摘要：截至2018年底，全球已投入運(yùn)營的加氫站有369座，美國、日本和中國數(shù)量最多，分別為152座、42座、96座和23座。國內(nèi)加氫站正處于產(chǎn)業(yè)導(dǎo)入期，分布呈現(xiàn)明顯的產(chǎn)業(yè)聚集效應(yīng)，日前受政策影響建設(shè)步伐增速。壓縮機(jī)是加氫站的三大核心部件之一，本文介紹了現(xiàn)有的8類氫氣壓縮機(jī)，并從規(guī)模化效應(yīng)方面闡述了壓縮機(jī)成本的未來趨勢。

根據(jù)工作原理及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同，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)兩大類，而機(jī)械式壓縮機(jī)又分為活塞式壓縮機(jī)、膜式壓縮機(jī)、線性壓縮機(jī)和離子液體壓縮機(jī)四類，非機(jī)械式壓縮機(jī)分為低溫液體泵、金屬氫化物壓縮機(jī)、電化學(xué)氫氣壓縮機(jī)和吸附型壓縮機(jī)四類。

圖1 壓縮機(jī)分類

　　(資料來源：五度易鏈行業(yè)研究中心)

活塞和隔膜壓縮機(jī)應(yīng)用較廣，但無法滿足大排量使用

由于氫氣具有密度低、能量密度小的特點(diǎn)，氫氣壓縮機(jī)必須要具備承壓大、流量大、安全和密封性好的特質(zhì)，在防止氫脆現(xiàn)象的同時(shí)，盡可能的追求較少的能源損耗，目前國內(nèi)加氫站較多采用的是活塞式和隔膜式壓縮機(jī)。

(1)活塞式壓縮機(jī)是由聯(lián)軸器帶動(dòng)主機(jī)做往復(fù)的活塞運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)氣缸中氣體來進(jìn)行壓縮的。其優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟、經(jīng)驗(yàn)豐富、壓力范圍大，同時(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，工作過程中氣體和潤滑油不接觸，保證了氫氣中混入“碳”，避免下游應(yīng)用中膜電極與“碳”反應(yīng)出現(xiàn)故障。但其受自身結(jié)構(gòu)限制，僅適用于中小排量和高壓的工況。目前，國際上活塞式壓縮機(jī)的輸出壓力可達(dá)到100MPa，流量為300Nm3/h。其中，HydroPac公司研制的壓縮機(jī)輸出壓力為85.9Mpa，流量為430kg/h，技術(shù)較為成熟。

圖2 活塞式壓縮機(jī)工作示意圖

　　(資料來源：光大證券)

(2)隔膜式壓縮機(jī)也是由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)，由連桿推動(dòng)活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其與活塞式壓縮機(jī)的不同點(diǎn)主要是活塞和氣體之間加入了液油和隔膜，增加了密封性好，進(jìn)一步降低了“碳”與氣的接觸，潔凈度極高。而其缺點(diǎn)與活塞式類似，也僅用于中小排量和高壓的工況。較先進(jìn)的壓縮機(jī)排氣壓力可達(dá)100MPa，流量為200～700Nm3/h，效率可達(dá)80%～85%。其中美國的三層金屬隔膜結(jié)構(gòu)壓縮機(jī)輸出壓力超過85Mpa。國內(nèi)的該類壓縮機(jī)壓力僅有45Mpa，且流量較小，實(shí)際的示范應(yīng)用中故障率較高，同時(shí)87.5MPa壓力等級壓縮機(jī)還處于試樣階段，關(guān)鍵部件依賴進(jìn)口。

圖3 隔膜式壓縮機(jī)工作示意圖

　　(資料來源：光大證券)

線性、離子壓縮機(jī)成本低，低溫液態(tài)泵排量高

(1)線性壓縮機(jī)直接將電磁力轉(zhuǎn)化為活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力，能量使用效率較高，且結(jié)構(gòu)簡單省去了大量的支撐部件，經(jīng)濟(jì)性潛力較大。美國為實(shí)現(xiàn)其DOE指定的提效、降本目標(biāo)，已開始研制86～95MPa、氣體排量高于112Nm3/h、效率超過73%的線性壓縮機(jī)。該類壓縮機(jī)尚未有應(yīng)用實(shí)例，但其是未來壓縮機(jī)成本降低的一個(gè)方向。

　圖4 線性壓縮機(jī)工作示意圖

　　(資料來源：光大證券)

(2)離子液體壓縮機(jī)采用低熔點(diǎn)鹽代替活塞，使用壽命長、比活塞式可節(jié)省20%能耗。目前林德集團(tuán)研制的該類壓縮機(jī)從最初的500個(gè)零件降低為8個(gè)，成本已大幅降低，應(yīng)用到加氫站的離子液體壓縮機(jī)排氣壓力為45～90Mpa、流量為90～340Nm3/h，效率65%以上，最高的排氣壓力可達(dá)100MPa，排量為376～753Nm3/h。

(3)低溫液態(tài)泵采用低溫高壓儲(chǔ)氫技術(shù)，氫氣的體積能量密度大幅增加，但該技術(shù)應(yīng)用對氫氣的儲(chǔ)運(yùn)要求較高，相應(yīng)的成本也較高。其排氣壓力可達(dá)到85MPa，排量達(dá)100kg/h，氫氣儲(chǔ)存密度達(dá)80g/L。Linde公司采用的低溫液態(tài)泵排氣壓力為35~90MPa，排量超過1000Nm3/h。

圖5 低溫液體泵工作示意圖

　　(資料來源：光大證券)

其他壓縮機(jī)尚在研發(fā)，向低成本、大排量方向發(fā)展

其他類型的壓縮機(jī)目前尚在研發(fā)，但技術(shù)還不成熟，已運(yùn)營的加氫站中也未得到應(yīng)用。其發(fā)展方向超著氫氣壓縮機(jī)亟待解決的熱點(diǎn)——低本、高壓和大排方向發(fā)展，對未來加氫站降低成本有著重要的研究意義。

壓縮機(jī)占建設(shè)成本30%，規(guī)模化效應(yīng)提供成本下降空間

截至2019年6月份，國內(nèi)已運(yùn)行加氫站共30座，在建加氫站共40余座，加氫站的建設(shè)如火如荼。加氫站建設(shè)成本主要包括壓縮機(jī)、儲(chǔ)存器、氫氣加注機(jī)、設(shè)備設(shè)置費(fèi)用、預(yù)冷機(jī)、土建費(fèi)及其他，其中壓縮機(jī)目前占建設(shè)總成本的30%，是加氫站建設(shè)降低成本的關(guān)鍵。

　圖6 加氫站建設(shè)成本比例

　　(資料來源：DOE、五度易鏈行業(yè)研究中心)

據(jù)研究，擴(kuò)大壓縮機(jī)的生產(chǎn)規(guī)模，將使每套壓縮機(jī)分?jǐn)偟馁Y本成本、設(shè)備和建筑成本大大降低，如生產(chǎn)規(guī)模由10套/年增加到100套/年時(shí)，其曲軸、承軸等核心部件成本降低約82%，直接生產(chǎn)成本降低約56%，因此，隨著加氫站的加速建設(shè)，上游壓縮機(jī)配套部件的增產(chǎn)，整個(gè)壓縮系統(tǒng)的成本在未來將有很大的降低空間。

　　圖7 壓縮系統(tǒng)的直接生產(chǎn)成本及裝配成本與生產(chǎn)規(guī)模關(guān)系

　　(資料來源：《Manufacturing competitiveness analysis for hydrogen refueling stations》)

小結(jié)

國內(nèi)加氫站正處于產(chǎn)業(yè)導(dǎo)入期，日前受政策影響建設(shè)步伐增速。根據(jù)工作原理及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同，壓縮機(jī)可分為活塞式等8類，其中，活塞和隔膜壓縮機(jī)應(yīng)用較廣，但無法滿足大排量使用;線性、離子壓縮機(jī)成本低，低溫液態(tài)泵排量高;其他壓縮機(jī)尚在研發(fā)，向低成本、大排量方向發(fā)展。壓縮機(jī)占加氫站建設(shè)成本30%，規(guī)模化效應(yīng)為壓縮機(jī)的生產(chǎn)成本提供下降空間。