我国加氢基础设施关键技术及发展趋势分析

摘要加氢基础设施技术的发展是低碳清洁氢气在交通领域应用的重要支撑。本文对加氢基础设施技术进行综述，介绍了包括美国、日本、欧洲等国家和地区的加氢基础设施技术路线图和技术指标目标，提炼了降低设备成本、提高运行可靠性和降低运行能耗三个关键指标作为加氢站降本技术的开发思路与目标。主要国家通过高可靠性及高效率的氢气压缩机与液氢泵、高效加氢机、高压阀门、长寿命膜片等核心装备、关键材料及组件的国产化等攻关方向进行研发布局从而实现加氢站整体降本，对我国加氢技术路线制定具有重要参考价值。基于国内加氢基础设施技术发展现状，分析并量化对标我国关键技术装备性能指标与国外的差距，提出我国加氢基础设施整站与关键技术装备技术路线与攻关方向，并建议从技术突破、政策鼓励与产业协同创新等多方面协同发力，降低加氢基础设施成本，从而发挥氢能在交通领域深度脱碳方面的作用。关键词氢能；加氢基础设施；加氢机；压缩机；液氢为实现碳中和目标，全球已有许多国家战略布局氢能与燃料电池相关技术，将氢能作为达成联合国气候变化纲要公约缔约国大会减碳要求的重要策略，日本、韩国、德国、美国等逾20个国家或地区颁布了氢能相关发展政策，形成了较为清晰的氢能发展战略与路线，并通过氢能多元化应用及产业链上的关键技术研发与商业化来带动经济发展。2019年全球氢能相关市场规模已达到25亿美元，未来将会以10%的复合年均增长率在2023年达到38亿美元，氢能产业具有极大的市场潜力。在碳中和与经济增长新引擎的双动能作用下，越来越多的国家开始关注氢能产业价值链的发展。2019年氢能首次写入我国《政府工作报告》，明确“将推动加氢等基础设施建设”作为氢能源产业链上游制氢与下游用户的联系枢纽，其是产业链的核心环节，也是大规模发展燃料电池汽车的基础条件。2022年3月，国家发改委、国家能源局联合印发《氢能产业发展中长期规划(2021—2035年)》，作为指导今后15年氢能产业发展的纲领性文件，明确指出到2025年部署建设一批加氢站。加氢站的建设得到了各方关注，但我国加氢站技术也面临着瓶颈：一方面，我国在加氢站关键技术方面起步晚，目前国内研发的35MPa加氢站技术和加氢机技术在加注速度、加注能耗等关键性能上实现逐步提升，但缺乏高密度、大负荷下的连续加氢考核和验证。尽管我国在“十三五”期间的“氢能与可再生能源”专项支持了70MPa加氢站加压/加注装备开发，但目前尚未进行规模化应用。美国、日本、欧洲等国已制定了加氢基础设施基础路线图与关键技术指标发展目标，我国目前尚无相关技术路线的顶层规划，与国外当前技术水平的差距缺乏量化对比分析。另一方面，加氢基础设施面临建设成本、运营成本双高问题，成为现阶段燃料电池汽车大规模部署的主要障碍。因此，本文对主要发达国家加氢技术路线进行综述，深入分析加氢技术发展现状，并与国外加氢技术进行了差距量化对标，分析我国加氢技术差距的原因与国产化情况，在此基础上提出我国加氢技术路线。希望为推动我国低碳清洁能源转型、碳中和目标实现及加速氢能产业规模化进程提供参考依据，对我国氢能产业与技术的发展提供指导。1国际加氢技术发展趋势加氢站是氢能在交通领域进行大规模应用的重要基础设施，加氢站作为氢能供应和氢能应用的连接节点，技术发展与氢供应链和燃料电池电动汽车用氢需求密不可分。随着燃料电池汽车需求的增长，世界各国开始加快加氢站的建设步伐。根据中国氢能联盟统计，截至2021年12月，全球已建成687座加氢站，以70MPa高压气态加氢站为主，占比70%以上。固定式加氢站占比80%以上。液氢加氢站主要分布在美国、德国和日本，据不完全统计，占比不到5%。国外在线制氢加氢站是氢能与燃料电池发展初期的一种重要加氢站形式，制氢加氢一体站占比约15%。我国加氢站保有量最高，共建成234座加氢站，2021年新建成加氢站106座。日本、德国、韩国和美国紧随其后，分别为155座、92座、70座和47座。中国加氢站建设进入快速发展阶段，新增加氢站数量连续两年全球第一，同时固定站的占比逐渐增加。我国目前加氢站仍以35MPa为主，占比高达88%，固定式加氢站占比提升至62%左右，制氢加氢一体站受制于标准与法规，仅在佛山建成一座天然气站内制氢站。图1全球加氢站数量与国家(地区)分布图2我国加氢站建设趋势与特性统计全球加氢站呈现出外供高压气氢35/70MPa加氢站、外供液氢35/70MPa加氢站与现场制氢加氢站等多种技术形态。加氢站的主要技术装备包括氢气压缩机、储氢容器、加氢机、冷冻机、液氢泵与工艺控制系统等，如图3所示。图3高压气态加氢站与液氢加氢站工艺配置图当前，高压气态长管拖车为最成熟的加氢站供氢方式，具有一定灵活性和成本优势。欧美日韩等先发国家自发展燃料电池汽车以来，主要针对乘用车应用进行开发，其压力等级主要以70MPa为主，车载储氢瓶主要为Ⅳ型瓶储氢瓶。近年来，物流、大巴、重型卡车等商用燃料电池汽车发展迅猛，美国等国也在开始推动低成本大储量型加氢站的建设。为适应规模化氢气加注，液氢加氢站具有储氢容量高等优势，其发展也较为成熟。日本、美国等国在液氢加氢站建设方面也处于领先地位，已实现商业化运营。此外，站内制氢方式可省去较高的氢气运输费用，美国、德国等国家在氢能发展初期出于综合成本考虑，发展了一定比例的在线制氢加氢站。建设油气氢电一体化的能源综合站是目前氢能应用落地的最好方式之一，有效节约了土地资源，并依靠已有加油站销售网络、弥补加氢站的经营性亏损。根据美国能源部的测算，500kg/d加注能力的加氢站平准化成本中，压缩机成本占50%以上，制冷设备与加氢机紧随其后，如图4所示。除建设投资外，整站的运行能耗与维护成本占比超过50%，归因于压缩机、加氢机等关键装备的可靠性不足、压缩与预冷等功能运行能耗高等。图4加氢站成本结构与关键技术分析目前，基于燃料电池汽车细分市场布局，美国、欧洲和日韩均将70MPa氢气加注技术、液氢加注视为未来的主流发展方向，聚焦高压气态加氢技术规模化和液氢加注技术产业化，重点围绕加氢站“设备成本”“可靠性”“运行能耗”三个关键降本性能指标推进整体技术研发。美国在2011年就制定了氢储运加技术路线图，如图5所示，以分布式制氢与集中式制氢两种场景，分别设定了1.7美元每加仑与2美元每加仑[1加仑(美)=3.785L]的加氢站终端交付成本目标，以及氢气压缩机能耗不高于1.4kWh/kg，寿命高于10年；不同应用场景下液氢泵成本下降30%～70%，寿命高于10年；加氢机成本下降20%的发展目标。在技术路线上，近期以70MPa高压气态供氢加氢技术攻关为主，中远期进行广泛的液氢储氢加氢站部署。在技术开发上，高压气态供氢加氢技术具体侧重氢气压缩机、电化学压缩技术、70MPa加氢机等关键设备的研究，以获得更高的加氢效率、更长的寿命与稳定性，并开展高效液氢泵的研发布局。此外，在加氢机标准方面，美国汽车工程师学会(SAE)制定了SAEJ2601加注协议，保障加注过程的安全，并掌握加氢机装备开发的国际话语权。图5美国加氢站技术关键指标目标欧盟在2013年制定了加氢技术路线图，欧盟内部强调氢能在加注阶段的经济性，从整站的寿命、稳定性、能耗等方面制定了技术目标。2018年在FCH2JU框架下，基于产业发展趋势与现状更新了加氢技术2030年技术发展展望，整站能耗目标下降至3kWh/kg，投资成本降至1300～2400欧元/(kg·d)，年维护费用降至0.3欧元/kg，平均故障间隔时间超过5个月，如图6所示。同时表示将优先研究液氢储存和加注技术，以扩大集中式制氢站点的供应并使其具有商业可行性。图6欧盟加氢站技术关键指标目标日本在《氢能基本计划》中设定了一系列加氢站经济性目标，如图7所示，计划2030年氢气供应价格降至30日元/Nm3，单个加氢站建设费用低于2.3亿日元，年付运营费用低于2000万日元，并在《能源基本计划》等顶层设计文件下推动加氢站建设与技术突破，使得日本加氢站建设数量一度位居全球前列。为了实现在2020年代末期实现加氢站技术的完全自主化，日本以NEDO为核心开展了加氢站监管改革、降低加氢站成本、国际合作三方面的工作。主要的技术突破点有加氢站远程操控系统与风险评估、新型电化学压缩机研发、较高温度下氢气加注方法的研发等。图7日本碱性电解水制氢技术关键指标目标韩国当前绝大多数加氢站均为长管拖车外供站，仅建成制氢加氢一体站一座。就容量而言，HRS分为两大类：650kg/d的常规加氢站和1000kg/d加氢能力的公交加氢站。韩国环境部近期发布了《加氢站战略部署计划》，计划到2025年在全国226个市、县和区原则上建设1个以上的加氢站，到2040年实现在全国各地，驾车行驶15min便能够到达至少一个加氢站。技术方面注重自主化率，通过压缩机，高压阀门，储存容器等核心部件和加注技术的国产化，计划到2030年实现加氢站100%国产化率。总的来说，各国均对高压气态35MPa/70MPa气态加氢站及液氢加氢站技术同时进行技术开发，通过高可靠性及高效率的氢气压缩机与液氢泵、高效加氢机等核心材料及组件的研究及国产化应用，来提高加氢站系统整体的可靠性和使用寿命，降低加氢成本等。2我国加氢技术发展对标国际上，美国、日本、欧洲等国家和地区在加氢站技术开发方面起步较早，90%以上加氢站具有70MPa加氢能力，以液氢储存的大容量加氢站日加氢量可超过2000kg，加氢站全负荷、高可靠运行技术持续进步，支撑氢能基础设施全周期成本逐步降低。我国重点发展燃料电池商用车，采用35MPa的Ⅲ型瓶用于车载储氢，氢能供应以20MPa的高压管束形式为主，尚无液氢加氢站运行经验，同时站内制氢加氢站受法规与标准限制，因此我国当前建成的加氢站绝大多数为外供高压气态氢的35MPa加氢站。随着我国燃料电池车的规模化应用，我国加氢站将逐步由当前的低负荷、粗放式加氢运行状态过渡至高密度、快速加氢的全负荷运行状态；燃料电池车在大负载、长续航场景下拓展应用，将出现储氢密度更高的70MPa加氢需求。我国加氢站技术与美国、日本、欧洲等国家和地区仍然有一定差距：一方面，现役35MPa加氢站尚未经历高负荷加氢工况下的性能和可靠性验证，存在较大优化空间，35MPa加氢站关键装备的核心零部件依赖进口，有待深入开发；另一方面，70MPa加氢站关键装备完成攻关后，仍需经过加氢站应用验证，进一步提高性能与可靠性，攻克核心零部件国产化，提高竞争力。此外，用于大规模加氢的液氢站技术基本处于研发空白状态。在加氢技术与装备方面，目前，我国基于国产Ⅲ型储氢瓶的35MPa快速加氢控制技术，加氢性能和安全性达到国际同类先进水平，与SAEJ2601氢气加注协议标准兼容，在多个加氢站实现商业化应用。在70MPa加氢机方面尚处于样机阶段。为了达到乘用车3～5min内完成加氢5kg的需求，国际上均采用预冷至-40℃的氢气进行70MPa加注。美国NREL国家实验室对40余座加氢站的运行数据分析结果表明，70MPa加氢预冷能耗高，平均值达到2.5kWh/kg。鉴于此，国际上开展了低功耗制冷及氢气换热技术的开发。日本NEDO和美国DOE均支持了高效率的氢气换热器开发，能够实现高压氢气的高效换热，已在多个加氢站应用。与此同时，加氢装备的核心零部件，包括高精度高压氢气质量流量计、传感器、调压阀以及高可靠加氢枪等，由美国、日本、欧洲等国家和地区垄断，我国对其的进口依赖度高，有待开发相关核心技术和零部件制造技术。此外，美国、欧洲、日本等国家和地区已实现加氢机-车辆通信辅助加氢，我国在该领域有待突破。在压缩机技术装备方面，我国自主开发的45MPa压缩机已经应用在35MPa加氢站，排量达到500Nm3/h，并累计运行最高超过5000h。为突破70MPa加氢站用90MPa压缩机，我国正在进行技术攻关，预计2023年开展示范，压缩机排量将达到200Nm3/h，实现无故障连续运行500h以上。与国外同类型压缩机相比，我国压缩机的可靠性，尤其是关键零部件的寿命有待进一步提高。国外已经突破了耐超高压、长寿命、大面积的金属膜片材料及其加工制造技术，美国PDC公司制造的45MPa压缩机单缸排量超过750Nm3/h，单级压缩比最高达到9，在加氢站操作工况下膜片期望寿命均超过4500h，90MPa压缩机两级压缩排量达到560Nm3/h以上，两级综合压缩比超过18。在液氢泵技术装备方面，国外以Linde公司为代表已成功研制了高压液氢活塞泵，可单级压缩且最大加注能力达到120kg/h，出口压力可达87.5MPa，流量为30g/s，能耗仅有0.6kWh/kg，而国内目前尚无成熟的高压液氢泵产品，国内在建的液氢加氢站采用的液氢泵均为进口产品。国内液氢泵目前仍处于样机研制阶段，出口压力仅能达到10MPa，技术基础薄弱。在加氢站工艺和控制方面，我国自主开发了35MPa加氢站新工艺以及相应的自动化控制系统，目前处于示范阶段，预计将提高加氢站日加氢能力10%以上。根据美国NREL国家实验室的分析结果表明，加氢机和压缩机是加氢站故障率较高的设备，加氢机相关的故障事件数目占比达到57%，严重影响了加氢站的经济性。美国能源部(DOE)支持了NREL国家实验室和AP公司开展加氢机可靠性测试技术开发以及影响因素研究，以指导加氢机可靠性提升技术开发。与此同时，DOE、NREL国家实验室和PDC公司对压缩机进行了可靠性研究，发现加氢站运行工况下，压缩机的频繁启停和压力循环导致金属隔膜寿命下降，有待开发更可靠的加氢站工艺和控制技术，从而提高压缩机可靠性，降低维护成本。在加注协议方面，美国汽车工程师学会(SAE)针对轻型汽车、重型汽车与工业用车辆等应用场景分别制定了SAEJ2601-1《轻型汽车气态氢加注协议》、SAEJ2601-2(TIR)《重型汽车气态氢加注协议》与SAEJ2601-3(TIR)《工业用车辆气态氢加注协议》。我国暂未发布氢燃料电池汽车加注协议相关国家标准。SAEJ2601标准主要适用于采用Ⅳ型储氢瓶的氢燃料电池车辆，涉及两种加注方法，基于图表的加注法和质量比热容法。欧盟与日本参考了美国加注协议分别出台了EN17127加注协议与JPEC-S003，适用于35MPa和70MPa的Ⅲ型和Ⅳ型车用氢气瓶，储氢容量为2～10kg，对于储氢容量大于10kg的情况做了简单的折算。此外，其协议中根据Ⅳ型瓶的特点分别按照加氢机与车用储氢系统是否能实现通信功能分别制定了预冷温度为-40～-33℃、-33～-26℃、-26～-17.5℃三个等级的加注方案。当前，欧盟正在开发PRHYDE重载车辆加氢协议项目，预计将于2022年完成开发。3我国加氢技术路线基于上述分析与基本国情，我国在加氢站关键技术和装备方面，与国外仍有较大差距，我国应采取高压气态储氢和液氢储氢加氢技术并举路线，重点提升加氢站关键材料及组件的性能，开发出高性能、长寿命、低成本的氢气压缩机、液氢泵，形成系统性、自主化的完整产品谱系，满足燃料电池汽车用氢场景的需求。“十四五”期间突破制氢加氢一体化建站法规，进一步提高35MPa加氢站可靠性，重点开发70MPa加氢站核心装备，加强智能化加氢站工艺控制及加氢站安全体系建设，逐步突破核心技术和零部件。在加氢技术与装备方面，重点开发70MPa加氢控制算法、高精度加氢计量技术、灵敏调压技术、快速响应氢气预冷技术以及辅助加氢的高可靠车-站通信技术，开发加氢装备寿命评价与测试技术，研究寿命影响规律，优化提升可靠性。在压缩技术与装备方面，重点开发大排量、大压比的加氢站用90MPa压缩机装备，突破关键零部件国产化，开发压缩机寿命评测技术，研究寿命影响规律，优化提升可靠性。隔膜压缩机方面，重点研究高压临氢膜片材料开发、长寿命气阀和压缩机总体优化设计、频繁启停和变工况适用性提升。液压活塞式压缩机方面，重点开发高压临氢材料、多级压缩缸体结构和密封结构设计、液压及控制系统优化设计。离子液体压缩机方面，重点研究离子液体与氢气的相互作用机理与热力特性、气-液界面形态演变规律研究、能量匹配策略及整机设计技术、满足70MPa加氢站需求的关键部件及整机研发。开展电化学压缩等非机械式压缩技术，降低压缩能耗，提高排气量。在液氢泵方面，重点开展高压液氢泵研制，研究液氢泵内流动特性机理，液氢泵关键零部件结构设计及强度分析，低温、高压、抗氢脆材料相容性和力学性能研究，液氢泵间隙的密封形式设计，液氢泵试验系统设计等。在加氢站工艺及控制方面，重点开发适应大负荷、高密度加氢需求的35MPa/70MPa加氢站新工艺、关键装备柔性调度控制技术以及故障诊断技术，降低加氢站能耗。为实现上述技术目标，需进行以下课题开发。3.1低预冷能耗、高可靠性、满足国际加注协议70MPa加氢机加氢技术方面，针对Ⅲ型瓶车辆，需开发快速加氢控制算法，研究高精度加氢计量方法，开发低成本调压技术和高可靠加氢通信技术。针对Ⅳ型瓶车辆，需开发快速响应的低功耗氢气预冷技术，动态调整的智能化快速加氢控制算法，以及高可靠氢气调压控制技术。同时开发加氢机-氢能车辆无线通信系统，增强加氢站可靠性同时降低运营成本。支撑体系方面，需开发加氢机快速寿命测试方法，建立加氢机可靠性评价体系，开发长寿命加氢机集成与控制技术并实现示范验证。图8加氢站技术路线图3.2大容量、低能耗、高可靠性35/70MPa加氢站用压缩机核心零部件方面，需开发大面积、长寿命金属膜片，与高可靠、耐高温密封材料以及长寿命气阀，打破核心零部件进口依赖。装备研发方面，为提升压缩机排量，需开发大型缸头设计与制造技术、高效密封技术、高效换热技术以及减震技术；为提升压缩性能，需开发压缩机性能评价技术与高性能压缩机控制技术，研究压缩机在加氢站工况下的性能影响因素；为提升压缩机可靠性，需开发压缩机寿命快速测试技术，研究加氢站工况下金属隔膜压缩机和往复式压缩机的典型故障模式及其零部件和关键材料老化机制，开发柔性压缩机控制算法及故障诊断技术。3.3高氢气利用率、低功耗的加氢站工艺控制系统加氢站控制技术方面，深入研究加氢站工艺参数对加氢性能和设备可靠性的影响规律，开发高性能、高可靠加氢站的实时动态工艺优化控制技术。加氢站新工艺方面，深入研究不同加氢负荷、日加氢需求下的加氢站供氢、储氢、压缩、加注单元优化控制技术，开发高氢气利用率、低功耗的加氢站工艺。3.4低能耗高可靠性液氢泵开展液氢泵的工作机理研究；构建液氢泵内介质流动仿真模型，将有限元法和传统的设计计算方法结合，建立液氢泵设计方法和理论模型；通过对主要零部件进行力学分析，找到主要零部件应力、应变规律；开发高可靠性液氢泵材料、超低温密封材料、间隙密封技术，研究不同结构、流量、扬程下液氢泵的可靠性影响规律。研制满足不同流量需求的可调节分级气化装置。建立低温实验系统，对液氢泵的流量和压头等进行性能测试。3.5加氢站安全技术主要面向加氢站故障诊断与安全管控进行研发布局，研究关键零部件损伤机制及失效模式、故障检测方法、安全失效机制和安全评价技术。开发多维度故障诊断与排除技术、多层级安全管控技术与安全大数据管理平台。3.6加氢站性能测试与评价体系开展加氢站整站评价体系研究；研究加氢站压缩机、加氢机、液氢泵等关键技术装备性能测试标准，技术装备评价体系，增强标准化治理效能，加快构建推动氢能核心技术迭代创新的标准体系，完善并提升氢能装备技术的检测、认证、应用等领域基础服务能力。4结语70MPa高压气态加氢站及液氢加氢站