加氫基礎設施技術的發展是低碳清潔氫氣在交通領域應用的重要支撐。國際上，美國、日本、歐洲等國家和地區在加氫站技術開發方面起步較早，90%以上加氫站具有70 MPa加氫能力，以液氫儲存的大容量加氫站日加氫量可超過2000 kg，加氫站全負荷、高可靠運行技術持續進步，支撐氫能基礎設施全周期成本逐步降低。
我國重點發展燃料電池商用車，采用35 MPa的Ⅲ型瓶用于車載儲氫，氫能供應以20 MPa的高壓管束形式為主，尚無液氫加氫站運行經驗，同時站內制氫加氫站受法規與標準限制，因此我國當前建成的加氫站絕大多數為外供高壓氣態氫的35 MPa加氫站。
隨著我國燃料電池車的規模化應用，我國加氫站將逐步由當前的低負荷、粗放式加氫運行狀態過渡至高密度、快速加氫的全負荷運行狀態；燃料電池車在大負載、長續航場景下拓展應用，將出現儲氫密度更高的70 MPa加氫需求。
我國加氫基礎設施現狀
我國加氫站技術與美國、日本、歐洲等國家和地區仍然有一定差距：一方面，現役35 MPa加氫站尚未經歷高負荷加氫工況下的性能和可靠性驗證，存在較大優化空間，35 MPa加氫站關鍵裝備的核心零部件依賴進口，有待深入開發；另一方面，70 MPa加氫站關鍵裝備完成攻關后，仍需經過加氫站應用驗證，進一步提高性能與可靠性，攻克核心零部件國產化，提高競爭力。此外，用于大規模加氫的液氫站技術基本處于研發空白狀態。

圖2 我國加氫站建設趨勢與特性統計

在加氫技術與裝備方面，目前，我國基于國產Ⅲ型儲氫瓶的35 MPa快速加氫控制技術，加氫性能和安全性達到國際同類先進水平，與SAE J2601氫氣加注協議標準兼容，在多個加氫站實現商業化應用。在70 MPa加氫機方面尚處于樣機階段。
為了達到乘用車3～5 min內完成加氫5 kg的需求，國際上均采用預冷至-40 ℃的氫氣進行70 MPa加注。美國NREL國家實驗室對40余座加氫站的運行數據分析結果表明，70 MPa加氫預冷能耗高，平均值達到2.5 kWh/kg。鑒于此，國際上開展了低功耗制冷及氫氣換熱技術的開發。日本NEDO和美國DOE均支持了高效率的氫氣換熱器開發，能夠實現高壓氫氣的高效換熱，已在多個加氫站應用。與此同時，加氫裝備的核心零部件，包括高精度高壓氫氣質量流量計、傳感器、調壓閥以及高可靠加氫槍等，由美國、日本、歐洲等國家和地區壟斷，我國對其的進口依賴度高，有待開發相關核心技術和零部件制造技術。此外，美國、歐洲、日本等國家和地區已實現加氫機-車輛通信輔助加氫，我國在該領域有待突破。
在壓縮機技術裝備方面，我國自主開發的45 MPa壓縮機已經應用在35 MPa加氫站，排量達到500 Nm3/h，并累計運行最高超過5000 h。為突破70 MPa加氫站用90 MPa壓縮機，我國正在進行技術攻關，預計2023年開展示范，壓縮機排量將達到200 Nm3/h，實現無故障連續運行500 h以上。與國外同類型壓縮機相比，我國壓縮機的可靠性，尤其是關鍵零部件的壽命有待進一步提高。國外已經突破了耐超高壓、長壽命、大面積的金屬膜片材料及其加工制造技術，美國PDC公司制造的45 MPa壓縮機單缸排量超過750 Nm3/h，單級壓縮比最高達到9，在加氫站操作工況下膜片期望壽命均超過4500 h，90 MPa壓縮機兩級壓縮排量達到560 Nm3/h以上，兩級綜合壓縮比超過18。
在液氫泵技術裝備方面，國外以Linde公司為代表已成功研制了高壓液氫活塞泵，可單級壓縮且最大加注能力達到120 kg/h，出口壓力可達87.5 MPa，流量為30 g/s，能耗僅有0.6 kWh/kg，而國內目前尚無成熟的高壓液氫泵產品，國內在建的液氫加氫站采用的液氫泵均為進口產品。國內液氫泵目前仍處于樣機研制階段，出口壓力僅能達到10 MPa，技術基礎薄弱。
在加氫站工藝和控制方面，我國自主開發了35 MPa加氫站新工藝以及相應的自動化控制系統，目前處于示范階段，預計將提高加氫站日加氫能力10%以上。根據美國NREL國家實驗室的分析結果表明，加氫機和壓縮機是加氫站故障率較高的設備，加氫機相關的故障事件數目占比達到57%，嚴重影響了加氫站的經濟性。美國能源部(DOE)支持了NREL國家實驗室和AP公司開展加氫機可靠性測試技術開發以及影響因素研究，以指導加氫機可靠性提升技術開發。與此同時，DOE、NREL國家實驗室和PDC公司對壓縮機進行了可靠性研究，發現加氫站運行工況下，壓縮機的頻繁啟停和壓力循環導致金屬隔膜壽命下降，有待開發更可靠的加氫站工藝和控制技術，從而提高壓縮機可靠性，降低維護成本。
在加注協議方面，美國汽車工程師學會(SAE)針對輕型汽車、重型汽車與工業用車輛等應用場景分別制定了SAE J2601-1《輕型汽車氣態氫加注協議》、SAE J2601-2(TIR)《重型汽車氣態氫加注協議》與SAE J2601-3(TIR)《工業用車輛氣態氫加注協議》。我國暫未發布氫燃料電池汽車加注協議相關國家標準。SAE J2601 標準主要適用于采用Ⅳ型儲氫瓶的氫燃料電池車輛，涉及兩種加注方法，基于圖表的加注法和質量比熱容法。歐盟與日本參考了美國加注協議分別出臺了EN 17127 加注協議與JPEC-S003，適用于35 MPa和70 MPa的Ⅲ型和Ⅳ型車用氫氣瓶，儲氫容量為2～10 kg，對于儲氫容量大于10 kg的情況做了簡單的折算。此外，其協議中根據Ⅳ型瓶的特點分別按照加氫機與車用儲氫系統是否能實現通信功能分別制定了預冷溫度為-40～-33 ℃、-33～-26 ℃、-26～-17.5 ℃三個等級的加注方案。當前，歐盟正在開發PRHYDE重載車輛加氫協議項目，預計將于2022年完成開發。
我國加氫技術路線
基于上述分析與基本國情，我國在加氫站關鍵技術和裝備方面，與國外仍有較大差距，我國應采取高壓氣態儲氫和液氫儲氫加氫技術并舉路線，重點提升加氫站關鍵材料及組件的性能，開發出高性能、長壽命、低成本的氫氣壓縮機、液氫泵，形成系統性、自主化的完整產品譜系，滿足燃料電池汽車用氫場景的需求。“十四五”期間突破制氫加氫一體化建站法規，進一步提高35 MPa加氫站可靠性，重點開發70 MPa加氫站核心裝備，加強智能化加氫站工藝控制及加氫站安全體系建設，逐步突破核心技術和零部件。

加氫站技術路線圖

在加氫技術與裝備方面，重點開發70 MPa加氫控制算法、高精度加氫計量技術、靈敏調壓技術、快速響應氫氣預冷技術以及輔助加氫的高可靠車-站通信技術，開發加氫裝備壽命評價與測試技術，研究壽命影響規律，優化提升可靠性。
在壓縮技術與裝備方面，重點開發大排量、大壓比的加氫站用90 MPa壓縮機裝備，突破關鍵零部件國產化，開發壓縮機壽命評測技術，研究壽命影響規律，優化提升可靠性。隔膜壓縮機方面，重點研究高壓臨氫膜片材料開發、長壽命氣閥和壓縮機總體優化設計、頻繁啟停和變工況適用性提升。液壓活塞式壓縮機方面，重點開發高壓臨氫材料、多級壓縮缸體結構和密封結構設計、液壓及控制系統優化設計。離子液體壓縮機方面，重點研究離子液體與氫氣的相互作用機理與熱力特性、氣-液界面形態演變規律研究、能量匹配策略及整機設計技術、滿足70 MPa加氫站需求的關鍵部件及整機研發。開展電化學壓縮等非機械式壓縮技術，降低壓縮能耗，提高排氣量。
在液氫泵方面，重點開展高壓液氫泵研制，研究液氫泵內流動特性機理，液氫泵關鍵零部件結構設計及強度分析，低溫、高壓、抗氫脆材料相容性和力學性能研究，液氫泵間隙的密封形式設計，液氫泵試驗系統設計等。
在加氫站工藝及控制方面，重點開發適應大負荷、高密度加氫需求的35 MPa/70 MPa加氫站新工藝、關鍵裝備柔性調度控制技術以及故障診斷技術，降低加氫站能耗。
70 MPa高壓氣態加氫站及液氫加氫站已成為全球加氫基礎設施技術的發展趨勢，是我國燃料電池汽車規模應用的關鍵抓手。因此，我國近10年應著力對70MPa高壓氣態加氫站與液氫加氫站技術進行攻關，力爭2030年整站加注能力提升至5000kg/d，70 MPa加氫站整站能耗降低至3.5kWh/kg，液氫加氫站能耗降至1kWh/kg。加氫機、壓縮機與液氫泵等關鍵技術裝備實現100%國產化。