加氢站用压缩机技术取得颠覆性突破，羿弓氢能或成黑马…

氢能因来源广泛、清洁无碳,被视为实现交通运输领域大规模深度脱碳的最佳选择。日益增长的燃料电池汽车市场需要一个强大的加氢站网络。大力发展氢燃料电池汽车,基础设施必须要先行。加氢站的数量、加氢便捷性已成为燃料电池汽车产业发展的关键环节。

加氢站由卸氢系统、增压系统、储氢系统和加氢系统组成。卸气系统主要是由运输氢气的长管拖车和卸气柱组成,通过卸气柱将长管拖车上的氢气卸载。在整个加氢站中,最核心的设备是氢气压缩机、高压储氢罐、氢气加注机。其中,氢气压缩机作为实现氢气增压的设备,其性能和耐久性直接决定着加氢站的规模和后期维护成本,是最为关键的核心单体设备,成本约占加氢站建设成本的35%。

一、加氢站用压缩机主要技术路线

加氢站用压缩机主要有隔膜式压缩机、液驱式压缩机以及离子压缩机。现阶段,三种技术路线中隔膜式压缩机和液驱式压缩机应用最多,两者的应用比例大概为7:3。

三种技术路线各具特点:

隔膜式压缩机之所以成为目前市场应用主流,主要因为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,较符合当前阶段加氢站对氢气压缩机的技术要求。目前国内主要的加氢站选择使用隔膜式压缩机。但从已投入使用的加氢站隔膜式压缩机实际运行情况看,还面临着如下亟待解决的问题:

1.对加氢站工况适应不足,故障率较高。加氢站特有的“频繁启停、变工况、带载启停”的工况,导致隔膜式氢气压缩机故障率较高。为尽量减少频繁启停对寿命的影响,传统隔膜式氢气压缩机在无需增压运行的情况下,会选择通过自循环管路进行空载运行,刻意不停主电机,这也给加氢站带来了不必要的一部分能耗。为尽量减少变工况对稳定性和寿命的影响,不少加氢站需要为隔膜式氢气压缩机增配大容积缓冲容器或减压系统。增加数万元建设成本,但仍然无法很好解决上述问题。

2.维修便利性较差、维护成本高。隔膜式氢气压缩机机构非常复杂,维修所需的操作空间和工作量较大,维修单件起吊重量经常超过1吨,需要专业吊装工具操作,维修空间四周不能小于2.0m,维修时部分核心零部件(如气阀)仍然依赖进口,成本高、交期长,维护成本高。

3.体积重量大,不利于加氢站灵活布局。隔膜式氢气压缩机撬装尺寸较大,占地面积普遍超过10平方米。从加氢站的规划建设趋势看,在现有加油站基础上升级的综合能源站是一大趋势。较大的占地面积、需要预留较高的维修空间,不利于氢站的灵活布局。此外,隔膜式氢气压缩机重量较重,以45MPa-500kg@12h隔膜压缩机为例,主流品牌产品重量在8-10吨,需要专门浇筑地基满足承重及抗振动的要求,增加数十万元建设成本。

4.排量存在瓶颈,高压技术成熟度不高。目前国内加氢站建设仍以面向商用车为主,应用比较多的还是45MPa-500kg压缩机,但加氢站对于高压力、大流量的未来需求趋势已经非常明显。在同样的储氢容积下,高压力意味着车辆有更长的续航里程和更优的经济性,数据显示,70MPa氢气比35MPa要多出67%的续航里程。在高压领域,国产化隔膜压缩机技术成熟度和竞争力较差,国外技术成熟度相对较高,国内有成熟应用的90MPa高压氢气压缩机尚不多见。同时,随着氢能商用车渐成规模,加氢站在有限的建设用地上满足大规模车队加注,最佳路径就是增大压缩机的排量。由于加氢站的上述发展趋势,意味高压、大排量将是市场用户对站用压缩机的重要需求。

综上,现有各类站用氢气压缩机各有优劣,但短时间内无法满足高压、大排量、国产化的发展需求。同时,加氢站投建、运营方对于氢气压缩机安全性、可靠性、操作及运维便利性、全生命周期经济性等方面的需求尚未得到充分满足,市场亟待一种兼顾传统隔膜式、液驱式优势的“兼美”型产品出现。

二、颠覆传统的液驱隔膜式压缩机

2022年6月,上海羿弓氢能科技有限公司宣布正式发布“液驱隔膜式压缩机”。液驱隔膜式压缩机是一种新型的氢气压缩机,专门针对加氢站应用需求而研发,相较传统隔膜式压缩机和液驱活塞式压缩机,汲取了两者的优势,规避了两者的劣势。2022年下半年,羿弓氢能液驱隔膜式压缩机推向市场,目前已有包括45MPa、90MPa固定式加氢站、制加氢一体站、移动式加氢站的多个应用案例。

据悉,上海羿弓氢能科技有限公司主要成员来源于航空航天、核工业领域,自2018年起开始进行氢气压缩领域的创新技术研究,其全球首创“液驱隔膜式”氢气压缩机方案技术渊源为太空压缩机技术。“在轨燃料补加”作为我国空间站工程的关键技术,太空压缩机是该技术的核心,该压缩机特点是15年长寿命免维护、整机一体化冷却、适应空间微重力环境、轻量化及125倍超大压缩比。

羿弓氢能创始团队将航天级方案降维应用于加氢站用氢能压缩机领域,研制出的加氢站用液驱隔膜式压缩机,具备传统隔膜压缩机的保证气体绝对洁净、密封性好、单级压缩比高、散热性能好等优势,同时也兼备液驱活塞式压缩机的适应频繁启停、带载启停、变工况运行、可维修性好(模块化)、可实现灵活串/并联提升排气压力或排量等优势。液驱隔膜式压缩机可适应加氢站的变工况、频繁启停等需求,同时整机模块化设计、占地面积小等方面使其具备较高的经济性。

液驱隔膜式氢气压缩机通过液压泵直驱+高频换向阀代替传统的曲柄连杆+活塞、皮带传动,在压缩过程中有效保证气体绝对洁净,单级压缩即可实现大于10的压缩比。产品研制过程中,完成整机5,000h寿命试验,在没有更换损耗件的前提下实现了无故障运行,远远超过国内外能源行业对设备的试验要求,膜片、阀门经过10,000h寿命测试考验。

从加氢站的实际应用看,液驱隔膜式压缩机与传统隔膜式压缩机相比,具有如下优势:

1.可通过驱动、增压单元多级串并联,满足超大排量需求,适应未来加氢站更大加注能力的需求;

2.巧妙的模块化设计,45MPa产品与90MPa产品组件通用性高达90%,只需要更换一个组件,可实现45MPa产品向90MPa升级,满足35MPa加氢站向70MPa加氢站快速升级的需求,大大提升了加氢站投建及运营方的灵活性;

3.完美适应加氢站“频繁启停、变工况、带载启停”的特殊工况,减少加氢站设备投入;

4.模块化设计,尺寸极其紧凑,占地面积、整机体积、重量均仅为传统隔膜式压缩机的50%左右,非常有利于加氢站、制加氢一体站、综合能源站的灵活布局,且不需要额外做地基建设,节约建设成本;

5.整机关键部件如柱塞泵、气阀、膜片、换向阀、溢流阀等,均为自主研发并生产。其中,高压柱塞泵技术是国家 35项“卡脖子”技术之一,羿弓氢能液驱隔膜式压缩机配置的高压柱塞泵填补了国内空白;高可靠氢气阀门源于核工业领域长寿命、创新设计计算方法、材料选择、加工工艺均为国内领先水平。液驱隔膜式压缩机关键组件完全自主可控,更换便利、运维成本低,大大降低产品全生命周期使用成本;

6.单模块重量不超过0.3吨,维修空间四周仅需0.6m;产品巧妙设计自带吊装工具,维保时不需要额外配备吊装设备,仅需1人操作,运维极其便利。

羿弓氢能的液驱隔膜式压缩机在安全性设计上也有亮眼表现:

1.整机防爆认证:所有电气元件均满足氢气环境1区防爆等级(GB3836和 GB50058),实现整机防爆认证,满足更高级别应用要求;

2.安全防护装置:在进气/排气路、液压路设置多个安全装置,保证设备不超压;

3.防呆系统设计:在设计阶段,考虑设备异常状况应对,设置“防呆”方案。可有效预警:膜片破裂、排气温度过高、油温过高、油箱液位过低、振动加剧、火点监测等;

4.组件安全测试:承压部件的全生产周期质量把控及性能测试;安全阀及压力仪表等核心部件在装配前均接受严格的第三方机构标定校验。

此外,羿弓氢能的液驱隔膜式站用压缩机均配备“羿氢云”数字孪生运维平台,该平台为行业内首个地的站用压缩机智能解决方案,包含设备管理、实时数据监控、历史数据查看、事件消息提醒、工单管理等,能够实现压缩机远程控制、无人值守运行以及故障预警,大大提高站用压缩机安全性、保障性、运维便利性。

三、二代液驱隔膜式压缩机全新发布

2023年5月,羿弓氢能研发团队宣布发2.0版液驱隔膜式站用压缩机,引起行业广泛关注。据羿弓氢能官方发布信息,2.0版产品与初代产品相比,具有如下升级优势:

1.产品性能更优越

压缩机的实际排量大小直接关乎加氢站的运维经济性,压缩机很多部件、子系统都会对压缩机的排量构成影响。羿弓氢能的二代机从系统角度出发,在压缩机余隙容积、气阀的启闭特性、系统油液需求匹配、柱塞泵容积效率、膜腔内的温度控制等方面进行了积极的探索和优化,每一细分变量均经过充分理论论证,并通过实测验证。二代机在同工况、相同功耗的条件下,排量较一代机进一步提升10%。

2.组件可靠性更高

1)膜片

膜片的可靠性直接决定隔膜式压缩机整机的可靠性。羿弓氢能研发团队在改善膜片的运动形态、大幅降低膜腔温度、优化膜片上下止点的应力水平等方面进行了大量的优化迭代,对膜片在不同工况下(变工况、频繁启停、带载启停等工况)的适应性做了大量的测试验证,使膜片寿命较一代产品提升10%以上。

2)柱塞泵

柱塞泵是液驱隔膜压缩机的“心脏”,羿弓氢能的研发团队通过对柱塞缸/泵壳的流道优化、柱塞缸/柱塞/滑靴的配合方式优化、滑靴的材料优化、油阀动态特性优化等,将柱塞泵容积效率在一代产品基础上提高4%,可靠性更高,为整机性能提升及新机型的开发提供了有力的支撑。

3)其他组件

压缩机在低吸气压力、大压比的工况下,会产生较高的排气温度,会进一步影响气阀密封件及内件、膜头密封件、甚至膜头、膜片的使用寿命。羿弓氢能的二代产品通过更加精细的余隙控制、更加高效的膜头冷却,结合液压油的高效冷却,将极限工况的排气温度降低40°C以上。有效的压缩、排气气温控制,极大地改善了气阀、膜头密封件、膜片的工况环境,大幅降低密封件提前失效的概率,气阀、密封件等的可靠性和使用寿命都得到较大幅度提升。

3.经济性更好

当前加氢站供氢主流方式仍为管束车供氢,管束车的余压水平直接影响了氢气的平均运输成本。受制于较高的排气温度,常见站用压缩机通常建议最低吸气压力控制在7-8MPa以上,大大降低了氢气的利用率。羿弓氢能二代产品通过大幅降低排气温度,在膜头温度可控的前提下,可以将管束车余压控制在4.8MPa,大幅提升了氢气的利用率。

二代产品通过对油路系统冷却方式的全新设计,将额定工况油温降低30°C以上,极大提升了液压系统的传动效率,提升了液压润滑的可靠性,同时也提升了液压系统密封件的可靠性及使用寿命,进一步提升了整机能效。

4.极致小型轻量化

二代产品通过对膜头组件的进一步优化,将双侧油侧膜头合二为一,机头尺寸缩小到仅1.3mx0.75mx0.78m(长宽高),体积较一代机头减少近50%,减少到传统隔膜式机头的20%以下; 重量仅1.6吨。极致的小型轻量化不仅取得了提升液压系统容积效率、提升整机刚度实现减振、有效降低制造成本等多重收益,还使内部维修空间进一步增加,提高了可维修性,也使液驱隔膜式压缩机能够适配未来更加灵活的氢能应用场景,在制加氢一体站、综合能源站等场景下应用具有显著的优势。

四、结语

受益于国家“双碳”目标及氢燃料电池汽车示范城市群政策,国内加氢站建设明显提速,加氢站氢气压缩机也迎来发展快速期。据高工产研氢电研究所(GGII)《2022年中国加氢站市场调研报告》,2021年中国加氢站用氢气压缩机市场规模约为2.1亿元,同比实现翻番。GGII预计,2025年中国加氢站用氢气压缩机市场规模将达到7亿元以上,2021-2025年均复合增长率超过35%。据中国氢能联盟预计,到2050年,中国加氢站存量将达到10000座,年产值也将超过千亿。

对于日益增长的市场需求而言,加氢站氢气压缩机正走在彻底实现国产化的“破局”之路上。“液驱隔膜式”压缩机适应高压大流量的趋势,凭借其高可靠性、高安全性、高经济性、高灵活性、高便利性的显著优势,或将以“黑马”姿态,迅速成为下一代加氢站用压缩机主流产品。