我國最早的氫氣壓縮機是上世紀(jì)六十年代由上海精業(yè)機器廠生產(chǎn)的氫氣壓縮機，8臺大型紅旗牌氫氣壓縮機用于液氫工程。
2000年中外合資天津梅塞爾凱德公司在滄州化工廠建廠，用氯化工的尾氣回收氫氣，并凈化、壓縮、裝瓶。運到北京氣體公司，準(zhǔn)備供2008年奧運會1/3氫氣汽車之需，后來由于氫氣儲存問題而停產(chǎn)。該項目配備有4臺由無錫第二壓縮機廠提供的2列4級氫氣壓縮機，作者時任公司技術(shù)總監(jiān)，參與項目的研究建設(shè)等工作。
不過，這種項目與大型液氫工程項目相比是小巫見大巫。
國內(nèi)用于煉油廠的大型氫氣壓縮機是由原沈陽氣體壓縮機開創(chuàng)的，為我國石化行業(yè)加氫服務(wù)。開始有新氫壓縮機，循環(huán)氫壓縮機，后來沈陽鼓風(fēng)機公司開發(fā)了離心循環(huán)氫壓縮機，可靠性高，逐步取代了活塞式大型循環(huán)氫壓縮機。
小型氫氣壓縮機則是另一種情況。與電動汽車幾乎同時發(fā)展的氫燃料汽車推動了小型氫氣壓縮機的發(fā)展，不少的壓縮機制造商在這一領(lǐng)域開始發(fā)力。
氫燃料電池汽車的發(fā)展，促進(jìn)了氫氣壓縮機的振興
作為給氫燃料電池汽車提供氫氣的基礎(chǔ)設(shè)施，加氫站的數(shù)量也在不斷增長。
最早的氫氣加注站也許可以追溯到1980年代位于美國Los Alamos的加氫站，當(dāng)時美國阿拉莫斯國家實驗室為了驗證液態(tài)氫氣作為燃料的可行性而建造了該站，之后越來越多的加氫站逐漸建成。據(jù)FuelCell Today統(tǒng)計，截至2006年，全球范圍內(nèi)建成的加氫站已達(dá)140多座，北美新建加氫站數(shù)量在全世界新建加氫站中的比重增大，發(fā)展更為迅速。同時除德國外，其它歐洲地區(qū)也加快了氫能基礎(chǔ)設(shè)施的研究建設(shè)步伐。美國處于規(guī)劃中的加氫站有40多座，占絕大多數(shù)，挪威、意大利和加拿大這三個國家也均有5-7座加氫站處于規(guī)劃之中，
2018年9月28日，武漢首批氫燃料電池動力公交車在中國光谷武漢東湖新技術(shù)開發(fā)區(qū)359路公交線路試運行，武漢首座加氫站同步啟用，標(biāo)志著武漢市氫燃料電池動力公交車全面進(jìn)入商業(yè)化示范運行新階段。
濰柴也早早布局了氫能動力，并已經(jīng)取得了豐碩成果。2018年，濰柴全面啟動燃料電池產(chǎn)業(yè)園建設(shè)項目，建成了兩萬套級產(chǎn)能的燃料電池發(fā)動機及電堆生產(chǎn)線，是目前全球最大的氫燃料電池發(fā)動機制造基地。2019年以來，濰柴先后在山東濰坊、聊城、濟(jì)寧、濟(jì)南等地批量投放氫燃料電池公交車。在濰柴的助力下，山東省建設(shè)了6座加氫站，7條公交運營專線，陸續(xù)投放氫燃料電池公交車超過200輛，累計運行達(dá)130萬公里，是全球氫燃料公交線路最密集的區(qū)域之一。濰柴也由此成為了全球氫燃料電池商用車區(qū)域性示范投放產(chǎn)品最多的企業(yè)之一。目前濰柴集團(tuán)已經(jīng)建立起“單電池-電堆-發(fā)動機-整車”的氫燃料商用車全產(chǎn)業(yè)鏈。
2020年7月30日，廣州市發(fā)展改革委官網(wǎng)對外發(fā)布《廣州市氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2019-2030）》?！兑?guī)劃》中提出，到2022年，環(huán)衛(wèi)領(lǐng)域新增、更換車輛中燃料電池汽車占比不低于10%；公交、物流、工程服務(wù)、倉儲、港口等領(lǐng)域燃料電池汽車示范運行不低于3000輛。建設(shè)綠色氫電綜合調(diào)峰示范應(yīng)用電站1座，建成加氫站不少于30座。氫能產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)產(chǎn)值預(yù)計200億元以上。
到2025年，培育廣州氫能及燃料電池相關(guān)企業(yè)超過100家。公交、環(huán)衛(wèi)領(lǐng)域燃料電池汽車占比不低于30%。建設(shè)綠色氫電綜合調(diào)峰電站4座，建成加氫站不少于50座。氫能產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)產(chǎn)值預(yù)計600 億元以上。到2030年，建設(shè)綠色氫電綜合調(diào)峰電站不低于10座，建成加氫站100座以上。氫能產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)產(chǎn)值預(yù)計2000億元以上。
目前，濰坊市已建成兩座加氫站和一座加氫加氣合建站，另有兩座正在建設(shè)，預(yù)計2021年6月底建成，屆時濰坊將再新增日加氫能力1500公斤。濰坊市區(qū)上線運行氫動力公交車輛100余輛，累計運行里程近100萬公里，積累了豐富的車輛運行數(shù)據(jù)，為車輛不斷改進(jìn)和發(fā)展提供了大量的基礎(chǔ)參數(shù)，為推動城市公交系統(tǒng)助力新舊動能轉(zhuǎn)換作出了積極貢獻(xiàn)。
近期，山東省政府新聞辦舉行新聞發(fā)布會，解讀《山東省氫能產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃(2020-2030年)》并回答記者提問。山東省住建廳副廳長周善東介紹，按照山東省加氫站建設(shè)規(guī)劃目標(biāo)，到2022年要累計建成加氫站30座，目前全省在運加氫站6座。周善東表示，目前正在組織制定《山東省加氫站技術(shù)導(dǎo)則》和《山東省加氫站建設(shè)運營管理辦法》，主要包括加氫站設(shè)計、建設(shè)管理相關(guān)技術(shù)要求、加氫站審批流程等有關(guān)內(nèi)容。
由此可以看出我國加氫站布局的一角?？梢钥闯鰵錃鈮嚎s機的潛力。
氫氣壓縮機占加氫站投資的30%
氫氣壓縮機目前占建設(shè)總成本的30%，是加氫站建設(shè)降低成本的關(guān)鍵。由于氫氣具有密度低、能量密度小的特點，氫氣壓縮機必須要具備承壓大、流量大、安全和密封性好的特質(zhì)，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。
1）國際上活塞式壓縮機的輸出壓力可達(dá)到100MPa，流量為300Nm3/h。其中，HydroPac公司研制的壓縮機輸出壓力為85.9MPa，流量為430kg/h，較為成熟。國內(nèi)亦有幾家壓縮機制造商生產(chǎn)這種壓縮機。
2）我國從上世紀(jì)開始引進(jìn)隔膜式壓縮機，現(xiàn)在國內(nèi)亦有不少廠家生產(chǎn)隔膜壓縮機，除V型機外，亦有大型的對稱平衡型隔膜壓縮機。缺點與活塞式類似，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)壓縮機輸出壓力超過85MPa。國內(nèi)的該類壓縮機壓力僅有45MPa，且流量較小，實際的示范應(yīng)用中故障率較高，同時87.5MPa壓力等級壓縮機還處于試樣階段，關(guān)鍵部件仍依賴進(jìn)口。
3）線性壓縮機直接將電磁力轉(zhuǎn)化為活塞往復(fù)運動的驅(qū)動力，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。該類壓縮機尚未有應(yīng)用實例，但其是未來壓縮機成本降低的一個方向。西安交通大學(xué)在上世紀(jì)亦有碩士研究生在加強研究這種壓縮機。
4）2016年2月22日，林德（韓國）與韓國領(lǐng)先的綠色發(fā)展公司Energy & Marine Solution Co. Ltd簽署了一份合作協(xié)議，以推進(jìn)在韓國的加氫站業(yè)務(wù)開發(fā)項目，并通過合作增加公司的業(yè)務(wù)競爭力。該協(xié)議將兩大公司的優(yōu)勢與能力強強聯(lián)合，以合作的形式提供整體解決方案，其深遠(yuǎn)意義不言而喻。EM與林德（韓國）的合作已初見成效，雙方共同開發(fā)的新型KGS氫測試站使EM最近榮獲了一個獎項。在KGS的測試中心，林德（韓國）與EM Solution各展所長，由林德（韓國）提供離子壓縮機技術(shù)并負(fù)責(zé)氫氣供應(yīng)，而EM Solution則負(fù)責(zé)加氫站的建設(shè)與維護(hù)工作。
離子液體壓縮機采用低熔點鹽代替活塞，使用壽命長、比活塞式可節(jié)省20%能耗。目前林德集團(tuán)研制的該類壓縮機從最初的500多個零件大大降低，成本已大幅降低，應(yīng)用到加氫站的離子液體壓縮機排氣壓力為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。
離子壓縮機在某些方面顯示了作為加氫站壓縮機的特點。
該技術(shù)目前已獲專利。與金屬活塞壓縮的不同之處在于，本解決方案采用一種離子液體，通過其上下運動對氫氣進(jìn)行壓縮。此液體由定制鹽分子組成，其特殊的理化屬性能夠防止其與氫氣混合。此外，因壓縮所產(chǎn)生的熱量能夠通過氣缸直接散熱，而金屬活塞的散熱必須通過熱交換才能實現(xiàn)。
目前，林德已為100多家加氫站提供此先進(jìn)技術(shù)，在全球市場份額中位居第一。林德（韓國）今年有望為當(dāng)?shù)卣畽C構(gòu)供應(yīng)兩臺離子壓縮機產(chǎn)品，公司將通過供應(yīng)高質(zhì)量的加氫站產(chǎn)品，積極響應(yīng)韓國政府降低碳排放量的政策量。
林德（韓國）市場開發(fā)經(jīng)理Changyeol Choi表示：“我們非常榮幸能夠與EM Solution建立互補性的合作關(guān)系，EM Solution在韓國擁有豐富的建設(shè)經(jīng)驗，將兩大公司的優(yōu)勢與資源相結(jié)合，十分有利于強化韓國加氫市場的發(fā)展?！?
林德展出的離子壓縮機可通過5級壓縮對氣態(tài)氫進(jìn)行壓縮，壓縮以后氫氣被輸送至下游使用，通過加氫槍為燃料電池車加注。該離子壓縮機最高壓力90MPa，具有集約、高效等特點。
氫氣來源決定著氫氣壓縮機的未來發(fā)展?jié)摿?/strong>
氫氣壓縮機的發(fā)展依賴于氫氣來源。
我國氫氣主要來源于煉鋼廠尾氣、焦?fàn)t煤氣（66%）、氯堿工業(yè)副產(chǎn)氫、天然氣、甲醇、液氨重整。焦?fàn)t煤氣中含硫量較高，會引起催化劑中毒從而減少電堆壽命，加裝脫硫裝置會大幅增加系統(tǒng)成本，因此目前氫燃料電池的氫氣主要來源于氯堿工業(yè)副產(chǎn)氫。
正如本文開始提到的氯化工氫氣回收那樣，目前我國氯堿副產(chǎn)氫產(chǎn)能約76萬噸/年，完全可滿足目前氫燃料電池汽車需求，疊加天然氣、甲醇、液氨裂解的氫氣產(chǎn)能，合計278萬噸/年，可供68萬輛氫燃料電池汽車使用，其中氯堿副產(chǎn)氫即可供應(yīng)19萬輛汽車的氫氣需求，因此短期內(nèi)氯堿副產(chǎn)氫能完全滿足氫氣用量。
隨著未來氫燃料電池汽車的快速增長，遠(yuǎn)期氫氣供應(yīng)依然不足，電解水制氫有望成為未來氫氣生產(chǎn)的主要來源。電解水制氫目前唯一缺點是耗電量大導(dǎo)致成本過高，約在2.5～3.5元/Nm3之間，而氯堿副產(chǎn)氫氫氣成本僅1.3～1.5元/Nm3。電解水制氫成本來源主要是電耗，能耗水平約為4.5～5.5kWh/Nm3，能效在72%～82%之間，成本相當(dāng)于30～40元/kg，用電解法生產(chǎn)氣態(tài)氫的價格比汽油約高65%，如果生產(chǎn)液態(tài)氫，則比汽油高約260%以上。
基于光伏發(fā)電、風(fēng)電和水電調(diào)峰需要大量蓄電池，用電解法生產(chǎn)氣態(tài)氫也是一種調(diào)峰的重要手段，其經(jīng)濟(jì)價值較高，未來將是氫氣的重要應(yīng)用來源領(lǐng)域之一。
小知識趣點
1）我國氫氣壓縮機起步于上世紀(jì)中期，上世紀(jì)末發(fā)展比較快，尤其是小型氫氣壓縮機；
2）各種氫氣壓縮機有不同的特點和使用場合，適用于加氫站的氫氣壓縮機還在不斷發(fā)展之中；
3）加氫站的發(fā)展需要要具備壓力高、安全和密封性好的壓縮機；
4）氫氣壓縮機的發(fā)展依賴于經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的氫氣來源和加氫站的布局。
