加氫站用氫氣壓縮機(jī)研發(fā)現(xiàn)狀與思考

郝加封 張志宇 朱旺 王峰 高沛

摘? 要：與傳統(tǒng)能源相比，氫能以其環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視和發(fā)展，而加氫站是發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)必不可少的基礎(chǔ)設(shè)施，目前建設(shè)加氫站所需的氫氣壓縮機(jī)設(shè)備基本依賴(lài)進(jìn)口。該文總結(jié)了氫氣壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析了研發(fā)的技術(shù)難點(diǎn)，針對(duì)國(guó)內(nèi)外高壓儲(chǔ)氫加氫站內(nèi)所需氫氣壓縮機(jī)的研發(fā)現(xiàn)狀進(jìn)行了分類(lèi)梳理。對(duì)氫氣壓縮機(jī)的研發(fā)提出了一些技術(shù)上的建議，希望可以為提升國(guó)產(chǎn)氫氣壓縮機(jī)性能提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：氫氣壓縮機(jī);氫能產(chǎn)業(yè);加氫站

中圖分類(lèi)號(hào)：TK91? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

當(dāng)前，巨大的環(huán)境壓力和逐漸消耗殆盡的化石燃料傳統(tǒng)能源使得世界各國(guó)積極尋求新的清潔能源。氫能和氫燃料電池由于環(huán)保性能好、能量轉(zhuǎn)化效率高并且具有一定的經(jīng)濟(jì)性而越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視[1]。美國(guó)、歐盟各國(guó)以及日本、韓國(guó)等亞洲國(guó)家都在加強(qiáng)氫能產(chǎn)業(yè)的布局[2]。我國(guó)也積極布局氫能產(chǎn)業(yè)，在“十三五規(guī)劃”中將氫能產(chǎn)業(yè)上升為國(guó)家戰(zhàn)略和重點(diǎn)任務(wù)去發(fā)展，提出了我國(guó)氫能未來(lái)發(fā)展的技術(shù)路線(xiàn)圖[3]。

為了促進(jìn)氫能的發(fā)展，氫能基礎(chǔ)設(shè)施的完善是必不可少的。截至2020年3月，國(guó)內(nèi)只有63個(gè)加氫站，運(yùn)營(yíng)數(shù)量?jī)H占全球的1%左右，因此加氫站的建設(shè)是發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)必須要解決的問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)加氫站正處于產(chǎn)業(yè)導(dǎo)入期，分布呈現(xiàn)明顯的產(chǎn)業(yè)聚集效應(yīng)，受政策影響，建設(shè)步伐明顯加快。目前國(guó)際上技術(shù)比較成熟的是35 MPa和70 MPa加氫站，國(guó)內(nèi)主要是35 MPa加氫站，而70 MPa加氫站已經(jīng)研發(fā)出樣站，高壓和超高壓加氫站是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)[1]。

氫氣壓縮機(jī)作為我國(guó)建設(shè)加氫站所需的三大核心關(guān)鍵單體設(shè)備之一，現(xiàn)階段，還沒(méi)有哪家國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠的產(chǎn)品能夠完全替代進(jìn)口設(shè)備，國(guó)內(nèi)大多數(shù)加氫站建設(shè)所需氫氣壓縮機(jī)目前依舊依靠進(jìn)口，這就造成建設(shè)加氫站的成本較高，且進(jìn)口氫氣壓縮機(jī)供貨周期較長(zhǎng)，維護(hù)成本較高。所以有必要開(kāi)展氫氣壓縮機(jī)的國(guó)產(chǎn)化。

該文總結(jié)了各類(lèi)氫氣壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并進(jìn)行了分析對(duì)比，梳理了加氫站所需關(guān)鍵單體設(shè)備——?dú)錃鈮嚎s機(jī)的國(guó)內(nèi)外研發(fā)現(xiàn)狀，提出了一些氫氣壓縮機(jī)的研發(fā)建議，希望可以為國(guó)產(chǎn)化提供一些參考。

1 氫氣壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與技術(shù)難點(diǎn)

1.1 氫氣壓縮機(jī)分類(lèi)

根據(jù)工作原理及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同，壓縮機(jī)可分為機(jī)械式壓縮機(jī)和非機(jī)械式壓縮機(jī)2類(lèi)。機(jī)械式壓縮機(jī)又分為液驅(qū)式壓縮機(jī)、隔膜式壓縮機(jī)、線(xiàn)性壓縮機(jī)和離子液體壓縮機(jī)4類(lèi)。非機(jī)械式壓縮機(jī)分為低溫液體泵、金屬氫化物壓縮機(jī)、電化學(xué)氫氣壓縮機(jī)和吸附型壓縮機(jī)4類(lèi)。

由于氫氣具有密度低、體積能量密度小的特點(diǎn)，氫氣壓縮機(jī)必須要具備承壓大、流量大、安全和密封性好的特質(zhì)，在防止氫脆現(xiàn)象發(fā)生的同時(shí)，盡可能地追求較少的能源損耗。目前國(guó)內(nèi)加氫站較多采用的是液驅(qū)式壓縮機(jī)、隔膜式壓縮機(jī)。離子液壓縮機(jī)主要在國(guó)外應(yīng)用得比較多，且一般用在具有較高儲(chǔ)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(jī)，幾乎不會(huì)產(chǎn)生蒸氣壓，該特點(diǎn)要比一般氫氣壓縮機(jī)因?yàn)榻饘僭诘葴貤l件下所產(chǎn)生的高壓具有很大優(yōu)勢(shì)，能長(zhǎng)期運(yùn)行，減少維護(hù)成本，且節(jié)省能耗。離子液壓縮機(jī)的構(gòu)造簡(jiǎn)單，相比普通壓縮機(jī)的零件大大減少，因此維護(hù)方便[4]。對(duì)于離子液壓縮機(jī)，目前國(guó)外有好多天然氣加氣站和部分加氫站在用，國(guó)內(nèi)還處于產(chǎn)品研發(fā)階段。

1.2 各類(lèi)氫氣壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與對(duì)比

1.2.1 液驅(qū)式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

液驅(qū)式壓縮機(jī)是由液壓油作為驅(qū)動(dòng)介質(zhì)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)側(cè)活塞帶動(dòng)氣體加壓活塞運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)氣體的吸入和推出，氣體側(cè)缸筒上安裝了單向閥，當(dāng)活塞回程時(shí)氣體壓力打開(kāi)吸入側(cè)單向閥，輸出側(cè)單向閥處于關(guān)閉狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)吸氣。當(dāng)活塞推程時(shí)，吸入側(cè)單向閥關(guān)閉，輸出側(cè)單向閥打開(kāi)實(shí)現(xiàn)氣體輸出。壓縮機(jī)為雙頭，活塞一個(gè)往復(fù)循環(huán)可以實(shí)現(xiàn)2次加壓，加壓效率高。其優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟、積累了大量的工業(yè)經(jīng)驗(yàn)、壓力范圍大，同時(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作過(guò)程中氣體和潤(rùn)滑油不接觸，保證了氫氣中混入“碳”，避免下游應(yīng)用中膜電極與“碳”反應(yīng)出現(xiàn)故障。但其受自身結(jié)構(gòu)限制，僅適用于中小排量和高壓的工況。該產(chǎn)品適用于非連續(xù)運(yùn)營(yíng)的試驗(yàn)性加氫站和移動(dòng)式加氫站。實(shí)物圖與結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

1.2.2 隔膜式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

隔膜式壓縮機(jī)的工作原理是由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)，曲軸推動(dòng)連桿，由連桿推動(dòng)活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而活塞利用液壓油對(duì)隔膜進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，隔膜沿周邊由兩限制板夾緊并組成氣缸，隔膜由液壓驅(qū)動(dòng)在氣缸內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的壓縮和輸送。其與液驅(qū)式壓縮機(jī)的不同點(diǎn)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(jìn)一步降低了“碳”與氣的接觸，潔凈度極高。而其缺點(diǎn)與活塞式類(lèi)似，也僅用于中小排量和高壓的工況。較先進(jìn)的壓縮機(jī)排氣壓力可達(dá)100 MPa，流量為200 Nm3/h～700 Nm3/h，效率可達(dá)80%～85%。其中三層金屬隔膜結(jié)構(gòu)壓縮機(jī)輸出壓力超過(guò)85 MPa，多級(jí)壓縮最高排氣壓力可達(dá)400 MPa。該產(chǎn)品適用于平均日加氫量較大且需要連續(xù)運(yùn)營(yíng)的加氫站。實(shí)物圖與結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。

1.3 各類(lèi)氫氣壓縮機(jī)特點(diǎn)對(duì)比

各類(lèi)常見(jiàn)的氫氣壓縮機(jī)特點(diǎn)的對(duì)比見(jiàn)表1。從價(jià)格和后期維護(hù)來(lái)看，隔膜式壓縮機(jī)單機(jī)費(fèi)用較高較高，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國(guó)產(chǎn)設(shè)備。隨著未來(lái)國(guó)產(chǎn)化率的提高會(huì)降低，液驅(qū)式壓縮機(jī)單機(jī)設(shè)備價(jià)格較低，但能耗高，備品備件更換和維護(hù)維修費(fèi)用高。

2 國(guó)內(nèi)外氫氣壓縮機(jī)研發(fā)現(xiàn)狀

2.1 液驅(qū)式壓縮機(jī)研究現(xiàn)狀

國(guó)際上常用液驅(qū)式壓縮機(jī)的輸出壓力可達(dá)到100 MPa，流量為300 Nm3/h。國(guó)內(nèi)近兩年加氫站上采用的液驅(qū)式壓縮機(jī)均為進(jìn)口產(chǎn)品，主要品牌有德國(guó)MAXIMATOR、HOFER、SERAL，美國(guó)HYDRO-PAC、HASKEL等，其中MAXIMATOR的產(chǎn)品應(yīng)用量最大，年出貨超過(guò)20套，且技術(shù)較為成熟。

國(guó)內(nèi)深圳思特克（STK）、濟(jì)南賽思特兩家公司也正在開(kāi)展該種機(jī)型的國(guó)產(chǎn)化研制與推廣工作，目前已在各類(lèi)燃料電池系統(tǒng)生產(chǎn)廠內(nèi)試驗(yàn)應(yīng)用，如南通安思卓用STK增壓機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，同時(shí)為示范燃料電池汽車(chē)提供加注。

2.2 隔膜式壓縮機(jī)研究現(xiàn)狀

對(duì)于隔膜壓縮機(jī)產(chǎn)品，目前主要進(jìn)口品牌有美國(guó)PDC、英國(guó)HOWDEN、德國(guó)HOFER等，國(guó)內(nèi)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(huán)保等品牌。

美國(guó)PDC占據(jù)國(guó)內(nèi)加氫站壓縮機(jī)最主要的市場(chǎng)份額，具有將近30臺(tái)（套）用量，質(zhì)量及應(yīng)用情況得到了國(guó)內(nèi)客戶(hù)的認(rèn)可。此外，有國(guó)內(nèi)廠家通過(guò)采用采購(gòu)美國(guó)PDC壓縮機(jī)機(jī)頭，與國(guó)產(chǎn)配套零部件配套并成撬的方式在國(guó)內(nèi)開(kāi)展業(yè)務(wù)，在大連、北京、江蘇和成都等地都有加氫站建設(shè)方成撬。通過(guò)這種方式，其成本相對(duì)于原來(lái)整套進(jìn)口模式已經(jīng)大幅下降，根據(jù)合同量的不同，市場(chǎng)價(jià)格已達(dá)到同類(lèi)國(guó)產(chǎn)機(jī)型的1.5～2倍。但其總體價(jià)格相對(duì)于其他品牌壓縮機(jī)仍然缺乏競(jìng)爭(zhēng)力，尤其是近兩年國(guó)內(nèi)燃料電池車(chē)運(yùn)行進(jìn)入商業(yè)示范階段、加氫站總承競(jìng)爭(zhēng)加劇，加氫站總包方對(duì)壓縮機(jī)成本控制的要求越來(lái)越嚴(yán)格，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)加氫站總包方尋求更廣泛的壓縮機(jī)主機(jī)來(lái)源。上海某加氫站集成商與英國(guó)豪頓壓縮機(jī)簽訂戰(zhàn)略合作協(xié)議，成都某加氫站集成商與德國(guó)HOFER正在談戰(zhàn)略合作，分別在國(guó)內(nèi)進(jìn)行集成和推廣。通過(guò)這些手段，在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中獲得不同的競(jìng)爭(zhēng)能力。

北京一通曾于20世紀(jì)80年代開(kāi)發(fā)了排氣200 MPa（最高210 MPa）氫氣隔膜壓縮機(jī)，生產(chǎn)了3套排量為120 Nm3/h的壓縮機(jī)用于我國(guó)航空航天氣動(dòng)試驗(yàn)。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)氫隔膜壓縮機(jī)技術(shù)生產(chǎn)廠家均源自于原北京一通。

北京天高隔膜壓縮機(jī)是國(guó)內(nèi)最早開(kāi)展加氫站壓縮機(jī)研究和示范應(yīng)用的單位，已開(kāi)發(fā)了用于加氫站用排氣壓力90 MPa的壓縮機(jī)，最早應(yīng)用于北京飛馳綠能加氫站，現(xiàn)用于大連新源加氫站。其開(kāi)發(fā)的45 MPa壓機(jī)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(jù)最終用戶(hù)（北京永豐加氫站）反饋情況，該國(guó)產(chǎn)品牌壓縮機(jī)在技術(shù)系統(tǒng)性方面與國(guó)外競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手有一定差距，但是在本土適應(yīng)性方面也具備一定優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)具備推廣應(yīng)用基本條件，如經(jīng)營(yíng)得當(dāng)，預(yù)計(jì)該品牌壓縮機(jī)在未來(lái)幾年將有良好的業(yè)績(jī)?cè)鲩L(zhǎng)，并逐步取代進(jìn)口品牌。

中鼎恒盛壓縮機(jī)是行業(yè)的后起之秀，成立于2008年，其氫氣壓縮機(jī)已用于佛山荔村、武漢雄眾、安徽明天、臺(tái)州淳華以及上海金山等加氫站上，從用戶(hù)方了解，其氫壓縮機(jī)噪聲量級(jí)甚至低于國(guó)外競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。目前，該品牌已形成了隔膜壓縮機(jī)的規(guī)模生產(chǎn)能力，未來(lái)有望在加氫站壓縮機(jī)市場(chǎng)占有一席之地。

總之，在氫氣壓縮機(jī)國(guó)產(chǎn)化方面，國(guó)內(nèi)有好多企業(yè)已經(jīng)取得了很好的效果，壓縮機(jī)性能與進(jìn)口產(chǎn)品越來(lái)越接近，相信未來(lái)會(huì)逐漸取代進(jìn)口產(chǎn)品。目前，國(guó)內(nèi)也有相當(dāng)一部分加氫站設(shè)備供應(yīng)商，采購(gòu)進(jìn)口的壓縮機(jī)機(jī)頭作為核心部件，配套輔助部件采用國(guó)內(nèi)采購(gòu)和組裝的方式[4]。這樣，對(duì)于建設(shè)單位來(lái)說(shuō)，不僅提高了設(shè)備的可靠性，同時(shí)也降低了設(shè)備采購(gòu)成本。

3 對(duì)氫氣壓縮機(jī)研發(fā)的建議

3.1 液驅(qū)式壓縮機(jī)研發(fā)建議

液驅(qū)式壓縮機(jī)研發(fā)的難點(diǎn)在于使用過(guò)程存在密封性難以長(zhǎng)時(shí)間得到保證，單臺(tái)壓縮比較低等問(wèn)題。對(duì)于密封性問(wèn)題，一方面需要考慮密封方式，可以?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，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(lái)常用的密封結(jié)構(gòu)，以及利用冷卻水循環(huán)降溫，降低泵頭處由于干摩擦對(duì)密封圈造成的影響。另一方面需要考慮密封材料的影響，對(duì)于密封圈等易損件，可以考慮采用聚酰亞胺、增強(qiáng)聚四氟乙烯等高強(qiáng)度、耐腐蝕的材料。此外，還需要對(duì)壓縮機(jī)內(nèi)部活塞與氣缸處的具體密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的研究，具體情況具體分析。

對(duì)于單臺(tái)壓縮比較低的問(wèn)題，一方面可以通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)降低吸氣壓力，提高加注量，減少留存量的方式來(lái)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(shè)計(jì)多級(jí)活塞壓縮，提高壓縮比。

3.2 隔膜式壓縮機(jī)研發(fā)建議

隔膜式壓縮機(jī)研發(fā)的難點(diǎn)在于單機(jī)排氣量較小、頻繁啟停會(huì)大大縮短使用壽命。對(duì)于單機(jī)排氣量較小的問(wèn)題，可以采用多隔膜并列形式，同一活塞在相同行程下推動(dòng)多個(gè)隔膜運(yùn)動(dòng)，提升單行程下的壓縮量。對(duì)于不適應(yīng)頻繁啟停的問(wèn)題，可以在壓縮機(jī)后端配備儲(chǔ)氫罐，也可以考慮采用大循環(huán)方式，當(dāng)壓力達(dá)到一定數(shù)值后自動(dòng)切入大循環(huán)，避免頻繁啟停。

4 結(jié)語(yǔ)

氫氣壓縮機(jī)是加氫站的關(guān)鍵單體設(shè)備，關(guān)系著加氫站建設(shè)的核心技術(shù)。在參考國(guó)外設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、結(jié)合實(shí)際使用條件的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)氫氣壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)，考慮安全性和可維修性，才能提升壓縮機(jī)性能。此外，還需要考慮成本與市場(chǎng)因素[5]。把握市場(chǎng)動(dòng)向，明確研發(fā)計(jì)劃，才能滿(mǎn)足社會(huì)需求，提升壓縮機(jī)制造水平。

參考文獻(xiàn)

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