氢燃料电池汽车加氢站的现状与前景

刘海利

〔中国石化销售有限公司油品技术研究所 天津 300384〕

1 加氢站概述

加氢站是连接上游制氢、运氢，下游燃料电池汽车用氢的重要枢纽。加氢站网络化分布是氢燃料电池技术大规模商业化的基本保障，氢气输送是解决加氢站网络化合理分布的关键。

1.1 氢气输送

氢气输送按照输送方式的不同主要有气氢输送和液氢输送两种。气氢输送分为管道输送、长管拖车输送和罐车输送。管道输送一般用于输送需量大的场合，长管拖车输送距离不宜太远，输送量不大。液氢输送一般采用罐车和船，可进行长距离输送。

按照输送距离划分为160 km短距离输送和1609 km长距离输送。

从表1氢气输送费用的比较可以看出，长距离输送，铁路比公路有优势，管道压缩气体的储运比其它方式更经济。虽然液氢的输送费用低，但是氢的液化和储存费用高。金属氢化物储氢方式在输送环节无明显优势。

表1 氢气输送费用比较 元/m3

注：资料来源：赛迪经智，2013-03。

*以标准状态计。

1.2 加氢站分类

按照不同的分类方法，加氢站可以分为多种类型[1-3]。以建设形式划分，可分为固定加氢站和移动加氢站。以氢气储存状态划分，可分为液氢加氢站和高压氢气加氢站。以加注方式划分，可分为单级加注加氢站和多级加注加氢站。以制氢方式，可分为电解水制氢站、甲醇现场制氢、天然气现场制氢、汽油现场制氢等。以氢源划分，可分为外供氢加氢站和站内制氢加氢站。

站内制氢包括电解水制氢、天然气或甲醇重整制氢等。站内制氢可以省去较高的氢气运输费用，但是增加了加氢站系统的复杂程度。

1.3 加氢站氢气储存

外供氢加氢站的氢气是从外部生产后通过长管拖车、液氢槽车或者管道运输至加氢站，在站内进行压缩，输送至高压、中压、低压储罐内分级储存[4]。若采用气态长管拖车运输，为了运输的安全，管状容器的储氢压力不得高于20 MPa，所以还需经过站内的氢气压缩机增压至35 MPa以上才能达到加注标准。若采用液氢罐车运输，输送至加氢站储罐内的液氢还需经蒸发器汽化，再经压缩机增压后储存。

站内制氢加氢站是在加氢站内配备了制氢系统，氢气制备后经纯化、压缩，先后输送至高压、中压、低压储罐内分级储存[4]。

1.4 加氢站设施

目前加氢站主要是高压压缩氢气加氢站，根据供氢方式的不同，加氢站各系统的设备有所不同，但都大致相同，主要包括卸气柱、压缩机、储氢罐、加氢机、管道、控制系统、氮气吹扫装置、安全监控装置等，其核心设备是压缩机、储氢罐和加氢机[4-6]。

压缩机。加氢站使用的压缩机主要有隔膜式压缩机和离子式压缩机两种。

储氢罐。储氢罐是加氢站的核心设备之一，很大程度上决定了加氢站的氢气供给能力。加氢站内的储氢罐通常采用低压(20～30 MPa)、中压(30～40 MPa)、高压(40～75 MPa)三级储存。有时氢气长管拖车也作为一级储气(10～20 MPa)设施。

加氢机。加氢机是实现氢气加注服务的设备，加氢机上装有压力传感器、温度传感器、计量装置、取气优先控制装置、安全装置等。对燃料电池汽车进行加注氢气时，若加氢站采用4级储气方式，则加氢机首先从氢气长管拖车中取气；当长管拖车中的氢气压力与车载储氢瓶的压力达到平衡时，转由低压储罐供气，然后分别从中压、高压储罐中取气；当高压储罐的压力无法将车载气瓶加注至设定压力时，则启动压缩机加注。加注完成后，压缩机按照高中低压的顺序为储罐补充氢气。

1.5 氢气加注

氢气加注是通过氢气加注系统为燃料电池汽车加注氢气。加氢站对外加注氢气时，储气瓶组向汽车加氢气，则依低、中、高压储气瓶组按顺序进行加气[7]。长管拖车供氢加氢站对汽车进行加注时，加氢机可以先后从氢气长管拖车、低压储氢罐、中压储氢罐、高压储氢罐中按顺序取气进行加注。液氢槽车供氢加氢站、管道输送供氢加氢站和站内制氢加氢站对汽车进行加注时，加氢机可以先后从低压、中压、高压储氢罐中按顺序取气进行加注。

2 国内外加氢站建设现状

2.1 国外加氢站建设现状

世界上已有或者在建加氢站的主流模式为高压气氢加注模式和液氢加注模式。1999年5月，德国人在慕尼黑国际机场建成了世界上第一座用于氢能汽车的加氢站。此后世界各国相继开始推动加氢站的建设，其中德国、英国、美国、日本等国家高度重视加氢站建设。截至2017年底，全球共有328座正在运营的加氢站，其中139座位于欧洲，118座位于亚洲，北美拥有68座(39座位于美国)，南美拥有1座，澳大利亚拥有1座，阿拉伯联合酋长国拥有1座(位于迪拜)。

2017年5月，日本的日产、本田、丰田三大汽车商合作计划于2020年前在日本境内建设160座加氢站。

到2017年底，德国共有56座加氢站，其中45座是公共加氢站。到2019年，德国加氢站数量预计将增加到100座。

2017年3月，美国空气产品公司宣布公司旗下的美国加州加氢站氢气价格为9.99 美元/kg，这是燃料电池汽车氢能源供应走向低价的一个里程碑。截止2018年1月25日，美国共有39座加氢站为燃料电池汽车提供加氢服务。其中，加利福尼亚州有35座，南卡罗莱纳州有2座，剩下2座位于东北部。

未来几年，全球主要国家将加快加氢站建设。到2020年，全球加氢站保有量将超过435座，2025年有望超过1000座，日本、德国和美国分别有320座、400座和100座。

2.2 国内加氢站建设现状

为了推动燃料电池汽车的发展，我国也积极建设加氢站，北京永丰加氢站是第一座站内制氢加氢站，于2006年6月建成[8]。我国氢燃料电池汽车，初期以公交及商用车为主，加氢站主要以35 MPa为主。2020年后，氢燃料电池轿车开始推向市场，70 MPa加氢能力的加氢站需求显著增加。同时随着加氢站数量的增加，加氢站与加油站/加气站/充电站混合形式的能源站成为主要形式。

截止2017年8月，我国已建成的加氢站有12座，在营加氢站有6座，分别位于北京、上海、郑州、大连、佛山和云浮。在建的加氢站为24座，位于上海等省市。我国在营加氢站概况见表2。

表2 我国在营加氢站概况

续表2

从销售终端来看，资料显示，截至2015年底，我国共有加油站9.63万座，其中中石油与中石化共有5.13万座，占比53 %。中石油/中石化建设加氢站的优势主要在于氢气来源和销售终端。他们将引导我国加氢站建设的进一步提速，为燃料电池车规模化应用创造条件。由于加氢站和加油站均有安全距离的要求，因此，建设加油加氢站只需在拆除加油站内的一台加油设备，用来增设氢气相关设备即可，而不像单独建设加氢站需要审批土地，审批过程繁琐。

作为能源行业的领军，中石化已经布局氢燃料相关产业。2018年10月22日，为推动加氢站建设，中石化与亿华通签订《战略合作框架协议》，在氢气供应、车辆加氢、加氢站运营等方面展开全面深入合作。市场推广初期，亿华通利用张家口可再生能源风电制取的氢气将成为中石化的气源保障，保证终端氢气价格不高于40元/kg。

3 加氢基础设施相关政策

3.1 国外相关政策

(1)日本。2014年6月发布了到2040年的“氢社会”战略路线图，到2020年着力扩大国内固定式燃料电池和燃料汽车的使用量，以占据氢燃料电池世界市场的领先地位。日本对氢能和燃料电池的支持政策主要包括研发、示范和车辆补贴等方面。2017年日本对燃料电池研发支持资金共129亿日元，包括燃料电池、加氢站、氢能供应链3个方向。在车辆补贴上，实施新能源汽车绿色税制政策，根据汽车种类和指标，车重税和汽车购置税可享受50 %～100 %的减免，同时在加氢站建设上给予50 %补贴。据统计，2014年日本对国内所有加氢站的补贴总额高达72亿日元。

(2)美国。美国能源部当前特定目标主要有3个：从现有的和未来的能源中获取氢能、自由汽车、燃料电池研究计划。

(3)韩国。氢能研发是韩国政府“21世纪前沿科学计划”的主攻技术领域之一。韩国政府成立了“氢能研发中心”，该中心将氢能生产、氢能贮藏和氢能利用作为研究重点。

3.2 国内相关政策

2014年11月，《能源发展战略行动计划2014—2020》把氢气制取、储运及加氢站、先进燃料电池和燃料电池分布式发电作为重点战略方向。

2014年11月，财政部、科学技术部、工业和信息化部、国家发展和改革委员会联合发布《关于新能源汽车充电设施建设奖励通知》，对加氢站给予奖励，对符合加氢站国家技术标准且每天加氢不少于200 kg的加氢站，将给予400 万元的补贴。

2016年6月，《能源技术革命创新行动计划(2016—2030年)》明确了氢能与燃料电池技术创新目标与路线。技术创新重点在氢气制取与储运、加氢站和先进燃料电池等方面。

2017年5月，《“十三五”交通领域科技创新专项规划》指出，重点发展氢燃料电池汽车核心专项技术、加氢基础设施和示范考核技术，重点专项布局包括氢燃料电池汽车。

4 加氢站相关标准

为加快推进加氢站建设与运营，通过政府和企业协作，我国近几年陆续出台了关于加氢站相关的标准和规范，包含技术要求和安全要求，推动我国氢能工业发展。加氢站基础设施标准见表3。

表3 加氢站基础设施相关标准

5 加氢站建设存在的问题

5.1 成本问题

加氢站建设与运行维护成本高。据推算，在日本建设一座氢气充气站的费用相当于汽油加油站的5倍。原因是氢气充气站的构造复杂，选址要求严格，占地面积大等。我国加氢站建设所需关键部件主要依靠进口，建设成本增加。

中国石化具有遍布全国的加油站网络，利用加油站/加气站来建设加氢加油站合建站，可以节约加氢站建设土地成本。2018年1月，国内首座由中国石化广东云浮石油与云浮新兴县国资办合资合作的加油加氢站在广东云浮新兴动工建设，项目建成后，将提供更稳定的成品油供应和氢气能源供应。

5.2 安全问题

氢气作为易燃易爆气体，为甲类可燃气体，极易被引燃，与空气混合的爆炸极限(体积分数)为4.1 %～74.1 %，因此其安全性不容忽视。氢气分子小，更容易发生渗透与泄漏，扩散速度快。加氢站在设计建造时要预留充足的安全距离，必要时可增设防爆墙；在正式运营前要布控消防安全预警，提前做好应对风险的方案。此外氢气对金属材料产生氢脆现象，破坏金属性能。

5.3 审批缺乏规范

我国缺少规范化加氢站建设的审批规定，氢气作为能源应用无相应主管部门，审批流程不顺畅，地方审批加氢站建设无据可依，审批效率较低。

6 结语

氢燃料电池经过近两个世纪的发展，已经在全球逐渐得到应用，尤其是在汽车行业的发展空前迅速，各国政府都在推行燃料电池和燃料电池汽车相关示范项目，基本完成了氢燃料电池汽车的性能研发，解决了示范中发现的核心技术问题，整车性能已经达到传统汽车水平。然而燃料电池汽车的商用量产普及还需破解整车集成和轻量化、高性能燃料电池制造与使用的低成本与安全性、制氢储氢和氢气配置等问题。

与国外氢燃料电池汽车技术先进国家相比较，我国还有很大差距，加氢站网络化是氢燃料电池汽车推广的基础，未来几年我国加氢站建设将进入快速发展期，同时混合加氢站的建设将成为主流。