顧玲俐，吳一梅，尹立坤，藺新星，陳建業(yè)，邵雙全

加氫站流程和配置技術(shù)現(xiàn)狀與展望*

顧玲俐1，吳一梅2，尹立坤1，藺新星1，陳建業(yè)2，邵雙全2?

（1. 中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)有限公司 科學(xué)技術(shù)研究院，北京 100038；2. 華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430074）

加氫站（HRS）是氫能高效利用的重要環(huán)節(jié)，是促進(jìn)燃料電池汽車行業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施。本文介紹了外供氫加氫站一般系統(tǒng)流程及配置方法；整理了國(guó)內(nèi)外關(guān)于系統(tǒng)流程的優(yōu)化措施，其中包括常規(guī)系統(tǒng)的部件（如長(zhǎng)管拖車、站側(cè)儲(chǔ)罐配置及預(yù)冷系統(tǒng)）的配置優(yōu)化，以及非常規(guī)部件的新型系統(tǒng)（如噴射器、渦流管或膨脹機(jī)）的集成；最后對(duì)未來(lái)優(yōu)化方向進(jìn)行了展望。

加氫站；加氫流程；配置優(yōu)化；儲(chǔ)罐配置

0 引 言

氫氣來(lái)源廣泛，燃燒產(chǎn)物無(wú)污染，有望成為未來(lái)的主要能源載體之一。在當(dāng)前階段，氫能源主要與燃料電池配合使用，在交通運(yùn)輸業(yè)發(fā)揮作用。盡管目前氫燃料電池汽車已經(jīng)商業(yè)化，但是進(jìn)一步推廣還需相當(dāng)數(shù)量的加氫站（hydrogen refueling station, HRS）建設(shè)。2020年中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)發(fā)布了中國(guó)《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》，更新了加氫站建設(shè)目標(biāo)，原先設(shè)定2025年和2030年的加氫站數(shù)量分別從300座和1 000座提高到1 000座和5 000座[1]。

過(guò)去幾年世界范圍內(nèi)加氫站的數(shù)量快速增長(zhǎng)，如圖1所示。截至2020年底，全球有553座[2]加氫站投入使用，我國(guó)也已建成118座，分布在20個(gè)省市[3]。盡管全球范圍內(nèi)加氫站數(shù)量逐漸增多，但仍處于起步階段。

加氫站發(fā)展的主要制約因素之一是成本高昂，總成本占?xì)錃夥峙涑杀镜囊话胍陨蟍4]。加氫站總成本包括建設(shè)成本和運(yùn)營(yíng)成本。一個(gè)加氫站初始投資在1 600萬(wàn)元～ 2 000萬(wàn)元（不包括土地成本），是充電站的3倍以上[5]。運(yùn)營(yíng)成本相對(duì)較小，但是也不容忽視。目前國(guó)內(nèi)大部分加氫站為撬裝示范站[6]，其規(guī)模小，系統(tǒng)配置簡(jiǎn)單，運(yùn)行較粗放，節(jié)能和經(jīng)濟(jì)性暫時(shí)無(wú)法保障。

圖1 世界加氫站數(shù)量發(fā)展[2]

通過(guò)加氫站系統(tǒng)流程和配置優(yōu)化，可以最大限度地降低總成本。目前關(guān)于加氫站系統(tǒng)配置優(yōu)化方面的研究相對(duì)較少[7-8]。本文分析了外供氫加氫站現(xiàn)有系統(tǒng)流程和配置方法，然后整理了國(guó)內(nèi)外關(guān)于系統(tǒng)流程及配置的優(yōu)化方法，其中包括常規(guī)優(yōu)化方法及新型的加氫流程，最后對(duì)未來(lái)優(yōu)化方向進(jìn)行展望。

1 一般系統(tǒng)流程和配置

在市場(chǎng)初期，外供氫型加氫站使用較多，加注系統(tǒng)一般由以下部分組成：氫氣供應(yīng)源（長(zhǎng)管拖車），壓縮機(jī)，站側(cè)儲(chǔ)罐（包括高壓儲(chǔ)罐、中壓儲(chǔ)罐等），減壓閥，預(yù)冷系統(tǒng)及加氫機(jī)。當(dāng)然，除了加注系統(tǒng)，加氫站還包含控制系統(tǒng)和安全等系統(tǒng)，在此不做討論。

根據(jù)加氫站的加注方式不同，產(chǎn)生了不同的系統(tǒng)流程和配置方式，見(jiàn)圖2。

壓縮機(jī)直接增壓加注系統(tǒng)（圖2a）中不需要站側(cè)儲(chǔ)罐，適用范圍較小。站側(cè)高壓儲(chǔ)罐降壓加注系統(tǒng)（圖2b）中，高壓儲(chǔ)罐可以是單儲(chǔ)罐或者多儲(chǔ)罐，后者稱為級(jí)聯(lián)儲(chǔ)罐，通常使用3 ～ 9級(jí)，其中3級(jí)應(yīng)用最為廣泛。增壓壓縮機(jī)直接加注系統(tǒng)（圖2c）和增壓壓縮機(jī)儲(chǔ)氫加注系統(tǒng)（圖2d）[9]一般需要兩套壓縮機(jī)，經(jīng)濟(jì)性較差，適用于35 MPa和70 MPa共存的加氫站或者改造站[4]。

長(zhǎng)管拖車通常將20 MPa[10]左右的氫氣運(yùn)輸至加氫站，通過(guò)壓縮機(jī)增壓將氫氣直接加注到車載氣瓶（圖2a）；或者先壓縮至高壓，存儲(chǔ)在高壓儲(chǔ)罐（圖2b），再降壓加注；或者先加壓送至中壓，再通過(guò)增壓壓縮機(jī)進(jìn)行加注（圖2c）；或者經(jīng)過(guò)兩級(jí)壓縮分壓儲(chǔ)存，再降壓加注（圖2d）。當(dāng)長(zhǎng)管拖車壓力降至約5 MPa[11]后，被另一輛長(zhǎng)管拖車取代。而在加注過(guò)程中，由于壓縮熱效應(yīng)等原因，車載氣瓶溫度急劇上升[12]，影響氣瓶安全和加注質(zhì)量，因此加注前一般會(huì)采用預(yù)冷器對(duì)氫氣進(jìn)行降溫。

圖2 不同類型加注方法

此外，在壓縮機(jī)排氣溫度較高時(shí)，可能還會(huì)在壓縮機(jī)進(jìn)出口配置冷卻系統(tǒng)。

2 加氫站系統(tǒng)流程和配置優(yōu)化方法

加氫站設(shè)備類型相對(duì)較少，已經(jīng)有大量的研究針對(duì)組成部分進(jìn)行個(gè)體性能提升（長(zhǎng)管拖車[13-14]、壓縮機(jī)[15]、站側(cè)儲(chǔ)罐[16]、加氫機(jī)[17]），在此不再贅述。本文主要關(guān)注系統(tǒng)流程改進(jìn)、參數(shù)配置優(yōu)化及新型技術(shù)加入等對(duì)加氫站能耗及成本的影響。

2.1 長(zhǎng)管拖車

加氫站長(zhǎng)管拖車一般采用租用的形式，但是其參數(shù)配置和操作策略會(huì)影響運(yùn)營(yíng)成本。

長(zhǎng)管拖車配置必須符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于尺寸及載荷要求，因此其有效載荷受到長(zhǎng)管材料和壓力制約。國(guó)內(nèi)一般采用20 MPa鋼制長(zhǎng)管，而國(guó)外已經(jīng)開(kāi)發(fā)出更高的運(yùn)輸壓力（50 MPa）[13]的長(zhǎng)管。由于長(zhǎng)管本身具有壓力，REDDI等[18]提出采用長(zhǎng)管拖車作為一級(jí)加注氣源，以減少壓縮能耗和高壓儲(chǔ)罐容積要求，降低成本。為進(jìn)一步降成本，REDDI等[11]提出長(zhǎng)管拖車壓力整合技術(shù)，即在非高峰期間，用壓縮機(jī)將氫氣從低壓長(zhǎng)管轉(zhuǎn)移到其他長(zhǎng)管，加注時(shí)壓縮機(jī)從較高壓力長(zhǎng)管進(jìn)行吸氣。吸氣壓力越高則氫氣密度越大，相同質(zhì)量流量所需壓縮機(jī)尺寸越小，成本越低。結(jié)果顯示對(duì)于450 kg/d的加氫站，壓力整合可節(jié)約40%的加氫站成本。為延長(zhǎng)長(zhǎng)管使用壽命和節(jié)約閥門成本，REDDI等[19]進(jìn)一步提出了兩級(jí)壓力整合技術(shù)——將長(zhǎng)管拖車內(nèi)的長(zhǎng)管分為兩級(jí)，只有第2級(jí)對(duì)第1級(jí)進(jìn)行氫氣補(bǔ)充。趙磊[20]進(jìn)一步研究了不同的長(zhǎng)管拖車操作策略、長(zhǎng)管級(jí)數(shù)的影響，最后得出最佳的拖車分級(jí)數(shù)量為４，最優(yōu)的拖車操作策略為采用當(dāng)前壓力最高的長(zhǎng)管作為高壓儲(chǔ)罐的補(bǔ)氣氣源、采用當(dāng)前壓力最低的長(zhǎng)管作為長(zhǎng)管拖車的自增壓氣源、并采用當(dāng)前壓力最高的長(zhǎng)管對(duì)車輛進(jìn)行加注。

2.2 站側(cè)儲(chǔ)罐

壓縮機(jī)與儲(chǔ)罐兩個(gè)組件相互依賴，在具備較大站側(cè)儲(chǔ)罐時(shí)，僅需要較小流量的壓縮機(jī)就可以滿足連續(xù)的車輛加注需求，反之亦然[18]。壓縮機(jī)價(jià)格昂貴，其成本占了加氫站成本的一半左右[21]，站側(cè)儲(chǔ)罐系統(tǒng)成本其次。

站側(cè)儲(chǔ)罐配置方式，如級(jí)數(shù)、容積和壓力，一起決定了站側(cè)儲(chǔ)罐氫氣儲(chǔ)量，不僅影響著壓縮機(jī)尺寸，還影響著加氫過(guò)程取氣質(zhì)量分配和補(bǔ)氫過(guò)程的能耗。表1總結(jié)了學(xué)者們?cè)谡緜?cè)儲(chǔ)罐配置方面的研究。

（1）級(jí)數(shù)配置。級(jí)聯(lián)儲(chǔ)罐級(jí)數(shù)越多，則儲(chǔ)罐切換的次數(shù)越多，加注時(shí)與車載氣瓶的壓差越小，熵產(chǎn)越小，但是系統(tǒng)越復(fù)雜。

多位學(xué)者對(duì)單儲(chǔ)罐和多儲(chǔ)罐加注系統(tǒng)進(jìn)行?[22]、能耗[23]、熵產(chǎn)[24]以及加氫時(shí)間等方面的分析，發(fā)現(xiàn)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)具有?破壞小、熵產(chǎn)小及能耗低的優(yōu)點(diǎn)，但是關(guān)于加氫時(shí)間影響則說(shuō)法不一致[24]。

ROTHUIZEN等[25]分析了加氫站的能耗與高壓儲(chǔ)罐級(jí)數(shù)的關(guān)系。從單級(jí)增加到8級(jí)儲(chǔ)罐時(shí)，單個(gè)儲(chǔ)罐加注周期的能耗指數(shù)級(jí)遞減，每增加一級(jí)，節(jié)能量也指數(shù)級(jí)遞減。當(dāng)級(jí)數(shù)小于3時(shí)，增加級(jí)數(shù)節(jié)能顯著；而當(dāng)級(jí)數(shù)大于5時(shí)，節(jié)能量不到4%，因此，其認(rèn)為級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的最佳級(jí)數(shù)為3或4。此外，REDDI等[18]還研究了不同高壓儲(chǔ)罐數(shù)量和級(jí)數(shù)配置對(duì)總成本/氫氣利用率的影響。針對(duì)相同最高壓力及容積的高壓儲(chǔ)罐，分析了16種不同配置，認(rèn)為最佳配置為4級(jí)，其次是5級(jí)。

相比單級(jí)系統(tǒng)，級(jí)聯(lián)系統(tǒng)可以降低壓縮機(jī)功耗和預(yù)冷機(jī)組能耗[25]，但是級(jí)數(shù)增加會(huì)增大系統(tǒng)復(fù)雜程度和配套設(shè)備（如管道及閥門）成本，儲(chǔ)罐級(jí)數(shù)設(shè)置需綜合考慮這兩方面因素。

（2）容積配置。級(jí)聯(lián)儲(chǔ)罐系統(tǒng)容積影響加氫時(shí)候節(jié)流溫升和制冷能耗，同時(shí)影響各級(jí)取氫質(zhì)量，從而進(jìn)一步?jīng)Q定補(bǔ)氫時(shí)壓縮機(jī)能耗。

ELGOWAINY等[26]采用相同配置的級(jí)聯(lián)儲(chǔ)罐組（見(jiàn)表1）的情況下，通過(guò)擴(kuò)展組數(shù)來(lái)滿足不同規(guī)模加氫站需求，然后對(duì)長(zhǎng)管拖車、壓縮機(jī)和級(jí)聯(lián)儲(chǔ)罐的總成本進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明，無(wú)論加氫站大小，級(jí)聯(lián)儲(chǔ)罐最佳總?cè)萘勘认嗤?，約為平均日需求的15%，而壓縮機(jī)的最佳小時(shí)容量約為加氫站平均小時(shí)需求的兩倍。TALPACCI等[27]研究了三級(jí)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)容積對(duì)預(yù)冷能耗的影響：在500 ～ 2000 L范圍內(nèi)，隨著總?cè)莘e的增大，預(yù)冷能耗逐漸增大，隨后容積繼續(xù)增大時(shí)預(yù)冷能耗趨于飽和，典型總?cè)莘e為1 260 L，最優(yōu)容積比為3∶3∶25。ROTHUIZEN等[25]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)儲(chǔ)罐數(shù)小于5時(shí)，減小高壓級(jí)儲(chǔ)罐容積節(jié)能率約為1% ～ 2.7%。當(dāng)儲(chǔ)罐數(shù)大于5時(shí)，能耗反而增加，三級(jí)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)節(jié)能效果最好。BLAZQUEZ-DIAZ[28]考慮初始成本和運(yùn)行成本，研究了儲(chǔ)罐容積對(duì)生命周期內(nèi)的成本的影響，在兩級(jí)儲(chǔ)罐系統(tǒng)分析中，最優(yōu)容積比為1∶4。當(dāng)選擇多級(jí)儲(chǔ)罐時(shí)，最佳的儲(chǔ)罐級(jí)數(shù)為4個(gè)或最多5個(gè)，最優(yōu)總?cè)莘e為1 600 L，最高壓力儲(chǔ)罐容積是其余儲(chǔ)罐容積的4倍。趙磊[20]認(rèn)為對(duì)于三級(jí)儲(chǔ)氣而言，儲(chǔ)罐最佳容積比可以是1∶1∶1或3∶3∶2。

可見(jiàn)，盡管不同研究者得出的最優(yōu)容積比不盡相同，但普遍認(rèn)為存在最優(yōu)的容積比。

（3）壓力配置。壓力配置包括儲(chǔ)罐名義壓力、最高運(yùn)行壓力、最低運(yùn)行壓力、切換壓差等參數(shù)。名義壓力取決于儲(chǔ)罐技術(shù)，影響著儲(chǔ)罐成本。最高運(yùn)行壓力可以與名義壓力相同或不同。最高運(yùn)行壓力、最低運(yùn)行壓力以及切換壓差，均會(huì)影響運(yùn)行能耗。

表 1 站側(cè)儲(chǔ)罐優(yōu)化方法

ROTHUIZEN等[25,31]在儲(chǔ)罐尺寸不變時(shí)，減少各級(jí)的較高壓級(jí)壓力，并對(duì)比減壓前后能耗的變化。降低較高壓級(jí)壓力后，補(bǔ)氣時(shí)壓縮機(jī)壓比降低，功耗降低，出口溫度降低，制冷能耗減少。除了單儲(chǔ)罐系統(tǒng)節(jié)能量稍小，其他多級(jí)（2 ～ 8級(jí)）系統(tǒng)節(jié)能4% ～ 5%。其認(rèn)為在站內(nèi)設(shè)置3級(jí)或4級(jí)時(shí)，級(jí)聯(lián)系統(tǒng)優(yōu)化壓力可能是最好的解決方案，3級(jí)時(shí)，最佳壓力為35 MPa、65 MPa、87.5 MPa；4級(jí)時(shí)各級(jí)壓力分別為35 MPa、55 MPa、71 MPa、84 MPa。FARZANEH等[24]以熵產(chǎn)最小化為目標(biāo)，得出最佳工況下，對(duì)應(yīng)各級(jí)壓力分別為8.88 MPa、20.35 MPa、37 MPa。然而，該研究針對(duì)的是固定面積孔口節(jié)流系統(tǒng)，并未進(jìn)行加氫流量調(diào)節(jié)，這在成熟的加氫站中較為少見(jiàn)。

2.3 預(yù)冷系統(tǒng)

加氫站制冷能耗來(lái)自壓縮機(jī)出口冷卻和進(jìn)入車載氣瓶前的氫氣預(yù)冷，其中氫氣預(yù)冷程度影響加注時(shí)間及最終加注狀態(tài)，受到較多關(guān)注。

預(yù)冷系統(tǒng)有負(fù)荷間歇產(chǎn)生、負(fù)荷波動(dòng)大、氫氣溫降大的特點(diǎn)。同時(shí)，加氫協(xié)議要求預(yù)冷系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)且要保持氫氣出口溫度穩(wěn)定。如果預(yù)冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)成在極端條件下提供所需的加注參數(shù)，會(huì)導(dǎo)致很高的設(shè)備成本[32]和運(yùn)營(yíng)成本。報(bào)告顯示，在德國(guó)運(yùn)行的加氫站預(yù)冷能耗可以超過(guò)10 kW?h/kg H2，對(duì)應(yīng)1美元/kg H2以上的運(yùn)營(yíng)成本。在非常低的站利用率下，預(yù)冷能耗成本可以高達(dá)5美元/kg H2[33]。

PIRAINO等[34]在T20預(yù)冷基礎(chǔ)上增加二級(jí)冷卻系統(tǒng)，提供?40℃的預(yù)冷溫度。加氫時(shí)，采用一級(jí)冷卻提供大部分冷量，二級(jí)冷卻進(jìn)行氫氣溫度精確控制。JENSEN等[35]研究了三種不同的氫氣冷卻方案：?jiǎn)渭?jí)冷卻、減壓閥后兩級(jí)和減壓閥前后各一級(jí)。在蒸發(fā)溫度分別為?5℃和?45℃的雙級(jí)換熱配置下時(shí)，減壓閥后兩級(jí)冷卻時(shí)總成本最低，比單級(jí)冷卻的成本低45%，而單級(jí)冷卻占據(jù)空間最少。但是文中沒(méi)有考慮雙級(jí)制冷系統(tǒng)導(dǎo)致的成本增加。ELGOWAINY等[33]對(duì)比了大熱容和緊湊型換熱器的預(yù)冷系統(tǒng)，對(duì)于一個(gè)200 kg/d的加氫站，最佳制冷系統(tǒng)配置為13 kW制冷機(jī)和1 400 kg的換熱器，設(shè)備總成本為70 000美元。在一個(gè)充分利用的加氫站，制冷系統(tǒng)總成本（包括運(yùn)行）估計(jì)為0.5美元/kg H2，其中約2/3為換熱器成本。該系統(tǒng)直接利用鋁換熱器作為熱容，導(dǎo)致?lián)Q熱器尺寸較大，成本較高。

2.4 新型加氫流程

上述常規(guī)加氫流程很難實(shí)現(xiàn)較大的能耗及成本降低，部分研究者希望通過(guò)引入新的零部件或提出新型加氫流程來(lái)實(shí)現(xiàn)較大幅度的改善。

（1）集成噴射器的加氫流程

噴射器可以回收高壓流體膨脹過(guò)程中損失的部分動(dòng)能。通過(guò)將噴射器集成到加氫系統(tǒng)中，利用高壓氫氣引射低壓氫氣，可以實(shí)現(xiàn)高壓能量的高效利用和膨脹功回收，還可以降低低壓儲(chǔ)罐的儲(chǔ)氫壓力（如圖3所示）。WEN等[36]采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法研究噴射器在不同工況下對(duì)氫氣的引射效果。在一次流90 MPa、背壓36 ～ 48 MPa時(shí)，引射比為0.75，從低壓儲(chǔ)罐引射所占質(zhì)量可達(dá)10%。ROGIé等[37]采用遺傳算法，對(duì)集成噴射器的加氫過(guò)程進(jìn)行全數(shù)值優(yōu)化。結(jié)果顯示，如果只在背壓高于低壓罐的情況下開(kāi)啟噴射器，可以增加12%的低壓罐充注量，減少6%的加注時(shí)間。

圖3 集成噴射器的加氫流程

Fig. 3 Hydrogen refueling process integrated with ejector

ROGIé等[38]進(jìn)一步研究級(jí)聯(lián)儲(chǔ)罐系統(tǒng)應(yīng)用噴射器的可行性，并對(duì)比了膨脹閥系統(tǒng)、直接加氫（高壓引射多級(jí)低壓）系統(tǒng)和混合加氫（逐級(jí)引射）系統(tǒng)。結(jié)果表明，相對(duì)于膨脹閥系統(tǒng)，混合加氫系統(tǒng)在兩個(gè)儲(chǔ)罐時(shí)可使壓縮能耗降低6.5%，但隨著儲(chǔ)罐級(jí)數(shù)增加，節(jié)能效果變差。直接加氫系統(tǒng)可以縮短加氫時(shí)間，但是會(huì)導(dǎo)致能耗增加?？偟恼f(shuō)來(lái)，噴射器能否節(jié)能以及節(jié)能程度，與系統(tǒng)配置形式有關(guān)。

（2）集成渦流管的加氫流程

渦流管可以將壓縮氣體分成冷熱兩股低壓氣流，具有重量輕、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件等優(yōu)點(diǎn)。CHEN等[39]提出了兩種集成渦流管的加氫流程（如圖4）。與傳統(tǒng)的蒸汽壓縮制冷方式相比，渦流管預(yù)冷方式具有較低的設(shè)備投資和運(yùn)行成本。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，在典型氫氣加注工況，渦流管具有能量分離效應(yīng)，在加氫系統(tǒng)中有應(yīng)用的潛力。但文章僅在加氫工況下進(jìn)行了概念驗(yàn)證。

圖4 集成渦流管的加氫流程

（3）集成膨脹機(jī)的加氫流程

鑒于加氫站的預(yù)冷能耗大，POST等[40]提出采用渦輪膨脹機(jī)來(lái)回收膨脹功，進(jìn)行氫氣加壓和氫氣預(yù)冷，見(jiàn)圖5。在40℃環(huán)境溫度下，等熵效率為40%的膨脹機(jī)就可將氫氣冷卻至?40℃。

圖5 集成膨脹?壓縮機(jī)加氫流程1

Fig. 5 Hydrogen refueling process 1 integrated with turbine- compressor

YOSHIDA等[41]進(jìn)一步研究了小型集成渦輪膨脹機(jī)在加氫系統(tǒng)的應(yīng)用，將膨脹功用于膨脹機(jī)入口的壓力提升，見(jiàn)圖6。在該系統(tǒng)中，壓縮機(jī)將82 MPa的氫氣壓縮至104 MPa，然后進(jìn)入冷卻器冷卻至10 ～ 20℃。冷卻后的氫氣進(jìn)入膨脹機(jī)中直接膨脹降溫，該系統(tǒng)預(yù)冷節(jié)能達(dá)87%。與現(xiàn)有預(yù)冷系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)還具有緊湊性高、初始成本和運(yùn)行成本低、系統(tǒng)可擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)。

圖6 集成渦輪膨脹機(jī)的加氫流程2

Fig. 6 Hydrogen refueling process 2 integrated with turbine- compressor

3 總結(jié)與展望

加氫站目前處于發(fā)展初期，初始投資和運(yùn)行能耗相對(duì)較高。除了進(jìn)行部件單體性能優(yōu)化，系統(tǒng)流程及配置對(duì)成本和能耗的影響也非常突出，應(yīng)加強(qiáng)進(jìn)一步研究：

（1）長(zhǎng)管拖車配置形式及操作策略影響加氫站運(yùn)行能耗，除了長(zhǎng)管單體研究，還需要進(jìn)行操作策略的探索，以提高氫氣利用率；目前長(zhǎng)管返回壓力較高，除了壓縮機(jī)優(yōu)化，還可以考慮通過(guò)引射、熱管或者蓄熱等技術(shù)提高氫氣利用率。當(dāng)前長(zhǎng)管技術(shù)僅適用于發(fā)展初期的小型加氫站，隨著加氫站等級(jí)提高，需要加強(qiáng)其他高效運(yùn)輸方式的研究，如高壓低溫氣氫及液氫等。

（2）儲(chǔ)罐?壓縮機(jī)系統(tǒng)配置參數(shù)（級(jí)數(shù)、容積、壓力范圍）較多，參數(shù)設(shè)置范圍較大，對(duì)設(shè)備成本及能耗（包括壓縮、預(yù)冷）影響較復(fù)雜，目前沒(méi)有獲得統(tǒng)一的最優(yōu)配置結(jié)論。實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)具體加氫站設(shè)計(jì)要求，結(jié)合當(dāng)前技術(shù)水平獲得合理的參數(shù)范圍，并且盡量以加氫站整體（包括預(yù)冷系統(tǒng)、加氫機(jī)等）為對(duì)象，采用優(yōu)化分析方法進(jìn)行能耗、初始投資的整體優(yōu)化。

（3）加氫站制冷能耗來(lái)自壓縮機(jī)出口冷卻和進(jìn)入車載氣瓶前的氫氣預(yù)冷。應(yīng)研究如何減少制冷負(fù)荷和提高制冷系統(tǒng)性能來(lái)減少制冷能耗，例如：減少壓縮機(jī)排氣溫度和減壓閥前后溫升以減少制冷系統(tǒng)冷卻負(fù)荷；改進(jìn)加注方法來(lái)提高預(yù)冷溫度；加強(qiáng)站內(nèi)熱管理，盡可能利用既有冷源如液氫或自然冷源來(lái)抵消部分熱負(fù)荷；嘗試采用先進(jìn)制冷技術(shù)來(lái)提升制冷性能等。

（4）相對(duì)于常規(guī)配置優(yōu)化方法，新型技術(shù)的加入可實(shí)現(xiàn)更大成本改善，但是新型技術(shù)相關(guān)研究一般處于初級(jí)階段，并且由于氫氣性質(zhì)特殊，對(duì)于新技術(shù)可靠性要求更為嚴(yán)格，所以這些技術(shù)還需要大量的研究投入。

除了系統(tǒng)及配置的優(yōu)化，加注協(xié)議和運(yùn)行策略也會(huì)影響成本及能耗，也應(yīng)該引起重視。

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Status and Prospect of Process and Configuration Technology for Hydrogen Refueling Station

GU Ling-li1, WU Yi-mei2, YIN Li-kun1, LIN Xin-xing1, CHEN Jian-ye2, SHAO Shuang-quan2

(1. Institute of Science and Technology, China Three Gorges Corporation, Beijing 100038, China;2. School of Energy and Power Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

Hydrogen refueling station (HRS) is a key link toward the efficient utilization of hydrogen energy, and an important infrastructure promoting the development of the fuel cell vehicle industry. In this paper, the general process and configuration of the off-site HRS were introduced. The research status on the optimization methods was reviewed, which includes conventional optimization approaches (configuration optimization on tube-trailer, station-side storage system, and pre-cooling system) and novel systems integrated with unconventional components (ejector, vortex, and expander). At last, future research directions were prospected.

hydrogen refueling station; hydrogen refueling process; configuration optimization; tank configuration

2095-560X（2021）05-0418-08

TK91

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2021.05.008

顧玲俐（1990-），女，博士，主要從事加氫站流程優(yōu)化及關(guān)鍵技術(shù)研究。

邵雙全（1975-），男，博士，教授，主要從事高效熱濕環(huán)境控制理論及在舒適性空調(diào)、食品保質(zhì)貯運(yùn)加工全程冷鏈、電子產(chǎn)品及數(shù)據(jù)中心冷卻等方面應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)研究。

收稿日期：2021-05-21

2021-06-16

中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)有限公司科研項(xiàng)目（202103002）

邵雙全，E-mail：shaoshq@hust.edu.cn