上海舜華新能源系統(tǒng)有限公司 劉京京 何宏凱

氫能源來源廣泛、可儲運、燃燒無污染，氫能源的利用是我國實現(xiàn)能源消費結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的重要途徑之一。氫燃料電池具有能量轉(zhuǎn)化效率高、排放物僅為水以及續(xù)航能力強等優(yōu)勢，是未來汽車應(yīng)用能源的發(fā)展目標(biāo)之一。隨著相關(guān)政策的制定和實施以及燃料電池汽車示范城市群的啟動，2021年我國氫燃料電池汽車銷量為1 881輛，同比增長了25.7%。為進一步推廣和發(fā)展氫燃料電池技術(shù)，需要在全國網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)相當(dāng)數(shù)量的加氫站來保障氫燃料電池汽車的燃料供應(yīng)。截至 2021年底，我國已建成加氫站230座，但距預(yù)先的規(guī)劃目標(biāo)仍有一段距離，整體仍處在起步階段。

1 加氫站工藝流程

加氫站根據(jù)建設(shè)形式可分為固定式和移動式兩種，其中移動式加氫站在世博會后由于政策的原因未得到實際推廣應(yīng)用。固定式加氫站根據(jù)氫氣來源不同可分為站外供氫和站內(nèi)制氫兩種。其中：站外供氫加氫站通過長管拖車或者氫氣管道將氣源氫氣運輸至站內(nèi)，而站內(nèi)制氫加氫站則是通過在站內(nèi)直接建設(shè)制氫系統(tǒng)來制取氫氣。目前我國以長管拖車外供氫的固定式加氫站數(shù)量居多。

以長管拖車供氫的固定式加氫站工藝流程如圖1所示。

圖1 氫氣長管拖車供氫固定式加氫站工藝流程

長管拖車上的氫氣被泊車位內(nèi)的卸氣柱卸載，然后進入壓縮機被增壓儲存在不同壓力級的站內(nèi)儲氫容器中。當(dāng)燃料電池汽車需要加氫時，加氫機從站內(nèi)儲氫容器中分級取氣，氫氣經(jīng)氫氣加注機加注至燃料電池汽車的車載儲氫氣瓶中。

2 燃料電池汽車全天氫氣加注需求分布

國內(nèi)外兩種燃料電池汽車全天氫氣需求分布，如圖2所示，表示每小時運營時間內(nèi)燃料電池汽車的氫氣加注需求占全天總運營時間內(nèi)氫氣加注需求的比例。圖2(a)中的曲線被稱為單峰需求分布，是通過統(tǒng)計美國加州33座加氫站2016年全年平均氫氣加注需求數(shù)據(jù)所得，其與傳統(tǒng)加油站的加注需求分布基本相同。圖2(b)中的曲線被稱為三峰需求分布，通過統(tǒng)計國內(nèi)的上海安亭加氫站在 2017年全年氫氣加注需求數(shù)據(jù)得到的。三峰需求曲線與單峰需求曲線的分布規(guī)律有明顯區(qū)別，即在全天運營時間內(nèi)出現(xiàn)了多次加注需求高峰。圖2(a)和(b)這兩類加氫站的服務(wù)對象都是在固定路線運行的物流車隊和大巴車隊，容易形成特定的需求分布特征?？紤]到我國燃料電池汽車發(fā)展戰(zhàn)略是優(yōu)先將其應(yīng)用于商用車領(lǐng)域，所以國內(nèi)加氫站的主要服務(wù)對象在未來很長一段時間將是這類商用車，其需求分布應(yīng)該類似于三峰需求分布。

圖2 燃料電池汽車全天氫氣需求分布

3 加氫站加氫能力匹配設(shè)計

對于加氫站來說，進行加氫能力的匹配設(shè)計是建設(shè)加氫站前期需要考慮的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。加氫站對外運行時間內(nèi)壓縮機提供的能力及儲罐提供的滿加注能力之和稱為總能力，用Z1表示；儲罐滿儲時的車輛滿加注能力及滿加注期間的壓縮機提供的能力之和稱為峰值滿加注能力，用Z2表示；總能力Z1和峰值加注能力Z2可通過式(1)和式(2)分別進行計算：

式中：Z1——總能力，kg；

Z2——峰值加注能力，kg；

t1——加氫站對外運營時間，h；

X——壓縮機排量，kg/h；

Y——儲罐滿加注利用量，kg；

W——來車平均加注量，kg；

n——峰值滿加注車輛數(shù)，輛；

t2——平均每車加注時間，h。

根據(jù)式(1)和式(2)，結(jié)合加氫站能力匹配需求設(shè)計了Excel計算模型。通過該模型可計算得到對加氫站建設(shè)和運營較重要的車輛加注時間、均勻運行加注氫氣總量、峰值滿加注氫氣總量及其加注車輛數(shù)量、峰谷式運營滿加注氫氣總量及其加注車輛數(shù)量、峰值加注時間等參數(shù)，以期可以利用該模型對加氫站能力配置需求進行指導(dǎo)。

表1為加氫站能力匹配計算參數(shù)表。以表1的輸入?yún)?shù)為例，對按該參數(shù)配置的一些加氫站關(guān)鍵參數(shù)進行研究。根據(jù)儲氫罐的供氫能力和壓縮機的排量進行計算可獲得氫氣每小時連續(xù)可加注量隨運營時間的變化規(guī)律，如圖3所示。前幾個小時儲罐內(nèi)氣源充足，先是高壓級儲罐給燃料電池汽車供氫，高壓儲罐達到最低利用壓力后，切換為其他壓力級儲罐供氫，同時壓縮機開始運行，向高壓級儲罐儲存氫氣，同時會有部分高壓氫氣分流進入加氫機，使得每小時連續(xù)加氫時，壓縮機無法將高壓力級儲罐儲滿。但是依靠前期其他壓力級儲罐存儲的氫氣仍可在一段時間內(nèi)維持每小時連續(xù)可加注量最大值。隨著運營時間延長，所有壓力級的儲罐內(nèi)氫氣的可利用性均較低時，燃料電池汽車所需氫氣主要由壓縮機排量決定。

表1 加氫站能力匹配計算參數(shù)

圖3 每小時連續(xù)可加注氫氣量隨運營時間的變化規(guī)律

一些加氫站在運營過程中，會出現(xiàn)在某些時段需要提供加注服務(wù)的燃料電池汽車數(shù)量激增的情況，可通過加氫站峰值加注能力顯示其對該情況的應(yīng)對能力。通過測算得到以表1參數(shù)配置為例的加氫站峰值加注氫氣量、峰值加注時間和峰值加注等待時間，然后建立關(guān)系式得到峰值滿加注量隨峰值滿加注時間的變化規(guī)律如圖4所示。該圖的波峰是示例加氫站的峰值滿加注量為1 326 kg，峰值滿加注時間為3.7 h，即3.7 h可向外界提供1 326 kg的氫氣，滿足 66輛燃料電池汽車加注。達到下一次峰值滿加注能力的等待時間即停止加注服務(wù)壓縮機將儲罐儲滿的時間為4.1 h。通過計算得到的以上數(shù)據(jù)可為實際的加氫站加注能力匹配設(shè)計過程提供參考，從而實現(xiàn)加氫站的設(shè)備配置的最優(yōu)投資。

圖4 峰值滿加注量與峰值滿加注時間的變化規(guī)律

4 加氫站能耗分析和優(yōu)化

目前關(guān)于加氫站能耗分析和優(yōu)化方面的研究較少。加氫站能耗主要有加氫冷卻能耗、增壓系統(tǒng)運行能耗以及站控系統(tǒng)能耗，其中站控系統(tǒng)能耗在總能耗結(jié)構(gòu)中占比較小不做詳細論述。

4.1 加氫冷卻能耗

由于向燃料電池汽車車載氣瓶充裝氫氣時，會造成車載氣瓶出現(xiàn)溫升，而超溫會降低氣瓶壽命，帶來安全隱患。為了將溫升限制在安全范圍內(nèi)的同時，提高加氫效率，通常在加氫過程中結(jié)合氫氣預(yù)冷措施，降低氫氣在進入車載氣瓶前的溫度。圖5顯示了無預(yù)冷和普通水冷對以下3種燃料電池汽車車型加注氫氣所需時間的影響。由于車載氣瓶的體積不同，故各車型的加注時間不同。氫氣加注過程考慮氫氣被水冷卻后，加氫時間隨著氫氣被預(yù)冷所至溫度的降低而減少，根據(jù)加注協(xié)議氫氣充裝速度可相應(yīng)提高，但氫氣充裝速度也會達到上限，所以加注時間呈現(xiàn)先顯著減少，最后趨于穩(wěn)定的趨勢。氫氣預(yù)冷后的溫度對冷水機功率的確定十分重要，進而影響加氫站系統(tǒng)的能耗和成本。在選取加氫預(yù)冷配置時要綜合考慮車輛加氫時間、功耗、設(shè)備投資成本因素進行系統(tǒng)設(shè)計。

圖5 3類燃料電池汽車的加氫時間隨氫氣被預(yù)冷所至溫度的變化關(guān)系

4.2 增壓系統(tǒng)運行能耗

增壓系統(tǒng)是整個加氫站系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，用于將氫氣管束車中卸載下來的氫氣增壓存儲至儲氫容器中。在保證加氫站系統(tǒng)正常運營的同時，需要充分利用壓縮機的效能和考慮降低壓縮機能耗。隔膜式壓縮機在加氫站得到了廣泛的應(yīng)用，其余隙容積和泄漏系數(shù)較小，所以排量主要與吸入氫氣的密度有關(guān)，成正比關(guān)系。不同吸氣壓力下隔膜式壓縮機的耗電功率可通過式(3)和(4)進行計算。

為了了解壓縮機在對儲氫容器進行充裝過程的能耗變化規(guī)律，此處設(shè)計幾個典型工況。設(shè)計工況1和2為壓縮機將一輛水容積為26 m3的20 MPa管束車內(nèi)卸載的氫氣增壓儲存到加氫站內(nèi)的不同壓力級儲氫容器中，以考慮向儲氫容器不同壓力級的充裝順序?qū)嚎s機能耗的影響。管束車的壓降范圍是20～5 MPa。設(shè)計工況1和2的低、中、高三級的水容積均為10 m3，在外界環(huán)境溫度為25 ℃的情況下，加氫站內(nèi)的儲氫容器充裝的初始壓力分別為15 MPa、25 MPa、35 MPa，充裝結(jié)束壓力均為45 MPa。所用壓縮機在氫氣氣源壓力為12.5 MPa、排氣壓力為45 MPa時，氫氣排量為0.8 kg/s，其將儲氫容器儲滿所需的能耗及時間如表2所示。通過管束車壓降范圍調(diào)整向各壓力級加氫站內(nèi)的儲氫容器內(nèi)的氫氣充裝順序可以發(fā)現(xiàn)，壓縮機對不同壓力級的儲氫容器進行充裝所需時間和耗電量顯著不同，管束車高中低三個壓降段分別對應(yīng)儲氫容器初始壓力為高-中-低的順序進行充裝，整個過程所需時間較少，壓縮機耗電量較低。

表2 工況1和工況2對比

設(shè)計工況3、4與工況1、2氣源相同，如表3所示。在外界溫度為 25 ℃時，低中高三級儲氫容器的初始壓力分別為15 MPa、25 MPa和35 MPa，充裝結(jié)束壓力為25 MPa、35 MPa和45 MPa。為便于對比，保持工況3、4與工況1、2各級儲氫容器具有相等的氫氣可利用質(zhì)量，設(shè)置低中高三級儲氫容器的水容積分別為29.8 m3、21.7 m3和10.0 m3，其壓縮機充裝時間和耗電量與工況1和2具有相同的規(guī)律，即按儲氫容器高-中-低壓力級順序進行充裝所需充裝時間和耗電量最少?？v向?qū)Ρ裙r1和3、工況2和4可以發(fā)現(xiàn)，保證相同的儲氫量，工況3和工況4儲氫容器結(jié)束壓力存在梯級可以一定程度上節(jié)省能耗，同時，每一級儲氫容器被取氣后內(nèi)部壓力波動范圍較小，可以延長儲氫容器的使用壽命，增加站內(nèi)高壓儲氫的安全性。還可以發(fā)現(xiàn)在保持幾種工況的儲氫容器儲氫量相同的情況下，設(shè)置儲氫容器充裝結(jié)束壓力存在梯度則需要增大其水容積，所以前期一次性設(shè)備成本會有所增加。在做加氫站儲氫容器的配置和運行模式設(shè)計時要綜合考慮設(shè)備前期投資、壽命、維護成本等綜合因素。

表3 工況3和工況4對比

5 結(jié)語

本文基于示例加氫站的設(shè)計參數(shù)計算得到了加氫站的連續(xù)加注能力、峰值加注能力、和峰值加注時間等參數(shù)的重要變化規(guī)律，對于加氫站的建設(shè)和運營具有重要意義。氫氣預(yù)冷所至的溫度對加氫時間影響顯著，同樣也影響著冷水機的選型，進而影響加氫站系統(tǒng)的能耗和成本；基于管束車卸氣的壓降，壓縮機按照儲氫容器高-中-低壓力級的順序充裝氫氣，可減小充裝功耗和時間；保持相同儲氫能力的情況下，使儲氫容器的充裝結(jié)束壓力存在梯級則進一步減少壓縮機功耗，但需要改變儲氫容器的水容積，會增加前期建站的一次性設(shè)備成本。結(jié)合能耗做加氫站設(shè)備的配置和運行模式的設(shè)計時，要綜合考慮設(shè)備前期投資、壽命、維護成本等因素。