两级活塞式超高压氢气压缩机

尹秀丽1, 韩 艳, 郭学敬

(1. 烟台职业学院汽车与船舶工程系， 山东烟台 264000； 2. 烟台未来自动装备有限责任公司， 山东烟台 264002)

引言

在环保形势的巨大压力下，很多国家开始推广新能源汽车。目前的新能源汽车，绝大多数是搭载传统型电池的纯电动车或油电混合动力车，而“传统电池”有着非常难以解决的技术瓶颈，即充电时间长和续航里程不理想，另外还有电量不稳定以及电池到期报废后对环境的污染隐患等等。而氢燃料电池作为真正意义上“零排放”的清洁能源，在德国、美国、日本等国家的应用正在提速。氢燃料的加注时间在3～5 min，与传统的加油和加气的时间接近。氢燃料汽车在一次加氢后，可续航500～1000 km。氢燃料汽车有效解决了加充时间、续航里程和零排放的问题，将是未来发展的必然方向。

氢燃料电池汽车要发展，加氢站的建设是关键。截止到2018年2月，国内已建成和在建的加氢站共有31座，正式运营的仅有12座，与先进国家有很大差距。加氢站数量少，在一定程度上成为氢燃料电池汽车发展的最大障碍。加氢站少的重要原因之一是其建设成本居高不下，因为关键设备全部进口，还未实现本土化和自主化。

本研究介绍的活塞式超高压氢气压缩机是加氢站的关键设备之一，它采用液压驱动，两级压缩，高效节能，达到了国外同类产品的先进水平，完全可以替代进口，且成本大幅度降低，将为我国氢燃料电池汽车的发展起到很好的助推作用。

1 压缩机的主要构成

加氢站储氢罐内氢气有45 MPa和70 MPa两种压力等级，45 MPa是目前国内普遍采用的等级，70 MPa是先进国家多采用的等级，也是国内以后发展的方向。要制备出这样的超高压氢气，采用液压驱动方式对(相对)低压氢气进行增压是一种比较简便、经济的途径。

氢气压缩机主要由主机部分、液压系统、冷却系统、电控系统等组成。主机部分是压缩机的“终端”，即“执行装置”，它吸入“低压”氢气，排出超高压氢气；液压系统为主机提供动力，驱动主机(持续不断地)“吸入”和“排出”；冷却系统的作用之一是对超高压氢气进行冷却，避免其温度过高，以保证人员和设备的安全；作用之二是冷却液压油，使其温度控制在一定范围内，以保证液压系统连续正常运行。电控系统是压缩机的控制中枢，它控制液压系统各主要元件的协同动作，并控制冷却水的流量、压力、温度，使压缩机的运行实现全自动化。

2 主机部分

超高压氢气压缩机的主机结构如图1所示，它主要由驱动油缸、一级增压缸、二级增压缸构成。驱动油缸为双出杆结构，其右侧为一级增压缸，左侧为二级增压缸。油缸活塞、活塞杆、一级活塞、二级活塞为一体式刚性联接。一级活塞、一级增压缸筒、一级缸外盖三者之间形成一级压缩腔；二级活塞、二级增压缸筒、二级缸外盖三者之间形成二级压缩腔。一级活塞的受力面积约为二级活塞的两倍，而3个活塞一起动作，工作行程完全一致，所以一级压缩腔的容积为二级压缩腔的两倍，而二级压缩腔内可达到的最高压力为一级压缩腔的两倍[1]。一级压缩腔内气体可依次通过单向阀Ⅳ、连接管、单向阀Ⅲ进入二级压缩腔，反之则是封闭不通的。单向阀Ⅰ和单向阀Ⅱ分别为压缩机的进气口和排气口，即12～15 MPa的氢气通过单向阀Ⅰ进入压缩机，而从单向阀Ⅱ排出的氢气，压力可达45 MPa。单向阀Ⅰ、单向阀Ⅳ、单向阀Ⅲ、单向阀Ⅱ的开启压力分别为12，23，25，45 MPa。

1.一级增压缸 2.一级缸外盖 3.单向阀Ⅰ 4.一级增压缸筒 5.一级活塞 6.一级冷却缸筒 7. 一级缸内盖 8.联接件 9.驱动油缸 10.油缸端盖 11.油口A 12.油缸活塞 13.冷却水出口 14.活塞杆 15.油缸筒 16.油口B 17.二级增压缸 18.二级缸内盖 19.二级活塞 20.二级增压缸筒 21.二级冷却缸筒 22.单向阀Ⅱ 23.二级缸外盖 24.单向阀Ⅲ 25.二级压缩腔 26.二级活塞密封 27.二级缸冷却水腔 28.二级缸呼吸腔 29.连接管 30.二级缸呼吸孔 31.消音器 32.冷却水进口 33.油缸活塞密封 34. 油缸活塞杆密封 35.一级缸呼吸孔 36.一级缸呼吸腔 37.一级缸冷却水腔 38.一级活塞密封 39.一级压缩腔 40.单向阀Ⅳ图1 压缩机主机结构示意图

工作原理如图1所示，油缸活塞，一级活塞，二级活塞的初始位置均分别在各缸的最右端，油口A进油，油缸活塞带动一级活塞和二级活塞一起向左运动直至最左端，在这期间，12～15 MPa的氢气顶开单向阀Ⅰ进入一级压缩腔直到充满；同时一级缸呼吸腔内的空气经过呼吸孔，再通过联接件上的消音器排出体外。液压系统的电液换向阀自动换向，油口B进油，油口A排油，各活塞向右运行。至总行程的一半左右时，一级压缩腔内的氢气压力达到23 MPa，顶开单向阀Ⅳ进入连接管，再经少许压缩，压力继续升高，氢气顶开单向阀Ⅲ进入二级压缩腔。运行至最右端后，一级压缩腔排空，而二级压缩腔内充满了23 MPa的氢气。电液换向阀又自动换向，油口A进油、油口B排油，各活塞向左运行，一级压缩腔又吸入12～15 MPa的氢气；而二级压缩腔内的氢气继续得到压缩，运行至半程后，氢气压力达45 MPa，顶开单向阀Ⅱ，经管路进入到储氢罐。至最左端后，二级压缩腔排空，而一级压缩腔内又充满了12～15 MPa的氢气。再换向，向右运行，如此循环往复。

因氢气在压缩的过程中会产生热量，而温度过高的氢气有很大的危险性，所以一定要保证氢气的散热，将其温度控制在40 ℃以下。所以在一级和二级增压缸的外围均设置了冷却缸筒，其与增压缸筒、外盖、内盖四者之间形成了冷却水腔。2个冷却水腔共用进水口和出水口，通过控制循环冷却水的温度、流量和压力使氢气的出口温度达到要求。

驱动油缸及增压缸的密封是非常关键的元件[2-3]，尤其是一级和二级增压缸活塞上的动密封，既承受超高压，又处在高温环境中(持续高速摩擦)，还要保证极小的泄漏量，其性能直接决定了压缩机的工作质量和使用寿命。为此，参考了航天航空工业产品的动密封[4-5]，对增压动密封进行了材质和结构的优化，保证了其各项性能。

主机中的管接头位于连接管与单向阀Ⅲ之间、连接管与单向阀Ⅳ之间以及单向阀Ⅱ的出口处，也借鉴了新型超高压液压管接头的结构[6]，保证了其使用安全性、密封可靠性和使用寿命。

特别需要强调的是压缩机的材质。因氢气会使大多数种类的金属产生“氢脆”现象，在使用过程中金属的各项性能会持续下降，而且氢气的压力越高，该现象越严重。超高压氢气压缩机为特种设备，安全性是重中之重。所以压缩机上所有与氢气接触的零部件，如一、二级活塞、增压缸筒、外盖、单向阀(含弹簧)、连接管等均采用了高强度、抗氢脆的特种不锈钢材料，从根本上保证了设备的安全性、耐用性。

3 液压系统

氢气压缩机的液压控制原理如图2所示[7-11]，系统主要由电机、柱塞泵、电液换向阀、电磁溢流阀、水冷却器、回油过滤器、管路等组成。压缩机使用工况比较恶劣，一般连续工作几个、甚至十几个小时，而且动作频率较高(15次/min左右)。为了保证其使用性能，泵电机组、电磁溢流阀、系统压力表等均为两用一备， 电液换向阀为一用一备，水冷却器为超大冷却面积的高效冷却器，回油过滤器采用双筒式。为了方便关键部件的维护维修，在电液换向阀上叠装了维修阀，在水冷却器两端、油缸与单向节流阀之间、电液换向阀与单向节流阀之间均加装了带活节的不锈钢球阀，在液压泵和油箱之间加装了蝶阀。在北方地区的冬季，压缩机长时间(2 h以上)停机后再启动时，液压油会因低温流动性变差，为避免这一现象，油箱内加装了电加热器，并且通过温度继电器实现自动加热和停止。因为柱塞泵一旦因吸油过滤器堵塞而空吸会导致损坏，所以泵的吸油口未加过滤器，而除了双筒回油过滤器，还在油箱内设置了强力磁铁，用来吸附液压件磨损而产生的铁屑以净化油液。除主回油通道外，还设置了辅助回油通路，一旦回油过滤器堵塞而导致回油压力增高，会自动打开回油单向阀直接回到油箱，避免压力过高对冷却器造成损害(当然这只是一个保险措施，回油过滤器堵塞时系统会发出警报，要及时清除杂质。使用说明书也要求用户定期对回油过滤器进行清洁保养)。

1.双出杆油缸 2.三位四通中封式电液换向阀 3.维修阀4.单向阀 5.压力表 6.测压接头 7.电磁溢流阀 8.空气滤清器 9.放油阀 10.液位液温计 11.电机 12.柱塞泵 13.电加热器14.蝶阀 15.油箱 16.液压油 17.磁铁 18.回油单向阀19.电子温度继电器 20.双筒回油过滤器 21.水冷却器22.电磁开关阀 23.冷却水过滤器 24.手动球阀 25.单向节流阀图2 压缩机液压控制原理图

4 电控系统

系统采用PLC全自动控制[12]，并配置触摸屏，实时显示各种运行参数，如储氢罐内压力、温度，压缩机输出氢气的压力、流量、温度，氢气冷却水和液压油冷却水的压力、流量、温度，压缩机连续工作起止时间等。当储氢罐内压力低于设定的低点，压缩机自动启动，连续工作，直到储氢罐内压力达到设定的高点后，自动停止。

5 实测技术指标

45 MPa氢气压缩机的全套样机已经制造、装配完毕。经多次实验，反复测试，在液压系统工作压力为22 MPa、系统流量为380 L/min，输入氢气压力为12 MPa 的条件下，压缩机输出氢气压力为45.8～46.8 MPa，氢气流量为1.02～1.06 kg/min，氢气温度为36～39 ℃。各项技术指标均达到或高于国外同类产品的先进水平。

6 结论

自主研制的活塞式超高压氢气压缩机完全可以替代进口，且成本比进口设备大幅降低。它采用液压驱动、两级连续压缩，高效、节能，与单级压缩式相比，效率提高30%左右，节能35%以上。我们还将继续研制70 MPa氢气压缩机以及加氢站其他相关设备(如加氢装置)，做好技术储备，为加氢站关键设备的自主化、为我国氢燃料电池汽车的推广、为环保事业作出应有的贡献。