加氫站壓縮機發(fā)展現(xiàn)狀與展望

賈曉晗，任省棟

(西安交通大學壓縮機研究所，陜西 西安 710049)

1 氫能及加氫站

氫是一種清潔的二次能源載體，具有來源豐富、終端零排、易于轉(zhuǎn)化等特點。作為世界上最大的制氫國，國家已將促進氫能產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展作為實現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標的重要途徑，以及未來能源變革的重要組成。隨著燃料電池技術在多個領域的突破，燃料電池汽車已成為交通能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的必然趨勢。國家在《國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略綱要》、《汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》、《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021～2035 年)》等頂層規(guī)劃高度重視燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展和示范應用，財政部等五部委也分別在2021年8月到2022年1月先后兩批批準了“3+2”共5個城市群，包含13個省市、40余座城市的跨市跨地域燃料電池汽車示范應用項目，希望通過加快燃料電池汽車示范應用促進核心關鍵技術創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化、建立完善產(chǎn)業(yè)政策體系、探索構(gòu)建氫能供應體系。

加氫站是氫能供應體系的重要組成部分，也是氫能在交通領域應用的關鍵基礎設施。自2016年以來，投放市場的燃料電池汽車逐年增長，2022年全國燃料電池汽車銷售超過3300輛，累計銷售1.2萬輛。而加氫站數(shù)量也快速遞增，截至2023年5月，全國已建成加氫站325座，在全球加氫站中占比超過40%，數(shù)量居世界第一[1]。根據(jù)《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021～2035年)》、《節(jié)能與新能源汽車技術路線圖》(2.0版本)，到2025年，我國燃料電池汽車有望達到10萬輛，加氫站達到1000座，2030年，分別達到100萬輛和5000座[2，3]。

2 加氫站壓縮機

加氫站中的氫氣來源主要分為兩類：一是場內(nèi)電解水制氫提供；二是長管拖車提供。2種途徑提供的氫氣壓力均無法滿足氫燃料電池汽車35 MPa或70 MPa的加注壓力需求，需要在加氫站將各種來源的氫氣通過增壓系統(tǒng)進一步提升至45 MPa或90 MPa。根據(jù)美國能源部最新估算[4]，氫氣增壓系統(tǒng)成本占建站總成本的40%以上，而增壓系統(tǒng)運行過程中的非計劃停機次數(shù)和時間占加氫站總運維的25%和22%[5]?？梢钥闯?，氫氣增壓系統(tǒng)是加氫站安全、高效、低成本運營的關鍵。燃料電池汽車對氫氣的高純度要求(>99.9%)，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，隔膜壓縮機、液驅(qū)活塞壓縮機等特殊機型成為加氫站普遍應用的氫氣增壓設備。

2.1 隔膜壓縮機

加氫站所用隔膜壓縮機利用金屬膜片的變形對氣體壓縮，膜片將壓縮介質(zhì)與外界(特別是潤滑油)隔開，而膜片的變形通過曲柄連桿機構(gòu)及活塞驅(qū)動液壓油來完成。隔膜壓縮機膜頭部分結(jié)構(gòu)如圖1所示，擁有穹形內(nèi)壁面的氣側(cè)膜頭(缸蓋)和多層金屬膜片圍成的封閉容積為氣體壓縮腔(工作腔)，油側(cè)膜頭(下支板)、多層金屬膜片以及活塞圍成的封閉容積為油腔。壓縮過程中，活塞向上止點運動，液壓油壓力升高并驅(qū)使膜片向上變形運動。膜片與氣側(cè)膜頭穹形內(nèi)壁從邊緣向中心逐漸貼合，工作腔體積隨之減小，實現(xiàn)氣體增壓。隔膜壓縮機一般采用三層膜片，即氣側(cè)膜片、油側(cè)膜片和中間膜片。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。

圖1 隔膜壓縮機膜頭部分結(jié)構(gòu)示意圖

隔膜壓縮機目前是加氫站市場應用最廣泛的增壓設備類型，在45 MPa級別，國內(nèi)中鼎、恒久、金凱威等都有少量產(chǎn)品在加氫站應用的案例，大部分市場是美國廠商PDC所占據(jù)，Howden近幾年在加氫站市場中積極開拓，國內(nèi)在建加氫站獲得部分訂單。對于90 MPa級別的增壓設備，由于國內(nèi)運營的70 MPa加氫站很少，采用隔膜壓縮機的加氫站主要是PDC和Howden兩家的產(chǎn)品，國內(nèi)廠家尚無站內(nèi)應用案例，但恒久、金凱威等部分廠家有技術及產(chǎn)品儲備。

隔膜壓縮機大多數(shù)是通過曲柄連桿機構(gòu)驅(qū)動油腔內(nèi)液壓油流動，近年來國內(nèi)也有開發(fā)油泵驅(qū)動液壓油的隔膜壓縮機新技術，該技術膜頭內(nèi)的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)隔膜壓縮機一樣，也是依靠膜片變形壓縮氣體，并將氣體與液壓油完全隔絕。

雖然隔膜壓縮機具備零污染、零泄漏等獨特優(yōu)勢，但加氫站復雜的工況條件使其在實際應用中也暴露出一些問題。以典型的長管拖車氫源為35 MPa固定站加氫應用場景為例。長管拖車的進站壓力為20 MPa，離站壓力為5～6 MPa，站內(nèi)配有高、中、低三級氫氣儲罐，儲罐壓力等級分別為45 MPa，35 MPa和25 MPa。當站內(nèi)儲罐壓力不足時，啟動壓縮機分別給3個儲罐依次增壓，因此需要壓縮機適應的吸、排氣壓力范圍非常寬，而且還存在頻繁啟停等工況。由于隔膜壓縮機是通過液壓油驅(qū)動氣體增壓，排氣壓力的大范圍波動要求油壓必須快速響應這種變化，以形成良好的油氣壓力“動態(tài)伴隨”狀態(tài)，保證隔膜壓縮機的高效、可靠運行。但隔膜壓縮機的油壓通過溢油閥控制，溢油壓力固定，一般設置在55 MPa以上以適應45 MPa的排氣壓力，低排氣壓力工況下固定的溢油壓力導致油氣壓差過大，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。

太寬的吸、排氣壓力范圍還會引起極端工況壓比遠遠偏離設計壓比。加氫站隔膜壓縮機設計壓比一般為3～4，但隨著長管拖車壓力減小，壓縮機實際運行壓比逐漸提高，最高可達到7以上。由于絕大部分抗氫脆金屬材料的導熱性較差，壓縮熱無法及時有效導出，造成大壓比工況下非金屬密封部件受高溫影響容易碳化失效。

此外，隔膜壓縮機的工作特性決定了其必須空載起機，需要設計相對復雜的開機工藝流程，以適應加氫站頻繁啟、停的需求。

2.2 液驅(qū)活塞壓縮機

液驅(qū)活塞壓縮機是目前加氫站另外一種廣泛使用的增壓設備。如圖2所示，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。

圖2 液驅(qū)活塞壓縮機結(jié)構(gòu)示意圖

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45 MPa。國外產(chǎn)品以美國Haskel為主，國內(nèi)則除了最早進入市場的康普瑞斯外，四川大川、三一氫能也在近幾年成功研發(fā)了相應產(chǎn)品。因國內(nèi)70 MPa加氫站數(shù)量很少，90 MPa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儲備，但尚無應用案例。

相比較隔膜壓縮機，液驅(qū)活塞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2/3左右；其次，液驅(qū)活塞壓縮機機頭部分的結(jié)構(gòu)簡單，制造成本也低于隔膜壓縮機，相同工況下更容易通過設計成多級壓縮，降低增壓過程能耗；再次，液驅(qū)活塞壓縮機易損件活塞環(huán)的更換更加簡單方便，相比更換一次膜片需要的2人1工日，更換一次活塞環(huán)一般僅需1人0.5工日，有效降低了加氫站的二次運維成本；此外，液驅(qū)活塞壓縮機能夠直接帶載啟、停，非常適應加氫站對增壓設備頻繁啟、停的需求，極大簡化了其在加氫站應用時的工藝流程。

但液驅(qū)活塞壓縮機也存在著兩方面的不足：一是泄漏問題：由于采用動密封，因此無法實現(xiàn)零泄漏，雖然液壓油和氫氣不會相互串通，但氫氣向隔離腔的泄漏還是難以避免，根據(jù)已有數(shù)據(jù)，加氫站液驅(qū)活塞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。二是動密封部件磨損問題?；钊h(huán)作為液驅(qū)活塞壓縮機關鍵易損件，短壽命是目前面臨的最大問題。應用于加氫站的液驅(qū)活塞壓縮機具有大壓比，高排氣壓力的特點，加之缸壁厚，材料導熱性差等因素，造成壓縮熱無法從工作腔有效導出，缸內(nèi)壁面溫度高，使非金屬活塞環(huán)的工作環(huán)境極端惡劣，壽命也隨之大幅下降。據(jù)統(tǒng)計，目前服役于國內(nèi)加氫站的液驅(qū)活塞壓縮機活塞環(huán)壽命一般超過1000 h，泄漏就會超過6%，必須進行更換。如果通過多級壓縮降低單級壓比或解決工作腔內(nèi)壓縮熱的傳導問題，改善活塞環(huán)的工作環(huán)境，那么液驅(qū)活塞壓縮機將與隔膜壓縮機形成有力競爭。

2.3 其他形式壓縮機

(1)離子液體壓縮機

離子液體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。目前全球僅有德國林德集團擁有較為成熟的產(chǎn)品且在加氫站應用，國內(nèi)尚處在研發(fā)階段。離子壓縮機機頭結(jié)構(gòu)簡單，零部件少，無易損部件，所以可靠性相對隔膜壓縮機和液驅(qū)活塞壓縮機都有明顯優(yōu)勢。同時，簡單的結(jié)構(gòu)也使其易設計成多級壓縮形式，林德集團90 MPa級的離子液體壓縮機IC90為五級結(jié)構(gòu)，多級壓縮可以大幅度增加壓比，從而降低進氣壓力，IC90具備從0.2 MPa增壓至90 MPa的能力，這是隔膜壓縮機和液驅(qū)活塞壓縮機完全不具備的。

離子液體壓縮機主要的技術難點在兩方面，一方面，離子液體本身的熱物性，以及離子液體與氫氣混合增壓過程、高壓分離過程、與氫氣之間相互作用等諸多方面的機理、特性及規(guī)律缺乏足夠的研究和認知，缺乏對核心技術的理解和掌握。另一方面，離子液體壓縮機的是靠多級徑向柱塞泵來提供驅(qū)動力，加之壓縮機級數(shù)多，級間壓力和相位控制嚴格，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。

(2)往復活塞壓縮機

往復活塞壓縮機是最早應用于氫氣壓縮的設備，在石化行業(yè)應用廣泛。與上述3種類型壓縮機相比，大流量是其最為突出的優(yōu)勢，但傳統(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，其排氣壓力最高50 MPa，在2.5 MPa進氣工況下，流量可高達2700 Nm3/h-1。該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。往復活塞壓縮機面臨的最大挑戰(zhàn)就是密封件的壽命，其易損件主要是活塞環(huán)和填料函兩部分，填料函的更換需要將活塞與氣缸完全拆下才能完成，因此維護的時間成本和人力成本將會遠高于隔膜壓縮機和液驅(qū)活塞壓縮機，但如果填料函的壽命可以超過3000 h，則立式活塞壓縮機至少在35 MPa加氫站壓縮機市場擁有一席之地。

3 加氫站壓縮機技術發(fā)展趨勢

現(xiàn)階段國內(nèi)加氫站大部分為示范站，隨著商業(yè)化進程的加速，加氫站要形成盈利模式除了降低氫氣成本外，對站內(nèi)壓縮機也提出全新要求。應用端的需求牽引，將決定加氫站壓縮機的發(fā)展趨勢。商業(yè)化加氫站的盈利基礎是加氫能力，現(xiàn)階段我國以燃料電池商用車為發(fā)展主賽道，一臺燃料電池重卡的單加注量大約在40～60 kg之間，如加氫站每天加注50輛車，則日均加氫量至少要達到2～3 t，國內(nèi)新建加氫站已有達到4.8 t/d的加氫能力。

加氫量提高對站內(nèi)壓縮機首先提出了流量要求，現(xiàn)有45 MPa壓縮機以500 Nm3/h或1000 Nm3/h為主，按業(yè)內(nèi)默認一天運行10 h計算，每天最多能提供不到1 t的壓縮氫氣，與商業(yè)化需求量有較大差距。雖然通過多臺壓縮機并聯(lián)可以達到要求，但隨之也帶來了高昂的采購成本和維護成本。因此，通過大直徑、多膜頭、高轉(zhuǎn)速等技術途徑，實現(xiàn)隔膜壓縮機的大流量(2000 Nm3/h及以上)將是加氫站壓縮機發(fā)展的重要方向之一，而Howden、恒久機械等部分國內(nèi)外廠商已經(jīng)有類似產(chǎn)品，形成較好的技術儲備。

加氫站在商業(yè)化運行中對非計劃停機是難以接受的，目前壓縮機占到整站運行過程非計劃停機的1/4。相對站內(nèi)其他靜設備，壓縮機維護時間長、成本高，特別是當壓縮機發(fā)生故障造成氫氣污染時，下游儲氫罐、管路系統(tǒng)、加注機等設備都需要返廠清洗，將造成巨額的經(jīng)濟損失?，F(xiàn)階段無論是隔膜壓縮機或液驅(qū)活塞壓縮機，維護周期均在1000 h左右，商業(yè)化運行下意味著約一季度就需要維護一次。相比CNG加氣站壓縮機設備一年維護一次的頻率，提高壓縮機可靠性，避免非計劃性停機，增加易損件壽命，延長計劃維保周期是加氫站壓縮機發(fā)展的關鍵。

壓縮機作為加氫站的核心動設備，能耗占比超過加氫站總能耗的60%以上[8]。依照美國能源部的規(guī)劃，加氫站壓縮機的比功率目標為1.4 kWh/kg(進氣壓力12 MPa，排氣壓力95 MPa)[9]，而目前技術水平大約在2.0～2.3 kWh/kg，與預期目標存在一定差距。所以通過技術不斷升級與革新，提高壓縮機效率，降低壓縮過程耗功，實現(xiàn)加氫站運營成本的大幅降低，是加氫站商業(yè)化道路上的重要環(huán)節(jié)。

4 加氫站壓縮機發(fā)展建議

按我國燃料電池汽車發(fā)展規(guī)劃預測，全國商用加氫站到2030年將超過5000座，加氫站用壓縮機市場也將超過100億。為了更好應對市場的快速增長，加氫站壓縮機企業(yè)應做好以下幾方面：

(1)加強研發(fā)投入，確保核心技術快速迭代升級。由于燃料電池技術近十年才有了快速的發(fā)展，因此加氫站壓縮機國內(nèi)技術與國外相比并無明顯差距，在充足研發(fā)投入的基礎上，形成對產(chǎn)品應用過程的快速反饋，實現(xiàn)核心技術不斷迭代升級，從而在與國外競爭中逐步占據(jù)優(yōu)勢。

(2)統(tǒng)籌產(chǎn)品規(guī)劃，根據(jù)市場需求提早布局研發(fā)。加氫站壓縮機的設計工況受站內(nèi)氫源壓力、車載儲罐壓力、加氫站規(guī)模等諸多方面的影響。隨著氫能產(chǎn)業(yè)各個環(huán)節(jié)不斷發(fā)展，加氫站壓縮機設計條件也會隨之變化，壓縮機企業(yè)在緊盯上下游技術革新的基礎上，通過提前布局對應產(chǎn)品的研發(fā)與測試，形成市場需求變化的快速響應能力。

(3)加強標準制定，支撐技術進步與行業(yè)發(fā)展。加氫站壓縮機廠家應在現(xiàn)有行標、團標的基礎上，進一步完善生產(chǎn)制造技術和檢驗檢測標準。細化壓縮機生產(chǎn)制造過程中工藝、流程、檢測、測試等各個環(huán)節(jié)的相關技術標準，這不僅可以推動加氫站壓縮機行業(yè)的規(guī)范發(fā)展，更對氫能基礎設施建設起到保障作用。