基于大流量氫氣分配系統在燃料電池汽車中的應用

摘 要：供氫系統是連接氫能行業與燃料電池行業的橋梁與紐帶，廣泛應用于加氫站和燃料電池檢測實驗室中。隨著氫能行業的快速發展，燃料電池檢測實驗室業務量增多，氫氣需求量不斷提升，出現了大流量供氣的新要求。原有供氫方案采用單價較高的集裝格小流量供氫，不能滿足燃料電池所需的大流量供氫需求，因此有必要進行供氫方案的優化設計。本文從某公司的實際運營狀況出發，在現有加氫站設備的基礎上，基于大流量氫氣分配系統設計，提出了一種安全可靠的實驗室集中供氫方案，包括長管拖車、低中高壓閥門管路、安全監測裝置以及控制設備。該設計方案能在滿足流量需求的同時，提高供氫的經濟性和安全性，具備一定的參考價值。

關鍵詞：燃料電池檢驗檢測 加氫站 大流量供氫系統 經濟性

1 緒論

加氫站是燃料電池汽車補能的場所，是氫能分配的終端，是連接氫能行業與燃料電池行業的橋梁與紐帶[1]。它主要由供氣系統、儲氫裝置、壓縮機組、加注模塊以及各種監測、控制系統組成[2]。隨著上游電解水制氫產業放量帶來的綠氫降本，氫氣價格有望下降。現階段，氫能的“儲存、運輸、加注”環節成本較高，已經成為限制燃料電池汽車推廣的重要因素之一。

加氫站行業的可持續發展離不開良好的經營管理。部分加氫站運營成本較高，一方面是因為氫氣價格高，另一方面是因為終端氫氣需求不足，難以做到攤平運營成本，存在較大的降本空間[3]。此外，為滿足嚴格的安全監管政策要求，安全保障以及維護費用已經成為加氫站運營的剛性成本。

隨著氫能行業的快速發展，燃料電池汽車數量有望快速增長，氫氣需求量有望不斷提升。根據中國工程院院士、上海交通大學校長林忠欽預測，到2030年，中國燃料電池汽車規模將超200萬輛，較2022年的1萬輛增加200倍。中國氫能聯盟預計，2030年我國氫氣年需求量將達到3700萬噸，2050年我國氫氣年需求量將接近6000萬噸，2060年有望突破1.3億噸。對加氫站的供氣設計進行優化，可以顯著降低加氫站運營成本，Maurer等人通過優化加氫站設計方案，實現了小型客車加氫成本的優化。同理，對燃料電池檢測實驗室的供氫系統進行優化，也有望降低燃料電池檢測實驗室的運營成本。基于此本文通過理論結合實際的方式，提出了一種安全可靠、能夠有效提高氫氣利用和輸送效率的技術方案，同時具有可維護性和可擴展性，是一種降低加氫站運營成本的有效途徑，具備一定的參考價值。

2 大流量供氣系統設計方案

2.1 供氣方式選擇

管束拖車集中供氣是一種利用長管拖車或管束式集裝箱為工業或民用領域提供壓縮氣體或液化氣體的供應方式，具備大量且連續的氣體供給能力。使用管束拖車的優勢在于結構緊湊、運輸效率高、安全性強和適應性強，可以根據需求隨時更換或補充氣體。基于現有的氫氣源，我們選擇管束拖車作為氣體供應的主要手段。趙磊等人的研究指出，針對采用拖車自增壓工藝的加氫站，研究了壓縮機與高壓儲罐按其總成本最低進行匹配時的壓縮機排量影響因素，并建議將拖車分為4級。

2.2 拖車供氣系統及其冗余設計

針對采用拖車自增壓工藝的加氫站，根據車載儲氫系統充氫過程、加氫站高壓儲罐與長管拖車充放氫過程的熱力學特性、隔膜壓縮機流量特性以及燃料電池汽車充裝要求，建立了加氫站供氫全過程的熱力學模型。基于所構建的模型，研究了壓縮機與高壓儲罐按其總成本最低進行匹配時的壓縮機排量影響因素。

加氫站內供氫系統的冗余設計可以為系統或流程提供額外的備用氫氣資源，能夠提高供氣系統的可靠性和可用性。在本案例中，冗余性主要體現在拖車車位和進氣管道兩個方面。

2.2.1 拖車車位冗余設計

加氫站內設計了三個停車位，可同時停放三輛管束拖車。一方面，它可以滿足不同類型的供氣需求，另一方面，它提高了供氣系統的維修便利性。即使其中一輛拖車需要更換或維修，也不會影響到整個供氣系統的運行。

2.2.2 進氣管道冗余設計

供氣系統分為A、B兩組，每組都有獨立的高壓管道進氣。這樣的分組設計提高了系統的冗余性，即使其中一組出現問題，另一組仍然可以正常工作。其中A組被設計為可以同時接受兩組管束拖車的供氣。這種設計大大提高了供氣的效率，特別是在需要大量氣體的場合下，可以快速滿足需求。

2.3 大流量匯流排低壓供給端設計

針對燃料電池的使用特點，低壓減壓階段需要特別關注氣體的壓力調節和穩定性。為了實現這一目標，我們選擇了腔室內負載調壓閥作為二級穩壓減壓裝置。這種調壓閥具有較好的調節性能和穩定性，能夠根據燃料電池的需求精確控制氣體的壓力，確保供氣的穩定性。

在低壓減壓階段，除了對氣體的壓力進行調節外，還需要關注氣體的質量。因此，在低壓端預留氣體取樣口是非常必要的。這個取樣口可以方便地對氣體進行取樣和分析，監測氣體的成分、濕度、雜質等指標，確保氣體質量符合燃料電池的要求。通過定期對氣體進行取樣和分析，可以及時發現并解決潛在的問題，如氣體污染或管道泄漏等，從而確保燃料電池的正常運行和穩定性。

2.4 大流量匯流排中壓減壓端設計

壓力波動是中壓減壓階段需要特別關注的問題。過大的壓力波動可能對燃料電池的性能和測試結果產生不利影響。為了減小壓力波動，我們選擇性能穩定的腔室內負載調壓閥，它能有效地穩定壓力并減小波動。此外，配備壓力傳感器和控制器等設備，可以實現對氣體壓力的實時監測和調節，確保壓力在合適的壓力波動管理，確保壓力在合適的范圍內波動。這些設備與調壓閥協同工作，提高了供氣系統的穩定性和可靠性。

2.5 高流量高壓力輸出端設計

燃料電池測試通常需要高流量和高壓力的供氣。為了滿足這一需求，需采用腔室內負載調壓閥。它具有強大的流量和壓力調節能力，能承受高壓并穩定輸出，確保在燃料電池測試期間供氣的充足和穩定。此外，該調壓閥還具有良好的耐用性和可靠性，能夠長時間穩定運行，降低維護成本和停機時間。范圍內波動。這些設備與調壓閥協同工作，提高了供氣系統的穩定性和可靠性。

2.6 安全與控制設備設計

該供氣方案的每組供氣系統中都配備了壓力傳感器、壓力表、安全閥、吹掃接口、氮氣吹掃接口以及過濾器等設備。其中，壓力傳感器和壓力表用于實時監測供氣的壓力狀況，確保供氣在安全范圍內進行。安全閥在壓力異常時會自動釋放壓力，避免系統因壓力過大而受損。吹掃接口和氮氣吹掃接口用于在需要時對管道進行吹掃，保持管道的清潔，防止雜質對氣體質量的影響。過濾器則用于過濾掉氣體中的雜質，保證氣體的純度和質量。

2.7 閥門控制系統設計

為了提高整個系統的自動化水平和安全性，該供氣方案的所有閥門均設置了手動閥門和氣動閥門兩種方案。氣動閥門由遠程控制系統控制，該系統具備以下功能：（1）自動切換：根據系統需求和運行狀態，自動選擇合適的閥門模式。（2）低壓報警：當壓力低于預設值時，系統會觸發報警功能，提醒操作人員進行相應處理。（3）緊急切斷：在緊急情況下，系統能夠迅速切斷氣源，防止事故擴大。

3 某加氫站案例與應用效果分析

3.1 原有問題及案例介紹

該加氫站原有的實驗室供氣方式為“集裝格+匯流排”單獨供氣，每個試驗室均需要單獨設置，這種供氣方式存在一定的安全隱患，且最大供氣量僅為4組集裝格，無法滿足大功率燃料電池測試時的需求。Caponi等人比較了加氫站中單一氣源和多個氣源的影響，并指出在需要頻繁更換氣體的情況下，采用多個氣源存在一定的操作不便，在燃料電池滿功率測試時，管道會有明顯的壓降。此外，在實際實驗室測試過程中，如果多個實驗室同時進行測試，可能會因過大的壓降導致急停。（圖1、圖2、圖3）

在第四節中所提出的“管束車+大流量匯流排”集中供氣的方式可以同時滿足多個實驗室不同臺架的同時使用，且由于選擇了穩壓性能好的減壓閥，因此在峰值工況下，管道也不會產生太大的壓降，能夠保持正常運行。此外，管束車費用較低，運行成本有了降低。

3.2 應用效果綜合分析

用氫量評估及成本計算如下：

根據調研，該檢測部門一年的氫氣使用量為約為48000—54000 kg。

以長三角大部分地區的氫氣價格為例，采用先前“集裝格+匯流排”單獨供氣時，每個集裝格含稅約為1400—1500元/格，核計集裝格氫氣成本約為130—150元/kg。考慮集裝格每天15元租金，每年總成本約為640萬～810萬元。

改用“管束車+大流量匯流排”集中供氣后，管束車每車氫氣價格16568元，根據實際利用率情況計算得氫氣成本約為50—70元/kg。設備改造后，每年新增的運維成本約為12萬—14萬元，另外每年新增管束車租金約為40萬—50萬元，每年總成本約為300萬—440萬元，相較原有單獨供氣方案下降了30%—50%左右。此外，這種供氣方式不僅可以滿足江蘇分公司的大功率燃料電池測試需求，而且具有更高的效率和安全性。

4 結語

本文從某加氫站的實際運營狀況出發，針對實際大功率燃料電池系統檢測過程中的大流量氫氣需求的痛點，進行正向設計和開發。本文通過綜合考慮安全性、壓力穩定性、維護擴展便利性等供氣需求，對比不同供氣方式，進行供給端、中段減壓端和高壓輸出端的設計選型，最終完成了大流量氫氣分配系統設計，實現了加氫站運行成本的優化。本文通過理論結合實際的方式，從氫氣流量設計的角度出發，提出了一種既能滿足高壓大流量用氫需求、又能提高加氫站運營經濟性的途徑，具備一定的參考價值。

參考文獻：

[1]衣寶廉.燃料電池——原理、技術、應用[J].化學工業出版社，2003.

[2]潘愛華，馬建新，高峰，等.汽車用氫燃料加氫站系統配置的研究[J].工礦自動化，2003（6）：3.

[3]王一非，江誠.加氫站氫氣異常損耗的原因與對策[J].石油庫與加油站，2023，32（05）：29-31+5.