氢能具有清洁、高效、安全及可持续发展等优点,被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源之一,成为各国能源战略转移和研究的重点。加氢站作为氢能应用的重要保障,是氢燃料电池汽车实现商业化的关键基础设施,加氢站的建设数量和普及程度决定了氢燃料电池汽车的商业化进程。加氢站之于燃料电池汽车,犹如加油站之于传统燃油汽车、充电站之于纯电动汽车,是支撑氢能产业链发展必不可少的基石。
加氢站的工作原理
目前的加氢站主要是高压压缩氢气加氢站,根据供氢方式的不同,加氢站各系统的设备略有差异,但大致相同。加氢站的主要设备有卸气柱、压缩机、储氢罐、加氢机、管道、控制系统、氮气吹扫装置以及安全监控装置等,其主要的核心设备是压缩机、储氢罐和加氢机。
压缩机
目前加氢站使用的压缩机主要有隔膜式压缩机和离子式压缩机两种。隔膜式压缩机因无需润滑油润滑,从而能够获得满足燃料电池汽车纯度要求的高压氢气。但隔膜式压缩机在压缩过程中需要采用空气冷却或液体冷却的方式进行降温。离子式压缩机能实现等温压缩,但因技术尚未成熟,没有大规模使用。
储氢罐
储氢罐是加氢站的核心设备之一,很大程度上决定了加氢站的氢气供给能力。加氢站内的储氢罐通常采用低压(20 ~30 MPa)、中压(30 ~40 MPa)、高压(40~ 75 MPa)三级压力进行储存。有时氢气长管拖车也作为一级储气(10 ~ 20 MPa)设施,与储氢罐共同构成加氢站的四级储气。
加氢机
加氢机是实现氢气加注服务的设备,加氢机上装有压力传感器、温度传感器、计量装置、取气优先控制装置、安全装置等。当燃料电池汽车需要加注氢气时,若加氢站是采用4级储气的方式,则加氢机首先从氢气长管拖车中取气;当氢气长管拖车中的氢气压力与车载储氢瓶的压力达到平衡时,转由低压储氢罐供气;依此类推,然后分别是从中压、高压储氢罐中取气;当高压储氢罐的压力无法将车载储氢瓶加注至设定压力时,则启动压缩机进行加注。加注完成后,压缩机按照高、中、低压的顺序为三级储氢罐补充氢气,以待下一次的加注。这样分级加注的方式有利于减少压缩机的损耗。
加氢站的分类
加氢站按照不同的分类标准,可以分为多种类型,如下图所示,行业内通常将加氢站分为站外制氢加氢站和站内制氢加氢站两种,由于氢气储存技术限制,目前我国加氢站以高压氢气加氢站为主。
加氢站的等级
根据国家标准《加氢站技术规范》(GB- 50516),加氢站根据其储氢罐总容量和单罐容量,将单纯加氢站分为三级,具体见表:
中国当前发展现状
我国加氢基础设施的建设始于“十一五”期间,首个加氢站是于2006年建成的北京永丰加氢站。虽然我国加氢站的建设起步较晚,但近几年发展十分迅速,已初具规模,进入示范运营阶段,但尚未形成有效的加氢网络体系。国内目前建成的加氢站主要服务燃料电池公共汽车和物流卡车,加注压力以35MPa为主,近期才有个别站具备70MPa加注能力。国内前期建成的加氢站主要是示范站,规模较小,对运营经济性、耐久性的验证还较少,加氢站的供氢形式绝大多数是采用20MPa的长管拖车输送氢气,极少有站内制氢或管道供氢。
今年5月,国家能源局科技司副司长刘亚芳在氢能产业高峰论坛上表示,我国在氢能加注方面获得新突破,已累计建成加氢站超过250座,约占全球数量的40%,加氢站数量位居世界第一。根据《节能与新能源汽车技术路线图2.0》规划,到2025年,我国加氢站的建设目标为至少1000座,到2035年加氢站的建设目标为至少5000座。