上海世博會燃料電池汽車加氫站設(shè)計與工程建設(shè)實踐

摘 要

摘要：加氫站對于燃料電池汽車的發(fā)展有著積極的推動作用。本文簡述了上海世博會燃料電池汽車加氫站的設(shè)計和建設(shè)，討論了我國加氫站建設(shè)中的關(guān)鍵問題，對我國加氫站的自主研發(fā)和氫
摘要：加氫站對于燃料電池汽車的發(fā)展有著積極的推動作用。本文簡述了上海世博會燃料電池汽車加氫站的設(shè)計和建設(shè)，討論了我國加氫站建設(shè)中的關(guān)鍵問題，對我國加氫站的自主研發(fā)和氫能利用有一定的參考價值。
關(guān)鍵詞：加氫站；氫能；燃料電池汽車
1 前言
   能源是人類可持續(xù)發(fā)展的根本保證。近年來，全世界都在積極研究開發(fā)利用新能源。氫能是一種資源豐富、環(huán)境友好、來源多樣、可再生、可儲存的清潔能源，能滿足資源、環(huán)境和社會可持續(xù)發(fā)展的要求。國際能源界預(yù)測在各種新能源中，氫能最有可能進(jìn)入實際應(yīng)用領(lǐng)域，人類社會也將步入一個嶄新的“氫能源”時代[1]。
    燃料電池(Fuel Cell)是氫能使用最重要的技術(shù)之一，作為一種電化學(xué)反應(yīng)裝置，其不經(jīng)過燃燒，直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能。燃料電池技術(shù)廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)領(lǐng)域，與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機相比，燃料電池具有更高的能源轉(zhuǎn)換效率，而且由于其反應(yīng)的產(chǎn)物是水，不產(chǎn)生任何的污染物和溫室氣體，實現(xiàn)了真正的零排放。
    我國燃料電池汽車事業(yè)的發(fā)展基本與世界同步，在政府的能源、環(huán)保戰(zhàn)略以及北京綠色奧運和上海低碳世博的推動下，發(fā)展速度仍在不斷加快。除國家863項目自主研制的燃料電池汽車和聯(lián)合國發(fā)展計劃署一全球環(huán)境基金(UNDP-GEF)組織資助的燃料電池公交車等示范項目外[2]，國內(nèi)各大汽車公司也分別在研發(fā)和制造具有自主知識產(chǎn)權(quán)的燃料電池汽車。由于燃料電池汽車的車載儲氫量有限，當(dāng)氫氣耗盡時，必須進(jìn)行氫燃料補充，才能繼續(xù)行駛，因此加氫站也就成為燃料電池汽車氫氣快速補充的必要配套設(shè)施。加氫站的建設(shè)和發(fā)展、加氫網(wǎng)絡(luò)覆蓋范同的延伸將對氫燃料電池汽車是否能大量投入商業(yè)化推廣并且被大眾所接受起到重要的作用。
2 世博會加氫站設(shè)計思路
2.1 加氫站儲氫量
    世博會期間將有燃料電池公交車、燃料電池轎車和燃料電池觀光車3類共196輛氫燃料電池汽車在世博園區(qū)內(nèi)外進(jìn)行示范運行。作為有史以來規(guī)模最大的一次燃料電池汽車集中展示，這不僅是對燃料電池汽車技術(shù)的一次考驗，也是對為燃料電池汽車提供氫源保障的加氫站的一次檢驗。
    根據(jù)對世博期間燃料電池汽車每日行駛里程和單位里程耗氫量進(jìn)行估算，所有燃料電池汽車的日最大氫氣需求量約600kg?？紤]供氫安全系數(shù)和工程實際情況，站內(nèi)設(shè)置兩輛長管拖車，其儲氫量約560kg，儲存壓力不大于20MPa。站內(nèi)固定儲氫瓶組儲氫量約500kg，儲存壓力不大于45MPa。站內(nèi)總儲氫量約1060kg，屬于三級站。
2.2 加氫站氨源選擇
    車用燃料電池用于發(fā)電的核心部件是由質(zhì)子交換膜和陰、陽極催化劑組成的電極組件，其催化劑對碳氧化物、硫化物等一些雜質(zhì)氣體十分敏感，極易產(chǎn)生催化劑中毒現(xiàn)象，影響電池的正常工作，所以需嚴(yán)格控制氫源中雜質(zhì)氣體的含量[3]。
    根據(jù)國、內(nèi)外對質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)對各種雜質(zhì)耐受性試驗的結(jié)果和燃料電池研發(fā)公司提出的要求，此次世博加氫站提供的氫氣濃度應(yīng)高于99.99%，并嚴(yán)格控制二氧化碳、一氧化碳[4]、硫化物[5]、氯、氨、氧、水分和顆粒物等雜質(zhì)的含量。此次世博加氫站使用的氫氣為上海焦化廠所生產(chǎn)的副產(chǎn)氫氣，通過PSA變壓吸附進(jìn)行提純，其氫氣濃度和雜質(zhì)的含量均達(dá)到了上述雜質(zhì)的控制閾值范圍之內(nèi)。從目前的運行情況來看，氫氣的質(zhì)量可以滿足燃料電池汽車的正常運行要求。
2.3 加氫站類型選擇
    目前，國際上已建成或正在建設(shè)中的示范加氫站已經(jīng)超過160座，這些加氫站主要分為兩種類型，即離站制氫(Off-site)和站內(nèi)制氫(0n-Site)兩類?？紤]到世博期間燃料電池車輛的日氫氣需求量大，而且對氫氣的保障要求高，不允許發(fā)生脫氣現(xiàn)象，因此，該站選擇離站制氫(Off-site)的模式，采用氫氣長管拖車將小于20MPa的壓縮氫氣從生產(chǎn)單位運送進(jìn)站后再通過站內(nèi)壓縮機將氫氣增壓卸載至站內(nèi)高壓儲氫瓶組，以不大于45MPa的壓力儲存。車輛加氫時，從儲氫瓶組中輸出氫氣，通過加氫機充裝到燃料電池汽車的車載儲氫瓶中。
    加氫站是對高壓氫氣的儲存、輸配、加注等技術(shù)的綜合應(yīng)用，世博加氫站系統(tǒng)主要包括：氫氣源(站外供氫)、氫氣壓縮系統(tǒng)(氫氣壓縮機)、氫氣儲存系統(tǒng)(高壓儲氫瓶組)、氫氣加注系統(tǒng)(加氫機).此外還有高壓氫氣管線、閥門組件和安全、控制系統(tǒng)等[6]，加氫站的工藝流程由圖1所示。氫氣長管拖車將小于20MPa的壓縮氫氣從氫氣生產(chǎn)單位運送進(jìn)加氫站，氫氣經(jīng)卸氣柱卸載后通過氫氣壓縮機增壓至43.8MPa儲存到站內(nèi)固定儲氫瓶組中，氫氣長管拖車也可作為站內(nèi)的一級儲氫裝置，當(dāng)對車輛加氫時，通過多級取氣的模式從儲氫瓶組中輸出氫氣，通過加氫機充裝到燃料電池汽車的車載儲氫瓶中。

2.4 加氫站總平面布局
加氫站是甲類火災(zāi)危險眭設(shè)施，必須在設(shè)計上保證其安全可靠。在加氫站進(jìn)行站址選擇和站內(nèi)建、構(gòu)筑物及設(shè)備平面布局設(shè)計時，必須符合上海市城市規(guī)劃和站區(qū)防火安全的要求，參照上海市地方規(guī)范《燃料電池汽車加氫站技術(shù)規(guī)程》，確保加氫站與站外重要公共建筑物、明火或散發(fā)火花地點、民用建筑和廠房、庫房、儲罐、鐵道、鐵路、架空通信線、架空電力線路等保持足夠的防火距離滿足表1的要求。
在進(jìn)行加氫站內(nèi)部平面布局設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)考慮站內(nèi)氫氣壓縮機間、儲氫裝置、加氫機、站房、變配電間等建構(gòu)筑物的安全距離滿足表2的要求，同時合理安排站內(nèi)車輛行走路線，避免加氫車輛之間、加氫車輛與站內(nèi)的氫氣拖車之間行駛路線互相干擾。
2.5 加氫站的氨安全工藝
    氫氣的安全性問題一直是討論的焦點。氫氣屬于甲類易燃?xì)怏w，與天然氣相比，氫氣與空氣混合形成的爆炸混合物具有更寬的爆炸極限范圍(4.1%～74.1%)，更低的著火能量(0.019mJ)。由于氫分子體積小，無色無味，因此極易泄漏并不易被察覺，易于在設(shè)備、容器和建筑物頂部積聚，遇明火、熱源極易發(fā)生燃燒爆炸。
    此外，氫對金屬材料也存在一定的破壞性，如氫應(yīng)力破壞、氫環(huán)境脆化、氫攻擊、泡踵、氫化物生成、高壓氫微細(xì)穿孔、流動性變差等現(xiàn)象[7]，其中最應(yīng)重視的是氫脆，所以，在選用儲氫材料時必須選用抗氫脆材料，避免因氫脆而產(chǎn)生風(fēng)險。
    在世博加氫站的設(shè)計中，認(rèn)真的考慮了氫氣的儲存、輸配、加注全過程中用氫設(shè)備和氫氣管路的安全性。對上述問題可能帶來的危險隱患，應(yīng)從技術(shù)上保證站內(nèi)的設(shè)備、管路具有可靠的防滲透、防泄漏措施；在設(shè)計上保證泄漏的氫氣能夠及時擴散和排除；設(shè)置防雷、防靜電保護(hù)設(shè)施；加氫站所有電器元件需達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的防爆等級要求；站內(nèi)各系統(tǒng)之間設(shè)置安全聯(lián)動系統(tǒng)，具有安全聯(lián)鎖功能。
2.6 加氫站氫氣增壓系統(tǒng)
    氫氣增壓系統(tǒng)是整個加氫站的關(guān)鍵組成。從氫氣長管拖車上卸載下來的氫氣通過氫氣壓縮機增壓后儲存在站內(nèi)的高壓儲氫瓶組中，也可以通過壓縮機直接增壓對燃料電池車輛進(jìn)行充裝。
    為了充分利用壓縮機增壓能力以及保證項目的正常運行和維護(hù)，氫氣增壓系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)的設(shè)置綜合考慮了增壓效率和運行效率之間的關(guān)系：正常吸氣壓力為5MPa～22MPa，額定排氣壓力為44MPa，單臺最大壓縮能力為20kg/h，45MPa。理論上按照上述參數(shù)設(shè)置的壓縮機組每天只需運行8h，就可以滿足世博期間車輛每日加氫的需求，其余時間可用于對壓縮機及其外圍的氫氣管路進(jìn)行日常檢修和設(shè)備維護(hù)。
2.7 加氫站氫氣加注工藝
    目前，加氫站有2種氫氣加注模式[8]：一種是分級加注(Cascade Filling)，采用該種模式的加氫站一般具有一定規(guī)模的站內(nèi)固定儲氫能力而且儲氫壓力一般需要達(dá)到40MPa～45MPa，這樣才能對35MPa的車載儲氫瓶組進(jìn)行快速的氫氣加注；另一一種是增壓加注(Booster Filling)，此時站內(nèi)的儲氫壓力比較低(例如20MPa～25MPa)，先對車載儲氫瓶部分增壓后，再啟動氫氣壓縮機增壓，使車載氫瓶的壓力達(dá)到35MPa。采用前一種技術(shù)的優(yōu)點是加氣速度快，加氫站的利用率高，但在對壓力較低的車載氫瓶加注開始階段會由于壓差過大導(dǎo)致氫氣流速過快，從而使氫瓶內(nèi)部升溫過快；而后一種不需在站內(nèi)儲存高壓氫氣，還可以降低加注成本，但為了保證加氣速度，需要的氫氣壓縮機容量較高。目前世界上加氫站大多采用第一種加注模式。
    世博加氫站采用分級加注的工藝模式，在分析和研究該加注模式的優(yōu)缺點后，對工藝做了進(jìn)一步改進(jìn)。將停在站內(nèi)的氫氣長管拖車也作為分級加注中的一級，由于該級壓力較低，在對車載氫瓶時，首先從該級取氣。這樣可以降低加注時前、后端的壓差，避免由于加注速度過快導(dǎo)致的車載氫瓶升溫過快的問題，在一定程度上提高了氫氣使用的安全性。，
3 上海世博會加氫站關(guān)鍵沒備集成
3.1 高壓儲氫裝置
    加氫站內(nèi)壓縮氫氣的儲存一般采用兩種方式：一種是用具有較大容積的氣瓶，該類氣瓶的單個水容積在600L～1500L之間，為無縫鍛造壓力容器；另一種是采用小容積的氣瓶，單個氣瓶的水容積在45L～80L，比較上述兩種儲氫系統(tǒng)的特點，可以看出采用大型儲氫瓶組的一次性投資要高于小型的儲氫瓶組，但由于大瓶組系統(tǒng)相對于小瓶組系統(tǒng)而言氣閥、管件和安全附件的數(shù)量要少的多，可靠性和安全性高，且維護(hù)費用遠(yuǎn)低于小瓶組系統(tǒng)。
    由于氫氣需求量較大，世博加氫站以大型儲氫瓶組作為站內(nèi)的固定儲氫裝置，單個儲氫瓶水容積為895L，儲氫壓力達(dá)到43.8MPa，按6瓶/組和9瓶/組共設(shè)置兩組共15只ASME高壓站用鋼瓶，固定儲氫總質(zhì)量超過500kg。這些儲氫瓶根據(jù)氫氣加注控制策略的要求按1：2：2的比例被分為高壓、中壓和低壓三級，每一級都設(shè)有專門的氫氣管道將高壓氫氣從儲氫瓶組輸送至加氫機側(cè)。采用大容量高壓儲氫裝置和三級取氣加注的模式，可以在短時間內(nèi)將車內(nèi)氫瓶迅速充滿，實現(xiàn)車輛的快速加注。而且可以避免壓縮機的頻繁啟動，優(yōu)化了加氫站的工藝流程。
   此外，為避免夏季日曬升溫導(dǎo)致瓶組內(nèi)氫氣壓力過高，在設(shè)計和安裝時瓶組上方設(shè)置了冷水噴淋裝置，一旦出現(xiàn)夏季氣溫過高的現(xiàn)象，對瓶組進(jìn)行噴淋降溫，避免由于高溫而導(dǎo)致儲氫瓶內(nèi)氫氣產(chǎn)生超壓現(xiàn)象。

3.2 氫氣壓縮設(shè)備
    常用的氫氣壓縮設(shè)備為隔膜式壓縮機，該型壓縮機靠金屬膜片在氣缸中作往復(fù)運動來壓縮和輸送氣體。膜片沿周邊由兩限制板夾緊并組成氣缸，并由機械或液壓驅(qū)動在氣缸內(nèi)往復(fù)運動，從而實現(xiàn)對氣體的壓縮和輸送。金屬膜片的厚度一般在0.3mm～0.5mm，將氫氣與液壓回路隔離開來，防止兩者接觸，保證氫氣的純度。氫氣壓縮機在整個加氫站中有著舉足輕重的作用，是整個加氫站中最為關(guān)鍵的設(shè)備之一。目前，我國加氫站使用的氫氣壓縮機，基本上都是以進(jìn)口國外設(shè)備為主。
    世博加氫站內(nèi)采用了4臺隔膜式氫氣壓縮機，以兩臺壓縮機為一組，采用撬裝式結(jié)構(gòu)，每橇內(nèi)的兩臺壓縮機共用一套閉環(huán)冷卻系統(tǒng)，但每臺壓縮機組的控制系統(tǒng)和放散系統(tǒng)都是相互獨立的，相互不受影響。該壓縮機系統(tǒng)最高可以將氫氣增壓至45MPa。4臺壓縮機的容量可達(dá)到80kg/h，45MPa，完全可以滿足世博期間車輛每天的氫氣加注需求。
3.3 氫氣加注設(shè)備
    作為氫氣加注設(shè)備的加氫機與天然氣加氣機原理相似，整個加氫機一般由機殼、觸控面板、軟管、加氫槍、質(zhì)量流量計、壓力變送器、防爆電磁閥、氣動閥、安全閥、連接管路和控制系統(tǒng)等組成。除此之外，還具有過壓保護(hù)、環(huán)境溫度補償、拉斷閥保護(hù)和泄漏報警系統(tǒng)等安全防護(hù)功能。由于氫氣的加注壓力達(dá)到35MPa，遠(yuǎn)高于天然氣25MPa的加注壓力，因此，對加注的安全性也提出了更高的要求。加氫機中使用的流量汁、閥門、加氫槍、拉斷閥需要做到計量準(zhǔn)確、結(jié)構(gòu)緊湊且能承受高壓。
    根據(jù)加注對象的不同，加氫機設(shè)置了不同規(guī)格的加氫槍(TK16、TK25)，可分別為燃料電池轎車和燃料電池公交車進(jìn)行加注，其最大加注流量分別控制在2kg/min和5kg/min。在該流量下加注一輛轎車約用1對5min，加注1輛公交車需15min～20min。
    此外，此次世博會有20輛使用Ⅳ型車載儲氫瓶的燃料電池轎車，該型儲氫瓶嚴(yán)格要求瓶內(nèi)溫度不得超過85℃。由于氫氣的逆湯-焦效應(yīng)和Ⅳ型儲氫瓶材料本身的散熱性能限制，需對加注的氫氣進(jìn)行預(yù)冷處理，氫氣的溫度降至-20℃左右再進(jìn)行充裝。同時根據(jù)SAE燃料電池汽車標(biāo)準(zhǔn)委員會制定的標(biāo)準(zhǔn)SAE J2601的要求，在Ⅳ型儲氫瓶內(nèi)設(shè)置測溫點，通過紅外通訊裝置與加氫槍(TK17)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實時監(jiān)控加注過程中瓶內(nèi)的壓力和溫度變化，一旦出現(xiàn)超壓或超溫趨勢將立刻停止氫氣加注，從而保證加注過程的安全。
3.4 站控系統(tǒng)
    作為加氫站的神經(jīng)中樞，站控系統(tǒng)控制著整個加氫站的所有工藝流程有條不紊的進(jìn)行，站控系統(tǒng)功能是否完善對于保證加氫站的正常運行有著至關(guān)重要的作用[8]。因此，站控系統(tǒng)必須對加氫站具有全方位的實時監(jiān)控能力。
    站控制系統(tǒng)采用分布、分級的控制方式，分散控制、集中管理，整個加氫站的站控系統(tǒng)由兩級計算機組成。前置機(下位機)負(fù)責(zé)實時數(shù)據(jù)的采集功能；管理機(上位機)用于完成數(shù)據(jù)信號接受處理、顯示、記錄、控制和數(shù)據(jù)上傳。在控制室集中顯示加氫站內(nèi)所有檢測儀表、閥門狀態(tài)、可燃?xì)怏w檢測等信號的監(jiān)測，以及對閥門實現(xiàn)自動控制。站控系統(tǒng)可監(jiān)視、控制整個加氫站運行的全過程，計算所需的技術(shù)參數(shù)，自動繪制參數(shù)的實時和歷史趨勢曲線。對站區(qū)采集的數(shù)據(jù)包括卸氣系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)、儲氫系統(tǒng)、可燃?xì)怏w檢測系統(tǒng)、火焰探測系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)及加氣系統(tǒng)等所有數(shù)據(jù)。
 

    加氫站站控系統(tǒng)實現(xiàn)了加氫站運行的自動控制，同時現(xiàn)場操作人員通過計算機顯示可實時、在線了解站區(qū)內(nèi)工藝運行情況，保障系統(tǒng)安全、可靠運行，同時完成加氫量的采集。
4 結(jié)論
    世博會是一個展示我國新能源汽車發(fā)展與創(chuàng)新的重大機遇，此次參與世博期間運營的氫燃料電池汽車不論在數(shù)量、種類，還是在車輛的運營密度上均達(dá)到了一個前所未有的高度，需要強有力的氫氣供應(yīng)保障系統(tǒng)的支持。世博加氫站的建設(shè)涵蓋了氫氣的運輸、卸載、增壓、儲存、加注以及系統(tǒng)控制等多個方面的相關(guān)技術(shù)，在建設(shè)過程中解決了多個技術(shù)難題，形成了一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵設(shè)備的設(shè)計、制造和使用技術(shù)，為燃料電池車輛提供了安全可靠的氫氣供應(yīng)保障，而且在整個世博會期間的示范運營將累積大量的實際使用經(jīng)驗，為未來燃料電池汽車市場化以及氫能基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ)。
 
(本文作者：肖方暐1 吳竺1 阮偉民2 霍超峰2 傅玉敏2 1.上海新奧能源科技有限公司 201203；2.上海新奧九環(huán)車用能源股份有限公司 200086)