【论文精选】国内液氢加氢站的发展与前景
时间: 2020-08-06 15:45 来源: 未知 作者: fergus
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氢燃料汽车的市场发展依托于加氢基础设施的建设完善以及氢燃料资源的供应保障。截至2019年底，国内已建成52座加氢站，在建6座［1］，主要分布在上海、北京、广州等地。所有建成和规划的加氢站，多采用外供高压气氢加氢站模式，暂无液氢加氢站，与国外大约1/3为液氢加氢站的现状呈现不同的发展特征和路线。本文就液氢加氢站在国内发展的瓶颈和前景展开探讨。
根据加氢站供氢方式，加氢站一般分为站外供氢加氢站以及站内制氢加氢站，其中前者包含高压气氢加氢站、液氢加氢站以及管道供氢加氢站，后者主要包括天然气重整制氢加氢站和电解水制氢加氢站。液氢加氢站的工艺流程见图1。
在国外的成熟工艺中，通常在液氢工厂将气态氢降至-253 ℃进行液化，然后通过液氢槽车将液氢运输至加氢站，并储存于站内的液氢储罐中，低温液氢泵吸入液氢后进行增压，并在高压气化器中气化为高压气态氢，存入储氢瓶组，待有车辆加氢时，从储氢瓶组中取气加注［2］。该工艺系统还可以充分利用液氢的低温冷能，用于加注前的氢气预冷，同时相较于先气化后通过压缩机压缩气态氢的工艺［3］，液氢泵的能耗要远低于压缩机能耗。
虽然站内制氢技术在国外已有广泛的应用，但由于初期设备投资较高、工艺复杂、占地面积大以及相关法律法规限制等原因，站内制氢加氢站现阶段暂不适宜在国内推广，因此本文主要讨论液氢加氢站相较于其他站外供氢加氢站的发展优势。
-253 ℃温度下的液氢密度为70.85 kg/m3，约为标准状态下（0 ℃，101.325 kPa）气态氢密度的800倍，约为70 MPa、20 ℃状态下高压氢气的1.7倍，因此液氢相比于气态氢的储运效率将大大提高。
气态氢采用气瓶车进行运输，气瓶车通常由9个直径0.5 m、长约10 m的钢瓶组成，储气压力为20 MPa，氢气运输能力约为300 kg/车。此外，气瓶车的卸车时间较长，约2~4 h，卸车后的余气量较多，约为10%~30%，整体的储运效率较低。但由于其技术成熟，是国内应用最普遍的运氢手段。而一辆容积为40 m3的液氢槽车可运输约3 000 kg氢，充装时间只要0.5～2.0 h，储运效率显著提高［4］。
由于液氢在制取过程中能耗较高，在小规模、短距离供氢中，液氢储运的全过程成本并不占优势。根据文献［5］的测算，液氢槽车（4000 kg/车）、气瓶车（350 kg/车）以及管道输运的储运成本比较见图2。由于液化成本占总成本的比例较高，液氢储运成本对运输距离变化并不敏感，尤其当加氢站距离氢源小于100 km时，气瓶车的成本要远低于液氢储运，但当距离大于300 km后，液氢大规模高效率运输所节省的运费，已基本覆盖氢气液化过程中增加的成本支出。而管道供氢虽然运输成本较低，但管道建设的投资不容忽视，只适合大规模供氢的应用背景。若刨除气瓶车氢气压缩成本以及液氢液化成本，只考虑交通运输成本，则液氢运输要远低于高压气氢运输，美国液氢运输成本大约为气瓶车的10%［6］；马建新等人［7］通过建模计算也表明国内液氢运输成本约为气瓶车的1/6。同时，其他研究者也得到了类似的测算结果［8］。因此液氢在大规模、长距离供氢中具有经济优势。
由于液氢密度较高，在同等氢储存量下，液氢储罐容积要小于高压气氢储罐，导致加氢站的占地以及建设投资都相对较小。中佛罗里达大学的Qin等人［2］采用H2A模型和UCD模型对不同规模以及供氢模式的加氢站进行了投资估算，模型均根据业内相关企业提供的数据建立，并与真实加氢站的数据进行了对比，结果表明UCD模型由于综合考虑了土地、土建以及相关费用，预测结果与真实加氢站投资更为接近，H2A模型的结果则略低于真实投资，但两者均呈现相同的趋势，即站内制氢加氢站的投资高于外供氢加氢站，且随着加氢站规模的扩大，单位投资逐渐减少。基于H2A模型的高压气氢加氢站和液氢加氢站投资估算结果对比见表1。加氢量相同时，液氢加氢站的单位投资要低于高压气氢加氢站，同时建设规模越大，单位投资的优势越明显。
表1 基于H2A模型的高压气氢加氢站和液氢加氢站投资估算结果对比［2］
Adolf等人［9］对美国加州现状加氢站的投资调研也表明，大规模液氢加氢站的单位投资要远低于小规模高压气氢加氢站，加氢量为180 kg/d的高压气氢加氢站单位投资为13 400美元/（kg·d-1），而1 500 kg/d规模的液氢加氢站投资仅为3 400美元/（kg·d-1）。加州能源委员会［10］发布的数据同样验证了以上结论。因此，随着燃料电池汽车市场的不断拓展，为提高加氢站单站供应能力，大规模加氢站将逐渐被引入，采用液氢加氢站是更为经济合适的技术路线。
根据GB/T 37244—2018《质子交换膜燃料电池汽车用燃料氢气》要求，适用于燃料电池汽车的氢气燃料纯度应达到99.97%，否则杂质会严重影响电池的性能和寿命。液氢液化过程中杂质固化，纯度可达到99.999%，保障了车用氢气的质量。
液氢加氢站的液氢泵能耗要远低于高压气氢加氢站压缩机的能耗，同时液氢的冷能利用可进一步降低站内用能。
随着车载储氢技术的发展，车载液氢系统将逐渐得到应用，液氢加氢站可同时提供液氢加注和高压气氢加注，相比气氢加氢站具有更好的兼容性，适应更多类型的燃料电池车辆。
国内由于政策、技术等瓶颈问题尚未解决，暂无建成的液氢加氢站，且在各地的氢能发展规划中，很少有涉及液氢加氢站的规划。而在国外，液氢加氢站的应用已较为成熟，已有约1/3的加氢站为液氢站，预计在未来成为主流。以美国加州为例［11］，截至2019年底，已建43座加氢站，以高压气氢加氢站为主，高压气氢加氢站达38座；在规划加氢站中，液氢加氢站的数量将超过气氢加氢站，同时液氢加氢站的总规模也将超过气氢加氢站，具体数据见表2。
加氢站的建设依托于氢源的稳定持续供应。在国内，液氢大多应用于航天与军工，如GJB 2645—1996《液氢贮存运输要求》和GJB5405—2005《液氢安全应用准则》均为国家军用标准，QJ 3271—2006《氢氧发动机试验用液氢生产安全规程》为航天工业行业标准，液氢暂无民用先例。而且，国内的液氢产量有限，2020年以前在运行的液氢工厂只有航天101所、文昌卫星发射中心以及西昌卫星发射中心［4］，且产能较低，属于中小规模液氢工厂，产能最高的文昌卫星发射中心为2.5t/d，其他均为1 t/d。同时，所有液氢工厂的设备均依赖进口。基于以上原因，国内的液氢成本要远高于国外。成本高、产能低的问题限制了液氢在民用领域的应用，制约液氢加氢站的发展。
相比之下，国外已建成几十座液氢工厂，主要分布在北美、欧洲和日本，总产能达到470 t/d，应用范围涵盖石油化工、电子、加氢站等民用领域。其中美国的产能最高，已建15座液氢工厂，总产能达到326t/d［12］，最大一家工厂产能达到55 t/d［13］。液氢的高产能保障了国外液氢加氢站的快速推进。
不过，近年来，随着氢能发展日益加速，液氢的应用在国内也吸引了更多人的关注，国内已有一些液氢工厂的示范项目正在推进。其中嘉化能源与浙江省能源集团拟在嘉兴建设一座商用的液氢工厂，产能为1.5 t/d；鸿达兴业位于内蒙古的液氢工厂已于近期投产。这些项目的推进为液氢在民用领域的应用打开了缺口，为液氢加氢站的发展做了铺垫，同时液氢加氢站的示范也将提上日程，如航天101所将联合浙江省能源集团建设国内第一座液氢加氢站。
液氢加氢站的另一个瓶颈是运输瓶颈，虽然液氢槽车的运输成本要低于气瓶车，但是由于液氢运输相应的法律法规不完善，导致液氢运输审批困难，受到很大程度的限制。
《道路危险货物运输管理规定》（交通运输部令2016年第36号）规定，危险货物以列入国家标准GB 12268《危险货物品名表》的为准，未列入GB 12268《危险货物品名表》的，以有关法律、行政法规的规定或者国务院有关部门公布的结果为准。而在GB 12268—2012《危险货物品名表》中，液氢没有列入在内，因此液氢运输审批缺少法律依据。但JT/T 617—2018《汽车危险货物运输规则》规定了汽车运输危险货物的托运、承运、车辆和设备、运输、从业人员、劳动防护等基本要求，液氢也在该标准的道路运输危险货物列表中，即汽车运输液氢的安全管理可按照该标准执行。
在国外，在相关的法律法规中，对液氢的运输都作出了明确的要求和说明，国内在这方面的推进中有一定滞后，但随着氢能应用的增多，相关法律法规都将逐步完善。
现行液氢采用的标准均为国家军用标准和航天工业行业标准，适用于民用领域的标准规范缺失导致液氢在生产、储运、加氢站应用方面没有相关设计和施工的依据，增大了液氢项目审批的难度。但这一局面将逐渐改善。全国氢能标准化技术委员会已开展组织编制了《氢能汽车用燃料液氢》、《液氢生产系统技术规范》以及《液氢贮存和运输安全技术要求》3项国家标准，这是民用领域构建液氢标准体系的重要一步。
自2016年发布的《能源技术革命创新行动计划（2016—2030年）》将氢能列为规划期内15项关键技术之一以来，国家相继在《“十三五”战略性新兴产业发展规划》《节能与新能源汽车产业发展规划（2012—2020年）》《中国制造2025》等国家规划中，对氢能相关技术给予了明确的定位和方向。但是在诸多国家顶层规划以及地方的氢能发展规划中，均没有涉及液氢技术以及液氢加氢站的发展目标和重点。因此，现阶段液氢在国内的发展仍然缺少指引，将成为液氢产业发展包括液氢加氢站应用的阻碍。鉴于液氢加氢站优势以及未来的发展趋势，有必要在下一阶段的国家政策规划制定过程中着重关注液氢技术的发展，以推动整体产业发展和技术进步。
国内现状运行的液氢工厂均采用进口设备，设备的投资较大，导致液氢的制取成本高昂，同时由于受到国外技术出口管制的影响，使得建设大规模（5 t/d以上）的液氢工厂更加困难。因此，要发展液氢和液氢加氢站，突破氢液化技术的瓶颈是首要条件。
在技术方面，中小型规模的氢液化设备通常采用Brayton氦循环技术［12-14］，预冷后的氢气进一步被氦透平膨胀机产生的低温氦气换热降温，获得液氢，该循环工艺由于系统复杂、能耗较高，一般用于产能小于3 t/d的液氢工厂。大规模氢液化设备通常采用Claude氢循环技术［12-14］，通过氢透平膨胀机的等熵膨胀实现低温区降温液化，一般用于产能大于5t/d的液氢工厂。两种技术均采用液氮作为预冷介质，液氮可通过空分装置获得，技术成熟，液氮作为预冷剂，可有效降低氢的液化成本。此外，氦透平膨胀机和氢透平膨胀机分别是两种工艺中的核心设备，国内的技术水平与国外仍有较大的差距，但前者经过多年的研究，中科院理化技术研究所、西安交通大学和中科院等离子体物理研究所均已获得了一定的成果，在自主化的道路上有了较大的进步［15］，而后者的技术难度在前者之上，在国内仍没有成功先例。
在能耗方面，根据美国现有液氢工厂统计，产能为5 t/d的液氢设备的单位能耗为10kW·h/kg，但随着规模的增加，单位能耗将进一步下降，预计未来产能达到50~150t/d时，单位能耗将下降至约6kW·h/kg，同时单位成本将下降至50%以下［13］。
液氢储罐技术主要分为被动技术和主动技术，前者包括高真空绝热、真空多层绝热等，后者主要包括大面积冷却屏（BAC）技术，旨在实现液氢的零蒸发储存（ZBO）［16］。国内已有四川空分集团、航天晨光以及圣达因成功研制出液氢储罐，采用高真空多层绝热技术，但在规模上仍与国外差距较大，国外已可制造3×104 m3的超大液氢球罐，而国内只能制造3 000 m3以下的储罐。
液氢泵是液氢加氢站的关键设备，之前主要应用于航天领域，为航天器输送低温液氢燃料，随着液氢应用在民用领域的深入，液氢泵的应用逐渐向民用倾斜，向小型化发展。国外已有相对成熟的技术，其中林德公司的液氢活塞泵出口压力能达到90 MPa，能耗是传统压缩机的10%~20%。国内企业对于液氢泵的国产化研制仍处在起步阶段，现阶段只能依赖进口液氢泵，也成为液氢加氢站发展的重要制约。
车载储氢系统主要包括高压气态储氢、低温液态储氢、高压低温液态储氢、金属氧化物储氢以及有机液体储氢［17］。其中高压气态储氢技术已成功应用于氢燃料电池汽车中，进入市场的燃料电池汽车多采用35或70 MPa压力等级的高压气态储氢方式。低温液态储氢技术虽然在储氢密度方面较高压气态储氢有优势，但其应用从全球范围看尚未成熟，主要问题之一是容器的绝热问题。为解决绝热问题，减少氢气的蒸发损失，液氢储罐一般做成双层或多层结构，在车载储氢系统中无法体现液氢的容积优势，若应用在乘用车上会挤占更多的空间。基于以上原因，通用、福特和宝马等相继推出了车载低温液态储氢系统的概念车后，都没有继续投入并投入市场。
燃料电池汽车是未来清洁能源汽车的重要发展方向，国内氢燃料电池商用车市场在2019年迎来了显著增长，2019年新增3 022辆，较2018年增长86.7%。为保障汽车燃料供应，加氢站的建设显得尤为重要。现阶段国内加氢站多采用气瓶车外供高压气氢加氢站的模式进行建设，加注能力多在500 kg/d以下。
根据2016年中国汽车工程学会年会上发布的《节能与新能源汽车技术路线图》，至2025年，燃料电池乘用车和商用车预计达到5×104 辆，至2030年将达到100×104 辆的规模；至2025年将建成超过300座加氢站，至2030年加氢站数量将超过1 000座。以此为基础，测算2030年燃料电池汽车发展规模所对应的加氢站需求量。乘用车日用氢量为0.4kg/d，商用车日用氢量为30kg/d［13］。乘用车与商用车比例按9∶1计。计算得到所有车辆的日用氢量为336×104 kg/d，加氢站平均加注能力按500 kg/d计，则共需6 720座加氢站。根据测算，规划的1 000座加氢站可能无法满足加氢需求。
由此可见，国内未来的加氢需求旺盛，加氢站建设数量较多，小规模加氢站的建设易造成资源、土地的浪费，同时给氢气的储运能力带来更大的压力，因此宜建设大规模（1 000 kg/d）的加氢站。建设大规模加氢站时，液氢加氢站具有储运效率高、运输成本低、单位投资少、氢气纯度高、站内能耗少以及兼容性强等优势，故液氢加氢站模式是更合理的选择。
发展氢燃料电池汽车和加快加氢站建设是我国氢能发展的必然趋势，有别于外国市场，我国暂无液氢加氢站，主要因为受到了液氢氢源短缺、交通运输限制、标准规范缺失、缺少相关政策规划以及相关技术瓶颈的制约，导致我国现阶段没有条件建设液氢加氢站。但是未来我国燃料电池汽车市场将迅速发展，加氢需求旺盛，液氢加氢站具有广阔的发展空间，国家应更多关注液氢技术发展，从政策规划层面给予支持，为液氢加氢站的快速发展做好准备。
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