车载制氢加氢站设计

车载制氢加氢站设计信息发布日期:2007-02-12车载制氢加氢站设计袁家桢许俊明（清华大学原863制氢子课题负责人）（天津大陆制氢设备公司总工程师）摘要：文中分析了制氢加氢站设备的多种考虑因素，介绍了设计和研制中碰到各种难题，在产品需求指标不断提升的情况下，基本完成了产品研制，为燃料电池汽车上路行驶，提供清洁、高压的氢气能源，在可再生性氢能源代替石油一次性能源的征途中，扎实的前进了一步。关键词：氢能源、制氢、储氢、售氢、氢燃料电池汽车科技部领导的863“节能与新能源汽车”重大项目，吸引了国内外民众的广泛关注，汽车业许多精英投入到新车型和关键零部件的研制工作中，车用氢气的来源是配套性的子课题，在燃料电池汽车早期使用中，是不可缺少的关键设备，现在研究车载制氢加氢站设备已经有了良好的进展，特向同行战友们汇报如下。1研究制氢设备的背景研制氢燃料电池汽车的单位，碰到的第一个配套难题就是氢气从何而来？并且要在试车之前先让氢气到位，这个紧急性任务我碰到过三次，深知它的艰巨性和复杂性。第一次是“十五”之前北京申奥时，研制中国第一辆氢电动奥运指挥车，当时氢气压力为100kg/cm2；第二次是“十五”期间在清华大学，制氢储氢压力为200kg/cm2；第三次是“十一五”帮助苏州金龙解决氢能源问题，此时储氢压力提高到350kg/cm2。国内燃料电池汽车随着国际水平提升而提高，使制氢和加氢难度越来越大。由于我们是最早介入氢能源汽车的科技人员，所以必须攻克这一难关，现在设计上和生产上都已达到基本要求，就看“十一五”的应用情况了，如果能够以国产设备稳定供应350kg/cm2高压氢气，作为燃料电池汽车攻关的一环节，为以氢气代替石油走出了重要的一步。2制氢原料的三种选择制氢原料目前有三种选择：水、天然气、工业尾气，这三种原料和生产的代价，通过多年研究和实践，已经有了一些体会。2.1天然气制氢北京有陕北输送过来的大量天然气，因此一开始就定下调子，北京要使用天燃气制氢，但在清华大学作了两次尝试以后，被迫放弃了。第一次是为热能系试制一台天然气重整制氢的装置，设计过程就问题百出，这些高温高压的设备，要有专业设计证和生产许可证，主管教授和研究生成了局外人，由他们决定的设计参考，一直受专业人员抵制，结果友好单位花了很多钱和时间，免费试制出来的样机至今未能使用。有两条经验是值得吸取的：一是车辆数量过少时，不适于用天然气；二是设备经受高温高压，工艺流程和温度控制需有严格保证。第二次的经历是设计150辆公交车的天燃气制氢成套设备，这次是由国内一流单位设计的，石化部设计院为清华作了方案设计，生产过程全部自动化，允许50-150辆之间运行，但需投资几千万元，还要征地、立项、修管道，这些都是研制样车阶段所无力进行的，所以这个方案没有正式上报就放弃了。虽然花了很多时间去研究天燃气制氢，结论是为时过早，今后燃料电池汽车大量使用时，这种方案还是应该考虑的。2.2电解水制氢国内外少量试用燃料电池汽车的阶段，基本上都是用电解水制氢，它的质量好纯度高，原材料容易解决。就电解水技术而言是很成熟的，许多行业先于汽车大量使用氢气，所以制氢单位有条件承担汽车用氢源的研制需要。但在压缩压力和储氢方面，过去没有这种高压需要，所以研制过程中要同步进行，所幸这方面仍有专业生产单位愿与汽车同行，我们能够设计和研制高难度的车载制氢加氢站，主要就是利用这些基础，清华大学的吸引力和某些生产单位的积极性，相互配合使非常复杂的，技术和安全性要求很高的制氢加氢设备，得以研制完成。2.3工业尾气制氢北京市没有工业尾气制氢的打算，但是拥有化学工业的城市，可利用的条件比较多，例如较早向北京出售氢气的石家庄和沧州，就是化工尾气制氢，生产成本低，售价也低，作为化工副产品、产氢量有限，同高纯度电解水制氢相比，它形成了低价氢市场。最近上海市宣布，2010年市博会之前，要利用焦化厂高炉尾气制氢，通过管道或气瓶输送到市内，在陆家嘴一带建立十几个加氢站，使燃料电池汽车成为市博会的重要交通工具。这是利用工业尾气的大动作，不仅是国内外关心的科技新闻，而且是推广燃料电池汽车的有效措施。如何解决高压氢气来源，同研制燃料电池汽车一样重要，汽车可以集中生产，但是氢气要根据地区条件分别进行，无疑这方面上海市又一次带了头。对于工业尾气制氢有人欢乐有人愁，上海市提前解决大批量和经济的氢气来源，自然多数人会拍手称快，但是燃料电池对于氢气的纯度要求是很高的，微量杂质就会使燃料电池中毒，所以为了燃料电池寿命担心，必然也会同时出现。不过利用化工尾气制氢国外早有先例，并且由国际著名的壳牌石油公司帮助上海作技术改造，这种担心也许是多余的，去过焦化厂的人都会深有感触，当火红的焦炭出炉时，是靠洒水来降温的，大量炭氢化合物冒着白烟冲向高空，把这些制氢原料保留下来，确实是非常必要的。3车载制氢的必要性3.1制氢加氢站的四种组合方式3.1.1地面固定式制氢加氢站：把制氢、压缩、储氢、加氢的设备分别放在建筑物里，形成固定式制氢加氢站，车辆要开到站内加氢，适于车辆较多或公共单位使用，但目前北京市几个制氢单位都是使用这种方式。3.1.2车载制氢加氢站：把制氢、压缩、储氢、加氢设备装到载重汽车上，组成可移动的加氢站，但移动过程是不能制氢的，适于车辆较少的单位，例如天津大陆制氢公司生产的车载制氢加氢站，可供日行300公里的10辆燃料电池大客车使用，如果是燃料电池轿车使用，可供给日行500公里的50辆轿车使用。3.1.3地面制氢的车载加氢站：把制氢的庞大设备留在地面，建成地面制氢站或制氢公司，另外把压缩、储氢和加氢设备放到专用车上，上海统一解决了工业废气制氢问题，很可能建立没有制氢设备的加氢站，车载站与地面站两种方式均可采用。3.1.4地面制氢、压缩、储氢的车载式加氢站：这种加氢站是几根管状物的储氢拖车，配有计量用的售气机，就像目前天然气站的输气和加气方式一样，但目前制氢单位尚未采用这种方式。通过分析，作为最早研究制氢设备的团队，因下列理由决定选用第二种组合方式，即车载式制氢加氢站。图一为车载制氢加氢站设备分布图3.2车载式制氢加氢站的优点3.2.1成本低投资小由于车载加氢站省掉征地、建房、大生产面积和辅助面积，使成本压缩到几乎仅是设备费用，同地面站相比节省许多投资，以北京三个加氢站投资作比较，天津的车载制氢加氢站申请863经费470万元，同样110Nm3/h的压缩氢生产能力，绿能公司采用地面站花掉2000万元，是车载式的4倍。清华地面式国际合作站，制氢能力仅80Nm3/h，花掉科技部专款1300万元，另外有美国能源部赠款450万美元，投入换算成人民币，是车载式制氢加氢站的10倍以上，另外它的压缩氢气只有20MPa，要想提高到国家标准35MPa，还需要增加不少投资。3.2.2国内排头兵企业联合研制设计原来由清华大学牵头，天津大陆制氢公司等6个企业联合生产，它们是国内专业产品的排头兵企业，车载制氢加氢站是国内企业联合研制的成果，拥有完整的知识产权，符合自力更生、赶超国际水平的863精神，这同购买国外技术或产品有本质的区别，现在已经成为天津大陆制氢公司提供的成套设备，这符合863依靠生产企业的原则。3.2.3制氢设备专业化生产制氢加氢站设备繁多，分为电解水制氢、氢气压缩机、氢气售气机、高中低三级储氢罐、高压管路及安全装置、大吨位货车和专用车厢等6部分，各组成部分拥有自己的设计权和专利，大陆公司负责总体设计和总装配，由于各专业厂目前产量和国内市场占有较大比例，联合研制代表国内最高水平。3.2.4加氢站位置可随试验车队加氢站位置很难确定，一方面征地盖房手续繁多，另一方面公安消防局对于建站条件十分苛刻，天然气很多加气站长期得不到批准，对于氢气安全条件就更为严格。采用车载方式可简化审批手续，加氢站跟随车队，多一个车位就可以生产，制氢原料只需要水和电，不出门就可以加氢，比到外边加油还方便，这种办法是早期不得不走的近路。3.2.5售后服务及时由于国内设计、国内生产、国内使用，有利于售后服务及时，早期研制的全自动制氢设备需要跟踪使用情况，这样可促使国内技术的成熟和发展。4制氢加氢站设计水平的几个标志4.1赶超国外样车的性能水平图二：国外双后桥制氢拖车及内部结构模型设计之前我们看到过的唯一照片是国外拖车式加氢设备，见图二所示。据说它的加氢压力为20Mpa，制氢量可供三辆燃料电池大客车使用。我们没有见过实物，但清华有些教授去过，科技部也有人去过，我们第一个设计水平的标志，就是要全面超过这辆国外样车的性能水平。4.2自主知识产权制氢生产能力取多少合适？这是设计中第一个要考虑的问题，清华第一次提出来供3辆试验车使用，后来又提出这3辆车要利用低谷电作电源，这样每天夜间7小时即可生产790Nm3，如果每天24小时生产，则最大生产氢气量为2710Nm3，成套制氢设备就是按这个需求量开始设计的，同时规定车载储氢罐压力为20MPa。以后研制过程中几经改动，主要变动有三个内容，第一是863指南规定储氢压力为35MPa，制氢、压缩、储氢、售氢都要依此改动；第二是规定燃料电池大客车的氢气消耗量为8.5kg/100km，每天行车300km，全日消耗氢气25.5kg，比清华计算值提高，制氢容量也要增加；第三科技部介绍我们参加苏州燃料电池客车研制团队，他们明确提出要生产10辆燃料电池大客车，在旅游景点之间作试验应用，因此最后调整车载制氢量为113Nm3/h，每天生产261kg，可供10辆日行300km的燃料电池大客车使用。这个设计指标，在已知车载式制氢的设备中，目前产量和储氢压力是最高的，以45MPa高压给车载罐35MPa加氢，时间应该是很短的，这样压力和容量等所有指标都兼顾到了，自行设计拥有自主知识产权。4.3全自动无人值守的设计要求为了提高设备使用水平，为了赶超国内外样车的应用指标，从一开始就明确制氢成套设备为全程自动化，确定无人值守的原则，有效的促进了各个总成设备的设计水平，现在制氢、压缩、储氢、售氢四大设备部分，已经作到单机生产自动化，信号由总装配单位连接以后，就可以作到生产全过程自动控制。自控主要连接点有以下几个：当水和直流电达到规定要求时，电解水装置开始起动，当制氢一级储氢罐压力到15kg/cm2时，氢气压缩机开始启动，达到25kg/cm2时稳定生产，超过25kg/cm2时，压缩机停止工作。压缩机二级压力达到150kg/cm2时，第三级压力可达450kg/cm2，首先自动充进钢胆高压储氢罐，充满后自动使电磁阀转为给第四级，即350kg/cm2的15只铝胆储氢罐，当所有储氢罐充满后，设备各部位自动停机。唯一用人力手工操作的是用加氢枪给车上加氢，人力操作过程有四步：一是手工取出输气软管，使充气枪插入车上的接受位置；二是手工按动售氢机数码板，指示充氢容量，可同时读出售氢价格；三是扭动充气枪开关自动充氢，先由35MPa储罐给汽车上储罐充氢，达到平衡后自动转换为45MPa的高压储罐补充加压，客车上储氢罐达到35MPa之后自动停机；第四步是把充气管和充气枪放回原处，因充气枪有弹簧回位装置，消耗体力是有限的。如此自动化的制氢和压缩，仅用手工去加氢，这同加油站和天然气站使用情况相同，能够达到自动化控制，不仅节省人力和安全，更主要是温度、压力、时间等所有参数准确按工艺执行，可以说这也是高水平设计的一个组成部分。4.4占地面积最小成本最低的加氢站设计选择车载式的好处是投资少，占用面积小，成本也是最低，选用北汽福田最大的重型货车，长度12m宽度2.5m，占地面积30m2，在这样小的面积上安装全部制氢加氢设备，生产能力为113Nm3/h，每天生产高纯度氢气261kg，供10辆大客车或50辆轿车使用，这种产出率水平是很高的，甚至是难以设想的。虽然这给我们的设备设计和生产带来许多困难，但作为高水平的一个标志，所付出代价是值得的。5促电解水设备不断更新天津大陆制氢公司是国内三大生产厂家之一，它历史最久，产品研究深度最精，车载制氢带来体积压缩和减轻重量的要求，而提高产品效能正是该企业长期不懈的奋斗内容，他们很好的把需求和产品升级联系起来，终于