加氫站設(shè)備包括氫氣壓縮機、儲氫瓶組、加注機、卸氣柱等，其中氫氣壓縮機是核心設(shè)備之一。氫氣在常溫常壓下的體積能量密度非常低，因此需要通過壓縮來滿足儲存、運輸和應(yīng)用的需求。氫氣壓縮機的使用正是為了解決這一問題，它能夠?qū)錃庠鰤褐了鑹毫Α?/p>

01 什么是氫氣壓縮機？

氫氣壓縮機是一種用于壓縮氫氣的機器。由于氫氣具有密度低、體積能量密度小的特點，為了在儲運和應(yīng)用環(huán)節(jié)提升單位體積容器的氫氣載荷，必須先將氫氣先行增壓。

就加氫站而言，目前氫燃料電池汽車有兩類加注壓力需求，一是35MPa，二是70MPa，無論是加氫站內(nèi)制氫供氫，還是長管拖車運來的氫氣，在壓強上都無法滿足這一加注需求，例如長管拖車運載來的氫氣壓強目前最高為20MPa。必須先行將各種來源的氫氣通過增壓系統(tǒng)增壓，35MPa的輸出需求增壓至45MPa，70MPa的輸出需求增壓至90MPa，方能順利加注。

所以氫氣壓縮機是加氫站順利供氫的“前菜”。

02 加氫站氫氣壓縮機的分類

壓縮機的工作原理類似于泵，通過將往復(fù)運動的機械為氣體增壓。壓縮機本身的技術(shù)非常成熟，但因為燃料電池汽車對氫氣的高純度要求，及氫氣自身易燃爆、易泄漏等特點，使得傳統(tǒng)壓縮機無法滿足加氫站的需求，因此，加氫站必須配備氫氣專用的氫氣壓縮機。

加氫站氫氣壓縮機主要有隔膜式壓縮機、液驅(qū)式壓縮機以及離子壓縮機三個種類。應(yīng)用較多的隔膜式壓縮機和液驅(qū)式壓縮機，目前兩者的應(yīng)用比例約為7：3。離子壓縮機因為技術(shù)成熟度還不夠，目前國際上只有個別廠商有應(yīng)用。 

03 什么是隔膜式壓縮機

隔膜式壓縮機是依靠靠隔膜在氣缸中作往復(fù)運動來壓縮和輸送氣體的往復(fù)壓縮機。隔膜沿周邊由兩限制板夾緊并組成氣缸，隔膜由驅(qū)動在氣缸內(nèi)往復(fù)運動，從而實現(xiàn)對氣體的壓縮和輸送。隔膜式壓縮機的最大優(yōu)勢是能夠保證較高的氫氣純度。

隔膜式壓縮機構(gòu)成：

· 液壓油系統(tǒng)：包括一個由電機驅(qū)動的曲軸、往復(fù)活塞和連桿、液壓移動膜片、油路調(diào)節(jié)閥，通過活塞往復(fù)運動產(chǎn)生液壓油壓力，推動底層膜片向氣體側(cè)運動，從而壓縮氣體將氣體排出。

· 氣體壓縮系統(tǒng)：包括氣側(cè)磨頭總成、三層金屬膜片和氣體進口和出口閥。三層金屬膜片將兩個體系完全隔離開。

隔膜壓縮機膜頭部分結(jié)構(gòu)如圖所示： 

隔膜式壓縮機膜頭部分結(jié)構(gòu)示意圖

三層金屬膜片是隔膜式壓縮機的名稱由來，也是這類壓縮設(shè)備最關(guān)鍵零件。它即氣側(cè)膜片、油側(cè)膜片和中間膜片構(gòu)成。

也正是在膜片的作用下實現(xiàn)了氫氣的高純度：氣側(cè)膜片、油側(cè)膜片分別只與氫氣和液壓油接觸，中間膜片刻有導(dǎo)流槽，以確保兩側(cè)膜片破裂時可以及時將壓力引出，并通過壓力開關(guān)觸發(fā)緊急停機。這種設(shè)置使氫氣在增壓過程中幾乎沒有任何泄漏且不被污染，保證其純度可以滿足下游燃料電池汽車的要求。

隔膜式壓縮機最怕的是頻繁啟停。這是因為頻繁啟停，油氣壓差過大，使膜片與環(huán)形油槽或排氣閥孔撞擊時產(chǎn)生大的附加應(yīng)力，膜片壽命大幅降低。

因為隔膜式壓縮機具備零污染、零泄露、大壓縮比的優(yōu)勢，而且國內(nèi)這項技術(shù)非常成熟，甚至處于國際領(lǐng)先水平，因此目前在國內(nèi)市場，依舊是隔膜式壓縮機占據(jù)應(yīng)用主流位置。

目前國內(nèi)主要的加氫站集成商，如上海舜華、上海氫楓、國富氫能、液空厚普，基本都使用隔膜式壓縮機。

04 什么是液驅(qū)式壓縮機

液驅(qū)活塞壓縮機通過液壓泵向液壓系統(tǒng)提供壓力油，壓力油由液壓換向閥控制其進入液壓缸的左、右兩腔，從而推動液壓缸內(nèi)的活塞作往復(fù)運動，而液壓缸活塞與兩端的氣缸活塞通過活塞桿連接，因此兩端的氣缸活塞也隨著液壓缸活塞一起做往復(fù)運動，從而實現(xiàn)氣體的壓縮。

也是分為兩個部分，分別是氣體增壓系統(tǒng)油壓驅(qū)動系統(tǒng)。

· 氣體增壓系統(tǒng)：主要包括組合缸體，其中間為液壓腔，兩端為氫氣壓縮腔；另外還有端蓋和進出口單向閥等。氣缸外罩冷卻水套，有冷卻水通入其中，對缸體中的高溫氫氣進行冷卻。

· 油壓驅(qū)動系統(tǒng)：主要包括油箱、油壓泵和換向閥等。通過液壓系統(tǒng)作用，中間液壓腔中的液壓油帶動組合活塞進行左右往復(fù)運動，進而使氫氣壓縮腔容積因活塞的往復(fù)活動而進行稀奇和壓縮，完成增壓功能。

液驅(qū)式壓縮機結(jié)構(gòu)示意圖

液驅(qū)式壓縮機首先具有空間緊湊的特點，相同設(shè)計條件下，其占地體積大約是隔膜壓縮機的三分之二左右；其次，液驅(qū)活塞壓縮機機頭部分的結(jié)構(gòu)相對簡單，制造成本也低于隔膜壓縮機。

相同工況下，液驅(qū)式壓縮機更容易通過設(shè)計成多級壓縮，從而降低增壓過程能耗。更重要的是，液驅(qū)活塞壓縮機能夠直接帶載啟、停，非常適應(yīng)加氫站非計劃啟停的需求。

但液驅(qū)式壓縮機也存在著兩方面的不足：一是難以實現(xiàn)零泄漏，雖然不會出現(xiàn)液壓油與氫氣的串通，但是可能會發(fā)生氫氣向隔離腔的泄漏。根據(jù)已有數(shù)據(jù)，加氫站液驅(qū)式壓縮機的泄漏量大約在3％ ～6％左右。

盡管泄漏的氫氣可以通過回收系統(tǒng)再次返回增壓設(shè)備避免氫氣浪費，但由于回收系統(tǒng)復(fù)雜，成本高等原因，一般站內(nèi)會選擇直接將泄漏氫氣排空，變相造成加氫站運營成本增加。

二是活塞環(huán)作為液驅(qū)式壓縮機作為關(guān)鍵易損件，其壽命較短。最主要原因是這一材料要經(jīng)歷來自缸內(nèi)的巨大熱量。有統(tǒng)計顯示，目前服役于國內(nèi)加氫站的液驅(qū)式壓縮機活塞環(huán)壽命如果超過1000小時，泄漏就會超過6％，必須進行更換。所幸的是，活塞環(huán)的更換比隔膜壓縮機的膜片更換簡便得多。

05 離子壓縮機

離子壓縮機是一種新型加氫站用增壓設(shè)備，其利用低熔鹽離子液體本身幾乎不可壓縮性且沒有蒸汽壓的特點，替代傳統(tǒng)金屬活塞對氫氣進行近等溫壓縮的技術(shù)。目前全球僅有德國林德集團有產(chǎn)品在加氫站應(yīng)用，國內(nèi)尚處在研發(fā)階段。

離子壓縮機的構(gòu)造和原理

離子壓縮機機頭結(jié)構(gòu)簡單，零部件少，無易損部件，可靠性增強，且可以設(shè)計為多級壓縮模式，啟啟停停不受阻礙。但整個系統(tǒng)的復(fù)雜程度遠超過隔膜壓縮機和液驅(qū)活塞壓縮機，整體流程設(shè)計難度大。

在上海驛藍金山加氫站投運的林德離子壓縮機應(yīng)用效果顯示，壓力最高可達110兆帕，可對采用70兆帕或35兆帕儲氫罐的轎車、35兆帕儲氫罐的客車加注氫燃料。

06 壓縮機的成本計算

目前加氫站建設(shè)設(shè)備采購成本占總投資的60-80%，主要原因是核心部件仍然依賴進口，但隨著工業(yè)化進程的快速推進，核心零部件有望在未來三年實現(xiàn)國產(chǎn)化，設(shè)備采購成本有望降低30%?。

單就壓縮機而言，其成本直接構(gòu)成以液驅(qū)式壓縮機為例，包括以下組成部分：

其成本在加氫站建設(shè)中的占比可由以下二圖得到一個占比區(qū)間：

外供氫加氫站中，壓縮機占比在13.4%，站內(nèi)制氫加氫站中，壓縮機成本占比為8.1%。

07 我國氫氣壓縮機著名廠商有哪些

隔膜式壓縮機目前是加氫站市場應(yīng)用最廣泛的增壓設(shè)備類型，在國內(nèi)供應(yīng)隔膜壓縮機的企業(yè)有中鼎恒盛、豐電金凱威、北京天高、江蘇恒久機械、京城環(huán)保、東德實業(yè)、羿弓氫能、金星股份、星翼空間、蚌埠聯(lián)合、青島東燃、溫州東一、湖南米蘭特種壓縮機、蚌埠奧特、安徽科海等。海外著名廠商是美國PDC、豪頓、德國HOFER。

目前已經(jīng)有多個企業(yè)進行了隔膜壓縮機大流量等方向的研發(fā)，并已經(jīng)有成果問世：

國家能源集團：今年8月，國家能源局公示第三批能源領(lǐng)域首臺（套）重大技術(shù)裝備項目清單，國家能源集團低碳院、國華投資、氫能公司申報的“70MPa加氫站大流量隔膜壓縮機”入選。攻克了壓縮機氣液固耦合精確設(shè)計技術(shù)、高溫高壓臨氫關(guān)鍵零部件技術(shù)和實景工況測試技術(shù)，開發(fā)了首臺套通過氫氣介質(zhì)測試的自有化90兆帕氫氣隔膜壓縮機，進氣壓力12.5兆帕、排氣壓力90兆帕?xí)r，排量大于350標(biāo)方/小時。

中國石化：今年8月，燕山石化1萬標(biāo)立/小時氫氣提純設(shè)施完善項目關(guān)鍵核心設(shè)備——33兆帕氫氣隔膜壓縮機吊裝就位。33兆帕氫氣隔膜壓縮機具備一體雙壓功能，可按需提供22兆帕和33兆帕兩種充裝模式，分別滿足20兆帕或30兆帕兩個壓力等級的長管拖車充裝需求，可使氫氣單車運輸能力提升一倍。

液驅(qū)式壓縮機企業(yè)有海德利森、青島康普銳斯、羿弓氫能、四川大川、三一氫能、福波杰恩、上海祥氫、上海猛軾等，海外廠家有美國Haskel、Ariel、德國麥格思維特等。

目前國內(nèi)采用液驅(qū)活塞壓縮機的加氫站大約占30%左右，絕大多數(shù)設(shè)計壓力為45MPa。國外產(chǎn)品以美國Haskel為主。

90MPa液驅(qū)活塞壓縮機僅有德國的Maximator和Hofer兩家產(chǎn)品在加氫站有應(yīng)用，國內(nèi)部分廠家有一定技術(shù)儲備，但尚無應(yīng)用案例。

08 氫氣壓縮機標(biāo)準(zhǔn)

我國氫氣壓縮機的標(biāo)準(zhǔn)主要包括以下幾個方面：

?GB 4962-2008《氫氣使用安全技術(shù)規(guī)程》?：該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了氫氣壓縮機的安全使用技術(shù)要求，包括壓縮機的安裝、使用、維護和檢修等方面的具體要求。

?《加氫站用隔膜壓縮機安全使用技術(shù)規(guī)范》?：該標(biāo)準(zhǔn)適用于額定排氣壓力不高于100MPa的隔膜壓縮機，規(guī)定了設(shè)計、制造、安裝及使用方面的安全要求。標(biāo)準(zhǔn)在2022年3月1月已獲準(zhǔn)發(fā)布實施，是由豐電金凱威牽頭起草。

?《加氫站用液驅(qū)活塞氫氣壓縮機安全使用技術(shù)規(guī)范》?：該標(biāo)準(zhǔn)適用于額定排氣壓力不高于100MPa的液驅(qū)活塞氫氣壓縮機，規(guī)定了設(shè)計、加工制造、裝配、安裝及使用方面的安全要求。

09 壓縮機技術(shù)的提高空間

就當(dāng)下氫能壓縮機應(yīng)用場景分別看：

在氫氣充裝壓縮機方面，目前行業(yè)能做到的最大排量可達到2000Nm3/h；在加氫站用壓縮機方面，最大排量可達2000Nm3/h，排氣壓力45/90MPa；在余氫回收壓縮機方面，排量最大可達1000Nm3/h，回收后壓力1.5-2.0MPa，可提高氫氣槽車氣體利用率25%以上，減少運輸成本。

制氫加氫一體站用壓縮機，目前在西北、廣東、華南地區(qū)已經(jīng)有廣泛布局。這種應(yīng)用場景，可減少運輸環(huán)節(jié)，將氫能終端應(yīng)用價格縮短到30-35元/kg。目前，壓縮機在這一場景的排量最大可達到1000Nm3/h，進氣壓力0.5-3.0MPa，排氣壓力45/90MPa。

目前，加氫站用隔膜壓縮機對70MPa、大流量的壓縮機應(yīng)用需求增加。在同樣的儲氫容積下，高壓力意味著車輛有更長的續(xù)航里程和更優(yōu)的經(jīng)濟性，數(shù)據(jù)顯示，70MPa氫氣比35MPa要多出67%的續(xù)航里程。同時，隨著氫能商用車漸成規(guī)模，加氫站在有限的建設(shè)用地上滿足大規(guī)模車隊加注，最佳路徑就是增大壓縮機的排量。

隔膜壓縮機應(yīng)用于氫能產(chǎn)業(yè)鏈多個場景，并占據(jù)較大市場份額。實際上，隔膜壓縮機應(yīng)用于氫能行業(yè)也有幾大痛點：排量的局限性、頻繁自動啟停局限性、排氣溫度的挑戰(zhàn)、工藝路線的優(yōu)化。針對這些痛點，氫氣隔膜壓縮機的升級方向在于：設(shè)計深度升級、滿足高壓力需求、滿足大排量需求、控制系統(tǒng)優(yōu)化需求、多級隔膜壓縮機應(yīng)用、健康管理系統(tǒng)應(yīng)用。

在非加氫站使用空間中，有一項往復(fù)活塞壓縮機有可能成為加氫站壓縮機的一個未來技術(shù)方向。往復(fù)活塞壓縮機在石化行業(yè)應(yīng)用廣泛，傳統(tǒng)往復(fù)活塞壓縮機因為摩擦副耗損、泄漏，特別是氫氣含油等問題一直無法有效解決，使其無法在加氫站應(yīng)用。美國Ariel公司于2022年發(fā)布了應(yīng)用于加氫站的立式往復(fù)活塞壓縮機，通過采用氮氣隔離腔方式，避免運動部件潤滑油污染氫氣。其排氣壓力最高50MPa，可在30MPa加氫站壓縮機市場擁有一席之地。

內(nèi)容資料參考來源：清茶薈、豐電金凱威、中國石化等