加氫站加氫槍特點(diǎn)與技術(shù)研發(fā)難點(diǎn)

（北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京 100074）

0 引言

化石燃料等傳統(tǒng)能源的消耗和日益嚴(yán)峻的環(huán)境壓力使國(guó)家和社會(huì)對(duì)新型清潔能源的需求越來(lái)越大。燃料電池技術(shù)為世界能源轉(zhuǎn)型和動(dòng)力轉(zhuǎn)型指明了新的方向，是未來(lái)汽車工業(yè)可持續(xù)化發(fā)展的重要途徑。與傳統(tǒng)汽車和純電動(dòng)汽車技術(shù)相比，燃料電池汽車技術(shù)具有使用效率高、續(xù)航里程長(zhǎng)、綠色環(huán)保、過(guò)載能力強(qiáng)、低噪聲、轉(zhuǎn)化效率高和加注時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)[1]，越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視。

各發(fā)達(dá)國(guó)家積極布署氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略，積極推動(dòng)氫能配套設(shè)施的建設(shè)。美國(guó)、德國(guó)、日本、韓國(guó)以及歐盟各國(guó)等主要國(guó)家和地區(qū)將燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)納入國(guó)家或地區(qū)戰(zhàn)略發(fā)展體系，設(shè)立專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)進(jìn)行研發(fā)與示范推廣，并制定各種政策搶占先機(jī)[2]。例如美國(guó)加州立法機(jī)關(guān)通過(guò)一項(xiàng)價(jià)值20 億美元的法案（ABB），來(lái)延長(zhǎng)燃料汽車補(bǔ)貼到2023 年，推進(jìn)加氫站的建設(shè)[3]；德國(guó)啟動(dòng)“氫流動(dòng)圖”計(jì)劃，擬建全國(guó)性的氫燃料補(bǔ)給網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，計(jì)劃在2023 年左右普及10 萬(wàn)輛氫燃料電池汽車，建設(shè)400 座加氫站[2]；2014 年～2020 年，歐盟將啟動(dòng)“HORIZON2020”計(jì)劃，在該計(jì)劃中，氫燃料電池的投入預(yù)算可能達(dá)到220億歐元[3]；日本提出了構(gòu)建“氫能社會(huì)”的國(guó)家戰(zhàn)略，規(guī)劃其發(fā)展路線圖，計(jì)劃到2020 年普及約4 萬(wàn)輛氫燃料電池汽車，建設(shè)160 座加氫站。目前全球燃料電池汽車已進(jìn)入技術(shù)與市場(chǎng)示范階段，預(yù)計(jì)在2020 年將全面進(jìn)入商業(yè)化階段[4]。產(chǎn)業(yè)鏈巨頭紛紛組成聯(lián)盟，進(jìn)行燃料電池汽車的商業(yè)化協(xié)同攻關(guān)，并與能源、礦產(chǎn)等相關(guān)企業(yè)形成更廣泛的合作，呈現(xiàn)出了骨干整車企業(yè)牽引的全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展態(tài)勢(shì)[2]。

我國(guó)也在高度重視燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。近兩年，國(guó)家相關(guān)部委密集出臺(tái)相關(guān)政策，大力支持燃料電池汽車的發(fā)展：《國(guó)家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略綱要》《“十三五”國(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃》《“十三五”國(guó)家戰(zhàn)略性新型產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》《中國(guó)制造2025》《汽車產(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》《“十三五”交通領(lǐng)域科技創(chuàng)新專項(xiàng)規(guī)劃》等。這些政策紛紛將發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)列為重點(diǎn)任務(wù)，將燃料電池汽車領(lǐng)域列為重點(diǎn)支持領(lǐng)域來(lái)大力發(fā)展，并明確提出：到2020年，在特定地區(qū)，公共服務(wù)用車領(lǐng)域要形成5 000 輛級(jí)規(guī)模的示范效應(yīng)，建成100 座加氫站；2025 年要達(dá)到五萬(wàn)輛的應(yīng)用規(guī)模，建成300 座加氫站[5]；2030 年要實(shí)現(xiàn)百萬(wàn)輛燃料電池汽車的商業(yè)化應(yīng)用，建成1 000 座加氫站[6]；2050 年加氫站將覆蓋全國(guó)，燃料電池運(yùn)輸車保有量將達(dá)1 000 萬(wàn)輛。

所以氫能領(lǐng)域的發(fā)展離不開(kāi)加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，未來(lái)加氫站建設(shè)量巨大，為加氫站配套的加氫槍等加氫裝置需求量巨大，然而目前加氫裝置大量依賴進(jìn)口，自主研發(fā)尚需時(shí)間。

1 高壓氫氣加氫槍研發(fā)現(xiàn)狀與技術(shù)難點(diǎn)

1.1 高壓氫氣加氫槍研發(fā)現(xiàn)狀

加氫站儲(chǔ)氫領(lǐng)域，以高壓氫氣儲(chǔ)氫和低溫液氫儲(chǔ)氫為主，目前高壓氫氣儲(chǔ)氫技術(shù)上已經(jīng)成熟，所以在加注方面，主要采用高壓氫氣進(jìn)行加注，技術(shù)上比較成熟的是35 MPa和70 MPa 加氫機(jī)。

圖1 進(jìn)口加氫一體機(jī)

國(guó)外的高壓儲(chǔ)氫加氫機(jī)制造企業(yè)，主要有美國(guó)的Plug power 公司、Air product 公司、日本川崎公司和德國(guó)寶馬公司等，圖1 為美國(guó)Air product 公司的35 MPa 和70 MPa 加氫一體機(jī)樣機(jī)，已經(jīng)達(dá)到了很高的水平。而國(guó)內(nèi)，35 MPa加氫機(jī)設(shè)備目前正逐步進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化，有個(gè)別企業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)；而70 MPa 加氫機(jī)設(shè)備完全依賴進(jìn)口。截至2019 年3 月，國(guó)內(nèi)有加氫站共25 座，運(yùn)營(yíng)數(shù)量?jī)H占全球的1%左右。

國(guó)內(nèi)加氫機(jī)主要是35 MPa 壓力條件，更高壓力的加氫機(jī)是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。從目前調(diào)研情況來(lái)看，國(guó)內(nèi)厚普股份生產(chǎn)成套的加氫設(shè)備，35 MPa 條件下的加氫機(jī)設(shè)備已經(jīng)量產(chǎn)，主要提供給鄭州宇通加氫站，目前也已經(jīng)研發(fā)出70 MPa 加氫機(jī)樣品；北京三盈公司也已研發(fā)出35 MPa加氫機(jī)，準(zhǔn)備量產(chǎn)。圖2 為2 個(gè)公司的國(guó)產(chǎn)加氫機(jī)樣機(jī)。2016 年在大連高新區(qū)建成的加氫站，采用了同濟(jì)大學(xué)研發(fā)的新型70 MPa 氫氣加注和儲(chǔ)存技術(shù)，是我國(guó)首座利用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電制氫的70 MPa 加氫機(jī)。北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所也已研發(fā)出70 MPa 樣機(jī)一臺(tái)，正在進(jìn)行各項(xiàng)性能測(cè)試。

國(guó)內(nèi)加氫槍設(shè)備，主要有厚普股份旗下的天津朗安科技公司和成都安迪生公司，朗安科技公司目前擁有兩款加氫槍，分別是LA-HF16 型加氫槍和LA-HF25 型加氫槍，為仿制WEH 對(duì)應(yīng)型號(hào)產(chǎn)品；成都安迪生公司生產(chǎn)的雙手操作的35MPa 加氫槍，如圖3 所示，該產(chǎn)品的研發(fā)和測(cè)試是依據(jù)《GB/T 34425》以及《SAE J2600》2 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的，其密封結(jié)構(gòu)能保證關(guān)鍵密封件壽命達(dá)到10萬(wàn)次。

圖2 國(guó)產(chǎn)35 MPa 加氫機(jī)

圖3 成都安迪生35 MPa 加氫槍

此外，該加氫槍依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)完成了包括液壓強(qiáng)度測(cè)試、氣密性測(cè)試、手柄操作測(cè)試、循環(huán)壽命測(cè)試、連接件電阻測(cè)試等10 余項(xiàng)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果全部合格，已經(jīng)量產(chǎn)。

對(duì)于70 MPa 加氫槍產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有自主研發(fā)的成型產(chǎn)品，基本依賴進(jìn)口。國(guó)外主要加氫槍廠商有德國(guó)WEH公司、Staubli 公司、OPW 公司和日本的日東公司等。OPW公司和Staubli 公司主要提供25 MPa 和35 MPa 的加氫槍，德國(guó)的WEH 公司的加氫槍設(shè)備產(chǎn)品種類齊全，是國(guó)內(nèi)和國(guó)際加氫槍市場(chǎng)上最常見(jiàn)的品牌。WEH 公司提供25 MPa、35 MPa 和70 MPa 加氫槍產(chǎn)品，如圖4 所示，并且產(chǎn)品功能多樣，可選功能多。目前國(guó)際上生產(chǎn)70 MPa 加氫槍的廠商也比較少，因此從市場(chǎng)來(lái)看，進(jìn)行70 MPa 加氫槍產(chǎn)品的研制不僅可以推進(jìn)國(guó)內(nèi)加氫站建設(shè)，更可以為產(chǎn)品推向國(guó)際市場(chǎng)奠定基礎(chǔ)。

可以看出，國(guó)內(nèi)加氫槍市場(chǎng)的主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手還是國(guó)外廠商。國(guó)內(nèi)加氫站的發(fā)展必然會(huì)帶動(dòng)加氫槍市場(chǎng)的發(fā)展，更多的國(guó)外的產(chǎn)品會(huì)進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，國(guó)外加氫槍的優(yōu)勢(shì)是技術(shù)成熟且應(yīng)用廣泛，但進(jìn)口產(chǎn)品價(jià)格較高，所以價(jià)格將是國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品的一個(gè)重要競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，也是影響未來(lái)國(guó)內(nèi)加氫槍市場(chǎng)格局的一個(gè)重要因素。

1.2 高壓氫氣加氫槍技術(shù)難點(diǎn)

1.2.1 加氫槍控制系統(tǒng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)

高壓氫氣加氫槍結(jié)構(gòu)包括開(kāi)關(guān)控制、吹除、回收檢測(cè)以及加滿自動(dòng)關(guān)閉等功能，需要集成到加氫槍的控制系統(tǒng)中，因此結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，集成度非常高。由于加氫槍單手操作，要求重量輕，體積小。為了解決該問(wèn)題，可以參考天然氣槍的設(shè)計(jì)構(gòu)造，將各個(gè)功能整合到加氫槍控制系統(tǒng)中。

1.2.2 高壓超高壓條件下的密封問(wèn)題

在高壓超高壓條件下，氣體對(duì)密封結(jié)構(gòu)的壓力較高，在間隙相同的情況下比常壓泄漏量大幾倍甚至幾十倍，并且對(duì)于氫氣這種易燃?xì)怏w，過(guò)量的泄露導(dǎo)致的后果將會(huì)非常嚴(yán)重[7]。對(duì)于超高壓條件下密封材料和結(jié)構(gòu)的選擇需要綜合分析，并進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)驗(yàn)證。超高壓條件對(duì)密封面也提出了更高的要求，超高壓條件需要更高的密封比壓，需要更高硬度更高強(qiáng)度的密封面材料。

1.2.3 加氫槍的安全性問(wèn)題

高壓加氫槍在工作時(shí)具有極高流速，容易對(duì)加氫槍內(nèi)部部件造成損壞，且高流速造成的熱量也會(huì)引起一些結(jié)構(gòu)上的變形，以及熱傳導(dǎo)。為了保證加氫槍可靠性，需要采用有限元模擬和試驗(yàn)研究相結(jié)合的方式，進(jìn)一步保證加氫槍的安全性。有限元模擬包括力學(xué)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核和流場(chǎng)分析2 個(gè)方面，以此保證加氫槍結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及流場(chǎng)的合理性。通過(guò)壽命試驗(yàn)來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證加氫槍的使用壽命。

圖4 WEH 加氫槍

圖5 進(jìn)口加氫槍

2 液氫加氫槍研發(fā)現(xiàn)狀與技術(shù)難點(diǎn)

2.1 液氫加氫槍研發(fā)現(xiàn)狀

液氫儲(chǔ)氫相對(duì)于高壓氫氣儲(chǔ)氫，具有儲(chǔ)氫密度高、儲(chǔ)運(yùn)成本低、儲(chǔ)存壓力低，安全系數(shù)更高等優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用前景更為廣闊。目前全球加氫站數(shù)量將近400 座，其中1/3 是液氫加氫站。在日本，約一半加氫站為低溫液態(tài)儲(chǔ)氫加氫站，巖谷產(chǎn)業(yè)公司已經(jīng)成功建立了16 座液氫加氫站，全部配備自主研發(fā)的液氫加氫機(jī)和加氫槍；美國(guó)液氫加氫機(jī)的制造企業(yè)以Plug power、Air product 公司為主；法國(guó)市場(chǎng)的液氫加氫機(jī)制造企業(yè)主要是林德公司。如圖6 所示，為法國(guó)林德公司和日本日東公司自主研發(fā)的液氫加氫槍設(shè)備。

截至2019 年3 月，我國(guó)在運(yùn)營(yíng)的加氫站有25 座，全部使用高壓儲(chǔ)氫加氫機(jī)，低溫液態(tài)儲(chǔ)氫加氫機(jī)還有待進(jìn)一步研發(fā)，與其配套的自主研發(fā)的液氫加氫槍還未成型。因?yàn)槲覈?guó)液氫產(chǎn)業(yè)鏈與國(guó)外比差距很大，涉及民用液氫的試驗(yàn)檢測(cè)條件、檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和方法還是空白，嚴(yán)重阻礙了液氫基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，所以液氫加氫機(jī)和液氫加氫槍的研制進(jìn)展緩慢。但從目前的情況來(lái)看，國(guó)內(nèi)液氫加氫市場(chǎng)已經(jīng)開(kāi)始發(fā)展，主要包括中科富海和富瑞氫能等公司。

2018 年底，中科富海與空氣產(chǎn)品公司進(jìn)行合作，在廣東建設(shè)中國(guó)第一座商業(yè)運(yùn)營(yíng)的液氫儲(chǔ)運(yùn)加氫站，該加氫站按照美國(guó)J2601 加氫站技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建設(shè)，中科富海引進(jìn)美國(guó)Air product 公司生產(chǎn)的成套加氫設(shè)備，包括液氫加氫機(jī)和液氫加氫槍，該項(xiàng)目的建設(shè)意味著國(guó)內(nèi)建設(shè)液氫加氫站的開(kāi)始。中科富海是中科院理化所大型低溫工程技術(shù)成果產(chǎn)業(yè)化公司，主要研發(fā)大型低溫系統(tǒng)裝備，如大型氫液化裝置和液氫儲(chǔ)槽等關(guān)鍵設(shè)備。

富瑞氫能成立于2016 年，是富瑞特裝集團(tuán)專門成立的氫能產(chǎn)品公司，主要從事氫液化裝置、液氫儲(chǔ)運(yùn)裝備和車載供氫系統(tǒng)裝備的研發(fā)工作，富瑞氫能也計(jì)劃在2020 年以前重點(diǎn)布局液氫產(chǎn)業(yè)鏈，自主研發(fā)國(guó)產(chǎn)液氫加氫機(jī)和液氫加氫槍。此外，北京航天試驗(yàn)研究所已經(jīng)研發(fā)出液氫加氫機(jī)，正處于各項(xiàng)性能驗(yàn)證階段，與之配套的液氫加氫槍也正處于研發(fā)階段。按照國(guó)家節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖的規(guī)劃，隨著燃料電池車對(duì)氫的需求量的增加，我國(guó)的加氫站數(shù)量會(huì)逐步增加，2020 年有望達(dá)到100 座，因此國(guó)內(nèi)加氫市場(chǎng)還是非常大的[8]，液氫加氫槍由于剛起步市場(chǎng)會(huì)更大。

圖6 液氫加氫槍

可以看出，國(guó)內(nèi)液氫加氫站正處于起步發(fā)展階段，產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)的時(shí)間將直接影響以后的市場(chǎng)發(fā)展，因此加快液氫加氫槍研發(fā)速度才能把握市場(chǎng)的先機(jī)。實(shí)現(xiàn)加氫槍等設(shè)備國(guó)產(chǎn)化，可以降低設(shè)備成本，提高我國(guó)在加氫站研發(fā)領(lǐng)域的實(shí)力。

2.2 液氫加氫槍技術(shù)難點(diǎn)

2.2.1 液氫加氫槍各功能的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)加氫的整個(gè)過(guò)程（與加氫口連接、吹除、加注、跳槍、回收、檢測(cè)壓力、斷開(kāi)連接、加氫槍頭及加氫口的自密封），在各個(gè)階段具有不同的功能，為了保障功能的實(shí)現(xiàn)，加氫槍內(nèi)部的結(jié)構(gòu)會(huì)比較復(fù)雜，加氫槍結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是核心技術(shù)。

2.2.2 液氫加氫槍保溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

液氫的沸點(diǎn)為-253℃，在加注液氫的過(guò)程中，液氫會(huì)與環(huán)境存在大量的熱量交換，可能導(dǎo)致液氫氣化，進(jìn)而引發(fā)安全問(wèn)題。因此在加注過(guò)程中需要保證加氫槍的保溫性能，液氫加氫槍的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于既要保證絕熱效果又要降低結(jié)構(gòu)的體積和重量，提高可操作性，因此保溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是加氫槍設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一。

2.2.3 液氫加氫槍頭部除霜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

除霜功能主要用于加氫槍連續(xù)工作時(shí)，前車加注完成后，如果槍頭帶霜，后車加氫時(shí)會(huì)凍住或者將霜帶入到車載液氫容器中，造成危險(xiǎn)。因此，有必要考慮液氫加氫槍頭部的除霜結(jié)構(gòu)。

3 對(duì)加氫裝置研發(fā)的建議

3.1 關(guān)于高壓氫氣加氫槍研發(fā)的建議

對(duì)于高壓氫氣加氫槍，可以參考國(guó)外進(jìn)口加氫槍的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行整合，集成到槍體上。槍體材料可以選擇鋁合金或鈦合金來(lái)降低重量，為了單手操作，可以參考加油槍的工藝設(shè)計(jì)，改進(jìn)手柄部分外形結(jié)構(gòu)，提高握持感。對(duì)高壓超高壓條件下密封問(wèn)題，可以考慮在不同位置采用不同的密封型式，O 型圈、墊片、填料等常規(guī)的密封結(jié)構(gòu)在加氫槍中也可以應(yīng)用。此外，也可以考慮泛塞封的密封方法，該密封的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以選用抗腐蝕的材料，具有自密封的特點(diǎn)，當(dāng)壓力提高時(shí)，泛塞封的密封壓力也將提高，因而可以提升高壓條件下的密封效果。

3.2 關(guān)于液氫加氫槍研發(fā)的建議

對(duì)于液氫加氫槍，防止液氫氣化的絕熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是難點(diǎn)，目前比較有效的超低溫絕熱措施有在殼體外包裹非金屬絕熱層的方式和高真空絕熱的方式，而高真空絕熱的方式因占用體積小，絕熱效果好等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于航天地面設(shè)備如管道和閥門上。因此，液氫加氫槍的絕熱設(shè)計(jì)可以考慮用高真空絕熱的方式進(jìn)行。對(duì)于液氫加氫槍連續(xù)加注而外表面結(jié)霜的問(wèn)題，以及空氣與氫氣混合引發(fā)的安全問(wèn)題，需要考慮對(duì)液氫進(jìn)行吹除。吹除結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以考慮引入高溫氮?dú)膺M(jìn)行，在加氫槍體內(nèi)部設(shè)置吹除管，保證加氫過(guò)程順利安全的進(jìn)行。對(duì)于槍頭部結(jié)霜的問(wèn)題，可以考慮加氫結(jié)束后采用特殊的密封結(jié)構(gòu)，阻止槍頭接觸更多的水蒸汽，同時(shí)采用干燥熱空氣吹除的方式去除。

3.3 結(jié)合實(shí)際情況，把握研發(fā)趨勢(shì)

高壓氫氣加氫槍和液氫加氫槍取決于加氫機(jī)的加注方式，高壓氫氣加氫的方式，雖然不需要過(guò)多的考慮熱量的散失，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但是高壓超高壓容器制造成本較高。此外，對(duì)于高壓氫氣加氫機(jī)設(shè)備，有些歐洲和國(guó)內(nèi)部分專業(yè)人士因?yàn)橄鄳?yīng)能耗和投入成本過(guò)高而不贊成使用70 MPa加氫機(jī)，淡化70 MPa 加氫機(jī)的制造。筆者認(rèn)為應(yīng)該具體情況具體分析，結(jié)合本國(guó)加氫站發(fā)展戰(zhàn)略，進(jìn)行合理研發(fā)。相較于高壓氫氣加氫機(jī)，液氫加氫機(jī)需要考慮絕熱設(shè)計(jì)，但是其儲(chǔ)氫密度高、儲(chǔ)運(yùn)成本低、儲(chǔ)存壓力低，也更安全，將會(huì)是未來(lái)加氫機(jī)發(fā)展的趨勢(shì)。相應(yīng)的，液氫加氫槍在市場(chǎng)上也會(huì)有巨大的需求量。

4 結(jié)語(yǔ)

加氫單體設(shè)備是加氫基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的排頭兵，在結(jié)合實(shí)際情況，合理規(guī)劃研發(fā)路線的基礎(chǔ)上，穩(wěn)妥有序地進(jìn)行加氫槍設(shè)備的研發(fā)，才能在技術(shù)上少走彎路，提升產(chǎn)品可靠性。新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)需要時(shí)間，需要研發(fā)人員結(jié)合實(shí)際需求，考慮成本與市場(chǎng)因素，不斷創(chuàng)新，不斷優(yōu)化產(chǎn)品性能，提高產(chǎn)品使用的便捷性、安全性和可維修性。