氫能因來源廣泛、清潔無碳，被視為實現(xiàn)交通運輸領(lǐng)域大規(guī)模深度脫碳的最佳選擇。日益增長的燃料電池汽車市場需要一個強大的加氫站網(wǎng)絡(luò)。大力發(fā)展氫燃料電池汽車，基礎(chǔ)設(shè)施必須要先行。加氫站的數(shù)量、加氫便捷性已成為燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
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、高壓儲氫罐、氫氣加注機。其中，氫氣壓縮機作為實現(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)模和后期維護成本，是最為關(guān)鍵的核心單體設(shè)備，成本約占加氫站建設(shè)成本的35%。
一、加氫站用壓縮機主要技術(shù)路線
加氫站用壓縮機主要有隔膜式壓縮機、液驅(qū)式壓縮機以及離子壓縮機。現(xiàn)階段，三種技術(shù)路線中隔膜式壓縮機和液驅(qū)式壓縮機應(yīng)用最多，兩者的應(yīng)用比例大概為7：3。
三種技術(shù)路線各具特點：
隔膜式壓縮機之所以成為目前市場應(yīng)用主流，主要因為隔膜式壓縮機具有壓縮過程中不受污染、無泄漏，壓縮比大，排氣壓力高等優(yōu)勢，較符合當(dāng)前階段加氫站對氫氣壓縮機的技術(shù)要求。目前國內(nèi)主要的加氫站選擇使用隔膜式壓縮機。但從已投入使用的加氫站隔膜式壓縮機實際運行情況看，還面臨著如下亟待解決的問題：
1.對加氫站工況適應(yīng)不足，故障率較高。加氫站特有的“頻繁啟停、變工況、帶載啟停”的工況，導(dǎo)致隔膜式氫氣壓縮機故障率較高。為盡量減少頻繁啟停對壽命的影響，傳統(tǒng)隔膜式氫氣壓縮機在無需增壓運行的情況下，會選擇通過自循環(huán)管路進行空載運行，刻意不停主電機，這也給加氫站帶來了不必要的一部分能耗。為盡量減少變工況對穩(wěn)定性和壽命的影響，不少加氫站需要為隔膜式氫氣壓縮機增配大容積緩沖容器或減壓系統(tǒng)。增加數(shù)萬元建設(shè)成本，但仍然無法很好解決上述問題。
2.維修便利性較差、維護成本高。隔膜式氫氣壓縮機機構(gòu)非常復(fù)雜，維修所需的操作空間和工作量較大，維修單件起吊重量經(jīng)常超過1噸，需要專業(yè)吊裝工具操作，維修空間四周不能小于2.0m，維修時部分核心零部件（如氣閥）仍然依賴進口，成本高、交期長，維護成本高。
3.體積重量大，不利于加氫站靈活布局。隔膜式氫氣壓縮機撬裝尺寸較大，占地面積普遍超過10平方米。從加氫站的規(guī)劃建設(shè)趨勢看，在現(xiàn)有加油站基礎(chǔ)上升級的綜合能源站是一大趨勢。較大的占地面積、需要預(yù)留較高的維修空間，不利于氫站的靈活布局。此外，隔膜式氫氣壓縮機重量較重，以45MPa-500kg@12h隔膜壓縮機為例，主流品牌產(chǎn)品重量在8-10噸，需要專門澆筑地基滿足承重及抗振動的要求，增加數(shù)十萬元建設(shè)成本。
4.排量存在瓶頸，高壓技術(shù)成熟度不高。目前國內(nèi)加氫站建設(shè)仍以面向商用車為主，應(yīng)用比較多的還是45MPa-500kg壓縮機，但加氫站對于高壓力、大流量的未來需求趨勢已經(jīng)非常明顯。在同樣的儲氫容積下，高壓力意味著車輛有更長的續(xù)航里程和更優(yōu)的經(jīng)濟性，數(shù)據(jù)顯示，70MPa氫氣比35MPa要多出67%的續(xù)航里程。在高壓領(lǐng)域，國產(chǎn)化隔膜壓縮機技術(shù)成熟度和競爭力較差，國外技術(shù)成熟度相對較高，國內(nèi)有成熟應(yīng)用的90MPa高壓氫氣壓縮機尚不多見。同時，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)模車隊加注，最佳路徑就是增大壓縮機的排量。由于加氫站的上述發(fā)展趨勢，意味高壓、大排量將是市場用戶對站用壓縮機的重要需求。
綜上，現(xiàn)有各類站用氫氣壓縮機各有優(yōu)劣，但短時間內(nèi)無法滿足高壓、大排量、國產(chǎn)化的發(fā)展需求。同時，加氫站投建、運營方對于氫氣壓縮機安全性、可靠性、操作及運維便利性、全生命周期經(jīng)濟性等方面的需求尚未得到充分滿足，市場亟待一種兼顧傳統(tǒng)隔膜式、液驅(qū)式優(yōu)勢的“兼美”型產(chǎn)品出現(xiàn)。
二、顛覆傳統(tǒng)的液驅(qū)隔膜式壓縮機
2022年6月，上海羿弓氫能科技有限公司宣布正式發(fā)布“液驅(qū)隔膜式壓縮機”。液驅(qū)隔膜式壓縮機是一種新型的氫氣壓縮機，專門針對加氫站應(yīng)用需求而研發(fā)，相較傳統(tǒng)隔膜式壓縮機和液驅(qū)活塞式壓縮機，汲取了兩者的優(yōu)勢，規(guī)避了兩者的劣勢。2022年下半年，羿弓氫能液驅(qū)隔膜式壓縮機推向市場，目前已有包括45MPa、90MPa固定式加氫站、制加氫一體站、移動式加氫站的多個應(yīng)用案例。
據(jù)悉，上海羿弓氫能科技有限公司主要成員來源于航空航天、核工業(yè)領(lǐng)域，自2018年起開始進行氫氣壓縮領(lǐng)域的創(chuàng)新技術(shù)研究，其全球首創(chuàng)“液驅(qū)隔膜式”氫氣壓縮機方案技術(shù)淵源為太空壓縮機技術(shù)。“在軌燃料補加”作為我國空間站工程的關(guān)鍵技術(shù)，太空壓縮機是該技術(shù)的核心，該壓縮機特點是15年長壽命免維護、整機一體化冷卻、適應(yīng)空間微重力環(huán)境、輕量化及125倍超大壓縮比。
羿弓氫能創(chuàng)始團隊將航天級方案降維應(yīng)用于加氫站用氫能壓縮機領(lǐng)域，研制出的加氫站用液驅(qū)隔膜式壓縮機，具備傳統(tǒng)隔膜壓縮機的保證氣體絕對潔凈、密封性好、單級壓縮比高、散熱性能好等優(yōu)勢，同時也兼?zhèn)湟候?qū)活塞式壓縮機的適應(yīng)頻繁啟停、帶載啟停、變工況運行、可維修性好（模塊化）、可實現(xiàn)靈活串/并聯(lián)提升排氣壓力或排量等優(yōu)勢。液驅(qū)隔膜式壓縮機可適應(yīng)加氫站的變工況、頻繁啟停等需求，同時整機模塊化設(shè)計、占地面積小等方面使其具備較高的經(jīng)濟性。
液驅(qū)隔膜式氫氣壓縮機通過液壓泵直驅(qū)+高頻換向閥代替?zhèn)鹘y(tǒng)的曲柄連桿+活塞、皮帶傳動，在壓縮過程中有效保證氣體絕對潔凈，單級壓縮即可實現(xiàn)大于10的壓縮比。產(chǎn)品研制過程中，完成整機5,000h壽命試驗，在沒有更換損耗件的前提下實現(xiàn)了無故障運行，遠遠超過國內(nèi)外能源行業(yè)對設(shè)備的試驗要求，膜片、閥門經(jīng)過10,000h壽命測試考驗。
從加氫站的實際應(yīng)用看，液驅(qū)隔膜式壓縮機與傳統(tǒng)隔膜式壓縮機相比，具有如下優(yōu)勢：
1.可通過驅(qū)動、增壓單元多級串并聯(lián)，滿足超大排量需求，適應(yīng)未來加氫站更大加注能力的需求；
2.巧妙的模塊化設(shè)計，45MPa產(chǎn)品與90MPa產(chǎn)品組件通用性高達90%，只需要更換一個組件，可實現(xiàn)45MPa產(chǎn)品向90MPa升級，滿足35MPa加氫站向70MPa加氫站快速升級的需求，大大提升了加氫站投建及運營方的靈活性；
3.完美適應(yīng)加氫站“頻繁啟停、變工況、帶載啟停”的特殊工況，減少加氫站設(shè)備投入；
4.模塊化設(shè)計，尺寸極其緊湊，占地面積、整機體積、重量均僅為傳統(tǒng)隔膜式壓縮機的50%左右，非常有利于加氫站、制加氫一體站、綜合能源站的靈活布局，且不需要額外做地基建設(shè)，節(jié)約建設(shè)成本；
5.整機關(guān)鍵部件如柱塞泵、氣閥、膜片、換向閥、溢流閥等，均為自主研發(fā)并生產(chǎn)。其中，高壓柱塞泵技術(shù)是國家 35項“卡脖子”技術(shù)之一，羿弓氫能液驅(qū)隔膜式壓縮機配置的高壓柱塞泵填補了國內(nèi)空白；高可靠氫氣閥門源于核工業(yè)領(lǐng)域長壽命、創(chuàng)新設(shè)計計算方法、材料選擇、加工工藝均為國內(nèi)領(lǐng)先水平。液驅(qū)隔膜式壓縮機關(guān)鍵組件完全自主可控，更換便利、運維成本低，大大降低產(chǎn)品全生命周期使用成本；
6.單模塊重量不超過0.3噸，維修空間四周僅需0.6m；產(chǎn)品巧妙設(shè)計自帶吊裝工具，維保時不需要額外配備吊裝設(shè)備，僅需1人操作，運維極其便利。
羿弓氫能的液驅(qū)隔膜式壓縮機在安全性設(shè)計上也有亮眼表現(xiàn)：
1.整機防爆認證：所有電氣元件均滿足氫氣環(huán)境1區(qū)防爆等級（GB3836和 GB50058），實現(xiàn)整機防爆認證，滿足更高級別應(yīng)用要求；
2.安全防護裝置：在進氣/排氣路、液壓路設(shè)置多個安全裝置，保證設(shè)備不超壓；
3.防呆系統(tǒng)設(shè)計：在設(shè)計階段，考慮設(shè)備異常狀況應(yīng)對，設(shè)置“防呆”方案。可有效預(yù)警：膜片破裂、排氣溫度過高、油溫過高、油箱液位過低、振動加劇、火點監(jiān)測等；
4.組件安全測試：承壓部件的全生產(chǎn)周期質(zhì)量把控及性能測試；安全閥及壓力儀表等核心部件在裝配前均接受嚴(yán)格的第三方機構(gòu)標(biāo)定校驗。
此外，羿弓氫能的液驅(qū)隔膜式站用壓縮機均配備“羿氫云”數(shù)字孿生運維平臺，該平臺為行業(yè)內(nèi)首個地的站用壓縮機智能解決方案，包含設(shè)備管理、實時數(shù)據(jù)監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)查看、事件消息提醒、工單管理等，能夠?qū)崿F(xiàn)壓縮機遠程控制、無人值守運行以及故障預(yù)警，大大提高站用壓縮機安全性、保障性、運維便利性。
三、二代液驅(qū)隔膜式壓縮機全新發(fā)布
2023年5月，羿弓氫能研發(fā)團隊宣布發(fā)2.0版液驅(qū)隔膜式站用壓縮機，引起行業(yè)廣泛關(guān)注。據(jù)羿弓氫能官方發(fā)布信息，2.0版產(chǎn)品與初代產(chǎn)品相比，具有如下升級優(yōu)勢：
1.產(chǎn)品性能更優(yōu)越
壓縮機的實際排量大小直接關(guān)乎加氫站的運維經(jīng)濟性，壓縮機很多部件、子系統(tǒng)都會對壓縮機的排量構(gòu)成影響。羿弓氫能的二代機從系統(tǒng)角度出發(fā)，在壓縮機余隙容積、氣閥的啟閉特性、系統(tǒng)油液需求匹配、柱塞泵容積效率、膜腔內(nèi)的溫度控制等方面進行了積極的探索和優(yōu)化，每一細分變量均經(jīng)過充分理論論證，并通過實測驗證。二代機在同工況、相同功耗的條件下，排量較一代機進一步提升10%。
2.組件可靠性更高
1）膜片
膜片的可靠性直接決定隔膜式壓縮機整機的可靠性。羿弓氫能研發(fā)團隊在改善膜片的運動形態(tài)、大幅降低膜腔溫度、優(yōu)化膜片上下止點的應(yīng)力水平等方面進行了大量的優(yōu)化迭代，對膜片在不同工況下（變工況、頻繁啟停、帶載啟停等工況）的適應(yīng)性做了大量的測試驗證，使膜片壽命較一代產(chǎn)品提升10%以上。
2）柱塞泵
柱塞泵是液驅(qū)隔膜壓縮機的“心臟”，羿弓氫能的研發(fā)團隊通過對柱塞缸/泵殼的流道優(yōu)化、柱塞缸/柱塞/滑靴的配合方式優(yōu)化、滑靴的材料優(yōu)化、油閥動態(tài)特性優(yōu)化等，將柱塞泵容積效率在一代產(chǎn)品基礎(chǔ)上提高4%，可靠性更高，為整機性能提升及新機型的開發(fā)提供了有力的支撐。
3）其他組件
壓縮機在低吸氣壓力、大壓比的工況下，會產(chǎn)生較高的排氣溫度，會進一步影響氣閥密封件及內(nèi)件、膜頭密封件、甚至膜頭、膜片的使用壽命。羿弓氫能的二代產(chǎn)品通過更加精細的余隙控制、更加高效的膜頭冷卻，結(jié)合液壓油的高效冷卻，將極限工況的排氣溫度降低40°C以上。有效的壓縮、排氣氣溫控制，極大地改善了氣閥、膜頭密封件、膜片的工況環(huán)境，大幅降低密封件提前失效的概率，氣閥、密封件等的可靠性和使用壽命都得到較大幅度提升。
3.經(jīng)濟性更好
當(dāng)前加氫站供氫主流方式仍為管束車供氫，管束車的余壓水平直接影響了氫氣的平均運輸成本。受制于較高的排氣溫度，常見站用壓縮機通常建議最低吸氣壓力控制在7-8MPa以上，大大降低了氫氣的利用率。羿弓氫能二代產(chǎn)品通過大幅降低排氣溫度，在膜頭溫度可控的前提下，可以將管束車余壓控制在4.8MPa，大幅提升了氫氣的利用率。
二代產(chǎn)品通過對油路系統(tǒng)冷卻方式的全新設(shè)計，將額定工況油溫降低30°C以上，極大提升了液壓系統(tǒng)的傳動效率，提升了液壓潤滑的可靠性，同時也提升了液壓系統(tǒng)密封件的可靠性及使用壽命，進一步提升了整機能效。
4.極致小型輕量化
二代產(chǎn)品通過對膜頭組件的進一步優(yōu)化，將雙側(cè)油側(cè)膜頭合二為一，機頭尺寸縮小到僅1.3mx0.75mx0.78m（長寬高），體積較一代機頭減少近50%，減少到傳統(tǒng)隔膜式機頭的20%以下;重量僅1.6噸。極致的小型輕量化不僅取得了提升液壓系統(tǒng)容積效率、提升整機剛度實現(xiàn)減振、有效降低制造成本等多重收益，還使內(nèi)部維修空間進一步增加，提高了可維修性，也使液驅(qū)隔膜式壓縮機能夠適配未來更加靈活的氫能應(yīng)用場景，在制加氫一體站、綜合能源站等場景下應(yīng)用具有顯著的優(yōu)勢。
四、結(jié)語
受益于國家“雙碳”目標(biāo)及氫燃料電池汽車示范城市群政策，國內(nèi)加氫站建設(shè)明顯提速，加氫站氫氣壓縮機也迎來發(fā)展快速期。據(jù)高工產(chǎn)研氫電研究所（GGII）《2022年中國加氫站市場調(diào)研報告》，2021年中國加氫站用氫氣壓縮機市場規(guī)模約為2.1億元，同比實現(xiàn)翻番。GGII預(yù)計，2025年中國加氫站用氫氣壓縮機市場規(guī)模將達到7億元以上，2021-2025年均復(fù)合增長率超過35%。據(jù)中國氫能聯(lián)盟預(yù)計，到2050年，中國加氫站存量將達到10000座，年產(chǎn)值也將超過千億。
對于日益增長的市場需求而言，加氫站氫氣壓縮機正走在徹底實現(xiàn)國產(chǎn)化的“破局”之路上。“液驅(qū)隔膜式”壓縮機適應(yīng)高壓大流量的趨勢，憑借其高可靠性、高安全性、高經(jīng)濟性、高靈活性、高便利性的顯著優(yōu)勢，或?qū)⒁?ldquo;黑馬”姿態(tài)，迅速成為下一代加氫站用壓縮機主流產(chǎn)品。
