加氫站的工藝分析及設計要點

胡 瑛

上海燃氣工程設計研究有限公司

0 概述

當前，在國內“雙碳”背景下，交通行業已迎來巨大變革，以電動汽車和燃料電池汽車為首的新能源汽車逐漸進入了應用領域。燃料電池汽車使用氫作燃料，是新能源汽車的重要組成部分。截至2020年底全球燃料電池汽車數量已突破3.4萬輛，其中我國達到了7 729輛，占到五分之一[1]。

燃料電池汽車產業的發展離不開其配套設施——加氫站。自2019年起我國加氫站建設駛入快車道。據2020年底統計，我國累計已建成加氫站128座，截至2021年7月，投運的建成站有116座。上海市是國內加氫站建設的先行城市，自2007年安亭加氫站始，至2020年底已建成9座。依據規劃，2025年前建設的加氫站會達到70座[2]（見表1）。

表1 2017-2020年燃料電池汽車和加氫站的統計

鑒于加氫站建設離不開設計規范的指導，2021年國家陸續頒布了新的加氫站設計規范，其中引入了一些新理念，故有必要重新審視加氫站的工藝、種類及其設計要點。

1 加氫工藝

加氫工藝按氫的不同形態，主要分為氣態和液態。

1.1 高壓氣態氫

按氣態氫的壓力等級，分為35 MPa和70 MPa兩類?？紤]技術和安全因素，國內主要發展35 MPa加氫站，占比達89%[1]。故以35 MPa高壓氣態加氫站作為工藝分析對象。

1）工藝裝備

氣態站的核心工藝裝備包含壓縮機、加氫機和儲氫容器三大件。

（1）壓縮機

壓縮機是將上游H2壓縮,儲存至儲氫容器內。常規形式有隔膜式和液驅式。目前，國內已建或在建的加氫站多采用技術最成熟的隔膜壓縮機，液驅式則適應頻繁啟停的場景，以林德為代表的新型離子液壓縮機已實現商用，鑒于后者節能高效的特點，未來也有應用前景[3]（見表2）。

表2 壓縮機的特點對比

（2）加氫機

加氫機是為燃料電池汽車的車載儲氫瓶充裝H2，其組成包括加氫槍、計量、取氣控制和冷卻設施等（見表3）。

表3 加氫機的主要功能

（3）儲氫容器

儲氫容器是將上游氫源儲存至站內，并為下游加注提供緩沖，有移動式和固定式兩種。移動式為長管拖車，固定式為儲氫瓶組（或罐）。35 MPa加氫站采用45 MPa儲氫瓶組，70 MPa加氫站采用90 MPa儲氫罐（見表4）。

表4 儲氫容器的分類

2）工藝流程

H2通過長管拖車輸送至站內，氣源壓力為20 MPa，氫純度不低于99.97%[4]。壓縮機從長管拖車取氣，增壓儲存至儲氫容器，車輛需要加氫時，再由壓縮機從儲氫容器取氣，通過加氫機計量后為車輛加注。

為提高加注效率，加氫機和容器一般采用多級取氣：先容器分組，再設定各組不同壓力，由低至高順序為汽車加注。儲氫容器一般為6～15瓶或1～3罐，分三級，有1:1:1或2:3:4等劃分形式[5]（見圖1）。

圖1 氣態站的工藝流程示意圖

1.2 低溫液態氫

液態氫加氫站是加氫站的另一種類型，目前全球已有120多座，占總數1/5[6]。液態相比氣態的儲運效率更高，大規模長途運輸有經濟性[7]。

液態站區別于氣態站的主要工藝裝備有液氫儲罐、液氫泵和氣化器（高壓或低壓）等。液態氫存至站內液氫儲罐后，可先增壓再高壓氣化至站內儲氫容器，也可先低壓氣化再增壓至儲氫容器。前者利用液氫冷能為加氫機加注過程預冷，能耗低，但低溫泵和高壓氣化器技術門檻高；后者采用壓縮機增壓，能耗較高，但常規氣態壓縮機和低壓氣化器的技術門檻較低，兩種工藝各有優勢（見圖2）。

圖2 液態站的工藝流程示意圖

1.3 其他工藝形式

隨著技術發展，未來加氫站也會采用一些新的工藝形式。

1）有機液體

有機液體利用不飽和有機物液體的加氫和脫氫反應來實現儲氫，反應可逆、安全穩定且便于運輸，可利用現有加油站設施。常用液體如甲苯、吡啶及乙基咔唑等[8]。

2）固態材料

固體儲氫利用氫氣與儲氫材料之間發生物化反應轉化為固溶體或氫化物進行儲氫。這種方式儲氫體積密度大、運輸方便且低壓安全，發展潛力大[9]。

2 建設類型

2.1 定義

按站內能源服務形式，加氫站主要分為純氫站和合建站。

1）純氫站

純氫站指單純提供加氫服務的獨立能源加注站，服務對象僅為燃料電池汽車。純氫站又可分為固定站和撬裝站，其中撬裝站是臨時加氫過渡設施，但建設審批同樣執行固定站要求。

2）合建站

合建站指加氫和其他一種或多種能源服務（加油、加氣、充電）合建的加注站。合建站的優勢在于可有效服務于現階段多種車用能源并存的場景。

2.2 建站分類

1）純氫站（見表5、圖3）

表5 純氫站案例

圖3 純氫站展示圖

固定站工藝分為氣態和液態，其設計需滿足標準要求、符合安全間距；撬裝站和固定站工藝原理基本相同，為實現快速投運，會采用減少儲氫容積、使用液驅壓縮的加注一體裝備。

2）合建站（見表6、圖4）

圖4 合建站展示圖

表6 國內合建站案例

（1）加氫加油合建站

此類加氫站帶有一定的行業屬性。從國內發展看，中石油和中石化等傳統油企傾向于發展油氫合建站。利用以油補氫來支持加氫站的發展，這也是當前國內維持加氫站市場運營的一種商業模式。

（2）加氫加氣合建站

以華潤為代表的燃氣企業在低碳能源轉型發展中也十分重視加氫站，并可利用其現有加氣站用地實施合建。

（3）加氫充電合建站

充電站是新能源的最終發展趨勢，電力企業在轉型過程中，充分把握行業優勢，將充電和加氫進行合建。

（4）綜合能源站

綜合能源站指三種及以上能源服務合建的類型，包含加油、加氣、充電和加氫，俗稱“四位一體”。綜合能源站能夠提供多種能源服務方式，是未來合建站的主流趨勢。

3 設計要點

3.1 規范發展的時間軸

我國加氫站設計起步于2010年，當時住建部發布了《加氫站技術規范》（GB50516），形成基礎是2007年上海和北京等兩座示范站，該標準可指導國內加氫站的設計。但2010版中存在一些缺漏，如針對合建站僅說明了兩種合建情況，對于三種及以上的合建來說，定義不明。

2021年為進一步指導純氫站及合建站的設計，《加氫站技術規范》2021年修訂版移除了合建站內容，將合建站并入2021年頒布的新版《汽車加油加氣加氫站技術標準》（GB50156-2021）。至此，2021年兩本規范的同時修訂終于完善了純氫站及合建站的設計依據，在新形勢下可有效指導各類加氫站的設計。

下文中《加氫站技術規范》（GB50516-2010（2021版））簡稱GB50516；《汽車加油加氣加氫站技術標準》（GB50156-2021）簡稱GB50156。

3.2 設計要點分析

3.2.1 采標依據

純氫站和合建站都是加氫站，存在規范的采用問題。

解析：按上述兩本規范的適用定義，純氫站適用于GB50516，合建站則更適用于GB50156，但GB50156未明確的內容仍應參照GB50516執行（見表7）。

表7 加氫站設計建議采標情況

3.2.2 GB50516主要更新條款

GB50516新版是在原2010年版基礎上進行了有限修訂。

1）主要更新條款（見表8）

表8 GB50516的更新條款

設計中需重視上述更新條款，其中最重要的更新條款解釋如下。

2）重要更新條款的解析

（1）允許液氫和站內制氫

條款：3.0.1

“加氫站應結合供氫方式進行設計。加氫站可采用氫氣長管拖車運輸、氫氣管束式集裝箱運輸、液氫罐車運輸、液氫罐式集裝箱運輸、管道輸送或站內制氫系統等方式供氫。加氫站可與天然氣加氣站或加油站聯合建站?！?/p>

解析：該條款引入了液態氫的供氫方式，同時明確允許站內制氫，為未來加氫站工藝形式的豐富提供了重要依據。

（2）等級規模調整（見表9）

表9 兩版加氫站等級劃分對比

條款：3.0.2

解析：二、三級站將是今后城市建成區的主要形式，本次更新調整了這兩級的上限和單罐規模，有利于新能源設施的規模普及；此外，一、二級站新的分界為5 000 kg，與國內其他規范對?；分卮笪ｋU源的識別一致[10]。

3.2.3 GB50516與GB50156對照

雖然兩本規范都是2021年頒布，且分別適用于純氫站和合建站。但在應用中有個別條款存在差異，需在設計過程中仔細甄別。

1）差異性條款（見表10）

表10 兩本規范的差異性條款

2）主要差異性條款的解析

（1）儲氫容器與壓縮機的安全間距

條款號:GB50516-5.0.1A;GB50156-5.0.14

解析：GB50516中，儲氫容器（含槽車）分三級，與壓縮機之間安全間距是9 m；GB50156中取消了儲氫容器的分級和壓縮機的間距要求。

合建站的用地更緊湊，因此GB50156條款符合其集約用地的現狀。但在設計中，仍應盡量兼顧兩本規范的安全措施，建議合建站有條件也可引入中間防爆墻（GB50516有要求），來提高取消安全間距后的本質安全。

（2）圍墻設置

條款號:GB50156-10.7.5

解析：GB50516的純氫站僅有加氫的一種工藝設備區；GB50156的合建站有不同類型的工藝設備區，因此后者新增規定“站內固定儲氫容器、氫氣儲氣井、氫氣壓縮機與加氫區、加油站地上工藝設備區、加氣站工藝設備區、站房、輔助設施之間應設置不小于0.2 m厚的鋼筋混凝土實體防護墻或厚度不小于6 mm且支持牢固的鋼板”。

該條在設計合建站時應嚴格執行，另外考慮到鋼不耐久火，建議更多使用鋼筋混凝土實體防護墻來進行隔離保護。

（3）放散總管的控制半徑

條款號：GB50516-6.5.4;GB50156-10.6.5

解析：純氫站內建構筑物較少，因此放散總管高出全站實施最高點2 m是可以做到的。但合建站中設施較多，如不同的加油和加氣罩棚，且綜合能源站的占地更大，因此高出全站所有設施2 m較難實現，會造成放散總管高度太高，故設置了12 m范圍要求，十分合理。

此外油氣與城燃等行業對放散總管的控制半徑也有不同，可對比學習（見表11）。

表11 放散總管高出周邊建構筑物2 m的控制半徑

4 結論

本文主要介紹了加氫站的不同工藝流程、加氫站的不同建設類型、純氫站和合建站的設計規范采用、解析GB50516和GB50156的差異性內容。

加氫站是氫能產業的核心配套設施，符合新能源汽車發展潮流，伴隨著技術的不斷進步，加氫站設計者們還將繼續不斷地對加氫工藝及設計規范進行完善。