导 语

氢作为一种来源广、无污染、零碳排的绿色能源，是推动传统化石能源清洁利用和促进可再生能源规模发展的理想能源载体。整个氢能产业链包含上游制氢、中游储运和下游应用三个环节，其中储运环节是氢能规模化发展的重中之重。然而，氢气在常温常压下的体积能量密度非常低，因此需对氢气进行压缩使其能够满足后续储存、运输和应用的需求。

氢气压缩机

压缩氢气的设备就是氢气压缩机。氢气压缩机工作原理类似于泵，将系统低压侧的压力降低，并将系统高压侧的压力提高，从而使从低压侧向高压侧流动。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。

联悦氢气压缩区

根据工作原理的不同，氢气压缩机主要被分为机械压缩和非机械压缩两大类。其中，机械压缩机主要有隔膜压缩机、液驱活塞压缩机、离子压缩机、线性压缩机等种类；非机械压缩机包括低温压缩机、金属氢化物压缩机、电化学氢气压缩机等。

氢气压缩机

目前，机械压缩机是技术最成熟、各领域应用最广泛的压缩机类型。在氢能源领域常用的压缩机主要有3种类型，包括隔膜压缩机、液驱活塞压缩机、离子压缩机。

隔膜压缩机

隔膜压缩机是靠隔膜在气缸中作往复运动来压缩和输送气体的往复压缩机。隔膜沿周边由气侧膜头和油侧膜头夹紧，隔膜由机械或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。

为更好地了解隔膜压缩机的工作原理，下图显示了典型的压缩机布置，包括电机，曲轴箱，液压系统，膜头。目前，隔膜压缩机由于技术成熟度高、密封性好、质量控制更稳定以及工作效率高，被广泛应用。

隔膜压缩机结构

优点

1. 无污染无泄漏。在压缩机运行过程中，氢气和液压油是物理隔离，中间的膜片组块共三层，可以保证氢气在压缩中不会产生污染。

2. 近似等温的压缩。在气体的压缩过程中，压缩热会通过膜片传递到油侧，并通过液压油的循环把热量带走。在膜头部分，膜头部分开有水槽，冷却水在水槽里流动，将膜头冷却，把压缩产生的热量带走。压缩后的高温气体会流过冷却器，把压缩热带走。整个压缩过程形成一个近似等温的压缩，从而实现大的压缩比。

3. 容积效率高。隔膜压缩机在进行压缩工作时，膜片会紧贴型腔，余隙特别小，因此容积效率非常高。

隔膜压缩机

缺点

难以适用于频繁带载启停工况。工况范围比较窄，适应在稳定工况范围运行。当压缩机进、排气压力变化比较大时，导致它的压比变化很大，压比越大，产生的压缩热也就越多，会导致温度急剧飙升，严重影响气阀、密封的寿命。

每次停机再开机，必须把高压的油和高压的气放掉，停机放空浪费严重。

易损件多、维修量大。核心部件寿命比较低，关键设备可靠性差，主要体现在进排气阀、膜片上。

液驱活塞压缩机

液驱活塞压缩机通过液压油驱动活塞作往复运动，往复运动的活塞直接作用于氢气，实现氢气的压缩和输送。液压油一般由液压泵提供，并通过电磁换向阀控制液压油流动方向，实现对活塞的往复作用。一般由电机、液压泵、电磁换向阀、活塞缸、润滑油系统、冷却器等部分组成。这种结构原理简单，可进行多级串、并联压缩，布局灵活。

液驱活塞压缩机结构

优点

1. 结构紧凑、操作简单、综合成本较低。机械可靠性比较高，易损部件比较少，维修率低。

2. 可以频繁带载启停，不需要放空。

3. 进气压力范围广。每一级可以单独控制，通过改变电机的工作频率来改变它的活塞运动速度，来实现流量的调节。

液驱活塞压缩机

缺点

1. 密封性要求高，氢气受污染可能性较大；密封圈易损坏和老化，且更换周期短，维修费用较高。

2. 单级压比比较小，工作噪音比较大。

3. 进气压力低时，吸气能力受限，比较适合在进气压力高的情况下工作。

4. 控制复杂，不适合长期连续使用工况，尤其是在流量调节方面。

离子压缩机

离子压缩机的工作原理与液驱活塞压缩机类似。不同之处在于使用了一种具有特殊物理化学性质的液体（离子液）充注到气缸中，并在液压活塞驱动下进行气体的压缩。离子液几乎不可压缩，也不溶解和污染氢气，还具有良好的润滑和冷却特性。离子液充注在氢气和液压活塞之间，解决了液压活塞的氢气密封问题和氢气污染问题。整个系统由电机、控制器、活塞缸、离子液等组成。

离子压缩机结构

优点

1. 离子液可起到润滑、冷却作用，大大降低运动部件的磨损。

2. 可频繁带载启停，理论上可以长期运行，不需要维护。

3. 结构比较简单、紧凑，占地面积比较小。

离子压缩机

缺点

1. 价格极其昂贵。

2. 制造工艺比较复杂，技术被国外垄断。

3. 控制系统特别复杂。

4. 国内应用范例极少，技术成熟度不高。

应用场景

氢气压缩机在整个氢能产业链中主要有三大方面应用。

充装站

氢气生产出来后，氢气压力都只有1~3MPa，需要通过氢气压缩机，压缩到一定的压力后（一般为20MPa）充装至相应的储氢设备中（氢气钢瓶或氢气管束车）。

联悦氢气充装站

充装站用压缩机特点是进气条件稳定，大容量、高压比，充气过程连续。从成本上考虑，单槽的流量越大，则投资成本越低；从工作情况来看，则要求压缩机是长时间稳定工作。

在氢气充装方面，目前行业能做到的最大排量可达到2000Nm3/h，排气压力是22~32MPa，这其中隔膜压缩机在国内充装领域的市场占比在98%以上。

加氢站

站外制氢加氢站的氢气一般是以氢气管束车方式或氢气管道进行供应，无论是那种供应方式，氢气都需要经过压缩机再次压缩到一定的压力后再进行储存加注。加氢站用压缩机主要特点是进气范围广，频繁带载启停，需要易维修维护。

加氢站

在加氢站用压缩机方面，最大排量可达2000Nm3/h，排气压力45~90MPa，这其中隔膜压缩机国内市场应用占比60%以上。

一体站

制氢加氢一体站用压缩机，目前在西北、广东、华南地区已经有广泛布局。一体站的特别与加氢站类似，也需要频繁带载启停。

制氢加氢一体站

这种应用场景，可减少运输环节，从而降低氢能终端应用价格。目前，压缩机在这一场景的排量最大可达到1000Nm3/h，进气压力0.5~3.0MPa，排气压力45~90MPa。

发展现状

现阶段，在三种压缩机中，隔膜式压缩机和液驱活塞压缩机应用最多，两者的应用比例大概在2：1。离子压缩机在国内应用案例最少，主要是在个别项目中进行示范应用。

隔膜式压缩机之所以成为目前市场应用主流，一方面隔膜式压缩机具有压缩过程中不受污染、无泄漏，压缩比大，排气压力高等优势，包括其排气量特点，较符合当前阶段充装站、加氢站对氢气压缩机的技术要求；

另一方面，隔膜式压缩机技术应用成熟度高，国内隔膜压缩机在技术层面上基本不存在太大问题，甚至处于国际领先水平，承建方在选择技术路线时，审慎起见更青睐于隔膜式压缩机。

氢气压缩机

值得一提的是，在大排量趋势下，液驱活塞压缩机由于在排量上有优势，同时有模块化设计、体积相对小、维修简单、密封件寿命高等特点，近两年的关注度在持续上升。

随着相关企业的持续发力，液驱压缩机已实现了油气物理隔绝，避免了油气共腔而导致的污染，还可省去后端油气分离及提纯装置，应用成本有所下降；且对于密封圈材料的改进，使得活塞密封环使用寿命增长至4000小时，液驱压缩机竞争力进一步提升。

尽管离子压缩机成本较高，且大部分公司产品基本还不够成熟，目前国内应用较少，但是这一技术路线产品具备集约、高效、不存在污染、能够高压大排量等的特点，被认为是“下一代产品”。

参考文章：

1. 《氢气纯化和压缩技术研究进展》 欧正佳

2. 《压缩机在氢能源领域中的合理应用》 赵亚杰

3. 《带你了解常见氢气压缩机工作原理》 小羿百科

4. 《“摸透”加氢站用压缩机》 高工氢电