加氫基礎設施技術的發(fā)展是低碳清潔氫氣在交通領域應用的重要支撐。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，加氫站全負荷、高可靠運行技術持續(xù)進步，支撐氫能基礎設施全周期成本逐步降低。
我國重點發(fā)展燃料電池商用車，采用35 MPa的Ⅲ型瓶用于車載儲氫，氫能供應以20 MPa的高壓管束形式為主，尚無液氫加氫站運行經(jīng)驗，同時站內(nèi)制氫加氫站受法規(guī)與標準限制，因此我國當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?，我國加氫站將逐步由當前的低負荷、粗放式加氫運行狀態(tài)過渡至高密度、快速加氫的全負荷運行狀態(tài)；燃料電池車在大負載、長續(xù)航場景下拓展應用，將出現(xiàn)儲氫密度更高的70 MPa加氫需求。
我國加氫基礎設施現(xiàn)狀
我國加氫站技術與美國、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)歷高負荷加氫工況下的性能和可靠性驗證，存在較大優(yōu)化空間，35 MPa加氫站關鍵裝備的核心零部件依賴進口，有待深入開發(fā)；另一方面，70 MPa加氫站關鍵裝備完成攻關后，仍需經(jīng)過加氫站應用驗證，進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基本處于研發(fā)空白狀態(tài)。

圖2 我國加氫站建設趨勢與特性統(tǒng)計

在加氫技術與裝備方面，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，加氫性能和安全性達到國際同類先進水平，與SAE J2601氫氣加注協(xié)議標準兼容，在多個加氫站實現(xiàn)商業(yè)化應用。在70 MPa加氫機方面尚處于樣機階段。
為了達到乘用車3～5 min內(nèi)完成加氫5 kg的需求，國際上均采用預冷至-40 ℃的氫氣進行70 MPa加注。美國NREL國家實驗室對40余座加氫站的運行數(shù)據(jù)分析結果表明，70 MPa加氫預冷能耗高，平均值達到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，已在多個加氫站應用。與此同時，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、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，我國對其的進口依賴度高，有待開發(fā)相關核心技術和零部件制造技術。此外，美國、歐洲、日本等國家和地區(qū)已實現(xiàn)加氫機-車輛通信輔助加氫，我國在該領域有待突破。
在壓縮機技術裝備方面，我國自主開發(fā)的45 MPa壓縮機已經(jīng)應用在35 MPa加氫站，排量達到500 Nm3/h，并累計運行最高超過5000 h。為突破70 MPa加氫站用90 MPa壓縮機，我國正在進行技術攻關，預計2023年開展示范，壓縮機排量將達到200 Nm3/h，實現(xiàn)無故障連續(xù)運行500 h以上。與國外同類型壓縮機相比，我國壓縮機的可靠性，尤其是關鍵零部件的壽命有待進一步提高。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，美國PDC公司制造的45 MPa壓縮機單缸排量超過750 Nm3/h，單級壓縮比最高達到9，在加氫站操作工況下膜片期望壽命均超過4500 h，90 MPa壓縮機兩級壓縮排量達到560 Nm3/h以上，兩級綜合壓縮比超過18。
在液氫泵技術裝備方面，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到120 kg/h，出口壓力可達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口產(chǎn)品。國內(nèi)液氫泵目前仍處于樣機研制階段，出口壓力僅能達到10 MPa，技術基礎薄弱。
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的自動化控制系統(tǒng)，目前處于示范階段，預計將提高加氫站日加氫能力10%以上。根據(jù)美國NREL國家實驗室的分析結果表明，加氫機和壓縮機是加氫站故障率較高的設備，加氫機相關的故障事件數(shù)目占比達到57%，嚴重影響了加氫站的經(jīng)濟性。美國能源部(DOE)支持了NREL國家實驗室和AP公司開展加氫機可靠性測試技術開發(fā)以及影響因素研究，以指導加氫機可靠性提升技術開發(fā)。與此同時，DOE、NREL國家實驗室和PDC公司對壓縮機進行了可靠性研究，發(fā)現(xiàn)加氫站運行工況下，壓縮機的頻繁啟停和壓力循環(huán)導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，從而提高壓縮機可靠性，降低維護成本。
在加注協(xié)議方面，美國汽車工程師學會(SAE)針對輕型汽車、重型汽車與工業(yè)用車輛等應用場景分別制定了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)布氫燃料電池汽車加注協(xié)議相關國家標準。SAE J2601 標準主要適用于采用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型瓶的特點分別按照加氫機與車用儲氫系統(tǒng)是否能實現(xiàn)通信功能分別制定了預冷溫度為-40～-33 ℃、-33～-26 ℃、-26～-17.5 ℃三個等級的加注方案。當前，歐盟正在開發(fā)PRHYDE重載車輛加氫協(xié)議項目，預計將于2022年完成開發(fā)。
我國加氫技術路線
基于上述分析與基本國情，我國在加氫站關鍵技術和裝備方面，與國外仍有較大差距，我國應采取高壓氣態(tài)儲氫和液氫儲氫加氫技術并舉路線，重點提升加氫站關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、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。“十四五”期間突破制氫加氫一體化建站法規(guī)，進一步提高35 MPa加氫站可靠性，重點開發(fā)70 MPa加氫站核心裝備，加強智能化加氫站工藝控制及加氫站安全體系建設，逐步突破核心技術和零部件。

加氫站技術路線圖

在加氫技術與裝備方面，重點開發(fā)70 MPa加氫控制算法、高精度加氫計量技術、靈敏調(diào)壓技術、快速響應氫氣預冷技術以及輔助加氫的高可靠車-站通信技術，開發(fā)加氫裝備壽命評價與測試技術，研究壽命影響規(guī)律，優(yōu)化提升可靠性。
在壓縮技術與裝備方面，重點開發(fā)大排量、大壓比的加氫站用90 MPa壓縮機裝備，突破關鍵零部件國產(chǎn)化，開發(fā)壓縮機壽命評測技術，研究壽命影響規(guī)律，優(yōu)化提升可靠性。隔膜壓縮機方面，重點研究高壓臨氫膜片材料開發(fā)、長壽命氣閥和壓縮機總體優(yōu)化設計、頻繁啟停和變工況適用性提升。液壓活塞式壓縮機方面，重點開發(fā)高壓臨氫材料、多級壓縮缸體結構和密封結構設計、液壓及控制系統(tǒng)優(yōu)化設計。離子液體壓縮機方面，重點研究離子液體與氫氣的相互作用機理與熱力特性、氣-液界面形態(tài)演變規(guī)律研究、能量匹配策略及整機設計技術、滿足70 MPa加氫站需求的關鍵部件及整機研發(fā)。開展電化學壓縮等非機械式壓縮技術，降低壓縮能耗，提高排氣量。
在液氫泵方面，重點開展高壓液氫泵研制，研究液氫泵內(nèi)流動特性機理，液氫泵關鍵零部件結構設計及強度分析，低溫、高壓、抗氫脆材料相容性和力學性能研究，液氫泵間隙的密封形式設計，液氫泵試驗系統(tǒng)設計等。
在加氫站工藝及控制方面，重點開發(fā)適應大負荷、高密度加氫需求的35 MPa/70 MPa加氫站新工藝、關鍵裝備柔性調(diào)度控制技術以及故障診斷技術，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設施技術的發(fā)展趨勢，是我國燃料電池汽車規(guī)模應用的關鍵抓手。因此，我國近10年應著力對70MPa高壓氣態(tài)加氫站與液氫加氫站技術進行攻關，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、壓縮機與液氫泵等關鍵技術裝備實現(xiàn)100%國產(chǎn)化。