加氢站压缩机发展现状与展望

贾晓晗，任省栋

(西安交通大学压缩机研究所，陕西 西安 710049)

1 氢能及加氢站

氢是一种清洁的二次能源载体，具有来源丰富、终端零排、易于转化等特点。作为世界上最大的制氢国，国家已将促进氢能产业高质量发展作为实现“双碳”战略目标的重要途径，以及未来能源变革的重要组成。随着燃料电池技术在多个领域的突破，燃料电池汽车已成为交通能源转型发展的必然趋势。国家在《国家创新驱动发展战略纲要》、《汽车产业中长期发展规划》、《氢能产业发展中长期规划(2021～2035 年)》等顶层规划高度重视燃料电池汽车产业发展和示范应用，财政部等五部委也分别在2021年8月到2022年1月先后两批批准了“3+2”共5个城市群，包含13个省市、40余座城市的跨市跨地域燃料电池汽车示范应用项目，希望通过加快燃料电池汽车示范应用促进核心关键技术创新与产业化、建立完善产业政策体系、探索构建氢能供应体系。

加氢站是氢能供应体系的重要组成部分，也是氢能在交通领域应用的关键基础设施。自2016年以来，投放市场的燃料电池汽车逐年增长，2022年全国燃料电池汽车销售超过3300辆，累计销售1.2万辆。而加氢站数量也快速递增，截至2023年5月，全国已建成加氢站325座，在全球加氢站中占比超过40%，数量居世界第一[1]。根据《新能源汽车产业发展规划(2021～2035年)》、《节能与新能源汽车技术路线图》(2.0版本)，到2025年，我国燃料电池汽车有望达到10万辆，加氢站达到1000座，2030年，分别达到100万辆和5000座[2，3]。

2 加氢站压缩机

加氢站中的氢气来源主要分为两类：一是场内电解水制氢提供；二是长管拖车提供。2种途径提供的氢气压力均无法满足氢燃料电池汽车35 MPa或70 MPa的加注压力需求，需要在加氢站将各种来源的氢气通过增压系统进一步提升至45 MPa或90 MPa。根据美国能源部最新估算[4]，氢气增压系统成本占建站总成本的40%以上，而增压系统运行过程中的非计划停机次数和时间占加氢站总运维的25%和22%[5]。可以看出，氢气增压系统是加氢站安全、高效、低成本运营的关键。燃料电池汽车对氢气的高纯度要求(>99.9%)，及氢气自身易燃爆、易泄漏等特点，使得传统压缩机无法满足加氢站的需求，因此，隔膜压缩机、液驱活塞压缩机等特殊机型成为加氢站普遍应用的氢气增压设备。

2.1 隔膜压缩机

加氢站所用隔膜压缩机利用金属膜片的变形对气体压缩，膜片将压缩介质与外界(特别是润滑油)隔开，而膜片的变形通过曲柄连杆机构及活塞驱动液压油来完成。隔膜压缩机膜头部分结构如图1所示，拥有穹形内壁面的气侧膜头(缸盖)和多层金属膜片围成的封闭容积为气体压缩腔(工作腔)，油侧膜头(下支板)、多层金属膜片以及活塞围成的封闭容积为油腔。压缩过程中，活塞向上止点运动，液压油压力升高并驱使膜片向上变形运动。膜片与气侧膜头穹形内壁从边缘向中心逐渐贴合，工作腔体积随之减小，实现气体增压。隔膜压缩机一般采用三层膜片，即气侧膜片、油侧膜片和中间膜片。气侧膜片、油侧膜片分别只与氢气和液压油接触，中间膜片刻有导流槽，以确保两侧膜片破裂时可以及时将压力引出，并通过压力开关触发紧急停机。这种设置使氢气在增压过程中几乎没有任何泄漏且不被污染，保证其纯度可以满足下游燃料电池汽车的要求。

图1 隔膜压缩机膜头部分结构示意图

隔膜压缩机目前是加氢站市场应用最广泛的增压设备类型，在45 MPa级别，国内中鼎、恒久、金凯威等都有少量产品在加氢站应用的案例，大部分市场是美国厂商PDC所占据，Howden近几年在加氢站市场中积极开拓，国内在建加氢站获得部分订单。对于90 MPa级别的增压设备，由于国内运营的70 MPa加氢站很少，采用隔膜压缩机的加氢站主要是PDC和Howden两家的产品，国内厂家尚无站内应用案例，但恒久、金凯威等部分厂家有技术及产品储备。

隔膜压缩机大多数是通过曲柄连杆机构驱动油腔内液压油流动，近年来国内也有开发油泵驱动液压油的隔膜压缩机新技术，该技术膜头内的结构与传统隔膜压缩机一样，也是依靠膜片变形压缩气体，并将气体与液压油完全隔绝。

虽然隔膜压缩机具备零污染、零泄漏等独特优势，但加氢站复杂的工况条件使其在实际应用中也暴露出一些问题。以典型的长管拖车氢源为35 MPa固定站加氢应用场景为例。长管拖车的进站压力为20 MPa，离站压力为5～6 MPa，站内配有高、中、低三级氢气储罐，储罐压力等级分别为45 MPa，35 MPa和25 MPa。当站内储罐压力不足时，启动压缩机分别给3个储罐依次增压，因此需要压缩机适应的吸、排气压力范围非常宽，而且还存在频繁启停等工况。由于隔膜压缩机是通过液压油驱动气体增压，排气压力的大范围波动要求油压必须快速响应这种变化，以形成良好的油气压力“动态伴随”状态，保证隔膜压缩机的高效、可靠运行。但隔膜压缩机的油压通过溢油阀控制，溢油压力固定，一般设置在55 MPa以上以适应45 MPa的排气压力，低排气压力工况下固定的溢油压力导致油气压差过大，使膜片与环形油槽或排气阀孔撞击时产生大的附加应力，膜片寿命大幅降低。

太宽的吸、排气压力范围还会引起极端工况压比远远偏离设计压比。加氢站隔膜压缩机设计压比一般为3～4，但随着长管拖车压力减小，压缩机实际运行压比逐渐提高，最高可达到7以上。由于绝大部分抗氢脆金属材料的导热性较差，压缩热无法及时有效导出，造成大压比工况下非金属密封部件受高温影响容易碳化失效。

此外，隔膜压缩机的工作特性决定了其必须空载起机，需要设计相对复杂的开机工艺流程，以适应加氢站频繁启、停的需求。

2.2 液驱活塞压缩机

液驱活塞压缩机是目前加氢站另外一种广泛使用的增压设备。如图2所示，液驱活塞压缩机通过液压泵向液压系统提供压力油，压力油由液压换向阀控制其进入液压缸的左、右两腔，从而推动液压缸内的活塞作往复运动，而液压缸活塞与两端的气缸活塞通过活塞杆连接，因此两端的气缸活塞也随着液压缸活塞一起做往复运动，从而实现气体的压缩。

图2 液驱活塞压缩机结构示意图

目前国内采用液驱活塞压缩机的加氢站大约占30%左右，绝大多数设计压力为45 MPa。国外产品以美国Haskel为主，国内则除了最早进入市场的康普瑞斯外，四川大川、三一氢能也在近几年成功研发了相应产品。因国内70 MPa加氢站数量很少，90 MPa液驱活塞压缩机仅有德国的Maximator和Hofer两家产品在加氢站有应用，国内部分厂家有一定技术储备，但尚无应用案例。

相比较隔膜压缩机，液驱活塞压缩机首先具有空间紧凑的特点，相同设计条件下，其占地体积大约是隔膜压缩机的2/3左右；其次，液驱活塞压缩机机头部分的结构简单，制造成本也低于隔膜压缩机，相同工况下更容易通过设计成多级压缩，降低增压过程能耗；再次，液驱活塞压缩机易损件活塞环的更换更加简单方便，相比更换一次膜片需要的2人1工日，更换一次活塞环一般仅需1人0.5工日，有效降低了加氢站的二次运维成本；此外，液驱活塞压缩机能够直接带载启、停，非常适应加氢站对增压设备频繁启、停的需求，极大简化了其在加氢站应用时的工艺流程。

但液驱活塞压缩机也存在着两方面的不足：一是泄漏问题：由于采用动密封，因此无法实现零泄漏，虽然液压油和氢气不会相互串通，但氢气向隔离腔的泄漏还是难以避免，根据已有数据，加氢站液驱活塞压缩机的泄漏量大约在3%～6%左右。尽管泄漏的氢气可以通过回收系统再次返回增压设备避免氢气浪费，但由于回收系统复杂，成本高等原因，一般站内会选择直接将泄漏氢气排空，变相造成加氢站运营成本增加。二是动密封部件磨损问题。活塞环作为液驱活塞压缩机关键易损件，短寿命是目前面临的最大问题。应用于加氢站的液驱活塞压缩机具有大压比，高排气压力的特点，加之缸壁厚，材料导热性差等因素，造成压缩热无法从工作腔有效导出，缸内壁面温度高，使非金属活塞环的工作环境极端恶劣，寿命也随之大幅下降。据统计，目前服役于国内加氢站的液驱活塞压缩机活塞环寿命一般超过1000 h，泄漏就会超过6%，必须进行更换。如果通过多级压缩降低单级压比或解决工作腔内压缩热的传导问题，改善活塞环的工作环境，那么液驱活塞压缩机将与隔膜压缩机形成有力竞争。

2.3 其他形式压缩机

(1)离子液体压缩机

离子液体压缩机是一种新型加氢站用增压设备，其利用低熔盐离子液体本身几乎不可压缩性且没有蒸汽压的特点，替代传统金属活塞对氢气进行近等温压缩的技术。目前全球仅有德国林德集团拥有较为成熟的产品且在加氢站应用，国内尚处在研发阶段。离子压缩机机头结构简单，零部件少，无易损部件，所以可靠性相对隔膜压缩机和液驱活塞压缩机都有明显优势。同时，简单的结构也使其易设计成多级压缩形式，林德集团90 MPa级的离子液体压缩机IC90为五级结构，多级压缩可以大幅度增加压比，从而降低进气压力，IC90具备从0.2 MPa增压至90 MPa的能力，这是隔膜压缩机和液驱活塞压缩机完全不具备的。

离子液体压缩机主要的技术难点在两方面，一方面，离子液体本身的热物性，以及离子液体与氢气混合增压过程、高压分离过程、与氢气之间相互作用等诸多方面的机理、特性及规律缺乏足够的研究和认知，缺乏对核心技术的理解和掌握。另一方面，离子液体压缩机的是靠多级径向柱塞泵来提供驱动力，加之压缩机级数多，级间压力和相位控制严格，整个系统的复杂程度远超过隔膜压缩机和液驱活塞压缩机，整体流程设计难度大。

(2)往复活塞压缩机

往复活塞压缩机是最早应用于氢气压缩的设备，在石化行业应用广泛。与上述3种类型压缩机相比，大流量是其最为突出的优势，但传统往复活塞压缩机因为摩擦副耗损、泄漏，特别是氢气含油等问题一直无法有效解决，使其无法在加氢站应用。美国Ariel公司于2022年发布了应用于加氢站的立式往复活塞压缩机，其排气压力最高50 MPa，在2.5 MPa进气工况下，流量可高达2700 Nm3/h-1。该压缩机通过采用氮气隔离腔方式，避免运动部件润滑油污染氢气。往复活塞压缩机面临的最大挑战就是密封件的寿命，其易损件主要是活塞环和填料函两部分，填料函的更换需要将活塞与气缸完全拆下才能完成，因此维护的时间成本和人力成本将会远高于隔膜压缩机和液驱活塞压缩机，但如果填料函的寿命可以超过3000 h，则立式活塞压缩机至少在35 MPa加氢站压缩机市场拥有一席之地。

3 加氢站压缩机技术发展趋势

现阶段国内加氢站大部分为示范站，随着商业化进程的加速，加氢站要形成盈利模式除了降低氢气成本外，对站内压缩机也提出全新要求。应用端的需求牵引，将决定加氢站压缩机的发展趋势。商业化加氢站的盈利基础是加氢能力，现阶段我国以燃料电池商用车为发展主赛道，一台燃料电池重卡的单加注量大约在40～60 kg之间，如加氢站每天加注50辆车，则日均加氢量至少要达到2～3 t，国内新建加氢站已有达到4.8 t/d的加氢能力。

加氢量提高对站内压缩机首先提出了流量要求，现有45 MPa压缩机以500 Nm3/h或1000 Nm3/h为主，按业内默认一天运行10 h计算，每天最多能提供不到1 t的压缩氢气，与商业化需求量有较大差距。虽然通过多台压缩机并联可以达到要求，但随之也带来了高昂的采购成本和维护成本。因此，通过大直径、多膜头、高转速等技术途径，实现隔膜压缩机的大流量(2000 Nm3/h及以上)将是加氢站压缩机发展的重要方向之一，而Howden、恒久机械等部分国内外厂商已经有类似产品，形成较好的技术储备。

加氢站在商业化运行中对非计划停机是难以接受的，目前压缩机占到整站运行过程非计划停机的1/4。相对站内其他静设备，压缩机维护时间长、成本高，特别是当压缩机发生故障造成氢气污染时，下游储氢罐、管路系统、加注机等设备都需要返厂清洗，将造成巨额的经济损失。现阶段无论是隔膜压缩机或液驱活塞压缩机，维护周期均在1000 h左右，商业化运行下意味着约一季度就需要维护一次。相比CNG加气站压缩机设备一年维护一次的频率，提高压缩机可靠性，避免非计划性停机，增加易损件寿命，延长计划维保周期是加氢站压缩机发展的关键。

压缩机作为加氢站的核心动设备，能耗占比超过加氢站总能耗的60%以上[8]。依照美国能源部的规划，加氢站压缩机的比功率目标为1.4 kWh/kg(进气压力12 MPa，排气压力95 MPa)[9]，而目前技术水平大约在2.0～2.3 kWh/kg，与预期目标存在一定差距。所以通过技术不断升级与革新，提高压缩机效率，降低压缩过程耗功，实现加氢站运营成本的大幅降低，是加氢站商业化道路上的重要环节。

4 加氢站压缩机发展建议

按我国燃料电池汽车发展规划预测，全国商用加氢站到2030年将超过5000座，加氢站用压缩机市场也将超过100亿。为了更好应对市场的快速增长，加氢站压缩机企业应做好以下几方面：

(1)加强研发投入，确保核心技术快速迭代升级。由于燃料电池技术近十年才有了快速的发展，因此加氢站压缩机国内技术与国外相比并无明显差距，在充足研发投入的基础上，形成对产品应用过程的快速反馈，实现核心技术不断迭代升级，从而在与国外竞争中逐步占据优势。

(2)统筹产品规划，根据市场需求提早布局研发。加氢站压缩机的设计工况受站内氢源压力、车载储罐压力、加氢站规模等诸多方面的影响。随着氢能产业各个环节不断发展，加氢站压缩机设计条件也会随之变化，压缩机企业在紧盯上下游技术革新的基础上，通过提前布局对应产品的研发与测试，形成市场需求变化的快速响应能力。

(3)加强标准制定，支撑技术进步与行业发展。加氢站压缩机厂家应在现有行标、团标的基础上，进一步完善生产制造技术和检验检测标准。细化压缩机生产制造过程中工艺、流程、检测、测试等各个环节的相关技术标准，这不仅可以推动加氢站压缩机行业的规范发展，更对氢能基础设施建设起到保障作用。