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加氫站工藝和運行安全

文檔作者：冼靜江林梓榮賴永鑫汪雙鳳文檔來源： 1．佛山市汽車燃氣有限公司 2．華南理工大學(xué)		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年03月11日
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第37卷第9期
2017年9月
煤氣與熱力
GAS &amp;amp; HEAT
Vol_37 No．9
Sep．2017
· 燃氣汽車·船舶·加氣站·
加氫站工藝和運行安全
冼靜江 ， 林梓榮 ， 賴永鑫 ， 汪雙鳳
(1．佛山市汽車燃氣有限公司，廣東佛山528000；2．華南理工大學(xué)，廣東廣州510641)
摘要： 概述燃料電池汽車加氫站在國內(nèi)外的發(fā)展狀況，介紹加氫站工藝流程及其主要設(shè)
備，分析氫氣的特性，提出加氫站運行的安全措施及應(yīng)急處置方案。
關(guān)鍵詞： 燃料電池汽車； 加氫站； 加氫站工藝； 加氫站設(shè)備； 安全措施； 應(yīng)急方案
中圖分類號：U473．8 文獻標志碼：B 文章編號：1000—4416(2017)09—0B01—06
1 概述
氫氣因其燃燒只生成水，且來源豐富，被譽為是
本世紀最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉础Ｒ詺錃鉃槟茉吹?
燃料電池汽車具有環(huán)保、高效、零污染、零排放等優(yōu)
點。加拿大在1993年研制出了世界首輛燃料電池
汽車，此后燃料電池汽車受到各國越來越多的關(guān)注。
2014年l2月，日本豐田公司推出了世界上第一款
批量生產(chǎn)的燃料電池汽車車型—— “MIRAI”號? ，
這標志著燃料電池汽車商業(yè)化的大門正在打開。作
為燃料電池汽車氫能源供應(yīng)的保障，加氫站的建設(shè)
顯得尤為重要。然而就目前而言，加氫站的數(shù)量尚
難以形成供氣網(wǎng)絡(luò)，其供應(yīng)能力也成為燃料電池汽
車推廣的瓶頸之一；另一方面，由于氫氣屬于易燃易
爆氣體，因此加氫站運行的安全問題應(yīng)引起高度重
視。
2 國內(nèi)外加氫站發(fā)展狀況
加氫站在國外的起步較早，20世紀末，在當?shù)?
政府和企業(yè)的共同推動下，德國啟動了加氫站示范
項目，并在慕尼黑機場建成了世界首座加氫站，此后
世界各國相繼開始推動加氫站的建設(shè)。據(jù)
H2Stations網(wǎng)站的統(tǒng)計，截至2017年初，全球有274
座加氫站正在運營。從世界范圍的分布來看，德國、
英國、美國、日本等國家正在大力投資建設(shè)加氫站，
其中歐洲、美國、日本的在役加氫站總數(shù)占全球總數(shù)
約90％。日本僅在2016年就新增了45座加氫站，
成為了目前世界上加氫站數(shù)量增長最快的國家，同
時其現(xiàn)有加氫站數(shù)量也居世界第一。2017年5月，
日本的日產(chǎn)、本田、豐田三大汽車廠商宣布，將通力
合作，計劃于2020年前在日本境內(nèi)建設(shè)160座加氫
站。在加氫站網(wǎng)絡(luò)密集度方面，丹麥率先實現(xiàn)了國
內(nèi)加氫網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，這將極大地推進燃料電池技術(shù)
的提升和燃料電池汽車的應(yīng)用。2017年3月7日，
美國空氣產(chǎn)品公司(Air Products)宣布，公司旗下的
美國加州加氫站氫氣定價為9．99美 ，這是燃
料電池汽車氫能源供應(yīng)走向低價格的一個里程碑，
從而進一步加快了燃料電池汽車的商業(yè)化步伐。
為了推動燃料電池汽車的發(fā)展，中國也正在積
極建設(shè)加氫站。2003年，科學(xué)技術(shù)部正式啟動“燃
料電池汽車高壓氫氣加氣站及供氫技術(shù)研發(fā)”863
項目 J。2006年6月29 13，在北京中關(guān)村內(nèi)，中國
建成了第一座站內(nèi)制氫加氫站 ，該加氫站為北京
奧運會期間的示范性新能源汽車提供氫氣加注服
務(wù)，體現(xiàn)了“科技奧運、綠色奧運”的理念。中國目
前的加氫站數(shù)量相對較少，且大多數(shù)僅為示范作用。
根據(jù)H2Stations網(wǎng)站已有的數(shù)據(jù)，2017年中國大陸
范圍內(nèi)正在運營的加氫站有4座，分別位于北京、上
海、廣東深圳以及河南鄭州；已建成的加氫站有2
作者簡介：冼靜江，男，工程師，學(xué)士，從事城市燃氣技術(shù)管理工作。
收稿日期：2016—10—20； 修回日期：2017—08—12
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第37卷第9期 煤氣與熱力
座，分別位于遼寧大連和廣東佛山；而計劃建設(shè)的加
氫站為2座，分別位于廣東云浮和江蘇如皋。國內(nèi)
已有加氫站的運營及建設(shè)情況見表1 E4-6]。除表l
外，上海世博加氫站和廣州亞運加氫站分別在2010
年上海世博會和2010年廣州亞運會期間起到示范
作用，但隨后都被拆除。
此外，國家政策目前也在積極推進燃料電池汽
車及加氫站的發(fā)展。例如，2014年11月18日，財
政部、科學(xué)技術(shù)部、工業(yè)和信息化部、國家發(fā)展和改
革委員會聯(lián)合發(fā)布了(財建[2014]692號)《關(guān)于新
能源汽車充電設(shè)施建設(shè)獎勵的通知》，將對加氫站
給予獎勵，對符合加氫站國家技術(shù)標準且每天加氫
不少于200 kg的加氫站，將給予400×10 元的補
貼。
表1 國內(nèi)已有加氫站的運營及建設(shè)情況 。
加氫站名稱 建成時間 加氫站概況 運營狀況
北京中關(guān)村加氫站 2006 為站內(nèi)制氫加氫站，電解水制氫，制氫能力約為 1 200 m ／d，最高儲存壓力 運營中
為54 MPa，加注壓力為35 MPa
上海安亭加氫站 2007 為站外制氫加氫站，儲氫量為800 kg，最高儲存壓力為43 MPa，加注壓力為 運營中
35 MPa
深圳大運會加氫站 2011 為站外制氫加氫站，最大儲氫量為 300 kg，最高儲存壓力為43 MPa，加注壓 運營中
力為35 MPa
鄭州宇通加氫站 加15 為站外制氫加氫站 ，日加氫能力為 210 kg，最高儲存壓力為45 MPa，加注壓 運營中
力為35 MPa
大連加氫站 2016 為站內(nèi)制氫加氫站，可再生能源制氫，最高儲存壓力為90 MPa，加注壓力為
70 MPa 已建成
廣東佛山加氫站 2017 為站外制氫加氫站，儲氫量達360 kg，每日能為10輛公交車和20輛轎車加
注氫氣 已建成
廣東云浮加氫站 建設(shè)中 為站外制氫加氫站，主要以20 MPa、45 MPa儲氫罐和壓縮機為基礎(chǔ) 建設(shè)中
江蘇如皋加氫站 建設(shè)中 為站外制氫加氫站，儲氫量為980 kg，日加氫能力約為2 000 kg／d 建設(shè)中
3 加氫站的工藝及設(shè)備
3．1 加氨站的工藝流程
按照不同的分類方法，加氫站可以分為多種類
型。按照制氫地點，加氫站可分為站外制氫加氫站
(off—site)和站內(nèi)制氫加氫站(Oil—site)；按照儲存
地點，可分為固定式加氫站和移動式加氫站；按照氫
氣儲存狀態(tài)，可分為液氫加氫站和高壓氫氣加氫站；
按照加注方式，可分為單級加注加氫站和多級加注
加氫站；按照制氫方式分，加氫站可分為電解水制氫
加氫站、工業(yè)副產(chǎn)氫加氫站、天然氣重整制氫加氫
站、甲醇重整制氫加氫站等。
業(yè)界通常將加氫站分為站外制氫加氫站和站內(nèi)
制氫加氫站兩種。
3．1．1 站外制氫加氫站
站外制氫加氫站在加氫站內(nèi)無氫氣生產(chǎn)裝置，
其氫氣是通過氫氣長管拖車(運輸高壓氣態(tài)氫)、液
氫槽車(運輸?shù)蜏匾簯B(tài)氫)或者管道輸送的方式進
行運輸，其氫氣來源可以是工業(yè)副產(chǎn)氫、天然氣重整
制氫、甲醇重整制氫、電解水制氫等等。氫氣運至加
氫站后，在站內(nèi)進行壓縮、儲存、加注等步驟。
氫氣長管拖車供氫加氫站工藝流程見圖1。氫
氣長管拖車將氫氣運輸至加氫站后，裝有氫氣的半
掛車與牽引車分離并和卸氣柱相連接。隨后氫氣進
入壓縮機內(nèi)被壓縮，并先后輸送至高壓、中壓、低壓
儲氫罐(或氫氣儲氣瓶組，本文以儲氫罐為例進行
說明，以下同)中分級儲存。需要對汽車進行加注
服務(wù)時，加氫機可以先后從氫氣長管拖車、低壓儲氫
罐、中壓儲氫罐、高壓儲氫罐中按順序取氣進行加
注。
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圖1 氫氣長管拖車供氫加氫站工藝流程
液氫槽車供氫加氫站工藝流程見圖2。液氫槽
冼靜江，等：加氫站工藝和運行安全 第37卷第9期
車將液氫運輸至加氫站，與加氫站連接后進人站內(nèi)
的液氫儲罐。液氫儲罐中的氫通過氣化器進行氣
化，氣化后的氫氣進入緩沖罐。隨后進入壓縮機內(nèi)
被壓縮，并先后輸送至高壓、中壓、低壓儲氫罐中分
級儲存。需要對汽車進行加注服務(wù)時，加氫機可以
先后從低壓儲氫罐、中壓儲氫罐、高壓儲氫罐中按順
序取氣進行加注。
圖2 液氫槽車供氫加氫站工藝流程
管道輸送供氫加氫站工藝流程見圖3。目前采
用管道輸送方式的加氫站較少。該流程是氫氣先從
氫氣管道中進入緩沖罐，隨后進入壓縮機內(nèi)被壓縮。
然后，先后輸送至高壓、中壓、低壓儲氫罐中分級儲
存。需要對汽車進行加注服務(wù)時，加氫機可以先后
從低壓儲氫罐、中壓儲氫罐、高壓儲氫罐中按順序取
氣進行加注。
氫燃料電池汽車 加氫機
圖3 管道輸送供氫加氫站工藝流程
3．1．2 站內(nèi)制氫加氫站
站內(nèi)制氫加氫站是在加氫站內(nèi)自備了制氫系
統(tǒng)，可以自主制取氫氣，氫氣經(jīng)純化和壓縮后進行儲
存。目前小型的站內(nèi)制氫加氫站主要采用站內(nèi)電解
水的方法制氫。另外，還有站內(nèi)天然氣重整制氫、甲
醇重整制氫、太陽能或風(fēng)能制氫等等。站內(nèi)制氫的
方式無須用到運輸槽車或氫氣長管拖車，雖然可以
省去相對較高的氫氣運輸費用，但是增加了加氫站
系統(tǒng)的復(fù)雜程度。
站內(nèi)電解水制氫加氫站工藝流程見圖4。水在
電解裝置的陰陽兩極分別產(chǎn)生氫氣和氧氣。氫氣進
入氣水分離器進行干燥，干燥后在氫氣純化器中純
化。本流程中純化的目的是除去氧氣及雜質(zhì)，以達
到燃料電池汽車對氫氣質(zhì)量的要求(氫氣體積分數(shù)
>99．999 9％)。純化后的氫氣通過緩沖罐后進入
壓縮機內(nèi)被壓縮，并先后輸送至高壓、中壓、低壓儲
氫罐中分級儲存。需要對汽車進行加注服務(wù)時，加
氫機可以先后從低壓儲氫罐、中壓儲氫罐、高壓儲氫
罐中按順序取氣進行加注。
氫燃料電池汽車 加氫機 儲氫罐
圖4 站內(nèi)電解水制氫加氫站工藝流程
站內(nèi)天然氣重整制氫加氫站工藝流程見圖5。
脫硫后的天然氣和水蒸氣在高溫、催化劑的條件下
在重整裝置中反應(yīng)生成氫氣、一氧化碳以及二氧化
碳等。隨后通過變壓吸附裝置(PSA)將氫氣分離出
來 J。分離出來的氫氣進一步在氫氣純化器中純
化。本流程中純化的目的是進一步除去一氧化碳、
二氧化碳、甲烷等雜質(zhì)，以達到燃料電池汽車對氫氣
質(zhì)量的要求(氫氣體積分數(shù)>99．999 9％)。純化后
的氫氣通過緩沖罐后進入壓縮機內(nèi)被壓縮，并先后
輸送至高壓、中壓、低壓儲氫罐中分級儲存。需要對
汽車進行加注服務(wù)時，加氫機可以先后從低壓儲氫
罐、中壓儲氫罐、高壓儲氫罐中按順序取氣進行加
注。
3．2 加氫站的主要設(shè)備
加氫站與現(xiàn)有較為成熟的壓縮天然氣(CNG)
加氣站相似，主要包括卸氣柱、壓縮機、儲氫罐、加氫
機、管道、控制系統(tǒng)、氮氣吹掃裝置、放散裝置以及安
全監(jiān)控裝置等等。下面介紹加氫站的三大核心設(shè)備
(壓縮機、儲氫罐、加氫機)，并以上海世博加氫站
為例進行說明。
3．2．1 壓縮機
目前加氫站使用的壓縮機主要有隔膜式壓縮機
和離子式壓縮機兩種。隔膜式壓縮機因無需潤滑油
· B 03 ·
第37卷第9期 煤氣與熱力
氫燃料電池汽車 加氫機 儲氫罐
圖5 站內(nèi)天然氣重整制氫加氫站工藝流程
潤滑，從而能夠獲得滿足燃料電池汽車純度要求的
高壓氫氣。但隔膜式壓縮機在壓縮過程中需要采用
空氣冷卻或液體冷卻的方式進行降溫。
離子式壓縮機能實現(xiàn)等溫壓縮，但因技術(shù)尚未
成熟，沒有大規(guī)模使用。
上海世博加氫站的壓縮機采用了4臺PDC一4
— 6000型隔膜式壓縮機，每臺壓縮機額定功率為
18．5 kW，吸氣壓力為6—22 MPa，排氣壓力為46
MPa，額定流量(折合成標準狀態(tài))為55 m ／h。采
用水冷卻的方式對壓縮機進行降溫，每2臺壓縮機
共用一套冷卻裝置。壓縮機工作時，根據(jù)所需流量，
4臺壓縮機可以采用1用3備、2用2備或3用1備
等模式對氫氣進行壓縮。
3．2．2 儲氫罐
儲氫罐是加氫站的核心設(shè)備之一，很大程度上
決定了加氫站的氫氣供給能力。加氫站內(nèi)的儲氫罐
通常采用低壓(20～30 MPa)、中壓(30～40 MPa)、
高壓(40—75 MPa)三級壓力進行儲存。有時氫氣
長管拖車也作為一級儲氣(10—20 MPa)設(shè)施，構(gòu)成
4級儲氣的方式。上海世博加氫站的設(shè)計最高儲氫
壓力為45 MPa，其中低壓儲氫罐3臺，中壓儲氫罐6
臺，高壓儲氫罐6臺。每臺儲氫罐的直徑為0．406
m，容積約為0．767 m 。15臺儲氫罐總儲氫量約為
360 kg。上海世博加氫站將氫氣長管拖車也作為一
級儲氣設(shè)施，構(gòu)成氫氣長管拖車、低壓儲氫罐、中壓
儲氫罐及高壓儲氫罐共4級儲氣的方式。每輛氫氣
長管拖車實際儲氫量約為250 kg，加氫站內(nèi)可以同
時連接2輛氫氣長管拖車，故氫氣長管拖車總儲氫
量約為500 kg。
3．2．3 加氫機
加氫機是實現(xiàn)氫氣加注服務(wù)的設(shè)備，加氫機上
裝有壓力傳感器、溫度傳感器、計量裝置、取氣優(yōu)先
控制裝置、安全裝置等等。當燃料電池汽車需要加
注氫氣時，若加氫站是采用4級儲氣的方式，則加氫
機首先從氫氣長管拖車中取氣；當氫氣長管拖車中
的氫氣壓力與車載儲氫瓶的壓力達到平衡時，轉(zhuǎn)由
低壓儲氫罐供氣；依此類推，然后分別是從中壓、高
壓儲氫罐中取氣；當高壓儲氫罐的壓力無法將車載
儲氫瓶加注至設(shè)定壓力時，則啟動壓縮機進行加注。
加注完成后，壓縮機按照高、中、低壓的順序為三級
儲氫罐補充氫氣，以待下一次的加注。這樣分級加
注的方式有利于減少壓縮機的功耗。
上海世博加氫站的加氫機額定加注壓力分為
25 MPa和35 MPa兩種，采用4臺雙槍加氫機，每臺
加氫機雙槍最大加注能力為3 k min。另外，根據(jù)
國際標準ISO／TS 15869—2009(氣態(tài)氫和氫的混合
物——陸地車輛油箱》的規(guī)定，車載儲氫瓶的溫度
不可超過85℃ 。因此，氫氣在加注前需要經(jīng)過管道
換熱預(yù)冷。上海世博加氫站在加注氫氣前，先將氫
氣預(yù)冷至一20℃。其冷卻方式是，氫氣從儲氫罐來
到加氫機時，先進入一個換熱裝置與其中的冷流體
充分換熱后降溫，然后氫氣通過加氫機為燃料電池
汽車加注氫氣。
4 加氫站運行的安全措施及應(yīng)急處置方案
4．1 氫氣火災(zāi)危險性分析
氫氣是一種清潔能源，其高熱值為12．74 MJ／
m ，低熱值為1O．79 MJ／m。。高壓超純氫(氫體積分
數(shù)>99．999 9％)可以作為燃料電池汽車的燃料，為
燃料電池汽車的發(fā)展提供了強勁的動力。但是，氫
氣的安全性也不容忽視，其相關(guān)危險性如下。
① 易燃易爆性。氫氣易燃易爆，為甲類可燃
氣體，極易被引燃，著火能量僅為0．019 mJ，燃點為
574℃ ，燃燒時形成火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤靺s不易被察覺
的淡藍色火焰，與空氣混合的爆炸極限(體積分數(shù))
范圍為4．1％ ～74．1％。氫氣因其密度小且擴散性
強，容易在容器或建筑屋頂部聚集，遇到明火極易燃
燒甚至爆炸。另外，氫氣通過閥門或管口快速泄放
時會產(chǎn)生靜電，有引起火災(zāi)、爆炸的風(fēng)險。
② 熱膨脹性。氫氣的熱膨脹性很高，隨溫度
的升高體積明顯膨脹，在壓力容器或管道中，當溫度
升高時可能使其超壓或者引發(fā)氫氣泄漏，有較大的
危險性。由于氫氣比空氣輕，一旦泄漏更容易擴散
而不容易在設(shè)備或建筑物低處積聚 J。
③ 氫氣雖然是一種無色、無味、無毒的氣體，
· B 04 ·
www．gasheat．cn 冼靜江，等：加氫站工藝和運行安全 第37卷第9期
但氫氣泄漏在空氣中較高濃度時會有令人缺氧甚至
窒息的風(fēng)險。另外，氫氣是一種較強的還原劑，化學(xué)
性質(zhì)活潑，能與氧氣、鹵素等氧化劑發(fā)生劇烈反應(yīng)。
④ 氫氣的相對分子質(zhì)量僅為2．01，密度僅為
0．089 9 g／L，是世界上最輕的氣體。相比于其他氣
體和液體，氫氣更容易從小孔中滲透、泄漏，且其擴
散速率快(在空氣中的擴散系數(shù)為0．61 cm ／s，為甲
烷的3．8倍)。此外，氫氣能對金屬材料造成多種
危害，如使金屬韌度降低、形成氫化物、高壓氫微細
穿孔、滲透等。例如，溶于鋼中的氫積聚為氫分子，
造成內(nèi)部應(yīng)力集中，形成小裂縫，稱為氫脆現(xiàn)象 J。
氫脆一旦發(fā)生便無法消除。
在加氫站中，包含了氫氣長管拖車、壓縮機、儲
氫罐、加氫機等含有高壓氫氣的設(shè)備，同時大多數(shù)加
氫站的壓力達到35 MPa甚至70 MPa的級別，氫脆
現(xiàn)象會對容器的性能造成損害并能形成泄漏。因
此，其安全問題應(yīng)該得到高度重視。GB 50516—
2010

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