基于大流量氫氣分配系統(tǒng)在燃料電池汽車中的應(yīng)用

摘 要：供氫系統(tǒng)是連接氫能行業(yè)與燃料電池行業(yè)的橋梁與紐帶，廣泛應(yīng)用于加氫站和燃料電池檢測實(shí)驗(yàn)室中。隨著氫能行業(yè)的快速發(fā)展，燃料電池檢測實(shí)驗(yàn)室業(yè)務(wù)量增多，氫氣需求量不斷提升，出現(xiàn)了大流量供氣的新要求。原有供氫方案采用單價(jià)較高的集裝格小流量供氫，不能滿足燃料電池所需的大流量供氫需求，因此有必要進(jìn)行供氫方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文從某公司的實(shí)際運(yùn)營狀況出發(fā)，在現(xiàn)有加氫站設(shè)備的基礎(chǔ)上，基于大流量氫氣分配系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提出了一種安全可靠的實(shí)驗(yàn)室集中供氫方案，包括長管拖車、低中高壓閥門管路、安全監(jiān)測裝置以及控制設(shè)備。該設(shè)計(jì)方案能在滿足流量需求的同時(shí)，提高供氫的經(jīng)濟(jì)性和安全性，具備一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：燃料電池檢驗(yàn)檢測 加氫站 大流量供氫系統(tǒng) 經(jīng)濟(jì)性

1 緒論

加氫站是燃料電池汽車補(bǔ)能的場所，是氫能分配的終端，是連接氫能行業(yè)與燃料電池行業(yè)的橋梁與紐帶[1]。它主要由供氣系統(tǒng)、儲(chǔ)氫裝置、壓縮機(jī)組、加注模塊以及各種監(jiān)測、控制系統(tǒng)組成[2]。隨著上游電解水制氫產(chǎn)業(yè)放量帶來的綠氫降本，氫氣價(jià)格有望下降?，F(xiàn)階段，氫能的“儲(chǔ)存、運(yùn)輸、加注”環(huán)節(jié)成本較高，已經(jīng)成為限制燃料電池汽車推廣的重要因素之一。

加氫站行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展離不開良好的經(jīng)營管理。部分加氫站運(yùn)營成本較高，一方面是因?yàn)闅錃鈨r(jià)格高，另一方面是因?yàn)榻K端氫氣需求不足，難以做到攤平運(yùn)營成本，存在較大的降本空間[3]。此外，為滿足嚴(yán)格的安全監(jiān)管政策要求，安全保障以及維護(hù)費(fèi)用已經(jīng)成為加氫站運(yùn)營的剛性成本。

隨著氫能行業(yè)的快速發(fā)展，燃料電池汽車數(shù)量有望快速增長，氫氣需求量有望不斷提升。根據(jù)中國工程院院士、上海交通大學(xué)校長林忠欽預(yù)測，到2030年，中國燃料電池汽車規(guī)模將超200萬輛，較2022年的1萬輛增加200倍。中國氫能聯(lián)盟預(yù)計(jì)，2030年我國氫氣年需求量將達(dá)到3700萬噸，2050年我國氫氣年需求量將接近6000萬噸，2060年有望突破1.3億噸。對(duì)加氫站的供氣設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，可以顯著降低加氫站運(yùn)營成本，Maurer等人通過優(yōu)化加氫站設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了小型客車加氫成本的優(yōu)化。同理，對(duì)燃料電池檢測實(shí)驗(yàn)室的供氫系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，也有望降低燃料電池檢測實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)營成本?；诖吮疚耐ㄟ^理論結(jié)合實(shí)際的方式，提出了一種安全可靠、能夠有效提高氫氣利用和輸送效率的技術(shù)方案，同時(shí)具有可維護(hù)性和可擴(kuò)展性，是一種降低加氫站運(yùn)營成本的有效途徑，具備一定的參考價(jià)值。

2 大流量供氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 供氣方式選擇

管束拖車集中供氣是一種利用長管拖車或管束式集裝箱為工業(yè)或民用領(lǐng)域提供壓縮氣體或液化氣體的供應(yīng)方式，具備大量且連續(xù)的氣體供給能力。使用管束拖車的優(yōu)勢(shì)在于結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)輸效率高、安全性強(qiáng)和適應(yīng)性強(qiáng)，可以根據(jù)需求隨時(shí)更換或補(bǔ)充氣體?；诂F(xiàn)有的氫氣源，我們選擇管束拖車作為氣體供應(yīng)的主要手段。趙磊等人的研究指出，針對(duì)采用拖車自增壓工藝的加氫站，研究了壓縮機(jī)與高壓儲(chǔ)罐按其總成本最低進(jìn)行匹配時(shí)的壓縮機(jī)排量影響因素，并建議將拖車分為4級(jí)。

2.2 拖車供氣系統(tǒng)及其冗余設(shè)計(jì)

針對(duì)采用拖車自增壓工藝的加氫站，根據(jù)車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)充氫過程、加氫站高壓儲(chǔ)罐與長管拖車充放氫過程的熱力學(xué)特性、隔膜壓縮機(jī)流量特性以及燃料電池汽車充裝要求，建立了加氫站供氫全過程的熱力學(xué)模型。基于所構(gòu)建的模型，研究了壓縮機(jī)與高壓儲(chǔ)罐按其總成本最低進(jìn)行匹配時(shí)的壓縮機(jī)排量影響因素。

加氫站內(nèi)供氫系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)可以為系統(tǒng)或流程提供額外的備用氫氣資源，能夠提高供氣系統(tǒng)的可靠性和可用性。在本案例中，冗余性主要體現(xiàn)在拖車車位和進(jìn)氣管道兩個(gè)方面。

2.2.1 拖車車位冗余設(shè)計(jì)

加氫站內(nèi)設(shè)計(jì)了三個(gè)停車位，可同時(shí)停放三輛管束拖車。一方面，它可以滿足不同類型的供氣需求，另一方面，它提高了供氣系統(tǒng)的維修便利性。即使其中一輛拖車需要更換或維修，也不會(huì)影響到整個(gè)供氣系統(tǒng)的運(yùn)行。

2.2.2 進(jìn)氣管道冗余設(shè)計(jì)

供氣系統(tǒng)分為A、B兩組，每組都有獨(dú)立的高壓管道進(jìn)氣。這樣的分組設(shè)計(jì)提高了系統(tǒng)的冗余性，即使其中一組出現(xiàn)問題，另一組仍然可以正常工作。其中A組被設(shè)計(jì)為可以同時(shí)接受兩組管束拖車的供氣。這種設(shè)計(jì)大大提高了供氣的效率，特別是在需要大量氣體的場合下，可以快速滿足需求。

2.3 大流量匯流排低壓供給端設(shè)計(jì)

針對(duì)燃料電池的使用特點(diǎn)，低壓減壓階段需要特別關(guān)注氣體的壓力調(diào)節(jié)和穩(wěn)定性。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們選擇了腔室內(nèi)負(fù)載調(diào)壓閥作為二級(jí)穩(wěn)壓減壓裝置。這種調(diào)壓閥具有較好的調(diào)節(jié)性能和穩(wěn)定性，能夠根據(jù)燃料電池的需求精確控制氣體的壓力，確保供氣的穩(wěn)定性。

在低壓減壓階段，除了對(duì)氣體的壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)外，還需要關(guān)注氣體的質(zhì)量。因此，在低壓端預(yù)留氣體取樣口是非常必要的。這個(gè)取樣口可以方便地對(duì)氣體進(jìn)行取樣和分析，監(jiān)測氣體的成分、濕度、雜質(zhì)等指標(biāo)，確保氣體質(zhì)量符合燃料電池的要求。通過定期對(duì)氣體進(jìn)行取樣和分析，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決潛在的問題，如氣體污染或管道泄漏等，從而確保燃料電池的正常運(yùn)行和穩(wěn)定性。

2.4 大流量匯流排中壓減壓端設(shè)計(jì)

壓力波動(dòng)是中壓減壓階段需要特別關(guān)注的問題。過大的壓力波動(dòng)可能對(duì)燃料電池的性能和測試結(jié)果產(chǎn)生不利影響。為了減小壓力波動(dòng)，我們選擇性能穩(wěn)定的腔室內(nèi)負(fù)載調(diào)壓閥，它能有效地穩(wěn)定壓力并減小波動(dòng)。此外，配備壓力傳感器和控制器等設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測和調(diào)節(jié)，確保壓力在合適的壓力波動(dòng)管理，確保壓力在合適的范圍內(nèi)波動(dòng)。這些設(shè)備與調(diào)壓閥協(xié)同工作，提高了供氣系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

2.5 高流量高壓力輸出端設(shè)計(jì)

燃料電池測試通常需要高流量和高壓力的供氣。為了滿足這一需求，需采用腔室內(nèi)負(fù)載調(diào)壓閥。它具有強(qiáng)大的流量和壓力調(diào)節(jié)能力，能承受高壓并穩(wěn)定輸出，確保在燃料電池測試期間供氣的充足和穩(wěn)定。此外，該調(diào)壓閥還具有良好的耐用性和可靠性，能夠長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，降低維護(hù)成本和停機(jī)時(shí)間。范圍內(nèi)波動(dòng)。這些設(shè)備與調(diào)壓閥協(xié)同工作，提高了供氣系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

2.6 安全與控制設(shè)備設(shè)計(jì)

該供氣方案的每組供氣系統(tǒng)中都配備了壓力傳感器、壓力表、安全閥、吹掃接口、氮?dú)獯祾呓涌谝约斑^濾器等設(shè)備。其中，壓力傳感器和壓力表用于實(shí)時(shí)監(jiān)測供氣的壓力狀況，確保供氣在安全范圍內(nèi)進(jìn)行。安全閥在壓力異常時(shí)會(huì)自動(dòng)釋放壓力，避免系統(tǒng)因壓力過大而受損。吹掃接口和氮?dú)獯祾呓涌谟糜谠谛枰獣r(shí)對(duì)管道進(jìn)行吹掃，保持管道的清潔，防止雜質(zhì)對(duì)氣體質(zhì)量的影響。過濾器則用于過濾掉氣體中的雜質(zhì)，保證氣體的純度和質(zhì)量。

2.7 閥門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了提高整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)化水平和安全性，該供氣方案的所有閥門均設(shè)置了手動(dòng)閥門和氣動(dòng)閥門兩種方案。氣動(dòng)閥門由遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)控制，該系統(tǒng)具備以下功能：（1）自動(dòng)切換：根據(jù)系統(tǒng)需求和運(yùn)行狀態(tài)，自動(dòng)選擇合適的閥門模式。（2）低壓報(bào)警：當(dāng)壓力低于預(yù)設(shè)值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)觸發(fā)報(bào)警功能，提醒操作人員進(jìn)行相應(yīng)處理。（3）緊急切斷：在緊急情況下，系統(tǒng)能夠迅速切斷氣源，防止事故擴(kuò)大。

3 某加氫站案例與應(yīng)用效果分析

3.1 原有問題及案例介紹

該加氫站原有的實(shí)驗(yàn)室供氣方式為“集裝格+匯流排”單獨(dú)供氣，每個(gè)試驗(yàn)室均需要單獨(dú)設(shè)置，這種供氣方式存在一定的安全隱患，且最大供氣量僅為4組集裝格，無法滿足大功率燃料電池測試時(shí)的需求。Caponi等人比較了加氫站中單一氣源和多個(gè)氣源的影響，并指出在需要頻繁更換氣體的情況下，采用多個(gè)氣源存在一定的操作不便，在燃料電池滿功率測試時(shí)，管道會(huì)有明顯的壓降。此外，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)室測試過程中，如果多個(gè)實(shí)驗(yàn)室同時(shí)進(jìn)行測試，可能會(huì)因過大的壓降導(dǎo)致急停。（圖1、圖2、圖3）

在第四節(jié)中所提出的“管束車+大流量匯流排”集中供氣的方式可以同時(shí)滿足多個(gè)實(shí)驗(yàn)室不同臺(tái)架的同時(shí)使用，且由于選擇了穩(wěn)壓性能好的減壓閥，因此在峰值工況下，管道也不會(huì)產(chǎn)生太大的壓降，能夠保持正常運(yùn)行。此外，管束車費(fèi)用較低，運(yùn)行成本有了降低。

3.2 應(yīng)用效果綜合分析

用氫量評(píng)估及成本計(jì)算如下：

根據(jù)調(diào)研，該檢測部門一年的氫氣使用量為約為48000—54000 kg。

以長三角大部分地區(qū)的氫氣價(jià)格為例，采用先前“集裝格+匯流排”單獨(dú)供氣時(shí)，每個(gè)集裝格含稅約為1400—1500元/格，核計(jì)集裝格氫氣成本約為130—150元/kg?？紤]集裝格每天15元租金，每年總成本約為640萬～810萬元。

改用“管束車+大流量匯流排”集中供氣后，管束車每車氫氣價(jià)格16568元，根據(jù)實(shí)際利用率情況計(jì)算得氫氣成本約為50—70元/kg。設(shè)備改造后，每年新增的運(yùn)維成本約為12萬—14萬元，另外每年新增管束車租金約為40萬—50萬元，每年總成本約為300萬—440萬元，相較原有單獨(dú)供氣方案下降了30%—50%左右。此外，這種供氣方式不僅可以滿足江蘇分公司的大功率燃料電池測試需求，而且具有更高的效率和安全性。

4 結(jié)語

本文從某加氫站的實(shí)際運(yùn)營狀況出發(fā)，針對(duì)實(shí)際大功率燃料電池系統(tǒng)檢測過程中的大流量氫氣需求的痛點(diǎn)，進(jìn)行正向設(shè)計(jì)和開發(fā)。本文通過綜合考慮安全性、壓力穩(wěn)定性、維護(hù)擴(kuò)展便利性等供氣需求，對(duì)比不同供氣方式，進(jìn)行供給端、中段減壓端和高壓輸出端的設(shè)計(jì)選型，最終完成了大流量氫氣分配系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了加氫站運(yùn)行成本的優(yōu)化。本文通過理論結(jié)合實(shí)際的方式，從氫氣流量設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，提出了一種既能滿足高壓大流量用氫需求、又能提高加氫站運(yùn)營經(jīng)濟(jì)性的途徑，具備一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]衣寶廉.燃料電池——原理、技術(shù)、應(yīng)用[J].化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[2]潘愛華，馬建新，高峰，等.汽車用氫燃料加氫站系統(tǒng)配置的研究[J].工礦自動(dòng)化，2003（6）：3.

[3]王一非，江誠.加氫站氫氣異常損耗的原因與對(duì)策[J].石油庫與加油站，2023，32（05）：29-31+5.