汽车加氢站技术路线与发展规划

文 星

(陕西首创天成工程技术有限公司第二设计院，陕西 西安 710016)

1 概述

加氢站是为氢燃料电池汽车、氢燃料内燃机汽车、氢气天然气混合燃料汽车等充装氢燃料的专门场所。据中国氢能联盟于2019年发布的《中国氢能源及燃料电池产业白皮书(2019)》，截至2018年底，中国已建成或在运营的加氢站有23座，氢燃料电池汽车拥有量3 428辆。加氢站主要分布在经济比较发达、有汽车产业基础的地区，以及地方政府有意愿实施新旧动能转换的地区。目前，加氢站主要集中在北京、上海、广州、深圳等城市。在建加氢站数量逾40座，2020年预计达到100座。本文对加氢站主流技术路线进行分析，探讨我国在加氢站建设过程中存在的短板与发展规划。

2 加氢站主流技术路线

2.1 站内制氢加氢站

① 电解水制氢

电解水制氢的技术已十分成熟，欧洲大多数站内制氢加氢站均采用这种技术。电解水制氢装置利用电解装置将水分解成氢气和氧气后，利用压缩机将氢气先后输送至高压、中压、低压储氢罐中分级储存。需要加注服务时，加氢机可先后从低压、中压、高压储氢罐中按顺序取气加注。由于回收成本的问题，电解水制氢过程中产生的氧气一般都直接排放到大气中。电解水制氢可实现高度集成的整体式设备，十分便于安装，大幅提高了自动化程度，减少了设备占用空间［1］。

② 天然气重整制氢

天然气重整制氢具有制氢成本低的优点，但设备投资较大，制备的氢气需要经过纯化工艺才能满足氢燃料电池的要求。大规模(超过1 000 m3/h)的天然气重整制氢已广泛应用于化工行业，加氢站站用规模(50～200 m3/h)的天然气重整制氢技术目前正在开发之中。与电解水制氢装置类似，天然气重整制氢装置集成在一个框架内，便于运输和现场安装。

2.2 站外制氢加氢站

站外制氢加氢站的氢气主要来自钢铁企业、焦化厂、化肥厂等企业的副产氢气，使用氢气长管拖车(运输高压气态氢)、液氢槽车(运输低温液态氢)运输。

氢气长管拖车将氢气运输至加氢站后，装有氢气的半挂车与牵引车分离并与卸气柱相连接。随后，氢气进入压缩机被压缩，并先后输送至高压、中压、低压储氢罐(或氢气储气瓶组)中分级储存。需要加注服务时，加氢机可以先后从氢气长管拖车、低压储氢罐、中压储氢罐、高压储氢罐中按顺序取气进行加注。平时站区内停泊2辆氢气长管拖车，另有1辆往返加氢站与氢源之间，运送氢气，替换站内的空车。

液氢槽车将液氢运输至加氢站，与加氢站连接后进入站内的液氢储罐。液氢储罐中的氢通过气化器进行气化，气化后的氢气进入缓冲罐。随后进入压缩机内被压缩，并先后输送至高压、中压、低压储氢罐中分级储存。需要加注服务时，加氢机可以先后从低压储氢罐、中压储氢罐、高压储氢罐中按顺序取气进行加注［2］。

2.3 加氢站核心设备

① 压缩机

压缩机是将氢加压注入储氢罐的核心设备，输出压力和密封性能是其最重要的性能指标。从全球范围的加氢站来看，各种类型的压缩机都有使用。隔膜式压缩机输出压力可超过100 MPa，密封性能非常好，是加氢站的最佳选择。

② 储氢罐

作为加氢站的储氢容器，储气压力是储氢罐主要技术指标。氢气与传统的钢质内胆储罐易发生氢脆反应，诱发容器壁裂纹生长。因此，加氢站储氢罐主要采用由碳纤维复合材料或由纤维全缠绕铝合金制成的新型轻质耐压内胆，外加可吸收冲击的坚固壳体。

③ 加氢机

加氢机是实现氢气加注服务的设备，主要结构和工作原理与CNG加气机并无较大区别，未来的发展方向在于智能化和安全性的提高。

2.4 加氢站建设成本及运营成本

① 建设成本

加氢站的建设成本因所采取技术路线的不同而有所差异。卢森堡站外制氢加氢站(储氢能力为500 kg，加注压力为45 MPa)，厂站设备投资(不含氢气长管拖车、液氢槽车)仅约55×104欧元。斯图加特站内制氢加氢站(储氢能力为281 kg，制氢能力40～100 m3/h，加注压力为45 MPa)采用天然气重整制氢工艺，共投入了188×104欧元用于加氢站的建设。采用电解水制氢工艺的站内制氢加氢站，建设成本为100×104～150×104欧元。制氢能力为60～100 m3/h，加注压力为45 MPa的采用电解水制氢工艺的站内制氢加氢站，建设成本为100×104～150×104欧元。

整体上看，在规模相近的条件下，采取租赁氢气长管拖车、液氢槽车时，站外制氢加氢站在这几种加氢站中的建设成本最小。采取天然气重整制氢工艺的站内制氢加氢站建设成本最高，但是随着技术的进步，建设成本有下降的空间。

② 运行成本

在不考虑设备维护及人员工资的前提下，站外制氢加氢站的运行成本取决于氢源的制氢成本和运输成本，若加氢站距离氢源较远，运输成本将大幅上升，将导致项目经济性明显下降。

站内制氢加氢站的运行成本基本来自水、电、天然气的消耗，并直接体现在氢气的价格上。在制氢能力相近的前提下，采取电解水制氢工艺的站内制氢加氢站的运行成本要高于采取天然气重整制氢工艺的站内制氢加氢站。

3 我国加氢站存在问题

在压缩机方面，美国PDC等公司已掌握具有3层金属隔膜结构的隔膜式压缩机制造技术，输出压力超过85 MPa。在储氢罐方面，美国、加拿大、日本等国均可自主生产耐压超过70 MPa的由碳纤维复合材料和纤维全缠绕铝合金内胆制成的高压储氢罐。在加氢机方面，德国林德、美国空气化工等企业生产的70 MPa加氢机的安全性与智能化较高，并已实现量产。欧美及日本的加氢站普遍采用70 MPa的加注压力，日本从制度上鼓励加注压力上限从70 MPa提高到88 MPa，并进一步实现技术升级。

国产加氢站核心设备的研制处于起步阶段。在压缩机方面，我国现有压缩机制造商仅能生产用于石油、化工领域的工业氢气压缩机，输出压力均在30 MPa以下，无法满足加氢站技术要求。中船重工718所通过与美国PDC公司技术合作，可组装用于加氢站的高压氢气压缩机，但核心部件均需美方提供，国产化还有较远距离。在储氢罐方面，浙江大学掌握了纤维全缠绕铝合金内胆高压储氢罐制造技术，解决了超薄铝合金内胆成型、高抗疲劳性能的缠绕线形匹配等技术难题，但尚未实现量产。在加氢机方面，天然气设备制造商江苏国富氢能技术有限公司和成都华气厚普机电设备股份有限公司已成功研发出国产加氢机，最大加注压力为45 MPa，已在多座加氢站应用，是目前已实现国产化的加氢站核心设备。我国示范性加氢站的加注压力尚处于35 MPa的技术水平，核心设备主要依赖进口。

4 我国加氢站规划与相关政策

国家高度重视氢燃料电池汽车产业。近两年，国家相关部委密集出台政策，大力支持氢燃料电池汽车发展。《国家创新驱动发展战略纲要》《“十三五”国家科技创新规划》《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》《中国制造2025》《汽车产业中长期发展规划》《“十三五”交通领域科技创新专项规划》等将发展氢能和氢燃料电池技术列为重点任务，将氢燃料电池汽车列为重点支持领域。明确提出:到2020年，实现5 000辆级规模在特定地区公共服务用车领域的示范应用，建成100座加氢站。到2025年，实现5×104辆燃料电池汽车规模的应用，建成300座加氢站。到2030年，实现100×104辆燃料电池汽车的商业化应用，建成1 000座加氢站。

国家和地方陆续出台补贴政策扶持加氢站建设。2014年11月财政部、科技部、工业和信息化部、发展改革委公布了《关于新能源汽车充电设施建设奖励的通知》，指出对符合国家技术标准且加氢能力不少于200 kg/d的新建氢燃料电池汽车加氢站每座厂站奖励400×104元。与此同时，国内部分城市也推出了加氢站项目的扶持政策，国家与地方政策的配合将成为中国加氢站建设推广的催化剂。

在“863计划”(国家高技术研究发展计划)的支持下，中国陆续开展“基于可再生能源制(储)氢的70 MPa加氢站研发及示范”等科研项目的研究。在同济大学等科研机构的参与下，我国一方面研发利用风光电解水制氢技术，另一方面重点攻关加氢站核心设备技术难题，探索87.5 MPa储氢罐、90 MPa压缩机及70 MPa加氢机核心技术，力争缩小中外技术水平差距。由国家科技部大力支持的我国首座完全自主研发的加氢站——大连加氢站于2016年9月顺利落成。大连加氢站集成了可再生能源制氢技术，90 MPa超高压压缩和储存技术，实现了70 MPa加注压力。每天能为200台氢燃料电池汽车加氢，每辆车续航里程最高达800 km，标志着我国加氢站建设水平登上了新台阶。

2018年3月22日，《武汉经济技术开发区(汉南区)加氢站审批及管理办法》出台，这是全国首个加氢站审批及监管地方管理办法，为推进和加快武汉市氢能汽车产业的发展扫清障碍。该办法明确了加氢站的项目选址、报建、施工、经营全过程的审批及管理流程和相关监管职能部门。依据这一管理办法，武汉开发区(汉南区)将建设2座加氢站。

上海市科委、市经信委、市发改委、嘉定区政府于2017年9月20日举行《上海市燃料电池汽车发展规划》(以下简称《规划》)新闻发布会，发布《规划》主要内容和下一步工作情况。《规划》简要分析了目前国内外氢燃料电池汽车的发展形势及上海发展氢燃料电池汽车的优势，确定了上海市氢燃料电池汽车发展的指导思想和基本原则，并制订了短期、中期、长期的发展目标，明确了上海发展氢燃料电池汽车的重点任务。

2018年3月13日苏州市发改委、市经信委、市科技局、市交通局联合制定《苏州市氢能产业发展指导意见(试行)》，加快氢能产业在苏州的发展。

5 结语

我国加氢站建设适合按照点、线、面的思路循序渐进来发展，宜考虑与加油站或天然气加气站合建以减少重复投资、节约用地，并优先发展城市交通氢能利用。根据《中国制造2025》对氢燃料电池汽车产业发展的规划，2025年的目标是实现加氢站等配套基础设施的完善。预计2025年后，国内氢燃料电池汽车产业将进入快速发展阶段，到2030年国内燃料电池汽车年销量规模可达百万辆以上，配套加氢站数量将在4 500座以上，对应加氢站投资规模800×108元，相关设备投资规模达到500×108元。