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基于专利分析的加氢站技术进展

日期:2021-04-06    来源:氢云链  作者:董学成 王学军

国际新能源网

2021
04/06
11:29
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关键词: 加氢站技术 氢气充装 加氢站

基于专利检索与分析,阐述了氢气充装加氢站建设的关键技术,以及中国专利技术发展趋势、申请人、专利布局区域、技术创新主体等,以期为相关技术工作者提供帮助。

能源消费形式正在发生变革,高效节能、智慧用能是现代能源消费模式的典型特征。国际氢能委员会曾发布报告称,氢能源是能源结构转型的重要方式,它更加清洁、高效,并可再生,相比于潮汐能、风能等,氢能更便于储备、运输,同时它还可作为“能源互联网”中的重要纽带。基于这些特点,氢能产业链正在不断延伸和完善,氢的电解制取、储氢材料、氢的运输、燃料电池等氢能技术不断发展。中国作为工业副产氢大国,氢气资源充足。因此,作为氢能产业发展的基础和有利保障的氢气充装与加氢站建设至关重要。本文以专利文献为切入点,采用国家知识产权局专利检索及分析系统,围绕加氢站建设的关键技术进行分析、总结。

1 加氢站与氢燃料电池

在整个能源架构里,氢能越来越体现出其优越性,它环保、高能高温、可存储、可运输、可持续再生,完全契合了当前能源消费模式的要求。目前,氢能已经在很多领域表现出了应用潜能。

在航空领域,欧盟的“CRYOPLANE”计划证明了液氢作为航空燃料在技术上的可行性;

在军事领域,以氢为动力源的潜艇、军用车已经在应用,成为发展新型军事能源的新突破口;

在能源领域,太阳能-氢能系统、生物质-氢能系统等可再生能源制氢技术不断发展;在交通运输领域,“自由燃料”计划、“氢能早期采用者计划”等氢燃料车推广项目正在世界各国推行。

这些应用证实了氢能作为替代能源的可行性。氢燃料电池是利用氢能的有效方法之一。它是直接将反应物中的化学能转化为电能的发电装置,反应产物只有电、热和水,运行平稳,环保无污染。与其他氢能利用媒介相比,氢燃料电池应用广泛,在交通、分布式发电、移动电源、热电联供等重点场景和领域都具有巨大的潜在应用价值,未来还可能应用于宇宙探索等。虽然氢燃料电池在关键技术方面已经取得一定的突破,氢燃料电池商用车已投入市场,但从目前的市场推广情况来看,加氢站等基础配套设施的建设才是氢燃料电池前进路上的“短板”。

氢燃料电池的发展和商业化离不开加氢站建设的推动,加氢站的网络化建设又可促进氢燃料电池的发展。推进氢能的使用,加氢站建设成为关键的一环。目前大力发展燃料电池汽车加氢站的国家主要有美国、德国、日本,其均制定了长期的发展规划,其中日本成为世界上加氢站最多的国家。

截至2018年,全球约有369座加氢站,其中亚洲大约136座(日本96座),欧洲大约152座(德国60座),北美地区大约有78座(美国42座)加氢站。2019年数据尚未完善,但是日本成为全球第一个加氢站超过100座的国家。相比国外,中国加氢站发展较为滞后。截至2018年底,中国已建成加氢站23座,其中固定式11座、撬装站10座、厂内站2座。此外,中国在建加氢站有40座,分别位于北京、上海、江苏、辽宁、安徽、河南、广东和四川等地。加氢站建设可以结合现有城市燃气加气站进行合理规划,可以对一些利用率不高的LNG、CNG站进行综合改造,完成加氢站和加气站的综合建设,提高城市燃气供能多样性。

加氢站基础设施建设与氢燃料电池技术研发是促进氢能产业发展和技术进步的重要举措。随着氢能源的逐渐发展,中国在节能减排和新能源汽车产业发展规划中,对氢能和新能源汽车提供政策支持。如今,氢能产业已经发展到一个风口,那就是加氢站的建设,国务院及各地政府也制定了一些相关政策推进加氢站基础设施的建设。综合政府、产业、技术、企业等多方面因素,预估中国加氢站基础设施建设将在三年内进入快速发展期。

2 加氢站建设技术分析

2.1 氢气的储存

氢气的储存方法按氢气的物理状态可分为压缩气态氢、液态氢、深冷压缩氢及浆氢4种,按照储氢材料类型可分为金属氢化物、液态有机氢载体、吸附剂(MOF吸附剂、沸石纳米管)。

迄今为止,只有压缩和液化的物理储存方法才具有商业价值。因为相对其他技术而言,加压压缩或者极低温液化的操作更容易实现,氢也更便于运输至终端用户。从将氢能逐步示范推广,并成为未来一种重要交通燃料的意义上看,能够保障将车用氢能安全、经济的配送到加氢站,并完成车辆加注的解决方案将尤为重要,是其能够实现产业化发展的先决条件。加氢站需要解决氢能产业从制备到使用过程中的供应及加注问题,为能源消费模式转变加速赋能,为未来出行减排,氢气储存方式对比表见表1。

2.2 加氢站系统

加氢站系统依据不同的功能,可分为制氢系统(自制氢)或输送系统(外供氢)、调压干燥系统、氢气压缩系统、储气系统、售气加注系统和控制系统6个主要子系统。加氢站通过外部供氢和站内制氢获得氢气后,经过调压干燥系统处理后转化为压力稳定的干燥气体,随后在氢气压缩机的输送下进入高压储氢罐储存,最后通过氢气加注机为燃料电池汽车进行加注。氢气压缩机、高压储氢罐、氢气加注机是加氢站系统的三大核心装备,其作用如下。

(1)氢气压缩机

将氢源加压注入储气系统的核心设备,输出压力和气体封闭性能是其最重要的两个性能指标。从全球范围内来看,各种类型的压缩机都有使用。隔膜式压缩机输出压力极限可超过100MPa,密封性能非常好,因此是加氢站氢气系统的最佳选择,但隔膜式氢气压缩机需采用极薄的金属液压驱动膜片将压缩气体和液油完全分开,液油压缩结构和冷却系统较为复杂,技术难度远高于常规压缩机。

(2)高压储氢罐

高压储氢罐是加氢站储气系统的储氢容器,储气压力是其主要技术指标。在高压下,氢气与传统工业气瓶的钢质内胆易发生氢脆反应,诱发容器壁裂纹生长,加氢站高压储氢罐主要采用碳纤维复合材料或纤维全缠绕铝合金制成的新型轻质耐压内胆,外加可吸收冲击的坚固壳体。

(3)氢气加注机

为燃料电池汽车加注氢燃料的核心设备,加注压力是其主要参数,但其主要结构和工作原理与CNG加气机并无较大区别,未来的发展方向在于加注系统的智能化和安全性的提高。

专利对其他专利文献的引用体现了技术发展的规律、技术之间的继承和积累,以及不同技术的交叉和渗透,同时也是专利价值的体现。被引证次数较多的10件加氢站系统相关专利见表2,主要涉及加氢站的氢气生产设备、高压供氢系统、加氢站的加气系统、加氢控制系统、快速充装氢气的系统与方法、温升与能耗控制方法、冷却加注方法、氢燃料加注和卸载系统等多个技术领域。

专利CN200420082022(表中未列出)是国内企业开始针对加氢设施申请较早的一篇专利,公开了一种非电驱动的移动式高压氢气加注系统,包括氢气增压器、液压空压机、加气机、控制和调节阀门,可用于燃料电池汽车的道路试验和示范运行中的氢燃料加注。同济大学申请的CN200810203556.5专利公开了一种可用于高压氢气加氢站的加气系统,包括控制系统、采样系统、加注系统、报警系统和氮气吹扫系统,可提高加氢站的取气率及保证在快速加注过程中,被加注车载储氢瓶的温升严格控制在要求的温度范围内,共被引证达21次,具有重要技术应用价值。同济大学氢能技术研究所自2007年开始先后申请了7件专利,在氢能基础设施和燃料电池领域做出了突出贡献,研制出了国内第一辆移动加氢站,建设了上海第一座固定加氢站,填补了中国在氢能领域的空白。同时,其在副产氢气的利用、氢气品质的研究以及燃料电池汽车的车载高压供氢系统的研制方面也做出了杰出贡献。

近几年国家对氢能领域的重视程度的提高,国内科研院所和企业更加重视加氢站的开发,在核心技术领域取得了一定的成效。

2.3 中国专利申请总体趋势

通过中国专利申请总体趋势图见图1,从图1可以看出,从2004年开始,国内企业开始针对加氢设施申请专利,相关专利一直呈现波动式申请趋势。在2015年之前,专利申请量较少,平均每年申请量在15件左右。但在2016年专利申请数量获得爆发式增长,并且从2017开始专利申请数量连续3年达到甚至超过150件,一直处于较高申请量。2018年专利申请超过200件。加氢站专利申请的剧增,表明加氢站的技术发展正由2004-2015年的萌芽期进入技术增长期。

2016年开始企业、研究院所、高校的研发机构开始逐渐重视该技术,并持续的投入研发。从专利的公开趋势来看,2016-2019专利申请数量的激增,表明中国加氢站产业相关技术获得快速发展,可以预计中国加氢站的建设将进入快速发展阶段。技术的爆发式增长伴随着国家政策的引导以及国家战略性规划的制定实施,中国氢能基础设施的建设将得到快速的发展。

2016年来,一系列战略性规划的制定推进氢能产业链快速完善。2016年《能源技术革命创新行动计划(2016-2030)》的制定,明确了中国能源技术革命的总体目标:到2020年,能源自主创新能力大幅提升,一批关键技术取得重大突破,能源技术装备、关键部件及材料对外依存度显著降低,中国能源产业国际竞争力明显提升,能源技术创新体系初步形成;到2030年,建成与国情相适应的完善的能源技术创新体系,能源自主创新能力全面提升,能源技术水平整体达到国际先进水平,支撑中国能源产业与生态环境协调可持续发展,进入世界能源技术强国行列。2019年“推动充电、加氢等设施建设”等内容被写入《政府工作报告》,这是氢能产业首次被写入政府报告,表明国家对氢能、加氢站等基础设施建设的重视。预计更多的相关产业扶持政策也将陆续推出,国内氢能源配套设施建设有望迎来高潮。

2.4 专利权人分析

中国加氢站专利申请量居前10的公司分别为蚌埠艾普压缩机制造有限公司、中科液态阳光(苏州)氢能发展有限公司、郑州宇通客车股份有限公司、张家港富瑞氢能装备有限公司、张家港氢云新能源研究院有限公司、上海氢枫能源技术有限公司、浙江昊凡科技有限公司等。

通过对中国加氢站专利申请量居前10的公司的技术领域及其申请情况分析可知,在加氢站应用方面的专利数量较多,具体技术设备包括压缩机、储氢罐、液氢泵、气化器、冷却器、分配器;主要涉及的技术有氢气制取、氢气储运、氢气液化、加氢站设计等。前10名专利权人中企业占比较大,共有9家企业入榜,高校仅有1家,存在明显的不平衡性。

有数据统计显示,高校和科研机构是专利协同创新体系中的重要支撑,具有代表性和一定实力的企业可通过技术协作、合作开发、共建研发实体、共建联合实验室、研究基金合作等形式,借助国内高校、科研院所的力量推动氢能产业的合作研发。加强企业与高校、研究院所的合作,实现互相支持、互相渗透、互相介入、优势互补、资源互用、利益共享是促进技术管理现代化的重要途径。在加氢站技术中,企业发挥了创新主体的作用,但是在中国当前大背景下,高校、研究院所的科技人力资源还应发挥其创新主力的作用,使企业的主体地位与高校、研究院所的主力作用有机统一起来。专利权人前十名情况见图2。

2.5 地域分析

为研究氢能专利技术,特别是加氢站专利技术的地域分布情况,对加氢站相关的817件专利按照专利权人所属省份分类,江苏省、北京市、广东省、浙江省、上海市专利占有量分列前五,在加氢站技术发展中起到了先锋作用。围绕这五大省份建立华东、京津冀、华南、华中等氢能产业集群,发挥其技术优势,建立起相对成熟的产业配套和商业化应用体系,对氢能产业链的发展具有重要的推动作用。专利申请数量地域分布见图3。

3 结语

中国是能源消耗大国,能源需求量还将在较长时期内保持增长。发展氢能产业,是践行能源革命战略、保障国家能源安全的重要选择。在立足国情的基础上探索和发现中国氢能产业发展道路,不仅必要而且可行。可以预见,中长期内氢能在中国能源终端消费领域的地位将日益显现出来,本文从加氢站专利技术的角度出发,阐述了加氢站的关键技术、专利权人以及技术发展趋势,在一段时间内加氢站建设应立足于技术发展程度、市场成熟度、国家战略发展规划,恰当把握发展节奏,推进加氢站基础设施的建设。


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