原標題：液氫：開啟能源新紀元的“超級燃料”

文/李新 詹月辰，特約撰稿人，中國石化報

日前，我國首個1噸級別混動傾轉(zhuǎn)翼eVTOL（電動垂直起降無人機）搭載液態(tài)氫能燃料電池的飛行驗證順利完成。此次飛行驗證是全球首架噸級氫能混動傾轉(zhuǎn)翼eVTOL試飛，也是大型風冷燃料電池系統(tǒng)在大型飛機上的首次實證案例，同時還是我國首架以液氫作為燃料的大型eVTOL應用。

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eVTOL市場競爭中具有很大優(yōu)勢。

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

從氣態(tài)到液態(tài)，液氫的制備是一場跨越250攝氏度溫差的精密工程。氫氣成功液化后需將其儲存在專門設計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，直接儲存和運輸效率低。通過低溫液化至零下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，使其既能推動百噸火箭掙脫地心引力，又能驅(qū)動汽車實現(xiàn)零污染長續(xù)航。

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

氣體收集與凈化。氫氣的來源多種多樣，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熱解或氣化生物質(zhì)、煤來生產(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)濟價值。在收集到氫氣后，還需要對其進行凈化處理，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。

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

深度冷卻與液化。液化的核心在于構(gòu)建逐級降溫的“低溫階梯”：冷卻到低溫是液體制取的關鍵步驟，需要專門的冷卻設備和復雜的制冷技術來實現(xiàn)這一目標。在實際操作中，通常會采用壓縮機和熱交換器來逐步降低氫氣的溫度。首先，利用液氮等冷媒對氫氣進行預冷，將其溫度降為約80開爾文溫度（熱力學溫度），接著，通過膨脹機進一步冷卻至30開爾文溫度，最后，通過節(jié)流閥膨脹冷卻至20開爾文溫度并實現(xiàn)冷凝液化，最終完成氣液相變。

低溫儲存。氫氣成功液化后需將其儲存在專門設計的多層絕熱真空容器中。這些儲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，還會放置薄鋁箔來防止輻射，以最大限度地減少熱量的傳遞。

液氫成為連接當下與未來能源轉(zhuǎn)型的核心紐帶，在多個領域都有廣泛的應用前景

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能量需求較高的領域，如航空航天、交通運輸?shù)阮I域，具有巨大的優(yōu)勢。

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域的應用提供了可能，如在超導技術中，液氫可以作為冷卻劑，為超導材料提供所需的低溫環(huán)境，使其展現(xiàn)出超導性能。

液氫具有零碳燃燒的特性。液氫與氧氣反應僅生成水，無二氧化碳、硫化物或顆粒物排放。在全球?qū)Νh(huán)境保護日益重視的今天，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，減少對傳統(tǒng)能源的依賴，降低碳排放。

液氫不僅是宇宙中最簡單、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，成為連接當下與未來能源轉(zhuǎn)型的核心紐帶，在多個領域都有廣泛的應用前景。

在航天領域，液氫作為高能低溫燃料，與液氧配對時能產(chǎn)生高比沖，是運載火箭的重要燃料之一。自1967年“土星五號”火箭搭載J-2液氫發(fā)動機實現(xiàn)登月，液氫便成為航天工業(yè)的“血液”。我國長征五號火箭的YF-77氫氧發(fā)動機，液氫占比達90%，單臺推力70噸，助力天問一號登陸火星，推動我國航天事業(yè)不斷邁向新的高度。

在交通領域，液氫作為一種清潔能源，正逐漸展現(xiàn)出其獨特的優(yōu)勢和巨大的潛力，尤其是在氫燃料電池汽車中的應用，為解決傳統(tǒng)燃油汽車帶來的環(huán)境污染和能源短缺問題提供了新的思路。在氫燃料電池汽車中，液氫被用作燃料，通過電化學反應產(chǎn)生電能，為車輛提供動力。與傳統(tǒng)燃油汽車相比，液氫驅(qū)動的氫燃料電池汽車具有諸多優(yōu)勢。液氫的能量密度高，能夠為車輛提供更長的續(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)消費者的日常出行和長途旅行需求。

在工業(yè)領域，液氫同樣發(fā)揮著不可或缺的重要作用，廣泛應用于電子、半導體、冶金、鋼鐵等工業(yè)。

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

在冶金工業(yè)中，液氫的應用為實現(xiàn)綠色冶金提供了新的途徑。在傳統(tǒng)的冶金過程中，通常使用煤炭或焦炭作為還原劑，這會產(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，將鐵從礦石中還原出來。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，在反應過程中能提供更多的能量，使得冶金反應更加充分和高效。

液氫產(chǎn)業(yè)迎來快速發(fā)展的黃金期

2030年，全球液氫市場規(guī)模預計達到120億美元，復合年增長率約為14%。這一增長趨勢反映了液氫在能源領域的重要性日益凸顯，以及各國對其發(fā)展的高度重視

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

截至2022年底，全球液氫市場規(guī)模達到40億美元，預計到2030年將達到120億美元，復合年增長率約為14%。這一增長趨勢反映了液氫在能源領域的重要性日益凸顯，以及各國對其發(fā)展的高度重視。

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

我國的液氫技術起步相對較晚，1956年，中科院物理所低溫實驗室第一次制得液氫，這是我國液態(tài)儲氫技術的重要起步。1960年，中科院物理所又完成了第一套小型氫液化裝置試驗，此后較長的一段時間里，由于我國液氫產(chǎn)能較低且成本過高，主要集中應用于航空領域，民用領域基本處于空白狀態(tài)。

近年來，隨著我國對清潔能源的大力支持和氫能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，液氫技術取得了顯著突破，液氫產(chǎn)業(yè)進入了快速發(fā)展階段。

在技術研發(fā)方面：2021年，航天科技集團六院101所研制的我國首套氫液化系統(tǒng)調(diào)試成功；2021年，我國首座液氫油電綜合供能服務站浙江石油虹光（櫻花）液氫油電綜合供能服務站竣工，為氫燃料電池汽車的推廣提供了基礎設施支持；2024年，中科院理化所研制的國內(nèi)首套5噸/日級大型氫液化系統(tǒng)在北京滿負荷測試調(diào)試成功。

我國液氫產(chǎn)業(yè)在發(fā)展過程中充分發(fā)揮了政策支持和市場需求驅(qū)動的優(yōu)勢。國家出臺了一系列政策鼓勵液氫產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，如《能源技術革命創(chuàng)新行動計劃》等，為液氫技術研發(fā)、產(chǎn)業(yè)布局和市場推廣提供了政策保障；2022年《氫能中長期規(guī)劃》明確“液氫民用化”路徑，成都試點液氫儲運，佛山建設“氫能世界”產(chǎn)業(yè)園，支持液氫項目的建設和發(fā)展，促進液氫產(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，液氫正將人類對清潔能源的想象變?yōu)楝F(xiàn)實。液氫作為一種清潔能源，具有廣闊的應用前景和發(fā)展?jié)摿?。盡管橫亙在前的有技術高山和成本鴻溝，但每一次透平機的轟鳴、每一座加氫站的落成，都在為這場能源革命注入動力。相信在不久的將來，液氫將在全球能源格局中占據(jù)重要地位，為人類創(chuàng)造一個更加清潔、美好的未來。

液氫發(fā)展概述

一、早期探索與技術奠基（19世紀中后期~20世紀初）

1.氣體液化理論萌芽

1845年，英國科學家邁克爾·法拉第通過醚和固態(tài)二氧化碳實現(xiàn)氣體液化，將溫度降至零下78.5攝氏度。1895年，德國卡爾·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)流膨脹過程中溫度降低的現(xiàn)象（焦耳-湯姆遜效應），通過多次循環(huán)逐步降低氣體溫度，最終實現(xiàn)氣體液化。

2.液氫首次制備成功

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

3.液化循環(huán)理論突破

1902年，法國科學家喬治·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)，進一步提高低溫氣體液化效率。

二、工業(yè)化與航天應用（20世紀中后期）

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“阿波羅”登月計劃采用液氫推進劑。1964年，我國首次以液氫和液氧為推進劑，成功完成火箭氫氧發(fā)動機地面試車。

2.我國液氫技術實現(xiàn)自主突破

1956年，中國科學院應用物理研究所研制出國內(nèi)首臺氫液化器，首次實現(xiàn)液氫生產(chǎn)，產(chǎn)率達10升/小時，后提升至14升/小時。

三、現(xiàn)代發(fā)展與技術創(chuàng)新（21世紀至今）

2021年9月，我國首套噸級氫液化系統(tǒng)研發(fā)成功，實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)，縮小了與國外技術的差距。

2024年3月，我國重型車輛液氫儲供技術實現(xiàn)突破，解決了燃料電池卡車動力性能與續(xù)航難題。

液氫技術在氫能產(chǎn)業(yè)鏈中具有重要作用，主要體現(xiàn)在高效儲存、低成本運輸和多樣化應用三個方面。液氫技術通過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)氫在儲存和運輸中的許多難題。盡管液氫技術面臨能耗高、低溫要求嚴格和安全性等挑戰(zhàn)，但通過技術創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同，液氫技術有望成為推動氫能大規(guī)模商業(yè)化應用的關鍵支撐技術。未來，隨著液氫技術不斷進步，氫能產(chǎn)業(yè)鏈將更加完善，為實現(xiàn)碳中和目標提供重要助力。

液氫商業(yè)化生產(chǎn)亟須解決三個問題

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

問：我國液氫產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的瓶頸和商業(yè)化應用的難點有哪些？

答：液氫經(jīng)濟發(fā)展的關鍵是支持它完整的基礎設施，民用液氫方面在國外已有大量應用實例，并取得了良好的社會和經(jīng)濟效應。我國在液氫裝備發(fā)展上起步較晚，裝備性能、大規(guī)模工程化等和國外仍有差距。液氫產(chǎn)業(yè)相關配套措施不健全、相關標準規(guī)范缺乏、試驗及檢驗檢測平臺空缺等因素限制了產(chǎn)品發(fā)展、使用及進步。

在液氫商業(yè)化生產(chǎn)過程中，亟須解決的問題主要有三個方面。

閥門附件等零部件方面。液氫閥門、安全附件型式試驗平臺及計量儀表檢測平臺資源匱乏，測試周期與產(chǎn)品實際投運的商業(yè)用戶需求在很大程度上不匹配等，極大制約了液氫閥門、安全閥及計量儀表的產(chǎn)品技術提升和產(chǎn)業(yè)化推廣；車載液氫氣瓶受液口和加氫機加注口規(guī)范化不足影響，產(chǎn)品接口形式有差異，非標準化的產(chǎn)品會造成產(chǎn)品后期市場化應用的局限性。

儲運容器產(chǎn)品方面。液氫儲運容器產(chǎn)品性能檢測的專項技術標準缺少，檢測技術標準缺失造成產(chǎn)品檢測方法和過程沒有可依據(jù)的標準技術條款；目前我國還未有相關車載液氫的標準，在車載液氫氣瓶設計壓力的選取、充裝系數(shù)的計算、限充裝置具體形式、內(nèi)膽焊縫無損檢測要求、絕熱材料選型、型式試驗內(nèi)容及要求等方面都存在不確定性，給液氫氣瓶的設計開發(fā)帶來困難。

產(chǎn)業(yè)鏈安全管理方面。液氫儲、運、加、用環(huán)節(jié)的產(chǎn)品性能驗證試驗機構(gòu)尚處于空白，亟須建設專業(yè)化的平臺；液氫產(chǎn)品上下游標準體系需要進一步完善、監(jiān)管部門需要進一步明確；車載液氫瓶加注時的液氫氣化放散風險較高，規(guī)避放散風險的液氫零排放加注技術、提高車載液氫瓶的設計壓力、加氫站獲得過冷液氫所需的液氫泵等技術標準和產(chǎn)品尚處于空白，還需通過試驗研發(fā)和工程實踐進一步明確。

問： 要實現(xiàn)液氫儲運產(chǎn)品在民品行業(yè)應用中的真正商業(yè)化，需要做些什么？

答：需要多角度系統(tǒng)性地解決上述問題。

首先，政府和行業(yè)協(xié)會應加快建立我國液氫儲運裝備產(chǎn)品生產(chǎn)、檢驗測試和液氫安全管理等相關的行業(yè)標準，第三方檢測機構(gòu)要加快液氫介質(zhì)試驗檢測設施的建設，借鑒國際經(jīng)驗，逐步完善從設計、制造到應用的標準體系，為行業(yè)發(fā)展提供政策支持。

其次，國內(nèi)相關企業(yè)應加大研發(fā)投入力度，尤其是在計量、儀表、液氫閥門等方面，加快推進技術創(chuàng)新，突破現(xiàn)有技術瓶頸。

此外，政府與企業(yè)應聯(lián)合推動液氫資源的民用轉(zhuǎn)化，擴大液氫供應渠道，并建設更多專業(yè)化液氫測試平臺，以滿足多樣化測試需求。