氫燃料電池汽車簡(jiǎn)易加氫站設(shè)計(jì)

邱鵬　黃祖朋　鄧海文　邵杰

摘 要：為了面對(duì)能源與環(huán)境問題，國家與地方政府正在大力推動(dòng)氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，目前國內(nèi)主流的汽車生產(chǎn)企業(yè)基本上都已經(jīng)啟動(dòng)了氫燃料電池汽車的研發(fā)工作。然而，受限于我國加氫站建設(shè)周期長(zhǎng)，成本高，流程復(fù)雜等問題，使得全國的加氫站數(shù)量十分稀少，許多汽車生產(chǎn)企業(yè)研發(fā)出來的氫燃料電池汽車面臨著加氫的巨大挑戰(zhàn)，一些偏遠(yuǎn)地方的汽車生產(chǎn)企業(yè)甚至到了無氫可加的境地。為了緩解氫燃料電池汽車的加氫問題，拓寬氫燃料電池汽車的使用場(chǎng)景，本文提出了一種簡(jiǎn)易加氫站的設(shè)計(jì)方法，期望該方法可為加氫困難的汽車生產(chǎn)企業(yè)提供借鑒，加速氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：氫燃料電池汽車 基礎(chǔ)設(shè)施 加氫

1 引言

氫燃料電池汽車的發(fā)展還有很多難題需要面對(duì)，如何建設(shè)發(fā)展燃料電池汽車所必須的基礎(chǔ)設(shè)施—加氫站是主要的問題之一[1]。

氫氣是一種很活潑的氣體，難被液化，具有易燃易爆的特點(diǎn)，使用高壓氣瓶存儲(chǔ)又涉及很多技術(shù)和安全問題，所以對(duì)外開放的大型加氫站對(duì)技術(shù)和安全的要求極高，隨之而來的是漫長(zhǎng)的建設(shè)周期和巨大的投資成本。按現(xiàn)在氫能源汽車的發(fā)展速度，基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)是跟不上的，所以加氫站需要國家和地方政府的大力支持和補(bǔ)貼才能普及和推廣[2][3]。

對(duì)大多數(shù)企業(yè)來說，如果不臨近大型加氫站，想發(fā)展氫燃料電池汽車相關(guān)技術(shù)，就不得不面對(duì)加氫問題。如果僅在企業(yè)內(nèi)有加氫需求，不對(duì)外運(yùn)營，可以在保證安全性的基礎(chǔ)上，根據(jù)使用需求和實(shí)際情況因地制宜。根據(jù)具體的加氫需求，建設(shè)小型加氫站，可以節(jié)約資源，并有效緩解加氫困難的問題。本文將基于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備安裝和基建設(shè)計(jì)三方面介紹一種小型氫燃料電池汽車加氫站。

2 加氫站建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)

現(xiàn)有的加氫站標(biāo)準(zhǔn)主要針對(duì)對(duì)外運(yùn)營的大型加氫站，對(duì)建設(shè)地點(diǎn)，安全防火距離，設(shè)備耐壓耐高溫能力，電氣及儀表控制，建筑結(jié)構(gòu)，給水排水等均有著十分具體的要求。加氫站主要分氫氣站（制氫）與供氫站（不制氫）兩大類，其中氫氣站的建設(shè)要求更為嚴(yán)格，小型加氫站通常選擇從其他地方運(yùn)輸瓶裝氫氣，再進(jìn)行增壓加注[4，5]。

基于現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)加氫站的儲(chǔ)氫量，可以將加氫站按表1分類。

由表1可知，國家標(biāo)準(zhǔn)中最小級(jí)別的加氫站也是1000kg數(shù)量級(jí)儲(chǔ)氫量，建設(shè)起來非常復(fù)雜，本文中提到的小型加氫站儲(chǔ)氫量通常設(shè)計(jì)在10kg到100kg之間，遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)分類中的最小級(jí)別，足以滿足數(shù)臺(tái)氫燃料電池乘用車的日常開發(fā)與運(yùn)行。

加氫站建設(shè)對(duì)環(huán)境的要求很高，因?yàn)橐M量避免環(huán)境中潛在的危險(xiǎn)，所以針對(duì)不同規(guī)模的建筑物，電氣線路，交通道路的安全距離都有著明確的規(guī)定，主要要求如下表2所示[6]：

為了確保使用安全，小型加氫站可選擇按照三級(jí)加氫站的要求設(shè)計(jì)安全距離，實(shí)際上由于儲(chǔ)氫量相比于三級(jí)加氫站小很多，如果需要使用更小的安全距離，可找相關(guān)安全部門進(jìn)行評(píng)估[7]。

3 簡(jiǎn)易加氫站設(shè)備構(gòu)成

對(duì)于小型簡(jiǎn)易加氫站，選擇合適規(guī)格的設(shè)備就可以實(shí)現(xiàn)從氫格加氫到氫燃料電池汽車儲(chǔ)氫罐。本文設(shè)計(jì)的小型簡(jiǎn)易加氫站的設(shè)備主要包括：空壓機(jī)，穩(wěn)壓罐，氫氣增壓泵，過濾機(jī)等，小型加氫站原理如圖1所示：

驅(qū)動(dòng)空氣：先使用空壓機(jī)將大氣中的空氣壓縮為具有一定氣壓的驅(qū)動(dòng)氣源，再驅(qū)動(dòng)空氣通過管路輸送到空壓機(jī)儲(chǔ)氣罐中，可以除去大部分液態(tài)水并避免空壓機(jī)頻繁起停，隨后氣體再經(jīng)過干燥機(jī)和過濾器，除去其中的水分和灰塵，最后通到氫氣增壓系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)氣體入口，用于氫氣的增壓;

氫格：將若干個(gè)儲(chǔ)氫瓶的集裝格并聯(lián)或串聯(lián)連接，最常見的儲(chǔ)氫瓶每個(gè)儲(chǔ)氫瓶容積40L，通常額定壓力為13.5MPa，常溫下，按每16個(gè)氫瓶成集裝格計(jì)算，約能儲(chǔ)存氫氣7-8kg，每個(gè)氫格都可以為氫燃料電池汽車加氫1-2次;可根據(jù)實(shí)際需求選擇氫瓶規(guī)格以及成組方式;

氮?dú)馄浚菏褂酶呒兌鹊獨(dú)?，在每次加氫前?duì)管路進(jìn)行掃吹，排盡管路內(nèi)的空氣，防止加氫過程中發(fā)生危險(xiǎn);

卸荷管路：可以在出現(xiàn)緊急情況時(shí)卸掉氫氣，增壓過程中也有少量氫氣通過卸荷排出到大氣;

加氫槍：用于和氫燃料電池汽車的加氫口結(jié)合，將高壓氫氣加注到儲(chǔ)氫系統(tǒng)中。

4 簡(jiǎn)易加氫站基建結(jié)構(gòu)

小型簡(jiǎn)易加氫站需要基建設(shè)施輔助，才能滿足國家相關(guān)防火防雷防水的要求。圖2為本文設(shè)計(jì)的一種小型加氫站基建結(jié)構(gòu)，包括消防系統(tǒng)，照明系統(tǒng)，硬化地面，護(hù)欄及頂棚，避雷針與接地裝置，給水排水系統(tǒng)，配電系統(tǒng)等。所有系統(tǒng)共同配合，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易加氫站安全，便捷，高效地執(zhí)行加氫功能。

5 總結(jié)與展望

在環(huán)境問題日益重要的今天，發(fā)展氫能源是實(shí)現(xiàn)“綠色地球”的必經(jīng)之路。在氫燃料電池電堆技術(shù)不斷發(fā)展的同時(shí)，基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)需要同步加速，這樣燃料電池相關(guān)技術(shù)才能更容易發(fā)展和推廣。氫能源和氫燃料電池汽車都是國家大力支持新能源領(lǐng)域的重中之重，相信在不久的將來，氫燃料電池汽車也會(huì)像如今的純電動(dòng)汽車一樣，隨處可見，加氫站也會(huì)像現(xiàn)在的充電樁一樣普及。

基金項(xiàng)目：廣西創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（桂科AA18242039）;柳州市科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目（2019AD10202）

參考文獻(xiàn)：

[1]洪虹，章斯淇.氫能源產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)狀研究與前景分析[J].氯堿工業(yè)，2019，55（09）：1-9.

[2]趙永志，蒙波，陳霖新，王賡，鄭津洋，顧超華，張?chǎng)?，張俊?氫能源的利用現(xiàn)狀分析[J].化工進(jìn)展，2015，34（09）：3248-3255.

[3]賈同國，王銀山，李志偉.氫能源發(fā)展研究現(xiàn)狀[J].節(jié)能技術(shù)，2011，29（03）：264-267.

[4]GB 50516-2010，加氫站技術(shù)規(guī)范[S].

[5]GB/T 34584-2017，加氫站安全技術(shù)規(guī)范 [S].

[6]GB/T 50177-2005，氫氣站設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[7]GB 4962-2008，氫氣使用安全技術(shù)規(guī)程[S].