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氢时代来临,离子压缩机能否笑傲江湖?

氢时代来临,离子压缩机能否笑傲江湖?  日前,淄博市能源集团与德国林德集团合作建设的第一座加氢站——淄博能源加氢站,开始试运行,加氢站将为淄博市第一批新燃料氢能公交车运行提供保障服务。
  7月底,淄博市能源集团与德国林德集团签署了《淄博市氢能综合开发利用项目合作协议》,项目从达成意向到完成加氢站项目一期工程设计、土建施工、设备安装和调试,仅用了20余天时间。
  据了解,淄博能源加氢站规划加注能力为1000公斤/24小时,分两期同步设计、同步建设。采用地下氢罐设计,较之目前常用的地上储藏方式更为安全,使用林德集团专有技术双体IC-90离子压缩机可以同时满足35MPa及70MPa的加气需求,较大地提高氢能汽车的续航里程。
  目前,淄博市能源集团正积极与林德集团合作组建合资公司,合资公司成立后,将充分利用齐塑化工、山铝氯碱厂及其他本地企业的工业富氢价格与资源优势,迅速开展工业副产氢提纯业务,实现互利共赢。同时结合淄博市和全省氢能源利用发展规划,科学研判市场需求,合理确定经营范围,做好氢能业务整体规划和项目实施计划,为下步拓展市场奠定坚实基础。
 
  加氢站、氢燃料汽车时代来临
  2022年,广州氢能基础建设完成关键布局;2025年氢能实现规模化运用……当前氢能源不再是“规划”,也不再是“概念”,已成为我国重点发展的战略性新兴产业,包括广州在内的我国各大城市正逐渐步入“氢”时代。除了广州,上海、浙江、河南、安徽等地都在进行氢燃料电池车和氢能产业的布局,并开展试运营应用项目。
  3个月前,在氢能汽车技术一直拔得头筹的丰田汽车,也宣布在中国与一汽、东风、广汽、北汽等大型车企共同成立“联合燃料电池系统研发(北京)有限公司”,开展氢燃料电池系统研发。
  不仅丰田“组队”研发氢燃料电池系统……中国本土品牌也在运筹帷幄,使得氢燃料汽车不再是概念,中国本土汽车集团加码在“氢”这条路上争先恐后“飙车”。近期,上汽集团和广汽集团纷纷出手,力推“氢战略”,使得氢燃料汽车将更快实现走向民间乘用车市场。其中上汽集团9月发布第一款面向市场的高端氢燃料电池MPV汽车,并高调提出五年内推出十款燃料电池汽车、形成万辆级销售规模的“氢战略”。
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  当前国外多个国家也在政策方面给予氢燃料更大的扶持力度,集体加速推动氢燃料电池汽车的发展。如韩国今年6月成立了“绿色氢能海外事业团”,重点发掘建立氢燃料海外供应链具体项目,还计划到2030年普及85万辆氢能汽车,并将氢充电站扩充至660个;欧盟日前发布了《欧盟氢能战略》和《欧盟能源系统整合策略》,并成立“欧洲清洁氢联盟”,旨在为氢能源的大量生产提供投资,满足欧盟国家对清洁氢能的需求。日本方面也自不必多说,丰田、本田一直在氢燃料电池车上拥有先进技术。
 
  离子液压缩机原理及优势
  离子液是一种具有特殊物理及化学性质的盐分子。离子液体的特殊性在于可以把它们看作一种工程流体或新材料,应用于自动化、航空航天、电子电器或能源领域。
  林德公司技术人员与全球第三大汽车生产商戴姆勒克莱斯勒公司(Daimler Chrysler AG)合作,历经4 年,成功开发了使用离子液体作为液体活塞的气体压缩技术,并将其称为离子压缩机(Ionic Compressor)。离子液体本身几乎不可压缩,并且几乎没有蒸汽压,替代金属活塞可以在等温条件下产生高压,并且能长期服役而无需维护,从而节省20%的能耗。
  林德集团研制的该类压缩机从最初的500个零件减少了很多,成本已大幅降低,应用到加氢站的离子液体压缩机排气压力为45~90MPa、流量为90~340Nm3/h,效率65%以上,最高的排气压力可达100MPa,排量为376~753Nm3/h。目前,奥地利Wien Energie 公司和德国BMW公司已将林德公司的新技术分别用于天然气加气站和氢能供应站。
  公开资料显示,林德公司采用离子液技术对氢气进行压缩,气体在气缸中随着离子液的上下运动所产生的容积变化而被压缩。其应用在35到70MPa氢燃料汽车加氢中。除了山东淄博能源加氢站,上海同济安亭的加气站采用的也是此种压缩机。
  下图为Linde公司IC90压缩机外形。
 
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  下图为Linde公司5级压缩原理图。
 
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  加氢站常用压缩机型式及比较
  根据工作原理及内部结构的不同,压缩机可分为机械式压缩机和非机械式压缩机两大类。而机械式压缩机又分为活塞式压缩机、膜式压缩机、线性压缩机和离子液体压缩机四类;非机械式压缩机分为低温液体泵、金属氢化物压缩机、电化学氢气压缩机和吸附型压缩机四类。
  (1)活塞和隔膜压缩机应用较广,但无法满足大排量使用
  由于氢气具有密度低、能量密度小的特点,氢气压缩机必须要具备承压大、流量大、安全和密封性好的特质,在防止氢脆现象的同时,尽可能的追求较少的能源损耗,目前国内加氢站较多采用的是活塞式和隔膜式压缩机。
  ①活塞式压缩机是由联轴器带动主机做往复的活塞运动,推动气缸中气体来进行压缩的。其优点是技术成熟、经验丰富、压力范围大,同时系统结构简单,工作过程中气体和润滑油不接触,保证了氢气中混入“碳”,避免下游应用中膜电极与“碳”反应出现故障。但其受自身结构限制,仅适用于中小排量和高压的工况。目前,国际上活塞式压缩机的输出压力可达到100MPa,流量为300Nm3/h。其中,HydroPac公司研制的压缩机输出压力为85.9MPa,流量为430kg/h,技术较为成熟。
  ②隔膜式压缩机也是由电动机驱动曲轴转动,由连杆推动活塞做往复运动,其与活塞式压缩机的不同点主要是活塞和气体之间加入了液油和隔膜,增加了密封性好,进一步降低了“碳”与气的接触,洁净度极高。而其缺点与活塞式类似,也仅用于中小排量和高压的工况。较先进的压缩机排气压力可达100MPa,流量为200~700Nm3/h,效率可达80%~85%。其中美国的三层金属隔膜结构压缩机输出压力超过85MPa。国内的该类压缩机压力仅有45MPa,且流量较小,实际的示范应用中故障率较高,同时87.5MPa压力等级压缩机还处于试样阶段,关键部件依赖进口。
  (2)线性、离子压缩机成本低,低温液态泵排量高
  ①线性压缩机直接将电磁力转化为活塞往复运动的驱动力,能量使用效率较高,且结构简单省去了大量的支撑部件,经济性潜力较大。美国为实现其DOE指定的提效、降本目标,已开始研制86~95MPa、气体排量高于112Nm3/h、效率超过73%的线性压缩机。该类压缩机尚未有应用实例,但其是未来压缩机成本降低的一个方向。
  ②低温液态泵采用低温高压储氢技术,氢气的体积能量密度大幅增加,但该技术应用对氢气的储运要求较高,相应的成本也较高。其排气压力可达到85MPa,排量达100kg/h,氢气储存密度达80g/L。林德公司采用的低温液态泵排气压力为35~90MPa,排量超过1000Nm3/h。
  (3)其它压缩机尚在研发,向低成本、大排量方向发展
  其他类型的压缩机目前尚在研发,但技术还不成熟,已运营的加氢站中也未得到应用。其发展方向超着氢气压缩机亟待解决的热点——低本、高压和大排方向发展,对未来加氢站降低成本有着重要的研究意义。
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