科普 | 什么是氢气压缩机？

加氢站设备包括氢气压缩机、储氢瓶组、加注机、卸气柱等，其中氢气压缩机是核心设备之一。氢气在常温常压下的体积能量密度非常低，因此需要通过压缩来满足储存、运输和应用的需求。氢气压缩机的使用正是为了解决这一问题，它能够将氢气增压至所需压力。

01 什么是氢气压缩机？

氢气压缩机是一种用于压缩氢气的机器。由于氢气具有密度低、体积能量密度小的特点，为了在储运和应用环节提升单位体积容器的氢气载荷，必须先将氢气先行增压。

就加氢站而言，目前氢燃料电池汽车有两类加注压力需求，一是35MPa，二是70MPa，无论是加氢站内制氢供氢，还是长管拖车运来的氢气，在压强上都无法满足这一加注需求，例如长管拖车运载来的氢气压强目前最高为20MPa。必须先行将各种来源的氢气通过增压系统增压，35MPa的输出需求增压至45MPa，70MPa的输出需求增压至90MPa，方能顺利加注。

所以氢气压缩机是加氢站顺利供氢的“前菜”。

02 加氢站氢气压缩机的分类

压缩机的工作原理类似于泵，通过将往复运动的机械为气体增压。压缩机本身的技术非常成熟，但因为燃料电池汽车对氢气的高纯度要求，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，加氢站必须配备氢气专用的氢气压缩机。

加氢站氢气压缩机主要有隔膜式压缩机、液驱式压缩机以及离子压缩机三个种类。应用较多的隔膜式压缩机和液驱式压缩机，目前两者的应用比例约为7：3。离子压缩机因为技术成熟度还不够，目前国际上只有个别厂商有应用。 

03 什么是隔膜式压缩机

隔膜式压缩机是依靠靠隔膜在气缸中作往复运动来压缩和输送气体的往复压缩机。隔膜沿周边由两限制板夹紧并组成气缸，隔膜由驱动在气缸内往复运动，从而实现对气体的压缩和输送。隔膜式压缩机的最大优势是能够保证较高的氢气纯度。

隔膜式压缩机构成：

· 液压油系统：包括一个由电机驱动的曲轴、往复活塞和连杆、液压移动膜片、油路调节阀，通过活塞往复运动产生液压油压力，推动底层膜片向气体侧运动，从而压缩气体将气体排出。

· 气体压缩系统：包括气侧磨头总成、三层金属膜片和气体进口和出口阀。三层金属膜片将两个体系完全隔离开。

隔膜压缩机膜头部分结构如图所示： 

隔膜式压缩机膜头部分结构示意图

三层金属膜片是隔膜式压缩机的名称由来，也是这类压缩设备最关键零件。它即气侧膜片、油侧膜片和中间膜片构成。

也正是在膜片的作用下实现了氢气的高纯度：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。

隔膜式压缩机最怕的是频繁启停。这是因为频繁启停，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。

因为隔膜式压缩机具备零污染、零泄露、大压缩比的优势，而且国内这项技术非常成熟，甚至处于国际领先水平，因此目前在国内市场，依旧是隔膜式压缩机占据应用主流位置。

目前国内主要的加氢站集成商，如上海舜华、上海氢枫、国富氢能、液空厚普，基本都使用隔膜式压缩机。

04 什么是液驱式压缩机

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。

也是分为两个部分，分别是气体增压系统油压驱动系统。

· 气体增压系统：主要包括组合缸体，其中间为液压腔，两端为氢气压缩腔；另外还有端盖和进出口单向阀等。气缸外罩冷却水套，有冷却水通入其中，对缸体中的高温氢气进行冷却。

· 油压驱动系统：主要包括油箱、油压泵和换向阀等。通过液压系统作用，中间液压腔中的液压油带动组合活塞进行左右往复运动，进而使氢气压缩腔容积因活塞的往复活动而进行稀奇和压缩，完成增压功能。

液驱式压缩机结构示意图

液驱式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三分之二左右；其次，液驱活塞压缩机机头部分的结构相对简单，制造成本也低于隔膜压缩机。

相同工况下，液驱式压缩机更容易通过设计成多级压缩，从而降低增压过程能耗。更重要的是，液驱活塞压缩机能够直接带载启、停，非常适应加氢站非计划启停的需求。

但液驱式压缩机也存在着两方面的不足：一是难以实现零泄漏，虽然不会出现液压油与氢气的串通，但是可能会发生氢气向隔离腔的泄漏。根据已有数据，加氢站液驱式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。

二是活塞环作为液驱式压缩机作为关键易损件，其寿命较短。最主要原因是这一材料要经历来自缸内的巨大热量。有统计显示，目前服役于国内加氢站的液驱式压缩机活塞环寿命如果超过1000小时，泄漏就会超过6％，必须进行更换。所幸的是，活塞环的更换比隔膜压缩机的膜片更换简便得多。

05 离子压缩机

离子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有产品在加氢站应用，国内尚处在研发阶段。

离子压缩机的构造和原理

离子压缩机机头结构简单，零部件少，无易损部件，可靠性增强，且可以设计为多级压缩模式，启启停停不受阻碍。但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。

在上海驿蓝金山加氢站投运的林德离子压缩机应用效果显示，压力最高可达110兆帕，可对采用70兆帕或35兆帕储氢罐的轿车、35兆帕储氢罐的客车加注氢燃料。

06 压缩机的成本计算

目前加氢站建设设备采购成本占总投资的60-80%，主要原因是核心部件仍然依赖进口，但随着工业化进程的快速推进，核心零部件有望在未来三年实现国产化，设备采购成本有望降低30%‌。

单就压缩机而言，其成本直接构成以液驱式压缩机为例，包括以下组成部分：

其成本在加氢站建设中的占比可由以下二图得到一个占比区间：

外供氢加氢站中，压缩机占比在13.4%，站内制氢加氢站中，压缩机成本占比为8.1%。

07 我国氢气压缩机著名厂商有哪些

隔膜式压缩机目前是加氢站市场应用最广泛的增压设备类型，在国内供应隔膜压缩机的企业有中鼎恒盛、丰电金凯威、北京天高、江苏恒久机械、京城环保、东德实业、羿弓氢能、金星股份、星翼空间、蚌埠联合、青岛东燃、温州东一、湖南米兰特种压缩机、蚌埠奥特、安徽科海等。海外著名厂商是美国PDC、豪顿、德国HOFER。

目前已经有多个企业进行了隔膜压缩机大流量等方向的研发，并已经有成果问世：

国家能源集团：今年8月，国家能源局公示第三批能源领域首台（套）重大技术装备项目清单，国家能源集团低碳院、国华投资、氢能公司申报的“70MPa加氢站大流量隔膜压缩机”入选。攻克了压缩机气液固耦合精确设计技术、高温高压临氢关键零部件技术和实景工况测试技术，开发了首台套通过氢气介质测试的自有化90兆帕氢气隔膜压缩机，进气压力12.5兆帕、排气压力90兆帕时，排量大于350标方/小时。

中国石化：今年8月，燕山石化1万标立/小时氢气提纯设施完善项目关键核心设备——33兆帕氢气隔膜压缩机吊装就位。33兆帕氢气隔膜压缩机具备一体双压功能，可按需提供22兆帕和33兆帕两种充装模式，分别满足20兆帕或30兆帕两个压力等级的长管拖车充装需求，可使氢气单车运输能力提升一倍。

液驱式压缩机企业有海德利森、青岛康普锐斯、羿弓氢能、四川大川、三一氢能、福波杰恩、上海祥氢、上海猛轼等，海外厂家有美国Haskel、Ariel、德国麦格思维特等。

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45MPa。国外产品以美国Haskel为主。

90MPa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。

08 氢气压缩机标准

我国氢气压缩机的标准主要包括以下几个方面：

‌GB 4962-2008《氢气使用安全技术规程》‌：该标准规定了氢气压缩机的安全使用技术要求，包括压缩机的安装、使用、维护和检修等方面的具体要求。

‌《加氢站用隔膜压缩机安全使用技术规范》‌：该标准适用于额定排气压力不高于100MPa的隔膜压缩机，规定了设计、制造、安装及使用方面的安全要求。标准在2022年3月1月已获准发布实施，是由丰电金凯威牵头起草。

‌《加氢站用液驱活塞氢气压缩机安全使用技术规范》‌：该标准适用于额定排气压力不高于100MPa的液驱活塞氢气压缩机，规定了设计、加工制造、装配、安装及使用方面的安全要求。

09 压缩机技术的提高空间

就当下氢能压缩机应用场景分别看：

在氢气充装压缩机方面，目前行业能做到的最大排量可达到2000Nm³/h；在加氢站用压缩机方面，最大排量可达2000Nm³/h，排气压力45/90MPa；在余氢回收压缩机方面，排量最大可达1000Nm³/h，回收后压力1.5-2.0MPa，可提高氢气槽车气体利用率25%以上，减少运输成本。

制氢加氢一体站用压缩机，目前在西北、广东、华南地区已经有广泛布局。这种应用场景，可减少运输环节，将氢能终端应用价格缩短到30-35元/kg。目前，压缩机在这一场景的排量最大可达到1000Nm3/h，进气压力0.5-3.0MPa，排气压力45/90MPa。

目前，加氢站用隔膜压缩机对70MPa、大流量的压缩机应用需求增加。在同样的储氢容积下，高压力意味着车辆有更长的续航里程和更优的经济性，数据显示，70MPa氢气比35MPa要多出67%的续航里程。同时，随着氢能商用车渐成规模，加氢站在有限的建设用地上满足大规模车队加注，最佳路径就是增大压缩机的排量。

隔膜压缩机应用于氢能产业链多个场景，并占据较大市场份额。实际上，隔膜压缩机应用于氢能行业也有几大痛点：排量的局限性、频繁自动启停局限性、排气温度的挑战、工艺路线的优化。针对这些痛点，氢气隔膜压缩机的升级方向在于：设计深度升级、满足高压力需求、满足大排量需求、控制系统优化需求、多级隔膜压缩机应用、健康管理系统应用。

在非加氢站使用空间中，有一项往复活塞压缩机有可能成为加氢站压缩机的一个未来技术方向。往复活塞压缩机在石化行业应用广泛，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，通过采用氮气隔离腔方式，避免运动部件润滑油污染氢气。其排气压力最高50MPa，可在30MPa加氢站压缩机市场拥有一席之地。

内容资料参考来源：清茶荟、丰电金凯威、中国石化等