李雪松，許 劍，周遠(yuǎn)喆

(中石化石油機(jī)械股份有限公司研究院，湖北 武漢 430000)

加氫站之于燃料電池汽車，猶如加油站之于傳統(tǒng)燃油汽車、充電站之于純電動(dòng)汽車，是支撐燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展必不可少的基石。燃料電池汽車的發(fā)展和商業(yè)化離不開加氫站基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。

加氫站可分為固定式加氫站、撬裝式加氫裝置和加氫車。固定式加氫站是為氫能汽車、氫氣內(nèi)燃機(jī)汽車或氫氣天然氣混合燃料汽車等儲(chǔ)氫瓶充裝氫燃料的專門場所，目前我國已建成的加氫站絕大多數(shù)均屬于此種；撬裝式加氫裝置，是將制氫裝置、儲(chǔ)氫裝置、加注裝置、連接管線和安全設(shè)施等集成到一個(gè)撬或幾個(gè)撬，可整體移動(dòng)；加氫車是為滿足不同用途需要而開發(fā)，集高壓氫氣的儲(chǔ)存、運(yùn)輸、加載、自增壓、卸載和加注功能為一體，適合與固定式加氫站配合，以固定站為母站，以被加注對(duì)象的運(yùn)行范圍為服務(wù)區(qū)域，與母站共同構(gòu)成小型高壓氫氣加注網(wǎng)絡(luò)，在我國上海世博會(huì)、深圳大運(yùn)會(huì)期間均有應(yīng)用[1]。

加氫站按照制氫方式不同又可分為站外制氫加氫站和站內(nèi)制氫加氫站。站外制氫加氫站是靠高壓氫氣長管拖車（目前主流方式）、液氫槽車、管道輸送供氫。站內(nèi)制氫加氫站包括電解水制氫加氫站、天然氣重整制氫加氫站[2]。

1 加氫站國內(nèi)外現(xiàn)狀和存在問題

1.1 加氫站發(fā)展現(xiàn)狀

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015 年全球加氫站數(shù)目為54 座，2018年底增加到369 座，年均增速高達(dá)194.4%，其中日本、美國、德國位居前列。目前，我國正在運(yùn)營的加氫站共有18 座，其中固定站9 座，撬裝站9 座。

從全球加氫站建設(shè)情況來看，我國加氫站的運(yùn)營數(shù)量仍然比較少，僅占全球的5%左右，但從我國制定的與氫燃料電池汽車相關(guān)的政策來看，隨著氫燃料電池汽車的加速發(fā)展，加氫站的建設(shè)速度將不斷加快。根據(jù) 《中國氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展藍(lán)皮書》，我國加氫站數(shù)量到2020 年達(dá)到100 座，到2030 年達(dá)到1000 座[3]。

表1 中國部分建成運(yùn)營加氫站

1.2 建設(shè)存在的問題

目前制約我國加氫站建設(shè)發(fā)展的主要原因之一是加氫站的建設(shè)成本過高，以每天加氫能力為1000kg（10h）的固定式35MPa 加氫站為例，初始投資金額約為2000 萬元（不包括土地成本及供氫長管拖車的成本）。首先建設(shè)加氫站所需的關(guān)鍵部件沒有量產(chǎn)的成熟產(chǎn)品，部分裝備部件仍依靠進(jìn)口，其次土地成本高昂，在申請(qǐng)加氫站建設(shè)時(shí)，必須申請(qǐng)使用商業(yè)用地，如果建設(shè)在相對(duì)較為便宜的工業(yè)用地上，那么建設(shè)好的加氫站只能給自己的產(chǎn)品加氫或進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不能公開運(yùn)營，這些因素是造成國內(nèi)固定式加氫站建設(shè)費(fèi)用居高不下的重要原因。近年來，撬裝加氫裝置正在逐漸興起，在各地逐漸增多。撬裝加氫裝置相較于固定式加氫站，優(yōu)點(diǎn)在于投資小、占地面積少、建設(shè)周期短。

2 撬裝加氫裝置工藝流程研究

本研究涉及的撬裝加氫裝置是針對(duì)高壓氣態(tài)氫氣加注而開發(fā)的，主要包括卸氣系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、儲(chǔ)氫系統(tǒng)、加氫系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和儀表風(fēng)系統(tǒng)，要求便于運(yùn)輸和安裝[4]。

表2 撬裝加氫裝置技術(shù)參數(shù)

具體工藝流程：氫氣長管車通過管道連接至氫氣卸車柱，卸車柱計(jì)量之后經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮，儲(chǔ)存至儲(chǔ)氣瓶組，按高、中、低壓瓶組順序向各儲(chǔ)氣瓶組充氣，儲(chǔ)存的氫氣通過加氫機(jī)對(duì)車輛進(jìn)行加注。加氫機(jī)加注，先從管束取氣，當(dāng)管束內(nèi)的氫氣壓力與汽車上的車載儲(chǔ)氣瓶壓力平衡時(shí)，停止從管束取氣；切換至儲(chǔ)氣瓶組，依次從低、中、高壓儲(chǔ)氣瓶組取氣。當(dāng)儲(chǔ)氣瓶組與車載儲(chǔ)氣瓶內(nèi)壓力平衡時(shí)，開啟壓縮機(jī)，壓縮機(jī)從管束內(nèi)取氣，進(jìn)行增壓后，直接給加氫機(jī)供氣，直到汽車加滿氫氣。瓶組壓力低于設(shè)置值時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)壓縮機(jī)補(bǔ)壓。

圖1 撬裝加氫裝置工藝流程圖

3 配套設(shè)備的方案研究

撬裝加氫裝置分為四大部分，包括增壓撬、加氫撬、儲(chǔ)氫撬、配套撬。增壓撬主要為氫氣壓縮機(jī)，加氫撬主要為氫氣加注設(shè)備，儲(chǔ)氫撬主要為現(xiàn)場儲(chǔ)存氫氣的設(shè)備，配套撬主要包括冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等其他輔助設(shè)施。相關(guān)設(shè)備的選型分析如下。

3.1 增壓撬

增壓撬主要為氫氣壓縮機(jī)，壓縮機(jī)作為加氫站的核心裝備，由于加氫站對(duì)氫氣純度要求特別高（一般為99.99%），因此要求所用的壓縮機(jī)均為無油潤滑的方式。目前加氫站在用的壓縮機(jī)主要包括金屬隔膜壓縮機(jī)、電動(dòng)液驅(qū)壓縮機(jī)和離子壓縮機(jī)，其中以前兩者為主。國內(nèi)外大部分加氫站均采用美國PDC 公司的金屬隔膜壓縮機(jī)，也有少量加氫站采用國產(chǎn)化金屬隔膜壓縮機(jī)；國內(nèi)張家口、撫順等地部分加氫站采用了電動(dòng)液驅(qū)壓縮機(jī)，國外也有少量應(yīng)用。離子壓縮機(jī)僅在個(gè)別站應(yīng)用。

從優(yōu)缺點(diǎn)、成本、應(yīng)用情況和技術(shù)成熟度幾方面，對(duì)比三類壓縮機(jī)的特點(diǎn)如下。

表3 三種氫氣壓縮機(jī)技術(shù)對(duì)比

通過三類壓縮機(jī)對(duì)比，建議選擇金屬隔膜壓縮機(jī)或電動(dòng)液驅(qū)壓縮機(jī)。

圖2 隔膜壓縮機(jī)（左）和液壓壓縮機(jī)（右）

3.2 加氫撬

加氫撬主要為氫氣加注設(shè)備，即加氫機(jī)，其主要部件，包括閥門、管路、質(zhì)量流量計(jì)、電磁閥等的材料均為316L 或316SS 不銹鋼，但上述材料都經(jīng)過特殊處理以應(yīng)對(duì)氫脆現(xiàn)象，如控制鎳、鉻含量。依據(jù)《GB/T 31138-2014 汽車用壓縮氫氣加氣機(jī)》的要求，加氫機(jī)的加氫速度應(yīng)不大于3.6kg/min，其目的在于防止加注過程中溫升過快導(dǎo)致車載供氫系統(tǒng)的損壞，特別是車載儲(chǔ)氫罐。

根據(jù)氫燃料電池汽車情況，建議采取雙閥雙槍的模式，一般配備TK16 和TK25 兩種加氫槍，可同時(shí)對(duì)兩輛汽車實(shí)現(xiàn)加注[5]。

表4 加氫機(jī)技術(shù)參數(shù)

3.3 儲(chǔ)氫撬

儲(chǔ)氫撬主要為現(xiàn)場儲(chǔ)存氫氣的設(shè)備，有固定式高壓儲(chǔ)氫容器和無縫管式儲(chǔ)氫瓶兩種形式。國內(nèi)目前的固定式高壓儲(chǔ)氫容器主要以鋼帶錯(cuò)繞式高壓儲(chǔ)氫容器為主，容器的壽命較長、容積較大，一般水容積在1～20m3，工作壓力為47MPa 和98MPa。該容器參考國家標(biāo)準(zhǔn) 《GB/T 26466-2011 固定式高壓儲(chǔ)氫用鋼帶錯(cuò)繞式容器》[6]。

無縫管式儲(chǔ)氫瓶用于充裝高壓氫氣，由單個(gè)或者多個(gè)鋼質(zhì)無縫管式儲(chǔ)氣瓶、管道、閥門與管件等組成，主要用于將氫氣由產(chǎn)地運(yùn)往加氫站或直接放置在加氫站作為站內(nèi)儲(chǔ)氫容器使用。目前長管氣瓶水容積一般在500～2000L 之間，主要有20MPa 和45MPa 兩種壓力等級(jí)，45MPa 長管氣瓶只能用于加氫站儲(chǔ)氫，不能用于運(yùn)輸，是目前國內(nèi)加氫站使用最多的儲(chǔ)氫形式。因此，對(duì)于撬裝加氫裝置來說，建議采用管式儲(chǔ)氫瓶的儲(chǔ)氫形式。

圖3 固定儲(chǔ)氫容器（左）和儲(chǔ)氫瓶（右）

3.4 配套撬

配套撬主要包括冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等，其中冷卻系統(tǒng)主要為風(fēng)冷冷凍機(jī)及換熱器，設(shè)置在加氫機(jī)進(jìn)口端，使氫氣預(yù)冷至-20 ℃，保證快速、高效加氫，相關(guān)設(shè)備國內(nèi)制造企業(yè)較多。

控制系統(tǒng)主要由設(shè)備自控系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)、加氫機(jī)控制系統(tǒng)組成，各系統(tǒng)共同完成對(duì)整個(gè)加氫站的集中監(jiān)視、管理和自動(dòng)控制，確保系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定的運(yùn)行[7]。

輔助系統(tǒng)主要包括房體、卸氣柱、氮?dú)馄拷M、管線閥門、防雷設(shè)施、維保工具等。撬裝加氫裝置的房體設(shè)計(jì)保證整橇內(nèi)部通風(fēng)，整橇噪音≤85dB，便于整橇吊裝和運(yùn)移。卸氣柱為卸車專用設(shè)備，工作壓力一般為25MPa。管路和閥門的選擇方面要考慮耐高壓、抗氫脆的要求。除此以外，為提高加氫裝置的安全性，還需要設(shè)置氫氣集中放散系統(tǒng)。

圖4 控制系統(tǒng)

4 結(jié)論

（1）撬裝加氫裝置具有占地面積小、投資成本低、施工工期短、設(shè)備安裝擴(kuò)容方便的特點(diǎn)，能在較短時(shí)間內(nèi)滿足客戶的加氫需求，可以作為固定加氫站的重要補(bǔ)充。

（2）總體上，我國已具備設(shè)計(jì)建設(shè)35MPa 加氫站的能力，關(guān)鍵設(shè)備如加氫機(jī)、壓縮機(jī)、儲(chǔ)氫瓶組均有相應(yīng)設(shè)計(jì)制造單位，部分已具備國際水平，但壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)制造水平距國際水平略有差距。在目前國際流行的70MPa 加氫站及關(guān)鍵設(shè)備方面，需要加大研發(fā)投入力度，爭取早日實(shí)現(xiàn)裝備設(shè)計(jì)制造的國產(chǎn)化。