摘要：加氫站氫氣壓縮能耗和冷卻能耗的統(tǒng)計、理論計算和評價分析是確定氫燃料電池汽車用加氫站的能耗和碳排放在交通基礎(chǔ)設(shè)施中占比時急需開展的研究工作之一。首先對加氫站氫氣壓縮能耗和冷卻能耗的數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計分析，獲得了加氫站壓縮能耗和冷卻能耗的分布范圍以及其所占?xì)錃獾蜔嶂档谋壤?。其次，基于工程熱力學(xué)基本理論，推導(dǎo)了加氫站壓縮能耗和冷卻能耗的計算公式，提出了加氫站最低極限壓縮能耗和最低極限冷卻能耗的概念及其計算方法。最后，提出了基于壓縮能耗系數(shù)和冷卻能耗系數(shù)的加氫站能耗評價方法，并將該方法用于加氫站壓縮和冷卻能耗評價。結(jié)果表明：目前加氫站的壓縮能耗和冷卻能耗占?xì)錃獾蜔嶂档谋壤s為4.6%～19.3%；加氫站的實際壓縮能耗系數(shù)和冷卻能耗明顯高于其最低極限壓縮能耗和最低極限冷卻能耗，降低潛力很大。

關(guān)鍵詞：燃料電池汽車；加氫站；能耗；評價參數(shù)；實例分析

中圖分類號：U469.7""""""""""""""""""""""""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A"""""""""""""""""""""""""""""""""" 文章編號：1673-6478（2023）04-0045-06

Study on Compression and Cooling Energy Consumption of Hydrogen Refueling Station for Hydrogen Fuel Cell Vehicle

LI Xinghu

（School of Transportation Science and Engineering BUAA， Beijing 100084， China）

Abstract： Statistics， theoretical calculation and evaluation analysis of hydrogen compression energy consumption and cooling energy consumption of hydrogen refueling stations are one of the urgent research work to determine the proportion of energy consumptions and carbon emissions of hydrogen refueling stations for hydrogen fuel cell vehicles in transportation infrastructure. Firstly， the statistical data of hydrogen compression energy consumption and cooling energy consumption of hydrogen refueling stations are analyzed， and the distribution range of compression energy consumption and cooling energy consumption of hydrogen refueling stations and their proportion of hydrogen low heating value are obtained. Secondly， based on the basic theory of engineering thermodynamics， the calculation formulas for the compression energy consumption and cooling energy consumption of the hydrogen refueling station are derived， and the concepts and calculation methods of the minimum limit compression energy consumption and cooling energy consumption of the hydrogen refueling station are proposed. Finally， a evaluation method of hydrogen refueling station energy consumption based on compression energy consumption coefficient and cooling energy consumption coefficient is proposed， and this method is used in the evaluation of the energy consumption of compression and cooling of hydrogen refueling stations. The results show that the compression energy consumption and cooling energy consumption of the hydrogen refueling station account for about 4.6%～19.3% of the low calorific value of hydrogen. The actual compression energy consumption and cooling energy consumption of the hydrogen refueling station are significantly higher than the lowest limit compression energy consumption and the lowest limit cooling energy consumption， and its reduction potential is great.

Key words： fuel cell vehicle; hydrogen refueling station; energy consumption; evaluation parameters; case study

0 引言

燃料電池汽車（FCEV）行駛過程中無傳統(tǒng)燃油車的氣體污染物排放，氫氣加注時間與傳統(tǒng)燃油汽車加油時間接近，因而兼有純電動汽車和傳統(tǒng)燃油車的優(yōu)勢。雖然目前受到燃料電池及氫氣生產(chǎn)成本等的制約，但從長遠(yuǎn)來看，F(xiàn)CEV在未來汽車市場的份額將會逐步擴大，并將成為未來汽車的主要車型。因此，F(xiàn)CEV及其相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施的研究受到國內(nèi)外的廣泛重視，中國[1?2]、美國[3]、歐盟[4]、日本[5]及韓國[6]的氫能相關(guān)研究計劃或路線圖均對未來FCEV相關(guān)產(chǎn)業(yè)進(jìn)行了規(guī)劃。從這些研究計劃或路線圖可以看出，F(xiàn)CEV的顯著優(yōu)勢得到了普遍認(rèn)可，F(xiàn)CEV相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將會逐步加速。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明[7]：2022年，全球FCEV銷量17"921輛，同比增長9.9%，其中中國、韓國和美國的FCEV銷量依次為3"367輛、10"219輛和2"707輛，中國、韓國和美國的FCEV銷量同比增長依次為112.2%、20.3%和 19.0%。截至2022年年底，全球FCEV保有量共67"488輛，中國、韓國和美國的FCEV保有量依次為12"306輛、29"623輛和14"979輛，我國的FCEV保有量位居全球第3。韓國、日本和美國銷售的車型主要為小型乘用車，我國則以燃料電池公交車等商用車為主。FCEV加氫站國外主要為70MPa高壓氣態(tài)加氫站，我國則以35MPa高壓氣態(tài)加氫站居多，截至2022年年底，中國已建成加氫站共310座，位居全球第一。從這些數(shù)據(jù)看出，我國FCEV產(chǎn)業(yè)將迎來一個快速發(fā)展時期。

加氫站是FCEV產(chǎn)業(yè)鏈的一個重要環(huán)節(jié)，高壓氣態(tài)加氫站的主要能耗為電能，由于發(fā)電過程產(chǎn)生碳排放，故加氫站的能源消耗量（以下簡稱能耗）與FCEV產(chǎn)業(yè)鏈和FCEV生命周期中的碳排放密切相關(guān)。因此，隨著FCEV產(chǎn)業(yè)的逐步壯大，減少加氫站的能耗對交通基礎(chǔ)設(shè)施綠色發(fā)展，特別是汽車行業(yè)節(jié)能減碳的意義越來越大。加氫站能耗的相關(guān)研究雖然受到了高度重視[7?9]，但在如何科學(xué)地評價加氫站的能耗水平，以及確定合理的加氫站能耗目標(biāo)等相關(guān)研究方面仍然存在不足。因此，本文開展FCEV加氫站氫氣壓縮和冷卻過程理論能耗的計算和實際能耗的評價方法等研究，旨在為FCEV產(chǎn)業(yè)鏈和FCEV生命周期，以及交通基礎(chǔ)設(shè)施能耗和碳排放目標(biāo)的確定提供理論依?據(jù)。

1 加氫站的能耗統(tǒng)計與分析

目前國內(nèi)外最常見的加氫站是高壓氫氣加氫站。根據(jù)額定加氣壓力的不同分為35MPa和70MPa兩種。對35MPa加氫站而言，其主要能耗為氫氣的壓縮能耗；對70MPa加氫站而言，其主要能耗為氫氣的壓縮和冷卻能耗。由于壓縮和冷卻裝置幾乎全部使用電能，故可認(rèn)為加氫站的能耗均為電能消耗，并可采用電能的計量單位 表示[8]。

對國外相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行調(diào)研，其結(jié)果見表1和表2。表1和表2分別為國外加氫站氫氣的壓縮和冷卻能耗等的調(diào)研結(jié)果。這些數(shù)據(jù)主要來自相關(guān)示范工程和加氫站的實際能耗統(tǒng)計數(shù)據(jù)，我國雖然也有加氫站的相關(guān)示范工程，但尚未見到其實際能耗相關(guān)統(tǒng)計數(shù)的公開報道，故表1和表2無我國加氫站的實際能耗數(shù)據(jù)。表1和表2中低壓儲氣瓶壓力 一列中“?”表示相關(guān)文獻(xiàn)沒有有用數(shù)據(jù)，_e和_m依次表示車載儲氣瓶的額定壓力和加氫站儲氫瓶的最高充氣壓力。為了便于了解實際壓縮和冷卻能耗的大小，本文采用實際壓縮能耗_sy和_sl實際冷卻能耗 占?xì)錃獾蜔嶂?百分比的評價方法，在計算時氫氣的低熱值_l取為120MJ/kgH₂或33.33 /kgH₂。

表1 所列結(jié)果表明：在不同初始壓力和最高壓力下，70MPa 加氫站的氫氣實際壓縮能耗在1.53～6.44kW? h /kgH₂，占?xì)錃獾蜔嶂档谋壤?sub>sy/_l）為4.6%～19.3%；35MPa 加氣站的氫氣實際壓縮能耗在2～4kW? h/kgH₂，占?xì)錃獾蜔嶂档谋壤秊?%～12%。由于加氫站氫氣的壓縮受到低壓儲氣瓶壓力、高壓儲氣瓶泄漏量及其連接管路壓力損失、環(huán)境溫度和加氣量等因素影響，因此，不同加氫站的壓縮能耗差異較大，致使部分35MPa 加氫站氫氣實際壓縮能耗高于70MPa 加氣站的這一不符合常規(guī)的現(xiàn)象。

由表2 知，70MPa 加氫站的氫氣實際冷卻能耗s 范圍在0.18～1.37kW? h/kgH₂，占?xì)錃獾蜔嶂档谋壤?sub>sy/_l）為0.5%～4.2%。由于加氫站氫氣的冷卻能耗受到加氣量及間隔時間、環(huán)境溫度、高低溫系統(tǒng)絕熱性能和冷卻系統(tǒng)啟動性能等因素的影響，因此，不同加氫站的冷卻能耗也出現(xiàn)了巨大差異。

值得說明的是，由于目前對加氫站的能耗一般采用單位質(zhì)量的氫氣能耗表示，因此，加氫站氫氣的加氣量對加氫站的能耗影響非常顯著。Sam Sprik等對2014年3季度至2017年4季度美國34個加氫站的能耗進(jìn)行了統(tǒng)計[9]，其中高壓氫氣加氫站的統(tǒng)計結(jié)果表明：當(dāng)氫氣月銷售量高于3"500kg時，加氫站的能耗均低于3 /kgH₂；氫氣月銷售量低于500kg時，加氫站的能耗最大值達(dá)到50 /kgH₂；氫氣月銷量小于500kg時，氫氣站的能耗隨月銷量的減少快速上升。

從以上加氫站運行中的氫氣實際壓縮能耗運行數(shù)據(jù)來看，加氫站氫氣的壓縮和冷卻能耗占?xì)錃獾蜔嶂档谋壤蝗莺鲆暎瑴p少加氫站的能耗對汽車行業(yè)的節(jié)能減排具有重要作用。

2 " 加氫站氫氣理論壓縮能耗的計算

目前加氫站廣泛使用的氫氣壓縮機可分為機械式和非機械式壓縮機兩類，其中機械式壓縮機在加氫站應(yīng)用最多[19]。對于采用機械式壓縮機的加氫站而言，其氫氣的理論壓縮能耗可以采用熱力學(xué)方法計算。由熱力學(xué)的基本理論可知，氣體壓縮所需能耗可由圖1所示的氣體壓力?比容（ -"）曲線圖計算得到?[8]。圖1中符號"、、依次表示氣體的壓力、溫度和比容。若假定氫氣為理想氣體，其壓縮過程為多變指數(shù)等于n的多變過程，則壓縮始點1、壓縮過程任意時刻和壓縮至終點2的氣體狀態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系如式（1）所列。由初始壓力 壓縮至終點壓力p₁時所需的壓縮功（即理論壓縮能耗）w_1-2可采用公式（2）計算。

3 加氫站氫氣冷卻能耗的計算

4 氫氣壓縮及冷卻能耗的評價參數(shù)及其應(yīng)用分析

5 結(jié)語

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