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摘要：分析基于氣態(tài)儲(chǔ)運(yùn)氫的35MPa/70MPa加氫站儲(chǔ)氫優(yōu)化、供氫模式優(yōu)化、加注協(xié)議方面的研究成果以及存在的不足。結(jié)果表明：加氫站內(nèi)最佳高壓儲(chǔ)氫的容量配比尚無一致的研究結(jié)果，有待全面考慮壓力級(jí)別數(shù)量、壓力值、容積值、切換模式、切換策略、需求負(fù)荷分布等進(jìn)行深入研究；提高長(zhǎng)管拖車運(yùn)氫壓力和優(yōu)化長(zhǎng)管在站內(nèi)的使用模式，有助于提高加氫站的峰值加注能力和綜合加注能力，降低氫氣成本；準(zhǔn)確獲知或預(yù)測(cè)車載儲(chǔ)氫瓶的狀態(tài)，降低現(xiàn)有加注協(xié)議中的溫度余量，可以明顯降低氫氣加注能耗。
加氫站是保障燃料電池汽車運(yùn)營(yíng)的必要基礎(chǔ)設(shè)施，根據(jù)媒體報(bào)道，截至2019年我國(guó)燃料電池汽車?yán)鄯e量已經(jīng)超過5000輛，國(guó)際上燃料電池汽車?yán)鄯e量已經(jīng)超過20000輛，因此對(duì)于加氫站的需求也快速增長(zhǎng)，截至2019年底，我國(guó)加氫站數(shù)量已經(jīng)有60座，國(guó)際上則達(dá)到約350座，按照國(guó)際和國(guó)內(nèi)機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，到2025年我國(guó)加氫站數(shù)量將達(dá)到1000座，國(guó)際加氫站數(shù)量將超過3000座，則國(guó)內(nèi)外加氫站設(shè)備的投資約分別將超過150億元和450億元，是具有典型意義的新基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)增長(zhǎng)點(diǎn)。
但在數(shù)量增長(zhǎng)的同時(shí)，必須重視質(zhì)量，加氫站的技術(shù)水平和性能決定了氫氣的加注成本和加注到車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)中的狀態(tài)，對(duì)于安全、客戶體驗(yàn)、通用性至關(guān)重要。目前國(guó)內(nèi)外研究者在加氫站技術(shù)開發(fā)和分析方面做了很多有益的工作，張旭以《加氫站技術(shù)規(guī)范50516—2010》為基礎(chǔ)，分析了加氫站設(shè)計(jì)和建設(shè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并提出了合理化的建議。陳祖志等則對(duì)氫能用氣瓶、壓力容器等特種設(shè)備在基礎(chǔ)理論方面以及材料、設(shè)計(jì)制造、使用管理、充裝卸載、定期檢驗(yàn)等環(huán)節(jié)的技術(shù)、產(chǎn)品、服務(wù)、法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)等方面需求進(jìn)行了分析。
安全是加氫站的最基本要求，因此也有不少學(xué)者對(duì)加氫站安全分析方法、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等進(jìn)行了深入研究，加氫站內(nèi)的氫氣加注速度主要受溫度制約，因此國(guó)內(nèi)外對(duì)氫氣加注過程的模型以及加注過程中溫升的影響因素進(jìn)行了深入研究，結(jié)果表明，氫氣溫度、加注速度、環(huán)境溫度、車載儲(chǔ)氫瓶容積、初始?jí)毫Φ葘?duì)氫氣加注的溫升都有重要影響。在加氫站內(nèi)儲(chǔ)氫技術(shù)方面，鄭津洋等人開發(fā)了鋼帶纏繞式儲(chǔ)氫壓力容器，已經(jīng)應(yīng)用多個(gè)加氫站。
整體而言，目前針對(duì)加氫站的相關(guān)技術(shù)開發(fā)和分析大都是專注于安全、標(biāo)準(zhǔn)或者單個(gè)裝備技術(shù)或者過程。但加氫站是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，除了必需的硬件如壓縮機(jī)、加氫機(jī)、高壓儲(chǔ)氫容器、冷凍機(jī)、冷水機(jī)、換熱器等，還需要整體的系統(tǒng)集成和優(yōu)化，從而達(dá)到性能和成本的最佳結(jié)合點(diǎn)。
本文以加氫站整體系統(tǒng)作為分析對(duì)象，首先量化分析了加氫站內(nèi)氫氣綜合成本的組成以及設(shè)備成本、運(yùn)營(yíng)參數(shù)（人工、維護(hù)、加注量等）對(duì)加氫站氫氣處理成本影響的敏感性，進(jìn)而對(duì)加氫站運(yùn)氫參數(shù)優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行了分析，重點(diǎn)關(guān)注加氫站整體設(shè)計(jì)和運(yùn)行優(yōu)化技術(shù)。
1 加氫站氫氣綜合成本量化分析
以國(guó)內(nèi)目前燃料電池商用車固定式加氫站為例，設(shè)計(jì)加注能力800kg·d-1，加注壓力35MPa，不考慮土地和基建成本，設(shè)備折舊年限15年，壓縮機(jī)1臺(tái)500萬（進(jìn)口），儲(chǔ)罐3支300萬，加氫機(jī)2臺(tái)300萬（含冷凍機(jī)、換熱器等），管路及其他輔助成本等500萬（設(shè)計(jì)、安評(píng)、環(huán)評(píng)、管路、閥門、站內(nèi)施工、罩棚建設(shè)），運(yùn)行電耗2kWh·kg-1，電費(fèi)1元·kWh-1，無故障加氫次數(shù)500次（參考美國(guó)DOE統(tǒng)計(jì)數(shù)），單次維修耗時(shí)1天，人工1萬元；加氫站人員配置5人，人力成本16萬·a-1·人-1。
按照上述初始數(shù)據(jù)，分析了各個(gè)影響因素對(duì)加氫站內(nèi)氫氣供應(yīng)成本的貢獻(xiàn)率。結(jié)果顯示，如果加氫站連續(xù)無故障加氫次數(shù)提高一倍，則有助于降低氫氣處理成本1.5元·kg-1；而如果在硬件配置不變的情況下，日加氫能力提高15%，將降低氫氣處理成本1.0元·kg-1；如果加氫站的人員數(shù)量由5個(gè)降為2個(gè)，則氫氣處理成本也將降低1.5元·kg-1；如果加氫電耗降低50%，也將降低氫氣處理成本1.0元·kg-1；而如果主要設(shè)備成本如壓縮機(jī)、加氫機(jī)、儲(chǔ)罐單獨(dú)成本降低50%，氫氣的處理成本僅僅分別降低0.5元·kg-1、0.5元·kg-1和0.8元·kg-1。
由上可以看出，不僅加氫站設(shè)備初始投資成本對(duì)氫氣處理成本有顯著影響，加氫站運(yùn)營(yíng)因素對(duì)氫氣處理成本也有顯著影響。因此除了加氫站內(nèi)的具體裝備技術(shù)，加氫站的運(yùn)行優(yōu)化技術(shù)也是加氫站設(shè)計(jì)和建設(shè)需要考慮的重點(diǎn)。
2 加氫站儲(chǔ)氫優(yōu)化
加氫站的運(yùn)行優(yōu)化，是為了在相同的硬件配置情況下，實(shí)現(xiàn)提高實(shí)際加注量，降低能耗，減少人工，增加無故障次數(shù)等，ROTHUIZEN等考慮加氫站內(nèi)的流體力學(xué)和熱動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象，利用商業(yè)軟件開展了加氫站動(dòng)態(tài)過程模擬，并針對(duì)不同的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了加氫站性能分析，其發(fā)現(xiàn)采用多級(jí)壓力存儲(chǔ)方案，可以降低氫氣冷卻能耗12%，降低壓縮機(jī)能耗17%，車輛加氫時(shí)排隊(duì)時(shí)間減少5%，同時(shí)高壓氫氣的總存儲(chǔ)容積降低了20%。同時(shí)他還研究了高壓儲(chǔ)氫壓力級(jí)數(shù)、高壓儲(chǔ)氫容積和壓力對(duì)壓縮能耗的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)高壓儲(chǔ)氫由1個(gè)容器增加到3個(gè)容器時(shí)，能耗可以降低30%，而如果從3個(gè)容器增加到4個(gè)容積，能耗將進(jìn)一步降低4%，故加氫站內(nèi)儲(chǔ)氫最優(yōu)的是三級(jí)或者四級(jí)壓力。對(duì)于不同壓力級(jí)別的儲(chǔ)氫容積比例方面，其考察了三級(jí)儲(chǔ)氫情況下，1∶1∶1與4∶3∶2的能耗對(duì)比，根據(jù)其研究結(jié)果，在站內(nèi)多級(jí)高壓儲(chǔ)氫容積比為4∶3∶2時(shí)，效果最佳，但是相比于1∶1∶1的情況，能耗僅僅降低了約2%，并不顯著，但是通過優(yōu)化各級(jí)儲(chǔ)氫的壓力，對(duì)能耗的節(jié)省效果竟然可以達(dá)到約5%，此時(shí)對(duì)于70MPa的加氫站，低壓儲(chǔ)氫的壓力為35MPa。
對(duì)于高壓儲(chǔ)氫容積配比問題，馮慧聰?shù)葢?yīng)用真實(shí)氣體狀態(tài)方程，擬合了常用溫度壓力范圍內(nèi)的氫氣壓縮因子，建立了加氫站高壓氫氣多級(jí)加注的計(jì)算方法，通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)三級(jí)變質(zhì)量加注是最佳模式，可獲得較高的取氣率。三級(jí)加注加氫站儲(chǔ)氫瓶組的通用最佳容積比是4∶3∶2和2∶2∶1，但其在研究中并沒有考慮三級(jí)儲(chǔ)氫的壓力對(duì)取氣率和能耗的影響。除了儲(chǔ)氫容積配比和壓力范圍，多級(jí)儲(chǔ)氫之間的切換邏輯和順序也會(huì)對(duì)加氫站的加注能力和能耗產(chǎn)生影響，鄭津洋等研究了在低、中、高三級(jí)壓力容積比例為3∶2∶1情況下，不同的切換模式對(duì)加注能力的影響，其采用多目標(biāo)優(yōu)化的方法，以氫氣取氣率和加注時(shí)間為優(yōu)化目標(biāo)，結(jié)果表明切換模式對(duì)取氣率和加注時(shí)間有重要影響，最好的切換模式相比最差的切換模式，加注能力相差60%，其三層儲(chǔ)氫壓力分別為42、45、70MPa。KRISHNA等也研究了加氫站內(nèi)高壓儲(chǔ)氫的最佳配比，其研究了儲(chǔ)氫配比對(duì)氫氣取氣率和綜合成本的影響，結(jié)果表明在站內(nèi)儲(chǔ)氫為四級(jí)，比例為1∶1∶1∶1時(shí)，其取氣率和綜合成本都明顯優(yōu)于三級(jí)儲(chǔ)氫4∶3∶2的情況。
綜上可以看出，加氫站中高壓儲(chǔ)氫的配比目前并沒有統(tǒng)一的結(jié)論和一致認(rèn)可的最優(yōu)化配置，其原因是除了目前在加氫站設(shè)計(jì)中已經(jīng)考慮的三級(jí)存儲(chǔ)容積比例之外，各級(jí)儲(chǔ)氫的壓力、各級(jí)儲(chǔ)氫之間的切換模式都對(duì)加氫站取氣率、能耗、加注能力有重要影響，各個(gè)相關(guān)研究所假設(shè)的參數(shù)以及邊界條件不同，所得出的結(jié)論也不同，因此考慮全部因素的加氫站儲(chǔ)氫優(yōu)化尚待開展。
3 結(jié)加氫站長(zhǎng)管拖車供氫模式優(yōu)
目前全球加氫站中，以外運(yùn)高壓氫氣為氣源的加氫站數(shù)量占比70%以上，不同管道供氫是恒定的壓力和流量，外運(yùn)高壓氫在使用時(shí)，因?yàn)槿莘e有限，所以隨著使用，壓力會(huì)降低，這就會(huì)影響壓縮機(jī)的處理量和能耗等，因此外運(yùn)氣源的壓力、容積以及卸氣模式等也會(huì)對(duì)加氫站的加注能力產(chǎn)生重要影響。
KRISHNA首先研究了長(zhǎng)管拖車供氫模式對(duì)能耗和加注能力的影響，其發(fā)現(xiàn)采用長(zhǎng)管拖車在加注初始時(shí)直充和提高長(zhǎng)管拖車的返回壓力都能提高加氫站的加注能力和降低能耗。LIN又進(jìn)一步通過全周期模型，研究了氫氣的運(yùn)輸壓力對(duì)氫氣整體成本的影響，其結(jié)果表明，對(duì)于70MPa加氫站，對(duì)于區(qū)域性的策略，70MPa運(yùn)氫壓力相對(duì)于30MPa和50MPa是更好的選擇，但對(duì)于集群策略，30MPa和50MPa運(yùn)氫壓力更具有優(yōu)勢(shì)。70MPa運(yùn)氫壓力在市場(chǎng)初始階段、加氫站負(fù)荷率不高的情況是更好的選擇。
整體來看，最優(yōu)的運(yùn)氫壓力數(shù)值對(duì)燃料可用性、燃料電池經(jīng)濟(jì)性，駕駛習(xí)慣等非常敏感。AMGAD進(jìn)一步深化了長(zhǎng)管拖車供氫的模式研究，提出了氫氣固結(jié)（consolidation）概念，其整體思想是：在壓縮機(jī)不需要為加氫站內(nèi)高壓儲(chǔ)氫罐進(jìn)行補(bǔ)氣的時(shí)間段，壓縮機(jī)在管拖車上的壓力容器之間傳輸氫氣，確保長(zhǎng)管拖車上的至少一個(gè)壓力容器保持在高壓下，這樣當(dāng)加氫站內(nèi)高壓氫氣儲(chǔ)罐需要補(bǔ)氣時(shí)，壓縮機(jī)優(yōu)先使用長(zhǎng)管拖車中高壓部分的氫氣，因?yàn)檫M(jìn)口氫氣的壓力高，則壓縮機(jī)的處理量越大，因此能夠保障壓縮機(jī)在很快時(shí)間內(nèi)將站內(nèi)高壓儲(chǔ)氫罐補(bǔ)滿，能夠最大限度地提高壓縮機(jī)流量和加氫站的加注能力。模擬表明，與常規(guī)運(yùn)行相比，加氫站的加注能力增加了三倍（即當(dāng)沒有實(shí)施壓力固結(jié)時(shí)）。
上述固結(jié)操作意味著長(zhǎng)管拖車中容器在固結(jié)期間被加壓并且當(dāng)用于補(bǔ)充高壓緩沖存儲(chǔ)器時(shí)減壓。這種常規(guī)的加壓和減壓，即壓力循環(huán)，可能會(huì)縮短壓力容器的使用壽命。此外，其要求所有壓力容器（或組）連接到壓縮機(jī)入口和出口。這將需要大量的閥門和管道以及更復(fù)雜的控制裝置，因此增加了長(zhǎng)管拖車的成本。
基于此，KRISHNA進(jìn)一步提出雙層壓力固結(jié)方法，僅需要在第一層有限數(shù)量的容器中增加額外的閥門和管道，并且還降低第二層中管道的壓力循環(huán)頻率，從而提供了更實(shí)用、更低成本的方法。另外一方面，其還提出了多級(jí)壓縮機(jī)的創(chuàng)新使用方法，典型的多級(jí)壓縮機(jī)在一個(gè)時(shí)間段只能處理一個(gè)氫氣壓縮操作。
但根據(jù)KRISHNA所提出的方法，多級(jí)壓縮機(jī)將被靈活地配置成能夠在需要時(shí)獨(dú)立地處理兩個(gè)單獨(dú)的氫氣流以最大化加氫站的加注能力，此時(shí)，壓縮機(jī)可以一邊將氫氣從第二層壓縮到第一層壓力容器，一邊又將氫氣從第一層壓力容器填充到高壓緩沖存儲(chǔ)器中。
綜上可以看出，無論是長(zhǎng)管拖車運(yùn)氫的壓力，還是長(zhǎng)管拖車在站內(nèi)供氫的模式，都對(duì)加氫站的能耗、加氫能力以及全周期的氫能成本構(gòu)成重要影響，因此，從運(yùn)氫壓力來說，應(yīng)該盡快促進(jìn)更高壓力長(zhǎng)管技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用，同時(shí)在長(zhǎng)管拖車站內(nèi)的供氫模式上，可以采用更靈活的操作策略，但前提是必須保證安全性。
4 氫氣加注協(xié)議
氫氣加注協(xié)議規(guī)定了氫氣在加注過程中和加注截止時(shí)所需要達(dá)到的性能和相關(guān)技術(shù)要求，其決定了氫氣加注的時(shí)間、溫升、壓力、加注率（SOC）等，進(jìn)而對(duì)加氫站整體的加注能力、能耗有重要的影響。
目前我國(guó)尚沒有氫氣加注協(xié)議相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，國(guó)際上較廣泛接受的氫氣加注協(xié)議有美國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)的SAEJ2601系列標(biāo)準(zhǔn)，日本的JPEC系列標(biāo)準(zhǔn)等，兩者具有高度相似性，適用于35MPa和70MPa的Ⅲ型和Ⅳ型車用氫氣瓶，儲(chǔ)氫容量為2~10kg。分別按照加氫機(jī)與車用儲(chǔ)氫系統(tǒng)是否能實(shí)現(xiàn)通信功能分別制定了預(yù)冷溫度為-40~-33℃、-33~-26℃、-26~-17.5℃3個(gè)等級(jí)的加注方案。加注過程中壓力升高速率的控制方法可采用查表法或者M(jìn)C方法。此外，SAE除了對(duì)輕型汽車氣態(tài)氫的加注制定了標(biāo)準(zhǔn)，還對(duì)重型汽車與工業(yè)用車輛等制定了氣態(tài)氫加注協(xié)議，SAEJ2601—2（TIR）規(guī)定了《重型汽車氣態(tài)氫加注協(xié)議》，SAEJ2601—3（TIR）規(guī)定了《工業(yè)用車輛氣態(tài)氫加注協(xié)議》。
根據(jù)大島等人的估算，如果將氫氣加注時(shí)的預(yù)冷溫度提高10~15℃，則對(duì)于300kg·d-1的乘用車使用的70MPa加氫站，則年可以節(jié)約電費(fèi)及輔助部件維修及損耗費(fèi)用400萬日元。因此，在保障氫氣加注的時(shí)間和便利性不會(huì)改變的情況下，如何降低氫氣的預(yù)冷需求，是技術(shù)開發(fā)的重點(diǎn)。
在上述標(biāo)準(zhǔn)中，提到了通過紅外通訊技術(shù)，將車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)的物性和狀態(tài)參數(shù)發(fā)送給加氫機(jī)控制系統(tǒng)，從而可以做到更精準(zhǔn)的加注控制，因而可以在相同的預(yù)冷情況下氫氣加注的速度更快，即單位加注氫氣的能耗降低。如果沒有通訊技術(shù)，因?yàn)檐囕v使用歷史、停放環(huán)境等都會(huì)對(duì)車載儲(chǔ)氫瓶的狀態(tài)產(chǎn)生影響，因此必須要考慮最苛刻的情況，另外，目前車載儲(chǔ)氫瓶有三型瓶和四型瓶，三型瓶的傳熱效果要好于四型瓶，但是為了保障四型瓶的加注，所以在標(biāo)準(zhǔn)中按照四型瓶的數(shù)據(jù)制定的加注速度，這也增大了加氫站的能耗。
因此，未來如何準(zhǔn)確地獲知或者檢測(cè)車載儲(chǔ)氫瓶的狀態(tài)，精準(zhǔn)控制加注過程的誤差，以降低現(xiàn)有加注協(xié)議中的余量，將是降低氫氣加注能耗的重要技術(shù)發(fā)展方向。
5 結(jié)束語
本文對(duì)加氫站氫氣綜合處理成本的組成和各種影響因素的顯著性進(jìn)行了分析，在其結(jié)論的基礎(chǔ)上，對(duì)涉及加氫站運(yùn)行性能的各種優(yōu)化技術(shù)和氫氣加注協(xié)議等方面的技術(shù)進(jìn)行了評(píng)述，最后得到如下結(jié)論。
1）加氫站設(shè)備初始投資成本對(duì)氫氣處理成本有顯著影響，加氫站運(yùn)營(yíng)因素對(duì)氫氣處理成本也有顯著影響。因此除了加氫站內(nèi)的具體裝備技術(shù)，加氫站的運(yùn)行優(yōu)化技術(shù)也是加氫站設(shè)計(jì)和建設(shè)需要考慮的重點(diǎn)。
2）在加氫站內(nèi)高壓儲(chǔ)氫的容量配比上，目前并沒有統(tǒng)一的結(jié)論和一致認(rèn)可的最優(yōu)化配置。其原因是除了目前在加氫站設(shè)計(jì)中已經(jīng)考慮的三級(jí)存儲(chǔ)容積比例之外，各級(jí)儲(chǔ)氫的壓力、各級(jí)儲(chǔ)氫之間的切換模式都對(duì)加氫站取氣率、能耗、加注能力有重要影響，各個(gè)相關(guān)研究所假設(shè)的參數(shù)以及邊界條件不同，所得出的結(jié)論也不同，因此考慮全部因素的加氫站儲(chǔ)氫優(yōu)化尚待開展。
3）綜上可以看出，無論是長(zhǎng)管拖車運(yùn)氫的壓力，還是長(zhǎng)管拖車在站內(nèi)供氫的模式，都對(duì)加氫站的能耗、加氫能力以及全周期的氫能成本構(gòu)成重要影響，因此從運(yùn)氫壓力來說，應(yīng)該盡快促進(jìn)更高壓力長(zhǎng)管技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用，同時(shí)在長(zhǎng)管拖車站內(nèi)的供氫模式上，可以采用更靈活的操作策略，但前提是必須保證安全性。
4）在氫氣加注協(xié)議技術(shù)方面，目前國(guó)際上的技術(shù)協(xié)議對(duì)氫氣的預(yù)冷有苛刻的要求，目前尚沒有氫氣預(yù)冷溫度低于-17.5℃的廣泛認(rèn)可的加注協(xié)議，今后在保障氫氣加注的時(shí)間和便利性不會(huì)改變的情況下，如何降低氫氣的預(yù)冷需求，是技術(shù)開發(fā)的重點(diǎn)，方向一是采用通訊技術(shù)，二是沒有通訊技術(shù)情況，如何準(zhǔn)確地獲知或者預(yù)測(cè)車載儲(chǔ)氫瓶的狀態(tài)，精準(zhǔn)控制加注過程的誤差，以降低現(xiàn)有加注協(xié)議中的余量，這將是降低氫氣加注能耗的重要技術(shù)發(fā)展方向。
加氫站是保障燃料電池汽車運(yùn)營(yíng)的必要基礎(chǔ)設(shè)施，根據(jù)媒體報(bào)道，截至2019年我國(guó)燃料電池汽車?yán)鄯e量已經(jīng)超過5000輛，國(guó)際上燃料電池汽車?yán)鄯e量已經(jīng)超過20000輛，因此對(duì)于加氫站的需求也快速增長(zhǎng)，截至2019年底，我國(guó)加氫站數(shù)量已經(jīng)有60座，國(guó)際上則達(dá)到約350座，按照國(guó)際和國(guó)內(nèi)機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，到2025年我國(guó)加氫站數(shù)量將達(dá)到1000座，國(guó)際加氫站數(shù)量將超過3000座，則國(guó)內(nèi)外加氫站設(shè)備的投資約分別將超過150億元和450億元，是具有典型意義的新基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)增長(zhǎng)點(diǎn)。
但在數(shù)量增長(zhǎng)的同時(shí)，必須重視質(zhì)量，加氫站的技術(shù)水平和性能決定了氫氣的加注成本和加注到車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)中的狀態(tài)，對(duì)于安全、客戶體驗(yàn)、通用性至關(guān)重要。目前國(guó)內(nèi)外研究者在加氫站技術(shù)開發(fā)和分析方面做了很多有益的工作，張旭以《加氫站技術(shù)規(guī)范50516—2010》為基礎(chǔ)，分析了加氫站設(shè)計(jì)和建設(shè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并提出了合理化的建議。陳祖志等則對(duì)氫能用氣瓶、壓力容器等特種設(shè)備在基礎(chǔ)理論方面以及材料、設(shè)計(jì)制造、使用管理、充裝卸載、定期檢驗(yàn)等環(huán)節(jié)的技術(shù)、產(chǎn)品、服務(wù)、法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)等方面需求進(jìn)行了分析。
安全是加氫站的最基本要求，因此也有不少學(xué)者對(duì)加氫站安全分析方法、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等進(jìn)行了深入研究，加氫站內(nèi)的氫氣加注速度主要受溫度制約，因此國(guó)內(nèi)外對(duì)氫氣加注過程的模型以及加注過程中溫升的影響因素進(jìn)行了深入研究，結(jié)果表明，氫氣溫度、加注速度、環(huán)境溫度、車載儲(chǔ)氫瓶容積、初始?jí)毫Φ葘?duì)氫氣加注的溫升都有重要影響。在加氫站內(nèi)儲(chǔ)氫技術(shù)方面，鄭津洋等人開發(fā)了鋼帶纏繞式儲(chǔ)氫壓力容器，已經(jīng)應(yīng)用多個(gè)加氫站。
整體而言，目前針對(duì)加氫站的相關(guān)技術(shù)開發(fā)和分析大都是專注于安全、標(biāo)準(zhǔn)或者單個(gè)裝備技術(shù)或者過程。但加氫站是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，除了必需的硬件如壓縮機(jī)、加氫機(jī)、高壓儲(chǔ)氫容器、冷凍機(jī)、冷水機(jī)、換熱器等，還需要整體的系統(tǒng)集成和優(yōu)化，從而達(dá)到性能和成本的最佳結(jié)合點(diǎn)。
本文以加氫站整體系統(tǒng)作為分析對(duì)象，首先量化分析了加氫站內(nèi)氫氣綜合成本的組成以及設(shè)備成本、運(yùn)營(yíng)參數(shù)（人工、維護(hù)、加注量等）對(duì)加氫站氫氣處理成本影響的敏感性，進(jìn)而對(duì)加氫站運(yùn)氫參數(shù)優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行了分析，重點(diǎn)關(guān)注加氫站整體設(shè)計(jì)和運(yùn)行優(yōu)化技術(shù)。
1 加氫站氫氣綜合成本量化分析
以國(guó)內(nèi)目前燃料電池商用車固定式加氫站為例，設(shè)計(jì)加注能力800kg·d-1，加注壓力35MPa，不考慮土地和基建成本，設(shè)備折舊年限15年，壓縮機(jī)1臺(tái)500萬（進(jìn)口），儲(chǔ)罐3支300萬，加氫機(jī)2臺(tái)300萬（含冷凍機(jī)、換熱器等），管路及其他輔助成本等500萬（設(shè)計(jì)、安評(píng)、環(huán)評(píng)、管路、閥門、站內(nèi)施工、罩棚建設(shè)），運(yùn)行電耗2kWh·kg-1，電費(fèi)1元·kWh-1，無故障加氫次數(shù)500次（參考美國(guó)DOE統(tǒng)計(jì)數(shù)），單次維修耗時(shí)1天，人工1萬元；加氫站人員配置5人，人力成本16萬·a-1·人-1。
按照上述初始數(shù)據(jù)，分析了各個(gè)影響因素對(duì)加氫站內(nèi)氫氣供應(yīng)成本的貢獻(xiàn)率。結(jié)果顯示，如果加氫站連續(xù)無故障加氫次數(shù)提高一倍，則有助于降低氫氣處理成本1.5元·kg-1；而如果在硬件配置不變的情況下，日加氫能力提高15%，將降低氫氣處理成本1.0元·kg-1；如果加氫站的人員數(shù)量由5個(gè)降為2個(gè)，則氫氣處理成本也將降低1.5元·kg-1；如果加氫電耗降低50%，也將降低氫氣處理成本1.0元·kg-1；而如果主要設(shè)備成本如壓縮機(jī)、加氫機(jī)、儲(chǔ)罐單獨(dú)成本降低50%，氫氣的處理成本僅僅分別降低0.5元·kg-1、0.5元·kg-1和0.8元·kg-1。
由上可以看出，不僅加氫站設(shè)備初始投資成本對(duì)氫氣處理成本有顯著影響，加氫站運(yùn)營(yíng)因素對(duì)氫氣處理成本也有顯著影響。因此除了加氫站內(nèi)的具體裝備技術(shù)，加氫站的運(yùn)行優(yōu)化技術(shù)也是加氫站設(shè)計(jì)和建設(shè)需要考慮的重點(diǎn)。
2 加氫站儲(chǔ)氫優(yōu)化
加氫站的運(yùn)行優(yōu)化，是為了在相同的硬件配置情況下，實(shí)現(xiàn)提高實(shí)際加注量，降低能耗，減少人工，增加無故障次數(shù)等，ROTHUIZEN等考慮加氫站內(nèi)的流體力學(xué)和熱動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象，利用商業(yè)軟件開展了加氫站動(dòng)態(tài)過程模擬，并針對(duì)不同的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了加氫站性能分析，其發(fā)現(xiàn)采用多級(jí)壓力存儲(chǔ)方案，可以降低氫氣冷卻能耗12%，降低壓縮機(jī)能耗17%，車輛加氫時(shí)排隊(duì)時(shí)間減少5%，同時(shí)高壓氫氣的總存儲(chǔ)容積降低了20%。同時(shí)他還研究了高壓儲(chǔ)氫壓力級(jí)數(shù)、高壓儲(chǔ)氫容積和壓力對(duì)壓縮能耗的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)高壓儲(chǔ)氫由1個(gè)容器增加到3個(gè)容器時(shí)，能耗可以降低30%，而如果從3個(gè)容器增加到4個(gè)容積，能耗將進(jìn)一步降低4%，故加氫站內(nèi)儲(chǔ)氫最優(yōu)的是三級(jí)或者四級(jí)壓力。對(duì)于不同壓力級(jí)別的儲(chǔ)氫容積比例方面，其考察了三級(jí)儲(chǔ)氫情況下，1∶1∶1與4∶3∶2的能耗對(duì)比，根據(jù)其研究結(jié)果，在站內(nèi)多級(jí)高壓儲(chǔ)氫容積比為4∶3∶2時(shí)，效果最佳，但是相比于1∶1∶1的情況，能耗僅僅降低了約2%，并不顯著，但是通過優(yōu)化各級(jí)儲(chǔ)氫的壓力，對(duì)能耗的節(jié)省效果竟然可以達(dá)到約5%，此時(shí)對(duì)于70MPa的加氫站，低壓儲(chǔ)氫的壓力為35MPa。
對(duì)于高壓儲(chǔ)氫容積配比問題，馮慧聰?shù)葢?yīng)用真實(shí)氣體狀態(tài)方程，擬合了常用溫度壓力范圍內(nèi)的氫氣壓縮因子，建立了加氫站高壓氫氣多級(jí)加注的計(jì)算方法，通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)三級(jí)變質(zhì)量加注是最佳模式，可獲得較高的取氣率。三級(jí)加注加氫站儲(chǔ)氫瓶組的通用最佳容積比是4∶3∶2和2∶2∶1，但其在研究中并沒有考慮三級(jí)儲(chǔ)氫的壓力對(duì)取氣率和能耗的影響。除了儲(chǔ)氫容積配比和壓力范圍，多級(jí)儲(chǔ)氫之間的切換邏輯和順序也會(huì)對(duì)加氫站的加注能力和能耗產(chǎn)生影響，鄭津洋等研究了在低、中、高三級(jí)壓力容積比例為3∶2∶1情況下，不同的切換模式對(duì)加注能力的影響，其采用多目標(biāo)優(yōu)化的方法，以氫氣取氣率和加注時(shí)間為優(yōu)化目標(biāo)，結(jié)果表明切換模式對(duì)取氣率和加注時(shí)間有重要影響，最好的切換模式相比最差的切換模式，加注能力相差60%，其三層儲(chǔ)氫壓力分別為42、45、70MPa。KRISHNA等也研究了加氫站內(nèi)高壓儲(chǔ)氫的最佳配比，其研究了儲(chǔ)氫配比對(duì)氫氣取氣率和綜合成本的影響，結(jié)果表明在站內(nèi)儲(chǔ)氫為四級(jí)，比例為1∶1∶1∶1時(shí)，其取氣率和綜合成本都明顯優(yōu)于三級(jí)儲(chǔ)氫4∶3∶2的情況。
綜上可以看出，加氫站中高壓儲(chǔ)氫的配比目前并沒有統(tǒng)一的結(jié)論和一致認(rèn)可的最優(yōu)化配置，其原因是除了目前在加氫站設(shè)計(jì)中已經(jīng)考慮的三級(jí)存儲(chǔ)容積比例之外，各級(jí)儲(chǔ)氫的壓力、各級(jí)儲(chǔ)氫之間的切換模式都對(duì)加氫站取氣率、能耗、加注能力有重要影響，各個(gè)相關(guān)研究所假設(shè)的參數(shù)以及邊界條件不同，所得出的結(jié)論也不同，因此考慮全部因素的加氫站儲(chǔ)氫優(yōu)化尚待開展。
3 結(jié)加氫站長(zhǎng)管拖車供氫模式優(yōu)
目前全球加氫站中，以外運(yùn)高壓氫氣為氣源的加氫站數(shù)量占比70%以上，不同管道供氫是恒定的壓力和流量，外運(yùn)高壓氫在使用時(shí)，因?yàn)槿莘e有限，所以隨著使用，壓力會(huì)降低，這就會(huì)影響壓縮機(jī)的處理量和能耗等，因此外運(yùn)氣源的壓力、容積以及卸氣模式等也會(huì)對(duì)加氫站的加注能力產(chǎn)生重要影響。
KRISHNA首先研究了長(zhǎng)管拖車供氫模式對(duì)能耗和加注能力的影響，其發(fā)現(xiàn)采用長(zhǎng)管拖車在加注初始時(shí)直充和提高長(zhǎng)管拖車的返回壓力都能提高加氫站的加注能力和降低能耗。LIN又進(jìn)一步通過全周期模型，研究了氫氣的運(yùn)輸壓力對(duì)氫氣整體成本的影響，其結(jié)果表明，對(duì)于70MPa加氫站，對(duì)于區(qū)域性的策略，70MPa運(yùn)氫壓力相對(duì)于30MPa和50MPa是更好的選擇，但對(duì)于集群策略，30MPa和50MPa運(yùn)氫壓力更具有優(yōu)勢(shì)。70MPa運(yùn)氫壓力在市場(chǎng)初始階段、加氫站負(fù)荷率不高的情況是更好的選擇。
整體來看，最優(yōu)的運(yùn)氫壓力數(shù)值對(duì)燃料可用性、燃料電池經(jīng)濟(jì)性，駕駛習(xí)慣等非常敏感。AMGAD進(jìn)一步深化了長(zhǎng)管拖車供氫的模式研究，提出了氫氣固結(jié)（consolidation）概念，其整體思想是：在壓縮機(jī)不需要為加氫站內(nèi)高壓儲(chǔ)氫罐進(jìn)行補(bǔ)氣的時(shí)間段，壓縮機(jī)在管拖車上的壓力容器之間傳輸氫氣，確保長(zhǎng)管拖車上的至少一個(gè)壓力容器保持在高壓下，這樣當(dāng)加氫站內(nèi)高壓氫氣儲(chǔ)罐需要補(bǔ)氣時(shí)，壓縮機(jī)優(yōu)先使用長(zhǎng)管拖車中高壓部分的氫氣，因?yàn)檫M(jìn)口氫氣的壓力高，則壓縮機(jī)的處理量越大，因此能夠保障壓縮機(jī)在很快時(shí)間內(nèi)將站內(nèi)高壓儲(chǔ)氫罐補(bǔ)滿，能夠最大限度地提高壓縮機(jī)流量和加氫站的加注能力。模擬表明，與常規(guī)運(yùn)行相比，加氫站的加注能力增加了三倍（即當(dāng)沒有實(shí)施壓力固結(jié)時(shí)）。
上述固結(jié)操作意味著長(zhǎng)管拖車中容器在固結(jié)期間被加壓并且當(dāng)用于補(bǔ)充高壓緩沖存儲(chǔ)器時(shí)減壓。這種常規(guī)的加壓和減壓，即壓力循環(huán)，可能會(huì)縮短壓力容器的使用壽命。此外，其要求所有壓力容器（或組）連接到壓縮機(jī)入口和出口。這將需要大量的閥門和管道以及更復(fù)雜的控制裝置，因此增加了長(zhǎng)管拖車的成本。
基于此，KRISHNA進(jìn)一步提出雙層壓力固結(jié)方法，僅需要在第一層有限數(shù)量的容器中增加額外的閥門和管道，并且還降低第二層中管道的壓力循環(huán)頻率，從而提供了更實(shí)用、更低成本的方法。另外一方面，其還提出了多級(jí)壓縮機(jī)的創(chuàng)新使用方法，典型的多級(jí)壓縮機(jī)在一個(gè)時(shí)間段只能處理一個(gè)氫氣壓縮操作。
但根據(jù)KRISHNA所提出的方法，多級(jí)壓縮機(jī)將被靈活地配置成能夠在需要時(shí)獨(dú)立地處理兩個(gè)單獨(dú)的氫氣流以最大化加氫站的加注能力，此時(shí)，壓縮機(jī)可以一邊將氫氣從第二層壓縮到第一層壓力容器，一邊又將氫氣從第一層壓力容器填充到高壓緩沖存儲(chǔ)器中。
綜上可以看出，無論是長(zhǎng)管拖車運(yùn)氫的壓力，還是長(zhǎng)管拖車在站內(nèi)供氫的模式，都對(duì)加氫站的能耗、加氫能力以及全周期的氫能成本構(gòu)成重要影響，因此，從運(yùn)氫壓力來說，應(yīng)該盡快促進(jìn)更高壓力長(zhǎng)管技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用，同時(shí)在長(zhǎng)管拖車站內(nèi)的供氫模式上，可以采用更靈活的操作策略，但前提是必須保證安全性。
4 氫氣加注協(xié)議
氫氣加注協(xié)議規(guī)定了氫氣在加注過程中和加注截止時(shí)所需要達(dá)到的性能和相關(guān)技術(shù)要求，其決定了氫氣加注的時(shí)間、溫升、壓力、加注率（SOC）等，進(jìn)而對(duì)加氫站整體的加注能力、能耗有重要的影響。
目前我國(guó)尚沒有氫氣加注協(xié)議相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，國(guó)際上較廣泛接受的氫氣加注協(xié)議有美國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)的SAEJ2601系列標(biāo)準(zhǔn)，日本的JPEC系列標(biāo)準(zhǔn)等，兩者具有高度相似性，適用于35MPa和70MPa的Ⅲ型和Ⅳ型車用氫氣瓶，儲(chǔ)氫容量為2~10kg。分別按照加氫機(jī)與車用儲(chǔ)氫系統(tǒng)是否能實(shí)現(xiàn)通信功能分別制定了預(yù)冷溫度為-40~-33℃、-33~-26℃、-26~-17.5℃3個(gè)等級(jí)的加注方案。加注過程中壓力升高速率的控制方法可采用查表法或者M(jìn)C方法。此外，SAE除了對(duì)輕型汽車氣態(tài)氫的加注制定了標(biāo)準(zhǔn)，還對(duì)重型汽車與工業(yè)用車輛等制定了氣態(tài)氫加注協(xié)議，SAEJ2601—2（TIR）規(guī)定了《重型汽車氣態(tài)氫加注協(xié)議》，SAEJ2601—3（TIR）規(guī)定了《工業(yè)用車輛氣態(tài)氫加注協(xié)議》。
根據(jù)大島等人的估算，如果將氫氣加注時(shí)的預(yù)冷溫度提高10~15℃，則對(duì)于300kg·d-1的乘用車使用的70MPa加氫站，則年可以節(jié)約電費(fèi)及輔助部件維修及損耗費(fèi)用400萬日元。因此，在保障氫氣加注的時(shí)間和便利性不會(huì)改變的情況下，如何降低氫氣的預(yù)冷需求，是技術(shù)開發(fā)的重點(diǎn)。
在上述標(biāo)準(zhǔn)中，提到了通過紅外通訊技術(shù)，將車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)的物性和狀態(tài)參數(shù)發(fā)送給加氫機(jī)控制系統(tǒng)，從而可以做到更精準(zhǔn)的加注控制，因而可以在相同的預(yù)冷情況下氫氣加注的速度更快，即單位加注氫氣的能耗降低。如果沒有通訊技術(shù)，因?yàn)檐囕v使用歷史、停放環(huán)境等都會(huì)對(duì)車載儲(chǔ)氫瓶的狀態(tài)產(chǎn)生影響，因此必須要考慮最苛刻的情況，另外，目前車載儲(chǔ)氫瓶有三型瓶和四型瓶，三型瓶的傳熱效果要好于四型瓶，但是為了保障四型瓶的加注，所以在標(biāo)準(zhǔn)中按照四型瓶的數(shù)據(jù)制定的加注速度，這也增大了加氫站的能耗。
因此，未來如何準(zhǔn)確地獲知或者檢測(cè)車載儲(chǔ)氫瓶的狀態(tài)，精準(zhǔn)控制加注過程的誤差，以降低現(xiàn)有加注協(xié)議中的余量，將是降低氫氣加注能耗的重要技術(shù)發(fā)展方向。
5 結(jié)束語
本文對(duì)加氫站氫氣綜合處理成本的組成和各種影響因素的顯著性進(jìn)行了分析，在其結(jié)論的基礎(chǔ)上，對(duì)涉及加氫站運(yùn)行性能的各種優(yōu)化技術(shù)和氫氣加注協(xié)議等方面的技術(shù)進(jìn)行了評(píng)述，最后得到如下結(jié)論。
1）加氫站設(shè)備初始投資成本對(duì)氫氣處理成本有顯著影響，加氫站運(yùn)營(yíng)因素對(duì)氫氣處理成本也有顯著影響。因此除了加氫站內(nèi)的具體裝備技術(shù)，加氫站的運(yùn)行優(yōu)化技術(shù)也是加氫站設(shè)計(jì)和建設(shè)需要考慮的重點(diǎn)。
2）在加氫站內(nèi)高壓儲(chǔ)氫的容量配比上，目前并沒有統(tǒng)一的結(jié)論和一致認(rèn)可的最優(yōu)化配置。其原因是除了目前在加氫站設(shè)計(jì)中已經(jīng)考慮的三級(jí)存儲(chǔ)容積比例之外，各級(jí)儲(chǔ)氫的壓力、各級(jí)儲(chǔ)氫之間的切換模式都對(duì)加氫站取氣率、能耗、加注能力有重要影響，各個(gè)相關(guān)研究所假設(shè)的參數(shù)以及邊界條件不同，所得出的結(jié)論也不同，因此考慮全部因素的加氫站儲(chǔ)氫優(yōu)化尚待開展。
3）綜上可以看出，無論是長(zhǎng)管拖車運(yùn)氫的壓力，還是長(zhǎng)管拖車在站內(nèi)供氫的模式，都對(duì)加氫站的能耗、加氫能力以及全周期的氫能成本構(gòu)成重要影響，因此從運(yùn)氫壓力來說，應(yīng)該盡快促進(jìn)更高壓力長(zhǎng)管技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用，同時(shí)在長(zhǎng)管拖車站內(nèi)的供氫模式上，可以采用更靈活的操作策略，但前提是必須保證安全性。
4）在氫氣加注協(xié)議技術(shù)方面，目前國(guó)際上的技術(shù)協(xié)議對(duì)氫氣的預(yù)冷有苛刻的要求，目前尚沒有氫氣預(yù)冷溫度低于-17.5℃的廣泛認(rèn)可的加注協(xié)議，今后在保障氫氣加注的時(shí)間和便利性不會(huì)改變的情況下，如何降低氫氣的預(yù)冷需求，是技術(shù)開發(fā)的重點(diǎn)，方向一是采用通訊技術(shù)，二是沒有通訊技術(shù)情況，如何準(zhǔn)確地獲知或者預(yù)測(cè)車載儲(chǔ)氫瓶的狀態(tài)，精準(zhǔn)控制加注過程的誤差，以降低現(xiàn)有加注協(xié)議中的余量，這將是降低氫氣加注能耗的重要技術(shù)發(fā)展方向。
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