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与传统能源相比，氢能以其环保性和经济性等优势，越来越受到世界各国的重视和发展，而加氢站是发展氢能产业必不可少的基础设施，目前建设加氢站所需的氢气压缩机设备基本依赖进口。该文总结了氢气压缩机的结构特点，分析了研发的技术难点，针对国内外高压储氢加氢站内所需氢气压缩机的研发现状进行了分类梳理。对氢气压缩机的研发提出了一些技术上的建议，希望可以为提升国产氢气压缩机性能提供一定的参考。当前，巨大的环境压力和逐渐消耗殆尽的化石燃料传统能源使得世界各国积极寻求新的清洁能源。氢能和氢燃料电池由于环保性能好、能量转化效率高并且具有一定的经济性而越来越受到世界各国的重视 。美国、欧盟各国以及日本、韩国等亚洲国家都在加强氢能产业的布局 。我国也积极布局氢能产业，在“十三五规划”中将氢能产业上升为国家战略和重点任务去发展，提出了我国氢能未来发展的技术路线图。为了促进氢能的发展，氢能基础设施的完善是必不可少的。截至 2020 年 3 月，国内只有 63 个加氢站，运营数量仅占全球的 1% 左右，因此加氢站的建设是发展氢能产业必须要解决的问题。目前国内加氢站正处于产业导入期，分布呈现明显的产业聚集效应，受政策影响，建设步伐明显加快。目前国际上技术比较成熟的是 35 MPa 和 70 MPa 加氢站，国内主要是 35 MPa 加氢站，而 70 MPa 加氢站已经研发出样站，高压和超高压加氢站是未来的发展趋势。据香橙会研究院统计，截至2020年12月底，中国累计建成118座加氢站(不含3座已拆除加氢站)，在建/拟建为167座。其中，101座建成的加氢站已投入运营，待运营17座，投用比例超过85%。从时间维度看，不考虑已拆除的3座加氢站(2010年上海世博会加氢站、2010年广州亚运会加氢站、2011年深圳大运会加氢站)，中国历年建成加氢站情况如图2所示。数据显示，2016年至2019年，中国建成加氢站数量翻倍增长，2020年在国家“以奖代补”政策出台较晚的情况下，仍然建成47座加氢站，较2019年增加7座，超额完成《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书(2016)》和《节能与新能源汽车技术路线图2.0》中的“到2020年，加氢站数量达到100座”的目标。从省市分布看，广东建成的加氢站最多，累计达到30座，山东以11座排在第二位，上海10座，位居第三。值得一提的是，天津、湖南实现零的突破，均建成了1座站。至此，全国共有20个省市布局加氢基础设施。从在建/拟建加氢站分析，广东仍以29座高居榜首，上海以28座紧随其后，河北以21座位居第三，第四、五位分别是湖北、浙江。河北因2022年冬奥会挤入前三甲;湖北似乎没有受到年初疫情影响，加氢基础设施建设方面仍位居全国前列;浙江也不甘落后，欲奋起直追;贵州、海南也开始入局。值得注意的是，燃料电池汽车示范城市群的最终结果会影响各省市加氢基础设施的规划和推进节奏，但总体来看，广东、上海、北京、河北、山东、湖北、江苏、四川、河南、浙江、山西等省市在加氢站建设上的投入，仍将是推动氢燃料电池技术应用的主力军。氢气压缩机作为我国建设加氢站所需的三大核心关键单体设备之一，现阶段，还没有哪家国内生产厂的产品能够完全替代进口设备，国内大多数加氢站建设所需氢气压缩机目前依旧依靠进口，这就造成建设加氢站的成本较高，且进口氢气压缩机供货周期较长，维护成本较高。所以有必要开展氢气压缩机的国产化。该文总结了各类氢气压缩机结构特点，并进行了分析对比，梳理了加氢站所需关键单体设备——氢气压缩机的国内外研发现状，提出了一些氢气压缩机的研发建议，希望可以为国产化提供一些参考。根据工作原理及内部结构的不同，压缩机可分为机械式压缩机和非机械式压缩机 2 类。机械式压缩机又分为液驱式压缩机、隔膜式压缩机、线性压缩机和离子液体压缩机 4 类。非机械式压缩机分为低温液体泵、金属氢化物压缩机、电化学氢气压缩机和吸附型压缩机4 类。由于氢气具有密度低、体积能量密度小的特点，氢气压缩机必须要具备承压大、流量大、安全和密封性好的特质，在防止氢脆现象发生的同时，尽可能地追求较少的能源损耗。目前国内加氢站较多采用的是液驱式压缩机、隔膜式压缩机。离子液压缩机主要在国外应用得比较多，且一般用在具有较高储氢压力（一般为 90 MPa 左右）的加氢站中。利用离子液本身的不可压缩性制成的离子液压缩机，几乎不会产生蒸气压，该特点要比一般氢气压缩机因为金属在等温条件下所产生的高压具有很大优势，能长期运行，减少维护成本，且节省能耗。离子液压缩机的构造简单，相比普通压缩机的零件大大减少，因此维护方便。对于离子液压缩机，目前国外有好多天然气加气站和部分加氢站在用，国内还处于产品研发阶段。液驱式压缩机是由液压油作为驱动介质，通过驱动侧活塞带动气体加压活塞运动实现气体的吸入和推出，气体侧缸筒上安装了单向阀，当活塞回程时气体压力打开吸入侧单向阀，输出侧单向阀处于关闭状态，实现吸气。当活塞推程时，吸入侧单向阀关闭，输出侧单向阀打开实现气体输出。压缩机为双头，活塞一个往复循环可以实现 2 次加压，加压效率高。其优点是技术成熟、积累了大量的工业经验、压力范围大，同时系统结构简单，工作过程中气体和润滑油不接触，保证了氢气中混入“碳”，避免下游应用中膜电极与“碳”反应出现故障。但其受自身结构限制，仅适用于中小排量和高压的工况。该产品适用于非连续运营的试验性加氢站和移动式加氢站。实物图与结构原理图如图 1 所示。隔膜式压缩机的工作原理是由电动机驱动曲轴转动，曲轴推动连杆，由连杆推动活塞做往复运动，从而活塞利用液压油对隔膜进行驱动，隔膜沿周边由两限制板夹紧并组成气缸，隔膜由液压驱动在气缸内往复运动，从而实现对气体的压缩和输送。其与液驱式压缩机的不同点主要是活塞和气体之间加入了液油和隔膜，增加了密封性好，进一步降低了“碳”与气的接触，洁净度极高。而其缺点与活塞式类似，也仅用于中小排量和高压的工况。较先进的压缩机排气压力可达 100 MPa，流量为 200 Nm³/h~700Nm³/h，效率可达80%～85%。其中三层金属隔膜结构压缩机输出压力超过85 MPa，多级压缩最高排气压力可达 400 MPa。该产品适用于平均日加氢量较大且需要连续运营的加氢站。实物图与结构原理图如图 2 所示。各类常见的氢气压缩机特点的对比见表 1。从价格和后期维护来看，隔膜式压缩机单机费用较高较高，且远远高于国产设备。随着未来国产化率的提高会降低，液驱式压缩机单机设备价格较低，但能耗高，备品备件更换和维护维修费用高。国际上常用液驱式压缩机的输出压力可达到 100 MPa，流量为 300 Nm³/h。国内近两年加氢站上采用的液驱式压缩机均为进口产品，主要品牌有德国 MAXIMATOR、HOFER、SERAL，美国 HYDRO-PAC、HASKEL 等，其中 MAXIMATOR的产品应用量最大，年出货超过 20 套，且技术较为成熟。国内深圳思特克（STK）、济南赛思特两家公司也正在开展该种机型的国产化研制与推广工作，目前已在各类燃料电池系统生产厂内试验应用，如南通安思卓用 STK 增压机进行系统测试，同时为示范燃料电池汽车提供加注。青岛康普锐斯能源科技有限公司试制成功排气压力90Mpa、日加注能力达1500kg的新一代液压活塞式加氢站用压缩机样机。对于隔膜压缩机产品，目前主要进口品牌有美国 PDC、英国 HOWDEN、德国 HOFER 等，国内自主品牌主要有京城环保、金星股份、北京天高、北京中鼎恒盛、江苏恒久、烟台冰轮、丰电金凯威等品牌。美国 PDC 占据国内加氢站压缩机最主要的市场份额，具有将近 30 台（套）用量，质量及应用情况得到了国内客户的认可。此外，有国内厂家通过采用采购美国 PDC 压缩机机头，与国产配套零部件配套并成撬的方式在国内开展业务，在大连、北京、江苏和成都等地都有加氢站建设方成撬。通过这种方式，其成本相对于原来整套进口模式已经大幅下降，根据合同量的不同，市场价格已达到同类国产机型的 1.5~2倍。但其总体价格相对于其他品牌压缩机仍然缺乏竞争力，尤其是近两年国内燃料电池车运行进入商业示范阶段、加氢站总承竞争加剧，加氢站总包方对压缩机成本控制的要求越来越严格，导致国内加氢站总包方寻求更广泛的压缩机主机来源。上海某加氢站集成商与英国豪顿压缩机签订战略合作协议，成都某加氢站集成商与德国 HOFER 正在谈战略合作，分别在国内进行集成和推广。通过这些手段，在市场竞争中获得不同的竞争能力。北京京城压缩机有限公司曾于 20 世纪80 年代开发了排气 200 MPa（最高 210 MPa）氢气隔膜压缩机，生产了 3 套排量为 120 Nm³/h的压缩机用于我国航空航天气动试验。现在国内氢隔膜压缩机技术生产厂家大多源自于原北京一通。隔膜压缩机的研发与国家重点工程紧密相联，京城压缩机于2018年获得“北京市科学技术委员会”的专项研发基金，承担了北京市科技重大专项“燃料电池汽车加氢站隔膜压缩机研发”，为国家新能源氢电池汽车的发展助力。四川金星清洁能源装备股份有限公司公司着力于加氢站成套设备，橇装LNG液化工厂成套设备，HCNG加气站成套设备、零泄漏压缩机、远程智能维护平台、天然气橇装设备的研发和制造。公司凭借突出的技术优势和良好的产品质量，承接了有四川省首座加氢示范站。2020年7月，金星股份生产的氢能源汽车加氢站用HF2-NC-35压缩氢气加气机顺利通过南阳防爆电气研究所防爆性能检验并取得了防爆合格证。2020年10月，金星股份“JXG-Ⅱ-001型隔膜式氢气压缩机”参加了四川省经信厅组织的新产品新技术鉴定，以及四川省科技厅组织的科学成果评价，经评价委员会专家客观、严谨的评估，该产品的各项技术及性能指标均处于国内领先水平。北京天高隔膜压缩机有限公司隔膜压缩机是国内较早开展加氢站压缩机研究和示范应用的单位，已开发了用于加氢站用排气压力 90 MPa的压缩机，最早应用于北京飞驰绿能加氢站，现用于大连新源加氢站。其开发的45 MPa 压机在北京永丰、云浮思劳、南海瑞辉、河南豫氢等 8 座加氢站上。根据最终用户（北京永丰加氢站）反馈情况，该国产品牌压缩机在技术系统性方面与国外竞争对手有一定差距，但是在本土适应性方面也具备一定优势，已经具备推广应用基本条件，如经营得当，预计该品牌压缩机在未来几年将有良好的业绩增长，并逐步取代进口品牌。北京中鼎恒盛气体设备有限公司是压缩机行业的后起之秀，成立于 2008 年，其氢气压缩机已用于佛山荔村、武汉雄众、安徽明天、台州淳华以及上海金山等加氢站上，从用户方了解，其氢压缩机噪声量级甚至低于国外竞争对手。目前，该品牌已形成了隔膜压缩机的规模生产能力，未来有望在加氢站压缩机市场占有一席之地。江苏恒久机械股份有限公司前身是中国人民解放军第6414工厂，自1984年开始生产隔膜压缩机至今，累积了30多年的专业隔膜压缩机设计制造经验。公司从标准产品到特制产品，为客户提供专业压缩机气体解决方案，公司于2019年4月4日自主研发制造的国内首台商业化运营加氢站用氢气隔膜压缩机组正式交付客户。经测试，各项技术性能指标均满足客户需求：进气压力5-20Mpa,排气压力45.0MPa，容积流量达350Nm³/h。冰轮环境技术股份有限公司2019年设立了山东冰轮海卓氢能研究院，该研究院已成功孵化出烟台东德实业有限公司。2020年，冰轮集团与国富氢能签署协议。双方依照国家相关产业政策，就推广氢燃料汽车示范线、氢能示范加氢站、氢能核心产品等方面形成战略合作，达成共识。国家能源局发布2020年第6号公告，确定26个技术装备列为第一批能源领域首台（套）重大技术装备项目。其中，依托中科院理化所“液氦到超流氦温区大型低温制冷系统的研制”项目，由冰轮环境技术股份有限公司研制的“氢液化领域新型高效氦气螺杆压缩机”被正式入选。丰电金凯威（苏州）压缩机有限公司氢能压缩机项目2020年正式签约常熟高新区，据悉，项目总投资3亿元，建设2.5万平方米专业厂房，从事制氢原料气体压缩机（活塞式压缩机）、氢气充装压缩机（隔膜压缩机）、加氢站压缩机等流体设备的生产及销售，其产品将在制氢、充装、加氢站等领域全面取代进口设备，项目达产后年销售达5亿元。2020年10月25日，由中国通用机械工业协会压缩机分会组织，丰电金凯威（苏州）压缩机有限公司发起的氢气隔膜压缩机团体标准研讨论会在京召开。研讨会在氢气隔膜压缩机团体标准制定的必要性、题目、关键参数等条款上初步达成了共识。总之，在氢气压缩机国产化方面，国内有好多企业已经取得了很好的效果，压缩机性能与进口产品越来越接近，相信未来会逐渐取代进口产品。目前，国内也有相当一部分加氢站设备供应商，采购进口的压缩机机头作为核心部件，配套辅助部件采用国内采购和组装的方式。这样，对于建设单位来说，不仅提高了设备的可靠性，同时也降低了设备采购成本。液驱式压缩机研发的难点在于使用过程存在密封性难以长时间得到保证，单台压缩比较低等问题。对于密封性问题，一方面需要考虑密封方式，可以优化设计结构，也可以考虑采用泛塞封、Y 型密封、直角密封和脚型密封等近年来常用的密封结构，以及利用冷却水循环降温，降低泵头处由于干摩擦对密封圈造成的影响。另一方面需要考虑密封材料的影响，对于密封圈等易损件，可以考虑采用聚酰亚胺、增强聚四氟乙烯等高强度、耐腐蚀的材料。此外，还需要对压缩机内部活塞与气缸处的具体密封结构进行进一步的研究，具体情况具体分析。对于单台压缩比较低的问题，一方面可以通过优化设计结构降低吸气压力，提高加注量，减少留存量的方式来克服。另一方面可以采取气缸并列的方式，在相同缸径的情况下，设计多级活塞压缩，提高压缩比。隔膜式压缩机研发的难点在于单机排气量较小、频繁启停会大大缩短使用寿命。对于单机排气量较小的问题，可以采用多隔膜并列形式，同一活塞在相同行程下推动多个隔膜运动，提升单行程下的压缩量。对于不适应频繁启停的问题，可以在压缩机后端配备储氢罐，也可以考虑采用大循环方式，当压力达到一定数值后自动切入大循环，避免频繁启停。氢气压缩机是加氢站的关键单体设备，关系着加氢站建设的核心技术。在参考国外设计结构、结合实际使用条件的基础上，创造性的设计氢气压缩机结构，考虑安全性和可维修性，才能提升压缩机性能。此外，还需要考虑成本与市场因素。把握市场动向，明确研发计划，才能满足社会需求，提升压缩机制造水平。
