氫燃料電池在加氫站中的應(yīng)用與展望

氫燃料電池在加氫站中的應(yīng)用與展望

隨著能源消費(fèi)形式的變化，高效節(jié)能和智能能的運(yùn)用是現(xiàn)代能源消費(fèi)模式的典型特征。國(guó)際氫能委員會(huì)曾發(fā)布報(bào)告稱，氫能源是能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的重要方式，它更加清潔、高效，并可再生，相比于潮汐能、風(fēng)能等，氫能更便于儲(chǔ)備、運(yùn)輸，同時(shí)它還可作為“能源互聯(lián)網(wǎng)”中的重要紐帶。基于這些特點(diǎn)，氫能產(chǎn)業(yè)鏈正在不斷延伸和完善，氫的電解制取、儲(chǔ)氫材料、氫的運(yùn)輸、燃料電池等氫能技術(shù)不斷發(fā)展。中國(guó)作為工業(yè)副產(chǎn)氫大國(guó)，氫氣資源充足。因此，作為氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)和有利保障的氫氣充裝與加氫站建設(shè)至關(guān)重要。本文以專利文獻(xiàn)為切入點(diǎn)，采用國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利檢索及分析系統(tǒng)，圍繞加氫站建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析、總結(jié)。1加氫站的網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)在整個(gè)能源架構(gòu)里，氫能越來越體現(xiàn)出其優(yōu)越性，它環(huán)保、高能高溫、可存儲(chǔ)、可運(yùn)輸、可持續(xù)再生，完全契合了當(dāng)前能源消費(fèi)模式的要求。目前，氫能已經(jīng)在很多領(lǐng)域表現(xiàn)出了應(yīng)用潛能。在航空領(lǐng)域，歐盟的“CRYOPLANE”計(jì)劃證明了液氫作為航空燃料在技術(shù)上的可行性；在軍事領(lǐng)域，以氫為動(dòng)力源的潛艇、軍用車已經(jīng)在應(yīng)用，成為發(fā)展新型軍事能源的新突破口；在能源領(lǐng)域，太陽能-氫能系統(tǒng)、生物質(zhì)-氫能系統(tǒng)等可再生能源制氫技術(shù)不斷發(fā)展；在交通運(yùn)輸領(lǐng)域，“自由燃料”計(jì)劃、“氫能早期采用者計(jì)劃”等氫燃料車推廣項(xiàng)目正在世界各國(guó)推行。這些應(yīng)用證實(shí)了氫能作為替代能源的可行性。氫燃料電池是利用氫能的有效方法之一。它是直接將反應(yīng)物中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，反應(yīng)產(chǎn)物只有電、熱和水，運(yùn)行平穩(wěn)，環(huán)保無污染。與其他氫能利用媒介相比，氫燃料電池應(yīng)用廣泛，在交通、分布式發(fā)電、移動(dòng)電源、熱電聯(lián)供等重點(diǎn)場(chǎng)景和領(lǐng)域都具有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值，未來還可能應(yīng)用于宇宙探索等。雖然氫燃料電池在關(guān)鍵技術(shù)方面已經(jīng)取得一定的突破，氫燃料電池商用車已投入市場(chǎng)，但從目前的市場(chǎng)推廣情況來看，加氫站等基礎(chǔ)配套設(shè)施的建設(shè)才是氫燃料電池前進(jìn)路上的“短板”。氫燃料電池的發(fā)展和商業(yè)化離不開加氫站建設(shè)的推動(dòng)，加氫站的網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)又可促進(jìn)氫燃料電池的發(fā)展。推進(jìn)氫能的使用，加氫站建設(shè)成為關(guān)鍵的一環(huán)。目前大力發(fā)展燃料電池汽車加氫站的國(guó)家主要有美國(guó)、德國(guó)、日本，其均制定了長(zhǎng)期的發(fā)展規(guī)劃，其中日本成為世界上加氫站最多的國(guó)家。截至2018年，全球約有369座加氫站，其中亞洲大約136座（日本96座），歐洲大約152座（德國(guó)60座），北美地區(qū)大約有78座（美國(guó)42座）加氫站。2019年數(shù)據(jù)尚未完善，但是日本成為全球第一個(gè)加氫站超過100座的國(guó)家。相比國(guó)外，中國(guó)加氫站發(fā)展較為滯后。截至2018年底，中國(guó)已建成加氫站23座，其中固定式11座、撬裝站10座、廠內(nèi)站2座。此外，中國(guó)在建加氫站有40座，分別位于北京、上海、江蘇、遼寧、安徽、河南、廣東和四川等地加氫站基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與氫燃料電池技術(shù)研發(fā)是促進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步的重要舉措。隨著氫能源的逐漸發(fā)展，中國(guó)在節(jié)能減排和新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃中，對(duì)氫能和新能源汽車提供政策支持。如今，氫能產(chǎn)業(yè)已經(jīng)發(fā)展到一個(gè)風(fēng)口，那就是加氫站的建設(shè)，國(guó)務(wù)院及各地政府也制定了一些相關(guān)政策推進(jìn)加氫站基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。綜合政府、產(chǎn)業(yè)、技術(shù)、企業(yè)等多方面因素，預(yù)估中國(guó)加氫站基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)將在三年內(nèi)進(jìn)入快速發(fā)展期。22屋頂站施工技術(shù)分析2.1沸石納米管的物理儲(chǔ)存氫氣的儲(chǔ)存方法按氫氣的物理狀態(tài)可分為壓縮氣態(tài)氫、液態(tài)氫、深冷壓縮氫及漿氫4種，按照儲(chǔ)氫材料類型可分為金屬氫化物、液態(tài)有機(jī)氫載體、吸附劑（MOF吸附劑、沸石納米管）迄今為止，只有壓縮和液化的物理儲(chǔ)存方法才具有商業(yè)價(jià)值。因?yàn)橄鄬?duì)其他技術(shù)而言，加壓壓縮或者極低溫液化的操作更容易實(shí)現(xiàn)，氫也更便于運(yùn)輸至終端用戶。從將氫能逐步示范推廣，并成為未來一種重要交通燃料的意義上看，能夠保障將車用氫能安全、經(jīng)濟(jì)的配送到加氫站，并完成車輛加注的解決方案將尤為重要，是其能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的先決條件。加氫站需要解決氫能產(chǎn)業(yè)從制備到使用過程中的供應(yīng)及加注問題，為能源消費(fèi)模式轉(zhuǎn)變加速賦能，為未來出行減排，氫氣儲(chǔ)存方式對(duì)比表見表1。2.2主要子系統(tǒng)加氫站系統(tǒng)依據(jù)不同的功能，可分為制氫系統(tǒng)（自制氫）或輸送系統(tǒng)（外供氫）、調(diào)壓干燥系統(tǒng)、氫氣壓縮系統(tǒng)、儲(chǔ)氣系統(tǒng)、售氣加注系統(tǒng)和控制系統(tǒng)6個(gè)主要子系統(tǒng)(1）不同球范圍內(nèi)常用的壓縮機(jī)將氫源加壓注入儲(chǔ)氣系統(tǒng)的核心設(shè)備，輸出壓力和氣體封閉性能是其最重要的兩個(gè)性能指標(biāo)。從全球范圍內(nèi)來看，各種類型的壓縮機(jī)都有使用。隔膜式壓縮機(jī)輸出壓力極限可超過100MPa，密封性能非常好，因此是加氫站氫氣系統(tǒng)的最佳選擇，但隔膜式氫氣壓縮機(jī)需采用極薄的金屬液壓驅(qū)動(dòng)膜片將壓縮氣體和液油完全分開，液油壓縮結(jié)構(gòu)和冷卻系統(tǒng)較為復(fù)雜，技術(shù)難度遠(yuǎn)高于常規(guī)壓縮機(jī)。(2）加氫站高壓儲(chǔ)氫罐高壓儲(chǔ)氫罐是加氫站儲(chǔ)氣系統(tǒng)的儲(chǔ)氫容器，儲(chǔ)氣壓力是其主要技術(shù)指標(biāo)。在高壓下，氫氣與傳統(tǒng)工業(yè)氣瓶的鋼質(zhì)內(nèi)膽易發(fā)生氫脆反應(yīng)，誘發(fā)容器壁裂紋生長(zhǎng)，加氫站高壓儲(chǔ)氫罐主要采用碳纖維復(fù)合材料或纖維全纏繞鋁合金制成的新型輕質(zhì)耐壓內(nèi)膽，外加可吸收沖擊的堅(jiān)固殼體。(3）汽車等其他動(dòng)力系統(tǒng)的研究與探索為燃料電池汽車加注氫燃料的核心設(shè)備，加注壓力是其主要參數(shù)，但其主要結(jié)構(gòu)和工作原理與CNG加氣機(jī)并無較大區(qū)別，未來的發(fā)展方向在于加注系統(tǒng)的智能化和安全性的提高。專利對(duì)其他專利文獻(xiàn)的引用體現(xiàn)了技術(shù)發(fā)展的規(guī)律、技術(shù)之間的繼承和積累，以及不同技術(shù)的交叉和滲透，同時(shí)也是專利價(jià)值的體現(xiàn)。被引證次數(shù)較多的10件加氫站系統(tǒng)相關(guān)專利見表2，主要涉及加氫站的氫氣生產(chǎn)設(shè)備、高壓供氫系統(tǒng)、加氫站的加氣系統(tǒng)、加氫控制系統(tǒng)、快速充裝氫氣的系統(tǒng)與方法、溫升與能耗控制方法、冷卻加注方法、氫燃料加注和卸載系統(tǒng)等多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域。專利CN200420082022（表中未列出）是國(guó)內(nèi)企業(yè)開始針對(duì)加氫設(shè)施申請(qǐng)較早的一篇專利，公開了一種非電驅(qū)動(dòng)的移動(dòng)式高壓氫氣加注系統(tǒng)，包括氫氣增壓器、液壓空壓機(jī)、加氣機(jī)、控制和調(diào)節(jié)閥門，可用于燃料電池汽車的道路試驗(yàn)和示范運(yùn)行中的氫燃料加注。同濟(jì)大學(xué)申請(qǐng)的CN200810203556.5專利公開了一種可用于高壓氫氣加氫站的加氣系統(tǒng)，包括控制系統(tǒng)、采樣系統(tǒng)、加注系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)和氮?dú)獯祾呦到y(tǒng)，可提高加氫站的取氣率及保證在快速加注過程中，被加注車載儲(chǔ)氫瓶的溫升嚴(yán)格控制在要求的溫度范圍內(nèi)，共被引證達(dá)21次，具有重要技術(shù)應(yīng)用價(jià)值。同濟(jì)大學(xué)氫能技術(shù)研究所自2007年開始先后申請(qǐng)了7件專利，在氫能基礎(chǔ)設(shè)施和燃料電池領(lǐng)域做出了突出貢獻(xiàn)，研制出了國(guó)內(nèi)第一輛移動(dòng)加氫站，建設(shè)了上海第一座固定加氫站，填補(bǔ)了中國(guó)在氫能領(lǐng)域的空白。同時(shí)，其在副產(chǎn)氫氣的利用、氫氣品質(zhì)的研究以及燃料電池汽車的車載高壓供氫系統(tǒng)的研制方面也做出了杰出貢獻(xiàn)。近幾年國(guó)家對(duì)氫能領(lǐng)域的重視程度的提高，國(guó)內(nèi)科研院所和企業(yè)更加重視加氫站的開發(fā)，在核心技術(shù)領(lǐng)域取得了一定的成效。2.3技術(shù)發(fā)展進(jìn)入快速發(fā)展階段通過中國(guó)專利申請(qǐng)總體趨勢(shì)圖見圖1，從圖1可以看出，從2004年開始，國(guó)內(nèi)企業(yè)開始針對(duì)加氫設(shè)施申請(qǐng)專利，相關(guān)專利一直呈現(xiàn)波動(dòng)式申請(qǐng)趨勢(shì)。在2015年之前，專利申請(qǐng)量較少，平均每年申請(qǐng)量在15件左右。但在2016年專利申請(qǐng)數(shù)量獲得爆發(fā)式增長(zhǎng)，并且從2017開始專利申請(qǐng)數(shù)量連續(xù)3年達(dá)到甚至超過150件，一直處于較高申請(qǐng)量。2018年專利申請(qǐng)超過200件。加氫站專利申請(qǐng)的劇增，表明加氫站的技術(shù)發(fā)展正由2004-2015年的萌芽期進(jìn)入技術(shù)增長(zhǎng)期。2016年開始企業(yè)、研究院所、高校的研發(fā)機(jī)構(gòu)開始逐漸重視該技術(shù)，并持續(xù)的投入研發(fā)。從專利的公開趨勢(shì)來看，2016-2019專利申請(qǐng)數(shù)量的激增，表明中國(guó)加氫站產(chǎn)業(yè)相關(guān)技術(shù)獲得快速發(fā)展，可以預(yù)計(jì)中國(guó)加氫站的建設(shè)將進(jìn)入快速發(fā)展階段。技術(shù)的爆發(fā)式增長(zhǎng)伴隨著國(guó)家政策的引導(dǎo)以及國(guó)家戰(zhàn)略性規(guī)劃的制定實(shí)施，中國(guó)氫能基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)將得到快速的發(fā)展。2016年來，一系列戰(zhàn)略性規(guī)劃的制定推進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)鏈快速完善。2016年《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃（2016-2030）》的制定，明確了中國(guó)能源技術(shù)革命的總體目標(biāo)：到2020年，能源自主創(chuàng)新能力大幅提升，一批關(guān)鍵技術(shù)取得重大突破，能源技術(shù)裝備、關(guān)鍵部件及材料對(duì)外依存度顯著降低，中國(guó)能源產(chǎn)業(yè)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力明顯提升，能源技術(shù)創(chuàng)新體系初步形成；到2030年，建成與國(guó)情相適應(yīng)的完善的能源技術(shù)創(chuàng)新體系，能源自主創(chuàng)新能力全面提升，能源技術(shù)水平整體達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，支撐中國(guó)能源產(chǎn)業(yè)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展，進(jìn)入世界能源技術(shù)強(qiáng)國(guó)行列。2019年“推動(dòng)充電、加氫等設(shè)施建設(shè)”等內(nèi)容被寫入《政府工作報(bào)告》，這是氫能產(chǎn)業(yè)首次被寫入政府報(bào)告，表明國(guó)家對(duì)氫能、加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重視。預(yù)計(jì)更多的相關(guān)產(chǎn)業(yè)扶持政策也將陸續(xù)推出，國(guó)內(nèi)氫能源配套設(shè)施建設(shè)有望迎來高潮。2.4企業(yè)與高校、研究院所的合作中國(guó)加氫站專利申請(qǐng)量居前10的公司分別為蚌埠艾普壓縮機(jī)制造有限公司、中科液態(tài)陽光（蘇州）氫能發(fā)展有限公司、鄭州宇通客車股份有限公司、張家港富瑞氫能裝備有限公司、張家港氫云新能源研究院有限公司、上海氫楓能源技術(shù)有限公司、浙江昊凡科技有限公司等。通過對(duì)中國(guó)加氫站專利申請(qǐng)量居前10的公司的技術(shù)領(lǐng)域及其申請(qǐng)情況分析可知，在加氫站應(yīng)用方面的專利數(shù)量較多，具體技術(shù)設(shè)備包括壓縮機(jī)、儲(chǔ)氫罐、液氫泵、氣化器、冷卻器、分配器；主要涉及的技術(shù)有氫氣制取、氫氣儲(chǔ)運(yùn)、氫氣液化、加氫站設(shè)計(jì)等。前10名專利權(quán)人中企業(yè)占比較大，共有9家企業(yè)入榜，高校僅有1家，存在明顯的不平衡性。有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，高校和科研機(jī)構(gòu)是專利協(xié)同創(chuàng)新體系中的重要支撐，具有代表性和一定實(shí)力的企業(yè)可通過技術(shù)協(xié)作、合作開發(fā)、共建研發(fā)實(shí)體、共建聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室、研究基金合作等形式，借助國(guó)內(nèi)高校、科研院所的力量推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)的合作研發(fā)。加強(qiáng)企業(yè)與高校、研究院所的合作，實(shí)現(xiàn)互相支持、互相滲透、互相介入、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、資源互用、利益共享是促進(jìn)技術(shù)管理現(xiàn)代化的重要途徑。在加氫站技術(shù)中，企業(yè)發(fā)揮了創(chuàng)新主體的作用，但是在中國(guó)當(dāng)前大背景下，高校、研究院所的科技人力資源還應(yīng)發(fā)揮其創(chuàng)新主力的作用，使企業(yè)的主體地位與高校、研究院所的主力作用有機(jī)統(tǒng)一起來。專利權(quán)人前十名情況見圖2。2.5其他省份氫能產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展現(xiàn)狀為研究氫能專利技術(shù)，特別是加氫站專利技術(shù)的地域分布情況，對(duì)加氫站相關(guān)的817件專利按照專利權(quán)人所屬省份分類，江蘇省、北京市、廣東省、浙江省、上海市專利占有量分列前五，在加氫站技術(shù)發(fā)展中起到了先鋒作用。圍繞這五大省份建立華東、京津冀、華南、華中等氫能產(chǎn)業(yè)集群，發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢(shì)，建立起相對(duì)成熟的產(chǎn)業(yè)配套和商業(yè)化應(yīng)用體系，對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展具有重要的推動(dòng)作用。專利申請(qǐng)精量地域分布見圖3。3中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展道