氫燃料電池汽車(chē)加氫站的現(xiàn)狀與前景

劉海利

〔中國(guó)石化銷(xiāo)售有限公司油品技術(shù)研究所 天津 300384〕

1 加氫站概述

加氫站是連接上游制氫、運(yùn)氫，下游燃料電池汽車(chē)用氫的重要樞紐。加氫站網(wǎng)絡(luò)化分布是氫燃料電池技術(shù)大規(guī)模商業(yè)化的基本保障，氫氣輸送是解決加氫站網(wǎng)絡(luò)化合理分布的關(guān)鍵。

1.1 氫氣輸送

氫氣輸送按照輸送方式的不同主要有氣氫輸送和液氫輸送兩種。氣氫輸送分為管道輸送、長(zhǎng)管拖車(chē)輸送和罐車(chē)輸送。管道輸送一般用于輸送需量大的場(chǎng)合，長(zhǎng)管拖車(chē)輸送距離不宜太遠(yuǎn)，輸送量不大。液氫輸送一般采用罐車(chē)和船，可進(jìn)行長(zhǎng)距離輸送。

按照輸送距離劃分為160 km短距離輸送和1609 km長(zhǎng)距離輸送。

從表1氫氣輸送費(fèi)用的比較可以看出，長(zhǎng)距離輸送，鐵路比公路有優(yōu)勢(shì)，管道壓縮氣體的儲(chǔ)運(yùn)比其它方式更經(jīng)濟(jì)。雖然液氫的輸送費(fèi)用低，但是氫的液化和儲(chǔ)存費(fèi)用高。金屬氫化物儲(chǔ)氫方式在輸送環(huán)節(jié)無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)。

表1 氫氣輸送費(fèi)用比較 元/m3

注：資料來(lái)源：賽迪經(jīng)智，2013-03。

*以標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)計(jì)。

1.2 加氫站分類(lèi)

按照不同的分類(lèi)方法，加氫站可以分為多種類(lèi)型[1-3]。以建設(shè)形式劃分，可分為固定加氫站和移動(dòng)加氫站。以氫氣儲(chǔ)存狀態(tài)劃分，可分為液氫加氫站和高壓氫氣加氫站。以加注方式劃分，可分為單級(jí)加注加氫站和多級(jí)加注加氫站。以制氫方式，可分為電解水制氫站、甲醇現(xiàn)場(chǎng)制氫、天然氣現(xiàn)場(chǎng)制氫、汽油現(xiàn)場(chǎng)制氫等。以氫源劃分，可分為外供氫加氫站和站內(nèi)制氫加氫站。

站內(nèi)制氫包括電解水制氫、天然氣或甲醇重整制氫等。站內(nèi)制氫可以省去較高的氫氣運(yùn)輸費(fèi)用，但是增加了加氫站系統(tǒng)的復(fù)雜程度。

1.3 加氫站氫氣儲(chǔ)存

外供氫加氫站的氫氣是從外部生產(chǎn)后通過(guò)長(zhǎng)管拖車(chē)、液氫槽車(chē)或者管道運(yùn)輸至加氫站，在站內(nèi)進(jìn)行壓縮，輸送至高壓、中壓、低壓儲(chǔ)罐內(nèi)分級(jí)儲(chǔ)存[4]。若采用氣態(tài)長(zhǎng)管拖車(chē)運(yùn)輸，為了運(yùn)輸?shù)陌踩軤钊萜鞯膬?chǔ)氫壓力不得高于20 MPa，所以還需經(jīng)過(guò)站內(nèi)的氫氣壓縮機(jī)增壓至35 MPa以上才能達(dá)到加注標(biāo)準(zhǔn)。若采用液氫罐車(chē)運(yùn)輸，輸送至加氫站儲(chǔ)罐內(nèi)的液氫還需經(jīng)蒸發(fā)器汽化，再經(jīng)壓縮機(jī)增壓后儲(chǔ)存。

站內(nèi)制氫加氫站是在加氫站內(nèi)配備了制氫系統(tǒng)，氫氣制備后經(jīng)純化、壓縮，先后輸送至高壓、中壓、低壓儲(chǔ)罐內(nèi)分級(jí)儲(chǔ)存[4]。

1.4 加氫站設(shè)施

目前加氫站主要是高壓壓縮氫氣加氫站，根據(jù)供氫方式的不同，加氫站各系統(tǒng)的設(shè)備有所不同，但都大致相同，主要包括卸氣柱、壓縮機(jī)、儲(chǔ)氫罐、加氫機(jī)、管道、控制系統(tǒng)、氮?dú)獯祾哐b置、安全監(jiān)控裝置等，其核心設(shè)備是壓縮機(jī)、儲(chǔ)氫罐和加氫機(jī)[4-6]。

壓縮機(jī)。加氫站使用的壓縮機(jī)主要有隔膜式壓縮機(jī)和離子式壓縮機(jī)兩種。

儲(chǔ)氫罐。儲(chǔ)氫罐是加氫站的核心設(shè)備之一，很大程度上決定了加氫站的氫氣供給能力。加氫站內(nèi)的儲(chǔ)氫罐通常采用低壓(20～30 MPa)、中壓(30～40 MPa)、高壓(40～75 MPa)三級(jí)儲(chǔ)存。有時(shí)氫氣長(zhǎng)管拖車(chē)也作為一級(jí)儲(chǔ)氣(10～20 MPa)設(shè)施。

加氫機(jī)。加氫機(jī)是實(shí)現(xiàn)氫氣加注服務(wù)的設(shè)備，加氫機(jī)上裝有壓力傳感器、溫度傳感器、計(jì)量裝置、取氣優(yōu)先控制裝置、安全裝置等。對(duì)燃料電池汽車(chē)進(jìn)行加注氫氣時(shí)，若加氫站采用4級(jí)儲(chǔ)氣方式，則加氫機(jī)首先從氫氣長(zhǎng)管拖車(chē)中取氣；當(dāng)長(zhǎng)管拖車(chē)中的氫氣壓力與車(chē)載儲(chǔ)氫瓶的壓力達(dá)到平衡時(shí)，轉(zhuǎn)由低壓儲(chǔ)罐供氣，然后分別從中壓、高壓儲(chǔ)罐中取氣；當(dāng)高壓儲(chǔ)罐的壓力無(wú)法將車(chē)載氣瓶加注至設(shè)定壓力時(shí)，則啟動(dòng)壓縮機(jī)加注。加注完成后，壓縮機(jī)按照高中低壓的順序?yàn)閮?chǔ)罐補(bǔ)充氫氣。

1.5 氫氣加注

氫氣加注是通過(guò)氫氣加注系統(tǒng)為燃料電池汽車(chē)加注氫氣。加氫站對(duì)外加注氫氣時(shí)，儲(chǔ)氣瓶組向汽車(chē)加氫氣，則依低、中、高壓儲(chǔ)氣瓶組按順序進(jìn)行加氣[7]。長(zhǎng)管拖車(chē)供氫加氫站對(duì)汽車(chē)進(jìn)行加注時(shí)，加氫機(jī)可以先后從氫氣長(zhǎng)管拖車(chē)、低壓儲(chǔ)氫罐、中壓儲(chǔ)氫罐、高壓儲(chǔ)氫罐中按順序取氣進(jìn)行加注。液氫槽車(chē)供氫加氫站、管道輸送供氫加氫站和站內(nèi)制氫加氫站對(duì)汽車(chē)進(jìn)行加注時(shí)，加氫機(jī)可以先后從低壓、中壓、高壓儲(chǔ)氫罐中按順序取氣進(jìn)行加注。

2 國(guó)內(nèi)外加氫站建設(shè)現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外加氫站建設(shè)現(xiàn)狀

世界上已有或者在建加氫站的主流模式為高壓氣氫加注模式和液氫加注模式。1999年5月，德國(guó)人在慕尼黑國(guó)際機(jī)場(chǎng)建成了世界上第一座用于氫能汽車(chē)的加氫站。此后世界各國(guó)相繼開(kāi)始推動(dòng)加氫站的建設(shè)，其中德國(guó)、英國(guó)、美國(guó)、日本等國(guó)家高度重視加氫站建設(shè)。截至2017年底，全球共有328座正在運(yùn)營(yíng)的加氫站，其中139座位于歐洲，118座位于亞洲，北美擁有68座(39座位于美國(guó))，南美擁有1座，澳大利亞擁有1座，阿拉伯聯(lián)合酋長(zhǎng)國(guó)擁有1座(位于迪拜)。

2017年5月，日本的日產(chǎn)、本田、豐田三大汽車(chē)商合作計(jì)劃于2020年前在日本境內(nèi)建設(shè)160座加氫站。

到2017年底，德國(guó)共有56座加氫站，其中45座是公共加氫站。到2019年，德國(guó)加氫站數(shù)量預(yù)計(jì)將增加到100座。

2017年3月，美國(guó)空氣產(chǎn)品公司宣布公司旗下的美國(guó)加州加氫站氫氣價(jià)格為9.99 美元/kg，這是燃料電池汽車(chē)氫能源供應(yīng)走向低價(jià)的一個(gè)里程碑。截止2018年1月25日，美國(guó)共有39座加氫站為燃料電池汽車(chē)提供加氫服務(wù)。其中，加利福尼亞州有35座，南卡羅萊納州有2座，剩下2座位于東北部。

未來(lái)幾年，全球主要國(guó)家將加快加氫站建設(shè)。到2020年，全球加氫站保有量將超過(guò)435座，2025年有望超過(guò)1000座，日本、德國(guó)和美國(guó)分別有320座、400座和100座。

2.2 國(guó)內(nèi)加氫站建設(shè)現(xiàn)狀

為了推動(dòng)燃料電池汽車(chē)的發(fā)展，我國(guó)也積極建設(shè)加氫站，北京永豐加氫站是第一座站內(nèi)制氫加氫站，于2006年6月建成[8]。我國(guó)氫燃料電池汽車(chē)，初期以公交及商用車(chē)為主，加氫站主要以35 MPa為主。2020年后，氫燃料電池轎車(chē)開(kāi)始推向市場(chǎng)，70 MPa加氫能力的加氫站需求顯著增加。同時(shí)隨著加氫站數(shù)量的增加，加氫站與加油站/加氣站/充電站混合形式的能源站成為主要形式。

截止2017年8月，我國(guó)已建成的加氫站有12座，在營(yíng)加氫站有6座，分別位于北京、上海、鄭州、大連、佛山和云浮。在建的加氫站為24座，位于上海等省市。我國(guó)在營(yíng)加氫站概況見(jiàn)表2。

表2 我國(guó)在營(yíng)加氫站概況

續(xù)表2

從銷(xiāo)售終端來(lái)看，資料顯示，截至2015年底，我國(guó)共有加油站9.63萬(wàn)座，其中中石油與中石化共有5.13萬(wàn)座，占比53 %。中石油/中石化建設(shè)加氫站的優(yōu)勢(shì)主要在于氫氣來(lái)源和銷(xiāo)售終端。他們將引導(dǎo)我國(guó)加氫站建設(shè)的進(jìn)一步提速，為燃料電池車(chē)規(guī)模化應(yīng)用創(chuàng)造條件。由于加氫站和加油站均有安全距離的要求，因此，建設(shè)加油加氫站只需在拆除加油站內(nèi)的一臺(tái)加油設(shè)備，用來(lái)增設(shè)氫氣相關(guān)設(shè)備即可，而不像單獨(dú)建設(shè)加氫站需要審批土地，審批過(guò)程繁瑣。

作為能源行業(yè)的領(lǐng)軍，中石化已經(jīng)布局氫燃料相關(guān)產(chǎn)業(yè)。2018年10月22日，為推動(dòng)加氫站建設(shè)，中石化與億華通簽訂《戰(zhàn)略合作框架協(xié)議》，在氫氣供應(yīng)、車(chē)輛加氫、加氫站運(yùn)營(yíng)等方面展開(kāi)全面深入合作。市場(chǎng)推廣初期，億華通利用張家口可再生能源風(fēng)電制取的氫氣將成為中石化的氣源保障，保證終端氫氣價(jià)格不高于40元/kg。

3 加氫基礎(chǔ)設(shè)施相關(guān)政策

3.1 國(guó)外相關(guān)政策

(1)日本。2014年6月發(fā)布了到2040年的“氫社會(huì)”戰(zhàn)略路線(xiàn)圖，到2020年著力擴(kuò)大國(guó)內(nèi)固定式燃料電池和燃料汽車(chē)的使用量，以占據(jù)氫燃料電池世界市場(chǎng)的領(lǐng)先地位。日本對(duì)氫能和燃料電池的支持政策主要包括研發(fā)、示范和車(chē)輛補(bǔ)貼等方面。2017年日本對(duì)燃料電池研發(fā)支持資金共129億日元，包括燃料電池、加氫站、氫能供應(yīng)鏈3個(gè)方向。在車(chē)輛補(bǔ)貼上，實(shí)施新能源汽車(chē)綠色稅制政策，根據(jù)汽車(chē)種類(lèi)和指標(biāo)，車(chē)重稅和汽車(chē)購(gòu)置稅可享受50 %～100 %的減免，同時(shí)在加氫站建設(shè)上給予50 %補(bǔ)貼。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2014年日本對(duì)國(guó)內(nèi)所有加氫站的補(bǔ)貼總額高達(dá)72億日元。

(2)美國(guó)。美國(guó)能源部當(dāng)前特定目標(biāo)主要有3個(gè)：從現(xiàn)有的和未來(lái)的能源中獲取氫能、自由汽車(chē)、燃料電池研究計(jì)劃。

(3)韓國(guó)。氫能研發(fā)是韓國(guó)政府“21世紀(jì)前沿科學(xué)計(jì)劃”的主攻技術(shù)領(lǐng)域之一。韓國(guó)政府成立了“氫能研發(fā)中心”，該中心將氫能生產(chǎn)、氫能貯藏和氫能利用作為研究重點(diǎn)。

3.2 國(guó)內(nèi)相關(guān)政策

2014年11月，《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃2014—2020》把氫氣制取、儲(chǔ)運(yùn)及加氫站、先進(jìn)燃料電池和燃料電池分布式發(fā)電作為重點(diǎn)戰(zhàn)略方向。

2014年11月，財(cái)政部、科學(xué)技術(shù)部、工業(yè)和信息化部、國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于新能源汽車(chē)充電設(shè)施建設(shè)獎(jiǎng)勵(lì)通知》，對(duì)加氫站給予獎(jiǎng)勵(lì)，對(duì)符合加氫站國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)且每天加氫不少于200 kg的加氫站，將給予400 萬(wàn)元的補(bǔ)貼。

2016年6月，《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃(2016—2030年)》明確了氫能與燃料電池技術(shù)創(chuàng)新目標(biāo)與路線(xiàn)。技術(shù)創(chuàng)新重點(diǎn)在氫氣制取與儲(chǔ)運(yùn)、加氫站和先進(jìn)燃料電池等方面。

2017年5月，《“十三五”交通領(lǐng)域科技創(chuàng)新專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃》指出，重點(diǎn)發(fā)展氫燃料電池汽車(chē)核心專(zhuān)項(xiàng)技術(shù)、加氫基礎(chǔ)設(shè)施和示范考核技術(shù)，重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)布局包括氫燃料電池汽車(chē)。

4 加氫站相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

為加快推進(jìn)加氫站建設(shè)與運(yùn)營(yíng)，通過(guò)政府和企業(yè)協(xié)作，我國(guó)近幾年陸續(xù)出臺(tái)了關(guān)于加氫站相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，包含技術(shù)要求和安全要求，推動(dòng)我國(guó)氫能工業(yè)發(fā)展。加氫站基礎(chǔ)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3。

表3 加氫站基礎(chǔ)設(shè)施相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

5 加氫站建設(shè)存在的問(wèn)題

5.1 成本問(wèn)題

加氫站建設(shè)與運(yùn)行維護(hù)成本高。據(jù)推算，在日本建設(shè)一座氫氣充氣站的費(fèi)用相當(dāng)于汽油加油站的5倍。原因是氫氣充氣站的構(gòu)造復(fù)雜，選址要求嚴(yán)格，占地面積大等。我國(guó)加氫站建設(shè)所需關(guān)鍵部件主要依靠進(jìn)口，建設(shè)成本增加。

中國(guó)石化具有遍布全國(guó)的加油站網(wǎng)絡(luò)，利用加油站/加氣站來(lái)建設(shè)加氫加油站合建站，可以節(jié)約加氫站建設(shè)土地成本。2018年1月，國(guó)內(nèi)首座由中國(guó)石化廣東云浮石油與云浮新興縣國(guó)資辦合資合作的加油加氫站在廣東云浮新興動(dòng)工建設(shè)，項(xiàng)目建成后，將提供更穩(wěn)定的成品油供應(yīng)和氫氣能源供應(yīng)。

5.2 安全問(wèn)題

氫氣作為易燃易爆氣體，為甲類(lèi)可燃?xì)怏w，極易被引燃，與空氣混合的爆炸極限(體積分?jǐn)?shù))為4.1 %～74.1 %，因此其安全性不容忽視。氫氣分子小，更容易發(fā)生滲透與泄漏，擴(kuò)散速度快。加氫站在設(shè)計(jì)建造時(shí)要預(yù)留充足的安全距離，必要時(shí)可增設(shè)防爆墻；在正式運(yùn)營(yíng)前要布控消防安全預(yù)警，提前做好應(yīng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的方案。此外氫氣對(duì)金屬材料產(chǎn)生氫脆現(xiàn)象，破壞金屬性能。

5.3 審批缺乏規(guī)范

我國(guó)缺少規(guī)范化加氫站建設(shè)的審批規(guī)定，氫氣作為能源應(yīng)用無(wú)相應(yīng)主管部門(mén)，審批流程不順暢，地方審批加氫站建設(shè)無(wú)據(jù)可依，審批效率較低。

6 結(jié)語(yǔ)

氫燃料電池經(jīng)過(guò)近兩個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，已經(jīng)在全球逐漸得到應(yīng)用，尤其是在汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展空前迅速，各國(guó)政府都在推行燃料電池和燃料電池汽車(chē)相關(guān)示范項(xiàng)目，基本完成了氫燃料電池汽車(chē)的性能研發(fā)，解決了示范中發(fā)現(xiàn)的核心技術(shù)問(wèn)題，整車(chē)性能已經(jīng)達(dá)到傳統(tǒng)汽車(chē)水平。然而燃料電池汽車(chē)的商用量產(chǎn)普及還需破解整車(chē)集成和輕量化、高性能燃料電池制造與使用的低成本與安全性、制氫儲(chǔ)氫和氫氣配置等問(wèn)題。

與國(guó)外氫燃料電池汽車(chē)技術(shù)先進(jìn)國(guó)家相比較，我國(guó)還有很大差距，加氫站網(wǎng)絡(luò)化是氫燃料電池汽車(chē)推廣的基礎(chǔ)，未來(lái)幾年我國(guó)加氫站建設(shè)將進(jìn)入快速發(fā)展期，同時(shí)混合加氫站的建設(shè)將成為主流。