加氫站壓縮機發(fā)展現狀與展望

１　氫能(néng)及加氫站

氫是一種(zhǒng)清潔的二次能(néng)源載體，具有來源豐林光富、終端零排、易于轉化等特點。作為世界上較土志大的制氫國(guó)，國(guó)家已將(jiāng)促進(jì問訊n)氫能(néng)産業高質量發(fā)展作為實現“雙碳”資科戰略目标的重要途徑，以及未來能(néng)源變革的重要組成(chén對們g)。随著(zhe)燃料電池技術在多路票個領域的突破，燃料電池汽車已成(chéng)為交通新河能(néng)源轉型發(fā)展的必然趨勢。國(guó)家在《國(guó就信)家創新驅動發(fā)展戰略綱要》、《汽車産業中長(cháng錢生)期發(fā)展規劃》、《氫能(néng)産業發(fā)展中民些長(cháng)期規劃（２０２１～２０３５年）》等頂層規劃高度重視燃議美料電池汽車産業發(fā)展和示範應用，财政部等五部委也分别在２０開下２１年８月到(dào)２０２２年１月先後離謝(hòu)兩(liǎng)批批準了“３＋２”共５個站朋城市群，包含１３個省市、４０餘座城市的跨市跨地域我在燃料電池汽車示範應用項目，希望通過(guò)加快燃料電池汽車示範應用促進(jì作師n)核心關鍵技術創新與産業化、建立完善産業政策體系、探索構建氫能(nén銀下g)供應體系。

加氫站是氫能(néng)供應體系間就的重要組成(chéng)部分，也是氫能(néng)在交通領域應用的關鍵基村了礎設施。自２０１６年以來，投放市場的燃料電池汽車逐年增長(c讀間háng)，２０２２年全國(guó喝北)燃料電池汽車銷售超過(guò)３３００輛，累計銷售１.２萬輛。而加刀遠氫站數量也快速遞增，截至２０２３線討年５月，全國(guó)已建成(chéng)加氫站３２５座，在全球加氫站中占北文比超過(guò)４０％，數量居友跳世界第 一［１］。根據《新能(néng)源汽車産業發商又(fā)展規劃（２０２１～２０３５年）》、《節能(néng)與區做新能(néng)源汽車技術路線圖》（２.０版本），到(dào)２０商筆２５年，我國(guó)燃料電池汽車有望達到(dào)１０萬輛，加氫站達章懂到(dào)１０００座，２０３０購討年，分别達到(dào)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(liǎng)類：和白一是場内電解水制氫提供；二是長(cháng)管拖車提供。２種(z區女hǒng)途徑提供的氫氣壓力均無法滿足答吃氫燃料電池汽車３５ＭＰａ或７０ＭＰａ綠鄉的加注壓力需求，需要在加氫站將(jiāng花紙)各種(zhǒng)來源的氫氣通過(guò)增壓系統進(j術商ìn)一步提升至４５ＭＰａ或９０ＭＰａ。根據美國(guó南筆)能(néng)源部新估算［４］，氫氣增壓系統成(見數chéng)本占建站總成(chéng)本的４０做兵％以上，而增壓系統運行過(guò)程中的非計劃停機次數和時(shí)間物坐占加氫站總運維的２５％和２２％［５］。可以看出，氫愛文氣增壓系統是加氫站安全、高效、錯外低成(chéng)本運營的關鍵。燃料樂制電池汽車對(duì)氫氣的高純度要求（＞９９.９％），及氫氣自身易燃爆、易洩村喝漏等特點，使得傳統壓縮機無法滿足加氫站的需求，因此，隔膜壓縮機、液驅活塞壓縮機等特殊機型成(chéng新紅)為加氫站普遍應用的氫氣增壓設備。子跳

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(duì購學)氣體壓縮，膜片將(jiāng)壓縮介質與外界（特别是潤滑油）隔開(kāi)，從站而膜片的變形通過(guò)曲柄連杆機構及活塞驅動液壓油來完成(視去chéng)。隔膜壓縮機膜頭部分結構如圖１所示，擁有穹視技形内壁面(miàn)的氣側膜頭（缸蓋） 和多層金屬膜片圍成(chéng)的封湖綠閉容積為氣體壓縮腔（工作腔），油側膜頭（下支闆）、多層金屬膜片以及活塞圍成(現風chéng)的封閉容積為油腔。壓縮過(guò)程中，活塞向(xiàn頻海g)上止點運動，液壓油壓力升高并驅使膜片向(x老麗iàng)上變形運動。膜片與氣側膜頭穹形吃放内壁從邊緣向(xiàng)中心逐漸行通貼合，工作腔體積随之減小，實現氣體增壓。隔膜壓縮機一般采用三層膜片，即氣風城側膜片、油側膜片和中間膜片。氣側膜片、油側著西膜片分别隻與氫氣和液壓油接觸，中間紙爸膜片刻有導流槽，以确保兩(liǎng)呢舞側膜片破裂時(shí)可以及時(shí)將(jiāng)壓力朋理引出，并通過(guò)壓力開(k林議āi)關觸發(fā)緊急停機。這(zhè)種(zhǒng)設置西民使氫氣在增壓過(guò)程中幾乎沒(méi)我懂有任何洩漏且不被(bèi)污染，保證其純度可以滿足下遊燃料電池汽車的要求。

隔膜壓縮機目前是加氫站市場應用信快廣泛的增壓設備類型，在４５ＭＰａ級别，國(guó)内中鼎、恒久、金吧問凱威等都(dōu)有少量産品在加氫站應用的案例，大部分市新業場是美國(guó)廠商ＰＤＣ所占據，Ｈｏｗｄｅｎ近幾年在加氫路和站市場中積極開(kāi)拓，國(guó)内在建加氫站獲得部分訂件說單。對(duì)于９０ＭＰａ級别的增壓設備，由于國(guó)内運營的７０行費ＭＰａ加氫站很少，采用隔膜壓縮機的加氫站主要是ＰＤＣ和Ｈｏ草秒ｗｄｅｎ兩(liǎng)家的産品，國(guó)内廠家尚無站内應用案也愛例，但恒久、金凱威等部分廠家有技術及産身火品儲備。

隔膜壓縮機大多數是通過(guò)曲柄連杆機構驅動油腔内液壓油流動，近年來國(購路guó)内也有開(kāi)發(fā)油泵驅動液壓油的隔膜月體壓縮機新技術，該技術膜頭内的結知南構與傳統隔膜壓縮機一樣(yàng)，也是依靠坐唱膜片變形壓縮氣體，并將(jiāng)氣體與液壓油完全隔絕。

雖然隔膜壓縮機具備零污染、零洩漏呢飛等獨特優勢，但加氫站複雜的工況睡刀條件使其在實際應用中也暴露出一些問題。以典型的長(c是時háng)管拖車氫源為３５ＭＰａ固定站加氫應用那見場景為例。長(cháng)管拖車的進(jìn)站壓力為２０ＭＰａ，離站壓力你討為５～６ＭＰａ，站内配有高、中快樂、低三級氫氣儲罐，儲罐壓力等級分别為４５ＭＰａ，３５ＭＰａ和亮在２５ＭＰａ。當站内儲罐壓力不足時(shí生雜)，啟動壓縮機分别給３個儲罐依次增壓，因此需要壓縮機适應的吸、排氣壓力範圍非常街時寬，而且還(hái)存在頻繁啟停等工況。由于隔膜壓縮機是通過(外身guò)液壓油驅動氣體增壓，排氣壓力的大範圍波動要求油壓必須快速響應這(分就zhè)種(zhǒng)變化，女問以形成(chéng)良好(hǎo)的油氣壓力“報讀動态伴

随”狀态，保證隔膜壓縮機的高效、可靠運行有離。但隔膜壓縮機的油壓通過(guò)溢油閥控制，溢油這得壓力固定，一般設置在５５ＭＰａ以上以适兒湖應４５ＭＰａ的排氣壓力，低排氣的話壓力工況下固定的溢油壓力導緻油氣壓差過(guò)大上弟，使膜片與環形油槽或排氣閥孔撞擊時(shí)産生大的附加應力，膜片壽命友黑大幅降低。

太寬的吸、排氣壓力範圍還(hái)會(huì)引起(qǐ)極端慢飛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，但随著(zhe)長(cháng機制)管拖車壓力減小，壓縮機實際運行壓比逐漸提高，較高可達到(dào)７以上。作知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(shí)劇喝有效導出，造成(chéng)大壓比工數筆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(qǐ)機，需要設計相對(duì資友)複雜的開(kāi)機工藝流程，以适應加氫站頻繁啟、慢窗停的需求。

２.２　液驅活塞壓縮機

液驅活塞壓縮機是目前加氫站另外一種(z日我hǒng)廣泛使用的增壓設備。如圖２劇也所示，液驅活塞壓縮機通過(guò)液壓泵向(xiàng)液壓廠信系統提供壓力油，壓力油由液壓換向(xiàng)閥控制其進(jìn)入液壓缸的熱鐘左、右兩(liǎng)腔，從而推動液壓缸内的活塞作往複運動北師，而液壓缸活塞與兩(liǎng)端的氣缸活塞通過(guò)活塞杆連接，因她放此兩(liǎng)端的氣缸活塞也随著(zhe)液壓缸活塞一起(司問qǐ)做往複運動，從而實現氣體的壓縮。

目前國(guó)内采用液驅活塞壓縮機的加氫著但站大約占３０％左右，絕大多數設計壓力為行話４５ＭＰａ。國(guó)外産品以美國(guó)Ｈａｓｋｅｌ為主，國(guó校愛)内則除了較早進(jìn)入市場的康普瑞斯外，四川大川、三一氫能(néng房南)也在近幾年成(chéng)功研發(fā)了聽哥相應産品。因國(guó)内７０ＭＰａ加氫站數量很少，９０ＭＰａ液驅身大活塞壓縮機僅有德國(guó)的Ｍａ間理ｘｉｍａｔｏｒ和Ｈｏｆｅｒ兩(liǎn村城g)家産品在加氫站有應用，國(g不匠uó)内部分廠家有一定技術儲備，但尚無應用學花案例。

相比較隔膜壓縮機，液驅活塞壓縮機首先具有空間緊湊的特點，相同設計條件下，其占我線地體積大約是隔膜壓縮機的２／３左右；些務其次，液驅活塞壓縮機機頭部分的結構簡單，制造成(ch筆到éng)本也低于隔膜壓縮機，相白場同工況下更容易通過(guò)設計成(chéng)多級壓縮鄉有，降低增壓過(guò)程能(néng)耗；再次，液驅活塞壓縮機易月著損件活塞環的更換更加簡單方便，相比更換一次膜片需要的２人頻關１工日，更換一次活塞環一般僅需１人０.５離商工日，有效降低了加氫站的二次運維成一不(chéng)本；此外，液驅活塞壓線紙縮機能(néng)夠直接帶載啟、停，非常适應加氫站對(duì)資聽增壓設備頻繁啟、停的需求，極大簡化了其在加氫站應用時(shí得舞)的工藝流程。

但液驅活塞壓縮機也存在著(zhe)兩快民(liǎng)方面(miàn)的不足：一是洩漏問題：由于采用動密封，因此無吃相法實現零洩漏，雖然液壓油和氫氣不會(huì)相互串通，但氫氣了下向(xiàng)隔離腔的洩漏還(hái)是難以避黑草免，根據已有數據，加氫站液驅活塞壓縮機的洩裡鄉漏量大約在３％ ～６％左右。盡管洩漏的氫氣可以通過(guò)通南回收系統再次返回增壓設備避免氫氣浪費，但由于回收系統複雜，成(ch見放éng)本高等原因，一般站内會著外(huì)選擇直接將(jiāng)洩漏氫氣排空國動，變相造成(chéng)加氫站運營成(chéng廠見)本增加。二是動密封部件磨損問題。活塞環作為液驅活塞壓縮機關鍵易損件，短壽說店命是目前面(miàn)臨的較大問題。應用于加氫站的液驅活塞壓船拍縮機具有大壓比，高排氣壓力的特點門對，加之缸壁厚，材料導熱性差等因車風素，造成(chéng)壓縮熱無法從工作腔有效導出，缸内壁面(miàn)溫度和物高，使非金屬活塞環的工作環境極端惡劣城能，壽命也随之大幅下降。據統計，目前服役于國(guó)去做内加氫站的液驅活塞壓縮機活塞環壽命一訊裡般超過(guò)１０００ｈ，洩漏就(jiù一林)會(huì)超過(guò)６％，必須進輛行(jìn)行更換。如果通過(guò)多級壓縮降問就低單級壓比或解決工作腔内壓縮熱的傳導問題，改善活塞環的工民人作環境，那麼(me)液驅活塞壓縮機姐近將(jiāng)與隔膜壓縮機形成(chéng)有力競争。

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(zhǒng)新型加氫站用增壓設備，其利用花紅低熔鹽離子液體本身幾乎不可壓縮醫算性且沒(méi)有蒸汽壓的特點，現放替代傳統金屬活塞對(duì)氫氣進(jìn)行近吃嗎等溫壓縮的技術。目前全球僅有德國(guó)林德集團擁有較為成(河訊chéng)熟的産品且在加氫站應用，國(gu時高ó)内尚處在研發(fā)階段。離子壓縮機機頭結構簡單，零部件少，無易損部件費不，所以可靠性相對(duì)隔膜壓縮機和液驅活塞壓縮機都(dōu街火)有明顯優勢。同時(shí)，簡單的結樹西構也使其易設計成(chéng)多級壓縮形式，林德集團９０ＭＰａ級的離子知鐵液體壓縮機ＩＣ９０為五級結構，多級壓縮可以大幅度增加壓比，從而降低進(火懂jìn)氣壓力，ＩＣ９０具備從０.２ＭＰａ那朋增壓至９０ＭＰａ的能(néng)力，這(zhè)是隔膜壓縮機和液驅活塞壓舞做縮機完全不具備的。

離子液體壓縮機主要的技術難點在兩(li書視ǎng)方面(miàn)，一方面(miàn)，離子液體本身的熱物性，以及離子液司員體與氫氣混合增壓過(guò)程、高壓分離過(guò)程、與氫氣之間相互作用公問等諸多方面(miàn)的機理、特性及規律缺乏足夠的研究和認知，缺乏對(跳動duì)核心技術的理解和掌握。另一方面(miàn)，離子液體壓縮機的是靠好高多級徑向(xiàng)柱塞泵來提供驅動力，加之壓縮機級數多，級間壓力和相位控制這中嚴格，整個系統的複雜程度遠超過(guò)隔膜壓縮機和液驅活塞壓縮機，整體服雜流程設計難度大。

（２）往複活塞壓縮機

往複活塞壓縮機是較早應用于氫氣壓縮的設備，在石化行業應用亮我廣泛。與上述３種(zhǒng)類型壓縮機相比，大流量是其較為突出的優勢，但傳統往複活塞壓縮機因為摩擦化朋副耗損、洩漏，特别是氫氣含油等問題一哥街直無法有效解決，使其無法在加氫站應用。美國(guó)Ａｒｉｅ看他ｌ公司于２０２２年發(fā)布了應用于加氫站的立式往複活塞壓縮機什雜，其排氣壓力較高５０ＭＰａ，在２.５ＭＰａ進(jìn)氣工況下，流量可高我愛達２７００Ｎｍ３／ｈ－１。該壓縮機通過(guò)采用氮氣隔離腔方式，避免運動部多有件潤滑油污染氫氣。往複活塞壓縮機面(miàn)臨的較大挑戰就(jiù)是密封件的壽命，其易損件主要是飛森活塞環和填料函兩(liǎng)部分，填訊筆料函的更換需要將(jiāng)活塞與氣放日缸完全拆下才能(néng)完成(人你chéng)，因此維護的時(shí)間成(chéng)本嗎市和人力成(chéng)本將(jiāng這小)會(huì)遠高于隔膜壓縮機和液驅行計活塞壓縮機，但如果填料函的壽命可以超過(guò)街國３０００ｈ，則立式活塞壓縮機至少在３５ＭＰａ加劇姐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

現階段國(guó)内加氫站大部分為示範站，随著(zhe)商人離業化進(jìn)程的加速，加氫站要形成(chéng)盈利模式除了降低氫氣成(c和睡héng)本外，對(duì)站内壓縮機也提出全新要求。應用端很老的需求牽引，將(jiāng)決定加氫站壓縮機的發(fā金朋)展趨勢。商業化加氫站的盈利基礎是加氫能(néng)力通她，現階段我國(guó)以燃料電池商用車為發(fā)展主賽道(d白村ào)，一台燃料電池重卡的單加得多注量大約在４０～６０ｋｇ之間，如加氫站每天加注５０輛車，則日均加氫量至少要就報達到(dào)２～３ｔ，國(guó)内新建飛子加氫站已有達到(dào)４.８ｔ／ｄ舊讀的加氫能(néng)力。

加氫量提高對(duì)站内壓縮機首先提出了流為聽量要求，現有４５ＭＰａ壓縮機以５００Ｎｍ３／ｈ或１０００Ｎｍ３／ｈ為主件對，按業内默認一天運行１０ｈ計算，每天較多能(néng)提供不到(dào)１ｔ的很頻壓縮氫氣，與商業化需求量有較大差距。雖然通過(guò話腦)多台壓縮機并聯可以達到(dào)要求，但随之也帶來了高昂的采購成校月(chéng)本和維護成(chéng)本。因此遠什，通過(guò)大直徑、多膜頭、高轉速等技術途徑，實現隔膜壓縮機看鐘的大流量（２０００Ｎｍ３／ｈ及以上） 將(jiāng)是加氫站壓家工縮機發(fā)展的重要方向(xiàng)之一，而Ｈｏｗｄｅ火從ｎ、恒久機械等部分國(guó)内外廠商已經(能遠jīng)有類似産品，形成(chéng)較好(hǎo)的技術儲備。不水

加氫站在商業化運行中對(duì)非計劃相年停機是難以接受的，目前壓縮機占到(dào)整站運行過(guò對南)程非計劃停機的１／４。相對(duì放訊)站内其他靜設備，壓縮機維護時(shí)間長(c朋窗háng)、成(chéng)本高，特别是當壓縮機發(f路看ā)生故障造成(chéng)氫氣污染時(shí)，下遊儲氫罐、管路系統、加注風綠機等設備都(dōu)需要返廠清洗，將(jiāng)造房黃成(chéng)巨額的經(jīng)濟損離業失。現階段無論是隔膜壓縮機或液驅活塞壓縮機，維護周期均在１０００ｈ左右，商務風業化運行下意味著(zhe)約一季度就(jiù)需要維護一次。相比ＣＮＧ加大文氣站壓縮機設備一年維護一次的頻率，提高壓縮機可花和靠性，避免非計劃性停機，增加易損件壽媽爸命，延長(cháng)計劃維保周期是加氫站壓縮機發(fā)展花文的關鍵。

壓縮機作為加氫站的核心動設備，能(néng)耗占比超過(g服電uò)加氫站總能(néng)耗的６０％以上［西動８］。依照美國(guó)能(nén業她g)源部的規劃，加氫站壓縮機的比功率目标為１.４見媽ｋＷｈ／ｋｇ（進(jìn)氣壓力１２ＭＰａ業劇，排氣壓力９５ＭＰａ）［９］，而目前技術水平大約在２.０～２.３ｋＷｈ／ｋｇ劇說，與預期目标存在一定差距。所以通過(guò)技術不斷升級與革新，提來技高壓縮機效率，降低壓縮過(guò)程耗功，錯大實現加氫站運營成(chéng)本黑謝的大幅降低，是加氫站商業化道(dào)路上的重作劇要環節。

４　加氫站壓縮機發(fā)展建議

按我國(guó)燃料電池汽車發(fā)展規劃冷務預測，全國(guó)商用加氫站到(dào)２０３０年將(jiāng)超過(市玩guò)５０００座，加氫站用壓縮機市場也將(jiāng)超過(guò)１０中議０億。為了更好(hǎo)應對(duì)市場的快速增長(chán裡慢g)，加氫站壓縮機企業應做好(hǎo)以下幾方面(miàn風頻)：

（１）加強研發(fā)投入，确保核心技術快速叠代升級。由了時于燃料電池技術近十年才有了快速的發(fā)展兵姐，因此加氫站壓縮機國(guó)内技術與國術地(guó)外相比并無明顯差距，在充足研發(fā)投入的基礎上，形成(chéng微拿)對(duì)産品應用過(guò)程的快速反饋，實現核心技術不光醫斷叠代升級，從而在與國(guó)外競争中逐步占據優勢。

（２）統籌産品規劃，根據市場需求冷我提早布局研發(fā)。加氫站壓縮機的設計工況受站内氫源壓力、車載但紅儲罐壓力、加氫站規模等諸多方面(miàn)的影響。随著(z市日he)氫能(néng)産業各個環節不斷發(fā)展，加氫站壓縮機能子設計條件也會(huì)随之變化，壓縮機企業在緊盯上下遊技術革新少司的基礎上，通過(guò)提前布局對(duì跳冷)應産品的研發(fā)與測試，形成(chéng)市場需求變化的快速響應請微能(néng)力。

（３） 加強标準制定，支撐技術進(j靜生ìn)步與行業發(fā)展。加氫站壓縮機廠家應在現有行标、團标的基礎上，進子森(jìn)一步完善生産制造技術去師和檢驗檢測标準。細化壓縮機生産制造過(guò)程美刀中工藝、流程、檢測、測試等各個環節的相關技術标準，這作輛(zhè)不僅可以推動加氫站壓縮機行業的規範發(fā)展，更對(d黃風uì)氫能(néng)基礎設施建設起(qǐ)到(dào)保障作用。