尹秀麗1, 韓 艷, 郭學(xué)敬

(1. 煙臺職業(yè)學(xué)院汽車與船舶工程系， 山東煙臺 264000； 2. 煙臺未來自動裝備有限責(zé)任公司， 山東煙臺 264002)

引言

在環(huán)保形勢的巨大壓力下，很多國家開始推廣新能源汽車。目前的新能源汽車，絕大多數(shù)是搭載傳統(tǒng)型電池的純電動車或油電混合動力車，而“傳統(tǒng)電池”有著非常難以解決的技術(shù)瓶頸，即充電時間長和續(xù)航里程不理想，另外還有電量不穩(wěn)定以及電池到期報廢后對環(huán)境的污染隱患等等。而氫燃料電池作為真正意義上“零排放”的清潔能源，在德國、美國、日本等國家的應(yīng)用正在提速。氫燃料的加注時間在3～5 min，與傳統(tǒng)的加油和加氣的時間接近。氫燃料汽車在一次加氫后，可續(xù)航500～1000 km。氫燃料汽車有效解決了加充時間、續(xù)航里程和零排放的問題，將是未來發(fā)展的必然方向。

氫燃料電池汽車要發(fā)展，加氫站的建設(shè)是關(guān)鍵。截止到2018年2月，國內(nèi)已建成和在建的加氫站共有31座，正式運(yùn)營的僅有12座，與先進(jìn)國家有很大差距。加氫站數(shù)量少，在一定程度上成為氫燃料電池汽車發(fā)展的最大障礙。加氫站少的重要原因之一是其建設(shè)成本居高不下，因為關(guān)鍵設(shè)備全部進(jìn)口，還未實現(xiàn)本土化和自主化。

本研究介紹的活塞式超高壓氫氣壓縮機(jī)是加氫站的關(guān)鍵設(shè)備之一，它采用液壓驅(qū)動，兩級壓縮，高效節(jié)能，達(dá)到了國外同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平，完全可以替代進(jìn)口，且成本大幅度降低，將為我國氫燃料電池汽車的發(fā)展起到很好的助推作用。

1 壓縮機(jī)的主要構(gòu)成

加氫站儲氫罐內(nèi)氫氣有45 MPa和70 MPa兩種壓力等級，45 MPa是目前國內(nèi)普遍采用的等級，70 MPa是先進(jìn)國家多采用的等級，也是國內(nèi)以后發(fā)展的方向。要制備出這樣的超高壓氫氣，采用液壓驅(qū)動方式對(相對)低壓氫氣進(jìn)行增壓是一種比較簡便、經(jīng)濟(jì)的途徑。

氫氣壓縮機(jī)主要由主機(jī)部分、液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等組成。主機(jī)部分是壓縮機(jī)的“終端”，即“執(zhí)行裝置”，它吸入“低壓”氫氣，排出超高壓氫氣；液壓系統(tǒng)為主機(jī)提供動力，驅(qū)動主機(jī)(持續(xù)不斷地)“吸入”和“排出”；冷卻系統(tǒng)的作用之一是對超高壓氫氣進(jìn)行冷卻，避免其溫度過高，以保證人員和設(shè)備的安全；作用之二是冷卻液壓油，使其溫度控制在一定范圍內(nèi)，以保證液壓系統(tǒng)連續(xù)正常運(yùn)行。電控系統(tǒng)是壓縮機(jī)的控制中樞，它控制液壓系統(tǒng)各主要元件的協(xié)同動作，并控制冷卻水的流量、壓力、溫度，使壓縮機(jī)的運(yùn)行實現(xiàn)全自動化。

2 主機(jī)部分

超高壓氫氣壓縮機(jī)的主機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，它主要由驅(qū)動油缸、一級增壓缸、二級增壓缸構(gòu)成。驅(qū)動油缸為雙出桿結(jié)構(gòu)，其右側(cè)為一級增壓缸，左側(cè)為二級增壓缸。油缸活塞、活塞桿、一級活塞、二級活塞為一體式剛性聯(lián)接。一級活塞、一級增壓缸筒、一級缸外蓋三者之間形成一級壓縮腔；二級活塞、二級增壓缸筒、二級缸外蓋三者之間形成二級壓縮腔。一級活塞的受力面積約為二級活塞的兩倍，而3個活塞一起動作，工作行程完全一致，所以一級壓縮腔的容積為二級壓縮腔的兩倍，而二級壓縮腔內(nèi)可達(dá)到的最高壓力為一級壓縮腔的兩倍[1]。一級壓縮腔內(nèi)氣體可依次通過單向閥Ⅳ、連接管、單向閥Ⅲ進(jìn)入二級壓縮腔，反之則是封閉不通的。單向閥Ⅰ和單向閥Ⅱ分別為壓縮機(jī)的進(jìn)氣口和排氣口，即12～15 MPa的氫氣通過單向閥Ⅰ進(jìn)入壓縮機(jī)，而從單向閥Ⅱ排出的氫氣，壓力可達(dá)45 MPa。單向閥Ⅰ、單向閥Ⅳ、單向閥Ⅲ、單向閥Ⅱ的開啟壓力分別為12，23，25，45 MPa。

1.一級增壓缸 2.一級缸外蓋 3.單向閥Ⅰ 4.一級增壓缸筒 5.一級活塞 6.一級冷卻缸筒 7. 一級缸內(nèi)蓋 8.聯(lián)接件 9.驅(qū)動油缸 10.油缸端蓋 11.油口A 12.油缸活塞 13.冷卻水出口 14.活塞桿 15.油缸筒 16.油口B 17.二級增壓缸 18.二級缸內(nèi)蓋 19.二級活塞 20.二級增壓缸筒 21.二級冷卻缸筒 22.單向閥Ⅱ 23.二級缸外蓋 24.單向閥Ⅲ 25.二級壓縮腔 26.二級活塞密封 27.二級缸冷卻水腔 28.二級缸呼吸腔 29.連接管 30.二級缸呼吸孔 31.消音器 32.冷卻水進(jìn)口 33.油缸活塞密封 34. 油缸活塞桿密封 35.一級缸呼吸孔 36.一級缸呼吸腔 37.一級缸冷卻水腔 38.一級活塞密封 39.一級壓縮腔 40.單向閥Ⅳ圖1 壓縮機(jī)主機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

工作原理如圖1所示，油缸活塞，一級活塞，二級活塞的初始位置均分別在各缸的最右端，油口A進(jìn)油，油缸活塞帶動一級活塞和二級活塞一起向左運(yùn)動直至最左端，在這期間，12～15 MPa的氫氣頂開單向閥Ⅰ進(jìn)入一級壓縮腔直到充滿；同時一級缸呼吸腔內(nèi)的空氣經(jīng)過呼吸孔，再通過聯(lián)接件上的消音器排出體外。液壓系統(tǒng)的電液換向閥自動換向，油口B進(jìn)油，油口A排油，各活塞向右運(yùn)行。至總行程的一半左右時，一級壓縮腔內(nèi)的氫氣壓力達(dá)到23 MPa，頂開單向閥Ⅳ進(jìn)入連接管，再經(jīng)少許壓縮，壓力繼續(xù)升高，氫氣頂開單向閥Ⅲ進(jìn)入二級壓縮腔。運(yùn)行至最右端后，一級壓縮腔排空，而二級壓縮腔內(nèi)充滿了23 MPa的氫氣。電液換向閥又自動換向，油口A進(jìn)油、油口B排油，各活塞向左運(yùn)行，一級壓縮腔又吸入12～15 MPa的氫氣；而二級壓縮腔內(nèi)的氫氣繼續(xù)得到壓縮，運(yùn)行至半程后，氫氣壓力達(dá)45 MPa，頂開單向閥Ⅱ，經(jīng)管路進(jìn)入到儲氫罐。至最左端后，二級壓縮腔排空，而一級壓縮腔內(nèi)又充滿了12～15 MPa的氫氣。再換向，向右運(yùn)行，如此循環(huán)往復(fù)。

因氫氣在壓縮的過程中會產(chǎn)生熱量，而溫度過高的氫氣有很大的危險性，所以一定要保證氫氣的散熱，將其溫度控制在40 ℃以下。所以在一級和二級增壓缸的外圍均設(shè)置了冷卻缸筒，其與增壓缸筒、外蓋、內(nèi)蓋四者之間形成了冷卻水腔。2個冷卻水腔共用進(jìn)水口和出水口，通過控制循環(huán)冷卻水的溫度、流量和壓力使氫氣的出口溫度達(dá)到要求。

驅(qū)動油缸及增壓缸的密封是非常關(guān)鍵的元件[2-3]，尤其是一級和二級增壓缸活塞上的動密封，既承受超高壓，又處在高溫環(huán)境中(持續(xù)高速摩擦)，還要保證極小的泄漏量，其性能直接決定了壓縮機(jī)的工作質(zhì)量和使用壽命。為此，參考了航天航空工業(yè)產(chǎn)品的動密封[4-5]，對增壓動密封進(jìn)行了材質(zhì)和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，保證了其各項性能。

主機(jī)中的管接頭位于連接管與單向閥Ⅲ之間、連接管與單向閥Ⅳ之間以及單向閥Ⅱ的出口處，也借鑒了新型超高壓液壓管接頭的結(jié)構(gòu)[6]，保證了其使用安全性、密封可靠性和使用壽命。

特別需要強(qiáng)調(diào)的是壓縮機(jī)的材質(zhì)。因氫氣會使大多數(shù)種類的金屬產(chǎn)生“氫脆”現(xiàn)象，在使用過程中金屬的各項性能會持續(xù)下降，而且氫氣的壓力越高，該現(xiàn)象越嚴(yán)重。超高壓氫氣壓縮機(jī)為特種設(shè)備，安全性是重中之重。所以壓縮機(jī)上所有與氫氣接觸的零部件，如一、二級活塞、增壓缸筒、外蓋、單向閥(含彈簧)、連接管等均采用了高強(qiáng)度、抗氫脆的特種不銹鋼材料，從根本上保證了設(shè)備的安全性、耐用性。

3 液壓系統(tǒng)

氫氣壓縮機(jī)的液壓控制原理如圖2所示[7-11]，系統(tǒng)主要由電機(jī)、柱塞泵、電液換向閥、電磁溢流閥、水冷卻器、回油過濾器、管路等組成。壓縮機(jī)使用工況比較惡劣，一般連續(xù)工作幾個、甚至十幾個小時，而且動作頻率較高(15次/min左右)。為了保證其使用性能，泵電機(jī)組、電磁溢流閥、系統(tǒng)壓力表等均為兩用一備， 電液換向閥為一用一備，水冷卻器為超大冷卻面積的高效冷卻器，回油過濾器采用雙筒式。為了方便關(guān)鍵部件的維護(hù)維修，在電液換向閥上疊裝了維修閥，在水冷卻器兩端、油缸與單向節(jié)流閥之間、電液換向閥與單向節(jié)流閥之間均加裝了帶活節(jié)的不銹鋼球閥，在液壓泵和油箱之間加裝了蝶閥。在北方地區(qū)的冬季，壓縮機(jī)長時間(2 h以上)停機(jī)后再啟動時，液壓油會因低溫流動性變差，為避免這一現(xiàn)象，油箱內(nèi)加裝了電加熱器，并且通過溫度繼電器實現(xiàn)自動加熱和停止。因為柱塞泵一旦因吸油過濾器堵塞而空吸會導(dǎo)致?lián)p壞，所以泵的吸油口未加過濾器，而除了雙筒回油過濾器，還在油箱內(nèi)設(shè)置了強(qiáng)力磁鐵，用來吸附液壓件磨損而產(chǎn)生的鐵屑以凈化油液。除主回油通道外，還設(shè)置了輔助回油通路，一旦回油過濾器堵塞而導(dǎo)致回油壓力增高，會自動打開回油單向閥直接回到油箱，避免壓力過高對冷卻器造成損害(當(dāng)然這只是一個保險措施，回油過濾器堵塞時系統(tǒng)會發(fā)出警報，要及時清除雜質(zhì)。使用說明書也要求用戶定期對回油過濾器進(jìn)行清潔保養(yǎng))。

1.雙出桿油缸 2.三位四通中封式電液換向閥 3.維修閥4.單向閥 5.壓力表 6.測壓接頭 7.電磁溢流閥 8.空氣濾清器 9.放油閥 10.液位液溫計 11.電機(jī) 12.柱塞泵 13.電加熱器14.蝶閥 15.油箱 16.液壓油 17.磁鐵 18.回油單向閥19.電子溫度繼電器 20.雙筒回油過濾器 21.水冷卻器22.電磁開關(guān)閥 23.冷卻水過濾器 24.手動球閥 25.單向節(jié)流閥圖2 壓縮機(jī)液壓控制原理圖

4 電控系統(tǒng)

系統(tǒng)采用PLC全自動控制[12]，并配置觸摸屏，實時顯示各種運(yùn)行參數(shù)，如儲氫罐內(nèi)壓力、溫度，壓縮機(jī)輸出氫氣的壓力、流量、溫度，氫氣冷卻水和液壓油冷卻水的壓力、流量、溫度，壓縮機(jī)連續(xù)工作起止時間等。當(dāng)儲氫罐內(nèi)壓力低于設(shè)定的低點(diǎn)，壓縮機(jī)自動啟動，連續(xù)工作，直到儲氫罐內(nèi)壓力達(dá)到設(shè)定的高點(diǎn)后，自動停止。

5 實測技術(shù)指標(biāo)

45 MPa氫氣壓縮機(jī)的全套樣機(jī)已經(jīng)制造、裝配完畢。經(jīng)多次實驗，反復(fù)測試，在液壓系統(tǒng)工作壓力為22 MPa、系統(tǒng)流量為380 L/min，輸入氫氣壓力為12 MPa 的條件下，壓縮機(jī)輸出氫氣壓力為45.8～46.8 MPa，氫氣流量為1.02～1.06 kg/min，氫氣溫度為36～39 ℃。各項技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到或高于國外同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平。

6 結(jié)論

自主研制的活塞式超高壓氫氣壓縮機(jī)完全可以替代進(jìn)口，且成本比進(jìn)口設(shè)備大幅降低。它采用液壓驅(qū)動、兩級連續(xù)壓縮，高效、節(jié)能，與單級壓縮式相比，效率提高30%左右，節(jié)能35%以上。我們還將繼續(xù)研制70 MPa氫氣壓縮機(jī)以及加氫站其他相關(guān)設(shè)備(如加氫裝置)，做好技術(shù)儲備，為加氫站關(guān)鍵設(shè)備的自主化、為我國氫燃料電池汽車的推廣、為環(huán)保事業(yè)作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。