加氫站的技術(shù)特點(diǎn)

加氫站的技術(shù)特點(diǎn)歐盟的CUTE和ECOTS商業(yè)示范項(xiàng)目共在10個(gè)城市進(jìn)行。每個(gè)城市都采用了相同的Citaro燃料電池大客車，主要目的是檢驗(yàn)不同的地理、氣候和城市交通狀況對車輛運(yùn)行的影響。加氫站的建設(shè)則燃料電池大客車的選用截然不同，各自采用了不同的技術(shù)方案，其目的在于分析、比較各種供氫方式的設(shè)備可靠性、運(yùn)行穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。10個(gè)城市加氫站的技術(shù)路線可分為三類：電解水制氫、外供氫和天然氣重整制氫，其技術(shù)路線示意圖分別如圖2、3、4所示。圖2、電解水制氫技術(shù)路線圖3、外供氫技術(shù)路線圖4、天然氣重整制氫技術(shù)路線電解水制氫裝置電解水制氫的技術(shù)目前已經(jīng)十分成熟，歐洲的10個(gè)城市的加氫站中有5個(gè)采用的就是這種技術(shù)，所考察的斯德哥爾摩、雷克雅未克、阿姆斯特丹和漢堡站都是電解水制氫的加氫站。電解水制氫裝置利用電力將水分解成氫氣和氧氣后，利用壓縮機(jī)將氫氣以高壓形式儲存在儲罐中，通過加注機(jī)完成向燃料電池大客車的氫氣加注。由于回收成本的問題，制氫過程中所生成的氧氣一般都直接排放到大氣中?？疾斓?個(gè)電解水站的制氫裝置由NorskHydroElectrolysers（2個(gè)站）和StuartEnergyEurope（2個(gè)站）提供。因電解水制氫技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得相當(dāng)成熟，各個(gè)站均采用了高度集成的整體殼裝式設(shè)備（參見圖5），十分便于安裝，大大提高了自動化程度，同時(shí)減少了設(shè)備所占用空間。圖5、阿姆斯特丹站（左）和漢堡站的電解水制氫裝置因?yàn)橥瑯邮菫榱藵M足3輛Citaro燃料電池大客車的用氫需要，所以各個(gè)加氫站電解水制氫裝置的設(shè)計(jì)能力相當(dāng)，其主要性能如表1所示。表1、水電解制氫設(shè)備性能對比城市斯德哥爾摩雷克雅未克阿姆斯特丹漢堡制氫能力（Nm3/h）60606060電力供應(yīng)（kW,AC）400390390400電耗（kWh/Nm3）4.8±0.14.8±0.14.8±0.14.8±0.1電解液（%KOH）30303030氫氣壓力（bar）10121012設(shè)備可用率（%）>90989898尺寸（L×W×H,m）12.2×2.55×2.9（含冷凝器）7.7×2.5×4.312.2×2.55×2.9（含冷凝器）7.7×2.5×4.3為體現(xiàn)清潔能源的概念，各個(gè)城市的項(xiàng)目承擔(dān)方特別聲明用于電解水的電力均來自水利、風(fēng)能、太陽能、地?zé)岷蜕镔|(zhì)能等可再生能源，并由電力供應(yīng)商做出相應(yīng)的保證，但實(shí)際上除冰島雷克雅未克站上使用的是真正的清潔電力（85%地?zé)岚l(fā)電，15%水利發(fā)電）外，其它城市使用的都是歐洲大電網(wǎng)所提供的電力，其中應(yīng)有一定份額的火電、核電這樣的不可再生能源。需要特別指出的是，雖然在冰島雷克雅未克和德國漢堡所使用的電解水制氫裝置由挪威NorskHydroElectrolysers公司提供，但實(shí)際設(shè)備生產(chǎn)商是位于我國河北邯鄲的船舶重工集團(tuán)公司第七一八研究所，這表明我國在電解水制氫技術(shù)開發(fā)和設(shè)備生產(chǎn)等領(lǐng)域已經(jīng)達(dá)到了世界水平。2、高壓氫氣瓶集束拖車盧森堡站是所考察的六個(gè)加氫站中唯一使用外供氫氣對燃料電池大客車進(jìn)行加注的。其氫氣來自于200公里以外的一家比利時(shí)鋼鐵企業(yè)的副產(chǎn)氫氣，由AirLiquide制備并負(fù)責(zé)運(yùn)輸。管理加氫站的盧森堡公交公司向AirLiquide租借運(yùn)輸氫氣的3輛高壓氫氣瓶集束拖車（參見圖6），每輛拖車裝有18個(gè)高壓氫氣瓶，每次可以以200bar的壓力運(yùn)送4000Nm3的氫氣。平時(shí)站區(qū)里停泊有2輛拖車，另一輛車往返加氫站和氫源之間，運(yùn)送氫氣，替換站內(nèi)的空車。圖6、盧森堡站所使用的高壓氫氣瓶集束拖車每輛拖車上均裝有壓力傳感器，當(dāng)車上氣瓶的壓力下降到一定程度后，傳感器會自動通知30公里以外的AirLiquide分部的辦公室，以便著手進(jìn)行氫氣運(yùn)輸。拖車的更換大約每2天1次。拖車上高壓氫氣瓶中的氫氣通過管道直接連接到加注機(jī)（參見圖7）。圖7、拖車上的氣瓶直接參與加注由于運(yùn)送來的氫氣已經(jīng)有200bar的壓力，其壓力完全可以滿足給車輛添加燃料時(shí)中、低壓加注的需要，因此，運(yùn)送來的一部分氫氣可以在加注機(jī)內(nèi)壓力邏輯控制盤的調(diào)節(jié)下直接向車輛加注，而不需要通過高壓氫氣壓縮機(jī)。當(dāng)燃料電池大客車車載氣瓶的壓力與拖車上氣瓶的壓力趨于平衡后，再啟用站上壓力為438bar的高壓氫氣儲罐中的氫氣繼續(xù)加注過程。這種加注方式可以大大降低氫氣壓縮機(jī)的功耗，同時(shí)減少站上所需的高壓氫氣儲罐的容積。3、天然氣重整制氫裝置天然氣重整制氫具有制氫成本低的優(yōu)點(diǎn)，并能充分利用已有的天然氣基礎(chǔ)設(shè)施來發(fā)展氫能基礎(chǔ)設(shè)施，但其設(shè)備初投資較大、制備的氫氣需要經(jīng)過純化工藝方能滿足燃料電池的要求。大規(guī)模的天然氣重整制氫（>1000Nm3/h）已廣泛應(yīng)用于化工行業(yè)之中，加氫站站用規(guī)模（50–200Nm3/h）的天然氣重整制氫技術(shù)目前正在開發(fā)之中。歐洲CUTE計(jì)劃中，馬德里和斯圖加特兩個(gè)城市的加氫站都采用了天然氣重整制氫技術(shù)，其中斯圖加特站的天然氣重整裝置（參見圖8）由MahlerIGS公司設(shè)計(jì)并制造，制氫能力為100Nm3/h。與水電解制氫裝置類似，整套裝置集成在一個(gè)框架之內(nèi)，便于運(yùn)輸和現(xiàn)場安裝。圖8、斯圖加特站的天然氣重整制氫裝置所考察的天然氣重整制氫裝置的流程示意圖如圖9所示。將水轉(zhuǎn)變?yōu)樗羝臒崃縼碜杂谥卣磻?yīng)器所生成的高溫氫氣和燃燒煙氣。天然氣經(jīng)過預(yù)處理后，吸收氫氣的熱量，并與水蒸汽混合，進(jìn)入重整反應(yīng)器進(jìn)行重整反應(yīng)：CH4+H2O→CO+3H2CO+H2O→CO2+H2重整反應(yīng)的溫度約為900°C，其熱量來自部分天然氣和變壓吸附乏氣的燃燒。圖9、天然氣重整制氫裝置系統(tǒng)示意圖1、天然氣水蒸汽重整器；2、水汽置換反應(yīng)器；3、天然氣預(yù)處理；4、水預(yù)處理；5、冷凝器；6、7、8、9、10、11、熱交換器；12、空氣壓縮機(jī)；13、氫氣壓縮機(jī)；14、吸附塔。重整反應(yīng)所生成的氫氣經(jīng)換熱后，溫度降低，進(jìn)入水汽置換反應(yīng)器進(jìn)行水汽置換反應(yīng)：CO+H2O→CO2+H2該反應(yīng)進(jìn)一步生成氫氣，其反應(yīng)溫度約為320°C。生成的氫氣經(jīng)多次換熱，將熱量傳遞給原料后，進(jìn)入下一級純化工藝。重整制氫過程所使用的天然氣來自斯圖加特當(dāng)?shù)氐奶烊粴夤荆瑢?shí)際上，該加氫站就建在天然氣公司的場區(qū)內(nèi)。天然氣公司將未加硫的天然氣用于重整制氫，這樣，原料天然氣中的硫含量極低。MahlerIGS公司將原料天然氣通過鋅床脫硫作為預(yù)防手段，并不采用專門的脫硫措施，重整純化后所獲得的氫氣能滿足燃料電池的要求。氫氣的提純采用的是4塔變壓吸附（PSA）（參見圖10）。為獲得更大的氫氣產(chǎn)率，重整和水汽置換反應(yīng)在1.5bar的壓力下進(jìn)行，在進(jìn)入PSA之前，通過氫氣壓縮機(jī)將壓力提高到12bar，利用混合氣體中不同組分在塔內(nèi)吸附、解吸壓力的不同達(dá)到分離的目的。分離下來的雜質(zhì)氣體與部分天然氣混合后，返回重整器燃燒，提供反應(yīng)所需的熱量。圖10、變壓吸附氫氣純化裝置（左）和水蒸汽重整反應(yīng)器由于天然氣中不含硫，通過反應(yīng)器設(shè)計(jì)和燃燒控制，同時(shí)能夠有效地降低氮氧化物的生成，因此，重整器的燃燒煙氣中幾乎沒有SOx、NOx等污染物，煙氣直接排放到大氣中。自2003年10月斯圖加特站投入使用后，運(yùn)行發(fā)現(xiàn)水蒸汽重整反應(yīng)器（參見圖10）在設(shè)計(jì)上存在問題，主要表現(xiàn)為反應(yīng)器啟動困難和運(yùn)行不穩(wěn)定，經(jīng)6個(gè)月左右的問題查找、技術(shù)分析和設(shè)備改進(jìn)后，整套天然氣重整制氫裝置已能平穩(wěn)運(yùn)行。目前該裝置能夠快速啟動（少于一天）、快速停車（數(shù)小時(shí)），制氫能力能夠在40–100Nm3/h范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。若短期內(nèi)產(chǎn)氫過剩，站上會將氫氣直接排放以保證設(shè)備的正常連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，減少反復(fù)啟停對設(shè)備造成的沖擊。該制氫裝置的其它一些主要性能如表2所示。表2、天然氣重整制氫裝置主要性能制氫能力Nm3/h天然氣消耗Nm3/h水耗kg/h電耗kW(380V)尺寸L×W×H,m10046.51505012×2.5×2.5天然氣重整制氫過程中的重整反應(yīng)和水汽置換反應(yīng)均為催化反應(yīng)，根據(jù)MahlerIGS公司的介紹，所使用的催化劑為鎳基顆粒狀催化劑。由于涉及到反應(yīng)器設(shè)計(jì)的核心技術(shù)，催化劑的具體組成、顆粒的直徑、反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)和所做出的改進(jìn)等一些詳細(xì)技術(shù)內(nèi)容暫時(shí)無法獲得。MahlerIGS公司同時(shí)介紹：該天然氣重整制氫裝置使用了一些特殊設(shè)計(jì)，以防止反復(fù)啟動、停車對對催化劑和其它設(shè)備造成損害。這些設(shè)計(jì)被證明是成功的，自該裝置2004年3月正式運(yùn)行以來，沒有更換過催化劑，反應(yīng)器的性能也未見下降。這些特殊設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)有待今后進(jìn)一步了解。4、高壓氫氣壓縮機(jī)和增壓機(jī)氫氣的升壓通過高壓氫氣壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)。在歐洲建有加氫站的10個(gè)城市中，各種類型的壓縮機(jī)都有使用，所考察各站的壓縮機(jī)主要性能如表3所示。表3、高壓氫氣壓縮機(jī)性能比較城市斯德哥爾摩雷克雅未克阿姆斯特丹漢堡盧森堡斯圖加特壓縮機(jī)類型活塞液壓膜片液壓膜片膜片液壓壓縮級數(shù)211112壓縮能力（Nm3/h）5256230062601005380生產(chǎn)商CompAirHydroPacHoferLindeHoferBurtonCorblinIdroMeccanica為便于安裝，生產(chǎn)商將壓縮機(jī)都集成在一個(gè)密閉箱體中（僅盧森堡站的壓縮機(jī)在頂棚下敞開放置），這樣可以達(dá)到降低噪音的目的。圖11中給出了兩個(gè)站的壓縮機(jī)實(shí)例。圖11、阿姆斯特丹站（左）和斯德哥爾摩站的高壓氫氣壓縮機(jī)阿姆斯特丹站正式運(yùn)行后，壓縮機(jī)經(jīng)常發(fā)生故障。為減少現(xiàn)場維修時(shí)間，滿足維修服務(wù)合同中設(shè)備可用率的要求，壓縮機(jī)生產(chǎn)商Linde公司在壓縮機(jī)故障時(shí)采用整體更換壓縮機(jī)單元的方式，保證加氫站在最短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)運(yùn)行。第一次更換壓縮機(jī)單元花費(fèi)了一個(gè)多月的時(shí)間，目前熟練后，更換壓縮機(jī)單元僅需要4個(gè)小時(shí)。壓縮機(jī)單元的更換間隔超過半年，更換所需的費(fèi)用按維修服務(wù)合同中的規(guī)定，由Linde公司承擔(dān)。為符合當(dāng)?shù)氐囊恍┌踩?guī)定，一些加氫站（如斯德哥爾摩站）上的儲氫壓力或儲氫容量受到限制，所儲存的高壓氫氣不能滿足加注，特別是連續(xù)加注的需要。為此，這些站上設(shè)置了增壓機(jī)（booster），將較低壓力的氫氣通過瞬時(shí)增壓后向燃料電池大客車加注。圖12給出了其中兩個(gè)站所使用的增壓機(jī)的照片。圖12、阿姆斯特丹站（左）和斯德哥爾摩站的增壓機(jī)高壓儲罐制備好的高壓氫氣儲存于站上的儲罐之中，供車輛加注之用。各站使用的氫氣儲罐不盡相同（圖13），儲存氫氣的能力也有所不同（表4）。圖13、斯圖加特站（左）和漢堡站的高壓氫氣儲氣瓶表4、各加氫站站上儲氫能力比較城市斯德哥爾摩雷克雅未克阿姆斯特丹漢堡盧森堡斯圖加特儲氫量kg95不詳250400500281儲氫壓力bar380440280440200450250450對于使用增壓機(jī)進(jìn)行加注的加氫站，儲氫時(shí)不需要很高的壓力；而對于其它利用站上儲罐和車載氣瓶之間的壓差進(jìn)行加注的加氫站而言，為充分利用儲氣瓶中所儲存的氫氣，加注時(shí)按瓶中壓力的不同將儲氣瓶分為低、中、高壓三各瓶組，在加注機(jī)壓力邏輯控制器的作用下，依次向車輛進(jìn)行加注。這里值得一提的是盧森堡站和斯圖加特站：盧森堡站外供氫氫氣拖車上的氣瓶直接被當(dāng)成了中、低壓氣瓶組，接受加注機(jī)的調(diào)度；斯圖加特站上的高壓儲氣瓶組（450bar，2m3水容積）始終在高壓下使用，壓縮機(jī)優(yōu)先向這些瓶組充氣。這兩個(gè)站的瓶組安排方式可以大大減少站上的高壓儲氣瓶數(shù)量，降低加氫站在壓力容器安全方面的要求。氫氣加注機(jī)氫氣加注機(jī)實(shí)現(xiàn)對燃料電池大客車的氫氣加注，是加氫站面向用戶的一個(gè)窗口。為了易于為公眾所接受，各個(gè)站上加注機(jī)的外觀設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的汽油、柴油加油機(jī)相仿，但又充分考慮了當(dāng)?shù)毓还净虺薪ǚ剿ㄔO(shè)施的一貫特征，并明確地體現(xiàn)了現(xiàn)代設(shè)備的風(fēng)格（參見圖13）。圖13、阿姆斯特丹（左）、雷克雅未克（中）和斯德哥爾摩站的高壓氫氣加注機(jī)加注機(jī)與被加注車輛之間的連接包括加注槍、通訊電纜和防靜電接地線，分別如圖14、15所示所示。其通訊和加注協(xié)議由DaimlerChrysler公司提供。圖14、加氫站加注槍（左）和站車通訊電纜接頭圖15、加氫站車輛接地線線夾（斯德哥爾摩站）在給車輛進(jìn)行加注時(shí)，按連接接地線、接通通訊電纜、插入并鎖死加注槍的順序進(jìn)行加注機(jī)和加注車輛之間的聯(lián)