加氫站加氫槍特點與技術研發(fā)難點

（北京航天試驗技術研究所，北京 100074）

0 引言

化石燃料等傳統(tǒng)能源的消耗和日益嚴峻的環(huán)境壓力使國家和社會對新型清潔能源的需求越來越大。燃料電池技術為世界能源轉型和動力轉型指明了新的方向，是未來汽車工業(yè)可持續(xù)化發(fā)展的重要途徑。與傳統(tǒng)汽車和純電動汽車技術相比，燃料電池汽車技術具有使用效率高、續(xù)航里程長、綠色環(huán)保、過載能力強、低噪聲、轉化效率高和加注時間短等優(yōu)點[1]，越來越受到世界各國的重視。

各發(fā)達國家積極布署氫能產業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略，積極推動氫能配套設施的建設。美國、德國、日本、韓國以及歐盟各國等主要國家和地區(qū)將燃料電池汽車產業(yè)納入國家或地區(qū)戰(zhàn)略發(fā)展體系，設立專項經費進行研發(fā)與示范推廣，并制定各種政策搶占先機[2]。例如美國加州立法機關通過一項價值20 億美元的法案（ABB），來延長燃料汽車補貼到2023 年，推進加氫站的建設[3]；德國啟動“氫流動圖”計劃，擬建全國性的氫燃料補給網絡系統(tǒng)，計劃在2023 年左右普及10 萬輛氫燃料電池汽車，建設400 座加氫站[2]；2014 年～2020 年，歐盟將啟動“HORIZON2020”計劃，在該計劃中，氫燃料電池的投入預算可能達到220億歐元[3]；日本提出了構建“氫能社會”的國家戰(zhàn)略，規(guī)劃其發(fā)展路線圖，計劃到2020 年普及約4 萬輛氫燃料電池汽車，建設160 座加氫站。目前全球燃料電池汽車已進入技術與市場示范階段，預計在2020 年將全面進入商業(yè)化階段[4]。產業(yè)鏈巨頭紛紛組成聯(lián)盟，進行燃料電池汽車的商業(yè)化協(xié)同攻關，并與能源、礦產等相關企業(yè)形成更廣泛的合作，呈現(xiàn)出了骨干整車企業(yè)牽引的全產業(yè)鏈發(fā)展態(tài)勢[2]。

我國也在高度重視燃料電池汽車產業(yè)的發(fā)展。近兩年，國家相關部委密集出臺相關政策，大力支持燃料電池汽車的發(fā)展：《國家創(chuàng)新驅動發(fā)展戰(zhàn)略綱要》《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》《“十三五”國家戰(zhàn)略性新型產業(yè)發(fā)展規(guī)劃》《中國制造2025》《汽車產業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》《“十三五”交通領域科技創(chuàng)新專項規(guī)劃》等。這些政策紛紛將發(fā)展氫能產業(yè)列為重點任務，將燃料電池汽車領域列為重點支持領域來大力發(fā)展，并明確提出：到2020年，在特定地區(qū)，公共服務用車領域要形成5 000 輛級規(guī)模的示范效應，建成100 座加氫站；2025 年要達到五萬輛的應用規(guī)模，建成300 座加氫站[5]；2030 年要實現(xiàn)百萬輛燃料電池汽車的商業(yè)化應用，建成1 000 座加氫站[6]；2050 年加氫站將覆蓋全國，燃料電池運輸車保有量將達1 000 萬輛。

所以氫能領域的發(fā)展離不開加氫站等基礎設施的建設，未來加氫站建設量巨大，為加氫站配套的加氫槍等加氫裝置需求量巨大，然而目前加氫裝置大量依賴進口，自主研發(fā)尚需時間。

1 高壓氫氣加氫槍研發(fā)現(xiàn)狀與技術難點

1.1 高壓氫氣加氫槍研發(fā)現(xiàn)狀

加氫站儲氫領域，以高壓氫氣儲氫和低溫液氫儲氫為主，目前高壓氫氣儲氫技術上已經成熟，所以在加注方面，主要采用高壓氫氣進行加注，技術上比較成熟的是35 MPa和70 MPa 加氫機。

圖1 進口加氫一體機

國外的高壓儲氫加氫機制造企業(yè)，主要有美國的Plug power 公司、Air product 公司、日本川崎公司和德國寶馬公司等，圖1 為美國Air product 公司的35 MPa 和70 MPa 加氫一體機樣機，已經達到了很高的水平。而國內，35 MPa加氫機設備目前正逐步進行國產化，有個別企業(yè)已經實現(xiàn)量產；而70 MPa 加氫機設備完全依賴進口。截至2019 年3 月，國內有加氫站共25 座，運營數量僅占全球的1%左右。

國內加氫機主要是35 MPa 壓力條件，更高壓力的加氫機是未來的發(fā)展趨勢。從目前調研情況來看，國內厚普股份生產成套的加氫設備，35 MPa 條件下的加氫機設備已經量產，主要提供給鄭州宇通加氫站，目前也已經研發(fā)出70 MPa 加氫機樣品；北京三盈公司也已研發(fā)出35 MPa加氫機，準備量產。圖2 為2 個公司的國產加氫機樣機。2016 年在大連高新區(qū)建成的加氫站，采用了同濟大學研發(fā)的新型70 MPa 氫氣加注和儲存技術，是我國首座利用風光互補發(fā)電制氫的70 MPa 加氫機。北京航天試驗技術研究所也已研發(fā)出70 MPa 樣機一臺，正在進行各項性能測試。

國內加氫槍設備，主要有厚普股份旗下的天津朗安科技公司和成都安迪生公司，朗安科技公司目前擁有兩款加氫槍，分別是LA-HF16 型加氫槍和LA-HF25 型加氫槍，為仿制WEH 對應型號產品；成都安迪生公司生產的雙手操作的35MPa 加氫槍，如圖3 所示，該產品的研發(fā)和測試是依據《GB/T 34425》以及《SAE J2600》2 個標準進行的，其密封結構能保證關鍵密封件壽命達到10萬次。

圖2 國產35 MPa 加氫機

圖3 成都安迪生35 MPa 加氫槍

此外，該加氫槍依據國家標準完成了包括液壓強度測試、氣密性測試、手柄操作測試、循環(huán)壽命測試、連接件電阻測試等10 余項測試，測試結果全部合格，已經量產。

對于70 MPa 加氫槍產品，國內還沒有自主研發(fā)的成型產品，基本依賴進口。國外主要加氫槍廠商有德國WEH公司、Staubli 公司、OPW 公司和日本的日東公司等。OPW公司和Staubli 公司主要提供25 MPa 和35 MPa 的加氫槍，德國的WEH 公司的加氫槍設備產品種類齊全，是國內和國際加氫槍市場上最常見的品牌。WEH 公司提供25 MPa、35 MPa 和70 MPa 加氫槍產品，如圖4 所示，并且產品功能多樣，可選功能多。目前國際上生產70 MPa 加氫槍的廠商也比較少，因此從市場來看，進行70 MPa 加氫槍產品的研制不僅可以推進國內加氫站建設，更可以為產品推向國際市場奠定基礎。

可以看出，國內加氫槍市場的主要競爭對手還是國外廠商。國內加氫站的發(fā)展必然會帶動加氫槍市場的發(fā)展，更多的國外的產品會進入中國市場，國外加氫槍的優(yōu)勢是技術成熟且應用廣泛，但進口產品價格較高，所以價格將是國產產品的一個重要競爭優(yōu)勢，也是影響未來國內加氫槍市場格局的一個重要因素。

1.2 高壓氫氣加氫槍技術難點

1.2.1 加氫槍控制系統(tǒng)的復雜結構

高壓氫氣加氫槍結構包括開關控制、吹除、回收檢測以及加滿自動關閉等功能，需要集成到加氫槍的控制系統(tǒng)中，因此結構較為復雜，集成度非常高。由于加氫槍單手操作，要求重量輕，體積小。為了解決該問題，可以參考天然氣槍的設計構造，將各個功能整合到加氫槍控制系統(tǒng)中。

1.2.2 高壓超高壓條件下的密封問題

在高壓超高壓條件下，氣體對密封結構的壓力較高，在間隙相同的情況下比常壓泄漏量大幾倍甚至幾十倍，并且對于氫氣這種易燃氣體，過量的泄露導致的后果將會非常嚴重[7]。對于超高壓條件下密封材料和結構的選擇需要綜合分析，并進行相關的試驗驗證。超高壓條件對密封面也提出了更高的要求，超高壓條件需要更高的密封比壓，需要更高硬度更高強度的密封面材料。

1.2.3 加氫槍的安全性問題

高壓加氫槍在工作時具有極高流速，容易對加氫槍內部部件造成損壞，且高流速造成的熱量也會引起一些結構上的變形，以及熱傳導。為了保證加氫槍可靠性，需要采用有限元模擬和試驗研究相結合的方式，進一步保證加氫槍的安全性。有限元模擬包括力學結構強度校核和流場分析2 個方面，以此保證加氫槍結構強度以及流場的合理性。通過壽命試驗來進一步驗證加氫槍的使用壽命。

圖4 WEH 加氫槍

圖5 進口加氫槍

2 液氫加氫槍研發(fā)現(xiàn)狀與技術難點

2.1 液氫加氫槍研發(fā)現(xiàn)狀

液氫儲氫相對于高壓氫氣儲氫，具有儲氫密度高、儲運成本低、儲存壓力低，安全系數更高等優(yōu)點，因此應用前景更為廣闊。目前全球加氫站數量將近400 座，其中1/3 是液氫加氫站。在日本，約一半加氫站為低溫液態(tài)儲氫加氫站，巖谷產業(yè)公司已經成功建立了16 座液氫加氫站，全部配備自主研發(fā)的液氫加氫機和加氫槍；美國液氫加氫機的制造企業(yè)以Plug power、Air product 公司為主；法國市場的液氫加氫機制造企業(yè)主要是林德公司。如圖6 所示，為法國林德公司和日本日東公司自主研發(fā)的液氫加氫槍設備。

截至2019 年3 月，我國在運營的加氫站有25 座，全部使用高壓儲氫加氫機，低溫液態(tài)儲氫加氫機還有待進一步研發(fā)，與其配套的自主研發(fā)的液氫加氫槍還未成型。因為我國液氫產業(yè)鏈與國外比差距很大，涉及民用液氫的試驗檢測條件、檢測標準和方法還是空白，嚴重阻礙了液氫基礎設施的建設和產品開發(fā)，所以液氫加氫機和液氫加氫槍的研制進展緩慢。但從目前的情況來看，國內液氫加氫市場已經開始發(fā)展，主要包括中科富海和富瑞氫能等公司。

2018 年底，中科富海與空氣產品公司進行合作，在廣東建設中國第一座商業(yè)運營的液氫儲運加氫站，該加氫站按照美國J2601 加氫站技術標準進行建設，中科富海引進美國Air product 公司生產的成套加氫設備，包括液氫加氫機和液氫加氫槍，該項目的建設意味著國內建設液氫加氫站的開始。中科富海是中科院理化所大型低溫工程技術成果產業(yè)化公司，主要研發(fā)大型低溫系統(tǒng)裝備，如大型氫液化裝置和液氫儲槽等關鍵設備。

富瑞氫能成立于2016 年，是富瑞特裝集團專門成立的氫能產品公司，主要從事氫液化裝置、液氫儲運裝備和車載供氫系統(tǒng)裝備的研發(fā)工作，富瑞氫能也計劃在2020 年以前重點布局液氫產業(yè)鏈，自主研發(fā)國產液氫加氫機和液氫加氫槍。此外，北京航天試驗研究所已經研發(fā)出液氫加氫機，正處于各項性能驗證階段，與之配套的液氫加氫槍也正處于研發(fā)階段。按照國家節(jié)能與新能源汽車技術路線圖的規(guī)劃，隨著燃料電池車對氫的需求量的增加，我國的加氫站數量會逐步增加，2020 年有望達到100 座，因此國內加氫市場還是非常大的[8]，液氫加氫槍由于剛起步市場會更大。

圖6 液氫加氫槍

可以看出，國內液氫加氫站正處于起步發(fā)展階段，產品進入市場的時間將直接影響以后的市場發(fā)展，因此加快液氫加氫槍研發(fā)速度才能把握市場的先機。實現(xiàn)加氫槍等設備國產化，可以降低設備成本，提高我國在加氫站研發(fā)領域的實力。

2.2 液氫加氫槍技術難點

2.2.1 液氫加氫槍各功能的實現(xiàn)

根據加氫的整個過程（與加氫口連接、吹除、加注、跳槍、回收、檢測壓力、斷開連接、加氫槍頭及加氫口的自密封），在各個階段具有不同的功能，為了保障功能的實現(xiàn)，加氫槍內部的結構會比較復雜，加氫槍結構設計是核心技術。

2.2.2 液氫加氫槍保溫結構設計

液氫的沸點為-253℃，在加注液氫的過程中，液氫會與環(huán)境存在大量的熱量交換，可能導致液氫氣化，進而引發(fā)安全問題。因此在加注過程中需要保證加氫槍的保溫性能，液氫加氫槍的設計難點在于既要保證絕熱效果又要降低結構的體積和重量，提高可操作性，因此保溫結構設計也是加氫槍設計的重點之一。

2.2.3 液氫加氫槍頭部除霜結構設計

除霜功能主要用于加氫槍連續(xù)工作時，前車加注完成后，如果槍頭帶霜，后車加氫時會凍住或者將霜帶入到車載液氫容器中，造成危險。因此，有必要考慮液氫加氫槍頭部的除霜結構。

3 對加氫裝置研發(fā)的建議

3.1 關于高壓氫氣加氫槍研發(fā)的建議

對于高壓氫氣加氫槍，可以參考國外進口加氫槍的設計結構，對復雜結構進行整合，集成到槍體上。槍體材料可以選擇鋁合金或鈦合金來降低重量，為了單手操作，可以參考加油槍的工藝設計，改進手柄部分外形結構，提高握持感。對高壓超高壓條件下密封問題，可以考慮在不同位置采用不同的密封型式，O 型圈、墊片、填料等常規(guī)的密封結構在加氫槍中也可以應用。此外，也可以考慮泛塞封的密封方法，該密封的特點是結構簡單，可以選用抗腐蝕的材料，具有自密封的特點，當壓力提高時，泛塞封的密封壓力也將提高，因而可以提升高壓條件下的密封效果。

3.2 關于液氫加氫槍研發(fā)的建議

對于液氫加氫槍，防止液氫氣化的絕熱結構設計是難點，目前比較有效的超低溫絕熱措施有在殼體外包裹非金屬絕熱層的方式和高真空絕熱的方式，而高真空絕熱的方式因占用體積小，絕熱效果好等優(yōu)點被廣泛應用于航天地面設備如管道和閥門上。因此，液氫加氫槍的絕熱設計可以考慮用高真空絕熱的方式進行。對于液氫加氫槍連續(xù)加注而外表面結霜的問題，以及空氣與氫氣混合引發(fā)的安全問題，需要考慮對液氫進行吹除。吹除結構設計，可以考慮引入高溫氮氣進行，在加氫槍體內部設置吹除管，保證加氫過程順利安全的進行。對于槍頭部結霜的問題，可以考慮加氫結束后采用特殊的密封結構，阻止槍頭接觸更多的水蒸汽，同時采用干燥熱空氣吹除的方式去除。

3.3 結合實際情況，把握研發(fā)趨勢

高壓氫氣加氫槍和液氫加氫槍取決于加氫機的加注方式，高壓氫氣加氫的方式，雖然不需要過多的考慮熱量的散失，結構相對簡單，但是高壓超高壓容器制造成本較高。此外，對于高壓氫氣加氫機設備，有些歐洲和國內部分專業(yè)人士因為相應能耗和投入成本過高而不贊成使用70 MPa加氫機，淡化70 MPa 加氫機的制造。筆者認為應該具體情況具體分析，結合本國加氫站發(fā)展戰(zhàn)略，進行合理研發(fā)。相較于高壓氫氣加氫機，液氫加氫機需要考慮絕熱設計，但是其儲氫密度高、儲運成本低、儲存壓力低，也更安全，將會是未來加氫機發(fā)展的趨勢。相應的，液氫加氫槍在市場上也會有巨大的需求量。

4 結語

加氫單體設備是加氫基礎設施建設的排頭兵，在結合實際情況，合理規(guī)劃研發(fā)路線的基礎上，穩(wěn)妥有序地進行加氫槍設備的研發(fā)，才能在技術上少走彎路，提升產品可靠性。新產品開發(fā)需要時間，需要研發(fā)人員結合實際需求，考慮成本與市場因素，不斷創(chuàng)新，不斷優(yōu)化產品性能，提高產品使用的便捷性、安全性和可維修性。