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(diǎn)。作為世界上較大的制氫國，國家已將促進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展作為實(shí)現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)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(shù)在多個(gè)領(lǐng)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(dòng)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(yīng)用，財(cái)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(zhǔn)了“３＋２”共５個(gè)城市群，包含１３個(gè)省市、４０余座城市的跨市跨地域燃料電池汽車示范應(yīng)用項(xiàng)目，希望通過加快燃料電池汽車示范應(yīng)用促進(jìn)核心關(guān)鍵技術(shù)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(yīng)體系。

加氫站是氫能供應(yīng)體系的重要組成部分，也是氫能在交通領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)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(jì)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(shù)路線圖》（２.０版本），到２０２５年，我國燃料電池汽車有望達(dá)到１０萬輛，加氫站達(dá)到１０００座，２０３０年，分別達(dá)到１００萬輛和５０００座［２，３］。

２　加氫站壓縮機(jī)

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３５ＭＰａ或７０ＭＰａ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(jìn)一步提升至４５ＭＰａ或９０ＭＰａ。根據(jù)美國能源部新估算［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(yùn)行過程中的非計(jì)劃停機(jī)次數(shù)和時(shí)間占加氫站總運(yùn)維的２５％和２２％［５］。可以看出，氫氣增壓系統(tǒng)是加氫站安全、高效、低成本運(yùn)營的關(guān)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(diǎn)，使得傳統(tǒng)壓縮機(jī)無法滿足加氫站的需求，因此，隔膜壓縮機(jī)、液驅(qū)活塞壓縮機(jī)等特殊機(jī)型成為加氫站普遍應(yīng)用的氫氣增壓設(shè)備。

２.１　隔膜壓縮機(jī)

加氫站所用隔膜壓縮機(jī)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(jī)構(gòu)及活塞驅(qū)動(dòng)液壓油來完成。隔膜壓縮機(jī)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(diǎn)運(yùn)動(dòng)，液壓油壓力升高并驅(qū)使膜片向上變形運(yùn)動(dòng)。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(shí)現(xiàn)氣體增壓。隔膜壓縮機(jī)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(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，并通過壓力開關(guān)觸發(fā)緊急停機(jī)。這種設(shè)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。

隔膜壓縮機(jī)目前是加氫站市場應(yīng)用廣泛的增壓設(shè)備類型，在４５ＭＰａ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(yīng)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９０ＭＰａ級別的增壓設(shè)備，由于國內(nèi)運(yùn)營的７０ＭＰａ加氫站很少，采用隔膜壓縮機(jī)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(yīng)用案例，但恒久、金凱威等部分廠家有技術(shù)及產(chǎn)品儲(chǔ)備。

隔膜壓縮機(jī)大多數(shù)是通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)油腔內(nèi)液壓油流動(dòng)，近年來國內(nèi)也有開發(fā)油泵驅(qū)動(dòng)液壓油的隔膜壓縮機(jī)新技術(shù)，該技術(shù)膜頭內(nèi)的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)隔膜壓縮機(jī)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(jī)具備零污染、零泄漏等獨(dú)特優(yōu)勢，但加氫站復(fù)雜的工況條件使其在實(shí)際應(yīng)用中也暴露出一些問題。以典型的長管拖車氫源為３５ＭＰａ固定站加氫應(yīng)用場景為例。長管拖車的進(jìn)站壓力為２０ＭＰａ，離站壓力為５～６ＭＰａ，站內(nèi)配有高、中、低三級氫氣儲(chǔ)罐，儲(chǔ)罐壓力等級分別為４５ＭＰａ，３５ＭＰａ和２５ＭＰａ。當(dāng)站內(nèi)儲(chǔ)罐壓力不足時(shí)，啟動(dòng)壓縮機(jī)分別給３個(gè)儲(chǔ)罐依次增壓，因此需要壓縮機(jī)適應(yīng)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(jī)是通過液壓油驅(qū)動(dòng)氣體增壓，排氣壓力的大范圍波動(dòng)要求油壓必須快速響應(yīng)這種變化，以形成良好的油氣壓力“動(dòng)態(tài)伴

隨”狀態(tài)，保證隔膜壓縮機(jī)的高效、可靠運(yùn)行。但隔膜壓縮機(jī)的油壓通過溢油閥控制，溢油壓力固定，一般設(shè)置在５５ＭＰａ以上以適應(yīng)４５ＭＰａ的排氣壓力，低排氣壓力工況下固定的溢油壓力導(dǎo)致油氣壓差過大，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。

太寬的吸、排氣壓力范圍還會(huì)引起極端工況壓比遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離設(shè)計(jì)壓比。加氫站隔膜壓縮機(jī)設(shè)計(jì)壓比一般為３～４，但隨著長管拖車壓力減小，壓縮機(jī)實(shí)際運(yùn)行壓比逐漸提高，較高可達(dá)到７以上。由于絕大部分抗氫脆金屬材料的導(dǎo)熱性較差，壓縮熱無法及時(shí)有效導(dǎo)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(jī)的工作特性決定了其必須空載起機(jī)，需要設(shè)計(jì)相對復(fù)雜的開機(jī)工藝流程，以適應(yīng)加氫站頻繁啟、停的需求。

２.２　液驅(qū)活塞壓縮機(jī)

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

目前國內(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。國外產(chǎn)品以美國Ｈａｓｋｅｌ為主，國內(nèi)則除了較早進(jìn)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(yīng)產(chǎn)品。因國內(nèi)７０ＭＰａ加氫站數(shù)量很少，９０ＭＰａ液驅(qū)活塞壓縮機(jī)僅有德國的Ｍａｘｉｍａｔｏｒ和Ｈｏｆｅｒ兩家產(chǎn)品在加氫站有應(yīng)用，國內(nèi)部分廠家有一定技術(shù)儲(chǔ)備，但尚無應(yīng)用案例。

相比較隔膜壓縮機(jī)，液驅(qū)活塞壓縮機(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２／３左右；其次，液驅(qū)活塞壓縮機(jī)機(jī)頭部分的結(jié)構(gòu)簡單，制造成本也低于隔膜壓縮機(jī)，相同工況下更容易通過設(shè)計(jì)成多級壓縮，降低增壓過程能耗；再次，液驅(qū)活塞壓縮機(jī)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(yùn)維成本；此外，液驅(qū)活塞壓縮機(jī)能夠直接帶載啟、停，非常適應(yīng)加氫站對增壓設(shè)備頻繁啟、停的需求，極大簡化了其在加氫站應(yīng)用時(shí)的工藝流程。

但液驅(qū)活塞壓縮機(jī)也存在著兩方面的不足：一是泄漏問題：由于采用動(dòng)密封，因此無法實(shí)現(xiàn)零泄漏，雖然液壓油和氫氣不會(huì)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(jī)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(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)營成本增加。二是動(dòng)密封部件磨損問題。活塞環(huán)作為液驅(qū)活塞壓縮機(jī)關(guān)鍵易損件，短壽命是目前面臨的較大問題。應(yīng)用于加氫站的液驅(qū)活塞壓縮機(jī)具有大壓比，高排氣壓力的特點(diǎn)，加之缸壁厚，材料導(dǎo)熱性差等因素，造成壓縮熱無法從工作腔有效導(dǎo)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(jì)，目前服役于國內(nèi)加氫站的液驅(qū)活塞壓縮機(jī)活塞環(huán)壽命一般超過１０００ｈ，泄漏就會(huì)超過６％，必須進(jìn)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(dǎo)問題，改善活塞環(huán)的工作環(huán)境，那么液驅(qū)活塞壓縮機(jī)將與隔膜壓縮機(jī)形成有力競爭。

２.３　其他形式壓縮機(jī)

（１）離子液體壓縮機(jī)

離子液體壓縮機(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有蒸汽壓的特點(diǎn)，替代傳統(tǒng)金屬活塞對氫氣進(jìn)行近等溫壓縮的技術(shù)。目前全球僅有德國林德集團(tuán)擁有較為成熟的產(chǎn)品且在加氫站應(yīng)用，國內(nèi)尚處在研發(fā)階段。離子壓縮機(jī)機(jī)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(jī)和液驅(qū)活塞壓縮機(jī)都有明顯優(yōu)勢。同時(shí)，簡單的結(jié)構(gòu)也使其易設(shè)計(jì)成多級壓縮形式，林德集團(tuán)９０ＭＰａ級的離子液體壓縮機(jī)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(jìn)氣壓力，ＩＣ９０具備從０.２ＭＰａ增壓至９０ＭＰａ的能力，這是隔膜壓縮機(jī)和液驅(qū)活塞壓縮機(jī)完全不具備的。

離子液體壓縮機(jī)主要的技術(shù)難點(diǎn)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(jī)理、特性及規(guī)律缺乏足夠的研究和認(rèn)知，缺乏對核心技術(shù)的理解和掌握。另一方面，離子液體壓縮機(jī)的是靠多級徑向柱塞泵來提供驅(qū)動(dòng)力，加之壓縮機(jī)級數(shù)多，級間壓力和相位控制嚴(yán)格，整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜程度遠(yuǎn)超過隔膜壓縮機(jī)和液驅(qū)活塞壓縮機(jī)，整體流程設(shè)計(jì)難度大。

（２）往復(fù)活塞壓縮機(jī)

往復(fù)活塞壓縮機(jī)是較早應(yīng)用于氫氣壓縮的設(shè)備，在石化行業(yè)應(yīng)用廣泛。與上述３種類型壓縮機(jī)相比，大流量是其較為突出的優(yōu)勢，但傳統(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題一直無法有效解決，使其無法在加氫站應(yīng)用。美國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)，其排氣壓力較高５０ＭＰａ，在２.５ＭＰａ進(jìn)氣工況下，流量可高達(dá)２７００Ｎｍ３／ｈ－１。該壓縮機(jī)通過采用氮?dú)飧綦x腔方式，避免運(yùn)動(dòng)部件潤滑油污染氫氣。往復(fù)活塞壓縮機(jī)面臨的較大挑戰(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(hù)的時(shí)間成本和人力成本將會(huì)遠(yuǎn)高于隔膜壓縮機(jī)和液驅(qū)活塞壓縮機(jī)，但如果填料函的壽命可以超過３０００ｈ，則立式活塞壓縮機(jī)至少在３５ＭＰａ加氫站壓縮機(jī)市場擁有一席之地。

３　加氫站壓縮機(jī)技術(shù)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(jìn)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(jī)也提出全新要求。應(yīng)用端的需求牽引，將決定加氫站壓縮機(jī)的發(fā)展趨勢。商業(yè)化加氫站的盈利基礎(chǔ)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４０～６０ｋｇ之間，如加氫站每天加注５０輛車，則日均加氫量至少要達(dá)到２～３ｔ，國內(nèi)新建加氫站已有達(dá)到４.８ｔ／ｄ的加氫能力。

加氫量提高對站內(nèi)壓縮機(jī)首先提出了流量要求，現(xiàn)有４５ＭＰａ壓縮機(jī)以５００Ｎｍ３／ｈ或１０００Ｎｍ３／ｈ為主，按業(yè)內(nèi)默認(rèn)一天運(yùn)行１０ｈ計(jì)算，每天較多能提供不到１ｔ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(jī)并聯(lián)可以達(dá)到要求，但隨之也帶來了高昂的采購成本和維護(hù)成本。因此，通過大直徑、多膜頭、高轉(zhuǎn)速等技術(shù)途徑，實(shí)現(xiàn)隔膜壓縮機(jī)的大流量（２０００Ｎｍ３／ｈ及以上） 將是加氫站壓縮機(jī)發(fā)展的重要方向之一，而Ｈｏｗｄｅｎ、恒久機(jī)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(shù)儲(chǔ)備。

加氫站在商業(yè)化運(yùn)行中對非計(jì)劃停機(jī)是難以接受的，目前壓縮機(jī)占到整站運(yùn)行過程非計(jì)劃停機(jī)的１／４。相對站內(nèi)其他靜設(shè)備，壓縮機(jī)維護(hù)時(shí)間長、成本高，特別是當(dāng)壓縮機(jī)發(fā)生故障造成氫氣污染時(shí)，下游儲(chǔ)氫罐、管路系統(tǒng)、加注機(jī)等設(shè)備都需要返廠清洗，將造成巨額的經(jīng)濟(jì)損失。現(xiàn)階段無論是隔膜壓縮機(jī)或液驅(qū)活塞壓縮機(jī)，維護(hù)周期均在１０００ｈ左右，商業(yè)化運(yùn)行下意味著約一季度就需要維護(hù)一次。相比ＣＮＧ加氣站壓縮機(jī)設(shè)備一年維護(hù)一次的頻率，提高壓縮機(jī)可靠性，避免非計(jì)劃性停機(jī)，增加易損件壽命，延長計(jì)劃維保周期是加氫站壓縮機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵。

壓縮機(jī)作為加氫站的核心動(dòng)設(shè)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(jī)的比功率目標(biāo)為１.４ｋＷｈ／ｋｇ（進(jìn)氣壓力１２ＭＰａ，排氣壓力９５ＭＰａ）［９］，而目前技術(shù)水平大約在２.０～２.３ｋＷｈ／ｋｇ，與預(yù)期目標(biāo)存在一定差距。所以通過技術(shù)不斷升級與革新，提高壓縮機(jī)效率，降低壓縮過程耗功，實(shí)現(xiàn)加氫站運(yùn)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(jī)發(fā)展建議

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

（１）加強(qiáng)研發(fā)投入，確保核心技術(shù)快速迭代升級。由于燃料電池技術(shù)近十年才有了快速的發(fā)展，因此加氫站壓縮機(jī)國內(nèi)技術(shù)與國外相比并無明顯差距，在充足研發(fā)投入的基礎(chǔ)上，形成對產(chǎn)品應(yīng)用過程的快速反饋，實(shí)現(xiàn)核心技術(shù)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(jī)的設(shè)計(jì)工況受站內(nèi)氫源壓力、車載儲(chǔ)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(gè)環(huán)節(jié)不斷發(fā)展，加氫站壓縮機(jī)設(shè)計(jì)條件也會(huì)隨之變化，壓縮機(jī)企業(yè)在緊盯上下游技術(shù)革新的基礎(chǔ)上，通過提前布局對應(yīng)產(chǎn)品的研發(fā)與測試，形成市場需求變化的快速響應(yīng)能力。

（３） 加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)制定，支撐技術(shù)進(jìn)步與行業(yè)發(fā)展。加氫站壓縮機(jī)廠家應(yīng)在現(xiàn)有行標(biāo)、團(tuán)標(biāo)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完善生產(chǎn)制造技術(shù)和檢驗(yàn)檢測標(biāo)準(zhǔn)。細(xì)化壓縮機(jī)生產(chǎn)制造過程中工藝、流程、檢測、測試等各個(gè)環(huán)節(jié)的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這不僅可以推動(dòng)加氫站壓縮機(jī)行業(yè)的規(guī)范發(fā)展，更對氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)起到保障作用。