劉 瑋，董斌琦，劉子龍，馮仰敏，張 謙，陳 玨，許 壯，何廣利

（1.國家能源集團(tuán)新能源有限責(zé)任公司，北京 102200；2.神華氫能科技如皋有限責(zé)任公司，江蘇 南通 226000；3.北京低碳清潔能源研究院，北京 102200）

0 引言

以外供高壓氣氫加氫站為例，其工作流程如圖1所示。加氫站由卸氫系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)、儲氫系統(tǒng)和加氫系統(tǒng)組成。卸氣系統(tǒng)主要是由運輸氫氣的長管拖車和卸氣柱組成，通過卸氣柱將長管拖車上的氫氣卸載。在整個加氫站中，最核心的設(shè)備是氫氣壓縮機(jī)、高壓儲氫罐、氫氣加注機(jī)[3]。其中，氫氣壓縮機(jī)作為實現(xiàn)氫氣增壓的設(shè)備，其性能和耐久性直接決定著加氫站的規(guī)模和后期維護(hù)成本。

圖1 外供氫加氫站工作時的流程示意圖

鑒于氫氣特性和燃料電池系統(tǒng)對氫氣的純度的要求，氫氣壓縮機(jī)的選型尤為重要。根據(jù)工作原理，氫氣壓縮機(jī)可分為機(jī)械式壓縮機(jī)和非機(jī)械式壓縮機(jī)，機(jī)械式壓縮機(jī)主要包括隔膜式壓縮機(jī)、液驅(qū)式活塞壓縮機(jī)、離子液體壓縮機(jī)等。非機(jī)械式壓縮機(jī)有金屬氫化物壓縮機(jī)、電化學(xué)氫氣壓縮機(jī)等。應(yīng)用于加氫站的氫氣壓縮機(jī)的基本特點有：

（1）壓縮機(jī)頻繁啟停；

（2）壓縮機(jī)維護(hù)頻率低，維護(hù)時間短；

（3）進(jìn)氣壓力和排氣壓力不恒定。

選擇氫氣壓縮機(jī)應(yīng)當(dāng)結(jié)合加氫站的運行特點和氫氣壓縮機(jī)的運行特點，不能一概而論。所以，掌握各類壓縮機(jī)的特點對于選型和設(shè)備配置極為重要。

1 金屬隔膜式壓縮機(jī)

隔膜式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)圖2 所示。壓縮機(jī)靠外來電機(jī)拖動隔膜壓縮機(jī)的帶輪，帶輪帶動曲軸旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而使活塞隨著連桿的運動做往復(fù)運動，活塞擠壓液壓油，液壓油擠壓金屬膜片，使得氣體腔體積減小，通過和進(jìn)排氣閥的協(xié)同工作，實現(xiàn)膜腔中的氫氣壓縮。經(jīng)過特殊設(shè)計的膜片可以將被壓縮的氣體與外界隔開，同時對油側(cè)和氣體側(cè)進(jìn)行監(jiān)測，防止油的滲漏。在實際氣體壓縮過程中由于溫度會升高而導(dǎo)致能耗損失較大，且高溫氣體具有危險性，目前隔膜壓縮機(jī)在使用中都進(jìn)行進(jìn)氣預(yù)冷，來避免排氣溫度過高。隔膜壓縮機(jī)由于采用隔膜對液壓油和氣體腔進(jìn)行分離，避免了氫氣在壓縮過程中的污染。另外，由于隔膜壓縮機(jī)在壓縮時氣體的壓縮熱更容易傳導(dǎo)[4]，因此壓縮過程偏向于一個等溫過程，能量損耗較低，壓縮比可以比其他機(jī)械式壓縮機(jī)更高。但其缺點顯著，頻繁啟停對壓縮機(jī)的壽命有較大的影響，且隔膜式壓縮機(jī)的碟形工作腔本身容積很小，單機(jī)難以實現(xiàn)較大處理量。

對大型植物的監(jiān)測，在植被繁茂季節(jié)對溝道每1km布設(shè)1個調(diào)查點，如遇到生態(tài)條件突變則加測一點，共布設(shè)調(diào)查點9個。每個點根據(jù)實地特點設(shè)置 1～2個 5 m×5 m的喬灌樣方，2～3 個 1 m×1 m 草本樣方，0～2個1 m×1 m水生植物樣方。調(diào)查植物種類與數(shù)量。

圖2 隔膜式氫氣壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)

隔膜壓縮機(jī)國外主要品牌有美國PDC、PPI、德國HOFER、英國HOWDEN 等。國內(nèi)品牌主要為北京中鼎恒盛、北京天高、江蘇恒久等。各公司品牌壓縮機(jī)的特性和典型參數(shù)見表1。

表1 幾種代表性的隔膜壓縮機(jī)參數(shù)

隔膜式氫氣壓縮機(jī)的最大排氣壓力可超過80 MPa，功率范圍為20～ 90 kW。但體積流量較低，加氫站在建設(shè)時應(yīng)當(dāng)考慮加氫站的日加氫能力和儲氫壓力。目前在高壓領(lǐng)域國產(chǎn)化技術(shù)成熟度和競爭力較差，國外技術(shù)成熟度相對較高。國產(chǎn)化面臨的難題主要是隔膜壓縮機(jī)本身材料在高壓下的耐受度，以及隔膜本身的壽命。國內(nèi)隔膜壓縮機(jī)市場主要由美國PDC占據(jù)[5]，該公司研發(fā)的設(shè)備日進(jìn)氣量在5～2500 kg 范圍，最大排出壓力為48.2 MPa ～103.4 MPa。由于隔膜式壓縮機(jī)成本較高，而在燃料電池車和加氫站大規(guī)模推廣階段，成本問題直接決定了加氫站氫氣壓縮機(jī)的選型。因此，隔膜壓縮機(jī)在加氫站中應(yīng)用的前提是降低其自身成本，這可以通過隔膜式壓縮機(jī)的國產(chǎn)化來實現(xiàn)。

2 液驅(qū)式活塞壓縮機(jī)

目前國內(nèi)加氫站所采用的壓縮機(jī)多采用隔膜結(jié)構(gòu)，壓力為45 MPa，而液驅(qū)活塞壓縮機(jī)則可實現(xiàn)75 MPa 以上，我國液驅(qū)活塞壓縮機(jī)主要依賴進(jìn)口。液驅(qū)式活塞壓縮機(jī)的工作原理是：液壓油缸體連接一個電機(jī)驅(qū)動液壓泵，為活塞提供動力，活塞在液體的推動下在氣缸中前后移動，氣缸體積發(fā)生變化，以實現(xiàn)氣體吸氣、壓縮和排氣的過程。此類壓縮機(jī)可配備有兩個單獨的氫氣進(jìn)出口自動閥，活塞缸系統(tǒng)構(gòu)成往復(fù)式壓縮機(jī)。液驅(qū)時活塞壓縮機(jī)的基本特點包括：

（1）靠液壓油驅(qū)動活塞，沒有曲軸箱體，所以壓縮機(jī)維護(hù)頻率明顯低，維護(hù)簡單、快捷；

（2）可以頻繁啟停；

（3）沒有曲軸箱體，占用空間??；

（4）壓縮氣體的流量和活塞往復(fù)頻率有關(guān)；

（5）仍存在高壓密封問題；

（6）液壓油換向會帶來高壓沖擊問題[6]。

圖3 是德國HOFER 公司研制的TKH 型液驅(qū)活塞式往復(fù)壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)圖，該類型的壓縮機(jī)是上個世紀(jì)80年代專門設(shè)計用來壓縮非腐蝕性氣體，如氫氣、氬氣、氦氣。根據(jù)HOFER 公司網(wǎng)站的數(shù)據(jù)顯示，目前液驅(qū)式活塞壓縮機(jī)技術(shù)對于小分子氣體如氫氣的最高排氣壓力為100 MPa，能耗較高。從技術(shù)角度來看，當(dāng)考慮到加氫站的使用條件——壓縮機(jī)需要每天反復(fù)頻繁啟停時，液驅(qū)式活塞壓縮機(jī)較為合適。

圖3 HOFER 公司研制的TKH 類型的液驅(qū)式活塞壓縮機(jī)示意圖

3 離子液體壓縮機(jī)

傳統(tǒng)的機(jī)械式壓縮機(jī)內(nèi)部部件多，存在機(jī)械磨損，低功率下熱損耗較大，為了避免以上問題，離子液體壓縮機(jī)應(yīng)運而生。離子液體壓縮機(jī)的工作原理可概括為：液驅(qū)系統(tǒng)驅(qū)動液壓油推動固體活塞，進(jìn)而驅(qū)使離子液壓縮氣體，實現(xiàn)壓縮機(jī)的進(jìn)氣、壓縮、排氣、膨脹過程。由于離子液體低蒸汽壓、氫氣溶解度低的特點，氫氣的壓縮較為安全，例如在373 K，9 MPa 下1 kg1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽（[bmim][PF6]）[7]離子液體中溶解僅有0.106 mol H2。此外，離子液體并無固定的形狀，可以在設(shè)計時將壓縮室的表面體積比最大化，使壓縮產(chǎn)生的熱量通過外壁散失，整個壓縮過程接近等溫壓縮，避免了摩擦能耗的問題，因此離子液體壓縮機(jī)可以實現(xiàn)超高壓壓縮?？侩x子液體傳動還簡化了傳動結(jié)構(gòu)，避免了損壞傳統(tǒng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的風(fēng)險?？梢哉f，離子液體壓縮機(jī)兼具了傳統(tǒng)活塞壓縮機(jī)、隔膜壓縮機(jī)、液驅(qū)式壓縮機(jī)的綜合優(yōu)勢[6]，可以滿足大流量、高壓力、頻繁啟停、低能耗。然而其機(jī)電控制比傳統(tǒng)壓縮機(jī)更為復(fù)雜，長期運行過程中的可靠性有待評估。

離子液體壓縮機(jī)主要應(yīng)用于儲氫壓力90 MPa 的加氫站，但目前仍處于實驗推廣階段。德國Linde 公司近年來推出一款用于90 MPa 加氫站的離子液體壓縮機(jī)，其性能優(yōu)異，能耗比一般的活塞壓縮機(jī)低40%[6]，說明離子液體壓縮機(jī)具有較高的應(yīng)用潛力，是未來加氫站實現(xiàn)氣體增壓的一個良好選擇。

圖4 離子液體壓縮機(jī)示意圖

4 金屬氫化物壓縮機(jī)

金屬氫化物壓縮氫氣這項技術(shù)出現(xiàn)于20 世紀(jì)70年代初。該技術(shù)利用某些合金在低溫介質(zhì)循環(huán)下能夠大量“吸收”氫氣，反應(yīng)生成金屬氫化物，隨后以高溫介質(zhì)循環(huán)對金屬氫化物加熱，它們又會將貯存在其中的氫釋放出來，將釋放的氣體收集于集氣瓶中，從而實現(xiàn)氫氣從低壓到高壓的轉(zhuǎn)變。這類金屬稱為貯氫合金，如AB5型和AB2型合金，典型的材料包括LaNi5，MlNi5，ZrM2，TiM2（M 為Mn、Ni、V 等）[8]。

金屬氫化物壓縮機(jī)無需移動部件即可運行，無油、無噪音，無振動，無氣體泄漏，維護(hù)成本低。另外它也可以用于儲氫，減少加氫站的占地面積。然而，金屬氫化物材料成本高昂，據(jù)美國能源部估算，100 kg 的高壓固態(tài)壓縮系統(tǒng)，成本預(yù)估在200 萬美元左右[9]。另外，在高壓下金屬氫化物本身由于氫脆，部分材料容易脫落，以粉末形式存在于壓縮機(jī)中，影響壓縮機(jī)本身的工作狀態(tài)和安全性[10]。

目前，國外僅美國、日本、德國等極少數(shù)發(fā)達(dá)國家掌握這種技術(shù)，尚未實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，國內(nèi)該壓縮機(jī)技術(shù)也在開發(fā)階段。在21 世紀(jì)初，浙江大學(xué)和北京有色金屬研究院等單位利用某些合金的吸放氫特性，分別研究了40 MPa 級的氫壓縮機(jī)樣機(jī)。該壓縮機(jī)的充氫壓力是100 kg 以下，當(dāng)升溫到45 ℃時，可以得到45 MPa 的氫壓。在2021年底建成的張家口示范項目中，具備的固態(tài)壓縮系統(tǒng)可實現(xiàn)升壓到90 MPa，從而為70 MPa 的乘用車解決加氫問題。

圖5 二級金屬氫化物壓縮機(jī)原理示意圖

5 電化學(xué)壓縮機(jī)

電化學(xué)氫壓縮機(jī)（EHC）是一種利用電化學(xué)原理將低壓氫壓縮成高壓氫的裝置，在這種裝置中，由于陽極上的氫氧化和陰極上的氫還原，施加電壓可導(dǎo)致產(chǎn)生局部壓差。在這里，氫氧化產(chǎn)生的質(zhì)子和電子通過質(zhì)子交換膜（PEM）（用于質(zhì)子）和外部路徑（用于電子）傳輸?shù)疥帢O側(cè)，以重新組合形成新的氫分子。其理論工作電壓可以根據(jù)能斯特方程進(jìn)行計算：

當(dāng)施加外部電流時，壓力為P1的氫在陽極氧化為質(zhì)子（H），質(zhì)子通過PEM 膜傳輸，并在陰極還原為P2的氫。EHC 有望取代傳統(tǒng)的機(jī)械壓縮機(jī)，特別是在低功率的應(yīng)用當(dāng)中。

圖6 電化學(xué)壓縮機(jī)原理示意圖

圖7 顯示了壓縮氫的比能（單位：kW h N-1m-3）與幾種壓縮機(jī)的標(biāo)稱功率之間的關(guān)系。由于機(jī)械壓縮機(jī)在低功率下機(jī)械摩擦損失的占比更大，因此在低功率應(yīng)用中電化學(xué)壓縮機(jī)競爭力較強。與其他非機(jī)械式氫氣壓縮機(jī)相比，EHC 占地面積最小，耗電量更低，熱損失更小，且設(shè)備設(shè)計簡單。由于該裝置對氫氣具有選擇性，其他氣體組分不能穿過質(zhì)子交換膜，因此EHC 可同時壓縮和凈化氣態(tài)氫，這是EHC 的一個顯著優(yōu)勢。當(dāng)前，全球氫氣消耗量估計為50 兆噸/年，然而只有約4%來自于水電解，其中大部分來自化石燃料（～96%）[12]。EHC 的應(yīng)用有望解決當(dāng)前灰氫和藍(lán)氫的壓縮提純，拓展其終端應(yīng)用。更重要的是，EHC 在運行期間消耗的電力可以由太陽能、風(fēng)能或生物質(zhì)能提供，這極大地拓寬了EHC 的能量來源，其在低功率氫氣壓縮領(lǐng)域?qū)⑶熬皬V闊。然而由于其在低功率下運行，單位時間內(nèi)壓縮氫氣流量較小，目前暫不適用于大規(guī)模、大流量的加氫站建設(shè)，一種可行的方法是將多個電化學(xué)單堆組合起來，提升整體在單位時間內(nèi)的壓縮流量。

圖7 不同壓縮機(jī)的比能量隨功率消耗變化

在電化學(xué)壓縮領(lǐng)域，美國的Giner 公司在美國能源部的支持下，目前已經(jīng)成功研發(fā)了出口壓力可實現(xiàn)35 MPa 的電化學(xué)壓縮單堆，壓縮比為140 : 1，單堆效率在2.7 kWh / kg-H2，該公司最終目標(biāo)是研發(fā)出口壓力超過87 MPa 的電化學(xué)壓縮機(jī)。目前，國內(nèi)在該領(lǐng)域仍處于實驗室研發(fā)階段。表2 對電化學(xué)壓縮機(jī)和其他壓縮機(jī)的特性進(jìn)行了詳細(xì)對比。

圖8 電化學(xué)壓縮機(jī)單堆

表2 不同氫氣壓縮機(jī)對比

圖9 各種機(jī)械式壓縮機(jī)性能對比

6 結(jié)束語

目前我國加氫站建設(shè)所需的氫氣壓縮機(jī)仍依賴進(jìn)口，特別是超高壓氫氣壓縮機(jī)，這就造成加氫站成本較高，供貨周期長，加氫站的維護(hù)和建設(shè)數(shù)量受到限制。因此，氫氣壓縮機(jī)國產(chǎn)化迫在眉睫。目前國內(nèi)的隔膜式壓縮機(jī)和液驅(qū)式壓縮機(jī)主要應(yīng)用于儲氫壓力不大于45 MPa 的加氫站，多個生產(chǎn)廠家的技術(shù)也已日趨成熟。離子液壓縮機(jī)主要應(yīng)用于儲氫壓力90 MPa 的加氫站，國內(nèi)該壓力等級的壓縮機(jī)尚在研制過程中。而非機(jī)械式壓縮目前需要攻克材料和成本的問題。從技術(shù)角度看，離子液體壓縮機(jī)性能最佳，有望成為未來加氫站的不二選擇。