加氫站儲氫容器優化配置研究

張 奇

（中國石化工程建設有限公司，北京 100101）

加氫站是保障氫燃料電池汽車運營的必要基礎設施[1]。最近，中國石化也宣布將把氫能作為公司新能源業務的主要方向，將中國石化打造成“中國第一大氫能公司”，并將在“十四五”期間布局1 000座加氫站。

值得注意的是，在加快加氫站建設的同時，必須重視加氫站的設備配置，充分發揮加氫站的效能。當前，加氫站的設計和建設的一些理念和想法大都來源于CNG加氣站，一些設備的設置直接參照CNG加氣站[2]，但是氫氣和甲烷的物理化學性質差別很大，加氫站按照CNG加氣站來進行設備設置顯然是不嚴謹的。與此同時，對于當前已建成的加氫站，由于加注車輛的數量沒有達到一定規模，或者車輛對加注速度要求還不高，加氫站的快速、連續加注能力還沒有得到真正考驗。在加氫站配置儲氫容器，是適應間歇式加氫工藝要求的必要手段，可以明顯改善氫氣充裝的穩定性和可靠性，提高充裝速率，有利于提高加氫站的整體工作效率。儲氫容器作為固定式加氫站的主要設備，其投資占整個加氫站設備總投資的20%~30%，儲氫容器的配置是否合理，對整個加氫站的投資及取氣率也有很大影響。因此，為了應對將來氫燃料電池車大規模、連續、快速加注的要求，對加氫站儲氫容器的配置和工藝參數進行系統地研究就顯得尤為重要。

1 氫氣長管拖車供氫固定式加氫站的工藝流程

對于長管拖車供氫的固定式加氫站，其主要設備有長管拖車、卸氣柱、氫氣壓縮機、優先順序控制盤、儲氫容器、加氫機以及相應的輔助設備（圖1）。長管拖車將氫氣運送到加氫站之后，氫氣通過壓縮機進行壓縮，升壓后的氫氣儲存在站內的高壓儲氫容器內，當需要給車載氣瓶加注氫氣時，在加氫站固定式儲氫容器與車載氣瓶之間高壓差的作用下，氫氣通過加氫機快速充裝至車載氣瓶內。

圖1 氫氣長管拖車供氫加氫站工藝流程

2 儲氫容器模擬計算數學模型的建立

2.1 合理的規定和假設

在對儲氫容器進行模擬計算時，為了便于分析計算，需做以下合理的規定和假設：

（1）氫燃料電池汽車到站加氫站時，車載氣瓶內的溫度為25℃（環境溫度）、壓力為5MPa。車載氣瓶加氫終了時，氣瓶內的溫度為60℃（氫氣的焦-湯系數在常溫下為負值，節流膨脹會導致氫氣溫度升高，一般充裝氫氣時先將氫氣進行冷卻，控制車載氣瓶內的溫度為60℃。）、壓力為35MPa（車載氣瓶的最大工作壓力）。

（2）一般氫燃料電池汽車單個車載氣瓶的水容積為140L。車型不同，所配置的氣瓶數量不同，一般物流車配置3臺氣瓶，氫燃料電池客車可配置多達8臺氣瓶。為便于討論，本文僅討論充裝的車載氣瓶數量，暫不討論充裝的車輛數。

（3）為了維持一定的充裝速率，要求儲氫容器與車載氣瓶的壓力始終大于一定壓差。本文按照1MPa考慮，即切換壓差為1MPa。

（4）本文研究的儲氫容器為現在應用較多的儲氫瓶組，首先研究由18支水容積為1m3的儲氫瓶組成的儲氫瓶組。

2.2 高壓下氫氣壓縮因子Z的求取

理想氣體的狀態方程為：Pvid=RT。但是，高壓狀態下氫氣的變化過程并不遵循理想氣體狀態方程。在實際工程應用中，通常采用乘以壓縮因子Z的方法來矯正實際氣體與理想氣體的偏差[3]。實際氣體的狀態方程可以寫為：

式（1）中：P為氣體的絕對壓力，Pa；

v為氣體的比容，m3/kg；

Z為氣體壓縮因子；

R為氣體常數，J/（kg·K）；

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T為氣體熱力學溫度，K。

氣體壓縮因子Z是溫度T和壓力P的函數。在本文中，氫氣壓縮因子的計算采用《燃料電池電動汽車 氫氣消耗量測量方法》GB/T 35178—2017中所給出的計算方法[4]：

式（2）中：vij為常數，見表1。

表1 系數vij

對于一組確定的溫度T和壓力p，利用上式可以求出一個對應的壓縮因子。

2.3 儲氫瓶組工作過程分析

本文研究的加氫站配備有優先順序控制盤和儲氫瓶組。優先順序控制盤是加氫站中的重要設備之一，通過優先順序控制盤，可以實現加氫站內儲氫瓶組取氣和充氣的自動控制。儲氫瓶組按一定的容積比例劃分為高、中、低壓三組[5]。

儲氫瓶組對車載氣瓶的充氣過程：先由低壓儲氫瓶組充氣，當低壓儲氫瓶組的壓力下降到一定值時，隔離低壓儲氫瓶組并切換到中壓儲氫瓶組，此時利用中壓儲氫瓶組對車載氣瓶進行充氣，當中壓儲氫瓶組壓力下降到一定值時，隔離中壓儲氫瓶組并切換到高壓儲氫瓶組，此時利用高壓儲氫瓶組對車載氣瓶進行充氣，直至高壓儲氫瓶組的壓力下降到一定值時，停止從儲氫瓶組中取氣[6]。

根據質量守恒定律，儲氫瓶組對車載氣瓶充氣的過程中，儲氫瓶組中氫氣的質量變化應等于車載氣瓶中氫氣質量變化，可用如下公式表示：

將實際氣體的狀態方程Pv=ZRT代入上面的質量守恒方程組，得：

儲氫瓶組的取氣率是指充入氫燃料電池汽車車載氣瓶的氫氣質量與儲氫瓶組可以儲存的氫氣質量之比，是衡量儲氫瓶組配置優劣的一個重要指標。對于同一組儲氫容器，取氣率越高，意味著壓縮機啟停的次數就越少。因此，有必要對儲氫瓶組的氣體利用率進行分析，提高儲氫瓶組的取氣率，減少壓縮機啟停次數，延長壓縮機的壽命，同時也能夠實現加氫站的節能降耗。

儲氫瓶組高壓氫氣取氣率η：

式中，pL、pM、pH為低、中、高壓儲氫瓶組的壓力，MPa；

nL、nH、nM為低、中、高壓儲氫瓶組中儲氫瓶的個數；

Z（PL）、Z（PM）、Z（PH）、Z（45）為氫氣在pL、pM、pH、 45MPa，25℃下的壓縮因子。

3 儲氫瓶組的模擬計算

3.1 不同高、中、低壓儲氫瓶組水容積配比的分析

根據第2節建立的儲氫瓶組模擬計算的數學模型，分別計算了不同高、中、低壓儲氫瓶組水容積配比時，整個加氫站儲氫瓶組的取氣率以及可以充裝車載氣瓶的數量。計算結果見表2。

表2 不同高、中、低壓儲氫瓶組水容積比例的計算結果

通過表2可以看到，隨著低壓儲氫瓶組水容積逐漸增加，整個加氫站儲氫容器的取氣率呈先增大后減小的趨勢，當高、中、低壓儲氫容器的容積比例為2：3：4時，整個加氫站儲氫容器的取氣率最高，為46.483%。同時充裝的車載氣瓶的數量也最多，為86臺。

3.2 高、中、低壓瓶組容積比例為2∶3∶4時工作過程分析

根據3.1節分析，當高、中、低壓儲氫容器的容積比例為2∶3∶4時，儲氫容器的取氣率最高。本節以高、中、低壓儲氫容器的容積比例為2∶3∶4，即高、中、低壓儲氫容器的實際水容積為4m3、6m3、8m3時，將儲氫瓶組對車載氣瓶的充氫過程進行模擬計算，詳細分析了儲氫瓶組充裝車載氣瓶的過程，計算結果見表3。

表3 高、中、低壓儲氫瓶組水容積比例為2∶3∶4的充裝過程

儲氫瓶組儲氫壓力為45MPa，高、中、低壓儲氫瓶組的水容積分別為4m3、6m3、8m3。車載氣瓶的最高充裝壓力35MPa，體積為140L。充氫過程中的切換壓差為1MPa。從表3可以看出，只利用儲氫瓶組可以充裝86臺車載氣瓶，此時儲氫瓶組的取氣率為46.483%。其中，只利用低壓儲氫瓶組可以充裝13臺車載氣瓶，利用低壓和中壓儲氫瓶組可以充裝36臺車載氣瓶，剩余的37臺車載氣瓶需要高、中、低壓儲氫瓶組一起充裝。

由表3可以看出，當高、中、低壓儲氫瓶組的水容積分別為4m3、6m3、8m3時，在給第1~40臺車載氣瓶充氫過程中，低壓瓶組的壓力下降最快，說明此時主要以低壓瓶組充氫為主。在給第40~60臺車載氣瓶充氫過程中，中壓瓶組的壓力下降最快，說明此時主要以中壓瓶組充氫為主。在給第60~86臺車載氣瓶充氫過程中，中、高壓瓶組的壓力下降都很快，說明此時以中、高壓瓶組充氫為主。當儲氫瓶組給車載氣瓶加氫結束時，低壓瓶組的壓力為13.232MPa，中壓瓶組的壓力為23.688MPa，高壓瓶組的壓力為35.114MPa。

4 加氫站儲氫容器規模的確定

對于商業運營的加氫站，到達加氫站加氫的氫燃料電池汽車的數量具有很大的隨機性，但是，一般會出現高峰與低谷現象，真正對加氫站的加注能力形成考驗的是它的快速、連續加注能力。儲氫容器是實現加氫站快速、連續加氫的必要設備設施，而加氫站的儲氫量決定了設計的儲氫容器的大小?？梢酝ㄟ^合理的分析，綜合判斷確定加氫站的儲氫量，從而選擇相對合理的儲氫容器的規模。

通過第3節的研究結果可知，當高、中、低壓儲氫容器的容積之比為2∶3∶4時，儲氫容器的取氣率最高，為46.483%。對于日加注能力1 000kg氫氣的加氫站，壓縮機及時為加氫站供應氫氣可以適當減少站內儲氫容器的容積。為研究補氫次數對加氫站儲氫容器容積的影響，針對每日儲氫容器補充氫氣次數的不同，利用第2節所述公式對所需儲氫容器的容積進行了計算，見表4。

表4 不同補充氫氣次數對應儲氫容器的規模

對于目前建設的日加注1 000kg、35MPa氫氣的加氫站，如果配置18m3的儲氫容器，儲氫容器每天至少需要補充4次氫氣。這也說明如果來站加氫的氫燃料電池汽車數量多且時間集中，需要增設更多的儲氫容器。

綜上所述，在加氫站的設計過程中，需考慮建站及未來一段時間內預期來站加氫的氫燃料電池汽車數量及車載氣瓶的容積，根據實際情況，選擇相對合理的儲氫容器的規模，既實現快速、連續加注，又不會造成過多的設備投資。

5 結論

加氫站高、中、低壓三級儲氫系統是加氫站的一個核心技術。本文通過建立加氫站儲氫容器工作過程的數學模型，分析了三級儲氫系統的工作方式，對加氫站儲氫瓶組的工作過程進行了模擬計算。得到的結論如下：

1）隨著低壓儲氫瓶組水容積逐漸增加，整個加氫站儲氫容器的取氣率呈先增大后減小的趨勢，當高、中、低壓儲氫容器的容積比例為2∶3∶4時，整個加氫站儲氫容器的取氣率最高，為46.483%。

2）在加氫站的設計過程中，需考慮建站及未來一段時間內預期來站加氫的氫燃料電池汽車數量及車載氣瓶的容積，根據實際情況，選擇相對合理的儲氫容器的規模，既實現快速、連續加注，又不會造成過多的設備投資。