加氢站用氢气压缩机研发现状与思考

郝加封 张志宇 朱旺 王峰 高沛

摘  要：与传统能源相比，氢能以其环保性和经济性等优势，越来越受到世界各国的重视和发展，而加氢站是发展氢能产业必不可少的基础设施，目前建设加氢站所需的氢气压缩机设备基本依赖进口。该文总结了氢气压缩机的结构特点，分析了研发的技术难点，针对国内外高压储氢加氢站内所需氢气压缩机的研发现状进行了分类梳理。对氢气压缩机的研发提出了一些技术上的建议，希望可以为提升国产氢气压缩机性能提供一定的参考。

关键词：氢气压缩机;氢能产业;加氢站

中图分类号：TK91                文献标志码：A

0 引言

当前，巨大的环境压力和逐渐消耗殆尽的化石燃料传统能源使得世界各国积极寻求新的清洁能源。氢能和氢燃料电池由于环保性能好、能量转化效率高并且具有一定的经济性而越来越受到世界各国的重视[1]。美国、欧盟各国以及日本、韩国等亚洲国家都在加强氢能产业的布局[2]。我国也积极布局氢能产业，在“十三五规划”中将氢能产业上升为国家战略和重点任务去发展，提出了我国氢能未来发展的技术路线图[3]。

为了促进氢能的发展，氢能基础设施的完善是必不可少的。截至2020年3月，国内只有63个加氢站，运营数量僅占全球的1%左右，因此加氢站的建设是发展氢能产业必须要解决的问题。目前国内加氢站正处于产业导入期，分布呈现明显的产业聚集效应，受政策影响，建设步伐明显加快。目前国际上技术比较成熟的是35 MPa和70 MPa加氢站，国内主要是35 MPa加氢站，而70 MPa加氢站已经研发出样站，高压和超高压加氢站是未来的发展趋势[1]。

氢气压缩机作为我国建设加氢站所需的三大核心关键单体设备之一，现阶段，还没有哪家国内生产厂的产品能够完全替代进口设备，国内大多数加氢站建设所需氢气压缩机目前依旧依靠进口，这就造成建设加氢站的成本较高，且进口氢气压缩机供货周期较长，维护成本较高。所以有必要开展氢气压缩机的国产化。

该文总结了各类氢气压缩机结构特点，并进行了分析对比，梳理了加氢站所需关键单体设备——氢气压缩机的国内外研发现状，提出了一些氢气压缩机的研发建议，希望可以为国产化提供一些参考。

1 氢气压缩机结构特点与技术难点

1.1 氢气压缩机分类

根据工作原理及内部结构的不同，压缩机可分为机械式压缩机和非机械式压缩机2类。机械式压缩机又分为液驱式压缩机、隔膜式压缩机、线性压缩机和离子液体压缩机4类。非机械式压缩机分为低温液体泵、金属氢化物压缩机、电化学氢气压缩机和吸附型压缩机4类。

由于氢气具有密度低、体积能量密度小的特点，氢气压缩机必须要具备承压大、流量大、安全和密封性好的特质，在防止氢脆现象发生的同时，尽可能地追求较少的能源损耗。目前国内加氢站较多采用的是液驱式压缩机、隔膜式压缩机。离子液压缩机主要在国外应用得比较多，且一般用在具有较高储氢压力（一般为90 MPa左右）的加氢站中。

利用离子液本身的不可压缩性制成的离子液压缩机，几乎不会产生蒸气压，该特点要比一般氢气压缩机因为金属在等温条件下所产生的高压具有很大优势，能长期运行，减少维护成本，且节省能耗。离子液压缩机的构造简单，相比普通压缩机的零件大大减少，因此维护方便[4]。对于离子液压缩机，目前国外有好多天然气加气站和部分加氢站在用，国内还处于产品研发阶段。

1.2 各类氢气压缩机结构特点与对比

1.2.1 液驱式压缩机结构特点

液驱式压缩机是由液压油作为驱动介质，通过驱动侧活塞带动气体加压活塞运动实现气体的吸入和推出，气体侧缸筒上安装了单向阀，当活塞回程时气体压力打开吸入侧单向阀，输出侧单向阀处于关闭状态，实现吸气。当活塞推程时，吸入侧单向阀关闭，输出侧单向阀打开实现气体输出。压缩机为双头，活塞一个往复循环可以实现2次加压，加压效率高。其优点是技术成熟、积累了大量的工业经验、压力范围大，同时系统结构简单，工作过程中气体和润滑油不接触，保证了氢气中混入“碳”，避免下游应用中膜电极与“碳”反应出现故障。但其受自身结构限制，仅适用于中小排量和高压的工况。该产品适用于非连续运营的试验性加氢站和移动式加氢站。实物图与结构原理图如图1所示。

1.2.2 隔膜式压缩机结构特点

隔膜式压缩机的工作原理是由电动机驱动曲轴转动，曲轴推动连杆，由连杆推动活塞做往复运动，从而活塞利用液压油对隔膜进行驱动，隔膜沿周边由两限制板夹紧并组成气缸，隔膜由液压驱动在气缸内往复运动，从而实现对气体的压缩和输送。其与液驱式压缩机的不同点主要是活塞和气体之间加入了液油和隔膜，增加了密封性好，进一步降低了“碳”与气的接触，洁净度极高。而其缺点与活塞式类似，也仅用于中小排量和高压的工况。较先进的压缩机排气压力可达100 MPa，流量为200 Nm3/h～700 Nm3/h，效率可达80%～85%。其中三层金属隔膜结构压缩机输出压力超过85 MPa，多级压缩最高排气压力可达400 MPa。该产品适用于平均日加氢量较大且需要连续运营的加氢站。实物图与结构原理图如图2所示。

1.3 各类氢气压缩机特点对比

各类常见的氢气压缩机特点的对比见表1。从价格和后期维护来看，隔膜式压缩机单机费用较高较高，且远远高于国产设备。随着未来国产化率的提高会降低，液驱式压缩机单机设备价格较低，但能耗高，备品备件更换和维护维修费用高。

2 国内外氢气压缩机研发现状

2.1 液驱式压缩机研究现状

国际上常用液驱式压缩机的输出压力可达到100 MPa，流量为300 Nm3/h。国内近两年加氢站上采用的液驱式压缩机均为进口产品，主要品牌有德国MAXIMATOR、HOFER、SERAL，美国HYDRO-PAC、HASKEL等，其中MAXIMATOR的产品应用量最大，年出货超过20套，且技术较为成熟。

国内深圳思特克（STK）、济南赛思特两家公司也正在开展该种机型的国产化研制与推广工作，目前已在各类燃料电池系统生产厂内试验应用，如南通安思卓用STK增压机进行系统测试，同时为示范燃料电池汽车提供加注。

2.2 隔膜式压缩机研究现状

对于隔膜压缩机产品，目前主要进口品牌有美国PDC、英国HOWDEN、德国HOFER等，国内自主品牌主要有北京天高、北京中鼎恒盛、江苏恒久和京城环保等品牌。

美国PDC占据国内加氢站压缩机最主要的市场份额，具有将近30台（套）用量，质量及应用情况得到了国内客户的认可。此外，有国内厂家通过采用采购美国PDC压缩机机头，与国产配套零部件配套并成撬的方式在国内开展业务，在大连、北京、江苏和成都等地都有加氢站建设方成撬。通过这种方式，其成本相对于原来整套进口模式已经大幅下降，根据合同量的不同，市场价格已达到同类国产机型的1.5～2倍。但其总体价格相对于其他品牌压缩机仍然缺乏竞争力，尤其是近两年国内燃料电池车运行进入商业示范阶段、加氢站总承竞争加剧，加氢站总包方对压缩机成本控制的要求越来越严格，导致国内加氢站总包方寻求更广泛的压缩机主机来源。上海某加氢站集成商与英国豪顿压缩机签订战略合作协议，成都某加氢站集成商与德国HOFER正在谈战略合作，分别在国内进行集成和推广。通过这些手段，在市场竞争中获得不同的竞争能力。

北京一通曾于20世纪80年代开发了排气200 MPa（最高210 MPa）氢气隔膜压缩机，生产了3套排量为120 Nm3/h的压缩机用于我国航空航天气动试验。现在国内氢隔膜压缩机技术生产厂家均源自于原北京一通。

北京天高隔膜压缩机是国内最早开展加氢站压缩机研究和示范应用的单位，已开发了用于加氢站用排气压力90 MPa的压缩机，最早应用于北京飞驰绿能加氢站，现用于大连新源加氢站。其开发的45 MPa压机在北京永丰、云浮思劳、南海瑞辉、河南豫氢等8座加氢站上。根据最终用户（北京永丰加氢站）反馈情况，该国产品牌压缩机在技术系统性方面与国外竞争对手有一定差距，但是在本土适应性方面也具备一定优势，已经具备推广应用基本条件，如经营得当，预计该品牌压缩机在未来几年将有良好的业绩增长，并逐步取代进口品牌。

中鼎恒盛压缩机是行业的后起之秀，成立于2008年，其氢气压缩机已用于佛山荔村、武汉雄众、安徽明天、台州淳华以及上海金山等加氢站上，从用户方了解，其氢压缩机噪声量级甚至低于国外竞争对手。目前，该品牌已形成了隔膜压缩机的规模生产能力，未来有望在加氢站压缩机市场占有一席之地。

总之，在氢气压缩机国产化方面，国内有好多企业已经取得了很好的效果，压缩机性能与进口产品越来越接近，相信未来会逐渐取代进口产品。目前，国内也有相当一部分加氢站设备供应商，采购进口的压缩机机头作为核心部件，配套辅助部件采用国内采购和组装的方式[4]。这样，对于建设单位来说，不仅提高了设备的可靠性，同时也降低了设备采购成本。

3 对氢气压缩机研发的建议

3.1 液驱式压缩机研发建议

液驱式压缩机研发的难点在于使用过程存在密封性难以长时间得到保证，单台压缩比较低等问题。对于密封性问题，一方面需要考虑密封方式，可以优化设计结构，也可以考虑采用泛塞封、Y型密封、直角密封和脚型密封等近年来常用的密封結构，以及利用冷却水循环降温，降低泵头处由于干摩擦对密封圈造成的影响。另一方面需要考虑密封材料的影响，对于密封圈等易损件，可以考虑采用聚酰亚胺、增强聚四氟乙烯等高强度、耐腐蚀的材料。此外，还需要对压缩机内部活塞与气缸处的具体密封结构进行进一步的研究，具体情况具体分析。

对于单台压缩比较低的问题，一方面可以通过优化设计结构降低吸气压力，提高加注量，减少留存量的方式来克服。另一方面可以采取气缸并列的方式，在相同缸径的情况下，设计多级活塞压缩，提高压缩比。

3.2 隔膜式压缩机研发建议

隔膜式压缩机研发的难点在于单机排气量较小、频繁启停会大大缩短使用寿命。对于单机排气量较小的问题，可以采用多隔膜并列形式，同一活塞在相同行程下推动多个隔膜运动，提升单行程下的压缩量。对于不适应频繁启停的问题，可以在压缩机后端配备储氢罐，也可以考虑采用大循环方式，当压力达到一定数值后自动切入大循环，避免频繁启停。

4 结语

氢气压缩机是加氢站的关键单体设备，关系着加氢站建设的核心技术。在参考国外设计结构、结合实际使用条件的基础上，创造性的设计氢气压缩机结构，考虑安全性和可维修性，才能提升压缩机性能。此外，还需要考虑成本与市场因素[5]。把握市场动向，明确研发计划，才能满足社会需求，提升压缩机制造水平。

参考文献

[1]李倩.国内外氢能和燃料电池产业发展的主要政策[EB/OL][2018-05-15].http：//m.elecfans.com/article/677730.html.

[2]郑莹莹.上海出炉规划赶“早集”率先布局燃料电池汽车[EB/OL]. [2017-09-20].https：//auto.sina.cn/allnews/2017-09-21/detail-ifymenmt5847617.d.html？from=wap.

[3]康启平，张国强，张志芸.我国燃料电池汽车商业化发展影响因素分析[J]. 上海汽车，2018（3）：33-37.

[4]张彦纯.加氢站主要工艺设备选型分析[J].上海煤气，2019（6）：10-13，27.

[5]郝加封，曲伟强，滕磊军，等.加氢站加氢枪特点与技术研发难点[J].中国新技术新产品，2020（3）：35-39.