加氫基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)的發(fā)展是低碳清潔氫氣在交通領(lǐng)域應(yīng)用的重要支撐。國際上，美國、日本、歐洲等國家和地區(qū)在加氫站技術(shù)開發(fā)方面起步較早，90%以上加氫站具有70 MPa加氫能力，以液氫儲存的大容量加氫站日加氫量可超過2000 kg，加氫站全負(fù)荷、高可靠運(yùn)行技術(shù)持續(xù)進(jìn)步，支撐氫能基礎(chǔ)設(shè)施全周期成本逐步降低。
我國重點(diǎn)發(fā)展燃料電池商用車，采用35 MPa的Ⅲ型瓶用于車載儲氫，氫能供應(yīng)以20 MPa的高壓管束形式為主，尚無液氫加氫站運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)站內(nèi)制氫加氫站受法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn)限制，因此我國當(dāng)前建成的加氫站絕大多數(shù)為外供高壓氣態(tài)氫的35 MPa加氫站。
隨著我國燃料電池車的規(guī)?；瘧?yīng)用，我國加氫站將逐步由當(dāng)前的低負(fù)荷、粗放式加氫運(yùn)行狀態(tài)過渡至高密度、快速加氫的全負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)；燃料電池車在大負(fù)載、長續(xù)航場景下拓展應(yīng)用，將出現(xiàn)儲氫密度更高的70 MPa加氫需求。
我國加氫基礎(chǔ)設(shè)施現(xiàn)狀
我國加氫站技術(shù)與美國、日本、歐洲等國家和地區(qū)仍然有一定差距：一方面，現(xiàn)役35 MPa加氫站尚未經(jīng)歷高負(fù)荷加氫工況下的性能和可靠性驗(yàn)證，存在較大優(yōu)化空間，35 MPa加氫站關(guān)鍵裝備的核心零部件依賴進(jìn)口，有待深入開發(fā)；另一方面，70 MPa加氫站關(guān)鍵裝備完成攻關(guān)后，仍需經(jīng)過加氫站應(yīng)用驗(yàn)證，進(jìn)一步提高性能與可靠性，攻克核心零部件國產(chǎn)化，提高競爭力。此外，用于大規(guī)模加氫的液氫站技術(shù)基本處于研發(fā)空白狀態(tài)。

圖2 我國加氫站建設(shè)趨勢與特性統(tǒng)計(jì)

在加氫技術(shù)與裝備方面，目前，我國基于國產(chǎn)Ⅲ型儲氫瓶的35 MPa快速加氫控制技術(shù)，加氫性能和安全性達(dá)到國際同類先進(jìn)水平，與SAE J2601氫氣加注協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)兼容，在多個(gè)加氫站實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。在70 MPa加氫機(jī)方面尚處于樣機(jī)階段。
為了達(dá)到乘用車3～5 min內(nèi)完成加氫5 kg的需求，國際上均采用預(yù)冷至-40 ℃的氫氣進(jìn)行70 MPa加注。美國NREL國家實(shí)驗(yàn)室對40余座加氫站的運(yùn)行數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，70 MPa加氫預(yù)冷能耗高，平均值達(dá)到2.5 kWh/kg。鑒于此，國際上開展了低功耗制冷及氫氣換熱技術(shù)的開發(fā)。日本NEDO和美國DOE均支持了高效率的氫氣換熱器開發(fā)，能夠?qū)崿F(xiàn)高壓氫氣的高效換熱，已在多個(gè)加氫站應(yīng)用。與此同時(shí)，加氫裝備的核心零部件，包括高精度高壓氫氣質(zhì)量流量計(jì)、傳感器、調(diào)壓閥以及高可靠加氫槍等，由美國、日本、歐洲等國家和地區(qū)壟斷，我國對其的進(jìn)口依賴度高，有待開發(fā)相關(guān)核心技術(shù)和零部件制造技術(shù)。此外，美國、歐洲、日本等國家和地區(qū)已實(shí)現(xiàn)加氫機(jī)-車輛通信輔助加氫，我國在該領(lǐng)域有待突破。
在壓縮機(jī)技術(shù)裝備方面，我國自主開發(fā)的45 MPa壓縮機(jī)已經(jīng)應(yīng)用在35 MPa加氫站，排量達(dá)到500 Nm3/h，并累計(jì)運(yùn)行最高超過5000 h。為突破70 MPa加氫站用90 MPa壓縮機(jī)，我國正在進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，預(yù)計(jì)2023年開展示范，壓縮機(jī)排量將達(dá)到200 Nm3/h，實(shí)現(xiàn)無故障連續(xù)運(yùn)行500 h以上。與國外同類型壓縮機(jī)相比，我國壓縮機(jī)的可靠性，尤其是關(guān)鍵零部件的壽命有待進(jìn)一步提高。國外已經(jīng)突破了耐超高壓、長壽命、大面積的金屬膜片材料及其加工制造技術(shù)，美國PDC公司制造的45 MPa壓縮機(jī)單缸排量超過750 Nm3/h，單級壓縮比最高達(dá)到9，在加氫站操作工況下膜片期望壽命均超過4500 h，90 MPa壓縮機(jī)兩級壓縮排量達(dá)到560 Nm3/h以上，兩級綜合壓縮比超過18。
在液氫泵技術(shù)裝備方面，國外以Linde公司為代表已成功研制了高壓液氫活塞泵，可單級壓縮且最大加注能力達(dá)到120 kg/h，出口壓力可達(dá)87.5 MPa，流量為30 g/s，能耗僅有0.6 kWh/kg，而國內(nèi)目前尚無成熟的高壓液氫泵產(chǎn)品，國內(nèi)在建的液氫加氫站采用的液氫泵均為進(jìn)口產(chǎn)品。國內(nèi)液氫泵目前仍處于樣機(jī)研制階段，出口壓力僅能達(dá)到10 MPa，技術(shù)基礎(chǔ)薄弱。
在加氫站工藝和控制方面，我國自主開發(fā)了35 MPa加氫站新工藝以及相應(yīng)的自動化控制系統(tǒng)，目前處于示范階段，預(yù)計(jì)將提高加氫站日加氫能力10%以上。根據(jù)美國NREL國家實(shí)驗(yàn)室的分析結(jié)果表明，加氫機(jī)和壓縮機(jī)是加氫站故障率較高的設(shè)備，加氫機(jī)相關(guān)的故障事件數(shù)目占比達(dá)到57%，嚴(yán)重影響了加氫站的經(jīng)濟(jì)性。美國能源部(DOE)支持了NREL國家實(shí)驗(yàn)室和AP公司開展加氫機(jī)可靠性測試技術(shù)開發(fā)以及影響因素研究，以指導(dǎo)加氫機(jī)可靠性提升技術(shù)開發(fā)。與此同時(shí)，DOE、NREL國家實(shí)驗(yàn)室和PDC公司對壓縮機(jī)進(jìn)行了可靠性研究，發(fā)現(xiàn)加氫站運(yùn)行工況下，壓縮機(jī)的頻繁啟停和壓力循環(huán)導(dǎo)致金屬隔膜壽命下降，有待開發(fā)更可靠的加氫站工藝和控制技術(shù)，從而提高壓縮機(jī)可靠性，降低維護(hù)成本。
在加注協(xié)議方面，美國汽車工程師學(xué)會(SAE)針對輕型汽車、重型汽車與工業(yè)用車輛等應(yīng)用場景分別制定了SAE J2601-1《輕型汽車氣態(tài)氫加注協(xié)議》、SAE J2601-2(TIR)《重型汽車氣態(tài)氫加注協(xié)議》與SAE J2601-3(TIR)《工業(yè)用車輛氣態(tài)氫加注協(xié)議》。我國暫未發(fā)布?xì)淙剂想姵仄嚰幼f(xié)議相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)。SAE J2601 標(biāo)準(zhǔn)主要適用于采用Ⅳ型儲氫瓶的氫燃料電池車輛，涉及兩種加注方法，基于圖表的加注法和質(zhì)量比熱容法。歐盟與日本參考了美國加注協(xié)議分別出臺了EN 17127 加注協(xié)議與JPEC-S003，適用于35 MPa和70 MPa的Ⅲ型和Ⅳ型車用氫氣瓶，儲氫容量為2～10 kg，對于儲氫容量大于10 kg的情況做了簡單的折算。此外，其協(xié)議中根據(jù)Ⅳ型瓶的特點(diǎn)分別按照加氫機(jī)與車用儲氫系統(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 ℃三個(gè)等級的加注方案。當(dāng)前，歐盟正在開發(fā)PRHYDE重載車輛加氫協(xié)議項(xiàng)目，預(yù)計(jì)將于2022年完成開發(fā)。
我國加氫技術(shù)路線
基于上述分析與基本國情，我國在加氫站關(guān)鍵技術(shù)和裝備方面，與國外仍有較大差距，我國應(yīng)采取高壓氣態(tài)儲氫和液氫儲氫加氫技術(shù)并舉路線，重點(diǎn)提升加氫站關(guān)鍵材料及組件的性能，開發(fā)出高性能、長壽命、低成本的氫氣壓縮機(jī)、液氫泵，形成系統(tǒng)性、自主化的完整產(chǎn)品譜系，滿足燃料電池汽車用氫場景的需求?！笆奈濉逼陂g突破制氫加氫一體化建站法規(guī)，進(jìn)一步提高35 MPa加氫站可靠性，重點(diǎn)開發(fā)70 MPa加氫站核心裝備，加強(qiáng)智能化加氫站工藝控制及加氫站安全體系建設(shè)，逐步突破核心技術(shù)和零部件。

加氫站技術(shù)路線圖

在加氫技術(shù)與裝備方面，重點(diǎn)開發(fā)70 MPa加氫控制算法、高精度加氫計(jì)量技術(shù)、靈敏調(diào)壓技術(shù)、快速響應(yīng)氫氣預(yù)冷技術(shù)以及輔助加氫的高可靠車-站通信技術(shù)，開發(fā)加氫裝備壽命評價(jià)與測試技術(shù)，研究壽命影響規(guī)律，優(yōu)化提升可靠性。
在壓縮技術(shù)與裝備方面，重點(diǎn)開發(fā)大排量、大壓比的加氫站用90 MPa壓縮機(jī)裝備，突破關(guān)鍵零部件國產(chǎn)化，開發(fā)壓縮機(jī)壽命評測技術(shù)，研究壽命影響規(guī)律，優(yōu)化提升可靠性。隔膜壓縮機(jī)方面，重點(diǎn)研究高壓臨氫膜片材料開發(fā)、長壽命氣閥和壓縮機(jī)總體優(yōu)化設(shè)計(jì)、頻繁啟停和變工況適用性提升。液壓活塞式壓縮機(jī)方面，重點(diǎn)開發(fā)高壓臨氫材料、多級壓縮缸體結(jié)構(gòu)和密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、液壓及控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。離子液體壓縮機(jī)方面，重點(diǎn)研究離子液體與氫氣的相互作用機(jī)理與熱力特性、氣-液界面形態(tài)演變規(guī)律研究、能量匹配策略及整機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)、滿足70 MPa加氫站需求的關(guān)鍵部件及整機(jī)研發(fā)。開展電化學(xué)壓縮等非機(jī)械式壓縮技術(shù)，降低壓縮能耗，提高排氣量。
在液氫泵方面，重點(diǎn)開展高壓液氫泵研制，研究液氫泵內(nèi)流動特性機(jī)理，液氫泵關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度分析，低溫、高壓、抗氫脆材料相容性和力學(xué)性能研究，液氫泵間隙的密封形式設(shè)計(jì)，液氫泵試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。
在加氫站工藝及控制方面，重點(diǎn)開發(fā)適應(yīng)大負(fù)荷、高密度加氫需求的35 MPa/70 MPa加氫站新工藝、關(guān)鍵裝備柔性調(diào)度控制技術(shù)以及故障診斷技術(shù)，降低加氫站能耗。
70 MPa高壓氣態(tài)加氫站及液氫加氫站已成為全球加氫基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)的發(fā)展趨勢，是我國燃料電池汽車規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵抓手。因此，我國近10年應(yīng)著力對70MPa高壓氣態(tài)加氫站與液氫加氫站技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)，力爭2030年整站加注能力提升至5000kg/d，70 MPa加氫站整站能耗降低至3.5kWh/kg，液氫加氫站能耗降至1kWh/kg。加氫機(jī)、壓縮機(jī)與液氫泵等關(guān)鍵技術(shù)裝備實(shí)現(xiàn)100%國產(chǎn)化。