薛明喆， 師存陽， 劉家寧， 呂 洪， 周 偉， 張存滿

（1.同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院，上海 201804；2.同濟(jì)大學(xué) 新能源汽車工程中心，上海 201804）

進(jìn)入21世紀(jì)以來，世界能源危機(jī)和全球變暖等問題逐漸突出，且化石能源的儲量越來越少，亟需尋找一種新的無污染的替代能源。氫能因其來源多樣、清潔、環(huán)保、高效等優(yōu)點，被認(rèn)為是一種理想的能源而進(jìn)入了人們的視野。氫能有著豐富的應(yīng)用場景，被認(rèn)為是最具有發(fā)展前景的能源之一［1-2］。

但是氣態(tài)氫氣（氣氫）在常溫常壓下的單位體積能量密度極低，在標(biāo)準(zhǔn)狀況下（0℃、10 1325 Pa）的密度僅為0.083 42 kg·m-3［3］。目前加氫站用的儲氫瓶的壓力已可達(dá)90 MPa，在273 K、90 MPa 下的高壓氫氣密度為48.938 kg·m-3，而液氫在1 個大氣壓，-253℃下的密度為70.78 kg·m-3［3］，在相同體積下，液氫的儲存質(zhì)量要比氣氫大得多，這就使得液氫無論是在存儲還是運輸上都具有明顯的優(yōu)勢。同時，液氫中的氫的純度更高，能更好地滿足燃料電池汽車對于高品質(zhì)氫氣的需求［4］。

目前針對加氫站的綜述大多著眼于氣態(tài)儲氫加氫站（氣氫加氫站）。根據(jù)H2stations 統(tǒng)計，截止2021年底，世界上共有685座加氫站，相比于2020年底的560 座加氫站增加了125 座［5］，其中國外約1/3的加氫站為液氫加氫站［6］。截止2020年12月底，我國已建成加氫站118 座，其中101 座已投入運營，17座即將投入運營［7］，我國的加氫站主要分布在上海、廣州和江蘇等地區(qū)［8］。 2021 年底，浙江省石油股份有限公司建成了具有液氫儲存功能的浙江石油虹光（櫻花）綜合供能服務(wù)站［9］，但該站的液氫部分仍處于調(diào)試階段。但是我國加氫站，尤其是液氫加氫站的發(fā)展與世界先進(jìn)水平相比還存在較大差距，本文希望通過對液氫加氫站及其關(guān)鍵裝備等相關(guān)方面進(jìn)行整理總結(jié)，為今后我國液氫加氫站的發(fā)展與應(yīng)用提供參考。

1 現(xiàn)狀

1.1 液氫加氫站工藝流程

根據(jù)《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》的目標(biāo)［10］，我國在2025年底將建成1 000座加氫站，氫燃料成本達(dá)到40元·kg-1；在2035年底加氫站數(shù)目達(dá)到5 000座，氫燃料成本降至25元·kg-1。

目前液氫加氫站的工藝流程根據(jù)加氫站內(nèi)的關(guān)鍵裝備的發(fā)展水平呈現(xiàn)出3種形式。液氫加氫站大致可分為兩類，液氫儲存氣氫加注和液氫儲存液氫加注。受限于裝備的成熟度以及液氫車輛的發(fā)展水平，液氫儲存氣氫加注為當(dāng)前液氫加氫站的主要形式。

液氫加氫站的關(guān)鍵裝備包括液氫槽罐車、液氫儲罐、液氫增壓泵、氫氣壓縮機(jī)、液氫氣化器、儲氫瓶組、加氫機(jī)等［6］。在液氫加氫站發(fā)展初期，液氫增壓泵的技術(shù)還不成熟，氫的壓縮需通過氣態(tài)氫氣壓縮來完成，即液氫儲罐內(nèi)的液氫先經(jīng)過液氫氣化器變?yōu)闅鈿洌偻ㄟ^氫氣壓縮機(jī)被壓縮，達(dá)到45 MPa 或90 MPa 后進(jìn)入儲氫瓶組內(nèi)進(jìn)行儲存以備后續(xù)加氫的使用，流程圖如圖1 所示。此類加氫站的典型代表為日本巖谷建設(shè)的巖谷—東京芝公園液氫加氫站，在該加氫站中，液氫首先通過氣化器被氣化，再由氫氣壓縮機(jī)壓縮至82 MPa 后通入儲氫瓶組中進(jìn)行儲存，最后通過加氫機(jī)給燃料電池汽車加注氫氣。

圖1 不使用液氫增壓泵的液氫加氫站工藝流程Fig.1 Process flow diagram of liquid hydrogen refueling station without using liquid hydrogen pump

因為液氫增壓泵將液氫壓縮至某一壓力的功耗相比于氫氣壓縮機(jī)將同樣質(zhì)量的氫氣壓縮至同樣的壓力的功耗低很多，所以可以使用液氫增壓泵代替氫氣壓縮機(jī)，以降低整個系統(tǒng)的能耗。如液氫增壓泵的出口壓力較高時，輸出的液氫經(jīng)過氣化器氣化后儲存在加氫站的高壓儲氫瓶組中以備后續(xù)使用，此類液氫加氫站的流程圖如圖2 所示。德國林德（Linde）公司開發(fā)的液氫加氫站成套設(shè)備中即采用了可以直接將液氫加壓到90 MPa的液氫增壓泵。

圖2 使用液氫增壓泵的液氫加氫站工藝流程Fig.2 Process flow diagram of liquid hydrogen refueling station using liquid hydrogen pump

但是由于液氫在增壓過程中極易被氣化等原因，除德國林德公司的液氫增壓泵的出口壓強(qiáng)可達(dá)90 MPa 外，以法國Cryostar、美國ACD 等公司的產(chǎn)品為代表的液氫增壓泵的出口壓強(qiáng)通常都在40～60 MPa，可滿足35 MPa 燃料電池汽車的加氫需求，但是對于70 MPa燃料電池汽車的加氫，需要在液氫加氫站的壓縮系統(tǒng)中另外配備90 MPa氫氣壓縮機(jī)，此時液氫加氫站的流程圖如圖3所示。

圖3 混合增壓式液氫加氫站工藝流程Fig.3 Process flow diagram of mixed pressurized liquid hydrogen refueling station

1.2 氫的壓縮

1.2.1 氫氣壓縮機(jī)

目前的氫氣壓縮機(jī)分為機(jī)械式壓縮和非機(jī)械式壓縮2種，機(jī)械式壓縮機(jī)包括活塞式壓縮機(jī)、隔膜式壓縮機(jī)、線性壓縮機(jī)和離子液體壓縮機(jī)4類；非機(jī)械式壓縮機(jī)包括低溫液體泵、金屬氫化物壓縮機(jī)、電化學(xué)氫氣壓縮機(jī)和吸附型壓縮機(jī)4類［11］?；钊綁嚎s機(jī)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)將曲軸的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為活塞的往復(fù)運動，來完成吸氣、壓縮、排氣過程［12］?；钊綁嚎s機(jī)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、制造工藝成熟、維修方便、適應(yīng)力強(qiáng)，但是也存在明顯的缺點如由于使用曲柄連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動活塞運行導(dǎo)致機(jī)體大而重，同時也會存在較大的噪聲和振動，難以實現(xiàn)高轉(zhuǎn)速而造成排氣量的不穩(wěn)定［13］。隔膜式壓縮機(jī)因其潔凈度高、密封性能好等優(yōu)點而在國內(nèi)外加氫站上廣泛應(yīng)用［14］。以美國PDC 公司、PPI 公司為代表的國外企業(yè)掌握了先進(jìn)的隔膜式氫氣壓縮機(jī)制造技術(shù)，其中美國PDC 公司占據(jù)著全球約70%～75%的市場份額，擁有排氣壓強(qiáng)35～100 MPa、最大排量達(dá)到40kg·h-1的系列化氫氣隔膜壓縮機(jī)。國內(nèi)現(xiàn)階段的應(yīng)用仍以45MPa 隔膜式氫氣壓縮機(jī)為主，已經(jīng)涌現(xiàn)出了一批包括北京中鼎恒盛氣體設(shè)備有限公司、北京天高隔膜壓縮機(jī)有限公司在內(nèi)的優(yōu)秀企業(yè)。在90MPa隔膜式壓縮機(jī)方面，在“十二五”期間，北京天高隔膜壓縮機(jī)有限公司在科技部“八六三”計劃“90 MPa 級隔膜壓縮機(jī)技術(shù)”課題的支持下成功研制出國內(nèi)第一臺90 MPa氫氣隔膜壓縮機(jī)，并應(yīng)用于國內(nèi)首座使用國產(chǎn)化裝備的70 MPa 加氫站——大連同新加氫站［15］。在“十三五”期間，該公司也和合肥通用環(huán)境控制技術(shù)有限責(zé)任公司、同濟(jì)大學(xué)、中國科學(xué)院沈陽金屬研究所、河南豫氫裝備有限公司一起，在科技部國家重點研發(fā)計劃“90MPa 氫氣隔膜壓縮機(jī)開發(fā)”課題的支持下，繼續(xù)開發(fā)高安全、長壽命的大排量90MPa 氫氣隔膜壓縮機(jī)。離子壓縮機(jī)應(yīng)用離子液體的不可壓縮性來對氣體進(jìn)行壓縮，利用離子液體來帶走壓縮產(chǎn)生的熱量可以保證壓縮過程接近等溫，不需要額外的能量對壓縮機(jī)進(jìn)行冷卻［16］，同時，借助離子液體良好的潤滑性，可以不使用潤滑油，因此氫氣不會受到污染，保證了壓縮過程中氫氣的純度［17］。德國林德公司開發(fā)的離子壓縮機(jī)，其液壓系統(tǒng)推動系統(tǒng)內(nèi)的固體活塞運動，活塞推動上部的離子液體對氣體進(jìn)行加壓，經(jīng)過5 個氣室后增壓至90 MPa［16］?？傮w上，我國在氫氣壓縮機(jī)方面與國際先進(jìn)水平存在較大差距，已應(yīng)用的90MPa隔膜式壓縮機(jī)排量較小，且無成功應(yīng)用的離子壓縮機(jī)。

1.2.2 液氫增壓泵

低溫液體輸送泵的常用形式有2 種，分別為離心式和往復(fù)式（活塞式）。離心式液體泵的轉(zhuǎn)速較高，且存在機(jī)械密封和安全性的問題，不適用于高壓條件。往復(fù)式液體泵具有以下優(yōu)點：①結(jié)構(gòu)簡單、可靠，故障率遠(yuǎn)低于離心泵；②泵壓取決于泵在其工作中的裝量特性，在不同的裝置中可以產(chǎn)生不同的壓力；③往復(fù)式液體泵的轉(zhuǎn)速不高，可以采用變頻電機(jī)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，從而方便調(diào)節(jié)流量，并且采用氣封就可以保證裝置不漏氣，從而保證整套機(jī)組的安全［18］。因此，用于液氫加氫站的液氫增壓泵均為往復(fù)式。

往復(fù)式液氫增壓泵由動力端和液力端兩部分組成，根據(jù)動力端驅(qū)動方式的不同，有電機(jī)驅(qū)動和液壓驅(qū)動2 種［19］。傳統(tǒng)的液力端壓縮力作用在驅(qū)動桿上，導(dǎo)致驅(qū)動桿容易彎曲變形，經(jīng)過改進(jìn)后的液力端，剛體可以往復(fù)運動，這就使之前作用在桿上的壓縮力變?yōu)槔炝?，則具有以下優(yōu)點：① 桿不會發(fā)生彎曲，所以可以選取橫截面積更小、長度更長的桿。② 吸入閥安裝在往復(fù)運動的剛體上，由于剛體往復(fù)運動的慣性力，使閥門更容易打開和關(guān)閉［20］。

往復(fù)式液氫增壓泵因泵體的位置不同，有外置式和潛液式之分。外置式液氫增壓泵的結(jié)構(gòu)與普通的低溫液體（液氧、液氮、液氬、液化天然氣）增壓泵相似。潛液式將泵體浸沒在液氫儲罐中，不僅可以實現(xiàn)零泄露，并且由于周圍為液氫環(huán)境，可以大大降低系統(tǒng)的漏熱，提高系統(tǒng)的安全性［21］。目前國際上在售的液氫增壓泵中，法國Cryostar公司、美國ACD公司等公司的產(chǎn)品均為外置式，僅有德國林德公司開發(fā)出一款潛液式液氫增壓泵（圖4），該液氫泵從0.3 MPa、24.6 K的低溫條件下吸入液態(tài)氫，先將液氫引入第1級泵缸并增壓至0.6MPa，再將初步增壓后的液氫引入第2 級泵缸并進(jìn)一步增壓至最高87.5MPa輸出，輸出溫度在30～60 K［22］，數(shù)據(jù)顯示該液氫增壓泵壓縮每1kg 氫氣耗電量為1.39 kWh［21］。該泵的潛液式兩級壓縮的工作方式使其最大輸出壓強(qiáng)（87.5MPa）遠(yuǎn)高于其他公司的同類產(chǎn)品（40～60MPa）。由于液氫供應(yīng)受限、應(yīng)用場景缺失等原因，國內(nèi)現(xiàn)階段液氫增壓泵仍停留在研發(fā)階段，尚無成熟產(chǎn)品應(yīng)用。

圖4 Linde液氫增壓泵示意［22］Fig.4 Schematic diagram of Linde liquid hydrogen pump[22]

1.3 氫的氣化

由于目前的車載液氫系統(tǒng)仍不成熟，所以絕大部分液氫加氫站仍使用氣氫的加注形式。高壓液氫從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)這一過程在液氫氣化器中進(jìn)行，常見的氣化器形式有空溫式氣化器、開架式氣化器、沉浸式氣化器、中間媒介式氣化器等［23］。如圖5 所示［24］，空溫式氣化器利用周圍大氣中的熱量來對氣化器內(nèi)的氣體進(jìn)行氣化，具有結(jié)構(gòu)簡單、能耗較低的優(yōu)點，具體過程是管外的空氣通過自然對流的方式將熱量傳遞給帶翅片的氣化管（較常見的為星形翅片管），經(jīng)過翅片管的導(dǎo)熱，將熱量由外壁傳遞給內(nèi)壁面，管內(nèi)的液氫通過自然對流的方式吸收熱量后氣化為氣態(tài)氫氣，完成氣化過程。但是，空溫式氣化器也存在一些問題，例如在低溫下由于空氣的比熱較小而容易結(jié)霜，結(jié)霜后空溫式氣化器外表面的換熱形式就變?yōu)榱顺崞芘c霜層之間的導(dǎo)熱以及霜層與空氣之間的對流換熱，不但會使翅片管與空氣之間的換熱熱阻增加，而且減小了空氣的流通面積［25］，使氣化能力下降［26］，嚴(yán)重時甚至?xí)斐蓺饣魇芰Σ痪?，?dǎo)致管路破裂［27］。影響空溫式氣化器氣化能力有多個因素，如液氫入口流速、氣化器內(nèi)壓力、外界空氣溫度、空氣流速、翅片管的材料及結(jié)構(gòu)等。

圖5 空溫式氣化器示意［23］Fig.5 Schematic diagram of air temperature vaporizer[23]

與普通的在低壓工況下工作的空溫式氣化器不同，在采用液氫增壓氣化工藝的液氫加氫站上（圖2、圖3），由于氣化器中被氣化的介質(zhì)為高壓液氫，因此不能僅采用不耐壓的鋁制翅片管，而需要在鋁翅片管內(nèi)通過脹接工藝復(fù)合耐高壓的不銹鋼管。目前國內(nèi)以無錫特萊姆氣體設(shè)備有限公司為代表的企業(yè)已掌握了復(fù)合氣化管的脹接工藝，所生產(chǎn)的高壓液氫氣化器已出口美國，應(yīng)用于服務(wù)亞馬遜、沃爾瑪?shù)却笮蛡}儲式超市燃料電池叉車的液氫加氫站上。

1.4 氫的儲存

液氫加氫站中涉及的儲氫方式主要有高壓氣態(tài)儲氫和液態(tài)儲氫2種。

國內(nèi)常見的站用固定式氣態(tài)儲氫容器有2 種，分別為單層儲氫壓力容器（如大容積無縫儲氫容器、單層整體鍛造式儲氫壓力容器等）和多層儲氫壓力容器（如鋼帶錯繞式儲氫容器、層板包扎儲氫壓力容器等）［28］。其中，鋼制無縫容器有固定式（加氫站儲氫瓶）和移動式（氫氣管束車氣瓶）2 種，屬于整體無焊縫結(jié)構(gòu)［29］，有成熟的氣瓶產(chǎn)線，具有技術(shù)成熟、交貨期短、成本低的優(yōu)點。鋼帶錯繞式儲氫容器在我國已有近60年的發(fā)展歷史，浙江大學(xué)鄭津洋教授［30］以傳統(tǒng)鋼帶錯繞式壓力容器為基礎(chǔ)，在保持原有扁平鋼帶傾角錯繞式容器結(jié)構(gòu)不變的情況下，提出了一種多功能全多層高壓儲氫容器［30］。圖6為世界上第一臺77MPa 多功能全多層固定式儲氫容器［29］，其內(nèi)徑為700mm，壁厚為200mm，可以儲存2.5m3的氫氣［30］。浙江大學(xué)主持研制了98 MPa 全多層高壓儲氫容器，容積可達(dá)1m3，具有抗氫脆、低成本、壽命長、安全性好的特點［31］。鋼制無縫容器和鋼帶錯繞式儲氫容器的特點對比見表1。我國已可實現(xiàn)加氫站用90MPa儲氫瓶的自主開發(fā)，與國際先進(jìn)水平相當(dāng)。

表1 鋼制無縫容器和鋼帶錯繞式儲氫容器的對比Tab.1 Comparison between seamless steel vessels and steel strip staggered hydrogen storage vessels

液氫在1 個大氣壓、溫度-253℃下的密度為70.85 kg·m3，是氣氫的845倍，在儲存質(zhì)量上相比氣氫具有巨大的優(yōu)勢。即使將氣氫加壓到70 MPa，其儲存密度相比液氫仍然存在較大的差距。但是液氫的沸點很低，約為20.28 K，與外界環(huán)境的溫差極大，這就要求液氫儲罐應(yīng)具有良好的絕熱性能，使儲罐的日蒸發(fā)率較低。儲罐的日蒸發(fā)率一般隨著儲罐尺寸的增大而減小，儲罐的漏熱量與容器的比表面積成正比，在相同體積下，球形的比表面積最小，因此球形儲罐的日蒸發(fā)率最低，此外，球罐還具有應(yīng)力分布均勻、機(jī)械強(qiáng)度小等優(yōu)點［3］。

液氫儲罐目前的絕熱技術(shù)可以分為主動和被動2 種類型［32］。被動絕熱通過設(shè)計合理的物理結(jié)構(gòu)來減少儲罐內(nèi)冷量的散發(fā)損失，如傳統(tǒng)的堆積絕熱、真空絕熱等［33］。而主動絕熱是指使用制冷機(jī)主動提供冷量來抵消儲罐泄露的冷量，從而達(dá)到絕熱的效果［6］。零蒸發(fā)技術(shù)（Zero Boil-off）是美國NASA研究者為了實現(xiàn)液氫長期無損在軌存儲而提出的一種將主動制冷系統(tǒng)、主動混合器、被動絕熱耦合在一起的技術(shù)［34］。這項技術(shù)起源于航空需求，早在1999 年，NASA 的Glenn［35］就對液氫的零蒸發(fā)儲存進(jìn)行了試驗［35］，試驗使用的球罐的直徑為1.39 m，采用高真空多層絕熱，頂部配有制冷機(jī)，銅葉片與一級冷頭相連，二級冷頭與冷凝器相連，銅片在真空層中，進(jìn)一步減少輻射漏熱，如圖7所示。

圖7 液氫零蒸發(fā)實驗示意［35］Fig.7 Schematic diagram of liquid hydrogen zero evaporation experiment[35]

液氫儲罐已經(jīng)在航天領(lǐng)域得到應(yīng)用。美國土星-5運載火箭儲存了1 275m3液氫，地面儲罐容積為3 500m3，罐內(nèi)工作壓力為0.72MPa，容器加注管路直徑為100mm，可以同時接受5輛公路汽車的加注。日本種子島航天中心的液氫儲罐容積為540m3，采用珍珠巖真空絕熱方式，日蒸發(fā)率小于0.18%［36］。據(jù)S&P 全球網(wǎng)站2022 年2 月23 日報道，由CB&I 存儲解決方案公司建造的液氫儲罐位于肯尼迪航天中心39B 發(fā)射工位附近，液氫存儲量約為4 732m3，比NASA在1966年建造的液氫儲罐增大了50%，并且此儲罐突破了2 項關(guān)鍵技術(shù)，提升了液氫的儲存能力：①儲罐內(nèi)層不再使用珍珠巖隔熱，而是使用玻璃泡進(jìn)行隔熱，雖然成本較高，但是保溫性能可以提升40%～100%；②采用NASA 開發(fā)的內(nèi)部熱交換器，實現(xiàn)了主動熱控制。基于這些技術(shù)，液氫儲罐的最大日蒸發(fā)率低于0.05%［37］。

作為液氫生產(chǎn)大國的美國對中國一直采取“嚴(yán)格禁運，嚴(yán)禁交流”的策略，同時還限制法液空、林德等公司向我國出售液氫相關(guān)的設(shè)備和技術(shù)。我國民用液氫領(lǐng)域起步較晚，但也取得了一些重大突破，已實現(xiàn)液氫儲罐國產(chǎn)化，最大容積可達(dá)300m3。2011年7月張家港中集圣達(dá)因低溫裝備有限公司成功召開了300 m3可移動式液氫儲罐研制鑒定會［38］。2022年3月9日，江蘇國富氫能技術(shù)裝備股份有限公司組織首臺民用大型液氫儲存容器開工儀式，該液氫儲罐設(shè)計容積大于200m3、儲量超14t［39］。同時，液氫相關(guān)的法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn)也在陸續(xù)完善，2021 年5 月國家標(biāo)準(zhǔn)委員會正式發(fā)布了3 項有關(guān)液氫的標(biāo)準(zhǔn)，并于2021 年11 月1 日起生效，對我國民用液氫產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起了助推作用。

1.5 氫的運輸和轉(zhuǎn)注

與氣態(tài)氫氣相比，液氫更適用于長距離、大容量的運輸需求場景。由于在運輸時有對容器關(guān)于高度和長度的嚴(yán)格要求，所以運輸時一般不采用球形液氫罐，而采用臥式液氫槽罐［3］。在液氫的運輸中，需要液氫輸送泵提供液氫轉(zhuǎn)注所需要的動力。離心泵因具有轉(zhuǎn)速高、體積小、流量大、運行平穩(wěn)等優(yōu)點［36］而廣泛應(yīng)用于液氫的轉(zhuǎn)注中。離心泵的工作原理是旋轉(zhuǎn)的葉輪帶動流體一起旋轉(zhuǎn)，使流體的壓力和動能增加，流體在離心泵內(nèi)轉(zhuǎn)動90°之后流出，從而完成液氫的轉(zhuǎn)注［40-41］。

近年來對于離心泵的研究主要集中在結(jié)構(gòu)設(shè)計、數(shù)值模擬與提高效率上。符江鋒等［42］總結(jié)了離心泵參數(shù)化設(shè)計的4種研究方法，包括半經(jīng)驗的速度系數(shù)法、相似換算法、損失極值法和面積比法，后續(xù)針對設(shè)計方法中存在的隨機(jī)性和盲目性問題提出了3種優(yōu)化方法，包括基于啟發(fā)式算法的全局優(yōu)化方法、基于梯度的優(yōu)化設(shè)計方法和基于代理模型的優(yōu)化設(shè)計方法，對指導(dǎo)我國離心泵的設(shè)計做出了巨大貢獻(xiàn)。李家文等［43］研究了多級液氫泵的導(dǎo)葉設(shè)計方式，通過設(shè)計合理的級間導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)降低級間導(dǎo)葉的損失，提高液氫泵的效率。王昱等［44］基于均質(zhì)兩相流連續(xù)性方程，引入了修正后的Zwart空化模型，分析了液氫在自潤滑軸承—轉(zhuǎn)子間隙中的熱力學(xué)效應(yīng)，并對其進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，發(fā)現(xiàn)液氫相變的熱力學(xué)效應(yīng)可以抑制液氫空化的發(fā)生并減輕空化效應(yīng)帶來的影響。安陽等［45］對一種大推力氫氧火箭發(fā)動機(jī)大流量高揚程的液氫泵進(jìn)行CFD仿真以及降轉(zhuǎn)速水力試驗，獲得了水力性能與汽蝕性能，分析得到仿真結(jié)果與水力試驗符合良好且能在較大流量內(nèi)穩(wěn)定運行。

液氫槽車和液氫駁船均可用于液氫的運輸。液氫槽車常使用水平放置的圓筒形低溫絕熱儲罐，俄羅 斯 的 液 氫 儲 罐 容 量 為25～1 437m3，25m3和1 437m3的液氫儲罐自重分別為19t 和360t，可以存儲液氫1.75t 和100.59t，儲氫質(zhì)量百分比為9.2%和27.9%，儲罐的日蒸發(fā)率為1.2%和0.13%［36］。液氫駁船可用于液氫的跨國運輸，罐儲量高達(dá)1 250m3的船用液氫儲罐和單船運輸能力達(dá)2 500m3的液氫專用駁船如圖8 所示［46-47］。日本政府聯(lián)合川崎重工在澳大利亞開展褐煤制氫——液氫船舶運輸示范項目是第1個液氫駁船運輸項目［48］。全球首艘液氫運輸船于2019 年12 月11 日在日本下水，該船全長116m、寬19m，排水量約為8 000t，使用1 250m3的真空隔熱雙殼結(jié)構(gòu)液化氫儲罐［49］。

圖8 船用液氫儲罐和液氫專用駁船［47］Fig.8 Marine liquid hydrogen storage tank and dedicated liquid hydrogen barge[47]

目前我國液氫運輸相關(guān)技術(shù)仍然不成熟，需要解決運輸過程中液氫不斷氣化、儲罐內(nèi)壓力升高等問題［50］。根據(jù)計算，如果一輛液氫槽罐車的運輸容量為65 m3，每次可以運輸4 000 kg液氫，并且隨著加氫站數(shù)量和規(guī)模的增加，液氫的運輸成本快速降低，最低運輸成本為0.4 元·kg-1，僅為長管拖車的1/6［51］，具有極大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1.6 氫的加注

通過加氫站上的加氫槍將高壓儲氫瓶中的氫氣加入燃料電池汽車的車載儲氫瓶的過程中，需要在盡量短的時間內(nèi)充入盡可能多的氫氣以達(dá)到最高效率，但是加氫的速度過快會導(dǎo)致車載儲氫瓶的溫度迅速升高，不僅使瓶內(nèi)氫氣的密度降低而影響最終車載儲氫瓶中的儲氫量，而且還會因為溫度過高導(dǎo)致儲氫瓶的復(fù)合材料容器基體的強(qiáng)度和疲勞性能收到影響，降低了儲氫瓶使用的安全性［52］。根據(jù)美國汽車工程師學(xué)會SAE 發(fā)布的SAE J2601 標(biāo)準(zhǔn)要求，在加注過程中，車載儲氫瓶的溫度不得超過85℃。對于35 MPa加氫過程，通過調(diào)節(jié)流量等方式可以達(dá)到不需要預(yù)冷也能在規(guī)定的時間內(nèi)完成加注目標(biāo)。

在35 MPa加氫過程中，車載儲氫瓶的加氫過程分為2 個階段，即快速升溫階段和平緩升溫階段。隨著進(jìn)氣溫度的升高，整個充氣過程的持續(xù)時間不斷降低，在-10℃到20℃的區(qū)間內(nèi)，溫度每升高10℃，充氣過程會提前2s結(jié)束，導(dǎo)致充入的氫氣量降低，如圖9所示［53］。

對于70 MPa的加氫過程，如果加注常溫下的氫氣，則儲氫瓶的溫度會在加注過程中超過規(guī)定標(biāo)注值，而再進(jìn)行自然降溫會延長氫氣的加注時間，所以在加注前需將氫氣冷卻至- 40℃，這樣不僅可以保證加注過程的安全性，更可極大縮短加注所需的時間［54］。標(biāo)準(zhǔn)SAE J206—201612R 指出，在加氫過程中峰值流量會先上升后下降，無論儲氫瓶的體積如何、充氣的溫度如何，峰值流量不能超過60 g·s-1［55］。上海舜華新能源系統(tǒng)有限公司已在2020年發(fā)布第3代加氫機(jī)，具有安全性高、加注速度快、換熱體積小等特點［56］；厚普清潔能源股份有限公司實現(xiàn)了70 MPa加氫機(jī)出口，與韓國現(xiàn)代汽車股份有限公司簽訂了首批次加氫機(jī)合同；由國家能源集團(tuán)北京低碳清潔能源研究院開發(fā)的70 MPa 加氫機(jī)正式獲得國際知名認(rèn)證機(jī)構(gòu)TüV南德的認(rèn)證［57］。總體上，我國已可自主設(shè)計并制造70MPa 加氫機(jī)，但是設(shè)備中的部分關(guān)鍵零部件如加氫槍依賴進(jìn)口，導(dǎo)致成本居高不下，另一方面由于目前我國缺乏70MPa 加氫站應(yīng)用的條件，即缺乏70MPa 燃料電池汽車作為加注對象，70MPa加氫機(jī)的設(shè)備可靠性也有待提高。

1.7 加氫站風(fēng)險研究

氫氣的爆炸極限范圍為4.0%～75.6%（體積分?jǐn)?shù)），同時最小點火能量低，僅為0.017mJ。在加氫站運行過程中，氫氣經(jīng)歷增壓、氣化、儲存、加注等一系列過程，在這期間一旦發(fā)生泄露，會與空氣形成混合物，遇到明火等火源后極易發(fā)生火災(zāi)和爆炸等事故［58］，同時由于站內(nèi)氫氣多為高壓，在泄漏的同時被點燃會產(chǎn)生射流擴(kuò)散，形成可燃爆炸云團(tuán)后產(chǎn)生爆炸火球，會造成巨大的人員傷亡和財產(chǎn)流失等。2019 年 6 月 12 日，挪威奧斯陸一個加氫站發(fā)生了爆炸，設(shè)備損毀，并造成 2 人受傷［59］，所以加氫站風(fēng)險研究也日益成為加氫站研究的重要部分。

目前的加氫站風(fēng)險評估方法有2 種，分別是快速風(fēng)險評級（rapid risk ranking，RRR）和量化風(fēng)險評估（quantitative risk assessment，QRA），前者是定性評估，后者為定量評價。RRR 是偏向于經(jīng)驗性的加氫站定性風(fēng)險評估，通過將專家分析討論后得到的結(jié)果與風(fēng)險矩陣進(jìn)行對比，可以快速獲得風(fēng)險等級，同時快速確定加氫站的危險源。此方法的優(yōu)點是快速，但是主觀性較強(qiáng)，僅可用于定性的粗略判斷，不可用于精準(zhǔn)的量化風(fēng)險評估與分析。而QRA 方式是對風(fēng)險的定量評估，相比于RRR可以對風(fēng)險和事故進(jìn)行更為細(xì)致的評價，可直接用于氫安全標(biāo)準(zhǔn)的制定。量化風(fēng)險評價流程如圖10所示［60］。

圖10 量化風(fēng)險評價流程［60］Fig.10 Quantitative risk assessment process[60]

Li 等［60］利用QRA 對上海的世博加氫站和安亭加氫站進(jìn)行風(fēng)險評估分析，以上海世博加氫站為例，確定了站外3個潛在的易受傷害的目標(biāo)分別為臨時辦公樓的工人、濟(jì)陽路的行人和道路對面的城市居民，為降低風(fēng)險對加氫站內(nèi)的裝備添加了安全防護(hù)措施，如給壓縮機(jī)設(shè)置安全屏障系統(tǒng)等，在增加安全措施之后發(fā)現(xiàn)世博加氫站的風(fēng)險在可接受范圍之內(nèi)。Makoto 等［61］分別識別出28 個和31 個與加氫機(jī)、加油機(jī)模型相關(guān)的潛在事故場景，并對每個場景進(jìn)行定量風(fēng)險評估，并將結(jié)果以風(fēng)險矩陣的形式呈現(xiàn)，通過對安全措施風(fēng)險矩陣的比較分析，發(fā)現(xiàn)設(shè)置安全措施（如添加防火墻、增大安全間距、添加探測器和切斷閥）具有一定的效果，如表2 和表3所示［62］。

表2 安全措施前加氫機(jī)風(fēng)險矩陣［62］Tab.2 Risk matrix of hydrogen refueling machinebefore safety measures[62]

表3 安全措施后加氫機(jī)風(fēng)險矩陣［62］Tab.3 Risk matrix of hydrogen refueling machineafter safety measures[62]

1.8 各國發(fā)展現(xiàn)狀

美國是全球較早提出氫能研究和應(yīng)用的國家，從1990年起頒布了多個有利于氫能發(fā)展的政策，可概括為4個階段：第一階段為1990—2001年，主要進(jìn)行氫能論證和構(gòu)建氫能“制儲運加”技術(shù)鏈；第二階段為2002—2012 年，主要進(jìn)行氫能發(fā)展方向的遴選和關(guān)鍵核心技術(shù)的研發(fā)；第3階段為2013—2020年，主要進(jìn)行氫能燃料電池及其配套技術(shù)的研發(fā)和推廣應(yīng)用；第4階段為2020—2030年，注重在碳中和目標(biāo)下的氫能發(fā)展，重點關(guān)注綠氫技術(shù)的研發(fā)和推廣等方面。根據(jù)H2stations 統(tǒng)計，北美目前有86 座加氫站，其中60 座位于加利福尼亞州，2021 年新增了11座加氫站，分布圖如圖11所示［5］。另外根據(jù)《美國氫能經(jīng)濟(jì)路線圖》，到2022年底美國計劃建設(shè)110座加氫站，2025年底建設(shè)580座加氫站。

圖11 北美加氫站分布［5］Fig.11 Hydrogen refueling stations in Northamerica[5]

日本是較早發(fā)布?xì)淠軕?zhàn)略規(guī)劃的國家，日本的能源發(fā)展歷程如表4所示［63］。2014年日本就提出了建立“氫能社會”的目標(biāo)，2017 年12 月發(fā)布了《氫能基本戰(zhàn)略》，確立了2050 年氫能社會建設(shè)目標(biāo)［64］。同時日本的氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)專利在全球占據(jù)主要地位，以豐田為首的企業(yè)為日本的氫能產(chǎn)業(yè)貢獻(xiàn)了巨大力量［65］。從2014 年12 月豐田發(fā)布全球第一款燃料電池汽車MIRAI開始，就在全球的氫能燃料電池應(yīng)用端發(fā)揮著重要的作用［66］。根據(jù)H2stations統(tǒng)計，截至2021年底，日本擁有159座加氫站，位于世界榜首，其分布圖如圖12所示［5］。

表4 日本氫能在國家能源體系中的發(fā)展軌跡［63］Tab.4 Development trajectory of hydrogen energy in the national energy system in Japan [63]

圖12 日本加氫站分布［5］Fig.12 Hydrogen refueling stations in Japan[5]

作為歐盟應(yīng)對氣候變化的有力載體，可再生能源能在歐盟的氣候能源政策中也發(fā)揮著重要的作用，氣候能源政策見圖13［67］。2020年歐盟委員會發(fā)布了《歐盟氫能戰(zhàn)略》和《歐盟能源系統(tǒng)整合策略》，希望以此促進(jìn)清潔能源的發(fā)展，并在2050年達(dá)成氣候中和的目標(biāo)，同時提供就業(yè)崗位，刺激經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇。截至2020年底，歐洲共建有200座加氫站，其中德國擁有100座，法國擁有34座，另有38座在計劃中，荷蘭的加氫站也增加到了23 座。歐盟會員會于2020年3 月10 日宣布成立“歐洲清潔氫聯(lián)盟”，包括德國西門子、荷蘭殼牌、法國空客等企業(yè)在內(nèi)，旨在為氫能源的大量生產(chǎn)提供投資，滿足歐盟對于清潔氫的需求［68］。根據(jù)H2stations統(tǒng)計，截至2021年底，歐洲有228個加氫站，其中 101個在德國。法國位居歐洲第二（41 個站），其次是英國（19 個）、瑞士（12 個）和荷蘭（11個），其分布圖如圖14所示［5］。

圖13 歐盟氣候能源政策［67］Fig.13 European Union climate and energy policy[67]

圖14 歐洲加氫站分布［5］Fig.14 Hydrogen refueling stations in Europe[5]

綜合對比3 個國家對于氫能的發(fā)展模式，可以看出由于各個國家對于氫能的戰(zhàn)略地位不同導(dǎo)致了對于氫能的不同重視程度，日本由于土地面積較小、資源相對匱乏，所以對于氫能的重視程度最高，氫能作為關(guān)乎國家能源安全的重大問題，調(diào)用一切可以調(diào)用的資源來發(fā)展氫能。而歐盟計劃將氫能加入現(xiàn)有的系統(tǒng)，將氫能整合到歐盟已有的能源系統(tǒng)中進(jìn)行利用，只是一種手段。而美國主要注重于氫能的成本問題，氫能是新能源中的一種，氫能的發(fā)展與否取決于氫能的環(huán)保和成本等多種因素［64］。

2 展望及未來

氫能因其無污染、熱值高、來源廣等特點而成為21 世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ哪茉?，在未來的?jié)能減排進(jìn)程中發(fā)揮著舉足輕重的作用。本文以液氫加氫站為切入點，梳理了液氫加氫站的關(guān)鍵裝備與工藝流程的發(fā)展現(xiàn)狀。受限于多種原因，我國的液氫加氫站仍然處于發(fā)展的起步階段，離大規(guī)模應(yīng)用尚有較遠(yuǎn)距離。

（1）供氫：一方面，在“雙碳”目標(biāo)的引領(lǐng)下，未來必定是以電解水制取的“綠氫”為主，但是目前電解槽的成本仍然處于高位，未來期望能在催化劑等關(guān)鍵材料與系統(tǒng)方面取得突破，以便將制氫成本降低到可接受范圍之內(nèi)；另一方面，對于氫液化，我國液氫工廠的技術(shù)水平與國外先進(jìn)水平仍存在差距，導(dǎo)致目前我國的民用液氫發(fā)展尚在起步階段，液氫供應(yīng)的限制不僅會影響液氫加氫站的大規(guī)模推廣，也會影響液氫相關(guān)關(guān)鍵裝備的研發(fā)與試驗驗證。

（2）壓縮：在復(fù)雜工況下，用于壓縮氣態(tài)氫氣的隔膜式壓縮機(jī)的膜片的耐久性和氣密性仍然需要進(jìn)一步研究；用于壓縮液氫的液氫增壓泵作為液氫加氫站的關(guān)鍵裝備之一，其發(fā)展水平與液氫加氫站的復(fù)雜程度具有緊密聯(lián)系，然而液氫增壓泵的研發(fā)目前仍在起步階段，考慮到液氫在壓縮時不可避免地產(chǎn)生熱量且液氫的氣化潛熱很小因此極易在泵腔內(nèi)產(chǎn)生氣泡，影響容積效率，甚至造成“空車現(xiàn)象”，所以揭示液氫壓縮過程中的熱力學(xué)與動力學(xué)特性變化是未來的研究重點。

（3）儲存：我國的液氫儲罐在儲氫量和保溫性能等方面與國外相比仍存在差距，液氫儲罐作為液氫加氫站上儲存液氫的關(guān)鍵裝備，其體積相對較小，儲存的液氫量較小，日蒸發(fā)率相對較高，對液氫儲罐的被動絕熱和主動絕熱技術(shù)要求更高，未來應(yīng)爭取在主動絕熱與被動絕熱兩方面的研究取得突破，使得體積較小的液氫儲罐也具有較小的日蒸發(fā)率，減少氫氣的浪費及由此帶來的環(huán)境問題。

（4）運輸：我國的氣氫運輸管束車壓強(qiáng)一般為20MPa，而國外的管束車壓強(qiáng)可達(dá)45MPa，我國在2021年4月30日發(fā)布3項標(biāo)準(zhǔn)，即《氫能汽車用燃料液氫》、《液氫生產(chǎn)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》和《液氫貯存和運輸安全技術(shù)要求》，這將有效支撐我國民用液氫的規(guī)?；l(fā)展，對我國民用液氫領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)體系的建立具有里程碑意義，未來液氫運輸將隨著液氫儲存裝備的發(fā)展而逐漸普及，與液氫運輸標(biāo)準(zhǔn)相輔相成。

（5）加注：目前的技術(shù)均集中于氣氫加注，這是由于車載氣態(tài)儲氫瓶的發(fā)展相比于車載液氫儲氫瓶更為成熟，由于在進(jìn)行70MPa 氫氣加注時要將氫氣預(yù)冷至-40℃，而液氫中儲存的冷量正好可以用于氫氣加注的預(yù)冷，所以在未來的液氫加氫站中，如果能充分利用這個特性，將給液氫加氫站的能耗減少帶來巨大的優(yōu)勢。

（6）加氫站工藝流程：隨著技術(shù)的發(fā)展與裝備水平的提高，國內(nèi)加氫站的發(fā)展會經(jīng)歷如下的路線：① 壓縮方式：氣氫壓縮→氣氫/液氫混合壓縮→液氫壓縮；② 儲氫方式：氣氫儲存→氣/液儲存→液氫儲存；③ 加注壓力：35MPa→35/70MPa→70MPa。此外，隨著車載液氫系統(tǒng)的日趨成熟，未來也會出現(xiàn)加注氣氫向加注液氫的轉(zhuǎn)變。

3 結(jié)語

以液氫加氫站為核心，首先介紹了不同形式的液氫加氫站的流程圖，指出了目前液氫加氫站的發(fā)展?fàn)顩r，同時對液氫加氫站內(nèi)各個系統(tǒng)及其相關(guān)裝備進(jìn)行了介紹，包括液氫增壓泵、液氫氣化器、液氫儲罐、加氫機(jī)等?？梢钥吹?，目前我國液氫加氫站發(fā)展仍然處于起步階段，國內(nèi)缺乏部分關(guān)鍵裝備及完整的產(chǎn)業(yè)鏈，同時液氫氫源短缺和液氫運輸相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)不完善等問題，進(jìn)一步阻礙了液氫加氫站的發(fā)展，但是隨著對液氫相關(guān)產(chǎn)業(yè)投入力度的加大，相信在不遠(yuǎn)的未來液氫產(chǎn)業(yè)會迎來快速發(fā)展，助力國家“雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn)。

作者貢獻(xiàn)聲明：

薛明喆：確定論文框架，論文撰寫，論文修改。

師存陽：資料收集，論文撰寫，論文修改。

劉家寧：參與撰寫氫的氣化部分。

呂 洪：提供氫的安全部分撰寫指導(dǎo)。

周 偉：提供氫的加注部分撰寫指導(dǎo)。

張存滿：指導(dǎo)論文框架。