摘要：结合工程实例，阐述了氢燃料电池汽车加氢站的系统配置、工艺流程、主要设备。
关键词：加氢站； 氢燃料电池汽车； 储氢； 氢压缩
Design of Hydrogen Refueling Station for Hydrogen Fuel Cell Vehicles in
Abstract: The system configuration，technological process and main equipment of hydrogen refueling station for hydrogen fuel cell vehicles are described based on an engineering case.
Key words: hydrogen refueling station；hydrogen fuel cell vehicle；hydrogen storage；hydrogen compression
1 概述
在能源危机、环境危机日益加剧的背景下，我国也加速了在氢能交通领域的研究。上海市在燃料电池汽车方面已经取得了较大的技术成果，至今已完成三代燃料电池汽车的开发，其中第三代燃料电池汽车的多项指标考核已达到了国际A级水平。位于嘉定的上海第一座加氢站(安亭加氢站)已于2007年11月建成。在制度保障上，上海市成立了新能源汽车推进办公室，结合汽车技术和汽车能源的发展趋势，制定了新能源汽车发展计划，提出了“加速实现燃料电池汽车的跨越式发展，加快推进混合动力汽车产业化，继续促进燃料电池汽车适时商品化”的基本策略。
在上海世博会期间，世博园区燃料电池汽车总共有l96辆，其中，燃料电池公交车6辆，燃料电池轿车90辆，燃料电池观光车100辆。
2 燃料电池用氢气特性
加氢站进站氢气的质量应符合现行国家标准GB／T 3634.2-2011《氢气 第2部分：纯氢、高纯氢和超纯氢》规定的质量标准，并应符合下列要求。
用于氢气内燃机或氢气燃料汽车的氢气质量指标见表1。由于各类燃料电池电动汽车的氢源纯度要求不一，为适应兼容性，本站加注的氢气暂按超纯氢(氢体积分数I>99.999 9％)考虑。氢气主要物性见表2。
3 加氢站系统配置
3.1 工艺概述
目前加氢站的技术类型可按氢气来源分为两大类：站外制氢(off-site)和站内现场制氢(on-site)。
站外制氢是指氢气在制氢厂集中制取，然后输送到加氢站，输送方式有高压氢气输送、液氢输送和管道输送等。其特点是氢气集中制取可以降低制氢成本。
高压氢气输送方式下加氢站的工艺流程见图1。制氢厂制出的氢气通过管束拖车运至加氢站，卸下车头后将管束拖车留在站内，管束中氢气经压缩机增压后在储罐中储存。加氢时，加气机从氢气储罐内取气。
液氢输送方式下加氢站的工艺流程见图2。制氢厂制出的氢气通过液氢拖车运至加氢站，将液氢拖车储罐内的液氢卸到站内液氢储罐。液氢储罐内氢气经蒸发器气化后进入压缩机进行增压，增压后在氢气储罐内储存。加氢时，加气机从氢气储罐内取气。
站内制氢是指氢气在加氢站内现场制取，目前站内制氢的技术路线主要是化石燃料(天然气、甲醇等)重整制氢和电解水制氢。电解水制氢(见图3)是在一些电解质水溶液中通入直流电，利用电解器将水电解成氢气和氧气。氢气经压缩机增压后进入储罐内储存，加氢时，加气机从储罐内取气。
上海世博会专用燃料电池加氢站考虑到站外制氢加氢站结构配置相对简单，而且成本相对比较低，建造时间比较短等优点，故采用站外制氢加氢站类型。氢气气源来自上海焦化厂副产氢气(备用气源为法国液化空气集团公司所制氢气)，经过提纯后以高压氢气形式用管束拖车运输到加氢站内储存。上海世博加氢站整体工艺流程见图4。管束拖车到站后，经卸气柱卸气进入压缩机，经压缩机增压后。分别储存在高、中、低三级储气瓶组。加氢时，加气机按照低、中、高压力顺序取气。
本站为燃料电池汽车加氢站，站内设有长管拖车停泊区及其卸气装置、固定式储气瓶组、负责氢气的输送、加压、加注及放散的管道系统。本加氢站设有3个管束拖车卸车位，布置有4座加氢岛。工艺区内设4台压缩机(橇装式，l橇2台)及2组ASME储气瓶组，1组9个(高压3个，中压6个)，另l组6个(低压)，每个储气瓶的容积约0.767 m3。站内还设有用于吹扫和气控的氮气瓶组。加氢站内设有配套的站房，包括营业间、办公间、变配电间、控制间、卫生间和加氢岛防雨棚等设施。
氢气储气瓶组置于地面基础之上，压缩机采用橇装式，主要是考虑操作和维修方便。加氢机置于加氢岛基础之上。氢气、吹扫气及工控气管道均设置于地下管沟内。
3.2 站内系统配置
①卸气系统
氢气由管束拖车将高压氢气(18～20 MPa)从气源处运至加氢站，现场设置3个管束拖车车位，2用1备。通过各泊位内的卸气柱，将氢气从管束内卸载，并输送至氢气增压系统和加氢机。当管束拖车上管束内压力与固定储气瓶内压力平衡，压缩机启动，继续将管束拖车储氢瓶中的氢气卸载到固定储氢瓶组中。
当管束内的氢气压力降至设定压力时(如6MPa)，该管束停止卸气，并离开加氢站前往气源处加气。
②增压系统
无油润滑压缩机已日渐盛行(燃料电池汽车对氢气纯度要求很高，润滑油可能造成污染)。多级压缩时的冷却系统可采用风冷或冷却液冷却，风冷简单但存在气缸寿命短、电能消耗大的缺点，因此尽可能选择冷却液冷却。驱动可采用电动机或天然气发动机。
a.压缩机的选型
目前氢气压缩机按类型可分为隔膜式压缩机和离子式压缩机。隔膜式压缩机是靠隔膜在气缸中作往复运动来压缩和输送气体的往复压缩机。隔膜沿周边由两个限制板夹紧并组成气缸，隔膜由液压驱动在气缸内往复运动，从而实现对气体的压缩和输送。优点是它的气腔不需要任何润滑，从而保证了氢气的纯度。离子式压缩机压缩过程中使用离子液体对压缩机进行冷却，将压缩热传递到位于每一个压缩级下游的换热器的冷却水系统中。通过压缩机外部和内部冷却，几乎可实现等温压缩。但该类型压缩机是新研发产品，应用成熟度不如隔膜式压缩机，且成本较高，供货期较长，功耗偏大。
考虑到两种压缩机的优缺点，隔膜式压缩机应用成熟度较高，且在上海安亭加氢站运行良好，因此上海世博会氢燃料电池加氢站压缩机用美国PDC公司生产的PDC-4-6000型隔膜式单级双缸氢气压缩机2组，每组2台，每台压缩机常规吸气压力为5～22 MPa，额定排气压力为46 MPa，电功率约20 kW。1个橇内的2台压缩机共用l套冷却系统。该型压缩机冷却氢气是通过空气冷却器来完成的，冷却器内部为循环的乙二醇液体，乙二醇在冷却器与氢气换热后，温度升高，然后进入风冷换热器，通过对流风冷，乙二醇温度降低，然后继续用来对压缩后的氢气降温。每台压缩机组的控制系统和放散系统都是相互独立的，相互不受影响。这样4台压缩机都可以独立工作，不受其他机组的影响，可极大提高系统运行控制的灵活性。
压缩机最高吸气压力设定为23 MPa，该设定压力需略高于管束拖车内的氢气压力。随着吸气压力的降低，压缩系统的经济性也降低，因此可设定吸入压力低限值(如6 MPa)。当吸气压力达到低限值时，更换卸气系统的拖车，将增压系统压缩机组的吸气压力提高到较高的压力。
b.增压基本工艺
压缩机组系统工艺流程见图5。来自卸气柱的氢气进入增压系统，分2路进入1号压缩机橇和2号压缩机橇。在1号压缩机橇，氢气分别被送至压缩机
在加氢过程中，当高、中、低压储气瓶组系统中任意一个储氢瓶压力低于38 MPa时，压缩机启动，管束中的氢气经压缩机增压后，充入各个储气瓶，充入储气瓶组的顺序为高压储气瓶组、中压储气瓶组、低压储气瓶组。
此外，为便于紧急情况下对加氢站停机，在压缩机前设置手动紧急切断阀。一旦出现紧急情况，通过紧急切断阀关闭系统。
③储氢系统
经计算，l96辆燃料电池汽车每天的氢气需求量约为604 kg／d。
根据上海世博会燃料电池汽车的对氢气的需求规模，考虑到储气瓶组式分级充气的利用效率高以及移动储气的低加注成本，上海世博会专用燃料电池加氢站采用固定式和移动式两种储气装置，总储氢量为860 kg。由管束储气瓶组、站内低、中、高3级储气瓶组组成4级储气加注。其储氢系统工艺流程见图6。加氢时，加气机按管束、低压瓶组、中压瓶组、高压瓶组的顺序获取氢气，当站内储气瓶组内任意钢瓶压力低于某设定值时，压缩机启动，这时压缩机抽取管束储气瓶组内氢气，经过增压，一路直接进入加氢机供加氢使用，另一路按高压储气瓶组、中压储气瓶组、低压储气瓶组顺序为储气瓶内氢气增压。
a.移动式储气
国外常采用管束拖车上的瓶组作为临时站内储气，故本加氢站也考虑采用2台管束拖车作为站内储气，单台储氢量为280 kg。
b.固定式储气
根据加氢站的连续加注要求，站内的固定储氢量需要300 kg，分为低、中、高3级。根据计算，低中高的容量比例应按6：6：3考虑，采用15个ASME瓶，低压钢瓶6个，中压钢瓶6个，高压钢瓶3个，单个储气瓶规格参考上海安亭加氢站的ASME储气瓶，单瓶直径为0.406 m，单瓶容积约0.767 m3。
④加氢系统
加氢系统主要包括高压管道和加氢机。加氢机上安装压力传感器、温度传感器、过压保护装置、软管拉断保护装置、优先顺序加气控制系统等。
a.加氢机加注压力
加氢枪的规格有25、35 MPa两种，对应两种车载瓶储氢压力。目前绝大多数加氢站的加注压力是35 MPa，部分早期加氢站能够同时加注25 MPa和35 MPa。
4台双枪加氢机中，其中2台可同时为公交车和轿车加注，每台加氢机上的2支加气枪分别为公交车和轿车加注，双枪同时的最大加注能力约为
b.加氢机计量系统
目前绝大多数加氢机采用质量流量计，其优点是可直接测量氢气的加注质量，不间接测量体积，也无温度压力修正误差，压力损失也不大，通常计量相对误差为0.35％，重复度为0.2％。
c.加氢机取气优先控制系统
大多数加氢站具有站内高压储气设施，位于加氢机之前，储气没施为缓冲罐或多级高压储气瓶，可编程优先控制器可位于加氢机，所加注的氢气可来自压缩机、固定式储气瓶组或移动式长管拖车，并设置气源来源的优先级，优先次序考虑以下因素：储气设施的数量和能力、压缩机的能力、加注车辆数量等。
上海世博会专用燃料电池加氢站根据上述因素，加氢系统工艺流程见图7。加氢机先从管束(0级瓶组)取气，当管束内的氢气压力与汽车上的车载储气瓶压力平衡时，停止从管束取气；切换至低压瓶组，开始从低压储气瓶组取气，低压瓶组内压力与车载储气瓶内压力平衡时，停止取气；切换至中压瓶组，开始从中压储气瓶组取气，中压瓶组内压力与车载气瓶内压力平衡时，停止取气；切换至高压瓶组，开始从高压储气瓶组取气，高压瓶组内压力与车载气瓶内压力平衡时，停止取气；如果还有车辆需要加气，开启压缩机，压缩机从管束内取气，进行增压后，直接给加氢机供气，直至汽车加满氢气，经压缩机增压的氢气按高、中、低压瓶组顺序向各储气瓶组充气。
d.温度补偿系统
氢气在节流膨胀后温度升高，具有特有的“焦汤热效应”，因此需要采用温度补偿系统。上海世博加氢站加氢系统采用预冷加氢的方式，氢气从压缩机出来，通过管道首先进入换热器，将氢气温度降低为-20℃后进入加氢机，这样来控制节流膨胀的温度升高，达到温度补偿的目的。
⑤氮气系统
上海世博会专用燃料电池加氢站配置有氮气瓶组，作为气控系统气源和加氢站管道、设备的吹扫气体。来自氮气瓶组的高压氮气经减压后，压力降至0.7 MPa，然后分两路，一路供给各个紧急切断阀的气动执行机构，作为其控制气体；另外一路气体送至压缩机内的各个气动阀门的执行机构，控制阀门的启闭。同时在该氮气输送管道上预留接口，当系统需要吹扫时，利用软管将氮气吹扫接口和管道上预留接口相连，利用氮气对系统进行吹扫或者用于系统调试和维修过程中的吹扫和空气置换。
⑥放散系统
氢气易燃易爆，为提高站内的安全性，本站采用氢气集中放散系统，其中，卸气柱、压缩机、固定式储气瓶和加氢机的放散均接至总管集中放散，不得就地放散。管束拖车自带就地放散装置，不属于本项目范畴。
氮气无毒非燃，可在设备侧直接放散。
⑦安防监控系统
氢气无色、无臭，分子运动速度最快，具有最大的扩散度和很高的导热性，其导热能力是空气的7倍。氢气着火能很小，很容易着火，在微小的静电火花下也容易着火。考虑到氢气的易扩散性、易缩胀性、易燃烧性、易爆炸性的特点，需要在站内特别增加一套安防监控系统，以确保加氢站的运营安全。
上海世博氢燃料电池加氢站的安防监控系统主要包括红外线周界报警器、视频监控装置、氢气泄漏报警器、火焰探测报警器、防雷装置、防静电装置、水喷淋降温装置、消防器材等。
根据加氢站的使用性质，将总平面布置分为4个区域：加气区、储气瓶组区、压缩机区、车行道和停车场地。加氢站安防监控系统分布情况为：在气体燃料储存容器安装压力检测系统，在压缩机进、出口安装高、低压报警系统，在加氢站进出口、储气区域、压缩机区域及加气区域安装视频监控系统，在储气区域、压缩机区域及加气区域安装可燃气体泄漏检测报警系统，在储气区域及加气区域安装火焰探测报警系统。
4 结语
① 以上海市工程建设规范DGJ 08-2055-20094燃料电池汽车加氢站技术规程》、GB 50177-2005《氢气站设计规范》为设计依据在实际工作中具有可操作性。本加氢站的建设，对燃料电池汽车早期商业化示范运行具有极为重要的意义。建议结合本站的实际运行，尽快完善燃料电池汽车的各方面标准，进一步促进燃料电池汽车的发展。
②实践证明，配以足够的安全措施，该形式的橇装式加氢站是可行的。
③现在我国正在加紧开发氢燃料电池汽车，用于氢燃料汽车的基础设施也应与之相适应。建议在此加氢站的基础上，继续寻求一种更加完善的系统配置方案。
本文作者：吴竺 傅玉敏 肖方暐 霍超峰
作者单位：同济大学上海新奥九环车用能源股份有限公司上海新奥能源科技有限公司
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