加氫站核心裝備制造方法與關(guān)鍵技術(shù)研究

張夢儉

（天津安派克氫能源裝備有限公司）

近年來， 為促進(jìn)我國氫燃料電池行業(yè)的發(fā)展，國家積極出臺(tái)了一系列政策規(guī)劃，推動(dòng)氫燃料電池基礎(chǔ)設(shè)施加氫站的建設(shè)［1］。相比電動(dòng)汽車，燃料電池汽車克服了充電時(shí)間長、電池蓄電能力差及電池報(bào)廢處理難等問題。 但是，燃料電池汽車的推廣依然不像電動(dòng)汽車那樣順利。 究其原因，除了燃料電池汽車本身生產(chǎn)成本和銷售價(jià)格居高不下外，配套加氫基礎(chǔ)設(shè)施的稀缺也是制約其快速發(fā)展的最大障礙［2］。 加氫站是連接上游氫氣和下游燃料電池汽車用戶的紐帶，是大規(guī)模發(fā)展燃料電池汽車的基本條件［3］。 在加氫站設(shè)計(jì)建設(shè)過程中，制定符合需要的工藝流程方案、選取合適的工藝設(shè)備，對(duì)加快加氫站建設(shè)進(jìn)度、合理控制建設(shè)成本，具有至關(guān)重要的作用。

筆者針對(duì)加氫站核心裝備零件，論述相關(guān)加工制造技術(shù)的研究現(xiàn)狀，為構(gòu)造核心裝備加工制造理論、方法和工藝技術(shù)體系，解決高性能核心裝備零件制造難題提供理論支撐。

1 加氫站分類及典型工藝流程

從制氫方式上可以將現(xiàn)有的加氫站分為站內(nèi)制氫供氫加氫站和外供氫加氫站，兩者工作流程略有不同。 站內(nèi)制氫供氫加氫站：加氫站內(nèi)有制氫設(shè)備，可自行生產(chǎn)氫氣，經(jīng)過壓縮后實(shí)現(xiàn)對(duì)外加氣。 外供氫加氫站：借鑒天然氣子母站的工作原理，氫氣從站外工廠（母站）送至加氫站（子站），經(jīng)過二次加壓完成對(duì)外加氣。

站內(nèi)制氫供氫加氫站和外供氫加氫站的工作流程如圖1 所示。

圖1 站內(nèi)制氫供氫加氫站和外供氫加氫站的工作流程

從輸送氫氣狀態(tài)上可將加氫站分為氣態(tài)加氫站和液氫到站高壓氣氫加注加氫站。 氣態(tài)加氫站和液氫到站高壓氣氫加注加氫站的配置圖如圖2 所示。

圖2 氣態(tài)加氫站和液氫到站高壓氣氫加注加氫站的配置

盡管上述加氫站設(shè)計(jì)原理略有不同，但是關(guān)鍵系統(tǒng)和部件大同小異：

a. 制氫設(shè)備，僅用于具有現(xiàn)場制氫能力的加氫站，主要有電解水制氫、甲醇裂解制氫和天然氣重整制氫3 種；

b.純化系統(tǒng)，主要應(yīng)用在具有現(xiàn)場制氫能力的加氫站，凈化氫以滿足燃料電池汽車的純度要求；

c. 儲(chǔ)存系統(tǒng)， 包括用于以氣態(tài)形式儲(chǔ)存氫的壓力容器和用于儲(chǔ)存液態(tài)氫的低溫容器，以及在液態(tài)氫蒸發(fā)成氣態(tài)氫時(shí)儲(chǔ)存氣態(tài)氫的壓力容器；

d. 壓縮機(jī)/增壓器/液氫泵， 將氫氣壓縮到所需壓力， 然后直接加注到燃料電池汽車的罐中，或?qū)⒏邏簹錃鈨?chǔ)存在緩沖罐中供將來使用，在液氫站中，液氫泵負(fù)責(zé)將液態(tài)氫增壓，增壓后的液態(tài)氫進(jìn)行高壓汽化后存儲(chǔ)；

e. 安全和電氣設(shè)備， 如控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、高壓連接件、儀表、壓力傳感器、氫氣泄漏傳感器及紅外火焰探測器等；

f. 機(jī)械設(shè)備，如加氫機(jī)、管道、配件和壓力閥。

2 氫氣壓縮機(jī)制造方法及主要參數(shù)

氫氣壓縮機(jī)是將氫源加壓注入儲(chǔ)氫系統(tǒng)的核心裝置，是加氫站三大核心設(shè)備之一，最重要的性能指標(biāo)是輸出壓力和氣體封閉性能，其制造應(yīng)符合GB 50516—2010《加氫站技術(shù)規(guī)范》（2021年版）的要求。 根據(jù)工作原理及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同，壓縮機(jī)分類如圖3 所示。

圖3 氫氣壓縮機(jī)分類

常見的氫氣壓縮機(jī)特點(diǎn)對(duì)比見表1。

表1 常見的氫氣壓縮機(jī)特點(diǎn)對(duì)比

隔膜式壓縮機(jī)（圖4）是一種容積式壓縮機(jī)，由液壓系統(tǒng)和氫氣壓縮系統(tǒng)組成。 液壓系統(tǒng)采用線性往復(fù)式活塞，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)身曲軸進(jìn)而推動(dòng)活塞在活塞缸體內(nèi)行程往復(fù)運(yùn)動(dòng)。 活塞推動(dòng)油腔內(nèi)液壓油運(yùn)動(dòng)，液壓油推動(dòng)金屬膜片給氫氣側(cè)加壓。 氫氣壓縮系統(tǒng)由隔膜蓋、三層金屬膜片組和壓縮機(jī)吸排氣閥組成。 液壓油被泵送到膜片組油側(cè)，活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)使得進(jìn)入膜片組油側(cè)的液壓油迫使膜片組往膜片組氣側(cè)位移，進(jìn)而膜片組氣側(cè)的壓縮腔容積發(fā)生變化，氫氣通過壓縮機(jī)吸排氣閥流入和流出。

圖4 隔膜式壓縮機(jī)設(shè)計(jì)原理

隔膜式壓縮機(jī)主要參數(shù)如下：

吸氣壓力 5～20 MPa（G）

排氣壓力 8～300 MPa

泄漏率 10-8～10-4mbar L/s（1 bar=0.1 MPa）

噪聲水平 小于85 dBA@1 m 距離

最高壓縮比 15∶1

排氣溫度（冷卻后） 不大于40 ℃

曲軸轉(zhuǎn)速 250～720 r/min

軸功率 不大于45 kW

根據(jù)隔膜式壓縮機(jī)各部分的功能，設(shè)計(jì)隔膜式壓縮機(jī)零部件的制造工藝路線流程，具體如圖5 所示。

圖5 隔膜式壓縮機(jī)零部件制造工藝路線流程

由圖4 可知， 隔膜頭的主要部件有隔膜蓋、隔膜組、穿孔板和法蘭。 其中，隔膜組由3 個(gè)獨(dú)立的金屬隔膜片組成，夾在隔膜蓋和穿孔板之間被氣體密封住，外部通過金屬O 形環(huán)密封。 與氣體接觸的部件只有：隔膜蓋、隔膜組的氣側(cè)隔膜、帶有推力和密封作用的氣閥以及用于密封隔膜的金屬O 形密封圈。 因此，隔膜式壓縮機(jī)采用靜密封形式可以有效避免泄漏問題。

金屬隔膜未受外部污染時(shí)，使用壽命約3 000～5 000 h。 為了保證隔膜式壓縮機(jī)出現(xiàn)泄漏時(shí)能夠被檢測到，使用三重夾層金屬隔膜（圖6）和連接故障指示器系統(tǒng)，中層金屬隔膜帶有中心槽結(jié)構(gòu)，當(dāng)有隔膜發(fā)生故障時(shí)，該結(jié)構(gòu)可及時(shí)阻止氣體穿透液壓部分，或油進(jìn)入氣體部分。

圖6 帶有中心槽的三重夾層金屬隔膜

金屬隔膜制作工藝流程如圖7 所示。

圖7 金屬膜片制造工藝流程

為實(shí)現(xiàn)隔膜式壓縮機(jī)壓縮氫氣的高性能，制造高性能膜片、優(yōu)化隔膜頭結(jié)構(gòu)是未來重要的發(fā)展方向。

3 儲(chǔ)氫壓力容器制造方法及主要參數(shù)

目前，世界上超過90%的加氫站均采用高壓儲(chǔ)氫方式，主要使用鋼帶錯(cuò)繞式儲(chǔ)氫罐（圖8）和大直徑儲(chǔ)氫長管（圖9）。儲(chǔ)氫裝置設(shè)計(jì)、制造應(yīng)符合TSG R0004—2009、JB 4732—1995（2005 年確認(rèn)）和GB/T 34583—2017《加氫站用儲(chǔ)氫裝置安全技術(shù)要求》的有關(guān)規(guī)定［4］。

圖8 罐式儲(chǔ)氫裝置

圖9 長管式儲(chǔ)氫裝置

加氫站儲(chǔ)氫裝置應(yīng)該具備以下基本特點(diǎn)［5，6］：能夠承受高壓；裝置具備在線檢測功能，一旦氫氣發(fā)生泄漏，可以第一時(shí)間知道；具有發(fā)生危險(xiǎn)自動(dòng)報(bào)警功能；具有良好的經(jīng)濟(jì)性，制造簡便。

大直徑儲(chǔ)氫長管技術(shù)參數(shù)如下：

公稱工作壓力 45 MPa

充裝介質(zhì) 氫氣

公稱容積 3.12 m3

水壓試驗(yàn)壓力 75 MPa

工作環(huán)境溫度 -40～65 ℃

充裝介質(zhì)體積 1 070 Nm3

充裝介質(zhì)質(zhì)量 96 kg

氣密性試驗(yàn)壓力 45 MPa

高壓儲(chǔ)氫罐設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

工作介質(zhì) 氫氣

介質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)容積 1 000/2 000/3 000/4 000 m3

容器工作壓力 25 MPa

容器水容積 4/8/12/16 m3

設(shè)計(jì)壓力 27.5 MPa

設(shè)計(jì)溫度 -20～80 ℃

容器所用主要材料 S31603、Q345R、16MnⅢ

容器類別 Ⅲ型

儲(chǔ)氫容器使用拋丸工藝進(jìn)行清潔和拋光后進(jìn)行涂層噴漆，然后通過質(zhì)量測試，最后運(yùn)往加氫站。 圖10 為無縫金屬壓力容器制造工藝流程。

圖10 無縫金屬壓力容器制造工藝流程

儲(chǔ)氫容器的制造向著輕量化、高效能的方向發(fā)展，但由于儲(chǔ)氫標(biāo)準(zhǔn)單一，因此后續(xù)有待完善。

4 加氫機(jī)制造方法及主要參數(shù)

加氫系統(tǒng)是為燃料電池汽車加注氫燃料的核心設(shè)備，主要技術(shù)指標(biāo)是加注壓力。 氫氣加注機(jī)的主要結(jié)構(gòu)和工作原理與天然氣加注機(jī)相似，相較于氫氣壓縮機(jī)和高壓儲(chǔ)氫罐而言技術(shù)難度較小。 加氫機(jī)主要參數(shù)如下：

加注氣體 壓縮氣態(tài)氫

c. 分離式聯(lián)軸器；

d. 流量計(jì)和壓力表以及兩個(gè)不同的加氫槍，用于70 MPa 加氫和35 MPa 加氫；

e. 帶有車載通信單元的插座；

f. 帶鍵盤的讀卡器；

g. 急停按鈕及操作說明；

h. H70 和H35 壓力選擇按鈕；

i. H70 和H35 單價(jià)顯示；

j. 帶保護(hù)套的H70 和H35 軟管。

目前，我國加氫機(jī)核心零部件多為常用高壓涉氫管閥件，其中部分零部件仍需要進(jìn)口，故后續(xù)需要進(jìn)一步進(jìn)行低成本國產(chǎn)化開發(fā)［7］。

5 結(jié)束語

通過對(duì)加氫站核心裝備制造方法及技術(shù)參數(shù)進(jìn)行分析， 結(jié)合相關(guān)加工工藝流程的研究現(xiàn)狀，為構(gòu)造核心裝備加工制造理論、方法和工藝技術(shù)體系， 解決高性能核心裝備零件制造難題，提供參考和依據(jù)。 筆者建議從制造高性能膜片，優(yōu)化隔膜頭結(jié)構(gòu)、 制造輕量化且高效能儲(chǔ)氫瓶，開發(fā)低成本國產(chǎn)化加氫機(jī)三方面對(duì)氫燃料電池汽車加氫站進(jìn)行開發(fā)建設(shè)。