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1 氫氣的存儲
1.1 高壓容器存儲
由于氣態(tài)的氫氣質(zhì)量密度很低,通常以高壓氣體的方式進(jìn)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(shù),廣泛應(yīng)用于儲存氫氣和天然氣?再高的壓力允許容積能力現(xiàn)已得到改善,但當(dāng)達(dá)到較高壓縮比時,壓縮功耗就不能忽略?為了應(yīng)對安全問題,未來的壓力容器包括三層:聚合物襯墊內(nèi)層,高強(qiáng)度和高彈性的碳纖維復(fù)合材料包裹中層,以及能夠承受機(jī)械和腐蝕損傷的芳綸材料外層?
1.2 低溫液態(tài)存儲
低溫液態(tài)存儲技術(shù)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(tài)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(tài)氫氣的質(zhì)量密度不到40kg/m3,而液態(tài)的質(zhì)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(shù)進(jìn)行全面的分析?
1.3 固體材料存儲
根據(jù)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(xué)氫化物儲氫?
(1)物理吸附儲氫
某些金屬可以用作儲氫介質(zhì),因為某些金屬或合金在加熱后能吸收氫并釋放,從而產(chǎn)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(yīng),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(shù)金屬能在合適的溫度和壓力下實現(xiàn)存儲?還有一些材料也可以儲氫,例如金屬有機(jī)物?碳和其他納米結(jié)構(gòu)等?
(2)化學(xué)氫化物儲氫
化學(xué)氫化物是化學(xué)上與氫結(jié)合的材料?能夠儲存化學(xué)氫的材料有金屬氫化物?甲酸?碳水化合物?氨?合成烴和液態(tài)有機(jī)氫載體?與物理吸附相比,化學(xué)儲氫可以獲得更高的能量密度?
2 氫氣運(yùn)輸
在使用中需要將氫氣從存儲地運(yùn)送分配到加氫站?按照輸送時氫氣所處狀態(tài)的不同,氫氣的運(yùn)輸方式可分為氣態(tài)氫氣(Gaseous H2,)輸送和液態(tài)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(yùn)輸,是目前加氫站正在使用的方式?
2.1 高壓氫氣運(yùn)輸
氫氣通常經(jīng)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(yùn)輸靈活,對于需求量較小的用戶,這是非常理想的運(yùn)輸方式?
2.2 液氫運(yùn)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(jìn)行長距離或跨洲際輸送,這種方式可大大提高運(yùn)輸效率?深冷鐵路槽車長距離運(yùn)輸液氫是一種既能滿足較大輸氫量又比較快速?經(jīng)濟(jì)的運(yùn)氫方法?
液氫管道都采用真空夾套絕熱,由內(nèi)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(yùn)輸?shù)姆绞揭远嘤跉鈶B(tài)氫氣的運(yùn)輸方式?
2.3 固體氫運(yùn)輸
固態(tài)氫氣輸送主要通過金屬氫化物進(jìn)行?迄今尚未有固態(tài)氫氣輸送方式,但隨著固氫技術(shù)的突破,這種方便的輸配方式預(yù)期可獲得使用?
2.4 氫運(yùn)輸方式對比
高壓氫氣運(yùn)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(yùn)輸,短途也會采用管道運(yùn)輸?不同氫氣運(yùn)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(nèi),通常在加氫站內(nèi)完成?目前加氫站的技術(shù)類型可按氫氣來源分為站外制氫(Off-site)和站內(nèi)現(xiàn)場制氫(On-site);按氫氣存儲方式可分為液態(tài)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(nèi)制氫
站內(nèi)制氫是指氫氣在加氫站內(nèi)現(xiàn)場制取,目前站內(nèi)制氫的技術(shù)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(zhì)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(jīng)壓縮機(jī)增壓后進(jìn)入儲氫瓶內(nèi)儲存,加氫時,加氣機(jī)從儲氫瓶內(nèi)取氣?站內(nèi)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(nèi)電解制氫（On-site）型加氫站工藝流程
3.3 站內(nèi)設(shè)施配置
(1)卸氣系統(tǒng)或制氫系統(tǒng)
氫氣由管束拖車將高壓氫氣(18~20MPa)從氣源處運(yùn)至加氫站,現(xiàn)場設(shè)置管束拖車車位?通過各泊位內(nèi)的卸氣柱,將氫氣從管束內(nèi)卸載,并輸送至氫氣增壓系統(tǒng)和加氫機(jī)?
(2)增壓系統(tǒng)
多級壓縮時的冷卻系統(tǒng)可采用風(fēng)冷或冷卻液冷卻,風(fēng)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(qū)動可采用電動機(jī)或天然氣發(fā)動機(jī)?目前氫氣壓縮機(jī)按類型可分為隔膜式壓縮機(jī)和離子式壓縮機(jī)?
(3)儲氫系統(tǒng)
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(nèi)儲氣?
(4)加氫系統(tǒng)
加氫系統(tǒng)主要包括高壓管道和加氫機(jī)?加氫機(jī)上安裝壓力傳感器?溫度傳感器?過壓保護(hù)裝置?軟管拉斷保護(hù)裝置?優(yōu)先順序加氣控制系統(tǒng)等?氫氣在節(jié)流膨脹后溫度升升高,具有特有的“焦湯熱效應(yīng)”,因此需要采用溫度補(bǔ)償系統(tǒng)?
(5)氮?dú)庀到y(tǒng)
氮?dú)庾鳛闅饪叵到y(tǒng)氣源和加氫站管道?設(shè)備的吹掃氣體?
(6)放散系統(tǒng)
為提高站內(nèi)的安全性,一般采用氫氣集中放散系統(tǒng),其中年氣柱?壓縮機(jī)?固定式儲氣瓶和加氫機(jī)的放散均接至總管集中放散。
(7)安防監(jiān)控系統(tǒng)
氫氣無色、無臭，分子運(yùn)動速度快，具有最大的擴(kuò)散度和很高的導(dǎo)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(kuò)散性、易縮脹性、易燃燒性、易爆炸性等特點，需要在站內(nèi)增加一套氫氣泄漏安防監(jiān)控系統(tǒng)，以確保加氫站的運(yùn)營安全。
