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为什么与未压缩的氢气相比，压缩氢气更适合储存？
氢经济是能源行业脱碳趋势的重要组成部分。需要对能源基础设施进行重大变革，以满足有效运作的氢经济的生产、运输、储存和使用需求。这包括需要开发不同于目前使用的压缩机。要使氢成为可行的能源载体，压缩机必须高效可靠地运行。最重要的是，它们必须具有经济可行性。
由于氢气的能量密度较低（0.089 kg/m3），比空气低 13 倍，难以大量储存。氢气需要压缩并以最经济的方式储存。要使这种气体致密化，就需要通过施加高压（350 - 900 bar 之间）来压缩它以便储存。氢气的体积比其他碳氢化合物大得多 - 几乎是天然气的四倍。出于实际处理目的，氢气在储存在储罐中之前需要进行压缩。
在当前寻找替代燃料用于交通运输的过程中，氢能已成为减缓气候变化的能源载体，以取代传统的化石燃料。然而，氢能的使用在储存方面也存在一些挑战。氢能的密度非常低（比空气低 13 倍），在室温下体积很大，因此储存起来有些复杂。最经济的增稠和储存方法是在使用前将其压缩到非常高的压力下（350 - 900 巴之间）。
哪种类型的压缩机适用于氢气压缩？
往复式和隔膜压缩机（正排量型）主要用于工业和运输过程中压缩氢气。往复式和隔膜压缩机目前用于氢气加气母站，将来自电解槽（10 巴）或长管拖车（250 – 500 巴）的氢气压缩至高达 700 巴的加气压力。离子压缩机 (IC90) 采用五级压缩概念，符合最新的 SAE J2601 加气标准，并能够以大大降低的运营成本为氢能汽车提供持续、快速和高性能的加气。在天然气输送网络中的高流量、出口压力 <100 巴的应用中，离心式压缩机通常比正排量压缩机具有机械设计和效率优势。离心式氢气压缩机相对不太成熟，目前正致力于设计和制造与高流量应用兼容的原型。
压缩机的选择取决于：
- 体积
- 质量流量
- 入口或吸入压力和温度
- 出口或排放压力和温度
- 被压缩气体的比重
往复式压缩机：低至中等流量和高压比。用于石油化工厂和炼油厂压缩氢气。
隔膜压缩机：低流量和压力比、高纯度和单级压缩系统。用于加氢站。
离心式压缩机：高流量和中等压缩，离心式压缩氢气需要叶轮尖端速度高出约 3 倍。
离子压缩机：这是一种高性能解决方案，具有经过验证的设计，并且易于操作。它可在 35 或 70MPa 的压力下快速、安全、高效且经济地为氢动力汽车加注燃料。
氢气压缩在加氢站中的重要性是什么？
目前以及在可预见的未来，车辆用于储氢的压力主要有两种：350 巴和 700巴。700巴的加氢应用需要更高的压力分配，因为这些车辆的燃料储存空间有限；车辆车载储存系统中可以注入的氢气越多，车辆的行驶里程就越长。350巴压力通常用于卡车和公共汽车等重型车辆，700巴用于较轻型车辆。
加氢站的气体压缩元件对于实现更高水平的加氢压力至关重要。将氢气分配到车辆中最有效的方法是采用一种称为级联的方法，该方法允许气体从较高压力流向较低压力，直到达到均衡。实现此目的的最佳方法是获取入口气体压力并将其压缩到高压以保持在存储系统中，最终将分配器输送到车辆。加氢站可以以各种压力储存气体，以便最有效地利用这种气体。
在标准的加氢站中，有三个关键要素：压缩、储存和分配。正确组合这三个要素对于加氢站的效率至关重要。目前，加氢站的平均设计日加氢量约为 400-500 公斤。随着氢燃料重型货车的投入使用，这一数字将大幅增加。我们可以看到，加氢站日加氢量达到 1-2 吨的趋势正在形成。到 2030 年，许多人认为，位于主要交通走廊上为重型货车 (HGV) 加氢的加氢站日加氢量将达到 6 吨。行业面临的挑战是开发压缩技术，以满足未来大型加氢站的需求。
压缩气态氢时应考虑哪些挑战和注意事项？
氢气压缩有着特殊的挑战。
- 其中一个问题是氢脆，氢气会进入压缩机并削弱其材料，使其更容易开裂和故障。为了解决这个问题，使用不易脆化的材料并添加不锈钢包层或涂层可能会有所帮助。
- 另一个问题是压缩机的密封性，因为氢分子尺寸很小。它们很容易通过微小的间隙逸出。必须使用特殊材料和技术设计有效的密封件，以防止泄漏。管理氢脆和密封挑战对于安全、高效的氢压缩非常重要。
氢气压缩机运行中常见问题有哪些？
压缩氢气的主要问题之一是与之相关的巨大能量损失。将氢气压缩至 35 MPa 需要每千克 14.5 MJ，而将其压缩至 70 MPa 需要每千克 18 MJ。这意味着当氢气以 70 MPa 的压力储存时，约 15% 的能量用于压缩。尽管如此，压缩氢气仍然是化学工业和大多数商用氢燃料电池汽车的首选技术，因为与其他储存方法相比，它具有良好的能量密度。氢气被压缩到比任何其他气体都高的压力（450 或 900 巴）才能达到适合储存的密度。此外，由于氢气是一种非常轻的分子，与其他气体相比，压缩每千克气体需要更多的能量。将氢气压缩至 1000 巴通常理想的等温压缩需要大约 2.6 kWh/kg。
压缩机面临各种问题，包括噪音和振动、压力波动、由于液体存在而导致的启动和停止困难以及异物积聚导致的咬合和磨损。这些问题影响压缩机的效率、可靠性和性能。氢气压缩机需要很高的制造精度和维护。它通过曲轴的快速旋转和往复运动来运行，曲轴驱动十字头部件并最终压缩氢气。然而，这些运动部件随着时间的推移容易磨损，从而影响性能。定期维护是确保压缩机安全和稳定性的必要条件。
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目前的机械压缩机采用活塞法等多种物理技术，其缺点是耐久性难以预测且效率低下。需要改进，因为会产生噪音，并且氢气可能受到污染（例如，混合压缩过程中使用的润滑剂）。
氢气压缩技术最近有哪些创新？
西南研究院 (SwRI) 开发的新型氢气压缩机可以提高燃料电池电动汽车 (FCEV) 加氢过程中氢气压缩的效率和可靠性。SwRI 开发的线性电机驱动往复式压缩机 (LMRC) 旨在压缩氢气作为 FCEV 和其他氢动力汽车的燃料源。与大多数氢气压缩机不同，SwRI 的 LMRC 是密封的，并采用线性电机设计，以提高其效率和可靠性。“LMRC 的建造和设计旨在压缩氢气，为氢燃料电池汽车加氢”。“要为氢动力汽车加氢，必须先将气体压缩到高压。因此，我们着手设计一种更高效、防漏的压缩机。氢气压缩的一个关键挑战是氢气的颗粒尺寸小，这增加了气体流过设备时泄漏的可能性。LMRC 是对传统往复式压缩机的改进，因为它最大限度地减少了机械零件数量，减少了泄漏路径，并且易于模块化，便于现场安装。如前所述，LMRC 设计提高了等熵效率，并通过减少二次系统减少了机械损耗。这提高了系统的整体效率。它可以将气体从20巴压缩到 875巴。
电化学氢气压缩机 (EHC) 是一种新型系统，可从复杂的气体混合物中生产出压缩的纯净氢气，该系统不含任何运动部件和机械损耗，并且等温运行。德国研究机构 ZBT (Zentrum für BrennstoffzellenTechnik, GmbH) 和气体设备制造商 Theisen 正在开发和验证一种新型电化学压缩机系统，以提高效率并降低氢气的储存、运输和交付成本。电化学氢气压缩机 (EHC) 由一个电化学电池组成，该电池带有 PEM 燃料电池的阳极、膜电极组件 (MEA) 和 PEM 电解器的阴极。压缩采用等温压缩，可提高效率。由于没有运动部件，预计维护成本会降低，可用性会提高，噪音排放也会显著降低。在该项目范围内，Theisen 将在 ZBT 的支持下，基于 HyET 的电池技术，开发、建造和调试基于容器的压缩机系统，该系统的氢气输送能力为 10 kg/d，可实现的输出压力高达 400巴。该系统的认证工作正在准备中。
哪种材料组成适合 H2 压缩系统？
对于低压 <25Mpa，我们在金属氢化物压缩机中使用的材料是 AB5 型稀土储氢合金材料，对于高压 <25Mpa- 80Mpa 氢气输出，我们使用 AB2 型钛基储氢合金。对于氢气压缩，压缩机材料还必须耐受氢脆或氢气进入部件。这会降低压缩机的延展性和承载能力，并在低于易受影响材料屈服应力的应力下导致开裂和灾难性的脆性故障。最后，由于气体分子的大小，静态和动态密封出现困难。氢分子小而轻，这使它们能够通过大多数其它工艺气体无法通过的间隙逃逸和泄漏。应通过限制所用材料的屈服强度和添加不锈钢包层或涂层来控制氢脆风险。
哪些因素影响氢气压缩系统的效率？
效率：氢气压缩机的效率是指压缩氢气所需的能量。选择高效的压缩机以最大程度地降低能耗和成本非常重要。氢气压缩机的效率通常通过将压缩机的输出功率除以压缩机的输入功率来衡量。该比率以百分比表示，百分比越高，效率越高。影响氢气压缩机效率的因素有很多，包括压缩机的设计、操作条件和氢气的质量。在选择和操作氢气压缩机时，务必仔细考虑这些因素，以最大程度地提高效率。
在高压氢环境中选择材料时需要考虑哪些材料兼容性？
材料的机械性能会受到氢暴露的影响。材料类型、环境条件和机械负荷等因素决定了劣化的程度。材料的选择和设计应考虑由于氢暴露导致的机械性能下降。暴露在氢中的金属会变脆，导致强度、延展性和韧性降低，并加速疲劳裂纹的扩展。断裂力学通常用于分析承压部件，以确定尽管氢导致劣化，但机械负荷是否可接受。氢气服务中常用的材料有：
- 奥氏体不锈钢
- 铝合金
- 低合金铁素体钢
- C-Mn 铁素体钢 以及
- 铜合金
氢气服务中通常避免使用的材料包括：
- 高强度铁素体钢
- 高强度马氏体钢
- 铸铁（包括灰铁、可锻铸铁和球墨铸铁）
- 镍合金
- 钛合金
氢气压缩前适合使用哪种类型的过滤器？过滤器的孔径是多少？
高压氢气过滤器有助于保护氢气和系统组件免受可能造成损坏的污染，从而延长系统的使用寿命。氢气生产需要将其与产生的分子分离。
- Chase Filters 51 系列三通型过滤器有铝、303 不锈钢和 316 不锈钢材质可供选择。它能够处理高达 50 GPM 或 4,000 SCFM 的流速，压力最高可达 6,000 PSI。该过滤器提供多种过滤介质，如纤维素、不锈钢、微玻璃和多孔烧结不锈钢。过滤范围从 1 到 1,000 微米，是一款用途极为广泛的过滤器，适用于各种应用。该过滤器可用的端口尺寸范围从 1/4" 到 1-1/2" NPT 和 1/2" 到 1-1/2" FSAE。
- 过滤器提供 52N 系列 T 型过滤器，这是另一种氢气过滤选项。它有 303、316 不锈钢和 17-4 PH 不锈钢可供选择。流速高达 24 GPM 或 11.5m3/hr。与 51 系列一样，您可以从各种微米等级中进行选择。各种微米等级范围从 1 到 150。我们还可以选择微玻璃、多孔烧结不锈钢、纤维金属毡或典型不锈钢作为介质过滤器。52N 系列是去除氢气中污染物的理想选择。端口尺寸范围从 1/4” 到 3/4” FNPT 和 1/4” 到 3/4” MP 端口和 HP 端口 51 或 52N 系列过滤器都可以去除氢气中的污染物并保护您的元件并延长系统的使用寿命。