氫能“卡脖子”到底“卡”在哪？

自“碳達峰碳中和”的目標提出以來，以可再生能源為中心的新能源產業(yè)加緊布局，為我國能源結構的轉型升級助力。雙碳目標催促我國新能源體系的加快構建，更催促了氫能企業(yè)加緊跑馬圈地的步伐。

（來源：網絡整理）

從制氫端到儲運端再到應用端，氫能產業(yè)規(guī)模龐大且繁雜。作為最為清潔的二次能源，氫氣雖然廣泛存在于宇宙之中卻只能通過制取才能獲取?；谶@一“難題”，氫能在發(fā)展過程中備受掣肘。

在加氫方面，國內加氫站建設已經走入“擼起袖子加油干”的階段。根據各省市氫能產業(yè)發(fā)展專項規(guī)劃，到2025年，我國加氫站數量將超700座。

統籌規(guī)劃加氫網絡堅持需求導向，統籌布局建設加氫站，有序推進加氫網絡體系建設。堅持安全為先，節(jié)約集約利用土地資源，支持依法依規(guī)利用現有加油加氣站的場地設施改擴建加氫站。探索站內制氫、儲氫和加氫一體化的加氫站等新模式。

——《國家氫能產業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021-2035年）》

加氫站是重要的氫能基礎設施，其建設情況對我國氫能產業(yè)的規(guī)模化發(fā)展起著至關重要的作用。然而，加氫站建成后難以投運、運營困難、“有站無車”的問題屢見不鮮。業(yè)內眾多從業(yè)者均表示，盡管中國的加氫站建設數量最多，但仍然不夠氫燃料電池汽車的需求，許多加氫站“站內無氫”，根本無法使用，使得建設方不僅花費高昂的建設成本，又幾乎沒有任何收入所得。

加氫站建設究竟有多難？成本與技術的雙重壓力何時能夠破解？“有站無車”和“有車無站”的不平衡到底能否破解？本文重點關注固定式外供氣氫加氫站，為各位讀者詳細解讀加氫站的“破局之道”。

加氫站設備組成

加氫站建設有多種形式，按照儲氫方式，可分為氣氫加氫站和液氫加氫站，國內主要是氣氫加氫站；按照建設方式，有固定式、撬裝式和臨時加氫站，國內主要是固定式加氫站。另外，為了減少運氫壓力，部分加氫站還帶有制氫系統，也就是制氫加氫一體站。

加氫站與現有較為成熟的壓縮天然氣(CNG)加氣站相似，主要由制氫系統、壓縮系統、儲存系統、加注系統和控制系統等部分組成，其主要設備包括卸氣柱（站外制氫加氫站）、壓縮機、儲氫罐、加氫機、管道、控制系統、氮氣吹掃裝置、放散裝置以及安全監(jiān)控裝置等等。在這些設備中，氫氣壓縮機、高壓儲氫系統、加氫機和加氫站控制系統屬于核心裝備和系統。

加氫站通過外部供氫獲得氫氣后，在氫氣壓縮機的輸送下進入高壓儲氫容器儲存，最后通過加氫機為燃料電池汽車進行加注。在此過程中，加氫站的工藝控制系統起著至關重要的作用，決定了上述設備之間的協調工作以及氫氣管路閥門的開關和切換。

氫氣壓縮機

壓縮機作為加氫站內的核心設備，承擔了氫氣增壓的重要作用。氫氣壓縮機目前占建設總成本的30%，是加氫站建設降低成本的關鍵。目前國內加氫站常用的氫氣壓縮機主要有隔膜式壓縮機、液驅式壓縮機和離子液壓縮機等。其中隔膜式壓縮機和液驅式壓縮機主要應用于儲氫壓力不大于45MPa的加氫站，多個國內生產廠家的相關技術也已日趨成熟；離子液壓縮機主要應用于儲氫壓力90MPa的加氫站，國內該壓力等級的壓縮機尚在研制過程中，目前主要還是依賴于進口。

氫氣壓縮機組成結構對比分析

由于氫氣具有密度低、能量密度小的特點，氫氣壓縮機必須要具備承壓大、流量大、安全和密封性好的特質，盡可能的追求較少的能源損耗，目前國內加氫站較多采用的是活塞式和隔膜式壓縮機。

氫氣壓縮機對比分析（來源：氫能觀察制表）

隔膜壓縮機主要結構包括腔體、腔體板、膜片、膜片組。一個膜片組中包含三層金屬膜片用以隔離氣體和液體，分為工藝氣體層、中間層和液壓油層膜片，中間膜片開有凹槽 (從圓心到圓周)，一旦膜片發(fā)生破裂，用于傳送氣體或液體至泄漏檢測系統。

由于金屬膜片較薄，對氣體雜質及其敏感，因此隔膜壓縮機對工藝氣體的要求很高，若要其正常無故障運行，工藝氣體必須無任何固體顆粒雜質，且露點要低。對于隔膜壓縮機而言，金屬膜片的使用壽命直接關乎壓縮機整體維修頻率和使用壽命，鑒于隔膜壓縮機易頻繁啟停的工作特點，一般隔膜壓縮機不適合移動加氫站頻繁啟停工作工況。

液壓驅動無油氫氣往復活塞壓縮機(也稱為高純無油增壓器氫氣壓縮機)是采用大活塞驅動小活塞的方式，按照大活塞與小活塞的面積比將驅動壓力同比例放大，將被增壓介質增壓。

液驅壓縮機的制造技術壁壘較高，對于國內企業(yè)而言仍有較大突破空間，據了解，國內目前還沒有能夠獨立生產液驅壓縮機的企業(yè)，但已有部分企業(yè)開始嘗試，未來或有成果出現。

離子液體壓縮機是采用一種近零蒸汽壓的液體作為工質和潤滑介質，實現氫氣的無污染壓縮。離子液體壓縮機可以通過設置多級氣缸，實現合理的壓縮比和較寬的壓縮范圍。液壓驅動也提高了系統的整體安全性，并且整個壓縮系統的壓縮效率比傳統壓縮機提高約 25%。

由于制造標準與國內不同，引進手續(xù)較為復雜，國內應用離子壓縮機的加氫站較少。盡管離子壓縮機優(yōu)勢較高，但其高昂的成本價格也很難應用在目前的加氫站建設之中。

高壓儲氫系統

在加氫站內配備高壓大容量的固定式儲氫裝置，可以實現在短時間內給車輛加滿氫氣。另外，儲氫瓶組作為緩沖裝置還可以避免壓縮機的頻繁啟動，優(yōu)化氫氣加氣站的操作。加氫站儲氫裝置的儲氫壓力、儲氫容積以及分級壓力等是其主要技術指標。為了滿足35MPa 和70MPa 車載儲氫瓶的壓力要求，加氫站的高壓儲氫裝置壓力通常分別為 45MPa 和 87.5MPa。

高壓儲氫裝置的設計除了要考慮材料的強度以滿足使用需要和安全需要外，還需要考慮材料疲勞性能和抗氫脆能力。

我國常用的站用固定式儲氫容器分為兩種結構形式，分別為單層儲氫壓力容器（包括大容積無縫儲氫容器、單層整體鍛造式儲氫壓力容器等）和多層儲氫壓力容器（包括鋼帶錯繞式儲氫容器、層板包扎儲氫壓力容器等），其中鋼質無縫儲氫容器有兩種類型：固定式（例如加氫站儲氫罐）和移動式（例如氫氣長管拖車氣瓶）。

鋼質無縫儲氫容器依據美國機械工程師協會鍋爐壓力容器規(guī)范建造，其無縫鋼管經過兩端鍛造收口而成，屬于整體無焊縫結構。鋼質無縫容器發(fā)展時間較長，氣瓶的生產線設備技術十分成熟，有著成本低、交貨快的優(yōu)點。

鋼帶錯繞式壓力容器首創(chuàng)于1964年，其容器結構完全由我國自主研發(fā)完成，主要產品包括高壓空氣儲罐、高壓氦氣儲罐和高壓氫氣儲罐等。經過近60年的研究與驗證，我國已有扎實的理論基礎和豐富的實踐經驗。鄭津洋等以傳統鋼帶錯繞式壓力容器為基礎，在主體結構不變的條件下（扁平鋼帶傾角錯繞式容器結構），提出了一種多功能全多層高壓儲氫容器。

加氫機

加氫機是燃料電池汽車加注氫燃料的核心設備，加氫機上配備有加氫槍、溫度與壓力傳感器、環(huán)境溫度傳感器、計量裝置、加注控制器、軟管等。若加氫機-燃料電池汽車實現通信功能，則加氫槍還需配備紅外數據接收模塊。

加氫機系統組成示意圖

加氫機是連接加氫站和氫燃料電池汽車的重要設備，其基本功能是安全加氫和精確計量功能，即在保障對車載儲氫瓶進行安全加注氫氣的同時，要準確顯示加氫量、金額等。同時，一般還具有防雷、防靜電等安全保護的功能，最重要的是緊急拉斷、防止過充的壓力-溫度補償系統等安全功能。

加氫機目前主要有 35MPa 與70MPa 兩種，主要技術要求是做到加注過程不超溫、不超壓，同時時間盡可能短。

國家標準化管理委員會于2014年首次發(fā)布了GB/T 31138-2014《汽車用壓縮氫氣加氣機》國家標準，為加氫機設備的制造、檢測和應用提供支撐。

近年來，隨著我國氫能產業(yè)的快速發(fā)展，加氫機的性能要求、控制方法等都有了新的要求。

2020年，國家標準化管理委員會下達了GB/T 31138-2014《汽車用壓縮氫氣加氣機》的修訂計劃，全國氫能標準化技術委員會組織相關單位于2021年底完成標準技術內容的修訂和審查工作。為適應產業(yè)發(fā)展需要，與GB 50516、GB50156等標準協調一致，標準名稱修改為《加氫機》。GB/T 31138-2022《加氫機》于2022年10月12日發(fā)布并實施，規(guī)定了加氫機的技術要求、試驗方法、標志、包裝、運輸和貯存、安裝、維護的要求，適用于氫能汽車加氫設施用公稱工作壓力不大于70MPa的加氫機，氫能船舶、有軌電車、飛行器、工程車輛、發(fā)電裝置等的加氫設施也可參照本文件。

加氫站“卡”在哪

截至今年4月份，我國已建成加氫站數量超過350座，約占全球總數的40%，位居世界第一。

盡管我國加氫站建設數量眾多，但是在地廣人稠的基本國情之下，加氫站仍然難逃“不夠用”、“用不了”的迷之厄運。加氫站的設備組成較多，成本較高，另外安全維護費用也并不低，能否讓加氫站真正實現順利穩(wěn)定運營還是業(yè)內一大挑戰(zhàn)。

第一，加氫站設備技術與成本雙高。加氫站建設成本居高不下且成本降低空間不高的問題需要業(yè)內重視起來。據測算，一座加氫站的建設成本至少需要200萬美元（加上建筑施工、設計維護、管理等費用），折合人民幣核算大概1500萬元左右，若是日加氫能力在1000公斤，并且為70Mpa的加氫系統，大概將會達到2000萬元。其中，氫氣壓縮機占加氫站整體成本的30%左右。從我國目前氫氣壓縮機市場的情況來看，國內氫氣壓縮機企業(yè)仍需努力。

第二，加氫站建設審批政策需要松綁。今年上半年，廣東、河北省相繼發(fā)布加氫站最新管理辦法，明確氫氣不再被列為?；?，加氫站可建設在非化工園區(qū)等地。加氫站建設審批流程嚴苛是阻礙加氫站建設的一大“門檻”，我國目前絕大多數地區(qū)仍未放寬對加氫站建設以及加氫站土地審批流程的政策。對于一二線城市而言，加氫站等氫能基礎設施是否完善是氫燃料電池汽車能否規(guī)?；瘧玫闹匾疤?，然而多數地區(qū)在加氫站建設效率上仍是困難重重。鑒于此，油氫合建站或綜合能源站開始嶄露頭角，在現有加油站或加氣站的基礎上增加加氫供應設施，既保證站內運營正常，又可以實現加氫。

第三，加氫站供氫需求難以保障。“一步一個坎”，加氫站建成后能否正常運營是目前加氫站供應商或運營商的一大主要問題。一方面，多數加氫站均為外供加氫站，需要長管拖車運氫到加氫站后進入儲氫系統，當有加氫需求時再進行加注。然而，眾多加氫站都面臨著供氫不足、儲氫不足的問題。運氫不及時、沒有供氫來源直接導致加氫站供氫需求無法得到保障。另一方面，部分城市雖然有建設一到兩座加氫站，但氫燃料電池汽車較少，即便有充足的氫氣供應，但“幾天才加一次氫”的問題也屢見不鮮?！跋扔械斑€是先有雞”的爭論成為加氫站與氫燃料電池汽車之間的主要矛盾，不少城市將加氫站建在高速服務區(qū)，對于城市中的氫車而言，加氫無疑也是一項挑戰(zhàn)。

從我國目前氫能基礎設施建設情況來看，加氫站建設正日益提上日程。河北省已將加氫站建設納入地方建設指標，北京、上海、廣東等長三角地區(qū)也在積極給予加氫站建設和運營補貼，氫能產業(yè)發(fā)展已有壯大之勢。進入今年，氫能產業(yè)上游制氫端已開始加緊開工，新疆庫車光伏制氫項目、三峽納日松制氫項目均已有重大進展。氫能頭部企業(yè)在下游應用端也動作不斷，車企開始布局中國氫能業(yè)務、大佬跨界氫能打造多方位氫能應用場景。在此基礎上，氫能儲運端也將發(fā)揮承上啟下的良好作用，加氫站“卡脖子”難題也在各方協同推動下逐步被解決。

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