摘要：結合工程實例，闡述了氫燃料電池汽車加氫站的系統配置、工藝流程、主要設備。
關鍵詞：加氫站； 氫燃料電池汽車； 儲氫； 氫壓縮
Design of Hydrogen Refueling Station for Hydrogen Fuel Cell Vehicles in
Abstract: The system configuration，technological process and main equipment of hydrogen refueling station for hydrogen fuel cell vehicles are described based on an engineering case.
Key words: hydrogen refueling station；hydrogen fuel cell vehicle；hydrogen storage；hydrogen compression
1 概述
在能源危機、環境危機日益加劇的背景下，我國也加速了在氫能交通領域的研究。上海市在燃料電池汽車方面已經取得了較大的技術成果，至今已完成三代燃料電池汽車的開發，其中第三代燃料電池汽車的多項指標考核已達到了國際A級水平。位于嘉定的上海第一座加氫站(安亭加氫站)已于2007年11月建成。在制度保障上，上海市成立了新能源汽車推進辦公室，結合汽車技術和汽車能源的發展趨勢，制定了新能源汽車發展計劃，提出了“加速實現燃料電池汽車的跨越式發展，加快推進混合動力汽車產業化，繼續促進燃料電池汽車適時商品化”的基本策略。
在上海世博會期間，世博園區燃料電池汽車總共有l96輛，其中，燃料電池公交車6輛，燃料電池轎車90輛，燃料電池觀光車100輛。
2 燃料電池用氫氣特性
加氫站進站氫氣的質量應符合現行國家標準GB／T 3634.2-2011《氫氣 第2部分：純氫、高純氫和超純氫》規定的質量標準，并應符合下列要求。
用于氫氣內燃機或氫氣燃料汽車的氫氣質量指標見表1。由于各類燃料電池電動汽車的氫源純度要求不一，為適應兼容性，本站加注的氫氣暫按超純氫(氫體積分數I>99.999 9％)考慮。氫氣主要物性見表2。
3 加氫站系統配置
3.1 工藝概述
目前加氫站的技術類型可按氫氣來源分為兩大類：站外制氫(off-site)和站內現場制氫(on-site)。
站外制氫是指氫氣在制氫廠集中制取，然后輸送到加氫站，輸送方式有高壓氫氣輸送、液氫輸送和管道輸送等。其特點是氫氣集中制取可以降低制氫成本。
高壓氫氣輸送方式下加氫站的工藝流程見圖1。制氫廠制出的氫氣通過管束拖車運至加氫站，卸下車頭后將管束拖車留在站內，管束中氫氣經壓縮機增壓后在儲罐中儲存。加氫時，加氣機從氫氣儲罐內取氣。
液氫輸送方式下加氫站的工藝流程見圖2。制氫廠制出的氫氣通過液氫拖車運至加氫站，將液氫拖車儲罐內的液氫卸到站內液氫儲罐。液氫儲罐內氫氣經蒸發器氣化后進入壓縮機進行增壓，增壓后在氫氣儲罐內儲存。加氫時，加氣機從氫氣儲罐內取氣。
站內制氫是指氫氣在加氫站內現場制取，目前站內制氫的技術路線主要是化石燃料(天然氣、甲醇等)重整制氫和電解水制氫。電解水制氫(見圖3)是在一些電解質水溶液中通入直流電，利用電解器將水電解成氫氣和氧氣。氫氣經壓縮機增壓后進入儲罐內儲存，加氫時，加氣機從儲罐內取氣。
上海世博會專用燃料電池加氫站考慮到站外制氫加氫站結構配置相對簡單，而且成本相對比較低，建造時間比較短等優點，故采用站外制氫加氫站類型。氫氣氣源來自上海焦化廠副產氫氣(備用氣源為法國液化空氣集團公司所制氫氣)，經過提純后以高壓氫氣形式用管束拖車運輸到加氫站內儲存。上海世博加氫站整體工藝流程見圖4。管束拖車到站后，經卸氣柱卸氣進入壓縮機，經壓縮機增壓后。分別儲存在高、中、低三級儲氣瓶組。加氫時，加氣機按照低、中、高壓力順序取氣。
本站為燃料電池汽車加氫站，站內設有長管拖車停泊區及其卸氣裝置、固定式儲氣瓶組、負責氫氣的輸送、加壓、加注及放散的管道系統。本加氫站設有3個管束拖車卸車位，布置有4座加氫島。工藝區內設4臺壓縮機(橇裝式，l橇2臺)及2組ASME儲氣瓶組，1組9個(高壓3個，中壓6個)，另l組6個(低壓)，每個儲氣瓶的容積約0.767 m3。站內還設有用于吹掃和氣控的氮氣瓶組。加氫站內設有配套的站房，包括營業間、辦公間、變配電間、控制間、衛生間和加氫島防雨棚等設施。
氫氣儲氣瓶組置于地面基礎之上，壓縮機采用橇裝式，主要是考慮操作和維修方便。加氫機置于加氫島基礎之上。氫氣、吹掃氣及工控氣管道均設置于地下管溝內。
3.2 站內系統配置
①卸氣系統
氫氣由管束拖車將高壓氫氣(18～20 MPa)從氣源處運至加氫站，現場設置3個管束拖車車位，2用1備。通過各泊位內的卸氣柱，將氫氣從管束內卸載，并輸送至氫氣增壓系統和加氫機。當管束拖車上管束內壓力與固定儲氣瓶內壓力平衡，壓縮機啟動，繼續將管束拖車儲氫瓶中的氫氣卸載到固定儲氫瓶組中。
當管束內的氫氣壓力降至設定壓力時(如6MPa)，該管束停止卸氣，并離開加氫站前往氣源處加氣。
②增壓系統
無油潤滑壓縮機已日漸盛行(燃料電池汽車對氫氣純度要求很高，潤滑油可能造成污染)。多級壓縮時的冷卻系統可采用風冷或冷卻液冷卻，風冷簡單但存在氣缸壽命短、電能消耗大的缺點，因此盡可能選擇冷卻液冷卻。驅動可采用電動機或天然氣發動機。
a.壓縮機的選型
目前氫氣壓縮機按類型可分為隔膜式壓縮機和離子式壓縮機。隔膜式壓縮機是靠隔膜在氣缸中作往復運動來壓縮和輸送氣體的往復壓縮機。隔膜沿周邊由兩個限制板夾緊并組成氣缸，隔膜由液壓驅動在氣缸內往復運動，從而實現對氣體的壓縮和輸送。優點是它的氣腔不需要任何潤滑，從而保證了氫氣的純度。離子式壓縮機壓縮過程中使用離子液體對壓縮機進行冷卻，將壓縮熱傳遞到位于每一個壓縮級下游的換熱器的冷卻水系統中。通過壓縮機外部和內部冷卻，幾乎可實現等溫壓縮。但該類型壓縮機是新研發產品，應用成熟度不如隔膜式壓縮機，且成本較高，供貨期較長，功耗偏大。
考慮到兩種壓縮機的優缺點，隔膜式壓縮機應用成熟度較高，且在上海安亭加氫站運行良好，因此上海世博會氫燃料電池加氫站壓縮機用美國PDC公司生產的PDC-4-6000型隔膜式單級雙缸氫氣壓縮機2組，每組2臺，每臺壓縮機常規吸氣壓力為5～22 MPa，額定排氣壓力為46 MPa，電功率約20 kW。1個橇內的2臺壓縮機共用l套冷卻系統。該型壓縮機冷卻氫氣是通過空氣冷卻器來完成的，冷卻器內部為循環的乙二醇液體，乙二醇在冷卻器與氫氣換熱后，溫度升高，然后進入風冷換熱器，通過對流風冷，乙二醇溫度降低，然后繼續用來對壓縮后的氫氣降溫。每臺壓縮機組的控制系統和放散系統都是相互獨立的，相互不受影響。這樣4臺壓縮機都可以獨立工作，不受其他機組的影響，可極大提高系統運行控制的靈活性。
壓縮機最高吸氣壓力設定為23 MPa，該設定壓力需略高于管束拖車內的氫氣壓力。隨著吸氣壓力的降低，壓縮系統的經濟性也降低，因此可設定吸入壓力低限值(如6 MPa)。當吸氣壓力達到低限值時，更換卸氣系統的拖車，將增壓系統壓縮機組的吸氣壓力提高到較高的壓力。
b.增壓基本工藝
壓縮機組系統工藝流程見圖5。來自卸氣柱的氫氣進入增壓系統，分2路進入1號壓縮機橇和2號壓縮機橇。在1號壓縮機橇，氫氣分別被送至壓縮機
在加氫過程中，當高、中、低壓儲氣瓶組系統中任意一個儲氫瓶壓力低于38 MPa時，壓縮機啟動，管束中的氫氣經壓縮機增壓后，充入各個儲氣瓶，充入儲氣瓶組的順序為高壓儲氣瓶組、中壓儲氣瓶組、低壓儲氣瓶組。
此外，為便于緊急情況下對加氫站停機，在壓縮機前設置手動緊急切斷閥。一旦出現緊急情況，通過緊急切斷閥關閉系統。
③儲氫系統
經計算，l96輛燃料電池汽車每天的氫氣需求量約為604 kg／d。
根據上海世博會燃料電池汽車的對氫氣的需求規模，考慮到儲氣瓶組式分級充氣的利用效率高以及移動儲氣的低加注成本，上海世博會專用燃料電池加氫站采用固定式和移動式兩種儲氣裝置，總儲氫量為860 kg。由管束儲氣瓶組、站內低、中、高3級儲氣瓶組組成4級儲氣加注。其儲氫系統工藝流程見圖6。加氫時，加氣機按管束、低壓瓶組、中壓瓶組、高壓瓶組的順序獲取氫氣，當站內儲氣瓶組內任意鋼瓶壓力低于某設定值時，壓縮機啟動，這時壓縮機抽取管束儲氣瓶組內氫氣，經過增壓，一路直接進入加氫機供加氫使用，另一路按高壓儲氣瓶組、中壓儲氣瓶組、低壓儲氣瓶組順序為儲氣瓶內氫氣增壓。
a.移動式儲氣
國外常采用管束拖車上的瓶組作為臨時站內儲氣，故本加氫站也考慮采用2臺管束拖車作為站內儲氣，單臺儲氫量為280 kg。
b.固定式儲氣
根據加氫站的連續加注要求，站內的固定儲氫量需要300 kg，分為低、中、高3級。根據計算，低中高的容量比例應按6：6：3考慮，采用15個ASME瓶，低壓鋼瓶6個，中壓鋼瓶6個，高壓鋼瓶3個，單個儲氣瓶規格參考上海安亭加氫站的ASME儲氣瓶，單瓶直徑為0.406 m，單瓶容積約0.767 m3。
④加氫系統
加氫系統主要包括高壓管道和加氫機。加氫機上安裝壓力傳感器、溫度傳感器、過壓保護裝置、軟管拉斷保護裝置、優先順序加氣控制系統等。
a.加氫機加注壓力
加氫槍的規格有25、35 MPa兩種，對應兩種車載瓶儲氫壓力。目前絕大多數加氫站的加注壓力是35 MPa，部分早期加氫站能夠同時加注25 MPa和35 MPa。
4臺雙槍加氫機中，其中2臺可同時為公交車和轎車加注，每臺加氫機上的2支加氣槍分別為公交車和轎車加注，雙槍同時的最大加注能力約為
b.加氫機計量系統
目前絕大多數加氫機采用質量流量計，其優點是可直接測量氫氣的加注質量，不間接測量體積，也無溫度壓力修正誤差，壓力損失也不大，通常計量相對誤差為0.35％，重復度為0.2％。
c.加氫機取氣優先控制系統
大多數加氫站具有站內高壓儲氣設施，位于加氫機之前，儲氣沒施為緩沖罐或多級高壓儲氣瓶，可編程優先控制器可位于加氫機，所加注的氫氣可來自壓縮機、固定式儲氣瓶組或移動式長管拖車，并設置氣源來源的優先級，優先次序考慮以下因素：儲氣設施的數量和能力、壓縮機的能力、加注車輛數量等。
上海世博會專用燃料電池加氫站根據上述因素，加氫系統工藝流程見圖7。加氫機先從管束(0級瓶組)取氣，當管束內的氫氣壓力與汽車上的車載儲氣瓶壓力平衡時，停止從管束取氣；切換至低壓瓶組，開始從低壓儲氣瓶組取氣，低壓瓶組內壓力與車載儲氣瓶內壓力平衡時，停止取氣；切換至中壓瓶組，開始從中壓儲氣瓶組取氣，中壓瓶組內壓力與車載氣瓶內壓力平衡時，停止取氣；切換至高壓瓶組，開始從高壓儲氣瓶組取氣，高壓瓶組內壓力與車載氣瓶內壓力平衡時，停止取氣；如果還有車輛需要加氣，開啟壓縮機，壓縮機從管束內取氣，進行增壓后，直接給加氫機供氣，直至汽車加滿氫氣，經壓縮機增壓的氫氣按高、中、低壓瓶組順序向各儲氣瓶組充氣。
d.溫度補償系統
氫氣在節流膨脹后溫度升高，具有特有的“焦湯熱效應”，因此需要采用溫度補償系統。上海世博加氫站加氫系統采用預冷加氫的方式，氫氣從壓縮機出來，通過管道首先進入換熱器，將氫氣溫度降低為-20℃后進入加氫機，這樣來控制節流膨脹的溫度升高，達到溫度補償的目的。
⑤氮氣系統
上海世博會專用燃料電池加氫站配置有氮氣瓶組，作為氣控系統氣源和加氫站管道、設備的吹掃氣體。來自氮氣瓶組的高壓氮氣經減壓后，壓力降至0.7 MPa，然后分兩路，一路供給各個緊急切斷閥的氣動執行機構，作為其控制氣體；另外一路氣體送至壓縮機內的各個氣動閥門的執行機構，控制閥門的啟閉。同時在該氮氣輸送管道上預留接口，當系統需要吹掃時，利用軟管將氮氣吹掃接口和管道上預留接口相連，利用氮氣對系統進行吹掃或者用于系統調試和維修過程中的吹掃和空氣置換。
⑥放散系統
氫氣易燃易爆，為提高站內的安全性，本站采用氫氣集中放散系統，其中，卸氣柱、壓縮機、固定式儲氣瓶和加氫機的放散均接至總管集中放散，不得就地放散。管束拖車自帶就地放散裝置，不屬于本項目范疇。
氮氣無毒非燃，可在設備側直接放散。
⑦安防監控系統
氫氣無色、無臭，分子運動速度最快，具有最大的擴散度和很高的導熱性，其導熱能力是空氣的7倍。氫氣著火能很小，很容易著火，在微小的靜電火花下也容易著火。考慮到氫氣的易擴散性、易縮脹性、易燃燒性、易爆炸性的特點，需要在站內特別增加一套安防監控系統，以確保加氫站的運營安全。
上海世博氫燃料電池加氫站的安防監控系統主要包括紅外線周界報警器、視頻監控裝置、氫氣泄漏報警器、火焰探測報警器、防雷裝置、防靜電裝置、水噴淋降溫裝置、消防器材等。
根據加氫站的使用性質，將總平面布置分為4個區域：加氣區、儲氣瓶組區、壓縮機區、車行道和停車場地。加氫站安防監控系統分布情況為：在氣體燃料儲存容器安裝壓力檢測系統，在壓縮機進、出口安裝高、低壓報警系統，在加氫站進出口、儲氣區域、壓縮機區域及加氣區域安裝視頻監控系統，在儲氣區域、壓縮機區域及加氣區域安裝可燃氣體泄漏檢測報警系統，在儲氣區域及加氣區域安裝火焰探測報警系統。
4 結語
① 以上海市工程建設規范DGJ 08-2055-20094燃料電池汽車加氫站技術規程》、GB 50177-2005《氫氣站設計規范》為設計依據在實際工作中具有可操作性。本加氫站的建設，對燃料電池汽車早期商業化示范運行具有極為重要的意義。建議結合本站的實際運行，盡快完善燃料電池汽車的各方面標準，進一步促進燃料電池汽車的發展。
②實踐證明，配以足夠的安全措施，該形式的橇裝式加氫站是可行的。
③現在我國正在加緊開發氫燃料電池汽車，用于氫燃料汽車的基礎設施也應與之相適應。建議在此加氫站的基礎上，繼續尋求一種更加完善的系統配置方案。
本文作者：吳竺 傅玉敏 肖方暐 霍超峰
作者單位：同濟大學上海新奧九環車用能源股份有限公司上海新奧能源科技有限公司
您可以選擇一種方式贊助本站
支付寶轉賬贊助
微信轉賬贊助
