液氫儲運：加速實現關鍵設備國產化

氫能源作為一種二次（cì）能源，其（qí）具有很多優點，例如熱（rè）值高、利（lì）用無汙染（rǎn）等。當前氫利用的主要特點（diǎn）是“就地生產，就地消費”，目前，氫的主要來源有：水電解製（zhì）氫，天然（rán）氣、甲醇重整（zhěng）製（zhì）氫，煤、油氣化重整製氫以及工業副產氫等等，其中以工業副產氫成本（běn）最低。而工業副產氫主要來源是焦（jiāo）爐煤氣、氯堿工業、丙烷脫氫等，大都是化工或鋼鐵行業中某個工藝環節所需加氫而產生的企業（yè）配套設備過剩產（chǎn）能（néng），氫本身的製取成（chéng）本並不（bú）高。然（rán）而，由於供需錯配，又缺乏有效儲運手段，我國每年工業副產氫超過1000萬噸，其中有約200萬噸以上沒有有效利用。

同（tóng）時相比於電能，氫能源在儲存上擁有無（wú）可比擬的優勢，而電能又能通過水電解非常方便（biàn）高效的轉化為氫氣，因此氫也被廣泛應用於電網（wǎng）的儲能研究。由於電能自身的特點，及（jí）電網輸送（sòng）能力限製，其生產和使用常常存在不匹配，導致我國每年有大量電力沒有良（liáng）好利用，形成“四棄”現象，即棄風、棄水、棄光、棄（qì）核，每年（nián）的總量（liàng）可達約1500億kWh。若利用這部分電力進行水（shuǐ）電解製氫，再將氫氣輸送利（lì）用（yòng），將極大的提高我國的能源利（lì）用效率。但目前氣體運輸的高昂成本和較（jiào）小的輸送（sòng）能力，是氫儲能的一大瓶頸。

可見，氫能的有效（xiào）利用必須要（yào）首（shǒu）先解決（jué）製取、儲運和應用（yòng）等一係列問題，而儲運則是氫能應用的（de）重要關鍵，也是目前氫氣用戶（hù）端價格高企的主要原因。

目前，氫的儲運方式主要有四種（zhǒng）：高壓氫（qīng）氣儲罐和集束（shù）管車；液氫儲罐和槽車；氫氣管道；有（yǒu）機或金（jīn）屬儲氫材料儲運。目前國內（nèi）外除歐洲建有少（shǎo）量氫氣長途輸運管道外，各國氫儲運主要還是依靠壓縮氫（qīng）氣和液氫儲運兩種方式。而采用液氫儲運，相比其他幾種方式（shì）擁有以下幾點優勢。

成本低、運量大  液氫的密度是常溫（wēn）常（cháng）壓下的800餘倍，因此（cǐ）液氫（qīng）儲（chǔ）氫密度高、儲運成本（běn）低（dī）、儲存壓力低，也更安全（quán）。一個（gè）高壓氫氣儲運站（zhàn），采用集束管（guǎn）車儲運壓力約為200~700bar，儲氫量（liàng）約為300~1000kg，占地麵積約60~80m²。而采用液（yè）氫低溫液體儲罐壓力1~1.3bar，儲氫量（liàng）約400~6000kg，占地麵積約為15~30m²。可見液氫儲氫量大，加氫（qīng）站占地麵積小，成本低。同（tóng）時，液氫儲運的運輸成本也更低，一（yī）輛40m³液氫槽車可運輸約3000kg的氫，充裝時間隻要（yào）0.5-2個（gè）小時，而一輛集束（shù）管車隻能運輸約300kg的氫，充裝時間也要2-4個小時。因此，同（tóng）重量的氫氣采用液態儲運，費用隻是壓縮氫氣的（de）十幾分之一。

純（chún）度高  經過氫液化後的氫氣純度高，能夠增加電池壽命及電量。氫燃料電池性能和壽命受CO等雜質含量影（yǐng）響很大，而氫的沸點遠低於CO、H₂S等易引起氫燃料電池中毒的雜質沸點（diǎn）。氫的液化過程中雜質被固化，LH₂純度>99.999%,液氫再氣化使用，純度可提高至（zhì）6~7N。這樣一來（lái），汽車（chē）加氫站也可以選擇更為經濟的51吃瓜网製氫或煤氣化（huà）重整製氫等方式。而在（zài）站製氫或壓縮氫氣則隻能選（xuǎn）擇成本更好的甲烷重整或（huò）電解（jiě）水製氫來保證純度，否則將會極大地影響燃料電池壽命。

效（xiào）率高、能耗低  液氫加注采用的高壓液氫活塞泵出口壓力可達（dá）875 bar，流量為100 kg/hr，能耗隻有0.5kWh/kgH₂。而（ér）壓縮氫氣采用的同等壓力等級的（de）氫氣壓縮機（jī）在體積、出口溫度、流量等方麵都很難達到此水平，而能耗則高達（dá）約5kWh/kgH₂。

綜上所述，早期加氫站由於加注量小可以由采用在站製氫以及高壓氫氣儲氫方式，但隨著氫燃料電池汽車的普及，1000+ kg/天的加氫站將成為主流，液氫儲（chǔ）運作為大規模儲運的更優選擇，必將成（chéng）為氫能儲運的主（zhǔ）流儲運方式。目前，國際上（shàng）約400多座加氫站中，已有約1/3采用液氫進行儲（chǔ）運。采用液（yè）氫儲運方式的加氫站建造、運行成本低，更有利於加氫站的基礎建設，有利於促成氫燃料電池汽（qì）車與（yǔ）加氫站建設的良性循環；而液氫輸運與儲存方式在未來氫能產業（yè）鏈中也（yě）將越來越重要，是氫燃料電池汽車產業規模化（huà）應用的必然（rán）手段。

液（yè）氫的生產（chǎn）和儲運涉及到很多核心部件和關鍵技術，氫的液（yè）化設備主要有氦透平膨脹機、低漏率換熱器、氦螺杆壓縮機、低溫閥門、正仲氫轉化器等核心部件（jiàn），而液氫的儲運過程（chéng）則對液氫（qīng）泵、液（yè）氫儲罐、液氫槽車等設備提出了很高要求。

氦透平膨脹機是（shì）氦製冷氫液（yè）化器的核心部件，它決（jué）定了氦製冷氫液化器的液化（huà）能力、能耗和穩定性。它需要在50K以下的溫度下達到每分鍾10萬轉（zhuǎn）以上的（de）轉速，持續承受20bar壓（yā）力高壓高速氣流的衝擊，同時達到65%以上的絕熱效率。因此均采用氣體潤滑的氣體軸承，並對加工（gōng）精度有著極高要求，往往需要使用五（wǔ）軸精密數控機床加工。

當液氫運輸至液氫加氫站後，如何使液氫流動至加（jiā）氫設（shè）備和給氫加壓就（jiù）成了關鍵問題，而液氫泵則是個能效遠（yuǎn）高於氫（qīng）壓縮機的選擇。液氫泵此前主要應用在航天領域，為航天器輸送低溫液氫燃料，基本為大型渦輪泵（bèng），用渦（wō）輪作為驅動泵的動（dòng）力設備（bèi）。目前液氫泵在逐漸向民用領域傾斜。小型液氫泵的研究已經有多年（nián）曆史，國外以Linde公司為代表（biǎo）已成功研製了高壓液氫活（huó）塞（sāi）泵。其技術特點（diǎn）是：小型化，可（kě）以（yǐ）裝進20英尺集裝箱；單級（jí）壓縮；最大加（jiā）注能力達到120kg/h；最小輸入壓力達到2bara；最大輸出壓力達到900bar；噪聲低於74dB(A)；出口狀態為液體。

而當（dāng）液氫抵達用戶現場，就需要液氫的貯箱來儲存。液氫貯箱作為一種低溫液體貯箱，容器必（bì）須要求絕熱，以減少漏熱導致的蒸發損（sǔn）失。對於液氫貯箱來說，目前絕熱性能最（zuì）好，且使用率最高的是（shì）真空多層絕熱，該絕熱方式是目（mù）前已知最好的。性（xìng）能優異的100m³的液氫貯箱的日蒸發率約0.5%。典型的液（yè）氫貯箱，貯箱內膽材料一般為不（bú）鏽鋼，內（nèi）膽的支撐是通（tōng）過內（nèi）構件實現，要求內構件絕熱性好，滿足貯（zhù）箱的絕熱（rè）要求。內構件通過一端焊接在貯箱（xiāng）內膽底部圓形鐵槽固定；另一（yī）端則是通過螺釘與貯箱外殼底部的支撐架相連接。

國內氫液化發（fā）展較晚，工程實例較少。1956年，洪朝生院士等人，首次在（zài）低溫（wēn）實驗室使用Linde-Hampson循環獲得液氫。1961年，在錢學森同誌的倡導下，北京航天試驗技術研究所(一〇一所)建立了低（dī）溫技術研究室，開（kāi）始研製氫與（yǔ）液（yè）化設備，並開展相關係列研究工作，以滿足未來航天工業需（xū）求（qiú）。1966年，第一套工業規模液氫生產裝置在一〇一所投產。1969年（nián）吉林氫液化（huà）設備投產，後因事故（gù）發生爆炸。1972年陝西興平化肥廠氫液化（huà）設備投產，同樣采取Linde-Hampson循環，曆史上僅供（gòng）航天發射和氫氧發動機研製試驗用。1996年一〇一所引進德國Linde公司氫液化循環設備投產，采（cǎi）用改進的預冷型（xíng）Claude循環；2008年一〇一所、2012年西昌衛星發射中心、2013年海（hǎi）南文昌發射中心先後引進法液空氫液（yè）化設備並投產，采用改進的預冷型Claude氦膨脹循（xún）環。到目前位置，我（wǒ）國在用的氫液化設備仍以進口的法液空、Linde的氦膨脹循環為主。

中科（kē）富海氫液化係統

在氫液化（huà）設備國產化方麵，中科院理化所近（jìn）年來做了大量工作，在大量（liàng）基金支持下，研製出了工業規模的氫液（yè）化工程樣機，並連續（xù）成功運行，通過（guò）鑒定試驗，具備了市場推廣的基礎。以此為契機，理化所聯合社會資本成立了成果轉化公司中科富海，研發推出了首台全國產化氦透平製（zhì）冷氫液化器。該（gāi）係統（tǒng）氫（qīng）液化能力達到1000L每小時，可連續運行8000小時，氦循（xún）環工（gōng）作壓力4-20bar，透平轉速（sù）達（dá）到80000轉每分鍾（zhōng）。目前該氫液化器已完成整體（tǐ）工（gōng）藝包，進入生產建造階段，整個係統（tǒng）在能耗（hào）、氫安全性設計等（děng）方麵都進行了充分的（de）考慮（lǜ）和研究，並具有全套知（zhī）識產權。必將在未來為我國氫能源行業的發展提供更多助力。

此外，液氫儲運（yùn）是氫燃料電池汽車產（chǎn）業規模化應用（yòng）的必然手段。當前中國燃料電池汽（qì）車產業飛速發（fā）展，而燃料（liào）電池汽車的商業運行和使用（yòng）需要配套加氫站的建設，並提供完善的製氫、儲運、加氫服務。從國外（wài）的經驗看，加氫站建設要與燃料電池汽車生產同步進行甚至超（chāo）前發展，形成良性循環。而液（yè）氫在（zài）氫的（de）儲（chǔ）運等各方麵都具有明顯優勢。因此，開發氫能源尤（yóu）其是液氫產業鏈的關鍵設備（bèi）及技術（shù），研究氫能綜合高效（xiào）利用的（de）新方式、新方法必將成為能源領（lǐng）域的潮流。