第08章 氫的輸送與加注

1、第8章 氫的輸送與加注本章主要內(nèi)容1液氫儲(chǔ)罐及壓力容器2氣氫及液氫管道輸送3液氫輸送管道的設(shè)計(jì)與計(jì)算4加氫站結(jié)構(gòu)及車(chē)載加氫系統(tǒng) 8.1 車(chē)船運(yùn)輸按照輸運(yùn)時(shí)所處狀態(tài)不同，可以分為：氣氫（GH2）輸送，液氫（LH2）輸送和固氫（SH2）輸送。其中前兩者是目前正在大規(guī)模使用的兩種方式。根據(jù)氫的輸送距離、用氫要求及用戶的分布情況，氣氫可以用管網(wǎng)，或通過(guò)儲(chǔ)氫容器裝在車(chē)、船等運(yùn)輸工具上進(jìn)行輸送。管網(wǎng)輸送一般適用于用量大的場(chǎng)合，而車(chē)船運(yùn)輸適合于用戶數(shù)量比較分散的場(chǎng)合。液氫輸運(yùn)方法一般是采用車(chē)船輸送。見(jiàn)圖8-1未來(lái)的輸氫方案的綜合圖解。圖8.1未來(lái)的輸氫方案的綜合圖解8.1.1 液氫儲(chǔ)罐運(yùn)輸液氫生產(chǎn)廠至用戶較

2、遠(yuǎn)時(shí)，一般可以把液氫裝在專用低溫絕熱槽罐車(chē)內(nèi)，放在卡車(chē)、機(jī)車(chē)或船舶上運(yùn)輸。利用低溫鐵路槽車(chē)長(zhǎng)距離運(yùn)輸液氫是一種既能滿足較大的輸氫量，又比較快速、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)氫方法。這種鐵路槽車(chē)常用水平放置的圓筒形低溫絕熱槽罐，其儲(chǔ)存液氫的容量可達(dá)100m3。特殊大容量的鐵路槽車(chē)甚至可運(yùn)輸120200m3的液氫。8.1.2 壓力容器運(yùn)輸氫氣也可以在高壓下裝儲(chǔ)于壓力容器中，放在長(zhǎng)管車(chē)用牽引卡車(chē)或船舶中做較長(zhǎng)距離的輸送。在技術(shù)上，這種運(yùn)輸方法已經(jīng)相當(dāng)成熟。但是由于常規(guī)的高壓儲(chǔ)氫容器的本身很重，而氫氣的密度又很小，所以裝運(yùn)的氫氣質(zhì)量只占總運(yùn)輸質(zhì)量的1-2左右。它只適用于將制氫廠的氫氣的距離并不太遠(yuǎn)而同時(shí)需用氫氣量又不很大

3、的用戶。目前，高壓儲(chǔ)氫技術(shù)發(fā)展很快，新型的儲(chǔ)氫高壓容器是用鋁合金做內(nèi)膽，外纏高強(qiáng)度碳纖維，再經(jīng)樹(shù)脂浸漬，固化處理而成。這種高壓儲(chǔ)氫要比常規(guī)的鋼瓶輕很多，其耐壓高達(dá)35MPa(近似350大氣壓)，是目前已商業(yè)化的高壓氫氣瓶，廣泛用于燃料電池公共汽車(chē)和小轎車(chē)。壓力高達(dá)70MPa的儲(chǔ)氫瓶樣品也已經(jīng)問(wèn)世，預(yù)計(jì)很快會(huì)商品化。35MPa儲(chǔ)氫瓶的儲(chǔ)氫質(zhì)量占總運(yùn)輸質(zhì)量已經(jīng)接近5。8.2 管道輸送8. 2.1 液氫的管道輸送液氫除采用車(chē)船或船舶運(yùn)輸外也可用專門(mén)的液氫管道輸送，由于液氫是一種低溫(-250)的液體，其儲(chǔ)存的容器及輸液管道都帶有高度的絕熱性能，絕熱結(jié)構(gòu)會(huì)有一定的冷量損耗，因此管道容器的絕熱結(jié)構(gòu)就比較

4、復(fù)雜。液氫管道一般只適用于短距離輸送。目前，液氫輸送管道主要用在火箭發(fā)射場(chǎng)內(nèi)。在空間飛行器發(fā)射場(chǎng)內(nèi)，常需從液氫生產(chǎn)場(chǎng)所或大型儲(chǔ)氫容器輸液氫給發(fā)動(dòng)機(jī)，此時(shí)就必須借助于液氫管道來(lái)進(jìn)行輸配。比如美國(guó)肯尼迪航天中心用于輸送液氫的真空多層絕熱管路。美國(guó)航天飛機(jī)液氫加注量1432m3。液氫由液氫庫(kù)輸送到400m外的發(fā)射點(diǎn)，發(fā)射場(chǎng)的254mm真空多層絕熱管路，其技術(shù)特性如下：反光鋁箔厚度10nm、20層，隔熱材料為玻璃纖維紙，厚度160nm。管路分段制造，每節(jié)管段長(zhǎng)13.7m，在現(xiàn)場(chǎng)以焊接連接。每節(jié)管段夾層中裝有5分子篩吸附劑和氧化鈀吸氫劑，單位真空夾層容積的5分子篩量為4.33g/L。管路設(shè)計(jì)使用壽命為5

5、年，在此期間內(nèi)，輸送液氫時(shí)的夾層真空度優(yōu)于133×10-4Pa。隨著我國(guó)輸氫工業(yè)的發(fā)展，液氫的輸送管道也得到了應(yīng)用。圖8.2示有一種具有彈性的真空夾套連接軟管的液氫輸送管段結(jié)構(gòu)。而圖8-3為 一種彈性的絕熱LH2輸送軟管的結(jié)構(gòu)圖8.2 一種采用真空夾套的液氫輸送管道的結(jié)構(gòu)示意圖1,2-接頭；3-法蘭；4-真空泵的管接頭；5-波紋管；6-外管；7-內(nèi)管；8-吸附筐；9-隔離支架圖8-3 一種彈性的絕熱LH2輸送軟管的結(jié)構(gòu)1-定位環(huán)；2-閥頭；3-焊接環(huán)；4-外管；5-金屬網(wǎng)；6-支架；7-接頭；8-焊接環(huán)；9-固定環(huán)；10-法蘭；11-外波紋管；12-內(nèi)波紋管；13-內(nèi)管；14-吸附劑

6、；15-外套管；16-法蘭；17-管接頭當(dāng)采用液氫管網(wǎng)的輸氫技術(shù)時(shí)，液氫輸送管路的設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)布置對(duì)管網(wǎng)的投資與安全運(yùn)行有著重要的影響。液氫輸送管的設(shè)計(jì)必須滿足多方面的要求：（1）在滿足安全距離和用戶要求的前提下，液氫輸送管要盡量做得短些。這樣，一來(lái)可以減小能量損失，其次還可簡(jiǎn)化管道結(jié)構(gòu)與布置工藝，減少投資費(fèi)用；(2)液氫在輸送管內(nèi)應(yīng)盡量保持單相流動(dòng)，以免出現(xiàn)兩相流時(shí)的復(fù)雜流動(dòng)狀態(tài)和損失；(3)液氫輸送管道的漏熱損失應(yīng)盡可能要小。為此需對(duì)外界環(huán)境采用高級(jí)的隔熱技術(shù)，如采用高真空內(nèi)夾套或真空多層絕熱的夾套；(4)液氫進(jìn)入輸氫管之前，需將正氫絕大部分轉(zhuǎn)換成仲氫，以減少輸氫管中正、仲氫轉(zhuǎn)換所引起的能量

7、損失。 在設(shè)計(jì)液氫輸送管時(shí)，通?？梢园岩簹漭斔吐省⑤斔途嚯x、液氫的進(jìn)口溫度與壓力、液氫的過(guò)冷度、周?chē)沫h(huán)境條件以及液氫儲(chǔ)罐的容量等等作為已知的參數(shù)條件，然后，根據(jù)許可的能量損失和單相流動(dòng)的制約條件，求出輸送管道的最佳直徑。最后，再根據(jù)管道運(yùn)行與布置條件完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 一般，液氫輸送管多采用等截面的圓管。它由內(nèi)、外兩個(gè)同心套管組成。兩套管之間的環(huán)形空間抽成高度的真空(p10-10MPa)。兩段輸氫管之間可以用波紋管連接。管道中配備有彈性軟管、抽真空閥門(mén)、特制的卡口及管子插座等等。管子及其所裝插的管道零件都必需保證管內(nèi)、外之間有高度的密封和絕熱。整個(gè)管道要能夠隨溫度變化自由脹縮。液氫輸送管道的設(shè)計(jì)

8、與工藝要求都是十分精細(xì)的。 為了降低近距離輸送能量的成本，最近，有學(xué)者提出了所謂“超導(dǎo)輸能管”的概念。在這種輸能管中，把液氫的輸送跟遠(yuǎn)距離電的輸送放在一根共用的纜管中進(jìn)行。這種特制的電線管就是所謂“超導(dǎo)輸能電纜”(參閱圖8-4)。由于液氫的溫度很低。使電纜也受到深度的冷卻。在這樣液氫級(jí)的深冷溫度之下，某些金屬和合金的電阻大大降低，并使它們變?yōu)槌瑢?dǎo)體。因?yàn)橐桓娎|可輸送的能量限制在7GJ/h左右，但是一根90cm的輸氫管道，在最佳的條件下可以輸送約3倍于這一數(shù)值的能量。所以，采用液氫和電力的共同輸送可以節(jié)省投資費(fèi)用，并增大輸送的能量。圖8-4 兩種設(shè)想的輸能管的剖面圖1-外殼（鋼）；2-超絕緣材

9、料；3-內(nèi)管（深冷）；4-熱及電的絕緣；5-襯有德氟隆的深冷內(nèi)管；6-用絕緣體隔開(kāi)的兩個(gè)管材導(dǎo)體；7-支持電線8.2.2 氣氫管道 氫氣的長(zhǎng)距離管道輸送已有60余年的歷史，最老的長(zhǎng)距離氫氣輸送管道是在1938年德國(guó)魯爾建成。在德國(guó)菜茵-魯爾工業(yè)地區(qū)中赫爾(Hull)化學(xué)工廠建立的總長(zhǎng)達(dá)208km的氫氣輸送管道是世界上第一條輸氫管道。其輸氫管直徑在15-30 cm之間，額定的輸氫壓力約為2.5MPa。輸氫管材采用普通的鋼管。運(yùn)行安全和良好?！皻淠芙?jīng)濟(jì)”的概念最早于20世紀(jì)70年代被提出，意在以大規(guī)模的氫氣管網(wǎng)代替現(xiàn)有的電力輸送管網(wǎng)，進(jìn)而以氫氣代替電成為未來(lái)能源系統(tǒng)中能量輸送的理想載體。美國(guó)普林斯

10、頓大學(xué)的奧格登(Ogden)等人曾提出，通過(guò)氫氣管網(wǎng)進(jìn)行長(zhǎng)距離能量輸送的成本比通過(guò)輸電線的成本要低得多。 大約在1800年就有用管道將城市煤氣輸送到各家各戶的先例。城市煤氣含有約50的氫和5的CO。現(xiàn)在美國(guó)有720km的輸送氫氣的管道，主要在美國(guó)加州海灣地區(qū)，氫氣輸送的造價(jià)比天然氣貴，見(jiàn)表8-1、表8-2。表8-1 目前氫氣管道和天然氣管道的比較表8-2 高壓氫氣與LH2的比較目前，氫氣管道使用的直徑都不大(多數(shù)直徑d200mm)，輸氫壓力不高(p7MPa)，管道輸送距離并不很長(zhǎng)(最長(zhǎng)的為208km)，故中間不設(shè)氫氣加壓站，而輸氫管道的最佳工作參數(shù)的選擇是與中間加壓站的配置情況有關(guān)。假如輸送氫

11、氣的距離較長(zhǎng)，則通常每隔160km就要設(shè)置一個(gè)氫氣加壓站，這將使輸氫成本大為增加。在發(fā)達(dá)國(guó)家中，一般中、大城市都有現(xiàn)成的煤氣或天然氣輸送管網(wǎng)。因此，如何改造和利用現(xiàn)有的煤氣或天然氣管網(wǎng)使之輸送氫氣也是一個(gè)有用的研究課題。在設(shè)計(jì)輸氫管道時(shí)，參考煤氣管道的設(shè)計(jì)和使用經(jīng)驗(yàn)非常有益的，氫氣和煤氣或天然氣有著不同的理化性質(zhì)，這在設(shè)計(jì)管道時(shí)必須加以考慮。從第二章氫氣的性質(zhì)討論中可以看出，氫的容積燃燒熱只有天然氣的1/3左右。因此，要在輸氫管道中通過(guò)同等能量，輸氫時(shí)采用的氫氣工作壓力要比輸送甲烷時(shí)的壓力高得多。但是，由于氫的壓縮性較大，在10MPa之下，氫的壓縮性系數(shù)要比甲烷的大1.25倍，而氫氣的粘性較小

12、，故輸氫的工作壓力可以得到一些減輕。假如兩者按相同的輸送成本來(lái)估計(jì)， 則輸氫的工作壓力至少要達(dá)到14MPa的水平。采用這樣高的輸氫管道壓力，就得對(duì)管道材料作慎重選擇。利用現(xiàn)成的天然氣管道系統(tǒng)來(lái)輸送氫氣，只能供應(yīng)相當(dāng)于原來(lái)輸送甲烷能量的29%左右。要想達(dá)到原來(lái)管道的輸能容量，則管道壓力、壓縮機(jī)功率和容量都必須加大。但是，要提高原天然氣管道的工作壓力則是不能容許的，因?yàn)檫@會(huì)超出原來(lái)管網(wǎng)材料的許用極限強(qiáng)度。所以，用現(xiàn)成的煤氣管道輸氫，其使用的工作參數(shù)不可能達(dá)到最佳的匹配狀態(tài)。 在設(shè)計(jì)一個(gè)新的氫氣管道系統(tǒng)時(shí)其工作參數(shù)可以通過(guò)以下一套方程系統(tǒng)來(lái)確定。(1)能量方程式 （8-1）式中為單位時(shí)間的輸能量或能

13、量的傳輸率，GJ/h；Hu為氫氣的低熱值，GJ/kg·H2，G為氫氣的質(zhì)量流率，kg/s。(2)流量方程式 穩(wěn)定管道流的流量守恒方程 （8-2）式中V為氫氣的比容，c為氣體的流速；F為管子截面積。因?yàn)閷?duì)可壓縮流體，氣體的比容V可以從下列狀態(tài)方程解出(狀態(tài)方程) （8-3）其中Z為氫氣的壓縮因子，R為氣體常數(shù)；T及p為氫氣的工作溫度與工作壓力，氣體的流速c可以寫(xiě)成跟流動(dòng)馬赫數(shù)M（流場(chǎng)中任一點(diǎn)的流速與當(dāng)?shù)匾羲俚谋戎?，稱為該點(diǎn)氣流的馬赫數(shù)以M表示）及音速a或氣流工作溫度T的關(guān)系： （8-4）這里k為比熱比(或稱絕熱指數(shù))，kcp/cv，對(duì)于等截面的圓管，F(xiàn)D2/4，其中D是管子的直徑。把這

14、些關(guān)系及式(8-3)、(8-4)代入式(8-2)，得管道中的氫氣流量G跟管徑D及工作參數(shù)之間的關(guān)系為: （8-5）(3)壓縮機(jī)的功率方程式 （8-6） 此處N為管道輸送氫氣所消耗的壓縮功kW，k為壓氣機(jī)的壓縮效率、為輸氫管道或(兩個(gè)相鄰)壓氣機(jī)站之間的管道進(jìn)、出口壓力。 (4)壓損方程式 （8-7）式中Re為管道中氫氣的流動(dòng)雷諾數(shù)，,為氫氣的粘度。為管道內(nèi)壁的粗糙度。f是管道的壓損因子，它跟管道壓損有如下的關(guān)系 （8-8） 式子右邊的L/D為無(wú)因次管道尺寸，它可由下式求出(5)無(wú)因次管道尺寸方程式 （8-9）上式中L為輸氫管道的長(zhǎng)度或兩個(gè)輸氫壓縮機(jī)站之間的管道長(zhǎng)度，通?？梢詋m或m來(lái)表示；L/

15、D是管道的長(zhǎng)徑比，它是一個(gè)無(wú)因次的數(shù)字。式（8-1)(8-9)中包含著輸氫管道的輸能量和輸氫量G跟管道尺寸L、D 及管道中工作參數(shù)之間的關(guān)系。給定了一些已知的參數(shù)，如當(dāng)輸能量、工作溫度T，進(jìn)口壓力P2，兩壓氣站之間的壓力降以及管道輸送直徑D等都為已知時(shí)，則管道的輸送長(zhǎng)度入以及壓氣機(jī)的輸氫壓縮功率等就可按以上方程求出。 輸氫管道的直徑D是管道優(yōu)化設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要參數(shù)。它跟管網(wǎng)的工作特性、輸送能量以及管網(wǎng)的投資費(fèi)用等等都有直接關(guān)系。如果把D作為一個(gè)待確定的數(shù)量，則可把輸氫管長(zhǎng)度L作為已知數(shù)看待?？傊陨线@套方程式應(yīng)當(dāng)作為封閉系統(tǒng)用計(jì)算機(jī)求解。 以上這套確定管網(wǎng)系統(tǒng)特性的方程式也是今后確定輸氫成本

16、的基礎(chǔ)。8.3 輸氫管道的材料輸氫跟輸送其他的流體燃料有許多不同之處。首先，氫的化學(xué)性質(zhì)比較活潑，滲透能力強(qiáng)，容易和金屬發(fā)生作用，產(chǎn)生氫脆現(xiàn)象。這樣，在輸氫過(guò)程中就會(huì)出現(xiàn)材料的匹配問(wèn)題氫脆并非在一切情況下都能發(fā)生。管內(nèi)的分子氫在正常溫度和不高的壓力下(p14MPa)是情性氣體，多數(shù)不具有侵蝕作用。但當(dāng)管道中有原子氫存在時(shí)，原子氫會(huì)穿透鋼的晶間，發(fā)生所謂“晶間脆”。非常純凈的氫會(huì)侵蝕金屬表面。幾乎所有觀察到的氫脆現(xiàn)象都是在純氫作用的情況下發(fā)生的。例如，在美國(guó)的宇航應(yīng)用中，液氫杜瓦罐中揮發(fā)的氫氣，侵蝕過(guò)這種容器的焊縫，造成氫的環(huán)境脆化。 當(dāng)然，金屬在氫作用下的侵蝕程度是與金屬本身的性質(zhì)(包括其組成

17、)、所受的應(yīng)力、氫中所含的雜質(zhì)以及工作條件等有關(guān)。因此，在選用輸氫裝置的材料時(shí)，需要考慮金屬的成分、金相組織、強(qiáng)度等級(jí)和可焊性等等技術(shù)性能，而材料的價(jià)格也是一個(gè)重要的衡量指標(biāo)。 成分會(huì)改變鋼的脆性傾向。例如，增加鋼中錳的含量是有害處的，它會(huì)使應(yīng)力強(qiáng)度降低。不銹鋼在氫環(huán)境中對(duì)成分也非常敏感。對(duì)于鋼來(lái)說(shuō)，材料的金相組織也是一個(gè)重要的指標(biāo)。從氫裝置的用材觀點(diǎn)出發(fā)，抗氫能力最強(qiáng)的是淬火加回火的馬氏體；較差的則是正火后的珠光體或鐵素體，最差的是不回火的馬氏體。但是應(yīng)當(dāng)指出，大部分管道用鋼和壓力容器都采用正火組織。合金鋼與此不同，它們對(duì)金相組織的依賴性不甚明顯。材料的機(jī)械強(qiáng)度等級(jí)對(duì)氫脆也有影響，當(dāng)強(qiáng)度的級(jí)

18、別提高時(shí)，脆性就會(huì)顯得嚴(yán)重。強(qiáng)度低于7000kgmm2的鋼，沒(méi)有明顯的脆性，但其中也有些例外，這是因?yàn)槠渌矫嬉蛩氐膹?fù)合影響。管道連接和壓力容器的用鋼，目前幾乎都采用焊接。因此，鋼材或合金對(duì)焊接的適應(yīng)性及其焊接接頭對(duì)氫的敏感性具有相當(dāng)重要的影響。管道焊縫的焊接不良，產(chǎn)生裂紋，就容易引起氫脆和管道的漏氫事故。對(duì)于大型的結(jié)構(gòu)，加管線等等，材料費(fèi)用也是一個(gè)決定因素。在有些情況下所選用材料的維修費(fèi)用有時(shí)也非常重要。 從使用的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，低碳鋼具有良好的使用記錄。某些不銹鋼也不易感受氫的侵蝕，而鎳或鈦合金反而易受侵蝕為了防止發(fā)生災(zāi)難性事故，在某些情況下可以選用價(jià)格較貴的材料。但是，不能輕易地選擇鈦合金或不

19、銹鋼去取代傳統(tǒng)用鋼。 對(duì)于深冷的液氫輸送管道，除了使用傳統(tǒng)的不銹鋼材之外，有時(shí)還用復(fù)合材料或玻璃纖維等復(fù)合塑膠制品。 塑料主要用于密封、閥座、隔離支架及絕熱層材料等等。例如：聚四氟乙烯，三氟氯乙烯等常用作軟的閥座和閥桿的密封材料。8.4 輸氫成本（了解） 花費(fèi)于輸氫和配氫的成本是跟輸氫方式、輸氫的能量、輸氫的距離以及各國(guó)的具體經(jīng)濟(jì)和物價(jià)等情況有關(guān)。但是，總的說(shuō)來(lái)也有它的共同影響因素和規(guī)律。 以輸送氫氣為例，其管道的輸氫費(fèi)用是由下列幾部分費(fèi)用所組成:1) 管路費(fèi)用管路費(fèi)用Cpt$/km是由四部分費(fèi)用組成，即:i)管道材料的投資費(fèi)用Cpw，它等于A1Wp。其中A1為每噸管材的價(jià)格費(fèi)用（$/t）,W

20、p為每公里管材的重量（t/km）；（）管路裝設(shè)費(fèi)用CPI=A2×d。其中A2為單位管徑和每單位管路長(zhǎng)度的裝設(shè)費(fèi)用，其單位是（$/cm·km），d為管子的直徑（cm）；（ ）管子包襯費(fèi)用Cpc=A3×d。它包括管外抗腐蝕包料及襯套的包扎費(fèi)用。其中A3為消耗于每cm管徑每單位管長(zhǎng)的比包襯費(fèi)用，其單位是$/ cm·km，d為管徑（cm）。（）輸氫管道過(guò)境所需的道路占用費(fèi)Cpr。最后，總的管路費(fèi)用是以上四部分費(fèi)用之和: （8-10）這里，管路費(fèi)用的單位是$/km。（2)消耗于輸氫站的泵氫費(fèi)用 泵送費(fèi)用是由兩部分費(fèi)用所組成，即（）泵送站的動(dòng)力投資費(fèi)用Cps，它等于

21、每kw功率泵站的比動(dòng)力投資費(fèi)用E1（$/kW），乘以壓氣機(jī)站的總功率數(shù)Nk（kW）。（）泵送站的投資費(fèi)F1×d, 其中F1為按每單位管徑長(zhǎng)度來(lái)折算的泵站投資費(fèi)用，$/cm。因此，花費(fèi)于輸氫站的泵送投資費(fèi)用為 （8-11）（3）輸氫泵站的比燃料消耗費(fèi)用它是用符號(hào)Cf來(lái)表示。此一費(fèi)用與燃料的價(jià)格CF（$/GJ）F、輸氫壓氣機(jī)站消耗的功率Nk等有關(guān)。 （8-12） 其中t-w為壓氣機(jī)站的燃料的熱功轉(zhuǎn)換效率; E是每小時(shí)通過(guò)管道輸送的氫能量，GJ/h；L為兩個(gè)相鄰壓氣站之間的間隔距離（km）。這樣，總的輸氫成本Ct，其單位采用$/GJ·100km可以表示為： （8-13）上式中FC

22、R為每年分?jǐn)傆诠艿劳顿Y的費(fèi)用比例數(shù)。Kp為輸氫管道系統(tǒng)的負(fù)荷因子，Kp可取0.9。根據(jù)具體管道系統(tǒng)，以不同的系數(shù)及特性常數(shù)代入式(8-10)(8-13)，就可求出輸氫成本Ct及其跟輸氫距離L與輸運(yùn)氫能量E的變化關(guān)系曲線。圖8-5中示有幾種燃料的管道輸送費(fèi)用Ct$/MJ·100km跟每小時(shí)管道輸能量E，GJ/h之間的變化關(guān)系。從幾條曲線的對(duì)比中不難看出：氫氣(曲線2)的管道輸送費(fèi)用要比同樣輸能量下輸送天然氣的費(fèi)用幾乎貴3040%。對(duì)于同一被輸送的氣體來(lái)說(shuō)，隨著管道輸能量的增加，其輸送費(fèi)用就可以降低。圖 8-5 幾種不同燃料的管道輸送費(fèi)用與輸送能量之間的關(guān)系1-O2；2-H2；3-天然氣

23、；4-氨 歐洲經(jīng)濟(jì)學(xué)家曾經(jīng)對(duì)氫的輸配成本進(jìn)行過(guò)估計(jì)，其結(jié)果見(jiàn)表8-3。從該表的大致估計(jì)中可以發(fā)現(xiàn)：液氫的公路和鐵路運(yùn)輸，從能量的輸送費(fèi)用上要比氫氣的管道輸送來(lái)得便宜。特別是在長(zhǎng)距離、大容量的輸氫要求下，管道的絕熱、防漏以及加壓等技術(shù)都并不容易做得很好，所以管道輸送并不一定比公路、鐵路輸氫來(lái)得經(jīng)濟(jì)。 表8-3輸氫成本的估計(jì)(按1978年價(jià)格估計(jì)，$/GJ)液氫的遠(yuǎn)距離運(yùn)輸看來(lái)以采用遠(yuǎn)洋輪船的方法最為合算。Giacomazzi.G曾經(jīng)對(duì)洲際間的液氫運(yùn)輸成本進(jìn)行過(guò)計(jì)算。計(jì)算的方案是；以水力發(fā)電價(jià)格非常便宜的加拿大作為氫的生產(chǎn)基地。電解制氫生產(chǎn)的氫氣約有1/3左右的標(biāo)準(zhǔn)體積轉(zhuǎn)化C7H8和C7H14形式

24、的液體氫化物，其余2/3左右的氣氫深冷成為液氫。這三種液體燃料分別用儲(chǔ)箱裝載于載重量為7800t到50000t(相當(dāng)于裝載LH2(11.774.9)×106Nm3)的大小遠(yuǎn)洋貨輪上，然后運(yùn)到歐洲。這樣，按照1988年初的貨幣價(jià)格計(jì)算，其輸運(yùn)液氫的費(fèi)用在(2446)$/103Nm3 H2)之間，即平均只有0.02$/Nm3·H2。其中，高的數(shù)值屬于低載重量的輪船，而低的輸氫成本則是屬于載氫量大的船運(yùn)場(chǎng)合，所以，跟石油一樣，當(dāng)大規(guī)模用氫時(shí)代到來(lái)之時(shí)，液氫或氫氣也可以用選擇船舶作洲際間的輸運(yùn)。 8.5. 氫的加注8.5.1 加氫站介紹 燃料電池汽車(chē)是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，而氫氣加注設(shè)施

25、（加氫站）是燃料電池汽車(chē)發(fā)展的重要支撐。2003年底在美國(guó)成立的由15個(gè)國(guó)家和歐盟參加的氫能經(jīng)濟(jì)國(guó)際合作伙伴(IPHE)是政府間組織，其目標(biāo)之一就是到2020年，要建成遍及世界各地的加氫站。目前的加氫站主要集中在歐美和日本，采用的燃料形式主要分為液氫和壓縮氣體氫氣。多數(shù)氫氣加注需要利用高壓氫氣為原料，即壓縮氫氣的加氫站。此類加氫站主要包括氣體輸送和在站制氫兩種。在站制氫主要有兩種方式：天然氣水蒸氣重整和水電解制氫。目前國(guó)外已有的加氫站主要以水電解制氫為主，少部分采用天然氣水蒸氣重整制氫。各種制氫工藝中，以天然氣現(xiàn)場(chǎng)制氫的經(jīng)濟(jì)性最好，電解水制氫次之。考慮到燃料電池汽車(chē)對(duì)氫氣質(zhì)量的苛刻的要求，目前

26、國(guó)外已有的加氫站主要以水電解制氫為主。8.5.2系統(tǒng)及主要設(shè)備（了解） 一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的氫氣加注站系統(tǒng)的基本構(gòu)成為：氫源(輸送或站內(nèi)制氫)、氫氣壓縮機(jī)、儲(chǔ)氫罐、加注器，此外還有高壓閥門(mén)組件和安全及控制系統(tǒng)等。基本流程如圖8-6所示。圖8-6 天然氣重整氫氣加注站系統(tǒng)流程示意圖 現(xiàn)在的天然氣交通工具通常將以壓縮的形式儲(chǔ)存在20.724.8MPa的壓力下。然而，由于氫氣的密度比較低，以氫為燃料的燃料電池交通工具要求在更高的壓力下壓縮儲(chǔ)存氫氣，如34.5MPa或更高，以便儲(chǔ)藏系統(tǒng)可以更容易安裝在交通工具中。氫氣加注器是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的裝置，類似于CNG加注器，但操作壓力更高，安全措施更復(fù)雜。以水為原料的加氫站結(jié)構(gòu)和天然氣重整加氫站相比要簡(jiǎn)單的多。氫氣壓縮機(jī)、加注站、儲(chǔ)氫系統(tǒng)、氫氣加注系統(tǒng)與其基本相同。8.5.3 加氫站安全 加氫站的安全特別重要。為此，應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：(1) 加注氫系統(tǒng)必須沒(méi)有可靠的防靜電設(shè)施，防止因產(chǎn)生靜電引起著火爆炸事故。(2) 加注氫系統(tǒng)的設(shè)備、管道及附件應(yīng)有可靠的防滲透、泄漏措施。(3) 加注氫氣的場(chǎng)所應(yīng)設(shè)可靠的排風(fēng)裝置，及時(shí)排除泄漏的氫氣；(4) 加注系統(tǒng)及場(chǎng)所的所有電器按有關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)防爆，(5) 按有關(guān)規(guī)定、標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置必要的防雷保護(hù)設(shè)施；(6) 足夠的加注場(chǎng)地和防范措施，防止加注車(chē)輛意外損壞加氫設(shè)備或管線。8.5.4 燃料電池汽車(chē)上的供氫系統(tǒng) 燃料電池電動(dòng)汽車(chē)