說到為什么要建設加氫站，這個問題似乎有點老生常談，業界早已達成共識，加氫站的布局和建設，是氫能和燃料電池汽車產業商業化發展的突破口。對于氫燃料電池汽車而言，加氫站的重要程度相當于加油站對于燃油汽車一樣。沒有一個完善而且優化的加氫網絡，油表到紅的恐懼在新能源汽車的時代可能還會向鋰電汽車發展初始一樣上演。為了不走鋰電的老路，各種示范項目在全世界各地火熱進行，這些加氫站的建設及示范運行活動為今后積累了大量的數據和經驗。本文將從技術和經濟角度著重介紹加氫站的建設。

由于氫能產業在國內尚屬新興產業，加氫站建設運營管理制度體系缺位，加氫站建設運營等行政審批程序不暢通；同時國內加氫站設計、建設及運營經驗不足，我國加氫站推廣緩慢，已經成為制約我國氫能產業快速發展的重要因素之一。

在氫燃料電池汽車普及的過程中，加氫站可以和傳統的加油站并站設置，節約人工等成本，提供經濟競爭力，這也與目前部分快充站配套的鋪開策略相似。加氫站的設置規模，取決于每日氫消耗量，氫燃料儲存形式（物態和壓力）與運輸方式。在氫燃料的普及開始階段，每日加氫站的消耗量一般設計在50-100千克/每天，在成熟的市場中，每日的加氫規模能夠達到2000kg。

加氫站發展歷史及現狀

世界上最早的加氫站站可以追溯到上世界八十年代美國LosAlamos，當時美國阿拉莫斯國家實驗室為了驗證液態氫氣作為燃料的可行性而建造了該站。1999年，德國慕尼黑開放了第一個公共加氫站，作為慕尼黑“ARGEMUC”聯合項目的一部分。之后許多國家和企業都對氫能技術給予高度重視，成立了各種國際性和地區性的組織，如國際氫能經濟合作組織（IPHE）、加州燃料電池合作組織（CaFCP）、日本氫能&燃料電池實證示范工程（JHFC）、歐洲清潔城市運輸計劃（CUTE）等。這些組織及一些單獨民間力量在各地建立了許多加氫站，大大推進了加氫站的發展，越來越多的加氫站也逐漸建成。

2018年，氫能的發展則更加迅猛，不斷有加氫站建成。截止到2018年年底，日本加氫站達到100座以上，德國加氫站數量達到69座，同時除德國外，其它歐洲地區也加快了氫能基礎設施的研究建設步伐。下圖展示了全球加氫站分布地圖，其中灰色及綠色表示已建成，黃色表示在建：

全球加氫站分布地圖（數據日期：19.12.2018；數據來源：Ludwig-B?lkow-SystemtechnikGmbH）

相比之下，我國氫能產業仍處于初期階段，相比歐美和日本，加氫站的建設也相對緩慢，究其原因，

一方面，氫能需求不足，導致加氫站投入平均成本過高、難以大規模鋪設；

另一方面，國內加氫站成本過高，建設及運營經驗不足以及頂層設計不足，加氫站建設運營管理制度體系缺位，加氫站建設運營等行政審批程序不暢通等多方面的因素，又使得我國加氫站推廣緩慢。這又使得氫能發展嚴重的受阻，形成了一個惡性循環。

據統計，我國目前已運行的加氫站數量是16座，33座在規劃建設中，計劃在2020年前達到100座。更多關于加氫站統計分析，相關優質文章已經很多，筆者不再累述。然而，我們在討論加氫站的重要性同時，除了分析市場和發展趨勢以外，還需要解決加氫站的真正問題：設計與成本。

加氫站設計

對于加氫站的設計，首先要考慮的是兩個問題：供給和需求。

需求主要決定了，加氫站的大小和選址。一般來說，對于氫氣需求量較小的情況，因所需壓縮機較小，可選擇移動式加氫站，用壓縮機或增壓泵直接將氫氣升壓，加注到燃料電池車輛，這樣還能使得加氫站脫離地理位置的限制。在氫氣需求量大的情況下，移動式加氫站的成本，就相對較高了，一般都會選擇固定式加氫站，其主要結構除了中低壓儲氫罐、壓縮機、加注設備之外還有高壓串級儲氫系統。

·氫氣的供給影響了加氫站的設計，之前在多個地方都討論過氫氣的儲存運輸配套問題，目前有兩種通行的解決方法：

·在加氫站設置小規模裂解氫氣制造設備

大規模中心氫氣裂解制造設備，另加運輸物流系統。

針對以上內外兩種供給方式，第一類氫氣來源，我們稱為站內制氫加氫站；第二類氫氣來源，稱為外供氫加氫站。目前，全球各地加氫站均主要為外供氫加氫站。而外供氫加氫站的設計根據氫氣運輸方式的不同而不同。

說到運輸方式，目前在氫燃料的運輸過程中有三種主流方案：

·液態氫燃料拖車運輸

·氣態氫燃料拖車運輸

·氣態氫燃料管道運輸。

此外還有一種比較有前景的運輸方式，有機液體氫載體運輸（LOHC），又稱氫油運輸，但因其目前運輸成本、脫氫設備成本高及耗能高，暫時很少作為加氫站供氫方式。

加氫站設計除了與運輸方式有關，根據注氫壓力等級的不同，設計理念也會有所不同。目前國際上比較主流的有以下三種加氫設計理念：

1.串級高壓注氫設計

2.增壓壓縮注氫設計

3.低溫液態泵注氫設計

這三種加氫設計的共同之處在于，都是用了串級高壓儲氫系統。通常，串級高壓儲氫系統都是有多個高壓儲氣瓶組成，這些儲氫瓶的儲氣壓力分為兩到三個不同壓力等級。對于一個加注能力為70MPa的加氫站，三個等級可以分別是：900bar、650bar和400bar。采用串級高壓儲氫系統的好處是：

一方面這個系統可以作為緩沖系統，使得在非高峰期的時候，壓縮機也能運作，將高壓氫氣儲存起來。這樣一來，就能減少壓縮機的閑置時間，同時也能大大減小壓縮機在高峰時段需要的峰值功率，從而降低壓縮機的成本。

另一方面，采用串級儲氫系統，能夠減少壓縮機能耗，相比將氫氣全部加壓至最高壓力，將氫氣壓縮至不同等級，其節能效果可想而知。

最后，串級也能便于控制加氫速率。給燃料電池汽車注氫時，通常從最低壓的儲氣瓶開始注氫，當車內儲氣罐壓力達到設定值的時候，自動切換到中級壓力儲氣瓶，同理，最后切換到最高壓力儲氣瓶，直到達到標準壓力。這種注氫方式，能夠使得儲氣瓶和車內儲氣罐的壓力差始終保持在一個較小值，使得加氫速率維持在一定范圍內，防止溫度迅速上升，同時也能減小冷卻系統的成本。

雖然三種加氫設計的都采用了串級高壓儲氫系統，但是根據加氫站的氫氣來源、應用場景的不同，其設計會有些許不同。

1.串級高壓注氫設計

串級高壓注氫設計

這種注氫設計是目前國際上應用的最為廣泛的一加氫設計，適用于氣態氫氣運輸方式或就地制氫。無論是采用管道運輸還是就地制氫，通常都會采用一個或多個大容量的中低壓儲氫罐，事前將足夠的氫氣儲存起來，來保障當天或多天的需求；當采用長管拖車的運輸方式的時候，通常可以將長管拖車直接當做儲氫罐。壓縮機給高壓儲氫罐供氫過程與汽車注氫過程相反，通常按壓力等級由高到低的順序供氫，這樣能夠保證高壓儲氫系統的儲氣量始終較足。

這種注氫設計的優點是，能夠大大降低壓縮機成本，增加壓縮機使用率，方便控制注氫速率，而且設計相對簡潔。缺點是，高壓儲氫系統對控制系統要求較高，成本也相對比較昂貴，因此應適當控制高壓儲氫系統容量和壓縮機功率的平衡。最重要的是，當加氫站設計注氫壓力較高的時候，安全系數較低，對技術要求極為嚴格，目前能生產能夠耐受1000bar壓力的儲氫罐的生產商較少，且價格昂貴。

2.增壓壓縮注氫設計

增壓壓縮注氫設計

對于注氫壓力要求較高（如最高注氫能力為1000bar）的加氫站，通?？梢越档痛壐邏合到y的壓力等級，在系統之后添加一個較小的增壓壓縮機（Boostercompressor）。這種設計對主壓縮機及串級儲氫罐的要求相對較低，能夠大大減少相應設備的成本，然而需要新增增壓壓縮機，且對其性能要求要高，價格也相對較高，總體來說，這種設計的總成本相對串級高壓注氫設計較高，僅在高壓儲氫罐安全系數較低及成本較高的情況，稍有優勢。

3.低溫液態泵注氫設計

當采用氫氣低溫液態方式運輸時，注氫過程可以采用低溫液態泵來代替多級壓縮機，直接將低溫液態氫升壓至所需壓力，再通過蒸發器，將液氫汽化，注入串級高壓儲氫罐；這種設計的優點很多；

·一方面，低溫液態泵價格相對壓縮機較低，前期投入成本較低；

·另一方面，液態升壓過程相對氣態加壓過程所需的電量要少很多，能夠降低運營成本；

此外，這種設計由于始終保持較低溫度，注氫時不用擔心溫度過高，可以避免冷卻設備的投入成本和運營成本。

低溫液態泵注氫設計

然而這種設計需要保證氫氣始終處于低溫液態，對液態儲氫罐的保溫效果要求較高，一般來說即便在保溫效果非常好的情況下，每天也會有大概0,5%質量的氫氣氣化，而氣化的氫氣會導致罐內壓力升高，需要采用一定措施，將氣化氫氣導出，避免低溫儲氫罐壓力過大。

加氫站成本及優化潛力

現階段加氫站建設最大的阻礙就是成本問題，目前我國一個日加氫能力為200kg的加氫站成本約為600-800萬元，歐洲同等量級的加氫站所需成本較國內稍貴，約800-1000萬元。對于一個日加氫量為200kg的串級高壓儲氫加氫站，其成本分布如下：

200kg日加氫能力加氫站成本分布（來源：模型計算）

從圖表中可以看出，不考慮為其他成本的23%，占據加氫站成本最大一塊比重的是壓縮機，其次是儲氫設備，其中低壓日儲氫罐占13%，串級高壓儲氫罐占6%；冷卻設備的投入成本也比較高。要想降低壓縮機投入成本，首先應該從壓縮機入手。和前面提到的一樣，要想降低壓縮機成本，得考慮降低壓縮機大小，而壓縮機的大小，和高壓儲氫罐的容量密切相關；高壓儲氫罐容量越大，所需要的壓縮機額定流量就越?。环粗嗳?。然而，高壓儲氫罐的成本隨容量增加也會增加，因此，不是壓縮機越小就越好，最好的辦法是找到一個兩者之間的平衡，以達到成本最優化。下圖給出了，200kg加氫站的模擬壓縮機額定流量變化，壓縮機成本及對應容量高壓儲氫罐的成本變化。從圖中可以看出來，壓縮機對應額定流量大約為15kg/h的時候，兩者成本之和最低；壓縮機再小下去，成本反而會回升。

200kg日加氫能力加氫站壓縮機及高壓儲氫罐價格（來源：模型計算，單價數據采用H2A項目價格估算）

對于采用低溫液態氫作來源的加氫站，避免了冷卻設備的投入以及壓縮機的投入，成本大大降低，對于一個日加氫量為200kg的液態儲氫加氫站，其成本可達500萬元以下。

除了前期投入成本，影響加氫站使用地還有其運營成本。加氫站運營成本主要和加氫站的加氫能耗有關。能耗主要來源于增壓設備和冷卻設備的能耗。增壓設備能耗主要和設備效率、增壓等級相關聯，因此高壓儲氫設計和增壓壓縮設計，兩種加氫站加氫能耗相當；而低溫液態加氫，采用液態增壓，需要做功較少，能耗較低；而且不需要冷卻裝置，因此運營成本遠小于氣態儲氫加氫站。

200kg日加氫能力加氫站能耗（來源：模型計算）

從上面的分析來看無論是從前期投入還是從運營成本角度來說，液態加氫站的成本都要低很多，因此整體看來，液態加氫站加氫成本比氣態加氫站要少不少。然而，加氫站的建設應該考慮多方面因素以及上游氫氣成本。當制氫地點與加氫站距離較近時，氫氣液化及液態氫氣運輸所需成本較高，從而會導致氫氣整體價格偏高，液態加氫站不是在任何時候都是最佳選擇。因此，在設計加氫時應該因地制宜，選擇最合適的設計流程。