原標(biāo)題：液氫：開啟能源新紀(jì)元的“超級(jí)燃料”

文/李新 詹月辰，特約撰稿人，中國(guó)石化報(bào)

日前，我國(guó)首個(gè)1噸級(jí)別混動(dòng)傾轉(zhuǎn)翼eVTOL（電動(dòng)垂直起降無(wú)人機(jī)）搭載液態(tài)氫能燃料電池的飛行驗(yàn)證順利完成。此次飛行驗(yàn)證是全球首架噸級(jí)氫能混動(dòng)傾轉(zhuǎn)翼eVTOL試飛，也是大型風(fēng)冷燃料電池系統(tǒng)在大型飛機(jī)上的首次實(shí)證案例，同時(shí)還是我國(guó)首架以液氫作為燃料的大型eVTOL應(yīng)用。

據(jù)研究，氫氣的熱值是常見燃料中最高的，為142千焦/克，大約是石油的3倍、煤炭的4.5倍。這意味著如果消耗相同質(zhì)量的燃料，氫氣所提供的能量最高，是現(xiàn)有化石燃料的理想替代品。液氫在未來(lái)eVTOL市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中具有很大優(yōu)勢(shì)。

從氣態(tài)到液態(tài)，液氫的制備需要經(jīng)歷四大嚴(yán)苛步驟

從氣態(tài)到液態(tài)，液氫的制備是一場(chǎng)跨越250攝氏度溫差的精密工程。氫氣成功液化后需將其儲(chǔ)存在專門設(shè)計(jì)的多層絕熱真空容器中

液氫，是氫氣在極低溫度下液化的產(chǎn)物。常態(tài)氫氣密度極低，為0.0899千克/立方米，直接儲(chǔ)存和運(yùn)輸效率低。通過(guò)低溫液化至零下252.78攝氏度后，液氫密度躍升至70.85千克/立方米（大約為水的1/14），其能量密度卻是鋰電池的120倍。這種“輕如鴻毛、力若千鈞”的特性，使其既能推動(dòng)百噸火箭掙脫地心引力，又能驅(qū)動(dòng)汽車實(shí)現(xiàn)零污染長(zhǎng)續(xù)航。

從氣態(tài)到液態(tài)，液氫的制備是一場(chǎng)跨越250攝氏度溫差的精密工程，需要經(jīng)歷四大嚴(yán)苛步驟。

氣體收集與凈化。氫氣的來(lái)源多種多樣，常見的制氫方法包括電解水、蒸汽重整、生物質(zhì)氣化和煤氣化等。電解水是利用電能將水分解為氫氣和氧氣，這種方法制得的氫氣純度高，但能耗較大；蒸汽重整則是利用高溫蒸汽將天然氣中的甲烷轉(zhuǎn)化為氫氣和二氧化碳，成本相對(duì)較低，是目前工業(yè)上主要的制氫方法之一；生物質(zhì)氣化和煤氣化分別通過(guò)熱解或氣化生物質(zhì)、煤來(lái)生產(chǎn)氫氣，這些方法可以充分利用廢棄物和煤炭資源，具有一定的環(huán)保和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。在收集到氫氣后，還需要對(duì)其進(jìn)行凈化處理，以去除其中的雜質(zhì)，如水分、一氧化碳、二氧化碳等，確保氫氣的純度符合后續(xù)液化的要求。

多級(jí)壓縮。為減少液化過(guò)程能耗，氫氣需進(jìn)行分階段壓縮。在一些大型的液氫生產(chǎn)裝置中，氫氣會(huì)先被壓縮為20~30兆帕，再進(jìn)入后續(xù)的冷卻環(huán)節(jié)。壓縮本身并不能使氫氣液化，卻是整個(gè)液化過(guò)程中不可或缺的一步，為后續(xù)的冷卻和液化奠定了基礎(chǔ)。

深度冷卻與液化。液化的核心在于構(gòu)建逐級(jí)降溫的“低溫階梯”：冷卻到低溫是液體制取的關(guān)鍵步驟，需要專門的冷卻設(shè)備和復(fù)雜的制冷技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。在實(shí)際操作中，通常會(huì)采用壓縮機(jī)和熱交換器來(lái)逐步降低氫氣的溫度。首先，利用液氮等冷媒對(duì)氫氣進(jìn)行預(yù)冷，將其溫度降為約80開爾文溫度（熱力學(xué)溫度），接著，通過(guò)膨脹機(jī)進(jìn)一步冷卻至30開爾文溫度，最后，通過(guò)節(jié)流閥膨脹冷卻至20開爾文溫度并實(shí)現(xiàn)冷凝液化，最終完成氣液相變。

低溫儲(chǔ)存。氫氣成功液化后需將其儲(chǔ)存在專門設(shè)計(jì)的多層絕熱真空容器中。這些儲(chǔ)罐不僅要能夠保持氫氣所需的低溫環(huán)境，防止其蒸發(fā)，而且要具備良好的密封性，防止氫氣泄漏。低溫儲(chǔ)罐通常采用高真空的絕熱容器，雙層壁之間除了保持真空，還會(huì)放置薄鋁箔來(lái)防止輻射，以最大限度地減少熱量的傳遞。

液氫成為連接當(dāng)下與未來(lái)能源轉(zhuǎn)型的核心紐帶，在多個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景

液氫的多重特性決定了其前途不可估量，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

液氫具有低密度高能量的特性。這使得液氫在一些對(duì)能量需求較高的領(lǐng)域，如航空航天、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域，具有巨大的優(yōu)勢(shì)。

液氫具有超低溫的特性。液氫的臨界值是零下252.78攝氏度，這種超低溫特性為液氫在一些特殊領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可能，如在超導(dǎo)技術(shù)中，液氫可以作為冷卻劑，為超導(dǎo)材料提供所需的低溫環(huán)境，使其展現(xiàn)出超導(dǎo)性能。

液氫具有零碳燃燒的特性。液氫與氧氣反應(yīng)僅生成水，無(wú)二氧化碳、硫化物或顆粒物排放。在全球?qū)Νh(huán)境保護(hù)日益重視的今天，液氫作為一種清潔能源，具有巨大的發(fā)展?jié)摿ΑＴ诜植际侥茉聪到y(tǒng)中，液氫可以與燃料電池結(jié)合，為家庭、商業(yè)建筑等提供電力和熱能，減少對(duì)傳統(tǒng)能源的依賴，降低碳排放。

液氫不僅是宇宙中最簡(jiǎn)單、最豐富的元素（占宇宙物質(zhì)總量的75%），更憑借其高能量密度與零碳排放特性，成為連接當(dāng)下與未來(lái)能源轉(zhuǎn)型的核心紐帶，在多個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。

在航天領(lǐng)域，液氫作為高能低溫燃料，與液氧配對(duì)時(shí)能產(chǎn)生高比沖，是運(yùn)載火箭的重要燃料之一。自1967年“土星五號(hào)”火箭搭載J-2液氫發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)登月，液氫便成為航天工業(yè)的“血液”。我國(guó)長(zhǎng)征五號(hào)火箭的YF-77氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，液氫占比達(dá)90%，單臺(tái)推力70噸，助力天問(wèn)一號(hào)登陸火星，推動(dòng)我國(guó)航天事業(yè)不斷邁向新的高度。

在交通領(lǐng)域，液氫作為一種清潔能源，正逐漸展現(xiàn)出其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和巨大的潛力，尤其是在氫燃料電池汽車中的應(yīng)用，為解決傳統(tǒng)燃油汽車帶來(lái)的環(huán)境污染和能源短缺問(wèn)題提供了新的思路。在氫燃料電池汽車中，液氫被用作燃料，通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，為車輛提供動(dòng)力。與傳統(tǒng)燃油汽車相比，液氫驅(qū)動(dòng)的氫燃料電池汽車具有諸多優(yōu)勢(shì)。液氫的能量密度高，能夠?yàn)檐囕v提供更長(zhǎng)的續(xù)航里程。例如，豐田的Mirai氫燃料電池汽車，一次加滿液氫，續(xù)航里程可在650公里以上，能滿足大多數(shù)消費(fèi)者的日常出行和長(zhǎng)途旅行需求。

在工業(yè)領(lǐng)域，液氫同樣發(fā)揮著不可或缺的重要作用，廣泛應(yīng)用于電子、半導(dǎo)體、冶金、鋼鐵等工業(yè)。

在電子工業(yè)和半導(dǎo)體制造中，液氫主要用作保護(hù)氣和還原劑。在半導(dǎo)體芯片的制造過(guò)程中，需要使用高純度的氫氣來(lái)保護(hù)硅片表面，防止其被氧化和污染。

在冶金工業(yè)中，液氫的應(yīng)用為實(shí)現(xiàn)綠色冶金提供了新的途徑。在傳統(tǒng)的冶金過(guò)程中，通常使用煤炭或焦炭作為還原劑，這會(huì)產(chǎn)生大量的二氧化碳等溫室氣體排放。使用液氫作為還原劑可顯著減少碳排放，實(shí)現(xiàn)近零排放的綠色冶金。

在鋼鐵生產(chǎn)中，氫氣可以替代傳統(tǒng)的焦炭與鐵礦石發(fā)生反應(yīng)，將鐵從礦石中還原出來(lái)。這種氫氣直接還原鐵（DRI）的工藝不僅能減少二氧化碳排放，而且能提高鋼鐵的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。使用液氫還可以降低冶金過(guò)程中的能耗，提高能源利用效率。由于液氫的能量密度高，在反應(yīng)過(guò)程中能提供更多的能量，使得冶金反應(yīng)更加充分和高效。

液氫產(chǎn)業(yè)迎來(lái)快速發(fā)展的黃金期

2030年，全球液氫市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)達(dá)到120億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率約為14%。這一增長(zhǎng)趨勢(shì)反映了液氫在能源領(lǐng)域的重要性日益凸顯，以及各國(guó)對(duì)其發(fā)展的高度重視

近年來(lái)，隨著全球?qū)η鍧嵞茉吹男枨蟛粩嘣鲩L(zhǎng)及氫能源技術(shù)的逐漸進(jìn)步，液氫產(chǎn)業(yè)迎來(lái)快速發(fā)展的黃金期。

截至2022年底，全球液氫市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到40億美元，預(yù)計(jì)到2030年將達(dá)到120億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率約為14%。這一增長(zhǎng)趨勢(shì)反映了液氫在能源領(lǐng)域的重要性日益凸顯，以及各國(guó)對(duì)其發(fā)展的高度重視。

美國(guó)是全球最大的液氫生產(chǎn)國(guó)，液氫產(chǎn)能326噸/日（占全球67%），廣泛應(yīng)用于航天、電子、化工、冶金等領(lǐng)域，在交通領(lǐng)域也得到了一定程度的應(yīng)用。在亞洲，日本的液氫技術(shù)發(fā)展迅速，在儲(chǔ)存、運(yùn)輸和應(yīng)用等方面取得了多項(xiàng)突破，建成全球首個(gè)液氫進(jìn)口碼頭（神戶），日本積極開展液氫的國(guó)際合作，進(jìn)行了從澳大利亞到日本神戶之間約9000千米液化氫運(yùn)輸試驗(yàn)，探索了液氫的長(zhǎng)距離運(yùn)輸和大規(guī)模應(yīng)用。

我國(guó)的液氫技術(shù)起步相對(duì)較晚，1956年，中科院物理所低溫實(shí)驗(yàn)室第一次制得液氫，這是我國(guó)液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)的重要起步。1960年，中科院物理所又完成了第一套小型氫液化裝置試驗(yàn)，此后較長(zhǎng)的一段時(shí)間里，由于我國(guó)液氫產(chǎn)能較低且成本過(guò)高，主要集中應(yīng)用于航空領(lǐng)域，民用領(lǐng)域基本處于空白狀態(tài)。

近年來(lái)，隨著我國(guó)對(duì)清潔能源的大力支持和氫能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，液氫技術(shù)取得了顯著突破，液氫產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了快速發(fā)展階段。

在技術(shù)研發(fā)方面：2021年，航天科技集團(tuán)六院101所研制的我國(guó)首套氫液化系統(tǒng)調(diào)試成功；2021年，我國(guó)首座液氫油電綜合供能服務(wù)站浙江石油虹光（櫻花）液氫油電綜合供能服務(wù)站竣工，為氫燃料電池汽車的推廣提供了基礎(chǔ)設(shè)施支持；2024年，中科院理化所研制的國(guó)內(nèi)首套5噸/日級(jí)大型氫液化系統(tǒng)在北京滿負(fù)荷測(cè)試調(diào)試成功。

我國(guó)液氫產(chǎn)業(yè)在發(fā)展過(guò)程中充分發(fā)揮了政策支持和市場(chǎng)需求驅(qū)動(dòng)的優(yōu)勢(shì)。國(guó)家出臺(tái)了一系列政策鼓勵(lì)液氫產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，如《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃》等，為液氫技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)業(yè)布局和市場(chǎng)推廣提供了政策保障；2022年《氫能中長(zhǎng)期規(guī)劃》明確“液氫民用化”路徑，成都試點(diǎn)液氫儲(chǔ)運(yùn)，佛山建設(shè)“氫能世界”產(chǎn)業(yè)園，支持液氫項(xiàng)目的建設(shè)和發(fā)展，促進(jìn)液氫產(chǎn)業(yè)鏈的完善，為液氫產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了廣闊的市場(chǎng)空間。

從航天器尾焰的璀璨到城市公路的靜謐，液氫正將人類對(duì)清潔能源的想象變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。液氫作為一種清潔能源，具有廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿Α１M管橫亙?cè)谇暗挠屑夹g(shù)高山和成本鴻溝，但每一次透平機(jī)的轟鳴、每一座加氫站的落成，都在為這場(chǎng)能源革命注入動(dòng)力。相信在不久的將來(lái)，液氫將在全球能源格局中占據(jù)重要地位，為人類創(chuàng)造一個(gè)更加清潔、美好的未來(lái)。

液氫發(fā)展概述

一、早期探索與技術(shù)奠基（19世紀(jì)中后期~20世紀(jì)初）

1.氣體液化理論萌芽

1845年，英國(guó)科學(xué)家邁克爾·法拉第通過(guò)醚和固態(tài)二氧化碳實(shí)現(xiàn)氣體液化，將溫度降至零下78.5攝氏度。1895年，德國(guó)卡爾·馮·林德教授研究成功一次節(jié)流循環(huán)液化空氣的方法，采用節(jié)流膨脹和逆流換熱，稱為林德循環(huán)。林德循環(huán)利用氣體在節(jié)流膨脹過(guò)程中溫度降低的現(xiàn)象（焦耳-湯姆遜效應(yīng)），通過(guò)多次循環(huán)逐步降低氣體溫度，最終實(shí)現(xiàn)氣體液化。

2.液氫首次制備成功

1908年，蘇格蘭科學(xué)家詹姆斯·杜瓦首次實(shí)現(xiàn)氫氣液化。他利用改進(jìn)的節(jié)流制冷技術(shù)獲得了約20毫升液氫。杜瓦瓶（真空保溫容器）為低溫存儲(chǔ)提供了重要技術(shù)支持，在科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療領(lǐng)域和日常生活中有著廣泛應(yīng)用。

3.液化循環(huán)理論突破

1902年，法國(guó)科學(xué)家喬治·克勞德提出了一種基于逆布雷頓循環(huán)的液化方法。后人基于此，提出活塞式膨脹引擎液化循環(huán)為克勞德循環(huán)，進(jìn)一步提高低溫氣體液化效率。

二、工業(yè)化與航天應(yīng)用（20世紀(jì)中后期）

1.液氫燃料的航天里程碑

1957年，液氫首次被用作火箭燃料；1970年美國(guó)“阿波羅”登月計(jì)劃采用液氫推進(jìn)劑。1964年，我國(guó)首次以液氫和液氧為推進(jìn)劑，成功完成火箭氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車。

2.我國(guó)液氫技術(shù)實(shí)現(xiàn)自主突破

1956年，中國(guó)科學(xué)院應(yīng)用物理研究所研制出國(guó)內(nèi)首臺(tái)氫液化器，首次實(shí)現(xiàn)液氫生產(chǎn)，產(chǎn)率達(dá)10升/小時(shí)，后提升至14升/小時(shí)。

三、現(xiàn)代發(fā)展與技術(shù)創(chuàng)新（21世紀(jì)至今）

2021年9月，我國(guó)首套噸級(jí)氫液化系統(tǒng)研發(fā)成功，實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)，縮小了與國(guó)外技術(shù)的差距。

2024年3月，我國(guó)重型車輛液氫儲(chǔ)供技術(shù)實(shí)現(xiàn)突破，解決了燃料電池卡車動(dòng)力性能與續(xù)航難題。

液氫技術(shù)在氫能產(chǎn)業(yè)鏈中具有重要作用，主要體現(xiàn)在高效儲(chǔ)存、低成本運(yùn)輸和多樣化應(yīng)用三個(gè)方面。液氫技術(shù)通過(guò)將氫氣冷卻至極低溫度（零下253攝氏度）使其液化，顯著提高了氫氣的能量密度，解決了氣態(tài)氫在儲(chǔ)存和運(yùn)輸中的許多難題。盡管液氫技術(shù)面臨能耗高、低溫要求嚴(yán)格和安全性等挑戰(zhàn)，但通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同，液氫技術(shù)有望成為推動(dòng)氫能大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵支撐技術(shù)。未來(lái)，隨著液氫技術(shù)不斷進(jìn)步，氫能產(chǎn)業(yè)鏈將更加完善，為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)提供重要助力。

液氫商業(yè)化生產(chǎn)亟須解決三個(gè)問(wèn)題

文/況開鋒 江蘇國(guó)富氫能技術(shù)裝備股份有限公司總工程師、中國(guó)石化氫能產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)專家咨詢委員會(huì)委員

問(wèn)：我國(guó)液氫產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的瓶頸和商業(yè)化應(yīng)用的難點(diǎn)有哪些？

答：液氫經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵是支持它完整的基礎(chǔ)設(shè)施，民用液氫方面在國(guó)外已有大量應(yīng)用實(shí)例，并取得了良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。我國(guó)在液氫裝備發(fā)展上起步較晚，裝備性能、大規(guī)模工程化等和國(guó)外仍有差距。液氫產(chǎn)業(yè)相關(guān)配套措施不健全、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范缺乏、試驗(yàn)及檢驗(yàn)檢測(cè)平臺(tái)空缺等因素限制了產(chǎn)品發(fā)展、使用及進(jìn)步。

在液氫商業(yè)化生產(chǎn)過(guò)程中，亟須解決的問(wèn)題主要有三個(gè)方面。

閥門附件等零部件方面。液氫閥門、安全附件型式試驗(yàn)平臺(tái)及計(jì)量?jī)x表檢測(cè)平臺(tái)資源匱乏，測(cè)試周期與產(chǎn)品實(shí)際投運(yùn)的商業(yè)用戶需求在很大程度上不匹配等，極大制約了液氫閥門、安全閥及計(jì)量?jī)x表的產(chǎn)品技術(shù)提升和產(chǎn)業(yè)化推廣；車載液氫氣瓶受液口和加氫機(jī)加注口規(guī)范化不足影響，產(chǎn)品接口形式有差異，非標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品會(huì)造成產(chǎn)品后期市場(chǎng)化應(yīng)用的局限性。

儲(chǔ)運(yùn)容器產(chǎn)品方面。液氫儲(chǔ)運(yùn)容器產(chǎn)品性能檢測(cè)的專項(xiàng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)缺少，檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)缺失造成產(chǎn)品檢測(cè)方法和過(guò)程沒(méi)有可依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)條款；目前我國(guó)還未有相關(guān)車載液氫的標(biāo)準(zhǔn)，在車載液氫氣瓶設(shè)計(jì)壓力的選取、充裝系數(shù)的計(jì)算、限充裝置具體形式、內(nèi)膽焊縫無(wú)損檢測(cè)要求、絕熱材料選型、型式試驗(yàn)內(nèi)容及要求等方面都存在不確定性，給液氫氣瓶的設(shè)計(jì)開發(fā)帶來(lái)困難。

產(chǎn)業(yè)鏈安全管理方面。液氫儲(chǔ)、運(yùn)、加、用環(huán)節(jié)的產(chǎn)品性能驗(yàn)證試驗(yàn)機(jī)構(gòu)尚處于空白，亟須建設(shè)專業(yè)化的平臺(tái)；液氫產(chǎn)品上下游標(biāo)準(zhǔn)體系需要進(jìn)一步完善、監(jiān)管部門需要進(jìn)一步明確；車載液氫瓶加注時(shí)的液氫氣化放散風(fēng)險(xiǎn)較高，規(guī)避放散風(fēng)險(xiǎn)的液氫零排放加注技術(shù)、提高車載液氫瓶的設(shè)計(jì)壓力、加氫站獲得過(guò)冷液氫所需的液氫泵等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品尚處于空白，還需通過(guò)試驗(yàn)研發(fā)和工程實(shí)踐進(jìn)一步明確。

問(wèn)： 要實(shí)現(xiàn)液氫儲(chǔ)運(yùn)產(chǎn)品在民品行業(yè)應(yīng)用中的真正商業(yè)化，需要做些什么？

答：需要多角度系統(tǒng)性地解決上述問(wèn)題。

首先，政府和行業(yè)協(xié)會(huì)應(yīng)加快建立我國(guó)液氫儲(chǔ)運(yùn)裝備產(chǎn)品生產(chǎn)、檢驗(yàn)測(cè)試和液氫安全管理等相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)要加快液氫介質(zhì)試驗(yàn)檢測(cè)設(shè)施的建設(shè)，借鑒國(guó)際經(jīng)驗(yàn)，逐步完善從設(shè)計(jì)、制造到應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)體系，為行業(yè)發(fā)展提供政策支持。

其次，國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)應(yīng)加大研發(fā)投入力度，尤其是在計(jì)量、儀表、液氫閥門等方面，加快推進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新，突破現(xiàn)有技術(shù)瓶頸。

此外，政府與企業(yè)應(yīng)聯(lián)合推動(dòng)液氫資源的民用轉(zhuǎn)化，擴(kuò)大液氫供應(yīng)渠道，并建設(shè)更多專業(yè)化液氫測(cè)試平臺(tái)，以滿足多樣化測(cè)試需求。