文 星

(陜西首創(chuàng)天成工程技術(shù)有限公司第二設(shè)計(jì)院，陜西 西安 710016)

1 概述

加氫站是為氫燃料電池汽車、氫燃料內(nèi)燃機(jī)汽車、氫氣天然氣混合燃料汽車等充裝氫燃料的專門場(chǎng)所。據(jù)中國(guó)氫能聯(lián)盟于2019年發(fā)布的《中國(guó)氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書(2019)》，截至2018年底，中國(guó)已建成或在運(yùn)營(yíng)的加氫站有23座，氫燃料電池汽車擁有量3 428輛。加氫站主要分布在經(jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá)、有汽車產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)的地區(qū)，以及地方政府有意愿實(shí)施新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換的地區(qū)。目前，加氫站主要集中在北京、上海、廣州、深圳等城市。在建加氫站數(shù)量逾40座，2020年預(yù)計(jì)達(dá)到100座。本文對(duì)加氫站主流技術(shù)路線進(jìn)行分析，探討我國(guó)在加氫站建設(shè)過程中存在的短板與發(fā)展規(guī)劃。

2 加氫站主流技術(shù)路線

2.1 站內(nèi)制氫加氫站

① 電解水制氫

電解水制氫的技術(shù)已十分成熟，歐洲大多數(shù)站內(nèi)制氫加氫站均采用這種技術(shù)。電解水制氫裝置利用電解裝置將水分解成氫氣和氧氣后，利用壓縮機(jī)將氫氣先后輸送至高壓、中壓、低壓儲(chǔ)氫罐中分級(jí)儲(chǔ)存。需要加注服務(wù)時(shí)，加氫機(jī)可先后從低壓、中壓、高壓儲(chǔ)氫罐中按順序取氣加注。由于回收成本的問題，電解水制氫過程中產(chǎn)生的氧氣一般都直接排放到大氣中。電解水制氫可實(shí)現(xiàn)高度集成的整體式設(shè)備，十分便于安裝，大幅提高了自動(dòng)化程度，減少了設(shè)備占用空間［1］。

② 天然氣重整制氫

天然氣重整制氫具有制氫成本低的優(yōu)點(diǎn)，但設(shè)備投資較大，制備的氫氣需要經(jīng)過純化工藝才能滿足氫燃料電池的要求。大規(guī)模(超過1 000 m3/h)的天然氣重整制氫已廣泛應(yīng)用于化工行業(yè)，加氫站站用規(guī)模(50～200 m3/h)的天然氣重整制氫技術(shù)目前正在開發(fā)之中。與電解水制氫裝置類似，天然氣重整制氫裝置集成在一個(gè)框架內(nèi)，便于運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)安裝。

2.2 站外制氫加氫站

站外制氫加氫站的氫氣主要來自鋼鐵企業(yè)、焦化廠、化肥廠等企業(yè)的副產(chǎn)氫氣，使用氫氣長(zhǎng)管拖車(運(yùn)輸高壓氣態(tài)氫)、液氫槽車(運(yùn)輸?shù)蜏匾簯B(tài)氫)運(yùn)輸。

氫氣長(zhǎng)管拖車將氫氣運(yùn)輸至加氫站后，裝有氫氣的半掛車與牽引車分離并與卸氣柱相連接。隨后，氫氣進(jìn)入壓縮機(jī)被壓縮，并先后輸送至高壓、中壓、低壓儲(chǔ)氫罐(或氫氣儲(chǔ)氣瓶組)中分級(jí)儲(chǔ)存。需要加注服務(wù)時(shí)，加氫機(jī)可以先后從氫氣長(zhǎng)管拖車、低壓儲(chǔ)氫罐、中壓儲(chǔ)氫罐、高壓儲(chǔ)氫罐中按順序取氣進(jìn)行加注。平時(shí)站區(qū)內(nèi)停泊2輛氫氣長(zhǎng)管拖車，另有1輛往返加氫站與氫源之間，運(yùn)送氫氣，替換站內(nèi)的空車。

液氫槽車將液氫運(yùn)輸至加氫站，與加氫站連接后進(jìn)入站內(nèi)的液氫儲(chǔ)罐。液氫儲(chǔ)罐中的氫通過氣化器進(jìn)行氣化，氣化后的氫氣進(jìn)入緩沖罐。隨后進(jìn)入壓縮機(jī)內(nèi)被壓縮，并先后輸送至高壓、中壓、低壓儲(chǔ)氫罐中分級(jí)儲(chǔ)存。需要加注服務(wù)時(shí)，加氫機(jī)可以先后從低壓儲(chǔ)氫罐、中壓儲(chǔ)氫罐、高壓儲(chǔ)氫罐中按順序取氣進(jìn)行加注［2］。

2.3 加氫站核心設(shè)備

① 壓縮機(jī)

壓縮機(jī)是將氫加壓注入儲(chǔ)氫罐的核心設(shè)備，輸出壓力和密封性能是其最重要的性能指標(biāo)。從全球范圍的加氫站來看，各種類型的壓縮機(jī)都有使用。隔膜式壓縮機(jī)輸出壓力可超過100 MPa，密封性能非常好，是加氫站的最佳選擇。

② 儲(chǔ)氫罐

作為加氫站的儲(chǔ)氫容器，儲(chǔ)氣壓力是儲(chǔ)氫罐主要技術(shù)指標(biāo)。氫氣與傳統(tǒng)的鋼質(zhì)內(nèi)膽儲(chǔ)罐易發(fā)生氫脆反應(yīng)，誘發(fā)容器壁裂紋生長(zhǎng)。因此，加氫站儲(chǔ)氫罐主要采用由碳纖維復(fù)合材料或由纖維全纏繞鋁合金制成的新型輕質(zhì)耐壓內(nèi)膽，外加可吸收沖擊的堅(jiān)固殼體。

③ 加氫機(jī)

加氫機(jī)是實(shí)現(xiàn)氫氣加注服務(wù)的設(shè)備，主要結(jié)構(gòu)和工作原理與CNG加氣機(jī)并無較大區(qū)別，未來的發(fā)展方向在于智能化和安全性的提高。

2.4 加氫站建設(shè)成本及運(yùn)營(yíng)成本

① 建設(shè)成本

加氫站的建設(shè)成本因所采取技術(shù)路線的不同而有所差異。盧森堡站外制氫加氫站(儲(chǔ)氫能力為500 kg，加注壓力為45 MPa)，廠站設(shè)備投資(不含氫氣長(zhǎng)管拖車、液氫槽車)僅約55×104歐元。斯圖加特站內(nèi)制氫加氫站(儲(chǔ)氫能力為281 kg，制氫能力40～100 m3/h，加注壓力為45 MPa)采用天然氣重整制氫工藝，共投入了188×104歐元用于加氫站的建設(shè)。采用電解水制氫工藝的站內(nèi)制氫加氫站，建設(shè)成本為100×104～150×104歐元。制氫能力為60～100 m3/h，加注壓力為45 MPa的采用電解水制氫工藝的站內(nèi)制氫加氫站，建設(shè)成本為100×104～150×104歐元。

整體上看，在規(guī)模相近的條件下，采取租賃氫氣長(zhǎng)管拖車、液氫槽車時(shí)，站外制氫加氫站在這幾種加氫站中的建設(shè)成本最小。采取天然氣重整制氫工藝的站內(nèi)制氫加氫站建設(shè)成本最高，但是隨著技術(shù)的進(jìn)步，建設(shè)成本有下降的空間。

② 運(yùn)行成本

在不考慮設(shè)備維護(hù)及人員工資的前提下，站外制氫加氫站的運(yùn)行成本取決于氫源的制氫成本和運(yùn)輸成本，若加氫站距離氫源較遠(yuǎn)，運(yùn)輸成本將大幅上升，將導(dǎo)致項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性明顯下降。

站內(nèi)制氫加氫站的運(yùn)行成本基本來自水、電、天然氣的消耗，并直接體現(xiàn)在氫氣的價(jià)格上。在制氫能力相近的前提下，采取電解水制氫工藝的站內(nèi)制氫加氫站的運(yùn)行成本要高于采取天然氣重整制氫工藝的站內(nèi)制氫加氫站。

3 我國(guó)加氫站存在問題

在壓縮機(jī)方面，美國(guó)PDC等公司已掌握具有3層金屬隔膜結(jié)構(gòu)的隔膜式壓縮機(jī)制造技術(shù)，輸出壓力超過85 MPa。在儲(chǔ)氫罐方面，美國(guó)、加拿大、日本等國(guó)均可自主生產(chǎn)耐壓超過70 MPa的由碳纖維復(fù)合材料和纖維全纏繞鋁合金內(nèi)膽制成的高壓儲(chǔ)氫罐。在加氫機(jī)方面，德國(guó)林德、美國(guó)空氣化工等企業(yè)生產(chǎn)的70 MPa加氫機(jī)的安全性與智能化較高，并已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。歐美及日本的加氫站普遍采用70 MPa的加注壓力，日本從制度上鼓勵(lì)加注壓力上限從70 MPa提高到88 MPa，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)技術(shù)升級(jí)。

國(guó)產(chǎn)加氫站核心設(shè)備的研制處于起步階段。在壓縮機(jī)方面，我國(guó)現(xiàn)有壓縮機(jī)制造商僅能生產(chǎn)用于石油、化工領(lǐng)域的工業(yè)氫氣壓縮機(jī)，輸出壓力均在30 MPa以下，無法滿足加氫站技術(shù)要求。中船重工718所通過與美國(guó)PDC公司技術(shù)合作，可組裝用于加氫站的高壓氫氣壓縮機(jī)，但核心部件均需美方提供，國(guó)產(chǎn)化還有較遠(yuǎn)距離。在儲(chǔ)氫罐方面，浙江大學(xué)掌握了纖維全纏繞鋁合金內(nèi)膽高壓儲(chǔ)氫罐制造技術(shù)，解決了超薄鋁合金內(nèi)膽成型、高抗疲勞性能的纏繞線形匹配等技術(shù)難題，但尚未實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。在加氫機(jī)方面，天然氣設(shè)備制造商江蘇國(guó)富氫能技術(shù)有限公司和成都華氣厚普機(jī)電設(shè)備股份有限公司已成功研發(fā)出國(guó)產(chǎn)加氫機(jī)，最大加注壓力為45 MPa，已在多座加氫站應(yīng)用，是目前已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化的加氫站核心設(shè)備。我國(guó)示范性加氫站的加注壓力尚處于35 MPa的技術(shù)水平，核心設(shè)備主要依賴進(jìn)口。

4 我國(guó)加氫站規(guī)劃與相關(guān)政策

國(guó)家高度重視氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)。近兩年，國(guó)家相關(guān)部委密集出臺(tái)政策，大力支持氫燃料電池汽車發(fā)展?！秶?guó)家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略綱要》《“十三五”國(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃》《“十三五”國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》《中國(guó)制造2025》《汽車產(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》《“十三五”交通領(lǐng)域科技創(chuàng)新專項(xiàng)規(guī)劃》等將發(fā)展氫能和氫燃料電池技術(shù)列為重點(diǎn)任務(wù)，將氫燃料電池汽車列為重點(diǎn)支持領(lǐng)域。明確提出:到2020年，實(shí)現(xiàn)5 000輛級(jí)規(guī)模在特定地區(qū)公共服務(wù)用車領(lǐng)域的示范應(yīng)用，建成100座加氫站。到2025年，實(shí)現(xiàn)5×104輛燃料電池汽車規(guī)模的應(yīng)用，建成300座加氫站。到2030年，實(shí)現(xiàn)100×104輛燃料電池汽車的商業(yè)化應(yīng)用，建成1 000座加氫站。

國(guó)家和地方陸續(xù)出臺(tái)補(bǔ)貼政策扶持加氫站建設(shè)。2014年11月財(cái)政部、科技部、工業(yè)和信息化部、發(fā)展改革委公布了《關(guān)于新能源汽車充電設(shè)施建設(shè)獎(jiǎng)勵(lì)的通知》，指出對(duì)符合國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)且加氫能力不少于200 kg/d的新建氫燃料電池汽車加氫站每座廠站獎(jiǎng)勵(lì)400×104元。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)部分城市也推出了加氫站項(xiàng)目的扶持政策，國(guó)家與地方政策的配合將成為中國(guó)加氫站建設(shè)推廣的催化劑。

在“863計(jì)劃”(國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃)的支持下，中國(guó)陸續(xù)開展“基于可再生能源制(儲(chǔ))氫的70 MPa加氫站研發(fā)及示范”等科研項(xiàng)目的研究。在同濟(jì)大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)的參與下，我國(guó)一方面研發(fā)利用風(fēng)光電解水制氫技術(shù)，另一方面重點(diǎn)攻關(guān)加氫站核心設(shè)備技術(shù)難題，探索87.5 MPa儲(chǔ)氫罐、90 MPa壓縮機(jī)及70 MPa加氫機(jī)核心技術(shù)，力爭(zhēng)縮小中外技術(shù)水平差距。由國(guó)家科技部大力支持的我國(guó)首座完全自主研發(fā)的加氫站——大連加氫站于2016年9月順利落成。大連加氫站集成了可再生能源制氫技術(shù)，90 MPa超高壓壓縮和儲(chǔ)存技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了70 MPa加注壓力。每天能為200臺(tái)氫燃料電池汽車加氫，每輛車?yán)m(xù)航里程最高達(dá)800 km，標(biāo)志著我國(guó)加氫站建設(shè)水平登上了新臺(tái)階。

2018年3月22日，《武漢經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)(漢南區(qū))加氫站審批及管理辦法》出臺(tái)，這是全國(guó)首個(gè)加氫站審批及監(jiān)管地方管理辦法，為推進(jìn)和加快武漢市氫能汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展掃清障礙。該辦法明確了加氫站的項(xiàng)目選址、報(bào)建、施工、經(jīng)營(yíng)全過程的審批及管理流程和相關(guān)監(jiān)管職能部門。依據(jù)這一管理辦法，武漢開發(fā)區(qū)(漢南區(qū))將建設(shè)2座加氫站。

上海市科委、市經(jīng)信委、市發(fā)改委、嘉定區(qū)政府于2017年9月20日舉行《上海市燃料電池汽車發(fā)展規(guī)劃》(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)劃》)新聞發(fā)布會(huì)，發(fā)布《規(guī)劃》主要內(nèi)容和下一步工作情況。《規(guī)劃》簡(jiǎn)要分析了目前國(guó)內(nèi)外氫燃料電池汽車的發(fā)展形勢(shì)及上海發(fā)展氫燃料電池汽車的優(yōu)勢(shì)，確定了上海市氫燃料電池汽車發(fā)展的指導(dǎo)思想和基本原則，并制訂了短期、中期、長(zhǎng)期的發(fā)展目標(biāo)，明確了上海發(fā)展氫燃料電池汽車的重點(diǎn)任務(wù)。

2018年3月13日蘇州市發(fā)改委、市經(jīng)信委、市科技局、市交通局聯(lián)合制定《蘇州市氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展指導(dǎo)意見(試行)》，加快氫能產(chǎn)業(yè)在蘇州的發(fā)展。

5 結(jié)語

我國(guó)加氫站建設(shè)適合按照點(diǎn)、線、面的思路循序漸進(jìn)來發(fā)展，宜考慮與加油站或天然氣加氣站合建以減少重復(fù)投資、節(jié)約用地，并優(yōu)先發(fā)展城市交通氫能利用。根據(jù)《中國(guó)制造2025》對(duì)氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的規(guī)劃，2025年的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)加氫站等配套基礎(chǔ)設(shè)施的完善。預(yù)計(jì)2025年后，國(guó)內(nèi)氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)將進(jìn)入快速發(fā)展階段，到2030年國(guó)內(nèi)燃料電池汽車年銷量規(guī)?？蛇_(dá)百萬輛以上，配套加氫站數(shù)量將在4 500座以上，對(duì)應(yīng)加氫站投資規(guī)模800×108元，相關(guān)設(shè)備投資規(guī)模達(dá)到500×108元。