加氢站技术路线(2017-08-30)

加氢站技术路线

2017-08-30 操作系统/新能源/技术

欧美日燃料电池汽车进入商业化示范阶段，加氢站建设提速

截止2016年1月全球正在运营的加氢站超过214座（数据来自《全球加氢站统计报告》）。95座位于欧洲（德国为主），50座位于北美，1座在南美，1座位于澳大利亚，其他67座在亚洲（日本为主），其中121座对公众开放。中国目前拥有4座加氢站，都处于示范状态，尚未进行商业化运营。2015年全球加氢站建设开始提速，增加了54座加氢站，其中，日本新增28座，在所有国家中居于首；欧洲新增19座，其中4座位于德国；北美新增7座。

加氢站主流技术路线

城市加氢站的技术路线可分为三类：电解水制氢、天然气重整制氢和外供氢技术。

电解水制氢：已十分成熟

电解水制氢的技术目前已经十分成熟，欧洲大多数加氢站都采用这种技术。电解水制氢装置利用电力将水分解成氢气和氧气后，利用压缩机将氢气以高压形式储存在储罐中，通过加注机完成向燃料电池大客车的氢气加注。由于回收成本的问题，制氢过程中所生成的氧气一般都直接排放到大气中。

电解水制氢技术已经发展得相当成熟，各个站均采用了高度集成的整体壳装式设备，十分便于安装，大大提高了自动化程度，同时减少了设备所占用空间。

同样是为了满足3辆Citaro燃料电池大客车的用氢需要，所以各个加氢站电解水制氢装置的设计能力相当。

天然气重整制氢：广泛应用于化工行业中，制氢成本低、初始投资大

天然气重整制氢具有制氢成本低的优点，并能充分依托现有的天然气基础设施经验来发展氢能基础设施，但其设备初始投资较大、制备的氢气需要经过纯化工艺方能满足燃料电池的要求。大规模的天然气重整制氢（> 1000 Nm3/h）已广泛应用于化工行业，加氢站站用规模（50 -200Nm3/h）的天然气重整制氢技术目前正在开发之中。与水电解制氢装置类似，整套装置集成在一个框架之内，便于运输和现场安装。

制氢能力为100Nm3/h。重整制氢过程所使用的天然气来自天然气公司，天然气公司将未加硫的天然气用于重整制氢，由于天然气中不含硫，通过反应器设计和燃烧控制，能够有效地降低氮氧化物的生成，因此，重整器的燃烧烟气中几乎没有SOx、NOx等污染物，烟气直接排放到大气中。

外部供氢技术：初始成本低，氢气来源是关键

使用外供氢气对燃料电池大客车进行加注，其氢气来自于钢铁企业的副产氢气，使用高压氢气瓶集束拖车运输。

加氢站租借运输氢气的高压氢气瓶集束拖车，每辆拖车装有18个高压氢气瓶，每次可以以20MPa的压力运送4000Nm3的氢气。平时站区里停泊2辆拖车，另有1辆拖车往返加氢站和氢源之间，运送氢气，替换站内的空车。拖车上装有压力传感器，可以远程监测拖车里的氢气量。由于运送来的氢气已经有20MPa的压力，其压力完全可以满足给车辆添加燃料时中、低压加注的需要，运送来的一部分氢气可以在加注机内压力逻辑控制盘的调节下直接向车辆加注，不需要通过高压氢气压缩机。当燃料电池客车车载气瓶的压力与拖车上气瓶的压力趋于平衡后，再启用站上压力为43.8MPa的高压氢气储罐中的氢气继续加注。这种加注方式可以大大降低氢气压缩机的功耗，同时减少站上所需高压氢气储罐的容积。

更多新技术的探索

加油站改建技术可实现低成本加氢功能引入。改造加油站主要通过在原有加油站引入高压储氢罐和压缩机等设备的方式完成加油站的升级，根据加州燃料电池联盟数据显示，由于节约了施工成本和通用性设备的采购成本，该方法将使加氢站建设成本降低200万美元以上，并且形成油气联供的综合性汽油氢气补给站，但同时油气系统的协调合作也对控制系统提出了更高的要求。

移动加氢站建设技术以较低的成本实现更大区域覆盖。移动式氢气站的建设成本仅为普通直接建设固定站点的50%，对于扩大加氢站的覆盖面积和增加燃料电池汽车使用者的便利性具有十分重要的意义。2015年12月，丰田公司与Air Products公司合作，在加州新建设的加氢站建成前，为消费者提供氢气燃料。Air Products公司的移动加氢车使用蓄电池以及太阳能发电制氢，每车可以满足30多辆车的加

氢需求，每次可以为丰田Mirai加注半罐氢气。此外，移动加氢站还可以与母站共同构成小型高压氢气加注网络，显著加大了固定式加氢站的辐射半径和机动性，是解决现有加氢站数量不足和节约建设成本的有效途径。

加氢站三大核心设备技术成熟

加氢站系统依据不同的功能，可分为制氢系统（自制氢)或输送系统（外供氢）、调压干燥系统、氢气压缩系统、储气系统、售气加注系统和控制系统六个主要子系统。氢气压缩机、高压储氢罐、氢气加注机是加氢站系统的三大核心装备。加氢站通过外部供氢和站内制氢获得氢气后，经过调压干燥系统处理后转化为压力稳定的干燥气体，随后在氢气压缩机的输送下进入高压储氢罐储存，最后通过氢气加注机为燃料电池汽车进行加注。

投资成本高，政府主导加氢站投资及运营

加氢站投资及运营成本远高于传统加油站

加氢站建设的初始投资因所采取技术路线的不同而有所差异。如：卢森堡站将外供氢作为氢源，其站上设备仅花费了约55万欧元（不含运输车辆）；斯图加特站采用站上天然气重整制氢，共计投入了188万欧元的经费用于加氢站建设；其它采用站内电解水制氢的加氢站，使用的经费通常在100 -150万欧元之间。

1）从初始投资来看，采取租借氢气运输车辆的外供氢方式投资最小，如果购买氢气运输车辆，考虑车辆运行的人员费用，投资会有所提高；天然气重整制氢初投资最高，但是随着技术的进步成本有下降的空间。

2）从运行成本来看，天然气重整制氢有绝对的优势。在不考虑设备维护和折旧的条件下，加氢站的运行费用就是水、电、气等原材料的消耗，并直接体现在氢气的价格上。外供氢的成本取决于氢气的制成成本和运输成本，若加氢站距离氢源较远，运输成本将大幅上升，导致外供氢的经济性大大下降。采用电解水制氢，综合考虑各个生产环节的电耗，生产1 Nm3的氢气一般需要5 kWh的电力，氢气的价格主要取决于当地的电价。

日本建设一座加氢站的投资成本约4.5亿日元（约合3000万元人民币），是日本加油站建设成本的5倍。另外，加氢站每年还要承担4000~5000万日元（约合300万元人民币）运营成本。高额的建设投入和运营成本使加氢站在没有政策扶持的情况下很难实现盈利。