浅谈我国燃料电池汽车加氢站的建设

３加氢站氢源的选择
３．１氢燃料电池汽车及其燃料的质量指标 资料介绍，全球车用氢燃料电池约８０％采用质子交换膜燃料电池（ＰＥＭＦＣ），该燃料电池的质子交 换膜的工作温度只有８０℃，电解质是～种固体有机膜，膜用来传导质子，使用铂做催化剂，把铂分散 在碳黑中，然后涂在固体膜表面上，因为铂在酸性条件下对一氧化碳特别敏感，易使阳极铂催化剂中毒， 所以要求严格控制氢燃料中一氧化碳的含量，文献规定为５ｐｐｍ，实际执行中应小于ｌｐｐｍ，对二氧化
１前言ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
随着我国经济的快速发展，以及汽车消费的不断升温，我国已跃居世界石油能源消耗第二大国。由 于石油资源储量有限，而需求量日益增加等原因，近年来国际石油供需日趋紧张，油价不断上升，今年 ７月份每桶原油飚升到７５美元，尽管目前有所波动，但不能排除其还有继续上涨的可能。在人类面临 新一轮的化石能源危机的情况下，为了保证能源供应，发展太阳能、风能、氢能等已经成为全世界的共 识。另一方面，用石油作为燃料的汽车，其尾气排放已成为城市污染的重要来源，因而促使人们致力于 开发清洁燃料来驱动电机，推动汽车运行。由于在氢燃料电池汽车中，氢与氧反应只生成水，可以实现 所谓的零污染，因此已被作为清洁能源的首选。氢能汽车早已问世，第一座加氢站也于１９９９年５月在 德国慕尼黑国际机场建成。我国通过国家科技部“８６３”计划，由清华大学研制客车，上海同济大学研制 轿车，都己取得了很好的成绩【Ｉ Ｊ，已经研制出相应的样车。今年北京已有三辆以氢为燃料的公共汽车驶 上街头，并已建成为这种公交车补充燃料的压缩加氢站１２１。２００６年，上海将有ｌＯ辆使用燃料电池的小 轿车投入运行，首座固定加氢站也将于年底建成；计划于２０１０年增加到１０００辆，其中还包括使用燃料 电池的公交车，同时还建成与此配套的１０￣２０个加氢站［３１，到２０１５年之前，上海计划成为燃料电池汽 车的率先应用城市，达到商业化运行规模，把燃料电池汽车全面推向市场【４】。那时加氢站也像现在的加 油站一样分布在汽车行驶的道路边。不难看出，要想把燃料电池汽车投入市场，并被市场所接受，必须 加强加氢站的技术开发和建设。现在，解决能源危机和环境污染问题，推动可持续的交通发展，已成为 我国和谐社会建设的战略构件之一。而氢燃料电池技术是解决交通业的可持续发展问题的一种可行和理 想的方案ｐ】。上海市科委为此特发“上海市科学委员会２００６年度燃料电池汽车科技公攻关指南”１６Ｊ，并投 入大量资金，表明了政府部门对燃料电池汽车的开发研制的重视。而加氢站的解决方案的得当与否，是 氢能源战略能否顺利实施，氢应用如何真正走近寻常百姓的关键点之一。 我们认为，加氢站建设包含了技术和经济两重课题。找准适合我国的氢能应用实际情况的加氢站建 设的路子，必将促进我国氢能事业的发展，推进我国的现代化建设。本文拟就加氢站的设计思路选择、 加氢站的氢源选择，以及相关问题和建议三个方面发表一些浅见，希望给有关方面的决策提供参考，以 及能在同行中抛砖引玉。
束车接着给用氢汽车充氢，那辆车内压力已接近车用容器的工作压力（通常为３５御ａ）的管束车如不
打算在站内加压给用氢汽车充氢，则返回氢气生产厂重新充压到该车的额定压力，再开到加氢站给汽车 加氢。我们可以称之为“无升压加氢站”。 另一种离站制氢加氢站是将氢气厂生产的氢气纯化精制后，充装到若干组耐压１５ＭＰａ的４０Ｌ集装
１３
必将推进法规和标准的建设。为此，我们就加氢站的设计思路选择提出如下看法： （１）结合现有氢气制备企业的分布就地建设在站制氢加氢站。这些企业具有相对成熟的职工队伍， 较健全的安全和管理制度，具有较好的运营基础。另外，他们不仅具有现成的氢源，同时其原有的市场 可使之克服加氢站前期运营的经济效益方面的问题。汽车用氢对他们来说是扩大了一块市场，对加氢站 的建设来说也可以减少建设成本和氢气的运输成本，因此走这条路可以调动各方面的积极性。 （２）结合氢能汽车的运营需求适当建立“有升压加氢站＂。如能配置及调配一定数量的大容量高压 氢气管束车，则由管束车直接给燃料电池汽车加氢的方案对百公里耗氢小于１．２ｋｇ、一次加注氢气续驶 里程不小于２５０ｋｍ的小轿车来说１６１，可能是比较简单可行的一种方案。而有升压加氢站对氢气的使用 效率比无升压加氢站要高，相对压力高于３５ＭＰａ的长管拖车的投入而言，这种方案的投入也相对节省， 整体的安全性也更可靠。 （３）结合公交等的需要建立专门的无升压加氢站。这种加氢站的显著特点是建设投资省，操作简 单。由于氢能公交车有运行路线相对稳定，使用量相对稳定，使用时间相对稳定等特点，因此可以配合 氢能公交车的路线设计，由专业物流公司与公交公司一起合作，用超高压长管拖车输送氢气，建设无升 压加氢站。这种加氢站应兼顾公交运营和氢源的分布，尽量将长管拖车的运营距离缩短。目前，已有将 工作压力为４５ＭＰａ的长管拖车商品化的企业。由于公交车加注对象明确、用氢量可预测，在加强安全 管理的前提下，适当改造和调整公交车停车场的布局就可以建立一些专门的加氢站。 （４）如果研究结果显示加氢的流速规定将导致氢气加注时间很长，建议车用氢气瓶与氢气汽车的 连接使用快速接头，能使气瓶方便地从车上拆装。这样，可以由加氢站预先充装好满瓶，氢气汽车来加 氢时，可采取空瓶换满瓶的办法。如果这种方法可行，则加氢站建设的思路可以大大放宽，我们只要建 立一些“换氢站”就能满足大量的需求。
２加氢站的设计思路选择
２．１加氢站系统组成及配置
加氢站系统所用的氢燃料主要分液氢和压缩的气体氢，目前我国生产的液氢主要是为航天工业服
１２
务，尚未普及到民用领域。众所周知，气态氢的密度很小，为提高单位容积的储氢量，燃料电池的公交 车和小轿车的均采用已商业化的耐压为３５ＭＰａ的高压储存容器，因此本文所述的加氢站是指高压压缩 氢气加氢站【７１。 （１）加氢站系统及其工艺流程和分类 高压压缩氢气加氢站系统其实与现在压缩天然气加气站系统相似，其基本的工艺流程如图ｌ所示：
１４
我国市售氢气，过去大多以电解法制氢，因此在１９８３年和１９９５年制订和修订的氢气国家标准中的 使用范围都规定“本标准适用于水电解法和食盐电解法制取之压缩与未压缩的氢”【１３１。随着科学技术的进 步，我国已开发出很多工业规模的氢气生产与提纯方法，当前国内向市场供氢的主要制氢方法有：以煤 为原料的水煤气、半水煤气和焦炉气制氢：天然气和石油产品转换制氢；各种＿［业尾气的回收和氯碱厂 的副产氢回收制氢；化学裂解制氢以及水电解制氢等。根据不同的氢气源和不同用氢场合对氢气质量的 不同技术要求，已采用深冷分离、变温吸附、变压吸附、膜分离、金属氢化物等方法及其联用技术提纯 氢气，选择一种适宜的分离提纯方法，不但可以降低氢气的生产成本，同时还可能开发更多的氢气源。 由于高新技术产业的发展，工业用氢的范围在扩大，氢燃料的应用也提到议事日程，从而促使新的氢源 和新的提纯方法也加速引入制氢工业。鉴于经济体制的改变，一些大型企业将自用制氢装置的过剩氢气 开始投放市场，市售氢气出现了多品种，多部门供氢渠道。因此在２００３年修订氢气国家标准时将适用 范围一章修订成“本标准适用于化学裂解、电解、吸附、膜分离以及氢化物等方法制取的氢气”１１４ｌ。现在 我国的化石燃料制氢，特别是以煤为原料制氢和电解制氢，尾气及副产品回收制氢都有成熟的工艺，并 建有许多工业生产装置，通过国内掌握的的氢气提纯方法，可以生产工业氢、纯氢、高纯氢和超纯氢等 各种品位的氢气，产量和质量可以满足当前我国用氢之需。 ３．３从技术经济的角度看氢源 氢燃料的价格是关系到燃料电池汽车能否推广应用的关键问题之一，过去国内生产的氢气大多用作 化工原料，今后将有一部分作为燃料使用。既然要作汽车燃料，那么氢气的生产价格应与同比的汽油生 产价相仿，不然就可能失去竞争力。燃料电池汽车再好，但燃料价格过高，也是难以推广使用的，这个 问题早已引起国际上的重视，美国能源部在２００５年实施氢燃料电池的新技术研究规划中，把降低制氢 价格作为２００６年要达到的里程碑标志性成果之一，希望相当于每加仑汽油的氢要达到３美元ＩＩ Ｊ。假如： 小轿车跑ｌＯｋｍ需１公升汽油，１．２ｋｇ氢气可供燃料电池汽车行驶ｌＯＯｋｍ来计算１６１，则美国政府攻关指 标是每立方米氢气价约为０．６美元。就我国而言，现在９３”汽油零售价为４．９元／Ｌ，则每立方米氢的售价 为３．６７元时，氢燃料的经济性与汽油相当。据测算，我国水电解制氢每生产ｌｍ３纯氢耗电５．５—７．５ｋＷｈ， 生产成本约３．５－４．５元：氨分解制氢，每生产ｌｍ３纯氢，用氨０．７ｋｇ，耗电２ｋＷｈ，生产成本约２．０－２．６ 元；甲醇裂解制氢，每生产ｌ ｍ３纯氢，需０．６６ｋｇ甲醇，耗电１．５ｋＷｈ，生产成本约２．２～２．６元；用变压 吸附从焦炉气中回收氢气制取纯氢，每生产ｌｍ３约是电解制氢生产成本的三分之一，约１．３～１．７元：以 合成氨原料气（含弛放气），经膜分离和变压吸附制取纯氢，其每１ｍ３生产成本与从焦炉气中回收氢气 制取纯氢相仿，约１．２～１．５元【１５１。因此，当前，我国为燃料电池汽车提供氢气的经济方法是合理回收副 产氢气【１６ｌ［１７ｌ。
浅谈我国燃料电池汽车加氢站的建设
蔡体杰１，刘炜炜２，刘友良３
（１．技术顾问：中国工业气体工业协会专家委员，２．上海浦江特种气体有限公司， 上海２００４３ｌ。３．上海淞化气体化工有限公司，上海２００４４３）
摘要：叙述了对我国建设燃料电池汽车用加氢站所涉及的建设思路和车用氢气的氢源选择的看法及有关建议。 关键词：加氢站；氢源：质量指标；经济性能
硫的要求更加苛刻，其允许含量为ｐｐｂ级，但二氧化碳的存在对其影响不大…【７Ｊ。
另有资料介绍【４Ｊ，根据国外的氢气质量指标及燃料电池研发公司提出的要求，我国燃料电池汽车使 用的氢气纯度大于９９．９９％，并规定全要控制杂质为二氧化碳、氧、一氧化碳、硫、氯、氨包括水份， 还有颗粒物等都要达到要求。实践证明这样规定还是可行的，但文中没有给出这些控制杂质的允许含量。 在日本的“ＪＩ－ＩＦＣ计划和加氢站基础建设的展望”一文中详细地介绍了日本氢燃料电池扩大试验计划 （ＪＨＦＣ计划）的实施过程，用天然气转换制氢，实际加注燃料电池汽车的氢气质量为：氢气纯度９９．９９％， 其中一氧化碳＜Ｏ．Ｉｐｐｍ、二氧化碳＜１ｐｐｍ、氧＜２ｐｐｍ、氮＜５０ｐｐｍ，露点一６０＂Ｃ…Ｊ，用这种质量的氢气 已能满足日本燃料电池汽车用氢之需，其实日本的氢气质量介于我国国家标准纯氢与高纯氢技术指标之 间Ｉｌ副，但一氧化碳含量略低。 从上述介绍的资料可见，燃料电池汽车用氢气纯度应高于９９．９９％，但对氢中的杂质要求却不尽相 同，甚至还有很大差异。车用氢燃料的质量技术指标是决定氢源及纯化方法的关键。因此，在我国即将 开始建设燃料电池汽车加氢站之前，应加速研制氢燃料质量技术指标，通过试用加以验证，确保尽可能 少走弯路。 ３．２制氢及提纯