液氫儲運：加速實現關鍵設備國產化

氫（qīng）能源作為一種二次能源，其具有很多（duō）優點，例如熱值高、利用無汙染等。當前（qián）氫利用的主要特（tè）點是“就地生產，就地消費”，目前，氫的主要來源有：水電解（jiě）製氫，51吃瓜网、甲醇重整製氫，煤、油氣化重整製氫以及工業（yè）副產氫等等，其中以工業副產（chǎn）氫成本最低。而工業副（fù）產氫主要來源是焦爐煤氣、氯堿工業、丙烷脫氫等，大都是（shì）化工或鋼（gāng）鐵行業（yè）中某個工藝環節所（suǒ）需加（jiā）氫而產生的（de）企業配套設備過剩產能，氫本身的製取成本並不高。然而，由於供需錯配，又缺乏有效儲運手段，我國每年工業（yè）副產氫超過1000萬（wàn）噸，其中有約200萬噸（dūn）以上沒有有效利（lì）用。

同時相比（bǐ）於電能，氫能源在儲存上擁（yōng）有無可比擬的優勢，而電能又能通過水電解非常方便高效的轉化（huà）為氫氣，因此氫也被廣泛（fàn）應用（yòng）於電網的儲能研究。由於電能自身的特點，及電網輸送能力限製，其生產和使（shǐ）用常常存在不匹配，導致我國每年有大量電力沒有良好利用，形成“四棄”現象，即（jí）棄風、棄水、棄光、棄核，每年的總量可達約1500億kWh。若利用這部分電力進行（háng）水電解製氫，再將氫（qīng）氣（qì）輸（shū）送利用，將極（jí）大的提高我國的能源利用效率。但（dàn）目前氣（qì）體運輸的（de）高昂成（chéng）本和較小的輸送能力，是氫儲能的一大（dà）瓶頸。

可見，氫能的有效利用必須要首先（xiān）解決製取、儲（chǔ）運和應用等一係列問題，而儲運則是氫能應用的（de）重要關鍵，也是（shì）目前氫氣用戶端價格高企的主要（yào）原因。

目（mù）前，氫的儲運方式主（zhǔ）要有四種：高壓氫氣（qì）儲罐和集束管車；液氫儲罐和槽車；氫氣（qì）管道；有機（jī）或金屬儲氫材料儲運。目前國內外除歐（ōu）洲建有少量（liàng）氫氣長途輸運管道外，各國氫儲運主要還（hái）是依靠壓縮氫氣（qì）和液氫儲運（yùn）兩種方式。而采用液氫儲運，相比其他（tā）幾種方（fāng）式擁有以下幾點優（yōu）勢（shì）。

成（chéng）本（běn）低、運（yùn）量（liàng）大  液氫的（de）密度是常溫常壓下的800餘倍，因此液氫儲氫密度高、儲運成本低、儲存壓力低（dī），也更安全。一（yī）個高壓氫氣儲運站，采（cǎi）用（yòng）集（jí）束管車儲運（yùn）壓力約為200~700bar，儲氫量約為300~1000kg，占地麵積約（yuē）60~80m²。而（ér）采（cǎi）用液氫低溫液體儲罐壓力1~1.3bar，儲氫量約400~6000kg，占地麵積約為15~30m²。可見液氫（qīng）儲氫量大，加氫站（zhàn）占地麵積小，成本低。同時，液氫儲運的（de）運輸成本（běn）也更低，一輛40m³液氫槽車可運輸約3000kg的氫，充裝（zhuāng）時間隻要0.5-2個小時，而一輛集束管車隻能運輸約300kg的氫，充裝時間也要2-4個小時。因此，同重量的氫氣采用液態儲運（yùn），費（fèi）用（yòng）隻是壓縮氫氣的十幾分之一。

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

效率高（gāo）、能耗低  液氫加注采用的高壓液氫活塞泵出口壓力可達875 bar，流量為100 kg/hr，能耗隻有0.5kWh/kgH₂。而壓縮氫氣采用（yòng）的同等壓力等級的氫（qīng）氣壓縮機在體積、出口溫度、流量等方麵都很難達到此（cǐ）水平，而能耗則高達約5kWh/kgH₂。

綜上所述，早期加氫站由於加注量小（xiǎo）可以由采用（yòng）在站製氫以及高壓氫氣儲氫方（fāng）式，但隨著氫（qīng）燃料（liào）電池汽車的普及，1000+ kg/天的加氫站將成為主流，液氫儲運作為大規模儲運（yùn）的更優選擇，必將成為氫（qīng）能儲運的主流（liú）儲運方（fāng）式。目前（qián），國際上約400多座（zuò）加氫站中，已有約1/3采用液氫進行儲運。采（cǎi）用液氫儲運方式的加氫站建造（zào）、運（yùn）行成本低，更有利於加氫站的基礎（chǔ）建設，有利於促成氫燃料電池汽車（chē）與加氫站建設的良性循環；而液氫輸運與（yǔ）儲存方式在未來氫能（néng）產業鏈中也將越來越重要，是（shì）氫（qīng）燃料電池汽車產業規模化應用的必然手段。

液（yè）氫的生（shēng）產和儲（chǔ）運涉及到很多核心部件和關鍵技（jì）術，氫的液化設備主要有氦透平（píng）膨脹機、低漏率換熱器、氦螺杆壓縮機、低溫閥（fá）門、正仲氫轉（zhuǎn）化器等核心部件，而液氫的儲運過程則對液氫泵、液氫儲（chǔ）罐、液氫槽車等設備提出了很高要求。

氦透平膨脹機是氦製（zhì）冷氫液化器的核心部件（jiàn），它決定了氦製冷氫液化器的（de）液化能力、能（néng）耗和（hé）穩定性。它需要在（zài）50K以下的溫度下（xià）達到每分鍾10萬轉以上的轉速，持（chí）續（xù）承（chéng）受20bar壓力高壓高速氣流的衝擊，同時達到65%以上（shàng）的絕熱效率。因此均采用氣體潤滑的氣體軸承，並對加工精度有著極（jí）高要求，往往需要使用五軸精密（mì）數控機床加工。

當（dāng）液（yè）氫（qīng）運輸至液氫加氫站後，如何（hé）使液氫（qīng）流動（dòng）至加氫（qīng）設備（bèi）和給氫加壓（yā）就成了關鍵問題（tí），而液氫泵則是個能效遠高於氫壓縮機的選擇。液氫（qīng）泵此前主要應用在航天領域，為（wéi）航天器輸送低溫液氫燃料，基（jī）本為大型渦輪泵，用渦輪（lún）作為驅動泵（bèng）的動力設備。目前（qián）液氫泵在逐漸向民用領域（yù）傾斜（xié）。小（xiǎo）型液氫泵的研究已（yǐ）經有多年曆史，國外以Linde公司為代表已成功研製了高壓（yā）液（yè）氫活塞泵。其技術（shù）特點（diǎn）是：小型化，可以裝進20英尺集裝箱；單級壓縮；最大加注能力達（dá）到120kg/h；最（zuì）小輸（shū）入壓力達到2bara；最大輸出壓力達到900bar；噪聲低於74dB(A)；出口（kǒu）狀態為液體。

而當液氫抵達用戶現場，就需要液（yè）氫的貯箱來儲存。液氫貯箱作為一（yī）種低溫液體貯（zhù）箱，容器必（bì）須要求絕熱，以減少漏熱（rè）導致的蒸發損失。對（duì）於液氫貯箱來說，目前絕熱性能最好（hǎo），且使用（yòng）率最高（gāo）的（de）是真空多層絕熱，該（gāi）絕熱方式是目前已知最好的。性（xìng）能優異的100m³的液氫貯箱的日蒸發率約0.5%。典型的液氫貯箱，貯箱內膽材料一般為不鏽鋼，內膽的支撐是通過內構件（jiàn）實現，要求內構件絕熱性好，滿（mǎn）足貯箱的（de）絕熱要求。內構件通過一（yī）端焊接在貯箱內膽底部圓形鐵槽固（gù）定；另一端則是通過螺（luó）釘與貯箱外殼底部（bù）的支撐架相連接。

國內氫液化發展較晚，工程實例較少。1956年，洪朝生院士等人，首次在低溫實驗室使用Linde-Hampson循環獲得液氫。1961年，在錢學森（sēn）同誌的倡導（dǎo）下，北京航（háng）天（tiān）試驗技術研究所(一〇一所)建立了低溫技術研究（jiū）室，開始研製氫與（yǔ）液化設（shè）備，並開展相關（guān）係列研究工作，以滿足未來航（háng）天工業需求。1966年，第一套工業規模液氫生產裝置在一〇一所投產。1969年吉林氫液（yè）化設備投產，後因（yīn）事故發生爆炸。1972年陝西興平（píng）化肥廠（chǎng）氫液化設備投產，同（tóng）樣采取（qǔ）Linde-Hampson循環，曆史上僅（jǐn）供（gòng）航天發射和氫氧（yǎng）發動機（jī）研製試驗用。1996年一〇一（yī）所引進德國Linde公（gōng）司氫液化循環設備（bèi）投產，采用改進的預（yù）冷型Claude循環；2008年一〇一所（suǒ）、2012年西昌衛星發射中心、2013年（nián）海南文昌發射中心先後引進法液空氫液化設備並投產，采用改進的預冷型Claude氦膨脹循環。到目前位置，我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（zhōng）科富海氫液化係統

在氫液化設備國（guó）產化方麵，中科院理化所近年來做（zuò）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化工程（chéng）樣（yàng）機，並連續成功運行，通過鑒定（dìng）試驗，具備了市場推廣的基礎。以此（cǐ）為契機，理化所聯合社會資本（běn）成立了成果轉化（huà）公司中科（kē）富海，研發推出了首台全國產化氦透平製冷氫液化器。該係統氫液化能力達到1000L每小時，可連續運行8000小時，氦（hài）循環工作壓力4-20bar，透平轉速達（dá）到80000轉每分鍾。目前該（gāi）氫液化器已完成整體工藝包（bāo），進（jìn）入生產建（jiàn）造（zào）階段，整（zhěng）個係統在（zài）能耗、氫（qīng）安全性設計（jì）等方麵（miàn）都進行（háng）了充分的考慮和研究，並具有全套知識產權。必將在未來為我國氫能源行業的發展提（tí）供更多助力。

此外，液（yè）氫儲運是氫燃料電池汽車產業規模化應用的必然（rán）手段。當前中國燃料電池汽車產業飛速發展，而燃料電池汽車的商業運行和使用需（xū）要配套加氫站的建設，並提供完善（shàn）的製氫、儲（chǔ）運、加氫服務。從國外的經（jīng）驗看，加氫站建設要與燃料電池汽車生（shēng）產同步進（jìn）行甚至超前發展，形成（chéng）良（liáng）性循環（huán）。而液氫（qīng）在氫的儲運等各方麵都具有明顯優勢。因此，開發（fā）氫能源尤（yóu）其是液氫產業鏈的關鍵設備及技術，研究（jiū）氫能綜合高效利用的新方式、新方法必將成為能源領域的潮流。