摘要：結(jié)合工程實(shí)例，闡述了氫燃料電池汽車加氫站的系統(tǒng)配置、工藝流程、主要設(shè)備。
關(guān)鍵詞：加氫站； 氫燃料電池汽車； 儲(chǔ)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(jī)、環(huán)境危機(jī)日益加劇的背景下，我國也加速了在氫能交通領(lǐng)域的研究。上海市在燃料電池汽車方面已經(jīng)取得了較大的技術(shù)成果，至今已完成三代燃料電池汽車的開發(fā)，其中第三代燃料電池汽車的多項(xiàng)指標(biāo)考核已達(dá)到了國際A級(jí)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(jìn)辦公室，結(jié)合汽車技術(shù)和汽車能源的發(fā)展趨勢(shì)，制定了新能源汽車發(fā)展計(jì)劃，提出了“加速實(shí)現(xiàn)燃料電池汽車的跨越式發(fā)展，加快推進(jìn)混合動(dòng)力汽車產(chǎn)業(yè)化，繼續(xù)促進(jìn)燃料電池汽車適時(shí)商品化”的基本策略。
在上海世博會(huì)期間，世博園區(qū)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(jìn)站氫氣的質(zhì)量應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB／T 3634.2-2011《氫氣 第2部分：純氫、高純氫和超純氫》規(guī)定的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，并應(yīng)符合下列要求。
用于氫氣內(nèi)燃機(jī)或氫氣燃料汽車的氫氣質(zhì)量指標(biāo)見表1。由于各類燃料電池電動(dòng)汽車的氫源純度要求不一，為適應(yīng)兼容性，本站加注的氫氣暫按超純氫(氫體積分?jǐn)?shù)I>99.999 9％)考慮。氫氣主要物性見表2。
3 加氫站系統(tǒng)配置
3.1 工藝概述
目前加氫站的技術(shù)類型可按氫氣來源分為兩大類：站外制氫(off-site)和站內(nèi)現(xiàn)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(diǎn)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(yùn)至加氫站，卸下車頭后將管束拖車留在站內(nèi)，管束中氫氣經(jīng)壓縮機(jī)增壓后在儲(chǔ)罐中儲(chǔ)存。加氫時(shí)，加氣機(jī)從氫氣儲(chǔ)罐內(nèi)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(yùn)至加氫站，將液氫拖車儲(chǔ)罐內(nèi)的液氫卸到站內(nèi)液氫儲(chǔ)罐。液氫儲(chǔ)罐內(nèi)氫氣經(jīng)蒸發(fā)器氣化后進(jìn)入壓縮機(jī)進(jìn)行增壓，增壓后在氫氣儲(chǔ)罐內(nèi)儲(chǔ)存。加氫時(shí)，加氣機(jī)從氫氣儲(chǔ)罐內(nèi)取氣。
站內(nèi)制氫是指氫氣在加氫站內(nèi)現(xiàn)場制取，目前站內(nèi)制氫的技術(shù)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(zhì)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(jīng)壓縮機(jī)增壓后進(jìn)入儲(chǔ)罐內(nèi)儲(chǔ)存，加氫時(shí)，加氣機(jī)從儲(chǔ)罐內(nèi)取氣。
上海世博會(huì)專用燃料電池加氫站考慮到站外制氫加氫站結(jié)構(gòu)配置相對(duì)簡單，而且成本相對(duì)比較低，建造時(shí)間比較短等優(yōu)點(diǎn)，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(chǎn)氫氣(備用氣源為法國液化空氣集團(tuán)公司所制氫氣)，經(jīng)過提純后以高壓氫氣形式用管束拖車運(yùn)輸?shù)郊託湔緝?nèi)儲(chǔ)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(jīng)卸氣柱卸氣進(jìn)入壓縮機(jī)，經(jīng)壓縮機(jī)增壓后。分別儲(chǔ)存在高、中、低三級(jí)儲(chǔ)氣瓶組。加氫時(shí)，加氣機(jī)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(nèi)設(shè)有長管拖車停泊區(qū)及其卸氣裝置、固定式儲(chǔ)氣瓶組、負(fù)責(zé)氫氣的輸送、加壓、加注及放散的管道系統(tǒng)。本加氫站設(shè)有3個(gè)管束拖車卸車位，布置有4座加氫島。工藝區(qū)內(nèi)設(shè)4臺(tái)壓縮機(jī)(橇裝式，l橇2臺(tái))及2組ASME儲(chǔ)氣瓶組，1組9個(gè)(高壓3個(gè)，中壓6個(gè))，另l組6個(gè)(低壓)，每個(gè)儲(chǔ)氣瓶的容積約0.767 m3。站內(nèi)還設(shè)有用于吹掃和氣控的氮?dú)馄拷M。加氫站內(nèi)設(shè)有配套的站房，包括營業(yè)間、辦公間、變配電間、控制間、衛(wèi)生間和加氫島防雨棚等設(shè)施。
氫氣儲(chǔ)氣瓶組置于地面基礎(chǔ)之上，壓縮機(jī)采用橇裝式，主要是考慮操作和維修方便。加氫機(jī)置于加氫島基礎(chǔ)之上。氫氣、吹掃氣及工控氣管道均設(shè)置于地下管溝內(nèi)。
3.2 站內(nèi)系統(tǒng)配置
①卸氣系統(tǒng)
氫氣由管束拖車將高壓氫氣(18～20 MPa)從氣源處運(yùn)至加氫站，現(xiàn)場設(shè)置3個(gè)管束拖車車位，2用1備。通過各泊位內(nèi)的卸氣柱，將氫氣從管束內(nèi)卸載，并輸送至氫氣增壓系統(tǒng)和加氫機(jī)。當(dāng)管束拖車上管束內(nèi)壓力與固定儲(chǔ)氣瓶內(nèi)壓力平衡，壓縮機(jī)啟動(dòng)，繼續(xù)將管束拖車儲(chǔ)氫瓶中的氫氣卸載到固定儲(chǔ)氫瓶組中。
當(dāng)管束內(nèi)的氫氣壓力降至設(shè)定壓力時(shí)(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(tǒng)
無油潤滑壓縮機(jī)已日漸盛行(燃料電池汽車對(duì)氫氣純度要求很高，潤滑油可能造成污染)。多級(jí)壓縮時(shí)的冷卻系統(tǒng)可采用風(fēng)冷或冷卻液冷卻，風(fēng)冷簡單但存在氣缸壽命短、電能消耗大的缺點(diǎn)，因此盡可能選擇冷卻液冷卻。驅(qū)動(dòng)可采用電動(dòng)機(jī)或天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)。
a.壓縮機(jī)的選型
目前氫氣壓縮機(jī)按類型可分為隔膜式壓縮機(jī)和離子式壓縮機(jī)。隔膜式壓縮機(jī)是靠隔膜在氣缸中作往復(fù)運(yùn)動(dòng)來壓縮和輸送氣體的往復(fù)壓縮機(jī)。隔膜沿周邊由兩個(gè)限制板夾緊并組成氣缸，隔膜由液壓驅(qū)動(dòng)在氣缸內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的壓縮和輸送。優(yōu)點(diǎn)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(jī)壓縮過程中使用離子液體對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行冷卻，將壓縮熱傳遞到位于每一個(gè)壓縮級(jí)下游的換熱器的冷卻水系統(tǒng)中。通過壓縮機(jī)外部和內(nèi)部冷卻，幾乎可實(shí)現(xiàn)等溫壓縮。但該類型壓縮機(jī)是新研發(fā)產(chǎn)品，應(yīng)用成熟度不如隔膜式壓縮機(jī)，且成本較高，供貨期較長，功耗偏大。
考慮到兩種壓縮機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)，隔膜式壓縮機(jī)應(yīng)用成熟度較高，且在上海安亭加氫站運(yùn)行良好，因此上海世博會(huì)氫燃料電池加氫站壓縮機(jī)用美國PDC公司生產(chǎn)的PDC-4-6000型隔膜式單級(jí)雙缸氫氣壓縮機(jī)2組，每組2臺(tái)，每臺(tái)壓縮機(jī)常規(guī)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(gè)橇內(nèi)的2臺(tái)壓縮機(jī)共用l套冷卻系統(tǒng)。該型壓縮機(jī)冷卻氫氣是通過空氣冷卻器來完成的，冷卻器內(nèi)部為循環(huán)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(jìn)入風(fēng)冷換熱器，通過對(duì)流風(fēng)冷，乙二醇溫度降低，然后繼續(xù)用來對(duì)壓縮后的氫氣降溫。每臺(tái)壓縮機(jī)組的控制系統(tǒng)和放散系統(tǒng)都是相互獨(dú)立的，相互不受影響。這樣4臺(tái)壓縮機(jī)都可以獨(dú)立工作，不受其他機(jī)組的影響，可極大提高系統(tǒng)運(yùn)行控制的靈活性。
壓縮機(jī)最高吸氣壓力設(shè)定為23 MPa，該設(shè)定壓力需略高于管束拖車內(nèi)的氫氣壓力。隨著吸氣壓力的降低，壓縮系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性也降低，因此可設(shè)定吸入壓力低限值(如6 MPa)。當(dāng)吸氣壓力達(dá)到低限值時(shí)，更換卸氣系統(tǒng)的拖車，將增壓系統(tǒng)壓縮機(jī)組的吸氣壓力提高到較高的壓力。
b.增壓基本工藝
壓縮機(jī)組系統(tǒng)工藝流程見圖5。來自卸氣柱的氫氣進(jìn)入增壓系統(tǒng)，分2路進(jìn)入1號(hào)壓縮機(jī)橇和2號(hào)壓縮機(jī)橇。在1號(hào)壓縮機(jī)橇，氫氣分別被送至壓縮機(jī)
在加氫過程中，當(dāng)高、中、低壓儲(chǔ)氣瓶組系統(tǒng)中任意一個(gè)儲(chǔ)氫瓶壓力低于38 MPa時(shí)，壓縮機(jī)啟動(dòng)，管束中的氫氣經(jīng)壓縮機(jī)增壓后，充入各個(gè)儲(chǔ)氣瓶，充入儲(chǔ)氣瓶組的順序?yàn)楦邏簝?chǔ)氣瓶組、中壓儲(chǔ)氣瓶組、低壓儲(chǔ)氣瓶組。
此外，為便于緊急情況下對(duì)加氫站停機(jī)，在壓縮機(jī)前設(shè)置手動(dòng)緊急切斷閥。一旦出現(xiàn)緊急情況，通過緊急切斷閥關(guān)閉系統(tǒng)。
③儲(chǔ)氫系統(tǒng)
經(jīng)計(jì)算，l96輛燃料電池汽車每天的氫氣需求量約為604 kg／d。
根據(jù)上海世博會(huì)燃料電池汽車的對(duì)氫氣的需求規(guī)模，考慮到儲(chǔ)氣瓶組式分級(jí)充氣的利用效率高以及移動(dòng)儲(chǔ)氣的低加注成本，上海世博會(huì)專用燃料電池加氫站采用固定式和移動(dòng)式兩種儲(chǔ)氣裝置，總儲(chǔ)氫量為860 kg。由管束儲(chǔ)氣瓶組、站內(nèi)低、中、高3級(jí)儲(chǔ)氣瓶組組成4級(jí)儲(chǔ)氣加注。其儲(chǔ)氫系統(tǒng)工藝流程見圖6。加氫時(shí)，加氣機(jī)按管束、低壓瓶組、中壓瓶組、高壓瓶組的順序獲取氫氣，當(dāng)站內(nèi)儲(chǔ)氣瓶組內(nèi)任意鋼瓶壓力低于某設(shè)定值時(shí)，壓縮機(jī)啟動(dòng)，這時(shí)壓縮機(jī)抽取管束儲(chǔ)氣瓶組內(nèi)氫氣，經(jīng)過增壓，一路直接進(jìn)入加氫機(jī)供加氫使用，另一路按高壓儲(chǔ)氣瓶組、中壓儲(chǔ)氣瓶組、低壓儲(chǔ)氣瓶組順序?yàn)閮?chǔ)氣瓶內(nèi)氫氣增壓。
a.移動(dòng)式儲(chǔ)氣
國外常采用管束拖車上的瓶組作為臨時(shí)站內(nèi)儲(chǔ)氣，故本加氫站也考慮采用2臺(tái)管束拖車作為站內(nèi)儲(chǔ)氣，單臺(tái)儲(chǔ)氫量為280 kg。
b.固定式儲(chǔ)氣
根據(jù)加氫站的連續(xù)加注要求，站內(nèi)的固定儲(chǔ)氫量需要300 kg，分為低、中、高3級(jí)。根據(jù)計(jì)算，低中高的容量比例應(yīng)按6：6：3考慮，采用15個(gè)ASME瓶，低壓鋼瓶6個(gè)，中壓鋼瓶6個(gè)，高壓鋼瓶3個(gè)，單個(gè)儲(chǔ)氣瓶規(guī)格參考上海安亭加氫站的ASME儲(chǔ)氣瓶，單瓶直徑為0.406 m，單瓶容積約0.767 m3。
④加氫系統(tǒng)
加氫系統(tǒng)主要包括高壓管道和加氫機(jī)。加氫機(jī)上安裝壓力傳感器、溫度傳感器、過壓保護(hù)裝置、軟管拉斷保護(hù)裝置、優(yōu)先順序加氣控制系統(tǒng)等。
a.加氫機(jī)加注壓力
加氫槍的規(guī)格有25、35 MPa兩種，對(duì)應(yīng)兩種車載瓶儲(chǔ)氫壓力。目前絕大多數(shù)加氫站的加注壓力是35 MPa，部分早期加氫站能夠同時(shí)加注25 MPa和35 MPa。
4臺(tái)雙槍加氫機(jī)中，其中2臺(tái)可同時(shí)為公交車和轎車加注，每臺(tái)加氫機(jī)上的2支加氣槍分別為公交車和轎車加注，雙槍同時(shí)的最大加注能力約為
b.加氫機(jī)計(jì)量系統(tǒng)
目前絕大多數(shù)加氫機(jī)采用質(zhì)量流量計(jì)，其優(yōu)點(diǎn)是可直接測量氫氣的加注質(zhì)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(jì)量相對(duì)誤差為0.35％，重復(fù)度為0.2％。
c.加氫機(jī)取氣優(yōu)先控制系統(tǒng)
大多數(shù)加氫站具有站內(nèi)高壓儲(chǔ)氣設(shè)施，位于加氫機(jī)之前，儲(chǔ)氣沒施為緩沖罐或多級(jí)高壓儲(chǔ)氣瓶，可編程優(yōu)先控制器可位于加氫機(jī)，所加注的氫氣可來自壓縮機(jī)、固定式儲(chǔ)氣瓶組或移動(dòng)式長管拖車，并設(shè)置氣源來源的優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先次序考慮以下因素：儲(chǔ)氣設(shè)施的數(shù)量和能力、壓縮機(jī)的能力、加注車輛數(shù)量等。
上海世博會(huì)專用燃料電池加氫站根據(jù)上述因素，加氫系統(tǒng)工藝流程見圖7。加氫機(jī)先從管束(0級(jí)瓶組)取氣，當(dāng)管束內(nèi)的氫氣壓力與汽車上的車載儲(chǔ)氣瓶壓力平衡時(shí)，停止從管束取氣；切換至低壓瓶組，開始從低壓儲(chǔ)氣瓶組取氣，低壓瓶組內(nèi)壓力與車載儲(chǔ)氣瓶內(nèi)壓力平衡時(shí)，停止取氣；切換至中壓瓶組，開始從中壓儲(chǔ)氣瓶組取氣，中壓瓶組內(nèi)壓力與車載氣瓶內(nèi)壓力平衡時(shí)，停止取氣；切換至高壓瓶組，開始從高壓儲(chǔ)氣瓶組取氣，高壓瓶組內(nèi)壓力與車載氣瓶內(nèi)壓力平衡時(shí)，停止取氣；如果還有車輛需要加氣，開啟壓縮機(jī)，壓縮機(jī)從管束內(nèi)取氣，進(jìn)行增壓后，直接給加氫機(jī)供氣，直至汽車加滿氫氣，經(jīng)壓縮機(jī)增壓的氫氣按高、中、低壓瓶組順序向各儲(chǔ)氣瓶組充氣。
d.溫度補(bǔ)償系統(tǒng)
氫氣在節(jié)流膨脹后溫度升高，具有特有的“焦湯熱效應(yīng)”，因此需要采用溫度補(bǔ)償系統(tǒng)。上海世博加氫站加氫系統(tǒng)采用預(yù)冷加氫的方式，氫氣從壓縮機(jī)出來，通過管道首先進(jìn)入換熱器，將氫氣溫度降低為-20℃后進(jìn)入加氫機(jī)，這樣來控制節(jié)流膨脹的溫度升高，達(dá)到溫度補(bǔ)償?shù)哪康摹?span lang="EN-US">
⑤氮?dú)庀到y(tǒng)
上海世博會(huì)專用燃料電池加氫站配置有氮?dú)馄拷M，作為氣控系統(tǒng)氣源和加氫站管道、設(shè)備的吹掃氣體。來自氮?dú)馄拷M的高壓氮?dú)饨?jīng)減壓后，壓力降至0.7 MPa，然后分兩路，一路供給各個(gè)緊急切斷閥的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，作為其控制氣體；另外一路氣體送至壓縮機(jī)內(nèi)的各個(gè)氣動(dòng)閥門的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制閥門的啟閉。同時(shí)在該氮?dú)廨斔凸艿郎项A(yù)留接口，當(dāng)系統(tǒng)需要吹掃時(shí)，利用軟管將氮?dú)獯祾呓涌诤凸艿郎项A(yù)留接口相連，利用氮?dú)鈱?duì)系統(tǒng)進(jìn)行吹掃或者用于系統(tǒng)調(diào)試和維修過程中的吹掃和空氣置換。
⑥放散系統(tǒng)
氫氣易燃易爆，為提高站內(nèi)的安全性，本站采用氫氣集中放散系統(tǒng)，其中，卸氣柱、壓縮機(jī)、固定式儲(chǔ)氣瓶和加氫機(jī)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(xiàng)目范疇。
氮?dú)鉄o毒非燃，可在設(shè)備側(cè)直接放散。
⑦安防監(jiān)控系統(tǒng)
氫氣無色、無臭，分子運(yùn)動(dòng)速度最快，具有最大的擴(kuò)散度和很高的導(dǎo)熱性，其導(dǎo)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?？紤]到氫氣的易擴(kuò)散性、易縮脹性、易燃燒性、易爆炸性的特點(diǎn)，需要在站內(nèi)特別增加一套安防監(jiān)控系統(tǒng)，以確保加氫站的運(yùn)營安全。
上海世博氫燃料電池加氫站的安防監(jiān)控系統(tǒng)主要包括紅外線周界報(bào)警器、視頻監(jiān)控裝置、氫氣泄漏報(bào)警器、火焰探測報(bào)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(jù)加氫站的使用性質(zhì)，將總平面布置分為4個(gè)區(qū)域：加氣區(qū)、儲(chǔ)氣瓶組區(qū)、壓縮機(jī)區(qū)、車行道和停車場地。加氫站安防監(jiān)控系統(tǒng)分布情況為：在氣體燃料儲(chǔ)存容器安裝壓力檢測系統(tǒng)，在壓縮機(jī)進(jìn)、出口安裝高、低壓報(bào)警系統(tǒng)，在加氫站進(jìn)出口、儲(chǔ)氣區(qū)域、壓縮機(jī)區(qū)域及加氣區(qū)域安裝視頻監(jiān)控系統(tǒng)，在儲(chǔ)氣區(qū)域、壓縮機(jī)區(qū)域及加氣區(qū)域安裝可燃?xì)怏w泄漏檢測報(bào)警系統(tǒng)，在儲(chǔ)氣區(qū)域及加氣區(qū)域安裝火焰探測報(bào)警系統(tǒng)。
4 結(jié)語
① 以上海市工程建設(shè)規(guī)范DGJ 08-2055-20094燃料電池汽車加氫站技術(shù)規(guī)程》、GB 50177-2005《氫氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》為設(shè)計(jì)依據(jù)在實(shí)際工作中具有可操作性。本加氫站的建設(shè)，對(duì)燃料電池汽車早期商業(yè)化示范運(yùn)行具有極為重要的意義。建議結(jié)合本站的實(shí)際運(yùn)行，盡快完善燃料電池汽車的各方面標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步促進(jìn)燃料電池汽車的發(fā)展。
②實(shí)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(xiàn)在我國正在加緊開發(fā)氫燃料電池汽車，用于氫燃料汽車的基礎(chǔ)設(shè)施也應(yīng)與之相適應(yīng)。建議在此加氫站的基礎(chǔ)上，繼續(xù)尋求一種更加完善的系統(tǒng)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(jì)大學(xué)上海新奧九環(huán)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(zhuǎn)賬贊助
微信轉(zhuǎn)賬贊助
