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加氫站設(shè)備包括氫氣壓縮機(jī)、儲(chǔ)氫瓶組、加注機(jī)、卸氣柱等，其中氫氣壓縮機(jī)是核心設(shè)備之一。氫氣在常溫常壓下的體積能量密度非常低，因此需要通過(guò)壓縮來(lái)滿足儲(chǔ)存、運(yùn)輸和應(yīng)用的需求。氫氣壓縮機(jī)的使用正是為了解決這一問(wèn)題，它能夠?qū)錃庠鰤褐了鑹毫Α?/p>
01 什么是氫氣壓縮機(jī)？
氫氣壓縮機(jī)是一種用于壓縮氫氣的機(jī)器。由于氫氣具有密度低、體積能量密度小的特點(diǎn)，為了在儲(chǔ)運(yùn)和應(yīng)用環(huán)節(jié)提升單位體積容器的氫氣載荷，必須先將氫氣先行增壓。
就加氫站而言，目前氫燃料電池汽車有兩類加注壓力需求，一是35MPa，二是70MPa，無(wú)論是加氫站內(nèi)制氫供氫，還是長(zhǎng)管拖車運(yùn)來(lái)的氫氣，在壓強(qiáng)上都無(wú)法滿足這一加注需求，例如長(zhǎng)管拖車運(yùn)載來(lái)的氫氣壓強(qiáng)目前最高為20MPa。必須先行將各種來(lái)源的氫氣通過(guò)增壓系統(tǒng)增壓，35MPa的輸出需求增壓至45MPa，70MPa的輸出需求增壓至90MPa，方能順利加注。
所以氫氣壓縮機(jī)是加氫站順利供氫的“前菜”。
02 加氫站氫氣壓縮機(jī)的分類
壓縮機(jī)的工作原理類似于泵，通過(guò)將往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械為氣體增壓。壓縮機(jī)本身的技術(shù)非常成熟，但因?yàn)槿剂想姵仄噷?duì)氫氣的高純度要求，及氫氣自身易燃爆、易泄漏等特點(diǎn)，使得傳統(tǒng)壓縮機(jī)無(wú)法滿足加氫站的需求，因此，加氫站必須配備氫氣專用的氫氣壓縮機(jī)。
加氫站氫氣壓縮機(jī)主要有隔膜式壓縮機(jī)、液驅(qū)式壓縮機(jī)以及離子壓縮機(jī)三個(gè)種類。應(yīng)用較多的隔膜式壓縮機(jī)和液驅(qū)式壓縮機(jī)，目前兩者的應(yīng)用比例約為7：3。離子壓縮機(jī)因?yàn)榧夹g(shù)成熟度還不夠，目前國(guó)際上只有個(gè)別廠商有應(yīng)用。
03 什么是隔膜式壓縮機(jī)
隔膜式壓縮機(jī)是依靠靠隔膜在氣缸中作往復(fù)運(yùn)動(dòng)來(lái)壓縮和輸送氣體的往復(fù)壓縮機(jī)。隔膜沿周邊由兩限制板夾緊并組成氣缸，隔膜由驅(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。隔膜式壓縮機(jī)的最大優(yōu)勢(shì)是能夠保證較高的氫氣純度。
隔膜式壓縮機(jī)構(gòu)成：
· 液壓油系統(tǒng)：包括一個(gè)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的曲軸、往復(fù)活塞和連桿、液壓移動(dòng)膜片、油路調(diào)節(jié)閥，通過(guò)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生液壓油壓力，推動(dòng)底層膜片向氣體側(cè)運(yùn)動(dòng)，從而壓縮氣體將氣體排出。
· 氣體壓縮系統(tǒng)：包括氣側(cè)磨頭總成、三層金屬膜片和氣體進(jìn)口和出口閥。三層金屬膜片將兩個(gè)體系完全隔離開(kāi)。
隔膜壓縮機(jī)膜頭部分結(jié)構(gòu)如圖所示：
隔膜式壓縮機(jī)膜頭部分結(jié)構(gòu)示意圖
三層金屬膜片是隔膜式壓縮機(jī)的名稱由來(lái)，也是這類壓縮設(shè)備最關(guān)鍵零件。它即氣側(cè)膜片、油側(cè)膜片和中間膜片構(gòu)成。
也正是在膜片的作用下實(shí)現(xiàn)了氫氣的高純度：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(dǎo)流槽，以確保兩側(cè)膜片破裂時(shí)可以及時(shí)將壓力引出，并通過(guò)壓力開(kāi)關(guān)觸發(fā)緊急停機(jī)。這種設(shè)置使氫氣在增壓過(guò)程中幾乎沒(méi)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。
隔膜式壓縮機(jī)最怕的是頻繁啟停。這是因?yàn)轭l繁啟停，油氣壓差過(guò)大，使膜片與環(huán)形油槽或排氣閥孔撞擊時(shí)產(chǎn)生大的附加應(yīng)力，膜片壽命大幅降低。
因?yàn)楦裟な綁嚎s機(jī)具備零污染、零泄露、大壓縮比的優(yōu)勢(shì)，而且國(guó)內(nèi)這項(xiàng)技術(shù)非常成熟，甚至處于國(guó)際領(lǐng)先水平，因此目前在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，依舊是隔膜式壓縮機(jī)占據(jù)應(yīng)用主流位置。
目前國(guó)內(nèi)主要的加氫站集成商，如上海舜華、上海氫楓、國(guó)富氫能、液空厚普，基本都使用隔膜式壓縮機(jī)。
04 什么是液驅(qū)式壓縮機(jī)
液驅(qū)活塞壓縮機(jī)通過(guò)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(jìn)入液壓缸的左、右兩腔，從而推動(dòng)液壓缸內(nèi)的活塞作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，而液壓缸活塞與兩端的氣缸活塞通過(guò)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(fù)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)氣體的壓縮。
也是分為兩個(gè)部分，分別是氣體增壓系統(tǒng)油壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
· 氣體增壓系統(tǒng)：主要包括組合缸體，其中間為液壓腔，兩端為氫氣壓縮腔；另外還有端蓋和進(jìn)出口單向閥等。氣缸外罩冷卻水套，有冷卻水通入其中，對(duì)缸體中的高溫氫氣進(jìn)行冷卻。
· 油壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：主要包括油箱、油壓泵和換向閥等。通過(guò)液壓系統(tǒng)作用，中間液壓腔中的液壓油帶動(dòng)組合活塞進(jìn)行左右往復(fù)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而使氫氣壓縮腔容積因活塞的往復(fù)活動(dòng)而進(jìn)行稀奇和壓縮，完成增壓功能。
液驅(qū)式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖
液驅(qū)式壓縮機(jī)首先具有空間緊湊的特點(diǎn)，相同設(shè)計(jì)條件下，其占地體積大約是隔膜壓縮機(jī)的三分之二左右；其次，液驅(qū)活塞壓縮機(jī)機(jī)頭部分的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，制造成本也低于隔膜壓縮機(jī)。
相同工況下，液驅(qū)式壓縮機(jī)更容易通過(guò)設(shè)計(jì)成多級(jí)壓縮，從而降低增壓過(guò)程能耗。更重要的是，液驅(qū)活塞壓縮機(jī)能夠直接帶載啟、停，非常適應(yīng)加氫站非計(jì)劃啟停的需求。
但液驅(qū)式壓縮機(jī)也存在著兩方面的不足：一是難以實(shí)現(xiàn)零泄漏，雖然不會(huì)出現(xiàn)液壓油與氫氣的串通，但是可能會(huì)發(fā)生氫氣向隔離腔的泄漏。根據(jù)已有數(shù)據(jù)，加氫站液驅(qū)式壓縮機(jī)的泄漏量大約在3％ ～6％左右。
盡管泄漏的氫氣可以通過(guò)回收系統(tǒng)再次返回增壓設(shè)備避免氫氣浪費(fèi)，但由于回收系統(tǒng)復(fù)雜，成本高等原因，一般站內(nèi)會(huì)選擇直接將泄漏氫氣排空，變相造成加氫站運(yùn)營(yíng)成本增加。
二是活塞環(huán)作為液驅(qū)式壓縮機(jī)作為關(guān)鍵易損件，其壽命較短。最主要原因是這一材料要經(jīng)歷來(lái)自缸內(nèi)的巨大熱量。有統(tǒng)計(jì)顯示，目前服役于國(guó)內(nèi)加氫站的液驅(qū)式壓縮機(jī)活塞環(huán)壽命如果超過(guò)1000小時(shí)，泄漏就會(huì)超過(guò)6％，必須進(jìn)行更換。所幸的是，活塞環(huán)的更換比隔膜壓縮機(jī)的膜片更換簡(jiǎn)便得多。
05 離子壓縮機(jī)
離子壓縮機(jī)是一種新型加氫站用增壓設(shè)備，其利用低熔鹽離子液體本身幾乎不可壓縮性且沒(méi)有蒸汽壓的特點(diǎn)，替代傳統(tǒng)金屬活塞對(duì)氫氣進(jìn)行近等溫壓縮的技術(shù)。目前全球僅有德國(guó)林德集團(tuán)有產(chǎn)品在加氫站應(yīng)用，國(guó)內(nèi)尚處在研發(fā)階段。
離子壓縮機(jī)的構(gòu)造和原理
離子壓縮機(jī)機(jī)頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，零部件少，無(wú)易損部件，可靠性增強(qiáng)，且可以設(shè)計(jì)為多級(jí)壓縮模式，啟啟停停不受阻礙。但整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜程度遠(yuǎn)超過(guò)隔膜壓縮機(jī)和液驅(qū)活塞壓縮機(jī)，整體流程設(shè)計(jì)難度大。
在上海驛藍(lán)金山加氫站投運(yùn)的林德離子壓縮機(jī)應(yīng)用效果顯示，壓力最高可達(dá)110兆帕，可對(duì)采用70兆帕或35兆帕儲(chǔ)氫罐的轎車、35兆帕儲(chǔ)氫罐的客車加注氫燃料。
06 壓縮機(jī)的成本計(jì)算
目前加氫站建設(shè)設(shè)備采購(gòu)成本占總投資的60-80%，主要原因是核心部件仍然依賴進(jìn)口，但隨著工業(yè)化進(jìn)程的快速推進(jìn)，核心零部件有望在未來(lái)三年實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，設(shè)備采購(gòu)成本有望降低30%?。
單就壓縮機(jī)而言，其成本直接構(gòu)成以液驅(qū)式壓縮機(jī)為例，包括以下組成部分：
其成本在加氫站建設(shè)中的占比可由以下二圖得到一個(gè)占比區(qū)間：
外供氫加氫站中，壓縮機(jī)占比在13.4%，站內(nèi)制氫加氫站中，壓縮機(jī)成本占比為8.1%。
07 我國(guó)氫氣壓縮機(jī)著名廠商有哪些
隔膜式壓縮機(jī)目前是加氫站市場(chǎng)應(yīng)用最廣泛的增壓設(shè)備類型，在國(guó)內(nèi)供應(yīng)隔膜壓縮機(jī)的企業(yè)有中鼎恒盛、豐電金凱威、北京天高、江蘇恒久機(jī)械、京城環(huán)保、東德實(shí)業(yè)、羿弓氫能、金星股份、星翼空間、蚌埠聯(lián)合、青島東燃、溫州東一、湖南米蘭特種壓縮機(jī)、蚌埠奧特、安徽科海等。海外著名廠商是美國(guó)PDC、豪頓、德國(guó)HOFER。
目前已經(jīng)有多個(gè)企業(yè)進(jìn)行了隔膜壓縮機(jī)大流量等方向的研發(fā)，并已經(jīng)有成果問(wèn)世：
國(guó)家能源集團(tuán)：今年8月，國(guó)家能源局公示第三批能源領(lǐng)域首臺(tái)（套）重大技術(shù)裝備項(xiàng)目清單，國(guó)家能源集團(tuán)低碳院、國(guó)華投資、氫能公司申報(bào)的“70MPa加氫站大流量隔膜壓縮機(jī)”入選。攻克了壓縮機(jī)氣液固耦合精確設(shè)計(jì)技術(shù)、高溫高壓臨氫關(guān)鍵零部件技術(shù)和實(shí)景工況測(cè)試技術(shù)，開(kāi)發(fā)了首臺(tái)套通過(guò)氫氣介質(zhì)測(cè)試的自有化90兆帕氫氣隔膜壓縮機(jī)，進(jìn)氣壓力12.5兆帕、排氣壓力90兆帕?xí)r，排量大于350標(biāo)方/小時(shí)。
中國(guó)石化：今年8月，燕山石化1萬(wàn)標(biāo)立/小時(shí)氫氣提純?cè)O(shè)施完善項(xiàng)目關(guān)鍵核心設(shè)備——33兆帕氫氣隔膜壓縮機(jī)吊裝就位。33兆帕氫氣隔膜壓縮機(jī)具備一體雙壓功能，可按需提供22兆帕和33兆帕兩種充裝模式，分別滿足20兆帕或30兆帕兩個(gè)壓力等級(jí)的長(zhǎng)管拖車充裝需求，可使氫氣單車運(yùn)輸能力提升一倍。
液驅(qū)式壓縮機(jī)企業(yè)有海德利森、青島康普銳斯、羿弓氫能、四川大川、三一氫能、福波杰恩、上海祥氫、上海猛軾等，海外廠家有美國(guó)Haskel、Ariel、德國(guó)麥格思維特等。
目前國(guó)內(nèi)采用液驅(qū)活塞壓縮機(jī)的加氫站大約占30%左右，絕大多數(shù)設(shè)計(jì)壓力為45MPa。國(guó)外產(chǎn)品以美國(guó)Haskel為主。
90MPa液驅(qū)活塞壓縮機(jī)僅有德國(guó)的Maximator和Hofer兩家產(chǎn)品在加氫站有應(yīng)用，國(guó)內(nèi)部分廠家有一定技術(shù)儲(chǔ)備，但尚無(wú)應(yīng)用案例。
08 氫氣壓縮機(jī)標(biāo)準(zhǔn)
我國(guó)氫氣壓縮機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)主要包括以下幾個(gè)方面：
?GB 4962-2008《氫氣使用安全技術(shù)規(guī)程》?：該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了氫氣壓縮機(jī)的安全使用技術(shù)要求，包括壓縮機(jī)的安裝、使用、維護(hù)和檢修等方面的具體要求。
?《加氫站用隔膜壓縮機(jī)安全使用技術(shù)規(guī)范》?：該標(biāo)準(zhǔn)適用于額定排氣壓力不高于100MPa的隔膜壓縮機(jī)，規(guī)定了設(shè)計(jì)、制造、安裝及使用方面的安全要求。標(biāo)準(zhǔn)在2022年3月1月已獲準(zhǔn)發(fā)布實(shí)施，是由豐電金凱威牽頭起草。
?《加氫站用液驅(qū)活塞氫氣壓縮機(jī)安全使用技術(shù)規(guī)范》?：該標(biāo)準(zhǔn)適用于額定排氣壓力不高于100MPa的液驅(qū)活塞氫氣壓縮機(jī)，規(guī)定了設(shè)計(jì)、加工制造、裝配、安裝及使用方面的安全要求。
09 壓縮機(jī)技術(shù)的提高空間
就當(dāng)下氫能壓縮機(jī)應(yīng)用場(chǎng)景分別看：
在氫氣充裝壓縮機(jī)方面，目前行業(yè)能做到的最大排量可達(dá)到2000Nm3/h；在加氫站用壓縮機(jī)方面，最大排量可達(dá)2000Nm3/h，排氣壓力45/90MPa；在余氫回收壓縮機(jī)方面，排量最大可達(dá)1000Nm3/h，回收后壓力1.5-2.0MPa，可提高氫氣槽車氣體利用率25%以上，減少運(yùn)輸成本。
制氫加氫一體站用壓縮機(jī)，目前在西北、廣東、華南地區(qū)已經(jīng)有廣泛布局。這種應(yīng)用場(chǎng)景，可減少運(yùn)輸環(huán)節(jié)，將氫能終端應(yīng)用價(jià)格縮短到30-35元/kg。目前，壓縮機(jī)在這一場(chǎng)景的排量最大可達(dá)到1000Nm3/h，進(jìn)氣壓力0.5-3.0MPa，排氣壓力45/90MPa。
目前，加氫站用隔膜壓縮機(jī)對(duì)70MPa、大流量的壓縮機(jī)應(yīng)用需求增加。在同樣的儲(chǔ)氫容積下，高壓力意味著車輛有更長(zhǎng)的續(xù)航里程和更優(yōu)的經(jīng)濟(jì)性，數(shù)據(jù)顯示，70MPa氫氣比35MPa要多出67%的續(xù)航里程。同時(shí)，隨著氫能商用車漸成規(guī)模，加氫站在有限的建設(shè)用地上滿足大規(guī)模車隊(duì)加注，最佳路徑就是增大壓縮機(jī)的排量。
隔膜壓縮機(jī)應(yīng)用于氫能產(chǎn)業(yè)鏈多個(gè)場(chǎng)景，并占據(jù)較大市場(chǎng)份額。實(shí)際上，隔膜壓縮機(jī)應(yīng)用于氫能行業(yè)也有幾大痛點(diǎn)：排量的局限性、頻繁自動(dòng)啟停局限性、排氣溫度的挑戰(zhàn)、工藝路線的優(yōu)化。針對(duì)這些痛點(diǎn)，氫氣隔膜壓縮機(jī)的升級(jí)方向在于：設(shè)計(jì)深度升級(jí)、滿足高壓力需求、滿足大排量需求、控制系統(tǒng)優(yōu)化需求、多級(jí)隔膜壓縮機(jī)應(yīng)用、健康管理系統(tǒng)應(yīng)用。
在非加氫站使用空間中，有一項(xiàng)往復(fù)活塞壓縮機(jī)有可能成為加氫站壓縮機(jī)的一個(gè)未來(lái)技術(shù)方向。往復(fù)活塞壓縮機(jī)在石化行業(yè)應(yīng)用廣泛，傳統(tǒng)往復(fù)活塞壓縮機(jī)因?yàn)槟Σ粮焙膿p、泄漏，特別是氫氣含油等問(wèn)題一直無(wú)法有效解決，使其無(wú)法在加氫站應(yīng)用。美國(guó)Ariel公司于2022年發(fā)布了應(yīng)用于加氫站的立式往復(fù)活塞壓縮機(jī)，通過(guò)采用氮?dú)飧綦x腔方式，避免運(yùn)動(dòng)部件潤(rùn)滑油污染氫氣。其排氣壓力最高50MPa，可在30MPa加氫站壓縮機(jī)市場(chǎng)擁有一席之地。
內(nèi)容資料參考來(lái)源：清茶薈、豐電金凱威、中國(guó)石化等
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