氢燃料电池汽车简易加氢站设计

邱鹏　黄祖朋　邓海文　邵杰

摘 要：为了面对能源与环境问题，国家与地方政府正在大力推动氢燃料电池汽车产业的发展，目前国内主流的汽车生产企业基本上都已经启动了氢燃料电池汽车的研发工作。然而，受限于我国加氢站建设周期长，成本高，流程复杂等问题，使得全国的加氢站数量十分稀少，许多汽车生产企业研发出来的氢燃料电池汽车面临着加氢的巨大挑战，一些偏远地方的汽车生产企业甚至到了无氢可加的境地。为了缓解氢燃料电池汽车的加氢问题，拓宽氢燃料电池汽车的使用场景，本文提出了一种简易加氢站的设计方法，期望该方法可为加氢困难的汽车生产企业提供借鉴，加速氢燃料电池汽车产业的发展。

关键词：氢燃料电池汽车 基础设施 加氢

1 引言

氢燃料电池汽车的发展还有很多难题需要面对，如何建设发展燃料电池汽车所必须的基础设施—加氢站是主要的问题之一[1]。

氢气是一种很活泼的气体，难被液化，具有易燃易爆的特点，使用高压气瓶存储又涉及很多技术和安全问题，所以对外开放的大型加氢站对技术和安全的要求极高，随之而来的是漫长的建设周期和巨大的投资成本。按现在氢能源汽车的发展速度，基础设施的建设是跟不上的，所以加氢站需要国家和地方政府的大力支持和补贴才能普及和推广[2][3]。

对大多数企业来说，如果不临近大型加氢站，想发展氢燃料电池汽车相关技术，就不得不面对加氢问题。如果仅在企业内有加氢需求，不对外运营，可以在保证安全性的基础上，根据使用需求和实际情况因地制宜。根据具体的加氢需求，建设小型加氢站，可以节约资源，并有效缓解加氢困难的问题。本文将基于相关标准，设备安装和基建设计三方面介绍一种小型氢燃料电池汽车加氢站。

2 加氢站建设标准

现有的加氢站标准主要针对对外运营的大型加氢站，对建设地点，安全防火距离，设备耐压耐高温能力，电气及仪表控制，建筑结构，给水排水等均有着十分具体的要求。加氢站主要分氢气站（制氢）与供氢站（不制氢）两大类，其中氢气站的建设要求更为严格，小型加氢站通常选择从其他地方运输瓶装氢气，再进行增压加注[4，5]。

基于现有标准，根据加氢站的储氢量，可以将加氢站按表1分类。

由表1可知，国家标准中最小级别的加氢站也是1000kg数量级储氢量，建设起来非常复杂，本文中提到的小型加氢站储氢量通常设计在10kg到100kg之间，远小于标准分类中的最小级别，足以满足数台氢燃料电池乘用车的日常开发与运行。

加氢站建设对环境的要求很高，因为要尽量避免环境中潜在的危险，所以针对不同规模的建筑物，电气线路，交通道路的安全距离都有着明确的规定，主要要求如下表2所示[6]：

为了确保使用安全，小型加氢站可选择按照三级加氢站的要求设计安全距离，实际上由于储氢量相比于三级加氢站小很多，如果需要使用更小的安全距离，可找相关安全部门进行评估[7]。

3 简易加氢站设备构成

对于小型简易加氢站，选择合适规格的设备就可以实现从氢格加氢到氢燃料电池汽车储氢罐。本文设计的小型简易加氢站的设备主要包括：空压机，稳压罐，氢气增压泵，过滤机等，小型加氢站原理如图1所示：

驱动空气：先使用空压机将大气中的空气压缩为具有一定气压的驱动气源，再驱动空气通过管路输送到空压机储气罐中，可以除去大部分液态水并避免空压机频繁起停，随后气体再经过干燥机和过滤器，除去其中的水分和灰尘，最后通到氢气增压系统的驱动气体入口，用于氢气的增压;

氢格：将若干个储氢瓶的集装格并联或串联连接，最常见的储氢瓶每个储氢瓶容积40L，通常额定压力为13.5MPa，常温下，按每16个氢瓶成集装格计算，约能储存氢气7-8kg，每个氢格都可以为氢燃料电池汽车加氢1-2次;可根据实际需求选择氢瓶规格以及成组方式;

氮气瓶：使用高纯度氮气，在每次加氢前对管路进行扫吹，排尽管路内的空气，防止加氢过程中发生危险;

卸荷管路：可以在出现紧急情况时卸掉氢气，增压过程中也有少量氢气通过卸荷排出到大气;

加氢枪：用于和氢燃料电池汽车的加氢口结合，将高压氢气加注到储氢系统中。

4 简易加氢站基建结构

小型简易加氢站需要基建设施辅助，才能满足国家相关防火防雷防水的要求。图2为本文设计的一种小型加氢站基建结构，包括消防系统，照明系统，硬化地面，护栏及顶棚，避雷针与接地装置，给水排水系统，配电系统等。所有系统共同配合，实现简易加氢站安全，便捷，高效地执行加氢功能。

5 总结与展望

在环境问题日益重要的今天，发展氢能源是实现“绿色地球”的必经之路。在氢燃料电池电堆技术不断发展的同时，基础设施的建设需要同步加速，这样燃料电池相关技术才能更容易发展和推广。氢能源和氢燃料电池汽车都是国家大力支持新能源领域的重中之重，相信在不久的将来，氢燃料电池汽车也会像如今的纯电动汽车一样，随处可见，加氢站也会像现在的充电桩一样普及。

基金项目：广西创新驱动发展专项资金资助项目（桂科AA18242039）;柳州市科学研究与技术开发计划资助项目（2019AD10202）

参考文献：

[1]洪虹，章斯淇.氢能源产业链现状研究与前景分析[J].氯碱工业，2019，55（09）：1-9.

[2]赵永志，蒙波，陈霖新，王赓，郑津洋，顾超华，张鑫，张俊峰.氢能源的利用现状分析[J].化工进展，2015，34（09）：3248-3255.

[3]贾同国，王银山，李志伟.氢能源发展研究现状[J].节能技术，2011，29（03）：264-267.

[4]GB 50516-2010，加氫站技术规范[S].

[5]GB/T 34584-2017，加氢站安全技术规范 [S].

[6]GB/T 50177-2005，氢气站设计规范[S].

[7]GB 4962-2008，氢气使用安全技术规程[S].