液氫儲(chǔ)運(yùn)：加速實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備國(guó)產(chǎn)化

氫能源作為一種二次能源，其具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如熱值高、利用無(wú)污染等。當(dāng)前氫利用的主要特點(diǎn)是“就地生產(chǎn)，就地消費(fèi)”，目前，氫的主要來(lái)源有：水電解制氫，天然氣、甲醇重整制氫，煤、油氣化重整制氫以及工業(yè)副產(chǎn)氫等等，其中以工業(yè)副產(chǎn)氫成本最低。而工業(yè)副產(chǎn)氫主要來(lái)源是焦?fàn)t煤氣、氯堿工業(yè)、丙烷脫氫等，大都是化工或鋼鐵行業(yè)中某個(gè)工藝環(huán)節(jié)所需加氫而產(chǎn)生的企業(yè)配套設(shè)備過(guò)剩產(chǎn)能，氫本身的制取成本并不高。然而，由于供需錯(cuò)配，又缺乏有效儲(chǔ)運(yùn)手段，我國(guó)每年工業(yè)副產(chǎn)氫超過(guò)1000萬(wàn)噸，其中有約200萬(wàn)噸以上沒有有效利用。

同時(shí)相比于電能，氫能源在儲(chǔ)存上擁有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，而電能又能通過(guò)水電解非常方便高效的轉(zhuǎn)化為氫氣，因此氫也被廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)的儲(chǔ)能研究。由于電能自身的特點(diǎn)，及電網(wǎng)輸送能力限制，其生產(chǎn)和使用常常存在不匹配，導(dǎo)致我國(guó)每年有大量電力沒有良好利用，形成“四棄”現(xiàn)象，即棄風(fēng)、棄水、棄光、棄核，每年的總量可達(dá)約1500億kWh。若利用這部分電力進(jìn)行水電解制氫，再將氫氣輸送利用，將極大的提高我國(guó)的能源利用效率。但目前氣體運(yùn)輸?shù)母甙撼杀竞洼^小的輸送能力，是氫儲(chǔ)能的一大瓶頸。

可見，氫能的有效利用必須要首先解決制取、儲(chǔ)運(yùn)和應(yīng)用等一系列問(wèn)題，而儲(chǔ)運(yùn)則是氫能應(yīng)用的重要關(guān)鍵，也是目前氫氣用戶端價(jià)格高企的主要原因

目前，氫的儲(chǔ)運(yùn)方式主要有四種：高壓氫氣儲(chǔ)罐和集束管車；液氫儲(chǔ)罐和槽車；氫氣管道；有機(jī)或金屬儲(chǔ)氫材料儲(chǔ)運(yùn)。目前國(guó)內(nèi)外除歐洲建有少量氫氣長(zhǎng)途輸運(yùn)管道外，各國(guó)氫儲(chǔ)運(yùn)主要還是依靠壓縮氫氣和液氫儲(chǔ)運(yùn)兩種方式。而采用液氫儲(chǔ)運(yùn)，相比其他幾種方式擁有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)。

成本低、運(yùn)量大  液氫的密度是常溫常壓下的800余倍，因此液氫儲(chǔ)氫密度高、儲(chǔ)運(yùn)成本低、儲(chǔ)存壓力低，也更安全。一個(gè)高壓氫氣儲(chǔ)運(yùn)站，采用集束管車儲(chǔ)運(yùn)壓力約為200~700bar，儲(chǔ)氫量約為300~1000kg，占地面積約60~80m²。而采用液氫低溫液體儲(chǔ)罐壓力1~1.3bar，儲(chǔ)氫量約400~6000kg，占地面積約為15~30m²?？梢娨簹鋬?chǔ)氫量大，加氫站占地面積小，成本低。同時(shí)，液氫儲(chǔ)運(yùn)的運(yùn)輸成本也更低，一輛40m³液氫槽車可運(yùn)輸約3000kg的氫，充裝時(shí)間只要0.5-2個(gè)小時(shí)，而一輛集束管車只能運(yùn)輸約300kg的氫，充裝時(shí)間也要2-4個(gè)小時(shí)。因此，同重量的氫氣采用液態(tài)儲(chǔ)運(yùn)，費(fèi)用只是壓縮氫氣的十幾分之一。

純度高  經(jīng)過(guò)氫液化后的氫氣純度高，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(zhì)含量影響很大，而氫的沸點(diǎn)遠(yuǎn)低于CO、H₂S等易引起氫燃料電池中毒的雜質(zhì)沸點(diǎn)。氫的液化過(guò)程中雜質(zhì)被固化，LH₂純度>99.999%,液氫再氣化使用，純度可提高至6~7N。這樣一來(lái)，汽車加氫站也可以選擇更為經(jīng)濟(jì)的天然氣制氫或煤氣化重整制氫等方式。而在站制氫或壓縮氫氣則只能選擇成本更好的甲烷重整或電解水制氫來(lái)保證純度，否則將會(huì)極大地影響燃料電池壽命。

效率高、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，能耗只有0.5kWh/kgH₂。而壓縮氫氣采用的同等壓力等級(jí)的氫氣壓縮機(jī)在體積、出口溫度、流量等方面都很難達(dá)到此水平，而能耗則高達(dá)約5kWh/kgH₂。

綜上所述，早期加氫站由于加注量小可以由采用在站制氫以及高壓氫氣儲(chǔ)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(yùn)作為大規(guī)模儲(chǔ)運(yùn)的更優(yōu)選擇，必將成為氫能儲(chǔ)運(yùn)的主流儲(chǔ)運(yùn)方式。目前，國(guó)際上約400多座加氫站中，已有約1/3采用液氫進(jìn)行儲(chǔ)運(yùn)。采用液氫儲(chǔ)運(yùn)方式的加氫站建造、運(yùn)行成本低，更有利于加氫站的基礎(chǔ)建設(shè)，有利于促成氫燃料電池汽車與加氫站建設(shè)的良性循環(huán)；而液氫輸運(yùn)與儲(chǔ)存方式在未來(lái)氫能產(chǎn)業(yè)鏈中也將越來(lái)越重要，是氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)規(guī)?；瘧?yīng)用的必然手段。

液氫的生產(chǎn)和儲(chǔ)運(yùn)涉及到很多核心部件和關(guān)鍵技術(shù)，氫的液化設(shè)備主要有氦透平膨脹機(jī)、低漏率換熱器、氦螺桿壓縮機(jī)、低溫閥門、正仲氫轉(zhuǎn)化器等核心部件，而液氫的儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程則對(duì)液氫泵、液氫儲(chǔ)罐、液氫槽車等設(shè)備提出了很高要求。

氦透平膨脹機(jī)是氦制冷氫液化器的核心部件，它決定了氦制冷氫液化器的液化能力、能耗和穩(wěn)定性。它需要在50K以下的溫度下達(dá)到每分鐘10萬(wàn)轉(zhuǎn)以上的轉(zhuǎn)速，持續(xù)承受20bar壓力高壓高速氣流的沖擊，同時(shí)達(dá)到65%以上的絕熱效率。因此均采用氣體潤(rùn)滑的氣體軸承，并對(duì)加工精度有著極高要求，往往需要使用五軸精密數(shù)控機(jī)床加工。

當(dāng)液氫運(yùn)輸至液氫加氫站后，如何使液氫流動(dòng)至加氫設(shè)備和給氫加壓就成了關(guān)鍵問(wèn)題，而液氫泵則是個(gè)能效遠(yuǎn)高于氫壓縮機(jī)的選擇。液氫泵此前主要應(yīng)用在航天領(lǐng)域，為航天器輸送低溫液氫燃料，基本為大型渦輪泵，用渦輪作為驅(qū)動(dòng)泵的動(dòng)力設(shè)備。目前液氫泵在逐漸向民用領(lǐng)域傾斜。小型液氫泵的研究已經(jīng)有多年歷史，國(guó)外以Linde公司為代表已成功研制了高壓液氫活塞泵。其技術(shù)特點(diǎn)是：小型化，可以裝進(jìn)20英尺集裝箱；單級(jí)壓縮；最大加注能力達(dá)到120kg/h；最小輸入壓力達(dá)到2bara；最大輸出壓力達(dá)到900bar；噪聲低于74dB(A)；出口狀態(tài)為液體。

而當(dāng)液氫抵達(dá)用戶現(xiàn)場(chǎng)，就需要液氫的貯箱來(lái)儲(chǔ)存。液氫貯箱作為一種低溫液體貯箱，容器必須要求絕熱，以減少漏熱導(dǎo)致的蒸發(fā)損失。對(duì)于液氫貯箱來(lái)說(shuō)，目前絕熱性能最好，且使用率最高的是真空多層絕熱，該絕熱方式是目前已知最好的。性能優(yōu)異的100m³的液氫貯箱的日蒸發(fā)率約0.5%。典型的液氫貯箱，貯箱內(nèi)膽材料一般為不銹鋼，內(nèi)膽的支撐是通過(guò)內(nèi)構(gòu)件實(shí)現(xiàn)，要求內(nèi)構(gòu)件絕熱性好，滿足貯箱的絕熱要求。內(nèi)構(gòu)件通過(guò)一端焊接在貯箱內(nèi)膽底部圓形鐵槽固定；另一端則是通過(guò)螺釘與貯箱外殼底部的支撐架相連接。

國(guó)內(nèi)氫液化發(fā)展較晚，工程實(shí)例較少。1956年，洪朝生院士等人，首次在低溫實(shí)驗(yàn)室使用Linde-Hampson循環(huán)獲得液氫。1961年，在錢學(xué)森同志的倡導(dǎo)下，北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所(一〇一所)建立了低溫技術(shù)研究室，開始研制氫與液化設(shè)備，并開展相關(guān)系列研究工作，以滿足未來(lái)航天工業(yè)需求。1966年，第一套工業(yè)規(guī)模液氫生產(chǎn)裝置在一〇一所投產(chǎn)。1969年吉林氫液化設(shè)備投產(chǎn)，后因事故發(fā)生爆炸。1972年陜西興平化肥廠氫液化設(shè)備投產(chǎn)，同樣采取Linde-Hampson循環(huán)，歷史上僅供航天發(fā)射和氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)研制試驗(yàn)用。1996年一〇一所引進(jìn)德國(guó)Linde公司氫液化循環(huán)設(shè)備投產(chǎn)，采用改進(jìn)的預(yù)冷型Claude循環(huán)；2008年一〇一所、2012年西昌衛(wèi)星發(fā)射中心、2013年海南文昌發(fā)射中心先后引進(jìn)法液空氫液化設(shè)備并投產(chǎn)，采用改進(jìn)的預(yù)冷型Claude氦膨脹循環(huán)。到目前位置，我國(guó)在用的氫液化設(shè)備仍以進(jìn)口的法液空、Linde的氦膨脹循環(huán)為主。

中科富海氫液化系統(tǒng)

在氫液化設(shè)備國(guó)產(chǎn)化方面，中科院理化所近年來(lái)做了大量工作，在大量基金支持下，研制出了工業(yè)規(guī)模的氫液化工程樣機(jī)，并連續(xù)成功運(yùn)行，通過(guò)鑒定試驗(yàn)，具備了市場(chǎng)推廣的基礎(chǔ)。以此為契機(jī)，理化所聯(lián)合社會(huì)資本成立了成果轉(zhuǎn)化公司中科富海，研發(fā)推出了首臺(tái)全國(guó)產(chǎn)化氦透平制冷氫液化器。該系統(tǒng)氫液化能力達(dá)到1000L每小時(shí)，可連續(xù)運(yùn)行8000小時(shí)，氦循環(huán)工作壓力4-20bar，透平轉(zhuǎn)速達(dá)到80000轉(zhuǎn)每分鐘。目前該氫液化器已完成整體工藝包，進(jìn)入生產(chǎn)建造階段，整個(gè)系統(tǒng)在能耗、氫安全性設(shè)計(jì)等方面都進(jìn)行了充分的考慮和研究，并具有全套知識(shí)產(chǎn)權(quán)。必將在未來(lái)為我國(guó)氫能源行業(yè)的發(fā)展提供更多助力。

此外，液氫儲(chǔ)運(yùn)是氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)規(guī)模化應(yīng)用的必然手段。當(dāng)前中國(guó)燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，而燃料電池汽車的商業(yè)運(yùn)行和使用需要配套加氫站的建設(shè)，并提供完善的制氫、儲(chǔ)運(yùn)、加氫服務(wù)。從國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)看，加氫站建設(shè)要與燃料電池汽車生產(chǎn)同步進(jìn)行甚至超前發(fā)展，形成良性循環(huán)。而液氫在氫的儲(chǔ)運(yùn)等各方面都具有明顯優(yōu)勢(shì)。因此，開發(fā)氫能源尤其是液氫產(chǎn)業(yè)鏈的關(guān)鍵設(shè)備及技術(shù)，研究氫能綜合高效利用的新方式、新方法必將成為能源領(lǐng)域的潮流。