氫能因來(lái)源廣泛、清潔無(wú)碳，被視為實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)輸領(lǐng)域大規(guī)模深度脫碳的最佳選擇。日益增長(zhǎng)的燃料電池汽車市場(chǎng)需要一個(gè)強(qiáng)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(chǔ)氫系統(tǒng)和加氫系統(tǒng)組成。卸氣系統(tǒng)主要是由運(yùn)輸氫氣的長(zhǎng)管拖車和卸氣柱組成，通過卸氣柱將長(zhǎng)管拖車上的氫氣卸載。在整個(gè)加氫站中，最核心的設(shè)備是氫氣壓縮機(jī)、高壓儲(chǔ)氫罐、氫氣加注機(jī)。其中，氫氣壓縮機(jī)作為實(shí)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，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(jī)主要技術(shù)路線
加氫站用壓縮機(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)?，F(xiàn)階段，三種技術(shù)路線中隔膜式壓縮機(jī)和液驅(qū)式壓縮機(jī)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(diǎn)：
隔膜式壓縮機(jī)之所以成為目前市場(chǎng)應(yīng)用主流，主要因?yàn)楦裟な綁嚎s機(jī)具有壓縮過程中不受污染、無(wú)泄漏，壓縮比大，排氣壓力高等優(yōu)勢(shì)，較符合當(dāng)前階段加氫站對(duì)氫氣壓縮機(jī)的技術(shù)要求。目前國(guó)內(nèi)主要的加氫站選擇使用隔膜式壓縮機(jī)。但從已投入使用的加氫站隔膜式壓縮機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況看，還面臨著如下亟待解決的問題：
1.對(duì)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(jī)故障率較高。為盡量減少頻繁啟停對(duì)壽命的影響，傳統(tǒng)隔膜式氫氣壓縮機(jī)在無(wú)需增壓運(yùn)行的情況下，會(huì)選擇通過自循環(huán)管路進(jìn)行空載運(yùn)行，刻意不停主電機(jī)，這也給加氫站帶來(lái)了不必要的一部分能耗。為盡量減少變工況對(duì)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(jī)增配大容積緩沖容器或減壓系統(tǒng)。增加數(shù)萬(wàn)元建設(shè)成本，但仍然無(wú)法很好解決上述問題。
2.維修便利性較差、維護(hù)成本高。隔膜式氫氣壓縮機(jī)機(jī)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(shí)部分核心零部件（如氣閥）仍然依賴進(jìn)口，成本高、交期長(zhǎng)，維護(hù)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(jī)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(shì)看，在現(xiàn)有加油站基礎(chǔ)上升級(jí)的綜合能源站是一大趨勢(shì)。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(jī)重量較重，以45MPa-500kg@12h隔膜壓縮機(jī)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(dòng)的要求，增加數(shù)十萬(wàn)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(guó)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(jī)，但加氫站對(duì)于高壓力、大流量的未來(lái)需求趨勢(shì)已經(jīng)非常明顯。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。在高壓領(lǐng)域，國(guó)產(chǎn)化隔膜壓縮機(jī)技術(shù)成熟度和競(jìng)爭(zhēng)力較差，國(guó)外技術(shù)成熟度相對(duì)較高，國(guó)內(nèi)有成熟應(yīng)用的90MPa高壓氫氣壓縮機(jī)尚不多見。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。由于加氫站的上述發(fā)展趨勢(shì)，意味高壓、大排量將是市場(chǎng)用戶對(duì)站用壓縮機(jī)的重要需求。
綜上，現(xiàn)有各類站用氫氣壓縮機(jī)各有優(yōu)劣，但短時(shí)間內(nèi)無(wú)法滿足高壓、大排量、國(guó)產(chǎn)化的發(fā)展需求。同時(shí)，加氫站投建、運(yùn)營(yíng)方對(duì)于氫氣壓縮機(jī)安全性、可靠性、操作及運(yùn)維便利性、全生命周期經(jīng)濟(jì)性等方面的需求尚未得到充分滿足，市場(chǎng)亟待一種兼顧傳統(tǒng)隔膜式、液驅(qū)式優(yōu)勢(shì)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(jī)
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(jī)”。液驅(qū)隔膜式壓縮機(jī)是一種新型的氫氣壓縮機(jī)，專門針對(duì)加氫站應(yīng)用需求而研發(fā)，相較傳統(tǒng)隔膜式壓縮機(jī)和液驅(qū)活塞式壓縮機(jī)，汲取了兩者的優(yōu)勢(shì)，規(guī)避了兩者的劣勢(shì)。2022年下半年，羿弓氫能液驅(qū)隔膜式壓縮機(jī)推向市場(chǎng)，目前已有包括45MPa、90MPa固定式加氫站、制加氫一體站、移動(dòng)式加氫站的多個(gè)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(lái)源于航空航天、核工業(yè)領(lǐng)域，自2018年起開始進(jìn)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(jī)方案技術(shù)淵源為太空壓縮機(jī)技術(shù)。“在軌燃料補(bǔ)加”作為我國(guó)空間站工程的關(guān)鍵技術(shù)，太空壓縮機(jī)是該技術(shù)的核心，該壓縮機(jī)特點(diǎn)是15年長(zhǎng)壽命免維護(hù)、整機(jī)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(tuán)隊(duì)將航天級(jí)方案降維應(yīng)用于加氫站用氫能壓縮機(jī)領(lǐng)域，研制出的加氫站用液驅(qū)隔膜式壓縮機(jī)，具備傳統(tǒng)隔膜壓縮機(jī)的保證氣體絕對(duì)潔凈、密封性好、單級(jí)壓縮比高、散熱性能好等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也兼?zhèn)湟候?qū)活塞式壓縮機(jī)的適應(yīng)頻繁啟停、帶載啟停、變工況運(yùn)行、可維修性好（模塊化）、可實(shí)現(xiàn)靈活串/并聯(lián)提升排氣壓力或排量等優(yōu)勢(shì)。液驅(qū)隔膜式壓縮機(jī)可適應(yīng)加氫站的變工況、頻繁啟停等需求，同時(shí)整機(jī)模塊化設(shè)計(jì)、占地面積小等方面使其具備較高的經(jīng)濟(jì)性。
液驅(qū)隔膜式氫氣壓縮機(jī)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(dòng)，在壓縮過程中有效保證氣體絕對(duì)潔凈，單級(jí)壓縮即可實(shí)現(xiàn)大于10的壓縮比。產(chǎn)品研制過程中，完成整機(jī)5,000h壽命試驗(yàn)，在沒有更換損耗件的前提下實(shí)現(xiàn)了無(wú)故障運(yùn)行，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國(guó)內(nèi)外能源行業(yè)對(duì)設(shè)備的試驗(yàn)要求，膜片、閥門經(jīng)過10,000h壽命測(cè)試考驗(yàn)。
從加氫站的實(shí)際應(yīng)用看，液驅(qū)隔膜式壓縮機(jī)與傳統(tǒng)隔膜式壓縮機(jī)相比，具有如下優(yōu)勢(shì)：
1.可通過驅(qū)動(dòng)、增壓?jiǎn)卧嗉?jí)串并聯(lián)，滿足超大排量需求，適應(yīng)未來(lái)加氫站更大加注能力的需求；
2.巧妙的模塊化設(shè)計(jì)，45MPa產(chǎn)品與90MPa產(chǎn)品組件通用性高達(dá)90%，只需要更換一個(gè)組件，可實(shí)現(xiàn)45MPa產(chǎn)品向90MPa升級(jí)，滿足35MPa加氫站向70MPa加氫站快速升級(jí)的需求，大大提升了加氫站投建及運(yùn)營(yíng)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(jì)，尺寸極其緊湊，占地面積、整機(jī)體積、重量均僅為傳統(tǒng)隔膜式壓縮機(jī)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(jī)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(guó)家 35項(xiàng)“卡脖子”技術(shù)之一，羿弓氫能液驅(qū)隔膜式壓縮機(jī)配置的高壓柱塞泵填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白；高可靠氫氣閥門源于核工業(yè)領(lǐng)域長(zhǎng)壽命、創(chuàng)新設(shè)計(jì)計(jì)算方法、材料選擇、加工工藝均為國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。液驅(qū)隔膜式壓縮機(jī)關(guān)鍵組件完全自主可控，更換便利、運(yùn)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(jì)自帶吊裝工具，維保時(shí)不需要額外配備吊裝設(shè)備，僅需1人操作，運(yùn)維極其便利。
羿弓氫能的液驅(qū)隔膜式壓縮機(jī)在安全性設(shè)計(jì)上也有亮眼表現(xiàn)：
1.整機(jī)防爆認(rèn)證：所有電氣元件均滿足氫氣環(huán)境1區(qū)防爆等級(jí)（GB3836和 GB50058），實(shí)現(xiàn)整機(jī)防爆認(rèn)證，滿足更高級(jí)別應(yīng)用要求；
2.安全防護(hù)裝置：在進(jìn)氣/排氣路、液壓路設(shè)置多個(gè)安全裝置，保證設(shè)備不超壓；
3.防呆系統(tǒng)設(shè)計(jì)：在設(shè)計(jì)階段，考慮設(shè)備異常狀況應(yīng)對(duì)，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(dòng)加劇、火點(diǎn)監(jiān)測(cè)等；
4.組件安全測(cè)試：承壓部件的全生產(chǎn)周期質(zhì)量把控及性能測(cè)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(jī)構(gòu)標(biāo)定校驗(yàn)。
此外，羿弓氫能的液驅(qū)隔膜式站用壓縮機(jī)均配備“羿氫云”數(shù)字孿生運(yùn)維平臺(tái)，該平臺(tái)為行業(yè)內(nèi)首個(gè)地的站用壓縮機(jī)智能解決方案，包含設(shè)備管理、實(shí)時(shí)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(jī)遠(yuǎn)程控制、無(wú)人值守運(yùn)行以及故障預(yù)警，大大提高站用壓縮機(jī)安全性、保障性、運(yùn)維便利性。
三、二代液驅(qū)隔膜式壓縮機(jī)全新發(fā)布
2023年5月，羿弓氫能研發(fā)團(tuán)隊(duì)宣布發(fā)2.0版液驅(qū)隔膜式站用壓縮機(jī)，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(jí)優(yōu)勢(shì)：
1.產(chǎn)品性能更優(yōu)越
壓縮機(jī)的實(shí)際排量大小直接關(guān)乎加氫站的運(yùn)維經(jīng)濟(jì)性，壓縮機(jī)很多部件、子系統(tǒng)都會(huì)對(duì)壓縮機(jī)的排量構(gòu)成影響。羿弓氫能的二代機(jī)從系統(tǒng)角度出發(fā)，在壓縮機(jī)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(jìn)行了積極的探索和優(yōu)化，每一細(xì)分變量均經(jīng)過充分理論論證，并通過實(shí)測(cè)驗(yàn)證。二代機(jī)在同工況、相同功耗的條件下，排量較一代機(jī)進(jìn)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(jī)整機(jī)的可靠性。羿弓氫能研發(fā)團(tuán)隊(duì)在改善膜片的運(yùn)動(dòng)形態(tài)、大幅降低膜腔溫度、優(yōu)化膜片上下止點(diǎn)的應(yīng)力水平等方面進(jìn)行了大量的優(yōu)化迭代，對(duì)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(cè)試驗(yàn)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(jī)的“心臟”，羿弓氫能的研發(fā)團(tuán)隊(duì)通過對(duì)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(dòng)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(jī)性能提升及新機(jī)型的開發(fā)提供了有力的支撐。
3）其他組件
壓縮機(jī)在低吸氣壓力、大壓比的工況下，會(huì)產(chǎn)生較高的排氣溫度，會(huì)進(jìn)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(xì)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(jì)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(yùn)輸成本。受制于較高的排氣溫度，常見站用壓縮機(jī)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(duì)油路系統(tǒng)冷卻方式的全新設(shè)計(jì)，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(dòng)效率，提升了液壓潤(rùn)滑的可靠性，同時(shí)也提升了液壓系統(tǒng)密封件的可靠性及使用壽命，進(jìn)一步提升了整機(jī)能效。
4.極致小型輕量化
二代產(chǎn)品通過對(duì)膜頭組件的進(jìn)一步優(yōu)化，將雙側(cè)油側(cè)膜頭合二為一，機(jī)頭尺寸縮小到僅1.3mx0.75mx0.78m（長(zhǎng)寬高），體積較一代機(jī)頭減少近50%，減少到傳統(tǒng)隔膜式機(jī)頭的20%以下;重量?jī)H1.6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(jī)剛度實(shí)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(jìn)一步增加，提高了可維修性，也使液驅(qū)隔膜式壓縮機(jī)能夠適配未來(lái)更加靈活的氫能應(yīng)用場(chǎng)景，在制加氫一體站、綜合能源站等場(chǎng)景下應(yīng)用具有顯著的優(yōu)勢(shì)。
四、結(jié)語(yǔ)
受益于國(guó)家“雙碳”目標(biāo)及氫燃料電池汽車示范城市群政策，國(guó)內(nèi)加氫站建設(shè)明顯提速，加氫站氫氣壓縮機(jī)也迎來(lái)發(fā)展快速期。據(jù)高工產(chǎn)研氫電研究所（GGII）《2022年中國(guó)加氫站市場(chǎng)調(diào)研報(bào)告》，2021年中國(guó)加氫站用氫氣壓縮機(jī)市場(chǎng)規(guī)模約為2.1億元，同比實(shí)現(xiàn)翻番。GGII預(yù)計(jì)，2025年中國(guó)加氫站用氫氣壓縮機(jī)市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到7億元以上，2021-2025年均復(fù)合增長(zhǎng)率超過35%。據(jù)中國(guó)氫能聯(lián)盟預(yù)計(jì)，到2050年，中國(guó)加氫站存量將達(dá)到10000座，年產(chǎn)值也將超過千億。
對(duì)于日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求而言，加氫站氫氣壓縮機(jī)正走在徹底實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化的“破局”之路上。“液驅(qū)隔膜式”壓縮機(jī)適應(yīng)高壓大流量的趨勢(shì)，憑借其高可靠性、高安全性、高經(jīng)濟(jì)性、高靈活性、高便利性的顯著優(yōu)勢(shì)，或?qū)⒁?ldquo;黑馬”姿態(tài)，迅速成為下一代加氫站用壓縮機(jī)主流產(chǎn)品。
