加氫站設備包括氫氣壓縮機、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。應用較多的隔膜式壓縮機和液驅(qū)式壓縮機，目前兩者的應用比例約為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運動來壓縮和輸送氣體的往復壓縮機。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、往復活塞和連桿、液壓移動膜片、油路調(diào)節(jié)閥，通過活塞往復運動產(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運動，進而使氫氣壓縮腔容積因活塞的往復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)再次返回增壓設備避免氫氣浪費，但由于回收系統(tǒng)復雜，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，且可以設計為多級壓縮模式，啟啟停停不受阻礙。但整個系統(tǒng)的復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

目前加氫站建設設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用最廣泛的增壓設備類型，在國內(nèi)供應隔膜壓縮機的企業(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90兆帕時，排量大于350標方/小時。

中國石化：今年8月，燕山石化1萬標立/小時氫氣提純設施完善項目關(guān)鍵核心設備——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)品在加氫站有應用，國內(nèi)部分廠家有一定技術(shù)儲備，但尚無應用案例。

08 氫氣壓縮機標準

我國氫氣壓縮機的標準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》?：該標準規(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》?：該標準適用于額定排氣壓力不高于100MPa的隔膜壓縮機，規(guī)定了設計、制造、安裝及使用方面的安全要求。標準在2022年3月1月已獲準發(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》?：該標準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

就當下氫能壓縮機應用場景分別看：

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。這種應用場景，可減少運輸環(huán)節(jié)，將氫能終端應用價格縮短到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、多級隔膜壓縮機應用、健康管理系統(tǒng)應用。

在非加氫站使用空間中，有一項往復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。往復活塞壓縮機在石化行業(yè)應用廣泛，傳統(tǒng)往復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用。美國Ariel公司于2022年發(fā)布了應用于加氫站的立式往復活塞壓縮機，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