高压液氢泵研究进展

韦 炜，何志龙，邢子文，吕金龙

（1.西安交通大学 能源与动力工程学院，西安 710049；2. 陕西秦泰工程勘察设计有限公司，西安 710075）

0 引言

加氢站建设是助力氢燃料汽车市场快速发展的重要环节。目前全球已建成的加氢站中，有约2/3为技术较为成熟的气氢加氢站［1］。不过，最近的研究指出，液氢加氢站显现出了优秀的应用潜力［2-7］。尤其是在大型加氢站（规模≥1 000 kg/天）中，相比气氢加氢站，液氢站的设备成本与运行成本更低。

液氢加氢站在经济性上取得优势的重要原因在于：（1）液氢存储密度高、适应大规模远距离储运［8-9］；（2）采用了高压液氢泵。液氢泵与氢气压缩机对比，具有显著的热力学优势，液氢密度远大于气氢，可以最大程度的减小压缩功；采用液氢泵可以简化加氢站结构，省去氢气预冷器［10］。

加氢站加注时的供给压力＞70 MPa，为满足使用要求，液氢泵宜采用往复式结构。由于液氢饱和温度为20 K，往复式液氢泵的冷却比较困难，主要面临由汽蚀风险引起的安全问题，以及密封能力不足带来的效率问题［11-12］。为了寻找更好的解决方案，本文结合高压液氢泵的使用要求，回顾了高压液氢泵为解决上述问题而不断优化结构的发展历程，并从技术指标、结构特点等方面介绍了高压液氢泵的应用成果，希望能提供一点参考意见，以加快相关技术的更新迭代。

1 工作原理

对于流量较小、排液压力较大的低温液体泵使用场合，往复泵是比较合适的。1942年，DANA［13］专利US2292617A首先提出了使用往复柱塞泵来泵送液氧。往复式液氢泵由原动机、动力端、液力端3大部分组成［14］。原动机可通过电力、皮带轮、液压驱动。动力端将原动机的动力，通过减速机构输入，并将旋转运动转换为往复运动，一般为曲轴连杆机构。液力端（又称冷端）的作用，就是将低温液体压缩，使机械能转换为液体的压力能，使排出液体的压力升高。液力端中，设有吸入阀与排出阀，用以控制吸排液过程。

在液氢加氢站中，液氢泵将来自低压储罐（0.2 MPa）的液氢压缩至高压（＞70 MPa），高压液氢在换热器内蒸发后加注到车辆上。

2 技术指标

压力：氢燃料电池汽车的续航里程对标传统燃油车，其车载气罐储氢量约4～7 kg，储存压力达70 MPa［15］（乘用车 70 MPa、重型卡车 35 MPa）。为了实现约3～5 min的加油时间目标，加氢站必须供给更高压力的氢气，综合考虑氢负J-T系数的膨胀热与管路压力损失，最高供给压力可达87.5 MPa。

除了加氢站这一使用场合，液氢泵常用于储罐的充注，此时工作压力与其他往复低温液体泵相似，在 20～36 MPa［16］。

汽蚀余量NPSH：工质在吸入冲程中，由于管路的压力损失，可能局部蒸发并产生气泡。在压缩冲程中，液体压力增加到其饱和蒸气压以上时，气泡立即凝结回液体。气泡空腔塌陷过程中可能产生巨大的瞬时冲击力，将导致填料、单向阀的迅速损坏，并逐渐侵蚀缸体，甚至会导致缸体的断裂，这一现象就是汽蚀［17-18］。汽蚀现象严重影响了泵的安全运行，通常用汽蚀余量作为判断泵是否发生汽蚀的重要指标。其含义为泵入口处液体所具有的总压头与饱和蒸气压之差，又称净吸入压头。汽蚀余量分为必需汽蚀余量NPSHr与有效汽蚀余量NPSHa。前者指泵不发生汽蚀的最小汽蚀余量，由泵本身结构与制造质量决定；后者指吸入管路所能提供的汽蚀余量。为使泵安全运行，要求有效汽蚀余量大于必需汽蚀余量。增大汽蚀余量往往意味着成本的增加。因此，液氢泵在设计时以低汽蚀余量为目标。

流量：泵的流量受各种条件的限制，通常来说，增大活塞平均速度可获得更大流量。然而，在泵吸入冲程期间，根据伯努利方程，活塞较快的速度将引起进口处较大的压力损失，同时导致摩擦热增加，提高了泵发生汽蚀的风险，从而增大汽蚀余量要求。若将泵缸直径加大，又会导致泄漏增加。因此，现有产品泵缸组件尺寸较小，泵缸直径≤50 mm，活塞行程≤55 mm；转速较低，范围在100～550 r/min 之间［19-20］。往复式低温泵大流量实现仍是一大难题。为满足加氢站约3 min加注时间要求，液氢泵峰值流量应在1.5 kg/min左右，实际设计中，也可通过多列、并联的设计来满足流量要求。

3 发展历程

低温液体泵与常温液体泵的不同之处在于：密封与冷却问题突出，结构设计困难。为了满足实际使用需要，往复低温液体泵结构上的发展历程呈以下3个趋势。

（1）增强冷却与绝热，保证液体过冷。

低温液体泵运行过程中始终面临吸热蒸发、产生汽蚀的风险。若能通过保持液体过冷的方法来降低饱和蒸气压，便可规避汽蚀风险，同时降低汽蚀余量的要求。除了安全性方面的考虑，增强冷却还能减少泵启动前的预冷却时间，提升工作效率。因此，设计合理的冷却结构以减小外界热量的输入，并快速移除压缩热与摩擦热，是很有必要的。

1956年，RIEDE［21］提出了潜液式结构（如图1所示），即将往复柱塞泵的气缸组件（冷端）浸没到充满液体工质的杜瓦容器中，这种结构可以最小化预冷却时间。为了减小泵内部出口处工质向进口处工质的热传递，1964 年，GOTTZMANN［22］针对液氦泵设计了在泵腔外加设真空夹套的结构，以最小化液氦的蒸发。另一种手段是利用泄漏工质。1979年，SCHUCK［23］认为可适当增加活塞与泵缸的间隙，利用泄漏工质来冷却泵缸。1983年，PEVZNER［24］提出在泵缸外加设一层冷却夹套，该冷却夹套可容纳泄漏工质，并允许其蒸发，从而冷却泵缸。此外，这部分泄漏工质通过特定管路排出。2014年SGAMBATI［25］针对液氢泵设计了2层冷却夹套，内层冷却夹套沿用了PEVZNER的方案，而外层套在进液喷嘴外，内部通流液氢或液氦。

图1 潜液式结构Fig.1 Submerged structure

（2）多腔室设计，实现预压缩与除去蒸发气体。

除去蒸发气体是另一种减小汽蚀风险、降低汽蚀余量要求的思路。实施途径为多设置一个与进液口相连的腔室，该腔室内蒸发的气体通过除气管路排出。这种多腔室设计最初是为了克服潜液式结构维护困难，杜瓦容器中的液体蒸发损失大［12］的缺点而被提出来的。所以也可以同时实现增强冷却的目的。

若该腔室在泵缸内，即泵采用两级结构，低压腔液体冷却活塞并被初步压缩。低压腔液体进入高压腔时具有一定压力，热力学状态偏离饱和状态，因此在高压腔内的二级压缩过程不会发生蒸发。

最早的多腔室液体泵由GOLZ［26］于1980年提出，其中设计有一个可动活塞和一个固定活塞，如图2（a）所示，可动活塞与泵缸形成了低压腔，可动活塞上的裙部与固定活塞形成了高压腔。其中装在可动活塞上的单向阀控制液体从低压腔向高压腔的流动。同时，低压腔内的蒸发气体可通过止回阀1，2排出。不过，该方案的一个缺点是裙部与固定活塞之间的密封较为困难。

NIERATSCHKER［27］于 1985 年公开的液氢泵专利中只设置了一个活塞，即泵缸设计成双作用，如图2（b）所示。活塞上设有内部流道，液体通过内部流道与单向阀从低压腔进入高压腔。额外腔室的数量并没有限制，HELMUT［28］和BROWN［29］在20世纪90年代提交的专利中设置了更多的腔室。BROWN在两级泵缸外设有两层外壳，两层外壳之间形成吸液腔，进一步提高了冷却效果。此外，蒸发气体在吸液腔中被除去。

图2 多腔室设计Fig.2 Multi-chamber design

不过这种两级泵缸的结构较为复杂，1993年，SPULGIS［30］为简化结构，仅采用单级泵缸结构，其活塞设有与进液阀关联的中空锥形液流导管，该导管与泵缸形成工作腔，吸液冲程蒸发的气体可沿锥形孔壁从进液阀逸出。2000年后出现的新结构中，保留了吸液腔并采用单级泵缸［25，31］。其中，SGAMBATI S［25］在吸液腔内设置过滤器，从而过滤可能损坏活塞的固体颗粒。

（3）增强密封件性能。

活塞环：活塞上有活塞环的称为活塞泵、无活塞环的称为柱塞泵。由于液氢泵的排出压力很高（≥70 MPa），对泵的密封性要求很高，故一般都采用有活塞环的活塞泵结构。高压往复液氢泵的活塞和泵缸没有可以在极低温下使用的润滑剂，液氢的黏度也极低，0.1 MPa下饱和液氢的黏度为13.5 μPa·S，作为对比，饱和液氮的黏度为161 μPa·S，而水在 277 K 下的黏度为 1 575 μPa·S［32］，见表1。因此活塞环必须使用自润滑材料，如聚四氟乙烯以及聚四氟乙烯的填充材料。然而，活塞环与泵缸材料的线膨胀系数差异巨大，见表2。当从环境温度冷却到77 K时，聚四氟乙烯的热变形是不锈钢的7倍，几乎是FeNi36钢的75倍。因此，活塞环的径向收缩至关重要。

表1 不同液体黏度对比Tab.1 Viscosity comparison of different liquids

表2 活塞环与泵缸材料的线膨胀系数对比Tab.2 Comparison of linear expansion coefficients of piston ring and cylinder materials

对于无槽活塞环，为了减小冷却时活塞与气缸的间隙，1982 年，SHIYOUICHI［33］建议在活塞头加设一圆柱形套筒，该套筒选择热膨胀系数低的材料，将间隙缩小为活塞环与泵缸收缩量之差。1984年，SCHUCK［34］设计了由密封环-挡圈-密封环构成的活塞环组件，其中密封环选择聚四氟乙烯材料，固定挡圈选择低膨胀特性的金属合金材料。1988年，WALTER［35］提出将活塞头设计成锥形，冷却时活塞环可沿轴向移动到活塞头直径较大的位置，使得活塞环的最终收缩对应于泵缸尺寸的收缩。CHALK［36］于2002年为双作用两级泵设计了两件式活塞环组件，包括顶环、底环、用于轴向加载的第一弹簧和用于径向加载的第二弹簧。当第二级进液时，流体压力倾向于将两件式活塞环从活塞环压盖上抬起，轴向弹簧被压缩，这时活塞环起止回阀的作用。

此外，活塞环可采用开槽结构，活塞环的径向收缩可通过使用铍铜弹簧的预加载来补偿。然而，这么设计的缺点是增加了通过槽的泄漏，并使活塞环的加工变得困难［37］。

填料：针对液氢泵工况要求，目前填料组件主要采用泛塞密封，唇边密封（多为纯聚四氟乙烯制成）或两者组合的形式，前段密封对液体工质进行密封，后端对蒸发的气态工质进行密封。填料组件同样选择聚四氟乙烯或是其填充材料，也面临低温下零件的收缩问题。在低温下，填料与活塞杆热收缩的巨大差异增加了填料密封件中的应力，从而导致冷流变形增加，最终导致了填料密封能力的下降。因此，需要辅助加热来保证填料的密封能力。

1983年，PEVZNER［24］强调了辅助加热对保证填料的密封能力的必要性。他给出的方案是在填料外部设置翅片，或是在填料外设置加热流体夹套［38］，以增强环境向填料的热传递。STREET［39］于2011年提出在冷端与热端之间设置1个带有窗口盖的中间间隔件，通过窗口盖向间隔件内部吹扫常温氮气以加热填料。朱登凯等［40］2013年公开的液体泵专利中则是在中间设置有储气腔及碟型弹簧，泄漏的液体工质在中间段蒸发，形成气封，储气腔外增设热水流道，用以加热后端密封件以及储气腔内的气态工质。2017年，韦达［41］用带有充气孔的密封轴套替代了储气腔，通过充气孔充入常温常压氮气，形成气封。

经过数十年的发展，低温液体泵通过“做加法”的方式在结构上进行迭代创新。在活塞-泵缸组件的基础上，真空夹套、除气通道、吸液腔室、带补偿功能的密封件等结构逐步被添加，在生产实践过程中被证实可行之有效地解决了冷却与密封的问题，降低了汽蚀余量并提高了运行效率，并成为了现有产品的标准配置。如今的差异化设计聚焦在腔室数量、是否采用二级压缩、密封件补偿形式等方面，需要在成本与性能的提升之间考量。例如，采用二级压缩可以实现更好的冷却并更达到更高的容积效率，但会使结构更为复杂，为生产与维护带来不便。

4 现有产品

ACD的高压液氢泵产品有适用于充瓶的ACPD系列与适用于充罐的SGV系列［20］。两者液力端均设有真空夹套，有助于最大限度地减少热泄漏并减少产品损失，液力端与动力端中间设有吹扫，内部吹扫常温氮气以加热填料，从而延长填料寿命。其中，ACPD为单缸设计，泵缸直径 30 mm，行程 32 mm；转速 100～515 r/min，流量0.062～0.740 kg/min，工作压力可达 41.4 MPa；SGV可提供1，2或3缸配置的模块化机型，泵缸直径50 mm，行程35 mm。工作压力42 MPa，500 r/min下采用单缸配置时流量1.18 kg/min。ACD的液氢泵工作压力满足卡车加注35 MPa要求，但流量与1.5 kg/min还有一定差距。

Cryostar 推出了A-MRP 40/55-K LH2防爆撬装活塞液氢泵，便于安装与使用［19］。该系列具有1，2，3缸的不同型号，单缸配置时流量1.05 kg/min，流量调节方便。泵缸直径40 mm，行程55 mm，工作压力50 MPa。为实现70 MPa加注，其加注系统采用两级方案，液氢泵泵送的氢在换热器内蒸发，由氢气压缩机从50 MPa加压到70 MPa。其结构上的突出特点是具有很大的吸液腔，且吸液腔的除气管路位于倾斜布置的液力端的最高点，并与泵排液管路成45°角，这种结构可达到最好的除气效果。此外，大的吸液腔也更利于整个液力端的快速冷却。

Linde产品最为成熟，已投入使用运行［42］。研究人员对其在35，70 MPa加氢站中均进行了测试，测试结果表明其完全满足 J2601 标准［10，43］。尤其在70 MPa加氢站中，转速200 r/min下，平均流量1.55 kg/min，最高工作压力87.5 MPa，每千克H2能耗1.1 kW·h/kg，与氢气压缩机3 kW·h/kg的能耗对比，显示出了液氢泵在能耗上的优势。Linde产品采用潜液式结构，以最大幅度减小冷却启动时间。同时采用双作用两级气缸，低压级起除气与预压缩作用，以确保高压级中液氢不会蒸发。在低压级，液氢被压缩到0.6 MPa，随后通过中空的活塞，经中间阀门进入高压级。

各个液氢泵厂商的产品参数见表3。

表3 现有产品参数Tab.3 Parameters of existing product

5 发展展望

液氢泵的应用热点聚焦在加氢站上。与灌充20～36 MPa的使用场合相比，加氢站的要求要高得多。一个难点是如何在J 2601标准规定的70 MPa供给压力下，尽可能地提高单个泵缸的流量。另一个难点则是在满足性能指标的同时，简化结构以降低成本。目前35 MPa加氢站液氢泵价格约75 000美元，但70 MPa加氢站液氢泵价格约650 000美元，远高于氢气压缩机的275 000美元。不过根据美国能源部的估计，70 MPa加氢站液氢泵价格到2050年有望降至200 000美元［44］。

本文从技术指标、结构特点等方面对高压液氢泵技术进行了详细介绍，对高压液氢泵的研究与生产具有指导与借鉴意义。