加氫站核心裝備制造方法與關鍵技術研究

張夢儉

（天津安派克氫能源裝備有限公司）

近年來， 為促進我國氫燃料電池行業的發展，國家積極出臺了一系列政策規劃，推動氫燃料電池基礎設施加氫站的建設［1］。相比電動汽車，燃料電池汽車克服了充電時間長、電池蓄電能力差及電池報廢處理難等問題。 但是，燃料電池汽車的推廣依然不像電動汽車那樣順利。 究其原因，除了燃料電池汽車本身生產成本和銷售價格居高不下外，配套加氫基礎設施的稀缺也是制約其快速發展的最大障礙［2］。 加氫站是連接上游氫氣和下游燃料電池汽車用戶的紐帶，是大規模發展燃料電池汽車的基本條件［3］。 在加氫站設計建設過程中，制定符合需要的工藝流程方案、選取合適的工藝設備，對加快加氫站建設進度、合理控制建設成本，具有至關重要的作用。

筆者針對加氫站核心裝備零件，論述相關加工制造技術的研究現狀，為構造核心裝備加工制造理論、方法和工藝技術體系，解決高性能核心裝備零件制造難題提供理論支撐。

1 加氫站分類及典型工藝流程

從制氫方式上可以將現有的加氫站分為站內制氫供氫加氫站和外供氫加氫站，兩者工作流程略有不同。 站內制氫供氫加氫站：加氫站內有制氫設備，可自行生產氫氣，經過壓縮后實現對外加氣。 外供氫加氫站：借鑒天然氣子母站的工作原理，氫氣從站外工廠（母站）送至加氫站（子站），經過二次加壓完成對外加氣。

站內制氫供氫加氫站和外供氫加氫站的工作流程如圖1 所示。

圖1 站內制氫供氫加氫站和外供氫加氫站的工作流程

從輸送氫氣狀態上可將加氫站分為氣態加氫站和液氫到站高壓氣氫加注加氫站。 氣態加氫站和液氫到站高壓氣氫加注加氫站的配置圖如圖2 所示。

圖2 氣態加氫站和液氫到站高壓氣氫加注加氫站的配置

盡管上述加氫站設計原理略有不同，但是關鍵系統和部件大同小異：

a. 制氫設備，僅用于具有現場制氫能力的加氫站，主要有電解水制氫、甲醇裂解制氫和天然氣重整制氫3 種；

b.純化系統，主要應用在具有現場制氫能力的加氫站，凈化氫以滿足燃料電池汽車的純度要求；

c. 儲存系統， 包括用于以氣態形式儲存氫的壓力容器和用于儲存液態氫的低溫容器，以及在液態氫蒸發成氣態氫時儲存氣態氫的壓力容器；

d. 壓縮機/增壓器/液氫泵， 將氫氣壓縮到所需壓力， 然后直接加注到燃料電池汽車的罐中，或將高壓氫氣儲存在緩沖罐中供將來使用，在液氫站中，液氫泵負責將液態氫增壓，增壓后的液態氫進行高壓汽化后存儲；

e. 安全和電氣設備， 如控制計算機系統、高壓連接件、儀表、壓力傳感器、氫氣泄漏傳感器及紅外火焰探測器等；

f. 機械設備，如加氫機、管道、配件和壓力閥。

2 氫氣壓縮機制造方法及主要參數

氫氣壓縮機是將氫源加壓注入儲氫系統的核心裝置，是加氫站三大核心設備之一，最重要的性能指標是輸出壓力和氣體封閉性能，其制造應符合GB 50516—2010《加氫站技術規范》（2021年版）的要求。 根據工作原理及內部結構的不同，壓縮機分類如圖3 所示。

圖3 氫氣壓縮機分類

常見的氫氣壓縮機特點對比見表1。

表1 常見的氫氣壓縮機特點對比

隔膜式壓縮機（圖4）是一種容積式壓縮機，由液壓系統和氫氣壓縮系統組成。 液壓系統采用線性往復式活塞，由電機驅動壓縮機身曲軸進而推動活塞在活塞缸體內行程往復運動。 活塞推動油腔內液壓油運動，液壓油推動金屬膜片給氫氣側加壓。 氫氣壓縮系統由隔膜蓋、三層金屬膜片組和壓縮機吸排氣閥組成。 液壓油被泵送到膜片組油側，活塞往復運動使得進入膜片組油側的液壓油迫使膜片組往膜片組氣側位移，進而膜片組氣側的壓縮腔容積發生變化，氫氣通過壓縮機吸排氣閥流入和流出。

圖4 隔膜式壓縮機設計原理

隔膜式壓縮機主要參數如下：

吸氣壓力 5～20 MPa（G）

排氣壓力 8～300 MPa

泄漏率 10-8～10-4mbar L/s（1 bar=0.1 MPa）

噪聲水平 小于85 dBA@1 m 距離

最高壓縮比 15∶1

排氣溫度（冷卻后） 不大于40 ℃

曲軸轉速 250～720 r/min

軸功率 不大于45 kW

根據隔膜式壓縮機各部分的功能，設計隔膜式壓縮機零部件的制造工藝路線流程，具體如圖5 所示。

圖5 隔膜式壓縮機零部件制造工藝路線流程

由圖4 可知， 隔膜頭的主要部件有隔膜蓋、隔膜組、穿孔板和法蘭。 其中，隔膜組由3 個獨立的金屬隔膜片組成，夾在隔膜蓋和穿孔板之間被氣體密封住，外部通過金屬O 形環密封。 與氣體接觸的部件只有：隔膜蓋、隔膜組的氣側隔膜、帶有推力和密封作用的氣閥以及用于密封隔膜的金屬O 形密封圈。 因此，隔膜式壓縮機采用靜密封形式可以有效避免泄漏問題。

金屬隔膜未受外部污染時，使用壽命約3 000～5 000 h。 為了保證隔膜式壓縮機出現泄漏時能夠被檢測到，使用三重夾層金屬隔膜（圖6）和連接故障指示器系統，中層金屬隔膜帶有中心槽結構，當有隔膜發生故障時，該結構可及時阻止氣體穿透液壓部分，或油進入氣體部分。

圖6 帶有中心槽的三重夾層金屬隔膜

金屬隔膜制作工藝流程如圖7 所示。

圖7 金屬膜片制造工藝流程

為實現隔膜式壓縮機壓縮氫氣的高性能，制造高性能膜片、優化隔膜頭結構是未來重要的發展方向。

3 儲氫壓力容器制造方法及主要參數

目前，世界上超過90%的加氫站均采用高壓儲氫方式，主要使用鋼帶錯繞式儲氫罐（圖8）和大直徑儲氫長管（圖9）。儲氫裝置設計、制造應符合TSG R0004—2009、JB 4732—1995（2005 年確認）和GB/T 34583—2017《加氫站用儲氫裝置安全技術要求》的有關規定［4］。

圖8 罐式儲氫裝置

圖9 長管式儲氫裝置

加氫站儲氫裝置應該具備以下基本特點［5，6］：能夠承受高壓；裝置具備在線檢測功能，一旦氫氣發生泄漏，可以第一時間知道；具有發生危險自動報警功能；具有良好的經濟性，制造簡便。

大直徑儲氫長管技術參數如下：

公稱工作壓力 45 MPa

充裝介質 氫氣

公稱容積 3.12 m3

水壓試驗壓力 75 MPa

工作環境溫度 -40～65 ℃

充裝介質體積 1 070 Nm3

充裝介質質量 96 kg

氣密性試驗壓力 45 MPa

高壓儲氫罐設計參數如下：

工作介質 氫氣

介質標準容積 1 000/2 000/3 000/4 000 m3

容器工作壓力 25 MPa

容器水容積 4/8/12/16 m3

設計壓力 27.5 MPa

設計溫度 -20～80 ℃

容器所用主要材料 S31603、Q345R、16MnⅢ

容器類別 Ⅲ型

儲氫容器使用拋丸工藝進行清潔和拋光后進行涂層噴漆，然后通過質量測試，最后運往加氫站。 圖10 為無縫金屬壓力容器制造工藝流程。

圖10 無縫金屬壓力容器制造工藝流程

儲氫容器的制造向著輕量化、高效能的方向發展，但由于儲氫標準單一，因此后續有待完善。

4 加氫機制造方法及主要參數

加氫系統是為燃料電池汽車加注氫燃料的核心設備，主要技術指標是加注壓力。 氫氣加注機的主要結構和工作原理與天然氣加注機相似，相較于氫氣壓縮機和高壓儲氫罐而言技術難度較小。 加氫機主要參數如下：

加注氣體 壓縮氣態氫

c. 分離式聯軸器；

d. 流量計和壓力表以及兩個不同的加氫槍，用于70 MPa 加氫和35 MPa 加氫；

e. 帶有車載通信單元的插座；

f. 帶鍵盤的讀卡器；

g. 急停按鈕及操作說明；

h. H70 和H35 壓力選擇按鈕；

i. H70 和H35 單價顯示；

j. 帶保護套的H70 和H35 軟管。

目前，我國加氫機核心零部件多為常用高壓涉氫管閥件，其中部分零部件仍需要進口，故后續需要進一步進行低成本國產化開發［7］。

5 結束語

通過對加氫站核心裝備制造方法及技術參數進行分析， 結合相關加工工藝流程的研究現狀，為構造核心裝備加工制造理論、方法和工藝技術體系， 解決高性能核心裝備零件制造難題，提供參考和依據。 筆者建議從制造高性能膜片，優化隔膜頭結構、 制造輕量化且高效能儲氫瓶，開發低成本國產化加氫機三方面對氫燃料電池汽車加氫站進行開發建設。