我國(guó)最早的氫氣壓縮機(jī)是上世紀(jì)六十年代由上海精業(yè)機(jī)器廠生產(chǎn)的氫氣壓縮機(jī)，8臺(tái)大型紅旗牌氫氣壓縮機(jī)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(yùn)到北京氣體公司，準(zhǔn)備供2008年奧運(yùn)會(huì)1/3氫氣汽車之需，后來(lái)由于氫氣儲(chǔ)存問題而停產(chǎn)。該項(xiàng)目配備有4臺(tái)由無(wú)錫第二壓縮機(jī)廠提供的2列4級(jí)氫氣壓縮機(jī)，作者時(shí)任公司技術(shù)總監(jiān)，參與項(xiàng)目的研究建設(shè)等工作。
不過，這種項(xiàng)目與大型液氫工程項(xiàng)目相比是小巫見大巫。
國(guó)內(nèi)用于煉油廠的大型氫氣壓縮機(jī)是由原沈陽(yáng)氣體壓縮機(jī)開創(chuàng)的，為我國(guó)石化行業(yè)加氫服務(wù)。開始有新氫壓縮機(jī)，循環(huán)氫壓縮機(jī)，后來(lái)沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)公司開發(fā)了離心循環(huán)氫壓縮機(jī)，可靠性高，逐步取代了活塞式大型循環(huán)氫壓縮機(jī)。
小型氫氣壓縮機(jī)則是另一種情況。與電動(dòng)汽車幾乎同時(shí)發(fā)展的氫燃料汽車推動(dòng)了小型氫氣壓縮機(jī)的發(fā)展，不少的壓縮機(jī)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(jī)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(zhǎng)。
最早的氫氣加注站也許可以追溯到1980年代位于美國(guó)Los Alamos的加氫站，當(dāng)時(shí)美國(guó)阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室為了驗(yàn)證液態(tài)氫氣作為燃料的可行性而建造了該站，之后越來(lái)越多的加氫站逐漸建成。據(jù)FuelCell Today統(tǒng)計(jì)，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(shí)除德國(guó)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(guó)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(gè)國(guó)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(dòng)力公交車在中國(guó)光谷武漢東湖新技術(shù)開發(fā)區(qū)359路公交線路試運(yùn)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(dòng)力公交車全面進(jìn)入商業(yè)化示范運(yùn)行新階段。
濰柴也早早布局了氫能動(dòng)力，并已經(jīng)取得了豐碩成果。2018年，濰柴全面啟動(dòng)燃料電池產(chǎn)業(yè)園建設(shè)項(xiàng)目，建成了兩萬(wàn)套級(jí)產(chǎn)能的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)及電堆生產(chǎn)線，是目前全球最大的氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)制造基地。2019年以來(lái)，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(yùn)營(yíng)專線，陸續(xù)投放氫燃料電池公交車超過200輛，累計(jì)運(yùn)行達(dá)130萬(wàn)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(dòng)機(jī)-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(duì)外發(fā)布《廣州市氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2019-2030）》。《規(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(cāng)儲(chǔ)、港口等領(lǐng)域燃料電池汽車示范運(yùn)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(shí)現(xiàn)產(chǎn)值預(yù)計(jì)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(shí)現(xiàn)產(chǎn)值預(yù)計(jì)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(shí)現(xiàn)產(chǎn)值預(yù)計(jì)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(jì)2021年6月底建成，屆時(shí)濰坊將再新增日加氫能力1500公斤。濰坊市區(qū)上線運(yùn)行氫動(dòng)力公交車輛100余輛，累計(jì)運(yùn)行里程近100萬(wàn)公里，積累了豐富的車輛運(yùn)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(dòng)城市公交系統(tǒng)助力新舊動(dòng)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(huì)，解讀《山東省氫能產(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)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(zhǎng)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(jì)建成加氫站30座，目前全省在運(yùn)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(yùn)營(yíng)管理辦法》，主要包括加氫站設(shè)計(jì)、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(guó)加氫站布局的一角?？梢钥闯鰵錃鈮嚎s機(jī)的潛力。
氫氣壓縮機(jī)占加氫站投資的30%
氫氣壓縮機(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。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)，盡可能的追求較少的能源損耗，目前國(guó)內(nèi)加氫站較多采用的是活塞式和隔膜式壓縮機(jī)。
1）國(guó)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，較為成熟。國(guó)內(nèi)亦有幾家壓縮機(jī)制造商生產(chǎn)這種壓縮機(jī)。
2）我國(guó)從上世紀(jì)開始引進(jìn)隔膜式壓縮機(jī)，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)亦有不少?gòu)S家生產(chǎn)隔膜壓縮機(jī)，除V型機(jī)外，亦有大型的對(duì)稱平衡型隔膜壓縮機(jī)。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(guó)的三層金屬隔膜結(jié)構(gòu)壓縮機(jī)輸出壓力超過85MPa。國(guó)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(jí)壓縮機(jī)還處于試樣階段，關(guān)鍵部件仍依賴進(jìn)口。
3）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(jiǎn)單省去了大量的支撐部件，經(jīng)濟(jì)性潛力較大。美國(guó)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(lái)壓縮機(jī)成本降低的一個(gè)方向。西安交通大學(xué)在上世紀(jì)亦有碩士研究生在加強(qiáng)研究這種壓縮機(jī)。
4）2016年2月22日，林德（韓國(guó)）與韓國(guó)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(guó)的加氫站業(yè)務(wù)開發(fā)項(xiàng)目，并通過合作增加公司的業(yè)務(wù)競(jìng)爭(zhēng)力。該協(xié)議將兩大公司的優(yōu)勢(shì)與能力強(qiáng)強(qiáng)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(guó)）的合作已初見成效，雙方共同開發(fā)的新型KGS氫測(cè)試站使EM最近榮獲了一個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)。在KGS的測(cè)試中心，林德（韓國(guó)）與EM Solution各展所長(zhǎng)，由林德（韓國(guó)）提供離子壓縮機(jī)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(jī)采用低熔點(diǎn)鹽代替活塞，使用壽命長(zhǎng)、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多個(gè)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(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。
離子壓縮機(jī)在某些方面顯示了作為加氫站壓縮機(jī)的特點(diǎn)。
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(yùn)動(dòng)對(duì)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(shí)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(chǎng)份額中位居第一。林德（韓國(guó)）今年有望為當(dāng)?shù)卣畽C(jī)構(gòu)供應(yīng)兩臺(tái)離子壓縮機(jī)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(guó)政府降低碳排放量的政策量。
林德（韓國(guó)）市場(chǎng)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(bǔ)性的合作關(guān)系，EM Solution在韓國(guó)擁有豐富的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，將兩大公司的優(yōu)勢(shì)與資源相結(jié)合，十分有利于強(qiáng)化韓國(guó)加氫市場(chǎng)的發(fā)展。”
林德展出的離子壓縮機(jī)可通過5級(jí)壓縮對(duì)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(jī)最高壓力90MPa，具有集約、高效等特點(diǎn)。
氫氣來(lái)源決定著氫氣壓縮機(jī)的未來(lái)發(fā)展?jié)摿?/strong>
氫氣壓縮機(jī)的發(fā)展依賴于氫氣來(lái)源。
我國(guó)氫氣主要來(lái)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(huì)引起催化劑中毒從而減少電堆壽命，加裝脫硫裝置會(huì)大幅增加系統(tǒng)成本，因此目前氫燃料電池的氫氣主要來(lái)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(guó)氯堿副產(chǎn)氫產(chǎn)能約76萬(wàn)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(jì)278萬(wàn)噸/年，可供68萬(wàn)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(wàn)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(lái)氫燃料電池汽車的快速增長(zhǎng)，遠(yuǎn)期氫氣供應(yīng)依然不足，電解水制氫有望成為未來(lái)氫氣生產(chǎn)的主要來(lái)源。電解水制氫目前唯一缺點(diǎn)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(lái)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(jià)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(jià)值較高，未來(lái)將是氫氣的重要應(yīng)用來(lái)源領(lǐng)域之一。
小知識(shí)趣點(diǎn)
1）我國(guó)氫氣壓縮機(jī)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(jī)；
2）各種氫氣壓縮機(jī)有不同的特點(diǎn)和使用場(chǎng)合，適用于加氫站的氫氣壓縮機(jī)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(jī)；
4）氫氣壓縮機(jī)的發(fā)展依賴于經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的氫氣來(lái)源和加氫站的布局。
