1 氫氣的存儲

1.1 高壓容器存儲

由于氣態的氫氣質量密度很低,通常以高壓氣體的方式進行存儲?最高壓力為200bar（1bar=100000Pa）的高壓容器目前是一種成熟可靠的技術,廣泛應用于儲存氫氣和天然氣?再高的壓力允許容積能力現已得到改善,但當達到較高壓縮比時,壓縮功耗就不能忽略?為了應對安全問題,未來的壓力容器包括三層:聚合物襯墊內層,高強度和高彈性的碳纖維復合材料包裹中層,以及能夠承受機械和腐蝕損傷的芳綸材料外層?

1.2 低溫液態存儲

低溫液態存儲技術是一種可以代替高壓儲氣的有效方法?它可顯著提高氫氣以氣態化合物儲存時不理想的體積密度值?在很高的壓力(700bar)作用下,氣態氫氣的質量密度不到40kg/m3,而液態的質量密度大約是70kg/m3?然而,需要考慮一些安全和制造方面的問題來對這項技術進行全面的分析?

1.3 固體材料存儲

根據形成氫載體的原理不同,可以把固體材料儲氫分為物理吸附儲氫和化學氫化物儲氫?

(1)物理吸附儲氫

某些金屬可以用作儲氫介質,因為某些金屬或合金在加熱后能吸收氫并釋放,從而產生所謂的金屬氫化物?從理論上講,這是氫與金屬合金或金屬之間的反應,金屬氫化物是最簡單的儲氫過程之一?有不少種金屬元素可以儲存氫氣,然而只有少數金屬能在合適的溫度和壓力下實現存儲?還有一些材料也可以儲氫,例如金屬有機物?碳和其他納米結構等?

(2)化學氫化物儲氫

化學氫化物是化學上與氫結合的材料?能夠儲存化學氫的材料有金屬氫化物?甲酸?碳水化合物?氨?合成烴和液態有機氫載體?與物理吸附相比,化學儲氫可以獲得更高的能量密度?

2 氫氣運輸

在使用中需要將氫氣從存儲地運送分配到加氫站?按照輸送時氫氣所處狀態的不同,氫氣的運輸方式可分為氣態氫氣(Gaseous H2,)輸送和液態氫氣(Liquid H2)輸送?兩者都是將氫氣加壓或液化后再利用交通工具運輸,是目前加氫站正在使用的方式?

2.1 高壓氫氣運輸

氫氣通常經加壓至一定壓力后,利用集裝格?長管拖車和管道等工具輸送?集裝格由多個水容積為40L的高壓鋼瓶組成,充裝壓力通常為15MPa?集裝格運輸靈活,對于需求量較小的用戶,這是非常理想的運輸方式?

2.2 液氫運輸

將氫氣深冷至21K(-252℃)液化后,再利用槽罐車?管道,或者利用鐵路和輪船進行長距離或跨洲際輸送,這種方式可大大提高運輸效率?深冷鐵路槽車長距離運輸液氫是一種既能滿足較大輸氫量又比較快速?經濟的運氫方法?

液氫管道都采用真空夾套絕熱,由內外兩個等截面同心套管組成,兩個套管之間抽成第高度的真空?國外加氫站采用槽車液氫運輸的方式要略多于氣態氫氣的運輸方式?

2.3 固體氫運輸

固態氫氣輸送主要通過金屬氫化物進行?迄今尚未有固態氫氣輸送方式,但隨著固氫技術的突破,這種方便的輸配方式預期可獲得使用?

2.4 氫運輸方式對比

高壓氫氣運輸一般采用集裝格?長管拖車和管道傳輸,而液氫一般采用槽車?鐵路等運輸,短途也會采用管道運輸?不同氫氣運輸方式對比詳見表1-5?

3 車載氫燃料氣的加注

氫氣加注是將氫(或含氫燃料)加入燃料電池汽車內,通常在加氫站內完成?目前加氫站的技術類型可按氫氣來源分為站外制氫(Off-site)和站內現場制氫(On-site);按氫氣存儲方式可分為液態存儲和高壓儲氫瓶(簡稱儲氫瓶)存儲兩類;按可加注壓力等級,分為35MPa?70MPa及兼容35MPa/70MPa三類?

3.1 站外制氫

站外制氫是指氫氣在制氫廠集中制取,然后輸送到加氫站,輸送方式有高壓氫氣輸送?液氫輸送和管道輸送等?其特點是氫氣集中制取可以降低制氫成本,站外制氫(Off-site)型加氫站工藝流程如圖1-4所示。

圖1-4 站外制氫(Off-site)型加氫站工藝流程

3.2 站內制氫

站內制氫是指氫氣在加氫站內現場制取,目前站內制氫的技術路線主要是化石燃料(天然氣?甲醇等)重整制氫和電解水制氫?電解水制氫是在一些電解質水溶液中通入直流電,利用電解器將水電解成氫氣和氧氣?氫氣經壓縮機增壓后進入儲氫瓶內儲存,加氫時,加氣機從儲氫瓶內取氣?站內電解制氫(On-site)型加氫站工藝流程如圖1-5所示?

圖1-5 站內電解制氫（On-site）型加氫站工藝流程

3.3 站內設施配置

(1)卸氣系統或制氫系統

氫氣由管束拖車將高壓氫氣(18~20MPa)從氣源處運至加氫站,現場設置管束拖車車位?通過各泊位內的卸氣柱,將氫氣從管束內卸載,并輸送至氫氣增壓系統和加氫機?

(2)增壓系統

多級壓縮時的冷卻系統可采用風冷或冷卻液冷卻,風冷簡單卻存在氣缸壽命短?電能消耗大的缺點,因此盡可能選擇冷卻液冷卻?驅動可采用電動機或天然氣發動機?目前氫氣壓縮機按類型可分為隔膜式壓縮機和離子式壓縮機?

(3)儲氫系統

一般采用高壓鋼瓶為主的固定式儲氣方式?國外也常采用管束拖車上的瓶組作為臨時站內儲氣?

(4)加氫系統

加氫系統主要包括高壓管道和加氫機?加氫機上安裝壓力傳感器?溫度傳感器?過壓保護裝置?軟管拉斷保護裝置?優先順序加氣控制系統等?氫氣在節流膨脹后溫度升升高,具有特有的“焦湯熱效應”,因此需要采用溫度補償系統?

(5)氮氣系統

氮氣作為氣控系統氣源和加氫站管道?設備的吹掃氣體?

(6)放散系統

為提高站內的安全性,一般采用氫氣集中放散系統,其中年氣柱?壓縮機?固定式儲氣瓶和加氫機的放散均接至總管集中放散。

(7)安防監控系統

氫氣無色、無臭，分子運動速度快，具有最大的擴散度和很高的導熱性，其著火能很小，很容易著火，在微小的靜電火花下也容易著火。考慮到氫氣的易擴散性、易縮脹性、易燃燒性、易爆炸性等特點，需要在站內增加一套氫氣泄漏安防監控系統，以確保加氫站的運營安全。