中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：
作者：熊亞林 1,2 圖片許壯 3王雪穎 2高鵬博 2楊康 1
單位：1. 國(guó)華能源投資有限公司；2. 北京國(guó)氫中聯(lián)氫能科技研究院有限公司 ；3. 北京低碳清潔能源研究院
引用： 熊亞林,許壯,王雪穎等.我國(guó)加氫基礎(chǔ)設(shè)施關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)分析[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù),2022,11(10):3391-3400.
DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0254
摘 要 加氫基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)的發(fā)展是低碳清潔氫氣在交通領(lǐng)域應(yīng)用的重要支撐。本文對(duì)加氫基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)進(jìn)行綜述，介紹了包括美國(guó)、日本、歐洲等國(guó)家和地區(qū)的加氫基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)路線圖和技術(shù)指標(biāo)目標(biāo)，提煉了降低設(shè)備成本、提高運(yùn)行可靠性和降低運(yùn)行能耗三個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)作為加氫站降本技術(shù)的開(kāi)發(fā)思路與目標(biāo)。主要國(guó)家通過(guò)高可靠性及高效率的氫氣壓縮機(jī)與液氫泵、高效加氫機(jī)、高壓閥門(mén)、長(zhǎng)壽命膜片等核心裝備、關(guān)鍵材料及組件的國(guó)產(chǎn)化等攻關(guān)方向進(jìn)行研發(fā)布局從而實(shí)現(xiàn)加氫站整體降本，對(duì)我國(guó)加氫技術(shù)路線制定具有重要參考價(jià)值?；趪?guó)內(nèi)加氫基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，分析并量化對(duì)標(biāo)我國(guó)關(guān)鍵技術(shù)裝備性能指標(biāo)與國(guó)外的差距，提出我國(guó)加氫基礎(chǔ)設(shè)施整站與關(guān)鍵技術(shù)裝備技術(shù)路線與攻關(guān)方向，并建議從技術(shù)突破、政策鼓勵(lì)與產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新等多方面協(xié)同發(fā)力，降低加氫基礎(chǔ)設(shè)施成本，從而發(fā)揮氫能在交通領(lǐng)域深度脫碳方面的作用。
關(guān)鍵詞 氫能；加氫基礎(chǔ)設(shè)施；加氫機(jī)；壓縮機(jī)；液氫
為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，全球已有許多國(guó)家戰(zhàn)略布局氫能與燃料電池相關(guān)技術(shù)，將氫能作為達(dá)成聯(lián)合國(guó)氣候變化綱要公約締約國(guó)大會(huì)減碳要求的重要策略，日本、韓國(guó)、德國(guó)、美國(guó)等逾20個(gè)國(guó)家或地區(qū)頒布了氫能相關(guān)發(fā)展政策，形成了較為清晰的氫能發(fā)展戰(zhàn)略與路線，并通過(guò)氫能多元化應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)鏈上的關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與商業(yè)化來(lái)帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。2019年全球氫能相關(guān)市場(chǎng)規(guī)模已達(dá)到25 億美元，未來(lái)將會(huì)以10%的復(fù)合年均增長(zhǎng)率在2023年達(dá)到 38 億美元，氫能產(chǎn)業(yè)具有極大的市場(chǎng)潛力。在碳中和與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)新引擎的雙動(dòng)能作用下，越來(lái)越多的國(guó)家開(kāi)始關(guān)注氫能產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈的發(fā)展。
2019年氫能首次寫(xiě)入我國(guó)《政府工作報(bào)告》，明確“將推動(dòng)加氫等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)”作為氫能源產(chǎn)業(yè)鏈上游制氫與下游用戶的聯(lián)系樞紐，其是產(chǎn)業(yè)鏈的核心環(huán)節(jié)，也是大規(guī)模發(fā)展燃料電池汽車(chē)的基礎(chǔ)條件。2022年3月，國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家能源局聯(lián)合印發(fā)《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃(2021—2035年)》，作為指導(dǎo)今后15年氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的綱領(lǐng)性文件，明確指出到2025年部署建設(shè)一批加氫站。加氫站的建設(shè)得到了各方關(guān)注，但我國(guó)加氫站技術(shù)也面臨著瓶頸：一方面，我國(guó)在加氫站關(guān)鍵技術(shù)方面起步晚，目前國(guó)內(nèi)研發(fā)的35 MPa加氫站技術(shù)和加氫機(jī)技術(shù)在加注速度、加注能耗等關(guān)鍵性能上實(shí)現(xiàn)逐步提升，但缺乏高密度、大負(fù)荷下的連續(xù)加氫考核和驗(yàn)證。盡管我國(guó)在“十三五”期間的“氫能與可再生能源”專(zhuān)項(xiàng)支持了70 MPa加氫站加壓/加注裝備開(kāi)發(fā)，但目前尚未進(jìn)行規(guī)模化應(yīng)用。美國(guó)、日本、歐洲等國(guó)已制定了加氫基礎(chǔ)設(shè)施基礎(chǔ)路線圖與關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)發(fā)展目標(biāo)，我國(guó)目前尚無(wú)相關(guān)技術(shù)路線的頂層規(guī)劃，與國(guó)外當(dāng)前技術(shù)水平的差距缺乏量化對(duì)比分析。另一方面，加氫基礎(chǔ)設(shè)施面臨建設(shè)成本、運(yùn)營(yíng)成本雙高問(wèn)題，成為現(xiàn)階段燃料電池汽車(chē)大規(guī)模部署的主要障礙。
因此，本文對(duì)主要發(fā)達(dá)國(guó)家加氫技術(shù)路線進(jìn)行綜述，深入分析加氫技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，并與國(guó)外加氫技術(shù)進(jìn)行了差距量化對(duì)標(biāo)，分析我國(guó)加氫技術(shù)差距的原因與國(guó)產(chǎn)化情況，在此基礎(chǔ)上提出我國(guó)加氫技術(shù)路線。希望為推動(dòng)我國(guó)低碳清潔能源轉(zhuǎn)型、碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)及加速氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)?；M(jìn)程提供參考依據(jù)，對(duì)我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)與技術(shù)的發(fā)展提供指導(dǎo)。
1 國(guó)際加氫技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
加氫站是氫能在交通領(lǐng)域進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用的重要基礎(chǔ)設(shè)施，加氫站作為氫能供應(yīng)和氫能應(yīng)用的連接節(jié)點(diǎn)，技術(shù)發(fā)展與氫供應(yīng)鏈和燃料電池電動(dòng)汽車(chē)用氫需求密不可分。隨著燃料電池汽車(chē)需求的增長(zhǎng)，世界各國(guó)開(kāi)始加快加氫站的建設(shè)步伐。根據(jù)中國(guó)氫能聯(lián)盟統(tǒng)計(jì)，截至2021年12月，全球已建成687座加氫站，以70 MPa高壓氣態(tài)加氫站為主，占比70%以上。固定式加氫站占比80%以上。液氫加氫站主要分布在美國(guó)、德國(guó)和日本，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，占比不到5%。國(guó)外在線制氫加氫站是氫能與燃料電池發(fā)展初期的一種重要加氫站形式，制氫加氫一體站占比約15%。我國(guó)加氫站保有量最高，共建成234座加氫站，2021年新建成加氫站106座。日本、德國(guó)、韓國(guó)和美國(guó)緊隨其后，分別為155座、92座、70座和47座。中國(guó)加氫站建設(shè)進(jìn)入快速發(fā)展階段，新增加氫站數(shù)量連續(xù)兩年全球第一，同時(shí)固定站的占比逐漸增加。我國(guó)目前加氫站仍以35 MPa為主，占比高達(dá)88%，固定式加氫站占比提升至62%左右，制氫加氫一體站受制于標(biāo)準(zhǔn)與法規(guī)，僅在佛山建成一座天然氣站內(nèi)制氫站。
全球加氫站呈現(xiàn)出外供高壓氣氫35/70 MPa加氫站、外供液氫35/70 MPa加氫站與現(xiàn)場(chǎng)制氫加氫站等多種技術(shù)形態(tài)。加氫站的主要技術(shù)裝備包括氫氣壓縮機(jī)、儲(chǔ)氫容器、加氫機(jī)、冷凍機(jī)、液氫泵與工藝控制系統(tǒng)等，如圖3所示。
當(dāng)前，高壓氣態(tài)長(zhǎng)管拖車(chē)為最成熟的加氫站供氫方式，具有一定靈活性和成本優(yōu)勢(shì)。歐美日韓等先發(fā)國(guó)家自發(fā)展燃料電池汽車(chē)以來(lái)，主要針對(duì)乘用車(chē)應(yīng)用進(jìn)行開(kāi)發(fā)，其壓力等級(jí)主要以70 MPa為主，車(chē)載儲(chǔ)氫瓶主要為Ⅳ型瓶?jī)?chǔ)氫瓶。近年來(lái)，物流、大巴、重型卡車(chē)等商用燃料電池汽車(chē)發(fā)展迅猛，美國(guó)等國(guó)也在開(kāi)始推動(dòng)低成本大儲(chǔ)量型加氫站的建設(shè)。為適應(yīng)規(guī)?；瘹錃饧幼?，液氫加氫站具有儲(chǔ)氫容量高等優(yōu)勢(shì)，其發(fā)展也較為成熟。日本、美國(guó)等國(guó)在液氫加氫站建設(shè)方面也處于領(lǐng)先地位，已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)營(yíng)。此外，站內(nèi)制氫方式可省去較高的氫氣運(yùn)輸費(fèi)用，美國(guó)、德國(guó)等國(guó)家在氫能發(fā)展初期出于綜合成本考慮，發(fā)展了一定比例的在線制氫加氫站。建設(shè)油氣氫電一體化的能源綜合站是目前氫能應(yīng)用落地的最好方式之一，有效節(jié)約了土地資源，并依靠已有加油站銷(xiāo)售網(wǎng)絡(luò)、彌補(bǔ)加氫站的經(jīng)營(yíng)性虧損。
根據(jù)美國(guó)能源部的測(cè)算，500 kg/d加注能力的加氫站平準(zhǔn)化成本中，壓縮機(jī)成本占50%以上，制冷設(shè)備與加氫機(jī)緊隨其后，如圖4所示。除建設(shè)投資外，整站的運(yùn)行能耗與維護(hù)成本占比超過(guò)50%，歸因于壓縮機(jī)、加氫機(jī)等關(guān)鍵裝備的可靠性不足、壓縮與預(yù)冷等功能運(yùn)行能耗高等。
目前，基于燃料電池汽車(chē)細(xì)分市場(chǎng)布局，美國(guó)、歐洲和日韓均將70 MPa氫氣加注技術(shù)、液氫加注視為未來(lái)的主流發(fā)展方向，聚焦高壓氣態(tài)加氫技術(shù)規(guī)模化和液氫加注技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，重點(diǎn)圍繞加氫站“設(shè)備成本”“可靠性”“運(yùn)行能耗”三個(gè)關(guān)鍵降本性能指標(biāo)推進(jìn)整體技術(shù)研發(fā)。
美國(guó)在2011年就制定了氫儲(chǔ)運(yùn)加技術(shù)路線圖，如圖5所示，以分布式制氫與集中式制氫兩種場(chǎng)景，分別設(shè)定了1.7美元每加侖與2美元每加侖[1加侖(美)=3.785 L]的加氫站終端交付成本目標(biāo)，以及氫氣壓縮機(jī)能耗不高于1.4 kWh/kg，壽命高于10年；不同應(yīng)用場(chǎng)景下液氫泵成本下降30%～70%，壽命高于10年；加氫機(jī)成本下降20%的發(fā)展目標(biāo)。在技術(shù)路線上，近期以70 MPa高壓氣態(tài)供氫加氫技術(shù)攻關(guān)為主，中遠(yuǎn)期進(jìn)行廣泛的液氫儲(chǔ)氫加氫站部署。在技術(shù)開(kāi)發(fā)上，高壓氣態(tài)供氫加氫技術(shù)具體側(cè)重氫氣壓縮機(jī)、電化學(xué)壓縮技術(shù)、70 MPa加氫機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備的研究，以獲得更高的加氫效率、更長(zhǎng)的壽命與穩(wěn)定性，并開(kāi)展高效液氫泵的研發(fā)布局。此外，在加氫機(jī)標(biāo)準(zhǔn)方面，美國(guó)汽車(chē)工程師學(xué)會(huì)(SAE)制定了SAE J2601加注協(xié)議，保障加注過(guò)程的安全，并掌握加氫機(jī)裝備開(kāi)發(fā)的國(guó)際話語(yǔ)權(quán)。
歐盟在2013年制定了加氫技術(shù)路線圖，歐盟內(nèi)部強(qiáng)調(diào)氫能在加注階段的經(jīng)濟(jì)性，從整站的壽命、穩(wěn)定性、能耗等方面制定了技術(shù)目標(biāo)。2018年在FCH2JU框架下，基于產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)與現(xiàn)狀更新了加氫技術(shù)2030年技術(shù)發(fā)展展望，整站能耗目標(biāo)下降至3 kWh/kg，投資成本降至1300～2400歐元/(kg·d)，年維護(hù)費(fèi)用降至0.3歐元/kg，平均故障間隔時(shí)間超過(guò)5個(gè)月，如圖6所示。同時(shí)表示將優(yōu)先研究液氫儲(chǔ)存和加注技術(shù)，以擴(kuò)大集中式制氫站點(diǎn)的供應(yīng)并使其具有商業(yè)可行性。
日本在《氫能基本計(jì)劃》中設(shè)定了一系列加氫站經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)，如圖7所示，計(jì)劃2030年氫氣供應(yīng)價(jià)格降至30 日元/Nm3，單個(gè)加氫站建設(shè)費(fèi)用低于2.3 億日元，年付運(yùn)營(yíng)費(fèi)用低于2000 萬(wàn)日元，并在《能源基本計(jì)劃》等頂層設(shè)計(jì)文件下推動(dòng)加氫站建設(shè)與技術(shù)突破，使得日本加氫站建設(shè)數(shù)量一度位居全球前列。為了實(shí)現(xiàn)在2020年代末期實(shí)現(xiàn)加氫站技術(shù)的完全自主化，日本以NEDO為核心開(kāi)展了加氫站監(jiān)管改革、降低加氫站成本、國(guó)際合作三方面的工作。主要的技術(shù)突破點(diǎn)有加氫站遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、新型電化學(xué)壓縮機(jī)研發(fā)、較高溫度下氫氣加注方法的研發(fā)等。
韓國(guó)當(dāng)前絕大多數(shù)加氫站均為長(zhǎng)管拖車(chē)外供站，僅建成制氫加氫一體站一座。就容量而言，HRS分為兩大類(lèi)：650 kg/d的常規(guī)加氫站和1000 kg/d加氫能力的公交加氫站。韓國(guó)環(huán)境部近期發(fā)布了《加氫站戰(zhàn)略部署計(jì)劃》，計(jì)劃到2025年在全國(guó)226個(gè)市、縣和區(qū)原則上建設(shè)1個(gè)以上的加氫站，到2040年實(shí)現(xiàn)在全國(guó)各地，駕車(chē)行駛15 min便能夠到達(dá)至少一個(gè)加氫站。技術(shù)方面注重自主化率，通過(guò)壓縮機(jī)，高壓閥門(mén)，儲(chǔ)存容器等核心部件和加注技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化，計(jì)劃到2030年實(shí)現(xiàn)加氫站100%國(guó)產(chǎn)化率。
總的來(lái)說(shuō)，各國(guó)均對(duì)高壓氣態(tài)35 MPa/70 MPa氣態(tài)加氫站及液氫加氫站技術(shù)同時(shí)進(jìn)行技術(shù)開(kāi)發(fā)，通過(guò)高可靠性及高效率的氫氣壓縮機(jī)與液氫泵、高效加氫機(jī)等核心材料及組件的研究及國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用，來(lái)提高加氫站系統(tǒng)整體的可靠性和使用壽命，降低加氫成本等。
2 我國(guó)加氫技術(shù)發(fā)展對(duì)標(biāo)
國(guó)際上，美國(guó)、日本、歐洲等國(guó)家和地區(qū)在加氫站技術(shù)開(kāi)發(fā)方面起步較早，90%以上加氫站具有70 MPa加氫能力，以液氫儲(chǔ)存的大容量加氫站日加氫量可超過(guò)2000 kg，加氫站全負(fù)荷、高可靠運(yùn)行技術(shù)持續(xù)進(jìn)步，支撐氫能基礎(chǔ)設(shè)施全周期成本逐步降低。我國(guó)重點(diǎn)發(fā)展燃料電池商用車(chē)，采用35 MPa的Ⅲ型瓶用于車(chē)載儲(chǔ)氫，氫能供應(yīng)以20 MPa的高壓管束形式為主，尚無(wú)液氫加氫站運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)站內(nèi)制氫加氫站受法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn)限制，因此我國(guó)當(dāng)前建成的加氫站絕大多數(shù)為外供高壓氣態(tài)氫的35 MPa加氫站。隨著我國(guó)燃料電池車(chē)的規(guī)模化應(yīng)用，我國(guó)加氫站將逐步由當(dāng)前的低負(fù)荷、粗放式加氫運(yùn)行狀態(tài)過(guò)渡至高密度、快速加氫的全負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)；燃料電池車(chē)在大負(fù)載、長(zhǎng)續(xù)航場(chǎng)景下拓展應(yīng)用，將出現(xiàn)儲(chǔ)氫密度更高的70 MPa加氫需求。我國(guó)加氫站技術(shù)與美國(guó)、日本、歐洲等國(guó)家和地區(qū)仍然有一定差距：一方面，現(xiàn)役35 MPa加氫站尚未經(jīng)歷高負(fù)荷加氫工況下的性能和可靠性驗(yàn)證，存在較大優(yōu)化空間，35 MPa加氫站關(guān)鍵裝備的核心零部件依賴進(jìn)口，有待深入開(kāi)發(fā)；另一方面，70 MPa加氫站關(guān)鍵裝備完成攻關(guān)后，仍需經(jīng)過(guò)加氫站應(yīng)用驗(yàn)證，進(jìn)一步提高性能與可靠性，攻克核心零部件國(guó)產(chǎn)化，提高競(jìng)爭(zhēng)力。此外，用于大規(guī)模加氫的液氫站技術(shù)基本處于研發(fā)空白狀態(tài)。
在加氫技術(shù)與裝備方面，目前，我國(guó)基于國(guó)產(chǎn)Ⅲ型儲(chǔ)氫瓶的35 MPa快速加氫控制技術(shù)，加氫性能和安全性達(dá)到國(guó)際同類(lèi)先進(jìn)水平，與SAE J2601氫氣加注協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)兼容，在多個(gè)加氫站實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。在70 MPa加氫機(jī)方面尚處于樣機(jī)階段。為了達(dá)到乘用車(chē)3～5 min內(nèi)完成加氫5 kg的需求，國(guó)際上均采用預(yù)冷至-40 ℃的氫氣進(jìn)行70 MPa加注。美國(guó)NREL國(guó)家實(shí)驗(yàn)室對(duì)40余座加氫站的運(yùn)行數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，70 MPa加氫預(yù)冷能耗高，平均值達(dá)到2.5 kWh/kg。鑒于此，國(guó)際上開(kāi)展了低功耗制冷及氫氣換熱技術(shù)的開(kāi)發(fā)。日本NEDO和美國(guó)DOE均支持了高效率的氫氣換熱器開(kāi)發(fā)，能夠?qū)崿F(xiàn)高壓氫氣的高效換熱，已在多個(gè)加氫站應(yīng)用。與此同時(shí)，加氫裝備的核心零部件，包括高精度高壓氫氣質(zhì)量流量計(jì)、傳感器、調(diào)壓閥以及高可靠加氫槍等，由美國(guó)、日本、歐洲等國(guó)家和地區(qū)壟斷，我國(guó)對(duì)其的進(jìn)口依賴度高，有待開(kāi)發(fā)相關(guān)核心技術(shù)和零部件制造技術(shù)。此外，美國(guó)、歐洲、日本等國(guó)家和地區(qū)已實(shí)現(xiàn)加氫機(jī)-車(chē)輛通信輔助加氫，我國(guó)在該領(lǐng)域有待突破。
在壓縮機(jī)技術(shù)裝備方面，我國(guó)自主開(kāi)發(fā)的45 MPa壓縮機(jī)已經(jīng)應(yīng)用在35 MPa加氫站，排量達(dá)到500 Nm3/h，并累計(jì)運(yùn)行最高超過(guò)5000 h。為突破70 MPa加氫站用90 MPa壓縮機(jī)，我國(guó)正在進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，預(yù)計(jì)2023年開(kāi)展示范，壓縮機(jī)排量將達(dá)到200 Nm3/h，實(shí)現(xiàn)無(wú)故障連續(xù)運(yùn)行500 h以上。與國(guó)外同類(lèi)型壓縮機(jī)相比，我國(guó)壓縮機(jī)的可靠性，尤其是關(guān)鍵零部件的壽命有待進(jìn)一步提高。國(guó)外已經(jīng)突破了耐超高壓、長(zhǎng)壽命、大面積的金屬膜片材料及其加工制造技術(shù)，美國(guó)PDC公司制造的45 MPa壓縮機(jī)單缸排量超過(guò)750 Nm3/h，單級(jí)壓縮比最高達(dá)到9，在加氫站操作工況下膜片期望壽命均超過(guò)4500 h，90 MPa壓縮機(jī)兩級(jí)壓縮排量達(dá)到560 Nm3/h以上，兩級(jí)綜合壓縮比超過(guò)18。
在液氫泵技術(shù)裝備方面，國(guó)外以Linde公司為代表已成功研制了高壓液氫活塞泵，可單級(jí)壓縮且最大加注能力達(dá)到120 kg/h，出口壓力可達(dá)87.5 MPa，流量為30 g/s，能耗僅有0.6 kWh/kg，而國(guó)內(nèi)目前尚無(wú)成熟的高壓液氫泵產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)在建的液氫加氫站采用的液氫泵均為進(jìn)口產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)液氫泵目前仍處于樣機(jī)研制階段，出口壓力僅能達(dá)到10 MPa，技術(shù)基礎(chǔ)薄弱。
在加氫站工藝和控制方面，我國(guó)自主開(kāi)發(fā)了35 MPa加氫站新工藝以及相應(yīng)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，目前處于示范階段，預(yù)計(jì)將提高加氫站日加氫能力10%以上。根據(jù)美國(guó)NREL國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的分析結(jié)果表明，加氫機(jī)和壓縮機(jī)是加氫站故障率較高的設(shè)備，加氫機(jī)相關(guān)的故障事件數(shù)目占比達(dá)到57%，嚴(yán)重影響了加氫站的經(jīng)濟(jì)性。美國(guó)能源部(DOE)支持了NREL國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和AP公司開(kāi)展加氫機(jī)可靠性測(cè)試技術(shù)開(kāi)發(fā)以及影響因素研究，以指導(dǎo)加氫機(jī)可靠性提升技術(shù)開(kāi)發(fā)。與此同時(shí)，DOE、NREL國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和PDC公司對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行了可靠性研究，發(fā)現(xiàn)加氫站運(yùn)行工況下，壓縮機(jī)的頻繁啟停和壓力循環(huán)導(dǎo)致金屬隔膜壽命下降，有待開(kāi)發(fā)更可靠的加氫站工藝和控制技術(shù)，從而提高壓縮機(jī)可靠性，降低維護(hù)成本。
在加注協(xié)議方面，美國(guó)汽車(chē)工程師學(xué)會(huì)(SAE)針對(duì)輕型汽車(chē)、重型汽車(chē)與工業(yè)用車(chē)輛等應(yīng)用場(chǎng)景分別制定了SAE J2601-1《輕型汽車(chē)氣態(tài)氫加注協(xié)議》、SAE J2601-2(TIR)《重型汽車(chē)氣態(tài)氫加注協(xié)議》與SAE J2601-3(TIR)《工業(yè)用車(chē)輛氣態(tài)氫加注協(xié)議》。我國(guó)暫未發(fā)布?xì)淙剂想姵仄?chē)加注協(xié)議相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。SAE J2601 標(biāo)準(zhǔn)主要適用于采用Ⅳ型儲(chǔ)氫瓶的氫燃料電池車(chē)輛，涉及兩種加注方法，基于圖表的加注法和質(zhì)量比熱容法。歐盟與日本參考了美國(guó)加注協(xié)議分別出臺(tái)了EN 17127 加注協(xié)議與JPEC-S003，適用于35 MPa和70 MPa的Ⅲ型和Ⅳ型車(chē)用氫氣瓶，儲(chǔ)氫容量為2～10 kg，對(duì)于儲(chǔ)氫容量大于10 kg的情況做了簡(jiǎn)單的折算。此外，其協(xié)議中根據(jù)Ⅳ型瓶的特點(diǎn)分別按照加氫機(jī)與車(chē)用儲(chǔ)氫系統(tǒng)是否能實(shí)現(xiàn)通信功能分別制定了預(yù)冷溫度為-40～-33 ℃、-33～-26 ℃、-26～-17.5 ℃三個(gè)等級(jí)的加注方案。當(dāng)前，歐盟正在開(kāi)發(fā)PRHYDE重載車(chē)輛加氫協(xié)議項(xiàng)目，預(yù)計(jì)將于2022年完成開(kāi)發(fā)。
3 我國(guó)加氫技術(shù)路線
基于上述分析與基本國(guó)情，我國(guó)在加氫站關(guān)鍵技術(shù)和裝備方面，與國(guó)外仍有較大差距，我國(guó)應(yīng)采取高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫和液氫儲(chǔ)氫加氫技術(shù)并舉路線，重點(diǎn)提升加氫站關(guān)鍵材料及組件的性能，開(kāi)發(fā)出高性能、長(zhǎng)壽命、低成本的氫氣壓縮機(jī)、液氫泵，形成系統(tǒng)性、自主化的完整產(chǎn)品譜系，滿足燃料電池汽車(chē)用氫場(chǎng)景的需求。“十四五”期間突破制氫加氫一體化建站法規(guī)，進(jìn)一步提高35 MPa加氫站可靠性，重點(diǎn)開(kāi)發(fā)70 MPa加氫站核心裝備，加強(qiáng)智能化加氫站工藝控制及加氫站安全體系建設(shè)，逐步突破核心技術(shù)和零部件。
在加氫技術(shù)與裝備方面，重點(diǎn)開(kāi)發(fā)70 MPa加氫控制算法、高精度加氫計(jì)量技術(shù)、靈敏調(diào)壓技術(shù)、快速響應(yīng)氫氣預(yù)冷技術(shù)以及輔助加氫的高可靠車(chē)-站通信技術(shù)，開(kāi)發(fā)加氫裝備壽命評(píng)價(jià)與測(cè)試技術(shù)，研究壽命影響規(guī)律，優(yōu)化提升可靠性。
在壓縮技術(shù)與裝備方面，重點(diǎn)開(kāi)發(fā)大排量、大壓比的加氫站用90 MPa壓縮機(jī)裝備，突破關(guān)鍵零部件國(guó)產(chǎn)化，開(kāi)發(fā)壓縮機(jī)壽命評(píng)測(cè)技術(shù)，研究壽命影響規(guī)律，優(yōu)化提升可靠性。隔膜壓縮機(jī)方面，重點(diǎn)研究高壓臨氫膜片材料開(kāi)發(fā)、長(zhǎng)壽命氣閥和壓縮機(jī)總體優(yōu)化設(shè)計(jì)、頻繁啟停和變工況適用性提升。液壓活塞式壓縮機(jī)方面，重點(diǎn)開(kāi)發(fā)高壓臨氫材料、多級(jí)壓縮缸體結(jié)構(gòu)和密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、液壓及控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。離子液體壓縮機(jī)方面，重點(diǎn)研究離子液體與氫氣的相互作用機(jī)理與熱力特性、氣-液界面形態(tài)演變規(guī)律研究、能量匹配策略及整機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)、滿足70 MPa加氫站需求的關(guān)鍵部件及整機(jī)研發(fā)。開(kāi)展電化學(xué)壓縮等非機(jī)械式壓縮技術(shù)，降低壓縮能耗，提高排氣量。
在液氫泵方面，重點(diǎn)開(kāi)展高壓液氫泵研制，研究液氫泵內(nèi)流動(dòng)特性機(jī)理，液氫泵關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度分析，低溫、高壓、抗氫脆材料相容性和力學(xué)性能研究，液氫泵間隙的密封形式設(shè)計(jì)，液氫泵試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。
在加氫站工藝及控制方面，重點(diǎn)開(kāi)發(fā)適應(yīng)大負(fù)荷、高密度加氫需求的35 MPa/70 MPa加氫站新工藝、關(guān)鍵裝備柔性調(diào)度控制技術(shù)以及故障診斷技術(shù)，降低加氫站能耗。為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目標(biāo)，需進(jìn)行以下課題開(kāi)發(fā)。
3.1 低預(yù)冷能耗、高可靠性、滿足國(guó)際加注協(xié)議70 MPa加氫機(jī)
加氫技術(shù)方面，針對(duì)Ⅲ型瓶車(chē)輛，需開(kāi)發(fā)快速加氫控制算法，研究高精度加氫計(jì)量方法，開(kāi)發(fā)低成本調(diào)壓技術(shù)和高可靠加氫通信技術(shù)。針對(duì)Ⅳ型瓶車(chē)輛，需開(kāi)發(fā)快速響應(yīng)的低功耗氫氣預(yù)冷技術(shù)，動(dòng)態(tài)調(diào)整的智能化快速加氫控制算法，以及高可靠氫氣調(diào)壓控制技術(shù)。同時(shí)開(kāi)發(fā)加氫機(jī)-氫能車(chē)輛無(wú)線通信系統(tǒng)，增強(qiáng)加氫站可靠性同時(shí)降低運(yùn)營(yíng)成本。
支撐體系方面，需開(kāi)發(fā)加氫機(jī)快速壽命測(cè)試方法，建立加氫機(jī)可靠性評(píng)價(jià)體系，開(kāi)發(fā)長(zhǎng)壽命加氫機(jī)集成與控制技術(shù)并實(shí)現(xiàn)示范驗(yàn)證。
圖8 加氫站技術(shù)路線圖
3.2 大容量、低能耗、高可靠性35/70 MPa加氫站用壓縮機(jī)
核心零部件方面，需開(kāi)發(fā)大面積、長(zhǎng)壽命金屬膜片，與高可靠、耐高溫密封材料以及長(zhǎng)壽命氣閥，打破核心零部件進(jìn)口依賴。
裝備研發(fā)方面，為提升壓縮機(jī)排量，需開(kāi)發(fā)大型缸頭設(shè)計(jì)與制造技術(shù)、高效密封技術(shù)、高效換熱技術(shù)以及減震技術(shù)；為提升壓縮性能，需開(kāi)發(fā)壓縮機(jī)性能評(píng)價(jià)技術(shù)與高性能壓縮機(jī)控制技術(shù)，研究壓縮機(jī)在加氫站工況下的性能影響因素；為提升壓縮機(jī)可靠性，需開(kāi)發(fā)壓縮機(jī)壽命快速測(cè)試技術(shù)，研究加氫站工況下金屬隔膜壓縮機(jī)和往復(fù)式壓縮機(jī)的典型故障模式及其零部件和關(guān)鍵材料老化機(jī)制，開(kāi)發(fā)柔性壓縮機(jī)控制算法及故障診斷技術(shù)。
3.3 高氫氣利用率、低功耗的加氫站工藝控制系統(tǒng)
加氫站控制技術(shù)方面，深入研究加氫站工藝參數(shù)對(duì)加氫性能和設(shè)備可靠性的影響規(guī)律，開(kāi)發(fā)高性能、高可靠加氫站的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)工藝優(yōu)化控制技術(shù)。
加氫站新工藝方面，深入研究不同加氫負(fù)荷、日加氫需求下的加氫站供氫、儲(chǔ)氫、壓縮、加注單元優(yōu)化控制技術(shù)，開(kāi)發(fā)高氫氣利用率、低功耗的加氫站工藝。
3.4 低能耗高可靠性液氫泵
開(kāi)展液氫泵的工作機(jī)理研究；構(gòu)建液氫泵內(nèi)介質(zhì)流動(dòng)仿真模型，將有限元法和傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法結(jié)合，建立液氫泵設(shè)計(jì)方法和理論模型；通過(guò)對(duì)主要零部件進(jìn)行力學(xué)分析，找到主要零部件應(yīng)力、應(yīng)變規(guī)律；開(kāi)發(fā)高可靠性液氫泵材料、超低溫密封材料、間隙密封技術(shù)，研究不同結(jié)構(gòu)、流量、揚(yáng)程下液氫泵的可靠性影響規(guī)律。研制滿足不同流量需求的可調(diào)節(jié)分級(jí)氣化裝置。建立低溫實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)液氫泵的流量和壓頭等進(jìn)行性能測(cè)試。
3.5 加氫站安全技術(shù)
主要面向加氫站故障診斷與安全管控進(jìn)行研發(fā)布局，研究關(guān)鍵零部件損傷機(jī)制及失效模式、故障檢測(cè)方法、安全失效機(jī)制和安全評(píng)價(jià)技術(shù)。開(kāi)發(fā)多維度故障診斷與排除技術(shù)、多層級(jí)安全管控技術(shù)與安全大數(shù)據(jù)管理平臺(tái)。
3.6 加氫站性能測(cè)試與評(píng)價(jià)體系
開(kāi)展加氫站整站評(píng)價(jià)體系研究；研究加氫站壓縮機(jī)、加氫機(jī)、液氫泵等關(guān)鍵技術(shù)裝備性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，技術(shù)裝備評(píng)價(jià)體系，增強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)化治理效能，加快構(gòu)建推動(dòng)氫能核心技術(shù)迭代創(chuàng)新的標(biāo)準(zhǔn)體系，完善并提升氫能裝備技術(shù)的檢測(cè)、認(rèn)證、應(yīng)用等領(lǐng)域基礎(chǔ)服務(wù)能力。
4 結(jié)語(yǔ)
70 MPa高壓氣態(tài)加氫站及液氫加氫站已成為全球加氫基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，是我國(guó)燃料電池汽車(chē)規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵抓手。本文調(diào)研了日美歐等主要發(fā)達(dá)國(guó)家的加氫技術(shù)路線，分析了我國(guó)目前核心設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)與國(guó)產(chǎn)化情況，并與國(guó)外技術(shù)指標(biāo)現(xiàn)狀進(jìn)行量化對(duì)標(biāo)，找出了技術(shù)差距的原因，并以此制定了我國(guó)加氫基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)路線圖。主要結(jié)論如下：
（1）加氫站技術(shù)趨勢(shì)方面，以美國(guó)、歐洲和日韓等發(fā)達(dá)國(guó)家將70 MPa氫氣加注技術(shù)、液氫加注視為未來(lái)加氫站主流發(fā)展方向，重點(diǎn)圍繞加氫站“設(shè)備成本”“可靠性”“運(yùn)行能耗”三個(gè)關(guān)鍵降本性能指標(biāo)推進(jìn)整體技術(shù)研發(fā)，通過(guò)高可靠性及高效率的氫氣壓縮機(jī)與液氫泵、高效加氫機(jī)、高壓閥門(mén)、氫氣流量計(jì)等核心裝備、關(guān)鍵材料及組件的研究及國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用，來(lái)提高加氫站系統(tǒng)整體的可靠性和使用壽命，降低加氫成本等。
（2）加氫站技術(shù)差距方面，加氫裝備的核心零部件，包括高精度高壓氫氣質(zhì)量流量計(jì)、傳感器、調(diào)壓閥以及高可靠加氫槍等，均由美國(guó)、日本、歐洲等國(guó)家和地區(qū)壟斷，我國(guó)進(jìn)口依賴度高；加注協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)尚未制定。壓縮機(jī)可靠性與國(guó)外相比差距明顯，故障率高，90 MPa高壓力氫氣壓縮機(jī)尚無(wú)樣機(jī)，金屬膜片材料等依賴進(jìn)口。液氫泵尚無(wú)成熟產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)仍處于樣機(jī)研制階段，技術(shù)基礎(chǔ)薄弱。在建液氫加氫站采用的液氫泵均為進(jìn)口產(chǎn)品。加氫站控制系統(tǒng)尚未經(jīng)歷高負(fù)荷加氫工況下的性能和可靠性驗(yàn)證，存在較大優(yōu)化空間。整站及關(guān)鍵技術(shù)裝備性能測(cè)試方法缺失、標(biāo)準(zhǔn)缺位。
（3）加氫站技術(shù)路線方面，我國(guó)近10年應(yīng)著力對(duì)70 MPa高壓氣態(tài)加氫站與液氫加氫站技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)，力爭(zhēng)2030年整站加注能力提升至5000 kg/d，70 MPa加氫站整站能耗降低至3.5 kWh/kg，液氫加氫站能耗降至1 kWh/kg。加氫機(jī)、壓縮機(jī)與液氫泵等關(guān)鍵技術(shù)裝備實(shí)現(xiàn)100%國(guó)產(chǎn)化。同時(shí)提出了6個(gè)主要技術(shù)開(kāi)發(fā)課題：低預(yù)冷能耗、高可靠性、滿足國(guó)際加注協(xié)議70 MPa加氫機(jī)；大容量、低能耗、高可靠性35/70 MPa加氫站用壓縮機(jī)；高氫氣利用率、低功耗的加氫站工藝控制系統(tǒng)；低能耗高可靠性液氫泵；加氫站安全技術(shù)；加氫站性能測(cè)試與評(píng)價(jià)體系。
（4）加氫站技術(shù)的規(guī)模化需要國(guó)家引領(lǐng)、技術(shù)攻關(guān)、企業(yè)合作、產(chǎn)業(yè)協(xié)同等各方面協(xié)同推動(dòng)。
