低温液态储氢技术何时“升温”！

自“碳达峰碳中和”的目标提出以来，以可再生能源为中心的新能源产业加紧布局，为我国能源结构的转型升级助力。双碳目标催促我国新能源体系的加快构建，更催促了氢能产业加紧跑马圈地的步伐。

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从制氢端到储运端再到应用端，氢能产业规模庞大且繁杂。作为最为清洁的二次能源，氢气虽然广泛存在于宇宙之中却只能通过制取才能获取。基于这一“难题”，氢能在发展过程中备受掣肘。

在储氢方面，目前国内还处在尝试和小批量示范阶段，暂未形成规模化发展。据测算，2t/d及以下规模，氢液化的能耗超过20kWh/kg；当液氢工厂规模达到50t/d时，氢液化的能耗可降低至8~9kWh/kg；随着规模进一步扩大至150t/d，液化能耗可降低至6kWh/kg。当液氢工厂的规模由5吨扩大至50t/d时，氢液化的总成本可降低至50%，未来50-150t/d规模有可能降低至40%。

当前，储氢技术主要分为高压气态储氢、低温液态储氢、高温固态储氢以及有机化合物储氢四种。

低温液态储氢技术是指在低温条件下压缩氢气，使氢气在-253℃的条件下保存到低温绝热容器中。

由于液氢密度为70.78kg/m³，是标况下氢气密度0.08342kg/m³的近850倍，即使将氢气压缩至15MPa，甚至35、70MPa，其单位体积的储存量也比不上液态储存。单从储能密度上考虑，低温液态储氢是一种十分理想的方式。但由于液氢的沸点极低(20.37K)，与环境温差极大，对容器的绝热要求很高，且液化过程耗能极大。因此对于大量、远距离的储运，采用低温液态的方式才可能体现出优势。

当前，低温液态储氢技术仍处在探索尝试阶段，我国众多科研机构和头部企业已经开始研发示范，如中科院理化所、航天101所、中科富海、国富氢能、中集氢能等。

面临大规模氢气储运难题，液氢储运技术在一定程度上具有很好的竞争力，不仅在安全性上比气态储氢更好，在规模化条件下成本也占据优势。当运输距离大于300公里时，液氢的运输和能耗费用相对较低，液氢的运输成本仅为高压气氢的1/5-1/8。

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低温液态储氢技术目前面临的主要难题是围绕液氢产能展开的。包括液氢存储的安全性和高效性，以及液氢储罐的技术和成本两大难点。

在液氢存储的安全性和高效性方面，研究重点集中在低温绝热技术上。低温绝热技术是低温工程中的一项重要技术，也是实现低温液体储存的核心技术手段，按照是否有外界主动提供能量可分为被动绝热和主动绝热两大方式。被动绝热技术是利用改造储罐本身的设计，采用物理阻隔的方式使热量难以进入并减少气体能量损耗和冷气损耗；主动绝热技术是借助外界力量进行冷气制取，通过制冷进而实现更高水平的绝热效果。两种技术均有利有弊，被动绝热技术对技术本身提出更多挑战，需要在性能上做出更多创新，主动绝热技术则因制冷设备而对装置的体积、质量、效率以及整体成本带出许多不便。

被动绝热技术不依靠外界能量输入来实现热量的转移，而是通过物理结构设计，来减少热量的漏入而减少冷损。一种明显的思路是通过增加热阻来减少漏热，如传统的堆积绝热、真空绝热等。此外，一种新型的变密度多层绝热技术( Variable density multilayer insulation，VD-MLI) ，也是类似的基本思路来减少漏热。 

（来源：低温液氢储存的现状及存在问题，作者：郭志钒，巨永林）

主动绝热技术是通过以耗能为代价来主动实现热量转移，常见的手段是采用制冷机来主动提供冷量，与外界的漏热平衡，从而实现更高水平的绝热效果。主动技术常用在一些闪蒸气再液化流程中，如LNG船的再液化流程及核磁共振仪中液氦的再液化等。

液氢储罐的技术和成本方面，主要集中在液氢储罐的容积和蒸发损失上。液氢储罐容积正在朝着大型化方向发展，然而这也意味着会加大液氢蒸发速度，蒸发损失加大。如何打造出容积更大、损耗更低的液氢储罐是国内外研究的重点方向。

液氢储罐主要包括球罐、卧式圆柱形储罐等形式。由于液氢的低温特性，储罐钢板应采用不锈钢材料，确保储罐在低温下能够正常运行。内罐是液氢储罐中最为重要的主体部分之一，承担着承装低温液氢的作用。由于液氢的储存温度极低（-253 ℃），且对接触的材料会造成氢脆氢渗等结构损伤，因此内罐材料的选用对材料可靠性，耐低温，耐氢性等的要求极为严格。国内外已有应用业绩的几种液氢储罐结构型式有：球型罐、带封头的圆柱形罐、罐箱式集装箱储罐等，内罐材料均采用的是奥氏体不锈钢。

目前国内已经开始中小容积低温液氢储罐用不锈钢材料的研究，如太钢为小型液氢储罐专门开发了一种新型316不锈钢，虽其牌号仍为316不锈钢，但在冶炼时对微量元素含量进行了优化和调整，获得了比普通316不锈钢更为优良的理化性能，使之能够稳定储存低温液氢。

根据目前国内奥氏体不锈钢低温性能试验，316不锈钢在-40~-269℃低温环境下，冲击功远高于制造标准的要求，抗拉强度和屈服强度也远高于常温环境下数值，侧向膨胀量、断后延伸率也能够满足规范要求。因此整体上，单从制造能力和性能保障上，目前国内生产的奥氏体不锈钢材料低温性能良好，为后续国内大容积液氢储罐的研制和应用打下了较为夯实的基础。

除液氢储罐罐体钢材材料外，罐体壁板耐低温性能也是不可忽视的重要因素。根据国内不锈钢材料的制造规范，不锈钢最低设计温度为-196℃，而液氢温度在-253℃，由此对罐体壁板材料耐低温承受能力提出更高要求。此外，在储存纯氢状态下，储氢材料必不可少将要面临氢脆问题。液氢储罐材料耐腐蚀程度需要前期进行多次无损检测，以确保材料的安全性。

实际应用中，国内外已经有投入使用的液氢储罐。目前使用中最大的液氢储罐位于美国NASA，容积为3200立方米，可存储227吨的液氢。据悉新的4700立方米的球状储罐的建设于2019年启动，并且预计于2022年投入运行。

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国内北京101所、西昌基地、文昌基地以及中科院理化所等地均已具备至少1t/d的生产能力。

（来源：中科院理化所谢秀娟演讲摘录）

中科院理化所研究院谢秀娟博士曾在演讲中表示：国内已经开发完成300m³移动式和固定式液氢贮罐，并成功应用于航天发射场，正在研制大型液氢球罐和民用液氢槽车。预计到2035年，国内将出现高压气氢储运、液氢储运和管道储运等多种氢气储运形势并存的局面。

目前，全球液氢产能达到485t/d。美国（共计18套装置，总产能为326t/d）和加拿大（共计5套装置，总产能81t/d）的液氢产能占据了全球液氢总产能的80%以上。我国具备液氢生产能力的文昌基地、西昌基地和航天101所，均服务于航天火箭发射领域。在民用液氢领域，由101所承建的国内首座民用市场液氢工厂（产能为0.5t/d）和研发的具有自主知识产权基于氦膨胀制冷循环的国产吨级氢液化工厂（产能为2t/d）已分别于2020年4月和2021年9月成功施工，将我国的液氢产能提升至6t/d。但距离发达国家的液氢产能规模，仍有较大差距。

除技术需要突破之外，液态储氢也面临市场和政策的双重压力。国内液氢市场已经取得了长足进步，中科院理化所已经设计出国内首个国产化5吨/天大型氢气液化装置的核心关键设备——5吨/天氢液化器大型卧式冷箱。未来将会有更大产能的液氢装备下线，在低温绝热技术上也将具备国产化优势。同时，液氢储存的行业标准和法律法规需要统一，尤其是在民用标准上，我国在很长一段时间里处于空白状态。

（来源：中科富海）

2021年11月起，市场监管总局（国家标准委）批准发布的三项液氢国家标准：GB/T40045-2021《氢能汽车用燃料 液氢》、GB/T40060-2021《液氢贮存和运输技术要求》、GB/T40061-2021《液氢生产系统技术规范》正式实施。

在这三项标准出台之前，我国民用领域的液氢标准规范均依据国家军用标准和航天工业行业标准，增大了民用液氢项目审批及落地执行的难度。而这三项国家标准的出台进一步完善了氢能标准体系，使得液氢在生产、贮存和使用等方面有标准依据。行业标准的统一在一定程度上体现了行业的发展趋势，更能推动行业的快速进步。

参考：

氢电邦：大型液氢储罐内罐材料研究与应用进展

低温液氢储存的现状及存在问题，作者：郭志钒，巨永林