胡 欢
中国石化销售股份有限公司贵州石油分公司 550001
摘要：在新一轮科技革命和产业变革中，氢能和燃料电池技术备受关注。氢能作为二次能源，具有来源多样、终端零排、用途广泛等优点，在维护能源安全、应对气候变化、推动产业升级等方面具有重要意义，具有能量密度大、燃烧热值高、来源广、可储存、可再生、零污染、零碳排等优点，有助于解决能源危机以及环境污染等问题，被誉为“21世纪”的终极能源。
关键词：能源；氢能；燃料电池；加氢站
一、氢能源发展与利用现状
全球正在经历从化石能源向氢能、风能、太阳能、海洋能等非化石能源过渡的第三次能源体系重大转换期。当今世界，开发新能源已迫在眉睫。因为石油、天然气、煤等均属于不可再生的资源，在地球上的存量是有限的。在能源短缺和环境日益恶化两大困境的威胁下，可持续清洁能源的开发日益迫切。
新能源发展迅速，目前已被人们广泛使用的有地热能、太阳能、风能、现代生物质能、海洋能、氢能等。其中，氢能过低碳和零碳排放正在脱颖而出，是最高效清洁的二次能源。氢能可以通过煤制氢、天然气制氢、烃类制氢、甲醇制氢、电解水制氢、生物质制氢等多种方法制取获得，不像煤、石油、天然气等通过直接开采得到，因此，氢能被誉为21世纪最具发展前景的二次能源。
氢能在解决能源危机、全球变暖以及环境污染等问题方面将发挥重要作用，也将成为优化能源消费结构，保障国家能源供应安全的战略选择。
氢是宇宙中分布最广的物质之一，氢能的利用形式多种多样，不仅可以通过燃烧产生热能，还可以作为能源材料用于燃料电池，氢能汽车就是通过这种方式将氢能转化为动力，氢能源汽车的排放物只是水，可以再次回首并加以利用。氢燃料电池技术，被认为是利用氢能解决人类能源危机的终极方案。那么，氢燃料电池是如何将氢能源转化为电能的呢！
早在1801年，英国物理学家Davy就提出了燃料电池原理。以氢气为燃料的氢燃料电池，其工作原理为：氢气和空气中的氧气在燃料电池的核心部件质子交换膜中结合并发生化学反应产生电流，将氢能转化为电能，整个过程排放物为水和热量，实现了零排放无污染。
国际氢能理事会认为，氢能将在未来能源转型中扮演7种角色：一是支持大规模可再生能源发电和接入；二是跨领域跨区域的运送；三是增加能源系统弹性；四是交通脱碳；五是工业用能脱碳；六是帮助建筑用热和用电脱碳；七是为工业提供清洁原料。国际可再生署认为，氢气作为能源载体，在能源转型中与电力互为补充，可再生能源制氢可以在一些难以脱碳的领域实现脱碳（如炼厂、石化等工业领域）。
二、氢能的分类
目前，工业中产生的氢气主要有灰氢、蓝氢和绿氢。
以煤制氢为代表的灰氢生产工艺已较为成熟，目前全球已有130座煤制氢生产装置，中国就占了80%以上。由于灰氢的制取来源于化石能源，生产过程伴随大量碳排放，制取每公斤氢气的碳排放量高达20.8公斤，由此可见，目前灰氢的制取无助于甚至不利于实现碳中和。
蓝氢可以通过工业生产中的副产物获取，也可使用石化燃料制氢，同时使用碳捕集和碳封存，能有效减少谈的排放。
绿氢是由可再生能源（如风电、水电、太阳能）等制氢，制氢过程完全没有碳排放。
目前，蓝氢的利用被认为是氢能产业中短期发展的主要方向，绿氢的生产将成为氢能产业长期发展的必然选择。
三、加氢站的建设
1、加氢站的类型
加氢站是氢能产业市场化的重要基础，是氢能产业中连接上游制、储、运环节与下游应用市场的枢纽。我国目前常见的加氢站有35MPa和70MPa的，形式主要有橇装式加氢站、标准（固定）加氢站、油氢合建站、油氢电合建站、油氢电气合建站等。固定式加氢站的配置包括：压缩机、加氢机、储氢系统、卸气柱、顺序控制盘、站控系统、氮气吹扫系统、冷却系统、后台管理系统。撬装式加氢站的配置包括：增压系统、加氢系统、卸车系统、储氢系统、控制系统、安全监控系统、物联系统、收费管理系统。
2、加氢站的工艺流程
（1）卸气工艺：长管拖车进入站区的卸车位后，将车辆固定并连接卸车软管，通过卸气柱将氢气从长管拖车内卸载并进行流量调节和质量计量，通过压缩机的压力调节作用，将氢气输送至储氢瓶组内。当长管拖车内的氢气压力低于或接近设定值时，脱离卸车软管停止卸气。根据加氢站的实际运行情况以及周边市场的氢气需求情况，长管拖车停放在站内或者驶离加氢站。除此而外，长管拖车还可为加氢机提供低压氢源。
（2）压缩机增压工艺：来自卸气工艺5～20MPa的低压氢气进入压缩机，经压缩机加压将氢气压缩为45MPa的高压氢气输送至储氢瓶组内。这个过程在顺序控制盘的控制下，对储氢瓶组的充装优先级为高压、中压、低压。在充装过程中，为防止压缩机出口氢气温度过高，需要为压缩机配置冷水机组对工作后的压缩机进行冷却。
（3）加氢工艺：加氢机采用多级进气加注模式。来到加氢站需要加氢的车辆，储氢瓶中的压力通常较低，因此，氢气的加注在顺序控制盘的控制下进行分级加注。加氢机优先从低压储氢瓶组取气，当低压储氢瓶组内压力与车载储气瓶内压力差达到设定值时，切换至中压储氢瓶组取气；当中压储氢瓶组内压力与车载储气瓶内压力差达到设定值时，切换至高压储氢瓶组取气；直至达到加氢车所需的加注压力时则停止取气；当储氢瓶组中的压力不足时，还可启用压缩机直充模式进行加注。为防止加注过程的中的氢气升温，加氢机前端设置有换热器，由加氢机专用冷冻机组提供冷却液。
（4）顺序控制工艺：顺序控制工艺包含储氢瓶组充装工艺和加氢机取气工艺。随着车辆的不断加注，储氢瓶组的压力不断降低，当其压力降低到设定值时就需要启动压缩机，将氢气增压后充装到储氢瓶组内，完成储氢瓶组的充装工艺。有加氢车加注需求时，则按照程序低、中、高三级取气，完成车辆加注需求。当储氢瓶组压力不足时，则可以启用压缩机直充模式进行加注。
（5）氮气吹扫系统：为整站提供仪表气及吹扫气。
各工艺系统之间的联动，保证了加氢站设备的有序运行。
四、结语
随着清洁电力制氢技术经济不断提升，未来我国氢能产业发展前景广阔，潜力巨大。但是在下决心大力发展氢能产业时，必须高度注意到目前存在的实际情况和困难，需要分析和防范一系列的产业风险，做到有序发展，稳中有进，加快氢能发展助推碳达峰碳中和，实现氢能产业的可持续发展。
参考文献：
[1]《能源情报》
[2]《中国氢气储运技术分析》
[3]《国际能源互联网发展报告》
[4]《中国氢能源网》 2020年新建加氢站数量创纪录 2021-2-24