氫燃料電池汽車簡易加氫站設計

邱鵬　黃祖朋　鄧海文　邵杰

摘 要：為了面對能源與環境問題，國家與地方政府正在大力推動氫燃料電池汽車產業的發展，目前國內主流的汽車生產企業基本上都已經啟動了氫燃料電池汽車的研發工作。然而，受限于我國加氫站建設周期長，成本高，流程復雜等問題，使得全國的加氫站數量十分稀少，許多汽車生產企業研發出來的氫燃料電池汽車面臨著加氫的巨大挑戰，一些偏遠地方的汽車生產企業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景，本文提出了一種簡易加氫站的設計方法，期望該方法可為加氫困難的汽車生產企業提供借鑒，加速氫燃料電池汽車產業的發展。

關鍵詞：氫燃料電池汽車 基礎設施 加氫

1 引言

氫燃料電池汽車的發展還有很多難題需要面對，如何建設發展燃料電池汽車所必須的基礎設施—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，使用高壓氣瓶存儲又涉及很多技術和安全問題，所以對外開放的大型加氫站對技術和安全的要求極高，隨之而來的是漫長的建設周期和巨大的投資成本。按現在氫能源汽車的發展速度，基礎設施的建設是跟不上的，所以加氫站需要國家和地方政府的大力支持和補貼才能普及和推廣[2][3]。

對大多數企業來說，如果不臨近大型加氫站，想發展氫燃料電池汽車相關技術，就不得不面對加氫問題。如果僅在企業內有加氫需求，不對外運營，可以在保證安全性的基礎上，根據使用需求和實際情況因地制宜。根據具體的加氫需求，建設小型加氫站，可以節約資源，并有效緩解加氫困難的問題。本文將基于相關標準，設備安裝和基建設計三方面介紹一種小型氫燃料電池汽車加氫站。

2 加氫站建設標準

現有的加氫站標準主要針對對外運營的大型加氫站，對建設地點，安全防火距離，設備耐壓耐高溫能力，電氣及儀表控制，建筑結構，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，其中氫氣站的建設要求更為嚴格，小型加氫站通常選擇從其他地方運輸瓶裝氫氣，再進行增壓加注[4，5]。

基于現有標準，根據加氫站的儲氫量，可以將加氫站按表1分類。

由表1可知，國家標準中最小級別的加氫站也是1000kg數量級儲氫量，建設起來非常復雜，本文中提到的小型加氫站儲氫量通常設計在10kg到100kg之間，遠小于標準分類中的最小級別，足以滿足數臺氫燃料電池乘用車的日常開發與運行。

加氫站建設對環境的要求很高，因為要盡量避免環境中潛在的危險，所以針對不同規模的建筑物，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加氫站的要求設計安全距離，實際上由于儲氫量相比于三級加氫站小很多，如果需要使用更小的安全距離，可找相關安全部門進行評估[7]。

3 簡易加氫站設備構成

對于小型簡易加氫站，選擇合適規格的設備就可以實現從氫格加氫到氫燃料電池汽車儲氫罐。本文設計的小型簡易加氫站的設備主要包括：空壓機，穩壓罐，氫氣增壓泵，過濾機等，小型加氫站原理如圖1所示：

驅動空氣：先使用空壓機將大氣中的空氣壓縮為具有一定氣壓的驅動氣源，再驅動空氣通過管路輸送到空壓機儲氣罐中，可以除去大部分液態水并避免空壓機頻繁起停，隨后氣體再經過干燥機和過濾器，除去其中的水分和灰塵，最后通到氫氣增壓系統的驅動氣體入口，用于氫氣的增壓;

氫格：將若干個儲氫瓶的集裝格并聯或串聯連接，最常見的儲氫瓶每個儲氫瓶容積40L，通常額定壓力為13.5MPa，常溫下，按每16個氫瓶成集裝格計算，約能儲存氫氣7-8kg，每個氫格都可以為氫燃料電池汽車加氫1-2次;可根據實際需求選擇氫瓶規格以及成組方式;

氮氣瓶：使用高純度氮氣，在每次加氫前對管路進行掃吹，排盡管路內的空氣，防止加氫過程中發生危險;

卸荷管路：可以在出現緊急情況時卸掉氫氣，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合，將高壓氫氣加注到儲氫系統中。

4 簡易加氫站基建結構

小型簡易加氫站需要基建設施輔助，才能滿足國家相關防火防雷防水的要求。圖2為本文設計的一種小型加氫站基建結構，包括消防系統，照明系統，硬化地面，護欄及頂棚，避雷針與接地裝置，給水排水系統，配電系統等。所有系統共同配合，實現簡易加氫站安全，便捷，高效地執行加氫功能。

5 總結與展望

在環境問題日益重要的今天，發展氫能源是實現“綠色地球”的必經之路。在氫燃料電池電堆技術不斷發展的同時，基礎設施的建設需要同步加速，這樣燃料電池相關技術才能更容易發展和推廣。氫能源和氫燃料電池汽車都是國家大力支持新能源領域的重中之重，相信在不久的將來，氫燃料電池汽車也會像如今的純電動汽車一樣，隨處可見，加氫站也會像現在的充電樁一樣普及。

基金項目：廣西創新驅動發展專項資金資助項目（桂科AA18242039）;柳州市科學研究與技術開發計劃資助項目（2019AD10202）

參考文獻：

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

[2]趙永志，蒙波，陳霖新，王賡，鄭津洋，顧超華，張鑫，張俊峰.氫能源的利用現狀分析[J].化工進展，2015，34（09）：3248-3255.

[3]賈同國，王銀山，李志偉.氫能源發展研究現狀[J].節能技術，2011，29（03）：264-267.

[4]GB 50516-2010，加氫站技術規范[S].

[5]GB/T 34584-2017，加氫站安全技術規范 [S].

[6]GB/T 50177-2005，氫氣站設計規范[S].

[7]GB 4962-2008，氫氣使用安全技術規程[S].