加氫站用氫氣壓縮機研發現狀與思考

郝加封 張志宇 朱旺 王峰 高沛

摘? 要：與傳統能源相比，氫能以其環保性和經濟性等優勢，越來越受到世界各國的重視和發展，而加氫站是發展氫能產業必不可少的基礎設施，目前建設加氫站所需的氫氣壓縮機設備基本依賴進口。該文總結了氫氣壓縮機的結構特點，分析了研發的技術難點，針對國內外高壓儲氫加氫站內所需氫氣壓縮機的研發現狀進行了分類梳理。對氫氣壓縮機的研發提出了一些技術上的建議，希望可以為提升國產氫氣壓縮機性能提供一定的參考。

關鍵詞：氫氣壓縮機;氫能產業;加氫站

中圖分類號：TK91? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

當前，巨大的環境壓力和逐漸消耗殆盡的化石燃料傳統能源使得世界各國積極尋求新的清潔能源。氫能和氫燃料電池由于環保性能好、能量轉化效率高并且具有一定的經濟性而越來越受到世界各國的重視[1]。美國、歐盟各國以及日本、韓國等亞洲國家都在加強氫能產業的布局[2]。我國也積極布局氫能產業，在“十三五規劃”中將氫能產業上升為國家戰略和重點任務去發展，提出了我國氫能未來發展的技術路線圖[3]。

為了促進氫能的發展，氫能基礎設施的完善是必不可少的。截至2020年3月，國內只有63個加氫站，運營數量僅占全球的1%左右，因此加氫站的建設是發展氫能產業必須要解決的問題。目前國內加氫站正處于產業導入期，分布呈現明顯的產業聚集效應，受政策影響，建設步伐明顯加快。目前國際上技術比較成熟的是35 MPa和70 MPa加氫站，國內主要是35 MPa加氫站，而70 MPa加氫站已經研發出樣站，高壓和超高壓加氫站是未來的發展趨勢[1]。

氫氣壓縮機作為我國建設加氫站所需的三大核心關鍵單體設備之一，現階段，還沒有哪家國內生產廠的產品能夠完全替代進口設備，國內大多數加氫站建設所需氫氣壓縮機目前依舊依靠進口，這就造成建設加氫站的成本較高，且進口氫氣壓縮機供貨周期較長，維護成本較高。所以有必要開展氫氣壓縮機的國產化。

該文總結了各類氫氣壓縮機結構特點，并進行了分析對比，梳理了加氫站所需關鍵單體設備——氫氣壓縮機的國內外研發現狀，提出了一些氫氣壓縮機的研發建議，希望可以為國產化提供一些參考。

1 氫氣壓縮機結構特點與技術難點

1.1 氫氣壓縮機分類

根據工作原理及內部結構的不同，壓縮機可分為機械式壓縮機和非機械式壓縮機2類。機械式壓縮機又分為液驅式壓縮機、隔膜式壓縮機、線性壓縮機和離子液體壓縮機4類。非機械式壓縮機分為低溫液體泵、金屬氫化物壓縮機、電化學氫氣壓縮機和吸附型壓縮機4類。

由于氫氣具有密度低、體積能量密度小的特點，氫氣壓縮機必須要具備承壓大、流量大、安全和密封性好的特質，在防止氫脆現象發生的同時，盡可能地追求較少的能源損耗。目前國內加氫站較多采用的是液驅式壓縮機、隔膜式壓縮機。離子液壓縮機主要在國外應用得比較多，且一般用在具有較高儲氫壓力（一般為90 MPa左右）的加氫站中。

利用離子液本身的不可壓縮性制成的離子液壓縮機，幾乎不會產生蒸氣壓，該特點要比一般氫氣壓縮機因為金屬在等溫條件下所產生的高壓具有很大優勢，能長期運行，減少維護成本，且節省能耗。離子液壓縮機的構造簡單，相比普通壓縮機的零件大大減少，因此維護方便[4]。對于離子液壓縮機，目前國外有好多天然氣加氣站和部分加氫站在用，國內還處于產品研發階段。

1.2 各類氫氣壓縮機結構特點與對比

1.2.1 液驅式壓縮機結構特點

液驅式壓縮機是由液壓油作為驅動介質，通過驅動側活塞帶動氣體加壓活塞運動實現氣體的吸入和推出，氣體側缸筒上安裝了單向閥，當活塞回程時氣體壓力打開吸入側單向閥，輸出側單向閥處于關閉狀態，實現吸氣。當活塞推程時，吸入側單向閥關閉，輸出側單向閥打開實現氣體輸出。壓縮機為雙頭，活塞一個往復循環可以實現2次加壓，加壓效率高。其優點是技術成熟、積累了大量的工業經驗、壓力范圍大，同時系統結構簡單，工作過程中氣體和潤滑油不接觸，保證了氫氣中混入“碳”，避免下游應用中膜電極與“碳”反應出現故障。但其受自身結構限制，僅適用于中小排量和高壓的工況。該產品適用于非連續運營的試驗性加氫站和移動式加氫站。實物圖與結構原理圖如圖1所示。

1.2.2 隔膜式壓縮機結構特點

隔膜式壓縮機的工作原理是由電動機驅動曲軸轉動，曲軸推動連桿，由連桿推動活塞做往復運動，從而活塞利用液壓油對隔膜進行驅動，隔膜沿周邊由兩限制板夾緊并組成氣缸，隔膜由液壓驅動在氣缸內往復運動，從而實現對氣體的壓縮和輸送。其與液驅式壓縮機的不同點主要是活塞和氣體之間加入了液油和隔膜，增加了密封性好，進一步降低了“碳”與氣的接觸，潔凈度極高。而其缺點與活塞式類似，也僅用于中小排量和高壓的工況。較先進的壓縮機排氣壓力可達100 MPa，流量為200 Nm3/h～700 Nm3/h，效率可達80%～85%。其中三層金屬隔膜結構壓縮機輸出壓力超過85 MPa，多級壓縮最高排氣壓力可達400 MPa。該產品適用于平均日加氫量較大且需要連續運營的加氫站。實物圖與結構原理圖如圖2所示。

1.3 各類氫氣壓縮機特點對比

各類常見的氫氣壓縮機特點的對比見表1。從價格和后期維護來看，隔膜式壓縮機單機費用較高較高，且遠遠高于國產設備。隨著未來國產化率的提高會降低，液驅式壓縮機單機設備價格較低，但能耗高，備品備件更換和維護維修費用高。

2 國內外氫氣壓縮機研發現狀

2.1 液驅式壓縮機研究現狀

國際上常用液驅式壓縮機的輸出壓力可達到100 MPa，流量為300 Nm3/h。國內近兩年加氫站上采用的液驅式壓縮機均為進口產品，主要品牌有德國MAXIMATOR、HOFER、SERAL，美國HYDRO-PAC、HASKEL等，其中MAXIMATOR的產品應用量最大，年出貨超過20套，且技術較為成熟。

國內深圳思特克（STK）、濟南賽思特兩家公司也正在開展該種機型的國產化研制與推廣工作，目前已在各類燃料電池系統生產廠內試驗應用，如南通安思卓用STK增壓機進行系統測試，同時為示范燃料電池汽車提供加注。

2.2 隔膜式壓縮機研究現狀

對于隔膜壓縮機產品，目前主要進口品牌有美國PDC、英國HOWDEN、德國HOFER等，國內自主品牌主要有北京天高、北京中鼎恒盛、江蘇恒久和京城環保等品牌。

美國PDC占據國內加氫站壓縮機最主要的市場份額，具有將近30臺（套）用量，質量及應用情況得到了國內客戶的認可。此外，有國內廠家通過采用采購美國PDC壓縮機機頭，與國產配套零部件配套并成撬的方式在國內開展業務，在大連、北京、江蘇和成都等地都有加氫站建設方成撬。通過這種方式，其成本相對于原來整套進口模式已經大幅下降，根據合同量的不同，市場價格已達到同類國產機型的1.5～2倍。但其總體價格相對于其他品牌壓縮機仍然缺乏競爭力，尤其是近兩年國內燃料電池車運行進入商業示范階段、加氫站總承競爭加劇，加氫站總包方對壓縮機成本控制的要求越來越嚴格，導致國內加氫站總包方尋求更廣泛的壓縮機主機來源。上海某加氫站集成商與英國豪頓壓縮機簽訂戰略合作協議，成都某加氫站集成商與德國HOFER正在談戰略合作，分別在國內進行集成和推廣。通過這些手段，在市場競爭中獲得不同的競爭能力。

北京一通曾于20世紀80年代開發了排氣200 MPa（最高210 MPa）氫氣隔膜壓縮機，生產了3套排量為120 Nm3/h的壓縮機用于我國航空航天氣動試驗。現在國內氫隔膜壓縮機技術生產廠家均源自于原北京一通。

北京天高隔膜壓縮機是國內最早開展加氫站壓縮機研究和示范應用的單位，已開發了用于加氫站用排氣壓力90 MPa的壓縮機，最早應用于北京飛馳綠能加氫站，現用于大連新源加氫站。其開發的45 MPa壓機在北京永豐、云浮思勞、南海瑞輝、河南豫氫等8座加氫站上。根據最終用戶（北京永豐加氫站）反饋情況，該國產品牌壓縮機在技術系統性方面與國外競爭對手有一定差距，但是在本土適應性方面也具備一定優勢，已經具備推廣應用基本條件，如經營得當，預計該品牌壓縮機在未來幾年將有良好的業績增長，并逐步取代進口品牌。

中鼎恒盛壓縮機是行業的后起之秀，成立于2008年，其氫氣壓縮機已用于佛山荔村、武漢雄眾、安徽明天、臺州淳華以及上海金山等加氫站上，從用戶方了解，其氫壓縮機噪聲量級甚至低于國外競爭對手。目前，該品牌已形成了隔膜壓縮機的規模生產能力，未來有望在加氫站壓縮機市場占有一席之地。

總之，在氫氣壓縮機國產化方面，國內有好多企業已經取得了很好的效果，壓縮機性能與進口產品越來越接近，相信未來會逐漸取代進口產品。目前，國內也有相當一部分加氫站設備供應商，采購進口的壓縮機機頭作為核心部件，配套輔助部件采用國內采購和組裝的方式[4]。這樣，對于建設單位來說，不僅提高了設備的可靠性，同時也降低了設備采購成本。

3 對氫氣壓縮機研發的建議

3.1 液驅式壓縮機研發建議

液驅式壓縮機研發的難點在于使用過程存在密封性難以長時間得到保證，單臺壓縮比較低等問題。對于密封性問題，一方面需要考慮密封方式，可以優化設計結構，也可以考慮采用泛塞封、Y型密封、直角密封和腳型密封等近年來常用的密封結構，以及利用冷卻水循環降溫，降低泵頭處由于干摩擦對密封圈造成的影響。另一方面需要考慮密封材料的影響，對于密封圈等易損件，可以考慮采用聚酰亞胺、增強聚四氟乙烯等高強度、耐腐蝕的材料。此外，還需要對壓縮機內部活塞與氣缸處的具體密封結構進行進一步的研究，具體情況具體分析。

對于單臺壓縮比較低的問題，一方面可以通過優化設計結構降低吸氣壓力，提高加注量，減少留存量的方式來克服。另一方面可以采取氣缸并列的方式，在相同缸徑的情況下，設計多級活塞壓縮，提高壓縮比。

3.2 隔膜式壓縮機研發建議

隔膜式壓縮機研發的難點在于單機排氣量較小、頻繁啟停會大大縮短使用壽命。對于單機排氣量較小的問題，可以采用多隔膜并列形式，同一活塞在相同行程下推動多個隔膜運動，提升單行程下的壓縮量。對于不適應頻繁啟停的問題，可以在壓縮機后端配備儲氫罐，也可以考慮采用大循環方式，當壓力達到一定數值后自動切入大循環，避免頻繁啟停。

4 結語

氫氣壓縮機是加氫站的關鍵單體設備，關系著加氫站建設的核心技術。在參考國外設計結構、結合實際使用條件的基礎上，創造性的設計氫氣壓縮機結構，考慮安全性和可維修性，才能提升壓縮機性能。此外，還需要考慮成本與市場因素[5]。把握市場動向，明確研發計劃，才能滿足社會需求，提升壓縮機制造水平。

參考文獻

[1]李倩.國內外氫能和燃料電池產業發展的主要政策[EB/OL][2018-05-15].http：//m.elecfans.com/article/677730.html.

[2]鄭瑩瑩.上海出爐規劃趕“早集”率先布局燃料電池汽車[EB/OL]. [2017-09-20].https：//auto.sina.cn/allnews/2017-09-21/detail-ifymenmt5847617.d.html？from=wap.

[3]康啟平，張國強，張志蕓.我國燃料電池汽車商業化發展影響因素分析[J]. 上海汽車，2018（3）：33-37.

[4]張彥純.加氫站主要工藝設備選型分析[J].上海煤氣，2019（6）：10-13，27.

[5]郝加封，曲偉強，滕磊軍，等.加氫站加氫槍特點與技術研發難點[J].中國新技術新產品，2020（3）：35-39.