當(dāng)有針對(duì)性地提前做好潤(rùn)滑解決方案研究布局。如，由于氫氣極易燃且燃燒傳播速度快，氫內(nèi)燃機(jī)中早燃、回火、震爆[5]問題比較突出，對(duì)機(jī)油組成元素應(yīng)有更高的要求；氫內(nèi)燃機(jī)燃燒的產(chǎn)物中含較多的水，需要提升配方的抗乳化性能等。

3 路徑建議及展望

上述4 個(gè)問題的核心在于潤(rùn)滑油行業(yè)在新興領(lǐng)域的自身技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)沉淀尚淺。建議應(yīng)圍繞技術(shù)沉淀、標(biāo)準(zhǔn)引領(lǐng)、專業(yè)服務(wù)和前沿技術(shù)等方面，穩(wěn)步持續(xù)提升國(guó)產(chǎn)潤(rùn)滑技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)力，以增強(qiáng)市場(chǎng)對(duì)國(guó)產(chǎn)潤(rùn)滑產(chǎn)品和技術(shù)的信心和認(rèn)可度。

1）加強(qiáng)應(yīng)用研究，推動(dòng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一

新潤(rùn)滑油液產(chǎn)品領(lǐng)域之所以沒有形成行業(yè)共識(shí)，關(guān)鍵在于對(duì)終端客戶和設(shè)備制造方提出的技術(shù)問題，潤(rùn)滑行業(yè)沒有給出專業(yè)化、體系化的解答。針對(duì)問題深入開展應(yīng)用研究，并在此基礎(chǔ)逐步推動(dòng)新產(chǎn)品的質(zhì)量體系、評(píng)價(jià)方法等標(biāo)準(zhǔn)化，做到“一次實(shí)驗(yàn)，結(jié)果互認(rèn)”，對(duì)于潤(rùn)滑技術(shù)在氫能等新領(lǐng)域高效、健康、可持續(xù)發(fā)展有重要意義。

2）做好交流引導(dǎo)，提高專業(yè)潤(rùn)滑服務(wù)質(zhì)量

要引導(dǎo)客戶提升設(shè)備運(yùn)維的認(rèn)知，首先做好從業(yè)人員的思想轉(zhuǎn)變。潤(rùn)滑行業(yè)不只是提供潤(rùn)滑油脂液產(chǎn)品，更是提供設(shè)備的全壽命周期潤(rùn)滑服務(wù)解決方案。以加氫站公用工程為例，建議利用反面案例收集、研究成果展示等方式，采取客戶可接受的語言或展示形式，讓終端客戶認(rèn)同，相比自調(diào)水，乙二醇混合液具有更優(yōu)異的短期經(jīng)濟(jì)性、專業(yè)防凍液在“長(zhǎng)效規(guī)避隱患、保障長(zhǎng)期運(yùn)行”方面具備的設(shè)備全壽命周期經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)。

3）緊跟技術(shù)前沿，做好高端裝備的同步研發(fā)

潤(rùn)滑油液產(chǎn)品的發(fā)展特點(diǎn)之一在于始終與設(shè)備及技術(shù)共同成長(zhǎng)。與高校和設(shè)備制造方深度合作，既要盡早介入氫發(fā)動(dòng)機(jī)、液氫等新技術(shù)的研發(fā)，也要及時(shí)掌握現(xiàn)有技術(shù)的升級(jí)，持續(xù)驅(qū)使?jié)櫥a(chǎn)品和技術(shù)創(chuàng)新，爭(zhēng)取戰(zhàn)略主動(dòng)性，布局未來核心競(jìng)爭(zhēng)力。