各類(lèi)加氫站及加氫合建站的建站模式及特點(diǎn)

同濟(jì)大學(xué) 張彥純

加氫站是為燃料電池車(chē)輛加注氫燃料的專(zhuān)門(mén)場(chǎng)所，是氫能利用過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)。近年來(lái)，國(guó)家及地方政府陸續(xù)出臺(tái)了對(duì)加氫站建設(shè)的支持政策。2016年5月，國(guó)務(wù)院印發(fā)《國(guó)家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略綱要》，明確提出開(kāi)發(fā)氫能、燃料電池等新一代能源技術(shù)。2016年6月，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、國(guó)家能源局聯(lián)合發(fā)布《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃(2016—2030年)》，將“氫能與燃料電池技術(shù)創(chuàng)新”作為 15項(xiàng)具體任務(wù)之一。這標(biāo)志著氫能產(chǎn)業(yè)已納入中國(guó)國(guó)家能源戰(zhàn)略。2021年3月，由上海市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)管理委員會(huì)委托編制的《上海市車(chē)用加氫站布局專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃》已完成公示，即將正式發(fā)布。規(guī)劃中提出了全市加氫站建設(shè)目標(biāo)：至 2025年，全市共規(guī)劃加氫站78座，其中，已建站點(diǎn)9座(至2020年12月底)，新增站點(diǎn)69座。

從 2020年以來(lái)，全國(guó)范圍出現(xiàn)的加氫站已不僅僅局限于只有加氫功能，而是謀求與加油站、加氣站等傳統(tǒng)能源加注站進(jìn)行合建。加氫站的運(yùn)行模式也逐漸從示范運(yùn)行逐步向商業(yè)化運(yùn)行發(fā)展。

本文對(duì)目前較為典型的撬裝加氫站、固定式加氫子站、站外管道供氫的加氫母站、站內(nèi)制氫加氫站以及包含加油、加氣、充電等功能中一項(xiàng)或幾項(xiàng)的加氫合建站模式進(jìn)行分析，探討其特點(diǎn)，從而對(duì)加氫站的推廣建設(shè)提供更多可行方案。

1 撬裝加氫站

1.1 不含固定儲(chǔ)氫裝置的撬裝加氫站

氫氣長(zhǎng)管拖車(chē)將壓力不大于20 MPa的壓縮氫氣運(yùn)送進(jìn)加氫站，通過(guò)卸氣柱卸氣至撬裝壓縮加氫裝置，并增壓后為燃料電池車(chē)輛進(jìn)行加注。工藝流程如圖1(不含固定儲(chǔ)氫裝置部分)所示。

圖1 撬裝式加氫站工藝流程

該類(lèi)型加氫站的單套設(shè)備加注能力通常為500 kg/12h，且加注效率受制于壓縮機(jī)額定排量和氫氣長(zhǎng)管拖車(chē)內(nèi)余氣壓力。在氫氣長(zhǎng)管拖車(chē)不更換的情況下，隨著氫氣長(zhǎng)管拖車(chē)中余氣壓力下降，撬裝壓縮加氫裝置的排氣量也越來(lái)越小，加注速率逐漸降低，從而加注時(shí)間明顯增加。

1.2 含固定儲(chǔ)氫裝置的撬裝加氫站

氫氣長(zhǎng)管拖車(chē)將壓力不大于20 MPa的壓縮氫氣從氫氣生產(chǎn)單位運(yùn)送進(jìn)加氫站，通過(guò)卸氣柱卸氣至撬裝壓縮加氫裝置，增壓至45 MPa存入固定儲(chǔ)氫裝置內(nèi)。加裝了固定儲(chǔ)氫裝置的工藝流程如圖 1所示。車(chē)輛加氫時(shí)，固定儲(chǔ)氫裝置中輸出的氫氣，通過(guò)撬裝壓縮加氫裝置加注到燃料電池車(chē)輛的車(chē)載儲(chǔ)氫瓶中。

增加固定儲(chǔ)氫裝置后，該類(lèi)型加氫站的加注速率不受限于壓縮機(jī)的排量，可實(shí)現(xiàn)一定程度上的快速加注。撬裝壓縮加氫裝置內(nèi)的壓縮機(jī)可以利用加注空閑時(shí)間工作，將長(zhǎng)管拖車(chē)長(zhǎng)管中的氫氣增壓儲(chǔ)存在站內(nèi)固定儲(chǔ)氫裝置中。車(chē)輛加注時(shí)，從固定儲(chǔ)氫裝置先后分級(jí)取氣，提高加注效率和速率。

1.3 主要設(shè)備配置

以加注能力500 kg/12h撬裝加氫站為例，含和不含固定儲(chǔ)氫裝置的兩種撬裝式加氫站主要設(shè)備和加注車(chē)輛如表1所示。

表1 500 kg/12h撬裝加氫站推薦配置

1.4 特點(diǎn)

撬裝加氫站適用于需要快速完成建設(shè)并短期內(nèi)投入運(yùn)營(yíng)的企業(yè)內(nèi)部自用站，壓縮機(jī)與加氫機(jī)放置在1個(gè)集裝箱撬內(nèi)，占地面積相對(duì)較小，1 000～2 000 m2不等。但因壓縮機(jī)和加氫機(jī)之間無(wú)法滿(mǎn)足4 m防火間距要求[1]，故目前部分地區(qū)將該類(lèi)加氫站作為臨時(shí)站進(jìn)行審批，而不是作為永久性的固定式加氫站，在補(bǔ)貼力度上也與固定式加氫站有所差異。

2 固定式加氫子站

固定式加氫子站工藝流程與含固定儲(chǔ)氫裝置的撬裝加氫站類(lèi)似，如圖2所示。20 MPa高壓氫氣由長(zhǎng)管拖車(chē)自氣源點(diǎn)運(yùn)送至加氫站，通過(guò)卸車(chē)軟管和卸氣柱使長(zhǎng)管拖車(chē)與站內(nèi)工藝管路對(duì)接，壓縮機(jī)開(kāi)啟后從長(zhǎng)管拖車(chē)抽氣增壓至45 MPa，并儲(chǔ)存在固定儲(chǔ)氫裝置內(nèi)。當(dāng)車(chē)輛進(jìn)站加注時(shí)，加氫機(jī)從站內(nèi)固定儲(chǔ)氫裝置分級(jí)取氣進(jìn)行加注。

圖2 固定式加氫子站工藝流程

固定式加氫子站與含固定儲(chǔ)氫裝置撬裝加氫站的區(qū)別在于前者將壓縮機(jī)和加氫機(jī)拆分成兩個(gè)設(shè)備，壓縮機(jī)設(shè)置在工藝裝置區(qū)內(nèi)，加氫機(jī)設(shè)置在加注區(qū)，整個(gè)加氫站功能劃分更加明確，從而進(jìn)一步提高了加氫站的安全性及合規(guī)性。

以加注能力1 000 kg/12 h固定式加氫子站為例，配置的主要設(shè)備和加注能力見(jiàn)表2。

表2 1 000 kg/12 h固定式加氫子站推薦工藝配置

固定式加氫子站相較于撬裝加氫站而言，壓縮機(jī)與加氫機(jī)分開(kāi)設(shè)置，符合現(xiàn)行國(guó)標(biāo)要求[1]。該類(lèi)型加氫站可按正常流程進(jìn)行報(bào)建，可作為永久站在城市公共區(qū)域進(jìn)行推廣。

3 站外管道供氫的加氫母站

站外管道供氫的加氫母站主要是將站外0.4～2.0 MPa的氫氣通過(guò)管道引入站內(nèi)。國(guó)內(nèi)目前市政道路上的氫氣管道較少，大部分氫氣管道均設(shè)置于化工區(qū)內(nèi)或鋼鐵企業(yè)廠(chǎng)區(qū)內(nèi)，因此站外管道供氫的加氫母站多建設(shè)于化工、鋼鐵企業(yè)附近。石油化工、煤炭化工、氯堿化工及鋼鐵生產(chǎn)等企業(yè)均有較為充足的工業(yè)副產(chǎn)氫，經(jīng)進(jìn)一步提純后供應(yīng)給加氫母站，氫氣價(jià)格相對(duì)低廉。進(jìn)入加氫母站的氫氣純度要求需符合GB/T 37244－2018《質(zhì)子交換膜燃料電池汽車(chē)用燃料 氫氣》表1的要求，其中氫氣的純度要求不應(yīng)低于99.97%，同時(shí)對(duì)水、總烴、氧、氦、總氮和氬、二氧化碳、一氧化碳、總硫、甲醛、甲酸、氨、總鹵化合物、最大顆粒物等雜質(zhì)的濃度等指標(biāo)進(jìn)行了規(guī)定，以降低雜質(zhì)對(duì)氫燃料電池催化劑的影響。

管道氫氣氣源經(jīng)過(guò)計(jì)量、增壓儲(chǔ)存后，不僅可為燃料電池汽車(chē)進(jìn)行加注，同時(shí)也可以作為母站為氫氣長(zhǎng)管拖車(chē)進(jìn)行充裝。為分別滿(mǎn)足氫氣長(zhǎng)管拖車(chē)的充裝需求和氫燃料電池車(chē)輛的加注要求，站內(nèi)需同時(shí)設(shè)置20 MPa和45 MPa的壓縮機(jī)。

圖3為站外管道供氫的固定式加氫母站工藝流程，從圖中可以看出，站外管道輸送的氫氣首先增壓至20 MPa，然后進(jìn)行充裝或儲(chǔ)存：通過(guò)氫氣充裝柱為氫氣長(zhǎng)管拖車(chē)進(jìn)行充裝、儲(chǔ)存到站內(nèi) 20 MPa儲(chǔ)氫瓶組內(nèi)和繼續(xù)增壓儲(chǔ)存至45 MPa儲(chǔ)氫瓶組。

圖3 站外管道供氫的固定式加氫母站工藝流程

車(chē)輛加氫時(shí)，從45 MPa儲(chǔ)氫瓶組中分級(jí)取氣，以壓力由低到高的順序依次通過(guò)加氫機(jī)為燃料電池汽車(chē)的車(chē)載儲(chǔ)氫瓶進(jìn)行加注。

以加注/充裝能力為2 000 kg/12 h的站外管道供氫加氫母站為例，其主要設(shè)備配置和加注能力見(jiàn)表3。

表3 2 000 kg/12 h站外管道供氫加氫母站推薦工藝配置

站外管道供氫的加氫母站主要采用氫氣管道進(jìn)行供氫。相較于采用氫氣長(zhǎng)管拖車(chē)作為氣源的加氫站而言，不受交通運(yùn)輸條件的限制，不產(chǎn)生道路運(yùn)輸成本，氫源更加持續(xù)穩(wěn)定。但也仍有兩個(gè)因素限制其發(fā)展：

(1) 建設(shè)成本相對(duì)較高。管道供氫的加氫母站除了需要在站內(nèi)增設(shè)低壓壓縮機(jī)和低壓固定儲(chǔ)氫裝置，前期還需要建設(shè)長(zhǎng)距離的氫氣管道，建設(shè)成本視氫氣生產(chǎn)企業(yè)的遠(yuǎn)近而定，通常需要相當(dāng)大的投資。且目前氫氣管道多敷設(shè)于集中化學(xué)工業(yè)區(qū)內(nèi)，而要在化學(xué)工業(yè)區(qū)外建設(shè)氫氣管道，其報(bào)建流程尚屬空白，并不像城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿澜ㄔO(shè)流程那樣明確。

(2) 氫氣生產(chǎn)企業(yè)的氫氣純度不穩(wěn)定。工業(yè)副產(chǎn)氫是產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中的副產(chǎn)物，純度不穩(wěn)定且成分復(fù)雜，如：氯堿生產(chǎn)企業(yè)的副產(chǎn)氫中可能含有氯離子；合成氨的副產(chǎn)氫通常含有氨；煤炭行業(yè)和鋼鐵行業(yè)的副產(chǎn)氫由于來(lái)源于煤炭，通常含有硫、一氧化碳、二氧化碳等。若氫氣純度不穩(wěn)定，則需要在站內(nèi)增設(shè)氫氣提純裝置。

4 制氫加氫一體站

隨著氫能車(chē)輛推廣應(yīng)用規(guī)模的不斷擴(kuò)大，氫氣需求量也隨之增加。部分城市燃料電池車(chē)輛發(fā)展較快、氫氣需求量較大，目前已開(kāi)始逐漸面臨氫氣供應(yīng)量不足，氫氣成本不斷提高的困局。而大型化工企業(yè)通常都位于遠(yuǎn)離鬧市區(qū)的化工區(qū)內(nèi)，因此，要在城市內(nèi)建設(shè)站外供氫的加氫站，無(wú)疑還需要面對(duì)運(yùn)輸成本過(guò)高的難題。

為了解決上述難題，部分氫能發(fā)展較為迅速的城市已開(kāi)始考慮建設(shè)制氫加氫一體站，同時(shí)解決氫源不足和運(yùn)輸成本過(guò)高的難題。根據(jù)站內(nèi)制氫規(guī)模的不同，較小的制氫加氫一體站僅可滿(mǎn)足本站燃料電池車(chē)輛用戶(hù)的加注需求，而較大的制氫加氫一體站，除了能滿(mǎn)足本站燃料電池車(chē)輛用戶(hù)的加注需求外，還可作為母站，為氫氣長(zhǎng)管拖車(chē)進(jìn)行充裝，為其他加氫子站提供氫源。

目前已有實(shí)際案例的站內(nèi)制氫方式主要有兩種，即電解水制氫和甲烷水蒸氣重整制氫。

電解水制氫方式中，目前較為成熟的是堿性電解水制氫技術(shù)：在充滿(mǎn)氫氧化鉀的電解槽中通入直流電，水分子在電極上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，分解成氫氣和氧氣。電解水制氫技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可以在城市中就地取材，只要水、電等原料滿(mǎn)足供應(yīng)，即可實(shí)現(xiàn)電解水制氫的目的。若利用夜間谷電進(jìn)行電解水制氫，還可進(jìn)一步降低制氫成本。

甲烷水蒸氣重整制氫是目前最為成熟的工業(yè)制氫技術(shù)，約占世界制氫量的70%。該技術(shù)也是一種可以在城市中就地取材的制氫方式，利用水和甲烷(天然氣)作為原料即可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)。尤其對(duì)于目前較為熱衷于發(fā)展氫能業(yè)務(wù)的燃?xì)饨?jīng)營(yíng)企業(yè)而言，充足的天然氣供應(yīng)，是實(shí)現(xiàn)甲烷制氫的重要保障。

采用甲烷水蒸氣重整制氫和電解水制氫的制氫加氫一體站，其制氫工藝在技術(shù)上均已十分成熟。涉及的主要原料為水、電、氣，均可從市政公用管網(wǎng)獲取，且正常生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)周邊環(huán)境影響較小，是站內(nèi)制氫的重要發(fā)展方向。然而，在實(shí)際建設(shè)過(guò)程中，仍然存在以下幾個(gè)問(wèn)題需要解決：

(1) 兩種制氫方式在化工領(lǐng)域較為常見(jiàn)，但要設(shè)置在制氫加氫一體站內(nèi)，設(shè)備的小型化、集成化、撬裝化開(kāi)發(fā)仍然是值得進(jìn)一步研究的問(wèn)題。

(2) 電解水制氫工藝中，每生產(chǎn)1 m3氫氣，需要耗電4～5 kW·h。對(duì)于電能不足的地區(qū)而言，這種制氫工藝無(wú)疑將進(jìn)一步加重電網(wǎng)負(fù)擔(dān)。

(3) 對(duì)于規(guī)模較小的制氫生產(chǎn)裝置，經(jīng)濟(jì)性仍然是需要反復(fù)考量的問(wèn)題。

(4) 兩種制氫方式均屬于危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)工藝，按目前的國(guó)家安全法規(guī)，需要設(shè)置在化工園區(qū)中進(jìn)行集中統(tǒng)一管理。若要在城市建成區(qū)中與加氫站合建，仍需進(jìn)一步謀求政策上的支持。

基于上述問(wèn)題，全國(guó)各大企業(yè)在推廣制氫加氫一體站的建設(shè)過(guò)程中，仍然抱有比較謹(jǐn)慎的態(tài)度。

5 加氫合建站

隨著新版國(guó)標(biāo)GB 50156－2021《汽車(chē)加油加氣加氫站技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的頒布和實(shí)施，合建站的模式變得更加靈活，從新規(guī)范對(duì)合建站的定義和等級(jí)劃分來(lái)看，不僅支持加氫站與加油站合建、加氫站與CNG(壓縮天然氣)加氣站合建，同時(shí)還新增了對(duì)加氫站與 LNG(液化天然氣)加氣站合建的支撐性條款，且進(jìn)一步明確了三站合建的規(guī)模劃分標(biāo)準(zhǔn)，從而使綜合能源供應(yīng)站的建設(shè)變得“有法可依，名正言順”。

固定式加氫加油合建站中加氫部分的工藝流程及設(shè)備配置可參照固定式加氫子站。加油加氣加氫合建站的等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表4、表5[2]。

表4 加油、CNG加氣與高壓儲(chǔ)氫加氫合建站的等級(jí)劃分

表5 加油、LNG加氣與高壓儲(chǔ)氫加氫合建站的等級(jí)劃分

另外，同樣屬于清潔能源車(chē)輛的電動(dòng)汽車(chē)，目前已經(jīng)先于氫燃料電池汽車(chē)在市場(chǎng)上得到了廣泛的推廣和應(yīng)用。以公交車(chē)為例，目前上海已經(jīng)有多條公交線(xiàn)路實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)汽車(chē)對(duì)燃油汽車(chē)的替換。而氫燃料電池車(chē)輛技術(shù)將是另外一種可以代替燃油汽車(chē)的技術(shù)路線(xiàn)，從而徹底實(shí)現(xiàn)終端的零碳排放。

根據(jù)目前多個(gè)加氫站項(xiàng)目建設(shè)流程來(lái)看，預(yù)留電動(dòng)汽車(chē)充電車(chē)位，已經(jīng)成為多地規(guī)劃部門(mén)對(duì)新建加氫站項(xiàng)目提出的要求[2]。由此看出，加氫站或加氫合建站內(nèi)設(shè)置充電設(shè)施也將是未來(lái)加氫站的重要發(fā)展方向之一。

目前，氫氣的生產(chǎn)成本依然較高，單獨(dú)運(yùn)營(yíng)加氫站經(jīng)濟(jì)性相對(duì)較差。建設(shè)加氫合建站后，可通過(guò)加油站或加氣站的營(yíng)運(yùn)收入補(bǔ)貼加氫部分。

另外，隨著車(chē)輛能源的多樣化發(fā)展，建設(shè)集加油、加氣、加氫、充電等功能為一體的綜合能源供應(yīng)站也變得十分有必要。綜合能源供應(yīng)站尤其適合作為高速公路服務(wù)區(qū)加注站使用，從而打破了能源車(chē)輛長(zhǎng)距離跨省市運(yùn)行的限制，對(duì)新能源車(chē)輛的推廣發(fā)展起到至關(guān)重要的推動(dòng)作用。

6 液氫加氫站

從2021年頒布的GB 50516－2010《加氫站技術(shù)規(guī)范(2021年版)》和GB 50156－2021《汽車(chē)加油加氣加氫站技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》來(lái)看，對(duì)液氫加氫站的相關(guān)內(nèi)容也給予了一定篇幅。液氫的密度是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氫氣的800倍左右，儲(chǔ)存溫度－253 ℃，儲(chǔ)存壓力通常為1.0 MPa。采用液氫技術(shù)后，加氫站的儲(chǔ)氫能力和加注能力將得到大幅度提升。因此，未來(lái)幾年，隨著氫液化技術(shù)的逐步國(guó)產(chǎn)化，液氫生產(chǎn)成本也將進(jìn)一步降低，屆時(shí)，液氫加氫站將可能成為加氫站技術(shù)新的發(fā)展方向。

7 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)加氫站及加氫合建站的工藝配置和建站模式進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，從而可對(duì)不同氫能應(yīng)用場(chǎng)景下的加氫站建設(shè)提供參考意見(jiàn)。

展望未來(lái)，隨著時(shí)間的推進(jìn)，還會(huì)有更多新設(shè)備、新技術(shù)、新材料進(jìn)入市場(chǎng)，屆時(shí)將為加氫站建設(shè)提供更多更好的選擇。