同濟大學 張彥純

加氫站是為燃料電池車輛加注氫燃料的專門場所，是氫能利用過程中的重要環(huán)節(jié)。近年來，國家及地方政府陸續(xù)出臺了對加氫站建設的支持政策。2016年5月，國務院印發(fā)《國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略綱要》，明確提出開發(fā)氫能、燃料電池等新一代能源技術。2016年6月，國家發(fā)展和改革委員會、國家能源局聯(lián)合發(fā)布《能源技術革命創(chuàng)新行動計劃(2016—2030年)》，將“氫能與燃料電池技術創(chuàng)新”作為 15項具體任務之一。這標志著氫能產(chǎn)業(yè)已納入中國國家能源戰(zhàn)略。2021年3月，由上海市住房和城鄉(xiāng)建設管理委員會委托編制的《上海市車用加氫站布局專項規(guī)劃》已完成公示，即將正式發(fā)布。規(guī)劃中提出了全市加氫站建設目標：至 2025年，全市共規(guī)劃加氫站78座，其中，已建站點9座(至2020年12月底)，新增站點69座。

從 2020年以來，全國范圍出現(xiàn)的加氫站已不僅僅局限于只有加氫功能，而是謀求與加油站、加氣站等傳統(tǒng)能源加注站進行合建。加氫站的運行模式也逐漸從示范運行逐步向商業(yè)化運行發(fā)展。

本文對目前較為典型的撬裝加氫站、固定式加氫子站、站外管道供氫的加氫母站、站內(nèi)制氫加氫站以及包含加油、加氣、充電等功能中一項或幾項的加氫合建站模式進行分析，探討其特點，從而對加氫站的推廣建設提供更多可行方案。

1 撬裝加氫站

1.1 不含固定儲氫裝置的撬裝加氫站

氫氣長管拖車將壓力不大于20 MPa的壓縮氫氣運送進加氫站，通過卸氣柱卸氣至撬裝壓縮加氫裝置，并增壓后為燃料電池車輛進行加注。工藝流程如圖1(不含固定儲氫裝置部分)所示。

圖1 撬裝式加氫站工藝流程

該類型加氫站的單套設備加注能力通常為500 kg/12h，且加注效率受制于壓縮機額定排量和氫氣長管拖車內(nèi)余氣壓力。在氫氣長管拖車不更換的情況下，隨著氫氣長管拖車中余氣壓力下降，撬裝壓縮加氫裝置的排氣量也越來越小，加注速率逐漸降低，從而加注時間明顯增加。

1.2 含固定儲氫裝置的撬裝加氫站

氫氣長管拖車將壓力不大于20 MPa的壓縮氫氣從氫氣生產(chǎn)單位運送進加氫站，通過卸氣柱卸氣至撬裝壓縮加氫裝置，增壓至45 MPa存入固定儲氫裝置內(nèi)。加裝了固定儲氫裝置的工藝流程如圖 1所示。車輛加氫時，固定儲氫裝置中輸出的氫氣，通過撬裝壓縮加氫裝置加注到燃料電池車輛的車載儲氫瓶中。

增加固定儲氫裝置后，該類型加氫站的加注速率不受限于壓縮機的排量，可實現(xiàn)一定程度上的快速加注。撬裝壓縮加氫裝置內(nèi)的壓縮機可以利用加注空閑時間工作，將長管拖車長管中的氫氣增壓儲存在站內(nèi)固定儲氫裝置中。車輛加注時，從固定儲氫裝置先后分級取氣，提高加注效率和速率。

1.3 主要設備配置

以加注能力500 kg/12h撬裝加氫站為例，含和不含固定儲氫裝置的兩種撬裝式加氫站主要設備和加注車輛如表1所示。

表1 500 kg/12h撬裝加氫站推薦配置

1.4 特點

撬裝加氫站適用于需要快速完成建設并短期內(nèi)投入運營的企業(yè)內(nèi)部自用站，壓縮機與加氫機放置在1個集裝箱撬內(nèi)，占地面積相對較小，1 000～2 000 m2不等。但因壓縮機和加氫機之間無法滿足4 m防火間距要求[1]，故目前部分地區(qū)將該類加氫站作為臨時站進行審批，而不是作為永久性的固定式加氫站，在補貼力度上也與固定式加氫站有所差異。

2 固定式加氫子站

固定式加氫子站工藝流程與含固定儲氫裝置的撬裝加氫站類似，如圖2所示。20 MPa高壓氫氣由長管拖車自氣源點運送至加氫站，通過卸車軟管和卸氣柱使長管拖車與站內(nèi)工藝管路對接，壓縮機開啟后從長管拖車抽氣增壓至45 MPa，并儲存在固定儲氫裝置內(nèi)。當車輛進站加注時，加氫機從站內(nèi)固定儲氫裝置分級取氣進行加注。

圖2 固定式加氫子站工藝流程

固定式加氫子站與含固定儲氫裝置撬裝加氫站的區(qū)別在于前者將壓縮機和加氫機拆分成兩個設備，壓縮機設置在工藝裝置區(qū)內(nèi)，加氫機設置在加注區(qū)，整個加氫站功能劃分更加明確，從而進一步提高了加氫站的安全性及合規(guī)性。

以加注能力1 000 kg/12 h固定式加氫子站為例，配置的主要設備和加注能力見表2。

表2 1 000 kg/12 h固定式加氫子站推薦工藝配置

固定式加氫子站相較于撬裝加氫站而言，壓縮機與加氫機分開設置，符合現(xiàn)行國標要求[1]。該類型加氫站可按正常流程進行報建，可作為永久站在城市公共區(qū)域進行推廣。

3 站外管道供氫的加氫母站

站外管道供氫的加氫母站主要是將站外0.4～2.0 MPa的氫氣通過管道引入站內(nèi)。國內(nèi)目前市政道路上的氫氣管道較少，大部分氫氣管道均設置于化工區(qū)內(nèi)或鋼鐵企業(yè)廠區(qū)內(nèi)，因此站外管道供氫的加氫母站多建設于化工、鋼鐵企業(yè)附近。石油化工、煤炭化工、氯堿化工及鋼鐵生產(chǎn)等企業(yè)均有較為充足的工業(yè)副產(chǎn)氫，經(jīng)進一步提純后供應給加氫母站，氫氣價格相對低廉。進入加氫母站的氫氣純度要求需符合GB/T 37244－2018《質(zhì)子交換膜燃料電池汽車用燃料 氫氣》表1的要求，其中氫氣的純度要求不應低于99.97%，同時對水、總烴、氧、氦、總氮和氬、二氧化碳、一氧化碳、總硫、甲醛、甲酸、氨、總鹵化合物、最大顆粒物等雜質(zhì)的濃度等指標進行了規(guī)定，以降低雜質(zhì)對氫燃料電池催化劑的影響。

管道氫氣氣源經(jīng)過計量、增壓儲存后，不僅可為燃料電池汽車進行加注，同時也可以作為母站為氫氣長管拖車進行充裝。為分別滿足氫氣長管拖車的充裝需求和氫燃料電池車輛的加注要求，站內(nèi)需同時設置20 MPa和45 MPa的壓縮機。

圖3為站外管道供氫的固定式加氫母站工藝流程，從圖中可以看出，站外管道輸送的氫氣首先增壓至20 MPa，然后進行充裝或儲存：通過氫氣充裝柱為氫氣長管拖車進行充裝、儲存到站內(nèi) 20 MPa儲氫瓶組內(nèi)和繼續(xù)增壓儲存至45 MPa儲氫瓶組。

圖3 站外管道供氫的固定式加氫母站工藝流程

車輛加氫時，從45 MPa儲氫瓶組中分級取氣，以壓力由低到高的順序依次通過加氫機為燃料電池汽車的車載儲氫瓶進行加注。

以加注/充裝能力為2 000 kg/12 h的站外管道供氫加氫母站為例，其主要設備配置和加注能力見表3。

表3 2 000 kg/12 h站外管道供氫加氫母站推薦工藝配置

站外管道供氫的加氫母站主要采用氫氣管道進行供氫。相較于采用氫氣長管拖車作為氣源的加氫站而言，不受交通運輸條件的限制，不產(chǎn)生道路運輸成本，氫源更加持續(xù)穩(wěn)定。但也仍有兩個因素限制其發(fā)展：

(1) 建設成本相對較高。管道供氫的加氫母站除了需要在站內(nèi)增設低壓壓縮機和低壓固定儲氫裝置，前期還需要建設長距離的氫氣管道，建設成本視氫氣生產(chǎn)企業(yè)的遠近而定，通常需要相當大的投資。且目前氫氣管道多敷設于集中化學工業(yè)區(qū)內(nèi)，而要在化學工業(yè)區(qū)外建設氫氣管道，其報建流程尚屬空白，并不像城鎮(zhèn)燃氣管道建設流程那樣明確。

(2) 氫氣生產(chǎn)企業(yè)的氫氣純度不穩(wěn)定。工業(yè)副產(chǎn)氫是產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)物，純度不穩(wěn)定且成分復雜，如：氯堿生產(chǎn)企業(yè)的副產(chǎn)氫中可能含有氯離子；合成氨的副產(chǎn)氫通常含有氨；煤炭行業(yè)和鋼鐵行業(yè)的副產(chǎn)氫由于來源于煤炭，通常含有硫、一氧化碳、二氧化碳等。若氫氣純度不穩(wěn)定，則需要在站內(nèi)增設氫氣提純裝置。

4 制氫加氫一體站

隨著氫能車輛推廣應用規(guī)模的不斷擴大，氫氣需求量也隨之增加。部分城市燃料電池車輛發(fā)展較快、氫氣需求量較大，目前已開始逐漸面臨氫氣供應量不足，氫氣成本不斷提高的困局。而大型化工企業(yè)通常都位于遠離鬧市區(qū)的化工區(qū)內(nèi)，因此，要在城市內(nèi)建設站外供氫的加氫站，無疑還需要面對運輸成本過高的難題。

為了解決上述難題，部分氫能發(fā)展較為迅速的城市已開始考慮建設制氫加氫一體站，同時解決氫源不足和運輸成本過高的難題。根據(jù)站內(nèi)制氫規(guī)模的不同，較小的制氫加氫一體站僅可滿足本站燃料電池車輛用戶的加注需求，而較大的制氫加氫一體站，除了能滿足本站燃料電池車輛用戶的加注需求外，還可作為母站，為氫氣長管拖車進行充裝，為其他加氫子站提供氫源。

目前已有實際案例的站內(nèi)制氫方式主要有兩種，即電解水制氫和甲烷水蒸氣重整制氫。

電解水制氫方式中，目前較為成熟的是堿性電解水制氫技術：在充滿氫氧化鉀的電解槽中通入直流電，水分子在電極上發(fā)生電化學反應，分解成氫氣和氧氣。電解水制氫技術的優(yōu)點是可以在城市中就地取材，只要水、電等原料滿足供應，即可實現(xiàn)電解水制氫的目的。若利用夜間谷電進行電解水制氫，還可進一步降低制氫成本。

甲烷水蒸氣重整制氫是目前最為成熟的工業(yè)制氫技術，約占世界制氫量的70%。該技術也是一種可以在城市中就地取材的制氫方式，利用水和甲烷(天然氣)作為原料即可實現(xiàn)生產(chǎn)。尤其對于目前較為熱衷于發(fā)展氫能業(yè)務的燃氣經(jīng)營企業(yè)而言，充足的天然氣供應，是實現(xiàn)甲烷制氫的重要保障。

采用甲烷水蒸氣重整制氫和電解水制氫的制氫加氫一體站，其制氫工藝在技術上均已十分成熟。涉及的主要原料為水、電、氣，均可從市政公用管網(wǎng)獲取，且正常生產(chǎn)過程中，對周邊環(huán)境影響較小，是站內(nèi)制氫的重要發(fā)展方向。然而，在實際建設過程中，仍然存在以下幾個問題需要解決：

(1) 兩種制氫方式在化工領域較為常見，但要設置在制氫加氫一體站內(nèi)，設備的小型化、集成化、撬裝化開發(fā)仍然是值得進一步研究的問題。

(2) 電解水制氫工藝中，每生產(chǎn)1 m3氫氣，需要耗電4～5 kW·h。對于電能不足的地區(qū)而言，這種制氫工藝無疑將進一步加重電網(wǎng)負擔。

(3) 對于規(guī)模較小的制氫生產(chǎn)裝置，經(jīng)濟性仍然是需要反復考量的問題。

(4) 兩種制氫方式均屬于危險化學品生產(chǎn)工藝，按目前的國家安全法規(guī)，需要設置在化工園區(qū)中進行集中統(tǒng)一管理。若要在城市建成區(qū)中與加氫站合建，仍需進一步謀求政策上的支持。

基于上述問題，全國各大企業(yè)在推廣制氫加氫一體站的建設過程中，仍然抱有比較謹慎的態(tài)度。

5 加氫合建站

隨著新版國標GB 50156－2021《汽車加油加氣加氫站技術標準》的頒布和實施，合建站的模式變得更加靈活，從新規(guī)范對合建站的定義和等級劃分來看，不僅支持加氫站與加油站合建、加氫站與CNG(壓縮天然氣)加氣站合建，同時還新增了對加氫站與 LNG(液化天然氣)加氣站合建的支撐性條款，且進一步明確了三站合建的規(guī)模劃分標準，從而使綜合能源供應站的建設變得“有法可依，名正言順”。

固定式加氫加油合建站中加氫部分的工藝流程及設備配置可參照固定式加氫子站。加油加氣加氫合建站的等級劃分標準見表4、表5[2]。

表4 加油、CNG加氣與高壓儲氫加氫合建站的等級劃分

表5 加油、LNG加氣與高壓儲氫加氫合建站的等級劃分

另外，同樣屬于清潔能源車輛的電動汽車，目前已經(jīng)先于氫燃料電池汽車在市場上得到了廣泛的推廣和應用。以公交車為例，目前上海已經(jīng)有多條公交線路實現(xiàn)了電動汽車對燃油汽車的替換。而氫燃料電池車輛技術將是另外一種可以代替燃油汽車的技術路線，從而徹底實現(xiàn)終端的零碳排放。

根據(jù)目前多個加氫站項目建設流程來看，預留電動汽車充電車位，已經(jīng)成為多地規(guī)劃部門對新建加氫站項目提出的要求[2]。由此看出，加氫站或加氫合建站內(nèi)設置充電設施也將是未來加氫站的重要發(fā)展方向之一。

目前，氫氣的生產(chǎn)成本依然較高，單獨運營加氫站經(jīng)濟性相對較差。建設加氫合建站后，可通過加油站或加氣站的營運收入補貼加氫部分。

另外，隨著車輛能源的多樣化發(fā)展，建設集加油、加氣、加氫、充電等功能為一體的綜合能源供應站也變得十分有必要。綜合能源供應站尤其適合作為高速公路服務區(qū)加注站使用，從而打破了能源車輛長距離跨省市運行的限制，對新能源車輛的推廣發(fā)展起到至關重要的推動作用。

6 液氫加氫站

從2021年頒布的GB 50516－2010《加氫站技術規(guī)范(2021年版)》和GB 50156－2021《汽車加油加氣加氫站技術標準》來看，對液氫加氫站的相關內(nèi)容也給予了一定篇幅。液氫的密度是標準狀態(tài)下氫氣的800倍左右，儲存溫度－253 ℃，儲存壓力通常為1.0 MPa。采用液氫技術后，加氫站的儲氫能力和加注能力將得到大幅度提升。因此，未來幾年，隨著氫液化技術的逐步國產(chǎn)化，液氫生產(chǎn)成本也將進一步降低，屆時，液氫加氫站將可能成為加氫站技術新的發(fā)展方向。

7 結語

本文對當前國內(nèi)加氫站及加氫合建站的工藝配置和建站模式進行了簡要分析，從而可對不同氫能應用場景下的加氫站建設提供參考意見。

展望未來，隨著時間的推進，還會有更多新設備、新技術、新材料進入市場，屆時將為加氫站建設提供更多更好的選擇。